KR100969806B1 - 스테인레스강의 주편내 델타 페라이트 분포 조절방법 - Google Patents

스테인레스강의 주편내 델타 페라이트 분포 조절방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 스테인레스 304강의 연속주조 공정에 있어 2차 냉각 패턴의 조절을 통해 주편(slab)내의 델타 페라이트(δ-ferrite) 함량을 제어하여 최종 제품인 열연 및 냉연 코일의 표면 결함을 감소시킬 수 있도록 한 스테인리스 304강의 주편내 델타 페라이트 분포 조절방법에 관한 것이다.
본 발명은 래들로부터 턴디시 및 몰드를 통해 이동된 후 냉각되어 열간 및 냉간압연되는 스테인리스 304강의 주편내의 델타 페라이트 분포를 조절하기 위한 방법에 있어서, 상기 스테인리스 304강의 주편내 델타 페라이트(δ-ferrite) 함량을 2차 수지상 간격(SDAS) 및 델타 페라이트가 분해하는 온도(1420~1000℃)영역에서 유지되는 시간(time)의 함수인 수학식에 의해 제어하는 것을 특징으로 한다.
연속주조, 몰드, 스테인레스강, 주편, 델타 페라이트

Description

스테인레스강의 주편내 델타 페라이트 분포 조절방법{A method for controling δ-ferrite distribution in slab of stainless 304}
도 1은 연속주조 공정을 도시한 개략도.
도 2는 스테인리스 304강의 응고 과정을 도시한 상태도.
도 3a는 스테인리스 304강의 주편내 델타 페라이트 분포를 도시한 그래프.
도 3b는 스테인리스 304강의 주편내 최적 표층 델타 페라이트 범위를 도시한 그래프.
도 4는 본 발명에서의 표층 델타 페라이트 개선 방향을 종래 델타 페라이트 분포와 비교하여 나타낸 그래프.
도 5a 및 도 5b는 스테인리스 304강에서의 델타 페라이트 분해 반응에 미치는 덴드라이트 간격의 영향을 도식적으로 나타낸 그래프.
도 6은 스테인리스 304강에서의 델타 페라이트 분해 반응에 미치는 2차냉각 및 분해 반응 가능 범위를 비교하여 나타낸 그래프.
도 7은 스테인리스 304강에서의 주편 델타 페라이트 함량에 미치는 덴드라이트 간격 및 분해반응 시간의 영향을 동시에 나타내는 그래프.
도 8은 스테인리스 304강에서의 덴드라이트 간격에 미치는 냉각속도의 영향을 나타낸 그래프.
도 9는 본 발명을 적용한 방법과 종래 방법의 스테인리스 304강 주편에서의 델타 페라이트 분포결과를 비교한 그래프.
도 10은 본 발명 방법을 적용한 결과의 제품 품질을 종래 방법과 비교하여 나타낸 그래프.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1 : 래들 2 : 롱노즐
3 : 턴디시 4 : 침지노즐
5 : 몰드 6 : 2차 냉각수
7 : 절단된 주편
본 발명은 스테인리스 304강의 주편내 델타 페라이트 분포 조절방법에 관한 것으로, 특히 스테인레스 304강의 연속주조 공정에 있어 2차 냉각 패턴의 조절을 통해 주편(slab)내의 델타 페라이트(δ-ferrite) 함량을 제어하여 최종 제품인 열연 및 냉연 코일의 표면 결함을 감소시킬 수 있도록 한 스테인리스 304강의 주편내 델타 페라이트 분포 조절방법에 관한 것이다.
일반적으로 Type 304 스테인레스강(이하 '스테인리스 304강'이라 함)은 Fe-18Cr-8Ni의 화학 조성을 갖는 가장 대표적인 스테인레스강으로 용도는 주로 주방기기, 양식기 등에 사용되며, 하기 표 1은 스테인리스 304강의 대표적인 화학조성을 나타낸다.
