강철 연속 주조는 에너지 절감, 고수율, 운전 유연성, 주조품 경쟁력 있는 품질 등 고유 장점으로 전 세계 강철 생산 주요 공정입니다. 연속 주조가 강철 생산 주요 루트로 확립됨에 따라 연속 주조 기술을 통한 강철 생산 품질 개선과 비용 절감 측면에 초점 점점 더 맞춰지고 있습니다. 오늘날 가장 엄격한 품질 요건 중 하나는 강철 청정도입니다. 높은 강철 청정도 요구는 연속 주조 공정 중 비금속 개재물(단순히 개재물) 엄격한 제어 요구. 최종 제품 잔류 개재물은 강철 특성 손상과 품질 저하 초래.
연속 주조 몰드 내 개재물 제거 어렵습니다. 용강이 고체화되고 개재물 부상 기회 적기 때문. 개재물 제거와 강철 제품 최종 개재물 분포는 개재물 특성, 액강 내 개재물 수송, 개재물-고체화 쉘 상호작용에 고도로 의존. 따라서 개재물 포획과 최종 제품 내 최종 분포 이해는 청정도 제어와 강철 제품 품질 위해 중요.
열간/냉간 압연강 표면 품질 문제는 강철 품질과 가격 직접 관련되어 항상 중요한 관심사. 압연강 표면 품질은 연속 주조와 재가열 조업 영향도 받는데, 개재물이 압연강 표면 크랙 생성 주요 원인 중 하나이기 때문. 열역학 계산 기반 개재물 조성·형상 변형으로 강철 표면 품질 증진 시도 있으나, 이 시도가 표면 품질 문제 완전 해결엔 아직 부족해 보임.
강철 내 개재물 평가는 큰 관심사이며 (1) 개재물 총량, 형상, 크기 분포, 공간 분포 탐구, (2) 화학 조성 확인 포함.
고품질 강철 제품에 대한 끊임없는 수요 증가는 제강 관계자로 하여금 강철 청정도 요구사항을 점점 더 인식하게 만듭니다. 개재물은 주강 중요 문제로 과도한 수리나 거부 초래 가능. 압연강 제품 여러 결함 개재물과 연관. 강철 기계적 거동은 개재물과 침전물의 체적분율, 크기, 분포, 조성, 형상에 크게 좌우되며 이들은 응력 상승 인자 작용. 개재물 크기 분포 특히 중요, 큰 거대 개재물이 기계적 특성에 가장 해로움. 때로 완전한 강철 히트에서 단일 큰 개재물만으로 치명적 결함 유발. 큰 개재물은 작은 개재물보다 훨씬 적지만 총 체적분율 클 수 있음.
연성 산화물 또는 황화물 개재물 양 증가로 현저히 감소. 또한 고강도 저연성 합금강에서 개재물 존재 시 파단 인성 감소. 크리프, 충격, 피로 시험 등 느린, 빠른, 순환 변형률 반영 시험에서도 개재물로 인한 유사 특성 열화 관찰. 또한 개재물은 보이드 유발, 크랙 유도 가능. 큰 외생 개재물은 열등 표면, 불량 연마성, 내식성 저감, 예외적 경우 슬래그 라인·라미네이션 유발.
개재물은 '수소 유기 균열(HIC)' 저항성도 저하. 강철 피로 문제 대다수 원인은 경질 취성 산화물, 특히 30μm 초과 큰 알루미나(Al₂O₃) 입자. 주강에서 개재물 고체화 형상 중요하지만, 압연 강철 제품 내 개재물 형상은 강철 가공 중 기계적 거동, 즉 강철 기지 대비 '경질'인지 '연질'인지에 크게 좌우. 다양한 개재물 유형 압연 중 변형 거동 개략도 그림 1.
그림 1 변형 중 개재물 거동
'스트링거(stringer)' 형성, 그림 1 (b) (c) 타입, 기계적 특성 방향성 증가시켜 인성과 연성 특히 악영향. 인성과 연성, 특히 평판 압연 제품 두께 방향 특성 최악 개재물은 (d)처럼 기지 따라 변형되는 것. 이들 문제 회피 위해 유해 개재물 크기와 빈도 신중 제어 필요. 특히 주강 내 임계 크기 이상 개재물 없어야 함.
개재물 특성화는 청정 강철 보장 위해 가장 중요한 측면 중 하나. 개재물은 강철 내 존재하는 결함 유형으로 연마성, 연성, 피로 강도 등 특성 심각 영향. 따라서 고성능 강철 생산 위해 개재물 제어 필요. 1차 개재물은 래들 강철 처리 중 형성. 대부분 래들 슬래그나 라이닝으로 제거. 그러나 나머지 개재물 여전히 후속 공정 단계 통해 제거되어야 하며, 추가로 주조·고체화 중 새 개재물 형성.
크기 증가에 따른 개재물 수 감소로 서로 다른 크기 구간 각기 다른 문제 제기. 연마성 면에선 작은 개재물 다수가 크지만 동시에 드문 개재물보다 단순히 더 빈번히 발생해 더 해로움. 반면 저응력 레벨에서 강철 제품 수명 내 파단 유도 임계 크랙 가장 큰 개재물서 성장할 가능성 높음. 이 개재물들 드물고 발생 밀도 정확히 추정 어려움. 중간 피로 응력 레벨서 중간 크기 개재물들이 표면 결함과 크랙 개시 위치 경쟁.
강철 내 개재물은 내생적(endogenously) 또는 외생적(exogenously) 형성 가능. 내생 개재물은 강철 내 합금 원소 용해 가스(산소 등)와 반응해 주강 내 고체 개재물 형성 결과. 개재물은 탈산, 재산화, 고체 상태 기체 종 용해도 감소로 고체화 중 형성 가능. 외생 개재물은 용강 외부 소스(슬래그 포획, 내화물 손상 등)서 옴.
내생 개재물은 탈산 생성물 또는 강철 냉각·고체화 중 침전 개재물.
