연속 주조 에어 미스트 냉각: 효율성·품질·유연성 향상

연속 주조기(CCM)는 현재 환경에서 초저탄소·저탄소강부터 고탄소·저합금·고품질 파이프라인 강종까지 광범위한 강종을 효율적으로 주조해야 합니다. 이 범위는 CCM 기계 요소와 제어 시스템뿐만 아니라 2차 냉각 구역(그림 1)에도 최적 주조 파라미터 유지를 위한 조업·유지보수 유연성 확장을 요구합니다. 따라서 제품 품질 향상과 CCM 생산성 증대 요구로 2차 냉각 구역도 핵심 영역이 되었습니다. CCM은 이제 2차 냉각 구역에서 매우 효율적인 분무 냉각 시스템을 필요로 합니다.

그림 1 CCM 2차 냉각 구역 개략도

물 냉각은 몰드 내와 주조 강이 몰드 떠난 후 응고 과정에서 용강 열 추출에 중요 역할. 금속 표면 온도에 강한 의존성 보이는 복잡한 비등 현상 특징. 물 냉각 열 추출율은 표면 온도에 강하게 의존하며, 스트랜드 냉각에 따라 시간에 따라 급변 가능. 따라서 비제어 냉각은 응고 셸 내부 온도 구배 변동 유발, 응고 전선 인장 열응력 생성, 최종 제품 열균열/크랙 초래 가능. 2차 냉각 개략도와 열유속-강 표면 온도 관계는 그림 2.

그림 2 2차 냉각 개략도와 열유속-강 표면 온도 관계

분무 냉각은 2차 냉각 공정 중 유일하게 제어 가능한 부분이므로 제품 품질과 연속 주조 공정 생산성 결정 주요 인자. 분무 냉각 시스템은 노즐로 물 분사. 노즐 주 목적: 스트랜드 표면 냉각. 노즐 배열과 공정 파라미터가 분무 물 냉각 특성 결정. 노즐 배열은 스트랜드 표면 분무 냉각 영역 정의, 운전 압력·유량 등 공정 파라미터는 표면 냉각 강도와 분포 결정. 스트랜드 표면 열 추출(냉각과 응고 공정 정의)은 노즐 배열과 공정 파라미터 모두 결과.

분무 노즐 선정 주요 기준: 분무 패턴, 액체 분포(밀도), 유량으로 결정되는 열전달 계수. 노즐 배열 최적화 잠재력: (1) 노즐 정렬, (2) 헤더·세그먼트 파이프 설계, (3) 액체 분포 최적화. 공정 파라미터 최적화 잠재력: (1) 분무 유형 선택(에어 미스트 또는 물 단독), (2) 분무 역학, (3) 분무 포텐셜, (4) 열전달 계수로 측정된 연관 냉각 효율.

에어 미스트 냉각의 필요성과 원리

건전한 주조 강재 품질과 CCM 생산성 증대 필요성이 연속 주조 시 2차 냉각 더 효율적 시스템 필요성에 초점 맞춤. CCM 2차 냉각 구역 에어 미스트 냉각은 이 방향 진전. 에어 미스트 노즐은 압축 공기와 물 압력 조합으로 2차 냉각수 분무. 강종 믹스 광범위할 때 필요한 훨씬 넓은 턴다운/제어 비율 제공. 동일 유량 크기 단일 유체 노즐 대비 훨씬 큰 내부 자유 통로 제공.

에어 미스트 냉각 원리

에어 미스트 냉각은 특수 설계 미스트 노즐로 물 강제 통과시켜 작동. 평균 크기 25미크론(0.025mm) 이하 초미세 물방울 안개(포그) 생성. 고압 미스트 냉각 시 5미크론(0.005mm)까지 더 작은 물방울 가능. 1리터 물로 넓은 운동장 크기 표면적 생성. 큰 표면적은 물 급속 증발 도움. 미세 물방울(포그)이 환경 내 에너지(열) 빠르게 흡수 증발, 수증기(기체)화. 물→수증기 상변화 사용 에너지가 환경에서 제거되어 냉각 효과.

환경 내 공기 상대 습도 중요 역할. 동일 온도에서 공기 흡수 가능 수분량 대비 실제 수분량 비율. 최대 에어 미스트 냉각 포텐셜 결정 핵심 요소. 상대 습도 낮을수록 더 많은 물 기화 가능, 더 많은 열 제거. 물 분무 냉각 시 특정 온도 이상 강 표면 물 분무 시 강 표면과 물 사이 얇은 증기층 생성. 이 상태 '필름 비등(film boiling)'이라 함(그림 2). 유압 분무 노즐 사용 연구에 따르면 열전달 계수는 분무 노즐 생성 질량 물 플럭스에 크게 의존. 그러나 물 분무에 공기 추가는 복잡한 상황 생성. 공기가 물 분무 원자화 돕고 강 표면 냉각 보조.

