KR101277692B1 - 연주공정에서의 핀홀결함 저감 방법 - Google Patents

연주공정에서의 핀홀결함 저감 방법 Download PDF

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Abstract

연주공정에서 조업인자에 따른 핀홀결함 정도를 예측하여 핀홀결함을 저감시키는 연주공정에서의 핀홀결함 저감 방법에 관한 것으로, 주조폭, 주조속도, 용강사용량, 침지노즐의 침지깊이 및 아르곤가스 사용량을 포함한 각종 조업인자에 대한 데이터를 저장하는 단계와, 상기에서 저장된 각종 조업인자를 이용하여, 침지노즐에서 토출되는 용강이 몰드 내벽에 충돌될 때의 지점에 대한 탕면으로부터의 충돌깊이를 계산하는 단계와, 상기에서 계산된 충돌깊이와 설정된 기준깊이를 상호 비교하여 상기 충돌깊이가 설정된 기준깊이 이상이면, 상기 충돌깊이를 기준깊이 이하로 감소시키기 위하여 침지노즐의 침지깊이 및 아르곤가스 사용량 중 적어도 어느 하나를 설정된 범위내에서 가변 제어가 가능한지를 판단하는 단계, 및 상기 침지노즐의 침지깊이 및 아르곤가스 사용량이 설정된 범위 내에서 가변 제어가 가능하지 않으면, 주조속도를 감속시키는 단계를 제공한다.

Description

연주공정에서의 핀홀결함 저감 방법{METHOD FOR DECREASING PIN-HOLE DEFECT IN CONTINUOUS CASTING PROCESS}
본 발명은 핀홀결함 저감에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 연주공정에서 조업인자에 따른 핀홀결함 정도를 예측하여 핀홀결함을 저감시키는 연주공정에서의 핀홀결함 저감 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 연속주조기는 제강로에서 생산되어 래들(Ladle)로 이송된 용강을 턴디쉬(Tundish)에 받았다가 연속주조기용 몰드로 공급하여 일정한 크기의 주편을 생산하는 설비이다.
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.
관련된 선행기술로는 한국특허공개 제2010-22287호(공개일; 2010.03.02)가 있다.
본 발명은 주조폭, 용강사용량, 침지노즐의 침지깊이 및 아르곤가스 사용량을 포함한 각종 조업인자를 이용하여 침지노즐에서 배출되는 용강의 충돌깊이를 계산하고, 계산된 충돌깊이를 통해 핀홀결함 정도를 예측하여 충돌깊이를 제어함으로써, 핀홀결함 발생 정도를 저감시킬 수 있는 연주공정에서의 핀홀결함 저감 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않는다.
상기 과제를 실현하기 위한 본 발명의 핀홀결함 저감 방법은, 주조폭, 주조속도, 용강사용량, 침지노즐의 침지깊이 및 아르곤가스 사용량을 포함한 각종 조업인자에 대한 데이터를 저장하는 제1 단계; 상기에서 저장된 각종 조업인자를 이용하여, 침지노즐에서 토출되는 용강이 몰드 내벽에 충돌될 때의 지점에 대한 탕면으로부터의 충돌깊이를 계산하는 제2 단계; 상기에서 계산된 충돌깊이와 설정된 기준깊이를 상호 비교하여 상기 충돌깊이가 설정된 기준깊이 이상이면, 상기 충돌깊이를 기준깊이 이하로 감소시키기 위하여 침지노즐의 침지깊이 및 아르곤가스 사용량 중 적어도 어느 하나를 설정된 범위내에서 가변 제어가 가능한지를 판단하는 제3 단계; 및 상기 침지노즐의 침지깊이 및 아르곤가스 사용량이 설정된 범위 내에서 가변 제어가 가능하지 않으면, 주조속도를 감속시키는 제4 단계;를 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 제4 단계에서 상기 주조속도를 감속할 때 현재 주조속도의 5% 내지 10% 범위 내에서 감속시킬 수 있다.
