KR100897143B1

KR100897143B1 - 표면품질이 우수한 고 니켈 합금의 연속주조방법

Info

Publication number: KR100897143B1
Application number: KR1020020044082A
Authority: KR
Inventors: 김선구; 김종완; 김지준; 서영종
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2002-07-26
Filing date: 2002-07-26
Publication date: 2009-05-14
Also published as: KR20040011015A

Abstract

본 발명은 수직만곡형 연주기로 주조속도와 냉각속도를 적절히 제어함으로써 고 Ni 합금강 연속주조시에 발생하는 주편 표면 및 내부크랙을 방지하기 위한 연속주조방법을 제공하는 것을 목적으로 하며, 초정 오스테나이트상으로 응고를 시작하고, 응고과정중 상변태없이 응고를 완료하는 니켈 함량이 30∼45wt.% 범위인 고 Ni 합금을 수직만곡형 연속주조기에서 제조하는 방법에서, 상기 고 Ni합금을 냉각속도를 1~200(℃/min) 범위로 조절함과 동시에 주조속도를 0.8~1.2(m/min)로 유지하여 조업하는 것을 특징으로 하는 표면품질이 우수한 고 니켈 합금의 연속주조방법을 제공한다.

니켈, 연속주조, 연주기

Description

표면품질이 우수한 고 니켈 합금의 연속주조방법{method of manufacturing high Ni alloy steel with good surface quality}

도 1은 본 발명에 관한 연속주조장치를 도시한 개략도.

도 2는 일반적인 Fe-Ni 합금의 상태도.

도 3은 고 Ni 합금의 응고 및 편석과정을 설명한 개략도.

(주요 도면부호의 간단한 설명)

1 : 용강 2 : 래들

3 : 쉬라우딩 노즐 4 : 턴디쉬

5 : 턴디쉬 댐 6 : 턴디쉬 스토퍼

7 : 침지노즐 8 : 주형

본 발명은 수직만곡형 연주기에 의한 고 Ni 합금의 연속주조방법에 관한 것으로, 더욱 상세히는 고 NI 합금을 연속주조로 제조하는 경우 주편 표면 및 내부크랙을 방지하고, 열간압연시 발생하는 선상결함을 방지하기 위해 수직만곡형 연주기로 주편을 제조하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 고 Ni 합금 (36wt.%Ni 합금)은 -196~180℃ 온도 구간에서 매우 낮은 열팽창 특성 (<1.2x10^-6/℃)을 가지며, 또한 극 저온에서도 인성이 우수하여 바이메탈(Bi-metal), 액체질소 (LNG) 저장탱크, 칼라 TV 및 컴퓨터 모니터의 쉐도우 마스크(shadow mask) 등에 사용되고 있으며, 산업의 고도화 및 고 기능화에 따라 이러한 고부가가치 합금의 수요는 꾸준히 증가하고 있는 추세이다

그러나 고 Ni 합금을 연속주조로 제조할 경우, 제조비용이 저렴한 잇점이 있지만, 응고과정이 초정 오스테나이트 상으로 응고를 시작해서 상변태 없이 응고를 완료하기 때문에 연속주조 과정에서 표면 및 내부크랙이 발생하는 문제점으로 인해 강괴법 (ingot casting)에 의한 제조가 일반화 되고 있는 실정이다.

종래에는 수직형 연주기를 보유한 일본야금(日本冶金)과 신일본제철만이 바이메탈용을 연속주조로 제조하고 있다. 또한 이러한 합금은 가열로내에서 내부 산화가 심하게 발생되며, 이러한 내부 산화는 열간압연시 열간 가공성 저하 및 표면결함을 유발한다. 열연과정에서 발생하는 결함에 대해서는 무산화 가열로를 사용하거나, 스라브(slab) 표면에 산화 방지제의 도포 및 탄소강 혹은 스테인레스 강판을 덮어서 가열하는 기술을 적용하기도 한다. 이는 일본 특허공보 소55-94791에 개시되어 있다.

한편 탄소강의 연속주조 주편에 있어서도 표면 및 내부크랙등의 표면결함이 발생하지만, 몰드 파우더의 개선, 몰드 냉각의 개선, 2차냉각 패턴의 개선등에 의해 이러한 결함을 방지하였다.

