KR100986872B1 - 페라이트계 스테인레스강의 열간변형저항 예측방법 - Google Patents

페라이트계 스테인레스강의 열간변형저항 예측방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 텐덤배열식 사상압연설비를 이용하여, 고온에서 페라이트 단상, 혹은 페라이트와 오스테나이트가 공존하는 2상의 STS409L 페라이트 스테인레스강을 열간압연시 압연하중을 계산하기 위하여 변형저항을 정확히 예측하는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다. 상기 목적을 달성하기 위하여, 각 압연기별 변형저항 예측방법은 성분으로부터 사상압연 직전 소재의 고온(950~1050oC) 오스테나이트상의 상분율을 예측한 후, 오스테나이트상의 상분율이 열간변형저항에 미치는 영향을 변형저항비로 정량화하여, 변형저항비와 페라이트 단상합금의 평면변형 변형저항으로부터 압연조건에서의 변형저항을 예측하는 방법에 관한 것을 그 기술적 요지로 한다.
오스테나이트상의 상분율, 변형저항비

Description

페라이트계 스테인레스강의 열간변형저항 예측방법{Method for predicting hot deformation resistance of ferritic stainless steel}
도 1은 열간사상압연시 첫번째 압연기의 입측에서 STS409L 페라이트계 스테인레스강의 오스테나이트상의 상분율 측정값과 변형저항비(DRR)를 나타낸 그래프;
도 2는 첫번째 압연기의 입측에서 STS409L 페라이트계 스테인레스강의 오스테나이트상의 상분율 측정값과 계산값을 나타낸 그래프;
도 3은 페라이트 단상 변형저항수식을 이용한 변형저항 예측값과 실적변형저항을 비교하여 나타낸 그래프;
도 4는 본 발명에 따라서 예측된 열간변형저항과 실적변형저항을 비교하여 나타낸 그래프.
본 발명은 철강의 열간압연공정중 텐덤배열식 사상압연설비에서 STS409L 페라이트계 스테인레스강의 압연하중을 계산하기 위하여 변형저항을 예측하는 방법에 관한 것이고, 더 상세하게 STS409L 페라이트계 스테인레스강의 성분으로부터 구해지는 오스테나이트상의 상분율을 이용하여 변형저항을 예측하는 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 스테인레스강의 열간압연은 고온에서 빠른 변형속도로 이루어지기 때문에 냉간압연에 비해 재료의 조직변화와 상변태가 크게 일어난다. 따라서 스테인레스 강의 표면, 형상 및 기계적 성질 등은 변형온도, 변형량 및 변형속도, 변형저항 등과 같은 열간가공변수에 크게 영향을 받는다.
상술된 열간가공변수 중 변형저항은 재료를 소성변형시킬 때 변형에 따른 유동응력을 의미한다. 그리고, 열간변형저항은 고온에서의 유동응력을 의미하고, 설비의 기계적, 전기적 용량을 설계하거나 주어진 용량에서 어느 정도의 고온변형이 가능한지를 판단하는데 중요한 자료가 된다.
한편, 열간압연공정에 있어서 소재의 두께는 중요한 관리 목표이며, 원하는 두께로 만들어 주는 것은 사상압연 공정의 주요 기능중 하나이다. 이때, 압연하중을 예측하는 것은 목표 두께의 압연강판을 제조하기 위하여 롤갭을 설정하는데 사용되므로, 압연판 선단부가 압연될 때 판두께를 결정하는 중요한 인자이다. 압연하중은 변형저항과 비례관계에 있으므로, 변형저항을 예측함으로써 압연하중을 예측할 수 있다.
소재의 변형저항을 예측하기 위한 기술은 널리 공지되어 있지만, 이들은 다음과 같은 문제점이 있다.
예를 들어, 17wt% Cr을 함유하고 있는 STS430에서 변형저항의 온도의존성을 Cr의 함량으로 예측하는 기술은 오스테나이트상의 상분율에 영향을 미치는 Cr 이외의 다른 원소들의 영향을 무시하였다는 문제점을 갖는다.
