연속 주조 공정의 핵심: 원리, 구성 요소 및 장점 완벽 가이드

강철 연속 주조의 기초

연속 주조는 액체 강철을 반제품으로 응고시켜 마무리 압연 밀에서 후속 압연을 위한 공정입니다. 강철 연속 주조는 1865년 헨리 베세머 경(Sir Henry Bessemer)에 의해 고안되고 특허받았으나, 엔지니어링과 장비 관련 문제로 상용화되지 못했습니다. 이 문제들이 해결된 후 1950년대에 강철 연속 주조가 상업적으로 도입되었으며, 2012년에는 전 세계적으로 약 14억 7,500만 톤의 연속 주조 강철이 생산되었습니다.

연속 주조는 강철 제조 공정 중 잉곳 주조, 금형 박리, 소킹 피트 가열, 1차 압연 등 여러 단계를 단일 작업으로 대체했습니다. 강철 연속 주조는 수율, 품질, 생산성, 비용 효율성 향상에 기여했습니다. 연속 주조의 원리는 그림 1에 나와 있습니다.

그림 1 연속 주조의 원리

그림 1을 참조하면, 2차 제강 설비에서 나온 강철 주입 레들(1)의 액체 강철이 연속 주조기로 이송됩니다. 레들이 터렛 위로 올려져 레들이 턴디시(3) 위 주조 위치로 회전합니다. 액체 강철이 레들에서 턴디시로 흐르고, 다시 수냉식 구리 몰드(5)로 들어갑니다. 몰드에서 응고가 시작되어 롤 지지부(6)와 벤딩 구간(7)을 지나며 계속됩니다. 연속 주조 스트랜드는 곧 펴지고, 토치로 절단되어 중간 저장소로 보내지거나 열간 압연을 위해 핫 차지(hot charged)됩니다.

제품 최종 용도에 따라 다양한 형상이 주조됩니다. 통상적인 연속 주조기에서는 슬래브(slab), 블룸(bloom), 빌릿(billet)입니다. 최근에는 용융, 주조, 압연 공정이 연계되어 완제품과 거의 유사한 형상을 주조하는 근정형 주조(near net shape casting)가 이루어집니다. 이들 근정형 주조 단면은 주로 빔과 평압연 제품에 적용되며, 고효율 작업을 가능하게 합니다. 근정형 주조의 경우 액체 강철부터 마무리 압연까지 전체 공정 체인을 2시간 내에 완료할 수 있습니다.

빌릿은 약 150mm 정방 이하의 단면을 가집니다. 블룸은 정방 또는 직사각형 단면으로 각 변이 150mm 초과 500mm 미만 범위입니다. 원형 주조는 직경 125~500mm 범위입니다. 빔 블랭크는 도그 본(dog bone) 모양으로 이후 I-빔으로 압연됩니다. 슬래브는 두께 150~400mm, 폭 500mm 초과~2500mm 범위로 주조됩니다. 폭-두께 비율인 '종횡비(aspect ratio)'가 블룸과 슬래브의 경계가 됩니다. 종횡비 2.5:1 이상이면 슬래브로 분류됩니다. 박판 슬래브(thin slab)는 두께 50~90mm 범위입니다.

연속 주조기 설계에서 중요한 고려사항은 다음과 같습니다.

• 최종 제품 용도가 주조 제품(블룸, 빌릿, 원형, 슬래브, 박판 슬래브, 빔 블랭크)의 품질, 강종, 형상에 영향
• 연간 주조 톤수
• 액체 강철 공급 가능 여부와 히트 크기
• 계획 운전 시간

위 요소들은 주조 스트랜드 수와 주조 속도 등 연속 주조기 설계 파라미터를 결정하며, 이는 연속 주조기로의 액체 강철 공급과 일치해야 합니다. 주조할 강철의 품질과 강종은 주조기 길이, 수직 높이, 커브드 또는 스트레이트 몰드, 물 대 에어 미스트 냉각, 전자기 교반 등 다양한 설계 파라미터 결정에 활용됩니다.

제강 레들에서 연속 주조기 몰드로 액체 강철을 이송하는 데는 두 단계가 있습니다. (i) 주입 레들에서 턴디시로 액체 강철 이송/주입, (ii) 턴디시에서 몰드로 액체 강철 이송. 턴디시에서 몰드로의 액체 강철 흐름 조절은 슬라이드 게이트, 스토퍼 로드, 미터링 노즐 등 다양한 설계의 오리피스 장치를 통해 이루어지며, 후자는 턴디시 강철 레벨 조정으로 제어됩니다.

연속 주조기의 구간과 구성 요소

연속 주조기는 다음 주요 구간으로 구성됩니다.

