KR20090071140A - 초음파 인가를 이용한 강의 응고조직 제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일 측면은 초음파 인가를 이용한 강의 응고조직 제어방법에 관한 것으로, 특히 용강을 주형에 주입하여 강의 주편을 연속적으로 생산하는 공정에서 초음파를 인가하여 주편의 응고조직을 제어하는 방법에 관한 것이다.

본 발명의 초음파 인가를 이용한 강의 응고조직 제어방법은, 주형의 하부에 위치한 스트랜드의 일 부위에 초음파 인가장치를 배치하여 전원을 인가하는 제1단계; 상기 초음파 인가장치의 입력전류와 출력전류의 위상을 모니터링하여, 상기 주형으로부터 빠져나오는 주편의 응고층 두께 변화에 따른 초음파의 임피던스 변화를 실시간으로 계측하는 제2단계; 및 상기 초음파 인가장치의 입력전류와 출력전류의 위상차가 공명조건을 만족하는 기 설정된 범위 내에 있으면, 상기 초음파 인가장치로 상기 스트랜드의 일 부위에 초음파를 인가하는 제3단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

초음파 인가장치, 전자기장 인가장치, 주편, 응고조직, 스트랜드

Description

초음파 인가를 이용한 강의 응고조직 제어방법{Method for controlling the solidification structure of steel using the input of ultrasonic}

본 발명의 일 측면은 초음파 인가를 이용한 강의 응고조직 제어방법에 관한 것으로, 특히 용강을 주형에 주입하여 강의 주편을 연속적으로 생산하는 공정에서 초음파를 인가하여 주편의 응고조직을 제어하는 방법에 관한 것이다.

연속주조공정은 산업에 활용되는 소재를 만들기 위한 모재인 1차 소재를 생산하는 공정으로써, 건전한 주편을 생산하기 위하여 여러 가지의 하부공정을 포함하고 있다. 예비처리, 전로 정련 및 2차 정련의 제강공정을 거친 용강을 턴디쉬에 공급한 후, 턴디쉬 바닥에 설치된 토출구를 통하여 주형에 공급한다. 그리고, 1차 냉각에 의해 응고층이 형성된 형태를 만들고, 2차 냉각에 의해 완성된 주편을 제조한다.

현재, 강의 연속주조에서 주로 사용되고 있는 응고조직 제어수단은 전자기 교반(electromagnetic stirring) 방식이며, 이와 함께 용강의 과열도를 낮추어 응고과정에서 주상정 성장을 억제하는 노력을 병행하고 있다. 이와 같은 노력에도 불구하고, 주편에 성장한 주상정은 후공정에서 완전히 재결정화되지 않아 최종 제품 에서 결함을 야기하는 주된 원인이 되기도 한다.

한편, 응고 중에 강력 초음파를 적용하면 결정 미세화를 증진할 수 있음을 실험실 규모에서 많이 실증되어 왔다. 금속의 응고조직 제어에 관한 연구는 구소련을 중심으로 약 50년 전 스테인레스 강에 대해 처음으로 수행되었다(S. S.Hinchliff and J. W. Jones: Foundry Trade J., 1 (1955), No. 9, 251, J. Jagaciak and J. W. Jones : Foundry Trade J., 1 (1956) No. 10, 595). 그 후, Abramov Group은 연주, ingot 등의 방법으로 제조하는 저합금강, 고합금강, 탄소강 등의 광범위한 대상에 대하여 연구를 수행하였다. 그들은 C0.4%이하의 탄소강은 2.5kW/kg의 강력 초음파를 가해도 조직의 변화가 없음을 확인하였고, C0.8~1.0%의 탄소강은 1.5~2.0kW/kg의 초음파로 조직을 미세화할 수 있음을 확인하였으며, 조직이 미세화된 강은 인장강도 75%, 연신율 30%, 면적 감소율 60% 증가가 가능함을 확인하였다. 일본에서는 특개평6-39511(JP1994-039511)에서 연주기의 2차 냉각대에서 주편을 사이에 둔 한 쌍의 롤을 배치하고, 한쪽의 롤에 초음파 진동자를 내장하여 응고조직을 제어하고자 시도하였다.

그러나, 상기와 같은 종래의 연속주조공정에서는 주편의 응고조직을 제어하는 수단을 제공하지 못함으로써, 주편의 응고조직을 미세화하고 등축정율을 향상시키지 못하였다.