상기 제3 단계에서 침지깊이의 설정된 범위는 0.14 내지 0.2m일 수 있고, 아르곤가스 사용량의 설정된 범위는 9liter/min 미만일 수 있으며, 설정된 기준깊이는 550mm일 수 있다.
상기와 같이 본 발명에 의하면, 충돌깊이를 통해 핀홀결함 정도를 판단하고, 핀홀결함 정도가 기준치를 초과할 경우 침지노즐의 침지깊이와 아르곤가스 사용량을 통해 충돌깊이를 1차적으로 제어하고, 침지깊이와 아르곤가스 사용량이 설정된 한계값에 다다랐을 경우 주조속도를 제어함으로써, 연주주편의 핀홀 결함을 저감하여 표면 품질이 우수한 제품을 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예와 관련된 연속주조기를 용강 흐름을 중심으로 나타낸 개념도이다.
도 2는 본 발명에 의한 핀홀결함 저감 장치를 나타낸 도면이다.
도 3은 침지노즐을 통해 몰드로 공급되는 아르곤가스를 나타낸 도면이다.
도 4는 강종별 핀홀 결함을 나타낸 도면이다.
도 5는 턴디쉬의 높이에 따른 침지노즐의 침지 깊이를 나타낸 도면이다.
도 6은 주조폭별 핀홀결함지수와 충돌깊이와의 관계를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 의한 핀홀결함 저감 과정을 나타낸 순서도이다.
도 8은 충돌깊이의 계산을 위한 각종 조업인자를 나타낸 도면이다.
도 9는 충돌깊이와 핀홀결함지수와의 관계를 나타낸 도면이다.
도 10 및 도 11은 주조속도에 따른 침지깊이 및 아르곤가스 사용량과의 관계를 나타낸 도면이다.
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 용강의 흐름을 중심으로 나타낸 개념도이다.
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.
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. 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 산화·질화 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.
이와 같이 구성된 연속주조기는 래들(10)에 수용된 용강(M)이 턴디쉬(20)로 유동하게 된다. 이러한 유동을 위하여, 래들(10)에는 턴디쉬(20)를 향해 연장하는 슈라우드노즐(Shroud nozzle, 15)이 설치된다. 슈라우드노즐(15)은 용강(M)이 공기에 노출되어 산화 및 질화되지 않도록 턴디쉬(20) 내의 용강에 잠기도록 연장한다.
턴디쉬(20) 내의 용강(M)은 몰드(30) 내로 연장하는 침지노즐(Submerged Entry Nozzle, 25)에 의해 몰드(30) 내로 유동하게 된다. 침지노즐(25)은 몰드(30)의 중앙에 배치되어, 침지노즐(25)의 양 토출구에서 토출되는 용강(M)의 유동이 대칭을 이룰 수 있도록 한다. 침지노즐(25)을 통한 용강(M)의 토출의 시작, 토출 속도, 및 중단은 침지노즐(25)에 대응하여 턴디쉬(20)에 설치되는 스톱퍼(Stopper, 21)에 의해 결정된다. 구체적으로, 스톱퍼(21)는 침지노즐(25)의 입구를 개폐하도록 침지노즐(25)과 동일한 라인을 따라 수직 이동될 수 있다. 침지노즐(25)을 통한 용강(M)의 유동에 대한 제어는, 스톱퍼 방식과 다른, 슬라이드 게이트(Slide gate) 방식을 이용할 수도 있다. 슬라이드 게이트는 판재가 턴디쉬(20) 내에서 수평 방향으로 슬라이드 이동하면서 침지노즐(25)을 통한 용강(M)의 토출 유량을 제어하게 된다.
몰드(30) 내의 용강(M)은 몰드(30)를 이루는 벽면에 접한 부분부터 응고하기 시작한다. 이는 용강(M)의 중심보다는 주변부가 수냉되는 몰드(30)에 의해 열을 잃기 쉽기 때문이다. 주변부가 먼저 응고되는 방식에 의해, 연주주편(80)의 주조 방향을 따른 뒷부분은 미응고 용강(82)이 응고쉘(81)에 감싸여진 형태를 이루게 된다.
