고탄소 및 미크로 합금 DIN EN ISO 16120-2: 2011-C66D 강의 주조 속도 향상 연구

Increasing Casting Speed in High Carbon and Micro Alloy DIN EN ISO 16120-2: 2011-C66D Steels

본 보고서는 연속 빌릿 주조 공정에서 고탄소 및 미크로 합금강의 생산 효율성을 극대화하기 위해 주조 속도를 최적화한 연구 결과를 다룹니다. 전자기 교반(M-EMS) 및 냉각 파라미터 조정을 통해 품질 저하 없이 생산성을 향상시키는 기술적 방법론을 제시합니다.

Paper Metadata

• Industry: 철강 제조 (Steel Manufacturing)
• Material: DIN EN ISO 16120-2: 2011-C66D (고탄소 미크로 합금강)
• Process: 연속 빌릿 주조 (Continuous Billet Casting)

Keywords

• 철강 생산
• 연속 주조
• 주조 속도
• M-EMS (전자기 교반)
• 미세 구조 분석
• 생산성 최적화

Executive Summary

Research Architecture

본 연구는 130×130 mm 단면의 빌릿을 생산하는 6채널 연속 주조기 시스템에서 수행되었습니다. 실험 프레임워크는 주조 속도, 주형 내 전자기 교반(M-EMS)의 전류 및 주파수, 그리고 2차 냉각 구역의 비수량(specific water volume)을 주요 변수로 설정하였습니다. 총 10회의 테스트를 3개 그룹으로 분류하여 실시하였으며, 각 단계마다 매크로 샘플 채취 및 미세 조직 분석을 통해 품질 변화를 모니터링하는 체계적인 실험 설계를 적용하였습니다.

Key Findings

실험 결과, 주조 속도를 기존의 2.8 m/min에서 3.2 m/min으로 성공적으로 상향 조정하였습니다. 이 과정에서 M-EMS 전류를 400A로 최적화하고 2차 냉각수량을 1.27 L/kg으로 증대시켜 안정적인 응고를 유도하였습니다. 정량적으로는 시간당 생산량이 기존 133톤에서 152톤으로 약 14% 증가하는 성과를 거두었으며, 매크로 에칭 및 현미경 분석 결과 모든 샘플이 국제 품질 표준인 ASTM E381 및 내부 결함 카탈로그 기준을 충족하는 것으로 나타났습니다.

Industrial Applications

본 연구의 결과는 고강도 와이어, 스프링, 와이어 로프 제조용 고탄소강 빌릿 생산 공정에 직접적으로 적용될 수 있습니다. 특히 기존 설비의 큰 변경 없이 운영 파라미터의 최적화만으로 생산성을 14% 향상시킬 수 있음을 입증함으로써, 철강 기업의 제조 원가 절감과 시장 경쟁력 강화에 기여할 수 있는 실무적인 가이드를 제공합니다.

Theoretical Background

연속 주조에서의 주조 속도와 응고 제어

연속 주조 공정에서 주조 속도는 생산 효율을 결정하는 핵심 요소이지만, 속도 증가는 응고 쉘(shell)의 두께를 얇게 만들어 파열(breakout) 위험을 높입니다. 또한 고속 주조 시에는 용강의 유동이 불안정해져 중심부 편석(center segregation) 및 내부 균열이 발생할 가능성이 커집니다. 따라서 안정적인 고속 주조를 위해서는 주형 내에서의 초기 응고 제어와 2차 냉각 구역에서의 정밀한 온도 관리가 이론적으로 뒷받침되어야 합니다.

주형 내 전자기 교반(M-EMS)의 원리

M-EMS는 주형 주위에 설치된 코일에 전류를 흘려 발생시킨 회전 자기장을 통해 용강을 교반하는 기술입니다. 이 교반 작용은 용강 내부의 온도 구배를 균일하게 하고, 응고 전선에서 불순물이 농축되는 것을 방지하여 등축정(equiaxed zone) 형성을 촉진합니다. 특히 고탄소강의 경우 중심부 편석이 제품 품질에 치명적이므로, 주조 속도 증가에 따른 편석 악화를 방지하기 위해 M-EMS 파라미터의 최적화가 필수적인 이론적 토대가 됩니다.