본 발명의 일 측면은 연속주조공정에서 주편의 응고조직을 제어하는 수단을 제공하여 주편의 응고조직을 미세화하고 등축정율을 향상시킴으로써, 후공정의 압하율을 낮출 뿐만 아니라 품질을 향상시켜 에너지 절감, 생산량 증대, 기회손실 예방 등의 경제적 이익을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 일 측면은, 주형의 하부에 위치한 스트랜드의 일 부위에 초음파 인가장치를 배치하여 전원을 인가하는 제1단계; 상기 초음파 인가장치의 입력전류와 출력전류의 위상을 모니터링하여, 상기 주형으로부터 빠져나오는 주편의 응고층 두께 변화에 따른 초음파의 임피던스 변화를 실시간으로 계측하는 제2단계; 및 상기 초음파 인가장치의 입력전류와 출력전류의 위상차가 공명조건을 만족하는 기 설정된 범위 내에 있으면, 상기 초음파 인가장치로 상기 스트랜드의 일 부위에 초음파를 인가하는 제3단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 인가를 이용한 강의 응고조직 제어방법을 제공한다.

본 발명의 다른 측면은, 상기 스트랜드의 일 부위는 주형으로부터 하부로 1~20m 범위인 것을 특징으로 하는 초음파 인가를 이용한 강의 응고조직 제어방법을 제공한다.

본 발명의 또 다른 측면은, 주형의 하부에 위치한 스트랜드의 일 부위에 전자기장 인가장치를 더 배치하여 전원을 인가하는 경우에, 상기 초음파 인가장치는 상기 전자기장 인가장치의 상부, 상기 전자기장 인가장치의 하부 또는 상기 전자기장 인가장치의 위치와 동일한 위치 중에서 어느 하나의 위치에 배치되는 것을 특징으로 하는 초음파 인가를 이용한 강의 응고조직 제어방법을 제공한다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 연속주조공정에서 주편의 응고조직을 제어하는 수단을 제공하여 주편의 응고조직을 미세화하고 등축정율을 향상시킴으로써, 후공정의 압하율을 낮출 뿐만 아니라 품질을 향상시켜 에너지 절감, 생산량 증대, 기회손실 예방 등의 경제적 이익을 제공할 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지의 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로만 한정되는 것은 아니다. 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면 상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.

도 1은 본 발명의 주편을 생산하기 위한 연속 주조기의 구성도이다. 도 1을 참조하면, 일반적으로 연속 조주기는 용탕(molten steel, 150)을 일시적으로 담아 주형(mold, 300)에 공급하는 역할을 하는 턴디쉬(tundish, 100), 주형(300)에 공급된 용탕(150)의 양을 조절하는 탕면 레벨을 일정하게 유지하는 역할을 하는 작동기(actuator, 250), 용탕(150)을 인도하는 노즐(nozzle, 200), 용탕(150)을 일정한 모양으로 만드는 주형(300), 응고가 진행되는 주편(slab, 400)을 안내하여 인출하 는 스트랜드(strand, 850)로 구성되어 있다. 스트랜드(850)의 일 부위에는 초음파 인가장치(900)와 전자기장 인가장치(1000)를 배치한다.

스트랜드(850)에는 응고되는 주편(400)을 지지하는 다수 개의 지지롤 (supporting roll, 500a, 500b, 500c, 500d, 500e)과, 주편(400)이 스트랜드(850) 하부로 빠져나오게 인발하는 다수 개의 인발롤(driven roll, 600)이 있다. 그리고, 상기 롤들(500a, 500b, 500c, 500d, 500e, 600) 사이에서 고열의 주편(400)에 2차 냉각기(800)로부터 2차 냉각수(2nd cooling water)를 뿌려 주편(400)을 식히고 응고셀(700a, 700b)에 의해 응고를 촉진한다. 주편(400)은 몰드 내에서 표면 부위만 응고되고, 주형(300)을 빠져나와 스트랜드(850) 하부로 갈수록 응고가 진행된다. 연속주조의 속도는 인발롤(600)의 구동속도로 조절하며, 주조속도에 따라 2차 냉각수의 살수량도 연동되어 제어된다.

