KR102631495B1 - 연속 주조 주편의 2 차 냉각 방법 - Google Patents

Abstract

설비 유지가 용이하고 냉각 능력의 균일성을 높일 수 있는 연속 주조 주편의 2 차 냉각 방법을 제공한다. 본 발명에 관련된 연속 주조 주편의 2 차 냉각 방법은, 연속 주조기 (1) 의 2 차 냉각대에 있어서의 수평대 (15) 의 주조 방향 전체 구간 또는 일부 구간에 있어서, 축간 거리 (P) (단위 : ㎜) 로 설치된 반경 (d) (단위 : ㎜) 의 가이드 롤 (19) 사이에, 분사 패턴이 사각형이 되는 스프레이 노즐 (21) 을 주편 폭 방향으로 나열하여, 주편 (5) 을 냉각시키는 연속 주조 주편의 2 차 냉각 방법으로서, 스프레이 노즐 (21) 의 각각으로부터 분무되는 냉각수의 수량 밀도가, 그 수량 밀도의 상기 주조 방향에 있어서의 최대치의 50 ％ 가 되는 2 개의 지점인, A 지점과 B 지점 사이의 거리 (L) (단위 : ㎜) 와, 축간 거리 (P) 의 관계가, 하기 식 (1) 을 만족함과 함께, 상기 A 지점 ∼ 상기 B 지점의 범위에서 핵 비등 상태를 유지하면서 냉각시키는 것을 특징으로 하는 것이다. L/P ≥ 0.70···(1)

Description

연속 주조 주편의 2 차 냉각 방법

본 발명은, 연속 주조 주편의 2 차 냉각 방법에 관한 것이다.

일반적인 연속 주조 주편의 제조 방법을, 수직 굽힘형의 연속 주조 설비를 예로 들어, 도 4, 도 5 에 기초하여 설명한다.

턴디시 (도시 없음) 로부터 주형 (3) 에 주입된 용강은, 주형 (3) 에서 1 차 냉각되고, 응고 쉘을 형성한 평판상의 주편 (5) 이 되어 평판상으로 수직대 (7) 를 강하하여 만곡대 (11) 로 진행된다. 그리고 만곡대 (11) 의 입측의 굽힘부 (9) 에 있어서 주편 (5) 은 일정한 곡률 반경을 유지하도록 복수의 롤 (도시 생략) 로 가이드되면서 구부러진다.

그 후, 교정부 (13) 에 있어서 곡률 반경을 순차적으로 크게 하면서 되굽혀지고 (교정되고), 교정부 (13) 를 나온 시점에서 주편 (5) 은 다시 평판상이 되어 수평대 (15) 로 진행된다. 수평대 (15) 에서 응고가 완료된 후, 주편 (5) 은 연속 주조기 (1) 의 출측에 설치된 가스 절단기 (17) 에 의해 소정 길이로 절단된다.

주편 (5) 은 주형 (3) 을 나온 후, 수직대 (7) 로부터 수평대 (15) 에 걸쳐서 중심부까지 응고를 완료시키기 위해서 물 스프레이 (물 일류체 스프레이나 물-공기 이류체 혼합 미스트 스프레이) 를 사용한 2 차 냉각을 실시하고 있다.

통상적으로, 2 차 냉각은 주형 바로 아래의 수직대 (7) 에 있어서 대유량의 물을 분사하여 강냉각을 실시함으로써 쉘의 강도를 확보하고 있다. 만곡대 (11) 이후에서는 반대로 냉각을 약하게 하여, 내부의 고온부로부터의 열 전도에 의해 표면 온도를 상승 (복열) 시키고 있다. 그리고 교정부 (13) 에 있어서 표면 온도가 취화 온도역 이상이 되도록 조정하여, 가로 균열의 발생을 회피하고 있다.

또한, 강종에 따라서는, 생산 효율 향상의 목적으로 주조 속도를 증가시켜, 주편 중심부가 미응고인 채로 교정을 실시하고, 연속 주조의 종반의 수평대 (15) 에서 강냉각을 실시함으로써 응고를 완료시키는 방법도 취해진다. 이들 강냉각대에서 냉각 능력에 불균일이 발생한 경우에는 주편 표면에 온도 편차가 생기고, 그것에서 기인한 열 응력에 의해 표면 균열이 발생한다. 또한 연속 주조 공정의 종반에서 강냉각을 실시할 때에는, 냉각 불균일에 의해 주편 중심부의 응고 완료 위치가 불균일이 되어 내부 품질에도 영향을 주게 된다. 그 때문에 강냉각대에서 안정적으로 높은 냉각 능력을 실현하기 위해서는, 냉각수가 주편 표면에서 핵 비등 상태를 유지하고 있는 것이 바람직하다.

2 차 냉각대에서는 복수의 가이드 롤 (19) 이 설치되어 있고, 냉각수는 이들 가이드 롤 (19) 의 간극에 분사된다 (도 5 참조).

냉각수의 분사 상황 (수평대 (15) 의 예) 을 주편 단변측으로부터 관찰하면, 도 5 에 나타내는 바와 같이, 스프레이 노즐 (21) 에 의한 냉각에서는 주편 표면에 냉각수가 직접 분사되는 직사 영역 (X) 과, 가이드 롤 (19) 의 접촉부 및 가이드 롤 (19) 에 의해 냉각수가 차단되어 냉각수가 직접 닿지 않는 비직사 영역 (Y) 이 발생한다.

