KR100399233B1 - 빌레트연속주조기의주조감시방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연속주조기의 몰드(Mold) 폭방향의 다수 위치에서 냉각수 입출구 온도차를 측정하고 이 자료와 간단한 수치해석 프로그램을 통하여 몰드 출측에서 주편 단면의 응고쉘(Shell) 형상을 예측하고 이를 근거로 빌레트(Billet) 연속주조시 발생하는 이상 상황을 실시간으로 감시하는 방법에 관한 것으로,빌레트 제조용 몰드의 각 코너당 2개씩 온도센서를 설치하여 냉각수 입출구의 온도 편차를 측정하는 단계와; 상기 측정한 온도 데이터에 의한 몰드 각 면에서 주편이 방출한 열량에 의거하여 응고쉘의 두께를 산출하는 단계와; 상기 응고쉘의 두께를 기초로 몰드 코너부의 냉각수 온도변화를 이용하여 응고쉘 형상을 도출하여 응고쉘 형상을 예측하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 주편 냉각의 불균일과 몰드 출구에서의 응고쉘의 두께와 형상을 예측할 수 있으므로 주조 상황을 실시간으로 감시할 수 있고 주조 이상이 발생시 즉각 조치를 취할 수 있어서 주조 작업의 안정화를 도모할 수 있을 뿐만 아니라 이를 실시하기 위한 장치의 구조가 간단하여 설치 및 유지, 보수가 용이하다.

Description

빌레트 연속주조기의 주조감시방법

본 발명은 연속주조기의 몰드(Mold) 폭방향의 다수 위치에서 냉각수 입출구 온도차를 측정하고 이 자료와 간단한 수치해석 프로그램을 통하여 몰드 출측에서 주편 단면의 응고쉘(Shell) 형상을 예측하고 이를 근거로 빌레트(Billet) 연속주조시 발생하는 이상 상황을 실시간으로 감시하는 방법에 관한 것이다.

연속주조중 주조 몰드에서 발생하는 주조 이상은 고온의 용탕으로 인해 주편의 브렉아웃(Breakout)등 치명적인 안전사고를 유발할 수 있다. 이러한 주조 이상은 주편의 응고쉘 성장이 불균일하기 때문인데, 많은 경우 몰드 수직도(Mold Allignment), 진동(Oscillation) 편차 등의 기계적 요인, 냉각수량의 불균일, 몰드 플럭스(Mold Flux) 유입 편차 등의 조업 요인에 의해 결과적으로 발생하는 몰드 냉각능의 불균일에 기인한다.

따라서, 상기 사항들을 실시간 감시하여 주조 상황을 파악하고 이를 주조 작업 안정화에 이용하기 위한 주조 감시 장치(Monitering System)가 기존 연주 공정에 대해 개발되어 왔다.

주조 감시 방법중의 하나인 몰드 감시 장치는 몰드에 다수의 온도 센서를 삽입하여 몰드의 온도 변화를 감시하는 것이다(제철제강(Ironmaking and Steelmaking),1996, vol.23,No.3, pp228).

정상적인 주조상태에서는 온도센서간의 온도 차이는 일정하고, 상부 온도센서의 온도가 하부 보다 높다. 반면, 어느 부분에서 스티킹과 같은 이상 주조가 발생하면 그 아래 부분의 응고쉘이 얇아지고 주조가 진행됨에 따라 얇아진 응고쉘이 하부로 이동하여 몰드 하부의 온도가 상부 보다 커지는 온도 역전 현상이 나타나는데, 몰드 감시장치는 이러한 몰드 온도 분포의 변화를 측정함에 의해 주조 상황을 감시한다. 그러나 몰드 동판에 다수의 온도센서를 설치하여야 하는 어려움이 있다.

다른 방법으로는 몰드 냉각수 매니폴드(Manifold)에 음파 탐지기를 설치하여 주조시 몰드에서 발생하는 음파를 감시하는 방법이 있는데, 이는 스티킹(Sticking)이 발생한 경우 특정한 음파가 발생한다는 것에 착안한 것이다(일본특허 제59133959).

