연속 주조에서 공기 미스트 냉각

연속 주조 시 공기 미스트 냉각

오늘날의 환경에서 다양한 강종을 효율적으로 주조하려면 연속 주조기(CCM)가 필요합니다. 이 범위는 초저탄소 및 저탄소 등급에서 고탄소, 저합금 및 고품질 파이프라인 등급에 이르기까지 다양합니다. 이러한 제품의 최상의 품질을 일관되게 생산하려면 각 강종에 대해 CCM에서 최적의 주조 매개변수를 유지할 수 있도록 CCM의 운영 및 유지보수 유연성을 높여야 합니다. 이러한 유연성은 기계 요소와 제어 시스템뿐만 아니라 기계의 2차 냉각 영역(그림 1)까지 확장되며 영역에서 보다 효율적이고 안정적인 분무 냉각을 필요로 합니다. 따라서 CCM의 향상된 제품 품질 및 생산성 향상에 대한 요구로 인해 2차 냉각 영역도 현재 환경에서 초점 영역이 되었습니다. CCM은 이제 2차 냉각 구역의 분무 냉각을 위한 매우 효율적인 시스템이 필요합니다.

그림 1 CCM의 2차 냉각 영역 개략도

물에 의한 냉각은 강을 연속 주조하는 동안 주강이 주형을 떠난 후와 주형 내에서 응고된 액강으로부터 열을 추출하는 데 중요한 역할을 합니다. 복잡한 끓는 현상이 특징입니다. 금속 표면 온도에 크게 의존하는 물 냉각 중 열 추출 속도는 스트랜드가 냉각됨에 따라 시간이 지남에 따라 빠르게 변할 수 있습니다. 따라서 제어되지 않은 냉각은 강철의 응고 쉘 내부의 온도 구배에 변동을 일으킬 수 있고 응고 전면에서 인장 열 응력을 생성하여 궁극적으로 최종 제품에 뜨거운 찢어짐/균열이 나타날 수 있습니다. 2차 냉각의 개략도와 열유속과 강재 표면 온도의 관계는 그림 2와 같습니다.

그림 2 2차 냉각의 개략도와 열유속과 강재 표면 온도의 관계

분무 냉각은 2차 냉각 공정에서 유일하게 제어 가능한 부분이므로 제품 품질과 연속 주조 공정의 생산성을 결정하는 주요 요소입니다. 분무 냉각 시스템은 물을 분무하기 위해 노즐을 사용합니다. 노즐의 주요 목적은 스트랜드 표면의 냉각입니다. 스프레이 노즐 배열 및 프로세스 매개변수는 스프레이 수 냉각의 특성을 결정합니다. 스프레이 노즐 배열은 스프레이 냉각이 일어나는 스트랜드 표면의 영역을 정의하는 반면 작동 압력 및 유속과 같은 공정 매개변수는 스트랜드 표면의 냉각 강도와 분포를 결정합니다. 냉각 및 응고 프로세스를 정의하는 스트랜드 표면에서 열 추출은 노즐 배열과 프로세스 매개변수의 결과입니다.

스프레이 노즐 선택의 주요 기준은 스프레이 패턴, 액체 분포(밀도) 및 부피에 의해 결정되는 열전달 계수입니다. 노즐 배열의 최적화 가능성에는 (i) 노즐 정렬, (ii) 헤더 및 세그먼트 파이프 설계, (iii) 액체 분배 최적화가 포함됩니다. 공정 매개변수 최적화의 경우 가능성은 (i) 분무 유형(공기 미스트 또는 물만), (ii) 스프레이 역학, (iii) 스프레이 전위 및 (iv) 열전달 계수.

주강 제품의 우수한 품질과 연속주조기의 생산성 증대의 필요성은 액강의 연속주조 시 보다 효율적인 2차 냉각 시스템의 필요성에 주목하게 되었다. CCM의 2차 냉각 영역에서 에어 미스트 냉각은 이러한 방향의 한 단계입니다. 에어 미스트 노즐은 2차 냉각수를 분무하기 위해 수압과 함께 압축 공기를 사용합니다. 이것은 제품 믹스가 다양한 강종을 포함하는 경우에 필요한 훨씬 더 넓은 턴다운/제어 비율을 제공합니다. 또한 에어 미스트 노즐은 동일한 유량 크기의 단일 유체 노즐에 비해 훨씬 더 큰 내부 자유 통로를 제공합니다.

