KR100562642B1 - 페라이트계 스테인레스강의 재질개선을 위한 열간압연 방법 - Google Patents

페라이트계 스테인레스강의 재질개선을 위한 열간압연 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 스테인레스강 열간압연공정에서 조압연 및 마무리압연시 발생하는 소재 내부의 불균일변형을 균일변형으로 확보할 수 있는 스테인레스강의 열간압연방법에 관한 것으로, 열간압연공정 중 조압연 및 마무리압연 스탠드 입측에 압연 반대방향을 향하여 설치되는 분사장치를 장착하여 압연되기 직전의 열연판 표면에 분사함으로서 압연재의 균일변형을 유도하도록 하는 스테인레스강의 열간압연방법에 있어서, 상기 분사장치는 질소가스 분사장치이고, 상기 질소가스 분사장치는 압연 반대방향을 향해 상기 열연판의 수직에 대하여 10~20°의 각을 이루도록 설치되며, 상기 열연판은 상기 질소가스 분사장치에 의하여 그 표면온도가 800℃이하로 냉각되고, 2 초 이내에 열간압연되도록 하는 것을 특징으로 하는 페라이트계 스테인레스강의 재질개선을 위한 열간압연 방법을 제공한다.
페라이트, 스테인레스강, 열간압연

Description

페라이트계 스테인레스강의 재질개선을 위한 열간압연 방법{Hot rolling method of ferritic stainless steels to improve of mechanical properties}
도 1은 종래 페라이트계 스테인레스강의 열간압연 상태를 도시한 개략도.
도 2는 종래 페라이트계 스테인레스강의 열간압연 집합조직을 나타낸 사진.
도 3은 본 발명에 따른 페라이트계 스테인레스강의 열간압연 상태를 도시한 개략도.
도 4는 430 스테인레스강의 온도에 따른 고온강도 변화를 나타낸 그래프.
도 5는 430 스테인레스강의 열간압연시 표면온도 변화에 따른 압연재 내부의 재결정된 부위의 분율을 나타낸 그래프.
도 6은 430 스테인레스강의 열간압연시 1150℃인 압연재 표면에 공냉, 수냉 및 냉각용 기체질소를 분사하였을 경우, 시간경과에 따른 압연재 표면의 순간적인 온도 냉각곡선을 나타낸 그래프.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1 : 워크롤 2 : 열연판(hot bar) 3 : 오일 분사장치
4 : 기체질소 분사장치(Cooling N2 gas spray)
본 발명은 스테인레스강 열간압연공정에서 조압연 및 마무리압연시 발생하는 소재 내부의 불균일변형을 균일변형으로 확보할 수 있는 스테인레스강의 열간압연방법에 관한 것이다.
본 발명은 열간압연공정의 조압연 및 사상압연에서 소재 내부의 균일변형을 유도하는 열간압연방법이므로 페라이트계 및 오스테나이트계 스테인레스강과 가공성을 요하는 일반강의 열간압연시 사용가능하다.
삭제
종래의 스테인레스강 열간압연 공정에서는 도 1에 나타낸 것처럼 조압연 및 마무리압연 스텐드의 워크롤(work roll)(1)에 의해 열연판(hot bar)(2)을 압연시 도 2처럼 압연재 내부의 표층직하에 압연응력이 집중되어 이부분에서 전단변형이 일어남과 동시에 재결정이 발생하여 소재의 가공성에 불리한 랜덤(random)한 집합조직을 갖게 되고, 한편 소재내부는 압연응력이 표층부에서 모두 소진되므로 내부까지 전달되지 못하게 되어 미재결정 상태로 남게되고, 이 미재결정에 의해 주조조직의 파괴가 않되므써 주조조직에 기인된 가공성에 불리한 집합조직이 잔존하게 되어 불균일변형이 발생된다. 따라서, 전단변형의 발생없이 재결정영역를 확대시켜주면 주조조직의 파괴와 함께 가공성에 유리한 집합조직을 얻을 수 있다.
