강 연속주조 시 열전달

강의 연속 주조 중 열 전달

강철의 연속 주조(CC) 중에 스트랜드 냉각 및 CC 기계를 따라 쉘의 성장을 신중하게 제어하는 ​​것이 매우 중요합니다. 이러한 요인들은 주강 제품에 형성될 수 있는 균열 및 기타 결함의 형성에 중요한 역할을 합니다. 무결함 주강 제품을 보장하기 위해 강재 등급, 강 제품 치수, 주조 속도 및 CC 기계 설계에 따라 달라지는 패턴에 따라 스트랜드를 냉각해야 합니다. 한편, 액체 풀 길이의 제어는 우수한 생산성과 관련하여 주조 속도를 최적화하는 핵심 요소입니다. 따라서 열 전달은 특히 균열에 민감한 강종을 주조할 때 CC 기계의 작동에서 매우 중요한 역할을 합니다. 사실, 많은 다양한 현상이 CC 공정에서 열 전달을 지배하는 복잡한 일련의 사건을 동시에 제어합니다.

턴디쉬 내 액체강의 온도는 일반적으로 액상선 온도보다 30~50℃ 높습니다. 연속 주조 공정이 시작될 때 액체강은 수냉식 주형에서 냉각되어 주형 출구에서 액체 풀을 지지할 수 있는 응고된 쉘을 형성합니다. 몰드 끝단의 일반적인 온도는 1100℃이고, 스트랜드 중심의 온도는 1550℃입니다. 강철은 고정된 온도에서 응고되지 않고 일정 온도 범위 이상에서 응고되기 때문에 강철이 뭉치는 부분이 있습니다. 완전히 고체도 아니고 완전히 액체도 아닙니다. 연속 주조에 사용되는 강종은 1350 ° C에서 1500 ° C 범위의 온도 아래에서 완전히 고체이며 응고는 1450 ° C에서 1525 ° C 범위의 온도에서 시작됩니다. 이것은 합금 원소의 함량에 크게 의존합니다. 강철.

응고되는 CC 강 제품의 열 전달은 추출되는 열이 온도 감소 및 상 변화 모두에서 강 스트랜드의 엔탈피 변화에서 발생하기 때문에 복잡한 방식으로 발생합니다. 전자를 현열변화라 하고 후자를 잠열이라 한다. 더욱이, 상 변화는 고체상의 변화뿐만 아니라 합금의 응고에 의해 생성되는 조건도 포함한다. 예를 들어, 강철의 탄소 함량에 따라 달라지는 액상선과 고상선 온도 사이에 부드러운 영역이 존재합니다. 또한, 강철 쉘 두께가 메니스커스에서 금형 바닥까지 증가함에 따라 열 저항이 증가합니다. 이 영역의 열 전달은 전도에 의한 것입니다.

연속 주조 공정에서 강철 응고는 주형에서 시작하여 2차 냉각 구역에서 이어지며 공기 냉각 조건에서 완료됩니다. 주조 기술은 스트랜드 표면에서 수냉식 시스템으로 매우 효과적인 열 전달이 필요합니다.

1차(액체강에서 금형), 2차(분무 구역) 및 3차(자유 복사) 냉각 단계 동안 열 전달의 발생은 액체강의 연속 주조와 관련된 주요 현상입니다. 이러한 열전달 시스템의 열 거동 예측 또는 결정은 특히 금형 내부의 고체 쉘 형성 초기 단계에서 응고에 직접적인 영향을 미치기 때문에 중요합니다.

연속 주조에서 냉각 및 응고는 주로 금형 및 2차 냉각 섹션에서 발생합니다. 주형에서 일어나는 냉각은 주형을 떠날 때 강철 쉘 내부의 액체 강철 풀을 기계적으로 지지하기에 충분한 두께의 표면에 고체 층이 형성되는 지점까지 액체 강철을 냉각하기에 충분해야 합니다. 반면에 2차 냉각 과정은 금형에서 시작된 응고 과정을 완료하기에 충분해야 합니다. 냉각 속도는 다른 이유로도 중요한 매개변수입니다. 냉각 속도가 너무 빠르면 주강 제품의 굽힘 영역에 균열이 생기는 경향이 있고 냉각 속도가 너무 느리면 액체 풀이 너무 길어지기 때문입니다.

