KR101207648B1 - 강판의 냉각방법 - Google Patents

강판의 냉각방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고온의 강판을 냉각하는 방법에 관한 것으로서, 비산화형 냉매를 강판에 분사하여 강판의 냉각 속도를 확보하고 스케일의 발생을 최소화하여 별도의 산세 공정을 필요로 하지 않는 표면 품질이 우수한 강판을 제공할 수 있는 강판의 냉각방법을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명은 CxHx의 탄화수소 계열의 비산화형 물질을 600℃이상의 강판에 분사하여 강판을 냉각하는 공정을 포함하는 강판의 냉각방법을 그 요지로 한다.
본 발명에 의하면, 첫째, 물을 이용한 냉각 시 생기는 스케일을 최대한 억제하여 추가적인 산세설비가 필요치 않고, 둘째, 급속 냉각에 의해 저온 조직으로의 변태가 가능하여 고강도강의 생산이 가능하고, 셋째, 냉각 시 기화된 냉매를 저온에서 액화하여 재사용할 수 있다.

Description

강판의 냉각방법{Method for Cooling Steel Sheet}
본 발명은 고온의 강판을 냉각하는 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 자동차 용 강판 등에 사용되는 냉연 강판 또는 도금 강판 등을 제조하기 위한 연속소둔라인 또는 연속용융도금라인 등에 바람직하게 적용될 수 있는 강판의 냉각방법에 관한 것이다.
최근 부각되고 있는 환경 규제에 따라 엄격한 자동차 연비 규제에 대응하기 위한 방안으로 고강도 강판에 대한 수요가 급증하고 있다.
이러한 고강도 강판은 통상 연속 소둔 공정이나 연속 용융아연도금공정에서 강판의 열처리 온도를 변화시켜 제조된다.
현재 상용화되고 있는 대표적인 고강도 강으로는 이상조직강 (Dual Phase Steel: DP강), 변태 유기 소성강(Transformation Induced Plasticity Steel: TRIP강), 마르텐사이트, 베이나이트, 잔류 오스테나이트 등의 저온조직을 이용한 변태강화강이 있으며 이를 생산하기 위해서는 소둔로 내 RCS(Rapid Cooling Section)에서 고온상태의 강판을 저온으로 급속하게 냉각시킬 필요가 있다.
현재 RCS구간에서 사용되고 있는 냉각 기술은 크게 4가지로 구분된다.
가스 젯 냉각(Gas jet cooling; 고압의 비활성 가스를 강판에 분사시켜 냉각시키는 방법)과 냉각롤타입(Cooling roll type; 냉각된 롤을 강판에 직접 접촉시켜 냉각시키는 방법)은 강판을 냉각할 때 물이 직접 강판에 접촉되지 않아 강판 표면에 스케일(Scale)은 발생되지 않으나 냉각 속도가 다소 떨어져 저온조직으로의 변태가 어렵다는 문제점이 있다.
반면, 워터 퀀칭(Water quenching; 강판을 물속에 침적시켜 냉각시키는 방법)과 워터 미스터 냉각(water mist cooling; 미세한 물 입자를 강판에 분사하여 냉각시키는 방법)은 급냉이 가능하나 냉매로 물을 사용하기 때문에 H2O의 O가 강판 표면을 산화시켜 일정 두께의 스케일을 형성시킨다는 문제점이 있다.
특히, 물을 이용한 냉각방법은 강판 냉각 후 표면 스케일을 제거하는 산세 공정이 별도로 필요하게 되며, 제품 생산 시 황변 등의 결함을 발생시킬 위험이 있다.
따라서, 냉각속도가 빠르고, 냉각에 기인한 스케일의 발생이 적어 강판 표면 품질이 우수한 강판을 제공할 수 있는 강판의 냉각방법이 요구되고 있는 실정이다.
본 발명은 비산화형 냉매를 강판에 분사하여 강판의 냉각 속도를 확보하고 스케일의 발생을 최소화하여 별도의 산세 공정을 필요로 하지 않는 표면 품질이 우수한 강판을 제공할 수 있는 강판의 냉각방법을 제공하고자 하는 것이다.
