KR20120097662A - 연주공정에서 응고쉘의 브레이크아웃 방지 장치 및 그 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 연속주조 공정에서 응고쉘의 브레이크아웃(Breakout) 발생 가능성을 예측하여 응고쉘의 터짐(Breakout) 현상을 방지하기 위한 연주공정에서 응고쉘의 브레이크아웃 방지 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 저장된 강종, 주속, 파우더의 물성, 몰드의 두께 및 냉각수량 중 적어도 어느 하나의 조업변수를 이용하여 정상전열량을 계산하는 단계와, 몰드내 용강의 접촉면적, 냉각수량, 물의 비열, 및 몰드 냉각수의 온도변화량 중 적어도 어느 하나의 조업변수를 이용하여 현재전열량을 계산하는 단계와, 상기에서 계산된 정상전열량 및 현재전열량과 미리 설정된 전열량의 하락지수값을 이용하여 브레이크아웃 지수를 계산하는 단계, 및 상기에서 계산된 브레이크아웃 지수가 설정된 기준값 미만이 되도록 주속, 몰드 진동수 및 파우더 교체 중 적어도 어느 하나 이상을 선택 제어하는 단계를 제공한다.

Description

연주공정에서 응고쉘의 브레이크아웃 방지 장치 및 그 방법{DEVICE FOR PREVENTING BREAKOUT OF SOLIDIFIED SHELL IN CONTINUOUS CASTING PROCESS AND METHOD THEREFOR}

본 발명은 연속주조 공정에서 응고쉘의 브레이크아웃(Breakout) 발생 가능성을 예측하여 응고쉘의 터짐(Breakout) 현상을 방지하기 위한 연주공정에서 응고쉘의 브레이크아웃 방지 장치 및 그 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 연속주조기는 제강로에서 생산되어 래들(Ladle)로 이송된 용강을 턴디쉬(Tundish)에 받았다가 연속주조기용 몰드로 공급하여 일정한 크기의 주편을 생산하는 설비이다.

상기 연속주조기는 용강을 저장하는 래들과, 턴디쉬 및 상기 턴디쉬에서 출강되는 용강을 최초 냉각시켜 소정의 형상을 가지는 스트랜드로 형성하는 연속주조기용 몰드와, 상기 몰드에 연결되어 몰드에서 형성된 스트랜드를 이동시키는 다수의 핀치롤을 포함한다.

다시 말해서, 상기 래들과 턴디쉬에서 출강된 용강은 몰드에서 소정의 폭과 두께 및 형상을 가지는 스트랜드로 형성되어 핀치롤을 통해 이송되고, 핀치롤을 통해 이송된 스트랜드는 절단기에 의해 절단되어 소정 형상을 갖는 슬라브(Slab), 블룸(Bloom) 또는 빌렛(Billet) 등의 주편으로 제조된다.

본 발명의 목적은 연속주조 공정에서 응고쉘의 브레이크아웃 가능성을 몰드 전열량을 이용하여 실시간으로 예측하여 응고쉘의 터짐(Breakout) 현상을 방지할 수 있는 연주공정에서 응고쉘의 브레이크아웃 방지 장치 및 그 방법을 제공하는 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 과제를 실현하기 위한 본 발명의 응고쉘 브레이크아웃 방지 장치는, 외부로부터 입력된 강종, 주속, 파우더의 물성, 몰드의 두께, 냉각수의 급수온도, 및 냉각수량 중 적어도 어느 하나 이상의 조업변수 데이터 및 브레이크아웃 지수에 따른 조업가변 데이터가 저장된 메모리; 몰드로 공급되어 몰드를 냉각시킨 후 배수되는 냉각수의 온도를 검출하는 온도검출수단; 및 상기 온도검출수단을 통해 획득된 냉각수의 배수온도를 이용하여 현재전열량을 계산하고, 상기 메모리에 저장된 조업변수를 통해 정상전열량을 계산한 후 계산된 정상전열량 및 현재전열량과 미리 설정된 전열량의 하락지수값을 각각 이용하여 응고쉘의 브레이크아웃 지수를 계산하고, 계산된 브레이크아웃 지수가 설정된 기준값 미만이 되도록 주속과 몰드 진동수 및 파우더 교체 중 적어도 어느 하나 이상을 선택 제어하는 제어부;를 포함할 수 있다.

구체적으로, 상기 제어부는 강종, 주속, 파우더의 물성, 몰드의 두께, 및 냉각수량 중 적어도 어느 하나의 조업변수를 이용하여 정상전열량을 계산할 수 있다.

상기 제어부는 몰드내 용강의 접촉면적, 냉각수량, 물의 비열, 및 몰드 냉각수의 온도변화량 중 적어도 어느 하나의 조업변수를 이용하여 현재전열량을 계산하고, 상기 하락지수값은 정상전열량에서 브레이크아웃이 발생될 수 있는 전열량의 하락 정도를 나타내는 상수인 것을 특징으로 한다.

상기 과제를 실현하기 위한 본 발명의 응고쉘 브레이크아웃 방지 방법은, 저장된 강종, 주속, 파우더의 물성, 몰드의 두께 및 냉각수량 중 적어도 어느 하나의 조업변수를 이용하여 정상전열량을 계산하는 단계; 몰드내 용강의 접촉면적, 냉각수량, 물의 비열, 및 몰드 냉각수의 온도변화량 중 적어도 어느 하나의 조업변수를 이용하여 현재전열량을 계산하는 단계; 상기에서 계산된 정상전열량 및 현재전열량과 미리 설정된 전열량의 하락지수값을 이용하여 브레이크아웃 지수를 계산하는 단계; 및 상기에서 계산된 브레이크아웃 지수가 설정된 기준값 미만이 되도록 주속, 몰드 진동수 및 파우더 교체 중 적어도 어느 하나 이상을 선택 제어하는 단계;를 포함할 수 있다.

