KR100995393B1 - 강재의 수냉 방법 및 그 수냉 방법에 의하여 얻은 강재 - Google Patents

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Abstract

강재 표면의 산화막 두께(dH20+do2)가 수냉 후의 후처리를 필요로 하지 않는 15 ㎚ 이하가 되도록, dH20+do2= 7.98×10-4(Ti-To)dDo+{5.50×10-3(Ti 2-To 2)-6.51(Ti-To)}/CR의 식에 있어서, 수냉 개시 온도(Ti), 수냉 종점 온도(To), 강재 두께(d), 냉각수 중의 용존 산소 농도(Do) 및 냉각 속도(CR)의 각 조건을 적당하게 설정한다.
강재의 수냉 방법, 산화막 두께, 냉각수

Description

강재의 수냉 방법 및 그 수냉 방법에 의하여 얻은 강재{METHOD FOR COOLING STEEL PRODUCT WITH WATER, AND STEEL PRODUCT PRODUCED BY USING THE METHOD}
본 발명은 가열된 강재의 산화막의 두께를 제어하는 수냉 방법 및 그 수냉 방법에 의하여 얻은 강재에 관한 것이다.
강재는 주조 후, 열간 및/또는 냉간으로 가공하여 제품 형상으로 한 후에 소둔을 실시한다. 소둔한 강재는 표면에 화성 처리나 도금을 실시한다. 이 경우, 표면에 산화막이 생성되어 있으면 화성 처리나 도금이 충분하게 이루어지지 않아 그 후의 도장성, 도금의 밀착성이나 내식성이 손상된다. 그 때문에, 소둔된 강재는 무산화로 냉각할 필요가 있다.
강재를 무산화로 냉각하는 경우에는, 질소 등의 비산화성 가스로 실시한다. 왜냐하면, 가스 내에 산소 등의 산화성 가스가 포함되어 있으면 강재가 산화되기 때문이다.
냉각 매체로서 물을 사용하면, 물 자체가 산화성이기 때문에 강재의 산화를 피할 수 없다. 그러나, 강재의 두께가 두껍거나 또는 비교적 빠른 냉각 속도가 필요한 경우에는 가스를 사용하는 냉각에서는 필요한 냉각 속도를 얻지 못하기 때문에 물을 사용하는 냉각이 필요하게 된다. 이 경우, 강재 표면에 생성된 산화막을 제거하기 위하여 소둔 후에 산 세정 등의 후처리가 필요하게 된다.
강재를 수냉할 때의 무산화 냉각 방법으로서 냉각수 중의 용존 산소를 저감(탈기)하는 방법이 제안되어 있다.
특개소54-24211호 공보에서는 비등에 의하여 일단 탈기한 물을 냉각하여 사용하는 방법을, 특개소57-198218호 공보에서는 냉각수 중의 용존 산소 농도를 0.01 ppm 이하로 저감하여 냉각하는 방법을, 또한 특개소61-179820호 공보에서는 탈기 설비를 구비한 냉각 설비를 제안하고 있다.
수냉 중에 있어서의 강재의 산화에는, 용존 산소를 산소원으로 하여 진행하는 산화와 냉각수 자체에 의한 산화가 있지만 상기 특허 문헌에서는 이들의 기여를 이해하지 않고 단지 용존 산소를 저감하는 것을 제안하고 있다.
특개소63-7339호 공보에서는 용존 산소 및 물에 의한 산화가 있는 것을 고려하여 물에 의한 산화를 저감하기 위하여 전기 화학적인 수법을 제안하고 있다.
그러나, 종래 기술에는 수중의 용존 산소에 의한 산화막의 두께와 가열된 강재에 접하여 발생하는 수증기(즉, 냉각수 자체)에 의한 산화막의 두께를 구별하고, 각각의 산화막의 두께에 영향을 미치는 인자를 특정하여 각각의 산화막의 두께와 그 영향 인자와의 관계를 정량적으로 분명히 한 것은 없다.
전술한 바와 같이, 두꺼운 강재의 냉각 또는 비교적 빠른 냉각 속도가 필요한 냉각에는 물을 사용하는 냉각이 필요하지만 물을 사용하는 냉각에서는 강재 표면에 생성하는 산화막을 제거하기 위한 산 세정 등의 후처리가 필요하다.
이에, 본 발명은 수냉 후에 산화막을 제거하는 후처리를 필요로 하지 않는 강재의 수냉 방법 및 그 수냉 방법에 의하여 얻은 강재를 제공하는 것이다.
