KR100359750B1 - 표면품질이 우수한 오스테나이트계 스테인레스강 열연강대의제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 오스테나이트계 스테인레스강의 열간압연시 발생하는 슬리버와 같은 열연성 표면 결함을 방지하기 위한 열간압연 방법에 관한 것으로서, 조압연 과정에서의 폭압연에의해 양 에지 근처에 형성되는 표면 스케일 박리부와 소재의 폭방향 중심의 스케일 잔류부가 압연시 롤과의 마찰계수가 다름으로 인해서 스케일 박리부와 잔류부 경계에 형성되는 표면전단응력을 제거하여 표면결함을 방지하는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은 오스테나이트계 스테인레스강의 열간압연시 최초 수직 스케일 파괴장치에서 슬라브를 수직압연한 직후 5kg/cm²이상의 합축공기의 분사에 의해 파괴된 스케일을 제거하고 슬라브의 양 에지 스케일 박리부에 농도 0.1% 이상 1.5%이하의 옥살산 수용액을 분사하여 양 에지 스케일 박리부의 재산화를 촉진시킴으로써 조압연 과정에서 슬라브 양 에지부와 중심부의 롤과의 마찰계수를 유사하게 유지하도록 하는 것을 포함하여 이루어지는 오스테나이트계 스테인레스강의 열간압연 방법에 관한 것을 그 요지로 한다.

Description

표면품질이 우수한 오스테나이트계 스테인레스강 열연강대의 제조방법

본 발명은 표면품질이 우수한 오스테나이트계 스테인레스강 열연강대의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 오스테나이트계 스테인레스강 연속주조 슬라브의 열간압연에 의한 열연강대의 제조시 열연강대의 양 가장자리로부터 약 150~200㎜위치에 집중적으로 발생하는 압연성 결함의 발생을 절감시켜 표면품질을 개선하는 열간압연 방법에 관한 것이다.

오스테나이트계 스테인레스강은 열간압연중, 특히 조압연 구간에서 표면균열이 잘 발생하여 이로 인해 열연강대의 표면에 슬리버(sliver)와 같은 결함이 나타난다. 이러한 슬리버 결함은 일반적으로는 주로 열연강대의 양 가장자리로부터 150~200㎜ 위치에 집중적으로 나타난다. 결함이 심한 경우에는 강대의 전폭에 걸쳐 나타나지만 이 경우에도 양 가장자리 150~200㎜ 위치에서는 폭 중심부에 비해 결함의 빈도 및 크기가 크다. 종래에는 이러한 표면결함을 방지하기 위해서 독일특허 DE254495나 일본특허 JP52156716에 기술된 바와 같이 20~70ppm(무게기준)의 보론(B)을 강에 첨가하거나, 또는 유럽특허 EP0207608에 기술되어 있는 바와 같이 오스테아니트계 스테인레스강의 고온연성을 저해하는 불순물 원소인 황(S)의 함량을 20ppm이하의 매우 낮은 수준으로 낮춤으로써 강의 고온연성을 향상시키는 기술이 제안되었다.

