연속 주조 공정의 2차 냉각 기술

연속 주조 공정의 2차 냉각 기술

초저탄소(ULC) 및 저탄소 등급에서 고탄소 등급에 이르기까지 광범위한 강종과 다양한 등급의 특수강이 연속 주조기(CCM)에서 주조되어야 합니다. 이러한 등급의 주조는 CCM 출력을 최대화하면서 달성되어야 합니다. 최고 품질의 주강 제품을 일관되게 생산하려면 최적의 주조 매개변수를 유지하기 위해 CCM에서 향상된 운영 및 유지보수 유연성이 필요합니다. 이러한 유연성은 CCM의 모든 요소와 제어 시스템 모두에 필요합니다.

스트랜드가 주조 속도로 연속적으로 제거되는 동안 강철의 응고는 일련의 물 분무가 있는 여러 냉각 구역을 통해 금형 아래에서 계속됩니다. 2차 냉각 시스템은 CCM을 통해 진행되는 응고 스트랜드의 제어 냉각 부분을 담당하는 서로 다른 구역으로 구성됩니다. 분무 매체는 물 또는 공기와 물의 조합(미스트 스프레이 냉각)입니다. 미스트 스프레이 냉각은 다음과 같은 이점을 제공합니다.

• 균일한 냉각
• 물 요구량 감소
• 표면 균열 감소

CCM의 제품 품질은 2차 냉각 구역에서 스트랜드 냉각 중 온도 변화에 상당한 영향을 받습니다. 따라서 2차 냉각 영역은 정확한 온도 매개변수를 유지하는 데 매우 중요한 기능을 가지며 주강 제품의 품질에 매우 중요합니다.

강철의 품질은 표면 온도의 거동과 시간에 따른 강철 전면의 응고에 의존하기 때문에 물 분무의 강도에 의해 크게 정의됩니다. 부적절한 냉각 조건은 응고된 쉘의 응력 분포에 해로운 영향을 미칠 수 있습니다. 우선, 과냉각으로 인해 균열이 형성될 수 있습니다. 또한 강철이 2차 냉각 영역을 통과할 때 표면 온도의 부드러운 전환이 있어야 합니다. 또한 2차 냉각 동안 스트랜드를 냉각하지 않으면 액체 풀이 너무 길어질 수 있습니다. 이러한 기술 요구 사항은 보다 효율적이고 안정적인 분무 냉각을 요구하며 결과적으로 2차 냉각 프로세스에 부과되어야 하는 제약이 있습니다. 스프레이 유속은 일반적으로 용융 코어가 야금학적 길이에 도달할 만큼 충분히 단단해질 때까지 스트랜드 표면 온도를 제어하도록 조정됩니다.

과냉각과 저냉각의 두 가지 메커니즘은 각각 중간 균열과 표면 균열을 유발합니다. 주조 작업에서 이러한 품질 문제가 발생하면 보다 만족스러운 표면 온도 프로파일을 생성하기 위해 2차 냉각 구역의 설정을 변경하기 위한 합리적인 근거가 필요합니다.

물 분무와 함께 2차 냉각 영역을 보여주는 CCM의 개략도는 그림 1

에 있습니다.

그림 1 물 분무를 보여주는 2차 냉각 영역의 개략도

2차 냉각 구역의 설계 측면

  CCM 기술의 응고 거동은 주조 공정의 동적 특성에서 발생합니다. 특히 다음과 같은 문제와 관련이 있습니다.

• 금형에서 매우 높은 열유속 처리
• 스트랜드가 몰드 아래로 내려가는 동안 브레이크아웃을 방지하기 위해 초기의 얇고 깨지기 쉬운 단단한 껍질을 육성합니다.
• 주물 제품의 표면 및 내부 결함을 최소화하거나 제거하기 위해 강철 등급의 응고 역학에 맞춰 주조 매개변수를 설계합니다.

  부분적으로 응고된 주물의 온도를 제어하기 위해 균일한 냉각 시스템을 설계하는 것이 중요합니다. 2차 냉각 시스템을 설계할 때 중요한 고려 사항은 다음과 같습니다.

• 주조할 강종 및 주조 속도
• 롤 지지 형상 및 기계 세그먼트 레이아웃
• 손쉬운 유지 관리
• 2차 냉각 제어 시스템.

현재 CCM에서 2차 냉각 시스템의 설계는 일반적으로 캐스터의 엄격한 작동 및 생산 요구 사항을 충족하기 위해 최신 노즐 기술을 사용합니다. 2차 분무 냉각 시스템의 레이아웃은 새로운 연속 주조기를 설계할 때 신중하게 고려해야 하는 첫 번째 단계 중 하나입니다. 2차 냉각에서 노즐의 수는 움직이는 가닥의 표면에 분산됩니다. 스프레이가 겹칠 수 있으므로 노즐 사이의 거리가 중요합니다.

