KR101388075B1 - 연속 주조 시 다중 분사 노즐의 비수 분포 산출 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 연속 주편의 균일한 냉각을 위하여, 연속 주조 시 다중 분사 노즐의 비수 분포 산출 방법을 제공한다. 본 발명의 일실시예에 따른 다중 분사 노즐의 비수 분포 산출 방법은, 제1 분사 노즐과 제2 분사 노즐 사이의 분사 노즐 간격으로부터, 비수 중첩 프로화일의 피크 밴드 폭을 산출하는 제1 단계; 상기 제1 분사 노즐 및 상기 제2 분사 노즐로부터 분사되는 총 비수량으로부터, 상기 비수 중첩 프로화일의 정점 비수량을 산출하는 제2 단계; 상기 제1 분사 노즐에 대한 상기 제2 분사 노즐의 비수량 비율로부터, 상기 분사 노즐 간격에 대한 제2 분사 노즐로부터의 상기 비수 중첩 프로화일의 정점의 제1 거리 분율을 산출하는 제 3단계; 상기 제1 분사 노즐에 대한 상기 제2 분사 노즐의 비수량 비율로부터, 상기 상기 비수 중첩 프로화일의 피크 밴드 폭 내에서의, 상기 제2 분사 노즐에서 상기 제1 분사 노즐을 향하는 방향으로의 상기 비수 중첩 프로화일의 정점의 제2 거리 분율을 산출하는 제 4단계; 및 상기 피크 밴드 폭, 상기 정점 비수량, 상기 제1 거리 분율, 및 상기 제2 거리 분율을 이용하여 산출한 상기 비수 중첩 프로화일을 이용하여 전체 비수 프로화일을 산출하는 제5 단계;를 포함한다.

Description

연속 주조 시 다중 분사 노즐의 비수 분포 산출 방법{METHOD OF CALCULATING SPRAYING COOLING WATER DISTRIBUTION DURING CONTINUOUS CASTING PROCESS}
본 발명은 연속 주조에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연속 주편의 균일한 냉각을 위하여, 연속 주조 시 다중 분사 노즐의 비수 분포 산출 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 연속주조기는 제강로에서 생산되어 래들(Ladle)로 이송된 용융 금속을 턴디쉬(Tundish)에 받았다가 연속주조기용 몰드로 공급하여 일정한 크기의 주편을 생산하는 설비이다.
연속주조기는 용융 금속을 저장하는 래들과, 턴디쉬 및 상기 턴디쉬에서 출강되는 용융 금속을 최초 냉각시켜 소정의 형상을 가지는 연주 주편으로 형성하는 연주용 몰드와, 상기 몰드에 연결되어 몰드에서 형성된 연주 주편을 이동시키는 다수의 핀치롤 등을 포함한다. 래들과 턴디쉬에서 출강된 용융 금속은 몰드에서 소정의 폭과 두께 및 형상을 가지는 연주 주편으로 형성되어 핀치롤을 통해 이송되고, 핀치롤을 통해 이송된 연주 주편은 절단기에 의해 절단되어 소정 형상을 갖는 슬라브(Slab) 또는 블룸(Bloom), 빌렛(Billet) 등의 주편으로 제조된다.
이때 연속주조기를 통해 형성되는 연주 주편의 표면에는 연주 공정 중 계속하여 냉각수가 분사되며, 이 냉각수를 통해 연주 주편이 냉각되면서 최종적으로 주편으로 제조되는 것이다. 상기 주편의 품질을 향상시키기 위해서는 연주 주편의 표면을 균일하게 냉각하는 것이 중요하며, 또한 냉각되는 동안에도 상기 연주 주편의 표면이 균일한 온도 분포를 유지하는 것이 중요하다. 따라서, 다중 분사 노즐에 의한 냉각수 분사에 의하여 형성되는 비수 분포를 정확하게 해석할 필요가 있다.
관련 선행기술로는 한국등록특허 제 1082231호(등록일: 2011. 11. 3., 명칭: 연속주조기용 스프레이 노즐장치)가 있다.
본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 기술적 과제는 연속 주편의 균일한 냉각을 위하여, 연속 주조 시 다중 분사 노즐의 비수 분포 산출 방법을 제공하는 것이다.
그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 따른 다중 분사 노즐의 비수 분포 산출 방법은, 제1 분사 노즐과 제2 분사 노즐 사이의 분사 노즐 간격으로부터, 비수 중첩 프로화일의 피크 밴드 폭을 산출하는 제1 단계; 상기 제1 분사 노즐 및 상기 제2 분사 노즐로부터 분사되는 총 비수량으로부터, 상기 비수 중첩 프로화일의 정점 비수량을 산출하는 제2 단계; 상기 제1 분사 노즐에 대한 상기 제2 분사 노즐의 비수량 비율로부터, 상기 분사 노즐 간격에 대한 제2 분사 노즐로부터의 상기 비수 중첩 프로화일의 정점의 제1 거리 분율을 산출하는 제 3단계; 상기 제1 분사 노즐에 대한 상기 제2 분사 노즐의 비수량 비율로부터, 상기 상기 비수 중첩 프로화일의 피크 밴드 폭 내에서의, 상기 제2 분사 노즐에서 상기 제1 분사 노즐을 향하는 방향으로의 상기 비수 중첩 프로화일의 정점의 제2 거리 분율을 산출하는 제 4단계; 및 상기 피크 밴드 폭, 상기 정점 비수량, 상기 제1 거리 분율, 및 상기 제2 거리 분율을 이용하여 산출한 상기 비수 중첩 프로화일을 이용하여 전체 비수 프로화일을 산출하는 제5 단계;를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 단계에서, 상기 피크 밴드 폭(Lb)은 하기 관계식 1에 의하여 산출될 수 있다.
