빔 블랭크 주조 기술

빔 블랭크 주조 기술

빔 블랭크의 직접 주조 개발은 강 연속 주조의 발전에서 가장 뛰어난 성공 사례 중 하나입니다. '빔 블랭크' 또는 '도그본'이라고 하는 거의 그물 모양 단면의 연속 주조는 첫 번째 빔 블랭크 캐스터가 Algoma Steel(현재 Essar Steel Algoma Inc., Sault St. Marie, Canada)가 1968년에 설립되었습니다. 기존 블룸 주조에 비해 경제성이 높은 이유는 생산성 향상, 압연 비용 절감 및 에너지 효율성 향상 때문입니다.

다른 많은 혁신과 마찬가지로 상대적으로 보수적인 철강 산업은 이 혁신적인 개념을 받아들이는 데 시간이 필요했습니다. 성공적인 적용은 학제 간 협력과 주조 및 압연 공정의 최적화에 달려 있습니다. 이러한 선구적인 노력은 즉시 철강 산업뿐만 아니라 학계(예:복잡한 가닥 모양의 응고 패턴 연구)에서 큰 관심을 끌었습니다. 그럼에도 불구하고 Kawasaki Steel Corporation의 Mizushima 제철소에서 다음 빔 블랭크 캐스터가 착공되기까지 5년이 더 걸렸습니다.

빔 블랭크의 연속 주조 및 압연은 강철 빔 생산에서 일반적인 관행이 되었습니다. 최근 몇 년간 개발은 네트 형상 빔 블랭크에 가까운 주조에 집중하고 있습니다. 기존 빔 블랭크와 거의 망형 빔 블랭크의 차이점은 그림 1에 나와 있습니다. 기존 빔 블랭크는 일반적으로 100mm 이상의 상대적으로 두꺼운 플랜지를 갖는 반면, 근접 망형 빔 블랭크는 플랜지 두께가 100mm 미만이며 일반적으로 연습에서 하한 50mm. 하나의 빔 블랭크를 굴려도 수십, 수백 개의 빔을 생산할 수 있습니다.

그림 1 기존 및 거의 그물 모양의 빔 블랭크

빔 블랭크 주조는 평평한 제품 생산을 위한 얇은 슬래브 주조와 유사한 장점을 가진 거의 그물 모양 주조로 인해 무거운 및 중간 섹션의 생산을 제공합니다. 상위 중량 범위의 I 및 H 빔 제조의 경우 기존 블룸 대신 주조 빔 블랭크를 적용하는 것이 탁월한 대안입니다.

작은 크기의 빔 블랭크를 직접 주조하면 롤링 패스 수가 크게 줄어듭니다. 일반적으로 표준 블룸/빌렛에서 시작하여 IPE 100 섹션(100*50*5mm)을 형성하려면 6개의 분해 패스와 10개의 마무리 패스가 필요합니다. 캐스트 빔 블랭크의 크기를 110*70*12mm(25kg/m)로 줄이면 IPE100 섹션을 형성하는 데 총 6번의 패스만 필요합니다.

거의 순형상 빔 생산은 빔 블랭크의 재가열 및 롤링으로 인한 비용을 줄이기 위해 전 세계 빔 생산자의 최근 관심 중 하나입니다. 이것은 거의 그물 모양의 빔 블랭크(웹 두께 50mm)의 주조와 직접 압연을 결합하여 수행됩니다. 니어 네트 형태의 등급은 원하는 야금학적 미세구조를 얻기 위해 필요한 최소 압연 패스에 의해 결정됩니다.

니어넷 형상 빔 블랭크 개념을 기반으로 하는 플랜트는 매우 컴팩트합니다. 주로 빔 블랭크를 제공하는 빔 플랜트 캐스터, 압연에 필요한 온도 분포에 도달하기 위한 퍼니스, 기존 브레이크다운 스탠드 및 범용 황삭 스탠드, 2-하이 에징을 포함하는 U1-E1-U2 범용 스탠드 그룹으로 구성됩니다. 스탠드 및 범용 마감 스탠드.

빔 블랭크 주조의 경제적 이점은 주로 압연 공정에 기인할 수 있습니다. 빔 블랭크의 순 형상에 가깝기 때문에 추가 압연 작업에 필요한 단면을 달성하기 위해 분쇄 압연기에서 압연 작업이 덜 필요합니다. 예를 들어 과거 ARBED-SWT(Stahlwerk Thüringen)에서 빔 IPE 300은 브레이크 다운 압연기 스탠드에서 11개의 압연 패스를 적용하여 80x300mm 직사각형 블룸 단면에서 생산되었습니다. 요즘에는 빔 블랭크 단면을 사용하여 동일한 결과를 얻기 위해 5번의 패스만 필요합니다.

기존 빔 블랭크의 주조 및 압연으로 인해 다음과 같은 이점이 있습니다.