본 발명자들이 용존 산소를 함유한 물에 의한 산화 현상을 상세하게 조사한 결과, 산소에 의한 산화와 수증기에 의한 산화의 기여를 정확하게 구하는 것이 가능하게 되고, 또한, 외관이 수려하고 화성 처리나 도금 처리의 방해가 되지 않는 산화막 두께의 한계를 구할 수 있었다. 즉, 외관이 수려하고 화성 처리나 도금 처리의 방해가 되지 않게 표면의 산화막 두께를 저감할 수 있는 수냉 조건의 적정 범위를 구할 수 있었다.
본 발명은 가열된 강재를 수냉하는 수냉 방법에 있어서, 강재 표면에 생성하는 산화막의 두께를 아래 식에 의하여 제어하는 것을 특징으로 한다.
dH2O+do2=7.98×1O-4(Ti-To)dDo
+{5.5O×1O-3(Ti 2-To 2)-6.51(Ti-To)}/CR
여기서,
dH2O:수증기를 산화원으로서 생성하는 산화막의 두께(㎚)
dH2O={5.5O×1O-3(Ti 2-To 2)-6.51(Ti-To)}/CR
다만, To≥573K
do2: 용존 산소를 산화원으로서 생성하는 산화막의 두께(㎚)
do2=7.98×10-4(Ti-To)dDo
다만, To≥573K
Ti: 수냉 개시 온도 (K)
To: 수냉 종점 온도 (K)
d: 강재 두께 (㎜)
Do: 냉각수 중의 용존 산소 농도(㎎L-1)
CR: 냉각 속도 (Ks-1)
또한, 본 발명의 수냉 방법은 수냉 개시 온도(Ti), 수냉 종점 온도(To), 강재 두께(d), 냉각수 중의 용존 산소 농도(Do) 및 냉각 속도(CR)의 각 조건이 상기 강재의 수냉 방법 식에 의하여 산출되는, 소둔 시에 수냉으로 발생한 산화막을 남긴 채로 화성 처리 또는 도금 처리를 실시한 강재 표면의 산화막 두께(dH2O+do2)를 15 ㎚ 이하로 하는 범위 내에 있는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 수냉 방법은 탈기 장치에 의하여 용존 산소를 저감한 냉각수를 사용하여 가열된 강재를 수냉하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 강재는 본 발명의 수냉 방법에 의하여 얻은 강재로서, 강재 표면의 산화막 두께가 15 ㎚ 이하인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 강재의 수냉 방법 및 이 수냉 방법에 의하여 얻은 강재에 의하면, 다음의 효과를 얻을 수 있다.
(1) 냉각수 중의 용존 산소를 산화원으로서 생성하는 산화막의 두께를 수냉 개시 온도, 수냉 종점 온도, 강재 두께 및 냉각수 중의 용존 산소 농도의 함수로서 구하고, 또한, 냉각수가 증발하여 발생하는 수증기를 산화원으로서 생성하는 산화막의 두께를 수냉 개시 온도, 수냉 종점 온도 및 냉각 속도의 함수로서 구하므로, 수냉 후 소요되는 산화막 두께를 얻기 위한 제 조건을 정량적으로 설정하는 것이 가능하게 된다.
(2) 수냉한 강재 표면에 있어서, 외관이 수려하고 화성 처리 및 도금 처리의 방해가 되지 않는 산화막 두께의 한계를 찾아낸 것으로, 수냉 후의 산화막 두께의 목표값을 명확하게 설정하는 것이 가능하게 된다.
도 1은 본 발명의 수냉 방법에 있어서 냉각 속도와 산화막 두께의 관계를 나타내는 도면이다.
본 발명자들은 용존 산소를 함유하는 물에 의한 산화 현상을 상세하게 조사하였다. 그 결과, 물에 의한 산화 현상에는 용존 산소를 산소원으로 하는 산화와 수증기를 산소원으로 하는 산화가 있는 것을 밝혀내었다. 또한, 본 발명자 등은 각각을 산화원으로 하는 산화 속도를 정량적으로 구하는 데 성공하고, 각각을 산화원으로 하는 산화막의 두께의 합이 수냉시에 생성하는 산화막의 두께가 되는 것을 밝혀내었다.
가열한 강재를 수냉하는 동안, 강재는 수증기에 의하여 항상 산화된다. 본 발명자들은 강재의 수증기 산화를 정확하게 측정함으로써 수증기 산화 속도를 정량적으로 구하였다. 그 결과, 수증기에 의한 산화에 있어서, (i) 산화 속도는 산화막 두께에 의하지 않는 것, (ii) 산화 속도는 수증기 속도에 비례하는 것, 및 (iii) 산화 속도는 온도에 대해서 지수 함수적으로 증가하는 것이 판명되었다. 이들을 수식으로 기술하면, 이하와 같다.
