KR20160141125A - 몰드 플럭스 및 이를 이용한 연속 주조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 몰드 플럭스에 관한 것으로, 연속 주조에 사용되는 몰드 플럭스에 있어서, 상기 몰드 플럭스는 주형 탕면에서 점도와 주형 벽면에서 점도가 서로 다르며, 질소 성분을 포함한다.

Description

몰드 플럭스 및 이를 이용한 연속 주조방법{MOLD FLUX AND METHOD OF CONTINUOUS CASTING OF STEEL USING THE SAME}

본 발명은 몰드 플럭스 및 이를 이용한 연속 주조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 철강의 연속 주조 공정에 사용되는 몰드 플럭스 및 이를 이용한 연속 주조방법에 관한 것이다.

철강의 연속 주조 공정은 1960년대 이후 전 세계적으로 널리 보급된 기술로 이전의 행하여지던 잉곳 캐스팅 공정에 비하여 생산성 향상, 수율 향상 등 많은 장점이 있어 널리 사용되는 공정이다. 연속 주조 공정에서 주편의 품질과 생산성은 주형 내 응고의 제어에 의해 정해진다.

일종의 버퍼 역할을 하는 턴디쉬(tundish)로부터 침적형 노즐을 통하여 용강이 주형 내로 유입되면 용강과 주형이 맞닿는 부위인 메니스커스(meniscus)에서부터 응고가 시작된다.

이때, 응고로 인하여 형성되는 응고셀이 직접 주형과 접촉하게 되면 응고셀과 주형간의 마찰로 인해 응고셀이 파열될 수 있기 때문에 주형 벽면과 응고셀 사이에 윤활제 역할을 하는 몰드 플럭스를 투입한다.

연속 주조 공정 시 탕면에 도포하는 몰드 플럭스는 탕면 용강의 현열로 용해된 후 메니스커스 부위에서 주형 벽면으로 유입되면서 슬래그 필름으로 존재하는데, 주형 벽면에 가까운 쪽에는 고상 필름이 존재하고 응고셀에 가까운 쪽에는 액상 필름이 존재한다. 이와 같은 몰드 플럭스는 용강에서 주형 벽면으로 열전달의 속도를 제어하며, 윤활능을 가진다. 액상 필름 및 고상 필름을 통한 열전달은 각각 전도(conduction) 및 복사(radiation)의 두 가지 경로로 이루어지며, 슬래그 필름과 관련된 열저항은 계면 열저항을 포함하여 총 5가지가 존재한다.

여기서, 액상 필름의 주편에 전달 마찰력(friction force)이 작용하는데, 주편에 작용하는 전달 마찰력이 일정 이상으로 커지면 주편에 크랙이 발생하여 제조되는 제품에 결함이 존재하거나 크랙이 파열되어 브레이크 아웃이 발생할 수 있다. 따라서, 주형 벽면에는 액상의 몰드 플럭스의 저점도를 유지해야 하지만, 주형 탕면에서는 액상의 몰드 플럭스가 슬래그 pool형태로 존재하게 되는데, 점도가 낮을 경우 용강 속으로 쉽게 침입하여 대형의 개재물성 결함을 유발하는 문제가 있다.

한국등록특허공보 제10-0749027호

본 발명의 일 실시예에 따른 몰드 플럭스 및 이를 이용한 연속 주조방법은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 다음과 같은 해결과제를 목적으로 한다.

주형 탕면에서는 액상 몰드 플럭스의 점도가 높은 편이 바람직하고 주형 벽면에서는 낮은 점도가 유리하여 최적의 해를 찾기 어려운 문제점을 해결하기 위하여 몰드 플럭스의 전단박화 현상에 주목하였다. 전단박화 현상은 전단속도(shear rate)가 증가할수록 유효점도가 낮아지는 현상을 말한다. 주형 벽면에서는 전단속도가 높고 주형 탕면에서는 전단속도가 낮으므로, 전단박화 현상이 뚜렷할수록 연속주조 조업에 유리하게 작용한다. 본 발명자들은 슬래그 중 질소 농도가 전단박화와 밀접한 관련이 있음을 확인하였고, 특히 특정 농도에서 전단박화 현성이 극대화 함을 확인하였다. 본 발명을 통하여 새롭게 개발된 몰드 플럭스를 연속주조 조업에 적용할 경우, 주형 탕면에서의 점도를 보다 높이고 주형 벽면에서의 점도를 보다 낮출 수 있어서 제반의 품질 및 조업 생산성을 획기적으로 개선할 수 있는 몰드 플럭스 및 이를 이용한 연속 주조방법을 제공함에 있다.

