KR20000045533A - 연속주조시 턴디쉬 노즐 막힘 방지 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연속주조시 사용되는 턴디쉬 노즐의 막힘 방지 방법에 관한 것으로, 극저탄소강의 연속주조시 노즐막힘을 감지하기 위하여 노즐내로 가스를 취입하는 가스배관(13)에 설치된 압력게(14)로 취입되는 가스 압력을 실시간으로 감시하여, 노즐막힘 초기압력이 증가하는 시점에 노즐 지금(地金) 부착층을 성장시키는 초기 반응층을 파괴하도록 가스배관을 통해 취입되는 가스 압력을 증가시켜 펄스상으로 공급하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 연속주조기의 턴디시 노즐을 통한 주형내로의 용강의 주입에 의한 주편 제조시 발생하는 턴디시 노즐의 부착층 형성에 의한 노즐 막힘을 초기부터 방지할 수 있어서 주조를 중단함이 없으므로 주조 생산성이 향상될 수 있으며, 제조되는 주편의 품질도 향상시킬 수 있다.

Description

연속주조시 턴디쉬 노즐 막힘 방지 방법

본 발명은 극저탄소강 연속주조시 사용되는 턴디쉬 노즐의 막힘 방지 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 노즐의 막힘 초기시점을 감시하여 압력이 증가하는 시점에 펄스상으로 가스를 공급하여 초기 반응층을 파괴하는 연속주조시 턴디쉬 노즐 막힘 방지방법에 관한 것이다.

연속주조 공정은 도 1 도시와 같이 래들(1)의 용강을 턴디시(2)를 거쳐 주형(3)으로 공급하여 1차로 응고시키고 살수냉각(4)에 의하여 잔류용강을 완전히 응고시켜 주편(5)으로 제조하는 공정이다.

도 2 도시와같이, 턴디시(2)에서 주형(3)으로는 상노즐(6)과 슬라이딩 게이트(7,8,9) 및 침지노즐(10,11,12)을 통하여 주형(3)으로 용강이 공급되며, 슬라이딩 게이트는 상부플레이트(7), 중간플레이트(8), 하부플레이트(9)로 구성되며, 중간플레이트(8)가 주형(3)의 두께방향으로 움직이면서 침지노즐(10,11,12)로 공급되는 용강의 유량을 제어한다.

침지노즐은 2중구조로 다공질의 내공체(10)와 치밀한 외공체(11) 그리고 이들간의 가스 슬릿(12)으로 구성된다. 가스 슬릿(12)에 Ar가스를 공급하여 다공질의 내공체(10)를 통하여 용강측으로 가스를 공급하여 부착층(14)이 내공체(10)의 용강측 벽에 생성되지 않도록 한다.

그럼에도 불구하고 주조시간이 경과되면 노즐벽면에 부착층(14)이 생성, 성장하면서 노즐을 막는 소위 노즐막힘(Nozzle Clogging)현상이 발생한다. 노즐 막힘 현상이 발생하면 중간플레이트(8)를 100% 열어도 주조하기에 충분한 용강량이 공급되지 않아서 결국은 주조를 중단해야 한다.

이 경우 주조중단으로 인하여 잔류용강을 주조하지 못하는 막대한 손실을 초래하게 된다. 이러한 이유로 인하여 노즐막힘에 대해서는 많은 연구자들이 연구해왔다.

노즐막힘의 원인으로는, 용강의 온도 강하로 인한 지금성장, 용강중 비금속 개재물의 부착· 성장, 슬라이딩 게이트 틈새로 스며든 공기에 의한 용강 재산화 개재물의 생성, 내화물과 용강간 반응에 의한 개재물 부착층 생성등 여러가지 원인이 제시되어 왔다.

이전의 노즐막힘 연구는 주로 Al 탈산 저탄소강의 노즐막힘 현상에 대한 것이었다. 부착층중에 지금과 더불어 대부분 알루미나 개재물이 혼재하므로 알루미나 개재물의 원천을 제거하거나 노즐벽을 통한 열전달로 인한 용강의 응고방지가 주대책이었다.

