KR20090062104A - 연속주조기의 주형진동 제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전기로-정련로-연속주조 공정에 의해 생산되는 오스테나이트계 스테인리스강 제조 공정 중, 연속주조 공정 시에 주형진동 제어방법을 이용함으로써, 고속주조를 가능하게 한 연속주조기의 주형진동 제어방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 연속주조기의 주형진동 제어방법은 주조속도 1.5 m/min 이상의 고속 주조를 하는 스테인리스강의 연속주조 공정에 있어서, 주조속도에 따라 진동수가 일정한 기울기로 감소하도록 하고, 주형의 상하 이동 변위(stroke)는 일정한 기울기로 증가하도록 제어한다. 이러한 구성에 의하여, 양호한 주편 품질 및 생산성을 확보할 수 있다.

연속주조, 주형진동, 주조속도, 진동수, 진폭

Description

연속주조기의 주형진동 제어방법{Control method for mold oscillation of continuous caster}

본 발명은 연속주조기의 주형진동 제어방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 전기로-정련로-연속주조 공정에 의해 생산되는 오스테나이트계 스테인리스강 제조 공정 중 연속주조 공정 시의 고속 주조에 적합한 주형진동 조건을 도출할 수 있는 연속주조기의 주형진동 제어방법에 관한 것이다.

스테인리스강의 제조 시, 생산성을 높이기 위해 제강 공정을 대용량화하는 추세이다. 스테인리스강의 제강 공정은 전기로 및 정련로의 크기가 50~90 톤(ton)이면서, 1 스트랜드(strand)를 갖는 연주기로 연간 40~60만 톤을 생산하는 것이 가장 일반적이다.

그러나, 최근 생산성 향상을 목적으로 전기로 및 정련로의 크기를 140~160 톤으로 크게 증량하여 연간 생산량을 100만 톤 이상으로 설계하는 것이 추세이다. 이 경우 가장 문제가 되는 것은 연속주조 공정이다. 제강 공정은 설비의 대용량화 및 이에 따른 전기로의 변압기용량을 증대시키고, 정련로의 정련용량을 증대시키면 어렵지 않게 대용량 생산기술을 확보할 수 있다. 하지만, 연속주조 공정에서는 주 편의 품질 확보를 전제로 하기 때문에, 생산성을 높이기 위해서는 스트랜드(strand)를 1개 더 추가하여 종래의 방법대로 연속주조 공정을 진행한다면 저속 주조를 해야 한다. 또는, 종래의 방법대로 1개의 스트랜드를 갖는 연주기로 설계하고, 기존 대비 주조 속도를 대폭 상승(고속주조)하여야만, 제강 공정과 연속주조 공정의 생산 균형이 맞게 되어 정상적인 생산 공정을 유지할 수 있다.

이러한 방법 중, 1개의 스트랜드를 추가로 설치하여 1개의 연주기에서 2개의 스트랜드로 연속주조를 하는 경우(소위, 1 machine 2 strand), 주조속도를 높이지 않고도 생산량을 여유있게 맞출 수 있으며, 저속 주조를 함으로써, 주편의 표면 품질을 확보할 수 있다. 그러나, 1개의 연주기에서 2개의 스트랜드로 연속주조를 하는 경우에 스트랜드의 추가 설치에 따른 투자 비용이 막대하다는 단점이 있다. 즉, 지나치게 높은 투자 비용에 비해 여유있는 연속주조 공정을 가짐으로써, 효율성이 극히 열위하게 된다.

또한, 종래와 같이 1개의 스트랜드로 설계하는 경우, 투자 비용이 절감되는 반면, 주조속도의 증가가 필수적이며 이에 따른 주편 및 최종 제품의 품질 열위가 발생하는 문제점이 있다. 이 경우, 고속의 연속주조 공정이 개발되어 안정적인 고속의 연속주조 및 양호한 주편 품질을 확보할 수 있는 기술이 정립된다면, 막대한 투자비용 없이도 고(高)생산성을 확보하여 이익 증대가 가능하게 될 것이다. 이에 따라, 스테인리스강의 대용량 제강 공정 중, 1개의 스트랜드를 갖는 연주기에서 고속주조 기술을 개발할 필요성이 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 전기로-정련로-연속주조 공정에 의해 생산되는 오스테나이트계 스테인리스강 제조 공정 중, 연속주조 공정 시에 주형진동 제어방법을 이용함으로써, 고속주조를 가능하게 한 연속주조기의 주형진동 제어방법을 제공하는데 있다.

