KR100897145B1 - 고 알루미늄 함유 스테인레스강의 연속주조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 CaO-SiO₂-Al₂O₃-Na₂O-F 의 성분을 갖는 산화물로서 연속주조공정중 몰드내 용강위로 연속적으로 뿌려지는 몰드 파우더(mold powder)를 이용하는 고 알루미늄(Al) 함유 스테인레스강의 연속주조방법에 있어서, 상기 몰드 파우더의 초기 염기도 및 초기 점도를 산출하여 연속주조 중 슬래그/용강 반응 결과에 의해 변화되는 몰드 슬래그의 조성 변화량을 예측하여 상기 몰드 슬래그의 조성 및 물성을 확보함으로써 연속주조를 안정화하고 주편 품질을 향상시키는 고 알루미늄 함유 스테인레스강의 연속주조방법을 요지로 한다.

알루미늄, 스테인레스강, 연속주조, 슬래그, 용강, 몰드 파우더

Description

고 알루미늄 함유 스테인레스강의 연속주조방법{Method for continuous casting of stainless steel containing high aluminum}

도 1은 일반적인 연속 주조공정 개략도.

도 2는 슬래그/용강 반응 실험 후 도가니 단면을 나타내는 사진.

도 3은 FACT-SAGE를 이용하여 연속 주조 중 몰드슬래그 조성변화를 계산하는 원리를 나타내는 블록도.

도 4는 FACT-SAGE를 이용하여 연속 주조 중 몰드슬래그 조성변화를 계산한 결과의 한 예를 나타내는 그래프.

도 5는 몰드 슬래그에 Al₂O₃ 증가에 따른 점도의 변화를 나타내는 그래프.

〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉

1 : 래들 2 : 롱노즐

3 : 턴디쉬 4 : 침지노즐

5 : 몰드 6 : 몰드 파우더

7 : 슬래그층 8 : 금속층

본 발명은 스테인레스강의 연속주조 방법에 관한 것으로, 특히 알루미늄(Al)을 3% 이상 첨가하는 고 알루미늄 함유 스테인레스강의 연속주조 과정에서 슬래그와 용강의 반응 결과에 따라 변화되는 몰드 슬래그(mold slag)의 조성 변화량을 예측하여 정상 주조상태에서 원하고자 하는 최적의 조성 및 물성을 확보하도록 몰드 파우더(mold powder, 이하 파우더라 칭함)의 초기 조성을 결정함으로써 연속주조의 안전한 수행과 함께 고품질의 제품 생산이 가능하도록 구성된 고 알루미늄 함유 스테인레스강의 연속주조 방법에 관한 것이다.

일반적으로 고 알루미늄(Al) 첨가 스테인레스강은 알루미늄을 3 wt% 이상 첨가하여 통상의 스테인레스강 크롬(Cr) 산화물 피막보다 내식성이 우수한 알루미늄 산화물 피막을 형성함으로써 강의 고온 내식성을 크게 높인 강종이다. 주된 용도는 내화물 보강재, 자동차용 배기가스 촉매장치 등이고 가격이 톤당 400~1000만원 까지 이르는 등 부가가치가 매우 높은 강종으로 아래의 표 1은 대표적인 알루미늄 3% 첨가 스테인레스강의 조성을 나타낸다.

알루미늄 3% 첨가 스테인레스강의 화학조성(wt%)

C	Si	Mn	Cr	Al	Fe
0.01	0.02	0.05	18	3	78.9

이러한 알루미늄강은 연속주조가 어렵기 때문에 통상 잉곳(Ingot) 주조법을 이용하여 생산하는 것이 일반적이지만 최근 선진 제철소의 경우 연속주조 공정으로 생산하고 있다. 첨부도면 도 1은 연속주조 공정을 나타낸 것으로 용강은 래들(1)로 부터 롱노즐(2)을 통해 턴디쉬(3)로 이동되고, 침지노즐(4)를 통해 몰드(5)로 이동되어 주편이 생산된다.

도면 중 6은 파우더를 나타내는 것으로 파우더는 CaO-SiO₂-Al₂O₃-Na₂ O-F의 성분을 갖는 산화물로서 연속주조 중 몰드(5)내 용강 위로 연속적으로 뿌려져서 (1) 응고 셀과 몰드 사이의 윤활역할 (2) 강중 비금속 개재물의 흡수 (3) 용강의 보온 (4) 응고셀과 몰드 사이의 열전달제어 (5) 용강의 재산화 방지 등의 매우 중요한 기능을 수행하는 필수적인 인자이다.

이와 같은 연속주조 공정을 이용하여 고 알루미늄 첨가 스테인레스강을 생산하는 경우 가장 문제가 되는 것은 용강 중 다량 함유되어 있는 알루미늄과 몰드 슬래그 중의 SiO₂와의 반응이며 주된 반응은 다음의 식 (1)과 같다.

