KR19990050906A - 침지노즐 침적깊이 최적화에 의한 주편 표면 결함 저감방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 강의 연속주조시 용강유동 제어장치를 사용하지 않고도 침지노즐의 형상 및 침적깊이를 최적화하여 몰드 슬래그층의 두께를 폭방향으로 균일하게 하므로써 주편 단면 및 코너부에 몰드 슬래그층의 불균일에 의해 발생하는 주편 결함을 효과적으로 감소시키도록 한 침지노즐 침적깊이 최적화에 의한 주편 표면 결함 저감방법에 관한 것으로, 폭 1000 - 1300㎜, 두께 200-250㎜ 의 몰드에서 0.8-1.4 m/min 의 주조속도로 강을 연속주조함에 있어서, 주조속도 및 침지노즐의 토출구 각도에 따른 침지노즐의 침적깊이를 제어하므로써 몰드내 몰드 슬래그층의 두께를 균일하게 하여 주편 표면 결함을 감소시키도록 함을 특징으로 하여, 고가의 전자기력 발생장치에 의한 용강유동제어를 하지 않고도 몰드내 용강유동을 최적화하여 균일한 몰드 슬래그층을 확보할 수 있고, 응고 불균일에 의한 주편 결함을 개선할 수 있는 효과가 있다.

Description

침지노즐 침적깊이 최적화에 의한 주편 표면 결함 저감방법

본 발명은 강의 연속주조시 용강유동 제어장치를 사용하지 않고도 침지노즐의 형상 및 침적깊이를 최적화하여 몰드 슬래그층의 두께를 폭방향으로 균일하게 하므로써 주편 단면 및 코너부에 몰드 슬래그층의 불균일에 의해 발생하는 주편 결함을 효과적으로 감소시키도록 한 침지노즐 침적깊이 최적화에 의한 주편 표면 결함 저감방법에 관한 것이다.

일반적으로 철강제품 생산을 위한 제강공정은 고로 혹은 전기로에서 용탕을 제조한 다음, 정련로에서 용강의 목표하는 조성 및 온도를 확보한 후 용강은 래들에 담기어 연속주조 공정으로 이동된다.

이동된 용강은 연속주조 공정 즉, 턴디쉬를 통하여 수냉 되는 몰드에 공급되어 응고가 되면서 주편(SLAB, BLOOM, BILLET)을 연속적으로 생산하게 된다.

도 1은 연속주조중인 몰드내 상황을 개략적으로 나타낸 것이다.

턴디쉬로부터 침지노즐(1)을 통해 용강(5)은 몰드(2)로 공급된다.

몰드(2)는 내부를 흐르는 냉각수에 의해 냉각되므로 용강(5)은 몰드(2) 벽측으로 부터 응고되어 응고셀(4)을 형성한다.

한편 6은 연속주조시 몰드(2)의 용강표면을 나타내는 것으로 통상 몰드레벨(mold level)이라 부른다.

이와 같이 생산된 강의 주편에서 발생하는 대표적 결함중 중요한 하나는 주편 표면이 주조 방향으로 폭은 약 1-2㎜ 길이는 300-1000㎜의 크기로 움푹 파인 형태의 디프레션(depression) 결함이다.

이러한 결함은 일반탄소강의 중탄소강(C 함량: 0.08-0.1%) 및 304 스테인레스강과 같이 응고 중에 포정반응을 갖는 강종에서 주로 발생하며, 그 이유는 응고중 응고수측이 크기 때문으로 알려져 있다.

또한, 이러한 결함은 주로 주편의 단면부 및 코너부에서 발생하는 경향을 보이고, 그 이유는 도 2에 나타낸 바와 같은 연속주조중 몰드내 용강유동의 흐름으로부터 설명된다.

일반적으로 침지노즐(1)을 통해 턴디쉬로부터 공급되는 용강(5)은 토출구(7)를 통해 몰드(2)로 빠져나오며, 몰드(2)의 양측면부쪽으로 강하게 흐르다가 하나는 몰드(2)의 상부로, 다른 하나는 몰드(2) 하부로 갈라져 흐르게 된다.

