KR100940658B1 - 디스케일링성이 우수한 열간압연선재의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 디스케일링후 신선가공이나 압조가공하여 사용되는 열간압연선재의 제조방법에 관한 것으로, 그 목적은 마무리압연을 2회로 나누어 하며 각각의 마무리압연 전후의 온도와 권취후 냉각속도를 적절히 제어함으로써 디스케일링성이 우수한 열간압연선재의 제조방법을 제공하고자 하는데 있다.

본 발명은 중량%로, C: 0.30~1.00%, Si: 0.03~1.00%, Mn: 0.10~1.00%, P: 0.05%이하, S: 0.01%이하, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성되는 빌렛을 750~850℃로 제1 마무리압연한 후 냉각한 다음, 700~800℃로 제2 마무리압연한 후, 700~800℃에서 권취한 후 표면의 평균냉각속도를 30~80℃/초로 500~550℃까지 냉각하는 것을 포함하여 이루어지는 디스케일링성이 우수한 열간압연선재의 제조방법에 관한 것을 그 기술적 요지로 한다.

탄소강선재, 디스케일링, 뷰스타이트, 신선가공용, 압조가공용

Description

디스케일링성이 우수한 열간압연선재의 제조방법{A Manufacturing Method of Hot Rolled Wire Rod Having Excellent Ability of Descaling}

도 1 은 본 발명을 실시하는데 이용된 선재제조장치 구성 개략도

도 2 는 냉각속도와 스케일 두께와의 관계를 나타내는 그래프

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

1......제1 마무리압연기 2......제1 수냉장치

3......제2 마무리압연기 4......제2 수냉장치

5......열간압연선재 6......권취기

7......급냉장치 8......냉각컨베이어

본 발명은 디스케일링후 신선가공이나 압조가공하여 사용되는 열간압연선재의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 선재를 열간압연시 마무리압연을 2회로 나 누어 하며 각각의 마무리압연 전후의 온도와 권취후 냉각속도를 적절히 제어함으로써 디스케일링성이 우수한 열간압연선재를 제조하는 방법에 관한 것이다.

통상적으로 열간압연선재를 제조하는 방법은 선재압연기에서 열간압연한 후 수냉장치에 의해 급속하게 냉각하고, 권취기에서 비동심 링(Ring)상으로 권취하여 냉각 컨베이어에서 이송되면서 냉각속도를 적절히 제어하는 과정으로 이루어진다.

열간압연한 선재의 용도는 우수한 신선성이 요구되는 신선가공용과 우수한 냉간압조성 및 열간압조성을 가진 압조가공용으로 크게 분류할 수 있다. 신선가공용의 경우 선재를 파텐팅(patenting)처리한 후 표면의 스케일을 제거하기 위한 디스케일링을 실시하고, 압조가공용의 경우 압조가공전에 열처리와 디스케일링을 실시한다.

하지만, 최근에는 가공기술의 발달로 파텐팅처리나 열처리과정이 생략되고 있는 실정이다. 따라서, 열처리를 하지않고 바로 디스케일링을 실시하기 때문에 열간압연선재 자체의 물성이 가공에 가장 큰 영향을 미치게 되며, 생산성 향상과 원가절감이란 측면에서 디스케일링공정 시간의 단축이 요구되고 있는 실정이다.

선재표면의 스케일은 열간압연 및 냉각공정을 거치는 동안 표면에 생성되며, 스케일이 표면에 생성되면 신선가공시 다이스와의 윤활작용을 하는 코팅액의 접착력을 떨어뜨리고, 압조가공시 결함을 발생시키므로 디스케일링공정을 통하여 반드시 제거되어야 한다.

디스케일링방법으로는 염산이나 황산을 이용하여 화학적으로 처리하는 산세법과 반복굽힘법, 쇼트블라스트(Shot Blast)법, 공기블라스트(Air Blast)법 등의 기계적 박리법이 사용되고 있다. 신선가공용 선재의 경우 공해가 적고 운전원가측면에서 유리한 기계적 박리법이 주로 사용되고, 압조용선재의 경우 기계적 박리법을 실시할 경우 국부적인 응력집중과 미세한 표면결함이 발생하여 크랙(Crack)을 발생시킬 위험성이 높기 때문에 대부분 산세법을 채택하고 있다. 그러나, 산세법에 의한 디스케일링방법에서는 산세액이 환경오염을 일으킬 수 있으므로 산세액의 수명을 향상시키는 것이 중요하며, 산세액의 수명을 향상시키기 위해서는 스케일의 두께가 얇을수록 유리하기 때문에 선재표면에 얇고 박리성이 좋은 스케일을 형성시키는 것이 필요한 실정이다.

