Influence of Water Quality and Kind of Metal in the Secondary Cooling Zone of Casting Process

주조 2차 냉각의 핵심: 냉각수 품질과 금속 종류가 제품 품질에 미치는 영향 분석

이 기술 요약은 Khalid Haroun Mohamed Abdalrahman의 박사 학위 논문 "Influence of Water Quality and Kind of Metal in the Secondary Cooling Zone of Casting Process"을 기반으로 합니다. CASTMAN이 기술 전문가를 위해 분석하고 요약했습니다.

키워드

• 주요 키워드: 주조 공정 냉각수 품질
• 보조 키워드: 2차 냉각 영역, 라이덴프로스트 온도, 비철금속 주조, 열전달 계수, 전기 전도도, 표면 조도

Executive Summary

• 도전 과제: 주조 공정의 2차 냉각 단계에서 냉각수 품질과 금속 특성의 미세한 차이가 최종 제품의 균열 및 잔류 응력과 같은 품질 편차를 유발하는 문제를 정량적으로 이해하는 것이 어려웠습니다.
• 연구 방법: 다양한 금속(알루미늄 합금, 니켈, 구리 합금 등)으로 제작된 디스크와 시트를 로에서 가열한 후, 수압 노즐 및 주형 오리피스에서 분사되는 제어된 수질의 냉각수로 급랭시키며 적외선 카메라로 후면 온도 분포를 정밀 측정했습니다.
• 핵심 발견: 냉각수의 냉각 효과를 결정하는 가장 중요한 매개변수는 용존 염의 농도와 직접적으로 비례하는 '전기 전도도'이며, 전기 전도도가 높을수록 라이덴프로스트 온도와 최대 열유속이 선형적으로 증가하여 냉각 시간이 단축됩니다.
• 결론: 주조 공정에서 일관된 냉각 성능과 최종 제품 품질을 확보하기 위해서는 냉각수의 pH나 경도보다 전기 전도도를 핵심 관리 지표로 삼고 모니터링하는 것이 필수적입니다.

도전 과제: 왜 이 연구가 다이캐스팅 전문가에게 중요한가?

비철금속의 연속 주조 공정에서 주형을 통과한 주조품은 2차 냉각 영역에서 물 분사를 통해 직접 냉각됩니다. 이 단계는 응고 미세조직, 균열 형성, 열 잔류 응력에 결정적인 영향을 미치며, 최종 제품의 품질을 좌우합니다. 그러나 현장에서는 냉각수 유량이나 노즐 배치를 조정해도 품질 변동이 발생하는 경우가 많습니다. 그 원인으로 '냉각수 품질'이 지목되지만, 어떤 성분이, 어떻게, 얼마나 냉각 속도에 영향을 미치는지에 대한 명확한 데이터가 부족했습니다. 이로 인해 환경 규제로 냉각수를 재순환 사용하는 경우, 용존 염이나 불순물이 농축되면서 발생하는 냉각 성능 저하를 예측하고 제어하기 어려웠습니다. 본 연구는 이러한 불확실성을 제거하고, 냉각수 품질이 열전달에 미치는 영향을 정량적으로 분석하여 주조 품질 안정성을 높이는 것을 목표로 합니다.

연구 접근법: 방법론 분석

본 연구는 실험적 접근을 통해 열전달의 미지의 측면을 규명했습니다.

• 시편 준비: 다양한 금속(AA6082, 니크로퍼, 니켈, 인코넬, 순수 구리, 구리 합금)으로 직경 140mm의 디스크와 140mm x 70mm의 시트를 제작했습니다. 시편 두께는 2~4mm로 다양했습니다.
• 가열 및 냉각: 시편을 전기로에서 최대 600°C(니켈의 경우 800°C)까지 가열한 후, 급랭 설비 앞으로 이동시켰습니다. 디스크는 3 kg/m²/s의 일정한 충돌 밀도를 가진 수압 노즐로 냉각했고, 시트는 7개의 오리피스가 있는 주형 세그먼트에서 분사되는 물줄기(30° 각도)로 냉각했습니다.
• 온도 측정: 시편의 냉각되지 않는 후면에 흑연을 코팅하여 0.9에 가까운 높은 방사율을 확보하고, 적외선(IR) 카메라(FLIR SC3000)를 이용해 후면의 온도 필드를 고속(150Hz)으로 측정했습니다.
• 열전달 분석: 측정된 후면 온도 데이터를 기반으로 두 가지 방법으로 열전달을 분석했습니다.
  1. 단순 에너지 균형법: 비오트 수(Biot number)가 매우 작아 시편 양면의 온도 차이를 무시할 수 있다는 가정 하에, 간단한 미분 에너지 균형식으로 국부 열전달을 계산했습니다.
  2. 역해석법: 2차원 푸리에 미분 방정식의 역해석을 통해 측정된 후면 온도로부터 냉각면의 실제 온도를 계산했습니다.

두 방법은 유사한 결과를 보였으며, 막 비등(film boiling) 영역에서는 단순 분석법이, 핵 비등(nucleate boiling) 영역에서는 역해석법이 더 적합했습니다.

핵심 발견: 주요 결과 및 데이터

결과 1: 냉각수 품질의 핵심 지표는 '전기 전도도'

탈이온수를 기준으로 다양한 염(MgSO₄, NaCl 등)을 첨가하여 냉각 성능을 시험한 결과, 냉각수의 전기 전도도(EC)가 냉각 효율을 결정하는 가장 지배적인 요인임이 밝혀졌습니다.