그러나 Ni을 30wt.% 이상 함유한 고 Ni 합금강은 조직학적으로는 초정이 오스테나이트상이고, 응고과정중 상변태 없이 오스테나이트 상으로 응고를 완료하기 때문에 오스테나이트 입계에는 P, S등 불순물의 편석이 심하게 발생되고, 또한 응고조직이 조대하게 형성되어 열간압연시 열간가공성이 저하되어 크랙이 발생하기 쉽다. 특히 에지(edge) 크랙이라고 일컬어지는 스라브 에지와 열연판 에지에 발생하는 크랙은 실수율을 크게 떨어뜨리는 등 제조를 불가능하게 하는 문제점을 야기시키고 있다.

이처럼 제조 가능여부를 결정짓는 크랙은 열간압연 공정에서 산세후 검출되는 선상 결함이다. 이러한 선상결함은 발생장소가 연주주편이기 때문에 재산세와 그라인딩(grinding) 같은 정정공정을 통해 선상결함을 제거하는 추가 공정으로 인해 가격상승의 요인이 되고 있다. 이같은 선상결함을 방지하기 위해 연속주조 공정에서부터 열연 및 소둔 공정에 이르기까지 여러가지 검토가 이루어져 왔다.

연속주조 공정에서 선상결함은 응고조직이 불균일하게 형성되었을 때 야기되기 때문에 방지하는 대책으로서는 재료의 인성을 높이는 관점에서 Ca과 Ti을 첨가하는 방법(일본 특개소 57-26141)등이 보고되고 있다. 그러나 이러한 재료에 대해 인성을 높이는 불순물 제거와 미량원소의 첨가는 연속주조 전단계인 정련과정에서 부가적인 공정을 필요로 하기 때문에 온도보상, 정련재 및 합금등 원가상승의 요인이 되고 있다. 한편 특수한 원소를 첨가하지 않고 표면 크랙을 억제하기 위해 냉각대에서 수량 밀도를 균일하게 조절하며, 이를 위해 오벌 타입(oval type) 형상의 스프레이 노즐을 사용하기도 한다. (철과강, 67-1980, S738). 한편 일본 특공평 2- 9651호 공보에 의하면, 주편 표층부 조직개선의 관점에서 오스테나이트계 스테인리스강의 Si 함유량을 규제한 스라브르 가열로 투입전에 숏 브라스터 (shot blast)를 행하여 주편 표층부에 가공층을 만들어서 가열시 스라브 표층부 응고조직의 재결정을 통해 결정립을 미세화시킴으로써 크랙을 방지하는 기술을 제시하고 있다. 그러나 위에서 서술한 방법은 추가공정이 요구되고, 또한 공정상의 부하를 증가시키기 때문에 위의 방법으로는 표면 및 내부크랙을 완전히 제거하기는 곤란한 실정이다.

본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로써, 수직만곡형 연주기로 주조속도와 냉각속도를 적절히 제어함으로써 고 Ni 합금강 연속주조시에 발생하는 주편 표면 및 내부크랙을 방지하기 위한 연속주조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위하여, 초정 오스테나이트상으로 응고를 시작하고, 응고과정중 상변태없이 응고를 완료하는 니켈 함량이 30∼45wt.% 범위인 고 Ni 합금을 수직만곡형 연속주조기에서 제조하는 방법에서, 상기 고 Ni합금의 액상선부터 1300℃의 온도구간에서 냉각속도를 1~200(℃/min) 범위로 조절함과 동시에 주조속도를 0.8~1.2(m/min)로 유지하여 조업하여 연속주조시와 열간압연시 선상결함이 적은 고 Ni 합금강의 연주주조 방법을 제공하는 것을 특징으로 한다.

이하 본 발명을 도면을 참조하여 더욱 상세히 서술한다.

본 발명은 고 Ni 합금강을 연속주조로 제조하는 경우 연속주조 주편을 열간 압연시 코일 선상결함의 발생위치와 주편크랙과의 상관성을 조사하여 주편의 표면 및 내부크랙을 연속주조시 방지하는 것이다.

