액체 강철 연속 주조 공정은 용강을 반제품(빌릿, 블룸, 빔 블랭크, 라운드, 슬래브)으로 응고시켜 후속 압연 공정에 공급하는 공정입니다. 연속 주조기 기본 조업은 주어진 조성 용강을 1차 냉각대, 분무 냉각대, 교정기 등 일련 조작을 통해 원하는 형상·크기 스트랜드로 변환하는 것입니다.
연속 주조 공정은 기본적으로 (i) 몰드 상부에 위치한 tundish(용강을 제강 래들로부터 받아 정량 공급), (ii) tundish로부터 용강 공급받아 스트랜드 형상 유지 충분 강도 고체화 외피 생성하는 수냉동 몰드(1차 냉각대), (iii) 몰드 하부 위치, 아직 대부분 액체인 강 스트랜드 통과하며 물 또는 물-공기 혼합(에어 미스트) 분무로 추가 고체화하는 2차 냉각대(컨테인먼트 섹션 포함), (iv) 강 스트랜드 언밴딩 및 교정 구간, (v) 고체화 스트랜드 원하는 길이 절단용 절단 토치/기계식 전단(절단 구간), (vi) 냉각 베드 또는 제품 이송 구역 직결 런아웃 롤러 테이블로 구성.
강철 연속 주조 공정은 열전달, 용강 응고 공정, 용강 유동, 액체→고체 상전이 등 복합 기술 공정으로, 연속 주조 공정 중 발생 가능한 모든 물리화학적 현상 영향을 포함하는 최적 공정 제어 시스템 구축에 상당한 어려움 존재. 이로 인해 연속 주조 공정 제어는 제강 공정 중 가장 어려운 과제 중 하나입니다.
연속 주조 공정은 복잡성으로 여러 물리 현상 수반. 몰드 내 및 몰드 이탈 후 2차 냉각대 내 액체 강철 응고 공정에 가장 중요한 현상들 집중.
1차 냉각대(몰드 내) 부분 공정: (i) 대류에 의한 복잡 형상 영역 및 침지 노즐/슈라우드 통한 용강 난류 유동, (ii) 용강 영역 내 열전달, (iii) 형성 셸-몰드 벽 간 열전달, (iv) 고체/액체 슬래그층 열유동, (v) 열응력 형성, (vi) 강 응고 공정 중 전이 관련 고체화 셸 수축, (vii) 응고 현상 수반 열효과, (viii) 몰드 벽 기계적 충격, (ix) 몰드 벽-고체화 스트랜드 간 에어 갭 형성 공정, (x) 응고대 내 결정 형성 및 원소 편석 효과 동반.
2차 냉각대 표면 결함 형성 공정: (i) 액체 코어 영역 내 열전달(전도/대류), (ii) 고체화 셸층 열전도, (iii) 응고 현상 수반 열효과, (iv) 노즐 시스템 스트랜드 냉각 다단계 열전달(분무 구역 수, 냉각 타입 관련), (v) 강 응고 전이 관련 고체화 스트랜드 수축, (vi) 개별 고체화 구역 형성(수지상 결정 구역, 등축정 구역), (vii) 롤-스트랜드 접촉 관련 응력 형성, 연속 주조기 롤 간 벌징(bulging) 가능성.
자동화, 계측, 연속 주조 모델링 추진 동인: 고객 품질 요구 증대, 경쟁 심화, 환경 규제 강화, 안전 요구 증대. 또한 연속 주조기 전체 생산 시스템은 이전/후속 공정과 공정 일관성 확보 필요. 연속 주조 자동화 시스템은 생산 계획·스케줄링, 품질 보증, 통상적 감독 제어 기능 등 필수 과제 수행도 요구됨.
연속 주조 공정 제어에는 스트랜드 응고 공정 완전 제어 위한 정교한 계측 필요. 연속 주조기 측정 시스템은 많은 공정 정보 제공하나, 개별 지점 쉘 두께 변화, 야금 길이(액체 코어 길이) 등 핵심 정보 부재. 따라서 수학적 모델이 연속 주조 공정 제어 시스템에 극히 중요. 이들 수학적 모델 정확도는 공정 중 기술적 의사결정 근거로 활용 가능케 함.
자동화·계측 시스템과 수학적 모델은 연속 주조 제품 품질 향상, 설비 가동 중단 시간 감소에 다각도 기여. 수학적 모델 내장 전문가 시스템 개발. 끊임없는 품질 요구 증대와 연속 주조 공정 공지 이슈 해결 신규 아이디어가 자동화·제어 여러 발전 주도.
현대 연속 주조 자동화 시스템은 주조 공정 각 단계 시뮬레이션 위해 여러 수학적 모델 사용. 계산 입력 데이터는 레벨 1 자동화에서 특정 전송 어댑터 통해 실시간 획득. 주조 공정 목표 파라미터는 주어진 생산 프로그램 또는 조작자 지정. 전문가 시스템은 공정 파라미터 최적값 계산, 생산 품질 제어, 기술 공정 각 상태 온-플라이 모델링, 롤러/세그먼트 세팅 검증 수행. 전문가 시스템은 레벨 2 자동화 구성. 명확한 소프트웨어 아키텍처와 안정적 미들웨어 플랫폼이 서로 다른 자동화 시스템, 전문가 시스템, 조작자 간 성공적 상호작용에 중요 역할. 그림은 전형적 연속 주조 자동화 시스템.
