연속 주조기 생산성 및 품질 향상 기술

연속 주조기 생산성과 제품 품질

연속 주조는 액체 강철을 반제품 강재(빌릿, 블룸, 슬래브 등)로 응고시켜 열간 압연기 후속 압연을 위한 공정입니다. 연속 주조 상업적 적용은 1950년대 도입. 도입 후 비교적 짧은 기간 동안 공정은 생산성 향상과 우수한 제품 품질 달성을 향한 다양한 신공정 개발로 진화했습니다. 개발에는 연속 주조기 신설계 개념, 야금 관행, 컴퓨터 시스템 공정 제어·자동화 적용 포함.

이러한 개발 주요 동력은 수율 대폭 개선과 에너지 절약 가능 인지로, 이는 운영 비용에 극적 효과. 개발 통해 연속 주조 제품 주요 품질 개선 달성 가능. 현대 연속 주조기는 잉곳 강재 제품과 완전히 동등하거나 초과하는 품질 주조 강재 제품 효율적 생산. 현대 연속 주조기는 기본적으로 임계 응용 최고 품질 포함 모든 강종 효율적 생산.

생산성 향상

연속 주조 공정 생산성 향상 두 방법: 연속 주조기 처리량(톤/시간) 향상, 순작업 비율(net-working ratio) 향상. 처리량은 주조 속도 증가와 단면적 증가로 향상. 순작업 비율은 주조기 가동 중단 시간 감소로 향상.

연속 주조기 주조 속도 여러 현상 제한:

• 높은 주조 속도 → 몰드 내 액체 강철 유속 현저 증가. 액체 강철 흐름 미세 교란 → 응고 쉘 형성 방해, 개재물 부상 지연, 주조 분말 몰드 내 포집 유도. 메니스커스(meniscus) 과도 레벨 변동, 파동 악화 → 표면 품질 문제, 스티커 브레이크아웃(sticker breakouts) 유발. 노즐 설계 변경(유동 더 하향, 하단 수직 포트 추가), 전자기 교반 적용, 주조 분말 변경, 몰드 내 유동 패턴 제어 다른 방법으로 해결 가능.
• 높은 주조 속도 → 응고 쉘과 몰드 계면 마찰 극복 필요 진동, 인출력에 의한 과도 축방향 변형. 연관 횡방향 크랙, 브레이크아웃 주조 속도 제한, 특히 부정렬, 과도 몰드 테이퍼, 불연속 액체 주조 분말 층 시. 액체 주조 분말 층 전체 몰드 표면 연속 유지, 정렬 좋으면 응력 작음.
• 높은 주조 속도 → 몰드 아래 액체 풀 페로스태틱(ferrostatic) 압력에 의한 얇은 쉘 과도 막 변형. 쉘이 몰드 출구서 충분히 두껍지 않으면 크랙, 브레이크아웃 유발. 임계 쉘 두께 대부분 강종 3mm 정도. 실현 가능 주조 속도면 쉽게 달성, 다른 기준 더 중요.
• 높은 주조 속도 국부적 쉘 성장 불균일 → 국부적 고온 얇은 쉘 영역 → 평균 임계 두께 이상이라도 종방향 크랙, 브레이크아웃 유발. 이 문제는 주조 분말 초기 응고 거동 최적화, 진동 관행, 테이퍼 설계로 해결: 주조 분말 윤활 연속, 초기 열유속 낮고 균일, 몰드 벽 테이퍼 쉘 수축 프로파일 매칭. 퍼리틱(peritectic) 강종, 오스테나이트계 스테인리스강 가장 취약. 몰드 유입 용강 과열도 이 문제 기여, 특히 잠수 이분 노즐 주조 시 액체 강철 제트 충돌 면 근처.
• 높은 주조 속도 몰드 아래 스트랜드 과도 벌징(bulging) → 다양한 내부 크랙, 극단적 벌징 시 브레이크아웃. 벌징: 충분 서포트 롤 선택, 롤 정렬 유지, 몰드 아래 분무 냉각 제어, 롤 피치/분무 급작스런 변화 회피, 주조 속도 감소로 제어.
• 메니스커스 아래 스트랜드 중심 최종 응고점 거리 주어진 단면 두께에서 주조 속도 비례 증가 → 특정 연속 주조기 최대 주조 속도 제한. 토치 컷오프(cut-off), 롤 지지 시스템 이 금속학적 길이 증가 수용 필요. 금속학적 길이는 분무 냉각 강도 증가로 크게 단축 불가.
• 높은 주조 속도 분무 냉각 구역 끝 아래 스트랜드 재가열 발생 가능. 재가열 내부 인장 응력, 핫 티어(hot-tear) 크랙 생성, 주조 속도 따라 심각도 증가. 분무 구역 설계 시 고려 필요. 분무 냉각 구역 연장해 이 크랙 회피.
• 여러 특수 품질 우려 사항도 주조 속도 제한 부과. 예: 초저탄소강에서 아르곤 기포 내측 반경 포집에 의한 펜슬 파이프(pencil pipe), 블리스터 결함 감축 위해 상대적 느린 상한 제한. 이러한 특정 결함 회피 가능한 운전 조건 신중한 변경으로만 주조 속도 증가 가능. 따라서 주조 속도 증가를 위해 많은 현상 신중한 고려 필요. 주어진 조업에서 주조 속도 제한할 수 있는 최소 8개 별도 기준 중 온도, 벌징, 변형, 응력, 파단 5가지 가장 중요. 몰드 아래 벌징 관련 품질 문제 피하기 위해 임계 주조 속도 파악 항상 필요.

