KR100954795B1 - 쌍롤식 박판주조기의 냉각방법 - Google Patents

쌍롤식 박판주조기의 냉각방법 Download PDF

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Abstract

쌍롤식 박판주조기의 냉각방법이 제공된다. 상기 쌍롤식 박판주조기의 냉각방법은 제 1 주조롤을 냉각하는 제 1 냉각수를 회전축 방향을 따라, 제 1 방향으로 공급하는 단계, 제 2 주조롤을 냉각하는 제 2 냉각수를 회전축 방향을 따라, 상기 제 1 방향과 반대 방향인 제 2 방향으로 공급하는 단계, 그리고 상기 제 1 냉각수의 유량 또는 상기 제 2 냉각수의 유량을 변화시켜 상기 제 1 냉각수의 유량이 상기 제 2 냉각수의 유량과 서로 다르게 제어하는 단계를 포함한다.
쌍롤식 박판주조기, 냉각수 유량, 열팽창

Description

쌍롤식 박판주조기의 냉각방법{METHOD FOR COOLING TWIN ROLL STRIP CASTER}
본 발명은 쌍롤식 박판주조기의 냉각방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 열팽창을 제어할 수 있는 쌍롤식 박판주조기의 냉각방법에 관한 것이다.
일반적으로 박판의 주조방법에는 용강을 턴디쉬를 통하여 연속주조방법으로 슬라브를 제조하고 이를 압연 및 사상작업을 거쳐 박판으로 제조하는 연속 주조방법과, 회전하는 쌍롤과 에지댐 사이에 직접 투입된 용강의 풀을 통하여 주조롤로서 슬라브의 압연 및 사상 작업 없이 직접 주편(박판)을 제조하는 쌍롤식 박판주조방법이 있는데, 상기 후자는 연속주조방식의 여러 공정을 거치지 않으면서도 박판을 직접 제조할 수가 있어 원가 측면에서 상당한 비용절감이 가능하고 에너지 소비가큰 재가열 및 열연 공정을 줄일 수 있어 이와 같은 쌍롤식 박판주조방식에 대한 집중적인 연구가 진행되고 있다.
도 1을 참조하면, 일정속도로 회전하는 2개의 주조롤(3)사이에 용강 저장용기의 하측으로 설치된 침지노즐(1)을 통하여 용강(2)이 공급되어 주조롤(3)과 그 양측의 에지댐으로서 형성되는 용강풀을 통하여 공급된 용강(2)이 주조롤(3)과 접촉하여 응고쉘(4)을 형성하면서 주조롤(3)이 회전함에 따라 롤 최근접점에서 주편(5)을 주조하는 것이다. 이 때 상기 용강(2)을 주편(5)으로 주조하기 위한 응고쉘(4)의 형성은 주조롤(3)과 용강(2)의 접촉시 냉각되면서 발생하므로 주조롤(3)은 응고쉘(4)의 형상과 품질을 좌우할 뿐 아니라 생산성을 좌우하는 박판주조공정의 중요 설비이다. 주조롤은 1400℃가 넘는 고온의 용강을 짧은 시간의 접촉을 통해 응고시켜야 하기 때문에 강력하고도 효율적인 냉각 방식이 요구된다. 특히 쌍롤식 주조법에서는 일반적으로 주조되는 주편(5)의 두께가 1~6 mm 범위의 박판이며 롤 닢을 빠져나온 주편(5)은 거의 응고가 완료한 상태이기 때문에 주편 품질 및 형상에 문제가 있는 경우는 교정이 거의 불가능한 측면이 있으므로 주조시 주조롤(3)의 열팽창 현상은 곧바로 주편 형상으로 나타나게 되므로 중요한 의미를 지니게 된다. 따라서 주조롤(3)에 대해서는 생산성 증대와 롤의 내구성 증대를 위한 냉각 강화 방법 및 주조롤의 이상적인 열팽창현상을 구현할 수 있는 효과적인 냉각 방안이 연구되고 있다.
