KR101243202B1 - 쌍롤식 박판주조 공정에서 주조롤 크라운 조정 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 용탕으로부터 직접 박판을 주조하여 비용 및 공정단계를 줄일 수 있는 쌍롤식 박판주조에 관한 것으로, 보다 상세하게는 쌍롤식 박판주조기에 있어서 주조두께의 변경을 위해서는 주조속도의 변화가 필요하며, 이 때 주조롤의 열 팽창량은 주조 두께에 따라 달라지게 됨에 따라 제조되는 박판의 크라운 형상이 목표로 하는 범위에서 벗어나게 되는 문제를 해결하기 위해, 주조롤 초기 크라운의 변경이 없는 조건에서도 주조롤에 공급하는 냉각수 온도를 효과적으로 조절함에 의해 주조되는 박판이 양호한 형상을 지니도록 주조하는 쌍롤식 박판주조 공정에서의 주조롤 크라운 조정 방법에 관한 것이다.

본 발명은 동일한 크라운을 갖는 주조롤을 사용하여 박판을 제조하는 쌍롤식 박판주조 방법에 있어서, 상기 주조롤에 공급되는 냉각수의 온도를 주조되는 박판 두께에 따라 조정하여 주조롤의 열팽창을 제어하는 것에 의해 주조롤 크라운을 조정함으로써 다양한 두께의 박판을 주조하는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 본 발명에 따르면, 주조롤 크라운 조정을 위하여 별도의 주조롤 냉각수량 조정장치와 같은 부대설비가 필요하지 않으며, 주조롤 크라운을 크게 한 상태에서 주조롤 열 팽창량이 큰 얇은 박판을 제조하는 경우는 주조롤 냉각수 온도를 작게 하여 작은 양의 박판 크라운 확보가 가능하며, 주조롤 열 팽창량이 작은 두꺼운 박판을 제조하는 경우는 주조롤 냉각수 온도를 높게하여 주조롤 팽창을 의도적으로 크게 함으로써 결과적으로 작은 양의 박판 크라운 확보가 가능하게 된다.

박판 주조기, 주조롤, 박판 크라운, 롤 냉각수 온도, 주조롤 열팽창

Description

쌍롤식 박판주조 공정에서 주조롤 크라운 조정 방법{Method of roll crown adjustment in twin roll strip casting}

본 발명은 용탕으로부터 직접 박판을 주조하여 비용 및 공정단계를 줄일 수 있는 쌍롤식 박판주조에 관한 것으로, 보다 상세하게는 쌍롤식 박판주조기에 있어서 주조두께의 변경을 위해서는 주조속도의 변화가 필요하며, 이 때 주조롤의 열 팽창량은 주조 두께에 따라 달라지게 됨에 따라 제조되는 박판의 크라운 형상이 목표로 하는 범위에서 벗어나게 되는 문제를 해결하기 위해, 주조롤 초기 크라운의 변경이 없는 조건에서도 주조롤에 공급하는 냉각수 온도를 효과적으로 조절함에 의해 주조되는 박판이 양호한 형상을 지니도록 주조하는 쌍롤식 박판주조 공정에서의 주조롤 크라운 조정 방법에 관한 것이다.

일반적으로 박판의 주조방법에는 용강을 턴디쉬를 통하여 연속주조 방법으로 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 박판주조 방법이 있다.

상기 중에서 후자의 방법은 연속주조 방식의 여러 공정을 거치지 않으면서도 박판을 직접 제조할 수가 있어 원가 측면에서 상당한 비용절감이 가능하고 에너지 소비가 큰 재가열 및 열연 공정을 줄일 수 있어 이와 같은 쌍롤식 박판주조방식에 대한 집중적인 연구가 진행되고 있다.

