KR20110033873A - 연속 주조부와 압연부 사이에서 연속성의 중단이 없이 금속 스트립 및 시트를 제조하기 위한 방법 및 시스템 - Google Patents

연속 주조부와 압연부 사이에서 연속성의 중단이 없이 금속 스트립 및 시트를 제조하기 위한 방법 및 시스템 Download PDF

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Abstract

활 형태의 연속 주조에 의해 30 내지 300mm 두께의 슬라브(1)로부터 0.14-20mm 두께의 금속 스트립 및 10-100mm 두께의 금속 시트를 제조하기 위한 방법 및 시스템이 제공된다. 주조시에 슬라브(1)는 용액의 연속성이 없는 상태로 그리고 중간 제품 없이 유도로(12)에서 가열된 후에 압연 단계(11)로 직접 공급된다. 압연된 평판 제품은 제어 냉각되었을 때 절단 및 회수 장치(14)에 의해서 시트(20)로서 회수되고, 또는 릴에 감겨져서 냉각 시스템(13) 하류의 절단 장치(14')에 의해 절단될 수 있는 연속 스트립의 코일(15)을 형성한다. 표면 냉각 장치(13')가 압연 스탠드들 사이에 제공될 수 있다. 연속 주조부로부터 압연 단부까지의 공급 속도는 두께 감소 및 최종 제품의 품질과 관련하여 단계적으로 증대되고, 하류 방향으로의 케스케이드내에서 조정된다.

Description

연속 주조부와 압연부 사이에서 연속성의 중단이 없이 금속 스트립 및 시트를 제조하기 위한 방법 및 시스템{PROCESS AND SYSTEM FOR MANUFACTURING METAL STRIPS AND SHEETS WITHOUT A BREAK OF CONTINUITY BETWEEN CONTINUOUS CASTING AND ROLLING}
본 발명은, 중간 제품의 제공(provision of intermediate products)이 없이, 특히 평면형 강 제품을 위한, 용융체(melt)의 연속 주조부(continuous casting)로부터 최종 압연 스탠드 사이에서 연속성의 중단(a break of continuity)이 없는 상태로 금속 스트립 및 시트를 제조하기 위한 방법 및 시스템에 관한 것이다.
강 산업계에서, 원료 비용 및 파워(power)의 상당한 증대, 국제 시장에서 요구되는 보다 큰 경쟁력, 그리고 점차적으로 엄격해지는 오염-방지에 관한 제한들을 고려할 때, 열간 압연된 고품질의 코일 및 시트를 제조하는 방법이 특히 요구되고 있으며, 그러한 방법은 낮은 설비투자비용 및 제조비용을 요구하고, 그에 따라 보다 얇은 두께의 제조 스트립을 요구한다. 그 결과, 적은 파워 소모로 최종 제품으로 변환시키는 산업계가 높은 경쟁력을 가질 수 있게 되고, 따라서 환경에 미치는 해로운 영향도 최소한으로 줄일 수 있게 된다.
본원 출원인 명의의 특허 EP 0415987, 0925132, 0946316, 1011896 및 국제 공보 WO 2004/0262497에 개시된 바와 같이, 이러한 방향으로의 의미 있는 전진이 최근의 기술에 의해 이루어졌다.
그러나, 그렇게 얻어진 결과는, 비록 (특히 강 스트립과 관련한) 제품의 품질과 관련하여서는 최적이지만, 에너지 절감, 레이-아웃 조밀도(lay-out compactness) 및 얻어질 수 있는 평판형 제품의 확대 가능성의 측면에서는 여전히 개선할 점이 있다.
사실상 예를 들어 소위 "주조 압연(Cast Rolling)"의 개념이 고려된다면, 결과물은 가열 단계 후에 2차적인 압연 단계를 필요로 하는 중간 제품이 될 것이며, 상기 주조 압연의 개념은 활형상(bow-shaped) 주조기상에 하나의 압연 스탠드만이 제공된 상기 EP 0415787의 프로세스의 제 1 단계에서 이미 제시되어 있다.
