KR102417154B1 - 대형 블룸 연속주조 평롤과 볼록롤을 조합한 경압하 방법 - Google Patents
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Abstract
대형 블룸의 연속주조 시 평롤과 볼록롤을 조합한 경압하 방법은, 먼저 주조 블룸의 삼차원 온도장 분포, 이상 영역, 고상 영역의 두께 및 고상분율을 획득하여, 압하 시작과 종료 롤의 위치를 확정하고, 주조 블룸의 부피 수축량에 따라 각 텐션레벨러 롤러의 압하량을 제정하며; 주조 블룸의 고상분율이 
= 0.9 내지 1.0인 구간에서, 주조 블룸에 대해 중압하 작업 모드를 실시하고; 주조 블룸의 고상분율이 
= 0.25 내지 0.80인 구간에서, 경압하 작업 모드를 실시한다.
Description
본 발명은 금속주조 분야에 속하며, 특히 현장에서 주조 블룸(casting bloom)에 대해 후처리 또는 후가공을 실시하기 위한 방법에 관한 것이다.
강의 연속주조 과정에서, 외부 냉각으로 인하여, 주조 블룸 표면이 내부보다 먼저 응고되기 때문에, 표면에 내부보다 더 큰 수축이 있으며, 응고 결정화가 종료됨에 따라, 일부 국부영역 양측에 주상결정(columnar crystals)의 브릿지가 나타난다. 브릿지 하부를 둘러싸는 액체가 응고 시, 액상풀(liquid phase pool) 내부에 브릿지 상부의 용강이 보충되는 것을 저지하며, 이에 따라 브릿지 하부의 용강이 응고 시 수축공(shrinkage cavity)과 기공(porosity)이 발생하고, 수축공과 공극이 형성됨에 따라, 진공 상태의 수축공이 덴드라이트(dendrite) 사이의 용질(solute)이 농화된 액체를 흡인하여 중심을 향해 유동시킴과 동시에 거시편석(Macrosegregation)이 발생하게 된다.
경압하(soft reduction)는 압축 주조에 해당하므로, 이는 수축공, 기공 및 거시편석을 제거하는 작용이 있으며, 따라서 주조 블룸의 평롤 경압하 기술이 연속주조 분야에서 광범위하게 응용되고 있다.
주조 블룸 표면이 내부보다 먼저 응고되므로, 응고 말단에 가까울수록 주조 블룸의 쉘(shell)이 두꺼워지고, 온도가 낮아지며, 쉘의 양측이 이미 전부 응고되었기 때문에, 압하 과정에서 응고 말단에 가까울수록 변형저항(deformation resistance)이 커진다. 종래의 기술은 모두 한 쌍의 평롤로 압축을 실시하며, 텐션 레벨러(tension leveler)의 호환성으로 인해 모두 동일하게 제작되므로, 압하력 역시 같으며, 이는 선단부 텐션레벨러의 압력은 충분하고 후단부 텐션레벨러의 압력은 부족한 현상을 초래한다. 고 합금강의 생산이 늘고 있는 상황에서 이러한 모순이 점점 더 두드러진다. 볼록롤을 이용하여 응고되지 않은 부위에 실시하는 보다 효과적인 경압하 기술이 제시되었다.
출원 공고 번호가 CN 105983668 A이고, 출원 공고일이 2016.10.05인 중국 발명특허 출원은 "경압하롤, 이를 구비한 경압하 장치 및 주조 블룸의 제조방법"을 공개한 바, 그 경압하 롤의 단부의 직경이 중간부의 직경보다 작고, 그 중, 경압하롤의 회전축선을 포함하는 단면을 관찰해보면, 중간부와 단부 사이의 외주는 단부측에 회전축선 방향으로 돌출된 제1 원호를 구비하고, 중간부측에 제1 원호의 돌출 방향과 반대인 방향 쪽으로 돌출된 제2 원호를 구비하며, 제1 원호와 제2 원호가 서로 만나는 접선과 회전축선으로 형성되는 각도는 40°이하이다. 상기 기술방안은 상수 곡률(constant curvature)의 무보스 돌출형 롤(볼록롤)을 이용하여 고상률(solid phase rate)이 0.2인 위치에 장착하여 큰 압하량을 실시하는 것으로서, 점진적인 변형 곡률의 보스 돌출형 롤은 응고 종점 위치에 위치하고, 중심 고상률이 0.2인 위치점과 응고 종점 두 위치에서만 순차적으로 큰 변형량의 압하를 사용함으로써 화학성분의 편석과 응고 중심 수축공(Shrinkage Cavity) 및 심각한 기공(porosity)의 품질 결함을 해결하였다. 그러나, 주조 블룸의 응고 원리에 따르면, 경압하는 압축 주조에 해당하여, 그 압하량은 현재 용강의 수축량을 보완하기 위한 것으로서, 덴드라이트 사이에 저 용융점의 불순물이 농화된 용강이 중심을 향해 유동하는 것을 제한하는데 사용되며, 지나치게 큰 압하량은 응고 편석의 개선에 불리하다.
상기 중국 발명특허 출원에서는 볼록롤(convex roll)의 완화곡선(transition curve)이 서로 만나는 두 구간을 안으로 오목하고 바깥으로 볼록한 원호선으로 구성하되, 2개의 원호의 반경을 다르게 하여, 통상적으로 바깥으로 볼록한 제1 원호의 반경을 안으로 오목한 제2 원소 반경보다 작도록 한 경압하 장치를 더 공개하였으며, 그 목적은 후속 공정인 압연 과정에서 주조 블룸의 함몰 부위에 접힘 결함(folding defect)이 발생하는 것을 감소시키기 위한 것이다.
