KR101159939B1

KR101159939B1 - 연속주조 슬라브의 중심편석 평가방법

Info

Publication number: KR101159939B1
Application number: KR1020100007802A
Authority: KR
Inventors: 유석현; 박치우; 나선하; 최주태
Original assignee: 현대제철 주식회사
Priority date: 2010-01-28
Filing date: 2010-01-28
Publication date: 2012-06-25
Also published as: KR20110088072A

Abstract

본 발명은 연속주조 슬라브의 중심편석 평가방법에 관한 것으로, 에칭된 슬라브 샘플을 이미지 분석기가 연결된 광학 현미경에 장착하고 에칭된 편석립을 이미지로 인식시키는 인식 단계와, 중심편석선을 포함하도록 분석 영역을 설정하는 영역 설정 단계와, 상기 분석 영역내에 분포된 각각의 편석립의 크기와 종횡비를 측정하여 슬라브의 중심편석 지수를 산출하는 산출 단계를 포함한다. 본 발명은 작업자에 따라 회색도의 편차가 발생하지 않아 정량화 단계에서 분석 오차를 최소화되므로 중심편석 수준을 정량적, 객관적으로 판단할 수 있는 이점이 있다.

Description

연속주조 슬라브의 중심편석 평가방법{Method for evaluating centerline segregation in continuous casting slab}

본 발명은 연속주조 슬라브의 중심편석 평가방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 슬라브의 편석 수준을 정확히 파악할 수 있는 연속주조 슬라브의 중심편석 평가방법에 관한 것이다.

제강공정에서 목적하는 성분 조성 및 온도로 처리된 액상의 용강은 연속주조설비를 통과하면서 냉각되어 고상의 슬라브로 응고된다.

연속주조설비에서 용강은 먼저 수냉몰드를 통과하면서 응고쉘을 형성하고, 이후 스트랜드(strand)를 통과하면서 냉각수 분사를 통해 나머지가 완전히 응고되어 고상의 슬라브가 된다.

여기서, 슬라브가 스트랜드를 통해 냉각되는 과정에서 응고가 진행됨에 따라 액상에 비해 낮은 용해도를 갖는 고상의 용질 원소가 배출되어 수지상정 사이에 농화되는 편석 현상이 발생한다.

일반적인 편석은 균질화 처리하면 원자 상호간의 확산에 의해 경감된다. 그러나 중심편석은 심한 경우 압연 후 최종 제품인 코일에 남게 되어 용접성을 저하시키고, 석유 수송관과 같은 제품으로 가공하여 사용할 경우 크랙을 발생하여 강관의 파손까지 이르게 된다. 따라서 중심편석의 수준을 정확히 파악할 필요가 있다.

본 발명의 목적은 슬라브의 중심편석을 정량화하여 정확히 파악할 수 있는 연속주조 슬라브의 중심편석 평가방법을 제공하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명은 에칭된 슬라브 샘플을 이미지 분석기가 연결된 광학 현미경에 장착하고 에칭된 편석립을 이미지로 인식시키는 인식 단계와, 중심편석선을 포함하도록 분석 영역을 설정하는 영역 설정 단계와, 상기 분석 영역내에 분포된 각각의 편석립의 크기와 종횡비를 측정하여 슬라브의 중심편석 지수를 산출하는 산출 단계를 포함한다.

상기 인식 단계에서, 상기 에칭된 편석립은 회색도(gray level)가 0%~50% 범위인 편석립이다.

상기 산출 단계에서, 상기 슬라브의 중심편석 지수는 크기가 0.5mm이상, 종횡비가 3.0이하인 편석립의 총면적을 계산하고, 상기 계산한 편석립의 총면적을 상기 분석 영역의 면적으로 나누어 산출한다.

상기 인식 단계에서, 상기 슬라브 샘플은 피크르산(C₆H₃N₃O₇), 염화제2구리(CuCl₂), 나트륨 라우릴벤젠술폰산(C₁₈H₂₉SO₃Na) 및 잔부 증류수로 이루어지는 에칭액에 침지하여 에칭한 슬라브 샘플이다.

상기 피크르산(C₆H₃N₃O₇)의 중량%는 1.5~2.0 wt%, 상기 염화제2구리(CuCl₂)의 중량%는 0.5~1.0 wt%, 상기 나트륨 라우릴벤젠술폰산(C₁₈H₂₉SO₃Na)의 중량%는 1.0~3.0 wt%이다.

상기 에칭액의 가열온도는 30~80℃이다.

