KR100961326B1 - 고융점 개재물의 조성제어용 플럭스 코어드 와이어 및 이를이용한 노즐 막힘 방지 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고융점 개재물의 조성제어를 위한 플럭스 코어드 와이어 및 이를 이용한 노즐 막힘 방지 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 종래 고융점 개재물의 조성제어를 위해 사용되었던 칼슘계 접종재에 비하여 그 효율이 뛰어난 플럭스 코어드 와이어 및 상기 플럭스 코어드 와이어를 이용하여 개재물의 융점을 용강 온도보다 낮은 온도로 제어함으로써 노즐 막힘의 원인이 되었던 개재물이 노즐로부터 용이하게 제거될 수 있도록 하는 방법에 관한 것이다.

본 발명의 플럭스 코어드 와이어는 금속제 외피내에 Ca 분말과 CaF₂ 분말의 혼합분말이 충진된 것을 특징으로 하며, 상기 플럭스 코어드 와이어를 이용하여 노즐 막힘을 방지하는 방법은 금속제 외피내에 Ca 분말과 CaF₂ 분말의 혼합분말이 충진된 플럭스 코어드 와이어를 준비하는 단계; 준비된 플럭스 코어드 와이어를 Ca 금속 기준으로 용강 1톤당 100~250g 투입하는 단계; 및 상기 플럭스 코어드 와이어가 투입된 용강을 교반하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

플럭스, 와이어, Ca, CaF2, 노즐 막힘, 개재물 조성제어

Description

고융점 개재물의 조성제어용 플럭스 코어드 와이어 및 이를 이용한 노즐 막힘 방지 방법{FLUX CORED WIRE FOR CONTROLLING THE COMPOSITION OF INCLUSION HAVING HIGH MELTING TEMPERATURE AND METHOD FOR PREVENTING NOZZLE CLOGGING USING THE SAME}

본 발명은 고융점 개재물의 조성제어를 위한 플럭스 코어드 와이어 및 이를 이용한 노즐 막힘 방지 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 종래 고융점 개재물의 조성제어를 위해 사용되었던 칼슘계 접종재에 비하여 그 효율이 뛰어난 플럭스 코어드 와이어 및 상기 플럭스 코어드 와이어를 이용하여 개재물의 융점을 용강 온도보다 낮은 온도로 제어함으로써 노즐 막힘의 원인이 되었던 개재물이 노즐로부터 용이하게 제거될 수 있도록 하는 방법에 관한 것이다.

전로나 전기로 제강 직후에는 여러가지 이유로 말미암아 용강내에 산소가 다량 용존되게 된다. 상기 용존산소는 연속주조시 브레이크 아웃 등과 같은 사고의 원인이 되므로 주조전에 반드시 제거되어야 한다. 따라서, 전로/전기로 출강시 또는 경우에 따라서 RH 처리 등과 같은 이차정련공정에서 용존산소를 충분히 제거하 는 탈산 작업이 이루어지게 된다.

상기 탈산을 위하여 많이 사용되고 있는 원소로는 알루미늄(Al) 또는 실리콘(Si) 등을 들 수 있으며, 망간(Mn)이나 티타늄(Ti) 등도 탈산반응에 참여할 수 있다.

상기 탈산원소들 중 알루미늄과 같은 원소가 가격에 비하여 탈산력이 강하여 가장 많이 사용되는데 상기 알루미늄과 산소가 반응하면 융점이 매우 높은 알루미나계 개재물이 생성된다. 또한, 투입된 알루미늄 중 일부는 용강 중에 잔류하면서 용강 중 산소의 함량을 일정수준 이하로 유지하는 역할을 한다. 따라서, 강종별로 상기 알루미늄의 용강 중 목표 함량이 정해져 있으며, 상기 함량에 미달할 경우 이차정련공정에서 이를 보충하기 위하여 추가적인 알루미늄이 투입되게 된다.

