KR20140108410A

KR20140108410A - 연속주조공정의 용강 온도 예측 방법

Info

Publication number: KR20140108410A
Application number: KR1020130020950A
Authority: KR
Inventors: 김경수; 안재환; 최주태
Original assignee: 현대제철 주식회사
Priority date: 2013-02-27
Filing date: 2013-02-27
Publication date: 2014-09-11

Abstract

본 발명은 연속주조공정의 용강 온도 예측 방법에 관한 것으로서, 연속주조공정에서 용강을 저장하여 이송하는 래들 내부에 주입된 용강의 탕면 복사열 손실량을 아래 수식 1을 통해 산출하는 단계와, 상기 래들의 벽면에서 발생되는 대류열 손실량을 아래 수식 2를 통해 산출하는 단계와, 상기 래들에서 턴디쉬로 주입되는 용강의 주입량을 아래 수식 3을 통해 산출하는 단계와, 상기 아래 수식 1, 수식 2 및 수식 3을 관계식에 대입하여 래들 내 용강의 열 에너지 변화량을 산출하는 단계와, 상기 산출된 래들 내 용강의 열 에너지 변화량을 통해 상기 래들에서 토출되는 용강의 온도를 예측하여 상기 용강의 온도를 조절하는 단계를 포함한다.

Description

연속주조공정의 용강 온도 예측 방법{METHOD FOR PREDICTING MOLTEN STEEL TEMPERATURE OF CONTINUOUS CASTING}

본 발명은 연속주조공정의 용강 온도 예측 방법에 관한 것으로서, 관계식을 통해 래들 내 용강의 열 에너지 변화량을 산출하여 이를 통해 미리 래들의 용강 주입량 및 시간에 따라 턴디쉬로 주입되는 용강의 온도를 실시간으로 예측하는 연속주조공정의 용강 온도 예측 방법에 관한 것이다.

연속주조기는 용강을 저장하는 래들과, 턴디쉬 및 상기 턴디쉬에서 출강되는 용강을 최초 냉각시켜 소정의 형상을 가지는 연주주편으로 형성하는 연주용 몰드와, 상기 몰드에 연결되어 몰드에서 형성된 연주주편을 이동시키는 다수의 핀치롤 등을 포함한다. 래들과 턴디쉬에서 출강된 용강은 몰드에서 소정의 폭과 두께 및 형상을 가지는 연주주편으로 형성되어 핀치롤을 통해 이송되고, 핀치롤을 통해 이송된 연주주편은 절단기에 의해 절단되어 소정 형상을 갖는 슬라브(Slab) 또는 블룸(Bloom), 빌렛(Billet) 등의 주편으로 제조된다. 슬라브와 같은 주편은 압연 공정을 거쳐 최종 제품인 열연코일로 제조된다.

관련된 선행기술로는 한국특허공개 제2006-74643호(공개일; 2006.07.03, 명칭; 쌍롤식 박판주조공정의 용강온도 유지방법)가 있다.

본 발명은 관계식을 통해 래들 내 용강의 열 에너지 변화량을 산출하여 이를 통해 미리 래들의 용강 주입량 및 시간에 따라 턴디쉬로 주입되는 용강의 온도를 실시간으로 예측하여 조업사고를 예방함과 동시에 용강의 온도를 관리할 수 있는 연속주조공정의 용강 온도 예측 방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않는다.

상기 과제를 달성하기 위한 본 발명의 연속주조공정의 용강 온도 예측 방법은, 연속주조공정에서 용강을 저장하여 이송하는 래들 내부에 주입된 용강의 탕면 복사열 손실량을 아래 수식 1을 통해 산출하는 단계와, 상기 래들의 벽면에서 발생되는 대류열 손실량을 아래 수식 2를 통해 산출하는 단계와, 상기 래들에서 턴디쉬로 주입되는 용강의 주입량을 아래 수식 3을 통해 산출하는 단계와, 상기 아래 수식 1, 수식 2 및 수식 3을 관계식에 대입하여 래들 내 용강의 열 에너지 변화량을 산출하는 단계와, 상기 산출된 래들 내 용강의 열 에너지 변화량을 통해 상기 래들에서 토출되는 용강의 온도를 예측하여 상기 용강의 온도를 조절하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 관계식은

일 수 있다.

상기 래들에서 토출되는 용강량은 80 ~ 120ton이고, 토출량은 1 ~ 1.6ton/min 일 수 있다.