구체적으로, 상기에서 계산된 브레이크아웃 지수가 설정된 기준값과 한계값 사이일 경우 주속과 몰드 진동수 및 파우더 교체 중 적어도 어느 하나 이상을 가변 제어하고, 상기 계산된 브레이크아웃 지수가 한계값 이상일 경우 주속과 몰드 진동수를 기본적으로 가변 제어함과 아울러 파우더 교체를 선택적으로 제어할 수 있다.

상기와 같이 본 발명에 의하면, 응고쉘의 수소성 브레이크아웃 가능성을 몰드의 전열량을 이용하여 실시간으로 예측하고, 예측 결과 응고쉘의 브레이크아웃이 예측되면 조업조건을 적절하게 변경함으로써, 응고쉘의 브레이크아웃을 방지할 수 있는 이점이 있다.

도 1은 본 발명의 실시예와 관련된 연속주조기를 보인 측면도이다.
도 2는 용강(M)의 흐름을 중심으로 도 1의 연속주조기를 설명하기 위한 개념도이다.
도 3은 도 2의 몰드 및 그와 인접한 부분에서의 용강(M)의 분포 형태를 보인 개념도이다.
도 4는 몰드의 냉각시 온도 분포를 설명하기 위해 나타낸 도면이다.
도 5 및 도 6은 몰드 내 용강의 수소 증가에 따른 브레이크아웃 발생 가능성을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 의한 응고쉘의 브레이크아웃 방지 장치를 나타낸 도면이다.
도 8은 주조속도에 따른 전열량의 변화를 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 의한 응고쉘의 브레이크아웃 방지 과정을 나타낸 순서도이다.
도 10은 브레이크아웃 지수에 따른 제어 방법을 설명하기 위해 도시한 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 도면들 중 동일한 구성요소들은 가능한 어느 곳에서든지 동일한 부호로 표시한다. 또한 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.

도 1은 본 발명의 실시예와 관련된 연속주조기를 보인 측면도이다.

연속주조(continuous casting)는 용융금속을 바닥이 없는 몰드(Mold)에서 응고시키면서 연속적으로 주편 또는 강괴(steel ingot)를 뽑아내는 주조법이다. 연속주조는 정사각형·직사각형·원형 등 단순한 단면형의 긴 제품과 주로 압연용 소재인 슬라브·블룸·빌릿을 제조하는 데 이용된다.

연속주조기의 형태는 수직형·수직굴곡형·수직축차굴곡형·만곡형·수평형 등으로 분류된다. 도 1 및 도 2에서는 만곡형을 예시하고 있다.

도 1을 참조하면, 연속주조기는 래들(10)과 턴디쉬(20), 몰드(30), 2차냉각대(60 및 65), 핀치롤(70), 그리고 절단기(90)를 포함할 수 있다.

턴디쉬(Tundish, 20)는 래들(Laddle, 10)로부터 용융금속을 받아 몰드(Mold, 30)로 용융금속을 공급하는 용기이다. 래들(10)은 한 쌍으로 구비되어, 교대로 용강을 받아서 턴디쉬(20)에 공급하게 된다. 턴디쉬(20)에서는 몰드(30)로 흘러드는 용융금속의 공급 속도조절, 각 몰드(30)로 용융금속 분배, 용융금속의 저장, 슬래그 및 비금속 개재물(介在物)의 분리 등이 이루어진다.

몰드(30)는 통상적으로 수냉식 구리제이며, 수강된 용강이 1차 냉각되게 한다. 몰드(30)는 구조적으로 마주보는 한 쌍의 면들이 개구된 형태로서 용강이 수용되는 중공부를 형성한다. 슬라브를 제조하는 경우에, 몰드(30)는 한 쌍의 장벽과, 장벽들을 연결하는 한 쌍의 단벽을 포함한다. 여기서, 단벽은 장벽보다 작은 넓이를 가지게 된다. 몰드(30)의 벽들, 주로는 단벽들은 서로에 대하여 멀어지거나 가까워지도록 회전되어 일정 수준의 테이퍼(Taper)를 가질 수 있다. 이러한 테이퍼는 몰드(30) 내에서 용강(M)의 응고로 인한 수축을 보상하기 위해 설정한다. 용강(M)의 응고 정도는 강종에 따른 탄소 함량, 파우더의 종류(강냉형 Vs 완냉형), 주조 속도 등에 의해 달라지게 된다.

몰드(30)는 몰드(30)에서 뽑아낸 스트랜드가 모양을 유지하고, 아직 응고가 덜 된 용융금속이 유출되지 않게 강한 응고각(凝固殼) 또는 응고쉘(Solidified Shell, 81)이 형성되도록 하는 역할을 한다. 수냉 구조에는 구리관을 이용하는 방식, 구리블록에 수냉홈을 뚫는 방식, 수냉홈이 있는 구리관을 조립하는 방식 등이 있다.

몰드(30)는 용강이 몰드의 벽면에 붙는 것을 방지하기 위하여 몰드 오실레이터(40)에 의해 오실레이션(oscillation, 왕복운동)된다. 오실레이션시 몰드(30)와 스트랜드와의 마찰을 줄이고 타는 것을 방지하기 위해 윤활제가 이용된다. 윤활제로는 뿜어 칠하는 평지 기름과 몰드(30) 내의 용융금속 표면에 첨가되는 파우더(Powder)가 있다. 파우더는 몰드(30) 내의 용융금속에 첨가되어 슬래그가 되며, 몰드(30)와 스트랜드의 윤활뿐만 아니라 몰드(30) 내 용융금속의 산화·질화 방지와 보온, 용융금속의 표면에 떠오른 비금속 개재물의 흡수의 기능도 수행한다. 파우더를 몰드(30)에 투입하기 위하여, 파우더 공급기(50)가 설치된다. 파우더 공급기(50)의 파우더를 배출하는 부분은 몰드(30)의 입구를 지향한다.