그러나 B를 첨가한 강은 열연판이나 냉연판의 수둔 후 냉각시 Boride(M₂B)가 입계에 석출되어 강의 내입계부식성을 저해한다는 문제점이 있으며, 통상적인 오스테나이트계 스테인레스강의 정련과정에서 S를 20ppm 이하로 지속 관리하는 것은 플럭스(flux) 사용 증가 및 정련시간 연장에 따른 생산성 저하 및 제조원가 상승의 문제가 있다. 또한 전술한 방법으로 강의 고온연성을 향상시킨다고 해도 일반적으로 강대의 폭 중심부에 나타나는 결함은 제거가 가능하나 양 가장자리 150~200㎜위치에 집중적으로 발생하는 결함의 제거는 어렵다. 강의 열간가공성 부족 외에도 열간압연을 위한 슬라브의 재가열 중의 과다한 국부표면산화층이 스케일성 표면 결함의 원인이 될 수 있는데, 이를 억제하기 위해 일본특허 JP6158153는 슬라브 표면에 산화방지제를 도포하는 방법을, JP57143434에서는 슬라브 표면에 일반 탄소강을 씌운 상태로 재가열하는 방법을 제시한 바 있다. 그러나 이러한 방법은 슬라브의 하면을 처리하는데 어려움이 있을 뿐 아니라 제조원가의 상승과 작업성의 저하가 크다. 일반적으로 가열로의 과잉산소농도를 적절히 제어함에 따라 과다한 슬라브 국부산화는 충분히 억제할 수 있으나 이 방법 역시 강대의 전폭에 걸쳐 나타나는 스케일성 표면결함은 제거 가능하나 강대의 양 가장자리 150~200㎜ 위치에 집중적으로 발생하는 결함의 제거는 어렵다. 이 밖에 최근에는 조압연 구간에서 압연 전폭에 대해 윤활제를 주수하는 기술이 제안된 바 있으나 이 경우에는 조압연에서 압연소재의 미끄러짐(slip)에 의해 오작의 위험이 크다는 단점이 있다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 이상의 기존에 제안된 기술들은 공통적으로 강대의 전폭에 걸쳐 작용하는 결함 발생기구에 기초한 것이다. 이 중 일부는 강대 전폭에 걸쳐 결함 발생을 억제하는 효과를 주지만 양 가장자리로부터 150~200㎜ 위치에 집중하여 나타나는 결함에는 큰 효과가 없다. 이는 이 부위에서는 폭 중심부와는 다른 별도의 결함 발생기구가 작용한다는 것을 의미하기 때문에 본 발명자들은 양 가장자리 150~200㎜ 위치에서 작용하는 결함발생기구에 대해 연구, 조사한 결과 이 위치에서 집중적으로 발생하는 표면결함의 억제 방법을 제시하게 되었다. 즉, 본 발명은 오스테나이트계 스테인레스강 연속주조 슬라브의 열간압연에 의한 열연강대의 제조시 열연강대 양 가장자리 150~200㎜ 위치에서 집중적으로 발생하는 표면결함을 경제적이고 효과적인 방법으로 억제함으로써 열연강대의 표면품질을 개선하기 위한 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 오스테나이트계 스테인레스강 연속주조 슬라브의 열간압연시 가열로에서 추출된 슬라브를 조압연하기 전에 최초의 수직 스케일 파괴장치에서 슬라브를 수직압연한 직후 파괴된 스케일을 5kg/cm²이상의 압축공기를 분사하여 제거하고 슬라브의 양 에지(edge) 스케일 박리부에 농도 0.1% 이상 1.5% 이하의 옥살산 수용액을 분사하여 양 에지(edge) 스케일 박리부의 재산화를 촉진시킴으로써 조압연 과정에서 슬라브 양 에지(edge)부와 중심부의 롤(roll)과의 마찰계수를 유사하게 유지하도록 하는 것을 포함하여 이루어지는 오스테나이트계 스테인레스강의 열간압연 방법을 제공하는 것을 특징으로 한다.

도 1의 (a)는 오스테나이트계 스테인레스강의 조압연 조건에서 마찰계수에 따른 롤/소재 상대속도 분포차이를 나타내는 도면이고,

(b)는 이로 인한 양 에지 스케일 박리부와 중심 스케일 잔류부의 경계에서 표면전단응력의 발생을 나타내는 도면,

도 2는 수직형 스케일 파괴장치에서 압축공기 및 옥살산 산화제 분사를 위한 장치의 개략도,

도 3은 디스크 투 디스트(Disk-to-Disk) 마찰시험 결과를 나타내는 도면이다.

이하, 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

통상적인 오스테나이트계 스테인레스강의 열간 조압연 공정에서는 가열로에서 추출된 슬라브를 먼저 수직형 스케일 파괴장치(Vertical Scale Breaker)에서 어느 정도 폭압연하여 슬라브 표면의 가열로 스케일을 파괴시킴과 동시에 고압수를 분사하여 파괴된 가열로 스케일을 제거한다. 이는 가열로에서 생성된 주로 Fe 산화물로 이루어진 매우 두꺼운 외층 스케일을 제거하여 이들의 압입에 의한 면거침 결함을 방지하기 위한 것이다. 스케일 파괴장치를 거친 슬라브는 조압연의 각 스텐드(stand)를 거치면서 약 30㎜ 두께의 바(bar)로 제조되어 후속 사상압연을 하게된다. 이때 슬라브는 최초 스케일 파괴장치에서 폭압연이 가해짐에 따라 슬라브의 양 에지(edge)로부터 150~200㎜ 이내의 상하면은 심한 소성변형에 의해 외층 스케일 뿐 아니라 Cr과 Fe산화물이 혼재된 내부산화 스케일 까지 완전히 박리되나 소성변형이 적은 슬라브 중심 부위는 취약한 외층 스케일은 박리되나 비교적 접착력이 큰 얇은 내부산화피막은 잔류하게 된다.