직사 영역 (X) 에서는 노즐로부터 냉각수가 연속적으로 공급되기 때문에 높은 냉각 능력이 유지되지만, 비직사 영역 (Y) 에서는 가이드 롤 (19) 과의 접촉이나 체류수에 의한 발열 (拔熱) 만이 되어 냉각 능력이 저하된다. 그 결과, 직사 영역 (X) 으로부터 비직사 영역 (Y) 으로 주편이 이동하면 주편 표면 온도가 크게 상승한다 (복열). 이 때, 다음의 롤 사이에 있는 직사 영역 (X) 에 주편이 진입하여 신속하게 핵 비등 상태에는 이르지 않고, 주조 방향에서 비등 상태가 불안정하게 변화하여 큰 온도 변동이 발생한다. 또한 동일한 불안정한 비등 상태의 천이는 주편 폭 방향에서도 발생할 수 있기 때문에, 주편 폭 방향에도 큰 온도차가 발생하게 된다. 이들 온도 변동에 의해, 주편 표면에 열 응력이 발생하여 표면 균열이 발생하는 것 외에, 주편 폭 방향에서 응고 완료 위치가 불균일이 되어 내부 품질이 악화되는 등, 품질 상의 트러블을 초래하게 된다.

상기와 같은 연속 주조 공정의 2 차 냉각에 있어서의 국소적인 냉각 능력의 균일성을 높이는 방법으로서, 예를 들어 특허문헌 1 에서는, 주조 방향의 물 스프레이의 직사 범위 길이와 가이드 롤간 거리의 비를 규정하고, 냉각 능력의 균일성을 높이는 기술이 제안되어 있다.

또한, 특허문헌 2 에서는, 가이드 롤 사이에 주편 표면에 근접하는 냉매 가이드판을 형성하여 냉각수를 주편 표면에 널리 퍼지게 하는 기술이 제안되어 있다.

일본 공개특허공보 2003-136205호 일본 공개특허공보 2018-15781호

상기 특허문헌 1 의 기술에서는, 스프레이수의 직사부 면적을 넓게 취함으로써 주조 방향의 냉각 균일성 향상을 도모하고 있지만, 직사부에서의 비등 상태에 대한 언급은 없어, 상기의 강냉각 조건에서 안정적으로 핵 비등을 실현 및 유지할 수 있을지는 알 수 없다.

또한, 사용하는 스프레이수의 주편 폭 방향의 분사 패턴에 대하여 기술되어 있지 않지만, 2 조의 타원형인 것으로 추정할 수 있다. 이 때, 스프레이수의 폭 방향 단부는 중앙부에 비하여 스프레이 폭 및 수량 밀도가 저하하기 때문에, 목적으로 하는 냉각 능력의 균일성은 실현할 수 없게 되어 버린다. 더하여, 사용하는 스프레이 노즐로서 복수의 분사구를 갖는 것이 바람직한 것으로 되어 있지만, 노즐 형상이 복잡화하여 노즐 막힘의 리스크가 높아져, 이상적인 분무 두께를 확보할 수 없게 될 가능성이 높다.

한편, 특허문헌 2 의 기술에서는, 냉매 가이드판을 주편 표면에 접근시켜, 가이드판과 주편 표면 사이에 흐름이 빠른 수막을 형성함으로써 비비등 ∼ 핵 비등 상태를 실현할 수 있는 것으로 되어 있다.

그러나, 가이드판과 주편 표면이 매우 근접하고 있어 충돌의 위험성이 높고, 주편 표면에 흠집이 남을 가능성이나 가이드판이 손상될 가능성을 생각할 수 있다.

또한, 소 직경의 급수구가 주편 근방에 설치되기 때문에, 비록 충돌·손상은 하지 않았다고 해도 연속해서 사용했을 경우에, 스케일편 등으로 구멍 막힘을 일으킬 가능성도 있다. 가이드판의 손상이나 구멍 막힘에 의해 수막의 형성이 불균일해지면 핵 비등 상태를 실현할 수 없어 냉각은 불균일해진다. 그 때문에, 냉각 능력의 균일성 확보에는 설비의 건전성 유지가 중요해지지만, 롤간의 간극을 막도록 가이드판이 설치되어 있기 때문에, 점검시에 용이하게 탈착할 수 없게 되어 버린다. 그 때문에 주장하고 있는 바와 같은 균일한 냉각을 실시하기 위해서는 큰 설비 관리 비용이 들게 된다.

이상과 같이, 주조 방향과 주편 폭 방향 쌍방에서 안정적으로 핵 비등 상태를 실현 및 유지할 수 있는 물 스프레이의 분무 조건은 밝혀져 있지 않다.

본 발명은 이러한 과제를 해결하기 위해서 이루어진 것으로, 주편의 주조 방향과 폭 방향의 쌍방에서 안정적으로 핵 비등 상태를 실현, 유지하고, 그 결과, 설비 유지가 용이하고 냉각 능력의 균일성을 높일 수 있는 연속 주조 주편의 2 차 냉각 방법을 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.

상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명은 이하의 특징을 갖는다.

[1] 연속 주조기의 2 차 냉각대에 있어서의 수평대의 주조 방향 전구간 또는 일부 구간에 있어서, 축간 거리 (P) (단위 : ㎜) 로 설치된 반경 (d) (단위 : ㎜) 의 가이드 롤 사이에, 분사 패턴이 사각형이 되는 스프레이 노즐을 주편 폭 방향으로 나열하여, 주편을 냉각시키는 연속 주조 주편의 2 차 냉각 방법으로서,

상기 스프레이 노즐의 각각으로부터 분무되는 냉각수의 수량 밀도가, 그 수량 밀도의 상기 주조 방향에 있어서의 최대치의 50 ％ 가 되는 2 개의 지점인, A 지점과 B 지점 사이의 거리 (L) (단위 : ㎜) 와, 상기 축간 거리 (P) 의 관계가, 하기 식 (1) 을 만족함과 함께,

상기 A 지점 ∼ 상기 B 지점의 범위에서 핵 비등 상태를 유지하면서 냉각시키는 것을 특징으로 하는 연속 주조 주편의 2 차 냉각 방법.