보다 최근의 WO 2004/026497에서, 상기 "주조-압연 기술"이 연속 주조와 제 1 압연 단계를 결합시켰으며, 상기 제 1 압연 단계는 중간 제품 획득을 위한 4개 이하의 스탠드로 구성되며, 상기 중간 제품은 절단되고, 가열 단계 후에, 소성 스트레칭 및 2차 압연 단계로 추가적으로 처리된다. 동일한 공보 WO 2004/026497에서, 고품질 시트 제조 요구에 따라, 제 1 조질화(roughing) 단계 후에 시트 회수 가능성(possibility of withdrawing)을 제어된 냉각 시스템 없이 제공한다. 실질적으로, 시트 회수 가능성은 연속 주조의 중단을 방지하기 위해서 그리고 결과적으로 제조 라인의 중단을 방지하기 위해서 하류 프로세스에서 고장이 발생한 경우에 버퍼로서의 기능만을 수행하며, 시트의 프로그램화된 제조와는 관련이 없다.
"주조 압연"의 동일한 개념이 EP 0823294에도 기재되어 있으나, 그러한 개념은 3 가지 분명한 제조 단계에 대해 제공된다: 즉, 중간 제품 제공을 위해 오스테나이트 상에서 조질화하는 제 1 단계; Fe/C 다이아그램에서 상변태되는 < 738℃의 온도까지 중간 제품을 집중적으로 가열하는 제 2 단계; 및 페라이트 상에서 마무리 압연하는 제 3 단계에 대해 제공된다. 이러한 종래 문헌으로부터, 3 가지 구분된 프로세스 단계를 통해 박막 스트립을 얻기 위해 주조 압연 개념을 적용한다는 것을 알 수 있으며, 이때 상기 3 단계들 중 마지막은 페라이트 상에서만 실시되며, 그에 따라 소위 "질량-유동(mass flow)"(다시 말해, 연속 주조 배출구에서 단위 시간당 유동하는 강의 량)에 의해 전체적으로 오스테나이트 필드(field)에서의 단일 제조 단계에서 초박막 제품을 얻을 수 있다는 것을 배제하고 있다는 것을 알 수 있다.
또한, 특허 EP 0889762에는, 연속성 중단이 없는 상태로 단일 단계에서 박판 스트립을 제조하기 위한 주조 압연 개념을 어떻게 적용하는가, 그리고 질량 유동이 크고(미터 단위의 슬라브의 두께에 배출구에서의 속도(m/분)를 곱한 것 > 0.487 m2/분) 연속 주조부의 배출구에서의 온도가 높은(약 1240℃) 슬라브의 연속 주조 제조 단계와, 온도 균질화 단계후의 압연 단계를 어떻게 결합하는지가 기재되어 있다.
EP 0823294 및 EP 0889762에 이미 기재되어 있는 바와 같이, 어떻게 냉각 단계 또는 교대적인 가열 단계가 최초의 조질화 스탠드 및 마지막 스탠드 사이에 제공되는지가 사실상 공지되어 있다. 시뮬레이션 및 테스트에 의해, 상기 특허들의 사상이 산업적인 규모로 적용될 수 없다는 것을 확인하였다. 후속 압연 단계에서 열적 매스(mass)를 가능한 한 많이 이용하기 위해 연속 주조 배출구가 고온(약 1400℃)이 되게 하는 아이디어는 확실히 흥미롭지만 실질적으로 실현하기가 곤란한데, 이는 연속 주조 배출구에서의 표면 온도가 1150℃ 이상인 높은 온도에서 큰 질량 유동으로 슬라브를 주조하는 것이 매니스커스 영역에서의 불균일을 초래하고, 그에 따라 슬라브내의 결함 및 보다 높은 파괴 위험을 유발하기 때문이다.
본 발명은 슬라브 온도가 100℃ 이상 더 높아지도록 유도 가열을 제공함으로써 높은 질량 유동을 위해 디자인된 새로운 2차 냉각 시스템을 통해 이러한 문제점을 극복한다.
본 발명의 목적은, 중간 제품이 없이 연속 주조부와 압연부 사이의 단일 연속 단계의 극히 콤팩트한 설비를 이용하여, 용융된 금속에 의해 제공된 전체 에너지를 최대로 이용하면서, 최대 20mm로부터 0.14mm 두께 까지의 초박막 열간 압연 스트립 및 10 내지 100mm 두께의 고품질 시트를 획득할 수 있는 제조 프로세스를 제공하는 것이다.
