KR101256616B1

KR101256616B1 - 연속주조장치

Info

Publication number: KR101256616B1
Application number: KR1020100059071A
Authority: KR
Inventors: 최상우; 김구화; 오기장; 권오덕; 야마다 요시히로; 야마다 히로히사; 야마무라 히데아키; 시마 테츠오; 김영덕; 야마무라 카주토
Original assignee: 신닛테츠스미킨 카부시키카이샤; 주식회사 포스코
Priority date: 2010-06-22
Filing date: 2010-06-22
Publication date: 2013-04-19
Anticipated expiration: 2030-06-22
Also published as: KR20110138897A

Abstract

본 발명의 연속주조장치는 발진부로부터 응고면까지의 초음파 진동자를 연장하여 덴드라이트 조직의 미세화를 위해 충분한 양의 초음파 에너지를 응고면에 도달시키는 것이 가능하여 고품질의 금속 제품을 제조할 수 있다. 또한, 침지부를 파인세라믹스로 형성하는 것에 의해 용융금속에 대하여 내열성을 구비한 진동자를 구성할 수 있다. 또한, 진동자에 굴곡부를 형성하는 것에 의해, 응고면과 진동자의 침지부 선단과의 거리를 용이하게 단축할 수 있다.

Description

연속주조장치{CONTINUOUS CASTER}

본 발명은 금속의 연속주조장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 초음파를 인가시켜 주조품의 응고조직을 미세화시킨 연속주조장치에 관한 것이다.

연속주조장치는 턴디쉬내의 용강등의 용융금속을 수냉등에 의해 냉각되어 있는 주형내 주입시켜 냉각하고 일정의 형상의 주편 또는 주조품을 얻는 것이다. 일반적으로 용강의 냉각과정에는 용강의 응고면에 덴드라이트 조직이 생성되며 이러한 덴드라이트 조직의 생성은 강편의 결정립의 크기를 증대시켜, 압연공정에서 높은 압하비를 요구하여 추가적인 공정 비용을 발생시키거나 압연제품의 품질을 저하시키는 원인이 되고 있다.

따라서, 연속주조과정에 있어서, 상기 덴드라이트조직을 파괴시켜 미세화시키는 것이 요구되고 있다.

종래의 경우, 연속주조 과정중 초음파의 적용은 주조품의 주조중 성분첨가나 주편의 표면균열을 방지하는 수단으로서 초음파를 주조중 주물의 응고면에 부여하는 것이 개시되었다. 예를 들어, 봉상의 첨가재의 선단을 금형내의 용탕욕면 아래에 침적하고 상기 첨가재에 초음파진동을 부여하면서 연속주조를 하는 방법이 개시된 바 있다(特開平9-24441號公報).

또한, 연속주조용 주형내의 용융금속에 직류자장을 인가하고 그에 더하여 주형 및 주편에 초음파를 인가시켜 주편의 결함의 저감을 도모한 연속주조방법이 개시된 바 있다(特開2000-351051號公報).

초음파에 의해 응고면의 유해한 덴드라이트를 파괴시켜 유익하게 미세화하기 위해서는 진동자로부터 발생하는 초음파를 가능한 감쇄시키지 않고 응고면에 인가할 필요가 있으나 종래의 기술에는 이것이 곤란하였다. 예를 들어, 特開平9-24441號公報에 기재된 발명은 초음파를 발진하는 부분이 봉상의 첨가재로 있어서 시간의 경과에 따라 첨가재가 짧아지므로 응고면에 초음파 발진부분을 근접시키는 것이 곤란하다. 그 결과, 초음파가 응고면에 도달하기 전에 상당히 감쇄되어 덴드라이트 조직의 미세화에 충분한 양의 초음파 에너지를 응고면에 부여할 수가 없다.

또한, 特開2000-351051號公報에서와 같이 주형의 외측에 초음파 발진기를 배치한 경우, 상기 발진기로부터 초음파는 주형내를 통과하는 간격에서 대폭적인 감쇄가 되기 때문에 용강의 응고면까지 충분한 초음파 에너지가 도달하지 못하고 있다.

본 발명은 초음파에 의해 덴드라이트의 미세화를 효과적으로 행할 수 있는 기능을 갖춘 연속주조장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 연속주조장치는 연속주조용의 주형을 가지는 금속의 연속주조장치에 있어서, 상기 주형내에 금속의 응고면에 초음파를 인가하기 위한 적어도 하나의 진동자를 구비하고, 상기 진동자는 초음파를 발진하는 발진부와 상기 발진부에 접속되는 한편 상기 주형내의 용융금속내에 침지된 침지부를 가지며, 상기 침지부는 상기 주형내 용융금속의 온도에서 내열성을 갖추며, 상기 주형내에서 금속의 응고면으로부터 상기 발진부로부터 발생되어 상기 침지부내를 전파하는 초음파의 주된 진행방향에 대해 20밀리미터(mm) 이내의 상기 주형내의 위치에 상기 침지부의 선단이 위치하도록 배치된 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 연속주조장치에서, 상기 진동자는 질화규소 또는 사이알론(sialon)을 포함하는 파인세라믹스로부터 형성된다.