L/P ≥ 0.70···(1)

[2] 상기 스프레이 노즐의 노즐 분사구와 상기 A 지점을 연결하는 직선과, 상기 노즐 분사구와 상기 B 지점을 연결하는 직선이 이루는 각도 (θ) (단위 : 도) 가 식 (2) 를 만족함과 함께, 상기 노즐 분사구의 상기 주편으로부터의 높이인 노즐 높이 (h) (단위 : ㎜) 가 식 (3) 을 만족하는 것을 특징으로 하는 [1] 에 기재된 연속 주조 주편의 2 차 냉각 방법.

180 - 4tan^-1 [3P/(20d)] ≤ θ ≤ 100···(2)

7P/[20tan(θ/2)] ≤ h ≤ [P - 2dtan {(180 - θ)/4}]/[2tan(θ/2)]···(3)

[3] 상기 스프레이 노즐의 각각이 분사하는 상기 냉각수의 수량 밀도가, 상기 스프레이 노즐에 의한 냉각 구간 내에 있는 상기 주편의 단위 표면적 당 400 (L/㎡)/min 이상 2000 (L/㎡)/min 이하인 것을 특징으로 하는 [1] 또는 [2] 에 기재된 연속 주조 주편의 2 차 냉각 방법.

본 발명에 의하면, 연속 주조기의 2 차 냉각대에 있어서 분사 패턴이 사각형이 되는 스프레이 노즐을 주편 폭 방향으로 나열하여, 각 스프레이 노즐로부터 분무되는 냉각수의 주조 방향 수량 밀도의 최대치의 50 ％ 가 되는 2 점 (A 및 B) 사이를 연결하는 거리 (L) (단위 : ㎜) 와 축간 거리 (P) 의 관계가, L/P ≥ 0.70 을 만족하도록 상기 가이드 롤과 상기 스프레이 노즐을 배치하고, 점 (A ∼ B) 의 범위에서 핵 비등 상태를 유지하면서 냉각시킴으로써, 주편 표면의 넓은 범위에서 안정적으로 핵 비등을 실현 및 유지하는 것이 가능해져, 안정적으로 고품질의 주편을 제조하는 것이 가능해진다.

도 1 은, 본 발명의 실시형태에 있어서의 스프레이 노즐의 분사 패턴 및 유량 분포의 설명도이다.
도 2 는, 본 발명의 실시형태에 있어서의 스프레이 노즐과 가이드 롤의 배치 관계를 설명하는 설명도이다.
도 3 은, 실시예의 설명에 있어서의 비교예 1 의 스프레이 노즐의 분사 패턴 및 유량 분포의 설명도이다.
도 4 는, 종래의 일반적인 연속 주조 설비의 개요를 설명하는 설명도이다.
도 5 는, 종래의 일반적인 연속 주조 설비에 있어서의 가이드 롤과 스프레이 노즐의 배치와 분사 상태의 설명도이다.

본 실시형태에 관련된 연속 주조 주편의 2 차 냉각 방법은, 주조 방향 상류측으로부터, 수직대 (7), 굽힘부 (9), 만곡대 (11), 교정부 (13), 수평대 (15) 의 순서로 구성되는 연속 주조기 (1) (도 4 참조) 의 2 차 냉각대에 있어서의 수평대 (15) 의 일부의 주조 방향 구간, 또는 수평대 (15) 의 주조 방향 전구간에 있어서, 축간 거리 (P) (단위 : ㎜) 로 설치된 반경 (d) (단위 : ㎜) 의 가이드 롤 (19) 사이에, 분사 패턴이 사각형이 되는 스프레이 노즐 (21) 을 주편 폭 방향으로 나열하고, 주편 (5) 을 냉각시키는 연속 주조 주편의 2 차 냉각 방법으로서, 각 스프레이 노즐 (21) 로부터 분무되는 냉각수의 주조 방향 수량 밀도의 최대치의 50 ％ 가 되는 2 점 (A 및 B) 사이를 연결하는 거리 (L) (단위 : ㎜) 와 축간 거리 (P) 의 관계가 하기 식 (1) 을 만족하도록 가이드 롤 (19) 과 스프레이 노즐 (21) 을 배치하고, 점 (A ∼ B) 의 범위에서 핵 비등 상태를 유지하면서 냉각시키는 것을 특징으로 하는 것이다.

L/P ≥ 0.70···(1)

본 실시형태에서는, 도 1 에 나타내는 바와 같이, 분사 패턴이 사각형이 되는 스프레이 노즐 (21) 을 사용하고 있다. 이와 같은 분사 패턴이 사각형이 되는 스프레이 노즐 (21) 을 사용한 이유는 이하와 같다.