상기 용강의 온도를 조절하는 단계에서는 상기 래들에서 상기 턴디쉬로 주입되는 용강의 양을 조절하여 상기 턴디쉬에 주입되는 용강의 온도를 조절할 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에서는 관계식을 통해 래들 내 용강의 열 에너지 변화량을 산출하여 이를 통해 미리 래들의 용강 주입량 및 시간에 따라 턴디쉬로 주입되는 용강의 온도를 실시간으로 예측하여 조업사고를 예방함과 동시에 용강의 온도를 관리할 수 있는 이점이 있다.

도 1은 본 발명과 관련된 전로의 2중 탈린 제어 공정을 나타낸 순서도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연속주조공정의 용강 온도 예측 방법을 나타낸 순서도이다.

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 및 빌릿을 제조하는 데 이용된다. 또한, 연속주조기의 형태는 수직형과 수직만곡형 등으로 분류된다. 도 1에서는 수직만곡형을 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(Ladle, 10)로부터 용융금속을 받아 몰드(Mold, 30)로 용융금속을 공급하는 용기이다. 래들(10)은 한 쌍으로 구비되어, 교대로 용강을 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 연주주편이 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 오실레이터(40)에 의해 오실레이션(oscillation, 왕복운동)된다. 오실레이션시 몰드(30)와 응고쉘(81)과의 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 응고쉘(81)의 윤활뿐만 아니라 몰드(30) 내 용융금속의 산화질화 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. 연주주편의 응고는 대부분 상기 2차 냉각에 의해 이루어진다.

인발장치(引拔裝置)는 연주주편이 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 연주주편을 일정한 크기로 절단하도록 형성된다. 절단기(90)로는 가스토치나 유압전단기(油壓剪斷機) 등이 채용될 수 있다.

한편, 연주공정 중 용강의 온도는 일정 범위 내로 유지되는 것이 중요하다. 특히, 개재물의 부상분리 뿐만 아니라 래들 교환 시 몰드로 일정량의 용강을 일정 온도로 주입시키기 위한 턴디쉬의 용강 온도가 매우 중요하다. 왜냐하면, 턴디쉬 내 용강의 온도가 용강 응고온도 보다 낮게 될 경우 턴디쉬 또는 몰드 내의 용강이 과냉(freezing)되어 조업사고 및 주편 불량을 발생시킬 수 있기 때문이다. 또한, 턴디쉬 내의 과도하게 높은 온도의 용강이 몰드로 주입되는 경우 몰드에서 용강의 응고가 지연되어 철정압에 의한 주편터짐을 발생시켜 조업사고 및 주편 불량을 발생시킬 수 있기 때문이다.

이러한 턴디쉬 내 용강 온도는 도 2와 같이, 래들에서 출탕되어 공급되는 용강의 온도에 직접적인 영향을 받게 된다. 이때, 턴디쉬에는 한쌍의 래들이 교대로 용강을 공급한다. 즉, 순서에 따라 1차 래들의 주조 완료 시점에 이어 2차 래들이 개공되어 턴디쉬에 용강을 공급하는 것이다.

이러한 과정 중 2차 래들에서 턴디쉬로 용강이 주입될 때 래들 내 용강의 열 에너지 변화량을 산출하여 이를 통해 용강의 온도를 제어하는 방법은 다음과 같다.

도 2는 본 발명에 의한 연속주조공정의 용강 온도 예측 방법을 나타낸 순서도로서, 래들 내부에 주입된 용강의 탕면 복사열 손실량을 산출하는 단계와, 래들의 벽면에서 발생되는 대류열 손실량을 산출하는 단계와, 관계식에 대입하여 래들 내 용강의 열 에너지 변화량을 산출하는 단계와, 래들에서 토출되는 용강의 온도를 예측하여 상기 용강의 온도를 조절하는 단계를 포함한다.

상기 래들 내부에 주입된 용강의 탕면 복사열 손실량을 산출하는 단계는 아래 수식 1을 통해 산출하게 된다(S10).

이때 상기 수식 1은

이다.

여기서, T는 용강 온도이고, T∞는 대기온도이며, A는 탕면 넓이이고, α는 복사 열 손실량 상수이다.

상기 용강의 탕면 복사열 손실량이란, 래들에 용강이 주입된뒤 래글의 개구된 상측면을 통해 용강의 열이 방출되어 용강의 열이 손실되는 것을 말한다.