2차 냉각대(60 및 65)는 몰드(30)에서 1차로 냉각된 용강을 추가로 냉각한다. 1차 냉각된 용강은 지지롤(60)에 의해 응고각이 변형되지 않도록 유지되면서, 물을 분사하는 스프레이수단(65)에 의해 직접 냉각된다. 스트랜드 응고는 대부분 상기 2차 냉각에 의해 이루어진다.

인발장치(引拔裝置)는 스트랜드가 미끄러지지 않게 뽑아내도록 몇 조의 핀치롤(70)들을 이용하는 멀티드라이브방식 등을 채용하고 있다. 핀치롤(70)은 용강의 응고된 선단부를 주조 방향으로 잡아당김으로써, 몰드(30)를 통과한 용강이 주조방향으로 연속적으로 이동할 수 있게 한다.

절단기(90)는 연속적으로 생산되는 스트랜드를 일정한 크기로 절단하도록 형성된다. 절단기(90)로는 가스토치나 유압전단기(油壓剪斷機) 등이 채용될 수 있다.

도 2는 용강(M)의 흐름을 중심으로 도 1의 연속주조기를 설명하기 위한 개념도이다.

본 도면을 참조하면, 용강(M)은 래들(10)에 수용된 상태에서 턴디쉬(20)로 유동하게 된다. 이러한 유동을 위하여, 래들(10)에는 턴디쉬(20)를 향해 연장하는 슈라우드노즐(Shroud nozzle, 15)이 설치된다. 슈라우드노즐(15)은 용강(M)이 공기에 노출되어 산화·질화되지 않도록 턴디쉬(20) 내의 용강에 잠기도록 연장한다. 슈라우드노즐(15)의 파손 등으로 용강(M)이 공기 중에 노출된 경우를 오픈 캐스팅(Open casting)이라 한다.

턴디쉬(20) 내의 용강(M)은 몰드(30) 내로 연장하는 침지노즐(Submerged Entry Nozzle, 25)에 의해 몰드(30) 내로 유동하게 된다. 침지노즐(25)은 몰드(30)의 중앙에 배치되어, 침지노즐(25)의 양 토출구에서 토출되는 용강(M)의 유동이 대칭을 이룰 수 있도록 한다. 침지노즐(25)을 통한 용강(M)의 토출의 시작, 토출 속도, 및 중단은 침지노즐(25)에 대응하여 턴디쉬(20)에 설치되는 스톱퍼(Stopper, 21)에 의해 결정된다. 구체적으로, 스톱퍼(21)는 침지노즐(25)의 입구를 개폐하도록 침지노즐(25)과 동일한 라인을 따라 수직 이동될 수 있다. 침지노즐(25)을 통한 용강(M)의 유동에 대한 제어는, 스톱퍼 방식과 다른, 슬라이드 게이트(Slide gate) 방식을 이용할 수도 있다. 슬라이드 게이트는 판재가 턴디쉬(20) 내에서 수평 방향으로 슬라이드 이동하면서 침지노즐(25)을 통한 용강(M)의 토출 유량을 제어하게 된다.

몰드(30) 내의 용강(M)은 몰드(30)를 이루는 벽면에 접한 부분부터 응고하기 시작한다. 이는 용강(M)의 중심보다는 주변부가 수냉되는 몰드(30)에 의해 열을 잃기 쉽기 때문이다. 주변부가 먼저 응고되는 방식에 의해, 스트랜드(80)의 주조 방향을 따른 뒷부분은 미응고 용강(82)이 응고쉘(81)에 감싸여진 형태를 이루게 된다.

핀치롤(70, 도 1)이 완전히 응고된 스트랜드(80)의 선단부(83)를 잡아당김에 따라, 미응고 용강(82)은 응고쉘(81)과 함께 주조 방향으로 이동하게 된다. 미응고 용강(82)은 위 이동 과정에서 냉각수를 분사하는 스프레이수단(65)에 의해 냉각된다. 이는 스트랜드(80)에서 미응고 용강(82)이 차지하는 두께가 점차로 작아지게 한다. 스트랜드(80)가 일 지점(85)에 이르면, 스트랜드(80)는 전체 두께가 응고쉘(81)로 채워지게 된다. 응고가 완료된 스트랜드(80)는 절단 지점(91)에서 일정 크기로 절단되어 슬라브 등과 같은 주편(P)으로 나누어진다.

한편, 상기 도 1에서 지지롤(60)과 핀치롤(70) 등을 포함한 장치를 스트랜드(strand)라고도 하는 데, 본 발명에 기재된 스트랜드(80)는 몰드(30)와 절단기(90) 사이에서 이동되는 응고쉘(81)과 미응고 용강(82)을 칭한다.

몰드(30) 및 그와 인접한 부분에서의 용강(M)의 형태에 대해서는 도 3을 참조하여 설명한다. 도 3은 도 2의 몰드(30) 및 그와 인접한 부분에서의 용강(M)의 분포 형태를 보인 개념도이다.

도 3을 참조하면, 침지노즐(25)의 하부에는 통상적으로 도면상 좌우에 한 쌍의 토출구(25a)들이 형성된다. 몰드(30) 및 침지노즐(25) 등의 형태는 중심선(C)을 기준으로 대칭되는 것으로 가정하여, 본 도면에서는 좌측만을 표시한다.