가이드 롤 (19) 의 간극에 스프레이 노즐 (21) 을 배치하여 주편 표면의 냉각을 실시하는 경우, 주편 표면이 노출된 부분 (피냉각면) 의 형상은 가늘고 긴 (주편 폭 방향으로 길고, 주입 방향으로 짧은) 장방형이 된다. 이 가늘고 긴 장방형의 범위 내를 최대한 커버하고, 또한 균일하게 냉각수를 살수하기 위해서는, 사각형의 분사 패턴을 갖는 스프레이 노즐 (21) 을 주편 폭 방향으로 나열하여 배치하는 것이 바람직하다. 이와 같이 함으로써, 간극 없이 피냉각면에 균일하게 냉각수를 직사 가능하게 되고, 핵 비등을 균일하게 달성할 수 있어 국소적인 복열이 발생하지 않는다.

또한, 주편 폭 방향으로 이웃하는 스프레이 노즐 (21) 의 폭 방향 수량 밀도를 중첩했을 때에 랩부의 수량 밀도가, 단일로 분사했을 때의 수량 밀도의 최대치의 50 ％ 이상 100 ％ 이하가 되도록, 이웃하는 스프레이 노즐 (21) 의 분사 영역의 랩 여유를 설정하는 것이 바람직하다.

랩부의 수량 밀도가 최대치의 50 ％ 미만에서는 랩부의 수량 밀도가 불충분하여 냉각시에 핵 비등 상태에 이르지 않아 폭 방향으로 온도 불균일이 발생한다. 한편, 100 ％ 보다 커지는 경우에는 랩 범위가 지나치게 넓기 때문에 이웃하는 스프레이 노즐 (21) 의 냉각수끼리가 간섭하여, 실제로 분사했을 때에 상정한 대로의 수량 밀도 분포가 되지 않아 냉각이 불균일이 될 염려가 높아진다.

또한, 본 실시형태에서는, 각 스프레이 노즐 (21) 로부터 분무되는 냉각수의 주조 방향 수량 밀도의 최대치의 50 ％ 가 되는 2 점 (A 및 B) 사이를 연결하는 거리 (L) (단위 : ㎜) 와 축간 거리 (P) 의 관계가 L/P ≥ 0.70 을 만족하도록 가이드 롤 (19) 과 스프레이 노즐 (21) 을 배치하고 있다.

이와 같이 배치하는 이유는 이하와 같다.

핵 비등을 이용하여 강냉각을 실시하는 경우, 스프레이 노즐 (21) 의 냉각수의 직사부와 비직사부의 냉각 능력의 차는 현저하게 커진다. 그 때문에 직사부와 비직사부에서의 온도 변화가 커져 균열 등의 결함의 원인이 된다. 또한, 냉각수의 유량을 조였을 때에, 비직사부에서의 복열이 지나치게 크면 직사부에서도 핵 비등이 신속하게 실현되지 않아 온도 불균일의 원인이 될 수 있다.

이 점, L/P ≥ 0.70 이면, 비직사부가 되는 영역이 좁기 때문에, 직사부로부터 비직사부로 흘러 드는 냉각수가 주편의 냉각을 방해하지 않을 정도로 충분히 있기 때문에 온도 불균일은 발생하지 않는다.

또한, 주편에 충돌한 냉각수는, 직사부로부터 주위를 향하여 확산되도록 흘러 나간다. 이 때, 주조 방향으로의 흐름은 가이드 롤과 주편의 간극에 막혀, 주편 폭 방향을 향하는 흐름이 형성되어 배수된다. 그 때문에, 수량 밀도가 큰 경우에, 비직사부의 범위가 지나치게 작으면, 롤시의 흐름과 직사부가 간섭하게 될 가능성이 있다. 따라서, 2 점 (A 및 B) 사이를 연결한 거리 (L) 와 축간 거리 (P) 의 관계는, L/P ≤ 0.90 을 만족하는 것이 바람직하다.

또한, 본 실시형태의 스프레이 노즐 (21) 의 분사 패턴이 사각형이기 때문에, 주편 폭 방향으로 스프레이 두께가 변화하지 않아, 폭 방향 전체면에서 L/P 를 규정한 범위에 넣을 수 있다.

이 점, 특허문헌 1 의 스프레이 노즐과 같이 분사 패턴이 타원형인 경우에는, 주편 폭 방향의 단부에서는 직사부의 스프레이 두께가 작아지게 되어, 폭 방향 전체면에서 L/P 의 값을 규정한 범위에 넣는 것은 어렵다.

또한, 본 실시형태에서는, 안정적인 강냉각을 실시하기 위해서 핵 비등 상태의 실현 및 유지하는 것을 요건으로 하고 있다.

이 핵 비등 상태의 실현과 유지에는, 냉각수의 직사부 길이 이외에 수량 밀도도 중요한 인자가 된다. 수량 밀도가 충분하지 않으면, 주편 (5) 이 냉각수 직사부에 진입해도 즉시 핵 비등 상태에는 이르지 않고, 막 비등에서 온도가 저하한 후에 핵 비등으로 천이한다.

이 때, 냉각 속도는 폭 방향 위치 (주편 폭 중앙부, 주편 모서리부) 에 따라 상이하고, 막 비등으로부터 핵 비등으로의 천이점은 표면 성상의 영향을 받기 때문에, 핵 비등의 개시점이 주편 폭 방향에서 불균일하게 된다. 그 때문에, 폭 방향으로 큰 온도 편차가 생겨, 열 응력에 의한 표면 균열이나 폭 방향에서 내부 응고 완료 위치의 편차를 일으켜, 표면 및 내부의 결함의 원인이 된다.

그래서 발명자들은 냉각수 직사부에서 신속하게 핵 비등 상태가 실현 및 유지되는 수량 밀도에 대하여 검토한 결과, 400 (L/㎡)/min 이상 필요하다는 것을 알 수 있었다.

