KR102131005B1 - 응고 모사 장치 - Google Patents

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KR102131005B1
KR102131005B1 KR1020180063240A KR20180063240A KR102131005B1 KR 102131005 B1 KR102131005 B1 KR 102131005B1 KR 1020180063240 A KR1020180063240 A KR 1020180063240A KR 20180063240 A KR20180063240 A KR 20180063240A KR 102131005 B1 KR102131005 B1 KR 102131005B1
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백구슬
임창희
조중욱
허윤욱
이재상
이수연
조경철
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주식회사 포스코
포항공과대학교 산학협력단
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    • B22D2/006—Arrangement of indicating or measuring devices, e.g. for temperature or viscosity of the fused mass for the temperature of the molten metal

Abstract

본 발명은, 예컨대 수 kg 내외의 소규모의 실험으로 용융금속의 응고 거동을 모사할 수 있는 응고 모사 장치에 관한 것으로, 이는 도가니로부터 용융금속을 받아들이고, 냉매유로가 내부에 매립되어 형성된 몰드; 상기 냉매유로를 회피하여 상기 몰드에 설치된 제1온도측정부; 및 적어도 상기 냉매유로의 냉매입구에 설치된 제2온도측정부를 포함한다.

Description

응고 모사 장치 {Solidification simulator}
본 발명은 소규모의 실험으로 용융금속의 응고 거동을 모사할 수 있는 응고 모사 장치에 관한 것이다.
철강의 연속 주조 공법으로 제조된 슬라브(slab)와 같은 주편에서는 주조 공정 또는 압연 공정 중에 크랙(crack)이 발생할 수 있으며, 이러한 크랙은 제품의 품질과 실수율을 떨어뜨리는 원인이 되어 경제적으로 치명적인 영향을 끼친다. 이에 따라, 주조 공정 또는 압연 공정을 모사하여, 크랙의 원인을 규명하고 제어하기 위한 연구가 수행되고 있다.
주조 공정에서 발생되는 주요 크랙 중 하나로 세로 크랙(longitudinal crack)이 있다. 주조 공정 중에 몰드와 용강 사이가 밀착되지 않아 몰드와 용강 사이에 공간, 즉 에어 갭(air gap)이 생성된다. 이 에어 갭은 금속보다 열전도율이 매우 낮기 때문에 에어 갭에서 일종의 단열효과를 나타내게 되고, 이에 따라 용강의 냉각이 제대로 이루어지지 못하여, 에어 갭 부분의 응고 속도가 용강의 다른 부분에 비해 늦어지게 된다. 이러한 현상으로 인해, 해당 부분에서 결정립의 조대화가 일어나며 해당 부분의 응고쉘이 다른 부분보다 얇아지게 되고, 얇아진 응고쉘에 응력이 집중되면 조대한 세로 크랙으로 발전된다.
이러한 조대한 세로 크랙은 제품의 경제적 가치를 크게 떨어뜨리는 가장 심각한 표면 결함 중 하나이므로, 이를 방지하기 위해 기존 강종뿐 아니라 새로운 강종을 제조하기 전에 응고 특성에 대해 조사하는 것은 중요하다.
대부분의 기존 연구에서는 주조 공정에서 용강의 응고 거동을 분석하기 위해, 수십 ~ 수백 kg 수준의 용강을 사용하여 대규모로 실험을 진행하였다. 하지만, 이러한 대규모 장치는 용융까지 걸리는 용해시간이 길기 때문에, 다양한 조성의 강종을 실험하기에는 적합하지 않다.
(특허문헌 1) KR 1703041 B1
이에 본 발명은, 예컨대 수 kg 내외의 소규모의 실험으로 용융금속의 응고 거동을 모사할 수 있는 응고 모사 장치를 제공하는 데에 그 주된 목적이 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 응고 모사 장치는, 도가니로부터 용융금속을 받아들이고, 냉매유로가 내부에 매립되어 형성된 몰드; 상기 냉매유로를 회피하여 상기 몰드에 설치된 제1온도측정부; 및 적어도 상기 냉매유로의 냉매출구에 설치된 제2온도측정부를 포함하며, 상기 몰드는, 적어도 하나의 측벽과 바닥부가 일체로 형성된 몰드본체; 및 상기 몰드본체의 측벽을 제외한 나머지 측벽을 형성하도록 상기 몰드본체에 결합하고, 열전도성이 있는 재질로 만들어진 측벽부재를 포함하고, 상기 측벽부재의 내부에 상기 냉매유로가 형성된 것을 특징으로 한다.