본 발명에 따른 연속주조기의 주형진동 제어방법은 주조속도 1.5 m/min 이상의 고속 주조를 하는 스테인리스강의 연속주조 공정에 있어서, 주조속도에 따라 진동수가 일정한 기울기로 감소하도록 하고, 주형의 상하 이동 변위(stroke)는 일정한 기울기로 증가하도록 제어한다.

또한, 상기 주조속도가 0m/min인 경우, 상기 진동수는 155~175cycle/min이고, 주조속도(m/min)에 따른 기울기는 -8 ~ -22[cycle/(m/min)]으로 변하게 한다.

또한, 상기 주조속도가 0m/min인 경우, 진폭은 1~2㎜, 주조속도(m/min)에 따른 기울기는 2~3[mm/(m/min)]으로 변하게 한다.

또한, 상기 주형 진동의 사인파를 왜곡률 0.6~0.65로 왜곡을 주어, 주속 1.5 m/min 이상에서 1주기당 음의 스트립 시간(Nagative strip time)을 0.1~0.12초로 조절한다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면 연속주조 공정 시에 주형진동 제어방법을 이용하여 고속주조를 가능하게 함으로써, 양호한 주편 품질 및 생산성을 확보할 수 있다.

이하에서는 본 발명의 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 연속주조기의 주형진동 제어방법을 구체적으로 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 스테인리스 연속주조기를 나타내는 단면도이다. 도 1을 참조하면, 전기로-정련로를 거쳐 생산된 용강은 래들(1)에 담겨 연속주조기로 이동되어 주조가 시작된다. 래들(1)의 용강은 턴디쉬(2)로 이동되고, 턴디쉬(2)에서 침지노즐을 통해 일정한 양이 주형(3, mold)으로 이동된다. 여기서, 주형(3)은 동판으로 제작되는데, 물에 의해 냉각되는 동판 주형(3)에 부어진 용강은 1차적으로 응고되어 주형(3) 밖으로 나오게 된다. 그리고, 주형(3)을 빠져나온 용강은 2차 냉각을 위한 물 스프레이(4)를 지나면서 응고가 완료된 후, 일정한 크기로 절단되어 주편(5, slab)으로 생산된다.

도 2는 주조속도와 주조시간의 관계를 나타내는 그래프도이다. 도 2를 참조하면, 50 톤 전기로 및 정련로 제강공정을 가지고 연간 100만 톤을 생산하기 위해서는 150 톤의 1개 히트(heat)를 주조하는데 걸리는 시간이 60분 이하가 되어야 한다.

본 발명의 실시예에 따른 대상 공정의 조건에서 주조시간은 150 톤의 용강(1개의 래들 내 용강량(1 heat 용강량))을 주조하는데 걸리는 시간을 가리킨다. 하기 식 1에 주조시간을 나타내었다.

도 2에서 볼 수 있듯이, 연간 100만 톤을 생산하기 위해서 150 톤의 1개 히트(heat)를 주조하는 시간이 60분 이하가 되기 위한 주조속도는 최소한 1.5 m/min 이상이 되어야 함을 알 수 있다. 따라서, 본 발명에서는 주조속도 1.5 m/min 이상으로 주조하면서도 양호한 주편 및 제품 품질을 안정적으로 확보할 수 있는 주형진동 제어방법을 제안한다.

표 1은 연속 주조를 위한 주요 요소 기술 및 대표 적용 기술을 나타낸다. 본 발명에서는 고속주조 시 조업안정성 및 주편 품질에 중대한 영향을 주는 주형진동의 최적 조건을 도출한다. 주형진동은 연속주조 시 주형과 응고셀이 부착되지 않도록 일정한 진동수 및 진폭으로 주형이 상하 왕복운동을 하는 기술이며, 연속주조에서 필수적인 핵심 기술이다.