저탄소 알루미늄 킬드(LCAK) 강철 알루미나 개재물, 실리콘 킬드 강철 실리카(SiO₂) 개재물은 용해 산소와 첨가 알루미늄·실리콘 탈산제 반응 생성 대표적 탈산 개재물. 알루미나 개재물 고산소 환경 형성 시 수상형. 탈산 또는 재산화서 클러스터형 알루미나 개재물, 알루미늄 킬드 강철 전형적. 알루미나 개재물 높은 계면 에너지로 충돌·응집 통해 3차원 클러스터 쉽게 형성. 클러스터 내 개별 개재물 직경 1~5μm. 충돌, 파쇄, 타 입자 응집 전 꽃판 형상 또는 (응집된) 다면체 개재물 형태 가능. 대안적으로 산호형 알루미나 개재물 원래 수상형 또는 클러스터형 알루미나 '오스트발트 리프닝(Ostwald-ripening)' 결과로 여겨짐. 실리카 개재물 용강 내 액체 또는 유리질 상태라 보통 구형. 실리카도 클러스터 형성 가능.
이 개재물들 강철 냉각·고체화 중 형성. 냉각 중 용해 산소/질소/황 농도 높아지며 이들 원소 용해도 감소. 따라서 알루미나, 실리카, 질화알루미늄(AlN), 황화물 침전. 황화물 고체화 중 수지상 사이 형성, 기 용강 내 기존 산화물 위 핵생성 빈번. 이 개재물들 보통 작음(10μm 미만 크기).
외생 개재물 주로 용강과 주변(슬래그 포획, 라이닝 내화물 침식) 우발적 화학(재산화)·기계적 상호작용서 발생. 가공 중 채터 발생, 가공 단면 표면 핏·굴곡, 빈번한 파손, 과도 공구 마모 유발.
외생 개재물 항상 관행 관련, 크기와 화학 조성 자주 소스 식별 가능, 소스 주로 재산화, 슬래그 포획, 라이닝 침식, 화학 반응. 이 개재물들 다음 특성 가짐.
내화물 침식서 온 외생 개재물 슬래그 포획서 온 것들보다 보통 더 큼.
외생 개재물 다음 현상들로 발생: (1) 용강과 슬래그·라이닝 내화물 내 실리카, FeO, MnO 반응 생성 알루미나 개재물 표면 잔류, (2) 외생 개재물 이동 중 큰 크기로 탈산 개재물(알루미나 등) 표면 포획, (3) 외생 개재물 용강 내 이동 중 새 개재물 침전 이종 핵생성 위치 역할, (4) 슬래그 또는 재산화 개재물 라이닝 내화물 반응 또는 추가 자재 용강 유입.
외생 개재물 보통 불규칙 형상, 슬래그 포획 또는 탈산 생성물 실리카서 구형 아닌 경우. 구형 외생 개재물 보통 크고(50μm 초과) 다상, 구형 탈산 개재물 보통 작고 단상.
외생 개재물 작은 개재물 비해 수 적음.
외생 개재물 강철 내 산발적 분포, 작은 개재물처럼 잘 분산 안됨. 주입·고체화 중 강철 포획되므로 우발적 산발적. 반면 쉽게 부상하므로 강철 단면 가장 빠르게 고체화 구역이나 부상 탈출 어떤 식으로든 방해받는 구역에만 집중. 따라서 이 개재물들 표면 근처서 자주 발견.
외생 개재물 큰 크기 때문에 작은 개재물보다 강철 특성 더 해로움.
외생 개재물 소스 문제 압도하는 한 이슈: 왜 그렇게 큰 개재물 강철 내 있은 후 빠르게 부상하지 않나. 가능한 이유: (1) 제강, 이송, 야금 용기 내 침식 중 늦은 형성으로 주조기 몰드 진입 전 부상할 충분한 시간 부족, (2) 충분한 과열도 부족, (3) 고체화 중 유동 몰드 슬래그 포획 유도, (4) 슬래그 완전 진입 전 부상 개재물 재포획.
재산화서 온 큰 거대 개재물 강철서 발견 가장 흔한 형태 알루미나 클러스터. 공기 가장 흔한 재산화 소스, 발생 경우: (1) 래들 주입 시작 시 강한 난류와 흐르는 액체 표면 산화막 접혀 액체 내 약한 산화물 입자 면 형성, (2) 래들-툰디시, 툰디시-몰드 사이 조인트서 공기 용강 빨려들어감, (3) 주입 중 래들, 툰디시, 몰드 강철 상부 표면서 공기 강철 침투.
이런 재산화 중 알루미늄, 칼슘, 실리콘 등 탈산 원소 우선 산화, 생성물 개재물 발달, 보통 탈산 개재물보다 1~2 크기 정도 더 큼. 이런 재산화 방지 해법은 주조 공정 공기 노출 제한. 방법: (1) 래들-툰디시, 툰디시-몰드 연결부 주변 불활성 가스 커튼 슈라우딩(강철 링 매니폴드 또는 다공성 내화물 링 이용), (2) 주입 전 툰디시에 아르곤 가스 퍼징, 주입 중 툰디시 표면 아르곤 퍼징, (3) 래들 아르곤 가스 주입 제어로 아이 형성 회피.
다른 재산화 소스: 슬래그와 라이닝 내화물. 이 재산화 메커니즘으로 개재물 슬래그 또는 라이닝 계면 접근 시 반응 SiO₂/FeO/MnO + [Al] = [Si]/[Fe]/[Mn] + Al₂O₃ 통해 성장, 가변 조성 큰 알루미나 개재물 생성. 이 현상 외생 개재물 여러 방식 추가 영향: (1) 이 반응 라이닝 표면 침식·불균일화, 라이닝 벽 근처 유동 패턴 변화시켜 라이닝 추가 가속 파손 유도, (2) 파손 라이닝 또는 포획 슬래그 큰 외생 개재물 소형 개재물(탈산 생성물 등) 포획, 신규 침전 이종 핵 역할도 해 외생 개재물 조성 복잡화.
슬래그·라이닝 내화물 재산화 방지 위해 낮은 SiO₂, FeO, MnO 함량 유지 매우 중요. 고알루미나 또는 저유리실리카 함유 지르코니아 벽돌 더 적절 보고됨.