그림 1: 연속 주조 공정 전형적 자동화 시스템
연속 주조기 기술 공정 자동화·제어 시스템 설계·개발 시 책임, 요건, 자동화 시스템 응답 수준 분류 정의:
개별 유닛 제어. 자동화 구역 내 개별 유닛을 연결된 센서, 트랜스듀서, 회전 트랜스듀서, 드라이브, 제어기, 제어 회로로 제어. 유닛, 드라이브, 인터록 통한 직접 수동 제어는 레벨 0 자동화 시스템 차례대로 처리. 대부분 안전 메커니즘도 이 레벨 저장.
PLC(프로그래머블 로직 컨트롤러) 제어를 통한 유닛 그룹 제어. 레벨 1 자동화 시스템 처리 과제: 한 자동화 구역 내 여러 장치 제어 시스템. 제어 과제는 보통 PLC 모듈과 마이크로컨트롤러가 실시간 수행, 시스템 응답 시간 20~150ms(PLC), 10~20ms(마이크로컨트롤러, 예: 모션 컨트롤러) 보장. 엄격한 응답 시간 제한으로 복잡 생산 공정 모델 구현 불가(예: 이동 유닛 이용 자재 추적·커버리지 계획 타 자동화 레벨 위임).
연속 주조기 레벨 1 자동화 기능: (i) 터렛, 더미바 차, tundish 제어, (ii) 더미바 위치 결정, (iii) 드라이브 롤러 조정, (iv) 폭 조정, 몰드 테이퍼, 몰드 레벨 제어, (iv) 1차/2차 냉각 시스템 설정값 기준 공기/물 조절.
공정 제어용. 레벨 2 자동화 시스템은 생산 공정 효율성 및 품질 보증 결정에 핵심 역할. 레벨 2 시스템은 운전 엔지니어 또는 관련 표준 사전 정의 지시·설정으로 주조 공정 관리·모니터링. 각 주조 지시에는 목표 제품 품질 생산 최적 조건 나타내는 품질 평가 파라미터 세트 포함. 야금 모델 세트 사용으로 주조 공정 완전 자동화, 조작자 입력/개입 최소화. 공정 모델이 모든 기능 연결해 전체 성능 최적화.
레벨 2 자동화 시스템 책임 영역: (i) 생산 품질 보증, (ii) 공정 제어 및 레벨 1 자동화 시스템 명령/파라미터 전송, (iii) 자동 생산 데이터 취득, (iv) 기술 공정 통합 수학적 모델 이용 시스템 상태 시뮬레이션/예측, (v) 자재 추적, (vi) 이동 장비 이용 자재 취급/커버리지 계획 최적화, (vii) 경고/고장 표시 시스템(생산 고장/설정 시간 평가 포함).
연속 주조 공정 레벨 2 자동화 시스템 요건: (i) 주조 중 공정 파라미터 수집·표시, (ii) 스트랜드 내부/표면/에지 3D 온도 분포 계산, (iii) 스트랜드 쉘 성장, 응고 길이, 에지 수축, 스케일 등 주조 특성 계산, (iv) 스트랜드 2차 냉각 시스템 동적 위치 결정, (v) 세그먼트 동적 조정(소프트 리덕션) 수행, (vi) 자재 변화 및 응고 위치 추적, (vii) 조작자 개입 수용·전달.
레벨 2 자동화 통상 포함 프로그램/모델: (i) 스토퍼 기구 용강 유량 제어, (ii) 몰드 레벨 제어, (iii) 몰드 파우더 레벨 제어, (iv) 주조 자동 시작, (v) 몰드 브레이크아웃 방지 시스템, (vi) 몰드/스트랜드/최종 교반, (vii) 유압 몰드 진동, (viii) 열추적 모델, (ix) 실시간 품질 평가, (x) 절단 최적화 모델, (xi) 실시간 스트랜드 응고 모델, (xii) 온라인/오프라인 응고 곡선 계산기, (xiii) 동적 기계적 소프트 리덕션, (xiv) 동적 2차 냉각 제어, (xv) 주조 제품 마킹 기계, (xvi) 광학 제품 인식 시스템, (xvii) 공정 분석·시뮬레이션, (xviii) 야금 데이터 관리, (xix) 생산 지연 감지, (xx) 설비 수명 추적, (xxi) 3차 냉각 포함 주조 제품 취급 물류.
연속 주조 공정 레벨 2 자동화 제어 기능 구현 시 기술 용어 모델링 위해 복잡 데이터 구조 사용. 스프레이 플랜, 에어 플랜, 기준 온도 곡선, 주조 분말, 주조 파라미터 데이터셋, 강종, 화학 기준 분석, 강종 그룹, 크랙, 샘플 컷 등 문제 영역 매핑을 전형적 야금 문제 관점 다양한 각도 검토. 또한 수학적 모델, 제어 메커니즘, 사용자 인터페이스에는 계산 관련 실물 객체 속성 명확히 정의된 연속 주조 공정 단순화·표준화 설명 필요: 스트랜드 가이드, 몰드, 세그먼트, 롤, 분무 노즐, 2차 냉각 제어 회로, 냉각 세그먼트. 상기 용어들은 간결한 도메인 특화 언어 도입으로 쉽게 기술 가능.