• 논문 Abstract에 따르면, 실제 산업용수 간의 라이덴프로스트 온도(LFT) 차이는 최대 200K에 달했으며, 최대 열유속(MaxHF), DNB(Departure from Nucleate Boiling) 온도, 그리고 라이덴프로스트 온도는 모두 실제 냉각수의 전기 전도도와 거의 선형적으로 비례하여 증가했습니다. Figure 4.36은 이러한 관계를 명확히 보여줍니다. 전기 전도도가 0에서 2500 µS/cm로 증가함에 따라, 라이덴프로스트 온도는 약 300°C에서 450°C로, 최대 열유속은 약 2 MW/m²에서 4 MW/m² 이상으로 상승했습니다. 반면, 물의 pH 값과 경도는 냉각 속도에 거의 영향을 미치지 않았습니다. 이는 용존 염이 해리되어 생성된 이온이 냉각 성능을 직접적으로 좌우한다는 것을 의미합니다.

결과 2: 금속 재질 및 표면 조도가 냉각 거동을 크게 변화시킴

금속의 종류와 표면 상태 역시 냉각 효율에 중대한 영향을 미쳤습니다.

• 금속 종류: 금속의 열 침투 계수(heat penetration coefficient, √(λρCp))와 열 확산율(thermal diffusivity)이 높을수록 라이덴프로스트 및 DNB 온도는 낮아지는 경향을 보였습니다. Figure 5.13은 열 침투 계수가 약 7에서 22 kWs⁰.⁵/m²K로 증가할 때, 중심부의 라이덴프로스트 온도가 약 350°C에서 250°C로 감소하는 것을 보여줍니다. 이는 열전도성이 좋은 금속일수록 표면에서 빠르게 열을 공급하여 증기막 붕괴를 지연시키기 때문입니다.
• 표면 조도: 평균 조도(Ra)가 약 2 µm 증가하면 냉각이 지연되었으나, 더 높은 조도에서는 다시 냉각이 촉진되었습니다. 특히, Figure 5.25에서 볼 수 있듯이 실제 주조품 표면(높은 조도)은 매끄러운 표면에 비해 냉각 시간이 현저히 짧았고, 라이덴프로스트 온도와 열전달 계수가 훨씬 높았습니다. 이는 거친 표면이 핵 비등을 촉진하고 증기막 형성을 방해하기 때문입니다.

R&D 및 운영을 위한 실질적 시사점

• 공정 엔지니어: 이 연구는 냉각수 전기 전도도를 특정 범위 내로 제어하는 것이 균일한 냉각 속도를 유지하고 열 균열과 같은 결함을 줄이는 데 기여할 수 있음을 시사합니다. 재순환 냉각수 시스템의 전기 전도도를 주기적으로 측정하고 관리하는 프로세스를 도입할 수 있습니다.
• 품질 관리팀: Figure 4.36의 데이터는 전기 전도도 변화가 라이덴프로스트 온도에 미치는 영향을 보여줍니다. 이는 냉각수 상태에 따라 제품의 특정 부위에서 예상되는 미세조직이나 기계적 특성을 예측하고, 새로운 품질 검사 기준을 수립하는 데 정보를 제공할 수 있습니다.
• 설계 엔지니어: 특정 금속 합금의 열 침투 계수(Figure 5.13 참조)가 라이덴프로스트 온도에 미치는 영향에 대한 연구 결과는, 제품 설계 초기 단계에서 특정 부위의 냉각 속도를 고려하여 결함 발생 가능성을 예측하고 설계에 반영하는 데 유용한 통찰을 제공합니다.

논문 상세 정보

Influence of Water Quality and Kind of Metal in the Secondary Cooling Zone of Casting Process

1. 개요:

• 제목: Influence of Water Quality and Kind of Metal in the Secondary Cooling Zone of Casting Process
• 저자: M.Sc. Khalid Haroun Mohamed Abdalrahman
• 발행 연도: 2012
• 학술 기관: Dissertation, Fakultät für Verfahrens- und Systemtechnik der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg
• 키워드: Water Quality, Secondary Cooling, Casting Process, Heat Transfer, Leidenfrost Temperature, Kind of Metal, Surface Roughness

2. 초록:

비철금속의 연속 주조 2차 냉각 영역에서, 주형에서 나오는 물 스프레이나 물줄기를 사용하여 잉곳으로부터 열이 전달됩니다. 열전달의 알려지지 않은 측면들이 실험적으로 연구되었습니다. 이를 위해, 다른 금속으로 만들어진 디스크와 시트를 로에서 가열하고, 제거하여 급랭 설비 앞 트랙에 매달았습니다. 디스크(직경 140mm, 두께 2-4mm)는 3 kg/m²/s의 일정한 충돌 밀도를 가진 수압 노즐로 냉각되었습니다. 시트(길이 140mm, 너비 70mm, 두께 2-4mm)는 직경 2.4mm의 7개 오리피스로 구성된 주형 세그먼트로 냉각되었습니다. 주형의 물줄기는 30° 각도로 시트에 충돌합니다. 시편 뒷면의 온도 필드는 적외선 카메라를 사용하여 측정되었습니다. 이를 위해, 표면은 높은 방사율을 얻기 위해 흑연으로 코팅되었습니다. 그 값은 특별히 보정된 장치를 사용하여 온도 의존성을 측정했습니다. 방사율은 약 0.9이며 일정하게 유지되었습니다. 열전달은 두 가지 방법을 통해 분석되었습니다. 첫 번째 방법에서는, 비오트 수가 매우 작기 때문에 양면 간의 온도 차이가 무시됩니다. 그러면 국부 열전달은 간단한 미분 에너지 균형으로부터 계산될 수 있습니다. 두 번째 방법에서는, 냉각된 면의 온도가 2D 푸리에 미분 방정식의 역해석을 사용하여 뒷면에서 측정된 온도로부터 계산되었습니다. 두 방법 모두 유사한 결과를 제공합니다. 막 비등 영역에서는 단순 분석이 더 적합하고, 핵 비등 영역에서는 역해석이 더 적합합니다. 모든 방법에서, 시간에 따라 원래 측정된 온도의 변동은 적절한 평활화가 필요합니다.