제강 작업이나 용강 이송 모두 슬래그-금속 난류 혼합 수반, 특히 용기 간 이송 시. 슬래그 입자 강철 내 현탁 생성. 슬래그 개재물 10~300μm 크기, 다량 CaO(석회) 또는 MgO(마그네시아) 함유, 보통 용강 온도서 액체라 구형. 'H' 형 툰디시 사용과 두 래들 통해 주입은 래들 교체 기간 중 슬래그 포획 감소. 연속 주조 공정 중 슬래그 포획 영향 요인: (1) 래들-툰디시, 툰디시-몰드 이송 작업 중 특히 오픈 주입 시 용강 상부 표면 볼텍스, 저액위서 여러 방식 회피 가능(볼텍스 시작 전 주입 중단), (2) 임계 가스 유량 이상 가스 교반 하 상부 표면 유화·슬래그 포획, (3) 몰드 메니스커스 난류, (4) 계면장력·슬래그 점도 등 슬래그 특성.
예: 몰드 분말 (1) 메니스커스 난류(그림 2A), (2) 볼텍스(그림 2C), (3) 강철→슬래그 이동 기포 유도 유화(그림 2B, 2D), (4) 압력차로 노즐 벽 따라 흡입(2E), (5) 표면 슬래그 전단 고속 유동(2A), (6) 레벨 변동(그림 2B) 등으로 용강 포획 가능.
그림 2 몰드 분말 포획 개요도
강철과 액체 주조 분말 사이 계면장력 강철 메니스커스 높이와 플럭스 포획 용이성 결정. 구체적 순철 접촉 라임-실리카-알루미나 슬래그 1.4N/m 계면장력 ~8mm 메니스커스 높이 산출. 계면장력 표면활성 종(황 등) 또는 계면 교환 반응(슬래그 내 산화철에 의한 강철 알루미늄 산화) 등으로 저값으로 감소. 화학 반응 연관 극저 계면장력 마랑고니 효과 통해 계면 자발적 난류 제공. 이런 난류 계면 유화 생성, 강철 내 바람직하지 않은 슬래그 비드 생성.
내화물 침식(웰 블록 모래, 느슨한 먼지, 파손 내화 벽돌, 세라믹 라이닝 입자 등)은 전형적 고체 큰 외생 개재물 매우 흔한 소스, 보통 래들·툰디시 자재 관련. 외생 개재물 알루미나 이종 핵생성 위치 역할 또는 토착 개재물과 응집 가능. 내화물 침식 생성물이나 기계적 혼입 개재물 발생은 다른 면 매우 청정 강철 품질 완전 손상 가능.
일부 침식 공정 연구서 '유약 내화물'과 '벽돌 표면 반응층'이 1,550~1,600℃ 액강서 형성됨 보고. 라이닝 표면 큰 개재물 덩어리도 용강 방출 가능.
라이닝 침식 보통 난류 구역서 발생, 특히 재산화, 고주입 온도, 화학 반응 결합 시. 라이닝 침식 강하게 영향주는 파라미터들:
일부 강종 꽤 부식성(고망간, 킬드 부족 고가용 산소 함량 강종 등) 라이닝 벽돌 공격.
재산화 반응(용강 용해 알루미늄이 라이닝 내화물 실리카 환원, 산화철계 개재물 생성, 라이닝 자재 적심해 라이닝 침식 유도, 고유동 난류 구역서).
벽돌 조성·품질 강철 품질 상당한 효과. 한 플랜트서 세 재료(고알루미나, Al₂O₃-SiC-C, MgO-C, 마모율 각각 1mm/히트, 0.34mm/히트, 0.16mm/히트) 슬래그라인 채택, 내화물 침식성 툰디시 플럭스·슬래그 손상 경향 구역, MgO-C 벽돌 세 중 최고 내구성. 산화망간 내화물 실리카 함유 부분 우선 공격. 초고순도 알루미나·지르코니아 입자 산화망간 공격 견딤.
고망간강 급속 내화물 침식 제약: (1) 초고순도 알루미나/지르코니아 내화물 사용, (2) 강력한 탈산제(알루미늄/칼슘)로 강철 완전 킬드해 산소 최소화, 공기 흡수 방지. 실리카계 툰디시 라이닝 마그네시아계 스프레이 라이닝보다 나쁨. 고알루미나 내화물 가장 유망 제안. 노즐 내화물 산화칼슘 함유로 벽면 알루미나 개재물 액화 도움, CaO 계면 확산 충분히 빠르고 노즐 침식 문제 없으면. 노즐 침식 노즐 내화물 조성 제어(나트륨, 칼륨, 실리콘 불순물 회피 등) 또는 노즐 벽 순수 알루미나, 질화붕소, 타 내성 재료 코팅으로 대응. 슈라우드 벽 표면 내화물 강철과 반응 개재물·막힘 생성 최소화 선택 필요.
과도 액강 속도 툰디시 벽 따라 침식 영향, 입구 구역 등. 패드 툰디시 바닥 침식 방지, 유동 패턴 제어용 사용 가능. 액강 속도 1m/s 초과 침식 관점 위험 제안.
과도 접촉/체류 시간 고온 침식 문제 악화. 래들 장기 보관 중 큰 개재물 래들 슬래그 부상 가능. 그러나 강철 래들 라이닝 접촉 길수록 래들 침식 생성물 경향 증가. 해법: 주어진 강종 고안정 내화물 개발, 고유동 구역 조밀 내마모 내화물 인서트 개발, 재산화 방지 기반.
화학 반응 칼슘 처리 부적절 시 개재물 변형 산화물 생성. 이 개재물 소스 식별 항상 쉽지 않음, 예: 산화칼슘 함유 개재물 포획 슬래그서도 기원 가능.