일반적으로 압연소재의 표면에 잔류하는 균일하고 얇은 산화피막은 압연시 롤(roll)과 소재표면의 마찰계수를 감소시키는 역할을 한다. 따라서 소재 표층의 양 에지(edge)부와 중심부는 압연시 롤(roll)과의 마찰계수가 다르며 롤(roll)과 소재 표층의 상대속도가 달라진다. 도 1(a)는 스테인레스강의 조압연 조건에서 두가지 서로 다른 마찰계수에 대해 롤 원주속도에 대한 소재표층의 상대속도의 전형적인 분포를 나타낸 것으로서 마찰계수가 클수록 치입 및 추출 그리고 롤 갭(roll gap) 내에서의 상대속도가 빠름을 보여준다. 전술한 바와 같이 소재의 양 에지부는 중심부에 비해 마찰계수가 크므로 도 1의 (b)에서 보인 바와 같이 일정한 롤 원주속도에서 중심부에 비해 에지부의 변형속도가 빠르고 이로 인해 양 에지부와 중심부의 경계부위에는 변형속도 차이에 의한 표면전단응력이 발생한다. 이와 같은 표면전단응력은 소재의 표층부에서 균열을 유발하여 주로 양 에지 스케일 박리부와 스케일 잔류부의 경계영역을 따라서 도 1(나)에서 보인 바와 같은 슬리버가 발생한다. 통상의 조압연 조건에서 양 에지 스케일 박리부는 150~200㎜의 폭을 가지므로 슬리버는 양 에지로 부터 150~200㎜의 위치에 집중되어 발생한다.

본 발명은 전술한 바와 같은 오스테나이트계 스테인레스강을 열간압연할 때 양 에지 스케일 박리부와 중심 스케일 잔류부의 경계에 발생하는 슬리버를 방지하기 위한 것으로서 슬리버의 원인이 되는 표면균열의 발생을 억제하기 위해 표면 전단응력을 제거하는 방법을 제공한다. 즉, 오스테나이트계 스테인레스강 연속주조 슬라브의 열간 조압연시 가열로에서 추출된 슬라브를 조압연하기 전에 최초의 수직 스케일 파괴장치에서 슬라브를 수직압연한 직후 파괴된 스케일을 5kg/cm²이상의 압축공기를 분사하여 제거하고 슬라브의 양 에지 스케일 박리부에 산화제로서 농도 0.05%이상 1.5%이하의 옥살산 수용액을 분사하여 양 에지 스케일 박리부의 재산화를 촉진시킴으로써 조압연 과정에서 슬라브 양 에지부와 중심부의 롤과의 마찰계수를 유사하게 유지하도록 하는 것이다.

수직압연한 후 파괴된 스케일을 통상적인 고압수가 아닌 압축공기의 분사로 제거하는 것은 고압수를 분사하는 경우 수직 스케일 파괴장치에서 조압연 첫 스탠드까지 슬라브가 이송되는 동안 슬라브 표면에 잔류하는 수층에 의해 옥살산 용액이 희석되어 그 효과가 상실되기 때문이다. 압축공기에 의해 파괴된 스케일을 충분히 비산시키기 위해서는 압축공기의 압력이 5kg/cm²이상이 되어야 한다.

옥살산 수용액을 양 에지 스케일 박리부에 분사하는 것은 이 부위가 수직 스케일 파괴장치에서 조압연 첫 스탠드까지 슬라브가 이송되는 동안 빠르게 재산화되어 매우 안정하고 균일한 재산화 스케일을 형성시켜주기 때문이다. 이 때 옥살산의 농도가 0.1%이하인 경우는 재산화 촉진 효과가 거의 없고, 옥살산의 농도가 1.5%를 초과하면 장시간 조업시 롤을 비롯한 설비의 부식이 일어나기 때문에 옥살산 수용액은 최소 0.1%에서 최대 1.5%의 범위로 조성하는 것이 바람직하다.

