본문내용
1. 연속주조 공정과 유체 유동 해석
1.1. 유한요소법(FEM)을 이용한 Mold의 유동해석
1.1.1. 유한요소법(FEM)의 정의와 특징
유한요소법(Finite Element Method, FEM)은 수학에서 편미분 방정식이나 적분, 열 방정식 등의 근사해를 구하는 한 방법이다. 이는 정적인 문제에서 미분 방정식을 제거하거나, 편미분 방정식을 상미분 방정식으로 변환하는 것으로 접근한다. 접근법은 유한미분에서 사용되는 기법과 동일하다. 편미분 방정식을 풀기 위한 선행 작업으로는 대상 식을 예측할 수 있는 식을 만드는 것이다. 그러나 수치적 안정성의 경우에서 입력 값에서 발생한 오류는 지속적으로 축적되어 결과 값을 의미 없게 만드는 경우가 발생한다. 장단점이 많이 있지만 문제를 해결하기 위한 방법은 다양하다. 유한요소법은 자동차나 송유관과 같은 복잡한 분야에서 상당히 유용하다. 문제의 성격이 변화하거나 요구 정밀도가 바뀔 때라도 쉽게 대처할 수가 있다. 예를 들어 날씨예측시뮬레이션의 경우 면적이 넓은 바다보다 육지에서의 날씨 예측이 중요하며 이러한 경우 유한요소해석이 유용하게 사용될 수 있다.
1.1.2. 나비에-스토크스 방정식
나비에-스토크스 방정식은 점성을 가진 유체의 운동을 기술하는 일반적인 비선형 편미분 방정식이다. 이 방정식은 유체에 가해진 힘으로 유체가 어떻게 운동하느냐를 기술한 식이다. 유체가 관성에 의해 지금까지의 운동을 그대로 계속하려고 하는 힘(관성력)과 압력의 분포가 공간적으로 균일하지 않고 변화가 있음으로 인해서 생기는 힘, 유체가 지는 점성에 의해 운동을 균일화하게 하려고 하는 힘(점성력), 그리고 이 이외에 가해지는 힘(외력)을 전부 고려해서 하나의 식으로 표시한 것이 바로 나비에-스토크스 방정식이다.
이 방정식을 이용하여 점성이 전혀 없는 완전 유체와 관련된 문제부터 경계층의 난류 발생 현상까지 다룰 수 있으며, 이 방정식은 학술적, 경제적으로 중요한 많은 물리적 현상을 설명하기 때문에 가장 유용한 방정식 중 하나이다. 날씨 모델, 해류, 관에서 유체흐름, 날개주변의 유체흐름 그리고 은하 안에서 별들의 움직임을 설명하는데 쓰일 수도 있다. 실제로 항공기나 자동차 설계, 혈관내의 혈류, 오염물질의 확산 등을 연구하는데 사용되고 있다.
나비에-스토크스 방정식은 점성을 가진 유체의 운동을 기술하기 위해 유체에 가해지는 힘들을 종합적으로 고려한 방정식이다. 이 방정식은 유체운동의 복잡한 현상들을 설명하고 예측하는데 널리 활용되고 있다. 특히 유체의 흐름과 압력 분포, 운동량의 변화 등을 유체역학의 기본 원리에 입각하여 수학적으로 기술할 수 있게 해주므로 다양한 공학 분야에서 중요한 역할을 하고 있다.
1.1.3. 연속주조 공정의 이해
연속주조 공정의 이해는 연속주조 공정에서 매우 중요하다. 연속주조(continous casting) 공정은 레이들에서 턴디쉬(tundish)를 거쳐 일정한 형상의 주형(mold)에 용강을 주입하고, 이를 응고시키면서 주형 하부에서 연속하여 주편을 제조하는 공정이다. 연속주조법은 기존의 조괴법(ingot casting)과 비교하여 제조공정의 생략, 제품의 균질성, 주편의 실수율 및 에너지 절감 등 많은 장점을 가지고 있기 때문에 지난 50여 년 간 비약적으로 발전하여 현재의 제철 공정에서 핵심으로 자리잡고 있다.
연속주조 기술의 기본 원리는 1840년대에 이미 고안되었으나, 강의 연속주조법이 실용화되기까지 많은 시행착오 기간이 필요하였다. 1950년대부터 1960년대에 걸쳐 연속주조기의 형태가 수직형 -> 수직만곡형 -> 만곡형 으로 발전되면서, 적용 강종의 확대, 연연주비 향상 및 주조속도 증가에 의한 대량 생산의 기틀을 마련하였다. 1970년대 들어 세계적으로 연속주조기의 설치가 본격화되기 시작하면서 연속주조 조업 및 품질 안정을 위한 많은 기술이 개발되었다. 안정된 주조작업을 위한 용강의 성분 및 온도 제어 방법, 개재물 저감을 위한 무산화 주조기술, 개재물의 부상분리를 위한 턴디쉬 댐(tundish dam)등이 개발, 적용되었다. 1980년대에 들어 주조속도의 고속화에 따라 주형에서의 전자기 유도교반 기술이 개발되었다.
또한, 주조 공정에서 용강의 흐름은 대부분 난류 특성을 갖는다. 유속이 점차 커질수록 전단응력이 증가하여, 점성력에 의한 전달만으로는 감당하지 못하게 되고, 유체는 증가된 전단응력을 전달할 새로운 기구가 필요하게 된다. 이때 유체는 순환 유동인 난류 에디(turbulent eddy)에 의하여 전단응력을 유체 내부로 전달하고, 유속이 커질수록 국부적으로 작은 에디의 발생이 증가하여, 유동은 시간에 따라 심하게 요동하는 현상을 보이게 된다. 이러한 난류 유동 특성은 연속주조 공정에서 매우 중요하다.
노즐로부터 토출되는 고속의 용강류는 주형과 충돌하며 상향류와 하향류를 생성한다. 상향류는 탕면부를 불안정하게 하여 개재물의 혼입을 유발하고, 하향류는 개재물의 부상을 방해하며 고온의 하향류로 인해 응고가 지연되거나 재용융이 발생한다. 따라서 효율적인 연속주조를 위해서는 탕면의 안정성이 보장되어야 한다.
이처럼 연속주조 공정에 대한 이해는 매우 중요하며, 주조 공정에서의 유체 유동 특성과 해석, 그리고 탕면의 안정성 확보 등이 핵심적인 요소라고 할 수 있다.
1.2. 연속주조 공정에서 유동의 중요성
1.2.1. 용강 유동에 의한 탕면 불안정성
용강 유동에 의한 탕면 불안정성은 연속주조 공정에서 매우 중요한 요소이다. 노즐로부터 토출되는 고속의 용강류는...
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