KR100965976B1 - 빌레트의 중심편석이 저감되는 연속주조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 빌레트의 중심편석이 저감되는 연속주조방법에 관한 것으로, 연주기에서 빌레트 주편을 제조하는 방법에 있어서, 주편을 열전달 해석하여 상기 연주기의 응고완료 위치를 산정하는 단계와; 상기 해석 결과를 기초로 하여 인발롤의 설치 위치에서 잔류용강의 존재하도록 주조 속도를 산정하는 단계와; 상기 응고완료 위치가 상기 인발롤 이전에 위치하도록 상기 산정된 주조 속도 이하로 상기 연주기의 주조 속도를 조절하는 단계를 포함하여 구성됨으로써, 열전달해석을 통하여 응고완료점의 위치를 연주 인발롤 이전에 위치하도록 하여 인발롤 압력에 의한 잔류용강의 유동효과를 저감하여 중심편석을 크게 억제할 수 있는 특징이 있다.
중심편석, 연속주조, 빌레트, 연주기
Description
도 1은 종래기술에 의한 연주기를 나타내는 개략 구성도.
도 2는 빌레트 주편의 중심편석을 나타내는 조직사진.
도 3은 탄소농도 0.7%인 강종의 주조속도 1.8m/min.에서의 주조길이 방향으로의 응고층 분포를 나타내는 그래프.
도 4는 인발롤 압력에 따른 중심부의 황(S) 농도분포를 나타내는 조직사진.
도 5는 인발롤에 의한 잔류용강유동 및 중심편석 발생을 나타내는 모식도.
<< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >>
1,14 : 용강 2 : 턴디쉬
3 : 주형 4,11 : 가이드롤
5,13 : 응고층 6,12 : 인발롤
7 : 주편절단기 15 : 수축공
16 : 잔류용강 이동방향
본 발명은 빌레트의 중심편석이 저감되는 연속주조방법에 관한 것이다.
특히, 본 발명은 빌레트의 응고완료점의 위치를 주편 인발롤 이전에 위치하게 함으로써, 인발롤에 의한 주편 중심부의 잔류용강 유동 영향을 억제하여 주편내의 중심편석을 크게 저감시킬 수 있는 빌레트의 중심편석이 저감되는 연속주조방법에 관한 것이다.
통상적으로, 연속주조 빌레트 주편은 도 1과 같은 연속주조설비에서 제조된다. 도 1은 연속주조설비의 대표적인 수직 만곡형 연주기의 개략적인 구조도로서, 용강(1)이 수강되어 있는 턴디쉬(2)와, 상기 턴디쉬의 침지노즐이 침적된 주형(3)과, 상기 주형으로부터 응고되는 빌레트 주편을 안내하는 다수개의 가이드롤(4), 그리고 주편을 인발하는 인발롤(6), 마지막으로 주편을 원하는 길이만큼 절단하는 주편 절단기(이하 토치커터기)(7)를 포함하여 구성된다.
이러한 연주기를 통해 제조되는 빌레트에는 일반적으로 도2와 같이 빌레트의 중심에서 중심편석이 발생하곤 한다. 이러한 중심편석 내부에는 인, 황등의 불순물이 편석되어 있으며 이러한 결함의 존재는 압연공정을 거치고 나서도 최종 제품의 결함으로 잔존하여 제품의 품질을 저하하는 등의 문제점을 야기하는 것이 보통이다.
상기 중심편석 발생은 빌레트의 응고말기에 주편 중심부에 발생하는 수축공 형성으로 발생된다고 알려져 있으며 수축공 주위의 잔류용강의 유동에 의해 중심편석이 조장되는 것으로 알려져 있다.
응고 말기에 생성되는 수축공의 발생은 연속주조시의 응고 특성상 불가피하 게 발생하고 있고 따라서 수축공 형성시 수축공 주위의 불순물이 많이 포함되어 있는 잔류용강 유동을 최소화하는 방향으로 기술이 개발되어 왔다. 이러한 방법 중의 대표적인 기술로서는 응고가 끝나는 시점에 전자기 교반장치를 설치하여 주편중심부의 잔류용강을 교반시킴으로써 주편의 주상정 조직을 용강유동에 둔감한 등축정 조직을 형성함으로서 중심편석을 저감하는 방법이 있다.
