KR101159598B1 - 몰드 파우더 점도 추정 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 연속 주조에서 주형에 투입되는 몰드 파우더에 의해, 주형 내벽에 형성된 몰드 슬래그 필름층을 채취하는 단계; 상기 채취된 몰드 슬래그 필름층을 분석하여 액상 필름층을 확인하는 단계; 상기 액상 필름층의 두께를 측정하는 단계; 및 상기 액상 필름층과, 상기 몰드 파우더의 점도의 관계를 이용하여, 상기 액상 필름층의 두께로부터, 상기 몰드 파우더의 점도를 추정하는 단계를 포함하는, 몰드 파우더 점도 추정 방법에 관한 것이다.

Description

몰드 파우더 점도 추정 방법{METHOD FOR ESTIMATING MOLD POWDER'S VISCOSITY}

본 발명은, 연속 주조에 있어서 생성되는 몰드 필름층을 분석하여, 몰드 파우더의 점도를 추정하는, 몰드 파우더 추정 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 연속 주조기는 제강로에서 생산되어 래들(ladle)로 이송된 용강을 턴디쉬(turndish)에 받았다가 연속 주조기용 주형로 공급하여 일정한 크기의 슬라브를 생산하는 설비이다.

상기 연속 주조기는 용강을 저장하는 래들과, 턴디쉬 및 상기 턴디쉬에서 출강되는 용강을 최초 냉각시켜 소정의 형상을 가지는 주물으로 형성하는 연속 주조기용 주형과, 상기 주형에 연결되어 주형에서 형성된 주물을 이동시키는 다수의 핀치롤러를 포함한다.

다시 말해서, 상기 래들과 턴디쉬에서 출강된 용강은 주형에서 소정의 폭과 두께를 가지는 슬라브(Slab) 또는 블룸(Bloom), 빌렛(Billet) 등의 주물로 형성되어 핀치롤러를 통해 이송되는 것이다.

본 발명은 연속 주조에 있어서 생성되는 몰드 슬래그 필름층을 분석하여 몰드 파우더의 점도를 추정하는 방법을 제공한다.

본 발명은, 연속 주조에서 주형에 투입되는 몰드 파우더에 의해, 주형 내벽에 형성된 몰드 슬래그 필름층을 채취하는 단계; 상기 채취된 몰드 슬래그 필름층을 분석하여 액상 필름층을 확인하는 단계; 상기 액상 필름층의 두께를 측정하는 단계; 및 상기 액상 필름층과, 상기 몰드 파우더의 점도의 관계를 이용하여, 상기 액상 필름층의 두께로부터, 상기 몰드 파우더의 점도를 추정하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 일실시예의 일태양에 의하면, 상기 채취된 필름층을 분석하여 액상 필름층을 확인하는 단계는, 주사 전자 현미경을 통해 상기 액상 필름층을 확인하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 일실시예의 일태양에 의하면, 상기 주사 전자 현미경을 통해 상기 액상 필름층을 확인하는 단계는,상기 주사 현미경으로부터 획득된 후방 산란 전자 이미지로부터 상기 액상 필름층을 확인하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 일실시예의 일태양에 의하면, 상기 액상 필름층과, 상기 몰드 파우더의 점도의 관계를 이용하여, 상기 액상 필름층의 두께로부터, 상기 몰드 파우더의 점도를 추정하는 단계는,수학식 1을 이용하여 상기 몰드 파우더의 점도를 추정하는 단계를 포함할 수 있다.

수학식 1

y=0.72x-0.43

y = 몰드 파우더의 점도

x = 액상 필름층의 두께

상관도 : 79%

본 발명의 일실시예의 일태양에 의하면, 상기 몰드 슬래그 필름층은, 비정질층, 결정질층, 및 상기 액상 필름층을 포함할 수 있다.

