KR101344902B1 - 강 품질 제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 최대 황 함량을 설정하고, 용탕을 측정하여 얻은 실제 황 함량과 비교하여 핀홀 결함을 예측하여 강 품질을 제어하는 강 품질 제어방법에 관한 것으로, 목표 핀홀지수에 따른 용탕의 최대 황 함량을 결정하는 단계; 2차 정련으로 용탕의 황 함량을 제어하고, 상기 용탕의 실제 황 함량을 측정하는 단계; 및 상기 실제 황 함량과 상기 최대 황 함량을 비교하여 최대 황 함량이 크면, 핀홀지수 실적이 목표 핀홀지수보다 작은 것으로 판단하여 강을 생산하는 단계;를 제공한다.

Description

강 품질 제어방법{CONTROL METHOD FOR QUALITY OF STEEL}

본 발명은 강 품질 제어방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 최대 황 함량을 설정하고, 용탕을 측정하여 얻은 실제 황 함량과 비교하여 핀홀 결함을 예측하여 강 품질을 제어하는 강 품질 제어방법에 관한 것이다.

일반적으로, 연속주조기는 제강로에서 생산되어 래들(Ladle)로 이송된 용강을 턴디쉬(Tundish)에 받았다가 연속주조기용 몰드로 공급하여 일정한 크기의 주편을 생산하는 설비이다.

연속주조기는 용강을 저장하는 래들과, 턴디쉬 및 상기 턴디쉬에서 출강되는 용강을 최초 냉각시켜 소정의 형상을 가지는 스트랜드로 형성하는 연주용 몰드와, 상기 몰드에 연결되어 몰드에서 형성된 스트랜드를 이동시키는 다수의 핀치롤을 포함한다.

다시 말해서, 상기 래들과 턴디쉬에서 출강된 용강은 몰드에서 소정의 폭과 두께 및 형상을 가지는 스트랜드로 형성되어 핀치롤을 통해 이송되고, 핀치롤을 통해 이송된 스트랜드는 절단기에 의해 절단되어 소정 형상을 갖는 슬라브(Slab), 블룸(Bloom) 또는 빌렛(Billet) 등의 주편으로 제조된다.

관련된 선행기술로는 한국특허공개 제2010-0074482호(공개일: 2010. 07. 02, 명칭: 주편의 표면품질 향상방법)가 있다.

본 발명은 목표 핀홀지수를 이용하여 강에 적합한 최대 황 함량을 설정하여 강을 생산하는 강 품질 제어방법를 제공하기 위한 것이다.

본 발명은 현 래들의 잔여 주조시간에 따라 2차적으로 황 함량을 제어하는 강 품질을 제어하는 강 품질 제어방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않는다.

상기 과제를 달성하기 위한 본 발명의 강 품질 제어방법은, 목표 핀홀지수에 따른 용탕의 최대 황 함량을 결정하는 단계; 2차 정련으로 용탕의 황 함량을 제어하고, 상기 용탕의 실제 황 함량을 측정하는 단계; 및 상기 실제 황 함량과 상기 최대 황 함량을 비교하여 최대 황 함량이 크면, 핀홀지수 실적이 목표 핀홀지수보다 작은 것으로 판단하여 극저탄소강을 생산하는 단계;를 포함할 수 있다.

구체적으로, 상기 실제 황 함량과 상기 최대 황 함량을 비교하여 최대 황 함량이 작으면, 용탕의 황 함량의 재 제어시간과 래들운송시간의 합이 현 래들 잔여 주조시간보다 큰지를 판단하고, 크면 핀홀지수 실적를 예측하여 강종을 전환하여 생산하는 단계;를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 재 제어시간과 래들운송시간의 합이 현 래들 잔여 주조시간보다 작으면 용탕의 황 함량을 다시 제어하는 단계;를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 최대 황 함량([S],wt%)이 하기의 관계식으로 결정될 수 있다.

[관계식]

[S] = (목표 핀홀지수 - a0 + a2 · W)/a1

이때, W는 슬라브 폭(m), a0는 0.9 내지 1.15, a1은 130 내지 155, a2는 1.020 내지 0.980을 나타냄.

