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1. WO2020222459 - NOZZLE AND CASTING METHOD

Document

명세서

발명의 명칭

기술분야

1  

배경기술

2   3   4   5   6  

발명의 상세한 설명

기술적 과제

7   8  

과제 해결 수단

9   10   11   12   13   14   15   16   17   18   19   20   21   22   23   24   25   26   27  

발명의 효과

28  

도면의 간단한 설명

29   30   31   32   33   34   35   36  

발명의 실시를 위한 형태

37   38   39   40   41   42   43   44   45   46   47   48   49   50   51   52   53   54   55   56   57   58   59   60   61   62   63   64   65   66   67   68   69   70   71   72   73   74   75   76   77   78  

산업상 이용가능성

79   80  

청구범위

1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11   12   13   14   15   16   17   18   19  

도면

1   2   3   4   5   6   7   8  

명세서

발명의 명칭 : 노즐 및 주조 방법

기술분야

[1]
본 발명은 노즐 및 주조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 용융물의 탕면 유동을 제어할 수 있는 노즐 및 주조 방법에 관한 것이다.

배경기술

[2]
일반적으로, 연속주조공정은 일정한 내부 형상을 갖는 주형에 용강을 주입하고, 주형 내에서 반응고된 주편을 연속적으로 주형의 하측으로 인발하여 슬라브, 블룸, 빌렛, 빔 블랭크 등과 같은 다양한 형상의 주편을 제조할 수 있다.
[3]
이렇게 제조되는 주편의 표면 품질 및 내부 품질은 다양한 요인에 의해 영향을 받으며, 특히 주편의 표면 품질은 몰드 내 용강의 유동, 예컨대 용강의 탕면 유동에 큰 영향을 받는다.
[4]
이에 따라 용강의 탕면 유동을 안정화시킬 수 있도록 주형에 용강을 주입하고 있다. 그러나 주형으로 주입된 용강은 주형 내에서 여러 방향으로 흐름을 형성하기 때문에 용강의 탕면 부근에서 와류(vortex) 등이 발생하여 용강의 탕면 유동이 불안정해지는 현상이 발생할 수 밖에 없다. 이렇게 용강의 탕면 유동이 불안정해지면 용강 상부에 주입되는 몰드 플럭스가 용강 중으로 혼입되어 주편에 표면 결함을 일으키는 문제가 있다.
[5]
(선행문헌1) KR10-1205175 B
[6]
(선행문헌2) KR10-1998-076164 A

발명의 상세한 설명

기술적 과제

[7]
본 발명은 용융물의 흐름을 제어할 수 있는 노즐 및 주조방법을 제공한다.
[8]
본 발명은 용융물 중으로 이종의 물질이 혼입되는 것을 억제하여 제품의 품질을 향상시킬 수 있는 노즐 및 주조방법을 제공한다.