위치	주요 요소 기술	대표 적용 기술
턴디쉬 (Tundish)	용강 유동 제어	댐(Dam & weir)
	용강 온도 제어	플라즈마(Plasma) 가열
	용강 재산화 방지	유동(Flux), 불활성 가스(Inert gas)
주형 (Mold)	용강 유동 제어	침지노즐, 전자기 활용
	1차 냉각(동판)	동판 설계
	주형진동	High cycle-short stroke, Inverse, Non sine
	몰드 파우더(Mold powder)	강종별 물성 최적화
스트랜드 (Strand)	2차 냉각(spray)	에어 분무(Air mist), 동력(Dynamic) 제어
	주조조직 제어	EMS, soft reduction
	품질 보증	주편 품질예지 시스템(VAI-Q)

주형진동은 주형의 상단부(meniscus)에서 몰드 파우더(Mole powder)가 유입되는 것에 큰 영향을 준다. 따라서, 본 발명은 고속주조에 적합한 주형진동 조건인 주형진동 제어방법(진동수, 진폭, 주형진동 파형형상)의 최적 조건을 도출한다.

도 3은 연속주조 시 주형진동 특성을 나타내는 그래프도이다. 도 3을 참조하면, 주형이 상하 1주기를 이동하는 궤적을 시간의 함수(7)로 나타내었다. 통상 주형은 sine 파형을 따르며 일정한 진동수 및 진폭을 가지고 상하 진동한다. (8)은 이러한 상하진동을 하는 주형의 속도를 나타낸 것이며, 앞의 궤적을 나타내는 sine파를 시간에 대해 미분한 형태인 cosine파를 따른다.

한편 (9)는 주조속도를 나타낸 것으로 여기서는 1 m/min의 경우를 나타낸다. 이 그림에서 주속의 방향(부호)의 정의는 주편이 주조되는 방향을 "-"로 정의하였다. 이러한 1주기의 주형진동에서 중요한 개념은 도 3에서 (10)으로 나타낸 음의 스트립 시간(Nagative strip time)이다(통상 Tn으로 나타냄). 이 시간은 그림에서 나타낸 바와 같이 1주기에서 주형의 하강속도가 주편의 주조속도(인발속도)보다 큰 시간을 나타낸다. 이 시간 동안 초기 응고셀에는 압축응력이 작용하여 주형진동에 의해 어쩔 수 없이 주편 표면에 형성되는 진동마크(oscillation mark)의 깊이가 깊어지게 된다. 결과적으로 깊게 형성된 진동마크는 열간압연 시 응력이 집중되어 제품결함이 발생하게 된다. 통상적으로 Tn이 커지게 되면 압축응력이 작용하는 시간이 길어지게 되어 진동마크의 깊이가 증가하므로, 가능한 Tn이 작은 것이 진동마크의 품질에는 유리하다.

한편, 1주기의 전체 시간에서 Tn을 뺀 나머지 시간은 양의 스트립 시간(positive strip time)으로 정의한다(통상 Tp로 나타냄). 이러한 Tp는 몰드 파우더(mold powder)의 소모량과 매우 밀접한 관계가 있다. 즉, Tp 동안 몰드 슬래그(mold slag)가 주형과 응고셀 사이로 유입되는 통로가 확보되므로, 윤활능이 좋아진다. 따라서, 고속주조와 같이 윤활능이 중요한 경우 Tp의 확보는 더욱 중요하다.

도 4는 연속주조 시 주형진동을 제어하는 방법을 나타내는 그래프도이다. 도 4를 참조하면, 주형진동은 C1~C6의 6개의 인자 값을 입력하는 것에 의해 설정할 수 있다. C1, C2는 주형진동 변위를 제어하는 인자이다. 여기서, C1은 주속과 주형진동 변위(stroke) 관계에서, 주속이 0일 경우의 진동변위값, 즉, y 절편값을 나타내며 C2는 주속에 따른 진동변위의 변화인 기울기 값을 나타낸다. 한편 C3, C4는 주형진동수를 제어하는 인자이다. 여기서, C3는 주속이 0일 경우의 진동수 값 즉, y 절편값을 나타내며, C4는 주속에 따른 진동수의 변화인 기울기 값을 나타낸다.

또한, C5는 또 다른 진동수 제어인자로서, NSR(Negative Strip Ratio)을 일정 방식으로 제어하는 경우의 NSR값을 의미한다. 따라서, 진동수 제어방법은 C3와 C4의 조합을 선택하거나, 아니면 C5값을 이용한다. 한편, C6는 기본의 주형진동 방법인 sine 파를 적당한 양만큼 왜곡(찌그러뜨림)시키는 인자인다. 왜곡이 안된 정상 sine파의 경우 C6은 0.5로 정의하며, 0.5~1.0이면 오른쪽으로 찌그러진 형태가 되고, 0~0.5로 정의하면 왼쪽으로 찌그러진 형태의 주형 진동 궤적이 설정된다.