출원공고번호가 CN 107377919 A이고, 출원공고일이 2017.11.24인 중국 발명특허 출원은 "베어링강 주조 블룸의 중심 치밀도를 향상시키는 방법"을 공개하였으며, 이는 연속주조 과정에서, 주조장치의 드로잉 속도를 0.50 m/min ~ 0.65 m/min으로 제어하고, 중간 래들 용강의 과열도를 20℃~30℃로 제어하며, 응고말단 중압하 방식을 이용하고, 경압하와 중압하를 분배 고상율에 따라 실시하여, 중압하는 fs = 0.9일 때 시작하고, fs = 1.0일 때 돌출형 롤을 사용하여 중압하를 실시한다고 공개하였다. 본 기술방안은 응고말단 중압하 방식을 이용하여, fs = 0.9-1.0일 때 단일한 돌출형 롤을 사용하여 중압하를 실시함으로써 수축공을 감소시켰다. 그러나 이는 어떻게 경압하를 실시할 것인가 하는 문제는 다루지 않았다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술문제는 대형 블룸의 연속주조 평롤과 볼록롤을 조합한 경압하 방법을 제공하고자 하는데 있다. 이는 대형 블룸의 연속주조 평롤과 볼록롤을 조합한 경압하 방법을 통해, 볼록롤을 사용하여 텐션레벨러의 압하력을 부분적으로 감소시키고, 드로잉저항을 감소시키며, 상이한 텐션레벨러 상에서 볼록롤에 길이가 다른 보스를 채택하여, 최종적으로 주조 블룸 상부표면에 발생한 압흔(indentation) 형상의 개구를 넓힘으로써, 후속 공정의 압연 과정에서 접힘 결함이 발생하는 것을 방지할 수 있고, 압하력을 경감시키기에 더욱 유리하며, 또한 볼록롤 텐션레벨러의 압하력을 경감시키기에 더욱 유리하다.
본 발명의 기술방안은 다음과 같다: 연속주조라인에 순차적으로 다수의 텐션레벨러를 설치하여 주조 블룸에 대해 압축 주조를 실시하는 단계를 포함하는 연속주조 대형 블룸 평롤과 볼록롤을 조합한 경압하 방법을 제공함에 있어서,
1) 주조 블룸의 대형 블룸 연속주조 응고 중의 열 전달과 액상풀(liquid pool)의 모델 데이터를 획득하는 단계로서, 상기 모델 데이터의 실시방식 중 하나는 연속주조 공정, 주조 블룸 성형 이론에 따라, 대형 블룸의 연속주조 응고 중의 열 전달과 액상풀에 대해 모델 계산을 실시하고, 상이한 강종, 드로잉 속도, 냉각 조건, 과열도(degree of superheat)에 따라, 주조방향에 따른 삼차원 온도장(temperature field) 분포, 이상 영역(two-phase field), 고상 영역의 두께 및 고상분율을 계산하는 것이며;
2) 상기 모델 데이터 또는 모델 계산에 따라, 압하 시작과 종료 롤의 위치를 확정하고, 상기 모델 데이터를 연속주조라인 상의 각 텐션레벨러와 대응시켜, 연속주조라인 상의 각 텐션레벨러를 주조 블룸의 상응하는 삼차원 온도장 분포, 이상 영역, 고상 영역 두께와 고상분율에 대응시키는 단계;
3) 주조 블룸의 부피 수축량을 획득하여, 상기 부피 수축률에 따라, 각 텐션레벨러 롤의 압하량을 제정하는 단계로서, 주조 블룸의 부피 수축량을 획득하는 실시방식은 주조 조건에 따라 경험 공식을 통해 획득하는 방법을 포함하며;
또한 단계 3)에서, 주조 블룸의 고상분율이 
= 0.9 내지 1.0인 구간에서, 주조 블룸에 대해 중압하 작업 모드를 실시하며, 즉 고상분율이 
= 0.9-1.0일 때, 볼록롤 텐션레벨러를 이용하여 주조 블룸에 대해 압축 주조를 실시하고, 각 텐션레벌러는 단일 룰의 압하율이 1% - 10%인 압하량을 수행하며, 일 실시방식에서, 최대 단일 롤은 10 mm의 압하량이고； 또한，단계 3)에서，주조 블룸의 고상분율이 
= 0.25 내지 0.80인 구간에서, 주조 블룸에 대해 경압하 작업 모드를 실시하며，상응하는 각 텐션레벨러는 단일 롤의 압하율이 2% 미만인 압하량을 수행하고, 일 실시방식에서 이는 5 mm 미만의 압하량을 실시하는 것을 특징으로 한다.
상기 경압하 방법의 하나 또는 다수의 실시방식에서, 고상분율이 
≤ 0.5일 때, 평롤 텐션레벨러를 사용하여 주조 블룸에 대해 압축 주조를 실시하고, 고상분율이 
> 0.5이면 볼록롤 텐션레벨러를 사용하여 주조 블룸에 대해 압축 주조를 실시한다.
압하율은 압하량을 주조 블룸의 두께로 나눈 것이다.
전술한 방안에 따르면, 응고말단에서 먼 선단부의 텐션레벨러에 대하여, 평롤 텐션레벨러를 사용하여 주조 블룸에 대해 압축 주조를 실시하고;
응고 말단에 가까운 후단부 텐션레벨러에 대해서는 볼록롤 텐션레벨러를 사용하여 주조 블룸에 대해 압축 주조를 실시하며;
상기 경압하 방법은, 평롤 텐션레벨러와 볼록롤 텐션레벨러를 조합한 경압하 방법을 채택하여, 주조 블룸에 대해 응고말단의 경압하 제어를 실시함으로써, 주조 블룸의 중심 기공, 수축공과 편석을 감소시켜, 압연재의 내부 품질을 개선한다.
상기 경압하 방법은, 볼록롤 텐션레벨러의 압하력을 경감시킬 수 있고; 이와 동시에 주조 블룸의 연속주조 과정에서 드로잉저항을 감소시킬 수 있다.
상기 경압하 방법의 하나 또는 다수의 실시방식에서, 상기 볼록롤 텐션레벨러의 상부 롤은 볼록롤이고, 승강을 통해 롤 갭(roll gap)을 조절하며, 상기 볼록롤은 모터 및 감속기와 연결되고; 상기 볼록롤 텐션레벨러의 하부 롤은 평롤이며; 상기 상부 롤, 하부 롤은 프레임에 의해 연결되고, 4쌍의 구동 유압 실린더(hydraulic cylinder)를 통해 중간 주조 블룸에 압하력을 인가한다.
