연속 주조기의 생산성 및 제품 품질

연속 주조기의 생산성 및 제품 품질

연속 주조는 열간 압연기에서 후속 압연을 위해 액체 강을 반제품(빌렛, 블룸 또는 슬래브 등)으로 응고시키는 공정입니다. 액강의 연속 주조는 1950년대에 상업용으로 도입되었습니다. 상업적 응용을 위한 연속 주조가 도입된 이후 비교적 짧은 시간 동안 공정은 향상된 생산성과 우수한 제품 품질을 달성하기 위한 다양한 새로운 공정 개발로 발전했습니다. 이러한 발전에는 연속 주조기의 새로운 설계 개념, 야금술, 컴퓨터 시스템에 의한 공정 제어 및 자동화 적용이 포함됩니다.

이러한 개발의 주요 원동력은 운영 비용에 극적인 영향을 미치는 수율 및 에너지 절약의 실질적인 개선이 가능하다는 인식이었습니다. 이러한 개발을 통해 연속주조 제품의 주요 품질 향상을 달성할 수 있었습니다. 오늘날의 연속 주조기는 주괴강으로 생산된 제품과 완전히 동등하거나 그 이상의 품질을 갖는 주강 제품을 생산합니다. 현대식 연속 주조기는 중요한 응용 분야를 위한 최고 품질을 포함하여 본질적으로 모든 등급의 강을 효율적으로 생산합니다.

생산성 향상

연속주조 공정의 생산성을 향상시키는 두 가지 방법은 연속주조기 처리량(ton/hour)과 순가공비를 개선하는 것이다. 연속 주조기의 처리량은 주조 속도를 증가시키고 단면적을 증가시켜 개선되는 반면, 주조기 가동 중지 시간을 줄여 그물 비율을 개선합니다.

연속주조기의 주조속도는 아래와 같이 여러 현상에 의해 제한을 받습니다.

• 주조 속도가 높으면 주형에서 액강의 유속이 크게 증가합니다. 액강의 흐름에 약간의 방해가 있으면 주형에서 응고 쉘의 형성을 방해하고 개재물의 부상을 지연시키며 스트랜드에 주조 분말 비말동반을 유발할 수 있습니다. 금형의 메니스커스에서 과도한 레벨 변동과 파도는 주조 속도가 높을수록 악화됩니다. 이로 인해 표면 품질 문제가 발생하고 심지어 스티커가 깨질 수도 있습니다. 이 문제는 노즐 설계 변경(흐름을 더 아래쪽으로 향하게 하거나 가능한 하단 수직 포트 추가), 전자기 교반 적용, 주조 분말 변경 및 금형의 흐름 패턴을 제어하는 ​​다른 방법을 사용하여 해결할 수 있습니다.
• 주조 속도가 빠르면 응고 쉘과 금형 사이의 계면에서 마찰을 극복하는 데 필요한 진동 및 후퇴력으로 인해 과도한 축 방향 변형이 발생합니다. 관련된 가로 균열 및 파손은 특히 정렬 불량, 금형의 과도한 테이퍼 또는 불연속 액체 주조 분말 층이 있는 경우 주조 속도를 제한할 수 있습니다. 주조 분말의 액층이 전체 금형 표면에 걸쳐 연속적으로 유지되고 정렬이 양호하면 응력이 작습니다.
• 주조 속도가 빠르면 금형 아래 액체 풀의 강압에 의해 얇은 쉘에 과도한 막 변형이 발생할 수 있습니다. 쉘이 금형 출구에서 충분히 두껍지 않은 경우 균열 및 이탈이 발생할 수 있습니다. 임계 쉘 두께는 대부분의 강철 등급에 대해 3mm 정도여야 합니다. 이것은 다른 기준이 더 중요하다는 것을 보여주는 실현 가능한 캐스팅 속도로 쉽게 달성됩니다.
• 높은 주조 속도로 인한 쉘 성장의 국부적 불균일성은 쉘의 국부적으로 뜨겁고 얇은 영역으로 이어질 수 있으며, 이는 쉘이 평균적으로 임계 두께보다 크더라도 세로 균열 및 브레이크아웃을 유발할 수 있습니다. 이 문제는 일반적으로 주조 분말 윤활이 연속적이고 초기 열유속이 낮고 균일하며 금형 벽 테이퍼가 쉘 수축 프로파일과 일치하도록 초기 응고, 진동 연습 및 테이퍼 설계 동안 주조 분말 거동을 최적화하여 해결됩니다. Peritectic 강종과 오스테나이트계 스테인리스강이 이 문제에 가장 취약합니다. 주형에 들어가는 액강의 과열도 이 문제의 원인이 될 수 있으며, 특히 잠긴 분기 노즐로 주조할 때 액강 제트가 충돌하는 면 근처에서 더욱 그렇습니다.
• 금형 아래의 스트랜드가 과도하게 부풀어 오르면 높은 주조 속도로 인해 발생할 수 있으며, 불룩한 정도가 심할 경우 다양한 내부 균열 및 심지어 탈주가 발생할 수 있습니다. 팽창은 충분한 지지 롤을 선택하고, 롤 정렬을 유지하고, 금형 아래에서 스프레이 냉각을 제어하고, 롤 피치, 스프레이의 급격한 변화를 피하거나 주조 속도를 줄임으로써 제어할 수 있습니다.
• 스트랜드 중심의 최종 응고 지점의 메니스커스 아래 거리는 주어진 단면 두께에 대한 주조 속도에 정비례하여 증가하고 특정 연속 주조기의 최대 주조 속도를 제한합니다. 토치 컷오프 및 롤 지지 시스템은 야금 길이의 이러한 증가를 수용하기 위해 확장되어야 합니다. 스프레이 냉각 강도를 높여도 야금 길이를 크게 단축할 수 없습니다.
• 분무 냉각 구역의 끝 아래에 있는 스트랜드의 재가열은 높은 주조 속도 때문에 발생할 수 있습니다. 이러한 스트랜드의 재가열은 내부 인장 응력과 고온 인열 균열을 생성하며, 이는 주조 속도에 따라 심각하게 증가합니다. 이것은 스프레이 구역을 설계하는 동안 주의해야 합니다. 이러한 균열을 방지하려면 분무 냉각 영역을 확장해야 합니다.
• 몇 가지 특별한 품질 문제가 있으며 때때로 캐스팅 속도에 제한이 있습니다. 예를 들어, 초저탄소강의 경우 곡면형 연속주조기의 내경에 아르곤 기포가 끼어 연필관 등의 기포 결함을 줄이기 위해 주조 속도를 비교적 느린 상한으로 제한합니다. 주조 속도는 이러한 특정 결함을 피할 수 있는 작동 조건의 주의 깊은 변경을 통해서만 이러한 상황에서 증가할 수 있습니다. 따라서 주조 속도를 높이려면 여러 가지 우려되는 현상에 대한 신중한 고려가 필요합니다. 충족되어야 하는 최소 8개의 개별 기준이 있으며, 그 중 주어진 작업에 대한 주조 속도를 제한할 수 있는 가장 중요한 5개는 주조 제품의 온도, 팽창, 변형, 응력 및 파괴입니다. 금형 아래에서 부풀어 오름과 관련된 품질 문제를 피하기 위해 항상 임계 주조 속도를 찾는 것이 필요합니다.

