KR20220017493A - 연속 주조 주편의 2차 냉각 방법 및 2차 냉각 장치 - Google Patents

Abstract

대폭적인 설비 투자를 필요로 하지 않고, 효율적인 2차 냉각을 실현할 수 있는 연속 주조 주편의 2차 냉각 방법 및 2차 냉각 장치를 제공한다. 연속 주조기(1)로 주조되어 있는 주편(3)을, 수직대(5), 만곡대(7), 수평대(9)를 갖는 2차 냉각대(11)에 있어서 2차 냉각하는 연속 주조 주편의 2차 냉각 방법에 있어서, 수평대(9)의 상류측 부분의 전단 냉각부(13)에 있어서의 전단 냉각 공정과, 상기 수평대의 하류측 부분의 후단 냉각부(15)에 있어서의 후단 냉각 공정을 구비하고, 상기 전단 냉각 공정에서는, 유량 밀도가 300∼4000리터/(㎡·min)의 냉각수에 의해 상기 주편을 냉각하여, 당해 전단 냉각 공정에 있어서의 상기 주편의 표면의 냉각수의 비등 상태를 핵 비등으로 하고, 상기 후단 냉각 공정에서는, 상기 전단 냉각 공정에 있어서의 상기 냉각수의 상기 유량 밀도의 2％ 이상 또한 50％ 이하의 유량 밀도의 냉각수에 의해 상기 주편을 냉각하여, 당해 후단 냉각 공정에 있어서의 상기 주편의 표면의 상기 냉각수의 비등 상태를 핵 비등으로 유지한다.

Description

연속 주조 주편의 2차 냉각 방법 및 2차 냉각 장치

본 발명은, 연속 주조기의 2차 냉각대에 있어서 주편을 2차 냉각하는 연속 주조 주편의 2차 냉각 방법 및 2차 냉각 장치에 관한 것이다.

강의 연속 주조에 있어서, 주형 내에 주입된 용강은 주형에 의해 냉각되고, 주형과의 접촉면에 응고 쉘(solidifying shell)을 형성한다. 이 응고 쉘을 외각으로 하고, 내부에 미응고 용강을 갖는 주편은, 주형 하방에 형성된 2차 냉각대에 있어서, 냉각수에 의해 냉각되면서 주형 하방으로 연속적으로 인발되고, 결국에는 중심부까지의 응고가 완료된다.

중심부까지 응고가 완료된 주편을 소정의 길이로 절단하여, 압연용 소재인 주편이 제조된다.

일반적으로, 2차 냉각에 있어서, 주편은 막 비등(film boiling) 상태로 냉각된다. 막 비등이란, 비등 형태의 일종으로, 피냉각재의 표면 온도가 고온이고, 냉각수가 저압·소(小)유량인 경우에 생기기 쉽고, 냉각수와 피냉각재의 사이에 증기의 층이 생겨, 피냉각재의 냉각 속도가 비교적 느리고, 안정적인 냉각이 가능하지만, 생산성이 낮다는 과제가 있다.

연속 주조에서는 주편의 품질과 함께 생산성의 향상이 요망되고 있고, 그를 위한 1개의 방책으로서, 냉각수와 주편의 표면의 열 전달 계수, 즉 스프레이 냉각 시의 열 전달 계수를 크게 하는 것이 고려된다.

그래서, 특허문헌 1에 개시되어 있는 바와 같이, 냉각수를 고압으로 주편의 표면으로 분사하면, 단위 시간당으로 주편의 표면에 접촉하는 냉각수량이 증가하여 열 전달 계수가 커지고, 생산성도 향상한다고 생각된다.

일본공개특허공보 2003-285147호

J. V. BECK: Int. J. MassTransfer, 13(1970), p.703

그러나, 특허문헌 1의 방법에서는, 펌프의 증설이나 고압 대응형의 배관 등의 새로운 설비가 필요해져, 비용이 상승해 버린다.

또한, 열 전달 계수의 증가에는, 방대한 수량(amount of water)이 필요하고, 기존의 연속 주조기로의 적용을 생각하면, 사용 가능한 수량을 크게 상회하기 때문에, 실시하려면 대폭적인 설비 투자가 필요하다.

본 발명은 이러한 과제를 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 대폭적인 설비 투자를 필요로 하지 않고, 효율적인 2차 냉각을 실현할 수 있는 연속 주조 주편의 2차 냉각 방법 및 2차 냉각 장치를 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.

(1) 본 발명에 따른 연속 주조 주편의 2차 냉각 방법은, 연속 주조기로 주조되어 있는 주편을, 수직대(vertical zone), 만곡대(curved zone), 수평대(horizontal zone)를 갖는 2차 냉각대에 있어서 2차 냉각하는 것으로서, 상기 수평대의 주조 방향 상류측 부분에 있어서의 전단 냉각 공정과, 상기 수평대의 주조 방향 하류측 부분에 있어서의 후단 냉각 공정을 갖고, 상기 전단 냉각 공정에서는, 단위 시간당의 유량 밀도가 300∼4000리터/(㎡·min)(단, min은 시간의 단위의 분임)의 냉각수에 의해 상기 주편을 냉각하여, 당해 전단 냉각 공정에 있어서의 상기 주편의 표면의 냉각수의 비등 상태를 핵 비등으로 하고, 상기 후단 냉각 공정에서는, 상기 전단 냉각 공정에 있어서의 상기 냉각수의 상기 유량 밀도의 2％ 이상 또한 50％ 이하의 단위 시간당의 유량 밀도의 냉각수에 의해 상기 주편을 냉각하여, 당해 후단 냉각 공정에 있어서의 상기 주편의 표면의 상기 냉각수의 비등 상태를 핵 비등으로 유지하는 것을 특징으로 하는 것이다.

(2) 또한, 상기 (1)에 기재된 연속 주조 주편의 2차 냉각 방법에 있어서, 상기 후단 냉각 공정에서는, 상기 주편의 냉각 개시 시에 있어서의 상기 주편의 표면 온도 Ts(℃)와, 당해 후단 냉각 공정에 있어서의 상기 냉각수의 상기 유량 밀도 W(리터/(㎡·min))가, 하기식 (1)의 관계를 충족하도록 하는 것을 특징으로 하는 것이다.

Ts＜10^[0.08×ln(W)＋2] …(1)

단, 상기식 (1) 중의 ln은 자연 대수이고, ^은 거듭 제곱의 연산자이다.