주요 특징이 청구범위 제1항에 기재된 본 발명에 따른 프로세스는 연속 주조 단계 및 중간 조질화 없이 직접 연결된 후속하는 인-라인 압연 단계를 포함하며, 상기 연속 주조와 압연 사이에는 유도 가열부가 제공된다.
본 발명의 다른 목적은, 상기 프로세스를 실시하기 위한 설비 또는 시스템을 제공하는 것이며, 이때 압연 스탠드는 재료 용액의 연속성이 없는 상태로 모울드 및 연속 주조부 하류에서 유도로 다음에서 작동하며, 이때 연속 주조부의 배출구와 최초 압연 스탠드 사이의 거리가 최소이다. 그러한 설비의 주요 특징들이 청구항 4에 기재되어 있다.
첨부 도면을 참조할 때, 종속항들에 기재된 바와 같은 본 발명의 다른 측면들 및 특징들이 이하의 바람직한 설비 실시예에 관한 설명으로부터 분명히 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 코일로 감겨지는 최소 1mm의 강 스트립 또는 최대 100mm 두께의 시트를 제조하기 위한 본 발명에 따른 설비의 예를 도시한 개략도이다.
도 2는 본 발명에 따른 바람직한 치수를 가지는 연속 주조 몰드의 개략도이다.
도 3은 몰드로부터 마지막 압연 스탠드까지의 두께 감소를 도시한 도면이다.
실질적으로 탄소 또는 스테인리스의 강 시트 및/또는 박판 및 초박판 스트립의 제조와 관련하여 설명하지만, 알루미늄, 구리 또는 티탄 시트 또는 스트립의 제조에도 본 발명을 적용할 수 있다는 것을 주지하여야 한다.
공지된 바와 같이, 용융체(용융 강)가 레이들로부터 턴디시내로 그리고 그 턴디시로부터 연속 주조 몰드로 주입되고, 배출구에서의 슬래브의 두께는 몰드 유입구에서의 두께에 비해 이미 감소된 30 내지 300mm의 두께를 가지고 600 내지 4000mm의 길이를 가진다. 동일한 주조 단계에서의 2차 냉각에 의해 두께 감소가 액체 코어 상태에서 진행되고, 그에 따라 연속 주조부에 직접 연결된 압연 스탠드에서 종료될 때까지 프로세스의 시작부에서의 액체 강내의 이용가능한 에너지를 가능한 한 많이 이용함으로써 스트립의 경우에 0.14-20mm의 원하는 두께 및 시트의 경우에 10-100mm의 원하는 두께에 도달할 수 있다.
본 발명의 목적 달성을 위해서는, 원하는 두께 및 표면 그리고 내부 품질의 최종 제품을 획득하기 위해 압연 프로세스에 의해 요구되는 온도 및 속도를 보장하기 위해 전술한 바와 같은 "질량 유동" 또는 물질의 유동이 큰 값을 갖는 것이 중요하다는 것과 두께 감소가 몰드로부터 증대되는 것이 중요하다는 것을 발견하였다. 도 3을 참조하면, 두께 감소가 몰드 자체로부터 시작되며, 이때 슬라브는 크라운(crown)이 제공되는 중심부에서 최초 감소가 이루어지고, 액체 코어 두께 감소와 함께 주조기에서 계속 감소가 이루어지고, 마지막 압연 스탠드에서 종료된다. 주조중의 감소 단계에서 물질의 공급 속도가 일정하다는 것을 주지하여야 한다.
도 2를 참조하면, 질량 유동이 공급 속도에 그리고 슬라브의 단면적(SB)에 비례한다는 것을 알 수 있다. 특히, 본 발명에 따른 상기 목적 달성을 위해, 메니스커스(meniscus)에 대응하는 수평 단면에서 잠겨진 노즐이 차지하는 표면적(ST)을 차감한 몰드내의 액체 강 표면(또는 일반적으로 용융체)의 면적(SM)과 연속 주조 배출구에서의 슬라브의 수직 단면적(SB) 사이의 최적의 비율이 규정된다.
