연속 주조 중 결함 형성 모델링을 위한 유동, 열전달 및 응고의 역할을 이해하기 위한 핵심 윤활 개념

Key Lubrication Concepts to Understand the Role of Flow, Heat Transfer and Solidification for Modelling Defect Formation during Continuous Casting

본 연구는 철강 연속 주조 공정에서 발생하는 표면 결함의 형성 메커니즘을 분석하기 위해 수치 모델링의 중요성을 강조한다. 특히 슬래그 침투, 계면 저항 및 윤활 지수와 같은 핵심 개념을 재정립하여 실제 조업 현장에서의 모델링 정확도를 높이는 데 기여하고자 한다.

논문 메타데이터

• 산업: 철강 제조 (Steelmaking)
• 재료: 강철 (Steel), 몰드 파우더/슬래그 (Mould Powder/Slag)
• 공정: 연속 주조 (Continuous Casting)

핵심어

• 수치 모델링 (numerical modelling)
• 연속 주조 (Continuous Casting)
• 결함 (defects)
• 윤활 (lubrication)
• 파우더 소모량 (powder consumption)

요약 보고서

연구 아키텍처

본 연구는 산업 현장의 관찰 결과와 수치 모델링 경험을 결합한 개념적 프레임워크를 제시한다. 실험실 테스트, 현장 측정 데이터, 그리고 CFD(전산유체역학) 및 열-역학 모델을 통합하여 연속 주조 몰드 내의 복잡한 물리 현상을 분석한다. 특히 슬래그의 침투 거동과 계면 열저항이 응고 쉘 형성에 미치는 영향을 중점적으로 다룬다. 연구진은 PHYSICA 및 THERCAST와 같은 상용 코드를 활용하여 3D 비정상 상태 유동 및 응고 과정을 시뮬레이션하였다.

주요 연구 결과

슬래그의 점도와 파괴 온도($T_{br}$)는 윤활 범위에 결정적인 영향을 미치며, $T_{br}$이 낮을수록 윤활 구간이 연장됨을 확인하였다. 계면 접촉 저항($r_{int}$)은 실험실 측정값($0.5 \times 10^{-4} – 1.4 \times 10^{-3} m^2 \cdot K/W$)과 실제 공정 데이터 사이에 상당한 차이가 존재함을 정량적으로 분석하였다. 또한, 윤활 지수(L.I.)가 1에 가까울수록 몰드 전체 길이에 걸쳐 액상 윤활이 유지되어 결함 발생 가능성이 낮아짐을 입증하였다. 침지 노즐의 깊이와 주조 속도 변화가 L.I.에 미치는 영향을 수치화하여 제시하였다.

산업적 응용

본 연구의 결과는 몰드 파우더의 최적 설계, 침지 노즐(SEN)의 형상 개선, 그리고 몰드 테이퍼(taper) 최적화에 직접적으로 적용될 수 있다. 이를 통해 종균열 및 모서리 균열과 같은 표면 결함을 줄이고 주조 속도를 높여 생산성을 향상시킬 수 있는 기술적 근거를 제공한다. 특히 특정 강종에 최적화된 파우더 선택과 노즐 설계를 통해 공정 안정성을 극대화할 수 있다.

이론적 배경

점도 및 파괴 온도 (Viscosity and Break Temperature)

점도는 주조 중 온도와 조성에 따라 급격히 변화하며 윤활에 직접적인 영향을 미치는 핵심 물성이다. 파괴 온도($T_{br}$)는 액상 슬래그에서 고상 결정이 석출되기 시작하는 지점으로, 이 온도 이하에서는 점도가 급격히 상승하여 윤활 성능이 저하된다. 주입 온도와 $T_{br}$의 차이($\Delta T_{break}$)는 파우더가 액상 슬래그로 전환되어 윤활에 기여할 수 있는 열적 여유를 의미한다. $T_{br}$이 낮을수록 몰드 내에서 액상 상태를 유지하는 구간이 길어져 윤활 성능이 향상된다.