브레이크아웃(break-out)은 연속 주조기 생산에 가장 악영향 미치는 운영 문제. 발생: 액체 강철 초기 응고 중 몰드 내 응고 쉘 어떤 위치서 어떤 이유든 적절히 형성 안되고, 그 위치 몰드 하단 나오면 액체 강철 쉘 결함 부위 통해 유출. 브레이크아웃 단순 생산 감소 아닌, 설비 큰 손상 입혀 광범위 수리 작업 필요. 브레이크아웃 방지 위해 몰드 내 건전 초기 응고 쉘 안정적 형성 보장 필수. 연속 주조 몰드 내 액체 강철 초기 응고 영향 주요 요인: 강철 온도, 주조 분말, 몰드 구리 라이닝, 1차 냉각수.

안정적 초기 응고 기반 연속 주조기 생산 증대 필수: 몰드 내 강철 온도, 열제거, 주조 속도 적절한 균형 유지. 강철 온도와 주조 속도 모두 높으면 응고 쉘 충분히 발달 안되고, 몰드 바로 아래 액체 강철 쉘 뚫고 유출(재용해 브레이크아웃) 경우 발생. 브레이크아웃 없이 생산 증대 위해 액체 강철 온도, 주조 속도 적절 제어 필요.

연속 주조기 작업 시간, 주조 시간 증대도 생산 증대 효과적 방법. 연속 주조기 관련 용어 정의:

캘린더 시간 = 순작업 시간 + 다운타임

순작업 시간 = 주조 시간 + 기계 준비 시간

핵심: 다운타임 감소로 캘린더 시간 대비 순작업 시간 비율 증가, 기계 준비 시간 감소로 주조 시간 비율 증가.

순작업 비율 개선으로 생산성 향상도 가능. 연속 주조기 다운타임 감소로 실제 주조 시간(기계 가동률) 증가하면서 다양한 주조 강재 제품 크기, 강종 생산 능력 유지.

다운타임 감소, 세그먼트 롤/베어링 파손 등 주조기 트러블 방지 위해 연속 주조기 보통 3~4주마다 12~24시간 정기 셧다운, 세그먼트 교체.

연속 주조기 다운타임 기여 5대 주요 요인(그림 1) 해결 필요:

• 주조 시퀀스 완료 후 기계 준비 시간
• 다른 단면 크기 주조 위한 몰드 교체
• 스트랜드 브레이크아웃, 탕구 노즐 막힘(냉강 또는 개재물 축적), 제강 래들 무제어 유출(러닝 스토퍼) 등 실패로 인한 주조기/스트랜드 정지
• 성분/온도 아웃오브스펙(out-of-spec) 히트
• 연속 주조기 유지보수.

그림 1 연속 주조기 생산성 영향 요인

제강 공정 중 개선된 제어 관행·기술 외에, 신운영 개념·설비 설계 개발로 연속 주조기에서 이 요인들 영향 감소. 주요 운영 개념 변화:

• 시퀀스 주조(sequence casting)로 연속 주조기 준비 시간 단축
• 주조 제품 슬리팅(slitting)으로 몰드 교체 빈도 감소, 몰드 재고 감소
• 가변 폭 조정 몰드 사용으로 몰드 교체 시간 단축
• 분할/스플릿 몰드(divided/split moulds)로 몰드 교체 시간·재고 감소, 주조 속도(톤/시간/스트랜드) 증가
• 탑 피드(하향 삽입) 더미 바(dummy bar)로 준비 시간 단축
• 전자기 교반 사용으로 주조 속도 증가 → 주조기 생산성 증가

더미 바 삽입 간격 없이 연속 주조기 통과 히트 수: 생산 로트 동일 강종 크기, 잠수 노즐 수명, 탕구 시스템 노즐 막힘·기타 트러블 발생 등 요인 따라 주조기별 차이.

주조 간 준비 작업: 최종 피스 추출, 더미 바 삽입, 탕구 교체, 몰드 실링. 이전 주조 최종 피스 상단에서 용융 슬래그/강철 유출(응고 종종 불충분) 블리딩(bleeding) 방지 위해 신중 추출. 빠르게 하여 준비 시간 단축 중요.

