KR101377484B1 - 용강의 탄소픽업량 예측방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연속 주조 중 몰드의 파우더층에서 용강으로 유입되는 탄소픽업량(Cp; ppm)은, 상기 몰드파우더층의 액상층의 두께(Lt; mm)를 이용한 하기 관계식에 의해 계산되는 용강의 탄소픽업량 예측방법을 제공한다.
관계식

여기서, a는 0.25 내지 0.3 사이의 계수값이고, b는 6.0 내지 7.0 사이의 상수값임.

Description

용강의 탄소픽업량 예측방법{METHOD FOR ESTIMATING CARBON-INCREASING OF MOLTEN STEEL}

본 발명은 용강의 탄소픽업량(Cp) 예측에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 연주공정 중 몰드 내에서 용강의 탄소픽업량(Cp)을 예측하고 미리 대처하기 위한 용강의 탄소픽업량 예측방법에 관한 것이다.

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 연주주편으로 형성하는 연주용 몰드와, 상기 몰드에 연결되어 몰드에서 형성된 연주주편을 이동시키는 다수의 핀치롤을 포함한다.

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

관련된 선행기술로는 한국특허등록 제10-0113104호(등록일; 1997.03.14, 명칭; 슬라브연주기의 구속성 브렉아웃을 저감하기 위한 고탄소강용 몰드플럭스)가 있다.

본 발명은 몰드 내 용강 상단의 몰드파우더 액상층의 두께를 이용하여 용강의 탄소픽업량(Cp) 정도를 사전에 예측하고 미리 대처하기 위한 용강의 탄소픽업량 예측방법을 제공하기 위한 것이다.

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

상기한 과제를 실현하기 위한 본 발명의 용강의 탄소픽업량 예측방법은, 연속 주조 중 몰드의 파우더층에서 용강으로 유입되는 탄소픽업량(Cp; ppm)은, 상기 몰드파우더층의 액상층의 두께(Lt; mm)를 이용한 하기 관계식에 의해 계산될 수 있다.

관계식

여기서, a는 0.25 내지 0.3 사이의 계수값이고, b는 6.0 내지 7.0 사이의 상수값일 수 있다.

구체적으로는, 상기에서 계산된 탄소픽업량(Cp)과 설정된 기준값을 비교하여, 상기 탄소픽업량(Cp)이 기준값을 초과할 경우에는 상기 용강의 주조속도가 감소되도록 할 수 있다.

상기 기준값은, 3.7 ppm일 수 있다.

상기 몰드를 통해 주조되는 슬라브의 두께가 210 내지 230 mm이고 주조폭이 1000 내지 1300 mm일 수 있다.

상기 몰드에 침적되는 침지노즐의 깊이가 100 내지 200mm이고, 상기 침지노즐의 하향각이 25°를 만족할 수 있다.

상기와 같이 본 발명에 의하면, 연속주조 시 몰드 내 용강의 탄소픽업량(Cp) 정도를 미리 예측하고 대처함으로써 이를 이용하여 생산된 주편의 품질을 향상시킬 수 있다.

또한, 용강의 탄소픽업량(Cp)을 억제하기 위하여 공급되는 몰드파우더의 공급량을 감소시켜 비용을 저감시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예와 관련된 연속주조기를 용강의 흐름을 중심으로 나타낸 개념도이다.
도 2는 본 발명과 관련된 연속주조기의 몰드 내 용강 및 몰드파우더층의 모습을 나타낸 단면도이다.
도 3은 본 발명과 관련된 몰드파우더층의 탄소 농도구배를 설명하기 위한 그래프이다.
도 4는 본 발명과 관련된 몰드 내 용강 탕면의 높이를 측정하여 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 용강의 탄소픽업량 예측방법을 도시한 순서도이다.
도 6은 본 발명의 실시예와 관련된 단변부 액상층 두께와 탄소픽업량(Cp)의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실시예와 관련된 용강의 주조속도와 몰드파우더층의 두께의 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 용강의 흐름을 중심으로 나타낸 개념도이다.

연속주조(continuous casting)는 용융금속을 바닥이 없는 몰드(Mold, 30)에서 응고시키면서 연속적으로 주편(P) 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 1에서는 수직만곡형을 예시하고 있다.