레벨 1/레벨 2 자동화 시스템 과제는 연속 주조 경우 항상 명확히 분류 불가. 각 개별 자동화 과제 배치·분배 결론은 입력 파라미터/공정 데이터 위치, 임베디드 모델 가능 응답 시간, 필요 저장 공간, 자율도 의해 결정. 요건 빈번히 두 시스템 분배(자재 추적 등) 또는 중복(안전 인터록 등). 두 시스템 각자 각 자동화 레벨 과제용 자체 사용자 인터페이스 보유.
생산 계획용. 주조 프로그램, 작업 스케줄링·준비, 자재 관리, 유지보수 계획, 셧다운 시간·작업 등 다룸.
레벨 2 자동화 시스템 필수 요건: 통합 수학적 모델과 레벨 1 제어 시스템, 레벨 3 계획 시스템, 연결 데이터베이스, 연속 주조기 조작자 간 안정적·보안적 통신. 레벨 2 자동화 설계·구성 시 다양한 구성요소, 인터페이스, 연결 데이터 소스 중요, 각 구성요소 행동 논리 과소평가 불가.
레벨 2 자동화 시스템 통합 수학적 생산 공정 모델이 공정 제어 시스템 핵심. 실제 공정 상태 모니터링으로 모델에 레벨 1 자동화 시스템 실시간 실제값 지속 공급. 한편 데이터는 단기 계획 결과, 레벨 3 자동화 시스템 자재/주문 데이터로도 보완. 계산 결과와 생산 공정 전체 조망은 연속 주조기 조작자용 사용자 인터페이스 표시. 조작자 필요 공정 제어 개입은 레벨 1 자동화 시스템 입력 마스크(속도 설정 등)와 레벨 2 자동화 시스템 사용자 인터페이스(제어 체제 변경: 기준 온도/스프레이 플랜 제어) 모두 이용 가능.
다양한 소프트웨어 아키텍처 패턴 사용: 모델(멀티에이전트 아키텍처), 이벤트/메시징 디스패처(이벤트 드리븐 아키텍처), 분산 서비스(서비스 지향 아키텍처) 등.
계측기는 연속 주조 초기부터 사용. 터렛/래들차부터 주조품 런아웃 롤러 테이블까지 연속 주조기 주요 모든 구성요소에 계측기 사용. 래들, tundish, 몰드, 2차 냉각대, 복사 구역, 런아웃 롤러 테이블 변수 모니터링에 계측기 광범위 사용(그림 2). 사실 계측기 증가로 주조 파라미터 측정·제어 한 것이 연속 주조기 생산성·품질 대폭 향상 주요 요인 중 하나로 평가됨.
그림 2: 연속 주조기 측정 파라미터
계측기는 모든 제어·자동화 시스템 필수이며, 현대 생산성·품질 기준 달성 기여도 과대평가 불가. 계측기는 제어·자동화 시스템 '눈'이며, 현재 기술로 영구 계측 통해 공정·품질 제어 시스템이 가장 중요한 래들, tundish, 몰드 변수 '볼' 수 있음.
연속 주조 공정 계측기 주요 기능: (i) 연속 주조 기계적/야금적 기능 성능 제어용 파라미터 측정, (ii) 각 주조 구간 품질 등급 부여, (iii) 조업/설비 문제 진단, (iv) 제품 품질·생산성과 주조기 설계·조업 간 상관 지식 개발.
연속 주조기 사용 계측기 수와 정교함 급속 증가. 주원인: 생산성·주조품 품질 증대 요구, 현대 온라인 디지털 컴퓨터 가용성. 특히 품질·생산성 요구 가장 엄격한 슬래브 주조기에서 두드러짐. 초기엔 몰드 계측 강조(몰드 관행·파라미터 제품 품질·생산성 최대 영향). 그러나 최근 래들, tundish, 컨테인먼트, 주조기 런아웃 롤러 테이블 계측기 개발·적용 큰 진전.
2차 냉각대 분무 챔버 내 위험 환경 고려 시, 주조기 제어 시스템이 이 구역 중요 공정 변수(스트랜드 표면 온도 등) 변화에 '맹목적'인 것 당연. 이곳 계측기는 보통 임시적 성격으로 실험적 기반 활용. 기타 중요 계측: 롤간 벌징, 고체화 쉘 두께, 몰드/스트랜드 마찰 측정용.
강철 연속 주조 공정 모델링은 매우 복잡한 과제로, 다양한 유형 수학적 모델로 수행 가능. 현재 연속 주조 공정 전체 발생 효과 동시 포착해 단일 포괄적 수치 모델로 제시 불가. 연속 주조 공정 모델링 자연적 분할은 실제 용강 주조 중 발생 문제 식별 시도나 공정 특정 구간 집중 기존 기술 개선 시도 관련.