관계식 1
Lb = C1 x (P2-P1) + D1
(여기에서, Lb는 피크 밴드 폭, P2-P1는 분사 노즐 간격, C1는 0 초과 2 이하의 값을 가지는 상수이고, D1는 -500 이상 500 미만의 값을 가지는 상수임)
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제2 단계에서, 상기 정점 비수량(Wp)은 하기 관계식 2에 의하여 산출될 수 있다.
관계식 2
Wp = C2 x Wt + D2
(여기에서, Wp는 정점 비수량, Wt는 총 비수량, C2는 0 초과 4 이하의 값을 가지는 상수이고, D2는 -10 이상 10 미만의 값을 가지는 상수임)
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제3 단계에서, 상기 제1 거리 분율은 하기 관계식 3에 의하여 산출될 수 있다.
관계식 3
제1 거리 분율 = (P2- Pa)/(P2-P1) = C3 x (W2/W1) + D3
(여기에서, P2- Pa는 상기 제2 분사 노즐과 상기 비수 중첩 프로화일의 정점 사이의 거리, P2-P1는 분사 노즐 간격, W1은 상기 제1 분사 노즐의 비수량, W2는 상기 제2 분사 노즐의 비수량, C3은 0 초과 100 이하의 값을 가지는 상수이고, D은 -200 이상 200 미만의 값을 가지는 상수임)
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제4 단계에서, 상기 제2 거리 분율은 하기 관계식 4에 의하여 산출될 수 있다.
관계식 4
제2 거리 분율 = (Pb2- Pa)/(P2-P1) = C4 x (W2/W1) + D4
(여기에서, Pb2- Pa는 피크 밴드 폭 내의 상기 비수 중첩 프로화일의 정점의 거리, P2-P1는 분사 노즐 간격, W1은 상기 제1 분사 노즐의 비수량, W2는 상기 제2 분사 노즐의 비수량, C4은 -50 이상 0 미만의 값을 가지는 상수이고, D4은 0 이상 100 미만의 값을 가지는 상수임)
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 전체 비수 프로화일은 상기 제1 분사 노즐의 제1 비수 프로화일, 상기 제2 분사 노즐의 상기 제2 비수 프로화일 및 상기 비수 중첩 프로화일을 합산하여 산출될 수 있다.
본 발명의 기술적 사상에 따른 다중 분사 노즐의 비수 분포 산출 방법은, 중첩된 영역의 비수 중첩 프로화일을 산출함으로써, 전체 비수 프로화일을 정확하게 산출할 수 있다. 따라서, 연속 주조 시 다중 노즐에 의한 냉각수 분사에 의하여 형성되는 비수 분포 및 그에 따른 연속 주편의 냉각 프로화일을 정확하게 예측할 수 있다. 이에 따라, 연속 주편의 균일한 냉각을 구현할 수 있고, 품질을 향상시킬 수 있다.
상술한 본 발명의 효과들은 예시적으로 기재되었고, 이러한 효과들에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 연속주조기를 용융 금속의 흐름을 중심으로 도시하는 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 연속주조기의 2차 냉각부의 분사 노즐 배치를 도시하는 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예 따른 연속주조기에 의하여 주조되는 연주 주편의 표면에 형성되는 비수 중첩부를 설명하는 도면이다.
도 4는 본 발명와 관련된 두 개의 분사 노즐을 통해 분사되는 냉각수의 비수 특성을 나타낸 그림이다.
도 5는 본 발명과 관련된 연주 주편 폭 방향으로 냉각수 분사가 불균일한 상태를 나타낸 그림이다.
도 6은 본 발명과 관련된 연주 주편 폭 방향으로 냉각수 분사가 균일한 상태를 나타낸 그림이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 분사 노즐의 비수 분포 산출 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 분사 노즐의 비수 분포 산출 방법을 위한 두 개의 분사 노즐의 비수 분포를 나타내는 개략도이다.
도 9 내지 도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 분사 노즐의 비수 분포 산출 방법을 위한 변수들의 상관관계를 나타내는 그래프들이다.
도 13 및 도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 분사 노즐의 비수 분포 산출 방법을 이용하여 산출한 비수 분포를 도시하는 그래프들이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 기술적 사상을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 기술적 사상의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 기술적 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. 동일한 부호는 시종 동일한 요소를 의미한다. 나아가, 도면에서의 다양한 요소와 영역은 개략적으로 그려진 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 사상은 첨부한 도면에 그려진 상대적인 크기나 간격에 의해 제한되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 연속주조기를 용융 금속의 흐름을 중심으로 도시하는 개략도이다.
도 1을 참조하면, 연속주조기는, 래들(ladle, 10)과 턴디쉬(tundish, 20), 몰드(mold, 30), 2차 냉각부(60)를 포함한다.
연속주조(continuous casting)는 용융 금속을 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.
래들(10)은 고로나 전기로 등에서 용융된 용융 금속(M)을 수용하며, 용융 금속(M)을 턴디쉬(20)에 공급한다. 래들(10)은 용융 금속(M)을 턴디쉬(20)에 공급하는 슈라우드분사 노즐(Shroud nozzle, 15)을 더 포함한다. 용융 금속(M)이 공기에 노출되어 산화되거나 질화되는 것을 방지하기 위하여, 슈라우드분사 노즐(15)은 턴디쉬(20) 내의 용융 금속 내에 잠기도록 연장된다. 도시되지는 않았지만, 래들(10)은 한 쌍으로 구비될 수 있고, 교대로 용융 금속을 수용하여 턴디쉬(20)에 공급할 수 있다.
턴디쉬(20)는 래들(10)로부터 용융 금속(M)을 공급받아, 몰드(30)로 용융 금속(M)을 공급한다. 턴디쉬(20)에서는 몰드(30)로 흘러드는 용융 금속(M)의 공급 속도조절, 각 몰드(30)로 용융 금속(M) 분배, 용융 금속(M)의 저장, 및 용융 금속(M)으로부터 슬래그와 비금속 개재물(介在物)의 분리 등이 이루어진다.