이상과 같이 본 발명에 의하면, 소규모의 실험으로 용융금속의 응고 특성을 효율적으로 분석할 수 있고, 실험에 소요되는 비용을 절감할 수 있는 효과를 얻게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 응고 모사 장치를 도시한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 응고 모사 장치의 제1온도측정부에 의해 측정된 몰드 내 온도 차이로 산출한 고망간강과 저탄소강의 시간별 국부 열유속 밀도를 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 응고 모사 장치의 제2온도측정부에 의해 측정된 냉매의 온도 변화로 산출한 고망간강과 저탄소강의 시간별 열유속 밀도를 나타낸 그래프이다.
도 4는 응고 후 고망간강 시편과 저탄소강 시편의 3차원 프로파일 분석 사진이다.
이하, 본 발명이 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명된다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 응고 모사 장치를 도시한 사시도이다. 이에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 응고 모사 장치는, 도가니(미도시)로부터 용융금속을 받아들이고, 냉매유로(13)가 내부에 매립되어 형성된 몰드(10); 냉매유로를 회피하여 몰드에 설치된 제1온도측정부(20); 및 적어도 냉매유로의 냉매출구(15)에 설치된 제2온도측정부(30)를 포함하고 있다.
도시되지 않은 도가니는, 예를 들면 흑연으로 만들어지고 가열수단으로 고주파 코일이 내장된 것이 채용될 수 있다. 이러한 도가니는 실험될 금속을 용융시킨 후 일정한 온도에서 예정된 시간 동안 유지시킨 다음, 신속하게 몰드(10)의 개구부(16)로 용융금속을 부어넣을 수 있다.
몰드(10)는 전체적으로 상부에 개구부(16)를 가진 대략 사각형 단면의 박스형 구조로 형성되는 것이 좋다. 이러한 몰드는 수 kg 내외의 용융금속을 수용할 수 있다.
또한, 몰드(10)는 적어도 하나의 측벽과 바닥부가 일체로 형성된 몰드본체(11)와; 이 몰드본체의 측벽을 제외한 나머지 측벽을 형성하도록 몰드본체에 결합하고, 열전도성이 우수한 재질로 만들어진 측벽부재(12)를 포함할 수 있다.
일예로, 도 1에 도시된 몰드본체(11)는 3개의 측벽을 구비하고, 측벽부재(12)가 몰드본체의 일측으로 결합하여, 몰드의 4개의 측벽을 형성하고 있다. 이러한 몰드본체와 측벽부재는 고정나사 등에 의해 서로 견고하게 결합할 수 있다.
몰드본체(11)는 예컨대 흑연 또는 스테인리스강 등으로 만들어질 수 있다.
측벽부재(12)는 적어도 몰드본체(11)보다 열전도성이 우수한 은, 구리, 알루미늄 등과 같은 재질로 만들어질 수 있다. 이러한 측벽부재의 내부에는 냉매유로(13)가 형성될 수 있다. 또한, 냉매유로의 일측에는 냉매입구(14)가 연결되고, 냉매유로의 타측에 냉매출구(15)가 연결될 수 있다.
또, 측벽부재(12)에는 냉매유로(13)와 간섭되지 않도록, 후술하는 제1온도측정부(20)의 설치를 위한 복수의 삽입구멍(17, 18)이 형성될 수 있다. 삽입구멍은 그 삽입깊이가 상대적으로 깊은 제1삽입구멍(17)과, 삽입깊이가 상대적으로 얕은 제2삽입구멍(18)을 포함할 수 있다.
도 1에는, 제1삽입구멍(17)과 제2삽입구멍(18)을 한 쌍으로 하는 6 쌍의 삽입구멍들이 측벽부재(12)에 형성된 예가 도시되어 있다.
제1온도측정부(20)는 적어도 한 쌍의 열전대를 포함할 수 있으며, 측벽부재(12)에 형성된 복수의 삽입구멍, 즉 제1삽입구멍(17)과 제2삽입구멍(18)에 각각 하나씩 삽입될 수 있다.
삽입깊이가 상이한 복수의 삽입구멍(17, 18)에 각각 삽입된 열전대들에 의해 측정된 측벽부재(12)의 온도의 차이로부터 열유속을 산출해 낼 수 있다. 제1삽입구멍(17)과 제2삽입구멍(18) 간 삽입깊이의 차이는 약 4 ~ 7mm 정도의 범위 내에 있을 수 있다.