액체강의 CC 공정에서 열전달에 영향을 미치는 과정은 액체강 영역의 전도 및 대류, 응고된 쉘의 전도, 응고된 쉘의 외층과 금형 벽면 사이의 열전달, 액체강 영역의 열전도입니다. 금형, 채널 벽과 냉각수 사이의 금형 내 열 전달, 대류 및 복사에 의한 2차 냉각 영역 내 열 전달, 전도에 의한 응고 스트랜드와 롤 사이의 열 전달. 또한, 응고에 수반되는 상 변형과 관련된 열 효과는 열 전달에 상당한 영향을 미칩니다.

금형 및 2차 냉각 구역의 열 전달 제어는 액강의 응고에 필수적인 역할을 합니다. 열교환은 주조 속도를 제한하고 본질적으로 단단한 껍질의 형성에 영향을 미칩니다.

CC 금형의 열전달

CC 금형의 열 전달은 중요하며 많은 복잡한 현상에 의해 좌우됩니다. 수학적 및 컴퓨터 모델링은 일반적으로 금형 열 조건을 더 잘 이해하고 적절한 설계 및 작동 방식을 지원하는 데 사용됩니다. 주된 횡방향 열전달은 금형에 있는 액강 코어의 고온 소스에서 금형 냉각 시스템의 냉각수 싱크까지 일련의 열 저항을 통한 열 에너지의 흐름으로 간주할 수 있습니다. 열전달의 열저항은 아래와 같습니다.

• 고화 쉘을 통한 열 전달
• 강철 쉘 표면(외피)에서 내부 구리 라이닝 표면으로의 열 전달
• 동 금형을 통한 열 전달
• 외부 구리 라이닝 표면에서 금형 냉각수로의 열 전달

금형 영역에서 열 전달은 다음으로 제어됩니다. (그림 1)

• 액체 과열도가 쉘 표면으로 대류
• 고화(흐릿한 영역에서 잠열 발생)
• 고체 껍질을 통한 전도
• 쉘과 금형 사이의 인터페이스 크기 및 속성
• 구리 몰드를 통한 전도
• 금형 냉각수로의 대류

그림 1 금형 영역의 열 전달 메커니즘

강철 쉘 표면에서 내부 구리 라이닝 표면으로의 열 전달은 가장 복잡하며 금형의 제어 단계입니다. 이것은 주로 (i) 전도 및 (ii) 복사라는 두 가지 열 전달 메커니즘을 포함합니다. 이 열 전달 단계의 두드러진 특징은 응고강의 수축(강 등급 및 CC 기계 작동 조건의 함수임)과 결과적으로 강철 쉘과 금형 표면 사이에 에어 갭이 형성되는 경향입니다.

에어 갭의 형성은 복잡하고 가로 방향과 세로 방향 모두에서 다양할 수 있습니다. 따라서 열전달 메커니즘과 열유속의 크기에 다양한 영향을 미칩니다. 예를 들어, 에어 갭이 형성됨에 따라 열 전달은 주로 전도에서 복사로 진행되어 결과적으로 열유속이 감소합니다. 일반적으로 이 열 전달 단계는 특히 구리 라이닝을 통한 열 전달과 후자에서 금형 냉각수로의 열 전달과 관련하여 네 단계 모두에서 가장 큰 열 저항을 나타냅니다.

금형에서 열 제거의 전체 패턴은 갭 형성의 역학에 따라 달라집니다. 일반적으로 갭 너비는 강철 쉘이 응고되고 금형 표면에서 멀어질수록 메니스커스에서 멀어질수록 증가하는 경향이 있습니다. 또한, 쉘 두께가 메니스커스에서 멀어질수록 증가함에 따라 간극을 줄이기 위해 강압의 반대 팽창 효과를 견디는 경향이 있습니다.