먼저, 수질의 영향이 연구되었습니다. 이를 위해, 탈이온수가 기준수로 사용되었습니다. 이 물은 다른 일반적인 첨가물과 혼합되었습니다. 염의 첨가는 냉각 시간을 단축시킵니다. 최대 열유속, 막 비등 영역의 DNB 온도, 특히 라이덴프로스트 온도는 농도에 따라 거의 선형적으로 증가합니다. MgSO₄ 염이 가장 강한 효과를 보이고 NaCl 염이 가장 약한 효과를 보입니다. 염은 해리되기 때문에 물의 전기 전도도에 영향을 미칩니다. 따라서, 실제 물의 염 혼합물에 대해, 전기 전도도가 그들의 냉각 효과를 평가하는 척도로 발견되었습니다. 산업 공정에서 일반적으로 사용되는 8가지 다른 물이 테스트되었습니다. 디스크의 냉각 시간은 3배 이내로 다양했습니다. 최대 열유속, DNB 온도 및 라이덴프로스트 온도는 실제 물에 대해 전기 전도도와 거의 선형적으로 증가합니다. 예를 들어, 라이덴프로스트 온도는 실제 물 사이에서 200K 차이가 납니다. 물의 pH 값과 경도는 영향이 없습니다. 주조 윤활제인 붕사는 물에 용해되어 냉각 속도를 증가시킵니다. 주조 윤활제인 흑연과 카본 블랙은 영향이 없습니다. 둘 다 물에 용해되지 않습니다. 사용된 계면활성제는 냉각 시간을 연장시킵니다. 물에 용해된 CO₂는 냉각 시간을 연장하고, O₂와 N₂ 가스는 냉각 시간을 단축시킵니다. 가스의 영향은 비교적 약합니다.

금속 종류의 영향을 연구하기 위해, AA6082, 니크로퍼, 니켈, 인코넬, 순수 구리(전도도 385 W/m/K), 구리 합금 B14(전도도 118 W/m/K) 및 구리 합금 L49(전도도 348 W/m/K)의 디스크가 동일한 조건에서 냉각되었습니다. 금속의 열 침투 계수와 열 확산율이 높을수록 라이덴프로스트 및 DNB 온도는 낮아집니다. 구리 디스크는 냉각 중에 튀어나가는 산화층을 형성했습니다. 따라서, 열전달은 비교할 수 없습니다.

표면 조도의 영향을 연구하기 위해, 평균 조도 값이 0.2, 1.7 및 7.7 µm인 시편과 실제 잉곳 표면의 두 시편이 사용되었습니다. 약 2 µm의 조도가 약간 증가하면 냉각이 길어집니다. 더 높은 조도에서는 냉각이 감소합니다. 높은 조도를 가진 실제 잉곳 표면은 현저히 짧은 냉각 시간과 그에 따른 높은 라이덴프로스트 온도 및 열전달 계수를 가집니다.

주형 체적 유량의 급랭 효과를 연구하기 위해, 유출수 속도가 변경되었습니다. 제트가 시편에 충돌할 수 있는 최소 속도는 0.9 m/s였습니다. 냉각 시간은 1.2에서 1.5 m/s 범위의 값까지 더 높은 속도로 증가한 다음 다시 냉각이 감소했습니다. 결과적으로, 가장 높은 냉각 속도를 위한 최적의 속도가 있습니다. 이 효과는 이번에 처음으로 연구되었으며 지금까지 문헌에 보고되지 않았습니다. 핵 비등 영역의 열유속 프로파일이 분석되었습니다. 라이덴프로스트 온도와 비등 온도 사이의 범위는 습윤 전면의 범위로 정의되었습니다. 이 범위는 유동 거리에 따라 증가하며, 그에 따라 최대 열유속은 감소합니다. 반대 효과로 인해, 습윤 전면 범위에서 전체 전달된 열과 그에 따른 습윤 전면 속도는 일정하게 유지됩니다.

3. 서론:

대부분의 비철금속은 스트랜드 형태로 주조됩니다. 스트랜드를 응고시키기 위해서는 냉각수로서 물을 사용하여 집중적으로 냉각해야 합니다. 냉각 방법은 금속의 종류에 따라 다릅니다. 알루미늄 및 그 합금의 냉각이 개략적으로 표시됩니다. 스트랜드의 모양과 치수는 주형에 의해 미리 결정됩니다. 주형은 일반적으로 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 만들어지며 냉각수가 그 안을 흐릅니다. 구리 주조의 경우, 구리 주형은 흑연 코팅으로 라이닝되고, 구리 합금 주조의 경우, 주형은 구리 또는 그 합금으로 만들어집니다. 주형 내에서의 스트랜드 냉각을 1차 냉각이라고 합니다. 주형에서 나온 후, 스트랜드는 얇은 외부 응고층을 가지며, 이는 용융 금속의 유출을 방지하기에 충분히 두꺼워야 합니다. 스트랜드의 추가 냉각은 스트랜드와 직접 접촉하는 물을 사용하여 수행됩니다. 1차 냉각 구역의 물은 슬롯이나 구멍을 통해 주형을 떠납니다. 주형 외부의 냉각 단계를 2차 냉각이라고 합니다. 2차 냉각 과정은 응고 미세구조, 균열 형성 및 열 잔류 응력에 상당한 영향을 미칩니다. 최적화된 2차 냉각의 도움으로, 열 응력, 변형 및 고온 균열을 최소화하여 잉곳 품질을 향상시킬 수 있습니다. 따라서 2차 냉각을 심도 있게 특성화하고 연구하는 것이 매우 중요합니다.

4. 연구 요약:

연구 주제의 배경:

비철금속의 연속 주조 공정, 특히 2차 냉각 영역에서 열전달 메커니즘은 최종 제품의 품질에 결정적인 역할을 합니다. 이 영역에서는 고온의 금속 표면에 물이 직접 분사되어 급격한 냉각이 이루어집니다. 이 과정은 막 비등, 전이 비등, 핵 비등 등 복잡한 비등 현상을 동반하며, 냉각 속도는 금속의 미세구조, 잔류 응력, 균열 발생 등에 직접적인 영향을 미칩니다.

