KR100402012B1 - 경강선재의 소단면 빌레트 주조를 위한 용강의 정련방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 주로 와이어 로프(Wire Rope) 등의 소재로 사용되는 경강선재의 제조방법에 관한 것으로, 그 목적은 소단면 빌레트 연속주조기에서 안정적이고 고품질 생산이 가능한 용강을 정련하는 방법을 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 중량%로, C:0.24∼0.86%, Si:0.15∼0.35%, Mn:0.30∼0.60%, P:0.030%이하, S:0.030%이하를 포함하여 조성되는 경강선재용 빌레트를 소단면 연속주조기로 제조하는 방법에 있어서, 전로종점 탄소를 소재목표치 대비 0.05∼0.08% 낮게 하여 레이들로 출강하는 단계;

상기 레이들 슬래그중에 CaO:3.0∼5.0kg/ton-steel, SiO₂:3.0∼5.0kg/ton-steel를 투입하여 슬래그중 CaO/SiO₂의 중량비가 0.8∼1.2가 되도록 한 후에 슬래그 탈산제로서 가탄제를 0.3∼0.8kg/ton-steel을 투입한 다음, 용강을 승온하는 단계;를 포함하여 이루어지는 경강선재의 소단면 빌레트 주조를 위한 용강의 정련방법에 관한 것을 그 기술적요지로 한다.

Description

경강선재의 소단면 빌레트 주조를 위한 용강의 정련방법{Method of refining molten steel to cast small section billet for hard steel wir rods}

본 발명은 주로 와이어 로프(Wire Rope) 등의 소재로 사용되는 경강선재의 제조방법에 관한 것으로, 상세하게는 소단면 빌레트 연속주조기에서 안정적이고 고품질 생산이 가능한 용강을 정련하는 방법에 관한 것이다.

주로 와이어 로프 등의 소재로 사용되는 경강선재(C가 0.24∼0.86% 함유되는 것으로, 일명 JS-SWRH, JIS G 3506이라고 함)는 크게 3가지 공정으로 제조된다.

① 제강→대단면 연속주조기로 블룸제조(250×330mm)→

소단면 빌레트로 압연(120×120mm)→신선(선재제품생산)

② 제강→ 중단면 연속주조기로 빌레트 제조(160×160mm)→

소단면 빌레트로 압연(120×120mm)→신선(선재제품생산)

③ 제강→ 소단면 연속주조기로 빌레트 제조(120×120mm)→

신선(선재제품생산)

이들 3가지 공정은 빌레트 압연을 행하느냐(①, ②) 행하지 않느냐(③)로 대별할 수 있다. 제조원가 측면에서 상기 ③공정이 유리하지만, 품질확보 문제 때문에 주로 ①, ②의 공정이 적용되고 있다.

소단면 연속주조기는 도 1에서와 같이, 턴디쉬(tundish)(10) 용강주입구(11)의 내경이 작아서 용강중의 산화성 개재물로 인해 주입구가 막히는 현상이 발생하기 쉽고, 턴디쉬와 몰드(mold)사이에 대기차단용 노즐(12)을 사용할 수 없어서 주조중 대기중의 산소에 의한 용강재산화가 발생하여 소재의 청정성이 저하하기 쉽기 때문에 표면품질확보가 어렵다.

따라서, 작게는 직경이 0.5mm이하로 신선되는 경강선재의 경우는 용강의 청정성이 확보되지 않으면 신선중에 단선이 발생하여 생산성이 저하될 수 있고, 또한, 지속적으로 인장하중을 받는 와이어 로프용으로 주로 사용되는 특성상 사용중에 단선이 발생하면 안전성 문제가 발생될 수 있기 때문에 소단면 연주기에서의 생산을 기피하고 있다.

일부 저급용도의 경강선재의 경우는 소단면 연속주조기에서도 생산이 가능토록 하기 위해, 주조중에 턴디쉬 주입구 주위에 대기와 차단할 수 있도록 실링(Sealing) 장치 설치 및 불활성가스를 취입하여 주조중 용강의 재산화를 방지하는 기술을 채택하여 일부 실용화단계와 있다. 그러나, 여전히 안정적인 품질확보가 이루어지지 않고 있으며, 이는 우선적으로 소단면 빌레트 연주기에 적합한 용강을 정련단계에서 제공하지 못하는 것이 주요 원인으로 파악할 수 있다.