계면 접촉 저항 (Interfacial Contact Resistance)

슬래그가 유리질에서 결정질로 상변화할 때 밀도 변화와 수축이 발생하며, 이는 몰드 벽면과의 사이에 표면 거칠기를 형성한다. 이 거칠기는 ‘공기층(air-gap)’과 유사한 열저항을 발생시켜 몰드 냉각 속도를 제어하는 결정적인 요소가 된다. 결정질 슬래그는 유리질에 비해 더 높은 열전도도를 가지지만, 증가된 계면 저항으로 인해 전체적인 열전달은 오히려 감소하는 단열 효과를 나타낸다. 이러한 계면 저항($r_{int}$)의 정확한 산정은 응고 쉘의 균일한 성장을 예측하는 데 필수적이다.

결과 및 분석

실험 및 모델링 설정

연구진은 상용 소프트웨어와 자체 개발 코드를 사용하여 3D 비정상 상태 유동 및 응고 모델을 구축하였다. 슬래그의 열물성 데이터는 실험실 테스트와 현장 샘플 분석을 통해 확보하였으며, 몰드 내 열전대 측정값과 광섬유 센서를 이용한 고해상도 온도 맵을 비교 데이터로 활용하였다. 주조 속도, 노즐 침지 깊이, 아르곤 가스 주입량 등을 주요 변수로 설정하여 시뮬레이션을 수행하였다.

시각 데이터 요약

Figure 2는 다양한 상용 슬래그의 점도와 $T_{br}$ 범위를 보여주며, 균열 및 스티커 민감 강종에 따른 운전 영역을 제시한다. Figure 9와 10은 몰드 내 윤활 지수(L.I.)에 따른 완전 윤활, 간헐적 접촉, 공기층 형성 구역을 시각화하여 테이퍼 설계의 중요성을 입증한다. Figure 11은 SEN 유동 패턴에 따른 몰드 내 불균일한 온도 분포를 명확히 보여주며, 이는 국부적인 윤활 불량의 원인이 된다.

변수 상관관계 분석

침지 노즐의 침지 깊이와 주조 속도는 윤활 지수와 밀접한 상관관계를 가진다. 얕은 침지 깊이와 높은 주조 속도는 메니스커스 부근의 파동을 강화하여 슬래그 침투를 방해하거나 파우더 혼입을 유발할 수 있다. 또한, 몰드 테이퍼가 불충분할 경우 응고 쉘과 몰드 사이의 조기 분리가 발생하여 열전달 효율이 급격히 저하되고 쉘 두께가 불균일해지는 현상이 관찰되었다. 이러한 변수들의 복합적인 작용이 최종 제품의 표면 품질을 결정한다.

Paper Details

Key Lubrication Concepts to Understand the Role of Flow, Heat Transfer and Solidification for Modelling Defect Formation during Continuous Casting

1. Overview

• Title: Key Lubrication Concepts to Understand the Role of Flow, Heat Transfer and Solidification for Modelling Defect Formation during Continuous Casting
• Author: Pavel Ernesto RAMIREZ LOPEZ, Pooria Nazem JALALI, Ulf SJÖSTRÖM, Pär Goran JÖNSSON, Kenneth C. MILLS, Il SOHN
• Year: 2018
• Journal: ISIJ International, Vol. 58, No. 2, pp. 201–210

2. Abstract

철강의 연속 주조 과정에서 표면 결함은 주조가 어려운 새로운 강종의 도입과 더 높은 품질 및 개선된 수율을 향한 끊임없는 추구로 인해 반복적으로 발생하는 문제입니다. 이에 따라 수치 모델링은 이러한 결함의 형성 메커니즘을 분석하기 위한 보편적인 도구가 되었습니다. 그러나 시뮬레이션의 산업적 적용은 재료 특성의 변화, 특정 주조 관행 또는 근본적인 금속학적 개념에 대한 결함과 같은 중요한 공정 세부 사항의 과도한 단순화 및 생략으로 인해 종종 방해를 받습니다. 본 논문은 슬래그 침투, 계면 저항 및 윤활 지수와 같은 핵심 개념을 검토함으로써 이러한 문제에 대한 인식을 제고하고자 합니다. 이는 산업적 관찰과 수치 모델링 경험을 바탕으로 한 개념적 관점에서 수행됩니다. 후자는 유동, 열 전달 및 응고가 윤활 및 결함 형성에 미치는 영향에 관한 구식 개념과 오해를 재정의할 수 있게 합니다. 또한, 본 논문은 슬래그에 대한 고온 재료 데이터의 부족과 같이 수치 모델의 산업적 구현 중에 발생하는 일반적인 과제와 제약 사항을 다룹니다. 마지막으로, 모델링을 실험실 테스트, 현장 작업자의 경험 및 직접적인 공장 측정과 결합하는 통합적 접근 방식을 통해 달성할 수 있는 제품 품질 및 공정 안정성 개선 사례를 제공합니다.

