KR101304789B1 - 롤 하중 측정장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고온소재의 진행경로상에 배치된 가이드롤을 지지하는 롤베어링의 하단에 설치되는 장치베이스와 상기 장치베이스의 내부에 위치하고, 고온소재가 상기 가이드롤을 이동할 때 발생되는 하중을 측정토록 제공되는 롤 하중측정부를 포함하여 구성되는 롤 하중 측정장치에 관한 것으로, 본 발명에 의하면 연속주조용 세그먼트에서 주편의 이동시 단위롤에 발생되는 하중을 용이하게 측정할 수 있는 효과가 있다.

Description

롤 하중 측정장치{Apparatus for measurement of roll's load}
본 발명은 롤 하중 측정장치에 관한 것으로, 구체적으로 연속주조용 세그먼트에 주편이 이동함에 따라 단위롤이 받게되는 하중을 측정토록 구성된 롤 하중 측정장치에 관한 것이다.
일반적으로, 연속주조공정(continuous casting process)은 일정한 형상의 주형에 용강을 연속적으로 주입하고, 주형 내에서 반응고된 주편을 연속적으로 주형의 하측으로 인발하여 슬래브(slab), 블룸(bloom), 빌릿(billet) 등과 같은 다양한 형상의 반제품을 제조하는 공정이다.
이러한 연주공정이 수행되는 일반적인 연속주조기(이하, '연주기'라 함)의 개략적인 구성과, 연주기에 구비되는 세그먼트를 도 1을 참조하여 살펴보면 다음과 같다.
일반적인 연주기는 제강공정에서 정련된 용강(molten steel)이 담기는 래들(ladle; 2)과, 래들(2)에 연결되는 주입노즐을 통해 용강을 공급받고, 이를 일시 저장하는 턴디쉬(tundish; 3)와, 턴디쉬(3)에 일시 저장된 용강을 전달받아 일정한 형상으로 초기 응고시키는 주형(mold; 4) 및 주형(4)의 하부에 구비되어 미응고된 주편(5)을 냉각시키면서 일련의 성형 작업을 수행하도록 다수의 세그먼트(segment; 10)가 연속적으로 배열되는 냉각라인을 포함한다.
여기서 도 2를 참고하면, 주편(5)이 상기 세그먼트(10)를 이동하게 되고, 상기 주편(5)의 하중으로 인해 상기 세그먼트(10)의 하부프레임(14)에 장착되는 다수의 롤(12)에 부하가 발생된다.
상기 주편(5)의 이동으로 인한 상기 롤(12)에 발생되는 부하값을 정밀하게 측정하는 것은 연속주조공정에 있어서 중요한 요소가 될 수 있다.
이는 연속주조공정이 제품을 생산하는 동안 쉬지않고 운용되며, 그에 따라 장시간 사용되는 경우 상기 하부프레임(14)에 장착된 롤(12)이 지속적인 주편(5)의 하중을 받게 되어 상기 롤(12)을 지지하는 롤베어링(11)에 의해 지지되는 부분의 마모나 파손이 발생될 수 있다. 이런 경우 롤(12)에 발생되는 부하를 정밀하게 측정할 수 있다면, 롤(12) 또는 롤베어링(11)의 교체시기를 결정할 수 있고 만약에 발생할 수 있는 사고를 방지할 수도 있을 것이다.
그리고, 롤(120)이 상기 세그먼트(10)에 부적합하게 설치되어 있는 경우 주편(5)의 하중으로 인해 불균일한 부하를 특정 롤에 강하게 부여될 수 있는데, 이런 경우에도 롤(12)에 발생되는 부하값을 측정할 수 있다면 즉각적인 교정 및 조치가 가능할 것이다.
그러나, 종래에는 이러한 주편의 이동으로 인한 롤에 발생되는 부하를 측정할 수 있는 장치가 마련되어 있지 않았다.
따라서, 당해 기술분야에서는 연속주조용 세그먼트에서 주편이 이동함에 따라 단위롤이 받게되는 하중을 용이하게 측정할 수 있는 장치가 요구되고 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 일 실시예는 다음과 같은 롤 하중 측정장치를 제공한다.
