KR19990015519A - 강의 소단면 연속주조시 주형 냉각능 향상방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 강의 소단면 연속주조시 주형 냉각능을 향상시키는 방법에 관한 것으로서, 주형(2)의 외측에 설치되는 냉각수 자켓(3)을 전체적으로 경사지게 하거나, 주형(2)의 하부는 좁게 두고 주형(2)의 상부에서만 넓게 함으로써 냉각수 채널(5)의 넓이를 주형(2)의 위치에 따라 달리하여 전체적인 주형 냉각능을 향상시키면서 초기 응고시의 응고를 지연하고, 완냉각을 유지하여 주편의 표면형상을 개선하고자 하는 것이다.

Description

강의 소단면 연속주조시 주형 냉각능 향상 방법

본 발명은 강의 소단면 연속주조시 주형 냉각능을 향상시키기 위한 방법에 관한 것으로, 특히 강의 소단면 빌레트 연속주조시 연속주조 주형설비(이하 주형이라고 함)내에서 주형(2)인 동판과 냉각수 자켓(3)사이의 냉각수 채널(5)을 경사지게 함으로써 주형 냉각능과 주편 표면형상을 개선하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로 소단면 빌레트 연속주조시 사용되는 주형(2)은 두께 6-12㎜의 동판으로 만들고 상부에 설치된 플렌지 또는 그루브로 고정시키며, 그 외측에 일정한 간격을 두고 냉각수 자켓(3)을 설치하여 주형(2)과 냉각수 자켓(3) 사이의 통로 즉 냉각수 채널(5)로 냉각수가 고속으로 순환할 수 있도록 되어있다.

연속주조시 턴디쉬로부터 주형(2)으로 용강(7)이 주입되면서 주편의 냉각이 시작되는데 이를 1차 냉각이라고 한다.

이때 주편 표층부는 응고된 상태이고 내부는 고온의 용강(7)이 있는 상태에서 인발되고 있기 때문에 1차 냉각의 적부 여부는 조업 및 주조된 강의 품질에 큰 영향을 미친다.

한편 주형(2)과 용강(7)이 접촉하는 양 가장자리부에 형성되는 응고층(6)이 파단하여 내부의 용강(7)이 유출되는 브레이크 아웃(break out)은 연속주조에 있어서 대표적인 조업사고이며, 그 대부분은 주형(2)내 용강(7)의 응고상황에 기인한 것이다.

따라서 용강(7)의 철정압을 견딜 수 있을 정도의 충분하고 균일한 응고층(6)이 형성될 수 있도록 하는 것이 주형(2)의 일차적인 조건이다.

이러한 주형(2)에서 주형 냉각과 강의 응고과정은 다음과 같다.

주형(2)내에서 용강(7)이 응고되기 시작하면 우선 주형(2)과 용강(7)이 접촉하는 양 가장자리부, 즉 표층부에 응고층(6)이 생성되고, 이 응고층(6)은 처음에는 주형(2)벽에 밀착되어 있다가 응고에 의한 수축에 의해 주형(2)벽을 이탈하게 되어 주형(2)벽과 응고층(6) 사이에 국부적인 공극이 생긴다.

응고가 계속 진행되면 이 응고층(6)은 부분적인 열전달의 감소로 인하여 재융해되고 응고층(6)의 고온강도저하와 용강(7) 철정압으로 인해 다시 주형(2)벽에 밀착된다.

상기 응고과정을 거치면서 응고층(6)은 주형(2)과의 접촉상태가 균일하게 지속되지 못하기 때문에 주편 표면형상과 응고층(6)의 성장이 불규칙하게 되며 그 정도가 심하면 브레이크 아웃 등의 조업장애가 발생한다.

또한 주편 표면형상이 국부적으로 불규칙해지면 주형(2)으로의 열전달이 저해되어 전체적인 주형 냉각능이 저하된다.

이하 주형내 용강의 응고와 주형의 냉각능과의 관계를 설명하고 그 문제점에 대해 살펴보기로 한다.

일반적으로 주형 냉각능을 측정하는 척도로서 용강(7)에서 주형(2)으로의 평균 열전달량(이하 열전달량이라 함)을 사용하며, 이는 하기의 수학식 1과 같이 표시된다.

Q_avg= (C_p× M × ΔT) / A

Q_avg: 평균 열전달량 (W/㎡)

C_p:냉각수 비열 (J/㎏℃)

M : 주형 냉각수량 (㎏/sec)

ΔT : 냉각수 입구와 출구에서의 냉각수 온도차 (℃)

A : 주형과 주편의 접촉면적 (㎡)

상기 수학식 1에서 주형의 크기가 정해지면 A값이 일정해지고 열전달량은 주형 냉각수량(M)과 냉각수 온도차(ΔT)에 비례하므로, 주형 냉각수량이 증가하면 주형 냉각능이 증대된다. 따라서 냉각수의 유속을 증가시켜 주형 냉각능을 증대시킬수 있다.

