KR101299092B1 - 청정강 제조를 위한 플럭스 투입량 예측방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 용강의 토출량에 따라 플럭스 투입량을 정확하게 계산 및 예측할 수 있는 청정강 제조를 위한 플럭스 투입량 예측방법에 관한 것으로, 턴디쉬에 투입되는 플럭스 투입량(F Td [kg])이, 턴디쉬에서 몰드로 배출되는 용강 토출량(Q MS [ton/min])을 이용한 하기 관계식에 의해 산출된다.
관계식
Figure 112011058665499-pat00027

여기서,
Figure 112011058665499-pat00028
는 0.01 내지 0.02 사이의 계수값이고,
Figure 112011058665499-pat00029
는 4 내지 5 사이의 상수값이다.

Description

청정강 제조를 위한 플럭스 투입량 예측방법{PREDICTING METHOD OF FLUX QUANTITY FOR OBTAINING CLEAN STEEL}
본 발명은 연주공정에서의 청정강 제조 방법에 관한 것으로, 더 상세하게는 용강의 토출량에 따라 플럭스 투입량을 정확하게 계산 및 예측할 수 있는 청정강 제조를 위한 플럭스 투입량 예측방법에 관한 것이다.
일반적으로, 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 핀치롤 등을 포함한다. 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.
연주공정에서 생산되는 박슬라브(Thin Slab)는 두께가 40 내지 100mm 정도로 얇은 것으로, 열연공정에서 조압연 공정을 생략할 수 있어 공정 생략 및 단순화에 주로 적용된다.
관련된 선행기술로는 한국특허공개 제2004-24654호(공개일; 2004.03.22)가 있다.
본 발명은 용강 토출량에 따른 플럭스의 투입량을 정확하게 예측 가능함에 따라 용강 청정도를 향상과 플럭스의 효율적인 사용이 가능한 청정강 제조를 위한 플럭스 투입량 예측방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않는다.
상기 과제를 실현하기 위한 본 발명의 예측방법은, 턴디쉬에 투입되는 플럭스 투입량(F Td [kg])이, 상기 턴디쉬에서 몰드로 배출되는 용강 토출량(Q MS [ton/min])을 이용한 하기 관계식에 의해 산출될 수 있다.
관계식
Figure 112011058665499-pat00001
여기서,
Figure 112011058665499-pat00002
는 0.01 내지 0.02 사이의 계수값이고,
Figure 112011058665499-pat00003
는 4 내지 5 사이의 상수값이다.
상기 턴디쉬의 탕면에 형성되는 슬래그 두께(S th [mm])는, 상기에서 산출된 플럭스 투입량(F Td [kg])을 이용한 하기 관계식에 의해 산출될 수 있다.
관계식
Figure 112011058665499-pat00004
여기서,
Figure 112011058665499-pat00005
는 0.06 내지 0.07 사이의 계수값이고,
Figure 112011058665499-pat00006
는 0.2 내지 0.3 사이의 상수값이다.
상기와 같이 본 발명에 의하면, 용강 토출량에 따른 플럭스 투입량과 슬래그 두께를 예측함으로써, 용강 토출량에 따른 플럭스의 투입량을 정확하게 조절 가능함에 따라 탕면의 나탕을 방지하여 용강 청정도를 향상시킬 수 있다. 또한, 용강 토출량에 따른 최소의 플럭스 투입량을 예측하여 사용함으로써, 플럭스를 효율적으로 운영 및 절감할 수 있는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 실시예와 관련된 연속주조기를 용강 흐름을 중심으로 나타낸 개념도이다.
도 2는 턴디쉬의 플럭스 투입을 설명하기 위해 나타낸 도면이다.