3. Methodology

3.1. 문헌 검토 및 개념 재정의: 기존의 연속 주조 모델링 기법과 산업적 관찰 데이터를 결합하여 슬래그 침투 및 계면 저항과 같은 핵심 물리적 개념을 재검토함.
3.2. 수치 모델링 분석: CFD 및 열-역학 모델을 사용하여 용강 유동, 열 전달 및 응고 현상이 몰드 내 윤활에 미치는 복합적인 영향을 정량적으로 분석함.
3.3. 산업적 사례 연구 및 검증: 실제 공장의 온도 측정 데이터와 주조 후 회수된 슬래그 필름의 미세구조 분석을 통해 모델의 예측 정확성을 평가하고 개선 방향을 도출함.

4. Key Results

본 연구는 몰드 내 윤활 지수(L.I.)가 단순히 평균적인 공정 변수가 아니라 유동 패턴과 열 분포에 의해 결정되는 국부적인 변수임을 입증하였습니다. 결정질 슬래그 필름은 유리질 필름보다 높은 열전도율을 가짐에도 불구하고, 결정화 과정에서 발생하는 표면 거칠기와 에어 갭 형성으로 인해 실제로는 더 높은 계면 저항을 유발하여 냉각 속도를 억제합니다. 또한, SEN의 침지 깊이와 포트 각도가 메니스커스 영역의 열 공급을 결정하며, 이는 슬래그의 용융 속도와 침투 균일성에 결정적인 영향을 미칩니다. 실험실 측정치와 수치 모델링 입력값 사이의 계면 저항 격차를 확인하였으며, 이를 보정하기 위한 새로운 데이터베이스 구축의 필요성을 제시하였습니다. 마지막으로, 윤활 지수의 변화가 쉘 두께의 불균일성을 초래하여 종균열 및 모서리 균열의 원인이 됨을 정량적으로 분석하였습니다.

5. Mathematical Models

$$L.I. = \frac{\text{fully lubricated region}}{\text{effective mould length}}$$ $$\Delta T_{break} = T_{pouring} – T_{br}$$ $$Q_c = \frac{1}{2}t_n + \frac{1}{2}t_p$$

Figure List

1. 연속 주조기 배치 및 전형적인 결함 분포도
2. 연속 주조 파우더의 파단 온도 및 점도 운영 범위 그래프
3. 몰드 내 슬래그 필름의 결정화 진화 모델
4. 연속 주조 슬래그의 온도 및 냉각 이력에 따른 열전도율 거동
5. 주조 후 회수된 결정질 및 유리질 슬래그 필름의 표면 거칠기 비교
6. 실험실 테스트 및 산업 샘플링에서 얻은 계면 접촉 저항 범위 비교
7. 슬래그 필름의 SEM 이미지 및 기공 분포
8. 몰드 시뮬레이터에서 얻은 슬래그 필름의 위치별 단면 미세구조
9. 연속 주조의 핵심 윤활 개념 모식도
10. 몰드 내 윤활 관행(습식 vs 반건식) 및 테이퍼 영향 개략도
11. 전형적인 유동 구조에 따른 몰드 내 열 분포 맵
12. 일반 SEN과 반전 포트 SEN 사용 시의 유동 및 열 분포 비교
13. 주조 후 회수된 넓은 면 슬래그 필름의 가변성 관찰
14. 침지 깊이가 윤활 지수 및 국부 열 분포에 미치는 영향
15. 주조 속도 및 침지 깊이에 따른 윤활 지수 변화 그래프

References

1. A. Cramb: The Making, Shaping & Treating of Steel, Casting Volume, AIST, (2003).
2. J. K. Brimacombe and K. Sorimachi: Metall. Trans. B, 8 (1977), 489.
3. B. G. Thomas: Metall. Mater. Trans. B, 33 (2002), 795.
4. K. C. Mills: ISIJ Int., 56 (2016), 1.
5. M. Hanao and M. Kawamoto: ISIJ Int., 48 (2008), 180.