또한, 오스테나이트계, 페라이트계 및 2상 스테인레스강을 대상으로 하여 고온유동응력과 변형율의 관계로부터 후판 압연시 변형저항을 예측하는 기술은 압연구간에서 단순히 압하변형율로 변형저항을 예측하기 때문에, 압연온도가 낮아서 압연패스 사이에 변형율 축적 현상이 발생할 경우에 압연하중을 정확히 예측하기 어렵다는 문제점이 있다.
특히, STS430과 같이 압연영역에서 오스테나이트와 페라이트가 공존하는 2상 스테인레스강에 있어서, 오스테나이트의 상분율이 변형저항에 영향을 미치므로, 압연시작시점에서 오스테나이트상의 상분율을 고려하여 변형저항을 예측하여야 하지만, 오스테나이트상의 상분율의 영향을 고려하고 있지 않다.
그리고, STS430강의 열간변형저항을 정상상태 유동응력의 온도와 변형속도 의존성으로부터 계산하는 기술은 성분에 따라 오스테나이트상의 상분율이 변할 경우에, 그 영향을 기술하지 못하는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 상기된 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 열간압연온도구간에서 단상, 혹은 오스테나이트와 페라이트 2상으로 존재하는 STS409L 페라이트계 스테인레스강을 대상으로 하여, 오스테나이트상의 상분율에 따라 변형저항을 정확히 예측할 수 있는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따르면, STS409L 페라이트계 스테인레스강의 열간압연시 열간변형저항을 예측하는 방법은 상기 페라이트계 스테인레스강의 성분으로부터 오스테나이트상의 상분율(fγ)을 구하는 단계와; 상기 페라이트계 스테인레스강에서 오스테나이트상과 페라이트상 각각의 변형저항[Km(σγ), Km(σα)]을 변형속도와 온도의 함수로 구하는 단계와; 상기 상분율(fγ)과 변형저항[Km(σγ), Km(σα)]으로부터 상기 페라이트계 스테인레스강의 열간변형저항을 구하는 단계로 이루어지고,
상기 오스테나이트상의 상분율(fγ)은 하기 식 1로부터 얻어지고,
fγ(%) = 307.4 + 807.2C + 35.8Mn - 47.3Si + 55.8Ni -23.9Cr + 61.0Cu - 170.0Ti - 195.8P -177.5Al - 51.0Mo + 554.9N ‥‥‥ (1);
상기 오스테나이트상의 변형저항[Km(σγ)]은 하기 식 2로부터 얻어지고,
Km(σγ) = 2.81 × lnε + (80637/T) + (-51.59) ‥‥‥ (2);
상기 페라이트의 변형저항[Km(σα)]은 하기 식 3으로부터 얻어지고,
Km(σα) = 3.48 × lnε + (68222.62/T) + (-54.66) ‥‥‥ (3);
상기 페라이트계 스테인레스강의 열간변형저항(Km)은 하기 식 4,
Km = Km(σα) × (1 - fγ) + Km(σγ) × fγ ‥‥‥ (4);
부터 얻어지는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명에 따르면, 페라이트 단상 또는 페라이트와 오스테나이트가 공존하는 STS409L 페라이트계 스테인레스강의 열간변형저항을 예측하기 위하여, 텐덤배열식 사상압연기 중, 첫번째 압연기의 입측에서 상기 스테인레스강의 오스테나이트상의 상분율을 하기 식 (1)에 통해서 성분조성(wt%)으로부터 구한다.
fγ(%) = 307.4 + 807.2C + 35.8Mn - 47.3Si + 55.8Ni -23.9Cr + 61.0Cu - 170.0Ti - 195.8P -177.5Al - 51.0Mo + 554.9N ‥‥‥ (1)
여기서, fγ(%)는 오스테나이트상의 상분율(%)이다.
상기 식 1에서, fγ(%)가 0 또는 음의 값일 경우에 STS409L 페라이트계 스테인레스강에는 오스테나이트상이 없는 페라이트 단상임을 의미한다.
상기 오스테나이트상의 상분율을 이용하여 평면변형(plain strain)에 대한 변형저항을 하기 식 (2)~(5)로부터 구한다.