이하, 본 발명에 대하여 설명한다.
본 발명의 일측면에 의하면, CxHx탄화수소 계열의 비산화성 물질을 600℃이상의 강판에 분사하여 강판을 냉각하는 공정을 포함하는 강판의 냉각방법이 제공된다.
상기 비산화성 물질은 150℃이하에서 액체 상태로 존재하는 펜탄(C5H12), 핵산(C6H14), 헵탄(C7H16) 및 옥탄(C8H18)으로 이루어진 그룹중에서 선택된 1종 또는 2종이상이 바람직하다.
상기 강판의 냉각공정이 연속소둔라인(Continuous Annealing Line) 또는 연속용융도금라인(Continuous Hot-dip Coating Line)에서의 냉각공정인 것이 바람직하다.
상기 냉매에 의한 강판냉각 시 기화에 의하여 발생된 냉매기체는 액화하여 액체상태로 재사용될 수 있다.
상기 냉매분사에 의한 강판의 냉각속도는 50~200℃/sec가 바람직하다.
본 발명에 의하면, 예를 들면, 소둔로 등에서 급냉 시 CxHx 탄화수소 계열의 비산화성 물질을 냉매로서 강판 표면에 분사하여 강판을 냉각시킴으로써 첫째, 물을 이용한 냉각 시 생기는 스케일을 최대한 억제하여 추가적인 산세설비가 필요치 않고, 둘째, 급속 냉각에 의해 저온 조직으로의 변태가 가능하여 고강도강의 생산이 가능하고, 셋째, 냉각 시 기화된 냉매를 저온에서 액화하여 재사용할 수 있다.
도 1은 본 발명이 적용될 수 있는 연속소둔장치의 일례를 나타내는 개략도이다.
도 2는 연속소둔라인에서 본 발명에 따라 강판을 냉각시키는 공정을 개략적으로 나타내는 공정도이다.
도 3은 10% H2-N2, 이슬점(Dew point) -60℃, 800℃ 소둔 열처리 후 냉매를 변화시켜 급냉한 강판 표면 산화층의 형상을 나타낸 것으로서, 도 3의 (a)는 N2 가스를 냉매로 사용하여 냉각한 경우를 나타내고, 도 3의(b)는 펜탄(Pentane; C5H12)을 냉매로 사용하여 냉각한 경우를 나타내고, 도 3의(c)는 물을 냉매로 사용하여 냉각한 경우를 나타낸다.
이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명은 600℃이상의 고온강판에 냉매를 분사하여 강판을 냉각하는 방법에 바람직하게 적용되는 것이다.
본 발명에 적용될 수 있는 강종은 특별히 한정되는 것은 아니며, 바람직하게 적용될 수 있는 강종으로는 TRIP강, CP강 및 TWIP강등을 들 수 있다.
상기 TRIP강으로는 590TRIP강(C: 0.01-0.2중량%, Si: 2.0중량%이하, Mn: 3.0중량%이하) 및 780TRIP강(C: 0.01-0.2중량%, Si: 2.0중량%이하, Mn: 4.0중량%이하)을 들 수 있고, 상기 CP강으로는 1180CP강(C: 0.01-0.2중량%, Si: 2.0중량%이하, Mn: 4.0중량%이하)을 들 수 있고, 그리고 상기 TWIP강으로는 980TWIP강(C: 1.5중량%이하, Si: 2.0중량%이하, Mn: 20.0중량%이하)을 들 수 있다.
본 발명의 강판 냉각방법의 적용분야는 특별히 한정되지 않지만, 본 발명은 자동차용 강판 등에 사용되는 냉연 강판 또는 도금 강판 등의 제조시 사용되는 냉연 강판의 연속소둔라인 또는 연속용융도금라인의 소둔공정에 바람직하게 적용된다.
이하에서는 본 발명의 강판 냉각방법이 냉연 강판의 연속소둔라인 또는 연속용융도금라인의 소둔공정에 적용되는 예에 기초하여 본 발명을 설명한다. 물론, 본 발명은 이에 한정되지 않음은 물론이다.