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

턴디쉬(Tundish, 20)는 래들(Ladle, 10)로부터 용융금속을 받아 몰드(Mold, 30)로 용융금속을 공급하는 용기이다. 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), 주조속도 등에 의해 달라지게 된다.

몰드(30)는 몰드(30)에서 뽑아낸 연주주(80)이 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 몰드(30)의 벽면에 붙는 것을 방지하기 위하여 오실레이터(40)에 의해 오실레이션(oscillation, 왕복운동)된다. 오실레이션 시 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. 파우더를 몰드(30)에 투입하기 위하여, 파우더 공급기(50)가 설치된다. 파우더 공급기(50)의 파우더를 배출하는 부분은 몰드(30)의 입구를 지향한다.

2차 냉각대는 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. 연주주편(80)의 응고는 대부분 상기 2차 냉각에 의해 이루어진다.

인발장치(引拔裝置)는 연주주편(80)이 미끄러지지 않게 뽑아내도록 몇 조의 핀치롤(70)들을 이용하는 멀티드라이브방식 등을 채용하고 있다. 핀치롤(70)은 용강의 응고된 선단부(83)를 주조 방향으로 잡아당김으로써, 몰드(30)를 통과한 용강이 주조방향으로 연속적으로 이동할 수 있게 한다.

이와 같이 구성된 연속주조기는 래들(10)에 수용된 용강(M)이 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.

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.

한편, 본 발명의 연주 몰드는 몰드(30)폭 1000 내지 1300mm, 침지노즐(25)의 침지깊이 100 내지 200mm, 침지노즐(25)의 하향각도 25°인 조건의 연주 몰드(30)이며, 이러한 몰드를 통해 주조되는 슬라브의 두께가 210 내지 230 mm이고 주조폭이 1000 내지 1300 mm인 것이 특징이다.

핀치롤(도 1, 70)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 미응고 용강(82)이 차지하는 두께가 점차로 작아지게 한다. 연주주편(80)이 일지점에 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.

한편, 연속 주조 중에는 몰드(30) 내 용강 상단에 몰드파우더를 연속적으로 공급하여, 용강의 재산화를 방지하고, 용강의 거동을 돕고, 용강의 열손실을 줄인다. 이때, 몰드파우더는 도 2에 도시된 바와 같이 각각 4개의 층으로 분리되는 몰드파우더층(100)을 이룬다.

이러한, 몰드파우더층(100)은 다음의 4가지 특성으로 구분되는 각각의 층으로 구분되는데, 구체적으로 첫째 최상층에는 몰드(30) 내로 공급된 후 미용융 및 미반응된 생파우더층(101), 둘째 중간의 용강의 열에 의한 불균일(heterogeneous) 소결층(103), 셋째 고농도의 탄소가 집적된 탄소농화층(105), 및 넷째 맨 아래 위치하여 용강과 접촉하고 있는 액상층(107)으로 구분된다.

또한, 몰드파우더층(100)의 각각의 층은 도 3에 도시된 바와 같이 각각의 층에 따라 탄소 농도구배를 갖는다. 즉, 생파우더층(101)의 탄소농도를 기준으로, 불균일 소결층(103)에서는 탄소 농도가 다소 낮아졌다가, 탄소농화층(105)에서는 불균일 소결층(103) 및 액상층(107)의 탄소가 접적되어 탄소 농도가 매우 높아지고, 이후 액상층(107)에서 용강으로 갈수록 탄소 농도가 점차 낮아지는 경향을 보인다.

이와 같은 이유로, 연속주조 시 용강의 탕면이 불안정하면 불균일 소결층(103) 및 탄소농화층(105)이 용강과 접촉되면 불균일 소결층(103) 및 탄소농화층(105)의 탄소가 용강으로 유입되어, 연주 중인 용강의 탄소 농도를 상승시키는 직접적인 원인이 된다. 또한, 이렇게 용강 중 탄소농도가 상승되면, 용강의 연성이 저하되어 이를 이용하여 제조된 판재의 성형강도를 저하시킨다.

따라서, 불균일 소결층(103) 및 탄소농화층(105)과 용강이 접촉되는 것을 방지하기 위하여, 그 사이에 위치된 액상층(107)의 두께가 일정 깊이 이상 확보될 필요성이 있다.