수량 밀도가 400 (L/㎡)/min 이상 필요한 이유는 이하와 같다.

주편 표면 온도가 고온일 때, 냉각수는 주편 표면에서 막 비등 상태가 되어 증기막이 발생한다. 분사한 수량 밀도가 400 (L/㎡)/min 미만에서는 수량 밀도가 작기 때문에, 냉각수의 충돌로 즉시 증기막은 붕괴되지 않고, 어느 정도 주편 표면 온도가 저하할 때까지 막 비등 상태가 유지된다. 그 후 표면 온도가 저하하여, 막 비등으로부터 핵 비등으로의 천이가 일어나면 급격하게 냉각이 진행된다.

이 때문에, 주편 표면 위치에 의한 표면 온도의 편차가 일단 발생하면, 비등 상태도 주편 표면 위치에 따라 상이하고, 그 결과 점점 더 온도 불균일이 확대된다.

한편, 수량 밀도가 400 (L/㎡)/min 이상에서는 주편 표면에서 증기막이 발생했다고 해도, 냉각수의 충돌에 의해 즉시 증기막이 붕괴하기 때문에 핵 비등 상태로 신속하게 천이한다. 그 때문에 주편 표면 위치에 따른 비등 상태가 균일화되어 온도 불균일이 발생하지 않는다.

한편, 핵 비등이 실현되면, 비등에 의한 냉각이 지배적이 되기 때문에 냉각 능력의 수량 밀도에 대한 의존성은 작아진다. 그 때문에 2000 (L/㎡)/min 보다 큰 수량 밀도에서는 냉각 능력의 큰 향상은 전망되지 않고, 사용하는 냉각수의 총량이 과대해져 수처리 설비의 설비 투자가 커지는 것으로부터, 강냉대에서의 수량 밀도는 400 (L/㎡)/min 이상 2000 (L/㎡)/min 이하의 범위에 있는 것이 적절하다.

무엇보다, 본 발명에 있어서는, 조업 조건 (주편 표면 온도, 냉각수의 충돌압 등) 에 따라서는 수량 밀도를 400 (L/㎡)/min 이상 2000 (L/㎡)/min 이하의 범위로 하는 것은 필수가 아니고, 핵 비등 상태가 되는 수량 밀도로 하면 된다.

예를 들어, 배관으로부터의 누수와 같은 설비 이상 등 어떠한 이유로, 소정 수량 밀도를 달성하지 못하여, 강냉각 구간에 진입 후, 신속하게 핵 비등 상태에 이르지 않은 경우에는, 비등 상태의 감시를 실시하면서 수량을 증가시켜 확실하게 핵 비등 상태를 달성 및 유지할 필요가 있다.

여기서, 냉각수가 주편 표면에 접촉하여 비등하면, 기화하여 수증기가 된다. 이 수증기가 공기 중에서 응결된 김 (수연) 이 관찰된다. 여기서, 핵 비등 상태에서는, 주편 표면에 접촉한 냉각수는 격렬하게 발포하여, 대량의 수증기가 발생하기 때문에, 수연의 발생량이 많아진다. 이에 반하여, 막 비등 상태에서는, 비등하는 냉각수의 발포가 적기 때문에, 수증기 및 수연의 발생량도 적어진다.

그래서, 각 구간에 카메라를 설치하고, 수연의 발생량을, 육안에 의한 관측이나 투과율계에 의한 계측에 의해 감시한다. 미리, 실험에 의해 핵 비등과 막 비등을 구별하는 수연의 발생량의 임계값을 구해 두고, 당해 수연의 발생량이 임계값을 초과하는지 여부를 확인함으로써, 소정 구간에서 핵 비등 상태가 달성되어 있는지를 확인할 수 있다. 그리고, 핵 비등 상태가 달성되어 있지 않은 경우에는 냉각수의 수량을 늘리도록 조정한다. 이로써, 확실하게 핵 비등 상태를 달성 및 유지할 수 있다.

또한, 비등을 포함한 대류 열 전달에 있어서, 유체 온도와 고체 온도는 양자가 접촉하는 점에서 국소적으로 동일해진다. 대기압하에 있어서 액체 상태의 물은 비점까지 밖에 온도가 상승하지 않기 때문에, 핵 비등이 실현되어 있으면, 주편의 표면 온도도 약 100 ℃ 가 되어 있는 것으로 생각된다. 이 때문에, 소형의 프로브를 갖는 접촉식의 온도계를 사용하여 주편 표면과 주위의 냉각수의 온도를 측정하고, 당해 온도가 100 ℃ 근방에서 안정되어 있는 것을 확인함으로써 핵 비등 상태가 달성되어 있는지 확인할 수 있다. 그리고, 핵 비등 상태가 달성되어 있지 않은 경우에는 냉각수의 수량을 늘리도록 조정한다. 이로써, 확실하게 핵 비등 상태를 달성 및 유지할 수 있다.

이상 설명한 바와 같이 본 실시형태에서는, 2 차 냉각대에 있어서의 강냉각을 실시하는 영역에 있어서, 분사 패턴이 사각형이 되는 물 스프레이를 사용하고, 가이드 롤 (19) 사이의 냉각수 직사부의 길이가 롤 간격의 70 ％ 이상이 되도록 분사각과 분사 높이를 설정하는 것으로 하고, 냉각수 직사부에서 핵 비등 상태를 유지하면서 냉각시킴으로써, 주편 표면의 큰 온도 변동을 억제할 수 있고, 표면 균열이나 응고 완료 위치 불균일 등의 표면, 내부의 결함을 예방하여 고품위의 주편 (5) 을 안정적으로 제조하는 것이 가능해진다.