알루미나 개재물의 원천을 제거하는 것은 정련공정에서의 개재물 저감, 노즐내 유동 정체영역 최소화로 와류에 의한 개재물의 노즐벽 부착 저감, Ar가스 량을 증가시키는 것, 노즐내 틈새 최소화, 내화물의 재질변경등의 대책이 제시되어 왔다.

그러나 Ar가스의 량을 증가시키는 것은 노즐막힘은 줄일 수 있으나 주형내 탕면 변동을 유발하여 주편의 기포 결함을 유발하므로 한계가 있다.

내화물 재질은 알루미나 개재물이 노즐벽에 부착시 저융점 개재물을 형성시켜 부착층이 용강류에 유실되도록 하여 성장을 억제시키는 방법이나, 용강의 청정성을 악화시키는 문제점이 있다.

용강의 응고방지를 위해서 여러가지 아이디어가 제안되었다. 노즐벽 내에 단열 슬릿을 설치하는 방법등이 제안되었으나 제작상의 문제점과 효과면에서 미흡하고, 전자력을 이용하여 노즐내 용강 혹은 노즐을 가열하거나 용강 유동을 부가하는 방법등이 제안되었으나 고열의 내화물중에 코일을 설치시 탄소질의 노즐자체의 가열로 인한 재질의 열화가능성, 코일냉각수의 누수로 인한 폭발 가능성과 유지 보수의 어려운 점으로 인하여 실용성이 없어 아직까지 현장 적용된 예가 없다.

또한, 적용된다 하더라도 근본적으로 용강과 노즐간의 접촉으로 인한 용강중 지금의 응고 및 개재물의 부착 사이트(site)인 반응층의 생성을 피할 수 없기 때문이다.

최근에는 탈탄기술의 발전에 따라 극저탄소강의 생산이 증가하면서 노즐막힘 발생율이 더욱 높아 이로 인한 생산성 및 품질 저하문제가 크다. 극저탄소강은 대부분 냉간압연용으로 기존 저탄소강은 노즐막힘 속도가 기존 저탄소강에 비하여 훨씬 빠르나, 이에 대한 원인은 미규명 상태이다.

현재까지 알려진 바로는 노즐과 용강 계면에 Al-Ti-O계의 반응층이 형성되고 여기에 알루미나 개재물을 함유한 지금층이 부착되며, 주로 주형내 용강에 침적된 노즐 하부 보다는 대기와 접한 노즐 상부에 부착층이 형성된다는 것이다.

부착층중에 알루미나 개재물이 함유되나 저탄소강의 부착물에 비해서는 개재물의 함유량이 매우 적다.

이러한 결과를 바탕으로 여러 연구자들이 노즐벽 내에 빈공간의 슬릿을 만들어 노즐벽을 통한 열전달을 감소시키는 방법과 주조 온도를 높히거나 노즐의 예열 온도를 높히는 방법등을 적용하고 있으나 현재까지도 노즐 막힘율이 높은 상태이다.

또한, 종래에는 실시간으로 노즐 막힘도를 측정하기 위하여 중간플레이트(8)의 개도를 감시하는 방법이 주로 사용되고 있으나, 노즐 막힘 두께가 아주 두꺼워져야 개도 감소량이 인지되므로 노즐막힘 초기시점을 알 수 없는 단점이 있다.

본 발명은 상기 설명한 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 이루어진 것으로, 펄스 형태로 가스를 주입하여 노즐막힘의 결정적인 원인이 되는 치밀한 초기반응층을 파괴하므로써 노즐막힘을 방지하는 획기적인 극저탄소강의 연속주조시 턴디쉬 노즐의 막힘 방지 방법을 제공함에 그 목적이 있다.

