강철 연속 주조의 일반적인 결함: 원인과 예방

연속 주조(CC)는 액체 강철을 주로 슬래브(두꺼운 것 또는 얇은 것), 블룸, 빌릿 형태의 고체 제품으로 변환하는 공정입니다. 원하는 단면의 주조 제품을 무한한 길이로 생산하는 진보적인 제강 기술 중 하나입니다. CC 공정은 운전 절차, 기술 규범, 첨단 생산 및 제어 기술의 엄격한 준수를 요구합니다. 이러한 조치에도 불구하고 CC 제품의 결함 발생을 완전히 배제할 수는 없습니다. 결함의 형성과 유형은 CC 기계 설비 상태, 주조 제품 형상과 크기, 강종, 주조 온도와 속도, 몰드 진동과 냉각, 주조 분말의 품질과 특성 등 주조 기술 조건에 따라 달라집니다.

CC 제품의 결함은 기술 표준이나 기타 유효한 규범 문서에 주어진 사양과 비교했을 때 외관, 형상, 치수, 거시 조직, 화학적 특성의 편차로 정의될 수 있습니다. 결함은 주조 후 냉각 베드에서 표면 육안 검사, 검사 베드에서 다시 육안 검사로 표면 품질 확인, 또는 실험실에서 시험 시료의 화학 분석과 거시 조직 확인을 통해 CC 제품에서 검출됩니다.

결함 분석의 중요성

고화 및 냉각 공정 중 생성되는 CC 제품 결함은 주원료의 손실이나 추가 가공 또는 판매용으로의 전환을 초래합니다. 이러한 손실을 방지하기 위해 결함 발생 원인을 분석하여 예방 야금 기술과 건설적 솔루션을 채택하여 예방 조치를 취하는 것이 필요합니다. 또한 결함 제품을 주원료에서 분리하여 제거해야 합니다.

결함은 항상 단일 고유 원인의 결과가 아닙니다. 많은 경우 결함은 가변적인 수의 파라미터에 의존하는 여러 상호 작용하는 원인의 결과입니다. 유사한 결함은 하나 이상의 다른 이유를 가질 수 있고, 다른 결함은 하나 이상의 공통 원인을 가질 수 있습니다.

CC 제품 결함은 생산 공정 중 여러 요인으로 인해 형성됩니다. 이 요인에는 재료 관련 요인, 주조 속도와 온도, 몰드 진동, 주조 분말, 용질 원소의 편석 계수, 상 변태, 기계적 및 열적 응력이 포함됩니다. 기계적 응력은 마찰, 페로 정압, 벤딩 및 스트레이트닝 작업, 롤 압력으로 인해 생성됩니다. 열적 응력은 몰드 내 및/또는 2차 구역에서의 비균일 냉각으로 인한 것입니다. 스트랜드 표면에 부딪치는 물 유속 제어와 스트랜드 재가열 최소화로 열적 응력을 낮출 수 있습니다.

재료 관련 요인에는 델타-감마 상 변태, 높은 황과 낮은 망간/황 비율, 액체 강철의 높은 산소 포텐셜, 높은 과열, 액체 강철 내 개재물 존재가 포함됩니다. 델타(페라이트)에서 감마(오스테나이트)로의 변태에서 부피 변화와 변형이 일어나고, 이는 고체화된 쉘에서 몰드로의 열전달 속도를 감소시킵니다. 이는 고체화된 강철 쉘의 불균일한 두께를 초래합니다. 탄소 함량 0.09%~0.15%의 강철, 소위 페라이트강은 일반적으로 종방향 균열 결함 형성에 취약합니다.

높은 주조 속도는 칠 존(chill zone) 두께를 감소시켜 극한 조건에서 파손될 수 있습니다. 칠 존 약화는 조대 비금속 입자와 진동 마크의 존재로도 뒷받침됩니다. 높은 주조 온도(높은 과열)는 스트랜드 표면 온도를 증가시킵니다. 형성된 스킨이 과열되고 열적 인장 응력이 생성되어 균열과 스킨 결함을 유발합니다.