Figure 112003045446055-pat00001
‥‥‥ (2),
Figure 112003045446055-pat00002
‥‥‥ (3),
Figure 112003045446055-pat00003
=
Figure 112003045446055-pat00004
‥‥‥ (4),
Km =
Figure 112003045446055-pat00005
= [
Figure 112003045446055-pat00006
]·
Figure 112003045446055-pat00007
‥‥‥ (5),
여기서,
Figure 112003045446055-pat00008
는 오스테나이트상의 변형저항(kg/㎟),
Figure 112003045446055-pat00009
는 페라이트상의 변형저항(kg/㎟), ε은 변형속도(Strain rate), T는 절대온도, A1, A2, A3, B1, B2, B3는 변형저항 계수, DRR는 변형저항비(Deformation Resistance Ratio),
Figure 112003045446055-pat00010
는 페라이트상의 상분율,
Figure 112003045446055-pat00011
는 오스테나이트상의 상분율, Km은 열간압연 변형저항(kg/㎟)이다.
이때, 상기 식 1에서 오스테나이트상의 상분율(fγ)이 0 또는 음의 수이면, 상기 오스테나이트상의 변형저항[Km(σγ)]은 0이다.
또한, 상기 식 4와 식 5로부터 STS409L 페라이트계 스테인레스강의 열간압연 변형저항(Km)은 하기 식과 같이 간단히 구해질 수 있다.
Km = Km(σα) × (1 - fγ) + Km(σγ) × fγ.
상기 식에서, 페라이트상의 상분율(fα)은 하기 식으로 표현된다.
fα = 1 - fγ.
STS409L 페라이트계 스테인레스강에 있어 열간사상압연을 하는 시점에서의 페라이트상과 오스테나이트상의 상분율은 열간변형저항에 영향을 미친다. 한편, 페라이트계 스테인레스강에 있어서, 성분의 변화에 의하여 고온에서 오스테나이트상의 상분율이 달라지며, 이는 페라이트계 스테인레스강의 구성원소가 오스테나이트를 안정화시키는 능력이 다르기 때문이다. 대표적으로 탄소나 질소가 오스테나이트 형성에 큰 역할을 하는 것으로 알려져 있으나, STS409L 페라이트 스테인레스강의 모든 구성원소들이 열간압연 온도구간, 950~1050℃에서 오스테나이트상의 상분율에 미치는 영향은 알려져 있지 않다.
따라서, 텐덤배열식 사상압연기 중 첫번째 압연기의 입측에서 STS409L 페라이트 스테인레스강의 오스테나이트상의 상분율을 실측하고 또한 상기 스테인레스강의 성분을 분석하여, 오스테나이트상의 상분율을 상기 식 1로 정량화하였다.
열간압연 온도구간에서 오스테나이트상의 존재가 열간변형저항에 미치는 영향은 상기 식 4로 정의된 DRR을 이용하여 정량화하였다. 상기 DRR은 페라이트 단상(fγ = 0 또는 음의 값), 또는 페라이트와 오스테나이트로 구성된 2상 합금의 변형저항을 페라이트 단상 소재의 변형저항으로 나눈 값으로 정의된다. 상기 식 4에서, 2상 합금의 변형저항을 계산함에 있어서 혼합규칙을 사용한다. 즉, 페라이트와 오스테나이트가 공존하는 페라이트계 스테인레스강의 변형저항은 오스테나이트상의 상분율과 직선적인 관계를 관계를 갖는다는 가정을 내포하고 있다.
상기 식 4의 DRR을 계산하기 위해서는 식 2와 3에 나타낸 계수들을 결정하여 각 상의 변형저항에 미치는 변형속도와 온도의 영향을 기술하여야 한다. 본 발명에서는 페라이트 단상소재들 및 페라이트와 오스테나이트가 공존하는 열연소재들의 조업데이타에 근거하여 압연하중과 변형저항(Km)의 관계를 나타내는 하기 식 6으로부터 변형저항(Km)을 계산하여 계수들을 결정하였다.
Figure 112003045446055-pat00012
‥‥‥‥ (6)
여기서, RF는 압연하중(ton), B는 판폭(mm), Ld는 투영 접촉장(mm), Qp는 압하력 함수이다.
상기 식 6에서 B, Ld, Qp는 모두 압연공정의 기하학적 조건, 예를 들어 압연소재와 롤의 크기와 형상으로부터 결정되는 인자이다. 상기 식 6으로부터 얻어진 변형저항(Km)을 사용하여 결정된 상기 식 2와 3의 계수값을 하기 표 1에 나타내었다.