그러나 이러한 응고조직 제어를 통해 중심편석을 어느 정도 저감시키고 있으나 근본적인 잔류 용강의 이동을 억제하지는 못하고 있는 실정이다.
상기와 같은 문제점을 해소하기 위하여 창출된 본 발명의 목적은, 빌레트 연속주조시 응고 말기에 불순원소를 많이 포함하고 있는 용강의 이동을 유발할 수 있는 설비적 요인과 중심편석과의 상관성을 파악하고 빌레트의 열전달해석을 통해 응고완료점을 적절히 위치하게 하여 설비적 요인의 영향을 배제함으로써 중심편석을 억제할 수 있는 빌레트의 중심편석이 저감되는 연속주조방법을 제공함에 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 주편의 응고완료점의 위치를 인발롤 이전에 위치하게 주조속도를 변경함으로써 인발롤에 의한 잔류용강의 유동효과를 배제하여 중심편석이 양호한 빌레트 주편을 만들 수 있는 빌레트의 중심편석이 저감되는 연속주조방법을 제공함에 있다.
이러한 본 발명의 목적은, 연주기에서 빌레트 주편을 제조하는 방법에 있어서, 주편을 열전달 해석하여 상기 연주기의 응고완료 위치를 산정하는 단계와; 상기 해석 결과를 기초로 하여 인발롤의 설치 위치에서 잔류용강의 존재하도록 주조 속도를 산정하는 단계와; 상기 응고완료 위치가 상기 인발롤 이전에 위치하도록 상기 산정된 주조 속도 이하로 상기 연주기의 주조 속도를 조절하는 단계를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 빌레트의 중심편석이 저감되는 연속주조방법에 의해 달성될 수 있다.
본 발명은 160X160mm의 단면 크기를 갖으며 상기 인발롤이 탕면으로부터 15.1m에 위치되는 빌레트 연속주조기에 있어서, 탄소농도가 0.6 내지 0.7%이고, 상기 인발롤의 압력이 30 내지 40바(bar)일 때 상기 주조속도가 1.4 내지 1.6m/min.으로 조절되며 편석지수가 1.11 내지 1.16 범위 내로 제한된다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명은 미리 열전달 해석을 통하여 연주기내에서 주조속도에 따른 응고완료점의 위치를 파악한다.
본 발명에서의 주편의 전열해석은 열전달 방정식을 수치적으로 해석하는 방법이다. 주조중 주조방향에 수직인 방향으로의 열전달이 훨씬 크기 때문에 주조방향의 열전달효과를 무시하면 주조방향에 수직인 주편 단면에 대해서 하기의 수학식 1과 같은 2차원 열전달 방정식을 구성할 수 있다.
여기서 p는 주편 밀도, c는 주편의 비열, k는 주편의 열전도도, T는 구하는 주편의 온도이다.
한편 연주 빌레트의 경우 주조 두께 방향 및 주조 폭 방향의 전열량이 비슷하기 때문에 수학식 1은 하기와 같은 1차원 전열 방정식인 수학식 2로 나타낼 수 있다.
상기 수학식 2에서 각 항의 차분 근사법을 적용하면 다음과 같다.
여기서 j는 시간 t(주조시간 혹은 주편의 응고시간) 에 대한 반복횟수 번호를, i는 주편표면으로부터 거리 x에 대한 절점번호를 나타낸다.
수학식 3에서 알 수 는 것과 같이 j시각의 T(온도)의 값 (Ti
j , Ti-1
j , Ti+1
j )으로부터 (j+1) 시각의 Ti
j+1 값을 순차적으로 반복 계산할 수 있다.