액체 강(또는 일반적으로 용융체)의 제한된 유량을 보장하기 위해서 그리고 결과적으로 몰드내의 소용돌이 및 메니스커스 파동을 최소로 유지하기 위해, 그러한 비율 SM/SB은 ≥1.1 이 되어야 한다.
한편, 액체 금속의 유량이 커질 수록 슬라브의 2차 냉각의 파워가 커져야 한다. 이를 위해, 종래 기술은 냉각수 유량의 증대를 제공하였다. 그러나, 과다한 냉각수의 유량의 증대는 물 자체의 회수를 어렵게하고, 노즐의 전방에서 정체되는 경향을 가지며, 그 결과 최종 제품의 양호한 품질에 필수적인 냉각 균일성을 제공하지 못하는 경향이 있다. 15 내지 40 바아(bar)의 수압값과 150mm 미만의 노즐과 슬라브 사이의 거리를 이용함으로써, 큰 "질량 유동" 값에 대해 슬라브를 보다 효과적으로 냉각시킬 수 있고 최종 제품의 양호한 품질 획득에 필요한 매우 양호한 온도 균일성(횡방향 및 종방향 모두를 따라)을 획득할 수 있다는 것을 발견하였다. 전술한 파라미터들에서, 사실상 노즐로부터의 워터 제트가 생성 증기 필름을 보다 양호하게 계속적으로 통과하며, 이때 상기 증기 필름은 슬라브와 냉각수 사이의 단열 효과를 제공한다(Leidenfrost 효과).
전술한 바와 같이 제어되는 2차 냉각은 슬라브 표면을 냉각시키면서도 슬라브의 중심부가 가능한 한 높은 온도로 유지될 수 있게 하는 특징을 갖는다.
그 목적은, 소위 "융기(bulging)" 효과 즉, 주조기 롤러들 사이에서 슬라브가 팽창되어 부풀어 오르는 것을 방지하기 위해 연속 주조 배출구에서 슬라브의 평균 표면 온도를 1150℃ 미만으로 유지하는 것이며, 또한 압연시에 적은 분리력(separating force)으로 큰 감소가 가능하도록 하기 위해 주조기 배출구에서 슬라브의 중심 단면의 평균 온도를 1300℃ 초과의 가능한 한 높은 온도로 유지하는 것이며, 상기 융기 효과는 메니스커스에서의 불규칙성을 유발하고 결과적으로 제품 품질에 부정적인 영향을 미칠 것이다.
낮은 투자비(적은 수의 스탠드) 및 동일한 두께의 최종 제품을 얻는데 필요한 적은 파워와 관련한 프로세스 경제성을 달성할 수 있다. 이와 관련하여, 본 발명에 따라, 종래 설비에서의 경우와 대조적으로, 감소된 최종 두께를 획득하는데 있어서 과다한 파워가 필요치 않으며, kW 값은 주조 배출구에서의 슬라브 두께(SpB)에 비례한다. 예를 들어, 1600mm 의 슬라브에서 처음 5개의 스탠드에 대해 요구되는 파워 값은 다음과 같다:
1°스탠드: kW < SpB x 20
2°스탠드: kW < SpB x 40
3°스탠드: kW < SpB x 70
4°스탠드: kW < SpB x 85
5°스탠드: kW < SpB x 100
전술한 내용을 반영하면, 예를 들어, 도 3은 점진적 두께 감소에 따라 도식적 방식으로 도시하였으며, 각 스탠드의 대응 크기에 의해 표시된 바와 같이 처음 5개 압연 스탠드내의 파워 소모가 증가된다는 것을 도시한다.
수직 타입 주조기 보다 높이가 낮은 활형상 주조기(bow caster)를 채용함에 따라, 동일한 단면적 및 연속 주조 배출구로부터의 속도에서, 응고 슬라브내부의 철정(ferrostatic) 압력이 보다 낮고, 그에 따라 융기 효과가 최소한으로 감소되거나 제거될 수 있다.