(3) 또한, 상기 (2)에 기재된 연속 주조 주편의 2차 냉각 방법에 있어서, 상기 후단 냉각 공정에서는, 상기 냉각수의 열 유속 q(㎉/(㎡·hour))가, 주편의 두께를 t(m), 주편의 미응고부를 제외한 두께 방향 평균 열 전도율을 λ(㎉/(m·hour·℃)), 주편의 응고 온도를 Tc(℃)로 할 때, 상기 냉각수의 열 유속 q(㎉/(㎡·hour))가, 하기식 (2)의 관계를 충족하도록 하는 것을 특징으로 하는 것이다.

q≥λ[4(Tc－Ts)/t] …(2)

(4) 또한, 상기 (1) 내지 (3)의 어느 하나에 기재된 연속 주조 주편의 2차 냉각 방법에 있어서, 상기 후단 냉각 공정에서는, 상기 냉각수의 상기 유량 밀도 W가, 하기식 (3)의 관계를 충족하도록 하는 것을 특징으로 하는 것이다.

W＞e^[(log(λ[4(Tc－Ts)/t])－5.2)/0.17] …(3)

단, 상기식 (3) 중의 e는 자연 대수의 밑이고, log는 상용 대수이고, ^은 거듭 제곱의 연산자이다.

(5) 또한, 상기 (1) 내지 (4)에 기재된 연속 주조 주편의 2차 냉각 방법에 있어서, 상기 수평대에 있어서, 축방향을 주조 방향에 수직으로 향한 롤을 주조 방향으로 복수 배치함과 함께, 주조 방향으로 서로 이웃하는 상기 롤의 사이에, 상기 주편의 표면에 상기 냉각수를 분사하는 스프레이 노즐을 주편 폭 방향으로 복수개 구비하고, 상기 스프레이 노즐의 각각으로부터 분사되는 상기 냉각수가 상기 주편의 표면에 충돌하여 형성되는 냉각면이, 둥근 모서리의 장방형 형상(round cornered rectangular shape), 또는 타원 형상이 되도록 하고, 적어도 상기 전단 냉각 공정에서는, 주조 방향과 수직인 방향에 대하여, 상기 냉각면의 장축이 5∼45도의 범위에서 경사지도록 상기 냉각수를 분사하는 것을 특징으로 하는 것이다.

(6) 본 발명에 따른 연속 주조 주편의 2차 냉각 장치는, 연속 주조기로 주조되어 있는 주편을, 수직대, 만곡대, 수평대를 갖는 2차 냉각대에 있어서 2차 냉각하는 것으로서, 상기 수평대는 전단 냉각부와 후단 냉각부를 갖고, 상기 전단 냉각부는, 단위 시간당의 유량 밀도가 300∼4000리터/(㎡·min)(단, min은 시간의 단위의 분임)의 단위 시간당의 유량 밀도의 냉각수에 의해 상기 주편을 냉각하여, 당해 전단 냉각부 내에 있어서의 상기 주편의 표면의 냉각수의 비등 상태를 핵 비등으로 하고, 상기 후단 냉각부는, 상기 전단 냉각부의 냉각수의 상기 유량 밀도의 2％ 이상 또한 50％ 이하의 단위 시간당의 유량 밀도의 냉각수에 의해 상기 주편을 냉각하여, 당해 후단 냉각부 내에 있어서의 상기 주편의 표면의 냉각수의 비등 상태를 핵 비등으로 유지하는 것을 특징으로 하는 것이다.

(7) 또한, 상기 (6)에 기재된 연속 주조 주편의 2차 냉각 장치에 있어서, 상기 수평대에는, 축방향을 주조 방향에 수직으로 향한 롤이 주조 방향으로 복수 배치되어 있음과 함께, 주조 방향으로 서로 이웃하는 상기 롤의 사이에, 상기 주편의 표면에 냉각수를 분사하는 스프레이 노즐이 주편 폭 방향으로 복수개 구비되고, 상기 스프레이 노즐은, 당해 스프레이 노즐의 각각으로부터 분사되는 상기 냉각수가 상기 주편의 표면에 충돌하여 형성되는 냉각면이, 둥근 모서리의 장방형 형상, 또는 타원 형상이 되도록 상기 냉각수를 분사하고, 적어도 상기 전단 냉각부에서는, 주조 방향과 수직인 방향에 대하여, 상기 냉각면의 장축이 5∼45도의 범위에서 경사지도록, 상기 스프레이 노즐이 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 것이다.

본 발명에 있어서는, 수평대에 있어서의 전단 냉각 공정에서는, 냉각수의 단위 시간당의 유량 밀도를 300∼4000리터/(㎡·min)로 하여, 상기 전단 냉각부 내에서 주편의 표면에 있어서의 냉각수의 비등 상태를 핵 비등으로 하고, 후단 냉각 공정에서는, 전단 냉각 공정의 2％ 이상 또한 50％ 이하의 유량으로 냉각하여, 주편의 표면에 있어서의 냉각수의 비등 상태를 핵 비등으로 유지하도록 했기 때문에, 냉각수량을 억제할 수 있어, 대폭적인 설비 투자를 필요로 하는 일 없이 효율적인 2차 냉각을 실현할 수 있다.

도 1은 연속 주조기의 개요를 설명하는 설명도이다.
도 2는 본 실시 형태에 따른 2차 냉각 장치에 이용하는 냉각 스프레이의 설명도이다.
도 3은 본 실시 형태에 따른 2차 냉각 장치에 이용하는 냉각 스프레이의 다른 실시 형태의 설명도이다.
도 4는 냉각수의 유량, 주편의 표면 온도 및 냉각 능력의 관계를 나타내는 그래프이다.

(발명을 실시하기 위한 형태)

본 실시 형태에 따른 연속 주조 주편의 2차 냉각 방법은, 도 1에 나타내는 바와 같이, 연속 주조기(1)로 주조되어 있는 주편(3)을, 수직대(5), 만곡대(7), 수평대(9)를 갖는 2차 냉각대(11)에 있어서 2차 냉각하는 것이다. 수평대(9)는, 전단 냉각 공정이 행해지는 전단 냉각부(13)와, 후단 냉각 공정이 행해지는 후단 냉각부(15)를 갖고 있다.

