연속주조의 기초

강 연속 주조의 기초

연속 주조는 액체 강을 마무리 압연기에서 후속 압연을 위해 반제품으로 응고시키는 공정입니다. 강철의 연속 주조는 1865년 Henry Bessemer경에 의해 고안되고 특허되었지만 엔지니어링 및 장비와 관련된 문제로 인해 상용화되지 못했습니다. 이러한 문제점을 해결한 후 1950년대에 연속주강이 상용화되어 2012년 전 세계적으로 약 14억 7500만 톤의 연속주강이 생산되었습니다.

연속 주조는 잉곳 주조, 금형 스트리핑, 소킹 피트 가열 및 1차 압연과 같은 제강 공정 중 여러 단계를 한 번의 작업으로 대체했습니다. 강철의 연속 주조는 향상된 수율, 품질, 생산성 및 비용 효율성을 달성하는 데 도움이 되었습니다. 연속주조의 원리는 그림 1과 같다.

그림 1 연속 주조의 원리

도 1을 참조하면, 2차 제강 유닛으로부터 강철 티밍 래들(1)의 액체강이 연속 주조기로 이송된다. 국자는 턴디쉬(3) 위의 주조 위치로 국자를 회전시키는 터렛 위로 올려집니다. 액강은 국자에서 턴디쉬로 흘러들어간 다음 수냉식 구리 주형(5)으로 흘러 들어갑니다. 응고는 금형에서 시작하여 롤 지지대(6)와 회전 영역(7)을 통해 계속됩니다. 그런 다음 연속 주조 스트랜드를 곧게 펴고 토치 절단한 다음 중간 보관을 위해 배출하거나 압연을 완료하기 위해 열간 장입합니다.

제품의 최종 용도에 따라 다양한 형태로 주조됩니다. 기존의 연속 주조 기계에서 이들은 슬래브, 블룸 또는 빌렛입니다. 최근에는 용융, 주조, 압연 공정이 연계되어 완성품과 실질적으로 일치하는 형상을 주조하고 있습니다. 이러한 순형에 가까운 주조 단면은 일반적으로 빔 및 평판 압연 제품에 적용되며 결과적으로 매우 효율적인 작업입니다. 순형에 가까운 주조의 경우 액강에서 압연까지의 전체 공정 사슬을 2시간 이내에 달성할 수 있습니다.

빌렛은 최대 약 150mm 정사각형 크기의 단면을 가지고 있습니다. 꽃은 단면이 정사각형 또는 직사각형이며 각 변의 크기가 150mm 이상 500mm 미만입니다. 원형 주물에는 직경이 125mm에서 500mm까지 포함됩니다. 빔 블랭크는 개 뼈 모양이며 이후에 I-빔으로 압연됩니다. 슬래브는 두께가 150mm에서 400mm, 너비가 500mm 이상에서 2500mm 사이의 크기 범위로 주조됩니다. '종횡비'라고 하는 너비 대 두께 비율은 블룸과 슬래브 사이의 구분선을 결정하는 데 사용됩니다. 2.5:1 이상의 종횡비는 슬래브라고 하는 주조된 제품을 구성합니다. 얇은 슬래브의 두께는 50mm에서 90mm 사이입니다.

연속 주조 기계의 설계에서 다음은 중요한 고려 사항입니다.

• 최종 사용 제품은 주조 제품(블룸, 빌렛, 원형, 슬래브, 얇은 슬래브 또는 빔 블랭크)의 품질, 등급 및 모양에 영향을 미칩니다.
• 연간 주조 톤수
• 액강 및 열 크기의 가용성
• 예정 영업시간

위의 요소는 연속 주조 기계에 대한 액강 공급과 일치해야 하는 주조 스트랜드 수 및 주조 속도와 같은 연속 기계 설계 매개변수를 지시합니다. 주조할 강의 품질과 등급은 길이, 수직 높이, 곡선 또는 직선 금형, 물 대 공기 분무 냉각, 전자기 교반 등과 같은 주조 기계의 다양한 설계 매개변수를 결정하는 데 활용됩니다.

강철 티밍 래들에서 연속 주조기의 주형으로 액체 강철을 옮기는 데 관련된 두 단계가 있습니다. 이것은 (i) 액체강을 가득찬 레이들에서 턴디쉬로 옮기거나 가득 채우는 것과 (ii) 액체강을 턴디쉬에서 금형으로 옮기는 것입니다. 턴디쉬에서 금형으로의 액체강 흐름 조절은 슬라이드 게이트, 스토퍼 로드 또는 계량 노즐과 같은 다양한 디자인의 오리피스 장치를 통해 발생하며, 후자는 턴디시 강철 레벨 조정으로 제어됩니다.

연속 주조기의 섹션 및 구성 요소

연속 주조기는 다음과 같은 주요 섹션으로 구성됩니다.