제2온도측정부(30)는 적어도 냉매유로(13)의 냉매출구(15)에 설치된 열전대를 포함할 수 있다. 예를 들어, 냉매 공급원으로부터 몰드(10)로 공급되는 냉매가 거의 일정한 온도를 갖고 공급되도록 유지될 수 있다면, 실시간으로 냉매입구(14)에서의 냉매 온도를 검출할 필요 없이 미리 설정된 값을 이용할 수 있다. 하지만, 반드시 이에 한정되지 않는다.
도 1에 도시된 바와 같이, 제2온도측정부(30)를 구성하는 하나의 열전대가 냉매유로(13)의 냉매입구(14) 측에 설치되어, 몰드(10), 특히 측벽부재(12)로 유입되는 냉매의 온도를 측정할 수 있다. 동시에, 다른 하나의 열전대는 냉매유로의 냉매출구(15) 측에 설치되어, 몰드로부터 배출되는 냉매의 온도를 측정할 수 있다.
적어도 하나의 열전대에 의해 측정된 냉매의 온도 변화로부터 열유속을 산출해 낼 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 응고 모사 장치는 제1온도측정부(20)에 의해 국부적으로 일어나는　열유속의 미세한 변화를 감지할 수 있게 될 뿐만 아니라, 제2온도측정부(30)에 의해 냉매를 통한 평균 전열량도 분석이 가능하게 된다.
냉매유로(13)는 냉매 공급원, 즉 냉각기(미도시)에 연결되어, 이 냉각기로부터 찬 냉매를 공급받고, 몰드(10) 내에서 열교환되어 승온된 냉매를 냉각기로 다시 보내에 냉각시킬 수 있다.
더욱이, 냉각기와 냉매입구(14) 사이에는 도시되지 않은 유량계가 부가되어, 몰드(10), 즉 측벽부재(12)로 유입되는 냉매의 유량을 측정할 수도 있으나, 반드시 이에 한정되지 않으며, 냉매의 유량이 일정하게 유지될 수 있으면 유량계는 생략 가능하다.
제1온도측정부(20)와 제2온도측정부(30; 혹은 유량계와 함께)는 소형 컴퓨터로 된 데이터 기록장치(40)에 전기적으로 연결되어, 제1온도측정부와 제2온도측정부의 열전대들 각각이 측정한 온도 데이터(혹은 냉매의 유량 데이터와 함께)를 데이터 기록장치에 제공하게 된다.
이러한 데이터 기록장치(40)는 온도 데이터들을 근거로 하여, 예컨대 실제 연속 주조 공법의 조업조건과 유사한 환경에서 몰드(10) 또는 냉매에 전달되는 열유속을 연산하고 그 결과를 표나 그래프 등으로 표시함으로써, 이를 바탕으로 용융금속의 응고 특성을 손쉽게 분석할 수 있도록 한다.
또한, 데이터 기록장치(40)는 타이머(50)에 연결될 수 있으며, 이 타이머는 각 측정 데이터의 해당 시간을 데이터 기록장치에 제공하여 기록할 수 있게 한다.
예컨대, 본 발명의 일 실시예에 따른 응고 모사 장치를 사용하여 실험되는 금속의 주조 후 응고 거동을 살필 때에는, 주조 직후에는 응고 수축이 아직 일어나지 않아 열유속의 차이가 미미하다. 또, 응고쉘의 성장이 완료되면 응고쉘 자체가 큰 열저항이기 때문에 정확한 열유속을 나타내지 못한다.
이에 따라, 응고 수축이 어느 정도 일어나는 시간부터 응고쉘 자체가 큰 열저항으로 작용하지 않는　시간 사이에서 열유속을 평가하는 것이 필요하다. 일예로 본 발명의 일 실시예에 따른 응고 모사 장치는, 타이머(50)에 의해 제1온도측정부(20)에 대한 열유속 측정시간대를 대략 10 ~ 30초로 설정할 수 있다.
실시예
본 발명의 응고 모사 장치를 사용하여, 고망간강과 제1저탄소강 및 제2저탄소강을 주조하고, 이들 주편 샘플을 비교하였다.