dw/dt=1.6O×1O-5exp(-E/RT) PH2O
여기에서,
dw/dt: 산화 속도(gcm-2s-1)
E: 활성화 에너지
E= -27100(Jmo1-1)
R: 기체정수
T: 온도(K)
PH2O: 수증기 분압(atm)
강재 수냉시의 수냉 개시 온도와 냉각 속도를 변경한 경우에 있어서의 강재 표면의 산화막 두께를 아래 식으로 구할 수 있다. 이 경우의 수증기 분압은 1 atm이다.
dH2O={5.5O×10-3(Ti 2-To 2)-6.51(Ti-To)}/CR
다만, To≥573K
여기에서,
dH2O: 수증기를 산화원으로서 생성하는 산화막의 두께 (㎚)
Ti: 수냉 개시 온도 (K)
To: 수냉 종점 온도 (K)
CR: 냉각 속도(Ks-1)
수냉 중은 냉각수 중의 용존 산소에서도 산화되고, 산소에 의한 산화 속도는 상당히 빠르고 증발한 물에 포함되어 있는 용존 산소는 모두 산화에 소비된다. 따라서 강의 비열, 강재 두께, 수냉 개시 온도 및 수냉 종점 온도로부터 물의 증발량에서 생성하는 산화막의 두께가 아래 식으로 정해진다.
d02=7.98×10-4(Ti-To) dDo
다만, To≥573K
여기서,
do2: 용존 산소를 산화원으로서 생성하는 산화막의 두께 (㎚)
Ti: 수냉 개시 온도 (K)
To: 수냉 종점 온도 (K)
d: 강재 두께 (㎜)
Do : 냉각수 중의 용존 산소 농도(㎎L-1)
물에 의해 생성하는 산화막의 두께와 용존 산소에 의해 생성하는 산화막의 두께의 합이 수냉에 의해 생성하는 산화막의 두께이다.
dH20+do2=7.98×1O-4(Ti-To) dDo
+{5.5O×1O-3(Ti 2-To 2)-6.51(Ti-To)}/CR
Ti: 수냉 개시 온도 (K)
To: 수냉 종점 온도 (K)
d: 강재 두께 (㎜)
Do: 냉각수 중의 용존 산소 농도(㎎L-1)
CR: 냉각 속도 (Ks-1)
본 발명자들은 소둔 시에 물을 사용한 냉각으로 산화막을 형성한 강재를 준비하여 외관의 확인을 실시하였다. 수냉 후의 강재에는 산화막 두께에 따른 색을 확인할 수 있었다. 즉, 산화막 두께가 15 ㎚ 이하에서는 템퍼 칼라는 거의 발생하지 않고 금속 광택이 있다. 그러나, 산화막이 15 ㎚를 넘으면 담황색의 템퍼 칼라 가 발생하여 산화막 두께의 증대와 함께 템퍼 칼라가 진해지고, 30 ㎚를 넘으면 다갈색(茶褐色)의 템퍼 칼라가 된다.
다음으로, 소둔 시에 물을 사용한 냉각으로 산화막을 형성한 강재를 준비하고, 화성 처리를 가하여 이하의 3개의 평가를 실시하였다.
(1) 육안으로 화성 처리 후 표면의 색의 불균일이 있는 지를 관찰하는 매크로 관찰.
(2) SEM(주사형 전자 현미경)으로 화성 처리의 결정이 없는 부위가 있는 지 여부를 관찰하는 마이크로 관찰.
(3) 화성막이 충분히 부착되어 있는 지에 대한 부착량 측정.
(주 1. 올소규산 소다 중에서 알칼리 탈지 후 세면하고 표면 조정한 후 인산 아연으로 화성 처리를 실시하였다. 주 2. 화성 처리액은 펄 파운드 WL35(상품명)를 사용하여 35℃에서 2분간 처리하고 평가를 실시하였다.)
또한, 도금 밀착성에 대하여도, 소둔 시에 물을 사용한 냉각으로 산화막을 형성한 강재를 준비하여 평가를 실시하였다.
(주 3. 도금 밀착성은 JlS H0401에 규정된 해머 시험에 의하여 평가하고, 5점의 해머로 친 흔적에 의하여 박리로 인한 들뜸이 없는 지를 평가하였다.)
표 1에, 화성 처리 및 도금 밀착성의 평가 결과를 나타낸다. 산화막 두께 15 ㎚ 이하에서는 화성 처리 및 도금 밀착성의 문제는 발생하지 않는다. 산화막 두께 15 내지 30 ㎚에서는 화성 처리의 마이크로 관측, 부착량 및 도금 밀착성에는 문제가 발생하지 않지만, 화성처리에서 불균일이 발생한다. 산화막 두께 30 ㎚ 이상에 서는 화성 처리의 모든 평가 및 도금 밀착성으로 문제가 발생한다.
