KR100397295B1 - 304계스테인레스강연주주편의표층슬리버결함저감방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 304계 스테인레스강의 연속주조시 주편의 표층에서 발생하는 슬리버 결함을 저감시키는 방법에 관한 것으로서, 상기 304계 스테인레스강을 구성하는 성분들로부터 하기 식 (1),

로 표현되는 상기 304 스테인레스강의 주편 델타 페라이트 함량은 주편의 표층응고조직에서 6∼8%로 유지되는 것을 특징으로 하므로, 스테인레스강의 연속주조에 있어서 주편 오실레이션 마크 깊이, 몰드 슬래그 필름 두께 및 델타 페라이트를 적절히 조절하여 304계 스테인레스강의 슬리버 결함을 효과적으로 감소시킬 수 있다.

Description

304계 스테인레스강 연주 주편의 표층 슬리버 결함 저감방법

본 발명은 스테인레스강의 연속 주조시 연주 주편의 슬리버 결함발생을 저감시킬 수 있는 방법에 관한 것으로서, 특히 주편의 표층에 나타나는 오실레이션 마크(oscillation mark)의 깊이, 몰드 슬래그 필름의 두께 및 주편 델타 페라이트 함량을 적절히 조절하여 304계 스테인레스강 연주 주편의 표층 슬리버 결함을 효과적으로 저감시킬 수 있는 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 스테인레스강의 제강공정의 전기로에서 고철 및 합금철을 녹여 제조된 용강은 정련로에서 목표로 하는 조성 및 온도를 확보한 뒤에 래들에 담아 연속주조 공정으로 운반하게 된다. 래들에 수강된 용강은 연속주조 공정 즉, 턴디쉬와 몰드를 통과하면서 응고되어 슬라브(slab), 블룸(bloom), 빌렛(billet) 등의 주편으로 생산된다.

도 1은 연속 주조중인 몰드내 상황을 도식적으로 나타낸 것이다. 즉, 용강은 턴디쉬로부터 침지노즐(1)을 통해 몰드(2)로 공급된다. 몰드(2)는 냉각수에 의해 냉각되므로 용강(5)은 몰드로부터 응고되어 응고셀(4)을 형성한다. 도면부호 3은 연속주조시 몰드(2)와 응고셀(4) 사이에 윤활제로 작용하는 몰드파우더를 나타낸다. 도면번호 6은 몰드(2)내 용강표면을 나타내는 것으로 통상 몰드 레벨(mold level)이라 부른다.

몰드(2)와 응고셀(4)의 고착을 방지하기 위하여, 몰드(2)는 상하방향의 화살표로 나타낸 바와 같이 일정한 진동수 및 진폭을 갖고 상하진동을 하게 된다. 이러한 결과, 주편 표면에는 일정한 주기의 요철, 즉 산부(山部)와 곡부(谷部)를 갖는 오실레이션 마크(oscillation mark)가 형성된다.

한편, 연주 주편은 가열로에서 1250∼1300℃로 가열되고 열간압연된 후 스트립으로 제조된다. 스트립은 열처리 및 표면산세(pickling)된다. 이때, 스트립의 표면을 검사하면, 도 2에서 나타낸 바와 같이, 스트립의 양 에지부에 길이 10∼30mm, 높이 약 0.2mm 정도의 선형 결함이 발생하는 경우가 있다. 이러한 표면결함을 슬리버(sliver)라고 부르며, 이러한 표면결함은 오스테나이트계 스테인레스강, 특히 304계 및 316계 등의 강종에서 쉽게 발생한다. 이러한 표면결함이 심한 경우에는 스트립 표면을 그라인딩(grinding) 하며 이에 따른 추가 비용은 매우 크다.

슬리버 결함의 주된 원인중의 하나는 주편의 표층 결함으로 추정되지만, 정확한 원인이 밝혀지지 않았다.