상기 경압하 방법의 하나 또는 다수의 실시방식에서, 상기 상부 롤은 볼록롤이고, 또한 구동롤이다. 상기 하부 롤은 평롤이고, 고정된 피동롤이다.
상기 경압하 방법의 하나 또는 다수의 실시방식에서, 상기 볼록롤 몸체의 작동 부분의 윤곽 곡선은 제1 직선구간(AB), 제1 완화곡선 구간(BC), 제2 직선구간(CD), 제2 완화곡선 구간(DE) 및 제3 직선구간(EF)이 순차적으로 연결되어 구성되며; 그 중, 제1 직선구간(AB)과 제3 직선구간(EF)은 동일한 축선 또는 동일 평면으로 설치되고, 제2 직선구간(CD)과 제1 직선구간(AB) 또는 제3 직선구간(EF)은 평행하게 설치되며; 제1 곡선구간(BC)과 제2 곡선구간(DE)은 각각 사인 곡선으로 구성되거나, 또는 서로 교차하는 두 구간은 안으로 오목하고 바깥으로 볼록한 원호선으로 구성되고, 2개의 원호의 반경은 같거나 또는 다르며; 볼록롤의 축 길이 방향의 단면에 대해 설명하면, 제1 완화곡선 구간(BC), 제2 직선구간(CD)과 제2 완화곡선 구간(DE)은 볼록롤의 표면에 하나의 보스(boss) 형식의 돌기 구조를 구성한다.
상기 경압하 방법을 채택하여, 주조 블룸의 상부 표면에 발생되는 압흔 현상의 개구를 넓힘으로써, 후속 공정인 압연 과정에서 절첩되는 결함을 방지할 수 있고, 압하력을 경감시키기에 유리하며, 볼록롤 텐션레벨러의 압하력을 경감시키기에도 더욱 유리하다.
상기 경압하 방법의 하나 또는 다수의 실시방식에서, 상기 보스의 제1 완화곡선 구간(BC)의 사인 곡선 방정식은
식 중: H는 보스의 높이이고; n은 보스의 제1 완화곡선 구간(BC)의 축 상에서의 투영 길이이다.
상기 경압하 방법의 하나 또는 다수의 실시방식에서, 상기 제2 완화곡선(DE)과 제1 완화곡선 구간(BC)은 거울상으로 대칭되고; 그 거울상 대칭 중심선은 제2 직선구간(CD)의 중심점을 통과하며 또한 제2 직선구간(CD)과 수직인 직선이다.
상기 경압하 방법의 하나 또는 다수의 실시방식에서, 주조 블룸의 고상분율은 
＝0.25 내지 0.80 구간 내이고, 각 텐션레벨러의 경우, 주조 블룸 상부 표면에 발생되는 압흔 현상의 개구는 볼록롤 몸체의 제2 직선구간(CD)의 길이와 같다.
상기 경압하 방법의 하나 또는 다수의 실시방식에서, 상기 각 텐션레벨러 상의 볼록롤 몸체의 제2 직선구간(CD)의 길이는 연속주조 블룸이 각 텐션레벨러 위치에 도달 시 응고되지 않은 2상 영역(two phase field)의 폭(D)에 의해 결정된다.
상기 경압하 방법의 하나 또는 다수의 실시방식에서, 상기 각 텐션레벨러 상의 볼록롤 몸체의 제2 직선구간(CD)의 길이는 ≥ D + 40 mm이다.
종래 기술과 비교하여, 본 발명의 장점은 다음과 같다:
1. 일부 실시방식에 따르면, 대형 블룸의 연속 주조시 평롤과 볼록롤을 조합한 경압하 방법을 통해, 응고말단의 경압하 제어를 실시하고, 종합적으로 운용함으로써 주조 블룸의 중심 기공, 수축공과 편석을 감소시켜, 압연재 내부 품질이 개선된다.
2. 일부 실시방식에 따르면, 양측이 이미 응고된 쉘에 비교적 큰 변형 저항이 발생하는 것을 막아, 볼록롤 텐션레벨러의 압하력을 경감시킬 수 있고; 마찰력이 감소하기 때문에, 주조 블룸을 연속 주조하는 과정에서의 드로잉저항 역시 감소한다.
3. 일부 실시방식에 따르면, 경압하가 단일 볼록록에 큰 압하량을 사용하여 완성되는 것이 아니라, 압하를 분산시켜, 상이한 길이의 보스로 롤을 압하하는 것이며, 경압하가 종료된 후, 최종적으로 주조 블룸 상부 표면에 발생되는 압흔 형상의 개구를 넓힘으로써 후속 공정인 압연 과정에서 접힘 결함(folding defect)이 발생하는 것을 막을 수 있어, 볼록롤 텐션레벨러의 압하력을 경감시키기에 더욱 유리하다.
도 1은 본 기술방안 중 연속주조 응고 중의 열 전달 계산 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 대형 블룸의 경압하를 위한 텐션레벨러의 설치위치 설명도이다.
도 3은 본 발명인 대형 블룸 응고말단 2상 영역의 폭 설명도이다.
도 4는 본 발명의 대형 블룸 텐션레벨러 볼록롤 압하 설명도이다.
도 5는 돌출형 압연롤의 윤곽형상 설명도이다.
도 6은 주조 블룸 상부 표면의 압흔 형상 설명도이다.
도 2는 본 발명의 대형 블룸의 경압하를 위한 텐션레벨러의 설치위치 설명도이다.
도 3은 본 발명인 대형 블룸 응고말단 2상 영역의 폭 설명도이다.
도 4는 본 발명의 대형 블룸 텐션레벨러 볼록롤 압하 설명도이다.
도 5는 돌출형 압연롤의 윤곽형상 설명도이다.
도 6은 주조 블룸 상부 표면의 압흔 형상 설명도이다.
이하 첨부도면과 실시예를 결합하여 본 발명에 대해 좀 더 상세히 설명한다.