고체 개재물 응집 표면장력 효과로 내화물, 기포 표면 등 어떤 표면에서도 발생 가능. 용강 내 알루미나 높은 접촉각(134~146°) 개재물 강철 접촉 최소화 위해 내화물 부착 유도. 1,530℃ 고온 알루미나 소결 가능. 큰 접촉각과 큰 개재물 크기 개재물 응집 촉진. 충돌·응집으로 강철 내 개재물 시간·온도 증가 따라 성장 경향. 잉곳 내 개재물 성장(충돌, 응집, 응고) 다양한 연구 주제, 나노→마이크로 크기 탈산제 첨가~충돌·확산 성장 수치 시뮬레이션 보고.
알루미나 클러스터 소결 기초 추가 연구 필요, 일부 연구 프랙탈 이론 이용해 클러스터 형태(특징) 기술. 내화물 라이닝 표면 개재물 응집 가장 명백 예: 연속 주조 중 툰디시 노즐/SEN 막힘.
강철 연속 주조 개재물 분포 유동, 열전달, 용강 고체화 영향. 개재물 포획 인기 지표: 고체화 전진 임계 속도, 개재물 형상, 밀도, 표면 에너지, 열전도도, 냉각 속도(고체화 속도), 고체화 전선 돌출 조건 등 여러 파라미터 영향. 포획 항력·계면력(반데르발스 힘) 제어됨 보고. 고체화 속도 빠를수록 포획 확률 높음 제안. 고체화 시간 증가, 편석 감소, 고체화 전선 돌출 작아질수록 포획 확률 감소. 수상 간격 개재물 포획 큰 영향, 밀기, 포획, 갇힘 현상 관련.
연속 주조 조업 강철 청정도 제어. 개재물 제거 체계적 연구: 래들 처리 개재물 ~65~75% 저감, 툰디시 ~20~25% 제거(재산화 때때로 발생), 몰드 ~5~10% 제거. 툰디시 조업 강철 청정도 큰 영향. 툰디시 조업 강철 청정도 영향 중요 요소: 툰디시 깊이·용량, 주조 전환, 툰디시 라이닝 내화물, 툰디시 플럭스, 아르곤 가스 교반, 툰디시 유동 제어.
래들·툰디시 상부 슬래그 여러 기능: (1) 용강 단열 열적(과도 열손실 방지), 화학적(공기 포획·재산화 방지), (2) 개재물 흡수 추가 강철 정제. 일반적인 툰디시 플럭스: 볏짚 태운 것, 저렴, 좋은 단열, 크러스트 없이 좋은 커버리지. 그러나 볏짚 실리카 ~80% 고함유, 환원돼 개재물 소스 될 수 있음. 먼지 많고 고탄소 함량(~10%C) 초저탄소강 오염 유발 가능.
염기성 플럭스(CaO-Al₂O₃-SiO₂계, 실리카 10% 미만) 이론상 LCAK 강철 정제 시 볏짚보다 훨씬 우수, 툰디시 저산소와 상관관계. 예: 한 연구서 플럭스 염기도 0.83→11 증가로 총산소 25~50ppm→19~35ppm 감소. 한 제철소 염기성 플럭스 사용 몰드 총산소 낮고 강철 제품 결함 감소 보고. 그러나 염기성 플럭스 더 빠른 용융율과 고결정화 온도로 표면 쉽게 크러스트 형성해 비효율적일 가능성 높음. 이 크러스트 주입 중 래들 슈라우드 주변 개방 슬래그 프리 아이(open slag-free eye) 진화시켜 과도 재산화 면적 제공뿐 아니라 상당한 복사 열손실, 작업 플랫폼 운전원 불편 유발. 또한 염기성 플럭스 보통 저점도라 더 쉽게 포획. 이 이슈 회피 위해 한 제철소 2층 플럭스 사용: 하층 저융점 염기성 플럭스 개재물 흡수, 상층 볏짚계 플럭스 단열. 총산소 22.5→16.5ppm 저감.
툰디시 유동 패턴 용강 체류 시간 증가, '쇼트 서킷팅(short circuiting)' 방지, 개재물 제거 촉진 설계 필요. 툰디시 유동 형상, 레벨, 입구(슈라우드) 설계, 충격 패드, 위어(weir), 댐(dam), 배플(baffle), 필터 등 유동 제어 장치 제어. 깊은 툰디시 대용량 용강·입자 체류 시간 증가해 개재물 제거 촉진. 깊은 툰디시 볼텍스 형성 억제, 슬래그 포획 이슈 되기 전 래들 전환 더 많은 시간 확보. LCAK 강철 툰디시 크기 지난 20년간 전 세계적으로 점진적 증가, 슬래브 연속 주조기 경우 보통 60~80톤, 약 1.8m 깊이 도달.
적절히 정렬, 위어·댐과 함께 시 주입 패드 강철 청정도 개선, 특히 래들 교체 시. 예: 한 제철소 주입 패드 추가로 래들 전환 중 알루미나 48→15ppm 감소. 다른 제철소 총산소 돔 패드 26ppm→허브캡 패드 22ppm 감소. 또 다른 제철소 댐 77개 구멍 뚫어 부분 필터 역할하게 해 강철 청정도 개선. 또 다른 제철소 배플+초기 툰디시 커버 유사 기술로 정상 주조 중 툰디시 평균 총산소 39±8→24±5ppm 저감.
세라믹 필터와 CaO 필터 개재물 제거 매우 효과적. 그러나 비용과 막힘 전 유효 운전 시간 보통 사용 금지. 툰디시 바닥 불활성 가스 주입 용강 혼합 개선, 개재물 충돌·제거 촉진. 한 제철소 이 기술 적용 툰디시 총산소 16ppm 성공적 저감. 그러나 이 기술 위험: 개재물 머금은 기포 툰디시 탈출 스트랜드 포획 시 심각한 결함 유발. 보고: 이 기술로 툰디시 강철 산화물 면적분율(0.001%) 25% 감소.