선재제조시 얇은 스케일을 형성하는 종래의 방법으로는 낮은 권취온도와 냉각 컨베이어에서의 급냉에 의한 것이 있다. 상기 급냉처리는 신선가공용의 고탄소강에는 어느정도 적합하지만 연질의 물성을 요구하는 압조가공용의 중, 저탄소강에는 적합하지 않다. 따라서, 압조가공용의 경우 연질의 물성을 얻기 위하여 불가피하게 서냉을 함으로써, 두꺼운 스케일이 생기거나 심지어는 디스케일링성에 악영향을 미치는 마그네타이트(Magnetite)나 헤마타이트(Hematite)가 다량 발생될 가능성도 있다. 또한, 상기 종래기술에 의해 제조된 신선가공용 고탄소강의 경우에도 만족할 만큼의 얇은 스케일을 얻을 수는 없다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 마무리압연을 2회로 나누어 하며 각각의 마무리압연 전후의 온도와 권취후 냉각속도를 적절히 제어함으로써 디스케일링성이 우수한 열간압연선재의 제조방법을 제공하고자 하는데, 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 중량%로, C: 0.30~1.00%, Si: 0.03~1.00%, Mn: 0.10~1.00%, P: 0.05%이하, S: 0.01%이하, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성되는 빌렛을 750~850℃로 제1 마무리압연한 후 냉각한 다음, 700~800℃로 제2 마무리압연한 후, 700~800℃에서 권취한 후 표면의 평균냉각속도를 30~80℃/초로 500~550℃까지 냉각하는 것을 포함하여 이루어진다.

이하, 본 발명에 대하여 상세하게 설명한다.

선재제조시 일반적으로 스케일의 대부분은 뷰스타이트(Wustite)로 이루어지지만, 500~600℃구간의 온도에서는 뷰스타이트(Wustite) 보다는 마그네타이트(Magnetite)가 열역학적으로 안정하기 때문에 상기 온도범위에서 오랜시간 유지하면 뷰스타이트(Wustite)가 마그네타이트(Magnetite)로 변태하게 된다. 이렇게 변태된 마그네타이트(Magnetite)는 지철과 뷰스타이트(Wustite) 경계면에서 석출하여 지철과 접착력이 큰 마그네타이트심(Magnetite Seam)이라는 스케일층을 형성하게 되므로, 디스 케일링성을 향상시키기 위해서는 이 온도구간을 최대한 빠르게 통과하는 것이 바람직하다.

한편, 열간압연 후 선재가 냉각시 권취기에 의한 냉각개시온도(이하, 권취온도라 함)로부터 냉각될 때, 권취온도가 스케일 형성에 매우 큰 영향을 미친다. 즉, 상기 권취온도가 높을 경우 스케일중 뷰스타이트(Wustite)가 많아져 기계적 디스케일링성이 양호해지나 후단의 냉각속도에 따라 그 성장 및 스케일 변태정도가 달라지게 되며, 권취온도가 낮을 경우 뷰스타이트(Wustite)가 적어져 산세법에는 유리하나 재질에 영향을 미치게 되므로, 상기 권취온도 제어에 많은 어려움이 있다. 특히, 전세계적으로 대부분의 선재공장에서 이용하고 있는 스텔모아 냉각법에서는 송풍에 의한 냉각법이 적용되고 있어서 높은 냉각속도를 확보하기에는 한계가 있어 불가피하게 2차 공정에서 많은 시간과 돈을 들여서 디스케일링을 실시하고 있는 실정이다.

이에 본 발명은 신선가공 및 압조가공 전에 열처리공정이 생략되어가는 추세에서 디스케일링공정이 생산성과 원가에 상당한 영향을 미침을 인지하고, 이러한 디스케일링공정을 단축하는데 주안점을 둔 것이다. 특히, 스텔모아 냉각법의 한계를 극복하기 위하여, 열간압연공정에서 스케일을 제어할 수 있는 방법에 대해 연구검토한 결과 다음과 같은 사실을 알게 되었다.