이렇게 상기 수식 1을 통해 용강의 탕면 복사열 손실량을 계산한뒤 래들에서 용강이 배출될때 래들의 벽면에서 발생되는 대류열 손실량을 아래 수식 2를 통해 산출하게 된다(S20).

이때, 상기 래들의 벽면에서 발생되는 대류열 손실량은 래들에서 용강이 턴디쉬로 토출될 때 감소되는 용강으로 인해 래들의 벽면에서 외부와 래들 상측으로 배출되는 대류열로 인한 용강의 열 손실율을 말한다.

상기 수식 2는

이다.

이때, β는 벽면 대류 열 손실량 상수이며, q_wall는 단위면적당 대류 열전달량이고, B_wall은 용강 접촉 벽면 넓이이다.

이렇게 상기 수식 2를 통해 래들의 벽면에서 발생되는 대류열 손실량을 산출한뒤, 래들에서 용강이 점차 배출되어 턴디쉬로 주입되는 용강의 주입량을 수식 3을 통해 산출한다(30).

이때, 상기 수식 3은

이다.

여기서, p는 용강밀도이고, C_P는 열용량이며, T는 용강 온도이고, Q는 용강 주입량이며, γ는 턴디쉬 용강 주입량 상수이다.

이렇게 구해진 상기 수식 1 내지 수식 3을 관계식에 대입하여 래들 내 용강의 열 에너지 변화량을 산출하게 된다(S40).

이때 상기 래들 내 용강의 열 에너지 변화량은 래들에서 턴뒤쉬로 용강을 주입하면서 발생되는 온도의 변화로 인한 열에너지의 변화량을 나타낸 것이다.

이러한 래들 내 열 에너지 변화량을 통해 용강의 온도가 급격히 낮아져 용강이 경화되는 현상을 방지하게 되고, 이로 인해 발생될 수 있는 조업사고를 미연에 방지할 수 있도록 한다.

상기 관계식은

이다.

여기서, p는 용강밀도이고, C_P는 열용량이며, T는 용강 온도이고, T∞는 대기온도,이며, q_wall는 단위면적당 대류 열전달량이며, A는 탕면 넓이이고, Q는 용강 주입량이며, V는 용강부피이고, B_wall은 용강 접촉 벽면 넓이이며, α는 복사 열 손실량 상수이고, β는 벽면 대류 열 손실량 상수이며, γ는 턴디쉬 용강 주입량 상수이며, Dt는 시간 변화량이고, D는 온도변화량을 말한다.

이처럼 상기 관계식을 통해 산출된 래들 내 용강의 열 에너지 변화량으로 인해 미리 래들의 열 변화상태를 예측하고, 이 예측된 값을 통해 미리 용강의 온도변화에 대응하도록 용강을 회송시켜 조업사고를 방지하게 된다(S50).

상기 래들에서 턴디쉬로 주입되는 용강량은 80 ~ 120ton이고, 용강의 토출량은 1 ~ 1.6ton/min인 것을 전제로 하였을때 상기 관계식을 통해 래들 내 용강의 열 에너지 변화량을 산출할 수 있게 된다.

그리고, 상기 래들에서 래들 내 용강의 열 에너지 변화량을 통해 용강의 온도를 조절할 때에는 래들에서 턴디쉬로 주입되는 용강이 양을 조절하여 온도를 조절하게 된다.

상기의 수식 1 내지 3이 대입된 관계식을 통해 래들 내 용강의 열 에너지 변화량을 산출하는 것을 실시예를 들어 설명하면 다음과 같다.

먼저, 실시예를 위한 래들의 기본 조건은 다음 표 1과 같다.

래들 정보(원통인 경우로 가정)
- 반지름(m)	1.27
- 높이(m)	2.53
- 바닥 면적 (m2)	5.07
- Volume	12.82
L/D 용강량(ton)	100
L/D 용강 온도 ()	1547
용강 밀도 (ton/m3)	7.8
토출량 (ton/min)	1.31
토출량부피 (m3/min)	0.17
Cp (j/tonk)	710000
L/D 용강 높이 (m/min)	2.53

그리고, 상기 래들에서 턴디쉬로 주입되는 용강량은 80 ~ 120ton이고, 용강의 토출량은 1 ~ 1.6ton/min인 것을 전제로 한다. 또한, 복사 열 손실 상수 1, 벽면 대류 열 손실 상수 1 및 턴디쉬 용강 주입상수 1을 전제로 한다. 그리고, 래들 내의 용강 온도는 균일하다고 가정한다.

