KR100676656B1 - 알루미늄 킬드 연속 주조 강의 주조성 개선을 위한 처리방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 알루미늄 킬드된 (또는 킬드 과정 중에 있는) 용융 극저탄소강 또는 저탄소강에 칼슘이 첨가되어, 주조 온도 이하의 융점을 갖는 비금속 탈산화 함유물이 형성되는 처리 방법에 관한 것으로서, 용강은 레들 정련 장치에서부터 구리 주형에 이르는 처리 과정 중에서 최소 마그네슘 함유량이 약 2 ppm으로 유지되는 것을 특징으로 한다. 본 발명의 방법은 강의 함유물 전체의 용융도 범위를 증가시키고, 그로 인해 아르곤 버블링의 필요 없이 고도로 알루미늄-킬드된 극저탄소 등급의 주조성을 개선시킨다.

Description

알루미늄 킬드 연속 주조 강의 주조성 개선을 위한 처리 방법 {TREATMENT FOR IMPROVING THE CASTABILITY OF ALUMINIUM KILLED CONTINUOUSLY CAST STEEL}

본 발명은 강의 연속 주조에 관한 것이다. 더욱 구체적으로, 킬드강, 특히 저탄소강 또는 극저탄소강 (ULC 강 또는 IFS로 칭함)으로 만들어진 슬랩 또는 스트립을 주조할 때, 주조 노즐의 막힘을 방지하는 것에 관한 것이다.

단면이 넓은 반완성 제품 (슬랩, 얇은 슬랩, 스트립 등)의 연속 주조는, 주조 금형 위에 위치한 턴디시 (tundish)로부터 용융 금속을 주조 금형에 공급할 때 통상적으로 침잠된 노즐을 사용해야 한다고 알려져 있다.

또한, 이들 노즐은 파울링 (fouling)으로 인해 비교적 장기간 완전히 막히게 되고, 따라서 진행 중인 주조 조업이 즉각 정지되는 결과를 가져오는 것으로 알려져 있다.

파울링은, 노즐을 통해 액체 금속을 주형으로 통과시키기 위한 파이프가 주위로부터 중심을 향해 점진적으로 좁아지는 현상이라는 것이 상기될 것이다. 이러한 현상의 기원은 노즐의 내부 벽에 고체 입자가 축적되는 것으로서, 상기 입자는 액체 금속의 탈산화에서 기인하는 비금속 함유물이다. 이들 함유물은, 용융 금속이 앞서 거쳤던 야금 처리 과정 중에 용융 금속 내에 이미 존재하거나, 용융 금속이 주위 대기로부터의 산소를 충분히 침투시키지 않는 경우, 실제로 노즐을 통과하는 중에 형성된다. 이들 비금속 함유물의 수 및 부피는 주조되는 강의 등급에 따라 달라지며, 용융 금속의 온도에서 상기 함유물이 고체화되는 정도 또한 달라진다.

이러한 관점에서, 특히 저탄소강 또는 극저탄소강 (예를 들면, IFS 형), 및 이에 따른 고도로 킬드된 강을 주조하는 경우에, 주조성에 심각한 곤란이 발생할 수 있는 것으로 알려져 있다.

통상적으로, 이러한 종류의 강은 정련 레들 (ladle)에서 알루미늄의 추가에 의해 킬드되며, 알루미늄은 철강 제조에서 널리 사용되는 탈산화제 (deoxidizing agent)이다. 탈산화 반응은 알루미네이트를 생성시키며, 이는 대부분이 먼저 레들 내부의 용강, 그리고 턴디시 내부의 용강의 표면에 침전된다. 그러나, 이들 비금속 함유물의 일부는 반드시 주조 시에 액체 금속 덩어리 중에 현탁 상태로 남는다. 특히, 이 입자들이 노즐을 통해 이동되는 동안 파이프의 벽에 부착되어 경시적인 침착 현상을 통해 최종적으로 통로를 막는다.