과제 해결 수단

[9]
본 발명의 실시 형태에 따른 노즐은, 용기에 용융물을 주입하기 위한 노즐로서, 용융물이 이동할 수 있는 내공부를 갖고, 상기 용융물이 상기 내공부에서 외측으로 이동할 수 있는 토출구가 형성되는 노즐 몸체; 및 용융물이 이동할 수 있는 유로를 갖고, 일측은 상기 유로가 상기 내공부와 연통되도록 상기 노즐 몸체에 연결되고, 타측은 상기 용기에 주입된 용융물에 침적 가능한 순환관;을 포함할 수 있다.
[10]
상기 순환관은 상기 노즐 몸체에서 상기 토출구보다 높은 위치에 연결될 수 있다.
[11]
상기 용기에 주입된 용융물의 상부에 이종의 물질층이 형성되고, 상기 순환관은 상기 순환관의 타측이 물질층보다 하부에 배치될 수 있는 길이로 형성될 수 있다.
[12]
상기 내공부의 직경을 1이라 할 때, 상기 유로의 직경은 0.1 내지 0.2일 수 있다.
[13]
상기 내공부는 상기 노즐 몸체의 길이방향으로 제1직경을 갖는 제1영역과, 상기 제1직경보다 작은 제2직경을 갖는 제2영역을 포함하고, 상기 순환관은 상기 제2영역에 연결될 수 있다.
[14]
상기 내공부는 상기 노즐 몸체의 길이방향으로 적어도 일부에 직경이 점차적으로 감소하는 제3영역을 포함하고, 상기 순환관은 상기 제3영역에 연결될 수 있다.
[15]
상기 노즐 몸체의 내벽에 상기 내공부 측으로 돌출되는 유출방지부재가 형성되고, 상기 유출방지부재는 상기 순환관보다 높은 위치에 형성될 수 있다.
[16]
상기 유출방지부재는 상기 노즐 몸체의 내주면을 따라서 단속적으로 형성되거나, 연속적으로 형성될 수 있다.
[17]
상기 유로를 폐쇄하기 위한 차단부재를 포함하고, 상기 차단부재는 상기 용융물에 용융 또는 연소 가능한 물질을 포함할 수 있다.
[18]
본 발명의 실시 형태에 따른 주조 방법은, 노즐을 마련하는 과정; 상기 노즐을 이용하여 용기에 용융물을 주입하는 과정; 및 상기 용기에 주입된 용융물 중 일부를 상기 노즐의 내공부로 순환시켜 상기 용기 내에 주입된 용융물의 유동을 제어하는 과정;을 포함할 수 있다.
[19]
상기 노즐을 마련하는 과정은, 상기 용기에 주입된 용융물의 일부를 상기 내공부로 순환시키기 위한 순환관을 상기 노즐에 연결하는 과정을 포함할 수 있다.
[20]
상기 노즐을 마련하는 과정은, 상기 용융물에 용융 또는 연소 가능한 차단부재를 마련하는 과정 및 상기 차단부재를 이용하여 상기 순환관의 유로를 폐쇄하는 과정을 포함할 수 있다.
[21]
상기 용융물을 주입하는 과정은, 상기 용융물의 상부에 이종의 물질을 주입하여 물질층을 형성하는 과정을 포함하고, 상기 용기의 상부에 노즐을 마련하는 과정은, 상기 순환관의 적어도 일부가 상기 물질층보다 낮은 위치에서 상기 용융물에 침적될 수 있도록 상기 노즐을 배치하는 과정을 포함할 수 있다.
[22]
상기 용기 내에 주입된 용융물의 유동을 제어하는 과정은, 상기 순환관의 적어도 일부를 상기 용융물에 침적시키는 과정; 및 상기 차단부재를 연소시켜 상기 순환관의 유로를 개방하는 과정;을 포함할 수 있다.
[23]
상기 용융물을 주입하는 과정은, 상기 용융물을 상기 내공부를 따라 이동시켜 상기 내공부의 내부 압력을 상기 내공부의 외부 압력보다 감소시키는 과정을 포함할 수 있다.
[24]
상기 노즐을 마련하는 과정은, 상기 내공부에 직경이 감소하는 영역을 형성하는 과정을 포함하고, 상기 용융물을 주입하는 과정은, 상기 노즐의 길이방향으로 상기 내공부의 내부 압력을 변화시키는 과정을 포함할 수 있다.
[25]
상기 용기 내에 주입된 용융물의 유동을 제어하는 과정은, 상기 내공부의 내부 압력과 상기 내공부의 외부 압력 차이를 이용하여 상기 용기에 주입된 용융물을 상기 순환관 내부로 흡인하여 상기 내공부로 순환시키는 과정;을 포함할 수 있다.
[26]
상기 용기 내에 주입된 용융물의 유동을 제어하는 과정은, 상기 물질층의 하부에서 상기 용융물의 상승류를 형성하는 과정을 포함할 수 있다.
[27]
상기 용융물은 용강을 포함하고, 상기 물질층은 몰드 플럭스를 포함할 수 있다.

발명의 효과

[28]
본 발명의 실시 형태에 따르면, 용융물의 탕면 유동을 제어할 수 있다. 즉, 주형에 주입된 용융물 중 적어도 일부를 노즐 내부로 순환시킴으로써 용융물의 탕면 유동을 안정화시킬 수 있다. 따라서 용융물 상부의 이종의 물질이 용융물 중으로 혼입되는 것을 억제하여, 제조되는 제품의 품질을 향상시킬 수 있다.

도면의 간단한 설명

[29]
도 1은 일반적인 주형에서 용강의 유동 상태를 보여주는 도면.
[30]
도 2는 일반적인 주조 방법으로 주조된 주편의 사진.
[31]
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 노즐의 사시도.
[32]
도 4는 도 3에 도시된 선A-A' 및 선 B-B'에 따른 노즐의 단면도.
[33]
도 5는 순환관의 다양한 예를 보여주는 도면.
[34]
도 6은 본 발명의 변형 예에 따른 노즐의 단면도.
[35]
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 주조 방법으로 주편을 주조하는 경우, 주형과 노즐에서 용강의 유동 상태를 보여주는 모식도.
[36]
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 주조 방법으로 주조된 주편의 사진.