또한, 상기 진동자는 적어도 하나의 굴곡부를 가진다.

본 발명에 의한 연속주조장치에서, 상기 진동자의 상기 침지부의 수직부분 또는 수평부분의 길이는 (1/2·n+1/4)λ인 것을 특징으로 하며, 여기서, λ는 초음파의 주파수, n은 임의의 정수이다.

본 발명에 의한 연속주조장치에서, 상기 진동자의 전체의 길이는 (1/2·m)λ인 것을 특징으로 하며, 여기서, λ는 초음파의 주파수, m은 임의의 정수이다.

본 발명에 의한 연속주조장치에서, 상기 진동자의 상기 침지부의 수직부분 또는 수평부분의 길이는 (1/2·n+1/4)λ 이고, 상기 진동자의 전체의 길이는 (1/2·m)λ인 것을 특징으로 하며, 여기서, λ는 초음파의 주파수, n과 m은 임의의 정수이다.

상기한 바와 같은 본 발명의 연속주조장치에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 진동자로부터 응고면까지의 초음파의 감쇄를 제어하여 덴드라이트 조직의 미세화에 충분한 양의 초음파 에너지를 응고면에 도달시키는 것이 가능하여 결함이 적은 제품을 얻는 것이 가능하다.

둘째, 침지부를 파인세라믹스로 형성하는 것에 의해 용융금속에 대하여 내열성을 구비한 진동자를 구성할 수 있다.

셋째, 진동자에 굴곡부를 형성하는 것에 의해, 응고면과 진동자의 침지부 선단과의 거리를 단축하는 것이 용이하게 된다.

넷째, 진동자의 치수를 적합하게 선정하는 것에 의해, 진동자의 침지부의 선단으로부터 발진되는 초음파의 감쇄를 최소화하는 것이 가능하다.

본 발명의 효과는 이상에서 언급한 효과들에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과는 청구범위에 기술한 내용으로 쉽게 이해 할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시형태에 관한 연속주조장치의 개략적인 구성을 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1의 연속주조장치의 주형을 상부에서 본 개략도이다.
도 3은 굴곡부를 구비한 진동자의 치수결정의 근거를 설명하는 도면으로 상기 진동자의 굴곡부가 모난 경우를 나타낸 도면이다.
도 4는 굴곡부를 구비한 진동자의 치수결정의 근거를 설명하는 도면으로 상기 진동자의 굴곡부가 둥근 경우를 나타낸 도면이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 연속주조장치에 대하여 상세히 설명하기로 한다. 참고로 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되어 그 상세한 설명을 생략한다.

도 1은 본 발명에 관한 연속주조장치의 개략적인 구성을 나타낸 도면이다. 연속주조장치(10)는 용강등의 용융금속을 수용하는 턴디쉬(12), 턴디쉬(12)의 하부에 장치된 침지노즐(14), 연속주조용 주형(이하, 간단히 주형이라 함)(16)을 포함한다. 턴디쉬(12)내의 용융금속은 침지노즐(14)내를 통하여 턴디쉬(12) 아래로 인도되어 침지노즐(14)의 하단근방에 형성된 토출공(18)으로부터 주형(16)내에 유입된다.

도 2는 주형(16)을 위로부터 바라본 도면을 나타낸다. 도 2에 도시된 바와 같이, 주형 (16)은 통상, 위로부터 본 경우 대략 장방형을 나타내는 대략의 직사각형의 형상을 가지며 상기 장방형의 장변에 해당하는 몰드 장변(20)과 단변에 해당하는 몰드 단변(22)를 구비한다. 주형(16)내에 유입된 용융금속은 몰드 장변(20) 및 몰드 단변(22)에 의한 냉각으로 응고되고 주형(16)의 개방하단(미도시)으로부터 절단기(切斷機)등의 후공정(미도시)에 보내어진다.

도 1에 도시된 바와 같이, 몰드 장변(20) 및 몰드 단변(22)에 냉각된 용융금속은 응고쉘(24)을 형성하고 아직 응고되지 않은 용융금속(26)과의 사이에 응고면(28)이 형성된다. 그리고 주형(16)내에는 응고면(28)에 초음파를 인가하기 위한 적어도 하나의 진동자(30)가 형성된다.