그리고, 이러한 슬리버 결함을 저감시키기 위하여 주편의 양 에지를 그라인더로 1∼2mm 절삭하여 주편 표층 결함을 제거하는 방법을 사용해 왔다. 이러한 방법은 주편 표층 결함을 근본적으로 제거하는 장점은 있으나 주편 그라인딩 비용이 매우 크고 또한 그라잉딩에 따른 고가의 스테인레스강이 손실되는 경제적인 단점이 있다. 더욱이 그라인딩 조건이 불량한 경우에는 그라인딩 크랙이 발생하여 더 심각한 제품 결함을 야기시키는 문제점을 일으킬 수 있다.

따라서, 본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 스테인레스강의 슬리버 결함 발생에 미치는 주편의 영향을 자세하고 다양한 시험을 통하여 규명하고 비용이 많이 드는 주편 그라인딩을 수행하지 않고도 304계 스테인레스강 연주 주편의 표층 슬리버 결함을 저감시킬 수 있는 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

도 1은 스테인레스강의 연속주조중 몰드내의 상황을 개략적으로 도시하는 도면;

도 2는 스테인레스강의 열연 코일 에지부에서 슬리버 결함의 발생부위를 나타내는 도면;

도 3(a)는 주편 델타 페라이트와 슬리버 결함의 관계를 도시하는 그래프이고, 도 3(b)는 표층 응고 조직 이상율과의 슬리버 결함의 관계를 도시하는 그래프;

도 4는 슬리버 결함이 심하게 발생된 주편의 표층 응고조직을 개략적으로 나타내는 도면;

도 5는 주편 델타 페라이트와 슬리버 발생지수와의 관계를 나타내는 그래프;

도 6은 주편 표층부의 열전달 해석 모델을 도식적으로 나타내는 그래프;

도 7은 주편구속 지수와 오실레이션 마크깊이에 따른 몰드 슬래그 필름두께를 나타내는 그래프;

도 8은 오실레이션 마크 깊이와 몰드 슬래그 필름 두께의 비[(d2-d1)/d1)]에 대한 슬리버 지수를 나타내는 그래프;

도 9는 본 발명과 종래기술에 있어서 주편 표층의 미세응고조직을 100배 확대(X100)하여 비교하는 사진;

도 10은 본 발명을 적용한 결과 304 스테인레스강의 열연코일 표면의 슬리버 결함의 발생지수를 종래기술과 비교하여 나타낸 그래프.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >

1 : 침지노즐

2 : 수냉 몰드

3 : 몰드 파우더

4 : 응고셀

6 : 용강 레벨

7 : 슬리버 결함부위

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따르면, 304계 스테인레스강의 연속주조시 주편의 표층에서 발생하는 슬리버 결함을 저감시키는 방법은 상기 304계 스테인레스강을 구성하는 성분들로부터 하기 식 (1),

로 표현되는 상기 304 스테인레스강의 주편 델타 페라이트 함량은 주편의 표층응고조직에서 6∼8%로 유지되는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

우선, 본 발명에서는 결함의 발생원인을 조사하기 위하여 슬리버 결함이 심하게 발생한 주편과 슬리버 결함이 거의 발생하지 않은 주편을 각각 7개씩 확보하여 여러 가지 항목에 대하여 분석하였다.

먼저, 주편의 표면응고조직에서 나타나는 주편 델타 페라이트 함량에 따른 슬리버 결함 발생을 나타내는 도 3(a)를 참조하면, 슬리버 결함이 발생하지 않는 주편의 표층응고조직에 함유된 델타 페라이트 함량이 슬리버 결함이 발생된 주편의 표층응고조직에 함유된 델타 페라이트 함량보다 3% 가량 낮은 것을 알 수 있다.

그리고, 표층응고조직의 이상율(즉, 비정상율)과 슬리버 결함의 발생정도를 비교한 도 3(b)를 참조하면, 슬리버 결함이 발생된 주편의 표층응고조직에 나타나는 조직 이상율(즉, 비정상율)은 슬리버 결함이 발생되지 않은 주편의 표층응고조직에 나타나는 조직 이상율보다 무려 7배 이상 높은 것을 알 수 있다.