문제 해결 초기 단계에서 해결 문제 클래스에 대한 모델 유형 올바른 선택과 관련 적응 가능성은 어려운 도전. 이론적으로 더 복잡한 모델(더 '지능적')이 주조 공정 1차 기술 파라미터 질문에 쉽게 답할 수 있음. 그러나 실무상 여러 제한 직면. 가설적으로 복잡 모델 검증 완료 최적 경우라도 불필요한 계산 시간 연장 발생. 정의 문제보다 더 많은 파라미터 계산하기 때문. 두 번째 위험: 문제 복잡성과 도구 '지능' 비동기화로 모델 파라미터 검증 및 공정 데이터 상관관계 이슈. 모델 이론적 정교할수록 파라미터 많고 측정 불가 파라미터 발생 위험 높음. 마지막: 필요 모델 파라미터 값 획득 전략 문제. 연속 주조 공정 모델링 수년 경험상 최선 선택: 측정 가능 모든 모델 파라미터 실험적 측정. 예: 온도 함수 강 주조 비열, 강 열전도율, 점도 등 파라미터 형태.
물리적 모델링(물로 용강 시뮬레이션)은 연속 주조 공정 중 용강 유동 거동 상당한 통찰 제공. 연속 주조 공정 유체 유동 기존 이해 주로 물 모델 실험 통해 얻음. 이 기법은 신규 구성 공정 적용 전 테스트·이해 유용. 풀스케일 모델은 조작자 교육·이해 추가 혜택 제공.
물리 모델 구축은 모델과 실제 공정 간 기하학과 중요 현상 지배 힘 균형 모두 매칭하는 특정 상사 기준 만족 기반. 물 모델로 용강 유동 패턴 재현 위해 지배 힘 간 모든 비율 양 시스템 동일해야. 모델과 강철 공정 간 위치별 속도 비율 동일 보장. 무차원 그룹 크기 두 힘 상대 중요도 지시. 매우 작거나 큰 그룹 무시 가능하나, 주조 공정 중간 크기 무차원 그룹 모두 물리 모델서 매칭 필요. 적절 기하학 스케일과 유체 선택해 매칭 달성.
다행히 물과 강철 운동 점도 매우 유사. 레이놀즈 수와 프루드 수 동시 매칭으로 풀스케일 물 모델 구축 가능. 이 두 기준 만족으로 등온 단상 유동 시스템(연속 주조 노즐, 몰드) 합리적 정확도 모델링 가능, 큰 성공 거둠.
풀스케일 모델은 기계 부품 테스트·조작자 교육 추가 혜택. 실제 어떤 기하학 스케일 물 모델도 양 시스템 속도 충분히 높아 완전 난류·매우 높은 레이놀즈 수 생성 시 대부분 유동 시스템 합리적 결과 산출. tundish/몰드 노즐 유동 중력 구동이므로 수두와 기하학 동일 스케일링 시 어떤 물 모델도 프루드 수 통상 만족.
물리 모델은 때로 열 상사 기준 만족 필요. 래들/tundish 정상 유동 물리 유동 모델 예: 열적 부력이 지배적 관성 구동 유동 대비 큼(수정 프루드 숫자 크기 지시) → 모델서 액체 강철 시스템과 동일 유지 필요. 레이놀즈 수 제곱/수정 프루드 수 비율(그라쇼프 수) 검토 편리. 관성 지배 몰드서 열적 부력 무시 가능. 열적 부력 상대 크기 풀스케일 온수 모델서 매칭 가능. 단, 열손실 지배 현상 유체 전도율/비열, 용기 벽 전도율 등 모델과 강철 용기 상이해 쉽지 않음. 저속, 과도, 응고 등 시스템 여러 열전달 중요 상사 기준 동시 만족 사실상 불가능.
연속 주조 공정 복잡성과 지배 현상(그림 3) 감안 시 물리 모델 갖기 어려움. 그러나 컴퓨터 하드웨어/소프트웨어 성능 증대로 수학적 모델링이 연속 주조 공정 모든 측면 제어 중요 도구로 부상.
그림 3: 연속 주조 및 몰드 구역 현상 개략도
현재 계산 비용 감소와 상용 모델링 패키지 성능 증대로 강철 연속 주조 공정 복잡 재료 공정 단계 이해 추가 도구로 수학적 모델 적용 용이. 전산 모델은 열전달, 입자 운동, 2상 유동 등 등온 물 모델로 어려운 현상 확장에 유리. 전산 모델은 용강 경험 유동 조건 더 충실히 표현 가능. 예: 스트랜드 물 모델 유출 간섭 물리적 바닥 불필요, 이동 고체화 셸 존재 고려 가능.