또한, 상기 핀홀지수 실적은 하기의 관계식으로 결정될 수 있다.

[관계식]

핀홀지수 실적 = (a0 + (a1 · S) - (a2 · W))

이때, S는 용강중 S함량(wt%), W는 슬라브 폭(m), a0는 0.9 내지 1.15, a1은 130 내지 155, a2는 1.020 내지 0.980을 나타냄.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은

핀홀지수 실적을 측정하지 않아도 최대 황 함량과 실제 [S]만으로 슬라브의 핀홀을 원하는 수준으로 제어하여 결함발생률을 최소화하는 효과가 있다.

또한, 생산되는 슬라브 폭에 따라 핀홀의 발생정도에 차이가 있어 슬라브 폭에 따라 황 함량을 제어 하므로 비용을 절감하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 실시예와 관련된 연속주조기를 보인 측면도이다.
도 2는 용강(M)의 흐름을 중심으로 도 1의 연속주조기를 설명하기 위한 개념도이다.
도 3은 연속주조로 제조된 슬라브 내 핀홀 결함을 촬영한 사진이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 강 품질 제어방법을 나타낸 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 강 품질 제어방법의 슬라브 폭 크기별 최대 [S]의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 강 품질 제어방법의 슬라브 폭 길이별 핀홀지수 실적와 [S]의 관계를 나타낸 그래프이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 도면들 중 동일한 구성요소들은 가능한 어느 곳에서든지 동일한 부호로 표시한다. 또한 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.

도 1은 본 발명의 실시예와 관련된 연속주조기를 보인 측면도이다.

연속주조(continuous casting)는 용융금속을 바닥이 없는 몰드(Mold)에서 응고시키면서 연속적으로 주편 또는 강괴(steel ingot)를 뽑아내는 주조법이다. 연속주조는 정사각형, 직사각형, 원형 등 단순한 단면형의 긴 제품과 주로 압연용 소재인 슬라브, 블룸 및 빌릿을 제조하는 데 이용된다.

연속주조기의 형태는 수직형과 수직만곡형 등으로 분류된다. 도 1 및 도 2에서는 수직만곡형을 예시하고 있다.

도 1을 참조하면, 연속주조기는 래들(10)과 턴디쉬(20), 몰드(30), 2차냉각대(60 및 65), 핀치롤(70), 그리고 절단기(90)를 포함할 수 있다.

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

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

몰드(30)는 몰드(30)에서 뽑아낸 연주주편이 모양을 유지하고, 아직 응고가 덜 된 용융금속이 유출되지 않게 강한 응고각(凝固殼) 또는 응고쉘(Solidified Shell, 81)이 형성되도록 하는 역할을 한다. 수냉 구조에는 구리관을 이용하는 방식, 구리블록에 수냉홈을 뚫는 방식, 수냉홈이 있는 구리관을 조립하는 방식 등이 있다.

몰드(30)는 용강이 몰드의 벽면에 붙는 것을 방지하기 위하여 오실레이터(40)에 의해 오실레이션(oscillation, 왕복운동)된다. 오실레이션시 몰드(30)와 응고쉘(81)과의 마찰을 줄이고 타는 것을 방지하기 위해 윤활제가 이용된다. 윤활제로는 뿜어 칠하는 평지 기름과 몰드(30) 내의 용융금속 표면에 첨가되는 파우더(Powder)가 있다. 파우더는 몰드(30) 내의 용융금속에 첨가되어 슬래그가 되며, 몰드(30)와 응고쉘(81)의 윤활뿐만 아니라 몰드(30) 내 용융금속의 산화질화 방지와 보온, 용융금속의 표면에 떠오른 비금속 개재물의 흡수의 기능도 수행한다. 파우더를 몰드(30)에 투입하기 위하여, 파우더 공급기(50)가 설치된다. 파우더 공급기(50)의 파우더를 배출하는 부분은 몰드(30)의 입구를 지향한다.