도 1은 일반적인 쌍롤식 박판주조기의 전체 개념도이다. 도 1에 도시한 바와 같이, 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 최근 접점에서 주편(5)을 주조하며, 주조된 주편은 디스차지에 설치된 압연기(6)를 통해 고온에서 압연되어 최종 열연 코일이 제조되게 된다.

이때 상기 용강(2)을 주편(5)으로 주조하기 위한 응고쉘(4)의 형성은 주조롤(3)과 용강(2)의 접촉 시 냉각되면서 발생하므로 주조롤(3)은 응고쉘(4)의 형상과 품질을 좌우할 뿐 아니라 생산성을 좌우하는 박판 주조공정의 중요 설비이다. 주조롤은 1400℃ 가 넘는 고온의 용강을 짧은 시간의 접촉을 통해 응고시켜야 하기 때문에 주조 중 많은 열 부하를 받게 되며 따라서 효과적인 냉각이 필요하다.

도 2에서는 상기 주조롤(3)의 냉각구조를 개략적으로 도시하고 있는데, 용강이 저장된 저장용기의 하측 노즐(1)로부터 공급된 용강(2)이 주조롤(3)의 표면 측에 원주방향으로 다수 개 형성되어 냉각수가 흐르는 냉각수 구멍(6)에 의하여 냉각 된다.

롤 내부의 냉각수 흐름은 롤 축의 중앙구멍(7)을 통해 들어온 냉각수가 중앙구멍에 수직 방향으로 나있는 다수개의 수직 분배구멍(8)으로 분배되게 되고 여기서 냉각수는 수직 분배구멍부 환형 냉각수 통로(11)를 거쳐 다시 다수 개의 경사 분배구멍(9)을 통해 분배되고, 경사분배구멍부의 환형 냉각수 통로(10)를 통해 최종적으로 롤 표면부의 냉각수 구멍(6)에 냉각수가 흐르게 된다. 표면부 냉각수 구멍(6)을 통과하며 롤을 냉각하여 온도가 상승한 냉각수는 다시 경사 분배구멍(9), 수직 분배구멍(8), 중앙구멍(7)을 통해 롤 축의 다른 쪽을 통해 배출되게 된다.

쌍롤식 주조법에서는 일반적으로 주조되는 주편(5)의 두께가 1~6 mm 범위의 박판이며 롤 닢을 빠져 나온 주편(5)은 거의 응고가 완료한 상태이기 때문에 주편 품질 및 형상에 문제가 있는 경우는 교정이 거의 불가능하므로 주조 시 주조롤(3)의 열팽창 현상은 곧바로 주편 형상으로 나타나게 되어 제조되는 박판의 형상을 결정하게 된다.

주조롤은 주조 중 용강으로부터 빼앗은 열량에 의해 열팽창을 하게 되며 주조롤 폭 방향으로 볼 때 중앙부가 에지부보다 더 팽창량이 많아 결과적으로 볼록한 형상으로 팽창하게 된다. 따라서 주조롤 형상은 이러한 주조 중 롤 팽창 현상을 상쇄하기 위한 목적으로 도 3에서와 같이 오목한 크라운이 부여되어 있다.

크라운은 마이크로미터(um)로 기본 길이가 정의되며, C50은 롤 폭 중앙과 롤 에지에서 50mm떨어진 지점까지 오목 정도이며, E50은 롤 에지와 에지에서 50mm 떨어진 지점에서의 오목 정도이다.

주조롤의 초기 크라운 형상은 제조되는 박판의 형상을 결정하는 중요한 항목인데 쌍롤식 박판 주조공정에서 가장 큰 문제점은 주조롤 팽창량이 주조조건에 의해 달라진다는 것이다. 즉 주조롤의 팽창은 단위시간당 용강으로부터 빼앗은 열량(열유속)에 따라 달라지게 되며 이러한 열유속의 크기는 주조되는 박판의 두께에 따라 달라지게 되는 것이다.

