철강 연속주조 몰드 내 개재물 거동 및 응고쉘 내 포집현상에 경계조건이 미치는 영향 모델링

Abstract

용강 내에는 제강공정에서 제거되지 못한 알루미나성 개재물, 노즐 막힘을 방지하기 위해 주입되는 아르곤가스 버블, 래이들내 vortexing 현상, 몰드 탕면에서의 비정상적인 유동현상으로 인해 혼입된 slag 개재물이 존재할 수 있다. 이러한 입자들은 부상분리하여 슬래그층에서 제거가 될 수 있으나, 몰드내 용강 유동 흐름을 따라서 응고쉘에 도달하고, 포집되는 경우가 있다. 응고쉘내 포집된 입자들은 스케일 형성이나 스카핑 공정을 통해서 제거되지 못할시에 열처리, 압연 공정 이후 최종제품에서 결함으로 유발될 수 있다. 따라서 본 연구에서는 연속주조 몰드 내 용강-아르곤 다상 유동장내 개재물의 거동 및 포집 현상을 정량적으로 해석하기 위한 전산모사 모델을 개발하였다. 해당 모델은 비정상 초기응고조직인 hook에 의한 포집, Primary Dendrite Arm Spacing (PDAS)에 포집되는 entrapment, 응고쉘 끝단에서 힘의 균형에 의해서 체류하는 입자를 성장하는 dendrite가 둘러싸서 포집하는 engulfment, 세가지 포집기구를 고려하였으며 이를 Finite Volume Method (FVM) 기반한 Computational Fluid Dynamics (CFD) 전산모사 모델에 User Defined Functions (UDFs)를 추가하여서 구현하였다. 해당 전산모델링 결과를 통해 몰드 용탕내 개재물의 거동 및 이동궤적, 응고쉘내 포집 위 치, 포집 비율, 포집 기구를 계산하였고, 이러한 현상들이 주상정 포집기구 (Simple Capture Criterion, Entrapment Capture Criterion, Advanced Capture Criterion), 탕면슬래그에서의 경계조건, 개재물의 크기 및 형태에 따라 받는 영향에 대해서 다양한 케이스 분석을 통해서 정량적으로 해석하였다.|Alumina inclusions that have not been removed during upstream ladle refining and tundish processes, argon bubbles injected to prevent nozzle clogging, slag inclusions entrained into the molten steel pool due to vortexing flow in the ladle and abnormal flow phenomena at the mold top surface, flow in the mold regions. The particles are able to be removed into the top surface slag layer or transported by the molten steel flow and captured by the solidifying steel shell on the mold surfaces. The captured particles, which are not removed by scale formation and/or scarfing processes, can result in severe defects in the final products. Computational models were developed to quantify the transport and capture of particles in the molten steel-argon flow. The models simulate three different capture mechanisms, including captured by hooks in the meniscus region, entrapment between Primary Dendrite Arm Spacing (PDAS), and engulfment by being surrounded and captured by growing dendrites. Three mechanisms were implemented by applying Finite Volume Method (FVM) based Computational Fluid Dynamics (CFD) models with User Defined Functions (UDFs). The modeling results provides behaviors and trajectories of particles, particle capture locations, capture rates, and capture mechanisms. In addition, the models with various cases were applied to investigates the effects of capture criterion models (Simple Capture Criterion, Entrapment Capture Criterion, Advanced Capture Criterion), boundary conditions at the top slag surface, particle sizes, shapes, and types.