도 2를 참조하면, 상기 주조롤(3)의 냉각구조를 개략적으로 도시하고 있는데, 용강이 저장된 저장용기의 노즐(1)로부터 공급된 용강(2)이 주조롤(3)의 표면 측에 원주방향으로 다수 개 형성되어 냉각수가 흐르는 표면부 상부구멍(6)에 의하여 냉각된다. 롤 내부의 냉각수 흐름은 롤 축의 중앙구멍(7)을 통해 들어온 냉각수가 중앙구멍에 수직 방향으로 나있는 다수 개의 수직 분배구멍(8)으로 분배되게 되고, 여기서 냉각수는 수직분배구멍부 환형 냉각수 통로(11)를 거쳐 다시 다수개의 경사분배구멍(9)을 통해 분배되고 경사분배구멍부의 환형 냉각수 통로(10)를 통해 최종적으로 롤 표면의 표면부 상부구멍(6)에 냉각수가 흐르게 된다. 표면부 상부구멍(6)을 통과하며 롤을 냉각하여 온도가 상승한 냉각수는 다시 경사분배구멍(9),수직분배구멍(8), 중앙구멍(7)을 통해 롤 축의 다른 쪽을 통해 배출되게 된다.
이러한 양 주조롤(3)이 반대의 냉각수 방향을 지니는 주조롤 사용에 있어서 가장 큰 문제점은 양 롤의 열부하가 다른 경우 주조롤 중앙을 경계로 양롤의 열팽창이 대칭을 이루지 못한 다는 것이다.
도 3을 참조하면, 예를 들어 주조중 한롤의 흡열량값이 다른 롤의 흡열량값과 차이가 많이 발생하는 경우는 양롤의 열팽창량이 달라지게 되어 주조되는 박판 형상에 문제가 발생하게 되는 것이다. 이러한 양롤의 흡열량 차이의 원인은 근본적으로 도 1에서 보이는 바와 같이 주조롤을 빠져 나가는 박판이 디스차지쪽으로 인발되기 때문에 궁극적으로는 주조롤 하부에서의 박판 위치가 한쪽 롤로 치우치게 되기 때문이다. 즉, 박판이 주조롤을 빠져나와 한쪽 롤에 많이 치우치게 되면 박판의 복사열이 한쪽롤로 더 많이 방사되게 되고 심한 경우는 박판이 치우친 롤쪽으로 반대편 롤보다 약간의 롤/박판 접촉길이가 증가하여 치우친 쪽의 롤의 흡열량이 상승하는 경우가 발생하게 된다. 이러한 원인들에 의해 양 주조롤의 흡열량 차이가 일정 크기 이상이 되게 되면 도 3에 나타낸 바와 같이, 주조되는 박판의 형상이 폭 중앙을 경계로 비대칭을 이루게 된다. 이러한 비대칭이 큰 경우에는 디스차지의 압연기에서 압연할 경우 박판의 두께가 얇은 경우는 박판 형상 불량으로 인해 버클링 등의 불량이 발생할 수 있다.
본 발명의 목적은 열팽창이 실질적으로 동일한 쌍롤식 박판주조기의 냉각방법을 제공하는 것이다.
쌍롤식 박판주조기의 냉각방법은 제 1 주조롤을 냉각하는 제 1 냉각수를 회전축 방향을 따라, 제 1 방향으로 공급하는 단계, 제 2 주조롤을 냉각하는 제 2 냉각수를 회전축 방향을 따라, 상기 제 1 방향과 반대 방향인 제 2 방향으로 공급하는 단계, 그리고 상기 제 1 냉각수의 유량 또는 상기 제 2 냉각수의 유량을 변화시켜 상기 제 1 냉각수의 유량과 상기 제 2 냉각수의 유량을 서로 다르게 제어하는 단계를 포함한다.
상기 제 1 주조롤의 흡열량이 상기 제 2 주조롤의 흡열량보다 크며, 상기 제 1 냉각수의 유량을 증가시켜, 상기 제 1 냉각수의 유량은 상기 제 2 냉각수의 유량보다 더 크다.