박판의 두께는 용강과 롤과의 접촉시간에 의해 좌우되며 얇은 박판을 주조할 경우에는 주조롤 속도가 빨라야 하며 두꺼운 박판을 주조할 경우에는 주조롤 속도가 상대적으로 낮아야 하며 용강으로부터 주조롤로 전달되는 열량은 주조속도가 빠를수록 그 양이 커지게 된다.

도 4에 제조되는 박판 두께에 따른 주조롤 팽창량을 나타내었는데 박판두께가 얇은 경우는 열 팽창량이 크므로 작은 양의 박판 크라운을 확보하기 위해서는 주조롤 초기 크라운량을 크게 하는 것이 필요하며, 반대로 박판 두께가 두꺼운 경우에는 주조롤 열 팽창량이 작아 작은 양의 박판 크라운을 확보하기 위해서는 주조롤 초기 크라운량을 작게 하는 것이 필요함을 알 수 있다.

따라서 실제 상업생산 시 주조기에서 얇은 박판에서 두꺼운 박판까지의 모든 박판 두께를 제조하고자 할 경우에는 박판 두께에 따라 여러 종류의 주조롤을 구비하여야 한다. 그런데 주조롤은 제작 및 유지보수가 고가이어서 제조원가에 많은 부분을 차지하는 설비이기 때문에 제조 박판 두께에 따라서 이렇게 여러 종류의 주조롤을 구비하는 것은 비 경제적일 뿐 아니라 수시로 주조롤을 교체하여야 하기 때문에 생산성 측면에서도 바람직하지 못하다.

따라서 동일한 주조롤 크라운을 가진 주조롤을 사용하면서도 얇은 두께에서부터 두꺼운 두께까지의 박판을 제조하는 방법에 대한 방안이 다각도로 모색되어 왔으며, 한국 공개번호 제10-2009-0024874호에 나타난 바와 같이 주조롤에 공급되는 냉각수량을 조정하여 동일한 형상의 주조롤 크라운을 통해서도 다양한 박판 두께의 박판 두께를 제조하는 방법이 제안된 바 있다.

일반적으로 주조롤에 공급되는 냉각수 량은 주조롤의 냉각효율을 결정하며 주조롤의 온도에 직접적으로 영향을 미쳐 결과적으로 주조 중 주조롤 열 팽창량을 다르게 하게 된다. 따라서 도 5에 나타낸 바와 같이 주조 중 열유속이 큰 얇은 박판을 주조할 경우에는 주조롤에 공급되는 냉각수 량을 크게 하고 열유속이 작은 두꺼운 박판 주조 시에는 냉각수 량을 작게 하여 결과적으로 동일한 주조롤 크라운을 통해서도 다양한 두께의 양호한 크라운 형상을 지닌 박판을 제조할 수 있게 되는 것이다.

그러나 이러한 주조롤에 공급되는 냉각수량 조정을 통한 주조롤 열팽창 조정 방법은 냉각수 유량 조절 장치와 같은 고가의 부대설비 및 제어장치가 추가로 필요하여 제조원가를 높이는 문제점이 있다.