수학적 모델은 이제 연속 주조 공정 중요 현상 대부분 시뮬레이션 가능: (i) 아르곤 기포, 열적/용질적 부력 영향받는 복잡 형상(유입 노즐, 스트랜드 액체 풀) 완전 난류 과도 유체 운동, (ii) 분말-강 상 내/간 열역학 반응, (iii) 강 상부 표면 부유 고체/액체 플럭스층 내 유동/열수송, (iv) 표면장력, 진동, 중력파, 다상 유동 포함 자유 액체 표면/계면 동적 운동, (v) 난류 용강 통한 과열도 수송, (vi) 용질 수송(강종 변경 시 혼합 포함), (vii) 복잡 형상 개재물 액체 내 수송(부력, 난류 상호작용, 노즐 벽/기포/고체화 강벽/상부 표면 포집 가능성 포함), (viii) 메니스커스 구역 고체화 메니스커스, 고체 슬래그 림, 침투 액체 플럭스, 용강, 분말층, 개재물 입자 간 열/유체/기계적 상호작용, (ix) 고체화 강철 셸, 셸-몰드 계면(플럭스층, 성장 에어 갭 포함), 구리 몰드 통한 열수송, (x) 셸-몰드 갭 플럭스 질량 수송, (xi) 몰드 벽/지지 롤 변형/마모, (xii) 용융물/몰드 벽 대 고체 결정 핵생성, (xiii) 수지상/결정립/미세구조 성장, 상변태, 석출물 형성, 미세편석 포함 강철 셸 응고, (xiv) 열수축, 상변태, 내부 응력에 의한 고체화 강철 셸 수축, (xv) 외부 힘(몰드 마찰, 롤간 벌징, 인출, 중력) 고체화 강철 셸 내 응력 생성, (xvi) 열변형, 크리프, 소성(온도, 강종, 냉각률 따라 변동), (xvii) 균열 형성, (xviii) 미시/거시 스케일 결합 편석.
연속 주조 공정 압도적 복잡성으로 이 모든 현상 한 번에 모델링 불가능. 합리적 가정과 덜 중요한 현상 분리/무시 필요. 정량적 모델링은 관심 특정 이슈 영향 모든 현상 포함 필요. 따라서 각 모델 특정 목적 필요. 지배 방정식 선정 후 보통 유한차분/유한요소법으로 이산화·풀이. 적절한 수치 검증 중요.
수치 오차: 계산 영역 너무 조잡하거나 비선형 방정식 풀이 시 불완전 수렴. 알려진 테스트 문제 풀이, 메쉬 세분화 연구로 격자 독립 해 달성 중요 모델 검증 방법. 최종적으로 모델은 실험실/플랜트 스케일 실험 측정 대비 검증 후 실공정 파라메트릭 연구 정량적 예측 신뢰 가능.
모델 최종 테스트: 결과 구현 가능하고 강철 제품 결함 회피 등 개선 달성 여부. 플랜트 시련 결국 필요. 시련은 물리 모델, 수학 모델, 문헌, 선행 경험 등 가용 모든 소스 통찰 기반 수행. 계산 능력 지속 발전으로 수치 시뮬레이션 도구 능력 진보, 모델링이 미래 하이테크 연속 주조 공정 발전 역할 증대. 모델링은 전통 연구 방법 보완해 공정 어느 측면이든 개선 필요 이해 생성·정량화. 첨단 전산 모델링 미래 개선 핵심 역할 분야: (i) 과도 유동 시뮬레이션, (ii) 몰드 플럭스 거동, (iii) 테이퍼 설계, (iv) 온라인 품질 예측·제어(특히 고속 빌릿 주조, 박슬래브 주조, 스트립 주조 등 신규 문제/공정).
연속 주조 공정 미래 발전은 모델, 실험, 플랜트 시련 아닌 공정·문제 이해하는 사람들 아이디어에서 올 것. 이 이해는 지식 기반, 계산 모델 포함 도구들로 확인·심화·정량화 가능. 전산 도구 지속 개선으로 이 중요 역할 수행 중요성 증대, 미래 공정 발전 주도.
가정 계산 목적과 필요 정확도가 모델 선택 핵심. 여러 경우 원하는 정보: 야금 길이(스트랜드)와 쉘 두께 변화 동역학 지식. 소프트 리덕션 조업 위치 결정 시 해당. 스트랜드 주조 속도 변경 필요 시 새 냉각 강도 결정 절차 필요. 이런 문제는 스트랜드 발생 응력, 형성 구조, 잠재 주조 결함 관련 질문 시리즈 답 불필요. 따라서 모델이 여전히 신뢰도 있는 답 제공 형태로 자연스럽게 단순화됨 이해 가능.
연속 주조 공정 자동화·제어용 중요 모델들(보통 레벨 2 자동화 레벨 내장):
동적 2차 냉각 제어에 제3차원 존재. 모델 설정으로 정밀도·제어 가능성 차원 상승, 2차 냉각·소프트 리덕션 완전히 새로운 철학 허용. 2차 냉각 시스템 설정 시 스트랜드 3차원 온도 프로파일 계산에 알려진 영향 모든 파라미터 고려 선행 조건. 모든 노즐 타입 노즐 테스트 스탠드서 측정해 분무수 분포 평가. 이 파생 정보 3D 모델 유지보수·설정 시스템(MSS) 입력. 시각화된 분무 분포 MSS서 확인 가능.
냉각 구역 내 노즐 정확 위치 입력, 한 구역 분무 분포 MSS서 확인. 냉각 구역 열제거량은 분무수, 롤, 복사열 열제거 고려 계산. MSS 모든 냉각 관련 설정 구성 가능해 냉각 구역 분무수 분포와 냉각 관행 적용이 연속 주조기 최적화됨. 야금 노하우 자동화 설정에 쉽게 반영. 내장 오프라인 시뮬레이션 시스템으로 신규 파라미터 설정 생산 공정 적용 전 종합 테스트 가능.