턴디쉬(20) 내의 용융 금속(M)은 몰드(30) 내로 연장되는 침지분사 노즐(Submerged Entry Nozzle, 25)에 의해 몰드로 공급된다. 침지분사 노즐(25)은 몰드(30)의 중앙에 배치되어, 침지분사 노즐(25)의 양 토출구에서 토출되는 용융 금속(M)의 유동이 대칭을 이루게 한다. 침지분사 노즐(25)을 통한 용융 금속(M)의 토출의 시작, 토출 속도, 및 중단은 침지분사 노즐(25)에 대응하여 턴디쉬(20)에 설치되는 스토퍼(Stopper, 21)에 의해 결정된다. 예를 들어, 스토퍼(21)는 침지분사 노즐(25)의 입구를 개폐하도록 침지분사 노즐(25)과 동일한 라인을 따라 수직 이동될 수 있다.
몰드(30)는 구리로 구성될 수 있고, 물에 의하여 냉각되는 수냉식 구조를 가질 수 있다. 몰드(30)에서는 공급된 용융 금속(M)이 1차 냉각될 수 있다. 몰드(30)는 마주보는 한 쌍의 벽면들이 개구된 형태의 구조를 가지고, 이에 따라 용융 금속(M)이 수용되는 중공부를 가진다. 슬라브를 제조하는 경우에는, 몰드(30)는 한 쌍의 장벽과, 장벽들을 연결하는 한 쌍의 단벽을 포함할 수 있다. 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 연주 주편이 일정한 모양을 유지하고, 아직 응고가 덜 된 용융 금속이 유출되지 않게 강한 응고각(凝固殼) 또는 응고쉘(Solidified Shell, 81)을 형성하는 기능을 수행할 수 있다. 몰드(30)를 냉각하는 수냉 구조에는 구리관을 이용하는 방식, 구리블록에 수냉홈을 뚫는 방식, 수냉홈이 있는 구리관을 조립하는 방식 등이 있다.
몰드 내의 용융 금속(M)은 몰드(30)를 이루는 벽면에 접한 부분부터 응고하기 시작한다. 이는 용융 금속(M)의 중심보다는 주변부가 수냉되는 몰드(30)에 의해 열을 잃기 쉽기 때문이다. 주변부가 먼저 응고되는 방식에 의해, 연주 주편(80)의 주조 방향을 따른 뒷부분은 미응고 용융 금속(82)이 응고쉘(81)에 감싸여진 형태를 이루게 된다.
몰드(30)는 용융 금속이 몰드(30)의 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. 상기 파우더는 몰드 내의 용융 금속에 첨가되어 슬래그를 형성하며, 몰드(30)와 응고쉘의 윤활뿐만 아니라 몰드 내 용융 금속의 산화 및 질화 방지와 보온, 용융 금속의 표면에 떠오른 비금속 개재물의 흡수의 기능도 수행한다.
2차 냉각부(60)는 몰드(30)에서 1차로 냉각된 용융 금속을 추가로 냉각하여 연속 주편(80)을 형성한다. 1차 냉각된 용융 금속은 지지롤(62)에 의해 응고각이 변형되지 않도록 유지되면서, 냉각수를 분사하는 분사부(64)에 의해 직접 냉각된다. 연주 주편(80)의 응고는 대부분 상기 2차 냉각에 의해 이루어진다.
연주 주편(80)이 2차 냉각부(60)에서 미끄러지지 않게 뽑아내도록 인발 장치(引拔裝置)를 사용할 수 있고, 상기 인발 장치는 예를 들어 몇 조의 핀치롤(70)들을 이용하는 멀티드라이브방식으로 구성될 수 있다. 핀치롤(70)은 연주 주편(80)의 응고된 선단부(83)를 주조 방향으로 잡아당김으로써, 몰드(30)를 통과한 연주 주편(80)이 주조방향으로 연속적으로 이동시킬 수 있다. 구체적으로, 핀치롤(70)이 완전히 응고된 연주 주편(80)의 선단부(83)를 잡아당김에 따라, 미응고 용융 금속(82)은 응고쉘(81)과 함께 주조 방향으로 이동하게 된다. 미응고 용융 금속(82)은 위 이동 과정에서 냉각수를 분사하는 분사부(64)에 의해 냉각된다. 이에 따라, 연주 주편(80)에서 미응고 용융 금속(82)이 차지하는 두께가 점차로 작아지게 한다. 연주 주편(80)이 일 지점(85)에 이르면, 연주 주편(80)은 전체 두께가 응고쉘(81)로 채워지게 된다.
응고가 완료된 연주 주편(80)은 절단 지점(91)에서 절단기(미도시)에 의해 일정 크기로 절단되어 슬라브 등과 같은 주편(P)으로 분리된다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 연속주조기의 2차 냉각부의 분사 노즐 배치를 도시하는 개략도이다.
도 2를 참조하면, 2차 냉각부(60)는 몰드(30)에서 1차로 냉각된 용융 금속(M)을 추가로 냉각하는 것으로서, 연주 주편(80)의 표면에 냉각수를 분사하는 분사부(64)에 의해 연주 주편(80)의 표면을 냉각한다. 분사부(64)는 복수 개의 분사 노즐(100)을 구비할 수 있다. 분사 노즐(100)은 복수의 열(세로 방향)과 복수의 행으로 배치되어, 연주 주편(80)의 표면에 냉각수를 분사할 수 있다. 이러한 분사 노즐(100)의 배치에 의하여, 분사부(64)은 연속주조 방향으로 연주 주편(80)이 이동하는 동안 계속하여 연주 주편(80)의 표면에 냉각수를 분사하여 연주 주편(80)을 냉각시켜 응고시킬 수 있다.