[표 1]
식 2 식 3
A1 A2 A3 B1 B2 B3
2.81 80637 -51.59 3.48 68222.62 -54.66
상술한 식 1~4로부터, 열간압연구간에서의 오스테나이트상의 상분율을 구하고, DRR를 계산한다. 그리고, 식 5를 이용하여 열간압연시 평면변형 변형저항을 계산한다. 식 5는 변형저항이 변형율과 무관함을 의미하고 있으며, 그 이유는 일반적으로 페라이트계 스테인레스강의 열간변형저항이 빠른 동적회복에 의하여 최대응력으로 지배되기 때문이다.
이하, 실시예를 통해서 본 발명을 구체적으로 설명한다.
먼저, 본 발명이 적용되는 STS409L 페라이트계 스테인레스강의 주요성분의 조성범위에서 상한과 하한은 하기 표 2와 같다. 표 2의 조성범위는 STS409L의 규격이므로, 본 명세서에서는 상기 조성범위에 대한 한정이유는 설명하지 않는다.
[표 2] STS409L 페라이트계 스테인레스강 성분규격(wt%)
성분 C Si Mn P Cr Ni Mo Ti Cu Al N
상한 0.02 0.7 0.5 0.05 13 0.3 0.4 0.3 0.2 0.2 0.02
하한 0.006 0.35 0.15 0.015 10 0.07 0.01 0.1 0.02 0.005 0.004
상기 성분규격을 만족하는 복수개의 STS409L 페라이트계 스테인레스강을 준비하고, 준비된 페라이트계 스테인레스강 각각의 샘플을 채취하여 오스테나이트상의 상분율을 측정한다. 그리고, 오스테나이트상의 상분율이 측정된 페라이트계 스테인레스강은 텐덤배열식 사상압연설비에서 열간압연된다.
이때, 상기 식 6을 적용하여 상기 사상압연설비의 첫번째 압연기를 통과한 페라이트계 스테인레스강의 변형저항(Km)을 구한다. 이 후에, 상기 식 3을 적용하여 페라이트상의 변형저항(
Figure 112003045446055-pat00013
)을 구한다. 상기 압연기의 입측에서 상기 페라이트계 스테인레스강의 온도범위는 950~1050℃이다. 그리고, 상기 식 4에 상기 변형저항(Km)과 페라이트상의 변형저항(
Figure 112003045446055-pat00014
)을 적용하여 변형저항비(DRR)을 구한다.
결과적으로, 오스테나이트상의 상분율과 DRR의 관계는 도 1의 그래프로 나타냈다. 도 1에 나타낸 변형저항비는 열연공장에서 생산된 페라이트계 스테인레스강의 열간변형저항 측정값을 단상 페라이트의 변형저항 계산값으로 나눈 값으로서, 변형저항비가 1보다 클 경우에 페라이트계 스테인레스강의 미세조직내에는 고온에 서 페라이트 상보다 강도가 높은 오스테나이트 상이 존재함을 의미한다. 따라서, 도 1에 나타낸 바와 같이 오스테나이트상의 상분율의 증가와 함께 변형저항비가 증가함을 알 수 있다.
도 2는 도 1에 표시된 첫번째 압연기 입측에서 직접 측정된 페라이트계 스테인레스강의 오스테나이트상의 상분율과 사상압연설비를 통과한 페라이트계 스테인레스강의 성분조성을 상기 식 1에 대입하여 구한 오스테나이트상의 상분율(
Figure 112003045446055-pat00015
) 사이의 관계를 나타내는 그래프로서, 오스테나이트상의 상분율의 측정값과 계산값은 직선적인 관계를 나타내고 있음을 알 수 있다. 이는 STS409L 페라이트계 스테인레스강에서 오스테나이트상의 상분율은 상기 식 1을 적용하여 결정될 수 있음을 의미한다.
한편, 도 3을 참조하면, 페라이트 단상을 갖는 STS409L 페라이트계 스테인레스강가 상기 압연기를 통과할 때 상기 식 3과 식 6을 적용하여 얻어진 변형저항이 그래프로 나타난다. 도 3에서 수직축은 식 3을 적용해서 얻어진 변형저항이고, 수평축은 식 6을 적용해서 얻어진 변형저항이다.