이 본 실시형태의 효과에 대해서는, 후술하는 실시예에 있어서 실증하고 있다.

또한, 도 2 에 나타내는 바와 같이, 노즐 분사구의 중심을 점 (C) 으로 하여 직선 CA 및 직선 CB 가 이루는 각 (분사각) (θ) (단위 : 도) 은 수량 분포의 균일성을 유지하기 위해서 100 도 이하로 하는 것이 바람직하다.

또한, 스프레이 노즐 (21) 로부터 분무되는 냉각수의 주조 방향 수량 분포의 최대치의 50 ％ 가 되는 2 점 (A 및 B) 사이를 연결하는 거리 (L) (이하, 「직사부 길이 (L)」 라고 한다) 가, 식 (1) 을 만족하도록 분사각 (θ) 을 설정할 필요가 있다. 이하, 분사각 (θ) 의 만족하는 조건에 대하여 설명한다.

도 2 에 나타내는 바와 같이, P/2 - L/2 = Y (비직사부라고 한다) 의 길이에 대해서는, 하기 식 (4) 의 관계가 성립된다.

또한, 분사각 (θ) 은 직선 CA 및 CB 가 가이드 롤 (19) 과 접촉하지 않는 범위로 설정할 필요가 있다. 따라서 가이드 롤 (19) 에 직선 CA (또는 직선 CB) 가 외접할 때, 삼각형 DAE 에 대하여 하기 식 (5) 가 성립된다.

이상의 관계로부터 분사각 (θ) 은 식 (2) 의 범위에서 설정하는 것이 바람직하다.

분사각 (θ) 을, 식 (2) 를 만족하도록 결정하면, 주편 표면으로부터의 높이 (h) (단위 : ㎜) 의 범위도 동일하게 결정된다. 이하, 이 점에 대하여 설명한다.

어느 분사각 (θ) 에 대하여 직사부 길이 (L) 는 식 (6) 과 같이 기술할 수 있기 때문에, 이것을 식 (1) 에 대입하고, 높이 (h) 의 하한은 식 (7) 과 같이 나타낸다.

또한, 높이 (h) 의 상한은 직선 CA, CB 가 가이드 롤 (19) 에 접촉하는 위치이기 때문에 식 (8) 이 성립된다. 따라서, 식 (8) 에 식 (6) 을 대입하여 높이 (h) 에 대하여 변형하면, 높이 (h) 의 상한은 식 (9) 와 같이 나타난다. 따라서 높이 (h) 의 범위는 식 (3) 과 같이 된다.

상기 식 (2), (3) 을 만족하도록 스프레이 노즐 (21) 의 분사각 (θ) 과 분사 높이 (h) 를 설정함으로써 직사부 길이 (L) 의 크기가 가이드 롤 간격 (P) 의 70 ％ 이상이 되고, 직사부의 범위를 충분히 넓게 취할 수 있어 주편 표면 온도의 국소적인 변동을 방지할 수 있다.

실시예

본 발명의 효과를 확인하기 위해서 2 차 냉각 방법을 실시했기 때문에, 이하 이것에 대하여 설명한다.

수직 굽힘형의 연속 주조기 (1) (도 4 참조) 의 2 차 냉각대 중, 수평대 (15) 에서 강냉각을 실시하기 위해서 본 발명의 실시형태인 냉각 장치 (도 1, 도 2 참조) 를 사용하여 주편 (5) 을 제조하였다.

연속 주조기 (1) 의 기장은 45 m 이고, 기단에는 주편 표면의 온도 분포를 측정하는 온도계와 가스 절단기 (17) 가 설치되어 있다. 가이드 롤 (19) 의 반경, 간격, 사용하는 스프레이 노즐 (21) 의 분사각, 스프레이 노즐의 주편 폭 방향의 피치, 스프레이 노즐 설치 높이나 주조 속도, 수량 밀도를 변화시켜 슬래브를 제조하고, 냉각 중의 온도 불균일이나 주조 후의 주편 표면 성상이나 내부 결함, 제조 비용을 평가하였다.

또한 평가를 위하여 주조한 슬래브의 두께는 235 ㎜ 로 통일하였다.

주조의 조건 및 결과를 표 1 에 나타낸다.

비교예 1 및 실시예 1, 2 는, 각각 종래 기술의 조건과 본 발명의 기술을 적용하여 주조한 예이다. 비교예 1 에서는 분사 패턴의 형상이 타원형 (도 3 참조) 의 물 스프레이를 사용하였다. 이 스프레이의 주조 방향의 분사각은 30°로 작아 L/P = 0.21 이 되었다. 이 때문에, 냉각수의 직사부와 비직사부에서의 온도 변동이 커져, 제조 후의 주편을 검사한 결과, 주편 표면에서 온도 변동에 의한 표면 균열이 확인되었다.

또한 수량 밀도는 100 (L/㎡)/min 으로 작기 때문에 신속하게 주편 전체 폭에서 핵 비등 상태를 실현할 수 없었다. 그 결과, 효율적으로 냉각시킬 수 없어 주조 속도는 1.5 m/s 로 제한되었다. 더하여, 주편 중심부의 응고 완료 위치가 불균일이 되어, 중심 편석의 편재나 내부 균열과 같은 내부 결함도 발생해 있었다.

