KR960015801B1 - 연속주조에 있어서 주조초기 주편의 표면결함을 감소하기 위한 발열성 프론트파우더 - Google Patents

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Description

연속주조에 있어서 주조초기 주편의 표면결함을 감소하기 위한 발열성 프론트파우더

제1도는 연속주조기의 개략도.

제2도는 연속주조용 몰드내에서의 몰드플러스의 용융, 유입 거등과 역할을 나타내는 모식도.

제3도는 주조초기에 있어서 용강온도의 감소를 나타내는 그래프.

제4도는 주조초기에 있어서 인발속도의 변화와 몰드 탕면의 변동을 나타내는 그래프.

제5도는 몰드플럭스중 탄소함량-용강 탄소함량 증가와의 관계를 나타내는 그래프.

제6도는 이론발열량-표면균열, 기포성결함 발생지수와의 관계를 나타내는 그래프.

제7도는 점도-표면균열, 기초성결함 발생지수와의 관계를 나타내는 그래프.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 레이들 2 : 턴디쉬

3 : 수냉 몰드 4 : 분무대

5 : 지지 안내롤 6 : 핀치롤

7 : 절단장치 8 : 반출장치

11 : 슬래그 베어 12 : 화염

13 : 미용융층 14 : 반용융층

15 : 용융 슬래그층 16 : 매니스커스

17 : 용강 18 : 응고쉘

19 : 슬래그 박막

본 발명은 연속주조공정에 있어서 주조초기에 생산되는 중간제품인 주편의 표면에 발생하는 결함을 감소시키는데 유용한 발열성 프론트파우더에 관한 것이다.

일반적으로 연속주조법이라 함은 제1도에 도시된 바와 같이 제강로에서 용제된 용강을 레이들(1)에 담아 연속주조기상으로 수송한 후, 레이들(1)내 용강을 중간용기인 턴디쉬(2)로 주입하고 턴디쉬(2)에서 정류된 용강을 수냉되는 몰드(3)로 주입하여 외측이 응고각으로 둘러싸인 고액의 이층제로 만든 후 구속성 브렉아웃(break out, 내측의 용강이 흘러 나오는 것)이 발생하지 않을 정도로 천천히 이층제를 인발시키면서 인발량과 같은 용강을 몰드(3)에 주입함으로써, 무한히 긴 이층제를 얻은 후 몰드(3)를 나온 이층제를 살수에 의해 강제 냉각시켜 소정의 위치에서 완전히 응고 완료시켜 절단장치(7)에 의해 소정의 길이로 절단함으로써 주편을 연속적으로 생산하는 방법이다.

이러한 연속주조공정에 의해 생산된 주편의 표면 및 내부에 결함이 발생하면 최종제품까지 결함으로 존재하게 됨으로 깨끗이 제거하는 공정이 필요하며, 심한 경우에는 사용이 불가능하여 중도에서 폐기하는 상황에 부딪히게 되므로 결함이 없는 주편을 제조하기 위한 기술이 지속적으로 개발되고 있다.

특히 연속주조공정의 주조초기는 정상적인 조업조건으로 가기 위한 과도기적인 비정상상태로서 제3도 및 제4도에 나타낸 것과 같이 용강온도의 저하, 인발속도의 연속적인 증가 및 이로인한 인발속도의 연속적인 증가 및 이로인한 탕면 변동 등으로 결함의 발생이 심하다.

몰드(3)는 제1도에 도시된 바와 같이 연속주조공정에서 용강의 응고가 개시되어 중간제품인 주편의 외곽 형상이 결정지어지는 장치이며, 수냉되는 몰드(3)는 접촉된 표면만이 응고된 얇은 주편(응고쉘)과 주형간의 마찰에 의해 응고쉘의 파단되는 것(브렉아웃)을 막기 위하여 진동장치에 의해 연속적으로 진동시키면서 윤활제로서 몰드플럭스를 사용한다. 제1도에서 미설명부호 4는 분무대이고, 5는 지지 안내롤이고, 6은 핀치롤이고, 8은 반출장치이다. 이러한 몰드플럭스는 분말 또는 과립형상의 합성 슬래그로서 연속주조중 몰드내 용강위로 투입되어 제2도에 도시된 바와 같이 용강(17)의 보온기능을 가진 미용융층(13), 반용융층(14), 용강(17)의 재산화를 방지하고 개지물 흡수 용해하는 기능을 가진 용융슬래그층(15)을 형성하면서 용융하게 되고 이 용융슬래그가 몰드(3)와 응고쉘(18)간의 틈사이로 유입, 윤활 및 열전달 매체기능을 갖는 슬래그 박막(19)을 형성한다.