공기 미스트 냉각 원리

에어 미스트 냉각은 특별히 설계된 미스트 노즐을 통해 물을 강제로 통과시켜 작동합니다. 이것은 평균 크기가 25미크론(0.025mm) 이하인 초미세 물방울의 미스트(안개)를 만듭니다. 고압 미스트 냉각을 사용하면 5미크론(0.005mm)만큼 작은 훨씬 더 작은 액적 크기를 얻을 수 있습니다. 이것은 단지 1리터의 물에서 큰 들판보다 더 큰 표면적을 생성합니다. 더 높은 표면적은 물이 매우 빠르게 증발하는 데 도움이 됩니다. 이 작은 물방울(안개)은 환경에 존재하는 에너지(열)를 빠르게 흡수하고 증발하여 수증기(기체)가 됩니다. 물을 수증기로 바꾸는 데 사용되는 에너지(열)는 환경에서 제거되어 환경을 냉각시킵니다.

주변 공기의 상대 습도는 공기 미스트 냉각에 중요한 역할을 합니다. 같은 온도에서 공기가 흡수할 수 있는 수분의 양과 비교한 공기 중의 수분(물)의 양입니다. 이것은 최대 공기 미스트 냉각 가능성을 결정하는 중요한 요소입니다. 상대 습도가 낮을수록 더 많은 물이 증발되어 더 많은 열을 제거할 수 있습니다. 물 분무 냉각의 경우 특정 온도 이상의 강철 표면에 물을 분사하면 강철 표면과 물 사이에 얇은 증기층이 생성됩니다. 이 상태를 종종 '필름 비등'이라고 합니다(그림 2). 수압 스프레이 노즐을 사용한 연구에 따르면 열전달 계수는 스프레이 노즐에 의해 생성된 질량 물 플럭스에 크게 의존합니다. 그러나 물 스프레이에 공기를 추가하면 복잡한 상황이 발생합니다. 공기는 강철 표면의 냉각을 돕는 물의 분무를 유발합니다.

라이덴프로스트 현상이라는 용어는 매우 뜨거운 표면에 소량의 액체를 놓거나 쏟을 때 관찰되는 현상의 집합체입니다. 독일 의사 J. G. 라이덴프로스트의 이름을 따서 명명되었습니다. 라이덴프로스트 현상은 액체의 끓는점보다 훨씬 더 뜨거운 질량과 거의 접촉하는 액체가 액체가 빠르게 끓는 것을 방지하는 절연 증기층을 생성하는 현상입니다. 라이덴프로스트 포인트는 안정적인 필름 비등의 시작을 의미합니다. 열유속이 최소이고 표면이 증기 블랭킷으로 완전히 덮인 끓는 곡선의 점을 나타냅니다. 표면에서 액체로의 열 전달은 증기를 통한 전도와 복사에 의해 발생합니다.

더 높은 특정 물 밀도가 열전달 계수를 결정하는 유일한 요소는 아닙니다. 공기/물 비율은 압축 공기가 스트랜드 표면 위의 증기층을 통과하는 데 필요한 운동 에너지를 제공하는 경우에도 고려되어야 합니다. 이것은 라이덴프로스트 현상 때문에 650℃ 이상에서 중요합니다. 또한 노즐 스프레이 각도와 스프레이 높이도 중요한 역할을 합니다. 둘 다 스프레이 풋 프린트(스프레이의 너비와 깊이)를 결정하므로 워터 제트 밀도(물 흐름)와 제트 충격에 영향을 미치는 요소입니다. 이 두 변수 외에도 압축 공기량과 물의 흐름 사이의 비율은 2차 냉각 과정에서 또 다른 요인으로 고려되어야 합니다. 스트랜드에 대한 분무 냉각은 비등과 강철 표면에 증기층 형성을 포함합니다. 압축 공기는 증기층을 통한 물방울의 침투에 필요한 운동 에너지를 제공합니다.

에어 미스트 노즐

CCM의 2차 냉각 시스템에 대한 초기 접근 방식은 단일 유체 스프레이 노즐의 활용을 기반으로 했습니다. 노즐 기술은 그 이후로 개선을 거듭해 왔으며 여러 기계가 여전히 수냉식 냉각 시스템에서만 작동하고 높은 생산성과 높은 제품 품질을 달성하고 있습니다. 그러나 오늘날의 환경에서 CCM은 강종 및 단면 크기 변화 측면에서 높은 유연성이 필요하며 이는 2차 냉각 시스템의 높은 유연성을 필요로 하므로 CCM에 에어 미스트 노즐이 장착되어야 합니다.