상술한 본 발명의 일실시예에 따르면, 주조후 주형 내의 몰드 슬래그 필름을 샘플링 하여 정확하게 액상 필름층의 두께를 측정하고, 이에 따라, 몰드 파우더의 점도를 추정하여, 보다 우수한 주조 환경을 제공할 수 있게 된다.

도 1은 본 발명의 일 실시예와 관련된 연속주조기를 보인 측면도.
도 2는 용강(M)의 흐름을 중심으로 도 1의 연속주조기를 설명하기 위한 개념도.
도 3은 도 2의 주형(30) 및 그와 인접한 부분에서의 용강(M)의 분포 형태를 보인 개념도.
도 4는 본 발명의 일실시예인, 몰드 파우더 점도 추정 방법을 설명하기 위한 흐름도.
도 5는 본 발명의 일실시예인, 몰드 파우더 점도 추정 방법에 이용되는 몰드 슬래그 필름층의 절단면 이미지도.
도 6은 액상 필름층의 두께 및 몰드 파우더의 점도의 측정 사례를 나타내는 도면.
도 7은 액상 필름층과 몰드 파우더의 점도의 관계를 설명하기 위한 그래프.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 몰드 파우더 점도 추정 방법에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 본 명세서에서는 서로 다른 실시예라도 동일?유사한 구성에 대해서는 동일?유사한 참조번호를 부여하고, 그 설명은 처음 설명으로 갈음한다.

연속주조(連續鑄造, Continuous casting)는 용융금속을 바닥이 없는 주형(鑄型, Mold)에서 응고시키면서 연속적으로 주물 또는 강괴(鋼塊, steel ingot)를 뽑아내는 주조법이다. 연속주조는 정사각형?직사각형?원형 등 단순한 단면형의 긴 제품과 주로 압연용 소재인 슬래브?블룸?빌릿을 제조하는 데 이용된다.

연속주조기의 형태는 수직형?수직굴곡형?수직축차굴곡형?만곡형?수평형 등으로 분류된다. 도 1 및 도 2에서는 만곡형을 예시하고 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예와 관련된 연속주조기를 보인 측면도이다.

본 도면을 참조하면, 연속주조기는 턴디쉬(20)와, 주형(30)과, 2차냉각대(60 및 65), 핀치롤(70), 그리고 절단기(90)를 포함할 수 있다.

턴디쉬(Tundish, 20)는 래들(Laddle, 10)로부터 용융금속을 받아 주형(Mold, 30)으로 용융금속을 공급하는 용기이다. 래들(10)은 한 쌍으로 구비되어, 교대로 용강을 받아서 턴디쉬(20)에 공급하게 된다. 턴디쉬(20)에서는 주형(30)으로 흘러드는 용융금속의 공급 속도조절, 각 주형(30)으로 용융금속 분배, 용융금속의 저장, 슬래그 및 비금속 개재물(介在物)의 분리 등이 이루어진다.

주형(30)은 통상적으로 수냉식 구리제이며, 수강된 용강이 1차 냉각되게 한다. 주형(30)은 구조적으로 마주보는 한 쌍의 면들이 개구된 형태로서 용강이 수용되는 중공부를 형성한다. 슬라브를 제조하는 경우에, 주형(30)은 한 쌍의 장벽과, 장벽들을 연결하는 한 쌍의 단벽을 포함한다. 여기서, 단벽은 장벽보다 작은 넓이를 가지게 된다. 주형(30)의 벽들, 주로는 단벽들은 서로에 대하여 멀어지거나 가까워지도록 회전되어 일정 수준의 테이퍼(Taper)를 가질 수 있다. 이러한 테이퍼는 주형(30) 내에서 용강(M)의 응고로 이한 수축을 보상하기 위해 설정한다. 용강(M)의 응고 정도는 강종에 따른 탄소 함량, 파우더의 종류(강냉형 Vs 완냉형), 주조 속도 등에 의해 달라지게 된다.