3(SiO₂) + 4[Al] = 2(Al₂O₃) + 3[Si] ------------------ (1)

위와 같은 반응에 의해 몰드 슬래그 중 SiO₂의 함량은 감소하고 Al₂O₃의 함량은 증가하며, 용강 중 Al의 함량은 감소하고 규소(Si)의 함량은 증가하게 된다. 이러한 반응에 의해 몰드 슬래그량에 비해 무한히 많은 용강의 조성은 거의 영향을 받지 않지만 용강위에 한정된 양으로 존재하는 몰드 슬래그의 조성은 크게 변하여 SiO₂가 감소되고 Al₂O₃가 증가되며, 이와 같은 조성 변화는 몰드 슬래그의 물성을 크 게 변화시킨다.

즉, SiO₂의 감소에 따라 몰드 슬래그의 염기도(CaO%/SiO₂%)가 증가하고, Al₂O₃의 증가에 따라 몰드 슬래그의 점도(poise)가 상승하게 된다. 이중 염기도는 주조되는 제품의 품질에 매우 중요한 영향을 주는 인자로 파우더의 용융성, 강의 비금속 개재물 흡수능 및 용강에서 몰드로의 열전달 제어등에 크게 영향을 미친다. 따라서 강종 특성별 적정 염기도가 존재하게 된다.

또한, 점도(poise) 역시 중요한 물성으로 파우더의 가장 중요한 기능인 윤활 거동을 결정하는 인자로 이 역시 적정한 소모량을 확보하는 최적의 값이 강종 특성별로 존재하게 된다. 따라서 위의 식 (1)의 반응에 의해 변화되는 몰드 슬래그의 조성 및 물성을 예측 해야만 강종별 최적 조성을 갖도록 초기 파우더의 조성을 결정할 수 있다.

이러한 배경에서 고 Al 함유 스테인레스강의 연속주조용 파우더를 설계하는 종래의 방법은 두가지로 구분된다. 첫째는 위의 식 (1) 반응을 근본적으로 방지하기 의해 SiO₂를 전혀 첨가하지 않은 경우이다. 이 경우 식 (1)의 반응을 배제하기 때문에 연속주조 중 성분의 변화는 없으나 SiO₂를 대체하는 물질을 다량 첨가해야한다. 일반적으로 파우더의 조성은 CaO-SiO₂계 이므로 SiO₂ 만큼 CaO와 섞여 파우더에 적절한 융점(900~1200℃)을 확보하는 경제적인 물질은 없다. 따라서 이러한 파우더를 설계하기 위해서는 고가의 융제(Li₂O, BaO, SrO등)가 다량 필요하므로 가격 이 대단히 비싸져서 파우더로써의 가치를 잃는다.

또 다른 방법은 앞에서 기술한 바와 같이 반응을 예측하여 초기 염기도를 낮추는 방법이다. 이 경우 종래의 방법은 주로 현장 실험을 통해 시행 착오 방법을 이용하여 최적 조성을 도출하고 있는 바, 이 방법은 조업상의 위험도 및 최적화 까지 도출하는데 걸리는 시간이 상당히 소요되는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 고 Al 스테인레스강과 파우더와의 반응에 의한 몰드 슬래그의 조성 및 물성 변화를 예측하여 원하는 몰드 슬래그의 조성이 연속주조중에 확보되도록 초기 파우더의 조성을 도출함으로써, 고 Al 함유 스테인레스강의 연속주조 조업상의 안정을 도모하고, 생산되는 주편의 표면 품질을 향상시킬 수 있는 고 알루미늄 함유 스테인레스강의 연속주조 방법을 제공함에 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따르면, CaO-SiO₂-Al₂O₃-Na₂O-F 의 성분을 갖는 산화물로서 연속주조공정중 몰드내 용강위로 연속적으로 뿌려지는 몰드 파우더(mold powder)를 이용하는 고 알루미늄(Al) 함유 스테인레스강을의 연속주조방법에 있어서, 상기 몰드 파우더의 초기 염기도를 하기 식에 의해 산출하여 연속주조 중 슬래그/용강 반응 결과에 의해 변화되는 몰드 슬래그의 조성 변화량을 예측하여 상기 몰드 슬래그의 조성 및 물성을 확보함으로써 연속주조를 안정화하고 주편 품질을 향상시키는 고 알루미늄 함유 스테인레스강의 연속주조방법을 특징으로 한다.

(목표 염기도(CaOwt%/SiO₂wt%)=1.9833X(초기염기도,CaOwt%/SiO₂wt%)-0.0117)

또한 본 발명은 몰드 파우더의 초기 점도를 하기 식에 의해 산출하여 연속주조 중 슬래그/용강 반응 결과에 의해 변화되는 몰드 슬래그의 조성 변화량을 예측하여 상기 몰드 슬래그의 조성 및 물성을 확보함으로써 연속주조를 안정화하고 주편 품질을 향상시키는 고 알루미늄 함유 스테인레스강의 연속주조방법.

