KR100940702B1 - 니오븀(Ｎｂ)첨가 강의 연속주조주편의 코너크랙 저감방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 석유수송관인 API재 등을 비롯하여 고내후성강재등에 사용되는 니오븀(Nb) 첨가 강의 연속주조주편의 모서리부분에서 흔히 발생하는 표면결함의 일종인 코너가로 크랙을 저감하는 방법에 관한 것이다.

본 발명에 의하면, 탄소함량이 0.08~0.18%인 Nb 첨가 강의 용강을 연속주조기의 주형에 주입하여 연속적으로 주편으로 주조하고 2차냉각대에서 2차 냉각한 다음, 교정부에서 교정하여 Nb 첨가 강의 연속주조주편을 제조하는 방법에 있어서,

상기 주조시 주형의 탕면에 염기도가 1.2~1.3이고 응고온도가 1160~1280℃인 몰드 파우더를 투입하고, 주형을 ±2.5∼±3.0mm의 진폭으로 진동시키고; 그리고

상기 2차냉각대에서의 2차 냉각시 교정부의 교정점에서의 주편 표면중앙 온도가 900℃ 이상이고 에지부 온도가 800℃ 이상이 유지되도록 비수량을 설정하는 것을 특징으로 하는 Nb 첨가 강의 연속주조주편의 코너크랙 저감방법이 제공된다.

본 방법은 연속주조조업에 적용함으로써 주편의 코너부에서 발생하는 코너크랙을 줄여 주편 실수율 향상과 생산성 증가를 가져올 수 있는 효과가 있는 것이다.

연속주조, 주편, 코너크랙, 진폭, 주형진동자국

Description

니오븀(Ｎｂ)첨가 강의 연속주조주편의 코너크랙 저감방법{Method for Decreasing Corner Crack on Continuously Cast Strand of Niobium Added Steel}

도 1은 2차냉각대에서 주편온도를 측정한 예를 나타내는 그래프

도 2는 2차냉각대에서의 냉각조건변경에 따른 주편의 코너크랙 발생율을 나타내는 그래프

도 3은 주형진폭에 따른 주형진동자국(Oscillation mark)의 깊이를 나타내는 그래프

도 4는 주형진폭에 따른 주형진동자국(Oscillation mark)의 평균깊이 및 간격을 나타내는 그래프

도 5는 주형진폭에 따른 코너크랙 발생율을 나타내는 그래프

도 6은 종래 몰드 플럭스 및 본 발명 몰드 플럭스를 적용한 경우에 대한 코너크랙 발생율을 나타내는 그래프

도 7은 종래 몰드 플럭스 및 본 발명 몰드 플럭스를 적용한 경우에 대한 디프레이션(depression)깊이를 나타내는 그래프

도 8은 본 발명법 및 기존방법에 의한 코너크랙 발생율을 나타내는 그래프

본 발명은 석유수송관인 API재 등을 비롯하여 고내후성강재등에 사용되는 니오븀(Nb) 첨가 강의 연속주조 주편을 제조하는 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 니오븀 첨가강 연속주조주편의 모서리부분에서 흔히 발생하는 표면결함의 일종인 코너가로 크랙을 저감하는 방법에 관한 것이다.

현재까지 발전되어온 제철기술 중 극저탄소강, 극저린강등 고순도강의 정련기술을 배경으로 Nb, Ti, V, B등 미량원소 첨가에 의해 새로운 기능을 부여하는 재질을 추구하는 미량원소첨가(microalloying)기술이 철강재료분야에서 중요시 되어왔다.

일반적으로 철강의 강도가 증가하면 인성이 나빠지는 경향을 나타내지만 최근 공업여건의 극한화에 따라 고강도 강에서도 인성향상에 대한 요구가 강력히 대두되어 강의 인성향상을 위한 여러 가지 방법이 이용되고 있다.

특히, 미량원소의 석출효과를 적절히 이용하여 조직의 미세화를 통한 강의 인성을 향상시키는 방법이 많이 사용되고 있다.