본 발명은 동일한 주조롤 크라운을 지닌 주조롤을 사용하여 제조 박판 두께에 따라 주조롤 열 팽창량 조정을 위해 추가적인 설비에 의해 주조롤의 냉각수량을 변화시키는 주조방법과는 달리, 주조롤의 냉각수량은 변화시키지 않는 상태에서도 단지 주조롤에 공급되는 냉각수 온도 조정만을 통해 양호한 주조롤 크라운을 확보할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명인 쌍롤식 박판주조 공정에서 주조롤 크라운 조정 방법은, 동일한 크라운을 갖는 주조롤을 사용하여 박판을 제조하는 쌍롤식 박판주조 방법에 있어서, 상기 주조롤에 공급되는 냉각수의 온도를 주조되는 박판 두께에 따라 조정하여 주조롤의 열팽창을 제어하는 것에 의해 주조롤 크라운을 조정함으로써 다양한 두께의 박판을 주조하는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에서 상기 냉각수 온도 조정은 박판 두께가 얇아질수록 온도를 낮게 조정하는 것을 특징으로 하며, 상기 냉각수 온도조정은 냉각수 구멍에서의 열전달 계수값(hw)의 변화만큼 냉각수 평균온도(Tw)를 조정하는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 본 발명에 따르면, 주조롤 크라운 조정을 위하여 별도의 주조롤 냉각수량 조정장치와 같은 부대설비가 필요하지 않으며, 주조롤 크라운을 크게 한 상태에서 주조롤 열 팽창량이 큰 얇은 박판을 제조하는 경우는 주조롤 냉각수 온도를 작게 하여 작은 양의 박판 크라운 확보가 가능하며, 주조롤 열 팽창량이 작은 두꺼운 박판을 제조하는 경우는 주조롤 냉각수 온도를 높게하여 주조롤 팽창을 의도적으로 크게 함으로써 결과적으로 작은 양의 박판 크라운 확보가 가능하게 된다.

이하 본 발명의 구체적인 일 실시예를 첨부된 도면을 참조하면서 상세하게 설명한다.

본 발명의 기술적인 구성으로서 본 발명은, 주조롤에 공급되는 냉각수 온도를 조정함에 있어서 일반적으로 주조공정에서 사용되고 있는 냉각수 냉각장치를 추가 개조 없이 사용함에 의한다. 일반적으로 냉각수를 사용하는 주조공정은 냉각수가 용강으로부터 열을 받아 뜨거워지므로 이러한 뜨거워진 냉각수를 다시 식히는 냉각장치(냉각 타워 등)가 필수적으로 구성되어 있다. 따라서 주조롤에 공급되는 냉각수 온도를 높이기 위해서는 별도의 추가 설비는 필요 없고 단지 냉각수를 다시 식히는 냉각장치에서 냉각 정도를 작게 하는 것으로 충분하다.

본 발명의 일 실시예로서, 도 1의 주조롤(3)의 직경은 1250 mm 이고, 롤 폭은 1340 mm이며 슬리브의 재질은 구리합금, 그리고 롤 표면에는 1.5 mm 두께의 니켈이 도금되어 있는 경우를 살펴 본다. 또한 용강과 롤 접촉 시 열유속은 6.4 MW/m²그리고 주조 속도는 55 m/min, 주조두께는 2.5mm, 용강높이는 450 mm, 그리고 롤 표면으로부터 냉각수 구멍 경계면까지의 거리가 20mm 이며 슬리브의 두께는 120 mm 인 경우이다.

다음의 표 1에 본 발명의 효과를 확인하기 위하여 주조롤 크라운량이 130마이크론으로 동일한 경우 냉각수 공급 유량 조정을 하는 경우와 냉각수 공급 유량 조정없이 냉각수 공급 온도만 조정한 경우에 대해 박판 크라운을 나타내었다. 이 때 목표로 하는 박판 크라운 값은 50마이크론 이내이다.

[표 1]

주조롤 냉각수 공급 조건에 따른 박판 크라운

	주조롤 초기 크라운	냉각수량비 (공급량/최대공급가능량)	냉각수 공급온도	박판 크라운	추가 설비
case 1 (비교예)	180 마이크론	1	30도	160 마이크론	없음
case 2 (비교예)	180 마이크론	0.6	30도	50 마이크론	유량조절장치
case 3 (본발명)	180 마이크론	1	60도	50 마이크론	없음

* case 1 : 종래기술의 냉각수량 및 냉각수 온도 조정을 하지 않은 경우

* case 2 : 종래기술의 냉각수량을 조정한 경우

* case 3 : 본 발명의 냉각수량은 조정하지 않고 냉각수 공급온도만을 조정한 경우

표1에 나타난 바와 같이 냉각수 공급온도만을 조정한 경우에도 냉각수량을 조정한 경우와 동일한 박판 크라운을 확보 할 수 있는 것으로 나타났다. 위의 예시 경우 냉각수 공급온도가 높은 근거는 다음과 같다. 용강으로부터 주조롤 냉각수로의 열흐름은 다음과 같은 식으로 나타낼 수 있다.