도 3은 본 발명의 일실시예 따른 연속주조기에 의하여 주조되는 연주 주편의 표면에 형성되는 비수 중첩부를 설명하는 도면이다.
도 3을 참조하면, 연속 주편의 표면에는 제1 분사 노즐(100a)에 의한 제1 비수 프로화일(110)과 제2 분사 노즐(100b)에 의한 제2 비수 프로화일(120)이 형성될 수 있다. 제1 분사 노즐(100a)과 제2 분사 노즐(100b)의 거리가 인접한 경우에는, 제1 비수 프로화일(110)과 제2 비수 프로화일(120)이 중첩될 수 있고, 이에 따라 비수 중첩 프로화일(130)이 형성될 수 있다.
연속주조 시에 생산되는 주편의 품질을 향상시키기 위해서는, 연주 주편의 표면을 균일하게 냉각하는 것이 중요하며, 또한 냉각되는 동안에도 상기 연주 주편의 표면이 균일한 온도 분포를 유지하는 것이 중요하다. 그러나, 도 2에 도시한 복수 열의 분사 노즐에 의해 분사되는 냉각수의 분사 형태에 의하여 연주 주편(80)의 표면에 균일하게 냉각수가 분사되지 않을 수 있다.
즉, 냉각수 분사 형태가 분사 노즐에 따라 동일하지 않기 때문에 비수 중첩 프로화일(130)의 분사 노즐에 따라 달라질 수 있고, 비수 중첩 프로화일(130)의 발생 길이에 따라 연주 주편(80)의 표면 중 특정 부위는 다른 곳보다 냉각수량이 많이 분사되고, 이에 비하여 상대적으로 냉각수량이 적게 분사되는 부분이 발생되게 되는 것이다. 이에 따라 연속 주편을 불균일하게 냉각하게 된다.
상술한 바와 같은 원인으로, 이와 같은 이유로 연주 주편의 표면이 균일하게 냉각되지 않고 불균일하여 생산되는 주편의 품질이 낮아질 수 있다. 그러므로, 다중 분사 노즐의 비수 분포를 정확하게 산출할 필요가 있다.
도 4는 본 발명와 관련된 두 개의 분사 노즐을 통해 분사되는 냉각수의 비수 특성을 나타낸 그림이다. 도 5는 본 발명과 관련된 연주 주편 폭 방향으로 냉각수 분사가 불균일한 상태를 나타낸 그림이다. 도 6은 본 발명과 관련된 연주 주편 폭 방향으로 냉각수 분사가 균일한 상태를 나타낸 그림이다.
도 4를 참조하면, 인접한 두 개의 분사 노즐을 대상으로 하여 냉각수를 분사하면서 각 분사 노즐에서 분사되는 냉각수의 비수 특성을 분석하였다. 두 개의 분사 노즐 사이의 간격의 가운데를 중심으로 좌우 폭(가로축)에 있어, 냉각수에 의한 열전달량(세로축)을 측정하면, 두 분사 노즐의 가운데 지점에서 비수 중첩 프로화일이 발생하게 되고, 열전달량이 균일하게 분포하지 않으므로, 이에 따라 연주 주편의 표면이 균일하게 냉각되지 않게 된다.
도 5를 참조하면, 연주 주편의 폭 방향으로 분사 노즐 배열에 따라 생성되는 비수 중첩 프로화일이 나타나는 영역에서, 연주 주편의 표면이 더 냉각됨에 따라 더 많이 응고되고, 비수 중첩 프로화일이 나타나지 않는 영역에서는 연주 주편의 표면이 응고되지 않는다. 이에 따라, 연주 주편의 폭을 따라 불균일한 냉각이 발생하고, 결과적으로 불균일한 응고가 발생한다.
도 6을 참조하면, 다중 분사 노즐의 비수 분포를 산출하여, 상기 다중 분사 노즐의 분사 위치와 비수량을 제어하고, 이에 따라 연주 주편의 표면이 도시된 바와 같은 냉각 프로화일을 가지게 함으로써, 연주 표면을 균일하게 냉각시켜 생산되는 제품 품질을 향상시킬 수 있다. 본 발명의 기술적 사상은 연주 표면의 균일한 냉각을 제공하기 위하여, 다중 분사 노즐의 비수 분포를 산출하는 방법을 제공한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 분사 노즐의 비수 분포 산출 방법(S100)을 나타내는 흐름도이다.
도 7을 참조하면, 다중 분사 노즐의 비수 분포 산출 방법(S100)은, 제1 분사 노즐과 제2 분사 노즐 사이의 분사 노즐 간격으로부터, 비수 중첩 프로화일의 피크 밴드 폭을 산출하는 제1 단계(S110); 상기 제1 분사 노즐 및 상기 제2 분사 노즐로부터 분사되는 총 비수량으로부터, 상기 비수 중첩 프로화일의 정점 비수량을 산출하는 제2 단계(S120); 상기 제1 분사 노즐에 대한 상기 제2 분사 노즐의 비수량 비율로부터, 상기 분사 노즐 간격에 대한 제2 분사 노즐로부터의 상기 비수 중첩 프로화일의 정점의 제1 거리 분율을 산출하는 제 3단계(S130); 상기 제1 분사 노즐에 대한 상기 제2 분사 노즐의 비수량 비율로부터, 상기 상기 비수 중첩 프로화일의 피크 밴드 폭 내에서의, 상기 제2 분사 노즐에서 상기 제1 분사 노즐을 향하는 방향으로의 상기 비수 중첩 프로화일의 정점의 제2 거리 분율을 산출하는 제 4단계(S140); 및 상기 피크 밴드 폭, 상기 정점 비수량, 상기 제1 거리 분율, 및 상기 제2 거리 분율을 이용하여 산출한 상기 비수 중첩 프로화일을 이용하여 전체 비수 프로화일을 산출하는 제5 단계(S150);를 포함한다.