이렇게 용강내에서 용존 알루미늄으로 존재하는 알루미늄 성분은 용강이 대기와 접촉하여 재산화함에 따라 대기 중의 산소 또는 이들이 용강에 흡수된 용존산소와 반응하여 알루미나계 개재물을 또한 생성시킨다. 따라서, 알루미늄은 탈산 반응, 용강 재산화 등의 여러가지 반응에 의해 다양한 경로로 용강내에 알루미나계 개재물을 생성시키므로 용강 중에는 알루미나계 개재물이 다량 존재하게 된다.

물론, 이러한 알루미나계 개재물이 최종제품에까지 잔류하면 최종제품에 따 라 여러가지 바람직하지 못한 결함의 원인이 되므로, 용강 상태에서 제거하기 위해 많은 노력을 하고 있다. 그러나, 상기와 같은 노력에도 불구하고 일정 수준의 알루미나는 여전히 용강내에 잔류 또는 새로이 생성되기 때문에 주조시에도 상기 알루미나계 개재물은 여전히 존재하게 된다.

그런데, 대부분의 철강회사에서 채택하고 있는 연속주조 공정은 이차정련 처리를 마치고 레이들에 수강된 용강을 콜렉터 노즐과 셔라우드 노즐(Shroud Nozzle)을 통하여 턴디시로 이송한 후, 상기 턴디시에 저장된 용강을 SEN(Submerged Entry Nozzle)을 통하여 몰드로 이송하여 주조하는 과정을 채택하고 있다.

용강은 주조되기까지 상기 많은 노즐을 통하여 이송되게 되는데, 이들 노즐은 용강이 대기에 노출되지 않도록 하기 위한 필수적인 부품이다. 또한, 이들 노즐은 용강과 직접 접촉하기 때문에 용강온도에서도 용융되지 않고 열적 충격에도 충분히 견딜 수 있도록 내화물 재질로 구성되는 것이 일반적이다.

그런데, 용강내 존재하는 개재물들은 (여러가지 다른 원인들도 추정되고 있으나, 특히) 용강 보다는 상기 내화물 재질의 노즐과 더욱 친화력이 있어(즉, 이들과의 계면에너지가 훨씬 낮기 때문에) 상기 내화물 재질의 노즐 벽에 부착되게 된다. 이러한 개재물 부착이 계속되면 좁은 노즐 단면은 더욱 좁게 되며, 그 결과 용강류 속도가 감소하게 되며, 그에 따라 개재물이 노즐에 부착하는 현상이 더욱 가속화되는 문제의 악순환으로 인하여 마침내에는 주조에 필요한 용강량을 공급할 수 없을 정도로 노즐 내부가 막히게 되는 노즐 막힘(Nozzle Clogging)이 발생하게 된다.

따라서, 상기 노즐 막힘을 방지하기 위해서는 우선 개재물이 용강벽에 부착되지 않도록 하는 것이 가장 중요하다.

노즐 막힘을 방지하기 위한 방법으로서 용강과 노즐 벽사이에 가스 층을 형성하여 용강과 노즐이 접촉하지 않도록 하는 방법이 제안되었다. 이러한 방법을 이용할 경우 용강내에 존재하는 개재물이 노즐 벽에 접촉할 가능성이 감소되기 때문에 부착되는 개재물의 양을 감소시킬 수 있다. 그러나, 이러한 방법은 용강과 노즐사이의 이격을 확보하기 위하여 많은 양의 가스 주입을 요구하기 때문에 미세한 기포들이 용강내 존재하는 상태에서 주조되어 버리고, 그 결과 슬라브 등과 같은 주편내에 상기 기포들이 존재하는 기포성 결함의 원인으로 작용하는 문제가 있었다.

다른 하나의 방법으로는, 노즐의 형상을 제어하는 방법을 들 수 있다. 그 중 하나는 노즐 내벽에 불연속적인 단차를 두어 상기 단차로 인하여 용강이 노즐에 용이하게 접촉하지 않도록 하는 방법이며, 또다른 하나는 노즐 토출구 쪽의 형상을 꽃무늬 등과 같은 형상으로 하여 용강이 한쪽으로 편류되는 것을 감소하는 방법이 다. 그러나, 이러한 방법 모두 노즐 막힘을 근본적으로 해결할 수는 없었다.