주조 전환: 주조 시퀀스 시작, 래들 교체·노즐 교체 중, 주조 종료 시 발생. 이 전환들 청정도 결함 대다수 책임. 전환 중 개재물 자주 생성, 오래 지속돼 많은 강철 오염. 첫 히트 시작 슬리버 결함 지수 첫 히트 중간 대비 5배, 연속 히트 대비 15배 이상 높음. 불안정 주조 기간 중 슬래그 포획·공기 흡수 더 빈번, 재산화 문제 유발. '자개방(self-opening)' 래들 랜싱 없이 자체 개방. 랜싱 슈라우드 제거 필요, 특히 최초 650~1,200mm 주조 중 재산화 발생. 랜싱 개방 히트 총산소 자개방 히트 대비 ~10ppm 높음. 래들 개방 모래 신중한 패킹 자개방 달성 도움. 래들 모래 고실리카 함량으로 재산화 소스도 됨.
래들 전환 중 개선: 몰드 액체 유입 툰디시 채워질 때까지 중단, 스토퍼 통해 가스 버블링해 개재물 부상 촉진. 다른 개선: 슈라우드 침수 개방으로 새 래들 오픈. 이 조치로 한 제철소 총산소 41±14→31±16ppm 감소, 시퀀스 전체 일관된 품질.
예: 한 제철소 툰디시 전환 중 총산소 50~70ppm, 정상 25~50ppm. 다른 제철소 차이 3ppm만. 한 제철소 전환 총산소 19.2ppm(정상 16ppm), 다른 제철소 전환 27±5ppm(정상 24±5ppm). 또 다른 제철소 티밍 시작 툰디시 질소 픽업 5~12ppm, ~12분 후 0~2ppm 감소(정상 주조 상태).
래들 티밍 말미 래들 출구 근처 용강 볼텍스로 래들 슬래그 툰디시 유입 가능. 현상 클로징 시 래들 일정 강철 잔류 필요(예: 4톤 '힐'). 추가 툰디시 깊이 래들 클로즈 후 감소, 정상 툰디시 유동 방해, 슬래그 볼텍스·포획, 몰드 총산소 증가 유발.
래들→몰드 강철 슈라우딩: 래들 슬라이드 게이트 슈라우딩, 래들 컬렉터 노즐, 래들 슈라우드 연결, 툰디시 웰 블록, 툰디시 슬라이드 게이트 상부 플레이트. 슈라우드 설계 변형 툰디시-몰드 용강 이송 조업 대단히 중요. 최적화된 슈라우딩 시스템 사용 이송 작업 중 재산화 크게 저감. 예: 한 제철소 래들 슈라우드 사용 오픈 주입 대비 질소 픽업 24→3ppm 저감. 다른 제철소 툰디시 주입 박스 래들 슈라우드+댐 교체 질소 픽업(래들→툰디시) 7.5→4ppm 저감, 전환 중 슬래그 포획도 저감. 또 다른 제철소 래들→툰디시 슈라우드 시스템 개선 질소 픽업 14→3ppm 저감.
한 제철소 래들→툰디시 스트림 슈라우딩 용해 알루미늄 손실 130→70ppm 저감, 총산소 증가 12ppm 저감. 슈라우드 없이 주입(빌릿 주조 일반) 시 주입 스트림 난류 매우 중요. 매끄러운 스트림 난류 또는 '로프(ropy)' 스트림보다 훨씬 덜 산소 포획. 이런 조업 툰디시-몰드 사이 매끄러운 스트림 생산 위해 계량 노즐 에지 유지, 툰디시 횡 노즐 고속 유동 회피 필요. 보호용 툰디시 커버 신중한 에지 밀봉도 총산소 41.5→38ppm 저감 도움.
다양한 불활성 가스 슈라우딩 시스템 현재 이용 가능. 래들-툰디시 사이 슈라우딩으로 주조품(LCAK 강철) 총산소 48.5→28.5ppm 저감, 아르곤 밀봉 추가로 23ppm 저감 가능. 슈라우드 조인트 신중한 밀봉 청정도 개선과 막힘 방지 위해 매우 중요. 래들 노즐-래들 슈라우드 사이 베요넷 시스템 개선 질소 픽업 8→1ppm 미만 저감. 침수 입구 노즐(SEN) 홀더 강화·정비 강화 초기 질소 픽업 1.8→0.3ppm 저감.
불활성 가스 여러 방식 강철 공기 재산화 보호. 주조 시작 공기 포획 대응 위해 래들 개방 전 툰디시 불활성 가스 퍼징(공기 치환) 스타트업 총산소·질소 픽업 저감. 아르곤 주입 슈라우드 가압 조인트/누수 통한 공기 재산화 방지 도움. 노즐 내부 양압 보장 최소 아르곤 가스 유량 가이드라인 필요. 추가 조인트 아르곤 가스 플러딩 누수 시 공기 아닌 불활성 가스 흡입 보장.
한 제철소 툰디시 스토퍼 로드 아르곤 주입·개선 밀봉 툰디시→주조품 질소 픽업 5→1.8ppm 저감, 주조품 총산소 31→22ppm 저감, 주조품 알루미나 클러스터 크기 감소, 막힘 감소. 타 제철소 스토퍼 로드 아르곤 주입 MIDAS 법 검출 개재물 수 25~80% 감소. 슬라이드 게이트 상부 플레이트 아르곤 가스 퍼지 주입 50~100μm 크기 개재물 3/cm²→0.6/cm², 100~200μm 거대 개재물 1.4/cm²→0.4/cm² 저감.
노즐 유동 패턴과 주조품 품질 심대 영향 미치는 비교적 저비용 변경 가능 제어 파라미터 중 하나. 노즐 파라미터: 보어 크기, 포트 각도·개방 크기, 노즐 벽 두께, 포트 형상(원형, 사각, 타원), 포트 수(분기/다중포트), 노즐 바닥 설계(웰, 평평, 경사), 침수 깊이. 너무 깊거나 얕은 침수 깊이 모두 종·횡 크랙·우울증 문제 증가.
한 연구 1949년 알루미늄 킬드 강철 잉곳 주입 노즐 보어 표면 커런덤(Al₂O₃) 피복 발생 발견. 다른 연구 고알루미늄(0.0036%) 노즐 막힘 발생, 노즐 단면 노즐 벽서 보어 향해 수상 알루미나 성장 관찰. 또 다른 연구 알루미늄, 지르콘, 티타늄, 희토류 클로그 관찰.