노즐 배열은 안정적인 스프레이 패턴을 유지하면서 스트랜드 전체에서 균일한 열 제거를 생성하는 것이 중요합니다. 지지 롤과의 스프레이 충돌은 스프레이 물의 비효율적인 사용과 열 전달 감소를 초래할 수 있으므로 피해야 합니다. 일반적으로 다중 노즐 레이아웃이 선호되는 배열이어야 합니다.

연속적인 롤 갭에서 노즐 쌍의 비틀거림은 균일한 표면 온도를 보장합니다. 스프레이 폭 제어는 다중 노즐 구성으로 달성할 수 있습니다. 다중 노즐 배열에서 가장 바깥쪽 노즐은 연속적인 롤 갭에서 노즐 수를 교체하는 노즐 레이아웃이 사용될 수 있는 스트랜드 폭과 관련하여 체계적으로 꺼집니다. 더 세밀한 제어가 필요한 경우 인라인 배열을 사용할 수 있습니다.

비임계강 등급의 응고의 최종 영역, 일반적으로 곡선형 캐스터의 수평 단면에서는 응고에 덜 중요한 영역이므로 롤 갭의 노즐 수를 1개 또는 2개로 줄일 수 있습니다.

2차 냉각 구역의 작동 방식을 신중하게 설계하려면 정상 상태이든 일시적인 상태이든 간에 스트랜드의 전체 온도 필드에 대한 스프레이 구역의 영향을 알아야 합니다. 본질적으로 동적인 현상인 과도 현상은 응고의 자연적인 비선형성, 공정 시간 상수의 고유한 특성 및 가장 중요하게는 전체 생산 공정의 엄격한 경제성으로 인해 제어에 상당한 어려움을 나타냅니다.

동적 2차 냉각 제어 시스템은 강의 연속 주조 중 온도를 실시간으로 정확하게 예측하고 제어하는 ​​데 도움이 됩니다. 이러한 시스템은 주조 속도의 상당한 변화에도 강철 전체에 걸쳐 원하는 온도 프로파일을 유지하기 위해 주조기의 2차 냉각 구역에서 분무수 유량을 조정합니다.

연속 주조의 열전달

스트랜드에서 열 제거는 분무 냉각의 기능일 뿐만 아니라 다른 메커니즘(예:지지 롤에 의한 열 제거)도 널리 사용됩니다. 롤에 의해 제거된 열은 스트랜드 표면 온도와 스트랜드 응고 조건에 상당한 영향을 미칠 수 있습니다. 롤에 의해 제거된 열이 스프레이에 의한 열 제거와 함께 스트랜드 폭 전체에 걸쳐 균일하게 고려된다면 이상적인 응고 조건이 존재해야 합니다. 구체적으로, 스프레이 챔버(2차 냉각) 열전달은 다음과 같은 기능을 합니다.

• 고화 속도를 높이고 제어하며 일부 캐스터의 경우 이 영역에서 완전한 응고를 달성합니다.
• 살수 강도 조정을 통한 물가 온도 조절
• 기계 격납 냉각

부분 응고 스트랜드 아래에 물이 분사되어 응고가 완료됩니다. 열 추출 속도에 영향을 미치는 주요 매개변수의 수는 다음과 같습니다.

• 물방울 플럭스
• 평균 드롭 크기
• 스트랜드 표면에 닿는 액적 속도
• 습윤 효과

분무 냉각은 본질적으로 끓는 열 전달을 포함합니다. 스트랜드 표면에 물방울이 직접 접촉하는 것을 방지하는 스트랜드 표면에 수증기 블랭킷이 형성됩니다. 방울의 속도는 방울이 표면을 적시고 냉각할 수 있도록 방울이 증기층을 관통할 수 있어야 합니다.

2차 구역의 열유속 밀도(q)는 열전달 계수(?)에 정비례하며 아래 공식을 사용하여 계산됩니다.

큐 =? (Ts – Tw)

여기서 T는 가닥의 온도이고 Tw는 물의 온도입니다.

효율적인 냉각을 위해서는? 높아야 하지만 강철 품질을 유지하기 위해 제어할 수 있어야 합니다. 의 가치를 높이는 한 가지 방법은? 냉각 매체로 워터 제트를 사용하는 것입니다. 이 경우 열전달 계수는 노즐의 모양과 디자인, 냉각수의 속도 및 냉각수의 질량에 따라 달라집니다. 워터 제트를 사용하면 다음과 같은 두 가지 냉각 방식이 생성됩니다.

• 물 자체에 의한 냉각
• 주로 복사열에 의한 냉각

CCM 주조에서 열 전달은 전도, 대류 및 복사의 조합에 의한 2차 냉각에서 발생합니다. 2차 냉각에서 물분사에 의한 열추출 강도는 다음과 같다.

h =열유속 / (Ts-Tw)

h는 열전달 계수(W/m².s), Ts 및 Tw는 표면 및 수온입니다. 열전달 계수 h는 물의 유량에 따라 다릅니다. 2차 냉각에서는 응고가 완료되어야 합니다. 이와 관련된 몇 가지 문제는 다음과 같습니다.