진동자(30)는 초음파를 발진하는 발진부(32)와 발진부(32)에 접속되는 한편 주형(16)내의 용융금속내의 메니스커스 근방에 침지되는 침지부(34)를 포함하고, 침지부(34)는 융융금속의 온도(예를들어, 1,600℃)에 견디는 내열성을 갖는 재료로 제작된다. 이러한 내열성재료로서 파인세라믹스, 보다 구체적으로 질화규소 및 사이알론(sialon)을 들 수 있다.

본 발명은 용융금속의 응고면에 덴드라이트 조직을 미세화하기 위해서는 응고면에 초음파 에너지 밀도를 0.33MW/m² 이상, 바람직하게는 0.35MW/m² 이상, 더욱 바람직하게는 0.37MW/m² 이상을 하는 것이 좋다는 것을 찾아내었다. 이것은 실험결과, 덴드라이트 조직을 미세화 가능한 범위가 침지부의 선단(36)으로부터 20mm 이내의 범위에 있다는 것에 기초한다. 상기 실험에서 사용한 진동자는 직경 45mm의 봉재이며, 내부는 봉재의 재질로 채워져 있다. 초음파의 출력은 600W이고 그때의 초음파 에너지 밀도는 0.37MW/m² 이었다.

또한, 침지부의 선단(36)으로부터 20mm 이내의 범위에는 초음파의 감쇄가 보이지 않았다. 이러한 에너지밀도를 실현하기 위해 진동자(30)는 침지부의 선단(36)의 단면과 응고면(28)과의 간격이 초음파의 주된 진행 방향에 대하여 거리가 20mm 이내로 되도록 배치된다.

또한, 여기서 말하는 “20mm 이내”에는 침지부의 선단(36)의 단면이 응고면(28)에 접촉되어 있는 경우도 포함하는 것으로 한다. 여기서 “초음파의 주된 진행방향”은 침지부(34)내에서의 초음파의 전파방향, 즉, 본 실시예에서는 침지부의 긴방향(38)을 의미한다. 또한, 진동자(30)의 바람직한 구체예는 출력이 약 1.25MW/m², 주파수가 10-200kHz, 직경이 50mm 의 강력한 자왜소자(磁歪素子)이다.

또한, 진동자(30)의 제조 코스트가 증가하는 경향이 있으나 진동자(30)의 길이를 주형(16)의 높이보다 길게하여 주형(16)으로부터 벗어난 위치(즉, 응고쉘(24)의 주형(16)보다 아래방향의 부분)에 초음파를 인가할 수 있도록 해도 좋다.

진동자는 통상, 덴드라이트 조직의 미세화를 균등하게 행하도록 하기 위하여 주형(16)의 몰드장변(20) 및 몰드단변(22)를 따라 적당한 간격에(예를들어 도 2에 있어서 “X”표로 나타낸 위치에) 배치된다. 여기서 진동자(30)와 같은 간단한 봉형상의 진동자를 참조부호 42에 보인 것과 같은 장소에 사용하는 경우, 진동자(30)가 침지노즐(14)를 간섭하여 침지부의 선단(36)의 단면과 응고면(28)과의 거리를 20mm이내로 하는 것이 곤란하게 되는 일이 있다.

이러한 경우에는 도 1의 우측에 보인 진동자(44)와 같은 침지부(48)가 적어도 하나의 굴곡부를 가지는 것을 사용하는 것이 유효하다. 도시례의 진동자(44)는 발진부(46)와 발진부(46)에 접속된 주형(16)내의 용융금속내에 침지된 침지부(48)를 가지며 침지부(48)가 대략 L자 형상 또는 대략 J자 형상으로 형성된다.

또한, L자의 각부에는 적정한 둥근모양(R)을 붙여도 좋다. 이러한 형상의 진동자를 사용하면 도 2에 있어서 참조부호 42에 나타낸 위치에 진동자를 설치하는 경우에도 침지부의 선단(50)의 단면과 응고면(28)과의 사이의 거리를 초음파의 주된 진행방향에 대하여 20mm 이내로 하는 것이 극히 용이해진다.

또한, 침지부(48) 대신에 또는 이에 더하여 발진부(46)에 굴곡부를 배치하여 동등의 효과를 얻는 것도 가능하다.