노즐 막힘 원인: 재산화, 또는 알루미나·칼슘 황화물(CaS) 등 고체 산화물/황화물 축적. 생산 공정 방해 외 툰디시 노즐/SEN 막힘 강철 청정도 여러 이유 해로움: (1) 이탈 클로그 강철 내 포획 또는 플럭스 조성 변경→두 경우 결함, (2) 클로그 노즐 유동 패턴·제트 특성 변경→몰드 유동 방해→슬래그 포획·표면 결함, (3) 막힘 몰드 레벨 제어 방해, 유량 제어 장치(스토퍼 로드/슬라이드 게이트) 막힘 보상 시도.
노즐 막힘 치료: 래들 관행 개선 강철 청정도 향상, 매끄럽고 비반응성 내화물 구현, 노즐 통한 유동 제어 매끄러운 유동 패턴 보장. 3플레이트 슬라이드 게이트→스토퍼 로드 시스템 변경 한 제철소 막힘 감소. 막힘 최소화 여러 관행: 개재물 최소화 일반 조치 외 내화물 침식 막힘 노즐 내화물 조성 제어(나트륨, 칼륨, 실리콘 불순물 회피 등) 또는 노즐 벽 순수 알루미나, 질화붕소, 타 내성 재료 코팅 대응. 유동 패턴 개선·개재물 제거 보고된 SEN 신기술: (1) 스월 노즐, (2) 스텝 노즐, (3) 다중포트 노즐, (4) 타원 오프셋 보어 스로틀 플레이트.
SEN 업스트림 끝에 고정 블레이드 배치해 노즐 내 스월 유동 유도. 노즐 내 선회 유동 원심력 액강 두 스파우트 균등 분배. 원심력 가진 액강 스트림 노즐 내부 벽 부근 최대 속도, 스파우트 상부 흘러나감 경향. 따라서 일반 노즐 스파우트 하부 향하는 속도 분포 균일화 가능. 이 스월 노즐 연속 주조 사용 시 완제품(코일) 결함율 일반 노즐 25% 감소, 주조 속도 30% 상승 보고. 비용 일반 노즐 대비 20%만 높고 '전자기 브레이크' 사용보다 저렴. 이 스월 유동 패턴 '전자기 교반' 노즐서도 생성 가능, 주강 고체화 구조 개선도 가능.
일반 SEN 아웃포트 유동 패턴 SEN 슬라이드 게이트로 불균일/편향. 편향 유동 패턴(SEN 아웃포트 스월 유동) 제트 충격 증가→탑 표면 개재물 제거 악화. 내부 환형 스텝 사용 몰드 편향 유동 약화. 계산: 일반 SEN 50μm 개재물 탑 표면 제거율 2%, 스텝 SEN 7% 증가.
일반 시스템 게이트 스로틀링 툰디시-몰드 유동 채널 업·다운스트림 고도 치우친 편향 유동 생성. 이 효과들 오프셋 보어 시스템 상당 부분 감소. 오프셋 게이트 설계 유체 툰디시 웰 노즐 중앙서 더 추출. 시스템 웰 노즐 벽 축적 덜 민감→웰 노즐 유효 수명 연장→더 긴 툰디시 시퀀스 허용. 실무서도 오프셋 보어 게이트 플레이트 내 막힘 일반 게이트 대비 현저히 감소 발견.
몰드 표면 속도 슬래그 포획·탑 표면 변동 큰 영향 알려짐. 여러 결함 몰드 표면 속도 관련. 표면 속도 감소 강철 청정도 개선 매우 중요. 이 과제 SEN 다중 아웃포트 사용 목표로 삼을 수 있음. SEN 바닥 구멍 추가는 사이드 제트 모멘텀 저감해 고처리량에서도 좋은 강철 유동·메니스커스 조건 가능, 더 잘 안정화.
연속 주조 몰드 구역 개재물 탑 슬래그층 안전 제거되거나 고체화 쉘 포획돼 강철 제품 영구 결함 형성되는 마지막 정제 단계. Mcpherson 1985년 '몰드 야금(mould metallurgy)' 용어 사용 몰드 강철 청정도 개선 중요성 강조. 몰드 유동 패턴 입자 수송·탑 슬래그 제거 또는 고체화 쉘 포획 영향으로 결함 회피 위해 매우 중요.
탑 표면 과도 유동 유도 일시현상, 메니스커스 난류, 슬래그 포획 개재물 문제로 표면 결함 생성. 그러나 표면 유동 지나치게 감소도 문제: 메니스커스 구역 지나친 정체 표면 결함, 유입 개재물 입자 더 큰 비율 슬래그 제거 전 깊은 곳 보내짐. 따라서 결함 회피 위해 유동 파라미터 최적화 균형 찾아야 함.
표면 결함 가장 명백 소스: 메니스커스 고체화 쉘 이물질 포획. 강철 제트 너무 깊게 향하거나 과열도 너무 적으면 액체 표면 움직임 거의 없고 너무 차가워짐. 강철 메니스커스 동결 유도, 메니스커스 훅 형성 악화. 개재물·기포 포획 허용, 후자 주조품 표면 바로 아래 핀홀 형성. 예: 표면 속도 0.4m/s 미만 감소 표면 핀홀 결함 증가 측정. 이 문제 회피 위해 유동 패턴 탑 표면 임계 최소 속도 초과 설계 필요, ~0.1~0.2m/s 추정.
슬래그 포획 깊은 노즐 침수·저속 주조 시 덜 발생. 이런 전단 방식 슬래그 포획 회피 위해 표면 속도 임계값 이하 유지. 임계 속도 점도·기타 파라미터 함수로 물-오일 모델 측정. 포획 얕은 슬래그층, 고슬래그 점도, 고슬래그 표면장력서 더 어려움.