일반적인 연속주조에서 주편(400)의 조직은 강종, 용탕의 온도, 몰드 냉각수, 2차 냉각수 등에 의해 결정된다. 몰드 내에서 응고되는 조직은 온도 변화가 큰 부분으로 그 조직이 치밀한 것이 일반적이다. 따라서, 주편(400)의 표층(표면으로부터 약 20mm 까지)은 이미 그 조직이 미세화되어 있고 거의 등축정을 이루고 있으므로, 본 발명의 조직제어영역이 아니다. 그러나, 몰드를 빠져나온 주편(400)은 2차 냉각, 스트랜드의 롤들(500a, 500b, 500c, 500d, 500e, 600)과의 접촉에 의한 냉각에 의해 꾸준히 냉각된다. 그리고, 이때부터 응고조직은 큰 주지상정으로 성장하기 시작하여 주편(400)의 등축정율을 낮추게 된다.

도 2는 본 발명의 초음파 에너지를 이용한 전자기 유동제어 원리를 설명하기 위해 나타낸 도면이다.

기존의 특정 연주기는 큰 주지상정 조직을 미세화하고 등축정율을 향상시키기 위해 스트랜드의 일부 구간에 전자기 유동제어설비를 채용하고 있다. 전자기 유동제어설비는 응고 전면에 용탕의 유동을 발생시켜 온도 구배를 크게 하고, 일부 주지상정의 가지를 부러지게 하는 역할을 한다.

이때, 강력한 초음파 에너지를 적용할 경우에 주지상정의 가지는 상당량 부서지고, 응고 계면 근처에 초음파 케비테이션(cavitation)과 제트류(jet stream)에 의한 유동이 발생하여 부서진 주지상정의 가지들이 골고루 많이 분포하게 된다. 이들은 다시 응고의 씨앗으로 작용한다.

따라서, 본 발명에서는 강력한 초음파 에너지(1100)를 이용하여 국부적인 부분에 많은 량의 응고 씨앗을 만들고, 이 씨앗들을 전자기 유동제어 장치로 광범위하게 운반하여 전자기장에 의한 유동(1400)을 일으켜 주편의 넓은 영역에서 응고조직을 미세화할 수 있다. 주지상정(1200) 근처에서는 부러진 주지상정(1300)이 분포하고 있음을 알 수 있다.

스테인레스 400계 또는 전기강판의 경우에 주편의 단면적의 전 영역에서 조직을 미세화하는 것은 어려운 것으로 알려져 있다. 단면적의 특정 부분에서 주지상정(1200)이 심하게 성장하여 등축정율을 떨어뜨리는 원인이 된다. 따라서, 그 특정부분의 등축정을 향상시킬 경우에 주편의 조직은 미세해지고 등축정율을 올려 품질을 향상시킬 수 있다. 이를 위해 통상 주형 아래 1~20m 구간 중에 위치하는 스트랜드의 특정부위에 응고조직을 제어하는 설비를 배치하는 것이 가장 효과적이다. 그 러므로, 본 발명은 스트랜드의 특정부위에 적어도 하나의 초음파 인가장치 및 전자기장 인가장치를 배치한다.

초음파 인가장치와 전자기장 인가장치는 다음과 같이 여러 가지의 상대적 위치에 배치할 수 있다. 초음파 인가장치의 위치는 전자기장 인가장치의 상부, 전자기장 인가장치의 하부, 전자기장 인가장치와 동일한 위치에 배치할 수 있다. 전자기장 인가장치의 상부와 하부의 범위는 주편 내의 용탕 유동이 전자기장에 의한 영향을 받는 범위를 의미한다. 전자기장에 의한 유동의 영향이 없는 부위에 강력한 초음파 인가장치만 배치할 수도 있다.

특정부위는 주형 아래 1~20m이므로 그 범위가 넓다. 따라서, 이 구간에서 응고층 두께의 범위는 약 20~120mm로 넓은 편이므로 하나의 주파수로 초음파의 에너지를 효과적으로 공급하는 공명조건을 만들기 어렵다. 따라서, 위치에 따라 공명조건에 맞는 주파수를 선택하는 것이 유리하다. 그러므로, 본 발명에서는 스트랜드상의 위치에 따라 초음파의 공명조건을 달리한다.

스트랜드상의 특정 위치에서 공명조건에 맞는 주파수를 선택했다 하더라도, 강종, 냉각조건 등에 의해 응고층의 두께와 공명조건은 약간씩 변한다. 따라서, 응고조직 제어장치가 안정적으로 동작하기 위해서는 주조 중 공명조건을 조절할 필요가 있다.