Results and Analysis

Experimental Setup

실험은 통합 철강 공장의 6채널 연속 빌릿 주조기에서 DIN EN ISO 16120-2: 2011-C66D 규격의 강재를 대상으로 진행되었습니다. 턴디쉬 내 용강 온도는 1510~1520 °C로 정밀 제어되었으며, 130×130 mm 단면의 빌릿을 생산하였습니다. M-EMS는 루틴 적용값인 360A/5Hz에서 테스트값인 400A/5Hz로 변경하였고, 2차 냉각수 비수량은 0.95 L/kg에서 최대 1.27 L/kg까지 가변적으로 적용하여 데이터의 신뢰성을 확보하였습니다.

Visual Data Summary

매크로 샘플 분석 결과, 주조 속도 3.2 m/min 조건에서도 중심부 편석, 스타 크랙(star crack), 가스 기공 등의 결함이 허용 수준 내에 있음을 확인하였습니다. 광학 현미경(X25~X500 배율) 관찰을 통해 기질 조직이 주로 펄라이트(pearlite)로 구성되어 있으며, 결정립계를 따라 페라이트(ferrite)가 정상적으로 분포하고 있음을 시각적으로 입증하였습니다. SEM 및 EDS 분석 결과에서도 불순물 개재물이 제어된 깨끗한 미세 구조가 관찰되었습니다.

Variable Correlation Analysis

분석 결과, 주조 속도와 2차 냉각수량 사이에는 직접적인 상관관계가 존재함이 밝혀졌습니다. 주조 속도가 2.8 m/min에서 3.2 m/min으로 증가함에 따라, 용강의 페로스태틱 압력에 견딜 수 있는 응고 쉘 강도를 유지하기 위해 2차 냉각수량을 비례적으로 증대시켜야 했습니다. 또한 M-EMS 전류의 상향 조정은 고속 주조 시 발생할 수 있는 중심부 품질 저하를 상쇄하는 결정적인 변수로 작용하여, 생산성과 품질 사이의 최적의 균형점을 도출할 수 있었습니다.

Paper Details

Increasing Casting Speed in High Carbon and Micro Alloy DIN EN ISO 16120-2: 2011-C66D Steels

1. Overview

• Title: Increasing Casting Speed in High Carbon and Micro Alloy DIN EN ISO 16120-2: 2011-C66D Steels
• Author: Ömer Saltuk BÖLÜKBAŞI, Volkan KIZILAY
• Year: 2021
• Journal: El-Cezerî Journal of Science and Engineering

2. Abstract

세계적으로 중요한 강철 생산 단계인 연속 주조 공정에서는 다양한 파라미터가 함께 사용될 수 있습니다. 제품 특성을 충족하기 위해 금속학적으로 적절한 파라미터를 사용하는 것이 중요합니다. 과거부터 현재까지 연속 주조 공정에서는 많은 혁신이 이루어져 왔습니다. 연속 주조 능력을 통해 요구 사항을 충족하는 적절한 응고를 수행하기 위해 강철 분석, 내화 재료, 연속 주조 파라미터 등 많은 효과적인 주제에 대한 연구가 수행되고 있는 것으로 알려져 있습니다. 연속 주조 파라미터를 검토했을 때, 주조 속도 파라미터가 매크로 샘플의 품질 요구 사항 측면에서 효과적인 것으로 나타났습니다. 따라서 본 연구에서는 주조 속도 파라미터의 증가가 매크로 샘플의 품질에 미치는 영향을 조사하였습니다. 방법론적으로는 고탄소, 미크로 합금 DIN EN ISO 16120-2: 2011-C66D 품질 강재에 대해 서로 다른 주조에서 이 파라미터를 변경하고 매크로 샘플을 채취하여 품질 요구 사항 측면에서 평가하였습니다. 매크로 샘플 품질 결과를 비교했을 때 주조 속도의 영향이 관찰되었습니다. 본 연구에서는 연속 빌릿 주조 시설에서 주조 속도 증가가 최적의 금속학적 및 물리적 품질에 미치는 영향을 조사하고 그 결과를 해석하였습니다.