토출구(25a)에서 아르곤(Ar) 가스와 함께 토출되는 용강(M)은 화살표(A1, A2)로 표시된 바와 같이 상측을 향한 방향(A1)과 하측을 향한 방향(A2)으로 유동하는 궤적을 그리게 된다.

몰드(30) 내부의 상부에는 파우더 공급기(50, 도 1을 참조)로부터 공급된 파우더에 의해 파우더층(51)이 형성된다. 파우더층(51)은 파우더가 공급된 형태대로 존재하는 층과 용강(M)의 열에 의해 소결된 층(소결층이 미응고 용강(82)에 더 가깝게 형성됨)을 포함할 수 있다. 파우더층(51)의 하측에는 파우더가 용강(M)에 의해 녹아서 형성된 슬래그층 또는 액체 유동층(52)이 존재하게 된다. 액체 유동층(52)은 몰드(30) 내의 용강(M)의 온도를 유지하고 이물질의 침투를 차단한다. 파우더층(51)의 일부는 몰드(30)의 벽면에서 응고되어 윤활층(53)을 형성한다. 윤활층(53)은 응고쉘(81)이 몰드(30)에 붙지 않도록 윤활하는 기능을 한다.

응고쉘(81)의 두께는 주조 방향을 따라 진행할수록 두꺼워진다. 응고쉘(81)의 몰드(30) 내에 위치한 부분은 두께가 얇으며, 몰드(30)의 오실레이션에 따라 자국(oscillation mark, 87)이 형성되기도 한다. 응고쉘(81)은 지지롤(60)에 의해 지지되며, 물을 분사하는 스프레이수단(65)에 의해 그 두께가 두꺼워진다. 응고쉘(81)은 두꺼워지다가 일부분이 볼록하게 돌출하는 벌징(bulging) 영역(88)이 형성되기도 한다.

연속주조 공정에서의 냉각은 몰드(30)에서의 1차 냉각(초기 응고쉘의 생성 및 건전한 응고쉘의 두께 확보)과, 지지롤(60) 및 핀치롤(70)을 포함한 세그먼트에서 직수 방식인 2차 냉각으로 구분된다. 몰드(1차 냉각)에서의 열은 용강에서 몰드 냉각수로 이동하며 액상을 고상으로 냉각시킨다. 도 4와 같이 몰드 냉각은, 용강과 응고쉘, 응고쉘과 파우더층(액상, 고상), 파우더층과 몰드, 몰드와 몰드 냉각수를 포함한 크게 4계면에서의 열계면을 갖고 있다. 여기에서 파우더층의 열저항(R3)이 가장 크며, 파우더층이 1차 냉각을 지배하게 된다.

파우더층(51)은 용강과 접촉하는 면에서는 액상(52)으로, 몰드와 접촉하는 면에서는 고상(53)으로 존재하며, 고상은 다시 결정질과 유리질로 분류할 수 있다.

고상은 액상과 달리 복사열을 투과할 수 없어 열저항이 크다. 이러한 투과능은 결정질율에 반비례하는데, 결정질율이 높으면 복사열 전달을 방해하여 몰드 전열 특성을 저해하는 특징이 있다. 때문에 파우더의 결정질율이 몰드 전체 전열특성에 미치는 영향은 크다고 할 수 있다.

파우더의 결정질율은 함유 성분에 따른 고유한 특성이지만 용강 중 수소 함유량에 따라 크게 변한다.

용강 중 수소 농도량에 따라 파우더층(51)의 조직을 살펴보면, 도 5와 같이 수소 농도가 7ppm 이하인 파우더층 내에는 기포가 없고 고상은 대부분 비정질인 반면에, 도 6과 같이 7ppm 이상인 파우더층(51)은 내부에 기포 생성이 많고 고상의 결정질 비율이 높음을 알 수 있다.

용강 중 수소 농도가 높을수록 액상 파우더층 내부에 기포가 생성되고 기포가 핵생성 사이트(site)로 작용하여 결정질 비율이 증가한다. 결정질 비율이 과도하게 증가할 경우 몰드 전열은 급속하게 떨어져 건전한 응고쉘의 두께 확보가 어려워지고 심해질 경우 브레이크아웃(breakout)이 발생될 수 있다.

하지만, 온라인으로 파우더층 내 결정질율을 측정하거나 판단할 방법이 없으므로 수소성 브레이크아웃 발생을 사전에 예측할 방안이 없다.

일반적으로, 파우더층 내에 미세기공(micropore)의 수가 증가되면 파우더의 결정질층의 두께가 증가하고, 파우더의 결정질층 두께가 증가되면 열저항이 증감됨과 아울러 전열량이 감소된다. 전열량이 감소되면 응고쉘의 두께가 얇아져 응고쉘의 브레이크아웃이 발생된다.

따라서, 본 발명에서는 현재전열량을 검출하여 정상전열량 대비 전열량 하락 정도를 계산하여 응고쉘의 브레이크아웃을 예측 및 방지하고자 한다.

도 7은 본 발명의 실시예에 의한 응고쉘의 브레이크아웃 방지 장치를 나타낸 도면으로서, 브레이크아웃 방지장치(100)는 온도검출수단(110), 메모리(130), 입력부(150), 표시부(170), 및 제어부(190) 등을 포함한다.

온도검출수단(110)은 몰드(30)로 공급된 냉각수가 배출되는 배수라인(105) 상에 설치되어 냉각수의 배수온도를 검출한다. 여기에서, 온도검출수단(110)은 냉각수가 몰드로 공급하는 급수라인(101)에도 설치될 수 있지만, 몰드로 공급되는 냉각수의 급수온도는 거의 일정하기 때문에 실시간으로 검출할 필요가 적고 미리 설정된 값을 이용할 수 있다.