도 3은 턴디쉬의 탕면 나탕을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명에 의한 용강 토출량과 플럭스 투입량을 나타낸 관계 그래프이다.
도 5는 본 발명에 의한 플럭스 투입량과 슬래그 두께를 나타낸 관계 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)에서 응고시키면서 연속적으로 주편 또는 강괴(steel ingot)를 뽑아내는 주조법이다. 연속주조는 정사각형, 직사각형 또는 원형 등 단순한 단면형의 긴 제품과 주로 압연용 소재인 슬라브, 블룸 또는 빌릿을 제조하는 데 이용된다.
연속주조기는 도시된 바와 같이, 래들(10)과 턴디쉬(20), 몰드(30), 2차냉각대(60 및 65), 핀치롤(70), 그리고 절단기(90)를 포함할 수 있다.
턴디쉬(Tundish, 20)는 래들(Ladle, 10)로부터 용융금속을 받아 몰드(Mold, 30)로 용융금속을 공급하는 용기이다. 래들(10)은 한 쌍으로 구비되어, 교대로 용강을 받아서 턴디쉬(20)에 공급하게 된다. 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.
몰드(30)는 몰드에서 뽑아낸 연주주편이 일정 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 몰드의 벽면에 붙는 것을 방지하기 위하여 오실레이션(oscillation, 왕복운동)되며, 오실레이션시 몰드(30)와 응고쉘(81)과의 마찰을 줄이고 타는 것을 방지하기 위해 파우더(Powder)와 같은 윤활제가 이용된다. 파우더는 몰드 내의 용융금속에 첨가되어 슬래그가 되며, 몰드(30)와 응고쉘의 윤활뿐만 아니라 몰드 내 용융금속의 산화ㅇ질화 방지와 보온, 용융금속의 표면에 떠오른 비금속 개재물의 흡수의 기능도 수행한다.
2차 냉각대(60 및 65)는 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. 연주주편의 응고는 대부분 상기 2차 냉각에 의해 이루어진다.
인발장치(引拔裝置)는 연주주편이 미끄러지지 않게 뽑아내도록 몇 조의 핀치롤(70)들을 이용하는 멀티드라이브방식 등을 채용하고 있다. 핀치롤(70)은 용강의 응고된 선단부를 주조 방향으로 잡아당김으로써, 몰드(30)를 통과한 용강이 주조방향으로 연속적으로 이동할 수 있게 한다.
연속적으로 생산되는 연주주편은 소정의 절단기(미 도시됨)에 의해 일정한 크기로 절단된다.
즉, 용강(M)은 래들(10)에 수용된 상태에서 턴디쉬(20)로 유동하게 된다. 이러한 유동을 위하여, 래들(10)에는 턴디쉬(20)를 향해 연장하는 쉬라우드노즐(Shroud nozzle, 15)이 설치된다. 쉬라우드노즐(15)은 용강(M)이 공기에 노출되어 산화ㅇ질화되지 않도록 턴디쉬(20) 내의 용강에 잠기도록 연장한다.
턴디쉬(20) 내의 용강(M)은 몰드 내로 연장하는 침지노즐(Submerged Entry Nozzle, 25)에 의해 몰드 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.
몰드 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.
핀치롤(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 일 지점(85)에 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.
이와 같은 연속주조 공정에서는, 용강을 래들(10)에서 턴디쉬(20)로 이동시킬 때 무산화 주조를 위해 도 2와 같이 쉬라우드노즐(15)을 통해 턴디쉬(20)로 이동시킨다.