첫째, 마무리압연 전후의 온도가 높으면 수냉시 순간적으로 선재표면에 열응력이 증가하게 되어 권취시 급격히 스케일이 성장하게 되므로, 마무리압연 전후의 온도 를 적절히 조절하는 것이 필요하다.

둘째, 선재를 권취후 냉각할 때 500~600℃ 온도범위에서 오래 머물게 되면 마그네타이트심(Magnetite Seam)이나 헤마타이트(Hematite)가 생성되고, 이에 의해 지철과의 접착력이 커져 디스케일링성에 치명적인 영향을 미치므로, 권취 후 냉각속도를 적절하게 조절하는 것이 필요하다.

먼저, 본 발명에서 강의 성분을 제한한 이유부터 설명한다.

C: 0.30~1.00중량%

상기 C는 강에 있어 강도와 연성을 지배하는 기본적인 원소이다. C의 함량이 0.30중량% 미만이면 충분한 강도를 확보할 수 없으며, 1.00중량%를 초과하면 지나치게 강도가 증가하여 연성을 저하시키고 신선가공성 및 압조가공성을 떨어뜨리므로, 그 함량을 0.30~1.00중량%로 제한하는 것이 바람직하다.

Si: 0.03~1.00중량%

상기 Si은 제강공정에서 탈산제로서 유효한 원소이며, 페라이트에 고용되어 강도를 증가시키므로 0.03중량% 이상을 함유하여야 한다. 그러나, 함량이 1.00중량%를 초과하면 스케일과 지철계면에 FeO와 Fe₂SiO₄의 혼합층이 생성되어 디스케일링성을 저하시키게 되고 가열시에 탈탄을 조장시키게 되므로, 그 함량을 0.03~1.00중량%로 제한하는 것이 바람직하다.

Mn: 0.10~1.00중량%

상기 Mn은 실리콘과 마찬가지로 제강공정에서 탈산제로서 사용된다. Mn의 함량이 0.10중량% 미만이면 강도가 떨어지고 충분한 연성을 확보할 수 없으며, 1.00중량%를 초과하면 편석부에 의해 국부적으로 변태를 지연시키게 되어 균일한 미세조직 및 강도를 확보할 수 없고 Mn편석대에 의한 밴드구조의 취성이 강한 마르텐사이트조직이 발생하기 쉬워 신선성이나 압조성이 나빠지므로, 그 함량을 0.10~1.00중량%로 제한하는 것이 바람직하다.

P: 0.05중량%이하

상기 P는 강도를 높이는 작용을 하지만, 함량이 0.05중량%를 초과하면 결정입계에 편석되기 쉬워 신선가공시 단선발생 가능성을 높이므로, 그 함량을 0.05중량% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.

S: 0.01중량%이하

상기 S은 스케일 생성을 조장하는 원소로서, 함량이 0.01중량%를 초과하면 스케일이 두꺼워져 철손실이 증가하므로, 그 함량을 0.01중량% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.

상기와 같이 조성되는 빌렛을 마무리압연하게 되는데, 본 발명에서는 마무리압연을 2회로 나누어 실시한다. 마무리압연을 2회로 나누어 실시하게 되면 고온에서 머무는 시간을 단축시킬 수 있게 되어 스케일 두께 감소에 보다 유리하다.

상기와 같이 조성되는 빌렛을 제1 마무리압연기(1)에서 750~850℃로 마무리압연한다.

도 1의 제1 마무리압연기(1)는 제2 마무리압연기(3)에 비하여 압연되는 선재의 치수가 크고 최종 목적으로 하는 제품치수를 결정하는데 중요한 역할을 한다.

상기 제1 마무리압연기(1)에서의 압연온도가 750℃ 미만이면 압연저항이 급격히 증가하여 압연설비에 무리가 가해지기 때문에 압연이 어려워지거나 설비파손의 위험성이 따르게 되며, 850℃를 초과하면 열간압연시 고온에서 머무르는 시간이 길어지고 수냉속도가 커지게 되므로 선재표면의 열응력이 증가하게 되어 스케일이 빠르게 성장하게 된다. 따라서, 상기 제 1마무리압연온도는 750~850℃로 제한하는 것이 바람직하다.