각 강종마다, 도가니를 사용하여 용융시킨 후 일정한 온도에서 예정된 시간 동안 유지시킨 다음, 신속하게 본 발명의 응고 모사 장치에 구비된 몰드(10)의 개구부(16)로 그 용융금속을 부어 넣었다.
주조 온도는 해당 강종의 융점에서 약 40 ~ 50℃ 정도의 높은 온도에 맞추었는데, 이들 온도는 거의 실제 조업온도에 해당한다. 또한, 각 강종의 무게는 1kg 내외로 설정하였다.
특히, 주조시 용융금속을 부어넣는 속도나 각도 등은 도가니에 연계된 설비를 사용하여 기계적으로 제어하였기 때문에, 강종의 조성을 제외하고는 거의 동일한 조건으로 주조가 이루어졌다.
몰드(10)의 측벽부재(12)는 구리로 만들어지고, 이 측벽부재의 제1삽입구멍(17)과 제2삽입구멍(18) 간 삽입깊이의 차이는 5mm로 하여, 이들 삽입구멍에 삽입되면서 제1온도측정부(20)를 구성하는 한 쌍의 열전대는 서로 5mm의 삽입깊이 차이를 갖게 하였다. 이 제1온도측정부를 통해 국부 열유속 밀도(local heat flux density)를 도출할 수 있다.
측벽부재(12) 내 냉매로는 물이 채택되었으며, 냉매유로(13)에는 1L/min으로 일정한 냉각수의 유량이 유지되었다.
또한, 제2온도측정부(30)로 작용하는 하나의 열전대가 냉매유로(13)의 냉매입구(14) 측에 설치되고 다른 하나의 열전대는 냉매유로의 냉매출구(15) 측에 설치되어, 몰드(10)로 유입되는 냉각수의 온도와 몰드(10)로부터 배출되는 냉각수의 온도를 측정하였다. 이 제2온도측정부에 의해 측정된 냉각수의 온도 변화로 열유속 밀도(heat flux density)를 도출할 수 있다.
전술한 바와 같이, 냉매유로(13)는 냉각기에 연결되었고, 제1온도측정부(20)와 제2온도측정부(30)의 열전대들 각각은 데이터 기록장치(40)에 전기적으로 연결되었다. 데이터 기록장치(40)에는 측벽부재(12)의 온도, 냉각수의 온도, 냉각수의 유량, 시간 등이 기록되었다.
한편, 디지털 현미경(Olympus사의 모델명 DSX 500)을 이용하여, 응고가 완료된 후 각 주편 샘플의 3차원 프로파일(profile)을 측정하였다. 이러한 측정된 프로파일로 유추하는 에어 갭과, 국부 열유속 밀도 및 열유속 밀도와 비교하여, 강종들의 응고 거동을 평가하였다. 또한, 제2온도측정부(30)에 의해 측정된 냉각수의 온도 변화로 얻어낸 열유속 밀도가, 몰드(10) 내 제1온도측정부(20)가 삽입된 지점의 온도만 관찰하는 국부 열유속 밀도의 경향과 일치하는지도 분석하였다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 응고 모사 장치의 제1온도측정부에 의해 측정된 몰드 내 온도 차이로 산출한 고망간강과 저탄소강의 시간별 국부 열유속 밀도를 나타낸 그래프이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 응고 모사 장치의 제2온도측정부에 의해 측정된 냉매의 온도 변화로 산출한 고망간강과 저탄소강의 시간별 열유속 밀도를 나타낸 그래프이다. 또한, 도 4는 응고 후 고망간강 시편과 저탄소강 시편의 3차원 프로파일 분석 사진이다.
도 2를 참조하면, 제1온도측정부(20)에 대한 열유속 측정시간대가 약 15 ~ 21초로 설정될 때, 2종류의 저탄소강들의 국부 열유속 밀도는 0.51 ~ 0.85MW/㎡으로 나타났고, 고망간강의 경우에는 0.92 ~ 1.20MW/㎡으로 나타나서, 고망간강의 저탄소강들에 비해 국부 열유속 밀도가 약 1.4배 높은 것으로 분석되었다.
냉각수의 온도 변화로 얻어낸 열유속 밀도는 그 최대값 근처에서 유의미한 결과를 얻을 수 있는데, 도 3을 참조하면 저탄소강들의 경우에는 0.23 ~ 0.30MW/㎡으로 나타났고, 고망간강의 경우에는 0.49 ~ 0.57MW/㎡으로 나타나서, 약 1.74배의 차이를 보이는 것으로 분석되었다.