한편, 몰드(30) 내 용강 탕면은 도 4에 도시된 바와 같이 턴디쉬(20)로부터 연결된 침지노즐(SEN; 25)을 통하여 이송되는 용강의 유동을 따라 일정 경향을 보인다. 구체적으로 설명하면, 몰드(30) 내 용강 탕면은 침지노즐(25)과 몰드(30)의 단변 내측벽의 가운데 부분에서는 다소 안정된반면, 침지노즐(25) 주변과 몰드(30)의 단변 내측변 측으로 갈수록 탕면이 상승되며, 이 중 몰드(30)의 단변 내측변 측 탕면은 높이가 높을 뿐만 아니라 용강의 유동에 따라 상승 및 하강 폭이 심하여 매우 불안정하다. 이와 같이 용강 탕면의 불안정 도 3의 설명에서 전술된 바와 같이 불균일 소결층(103) 및 탄소농화층(105)이 용강과 접촉되면 불균일 소결층(103) 및 탄소농화층(105)의 탄소가 용강으로 유입되어, 연주 중인 용강의 탄소 농도를 상승시키는 직접적인 원인이 된다.

따라서, 본 발명에서는 도 5의 순서도와 같이, 몰드(30)의 단변 내측벽 부분의 몰드파우더층(100)의 액상층(107)의 두께를 통하여 용강의 탄소픽업량(Cp)을 예측하였다. 이때, 액상층(107)의 두께는 몰드(30) 단변 내측벽으로부터 침지노즐(25) 방향으로 50 내지 100mm 안쪽 부분의 두께을 측정하는 것이 좋다.

한편, 액상층(107) 두께를 측정하는 방법은 공지된 여러 기술이 있으나, 일례로는 같은 길이의 알루미늄(Al) 와이어, 구리(Cu) 와이어, 및 강철(Steel) 와이어를 같은 깊이만큼 침지시킨 후 용융되어 절단된 부분의 길이를 측정하여 알 수 있다. 더욱 구체적으로는 용강의 온도가 용강에 가까울수록 더 높아지므로, 660℃ 부근이 녹는점인 알루미늄이 녹은 부분이 생파우더층(101)과 불균일 소결층(103)의 경계, 1085℃ 부근이 녹는점인 구리가 녹은 부분이 불균일 소결층(103)과 액상층(107)의 경계, 1535℃ 부근이 녹는점인 강철이 녹은 부분이 액상층(107)과 용강의 경계인 것으로 확인할 수 있으며, 탄소농화층(105)은 그 두께가 얇아 탄소농화층(105)의 상하부의 온도차가 크지 않아 이와 같은 방법으로 측정할 수 없고 불균일 소결층(103)과 액상층(107) 사이에 있는 것으로 본다. 즉, 이렇게 절단된 강철과 구리의 길이 차이를 측정하여 액상층(107)의 두께를 확인하게 되는 것이다.

구체적으로 본 발명의 용강의 탄소픽업량 예측방법은, 연속 주조 중 몰드의 파우더층에서 용강으로 유입되는 탄소픽업량(Cp; ppm) 예측방법으로서, 상기 탄소픽업량(Cp)은 몰드파우더층의 액상층의 두께(Lt; mm)를 이용한 하기 관계식 1에 의해 계산될 수 있다.

관계식 1

여기서, a는 0.25 내지 0.3 사이의 계수값이고, b는 6.0 내지 7.0 사이의 상수값일 수 있다.

액상층(107)의 두께와 용강 내 탄소픽업량(Cp)의 관계는 도 6의 그래프에 나타난 바와 같이, 전반적으로 액상층(107)의 두께와 용강 내 탄소픽업량(Cp)은 다른 조업조건이 동일한 상태에서 대략 반비례관계를 가짐을 확인할 수 있다.

이때, 도 6에서 도트는 액상층(107) 두께에 따른 탄소픽업량(Cp)의 실측 데이터이고, 실선은 실측 데이터들을 선형으로 피팅한 예측 모델로서, 실제와 예측 모델이 다소 일치(R²=0.8198)하는 것으로 나타났다. 또한, 본 그래프를 통하여, a가 0.287이고 b가 6.57임이 바람직함을 알 수 있다.