본 발명에 있어서 연속주조과정은 도 1에 도시된 바와같이, 제강과정에서 정련을 완료한 용강(1)이 담겨있는 래들(2), 상기 래들(2)과 주형(8) 사이에서 버퍼역할을 하는 턴디쉬(4), 주편을 제조하는 수직형 주형(8) 및 2차 냉각대(9)로 구성되어 있다. 상기 래들(2)과 턴디쉬(4) 사이에는 쉬라우딩 노즐(3)이 있다. 턴디쉬(4) 내부에는 용강의 유동을 제어하기 위한 턴디쉬 댐(5)이 있고, 턴디쉬(4)와 주형(8) 사이에는 침지노즐(7)이 있고, 침지노즐(7) 상부에는 용강의 유량을 조절하는 턴디쉬 스토퍼(6)가 설치되어 있다. 고 Ni 합금강은 Ni 함량이 30 ~ 45 wt.% 범위를 대상으로 한다. 본 발명에서 고 Ni 합금강은 상술한 바 처럼 열팽창율이 1.2×10^-6/℃ 이하인 인바합금을 대상으로 한 것으로 이러한 물성치를 갖기 위하여는 Ni 함량이 30 ~ 45 wt.% 범위가 요구된다.

이러한 고 Ni 합금강은 도 2의 Fe-Ni 합금의 상태도에서 알 수 있듯이 초정 오스테나이트 상으로 응고를 시작하고 응고과정중 상변태 없이 응고를 완료하는 특성을 지니므로 연속주조시 주편 표층부에 크랙이 발생하기 쉽다.

주편 표층부의 크랙을 방지하고, 또한 열간압연시 크랙을 방지하기 위해서는 고 Ni 합금의 응고과정과 편석거동이 파악되어야 한다. 이에 대한 과정을 도 3에 나타낸 모식도를 통하여 설명한다.

1 단계; 액상으로부터 1차 수지상정이 형성되고, 온도가 낮아지면서 1차 수 지상 팁(tips) 바로 아래부분에서 2차 수지상이 형성된다. 이 단계에서는 고온균열이 발생되어도 액상이 자유로이 움직일 수 있기 때문에 고온균열을 보상해 준다. 따라서 1단계에서는 고온균열이 발생되기는 어렵다.

2단계; 수지상정의 조대화가 이루어져 2차 수지상정이 서로 만나게 되며, 이러한 수지상정들은 서로 연결된 네트워크(network)를 형성하게 되므로 재료는 강도를 갖게 된다.

3단계; 2차 수지상정이 소멸되어 수지상정의 형상이 직선적으로 바뀌게 된다. 온도가 더 낮아지면, 결정립내에 존재하는 1차 수지상정은 거의 소멸된 상태가 되며, 액상 막 (liquid film)은 수지상정 사이에서 갇히게 된다. 이러한 상태에서 재료의 강도는 수지상정사이에 잔존해 있는 액상 막으로 인해 매우 낮게 되기 때문에 외부 응력이 조그만 작용되어도 고온균열은 발생되기 쉽다. 이러한 과정을 통해 야기된 고온균열은 일반적으로 응고 균열로 명칭된다. 수지상정사이에 잔존하게 되는 액상 막은 응고시 편석되는 함량에 의해 영향을 받기때문에 P, S등의 불순물 함량이 높은 경우나, 응고시 냉각속도가 빠른 경우는 편석이 증가하기 때문에 응고 균열은 증가한다.

4단계; 결정립 내에 있는 수지상정이 약 1300℃ 온도까지 소멸과정이 진행되어 최종적으로는 결정립만 존재하게 된다. 이 단계에서 형성되는 입계 균열은 다음과 같은 과정을 통해 발생된다. 결정립과 결정립이 만나는 부분에는 미세 공동 (micro-cavity)들이 존재하게 되고, 이러한 미세 공동은 결정립의 크기에 의해 영향을 받는다. 결정립의 크기가 크면 클수록 미세 공동은 크게 형성된다. 입계에 존 재하는 이러한 미세 공동은 고온균열 (입계 크랙)의 핵생성 사이트로 작용하고, 외부응력이 소재에 가해졌을 때 미세공동의 합체 및 전파가 이루어져 입계 균열이 발생된다. 냉각속도가 느린 경우 고 Ni 합금은 주상정의 응고조직을 형성하고, 온도가 낮아지면 이러한 주상정 조직은 커다랗고 입계가 직선인 결정립으로 변화하게 된다. 이러한 조직에서 발생된 미세공동은 소재에 외부응력이 작용할 때 입계를 따라 쉽게 전파되기 때문에 최종적으로 입계 균열 즉 고온균열이 발생되기 쉽다. 한편 냉각속도가 빠른 조건에서 응고하는 경우, 고 Ni 합금은 크기가 작은 결정립을 형성하며, 이러한 결정립에서는 미세공동의 크기는 작고, 입계가 매우 복잡한 지그재그 형상을 갖기 때문에 고온균열이 발생하기 어렵다.