그리고, 래들 내 용강/내화물 접촉 면적 산출 방법 (원통形 래들의 경우)은 다음과 같다.

- 래들 내용강량(n)= 래들 내용강량(n-1) + 토출량(n-1)

- 래들 내용걍량(n)= 래들 내 용강 부피(n) * 용강밀도(상수)

- 래들 내용강부피(n) = 용강바닥 면적(상수) * 높이(n)

- 래들 내 용강/내화물접촉 면적(n)= 래들 바닥 면적(상수) + 용강 접촉 래들 옆 면적(n)

- 용강 접촉 래들 옆 면적 = 바닥 외경 길이*높이로 이루어진다.

상기 표 1과 그외의 조건을 관계식에 대입하면,

으로 나타난다.

이 관계식의 결과값인 래들 내 용강의 열 에너지 변화량은 -2.31857477794322이란 값이 산출된다.

이처럼 상기 관계식으로 래들 내 용강의 열 에너지 변화량을 산출하여 이를 통해 미리 래들의 용강 주입량 및 시간에 따라 턴디쉬로 주입되는 용강의 온도를 실시간으로 예측하여 조업사고를 예방하고, 이와 동시에 용강의 온도를 관리할 수 있게 된다.

이와 같이 본 발명에서는 관계식을 통해 래들 내 용강의 열 에너지 변화량을 산출하여 이를 통해 미리 래들의 용강 주입량 및 시간에 따라 턴디쉬로 주입되는 용강의 온도를 실시간으로 예측하여 조업사고를 예방함과 동시에 용강의 온도를 관리 할 수 있는 이점이 있다.

상기와 같은 연속주조공정의 용강 온도 예측 방법은 위에서 설명된 실시예들의 구성과 작동 방식에 한정되는 것이 아니다. 상기 실시예들은 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 구성될 수도 있다.

Claims

연속주조공정에서 용강을 저장하여 이송하는 래들 내부에 주입된 용강의 탕면 복사열 손실량을 아래 수식 1을 통해 산출하는 단계;
상기 래들의 벽면에서 발생되는 대류열 손실량을 아래 수식 2를 통해 산출하는 단계;
상기 래들에서 턴디쉬로 주입되는 용강의 주입량을 아래 수식 3을 통해 산출하는 단계;
상기 아래 수식 1, 수식 2 및 수식 3을 관계식에 대입하여 래들 내 용강의 열 에너지 변화량을 산출하는 단계; 및
상기 산출된 래들 내 용강의 열 에너지 변화량을 통해 상기 래들에서 토출되는 용강의 온도를 예측하여 상기 용강의 온도를 조절하는 단계;를 포함하는 연속주조공정의 용강 온도 예측 방법.
수식 1

수식 2

수식 3

여기서, p는 용강밀도이고, C_P는 열용량이며, T는 용강 온도이고, T∞는 대기온도,이며, q_wall는 단위면적당 대류 열전달량이며, A는 탕면 넓이이고, Q는 용강 주입량이며, B_wall은 용강 접촉 벽면 넓이이고, α는 복사 열 손실량 상수이며, β는 벽면 대류 열 손실량 상수이고, γ는 턴디쉬 용강 주입량 상수이다.
청구항 1에 있어서,
상기 관계식은

인 연속주조공정의 용강 온도 예측 방법.
여기서, p는 용강밀도이고, C_P는 열용량이며, T는 용강 온도이고, T∞는 대기온도,이며, q_wall는 단위면적당 대류 열전달량이며, A는 탕면 넓이이고, Q는 용강 주입량이며, V는 용강부피이고, B_wall은 용강 접촉 벽면 넓이이며, α는 복사 열 손실량 상수이고, β는 벽면 대류 열 손실량 상수이며, γ는 턴디쉬 용강 주입량 상수이며, Dt는 시간 변화량이고, D는 온도변화량을 말한다.
청구항 1에 있어서,
상기 래들에서 토출되는 용강량은 80 ~ 120ton이고, 토출량은 1 ~ 1.6ton/min 인 연속주조공정의 용강 온도 예측 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 용강의 온도를 조절하는 단계에서는 상기 래들에서 상기 턴디쉬로 주입되는 용강의 양을 조절하여 상기 턴디쉬에 주입되는 용강의 온도를 조절하는 연속주조공정의 용강 온도 예측 방법.