연속 주강 공정의 브레이크아웃 방지: 원인, 영향 및 해결책

연속 주강 중 용강의 브레이크아웃

연속 주조(CC) 공정 중 발생할 수 있는 최악의 치명적인 공정 장애 중 하나는 용강의 브레이크아웃이다. 브레이크아웃은 응고 중인 강편의 강철 쉘이 몰드 아래에서 파열되거나 찢어질 때 발생한다. 강편의 고체 쉘이 파손되어 내부의 미응고 용강이 흘러나와 CC 설비를 손상시키는 데에는 여러 원인이 있다.

브레이크아웃은 연속 주조 공정과 관련된 가장 해로운 사고이다. 이 사고는 막대한 비용이 들 뿐만 아니라 CC 설비 운전자에게 심각한 안전 위험을 초래한다. 브레이크아웃은 스트랜드의 정지를 초래하고 생산 시간 손실과 수율의 큰 하락을 가져오므로, 각 브레이크아웃은 상당한 직접적인 경제적 손실을 야기한다. CC 설비 스트랜드를 복구하려면 일반적으로 스트랜드 설비 내부의 유출 강재 제거 및/또는 손상된 설비 부품 교체를 포함한 장기간의 턴어라운드가 필요하다.

브레이크아웃의 주요 원인

브레이크아웃은 일반적으로 강편 쉘 벽이 너무 얇아 그 위의 용강 기둥을 지탱할 수 없을 때 발생한다. 이는 여러 근본 원인을 가진 조건으로 인해 발생하며, 주로 열전달 관리와 관련된다.

부적절한 냉각: CC 몰드로의 냉각수 유량 부족 또는 스트랜드 냉각수 분무 시스템의 교란은 응고 중인 용강으로부터의 열 제거를 불충분하게 하여 고체 쉘이 너무 천천히 두꺼워지게 한다.
과도한 인출 속도: 스트랜드 내 강철의 인출 속도가 너무 빠르면, 강화된 냉각 분무에도 불구하고 쉘이 요구되는 두께까지 응고할 충분한 시간을 갖지 못할 수 있다.
과열된 용강: 유입되는 용강이 너무 뜨거우면 최종 응고가 예상보다 몰드 아래쪽에서 나중에 발생할 수 있다. 이 지점이 교정 롤 아래에 있으면 교정 중 가해지는 응력으로 인해 쉘이 파손될 수 있다.
물리적 불규칙성: 초기 응고 기간 동안 CC 몰드 내에서 강철 쉘의 물리적 불규칙성 또는 손상도 브레이크아웃을 유발할 수 있다. 몰드 내 과도한 난류는 비정상적으로 성장하는 불규칙한 쉘 패턴을 유발하고, 슬래그 방울이나 스컴을 강철 쉘 내에 포착하여 벽 강도를 감소시킨다.
스티커 브레이크아웃(붙음 브레이크아웃): 강철 쉘이 CC 몰드 표면에 달라붙어 찢어지는 일반적인 현상이다. 몰드에 의해 구속된 강철 쉘이 메니스커스 부분에서 파열되고, 용강이 몰드 바로 아래의 파열된 부분으로 즉시 흘러나온다. 현대식 CC 몰드는 여러 계측기와 컴퓨터 제어 시스템을 갖추고 있어 몰드 내 붙음을 감지하고 주조 속도를 일시적으로 늦춰 쉘이 여전히 몰드 내에서 지지를 받는 동안 재응고 및 치유되도록 한다. 그러나 찢어짐이 몰드 출구 근처에서 발생하거나 예상치 못한 심각성을 띠면, 강철 쉘은 몰드 벽에서 나온 후에도 여전히 브레이크아웃으로 이어질 수 있다. 스티커 타입의 브레이크아웃은 연속 주조 작업 중 주요 브레이크아웃 유형이다. 원인 중 하나는 몰드 내 윤활 불량이다.
균열: 주강 코너의 응고 지연이나 진동 자국으로 인한 강철 쉘의 얇은 부분이 몰드 바로 아래에서 파열된다.
스컴 포착: 스컴 포착으로 인한 응고 지연으로 얇아진 쉘 부분이 몰드 바로 아래에서 파열된다.

브레이크아웃 유형별 분포

연속 주조 공정이 발전하고 성숙함에 따라 브레이크아웃 유형의 분포는 열전달 관련 현상에서 오늘날의 몰드 붙음 우세로 극적으로 변화했다. 붙음 타입 브레이크아웃이 전체 브레이크아웃의 75~80%를 차지한다. 균열로 인한 브레이크아웃은 15~20%, 슬래그 및 스컴 포착으로 인한 브레이크아웃은 약 5% 범위이다.

감지 및 예방 기술

몰드 열 제거의 지속적인 모니터링은 브레이크아웃 조건 발생을 감지하는 효과적인 수단이 될 수 있으나, 강철 쉘의 급격한 찢어짐 및 파열 현상을 나타내기에는 반응 시간이 일반적으로 불충분하다.

과열된 용강: 유입 용강이 심각하게 과열(매우 높은 과열도)된 경우, 브레이크아웃을 감수하기보다 CC 설비를 정지하는 것이 바람직하다.
납(Pb) 오염: 납으로 오염된 용강은 몰드 벽과 강철 사이에 얇은 막을 형성하여 열 제거와 강철 쉘 성장을 억제함으로써 브레이크아웃 위험을 증가시킨다.
몰드 핫 페이즈 온도: 핫 페이즈 온도가 350℃를 초과하면 스트랜드-구리 붙음이 발생하는 것으로 확인되었다.
과도적 조업: 오늘날의 고생산성 CC 설비에서는 턴디시와 잠수입구노즐을 '온 더 플라이(on-the-fly)'로 교환하는 것이 정상 조업 관행이다. 이러한 과도적 조업은 필연적으로 주조 속도와 몰드 레벨 제어의 불안정한 기간을 초래하며, 이때 몰드 윤활 공정이 심각하게 긴장되어 붙음 확률을 높인다.
강종별 특성: 고탄소강 등 특정 강종은 낮은 액상선 온도로 인해 낮은 온도에서 주조되며, 주조 분말의 성능 불량과 관련하여 붙음이 자주 발생한다. 야금학적 이유로 낮은 속도로 주조해야 하는 강종에서도 마찬가지다.

브레이크아웃 감지 및 예방 시스템의 발전

연속 주조 조업 중 브레이크아웃의 감지 및 예방 과제는 연속 주조 기술 자체만큼 오래되었다. 이를 위해 여러 측정 방법이 개발되어 사용되어 왔다. 이들은 온도, 마찰력, 인출력, 진동 및 구조물 전달 소음 레벨 측정을 포함한다. 이 중 몰드 구리 플레이트의 열전쌍을 이용한 온도 측정이 가장 신뢰성 있고 선호되는 방법이다.