이전 연구 현황:

과거 많은 연구들이 2차 냉각 영역의 열전달 계수(HTC)를 예측하기 위한 경험적 상관관계를 제시해왔습니다. Weckman과 Niessen(1982) 등은 알루미늄 DC 주조의 핵 비등 HTC를 추정하는 모델을 제안했습니다. 또한, 분사 냉각에 대한 연구에서 Müller 등(1983)은 충돌 밀도와 금속 종류가 HTC에 미치는 영향을 분석했으며, 라이덴프로스트 온도가 충돌 밀도와 금속의 열 침투 계수(√(λρCp))에 의존함을 보였습니다. 수질의 영향에 대해서는 Bergstrom(1987) 등이 윤활유가 라이덴프로스트 온도를 낮춘다고 보고했으며, Grandfield 등(1997)은 용존 고형물이 핵 비등을 촉진한다고 밝혔습니다. 표면 조도에 대해서는 Berenson(1962)이 조도가 증가하면 핵 비등 곡선이 이동한다고 보고했습니다. 그러나 이러한 연구들은 개별적인 요인에 초점을 맞추었으며, 다양한 실제 산업 조건(다양한 수질, 금속, 표면 상태)을 종합적으로 분석하고, 냉각 효과를 정량적으로 예측할 수 있는 지배적인 매개변수를 규명하는 데에는 한계가 있었습니다.

연구 목적:

본 연구의 목적은 주조 공정의 2차 냉각 영역에서 (1) 냉각수 품질, (2) 금속의 종류 및 열물성, (3) 금속 표면 조도, (4) 주형 제트 속도와 같은 요인들이 열전달에 미치는 영향을 실험적으로 규명하고 정량화하는 것입니다. 특히, 다양한 성분이 혼합된 실제 산업용수의 냉각 효과를 예측할 수 있는 핵심적인 단일 매개변수를 식별하여, 이를 통해 현장에서 냉각 공정을 보다 정밀하게 제어하고 최종 제품의 품질을 향상시키는 데 기여하고자 합니다.

핵심 연구:

본 연구는 네 가지 주요 영역에 초점을 맞추었습니다. 1. 수질의 영향: 탈이온수를 기준으로 다양한 단일 염(MgSO₄, NaCl 등), 주조 윤활제(붕사, 흑연), 계면활성제, 용존 가스(O₂, N₂, CO₂) 및 실제 산업용수 8종이 냉각 곡선, 라이덴프로스트 온도(LFT), 최대 열유속(MaxHF)에 미치는 영향을 분석했습니다. 이를 통해 냉각 효과를 대표하는 핵심 지표로 '전기 전도도'를 제안하고 검증했습니다. 2. 금속 종류의 영향: 알루미늄 합금, 니켈, 구리 합금 등 열물성(열전도도, 열 침투 계수, 열 확산율)이 다른 7가지 금속 시편을 동일한 조건에서 냉각하여, 금속의 물성이 LFT 및 DNB 온도에 미치는 영향을 분석했습니다. 3. 표면 조도의 영향: 0.2 µm에서 7.7 µm까지 다양한 조도를 가진 디스크와 실제 주조품 표면 시편을 사용하여, 표면 조도가 냉각 시간에 미치는 영향을 평가했습니다. 4. 주형 제트 속도의 영향: 주형에서 분사되는 물줄기의 속도를 0.9 m/s에서 1.8 m/s까지 변화시키며, 제트 속도가 냉각 시간과 습윤 전면(wetting front) 전파에 미치는 영향을 분석하고 최적의 냉각 속도를 규명했습니다.

5. 연구 방법론

연구 설계:

본 연구는 통제된 실험실 환경에서 주조 공정의 2차 냉각 현상을 모사하는 실험적 설계를 채택했습니다. 다양한 금속 시편을 특정 온도로 가열한 후, 제어된 특성을 가진 냉각제를 분사하여 급랭시키는 과정을 반복했습니다. 주요 독립 변수는 냉각수 품질(용존 물질의 종류와 농도), 금속의 종류, 표면 조도, 냉각수 분사 속도였습니다. 종속 변수는 시편 후면에서 측정된 시간에 따른 온도 변화로, 이를 통해 열유속, 열전달 계수, 라이덴프로스트 온도 등 열전달 특성을 도출했습니다.

데이터 수집 및 분석 방법:

• 데이터 수집: 고속 적외선 카메라(FLIR SC3000, 150Hz)를 사용하여 시편 후면의 2차원 온도 필드를 비접촉식으로 측정했습니다. 이를 통해 시간에 따른 정밀한 온도 프로파일 데이터를 확보했습니다. 또한, 고속 카메라(LaVision High-SpeedStar 6)를 사용하여 습윤 전면의 전파 현상을 시각적으로 포착하고 정량화했습니다.
• 데이터 분석: 수집된 온도 데이터는 두 가지 수치 해석 기법을 통해 분석되었습니다.
  1. 단순 분석법: 시편의 두께가 얇아 비오트 수가 작다는 점에 착안하여, 간단한 미분 에너지 균형식을 통해 열유속을 계산했습니다.
  2. 역열전도 문제(IHCP) 해석: 2차원 푸리에 미분 방정식에 대한 역해석을 수행하여, 측정된 후면 온도 데이터로부터 냉각이 일어나는 전면의 열유속과 온도를 추정했습니다. 측정 데이터의 노이즈를 제거하기 위해 MATLAB을 이용한 데이터 평활화(smoothing) 기법이 적용되었습니다.