발명의 실시를 위한 형태

[37]
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 설명 중, 동일 구성에 대해서는 동일한 참조부호를 부여하도록 하고, 도면은 본 발명의 실시예를 정확히 설명하기 위하여 크기가 부분적으로 과장될 수 있으며, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
[38]
[39]
도 1은 일반적인 주형에서 용강의 유동 상태를 보여주는 도면이고, 도 2는 일반적인 주조 방법으로 주조된 주편의 사진이다.
[40]
도 1을 참조하면, 노즐, 예컨대 침지 노즐(20)은 용강이 이동할 수 있는 내공부를 갖는 노즐 몸체(21)와, 용강이 내공부에서 외측, 즉 주형으로 이동할 수 있는 토출구(25)를 포함할 수 있다. 이때, 노즐 몸체(21)의 외벽에서 주형(10) 내 몰드 파우더와 접촉하는 영역에는 노즐 몸체(21)와는 다른 재질로 형성되는 슬래그 라인부(미도시)가 형성될 수 있다. 예컨대, 노즐 몸체(21)는 알루미나 등을 이용하여 형성될 수 있고, 슬래그 라인부(미도시)는 주형 내 슬래그에 대해서 내식성을 갖는 지르코니아 등을 이용하여 형성될 수 있다.
[41]
노즐 몸체(21)는 상부가 개방되고 하부는 폐쇄되며, 내부에는 용강이 이동할 수 있는 통로를 형성할 수 있도록 내공부(23)가 형성될 수 있다. 그리고 토출구(25)는 노즐 몸체(21)의 하부의 측면에 적어도 2개 이상, 예컨대 2개, 4개로 형성될 수 있다.
[42]
한편, 토출구(25)를 통해 토출되는 용강은 주형(10) 내부로 주입되면서, 도 1에 도시된 바와 같은 흐름을 형성할 수 있다. 즉, 용강은 토출구(25)에서 토출되면서 주형(10)의 가장자리쪽으로 이동하게 된다. 주형(10)의 가장자리쪽으로 이동한 용강은 주형(10)의 내벽에 충돌하여 일부는 상승류를 형성하고, 일부는 하강류를 형성하게 된다. 이때, 상승류를 형성하는 용강은 용강의 탕면쪽에서 노즐 몸체(21) 측, 예컨대 주형(10)의 중심부쪽으로 다시 이동하게 된다. 주형(10)의 중심부쪽으로 이동한 용강은 서로 반대 방향에서 이동하는 용강 및 노즐 몸체(21)와 충돌하여 노즐 몸체(21) 주변의 탕면 근처에서 와류(vortex)를 형성하여 탕면의 유동이 불안정해진다. 이렇게 탕면의 유동이 불안정해지면 용강 상부로 주입된 몰드 플럭스가 용강 중으로 혼입되서 도 2에 도시된 것처럼 주편에 결함이 발생하는 문제가 있다.
[43]
따라서 본 발명에서는 주형(10)의 중심부, 예컨대 노즐 몸체 주변에서 용강의 흐름 방향을 제어하여 와류 등으로 인해 탕면 유동이 불안정해지는 것을 방지할 수 있는 노즐을 제공한다. 여기에서는 침지 노즐을 예로 들어 설명하지만, 본 발명은 침지 노즐 이외에도 쉬라우드 노즐 등과 같은 다양한 노즐에 적용될 수 있음은 물론이다.
[44]
[45]
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 노즐의 사시도이고, 도 4는 도 3에 도시된 선A-A' 및 선 B-B'에 따른 노즐의 단면도이고, 도 5는 순환관의 다양한 예를 보여주는 도면이고, 도 6은 본 발명의 변형 예에 따른 노즐의 단면도이다.
[46]
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 노즐(100)은, 용융물, 예컨대 용강이 이동할 수 있는 내공부(112)를 갖고, 용강이 내공부(112)에서 외측으로 이동할 수 있는 토출구(114)가 형성되는 노즐 몸체(110)와, 용강이 이동할 수 있는 유로(122)를 갖고, 일측은 유로(122)와 내공부(112)가 연통되도록 노즐 몸체(110)에 연결되고, 타측은 주형(10)에 주입된 용강에 침적 가능한 순환관(120)을 포함할 수 있다.
[47]