이하에서는 상기 단계들을 상세하게 설명하기로 한다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 분사 노즐의 비수 분포 산출 방법(S100)을 위한 두 개의 분사 노즐의 비수 분포를 나타내는 개략도이다.
도 8을 참조하면, 서로 인접하여 위치하는 제1 분사 노즐(100a)과 제2 분사 노즐(100b)에 의하여 발생하는 전체 비수 프로화일(190)이 도시되어 있다. 제1 분사 노즐(100a)은 제1 비수 프로화일(110)을 나타낼 수 있고, 제2 분사 노즐(100b)은 제2 비수 프로화일(120)을 나타낼 수 있고, 또한 제1 비수 프로화일(110)과 제2 비수 프로화일(120)의 중첩에 의하여 발생하는 비수 중첩 프로화일(130)이 도시되어 있다.
전체 비수 프로화일(190)을 산출하기 위하여는, 제1 비수 프로화일(110)과 제2 비수 프로화일(120)을 취득할 필요가 있고, 또한 비수 중첩 프로화일(130)을 취득할 필요가 있다. 제1 비수 프로화일(110)과 제2 비수 프로화일(120)은 실험적 방법에 의하여 개별적으로 취득할 수 있다. 비수 중첩 프로화일(130)을 취득하기 위하여는, 비수 중첩 프로화일(130)의 폭, 정점의 위치, 및 정점의 높이와 같은 치수들을 취득할 필요가 있다. 따라서, 이하에서는 비수 중첩 프로화일(130)을 취득하는 예시적인 방법을 설명하기로 한다. 비수 중첩 프로화일(130)을 취득하면, 전체 비수 프로화일(190)을 취득할 수 있다.
먼저, 전체 비수 프로화일(190)은 제1 비수 프로화일(110)의 일부 프로화일과 제2 비수 프로화일(120)의 일부 프로화일을 가지고, 중첩 영역에서 비수 중첩 프로화일(130)을 가지는 것으로 가정한다.
즉, 전체 비수 프로화일(190)은 일단 위치("0"으로 표시됨)에서 비수 중첩 프로화일(130)이 제1 비수 프로화일(110)과 만나는 위치("Pb1"으로 표시됨)까지는 제1 분사 노즐(100a)의 제1 비수 프로화일(110)을 가질 수 있다. 또한, 전체 비수 프로화일(190)은 타단 위치("L"로 표시됨)에서 비수 중첩 프로화일(130)이 제2 비수 프로화일(120)과 만나는 위치("Pb2"로 표시됨)까지는 제3 분사 노즐(100b)의 제2 비수 프로화일(120)을 가질 수 있다.
상기 Pb1와 상기 Pb2 사이의 중첩 영역에 비수 중첩 프로화일(130)이 나타난다. 단순화를 위하여 비수 중첩 프로화일(130)을 선형 프로화일로 가정한다. 비수 중첩 프로화일(130)은 "Pa"에서 정점(peak)을 가질 수 있다.
이하에서는, 도 8 내지 도 12의 도면과 하기의 관계식에 사용되는 기호들에 대하여 정의하기로 한다.
"P1"은 제1 분사 노즐(100a)은 위치를 나타내고, "P2"는 제2 분사 노즐(100b)의 위치를 나타낸다. "Lg"는 제1 분사 노즐(100a)과 제2 분사 노즐(100b) 사이의 분사 노즐 간격을 나타내며, "P2-P1"에 해당될 수 있다. "W1"은 제1 분사 노즐(100a)로부터 분사되는 제1 비수량을 나타내고, "W2"는 제2 분사 노즐(100b)로부터 분사되는 제2 비수량을 나타낸다. "Wt"는 상기 W1과 W2의 합으로서, 제1 분사 노즐(100a)에서 분사되는 제1 비수량(W1)과 제2 분사 노즐(100b)에서 분사되는 제2 비수량(W2)을 합한 총 비수량을 나타낸다.
"Lb"는 비수 중첩 프로화일(130)의 최대폭을 나타내며, 이를 "피크 밴드 폭"(peak band width)으로 지칭하기로 한다. "Wp"는 비수 중첩 프로화일(130)의 정점에서의 정점 비수량을 나타낸다. "A1"은 제2 분사 노즐(100b)과 비수 중첩 프로화일(130)의 정점 사이의 거리이며, 즉 P2와 Pa 사이의 거리이다. "A2"는 Pb2와 Pa 사이의 거리이다.
도 9 내지 도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 분사 노즐의 비수 분포 산출 방법을 위한 변수들의 상관관계를 나타내는 그래프들이다.
도 9를 참조하면, 분사 노즐 간격(P2-P1)과 피크 밴드 폭(Lb) 사이의 상관관계를 나타낸다. 도 9는 상기 제1 단계(S110)를 수행하는 예시적인 방법을 나타낸다. 도 9의 그래프는 실험에 의하여 얻을 수 있고, 그래프에 나타난 범례들은 실험의 결과값들을 나타낸다.
분사 노즐 간격(P2-P1)과 피크 밴드 폭(Lb) 사이에는 선형적 상관 관계로 가정할 수 있고, 하기의 관계식 1에 나타나 있다.
관계식 1
Lb = C1 x (P2-P1) + D1
여기에서, Lb는 피크 밴드 폭, P2-P1는 분사 노즐 간격, C1은 0 초과 2 이하의 값을 가지는 상수이고, D1은 -500 이상 500 미만의 값을 가지는 상수이다.
상기 C1과 D1은 도 9의 그래프의 실험 결과들에 대한 최적선(best fit)을 이용하여 구할 수 있고, 예를 들어 C1은 약 0.55 이고, D1은 약 -90일 수 있다. 상기 C1과 D1은 설비 특성, 분사 노즐 특성, 비수량, 및 분사 공기 압력 등에 따라 변화될 수 있다.