또 다른 하나의 방법은 노즐의 재질을 제어하는 방법을 들 수 있는데, 즉, 알루미나계 개재물이 부착하면 상기 알루미나와 반응하여 용강의 온도보다 낮은 온도에서 쉽게 액상으로 되는 저융점 산화물을 형성하는 재질로 노즐의 내벽 재질을 변경함으로써 노즐에 부착한 개재물이 용강류에 쓸려 제거될 수 있도록 하는 방법이다. 상기 노즐 내벽 재질로는 ZrO₂, SiO₂ 또는 CaO 등을 들 수 있으며, 이러한 재질의 노즐을 소위 '자가 청정형 노즐'이라고도 한다. 그러나, 이 방법 역시 일단 존재하는 고융점 개재물에 의한 해를 최소화하기 위한 것으로서 보다 근본적인 해결책은 될 수 없었다.

따라서, 보다 근본적인 해결책으로서 용강 중에 존재하는 개재물을 저융점화 시킴으로써 고융점 개재물이 존재하지 않도록 개재물의 조성을 제어하는 방법이 제시되었다. 즉, 강중 존재하는 알루미나 등과 같은 고융점 개재물은 CaO와 반응하여 복합개재물을 형성할 경우 용강의 온도보다 낮은 온도의 융점을 가지는 저융점 개재물로 변화가능한데, 이러한 저융점화를 도모하기 위해 용강에 칼슘을 용존시키는 방법(소위 칼슘 접종)이 그것이다. 용강중 칼슘이 투입되면 칼슘은 알루미나와 반응하거나 알루미나 및 용강내 산소와 반응하여 Al2O3/CaO 복합개재물이 형성되게 되는데, 이러한 복합개재물은 CaO와 알루미나의 비율에 따라 약간씩은 달라지지만 대체로 알루미나의 융점보다는 월등히 낮은 융점을 가지는 저융점 개재물이다. 이때 상기 방법을 위해 투입되는 칼슘은 종래 CaSi 합금 분말 또는 Ca 분말을 Fe 분말과 혼합한 분말 등을 철피에 감싸서 와이어 형태로 투입되거나 또는 분체취입랜스를 이용하여 분말 상태로 취입되는 방식으로 용강내에 첨가된다.

그런데, 이러한 방식으로 투입되는 Ca는 정련공정에서의 실수율(투입한 Ca 중 용강중에 용존되는 Ca의 비율)이 10% 수준으로서 충분하지 못하며 과다한 Ca 손실의 원인이 될 수 있다. 그 뿐만 아니라 상기 방식으로 Ca를 투입할 경우 실수율 편차가 심하여 어떤 경우에는 충분한 양의 Ca가 용존되지 못하여 노즐 막힘 방지에 전혀 도움이 될 수 없다는 문제도 발생될 수 있다.

본 발명은 상기 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 일측면에 따르면 Ca를 과다하게 투입하지 않으면서도 고융점 개재물의 저융점화가 가능한 고융점 개재물의 조성제어용 플럭스 코어드 와이어가 제공된다.

본 발명의 또다른 일측면에 따르면 상기 플럭스 코어드 와이어를 이용하여 주조시 발생하는 노즐 막힘을 효과적으로 방지할 수 있는 방법이 제공된다.

상기 본 발명의 플럭스 코어드 와이어는 노즐 막힘 뿐만 아니라 고융점 개재물을 저융점화 시키는 분야라면 어디라도 사용가능한 것으로 상기 노즐 막힘 방지 분야는 플럭스 코어드 와이어를 사용하는 한가지 바람직한 활용예임에 유의할 필요가 있다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 플럭스 코어드 와이어는 금속제 외피내에 Ca 분말과 CaF₂ 분말의 혼합분말이 충진된 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또하나의 일측면인 상기 플럭스 코어드 와이어를 이용하여 노즐 막힘을 방지하는 방법은 금속제 외피내에 Ca 분말과 CaF₂ 분말의 혼합분말이 충진된 플럭스 코어드 와이어를 준비하는단계; 준비된 플럭스 코어드 와이어를 Ca 금속 기준으로 용강 1톤당 100~250g 투입하는 단계; 및 상기 플럭스 코어드 와이어가 투입된 용강을 교반하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 플럭스 코어드 와이어내 상기 Ca 분말과 CaF₂ 분말의 비율은 4:6 ~ 6:4인 것이 바람직하다.