상기 제 1 냉각수의 유량과 상기 제 2 냉각수의 유량의 차이는 상기 제 1 주조롤과 상기 제 2 주조롤의 열팽창량을 실질적으로 동일할 수 있다.
상기 제 1 주조롤의 흡열량이 상기 제 2 주조롤의 흡열량보다 크며, 상기 제 2 냉각수의 유량을 감소시켜, 상기 제 2 냉각수의 유량은 상기 제 1 냉각수의 유량보다 작다.
본 발명의 실시예에 따르면, 두 주조롤간의 냉각수 방향이 서로 반대인 주조롤을 사용한다. 주조시 양롤의 흡열량 차이가 크게 발생하여 주조롤의 열팽창이 달라지게 됨에 따라, 박판 형상 비대칭 현상은 주조중 주조롤 냉각수 유량의 조정을 통해 양 주조롤 팽창량을 유사하게 함으로써, 박판 형상을 대칭으로 교정하는 것이 가능하여 제작비가 저렴한 주조롤의 사용을 통해서도 주조된 주편이 후처리에 적합한 형상을 확보할 수 있는 유리한 효과가 있다.
이하에서는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 기술적 사상이 충분히 전달될 수 있도록 제공되는 것이다.
본 발명의 실시예들에서 제 1, 제 2 등의 용어가 각각의 구성요소를 기술하기 위하여 설명되었지만, 각각의 구성요소는 이 같은 용어들에 의하여 한정되어서는 안 된다. 이러한 용어들은 단지 소정의 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다.
도면들에 있어서, 각각의 구성요소는 명확성을 기하기 위하여 과장되게 표현될 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
본 발명은, 주조중 양롤의 흡열량 차이가 크게 되어 박판이 압연되는 과정에서 박판 형상 폭중앙 비대칭 정도가 심해 압연시 버클링이 발생하는 경우, 양 주조롤의 냉각수량을 다르게 하여 주조하는 방법을 사용한다.
일반적으로 연속주조의 마주보고 있는 장변 몰드와 쌍롤박판 주조의 양롤 냉각수량은 내부 냉각 구조가 동일하기 때문에 냉각수 유량은 유사하게 공급된다. 쌍롤의 경우 동일한 유량을 공급하는 조건에서도 주조롤의 열부하는 앞에서 언급한 주조조건의 영향으로 인해 다를 수 있으며 이 경우 양롤의 냉각수량 조정을 통한 양롤의 열팽창 조정이 가능하다.
이 경우 양 롤의 냉각수량을 얼마나 다르게, 또 어느 롤의 냉각수량을 더 크게 할 것인가를 결정하는 기준이 필요하며 냉각수량 조정방법을 상세히 설명하면 다음과 같다.
편의상 주조롤을 A롤,B롤 두 주조롤로 표시하고 상대적으로 흡열량이 큰 롤을 A롤 그리고 상대적으로 흡열량이 작은 롤을 B롤로 나타낸다. 이러한 주조조건에서 냉각수량의 변화가 없이 계속 주조를 하게 되면 A롤의 경우는 흡열량이 높아 주조롤의 온도가 상승하여 롤 팽창이 B롤보다 더 크게 된다. 이러한 현상이 발생한 경우 냉각수량 조정 방안은 두가지가 있으며 첫째 흡열량이 높은 A롤의 냉각수량을 더욱 증가시켜 A롤의 온도를 낮추어 B 롤과 유사한 롤 온도를 가지게 하는 것이며 둘째는 흡열량이 낮은 B롤의 냉각수량을 더 작게하여 B롤의 온도를 상승시킴으로서 A롤과 유사한 롤 온도를 가지게 하는 것이다.
주조시 롤이 받아들이는 열량을 식으로 정리하면 다음과 같다.