표 2는 최적의 고속주조용 주형진동 조건을 도출하기 위하여 여러 가지 조합의 주형진동 시험을 한 조건을 나타낸다.

시험종류	주형진동 제어 모드						비고
	C1	C2	C3	C4	C5	C6
Test 1	4	0	0	0	1.4	0.5	NSR방식 + sine
Test 2	1.5	2.5	165	-15	0	0.5	Inverst + sine
Test 3	1.5	2.5	165	-15	0	0.6	Inverse + sine
Test 4	1.5	2.5	165	-15	0	0.65	Inverse + non-sine

Test 1은 통상의 주형진동조건, 소위 "NSR 일정 방식"으로, 주속에 따라 진동수는 일정한 기울기로 증가하고 진폭은 고정된 방식이다. Test 2는 주속에 따라 진동수와 진폭이 모두 일정한 기울기로 변하는 주형진동조건, 소위 "Inverse 주형진동 방식"이다. Test 3~4는 Test 2 방식에서 sine파에 변형(왜곡)을 가한 주형현진동 방식인 "Inverse+Nonsine 주형진동" 방식이다. 표에서 보는 바와 같이 Test 3은 왜곡률이 0.6, Test 4는 왜곡률이 0.65이다.

도 5는 표 2에 나타낸 시험조건별 주조속도에 따른 주형진동수, 진폭, 음의 스트립 시간(Nagative strip time) 및 양의 스트립 시간(Positive strip time)의 변화를 나타내는 그래프도이다. 도 5를 참조하면, 종래의 NSR 방식은 진폭은 일정하고 진동수는 주속이 증가함에 따라 직선적으로 증가하는 반면 inverse 제어 방식은 주속이 증가함에 따라 진폭은 증가하고 반대로 진동수는 감소하는 것을 알 수 있다. 또한, NSR 방식의 경우 주속이 증가함에 따라 음의 스트립 시간(Negative strip time)과 양의 스트립 시간(Positive strip time)이 모두 민감하게 감소하는 경향을 보인다. 반면, Inverse 방법을 적용하면 주속이 증가하여도 음의 스트립 시간(Negative strip time)은 둔감하게 변하는 것을 알 수 있고, 양의 스트립 시간(Positive strip time)은 주속이 증가함에 따라 오히려 증가하는 경향을 보인다.

이러한 결과에 따르면, 고속주조 시 Inverse 방법을 적용하는 것이 매우 유용함을 알 수 있다. 즉, 주속 변동에 음의 스트립 시간이 둔감하게 변한다는 것은 주조 중 주속변동, 주조 초기, 말기 및 비정상 주조 시에도 일정한 음의 스트립 시간을 유지하여 주편 진동마크의 깊이 및 품질이 일정하게 유지될 수 있다. 또한, 주속이 증가함에 따라, 양의 스트립 시간이 증가하므로 고속주조 시 가장 우려되는 문제인 소모량 감소에 따른 윤활능 부족의 결과로 나타나는 브레이크 아웃(break out)을 방지할 수 있다는 큰 장점이 있다.

도 6은 표 2에 나타낸 시험조건별 주편 진동마크의 평균 깊이를 비교하여 나타낸 그래프도이다. 도 6을 참조하면, 종래 방식인 Test 1에서 진동마크의 깊이는 가장 낮게 나타났다. 하지만, 지나치게 높은 진동수와, 고속주조 시 몰드 파우더의 소모량을 지배하는 양의 스트립 시간이 지나치게 적음으로 인하여 주편이 구속되는 현상이 발생하였다. 반면, Inverse 방식을 사용한 Test 2는 주편 구속 현상은 발생하지 않았으나, 진동마크의 깊이가 자나치게 깊어 기준값인 250㎛ 이상이 되는 문제가 발생하였다.

이러한 결과로부터 진동마크의 깊이를 더 낮게 하기 위한 방안으로, 주형진동 시 음의 스트립 시간을 감소할 수 있는 non-sine 방식을 적용한 Test 3, 4를 적용하였다. 그 결과, 왜곡률을 0.65로 적용한 Test 4의 조건에서 주편 구속이 없으면서도, 주편 진동마크의 깊이가 200㎛ 이하로 유지되는 양호한 주편 품질을 얻을 수 있었다.