종래의 소단면 빌레트 연속주조용 용강은 도 1과 같이, 용선예비처리한 용선을 전로취련, 레이들에서의 버블링 공정을 통해 제조하였다. 전로종점에서 탄소농도는 0.05∼0.15%로 관리(종점산소 600∼800ppm, 용강온도 1660∼1690℃)하고, 레이들에서 용강의 탈산은 Si+Mn으로, 슬래그의 탈산은 Al 또는 Al+CaCO₃로 행하던가 혹은 슬래그 탈산제를 행하지 않았다. 버블링공정에서는 용강온도가 낮은 경우에 승온목적으로 LF공정(Ladle Furnace; 탄소전극 아크열을 이용한 용강증온설비)을 채택하는 경우가 있었다.

종래기술에서는 다음과 같은 문제점이 있다.

(1) Al 대신 Si과 Mn으로 용강을 탈산하기 때문에 용강중 산소농도가 높아 주조중 용강의 재산화 및 가스성분(주로 CO)의 발생으로 표면품질이 불량하였다. 소단면 연주기는 용강주입구의 내경이 작기 때문에 용강중에 소량의 Al 혹은 Al₂O₃가 존재할 경우에는 용강주입구가 쉽게 막히는 현상이 발생하기 때문에 Si과 Mn의 탈산이 불가피하다. 그래서 Si과 Mn으로 탈산하지만, 이들 성분은 산소와의 친화력이 약하기 때문에 도 2에서와 같이 용강중에 소량의 산소가 잔존하게 되며, 이러한 용강중의 산소는 주조중에 반응식(1)과 같은 산화반응을 일으켜 주편 내외부에 핀홀(pin hole:주편내부의 기포성 결함) 및 스컴(scum:산화물의 집합체로 표면결함의원인) 등의 품질결함을 발생시키는 직접적인 작용을 한다.

Si + 1/2O₂= SiO₂

Mn + 1/2O₂= MnO

2Al + 3/2O₂= Al₂O₃

Fe + 1/2O₂= FeO

xSiO₂+ yMnO + zAl₂O₃+ wFeO : 스컴성 결함의 직접원인

C + 1/2O₂= CO(g) : 핀홀발생의 직접적인 원인으로 작용

(2) 전로취련이 완료된 용강을 레이들로 출강할때에는 용강과 함께 저급산화물(FeO, MnO 등)이 함유된 슬래그가 소량 유출되는데, 이와 같은 저급산화물과의 평형을 유지하기 위해 용강중에는 산소가 증가된다. 따라서, 종래에는 슬래그 탈산용으로 Al을 투입하거나 슬래그 조재제(Al+CaO가 1:1 비율로 배합된 혼합물)를 투입하여 슬래그중의 저급산화물을 환원시켜 저급산화물의 양을 줄이는 방법을 취하거나 아니면 슬래그중에 생석회(CaO)를 투입하여 슬래그량을 늘림으로써 슬래그중 저급산화물의 영향을 줄이려는 정련방법을 취하여 왔다.

그러나, 상기와 같이 슬래그중의 저급산화물을 저감하기 위해 Al을 투입할경우는 탈산용 Al 일부 및 Al₂O₃가 용강중에 잔류하게 되어 주조중 턴디쉬 용강주입구에 이러한 알루미나가 집적되어 노즐막힘의 직접적인 원인으로 작용하여 품질 및 작업성 저하의 직접적인 원인으로 작용하였다. 또한, 슬래그중에 생석회만을 투입하여 주조를 실시할 경우는 주입구의 막힘현상은 적으나 슬래그중의 산화도(FeO+MnO의 농도)가 높아 용강의 재산화요인 및 용강중 산소농도 증가의 직접적인 요인으로 작용하였다.

이에, 본 발명에서는 소단면 연주기에서 노즐막힘 이나, 표면품질의 열화없이 경강선재를 제조할 수 있는 용강의 정련방법을 제공하는데, 그 목적이 있다.