금형 표면 옆의 강철이 고상선 온도 아래로 냉각된 후 간격의 발달이 시작됩니다. 실제 갭 크기의 결정은 (i) 금형의 진동 운동, (ii) 주조 속도와 관련된 금형 내 주강 제품의 이동, (iii) 금형의 무작위 이동이라는 세 가지 요인으로 인해 어렵습니다. 주조 방향에 수직인 평면에 있는 주강 제품. 틈에 가스와 함께 금형 분말이 존재하면 열 전달이 더 복잡해집니다. 결과적으로 갭의 열 저항을 정확하게 결정하기가 어렵습니다. 금형을 떠난 후 슬래브 표면은 물 스프레이로 공기 중에서 냉각됩니다. 냉각 스트랜드의 표면에서 멀리 전달되는 열유속은 스트랜드 표면의 온도차와 냉각 매체 온도에 비례합니다. 금형의 열전달 영역은 (i) 액체강이 금형 벽과 직접 접촉하는 영역, (ii) 응고된 강철 층이 나타나는 중간 영역 및 (iii) 영역으로 나눌 수 있습니다. 발전하는 에어 갭과 함께. 에어 갭의 발달은 응고 스트랜드 쉘과 금형 벽 사이에 매우 높은 온도 구배를 유발합니다. 갭 매개변수의 변화는 결정화 과정의 과정에 상당한 영향을 미치며 주조 과정의 안정적인 과정에 대한 잠재적 교란의 원인이 됩니다. 따라서 고려되는 시스템의 안정성을 평가하려면 금형의 열 작동에 대한 갭 형상의 영향을 아는 것이 중요합니다.

구리 내부 표면에서의 열 전달은 금형 윤활의 영향으로 인해 더욱 복잡해집니다. 이 금형 표면에서 열 전달에 영향을 미치는 또 다른 요소는 금형 테이퍼이며, 이는 틈 형성의 영향에 반대하기 때문에 열 전달을 증가시키는 경향이 있습니다.

일반적으로 금형 길이 아래의 국부 열유속은 액체강 메니스커스 또는 그 바로 아래에서 최대값에 도달하고 금형 길이 아래로 감소합니다. 전체 금형의 평균 열유속은 주조 속도가 증가함에 따라 증가합니다.

구리 라이닝을 통한 열 전달은 전도에 의한 것입니다. 구리의 열전도율과 두께에 따라 다릅니다. 두께가 두꺼울수록 구리 라이닝의 열면 온도가 높아집니다. 외부 구리 라이닝 표면에서 금형 냉각수로의 열 전달은 강제 대류에 의해 수행됩니다. 냉각수의 벌크 온도(일반적으로 약 40℃)는 일반적으로 주어진 수압에서 포화 온도보다 낮지만, 금형 외부 표면의 국부적 온도가 충분히 높으면 끓는 것이 여전히 가능합니다. 수증기 기포가 표면에서 핵을 형성하고 더 차가운 벌크 냉각수로 전달되어 응축됩니다. 이 효과는 열 전달을 증가시킵니다. 핵 비등은 구리 몰드(냉면 및 고온면 모두)를 통한 온도 필드의 순환을 초래할 수 있으며 주강 제품 품질의 저하를 초래할 수 있습니다. 냉각 시스템의 유속을 높이거나 수압을 높여 끓는 것을 억제할 수 있습니다. 초기 비등은 벽 두께가 더 얇기 때문에 슬래브 주형보다 냉면 온도가 더 높은 빌렛 주형에서 더 많이 발생합니다. 냉간면 온도의 일반적인 값은 빌렛 몰드의 경우 150℃, 슬래브 몰드의 경우 100℃ 범위입니다.