이하, 각 구성을 상세하게 설명한다.

<연속 주조기>

연속 주조기(1)는, 도 1에 나타내는 바와 같이, 턴디쉬(tundish)(도시 없음)로부터 주형(17)에 주입된 용강을, 롤(19)에 의해 지지하고, 또한 롤(19) 사이에 형성된 냉각 스프레이(21)에 의해 2차 냉각하면서 주편(3)으로서 인발하는 장치이다.

주편(3)을 2차 냉각하는 2차 냉각대(11)는, 도 1에 나타내는 바와 같이, 수직대(5), 만곡대(7), 수평대(9)로 나누어져 있다. 본 발명의 2차 냉각 방법은, 수평대(9)에 있어서 주편(3)을 냉각하는 방법에 관한 것이다.

<전단 냉각 공정>

전단 냉각 공정은, 2차 냉각대(11)의 수평대(9)에 있어서의 전단 냉각부(13)에 있어서, 냉각 스프레이(21)에 의해, 냉각수의 단위 시간당의 유량 밀도를 300∼4000리터/(㎡·min)(단, min은 시간의 단위의 분임)로 하여, 전단 냉각부(13) 내에서 주편(3)의 표면에 있어서의 냉각수의 비등 상태를 핵 비등으로 하는 냉각을 행하는 것이다.

여기에서, 전단 냉각부(13)에 있어서의 냉각수의 단위 시간당의 유량 밀도는, 전단 냉각부(13)에 있어서의 냉각수의 총 수량(리터/min)을, 전단 냉각부(13)의 면적(㎡)으로 제산(dividing)함으로써 산출되는 값이다.

냉각 스프레이(21)란, 액체 또는 액체와 기체의 혼합체를 분사하여 주편(3)의 표면에 살포하는 장치를 가리킨다. 여기에서, 액체의 일 예로서 물, 기체의 일 예로서 공기를 들 수 있다.

냉각 스프레이(21)는, 도 1에 나타내는 바와 같이, 주편(3)을 주조 방향으로 반송하는 롤(19)과 롤(19)의 사이에 배치되어 있다.

또한, 냉각 스프레이(21)는, 도 2에 나타내는 바와 같이, 각 롤(19) 사이에 있어서, 복수의 스프레이 노즐(23)이 주편(3)의 폭 방향으로 복수 형성되어 있다. 도 2에 나타낸 스프레이 노즐(23)은 플랫 스프레이 노즐(flat spray nozzle)로서, 이 플랫 스프레이 노즐로부터 분사되는 냉각수로서의 냉매(25)는, 스프레이 노즐(23)을 중심으로 하여 주편 폭 방향으로 부채꼴 형상으로 퍼진다. 따라서, 냉각수의 주편 표면으로의 충돌면은, 주조 방향의 폭이 작고, 주편 폭 방향의 폭이 큰, 가늘고 긴 선상의 형상이 된다. 본 명세서에서는, 플랫 스프레이 노즐로부터 분사되는 냉각수의 주편 표면으로의 충돌면의 가늘고 긴 선상의 형상을 「둥근 모서리의 장방형 형상」이라고 한다.

다만, 스프레이 노즐(23)의 종류는 특별히 한정되지 않고, 플랫 스프레이 노즐의 유사 스프레이로서, 오벌(oval) 스프레이 노즐(타원 스프레이, 장원 날림 스프레이(oval spray)), 원추형으로 분사하는 노즐인 풀 콘(full cone) 스프레이 노즐(원추 스프레이, 환취 스프레이(round spray)), 풀 콘 스프레이를 각형으로 한 스퀘어(square) 스프레이(각취 스프레이(quadrangular spray), 정방형 분사 스프레이, 장방형 분사 스프레이)와 같은 사각 원추 형상으로 분사하는 노즐이어도 좋다.

또한, 스프레이 노즐(23)로서, 상기 플랫 스프레이 노즐, 또는 오벌 스프레이 노즐을 사용할 때에는, 통상은, 둥근 모서리의 장방형 형상, 또는 타원 형상의 냉각면(냉각수의 주편의 표면으로의 충돌면)의 장축이, 주조 방향에 수직이 되도록 배치한 결과, 도 3에 나타내는 바와 같이, 상기 장축이, 주조 방향에 대하여 수직이 되는 경우를 0도로 하고, 5∼45도의 범위에서 경사시켜(도 3 중의 θ＝5∼45도) 배치하여 냉각수를 분사하면 보다 적합하다.

이 이유는 이하와 같다.

전술한 바와 같이, 각 롤(19) 사이에 있어서는, 복수의 스프레이 노즐(23)이 주편(3)의 폭 방향으로 복수 형성된다. 스프레이 노즐(23)이 플랫 스프레이의 경우, 스프레이 노즐(23)로부터 분사되어 주편(3)의 표면을 흐르는 냉각수의 속도는, 냉각수 충돌면의 장축 방향(이후, 스프레이의 폭 방향으로 함)으로 빠르고, 단축 방향(이후, 스프레이의 두께 방향으로 함)은 비교적 느리다. 그 때문에, 주편의 표면에 충돌 후의 냉각수는, 비교적 완만하게 스프레이의 두께 방향, 즉 주조 방향으로 퍼진다. 한편, 스프레이의 폭 방향에 대해서는, 서로 이웃하는 스프레이로부터 분사된 냉각수가 각각의 단부에서, 서로 역방향의 속도로 충돌하고, 그 후, 주조 방향으로 방향을 바꾸어 퍼지게 된다. 이 결과, 냉각수는 주편의 표면에 충돌 후, 비교적 느린 속도로, 주편의 표면 상을, 주조 방향으로 흐른다.

다른 한편, 냉각면의 장축을 주조 방향에 수직인 방향으로부터 경사시키면, 서로 이웃하는 스프레이로부터 분사된 냉각수의 간섭은, 비교적 속도가 느린 스프레이의 두께 방향으로 생겨, 속도가 빠른 스프레이의 폭 방향에서는 생기지 않는다. 따라서, 주편의 표면 상을, 빠른 속도로 냉각수가 흐른다. 본 발명자들의 연구에 의하면, 주편의 표면 상을 냉각수가 이동할 때, 냉각수의 속도가 빠른 편이, 냉각 능력이 높아지는 것을 알 수 있었다. 이상으로부터, 스프레이 노즐(23)을 냉각면의 장축을 주조 방향에 수직인 방향으로부터 경사시키도록 배치함으로써, 냉각 능력이 향상한다. 여기에서, 냉각면의 장축의 경사 각도는, 주조 방향에 대하여 수직의 방향을 0도로 한 경우에, 5∼45도의 범위에서 경사하여 배치되어 있는 것이 적합하다.