본 발명에 의할 경우 적은 양의 Ca를 투입하고도 우수한 개재물 제어능을 가질 수 있는 플럭스 코어드 와이어가 제공될 수 있으며, 상기 플럭스 코어드 와이어를 사용하는 한가지 바람직한 예에 따르면 노즐 막힘 정도가 현저히 감소될 수 있다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명의 발명자는 상기 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 깊이 연구하던 중, Ca를 금속의 형태로만 투입할 경우에는 용강내에서의 높은 증기압이나, 높 은 산화성으로 인하여 그 실수율이 현저히 저하될 수 있으므로, Ca와 유사한 기능을 하되 용강내에서 증기화나 산화되어 유실될 가능성이 적은 CaF₂를 보조제로 Ca와 함께 투입하는 것이 효과적이라는 것을 알고 본 발명에 도달하게 되었다.

즉, 본 발명의 플럭스 코어드 와이어는 Ca 분말과 CaF₂ 분말이 일정비율로 혼합된 혼합분말을 와이어 내에 충진시킨 와이어인 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 CaF₂는 그 융점이 1423℃로서 그 자체만으로도 용강내에 투입되었을 경우 용융된 상태로 존재하며, 다른 고융점 개재물과 반응하여 복합개재물을 형성하게되는데, 복합개재물의 융점은 도 1에 도시한 바와 같이 CaF₂의 함량이 높을 수록 급격히 감소하는 현상을 나타낸다. 따라서, CaF₂가 용강내에 투입되면 용강의 높은 온도로 인하여 용융되고 이러한 CaF₂에 미세한 개재물들이 응집되어 저융점 복합개재물을 형성하게 된다. 그 결과 용강내 고융점 개재물의 비율은 감소하게 되어 개재물 제어에 효과적이다.

그 뿐만 아니라, CaF₂는 함께 투입되는 Ca가 알루미나와 반응하여 생성되는 aCAO·bAl₂O₃와 같은 복합개재물의 반응에 참여하여 CaF₂가 함유된 복합개재물을 형성할 수 있는데, 이러한 경우 도 2에서 볼수 있듯이, 상기 복합개재물은 같은 CaO:Al₂O₃ 비율에서 CaF₂가 함유되지 않은 복합개재물보다 그 융점이 최소 20℃ 이상 낮아지게 되므로 상술한 노즐 막힘 방지 분야 등과 같이 개재물의 저융점화가 필요한 분야에서 매우 효과적인 것이다. 도 2의 '형석을 포함한 경우의 액상선'은 CaF₂(형석)을 대략 20중량% 투입한 경우의 액상선을 도식화한 것이다.

또한, 상기 CaF₂가 Ca분말과 함께 투입될 경우에는 CaF₂가 용강으로부터의 열플럭스에 대한 일종의 단열층으로 작용할 수 있어 Ca의 급격한 증발을 막을 수 있다는 장점도 가진다. 그러므로, 종래에 비하여 소량의 Ca를 투입하더라도 Ca의 증발에 의한 손실을 줄일 수 있으므로 Ca 실수율을 향상시킬 수 있는 것이다.

Ca는 용존상태로 존재하므로 CaF₂에 응집되지 못하는 개재물의 조성을 제어하고, 또한 CaF2와 함께 고융점 개재물의 조성을 더욱 저하시키는 역할을 한다.

상기의 효과를 극대화하고 Ca 및 CaF₂ 상호간의 상승작용을 보다 높이기 위해서는 상기 Ca와 CaF₂의 비율은 4:6 ~ 6:4인 것이 바람직하다. 만일 Ca 비율이 상술한 범위보다 낮으면 Ca에 의한 미세 개재물 제어효과가 미흡하며, 또한 조성제어된 개재물에서의 CaO 활동도가 낮아 융점 강하 효과가 충분하지 못하거나 투입시간이 길어지며, 반대로 CaF2 비율이 낮을 경우에는 CaF₂에 의한 개재물의 융점강하와 용강으로부터의 단열과 같은 보조효과를 기대하기 어렵다.