도 2는 본 발명에서 제시한 수직 스케일 파괴장치에서의 압축공기 및 산화제 분사를 위한 장치의 개략도를 나타낸 것이다. 압축공기 분사 라인은 통상적인 고압수 분사 라인과 마찬가지로 수직롤 직후의 위치에 설치하며 노즐은 슬라브 전폭에 걸쳐 설치한다. 산화제 분사 라인은 압축공기 분사 라인의 직후에 설치하며 노즐은 양 에지 스케일 박리부에 해당하는 위치에 설치한다. 이러한 수직 스케일 파괴장치를 이용하여 수직 압연 후 양 에지부의 재산화를 촉진시키면 양 에지부의 마찰계수가 중심부의 마찰계수 수준으로 감소하여 양 에지부와 중심부의 경계 부위에서의 표면전단응력이 감소하고, 이로 인해서 이 부위에서 집중적으로 발생하는 슬리버를 억제할 수 있다.

이하, 본 발명을 실시예를 통하여 상세히 설명한다.

(실시예)

25%Cr-20%Ni 오스테나이트계 스테인레스강을 진공유도용해한 후 두께 12㎜로 열간압연하고 이 열연판으로부터 두께 10㎜, 직경 120㎜의 디스크형 압연재 마찰시편을 제작하였다. 또한 통상적으로 조압연 롤 소재로 사용되는 아다마이트(Adamie) 소재로 부터 두께 10㎜, 직경 50㎜의 롤 마찰 시편을 제작하고 디스크 투 디스크(disk-to-disk)형 마찰시험기를 이용하여 마찰계수를 측정하였다. 표1은 마찰시험방법을 나타낸다.

디스크 투 디스크 마찰시험 방법

번 호	시험방법	압연재 표면 상태
#1	1250℃/1시간 가열 후 시험	가열로 스케일 형성
#2	1200℃승온 직후 0.1%옥살산 분사 후 시험	재산화 스케일 형성
#3	1200℃승온 직후 0.9%옥살산 분사 후 시험	재산화 스케일 형성
#4	1200℃승온 직후 1.3%옥살산 분사 후 시험	재산화 스케일 형성
#5	1200℃승온 직후 0.06%혹살산 분사 후 시험	재산화 스케일 없음
#6	전처리 없이 시험	재산화 스케일 없음

스케일이 없는 상태의 압연재 마찰시편은 일정한 속도로 회전시키면서 고주파 가열 방식에 의해 표면 부위를 30℃/sec의 빠른 속도로 접촉온도 800℃까지 가열하고 수냉되는 롤 마찰시편과 슬립율+15%, 선가압력 5.3kgf/㎜의 조건으로 접촉시키는 방법으로 압연재와 롤 사이의 선마찰력을 측정하였다. 압연재 시편의 일부는 사전에 1250℃의 고온에서 1시간 동안 열처리하여 스케일을 형성시킨 후 접촉온도 800℃까지 냉각시킨 다음 동일한 방법으로 마찰계수를 측정하였으며, 일부의 시편은 1200℃로 가열한 후 15초간 옥살산 수용액을 표면에 분사하고 이를 접촉온도 800℃까지 냉각시킨 다음 동일한 방법으로 마찰계수를 측정하였다.

도 3은 전술한 방법으로 측정한 마찰계수를 나타낸 것으로서 1200℃에서 농도 0.1%이상의 옥살산 수용액을 분사한 경우는 빠른 재산화에 의해서 1250℃에서 장시간 열처리한 경우와 유사한 수준으로 마찰계수가 낮아짐을 보여준다.

