KR100939875B1

KR100939875B1 - 브레이크 아웃 방지를 위한 연속 주조 방법

Info

Publication number: KR100939875B1
Application number: KR1020070123028A
Authority: KR
Inventors: 양정승; 홍민수
Original assignee: 현대제철 주식회사
Priority date: 2007-11-29
Filing date: 2007-11-29
Publication date: 2010-01-29
Also published as: KR20090056057A

Abstract

본 발명은 탄소(C) 0.1~0.4 wt%, 실리콘(Si) 0.1~0.3 wt%, 망간(Mn) 0.2~1.5 wt%, 인(P) 0.08 wt% 이하, 황(S) 0.06 wt% 이하, 및 잔부 철(Fe)의 성분을 갖는 철근용 빌렛을 생산하기 위한 연속주조 공정으로서, 고상의 몰드 슬래그(스컴)에 의한 주편 터짐 현상을 방지할 수 있도록, 용강의 합금조성은 Mn(wt%)> 2.5 × Si(wt%) + 0.15 조건 범위 내에서 조업하는 것을 특징으로 하는 브레이크 아웃 방지를 위한 연속 주조 방법이다. 특히, 템프코아 설비 도입으로 망간(Mn)함량을 0.2~0.8 wt%로 하향 조절하는 경우 고상의 몰드 슬래그(스컴)에 의한 주편 터짐 현상이 더욱 심화되므로, Mn(wt%) > 2.5 × Si(wt%) + 0.15 조건 범위를 만족하는 범위내에서 실리콘(Si) 함량도 하향 조절하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 고상 슬래그(스컴)에 의한 주편 터짐 현상이 일어나는 용강의 합금조성 영역을 미리 예측하도록 함으로써 합리적인 합금설계가 가능해진다.

따라서, 합리적 합금설계에 의해 미리 주편 터짐 현상(브레이크 아웃 현상: break out)을 방지할 수 있으므로, 용탕 유출로 인한 사고 방지 및 생산성이 향상되는 효과가 있다.

스컴, 몰드 슬래그, 주편 터짐 현상, 브레이크 아웃

Description

브레이크 아웃 방지를 위한 연속 주조 방법{Continuous casting method for preventing fromm break out}

본 발명은 브레이크 아웃 방지를 위한 연속 주조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 탄소(C) 0.1~0.4 wt%, 실리콘(Si) 0.1~0.3 wt%, 망간(Mn) 0.2~1.5 wt%, 인(P) 0.08 wt% 이하, 황(S) 0.06 wt% 이하, 및 잔부 철(Fe)의 성분을 갖는 철근용 빌렛을 생산하기 위한 연속주조 공정에서, 용강의 합금 성분비율을 조절하여 고상의 몰드 슬래그(스컴)에 의한 주편 터짐 현상을 방지할 수 있는 브레이크 아웃 방지를 위한 연속 주조 방법에 관한 것이다.

연속주조시 몰드 슬래그는 강의 연속주조 조업에서 사용하는 합성 슬래그로서, 주조시작과 함께 몰드내 용강위로 투입된다. 몰드 슬래그는, 첫째 주편의 윤활기능, 둘째 주편에서 몰드로의 열전달 제어, 셋째 용강표면의 보온, 넷째 용강의 재산화 방지, 다섯째 용강 중 개재물의 흡수 등의 목적으로 투입되어, 연속주조를 가능하게 할 뿐 아니라 품질이 양호한 주편을 생산하게 하는 매우 중요한 기능을 수행한다.

일반적으로 용강을 슬라브로 제조하는 연속주조공정은, 도 1에 도시된 바와 같이, 수강 래들에 담겨진 용강(2)을 연속주조기의 턴디쉬(1)에 일시 저장한 상태에서 노즐(3)을 통해 몰드(4)로 연속하여 공급하고, 몰드(4)를 냉각시켜 슬라브를 생산하게 된다.

이러한 연속주조가 진행될 때, 몰드 상부로 몰드 슬래그를 연속적으로 공급하고 정상상태에 이르면 몰드 내의 상태는 도 2와 같게 된다. 즉 용강 위의 몰드 슬래그는 다음의 4가지 특성으로 구분되는 층으로 구성된다.

