KR100568350B1

KR100568350B1 - 박판주조기에서 듀플렉스 스테인레스강의 제조방법

Info

Publication number: KR100568350B1
Application number: KR1020010082224A
Authority: KR
Inventors: 김상훈; 김완수; 하만진
Original assignee: 주식회사 포스코; 재단법인 포항산업과학연구원
Priority date: 2001-12-21
Filing date: 2001-12-21
Publication date: 2006-04-05
Also published as: KR20030052338A

Abstract

본 발명은 듀플렉스 스테인레스강을 제조하는 방법에 관한 것으로, 그 목적은 박판주조설비에서 듀플렉스 스테인레스강을 박주편으로 제조함으로써 열간압연에서 발생하는 에지크랙의 문제를 근본적으로 해결할 뿐만 아니라 제조 공정의 단순화에 의하여 제조 비용도 크게 절감할 수 있는 듀플렉스 스테인레스강의 제조방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 사이에 용강풀을 형성하는 한쌍의 주조롤(1, 1')의 상부에 메니스커스쉴드(5)가 설치된 박판주조기에서 박주편을 주조하고 권취하여 박주편을 제조하는 방법에 있어서, 상기 한쌍의 주조롤의 롤반발력을 20 톤 이상으로 유지하면서 듀플렉스 스테인레스 용강을 주조하여 박주편을 얻는 단계,

상기 박주편을 500℃ 이하의 온도에서 권취하는 단계로 이루어지는 박판주조기에서 듀플렉스 스테인레스강의 제조방법에 관한 것을 그 기술적요지로 한다.

박판주조기, 듀플렉스 스테인레스강, 롤반발력, 롤닢, 권취온도

Description

박판주조기에서 듀플렉스 스테인레스강의 제조방법{Method to produce duplex stainless steel by strip caster}

도 1 은 연속주조 공정과 박판주조 공정의 비교도

도 2 는 박판주조기 상세도

도 3은 롤닢을 나타내는 개략도

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1, 1'. 주조롤 2. 래들

3. 턴디쉬 4. 침지노즐

5. 메니스커스 실드 6. 브러쉬롤

7. 에지댐 8. 주편

9. 핀치롤 10. 수냉장치

11. 권취코일

본 발명은 듀플렉스 스테인레스강을 제조하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 용탕으로부터 직접 박판을 제조하는 쌍롤형 박판제조설비에서 듀플렉스 스테인레스강을 제조하는 방법에 관한 것이다.

듀플렉스 스테인레스강은 오스테나이트 스테인레스강에 비하여 성분조정에 의하여 크롬당량(Creq)를 높이고, 니켈당량(Nieq)를 낮춤으로써 응고모드를 L-> L+d -> d -> d+g 로 변경시킨 강종이다. 따라서, 상온에서 페라이트(Ferrite)를 50 % 존재시키므로 기존의 오스테나이트계 스테인레스에 비하여 2 배정도의 고강도를 달성하고, Cr, Mo, N의 첨가에 의하여 고내식성 (내 pitting성, 내SCC성) 확보할 수 있는 강종이다. 듀플렉스 스테인레스강은 내식성을 위하여PREN(Pitting Resistance Equivalent Number, 공식저항지수= Cr+3.3M0+16N)의 값을 32 이상으로 관리하고 있다.

이러한 듀플렉스강은 고강도, 고내식성이 요구되는 분야에 사용되며 화력발전소 FGD(Flue Gas Desulfurizer) 덕트(duct), 원자력 발전소 해수냉각 파이프, 조선용 화학탱크(chemical tanker), 해수용/화학용 설비등에 주로 사용되며, 현재 용도가 증가하는 강종이다. 일반적인 듀플렉스강의 대표적인 성분 조성을 아래 표에 나타내었다.