도 1에서, 먼저, 현재 종래의 연속주조 공정과 주조 블룸 성형 이론에 따라 대형 블룸 연속주조 응고 중의 열 전달과 액상풀에 대해 모델 계산을 실시한다:
응고 열전달 방정식에 따르면 다음과 같다:
주어진 초기 조건:
경계 조건(boundary condition):
제1 경계조건:
제2 경계조건:
제3 경계조건:
강의 물성 파라미터를 대입하고, 유한요소(finite element)를 이용하여 상이한 강종, 드로잉 속도, 냉각 조건, 과열도 하의 주조 블룸이 각 텐션레벨러 부위에 도달 시의 삼차원 온도장 분포, 2상 영역, 고상영역의 두께 및 고상분율을 시뮬레이션할 수 있다.
도 1은 연속주조 응고 열전달 계산의 흐름 블록도이다. 그 중 "시작"은 계산 시작이고; "파라미터 입력"은 강의 물성 파라미터, 강종, 주조속도, 과열도 등을 입력하는 것이며; "수량(water volume) 데이터베이스 조사"는 각 냉각영역의 각 냉각루프 중의 냉각수량을 조사하는 것이고; "절편(slice) 초기화"란 유한요소 절편 계산을 시작 시 절편을 초기화하는 것이고; "절편의 시간과 위치 기록(업데이트)"란 절편이 형성되는 시간과 도달한 위치를 기록(업데이트)하는 것이며; "접점 위치 판단"은 접점이 결정화기(crystallizer) 내인지 또는 제2 냉각영역인지 판단하여; "결정화기" 내인 경우, 결정화기의 열 흐름(heat flow)을 계산하고; "2냉각 영역"이면 2냉각 영역의 열 흐름을 계산하며, "2 냉각 영역"에 수냉 즉 공냉 영역이 없다면, 공냉 영역의 열 흐름을 계산하고; "노드(node) 위상영역 판단"은 노드가 "액상 영역", "２상 영역", "고상 영역"인지 판단하는 것이며; "접점 위치 판단"은 노드가 주조 블룸의 "중심", "내부", "표면"인지 동시에 판단하는 것이고; "절편의 온도 구하기"는 각 절편의 온도값을 계산하는 것이며; "결과 출력"은 주조 블룸의 삼차원 온도 분포, 2상 영역의 두께, 고상 영역의 두께, 고상분율 등의 계산 결과를 출력하는 것이다.
도 2에서, 각 텐션레벨러(i = 1에서 n까지이며, n은 연속주조라인 상의 텐션레벨러의 총 수량이다)의 연속주조라인 상에서의 부위 또는 위치를 제시하였다.
도면 중 화살표는 연속주조 공정 노선의 방향, 다시 말해 주조 블룸의 전진방향을 나타낸다.
도 3은 주조 블룸의 2상 영역 및 고상 영역의 두께이다.
도면 중 음영선이 채워진 부분은 고상 영역을 표시한 것이고, 공백 영역은 2상 영역을 표시한 것이며, D는 2상 영역의 폭이고, P는 
= 0.25 내지0.80인 압하 구간이며, 화살표는 연속주조 공정노선, 다시 말해 주조 블룸의 전진방향을 나타낸 것이다.
도 3의 계산 결과에 따르면, 응고말단에서 먼 텐션레벨러(즉 선단부의 텐션레벨러, 그 번호 i 는 비교적 작으며, i 값은 1-4 사이로 정할 수 있다)는 쉘이 얇고, 주조 블룸의 온도가 높기 때문에, 필요한 경압하력이 작아, 경압하의 요구를 충족시킬 수 있고, 응고말단에 가까운 텐션레벨러(즉 후단부의 텐션레벨러, 그 번호 i 는 비교적 크며, i 값은 5-8 사이로 정할 수 있다)는 쉘의 두께가 두껍고, 주조 블룸의 온도가 낮기 때문에, 필요한 경압하력이 커, 경압하의 요구를 충족시킬 수가 없다.
따라서, 본 발명의 기술방안은 평롤과 볼록롤을 조합한 경합하 방법을 채택하여, 선단부의 텐션레벨러는 여전히 평롤 방안을 채택하고, 후단부의 텐션레벨러에 대해서는 볼록롤 방안을 채택한다. 특히 종래의 연주기는 후단부의 텐션레벨러의 압하 능력이 부족하므로, 이러한 조합 방안으로 경압하를 실시하는 것이 매우 적합하다. 선단부의 텐션레벨러와 후단부의 텐션레벨러의 경계는 통상적으로 
와 관련이 있으며, 발명인은 주조 블룸의 고상분율이 
≤ 0.5일 때, 평롤 텐션레벨러를 사용하여 주조 블룸에 대해 압축 주조를 실시하고, 고상분율이 
> 0.5이면 볼록롤 텐션레벨러를 사용하여 주조 블룸에 대해 압축 주조를 실시한다.
도 4에서, 볼록롤 텐션레벨러의 설명도를 제시하였다. 상부 롤(1)은 볼록롤이고 또한 구동 롤이며, 승강을 통해 롤 갭을 조절할 수 있고, 모터 및 감속기와 연결된다. 하부 롤(3)은 평롤이고, 고정된 피동롤이며, 상하 롤은 프레임에 의해 연결되어, 4쌍의 구동 유압실린더를 통해 중간 주조 블룸에 대해 압하력을 인가한다.
상부 롤과 하부 롤 사이에 위치하는 것이 바로 주조 블룸(2)이다.
도 5에서, 본 기술방안 중 볼록롤 텐션레벨러의 볼록롤 형상의 구조도를 제시하였으며, 도면을 통해 알 수 있듯이, 상기 돌출형 롤(볼록롤이라 약칭함)의 몸체의 작업 부분의 윤곽 곡선은 제1 직선구간(AB), 제1 완화곡선 구간(BC), 제2 직선구간(CD), 제2 완화곡선 구간(DE) 및 제3 직선구간(EF)으로 구성된다.
그 중, 제1 완화곡선구간(BC)과 제2 완화곡선 구간(DE)은 사인 곡선으로 구성되거나, 또는 서로 이웃한 직선 구간과 만나는 두 구간이 안으로 오목하고 바깥은 볼록한 원호선으로 구성되며, 2개의 원호의 반경은 같거나 또는 상이하다.