첫째, 최상층의 미용융 및 미반응된 몰드 파우더층(5), 둘째, 중간의 비균일한(heterogeneous) 소결층(6), 셋째, 몰드 슬래그가 반 용융되어 있는 머쉬 존(mushy zone)층(7), 넷째, 맨 아래에 위치하여 용강과 접촉하고 있는 용융 슬래그층(8)으로 구성된다.

한편, 수냉되는 몰드(4)와 접촉하고 있는 용강(2)의 표면만이 응고된 응고 쉘(shell)(9)로부터 몰드(4) 방향으로는 슬래그 림(rim)(10), 액상 슬래그(11), 결정질 플럭스층 및 유리질 플러스층(12)으로 되어 있다.

그러나, 철근용 빌렛을 생산하는 연속주조공정은, 래들과 턴디쉬, 턴디쉬와 몰드 사이에 노즐을 설치하지 않고, 래들에서 턴디쉬로, 턴디쉬에서 몰드로 직접 연속적으로 용탕을 공급하는 경우가 대부분이다.

철근용 빌렛의 경우, 일반 슬라브에 비해 최종 제품의 요구 청정도 범위가 엄격하지 않으므로, 제조원가 절감을 위해 래들과 턴디쉬, 턴디쉬와 몰드 사이에서 대기노출에 의한 재산화를 허용하며 그에 따라 노즐을 사용하지 않는다. 도 3에 도시된 바와 같이, 노즐을 사용하지 않고 턴디쉬에서 몰드로 용탕을 자유낙하시키는 경우 몰드 슬래그를 인위적으로 투입한다면, 주편내 몰드 슬래그의 혼입으로 철근용 빌렛의 품질저하가 발생한다. 따라서, 이런 경우에는 몰드 슬래그를 사용하지 않으며, 대신 몰드와 주편의 원활한 윤활을 위해 몰드 윤활유를 몰드 상부에서 연속적으로 투입한다.

도 4에 도시된 바와 같이, 몰드 벽을 따라 형성된 오일 필름이 용탕에 의해 기화되면서 몰드 벽과 응고가 시작되는 주편 사이에 기포에 의한 간극이 발생하며, 몰드와 주편 사이에서 윤활작용을 한다.

일반적으로 철근용 빌렛 연속주조공정에서 턴디쉬에서 몰드로 용탕이 자유낙하 되며, 몰드탕면이 대기에 노출되어 있으므로, 용탕의 재산화는 불가피하다. 용탕의 성분이 탄소(C) 0.1~0.4 wt%, 실리콘(Si) 0.1~0.3 wt%, 망간(Mn) 0.2~1.5 wt%, 인(P) 0.08 wt% 이하, 황(S) 0.06 wt% 이하, 및 잔부 철(Fe)이므로, 재산화 생성물(인위적으로 투입하지는 않았으나, 불가피하게 발생하는 몰드 슬래그)은 주로 Si, Mn, Fe의 산화물이다. 요구되는 기계적 성질을 합금원소 투입에 의해 만족시키는 일반적인 철근 빌렛의 압연공정의 경우, 망간(Mn)함량은 철근 직경, 강종에 따라 0.6~1.5 wt%로 다량 투입된다. 따라서 이와 같이 망간(Mn)함량이 높은 경우, 도 5를 참조하여 살펴보면, 몰드 탕면에 형성되는 몰드 슬래그는 일반적으로 액상 슬래그이다.

종래 철근의 합금설계는 열간압연 후 자연냉각 시, 합금투입에 의해 소입성을 향상시켜줌으로써 요구되는 기계적 성질을 만족시켜주었다. 그러나, 템프코아 공정이 열간압연 생산라인에 추가되어, 요구되는 기계적 성질을 합금투입이 아닌 가속냉각에 의한 표층부 경화로 맞추어 줌으로써 합금투입 비용을 절감하려는 게 최근의 기술방향이다.

템프코아 공정이란, 열간압연 후 고압의 냉각수를 철근 표층에 분사하여, 철근의 표층부를 고강도 조직으로 변태시킨 후 철근 내부의 열로 경화조직을 소둔 처리하는 열처리 공정으로서, 합금투입량을 줄이면서도 동등한 기계적 성질을 갖는 철근을 생산할 수 있는 원가절감 공법이다.

템프코아 설비 도입 후, 합금 설계시 망간(Mn)함량을 0.2~0.8 wt%로 하향 조절하면서, 몰드 탕면에 고상 슬래그(스컴)이 다량 발생하는 현상이 발견되었다.