또한, 상기 분말은 속이 빈 금속제 와이어 내에 충진되어 사용하는 것이 바람직하다. 분말을 그대로 투입할 경우 바로 용강과 접촉하기 때문에 분말이 용강 내부로 들어가기도 전에 벌써 증기화되어 유실될 수 있기 때문에 분말은 금속제 와이어 내에 충진된 상태로 사용되는 것이다. 본 발명에서는 이를 플럭스 코어드 와이어라 한다.

도 3에 본 발명의 플럭스 코어드 와이어의 한가지 형태를 나타내었다. 도면에서 볼 수 있듯이 본 발명의 플럭스 코어드 와이어는 금속제 외피 내에 칼슘 분말과 CaF2 분말이 충진되어 있는 형태를 가진다. 이때, 금속제 와이어 외피는 철제 외피인 것이 바람직하다. 철제 외피는 용강에 투입되어도 용강과 동일한 Fe로 이루어져 있기 때문에 용강의 성분변화를 염려할 필요가 없기 때문이다.

상술한 본 발명의 플럭스 코어드 와이어는 후술하는 바와 같이 주조시 노즐 막힘을 방지하는데 아주 유용하게 사용될 수 있지만, 그 외에도 개재물을 저융점화하거나 Ca계화 할 필요가 있는 공정이라면 어느 공정이나 사용가능하다. 예를 들면, MnS계 개재물을 Ca로 조성제어하여 내HIC 성을 개선하는 공정이나, 타이어 코드 제조시 고융점 알루미나를 조성제어하는 공정 등 여러가지 공정에 사용가능하다.

이하, 주조(연속주조) 조업시 노즐막힘을 방지하기 위한 방법에 대하여 설명한다.

본 발명에서는 상기 플럭스 코어드 와이어를 연속주조 직전 공정에서 금속 칼슘의 양 기준으로 100~250g/t-steel 투입한 후 균일화하는 것을 특징으로 한다. 즉, 본 발명에서는 상기 플럭스 코어드 와이어를 가급적이면 주조 직전에 투입하는 것이 바람직하다. 상기 플럭스 코어드 와이어에 포함된 Ca는 용강중에 용존된 이후에도 용강이 대기 또는 산화성 슬래그와 접촉할 때 지속적으로 이들과 반응하여 산화되므로 투입후 주조까지의 시간이 길어질수록 실제 주조시 노즐 막힘을 방지할 수 있는 Ca 함량이 감소하기 때문이다.

상기 연속주조 직전 공정이라 함은 2차정련에서의 맨 마지막 공정을 의미하는 것으로서, 강의 제조패턴이나 상황에 따라서 달라질 수 있다. 그러나 명확한 것은 연속주조를 위해 연주기로 레이들이 이송되기 직전의 공정을 의미하는 것으로서 LF(Ladle Furnace), RH(진공탈가스 설비) 또는 Bubbling 설비 등이 예가 될 수 있다. 또한, 각 공정에서 상기 플럭스 코어드 와이어를 투입하는 시점은 공정 완료 전 10분 이내로 정하는 것이 바람직하며, 와이어 투입후 용강을 교반시켜 이들이 균일하게 분포될 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 플럭스 코어드 와이어의 투입량은 Ca 양을 기준으로 산정하는데, 그 양이 부족하면 앞서 설명한 바와 같이 충분한 개재물 제어효과를 얻기 어려우며, 반대로 그 양이 과다하면 값비싼 재료 사용량이 많아져서 경제적으로 불리할 뿐만 아니라, 개재물 중 CaO 함량이 과다하게 높아져서 오히려 개재물의 융점을 상승시킬 우려가 있기 때문이다.

따라서, 본 발명의 노즐 막힘 방지 방법은 플럭스 코어드 와이어를 준비하는단계; 준비된 플럭스 코어드 와이어를 Ca 금속 기준으로 용강 1톤당 100~250g 투입하는 단계; 및 상기 플럭스 코어드 와이어가 투입된 용강을 교반하는 단계로 이루어지는 것이 바람직하다. 이후 연속주조 공정은 통상의 주조공정과 동일하게 실시할 수 있다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 다만, 하기하는 실시예는 본 발명을 예시하여 구체화하기 위한 것일 뿐 본 발명의 권리범위를 제한하기 위한 것이 아니라는 점에 유의할 필요가 있다. 본 발명의 권리범위는 오로지 특허청구범위에 기재된 사항과 이로부터 합리적으로 유추되는 사항에 의해 결정되는 것이기 때문이다.