이때, 턴디쉬(20)내 용강의 개재물 흡수(정련 작용)와 보온 및 재산화 방지를 목적으로 플럭스(flux)를 턴디쉬(20)로 투입하게 된다. 플럭스투입부(95)를 통해 턴디쉬(20) 내로 투입되는 플럭스는 용강의 온도를 상승시키는 촉매제로 작용하는 동시에 용강의 표면에 보온 차단막(slag)을 형성하여 용강의 보온 작용을 한다. 또한, 플럭스는 용강과 공기와의 접촉을 방지하여 재산화 및 용강내 기포 발생을 방지하는 작용을 하며, 비중차에 의해 용강으로부터 분리 부상되는 비금속 개재물을 흡수하는 정련 작용을 하여 그 사용이 매우 중요하다. 이러한 플럭스로는 CaO 50~60wt%, SiO2 3.5wt%미만, Al2O3 30~40wt%, Fe2O3 1.5wt%미만, P 0.05wt%미만, S 0.01wt%미만 등의 성분으로 조성될 수 있다. 물론, 이외에도 플럭스로 SiO2계 왕겨류 등이 사용될 수 있다. 턴디쉬 슬래그는 용강 중에 포함된 비금속 개재물이 탕면으로 부상된 것으로, 첨가된 플럭스는 개재물의 제거 작용을 촉진시키게 된다.
만일, 플럭스의 투입량이 부적절할 경우 턴디쉬(20)의 탕면에 나탕(용강위에 슬래그가 존재하지 않아 용강과 대기가 직접 반응하는 현상)이 발생하게 되고, 이때 용강과 공기와의 접촉으로 인해 재산화가 발생되어 용강의 청정도가 악화될 수 있다.
이러한 턴디쉬 플럭스는 연속주조 공정의 연연주 첫 차지의 초기에 도포된 후 턴디쉬 내에 나탕이 발생하는 경우에 추가 투입되거나, 래들 교환 후 각 차지가 거듭되면서 필요에 따라 일정량이 추가 투입될 수 있다.
도 2에서와 같이 턴디쉬(20)에 저장된 용강의 토출량이 많아지게 되면, 상대적으로 턴디쉬(20)의 탕면이 불안정하게 되고, 이로 인해 탕면에 도 3과 같이 나탕이 발생될 가능성이 높아진다. 이에 따라 나탕 방지를 위한 용강 토출량에 따른 플럭스의 투입량을 정확하게 예측할 수 있어야 한다.
조업 실적을 기반으로 분석하여 볼 때, 용강 토출량에 따른 턴디쉬 탕면의 나탕을 방지하기 위한 최소 플럭스의 투입량과 최소 슬래그의 두께는 아래 표 1과 같다.
용강 토출량
(ton/min) 		최소 플럭스량
(kg) 		최소 슬래그두께
(mm)
6.0 103 6.9
6.5 137 9.2
7.0 172 11.4
7.5 207 13.7
8.0 242 16.0
즉, 표 1에 보듯이, 용강 토출량에 따라 나탕을 방지하기 위해서는, 용강 토출량이 6.0(ton/min)일 때 최소 플럭스의 투입량이 103(kg)이고, 최소 슬래그의 두께가 6.9(mm)가 되어야 한다. 용강 토출량이 8.0일 때는 최소 플럭스의 투입량이 242이고, 최소 슬래그의 두께가 16.0이 되어야 한다.
이와 같은 관계를 그래프로 나타내면 도 4와 같다. 도 4에서와 같이 턴디쉬 탕면의 나탕 방지를 위한 용강 토출량에 따른 최소 플럭스 투입량은 상호 비례관계에 있음을 알 수 있다. 즉, 용강 토출량과 플럭스 투입량은 다른 조업조건이 동일한 상태에서 대략 선형적인 관계를 가진다.
이와 같은 조업 실적을 바탕으로 턴디쉬(20)에 투입되는 플럭스 투입량(F Td [kg])과 턴디쉬(20)에서 몰드(30)로 배출되는 용강 토출량(Q MS [ton/min])은 하기 관계식 1과 같이 나타낼 수 있다. 이와 같은 플럭스 투입량은 퍼스널 컴퓨터와 같은 예측시스템에 의해 계산될 수 있다.
관계식 1
Figure 112011058665499-pat00007
여기서,
Figure 112011058665499-pat00008
는 0.01 내지 0.02 사이의 계수값이고,
Figure 112011058665499-pat00009
는 4 내지 5 사이의 상수값일 수 있다.
도 4에서 도트는 실제의 용강 토출량에 따른 플럭스 투입량이고, 실선은 실적을 기반으로 한 예측 모델이다. 예측 모델의 정확도(R2)가 대략 78% 정도로 우수하게 나타났다. 도시된 바와 같이
Figure 112011058665499-pat00010
는 바람직하게는 0.0143일 수 있고,
Figure 112011058665499-pat00011
는 4.534일 수 있다. 하지만, 이는 실제 용강 토출량에 따른 플럭스 투입량에 대한 관계가 선형적으로 근사화된 것으로, 관계계수인
Figure 112011058665499-pat00012
는 0.01 내지 0.02 사이의 값이 될 수 있고, 관계상수인