본 발명인 롤 하중 측정장치는 고온소재의 진행경로상에 배치된 가이드롤을 지지하는 롤베어링의 하단에 설치되는 장치베이스 및 상기 장치베이스의 내부에 위치하고, 고온소재가 상기 가이드롤을 이동할 때 발생되는 하중을 측정토록 제공되는 롤 하중측정부를 포함하여 구성될 수 있다.
여기서, 상기 롤 하중측정부는 상기 장치베이스에 형성된 복수의 가공홀 및 상기 가공홀에 설치되고, 고온소재의 이동시 발생되는 하중에 의해 상기 장치베이스의 형상 변형량을 파악하여 하중값을 측정토록 제공되는 측정부재를 포함하여 구성될 수 있다.
그리고, 상기 측정부재는 스트레인 게이지로 제공되되, 상기 스트레인 게이지는 상기 장치베이스의 변형량을 저항치의 변화로 인식하여 휘트스톤 브릿지를 통해 상기 롤에 발생되는 하중값을 측정토록 구성될 수 있다.
또한, 상기 가공홀은 8개로 제공되되, 상기 가공홀에는 각각 스트레인 게이지가 장착되고 각각의 스트레인 게이지가 연계되어 하나의 저항으로 구성될 수 있다.
더하여, 상기 장치베이스에 장착되며 상기 각각의 스트레인 게이지와 휘트스톤 브릿지간에 연계되는 회로선이 열손되는 것을 방지토록 제공되는 보호유닛을 더 포함하여 구성될 수 있다.
여기서, 상기 보호유닛은 상기 장치베이스에 장착되는 U 자형 내열성 강관 및 상기 U 자형 내열성 강관에 연결되고 냉각매체를 공급토록 제공되는 냉각부재를 더 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 상기 냉각부재는 상기 장치베이스와 보호유닛에 공기를 공급하여 상기 스트레인 게이지와 회로선을 공냉토록 제공되는 공기유압기를 포함하여 구성될 수 있다.
더하여, 고온소재의 진행경로상에 배치된 가이드롤을 지지하는 복수의 롤베어링 및 상기 복수의 롤베어링 중 적어도 어느 하나에 장착되고, 고온소재 이동시 롤에 발생되는 하중을 측정토록 제공되는 상기 롤 하중 측정장치를 포함하여 구성되는 연속주조용 세그먼트로 제공될 수 있다.
본 발명인 롤 하중 측정장치의 일 실시예는 위와 같은 구성을 통하여, 연속주조용 세그먼트에서 주편이 이동하는 경우에 단위롤이 받게 되는 하중을 용이하게 측정할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 연속주조공정을 나타낸 개략도이다.
도 2는 종래 상하로 배치된 가이드롤과 롤베어링을 나타낸 정면도이다.
도 3은 본 발명인 롤 하중 측정장치의 평면도이다.
도 4는 도 3의 A-A 단면도이다.
도 5은 본 발명인 롤 하중 측정장치가 롤베어링에 장착된 위치를 나타낸 개략도이다.
도 6은 본 발명인 롤 하중 측정장치의 사시도이다.
도 7은 공기유압기에서 공기가 공급되는 경로를 도시한 도면이다.
도 8는 스트레인 게이지를 통한 장치베이스의 형상 변형값을 휘트스톤 브릿지에서 저항값의 변화치로 인식하는 경로를 도시한 도면이다.
도 9은 본 발명이 실제 장착된 상태를 나타낸 도면이다.
도 10은 도 9에 도시된 본 발명을 롤베어링을 분해하고 본 확대도이다.
상기와 같은 본 발명의 특징들에 대한 이해를 돕기 위하여, 이하 본 발명의 실시예와 관련된 롤 하중 측정장치에 대하여 보다 상세하게 설명하도록 하겠다.
이하, 설명되는 실시예들은 본 발명의 기술적인 특징을 이해시키기에 가장 적합한 실시예들을 기초로 하여 설명될 것이며, 설명되는 실시예들에 의해 본 발명의 기술적인 특징이 제한되는 것이 아니라, 이하, 설명되는 실시예들과 같이 본 발명이 구현될 수 있다는 것을 예시하는 것이다.