핀치롤(70, 도 1)이 완전히 응고된 연주주편(80)의 선단부(83)를 잡아당김에 따라, 미응고 용강(82)은 응고쉘(81)과 함께 주조 방향으로 이동하게 된다. 미응고 용강(82)은 위 이동 과정에서 냉각수를 분사하는 스프레이수단(65)에 의해 냉각된다. 이는 연주주편(80)에서 미응고 용강(82)이 차지하는 두께가 점차로 작아지게 한다. 연주주편(80)이 일지점(85)에 이르면, 연주주편(80)은 전체 두께가 응고쉘(81)로 채워지게 된다. 응고가 완료된 연주주편(80)은 절단 지점(91)에서 일정 크기로 절단되어 슬라브 등과 같은 주편(P)으로 나누어진다.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 연주공정에서의 핀홀결함 저감 장치를 나타낸 도면으로서, 핀홀결함 저감 장치(100)는 메모리(110), 입력부(120), 표시부(130), 높이조절부(140), 아르곤주입부(150), 주속조절부(160) 및 제어부(170)를 포함한다.
메모리(110)는 주조폭, 용강사용량, 침지노즐(25)의 침지깊이 및 아르곤가스 사용량을 포함한 각종 조업인자에 대한 데이터가 저장되어 있다. 여기서, 조업인자는 주조폭, 용강사용량, 침지노즐(25)의 침지깊이 및 아르곤가스 사용량 뿐만 아니라 침지노즐(25)의 토출구(26)의 직경과 침지노즐(25)의 토출각 및 용강의 토출각 등에 대한 데이터를 더 포함할 수 있다.
입력부(120)는 외부로부터 각종 조업인자에 대한 데이터를 입력받도록 구성되어 있다.
표시부(130)는 제어부(170)의 제어에 따라 계산된 충돌깊이와 그에 따른 예측 핀홀결함 정도를 문자나 그래프로 디스플레이할 수 있다. 물론, 메모리(110)에는 충돌깊이에 대응되는 핀홀결함 정도에 대한 데이터가 저장되어 있을 수 있다.
높이조절부(140)는 제어부(170)의 제어에 따라 작동되어 턴디쉬(20)를 상하로 이동시킴으로써, 침지노즐(25)의 침지깊이를 조절하는 유압 실린더로 구성될 수 있다. 턴디쉬(20)의 높이는 몰드(30)의 상단면과 턴디쉬(20)의 하단면의 간격으로, 턴디쉬(20)의 높이를 통해 침지노즐(25)의 침지깊이를 간접적으로 확인하는 것이 가능하다.
아르곤주입부(150)는 제어부(170)의 제어에 따라 동작되어 침지노즐(25)로 유입되는 아르곤가스 사용량을 조절하게 된다. 턴디쉬(20)에 일시 저장된 용강에는 비금속 개재물(Non-Metallic Inclusion)이 존재하므로 몰드로 용강이 전달될 때, 침지노즐(25) 측의 내화물 내벽에 비금속 개재물이 고착되어 주조(Casting)를 방해한다.
이러한 비금속 개재물에 의한 막힘을 방지하기 위하여 도 3과 같이 불활성 가스(Inert Gas)인 아르곤가스(Argon Gas)를 연속적으로 취입하게 된다. 취입된 아르곤가스는 기포 또는 기포막을 형성시켜 침지노즐(25)의 내벽을 따라 흐르게 하거나 기포가 비금속 개재물을 포집하여 이동하게 함으로써 막힘 현상을 저감시킨다. 하지만, 침지노즐(25)로 취입되는 아르곤가스 사용량이 적지 않아 침지노즐(25)을 통해 몰드로 혼입된 미세 아르곤 기포가 용강과 함께 이동한다. 일부는 탕면으로 부상되어 제거되지만 일부는 용강 속에 잔류하여 생산된 연주주편에 잔류하거나 응고층에 포집되어 도 4와 같이 생산된 연주주편(80)에서 핀홀결함의 원인이 된다. 특히, 도 4에서와 같이 극저탄소강은 저탄소강보다 몰드 내 초기응고층에서의 몰드 오실레이션에 의해 생성되는 오실레이션 마크(OSM) 및 후크(Hook)의 깊이가 깊고, 후크에 의한 기포 포집이 타강종에 비해 쉬우므로, 핀홀결함이 발생될 가능성이 높다.