이외에 간단한 방법으로는 빌레트 몰드 냉각수 입출구에 온도 센서를 각각 하나씩 설치하고 온도를 측정하여 용탕에서 방출되는 열량을 감시하는 방법이 있다.

그러나 몰드 동판에 다수의 온도센서를 설치하여 몰드의 온도를 측정하는 몰드 감시장치와 냉각수 매니폴드에 음파탐지기를 설치하여 몰드에서 발생하는 음파를 감시하는 방법은 스티킹과 같은 이상 주조를 감시하기 위한 것이기 때문에 주편 응고쉘의 불균일 성장과 같은 주조 이상을 감시할 수 없다는 단점이 있고, 몰드 냉각수 입출구에 하나의 온도 센서를 설치하여 온도를 측정하는 방법으로는 몰드 출구에서 응고쉘의 크기를 알수 있지만 응고쉘의 불균일 정도를 알 수 없으므로 주조감시장치로는 한계가 있다.

또한, 빌레트 연속주조중에 몰드의 폭방향 다수 위치에서 냉각수 입출구의 온도차 변화를 측정하는 장치와 이를 이용하여 냉각수량의 불균일, 몰드 플럭스 유입 편차 등의 조업 요인과 몰드 수직도(Mold Allignment), 진동 편차 등의 기계적인 요인에 기인한 몰드 냉각등의 불균일 및 주편 응고쉘의 불균일 성장과 같은 주조 이상을 감시할 수 있는 방법(대한민국 출원 제 97-75870호:97.12.29일 출원)이 제시된 바 있으나, 응고쉘의 형상을 예측할 수 없는 문제가 있었다.

본 발명은 상기 설명한 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 이루어진 것으로, 측정된 냉각수 입출구측 온도차와 에너지 평형 방정식을 이용하여 비교적 간단하게 몰드 출구에서의 응고쉘 형상을 예측할 수 있는 빌레트 연속주조시 주조 감시방법을 제공함에 그목적이 있다.

도 1은 본 발명을 실시하기 위한 빌레트 연속주조기의 주조 감시장치의 구성을 도시한 도면,

도 2는 몰드 냉각수 출구에서 폭방향으로 온도센서를 설치한 구성을 도시한 도면,

도 3은 도 2 도시 구성을 통해 제조한 주편의 형상을 나타내는 도면,

도 4는 본 발명에 따라 몰드 코너부에 온도센서를 설치한 구성을 도시한 도면,

도 5는 본 발명에 따라 몰드 코너부의 냉각수 입출구 온도차 변화를 검출하여 나타낸 도면,

도 6은 본 발명에 따라 몰드의 각 면의 냉각수 입출구 온도차 변화를 검출하여 나타낸 도면,

도 7은 실제 얻어진 응고쉘 형상과 예측된 응고쉘 형상을 비교하여 나타낸 도면이다.

〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉

1:빌레트 몰드 2:냉각수 채널 3:온도센서

4:냉각수 매니폴드 5:유량센서 7:주조감시 제어장치

12:실제응고쉘 단면 형상 13:예측 응고쉘 형상

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 주조감시방법은,빌레트 제조용 몰드의 각 코너당 2개씩 온도센서를 설치하여 냉각수 입출구의 온도 편차를 측정하는 단계와; 상기 측정한 온도 데이터에 의한 몰드 각 면에서 주편이 방출한 열량에 의거하여 응고쉘의 두께를 산출하는 단계와; 상기 응고쉘의 두께를 기초로 몰드 코너부의 냉각수 온도변화를 이용하여 응고쉘 형상을 도출하여 응고쉘 형상을 예측하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 빌레트 연속주조기의 주조감시방법으로 이루어진 것을 특징으로 하는 구성이다.

이하에서는 양호한 실시예와 관련하여 본 발명을 상세하게 설명한다.

본 발명에서는도 1도시와 같이, 냉각수 입구측 매니폴드(4)와 출구측 냉각통로에 각각 온도센서(3)를 설치하고, 입구측 매니폴드에 유량센서(5)를 설치하여 냉각유량과 냉각수 입출구의 온도편차를 실시간으로 측정한다.

측정한 데이터는 주조감시용 제어장치(7)에서 기록되어지고, 응고쉘 형상 예측에 이용된다.