따라서, 본 발명은 아래 설명된 실시예들을 통해 본 발명의 기술 범위 내에서 다양한 변형 실시가 가능하며, 이러한 변형 실시예는 본 발명의 기술 범위 내에 속한다 할 것이다.
그리고, 이하 설명되는 실시예의 이해를 돕기 위하여 첨부된 도면에 기재된 부호에 있어서, 각 실시예에서 동일한 작용을 하게 되는 구성요소 중 관련된 구성요소는 동일 또는 연장 선상의 숫자로 표기하였다.
본 발명과 관련된 실시예들은 기본적으로, 주편의 이동시 하부프레임의 롤에 발생되는 하중을 정밀하게 측정토록 하는 것을 기초로 한다.
이하에서는 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 구체적인 실시예에 대하여 설명하도록 한다.
도 3은 본 발명인 롤 하중 측정장치의 평면도이고, 도 4는 도 3의 A-A 단면도이다. 도 5은 본 발명인 롤 하중 측정장치가 롤베어링에 장착된 위치를 나타낸 개략도이며, 도 6은 본 발명인 롤 하중 측정장치의 사시도이다. 도 7은 공기유압기에서 공기가 공급되는 경로를 도시한 도면이고, 도 8는 스트레인 게이지를 통한 장치베이스의 형상 변형값을 휘트스톤 브릿지에서 저항값의 변화치로 인식하는 경로를 도시한 도면이다.
도 3 내지 도 8를 참고하면, 본 발명인 롤 하중 측정장치(100)는 고온소재의 진행경로상에 배치된 가이드롤을 지지하는 롤베어링의 하단에 설치되는 장치베이스(110) 및 상기 장치베이스(110)의 내부에 위치하고, 고온소재가 상기 가이드롤을 이동할 때 발생되는 하중을 측정토록 제공되는 롤 하중측정부(200)를 포함하여 구성될 수 있다.
여기서, 상기 롤 하중측정부(200)는 상기 장치베이스(110)에 형성된 가공홀(210) 및 상기 가공홀(210)에 설치되고, 고온소재의 이동시 발생되는 하중에 의해 상기 장치베이스(110)의 형상 변형량을 파악하여 하중값을 측정토록 제공되는 측정부재(220)를 포함하여 구성될 수 있다.
구체적으로 상기 장치베이스(110)는 연속주조용 세그먼트에서 고온소재를 이동토록 배치된 가이드롤을 지지토록 제공되는 롤베어링의 하단에 설치된다. 상기 롤베어링의 하단에는 복수의 체결블럭(미도시)이 구비된다. 상기 체결블럭은 상기 장치베이스(110)의 상단에 형성되어 있는 복수의 원형 체결홈(120-170)에 맞추어져 상기 롤베어링 하단에 상기 장치베이스(110)가 결합되게 된다.
상기 장치베이스(110)의 측면에는 복수의 가공홀(210)이 구비된다. 본 발명의 실시예에서는 8개의 가공홀(210)이 제공되는데, 이에 한정되는 것은 아니다.
그리고, 상기 각각의 가공홀(210)에는 측정부재(220)가 설치된다. 상기 측정부재(220)는 고온소재가 연속주조용 세그먼트에 설치된 가이드롤을 따라 이동하게 되고, 그에 따라 상기 가이드롤은 하중을 받게 된다. 상기 가이드롤이 하중을 받게 되면, 상기 가이드롤을 지지하고 있는 각각의 롤베어링으로 하중이 전달되게 된다.
연속주조용 세그먼트의 하부프레임의 경우에는 이 경우 롤베어링이 하방향으로 하중을 받게 된다. 여기서, 상기 장치베이스(110)는 상기 롤베어링의 하단에 설치되므로 그에 따라 동일한 하중이 전달되게 된다.
하중을 전달받은 상기 장치베이스(110)는 종방향으로 변형이 발생되게 된다. 상기 각각의 가공홀(210)에는 상기 측정부재(220)가 설치되어 있어, 상기 장치베이스(110)의 8 군데에서 하중을 측정하게 된다. 이는 하나의 측정부재(220)를 사용하는 것보다 정밀할 것이다.
여기서, 상기 측정부재(220)는 스트레인 게이지(221)로 제공되되, 상기 스트레인 게이지(221)는 상기 장치베이스(110)의 형상 변형량을 저항치의 변화로 인식하여 휘트스톤 브릿지를 통해 상기 롤에 발생되는 하중값을 측정토록 구성될 수 있다.