레벨 2 자동화 시스템 2차 냉각용: 사용할 스프레이 플랜, 기준 온도 곡선 보간점, 또는 전체 기계 걸친 분무수 양 시간 변화 관련해 스트랜드 표면/내부 온도 함수 계산 수학적 모델 제공. 동적 2차 냉각 제어 시스템 3제어 체제 처리: (i) 온도 제어, (ii) 스트랜드 에이지, (iii) 스프레이 플랜 제어.
1세대 동적 솔루션: 스트랜드 중심 2차원 온도 계산 특징. 스트랜드 코너 공정 모델서 크게 무시. 컴퓨터 성능 지속 향상으로 이제 스트랜드 전체 임의 점 온도 실시간 완전 3차원 모드, 충분히 미세 이산화로 매우 상세 온도 프로파일 계산 가능(스트랜드 표면/중심 확인 가능).
모델은 열전달 방정식 풀고 온도 의존 물성(밀도 등) 및 위치별 주조품 두께/폭 고려 명시적 유한체적 근사 기반. 동적 3D 2차 냉각 시스템은 복사, 롤 열전달, 자연대류, 분무수 결과 주조품 표면 열전달 정확히 평가. 분무 냉각/에어미스트 냉각 모두 적용 가능, 노즐 분무 분포 패턴과 실제 분무수 온도 고려. 이는 라이덴프로스트 현상 사라지는 700°C 이하 온도서 정확한 분무 냉각 열전달 예측 보장. 결과: 스트랜드 표면 온도 프로파일과 스트랜드 최종 응고점 더 정밀 결정.
정밀 온도 계산 기반으로 동적 3D 2차 냉각 시스템은 스트랜드 길이 방향뿐 아니라 폭 방향 원하는 표면 온도 지정 가능. 각 냉각 노즐 물 유량/위치 개별 제어 가능. 동적 3D 2차 냉각 시스템 제어 알고리즘이 목표 스트랜드 표면 온도 값 달성 위한 물 유량 설정값 계산. 파이로미터 측정 결과 계산/측정 측면 스트랜드 온도 프로파일 우수한 일치 보임.
동적 3D 2차 냉각 시스템 적용으로 연속 주조 향후 과제 냉각 관행 설정 완전히 새로운 철학 도입 가능. 이동식 분무 노즐(3D 스프레이) 결합으로 전례 없는 품질 결과 달성.
첨단 2차 냉각 동적 3D 모델은 강종 변경, 주조 속도 변동, 상이한 tundish 온도, tundish 교체, 주조 시퀀스 시작/끝 등 과도 주조 상황서도 정확한 물 유량 산출. 각 냉각 구역 물 유량 전체 주조 시퀀스 걸쳐 정의된 표면 온도 프로파일 유지하도록 계산. 유지보수 시스템으로 공정 엔지니어 냉각 관행 쉽게 변경, 연속 주조장 특화 냉각 전문성 지속 도입. 오프라인 시뮬레이션 시스템으로 신규 설정 다양한 주조 상황 효과 생산 공정 활용 전 테스트.
스트랜드 3차원 온도 프로파일 계산 위해 엔탈피, 고체 분율, 밀도, 전도도 등 온도 함수 물성 필요. 강종 조성 주어진 이 물성 실험적 알려진 경우 공정 엔지니어 MSS 입력 가능하나 매우 시간 소요. 보통 공정 엔지니어 열물리 물성 모름. 소프트웨어 모델이 3D 모델 사용 모든 열물리 데이터 계산. 물성 동적 상 계산은 현재 강종 분석 물성 결정 온라인 툴로 이용 가능.
전통적 접근: 강종 그룹화, 미리 정의된 화학 분석 농도 범위용 열물리 물성 정의. 동적 상 계산으로 이 데이터 개별 강종별 계산 가능. 이는 스트랜드 상 완전 응고점, 주조 중 스트랜드 온도 분포 등 양 예측 더 정확케 해 정밀 야금 처리 가능→제품 품질 향상. 추가로 모델이 현재 강 분석이 페리텍틱(peritectic)인지 표시, 예기치 않은 페리텍틱 강종 시 조작자 경고. 이는 브레이크아웃 위험 감소, 품질 개선.
동적 상 계산은 열역학 모델 기반. 고온역 액체-고체 상변태: 깁스 자유 에너지 모델 + 미세편석 모델 조합 기술. 저온역 고체-고체 상변태: 아브라미(Avrami) 타입 모델 사용. 모델 자유 파라미터는 실험 측정량 도움으로 결정. 동적 상 계산 오프라인 시뮬레이션과 3D 모델 결합으로 신강종 야금 개발 가능.
전통적: 강종 그룹화, 그룹 대표 화학 분석으로 물성 결정. 동적 상 계산: 실제 강 분석서 물성 유도. 계산 결과 실제 강종 분석 vs 강종 그룹 분석 비교 시 스트랜드 최종 응고점 0.5m 이상 차이 날 수 있음. 이 사실은 실제 강종 온라인 계산으로 주조품 품질 개선 중요성 입증.