열간압연 중 일어나는 재결정 및 결정립 성장속도 억제에는 Nb, Ti, V, B등의 석출물이 효과적으로 적용된다.

미량원소를 첨가하는 강의 연속주조시 용강의 응고과정에 여러가지 문제가 발생되어 각종기술이 개발되어 왔고 많은 노력으로 현재까지 거의 해결되어 왔다.

그러나, 연주주편의 표면결함 저감을 위하여 조업조건의 적정화에 많은 노력을 기울여 왔지만 지금까지 중요한 과제로 남아 있다.

한편, 상기 Nb첨가강은 석유수송관인 API재 등을 비롯하여 고내후성강 등 열연 고 급강으로서 다른 강종에 비하여 연주 표면크랙이 다발하는 강종이다.

그러나, 이러한 강종에 대한 주편크랙 발생의 정확한 원인규명과 저감을 위한 연구가 진행되고 있으며 조업조건 정립이 되어 있지 않고 있다.

따라서, 상기 Nb첨가강의 주편 크랙발생 원인 규명 및 대량생산시 안정적인 조업을 위한 크랙발생 저감 기술이 요구되고 있는 실정이다.

본 발명은 니오븀 첨가강의 연주주편 제조시 몰드 파우더, 주형진폭, 및 2차냉각대에서의 냉각조건을 적절히 제어함으로써 연속주조주편의 코너 크랙 발생을 최소화시킬 수 있는 방법을 제공하고자 하는데, 그 목적이 있다.

이하, 본 발명에 대하여 설명한다.

본 발명은 탄소함량이 0.08~0.18%인 Nb 첨가 강의 용강을 연속주조기의 주형에 주입하여 연속적으로 주편으로 주조하고 2차냉각대에서 2차 냉각한 다음, 교정부에서 교정하여 Nb 첨가 강의 연속주조주편을 제조하는 방법에 있어서,

상기 주조시 주형의 탕면에 염기도가 1.2~1.3이고 응고온도가 1160~1280℃인 몰드 파우더를 투입하고, 주형을 ±2.5∼±3.0mm의 진폭으로 진동시키고; 그리고

상기 2차냉각대에서의 2차 냉각시 교정부의 교정점에서의 주편 표면중앙 온도가 900℃ 이상이고 에지부 온도가 800℃ 이상이 유지되도록 비수량을 설정하는 것을 특징으로 하는 Nb 첨가 강의 연속주조주편의 코너크랙 저감방법에 관한 것이다.

이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명은 탄소함량이 0.08~0.18%인 Nb 첨가 강의 용강을 연속주조기의 주형에 주입하여 연속적으로 주편으로 주조하고 2차냉각대에서 2차 냉각한 다음, 교정부에서 교정하여 Nb 첨가 강의 연속주조주편을 제조하는 방법에 적절히 적용된다.

연주 주편에 발생하는 표면크랙은 압연 후 결함으로 잔류되는 경우가 많기 때문에 주편 단계에서 스카핑(scarfing)과 같은 정정처리로 결함을 제거하여야 한다.

따라서 직행율이 저하되어 생산성이 떨어짐과 동시에 생산비 증가의 요인이 된다. 연주 주편의 표면결함은 세로 및 가로크랙과 코너크랙으로 분류되고 있으며 꾸준한 조업 및 설비개선으로 대부분의 크랙발생이 해소되었으나 중탄소강의 표면결함은 아직도 문제로 남아 있다.

코너크랙의 발생요인은 연주기 형태에 따라 달라지지만 주형내 응고층 형성조건, 2차냉각대의 주편 표면온도조건, 주편 교정시에 부여되는 인장응력 및 주조강종의 크랙 민감성 등으로 대별된다.

코너크랙은 주형진동자국(OSM:oscillation mark; 이하 "OSM"이라고도 함)을 따라 발생하며 교정(unbending) 변형(strain)에 의해 다발하고 만곡형 연주기인 경우 주편 상면에 발생하기 쉽다.