분명하게, 각 볼록롤의 축 길이 방향의 종방향 단면에 대해 설명하면, 제1 완화곡선 구간(BC), 제2 직선구간(CD)과 제2 완화곡선 구간(DE)은 볼록롤의 표면에 하나의 보스(boss) 형식의 돌기 구조(4)를 구성한다.
도 5의 좌표계에서 B점을 좌표 원점으로 하여, x축은 롤러의 중심축에 평행하고, y축은 롤러의 중심축선과 수직이다.
상기 제1 완화곡선구간(BC)의 사인 곡선 방정식은
식 중: H는 보스의 높이이고; n은 보스의 제1 완화곡선 구간(BC)의 축 상에서의 투영 길이이다.
n은 보스 높이(H)의 배수이며, 즉 보스의 제1 완화곡선구간(BC)의 축 상에서의 투영 길이는 nH 이다.
제2 완화곡선구간(DE)은 제1 완화곡선 구간(BC)의 선 구간(CD)를 따르는 중심점을 중심선으로 하여 거울상으로 형성될 수 있다.
특히 언급할 점으로, 볼록롤 몸체 중간의 제2 직선구간(CD)의 길이는 도 3 중 연속주조 블룸이 각 텐션레벨러 위치에 도달 시의 응고되지 않은 2상 영역의 폭(D)에 의해 결정된다.
연속주조 블룸이 각 텐션레벨러 위치에 도달 시의 응고되지 않은 2상 영역의 폭(D)이 다르기 때문에, 텐션레벨러의 위치에 따라, 각 볼록롤의 제2 직선구간(즉 중간 직선구간)(CD)의 길이 역시 다르다.
이론 상 각 텐션레벨러에 대응되는 볼록롤의 제2 직선구간의 길이(CDi)(그 중의 i ＝ 각 텐션레벨러의 연속주조라인 상에서의 위치 번호)는 주조 블룸이 각 텐션레벨러 위치에 도달 시의 응고되지 않은 2상 영역의 폭(Di)(그 중의 i ＝ 각 텐션레벨러의 연속주조라인 상에서의 위치 번호)보다 크거나 같아야 하며, 드로잉 속도, 강종, 과열도, 냉각강도가 각기 다르기 때문에, 그 Di값에 변화가 발생할 수 있으며, 범용성의 이유를 고려하면, 실제로 각 텐션레벨러의 경우, 대응되는 볼록롤의 제2 직선구간(CDi)의 길이는 주조 블룸이 각 텐션레벨러 위치에 도달 시의 응고되지 않은 2상 영역의 폭(Di)보다 커야 한다. 주조 블룸이 하향 주조되는 과정에서, 주조 블룸이 주조 흐름의 중심을 벗어날 수 있다는 점(이를 편류(deflection)라 칭함)을 더 고려해보면, 비교적 작은 편류는 평롤 텐션레벨러에 대해서는 그다지 큰 영향이 없다. 평롤은 주조 블룸 중심의 미응고 2상 영역 부분을 항상 가압하나, 단 볼록롤의 돌출 부분(즉 전술한 보스) 역시 주조 블룸 중심의 응고되지 않은 2상 영역 부분에서 가압되도록 해야 한다.
종합적으로 고려하여, 각 텐션레벨러(i)에 대해 설명하면, 대응되는 볼록롤에 추천되는 제2 직선구간(CDi)의 길이는 ≥ Di + 40 mm이다)(그 중의 i ＝ 각 텐션레벨러의 연속주조라인 상에서의 위치 번호).
보스 높이(H)의 결정은 모든 텐션레벨러 압하 구간의 응고 부피의 총 수축 및 선 수축을 근거로 결정되며, 범용성을 고려하여, 이는 이론 계산값보다 30% 크다.
도 6은 상이한 길이의 보스 압하롤을 이용하여, 경압하 종료 후, 최종적으로 주조 블룸의 상부 표면에 발생하는 압흔 형상이다.
분명하게, 압흔(T)의 개구가 넓어져(정확히 말하면 개구 바닥부로부터 위를 향해 점차 넓어지는 추세이며, 이는 거꾸로 된 등변사다리꼴과 유사하다), 후속 공정의 압연 과정에서 접힘 결함을 방지할 수 있고, 볼록롤 텐션레벨러의 압하력을 경감시키기에 더욱 유리하다.
본 발명의 기술방안은 평롤과 볼록롤을 조합한 대형 블룸 연속주조 경압하 방법을 통해, 응고 말단의 경압하를 제어하고, 종합적인 운용으로 주조 블룸의 중심 기공, 수축공과 편석을 감소시켜, 압연재 내부 품질을 개선한다.
주조 블룸은 주조 블룸의 응고 과정에서 매우 큰 부피 수축이 발생할 수 있으며, 따라서 보다 큰 압하량으로 주조 블룸의 부피 수축을 보상해야 한다. 압하 과정에서, 주조 블룸에는 변형 저항이 발생할 수 있으며, 이는 주로 양측의 이미 응고된 쉘에 집중된다.
본 발명의 대형 블룸의 연속주조 시 평롤과 볼록롤을 조합한 경압하 방법은 양측이 이미 응고된 쉘에 비교적 큰 변형 저항이 발생하는 것을 막아, 볼록롤 텐션레벨러의 압하력을 경감시킬 수 있으며, 
= 0.9-1.0일 때 주조 블룸의 응고 말단에 대해 중압하를 실시하여 주조 블룸 중심의 치밀도를 향상시킬 수 있는 동시에, 볼록롤과 주조 블룸의 접촉 면적이 작기 때문에, 마찰력이 감소하며, 따라서 주조 블룸의 연속주조 과정에서 드로잉저항 역시 감소한다.
이와 동시에, 본 발명의 평롤과 볼록롤을 조합한 경압하 방법은 단일한 볼록롤에 큰 압하량을 사용하여 완성되는 것이 아니라, 압하를 분산시켜, 상이한 길이의 보스로 롤을 압하하는 것이며, 경압하가 종료된 후, 최종적으로 주조 블룸 상부 표면에 발생되는 압흔 형상의 개구를 넓힘으로써 후속 공정인 압연 과정에서 접힘 결함(folding defect)이 발생하는 것을 막을 수 있어, 볼록롤 텐션레벨러의 압하력을 경감시키기에 더욱 유리하다.