도 1은 연속주조기의 구성을 개략적으로 도시한 도면,

도 2는 본 발명을 실시하기 위한 장치를 개략적으로 도시한 도면,

도 3 은 노즐 바닥으로부터의 거리에 따른 노즐내면과 부착층 간의 반응층 두께를 나타내는 도면,

도 4는 침지노즐 바닥으로부터의 상단 방향으로의 거리에 따른 노즐내면의 부착층 두께를 나타내는 도면,

도 5는 노즐막힘 부위의 조직에 대해 전자현미경으로 면분석한 결과를 보이는 사진,

도 6a,b는 노즐벽의 온도분포를 도시한 도면,

도 7a,b,c는 부착층 두께에 따른 노즐막힘 기구를 모식적으로 도시한 도면,

도 8은 주조중 노즐내 취입되는 Ar가스유량 및 배압변화를 나타낸 도면,

도 9는 주조종료후 침지노즐의 슬래그 라인부 내면 부착층의 두께와 주조종료 직전 최대 배압간의 상관관계를 나타내는 도면,

도 10은 주조중 배압증가시 펄스상으로 가스 주입시 노즐내 가스유량과 배압의 변화를 나타내는 도면,

도 11은 주조중 펄스상으로 주입되는 가스 압력과 주조종료 직전의 최대배압간의 상관관계를 나타내는 도면이다.

〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉

1: 래들 2: 턴디시 3: 주형 4: 살수냉각대 5: 주편 6: 상노즐

7: 상부플레이트 8: 중간플레이트 9: 하부플레이트 10: 내공체

11: 외공체 12: 가스슬릿 13 :Ar가스배관 14: 부착층 15: 압력계

16: 유량계 17: 탕면 18: 반응층 19: 알루미나 골재 20: 기지조직

21: 용강 22: 가스층 23: 기포 24: 탈탄층 25: 부착층

26: 액상선온도 27: 히트 플럭스

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 노즐 막힘 방지 방법은, 극저탄소강의 연속주조시 노즐막힘을 감지하기 위하여 노즐내로 가스를 취입하는 가스배관(13)에 설치된 압력게(14)로 취입되는 가스 압력을 실시간으로 감시하여, 노즐막힘 초기압력이 증가하는 시점에 노즐 지금 부착층을 성장시키는초기 반응층을 파괴하도록 가스배관을 통해 취입되는 가스 압력을 증가시켜 펄스상으로 공급하는 것을 특징으로 하는 구성이다.

이하에서는 양호한 실시예와 관련하여 본발명을 상세하게 설명한다.

본 발명에서는 노즐막힘 조직을 해석하여 노즐막힘 기구를 해명하고 도 2 도시와 같이, 노즐에 공급되는 가스배관(13)에 제어장치에 전기적으로 연결된 압력계(15)를 설치하고 압력을 측정하여 노즐막힘도를 실시간으로 감시하도록 구성하여, 중간플레이트(8)가 움직이기 직전인 초기막힘 시점을 정확히 감지할 수 있도록 하였다.

이와 같이, 초기막힘 시점을 감지하면, 제어장치의 제어를 통해 가스배관(13)을 통해 주입되는 가스 압력을 증가시켜 펄스상으로 가스를 공급하도록 구성하였다.

우선 본 발명의 이론적 배경으로 Ti첨가 극저탄소강의 노즐막힘 기구를 해명하고 Ar가스의 펄싱 주입에 의하여 노즐막힘을 방지할 수 있는 것을 설명한다.

일반적인 노즐과 극저탄소강의 화학조성을 표 1, 표 2에 나타내었다.

노 즐 성 분	Al2O3	SiO2	T.C
함량(중량%)	50∼70	10∼20	10∼30

용강 성분	C	Si	Mn	P	S	Ti	S.Al
함량(중량%)	10∼100 ppm	4.0이하	1.0이하	0.1이하	0.05이하	0.2이하	0.06이하

도 7 도시와 같이, 노즐은 원연와층을 구성하는 Al₂O₃골재(19)에 탄소와 SiC가 기지조직(20)을 이루고 있다. 용강(21)은 극저탄소강이면서 Ti과 Al을 함유하고 있는 것이 특징이다.

본 실험 대상 연속주조기는 도 2 도시와 같이, 동일 턴디시(2)의 양단에 각기 1개씩 총 2개의 침지노즐이 부착된 형태이다. 동시 주조된 노즐임에도 불구하고 한쪽 스트랜드측의 노즐이 심하게 막혔다. 노즐은 주형내 탕면(17) 상부에서부터 다공질 내공체로 가스를 공급하는 가스배관(13)이 있는 지점까지 부착층(14)이 형성되어 있다. 부착층(14)은 비금속 개재물이 함유된 지금(地金)이 주체이다.