Q = htc1 x (Ts-Tr) = H x (Tr-Twater)
Q: 주조롤이 받아 들인 흡열량 (W/m2)
htc1: 박판과 주조롤 경계에서의 열전달계수값 (W/m2K)
Ts: 박판의 온도
Tr: 롤 표면 온도
H: 롤 표면에서 롤 내부 냉각수 구멍까지의 총괄 열전달계수값(W/m2K)
Twater: 냉각수 구멍에서의 냉각수 온도
이 식에서 첫번째 식에 나타나는 htc1과 Ts는 추정이 상대적으로 어려운 값이므로 두번째식을 통해 흡열량을 추정하는 것이 효과적이다. 여기서 총괄 열전달계수값 H는 다음과 같이 나타내지며 결국 Tr을 제외하고는 모두 정량적으로 구할 수 있는 값들임을 알 수있다.
H = 1/(1/h+d1/kNi+d2/kCu)
H : 총괄 열전달계수값 (W/m2K)
h : 냉각수 구멍에서의 열전달계수값 (W/m2K)
d1 : 주조롤 표면 도금층인 니켈도금 두께 (m)
kNi : 니켈의 열전도도 (W/mK)
d2 : 구리 슬리브의 두께 (m)
kCu : 구리 슬리브의 열전도도 (W/mK)
주조시 A롤의 흡열량이 7.5 MW/m2, B롤의 흡열량이 7.0 MW/m2 로 흡열량의 차이를 보이고 니켈도금두께가 1.5mm, 니켈의 열전도도가 80 W/mK, 구리 슬리브의 두께가 20mm, 구리 슬리브의 열전도도값이 350 W/mK, 냉각수 구멍에서의 열전달계수값이 30,000 W/m2K 인 경우는 총괄 열전달계수는 9,155 W/m2K 값을 나타내게 된다. 여기서 주조롤 표면온도에 비해 냉각수 온도는 상대적으로 많이 낮고 Tr-Twater 의 온도가 롤 내부 온도를 나타낸다고 볼 수 있으므로 결국은 서로 다른 Q값에 대해 동일한 Tr-Twater 값을 나타내는 H값을 구하면 된다.
양롤에 대해 식을 다시 써보면
A롤의 경우
Q = H x (Tr-Twater)
7.5= HA x (Tr-Twater)
B롤의 경우
7.0= HB x (Tr-Twater)
즉, HA와 HB의 조정을 통해 동일한 Tr-Twater 값을 얻을 수 있으며 먼저 흡열량이 높은 A롤의 냉각수량을 늘려 온도를 낮추어 B롤과 유사하게 하는 경우는 A롤 냉각수 구멍에서의 열전달계수값이 30,000 W/m2K 에서 38,400 W/m2K 정도의 값을 나타낼 수 있는 냉각수량 증대가 필요하다. 냉각수 구멍에서의 열전달계수값은 Dittus-Boelter식 등을 통해 구할 수 있다. 다음 흡열량이 낮은 B롤의 냉각수량을 줄여 B롤의 온도를 A롤과 유사하게 하는 경우는 열전달계수값이 30,000 W/m2K 에서 24,300 W/m2K 정도의 값을 나타낼 수 있는 냉각수량 감소가 필요하다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 쌍롤식 박판주조기의 냉각방법을 설명하기 위한 도면이다. 제 1 주조롤(120)을 냉각하는 제 1 냉각수를 회전축 방향을 따라, 제 1 냉각수 방향(122)으로 공급한다. 제 2 주조롤(130)을 냉각하는 제 2 냉각수를 회전축(110) 방향을 따라, 상기 제 1 방향(122)과 반대방향인 제 2 냉각수 방향(132)으로 공급한다. 상기 제 1 냉각수의 유량 또는 제 2 냉각수의 유량을 변화시켜 상기 제 1 냉각수의 유량이 제 2 냉각수의 유량과 서로 다르게 제어한다. 주조 중 제 1 주조롤(120)의 냉각수량 상승이나 감소는 주조롤 전후단에 유량조정 밸브(140)를 통해 배관 개폐정도를 조정하여 가능하다. 주조중 모니터링 되는 흡열량 값 변동에 대해 흡열량이 큰 롤의 냉각수량을 더 증가시키던지 아니면 흡열량이 작은 롤의 냉각수량을 더 감소시키던지를 선택하면 된다.