주속조절부(160)는 제어신호에 따라 핀치롤(70)의 회전속도를 제어하여 연주주편의 주조속도를 제어한다. 주속조절부(160)는 핀치롤의 회전속도를 제어하는 모터로 구성될 수 있다.
제어부(170)는 메모리(110)에 저장된 각종 조업인자를 이용하여, 침지노즐(25)에서 토출되는 용강이 몰드 내벽에 충돌될 때의 지점에 대한 탕면으로부터의 충돌깊이를 계산하고, 계산된 충돌깊이가 설정된 기준깊이 이상일 경우 핀홀결함을 감소시키기 위하여 설정된 범위 내에서 침지노즐(25)의 침지깊이 및 침지노즐(25)을 통해 주입되는 아르곤가스 사용량 중 적어도 어느 하나 이상을 가변 제어하게 된다.
예컨대, 제어부(170)는 계산된 충돌깊이가 설정된 기준깊이 이상일 때 주조폭이 설정된 기준폭 미만이면, 침지노즐(25)의 침지깊이가 감소되도록 제어하거나 또는 침지노즐(25)을 통한 아르곤가스 사용량이 증가되도록 제어하게 된다. 또한, 제어부(170)는 계산된 충돌깊이가 설정된 기준깊이 이상일 때 주조폭이 설정된 기준폭 이상이면, 침지노즐(25)의 침지깊이가 감소되도록 제어함과 동시에 침지노즐(25)을 통한 아르곤가스 사용량이 증가되도록 제어하게 된다. 상기에서 설정된 기준깊이는 550mm일 수 있고, 설정된 기준폭은 1400mm이상 내지 1700mm미만 사이의 값으로 설정될 수 있으나 1500mm 정도가 바람직하다.
제어부(170)는 계산된 충돌깊이가 설정된 기준깊이 이상일 때 아르곤주입부(150)를 제어하여 설정된 범위 내에서 아르곤가스를 증가시키거나 또는 높이조절부(140)를 제어하여 턴디쉬(20)의 높이가 설정된 범위내에서 증가되도록 제어하게 된다. 여기서, 턴디쉬(20)의 높이가 증가되면 도 5와 같이 침지노즐(25)의 침지깊이는 낮아지게 된다. 즉, 턴디쉬(20)의 높이를 알면 침지노즐(25)의 침지깊이를 간접적으로 확인할 수 있으며, 예컨대 아래 표 1과 같이 나타낼 수 있다. 표 1은 이해를 돕기 위한 일례에 불과하며, 주조되는 슬라브의 폭과 두께 및 주조속도 등에 따라 변경될 수 있음은 당연하다.
턴디쉬의 높이 침지노즐의 침지깊이
1 63mm 172mm
2 55mm 180mm
3 49mm 186mm
4 44mm 191mm
5 40mm 195mm
표 1에서 턴디쉬의 높이는 주조속도별 턴디쉬의 최대 높이를 의미하는 데, 이는 해당 주조속도에서 턴디쉬의 높이가 최대 높이를 초과하지 않는 것이 좋다는 것을 의미한다. 그리고, 침지노즐(25)의 침지 깊이는 턴디쉬의 높이를 이용하여 환산된 수치로 탕면에서 침지노즐(25)의 토출구(26) 상단까지의 거리이다. 턴디쉬(20)의 높이가 높아질수록 침지노즐(25)의 침지깊이는 얕아지고(shallow), 턴디쉬(20)의 높이가 낮아질수록 침지노즐(25)의 침지깊이는 깊어진다(deep).
한편, 제어부(170)는 침지노즐(25)의 침지깊이 및 아르곤가스 사용량이 설정된 범위 내에서 제어하더라도 충돌깊이가 기준깊이 이하로 감소되지 않으면, 주속조절부(160)를 통해 주조속도를 감속 제어하게 된다.