본 발명에 따른 설비 또는 레이-아웃의 예가 도시되어 있는 도 1을 참조하면, 몰드(10)를 통한 연속 주조 배출구에서의 슬라브(1)로부터 시작된다. 두께가 30 내지 300mm 이고 폭이 600 내지 4000mm인 슬라브(1)가 스탠드 상류에서 슬라브를 가열하기 위한 유도로(12) 및 세정기(descaler 16)를 통해 압연 단계(11)로 직접 공급된다. 슬라브의 온도 손실을 제한하기 위해 연속 주조 배출구와 압연-밀(11)의 최초 스탠드 사이의 거리는 50m를 넘지 않을 것이며, 그에 따라 필요 공간이 줄어든 보다 콤팩트한 설비라는 추가적인 이점을 제공하게 된다. 연속 주조로부터 마지막 압연 스탠드까지의 전체 프로세스의 공급 속도가 증대되고, 그러한 공급 속도는 원하는 최종 제품에서 요구되는 두께 감소에 대응하게 되며, 질량 유동은 일정하게 된다. 인-라인(in-line) 압연-밀(11)은 원하는 최종 두께 획득을 위한 하나 이상의 스탠드로 이루어지며; 예를 들어 스탠드들이 도 1에 7개(V1-V7)로 도시되어 있다. 바람직하게, 스탠드 롤들은 300 내지 800mm의 직경을 가질 것이다. 이러한 직경 범위에서, 소위 열간 균열(fire crack)이 발생하는 것을 피하기 위한 각 롤의 매우 양호한 냉각 및 최종 제품 두께에 따른 적절한 감소가 얻어질 것이다.
연속 주조부(10)로부터의 본 발명에 따른 설비, 특히 압연-밀(11)은 하류 케스케이드(cascade)에서의 속도를 제어하기 위한 시스템을 구비하며, 최종 냉각 시스템(13) 이후에 단부 릴(end reel)상에 감겨지는 코일로 절단하기 위한 절단 장치(14)가 제공된다. 상기 절단 장치(14) 상류의 절단 장치(14')가 서로 교대로 작동되어 시트(20)의 회수를 가능하게 하며, 스트립에 비해 시트(100mm 이하)에서 일반적으로 예상되는 보다 두꺼운 두께를 고려할 때, 도면에 도시된 것 보다 적은 수의 압연 스탠드 후에 보다 상류에 절단 장치(14')가 위치될 수도 있을 것이다.
회수를 위한 절단 장치(14') 앞쪽에 시트 냉각을 위한 제어된 냉각 시스템이 추가로 제공된다.
*스트립 냉각 시스템(13)에 더하여, 그 상류에, 두개의 인접한 압연 스탠드들 사이에서 마주하는 화살표들(13과 유사)로 개략적으로 도시된 슬라브(1) 표면을 냉각하기 위한 하나 이상의 냉각 시스템이 제공되어, 2차 재-산화 현상을 제한하기 위한 소위 스탠드사이의(interstand) 냉각(13')을 형성한다.
전술한 바와 같이, 연속 주조부로부터 최종 압연 스탠드까지의 전체 프로세스의 공급 속도는 점진적으로 증대되고 원하는 최종 제품의 특징들 특히, 두께 및 품질에 의해 요구되는 각각의 두께 감소에 대응된다. 이러한 효과를 위해, 상류 방향의 케스케이드에 존재하였던 종래 기술의 압연-밀에 채용되었던 것과 대조적으로 규정될 수 있는 조정 전략을 도입함으로써, 연속 주조부로부터 시작하여 하류 방향의 케스케이드내에 속도 조정 시스템이 제공된다.
상류 방향에 대한 케스케이드내의 그러한 조정은, 연속 주조부가 용액의 연속성이 없는 상태로 압연 단계에 직접 연결된 본 발명의 설비 또는 프로세스 그리고 다른 특허(특히, EP 0889762)에 적용된다면, 주조 속도의 편차를 불가피하게 유발시킬 것이며, 재료의 내부적인 특징 및 표면 균일성과 관련한 슬라브 품질과 관련한 특징에 부정적인 결과를 초래할 것이다.