본 발명에 따르면, 연속주조 슬라브의 중심편석 평가방법은 작업자에 따라 회색도의 편차가 발생하지 않아 정량화 단계에서 분석 오차를 최소화한다. 따라서 중심편석 수준을 정량적, 객관적으로 판단할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 유황 함량이 50ppm 이하인 극 저류강 슬라브 뿐만 아니라 탄소 함량 0.04wt% 이하인 저탄강 슬라브에서도 고해상도의 중심편석 이미지를 얻는다.

따라서, 주조시 발생한 공정상의 이상을 빠르게 파악하여 대응하는 것이 가능하므로 제품신뢰도가 증가하고 수요자의 만족도가 향상되는 효과를 가져올 수 있다.

또한, 본 발명의 슬라브의 중심편석 평가방법은 간단하고 소요시간이 2시간 정도로 짧아 중심편석에 대한 보다 정확하고 빠른 대응이 가능한 효과가 있다.

도 1은 편석립의 회색도(gray level) 분포를 나타낸 그래프
도 2는 에칭된 편석립을 인식하고 이미지 분석기를 통해 보인 도.
도 3은 에칭된 슬라브 표면을 보인 모식도.
도 4는 중심편석의 만네스만 등급을 보인 도.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다.

본 발명의 연속주조 슬라브의 중심편석 평가방법은 에칭된 슬라브 샘플을 이미지 분석기가 연결된 광학 현미경에 장착하고 에칭된 편석립을 인식시켜 이미지화한 후 중심편석선을 포함하도록 분석 영역을 설정한다.

이 후, 분석 영역내에 분포된 각각의 편석립의 크기와 종횡비(aspect ratio)를 측정하여 슬라브의 중심편석 지수를 산출한다. 산출한 중심편석 지수로 슬라브의 중심편석 정도를 평가한다.

중심편석(centerline segregation)은 슬라브의 두께 중심부에 유황, 인, 망간, 탄소 성분 등이 집적되어 발생된다. 유황, 인, 망간, 탄소 성분이 두께 중심부에 집적되는 것은 슬라브 응고 말기의 응고 수축에 의해 두께 중심부에 공극이 발생하고, 이 공극에 주상정 사이의 용질 원소가 농화되기 때문이다.

중심편석은 용접부 결함을 발생시키고, 석유 수송관의 수소 유기 균열 발생의 원인이 되므로 저감해야 한다. 중심편석을 저감하기 위해 편석 수준을 정확히 파악할 필요가 있다.

중심편석의 편석 수준을 정량적으로 정확히 파악하기 위해 연속주조 슬라브의 중심편석 평가방법이 제안된다. 본 발명의 연속주조 슬라브의 중심편석 평가방법은 에칭된 편석립을 광학 현미경에서 인식하여 이미지화한 후 중심편석 지수를 산출하는 것을 원리로 한다.

중심편석 지수는 H-TEC지수라 정의한다. H-TEC지수는 EPMA정량지수와 비교시 상관계수가 91%(R²=83)로 높다. EPMA정량지수는 전체 강종에 대해 ppm단위의 정량 분석까지 가능하므로 중심편석의 정량 지수로 사용된다. 하지만 EPMA정량지수는 시편 처리 및 분석에 12시간 이상 소요되어 주조시 발생한 공정상의 이상을 빠르게 파악하여 대응하는 것이 어렵다.

반면, 본 발명의 연속주조 슬라브의 중심편석 평가방법은 평가방법이 간단하고 EPMA정량지수에 비해 6분의 1이하로 시간이 소요된다.

구체적으로 그 과정을 살펴보면, 먼저 피크르산(C₆H₃N₃O₇), 염화제2구리(CuCl₂), 나트륨 라우릴벤젠술폰산(C₁₈H₂₉SO₃Na) 및 잔부 증류수로 이루어지는 에칭액에 슬라브 샘플을 침지하고 가열하여 에칭한다.

에칭액은 유황 함량이 50ppm 이하인 극저류강 뿐만 아니라 슬라브 중의 탄소 함량이 0.04wt% 이하인 저탄소강에 대해서도 높은 해상도의 편석립 이미지를 얻기 위한 것이다.

피크르산(C₆H₃N₃O₇)의 중량%는 1.5~2.0 wt%, 상기 염화제2구리(CuCl₂)의 중량%는 0.5~1.0 wt%, 상기 나트륨 라우릴벤젠술폰산(C₁₈H₂₉SO₃Na)의 중량%는 1.0~3.0 wt%이다.

피크르산(C₆H₃N₃O₇)은 함유량이 1.5 wt% 미만인 경우 에칭 시간이 증가하게 되고, 2.0 wt% 초과인 경우에는 미용해 침전물에 의해 얼룩이 발생하는 문제가 있음을 고려하여 그 함유량을 1.5~2.0 wt%의 범위로 제한한다.