최근에는 수직곡형 연주기화 경향으로 주편의 상,하면 양쪽에 발생할 가능성이 많다.

2차냉각대에서의 크랙 발생은 연성이 저하되는 취화온도 구역에서 주편의 벤딩(bending) 혹은 언벤딩(unbending)에 의해 주편표면의 주형진동자국부에 인장 변형(strain)이 집중됨에 의하여 Nb, V, Ti, Ni, Cr, Al, N의 성분이 증가하면 크 랙발생이 쉽다고 알려지고 있다.

최근에는 탄소함유량 0.08~0.18%인 중탄소강의 2차냉각 및 몰드 파우더(mold powder)의 적정화로 고속주조 기술을 개발하였다고 발표하고 있으며, 주형의 단변 테이퍼(taper)의 적정화가 크랙에 유효하다고 인식되고 있다.

또한, 표면크랙 저감을 위한 비정현 파형 주형 진동법, 및 정밀한 주형탕면 제어기술 등이 개발되고 있다.

주편의 표면크랙은 주로 크랙 발생에 민감한 중탄소강에서 발생하며, 코너크랙 발생율도 다른 강종에 비하여 높은 편이지만 정확한 원인규명이 힘들고 각 공장의 연주기 특성, 조업 및 설비조건에 따라 영향을 받는다.

주편 표면크랙의 첫번째 원인은 주형 내에 있어서 응고 셀(shell)의 형성에 기인하지만, 2차 냉각대에서는 크랙을 확대시키거나 발생기점도 될 수 있다.

특히, 만곡형 연주기의 교정점 근처에서 주편 윗면에 발생하는 인장응력으로 인해 OSM의 계곡부를 따라서 가로크랙이 발생한다.

이러한 크랙은 입계를 따라 발생하는데 Al, V, Nb, Ti등의 합금원소와 N, P, S등의 불순원소의 증가에 따라 뚜렷하게 나타난다.

이러한 원인은 온도저하에 따른 지역의 입계 석출과 변태에 따른 필름상의 석출로 인해 700∼900℃지역에서 연성이 저하되기 때문이다.

따라서, 주편에 변형(strain)이 걸리는 부분에 있어서 이러한 온도지역을 피하는 것이 중요하다.

또한, 주편의 냉각은 주조길이 방향의 급격한 온도차이가 발생하거나 주편 모서리 부에 과냉이 발생하면 온도차이에 의한 열적 응력(stress)으로 표면 크랙이 발생하기 쉽다.

따라서, 본 발명에서는 상기한 점을 고려하여 상기 2차냉각대에서의 2차 냉각시 교정부의 교정점에서의 주편 표면중앙 온도가 900℃ 이상이고 에지부 온도가 800℃ 이상이 유지되도록 비수량을 설정한다.

본 발명에 있어서, 바람직한 비수량은 0.45l/kg-용강이하, 바람직하게는 0.3- 0.45l/kg-용강으로 설정하는 것이다.

한편, 대부분의 표면 가로크랙이나 코너크랙은 OSM의 계곡부에서 일어난다.

상기 OSM의 깊이와 간격은 각각 0.1∼1mm와 5∼10mm정도이며 깊이와 간격을 감소시킴으로써 즉, 작은 진폭과 높은 진동수의 주형진동을 채택함으로써 표면크랙은 억제된다.

상기 OSM의 깊이는 진동수를 크게 하고 진폭을 작게 함으로써 얕아진다.

코너크랙 발생율과 OSM의 깊이의 관계는 OSM이 깊을수록 코너크랙 발생율이 증가하는 경향을 보이고 있다.

크랙이 OSM의 계곡부에서 관찰되는 사실은 주형이 위아래로 진동할 때 주편보다 더 내려가 있는 시간인 네가티브 스트립 타임(negative strip time)에 의해 형성되는 후크(hook)의 존재로 부분적으로 기여할 수 있으며 오실레이션 주형과 얇은 응고 셀사이, 즉 OSM의 계곡부 이웃의 표층에서 P와 같은 불순원자의 편석으로 흔히 관찰된다.