메모리(130)는 외부로부터 수집되거나 입력된 강종, 주속, 파우더의 물성, 몰드의 두께, 냉각수의 급수온도, 냉각수량 및 몰드에 용강이 접촉하는 접촉면적 등을 포함한 조업변수에 대한 데이터 및 브레이크아웃 지수에 따른 조업가변 데이터가 저장되어 있다.

입력부(150)는 외부로부터 각종 조업변수에 대한 데이터를 입력받아 설정한다.

표시부(170)는 각종 조업변수를 입력하기 위한 GUI 화면이나 응고쉘(81)의 브레이크아웃 예측 결과를 문자 또는 그래프로 디스플레이한다.

제어부(190)는 온도검출수단(110)을 통해 획득된 냉각수의 배수온도를 이용하여 현재전열량을 계산하고, 상기 메모리(130)에 저장된 조업변수를 통해 정상전열량을 계산한 후 계산된 정상전열량 및 현재전열량과 미리 설정된 전열량의 하락지수값을 각각 이용하여 응고쉘(81)의 브레이크아웃 발생 가능성을 예측하기 위한 브레이크아웃 지수를 계산하고, 계산된 브레이크아웃 지수가 설정된 기준값 미만이 되도록 주속과 몰드 진동수 및 파우더 교체 중 적어도 어느 하나 이상을 선택 제어하게 된다.

상기에서 제어부(190)는 정상전열량을 계산할 때, 강종, 주속, 파우더의 물성, 몰드의 두께 및 냉각수량 중 적어도 어느 하나의 조업변수를 이용할 수 있다. 또한, 제어부(190)는 현재전열량을 계산할 때, 몰드내 용강의 접촉면적, 냉각수량, 물의 비열 및 몰드로 급수되는 냉각수의 온도와 몰드에서 배수되는 냉각수의 온도의 온도변화량 중 적어도 어느 하나의 조업변수를 이용할 수 있다. 그리고, 하락지수값은 정상전열량에서 브레이크아웃이 발생될 수 있는 전열량의 하락 정도를 나타내는 상수이다.

또한, 브레이크아웃 방지장치(100)는 핀치롤(70)과 오실레이터(40) 및 파우더 공급기(50)를 더 포함할 수 있고, 핀치롤(70)과 오실레이터(40) 및 파우더 공급기(50)는 도 1에도 도시되어 있다.

핀치롤(70)은 브레이크아웃 지수에 기초한 제어부(190)의 제어에 따라 몰드(30)에서 배출되는 응고쉘(81)의 주속을 조절하게 되고, 몰드 오실레이터(40)는 브레이크아웃 지수에 기초한 제어부(190)의 제어에 따라 몰드의 진동수를 조절하게 되며, 파우더 공급기(50)는 브레이크아웃 지수에 기초한 제어부(190)의 제어에 따라 필요한 성분의 파우더를 몰드로 공급하게 된다.

상기 파우더 공급기(50)는 복수의 호퍼(hopper)로 구성되어 있고, 각 호퍼는 서로 다른 성분의 파우더가 저장되어 있다. 이에 따라 각 호퍼는 제어부(190)의 제어에 따라 출구가 개폐되어 저장된 파우더를 몰드 측으로 공급하게 된다.

여기서, 몰드(30)의 전열량(Heat Flux)은 도 8과 같이 주속(casting speed)이 증가함에 따라 선형적으로 증가한다. 도 8에서 실선은 주조속도에 따른 정상전열량이고, 도트는 현재전열량이다.

도 8에서와 같이 용강 중 수소가 과다 함유된 경우의 파우더층 내에 고상 결정질 증가로 인하여 전열량은 정상전열량 대비 10% 이상이나 하락(점선 타원의 도트를 칭함)하게 된다. 이를 이용하면 수소성 브레이크아웃 발생 가능성을 예측할 수 있고, 조업 중 적절한 조치를 취할 수 있다.

도 9는 본 발명의 실시예에 의한 응고쉘의 브레이크아웃 방지 과정을 나타낸 순서도로서, 첨부된 도면을 참조하여 살펴본다.

먼저, 브레이크아웃 방지장치(100)는 전열량의 계산을 위해 강종, 주속, 파우더의 물성, 몰드의 두께, 냉각수량, 몰드 냉각수의 급수온도, 물의 비열 및 몰드내 용강의 접촉면적 중 적어도 하나 이상의 조업변수를 수집하거나 입력부(150)를 통해 입력받아 메모리(130)에 저장하게 된다(S1).

그리고, 브레이크아웃 방지장치(100)는 정상전열량에서 브레이크아웃이 발생될 수 있는 전열량의 하락 정도인 하락지수값(Kd)을 외부로부터 입력받아 메모리(130)에 설정한다(S2). 일반적으로, 몰드내 전열량이 부족할 경우 몰드의 출구에서 용강 철정압을 견딜 수 있는 응고쉘(81)의 두께까지 성장하기가 어려워진다. 동일 주속에서 전열량이 정상전열량 대비 15%이상 하락될 경우(정상전열량의 85% 이하의 전열량) 응고쉘의 브레이크아웃이 발생된다.

즉, Kd는 정상전열량에서 브레이크아웃이 발생할 수 있는 전열량의 하락 정도를 나타내는 값으로, 위에서 언급한 것처럼 정상전열량 대비 85%에서 전열량이 급증하므로 Kd은 '15(100-85)'로 설정될 수 있다. 하락지수값은 고수소로 인한 브레이크아웃이 발생된 사례를 분석하여 얻어진 값이다.

제어부(190)는 메모리(130)에 저장된 강종과 주속, 파우더의 물성, 몰드의 두께 및 냉각수량 중 적어도 어느 하나의 조업변수를 이용하여 정상전열량을 계산한다(S3).