주조 이상이 발생하였을 경우 이 제어장치(7)는 사용자에게 경보를 발생한다.

종래에는 도 2 도시와 같이, 냉각수 출구에 온도센서(3)를 다수 위치에 설치하여 각 면의 온도 편차와 코너부의 온도 편차를 측정함으로써 주편의 냉각 불균일에 의한 응고쉘의 불균일 성장을 감시하였으나, 도 3 도시와 같이 주편이 사각형으로부터 벗어나는 오프 스퀘어니스(off-squareness)가 발생하였는 바, 이는 서로 이웃하는 면 사이의 주편 냉각 불균일에 의한 열응력의 차이 때문에 발생하는 것으로 연구되었다.

따라서, 본 발명에서는 도 4 도시와 같이, 온도센서(3)를 각 코너당 2개씩 설치하는 구성을 취하였던 바, 응고쉘의 불균일 성장을 효과적으로 감시제어할 수 있었다.

본 발명에서는 상기와 같이, 온도센서(3)를 각 코너당 2개씩 배치하여 냉각수 입출구의 온도 편차를 실시간으로 측정하고, 도 1 도시의 제어장치(7)에서 측정한 데이터를 인가받아 응고쉘 형상을 예측하여 이용하는데, 그 과정을 설명하면 다음과 같다.

온도센서(3)를 통해 측정한 데이터를 바탕으로 응고쉘 두께 방향의 1차원 열전달 방정식과 액체 금속에서 응고쉘이 형성될 때까지의 에너지 평형 방정식으로부터 미리 설정한 응고쉘 형상에 대한 실제 형성되는 응고쉘의 형상을 예측하게 된다.

주조감시 제어장치(7)에서 인가받은 냉각수 입출구 온도에 대한 데이터와 냉각수량 측정치를 이용하여 각 냉각 채널(2)로 방출된 열량을 산정하면, 적절한 가정에 의한 간단한 수식에 의해 몰드(1) 하단에서의 응고쉘 두께를 예측할 수 있다. 먼저, 몰드(1) 각 면에서 주편이 방출한 열량의 비에 따라 몰드 하단부에서 각 면의 응고쉘 평균 두께(x_i)를 산정하고, 이를 바탕으로 4개 코너의 냉각수 온도 변화를 이용하여 응고쉘 형상을 도출한다.

이때, 전제 조건으로, 첫째, 몰드에서 분위기로의 대류 열전달과 주조 방향의 전도 열전달은 무시하며, 둘째, 응고쉘에서는 두께 방향으로만 열전달이 발생하는 것으로 하며, 셋째, 몰드 하단에서 미응고된 용탕의 온도는 몰드에 주입되는 용탕 온도로 한다.

따라서, 냉각수로 전달된 열량은 용탕의 응고 잠열과 응고쉘의 냉각열 및 과열된 용탕의 냉각열의 합으로 이루어지며, 이를 식(1)으로 나타내면 다음과 같다.

[식 1]

ρυQ_LA_i+ρυC_p{(T_m-T_xi)/2}A_i+ρυC_p(T_c-T_m)A_i=Q_i

(여기에서, ρ는 밀도(㎏/㎥), υ는 주조속도(m/s), Q_L은 응고잠열(J/㎏),A_i는 몰드 하단에서 i면의 응고쉘 유효 단면적(㎡), C_p는 비열(J/㎏·K),T_m은 용융점 온도(K),T_xi는 몰드 하단에서 i면의 주편 표면온도(K),T_c는 몰드에 주입되는 용탕 온도(K),Q_i는 i면에서 냉각수가 얻는 열량(W))

이 식에서 좌변의 첫번째 항은 응고잠열을 나타내며, 두번째 항은 응고쉘의 냉각열을 나타내고, 세번째 항은 과열된 용탕의 냉각열을 나타내고 있다. 몰드 하단에서 주편 표면 온도(T_xi)는 i면의 열유속과 응고쉘 두께를 이용하여 다음 식(2)으로 구할 수 있다.