염화제2구리(CuCl₂)는 함유량이 0.5 wt% 미만인 경우 에칭 해상도가 저하되고, 1.0 wt% 초과인 경우 과도한 에칭이 발생하는 문제가 있음을 고려하여 그 함유량을 0.5~1.0 wt%의 범위로 제한한다.

나트륨 라우릴벤젠술폰산(C₁₈H₂₉SO₃Na)은 계면 활성제로, 함유량이 1.0 wt% 미만인 경우 에칭 속도가 저하되고, 3.0 wt%를 초과인 경우 과포화되어 침전물을 발생한다. 계면 활성제로 염화 벤질다이메틸테트라데실암모늄(C₂₃H₄₂ClN)을 사용한 경우 점착성 반응물이 에칭면에 생성되어 에칭 반응을 방해한다.

증류수는 실온의 증류수를 혼합한다.

에칭효율을 높이기 위해 에칭액에 에탄올이 함유되는 경우도 있지만 본 발명의 경우 에탄올은 사용하지 않는다. 이는 에탄올의 비등점이 65℃이므로 가열시 그 효과가 상쇄되어 의미가 없기 때문이다.

에칭액의 가열온도는 30~80℃이다. 에칭액에 슬라브 샘플을 침지하고 가열하는 것은 에칭 반응을 향상하기 위함이다. 에칭액의 가열온도는 30℃ 미만이면 에칭 반응이 느리고, 80℃를 초과하면 유독가스가 발생하고 고온의 증기로 인한 위험이 유발된다. 바람직한 에칭액의 가열온도는 50~80℃이다.

침지는 탄소 함량에 따라 2시간 이내로 실시한다. 2시간 이상 침지하여 과에칭하면 해상도가 급격히 저하된다. 에칭전의 슬라브 샘플은 그라인딩 처리된 것이다.

에칭이 종료된 슬라브 샘플은 흐르는 물에 브러쉬를 사용하여 세척하여 표면의 부착물을 제거한다. 그리고, 따뜻한 공기에 건조시킨다.

건조 후에는 슬라브 샘플을 이미지 분석기(image analyzer)가 연결된 광학 현미경에 장착하고, 기지면에 대해 어둡게 에칭된 편석립을 인식시켜 이미지화한다.

이때, 기지면에 대해 어둡게 에칭된 편석립의 회색도(gray level)는 0%~50%로 한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 회색도는 이미지 화면상의 각 점에 흑백의 명암을 지정하여 화상을 형성한 것으로 0%을 흑색, 100%를 백색으로 표현한다. 50%는 중립 회색이 된다.

회색도 0%~50% 범위가 편석립에 해당된다. 100%는 흠이 없는 슬라브 표면이이다. 에칭은 슬라브의 편석립을 부식시키고, 부식된 부분이 빛을 흡수하여 흑색으로 표현되므로 회색도에서 0%~50% 범위가 편석립에 해당되는 것이다. 편석립은 중심편석 뿐 아니라 가공흠도 포함된다.

에칭된 편석립을 인식시켜 이미지화한 후에는 분석 영역을 설정한다.

도 2에 도시된 바와 같이, 분석 영역은 중심편석선을 포함하도록 폭 5mm 이상, 길이 10mm 이상의 직사각형 영역을 분석 영역으로 설정한다. 위 범위 보다 작은 범위로 분석 영역을 설정하면 정확한 중심편석 정도를 평가하기 어렵다.

다음으로, 분석 영역내에 분포된 각각의 편석립 크기와 종횡비를 측정하여 슬라브의 중심편석 지수를 산출한다. 중심편석 지수는 편석립 중 크기가 0.5mm이상, 종횡비(aspect ratio)가 3.0이하인 것의 총면적을 계산하고, 계산한 총면적을 분석 영역의 면적으로 나누어 산출한다.

편석립은 크기가 0.5mm 이상을 만족하여도 종횡비가 3.0을 초과하면 중심편석으로 판단하지 않는다. 이는 도 3에 도시된 바와 같이, 종횡비가 3.0을 초과하면 중심편석이 아니라 길게 형성된 가공흠이기 때문이다. 가공흠도 중심편석과 마찬가지로 0%~50%의 회색도를 갖는다. 도 3에서 에칭흠으로 표시된 부분이 중심편석에 해당된다.

여기서, 크기는 각각의 편석립에서 가장 넓은 부분의 크기를 측정한 것이고, 종횡비는 편석립의 가로와 세로의 비율을 측정한 것이다.