일반적으로 연속소둔라인 및 연속용융도금라인의 소둔공정은 강판을 열처리하여 재질을 부여하는 중요한 공정이다.
이러한 소둔공정은 N2와 H2의 혼합 가스 분위기에서 예를 들면, 750℃~850℃의 온도 범위에서 수행된다.
혼합 가스 중 H2의 비율은 지나친 제조 비용의 증가로 인해 15%이하의 범위로 한정한다. 그리고 소둔 분위기에서 이슬점은 표면 산화물의 성장을 억제기 위해 0℃이하로 제한한다.
종래의 고강도 강판의 제조에 있어서 강판은 기계적 특성을 부과하기 위해 RCS에서 450℃이하로 냉각되었으나 냉각이 불충분하여 저온조직으로의 변태가 이루어지지 않거나 급속 냉각에 의해 판이 뒤틀리는 현상이 발생하였다.
또한, 물을 이용한 냉각 시 H2O의 O이온이 강판과 반응하여 강판 표면에 산화물이 존재하게 된다.
이에, 본 발명에서는 강판의 우수한 표면 품질을 확보하고 산세 공정에 의해 추가되는 시간과 비용을 절감하고자 냉매로써 물 대신 탄화수소 계열(CxHx)를 가열된 강판에 분사한다.
고온의 강판의 냉각을 위한 냉각 구동력은 일반적으로 공기를 이용한 냉각보다는 액체를 이용한 냉각에서 더 크며 액체의 기화열에 따라 냉각능의 차이가 나타난다. 기화열은 일반적으로 분자량이 증가함에 따라 증가하는데 물의 경우는 수소결합에 의해 작은 분자량임에도 불구하고 상대적으로 큰 기화열을 갖는다.
본 발명의 바람직한 CxHx탄화수소 계열의 비산화성 물질은 150℃이하에서 액체 상태로 존재하는 펜탄(C5H12), 핵산(C6H14), 헵탄(C7H16) 및 옥탄(C8H18)으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 또는 2종이상이며, 이 비산화성 물질들은 휘발성 물질이다.
상기와 같이 조성된 본 발명의 냉매는 비산화성뿐만 아니라 기화열이 커서 충분한 냉각속도 확보가 가능하여 RCS에서 600℃이상으로 열처리 된 강판에 분사되어 강판을 최대 200℃/s 이하로 냉각시킨다.
이때 냉각속도는 50~200℃/s로 제한하는 것이 바람직한데, 그 이유는 냉각속도가 50℃/s 이하일 경우 강판이 저온조직으로의 변태가 어려워 우수한 기계적 특성을 확보할 수 없으며, 냉각 속도가 200℃/s 이상일 경우 강판의 기계적 특성은 우수하나 냉각 시 강판이 뒤틀려 판 편평도가 나빠지기 때문이다.
또한 본 발명에서 냉매로 사용하는 물질은 끓는점이 낮아 냉각 중 기화되어 발생한 기체를 각 물질의 끓는점 이하로 냉각할 경우 액체 상태로 회귀하여 재사용이 가능하다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 비산화성 냉매(CxHx)계열을 이용하여 예를 들면, 750℃이상으로 소둔한 강판을 소정의 냉각속도로 예를 들면, 450℃이하의 온도로 냉각시킴으로써 표면특성이 우수한 고강도 냉연 및 도금강판의 제조가 가능한 것이다.
이하 첨부도면을 참조하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다.
도 1은 냉연 및 도금강판 생산시 사용되는 연속소둔로의 개략도를 나타낸다.
도 1에 나타난 바와 같이, 상기 연속소둔로(100)는 크게 가열대(110), 균열대(120), 서냉대(130), 급냉대(140), 과시효대(150), 냉각대(160)로 구성되어 있으며 급냉대(140)에는 급속냉각장치(200)가 상부롤과 하부롤 사이에 설치되어 있다.
도 2에는 고강도 냉연 및 도금 강판의 제조에 부합하는 급속냉각장치(200)가 보다 구체적으로 나타나 있다.