상기에서 정상전열량(Fn)은 아래 수학식 1에 의해 계산될 수 있다.

수학식 1

여기서, a1은 대상 강종이고, a2는 파우더의 물성이고, a3은 몰드 동판의 두께이고, a4는 냉각수의 특성이고, a5 및 a6은 동일 조건의 강종, 파우더, 몰드 두께, 및 냉각수에서의 전열량과 주속(Vc)의 관계 상수이다.

일반적으로, 전열량은 강종, 특히 용강 중 탄소 함량에 따라 크게 달라진다. 탄소 범위 0.08~0.12wt%에서 몰드와 응고쉘(81) 계면의 접촉 상태가 저하되어 전열량은 감소하고, 0.2wt%이상 함량에서 몰드와 응고쉘(81) 계면의 접촉이 좋아져 전열량은 증가된다. 0.1wt%에서 몰드와 응고쉘(81) 계면은 에어갭(air gap) 발생이 최대가 됨에 따라 전열량이 가장 낮게 된다.

a1은 0.08wt% 이하 탄소(C)에서의 전열량을 '1'이라고 할 때 상대적인 전열량을 아래 수학식 2로 나타낼 수 있다.

수학식 2

수학식 1에서 a2는 파우더의 물성에 따른 보정식으로 나타낼 수 있으며, 몰드 전열량은 파우더의 물성에 따라 크게 달라진다. 파우더의 염기도(CaO/SiO₂의 비)가 증가할 때 동일 조건에서 몰드 전열량은 감소하고 염기도 감소시에는 전열량이 증가한다. 파우더의 염기도에 따라 a2의 보정식을 도출하면 아래 수학식 3과 같다.

수학식 3

수학식 1에서 a3은 몰드 동판의 두께에 대한 보정식으로 나타낼 수 있으며, 몰드의 두께가 감소할수록 전열량은 증가하는 경향이 있다. 몰드 두께가 몰드 전체 전열량에 미치는 영향을 고려하면 a3는 아래 수학식 4와 같이 나타낼 수 있다. 몰드는 가공하여 사용함에 따라 매번 몰드의 두께가 달라지므로 몰드 두께의 영향을 고려해야 한다. 신품의 두께가 t0이고 현재의 두께가 t라고 할 때, 현재의 몰드 두께(t)가 신품의 두께(t0)와 동일하면 a3는 '1'값을 갖는다.

수학식 4

수학식 1에서 a4는 1차 냉각수에 대한 보정식으로 나타낼 수 있으며, 1차 냉각수량에 따라 냉각 채널의 유속이 달라지며, 몰드와 1차 냉각수와의 열전달계수는 몰드 전열량의 전체 영향도에 5% 정도의 수준이며, 이를 바탕으로 a4는 아래 수학식 5와 같이 나타낼 수 있다. 만일, 냉각수의 현재 유속(V_W)이 8.0[m/s]일 경우 a4는 '1'이 된다.

수학식 5

여기서, V_W는 냉각수의 속도(현재 유속)이다.

다른 조업 조건이 동일한 상태에서 주조속도(Vc)와 전열량(Heat Flux)은 도 8과 같이 선형적인 관계를 가지며, a1, a2, a3, a4가 '1'인 조건에서 정상전열량(Fn)은 a5×Vc＋a6으로 나타낼 수 있다. 여기서, a5와 a6은 관계 상수로서 '0'보다 크고 '1'보다 작은 값을 가질 수 있다. 일례로, a5는 0.51이고, a6은 0.52가 될 수 있다. 물론, 조업상황에 따라 a5와 a6은 '1'을 초과할 수도 있다.

상기에서 수학식 1은 주조 조건에 따라 달라질 수 있으므로 설비와 몰드의 조업조건이 변경되면 다시 산출될 필요가 있다. 물론, 상기 a1, a2, a3, a4와 관련된 식(수학식 2~수학식 5)도 조업조건에 따라 달라질 수 있으므로 조업조건이 변경될 경우 재산출해야 한다.

또한, 정상전열량을 계산할 때 수학식 1과 같이 a1, a2, a3, a4와 같은 조업조건을 모두 반영할 수도 있지만, 필요에 따라 a1 내지 a4를 모두 무시(a1 내지 a4의 값을 '1'로 한다는 의미임)하거나 적어도 하나 이상을 취사 선택할 수도 있다.

상기와 같이 정상전열량을 계산한 후 제어부(190)는 온도검출수단(110)을 통해 검출한 냉각수의 배수온도와 메모리(130)에 저장된 급수온도를 이용하여 냉각수의 온도변화량을 계산하고, 계산된 냉각수의 온도변화량과 메모리(130)에 저장된 몰드내 용강의 접촉면적, 냉각수량, 및 물의 비열을 포함한 조업변수를 이용하여 현재전열량을 계산한다(S4).

상기 현재전열량(Fp)은 아래 수학식 6과 같이 계산될 수 있다.

수학식 6

여기서, A는 몰드내 용강 접촉면적이고, c는 물의 비열이고,

는 냉각수량이며, Δt는 몰드로 급수 및 배수되는 냉각수의 온도변화량이다.

이와 같이 계산된 정상전열량(Fn) 및 현재전열량(Fp)과 메모리(130)에 설정된 하락지수값(Kd)을 이용하여 응고쉘의 브레이크아웃 발생 가능성을 예측하기 위한 브레이크아웃 지수(I_bo)를 계산하게 된다(S5).

상기 브레이크아웃 지수(I_bo)의 계산 방식은 아래 수학식 7과 같다.