현대식 에어 미스트 노즐의 필수 기능은 혼합 챔버, 연장 파이프, 물 및 공기 흡입구 어댑터, 내부 형상 및 노즐 팁 형상입니다. 이러한 구성 요소는 매우 높은 열 전달 계수, 안정적인 스프레이 각도 및 균일한 물 분배를 보장하도록 정밀하게 설계되어야 합니다. 에어 미스트 노즐은 막힘이 없고 공기와 물의 혼합 챔버에 마모 부품이 없습니다. 이 노즐의 스프레이 폭은 광범위한 수압에서 안정적입니다. 따라서 이러한 노즐은 일정하고 균일한 스프레이 특성을 갖습니다.

에어 미스트 노즐은 (i) 강재의 균일한 냉각을 위해 냉각수를 미세한 미스트로 분무, (ii) 노즐 수를 줄이기 위한 미스트 스트림의 광각 배출, (iii) 요건을 충족해야 합니다. ) 노즐 막힘을 감소시키고 토출량 범위를 증가시키기 위해 노즐 출구의 크기를 증가시키고, (iv) 노즐 크기는 롤 사이에 설치를 용이하게 한다. 효과적인 열 전달 조건에 기여하는 에어 미스트 냉각의 중요한 요소는 (i) 에어 미스트 스프레이의 자속 밀도 및 (ii) 스프레이 속도입니다.

CCM에 설치된 노즐 유형을 최소한으로 유지하기 위해 폭 턴다운 비율을 갖는 에어 미스트 노즐을 갖는 것이 바람직합니다. 이는 유지 관리와 노즐 재고를 낮은 수준으로 유지하는 데 도움이 됩니다.

에어 미스트 노즐은 물 외에 압축 공기로 작동하기 때문에 단일 유체 노즐에 비해 동일한 물 유량을 제공하기 위해 필요한 자유 단면적이 증가합니다. 증가된 자유 단면적은 일반적으로 열악한 스프레이 수질로 인해 발생하는 내부 노즐 막힘이 덜 발생하므로 노즐 수명이 증가하고 유지 보수 작업 부하가 감소합니다. 그림 3과 탭 1은 단일 유체 노즐과 에어 미스트 노즐을 비교합니다.

그림 3 단일 유체 노즐과 에어 미스트 노즐의 비교

탭 1 공기 미스트 냉각과 단일 유체 냉각의 비교
SL 번호	공기 미스트 냉각	단일 유체 냉각
1	물 흐름 턴다운 비율 최대 30:1	물 흐름 턴다운 비율 최대 3.7:1
2	큰 단면	작은 단면
3	최소 막힘 경향	더 높은 막힘 경향
4	일정한 스프레이 각도	주요 분사 각도는 압력에 따라 다릅니다.
5	고른 액체 분배	불균일한 액체 분포
6	더 높은 열 추출 기능	제한된 열 추출 기능
7	이상적인 응고 조건을 위한 넓은 주조 속도 범위 제공	이상적인 응고 조건을 위한 제한된 주조 속도 범위 제공
8	CCM에 다양한 강종을 주조할 수 있음	CCM에 주조할 강종 범위를 제한합니다.
9	더 적은 양의 물 필요	더 많은 양의 물 필요
10	높은 설치 비용	낮은 설치 비용

CCM의 2차 냉각 시스템에서 노즐은 스트랜드 표면과 전체 턴다운 비율에 걸쳐 균일한 물 분포를 제공해야 합니다. 1kg/sq cm ~ 7kg/sq cm 범위의 수압에서 다중 노즐 배열로 평균값의 +/- 15% 허용 오차를 얻을 수 있습니다. 최소 및 최대 턴다운 비율 모두에서 에어 미스트 노즐에 의해 제공되는 균일한 스프레이 분포는 그림 4에 나와 있습니다.

그림 4 에어 미스트 노즐의 스프레이 분포 성능

단일 유체 노즐에 비해 에어 미스트 노즐의 주요 이점은 증가된 물 턴다운 비율입니다. 물 턴다운 비율은 최대 작동 수압(일반적으로 7kg/sq cm)에서의 유량을 최소 작동 압력(일반적으로 에어 미스트 노즐의 경우 0.5kg/sq cm, 1kg/sq의 경우 1kg/sq)에서의 유량으로 나눈 값에서 계산됩니다. 단일 유체 노즐의 경우 cm). 노즐은 이러한 작동 압력 범위 내에서 안정적인 분무수 분포를 보여줍니다. 에어 미스트 노즐의 일반적인 물 턴다운 비율은 10:1 ~ 30:1 범위에서 다양하지만 단일 유체 노즐의 비율은 일반적으로 2.6:1 ~ 3.7:1 범위로 다양합니다. 증가된 턴다운 비율은 열 전달 변동 측면에서 더 높은 유연성을 제공합니다. 이것은 그림 5에 나와 있습니다.