노즐 몸체(110)는 상부가 개방되고 하부는 폐쇄되며, 내부에는 용강이 이동할 수 있는 통로를 형성할 수 있도록 내공부(112)가 형성될 수 있다. 이때, 내공부(112)의 직경(D)은 노즐 몸체(110)의 길이방향으로 동일하거나 유사할 수 있다. 그리고 노즐 몸체(110)의 외벽에서 주형(10) 내 몰드 파우더와 접촉하는 영역에는 노즐 몸체(110)와는 다른 재질로 형성되는 슬래그 라인부(미도시)가 형성될 수 있다. 예컨대, 노즐 몸체(110)는 알루미나 등을 이용하여 형성될 수 있고, 슬래그 라인부는 주형 내 슬래그에 대해서 내식성을 갖는 지르코니아 등을 이용하여 형성될 수 있다. 그리고 토출구(114)는 노즐 몸체(110)의 하부의 측면에 적어도 2개 이상, 예컨대 2개, 4개로 형성될 수 있고, 서로 대향하며 대칭적으로 구비될 수 있다.
[48]
또한, 노즐 몸체(110)에는 순환관(120)을 연결하기 위한 주입공(116)이 형성될 수 있다. 주입공(116)은 노즐 몸체(110)에 연결되는 순환관(120)의 개수와 동일한 개수로 형성될 수 있다. 주입공(116)은 토출구(114)보다 높은 위치에 토출구(114)와 이격되도록 형성될 수 있다.
[49]
순환관(120)은 노즐 몸체(110)의 외벽에 연결될 수 있다. 이때, 순환관(120)의 내부에는 주입공(116)을 통해 내공부(112)와 연통되는 유로(122)가 형성될 수 있다. 순환관(120)은 주형(10)에 주입된 용강 중 일부를 내공부(112)로 유입시킬 수 있도록 노즐 몸체(110)의 외측으로 연장될 수 있다. 이때, 주형(10)으로 주입된 용강의 상부에 몰드 플럭스를 주입한 경우, 순환관(120)은 몰드 플럭스의 하부, 즉 용강에 침적될 수 있도록 연장될 수 있다. 즉, 순환관(120)은 용강의 탕면 부근의 유동을 제어하기 위하여 몰드 플럭스의 하부에서 용강에 침적될 수 있는 길이로 형성될 수 있다.
[50]
그리고 유로(122)의 직경(d)은 주입공(116)의 직경과 유사하거나 동일하게 형성될 수 있고, 내공부(112)의 직경(D)보다 작게 형성될 수 있다. 내공부(112)의 직경(D)을 1이라 할 때, 유로(122)의 직경(d)은 0.1 내지 0.2 정도일 수 있다. 예컨대 내공부(112)의 직경(D)이 100㎜인 경우, 유로(122)의 직경(d)은 10 내지 20㎜ 정도로 형성될 수 있다. 이때, 유로(122)의 직경(d)이 지나치게 작으면, 유로(122)로 유입되는 용강의 이동 속도가 지나치게 빨라져 몰드 플럭스가 용강에 혼입되어 내공부(112)로 유입될 수 있다. 반면, 유로(122)의 직경이 지나치게 크면, 유로(122)로 용강이 원활하게 유입되지 않기 때문에 용강의 탕면 부근에서 용강의 유동을 충분하게 제어하기 어려운 문제가 있다. 즉, 주조를 위해 침지 노즐(100)에 용강을 주입하면, 용강은 내공부(112)를 따라 이동하여 토출구(114)를 통해 주형(10)으로 토출된다. 이때, 용강이 내공부(112)를 따라 이동하면, 내공부(112)의 압력, 예컨대 내부 압력이 내공부(112) 외부의 압력, 예컨대 외부 압력보다 낮아지게 된다. 내공부(112)의 외부란 주형(10) 내부의 용강 중일 수도 있고, 주형(10)의 내부에서 용강 상부의 공간일 수도 있다. 이에 순환관(120)이 용강에 침적되어 있는 경우, 내공부(112)의 내부 압력과 외부 압력 차이에 의해 용강이 순환관(120)의 유로(122)를 통해 흡인되어 내공부(112)로 유입될 수 있다. 그런데 내부 압력과 외부 압력의 차이가 일정하다고 가정했을 때, 유로(122)의 직경(d)이 지나치게 작으면, 유로(122)로 유입되는 용강의 이동 속도가 지나치게 증가하게 되어 용강 상부의 몰드 플럭스가 유로(122)로 유입될 수 있다. 반면, 유로(122)의 직경(d)이 지나치게 크면, 유로(122)로 유입되는 용강의 이동 속도가 지나치게 감소하여 유로(122)로 용강이 제대로 유입되지 않아 용강의 유동을 제어하기 어려워질 수 있다.
[51]
순환관(120)은 도 3에 도시된 것처럼, 곡선 형태를 갖도록 형성될 수 있고, 이외에도 순환관(120)은 도 5에 도시된 것처럼 다양한 형태를 갖도록 형성될 수 있다. 도 5의 (a) 및 도 5의 (b)는 노즐의 종방향 단면도이고, 도 5의 (c)는 노즐의 횡방향 단면도이다. 순환관(120)은 도 5의 (a) 및 (b)에 도시된 것처럼, 직선 형태나 절곡된 형태를 갖도록 형성될 수도 있다. 또는, 순환관(120)은 도 5의 (c)에 도시된 것처럼 복수의 분기관(120a, 120b, 120c)을 갖도록 형성될 수도 있다. 이때, 복수의 분기관(120a, 120b, 120c)은 그 내부가 서로 연통하도록 형성될 수 있다. 이렇게 복수의 분기관(120a, 120b, 120c)을 갖도록 순환관(120)을 형성하는 경우, 노즐 몸체(110)의 둘레 방향의 여러 지점에서 용강을 내공부(112)로 유입시켜 용강의 유동을 제어할 수 있다.