여기서, 스컴이란 고상으로 상변화된 몰드 슬래그를 말하며, 이러한 스컴이 몰드 탕면을 떠돌다가 몰드와 주편 사이에 삽입될 경우, 국부적으로 주편에서 몰드로의 열전달을 방해하게 되고, 스컴이 삽입된 부분의 주편 응고층은 다른 부분에 비하여 얇게 형성되는 응고 불균일을 일으킨다. 이와 같은 불균일 응고현상이 심화될 경우, 주편이 몰드를 빠져나오는 시기에 국부적으로 응고층 두께가 얇은 부분이 철 정압을 이기지 못하여, 주편이 터지게 되고 용강이 유출되는 브레이크 아웃(break out) 현상이 발생한다. 브레이크 아웃은 다른 말로 주편 터짐 현상이라고 하기도 한다.

이와 같이, 연속주조 공정에서 주편이 터져 용강이 유출되면 작업자들의 안전 사고 위험이 높고, 설비의 손상이 있으며, 전체 조업을 중단하고 재세팅하여야 하므로 생산효율이 저하된다.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은, 철근을 생산하기 위한 연속주조공정으로서 고상의 몰드 슬래그(스컴)에 의한 주편 터짐 현상을 방지할 수 있도록, 용강의 합금조성을 조절하는 연속주조방법에 관한 것이다.

특히, 본 발명은 철근의 합금 성분이 탄소(C) 0.1~0.4 wt%, 실리콘(Si) 0.1~0.3 wt%, 망간(Mn) 0.2~1.5 wt%, 인(P) 0.08 wt% 이하, 황(S) 0.06 wt% 이하로 구성된 철근을 생산하는 연속주조공정으로서, 턴디쉬에서 몰드로 노즐에 의하지 않고 용탕을 공급하는 연속주조공정에서, 고상의 몰드 슬래그(스컴)에 의한 주편 터짐 현상을 방지할 수 있는 연속주조방법을 제공하는 것이다.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은, 철근용 빌렛을 생산하기 위한 연속주조공정에서 고상의 몰드 슬래그(스컴)에 의한 주편 터짐 현상을 방지할 수 있는 브레이크 아웃 방지를 위한 연속 주조 방법에 관한 것이다.

더욱 상세하게는 탄소(C) 0.1~0.4 wt%, 실리콘(Si) 0.1~0.3 wt%, 망간(Mn) 0.2~1.5 wt%, 인(P) 0.08 wt% 이하, 황(S) 0.06 wt% 이하, 및 잔부 철(Fe)의 성분을 갖는 철근을 생산하기 위한 연속주조 공정에서, 용강의 합금 성분비율을 조절하여 고상의 몰드 슬래그(스컴)에 의한 주편 터짐 현상을 방지할 수 있는 브레이크 아웃 방지를 위한 연속 주조 방법에 관한 것이다.

특히, 템프코아 설비 도입으로 망간(Mn)함량을 0.2~0.8 wt%로 하향 조절하는 경우 고상의 몰드 슬래그(스컴)에 의한 주편 터짐 현상이 더욱 심화되는데, 이러한 경우 몰드 슬래그(스컴)에 의한 주편 터짐 현상을 방지할 수 있도록 용강의 적정한 합금성분 비율을 미리 예측함으로써, 용강의 합금조성을 조절할 수 있는 브레이크 아웃 방지를 위한 연속 주조 방법을 제공하는 것이다.

본 발명에 의하면, 탄소(C) 0.1~0.4 wt%, 실리콘(Si) 0.1~0.3 wt%, 망간(Mn) 0.2~1.5 wt%, 인(P) 0.08 wt% 이하, 황(S) 0.06 wt% 이하, 및 잔부 철(Fe)의 성분을 갖는 철근용 빌렛을 생산하기 위한 연속주조 공정에서, 고상 슬래그(스컴)에 의한 주편 터짐 현상(브레이크 아웃 현상: break out)을 방지할 수 있으므로, 철근용 빌렛의 연속주조 작업의 효율이 증가하고, 안전사고의 위험이 감소된다.