냉각 스프레이(21)에 의한 전단 냉각 공정은, 전술한 바와 같이, 단위 시간당의 유량 밀도가 300∼4000리터/(㎡·min)로 하여, 주편(3)의 표면의 적어도 일부 또는 전체에 있어서의 냉각수의 비등 상태를 핵 비등으로 하는 냉각을 행하지만, 이와 같이 한 이유를 이하 설명한다.

수평대(9)에 들어가기 전에 높은 열 전달 계수로 주편의 냉각을 행하면(이후, 강냉각이라고 함), 특히 주편(3)의 코너부에 균열이 생기는 리스크가 높기 때문에, 수평대(9)에서 강냉각을 행하면 좋다.

그러나, 전술과 같이, 설비 투자 억제의 관점에서는 냉각수의 유량을 억제하면서, 강냉각을 행할 필요가 있다. 그래서, 전단 냉각 공정에 있어서만 대유량의 냉각수를 사용하고, 후단 냉각부(15)에서는 소유량의 냉각수를 사용하는 방법에 대해서 검토했다.

도 4는 냉각수의 유량, 주편(3)의 표면 온도 및 냉각 능력의 관계를 나타내는 개략도이다. 종축이 냉각 능력, 횡축이 주편의 표면 온도를 나타내고 있고, 도면 중에는 냉각수의 유량이 대, 중, 소의 3개의 경우가 나타나 있다.

도 4의 그래프에 있어서, 냉각 능력의 극대점 이하의 온도역은 핵 비등 영역, 극소점 이상의 온도역은 막 비등 영역이다. 또한, 핵 비등이란, 발포점을 핵으로 하여 기포가 발생하고, 냉각수가, 냉각 대상으로부터 매우 높은 열을 빼앗을 수 있는 비등 상태이다. 또한, 막 비등이란, 냉각수와 냉각 대상의 경계에 증기의 막이 생기고, 그것이 단열층이 되어, 냉각수가, 냉각 대상으로부터 빼앗을 수 있는 열량이 작은 비등 상태이다.

도 4의 그래프로부터, 주편(3)의 온도가 낮은 경우, 즉, 핵 비등 영역에서는, 냉각수의 유량이 냉각 능력에 미치는 영향이 작다. 따라서, 전단 냉각 공정에 있어서, 대유량으로 냉각하여, 주편(3)의 표면 온도를 내려 핵 비등으로 하고, 그 후의 후단 냉각부(15)에 있어서, 소유량으로 핵 비등을 유지하면, 소유량으로 높은 냉각 능력을 발휘하는 것이 가능하다.

도 4의 그래프를 이용하여 본 발명의 주편의 냉각 방법의 개념을 구체적으로 설명한다. 연속 주조기의 상류측으로부터 하류 측을 향하여 주조가 진행되어 갈 때의 주편의 표면의 온도 이력은, 도 4의 그래프 상에서는, 대략 오른쪽(고온측)으로부터 왼쪽(저온측)이 된다. 만곡대(7)에 있는 주편(3)은 아직 고온이지만, 주편(3)의 균열 등을 방지하기 위해, 과도한 냉각은 하지 않고 냉각수의 유량을 억제하여 조업한다(도 4상의 O점으로부터 우측). 한편, 주편(3)이 만곡대(7)를 빠져 수평대(9)에 들어가면(도 4상의 A점), 주편(3)의 균열의 리스크가 저하하기 때문에, 강냉각이 가능해져, 냉각수의 유량을 대폭으로 증가시킬 수 있다(도 4상의 A’점). 즉, 본 발명의 전단 냉각 공정에 있어서의 대유량에서의 냉각에 들어가게 된다. 주편(3)은 대유량으로 강냉각되어, 그 표면 온도가 크게 저하하고, 가장 빠른 경우는, 수평대에 들어가 최초의 롤 사이에 설치된 노즐로부터 분사된 냉각수로 냉각된 주편의 표면 위치로부터 주조 방향 하류측에서, 냉각수의 상태는 핵 비등 상태로 전이한다(도 4상의 B점). 그대로 냉각을 계속하면, 주편(3)의 표면 온도는 더욱 저하하여 도 4상의 C점에 이른다. 주편(3)의 표면 온도가 C점까지 저하하면 냉각수가 저유량의 조건에서도 핵 비등을 유지할 수 있기 때문에, 냉각수의 유량을 저하시켜, 즉 후단 냉각 공정으로 이행하여 소유량으로 계속해서 강냉각을 행한다(도 4상의 C’점).

또한, 본 발명에 있어서의 냉각수량은, 개략, 도 4 중에 있어서의 흰색 화살표로 나타낸 바와 같이 전이한다.

그리고, 본 실시 형태에서는, 전단 냉각 공정에 있어서의 대유량에서의 냉각은, 단위 시간당의 유량 밀도를 300∼4000리터/(㎡·min)로 하고 있다. 이와 같이 한 이유는 이하와 같다.

도 4에 있어서의, 냉각 능력의 극소값은 유량에 따라서 변화하지만, 본 발명자들에 의한 연구 성과로부터, 300리터/(㎡·min)의 단위 시간당의 유량 밀도로 함으로써, 냉각 능력의 극소값을 나타내는 온도가 1000℃ 정도가 되는 것을 알 수 있었다.

다른 한편, 일반적으로 수평대(9)에 있어서의 주편(3)의 표면 온도는 1000℃ 이하이고, 냉각 능력의 극소값을 나타내는 온도보다도 낮은 온도역이다. 따라서, 300리터/(㎡·min)의 단위 시간당의 유량 밀도이면, 수평대(9)에 있어서의 주편(3)을 냉각 능력의 극소값보다도 높은 냉각 능력으로 냉각을 개시할 수 있다.

또한, 도 4에 나타나는 바와 같이, 냉각 능력의 극소값으로부터 극대값의 사이에서는, 냉각수의 유량이 클수록 냉각 능력이 높기 때문에, 수평대(9)의 전단 냉각부(13)에서는 단위 시간당의 유량 밀도를 크게 하는 쪽이 유리하다.

