강철 빌렛 연속 주조 전문 가이드: 공정, 설비, 품질 관리

강철 빌렛 연속 주조

강철 연속 주조: 액체 강철을 연속 금속 스트랜드로 응고시키는 공정. 스트랜드 치수에 따라 슬래브, 블룸, 빌렛으로 호칭. 강철 빌렛: 정사각 단면, 한 변 보통 150mm 이하. 경형강 밀, 봉강 밀, 선재 밀 압연 원료. 특정 제품 단조용도 사용.

연속 주조 공정은 1950년대 강철 생산성 증대 위해 발명. 이전엔 잉곳 주조만 가능(여전히 장점 있으나 생산성 수요 항상 충족 못함). 이후 연속 주조는 수율, 품질, 비용 효율 개선 위해 지속 발전.

강철 연속 주조는 이제 전 제철소 선택 공정으로 구식 잉곳 주조 대체. 수많은 장점, 많은 개선 거쳐 현재도 경험적·수학적 광범위 연구 대상. 빌렛 연속 주조는 제철소 채택 연속 주조 유형 중 하나로, 빌렛 동시 연속 생산. 이 공정은 건전하고 연속적인 빌렛 생산 위해 운용 파라미터 엄밀 제어 필요. 공정 단계: 제강로 용선 래들 이송(2차 정련서 강철 화학 조성 조정) → 분배기(턴디시) → 주조 몰드. 강철 응고 개시: 구리 주조 몰드 간접 냉각(많은 연구 대상). 몰드서 2차 냉각 수분무.

빌렛 생산 발전사

1960년대 미니밀 개념(전기로 제강+연속 주조+린 조직 결합→수익성 신 강철 생산 문화)으로 빌렛 생산 급증. 빌렛 생산자 고수익이나 고품질 연속 주조 제품 생산엔 후진.

1980년대 조사: 몰드 설계와 빌렛 연속 주조 조업 표준화 안됨, 각사 제각각. 브리마콤브 팀 1970년대 말 빌렛 몰드 내부 작동 탐구, 수학적 모델·플랜트 실측으로 몰드 설계·운전 파라미터·빌렛 품질 연계 규명. 이 노력으로 빌렛 주조 표준 설계·운전 파라미터 정착, 주조 빌렛 품질 대폭 개선. 1994년 신조사서 빌렛 생산자 자동차 분야 엄격 품질 요건 충족 특수 봉강 품질 빌렛 성공 공급 확인. 이후 빌렛 주조기 공급사 주조 속도 재검토, 고생산성 겨냥 다수 신기술 등장. 빌렛 고속 주조 기술 공통 특징: 몰드 길이 증대.

다양한 빌렛 연속 주조기 현재 공급: 벤딩 반경 다양, 1스트랜드~8스트랜드, 주조 속도 최대 6m/분. 6m 반경 1스트랜드 빌렛 캐스터(그림 1), 8스트랜드 빌렛 주조기 2대(그림 2).

그림 1 단일 스트랜드 빌렛 캐스터

그림 2 8스트랜드 빌렛 주조기

빌렛 연속 주조 공정

강철 래들

액체 강철 제강설비→빌렛 주조기 래들 이송. 이송 중 청정도, 조성, 온도 제어 기회. 미활용 시 래들 도착 강철 더러움, 과열/과냉 → 품질 빌렛 주조 난이도 상승.

래들 이송 중 주요 문제: 대기, 로 슬래그, 래들 내화물 라이닝 산소(O₂) 흡수. 각 이송 단계 O₂ 픽업 최소화 필수. 제강로 탭핑 말기 래들 슬래그 오버플로 방지. 래들 강철 표면 합성 슬래그 커버 필요: (i) 대기 O₂ 흡수 방지, (ii) 비금속 개재물 흡수, (iii) 열손실 최소화. 일부 플랜트 래들 상부 래들 커버 덮음. 주조 중 래들 내화관 장착으로 턴디시 주입 시 O₂ 픽업 방지. 래들→턴디시 강철 흐름 슬라이드 게이트 밸브 제어. 일부 플랜트 래들 무게 로드셀로 연속 측정.

불활성 아르곤(Ar) 가스 린싱으로 강철 온도 균질화 통상 수행. 액체 강철 온도 제어: 주조 구조 제어, 래들·턴디시 스컬 형성·브레이크아웃 등 운전 문제 예방 중요. Ar 린싱 유량·시간 제어 필요(가스 배출 시 특수 조치 없으면 강철 공기 접촉).