Figure 112011058665499-pat00013
는 4 내지 5 사이의 값이 될 수 있는 것이다.
이와 같이 산출된 플럭스의 투입량을 이용하여 턴디쉬(20)의 상단면에 형성되는 슬래그의 두께도 계산될 수 있다. 턴디쉬(20)의 탕면 위로 플럭스가 채워지므로, 체적 계산을 통해 플럭스의 양에 따른 슬래그의 두께 계산이 가능하다(슬래그 비중: 2.5g/cm3). 즉, 플럭스 투입량이 증가될수록 슬래그의 두께도 증가되며, 그 관계를 도 5와 같이 나타낼 수 있다.
턴디쉬(20)의 상단면에 형성되는 슬래그 두께(S th [mm])는 상기 관계식 1을 통해 산출된 플럭스 투입량(F Td [kg])을 이용하여 하기 관계식 2에 의해 산출될 수 있다.
관계식 2
Figure 112011058665499-pat00014
여기서,
Figure 112011058665499-pat00015
는 0.06 내지 0.07 사이의 계수값이고,
Figure 112011058665499-pat00016
는 0.2 내지 0.3 사이의 상수값일 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이 는 바람직하게는 0.065일 수 있고,
Figure 112011058665499-pat00018
는 0.24일 수 있다. 하지만, 플럭스 투입량은 실적을 기반으로 하여 선형적으로 근사화된 것으로, 관계계수인
Figure 112011058665499-pat00019
는 0.01 내지 0.02 사이의 값이 될 수 있고, 관계상수인
Figure 112011058665499-pat00020
는 0.2 내지 0.3 사이의 값이 될 수 있는 것이다.
관계식 2에 의해 구해진 슬래그의 두께를 통해, 플럭스의 투입량이 필요에 따라 임의로 조절될 수도 있다.
예측시스템은 관계식 1 또는 관계식 2를 통해 각각 용강 토출량에 따른 플럭스 투입량과 슬래그 두께를 예측할 수 있다. 즉, 턴디쉬 탕면의 나탕을 방지하기 위해 용강 토출량에 따른 플럭스 투입량을 예측하고, 그때의 슬래그 두께도 예측할 수 있다. 이로 인해 용강 토출량에 따른 플럭스의 투입량을 정확하게 조절 가능하여 용강의 청정도를 향상시킴에 따라 탕면의 나탕을 방지함과 아울러 플럭스의 사용을 효율적으로 관리할 수 있다.
상기와 같은 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: 쉬라우드노즐
20: 턴디쉬 21: 스톱퍼
25: 침지노즐 30: 몰드
60: 지지롤 65: 스프레이
70: 핀치롤 80: 연주주편
81: 응고쉘 82: 미응고 용강
83: 선단부 85: 응고 완료점
91: 절단지점 95: 플럭스투입부

Claims (2)

  1. 턴디쉬에서 몰드로 배출되는 용강 토출량(QMS [ton/min])을 이용한 하기 관계식1에 의해 상기 턴디쉬에 투입되는 플럭스 투입량(FTd [kg])을 산출하고, 산출된 플럭스 투입량(FTd [kg])을 이용한 하기 관계식2에 의해 상기 턴디쉬의 탕면에 형성되는 슬래그 두께(Sth [mm])를 산출하는 청정강 제조를 위한 플럭스 투입량 예측방법.
    관계식1
    Figure 112013044442679-pat00021

    여기서,
    Figure 112013044442679-pat00022
    는 0.01 내지 0.02 사이의 계수값이고,
    Figure 112013044442679-pat00023
    는 4 내지 5 사이의 상수값임.
    관계식2
    Figure 112013044442679-pat00024

    여기서,
    Figure 112013044442679-pat00025
    는 0.06 내지 0.07 사이의 계수값이고,
    Figure 112013044442679-pat00026
    는 0.2 내지 0.3 사이의 상수값임.
  2. 삭제
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