도 4의 그래프는 본 발명에 따라서 상기 식 5를 사용해서 얻어진 페라이트계 스테인레스강의 변형저항과 실압연시 얻어진 변형저항을 비교하여 나타낸다. 상기 실압연 변형저항이라 함은 열연공장에서 생산된 코일에 대한 7개 열간압연 스탠드에서의 압연하중결과로부터 그 때의 공정변수를 사용하여 평면변형 변형저항을 상기 식 6으로 계산한 결과이다. 이때 사용된 코일은 325개 이었다.
도 3과 도 4의 비교로부터 명확하게 나타난 바와 같이 성분에 따른 오스테나 이트상의 상분율을 고려한 본 발명의 적용에 의하여 변형저항 예측정도가 현저하게 개선될 수 있음을 알 수 있다. 따라서, 본 발명이 제공하는 열간 변형저항 예측법을 사용하는 경우, STS409L 페라이트계 스테인레스강의 두께 제어에 위한 압연하중 예측이 정확해져 압연 실수율의 향상과 동시에 우수한 품질의 압연판 제조가 가능할 것으로 판단된다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 STS409L 페라이트계 스테인레스강의 변형저항 예측시, 성분변동에 의한 오스테나이트상의 생성량을 예측하고 오스테나이트상의 상분율이 변형저항에 미치는 영향을 고려하고 있기 때문에, 실제 조업을 통하여 압연제어의 학습의존성을 저감시킴으로써, 보다 정밀한 두께제어를 통한 실수율 향상과 조업의 안정성 확보에 큰 효과가 있다.
상기 내용은 본 발명의 바람직한 실시예를 단지 예시한 것으로 본 발명이 속하는 분야의 당업자는 첨부된 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 요지로부터 벗어나지 않고 본 발명에 대한 수정 및 변경을 가할 수 있다는 것을 인식하여야 한다.

Claims (3)

  1. STS409L 페라이트계 스테인레스강의 열간압연시 열간변형저항을 예측하는 방법에 있어서,
    상기 페라이트계 스테인레스강의 성분으로부터 오스테나이트상의 상분율(fγ)을 구하는 단계와;
    상기 페라이트계 스테인레스강에서 오스테나이트상과 페라이트상 각각의 변형저항[Km(σγ), Km(σα)]을 변형속도와 온도의 함수로 구하는 단계와;
    상기 상분율(fγ)과 변형저항[Km(σγ), Km(σα)]으로부터 상기 페라이트계 스테인레스강의 열간변형저항을 구하는 단계로 이루어지고,
    상기 오스테나이트상의 상분율(fγ)은 하기 식 1로부터 얻어지고,
    fγ(%) = 307.4 + 807.2C + 35.8Mn - 47.3Si + 55.8Ni -23.9Cr + 61.0Cu - 170.0Ti - 195.8P -177.5Al - 51.0Mo + 554.9N ‥‥‥ (1);
    상기 오스테나이트상의 변형저항[Km(σγ)]은 하기 식 2로부터 얻어지고,
    Km(σγ) = 2.81 × lnε + (80637/T) + (-51.59) ‥‥‥ (2);
    상기 페라이트의 변형저항[Km(σα)]은 하기 식 3으로부터 얻어지고,
    Km(σα) = 3.48 × lnε + (68222.62/T) + (-54.66) ‥‥‥ (3);
    상기 페라이트계 스테인레스강의 열간변형저항(Km)은 하기 식 4부터 얻어지고,
    Km = Km(σα) × (1 - fγ) + Km(σγ) × fγ ‥‥‥ (4);
    여기에서, ε은 변형속도이고, T는 열간압연온도인 것을 특징으로 하는 열간변형저항 예측방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 식 1로부터 오스테나이트상의 상분율(fγ)이 0 또는 음의 수이면, 상기 오스테나이트상의 변형저항[Km(σγ)]은 0인 것을 특징으로 하는 열간변형저항 예측방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 페라이트계 스테인레스강은 페라이트 단상 또는 페라이트상과 오스테나이트상이 공존하는 2상의 결정구조를 갖는 것을 특징으로 하는 열간변형저항 예측방법.
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KR970033157A (ko) * 1995-12-29 1997-07-22 김종진 열간압연하중 예측방법
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