KR20000044839A

KR20000044839A - 턴디쉬의 용강중에 포함된 개재물 제거방법

Info

Publication number: KR20000044839A
Application number: KR1019980061339A
Authority: KR
Inventors: 조정수; 유성종
Original assignee: 이구택; 포항종합제철 주식회사
Priority date: 1998-12-30
Filing date: 1998-12-30
Publication date: 2000-07-15

Abstract

본 발명은 연속주조공정에서 턴디쉬에 유입되는 용강중에 포함되어 있는 탈산 생성물을 턴디쉬의 바닥을 통하여 투입되는 미세기포와 용강 낙하지점에 부설된 구조물에 의해 효과적으로 제거할 수 있게한 턴디쉬의 용강중에 포함된 개재물 제거방법에 관한 것으로,

즉, 롱 노즐을 통해 턴디쉬에 수직으로 낙하되는 용강의 유속에 대응하도록 턴디쉬의 하부에 아르곤(Ar)을 공급하는 적어도 하나의 노즐을 설치하여 용강에 충돌되는 기포가 미세화 되면서 용강중의 개재물에 포집 및 부착되어 부상 분리시키게 된 것이며, 이때 상기 턴디쉬의 바닥을 통하여 아르곤을 공급하는 노즐을 porous질 내화물로 대체하는 것과, 턴디쉬에 용강을 공급하는 롱 노즐의 하부 직경에 대해 약 1.5∼2배 정도의 범위로 장애물로 된 용강 수입구를 형성하여 용강의 체류시간을 향상되게 한 것이다.

Description

턴디쉬의 용강중에 포함된 개재물 제거방법

본 발명은 턴디쉬의 용강중에 포함된 개재물 제거방법, 더욱 상세하게는 연속주조공정에서 턴디쉬에 유입되는 용강중에 포함되어 있는 탈산 생성물을 턴디쉬의 바닥을 통하여 투입되는 미세기포와 용강 낙하지점에 부설된 구조물에 의해 효과적으로 제거할 수 있게한 턴디쉬의 용강중에 포함된 개재물 제거방법에 관한 것이다.

일반적으로, 제강공정에서 탈산 및 합금철 투입을 거친 강중에는 다수의 탈산 생성물(AL2O3, TiO2, CaO, CaS, MnS 등)이 존재하게 되며 응고 및 압연과정을 거치면서 그 개재물의 형상과 크기 및 화학적인 특성에 따라 일부는 결함으로 발전 할 가능성을 내포하고 있다.

현재 제강공정에서 용강의 청정도는 대개 총 산소량(O)이 15ppm정도로, 강의 표면이나 내부개재물 중에서 그 폐해가 가장 많은 것은 알루미나(AL203)가 주종을 이룬다.

2차정련 과정을 거친 강중에서 개재물의 대다수는 초기에는 미세(1∼10㎛)의 개재물이 전체의 80∼90%를 점유하지만, 개재물과 용강간의 계면에너지 차이와 모세관 현상으로 설명되는 인력의 영향 등에 의해 망상의 개재물의 덩어리(cluster)로 존재하게 되는데, 일정시간이 경과한 후에는 결함요인으로 작용할 수 있는 크기로 성장하게 된다.

이와같은 현상을 제어하기 위해서는 근본적으로 강의 청정성이 좋아야 하지만 현실적으로 완전한 미립의 구상화 개재물을 만드는 것은 일반적인 공정의 흐름에서는 곤란한 점으로 인식되어 왔다.

또한 제강공정에서 용강상태에서의 개재물 크기의 제어한계는 대략 50㎛이상으로 그 이하의 크기를 갖는 것은 용강중에서 갖는 부력이 과소함으로 인해 자체 부상분리 제거가 곤란하였다.

따라서, 제강공정에서는 상기와 같은 개재물의 혼입을 최소화 하기 위하여 다양한 방안이 강구되어 실공정에 적용중에 있으며, 그중 래들 하부에서의 불활성 기포투입에 의한 기포흡착 제거와 개재물 흡수성능이 우수한 합성 슬래그 투입, 턴디쉬 용강 유동패턴의 최적화 등 다양한 방안(도 1a 및 1b참조)이 제시되어 왔으며, 최근에는 전자기를 이용한 몰드내 용강 유동제어를 목적으로 많은 연구와 실험이 진행되어 왔다.