이와 같이 핀홀결함 저감 장치(100)는 주조폭, 용강사용량, 침지노즐(25)의 침지깊이 및 아르곤가스 사용량을 포함한 각종 조업인자를 이용하여 침지노즐(25)에서 토출되는 용강이 몰드 내벽에 충돌될 때의 지점에 대한 탕면으로부터의 충돌깊이를 계산하여 최종제품의 핀홀결함 발생 정도를 간접적으로 예측할 수 있다.
예컨대, 도 6에서와 같이 주조폭이 1400mm 미만인 경우에는 핀홀결함지수가 0.1미만이여서 문제될 것이 없으나, 주조폭이 1400mm 이상에서는 핀홀결함지수가 0.1을 초과하였고, 그때의 충돌깊이는 550mm이상인 것으로 나타났다. 그리고, 주조폭이 1700mm이상에서는 핀홀결함지수가 0.3이상이여서 심각한 것으로 나타났고, 그때의 충돌깊이는 대략 580mm 정도로 나타났다. 즉, 주조폭에 따른 핀홀결함지수와 충돌깊이는 서로 관계가 있는 것으로 나타났다. 핀홀결함지수가 '0.1' 이하인 경우에는 제품에 문제가 없지만, '0.3' 이상일 경우에는 제품 판매가 문제가 될 수도 있기 때문에 품질 관리가 필요하다.
따라서, 본 발명에서는 주조폭이 대략 1400mm인 경우에, 침지노즐(25)에서 토출되는 용강이 몰드 내벽에 충돌될 때의 지점에 대한 탕면으로부터의 충돌깊이를 계산하여 충돌깊이를 적절하게 관리함으로써, 핀홀 결함을 낮추고자 하는 것이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 의한 연주공정에서 핀홀결함 저감 과정을 나타낸 순서도로서, 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 살펴보고자 한다.
먼저, 제어부(170)는 입력부(120)를 통해 주조폭과 용강사용량, 침지노즐(25)의 침지깊이 및 아르곤가스 사용량을 포함한 각종 조업인자에 대한 데이터를 입력 또는 전달받아 메모리(110)에 저장하게 된다(S11). 조업인자는 주조폭, 용강사용량, 침지노즐(25)의 침지깊이 및 아르곤가스 사용량뿐만 아니라 침지노즐(25)의 토출구(26)의 직경과 침지노즐(25)의 토출각 및 용강의 토출각 등에 대한 데이터를 더 포함할 수 있고, 용강사용량은 주조속도에 대응될 수 있다.
제어부(170)는 메모리(110)에 저장된 각종 조업인자를 이용하여, 침지노즐(25)에서 토출되는 용강이 몰드 단변부에 충돌될 때의 지점에 대한 탕면으로부터의 충돌깊이를 계산한다(S12). 여기서, 충돌깊이는 도 8과 같이 침지노즐(25)의 토출구(26)를 통해 토출되는 용강이 몰드 단변부에 충돌될 때의 지점에 대한 탕면으로부터의 충돌깊이를 의미하는 것으로, 충돌깊이가 커지면 용강 중의 기포가 응고쉘에 포집될 수 있는 기회가 커지므로(핀홀 결함 증가), 이에 대한 대처가 필요하다.
도 8에서 y는 침지노즐 토출구(26)의 출구를 원점으로 한 수직방향거리(m)이고, x는 침지노즐 토출구(26)의 출구를 원점으로 한 수평방향거리(m)이다. 충돌깊이(D)는 하기의 수식 1 내지 3에 의해 구해질 수 있다.
수식 1
Figure 112011058661518-pat00001
여기서, h는 탕면으로부터 침지노즐(25)의 토출구(26) 상단까지의 거리(m)이고, w는 몰드의 장변의 폭(m)이다. y는 아래 수식 2에 의해 구해진다.