[52]
이와 같은 순환관(120)은 적어도 2개 이상, 예컨대 2개 또는 4개로 구비될 수 있으며, 토출구(114)와 동일한 개수로 구비될 수 있다. 그리고 토출구(114)를 수직방향으로 중심을 관통하는 수직선으로 구분했을 때, 순환관(120)은 수직선 상에 위치할 수도 있고, 수직선의 일측으로 편중되도록 위치할 수도 있다. 순환관(120)은 토출구(114)와 토출구(114) 사이의 중심에 형성될 수도 있다.
[53]
순환관(120)은 용강의 탕면 부근에 침지되어 용강을 흡인하여 노즐 몸체(110)의 주입공(116)을 통해 내공부(112)로 주입할 수 있다. 그런데 주입공(116)이 용강의 이동 통로에 노출되어 있기 때문에 내공부(112)를 따라 이동하는 용강이 주입공(116)을 통해 외부로 유출될 수 있다. 따라서 주입공(116)의 상부에 유출방지부재(130)를 형성하여 내공부(112)를 따라 이동하는 용강이 주입공(116)을 통해 유출되는 것을 방지할 수 있다. 유출방지부재(130)는 주입공(116)의 상부에서 주입공(116)과 이격되어 내공부(112) 측으로 돌출되도록 형성될 수 있다. 유출방지부재(130)는 주입공(116)의 상부에서 내공부(112)의 둘레 방향으로 단속적으로 형성되거나 내공부(112)의 둘레방향을 따라 연속적으로 형성될 수 있다. 이때, 유출방지부재(130)의 길이, 즉 돌출된 길이(B)는 내공부(112)의 직경 또는 노즐 몸체(110)의 내경을 1이라 할 때, 내공부(112)로 0.003 내지 0.01 정도일 수 있다. 유출방지부재(130)가 지나치게 적게 돌출되면, 내공부(112)를 따라 이동하는 용강이 주입공(116)으로 유입되어 외부로 유출될 수 있다. 반면, 유출방지부재(130)가 지나치게 많이 돌출되면, 내공부(112)를 따라 이동하는 용강의 흐름에 영향을 미쳐 용강이 주형(10)으로 토출될 때 탕면을 불안정하게 할 수 있는 문제가 있다.
[54]
또한, 유출방지부재(130)는 주입공(116)의 상부에 주입공(116)과 이격되도록 구비될 수 있다. 유출방지부재(130)의 하부와 주입공(116)의 최상단 사이의 거리(I)는 유로(122)의 직경(d) 또는 주입공(116)의 직경을 1이라 할 때, 15 이내 또는 2 내지 10일 수 있다. 이때, 유출방지부재(130)와 주입공(116) 사이의 거리(I)가 지나치게 길어지면, 용강이 주입공(116)으로 유입될 수 있으므로, 유출방지부재(130)와 주입공 사이의 거리(I)를 적절하게 조절하는 것이 좋다.
[55]
[56]
한편, 턴디쉬(미도시)에서 배출되는 용강은 노즐 몸체(110)의 내공부(112)를 따라 이동하여 토출구(114)에서 토출되서 주형(10)으로 공급될 수 있다. 이때, 내공부(112)의 직경(D), 또는 노즐 몸체(110)의 내경이 노즐 몸체(110)의 길이 방향으로 유사하거나 동일한 크기를 갖도록 형성되는 경우, 용강은 일정한 속도를 가지며 노즐 몸체(110)의 내공부(112)를 따라 이동할 수 있다. 그런데 노즐 몸체(110)의 길이방향으로 소정 영역에서 내공부(112)의 직경을 변경하게 되면, 벤츄리 효과(Venturi Effect)에 의해 용강은 직경이 변경된 영역을 지나갈 때 이동 속도가 변경되면서 내공부(112)의 압력이 변경될 수 있다. 또한, 예컨대 노즐 몸체(110)의 길이방향으로 소정 영역에서 내공부(112)의 직경을 증가시키면, 용강은 직경이 증가된 영역을 지나갈 때 이동 속도가 감소하고, 내공부(112)의 압력이 높아지게 된다. 반면, 노즐 몸체(110)의 길이방향으로 소정 영역에서 내공부(112)의 직경을 감소시키면, 용강은 직경이 증가된 영역을 지나갈 때 이동 속도가 증가하게 되고, 내공부(112)의 압력은 감소하게 된다.
[57]
이와 같은 원리를 이용하여 내공부(112)의 압력을 감소시키면, 내공부(112)의 압력과 내공부(112) 외부의 압력 차이를 증가시켜 내공부(112)로 용강을 보다 원활하게 순환시킬 수 있다.