또한, 진동자(44)와 같은 굴곡부를 가지는 진동자를 사용하는 경우, 침지부의 선단(50)으로부터 발진되는 초음파의 감쇄를 최소화하기 위해 침지부의 수직부분(52) 및 침지부의 수평부분(54)의 길이는 어느 것이나 (1/2·n+1/4)λ로 하는 것이 바람직하다. 이것은 굴곡부에 진동의 마디를 배치하여 상기 굴곡부에서의 감쇄를 최소화하고 진동자 전체의 길이가 (1/2·m)λ로 되도록 함으로써 초음파의 진동의 배(腹)의 위치가 침지부의 선단(50)과 합치하기 때문이다. 여기서 λ는 초음파의 주파수이며 n, m은 임의의 정수이다.

또한, 침지부의 수직부분(52)과 침지부의 수평부분(54)에 있어서, n은 동일하거나 상이하여도 좋다.

도 3 및 도 4는 상술한 치수의 진동자를 초음파의 진폭과 함께 개략적으로 도시한 것이다. 여기서, 도 3은 진동자(44)의 굴곡부가 모나있는 경우를 예시하고 있으며 도 4는 진동자(44)의 굴곡부가 둥근 모양(R)인 경우를 예시하고 있다.

본 발명에서는 응고면(28)에 일정량 이상의 에너지를 도달하게 하기 위하여 진동자(30) 또는 진동자(44)를 주형(16)의 외측에 배치하지 않고 용융금속내에 침지시켜, 한층 더 침지부(34) 또는 침지부(48)의 선단면과 응고면(28)과의 거리를 초음파의 주된 진행방향에 대하여 15mm 이내가 되도록 한다. 이것에 의해, 적어도 용해 금속이 용강인 경우에는, 응고면에 있어서의 초음파 에너지밀도를 0.33MW/m² 이상으로 할 수 있어 덴드라이트 조직을 효율적으로 미세화해 적합한 조직의 제품을 얻을 수 있다.

본 발명의 연속주조장치에 의하면, 발진부로부터 응고면까지의 초음파 진동자를 연장하여 덴드라이트 조직의 미세화를 위한 충분한 양의 초음파 에너지를 응고면에 도달시키는 것이 가능하여 그 결과 결함이 작은 제품을 얻는 것이 가능하다.

또한, 침지부를 파인세라믹스로 형성하는 것에 의해 용융금속에 대하여 내열성을 구비한 진동자를 구성할 수 있다.

또한, 진동자에 굴곡부를 형성하는 것에 의해, 응고면과 진동자의 침지부 선단과의 거리를 단축하는 것이 용이하게 된다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변경된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명은 아래와 같다.
10 : 연속주조장치 12 : 턴디쉬
14 : 침지노즐 16 : 주형
18 : 토출공 20 : 몰드 장변
22 : 몰드 단변 24 : 응고쉘
26 : 용융금속 28 : 응고면
30, 44 : 진동자 32, 46 : 발진부
34, 48 : 침지부 36, 50 : 침지부의 선단
38 : 침지부의 긴방향 40 : 탕면
52 : 침지부의 수직부분 54 : 침지부의 수평부분

Claims

연속주조용의 주형을 가지는 금속의 연속주조장치에 있어서,
상기 주형내에 금속의 응고면에 초음파를 인가하기 위한 적어도 하나의 진동자를 구비하고,
상기 진동자는 초음파를 발진하는 발진부와 상기 발진부에 접속되는 한편 상기 주형내의 용융금속내에 침지된 침지부를 가지며,
상기 침지부는 상기 주형내 용융금속의 온도에서 내열성을 갖추며, 상기 주형내에서 금속의 응고면으로부터 상기 발진부로부터 발생되어 상기 침지부내를 전파하는 초음파의 주된 진행방향에 대해 20밀리미터(mm) 이내의 상기 주형내의 위치에 상기 침지부의 선단이 위치하도록 배치된 것을 특징으로 하는 연속주조장치.
제 1 항에 있어서,
상기 진동자는 질화규소 또는 사이알론(sialon)을 포함하는 파인세라믹스로부터 형성되는 연속주조장치.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 진동자는 적어도 하나의 굴곡부를 가지는 연속주조장치.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 진동자의 상기 침지부의 수직부분 또는 수평부분의 길이는 (1/2·n+1/4)λ인 것을 특징으로 하는 연속주조장치.
여기서, λ는 초음파의 주파수이며 n은 임의의 정수임.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 진동자의 전체의 길이는 (1/2·m)λ인 것을 특징으로 하는 연속주조장치.
여기서, λ는 초음파의 주파수이며 m은 임의의 정수임.
제 3 항에 있어서,
상기 진동자의 상기 침지부의 수직부분 또는 수평부분의 길이는 (1/2·n+1/4)λ 이고, 상기 진동자의 전체의 길이는 (1/2·m)λ인 것을 특징으로 하는 연속주조장치.
여기서, λ는 초음파의 주파수이며 n과 m은 임의의 정수임.