수식 2
Figure 112013017304834-pat00023
여기서, QL은 단위시간당 용강사용량(m3/sec)으로 주조속도에 대응될 수 있고, Qg는 단위시간당 아르곤가스 사용량(Nm3/sec)이고, S는 침지노즐 토출구(26)의 직경(m)이고,
Figure 112011058661518-pat00003
는 침지노즐 토출구(26)의 토출각(degree)이고, a1 내지 d2는 상수이다. Gi는 아래 수식 3에 의해 구해진다.
수식 3
Figure 112011058661518-pat00004
여기서,
Figure 112011058661518-pat00005
는 상수이다.
즉, 수식 2로부터 얻어지는 용강 토출류의 궤적인 x=W/2 위치에서의 y값에 기초하여 수식 1의 충돌거리를 구하였다. 수식 2는 용강 토출류의 궤적을 용강 토출류의 궤적에 관한 수모델 실험에서의 결과를 중회귀 분석하여 얻은 것이다.
이와 같은 수식 1 내지 수식 3을 이용하여 충돌깊이를 계산할 수 있다.
한편, 상수들은 아래 표 2와 같은 값으로 정해질 수 있다. 이와 같은 상수값들은 실시예에 불과하며, 조업상황에 따라 변경될 수 있음은 당연하다.
Figure 112011058661518-pat00006
제어부(170)는 수식 1 내지 수식 3을 이용하여 충돌깊이가 계산되면, 계산된 충돌깊이와 메모리(110)에 설정된 기준깊이를 상호 비교하여 충돌깊이가 설정된 기준깊이 이상인지를 비교 판단하게 된다(S13, S14). 여기서, 충돌깊이에 대한 기준깊이(
Figure 112011058661518-pat00007
)는, 도 9와 같은 극저탄소강의 핀홀 결함 및 충돌깊이의 실적 결과를 분석하여 볼 때 대략 550mm가 될 수 있다. 즉, 충돌깊이가 550mm(0.55m) 이하에서는 핀홀결함지수가 0.3이하로 나타났는 데, 이는 양호한 품질이 아니지만 연주주편을 스카핑 등으로 보정하여 사용이 가능한 정도이다.
제어부(170)는 상기에서 계산된 충돌깊이와 설정된 기준깊이를 상호 비교하여 충돌깊이가 설정된 기준깊이 이상이면, 충돌깊이를 기준깊이 이하로 감소시키기 위하여 침지노즐(25)의 침지깊이 및 아르곤가스 사용량 중 적어도 어느 하나를 설정된 범위내에서 가변 제어가 가능한지를 판단하게 된다(S15). 여기서, 침지깊이의 설정된 범위는 조업상 0.14 내지 0.2m이고, 상기 아르곤가스 사용량의 설정된 범위는 9liter/min 미만일 수 있다. 아르곤가스의 과다 사용시에는 탕면 요동이 심해져 오히려 제품의 품질이 열화될 수 있다.
제어부(170)는 침지깊이와 아르곤가스 사용량을 설정된 범위내에서 제어하는 것이 가능하면(S16), 충돌깊이가 기준깊이 이하가 되도록 하기 위해 1차적으로 높이조절부(140)를 제어하여 현재 주조 중인 주조폭에 따라 침지노즐(25)의 침지깊이를 제어하거나 또는 아르곤주입부(150)를 통해 침지노즐(25)을 통해 주입되는 아르곤가스 사용량을 가변 제어할 수 있다(S17). 구체적으로, 제어부(170)는 충돌깊이가 설정된 기준깊이 이상이면, 제어부(170)는 높이조절부(140)를 제어하여 침지노즐(25)의 침지깊이가 감소되도록 제어하거나 아르곤주입부(150)를 제어하여 침지노즐(25)을 통한 아르곤가스 사용량이 증가되도록 제어할 수 있다. 침지노즐(25)의 침지깊이가 감소되면 충돌깊이가 낮아지며, 아르곤가스 사용량이 증가되면 부력에 의해 탕면으로 휨에 따라 충돌깊이가 낮아지게 된다.
주조폭이나 조업상황에 따라 침지깊이 또는 아르곤가스 사용량 중 어느 하나만 제어하여도 핀홀결함지수를 아래 표 3과 같이 기준값 이하로 저감시킬 수 있는 데, 제어 순서는 설정된 우선순위를 따를 수 있다.