• 분할 압연기에서 더 적은 압연 패스
•  기존 압연기의 생산성 약 15% 증가
• 압연기의 분해 스탠드에서 약 55%의 에너지 소비 감소
• 롤링 스탠드 수 감소로 인한 롤링 비용 감소
• 분할 롤링 스탠드의 유지보수 비용 절감(약 55% 절감)

압연기의 출력은 특히 압연 빔의 시작 부분에서 거의 그물 모양의 빔 블랭크의 결과로 개선된 형상 형성으로 인해 약 1% 증가합니다. 냉간 충전의 경우 빔 블랭크에 대한 더 나은 표면/부피 비율로 인해 약 8%의 재가열 에너지 비용 절감에 대한 추가 가능성이 있습니다.

빔 및 섹션 생산을 위한 빔 블랭크 주조의 거의 순수한 형태로 인한 경제적 이점은 주로 열간 압연기의 황삭 스탠드에서 감소된(또는 제거된) 압연 비용에 기인할 수 있습니다. 아래에 요약되어 있습니다.

• 투자 비용 약 30% 절감
• 약 15%의 생산성 향상
• 황삭 스탠드에서 롤링 패스 제거
• 약 1.5% 더 높은 수율
• 낮은 운영 비용
• 낮은 에너지 소비 및 낮은 CO2 및 NOx 배출량
• 유지 관리 비용 약 55% 절감
• 철강 톤당 작업 시간 감소
• 꽃의 중간 저장 불필요

위의 이점은 최근 몇 년 동안 빔 블랭크 주조의 급격한 증가에 크게 기여했습니다.

턴디쉬 작전

더 작은 빔 블랭크 크기의 경우 개방형 스트림 주입 및 오일 윤활이 적용됩니다. 상용 품질의 강철의 빌렛 주조에서와 같이 균일한 강철 공급을 위해 금형당 2개의 계량 노즐이 사용됩니다. 계량 노즐이 있는 주조는 노즐 막힘과 핀홀 형성 사이의 '작업 창'에 도달하기 위해 강철 산소 활성의 세심한 균형이 필요합니다. 일반적으로 일반 Mn/Si 탈산이 선호되며, 금형에 알루미늄 와이어 공급으로 핀홀 제어가 제공됩니다.

더 큰 크기의 경우 불균일한 응고, 스트랜드 표면 함몰, 균열 및 블리더를 최소화하기 위해 몰드 분말 적용이 선호됩니다. 이러한 경우 개방형 스트림 주입은 분말 비말 비말을 방지하기 위해 잠긴 내화물 깔때기와 결합됩니다. 높은 인장 요구 사항을 위한 알루미늄 미세 입자 강철의 경우, 일반적으로 단일 SEN 배열을 사용하는 SEN(수중 유입 노즐)이 있는 스토퍼 및 스트림 슈라우드에 의한 능동 흐름 제어가 적용됩니다. 이는 금형 레벨 제어 및 운영 비용 측면에서 유리합니다.

금형 디자인

금형 설계 및 작동은 빔 블랭크 주조의 핵심 요소입니다. 금형 설계는 아래와 같이 3세대 설계 변형으로 구분됩니다.

• 1세대 – 두 개의 반쪽으로 구성된 건 드릴 수공구가 있는 블록 주형이었습니다. 개폐 및 잠금은 공압 모터에 의해 수행되어 사고 발생 시 블랭크 제거가 용이합니다. 이 금형은 나중에 두 단계의 풋 롤러를 추가하여 수정되었습니다.
• 2세대 – 이 유형의 금형에는 하이브리드 블록/플레이트 디자인이 포함됩니다. 즉, 측면 벽이 더 빠른 수속을 위한 홈이 있는 냉간 압연 구리판으로 되어 있다는 의미입니다.
• 3세대 – 위와 유사하지만 조정 가능성을 높이기 위해 넓은 면 사이에 좁은 면이 고정되어 있습니다.

후자의 디자인은 광범위한 넓은 플랜지 빔 섹션의 생산에 특히 유용한 것으로 밝혀졌습니다. 더 작은 섹션의 경우 벽 두께가 6mm ~ 32mm인 관형 몰드가 사용됩니다.

현재 사용 중인 빔 블랭크 금형에는 두 가지 기본 설계가 있습니다. 첫 번째는 최대 300mm x 400mm 외부 단면 치수의 빔 블랭크 형식에 주로 사용되는 튜브 몰드입니다. 빔 블랭크 크기에 따라 구리 튜브 벽의 두께는 최대 32mm이고 1차 냉각수는 구리 튜브의 외부 표면과 특수 배플 튜브 사이로 안내됩니다. 제조상의 이유로 숄더 영역에 네거티브 테이퍼가 있는 금형을 설계하거나 빔 블랭크 스트랜드 원주에 걸쳐 온도 균질화를 위해 구리 벽 두께를 다양하게 설계하는 것은 불가능합니다.

더 큰 빔 블랭크 섹션의 경우 플레이트 몰드가 더 적합합니다. 여기에서 개별 동판은 지지판에 고정되고 나사를 통해 연결되어 단면을 형성합니다. 1차 냉각수는 냉각 슬롯과 구멍을 통해 안내됩니다. 이 디자인을 사용하면 웹 수축을 보상하기 위해 숄더 영역이 네거티브 테이퍼되고 구리 표면 온도의 균질화를 위한 냉각 구멍 배열이 개선될 수 있습니다.