도 3 및 도 4는 각각 노즐내 부착층(14)의 두께와, 노즐/부착층간의 반응층(18)의 두께를 나타낸 것이다.

도 3 도시와같이, 반응층(18)은 A 스트랜드가 B 스트랜드보다 두껍고 노즐 상단면 보다 탕면(17) 하부가 두껍다.

도 4 에서도 A 스트랜드는 탕면 상부의 부착층이 두껍게 부착된 반면 B 스트랜드는 탕면 하부에만 약간의 부착층(14)이 형성된 정도이다.

부착층(14)과 반응층(18)의 차이가 가장 큰 노즐 하단에서 370mm 지점의 노즐과 부착층(14)간 반응조직을 전자현미경으로 관찰하고 Ti, Al, Mn, Fe, Si 성분에 대한 면분석을 실시하여 도 5 에 나타내었다.

도 4 도시와 같이 부착층이 두꺼운 A스트랜드 시편의 경우 좌측에서 우측으로 갈수록 원연와층(19,20), 탈탄층(24), 반응층(18) 그리고 지금 및 개재물 부착층(14)으로 구성된다.

원연와층(19,20)에는 Si과 Al 성분의 농도가 높은데 알루미나 골재와 기지조직의 SiO₂성분이 검지된 것이다.

원연와층 우측은 Al성분만 나타나며 Si성분은 검지되지 않는데 기지조직의 SiO₂가 탄소와 반응하여 SiO와 CO가스의 형태로 가동면으로 확산해 소실되기 때문이다. 즉 SiO₂와 탄소가 소실되어 알루미나 골재만 남은 탈탄층에 해당된다. 탈탄층 우측에는 Al과 Ti 그리고 O 성분이 검지되는 띠상의 영역이 나타나는데, 이는 Al-Ti-O 성분의 반응층(18)에 해당한다. 반응층(18)은 가동면으로 확산되는 SiO 와 CO 가스가 용강중 Al 및 Ti과 다음과 같이 반응하여 형성된 층임을 알 수 있다. 반응층이 Fe성분의 지금부착층을 따라 연해있는 점도 이를 잘 뒷받침한다.

SiO₂+ C → SiO + CO

3SiO + 2Al → Al₂O₃+ 3Si

5SiO + 3Ti → Ti₃O₅+ 5Si

3CO + 2Al → Al₂O₃+ 3C

5CO + 3Ti → Ti₃O₅+ 5C

부착층은 Fe가 주성분이며 미세한 점상의 Al 성분이 분포하는데 알루미나 개재물이 지금중에 분포하고 있다. 알루미나 개재물은 용강중에 존재하는 알루미나 개재물이다. 부착층중의 알루미나 개재물의 기원에 대한 것은 논란의 여지가 많았으나 본연구에서 반응층과 부착층중의 개재물 조성이 서로 다르므로 부착층중의 알루미나 개재물을 내화물/용강과의 반응이나 혼입된 공기에 의한 개재물이 아닌 순수한 용강중에 존재하던 알루미나 개재물임을 알 수 있다. 부착층은 지금들과 이들간의 알루미나 클러스터(cluster)들의 혼합체로 구성된다.

반응층(18)은 탈탄층(24)에 비하여 치밀(dense)하여 가스 슬릿(12)에서 가동면으로 취입되는 Ar가스를 차단할 가능성이 높다.

B 스트랜드의 경우 도 3 에서 보듯이 A 스트랜드와 비교시 Al-Ti-O 반응층(18)이 얇으며 부착층(14)도 얇다. 즉, 반응층이 두꺼우면 부착층도 두껍다는 사실을 알 수 있다.

도 3 및 도 4에서 노즐 슬릿의 Ar 가스를 공급하는 배관입구 근방인 720mm 지점은 양스트랜드 모두 부착층 및 Al-Ti-O 층이 얇다. 이는 Ar 가스가 충분히 공급되어 Al-Ti-O 형성반응이 거의 일어나지 않았기 때문이다.

이상을 종합하면 형성된 반응층이 두꺼우면 Ar가스가 반응층을 통과하여 용강과 접하는 가동면에 가스 기포(23)가 위치하기 어렵고, 반응층에 용강중 개재물이 부착하거나 용강이 응고하는 것이 매우 어렵다는 점을 의미한다.