실시예:
실시예 1:
연속주조 공정의 전진방향을 따라, 순차적으로 9대의 텐션레벨러를 설치하며, 각 텐션레벨러의 번호는 순차적으로 1호 내지 9호이다.
먼저 연속주조 공정, 주조 블룸 성형 이론에 따라, 대형 블룸 연속주조 응고 중의 열 전달과 액상풀에 대해 모델 계산을 수행하고, 상이한 강종, 드로잉 속도, 냉각 조건, 과열도에 따라, 주조 블룸이 각 텐션레벨러 부위에 도달 시의 삼차원 온도장 분포, 2상 영역, 고상 영역의 두께 및 고상분율을 계산하며; 이후, 모델 계산에 따라, 압하 시작과 종료 롤러의 위치를 확정하여, 연속주조라인 상에 위치한 각 텐션레벨러와 대응시켜 다음과 같은 결과를 획득하였다:
1-5호 텐션레벨러는 평롤러가 장착되며, 압연롤의 작업 몸체 길이는 500 mm이고, 롤 직경은 500 mm이다.
6호 텐션레벨러는 볼록롤이며, 압연롤 작업 몸체 길이는 500 mm이고, 롤 직경은 500 mm이며, 보스 높이 H = 20 mm이고, 양단의 직선구간(즉 전술한 제1 및 제3 직선구간, 이하 동일함)의 길이 AB = EF = 90 mm이며, 중간 직선구간(즉 전술한 제2 직선구간, 이하 동일)의 길이 CD는 240 mm이고, 완화곡선 BC와 DE(즉 전술한 제1 완화곡선(BC)와 제2 완화곡선(DE), 이하 동일)의 수평방향에서의 투영 길이는 40 mm이다.
7호 텐션레벨러는 볼록롤이고, 압연롤 작업 몸체의 길이는 500 mm이고, 롤 직경은 500 mm이며, 보스 높이 H = 20 mm이고, 양단의 직선구간의 길이 AB = EF = 105 mm이며, 중간 직선구간의 길이 CD는 210 mm이고, 완화곡선 BC와 DE의 수평방향에서의 투영 길이는 40 mm이다.
8호 텐션레벨러는 볼록롤이고, 압연롤 작업 몸체의 길이는 500 mm이고, 롤 직경은 500 mm이며, 보스 높이 H = 20 mm이고, 양단의 직선구간의 길이 AB = EF = 120 mm이며, 중간 직선구간의 길이 CD는 180 mm이고, 완화곡선 BC와 DE의 수평방향에서의 투영 길이는 40 mm이다.
9호 텐션레벨러는 볼록롤이고, 압연롤 작업 몸체의 길이는 500 mm이고, 롤 직경은 500 mm이며, 보스 높이 H = 20 mm이고, 양단의 직선구간의 길이 AB = EF = 135 mm이며, 중간 직선구간의 길이 CD는 150 mm이고, 완화곡선 BC와 DE의 수평방향에서의 투영 길이는 40 mm이다.
실시예 2:
1-5호 텐션레벨러는 평롤러가 장착되며, 압연롤의 작업 몸체 길이는 500 mm이고, 롤 직경은 500 mm이다.
6호 텐션레벨러는 볼록롤이며, 압연롤 작업 몸체의 길이는 500 mm이고, 롤 직경은 500 mm이며, 보스 높이 H = 20 mm이고, 양단의 직선구간의 길이 AB = EF = 85 mm이며, 중간 직선구간의 길이 CD는 250 mm이고, 완화곡선 BC와 DE의 수평방향에서의 투영 길이는 40 mm이다.
7호 텐션레벨러는 볼록롤이며, 압연롤 작업 몸체의 길이는 500 mm이고, 롤 직경은 500 mm이며, 보스 높이 H = 20 mm이고, 양단의 직선구간의 길이 AB = EF = 95 mm이며, 중간 직선구간의 길이 CD는 230 mm이고, 완화곡선 BC와 DE의 수평방향에서의 투영 길이는 40 mm이다.
8호 텐션레벨러는 볼록롤이며, 압연롤 작업 몸체의 길이는 500 mm이고, 롤 직경은 500 mm이며, 보스 높이 H = 20 mm이고, 양단의 직선구간의 길이 AB = EF = 105 mm이며, 중간 직선구간의 길이 CD는 210 mm이고, 완화곡선 BC와 DE의 수평방향에서의 투영 길이는 40 mm이다.
9호 텐션레벨러는 볼록롤이며, 압연롤 작업 몸체의 길이는 500 mm이고, 롤 직경은 500 mm이며, 보스 높이 H = 20 mm이고, 양단의 직선구간의 길이 AB = EF = 115 mm이며, 중간 직선구간의 길이 CD는 190 mm이고, 완화곡선 BC와 DE의 수평방향에서의 투영 길이는 40 mm이다.
나머지는 실시예 1과 동일하다.
실시예 3:
1-5호 텐션레벨러는 평롤러가 장착되며, 압연롤의 작업 몸체 길이는 500 mm이고, 롤 직경은 500 mm이다.
6호 텐션레벨러는 볼록롤이며, 압연롤 작업 몸체의 길이는 500 mm이고, 롤 직경은 500 mm이며, 보스 높이 H = 20 mm이고, 양단의 직선구간의 길이 AB = EF = 90 mm이며, 중간 직선구간의 길이 CD는 240 mm이고, 완화곡선 BC와 DE의 수평방향에서의 투영 길이는 40 mm이다.
7호 텐션레벨러는 볼록롤이며, 압연롤 작업 몸체의 길이는 500 mm이고, 롤 직경은 500 mm이며, 보스 높이 H = 20 mm이고, 양단의 직선구간의 길이 AB = EF = 105 mm이며, 중간 직선구간의 길이 CD는 210 mm이고, 완화곡선 BC와 DE의 수평방향에서의 투영 길이는 40 mm이다.