도 2에 나타난 바와 같이, 상기 급속냉각장치(200)는 강판을 냉각시키는 급속 냉각대(230), N2 가스 공급 장치(270) 및 냉매 공급장치(280)를 포함한다.
도 2에서, 부호 210은 풀 하드(Full Hard) 강판을, 220은 하부 보조 롤을, 231A, 231B는 에어나이프를, 232는 스프레이 노즐을, 240은 상부 보조 롤을, 250은 가열 장치를, 260은 응축 장치를, 그리고 290은 순환 펌프를 나타낸다.
먼저, 상기 연속 소둔로(100) 내 급속 냉각대(230)으로 이송된 풀 하드(Full hard) 강판(210)은 냉매 공급장치(280)에서 공급되어 용액 스프레이 노즐(232)로부터 분사된 본 발명의 탄화수소 계열의 비산화성 냉매 용액에 의해 450℃ 이하로 냉각되게 된다.
대부분의 냉매는 고온의 강판에 분사됨에 따라 액체 상태에서 기체 상태로 급격한 기화가 발생하며 기화된 냉매는 N2 가스 공급장치(270)로부터 공급된 N2 가스와 함께 순환 펌프(290)을 이용하여 급속냉각장치(200) 내에서 순환된다.
이때 완전히 기화되지 않은 냉매는 자연낙하하여 로 내에서 기화되어 소둔로 내 분위기에 영향을 줄 수 있다.
따라서, 이러한 액체 상태의 냉매를 제어하기 위하여 급속 냉각대(230) 상/하부에 에어나이프(231A, 231B)를 위치시켜 액체 상태의 냉매가 냉각대 밖으로 빠져나가지 않고 하부에 축적되게 하며, 냉매가 하부 배관을 지나 가열장치(250)에 도달하게 되면 각 냉매의 기화 온도 이상으로 가열되어 모두 기체로 변화하게 된다.
기화된 냉매와 N2 혼합가스는 응축 장치(260)에서 액화되고 순환펌프(290)을 통해 순환되며 급속가열대(230)내 용액 스프레이 노즐(232)을 통해 액체 상태로 분사되어 재사용될 수 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다.
(실시예)
하기 표 1과 같은 강종 및 두께를 갖는 강판을 10%H2-N2, 이슬점(Dew point) -60℃, 800℃에서 소둔한 후, 하기 표 1의 냉매, 유량 및 냉각 속도의 조건으로 소둔된 강판을 냉각한 다음, 산화물의 두께 및 도금성을 조사하고, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
하기 표 1에서 590TR은 풀 하드(full hard) 상태의 60kg 급 TRIP강(C: 0.08%, Si: 1.5%, Mn: 1.6%)을 나타내고, 440E는 45kg급 EDDQ강(C: 0.00045%, Si: 0.3%, Mn: 0.6%)을 나타낸다.
또한, N2 가스, 본 발명의 냉매인 펜탄(Pentane; C5H12) 및 물을 각각 냉매로 사용하여 소둔된 강판을 냉각시킨 다음, 강판 표면에 형성되는 산화물의 형상을 조사하고, 그 결과를 도 3에 나타내었다.
도 3의 (a)는 N2 가스를 이용하여 냉각한 경우 (실시예No.3)를 나타내고, 도 3의(b)는 펜탄(Pentane; C5H12)(실시예No.7)을 이용하여 냉각한 경우를 나타내고, 도 3의(c)는 물을 이용하여 냉각한 경우(실시예No.5)를 나타낸다.
여기서, 산화물의 형상은 SEM을 이용하여 분석하였으며 산화물의 두께는 GDOES분석기를 사용하여 산소의 함량이 10wt%까지 떨어지는 지점을 산화물의 두께로 판단하였다.
그리고, 하기 표 1에서, 도금성은 극히 우수: ◎, 우수: ○, 불량: △, 극히 불량: x로 나타내었다.