동적 갭 소프트 리덕션 = 연속 주조 공정 동적 롤 갭 조정. 롤러 갭 원격 조정 가능 특수 설계 스트랜드 가이드 세그먼트('스마트 세그먼트')로 가능. 동적 3D 열추적 모델 온라인 정보 기반으로 동적 갭 소프트 리덕션이 조정 가능 롤 갭 설정값 동적 계산.
응고 상태(액체, 머시, 고체) 및 계산 스트랜드 두께 프로파일 의존 롤 물림 감독이 정밀 롤 조정·제품 품질 향상 결정적 인자. 최적화된 롤 물림은 스트랜드 과도 힘 감소, 롤 마모 감소. 더 정확한 롤 갭 제어로 추가 주조 전략 구현 가능: 액체 코어 리덕션, 의도적 벌징 소프트 리덕션. 즉 소프트 리덕션 구역 전 의도적 동적 갭 증가로 이 구역 더 높은 두께 감축 가능. 주조 유연성·제품 품질 추가 개선.
동적 갭 소프트 리덕션으로 스트랜드 두께, 강종, 주조 상태 기반 시동, tundish 교체, 테일 아웃 전략 자유 정의 가능. 냉간 스트랜드 헤드/엔드 상이 주조 거동서 기인 롤 손상, 생산 중단 회피 가능.
냉각수 노즐 통해 스트랜드 분무 균일 냉각 목적. 그러나 하나 이상 노즐 막히면 스트랜드 구간 균일 냉각 불가→표면 결함, 주조품 다운그레이드 가능. 연속 주조기 세그먼트 교체도 난제. 호스 파열/걸림 쉬움. 누수/막힌 노즐 결과 인지 정비 인력 다수 근무시간 노즐 정상 작동 확인 소모.
노즐 전문가: 연속 주조기 막힌 노즐/파손 호스 감지→스트랜드 균일 냉각 보장→고품질 강철 생산. 주조 공정 중 노즐 상태 자동 모니터링. 주조 중단 중 수동 활성화도 가능. 장점: 정비 작업/세그먼트 변경 후 노즐 상태 확인 즉시 수리 후 주조 재시작.
모델 계산 고려 파라미터: 노즐 타입(노즐 테스트 스탠드 측정 결과), 압력 측정 장치 높이, 수압, 파이프 길이/직경, 노즐 위치. 2차 냉각 시스템 수정(다른 노즐 타입 사용 등) 시 노즐 전문가 설정 변경 필요해 정확 계산 결과 획득.
노즐 전문가 통계 모델 기반, 구역별 막힘 비율 표시(예: 2구역 노즐 10% 막힘, 96% 확률). 조작자는 경보 발생 구역만 점검. 계산은 주조 시작 신호와 함께 자동 개시, 주조 공정 전반 노즐 상태 모니터링. 여러 경보로 누수, 막힌 노즐, 세그먼트 위 오장착 노즐까지 감지.
사전 시뮬레이션으로 수율 개선. 시퀀스 주조 중 래들 교체마다 tundish 내 강종 혼합→스트랜드 혼합 발생. 인터믹스 전문가는 강 화학 조성 기반 혼합 강 구역 예정된 제품 용도 사용 가능 여부, 다운그레이드/스크랩 필요 여부 계산. tundish 유동 실험 정보와 고체화 제품 채취 강 샘플 분석 결과 결합으로 인터믹스 예측 정확도 높임(실제 혼합 강 구역 조성 대비).
인터믹스 전문가: 현재 열 내 이전 주조 열 잔재 추적. 강 혼합 tundish뿐 아니라 몰드, 스트랜드 상부에서도 발생. 믹스박스 타입 서브모델로 주조 스트랜드 임의 위치 강 화학 조성 계산 가능.
tundish 교체/분리판 사용 개별 처리. 인터믹스 계산은 신규 열 '래들 오픈 이벤트'부터 선택 화학 원소 순환 수행. 인터믹스 열할당 기능으로 시퀀스 주조 열 간 호환성 최종 결정. 최종 제품 처분(정품, 다운그레이드, 전면 폐기) 영향 중요 원소 농도 프로파일 결정. 중요 원소 중 하나라도 강종 사양 불일치 시 편차 감지.
인터믹스 모델 완전 혜택: 모델 출력 + 수율 전문가 모델 결합(부적합 강 구역 스크랩 지정 절단 길이 최적화로 최대 정품 수율 보장).
공정 엔지니어 강력한 시뮬레이션 환경 활용: 상이한 강종 조합 시뮬레이션 가능. 분석, tundish 중량, 스트랜드 치수 등 입력 파라미터 쉽게 입력/수정, 계산 결과 HMI 가시화. 단일 분석 원소/조합 그래프 표시. 하단에 부피 농도, 혼합 강 길이, 스크랩 길이, 열 범위 등 가치 정보 표시.