예를 들면, 제 1 주조롤(120)의 흡열량이 제 2 주조롤(130)의 흡열량보다 큰 경우, 제 1 냉각수의 유량을 유량조정 밸브(140)을 통하여 제 2 냉각수의 유량보다 크게 조절한다. 제 1 냉각수 유량과 제 2 냉각수 유량의 차이는 제 1 주조롤(120)과 제 2 주조룰(130)의 열팽창량을 실질적으로 동일하게 한다. 제 1 주조롤(120)과 제 2 주조롤(130)의 열팽창량이 동일하여 주편의 두께가 일정하게 제조된다. 반면, 제 2 냉각수 유량을 제 1 냉각수의 유량보다 적게 하여, 열팽창량이 실질적으로 동일하게 조정될 수 있다.
도 1은 일반적인 쌍롤식 박판주조기를 설명하기 위한 개략도이다.
도 2는 일반적인 쌍롤식 박판주조기의 냉각장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 종래기술에 따른 쌍롤식 박판주조기의 냉각방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 쌍롤식 박판주조기의 냉각방법을 설명하기 위한 도면이다.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
110: 회전축 120: 제 1 주조롤
122: 제 1 냉각수 방향 130: 제 2 주조롤
132: 제 2 냉각수 방향 140: 유량조정 밸브

Claims (4)

  1. 한 쌍의 주조롤 및 상기 주조롤을 냉각하는 냉각장치를 구비하는 쌍롤식 박판주조기의 냉각방법에 있어서,
    제 1 주조롤을 냉각하는 제 1 냉각수를 회전축 방향을 따라, 제 1 냉각수 방향으로 공급하는 단계와;
    제 2 주조롤을 냉각하는 제 2 냉각수를 회전축 방향을 따라, 상기 제 1 냉각수 방향과 반대 방향인 제 2 냉각수 방향으로 공급하는 단계와;
    상기 제 1 냉각수의 유량 또는 상기 제 2 냉각수의 유량을 변화시켜 상기 제 1 냉각수의 유량과 상기 제 2 냉각수의 유량을 서로 다르게 제어하는 단계를 포함하되, 상기 냉각수 유량은 하기 식에 의한 제 1 주조롤과 제 2 주조롤의 흡열량에 따라 제어하는 것을 특징으로 하는 쌍롤식 박판주조기의 냉각방법.
    Q = H x (Tr-Twater)
    = 1/(1/h+d1/kNi+d2/kCu) x (Tr-Twater)
    (단, Q는 주조롤이 받아들인 흡열량(W/m2), H는 롤 표면에서 롤 내부 냉각수 구멍까지의 총괄 열전달계수값(W/m2K), Tr은 롤 표면 온도, Twater는 냉각수 구멍에서의 냉각수 온도, h는 냉각수 구멍에서의 열전달계수값(W/m2K), d1은 주조롤 표면 도금층인 니켈도금 두께(m), kNi은 니켈의 열전도도(W/mK), d2는 구리 슬리브의 두께(m), kCu 는 구리 슬리브의 열전도도(W/mK)이다.)
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제 1 주조롤의 흡열량이 상기 제 2 주조롤의 흡열량보다 크며,
    상기 제 1 냉각수의 유량을 증가시켜, 상기 제 1 냉각수의 유량은 상기 제 2 냉각수의 유량보다 더 큰 것을 특징으로 하는 쌍롤식 박판주조기의 냉각방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 제 1 냉각수의 유량과 상기 제 2 냉각수의 유량의 차이는 상기 제 1 주조롤과 상기 제 2 주조롤의 열팽창량을 실질적으로 동일하게 하는 쌍롤식 박판주조 기의 냉각방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 제 1 주조롤의 흡열량이 상기 제 2 주조롤의 흡열량보다 크며,
    상기 제 2 냉각수의 유량을 감소시켜, 상기 제 2 냉각수의 유량은 상기 제 1 냉각수의 유량보다 작은 것을 특징으로 하는 쌍롤식 박판주조기의 냉각방법.
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