금형에서 열 전달 제어는 강제 대류 냉각수 시스템에 의해 수행되며 일반적으로 응고 과정에서 발생하는 높은 열 전달 속도를 수용하도록 설계됩니다. 일반적으로 냉각수는 금형 바닥으로 들어가 외부 금형 벽과 강철 격납 재킷 사이에 위치한 일련의 평행 수로를 통해 수직으로 통과하고 금형 상단으로 나간다. 주요 제어 매개변수는 다음과 같습니다.

• 필요한 수온, 압력 및 수질에서의 물의 양.
• 금형 라이너 주변의 통로를 통해 균일하게 물의 유속

일반적으로 가압 재순환 폐쇄 루프 시스템이 사용됩니다. 물의 유속은 체적 수온의 과도한 증가 없이 스트랜드로부터 열을 흡수하기에 충분하여야 한다. 온도가 크게 증가하면 열 전달 효율성이 감소하고 금형 온도가 높아질 수 있습니다. 같은 이유로 금형 입구 수온도 과도하지 않아야 합니다. 또한 적절한 금형 수압이 필요합니다. 높은 수압은 끓는 것을 억제하는 경향이 있지만 너무 높은 수압은 기계적 금형 변형을 일으킬 수 있습니다.

수질은 몰드 라이너의 스케일 침착과 관련하여 중요한 요소입니다. 스케일 증착은 금형 벽 온도를 증가시키는 금형 냉각수 계면에서 추가적인 열 저항을 유발하여 증기 발생 및 구리 라이너 강도 감소와 같은 역효과를 초래하기 때문에 심각한 문제가 될 수 있습니다. 형성되는 스케일의 유형과 양은 주로 냉각수의 온도와 속도, 금형의 냉면 온도 및 수처리 유형에 따라 다릅니다.

적절한 유속을 달성하기 위해 냉각 시스템은 속도가 금형-냉각수 경계면에서 효과적인 열 전달 계수를 생성하기에 충분히 높도록 설계되었습니다. 유속이 너무 낮으면 이 경계면에서 더 높은 열 저항이 발생하여 끓는 현상과 그 부작용이 발생할 수 있습니다. 일반적으로 냉각수 속도가 높을수록 금형 온도가 낮아집니다. 냉각 시스템은 또한 요구되는 유속 분포를 금형 주위에 균일하게 유지하고 직접 수냉식되는 면의 면적을 최대화하도록 설계되어야 합니다. 헤더와 베일 플레이트를 사용하여 물 통로의 적절한 기하학적 설계로 균일한 흐름 분포를 얻을 수 있습니다.

금형 냉각 시스템의 작동 매개변수를 모니터링하면 주조 공정을 평가할 수 있습니다. 예를 들어 냉각수 유량이 일정할 때 금형 면에서 제거된 열은 유입구와 유출구 수온의 차이(델타 T)와 직접적인 관련이 있습니다. 따라서 지나치게 큰 델타 T는 하나 이상의 금형 면에 대해 비정상적으로 낮은 유속을 나타내는 반면, 지나치게 작은 델타 T는 하나 이상의 금형 면에 대해 비정상적으로 큰 규모 축적을 나타냅니다. 반대 면에 대한 불평등한 델타 T는 비대칭 주입 흐름, 몰드 왜곡 또는 스트랜드 오정렬로 인해 발생합니다.

CC 기계의 2차 냉각 섹션에서 열 전달

금형 아래에서 열 전달은 강철 쉘이 냉각 매체, 물 또는 스프레이 노즐의 물 공기 혼합물과 직접 접촉하여 발생합니다. 이 섹션의 냉각은 종종 2차 냉각이라고 합니다. 이 2차 냉각 섹션에서는 고압의 이류체 분무, 복사 및 백업 및 가이드 롤과의 접촉으로 인해 열이 추출됩니다. 이 영역에서 열 전달은 결합된 열 전달 계수를 특징으로 합니다. 여기에서 열은 세 가지 전달 모드(전도, 대류 및 복사) 모두에서 전달됩니다. 그러나 롤, 특히 내부 냉각 지지 롤은 스트랜드에서 많은 열을 발산합니다.