한편, 실시예 1 에서는 본 발명의 기술을 적용하여, 분사 패턴이 사각형인 물 스프레이를 사용하고, 분사각과 노즐 설치 높이의 관계를 적절히 설정함으로써 L/P = 0.72 를 실현하였다. 또한 수량 밀도는 400 (L/㎡)/min 로 하여, 주조 속도를 3.0 m/s 까지 증속하였다.

그 결과, 주조 방향의 온도 변동을 억제할 수 있고, 또한 주편 폭 방향으로 신속하게 비등 상태를 실현 및 유지할 수 있었다. 그리고, 주조 후의 주편을 검사한 결과, 표면, 내부 모두 결함은 확인되지 않아, 고품질의 주편을 고효율로 제조할 수 있었다.

또한, 실시예 2 에서는, 실시예 1 과 동일한 설비 배치로 냉각수의 수량 밀도를 2000 (L/㎡)/min 로 한 예이다. 그 결과, 주조 방향의 온도 변동을 억제할 수 있고, 또한 주편 폭 방향으로 신속하게 비등 상태를 실현 및 유지할 수 있었다. 그리고, 주조 후의 주편을 검사한 결과, 표면, 내부 모두 결함은 확인되지 않아, 고품질의 주편을 고효율로 제조할 수 있었다.

비교예 2 및, 실시예 3, 4 는 분사 패턴이 사각형인 물 스프레이를 사용하고, 수량 밀도는 400 (L/㎡)/min 로 하였다. 그 결과, 어느 예에서도, 냉각수의 직사부에 있어서 강냉각대 입구로부터 핵 비등 상태를 신속하게 실현 및 유지할 수 있었다.

그러나, 비교예 2 에서는 분사각 (θ) 이 70°이고 L/P = 0.65 가 되어 있었기 때문에 냉각수의 직사부와 비직사부에서의 온도 변동이 커져, 주조 후의 주편을 확인한 결과 표면 균열이 확인되었다.

한편, 실시예 3 에서는 실시예 1 에 비하여 분사각이 작은 (84°) 의 노즐을 사용했지만 노즐 높이를 조정함으로써 L/P = 0.70 을 실현하고, 주조 방향의 온도 변동을 억제할 수 있었다. 그리고, 주조 후의 주편을 검사한 결과, 표면, 내부 모두 결함은 확인되지 않아, 고품질의 주편을 고효율로 제조할 수 있었다.

또한, 실시예 4 에서는 실시예 1 에 비하여 분사각이 큰 (100°) 의 노즐을 사용하고, 노즐 높이를 조정함으로써 L/P = 0.73 을 실현하고, 주조 방향의 온도 변동을 억제할 수 있었다. 그리고, 주조 후의 주편을 검사한 결과, 실시예 3 과 마찬가지로, 표면, 내부 모두 결함은 확인되지 않아, 고품질의 주편을 고효율로 제조할 수 있었다.

비교예 3, 4 및 실시예 5, 6 에서는, 실시예 1 의 조건을 기준으로 하여 분사 높이를 변화시켰을 경우이다. 사용하는 노즐의 분사각이 95°일 때, 식 (3) 으로부터 분사 높이 (h) 의 범위는 97 ∼ 101 ㎜ 가 된다. 실시예 5, 6 은 각각 분사 높이 (h) 의 하한, 상한으로 설정했을 경우이며, 어느 조건에서도 L/P ≥ 0.70 을 만족하고 있고, 주조 후의 주편을 검사한 결과, 표면, 내부 모두 결함은 확인되지 않아, 고품질의 주편을 고효율로 제조할 수 있었다.

한편, 비교예 3 은 분사 높이 (h) 의 하한을 하회하고 있고 (h = 90 ㎜), L/P = 0.66 으로 0.70 을 하회했기 때문에 주편 표면 온도가 크게 변동하여, 주조 후의 주편을 확인한 결과 표면 균열이 확인되었다.

또한, 비교예 4 는 분사 높이 (h) 의 상한을 상회했을 경우이고 (h = 105 ㎜), 분사된 냉각수의 일부가 가이드 롤 (19) 에 차단되어 있었다. 그 결과, 가이드 롤 (19) 사이를 통과한 냉각수에 의해 직사부 길이는 L/P = 0.72 로 0.70 이상을 실현할 수 있었지만, 수량 밀도가 380 (L/㎡)/min 로 저하했기 때문에 안정적으로 핵 비등 상태를 실현할 수 없어, 주조 후의 주편을 확인한 결과 표면 균열과 내부 결함이 확인되었다.

비교예 5 는 실시예 1 과 동일한 스프레이 노즐 (21) 을 사용하여 수량 밀도를 350 (L/㎡)/min 로 저하시킨 예이다. 이 때, 비교예 4 와 마찬가지로 안정적으로 핵 비등 상태를 실현할 수 없었기 때문에, 주조 후의 주편을 확인한 결과 표면 균열과 내부 결함이 확인되었다.

비교예 6 및 실시예 7 은 실시예 1 과 동일한 스프레이 노즐 (21) 을 사용하여, 가이드 롤 (19) 의 반경 (d) 과 간격 (P) 을 80 ㎜ 와 250 ㎜ 로 변화시킨 예이다.

비교예 6 에서는 노즐 높이 (h) 를 실시예 1 과 동일한 설정으로 했기 때문에, 반경 (d) 과 간격 (P) 에 대한 높이 (h) 의 상한 (86 ㎜) 을 상회하고 있고, 냉각수의 일부가 가이드 롤 (19) 에 의해 차단되어 있었다. 그 결과, 가이드 롤 (19) 사이를 통과한 냉각수에 의해 직사부 길이는 L/P = 0.71 로 0.70 이상을 실현할 수 있었지만, 수량 밀도가 330 (L/㎡)/min 으로 저하했기 때문에 안정적으로 핵 비등 상태를 실현할 수 없어, 주조 후의 주편을 확인한 결과 표면 균열과 내부 결함이 확인되었다.