상기 관계식 1을 이용하여, 비수 중첩 프로화일(130)의 피크 밴드 폭(Lb)을 산출할 수 있다.
도 10을 참조하면, 제1 분사 노즐(100a)과 제2 분사 노즐(100b)로부터 비수되는 총 비수량(Wt)과 비수 중첩 프로화일(130)의 정점에서의 단위 길이당 정점 비수량(Wp) 사이의 상관관계를 나타낸다. 도 10는 상기 제2 단계(S120)를 수행하는 예시적인 방법을 나타낸다. 도 10의 그래프는 실험에 의하여 얻을 수 있고, 그래프에 나타난 범례들은 실험의 결과값들을 나타낸다.
총 비수량(Wt)과 정점 비수량(Wp) 사이에는 선형적 상관 관계로 가정할 수 있고, 하기의 관계식 2에 나타나 있다.
관계식 2
Wp = C2 x Wt + D2
여기에서, Wp는 정점 비수량, Wt는 총 비수량, C2는 0 초과 4 이하의 값을 가지는 상수이고, D2는 -10 이상 10 미만의 값을 가지는 상수이다.
상기 C2와 D2는 도 10의 그래프의 실험 결과들에 대한 최적선을 이용하여 구할 수 있고, 예를 들어 C2는 약 1.43 이고, D2는 약 0.64 일 수 있다. 상기 C2와 D2는 설비 특성, 분사 노즐 특성, 비수량, 및 분사 공기 압력 등에 따라 변화될 수 있다.
상기 관계식 2를 이용하여, 비수 중첩 프로화일(130)의 정점 비수량(Wp)을 산출할 수 있다.
도 11을 참조하면, 비수량 비율과 분사 노즐과 비수 중첩 프로화일(130)의 정점 사이의 제1 거리 분율 사이의 상관관계를 나타낸다. 도 11은 상기 제3 단계(S130)를 수행하는 예시적인 방법을 나타낸다. 도 11의 그래프는 실험에 의하여 얻을 수 있고, 그래프에 나타난 범례들은 실험의 결과값들을 나타낸다.
이하에서는, 제2 분사 노즐(100b)을 기준으로 상기 정점의 위치를 결정하는 경우를 예시적으로 선택한다. 이러한 경우, 비수량 비율은 제1 분사 노즐(100a)의 제1 비수량(W1)에 대한 제2 분사 노즐(100b)의 제2 비수량(W2)의 비율을 나타내며, 즉 "W2/W1"에 상응한다. 상기 분사 노즐과 상기 정점 사이의 제1 거리 분율은 분사 노즐 간격(P2-P1)에 대한 제2 분사 노즐(100b)로부터의 비수 중첩 프로화일(130)의 정점의 거리(A1)의 분율을 나타낸다. 즉, 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 A1은 "P2- Pa" 에 상응한다.
예를 들어, W1= W2인 경우에는(즉, 비수량 비율이 1인 경우임), 비수 중첩 프로화일(130)의 정점은 분사 노즐 간격(Lg)의 중앙 지점에 위치할 수 있고, 도 11의 그래프에서 50%의 제1 거리 분율을 나타낸다.
예를 들어, W1>W2인 경우에는(즉, 비수량 비율이 1보다 작은 경우임), 비수 중첩 프로화일(130)의 정점은 분사 노즐 간격(P2-P1)의 중앙 지점으르부터 이탈될 수 있고, 제2 분사 노즐(100b)에 더 가까이 위치하게 되고, 도 11의 그래프에서 50% 보다 작은 제1 거리 분율을 나타낸다.
이와 반대로, 예를 들어, W1<W2인 경우에는(즉, 비수량 비율이 1보다 큰 경우임), 비수 중첩 프로화일(130)의 정점은 분사 노즐 간격(P2-P1)의 중앙 지점으르부터 이탈될 수 있고, 제1 분사 노즐(100a)에 더 가까이 위치하게 되고, 도 11의 그래프에서 50% 보다 큰 제1 거리 분율을 나타낼 수 있다.
비수량 비율(W2/W1)과 제2 분사 노즐(100b)과 상기 정점 사이의 제1 거리 분율 사이에는 선형적 상관 관계로 가정할 수 있고, 하기의 관계식 3에 나타나 있다.
관계식 3
제1 거리 분율 = (P2- Pa)/(P2-P1) = C3 x (W2/W1) + D3
여기에서, P2- Pa는 상기 제2 분사 노즐과 상기 비수 중첩 프로화일의 정점 사이의 거리, P2-P1는 분사 노즐 간격, A1은 상기 제2 분사 노즐과 상기 비수 중첩 프로화일의 정점 사이의 거리, W1은 상기 제1 분사 노즐의 비수량, W2는 상기 제2 분사 노즐의 비수량, C3은 0 초과 100 이하의 값을 가지는 상수이고, D3은 -200 이상 200 미만의 값을 가지는 상수이다.
상기 C3과 D3은 도 11의 그래프의 실험 결과들에 대한 최적선(best fit)을 이용하여 구할 수 있고, 예를 들어 C3은 약 14 이고, D3은 약 36일 수 있다. 상기 C3과 D3은 설비 특성, 분사 노즐 특성, 비수량, 및 분사 공기 압력 등에 따라 변화될 수 있다.
상기 관계식 3을 이용하여, 제1 분사 노즐(100a) 또는 제2 분사 노즐(100b)에 대한 비수 중첩 프로화일(130)의 정점의 위치를 산출할 수 있다.
대안적으로, 제2 분사 노즐(100b)을 대신하여 제1 분사 노즐(100a)을 기준으로 정점의 위치를 결정하는 경우도 본 발명의 기술적 사상에 포함된다.