Q = hr x (Tm-Tr)

= k/d x (Ts-Tc)

= hw x (Tc-Tw)

상기 식에서,

hr= 주조롤과 용강 사이의 열전달계수

hw= 주조롤 냉각수 구멍에서의 열전달계수

k = 주조롤 표면에서 냉각수 구멍벽까지 슬리브 재료의 열전도도

d = 주조롤 표면에서 냉각수 구멍벽까지의 거리

Tm = 평균 용강온도

Tr = 평균 주조롤 표면온도

Tc 평균 냉각수 구멍벽 온도

Tw = 냉각수 평균 온도

위 식에서 Tm은 1200℃ 이상의 높은 온도이며 Tr의 경우는 100~150℃ 이므로 Tr의 작은 변화는 전체적인 Q값에 영향을 주지 못한다. 주조롤 팽창은 Tr과 Tc에 의해 결정되며 k/d는 일정한 값이므로 결국 Ts-Tc는 일정하게 되며 hw변화만큼 Tw를 조정하면 되게 된다. 냉각수 구멍에서의 열전달 계수 값은 냉각수 유량이 클수록, 냉각수 온도가 높을수록 커지므로 Case3가 가장 크고 case2가 가장 낮게 되며 결국 case2와 case3의 hw x (Tc-Tw)가 같은 조건을 만족하는 Tw를 구하면 case3의 경우가 case2의 Tw보다 크게 나타나는 것이다.

도 1은 쌍롤식 박판 주조장치의 전체 개요도이다.

도 2는 쌍롤식 박판주조기의 주조롤 냉각구조의 개략 개념도이다.

도 3은 쌍롤식 박판 주조 공정에서 롤 표면 크라운의 개념도이다.

도 4는 박판의 두께에 따른 롤 팽창량의 실험결과 그래프이다.

도 5는 주조롤에 공급되는 냉각수량에 따른 박판 크라운 실험 결과 그래프이다.

도6은 주조롤에 공급되는 냉각수 온도에 따른 박판 크라운 실험 결과 그래프이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

1… 노즐 2… 용강

3… 주조롤 4… 응고쉘

5… 박판(주편) 6… 롤 표면부 상부 냉각수 구멍

7… 주조롤 냉각수 중앙구멍 8… 주조롤 냉각수 수직분배구멍

9… 주조롤 냉각수 경사 분배구멍 10…경사분배구멍부 환형 냉각수 통로

11…수직분배구멍부 환형 냉각수 통로 12…압연기

Claims (3)

1. 동일한 크라운을 갖는 주조롤을 사용하여 박판을 제조하는 쌍롤식 박판주조 방법에 있어서,

   상기 주조롤에 공급되는 냉각수의 온도를 주조되는 박판 두께에 따라 조정하여 주조롤의 열팽창을 제어하는 것에 의해 주조롤 크라운을 조정함으로써 다양한 두께의 박판을 주조하는 것을 특징으로 하는 쌍롤식 박판주조 공정에서 주조롤 크라운 조정 방법
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 냉각수 온도 조정은 박판 두께가 얇아질수록 온도를 낮게 조정하는 것을 특징으로 하는 쌍롤식 박판주조 공정에서 주조롤 크라운 조정 방법
3. 청구항 2에 있어서,

   상기 냉각수 온도조정은 냉각수 구멍에서의 열전달 계수값(hw)의 변화만큼 냉각수 평균온도(Tw)를 조정하는 것을 특징으로 하는 쌍롤식 박판주조 공정에서 주조롤 크라운 조정 방법

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