• 몰드 위에 위치한 턴디시로, 액체 강철을 조절된 속도로 몰드에 공급합니다.
• 1차 냉각 구역이기도 한 수냉식 구리 몰드로, 턴디시에서 액체 강철이 공급됩니다. 2차 냉각 구역으로 진입할 때 스트랜드 형상을 유지할 만큼 충분히 강한 응고 외피를 생성합니다.
• 몰드 아래에 위치한 봉쇄 구간과 연계된 2차 냉각 구역으로, 아직 대부분이 액체 상태인 스트랜드가 통과하며 물이나 에어 미스트 분사로 스트랜드의 추가 응고를 촉진합니다.
• 직선 수직 주조기가 아닌 경우 언밴딩 및 교정 구간
• 응고된 스트랜드를 조각으로 절단해 제거 및 후속 가공을 위한 절단 유닛(절단 토치 또는 기계적 전단)

연속 주조기의 주요 구성 요소는 다음과 같습니다.

• 턴디시 – 턴디시 형상은 일반적으로 직사각형이지만 델타형과 T자형도 사용됩니다. 바닥에 몰드로 액체 강철을 분배하기 위한 노즐이 있습니다. 턴디시는 다음 핵심 기능도 수행합니다. (i) 산화물 개재물 분리 촉진, (ii) 레들 교체 중 몰드로 연속적인 액체 강철 흐름 제공, (iii) 몰드 노즐 위 일정한 액체 강철 높이 유지로 강철 흐름과 주조 속도 일정 유지(개방 주입 미터링 시스템의 경우), (iv) 몰드로 더 안정된 스트림 패턴 제공.
• 몰드 – 몰드의 주 기능은 2차 분무 냉각 구역 진입 시 액체 코어를 담을 만큼 충분히 강한 고체 쉘을 형성하는 것입니다. 핵심 제품 요소는 형상, 쉘 두께, 균일한 쉘 온도 분포, 최소 기공도와 적은 비금속 개재물로 결함 없는 내부 및 표면 품질입니다. 몰드는 기본적으로 개방형 박스 구조로, 고순도 구리 합금으로 제작된 수냉식 내면 라이닝을 포함합니다. 몰드 물은 응고 쉘로부터 열을 전달받습니다. 구리 면의 작업 표면은 크롬이나 니켈로 도금되어 더 단단한 작업 표면을 제공하고, 주조 스트랜드 표면의 구리 픽업(copper pickup)을 방지해 제품 표면 균열을 예방합니다. 몰드 열전달은 중요하고 복잡합니다. 수학적 및 컴퓨터 모델링이 몰드 열적 조건 이해와 적절한 설계 및 운전 관행 수립에 일반적으로 활용됩니다. 열전달은 일반적으로 (i) 응고 쉘을 통한 열전달, (ii) 강철 쉘 표면에서 구리 몰드 외면으로의 열전달, (iii) 구리 몰드를 통한 열전달, (iv) 구리 몰드 내면에서 몰드 냉각수로의 열전달 등 일련의 열저항으로 간주됩니다.
• 몰드 진동 – 몰드 진동은 응고 쉘과의 마찰과 들러붙음 최소화, 쉘 찢어짐 방지, 액체 강철 돌출(breakout) 방지를 위해 필요합니다. 돌출은 장비에 큰 손상을 입히고 청소와 수리로 인해 긴 가동 중단이 필요합니다. 쉘과 몰드 간 마찰은 몰드 윤활유(오일 또는 분말 플럭스)로 줄입니다. 진동은 유압식 또는 모터 구동 캠이나 레버로 몰드를 지지하고 왕복(진동)시켜 달성합니다. 몰드 진동 주파수, 스트로크, 패턴은 다양하지만, 일반적인 접근은 '네거티브 스트립(negative strip)'이라 불리는 스트로크 패턴을 사용하는 것입니다. 이는 주기 중 하향 스트로크에서 몰드가 스트랜드 인출 속도보다 빠르게 아래로 움직이게 하여 쉘에 압축 응력을 발생시키고, 표면 균열과 기공을 밀봉해 강도를 높입니다.
• 2차 냉각 시스템 – 2차 냉각 시스템은 여러 구역으로 구성되며, 각 구역은 기계 진행에 따라 응고되는 스트랜드 구간을 제어 냉각합니다. 분무 매체는 물이나 물과 공기의 혼합물입니다. 열전달은 복사, 전도, 대류 세 가지 방식으로 일어납니다. 2차 냉각 구역 상부에서의 주요 열전달 형태는 복사입니다. 제품이 롤을 통과할 때 쉘을 통한 전도와 관련 접촉에 의한 롤 두께를 통한 전도로 열이 전달됩니다. 이 열전달 형태는 푸리에 법칙을 따릅니다. 세 번째 열전달 메커니즘은 분무 노즐에서 나오는 빠르게 움직이는 물방울이나 미스트가 강철 표면 옆의 증기층을 관통해 증발하는 대류입니다. 이 대류 메커니즘은 뉴턴의 냉각 법칙을 따릅니다. 2차 구역의 열전달은 (i) 응고 속도 향상 및 제어, (ii) 분무 수량 조절로 스트랜드 온도 제어, (iii) 기계 봉쇄부 냉각 기능을 수행합니다.
• 쉘 성장 – 피크의 법칙(Fick's law)으로 신뢰성 있게 예측됩니다. 이 공식은 제품이 완전 응고되는(액체 코어가 남지 않는) 주조 거리 계산에도 사용됩니다.
• 스트랜드 봉쇄 – 봉쇄 구역은 2차 냉각 구역의 필수 부분입니다. 일련의 유지 롤이 스트랜드 양면을 가로질러 스트랜드를 봉쇄합니다. 에지 롤 봉쇄도 필요할 수 있습니다. 초점은 응고 쉘이 자립할 때까지 스트랜드 가이드와 봉쇄를 제공하는 것입니다. 제품 품질 저하를 피하기 위해 롤러 배치와 스트랜드 언밴딩 관련 응력을 최소화하기 위한 신중한 고려가 필요합니다. 따라서 롤 배치(간격과 롤 직경)는 롤 간 벌징(bulging)과 액체/고체 계면 변형을 최소화하도록 신중하게 선택됩니다. 스트랜드 지지는 스트랜드 형상 유지가 필요합니다. 스트랜드 자체가 액체 코어를 포함하는 응고 쉘이므로, 기계 높이와 관련된 헤드 압력에서 오는 벌징 페로스태틱(ferro-static) 힘을 가집니다. 가장 우려되는 구역은 기계 상부입니다. 여기서는 벌징 힘이 상대적으로 작지만 쉘이 가장 얇고 약합니다. 이 고유한 약점을 보완하고 쉘 파열과 액체 강철 돌출을 피하기 위해 롤 직경이 작고 간격이 촘촘합니다. 몰드 바로 아래에서는 네 면이 모두 지지되며, 기계 하부 구역에서는 광폭 면만 지지됩니다.
• 언밴딩 및 교정 – 언밴딩과 교정 힘은 수직에서 수평면으로의 스트랜드 봉쇄와 가이드만큼 중요합니다. 언밴딩 시 고체 쉘 외경은 인장, 내경은 압축을 받습니다. 결과 변형은 아크 반경과 주조 강종 기계적 물성에 의해 결정됩니다. 외경 변형이 과도하면 균열이 발생해 주조 강철 품질에 심각한 영향을 미칩니다. 이 변형들은 일반적으로 멀티 포인트 언밴딩 공정을 통해 최소화되며, 반경이 점진적으로 커져 제품을 수평면으로 서서히 펴줍니다.