위의 설명으로부터 연속주조시 주편 크랙은 응고 및 응고완료후 냉각조건에 의해 조절될 수 있다고 판단되므로 본 발명은 연속주조시 주편크랙을 냉각속도에 의해 제어하는 방법을 제시하였다. 그러나 냉각속도를 제어하는 과정에서 주편크랙 이외의 품질 및 조업문제를 야기시킬 수 있기 때문에 냉각속도와 주조속도의 한계 및 범위가 설정된다.

따라서 본 발명은 액상선부터 1300℃ 온도 범위에서 냉각속도를 1~200℃/min 으로 제어하고, 주조속도를 0.8~1.2m/min 범위로 제어하여 주편 크랙을 방지하는 것을 특징으로한다. 냉각속도와 주조속도의 한계 설정 이유는 다음과 같다.

액상선에서 1300℃ 온도구간에서 냉각속도를 빠르게 하면 응고조직을 미세하게 형성 시킬시킬 수 있고, 응고크랙이 일어나는 구간을 빨리 지나갈 수 있지만, 냉각속도를 200℃/min 이상으로 하면 앞에서 설명한 바 처럼 연속주조시 응고조직 사이에 형성된 편석이 확산할 시간이 부족하여 주편 크랙을 야기시킨다. 그리고 냉각속도가 1℃/min 이하로 하면 초기에 생성된 응고조직은 급격히 조대하게 되어 주편 크랙이 발생하게 되는 문제점과 이러한 냉각속도를 만족시키기 위하여 연속주조시 1차 및 2차냉각의 수량을 감소시켜야하고, 이로인해 주조중 주편 응고층의 강도가 약해져 주편이 벌징 (bulging)되는 현상이 발생되어 조업 및 품질의 악화를 초래하게 된다.

한편 고 Ni 합금 연속주조시 주편과 주형간의 원활한 윤할작용을 위해 실제로 요구되는 주조속도는 하기식 (1)을 이용하여 결정하였다 (IRON&STEELMAKER, Vol.22, No.10, P.101).

(Q : 몰드 파우더의 소모량 (kg/m²), A : 몰드 진동폭 (mm), f : 몰드 진동수 (cpm), η: 1300℃ 부근에서 몰드 파우더의 점도 (poise), V : 주조속도 (m/min))

상기 수학식 1로부터 고 Ni 합금을 연속주조 조건인 A=4mm, f=165cpm, h=1.1 조건에서 몰드 파우더의 적정 소모량인 0.3~0.33kg/m² 범위를 확보하기 위해서는 주조속도는 0.8~1.2m/min가 되어야 함을 알 수 있다.

상기 주조속도가 0.8m/min 보다 느리면 상기식 (1)에서 알 수 있듯이 몰드 파우더의 소모량은 증가하게 되어 몰드와 응고 층 사이에서 국부적으로 용융 파우더가 과잉으로 유입된다. 이로 인하여 응고가 불균일하게 진행되어 주편 표면크랙이 발생하게 된다. 한편 주조속도가 1.2m/min를 초과하게 되면 상기식 (1)에서 알 수 있듯이 몰드 파우더의 소비량은 과도하게 감소하기 때문에 몰드와 응고층 사이의 유입이 부족하게 되므로 주형과 응고층은 윤활이 충분치 못하여 응고층이 터지는 브레이크 아웃 (break-out)의 조업사고가 발생하기 쉽다. 따라서 주조속도는 0.8~1.2m/min로 제어하는 것이 요구된다.

이하 본 발명의 실시예를 설명한다.

[실시예]

본 발명은 표 1에 도시된 조성의 36wt.%Ni 합금강을 대상으로 표 2에 나타난 제조조건으로 연속주조 주편을 제조하였다. 즉, 표 1은 본 발명에 관한 실시예에 적용한 강종의 화학성분을 나타내며, 표 2는 본 발명재와 비교재를 현장 시험적용한 결과를 나타낸다.