더하여, 상기 가공홀(210)은 8개로 제공되되, 상기 가공홀(210)에는 각각 스트레인 게이지(221)가 장착되고 각각의 스트레인 게이지(221)가 연계되어 하나의 저항(Rx)으로 구성될 수 있다.
상기 스트레인 게이지(221)는 단위 길이당의 변형량을 측정하는 것으로서, 기계부품이나 구조물 등에 하중이 작용하였을 때 국부적 변형(신축, 뒤틀림)을 측정하는 것으로 전기 저항값이 기하학적 변화에 의하여 변화하는 재료로 만든 측정편을 응력이 생기는 물체 표면상에 부착시키고, 이 측정편의 저항 변화를 측정하여 물체 내에 생긴 응력을 알 수 있도록 한다.
상기 스트레인 게이지(221)의 구성은 실제 측정에 필요한 그리드(225)와 상기 스트레인 게이지(221)의 형상을 고정시키는 기판(223)으로 이뤄지며, 상기 기판(223)은 주로 폴리이미드를 사용하고 고온용이나 피로시험용은 에폭시페놀로 이뤄질 수 있다.
한편, 본 발명에서 사용되는 휘트스톤 브릿지는 도 9와 같이 저항(R1, R2, R3, Rx)이 브릿지 정류회로 형태로 배열되어 노드(N1,N2)로 전원(Ein)을 인가하고, 각 저항치는 R1·R2=R2·Rx 라는 방정식을 이루며, 노드(N3,N4) 양단의 전위가 0볼트일 때 평형을 이룬다.
따라서 저항 중의 하나(Rx)를 상기 스트레인 게이지(221)로 대체하여 저항치의 변화여부로 상기 장치베이스(110)의 변형여부를 확인토록 하는 것이다. 이때 이를 판단하기 위해서는 게이지 계수(GF:Guage factor)가 필요한데, 게이지 계수는 스트레인 게이지 제조회사에서 표기하는 민감도이다.
게이지 계수(GF)=((△R/R)/ε)로 정의되므로, 기존의 변형되기 전의 저항(R)과 변형된 저항(△R)을 알면 변형율(ε)을 알 수 있게 되는 것이다. 여기서 게이지 계수는 스트레인 게이지 제조회사마다 차이가 있으며, 제공되는 값이다.
주편이 이동함에 따라 가이드롤에 하중이 걸리고, 그 하중은 가이드롤을 지지하는 롤베어링에 전달되어 궁극적으로 상기 장치베이스(110)에 하중이 걸려 변형이 발생된다.
상기 장치베이스(110)에 종방향의 변형이 발생하면, 상기 장치베이스(110)의 가공홀(210)에 각각 부착된 상기 스트레인 게이지(221)상의 그리드(225)의 간격에 변화가 일어나게 되고 이는 휘트스톤 브릿지에서 상기 스트레인 게이지(221)의 변형값으로 구현되는 저항값으로 표시되게 된다.
이제 R1·R2=R2·Rx 관계식을 이용하여 최초 변형되기 전 저항값을 측정하고 변형된 후의 저항값을 측정하는데, 상기 저항값의 차이는 노드(N3,N4)에서 측정되는 출력전압(Eout)의 차이로 알 수 있다.
즉 최초 변형되기 전의 출력전압값과 변형된 후의 출력전압값을 비교하여 최초 저항값은 이미 알고 있으므로, 변형된 후의 저항값을 구할 수 있는 것이다.
그리고 변형된 후의 저항값을 알게 됨에 따라 최초 저항값과 변형된 후의 저항값의 차이를 계산하고, 이를 상기 게이지계수를 통해 변형율을 파악할 수 있게 되는 것이다.
다음으로, 본 발명인 롤 하중 측정장치는 상기 장치베이스(110)에 장착되며, 상기 각각의 스트레인 게이지와 휘트스톤 브릿지간에 연계되는 회로선이 열손되는 것을 방지토록 제공되는 보호유닛(300)을 더 포함하여 구성될 수 있다.