액체 강철의 주조 온도는 액체선 온도 이상으로 유지되어야 합니다. 주조 온도와 액체선 온도의 차이를 과열이라고 합니다. 액체 강철의 과열은 결함 형성에 중요한 역할을 하며 이를 제어할 필요가 있습니다.

기계적 변형은 불충분한 윤활과 스트랜드 스트레이트닝 중에 발생합니다. 이들은 종방향과 횡방향으로 작용합니다. 스트랜드가 급속 냉각될 때 열적 응력은 횡방향으로 작용하며 이것이 결함 형성의 원인입니다.

몰드의 정기적인 진동은 용융 금속이 몰드에 달라붙는 것을 방지합니다. 낮은 몰드 진동 주파수에서는 스킨이 파손되거나 표면 균열과 진동 마크가 형성될 수 있습니다. 몰드 진동 주파수 증가와 안정된 주조 속도로 결함 형성을 피할 수 있습니다.

CC 제품에서 발견될 수 있는 여러 결함이 있습니다. 강철 연속 주조 공정 중 발생하는 CC 제품 결함은 (i) 표면 결함, (ii) 내부 결함, (iii) 형상 결함, (iv) 기계적 결함, (v) 강철 규정 화학 조성에서의 편차로 분류할 수 있습니다.

표면 결함은 종방향 미드페이스 및 코너 균열, 횡방향 미드페이스 및 코너 균열, 깊은 진동 마크일 수 있습니다. 내부 결함은 미드웨이 균열, 트리플 포인트 균열, 센터라인 균열, 대각선 균열, 중심 편석 및 기공, 주조 플럭스 개재물, 블로홀이 될 수 있습니다. 형상 결함은 마름모꼴과 종방향 우울 타원도입니다.

CC 제품의 표면 결함은 비싸고 시간 소모적인 표면 연마가 필요하며, 심각한 경우 다운그레이드나 거절로 이어집니다. 재조정 야드는 종종 공정에서 병목 현상이 되며, 연마로 이러한 결함을 제거하는 데 드는 비용도 높습니다.

균열은 가변적인 길이와 깊이를 가진 CC 제품 표면의 개구부이며, 때로는 한 스트랜드의 전체 CC 제품이나 전체 히트까지 연장될 수 있습니다. 균열은 항상 직선이 아닙니다. 때로는 중단되었다가 지그재그로 계속됩니다. 형성된 방향을 고려하여 균열을 종방향, 횡방향, 스타 균열이라고 부릅니다.

일부 CC 결함은 아래에 설명되어 있습니다.