또한, 도 4에서 볼 수 있는 바와 같이, 저탄소강들의 강종에서는 상변태에 의한 부피 변화로 에어 갭이 생성되었는데, 프로파일에 의해 에어 갭이 약 580 ~ 1000㎛인 것으로 측정되었다. 하지만, 상변태가 없는 강종인 고망간강에서는 약 260㎛의 에어 갭이 측정되었다.
도 2 내지 도 4를 참조하여 고망간강과 저탄소강들의 응고 거동을 평가한 결과, 고망간강은 그 융점이 저탄소강들보다 100℃ 정도 낮음에도 저탄소강들보다 약 1.74배 높은 열유속 밀도를 나타내었으며, 해당 경향은 국부 열유속 밀도와 프로파일 측정에서도 유사하게 나타났다.
즉, 고망간강에서의 국부 열유속 밀도가 저탄소강들보다 약 1.4배 높게 나타났으며, 프로파일의 경우에는 고망간강에서 저탄소강들보다 약 4 ~ 5배 작은 크기의 에어 갭이 나타났다.
이는 에어 갭의 단열로 인한 열유속의 방해가 고망간강보다 저탄소강들에서 크게 작용하여, 저탄소강들의 경우에 몰드 내 온도 차이로 산출한 국부 열유속 밀도와 냉각수의 온도 변화로 산출한 열유속 밀도가 고망간강보다 낮게 나타난 것으로 추정된다.
한편으로, 도 2 내지 도 4를 참조하면, 몰드 내 온도 차이로 산출한 국부 열유속 밀도의 경향과, 냉각수의 온도 변화로 산출한 열유속 밀도의 경향이 프로파일로 측정한 결과와 일치함을 볼 수 있다.
이러한 결과는 재연성이 높게 나타났으며, 그 차이가 분명하고, 정량적으로 나타낼 수도 있어, 다양한 조성의 응고 거동을 판단할 때 본 발명의 일 실시예에 따른 응고 모사 장치가 활용 가능하다는 것을 알 수 있다.
따라서, 본 발명에 의하면, 소규모의 실험으로 용융금속의 응고 특성을 효율적으로 분석할 수 있고, 실험에 소요되는 비용을 절감할 수 있게 되는 것이다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 명세서 및 도면에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10: 몰드 11: 몰드본체
12: 측벽부재 13: 냉매유로
14: 냉매입구 15: 냉매출구
16: 개구부 17: 제1삽입구멍
18: 제2삽입구멍 20: 제1온도측정부
30: 제2온도측정부 40: 데이터 기록장치
50: 타이머

Claims (7)

  1. 도가니로부터 용융금속을 받아들이고, 냉매유로가 내부에 매립되어 형성된 몰드;
    상기 냉매유로를 회피하여 상기 몰드에 설치된 제1온도측정부; 및
    적어도 상기 냉매유로의 냉매출구에 설치된 제2온도측정부
    를 포함하며,
    상기 몰드는,
    적어도 하나의 측벽과 바닥부가 일체로 형성된 몰드본체; 및
    상기 몰드본체의 측벽을 제외한 나머지 측벽을 형성하도록 상기 몰드본체에 결합하고, 열전도성이 있는 재질로 만들어진 측벽부재
    를 포함하고,
    상기 측벽부재의 내부에 상기 냉매유로가 형성된 응고 모사 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 측벽부재에는 상기 냉매유로와 간섭되지 않도록, 상기 제1온도측정부의 설치를 위한 복수의 삽입구멍이 형성되고,
    상기 복수의 삽입구멍은, 삽입깊이가 상대적으로 깊은 제1삽입구멍과, 삽입깊이가 상대적으로 얕은 제2삽입구멍을 포함하는 것을 특징으로 하는 응고 모사 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제2온도측정부는 상기 냉매유로의 냉매입구 측에 더 설치된 것을 특징으로 하는 응고 모사 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1온도측정부와 상기 제2온도측정부는 데이터 기록장치에 연결된 것을 특징으로 하는 응고 모사 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 데이터 기록장치는 타이머에 연결된 것을 특징으로 하는 응고 모사 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 타이머에 의해, 상기 제1온도측정부에 대한 열유속 측정시간대는 10 ~ 30초로 설정되는 것을 특징으로 하는 응고 모사 장치.
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