불활성 플러슁 (flushing) 가스 (특히 아르곤) 스트림을 노즐을 통해 흘림으로써 상기 막힘을 방지하는 것이 공지되어 있다. 그러한 가스 플러슁이 파울링에 대해 반작용하도록 하는 메커니즘, 또는 보다 많은 경우에는 메커니즘들은 아직 완전히 밝혀지진 않았지만, 버블링이 주조 조업의 착수 시에 바로 설치된 경우에 결과는 일반적으로 만족스럽다. 그렇지 않은 경우, 함유물의 덩어리가 탈착되어 금속을 심하게 오염시켜서, 오히려 더 나쁜 결과를 초래하게 한다.

그러나, 상기 방법은 정확하게 적용하더라도 원치 않는 부작용이 전혀 없는 것은 아니다. 뒤따르는 롤링 과정 중 스트립에 "기포 (blister)" 유형의 결점이 생길 수 있으며, 이는 주형-내 고체화된 금속 중에 기포가 갇히는 현상을 초래하는 것으로 알려져 있다.

예방 조치 수단에 의해 노즐의 막힘을 방지하는 것이 또한 공지되어 있는데, 이의 일차적인 유익성은 "아르곤 버블링"이 필요없게 한다는 것이다. 이들 방법 중 하나는, 주조 전에 Ca (예를 들면 Si-Ca 또는 Ca-Fe의 형태)와 같은 플럭스 (flux)를 용융 금속에 첨가함으로써, 턴디시에서 또는 바람직하게는 이미 정련 레들에서 상기 플럭스가 탈산화 알루미네이트와 착화하여, 용융성이 더 좋은 함유물을 형성하는 것으로 이루어지며, 상기 함유물은 원칙적으로 주조 온도에서 액체 상태로 남게 된다. 칼슘을 첨가함에 따른 이런 유형의 예방 조치는 예를 들어 문헌 EP-A-0 512 118에 기재되어 있고, 이의 전체적인 내용이 본 명세서에 참조로서 인용되는 것으로 이해되어야 한다.

그러나, 그러한 막힘의 화학적 처리는 항상 기대하는 결과를 가져오지는 않는다. 이는, 형성된 함유물이 칼슘의 존재에도 불구하고 이미 턴디시에서 고체 상태가 되며, 금속을 현저히 과열시키는 주조의 경우에서도 그렇게 되는 일이 종종 발생하기 때문이다.

본 발명은 첨부된 도면을 참조로 하는 실시예에 의한 하기 설명에 의해 더욱 분명히 이해되고, 추가적인 측면들이 자명해질 것이다:

- 도 1은, 극저탄소 등급 강의 1560℃ (주조 온도)에서의 함유물 침전 범위가, y-축에 나타낸 칼슘 함유량 및 x-축에 나타낸 전체 (용해되고 결합된) 산소 함유량의 함수로서 나타내어지는 상태도 (phase diagram)로서, 이 경우는 마그네슘이 미량 (0.1 ppm 미만)으로밖에 존재하지 않으며;

- 도 2는 도 1에서와 유사한 상태도이나, 단 용강 중의 마그네슘 함유량이 2 ppm인 상태도이며;

(상기 양 상태도는 모두 주조 과정을 나타내는 기호를 포함하는데, 막힘이 발생한 경우는 닫힌 기호이고, 발생하지 않은 경우는 열린 기호이다);

- 도 3은, 용강 중의 전체 (용해되고 결합된) 산소 함유량의 함수로서, 용강에 용해된 마그네슘의 최대 허용량의 변화를 나타내는 그래프이며, 당해 칼슘 함유량은 마그네슘 첨가 없이 액상 산화물을 수득하는 데에 필요한 최소 값에 해당하는 것으로 이해된다.

본 발명의 목적은 구체적으로 주조 전에 용강을 칼슘 처리함에 따라 형성된 산화 함유물의 유동성을 좋게 하는 것이다.