2차 냉각 영역에서 주강 표면에서 제거된 열유속은 다음과 같이 표현될 수 있습니다.

q =K(Ts – Tw) + qR

여기서 q는 총 열유속, K는 열전달 계수, Ts는 표면 온도, Tw는 냉각수 온도, qR은 복사 열유속입니다.

2차 냉각에 영향을 미치는 주요 변수는 표면 온도입니다. 이론 용어 '라이덴프로스트 온도'는 CC 기계의 작동 및 설계에 매우 실용적인 영향을 미칩니다. 분무 냉각 효율은 표면 온도에 크게 좌우됩니다. 냉각된 표면에 안정적인 증기층을 형성할 수 있습니다. 안정적인 증기층은 표면이 냉각수에 직접 닿지 않도록 보호하며 냉각 강도는 낮습니다. 증기층의 안정성은 표면 온도와 관련이 있습니다. 온도가 낮아지고 증기층이 무너지면 냉각이 즉시 커집니다.

실제 표면 온도와 해당 주조 및 2차 냉각 조건에 대한 '라이덴프로스트 온도'는 냉각 강도를 크게 변경할 수 있습니다. 라이덴프로스트 온도는 이론적인 용어로 연속 주조에 매우 실용적인 영향을 미칩니다. 라이덴프로스트 온도를 예측하는 이론적인 방법은 존재하지 않습니다. 측정을 통해서만 얻을 수 있습니다.

냉각 강도는 고온 영역의 강도에 비해 저온 영역에서 10배 더 높을 수 있습니다. 이 두 온도 영역 사이의 경계는 라이덴프로스트 온도입니다. 

분무수 시스템의 주요 열 전달 기능은 다음을 제공하는 것입니다.

• CC 작업의 제약 조건(강종, 주조 속도 등)에서 완전한 응고를 얻기 위한 적절한 양의 물
• 금형 아래에서 절단 작업까지 스트랜드의 열 조건, 즉 스트랜드 표면 온도 및 스트랜드의 열 구배를 조절하는 기능
• 격납 롤 냉각과 같은 보조 기능

부적절한 모양 및 균열과 같은 표면 및 내부 결함의 발생을 피하기 위해 스트랜드의 온도 수준과 열 구배를 모두 제어해야 합니다. 고온에서 강철 쉘의 강도 특성은 쉘이 CC 작업에 의해 부과되는 외부 및 내부 힘을 견디는 능력에 중요한 역할을 합니다. 1차 힘은 액체 코어의 강정압과 철수 작업의 견인력에 의해 가해지는 힘입니다. 특히, 고상선 온도에 가까운 강재는 연성이 낮고 쉘에 균열이 생기기 쉽습니다. 강철의 강도를 초과하는 열 변형이 발생하여 균열이 발생할 수 있으므로 온도 구배를 제어하는 ​​것이 중요합니다. 과도한 열 변형은 과냉각 또는 과냉각에 의한 열 추출 속도의 변화로 인해 발생합니다. 후자의 조건은 재가열로 인해 발생하며, 이는 분무 냉각이 부적절하게 종료되고 스트랜드가 환경으로 복사 열 전달에 의해 붕괴되기 전에 온도 상승과 함께 내부에서 열 전달에 의해 재가열될 때 발생합니다. 이러한 조건에서 과도한 변형과 ​​균열이 발생할 수 있습니다. 이 효과는 물 분무 냉각 작업을 확장 및 변경하여 복사 냉각 영역과의 원활한 전환을 제공함으로써 감소될 수 있습니다.