연구 주제 및 범위:

본 연구는 비철금속(알루미늄, 구리 합금 등) 주조 공정의 2차 냉각 영역에 초점을 맞춥니다. 연구 범위는 다음과 같습니다. - 수질: 탈이온수, 단일 염 용액(MgSO₄, NaCl, NaHCO₃, Na₂SO₄, Na₂CO₃, CaCO₃), 주조 윤활제(붕사, 흑연, 카본블랙), 계면활성제, 용존 가스(O₂, N₂, CO₂, 공기), 실제 산업용수 8종. - 금속 재료: AA6082, 니크로퍼, 니켈, 인코넬, 순수 구리(K14), 구리 합금(B14, L49). - 표면 조도: 평균 조도(Ra) 0.2 µm, 1.7 µm, 7.7 µm 및 실제 주조품 표면. - 냉각 방식: 수압 노즐을 이용한 수직 분사 냉각 및 주형 오리피스를 통한 경사 제트 분사 냉각. - 분석 매개변수: 냉각 곡선, 라이덴프로스트 온도(LFT), DNB 온도, 최대 열유속(MaxHF), 열전달 계수(HTC), 습윤 전면 전파 속도.

6. 주요 결과:

주요 결과:

• 냉각수의 전기 전도도는 냉각 성능을 예측하는 가장 신뢰성 있는 단일 지표이며, 전기 전도도가 증가할수록 라이덴프로스트 온도, DNB 온도, 최대 열유속이 선형적으로 증가하여 냉각 효율이 향상됩니다.
• 실제 산업용수 8종을 시험한 결과, 전기 전도도 차이로 인해 냉각 시간이 최대 3배까지 차이가 났으며, 라이덴프로스트 온도는 최대 200K까지 차이를 보였습니다.
• 금속의 열 침투 계수(heat penetration coefficient)와 열 확산율이 높을수록(즉, 열전도성이 좋을수록) 라이덴프로스트 및 DNB 온도는 낮아지는 경향을 보였습니다.
• 표면 조도가 미세하게 증가(0.2 µm → 1.7 µm)하면 냉각이 지연되었으나, 조도가 더 커지거나(7.7 µm) 실제 주조품 표면과 같이 거칠 경우, 핵 비등 촉진으로 인해 냉각 시간이 현저히 단축되었습니다.
• 주형 제트의 분사 속도에는 최적점이 존재했습니다. 속도가 0.9 m/s에서 1.2-1.5 m/s로 증가할 때 냉각이 촉진되었으나, 그 이상으로 속도를 높이면 오히려 냉각 시간이 다시 길어졌습니다. 이는 문헌에 보고된 바 없는 새로운 발견입니다.
• 습윤 전면(wetting front)의 전파 속도는 일정하게 유지되었으며, 이는 전면의 폭과 최대 열유속 간의 상보적인 관계로 설명됩니다. 즉, 유동 거리가 길어져 최대 열유속이 감소하면, 습윤 전면의 폭이 넓어져 전체 열전달량을 일정하게 유지시킵니다.

Figure Name List:

• Figure 1.1: Schematic representation of the DC casting of aluminum ingots
• Figure 1.2: Water exit from the mould
• Figure 1.3: Aluminum strand after casting (courtesy:NOVELIS INC.)
• Figure 1.4: Nozzles register for secondary cooling of continuous cast copper
• Figure 1.5: Typical cracks in the continuous casting of Copper alloys
• Figure 1.6: The three different heat transfer regimes commonly encountered in the DC casting process
• Figure 1.7: Structure regimes of the falling water
• Figure 1.8: Schematic cooling processes for continuous casting of copper
• Figure 1.9: Boiling curve for water cooling indicating the different heat transfer regimes
• Figure 1.10: Surface temperature and heat flux distribution during atomized spray quenching
• Figure 1.11: Heat transfer coefficient for spray quenching as a function of surface temperature and impingement density [65]
• Figure 1.12: Heat transfer coefficient for spray quenching as a function of surface temperature and kind of metal [65]
• Figure 1.13: Heat transfer coefficient in the range of film boiling for spray quenching with water as a function of the impingement density [68], [69]
• Figure 1.14: Leidenfrost temperature as a function of the impingement density for aluminum and nickel [65]
• Figure 1.15: Typical boiling curves and operating temperature ranges in the secondary cooling regime for continuous casting of Steel and DC casting of Aluminium [4]
• Figure 1.16: Heat flux of stainless steel versus local spray density [73]
• Figure 1.17: Effect of surface roughness on nucleate and transition boiling [90].
• Figure 2.1: The experimental setup
• Figure 2.2: ThermaCAM SC 3000 Researcher
• Figure 2.3: Selected points in thermal image of IR-cam
• Figure 2.4: Measurement set-up for determining emissivity of the coating surface
• Figure 2.5: The emissivity variation of coated surface: At lower temperatures interval
• Figure 2.6: The emissivity variation of coated surface: At lower temperatures interval
• Figure 2.7: High-speed camera
• Figure 2.8: The rectangular and circular metal samples used in the experiments
• Figure 2.9: The two nozzle types used
• Figure 2.10: The patternator
• Figure 2.11: Distribution of ID of single fluid nozzle in radial direction
• Figure 2.12: Distribution of ID of single fluid nozzle in radial direction at 20 liter/hr
• Figure 2.13: Distribution of ID of atomized spray nozzle in radial direction
• Figure 2.14: Mould used in experimental tests
• Figure 2.15: The mould positions (a)fixed position and (b)movement positions
• Figure 2.16: Installation diagram of mould movement mechanism
• Figure 2.17: The new installation of the controller and optical sensor
• Figure 2.18: Optical device for measuring starting surface temperature [Courtesy:optris]
• Figure 2.19: Optical device (a)Fixiation (b)The head (c)Digital Converter box
• Figure 2.20: Optical device fixation
• Figure 2.21: The controller IT116 flash
• Figure 2.22: Cooling curves for three characteristic locations
• Figure 3.1: Temperature profile of a surface during quenching
• Figure 3.2: The second derivative of the temperature-time curve
• Figure 3.3: Heat losses during spray quenching
• Figure 3.4: Flow diagram algorithm for the conduction factor calculation
• Figure 3.5: Real temperature profiles for twenty selected points
• Figure 3.6: Real temperature profiles with an enlarged scale
• Figure 3.7: Revised temperature profiles for twenty selected points
• Figure 3.8: Revised temperature profiles with an enlarged scale
• Figure 3.9: Three different points of measured data before and after using a revision
• Figure 3.10: A real measured values and revised measured values of three points during film boiling
• Figure 3.11: Errors in cooling rates at LFT regions of three points
• Figure 3.12: Heat transfer coefficients in film boiling region by using non revised data (simple analysis)
• Figure 3.13: Heat transfer coefficients in film boiling region by using revised data (simple analysis)
• Figure 3.14: Heat fluxes results region by using non revised data (IHCP method)
• Figure 3.15: Heat fluxes results by using revised data (IHCP method)
• Figure 3.16: Effect of thermophysical property variations
• Figure 4.1: Temperature profiles for MgSO4 solutions at center point
• Figure 4.2: Heat fluxes for MgSO4 solutions at 34 mm from the center
• Figure 4.3: Heat transfer coefficient for MgSO4 solutions at center point
• Figure 4.4: The calculated and measured ECs of MgSO4 solutions
• Figure 4.5: LFT, MaxHF and DNB-temperature of MgSO4 solutions at the three different positions
• Figure 4.6: Temperature profiles for NaCl solutions at center point
• Figure 4.7: Temperature profiles for NaHCO3 solutions at center point
• Figure 4.8: Temperature profiles for Na2SO4 solutions at center point
• Figure 4.9: Temperature profiles for Na2CO3 solutions at center point
• Figure 4.10: Temperature profiles of five salt solutions used in atomized spray at 34 mm from center
• Figure 4.11: Temperature profiles for CaCO3 solutions at center point
• Figure 4.12: Heat flux vs. surface temperature for CaCO3 at center point
• Figure 4.13: Heat transfer coefficient vs. surface temperature for CaCO3 at center point
• Figure 4.14: LFT, MaxHF and DNB-temperature of CaCO3 at center point
• Figure 4.15: Temperature profiles for Borax at center point
• Figure 4.16: Heat flux vs surface temperature for Borax at center point [107]
• Figure 4.17: LFT, MaxHF and DNB-temperature of Borax at center point
• Figure 4.18: Graphite after (a) mixing (b) 5 minutes (c) 10 minutes
• Figure 4.19: Temperature profiles for graphite and carbon black at center
• Figure 4.20: Temperature profiles for surfactant at center point
• Figure 4.21: Heat flux vs. surface temperature for surfactant at center point
• Figure 4.22: Heat transfer coefficient vs. surface temperature for surfactant at center
• Figure 4.23: LFT, MaxHF and DNB-temperature of surfactant at center point
• Figure 4.24: Temperature profiles for Borax/surfactant mixture [107]
• Figure 4.25: Temperature profiles for MgSO4/surfactant [107]
• Figure 4.26: Temperature profiles for dissolved gases at center point
• Figure 4.27: Heat flux vs. surface temperature for dissolved gases at center point
• Figure 4.28: Heat transfer coefficient of dissolved gases at center point
• Figure 4.29: Temperature profiles for spray water temperature at center point
• Figure 4.30: Heat flux vs. surface temperature for spray water temperature at center point
• Figure 4.31: Heat transfer coefficient vs. surface temperature for spray water temperature at center point
• Figure 4.32: Effect of spray water temperature on LFT, MaxHF and DNB-temperature at center point
• Figure 4.33: Heat transfer coefficient of spray water temperature in the film boiling region at center point
• Figure 4.34: Temperature profiles for K1+K2,A90, C1, C2 and Di-water at center point
• Figure 4.35: Heat flux vs surface temperature of the real waters at center point
• Figure 4.36: Dependence of Leidenfrost, MaxHF and DNB-temperature on the electrical conductivity at impingement density ṁs = 3 kg/m2/s
• Figure 4.37: Position of the wetting front for the nine different waters
• Figure 4.38: Wetting front velocity for the nine different waters
• Figure 5.1: Temperature distribution along the radial distance for the Nickel plate with 2 mm thickness
• Figure 5.2: Temperature distribution along the radial distance for the AA6082 plate with 3 mm thickness
• Figure 5.3: Temperature distribution along the radial distance for the Copper K14 plate with 4 mm thickness
• Figure 5.4: Temperature profiles of metals with the thickness of 2 mm at center
• Figure 5.5: Temperature profiles of metals with the thickness of 3 mm at center
• Figure 5.6: Temperature profiles of metals with the thickness of 4 mm at center
• Figure 5.7: Heat flux for AA6082 at center point
• Figure 5.8: Heat flux of Nickel and Nicrofer plates at center point
• Figure 5.9: Heat flux of AA6082 and Inconel plates at center point
• Figure 5.10: Heat flux of Copper alloys L49, K14 and B14 at center point
• Figure 5.11: Heat transfer coefficient of Nickel and Nicrofer at center poin
• Figure 5.12: Heat transfer coefficient in film boiling region of metal plates used at center point
• Figure 5.13: Effect of penetration factor on LFT for different metal at center point
• Figure 5.14: Effect of penetration factor on LFT at all three positions
• Figure 5.15: Influence of the kind of metal on the MaxHF
• Figure 5.16: Influence of the kind of metal on the DNB-temperature
• Figure 5.17: Influence of the kind of metal on the mean value of the heat flux in the film boiling region
• Figure 5.18: LFT dependent of the metals on the thermal diffusivity
• Figure 5.19: Heat flux of the metals dependent on the thermal diffusivity
• Figure 5.20: Typical ways for obtaining surface roughness
• Figure 5.21: Real fluctuations on AA6082 surface
• Figure 5.22: Arithmetical mean roughness of three AA6082 surfaces
• Figure 5.23: Temperature profile of rough AA6082 surfaces at center point
• Figure 5.24: Real surfaces of Aluminum ingots used
• Figure 5.25: Temperature profile of Aluminum ingot (thickness: 10 mm)
• Figure 5.26: Temperature profile of Aluminum ingot (thickness: 6.5 mm)
• Figure 5.27: Heat transfer coefficient of Aluminum ingot (thickness: 10 mm)
• Figure 5.28: Heat transfer coefficient of Al. ingot with the thickness of 6.5 mm
• Figure 5.29: Salt deposition on AA6082 surface of MgSO4 solution of 60 g/l
• Figure 5.30: Salt deposition on AA6082 surface of CaCO3 solution of 1 g/l
• Figure 5.31: Influence of surface temperature on the overall heat transfer coefficients with the average surface roughness [67]
• Figure 5.32: Influence of surface roughness for single water droplets on horizontal copper discs [109]
• Figure 6.1: Mechanism of mould quenching
• Figure 6.2: Temperature profiles with respect to initial surface temperature
• Figure 6.3: LFT along the length for different initial temperature
• Figure 6.4: Temperature profiles of the AA2024 plate at 53 mm from the top
• Figure 6.5: Temperature profiles of the AA2024 plate at 96 mm from the top
• Figure 6.6: Leidenfrost temperature of AA2024 for four velocities at 53 and 96 mm from the top
• Figure 6.7: Leidenfrost temperature of Inconel for four velocities at 53 and 96 mm from the top
• Figure 6.8: Temperature profiles of the Inconel plate at 53 mm from the top
• Figure 6.9: Temperature profiles of the Inconel plate at 96 mm from the top
• Figure 6.10: Temperature profiles of the Nickel plate at 53 mm from the top
• Figure 6.11: Temperature profiles of the Nickel plate at 96 mm from the top
• Figure 6.12: Heat flux distribution of AA2024 at 53 mm from the top
• Figure 6.13: Heat flux distribution of AA2024 at 96 mm from the top
• Figure 6.14: Heat flux distribution of the Inconel at 53 mm from the top
• Figure 6.15: Heat flux distribution of the Inconel at 96 mm from the top
• Figure 6.16: Heat flux distribution of the Nickel plate at 53 mm from the top
• Figure 6.17: Heat flux distribution of the Nickel plate at 96 mm from the top
• Figure 6.18: MaxHF propagation of AA2024 for four cooling water velocities
• Figure 6.19: MaxHF propagation of Inconel for four cooling water velocities
• Figure 6.20: MaxHF propagation of Nickel for four cooling water velocities
• Figure 6.21: Wetting front velocity of three different metals using IR cam
• Figure 6.22: Wetting front position at four different positions on the surface
• Figure 6.23: Wetting front propagation of AA2024 by using high speed cam
• Figure 6.24: Wetting front propagation of Inconel by using high speed cam
• Figure 6.25: Wetting front propagation of Nickel by using high speed cam
• Figure 6.26: Wetting front velocity of three different metals using high speed cam
• Figure 6.27: Variation of wetting front velocity with respect to water jet velocity for three materials
• Figure 6.28: Wetting front range of the three metals at water jet velocity 1.2 m/s