턴디시

턴디시는 빌렛 연속 주조 중 다역 수행: (i) 분배기 역할로 빌렛 주조기 여러 스트랜드에 강철 분배, (ii) 래들보다 일정·낮은 정수두로 몰드 강철 유입 흐름 제어 용이(주로 캐스터 스타트업 시 중요: 턴디시 정상 정상상태 레벨까지 강철 충전 후 몰드 주입 개시), (iii) 개재물 부상→주조품 청정도 기여, (iv) 반응기 역할: 칼슘(Ca) 등 첨가제로 개재물 형태 제어.

위 기능으로 턴디시 형상·크기 주로 유체 흐름 제어 필요성 결정. 열 크기, 빌렛 치수, 스트랜드 수, 스트랜드 간격, 주입율 플랜트별 상이 → 유일한 최적 턴디시 설계 없음. 그러나 잘 설계된 턴디시 핵심 특징:

• 개재물 부상 최대화: 턴디시 용적 큼 유리, 타 완화 요인 크기 제한. 예: 다른 조성 히트 연속 주조 시 '혼합' 강철 턴디시 용적 최소화(혼합강 오프그레이드→수율 손실).
• 각 스트랜드 유입 강철 체류 시간 동일해야 품질 균일.
• 턴디시 숏서킷 최소화 → 가능한 플러그 플로 달성.
• 유동 패턴: 많은 강철 표면 근처 이동 → 개재물 부상→턴디시 슬래그 흡수. 중요: 턴디시 내 가용 시간 내 부력만으로 개재물 이동 거리 작음.
• 데드 볼륨 최소화(실효 체류 시간 단축 방지).
• 래들 유입 스트림 난류 격리(특히 턴디시→몰드 오픈 스트림 주입 시). 난류: 턴디시 스트림 거칠기, 몰드 풀 가스 포집 영향.
• 턴디시 깊이 충분(약 500mm 초과) → 노즐 웰 보텍스 방지(슬래그 몰드 풀 하부 유입 방지).

최적 턴디시 설계 결정: 형상, 치수, 내부 유동 제어 장치(댐, 위어) 위치·크기 사양 필요. 통상 워터 모델/수학적 모델 광범위 활용 달성.

턴디시 설계 추가 측면: 액체 강철 재산화 방지. 개재물 흡수 능력 커버 슬래그로 대기 O₂ 흡수 방지. 턴디시→몰드 강철 흐름 내화관 또는 불활성 가스 슈라우드 추가 보호. 후자: 몰드 캐비티 작아 내화관 수용 불가 소단면 빌렛 주조 시 사용. 저품질 빌렛 주조 시 공기 중 주입 통상(재산화 무관심). 턴디시 내화물 라이닝: 강철 불활성. 강철 탈산제(Ca, Al 등) 내화물 산화물과 반응 금지. 일부 플랜트 턴디시 예열: 특정 라이닝 휘발성분 제거(수소 강철 유입 방지), 강철 온도 제어 개선.

턴딕 조업 주요 문제: 주입 노즐 고체 개재물(알루미나 Al₂O₃) 막힘. 개재물 노즐 직경 대비 작아도 경계층 통해 내화물 부착, 점진적 축적→노즐 브리지→흐름 차단. 소형 빌렛(소구경 노즐 필요) 주조 시 심각. 대단면(대구경 노즐) 주조 시 Ar 지속 플러싱으로 과도 축적 방지. 개재물 액체 상태면 노즐 막힘 문제 없음. 따라서 Al 킬드 강 빌렛 무결점 주조 위해 적정량 Ca 첨가→칼슘 알루미네이트 개재물 생성.

턴디시 노즐 주입율: 단면 크기 따라 상이 기술. 대단면(턴디시-몰드 내화관 사용): 스토퍼 로드 또는 슬라이드 게이트 밸브 유량 제어, 자동 유량 제어→일정 메니스커스 레벨·주조 속도 일반. 소단면 빌렛(오픈 스트림 주입): 턴디시 유량 제어 보통 없음. 유량 적정 노즐 직경 선택·턴디시 강철 정수두 유지로 조정. 메니스커스 레벨 제어: 주조 속도 가변. 턴디시 액체 강철 수두 유지: 수동 또는 로드셀 연속 계량→래들 슬라이드 게이트 밸브 신호 연동.