특히, 템프코아 설비 도입 후, 합금 설계시 망간(Mn)함량을 0.2~0.8 wt%로 하향 조절하는 경우, 용강의 합금조성이 Mn(wt%) > 2.5 × Si(wt%) + 0.15 조건 범위를 만족하도록 실리콘(Si) 함량도 낮게 설계해야 됨을 사전에 예측할 수 있다.

이와 같이, 고상 슬래그(스컴)에 의한 주편 터짐 현상이 일어나는 용강의 합금조성 영역을 미리 예측하도록 함으로써 합리적인 합금설계가 가능해진다.

따라서, 합리적 합금설계에 의해 미리 주편 터짐 현상을 방지할 수 있으므로, 용탕 유출로 인한 사고 방지 및 생산성이 향상되는 효과가 있다.

이하 본 발명에 의한 철근용 빌렛을 생산하기 위한 연속주조 공정으로서, 고상의 몰드 슬래그(스컴)에 의한 주편 터짐 현상(이하 "브레이크 아웃"이라 함)을 방지할 수 있는 브레이크 아웃 방지를 위한 연속 주조 방법에 대하여 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

몰드 슬래그의 주성분을 나타내는 도 5에서 보는 바와 같이, SiO₂ - MnOx - FeOx 삼원계 상태도에서 몰드 슬래그의 성분 중 MnOx의 함량을 높이거나 SiO₂ 함량이 낮은 경우, 고상 몰드 슬래그(스컴)를 형성하지 않는 안정한 액상 몰드 슬래그를 형성하게 된다.

실험을 통하여, 탄소(C) 0.255 wt%, 실리콘(Si) 0.196 wt%, 망간(Mn) 0.49 wt%, 인(P) 0.030 wt%, 황(S) 0.036 wt%, 구리(Cu) 0.32 wt%, 주석(Sn) 0.020 wt%, 니켈(Ni) 0.09 wt%, 크롬(Cr) 0.08 wt%, 몰리브덴(Mo) 0.02 wt%, 잔부 철(Fe)의 성분을 갖는 용강을 연속주조하는 경우, 몰드 슬래그의 화학성분은 도 5의 SiO₂ - MnOx - FeOx 삼원계 상태도 상에서 원형실선으로 표시된 A 구역에 분포함을 알게 되었다. 이러한 성분을 갖는 용강에 SiO₂ 함량을 소량 증가시키면 몰드 슬래그의 융점은 급격하게 증가하여 용탕의 온도인 1530℃ 를 초과하게 된다.

따라서, 용탕 온도와 동일한 온도를 갖는 몰드 슬래그는 융점 이하가 되므로, 고상으로 응고되면서 고상 슬래그(스컴)가 형성되는 것이다.

이로부터 용강의 합금 성분을 망간(Mn) 함량은 높게하고 실리콘(Si) 함량은 낮게 설계하는 것이 연속주조시 고상 슬래그(스컴)에 의한 브레이크 아웃을 방지할 수 있는 안전한 합금 설계 방법임을 알 수 있다.

하기 표 1 및 표 2는 철근 제강 공장에서 고상 슬래그(스컴)에 의한 주편 터짐 현상(브레이크 아웃 현상)이 발생하는 경우와 주편 터짐 현상(브레이크 아웃 현상)이 발생하지 않는 경우에 대한 용강의 합금성분을 나타낸 것이다.

표 1. (철근의 최종 합금성분 wt% : 잔부 Fe)

구 분	C	Si	Mn	P	S	Cu	Sn	Ni	Cr	Mo	B/O 발생
구 분	×1000		×100	×1000		×100	×1000	×100			B/O 발생
1	259	181	59	21	24	35	24	8	5	2	o
2	264	217	60	26	22	36	28	8	5	3	o
3	268	158	53	34	22	35	26	8	7	2	o
4	270	187	59	42	32	55	20	10	8	2	o
5	281	167	49	33	31	46	19	9	7	2	o
6	265	186	54	32	29	51	17	10	6	2	o
7	243	179	49	27	29	53	21	10	5	2	o
8	238	180	53	29	35	39	21	8	5	2	o
9	255	196	49	30	36	32	20	9	8	2	o
10	281	163	54	31	40	39	22	10	6	2	o

o : 브레이크 아웃 발생, x : 브레이크 아웃 미발생

표 2. (철근의 최종 합금성분 wt% : 잔부 Fe)