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

인발장치(引拔裝置)는 연주주편이 미끄러지지 않게 뽑아내도록 몇 조의 핀치롤(70)들을 이용하는 멀티드라이브방식 등을 채용하고 있다. 핀치롤(70)은 용강의 응고된 선단부를 주조 방향으로 잡아당김으로써, 몰드(30)를 통과한 용강이 주조방향으로 연속적으로 이동할 수 있게 한다. 절단기(90)는 연속적으로 생산되는 연주주편을 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 슈라우드노즐(Shroud nozzle, 15)이 설치된다. 슈라우드노즐(15)은 용강(M)이 공기에 노출되어 산화 및 질화되지 않도록 턴디쉬(20) 내의 용강에 잠기도록 연장한다. 슈라우드노즐(15)의 파손 등으로 용강(M)이 공기 중에 노출된 경우를 오픈 캐스팅(Open casting)이라 한다.

턴디쉬(20) 내의 용강(M)은 몰드(30) 내로 연장하는 침지노즐(Submerged Entry Nozzle, 25)에 의해 몰드(30) 내로 유동하게 된다. 침지노즐(25)은 몰드(30)의 중앙에 배치되어, 침지노즐(25)의 양 토출구에서 토출되는 용강(M)의 유동이 대칭을 이룰 수 있도록 한다. 침지노즐(25)을 통한 용강(M)의 토출의 시작, 토출 속도, 및 중단은 침지노즐(25)에 대응하여 턴디쉬(20)에 설치되는 스톱퍼(Stopper, 21)에 의해 결정된다. 구체적으로, 스톱퍼(21)는 침지노즐(25)의 입구를 개폐하도록 침지노즐(25)과 동일한 라인을 따라 수직 이동될 수 있다. 침지노즐(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 침지노즐(25)을 통한 용강(M)의 토출 유량을 제어하게 된다.

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

핀치롤(70, 도 1)이 완전히 응고된 연주주편(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 스프레이수단(65)에 의해 냉각된다. 이는 연주주편(80)에서 미 응고 용강(82)이 차지하는 두께가 점차로 작아지게 한다. 연주주편(80)이 일지점(85)에 이르면, 연주주편(80)은 전체 두께가 응고쉘(81)로 채워지게 된다. 응고가 완료된 연주주편(80)은 절단 지점(91)에서 일정 크기로 절단되어 슬라브 등과 같은 주편(P)으로 나누어진다.

이와 같이 만들어지는 슬라브는 황의 함유량에 따라 도 3과 같이 핀홀결함을 발생하게 된다.

본 발명은 상기와 같은 공정 중에서 강 품질을 제어하기 위한 것으로 도 3을 참조하여 설명한다.

본 발명의 강이 품질 제어방법은 몰드 내 전자기 교반장치를 사용하지 않은 경우에 적용될 수 있다.

먼저, 설정 강종에 따른 목표 핀홀지수를 결정한다(S10). 일반적으로 극저탄소강의 목표 핀홀지수는 약 0.6이하임이 바람직하다.

이어서, 목표 핀홀지수에 따른 최대 황 함량을 결정한다(S20). 이때, 최대 황 함량은 핀홀지수 실적이 목표 핀홀지수를 넘지 않는 최대 용탕 내 포함될 황 함량을 나타낸다.

여기서, 최대 황 함량([S],wt%)은 하기의 [관계식 1]로 결정된다.

[관계식 1]

최대 [S] = (목표 핀홀지수 - a0 + a2 · W)/a1

이때, W는 슬라브 폭(m), a0 내지 a2는 상수를 나타낸다. 여기서, a0 내지 a2의 계수는 턴디쉬 과열도에 따라 달라진다.

통상적인 턴디쉬 과열도는 10 내지 45℃이나, 턴디쉬 과열도가 낮아지면 표층하에서 기포 흡착능이 저하되어 핀홀발생이 저하되면서 a0 및 a1은 감소하고, a2는 증가하게된다. 이와 반대로 턴디쉬 과열도가 증가하면 기포 흡착능이 향상되어 핀홀발생을 촉진됨으로 a0 및 a1은 증가하고, a2는 감소하게된다.

따라서, 턴디쉬 가열도 10℃ 내지 45℃에서 a0는 내지 1.15, a1은 130 내지 155, a2는 1.020 내지 0.980의 범위 내임이 바람직하다.