삭제
한편, 이러한 불균일변형 현상을 억제할 목적으로 스테인레스를 생산하는 열간압연공정에서는 조압연 및 마무리압연 스탠드에서 압연온도, 압하율, 압연속도등 압연조건을 다양하게 조절하여 압연재의 균일변형을 유도하려는 노력이 주로 이루어지고 있다. 먼저, 압연온도의 하향은 열간압연시 압연하중을 증가시켜 에너지 원단위를 상승시키며, 압하율의 하향은 압연 회수를 증가시키고, 압연속도의 감소는 열간압연공정의 생산성을 저하시키고 압연재의 균일변형을 얻는데도 한계가 있다.
또한 오일 분사장치(3)을 이용하여 오일을 도포하는 열간 윤활압연방법은 오일 분사장치(3)로부터 워크롤(1)에 윤활유를 직접 분사해 열연판(2)을 압연한다. 이러한 윤활압연방법은 균일변형을 유도하려는 시도와 가공성등의 품질확보 차원에서는 바람직하나 유압연시 사용되는 오일과 고체윤활제에 의해 냉각수 오염문제가 있고, 또한 고온에서의 사용시 산화에 의한 분위기 오염문제가 있어 오염방지시설이 필요하며, 이로 인한 원가상승요인을 갖고 있다.
또한, 이에 대한 공지기술로서 압연재의 균일변형을 유도하려는 시도(소성과 가공, 1998, 오오사카대학 공학부편)와 열간 윤활압연방법에 의한 균일변형을 유도하려는 시도(CAMP-ISIJ, Vol.12, 1999, p444) 및 최적의 윤활압연을 위한 윤활제 개발등의 시도(JP 63-254195, JP01167396, JP01083309, 평4-167396, 평4-130194, 소63-254195, 소64-83309)가 활발히 이루어지고 있다. 그러나 이러한 종래의 기술들은 기름 및 고체윤활제를 사용함으로서 열연공장의 분위기오염 및 냉각수 오염등의 환경문제를 낳고 있으며, 단순한 열간 압연조건의 변화로는 균일변형의 성과를 크게 얻어내지 못하는 것으로 알려져 있다.
한편, 본 발명자들은 압연전 고압의 냉각수를 분사하는 방식으로 대한민국 공개특허공보 특2001-37457호로 기 출원한 바 있는데, 이 고압의 냉각수를 분사하는 방법은 압연직전 열연판 표면의 냉각효과를 발휘할 수는 있으나 물분자가 고온의 열연판 표면에 접촉시 보일링(boiling) 현상에 의해 그 냉각효과를 극대화하기가 어렵다. 따라서 목표온도 이하로 냉각시켜 열연판의 변형저항을 확보하기 위해서는 수압을 증가시켜야 하는데, 이때 물분자의 운동에너지가 증가되어 열연판 표면에 대한 충돌압이 증가되기 때문에 윤활효과를 발휘할 산화층이 이탈되는 단점을 보이게 된다. 결국, 전단계 압연(조압연)후 후속압연(마무리압연)사이의 유지시간 동안 열연판 표면에 생성된 스케일층이 불가피하게 제거되어서 스케일층의 윤활효과를 감소시키는 결과를 가져오게 된다. 또한, 윤활효과를 발휘하는 산화층의 충분한 확보가 어렵기 때문에 마무리압연에서 나타나는 고질적인 결함인 스티킹(sticking) 결함(열간압연시 롤과 압연재의 노출 표면과의 직접 접촉에 의해 압연재의 입자가 롤표면에 응착 탈락되는 현상)이 발생되는 부차적인 단점을 보인다.