상기와 같은 방법은 설비의 직접투자 및 원가 상승의 요인을 갖고 있는 것이 보통이며, 기포를 이용한 경우는 그중에서 비교적 저렴한 방법이면서 그 효과 또한 공인된 것이기는 하나 기포 자체의 결함화 가능성 때문에 일부에서 제한적으로 이용되고 있을 뿐이다.

한편, 정련과정을 거친 용강은 래들에서 턴디쉬로 이동하게 되며 이 과정에 래들에서 용강중의 개재물을 제거할 목적으로 아르곤(Ar)을 투입하는 방안dl 있었으나, 래들내에 Back Mixing Zone이 발생됨으로 인하여 전체용강의 균일한 혼합에 문제가 발생되어 균등하게 믹싱하기 위해 장시간이 소요되었으며, 근본적으로 사용 곤란한 요인은 기포의 투입후 기포가 상승도중에 합체 성장함으로서 슬래그층이 깨어지게 되고 이 과정에서 용강의 재산화가 유발되는 점이 강의 청정성 확보를 어렵게 하였다.

또한 기존에 실시되고 있는 강중 개재물 제어 방으로는 턴디쉬 하부, 즉 댐이나 몰드측 침적노즐의 상부측에서 Ar을 투입하는 방법이 있는데, 이와 같은 것은 턴디쉬내 용강의 높이가 래들에 비해 상대적으로 적기 때문에 기포(Bubble)의 성장이 상대적으로 적은 것이 예상된다.

그러나 기포의 투입 그 자체가 결함의 원인으로 작용될 수 있고 나탕에 의한 재산화 가능성도 여전히 존재하게 되므로 Ar투입은 동일한 개재물 제거효과에 대해서는 양이 적을 수록 좋다고 할수 있다.

본 발명은 위와 같은 종래의 턴디쉬에 공급되는 용강중의 개재물 제거에 따른 문제점을 감안하여 안출한 것으로, 그 목적은 용강의 유동시에 발생되는 자연적인 힘을 이용하여 별도의 설비투자 없이 저비용으로 개재물의 제거효율을 극대화할 수 있는 턴디쉬의 용강중에 포함된 개재물 제거방법을 제공하는 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 고안은, 롱 노즐을 통해 턴디쉬에 수직으로 낙하되는 용강의 유속에 대응하도록 턴디쉬의 하부에 아르곤(Ar)을 공급하는 적어도 하나의 노즐을 설치하여 용강에 충돌되는 기포가 미세화 되면서 용강중의 개재물에 포집 및 부착되어 부상 분리시키게 된 것이며, 이때 상기 턴디쉬의 바닥을 통하여 아르곤을 공급하는 노즐을 porous질 내화물로 대체하는 것과, 턴디쉬에 용강을 공급하는 롱 노즐의 하부 직경에 대해 약 1.5∼2배 정도의 범위로 장애물로 된 용강 수입구를 형성하여 용강의 체류시간을 향상되게 한 것을 특징으로 한다.

도 1a는 종래의 턴디쉬의 조업상태를 나타낸 단면구성도이고, 1b는 상기 턴디쉬의 평면구성도,

도 2a, 2b는 본 발명의 각 실시예의 개재물 제거방법이 적용된 단면구성도이고, 2c는 상기 실시예의 평면구성도,

도 3a, 3b는 상기 도 2c에 대한 정면 및 측단면도,

도 4는 본 발명의 실시예에 의한 용강중 기포와 개재물의 포집 및 부상단계를 나타낸 모식도,

도 5a, 5b는 본 발명의 실시예에 의한 기포의 분쇄 전후상태 예시도,

도 6은 본 발명의 용강 수입구 크기별 기포직경의 변화 및 교반상태를 나타낸 선도이다.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >

10 : 노즐 20 : 롱 노즐

30 : 내화물 40 : 장애물

T/D : 턴디쉬

이하, 본 발명의 턴디쉬의 용강중에 포함된 개재물 제거방법을 첨부도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 턴디쉬에서의 아르곤(Ar) 버블링(Bubbling)을 실시하는 것에 대한 기포 이용효율을 증대 시킬목적으로 래들에서 턴디쉬로 낙하되는 용강의 관성력을 이용하여 래들내 용강의 토출구 수직하부에 위치한 턴디쉬 바닥으로부터 상향으로 아르곤을 투입하는 것으로, 이 경우 용강의 흐름은 수직방향으로 전환되고 기포는 표면의 전단력에 의해 잘개 부수어지면서 미세하게 됨에 따라 개재물과의 충돌부피가 증가하게 된다. 여기서 기포의 최대 크기는 다음의 Sevick 에 의해 설명되어진 식(참고문헌 1)에 따라 표시되어 질수 있고 아래와 같이 표시할 수 있다.

Dmax = (Wecσ_L/ρ_L)^0.6/ε^0.4

ε = (0.001Uin²)2/3/0.05Din

여기서 Dmax = 기포의 최대크기(M)

ε : Dissipation energy(1/s)

Din : 유체가 흐르는 pipe 직경(m)(여기서는 용강 수입구의 직경을 나타낸 것으로 도 2b참조)

Uin : 유체의 속도 (여기서는 용강의 낙하위치의 속도, m/s)

σ_L: 용강의 표면장력

ρ_L: 용강의 밀도

위 식으로부터 임계기포의 직경을 구하기 위해서는 기 경험식으로부터 Wec값이 1.2∼1.3을 갖는 것을 이용하면 최대 기포크기를 구할 수 있다.

상기 식에 의하여 기포크기를 구하기 위한 조업조건을 표1에 표기하고 그 결과를 다음 표2에 나타냈으며, 상기 결과를 그래프로 나타내면 도 6과 같다.

항목단위계산	노즐직경	노즐면적	토출유량	비중	부피/분	속도	표면장력(σ_Fe)
	D,m	A,㎡	T,kg/min	ρ,kg/㎥	Q,㎥/min	V,m/min	V³,m/sec	N/m
		π(D.2)²			T/ρ	Q/A
값	0.11	0.0095	6000	7000	0.86	90.2		1.89

수압구간길이(L)	m	0.11	0.12	0.13	0.14	0.15	0.16	0.17	0.18	0.19
면적(A1)	원의 면적π(L/2)²	0.009503	0.01131	0.013273	0.015394	0.017671	0.020106193	0.022698007	0.025447	0.028353
Wec	임계 Weber수	1.3	1.3	1.3	1.3	1.3	1.3	1.3	2.3	3.3
노즐내부속도(Vⁿ)	(A/A1)*Vⁿ	1.503234	1.263134	1.07628	0.928017	0.808406	0.710513139	0.629381881	0.561393	0.503854
ε	0.001*V^ε2/(0.051)	3.130927	2.275699	1.69689	1.293133	1.004103	0.792512579	0.634551277	0.514573	0.422036
Dmax	(WecσL/ρL)^0.6/ε^0.4	0.005357	0.006086	0.006844	0.00763	0.008443	0.009280723	0.010143728	0.015534	0.020883

이때, 용강의 속도는 래들과 턴디쉬간을 연결하는 롱(Long)노즐의 토출구의 속도를 그대로 이용하여 계산하였다.

용강수입구의 직경(Din)을 토출구 대비 1.2배∼1.5배로 정하면, 기포의 크기는 4mm를 초과 할 수 없으므로 기포의 크기가 1∼5mm인 경우 50㎛이하의 알루미나는 일단 포집된 상태에서는 이탈 가능성이 없는 것으로 알려져 있음(토출구 유속 1.0∼2.0m/s)(참고문헌 2 ; L.Wang).

여기에서 기포가 개재물을 포집하여 부상되는 것은 개재물과 용강의 물리적 특성에 따라 결정되며, 대표적인 것은 용강간에 이루는 접촉각으로 용강과 개재물간의 접촉각은 130。(참고문헌 3) 정도로 개재물과 기포는 충돌과 동시에 부착되는 것을 알수 있다.(젖는 성질은 90。 이상)

이와같이 용강중에 기포를 분사하여 미세화 하는 경우 강중의 개재물은 용강 수입구 측에서 난류발생과 더불어 교반이 일어나면서 기포와 개재물(도 5a, 5b참조)과의 충돌 및 포집 가능성을 높인다.