도 1은 경강선재용 빌레트의 제조공정도

도 2는 용강중의 Si, Mn함량에 따른 용존산소 평형치를 나타내는 그래프

도 3은 턴디쉬내 용강의 산소량에 따른 주편의 청정도를 나타내는 그래프

도 4는 전로취련종점에서 탄소농도와 산소농도의 관계를 나타내는 그래프

도 5는 전로취련종점에서 탄소농도에 따른 슬래그중의 산화도를 나타내는 그래프

도 6은 종래방법과 본 발명에서 레이들 슬래그의 조성을 나타내는 CaO-SiO₂-Al₂O₃계의 삼원상태도

도 7은 레이들내 슬래그중 CaO/SiO₂의 비, 슬래그중 Al₂O₃농도에 따른 용강중 Al농도를 나타내는 그래프

도 8은 레이들 슬래그중 Al₂O₃농도에 따른 개재물중 Al₂O₃의 농도를 나타내는 그래프

*도면의 주요부분에 대한 보호의 설명*

10.....턴디쉬 11.....용강 주입구

12.....대기차단용 노즐 13.....몰드

14.....주편

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 정련방법은, 중량%로, C:0.24∼0.86%, Si:0.15∼0.35%, Mn:0.30∼0.60%, P:0.030%이하, S:0.030%이하를 포함하여 조성되는 경강선재용 빌레트를 소단면 연속주조기로 제조하는 방법에 있어서,

전로종점 탄소성분을 소재목표치 대비 0.05∼0.08% 낮게 하여 레이들로 출강하는 단계;

상기 레이들 슬래그중에 CaO:3.0∼5.0kg/ton-steel, SiO₂:3.0∼5.0kg/ton-steel를 투입하여 슬래그의 CaO/SiO₂의 중량비가 0.8∼1.2가 되도록 한후에 슬래그 탈산제로서 가탄제를 0.3∼0.8kg/ton-steel을 투입한 다음, 용강을 승온하는 단계;를 포함하여 구성된다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명은 소단면 연주기로 제조될 수 있는 경강선재용 용강의 정련방법에 관한 것으로, 이 경강선재의 목표성분은, C:0.24∼0.86%, Si:0.15∼0.35%, Mn:0.30∼0.60%, P:0.030%이하, S:0.030%이하를 기본성분으로 한다.

본 발명은 전로정련(1차정련)과 노외정련(2차정련)을 통하여 용선을 C가 0.24∼0.85%함유되면서 용존산소량이 극히 낮은 용강으로 정련하는데 그 특징이 있다. 본 발명자의 기초실험에 의하면, 경강선재를 소단면 연속주조기로 제조할때 턴디쉬내 용강중 산소농도와 청정도의 관계는 도 3과 같으며, 이로서 알 수 있듯이, 경강선재를 소단면 빌레트로 연속주조하기 위해서는 턴디쉬내 용강의 용존산소가 가능한 약 20ppm이하가 되는 것이 바람직하다는 것을 알 수 있었다. 본 발명에서는 이를 위한 용강을 정련기술을 구현하는데, 그 기술적의미가 있다. 따라서, 이하에서는 이를 위한 전로정련방법과 노외정련방법을 구분하여 설명한다.

[전로정련]

본 발명에서는 통상의 방법으로 예비처리한 용선을 전로에서 취련하는데, 이때 중요한 것은 전로종점 탄소를 소재 목표치(C:0.24∼0.86%) 대비 0.05∼0.08% 낮게 하여 레이들로 출강한다. 이는 전로종점탄소값을 종래 대비 높임에 따라 용강중의 산소농도를 낮추기 위해서이다. 본 발명에 따라 전로종점 탄소성분을 조정하면서 취련하면 전로종점 산소농도는 약 100∼400ppm정도, 용강온도는 약 1630∼1660℃를 갖게 된다.

도 4에서 보는 바와 같이, 전로취련과정에서 용강중의 탄소와 산소는 반비례 관계가 있기 때문에 가능한 취련과정에서 용존산소를 줄이기 위해서는 용강중의 탄소농도를 높이면 가능하다. 용존산소를 최대한 낮추는 것은 Si, Mn으로 용강탈산시 발생되는 산화물(SiO₂, MnO)의 발생량을 최소한으로 하기 위함이며, 또한, 도 5에서 보는 바와 같이, 취련종료시점에서 용강중의 탄소성분이 높을수록 전로슬래그중의 산화도(%FeO+%MnO)가 감소되기 때문에 출강시 전로슬래그 유출에 의한 레이들내 슬래그중의 산화도의 상승영향을 최소화할 수 있기 때문이다.