'라이덴프로스트 현상(Leidenfrost phenomenon)'은 소량 액체가 매우 뜨거운 표면에 놓이거나 쏟아질 때 관찰되는 현상군. 독일 의사 J.G. 라이덴프로스트 명명. 라이덴프로스트 현상: 액체가 액체 비점 현저히 초과하는 질량과 근접 접촉 시 절연 증기층 생성, 액체 급속 비등 방지. 라이덴프로스트 점: 안정적 필름 비등 개시 의미. 비등 곡선에서 열유속 최저점, 표면 완전 증기 담요 피복점. 표면→액체 열전달은 증기 통한 전도·복사로 발생.

높은 비수 밀도만 열전달 계수 결정 요인 아님. 공기/물 비율도 고려, 압축 공기가 스트랜드 표면 위 증기층 관통 필요 운동 에너지 제공. 650°C 이상에서 라이덴프로스트 현상 때문에 중요. 노즐 분무 각도와 분무 높이도 중요. 둘 다 분무 풋프린트(분무 폭·깊이) 결정, 따라서 물 제트 밀도(물 플럭스)와 제트 임팩트 영향 요소. 이 두 변수 외 압축 공기량과 물 유량 비율도 2차 냉각 공정 또 다른 요소. 스트랜드 분무 냉각은 비등과 강 표면 증기층 형성 수반. 압축 공기가 증기층 관통 물방울 운동 에너지 제공.

에어 미스트 노즐

CCM 2차 냉각 시스템 초기 접근: 단일 유체 분무 노즐 기반. 이후 노즐 기술 개선되었으나 여러 기기 여전히 물 단독 냉각 시스템 가동, 높은 생산성과 제품 품질 달성. 그러나 현재 환경에서 CCM은 강종·단면 크기 변화 측면 고유연성 필요, 2차 냉각 시스템 고유연성 필요, CCM에 에어 미스트 노즐 장착 필요.

현대 에어 미스트 노즐 필수 특징: 혼합실, 연장관, 물·공기 입구 어댑터와 내부 형상, 노즐 팁 형상. 이 구성요소들 정밀 설계로 매우 높은 열전달 계수, 안정된 분무 각도, 균일 물 분포 보장. 에어 미스트 노즐은 논클로깅 특성, 공기·물 혼합실 내 마모 부품 없음. 분무 폭은 넓은 물 압력 범위에서 안정. 따라서 일정하고 균일한 분무 특성 보유.

에어 미스트 노즐 요구사항: (1) 냉각수 미세 미스트로 원자화하여 강 균일 냉각, (2) 광각 미스트 스트림 배출로 노즐 설치 수 저감, (3) 노즐 출구 크기 증대로 노즐 막힘 감소와 배출 물량 범위 증대, (4) 노즐 크기 롤 사이 설치 용이. 에어 미스트 냉각 효과적 열전달 조건 기여 중요 요소: (1) 에어 미스트 분무 플럭스 밀도, (2) 분무 속도.

CCM 설치 노즐 종류 최소화 위해 넓은 턴다운 비율 에어 미스트 노즐 바람직. 유지보수와 노즐 재고 낮게 유지 도움.

에어 미스트 노즐은 물 외 압축 공기 사용으로 동일 물 유량 위해 단일 유체 노즐 대비 필요 자유 단면적 증가. 증가된 자유 단면적은 일반적으로 열악한 분무수 품질로 인한 내부 노즐 막힘 덜 취약, 노즐 수명 증가와 유지보수 작업량 감소 효과. 그림 3과 표 1은 단일 유체 노즐과 에어 미스트 노즐 비교.

그림 3 단일 유체 노즐과 에어 미스트 노즐 비교

표 1 에어 미스트 냉각과 단일 유체 냉각 비교
순번	에어 미스트 냉각	단일 유체 냉각
1	물 유량 턴다운 비율 최대 30:1	물 유량 턴다운 비율 최대 3.7:1
2	큰 단면적	작은 단면적
3	최소 막힘 경향	높은 막힘 경향
4	일정한 분무 각도	압력에 따라 주요 분무 각도 변동
5	균일한 액체 분포	불균일한 액체 분포
6	높은 열 추출 능력	제한된 열 추출 능력
7	이상적 응고 조건 위한 넓은 주조 속도 범위 제공	이상적 응고 조건 위한 제한된 주조 속도 범위 제공
8	CCM에서 다양한 강종 주조 허용	CCM 주조 가능 강종 범위 제한
9	적은 물 유량 필요	많은 물 유량 필요
10	설치 비용 높음	설치 비용 낮음

CCM 2차 냉각 시스템에서 노즐이 전체 턴다운 비율 걸쳐 스트랜드 표면 균일 물 분포 제공 필요. 평균값 대비 ±15% 공차 다중 노즐 배열로 물 압력 1~7kg/cm² 범위에서 달성 가능. 에어 미스트 노즐 제공 최소·최대 턴다운 비율 균일 분무 분포 그림 4.