상기 목적을 위한 본 발명의 주제는, 소정의 산소 함유량을 달성하기 위해, 알루미늄으로 킬드된 (또는 킬드 공정 중에 있는) 용융 극저탄소강 또는 저탄소강에 칼슘을 첨가하여, 강이 주형 내에서 주조되는 온도 이하의 융점을 갖는 탈산화 함유물을 형성하도록 하는, 연속주조 강의 레들-내 (in-ladle) 야금 처리 방법으로서, 레들에서부터 주형에 이르는 처리 과정 중에서 용강은 용융된 마그네슘 함유량이 2 ppm 이상 부근에서 상기 함유량이 초과되지 않도록 유지되는 것을 특징으로 하며, 상기 마그네슘 함유량은 용강의 산소 함유량에 의존하며, 상기 함유량을 초과하는 경우 마그네슘-기재 고체 스피넬이 형성될 수도 있다.

이해되었겠듯이, 본 발명은 소량의 마그네슘이, 킬링 후에 존재하거나 칼슘의 존재 하에서 주조 과정 중 형성되는 탈산화 함유물을 액체 상으로 유지시키는 데에 유익하다는 발견을 기초로 한다. 이는, 칼슘-처리된 용강 중에 소량의 마그네슘 (즉, 알루미늄-킬드 저탄소강 또는 극저탄소강에서 통상적으로 나타나는 산소 함유량에 대해, Mg 약 2 ppm 이상, 가능하게는 8 내지 10 ppm까지)이 존재하면, 주조강 중의 함유물 전체의 물리적 특성에 영향을 미치는데, 마그네슘 원소는 강의 주조 온도 (약 1520 내지 1570℃)에서 액체 칼슘 알루미네이트의 존재 범위를 상당히 넓히기 때문이다. 또한, 그러한 범위 확장은 매우 적은 양의 마그네슘의 존재로도 매우 민감하며, 매우 낮은 Mg 함유량으로부터의 적은 변동 (1 ppm 미만의 변동)이, 앞으로 보게 되듯이, 결과적으로 용융도 범위를 넓히게 됨이 강조되어야 할 것이다.

본원에서 고려되는 ULC 강은 하기의 중량 기준 조성을 가지며, 1 %의 1/1000의 값으로 나타내어지나, 단 질소 (N)의 경우는 ppm으로 나타내어진다:

C Mn P S Al Si Ti Cr Ni N

<5 90-140 5-15 3-10 35-50 10-35 65-75 15-30 20 25-45 ppm

예를 들어, 산소 전환기로부터 배출되는 상기 용강은, 먼저 "진공" 탈탄 (decarburizing) 처리를 거친다 (진공 생성 장치가 장착된, 등급 강 제조 용도의 정련용 고정 노-레들 (furnace-ladle) 또는 RH 단위에서 수행됨). 그 후, 용강은 알루미늄 첨가에 의해 킬드된다. 이 원소는, 용강 중의 목적하는 전체 잔류 산소 함유량에 도달하기에, 즉 알루미네이트 함유물이 침전하는 데에 필요한 시간을 고려하여, 턴디시 내의 전체 (용해되고 결합된) 산소의 약 20 내지 30 ppm에 도달하기에 충분한 양으로, 따라서 주조 바로 전에 공급된다.

알루미늄이 첨가됨과 동시에 또는 그 직후에, 소모성 Si-Ca 코어드 와이어 (cored wire)를 용강에 도입시킴으로써 칼슘 첨가가 이루어진다. 요구조건에 따라, 그리고 높은 증기압을 갖는 이러한 종류의 원소가 용강에 용해될 때의 저효율성 (유의하였을 때의 효율은 약 10 내지 15%임)을 염두해서, 칼슘 첨가를 조절하여, 약 25 ppm의 전체 칼슘 양 (용해된 칼슘, 및 알루미네이트와 술피드의 형태로 결합된 칼슘)을 수득한다.

마그네슘에 대하여는, 알루미늄에 의한 탈산화 후에는 어느 때든지 도입될 수 있으며, 칼슘이 탈산화 후에 첨가될 경우 칼슘과 따로 또는 동시에 도입될 수 있다.