3% Al첨가 스테인레스강의 화학조성 (단위 : wt%)
C Si Mn Cr N Ni Fe
0.04 0.5 1.2 18 0.04 8 72.2
이러한 스테인리스 304강은 일반적으로 연속주조 공정에 의해 생산되는 바, 도 1에 나타난 바와 같이, 용강은 래들(1)로부터 롱노즐(2)을 통해 턴디시(3)로 이동되며, 침지노즐(4)을 통해 몰드(5)로 이동된 후 2차 냉각수(6)에 의해 냉각되어 최종적으로 적절한 크기로 절단된 후 주편(slab)(7)이 생산된다. 이와 같이 생산된 주편은 열간 및 냉간 압연 후 최종 제품(코일)이 되어 각 용도에 맞게 가공된 후, 소비자가 사용하게 된다.
이러한 스테인리스 304강의 응고 과정은 도 2에 나타낸 바와 같이, 액상(L)→액상+델타(L+δ)→액상+델타+감마(L+δ+γ)→델타+감마(δ+γ)로 변화되어 최종 주편 상태에서는 델타 페라이트+감마 오스테나이트상(δ+γ)이 존재하며 통상 델타 페라이트는 5~10% 정도 잔류하게 된다. 이러한 주편에 잔류하는 델타 페라이트의 주편 두께 방향으로의 분포는 일정하지 않고 도 3a에서 볼 수 있듯이 표층부는 낮고 중심부는 높다.
또한, 도 3b에서 볼 수 있듯이 표층부 델타 페라이트가 지나치게 낮거나 높은 경우, 최종제품(열연 및 냉연 코일) 표면에 슬리버(sliver) 라는 결함이 급증하게 되며 최적 주편 표층부 델타 페라이트 범위(8)는 4~6% 범위이다. 또한 도 3a에나타난 바와 같이, 주편 표층부 및 내부의 델타 페라이트의 함량의 차이가 큰 경우, 표층 델타 페라이트의 함량을 높이면 중심부의 델타 페라이트의 함량은 크게 증가하여 가열로에서도 델타 페라이트의 분해가 완전히 일어나지 않아 최종 제품에서도 델타 페라이트가 잔류하여 자성을 띠게 되므로 스테인리스 304강과 같이 오스테나이트계의 특징인 비자성 특성에 치명적인 결함을 야기 시킨다.
이와 같이 스테인리스 304강 주편내의 델타 페라이트의 분포 제어는 매우 중요하며, 종래의 주편내 델타 페라이트 제어 방법은 주로 용강성분을 조절하는 방법이 일반적이다. 즉, 응고 특성상 각 성분은 델타 페라이트를 증가시키는 성분(Cr, Mo, Si, Ti등) 및 감마 오스테나이트를 증가 시키는 성분(C, Ni, N, Mn 등)으로 구분되며, 표층 델타 페라이트가 지나치게 낮은 경우 델타 페라이트를 증가시키는 성분을 증가 시키거나 델타 페라이트를 감소시키는 성분을 감소시키는 방법을 사용하여 주편내 전체 델타 페라이트를 조절하는 방법이다.
이러한 방법은 강의 성분을 변경하기 때문에 성분에 따라 민감하게 변하는 다른 특성 예를 들어, 내식성, 용접성, 강도 및 경도 등을 모두 고려하여 조절해야 하기 때문에 적정 개선방법을 도출하는 데 매우 많은 시간이 걸리고 또한 제약이 따른다. 또한 표층 델타 페라이트를 증가시켜도 앞에서 설명한 바와 같이 주편 내부의 델타 페라이트는 더욱 크게 되어 최종 제품에 자성을 띠는 중요한 결함을 야기 시킬 가능성이 매우 커진다.
본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 스테인리스 304강의 응고 특성 및 델타 페라이트 분해 기구를 이용하여 원하는 함량 및 원하는 두께 방향의 델타 페라이트 분포를 갖도록 한 스테인리스 304강의 주편내 델타 페라이트 분포 조절방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
첨부 도면 도 4는 본 발명의 목적 및 방향을 나타낸 것으로 기존의 델타 페라이트의 분포에서 전체 델타 페라이트의 함량은 크게 변하지 않으면서 두께 방향으로 균일한 델타 페라이트의 분포를 갖게 하여 표층 델타 페라이트의 증가 및 두께별 편차 감소를 동시에 만족시키는 이상적인 주편내 델타 페라이트 분포(9)를 보여준다.