이때 몰드(2) 상부로 흐르는 용강류는 몰드(2) 상단에서 다시 방향을 바꾸어 침지노즐(1)쪽으로 흐르게 되고, 이때 단면부 및 코너부의 몰드 슬래그(3)를 끌고 흐르기 때문에 이 부위의 몰드 슬래그(3)의 두께는 중심부(침지노즐 주변)에 비해 매우 얇게 된다.

따라서, 이와 같이 단면부 및 코너부는 몰드 슬래그(3)의 유입이 불균일할 확률이 매우 높고, 특히 조업 조건이 불량하여 몰드레벨(6)의 변동이 심할 경우(변동폭이 몰드 슬래그의 두께보다 클 경우) 순간적으로 몰드 슬래그(3)의 유입이 단절되어 응고셀(4)로부터 몰드(2)로의 열전달이 심하게 불균일하게 된다.

왜냐하면 몰드 슬래그(3)의 핵심적인 기능중의 하나가 응고셀(4)과 몰드(2)사이에 균일하게 녹아 들어가 균일한 열전달을 확보하는 것이기 때문이고, 이러한 불균일 열전달은 특히 앞에서 언급한 포정반응을 갖는 강종에서는 대부분 주편 결함으로 연결된다.

이러한 결함을 해결하기 위한 지금까지의 연주 기술은 크게 두 가지로 요약된다.

첫째는 전자기 발생장치를 몰드(2)의 단면에 장착하여 토출구(7)로부터 빠져나오는 주 용강류의 흐름의 반대방향인 몰드의 단면에서 중심쪽으로 향하게 전자기력을 발생하도록 하는 방법이다.

이와 같이 하면 용강류는 반대 방향의 힘에 의하여 힘이 상쇄되어 속도가 감소되고 결과적으로 단면 및 코너부의 몰드 슬래그(3) 두께의 감소를 저감하게 되는 것이다.

그러나, 이러한 방법은 효과는 만족스럽지만 대단히 고가의 장비를 구입해야하고 또한 기존 설비를 개조 보완하고 이를 유지, 보수해야 하므로 상당한 비용이 드는 문제점이 있다.

다른 하나의 방법은 몰드(2)내 용강유동은 그대로 두고 열전달을 가능한 한 균일하게 하기 위하여 고염기도의 몰드파우더를 사용하는 것이다.

그러나, 이 방법은 위에서 언급한 문제를 근본적으로 해결하는 것은 불가능하고 또한 염기도를 높이게 되면 몰드파우더의 융점이 상승하고 이에 따라 융점 강하 성분을 다량 첨가하여야 하므로 가격이 상승하게 되어, 위의 결함을 저감하기 위한 보조적인 수단은 될 수 있어도 근본적인 방법은 될 수 없다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 발명된 것으로, 몰드 수모델 실험을 통하여 몰드내의 용강유동 현상을 자세히 관찰, 해석하여 특정한 조건에서 몰드내 용강 등의 역학적 관계를 이용하면 균일한 몰드 슬래그층을 확보할 수 있다는 것에 착안하여 고가의 전자기력 발생장치에 의한 용강유동제어를 하지 않고도 효과적으로 몰드내 용강유동을 최적화하여 균일한 몰드 슬래그층의 확보 및 응고 불균일에 의한 주편 결함을 개선하도록 한 침지노즐 침적깊이 최적화에 의한 주편 표면 결함 저감방법을 제공함을 그 목적으로 한다.