이때 개재물의 부착 부상분리 특성은 도 3에 표시된 바와 같이 부착되어 부상된다.

이러한 개재물의 부상분리 효과를 결정하는 요소는 기포의 유량 개재물의 젖음성과 턴디시의 형상등이 주요인으로 작용된다. 그중 기포의 유량은 최소화 되는 것이 주편의 홀(Hole)성 결함 가능성을 줄이는 측면에서 최소한의 양으로 가능한 많은 양의 개재물을 포집 부상시키는 측면에서 중요하다.

본 발명의 방법을 사용할 때에는 투입된 기포의 미세화 결과로 기존방법 대비 고효율의 개재물 제거 효율을 낼수 있는 장점이 있다. 또한 기포와 개재물의 합체로 턴디시내 체류시간의 장시간화를 이룰수 있다.

나탕발생은 기존의 방법에 비하여 최소화 될 수 있으며, 기포분쇄는 특별히 턴디쉬의 용강 레벨이 낮은 경우가 용강의 낙하 속도가 클 것이므로, 그 효율은 용강의 초기 주조되는 주편의 개재물성 결함의 품질향상이 기대된다.

기포를 투입하는 방법으로는 첫째, 용강의 낙하부에 Φ1∼5mm정도의 직경을 가진 단공 형태의 노즐(10)을 턴디쉬(T/D) 하부에서 삽입하는 방법과 둘째, 비교적 넓은 범위 즉 롱 노즐(20)의 단면적 대비 적은 면적(노즐하부 직경1.2∼1.5배 직경)에 porous질 내화물(30)을 삽입하는 방법이 있다(도 2a참조).

이때, 노즐(10)을 설치하거나 porous질 내화물(30)을 투입하는 경우 모두 롱 노즐(20)의 직하부 수직된 면에 설치하는 것이 중요하다.

이와 도 2b 및 2c와 같이 상기 노즐(10)과 내화물(30)과 연계하여 별도로 노즐 하부 직경의 1.5∼2배 정도의 장애물(40)을 설치하여 용강 수입구를 형성하는 방법이 있는 데, 이는 턴디쉬의 특성에 따라 용강의 체류시간 확보가 필요한 웨어(Weir) 또는 댐(Dam)이 없는 경우에 적용이 가능하다.

이와 같은 본 발명의 턴디쉬의 용강중에 포함된 개재물 제거방법은 용강중에 기포를 분사하여 미세화 하여 용강 수입구 측에서 난류발생과 더불어 교반이 일어나면서 용강중의 개재물과 충돌되면서 용강을 포집함에 따라 현재 조업에서 사용중인 턴디시에서의 개재물 제어 한계인 50㎛이하의 개재물을 종래에 비해 현저하게 제거할 수 있는 효과가 있다.

또한 주조 초기에 주편에서의 용강재산화에 의한 개재물 제거에는 용강의 유속이 상대적을 빨라지기 때문에 개재물의 포집효율이 증대되는 장점도 있다.

※참고문헌

참고문헌 1 : M Sevick and S.H. Park, Trans. ASM, March(1973),53

참고문헌 2 : L. Wang, ISIJ International vol.36(1996),pp7,pp17

참고문헌 3 : Transfer of the ISS, June 19

Claims

롱 노즐을 통해 턴디쉬에 수직으로 낙하되는 용강의 유속에 대응하도록 턴디쉬의 하부에 아르곤(Ar)을 공급하는 적어도 하나의 노즐을 설치하여 용강중에 기포를 충돌되게 하고, 상기 롱 노즐의 하부에 그 직경에 대해 약 1.5∼2배 크기로 장애물로 된 용강 수입구를 형성하여 용강의 체류시간를 지연시켜 기포를 미세화 시키면서 용강중의 개재물에 포집 및 부착되어 부상 분리시킴을 특징으로 하는 턴디쉬의 용강중에 포함된 개재물 제거방법.