H_w= 0.023(k/D)(ρVD/μ)^0.8(C_pμ/k)^0.4

H_w: 냉각수와 주형인 동판사이의 열전달 계수 (㎾/㎡℃)

k : 냉각수의 열전도도 (㎾/m℃)

D : 냉각수관의 간격 (m)

ρ : 냉각수의 밀도 (㎏/㎥)

V : 냉각수의 유속 (㎧)

μ : 냉각수의 점도 (Ns/㎥)

C_p: 냉각수의 비열 (kJ/㎏℃)

상기 수학식 2에서 알 수 있듯이 주형 냉각수와 주형(2)인 동판 사이의 열전달 계수값은 (냉각수 유속)^0.8에 비례하고 있다.

따라서 냉각수의 유속이 증가하면 냉각능이 증가하지만 그 증가에도 한계가 있으며, 오히려 초기 응고층(6)의 과도한 냉각으로 인한 수축량이 많아지게 되어 공극의 발생이 용이해지므로 국부적인 열전달량의 저하를 초래하는 역효과가 발생하기 쉽다.

또한 냉각수의 온도차를 크게 하면 주형(2)의 변형이 쉽게 발생하기 때문에 통상의 연속주조조업에서는 냉각수의 온도차를 10℃이하로 관리하고 있다.

한편 냉각수량과 냉각수 온도차를 일정하게 한 주조조건하에서 냉각능을 향상시키는 방법으로는 완냉각법이 있는데, 이는 초기 응고층의 형성시 냉각능을 낮추어 응고층의 형성을 지연시킴으로써 응고에 따른 수축량을 적게 하고 따라서 공극의 크기도 작아지게 하는 방법이다.

대표적인 것이 열전도도가 작은 주형 파우더를 사용하는 방법인데, 이러한 주형 파우더를 사용하면 초기 응고층의 과냉은 방지할 수 있으나 주형 파우더의 본래 목적인 주형과 주편과의 윤활작용에는 불리한 측면이 있다.

초기 응고시 주형의 벽에 열전도도가 작은 물체를 삽입하여 완냉각하는 방법도 제시되고 있지만 가공 및 설치에 어려움이 있고 고가이므로 사용하기 어렵고, 특히 소단면 주형의 경우에는 주형인 동판의 두께가 얇아 이 방법을 적용하는 것이 사실상 불가능하다.

또다른 방법으로는 냉각수의 온도를 높여줌으로써 초기 응고층의 과냉각을 방지하는 방법이 있으나, 주위온도가 낮은 겨울철에는 냉각수의 온도를 상승시키기 위한 별도의 설비가 필요하고, 냉각수의 온도가 상승하면 주형의 온도가 전체적으로 상승하기 때문에 주형 변형 등이 발생하게 되는 문제점이 있다.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하고자 발명한 것으로서 소단면 빌레트 주조시 초기 응고영역인 주형 상단부에서 냉각수 채널의 간격을 넓게 하여 냉각수 유속을 감속하므로써 초기 응고층의 과냉각을 방지하여 주형과 주편간의 공극발생을 억제하고 주형과 주편간의 접촉상태를 양호하게 함으로써 주형 냉각능을 향상시키면서 주편의 표면형상을 개선하고자 하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 소단면 빌레트 연속주조 작업시 주형(2)과 냉각수 자켓(3)간의 간격, 즉 냉각수 채널(5)의 간격을 주형(2)의 상단부에서 넓게 조정하는 것을 특징으로 하는 것으로, 냉각수 채널(3) 상단부에서의 유속 감소에 의하여 초기 응고를 지연하고 오실레이션 마크 깊이를 감소시켜 주형(2)과 주편간의 접촉상태를 양호하게 함으로써 전체적인 1차 주형 냉각능을 향상시키고 주편 표면형상을 개선하는 방법을 제공하고자 한다.

도 1은 강의 소단면 연속주조 주형설비의 개략도,

도 2는 연속주조시 주형에서의 열전달을 나타내는 모식도,

도 3a는 종래 주형설비에서의 주형과 냉각수 자켓의 배치단면도,

도 3b는 본 발명 제1예의 주형설비에서의 주형과 냉각수 자켓의 배치단면도,

도 3c는 본 발명 제2예의 주형설비에서의 주형과 냉각수 자켓의 배치단면도,

도 4는 냉각수 자켓의 배치에 따른 평균 열전달량을 나타낸 그래프,

도 5는 냉각수 자켓의 배치에 따른 주편 표면의 오스실레이션 마크 깊이를 나타낸 그래프.