이를 위하여 본 발명에서는 초음파 인가장치의 입력전류와 출력전류의 위상을 모니터링하여, 주형으로부터 빠져나오는 주편의 응고층 두께 변화에 따른 초음파의 임피던스 변화를 실시간으로 계측하는 방법을 이용한다. 초음파 인가장치와 함께 사용하는 전자기장 인가장치의 전자기장 인가방법은 기존의 전자기 유동제어장치의 동작조건을 사용한다.

도 3은 본 발명의 초음파 인가를 이용한 강의 응고조직 제어방법의 흐름도이다.

먼저, 주형의 하부에 위치한 스트랜드의 일 부위에 초음파 인가장치를 배치하여 전원을 인가한다(S100). 스트랜드의 일 부위는 주형으로부터 하부로 1~20m 범위이다. 그리고, 주형의 하부에 위치한 스트랜드의 일 부위에 전자기장 인가장치를 더 배치하여 전원을 인가하는 경우에, 초음파 인가장치는 전자기장 인가장치의 상부, 전자기장 인가장치의 하부 또는 전자기장 인가장치의 위치와 동일한 위치 중에서 어느 하나의 위치에 배치될 수 있다.

이후, 초음파 인가장치의 입력전류와 출력전류의 위상을 모니터링하여, 주형으로부터 빠져나오는 주편의 응고층 두께 변화에 따른 초음파의 임피던스 변화를 실시간으로 계측한다(S200).

이후, 초음파 인가장치의 입력전류와 출력전류의 위상차가 기 설정된 범위 내에 있는지를 판단한다(S300). 초음파 인가장치의 입력전류와 출력전류의 위상차가 공명조건을 만족하는 기 설정된 범위 내에 있으면, 초음파 인가장치로 스트랜드의 일 부위에 초음파를 인가한다(S400). 그러나, 초음파 인가장치의 입력전류와 출력전류의 위상차가 공명조건을 만족하는 기 설정된 범위 내에 있지 않으면, S200 과정으로 피드백하여 초음파 인가장치의 입력전류와 출력전류의 위상차가 기 설정된 범위 내에 있을 때까지 S200 과정과 S300 과정을 반복한다.

본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되지 아니한다. 첨부된 청구범위에 의해 권리범위를 한정하고자 하며, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.

도 1은 본 발명의 주편을 생산하기 위한 연속 주조기의 구성도이다.

도 2는 본 발명의 초음파 에너지를 이용한 전자기 유동제어 원리를 설명하기 위해 나타낸 도면이다.

도 3은 본 발명의 초음파 인가를 이용한 강의 응고조직 제어방법의 흐름도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100 : 턴디쉬 150 : 용탕

200 : 노즐 250 : 작동기

300 : 주형 400 : 주편

500a, 500b, 500c, 500d, 500e : 지지롤 600 : 인발롤

700a, 700b : 응고셀 800 : 2차 냉각기

850 : 스트랜드 900 : 초음파 인가장치

1000 : 전자기장 인가장치 1100 : 초음파 에너지

1200 : 주지상정 1300 : 부러진 주지상정

1400 : 전자기장에 의한 유동

Claims (3)

1. 주형의 하부에 위치한 스트랜드의 일 부위에 초음파 인가장치를 배치하여 전원을 인가하는 제1단계;

   상기 초음파 인가장치의 입력전류와 출력전류의 위상을 모니터링하여, 상기 주형으로부터 빠져나오는 주편의 응고층 두께 변화에 따른 초음파의 임피던스 변화를 실시간으로 계측하는 제2단계; 및

   상기 초음파 인가장치의 입력전류와 출력전류의 위상차가 공명조건을 만족하는 기 설정된 범위 내에 있으면, 상기 초음파 인가장치로 상기 스트랜드의 일 부위에 초음파를 인가하는 제3단계;

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 인가를 이용한 강의 응고조직 제어방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 스트랜드의 일 부위는 주형으로부터 하부로 1~20m 범위인 것을 특징으로 하는 초음파 인가를 이용한 강의 응고조직 제어방법.
3. 제1항에 있어서,

   주형의 하부에 위치한 스트랜드의 일 부위에 전자기장 인가장치를 더 배치하여 전원을 인가하는 경우에, 상기 초음파 인가장치는 상기 전자기장 인가장치의 상 부, 상기 전자기장 인가장치의 하부 또는 상기 전자기장 인가장치의 위치와 동일한 위치 중에서 어느 하나의 위치에 배치되는 것을 특징으로 하는 초음파 인가를 이용한 강의 응고조직 제어방법.

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