KR101230117B1 - 오스테나이트계 스테인리스강의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 전자교반장치로 용강을 교반하는 단계와, 상기 용강을 2차 냉각대로 냉각하는 단계를 포함하는 오스테나이트계 스테인리스강의 제조방법에 있어서, 상기 전자교반장치의 전자기력 및 상기 2차 냉각대의 비수량을 제어하여 주편 중심부의 기공을 저감시킬 수 있다. 즉, 전자교반장치로 상부의 뜨거운 용강을 한정하고, 하부의 차가운 미응고 용강을 약하게 교반하며, 주조온도와 2차 냉각에 관한 연속주조 조건을 설정함으로써, 주편 중심부에 기공이 없는 주편을 얻을 수 있다.

전자교반장치, 기공, 연속주조, 등축정률

Description

오스테나이트계 스테인리스강의 제조방법{METHOD FOR MANUFACTURING AUSTENITIC STAINLESS STEEL}

본 발명은 오스테나이트계 스테인리스강의 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 용강을 효과적으로 냉각하여 주편 중심부에 기공을 저감시킬 수 있는 오스테나이트계 스테인리스강의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 오스테나이트계 스테인리스강은 304,316,310S 등과 같이 Cr 및 Ni를 주요 원소로 한 내식성이 뛰어난 재료이다. 오스테나이트계 스테인리스강 연속 주조에 있어서 주형에 주입되는 용강은 응고되는 과정에서 P, S, Mn 등의 용질원소를 용강 중에 배출하기 때문에 중심부에서 최대가 된다. 동시에, 용강은 응고되는 과정으로 수%의 체적 수축을 일으킨다. 이 체적 수축은 주편의 응고 말기 부근에서 부압에 의하여 기공(porosity)을 발생시킨다.

연속주조는 도 1에 도시한 바와 같이, 래들(100)에서 턴디쉬(200)로부터 공급된 용강을 침지노즐(1)을 통하여 주형에 주입하고 연속주조 주형(3)에서 형성된 주편을 아래 방향으로 롤(5)에 의해 인출되면서 2차 냉각대(7)의 노즐에서 분사하는 냉각수에 의해 주편을 응고시키면서 연속적으로 제조하는 기술이다. 스테인리스강에서는 등축정을 증가시키기 위하여 전자교반장치(9)를 설치하여 교반을 행하며, 연속주조 주형의 출구 쪽에서는 주편의 표층부에 응고쉘(11)이 있고 응고쉘(11) 내부에는 미응고의 용강이 있기 때문에 연속주조용 주형으로부터 주편에 냉각수를 이용하여 냉각시켜 미응고 용강을 응고시킨다.

오스테나이트계 스테인리스강에서 주편 내측에 주상정이 발달할수록 응고 말기부에 벌징이 발생하기 쉽기 때문에 중심부에 기공의 양이 증가하게 된다. 주편에 기공이 발생하게 되면 열처리 공정을 거치는 압연과정에서 재산화되어 있지 않은 기공의 경우에는 결함을 유발하지는 않는다. 하지만, 기공이 심하게 발생한 주편 그 자체를 단조용 제품으로 가공하여 사용할 경우에는 기공에 기인한 결함으로 크랙이 발생하여 제품이 될 수가 없다.

따라서 최종 제품인 단조재로 사용되는 오스테나이트계 스테인리스강에서 품질의 보증하기 위해서 연속주조에서 생산되는 슬라브의 기공을 가능한 최소화시켜야 한다.

저온주조법은 턴디쉬 내의 용강온도를 낮추어 주조하는 것으로, 주편 중심부의 등축정 영역을 증가시키고 중심 편석과 중심부의 기공을 방지하는 기술이다. 하지만, 이 방법 단독으로는 중심 편석과 중심부의 기공을 저감하는 데에는 생산성 저하라는 문제가 있다. 또한, 용강 온도가 융점 부분까지 저하될 필요가 있기 때문에 주조 종료 시 등의 비정상 시의 용강 온도가 저하되고 노즐 막힘 등의 품질 저하를 초래하게 된다. 그리고, 턴디쉬 히터와 같은 설비를 가지고 저온 주조를 적용하여야 하지만 현재 턴디쉬 히터의 설치 비용과 안전 작업을 위한 비용이 과대하다는 문제점이 있다.

또, 주편 경압하법은 응고 말기부 부근에 위치하는 주편 내 롤 압하장치를 설치하고 이를 통과하는 주편을 압하하는 것에 의해 응고 수축에 수반하는 농화 용강의 유동을 억제하고 중심 편석을 방지하는 기술이다.

또, 전자력에 의한 응고 조직 개선 기술은 몰드로부터 최종 응고 되기까지의 범위의 미응고 용강에 전자력을 작용시키고 용강을 교반하고 그 교반력에 따라서 용강/응고 쉘 계면의 주상정을 절단하는 것에 의해 핵생성을 촉진시키고 주편 중심부를 등축정화하는 기술이다.