도 1은 강의 연속주조중 몰드내의 상황을 나타내는 개략도,

도 2는 강의 연속주조시 몰드내 용강 흐름 및 몰드 슬래그층의 몰드 폭방향에 따른 거동을 나타내는 설명도,

도 3은 수모델 실험시 각종 실험 변수의 정의를 나타낸 설명도,

도 4는 수모델 실험시 침지노즐 침적깊이가 몰드 슬래그층의 두께에 미치는 영향을 나타내는 그래프,

도 5는 침지노즐 침적깊이 및 토출구 각도가 적정하여 몰드 슬래그층이 폭방향으로 균일하게 분포되는 상태를 나타내는 설명도,

도 6은 침지노즐 침적깊이가 지나치게 낮고 침지노즐 토출각도 부적절하여 용강류에 의해 몰드 슬래그가 혼입되는 상태를 나타내는 설명도,

도 7은 침지노즐 토출각 및 주조속도가 임계 침적깊이에 미치는 영향을 나타내는 그래프,

도 8은 본 발명에 의해 계산된 임계 침적깊이와 실제 입계 침적깊이의 관계를 나타내는 그래프,

도 9는 본 발명을 적용한 결과 몰드 슬래그층의 폭 위치별 두께를 비교한 그래프,

도 10은 본 발명을 적용한 결과 몰드 단면부 동판온도의 편차를 비교한 그래프,

도 11은 본 발명을 적용한 결과 304 스테인레스강의 주편 표면의 디프레션 결함 발생정도를 비교한 그래프.

<도면의 주요부호에 대한 설명>

1: 침지노즐 2: 몰드

3: 몰드 슬래그 4: 응고셀

5: 용강 6: 몰드레벨

7: 토출구 d: 침적깊이

θ: 토출구 각도

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 폭 1000 - 1300㎜, 두께 200-250㎜ 의 몰드에서 0.8-1.4 m/min 의 주조속도로 강을 연속주조함에 있어서, 주조속도 및 침지노즐의 토출구 각도에 따른 침지노즐의 침적깊이를 하기 식에 의해 제어하므로써 몰드내 몰드 슬래그층의 두께를 균일하게 하여 주편 표면 결함을 감소시키도록 함을 특징으로 한다.

d = -19.43 + 1.8058 × (θ) + 96.5179(Vc)

여기서, d : 침적깊이(㎜)

θ: 토출구 각도(도)

Vc: 주조속도(m/min)

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명 침지노즐 침적깊이 최적화에 의한 주편 표면 결함 저감방법에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명에서는 주조 조건별 몰드내 용강의 유동을 해석하기 위하여 가장 널리 쓰이고 있는 수모델 실험을 하였다.

수모델 실험에서는 실제 주조 조건과 동일한 효과를 얻기 위하여 유체역학적인 상사조건(similarity)을 맞추어 주었다.

즉, 기하학적 상사조건은 실제 노즐 및 몰드의 크기를 일정한 비율(본 발명에서는 40% 축소 모델)로 축소된 실험장치를 제작하였으며, 동력학적 상사조건을 만족시키기 위하여 수모델 실험에서 가장 만족스럽게 사용되는 프라우두 수(Froud number)를 만족시킬 수 있도록 수모델 실험시 유량을 결정하였으며, 실제 주조시 용강 위의 몰드 슬래그의 거동을 동일하게 모사할 수 있도록 결정된 점도를 갖는 실리콘 오일을 사용하여 몰드 슬래그를 모사하였다.

이와 같이 유체역학적인 상사조건을 만족시키므로써 수모델 실험을 통하여 실제 주조시 몰드내 용강 유동 및 몰드 슬래그의 거동을 정확히 모사할 수가 있다.

도 3은 수모델 실험시 실험 변수의 정의를 나타내는 것으로, 침지노즐(1)의 침적깊이(d)는 몰드레벨(6)부터 토출구(7) 상단까지의 거리로 정의한다.

토출구 각도(θ)는 상향의 경우를 부호 "+"로 하고 하향의 경우를 부호 "-"로 하였다.

한편, 본 발명에서의 몰드 크기의 범위는 두께 200-250㎜, 폭 1000-1300㎜ 로 하였으며, 이 범위에서의 몰드의 두께 및 폭에 따라 실험 결과는 크게 변하지 않았으므로 이하의 실험결과에서는 이러한 몰드의 크기 범위가 모두 적용된 결과로 해석할 수 있다.