이와 같이, 전로취련종료시점에서 용강중 탄소농도를 높게 관리하여 취련하는 방법을 보통 캐치 카본법(Catch-Carbon)이라 한다. 이 기술은 용선단계에서 인(P)성분을 미리 제거하여 전로취련중에는 탈탄소작업만 행함으로써 인제거에 필요한 추가 산소나 부원료의 추가 투입이 필요없기 때문에 목표로 하는 용존탄소농도에서 취련을 끝낼 수 있다. 이와 같은 캐치 카본법 정련은 취련종료시점에서 용강온도가 낮아 출강후 후속공정에서 추가적으로 온도를 상승시켜야 하며, 현재 일부 특수강종에 적용하고 있다.

본 발명에서 전로종점 탄소농도를 목표치(C:0.24∼0.86%) 대비 0.05∼0.08% 낮게 하는 것은, 후속되는 2차정련에서 가탄제 투입과 탄소전극에 의한 용강승온과정에서의 일부 탄소가 용강중으로 용해되는 것을 고려하여 설정한 것이다.

[2차정련]

상기와 같이 전로정련한 용강을 레이들로 출강한 다음, 레이들 슬래그중 CaO/SiO₂의 중량비가 0.8∼1.2가 되도록 CaO:3.0∼5.0kg/ton-steel, SiO₂:3.0∼5.0kg/ton-steel를 투입한다. 이는 도 6에서 보는 바와 같이, 슬래그를 융점이 낮은 조성으로 조재하기 위한 것으로, 슬래그의 융점 저하로 슬래그의 유동성을 양호하게 함으로써 개재물의 흡수능을 더 높이기 위해서이다. 이때 슬래그의 조성은 CaO가 약 46∼48%, SiO₂가 약 46-48%, Al₂O₃의 농도가 약 10%이하가 된다. 슬래그에서 Al₂O₃의 농도가 낮은 것은 Al계 슬래그 탈산제를 전혀 첨가하지 않았기 때문이다.

본 발명에서 Al계 슬래그 탈산제를 첨가하지 않는데, 이는 도 7 및 8에서 보는 바와 같이, 슬래그중 Al₂O₃의 농도가 낮으면 낮을수록 개재물중 Al₂O₃의 농도가 낮아지기 때문이다. 본 발명에 따라 Al계 슬래그 탈산제를 첨가하지 않으면 슬래그중에 Al₂O₃의 농도는 10%이하가 된다. 이는 용강정련과정중에 알루미나질 레이들의용출 혹은 합금철에 소량 함유되어 있는 Al에 의해 혼입될 수 있는 양으로 통상 조업조건으로는 슬래그중 Al₂O₃의 농도가 10%이하가 된다.

본 발명에서 CaO:3.0∼5.0kg/ton-steel, SiO₂:3.0∼5.0kg/ton-steel를 투입하는 것은 염기도의 조절과 함께 적정 슬래그 두께를 확보하기 위해서이다. LF에서 승온을 하기 위한 적정 슬래그 두께는 약 80∼100mm로 알려져 있는데, 전로 출강시에 전로로 부터 유출되는 슬래그의 두께가 약 30∼60mm이므로 이를 고려하여 CaO와 SiO2의 투입량을 조정한 것이다.

다음으로, 레이들 상부에 가탄제를 용강톤당 0.3∼0.8kg/ton-steel을 투입한 다. 본 발명에서는 슬래그 탈산을 위한 Al을 투입하지 않기 때문에 슬래그중의 저급산화물의 농도가 높다. 따라서, 슬래그중의 저급산화물의 농도를 낮추기 위해, LF승온전에 슬래그 상부에 가탄제를 투입하여 전극봉으로 승온을 실시함으로써 고온으로 가열된 슬래그는 아래 식 2와 같이 반응하여 슬래그중의 산화도를 저감시킬 수 있다.