8호 텐션레벨러는 볼록롤이며, 압연롤 작업 몸체의 길이는 500 mm이고, 롤 직경은 500 mm이며, 보스 높이 H = 20 mm이고, 양단의 직선구간의 길이 AB = EF = 120 mm이며, 중간 직선구간의 길이 CD는 180 mm이고, 완화곡선 BC와 DE의 수평방향에서의 투영 길이는 40 mm이다.
9호 텐션레벨러는 평롤러가 장착되며, 압연롤의 작업 몸체 길이는 500 mm이고, 롤 직경은 500 mm이다.
나머지는 실시예 1과 동일하다.
실시예 4:
1-4호 텐션레벨러는 평롤러가 장착되며, 압연롤의 작업 몸체 길이는 500 mm이고, 롤 직경은 500 mm이다.
5호 텐션레벨러는 볼록롤이며, 압연롤 작업 몸체의 길이는 500 mm이고, 롤 직경은 500 mm이며, 보스 높이 H = 20 mm이고, 양단의 직선구간의 길이 AB = EF = 85 mm이며, 중간 직선구간의 길이 CD는 250 mm이고, 완화곡선 BC와 DE의 수평방향에서의 투영 길이는 40 mm이다.
6호 텐션레벨러는 볼록롤이며, 압연롤 작업 몸체의 길이는 500 mm이고, 롤 직경은 500 mm이며, 보스 높이 H = 20 mm이고, 양단의 직선구간의 길이 AB = EF = 95 mm이며, 중간 직선구간의 길이 CD는 230 mm이고, 완화곡선 BC와 DE의 수평방향에서의 투영 길이는 40 mm이다.
7호 텐션레벨러는 볼록롤이며, 압연롤 작업 몸체의 길이는 500 mm이고, 롤 직경은 500 mm이며, 보스 높이 H = 20 mm이고, 양단의 직선구간의 길이 AB = EF = 105 mm이며, 중간 직선구간의 길이 CD는 210 mm이고, 완화곡선 BC와 DE의 수평방향에서의 투영 길이는 40 mm이다.
8호 텐션레벨러는 볼록롤이며, 압연롤 작업 몸체의 길이는 500 mm이고, 롤 직경은 500 mm이며, 보스 높이 H = 20 mm이고, 양단의 직선구간의 길이 AB = EF = 115 mm이며, 중간 직선구간의 길이 CD는 190 mm이고, 완화곡선 BC와 DE의 수평방향에서의 투영 길이는 40 mm이다.
9호 텐션레벨러는 평롤러가 장착되며, 압연롤의 작업 몸체 길이는 500 mm이고, 롤 직경은 500 mm이다.
나머지는 실시예 1과 동일하다.
결론적으로, 본 발명을 실시 시, 먼저 본 발명의 방법대로 상이한 강종, 드로잉 속도, 냉각조건, 과열도에 따라, 주조 블룸이 각 텐션레벨러 부위에 도달하는 3차원 온도장 분포, 2상 영역, 고상 영역의 두께와 고상분율
을 계산하며, 경압하 구간은 
= 0.25로부터 0.80에 이르러 종료되고, 모델 계산에 따라 압하 시작과 종료 롤러의 위치를 확정하여, 부피 수축량에 따라 각 롤러의 압하량을 정하고, 주조 블룸이 압하 구간으로 진입한 후, 단일 롤에 대해 5 mm 미만의 압하량을 실시하며, 
= 0.9-1.0일 때 최대 단일 롤에 10 mm의 압하량을 실시할 수 있다.
본 발명의 기술방안은 대형 블룸의 연속주조 시 평롤과 볼록롤을 조합한 경압하 방법을 채택하여, 양측이 이미 응고된 쉘에 비교적 큰 변형 저항이 발생하는 것을 막아, 볼록롤 텐션레벨러의 압하력을 경감시킬 수 있으며, 
= 0.9-1.0일 때 주조 블룸의 응고 말단에 대해 중압하를 실시하여 주조 블룸 중심의 치밀도를 향상시킬 수 있는 동시에, 볼록롤과 주조 블룸의 접촉 면적이 작기 때문에, 마찰력이 감소하며, 따라서 주조 블룸의 연속주조 과정에서 드로잉저항 역시 감소한다.
본 발명은 금속 주조 분야에 광범위하게 응용될 수 있다.
Claims (13)
- 연속주조라인 상에 다수의 텐션레벨러를 순차적으로 설치하여 주조 블룸에 대해 압축 주조를 실시하는 단계를 포함하는 대형 블룸의 연속주조 시 평롤과 볼록롤을 조합한 경압하 방법에 있어서,
주조 블룸 성형의 강종 종류, 드로잉 속도, 냉각 조건, 과열도에 따라, 주조방향에 따른 삼차원 온도장(temperature field) 분포, 이상 영역(two-phase field), 고상 영역의 두께 및 고상분율을 포함하는 주조 블룸의 대형 블룸 연속주조 응고 시의 열 전달과 액상풀의 모델 데이터를 획득하고;
상기 모델 데이터에 따라, 압하 시작과 종료 롤의 위치를 확정하고, 상기 모델 데이터를 연속주조라인 상의 각 텐션레벨러와 대응시키며;
주조 블룸의 부피 수축량을 획득하여, 상기 부피 수축률에 따라, 각 텐션레벨러 롤러의 압하량을 제정하며, 주조 블룸의 고상분율이= 0.9 내지 1.0인 구간에서, 주조 블룸에 대해 중압하 작업 모드를 실시하고, 상응하는 각 텐션레벌러는 단일 룰의 압하율이 1% - 10%인 압하량을 실시하며;
주조 블룸의 고상분율이= 0.25 내지 0.80인 구간에서, 주조 블룸에 대해 경압하 작업 모드를 실시하고， 상응하는 각 텐션레벨러는 단일 롤의 압하율이 2% 미만인 압하량을 실시하며;
그 중, 상기 다수의 텐션레벨러는 선단부 텐션레벨러와 후단부 텐션레벨러로 구분되고, 상기 후단부 텐션레벨러는 상기 선단부 텐션레벨러보다 주조 블룸의 응고말단에 더 가까우며, 상기 후단부 텐션레벨러는 볼록롤 텐션레벨러이고, 상기 선단부 텐션레벨러는 평롤 텐션레벨러인 것을 특징으로 하는 대형 블룸의 연속주조 시 평롤과 볼록롤을 조합한 경압하 방법. - 제1항에 있어서,