25%Cr-20%Ni 강과 18%Cr-8%Ni강의 길이 300㎜, 두께 50㎜의 압연 시편을 이용하여 열간압연 모사실험을 실시하였다. 압연 시편은 1250℃, 대기분위기의 가열로 내에서 1시간 동안 가열한 뒤 추출하여 5%의 폭압연을 가하였고 폭압연 직후 일부의 시편은 압축공기로 파괴된 스케일을 제거한 다음 양 edge 스케일 박리부에 전술한 옥살산 수용액을 분사하고 15초간 유지한 다음 총압하율 80%로 6 패스 압연을 실시하였다. 또한 일부의 시편은 압축공기로 파괴된 스케일을 제거하고 옥살산 수용액을 분사하지 않은 조건에서, 나머지 시편은 고압수를 이용하여 파괴된 스케일을 제거하고 옥살산 수용액을 분사하지 않은 조건에서 전술한 것과 동일한 압연조건으로 압연한 후 압연판을 소둔, 산세하여 표면 결함의 발생정도를 조사하였다.

표2는 열간압연 모사실험 결과를 정리하여 나타낸 것으로서 폭압연 직후 압축공기로 파괴된 스케일을 제거한 다음 양 에지 스케일 박리부에 전술한 옥살산 수용액을 분사한 경우에는 면거침의 발생 없이 양 에지 슬리버의 발생을 효과적으로 방지할 수 있음을 보여준다.

열간압연 모사실험 결과

번호	강종	스케일제거	에지 산화제 분사	결함 발생 유무	비고
1	Fe-25Cr-20Ni	고압수	없음	양 에지슬리버발생	비교예
2	Fe-25Cr-20Ni	압축공기	없음	양에지슬리버발생	비교예
3	Fe-25Cr-20Ni	압축공기	1%옥살산분사	없음	발명예
4	Fe-25Cr-20Ni	압축공기	1.5%옥살산분사	없음	발명예
5	Fe-18Cr-8Ni	고압수	없음	양에지슬리버발생	비교예
6	Fe-18Cr-8Ni	압축공기	없음	양에지슬리버발생	비교예
7	Fe-18Cr-8Ni	압축공기	1%옥살산분사	없음	발명예
8	Fe-18Cr-8Ni	없음	1%옥살산분사	전면 면거침발생	비교예

전술한 바와 같이 본 발명은 오스테나이트계 스테인레스강을 열간압연함에 있어서 폭압연 후 나타나는 양 에지 근처의 스케일 박리부에 옥살산 수용액을 산화제로 분사시킴으로써 스케일 박리부와 소재 중심의 스케일 잔류부 사이의 마찰계수 차이를 줄여줌으로써 표면전단응력을 감소시켜 슬리버의 발생을 억제하는 것을 통하여 오스테나이트계 스테인레스강 열연강대의 열연표면품질을 개선하는 효과를 준다. 따라서 본 발명은 제품의 부가가치를 높여주며 열연코일 제품의 표면결함을 기계적으로 제거하기 위한 코일 연삭공정을 생략할 수 있게함으로써 생산비용의 절감 효과를 주고, 동시에 표면결함 발생을 우려한 열연 재가열온도와 시간 및 압연조건의 제한 요소를 완화시킴으로써 작업성과 생산성을 향상시키는 효과를 준다.

본 발명에서 제공한 압연 방법은 윤활제가 주수되지 않으므로 소재 미끄러짐의 위험이 없으며, 별도의 산화방지제나 슬라브 커버가 필요하지 않아서 경제적이고 생산성 저하가 없을 뿐더러, 합금성분 중 B을 첨가할 필요가 없어서 강의 내공식성이 저하되는 문제도 없다.

Claims (1)

1. 오스테나이트계 스테인레스강 연속주조 슬라브를 열간압연하여 열연강대로 제조하는 방법에 있어 가열로에서 추출된 슬라브를 조압연하기 전에 최초의 수직 스케일 파괴장치에서 슬라브를 수직압연한 직후 파괴된 스케일을 5kg/cm²이상의 압축공기를 분사하여 제거하고 슬라브의 양 에지 스케일 박리부에 농도 0.05% 이상 1.5% 이하의 옥살산 수용액을 분사하여 양 에지 스케일 박리부의 재산화를 촉진시킴으로써 조압연 과정에서 슬라브 양 에지부와 중심부의 롤과의 마찰계수를 유사하게 유지하도록 함으로써 양 에지부와 중심부 경계를 따른 전단응력의 발생을 억제하여 이로 인한 양 에지 150㎜~200㎜ 부위의 슬리버 발생을 방지하는 것을 특징으로 하는 표면품질이 우수한 오스테나이트계 스테인레스강 열연강대의 제조방법.

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