Figure 112011058661518-pat00008
표 3에서, 실시예1 내지 실시예3은 주조폭이 1.4일 때 침지깊이와 아르곤가스 사용량 및 토출각(침지노즐 토출구의 각)의 변경에 따른 충돌깊이의 변화를 각각 나타내었고, 실시예4 및 실시예5는 침지깊이 및 아르곤가스 사용량의 동시 변경과 토출각(침지노즐 토출구의 각)의 변경에 따른 충돌깊이의 변화를 나타내었다. 표 1에서와 같이 침지노즐(25)의 토출각을 변경하였을 때가 침지깊이 또는 아르곤가스 사용량을 변경하였을 때보다 충돌깊이가 가장 많이 줄어든 것으로 나타났다. 하지만 침지노즐(25)의 토출각의 변경은 조업 중에 불가하며, 침지노즐(25)의 신규 제작을 필요로 하므로 조업 중 적용이 곤란하다. 따라서, 조업 중에 충돌깊이를 조절하기 위해서는 1차적으로 침지노즐(25)의 침지깊이 또는 아르곤가스 사용량을 변경하는 것이 바람직하다.
만일, 충돌깊이가 설정된 기준깊이 미만이면 설정된 각종 조업인자로 연속주조 공정을 수행하면 된다(S18). 물론, 조업인자가 변경될 경우 충돌깊이는 다시 계산될 것이다.
한편, 계산된 충돌깊이가 설정된 기준깊이 이상일 때, 침지노즐(25)의 침지깊이가 현재 한계값(예를 들어 0.14m)으로 설정되어 있고, 아르곤가스 사용량도 한계값(예를 들어 8.9liter/min)으로 설정되어 있으면, 침지깊이와 아르곤가스 사용량의 조절을 통해 핀홀의 충돌깊이를 제어하는 것이 가능하지 않다. 즉, 제어부(170)는 침지노즐(25)의 침지깊이 및 아르곤가스 사용량이 설정된 범위 내에서 가변 제어가 가능하지 않으면, 2차적으로 주속조절부(160)를 통해 주조속도를 감속시킨다(S19). 주조속도를 감속 제어할 때 현재 주조속도의 5% 내지 10% 범위 내에서 감속시키는 것이 바람직하다. 주조속도의 감속량이 적으면 충돌깊이의 조절 효과가 적을 수 있고, 주조속도의 감속량이 크면 생산량 등의 조업상황에 악영향을 미칠 수 있으므로 바람직하지 않다.
예컨대, 도 10을 참조하면 주조폭(W)이 1.6m이고, 주속(Vc)이 1.2m/min일 때 침지노즐(25)의 침지깊이가 0.14m에서 아르곤가스 사용량을 8liter/min 이상을 사용하는 것이 필요하다. 만일 침지깊이가 0.16을 초과하면 아르곤가스 사용량을 9를 사용하더라도 충돌깊이가 0.55m 이상이 된다. 이와 같이 침지깊이와 아르곤가스 사용량이 설정된 한계값에 다다랐을 경우, 핀홀의 충돌깊이를 감소시키기 위하여 도 11과 같이 주조속도를 감속시킬 수 있다. 도 11은 도 10에서 주속을 1.2에서 1.1m/min로 감소시킨 경우를 나타낸 것이다. 도 11에서와 같이 주속을 1.1m/min로 감소시키면, 침지노즐(25)의 침지깊이가 0.15m에서 아르곤가스 사용량을 8liter/min를 사용하더라도 충돌깊이가 0.54 이하로 감소되는 것을 알 수 있다. 이와 같은 결과는 상기 수식 1 내지 수식 3을 통해 구해진 것이다.
이와 같이 본 발명에서는 주조폭과 용강사용량, 침지노즐의 침지깊이 및 아르곤가스 사용량을 포함한 각종 조업인자를 이용하여 충돌깊이를 계산하고, 계산된 충돌깊이가 설정된 기준깊이 이상일 경우 침지노즐의 침지깊이와 아르곤가스 사용량 중 적어도 어느 하나 이상을 1차적으로 제어하고, 만일 침지깊이와 아르곤가스 사용량이 설정된 한계값에 다다랐을 경우 주조속도를 2차적으로 제어하여 핀홀의 충돌깊이를 제어하게 된다.