(반응후 점도(poise)

= 0.0264X(반응하여 증가된 Al₂O₃wt%)+초기 점도(poise))

이하, 첨부 도면을 참조로 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.

본 발명의 핵심적인 착안사항은 용강과 몰드 슬래그와의 반응성 실험과 연속주조 조건 및 열역학 계산 소프트웨어(software)를 이용하여 강의 연속주조 중 몰드 슬래그의 조성 변화 예측 및 이에 따른 물성(특히 점도)을 동시에 예측할 수 있다면 많은 시행 착오를 통하지 않고도 고 Al첨가 스테인레스강의 연속주조에 적합한 파우더의 개발이 가능하다는 것에 있다.

본 발명에서는 몰드 슬래그와 용강의 반응성을 예측하는데 수 많은 실험을 수행하지 않고도 반응 결과를 열역학적 모델링으로 계산이 가능한 FACT-SAGE 소프트웨어를 활용하였다. FACT-SAGE 소프트웨어는 캐나다 CRCT (Center for Research in Computational Thermochemistry) 연구소에서 개발한 열역학 계산 프로그램으로 각종 금속 열역학 분야 특히 슬래그가 관련된 열역학 계산 분야에서 세계 최고의 기술력이 있는 프로그램이다. 우선 이 소프트웨어가 고 Al강의 슬래그/금속 반응을 정확히 예측하는지를 검증하기 위하여 실제 슬래그/금속 평형 실험결과와 계산결과를 비교하였다.

도 2는 실험 결과를 나타내는 것으로 실험은 1550 ℃에서 도가니에 3% Al강 100g을 넣고 완전 용융 시킨 후 도가니 위로 몰드 슬래그 10g을 투입하여 충분한 반응시간 (30분)후 급냉하여 슬래그와 용강의 조성을 분석하여 열역학 계산 소프트웨어로 예측된 값과 비교하였다.

표 2 는 비교 결과를 나타낸 것으로 실험값과 계산값이 거의 일치한다. 따라서 FACT-SAGE를 이용하여 조성 변화에 대한 예측이 가능하다고 판단하였다. 조성 변화는 위의 식 (1)의 반응에 의해 슬래그는 SiO₂가 감소하고 Al₂O₃가 증가하며, 금속은 Si가 증가하고 Al이 크게 감소하는 것을 나타내고 있다.

슬래그/금속 평형 실험 결과와 열역학 소프트웨어 계산 결과 비교

구분		슬래그		금속
		SiO2	Al2O3	Si	Al
반응전		41.7	2	0.02	3
반응후	실험	0.6	55.7	1.6	0.5
	계산	0.4	52.2	2.2	0.2

도 3은 연속주조 중 슬래그 조성 변화를 계산하는 원리를 나타낸 것으로 X0의 초기 조성을 갖는 A량의 초기 몰드 슬래그가 α% 만큼 슬래그/금속 반응을 한 후 나머지 반응 안한 몰드 슬래그량 (1-α)과 혼합하여 조성 X1이 되고, 시간당 일정한 소모량 c(kg/m²)으로 소모된다. 또한 변화된 조성 X1은 다시 새롭게 용융되어 들어오는 X0 조성의 몰드 슬래그와 혼합하여 새로운 초기조성 X2가 되며 이러한 과정이 시간에 따라 반복된다.

이때, 슬래그/금속 평형 반응은 FACT-SAGE를 이용하여 계산하며 계산에 필요한 소모량은 통상 적정한 소모량인 0.3 kg/m²으로 하였으며 반응량은 기존의 문헌 조사를 통해 구한 15%로 하였다. 도 4는 계산 결과의 한 예를 보여주는 것으로 초기 슬래그 염기도 0.7이고, 3% Al강과 반응하는 경우 주조시간에 따라 몰드 슬래그의 조성이 변하는 것을 계산한 것이다. 반응시간이 10분 정도면 조성은 일정한 값을 보이고 염기도는 0.7→ 0.4 까지 변하는 것을 보여준다.

이러한 계산 결과를 통해 3% Al강의 경우 초기 염기도에 따른 반응중 변화된 염기도의 상관관계를 나타낸 것으로 회귀 분석 결과 다음의 관계식 (2)를 얻을 수 있었다.

주조 염기도(CaOwt%/SiO₂wt%) = 1.9833 X (초기 염기도, CaOwt%/SiO₂wt%) ------------------ (2)

따라서 위의 (2)식을 이용할 경우, 원하는 주조 염기도가 결정되면 초기 염기도를 구할 수 있다.