그에 따라, 일반적인 기술적 편견을 극복함으로써, 하류 방향에 대한 케스케이드내의 조정이라는 새로운 개념을 적용하였으며, 이때 주조 속도는 미리설정되고 가능한 속도 교정이 하류 스탠드의 속도 파라미터에 영향을 미치며, 또한 추가적인 것과 관련하여 본 발명에 따른 설비내의 압연-밀의 작업적 차이도 고려한다. 종래 기술에 따라, 사실상, 스케쥴 패스에 의해 요구되는 두께에 따라 결정되는 롤들 사이의 닙(nip)으로 이미 폐쇄된 각 스탠드내로 스트립이 유입되고, 상류 방향에서의 케스케이드내의 조정은 재료를 이미 닙핑(nipping)하고 있는 스탠드에서의 속도 교정을 초래한다. 대조적으로, 본 발명에 따른 프로세스 및 설비에서, 슬라브 헤드가 통과할 때 요구되는 감소에 대응하는 닙에 도달할 때까지 폐쇄되는 개방 롤들을 가지는 스탠드로 슬라브가 유입된다.
프로세스 파라미터(두께, 감소%, 온도 및 속도)의 변화의 예가 도 1에 도시된 레이-아웃에 나타나 있으며, 그 파라미터들은 유도로(12), 세정기(16) 및 압연 스탠드의 유입구 및 배출구의 여러 위치에 대응하여 표시되어 있다. 도 1에서, 유도로에 대해서는 'IH'로, 세정기에 대해서는 'DES'로, 여러 스탠드에 대해서는 'V1-V7'로, 그리고 유입구 및 배출구에 대해서는 'IN' 및 'OUT'으로 나타냈다. 이때, 스탠드들의 경우에, 유입구 값이 주어진 압연 밀의 제 1 스탠드(V1)를 제외하고, 배출구 파라미터만을 기재하였다. 특히, 본 발명에 따라, 예를 들어 초기 속도가 6.5 m/분이고 초기 두께가 70mm인 슬라브로부터 시작할 때, 전체 길이가 70m인 설비에서 어떻게 약 1mm의 두께가 얻어질 수 있는지를 알 수 있을 것이다. 또한, 마지막 스탠드 배출구에서의 스트립 온도의 값이 오스테나이트 상에서의 압연을 보장할 수 있는 값이라는 것을 알 수 있을 것이다.
마지막으로, 본 발명에 따른 프로세스 및 관련 설비가 탄소 강이나 스테인리스 강뿐만 아니라, 알루미늄, 구리 또는 티탄의 연속적인 스트립 및 시트 제조에도 이용될 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다.

Claims (1)

  1. 두께가 30 내지 300mm이고 폭이 600 내지 4000mm이며 연속 주조부를 통해 얻어지는 슬라브로부터 두께가 0.14 내지 20mm인 금속 스트립 및 두께가 10 내지 100mm인 금속 시트를, 배출구에서의 단위 시간당 통과하는 재료 또는 질량 유동량이 큰 상태로, 제조하는 방법으로서, 상기 연속 주조부(10)가 활형상이고 연속성 중단이 없이 단일 제조 단계에서 몰드로부터 압연 단계(11)와 직접 연결되는, 금속 스트립 및 금속 시트 제조 방법에 있어서,
    몰드내에서 시작하여 주조 및 압연의 단일 단계에서 연속적으로 그리고 단계적으로 두께 감소를 크게 하는 두께 감소, 연속 주조부의 배출구에서 1150℃ 미만의 슬라브의 평균 표면 온도 및 1350℃ 초과의 코어의 평균 온도의 단면에서의 역전(inverted) 온도 구배를 획득하기 위한 2차 냉각부, 주조와 압연 사이의 유도 가열부(12), 제어 냉각시에 압연된 스트립의 코일 권선부(15)와 교대적인 시트(20)의 절단 장치(14, 14') 및 회수 장치, 그리고 연속 주조부로부터 시작하여 하류 방향으로 케스케이드내의 속도 조정 시스템을 제공하며,
    압연 단부에서의 주조물의 공급 속도는 원하는 최종 제품의 두께 감소에 대응하여 단계적으로 증대되며, 상기 주조와 압연 사이의 거리는 프로세스에 의해서 허용될 수 있는 최소한의 거리인 것을 특징으로 하는 금속 스트립 및 시트 제조 방법.
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