구 분	C	Si	Mn	P	S	Cu	Sn	Ni	Cr	Mo	B/O 발생
구 분	×1000		×100	×1000		×100	×1000	×100			x
11	273	157	63	25	30	38	19	8	5	2	x
12	267	179	61	24	28	34	20	7	6	2	x
13	258	172	61	26	28	37	18	9	6	2	x
14	265	156	55	30	44	42	24	10	7	4	x
15	231	185	61	25	28	36	24	10	6	3	x
16	252	216	62	27	28	31	16	9	5	2	x
17	248	161	59	25	31	39	21	8	5	2	x
18	250	166	58	40	25	56	22	10	8	2	x
19	300	190	51	31	32	40	20	8	5	2	x
20	266	159	64	29	22	33	21	8	8	3	x

o : 브레이크 아웃 발생, x : 브레이크 아웃 미발생

도 6은 철근제강 공장에서 고상 슬래그(스컴)에 의한 주편 터짐 현상(브레이 크 아웃 현상)이 발생한 용강의 망간(Mn) 및 실리콘(Si)의 함량 분포와, 고상 슬래그(스컴)에 의한 주편 터짐 현상(브레이크 아웃 현상)이 발생하지 않는 용강의 망간(Mn) 및 실리콘(Si)의 함량 분포를 나타낸 것이다. 도 6을 살펴보면 망간(Mn) 및 실리콘(Si)의 함량 분포에 따라, 고상 슬래그(스컴)에 의한 브레이크 아웃이 발생하는 영역과 그렇지 않은 영역으로 구분됨을 알 수 있다.

따라서, 도 6의 결과를 참고하여 고상 슬래그(스컴)에 의한 브레이크 아웃 발생 영역과 망간(Mn) 및 실리콘(Si)의 철근내 함량간의 상관 관계를 구할 수 있는데, 그 상관 관계에 대한 실험식은 다음과 같다.

최종 망간(Mn)의 함량(wt%) > 2.5 × 실리콘(Si) 함량(wt%) + 0.15

의 조건을 만족하는 경우, 몰드내 고상 슬래그에 의한 브레이크 아웃은 발생하지 않으며,

최종 망간(Mn)의 함량(wt%) ≤ 2.5 × 실리콘(Si) 함량(wt%) + 0.15

의 조건을 만족하는 경우, 몰드내 고상 슬래그에 의한 브레이크 아웃이 발생한다.

위 실험 결과로부터 템프코아 설비 도입 후, 합금 설계시 망간(Mn)함량을 0.2~0.8 wt%로 하향 조절하는 경우, 용강의 합금조성이 Mn(wt%) > 2.5 × Si(wt%) + 0.15 조건 범위를 만족하도록 실리콘(Si) 함량도 함께 하향 조절해야만 고상 슬래그에 의한 브레이크 아웃이 방지될 수 있음을 알 수 있다.

도 1은 슬라브를 생산하기 위한 연속주조설비를 도시한 개략도,

도 2는 몰드 슬래그의 용융거동을 도시한 단면도,

도 3은 철근을 생산하기 위한 연속주조설비를 도시한 개략도,

도 4는 몰드 내벽의 윤활막을 도시한 단면도,

도 5은 SiO₂ - MnOx - FeOx 삼원계 상태도,

도 6은 망간(Mn) 및 실리콘(Si)의 함량에 따른 브레이크 아웃 발생현황을 도시한 실험결과 예시도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1 : 턴디쉬 2 : 용강

3 : 노즐 4 : 몰드

5 : 몰드 파우더층 6 : 소결층

7 : 머쉬존 8 : 용융 슬래그층

9 : 응고 쉘 10 : 슬래그 림

11 : 액상 슬래그 12 : 결정질 및 유리질 플럭스층

Claims

탄소(C) 0.1~0.4 wt%, 망간(Mn) 0.4~0.75 wt%, 기타 불순물 및 잔부 철(Fe)의 성분을 포함하는 철근용 빌렛을 생산하는 연속주조 공정으로서,

고상의 몰드 슬래그(스컴)에 의한 주편 터짐 현상을 방지할 수 있도록, 용강의 합금조성중 실리콘(Si)의 함량을 Mn(wt%) > 2.5 × Si(wt%) + 0.15 조건 범위 내로 조절하여 조업하는 것을 특징으로 하는 브레이크 아웃 방지를 위한 연속 주조 방법.
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