도 12를 참조하면, 비수량 비율과 피크 밴드 폭 내의 비수 중첩 프로화일(130)의 정점의 제2 거리 분율 사이의 상관관계를 나타낸다. 도 12는 상기 제4 단계(S140)를 수행하는 예시적인 방법을 나타낸다. 도 12의 그래프는 실험에 의하여 얻을 수 있고, 그래프에 나타난 범례들은 실험의 결과값들을 나타낸다.
이하에서는, 제2 분사 노즐(100b)을 기준으로 상기 정점의 위치를 결정하는 경우를 예시적으로 선택한다. 이러한 경우, 비수량 비율은 제1 분사 노즐(100a)의 제1 비수량(W1)에 대한 제2 분사 노즐(100b)의 제2 비수량(W2)의 비율을 나타내며, 즉 "W2/W1"에 상응한다. 상기 피크 밴드 폭 내의 정점의 제2 거리 분율은 피크 밴드 폭(Lb) 내에의 제2 분사 노즐(100b)에서 제1 분사 노즐(100a)로 향하는 방향으로의 상기 정점의 거리(A2)의 분율을 나타낸다. 즉, 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 A2는 "Pb2- Pa" 에 상응한다.
예를 들어, W1= W2인 경우에는(즉, 비수량 비율이 1인 경우임), 비수 중첩 프로화일(130)의 정점은 피크 밴드 폭(Lb)의 중앙 지점에 위치할 수 있고, 도 12의 그래프에서 50%의 제2 거리 분율을 나타낸다.
예를 들어, W1>W2인 경우에는(즉, 비수량 비율이 1보다 작은 경우임), 비수 중첩 프로화일(130)의 정점은 피크 밴드 폭(Lb)의 중앙 지점으로부터 이탈될 수 있고, 제1 분사 노즐(100a)에 더 가까이 위치하게 되고, 도 12의 그래프에서 50% 보다 큰 제2 거리 분율을 나타낸다.
이와 반대로, 예를 들어, W1<W2인 경우에는(즉, 비수량 비율이 1보다 큰 경우임), 비수 중첩 프로화일(130)의 정점은 피크 밴드 폭(Lb)의 중앙 지점으로부터 이탈될 수 있고, 제2 분사 노즐(100b)에 더 가까이 위치하게 되고, 도 12의 그래프에서 50% 보다 작은 제2 거리 분율을 나타낼 수 있다.
도 11과 도 12로부터, 제1 분사 노즐(100a)의 비수량이 제2 분사 노즐(100b)의 비수량에 비하여 큰 경우에는(즉, 비수량 비율이 1보다 작은 경우임), 비수 중첩 프로화일(130)의 정점은 분사 노즐 간격 내에서는 제2 분사 노즐(100b)을 가깝게 위치하도록 이동하고, 피크 밴드 폭(Lb) 내에서는 제1 분사 노즐(100b)에 가깝게 이동하도록 이동하는 것을 알 수 있다.
비수량 비율(W2/W1)과 피크 밴드 폭(Lb) 내의 정점 사이의 제2 거리 분율 사이에는 선형적 상관 관계로 가정할 수 있고, 하기의 관계식 4에 나타나 있다.
관계식 4
제2 거리 분율 = (Pb2- Pa)/(P2-P1) = C4 x (W2/W1) + D4
여기에서, Pb2-Pa는 피크 밴드 폭 내의 상기 비수 중첩 프로화일의 정점의 거리, P2-P1는 분사 노즐 간격, W1은 상기 제1 분사 노즐의 비수량, W2는 상기 제2 분사 노즐의 비수량, C4은 -100 이상 0 미만의 값을 가지는 상수이고, D4은 -200 이상 200 미만의 값을 가지는 상수이다.
상기 C4과 D4은 도 12의 그래프의 실험 결과들에 대한 최적선(best fit)을 이용하여 구할 수 있고, 예를 들어 C4는 약 -29 이고, D4은 약 79일 수 있다. 상기 C4와 D4는 설비 특성, 분사 노즐 특성, 비수량, 및 분사 공기 압력 등에 따라 변화될 수 있다.
상기 관계식 4을 이용하여, 피크 밴드 폭(Lb) 내에서의 비수 중첩 프로화일(130)의 정점의 위치를 산출할 수 있다.
대안적으로, 제2 분사 노즐(100b)을 대신하여 제1 분사 노즐(100a)을 기준으로 정점의 위치를 결정하는 경우도 본 발명의 기술적 사상에 포함된다.
산기 제5 단계(S150)에서는, 상기 제1 내지 제4 단계(S110, S120, S130, S140)에서 산출한 상기 피크 밴드 폭, 상기 정점 비수량, 상기 제1 거리 분율, 및 상기 제2 거리 분율을 이용하여 상기 비수 중첩 프로화일을 산출할 수 있다. 상기 비수 중첩 프로화일과 제1 분사 노즐의 제1 비수 프로화일, 및 제2 분사 노즐의 제2 비수 프로화일을 이용하여 전체 비수 프로화일을 산출할 수 있다. 상기 전체 비수 프로화일은 상기 제1 비수 프로화일, 상기 제2 비수 프로화일 및 상기 비수 중첩 프로화일을 합산하여 얻을 수 있다.
도 13 및 도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 분사 노즐의 비수 분포 산출 방법을 이용하여 산출한 비수 분포를 도시하는 그래프들이다.
도 13을 참조하면, 제1 분사 노즐의 제1 비수량과 제2 분사 노즐의 제2 비수량이 동일한 경우를 도시한다. 본 발명의 실시예를 이용하여 산출한 비수 분포는 측정에 의한 비수 분포 프로화일과 거의 동일하게 나타났으며, 이에 따라 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 분사 노즐의 비수 분포 산출 방법은 비수량이 동일한 경우의 비수 분포를 정확하게 산출할 수 있다.