도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1: 주형커버 2: 주형

3: 냉각수 자켓 4: 주형 하우징

5: 냉각수 채널 6: 응고층

7: 용강

이하 본 발명인 강의 소단면 연속주조시 주형 냉각능 향상방법에 관하여 상세히 설명한다.

본 발명에서 주형(2)은 단면의 크기가 160㎜×160㎜이며 두께가 14㎜인 동판으로 된 주형을 사용하였고, 냉각수 채널(5)의 간격은 6㎜이고, 냉각수 유속은 5.5㎧-7㎧이며, 냉각수 온도차는 6-10℃로 하였다.

우선 연속주조시 주형(2)내에서의 열전달 현상을 간략히 설명하면 다음과 같다.

도 2는 주형(2)내에서의 열전도 양상을 나타내고 있다. 주형내부에서 주형외부로 배출되는 총열량(Q)은 하기의 수학식 3과 같이 표시될 수 있다.

Q = Ah₁(T_i-T₁) = KA(T₁-T₂)/L = Ah₀(T₂-T₀)

Q : 주형내에서 주형밖으로 배출되는 총열량 (㎾)

A : 용강과 접한 주형면적 (㎡)

h₁: 용강과 주형간의 열전달계수 (㎾/㎡℃)

h₀: 주형과 냉각수간의 열전달계수 (㎾/㎡℃)

K : 주형의 열전도도 (㎾/㎡℃)

L : 주형의 두께 (m)

T_i: 용강의 온도 (℃)

T₁: 용강과 접한 주형인 동판의 온도 (이하 고온면이라 함) (℃)

T₂: 냉각수와 접한 주형인 동판의 온도 (이하 저온면이라 함) (℃)

T₀: 냉각수의 온도 (℃)

상기 수학식 3에 의하면 용강(7)과 접한 주형(2)인 동판의 온도는 하기 수학식 4로 표현될 수 있다.

T₁= Y = (AT₀/Xh₀+L/KQ)

Y=XL/(XL-KA)

X=L/(KA-Ah₀L)

따라서 고온면의 온도(T₁)는 용강(7)에서 들어오는 열량(Q)과 주형(2)인 동판의 재질 및 두께가 정해지면 주형(2)과 냉각수간의 열전달 계수(h₀)의 함수가 된다.

또한 주형(2)과 냉각수간의 열전달계수(h₀)는 수학식 2에 나타낸 바와 같이 냉각수 유속의 함수이므로 고온면(hot face)의 온도는 냉각수 유속에 따라 달라지며, 냉각수 채널(5)에서의 냉각수 유속은 전체 냉각수량이 정해지면 냉각수 채널(5)간격에 따라 달라진다.

이러한 관계는 하기 수학식 5와 같이 표현될 수 있다.

Q_W= 60A₁V₁

Q_W: 총 냉각수량 (ℓ/min.)

A₁: 냉각수 채널 단면적 (㎡)

V₁:냉각수 유속 (m/sec.)

종래의 연속주조시에는 냉각수 채널의 간격이 일정하였기 때문에 냉각수량에 따라 냉각수 유속과 이에 따른 주형 냉각능이 결정되었다.

따라서 주형의 냉각능을 향상시키기 위해 냉각수량을 증가하면 초기 응고층(6)의 과냉에 의해 주형(2)과 주편간의 공극크기가 커지게 되어 전체적인 주형 냉각능에는 오히려 불리한 효과를 가져오기도 한다. 초기 응고층(6)의 완냉각을 위해 냉각수량을 감소하면 주형(2)의 온도가 전체적으로 상승하여 주형 냉각능 자체가 감소한다.

따라서 본 발명은 냉각수 자켓(3)을 전체적으로 경사지게 하거나, 주형(2)의 하부는 좁게 두고 주형(2)의 상부만을 경사지게 배치하여 넓게 하여 냉각수 채널(5)의 넓이를 주형(2)의 위치에 따라 달리함으로써 전체적인 주형 냉각능을 향상시키면서 초기 응고시의 응고를 지연하고, 완냉각을 유지하고자 하는 것이다.