한편, 실시예 7 에서는 노즐 설치 높이를 85 ㎜ 로 조정함으로써 냉각수가 모두 주편에 분사되어 수량 밀도는 설정한 대로 400 (L/㎡)/min 이 되고, L/P = 0.74 로 0.70 이상을 실현할 수 있었기 때문에, 주편 표면의 온도 변동의 억제와 신속한 핵 비등 상태의 실현과 유지를 할 수 있었다. 그 결과, 주조 후의 주편을 검사한 결과, 표면, 내부 모두 결함은 확인되지 않아, 고품질의 주편을 고효율로 제조할 수 있었다.

이상과 같이, L/P ≥ 0.70 으로 하고, 또한 핵 비등 상태를 유지할 수 있는 조건으로 2 차 냉각시킴으로써, 주편의 표면, 내부 모두 결함이 발생하지 않아, 고품질의 주편을 고효율로 제조할 수 있는 것이 실증되었다.

실시예 1 ∼ 6 에서는 2 차 냉각대의 각 서포트 롤의 간극에, 250 ㎜ 간격 (폭 피치 250 ㎜) 으로 롤과 평행하게 일직선 상에 스프레이 노즐 (21) 을 배치하였다 (지그재그 배치 없음). 또한, 실시예 7 에서는 210 ㎜ 간격으로 스프레이 노즐 (21) 을 배치하였다. 이들 조건에서는 어느 경우에도 랩부의 수량 밀도는 최대치의 50 ％ 이상 100 ％ 이하의 범위에 들어가 있어, 상기 서술한 바와 같이 결함은 볼 수 없었다.

비교예 7 은, 실시예 1 에 대하여 스프레이 노즐 (21) 의 폭 피치만을 275 ㎜ 로 변경한 것으로서, 랩부의 수량 밀도는 최대치의 40 ％ 가 되어 있어, 안정적으로 핵 비등 상태를 실현할 수 없었다. 이 비교예 7 에서는, 스프레이 노즐 (21) 의 배치를 따라서 육안으로도 분명한 폭 방향의 온도 불균일이 확인되었다. 또한 주편 표면에는 폭 방향의 온도 불균일에서 기인한 것으로 생각되는 세로 균열이 발생해 있었다.

이것으로부터, 랩부의 수량 밀도가 최대치의 50 ％ 이상 100 ％ 이하의 범위가 되도록 스프레이 노즐 (21) 을 배치하는 것이 바람직한 것을 알 수 있다.

1 ; 연속 주조기
3 ; 주형
5 ; 주편
7 ; 수직대
9 ; 굽힘부
11 ; 만곡대
13 ; 교정부
15 ; 수평대
17 ; 가스 절단기
19 ; 가이드 롤
21 ; 스프레이 노즐
A, B ; 스프레이 노즐로부터 분무되는 냉각수의 주조 방향 수량 분포가 최대치의 50 ％ 가 되는 지점
C ; 노즐 분사구
θ ; 직선 AB 와 직선 BC 가 이루는 각도
P ; 가이드 롤의 축간 거리
d ; 가이드 롤의 반경

Claims (3)

1. 연속 주조기의 2 차 냉각대에 있어서의 수평대의 주조 방향 전구간 또는 일부 구간에 있어서, 축간 거리 P (단위 : ㎜) 로 설치된 반경 d (단위 : ㎜) 의 가이드 롤 사이에, 분사 패턴이 사각형이 되는 스프레이 노즐을 주편 폭 방향으로 나열하여, 주편을 냉각시키는 연속 주조 주편의 2 차 냉각 방법으로서,
   상기 스프레이 노즐의 각각으로부터 분무되는 냉각수의 수량 밀도가, 그 수량 밀도의 상기 주조 방향에 있어서의 최대치의 50 ％ 가 되는 2 개의 지점인, A 지점과 B 지점 사이의 거리 L (단위 : ㎜) 과, 상기 축간 거리 P 의 관계가, 하기 식 (1) 을 만족함과 함께,
   상기 A 지점 ∼ 상기 B 지점의 범위에서 핵 비등 상태를 유지하면서 냉각시키고,
   상기 스프레이 노즐의 노즐 분사구와 상기 A 지점을 연결하는 직선과, 상기 노즐 분사구와 상기 B 지점을 연결하는 직선이 이루는 각도 θ (단위 : 도) 가 하기 식 (2) 를 만족함과 함께, 상기 노즐 분사구의 상기 주편으로부터의 높이인 노즐 높이 h (단위 : ㎜) 가 하기 식 (3) 을 만족하고,
   상기 스프레이 노즐의 각각이 분사하는 상기 냉각수의 수량 밀도가, 상기 스프레이 노즐에 의한 냉각 구간 내에 있는 상기 주편의 단위 표면적 당 400 (L/㎡)/min 이상 2000 (L/㎡)/min 이하인 것을 특징으로 하는 연속 주조 주편의 2 차 냉각 방법.
   L/P ≥ 0.70···(1)
   180 - 4tan^-1[3P/(20d)] ≤ θ ≤ 100···(2)
   7P/[20tan(θ/2)] ≤ h ≤ [P - 2dtan{(180 - θ)/4}]/[2tan(θ/2)]···(3)
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