그러나, 발명자의 인식에 의하면, 유량 밀도가 4000리터/(㎡·min) 이상에 대해서는, 단위 시간당의 유량 밀도를 증가시켜도, 거의 냉각 능력이 변화하지 않는 것을 알고 있기 때문에, 냉각수의 효과적인 사용은 되지 않는다.

이상의 이유에 의해, 전단 냉각부(13)에 있어서의 대유량에서의 냉각은, 단위 시간당의 유량 밀도를 300∼4000리터/(㎡·min)로 하고 있다. 또한, 보다 적합한 유량 범위는, 300∼2000리터/(㎡·min)이다.

또한, 본 실시 형태에서는, 전단 냉각 공정에 있어서, 대유량으로 냉각하여, 전단 냉각 공정 중에 주편(3)의 표면 온도를 내려 핵 비등으로 하고, 그 후의 후단 냉각 공정에 있어서, 소유량으로 핵 비등을 유지하도록 하고 있지만, 이러한 상태를 실현할 수 있기 위한 조건에 대해서 이하에 설명한다.

본 발명자들이, 실험실에 있어서, 주편(3)을 물로 냉각하는 여러 가지의 실험을 행한 결과, 주편(3)의 표면 온도 Ts(℃)가 Ts＝10^[0.08×ln(W)＋2]인 경우에, 냉각 능력의 극대값을 나타내는 온도가 되는 것을 알 수 있었다.

단, W는 단위 시간당의 유량 밀도(리터/(㎡·min)), ln은 자연 대수이다.

따라서, 후단 냉각 공정의 단위 시간당의 유량 밀도에 따라서, 상기의 Ts보다도 낮은 온도까지, 전단 냉각 공정에 있어서 대유량으로 냉각하면 좋다. 환언하면, 후단 냉각 공정에서의 냉각 개시 시의 주편(3)의 표면 온도 Ts(℃)가, 아래식 (1)로 규정되는 온도가 되도록 전단 냉각 공정에서의 냉각을 행하면 좋다.

Ts＜10^[0.08×ln(W)＋2] …(1)

<후단 냉각 공정>

후단 냉각 공정은, 수평대(9)에 있어서의 후단 냉각부(15)에 있어서, 전단 냉각 공정의 2％ 이상 또한 50％ 이하의 단위 시간당의 유량 밀도로 냉각하여, 주편(3)의 표면에 있어서의 냉각수의 비등 상태를 핵 비등으로 유지하는 것이다.

여기에서, 후단 냉각부(15)에 있어서의 냉각수의 단위 시간당의 유량 밀도는, 후단 냉각부(15)에 있어서의 냉각수의 총 수량(리터/min)을, 후단 냉각부(15)의 면적(㎡)으로 제산함으로써 산출되는 값이다.

전술한 바와 같이, 후단 냉각 공정의 개시 시에 있어서의 주편(3)의 표면 온도를, 상기의 식 (1)로 규정되는 온도가 되도록 전단 냉각 공정을 행하면, 후단 냉각 공정에서는, 소유량 밀도, 구체적으로는 식 (1)의 단위 시간당의 유량 밀도 W에서의 핵 비등에서의 냉각을 행할 수 있다. 그리고, 이 단위 시간당의 유량 밀도는, 전단 냉각 공정의 2％ 이상 또한 50％ 이하에서 적절히 설정하면 좋다. 또한, 보다 적합한 단위 시간당의 유량 밀도의 범위는, 전단 냉각 공정의 5％∼20％이다.

다만, 주편(3)의 내부로부터의 복열에 의한 열 유속에 의해 주편의 표면 온도는 상승하기 때문에, 이 온도 상승을 억제하여, 상기의 온도에 주편의 표면 온도를 유지할 필요가 있다. 냉각 능력의 극대값을 나타내는 온도를 초과하면, 유량의 냉각 능력 의존성이 커지기 때문에, 소유량에서의 높은 냉각 능력을 발휘할 수 없게 되어 버리기 때문이다.

그리고, 이 온도 상승을 억제하여, 상기의 온도에 주편의 표면 온도를 유지하려면, 주편(3)의 외부로부터의 냉각수 분사에 의한 열 유속을, 주편(3)의 내부로부터의 복열에 의한 열 유속보다도 크게 하면 좋다.

주편(3)의 온도 분포는, 이상적으로는, 두께 중앙에서 최고 온도를 나타내고, 포물선에서 근사 가능한 점에서, 복열의 열 유속 q’(㎉/(㎡·hour))를, 하기식 (4)로 나타낼 수 있다.

q’＝λ[4(Tc－Ts)/t] …(4)

단, 상기식 (4)에 있어서, t: 주편 두께(m), λ: 주편의 미응고부를 제외한 두께 방향 평균 열 전도율(㎉/(m·hour·℃)), Tc: 주편의 응고 온도(℃)이다.

따라서, 후단 냉각부(15)에 있어서의 소유량에서의 냉각을 행함에 있어서는, 냉각 시의 열 유속 q(㎉/(㎡·hour))는, q≥q’ 즉, 하기식 (2)를 충족하도록 하면 좋다.

q≥λ[4(Tc－Ts)/t] …(2)

또한, 주편 두께 중심의 온도의 측정은 곤란하고, 대체로 주편(3)의 응고 온도이기 때문에, 응고 온도로 했다.

발명자는, 상기식 (2)를 충족하는 열 유속에서의 냉각을 하기 위해 필요시 되는 단위 시간당의 유량 밀도에 대해서 검토했다.

그리고, 실험실에서의 강판의 냉각 실험으로 조사하여, 도 4에 있어서 열 유속(냉각 능력)이 극대가 되는 조건을, 열 유속의 극대값과 단위 시간당의 유량 밀도의 관계로 하여 이하의 실험식을 얻었다.

q”＝10^[0.17ln(W)＋5.2] …(5)

이 식 (5)와, 전술한 식 (4), 즉 q’＝λ[4(Tc－Ts)/t]의 2식으로부터, 후단 냉각 공정에 있어서 충족해야 하는 조건으로서는, q”＞q’이며, 이를 단위 시간당의 유량 밀도 W에 관한 것으로 변형하면, 하기식 (3)이 된다.