산출한 중심편석 지수로 슬라브의 중심편석 정도를 평가한다. 예를 들어, 슬라브의 산출한 중심편석 지수로 슬라브의 중심편석 정도로 1에서 5등급으로 분류하여 평가할 수 있다.

상술한 방법은 에칭한 슬라브 샘플을 광학 현미경에 장착하고 편석립을 인식하므로 회색도의 편차가 발생하지 않는다. 따라서 분속 오차 없이 슬라브의 중심편석을 정량화하여 정확히 파악할 수 있다.

참고로, 중심편석선은 도 4에서 횡방향으로 나타나는 선을 의미한다.

본 발명의 실시예를 다른 비교예와 대비하여 설명한다. 그러나 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명이 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.

<실시예>

1.탄소 함량이 0.002wt%인 슬라브 샘플에 대해 에칭액 조건에 따른 연속주조 슬라브의 중심편석 평가방법을 적용한다. 에칭액은 70℃까지 가열하며, 슬라브 샘플의 에칭액 침지시간은 2시간으로 한다.

에칭 후에는 이미지 분석기가 연결된 광학 현미경에 슬라브 샘플을 장착하고기지면에 대해 어두운(회색화가 0~50%) 에칭된 편석립을 인식시켜 이미지화 한다.

(잔부:증류수)

구분	피크르산 (wt%)	염화제2구리 (wt%)	계면활성제 (wt%)	결과 (2시간 침지 후)	비고
1	1.0	0.5	염화 벤질다이메틸테트라데실암모늄	슬라브 샘플 표면에 점착성 반응물 생성	비교예
2	1.0	0.5	나트륨 벤젠 설폰산(1.0)	해상도 낮음	비교예
3	1.0	0.5	나트륨 벤젠 설폰산(2.0)	해상도 낮음	비교예
4	1.0	0.5	나트륨 벤젠 설폰산(3.0)	해상도 낮음	비교예
5	1.0	0.5	나트륨 벤젠 설폰산(4.0)	에칭면에 백색 침전물에 의한 얼룩 발생	비교예
6	1.5	0.5	나트륨 벤젠 설폰산(3.0)	해상도 충분	발명예
7	2.2	0.5	나트륨 벤젠 설폰산(3.0)	미용해 침전물에 의한 얼룩 발생	비교예
8	1.5	1.0	나트륨 벤젠 설폰산(3.0)	해상도 충분	발명예
9	1.5	1.5	나트륨 벤젠 설폰산(3.0)	과도한 에칭	비교예

표 1에 도시된 바에 의하면, 피크르산의 함량이 높으면 미용해 침전물에 의한 얼룩이 발생하고, 염화제2구리의 함량이 높으면 과도한 에칭이 발생하는 문제가 있다.

또한, 계면활성제로 나트륨 벤젠 설폰산 대신 염화 벤질다이메틸테트라데실암모늄을 사용하면 슬라브 샘플 표면에 점착성 반응물이 생성된다.

나트륨 라우릴벤젠술폰산의 경우 함유량이 1.0~3.0 wt%를 만족하지 못하면 해상도가 낮거나 에칭면에 얼룩이 발생하는 문제가 있다.

2. 탄소 함량이 0.002wt%인 슬라브 샘플에 대해 에칭액의 온도조건에 따른 연속주조 슬라브의 중심편석 평가방법을 적용한다.

이때, 피크르산 1.5wt%, 염화제2구리(CuCl₂) 1.0wt%, 나트륨 라우릴벤젠술폰산(C₁₈H₂₉SO₃Na) 3.0wt% 및 잔부 증류수로 이루어지는 에칭액을 적용한다. 슬라브 샘플의 에칭액 침지시간은 2시간으로 한다.

구분	에칭액 가열온도 (℃)	결과_해상도로 판단 (2시간 침지 후)	비고
1	20	×	비교예
2	30	○	발명예
3	40	○	발명예
4	50	◎	발명예
5	60	◎	발명예
6	70	◎	발명예
7	80	◎	발명예
8	90	×	비교예
9	100	×	비교예

[×:해상도 낮음, ○:해상도 충분, ◎:해상도 우수]

표 2에 도시된 바에 의하면 에칭액의 가열온도가 30~80℃인 범위에서 해상도가 충분했으며, 50~80℃범위에서 해상도가 더 높다.

<비교예1>

탄소 함량이 0.002wt%인 슬라브 샘플을 이미지로 현출한 후, 현출된 이미지를 스캔하여 연속주조 슬라브의 중심편석을 평가한다.