긴 금형 수명을 보장하기 위해 일반적으로 CuCrZn이 높은 내마모성을 위한 금형 재료로 사용됩니다. 이는 크롬 도금으로 더욱 강화되며, 경우에 따라 다중 코팅(3개 레이어 포함)이 사용됩니다.

상대적으로 무거운 금형은 강력한 진동이 필요합니다. 모터 구동 편심 및 푸시 로드가 있는 짧은 레버 디자인은 유지 보수가 거의 필요 없습니다. 또한 0.02mm 미만의 패스 라인 편차의 높은 안내 정확도를 보장합니다. 얕은 진동 표시의 경우 짧은 스트로크/고주파 모드가 구조용 강철의 낮은 C 범위에 가장 적합합니다.

테이퍼 디자인

금형 설계의 특정 과제는 복잡한 빔 블랭크 모양에 적합한 테이퍼를 선택하는 것입니다. 외부 플랜지에는 양의 테이퍼가 적용되지만 웹 필렛에는 0 또는 음의 테이퍼가 필요합니다. 플랜지의 내부 각도와 플랜지와 웹 사이의 반경도 중요합니다. 최근 몇 년 동안 테이퍼 설계는 금형 열 전달, 쉘 성장 및 쉘 수축의 유한 해석 방법(FEM) 해석에 의해 지원됩니다.

스트랜드의 초기 응고를 위한 기하학적 및 열적 몰드 조건은 뛰어난 표면 및 내부 품질을 갖는 스트랜드를 얻기 위해 매우 중요합니다. 따라서 적절하게 설계된 1차 냉각 시스템과 금형 테이퍼는 이러한 요구 사항을 충족하는 데 필요한 전제 조건입니다. 2차원(2D) 완전 결합 열역학적 유한 요소 모델은 금형에서 초기 응고 동안 스트랜드의 온도 및 변위 필드를 계산하는 데 사용됩니다.

이러한 유형의 시뮬레이션을 통해 특정 빔 블랭크 섹션의 복잡한 수축 거동을 더 잘 이해할 수 있으므로 금형 내부 윤곽의 모양과 테이퍼를 정확하게 결정할 수 있습니다.

이 2D 유한 요소 모델은 쉘 성장, 내부 및 표면 빔 블랭크 품질 및 금형 마모와 관련하여 성공적이었습니다.

세로 방향의 열유속을 무시하는 과도 해석은 온도 및 변위 필드를 제공합니다. 쉘 수축으로 인한 쉘 성장, 온도 필드 및 접촉 압력에 대한 다양한 금형 테이퍼의 영향을 쉽게 연구할 수 있습니다. 스트랜드 쉘이 금형을 통해 이동함에 따라 내부 강압이 증가합니다.

스트랜드 지지 길이

  스트랜드 지지 길이 설계를 위해 일반적으로 빔 단면의 과도 열전달 해석이 수행됩니다. 이러한 유형의 분석은 스트랜드 지지대 내의 쉘 성장과 정확한 야금학적 길이에 대한 필요한 정보를 제공합니다. 웹 가닥 지지대가 너무 짧으면 팽창하거나 웹 센터가 열릴 수 있습니다. 이는 강철 편석 및 웹 두께 변화로 이어질 수 있습니다. 너무 짧은 플랜지 가닥 지지대는 팽창 및 인터페이스 균열을 일으킬 수 있습니다. 빔 블랭크 섹션의 고유한 모양으로 인해 빔 블랭크 섹션 표면의 4가지 다른 영역을 개별적으로 지지해야 합니다. 아래에 나와 있습니다.

• 웹 – 웹의 부풀림을 방지하고 이에 따라 더 두드러진 중심 분리를 방지하기 위해 빔 블랭크 섹션의 웹은 너비에 걸쳐 충분히 응고될 때까지 지지되어야 합니다. 2D 열 분석은 필요한 지지 길이에 대한 정보를 제공합니다.
• 플랜지 – 플랜지는 팽창 및 내부 균열을 방지하기 위해 지지되어야 합니다. 2D 열 분석은 온도 필드와 해당 쉘 두께를 산출합니다. 후속 응력 분석은 액체 강철 코어의 내부 강정압으로 인한 응력/변형 및 변위 필드를 표시합니다. 이 영역의 지지 길이에 대한 기준은 플랜지 내부 표면의 액체/고체 전이에서 강정압으로 인해 생성된 계면 변형률입니다.
• 플랜지 팁 – 플랜지 팁에는 전체 플랜지와 유사한 기준이 적용되며 일반적으로 지지 길이는 주조 크기와 주조 속도에 따라 다릅니다. 많은 경우, 특히 낮은 주조 속도와 작은 빔 블랭크 단면의 경우 몰드 풋 롤러 이외의 추가 지지대가 필요하지 않습니다.
• 어깨 – 물리적 형태로 인해 어깨 부분은 아치와 같은 역할을 하므로 일반적으로 지지대가 필요하지 않습니다. 2D 유한 요소 해석은 응력 및 변위 필드를 보여줍니다.






연속주조에서 금형의 역할 턴디쉬 야금