주형(30)은 주형(30)에서 뽑아낸 주물이 모양을 유지하고, 아직 응고가 덜 된 용융금속이 유출되지 않게 강한 응고각(凝固殼) 또는 응고쉘(Solidifying shell, 81, 도 2 참조)이 형성되도록 하는 역할을 한다. 수냉 구조에는 구리관을 이용하는 방식, 구리블록에 수냉홈을 뚫는 식, 수냉홈이 있는 구리관을 조립하는 방식 등이 있다.

주형(30)은 용강이 주형의 벽면에 붙는 것을 방지하기 위하여 오실레이터(40)에 의해 오실레이션(oscillation, 왕복운동)된다. 오실레이션 시 주형(30)과 주물과의 마찰을 줄이고 타는 것을 방지하기 위해 윤활제가 이용된다. 윤활제로는 뿜어 칠하는 평지 기름과 주형(30) 내의 용융금속 표면에 첨가되는 파우더(Powder)가 있다. 파우더는 주형(30) 내의 용융금속에 첨가되어 슬래그가 되며, 주형(30)과 주물의 윤활뿐만 아니라 주형(30) 내 용융금속의 산화?질화 방지와 보온, 용융금속의 표면에 떠오른 비금속 개재물의 흡수의 기능도 수행한다. 파우더를 주형(30)에 투입하기 위하여, 파우더 공급기(50)가 설치된다. 파우더 공급기(50)의 파우더를 배출하는 부분은 주형(30)의 입구를 지향한다.

2차 냉각대(60 및 65)는 주형(30)에서 1차로 냉각된 용강을 추가로 냉각한다. 1차 냉각된 용강은 지지롤(60)에 의해 응고각이 변형되지 않도록 유지되면서, 물을 분사하는 스프레이(65)에 의해 직접 냉각된다. 주물 응고는 대부분 상기 2차 냉각에 의해 이루어진다.

인발장치(引拔裝置)는 주물이 미끄러지지 않게 뽑아내도록 몇 조의 핀치롤(70)들을 이용하는 멀티드라이브방식 등을 채용하고 있다. 핀치롤(70)은 용강의 응고된 선단부를 주조 방향으로 잡아당김으로써, 주형(30)을 통과한 용강이 주조방향으로 연속적으로 이동할 수 있게 한다.

절단기(90)는 연속적으로 생산되는 주물을 일정한 크기로 절단하도록 형성된다. 절단기(90)로는 가스토치나 유압전단기(油壓剪斷機) 등이 채용될 수 있다.

도 2는 용강(M)의 흐름을 중심으로 도 1의 연속주조기를 설명하기 위한 개념도이다.

본 도면을 참조하면, 용강(M)은 래들(10)에 수용된 상태에서 턴디쉬(20)로 유동하게 된다. 이러한 유동을 위하여, 래들(10)에는 턴디쉬(20)를 향해 연장하는 슈라우드 노즐(Shroud nozzle, 15)이 설치된다. 슈라우드 노즐(15)은 용강(M)이 공기에 노출되어 산화?질화되지 않도록 턴디쉬(20) 내의 용강에 잠기도록 연장한다. 슈라우드 노즐(15)의 파손 등으로 용강(M)이 공기 중에 노출된 경우를 오픈 캐스팅(Open casting)이라 한다.

턴디쉬(20) 내의 용강(M)은 주형(30) 내로 연장하는 침지 노즐(SEN, Submerged Entry Nozzle, 25)에 의해 주형(30) 내로 유동하게 된다. 침지 노즐(25)은 주형(30)의 중앙에 배치되어, 침지 노즐(25)의 양 토출구에서 토출되는 용강(M)의 유동이 대칭을 이룰 수 있도록 한다. 침지 노즐(25)을 통한 용강(M)의 토출의 시작, 토출 속도, 및 중단은 침지 노즐(25)에 대응하여 턴디쉬(20)에 설치되는 스톱퍼(stopper, 21)에 의해 결정된다. 구체적으로, 스톱퍼(21)는 침지 노즐(25)의 입구를 개폐하도록 침지 노즐(25)과 동일한 라인을 따라 수직 이동될 수 있다. 침지 노즐(25)을 통한 용강(M)의 유동에 대한 제어는, 스톱퍼 방식과 다른, 슬라이드 게이트(Slide gate) 방식을 이용할 수도 있다. 슬라이드 게이트는 판재가 턴디쉬(20) 내에서 수평 방향으로 슬라이드 이동하면서 침지 노즐(25)을 통한 용강(M)의 토출 유량을 제어하게 된다.