7. 결론:

본 연구는 주조 공정의 2차 냉각 영역에서 열전달에 영향을 미치는 다양한 요인들을 실험적으로 규명했습니다. 주요 결론은 다음과 같습니다.

1. 수질: 용존 염의 첨가는 냉각 시간을 단축시키며, 이 효과는 농도에 비례합니다. 다양한 성분이 혼합된 실제 산업용수의 냉각 성능을 가장 잘 대표하는 단일 지표는 pH나 경도가 아닌 전기 전도도입니다. 전기 전도도가 높을수록 라이덴프로스트 온도와 최대 열유속이 증가하여 냉각 효율이 높아집니다.

2. 금속 종류: 금속의 열 침투 계수와 열 확산율이 높을수록 라이덴프로스트 온도는 낮아집니다. 이는 재료의 열물성이 냉각 초기 단계의 증기막 안정성에 직접적인 영향을 미침을 의미합니다.

3. 표면 조도: 실제 주조품과 같이 거친 표면은 매끄러운 표면에 비해 현저히 빠른 냉각 속도를 보이며, 이는 표면의 미세 구조가 핵 비등을 촉진하기 때문입니다.

4. 제트 속도: 냉각 효율을 극대화하는 최적의 제트 분사 속도가 존재하며, 이 지점을 벗어나면 오히려 냉각 효율이 감소할 수 있습니다.

이러한 결과들은 주조 공정에서 일관된 품질을 확보하기 위해 냉각수 시스템의 전기 전도도를 정밀하게 관리하고, 금속 재질 및 표면 특성을 고려한 냉각 전략을 수립하는 것이 중요함을 시사합니다.

8. 참고 문헌:

• [1] L. Burmeister, Convective Heat Transfer. Wiley, 1983.
• [2] I. J. Opstelten and J. M. Rabenberg, “Determination of the thermal boundary conditions during aluminum DC casting from experimental data using inverse modeling,” in Light Metals: Proceedings of Sessions, TMS Annual Meeting (Warrendale, Pennsylvania) (C. E. Eckert, ed.), pp. 729–735, 1999.
• [3] D. C. Weckman and P. Niessen, “A numerical simulation of the D.C. continuous casting process including nucleate boiling heat transfer,” Metallurgical Transactions B, vol. 13, no. 4, pp. 593–602, 1982.
• [4] J. Sengupta, B. Thomas, and M. WELLS, “The use of water cooling during the continuous casting of steel and Aluminium alloys,” Metallurgical and Materials Transactions A, vol. 36, pp. 187–204, 2005.
• [5] D. Mortensen, “A mathematical model of the heat and fluid flows in direct chill casting of aluminum sheet ingots and billets,” Metallurgical and Materials Transactions B: Process Metallurgy and Materials Processing Science, vol. 30, no. 1, pp. 119–132, 1999.
• ... (The list continues as in the original paper) ...
• [112] P. Woodfield and M. Monde, “On the size of the boiling in jet impingement quenching,” Int. J. Heat and Mass TransferTramfer, vol. 52, pp. 460–465, 2009.