종래 기술에서는, 소둔 시에 수냉으로 발생한 산화막은 제거하는 것이 상식이고 산화막을 남긴 채로 화성 처리, 도금을 실시한다고 하는 발상은 없었다. 본 발명에서는, 산화막이 발생하고 있어도 화성 처리, 도금성에 문제가 없으면 좋다고 하는 발상으로 전환하고, 외관도 고려하여 산화막 두께의 한계값을 15 ㎚로 설정하였다.
산화막 두께(㎚) 화성처리 도금 밀착성
색 불균일 마이크로 관찰 부착량
15 이하 ○ ○ ○ ○
15 내지 30 × ○ ○ ○
30 이상 × × × ×
가열한 강재를 냉각수에 의하여 냉각할 때에, 산화막 두께를 15 ㎚ 이하로 하려면 산화막 두께에 영향을 미치는 수냉 개시 온도(Ti), 수냉 종점 온도(To), 강재 두께(d), 냉각수 중의 용존 산소 농도(Do) 및 냉각 속도(CR)의 각 조건 중에서 조정 가능한 조건을 적당하게 조정하면 좋다. 특히, 냉각수 중의 용존 산소 농도는 탈기 장치를 가지는 냉각 설비를 사용함으로써 조정 가능하다.
실시예
도 1은 본 발명의 수냉 방법에 따른 냉각 속도와 산화막 두께의 관계를 나타내는 도면이다.
표 2에 실시예에서 사용한 강재 두께(d), 냉각 개시 온도(Ti), 냉각 종점 온도(TO) 및 용존 산소 농도(DO)의 각 조건을 나타낸다.
실시예 1 실시예 2
수냉 개시 온도(Ti) 948K 948K
수냉 종점 온도(To) 573K 573K
용존 산소 농도(Do) 8ppm O.1ppm
강재 두께(d) 1.6mm 1.6mm
도 1로부터 용존 산소 농도가 산화막 두께에 영향을 미치는 것을 분명히 알 수 있다. 또한, 도 1로부터 산화막 두께를 수냉 후에 화성 처리나 도금 처리의 장해가 되지 않는 산화막 두께의 한계 15 ㎚ 이하로 유지할 수 있는 냉각 속도를 구할 수 있다.
본 발명의 산화막 두께를 구하는 식에 의하면, 수냉 개시 온도, 수냉 종점 온도, 강재 두께, 냉각수 중의 용존 산소 농도 및 냉각 속도 조건을 설정함으로써, 산화막 두께를 구할 수 있으므로 수냉 후에 필요한 산화막 두께를 얻기 위하여 조작 가능한 제 조건을 어느 범위로 설정하는 지를 정량적으로 파악할 수 있다.
본 발명에 의하면, 수냉 후의 강재 표면에 있어 소요되는 산화막 두께를 얻기 위한 여러 조건을 정량적으로 설정하는 것이 가능해지고, 또한, 수냉 후의 산화막 두께의 목표값을 명확하게 설정하는 것이 가능해지므로, 본 발명은 강재 제조 산업에 있어서 이용 가능성이 큰 것이다.

Claims (4)

  1. 가열된 강재를 수냉하는 수냉 방법에 있어서, 강재 표면에 생성하는 산화막의 두께를, 아래 식에 의하여 제어하는 것을 특징으로 하는 강재의 수냉 방법.
    dH2O+do2=7.98×1O-4(Ti-To)dDo
    +{5.5O×1O-3(Ti 2-To 2)-6.51(Ti-To)}/CR
    여기서,
    dH2O: 수증기를 산화원으로서 생성하는 산화막의 두께(㎚)
    dH2O={5.5O×1O-3(Ti 2-To 2)-6.51(Ti-To)}/CR
    다만, To≥573K
    do2: 용존 산소를 산화원으로서 생성하는 산화막의 두께(㎚)
    do2=7.98×10-4(Ti-To)dDo
    다만, To≥573K
    Ti: 수냉 개시 온도 (K)
    To:수냉 종점 온도 (K)
    d: 강재 두께 (㎜)
    Do: 냉각수 중의 용존 산소 농도(㎎L-1)
    CR: 냉각 속도 (Ks-1)
  2. 상기 수냉 개시 온도(Ti), 수냉 종점 온도(To), 강재 두께(d), 냉각수 중의 용존 산소 농도(Do) 및 냉각 속도(CR)의 각 조건이 제1항에 기재되어 있는 강재의 수냉 방법 식에 의하여 산출되는, 소둔 시에 수냉으로 발생한 산화막을 남긴 채로 화성 처리 또는 도금 처리를 실시한 강재 표면의 산화막 두께(dH2O+do2)를 15 ㎚ 이하로 하는 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는 강재의 수냉 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 탈기 장치에 의해 용존 산소를 저감한 냉각수를 사용하여 상기 가열된 강재를 수냉하는 것을 특징으로 하는 강재의 수냉 방법.
  4. 삭제
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