W＞e^[(log{λ[4(Tc－Ts)/t]}－5.2)/0.17] …(3)

단, 상기식 (3) 중의 e는 자연 대수의 밑이고, log는 상용 대수이다.

따라서, 상기식 (3)을 만족하도록, 후단 냉각부(15)의 단위 시간당의 유량 밀도를 설정함으로써, 후단 냉각부(15)에 있어서, 소수량에서의 핵 비등 상태를 유지한 냉각을 실현할 수 있다.

이상과 같이, 본 실시 형태의 2차 냉각 방법에 있어서는, 2차 냉각대(11)의 수평대(9)에 있어서, 전단 냉각 공정에서는 대유량 밀도로 주편(3) 표면에 있어서의 냉각수의 비등 상태를 핵 비등으로 하고, 상기 후단 냉각 공정에서는, 전단 냉각 공정의 2％ 이상 또한 50％ 이하의 단위 시간당의 유량 밀도로 냉각하여, 주편(3)의 표면에 있어서의 냉각수의 비등 상태를 핵 비등으로 유지하도록 했기 때문에, 수평대(9)에 있어서의 냉각수량을 억제할 수 있어, 대폭적인 설비 투자를 필요로 하는 일 없이 효율적인 2차 냉각을 실현할 수 있다.

상기와 같은 연속 주조 주편의 2차 냉각 방법을 실현하는 2차 냉각 장치로서는, 수평대(9)에 있어서 전단 냉각부(13)와 후단 냉각부(15)를 갖고, 상기 전단 냉각부(13)에서는, 단위 시간당의 유량 밀도가 300∼4000리터/(㎡·min)로 하여, 주편(3)의 표면에 있어서의 냉각수의 비등 상태를 핵 비등으로 하고, 상기 후단 냉각부(15)에서는, 전단 냉각부(13)의 2％ 이상 또한 50％ 이하의 유량으로 냉각하여, 주편(3)의 표면에 있어서의 냉각수의 비등 상태를 핵 비등으로 유지하는 장치 구성을 채용하면 좋다.

냉각수의 비등 상태를 핵 비등으로 유지하기 위한 구체적인 방법으로서는, 예를 들면, 주편(3)의 냉각 전후의 냉각수의 온도를 측정하고, 이 냉각수의 온도의 상승량의 값을 이용하여, 냉각수의 비등 모드를 추정하고, 추정된 비등 모드가 핵 비등으로 유지되도록 냉각수의 수량을 조정하는 방법을 채용할 수 있다. 핵 비등과 막 비등을 비교하면, 핵 비등 시의 쪽이 열 유속이 크기 때문에, 핵 비등 시의 냉각수의 온도의 상승량은, 막 비등 시의 냉각수의 온도의 상승량보다도 커진다.

냉각수의 온도의 상승량은, 하기식 (6)에 의해 추정할 수 있다. 단, 열의 일부가 기화열로서 소비되기 때문에, 하기식 (6)에 의한 냉각수의 온도의 상승량은 개산값(approximate value)이다.

ΔT＝q/(ρcW)…(6)

여기에서, ΔT는 냉각수의 온도의 상승량(℃), q는 주편으로부터 냉각수로의 열 유속(W·㎡), ρ는 냉각수의 밀도(㎏/㎥), c는 냉각수의 비열(J/(㎏·K)), W는 냉각수의 단위 시간당의 유량 밀도(㎥/(㎡·s))이다.

전술한 바와 같이, 핵 비등 시와 막 비등 시는 열 유속 q의 값이 상이하기 때문에, 상기식 (6)에 의해 추정되는 냉각수의 온도의 상승량 ΔT의 값은, 핵 비등 시와 막 비등 시에 상이하다. 그래서, 주편(3)의 냉각 전후의 냉각수의 온도의 측정값으로부터 구해지는 실제의 온도 상승량이, 상기식 (6)에 의한 온도 상승량의 핵 비등 시에 있어서의 추정값과, 막 비등 시에 있어서의 추정값의 어느 쪽에 가까운가에 의해, 냉각수의 비등 모드를 추정할 수 있다. 그리고, 추정된 비등 모드가 핵 비등 상태로 유지되도록, 냉각수의 수량을 조정함으로써, 냉각수의 비등 상태를 핵 비등으로 유지할 수 있다.

실시예 1

본 발명의 효과를 실증하기 위해, 연속 주조기(1)를 이용하여, 저탄소강의 주조를 행했기 때문에, 이하 이에 대해서 설명한다. 또한, 실시예에서 설명하는 수치 등은, 본 발명의 더 한층의 이해를 위해 나타낸 것으로서, 본 발명은 이 실시예에 의해 하등 한정되는 것은 아니다.

연속 주조기(1)의 기장(機長)은 45m로, 그 중 수평대(9)는, 각 2m의 길이의 세그먼트가 15개로 구성된다. 주조 조건으로서, 주조 속도는 2mpm, 주편 두께는 250㎜, 주편의 폭은 1500㎜로 했다. 냉각수에는 물을 사용하고, 공기와 혼합하여, 냉각 스프레이(21)로부터 분사했다. 수온 및 공기의 온도는 30℃였다.

수평대(9)에 도달했을 때의 주편(3)의 표면 온도는 850℃였다.

또한, 응고 온도는 고상선 온도로서 1500℃, 평균 열 전도율은 39.4㎉/(m·hour·℃)였다.

온도의 측정에는, 방사 온도계를 이용했다.

응고 위치에 대해서는, 리벳 타설 시험(rivet driving test)으로부터 구했다.

상기의 조건하에서, 수평대(9)에 있어서의 냉각 조건을 여러 가지 변경했다. 여기에서, 전단 냉각부(13)와 후단 냉각부(15)의 분리 및, 단위 시간당의 유량 밀도의 설정은 세그먼트 단위로 행했다. 또한, 열 유속에 대해서는, 실기를 모의한 실험 장치를 제작하고, 조업 조건에 상당하는 실험을 행하여, 그 결과를 기초로 계산으로 구했다. 구체적으로는, 상기 실험에서, 주편의 표면 온도를 방사 온도계로 측정함과 동시에 응고 계면 위치를 초음파 측정기로 계측하여, 그 결과를 기초로, 비특허문헌 1에 기재된 열 유속 역산 방법을 이용하여 계산했다.