열 강철 주조 정상 소요 시간 약 1시간, 빌렛 주조기 열 공급 30~40분~2시간 매칭 필요.

몰드

몰드는 주조기 '심장', 1차 열제거 장치. 기능: (i) 액체 강철 과열 제거, (ii) 충분 두께 고체 쉘 성장, (iii) 몰드 하부 액체 풀 브레이크아웃 없이 유지, (iv) 초기 성장 쉘 지지. 몰드 열제거 지배 → 설계·조업이 주조 빌렛 내부·표면 품질 큰 영향. 표면 크랙 자유 필수: 빌렛 열연 압연로 핫차징 시 표면 크랙 산화→압연 중 산화물 심 결함 형성.

몰드: 직선 또는 4~15m 반경 곡률. 곡선 몰드: 곡선 스트랜드로 주조기 높이·자본비 절감. 직선 몰드: 주조품 개재물 분포 유리. 곡선 몰드: 개재물 부상 시 안쪽 반경 면 인접 응고 전선 선호적 포획→밴드 형성. 직선 몰드선 없음 → 개재물 고른 분포. 유효 정도: 몰드 유입 강철 청정도, 빌렛 필요 품질 요건 의존. 어쨌든 직선 몰드 이탈 주강은 일반적으로 점진적 벤딩→수평 방향→캐스터 높이 저감. 일부 플랜트 몰드·서브몰드 구역 직선→주조품 기계적 벤딩 힘 크랙 유발 방지. 곡선 몰드: 강철 스트랜드 수평 위치 직선화 후 절단.

몰드 직선/곡선 무관 기본 설계 동일. 빌렛 연속 주조용 튜브 몰드 사용. 구리(Cu) 튜브 강철 배플 내 동심 위치, 양 사이드 환상부 냉각수 흐름. Cu 튜브 벽두께 약 6~20mm. 두꺼운 벽 튜브 몰드: 대단면용. 몰드 튜브: 다양한 Cu 합금 제작. 인, 은(은 함유), 크롬·지르코늄 함유 Cu 합금 일반적 몰드 튜브 재료.

주조 중 몰드 윤활·왕복 운동으로 강철 Cu 부착 방지(고체 스킨 파열 방지). 진동 몰드: 일반적으로 정현파 형태, 주파수·진폭 조정으로 다운스트로크 순간 스트랜드 하강 속도보다 몰드 하강 속도 빠르도록. '네거티브 스트립' 기간 → 스트랜드 표면 진동 마크 형성 영향. 윤활제: 단면 크기 의존.

• 100mm 각 빌렛 등 소단면(턴디시→몰드 오픈 스트림 주입): 유채유/합성유 사용. 오일 펌프→몰드 상부 오일링 플레이트→몰드 내벽 스며들게. 오일 정확한 윤활 작용(액체 강철 접촉 열분해) 불명확.
• 대단면(잠수 주입 노즐 사용): 주입 분말 메니스커스 첨가→강철 접촉 용융→응고 쉘과 진동 몰드 갭 인입. 분말 조성(산화물, 탄소, 플루오르화칼슘 전형) 조절→융해 범위·점도 제어. 조성 따라 열전도도, 몰드/강철 갭 몰드 분말층 두께 영향→몰드 열추출율 영향.

식물성, 합성, 블렌드 등 다양한 오일 사용 가능. 오일 인화점 핵심 물성이나 비등 범위(최대 핫페이스 온도 상대) 근본적 고려 더 의미. 윤활유 공급율: 125mm 각 빌렛 기준 몰드 둘레 mm당 분당 0.014~0.17ml(대표값 0.05). 산업 위생, 빌렛 품질, 비용 고려 시 달성 가능 오일율 낮을수록 유리.