상기의 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 스테인레스강 열간압연공정에서 스테인레스 열연판 표면부를 냉각과 동시에 변형저항을 확보시킨 후 열간압연하므로서 조압연 및 마무리압연시 발생하는 소재 내부의 불균일변형을 균일변형으로 확 보할 수 있는 페라이트계 스테인레스강의 재질개선을 위한 열간압연 방법을 제공하는데 그목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 열간압연공정 중 조압연 및 마무리압연 스탠드 입측에 압연 반대방향을 향하여 설치되는 분사장치를 장착하여 압연되기 직전의 열연판 표면에 분사함으로서 압연재의 균일변형을 유도하도록 하는 스테인레스강의 열간압연방법에 있어서, 상기 분사장치는 질소가스 분사장치이고, 상기 질소가스 분사장치는 압연 반대방향을 향해 상기 열연판의 수직에 대하여 10~20°의 각을 이루도록 설치되며, 상기 열연판은 상기 질소가스 분사장치에 의하여 그 표면온도가 800℃이하로 냉각되고, 2 초 이내에 열간압연되도록 하는 것을 특징으로 하는 페라이트계 스테인레스강의 재질개선을 위한 열간압연 방법을 제공한다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명에 따른 페라이트계 스테인레스강의 열간압연 상태를 도시한 개략도이고, 도 4는 430 스테인레스강의 온도에 따른 고온강도 변화를 나타낸 그래프이고, 도 5는 430 스테인레스강의 열간압연시 표면온도 변화에 따른 압연재 내부의 재결정된 부위의 분율을 나타낸 그래프이며, 도 6은 430 스테인레스강의 열간압연시 1150℃인 압연재 표면에 공냉, 수냉 및 냉각용 기체질소를 분사하였을 경우, 시간경과에 따른 압연재 표면의 순간적인 온도 냉각곡선을 나타낸 그래프이다.
상기 도 3은 본 발명에 의한 개략도로서 도 1의 종래방법과 달리, 열간압연공정의 조압연 및 마무리압연의 각 스텐드 입측에 입측에 압연반대 방향으로 10 ~ 20°의 각도로 분사되도록 한 냉각용 기체질소 분사장치(4)를 장착하여 압연직전의 열연판에 분사함으로서 스테인레스 열연판의 냉각에 의한 변형저항 확보와 동시에 전단계 압연(조압연)후 후속압연(마무리압연)사이의 유지시간동안 열연판 표면에 생성된 스케일층을 그대로 확보, 스케일층의 윤활효과를 얻으며, 이후, 2초 이내에 열간압연하므로서 소재 내부의 균일변형을 확보할 수 있다.
여기서 열연판 표면에 냉각용 기체질소를 분사함으로서 열연판 표면에 생성된 스케일층을 그대로 확보가 가능하고, 스케일층의 윤활효과를 얻을 수 있는 것은 분사되는 질소분자의 운동에너지가 작아 열연판표면의 스케일층을 박리시킬 만큼의 충돌압을 갖지 못하게되어 전단계 압연후 후속압연사이의 유지시간 동안 열연판 표면에 생성된 스케일층이 그대로 보존되어 윤활효과를 극대화시킬 수 있는 장점을 보인다. 이로부터 마무리압연전 충분한 두께의 스케일층을 확보할 수 있어 스티킹결함을 억제할 수 있는 효과도 갖는다.
한편, 열간압연시 압연재 내부의 표층직하에 압연응력이 집중되어 이부분에 전단변형이 일어나게 되는데, 이는 압연재표면 부분의 온도를 냉각시켜 고온강도 확보에 의한 변형저항을 갖게 되면 전단변형을 피할 수 있고, 또한 압연응력이 압연재 내부까지 전달되어 재결정부위의 확대가 가능하다. 따라서 상술한 본 발명에 의하면 조압연과 마무리압연 각각의 압연스텐드 입측에서 냉각용 기체질소 분사에 의해 열연판 표면온도를 800℃이하로 냉각시켜 스테인레스 열연판의 변형저항을 확 보시킨후 즉시 2초이내에 열간압연하게 되면 압연재 내부에 균일변형 확보가 가능하다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
[실 시 예]
430 스테인레스강 열연판의 온도에 따른 고온강도 변화를 측정하여 도 4에 나타내었다. 고온강도 측정 시험조건은, 상기 열연판을 10℃/sec의 가열속도로 가열하고, 상기 가열된 열연판을 목표온도에 20초 동안 유지한후, 진변형율(True strain rate)을 1(초-1)로, 진변형(True strain)(ε)은 0.9로 하였다.