목표 핀홀지수가 0.6 및 0.1일 때, 슬라브 폭의 크기별 [관계식 1]에 따른 최대 황 함량(wt%)은 [표 1]과 같다.

[표 1]과 같이, 최대 황 함량은 슬라브 폭에 따라 가변됨을 알 수 있으며, 목표 핀홀지수에 따라서도 가변됨을 알 수 있다.

즉, 최대 황 함량은 목표 핀홀지수가 작으면 작을수록, 슬라브의 폭이 좁으면 좁을수록 작아진다. 이를 그래프로 나타내면 도 4와 같이 비례되는 형상으로 나타낼 수 있다.

이어서, 2차 정련으로 용탕의 황 함량을 제어한다(S30). 이때, 2차 정련은 LF(Ladle Furnace), 및 진공 탈가스(RH) 공정을 포함한다.

이어서, 2차 정련으로 용탕의 황 함량을 제어하여 형성된 용강의 실제 황 함량을 측정한다(S40). 이때, 용탕은 황 함량을 제어하기 전을 나타내고 용강은 황 함량을 제어한 후를 나타낸다.

이어서, 용강의 실제 황 함량과 상기 최대 황 함량을 비교하여 최대 황 함량이 큰지를 판단한다(S50).

마지막으로, 용강에서 측정한 실제 [S]보다 최대 황 함량이 크면, 설정 강종으로 생산한다(S60). 이때, 생산되는 핀홀지수 실적을 예측할 수 있다.

이때, 생산되는 강의 핀홀지수 실적은 하기의 [관계식 2]로 예측한다.

[관계식 2]

핀홀지수 실적 = (a0 + (a1 · S) - (a2 · W))

이때, S는 용강중 S함량(wt%), W는 슬라브 폭(m), a0 내지 a2는 상수를 나타내며, 턴디쉬 가열도 10℃ 내지 45℃범위에 a0는 0.9 내지 1.15, a1은 130 내지 155, a2는 1.020 내지 0.980을 나타냄이 바람직하다.

여기서, 실제 황 함량과 최대 황 함량을 비교하여 최대 황 함량이 작으면, 용탕의 [S] 재 제어시간과 래들 운송시간의 합이 현 래들 잔여 주조시간보다 큰지를 판단하여(S51), 크면 강종을 전환하여 생산한다(S61).

이때, 최대 황 함량이 작다는 것은 용강에 함유된 S가 많아 핀홀지수 실적가 목표 핀홀지수 실적에 미치지 못하여 강의 품질이 낮아지는 것을 의미하므로 강종을 전환하여 생산하거나 폐기하여 품질을 제어한다.

또한, 용강의 [S] 재 제어시간과 래들 운송시간의 합을 현 래들 잔여 주조시간과 비교하는 이유는 래들의 주조시간이 연속적으로 이루어져야 주조가 중단되는 것을 방지할 수 있으므로 현 래들의 주조시간이 얼마 남아있지 않은 상태에서 용강의 황 함량을 재 제어하여 래들의 주조를 중단하게 되면 강종을 전환하여 생산하는 생산비보다 더 많은 비용적 손실이 일어나기 때문이다.

예를 들어, 현 래들의 잔여주조시간이 30분이고, [S] 재 제어시간이 20분, 운송시간이 5분이라고 한다면, 용강의 황 함량을 재 제어하여 전달하는 것이 강 품질을 제어하는데 바람직하나, 현 래들의 잔여 주조시간이 25분이고, [S]재 제어시간이 20분, 운송시간이 5분이라고 한다면, 강종을 전환하여 생산하는 것이 바람직하다.

여기서, 현 래들의 잔여주조시간은 하기의 [관계식 3]으로 알 수 있다.

[관계식 3]

또한, 래들의 잔여주조시간, [S] 재 제어시간, 및 운송시간은 설비에 따라 차이가 있을 수 있음은 자명하다.

[표 2]은 a0가 1.07, a1이 141, 및 a2가 0.994일 때, 핀홀지수 실적 및 슬라브의 핀홀결함에 대한 합격 여부를 나타낸 것이다.