Technical Q&A

Q: 윤활 지수(Lubrication Index)의 정의와 그 중요성은 무엇인가?

윤활 지수는 액체 슬래그가 존재하는 영역의 길이를 유효 몰드 길이로 나눈 값으로 정의됩니다. 이 지수가 1에 가까울수록 몰드 전체 길이에 걸쳐 액체 윤활이 이루어짐을 의미하며, 이는 쉘과 몰드 사이의 마찰을 줄이고 균일한 열 추출을 가능하게 하여 표면 균열을 예방하는 데 매우 중요합니다.

Q: 결정질 슬래그가 유리질 슬래그보다 열 전달을 더 억제하는 이유는 무엇인가?

결정질 슬래그는 본질적인 열전도율은 높지만, 결정화 과정에서 밀도 변화와 수축이 발생하여 몰드 벽면과의 사이에 미세한 간극(에어 갭)과 표면 거칠기를 형성합니다. 이로 인해 계면 접촉 저항($r_{int}$)이 급격히 상승하며, 결과적으로 용강에서 몰드로의 전체적인 냉각 속도를 늦추는 절연 효과를 제공하게 됩니다.

Q: 침지 노즐(SEN)의 설계가 슬래그 침투에 어떤 영향을 미치는가?

SEN의 포트 각도와 침지 깊이는 용강 유동이 메니스커스(용강 표면)로 전달하는 열량을 결정합니다. 유동이 메니스커스 부근으로 충분한 열을 공급하면 슬래그 파우더의 용융이 촉진되어 액체 슬래그 풀(pool)이 안정적으로 형성되고, 이는 쉘과 몰드 사이로의 원활한 슬래그 침투를 유도하여 윤활 성능을 향상시킵니다.

Q: 수치 모델링에서 계면 저항($r_{int}$) 값을 설정할 때 발생하는 주요 문제는 무엇인가?

실험실에서 측정된 계면 저항 값과 실제 공장 데이터, 그리고 수치 모델에서 가정하는 값들 사이에 최대 100만 배(6차수)의 큰 격차가 존재한다는 점입니다. 이는 모델의 예측 정확도를 떨어뜨리는 주요 요인이 되며, 실제 공정 조건을 반영한 고온 물성 데이터베이스의 확보가 필수적임을 시사합니다.

Q: 몰드 테이퍼(taper)가 부족하거나 과도할 때 각각 어떤 문제가 발생하는가?

테이퍼가 부족하면 응고 쉘이 수축하면서 몰드 벽면에서 조기에 분리되어 에어 갭이 형성되고 냉각이 불량해져 쉘이 얇아지고 브레이크아웃 위험이 커집니다. 반대로 테이퍼가 과도하면 몰드 하부에서 쉘과 몰드 사이의 간격이 좁아져 슬래그 침투를 방해하고 몰드 마모 및 스티커(sticker) 결함을 유발할 수 있습니다.

Conclusion

본 연구는 연속 주조 공정의 수치 모델링이 단순한 정상 상태 해석을 넘어 유동, 열 전달, 응고 및 윤활 현상의 복합적인 상호작용을 반영해야 함을 강조합니다. 특히 슬래그의 결정화 거동과 그에 따른 계면 저항의 변화를 정확히 모사하는 것이 모델의 신뢰성을 확보하는 핵심 요소임을 확인하였습니다. 향후 연구에서는 고온에서의 슬래그 물성 데이터를 정밀하게 측정하고, 이를 3차원 과도 응답 모델에 통합함으로써 실제 조업에서 발생하는 비정상적인 결함 형성 과정을 예측하는 차세대 모델링 기술로 발전시켜야 합니다.

Source Information

Citation: Pavel Ernesto RAMIREZ LOPEZ, Pooria Nazem JALALI, Ulf SJÖSTRÖM, Pär Goran JÖNSSON, Kenneth C. MILLS and Il SOHN (2018). Key Lubrication Concepts to Understand the Role of Flow, Heat Transfer and Solidification for Modelling Defect Formation during Continuous Casting. ISIJ International, Vol. 58, No. 2, pp. 201–210.

DOI/Link: http://dx.doi.org/10.2355/isijinternational.ISIJINT-2017-482

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