본 발명의 해결과제는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당해 기술분야에 있어서의 통상의 지식을 가진 자가 명확하게 이해할 수 있을 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 몰드 플럭스는, 연속 주조에 사용되는 몰드 플럭스에 있어서, 상기 몰드 플럭스는 주형 탕면에서 점도와 주형 벽면에서 점도가 서로 다르며, 질소 성분을 포함한다.

상기 몰드 플럭스는 상기 질소가 0.1 내지 5% 함량으로 첨가될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 몰드 플럭스를 이용한 연속 주조방법은, 주형 탕면에서 점도와 주형 벽면에서 점도가 서로 다르며, 질소 성분을 포함하는 몰드 플럭스를 주형 내에 투입하는 단계; 및 상기 몰드 플럭스를 응고하는 단계;를 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 몰드 플럭스 및 이를 이용한 연속 주조방법은 질소 성분을 포함하는 몰드 플럭스를 사용함으로써, 전단박화능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

본 발명의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당해 기술분야에 있어서의 통상의 지식을 가진 자가 명확하게 이해할 수 있을 것이다.

도 1은 주형 내에서 주형 탕면과 주형 벽면에 존재하는 액상의 몰드 플럭스를 도시한 도면이고,
도 2는 종래의 몰드 플럭스의 액상 슬래그 구조를 도시한 도면이고,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 몰드 플럭스의 액상 슬래그 구조를 도시한 도면이고,
도 4는 도 2의 플럭스의 전단율을 변경하면서 유효 점도를 측정한 결과를 도시한 그래프이고,
도 5는 도 2의 몰드 플럭스의 전단박화능을 유동거동지수로 평가한 그래프이고,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 몰드 플럭스를 이용한 연속 주조방법을 순차적으로 도시한 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성 요소는 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 발명의 사상을 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐 첨부된 도면에 의해 본 발명의 사상이 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 됨을 유의해야 한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 몰드 플럭스의 액상 슬래그 구조를 도시한 도면이고, 도 4는 도 2의 플럭스의 전단율을 변경하면서 유효 점도를 측정한 결과를 도시한 그래프이고, 도 5는 도 2의 몰드 플럭스의 전단박화능을 유동거동지수로 평가한 그래프이다.

주형은 주형 내에서 주형 탕면(mold top surface)과 주형 벽면(mold wall surface)으로 구분될 수 있는데, 주형 탕면에는 항상 일정한 속도의 용강 유동이 존재며 용강이 완전이 정체되어 있으면 탕면의 표면에서 쉽게 응고되고, 용강이 지나치게 빠른 속도로 유동하면 탕면이 불안정해진다.

여기서, 주형 탕면에 존재하는 액상의 몰드 플럭스에 주어지는 전단율(shear rate)은 하기의 계산식 1에 기초하여 계산될 수 있다.

<계산식 1> shear rate = 슬래그 pool 두께 / 탕면 용강 유동 속도

이와 같은 계산식 1에 기초하여 전단율은 10 내지 40/sec의 값을 갖는다.

한편, 주형 벽면에서는 진동하는 주형 벽면과 일정한 주조 속도로 하측으로 유동하는 응고셀 간에 상대적인 속도 차이에 의해서 전단율이 정해진다. 주형 벽면에서 전달율은 하기의 계산식 2에 기초하여 계산될 수 있다.

<계산식 2> shear rate = 액상 슬래그 필름 두께 / 주형과 응고셀간 상대속도

이와 같은 계산식 2에 기초하여 전단율은 100 내지 1000/sec의 값을 갖는다. 이에 따라, 주형 벽면에서 액상의 몰드 플럭스에 부가되는 전단율이 주형 탕면에서의 액상 몰드 플럭스에 부가되는 전달율보다 높은 것을 알 수 있다. 반면, 주형 탕면과 주형 벽면에서의 점도는 반대값을 나타내는 것을 알 수 있다.