• 주형 위에 있는 턴디시로 액체강을 일정한 속도로 주형에 공급합니다.
• 1차 냉각 구역이기도 한 수냉식 구리 몰드로, 이를 통해 턴디쉬에서 액체 강철이 공급됩니다. 2차 냉각 구역으로 들어갈 때 가닥 모양을 유지할 수 있을 만큼 충분히 강한 응고된 외부 쉘을 생성합니다.
• 주형 아래에 위치한 격납 구역과 연결된 2차 냉각 구역으로, 대부분이 여전히 액체 상태인 스트랜드가 통과하고 스트랜드의 추가 응고를 위해 물 또는 공기 미스트가 분무됩니다.
• 직선 수직 주조기의 경우를 제외하고 굽히지 않고 곧게 펴는 부분
• 고화된 가닥을 제거 및 추가 처리를 위해 조각으로 자르는 절단 장치(절단 토치 또는 기계 가위).

연속 주조기의 주요 구성 요소는 다음과 같습니다.

• Tundish – Tundish의 모양은 일반적으로 직사각형이지만 델타 및 'T' 모양도 때때로 사용됩니다. 노즐은 액강을 금형에 분배하기 위해 바닥을 따라 위치합니다. 턴디쉬는 또한 (i) 산화물 개재물 분리 향상, (ii) 국자를 교환하는 동안 금형에 액체강의 연속적인 흐름 제공, (iii) 노즐 위의 액체강 높이를 일정하게 유지하여 따라서 강철 흐름을 일정하게 유지하여 주조 속도도 일정하게 유지하고(개방형 계량 시스템의 경우), (iv) 금형에 보다 안정적인 흐름 패턴을 제공합니다.
• 금형 – 주형의 주요 기능은 2차 분무 냉각 구역에 들어갈 때 액체 코어를 담기에 충분한 강도의 단단한 쉘을 만드는 것입니다. 주요 제품 요소는 모양, 쉘 두께, 균일한 쉘 온도 분포, 최소한의 다공성으로 결함이 없는 내부 및 표면 품질, 소수의 비금속 개재물입니다. 금형은 기본적으로 고순도 구리 합금으로 제작된 수냉식 내부 라이닝을 포함하는 개방형 상자 구조입니다. 곰팡이 물은 응고 쉘에서 열을 전달합니다. 구리 표면의 작업 표면은 종종 더 단단한 작업 표면을 제공하고 제품의 표면 균열을 촉진할 수 있는 주조 스트랜드 표면의 구리 픽업을 피하기 위해 크롬 또는 니켈로 도금됩니다. 금형 열 전달은 중요하면서도 복잡합니다. 수학적 및 컴퓨터 모델링은 일반적으로 금형 열 조건을 더 잘 이해하고 적절한 설계 및 작동 방식을 지원하는 데 사용됩니다. 열 전달은 일반적으로 일련의 열 저항, 즉 (i) 응고 쉘을 통한 열 전달, (ii) 강철 쉘 표면에서 구리 몰드 외부 표면으로의 열 전달, (iii) 구리 몰드를 통한 열 전달 및 (iv) 구리 몰드 내부 표면에서 몰드 냉각수로 열 전달.
• 금형 진동 – 응고 쉘의 마찰 및 고착, 쉘 찢어짐 및 액체 강철 브레이크아웃 방지를 최소화하기 위해 금형 진동이 필요합니다. 파손은 장비에 심각한 손상을 줄 수 있으며 청소 및 수리로 인해 큰 기계 가동 중지 시간이 필요합니다. 쉘과 금형 사이의 마찰은 오일 또는 분말 플럭스와 같은 금형 윤활제를 사용하여 감소됩니다. 진동은 유압식으로 또는 금형을 지지하고 왕복하는(또는 진동하는) 모터 구동 캠 또는 레버를 통해 이루어집니다. 금형 진동 주기는 주파수, 스트로크 및 패턴이 다양합니다. 그러나 일반적인 접근 방식은 사이클의 하향 스트로크로 인해 금형이 섹션 철수 속도보다 빠르게 아래로 이동할 수 있는 스트로크 패턴인 '네거티브 스트립'을 사용하는 것입니다. 이렇게 하면 표면 균열과 다공성을 밀봉하여 강도를 증가시키는 압축 응력이 쉘에 발생합니다.
• 2차 냉각 시스템 – 2차 냉각 시스템은 여러 구역으로 구성되어 있으며, 각 구역은 응고 스트랜드가 기계를 통과할 때 냉각을 제어하는 ​​부분을 의미합니다. 분무 매체는 물 또는 공기와 물의 조합입니다. 열 전달은 복사, 전도 및 대류의 세 가지 방법 모두를 통해 이 영역에서 발생합니다. 2차 냉각 영역의 상부 영역에서 열 전달의 주된 형태는 복사에 의한 것입니다. 제품이 롤을 통과할 때 열은 전도로 쉘을 통해 전달되고 관련 접촉의 결과로 롤의 두께를 통해 전달됩니다. 이러한 형태의 열전달은 푸리에 법칙을 따릅니다. 열 전달 메커니즘의 세 번째 형태는 스프레이 노즐에서 빠르게 움직이는 분무된 물방울이나 미스트가 강철 표면 옆의 증기층을 관통한 다음 증발하는 방식으로 발생합니다. 이 대류 메커니즘은 뉴턴의 냉각 법칙에 따릅니다. 2차 구역의 열 전달은 (i) 응고 속도 향상 및 제어 (ii) 분무수 강도 조정을 통한 스트랜드 온도 조절 (iii) 기계 격납 냉각의 기능을 제공합니다.
• 껍질 성장 – Fick의 법칙에 의해 안정적으로 예측됩니다. 이 방정식은 또한 제품이 완전히 응고되는 주조 거리를 계산하는 데 사용됩니다(즉, 액체 코어가 남지 않음).
• 연쇄 봉쇄 – 봉쇄 구역은 2차 냉각 구역의 필수적인 부분입니다. 일련의 고정 롤에는 반대쪽 스트랜드 면을 가로질러 연장되는 스트랜드가 포함되어 있습니다. 에지 롤 억제가 필요할 수도 있습니다. 여기서 초점은 응고 쉘이 자체 지지될 때까지 가닥 안내 및 봉쇄를 제공하는 것입니다. 제품 품질의 타협을 피하기 위해 롤러 배열 및 스트랜드 풀림과 관련된 응력을 최소화하도록 세심한 고려가 필요합니다. 따라서 간격 및 롤 직경을 포함한 롤 레이아웃은 롤 팽창과 액체/고체 계면 변형 사이를 최소화하도록 신중하게 선택됩니다. 스트랜드 지지대는 스트랜드 자체가 기계 높이와 관련된 헤드 압력으로 인해 부풀어 오르는 강정역학적 힘을 보유하는 액체 코어를 포함하는 응고 쉘이기 때문에 스트랜드 모양을 유지해야 합니다. 가장 우려되는 영역은 기계의 위쪽에 있습니다. 여기에서 팽창력은 상대적으로 작지만 껍질이 더 얇고 가장 약합니다. 이러한 고유한 약점을 보완하고 쉘 파열과 그에 따른 액체 강철 브레이크아웃을 방지하기 위해 롤 직경은 좁고 간격이 좁습니다. 금형 바로 아래에는 일반적으로 4개의 면이 모두 지원되며 기계의 아래쪽 영역에서는 넓은 면만 지원됩니다.
• 굽히지 않고 곧게 펴기 - 굽히지 않고 곧게 펴는 힘은 가닥 억제만큼 중요하고 수직에서 수평면으로의 안내가 중요합니다. 굽힘이 발생하면 솔리드 쉘 외부 반경은 인장을 받는 반면 내부 반경은 압축을 받습니다. 결과 변형은 주강 등급의 기계적 특성과 함께 아크 반경에 의해 결정됩니다. 외부 반경에 따른 변형률이 과도하면 균열이 발생할 수 있습니다. 이것은 주강 품질에 심각한 영향을 미칩니다. 이러한 변형은 일반적으로 제품을 수평면으로 점차적으로 똑바르게 하기 위해 반지름이 점진적으로 커지는 다점 펴기 프로세스를 통합하여 최소화됩니다.