비교예 1로서, 수평대(9)에 있어서의 단위 시간당의 유량 밀도를 180리터/(㎡·min) 일정으로 했다.

비교예 2, 3에 대해서는, 수평대(9)에 설치된 상류측의 5세그먼트를 전단 냉각부(13), 나머지 10세그먼트를 후단 냉각부(15)로 하고, 단위 시간당의 유량 밀도를 개별적으로 설정하여, 냉각을 행했다. 예를 들면 비교예 2에서는, 전단 냉각부(13)는 단위 시간당의 유량 밀도 250리터/(㎡·min)로 5세그먼트분 냉각하고, 후단 냉각부(15)에서는 단위 시간당의, 유량 밀도를 140리터/(㎡·min)로 줄여 나머지 10세그먼트분을 냉각했다. 후단 냉각 개시 시, 즉 단위 시간당의 유량 밀도를 250리터/(㎡·min)로부터 140리터/(㎡·min)로 줄인 타이밍에서의 주편(3)의 표면 온도는 763℃였다.

발명예로서, 전단 냉각부(13)와 후단 냉각부(15)의 세그먼트수 및 단위 시간당의 유량 밀도를 개별로 설정하여, 냉각을 행했다. 예를 들면 발명예 1에서는, 전단 냉각부(13)는 단위 시간당의 유량 밀도 300리터/(㎡·min)로 5세그먼트분 냉각하고, 후단 냉각부(15)에서는, 단위 시간당의 유량 밀도를 150리터/(㎡·min)로 줄여 나머지 10세그먼트분을 냉각했다. 후단 냉각 개시 시의 주편(3)의 표면 온도는 140℃였다.

구체적인 수치에 대해서는, 표 1에 나타낸다.

또한, 실시예 1에 있어서는, 스프레이 노즐은, 도 2에 나타내는 바와 같이, 냉각면의 장축이 주조 방향에 대하여 수직인 방향으로 되어 있다.

비교예 1, 2에서는, 식 (1), 식 (2)를 충족하고 있지 않아, 수평대(9) 전역에서 막 비등 영역에서의 냉각이 되어, 냉각량이 부족하여, 냉각부 출측의 온도가 높아졌다.

비교예 3에서는, 식 (1)을 충족하고, 전단 냉각부(13)에서는 핵 비등역에서의 냉각이 되어, 온도가 충분히 내려갔지만, 식 (2)를 충족하고 있지 않아, 후단 냉각부(15)에 있어서, 핵 비등이 붕괴하고, 막 비등역에서의 냉각이 되고, 냉각 능력이 부족하여, 냉각부 출측의 온도가 높아졌다.

발명예 1∼5에 있어서는, 전단 냉각부(13)에서는 핵 비등역에서의 냉각이 되어, 온도가 충분히 내려가고, 또한, 후단 냉각부(15)에 있어서 핵 비등을 유지할 수 있어, 냉각 능력이 충분하여, 냉각부 출측의 온도를 저온으로 유지할 수 있고, 그 결과, 응고 완료까지 걸리는 시간이 짧아졌다. 이는, 주조 속도를 증가할 수 있는 것과 동일한 의미이기 때문에, 생산성 향상에 기여하는 것이다.

실시예 2

스프레이 노즐을 경사시키는 것의 효과를 확인하기 위한 실험을 행했기 때문에, 이하 설명한다. 연속 주조기 및 조업 조건은 실시예 1과 동일하다.

수평대(9)에 설치된 플랫 스프레이 노즐을, 스프레이 노즐로부터 분사되는 냉각수에 의해 주편의 표면에 형성되는 둥근 모서리의 장방형 형상의 냉각면의 장축을 주조 방향에 수직인 방향으로부터 경사시키도록 설치했다.

발명예 6에서는, 수평대(9)에 설치된 모든 스프레이 노즐로부터 분사되는 냉각수에 의해 주편의 표면에 형성되는 둥근 모서리의 장방형 형상의 냉각면의 장축을 주조 방향에 수직인 방향으로부터 20° 경사시켰다. 전단 냉각부(13)는 단위 시간당의 유량 밀도 300리터/(㎡·min)에서 5세그먼트분 냉각하고, 후단 냉각부(15)에서는 단위 시간당의, 유량 밀도를 150리터/(㎡·min)로 줄여 나머지 10세그먼트분을 냉각했다. 후단 냉각 개시 시의 주편(3)의 표면 온도는 128℃였다.

발명예 7은, 전단 냉각부(13) 및 후단 냉각부(15)의 단위 시간당의 유량 밀도가 발명예 6과 동일하고 상기 장축을 60° 경사시킨 것이다.

발명예 8은, 전단 냉각부(13)의 단위 시간당의 유량 밀도는 1000리터/(㎡·min)로, 후단 냉각부(15)의 단위 시간당의 유량 밀도는 100리터/(㎡·min)로 하고, 상기 장축을 20° 경사시킨 것이다.

발명예 9는, 전단 냉각부(13) 및 후단 냉각부(15)의 단위 시간당의 유량 밀도가 발명예 8과 동일하고 상기 장축을 60° 경사시킨 것이다.

상기 장축의 경사 각도를 20°로 한 발명예 6, 8은, 상기 장축의 경사 각도가 0°인 발명예 1, 발명예 3(표 1 참조) 및 장축의 경사 각도가 60°인 발명예 7, 9보다도, 주편의 표면 상을, 빠른 속도로 냉각수가 흐르게 되었다. 그 결과, 냉각 능력이 향상하여, 응고 완료까지 걸리는 시간이 더욱 짧아졌다. 이는, 주조 속도를 증가할 수 있는 것과 동일한 의미이기 때문에, 생산성 향상에 기여하는 것이다.

이와 같이, 스프레이 노즐로부터 분사되는 냉각수에 의해 주편의 표면에 형성되는 둥근 모서리의 장방형 형상의 냉각면의 장축을, 주조 방향에 수직인 방향으로부터 소정의 범위(5∼45도)의 범위에서 경사시킴으로써, 냉각 능력을 향상시키는 효과를 기대할 수 있는 것이 시사되어 있다.

또한, 경사 각도의 바람직한 범위로서 5∼45도로 한 것은, 경사 각도가 5도 미만에서는 경사시키는 것에 의한 효과가 작은 것, 45도를 초과하면, 상기의 60도의 경우에서 시사되어 있는 바와 같이, 냉각 능력이 저하하는 것이 고려되기 때문이다.