도 14를 참조하면, 제1 분사 노즐의 제1 비수량과 제2 분사 노즐의 제2 비수량이 상이한 경우를 도시하며, 상기 제1 비수량이 상기 제2 비수량에 비하여 2 배를 가지는 경우이다. 비교예는 상기 제1 분사 노즐의 제1 비수 프로화일과 상기 제2 분사 노즐의 제2 비수 프로화일을 개별적으로 구하여, 단순 합산하여 나타낸 경우이다. 측정값은 실제로 측정한 비수 분포 프로화일을 나타낸다.
본 발명의 실시예를 이용하여 산출한 비수 분포는 측정값에 상대적으로 근사하게 나타난 반면, 비교예는 측정값과 큰 차이를 보이고 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 분사 노즐의 비수 분포 산출 방법은 비수량이 상이한 경우의 비수 분포를 정확하게 산출할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 기술적 사상에 따른 다중 분사 노즐의 비수 분포 산출 방법은, 중첩된 영역의 비수 중첩 프로화일을 산출함으로써, 전체 비수 프로화일을 정확하게 산출할 수 있다. 따라서, 연속 주조 시 다중 노즐에 의한 냉각수 분사에 의하여 형성되는 비수 분포 및 그에 따른 연속 주편의 냉각 프로화일을 정확하게 예측할 수 있다. 이에 따라, 연속 주편의 균일한 냉각을 구현할 수 있고, 품질을 향상시킬 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명의 기술적 사상이 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은, 본 발명의 기술적 사상이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
10: 래들 20: 턴디쉬
30: 몰드 60: 2차 냉각부
62: 지지롤 64: 분사부
80: 연주 주편, 81: 응고쉘
82: 미응고 용융 금속 83: 선단부
100a, 100b: 분사 노즐

Claims (6)

  1. 제1 분사 노즐과 제2 분사 노즐 사이의 분사 노즐 간격으로부터, 비수 중첩 프로화일의 피크 밴드 폭을 산출하는 제1 단계;
    상기 제1 분사 노즐 및 상기 제2 분사 노즐로부터 분사되는 총 비수량으로부터, 상기 비수 중첩 프로화일의 정점 비수량을 산출하는 제2 단계;
    상기 제1 분사 노즐에 대한 상기 제2 분사 노즐의 비수량 비율로부터, 상기 분사 노즐 간격에 대한 제2 분사 노즐로부터의 상기 비수 중첩 프로화일의 정점의 제1 거리 분율을 산출하는 제 3단계;
    상기 제1 분사 노즐에 대한 상기 제2 분사 노즐의 비수량 비율로부터, 상기 상기 비수 중첩 프로화일의 피크 밴드 폭 내에서의, 상기 제2 분사 노즐에서 상기 제1 분사 노즐을 향하는 방향으로의 상기 비수 중첩 프로화일의 정점의 제2 거리 분율을 산출하는 제 4단계; 및
    상기 피크 밴드 폭, 상기 정점 비수량, 상기 제1 거리 분율, 및 상기 제2 거리 분율을 이용하여 산출한 상기 비수 중첩 프로화일을 이용하여 전체 비수 프로화일을 산출하는 제5 단계;를 포함하는, 다중 분사 노즐의 비수 분포 산출 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 단계에서, 상기 피크 밴드 폭(Lb)은 하기 관계식 1에 의하여 산출되는 다중 분사 노즐의 비수 분포 산출 방법.
    관계식 1
    Lb = C1 x (P2-P1) + D1
    (여기에서, Lb는 피크 밴드 폭, P2-P1는 분사 노즐 간격, C1는 0 초과 2 이하의 값을 가지는 상수이고, D1는 -500 이상 500 미만의 값을 가지는 상수임)
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 단계에서, 상기 정점 비수량(Wp)은 하기 관계식 2에 의하여 산출되는, 다중 분사 노즐의 비수 분포 산출 방법.
    관계식 2
    Wp = C2 x Wt + D2
    (여기에서, Wp는 정점 비수량, Wt는 총 비수량, C2는 0 초과 4 이하의 값을 가지는 상수이고, D2는 -10 이상 10 미만의 값을 가지는 상수임)
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제3 단계에서, 상기 제1 거리 분율은 하기 관계식 3에 의하여 산출되는 다중 분사 노즐의 비수 분포 산출 방법.
    관계식 3
    제1 거리 분율 = (P2- Pa)/(P2-P1) = C3 x (W2/W1) + D3
    (여기에서, P2- Pa는 상기 제2 분사 노즐과 상기 비수 중첩 프로화일의 정점 사이의 거리, P2-P1는 분사 노즐 간격, W1은 상기 제1 분사 노즐의 비수량, W2는 상기 제2 분사 노즐의 비수량, C3은 0 초과 100 이하의 값을 가지는 상수이고, D은 -200 이상 200 미만의 값을 가지는 상수임)
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제4 단계에서, 상기 제2 거리 분율은 하기 관계식 4에 의하여 산출되는 다중 분사 노즐의 비수 분포 산출 방법.
    관계식 4
    제2 거리 분율 = (Pb2- Pa)/(P2-P1) = C4 x (W2/W1) + D4
    (여기에서, Pb2-Pa는 피크 밴드 폭 내의 상기 비수 중첩 프로화일의 정점의 거리, P2-P1는 분사 노즐 간격, W1은 상기 제1 분사 노즐의 비수량, W2는 상기 제2 분사 노즐의 비수량, C4은 -100 이상 0 미만의 값을 가지는 상수이고, D4은 -200 이상 200 미만의 값을 가지는 상수임)
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제5 단계에서, 상기 전체 비수 프로화일은 상기 제1 분사 노즐의 제1 비수 프로화일, 상기 제2 분사 노즐의 상기 제2 비수 프로화일 및 상기 비수 중첩 프로화일을 합산하여 산출되는, 다중 분사 노즐의 비수 분포 산출 방법.
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