이 슬래그 박막(19)이 연속주조기 아래 방향으로 인발되는 주편과 함께 따라 내려가면서 주편을 냉각시키기 위해 뿌려지는 물에 의해 씻겨져 소모되게 된다. 제2도에서 미설명 부호 11은 슬래그 베어이고, 12는 화염이고, 16은 메니스커스이다.

이러한 과정에서 몰드플럭스는 몰드화 응고쉘간의 윤활작용외에도 여러 가지 역할을 수용하게 되는데 이를 정리하면 다음과 같다.

1) 윤활작용으로 주편과 몰드간의 마찰력을 감소시킨다.

2) 용강으로부터 분리부상하는 비금속 개지물을 흡수 용해시킨다.

3) 대기로부터 용강을 보호하여 재산화를 방지한다.

4) 대기로부터 열방출을 억제시켜 용강을 보호한다.

5) 주편에서 몰드로의 열전달 매체 역할을 한다.

상기 몰드플럭스는 분진 발생등 작업성의 열화를 개선하기 위하여 연속주조법 적용 초기 분말형상에서 과립 형상으로 바뀌어 가는 추세이나 이런 경우에도 몰드플럭스의 용강보온성 및 빠른 용융속도가 요구되는 주조초기에는 분말 형상이 필요하다.

이러한 필요에 의해 연속주조공정 주조초기, 즉 주조개시에서 정상적인 주조조건에 이르기까지 사용되는 분말형상의 몰드플럭스를 프론트 파우더라 한다.

프론트파우더의 필요조건은 주조초기 조업조건의 특성상 다음과 같다.

1) 용융속도가 빨라야 한다; 프론트파우더는 주조개시와 동시에 몰드내에 투입되는 최초의 몰드플럭스이므로 빠른 시간내에 용융하여 충분한 용융슬래그층을 형성하여 정상적인 몰드플럭스의 기능을 수행하여야한다.

2) 개지물의 흡수능이 좋아야 한다; 특히 주조초기는 용강-대기간의 접촉 가능성이 높아 용강중에 재산화에 기인하는 Al₂O₃계의 비금속 개재물이 다량 형성되고 몰드내에서 주조되는 동안 용강 탕면으로 부상분리되므로 이를 흡수 제거하기 위해서 개지물의 흡수능은 가급적 커야 한다.

3) 용강의 보온능력이 커야한다; 몰드내의 용강은 몰드플럭스층을 통하여 대기로 열을 빼앗기게 된다. 특히 주조초기에는 용강이 턴디쉬, 몰드와 처음 접촉하면서 열방출이 많아 몰드내 용강탕면에서 용강응고물(데켈)이 발생할 가능성이 높으므로 이 부위에 대한 뛰어난 보온성이 요구된다.

4) 적정한 점도이어야 한다; 주조초기는 주편의 인발속도가 정지상태로부터 목표하는 인발속도로 상승하는 과정이므로 점도는 목표하는 인발속도의 1/2 수준을 기준으로 하여 선정되어야 한다.

통상적으로 몰드플럭스의 점도는 다음 식에 의해 설정된다.

점도×인발속도(m/분)=2.0∼3.5

즉 프론트파우더는 발열성이면서 용융속도가 빨라 조기에 충분한 용융슬래그층을 형성할 수 있어야 하며 더불어 적당한 점도를 지녀야 한다.

상기한 특성중에서 주조초기의 주편 품질과 가장 관련 깊은 것은 용강의 보온능력과 점도이다.

통상적으로 주편의 표면 결합은 크게 표면균열과 기포성 결함으로 구분된다.

표면균열을 감소하기 위해서는 주편 폭 방향으로의 균일하면서도 완만한 냉각을 유도하여 응고쉘에 가해지는 열적 능력을 최소화 해야만 한다.