그림 4 에어 미스트 노즐 분무 분포 성능

에어 미스트 노즐 단일 유체 노즐 대비 주 장점: 증가된 물 턴다운 비율. 물 턴다운 비율 = 최대 운전 물 압력(보통 7kg/cm²) 유량 / 최소 운전 압력(에어 미스트 0.5kg/cm², 단일 유체 1kg/cm²) 유량. 노즐들 이 운전 압력 범위 내 안정된 분무 물 분포 보임. 에어 미스트 노즐 대표적 물 턴다운 비율 10:1~30:1 범위, 단일 유체 노즐 2.6:1~3.7:1 범위. 증가된 턴다운 비율은 열전달 변동 측면 높은 유연성 제공. 그림 5 설명.

그림 5 단일 유체와 에어 미스트 노즐 턴다운 비율과 열전달 계수 비교

빌릿·블룸 주조용 에어 미스트 노즐

빌릿/블룸 CCM 에어 미스트 냉각 시 플랫 제트 노즐 일반적으로 최적 선택 아님. 특히 '하프웨이 크랙(halfway cracks)' 경험 시. 하프웨이 크랙: 스트랜드 표면이 예리한 열 추출 구역(분무 제트 하부) 통과 후 재가열될 때 형성. 재가열 과정 중 표면 팽창, 더 뜨겁고 약한 내재료에 인장 변형 부과, 크랙 발생. 플랫 제트 노즐 사용 이 효과 심화.

풀 콘 노즐 또는 오벌 노즐이 확장된 표면적 걸쳐 열 추출로 부드러운 냉각 제공. 이 두 분무 패턴은 단일 유체 물 2차 냉각 시스템 표준이나, 에어 미스트용 적절한 버전 부재. 일반 풀 콘 에어 미스트 노즐: 불안정 분무 성능, 매우 높은 공기 소비, 막힘 경향. 오벌 콘 에어 미스트 노즐(멀티 슬롯 오리피스): 불균일 분무 패턴, 매우 좁고 막기 쉬운 슬롯, 타협 수준 이상 어려움.

신세대 풀/오벌 콘 에어 미스트 노즐 개발로 빌릿·블룸 CCM 에어 미스트 냉각 효과적 사용 가능. 콤팩트 블록 설계로 수평 분무 바와 수직 '바나나' 노즐 헤더 모두 장착 가능. 대표적 풀 콘 에어 미스트 노즐 그림 6.

그림 6 대표적 풀 콘 에어 미스트 노즐

이 노즐들로 물 압력 1~10kg/cm², 공기 압력 2kg/cm² 일정 조건에서 1:14 턴다운 비율 달성. 원형 풀 콘 노즐 공칭 분무 각도 0~90°. 자유 통로 직경 2mm로 기존 대비 약 3배 크기(물 압력 1kg/cm² 0.5L/min, 7kg/cm² 5L/min, 공기 압력 2kg/cm² 일정 조건 노즐 크기 기준).

표 2는 일부 일본 제철소 에어 미스트 냉각과 분무 냉각 성능 비교.

표 2 일부 일본 제철소 에어 미스트 냉각과 분무 냉각 비교
순번	제철소	막힘		유지보수
		에어 미스트	분무 냉각	에어 미스트	분무 냉각
1	플랜트 A	15일 0.89%*	15일 1.5~19.8%	15일 막힘 노즐 세정*	15일 막힘 노즐 세정
2	플랜트 B	적음	5개월 ~20%	막힘 없음	3~12개월 막힘 노즐 교체
3	플랜트 C	적음	워킹 바 사용	2개월 15개 노즐 교체	워킹 바 사용
4	플랜트 D	적음	4개월 ~20%	15일 점검	각 주조마다 점검
	* 공기 주입 노즐

CCM 에어 미스트 냉각 이점: (1) 액체 분포 개선과 냉각수 유량 감소로 표면·코너 균열과 중심 편석 발생 감소, (2) 주조 속도와 생산 능력 증대, (3) 넓은 턴다운 비율과 공기/물 비율 최적화로 확대된 제품 믹스 CCM 조업 조건 향상, (4) 단순·강성 노즐 마운팅과 분무 배관으로 유지보수·배관 비용 대폭 절감, (5) 노즐·배관 완벽 정렬과 노즐 막힘 감소로 조업 안전성 개선.