수학식 7

여기서, Fn는 정상전열량이고, Fp는 현재전열량이고, Kd는 브레이크아웃이 발생될 수 있는 전열량의 하락지수값이다.

제어부(190)는 이와 같이 계산된 브레이크아웃 지수와 설정된 기준값을 비교하여 응고쉘의 브레이크아웃 발생 가능성을 예측하고, 그 결과를 도 10과 같이 표시부(170)를 통해 디스플레이하게 된다(S6). 상기에서 계산된 브레이크아웃 지수(I_bo)가 설정된 기준값을 초과할 경우 응고쉘(81)에 브레이크아웃이 발생될 것으로 예측하게 된다(S7). 여기서, 기준값은 '1'이 될 수 있다. 예컨대, 수소성 브레이크아웃 발생 가능성을 상기 수학식 7을 통해 도출할 수 있으며, 수소성 브레이크아웃은 정상전열량 대비 15% 이상 하락될 경우에 급증하므로, 하락지수값(Kd)을 '15'로 설정하면 정상전열량 대비 15% 이상 하락한 경우 상기 수소성 브레이크아웃 지수(I_bo)는 '1.0'값이 되고, 30% 이상 하락한 경우에는 '2.0'이 될 것이다.

이어, 제어부(190)는 상기에서 계산된 브레이크아웃 지수(I_bo)가 설정된 기준값을 초과할 경우 기준값 미만이 되도록 주속, 몰드 진동수 및 파우더 교체 중 적어도 어느 하나 이상을 선택적으로 제어하게 된다(S8). 만일, 브레이크아웃 지수가 기준값을 초과할 경우 제어부(190)는 소정의 경보수단을 통해 경보음이나 신호가 출력되도록 제어할 수도 있다.

상기에서, 브레이크아웃 지수(I_bo)가 기준값을 초과할 경우 도 10과 같이, 제어부(190)는 메모리(130)에 설정된 조업가변 데이터에 따라 주속을 감속(①의 경우)시키거나 주속의 변화없이 몰드 진동수를 감소(②의 경우), 주속과 몰드 진동수를 동시에 감소(③의 경우) 또는 높은 열전도 효율을 갖는 파우더가 교체 투입(④의 경우)되도록 제어할 수 있다.

여기서, 제어부(190)는 주속이 0.05 내지 0.1m/min 단위로 가변되도록 핀치롤(70)의 회전수를 제어할 수 있다. 주속의 급격한 변화는 응고쉘(81)의 표면 크랙이 발생될 수 있어 바람직하지 않고, 주속을 0.05m/min 이하의 단위로 가변시킬 경우에는 브레이크아웃 지수를 정상화하는 데 많은 시간이 소요될 수 있다. 또한, 주속은 최소 0.8m/min까지만 감속되도록 반복 제어할 수 있다. 연속주조에서 주속이 0.8m/min 미만인 경우에는 생산성이 급격히 하락하고 응고쉘(81)에 결함이 발생하므로, 주속은 최소 0.8m/min 이상이 되도록 유지한다.

몰드 진동수는 일반적으로 100 내지 200cycle/min의 진동수를 갖는데, 제어부(190)는 10cycle/min 단위로 가변되도록 오실레이터(40)를 제어한다. 만일 진동수가 급감하면 응고쉘(81)에 오실레이션 마크의 깊이(그루브 형태)가 깊어져 응고쉘(81)에 표면크랙이 발생될 가능성이 커지고, 몰드 진동수를 10cycle/min 이하의 단위로 가변시킬 경우에는 브레이크아웃 지수를 정상화하는 데 많은 시간이 소요될 수 있다.

그리고, 브레이크아웃 지수(I_bo)가 기준값을 초과할 경우 파우더는 높은 열전도 효율을 갖는, 즉 점도와 염기도(CaO/SiO₂ 비)가 낮은 플루오르(F) 성분이 함유된 파우더가 이용될 수 있다.

상기에서 계산된 브레이크아웃 지수가 설정된 기준값과 한계값 사이일 경우 제어부(190)는 주속과 몰드 진동수 및 파우더 교체 중 적어도 어느 하나 이상을 가변 제어하고, 상기 계산된 브레이크아웃 지수가 한계값 이상일 경우 주속과 몰드 진동수를 기본적으로 가변 제어하고, 파우더 교체를 선택적으로 제어할 수 있다. 상기 브레이크아웃 지수의 기준값은 '1'이 될 수 있고, 한계값은 기준값보다 큰 값으로 설정되는 데, 예를 들어 '1.5'로 설정될 수 있다.

이와 같이 제어부(190)는 브레이크아웃 지수에 따라 주속, 몰드 진동수 및 파우더 교체 중 적어도 어느 하나 이상을 선택적으로 제어하게 된다. 이후, 가변된 조업변수를 이용하여 상술한 방법으로 브레이크아웃 지수를 반복하여 계산한 후 브레이크아웃 지수에 따른 적절한 제어를 통해 현재전열량을 정상영역으로 복귀시키게 된다.

이와 같이 본 발명에서는 수소성 브레이크아웃 가능성을 몰드의 전열량을 이용하여 실시간으로 예측하고, 예측 결과 응고쉘의 브레이크아웃이 예측되면 조업조건을 적절하게 변경함으로써, 응고쉘의 브레이크아웃을 방지할 수 있다.