[58]
도 6은 본 발명의 변형 예에 따른 노즐의 단면도로서, 상기와 같은 원리를 이용하여 내공부(112)의 직경을 변경한 예를 보여주고 있다.
[59]
도 6의 (a)를 참조하면, 내공부(112)는 노즐 몸체(110)의 길이방향으로 제1직경(D1)을 갖는 제1영역(Ⅰ)과, 제1직경(D1)보다 작은 제2직경(D2)을 갖는 제2영역(Ⅱ)을 포함할 수 있다. 이 경우, 순환관(120)은 노즐 몸체(110)의 제2영역(Ⅱ)에 연결될 수 있다.
[60]
도 6의 (b)를 참조하면, 내공부(112)는 노즐 몸체(110)의 길이방향으로 적어도 일부에 직경이 점차적으로 감소하는 제3영역(Ⅲ)을 포함할 수 있다. 이 경우, 순환관(120)은 제3영역(Ⅲ)에 연결될 수 있다.
[61]
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 노즐은 순환관(120)의 유로(122)를 일시적으로 폐쇄하기 위한 차단부재(140)를 포함할 수 있다. 주조를 위해 주형(10)에 용강을 주입하는 경우, 토출구(114)가 주형(10)에 주입된 용강에 침적된 다음, 순환관(120)이 용강에 침적될 수 있다. 이에 순환관(120)이 용강에 침적되기 이전에 내공부(112)의 압력이 낮아지기 때문에 외기가 순환관(120)의 유로(122)로 흡인되어 내공부(112)로 유입될 수 있다. 이와 같이 내공부(112)에 외기가 유입되면, 외기에 함유되는 산소에 의해 내공부(112)를 따라 이동하는 용강이 산화되는 문제가 있다. 따라서 순환관(120)이 용강에 침적되기 이전에는 순환관(120)의 유로(122)를 폐쇄하여 전술한 문제가 발생하는 것을 방지할 수 있다.
[62]
차단부재(140)는 용강에 침적되는 순환관(120)의 하부에 연결될 수 있으며, 순환관(120)이 용강에 침적되면 용강에 의해 용융 또는 연소될 수 있는 재질로 형성될 수 있다. 예컨대 차단부재(140)는 용강의 성분과 유사한 성분을 갖는 금속재질, 종이, 합성 수지 등이 사용될 수 있다. 이때, 차단부재(140)로 금속재질을 사용하는 경우, 박판 형태로 만들어 접착제 등을 이용하여 순환관(120)의 하부에 부착할 수 있다. 그리고 차단부재(140)로 종이, 합성수지 등을 사용하는 경우에는 차단부재(140)가 용강과 접촉한 이후에 연소 또는 용융될 수 있도록 블록 형상으로 만들어 유로(122) 내부에 삽입시키거나 접착제를 이용하여 부착시킬 수 있다.
[63]
[64]
이하에서는 본 발명의 실시 예에 따른 주조 방법에 대해서 설명한다.
[65]
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 주조 방법으로 주편을 주조하는 경우, 주형과 노즐에서 용강의 유동 상태를 보여주는 모식도이고, 도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 주조 방법으로 주조된 주편의 사진이다.
[66]
본 발명의 실시 예에 따른 주조 방법은, 노즐을 마련하는 과정, 노즐을 이용하여 용기에 용융물을 주입하는 과정 및 용기에 주입된 용강 중 일부를 노즐의 내부로 순환시켜 용기에 주입된 용융물의 유동을 제어하는 과정을 포함할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시 예에 따른 주조 방법은, 용융물을 마련하는 과정을 더 포함할 수 있으며, 여기에서 용융물은 용강을 포함할 수 있고, 용기는 주형을 포함할 수 있다.
[67]
노즐을 마련하는 과정은, 내공부(112)와 토출구(114)가 형성된 노즐 몸체(110)와, 노즐 몸체(110)에 연결되는 순환관(120)을 포함하는 노즐(100)을 마련할 수 있다. 노즐 몸체(110)의 내부에는 유출방지부재(130)가 형성되서, 순환관(120)으로 용강이 유출되는 것을 방지할 수 있다. 이때, 노즐 몸체(110)의 길이방향으로 내공부(112)의 직경을 동일하거나 유사한 크기를 갖도록 형성할 수도 있고, 적어도 일부에 내공부(112)의 직경이 감소하는 영역을 형성할 수도 있다. 이때, 순환관(120)의 유로(122)는 차단부재(140)를 이용하여 폐쇄된 상태이다. 이렇게 차단부재(140)를 이용하여 유로(122)를 차단하는 이유는 순환관(120)이 용강에 침적되기 이전에는 내공부(112)로 용강이 주입되면, 내공부(112)의 압력(P1)이 외부 압력(P0)보다 낮아지기(P1<P0) 때문에 외기가 유로(122)를 통해 내공부(112)로 유입될 수 있기 때문이다.