즉, 주형 탕면에서는 점도가 낮을 경우 몰드 플럭스가 용강 속으로 쉽게 침입된다. 용강 속으로 침입한 몰드 플럭스는 밀도 차이에 의하여 다시 분리 부상되어 슬래그 pool에 다시 유입될 수 있으나, 용강 유동에 휩쓸려 응고셀에 부딪히면서 고착될 수 있다. 이와 같이 고착된 경우 최종 제품의 내부 및 표면에 결함이 발생하므로 주형 탕면에서는 액상 몰드 플럭스의 점도를 낮추는 것이 바람직하다.

반면, 주형 벽면에서는 액상의 몰드 플럭스의 점도 값이 응고셀에 부가되는 마찰력과 비례하게 된다. 응고 온도 직하에서의 응고셀 강도는 상온에서의 강도에 비해서 1% 미만으로 극히 약하다. 따라서, 마찰력이 높아지면 응고셀이 국부적으로 파열되거나 변형되는 문제가 발생하며 심한 경우 완전히 찢어져서 내부의 용강이 분출하는 브레이크 아웃이 발생할 수 있다. 따라서, 주형 벽면에서는 액상 몰드 플럭스의 점도를 낮추는 것이 바람직하다. 따라서, 전단율의 증가에 따라 유효 점도 값이 낮아지는 전단박화 특성을 갖는 몰드 플럭스를 적용하면 주조 조업 및 주편 품질에 크게 개선할 수 있게 된다. 결과적으로, 주형 탕면에서의 점도 값과 주형 벽면에서의 점도 값은 서로 다르게 형성된다.

표 1을 참조하면, 다양한 조성의 몰드 플럭스를 대상으로 회전식 고온 점도계를 이용하여 다양한 전단속도하에서 유효 점도 값을 조사할 수 있다.

sample	SiO₂	CaO	MgO	Al₂O₃	Na₂O	F	N
Basic	40.1	40.2	1	4.9	7.1	7.5	0
sample				Nitrogen contents(wt.%)
N_1				0.110
N_2				0.371
N_3				1.00
N_4				2.45
N_5				6.57

도 4를 참조하면, 몰드 플럭스에 대하여 전단율을 바꾸어가며 유효 점도를 측정한 결과로, 본 발명의 일 시시예에 따른 몰드 플럭스는 전단박화능을 갖고 있음을 알 수 있다.

한편, 몰드 플럭스가 갖고 있는 전단박화능을 평가하기 위하여 하기의 계산식 1을 사용할 수 있다.

<계산식 1>

계산식 1에서 η는 유효 점도, K는 상수, γ는 전단율, n은 유동거동지수를 나타낸다. 계산식 1에서 n 값이 낮을수록 보다 강한 전단박화 현상을 나타내므로 연속 주조 공정의 효율이 증가되고 품질이 향상될 수 있다.

본 실시예에서, 몰드 플럭스는 상기 질소가 0.1 내지 5% 함량으로 첨가된다. 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 몰드 플럭스의 전단박화능을 유동거동지수(flow behavior index)로 평가한 것으로, 질소 농도 변화에 따라 최적의 전단박화능을 갖는 질소 농도 영역이 존재함을 나타낸 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 몰드 플럭스의 유동거동지수는 0.81 ~ 0.87로, 종래의 몰드 플럭스의 유동거동지수인 0.87 ~ 0.93에 비하여 훨씬 강한 전단박화능을 가진다. 여기서, 질소 성분이 1%로 첨가될 때 최적의 전단박화능을 가질 수 있다.

도 2를 참조하면, 종래의 몰드 플럭스는 실리콘(S)과 산소(O) 사이의 결합형태, 즉 산소(O)가 실리콘(S) 사이에 갖혀 있는지 아니면 부분적으로 자유로운지 여부에 따라 슬래그 구조의 강건성이 결정된다. 종래의 몰드 플럭스에 질소(N)를 첨가하면 결합 형태가 다양해지며 강건성이 증가하게 된다.