몰드 중요 측면

• 열전달 열저항: 스트랜드 표면열 → 몰드 냉각수 전달 경로: (i) 스트랜드-몰드 에어 갭, (ii) 몰드 벽, (iii) 몰드 냉각수 인터페이스. 이중 에어 갭 최대 열저항(총저항 84% 차지). 몰드 열제거 패턴: 갭 형성 역학 크게 의존. 몰드-스트랜드 갭: 여러 변수 복합 함수. 종방향(인발)·횡방향 갭 치수 변화 → 비균일 열제거 패턴. 갭 형성 메커니즘 상당 규명됐으나 여전히 미이해 현상.
• 몰드 시평균 온도 프로파일: 다른 위치 프로파일 유사, 메니스커스 직하 피크 후 급감. 온도 하강: 거리 증가→에어 갭 확대, 쉘 두께 증가, 몰드 왜곡→열제거 감소 직접 기인. 오프 코너 위치 온도 미드페이스 대비 현저히 낮음: 2차원 열류로 코너 우선 갭 형성→면 전체 확산.
• 열유속: 메니스커스 레벨 피크 후 감소(에어 갭 폭 증가). 강철 탄소 레벨도 델타-감마 상전이 수축으로 몰드 열전달 역할.
• 튜브 몰드 어셈블리: 설계 단순하나 전체 길이 지지 안되어 운전 중 열왜곡 취약. 운전 중 비균일 열제거 패턴→비균일 온도 분포→열기계적 거동→품질 문제 연관. 운전 중 전체 왜곡 일부 영구적(차등 열팽창 응력 크기, 몰드 지지 시스템 물리적 구속, 몰드 튜브 기하학 연관). 네거티브 테이퍼·피크 벌징·위치(몰드 상부 상대) 영향 인자: 냉각수 유속, 수질, 메탈 레벨, 구속 위치(몰드 상부 상대), 벽두께, 몰드 튜브 지지 유형.
• 공정 변수: 강철 탄소 함량, 몰드 테이퍼, 주입 관행, 윤활, 주조 속도 = 열전달 영향 주요 공정 변수.
• 몰드 진동·윤활: 열추출 외 몰드 진동·윤활 연속 주조 근간. 몰드-쉘 마찰 최소화→강철 스티킹·파열·크랙 제거. 오실레이터: 빌렛 몰드 왕복 운동 단순 기계. 몰드 보통 정현파 모드 진동, 대표 스트로크·진동수 10mm·2Hz. 스티킹 최소화·진동 마크 깊이 최소화 파라미터: 스트로크·네거티브 스트립 시간. 네거티브 스트립 시간: 몰드 하강 속도 > 스트랜드 인발율 기간. 몰드 리드: 네거티브 스트립 중 몰드 쉘 통과 거리. 빌렛 주조 권장 몰드 리드·네거티브 스트립 시간: 3~4mm, 0.12~0.15초. 네거티브 스트립 시간 0.1초 미만, 몰드 리드 2~3mm 미만 기계: 메니스커스 변동 시 몰드-쉘 스티킹 취약. 몰드 리드 5mm 초과 → 깊고 불균일 진동 마크 기여.
• 진동 마크: 연속 주조 빌렛 표면 주기적 진동 마크 특징. 각 마크 국부 우묵 → 강철/몰드 갭 국부 확대 → 국부 열제거 감소. 진동 마크 깊이에 따라 국부 얇은 쉘, 브레이크아웃, 횡방향 표면 크랙 발생. 스트랜드 표면 진동 마크 피치 = 진동 주파수 연관.
• 몰드 내부 테이퍼: 응고 쉘 수축 보상 내부 테이퍼: 무테이퍼~싱글 테이퍼~더블 테이퍼. 일부 플랜트 무테이퍼 몰드 사용, 일정 마모 후 튜브 역전 사용으로 튜브 수명 연장 관행 있었으나, 몰드 테이퍼가 진동 마크 깊이·균일성, 결과적으로 오프 스퀘어니스·오프 코너 내부 크랙 강한 영향 확인. 몰드 메니스커스 테이퍼: 국부·전체 강철 열제거 큰 영향→몰드 왜곡, 오일 윤활, 빌렛 표면 품질 결과. 실측 열제거 축방향 프로파일, 냉각 고체 강철 수축, 몰드 왜곡 기반 계산: 더블 테이퍼 바람직, 저탄소(0.16% 미만) 고탄소 대비 덜 심각.
• 몰드 벽두께: 왜곡 계산: 100~150mm 빌렛 단면 최소 13mm, 200mm 각 약 20mm까지 증가. 20mm 초과 벽두께: 오일 윤활 시 몰드 핫페이스 온도 메니스커스 근처 오일 비등 범위(전형 220~350℃) 초과→스티킹 문제 유발. 내부 코너 반경: 3~4mm 종균열 최소화 도움.
• 메니스커스 레벨: Cu 몰드 튜브 상부 기준 최적 100~150mm. 얕은 메니스커스: 몰드 튜브 최대 열팽창 구역 킵 플레이트 근접→킵 플레이트 외부 이동 저항→플라스틱 변형·바람직않은 영구 왜곡. 과도 깊은 메니스커스: 응고 쉘 몰드 내 체류 시간 불필요 단축.
• 냉각수 유속: 10~11m/sec 이상 유지 바람직: (i) Cu 튜브 수냉면 물 끓는점 대비 충분히 차갑게→핵비등 억제, (ii) Cu 튜브 핫페이스 메니스커스 근처 윤활유 비등 범위 초과 방지, (iii) Cu 온도 특정 Cu 등급 연화 특성(시간-온도) 초과 방지→영구 왜곡 예방.
• 몰드 지지 3유형: (i) 4면 슬롯 킵 플레이트 지지, (ii) 몰드 튜브 상부 2면 킵 플레이트, (iii) 몰드 튜브 상하단 지지. 2유형+얕은 메탈 레벨 → 튜브 주위 비균일 지지 분포→오프 스퀘어니스 유발(1,3유형 대비).
• 냉각수 수질: 매우 중요. 20μm 퇴적도 몰드 튜브 온도 파멸적 영향. 퇴적물 Cu 대비 큰 열저항→튜브→냉각수 열유동 방해. 수질 불량 즉각 결과: 영구 몰드 왜곡. 4면 퇴적 심각도 동일 않음: 냉각수 채널 치수 변동→냉각수 유속 몰드 외주 변화. 근본 원인: 수자켓, 몰드 튜브, 몰드 하우징 등 조립 부품 공차→냉각수 채널 치수 결정.