즉, 탄소픽업량(Cp)이 하기 관계식 2에 의하여 계산되는 것이 바람직할 수 있다.

관계식 2

용강의 탄소픽업량(Cp)을 계산한 후, 계산된 용강의 예측탄소픽업량(Cp)을 기준값과 비교하여, 탄소픽업량(Cp)이 기준값을 초과할 경우에는 상기 용강의 주조속도가 감소되도록 제어할 수 있다. 왜냐하면, 도 7의 그래프에 나타난 바와 같이용강의 주조속도가 감소되면 용강이 몰드 내 머무르는 시간이 증가되어 용강 상단의 몰드플럭스층이 충분히 용융됨으로써 액상층의 두께가 증가될 수 있기 때문이다. 여기서, 기준값은 3.7 ppm으로서, 일반적으로 제강공정에서 허용하는 범위의 탄소픽업량(Cp)이다.

구체적으로, 용강의 탄소픽업량(Cp)이 3.7 ppm 이하인 경우, 극저탄소강의 탄소픽업량(Cp) 허용범위에 해당되므로 주조속도를 유지한다. 그러나, 용강의 탄소픽업량(Cp)이 3.7 ppm 이상인 경우, 탄소픽업량(Cp)이 초과 수준이므로 주조속도를 낮추어 액상층(107) 두께를 더 두껍게 조절하는 것이다. 이 경우, 주조속도가 낮아져 용강 및 용강 상단의 몰드파우더층(100)이 몰드 내에서 유지되는 시간이 길어지면 몰드파우더가 열에 의하여 용융되어 액상층(107)을 더 많이 형성하게 되는 것이다.

본 발명을 통하여 액상층 두께는 약 10mm 이상으로 형성되도록 제어할 수 있으며, 일반적으로 연주공정 시, 액상층(107) 두께는 10 내지 20 mm 범위로 제어하게 된다.

상기와 같이 본 발명에 의하면, 연속주조 시 몰드 내 용강의 탄소픽업량(Cp) 정도를 미리 예측하고 대처함으로써 이를 이용하여 생산된 주편의 품질을 향상시킬 수 있다.

또한, 용강의 탄소픽업량(Cp)을 억제하기 위하여 공급되는 몰드파우더의 공급량을 감소시켜 비용을 저감시킬 수 있다.

상기와 같은 용강의 탄소픽업량 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 21: 스톱퍼
25: 침지노즐 30: 몰드
40: 몰드 오실레이터 50: 파우더 공급기
60: 지지롤 65: 스프레이수단
70: 핀치롤 80: 연주주편
81: 응고쉘 82: 미응고 용강
83: 선단부 85: 응고 완료점
91: 절단 지점 100: 몰드파우더층
101: 생파우더층 103: 불균일 소결층
105: 탄소농화층 107: 액상층
110: 유리질플럭스 120: 결정질플럭스
130: 슬래그림 M: 용강

Claims (5)

1. 연속 주조 중 몰드의 파우더층에서 용강으로 유입되는 탄소픽업량(Cp; ppm)은,
   상기 몰드파우더층의 액상층의 두께(Lt; mm)를 이용한 하기 관계식에 의해 계산되는 용강의 탄소픽업량 예측방법.
   관계식
   

   

   
   여기서, a는 0.25 내지 0.3 사이의 계수값이고, b는 6.0 내지 7.0 사이의 상수값임.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기에서 계산된 탄소픽업량(Cp)과 설정된 기준값을 비교하여, 상기 탄소픽업량(Cp)이 기준값을 초과할 경우에는 상기 용강의 주조속도가 감소되도록 하는 용강의 탄소픽업량 예측방법.
   
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 기준값은, 3.7 ppm 인 용강의 탄소픽업량 예측방법.
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 몰드를 통해 주조되는 슬라브의 두께가 210 내지 230 mm이고 주조폭이 1000 내지 1300 mm인 용강의 탄소픽업량 예측방법.
   
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 몰드에 침적되는 침지노즐의 깊이가 100 내지 200mm이고, 상기 침지노즐의 하향각이 25°를 만족하는 용강의 탄소픽업량 예측방법.
   

Images