알루미늄 합금 판재 연속주조 공정

1. 서론

연속주조 공정은 다양한 주조 프로세스 중에서, 주물이나 Direct-chill 주조 (이하 DC 주조) 로 대표되는 반연속식의 주조법과는 달리, 용탕을 응고시키는 역할을 하는 주형을 이동시키면서 용탕을 응고시켜 판재, 선재 등을 제조하는 공정이다. 특히, DC 주조에 의해 제조된 슬라브를 출발재로 하는 종래의 전신재 제조법에 비해 Strip과 같은 최종형태에 가까운 형상으로 주조할 수 있기 때문에 경우에 따라 면삭, 균질화처리, 열간압연 등의 일부 후공정을 생략 또는 간소화할 수 있어서 공정·에너지 저감의 관점에서 큰 장점을 갖는 프로세스라고 여겨진다. 또한, DC 주조와 비교해 10²-10³ ºC/s 수준의 높은 냉각 속도를 갖기 때문에 응고조직의 미세화, 용질원소의 고용한의 확대 및 2차상의 미세균일분산 등 다양한 특성을 얻을 수 있다. 최근에는 이러한 높은 냉각 속도를 활용하여, 소재의 임계특성을 향상시키기 위한 신합금 소재의 개발연구, 스크랩을 원재료로 하는 재활용 소재의 제조에 있어 재료특성에 악영향을 미치는 불순물을 무해화하는 연구들도 활발히 수행되고 있다.

이러한 연속주조 공정은 주로 전신재용 알루미늄 합금 제조에 적용되고 있으며, 지속적인 기술개발과 신공정기술의 적용을 통해 공정조건에 따라 Strip의 두께는 2~40mm, 최대 폭은 약 2,000mm 이상까지도 제조가 가능하다. 알루미늄 판재 제조의 관점에서, 실제 산업적으로 양산에 활용되고 있다고 알려져 있는 연속주조 공정으로는 용탕의 냉각 기구에 따라 롤 주조, 벨트 주조, 블록 주조 공정 등 크게 3가지 형태로 구분 할 수 있다. 롤 주조 공정은 상하로 배치된 회전하는 롤 사이에 세라믹 재질의 노즐을 통해 용탕을 공급하여 Strip을 연속적으로 제조하는 방식이다. 벨트 주조 공정은 2개의 금속벨트를 상하로 배치시키고, 내부를 수냉시켜 금속벨트를 통과하는 용탕을 응고시킴으로써 Strip을 제조하는 방식이다. 블록 주조 공정은 다수의 냉각 블록들을 캐터필러 형태로 연결시켜 2개의 트랙을 만들고, 그 트랙 사이에 형성된 간극에서 용탕을 응고시켜 연속적으로 Strip을 제조하는 방식이다. 이러한 연속주조 공정은 알루미늄 합금 뿐 아니라, 철강 및 마그네슘 합금의 제조에도 실용화되고 있지만, 본 고에서는 알루미늄 합금 Strip 제조에 적용되고 있는 연속주조 기술에 한하여 기술하고자 한다.

2. 본론

2.1. 연속주조 공정의 발전

연속주조 공정은 단속적으로 수행되던 전통적인 주조공정을 연속적인 방식으로 변경하여 생산성을 높이고자 하는 다양한 욕구를 바탕으로 발전했다. 특히, 연속주조를 이용한 판재 제조 공정의 발전은 열간 압연 등과 같은 중간공정에 의해 발생하는 생산 비용을 저감할 목적으로 지난 200년 가까이 지속되어 왔다. 오늘날의 판재 연속주조 공정은 1857년 영국의 Henry Bessemer에 의해 출원된 철강용 세로식 주조기 특허가 그 시작이라고 알려져 있다 (그림 1) [1]. 회전하는 2개의 수냉식 롤을 배치하고, 그 롤 사이에 용융 금속을 통과시켜 판재를 제조하는 기본적인 형태였는데, 당시의 기술 수준으로는 여러 어려움이 있어 산업적으로 성공하지는 못했다고 한다. 이후, 20세기에 들어서 Joseph L. Hunter, Clarence W. Hazelett, Wilhelm F. Lauener 등을 비롯한 많은 엔지니어들에 의해 연구개발이 활발히 수행되어 큰 발전을 이루었다.