이미지의 현출은 에칭액에 슬라브 샘플을 침지하여 슬라브의 편석을 부식시키고, 부식된 편석 부위에 연마 분말이 스며들도록 한 후 투명 접착 테이프를 슬라브 샘플에 접착시켜 연마 분말이 투명 접착 테이프에 달라붙게 하여 현출한다.

실험 결과, 정량화를 위한 에칭 이미지 현출시 작업자에 따라 회색도(gray level)의 편차가 발생한다.

<비교예2>

연마된 슬라브 샘플에 묽은 황산용액을 바른 인화지를 바른 후 떼어내고 이 인화지를 건조시켜 슬라브의 중심편석을 평가한다. 이는 중심부에 편석된 S가 황산과 반응하여 H₂S 가스를 발생시키며 이 가스가 인화지에 감광되어 검은 반점으로 남게 되는 것을 원리로 한다.

실험 결과, 유황 함량 50ppm 이하인 극저류강에서는 발생되는 H₂S 가스의 양이 적어 중심편석이 현출되지 않고 해상도도 매우 낮다.

그리고, 도 4에 도시된 만네스만 차트와 육안으로 대조하여 품질 등급을 구분하므로 작업자에 따라 편차가 발생한다. 만네스만 차트는 중심편석을 편석 정도에 따라 1~5등급으로 분류한 차트이다.

<비교예3>

물과 염산의 1:1혼합물에 시편을 침지하여 에칭함으로써 응고 조직과 편석을 현출시켜 슬라브의 중심편석을 평가한다.

실험 결과, 염산에 의해 탄소가 과부식되는 방법을 이용하므로 탄소 함량이 0.04wt% 이하인 저탄강의 경우 현출 해상도 매우 낮아 편석 확인이 어렵다.

그리고, 도 4에 도시된 만네스만 차트와 육안으로 대조하여 품질 등급을 구분하므로 작업자에 따라 편차가 발생한다.

상기 실험 결과와 같이, 본 발명은 작업자에 따라 회색도의 편차가 발생하지 않아 정량화 단계에서 분석 오차를 최소화한다.

이를 통해, 성분의 제한 없이 전 강종에 대해 슬라브의 중심편석을 정량적으로 평가할 수 있음을 알 수 있다.

본 발명은 상기한 실시 예에 한정되는 것이 아니라, 본 발명의 요지에 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 변경하여 실시할 수 있으며 이는 본 발명의 구성에 포함됨을 밝혀둔다.

Claims

에칭된 슬라브 샘플을 이미지 분석기가 연결된 광학 현미경에 장착하고 에칭된 편석립을 이미지로 인식시키는 인식 단계와,
중심편석선을 포함하도록 분석 영역을 설정하는 영역 설정 단계와,
상기 분석 영역내에 분포된 각각의 편석립의 크기와 종횡비를 측정하여 슬라브의 중심편석 지수를 산출하는 산출 단계를 포함하며,
상기 인식 단계에서,
상기 슬라브 샘플은
피크르산(C₆H₃N₃O₇), 염화제2구리(CuCl₂), 나트륨 라우릴벤젠술폰산(C₁₈H₂₉SO₃Na) 및 잔부 증류수로 이루어지는 에칭액에 침지하여 에칭한 슬라브 샘플인 것을 특징으로 하는 연속주조 슬라브의 중심편석 평가방법.
청구항 1에 있어서,
상기 인식 단계에서,
상기 에칭된 편석립은 회색도(gray level)가 0%~50% 범위인 편석립인 것을 특징으로 하는 연속주조 슬라브의 중심편석 평가방법.
청구항 1에 있어서,
상기 산출 단계에서,
상기 슬라브의 중심편석 지수는
크기가 0.5mm이상, 종횡비가 3.0이하인 편석립의 총면적을 계산하고,
상기 계산한 편석립의 총면적을 상기 분석 영역의 면적으로 나누어 산출하는 것을 특징으로 하는 연속주조 슬라브의 중심편석 평가방법.
삭제
청구항 1에 있어서,
상기 피크르산(C₆H₃N₃O₇)의 중량%는 1.5~2.0 wt%, 상기 염화제2구리(CuCl₂)의 중량%는 0.5~1.0 wt%, 상기 나트륨 라우릴벤젠술폰산(C₁₈H₂₉SO₃Na)의 중량%는 1.0~3.0 wt%인 것을 특징으로 하는 연속주조 슬라브의 중심편석 평가방법.
청구항 5에 있어서,
상기 에칭액의 가열온도는 30~80℃인 것을 특징으로 하는 연속주조 슬라브의 중심편석 평가방법.