표층응고조직의 특징을 도식적으로 나타낸 도 4를 참조하면, 표층응고조직에서 비정상 조직은 STS 304의 정상 응고조직(δ + r )이 아니고, δ 가 비정상적으로 소멸되어 r 상만 남아 있는 조직을 의미하며, 이러한 비정상 조직은 특히 오실레이션 마크의 산부(山部)에 집중적으로 나타나는 것을 알 수 있다. 한편, 표층응고조직에서 이상율(비정상율)은 조사된 시편의 전체 길이와 비정상조직부 길이의 백분율로 나타난다.

이러한 조사 결과로부터 우선 주편 델타 페라이트의 함량이 슬리버 결함에 미치는 영향을 조사하기 위하여 연속주조 조업 기록표 상에 계산된 주편 델타 페라이트 함량과 슬리버 결함율의 상관성을 조사하였다. 여기서, 주편 델타 페라이트 함량은 하기 식 (1)과 같이 계산된다.

상술된 식 (1)의 강의 조성으로부터 계산되고 이러한 계산값은 실제 측정된 주편 델타 페라이트 함량과 일치하므로 실제 주편 델타 페라이트 함량으로 보아도 타당하다.

주편 델타 페라이트(δ-ferrite) 함량이 슬리버 결함에 미치는 영향을 나타내는 도 5를 참조하면, 주편 델타 페라이트 함량이 지나치게 낮거나 또는 지나치게 높아도 슬리버 결함이 증가하므로, 주편 델타 페라이트 함량의 최적범위는 주편의 표층응고조직에서 6∼8%를 차지하고 있음을 알 수 있다.

즉, 주편 델타 페라이트 함량이 지나치게 낮은 경우에 표층응고조직에서 주편 델타 페라이트 함량이 적어서 가열로 및 압연중 재결정의 사이트(site)가 적어져서 재결정립의 크기가 커지고 결국 압연중 크랙이 쉽게 발생하는 것으로 해석된다. 반면, 주편 델타 페라이트 함량이 지나치게 높은 경우에는 열간압연시 고온연성(hot ductiloty)이 저하되어 열간가공성이 나빠지고 이로 인해 주편 델타 페라이트와 r상의 계면에서 크랙의 발생이 쉽게 때문에 슬리버 결함이 발생하는 것으로 해석된다. 따라서, 상술된 바와 같이, 적정한 주편 델타 페라이트 함량이 존재하게된다.

다음은 슬리버 결함의 중요한 원인인 표층응고조직의 비정상부위에 대하여 그 발생원인 및 방지 방법에 대하여 조사하였다.

먼저, 표층응고조직의 비정상부위와 정상부위에서 미세응고조직을 조사하였다. 그 결과, 비정상부위와 정상부위 각각의 미세응고조직에서 SDAS(secondary dendrite arm spacing)의 차이가 확실히 존재하였으며, 하기 식 으로 표현되는 SDAS(λ),

λ=63.91 (CR)^-0.347

여기세어, λ: SDAS (㎛), CR: 냉각 속도 (℃/sec)

에 의해 응고시 냉각속도를 계산하였다. 그 결과는 [표 1]에 나타내었다.

[표 1] 표층 응고조직 비정상부위 및 정상부위에서의 SDAS 및 냉각 속도 비교

도 6은 표층응고조직의 비정상부위에서 냉각속도가 빠른 원인을 해석하기 위한 간단한 열전달 해석에 관한 도식도를 나타낸다. 여기서, 오실레이션 마크의 산부(山部)에서의 열전달량을 q1이라 하고, 곡부(谷部)에서의 열전달량을 q2라 하고, 오실레이션 마크의 산부와 몰드사이의 거리(액상 몰드 슬래그 필름의 유입 두께)를 d1, 오실레이션 마크의 곡부와 몰드 사이의 거리를 d2라 한다. 1차원 열전도에 의한 열전달만을 고려하면 각 위치에서의 열전달량의 비는 다음의 퓨리에(Fourier)의 열전도법칙,

q = - k A dt/dx

여기에서, q : 열전달량(cal/sec), k : 열전도도(cal/m.sec.℃), A : 면적(㎡), t : 온도(℃), x: 거리 (m),

에 의해 계산될 수 있다.