화학조성(중량%)
C	Si	Mn	P	S	Cr	Ni	Mo	N
0.030	1.00	2.00	0.030	0.020	22.0 -23.0	4.50 - 6.50	3.00 - 3.50	0.14 - 0.20

종래 듀플렉스 스테인레스강의 박판제조는 도 1(a)와 같은 설비에서 연속주조에 의하여 슬라브를 제조하고, 이를 열간압연하여 두께 2 - 6 mm 의 박판으로 생산하였다. 종래의 제조기술에서 문제점은 연속주조에 의한 슬라브의 제조에서는 커다란 문제는 없으나, 열간압연에는 문제가 심각해진다. 듀플렉스강의 열간압연에서 가장 큰 문제점은 열간압연중에 박판의 에지에서 크랙이 생기는 것인데, 에지 크랙이 심하게 발생하여 어떤 경우에는 크랙 부위를 절단하여도 쓸 수 없을 정도로 되어 생산성을 극도로 저하시킨다. 크랙 발생의 기구로는 오스테나이트와 페라이트 2 상이 존재하기 때문인데, 고온에서는 오스테나이트의 경도가 페라이트에 비하여 상대적으로 강하고 따라서 2 상에 대한 변형량이 달라지게 된다. 따라서, 2상의 계면에 응력이 집중되어 크랙이 발생하게 된다. 일반적으로 이러한 문제점을 해결하기 위하여 조업조건이 오스테나이트 스테인레스강의 제조공정에 비하여 엄격해진다. 즉, 그 조업조건은 계면 취화원소인 S의 함량을 10ppm 이하로 극소화하고, 조압연의 패스당 압하율를 20% 이하로 하는 것인데, S 함량을 10 ppm 이하로 하는 것은 극히 어려운 것으로 제조단가가 올라가고, 패스당 압하율은 낮추는 것도 생산성을 감소시키는 원인이 된다.

본 발명에서는 이러한 문제점을 해결하기 위하여 박판주조기를 이용하여 듀플렉스강을 제조하는 방법에 대하여 연구하는 과정에서 안출된 것으로, 듀플렉스 스테인 레스강을 박판주조설비에서 제조함으로써 종래의 가장 큰 문제점인 열간압연을 행하지 않아도 되므로 에지크랙의 발생문제를 근본적으로 해결할 뿐만 아니라 제조 공정의 단순화에 의하여 제조 비용도 크게 절감할 수 있는 듀플렉스 스테인레스강의 제조방법을 제공하는데, 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 듀플렉스 스테인레스강의 제조하는 방법은, 사이에 용강풀을 형성하는 한쌍의 주조롤(1, 1')의 상부에 메니스커스쉴드(5)가 설치된 박판주조기에서 주조하고 권취하여 박주편을 제조하는 방법에 있어서, 상기 한쌍의 주조롤의 롤반발력을 20 톤 이상으로 유지하면서 듀플렉스 스테인레스용강을 주조하여 박주편을 얻는 단계, 상기 박주편을 500℃ 이하의 온도에서 권취하는 단계로 구성된다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명자들은 듀플렉스 스테인레스강을 도 2와 같은 박판주조설비에서 제조하기위한 연구와 실험과정에서, 듀플렉스 스테인레스강의 초소성성질에 따른 연신에 의해 주편형상의 불량을 방지하기 위해서는 롤닢에서의 온도를 1000℃이하로 제어하는 것과 함께, 취성을 일으키는 시그마상의 석출을 억제하기 위해서는 권취온도를 적절히 제어하여야 한다는 사실을 밝혀내고 본 발명을 제안하게 이르렀다.

본 발명에서는 듀플렉스 스테인레스 용강을 한쌍의 주조롤(1, 1')의 사이에 용강풀 을 형상하고 그 상부에 메니스커스쉴드(5)가 설치된 박판주조기에서 박주편을 주조하고 권취하는 과정에서, 롤닢에서의 주편온도를 제어하는 것과 함께 권취온도를 제어하는데, 특징이 있는 바, 이를 구체적으로 설명한다.

[1] 롤닢에서의 주편온도제어

듀플렉스 스테인레스강이 주조되어 롤닙을 빠져나오면, 주편이 순간적으로 연신되어 주편의 형상이 매우 불량해 질 수 있다. 롤닢은 도 3에 나타난 바와 같이, 두개의 주조롤(1, 1')의 최근접점이다.