[68]
노즐이 마련되면, 정련이 완료된 용강을 노즐(100), 예컨대 침지노즐을 통해 주형(10)으로 주입할 수 있다. 이와 함께 주형(10)으로 주입된 용강 상부에 몰드 플럭스를 공급할 수 있다. 주형(10)에 용강이 주입되면, 노즐(100)의 하부의 토출구(114)가 용강에 먼저 침적되고, 주형(10) 내 용강의 레벨이 상승함에 따라 순환관(120)의 하부가 용강에 침적될 수 있다. 이때, 순환관(120)의 하부가 용강에 침적되면, 순환관(120)의 유로(122)를 폐쇄하고 있던 차단부재(140)가 연소 또는 용융되면서 유로(122)가 개방될 수 있다.
[69]
용강은 노즐(100) 내부, 즉 노즐 몸체(110)에 형성된 내공부(112)를 따라 이동하여 토출구(114)를 통해 주형(10)으로 토출될 수 있다. 용강이 내공부(112)를 따라 이동하면, 내공부(112)에 용강을 주입하기 이전보다 내공부(112)의 압력(P1)이 낮아지게 된다. 이와 같이 내공부(112)의 압력(P1)이 감소하면, 내공부(112)의 압력(P1)과 내공부(112) 외부의 압력(P0, P2) 간에 차이가 발생하게 된다(P1<P2<P0). 이때, 순환관(120)이 용강에 침적되기 이전에는 내공부(112)의 압력(P1)과 내공부(112)의 외부 압력, 예컨대 주형(10) 내부 공간의 압력(P0) 간에 차이가 발생하더라도 유로(122)가 차단부재(140)에 의해 폐쇄되어 있기 때문에 유로(122) 내부로 외기가 유입되지 않는다. 반면, 순환관(120)의 하부가 용강에 침적된 이후에는 차단부재(140)가 연소 또는 용융되어 유로(122)가 개방되면, 도 7에 되시된 것처럼 순환관(120)의 유로(122)를 통해 상대적으로 압력이 낮은 내공부(112)로 용강이 유입될 수 있다. 이렇게 용강이 유로(122)를 통해 흡인되면, 용강의 탕면 부근에서 용강의 흐름이 변경될 수 있다. 즉, 용강이 유로(122)를 통해 흡인되기 이전에는 노즐 몸체(110) 부근에서 용강이 소용돌이치면서 하강류를 형성하는 와류가 형성되는데, 용강이 유로(122)로 흡인되면서 상승류가 형성되서 와류가 발생하는 것을 억제할 수 있다.
[70]
이와 같은 방법으로 주형(10)에 용강을 주입하면서 주편을 주조하면, 주형(10) 내 용강의 탕면 부근에서 용강이 유동이 안정화되기 때문에 용강 상부의 몰드 플럭스가 용강 중으로 혼입되는 것을 억제 혹은 방지할 수 있다. 따라서 도 8에 도시된 것처럼 몰드 플럭스에 의한 결합이 없는 고품질의 주편을 주조할 수 있다.
[71]
[72]
이하에서는 본 발명의 실시 예에 따른 노즐의 성능을 검증하기 위한 수모델 실험에 대해서 설명한다.
[73]
먼저, 앞서 설명한 노즐과 동일한 형태의 노즐을 제작하였다. 즉, 상부가 개방되고 하부는 폐쇄되는 중공형의 노즐 몸체에 토출구와 유출방지부재를 형성하고, 순환관을 연결하였다. 그리고 수조에 물을 넣고, 노즐 몸체를 하강시켜 토출구와 순환관을 물에 침적시켰다. 이 상태에서 철사의 일측에 실을 감고, 실이 감겨진 철사의 일측을 순환관의 하부에 배치하였다.
[74]
이후, 노즐 몸체의 상부를 통해 물을 주입하여 토출구를 통해 수조로 토출시켰다.
[75]
이와 같이 노즐 몸체에 물을 주입하면서 철사에 감겨진 실의 상태를 확인하였다. 그 결과, 철사에 감겨져 있던 실이 철사에서 풀리면서 순환관 내부로 유입되는 것을 확인할 수 있었다. 이는 수조에 담겨진 물이 순환관 내부로 유입되는 것을 의미할 수 있다.
[76]
이와 같은 실험 결과를 통해 주조 공정에서 적용하면 주형 내 용강의 탕면 부근에서 용강의 유동을 제어하여, 용강 중으로 몰드 플럭스가 혼입되는 것을 억제 혹은 방지할 수 있음을 알 수 있다.
[77]
[78]
이상에서 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.