여기서, 주편의 표면 온도 및 몰드의 표면 온도는 각 위치에서 동일하다고 가정하고, 또한 k 및 A는 동일하기 때문에 각 위치에서의 열전달량의 비는 거리(x)의 역수가 되어 다음식,

q1/q2 = d2/d1

으로 표시할 수 있다.

여기서 d1은 몰드파우더의 소모량과 밀도로부터 하기 식 (2),

여기에서, Q : 몰드 파우더 소모량(kg/㎡), ρ: 몰드 파우더 밀도 (kg/㎥),

로 계산된다.

통상적으로, 304계 스테인레스강의 주조시 몰드 파우더의 소모량은 0.27kg/㎡, 몰드 파우더의 밀도는 2600kg/㎥ 이므로 계산된 d1은 0.14mm가 된다.

한편, d2-d1은 오실레이션 마크의 깊이를 의미하며, 표층응고조직에서 비정상부위가 심한 경우에 오실레이션 마크의 깊이는 약 0.3∼0.4mm가 된다.

따라서, d2는 0.44∼0.54mm가 되고 결국 q1/q2 = 3.1∼3.9로 되고, 이는 상술한 SDAS로부터 구한 냉각속도비(표 1 참조)인 3.9와 유사한 값을 나타낸다.

이러한 결과로부터, 본 발명자는 다음과 같은 결론을 얻을 수 있다.

냉각속도가 지나치게 빠른 경우에, 표층응고조직의 비정상부위에서 SDAS가 매우 작아져서 STS 304강의 δ 가 소멸하는 포정반응(L + δ →r)에서 반응의 확산거리가 짧아져서 변태반응이 비정상적으로 빠르게 일어나며, 결국 표층은 δ 가 거의 없고 r만 존재하는 조직이 되어 슬리버 결함이 발생하는 것으로 판단된다.

본 발명에서는 이러한 결과를 바탕으로 d1 및 d2를 적절히 조절하면, 표층응고조직에서 비정상부위의 발생을 방지할 수 있다는 데 착안하여 d1 및 d2가 표층응고조직의 비정상부위 및 슬리버 결함에 미치는 영향을 다각도로 심층 조사 분석하였다.

도 7은 최적의 d1의 범위를 나타내는 것으로 d1은 0.1 ≤ d1 ≤ 0.15mm 범위가 최적이었다. 즉, d1이 0.1mm 이하인 경우에 슬래그 필름의 두께가 지나치게 얇아 윤활능이 부족하여 주편이 몰드에 고착(sticking)되는 현상이 발생하여 조업의 안정성이 크게 감소하였다. 또한, d1이 0.15mm 이상인 경우에, 오실레이션 마크의 깊이가 0.35mm 이상으로 되어 냉연 제품 표면에 결함을 야기시켰다.

이러한 문제는 표층응고조직에서 비정상부위의 발생을 야기하여 위험한 것이기 때문에, 반드시 위의 d1의 조건은 만족되어야만 되는 전제 조건이다. 본 발명에서는 이러한 조건을 만족하는 주편에 대해 슬리버 결함을 최소로 하는 최적의 d1, d2의 관계식을 찾기 위해 분석을 한 결과 도 8과 같은 결과를 얻었다.

즉, 슬리버 결함은 (d2-d1)/d1 함수와 양호한 상관관계를 나타내고 있으며, 슬리버 결함을 최소화시키는 최적의 조건은 (d2-d1)/d1 ≤ 2.0임을 알 수 있었다.

이러한 현상은 오실레이션 마크의 깊이(d2-d1)가 깊은 경우에, 어느 임계값 이상으로 몰드 슬래그 필름두께(d1)를 형성시켜 주어야만 냉각속도가 지나치게 커도 주편의 표층응고조직에서 비정상부위가 발생하는 것을 방지하는 것으로 해석된다. 반면, 오실레이션 마크의 깊이가 낮은 경우는 슬래그 필름두께가 얇아도 오실레이션 마크의 산부와 곡부의 냉각속도차가 크지 않기 때문에 상대적으로 균일한 응고 조직을 형성하므로 결함이 감소하는 것으로 해석되었다.