이러한 원인은 듀플렉스강의 성질에 기인한다. 듀플렉스 스테인레스강은 1000℃ 이상의 고온에서는 강도가 매우 약하고, 또한 초소성의 성질이 있어서 국부적으로 응력이 집중되면 매우 적은 힘에 의해서도 연신이 일어난다. 따라서, 이를 해결하기 위하여는 롤닙을 빠져나온 주편이 1000 ℃ 이하가 되도록 하여야 한다. 본 발명자들은 롤닢을 빠져나온 주편의 온도를 제어하기 위한 여러가지 방안을 강구하던중, 롤반발력이 커지면 주편이 주조롤사이에서 유지되는 시간이 길어질 뿐 아니라 응고셀과 주조롤간의 접촉성도 증가하여, 주조롤에 의해서 주편이 열을 많이 빼앗기게 되고, 따라서 롤닙을 빠져 나오는 주편의 온도도 감소한다는 사실에 주목하였다.

실제 롤반발력을 변화시켜 가며 롤닢을 빠져나오는 주편의 온도를 조사한 결과, 롤반발력을 20톤이상으로 조절하는 경우에는 주편의 온도가 1000℃이하가 되어 주편 형상이 양호해지는 것을 확인하였다.

[2] 권취온도제어

상기와 같이 롤닢을 빠져나온 주편은 수냉각되어 권취하는데, 이때의 권취온도는 듀플렉스 스테인레스강의 취성에 결정적인 영향을 미친다.

일반적으로 듀플렉스강에서 가장 중요하게 제어하여야 하는 시그마상은 (Cr, Mo) 가 40% 이상으로 많고 결정구조는 사방정계이다. 기지에 시그마상이 존재하면 재료의 취성이 증가되므로 최대한 석출을 억제하여야 한다. 시그마 상은 오스테나이트계 스테인레스강에서는 석출속도가 느리나, 듀플렉스강에서는 매우 빠르게 석출할 수 있으며, 수분이내에도 석출 가능하다. 특히 박판주조법에 의하여 제조하는 경우에는 주조시 빠른 냉각속도 때문에 델타페라이트 모드로 응고한 이후의 오스테나이트로 고상 변태하는 시간이 충분하지 않으므로 50 - 70% 까지의 비교적 많은 페라이트상이 존재하게 되므로, 이러한 취약한 시그마상이 생기기 쉬운 단점이 있다. 따라서, 이러한 시그마 상의 석출을 억제하기 위하여는 도 2의 수냉장치 (10) 에서 수냉각하여 코일의 권취온도를 엄격히 제한하여야 한다. 본 발명에 따르면 시그마상의 석출은 억제하여 충분한 인성을 얻기 위해서는 500℃이하로 권취온도를 제한하는 것이 바람직하다.

통상적으로 박판주조설비에서는 도 2에서와 같이 용탕면을 완전히 덮을 수 있고 가 스를 공급할 수 있는 메니스커스 쉴드를 (5) 사용하고 있다. 이때의 분위기 가스로는 용탕의 산화를 방지하기 위해 불활성가스를 사용하고 있다. 본 발명에 따라 듀플렉스 스테인레스강을 박판조주할 때에는 불활성가스로 아르곤, 질소를 사용하는 경우에 응고시의 용강 메니스커스와 주조롤 계면의 계면에너지를 변화하여 응고를 균일하게 할 수 있어 바람직하다. 보다 바람직하게는 용탕의 산화를 방지하기 위하여 아르곤, 질소를 충분히 공급하여 산소농도를 0.1% 이하로 관리하는 것이 좋다. 그리고, 분위기 가스로 질소를 사용하는 경우에는 질소의 용강으로 흡수가 중요한데, 질소의 흡수속도는 아래식을 통해 알 수 있다.