균일하면서도 완만한 냉각을 위해서는 주편 폭 방향으로 균일한 슬래그 박막이 형성되어야 하며 균일한 용융슬래그의 유입이 선행되어야 하며, 종래에는 용융슬래그의 균일한 유입은 몰드플럭스의 점도를 적정범위로 유지시키는 것이 가장 유효한 것으로 공지되어 있다.

기포성 결합은 크게 몰드플럭스 자체의 혼입에 기인하는 경우와 외래성 기재물, 재산화 개재물이 아르곤, 일산화탄소, 수소등의 기포와 결합하여 발생하는 경우로 나누어 생각할 수 있다.

주조초기에 발생하는 결함은 주조 몰드플럭스 자체 혼입에 기인하는 결함 또는 몰드플럭스의 점도를 적정 범위로 유지함으로써 어느 정도 감소시킬 수 있다.

이와 더불어 주조초기 조업 특성상 주편의 표면균열 및 기포에 공통적으로 영향을 미치는 것은 프론트파우더의 보온능력이다. 보온능력이 불충분할 경우 몰드내 용강 표면에 데켈이 발생한다.

데켈은 용강 표면에 걸쳐 점차 성장하여 심할 경우에는, 침적노즐, 응고쉘과 연결되는데 이러한 경우 프론트파우더의 용융지연으로 용융 및 유입이 적어지게 되어 브렉아웃의 발생 가능성이 높아지게 될 뿐 아니라 불균일 유입이 조장되므로 불균일 냉각으로 인한 표면균열의 발생가능성도 높아지게 된다.

또한 데켈의 성장을 억제하기 위한 작업자들의 용강탕면 휘저음 작업 및 발생한 데켈의 제거를 위한 작업으로 용강탕면에 교란이 유발되어 프론트파우더 자체의 혼입등에 기인한 기포성 결함이 생기게 된다.

따라서 프론트파우더의 보온능력을 향상시켜 데켈의 발생을 억제시키는 것은 주조초기 조업 안정화 및 주편 품질 확보라는 측면에서 대단히 중요한 요소라 할 수 있다.

앞에서 일부 언급한 바와 같이 보온능력과 더불어 프론트파우더의 점도 또한 중요한 요소중의하나이다.

주조초기 작업이 데켈의 발생없이 수행된 경우에도 주조초기는 인발속도의 증가 및 이로 인한 탕면 변동으로 여전히 비정상적인 주조조건이다.

따라서 데켈이 발생한 경우보다는 상대적으로 덜 하지만 주조중기보다는 여전히 불리한 조건이다.

이렇게 탕면 변동이 심한 경우 용융슬래그의 균일 유입이 방해되며 용융슬래그 자체의 혼입이 유발되므로 표면균열 및 기포성결함의 발생이 증가한다.

용융슬래그의 불균일 유입 및 용융슬래그 자체 혼입은 몰드플럭스의 점도를 적정하게 성정함으로써 어느 정도 억제할 수 있다고 알려져 있다.

또한 주조초기에서와 같이 용융슬래그층이 확보되지 않은 상태에서는 미용융상태의 몰드플럭스와 용강이 직접 접촉하게 됨으로써 몰드플럭스중 탄소가 용강중으로 침투하여 용강의 탄소 함량을 증가시키게 된다(이하 "탄소 픽업").

따라서 극저탄소강등 용강의 탄소 픽업 억제가 요구되는 강종에도 적용하기 위해서는 프론트파우더중 유리탄소의 함량을 극히 낮출 필요가 있다.

종래의 프론트파우더는 프론트파우더에 연결하여 정상 주조조건에서 사용하는 과립형 몰드플럭스(메인플럭스)에 비해 상대적으로 용융점을 낮게 하고 탄소 함량을 낮게하여 용융속도를 크게함으로써 가급적 빠른 시간내에 용융 슬래그층을 형성하는데 중점을 두어 왔다.

그러나 이러한 종래 프론트파우더를 사용하는 데에는 다음과 같은 몇가지 문제점이 있다.