일본공개특허 평6-126405호에는 턴디쉬 내의 용강과열도를 50℃ 이하로 조정하고 주형에 주입한 후 스트랜드 내의 용강에 전자기력을 작용시켜 교반하여 중심부의 응고 조직을 미세한 등축정으로 한다. 그리고, 횡단면 중심부의 고체 상태율이 0.1~0.8의 범위에 있어서 미응고부를 5~50mm 경압하하고 응고 수축을 보상하는 것으로 응고 말기의 농화 용강의 유동을 억제하는 기술이 개시되어 있다.

그러나, 상기 종래 기술에는 중심 편석을 저감하는 기술로서 중심부의 기공을 저감하는 기술에 적용하는 경우 문제점이 있다. 전자 교반에 의한 주편 조직 개선 기술은 최적 위치에서 교반을 하지 않는다면, 중심부에서 브릿징을 형성하기 때문에 신뢰성이 높은 중심부의 기공 방지 기술이라고 말하기 어렵다.

현재까지 중심부의 기공을 가장 효과적으로 줄이는 방법은 연주기 상부 롤과 하부 롤 사이의 간격을 줄이는 즉, 약간 압연을 함으로써 응고 말기 응고 수축을 보상하는 경압하(soft reduction) 기술로 알려져 있다. 그러나, 이 방법은 별도의 롤 갭을 조정하는 시스템과 강성을 가지는 경압하 전용의 롤 세트가 필요한 단점이 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 연속주조기에서 전자교반장치를 설치하여 교반을 행하며, 주조온도와 2차 냉각대 비수량을 적절하게 제어하면서 등축정을 증대시키는 오스테나이트계 스테인리스강의 제조방법을 제공하는 데 있다.

본 발명에 따른 전자교반장치로 용강을 교반하는 단계와, 상기 용강을 2차 냉각대로 냉각하는 단계를 포함하는 오스테나이트계 스테인리스강의 제조방법에 있어서, 상기 전자교반장치의 전자기력 및 상기 2차 냉각대의 비수량을 제어하여 주편 중심부의 기공을 저감시킨다.

이때, 상기 2차 냉각대의 전체 비수량은 0.65ℓ/㎏ 내지 0.80ℓ/㎏ 범위일 수 있다.

그리고, 상기 전자교반장치 하단부의 상기 2차 냉각대의 비수량은 0.10ℓ/㎏ 내지 0.20ℓ/㎏ 범위일 수 있다.

또한, 상기 전자교반장치의 전자기력은 20가우스(Gauss) 내지 100가우스(Gauss) 범위일 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면 오스테나이트계 스테인리스강 을 연속주조에 있어서 전자교반장치로 상부의 뜨거운 용강을 한정하고, 하부의 차가운 미응고 용강을 약하게 교반하며, 주조온도와 2차 냉각에 관한 연속주조 조건을 설정함으로써, 주편 중심부에 기공이 없는 주편을 얻을 수 있다.

이하에서는 본 발명의 실시예를 도시한 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 오스테나이트계 스테인리스강의 제조방법을 구체적으로 설명한다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은 초정 페라이트상으로 응고하고, 상변태 없이 응고를 완료하는 오스테나이트계 스테인리스강을 연속주조에 의해 제조하는 방법에 있어서, 전자교반장치를 설치하고 20 Gauss 이상 100 Gauss 이하의 교반력을 인가할 때, 전자교반장치 전체의 2차 냉각대의 비수량을 0.65 ~ 0.80 ℓ/kg의 범위 내로 하고, 하부의 2차 냉각대의 비수량을 0.10 ~ 0.20ℓ/kg 의 범위 내로 하는 것을 특징으로 하는 연속주조방법을 제공한다.

본 발명은 오스테나이트계 스테인리스강을 연속주조로 제조하는 경우 초정 페라이트상으로 응고를 시작하고, 초정응고 후 고상에서 페라이트가 오스테나이트로 상변태하는 오스테나이트계 스테인리스강은 Cr 함량이 10~20 중량% 범위이고 Ni 함량이 5~15% 중량% 범위이며, 본 발명이 적용되는 주편의 두께는 150~250mm이며 주조폭은 900~2200mm인 것을 특징으로 한다.

본 발명자는 주편 중심부의 기공을 저감하기 위해서는 침지노즐에서 토출되는 용강의 교반은 억제하며, 전자교반장치 하부의 미응고 용강을 2차 냉각대에 의 해 효과적으로 냉각하는 것이 중요하며, 이를 위해서는 주조온도, 전자 교반장치의 위치 및 2차 냉각대의 냉각수 분포를 적절한 값으로 할 필요가 있는 것을 확인하고 실험을 통하여 본 발명의 목적을 달성할 수 있는 조건을 확립한 것이다.