3. Methodology

3.1. 원재료 및 시편 준비: DIN EN ISO 16120-2: 2011-C66D 규격의 고탄소 미크로 합금강을 사용하였으며, 130x130x30 mm 크기의 매크로 샘플을 산소 가스 절단 시스템으로 채취함.
3.2. 표면 처리 및 에칭: 채취된 샘플을 밀링 머신으로 평탄화한 후, 40% HCl(38%)과 60% 물 혼합액에서 50분간 에칭을 실시하고 알칼리 용액으로 세척함.
3.3. 실험 변수 제어: 주조 속도를 2.8 m/min에서 3.2 m/min까지 단계적으로 높이며, M-EMS 전류(360~400A)와 2차 냉각수량(0.95~1.27 L/kg)을 최적화함.
3.4. 분석 장비 활용: 광학 현미경(Nikon Epiphot 200), SEM(Jeol JMS-6510), XRD(Rigaku XRD) 및 EDS 분석을 통해 미세 조직과 상 구성을 정밀 검사함.

4. Key Results

주조 속도를 3.2 m/min으로 증대시켰을 때, 이론적 생산량은 시간당 133톤에서 152톤으로 약 14% 향상되었습니다. 매크로 조직 검사 결과, 고속 주조 시에도 중심부 편석 및 내부 결함이 국제 표준 범위 내에서 안정적으로 유지됨을 확인하였습니다. 미세 조직 분석에서는 펄라이트 기질과 입계 페라이트 구조가 명확히 관찰되었으며, XRD 분석을 통해 100% 철 알파(iron alpha) 상 구조가 유지됨을 입증하였습니다. 결과적으로 적절한 냉각 및 교반 제어를 통해 품질 저하 없는 고속 주조가 가능함을 확인하였습니다.

5. Mathematical Models

본 연구에서 도출된 생산성 향상 비율은 다음과 같은 산술 모델을 기반으로 합니다:
$$ \text{Production Increase (\%)} = \frac{\text{New Production (152 t/h)} – \text{Routine Production (133 t/h)}}{\text{Routine Production (133 t/h)}} \times 100 \approx 14\% $$
또한, XRD 분석을 통해 결정 구조의 건전성을 확인하기 위해 Rietveld 방법을 활용한 상 분석이 수행되었습니다.

Figure List

1. 연속 주조 방법 (수직, 곡형, 수평)
2. 매크로 샘플 절단 공정 및 채널 번호 부여
3. 밀링 가공 기계
4. 산세 탱크, 헹굼 탱크 및 표면 세척 과정
5. 검사 대상 매크로 샘플 및 사진 촬영 장비
6. 빌릿 샘플의 2차 냉각 구역별 비수량 변화 그래프
7. 1그룹 실험 빌릿 매크로 샘플 사진 (2.8~3.0 m/min)
8. 2그룹 실험 빌릿 매크로 샘플 사진 (2.8~3.2 m/min)
9. 3그룹 실험 빌릿 매크로 샘플 사진 (3.2 m/min, 수량 가변)
10. 2.8 m/min 주조 속도 빌릿의 광학 현미경 이미지
11. 3.2 m/min 주조 속도 빌릿의 광학 현미경 이미지
12. 2.8 m/min 주조 속도 빌릿의 SEM 이미지
13. 3.2 m/min 주조 속도 빌릿의 SEM 이미지
14. 2.8 m/min 주조 속도 빌릿의 EDS 이미지
15. 3.2 m/min 주조 속도 빌릿의 EDS 이미지
16. 빌릿 샘플의 XRD 분석 결과 그래프
17. 빌릿 샘플의 Autoquan 프로그램 분석 결과

References

1. Chow, C., “The effects of high speed casting on the mould heat transfer, billet solidification, and mould taper design”, 2001.
2. Li, C., Thomas, B. G., “Ideal Taper Prediction for High Speed Billet Casting”, 2002.
3. Xiao, C., et al., “Control of macrosegregation behavior by applying final electromagnetic stirring”, 2013.
4. Su, W., et al., “Heat transfer and central segregation of continuously cast high carbon steel billet”, 2014.
5. Mortan, J., et al., “Next Steps in High-Speed Billet Casting at Ege Celik”, 2015.