• 종방향 균열 - 강철 인출 방향으로 형성됩니다. 이 결함이 있으면 CC 제품이 거절됩니다. 종방향 균열은 주로 (i) 몰드 내 불균일한 1차 냉각, (ii) 액체 강철의 난류 흐름과 몰드 내 메니스커스 수위 변동, (iii) 불균일하거나 매우 강렬한 2차 냉각, (iv) 몰드 길이를 따른 열전도 계수 차이로 인한 불균일하고 진보된 몰드 마모, (v) 높은 과열의 액체 강철 주조, (vi) 높은 주조 속도, (vii) 부적절한 특성의 주조 분말 사용으로 인해 발생합니다.
• 횡방향 균열 - 이 균열은 보통 스트랜드 종방향의 인장으로 인해 나타납니다. 보통 이 균열은 처방된 허용 한계 내에 있다면 깊지 않은 경우 연마로 제거됩니다. 횡방향 균열은 (i) 열적 응력, (ii) 메니스커스 수위 변동, (iii) 진동 마크 바닥에서의 편석 존재, (iv) 몰드 내 스트랜드 마찰로 인해 나타납니다.
• 코너 균열 - 주조 강철 제품 모서리에 있는 균열입니다. 액체 강철의 높은 온도 변동, 강철의 높은 알루미늄 함량, 높은 황 수준, 불균일한 모서리 온도, 주조 분말의 불균일한 분포로 인한 모서리에서의 과도한 마찰, 강철의 낮은 과열로 인해 나타납니다.
• 스타 균열 - 이 균열은 매우 미세하며 고온에서 스트랜드의 취성 때문에 발생합니다. 스케일 없는 표면에서만 보입니다. 표면은 보통 국부적으로 연마되어 결함을 제거합니다. 강렬한 국부 냉각과 오스테나이트 입계에서의 구리 존재가 스타 균열을 유발합니다. 주조 제품에서 스타 균열을 피하려면 (i) 분무 유량과 주조 속도 사이의 올바른 상관관계, (ii) 스트랜드와 몰드 사이의 균일한 용융 주조 분말 층, (iii) 열응력 증가를 피하기 위한 스트랜드의 적절한 2차 냉각이 필요합니다.
• 우울(Depressions) - 주조 표면의 국부적 변형입니다. 우울은 종방향 또는 횡방향일 수 있습니다. 종방향 우울은 주조 제품 길이를 따라 얕은 도랑처럼 보입니다. 몰드 내 불균일한 열전달로 인해 발생합니다. 이 우울은 몰드 내 균일 냉각, 몰드 내 액체 강철 제트 중심 맞춤, 몰드 강철 수위 변동 제어, 적절한 점도와 용융 특성을 가진 주조 분말 사용, 몰드 마모의 정도와 균일성 정기 모니터링으로 제어할 수 있습니다. 횡방향 우울은 스트랜드 길이를 따라 주기적으로 발생할 수 있습니다. 저탄소 고망간 함량의 페라이트강과 스테인리스강이 이 결함에 민감합니다. 횡방향 우울은 몰드 수위 변동, 다량의 주조 분말, 서브-메니스커스 수준의 강철 난류로 인해 발생할 수 있습니다. 이 우울은 몰드 강철 수위 제어, 적절한 몰드 테이퍼, 적절한 점도와 용융 특성을 가진 주조 분말 사용, 입력 노즐과 그 지지대의 적절한 위치로 제어합니다.
• 블로홀(Blowholes) - 주조 제품 외부 표면의 공동으로 종종 개재물과 관련됩니다. 강철 내 가스 존재, 주조 분말의 습도와 품질, 몰드 수위 변동, 턴디시 내화물 라이닝의 수분 존재로 인해 발생합니다. 블로홀은 강철의 충분한 탈산, 건조한 주조 분말 사용, 강종과 온도 및 주조 속도에 호환되는 주조 분말 사용, 몰드 수위 변동 제어, 노즐 침지 깊이 제어, 높은 과열 회피, 노즐 주변 슬래그 발포 회피로 제어합니다.
• 주조 제품 물리적 연속성의 중단 - 이 결함은 주조 공정 일시 정지 시 발생합니다. 시퀀스 운전 모드 중 히트 교체 시 자주 발생합니다. 이 결함은 주조 공정의 짧은 중단으로 인해 발생하며, 턴디시 내 강철 온도 변동, 몰드 내 강철 수위 변동, 높은 알루미나 수준으로 인한 노즐 코깅, 주조 모드 변동으로 인한 갑작스러운 주조 속도 변화 시 발생합니다. 시정 조치는 일정한 주조 속도 유지, 턴디시 내 좁은 온도 변동 범위, 턴디시 내 강철 수위를 규정 한계 내 유지입니다.
• 슬래그 스팟 결함 - 이 결함은 턴디시 슬래그가 주조 제품에 침투하여 발생합니다. 턴디시 내 높은 슬래그 수준, 강철 내 활성 산소 비율 상승, 턴디시 내 강철 수위 저하로 슬래그가 몰드에 진입, 주조 분말의 높은 점도로 인해 발생합니다.

슬래브와 빌릿의 일부 주조 결함은 그림 1에 나와 있습니다.

그림 1 슬래브와 빌릿의 일부 주조 결함