그림 5 단일 유체 및 에어 미스트 노즐의 턴다운 비율 및 열전달 계수 비교

빌렛 및 블룸 주조용 에어 미스트 노즐

공기 미스트 냉각이 빌렛 또는 블룸 CCM에 사용되는 경우 일반적으로 플랫 제트 노즐이 최선의 선택이 아닙니다. 특히 '중간 균열'이 발생할 때 그렇습니다. 중간 균열은 스트랜드 표면이 스프레이 제트 아래의 날카로운 열 추출 영역을 통과한 후 재가열로 인해 형성됩니다. 이 재가열 과정에서 표면이 팽창하여 더 뜨겁고 약한 내부 재료에 인장 변형을 가하여 균열이 생길 수 있습니다. 플랫 제트 노즐을 사용하면 이러한 효과가 더욱 강화됩니다.

원뿔형 노즐 또는 타원형 노즐은 확장된 표면적에 걸쳐 열을 추출하여 더 부드러운 냉각을 제공합니다. 이 두 가지 스프레이 패턴은 단일 유체 물 2차 냉각 시스템의 표준이지만 에어 미스트를 사용하는 적절한 버전은 없습니다. 일반적인 원뿔형 에어 미스트 노즐은 불안정한 스프레이 성능, 매우 높은 공기 소비량 및 매우 쉽게 막히는 경향을 보입니다. 다중 슬롯 오리피스가 있는 타원형 콘 에어 미스트 노즐. 균일하지 않은 스프레이 패턴과 막히기 쉬운 슬롯이 매우 좁기 때문에 이러한 노즐은 거의 절충안이 되었습니다.

차세대 완전 및 타원형 원뿔형 에어 미스트 노즐의 개발로 이제 빌릿 및 블룸 CCM에서 에어 미스트 냉각을 효과적으로 사용할 수 있습니다. 컴팩트한 블록 디자인으로 수평 스프레이 바와 수직 '바나나' 노즐 헤더 모두에 장착할 수 있습니다. 전체 콘형 에어 미스트 노즐은 그림 6에 나와 있습니다.

그림 6 일반적인 원뿔형 에어 미스트 노즐

이 노즐을 사용하면 1kg/sq cm의 수압 범위와 2kg/sq cm의 공기 일정 압력에서 10kg/sq cm의 수압 범위에서 1:14의 턴다운 비율이 달성되었습니다. 원형 원뿔형 노즐의 공칭 스프레이 각도 범위는 0도에서 90도입니다. 직경이 2mm인 자유 통로는 1kg/sq cm 수압에서 분당 0.5리터(l/min), 7kg/sq cm에서 5l/min의 유량 범위를 가진 노즐 크기의 경우 이전보다 약 3배 더 높습니다. 일정한 2kg/sq cm 기압에서의 수압

표 2는 일부 일본 제철소의 공기 미스트 냉각 및 분무 냉각 성능을 비교한 것입니다.

Tab 1 일부 일본 공장의 공기 미스트 냉각 및 분무 냉각 비교
SL 번호	제철소	막힘		유지 관리
		에어 미스트 냉각	분무 냉각	공기 미스트 냉각	분무 냉각
1	공장 A	15일 동안 0.89%*	15일 동안 1.5%에서 19.8%까지 증가	15일 안에 막힌 노즐 청소*	15일 이내에 막힌 노즐 청소
2	공장 B	소형	5개월 동안 약 20%	막힘 없음	3~12개월 안에 막힌 노즐 교체
3	공장 C	소형	워킹 바 이용	2개월 동안 노즐 15개 교체	워킹 바 사용
4	공장 D	소형	4개월 동안 약 20%	15일 동안 체크인	각 출연진 확인
	* 공기 분사 노즐

연속 주조기에서 에어 미스트 냉각의 이점은 (i) 액체 분포의 개선과 냉각수 흐름의 감소로 인한 표면 및 모서리 균열 및 중심 편석의 발생 감소, (ii) 주조 속도 및 생산 능력의 증가입니다. , (iii) 더 넓은 턴다운 비율 및 공기/물 비율 최적화로 인해 제품 혼합 확대에 대한 CCM의 작동 조건 향상, (iv) 간단하고 견고한 노즐 장착 및 스프레이 배관으로 인해 유지 보수 및 파이프 비용 대폭 절감 (v) 노즐과 스프레이 배관의 완벽한 정렬로 인한 작동 안전성 향상 및 노즐 막힘 감소.