본 발명에 사용된 주형을 사용해, 용강(7)으로부터의 열량과 냉각수량이 일정할 때 냉각수 채널(5)의 넓이에 따른 냉각수의 유속과 고온면의 온도변화를 상기 수학식 2, 3, 5에 따라 계산하여 보면 다음과 같다

냉각수 채널 넓이에 따른 고온면 온도변화

계산 조건	냉각 채널 넓이,(㎜)	냉각수 유속, (㎧)	고온면 온도(℃)
용강으로부터의 열량(Q),(㎾/㎡)				냉각수량,(ℓ/min)
2,000	2,000	6	7.0	214
		7	6.0	226
		8	5.2	237

상기 표 1에 나타난 바와 같이 동일 주조조건하에서 냉각수 채널(5)의 넓이에 따라 냉각수 유속이 변화하였고 이에 따라 고온면의 온도도 변화하였다. 따라서 주형응고의 초기영역인 주형(2)인 동판 상단부에서 냉각수 채널(5)을 넓게 함으로써 주형(2)인 동판의 온도가 상승하고 그에 따라 완냉각의 효과가 발생하게 된다.

이하 실시예를 통하여 보다 상세하게 설명하기로 한다.

(실시예)

본 발명을 위한 시험시 사용된 주조조건은 하기의 표와 같다.

실시예	종래재 1	발명재 1	발명재 2
강종	탄소농도가 0.1%인 일반강
용강온도(℃)	1545±5
주조속도(m/min)	1.9
냉각수 온도(℃)	25
냉각수량(ℓ/min)	2000

도 3에서 도시한 바와 같이 종래재는 종래 형태의 냉각수 채널(5)을 사용한 것이고, 발명재 1은 냉각수 자켓(3)을 전체적으로 경사지게 하여 주형(2)의 상부로 갈수록 냉각수 채널(5)이 넓어지도록 한 것이며, 발명재 2는 주형(2)의 상단부영역인 응고시점위치에서 50㎜지점까지만 냉각수 자켓(3)을 경사지게 하여 주형(2)의 상단부만 냉각수 채널(5)을 넓게 한 것이다.

도 3과 같이 냉각수 자켓(3)을 변경하면서 주형(2)에서의 열전달량을 비교하였다.

열전달량은 주형(2)에서의 냉각능을 측정할 때 통상적으로 사용되는 방법인 주형외부로 배출되는 평균열전달량을 수학식 1에 의해 계산하여 비교하였으며, 그 결과를 도 4에 도시하였다.

종래재는 평균 열전달량이 1500㎾/㎡임에 비해, 발명재 1은 1700㎾/㎡, 발명재 2는 1850㎾/㎡로 증가하여, 발명재의 냉각능이 종래재와 대비하여 13-23%정도 향상되었음을 알 수 있다.

냉각수 자켓(3)의 형상 변경에 따른 주편 표면형상의 변화는 주편의 오실레이션 마크 깊이를 측정하여 비교하였으며, 그 결과를 도 5에 도시하였다.

초기 응고 조건에 따라 오실레이션 마크의 깊이가 달라지며 완냉각이 일어나면 응고층(6)이 작아져서 오실레이션 마크의 깊이가 감소하게 된다.

종래재의 경우 오실레이션 마크 깊이가 평균 300㎛임에 비해, 발명재 1은 275㎛, 발명재 2는 255㎛로 감소한 것으로 보아, 발명재의 주편의 표면형상이 종래재와 대비하여 상당히 개선되었음을 알 수 있다.

이상과 같은 본 발명은 강의 소단면 연속주조시 기존의 주조조건을 유지한 상태에서 상기와 같은 방법으로 냉각수 채널(5)의 넓이만을 변경시킴으로써, 전체적인 주형 냉각능이 향상되고 초기 응고시의 응고를 지연하고 완냉각을 유지하여 주편의 표면형상이 개선되는 효과가 있다.

Claims (2)

1. 강의 소단면 연속주조시 주형 냉각능과 주편 표면형상을 개선하기 위하여, 주형(2)의 상단부에서 주형(2)과 냉각수 자켓(3)간의 간격을 넓게 하여 주조하되, 냉각수 자켓(3)을 경사지게 설치하여 냉각수 채널(5)간격이 주형(2)의 하단부는 좁고 주형(2)의 상단부로 갈수록 넓게 함으로써, 냉각수 유속이 주형(2)의 하단부는 크고 주형(2)의 상단부로 갈수록 작게 하여 주조함을 특징으로 하는 강의 소단면 연속주조시 주형 냉각능 향상방법
2. 제 1항에 있어서, 주형(2)의 하단부의 냉각수 채널(5) 간격은 일정하게 하고 주형(2)의 상단부영역만 냉각수 자켓(3)을 경사지게 하여 냉각수 채널(5)간격을 넓게 함으로써, 주형(2)의 상단부를 제외한 영역에서는 냉각수 유속을 크게 하고 주형(2)의 상단부에서는 국부적으로 유속을 작게 하여 주조함을 특징으로 하는 강의 소단면 연속주조시 주형 냉각능 향상방법