주형(30) 내의 용강(M)은 주형(30)을 이루는 벽면에 접한 부분부터 응고하기 시작한다. 이는 용강(M)의 중심보다는 주변부가 수냉되는 주형(30)에 의해 열을 잃기 쉽기 때문이다. 주변부가 먼저 응고되는 방식에 의해, 스트랜드(80)의 주조 방향을 따른 뒷부분은 미응고 용강(82)이 용강(M)이 응고된 응고쉘(81)에 감싸여진 형태를 이루게 된다.

핀치롤(70, 도 1)이 완전히 응고된 스트랜드(80)의 선단부(83)를 잡아당김에 따라, 미응고 용강(82)은 응고쉘(81)과 함께 주조 방향으로 이동하게 된다. 미응고 용강(82)은 위 이동 과정에서 냉각수를 분사하는 스프레이(65)에 의해 냉각된다. 이는 스트랜드(80)에서 미응고 용강(82)이 차지하는 두께가 점차로 작아지게 한다. 스트랜드(80)가 일 지점(85)에 이르면, 스트랜드(80)는 전체 두께가 응고쉘(81)로 채워지게 된다. 응고가 완료된 스트랜드(80)는 절단 지점(91)에서 일정 크기로 절단되어 슬라브 등과 같은 제품(P)으로 나뉘어진다.

주형(30) 및 그와 인접한 부분에서의 용강(M)의 형태에 대해서는 도 3을 참조하여 설명한다. 도 3은 도 2의 주형(30) 및 그와 인접한 부분에서의 용강(M)의 분포 형태를 보인 개념도이다.

도 3을 참조하면, 침지 노즐(25)의 단부 측에는 통상적으로 도면상 좌우에 한 쌍의 토출구(25a)들이 형성된다{주형(30) 및 침지 노즐(25) 등의 형태는 중심선(C)을 기준으로 대칭되는 것으로 가정하여, 본 도면에서는 좌측만을 표시한다}.

토출구(25a)에서 아르곤(Ar) 가스와 함께 토출되는 용강(M)은 화살표(A1, A2)로 표시된 바와 같이 상측을 향한 방향(A1)과 하측을 향한 방향(A2)으로 유동하는 궤적을 그리게 된다.

주형(30) 내부의 상부에는 파우더 공급기(50)로부터 공급된 파우더에 의해 파우더층(51)이 형성된다. 파우더층(51)은 파우더가 공급된 형태대로 존재하는 층과 용강(M)의 열에 의해 소결된 층{소결층이 미응고 용강(82)에 더 가깝게 형성됨}을 포함할 수 있다. 파우더층(51)의 하측에는 파우더가 용강(M)에 의해 녹아서 형성된 슬래그층 또는 액체 유동층(52)이 존재하게 된다. 액체 유동층(52)은 주형(30) 내의 용강(M)의 온도를 유지하고 이물질의 침투를 차단한다. 파우더층(51)의 일부는 주형(30)의 벽면에서 응고되어 윤활층(53)을 형성한다. 윤활층(53)은 응고쉘(81)이 주형(30)에 붙지 않도록 윤활하는 기능을 한다.