상기 제1마무리압연 후 제1수냉장치(2)에서 냉각한 다음, 제2마무리압연기(3)에서 700~800℃로 마무리압연한다.

제2 마무리압연기(3)는 제1 마무리압연기(1)에서 어느정도 치수가 결정되어지면 최종적으로 정밀하게 압연하는 사이징(Sizing)압연의 역할이 크고, 이후에 최종 제품의 물성을 결정하는 냉각공정으로 이어지기 때문에 특히 선재표면에 생성되는 스케일의 영향이 크다.

상기 제2 마무리압연기(3)에서의 압연온도가 700℃ 미만이면 제1마무리압연기와 마찬가지로 압연저항이 급격히 증가하여 압연설비에 무리가 가해지기 때문에 압연이 어려워지거나 설비파손의 위험성이 따르게 되며, 신선가공용 선재의 경우 결정립 크기가 너무 미세해져 페라이트 조직이 과다하게 발생되어 신선성을 하락시키게 될 위험성이 있다. 또한, 800℃를 초과하면 열간압연시 고온에서 머무르는 시간이 길어지고 또한 수냉속도가 커지게 되어 선재표면의 열응력이 증가하게 되므로 스케일이 빠르게 성장하게 되고 권취후 냉각시 최적의 스케일을 제어하는 데 있어서 더 높은 냉각속도를 요구하게 될 뿐만 아니라 압조용 선재의 경우 결정립이 조대해져 압조가공시 오렌지 필(Orange peel)과 같은 가공결함을 유발할 가능성이 높아진다. 따라서, 상기 제2 마무리압연온도는 700~800℃로 제한하는 것이 바람직하다.

상기 제2마무리압연 후 제2수냉장치(4)에서 냉각한 다음, 700~800℃로 권취한다.상기 권취온도가 700℃ 미만이면 소재의 열간강도가 커짐에 따라 직선의 소재를 곡선방향으로 바꾸어 주는 권취기에 부하가 작용하여 제대로 권취를 할 수 없거나 설비파손의 위험성이 따르게 되며, 권취온도가 800℃를 초과하면 이후 급냉설비에서 더욱 더 큰 냉각속도를 요구하게 되며 고온에서 오래 머무르게 되므로 스케일이 두꺼워질 가능성이 높아진다. 따라서, 상기 권취온도는 700~800℃로 제한하는 것이 바람직하다.

상기 권취 후 표면의 평균냉각속도를 30~80℃/초로 500~550℃까지 냉각한다.

상기 권취후 냉각속도는 도 2에서 알 수 있듯이, 30℃/초 미만에서는 스케일이 너무 두껍게 형성되고, 80℃/초 초과시에는 급격한 냉각으로 인한 크랙이 발생하므로, 30∼80℃/초로 제한하는 것이 바람직하다.

상기 냉각종료온도를 500~550℃로 제한하는 이유는 다음과 같다. 먼저, 500~600℃범위에서 마그네타이트(Magnetite)나 헤마타이트(Hematite)가 가장 많이 생성되므로 우선적으로 이 온도구간을 급격히 냉각하여야 할 필요가 있다. 특히, 500~600℃범위에서는 스케일 측면 뿐만 아니라 목표로 하는 조직을 확보하기 위해서 화학성분을 제어하는 것이 중요하며, 그 중 탄소의 영향이 가장 크다. 압조용으로 주로 사용되는 탄소함량이 0.30~0.50중량%인 중탄소강에서는 연한 조직인 페라이트를 요구하게 되며 이때 연속냉각시 가장 빠르게 변태가 일어나는 온도는 550℃근처이므로 550℃ 근처가 냉각종료온도로 가장 적당한 온도이고, 신선용으로 사용되어지는 탄소함량 0.50중량% 이상의 고탄소강에서는 주로 신선성이 우수한 펄라이트 조직을 요구하게 되며 연속냉각시 펄라이트 변태가 가장 빠르게 일어나는 500℃ 근처가 냉각종료온도로 가장 적정한 온도이다. 하지만, 냉각종료온도가 500℃ 미만이 되면 가공에 유해한 베이나이트나 마르텐사이트 조직과 같은 경한 조직이 발생할 가능성이 높기 때문에, 상기 냉각종료온도는 500~550℃로 제한하는 것이 바람직하다.