더미 바 삽입: 하향 삽입 타입 현재 선호. 최종 주조 피스 추출 중 더미 바 삽입 가능. 상향 삽입 타입 경우, 최종 피스 주조기 완전 나올 때까지 대기해야 해 준비 시간 10~20분 증가.

제품 품질

연속 주조 강재 품질은 채택된 제강·주조 관행 의존. 화학적·물리적 요인 상호작용 영향, 공정 완전 잠재력 얻으려면 엄밀히 제어 필요.

연속 주조 대표적 결함:

• 표면 결함: (1) 변형 단면(오목/볼록 포함), (2) 크랙(종방향, 횡방향), (3) 랩(laps), 스케일, 포집 개재물/슬래그, (4) 진동 자국 등.
• 표면하 결함: (1) 핀홀, 블로우홀, (2) 개재물, (3) 크랙.
• 내부 결함: (1) 크랙(중심, 대각, 하프웨이), (2) 기공, (3) 개재물, (4) 편석 등.

크랙 형성 다양한 물리적 원인. 외부·내부 크랙 발생 제거·감소 기술:

• 표면 크랙: 몰드·2차 냉각, 몰드 윤활, 몰드 코팅, 몰드 마모 제어, 기계 정렬, 주조 속도.
• 내부 크랙(기공): 기계 유형, 기계 정렬, 전자기 교반, 인라인 압하, 다점 교정, 압축 주조, 액체 강철 온도, 주조 속도.

랩, 스캡(scabs) 주조 속도 제어, 탕구-몰드 사이 주탕 스트림 무결성 관련. 진동 자국 주조 강종, 몰드 진동 유형 함수.

핀홀, 블로우홀 탈산, 탕구 스트림 슈라우딩(shrouding) 제어. 중심선 편석 저주조 온도, 전자기 교반, 주조 속도로 최소화.

표면, 표면하, 주조 단면 내부 개재물 빈도 제강, 탈산, 슈라우딩 관행, 설비 설계 개선 통해 점진적 감소. 이 개선들 연속 주조 강재 제품 품질 추가 향상 지속 노력 일환.

제품 품질 개선 최신 주요 개발:

• 청정강(clean steels) 개념
• 전자기 교반 적용
• 에어-미스트 냉각으로 표면 크랙 발생 추가 감소.

주요 목표 중 하나: 추가 가공 전 컨디셔닝 불필요한 표면 가진 주조 강재 제품 생산.

강재 사용자 요구 다양화, 중량 감소, 가공성 향상, 고강도 등 고기능성 추구. 표면 결함 엄격 제어, 내부 결함 제거 점점 더 요구. 이 모든 것, 높은 수율·생산성 추구와 함께 제강·연속 주조 공정 요구 품질 수준 매우 까다로워짐. 반면 점점 더 엄격한 사용자 요구사항이 제강·연속 주조 기술 능력 향상 도운 것도 사실.

몰드 내 개재물 최소화 연속 주조 가장 중요한 품질 이슈 중 하나. 개재물 인장, 굴곡, 홀 확장, 프레스 성형 등 가공 시 강철 기계적 특성 저하, 표면 결함 유발. 따라서 연속 주조 공정 중 강철 오염 최소화, 개재물 제거 대단히 중요.

제강 공정 기인 대표적 표면 결함: 알루미나 개재물, 주조 분말. 초기 응고 중 강철 쉘 포집, 압연기 압연 시 늘어나 표면 스트리크(streaks) 형태 결함 형성, 통상 스필(spills), 스캡(scabs), 슬리버(slivers)라 불림. 주조 제품 표면 근처 이런 개재물 스카핑(scarfing)으로 제거 가능하지만, 스카핑 비용 들고 수율 감소하므로 연속 주조기 몰드 초기 응고 중 포집 최소화 바람직. 몰드 전자기 교반으로 응고 쉘 바로 안쪽 강철 규정 속도 이상 흐르게 하여 개재물 쉘 포집 방지.

주조 분말 관련: 포집 방지 위해 분말 점도 보통 증가. 액체 강철 레벨 제어 정확도 개선, 몰드 진동 수정, 몰드 유입 액체 강철 유입 안정화. 결과 주조 분말 기인 표면 결함 현저히 감소.

몰드 도달 개재물 양 최소화 위해 탕구에서 개재물 강철로부터 최대한 분리 조치. 한 조치: 탕구 용량 확대. 탕구는 래들에서 연속 주조 몰드 안정적 강철 흐름 보장, 다중 스트랜드 주조기 경우 스트랜드 분배 중간 홀더 역할. 탕구 크기 증가로 개재물 액체 강철 표면 더 쉽게 부상, 래들 주탕 위치 슬래그 강철 내 현탁 억제.