산업상 이용가능성

[79]
본 발명은 노즐 및 주조 방법에 관한 것으로서, 주조 시 용융물의 탕면을 제어하여, 용융물 중으로 이물질이 혼입되는 것을 방지하여 제품의 품질을 향상시킬 수 있다.
[80]

청구범위

[청구항 1]
용기에 용융물을 주입하기 위한 노즐로서, 용융물이 이동할 수 있는 내공부를 갖고, 상기 용융물이 상기 내공부에서 외측으로 이동할 수 있는 토출구가 형성되는 노즐 몸체; 및 용융물이 이동할 수 있는 유로를 갖고, 일측은 상기 유로가 상기 내공부와 연통되도록 상기 노즐 몸체에 연결되고, 타측은 상기 용기에 주입된 용융물에 침적 가능한 순환관;을 포함하는 노즐.
[청구항 2]
청구항 1에 있어서, 상기 순환관은 상기 노즐 몸체에서 상기 토출구보다 높은 위치에 연결되는 노즐.
[청구항 3]
청구항 2에 있어서, 상기 용기에 주입된 용융물의 상부에 이종의 물질층이 형성되고, 상기 순환관은 상기 순환관의 타측이 물질층보다 하부에 배치될 수 있는 길이로 형성되는 노즐.
[청구항 4]
청구항 3에 있어서, 상기 내공부의 직경을 1이라 할 때, 상기 유로의 직경은 0.1 내지 0.2인 노즐.
[청구항 5]
청구항 3에 있어서, 상기 내공부는 상기 노즐 몸체의 길이방향으로 제1직경을 갖는 제1영역과, 상기 제1직경보다 작은 제2직경을 갖는 제2영역을 포함하고, 상기 순환관은 상기 제2영역에 연결되는 노즐.
[청구항 6]
청구항 3에 있어서, 상기 내공부는 상기 노즐 몸체의 길이방향으로 적어도 일부에 직경이 점차적으로 감소하는 제3영역을 포함하고, 상기 순환관은 상기 제3영역에 연결되는 노즐.
[청구항 7]
청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서, 상기 노즐 몸체의 내벽에 상기 내공부 측으로 돌출되는 유출방지부재가 형성되고, 상기 유출방지부재는 상기 순환관보다 높은 위치에 형성되는 노즐.
[청구항 8]
청구항 7에 있어서, 상기 유출방지부재는 상기 노즐 몸체의 내주면을 따라서 단속적으로 형성되거나, 연속적으로 형성되는 노즐.
[청구항 9]
청구항 1에 있어서, 상기 유로를 폐쇄하기 위한 차단부재를 포함하고, 상기 차단부재는 상기 용융물에 용융 또는 연소 가능한 물질을 포함하는 노즐.
[청구항 10]
노즐을 마련하는 과정; 상기 노즐을 이용하여 용기에 용융물을 주입하는 과정; 및 상기 용기에 주입된 용융물 중 일부를 상기 노즐의 내공부로 순환시켜 상기 용기 내에 주입된 용융물의 유동을 제어하는 과정;을 포함하는 주조방법.
[청구항 11]
청구항 10에 있어서, 상기 노즐을 마련하는 과정은, 상기 용기에 주입된 용융물의 일부를 상기 내공부로 순환시키기 위한 순환관을 상기 노즐에 연결하는 과정을 포함하는 주조방법.
[청구항 12]
청구항 11에 있어서, 상기 노즐을 마련하는 과정은, 상기 용융물에 용융 또는 연소 가능한 차단부재를 마련하는 과정 및 상기 차단부재를 이용하여 상기 순환관의 유로를 폐쇄하는 과정을 포함하는 주조방법.
[청구항 13]
청구항 12에 있어서, 상기 용융물을 주입하는 과정은, 상기 용융물의 상부에 이종의 물질을 주입하여 물질층을 형성하는 과정을 포함하고, 상기 용기의 상부에 노즐을 마련하는 과정은, 상기 순환관의 적어도 일부가 상기 물질층보다 낮은 위치에서 상기 용융물에 침적될 수 있도록 상기 노즐을 배치하는 과정을 포함하는 주조방법.
[청구항 14]
청구항 13에 있어서, 상기 용기 내에 주입된 용융물의 유동을 제어하는 과정은, 상기 순환관의 적어도 일부를 상기 용융물에 침적시키는 과정; 및 상기 차단부재를 연소시켜 상기 순환관의 유로를 개방하는 과정;을 포함하는 주조방법.
[청구항 15]
청구항 14에 있어서, 상기 용융물을 주입하는 과정은, 상기 용융물을 상기 내공부를 따라 이동시켜 상기 내공부의 내부 압력을 상기 내공부의 외부 압력보다 감소시키는 과정을 포함하는 주조방법.
[청구항 16]
청구항 15에 있어서, 상기 노즐을 마련하는 과정은, 상기 내공부에 직경이 감소하는 영역을 형성하는 과정을 포함하고, 상기 용융물을 주입하는 과정은, 상기 노즐의 길이방향으로 상기 내공부의 내부 압력을 변화시키는 과정을 포함하는 주조방법.
[청구항 17]
청구항 15 또는 청구항 16에 있어서, 상기 용기 내에 주입된 용융물의 유동을 제어하는 과정은, 상기 내공부의 내부 압력과 상기 내공부의 외부 압력 차이를 이용하여 상기 용기에 주입된 용융물을 상기 순환관 내부로 흡인하여 상기 내공부로 순환시키는 과정;을 포함하는 주조방법.
[청구항 18]
청구항 17에 있어서, 상기 용기 내에 주입된 용융물의 유동을 제어하는 과정은, 상기 물질층의 하부에서 상기 용융물의 상승류를 형성하는 과정을 포함하는 주조방법.
[청구항 19]
청구항 18에 있어서, 상기 용융물은 용강을 포함하고, 상기 물질층은 몰드 플럭스를 포함하는 주조방법.

도면

[도1]

[도2]

[도3]

[도4]

[도5]

[도6]

[도7]

[도8]