1 : 연속 주조기
3 : 주편
5 : 수직대
7 : 만곡대
9 : 수평대
11 : 2차 냉각대
13 : 전단 냉각부
15 : 후단 냉각부
17 : 주형
19 : 롤
21 : 냉각 스프레이
23 : 스프레이 노즐
25 : 냉매

Claims (7)

1. 연속 주조기로 주조되어 있는 주편을, 수직대, 만곡대, 수평대를 갖는 2차 냉각대에 있어서 2차 냉각하는 연속 주조 주편의 2차 냉각 방법으로서,
   상기 수평대의 주조 방향 상류측 부분에 있어서의 전단 냉각 공정과, 상기 수평대의 주조 방향 하류측 부분에 있어서의 후단 냉각 공정을 갖고,
   상기 전단 냉각 공정에서는, 단위 시간당의 유량 밀도가 300∼4000리터/(㎡·min)(단, min은 시간의 단위의 분임)의 냉각수에 의해 상기 주편을 냉각하여, 당해 전단 냉각 공정에 있어서의 상기 주편의 표면의 냉각수의 비등 상태를 핵 비등으로 하고,
   상기 후단 냉각 공정에서는, 상기 전단 냉각 공정에 있어서의 상기 냉각수의 상기 유량 밀도의 2％ 이상 또한 50％ 이하의 단위 시간당의 유량 밀도의 냉각수에 의해 상기 주편을 냉각하여, 당해 후단 냉각 공정에 있어서의 상기 주편의 표면의 상기 냉각수의 비등 상태를 핵 비등으로 유지하는 것을 특징으로 하는 연속 주조 주편의 2차 냉각 방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 후단 냉각 공정에서는, 상기 주편의 냉각 개시 시에 있어서의 상기 주편의 표면 온도 Ts(℃)와, 당해 후단 냉각 공정에 있어서의 상기 냉각수의 상기 유량 밀도 W(리터/(㎡·min))가, 하기식 (1)의 관계를 충족하도록 하는 것을 특징으로 하는 연속 주조 주편의 2차 냉각 방법.
   Ts＜10^[0.08×ln(W)＋2] …(1)
   단, 상기식 (1) 중의 ln은 자연 대수이고, ^은 거듭 제곱의 연산자이다.
3. 제2항에 있어서,
   상기 후단 냉각 공정에서는, 주편의 두께를 t(m), 주편의 미응고부를 제외한 두께 방향 평균 열 전도율을 λ(㎉/(m·hour·℃)), 주편의 응고 온도를 Tc(℃)로 할 때, 상기 냉각수의 열 유속 q(㎉/(㎡·hour))가, 하기식 (2)의 관계를 충족하도록 하는 것을 특징으로 하는 연속 주조 주편의 2차 냉각 방법.
   q≥λ[4(Tc－Ts)/t] …(2)
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 후단 냉각 공정에서는, 상기 냉각수의 상기 유량 밀도 W가, 하기식 (3)의 관계를 충족하도록 하는 것을 특징으로 하는 연속 주조 주편의 2차 냉각 방법.
   W＞e^[(log(λ[4(Tc－Ts)/t])－5.2)/0.17] …(3)
   단, 상기식 (3) 중의 e는 자연 대수의 밑이고, log는 상용 대수이고, ^은 거듭 제곱의 연산자이다.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 수평대에 있어서, 축방향을 주조 방향에 수직으로 향한 롤을 주조 방향으로 복수 배치함과 함께, 주조 방향으로 서로 이웃하는 상기 롤의 사이에, 상기 주편의 표면에 상기 냉각수를 분사하는 스프레이 노즐을 주편 폭 방향으로 복수개 구비하고,
   상기 스프레이 노즐의 각각으로부터 분사되는 상기 냉각수가 상기 주편의 표면에 충돌하여 형성되는 냉각면이, 둥근 모서리의 장방형 형상, 또는 타원 형상이 되도록 하고,
   적어도 상기 전단 냉각 공정에서는, 주조 방향과 수직인 방향에 대하여, 상기 냉각면의 장축이 5∼45도의 범위에서 경사지도록 상기 냉각수를 분사하는 것을 특징으로 하는 연속 주조 주편의 2차 냉각 방법.
6. 연속 주조기로 주조되어 있는 주편을, 수직대, 만곡대, 수평대를 갖는 2차 냉각대에 있어서 2차 냉각하는 연속 주조 주편의 2차 냉각 장치로서,
   상기 수평대는 전단 냉각부와 후단 냉각부를 갖고,
   상기 전단 냉각부는, 단위 시간당의 유량 밀도가 300∼4000리터/(㎡·min)(단, min은 시간의 단위의 분임)의 냉각수에 의해 상기 주편을 냉각하여, 당해 전단 냉각부 내에 있어서의 상기 주편의 표면의 냉각수의 비등 상태를 핵 비등으로 하고,
   상기 후단 냉각부는, 상기 전단 냉각부의 냉각수의 상기 유량 밀도의 2％ 이상 또한 50％ 이하의 단위 시간당의 유량 밀도의 냉각수에 의해 상기 주편을 냉각하여, 당해 후단 냉각부 내에 있어서의 상기 주편의 표면의 냉각수의 비등 상태를 핵 비등으로 유지하는 것을 특징으로 하는 연속 주조 주편의 2차 냉각 장치.
7. 제6항에 있어서,
   상기 수평대에는, 축방향을 주조 방향에 수직으로 향한 롤이 주조 방향으로 복수 배치되어 있음과 함께, 주조 방향으로 서로 이웃하는 상기 롤의 사이에, 상기 주편의 표면에 냉각수를 분사하는 스프레이 노즐이 주편 폭 방향으로 복수개 구비되고,
   상기 스프레이 노즐은, 당해 스프레이 노즐의 각각으로부터 분사되는 상기 냉각수가 상기 주편의 표면에 충돌하여 형성되는 냉각면이, 둥근 모서리의 장방형 형상, 또는 타원 형상이 되도록 상기 냉각수를 분사하고,
   적어도 상기 전단 냉각부에서는, 주조 방향과 수직인 방향에 대하여, 상기 냉각면의 장축이 5∼45도의 범위에서 경사지도록, 상기 스프레이 노즐이 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 연속 주조 주편의 2차 냉각 장치.
   
   

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