본 발명에 따른 마그네슘의 소량 첨가는 레들, 또는 가능하게는 턴디시에서, 용강으로 도입되어 그 속에서 용융되는, 예를 들면 Ni-Mg 합금으로 만들어진 소모성 코어드 와이어를 사용하여 수행할 수 있다.

용해된 Mg의 의도되는 최소 함유량 2 ppm은 레들-내 용강상에 형성되는 적합한 조성의 슬래그를 사용함으로써 금속-슬래그 평형에 의해서도 달성될 수 있다. 예를 들면, 전체 염기 슬래그에 대해 10 중량% 이하의 MgO를 함유하는 염기 슬래그를 사용하는 것이 적합하며, 그러한 조성의 예는 하기와 같다 (값은 중량%로 나타내어진다): Al₂O₃: 56%; MgO: 3%; CaO: 41%.

1560℃의 주조 온도에서, 2 ppm의 최소 함유량으로 존재하는 마그네슘으로 처리하여 용융가능한 함유물의 범위를 넓힘으로써 수득된 결과가 도 1에 대하여 도 2에 나타내어지고, 도 1은 마그네슘 처리를 하지 않은 것 외에는 다른 모든 것이 동일한 상황을 나타낸다.

도 1과 도 2의 단순한 시각적 비교는, 소량의 마그네슘의 존재가 용융된 ULC 강 중의 탈산화 함유물 (칼슘 알루미네이트)의 용융도 범위 I의 확장에 미치는 유익한 효과를 즉시 나타낸다. 상기 확장은 실제로는 아래를 향하여, 즉 처리 칼슘의 최소 함유량을 향해, 다르게 표현하면, 주어진 칼슘 함유량에 대한 산소의 최고 함유량을 향해 이루어진다. 더욱이, 이는 동시에 전체적인 하향 이동으로서, 산화물이 부분적으로 액상인 하부의 인접한 범위 II (낮은 Ca %)의 상응하는 확장을 나타내는 반면, 상부의 인접한 범위 IV (높은 Ca %)는 산화물은 액상이지만 칼슘 술피드가 침전물로서 함께 존재하는 범위를 유지한다. 용융도 범위의 상한선 (영역 I로부터 영역 IV로의 전이)은 다른 모든 조건이 동일한 경우, Mg 함유량이 아니라 황 함유량에 의존한다는 것이 숙지될 것이다.

반면, 상태도 상에서 전이 범위 II 하부에 있는 영역 III, 즉 탈산화 함유물이 고체 상으로 존재하는 영역의 전체는, 액체 범위 I 및 하부의 인접한 전이 영역 II의 공동 확장의 효과에 의해 실질적으로 감소한다.

상기의 두 그래프 중 각각에 위치한 작은 원 기호를 주목하여 살펴보면, 본 발명에 따른 소량의 마그네슘으로 인한 용융도 범위 I의 확장과 주조 노즐의 막힘 현상간에 우수한 상관 관계가 존재함을 볼 수 있다. 작은 열린 기호는 막힘이 없는 성공적인 주조 조업을 나타내는 반면, 닫힌 검은 기호는 현저한 막힘으로 곤란한 주조 조업을 나타낸다. 상기 기호들은, 주조 중간에 분석을 위해 턴디시로부터 채취된 시료 중의 전체 칼슘 및 산소 함유량의 분석학적 검출 결과임을 설명한다.

살펴본 바와 같이, 초과할 경우 액체 산화물이 형성되는 용해된 칼슘의 레벨은, 초과할 경우 강의 주조성이 개선되는 용해된 칼슘의 레벨과 잘 일치한다.