다음은 주조 중 점도 변화에 관한 것으로 점도는 앞에서 언급한 바와 같이 Al₂O₃증가에 의해 증가하고, SiO₂ 감소에 의해 감소하는 양면성이 있다. 따라서 본 발명에서는 이러한 반응에 의한 점도의 변화 거동을 조사하기 위하여 위의 식 (1)의 반응을 가정하여 Al₂O₃가 반응에 의해 5~20% 까지 증가하는 경우 점도 거동을 조사하였다.

즉, 이 경우 Al₂O₃만 단순 증가하는 것이 아니고 식 (1)의 반응에 의해 SiO₂의 감소 및 결과적으로 염기도의 상승까지 고려된 조성에 대한 점도의 거동을 조사한 것이다. 점도는 독일 HAKKE사 제품의 회전식 점도계(model RV20-ME1700)를 이용하여 측정하였고, 파우더의 점도는 그 설계시 가장 중요한 1300℃ 점도를 대표 점도로 평가하였다.

도 5는 증가된 Al₂O₃의 함량에 따른 점도의 거동을 나타낸 것으로 이에 도시된 바와 같이 점도는 증가하고, 증가 기울기는 0.0264 였다. 따라서 연속 주조 중 반응에 의한 점도의 변화는 다음식 (3)으로 계산이 가능하였다.

반응후 점도 = 0.0264 X (반응하여 증가된 Al₂O₃ wt%) + 초기 점도 ------------------ (3)

본 발명에서는 이상과 같이 도출된 몰드 파우더에 대해 다음의 실시예를 통해 효과를 검증하였다.

(실시예 1)

아래의 표 3은 파우더의 초기 염기도를 본 발명에 의해 적절히 조절하여 낮게한 경우와, 종래의 방법을 사용한 결과 주조 중 몰드 슬래그의 염기도 변화 및 윤활능 부족에 의한 주편 구속현상의 유무를 나타낸 것이다. 본 발명의 경우 적정한 염기도 확보에 의해 양호한 조업 안정성을 나타낸 반면, 종래의 방법은 고염기도에 의한 몰드 슬래그의 융점 상승으로 윤활능이 열위되어 주편에 구속 현상이 나타난 결과를 보여준다.

종래 방법과 본 발명 방법 사용시 염기도 변화 및 조업 결과

구분	본 발명방법	종래방법
초기 염기도	0.6	1.0
주조중 염기도	1.1	1.5
주편 구속성	없음	있음

(실시예 2)

아래의 표 4는 파우더의 초기 점도를 본 발명에 의해 적절히 낮추어 주조 중 적절한 소모량을 확보한 경우와, 종래의 방법에 의한 주조 결과를 나타낸 결과이다. 초기 점도를 적절히 낮춘 본 발명의 방법에서는 적정한 소모량을 확보하여 양호한 조업 실적을 얻은 반면, 종래의 방법은 점도가 지나치게 상승하여 소모량이 적고 결과적으로 주편 구속 현상도 발생한 결과를 보여준다.

종래 방법과 본 발명 방법 사용시 점도 변화 및 조업 결과

구분	본 발명방법	종래방법
초기 점도(poise)	0.9	1.6
주조중 점도(poise)	1.5	2.3
Al2O3증가량(%)	22	24
소모량(kg/m2)	0.31	0.21
주편 구속성	없음	있음

이상에서와 같이 본 발명에 따르면, 고 알루미늄 함유 스테인레스강의 연속주조 과정에서 주형내의 용강에 첨가되는 파우더의 최적 조성을 신속하게 결정함으로써 연속주조를 안전하게 수행하고, 고가의 융제 사용이 없이 고품질의 제품 생산이 가능한 효과가 있다.

Claims (3)

1. CaO-SiO₂-Al₂O₃-Na₂O-F의 성분을 갖는 산화물로서 연속주조공정중 몰드 내 용강 위로 연속적으로 뿌려지는 몰드 파우더(mold powder)를 이용하는 고 알루미늄(Al) 함유 스테인레스강의 연속주조방법에 있어서,

   상기 몰드 파우더의 초기 염기도 및 1300℃ 점도를 기준으로 초기 점도를 하기 식에 의해 산출하여 연속주조 중 슬래그/용강 반응 결과에 의해 변화되는 몰드 슬래그의 조성 변화량을 예측하여 상기 몰드 슬래그의 조성 및 물성을 확보함으로써 연속주조를 안정화하고 주편 품질을 향상시키는 것을 특징으로 하는 고 알루미늄 함유 스테인레스강의 연속주조방법.

   (목표 염기도(CaOwt%/SiO₂wt%)=1.9833X(초기염기도,CaOwt%/SiO₂wt%)-0.0117)

   (반응 후 점도(poise)=

   0.0264X(반응하여 증가된 Al₂O₃wt%)+초기 점도(poise))
2. 삭제
3. 삭제

Images