[표 2]에 도시된 바와 같이, 슬라브 폭 및 목표 핀홀지수에 따라 최대 황 함량을 알 수 있으며, 최대 황 함량은 슬라브 폭 및 목표 핀홀지수에 의해 결정됨을 알 수 있다.

[표 2]에서 보는 바와 같이, 최대 황 함량과 실제 황 함량을 비교를 통해 생산되는 강 종의 목표 핀홀지수에 이상인지 아닌지를 확인 할 수 있으며 핀홀지수 실적이 목표 핀홀지수 보다 크면 합격되지 않음을 알 수 있다.

또한, 도 4를 살펴보면, 황 함량과 핀홀실적 지수와의 관계를 알 수 있다. 황 함량([S])이 0.002일때, 슬라브 폭의 크기가 클수록 핀홀지수 실적이 낮은 것을 알 수 있으며, 황 함량이 증가될수록 좁은 슬라브 폭을 갖는 슬라브는 직접적으로 핀홀지수 실적에 영향을 받으나, 슬라브 폭이 2000mm정도인 슬라브들은 큰 영향을 받지 않으므로 적절한 황 함량을 제어 할 수 있다.

따라서, 슬라브 폭과 목표 핀홀지수에 따라 요구되는 최대 황 함량이 차이가 있어, 과도하게 황 함량을 낮추지 않고도 목표 핀홀지수 내에 있는 강을 제조할 수 있으며, 과도하게 황 함량을 낮추지 않고 적당한 최대 황 함량에 따라 실제 황 함량을 제어하여 강을 생산함으로써 비용절감의 효과가 탁월하다.

또한, 실제 핀홀지수 검사 전에 핀홀지수를 예측할 수 있어 강 품질의 오류를 줄이는 효과가 있다.

상기와 같은 극저탄소강 핀홀 결함 예측방법은 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: 슈라우드노즐
20: 턴디쉬 25: 침지노즐
25a: 토출구 30: 몰드
51: 파우더층 52: 액체 유동층
53: 윤활층 60: 지지롤
65: 스프레이 80: 연주주편
81: 응고쉘 82: 미응고 용강
83: 선단부 85: 응고 완료점
87: 오실레이션 자국 88: 벌징 영역
90: 절단기 91: 절단 지점

Claims (5)

1. 설정 강종에 따라 결정된 목표 핀홀지수에 따라서 용탕의 최대 황 함량을 결정하는 단계;
   2차 정련으로 용탕의 황 함량의 제어하고, 상기 용탕의 실제 황 함량을 측정하는 단계; 및
   상기 실제 황 함량과 상기 최대 황 함량을 비교하여 최대 황 함량이 크면, 핀홀지수 실적이 목표 핀홀지수보다 작은 것으로 판단하여 강을 생산하는 단계;를 포함하고,
   상기 최대 황 함량([S],wt%)이 하기의 관계식1로 결정되는 강 품질 제어방법.
   [관계식1]
   [S] = (목표 핀홀지수 - a0 + a2 · W)/a1
   (이때, W는 슬라브 폭(m), a0는 0.9 내지 1.15, a1은 130 내지 155, a2는 1.020 내지 0.980을 나타냄.)
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 실제 황 함량과 상기 최대 황 함량을 비교하여 최대 황 함량이 작으면, 용탕의 황 함량을 재 제어시간과 래들운송시간의 합이 현 래들 잔여 주조시간보다 큰지를 판단하고, 크면 핀홀지수 실적을 예측하여 강종을 전환하여 생산하는 단계;를 더 포함하고,
   상기 핀홀지수 실적은 하기의 관계식2로 결정되는 강 품질 제어방법.
   [관계식2]
   핀홀지수 실적 = (a0 + (a1 · S) - (a2 · W))
   (이때, S는 용강중 S함량(wt%), W는 슬라브 폭(m), a0는 0.9 내지 1.15, a1은 130 내지 155, a2는 1.020 내지 0.980을 나타냄.)
   
3. 청구항 2에 있어서,
   재 제어시간과 래들운송시간의 합이 현 래들 잔여 주조시간보다 작으면 용탕의 황 함량을 다시 제어하는 단계;를 더 포함하는 강 품질 제어방법.
   
4. 삭제
5. 삭제

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