브레이크 아웃은 연속 주조기의 생산에 가장 불리한 영향을 미치는 작동 문제 중 하나입니다. 다음과 같이 발생합니다. 연속주조금형에서 액강의 초기 응고과정에서 어떤 이유에서든 응고쉘이 어느 위치에서 제대로 형성되지 않을 수 있으며, 그 위치가 형의 하단에서 나올 때 액강이 결함부위를 통해 흘러나온다. 껍질. 브레이크 아웃은 생산량을 감소시킬 뿐만 아니라 장비에 막대한 피해를 입히므로 광범위한 수리 작업이 필요합니다. 따라서 브레이크 아웃을 방지하려면 건전한 초기 응고 쉘이 금형에서 안정적으로 형성되는지 확인하는 것이 필수적입니다. 연속주조금형에서 액강의 초기 응고에 영향을 미치는 주요인자는 강온도, 주물분말, 금형동 라이닝, 1차 냉각수이다.

안정적인 초기 응고를 바탕으로 연속 주조기 생산량을 늘리기 위해서는 금형 내 강재 온도, 열 제거 및 주조 속도의 적절한 균형 유지가 필수적입니다. 강온도와 주조속도가 모두 높으면 응고쉘이 충분히 발달하지 않고, 액강이 금형 바로 아래의 쉘을 뚫고 나오는 경우(재용융탈출)가 있을 수 있다. 이는 브레이크 아웃 없이 생산량을 늘리려면 액강 온도와 주조 속도를 적절하게 제어해야 함을 나타냅니다.

연속 주조기의 작업 시간과 주조 시간을 늘리는 것도 연속 주조기의 생산량을 늘리는 효과적인 방법입니다. 연속주조기와 관련하여 이러한 용어는 다음과 같이 정의됩니다.