주조 속도 함수 노즐 아르곤 가스 주입 유량 최대 한계 보고, 이상 몰드 슬래그 포획 발생. 주조 속도 증가 일시적 난류 변동 증가, 유동 패턴 비대칭 악화→해로운 표면 난류·레벨 변동 악화. 내부 청정도 개선 자주 최대 주조 속도 제한 필요, 연필관 결함 회피. 저주조 속도·주조 속도 변동 회피 모두 슬리버 비율 저감. 더 정확히 액체 질량 유량 저감해 노즐 이탈 제트 속도 제어 중요.
몰드 유동 패턴 조절 가능 파라미터: 노즐 형상, 노즐 침수 깊이, 아르곤 가스 주입율, 전자기력 적용. 통상 유동 패턴 수용 위해 조정 불가 파라미터도 의존: 유량 제어 장치(슬라이드 게이트/스토퍼 로드) 위치, 노즐 막힘, 주조 속도, 스트랜드 폭, 스트랜드 두께. 이 모든 파라미터 함께 주어진 조업 최적 유동 패턴 생성 시스템 형성.
노즐·몰드 주입 기포 강철 품질 제어 관련 다섯 효과: (1) 노즐 막힘 감소 도움, (2) 몰드 유동 패턴 영향·제어 도움, (3) 가스 유량 너무 크면 심각한 탑 표면 변동·유화 생성, (4) 액강 흐르며 개재물 포획, (5) 포획 고체 산화물 입자 고체화 쉘 포획→표면 슬리버·내부 결함 최종 유도.
보통 저가스 유량 더블롤 유동 패턴, 고아르곤 유량 싱글롤 유동 유도. 현상 1983년 초기 연구. 안정적 더블롤 유동 패턴(자주 최적) 유지 위해 아르곤 안전하게 임계 레벨 아래 유지. 과도 아르곤 주입 몰드 진입 제트 일시적 변동 생성, 몰드 캐비티 비대칭 유입, 표면 난류 증가. 아르곤 기포 고체화 강철 쉘 포획→연필관 등 블리스터 결함 완제품 생성.
개재물 포획 측면별 변화 관찰, 하부 순환 구역 일시적 유동 구조 변동, 비대칭 유동 패턴(그림 3) 연관 시사. 노즐 막힘, 난류, 과도 아르곤 주입 유도 가능. 액강 레벨, 분말 공급율, 주조 속도, 가스 주입율, 슬라이드 게이트 개도, 노즐 위치(정렬·침수) 거의 일정 유지 특히 중요.
전자기력 액강 여러 방식 적용해 스트랜드 유동 패턴 상당 부분 변경 가능. 외측 스트랜드 전자기 교반 강철 청정도 개선, 주조품 총산소 30→20ppm 저감 보고. 다른 예: 전자기 브레이크(EMBR), 제트 벤드·충격 깊이 단축→스트랜드 깊은 곳 고체화 쉘 포획 가능성 저감.
그림 3 주강 개재물 영향 요인들
곡면 몰드 연속 주조기 직선(수직) 몰드 주조기보다 더 많은 입자 포획 알려짐(그림 3), 입자 하부 순환 구역 선회하며 점차 안쪽 반경 향해 상승 이동 때문. 대다수 입자 메니스커스 1~3m 아래 포획, 주조 속도 무관, 스트랜드 두께 특정 거리 대응. 빈번히 입자 표면과 안쪽 반경 표면서 1/8~1/4 두께 농축. 수직 벤딩 주조기 곡면 주조기보다 개재물·핀홀 적고 더 깊게 분포. 주조기 상부 최소 2.5m 구간 직선(수직)시 입자 포획 결함(연필관 등) 완화 가능.
개재물 양, 크기 분포, 형상, 조성 강철 생산 모든 단계서 측정 필요. 측정 기술: 직접법(정확하나 고비용)→간접법(빠르고 저렴하나 상대적 지표로만 신뢰). 개재물 검출 방법 때로 두 범주: (1) 오프라인 방법, (2) 온라인 방법.
강철 청정도 평가 여러 직접 방법. 아래 기술.
여러 전통적 방법 고체화 제품 시편 2차원 단면 직접 개재물 평가. 아래 마지막 5개 방법은 개재물 조성 측정 능력 추가.
여러 방법 3차원 강철 기지 내 개재물 직접 측정. 첫 4개 초음파/X선 시편 스캔. 마지막 4개 체적법 먼저 개재물 강철 분리.
앞서 적합한 방법으로 강철서 개재물 추출 후 3차원 개재물 크기 분포 찾는 여러 방법.
액체 강철 내 개재물 양·크기 분포 검출 여러 접근법.
그림 4 액체 강철 표면 알루미나 개재물 클러스터링 공정
직접 개재물 측정 비용, 시간 요건, 시편 채취 어려움으로 강철 청정도 보통 제철소서 총산소, 질소 픽업 등 간접법으로 측정.
강철 총산소 = 유리 산소(용해 산소) + 개재물 결합 산소. 유리 산소 또는 '활성' 산소 산소 센서로 상대 쉽게 측정. 주로 탈산 원소(알루미늄 등)와 평형 열역학 제어. 유리 산소 크게 변동 안함 예: 알루미늄 킬드강 1,600℃ 3~5ppm. 강철 시편 큰 개재물 소수 개체군 있으므로 총산소 강철 내 총 산화물 개재물 양 합리적 간접 척도. 단 작은 산화물 개재물 수준만 실제 대표. 총산소 액체 시편 측정 대략 제품 슬리버 결함 발생률과 상관관계. 특히 툰디시 시편 주강 청정도 처분 지표로 통상 채취.
한 제철소 툰디시 시편 총산소 30ppm 미만 요구 냉간압연강판 특별 검사 없이 출하 보장. 여러 제철소 LCAK 강철 각 공정 단계 총산소 수준 데이터서 도출 일반 결론: (1) LCAK 강철 총산소 새 기술 구현 따라 연도 지나며 꾸준히 감소, (2) RH(루르슈탈 헤라우스) 탈가스 장치 보유 플랜트 래들 가스 교반 플랜트(35~45ppm)보다 저총산소(10~30ppm) 달성, (3) 총산소 보통 각 공정 단계마다 감소: 래들 40ppm, 툰디시 25ppm, 몰드 20ppm, 주조품 15ppm. 그림 5 툰디시 총산소-슬리버 결함 지수 관계, 질소 픽업-총산소 관계 보여줌.