주형하단의 부분적인 냉각의 지연은 조대한 조직을 만들 수 있고 크랙발생 민감성 을 확장시킬수 있다.

또한, 주형 진동조건 중 네가티브 스트립 타임을 단축시킴으로써 OSM의 깊이를 얕게 할 수 있다는 사실은 알려진 사실이다.

따라서, 본 발명에서는 상기한 점을 고려하여 주형을 ±2.5∼±3.0mm의 진폭으로 진동시킨다.

몰드 파우더(Mold powder)는 주형에서 물리적, 야금적으로 일어나는 중탄소강의 응고 불균일은 응고층의 균일한 성장과 일정한 냉각으로 어느 정도 보상해 줄 수 있다.

몰드 파우더는 많은 소모량을 통한 균일한 유입과 응고 셀에 대한 심한 과냉을 방지하여야 한다.

즉 몰드 파우더는 저점도에서도 불구하고 충분한 열저항을 가져야 한다.

주형과 응고 셀간에 존재하는 몰드 슬래그 필름(mold slag film)기능중의 하나는 응고층으로부터 주형으로의 열전달을 균일하게 하는 것이다.

국부적인 열전달의 지연은 크랙을 유발시킬수 있다.

따라서 중탄소강의 몰드 파우더는 염기도를 증가시켜 슬래그 필름내의 결정질율을 증가시키면서 다공질화하여 주형, 주편간의 열전달을 완화시키는 방법도 크랙을 저감시키는 수단이 된다.

따라서, 본 발명에서는 상기한 점을 고려하여 연속주조시 주형의 탕면에 염기도가 1.2~1.3이고 응고온도가 1160~1280℃인 몰드 파우더를 투입한다.

그 투입량은 통상적으로 투입되는 양이면 되고, 특별히 한정되는 것은 아니지만, 바람직하게는 0.25-0.35kg/톤-용강정도를 투입하는 것이다.

Nb가 첨가된 중탄소강의 주편에서 다발하는 코너크랙을 저감하기 위해서는 주형에서는 주형진동자국깊이를 감소시키고 2차냉각대에서는 주편의 취화온도 지역을 피하고 주형 용제인 몰드 파우더를 적절히 선택하여 조업을 하는 것이 바람직하다.

또한, 표면크랙에 영향을 미칠 수 있는 연주기 설비상태를 항상 최적으로 유지하여야 한다

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다.

(실시예 1)

주조 폭 1120mm 및 주속 1.4m/min으로 Nb첨가 중탄소강을 연소주조할 시 2차냉각대에서의 냉각패턴을 하기 표 1에서와 같이 하여 연속주조하여 주편을 제조한 다음, 롤 세그먼트(segment)의 번호별 온도변화를 관찰하고, 비교예 및 발명예에 대한 결과를 도 1에 나타내었다.

도 1은 8번 세그먼트 지점부터 피복열전대로 주편 표면중앙부와 에지에서 30mm떨어진 지점의 온도를 측정한 값을 나타내는 것이다.

또한, 하기 표 1의 종래예, 비교예 및 발명예에 따라 제조된 주편을 스카핑(scarfing)하여 코너크랙 발생율을 조사하고, 그 결과를 도 2에 나타내었다.

냉각루프	세그번트 번호	종래예	비교예	발명예	비고
1	풋롤(foot roll)	117	101	113	주속: 1.4m/min기준 교정점: seg.9-10
2	측면지지롤	121	112	101
3	seg.0(상부)	234	196	230
4	seg.0(하부)	167	140	151
5	seg.1	139	129	132
6	seg.2,3(in)	95	88	91
7	seg.2,3(out)	99	92	95
8	seg.4,5(in)	66	62	56
9	seg.4,5(out)	73	70	59
10	seg.6-8(in)	80	85	64
11	seg.6-8(out)	86	98	69
12	seg.9-13(in)	118	157	96
13	seg.9-13(out)	132	170	107
14	seg.14-18(in)	106	88	99
15	seg.14-18(out)	121	109	113
총물량(l/min)		1753	1697	1581
비수량(l/kg-용강)		0.49	0.47	0.44

도 1에 나타난 바와 같이, 비교예의 경우에는 연주기 교정점(segment 9∼10번에서)중 세그먼트 9번에서는 900℃가 넘지만 세그먼트 10번은 880℃정도이고, 에지부분의 온도도 800℃이하임을 알 수 있다.