캐스팅 과정

새로운 열의 주조를 시작하기 위해 금형의 바닥은 강철 더미 바에 의해 밀봉되며, 이는 곧게 펴는 인출 장치에 의해 유압으로 제자리에 고정됩니다. 이 더미 바는 액강이 금형에서 흘러나오는 것을 방지합니다. 주형에 부어진 액체강은 부분적으로 응고되어 단단한 외부 쉘과 액체 코어가 있는 강철 가닥을 생성합니다. 이 1차 냉각 영역에서 강철 셸이 약 10~20mm의 충분한 두께를 갖게 되면 교정 인출 장치가 시작되어 더미 바와 함께 부분적으로 응고된 스트랜드를 금형에서 인출합니다. 액강은 동일한 비율로 철수된 강철을 보충하기 위해 계속해서 금형에 붓습니다. 철수율은 생산되는 강철의 단면, 등급 및 품질에 따라 다르며 분당 300mm에서 7,500mm까지 다양할 수 있습니다. 과도한 국자 열 손실을 방지하기 위해 주조 시간은 일반적으로 열당 45분에서 90분입니다.   금형을 떠난 후 주강 스트랜드는 응고 스트랜드에 물 또는 응고를 촉진하기 위해 물과 공기의 조합(공기 미스트)이 분무되는 롤러 격납 섹션 및 2차 냉각 챔버로 들어갑니다. 이 영역은 주조 형태의 무결성과 제품 품질을 보존합니다. 더 큰 단면은 확장된 롤러 억제가 필요합니다. 스트랜드가 완전히 고형화되고 교정 인출 장치를 통과하면 더미 바가 분리되어 제거되고 보관됩니다. 곧게 펴면 스트랜드가 주조 제품(기계 설계에 따라 슬래브, 블룸, 빌렛, 라운드 또는 빔 블랭크)의 개별 조각으로 절단됩니다.