(실시예)

실시예 1 - 플럭스 코어드 와이어를 사용하였을 때 용강중 개재물 제어 및 Ca 실수율 향상효과 관찰

하기 표 1에 기재한 바와 같은 조건으로 용강내에 플럭스 코어드 와이어를 투입하는 실험을 행하였다. 발명예에서 사용한 플럭스 코어드 와이어는 Ca와 CaF2가 50:50의 비율로 첨가된 것을 사용하였으며, 비교를 위하여 CaFe를 와이어 형태로 투입한 종래예의 결과와 함께 분석하였다. 플럭스 코어드 와이어의 투입시점은 LF 처리 종료 5분 전으로 일괄적으로 정하여 적용하였다. 플럭스 코어드 와이어를 투입하기 위한 용강의 온도는 1590℃이었으며, 용강의 조성은 0.04중량%C, 0.3중량%Mn 및 40ppm S를 포함하는 조성이었다.

	평균 Ca 투입량 (g/용강톤)	Ca 농도 (ppm)	Ca 실수율 (%)
종래예	214	13.5	6.3
발명예	170	14.5	8.5

상기 표 1에서 볼 수 있듯이, 종래의 CaFe 와이어를 사용하는 경우(종래예)가 본 발명에서 제공하는 플럭스 코어드 와이어를 사용하는 경우(발명예)에 비하여 현저히 많은 Ca를 투입하였음에도 불구하고 종래예의 처리 후 Ca농도는 발명예보다 낮은 수준이었다. 또한 두 경우의 Ca 실수율을 비교한 결과 본 발명의 발명예가 훨씬 높은 실수율을 나타내고 있음을 확인할 수 있었다.

실시예 2 - 각 경우의 노즐막힘 방지효과 분석

상기 실시예1의 종래예 및 발명예의 조건으로 LF 출발전에 Ca 처리를 실시한 후 노즐 막힘 현상이 발생되는 빈도를 관찰하였다.

	생산Ch 수	노즐 막힘 현상 발생 Ch수	막힘 발생률 (%)
종래예	2500	680	27.2
발명예	120	3	2.5

종래예의 경우에는 27.2%의 챠지(ch)에서 노즐 막힘이 발생되었으나, 본 발명의 플럭스 코어드 와이어를 투입한 발명예의 경우에서는 노즐 막힘 발생율이 2.5%에 불과하였다. 따라서, 본 발명의 플럭스 코어드 와이어를 사용할 경우 Ca 실수율을 높일 뿐만 아니라 노즐막힘도 현저히 감소시킬 수 있다는 것을 확인할 수 있었다.

도 1은 Al2O3와 CaF2의 이원계 상태도,

도 2는 Al2O3와 CaO의 이원계 상태도에서 CaF2를 첨가할 경우 융점이 강하되는 것을 나타낸 그림, 그리고

도 3은 본 발명의 플럭스 코어드 와이어의 단면형상을 나타낸 개략도이다.

Claims (4)

1. 금속제 외피내에 Ca 분말과 CaF₂ 분말이 4:6 ~ 6:4의 비율로 혼합된 혼합분말이 충진된 것을 특징으로 하는 플럭스 코어드 와이어.
2. 삭제
3. 금속제 외피내에 Ca 분말과 CaF₂ 분말의 혼합분말이 충진된 플럭스 코어드 와이어를 준비하는단계;

   준비된 플럭스 코어드 와이어를 Ca 금속 기준으로 용강 1톤당 100~250g 투입하는 단계; 및

   상기 플럭스 코어드 와이어가 투입된 용강을 교반하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 노즐 막힘 방지 방법.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 Ca 분말과 CaF₂ 분말의 비율은 4:6 ~ 6:4 인 것을 특징으로 하는 노즐 막힘 방지 방법.

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