그림 5 툰디시 총산소-슬리버 결함 지수 관계, 질소 픽업-총산소 관계
제강 용기 간 질소 함량 차이 이송 작업 중 포획 공기 지표. 따라서 질소 픽업 총산소, 강철 청정도, 재산화 개재물 품질 문제 조잡한 간접 척도 역할. 예: 한 제철소 중요 청정강 용도 래들→툰디시 질소 픽업 10ppm 미만 제한. 산소 픽업 공기-강철 계면 더 빠른 흡수 동역학으로 측정된 질소 픽업보다 항상 수십 배 높음. 또한 산소·황 함량 낮을 때 질소 픽업 더 빠름. 따라서 질소 픽업 저감 위해 탈산 탭핑 후 수행 최적. 플랜트 측정 확인: 탭핑 중 탈산 10~20ppm 질소 픽업 탭핑 후 탈산 5ppm 저감.
여러 제철소 LCAK 강철 각 공정 단계(툰디시·몰드 제외) 최소 질소 픽업·질소 함량 데이터서 도출 일반 결론: LCAK 강철 주조품 질소 대부분 제철소 30~40ppm. 주로 제강 컨버터/전기로 조업 제어, 2차 제강·슈라우딩 조업 영향도 받음. 그러나 질소 픽업 새 기술·개선 조업 따라 연도 지나며 감소. 질소 픽업 보통 래들→몰드 1~3ppm 제어. 최적 이송 조업 공기 포획 최소화 시 정상 주조 중 1ppm 미만 저감 가능.
LCAK 강철 용해 알루미늄 손실도 재산화 발생 지표. 그러나 알루미늄 슬래그서도 재산화 가능하므로 질소 픽업보다 덜 정확. 실리콘 픽업, 망간 픽업도 재산화 공정 평가용 사용 가능.
조업 전후 라이닝 내화물 조성 변화 분석 개재물 라이닝 흡수·라이닝 침식 추정 가능. 복합 산화물 개재물 기원 슬래그 광물·원소 분율과 개재물 조성 매칭으로 라이닝 침식 추적 가능.
조업 전후 슬래그 조성 변화 분석 개재물 슬래그 흡수 추정 해석 가능. 복합 산화물 개재물 기원 슬래그 포획 추적 광물·원소 분율 매칭 가능. 그러나 샘플링 어려움, 열역학 평형 변화 고려 필요로 쉽지 않음.
트레이서 산화물 래들, 툰디시, 몰드, 잉곳 트럼펫, 탑 컴파운드 슬래그·라이닝 첨가. 강철 대표적 개재물 SEM 등 분석. 트레이서 산화물 이 개재물서 발견 시 개재물 소스 판정 가능.
막힘 단명 SEN 수명 때로 강철 청정도 불량 지표. LCAK 강철 연속 주조 중 전형적 클로그 조성: Al₂O₃ 51.7%, Fe 44%, MnO 2.3%, SiO₂ 1.4%, CaO 0.6% → 노즐 클로그 자주 소형 알루미나 개재물·결빙 강철 동시 축적 원인. 따라서 SEN 막힘 빈도 강철 청정도 평가 또 다른 조잡한 방법.
청정도 궁극적 척도: 파괴 기계 시험 성형성, 딥드로잉, 벤딩 특성 최종 강판 제품, 또는 시험편·제품 시편 피로 수명 측정. 기타 강판 시험: HIC 시험, 마그네토스코피. 초음파 피로 시험 개재물 검사법 다른 예. 극미세 개재물(1μm 미만) 잠재적 이점 드러내 청정도 불리 계산 안되게 사실들 드러내기 위해 필요.
위서 볼 수 있듯 강철 청정도 평가 단일 이상적 방법 없음. 일부 법 품질 모니터링 더 적합, 다른 법 문제 조사 더 적합. 따라서 주어진 조업 강철 청정도 더 정확 평가 위해 여러 방법 조합 필요.
외생 개재물 여러 소스 조합서 기원 가능하므로 예방 방법 단순할 리 없음. 이 모든 소스와 제거 메커니즘 올바른 조합 통해서만 강철 내 거대 개재물 발생률 저감 가능. 강철 내 외생 개재물 검출 적합 법: 초음파 스캔, 현미경 관찰, 황 프린트, 슬라임(전기분해), X선, SEM, 슬래그 조성 분석, 내화물 관찰.
제조공정
주조소에서의 시험과 검사 주강은 최대 탄소 함량 약 0.75%의 철계 합금. 강철 주조품은 액체 강철로 몰드 내 빈 공간을 채워 생산되는 고체 금속 객체. 단조 금속으로 생산 가능한 많은 탄소강과 합금강 등급으로 이용 가능. 주강 기계적 특성은 일반적으로 단조강보다 낮으나 화학 조성 동일. 주강은 복잡한 형상을 더 적은 단계로 형성할 수 있어 이 단점 보완. 주강 특성 주강은 광범위한 특성으로 생산 가능. 주강 물리적 특성은 화학 조성과 열처리에 따라 크게 달라지며, 의도된 용도 성능 요구사항에 맞춰 선택. 경도(Hardness
주철과 주강의 차이는 무엇인가? 주조는 뛰어난 디자인 디테일 구현 능력으로 추가 가공과 조립이 필요 없는 경우가 많습니다. 금속과 합성물을 포함한 다양한 소재를 주조할 수 있지만, 특히 철과 강은 넓은 범위의 애플리케이션에 훌륭한 기계적 특성을 보입니다. 주철과 강은 표면상 비슷해 보일 수 있지만, 생산부터 적용까지 각각 뚜렷한 장단점이 있습니다. 이 장단점을 이해하고 적절히 선택하는 것이, 용서 없는 강도와 내구성과, 금세 광택을 잃고 파손되거나 변형된 부품 사이의 차이를 만듭니다. 탄소 함량이 주된 차이 철과 강은 모두 철