본 발명의 핵심적인 기술적 착안사항은 강의 응고시, 델타 페라이트의 분해 기구 규명 및 델타 페라이트의 분해에 미치는 핵심 인자를 도출하고 이들 인자를 조절하여 원하는 델타 페라이트의 함량 및 분포를 얻는 것이다. 이러한 목적으로 연구 조사 결과 델타 페라이트의 분해에 결정적인 영향을 주는 것은 응고시 형성되는 2차 수지상 간격(Secondary Dendrite Arm Spacing, 이하 'SDAS') 및 델타 페라이트의 분해가 가능한 온도(1420~1000℃)에서의 유지 시간임을 알 수 있었다.
도 5는 SDAS가 델타 페라이트의 분해반응에 미치는 영향을 도식적으로 나타낸 것으로 도 5a와 같이 SDAS가 큰 경우 델타 페라이트의 주된 분해 기구인 고온에서의 포정반응(액상+페라이트→오스테나이트) 및 저온에서의 페라이트와 오스테나이트간의 확산에 의해 분해하는 고상변태에서 확산 시간이 도 5b의 SDAS가 적은 경우 대비 크기 때문에(덴드라이트 사이의 거리가 크기 때문에) 분해 반응 속도가 적 어져서 주편내 존재하는 델타 페라이트의 함량이 커지게 된다.
도 6은 또 다른 델타 페라이트 분해에 미치는 인자인 주편 위치별 온도 거동을 컴퓨터 시뮬레이션 계산을 통해 나타낸 것이다. 여기서 해당 주편의 위치별 온도가 델타 페라이트 분해 가능 온도인 1420~1000℃에서 머무는 시간(이하 'time'이 길수록(그림 중 (a) 및 10) 델타 페라이트의 분해는 많아져서 잔류하는 델타 페라이트의 양은 적고, 반대로 그림중 (b) 및 11과 같이 주편의 위치별 온도가 델타 페라이트 분해 가능 온도인 1420~1000℃에서 머무는 시간이 적은 경우 델타 페라이트의 분해가능 시간이 적기 때문에 잔류 델타 페라이트량은 많게 된다.
따라서 본 발명에서는 이와 같은 델타 페라이트의 분해에 결정적인 영향을 미치는 SDAS 및 time을 실제 주편에서 잔류하는 델타 페라이트의 함량과의 관계식을 도출하면, 원하는 델타 페라이트를 얻기위해 SDAS 및 time만 냉각조건(몰드냉각, 2차냉각 등)을 통해 조절하기만 하면 된다는 것을 알 수 있었다. 이러한 목적으로 도 7은 주편내 델타 페라이트와 SDAS 및 time과의 상관식을 나타낸 것이다. 그 상관식은 하기 수학식 1과 같다.
δ= 1.0848(SDAS/time0.28)-0.6612
여기서,
δ: 주편내 임의의 위치에서의 델타 페라이트 함량(%)
SDAS : 주편내 임의의 위치에서의 2차 수지상 간격(㎛)
time : 주편내 임의의 위치에서의 연주시 1400~1000℃에서의 유지시간(sec)
도 7에서 알 수 있듯이 SDAS가 클수록, time이 적을수록 잔류 델타 페라이트의 함량은 많아지는 것을 알 수 있으며, time 보다는 SDAS의 영향도가 큰 것을 알 수 있다. 한편, SDAS 는 일반적으로 냉각속도에 의해 결정된다고 알려져 있다. 즉, 냉각 속도가 빠르면 SDAS는 작아지고, 반대로 냉각 속도가 느리면 SDAS는 커지게 된다.
따라서 본 발명에서는 측정된 SDAS와 냉각속도와의 상관성을 도출 하였으며 그 결과를 도 8에 나타내었다. 여기서 냉각속도는 임의의 위치에서의 연속주조시 온도 변화를 컴퓨터 시뮬레이션 계산결과를 이용하여 계산하였다. 냉각 속도와 SDAS의 상관성은 하기 수학식 2로 나타내어 진다.
SDAS = 52.224e(-0.1823×C.R.)