J=1 시각 (초기 주편 응고 개시 시점)에서의 격자점의 모든 값, 즉 경계값이 주어져 있으면, 이것을 출발점으로 하여 상기 식을 이용해서 주편이 인발되면서 ( 시간 t 에 대해) 1 단계씩 증가시키면서 각 절점번호 즉 주편 내에서의 온도 T값을 구하게 된다. 이때 주편 응고 개시 시점의 온도는 용강의 주조온도이며, 주편 표면에서의 경계조건은 당 산업계에서 통상적으로 알려진 아래와 식에 언급된 주형내 및 2차 냉각대 (가이드롤에 해당되는 부분)에서의 열유속 및 열전달계수 값을 사용하였다.
이와 같이 하여 주편내 온도값을 알 수 있으면 해당 강종의 고상선에 해당되는 온도값을 추적하면 응고층의 성장거동 및 응고완료점을 확인할 수 있다.
q : 열유속 (주형내에서의 경계조건)
h : 열전달계수 (2차 냉각대에서의 경계조건), W : 냉각물량
그 다음, 인발롤에서 어느 정도 잔류 용강이 존재하는 주조조건 (주조속도)에서 인발압력에 따른 용강유동에 의한 편석 경향을 알아보기 위해 인발롤 압력을 동일 주조속도에서 변경함으로써 인발롤 압력, 즉 미응고 잔류용강 유동의 크기가 주편편석에 미치는 영향을 알아 볼 필요가 있다.
먼저 상기 언급한 열전달 해석을 통해 160mm 크기의 빌레트에서 주조속도 1.8m/min.의 주조조건에서 계산된 응고층 분포를 도 3에 표시하였다. 인발롤의 위 치는 당시 응고시작위치에서부터 15.1m 지점에 위치하고 있기 때문에 인발롤에서의 미응고 잔류용강두께는 약 20mm임을 알 수 있다.
통상적으로 빌레트의 주조시 인발압력은 30바 이상으로 관리하고 있다. 이것은 30바 이하의 인발압력에서는 인발롤과 주편간의 미끄럼 현상이 발생하여 인발압이 작아 주편인발이 되지 않는 문제점이 발생하고 있다. 따라서 본 발명에서는 인발압력을 30, 45, 60 바로 변경하면서 중심편석 경향을 조사하였다.
도 4는 상기 주조속도에서 인발압력에 따른 주편의 두께 중심부에서의 S-print 분포를 나타내고 있다. 도 4에서 알 수 있듯이 인발 압력이 증가하면서 중심편석이 크게 나타나고 있었다..
이러한 중심편석 발생 기구를 모식적으로 표현하면 다음과 같다. 인발롤 이전에 응고가 완료된 경우에는 인발롤에 의한 영향이 거의 없어 중심편석은 응고수축에 지배받게 된다. 그러나 인발롤에 미응고 잔류 용강층이 존재하는 경우 도 5도에서 모사한 바와 같이 인발롤 압력에 의해 미응고 잔류용강이 응고수축공 쪽으로 이동된다. 이러한 잔류용강의 이동은 인발롤의 압력이 증가하면 그 경향이 커져서 중심편석량이 커지게 된다.
따라서, 본 발명은 열전달 해석을 통해 탕면으로부터 응고 완료지점까지의 거리를 구한 다음, 연주기 인발롤 위치와 비교하고 응고완료점이 연주기 인발롤 위치 이전에 해당하는 주조속도로써 연속주조하면 주편내의 중심편석을 크게 저감시킬 수 있다.
이하, 본 발명을 실시예를 도 5를 참조하여 구체적으로 설명한다.
실시예 1
160 x 160mm 단면 크기를 가지고, 인발롤(12)이 탕면으로부터 15.1m에 위치하고 있는 빌레트 연속주조기에서 탄소농도 0.7%, 여러 가지 주조속도에 따른 중심편석을 조사하였다. 이 때 열전달 해석 결과 주조속도에 따른 응고완료점 위치 및 인발롤(12)에서의 잔류용강 두께를 표 1에 표시하였다. 이때 인발롤(12)의 인발 압력은 30바(bar)로 고정하였다. 여기서, 도 5는 도 1의 인발롤(6)이 배치된 연주기의 요부 확대 구성도로써, 미설명부호 "11", "13", "14", "15" 및 "16"은 각기 "가이드롤", "응고층", "용강", "수축공" 및 "잔류용강 이송방향"이다.