이와 같이 본 발명에서는 충돌깊이를 통해 핀홀결함 정도를 판단하고, 핀홀결함 정도가 기준치를 초과할 경우 침지노즐의 침지깊이와 아르곤가스 사용량 및 주조속도를 통해 충돌깊이를 제어함으로써, 핀홀 결함을 저감하여 우수한 표면 품질의 제품을 제조할 수 있다.
상기와 같은 핀홀 저감 방식은 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.
10: 래들 20: 턴디쉬
21: 스톱퍼 25: 침지노즐
30: 몰드 51: 파우더층
60: 지지롤 65: 스프레이
70: 핀치롤 80: 연주주편
81: 응고쉘 82: 미응고 용강
83: 선단부 85: 응고 완료점
90: 절단기 91: 절단 지점
100: 핀홀 저감 장치 110: 메모리
120: 입력부 130: 표시부
140: 높이조절부 150: 아르곤주입부
160: 주속조절부 170: 제어부

Claims (6)

  1. 주조폭, 주조속도, 용강사용량, 침지노즐의 침지깊이 및 아르곤가스 사용량을 포함한 복수의 조업인자에 대한 데이터를 저장하는 제1 단계;
    상기에서 저장된 복수의 조업인자를 이용하여, 침지노즐에서 토출되는 용강이 몰드 내벽에 충돌될 때의 지점에 대한 탕면으로부터의 충돌깊이를 계산하는 제2 단계;
    상기에서 계산된 충돌깊이와 설정된 기준깊이를 상호 비교하여 상기 충돌깊이가 설정된 기준깊이 이상이면, 상기 충돌깊이를 기준깊이 이하로 감소시키기 위하여 침지노즐의 침지깊이 및 아르곤가스 사용량 중 적어도 어느 하나를 설정된 범위내에서 가변 제어가 가능한지를 판단하는 제3 단계; 및
    상기 침지노즐의 침지깊이 및 아르곤가스 사용량이 설정된 범위 내에서 가변 제어가 가능하지 않으면, 주조속도를 감속시키는 제4 단계;를 포함하고,
    상기 제2 단계에서, 상기 충돌깊이(D[m])는 하기 수식에 의해 계산되는 연주공정에서의 핀홀결함 저감 방법.
    수식
    Figure 112013017304834-pat00024

    단,
    Figure 112013017304834-pat00025

    Figure 112013017304834-pat00026

    여기서, y는 침지노즐 토출구의 출구를 원점으로 한 수직방향거리(m)이고, x는 침지노즐 토출구의 출구를 원점으로 한 수평방향거리(m)이고, h는 탕면으로부터 침지노즐의 토출구 상단까지의 거리(m)이고, w는 몰드의 장변의 폭(m)이고, QL은 단위시간당 용강주입량(m3/sec)이고, Qg는 단위시간당 아르곤가스 주입량(Nm3/sec)이고, S는 침지노즐 토출구의 직경(m)이고,
    Figure 112013017304834-pat00027
    는 침지노즐 토출구의 토출각이고, a1 내지 d2는 상수이고,
    Figure 112013017304834-pat00028
    는 상수임.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제4 단계에서, 상기 주조속도를 감속할 때 현재 주조속도의 5% 내지 10% 범위 내에서 감속시키는 연주공정에서의 핀홀결함 저감 방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제3 단계에서, 상기 침지깊이의 설정된 범위는 0.14 내지 0.2m인 연주공정에서의 핀홀결함 저감 방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 제3 단계에서, 상기 아르곤가스 사용량의 설정된 범위는 9liter/min 미만인 연주공정에서의 핀홀결함 저감 방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 제3 단계에서, 상기 설정된 기준깊이는 550mm인 연주공정에서의 핀홀결함 저감 방법.
  6. 삭제
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