주조 공정

새로운 히트 주조를 시작하기 위해 몰드 바닥은 강철 더미 바(dummy bar)로 밀봉되며, 이는 교정 인출 유닛에 의해 유압으로 고정됩니다. 이 더미 바는 액체 강철이 몰드에서 흘러나오지 않게 합니다. 몰드에 부어진 액체 강철은 부분적으로 응고되어 고체 외피와 액체 코어를 가진 강철 스트랜드를 만듭니다. 이 1차 냉각 구역에서 강철 쉘이 약 10~20mm의 충분한 두께에 도달하면, 교정 인출 유닛이 가동되어 부분 응고된 스트랜드를 더미 바와 함께 몰드에서 인출합니다. 액체 강철은 인출된 강철을 보충하기 위해 동일한 속도로 계속 몰드에 부어집니다. 인출 속도는 단면, 강종, 품질에 따라 달라지며 분당 300~7,500mm 범위에서 변동될 수 있습니다. 주조 시간은 레들 열 손실 방지를 위해 일반적으로 히트당 45~90분입니다. 몰드를 떠난 주조 강철 스트랜드는 롤러 봉쇄 구간과 2차 냉각실로 들어가 물이나 물과 공기(에어 미스트) 혼합물 분무로 응고를 촉진합니다. 이 구역은 주조 형상 무결성과 제품 품질을 보존합니다. 큰 단면은 연장된 롤러 봉쇄가 필요합니다. 스트랜드가 완전 응고되고 교정 인출 유닛을 통과하면 더미 바가 분리, 제거, 보관됩니다. 교정 후 스트랜드는 주조 제품(기계 설계에 따라 슬래브, 블룸, 빌릿, 원형, 빔 블랭크)의 개별 조각으로 절단됩니다.