상기와 같이 냉각을 실시한 이후에는 통상의 공냉이나 송풍냉각을 실시한다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다.

[실시예]

하기 표 1과 같은 강 성분을 가진 빌렛(Billet)을 이용하여 도 1의 선재제조설비에서 950~1100℃범위의 온도로 1시간 30분동안 가열하여 열간압연후 직경 5.5mm로 선재를 제조한다. 이때, 마무리압연온도 및 냉각속도는 하기 표 2 와 같다. 마무리압연온도는 제1, 제2 마무리압연기(1, 3)전에 설치된 방사온도계를 이용하여 측정하였으며, 냉각속도는 급냉장치(7) 입구에 설치된 권취온도계를 이용하여 냉각개시온도기준으로 하였고 출구는 파이로메타를 이용하여 급냉장치(7) 출구에서 온도를 측정하여 계산하였다.

	강 성분(중량%)
	C	Si	Mn	P	S
강 A	0.35	0.06	0.42	0.020	0.006
강 B	0.37	0.49	0.34	0.012	0.010
강 C	0.63	0.28	0.81	0.017	0.005
강 D	0.81	0.26	0.78	0.009	0.008
강 E	0.92	0.23	0.75	0.011	0.007

상기와 같이 제조된 선재 시편에 대해 광학현미경을 이용하여 스케일 두께와 조직을 관찰하고 그 결과를 하기 표 2 에 나타내었다. 그리고, 디스케일링성이 양호한 지를 파악하기 위하여 인장시험을 통한 잔류스케일을 측정하였다. 상기 잔류스케일 측정방법은 300mm로 시편을 절단한 다음 인장시험기에서 6% 인장하고 시편의 전체질량을 측정한 후, 다시 산세에 의해 남은 스케일을 완전히 박리한 다음 시편의 질량을 측정하여, 그 차이를 계산하여 하기 표 2에 나타내었다.

상기 표 2 에 나타낸 바와 같이, 비교예의 스케일 두께는 7∼18㎛범위로 두꺼워 2차공정의 디스케일링시 스케일을 제거하는데 많은 시간이 필요하지만, 발명재의 경우는 스케일 두께가 5㎛이하로서 디스케일링 시간을 단축할 수 있다.

또한, 본 발명의 범위를 만족하는 발명재의 경우 잔류스케일이 0.009%이하로 본 발명의 범위를 만족하지 않는 비교예의 경우(0.015~0.028㎛)에 비하여 우수함을 알 수 있다.

또한, 도 2 는 권취후 급냉장치에 있어서 냉각속도에 따른 스케일 두께를 나타낸 그래프이다. 도 2에서 알 수 있듯이, 냉각속도 30℃/초이상이 되면 5㎛이하의 스케일 두께가 얻어지지만, 그 미만에서는 스케일이 너무 두껍게 형성되며, 냉각속도가 80℃/초를 초과하면 급격한 냉각효과로 크랙과 같이 선재에서 파단이 일어나게 된다. 따라서, 적정한 냉각속도를 얻는 것이 중요함을 확인할 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 마무리압연을 2회로 나누어 하며 각각의 마무리압연 전후의 온도 및 권취후 냉각속도를 적절하게 제어하여 스케일 두께가 얇은 열간압연선재를 제공함으로써, 디스케일링 공정시 시간 및 비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.

Claims (1)

1. 중량%로, C: 0.30~1.00%, Si: 0.03~1.00%, Mn: 0.10~1.00%, P: 0.05%이하(0은 제외), S: 0.01%이하(0은 제외), 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성되는 빌렛을 750~850℃로 제1 마무리압연한 후 냉각한 다음, 700~800℃로 제2 마무리압연한 후, 700~800℃에서 권취한 후 표면의 평균냉각속도를 30~80℃/초로 500~550℃까지 냉각하는 것을 포함하여 이루어지는 디스케일링성이 우수한 열간압연선재의 제조방법.

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