상기의 본 발명은 바람직한 실시예를 중심으로 살펴보았으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 본질적 기술 범위 내에서 상기 본 발명의 상세한 설명과 다른 형태의 실시예들을 구현할 수 있을 것이다. 여기서 본 발명의 본질적 기술범위는 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

10: 래들 15: 슈라우드노즐
20: 턴디쉬 25: 침지노즐
30: 몰드 40: 몰드 오실레이터
50: 파우더 공급기 51: 파우더층
52: 액체 유동층(액상) 53: 윤활층(고상)
60: 지지롤 65: 스프레이
70: 핀치롤 80: 스트랜드
81: 응고쉘 82: 미응고 용강
83: 선단부 85: 응고 완료점
90: 절단기 91: 절단 지점
100: 브레이크아웃 방지장치 110: 온도검출수단
130: 메모리 150: 입력부
170: 표시부 190: 제어부

Claims (11)

1. 외부로부터 입력된 강종, 주속, 파우더의 물성, 몰드의 두께, 냉각수의 급수온도, 및 냉각수량 중 적어도 어느 하나 이상의 조업변수 데이터 및 브레이크아웃 지수에 따른 조업가변 데이터가 저장된 메모리;
   몰드로 공급되어 몰드를 냉각시킨 후 배수되는 냉각수의 온도를 검출하는 온도검출수단; 및
   상기 온도검출수단을 통해 획득된 냉각수의 배수온도를 이용하여 현재전열량을 계산하고, 상기 메모리에 저장된 조업변수를 통해 정상전열량을 계산한 후 계산된 상기 정상전열량 및 현재전열량과 미리 설정된 전열량의 하락지수값을 각각 이용하여 응고쉘의 브레이크아웃 지수를 계산하고, 계산된 상기 브레이크아웃 지수가 설정된 기준값 미만이 되도록 주속과 몰드 진동수 및 파우더 교체 중 적어도 어느 하나 이상을 선택 제어하는 제어부;를 포함하는 연주공정에서 응고쉘의 브레이크아웃 방지 장치.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 제어부는 주속과 몰드 진동수 및 파우더 교체를 핀치롤, 몰드 오실레이터 및 파우더 공급기를 통해 각각 제어하는 연주공정에서 응고쉘의 브레이크아웃 방지 장치.
   
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 제어부는 강종, 주속, 파우더의 물성, 몰드의 두께, 및 냉각수량 중 적어도 어느 하나의 조업변수를 이용하여 정상전열량을 계산하는 연주공정에서 응고쉘의 브레이크아웃 방지 장치.
   
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 제어부는 몰드내 용강의 접촉면적, 냉각수량, 물의 비열, 및 몰드 냉각수의 온도변화량 중 적어도 어느 하나의 조업변수를 이용하여 현재전열량을 계산하는 연주공정에서 응고쉘의 브레이크아웃 방지 장치.
   
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 하락지수값은 정상전열량에서 브레이크아웃이 발생될 수 있는 전열량의 하락 정도를 나타내는 상수인 것인 연주공정에서 응고쉘의 브레이크아웃 방지 장치.
   
6. 저장된 강종, 주속, 파우더의 물성, 몰드의 두께 및 냉각수량 중 적어도 어느 하나의 조업변수를 이용하여 정상전열량을 계산하는 단계;
   몰드내 용강의 접촉면적, 냉각수량, 물의 비열, 및 몰드 냉각수의 온도변화량 중 적어도 어느 하나의 조업변수를 이용하여 현재전열량을 계산하는 단계;
   상기에서 계산된 정상전열량 및 현재전열량과 미리 설정된 전열량의 하락지수값을 이용하여 브레이크아웃 지수를 계산하는 단계; 및
   상기에서 계산된 브레이크아웃 지수가 설정된 기준값 미만이 되도록 주속, 몰드 진동수 및 파우더 교체 중 적어도 어느 하나 이상을 선택 제어하는 단계;를 포함하는 연주공정에서 응고쉘의 브레이크아웃 방지 방법.
   
7. 청구항 6에 있어서,
   상기에서 계산된 브레이크아웃 지수가 설정된 기준값과 한계값 사이일 경우 주속과 몰드 진동수 및 파우더 교체 중 적어도 어느 하나 이상을 가변 제어하고,
   상기 계산된 브레이크아웃 지수가 한계값 이상일 경우 주속과 몰드 진동수를 기본적으로 가변 제어하고, 파우더 교체를 선택적으로 제어하는 연주공정에서 응고쉘의 브레이크아웃 방지 방법.
   
8. 청구항 7에 있어서,
   상기 기준값은 "1"로 설정되고, 한계값은 기준값보다 큰 값으로 설정되는 연주공정에서 응고쉘의 브레이크아웃 방지 방법.
   
9. 청구항 6에 있어서,
   상기 정상전열량(Fn)은 아래 수학식 1에 의해 계산되는 연주공정에서 응고쉘의 브레이크아웃 방지 방법.
   수학식 1
   

   

   
   단, a1은 대상 강종이고, a2는 파우더의 물성이고, a3은 몰드의 두께이고, a4는 냉각수의 특성이고, a5 및 a6은 동일 조건의 강종, 파우더, 몰드 두께, 및 냉각수에서의 전열량과 주속(Vc)의 관계 상수임.
   
10. 청구항 6에 있어서,
    상기 현재전열량(Fp)은 아래 수학식 2에 의해 계산되는 연주공정에서 응고쉘의 브레이크아웃 방지 방법.
    수학식 2
    

    

    
    단, A는 몰드내 용강 접촉면적이고, c는 물의 비열이고,

    

    는 냉각수량이며, Δt는 몰드로 급수 및 배수되는 냉각수의 온도변화량임.
    
11. 청구항 6에 있어서,
    상기 브레이크아웃 지수(I_bo)는 아래 수학식 3에 의해 계산되는 연주공정에서 응고쉘의 브레이크아웃 방지 방법.
    수학식 3
    

    

    
    단, Fn는 정상전열량이고, Fp는 현재전열량이고, Kd는 브레이크아웃이 발생될 수 있는 전열량의 하락지수값임.

Images