달력 시간 =네트워크 작업 시간 + 가동 중지 시간

네트워크 작업 시간 =캐스팅 시간 + 기계 준비 시간

생산 능력을 높이는 비결은 가동 중지 시간을 줄여 순 작업 시간 대 달력 시간의 비율을 높이는 방법과 기계 준비 시간을 줄여 주조 시간의 비율을 높이는 방법입니다.

생산성 향상은 또한 네트워크 비율을 개선하여 달성할 수 있습니다. 연속주조기의 가동중단시간을 줄여 기계가 실제로 주조되는 시간(기계이용시간)을 증가시켜 망가공율을 향상시키면서 다양한 크기의 주강제품과 강종을 생산할 수 있는 능력을 유지할 수 있습니다.

연속주조기는 가동 중단 시간을 단축하고 세그먼트 롤 및 베어링 파손과 같은 주조기 고장을 방지하기 위해 세그먼트 교체를 위해 3~4주 간격으로 12~24시간 동안 주기적으로 정지합니다.

다음은 연속 주조기의 가동 중지 시간에 영향을 미치고 해결해야 하는 5가지 주요 요소(그림 1)입니다.

• 캐스트 시퀀스 완료 후 기계 준비 시간
• 다양한 단면 크기를 주조하려면 금형 교체가 필요합니다.
• 스트랜드 이탈, 콜드 스틸 또는 개재물 축적에 의해 막힌 턴디쉬 노즐 막힘, 스틸 티밍 래들(예:런닝 스토퍼)에서 액체 강철의 제어되지 않은 흐름과 같은 고장으로 인한 주조기 또는 스트랜드 중단
• 구성 또는 온도의 사양을 벗어난 열
• 연속 주조기의 유지 보수.

그림 1 연속주조기의 생산성에 영향을 미치는 요인

제강 중 개선된 제어 관행 및 기술 외에도 연속 주조 기계에서 새로운 작동 개념 및 장비 설계를 개발함으로써 이러한 요인의 영향이 감소되었습니다. 운영 개념의 주요 변경 사항은 다음과 같습니다.

• 연속주조기의 준비시간 단축을 위한 순차주조
• 주물 제품을 슬리팅하여 금형 교체 빈도를 줄이고 금형 재고를 줄입니다.
• 금형의 교체 시간을 줄이기 위해 가변 폭 조절이 가능한 금형 사용
• 금형 교체 시간 및 금형 재고를 줄이고 주조 속도(스트랜드당 시간당 톤)를 증가시키기 위해 금형을 분할 또는 분할
• 준비 시간을 줄이기 위한 상단 공급(하향 삽입) 더미 바
• 전자기 교반을 사용하여 주조 속도를 증가시켜 주조기의 생산성을 높입니다.

연속주조기를 통해 더미바 삽입 사이에 중단 없이 주조되는 열수는 동일한 강재의 생산 로트 규모, 침지형 입구 노즐의 수명, 노즐 막힘 및 티밍 시스템의 기타 문제 발생.

캐스트 사이의 준비 작업에는 최종 피스 추출, 더미 바 삽입, 턴디쉬 체인지 및 몰드 실링이 포함됩니다. 이전 캐스트의 최종편은 응고가 잘 되지 않는 상단부에서 흘러나오는 용융슬래그나 강재의 문제인 블리딩(bleeding)을 방지하기 위해 조심스럽게 추출한다. 준비 시간을 단축하려면 빨리 하는 것이 중요합니다.

더미바 삽입은 현재 최종 주조편을 추출하면서 더미바를 삽입할 수 있어 하향 삽입형이 선호되고 있다. 반면 상향 삽입형을 사용할 경우 더미바 삽입은 최종 조각이 주조기에서 완전히 나올 때까지 기다려야 하므로 준비 시간이 10~20분 정도 늘어납니다.

제품 품질

연속주조강의 품질은 제강 및 주조 방식에 따라 달라집니다. 이는 프로세스의 잠재력을 최대한 활용하기 위해 밀접하게 제어되어야 하는 화학적 및 물리적 요인의 상호 작용에 의해 영향을 받습니다.

연속 주조에서 발생하는 일반적인 결함은 다음과 같습니다.

• (i) 변형된 단면(오목 및 볼록 포함), (ii) 균열(세로 및 가로), (iii) 랩, 스케일 및 갇힌 개재물 및 슬래그, (iv) 진동 표시 등과 같은 표면 결함 .
• (i) 핀홀 및 블로우홀, (ii) 내포물 및 (iii) 균열과 같은 표면 결함
• (i) 균열(중앙, 대각선 및 중간), (ii) 다공성, (iii) 개재물, (iv) 편석 등과 같은 내부 결함

균열 형성은 다양한 물리적 원인으로 인해 발생합니다. 외부 및 내부 균열의 발생을 제거하거나 줄이는 데 사용되는 기술은 다음과 같습니다.