Cr	Ni	Si	Mn	P	S	C
0.09	36.07	<0.01	0.26	0.003	0.0007	0.018

구분		주조속도 (m/min)	냉각속도 (℃/min)	연주주편 크랙 발생정도
본발명	A	0.8	1.1	O
	B	1.2	200	O
	C	0.8	150	O
비교재	D	0.75	100	△
	E	1.3	10	△
	F	0.9	250	△
	G	1.0	0.5	△
	H	0.7	0.5	X
	I	1.3	230	X

( O ; 없음, △ ; 미세, X ; 심함)

상기 표 2에는 제조된 연속주조 주편의 표면 및 내부크랙의 발생 정도를 O, △, X로 나타내었다. 상기 O는 결함발생 없음, △는 미세한 결함 발생, X는 심한 결함발생을 의미한다.

본 발명의 조건을 만족하는 발명예 (A∼C)의 경우는 연속주조 주편 및 열연 코일에 크랙이 발생하지 않은 양호한 품질을 얻을 수 있었다.

이에 반하여 비교예 (D)의 경우는 주조속도가 본 발명의 범위를 벗어난 것으로 몰드 파우더의 소비량이 0.34kg/m²가 되어 주편 표면크랙이 미세하게 발생되었고, 또한 열연 코일상에 선상결함을 야기시켰다. 비교예 (E)의 경우는 주조속도 범위가 본 발명의 조건 보다 빠른 경우로 몰드파우더의 소비량이 0.29kg/mm²로 본 발명의 목표로 하고 있는 0.3~0.33kg/mm²의 범위에 도달하지 못하여 주편 크랙이 발 생되었다. 비교예 (F)의 경우는 액상선에서 1300℃ 온도구간까지의 냉각속도 범위가 본 발명 보다 빠른 경우로서 응고조직 사이에 편석이 발생되어 주편 표면에 면세로 크랙을 야기시켜 주편의 실수율을 저하시켰다. 비교재 (G)는 액상선에서 1300℃ 온도구간까지의 냉각속도 범위가 본 발명보다 느린 경우로서 주편 표면에 조대한 응고조직으로 인해 크랙이 발생되었다. 그리고 비교재 (H) 와 (I)는 주조속도와 액상선에서 1300℃ 온도구간까지의 냉각속도 범위가 본 발명의 기준치 보다 벗어나서 연속주조 주편 및 열연코일에 크랙을 야기시키는 문제점을 갖고 있다.

이상의 실시예를 통해 본 발명재는 연주조업시 연주주편의 주조속도와 액상선부터 1300℃ 온도범위에서 냉각속도를 제어함으로써 우수한 연속주조 주편 품질을 얻을 수 있을뿐만아니라 안정적인 연속주조 조업이 가능하다는 것을 확인하였다.

상술한 바와같이, 수직만곡형 연주기에 의하여 고 Ni 합금을 연속주조하는 경우 크랙을 공정부하 없이 방지할 수 있어 표면 품질이 우수한 고 Ni 합금강을 얻을 수 있다.

Claims

초정 오스테나이트상으로 응고를 시작하고, 응고과정중 상변태없이 응고를 완료하는 니켈 함량이 30∼45wt.% 범위인 고 Ni 합금을 수직만곡형 연속주조기에서 제조하는 방법에서,

상기 고 Ni합금의 응고과정중 냉각속도를 1~200(℃/min) 범위로 조절하고, 주조속도를 0.8~1.2(m/min)로 유지하는 것을 특징으로 하는 표면품질이 우수한 고 니켈 합금의 연속주조방법.
제1항에 있어서,

상기 냉각속도는 액상선 부터 1300℃의 온도구간에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 표면품질이 우수한 고 니켈 합금의 연속주조방법.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 주조속도는 하기의 수학식을 이용하는 것을 특징으로 하는 표면품질이 우수한 고 니켈 합금의 연속주조방법.

(Q : 몰드 파우더의 소모량 (kg/m²), A : 몰드 진동폭 (mm), f : 몰드 진동수 (cpm), η: 1300℃ 부근에서 몰드 파우더의 점도 (poise), V : 주조속도 (m/min))