고상분율이≤ 0.5일 때, 평롤 텐션레벨러를 사용하여 주조 블룸에 대해 압축 주조를 실시하고, 고상분율이
> 0.5이면 볼록롤 텐션레벨러를 사용하여 주조 블룸에 대해 압축 주조를 실시하는 것을 특징으로 하는 대형 블룸의 연속주조 시 평롤과 볼록롤을 조합한 경압하 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 볼록롤 텐션레벨러의 상부 롤은 볼록롤이고, 승강을 통해 롤 갭(roll gap)을 조절하며, 상기 볼록롤은 모터 및 감속기와 연결되고;
상기 볼록롤 텐션레벨러의 하부 롤은 평롤이며;
상기 상부 롤, 하부 롤은 프레임에 의해 연결되고, 4쌍의 구동 유압 실린더(hydraulic cylinder)를 통해 중간 주조 블룸에 압하력을 인가하는 것을 특징으로 하는 대형 블룸의 연속주조 시 평롤과 볼록롤을 조합한 경압하 방법. - 제3항에 있어서,
상기 상부 롤은 볼록롤이고, 또한 구동롤인 것을 특징으로 하는 대형 블룸의 연속주조 시 평롤과 볼록롤을 조합한 경압하 방법. - 제3항에 있어서,
상기 하부 롤은 평롤이고, 또한 고정된 피동롤인 것을 특징으로 하는 대형 블룸의 연속주조 시 평롤과 볼록롤을 조합한 경압하 방법. - 제3항에 있어서,
상기 볼록롤 몸체의 작동 부분의 윤곽 곡선은 제1 직선구간(AB), 제1 완화곡선 구간(BC), 제2 직선구간(CD), 제2 완화곡선 구간(DE) 및 제3 직선구간(EF)이 순차적으로 연결되어 구성되며;
그 중, 제1 직선구간(AB)과 제3 직선구간(EF)은 동일한 축선 또는 동일 평면으로 설치되고, 제2 직선구간(CD)과 제1 직선구간(AB) 또는 제3 직선구간(EF)은 평행하게 설치되며;
제1 곡선구간(BC)과 제2 곡선구간(DE)은 각각 사인 곡선으로 구성되거나, 또는 서로 교차하는 두 구간은 안으로 오목하고 바깥으로 볼록한 원호선으로 구성되고, 2개의 원호의 반경은 같거나 또는 다르며;
볼록롤의 축 길이 방향의 단면에 대하여, 제1 완화곡선 구간(BC), 제2 직선구간(CD)과 제2 완화곡선 구간(DE)은 볼록롤의 표면에 하나의 보스(boss) 형식의 돌기 구조를 구성하는 것을 특징으로 하는 대형 블룸의 연속주조 시 평롤과 볼록롤을 조합한 경압하 방법. - 제6항에 있어서,
상기 보스의 제1 완화곡선 구간(BC)이 사인 곡선으로 구성 시, 사인 곡선 방정식은
이며;
식 중: H는 보스의 높이이고; n은 보스의 제1 완화곡선 구간(BC)의축 상에서의 투영 길이인 것을 특징으로 하는 대형 블룸의 연속주조 시 평롤과 볼록롤을 조합한 경압하 방법.
- 제6항 또는 제7항에 있어서,
상기 제2 완화곡선(DE)과 제1 완화곡선 구간(BC)은 거울상으로 대칭되고; 그 거울상 대칭 중심선은 제2 직선구간(CD)의 중심점을 통과하며 또한 제2 직선구간(CD)과 수직인 직선인 것을 특징으로 하는 대형 블룸의 연속주조 시 평롤과 볼록롤을 조합한 경압하 방법. - 제6항에 있어서,
주조 블룸의 고상분율은＝ 0.25 내지 0.80 구간 내이고, 각 텐션레벨러의 경우, 주조 블룸 상부 표면에 발생되는 압흔 현상의 개구는 볼록롤 몸체의 제2 직선구간(CD)의 길이와 같은 것을 특징으로 하는 대형 블룸의 연속주조 시 평롤과 볼록롤을 조합한 경압하 방법.
- 제6항에 있어서,
상기 각 텐션레벨러 상의 볼록롤 몸체의 제2 직선구간(CD)의 길이는 연속주조 블룸이 각 텐션레벨러 위치에 도달 시 응고되지 않은 2상 영역(two phase field)의 폭(D)에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 대형 블룸의 연속주조 시 평롤과 볼록롤을 조합한 경압하 방법. - 제10항에 있어서,
상기 각 텐션레벨러 상의 볼록롤 몸체의 제2 직선구간(CD)의 길이는 ≥ D + 40 mm인 것을 특징으로 하는 대형 블룸의 연속주조 시 평롤과 볼록롤을 조합한 경압하 방법. - 제1항에 있어서,
상기 모델 데이터의 획득은 연속주조 공정, 주조 블룸 성형 이론에 따라, 대형 블룸의 연속주조 응고 중의 열 전달과 액상풀에 대해 모델 계산을 실시하고, 상이한 강종, 드로잉 속도, 냉각 조건, 과열도에 따라, 주조방향에 따른 삼차원 온도장(temperature field) 분포, 이상 영역(two-phase field), 고상 영역의 두께 및 고상분율()을 계산하는 것임을 특징으로 하는 대형 블룸의 연속주조 시 평롤과 볼록롤을 조합한 경압하 방법.
- 제1항에 있어서,
주조 블룸에 대해 중압하 작업 모드를 실시하는 각 텐션레벨러는 최대 단일 롤이 10 mm인 압하량을 수행하고; 주조 블룸에 대해 경압하 작업 모드를 실시하는 각 텐션레벨러는 단일 롤이 5 mm 미만인 압하량을 수행하는 것을 특징으로 하는 대형 블룸의 연속주조 시 평롤과 볼록롤을 조합한 경압하 방법.
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