도 7은 본 발명에서 개발된 주형진동 조건과 종래의 NSR 일정 주형진동 방식에서의 몰드 파우더 소모량을 비교하여 나타낸 그래프도이다. 즉, 동일 주속(1.4 m/min)에서 본 발명의 주형진동 조건과(Inverse, Test 4)) 기존 주형진동 방식(NSR일정, Test 1)에서의 몰드 파우더의 소모량을 나타낸다. 본 발명에 따르면, 약 9.1%의 몰드 파우더의 소모량이 증가되는 효과가 있음을 알 수 있다. 이러한 결과는 앞에서 설명한 바와 같이 본 발명에서 도출한 Inverse 주형 진동방식에서 양의 스트립 시간이 증가했기 때문으로 해석된다. 이러한 몰드 파우더 소모량의 증가는 윤활능이 증가된 것이므로, 고속주조시 유리한 결과이다.

도 8은 본 발명에서 개발된 주형진동 조건을 적용한 고속 주조(>1.5 m/min) 에서의 열연 코일 제강성 결함지수와 종래의 NSR 일정 주형진동 방식을 적용한 저속 주조(<1.2 m/min)에서의 열연코일 제강성 결함지수를 비교한 그래프도이다. 도 8에 따르면, 본 발명에 따른 고속 주조 시에 열연코일의 결함지수가 종래의 저속 주조 시(0.041)와 거의 동일한 0.04로 나타나므로, 동등한 제품 표면 품질을 확보할 수 있음을 보여준다.

본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주지해야 한다. 또한, 본 발명의 기술분야에서 당업자는 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 스테인리스 연속주조기를 나타내는 단면도.

도 2는 주조속도와 주조시간의 관계를 나타내는 그래프도.

도 3은 연속주조 시 주형진동 특성을 나타내는 그래프도.

도 4는 연속주조 시 주형진동을 제어하는 방법을 나타내는 그래프도.

도 5는 표 2에 나타낸 시험조건별 주조속도에 따른 주형진동수, 진폭, 음의 스트립 시간(Nagative strip time) 및 양의 스트립 시간(Positive strip time)의 변화를 나타내는 그래프도.

도 6은 표 2에 나타낸 시험조건별 주편 진동마크의 평균 깊이를 비교하여 나타낸 그래프도.

도 7은 본 발명에서 개발된 주형진동 조건과 종래의 NSR 일정 주형진동 방식에서의 몰드 파우더 소모량을 비교하여 나타낸 그래프도.

도 8은 본 발명에서 개발된 주형진동 조건을 적용한 고속 주조(>1.5 m/min) 에서의 열연 코일 제강성 결함지수와 종래의 NSR 일정 주형진동 방식을 적용한 저속 주조(<1.2 m/min)에서의 열연코일 제강성 결함지수를 비교한 그래프도.

Claims (4)

1. 주조속도 1.5 m/min 이상의 고속 주조를 하는 스테인리스강의 연속주조 공정에 있어서,

   주조속도에 따라 진동수가 일정한 기울기로 감소하도록 하고, 주형의 상하 이동 변위(stroke)는 일정한 기울기로 증가하도록 제어하는 연속주조기의 주형진동 제어방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 주조속도가 0m/min인 경우, 상기 진동수는 155~175cycle/min이고, 주조속도(m/min)에 따른 기울기는 -8 ~ -22[cycle/(m/min)]으로 변하게 하는 것을 특징으로 하는 연속주조기의 주형진동 제어방법.
3. 제1항에 있어서,

   상기 주조속도가 0m/min인 경우, 진폭은 1~2㎜, 주조속도(m/min)에 따른 기울기는 2~3[mm/(m/min)]으로 변하게 하는 것을 특징으로 하는 연속주조기의 주형진동 제어방법.
4. 제1항에 있어서,

   상기 주형 진동의 사인파를 왜곡률 0.6~0.65로 왜곡을 주어, 주속 1.5 m/min 이상에서 1주기당 음의 스트립 시간(Nagative strip time)을 0.1~0.12초로 조절하는 것을 특징으로 하는 연속주조기의 주형진동 제어방법.

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