도 4에서 알수 있듯이 온도가 하강함에 따라 고온강도는 급속히 증가하여 700 ~ 800℃ 부근에서 200MPa이상을 확보할 수 잇다는 것을 알 수 있다. 따라서 열연판 표층부의 응력집중을 억제하기 위해서는 압연전 표층부의 냉각에 의한 고온강도의 확보로 변형저항을 증가 시키는 것이 요구된다.
430 스테인레스강의 열간압연시 표면온도 변화에 따른 압연재 내부의 재결정된 부위의 분율(%)를 나타낸 도 5에서 보듯이 열연판 표면온도가 1000℃이상 에서는 재결정부위 분율이 40%이하를 나타내지만, 온도가 하강하면서 재결정 부위 분율은 높아져서 열연판 표면온도가 800℃이하에서는 70%이상의 값을 나타낸다. 그러나 더 이상 온도가 하강하여도 재결정부위 분율은 크게 증가되지 않고 70 ~ 80%를 유지함을 알 수 있다. 따라서 열간압연시 재결정부위 분율을 증가시키기 위해서는 열연판의 표면온도를 800℃이하로 하강시켜야 한다. 이는 표면의 온도하강에 의한 소 재의 변형저항 증가로 압연시 소성변형이 표면직하에 집중되는 것을 억제하여 내부까지 전달하게 함으로서 재결정부위를 확대하는 결과를 가져오기 때문이다.
다음은 430 스테인레스강의 열연판을 열간압연시 1150℃인 열연판 표면을 공냉하였을 경우와 열연판 표면에 냉각수 및 냉각용 기체질소를 분사하였을 경우, 압연재 표면의 순간적인 온도 냉각곡선을 나타낸 도 6에 나타낸 바와 같이, 1150℃인 열연판 표면에 냉각수 및 냉각용 기체질소를 분사하였을 때 표면온도는 즉시 700℃까지 하강하며, 다시 800℃까지의 온도보상이 이루어지기까지는 약 2초의 시간을 요한다는 것을 알 수 있다. 따라서 이 결과로부터 압연직전 열연판 표면온도를 800℃이하로 유지하기 위해서는 냉매를 분사후 2초이내에 압연되어야 함을 알 수 있다. 한편, 도 6에서 보듯이 공냉하였을 경우(△)대비 고압수를 분사하였을 경우(□) 결과적으로 15 ~ 20℃ 온도감소가 있으며, 냉각용 기체질소를 분사하였을 경우(○)는 20 ~ 25℃ 온도감소가 있음을 알 수 있다. 이로부터 냉각수 분사방법 대비 기체질소 분사방법이 냉각효과가 더욱 크며, 스케일층의 유지 및 윤활효과를 얻을 수 있으며, 이후의 열연판 내부의 균일변형을 확보할 수 있다.
표 1 은 430 스테인레스강의 열간압연시 조압연 및 마무리압연 워크롤 입측에서 1150℃인 열연판 표면에 냉각용 기체질소(-20 ~ -30℃)를 분사하였을 경우, 압연반대방향을 향한 분사각도 변화에 따른 열연판 냉각효율을 나타낸다. 열연판에 거의수직으로 기체질소가 분사되는 0°와 5°의 경우, 최저 냉각온도는 800℃이상으로서 압연직전 온도보상에 의해 850℃이상의 온도를 갖게 될 것으로 보이나, 본 발명의 분사각도 10 ~ 20°의 경우는 700∼750℃를 확보하고 있어 분사이후 온도보상이 되어도 800℃이하를 유지하므로 소기의 목적을 달성할 수 있다. 이 각도보다 더욱 기울어지는 25 ~ 30°의 경우 최저 냉각온도는 800℃이상으로서 바람직한 경우가 아님을 알 수 있다. 한편 분사각도가 압연방향으로 기술어진 -10 ~ -5°의 경우, 역시 800℃ 이상의 냉각온도를 나타내므로 효과가 미약함을 알 수 있다. 따라서 열연판의 표면온도를 800℃이하로 유지하기 위해서는 질소가스의 분사각도를 압연반대방향을 향한 10 ~ 20°의 경우가 가장 바람직하다.