이에 반하여, 본 발명에 부합되는 냉각패턴을 적용한 발명예의 경우에는 교정점에서 주편 표면중앙부의 온도는 취성영역을 피하여 920℃이상이고, 에지부분은 800℃ 이상으로 나타남을 알 수 있다.

도 2에 나타난 바와 같이, 종래예와 비교예는 코너 크랙발생율에 있어서 동일함을 알 수 있는데, 이는 상기 표 1에 나타나 있는 바와 같이 연주기 상부의 냉각수량은 감소되었지만 교정점인 세그먼트 9∼10번이 포함되는 냉각 루프(cooling loop) 12번과 13번의 냉각수량이 기존보다 오히려 많기 때문으로 추정된다

한편, 본 발명예의 경우에는 코너크랙 발생율이 60%로 종래예의 80%에 비하여 20%정도 감소됨을 알 수 있는데, 이는 교정점의 주편온도가 코너크랙 발생에 영향을 미치고 있음을 의미하는 것이다.

따라서, 2차냉각대에서 적절한 냉각수량을 설정함으로써 크랙발생을 줄일 수 있음을 알 수 있다

(실시예 2)

Nb첨가 중탄소강을 연소주조할 시 주형의 진폭을 ±4mm (종래방법), 주형의 진폭을 ±2.5mm(본 발명예1) 및 주형의 진폭을 ±3.0mm(본 발명예2)로 하여 연속주조주편을 제조한 다음, 주편의 주형진동자국 (OSM)의 깊이를 윤곽측정기로 측정하고, 그 결과를 도 3에 나타내었다.

도 3(a)는 종래방법을 나타내고, (b)는 본 발명예1을 나타내고, (c)는 본 발명예2를 나타낸다.

또한, 주형진동자국의 깊이 및 간격의 평균값을 조사하고, 그 결과를 도 4에 나타내었다.

도 4의(a)는 주형진동자국의 깊이의 평균값을 나타내고, 그리고 (b)는 주형진동자국 간격의 평균값을 나타낸다.

도 4의 평균값은 초, 중, 말 주편 각각 10매씩 선정하여 OSM 깊이 및 간격을 측정한 평균값이다.

또한, 코너크랙발생율을 조사하고, 그 결과를 도 5에 나타내었다

도 3에 나타난 바와 같이, 진폭이 ±4mm인 종래방법의 경우에는 OSM 깊이는 평균 0.47mm이고, 최대 0.74mm이고, 또한 OSM간격은 평균 9.65mm이고 최대 10.1mm임을 알 수 있다.

그러나, 진폭이 ±2.5mm인 경우(본 발명예 1)에는 OSM깊이는 평균 0.37mm이고, 최 대 0.64mm이고, 또한 OSM간격은 평균 6.36mm이고 최대 10.8mm임을 알 수 있다.

또한, 진폭이 ±3mm인 경우(본발명예2)에는 OSM깊이는 평균 0.36mm이고 최대 0.52mm이고, 또한 OSM간격은 평균 9.67mm이고, 최대 11.7mm임을 알 수 있다.

도 4에 나타난 바와 같이, 진폭이 ±2.5mm인 경우(본 발명예 1) 및 진폭이 ±3mm인 경우(본발명예2)에는 진폭이 ±4mm인 경우(종래예)에 비하여 OSM의 깊이는 약 0.1∼0.12mm정도 감소하고, OSM간격은 약 0.96∼1.34mm 감소 하면서 균일한 형상을 보여주고 있다.

도 5에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따라 주형의 진폭을 설정하는 경우에는 크랙 발생율이 현저히 저감됨을 알 수 있다.