중심편석 지수는 해당 시험편의 중심부를 직경 5mm 정도 칩을 만들어 습식분석을 하여 중심부의 탄소농도를 구하고 해당주편의 평균 소강성분으로 나누어 지수화 하였다. 이는 통상적으로 동종업계에서 적용하고 있는 방법이다
실시예 2
실시예 1의 동일 크기의 빌레트에서 탄소농도가 0.6%인 고탄소강에 대해서도 동일한 시험을 실시하였다. 즉 주조속도를 달리하면서 응고 완료위치를 변경하면서 인발롤 압력이 40바의 주조조건에서 시험을 한 후 중심편석 지수를 평가하였다. 그 결과를 표 2에 나타내었다.
실시예 1, 2를 통해 알 수 있듯이, 응고완료점의 위치가 인발롤 위치 이전에 존재하는 본 발명재의 주조속도 조건에는 인발롤의 압력과 카본 농도에 상관없이 중심편석지수가 유사함을 알 수 있다. 이는 응고 완료점이후에는 인발롤 압력을 증가시켜도 중심편석을 야기하는 잔류용강의 이동에는 영향을 미치지 않기 때문이다.
전체적으로 본 발명재의 경우 15에서 24%정도의 중심편석 저감효과를 얻을 수 있었다.
이상에서 설명된 본 발명은 일실시예에 한정되어 설명되었지만, 이에 한정되지 않고 본 발명이 속하는 분야의 통상적인 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있는 정도의 변형은 본 발명의 기술적 사상에 속하는 것임은 자명하다.
이상의 구성을 갖는 본 발명은 열전달해석을 통하여 응고완료점의 위치를 연주 인발롤 이전에 위치하게 함으로써, 인발롤 압력에 의한 잔류용강의 유동효과를 저감하여 중심편석을 크게 억제할 수 있는 효과가 있다.
Claims (3)
- 삭제
- 연주기에서 빌레트 주편을 제조하는 빌레트의 중심편석이 저감되는 연속주조방법에 있어서,주편을 열전달 해석하여 상기 연주기의 응고완료 위치를 산정하는 단계;상기 해석 결과를 기초로 하여 인발롤의 설치 위치에서 잔류용강의 존재하도록 주조 속도를 산정하는 단계; 및상기 응고완료 위치가 상기 인발롤 이전에 위치하도록 상기 산정된 주조 속도 이하로 상기 연주기의 주조 속도를 조절하는 단계를 포함하며,상기 연주기는 160X160mm의 단면 크기를 가지며 인발롤이 탕면으로부터 15.1m에 위치되되, 탄소농도가 0.7%이고, 상기 인발롤의 압력이 30바일 때 상기 주조속도가 1.4 내지 1.5m/min.으로 조절되며 편석지수가 1.15 내지 1.16 범위 내로 제한되는 것을 특징으로 하는 빌레트의 중심편석이 저감되는 연속주조방법.
- 연주기에서 빌레트 주편을 제조하는 빌레트의 중심편석이 저감되는 연속주조방법에 있어서,주편을 열전달 해석하여 상기 연주기의 응고완료 위치를 산정하는 단계;상기 해석 결과를 기초로 하여 인발롤의 설치 위치에서 잔류용강의 존재하도록 주조 속도를 산정하는 단계; 및상기 응고완료 위치가 상기 인발롤 이전에 위치하도록 상기 산정된 주조 속도 이하로 상기 연주기의 주조 속도를 조절하는 단계를 포함하며,상기 연주기는 160X160mm의 단면 크기를 가지며 인발롤이 탕면으로부터 15.1m에 위치되되, 탄소농도가 0.6%이고, 상기 인발롤의 압력이 40바일 때 상기 주조속도가 1.5 내지 1.6m/min.으로 조절되며 편석지수가 1.11 내지 1.13 범위 내로 제한되는 것을 특징으로 하는 빌레트의 중심편석이 저감되는 연속주조방법.
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