본 발명에 따라, 저 마그네슘 함유량을 달성하고, 탭핑 레들 (최종 등급으로 조정되는 이차 야금술 및 킬링이 수행되는 위치)에서부터 주조 주형에까지 그 레벨을 유지함으로써, 결과적으로 하기가 달성된다:

- 레들-내 칼슘 처리에서의 보다 우수한 유연성 (허용가능한 함유량의 범위는 마그네슘이 존재할 때, 특히 앞서 본 바와 같이 칼슘 함유량이 낮은 쪽으로 더욱 넓어지므로); 및

- 결과의 보다 우수한 재현성 (마그네슘의 효과는 매우 적은 양에서도 함유물 침전 범위에 걸쳐 매우 민감하므로, 제어하지 않을 경우 산화물이 액체 상으로 존재하는 범위로 쉽게 전이할 가능성이 있다.)

본 발명은, 기재된 실시예로써 한정되는 것이 아니라, 첨부된 청구범위에 의해 지어지는 한정을 고려하여 다수의 변형법 또는 동등물법으로 확대되는 것으로 이해되어야 함은 말할 필요도 없다.

특히, 본 발명에 의해 의도되는 결과가 용강의 최소 마그네슘 함유량인 약 2 ppm을 사용하여 이를 함침시킴으로써 이미 수득될 수 있다 하더라도, 최종 용강의 통상적 산소 함유량에서, 상기 값은 단순히 주조성을 실패 없이 개선시킴을 확신시키는 하한선이다. 다시 말하자면, 본 발명은, 용강의 실제 산소 함유량에 따라, Mg 함유량이 Mg가 MgO의 고체 스피넬을 형성하기 시작하는 값으로 접근하도록, 하지만 그 값에 이르지는 않도록 주의하면서 (주조되는 금속 중에 상기 스피넬이 존재하면 노즐 막힘 방지에 관한 본 발명의 유익성을 무효화시킬 것이다) 조정하도록 유의할 경우, 함유물의 용융도 범위 I의 확장에 대하여, 보다 우수한 결과를 낳을 수 있다.

도 3은 구체적으로, 초과할 경우 주조 온도에서 용강 중에 원치 않는 스피넬이 형성되는, 용강 중의 전체 산소 함유량의 함수로서 Mg 함유량의 상한선 수치를 그래프의 형태로서 나타낸다. 여기서 당해 Ca 함유량이 Mg의 첨가 없이 산화물이 액체 상태로 존재하는 최소 값에 해당함이 상기될 것이다. 보는 바와 같이, 상기 상한선 수치를 나타내는 곡선이 산소 함유량의 증가와 함께 균일하게 증가한다. 원래의 함유량이 낮은 특성으로 인해, 약 2 ppm의 Mg 함유량은 용강의 산소화 레벨에 상관없이, 항상 스피넬 형성의 한정적인 시발점 이하로 유지될 수 있음이 분명해진다. 또한 곡선의 중간을 주목하면, 극저탄소강의 경우에 있어서 현재 보통 달성되는 값인 20 내지 30 ppm의 전체 산소 함유량에서, 초과되지 않아야 하는 한계 값은 산소 함유량이 30 ppm에 근접하는가, 20 ppm에 근접하는가에 따라 약 6 ppm±2 ppm 정도이다.

Claims (3)

1. 소정의 산소 함유량을 얻기 위해 알루미늄으로 킬드된 (또는 킬드 과정 중에 있는) 용융 극저탄소강 또는 저탄소강에 칼슘을 첨가하여, 강이 주형 내에서 주조되는 온도 미만의 융점을 갖는 탈산화 함유물을 형성하는 연속주조 강의 레들-내 (in-ladle) 야금 처리 방법으로서,

   상기 레들에서부터 주형에 이르는 처리 과정 동안 용강 중의 용해된 마그네슘 함유량이 최소 2 ppm 내지 최고 10 ppm으로 유지되는 것을 특징으로 하는 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 마그네슘은 탭핑 레들 (tapping ladle)로 도입되며, 용강 중의 마그네슘 함유량은 전체 염기 슬래그에 대해 10 중량% 이하로 MgO 를 함유하는 염기 슬래그를 사용하는 금속-슬래그 교환에 의해 유지되는 것을 특징으로 하는 방법.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 마그네슘은 소모성 코어드 와이어 (cored wire)의 형태로서 도입되는 것을 특징으로 하는 방법.