[식 2]

q_i"(z=L) = k(T_m-T_xi)/x_i

(여기에서, K는 응고쉘의 열전도도(W/m·K), q_i"는 i면의 열유속(W/㎡), x_i,는 i면의 응고쉘 평균 두께(m), z는 탕면에 원점을 둔 주조 방향 좌표,L은 탕면에서 몰드 하단까지의 거리(m))

상기 식(1)과 식(2)으로부터 미지수는 A_i(x_i)와 T_xi이고, 두식을 모두 만족하도록 반복 계산하여 A_i(x_i)와 T_xi를 결정할 수 있다.

이와 같이, 각 면의 응고쉘 평균 두께를 구하고, 이를 바탕으로 4개 코너의 냉각수 온도 변화를 이용하여 응고쉘 형상을 예측하는데, 예측된 응고쉘 형상이 불균일 성장을 나타내면, 이를 바로잡기 위하여 연속주조기의 수직도(Mold Allignment)를 개선하는 등 조치를 취하여 적절한 형상의 응고쉘이 얻어지도록 제어하는 것이다.

이하에서는 실시예와 관련하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다.

실시예

본 발명의 유용성을 확인하기 위하여 저융점 금속인 주석을 이용하여 주조 실험을 수행하였는데, 냉각수 온도 변화를 측정하여 도 5 및 도 6에 나타내었다. 도면에서는 몰드 진동 스트로크를 8㎜로 하고, 진동수 60cpm, 냉각수량 면당 30ℓ/min, 코너당 15ℓ/min, 주조속도 0.3m/s의 주조조건으로 실험한 것으로, 도 5는 코너부의 냉각수 온도 변화를 나타내고, 도 6은 면에서의 냉각수 온도 변화를 나타낸 것이다.

도면으로부터 알 수 있는 바와 같이, 서로 마주 보는 1, 3 코너와 2, 4 코너의 온도 변화가 서로 쌍으로 불균일하게 검출될 뿐만 아니라 서로 교차하는 경향을 보이고 있다. 이 경우, 응고쉘의 형상이 주조 초기에는 주편의 2, 4 코너가 1, 3 코너 보다 열방출량이 많기 때문에 1,3 코너를 잇는 대각선이 긴 마름모(rhomboid) 형상이고, 주조 말기에는 역으로 2, 4를 잇는 대각선이 긴 마름모 형상이 될 것이라는 점을 예상할 수 있다.

주조 말기(도 5 및 도 6의 화살표로 표시한 지점)에 주석-납 합금을 주입하여 측정한 것을 도 7에 나타내었는데, 이를 통해서도 확인할 수 있다. 즉, 도 7은 몰드 출구에서의 주편의 단면 형상(9)에 대비하여 실제 응고쉘 형상(12)과 예측된 응고쉘 형상(13)을 보이고 있는데, 근사함을 알 수 있으며, 이러한 현상은 몰드 방향과 주편 인발 방향이 어긋나서 발생한 것으로 볼 수 있으며, 연속주조기의 수직도(Mold Allignment)를 개선함으로써 응고쉘이 이러한 긴 마름모 형상이 되는(rhomboidity) 현상을 방지할 수 있었다.

따라서, 상기 설명한 바와 같은 본 발명에 의하면, 주편 냉각의 불균일과 몰드 출구에서의 응고쉘의 두께와 형상을 예측할 수 있으므로 주조 상황을 실시간으로 감시할 수 있고 주조 이상이 발생시 즉각 조치를 취할 수 있어서 주조 작업의 안정화를 도모할 수 있을 뿐만 아니라 이를 실시하기 위한 장치의 구조가 간단하여 설치 및 유지, 보수가 용이하다.

Claims (1)

1. 빌레트 제조용 몰드의 각 코너당 2개씩 온도센서를 설치하여 냉각수 입출구의 온도 편차를 측정하는 단계와;

   상기 측정한 온도 데이터에 의한 몰드 각 면에서 주편이 방출한 열량에 의거하여 응고쉘의 두께를 산출하는 단계와;

   상기 응고쉘의 두께를 기초로 몰드 코너부의 냉각수 온도변화를 이용하여 응고쉘 형상을 도출하여 응고쉘 형상을 예측하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 빌레트 연속주조기의 주조감시방법.