우선 침지노즐(1)의 침적깊이(d)가 몰드 슬래그층의 두께에 미치는 영향을 조사하였다.

도 4는 침지노즐 침적깊이에 따른 몰드 슬래그 두께를 나타낸 그래프이다.

몰드 슬래그층의 두께는 앞에서 설명한 바와 같이 중심부(침지노즐 부근)가 코너부에 비해 2배 이상 두꺼운 것을 알 수 있다.

그리고 주목할만한 것은 침지노즐 침적깊이(d)가 얕아지면 코너부의 몰드 슬래그층의 두께가 증가하고 반면 중심부는 감소하는 경향을 보인다는 것이다.

본 발명자는 이러한 현상에 착안하여 적절한 침적깊이(d)를 유지하면 중심부와 코너부의 몰드 슬래그층의 두께를 일정하게 유지할 수 있다는 것을 알았다.

도 5는 이러한 현상을 해석하기 위하여 수모델 실험시 유체의 흐름에 메틸렌블루 잉크를 트레이서(tracer)로 첨가하여 유동을 가시화한 결과로부터 유체의 흐름을 나타낸 것으로, 코너부위의 몰드 슬래그층의 두께가 증가한 이유는 토출구(7) 상단의 유체의 흐름에 기인하는 것을 알 수 있다.

즉, 토출구(7)를 나온 유체는 자세히 보면 두 가지 방향으로 나누어지는 것을 알 수 있고, 토출구(7) 상단의 유체는 몰드(2) 상부로 향하고 반면 토출구(7) 하단의 유체는 토출구(7) 아래쪽으로 향하게 된다.

여기서 주목할만한 것은 토출구(7) 상단의 흐름으로 이것은 코너부의 몰드 슬래그층을 얇게 하는 주원인인 토출구(7) 상단의 유체가 몰드(2) 단면에서 방향을 바꾸어 다시 침지노즐(1) 쪽으로 향하는 흐름과 반대의 방향으로 결과적으로 반향류의 힘을 상쇄시키는 역할을 하는 것으로, 결국 코너부의 몰드 슬래그층의 두께를 증가시키는 결과를 얻게 된다.

그러나, 지나치게 침지노즐(1)의 침적깊이(d)를 얕게하면 도 6에 나타낸 바와 같이 토출구(7) 상단의 흐름이 강하게되어 중심부에 나타낸 바와 같이 몰드 슬래그(3)를 몰드(2) 내로 혼입시키는 결과를 나타낸다.

이러한 경우 비록 몰드 슬래그층의 두께는 증가한다고 하더라도 몰드 슬래그(3)의 혼입에 의한 비금속 개재물의 증가에 의해 용강의 청정도가 크게 악화되어 오히려 더 큰 품질 문제를 야기시키므로, 몰드 슬래그(3)의 혼입이 시작되기 직전의 침적깊이가 임계 깊이가 됨을 알 수 있다.

이상의 침적깊이 변화실험으로부터 본 발명자는 주어진 주조 조건에서 이러한 임계 침적깊이만 알 수 있다면 몰드 슬래그(3)가 혼입되지 않으면서도 용강 유동을 이용하여 코너부의 몰드 슬래그층의 두께를 확보하므로써 주편 결함을 감소시킬 수 있다는 것을 알았다.

여러 가지 실험변수중 이러한 몰드 슬래그(3)의 혼입에 영향을 주는 지배적인 인자는 주조속도와 침지노즐의 토출구 각도이었다.

따라서, 본 발명자는 주조속도를 0.8, 1.0, 1.2, 1.4 m/min로 변화시키면서, 각각의 주조속도에 대해 침지노즐의 토출구 각도를 -15, -10, -5, 0, 5, 10, 15로 변화시키면서 실험을 하여 각각의 조건에서의 임계 침적깊이를 구하였다.

도 7은 주조속도의 변화에 따른 각각의 토출구 각도에서의 임계 침적깊이의 변화를 나타낸 그래프로, 임계 침적깊이는 토출구 각도가 상향으로 갈수록, 주조속도가 증가할수록 커지는 경향을 보여준다.