• 물분사는 스트랜드의 재가열이 발생하지 않도록 움직이는 스트랜드에 균일하게 분포되어야 합니다. 균일하지 않은 냉각으로 인해 표면에 열 응력이 발생하고 표면 균열이 나타날 수 있습니다.
• 외부 표면 온도는 오스테나이트에서 페라이트로의 변태로 인한 부피 팽창을 피하기 위해 850℃ 이상이어야 합니다.

2차 영역에서 발생하는 열 전달에는 아래와 같이 세 가지 기본 형태가 있습니다.

• 복사 – 다음 방정식으로 설명되는 2차 냉각 챔버의 상부 영역에서 열 전달의 주된 형태입니다.

질문 =? E A (Ts?-Ta?)

어디에 ? 는 스테판-볼츠만 상수(5.67×10?? W/m²/K°), 'E'는 방사율 상수, 일반적으로 0.8, 'A'는 표면적, T_S 스트랜드와 T의 온도는? 주변 온도입니다.

• 전도 – 제품이 롤을 통과할 때 열은 전도로 쉘을 통해 전달되고 관련 접촉의 결과로 롤의 두께를 통해 전달됩니다. 이러한 형태의 열전달은 아래와 같이 푸리에 법칙으로 설명됩니다.

Q =k A (Ti-To)/?X
강철 쉘을 통한 전도성 열전달의 경우, k는 강철 쉘의 열전도율, 'A' 및 ΔX는 강철 쉘의 단면적 및 두께 각각 열이 전달되는 강철 쉘, Ti 및 To는 각각 강철 쉘의 쉘 내부 및 외부 표면 온도입니다. 이러한 형태의 열 전달은 격납 롤을 통해서도 발생합니다.

• 대류 – 이 열 전달 메커니즘은 분무 노즐에서 분무된 물방울이나 미스트를 빠르게 이동시켜 강철 표면 옆의 증기층을 관통한 다음 증발함으로써 발생합니다. 이 대류 메커니즘은 아래와 같이 뉴턴의 냉각 법칙에 의해 수학적으로 설명됩니다.

q =h A(Ts – Tw)

여기서 h는 열전달 계수, 'A'는 강재 스트랜드의 표면적, Ts는 강재 표면 온도, Tw는 분무수 온도입니다.

  쉘 성장

쉘 성장은 Fick의 법칙에서 안정적으로 예측할 수 있습니다. 강이 완전히 응고된 주물거리(L)를 계산하기 위해 다음 방정식을 사용합니다.

L =V/(D/K)²

여기서 D는 강철 쉘 두께, L은 주형 강철 메니스커스(응고가 시작되는 위치)로부터의 주조 거리, V는 주조 속도, K는 주로 강철 등급 및 기계 설계에 따라 달라지는 실험 상수입니다.

  물가 봉쇄

격납 구역은 2차 냉각 구역의 필수적인 부분입니다. 일련의 고정 롤에는 반대쪽 스트랜드 면을 가로질러 연장되는 스트랜드가 포함되어 있습니다. 에지 롤 억제가 필요할 수도 있습니다. 이 영역의 초점은 응고 쉘이 자체 지지될 때까지 가닥 안내 및 봉쇄를 제공하는 것입니다.

제품 품질의 손상을 방지하기 위해 롤러 배열 및 스트랜드 풀림과 관련된 응력을 최소화하도록 주의 깊게 고려해야 합니다. 따라서 간격 및 롤 직경을 포함한 롤 레이아웃은 롤 팽창과 액체/고체 계면 변형 사이를 최소화하도록 신중하게 선택됩니다.

스트랜드 지지는 스트랜드 자체가 기계 높이와 관련된 헤드 압력으로 인해 불룩한 강자력(ferrostatic force)을 갖는 액체 코어를 포함하는 응고 쉘이기 때문에 스트랜드 모양을 유지해야 합니다. 가장 우려되는 영역은 기계의 위쪽에 있습니다. 여기에서 팽창력은 상대적으로 작지만 껍질이 더 얇고 가장 약합니다. 이러한 고유한 약점을 보완하고 쉘 파열과 그에 따른 액체 강철 브레이크아웃을 방지하기 위해 롤 직경은 좁고 간격이 좁습니다. 금형 바로 아래에는 일반적으로 4개의 면이 모두 지지되며 기계의 아래쪽 영역에서는 넓은 면만 지원됩니다.

  구부리기 및 펴기

스트랜드 억제 및 수직에서 수평면으로의 안내에 똑같이 중요한 것은 펴지는 힘과 곧게 펴는 힘입니다. 굽힘이 풀리면서 솔리드 쉘 외부 반경은 인장을 받고 내부 반경은 압축을 받습니다. 결과 변형은 주강 등급의 기계적 특성과 함께 아크 반경에 의해 결정됩니다. 외부 반경에 따른 변형률이 과도할 경우 균열이 발생하여 강의 품질에 심각한 영향을 미칠 수 있습니다. 이러한 변형은 일반적으로 제품을 수평면으로 점차적으로 똑바르게 하기 위해 반지름이 점진적으로 커지는 다점 펴기 프로세스를 통합하여 최소화됩니다.