FeO + C → CO↑ + Fe, MnO + C → CO↑ + Mn

(FeO, MnO는 슬래그중 성분)

본 발명에서 가탄제 투입량은 아래 표 1과 같은 슬래그중의 저급산화물의 양(약 10-18%)과 용강중의 탄소성분의 상승량을 고려하여 설정된 것이다. 가탄제는 대부분 슬래그중 저급산화물의 환원반응에 기여하지만 일부는 용강중으로 용해되어 들어가서 용강중의 탄소의 함량을 높인다.

가탄제 투입량(kg/ton-steel)	0.1∼0.3	0.4∼0.5	0.6∼0.8	0.9∼1.0
슬래그중 산화도(%FeO+%MnO)	8.8	5.4	4.8	4.9
용강중 탄소성분 상승량(%)	0.006이하	0.003∼0.020	0.01∼0.03	0.01∼0.06

이어 용강을 탄소전극의 아크열로 승온하여 레이들의 용강을 턴디쉬로 주입한다.

본 발명에 따르면 용강의 산소농도를 약 20ppm이하로 할 수 있어 턴디쉬 용강주입구 막힘이 없고, 강의 청정도도 개선할 수 있다.

이하, 본 발명을 실시예를 통하여 구체적으로 설명한다.

[실시예 1]

전로 및 LF에서 아래 표 2와 같이 종래방법 및 본 발명의 조건으로 정련한 다음, 정련된 용강을 가지고 소단면 연주기에서 빌레트를 주조하고 그 주편의 청정도와 주편표면수입율을 조사하였다.

구분	종래예	발명예
정련조업실적	전로취련종점 탄소함량	0.061%(0.034∼0.120)	0.47%(0.32∼0.58)
	레이들 슬래그 탈산제	CaO+Al투입	CaO만 투입	CaO+SiO2+C
	LF처리직후의슬래그	산화도	4.5(2.9∼7.1)	14(9.7∼19.1)	4.4(3.0∼6.2)
		염기도	3.0∼3.6	1.8∼3.4	0.8∼1.1
		Al2O3농도	12∼23%	4∼12%	5∼8%
	턴디쉬 용강중 산소농도(ppm)	14.0(8∼20)	25(18∼35)	13.4(8∼19)
	주조중 턴디쉬 용강주입구 막힘율(%)	37.5	6.25	0
품질실적	청정도	0.045(0.038∼0.059)	0.057(0.045∼0.069)	0.033(0.028∼0.040)
	주편표면수입율(%)	14	19	4.5
막힘율=(막힘노즐수/(노즐수×생산수))×100청정도=(개재물면적/검사면적)×100수입율:주편표면 검사비율

상기 표2에서 보는 바와 같이, 본 발명의 정련방법을 통해 정련단계에서는 슬래그중의 산화도 및 용존산소를 낮춤으로써 턴디쉬 노즐막힘이 완전히 해결되었으며, 품질실적은 종래방법 대비 월등히 우수함을 알 수 있었다.

본 발명은 소단면 연속주조기에서 경강선재와 같은 고급강을 안정적으로 제조할 수 있는 정련방법을 제공할 수 있으며, 이에 따라 압연공정에서의 공정을 단축할 수 있어 제조원가를 절감할 수 있는 유용한 효과가 있다. 나아가, 본 발명은 기타 선재고급강에 적용함으로써 강편압연공정의 생략으로 제조원가 절감이 가능한 용강정련기술을 확보한다는데, 그 기술의 효용가치가 크다.

Claims (1)

1. 중량%로, C:0.24∼0.86%, Si:0.15∼0.35%, Mn:0.30∼0.60%, P:0.030%이하, S:0.030%이하를 포함하여 조성되는 경강선재용 빌레트를 소단면 연속주조기로 제조하는 방법에 있어서,

   전로종점 탄소성분을 소재목표치 대비 0.05∼0.08% 낮게 하여 레이들로 출강하는 단계;

   상기 레이들 슬래그중에 CaO:3.0∼5.0kg/ton-steel, SiO₂:3.0∼5.0kg/ton-steel를 투입하여 슬래그중에 CaO/SiO₂의 중량비가 0.8∼1.2가 되도록 한 후에 슬래그 탈산제로서 가탄제를 0.3∼0.8kg/ton-steel을 투입한 다음, 용강을 승온하는 단계;를 포함하여 이루어지는 경강선재의 소단면 빌레트 주조를 위한 용강의 정련방법