그림 1. Bessemer의 롤 주조기 특허 모식도 [2].

2.2. 판재 제조에서의 연속주조 공정과 DC주조 공정 비교

알루미늄 판재의 제조과정에서 DC 주조 공정과 연속주조 공정을 시작으로 하는 전반적인 공정의 흐름을 그림 2에 나타낸다. DC 주조에 의해 제조된 슬라브는 표면의 칠층, 역편석 등을 제거하기 위해 표면을 면삭하고, 열처리, 열간 압연을 거쳐 냉간 압연 공정을 적용한다. 반면, 연속주조에 의해 제조된 Strip은 표면 면삭과 열처리를 생략할 수 있으며, 곧바로 냉간 압연을 수행할 수 있기 때문에 경제적이다. 연속주조 공정의 생산성 측면에서는 되도록 고속 조건에서 얇은 두께의 Strip을 제조하는 것이 유리하지만, 주조방법과 공정조건 등에 따라 Strip의 두께가 15mm를 넘어서는 경우에는 권취가 가능한 수준으로 Strip의 게이지 다운을 위해 열간 압연 공정을 추가하기도 한다.

그림 2. 각 주조 공정에 따른 판재 제조의 흐름 비교.​​​​​​​

2.3. 연속주조의 응고거동

연속주조 공정의 공통적인 냉각기구를 그림 3에 나타냈다. 먼저, 알루미늄 용탕이 세라믹 재질의 노즐을 통해 상하로 배치된 주형 사이로 공급된다. 용탕이 주형과 접촉하여 응고가 시작되고 주형의 이동방향에 따라 Strip 표면부로부터 두께 중심 방향으로 응고가 진행되어 연속적인 Strip이 제조된다. 상하로 배치된 주형의 간격이 좁아 응고 수축에 의해 발생하는 주형-주물 사이의 에어 갭이 종래의 DC 주조에 비해 작기 때문에 응고 과정에서의 열확산이 보다 용이하여 높은 냉각속도를 얻을 수 있다. Strip의 냉각조건은 재료의 온도구배와 응고속도의 관계에 의해 결정되는데, 이는 합금조성, 용탕온도, 주형온도 및 주조속도 등 다양한 공정변수에 의해 달라진다. 최종 응고영역인 Strip의 두께 중심부 고-액 계면의 이동속도는 설정된 주조속도에 대응한다. 연속주조에서의 고-액 공존영역의 길이는 DC 주조에 비해 상대적으로 짧기 때문에, 결과적으로 해당 영역의 온도구배는 DC 주조 대비 연속주조가 더욱 크다. 또, DC 주조에 비해 연속주조의 주조속도가 더욱 빠른데, 주조속도가 빨라지게 되면 두께 중심부의 고-액 계면은 중심선 (Center line)에 보다 가깝게 이동하게 되는 반면, 용탕의 액상선 영역은 그 위치가 크게 달라지지 않아 결과적으로 고-액 공존영역이 넓어지게 되고 온도구배는 작아지게 된다. 벨트 주조나 블록 주조와 달리, 롤 주조의 경우에는 용탕이 그림 3에서의 중심선을 통과하게 되면 용탕에 대한 냉각 기구가 작용하지 않기 때문에 Strip 내부에 액상이 잔류하여 결함을 유발하거나 심한 경우 미응고영역이 넓게 분포하여 용탕 누출이 발생할 수 있다. 한편, 제조된 Strip은 그 특성상 초기 응고 표면이 중간 제품이라 할 수 있는 판재의 표면에 잔존할 가능성이 높기 때문에 주조 단계에서의 표면 품질 제어가 중요하다.