노즐중 탕면 하부의 경우 노즐의 온도가 높고 반응층도 두꺼움에도 불구하고 부착층의 두께가 얇은 것은 노즐의 내외면이 용강과 직접 접하므로 노즐의 온도가 높아 용강의 응고가 극히 어려워 부착층이 거의 형성되지 않기 때문이다.

도 6a, 6b는 노즐내 노즐벽면과 용강의 온도분포를 계산한 결과를 보이는 도면인데, 탕면상부는 용강중 액상선(26)이 위치하여 지금의 생성 가능성을 시사하나 탕면 하부에서는 노즐벽면의 온도가 높아 지금 부착층의 생성 가능성이 없음을 나타낸다.

이상을 종합하여 노즐막힘 기구를 설명하면, 도 7a 도시와 같이 부착층(14)이 두꺼운 부위는 초기에 용강(21)과 노즐벽면이 접촉하고 가스취입시 노즐 내공체 벽면과 용강 사이에 얇은 가스층(22)이 존재하게 된다. 노즐 벽면과 용강과의 반응에 의하여 반응층(18)이 생성되면 용강으로의 가스 투과도가 감소하여 반응층(18) 표면에는 적은수의 미세한 기포(23)만이 존재하여 용강중 개재물이 포집되기 쉽고 반응층 표면에 가스기포(23)가 적어 용강에서 노즐벽면을 통한 대기 방열시 히트플럭스(Heat Flux)(27)가 증가할 것이다. 이때, 용강은 반응층(18) 계면에서 응고되어 성장한다.

반면에 도 7b 도시와 같이, 내공체 벽면과 용강간의 가스막이 발달한 경우, 반응층 생성속도가 저하한다. 왜냐하면 반응 속도식에 따라 SiO와 CO의 분압이 저하하여 Al-Ti-O 반응층(18)이 얇고 통기도도 높아 반응층 표면에 가스기포의 생성 면적도 넓기 때문에 용강중 개재물 부착이나 노즐벽을 통한 히트 플럭스(27)도 적어 부착층(14) 성장은 적을 것이다. 결국은 초기 반응층(18) 생성에 의하여 기포(23)가 반응층이 용강과 접하는 면적을 감소시키기 때문으로 사료된다.

그러므로 도 7c 도시와 같이, Ar 가스를 펄스상으로 공급하여 순간적으로 압력을 높이면 반응층(18)이 생성 초기 단계에서 파괴되어 가스층(22)이 용강(21)과 노즐 원연와층(19, 20)간의 접촉을 방해하므로 부착층(14)의 생성 혹은 성장이 억제될 것이라는 점을 알 수 있다.

이하에서는 실시예와 관련하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.

실시예 1

도 8은 주조개시부터 종료시까지 가스유량과 압력의 변화를 나타낸 것이다. 주조 개시후 Ar 가스를 3.7 ℓ/min로 주조 종료시까지 계속 공급하였다. 동시에 침지노즐(10,11,12)의 Ar가스 공급 배관(13)의 압력을 조사하였다.

주조 초기에 가스공급과 동시에 압력이 급증한후 첫 가열 사이클의 말까지 완만히 감소한다. 이후 2번째 가열 사이클부터는 압력이 점차 증가하여 주조 말기에는 0.2atm까지 상승한 후 주조가 종료되었다.

한편, JIS 표준의 통기도와 관련되는 다공체에서의 투과도와 압력강하의 관계는 아래와 같다.

K=LQ/A△P

(여기에서, L :시편길이(㎝), Q :가스량(cc/sec), A :단면적(㎠), △P :압력강하(㎝H₂O), K :투과도(cc.㎝/(㎠ sec·㎝·H₂O))이다)

여기서 압력강하 △P = P_{유입부(Inlet)}-P_{유출부(outlet)}이므로 P_{유입부(Inlet)}는 배압에, P_{유출부(outlet)}은 노즐내 압력에 해당한다. 후자는 일정하므로 결국 배압이 변화하면 반응층(18) 및 부착층(14)의 투과도가 변화하는 것이다.