2차 냉각

빌렛 주조기 몰드 하부 이동 강철 스트랜드 뱅크 수분무 냉각. 2차 냉각 목적: 몰드서 시작 열제거·응고 계속, 형상 결함·표면 크랙·내부 크랙 유발 충분 인장 응력 생성 방지.

스프레이 노즐: 보통 수직 헤더(라이저) 부착, 각 페이스 중심 위치. 빌렛 주조기 스프레이 노즐: 풀 콘 패턴(원형/사각) 일반, 할로우 콘 노즐도 사용. 몰드 직하(풋 롤 위치 흔) 1~2노즐/페이스 V패턴 빈번. 스프레이 챔버 길이: 0.5~5m 변동. 통상 수분무: 압력 분무 원리(물 압력 노즐/오리피스 강제 분사→물방울 분해). 빌렛 주조기 2차 냉각 시스템 설계: 품질 고려사항 주된 의존, 수분무 열전달 영향 인자 지식 필요. 설계 3중요 측면: (i) 스프레이 냉각 빌렛 결함 생성 영향, (ii) 스프레이 열제거(수압, 스탠드오프 거리, 노즐 유형, 스트랜드 표면 온도, 수분 플럭스 변수 의존), (iii) 스프레이 영역 수분포(② 변수 함수).

연속 주조 빌렛 스프레이 관련 결함: 미드웨이 크랙, 마름모형, 대각선 크랙. 스프레이 냉각 결함 형성 영향:

• 스프레이 냉각 축방향 프로파일 따라 쉘 큰 인장 변형률 생성(열구배 변화). 스프레이 챔버 후 빌렛 재가열 → 미드웨이 크랙 원인.
• 스프레이 냉각 강도 → 쉘 국부 온도 분포 변화 → 강철 고온 기계적 물성, 액체 코어 페로스태틱 압력 벌징 견딜 쉘 능력 변화.
• 스프레이 통과 횡단면 쉘 온도 변동 → 알루미늄 나이트라이드(AlN) 등 상 석출 영향 → 고온 연성 저하. 이 조건서 쉘 큰 인장 응력(스트레이트닝 등) 받으면 횡크랙 등 결함 생성.

수분무 열제거율과 스프레이 변수 간 관계 존재. 스프레이 열전달 계수: 노즐 유형, 노즐-스트랜드 거리, 수압, 수온, 강철 표면 온도 등 다수 변수 영향. 이중 노즐 유형, 거리, 수압 → 스프레이 수분 플럭스(L/m²·sec) 최대 영향. 수온·강철 표면 온도 → 열전달 직접 영향. 정상 연속 주조 조건(표면 온도 1,200~700℃)서 표면 온도 열전달 계수 영향 작음, 스프레이 수분 플럭스 최대 영향.

2차 냉각 후 주조 빌렛 컷팅 섹션 이동 → 유압 전단기 또는 절단 토치로 희망 길이 절단.