여기서, 상기 보호유닛(300)은 상기 장치베이스(110)에 장착되는 U 자형 내열성 강관(310) 및 상기 U 자형 내열성 강관(310)에 연결되고 냉각매체를 공급토록 제공되는 냉각부재(320)를 더 포함하여 구성될 수 있다.
그리고, 상기 냉각부재(320)는 상기 장치베이스(110)와 보호유닛(300)에 공기를 공급하여 상기 스트레인 게이지(221)와 회로선(230)을 공냉토록 제공되는 공기유압기(321)를 포함하여 구성될 수 있다.
구체적으로 상기 장치베이스(110)의 측면에는 U 자형 내열성 강관(310)이 연결된다. 그리고 상기 U 자형 내열성 강관(310)에 냉각매체를 공급토록 T 자형으로 별도의 냉각매체 공급라인(323)에 설치된다.
여기서, 상기 냉각매체는 공기일 수 있으며, 냉각매체를 이용하여 상기 스트레인 게이지(221)와 회로선(230)을 보호하는 방식은 공냉식일 수 있다. 만약 냉각수를 공급하는 방식인 경우에는 상기 회로선(230)과의 관계에서 누전의 우려가 있어 적절하지 못할 수 있다. 다만, 별도의 피복을 통해 회로선(230)을 보호한다면 냉각수를 이용한 냉각방식도 고려될 수 있을 것이다.
그리고, 상기 장치베이스(110)에 부착되는 상기 스트레인 게이지(221)는 상기 U 자형 내열성 강관(310)을 통해 상기 장치베이스(110)의 외부와 연결되어 도 9와 같이 휘트스톤 브릿지 회로와 연결되게 된다.
실제 작업환경에서 주편은 1000℃~1300℃ 이상의 고온을 형성하므로 상기 U 자형 내열성 강관(310)의 내부로 상기 회로선(230)이 위치하지 않으면, 열손될 가능성이 농후하다. 그리고 상기 U 자형 내열성 강관(310)의 내부에 위치하더라도 열손의 효과를 높이기 위해 별도의 냉각부재(320)를 추가적으로 구비한 것이다.
상기 공기유압기(321)에서 공급된 공기는 냉각매체 공급라인(323~329)을 통해 상기 U 자형 내열성 강관(310)에 공급되고 이는 상기 U자형 내열성 강관(310)을 통해 외부로 연결되는 상기 회로선(230)뿐만 아니라, 상기 장치베이스(110)의 내부로도 공기를 공급하여 상기 스트레인 게이지(221)도 주편의 고온으로 인한 열손으로부터 보호할 수 있도록 하는 것이다.
한편, 도 9은 본 발명이 실제 장착된 상태를 나타낸 도면이고, 도 10은 도 9에 도시된 본 발명을 롤베어링을 분해하고 본 확대도이다.
도 9 내지 도 10를 참고하면, 본 발명인 롤 하중 측정장치(100)가 실제 롤베어링의 하부에 장착되어 있는 모습을 볼 수 있다. 연속주조용 세그먼트는 가이드롤이 세개의 영역으로 분리되어 장착되어 있고 상기 가이드롤의 각 분기마다 롤베어링으로 지지토록 구성되어 있다. 여기서는 네 개의 상기 롤 하중 측정장치(100)가 배치되어 있다.
도9 에는 하부프레임의 롤베어링 하단에만 모두 상기 장치베이스(100)가 장착되어 있는데, 상부프레임에는 장착되어 있지 않으므로 이를 비교한다면 장착 전,후의 상태도 인식할 수 있을 것이다. 실제 상부프레임의 롤베어링에도 장착할 수 있으나, 중력에 의해 주편의 하중은 하방향으로 미치므로, 상부프레임에 상기 롤 하중 측정장치(100)를 장착하는 것은 큰 의미는 없을 것이다.
도 10에는 상기 롤베어링을 제거한 후에 롤 하중 측정장치(100)가 장착되어 있는 모습을 볼 수 있다. 상기 장치베이스(100)의 상부에 롤베어링이 결합되는 부분인 체결홈(120~170)이 배열된 것을 볼 수 있다. 그리고 상기 장치베이스(100)의 양측으로 반원형태로 들어가는 홈(180)이 형성되어 있는데, 이것은 상기 롤베어링이 상기 장치베이스(100)의 상단에 설치될 때 볼트가 체결되며 지나가도록 형성된 것이다.