다공체의 일자 간격틈을 수많은 모세관으로 생각하고 나비에르-스토크(Navier-Stokes) 방정식을 풀면 아래의 코제니-카르만(Kozeny-Carman) 방정식이 된다. U가 유량에 해당하므로 유량이 일정한 경우 압력강하가 증가하면 기공도(porosity)는 감소한다.

U= ε³△P·g_o/(kμLSv²(1-ε)²

(여기에서, U:표면속도(superficial velocity), ε:기공도(porosity), K:코제니(Kozeny)상수,μ:가스점도(g/sec·㎝), g_o:중력가속도(980g/sec·㎝), Sv:입자의 비표면적, △P:압력강하)

주조 초기에 배압이 급증하는 것은 가스 공급에 따라 가스배관(13) 내에 압력이 걸리는 것이며, 이후 압력이 점차 감소하는 것은 노즐이 용강과 접촉되면서 온도가 상승하여 다공성 내공체벽(10)의 기공 직경이 확대되어 배압이 감소하기 때문이다.

2번째 가열 사이클부터는 노즐내 반응층(18) 및 부착층(14)의 형성에 따라 노즐막힘이 증가한다. 주조후 슬래그 라인(slag line) 부위를 절단하여 노즐내 부착층(14)의 두께를 측정하고 주조 종료 직전의 압력과 비교하여 도 8에 나타내었다. 부착층(14) 두께가 증가하면 주조 종료 직전의 배압도 증가하여 최대 0.2atm에 이른다. 검은 점을 나타낸 극저탄소강의 경우는 동일한 부착층 두께에서도 배압이 높아 반응층(18)과 부착층(14)의 통기도가 낮은 것을 알 수 있다.

실시예 2

주조시간이 경과하여 노즐벽면에 반응층(18)이 형성되어 압력이 상승하는 시점에 펄스상의 Ar가스압을 가하였다.

도 10은 이러한 예를 나타낸 것으로서, 용강 유량이 일정한 조건에서 압력이 상승하는 시점마다 순간적으로 유량을 증가시켜 펄스상의 가스압을 가하면 이후 압력이 감소하는데, 이는 펄스상의 가압시 반응층이 노즐벽면에서 파손되어 용강류로 유실됨을 의미한다.

노즐 반응층이 형성될 때까지는 일정한 반응 시간이 필요하며 주조 종료시점에는 부착층(14)이 거의 형성되지 않음을 알 수 있다.

펄스상의 배압의 크기를 변화시켰을때 주조종료 직전의 가스 배압을 조사하였다. 도 11 에서 알 수 있는 바와같이, 가스 배압이 0.1atm 이상이 되어야 효과가 있는것으로 나타났다.

펄스상 배압이 낮은 경우 주조종료 직전의 배압 편차가 큰 것은 각종 주조조건, 즉 주조온도, 용강청정도, 통과유속 그리고 노즐의 예열 조건등에 따라 노즐 막힘 정도가 달라지기 때문이다.

따라서, 상기 설명한 바와같이 본 발명에 의하면, 연속주조기의 턴디시 노즐을 통한 주형내로의 용강의 주입에 의한 주편 제조시 발생하는 턴디시 노즐의 부착층 형성에 의한 노즐 막힘을 초기부터 방지할 수 있어서 주조를 중단함이 없으므로 주조 생산성이 향상될 수 있으며, 제조되는 주편의 품질도 향상시킬 수 있다.

Claims (2)

1. 극저탄소강의 연속주조시 노즐막힘을 감지하기 위하여 노즐내로 가스를 취입하는 가스배관(13)에 설치된 압력게(14)로 취입되는 가스 압력을 실시간으로 감시하여, 노즐막힘 초기압력이 증가하는 시점에 노즐 지금 부착층을 성장시키는초기 반응층을 파괴하도록 가스배관을 통해 취입되는 가스 압력을 증가시켜 펄스상으로 공급하는 것을 특징으로 하는 연속주조시 턴디시 노즐의 막힘방지방법.
2. 제 1 항에 있어서, 노즐막힘 초기압력이 증가하는 시점에 펄스상으로 공급하는 가스 압력은 0.1 atm 이상인 것을 특징으로 하는 연속주조시 턴디시 노즐의 막힘방지방법.