여기서,
SDAS : 주편내 임의의 위치에서의 2차 수지상 간격(㎛)
C.R. : 주편내 임의의 위치에서의 냉각 속도(℃/sec)
따라서 주편 임의의 위치에서의 원하는 델타 페라이트를 얻기 위해서는 냉각 속도 및 델타 페라이트가 분해되는 온도에서의 유지 시간(time)만 조절하여 주면 가능하다. 본 발명에서는 이상과 같이 도출된 조업 방법에 대해 다음의 실시예를 통해 효과를 검증하였다.
(실시예)
도 9는 본 발명을 적용한 것과 종래 방법의 스테인리스 304강 주편에서의 델타 페라이트 분포 결과를 비교한 것이다. 본 발명에서의 주편 두께 방향 델타 페라이트 분포(13)가 종래 방법에서의 주편 두께 방향 델타 페라이트 분포(12) 대비 표층 델타 페라이트의 방향 및 전체 두께 방향의 델타 페라이트의 편차가 대폭 감소된 것을 보여준다.
하기 표 2는 표층 10mm 지점의 델타 페라이트와 본 발명에서의 중요 인자인 time 및 SDAS를 비교한 것이다. 본 발명을 이용하여 적정한 델타 페라이트 함량 (4~6%)를 얻을 수 있는 반면, 종래 방법은 비록 SDAS는 유사하나 냉각 조건이 부적절(즉, 델타 페라이트의 분해온도 범위에서의 유지 시간이 지나치게 김)하여 잔류 델타 페라이트의 함량이 매우 낮은 것을 알 수 있다.
종래 방법과 본 발명법 사용시의 주편 표층 10mm 델타 페라이트 비교
본 발명 방법 종래 방법
SDAS(㎛) 22 21.2
Time(1420~1000℃) 120 820
델타 페라이트(%) 5.7 2.8
한편, 도 10은 본 발명 방법을 적용한 결과 제품 품질을 비교한 것으로 적절한 주편 델타 페라이트 분포를 제어한 본 발명의 경우가 슬리버(sliver) 결함 지수가 크게 감소한 결과를 보여준다.
이상에서와 같이 본 발명의 스테인리스 304강의 주편내 델타 페라이트 분포 조절방법에 따르면, 스테인리스 304강의 응고 특성 및 델타 페라이트 분해 기구를 이용하여 원하는 함량 및 원하는 두께 방향의 델타 페라이트 분포를 갖도록 하므로써, 최종 제품 인 열연 및 냉연 코일의 표면 결함을 감소시키는 유용한 효과가 있다.

Claims (2)

  1. 래들로부터 턴디시 및 몰드를 통해 이동된 후 냉각되어 열간 및 냉간압연되는 스테인리스 304강의 주편내의 델타 페라이트 분포를 조절하기 위한 방법에 있어서,
    상기 스테인리스 304강의 주편내 델타 페라이트(δ-ferrite) 함량을 2차 수지상 간격(SDAS) 및 델타 페라이트가 분해하는 온도(1420~1000℃)영역에서 유지되는 시간(time)의 함수인 하기 수학식 1에 의해 제어하는 것을 특징으로 하는 스테인리스 304강의 주편내 델타 페라이트 분포 조절방법.
    [수학식 1]
    δ= 1.0848(SDAS/time0.28)-0.6612
    여기서,
    δ: 주편내 임의의 위치에서의 델타 페라이트 함량(%)
    SDAS : 주편내 임의의 위치에서의 2차 수지상 간격(㎛)
    time : 주편내 임의의 위치에서의 연주시 1400~1000 ℃에서의 유지시간(sec)
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 SDAS는 주편내 임의의 위치에서의 냉각속도(C.R.)를 이용하여 하기 수학식 2에 의해 제어하는 것을 특징으로 하는 스테인리스 304강의 주편내 델타 페라이트 분포 조절방법.
    [수학식 2]
    SDAS = 52.224e(-0.1823×C.R.)
    여기서,
    SDAS : 주편내 임의의 위치에서의 2차 수지상 간격(㎛)
    C.R. : 주편내 임의의 위치에서의 냉각 속도(℃/sec)
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