• 표면 균열 – 금형 및 2차 냉각, 금형 윤활, 금형 코팅, 금형 마모 제어, 기계 정렬 및 주조 속도.
• 내부 균열(및 다공성) – 기계 유형, 기계 정렬, 전자기 교반, 인라인 축소, 다점 교정, 압축 주조, 액강 온도 및 주조 속도.

랩과 딱지는 주조 속도 제어 및 턴디쉬와 금형 사이의 쏟아지는 흐름의 무결성과 관련이 있습니다. 진동 표시는 강종 주물과 금형 진동 유형의 함수입니다.

핀홀 및 블로우홀은 탈산 및 턴디쉬 스트림 슈라우드로 제어됩니다. 낮은 주조온도, 전자교반, 주조속도로 중심선 편석을 최소화하였습니다.

표면, 표면 아래 또는 주조 섹션 내부에 있는 개재물의 빈도는 예를 들어 제강, 탈산 및 슈라우드 방식, 장비 설계의 개선을 통해 점진적으로 감소했습니다. 이러한 개선은 연속 주강 제품의 품질을 더욱 향상시키기 위한 지속적인 노력의 필수적인 부분을 형성합니다.

제품 품질 개선의 가장 중요한 최근 발전은 다음과 같습니다.

• 청정강의 개념
• 전자기 교반의 적용
• 표면 균열 발생을 더욱 줄이기 위한 공기 미스트 냉각

주요 목표 중 하나는 추가 처리 전에 컨디셔닝이 필요하지 않은 표면을 가진 주강 제품을 생산하는 것입니다.

철강 사용자의 요구사항은 다양해지고 있으며, 경량화, 가공성, 강도 향상 등의 고기능성이 요구되고 있습니다. 표면결함의 보다 엄격한 관리와 내부결함의 제거에 대한 요구가 높아지고 있습니다. 이 모든 것은 더 높은 수율 및 생산성 추구와 함께 제강 및 철강 연속 주조 공정에 필요한 품질 수준을 매우 까다롭게 만들었습니다. 한편, 점점 더 까다로워지는 사용자 요구사항이 제강 및 철강 연속주조의 기술적 역량을 높이는 데 도움이 된 것은 사실입니다.

금형 내 개재물 최소화는 연속 주조의 가장 중요한 품질 문제 중 하나입니다. 개재물은 인장, 굽힘, 구멍 확장, 프레스 성형 및 기타 유형의 가공에서 강재의 기계적 특성을 저하시키고 표면 결함을 유발합니다. 따라서 연속주조 공정에서 강재의 오염을 최소화하고 개재물을 제거하는 것이 매우 중요합니다.

제강 공정에서 발생하는 일반적인 표면 결함은 알루미나 및 주물 분말의 함유로 인한 것입니다. 그들은 초기 응고 중에 강철 껍질에 걸리고 강철이 압연기에서 압연될 때 늘어나며 일반적으로 유출, 딱지 또는 슬라이버로 알려진 표면에 줄무늬의 결함을 형성합니다. 이러한 주물 표면 부근의 개재물은 스카핑(scarfing)으로 제거할 수 있지만, 스카핑(scarfing)은 비용이 많이 들고 수율이 떨어지므로 연속주조기의 초기 응고 과정에서 혼입을 최소화하는 것이 바람직하다. 몰드 전자기 교반은 개재물이 쉘에 갇히는 것을 방지하기 위해 응고 쉘 내부의 강철을 규정된 속도 이상으로 즉시 흐르게 합니다.

주물 분말에 관해서는, 그것의 포획을 방지하기 위해, 일반적으로 분말의 점도를 증가시킨다. 또한 금형 내 액강 레벨의 제어 정확도가 향상되고 금형 진동이 수정되며 금형으로의 액강 유입이 보다 안정됩니다. 그 결과, 주물 분말에서 유래하는 개재물로 인한 표면 결함이 현저히 감소합니다.

또한 금형에 들어가는 Inclusion의 양을 최소화하기 위해 턴디쉬의 Steel에서 Inclusion을 최대한 분리하는 조치를 취한다. 그러한 조치 중 하나는 턴디쉬 용량의 확대입니다. 턴디쉬는 레이들에서 연속주조로 강재가 안정적으로 흐르도록 하는 중간홀더 역할을 하며, 다연주조기의 경우 강재를 스트랜드에 분배하는 역할을 합니다. 턴디쉬 크기를 증가시키면 개재물이 강 액체 표면까지 더 쉽게 뜨게 할 수 있고 레이들로부터 티밍 위치에서 강철 슬래그의 현탁을 억제할 수 있습니다.