구 분 질소개스 분사장치의 분사각도
-10 -5 0 5 10 15 20 25 30
열연판표면 냉각온도(℃) 830 810 810 800 730 700 750 820 850
표 2 는 종래예(1∼) 및 본 발명에 의한 실시예로서 430 스테인레스강을 열간압연 하였을 경우, 열연판의 재결정 분율 및 단면적 감소율(RA; Reduction of area)의 값을 비교한 표이다.
통상의 압연조건인 종래예1의 경우는 재결정율이 20 ~ 30%정도를 유지하고 있어 단면적 감소율(RA)이 낮은 1.0 ~ 1.1을 나타내고 있으며, 이를 개선하기 위해 유압연조건을 사용한 종래예2의 경우도 재결정율이 60 ~ 70%정도이며, 단면적 감소율(RA)이 1.1 ~ 1.2정도를 보여주고 있다. 그러나 종래예2는 종래예1보다 재결정율과 단면적 감소율(RA)이 향상된 수치를 나타내지만 오일과 고체윤활제를 사용함으로써 냉각수 오염의 문제가 있고, 또한 고온에서 산화에 의한 분위기 오염문제가 있는 단점이 있다.
또한, 압연전 고압의 냉각수 분사방식인 종래예3은 열연판 표면의 냉각효과로 재결정율이 70 ~ 80%, 단면적 감소율(RA)이 1.1 ~ 1.3으로 비교적 우수한 결과를 보이나 윤활효과를 발휘하는 산화층의 박리에 의해 스티킹현상이 발생하는 단점을 보인다.
한편, 본 발명의 경우, 종래예(1,2) 대비 재결정율과 단면적 감소율(RA)이 우수한 결과를 나타 내었으며, 또 종래예3 대비 재결정율과 단면적 감소율(RA)이 동등수준을 나타내었으나, 본 발명예는 충분한 두께의 산화층 확보로 스티킹을 억제할 수 있는 바람직한 결과를 보여주고 있다.
구 분 재결정율 RA 환경오염 및 기타
종래예 1 (통상 압연조건) 20 ~ 30% 1.0 ~ 1.1 분위기 :× 냉각수 :× 스티킹 발생 :×
종래예 2 (유압연 사용조건) 60 ~ 70% 1.1 ~ 1.2 분위기 :○ 냉각수 :○ 스티킹 발생 :×
종래예 3 (냉각수 분사방식) 70 ~ 80% 1.1 ~ 1.3 분위기 :× 냉각수 :○ 스티킹 발생 :△
본 발명예 70 ~ 80% 1.1 ~ 1.3 분위기 :× 냉각수 :× 스티킹 발생 :×
상술한 바와 같이 본 발명은 스테인레스강을 열간압연하는 열간압연공정에서, 열연판 내부의 균일변형을 확보하여 가공성에 유리한 집합조직을 갖게 함으로서 성형품질이 우수한 스테인레스 열연강판을 제조할 수 있는 효과가 있다.

Claims (2)

  1. 열간압연공정 중 조압연 및 마무리압연 스탠드 입측에 압연 반대방향을 향하여 설치되는 분사장치를 장착하여 압연되기 직전의 열연판 표면에 분사함으로서 압연재의 균일변형을 유도하도록 하는 스테인레스강의 열간압연방법에 있어서,
    상기 분사장치는 질소가스 분사장치이고, 상기 질소가스 분사장치는 압연 반대방향을 향해 상기 열연판의 수직에 대하여 10~20°의 각을 이루도록 설치되며,
    상기 열연판은 상기 질소가스 분사장치에 의하여 그 표면온도가 800℃이하로 냉각되고, 2 초 이내에 열간압연되도록 하는 것을 특징으로 하는 페라이트계 스테인레스강의 재질개선을 위한 열간압연 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 열연판은 열간압연시 그 표면온도가 800℃이하로 유지되는 것을 특징으로 하는 페라이트계 스테인레스강의 재질개선을 위한 열간압연 방법.
KR1020010079522A 2001-12-14 2001-12-14 페라이트계 스테인레스강의 재질개선을 위한 열간압연 방법 KR100562642B1 (ko)

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