도 3을 참조하면, 질소 성분을 소량으로 첨가하면 강건성이 증가하며 이에 따라 점도 값도 증가한다. 여기서, 점도 값의 증가는 낮은 전단율에서만 한정되며 높은 전단율에서는 점도 값의 증가가 미미하다. 질소 성분의 첨가량을 증가시키면 강건성 또한 증가하며 이로 인해 점도 값도 증가하게 된다. 따라서, 질소 성분의 첨가에 기초하여 유동거동지수는 극소값이 존재하고, 이와 같은 극소값의 영역이 최적의 몰드 플럭스 조성에 해당하게 되며, 슬래그 조성에 따라 극소값 영역은 질소 성분의 첨가량에 의해 형성된다.

한편, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 몰드 플럭스를 이용한 연속 주조방법을 순차적으로 도시한 순서도이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 몰드 플럭스를 이용한 연속 주조방법은 몰드 플럭스를 주형 내에 투입하는 단계(S100)와 몰드 플럭스를 응고하는 단계(S200)를 포함한다.

몰드 플럭스를 주형 내에 투입하는 단계(S100)는 주형 탕면에서 점도와 주형 벽면에서 점도가 서로 다르며, 질소 성분을 포함하는 몰드 플럭스를 외부로부터 공급받아 주형 외부에서 용해한 후 주형 내에 투입한다.

몰드 플럭스를 응고하는 단계(S200)는 몰드 플럭스의 열저항을 증가시키고 전열량을 감소시키며 몰드 플럭스를 응고한다.

본 실시예에서, 몰드 플럭스는 상기 질소가 0.1 내지 5% 함량으로 첨가된다.

주형 탕면에서는 점도가 낮을 경우 몰드 플럭스가 용강 속으로 쉽게 침입되는데, 용강 속으로 침입한 몰드 플럭스는 밀도 차이에 의하여 다시 분리 부상되어 슬래그 pool에 다시 유입될 수 있으나, 용강 유동에 휩쓸려 응고셀에 부딪히면서 고착될 수 있기 때문에, 최종 제품의 내부 및 표면에 결함이 발생하므로 주형 탕면에서는 액상 몰드 플럭스의 점도를 낮추는 것이 바람직하다.

주형 벽면에서는 액상의 몰드 플럭스의 점도 값이 응고셀에 부가되는 마찰력과 비례하게 되는데, 마찰력이 높아지면 응고셀이 국부적으로 파열되거나 변형되는 문제가 발생하며 심한 경우 완전히 찢어져서 내부의 용강이 분출하는 브레이크 아웃이 발생할 수 있기 때문에 주형 벽면에서는 액상 몰드 플럭스의 점도를 낮추는 것이 바람직하다. 즉, 주형 탕면과 주형 벽면에서 점도 값은 서로 다르게 형성되며, 전단율의 증가에 따라 유효 점도 값이 낮아지는 전단박화 특성을 갖는 몰드 플럭스를 적용하면 주조 조업 및 주편 품질에 크게 개선할 수 있게 된다.

본 명세서에서 설명되는 실시예와 첨부된 도면은 본 발명에 포함되는 기술적 사상의 일부를 예시적으로 설명하는 것에 불과하다. 따라서, 본 명세서에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술적 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이므로, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것이 아님은 자명하다. 본 발명의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당해 기술분야에 있어서의 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 유추할 수 있는 변형예와 구체적인 실시예는 모두 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

S : 실리콘
O : 산소
N : 질소

Claims (4)

1. 연속 주조에 사용되는 몰드 플럭스에 있어서,
   상기 몰드 플럭스는 주형 탕면에서 점도와 주형 벽면에서 점도가 서로 다르며, 질소 성분을 포함하는 몰드 플럭스.
2. 제1항에 있어서,
   상기 몰드 플럭스는 상기 질소가 0.1 내지 5% 함량으로 첨가되는 몰드 플럭스.
3. 주형 탕면에서 점도와 주형 벽면에서 점도가 서로 다르며, 질소 성분을 포함하는 몰드 플럭스를 주형 내에 투입하는 단계; 및
   상기 몰드 플럭스를 응고하는 단계;를 포함하는 몰드 플럭스를 이용한 연속 주조방법.
4. 제3항에 있어서,
   상기 몰드 플럭스는 상기 질소가 0.1 내지 5% 함량으로 첨가되는 몰드 플럭를 이용한 연속 주조방법.
   
   
   

Images