응고쉘(81)의 두께는 주조 방향으로 따라 진행할수록 두꺼워진다. 응고쉘(81)의 주형(30) 위치한 부분은 두께가 얇으며, 주형(30)의 오실레이션에 따라 자국(Ocillation mark, 87)이 형성되기도 한다. 응고쉘(81)은 지지롤(60)에 의해 지지되며, 물을 분사하는 스프레이(65)에 의해 그 두께가 두꺼워진다. 응고쉘(81)은 두꺼워지다가 일 부분이 볼록하게 돌출하는 벌징(Bulging) 영역(88)이 형성되기도 한다.

연속 주조에서 윤활과 냉각의 역할을 담당하는 몰드 파우더는 여러가지 고온 특성을 가지는데, 그중 점도는 균일한 파우더의 유입과 냉각이 이루어지게 하는 역할을 하게 된다.

이하에서는 액상 필름층의 두께로부터 몰드 파우더의 점도를 추정하는 방법에 대하여, 도 4 내지 도 7을 참조하여 상세하게 설명하도록 한다.

도 4는 본 발명의 일실시예인, 몰드 파우더 점도 추정 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.

도시된 바와 같이, 우선 연속 주조 작업 완료후, 몰드 내벽면에 잔류하는 몰드 슬래그 필름층을 채취한다(S1). 상기 몰드 슬래그 필름층은 비정질층, 결정질층, 및 상기 액상 필름층을 포함한다. 여기서, 주사 전자 현미경(SEM:Scanned Electron Microscopy)등을 이용하여 상기 채취된 몰드 슬래그 필름층을 분석하여 상기 몰드 슬래그 필름층 중 액상 필름층을 확인한다(S3).액상 필름층이 확인되면, 그 액상 필름층의 두께를 측정한다(S5). 그 다음, 후술하는, 상기 액상 필름층과, 상기 몰드 파우더의 점도의 관계를 이용하여, 상기 액상 필름층의 두께로부터, 상기 몰드 파우더의 점도를 추정할 수 있게 된다(S7).

여기서, 상기 액상 필름층과 몰드 파우더의 점도는 수학식 1과 같은 관계를 갖는다. 이에 대해서는 도 6 및 도 7에서 상술하도록 한다.

수학식 1

y=0.72x-0.43

y = 몰드 파우더의 점도(P)

x = 액상 필름층의 두께(mm)

상관도 : 79%

도 5는 본 발명의 일실시예인, 몰드 파우더 점도 추정 방법에 이용되는 몰드 슬래그 필름층의 절단면 이미지도이다.

상기 이미지도는 채취된 몰드 슬래그 필름층에 대하여 주사 전자 현미경을 통해 촬영한 후방 산란 전자 이미지이다.

도면 부호 101은 비정질층이고, 도면부호 102는 결정질층이고, 도면부호 103은 액상 필름층이다. 주형(mold)과 접촉하는 부분과, 용강(steel)과 접촉하는 부분은 냉각 속도 차이에 의하여 다른 조직을 가게된다. 즉, 주형과 접촉하는 부분은 급랭으로 인하여 비정질층(101)이 되고, 형과 용강 사이의 중간 부분은 상대적으로 완만하게 냉각되어 결정질층(102)이 된다. 그리고, 용강과 접촉하는 부분은 주조 완료시점에서 액상 필름층(103)이 된다.

이러한 몰드 슬래그층의 각 층은, 주사 전자 현미경에 의해 촬영하게 되면, 도 5와 같은 후방 산란 전자 이미지를 획득하게 되고, 이에 따라, 액상 필름층(103)의 두께를 측정할 수 있게 된다.

도 6은 액상 필름층의 두께 및 몰드 파우더의 점도의 측정 사례를 나타내는 도면이다. 도 6은 실제 사용중인 몰드 파우더의 점도와, 실제 공정 후 액상 필름층(103)의 두께, 그리고, 주조 속도를 나타내는 도면이다.

도 6에서와 같이, 주조 속도는 동일하게 한 상태(1.41-1.42m/min)에서, 몰드 파우더의 점도와 액상 필름층의 두께를 측정하였다.