본 발명자는 상술된 바와 같은 본 발명에 대한 효과를 실시예를 통해 검증하였다.

이하 본 발명을 실시예를 통하여 더욱 상세히 설명한다.

[실시예 1]

도 9는 본 발명을 적용한 결과와 종래 방법의 결과에 의해 나타나는 주편 표층응고조직의 사진을 비교한 결과를 나타낸다.

본 발명이 적용된 표층사진(a)에는 δ 와 r가 혼재하는 정상 응고조직을 보인 반면, 종래 실시예가 적용된 표층사진(b)에는 δ 가 거의 분해되어 r상만이 존재하는 비정상 응고조직을 보인다.

[실시예 2]

하기 [표 2]는 본 발명을 적용한 주편과 종래 방법이 적용된 주편에서의 상술된 조건과 표층응고조직의 비정상율을 나타낸 것이다.

[표 2] 본 발명과 종래의 방법의 적용 결과

상기 [표 2]에서 알 수 있듯이, 본 발명을 적용한 경우에 있어서 표층응고조직의 비정상율은 10% 미만으로 양호하다. 한편, 종래 방법에 있어서, 비교예 1은 d1, d2의 조건을 만족하나 델타 페라이트가 지나치게 낮아 표층 응고조직은 비교적 양호하지만 슬리버 결함이 발생한 경우이며, 비교예 2는 델타 페라이트도 낮고 d1, d2도 본 발명의 조건을 만족시키지 못하므로 표층응고조직의 비정상율이 대단히 높게 나타났다. 비교예 3은 d1, d2가 표층응고조직에서 비정상율이 비교적 높게 나타난 경우이다.

[실시예 3]

도 10는 본 발명을 적용한 결과 304계 열연 코일 제품의 표면에 발생하는 슬리버 결함율을 비교한 그래프이다. 본 발명이 적용된 경우에 있어서, 슬리버 결함의 발생울이 크게 감소한 것을 알 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 의하면 스테인레스강의 연속주조시에 있어서 주편 오실레이션 마크 깊이, 몰드 슬래그 필름 두께 및 델타 페라이트를 적절히 조절하여 304계 스테인레스강의 슬리버 결함을 효과적으로 감소시킬 수 있다.

Claims (3)

1. 304 스테인레스강의 연속주조시 주편의 표층에서 발생하는 슬리버 결함을 저감시키는 방법에 있어서,

   상기 304계 스테인레스강을 구성하는 성분들로부터 하기 식 (1),

   로 표현되는 상기 304 스테인레스강의 주편 델타 페라이트 함량은 주편의 표층응고조직에서 6∼8%로 유지되는 것을 특징으로 하는 304계 스테인레스강 연주 주편의 표층 슬리버 결함 저감방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 주편의 표층에 형성되는 오실레이션 마크의 산부와 몰드 사이의 거리에 대응하는 액상 몰드 슬래그 필름의 두께(d1)는 하기 식 (2),

   여기에서, Q = 몰드 파우더 소모량(kg/㎡), ρ = 몰드 파우더 밀도 (kg/㎥),

   에 의하여 계산되고,

   상기 두께는 0.1 ≤ d1 ≤ 0.15를 만족하는 것을 특징으로 하는 304계 스테인레스강 연주 주편의 표층 슬리버 결함 저감방법.
3. 제2항에 있어서,

   상기 오실레이션 마크의 깊이(d2-d1)와 몰드 슬래그 필름의 두께(d1)는 하기 관계식 (3),

   여기에서, d2는 오실레이션 마크의 곡부와 몰드 사이의 거리,

   을 만족하는 것을 특징으로 하는 304계 스테인레스강 연주 주편의 표층 슬리버 결함 저감방법.