이러한 현상은 침적노즐의 토출구 각도가 상향으로 커지면 그 만큼 토출구를 빠져나온 유체가 상부의 몰드 슬래그에 강하게 작용하여 몰드 슬래그를 혼입시키는 것으로 해석되며 마찬가지로 주조속도가 커지면 토출되는 유체의 강도가 그 만큼 커져 몰드 슬래그의 혼입이 쉽게되기 때문이다.

본 발명자는 이러한 결과를 정량화하기 위하여 주조속도와 토출구 각도를 독립변수로 이때의 임계 침적깊이를 종속변수로하여 중회귀분석을하여 하기 수학식 1을 얻었고, 하기 수학식 1의 표준 편차는 ±5㎜이다.

d = -19.43 + 1.8058 × (θ) + 96.5179(Vc)

여기서, d : 침지노즐 침적깊이(㎜)

θ: 침지노즐 토출구 각도(도)

Vc: 주조속도(m/min)

도 8은 위의 수학식 1로부터 계산된 임계 침적깊이와 실제 측정된 임계 침적깊이의 관계를 나타낸 것으로 매우 양호한 일치성을 보여 준다.

이하, 본 발명의 일 실시예를 통해서 구체적인 효과를 설명한다.

<실시예 1>

도 9는 이상의 결과를 실제 304 스테인레스강의 연속주조시 적용한 결과 몰드 슬래그층의 두께를 나타낸 것으로, 몰드 슬래그층의 두께는 서로 융점이 다른 K-type 열전대와 구리선을 이용하여 측정하였다.

종래의 방법과 본 발명에 의해 도출된 침지노즐 침적깊이를 적용한 결과, 본 발명의 방법에 의해 몰드 폭방향 중심부와 코너부의 몰드 슬래그층의 두께의 차가 크게 균일해졌음을 확인할 수 있다.

<실시예 2>

도 10은 몰드 모니터링용 열전대를 이용하여 주조중 몰드 단면부의 용강레벨 직하 30㎜ 지점의 몰드 온도를 측정한 온도 편차를 비교한 것이다.

본 발명의 방법에 의해 온도 편차는 50% 이상 감소한 것을 알 수 있다.

이러한 결과는 앞에서 설명한 바와 같이 몰드 슬래그층의 확보에 의해 응고셀로부터 몰드로의 열전달이 균일하게 되었기 때문이다.

<실시예 3>

도 11은 주편 디프레션 결함 발생량을 비교한 것이다.

본 발명을 사용한 결과 주편 디프레션 결함 역시 대폭 감소한 결과를 보여주며, 이러한 결과는 상기 실시예 1, 2에서 설명한 균일한 열전달에 의한 것으로 판단된다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명 침지노즐 침적깊이 최적화에 의한 주편 표면 결함 저감방법을 사용하면, 고가의 전자기력 발생장치에 의한 용강유동제어를 하지 않고도 몰드내 용강유동을 최적화하여 균일한 몰드 슬래그층을 확보할 수 있고, 응고 불균일에 의한 주편 결함을 개선할 수 있는 효과가 있다.

Claims (1)

1. 폭 1000 - 1300㎜, 두께 200-250㎜ 의 몰드에서 0.8-1.4 m/min 의 주조속도로 강을 연속주조함에 있어서, 주조속도 및 침지노즐의 토출구 각도에 따른 침지노즐의 침적깊이를 하기 식에 의해 제어하므로써 몰드내 몰드 슬래그층의 두께를 균일하게하여 주편 표면 결함을 감소시키도록 함을 특징으로 하는 침지노즐 침적깊이 최적화에 의한 주편 표면 결함 저감방법.

   d = -19.43 + 1.8058 × (θ) + 96.5179(Vc)

   여기서, d : 침적깊이(㎜)

   θ: 토출구 각도(도)

   Vc: 주조속도(m/min)