파우더 A는 점도가 3.09 P(Poise)이다. 이 파우더 A를 몰드 파우더로 이용한 경우, 액상 필름층의 두께는 2.01mm로 측정되었다.

파우더 B는 점도가 2.12 P(Poise)이다. 이 파우더 B를 몰드 파우더로 이용한 경우, 액상 필름층의 두께는 0.72mm로 측정되었다.

파우더 C는 점도가 1.11 P(Poise)이다. 이 파우더 C를 몰드 파우더로 이용한 경우, 액상 필름층의 두께는 0.58mm로 측정되었다.

이 외에 다수의 점도가 상이한 파우더를 몰드 파우더로 이용한 경우, 액상 필름층의 두께를 측정하였더니, 도 7과 같은 그래프를 얻게 되었다.

도 7은 액상 필름층과 몰드 파우더의 점도의 관계를 설명하기 위한 그래프이다. 도 7의 수평축은 몰드 파우더의 점도(P)를 나타낸고, 수직축은 액상필름층의 두께를 나타낸다.

도 7에 도시된 바와 같이 몰드 파우더의 점도와 액상 필름층의 두께는 하기의 수학식 1과 같이 관계식을 정의할 수 있다.

수학식 1

y=0.72x-0.43

y = 몰드 파우더의 점도

x = 액상 필름층의 두께

R² = 79%

이상과 같이, 액상 필름층의 두께를 주사 전자 현미경을 통해 획득한 후, 상술한, 관계식을 이용하면, 몰드 파우더의 점도를 추정할 수 있게 된다.

상기와 같은 몰드 파우더 점도 추정 방법은 위에서 설명된 실시예들의 구성과 작동 방식에 한정되는 것이 아니다. 상기 실시예들은 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 구성될 수도 있다.

10: 래들 15: 슈라우드 노즐
20: 턴디쉬 25: 침지 노즐
30: 주형 40: 주형 오실레이터
50: 파우더 공급기 51: 파우더층
52: 액체 유동층 53: 윤활층
60: 지지롤 65: 스프레이
70: 핀치롤 80: 스트랜드
81: 응고쉘 82: 미응고 용강
83: 선단부 85: 응고 완료점
87: 오실레이션 자국 88: 벌징 영역
101: 비정질층 102:결정질층
103: 액상 필름층

Claims (5)

1. 연속 주조에서 주형에 투입되는 몰드 파우더에 의해, 주형 내벽에 형성된 몰드 슬래그 필름층을 채취하는 단계;
   상기 채취된 몰드 슬래그 필름층을, 전자주사현미경의 후방 산란 전자이미지로 분석하여 액상 필름층을 확인하는 단계;
   상기 액상 필름층의 두께를 측정하는 단계; 및
   상기 액상 필름층과 상기 몰드 파우더의 점도의 관계를 이용하여, 상기 액상 필름층의 두께로부터, 하기 수학식1을 이용하여 상기 몰드 파우더의 점도를 추정하는 단계를 포함하는, 몰드 파우더 점도 추정 방법.
   수학식 1
   y=0.72x-0.43
   y = 몰드 파우더의 점도(P)
   x = 액상 필름층의 두께(mm)
   상관도 : 79%
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 채취된 필름층을 분석하여 액상 필름층을 확인하는 단계는,
   주사 전자 현미경을 통해 상기 액상 필름층을 확인하는 단계를 포함하는, 몰드 파우더 점도 추정 방법.
   
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 주사 전자 현미경을 통해 상기 액상 필름층을 확인하는 단계는,
   상기 주사 현미경으로부터 획득된 후방 산란 전자 이미지로부터 상기 액상 필름층을 확인하는 단계를 포함하는, 몰드 파우더 점도 추정 방법.
   
4. 삭제
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 몰드 슬래그 필름층은, 비정질층, 결정질층, 및 상기 액상 필름층을 포함하는, 몰드 파우더 점도 추정 방법.

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