첫째, 용융속도를 빠르게 하기 위해서는 주로 알카리성 융제를 첨가하여야 하나, 이러한 알카리성 융제는 대부분이 점도를 동시 하강시키는 역할을 하므로 프론트파우더의 적정 점도를 확보하기가 곤란하며 용융속도를 지연시키는 골재 역할의 탄소의 함량을 가급적 낮게 하여야 한다.

그러나 이렇게 할 경우 탄소의 산화발열량이 적어지게 되며 용강을 보온하는 능력이 크게 감소한다.

둘째, 용강의 보온능력을 증대시키기 위해 프론트파우더중 탄소의 함량을 증가시킬 경우 용강으로의 탄소 픽업을 피할 수 없다.

따라서 본 발명의 상기한 문제점을 해소하기 위하여 안출된 것으로, 그 목적은 연속주조에 있어서 주조초기 주편의 표면결함을 감소하기 위하여 발열제 및 발열제의 산화발열을 촉진시키기 위한 산화제를 함유하여 보온 능력을 향상시킨 발열성 프론트파우더를 제공하는 것이다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 중량%로 CaO : 30-50%, SiO₂: 32-50%, Al₂O₃: 1.7-13.6%, MgO : 0.5-10.0%, F : 2-12.0%, Na₂O : 2-15%, "Ca-Si"+Si : 5.0-20.0%, Fe₂O₃: 8.0-1.5%, 유리탄소 : 1.0% 이하로 조성되며, 염기도가 0.6-1.3이고 용융점이 1,000-1,300℃이고, 점도가 1.300℃에서 2.7-3.3포이즈인 것을 특징으로 하는 연속주조에 있어서 주조초기 주편의 표면결함을 감소하기 위한 발열성 프론트파우더를 제공한다.

이하 본 발명의 구성 및 작용을 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

종래재의 경우 보온능력은 탄소의 연소열에 주로 의존하였으나 본 발명의 프론트파우더는 발열제로 첨가되는 칼슘-실리콘 및 실리콘 산화발명에 의존하므로 탄소의 함량을 종래재에 비해 크게 감소시킬 수 있으며 이러한 발열이 프론트파우더의 용융속도를 촉진시키므로 알카리성 용제의 사용을 크게 감소시킬 수 있어 프론트파우더로서의 적정점도를 얻는 것이 가능하다.

또한 프론트파우더중 탄소의 함량을 낮출 수 있으므로 용강으로의 탄소 픽업을 억제시킬 수 있다(제5도).

발열제 및 산화제의 종류 및 발열량, 점도를 주요 인자로 하는 일련의 발열성 프론트파우더를 제조한 후 실험 및 상기 적용시험을 실시하였다.

여기에서 발열량은 열역학에 바탕을 둔 다음 식에 의해 이론적으로 계산되었으며 점도는 고온 회전식 점도계를 사용하여 1300℃에서 측정되었다.

이론 발열량(cal/g)={(Ca-Si중량%×5821.5cal/g)+(Si중량%×7219.9cal/g)+(유리탄소 중량%×7000cal/g)}/100또한 용융점은 고온 현미경 장치를 통하여 측정되었다.

상기의 실험 및 실기 적용 시험결과로서 제6도 및 제7도에 나타낸 바와 같이 이론 발열량과 주편 결함 발생지수와의 관계를 얻어졌다.

이러한 결과로서 얻어진 본 발명의 발열성 프론트파우더는 중량%로 CaO : 30-50%, SiO₂: 32-50%, Al₂O₃: 1.7-13.6%, MgO : 0.5-10.0%, F : 2-12.0%, Na₂O : 2-15%, "Ca-Si"+Si : 5.0-20.0%, Fe₂O₃: 8.0-1.5%, 유리탄소 : 1.0% 이하로 조성되며, 염기도가 0.6-1.3이고 용융점이 1000-1300℃이고, 점도가 1300℃에서 2.7-3.3 포이즈인 것을 특징한다.

본 발명의 프론트파우더의 성분조성을 한정하는 이유와 물성치는 아래와 같다.

주성분인 CaO, SiO₂, Al₂O₃의 상기 조성은 CaO-SiO₂-Al₂O₃3원 상태도상에서 저용점영역에 해당하는 방법이다.