그림 3. 연속주조 공정에서 주형 내부에서의 Strip 냉각 거동 모식도.​​​​​​​

2.4. 연속주조 공정의 종류

2.4.1. 롤 주조 공정

상기 기술한 것과 같이, 롤 주조 공정은 한 쌍의 롤을 배치하고, 롤 간격에 알루미늄 용탕을 공급하여 응고시킴으로써 연속적으로 Strip을 제조하는 공정이다. 응고 과정에서 응고수축에 의해 발생하는 에어 갭이 매우 작기 때문에 높은 냉각속도를 갖게 된다. 냉각기구인 롤 재질을 전도성이 높은 동 및 동 합금을 사용하여 냉각능을 더욱 향상시킬 수도 있다. 용탕의 공급 및 주조 방향에 따라, 가로식과 세로식 공정으로 구분되지만 보편적으로는 가로식 롤 주조기가 널리 보급되어 있으며, 롤과 노즐의 크기, 롤 갭 설정을 통해 다양한 폭과 두께의 Strip를 제조할 수 있다.

알루미늄 합금에 대한 롤 주조기의 실용화는 Hunter engineering과 Pechiney Aluminium Engineering 등에 의해 주도적으로 이루어졌다. 최초의 알루미늄 롤 주조기는 1954년 Hunter engineering이 개발한 Hunter Standard Caster (그림 4)로 알려져 있는데, 병렬로 배치된 롤의 아래쪽에서 용탕을 공급하는 방식이었다 [3]. 제조 가능한 합금계와 주조 판 폭등에 제한이 있었고, 용탕을 공급하는 노즐관리 및 교체에 시간이 걸리는 등의 문제가 있었다. 1970년대에는 용탕 공급을 가로식으로 변경하고, 상하로 배치된 롤을 용탕 공급측으로 약 15º 기울인 형태의 롤 주조기가 개발되었다 (SuperCaster^®). 이를 통해 주조 초기의 용탕 공급 안정성을 향상시킬 수 있었고, 폭 방향으로 용탕을 균일하게 공급하는 데 유리했기 때문에 용탕과 롤 사이의 접촉 상태가 개선되어 주조판의 표면 품질이 개선되었다. 롤 직경은 940~1,150mm이며, 제조 가능한 판재 최대 폭은 2,000mm이다. 1990년대에는 생산성 향상을 목적으로 고속에서 박판 주조가 가능한 SuperCasterPlus^®도 개발되었는데, Strip 두께를 결정하는 롤 갭 제어를 기존 Wedge 타입의 스페이서에서 유압제어 방식으로 변경되었다. 주요 사양으로는 최대 롤 직경이 1,220mm이며, 최대 주조속도는 38.1m/min에 두께 0.635mm (실제로는 약 ~3mm 정도)의 Strip을 주조할 수 있다. 연속주조 공정을 고속화할 경우, 단위 시간당 용탕에서 주형으로 전달되는 발열량이 줄어들기 때문에, 앞서 언급한 Strip 내부의 잔류액상이나 미응고영역 발생을 방지하기 위해서는 제조 단계에서부터 Strip의 두께를 줄여야 할 필요가 있고, 이는 생산성의 저하로 이어질 수 있다. 하지만, Strip 두께를 얇게 할수록 생산성은 증가한다고 여겨지고 있는데, 이는 두께가 얇아지는데 따른 생산성의 저하보다 주조속도를 높이는 것에 의한 생산성 향상 효과가 더욱 크다는 것을 보여준다 [4].

그림 4. Hunter Standard Caster의 외관 사진 [3]. 용탕은 병렬로 배치된 쌍롤의 하부에서 공급되는 방식.​​​​​​​

Pechiney Aluminum Engineering에서는 1956년에 초기 프로토 타입의 가로식 롤 주조기가 만들어졌는데, 이때의 Strip 폭은 400mm 정도였으며, 당시 코일을 감았을 때의 무게는 약 500kg이었다 [5]. 1959년에 Pechiney의 1세대 주조기라고 할 수 있는 3C^®에서는 폭 1,500mm, 두께 6mm의 판재를 제조할 수 있었다. 이후, 2세대 격인 Jumbo 3C^®에서 롤 직경이 620mm에서 960mm까지 넓어졌고, 판재 폭 역시 2,000mm 이상으로 주조가 가능하게 되면서 최대 생산능력이 2만 ton/year까지 늘어나 생산성이 크게 개선되었다. 1990년대 후반에 3세대의 주조기 Jumbo 3CM^®이 개발되었는데, 상기 SuperCasterPlus^®와 마찬가지로 고속주로를 통한 박판화를 통해 생산성을 더욱 향상시켰다. 제조 가능한 판재는 최대 폭 2,500mm, 두께 3~12mm 수준이며, 전 세계적으로 약 50기 이상의 Jumbo 3CM^® 도입 실적이 있는 것으로 알려져 있다(모방품은 이보다 훨씬 많을 것으로 추정된다). 제조 가능하다고 알려진 합금으로는 fin stock, foil 등에 사용되는 1xxx계, 8xxx계 합금, 음료 캔, 용기 등에 사용되는 3xxx계, 8xxx계 합금, 구조재, 도장재 등에 사용되는 3xxx계, 5xxx계 합금, 항공기에 사용되는 2xxx계, 7xxx계 합금 등이다.