그리고 상기 장치베이스(100)의 측면으로 상기 U자형 내열성 강관(310)이 부착되어 있는 모습을 볼 수 있으며, 그 사이로 4 개의 가공홀(210)이 형성되어 있다. 상기와 같이 4 갱의 가공홀(210), 엄밀하게는 양면으로 8 개의 가공홀(210)에는 상기 스트레인 게이지(221)가 장착되고 상기 장치베이스(110)의 변형량을 측정하게 된다.
상기와 같은 구성과 실험결과를 통해 주편의 이동시 가이드롤에 미치는 하중을 파악할 수 있으며, 이는 장시간 지속적으로 사용되는 롤베어링의 교체시기를 결정할 수 있는 정보를 제공하고 롤베어링이 부적절하게 장착된 경우에는 발생되는 하중값을 통해 빠르게 파악하고 교정 가능하게 하는 효과를 기대할 수 있다.
이상의 사항은 롤 하중 측정장치(100)의 특정한 실시예를 나타낸 것에 불과하다.
따라서 이하의 청구범위에 기재된 본 발명의 취지를 벗어나지 않는 한도내에서 본 발명이 다양한 형태로 치환, 변형될 수 있음을 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 용이하게 파악할 수 있다는 점을 밝혀 두고자 한다.
110...장치베이스 200...롤 하중측정부
210...가공홀 220...측정부재
230...회로선 300...보호유닛
310...U 자형 내열성 강관 320...냉각부재

Claims (8)

  1. 고온소재의 진행경로상에 배치된 가이드롤을 지지하는 롤베어링유닛과 구조물 사이에 설치되는 장치베이스(110);
    상기 장치베이스(110)의 내부에 위치하고, 고온소재의 가이드롤 통과시 롤에 인가되는 하중을 측정토록 제공되는 롤 하중측정부(200); 및
    상기 장치베이스(200)에 연결되며 장착되고, 상기 롤 하중측정부(200)를 냉각시켜 고온소재의 고열로 인해 열손되는 것을 방지하도록 제공되는 보호유닛(300);을 포함하며,
    상기 롤 하중측정부(200)는, 상기 장치베이스(110)에 형성된 가공홀(210); 및 상기 가공홀(210)에 설치되고, 고온소재의 이동시 발생되는 하중에 의해 상기 장치베이스(110)의 형상 변형량을 파악하여 하중값을 측정토록 제공되는 측정부재(220);를 포함하며,
    상기 측정부재(220)는 스트레인 게이지로 제공되고 상기 가공홀(210)은 8개로 제공되며, 상기 가공홀(210)에는 각각 스트레인 게이지가 장착되되, 각각의 상기 스트레인 게이지는 서로 연계되어 하나의 저항으로 구성되어 상기 장치베이스(110)의 형상 변형량을 저항치의 변화로 인식하여 휘트스톤 브릿지를 통해 상기 가이드롤에 발생되는 하중값을 측정하며,
    상기 보호유닛(300)은, 상기 장치베이스(110)에 장착되고 U 자형 내열성 강관(310); 및 상기 U 자형 내열성 강관(310)에 연결되고 냉각매체를 공급토록 제공되는 냉각부재(320);를 포함하되,
    상기 U 자형 내열성 강관(310)의 내부에는 상기 스트레인 게이지와 휘트스톤 브릿지를 서로 연결된 회로선이 배치되고, 상기 냉각부재(320)는 상기 장치베이스(110)와 U 자형 내열성 강관(310) 내부에 공기를 공급하여, 상기 스트레인 게이지와 회로선을 공냉토록 제공되는 공기유압기인 것을 특징으로 하는 롤 하중 측정장치.
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  8. 고온소재의 진행경로상에 배치된 가이드롤을 지지하는 복수의 롤베어링유닛; 및
    상기 복수의 롤베어링유닛 중 적어도 어느 하나에 장착되고, 고온소재 이동시 롤에 인가되는 하중을 측정토록 제공되는 상기 제1항에 기재된 롤 하중 측정장치(100);
    를 포함하여 구성되는 연속주조용 세그먼트.
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