염기도는 CaO/SiO₂로서 CaO및 SiO₂의 조성범위에 따른 범위이다.

MgO및 Na₂O는 용융점 및 점도를 낮추기 위한 융제로 첨가하나 상기 범위 초과시 효과가 감소하므로 그 이상은 제한한다.

F는 용융점 및 점도를 낮추기 위한 용제로 첨가되나 함량이 증가할수록 침지노즐(턴디쉬에서 몰드로의 용강주입용 노즐) 내화물(ZrO₂-C재질)에 대한 침식성이 증가하므로 통상 2-12중량%로 규제한다.

Ca-Si 및 Si는 발열제로서 발열량과 발열후 프론트파우더의 물성에 미치는 영향을 고려하여 반응 후 프론트파우더의 주성분인 CaO, SiO₂로 변화하도록 첨가한다. 적정 이론발열량으로 조절하기 위하여 5.0-20중량%의 범위내에서 첨가한다. 5.0% 이하인 경우 적정 이론 발열량을 확보하기 어려우며 20% 이상일 경우 발열제 과다로 화염, 섬광 등이 발생하므로 몰드내 탕면 관찰 곤란 등 작업지장을 초래하므로 제한한다.

Fe₂O₃는 발열제의 산화발열을 촉진시키기 위한 산화제로서 밀스케일이 8-15중량%를 첨가한다. 이 함량은 발열제 첨가량 5.0-20%중량에 대응하는 양이다.

유리탄소의 함량은 용강의 탄소픽업을 억제하기 위하여 가능한 낮게 유지한다.

점도 : 2.7∼3.3포이즈, 기포성결함은 2.7∼3.3포이즈에서 가장 적게 발생한다. 반면에 표면균열에서는 2.5∼3.3포이즈에서 가장 적게 발생한다. 양쪽 결함을 고려할 경우 점도의 적정범위는 2.7∼3.3포이즈이다.

이론 발열량 : 950∼1000cal/g, 기포성결함은 950∼1000cal/g에서 가장 적게 발생한다. 이는 발열량이 증가할수록 보온능력이 증가하나 1000cal/g 이상일 경우는 발열하는 과정에서 화염 및 섬광등이 탕변 변동의 원인으로 작용하면서 기포성 결함이 증가하게 되는 것으로 생각된다. 반면에 표면 균열에서는 850∼950cal/g에서 가장 적게 발생한다. 양쪽 결함을 고려할 경우 발열량의 적정범위는 950∼1000cal/g이다.

용융점은 1000∼1300℃로서 상기 범위로 할 경우 나타낼 수 있는 통상적인 온도범위이다.

이하에 개시되는 실시예는 단지 본 발명의 일실시예로서 본 발명은 하기한 특정범위에 제한되는 것은 아니다.

종래재인 비발열성 프론트파우더와 본 발명재인 발열성 프론트파우더를 동일한 주조 조건하에서 균열민감 강종을 대상으로 실제 연속주조기 2개월간 적용하면서 표면균열 발생지수 등을 비교 체크한 결과는 다음 표 1 및 표 2와 같다.

[표 1 종래재와 본 발명재와의 물성치 비교]

[표 2 본 발명재의 실시효과]

상기한 바에 따르면 본 발명의 발열성 프론트파우더는 연속주조용 몰드플럭스중에 발열제 및 산화제를 첨가하여 용융시 발열작용을 일으키게 함으로써 연속주조 공정에 있어서의 주조초기 작업을 용이하게 하고 주편 품질을 향상시킬 수 있다.

Claims (1)

1. 중량%로 CaO : 30-50%, SiO₂: 32-50%, Al₂O₃: 1.7-13.6%, MgO : 0.5-10.0%, F : 2-12.0%, Na₂O : 2-15%, "Ca-Si"+Si : 5.0-20.0%, Fe₂O₃: 8.0-15.0%, 유리탄소 : 1.0% 이하로 조성되며, 염기도가 0.6-1.3이고 용융점이 1000-1300℃이고, 점도가 1300℃에서 2.7-3.3포이즈인 것을 특징으로 하는 연속주조에 있어서 주조초기 주편의 표면결함을 감소하기 위한 발열성 프론트 파우더.