모델 설정 MSS서 쉽게 가능. 공정 엔지니어 강종 링크별 인터믹스 결정 화학 원소 선택. 강력한 시뮬레이션 환경으로 2개 상이 강종 혼합 거동 시뮬레이션, 계산 부피 농도, 스트랜드 계산 분석, 스크랩 구간 포함 열 범위 표시.
속도 전문가 모델 = 모든 주조 상황 최적 주조 속도. 연속 주조기 적정 주조 속도 선택 매우 중요. 여러 측면(품질, 안전, 기계 한계, 생산 요구) 주조 속도 선택 영향. 이 상이한 측면들 자주 모순: 생산 증대→고속 필요, 안전 요건→속도 제한. 보통 여러 연속 주조장 자체 제작 소프트웨어로 다양한 측면 고려 주조 속도 계산. 속도 전문가 목적: 대부분 측면 커버, 공정 엔지니어 속도 전문가 행동을 특수 니즈 맞춰 조정 용이 유지보수 도구 제공.
속도 전문가 주기적 최적 주조 속도 계산. 주조 속도 계산은 다양한 측면 고려해 실무 지정된 규칙들 기반. 각 규칙 요건 충족 속도 범위 결정. 속도 전문가 먼저 모든 속도 범위 교집합 결정. 교집합 비어있지 않으면 사전 정의 전략(최대 속도, 목표 속도, 실제 주조 속도 유효 범위 내면 속도 변경 회피) 따라 주조 속도 선택. 규칙 간 충돌 시 교집합 빈집합. 이 경우 사전 선택 충돌 해결 전략 적용: (i) 우선순위(낮은 우선순위 규칙 무시해 해법 찾을 때까지), (ii) 최대 속도 최소값(모든 최대 속도 중 최소값 선택).
온라인 HMI서 주조기 조작자 모든 규칙 속도 범위와 도출된 최적 주조 속도 확인. 조작자 규칙 우선순위, 전략, 충돌 해결 전략 변경으로 미세 조정 가능. 속도 설정값 레벨 1 전송, 자동 실행 가능.
MSS로 속도 전문가 관행 정의: (i) 품질 관련 규칙(품질 전문가 규칙, 강종별 최소/목표/최대 속도, 과열도, Mn/S 비율, 저 tundish 중량, 최적 소프트 리덕션), (ii) 생산 관련 규칙(열 페이싱, 주조 시작, 클리어링), (iii) 안전 관련 규칙(기계 보호, 최소/최대 속도 예측 계산).
최적 소프트 리덕션: 최종 응고점이 스트랜드 세그먼트 끝에 위치 시 달성. 정상 상태 가정 사전 계산으로 각 스트랜드 세그먼트 필요 주조 속도 결정.
수율 전문가 목적: 스크랩 최소화, 수율 최적화. 스크랩 구간, 품질 결함, 중량 제한, 샘플 컷, 폭 변경 고려해 최대 예약 제품 생산. 수율 전문가 중요 특징: (i) 스크랩 구간/품질 결함 시 제품 길이/중량 최적화, (ii) 몰드 폭 조정 스케줄링, (iii) 스크랩 구간 할당 알고리즘, (iv) 최적화 단계 온라인/오프라인 전환 가능, (v) 실제 생산 상황에서도 절단 길이 최적화 단계 재현 가능.
품질 전문가: 품질 관련 공정 파라미터 정의 결정, 생산 중 실제 데이터 추적, 주조 제품 품질 예측, 후속 제품 처분 자동 결정. 온라인 품질 경고와 주조기 내 주조 스트랜드 품질 미리보기로 연속 주조기 조작자 지원. 품질 전문가: 기본/종합 제품 품질 평가 능력 구분 2가지 유형.
품질 전문가 생산 모듈 추적 모든 정보와 계산 결과는 소위 디스커버리 시스템(Discovery System) 전송 가능. 이 시스템은 방대 추적 정보 장기 아카이빙·평가 전담.
제조공정
셸 몰딩(Shell Moulding / Shell Mold Casting)은 수지 결합 모래(Resin-coated sand)를 가열 금형(Pattern)에 덮어 얇은 셸(Shell) 금형을 만드는 주조법입니다. 고정밀도, 양호한 표면 조도, 박육/복잡 형상 구현, 자동화 용이성으로 정밀 주물 대량 생산에 최적화된 공정입니다. 셸 몰딩 공정 단계별 상세 (Process Steps) 1단계: 금속 패턴 제작 (Metal Pattern Making) 주물 수축, 가공 여유, 드래프트 등 패턴 여유(Pattern all
SKD11 금형강은 일본 공구강입니다. 소재 열처리 경도: HRC 58~60. SKD11은 고탄소 고크롬 합금 공구강으로 열처리 후 높은 경도, 연마성, 강한 경화성, 좋은 치수 안정성 보유. 가공성 좋고 탄화물 입자 미세 균일. 몰리브덴과 바나듐 특수 첨가로 담금질 균열 걱정 없음. SKD11 상세 성능 A) 고온 강도와 인성, 내마모성 우수, 절삭 용이 B) 강도, 인성, 내열성 균형 좋은 냉간 가공 금형강 C) 진공 탈가스 정련으로 내부 품질 극도로 청정 D) 가공성 양호 E) 경화성 좋음, 공냉 경화 가능, 담금질 균열