실시예No 강종 강판두께(mm) 냉매 유량 냉각속도
(℃/sec)		 산화물
두께		 도금성 저온조직
변태가능
여부		 비고
1 590TR 0.9t 공냉 - 2.87 30 nm ○ 불가능 비교예
2 590TR 0.9t N2 1.4ℓ/min 19.77 40 nm ○ 불가능 비교예
3 440E 0.6t N2 1.4ℓ/min 20.15 32 nm ◎ 불가능 비교예
4 590TR 0.9t 물 360㎖/min 178.72 48 nm x 가능 비교예
5 440E 0.6t 물 360㎖/min 172.67 97 nm x 가능 비교예
6 590TR 0.9t C5H12 360㎖/min 53.57 27 nm ○ 가능 발명예
7 440E 0.6t C5H12 360㎖/min 78.95 37 nm ◎ 가능 발명예
8 590TR 0.9t C5H12 250㎖/min 32.34 20 nm ○ 가능 발명예
9 440E 0.6t C5H12 250㎖/min 46.41 40 nm ○ 가능 발명예
10 590TR 0.9t C5H12 720㎖/min 103.32 24 nm ○ 가능 발명예
11 590TR 0.9t C6H14 360㎖/min 63.45 25 nm ○ 가능 발명예
12 440E 0.6t C6H14 360㎖/min 86.54 39 nm ◎ 가능 발명예
상기 표 1에 나타난 바와 같이, 본 발명의 냉매를 사용하여 강판을 냉각시킨 발명예들의 경우 냉각 속도가 물의 약 40% 수준이며 표면 상태는 100%N2 가스로 냉각시킨 비교예와 비교하여 유사하거나 더 우수한 것을 알 수 있다.
또한 유량을 증가시키거나 분사 노즐 수를 증가시킨다면 냉각 속도는 더 상승시킬 수 있을 것이다.
한편, 도 3에 나타난 바와 같이, 도 3(a)의 경우에는 표면에 주로 Si,Mn의 복합 산화물이 존재하며 그 두께는 40nm 이내이다.
도 3(b)의 경우는 본 발명의 냉매인 펜탄(Pentane; C5H12)을 시용하여 강판을 냉각한 것으로서, 도 3(a)와 유사한 형태의 Si, Mn의 복합 산화물이 존재하며 평균 산화물 두께는 30nm 이내이다.
한편, 도 3(c)의 경우에는 Fe 산화물이 강판 표면 전체에 형성되어 있으며 그 두께는 약 1㎛로 두껍게 형성되어 있다.
200: 급속 냉각 장치
210: 풀 하드(Full Hard) 강판
220: 하부 보조 롤
230: 급속 냉각대
240: 상부 보조 롤
250: 가열 장치
260: 응축 장치
270: N2 가스 공급 장치
280: 냉매공급장치
290: 순환 펌프

Claims (7)

150℃이하에서 액체 상태로 존재하는 펜탄(C5H12), 핵산(C6H14), 헵탄(C7H16) 및 옥탄(C8H18)으로 이루어진 그룹중에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 CxHx 탄화수소 계열의 비산화성 물질을 600℃이상의 강판에 분사하여 강판을 냉각하는 공정을 포함하는 강판의 냉각방법.
삭제
제1항에 있어서, 상기 강판의 냉각공정이 연속소둔라인(Continuous Annealing Line) 또는 연속용융도금라인(Continuous Hot-dip Coating Line)에서의 냉각공정인 것을 특징으로 하는 강판의 냉각방법.
제1항에 있어서, 상기 비산화성 물질에 의한 강판냉각 시 기화에 의하여 발생된 기체는 액화되어 액체상태로 재사용되는 것을 특징으로 하는 강판의 냉각방법.
제1항, 제3항 및 제4항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 비산화성 물질 분사에 의한 강판의 냉각속도는 50~200℃/sec인 것을 특징으로 하는 강판의 냉각방법.
제5항에 있어서, 냉각직전의 강판온도가 750℃이상이고, 냉각직후의 강판온도가 450℃이하인 것을 특징을 하는 강판의 냉각방법.
제6항에 있어서, 냉각직전의 강판이 소둔강판인 것을 특징으로 하는 강판의 냉각방법.
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