질소의 흡수 속도

d[%N]/dt = K (A/V)([%N]_s -[%N])

K : 물질 이동계수 , A : 반응 계면적, V : 용강의 체적

[%N]_s : 질소의 평형 농도 (STS304 : 1800ppm, 듀플렉스 스테인레스강 : 5100ppm)

[%N] : 질소의 실제 농도 (STS304 : 500ppm, 듀플렉스 스테인레스강: 1700ppm)

△[%N] = [%N]_s-[%N] (STS304 : 1300ppm, 듀플렉스 스테인레스강: 3400ppm)

위식에서 분위기 가스로 질소를 사용할 경우 질소의 흡수가 듀플렉스 스테인레스강이 STS 304에 비하여 크므로, 조도를 가진 주조롤에 응고셀이 전사되는 비율이 증가하며, 따라서 응고능이 커지게 되어 주조속도가 증가한다.

본 발명에 따라 듀플렉스 스테인레스강을 박주편으로 직접주조하게 되면 슬라브 연주법에서의 열간압연공정을 생략할 수 있어 제조원가가 슬라브 연주법에 비하여 저감 되는 장점이 있으며, 급속응고에 의한 비평형상의 존재로 입도 미세화나 개재물 미세화 등에 의하여 주편 내부품질도 우수하다.

이하, 본 발명을 실시예를 통하여 보다 구체적으로 설명한다.

[실시예 1]

표 1의 듀플렉스 스테인레스강을 박판주조설비에서 롤반발력을 변화시켜 가면서 주편으로 제조하였다. 이때 롤반발력에 따른 롤닙직후의 주편온도를 측정하고, 주편형상을 조사하고 그 결과를 표 2에 나타내었다.

롤반발력	롤닙직후의 주편온도	주편형상
5 톤	1155 도	불량 (국부적인 연신)
10 톤	1108 도	불량 (국부적인 연신)
20 톤	1000 도	양호
30 톤	920 도	양호

표 2에 나타난 바와 같이, 20 톤 롤반발력을 적용하면 롤닙직후의 주편온도는 1000℃ 이하가 되고, 롤반발력이 증가하면 롤닙을 빠져나오는 주편의 온도는 더욱 감소하게 된다. 따라서, 형상이 양호한 주편을 얻기 위해서는 최소한 20 톤 이상의 롤반발력을 적용하여 주조하는 것을 알 수 있다.

[실시예 2]

표 1의 듀플렉스 스테인레스강을 박판주조설비에서 주편으로 제조한 다음에 권취온도에 따른 충격흡수에너지를 측정하고 그 결과를 표 3에 나타내었다.

권취온도	충격흡수에너지 (J/cm2)
400 도	350
450 도	360
500 도	340
550 도	170
600 도	100
650 도	70
700 도	50
750 도	40

표 3에 나타난 바와 같이, 시그마상의 석출은 억제하여 충분한 인성을 얻기 위해서는 500℃ 이하의 온도로 권취하여야 한다.

상술한 바와 같이, 본 발명에서는 연속 박판 주조기에서 듀플렉스 스테인레스강을 제조함으로써 종래의 열간압연과정에서 발생하는 에지크랙의 문제를 근본적으로 해결하면서 공정단축에 의하여 제조원가를 절감할 뿐 아니라, 고강도, 고내식성의 장점이 있는 듀플렉스강을 생산하여 용도도 확대될 수 있는 유용한 효과가 있는 것이다.

Claims

사이에 용강풀을 형성하는 한쌍의 주조롤(1, 1')의 상부에 메니스커스쉴드(5)가 설치된 박판주조기에서 주조하고 권취하여 박주편을 제조하는 방법에 있어서,

상기 한쌍의 주조롤의 롤반발력을 20 톤 이상으로 유지하면서 듀플렉스 스테인레스용강을 주조하여 박주편을 얻는 단계,

상기 박주편을 500℃ 이하의 온도에서 권취하는 단계로 이루어지는 박판주조기에서 듀플렉스 스테인레스강의 제조방법.
제 1항에 있어서, 상기 용강풀과 메니스커스쉴드 사이의 분위기 가스는 아르곤, 질소를 사용하고, 분위기내의 산소농도는 0.1% 이하임을 특징으로 하는 박판주조기에서 듀플렉스 스테인레스강의 제조방법.