2.4.2. 벨트 주조 공정

2.4.2.1. Hazelett caster

1948년 C. Hazelett에 의해 처음 고안되었다고 알려져 있다. 그림 5에 프로세스의 모식도를 나타낸다 [6]. 상하로 배치된 금속벨트 사이로 알루미늄 용탕이 공급되고, 용탕이 접촉하는 금속벨트의 안쪽에서는 수냉 시스템에 의해 벨트를 냉각한다. 벨트의 길이는 약 2,000mm 정도이며, 알려진 주조속도는 5m/min에서 9m/min 정도이다. 제조되는 Strip의 두께는 조절이 가능하지만 통상적으로는 19mm 이상이기 때문에 제조 후 열간압연 공정을 수행할 필요가 있다. 금속벨트의 재질은 일반적으로 1.5mm두께의 steel 벨트를 사용하지만 열전도율이 좋은 동 합금 벨트를 사용함으로써 냉각특성을 향상시키는 방법도 있다. 하지만, 동 합금 벨트는 상대적으로 용탕의 열에 의해 변형이 일어나기 쉽고, 유지보수를 위한 비용, 내구수명 등의 문제로 인해 상업적으로 널리 활용되고 있지는 않다. Hazelett Caster는 용탕이 공급되는 입구 측의 벨트를 유도가열 할 수 있는 장치가 배치되어 있고, 자기력을 이용한 백업롤을 이용하여 용탕과 벨트와의 접촉 상태를 균일하게 제어하는 것이 주요 특징이다 [7].

그림 5. Hazelett 벨트 주조기의 공정 모식도 [6].​​​​​​​

2.4.2.2. Flexcaster

2003년에 일본경금속과 Alcan이 공동으로 개발하여 자동차 차체용 판재의 양산을 목적으로 2004년에 일본 시즈오카 현에 위치한 일본경금속 카마하라 제조소에 도입되었다 [8]. 상기 기술한 Hazelett caster와 기본적인 원리는 같지만, 벨트 변형에 의한 결함을 대폭 개선하였다고 알려져 있다. 주로 Mg 및 Fe 함량이 높은 고강도 합금 Strip의 제조에 적합하며, 5xxx계열 및 3xxx계열 합금을 생산 중이다. 또, 고성형성, 고열전도성 판재 생산도 가능하여 자동차재 이외 분야에서 사용되는 판재 제조에도 활용되고 있다. 제조되는 Strip의 두께는 15mm 이하로 게이지 다운 없이 핀치 롤을 거쳐 코일링이 가능하다고 한다.

2.4.2.3. Kaiser caster

Hazelett caster를 기반으로 Strip 표면 품질을 개선할 목적으로 Kaiser caster가 개발되었다. 벨트 구동을 위한 벨트 풀리의 중심축보다 앞쪽에서 용탕이 공급되어 벨트와 Strip 사이의 에어 갭 발생이 적어 표면 품질이 우수하다고 알려져 있다[9]. 용탕 접촉부의 벨트 안쪽에서 냉각하는 종래의 벨트 주조 공정과 달리, 용탕과 접촉하는 면의 반대 측에서 벨트를 냉각하는 방식이다 (그림 6). 이 공정은 주조에서 냉간압연까지 일관 성형공정의 Micromill 이라는 형태로 발표되었으며, 후에 Alcoa가 Kaiser로부터 관련 기술특허들을 매입하였다. 초기 프로토 타입 설비의 생산능력은 41,000ton/yr 정도였다고 알려져 있다 [10]. 제조 가능한 판재 두께는 대략 2~6mm로 상술한 롤 주조 공정과 유사하고, 자세한 것은 알려지지 않았으나, Mg이 4.5~10wt.% 인 Al-Mg계 합금도 제조 가능한 것으로 여겨진다 [11]. 초기에는 주로 알루미늄 캔 자재의 제조를 목적으로 연구개발이 수행되었고, 2014년에 자동차 도어의 inner panel 및 outer fender와 같은 부품에 적용이 가능하다고 발표되어 큰 주목을 받고 있다.