(실시예 3)

Nb첨가 중탄소강을 연소주조할 시 하기 표 2와 같이 조성되는 몰드 파우더를 주형에 적용하여 연속주조주편을 주조한 다음, 주편의 코너크랙발생율을 조사하고, 그 결과를 도 6에 나타내었다.

또한, 주편의 디프레이션(depression)깊이를 측정하고, 그 결과를 도 7에 나타내었다.

항목	종래 몰드플럭스	본 발명 몰드플럭스		비고
brand	KC2	KPW3B	KPS2A
SiO2(wt%)	33.40	32.88	32.77
CaO(wt%)	39.25	41.78	39.50
C-free(wt%)	3.0	5.0	5.56	보온성
Fe2O3(wt%)	1.74	3.56	0.45
염기도(CaO/SiO2)	1.18	1.27	1.21	결정질율
응고온도()	1103	1267	1175	고상증대
결정질율(%)	7.1	7.6	7.5
점도(poise)	2.02	3.28	2.30	OSM깊이
적용주속(m/min)	1.3이하	1.3이하	1.3이하

도 6에 나타난 바와 같이, 본 발명의 몰드 플럭스를 적용하는 경우에는 종래의 몰드 파우더를 적용하는 경우에 비하여 코너크랙 발생율이 약 50%정도 감소하였음을 알 수 있다.

이러한 사실은 몰드 파우더의 염기도를 증가시킴으로써 슬래그 필름내의 결정질율이 증가되어 다공질화하여 주형/응고 셀간의 열전달이 완화된 효과라고 추정할 수 있고, 또한 몰드 파우더의 응고온도를 상승시킴으로써 주형과 응고 셀간에 존재하는 몰드 슬래그 필름의 두께가 증가되어 완냉효과에도 기여하였다고 할 수 있다.

도 7에 나타난 바와 같이, 본 발명의 몰드 파우더를 적용한 경우에는 주편의 디프레이션의 깊이가 1.5mm정도임에 반하여, 종래 몰드 파우더를 적용한 경우에는 3mm정도임을 알 수 있다.

(실시예 4).

상기 표 2의 본 발명의 몰드 파우더 및 표 1의 발명예의 2차냉각패턴과 ±2.5mm의 진폭을 적용한 경우(본 발명법)와 상기 표 2의 몰드 파우더, 상기 표 1의 종래예의 2차냉각패턴 및 ±4mm의 진폭을 적용한 경우에 대한 코너크랙 발생율을 조사하고, 그 결과를 도 8에 나타내었다.

도 8에 나타난 바와 같이, 본 발명법의 경우에는 크랙발생율이 5%이고, 종래방법의 경우에는 약 25%로서, 본 발명법에 의하면, 종래방법에 비하여 크랙발생율이 1/5 수준으로 감소하였음을 알 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 방법은 연속주조중 주조조업에 적용함으로써 주편의 코너부에서 발생하는 코너크랙을 줄여 주편 실수율 향상과 생산성 증가를 가져올 수 있는 효과가 있는 것이다.

Claims (2)

1. 탄소함량이 0.08~0.18%인 Nb 첨가 강의 용강을 연속주조기의 주형에 주입하여 연속적으로 주편으로 주조하고 2차냉각대에서 2차 냉각한 다음, 교정부에서 교정하여 Nb 첨가 강의 연속주조주편을 제조하는 방법에 있어서,

   상기 주조시 주형의 탕면에 염기도가 1.2~1.3이고 응고온도가 1160~1280℃인 몰드 파우더를 투입하고, 주형을 ±2.5∼±3.0mm의 진폭으로 진동시키고; 그리고

   상기 2차냉각대에서의 2차 냉각시 교정부의 교정점에서의 주편 표면중앙 온도가 900℃ 이상이고 에지부 온도가 800℃ 이상이 유지되도록 비수량을 0.45 l/kg-용강이하로 설정하는 것을 특징으로 하는 Nb 첨가 강의 연속주조주편의 코너크랙 저감방법.
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