Technical Q&A

Q: 주조 속도를 3.2 m/min으로 높였을 때의 구체적인 생산성 이점은 무엇입니까?

본 연구의 계산에 따르면, 130×130 mm 단면의 6채널 주조기에서 주조 속도를 2.8 m/min에서 3.2 m/min으로 높일 경우 시간당 생산량이 133톤에서 152톤으로 증가합니다. 이는 약 14%의 생산성 향상을 의미하며, 동일한 운영 시간 내에 더 많은 제품을 생산할 수 있어 제조 원가 절감과 시장 대응력 강화에 직접적인 기여를 합니다.

Q: 고속 주조 시 품질 저하를 막기 위해 M-EMS 파라미터를 어떻게 조정하였습니까?

주조 속도가 빨라지면 중심부 편석 위험이 커지므로, M-EMS 전류를 기존의 360A에서 400A로 상향 조정하였습니다. 이를 통해 용강의 교반력을 강화하여 응고 전선에서의 용질 농축을 억제하고 등축정 형성을 촉진함으로써, 고속 주조 조건에서도 매크로 조직의 건전성을 유지할 수 있었습니다.

Q: 2차 냉각수 비수량(Specific water volume)을 1.27 L/kg으로 증대한 기술적 이유는 무엇입니까?

주조 속도가 증가하면 주형을 빠져나오는 빌릿의 응고 쉘 두께가 상대적으로 얇아집니다. 이때 내부 용강의 페로스태틱 압력에 의해 쉘이 파열되는 것을 방지하기 위해 2차 냉각 구역에서 더 많은 냉각수를 분사하여 응고 속도를 높여야 합니다. 실험을 통해 3.2 m/min 속도에서는 1.27 L/kg의 비수량이 안정적인 쉘 강도 확보에 최적임을 확인하였습니다.

Q: 미세 구조 분석 결과, 주조 속도 변화가 상(Phase) 구성에 미치는 영향은 어떠합니까?

광학 현미경 및 SEM 분석 결과, 2.8 m/min과 3.2 m/min 두 조건 모두에서 기질 조직은 펄라이트로 구성되었으며 입계에 페라이트가 형성된 전형적인 고탄소강 조직을 보였습니다. 다만, XRD 분석 결과 3.2 m/min 샘플의 피크 강도가 상대적으로 낮게 나타났는데, 이는 빠른 냉각 속도로 인해 결정 구조가 덜 발달했기 때문으로 해석되나 전체적인 상 구성은 100% 철 알파 상으로 동일하였습니다.

Q: 본 연구에서 품질 평가의 기준으로 삼은 표준은 무엇입니까?

매크로 에칭 테스트의 경우 ASTM E381(강철 바, 빌릿, 블룸의 매크로 에칭 테스트 표준 방법)을 준수하였습니다. 또한, 실험이 진행된 철강 공장에서 자체적으로 마련한 “Long Product Defect Catalog”를 참조하여 중심 편석, 수축공, 균열 등 내부 결함의 허용 여부를 엄격하게 판정하였습니다.

Conclusion

본 연구는 고탄소 미크로 합금강의 연속 주조 공정에서 주조 속도를 2.8 m/min에서 3.2 m/min으로 향상시킬 수 있는 기술적 타당성을 입증하였습니다. M-EMS 전류를 400A로 최적화하고 2차 냉각수량을 적절히 증대시킴으로써, 제품의 금속학적 품질과 물리적 특성을 표준 이내로 유지하면서도 생산성을 14% 향상시키는 성과를 거두었습니다. 이는 철강 산업에서 비용 효율적인 생산 체계를 구축하는 데 있어 중요한 실증적 자료가 될 것입니다.

Source Information

Citation: Bölükbaşı, Ö. S., Kızılay, V. (2021). Increasing Casting Speed in High Carbon and Micro Alloy DIN EN ISO 16120-2: 2011-C66D Steels. El-Cezerî Journal of Science and Engineering.

DOI/Link: https://doi.org/10.31202/ecjse.779884

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