그림 6. Kaiser 벨트 주조기의 공정 모식도 [9].​​​​​​​

2.4.3. 블록 주조 공정

2.4.3.1. Hunter-Douglas caster

1945년 미국에서 Joe Hunter에 의해서 개발된 최초의 연속 주조기이다 [3]. 내부 수냉식의 냉각블록들을 캐터필러 형태로 연결시킨 트랙을 상하로 배치하고, 내부에 용탕을 흘려보내 응고시켜 연속적으로 Strip을 제조하는 방식이다 (그림 7). Hunter-Douglas 프로세스라고도 불린다. 약 25mm 두께로 주조되며, 주조 폭은 약 600mm, 주조속도는 2~4m/min 정도로 알려져 있다. 용탕으로부터의 열로 인해 냉각블록이 변형되는 경우가 많아 냉각블록에 대한 정밀한 관리가 필요하고, Strip 표면 품질에 한계가 있다고 알려져 있다.

그림 7. Hunter Douglas社에서 실제 운용된 블록 주조기 사진 [3].​​​​​​​

2.4.3.2. Lauener twin-block caster (Alusuisse caster II)

상기 기술한 Hunter-Douglas 프로세스를 개량하여 1971년에 Wilhelm F. Lauener가 개발하였다. 용탕이 냉각블록에 접촉하는 동안에는 냉각블록에 대한 별도의 냉각이 없으며, 트랙이 궤적의 반대편에 도달했을 때 냉각 스프레이로 블록을 냉각시키는 방식으로 균일한 냉각조건을 달성할 수 있도록 하였다. 현재는 Lauener Technology社가 exXcast 라는 이름으로 개발기술을 승계하였다 [12]. Strip 두께는 10~40mm (권장두께는 20mm), 주조속도는 0.5~10m/min (권장 주조속도는 6m/min), 최대 폭은 1,750mm으로 알려져 있다. 주로 알루미늄 can stock과 음료 캔 재활용(used beverage can) 재료의 제조에 적용되고 있으며, 최근에는 6xxx계열 합금으로의 적용도 발표되고 있다.

3. 결론

본 고에서는 알루미늄 및 그 합금의 판재 제조에 있어서의 연속주조 공정에 대해 간략히 소개하였다. 앞서 기술한 바와 같이, 연속주조 공정은 판재, 선재 등의 중간재를 생산하는 과정에서 표면면삭이나 열간압연 등의 중간공정을 생략할 수 있다는 이점 때문에 생산성의 향상과 제조비용 저감을 목적으로 산업적 측면에서 지속적으로 성장해 왔다. 최근에는 소재의 제조 과정에서부터 환경으로의 영향을 최소화 해야 하는 각종 환경규제, 기후위기 이슈와 맞물려 더욱 큰 주목을 받고 있으며, 앞으로의 발전 가능성 역시 매우 큰 기술이라 할 수 있다. 전신재의 제조 공정에 있어, 주조공정은 출발재를 제조하는 공정이며, 경우에 따라서는 초기의 응고 미세조직이 최종 제품의 기계적 특성과 품질에 결정적인 영향을 미치기 때문에 주조공정에 대한 이해는 매우 중요하다고 할 수 있다. 실공정에서 건전한 판재를 제조하기 위한 다양한 공정 변수들의 역할이나 설정조건 및 각종 이슈들에 대한 기술적 내용은 본 고에서 다루지 않았지만, 알루미늄의 연속주조공정에 대한 전반적인 이해와 관심을 환기시키는 데 도움이 되길 바란다.