따라서 2차 냉각 시스템을 설계할 때 스트랜드를 따라 제품 무결성과 품질을 만족시키는 열 조건을 설정해야 합니다. 예를 들어, 가닥을 따라 표면 온도가 지정됩니다. 일반적으로 700°C ~ 1200°C 범위입니다. 이 정보를 기반으로 스트랜드를 따른 냉각 속도는 열 전달 방정식에서 결정됩니다. 이 계산에서 중요한 매개변수는 물 분무의 대류 열전달 계수와 물 플럭스(표면 접촉의 단위 면적당 물의 양)를 포함합니다. 스프레이 노즐의 유형, 스트랜드 표면에 대한 노즐 위치, 노즐 수 및 수압은 2차 냉각 부문 전체에 필요한 물 플럭스와 분포를 제공하기 위해 선택됩니다. 여러 노즐은 일반적으로 겹치는 패턴이 있는 가닥을 따라 각 수준에서 사용됩니다.

일반적으로 일련의 냉각 구역이 스트랜드를 따라 설정되며, 각 구역은 동일한 노즐 구성과 열 전달 특성을 갖습니다. 스트랜드의 길이를 따라 필요한 냉각 속도가 감소하기 때문에 연속 영역에서 물 플럭스가 감소합니다.

운전 중 유속의 변화는 주조 속도, 스트랜드 표면 온도, 냉각수 온도 및 강종과 같은 주조 조건의 변화를 보상하기 위해 이루어집니다.

복사, 전도 및 대류라는 세 가지 기본 형태의 열 전달은 2차 냉각 영역에서 발생합니다.

복사는 2차 냉각 챔버의 상부 영역에서 열 전달의 주된 형태이며 다음 방정식으로 설명됩니다.

Q =KEA(Ts? -Ta?)   (Ts 및 Ta 값은 4의 제곱임)

여기서 K는 잘 정립된 스테판-볼츠만 상수, E는 방사율 상수(일반적으로 0.8), A는 표면적, Ts와 Ta는 각각 강철 표면과 주변 온도입니다.

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

Q=kA(Ti-To)/델타 X

강철 쉘을 통한 전도성 열 전달의 경우, k는 쉘의 열전도율이고, A 및 델타 X는 각각 열이 전달되는 강철 쉘의 단면적 및 두께입니다. Ti 및 To는 각각 쉘의 내부 및 외부 표면 온도입니다. 이러한 형태의 열 전달은 격납 롤을 통해서도 발생합니다.

대류는 분무 노즐에서 분무된 물방울 또는 미스트를 빠르게 이동시켜 강철 표면 옆의 증기층을 관통하여 발생하는 열 전달 메커니즘으로, 이후 증발합니다. 이 대류 메커니즘은 다음 방정식에 의해 뉴턴의 냉각 법칙에 의해 수학적으로 설명됩니다.

q=hA(Ts-Tw)

여기서 열 전달 계수 'h'(상수)는 선택된 물 플럭스, 노즐 유형, 분무 수압(공기 미스트가 사용되는 경우 공기 압력) 및 최종적으로 강철 표면 온도에 대해 실험적으로 결정됩니다. A는 표면적입니다. T와 Tw는 각각 강철 표면과 분무수 온도입니다.

구체적으로 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
• CC 기계 격납 냉각

2차 냉각 시스템의 역할은 금형 출구에서 완전히 응고될 때까지 스트랜드의 열 상태를 제어하는 ​​것입니다. 무결함 CC 강재를 보장하기 위해 강재 등급, 강선 크기, 주조 속도 및 CC 기계 설계에 따라 달라지는 패턴에 따라 강선을 냉각해야 합니다. 일반적으로 높은 냉각 또는 재가열 속도와 함께 큰 온도 변동을 피해야 합니다. 표면재가열은 응고선단에 가까운 부분에 열응력을 발생시키며, 이는 재가열량과 강종에 따라 일반적으로 중간균열 또는 열간균열로 이어질 수 있다. 굽힘 또는 교정 영역의 스트랜드 표면 온도가 주조할 강의 낮은 연성 범위를 벗어나는 것도 중요합니다. 그렇지 않으면 표면 균열의 위험이 있습니다.

2차 냉각 섹션을 넘어선 열 전달

2차 냉각 섹션의 끝에서 차단 섹션 스트랜드는 주로 대류 및 복사에 의해서만 공기 중에서 냉각됩니다.