전문가 Q&A: 주요 질문과 답변

Q1: 왜 단순 에너지 균형법과 역해석법이라는 두 가지 다른 분석 방법을 사용했나요?

A1: 두 방법은 서로 다른 비등 영역에서 강점을 가집니다. 논문의 초록에 따르면, 단순 분석법은 시편 양단의 온도 차가 거의 없는 막 비등(film boiling) 영역에서 더 적합하고, 역해석법은 온도 구배가 큰 핵 비등(nucleate boiling) 영역에서 더 정확한 결과를 제공합니다. 두 방법이 유사한 결과를 도출함으로써, 전체 냉각 과정에 대한 분석의 신뢰도를 상호 검증하고 높일 수 있었습니다.

Q2: 연구에서 물의 pH와 경도는 냉각에 영향이 없다고 결론 내렸는데, 이는 업계의 통념과 다소 다릅니다. 이 결과를 어떻게 해석해야 할까요?

A2: 본 연구는 pH나 경도 자체가 직접적인 원인이 아님을 보여줍니다. 초록에 따르면, 냉각 성능에 직접적인 영향을 미치는 것은 용존 염이 물속에서 해리되어 생성된 이온의 양입니다. 이 이온의 양을 가장 잘 나타내는 물리량이 바로 전기 전도도입니다. pH와 경도는 특정 이온의 존재를 나타낼 수는 있지만, 전체 이온 농도와 냉각 성능의 상관관계는 전기 전도도만큼 뚜렷하지 않았습니다. 따라서 공정 관리 측면에서 pH나 경도보다 전기 전도도를 모니터링하는 것이 더 효과적입니다.

Q3: 적외선 카메라 측정의 정확도를 위해 0.9의 높은 방사율을 어떻게 확보하고 검증했나요?

A3: 논문의 2.3절에 따르면, 시편의 측정면(후면)에 흑색 흑연 페인트를 얇게 코팅하여 높은 방사율을 확보했습니다. 방사율 값의 정확성을 검증하기 위해, 시편 사이에 열전대(thermocouple)를 고정하고 자연 대류로 냉각시키면서 열전대로 측정한 실제 온도와 적외선 카메라로 측정한 온도를 비교했습니다. 두 온도가 일치하도록 카메라의 방사율 설정을 조정하는 방식으로, 온도에 따른 방사율 변화를 정밀하게 보정하여 측정의 신뢰도를 높였습니다.

Q4: 주형 제트의 '최적 속도'가 존재한다는 발견은 어떤 실질적인 의미를 가지나요?

A4: 이는 매우 중요한 발견입니다. 초록에 따르면, 제트 속도를 무조건 높이는 것이 냉각 효율을 향상시키지 않으며, 1.2~1.5 m/s 범위에서 최적의 냉각 속도를 보인 후 그 이상에서는 오히려 냉각이 지연되었습니다. 이는 냉각 시스템 설계 시 에너지 효율성과 냉각 성능을 동시에 최적화할 수 있는 기준점을 제시합니다. 과도한 펌프 동력 없이 최대의 냉각 효과를 얻을 수 있는 공정 윈도우를 설정할 수 있게 되어, 생산 비용 절감과 품질 안정화에 직접적으로 기여할 수 있습니다.

Q5: 구리 시편의 경우 산화층이 냉각 중 박리되어 열전달 비교가 어렵다고 언급되었습니다. 이는 실제 구리 주조 공정에 어떤 시사점을 주나요?

A5: 이는 특정 금속의 냉각 공정 제어 시 표면의 동적 변화를 반드시 고려해야 함을 시사합니다. 초록과 5.1.1절에 언급된 바와 같이, 냉각 중에 형성되고 박리되는 산화층은 열전달에 예측 불가능한 변수로 작용합니다. 산화층은 단열재 역할을 하다가도, 박리되는 순간 급격한 열전달 변화를 유발하여 국부적인 응력 집중이나 미세구조 불균일의 원인이 될 수 있습니다. 따라서 구리와 같이 표면 반응성이 큰 금속의 주조 공정에서는 산화 방지 대책이나, 동적 표면 변화를 고려한 냉각 프로파일 설계가 중요합니다.

결론: 더 높은 품질과 생산성을 향한 길

본 연구는 주조 공정 냉각수 품질이 최종 제품에 미치는 영향을 과학적으로 규명함으로써, 막연한 경험에 의존하던 공정 관리에 명확한 기준을 제시했습니다. 핵심은 냉각수의 전기 전도도가 냉각 효율을 예측하는 가장 강력한 지표라는 사실입니다. 또한, 금속의 고유한 열물성과 표면 조도, 그리고 최적의 냉각수 분사 속도를 이해하는 것이 품질 편차를 줄이고 생산성을 극대화하는 열쇠임을 보여주었습니다.

CASTMAN은 최신 산업 연구 결과를 적용하여 고객이 더 높은 생산성과 품질을 달성할 수 있도록 최선을 다하고 있습니다. 이 논문에서 논의된 과제들이 귀사의 운영 목표와 일치한다면, 저희 엔지니어링 팀에 연락하여 이러한 원칙을 귀사의 부품에 어떻게 구현할 수 있는지 논의해 보시기 바랍니다.

저작권 정보

• 이 콘텐츠는 Khalid Haroun Mohamed Abdalrahman의 논문 "Influence of Water Quality and Kind of Metal in the Secondary Cooling Zone of Casting Process"를 기반으로 한 요약 및 분석 자료입니다.
• 출처: https://www.repo.uni-hannover.de/bitstream/handle/123456789/4104/Abdalrahman.pdf (해당 링크는 예시이며, 실제 논문 DOI 또는 링크로 대체되어야 합니다.)

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