연속주조 시 주편 중심부의 기공은 주편 내 용강의 온도와 전자교반에 의해 다르게 발생한다. 우선 전자교반에 의해 등축정이 형성되어 주편 중심부의 기공이 제거되는 과정을 살펴보면, 주형에서 성장한 주상정은 전자교반이 영향을 미치는 영역에 도달 시, 주상정의 결정립들은 주편 내부로 이동하여 응고핵으로 작용된다.

따라서, 주편 내 등축정률을 증가시켜 주편 중심부의 기공을 저감하기 위해서는 주편 내부의 용강온도를 응고핵이 재용해되지 않도록 낮추는 것이 필요하다. 즉, 액상선온도(응고온도) 이하에서는 응고가 시작되기 때문에 전자교반장치 상부의 뜨거운 용강을 하부로 교반되는 것을 억제하고 전자교반장치 하부는 미응고 용강을 2차 냉각대에 의해 효과적으로 냉각시켜 주편 중심부의 기공을 저감해주는 방법을 제시하였다.

오스테나이트 스테인리스강에서 발생하는 주편 중심부의 기공은 도 2에 보이는 것과 같이 주편 중심에서 폭이 40mm에 걸쳐 있으며 그 기공은 60~600㎛의 크기로 편석대의 최종 응고 부위에서 존재한다. 이러한 기공은 종래의 방법으로 제거하기에는 그 폭이 넓어서 전자교반장치와 2차 냉각에 의해 효과적으로 제어하고자 하였다.

이때, 전자교반장치의 교반력이 100가우스(Gauss)를 초과하여 너무 강하게 되면 이미 응고된 주상정 응고 계면 전방에서 강한 유동에 의해 덴드라이트 사이에 있는 농화된 용강이 주상정/등축정 응고 계면에서 그대로 응고되어 정편석이 발생하고, 용강에 교반에 의해 정편석 후방에는 부편석이 발생한다. 전자교반장치의 강교반에 의해 제조된 주편을 열간 압연을 하게 되면 도 3과 같이 열연코일이 3등분으로 갈라지게 되는 적층(lamination) 결함이 발생한다. 그리고, 교반력이 20가우스(Gauss) 미만으로 인가되면, 교반력이 너무 약하게 되어 전자교반장치에 의한 별다른 효과를 기대할 수 없다.

본 발명자는 오스테나이트계 스테인리강과 같이 칠정이 생성된 후 두꺼운 주상정의 결정립이 성장하는 응고조직에 전자교반력이 강하게 작용하면 정편석 및 부편석에 의하여 결함이 발생된다. 이에 따라 이미 응고된 주상정 응고 계면에 영향을 적게 주면서 미응고 용강에 상부의 뜨거운 용강은 한정하고 하부의 차가운 용강을 2차 냉각대에 의해 효과적으로 냉각시키면서 용강을 교반시켜 주편 중심부의 기공을 제거할 수 있음을 발견하였다.

2차 냉각의 정도는 하기의 수학식 1을 이용하여 계산한 비수량으로 나타낼 수 있다.

(여기서, S : 비수량 (ℓ/kg), Q : 2차 냉각대의 총수량 (ℓ/min), W : 주편폭(m), D : 주편 두께 (m), G : 용강 밀도 (kg/m3), V : 주조속도 (m/min)이다.)

오스테나이트계 스테인리스강을 제조할 때 2차 냉각대(7)의 전체 비수량이 0.65ℓ/kg 미만인 경우, 주편의 냉각이 줄어들어 충분한 냉각이 이루어지지 못해 몰드 레벨의 헌팅(Hunting) 또는 벌징(Bulging)을 일으키게 된다. 또한, 2차 냉각대(7)의 전체 비수량이 0.80ℓ/kg 을 초과한 경우, 주편이 과냉각되어 표면 크랙이 발생하기 쉽다. 따라서, 본 발명에 따른 오스테나이트계 스테인리스강을 제조할 때 2차 냉각대(7)의 전체 비수랑은 0.65ℓ/kg ~0.80ℓ/kg의 범위 내로 행하는 것이 바람직하다. 이런 비수량은 주속 및 2차 냉각대의 위치별 냉각테이블 형식으로 된 표에 의해 계산되어지는데 이때 하기의 수학식 2를 이용하여 응고층 두께로 환산하여 응고층 두께에 따른 냉각곡선을 구할 수 있다.

(여기서, S :응고층 두께(mm), t: 시간(min), K: 응고 상수(mm/min^½)이다.)

위와 같은 수학식 2에서 응고상수 K는 27를 사용한다.

일반적으로 냉각곡선의 형태를 하기의 수학식 3과 같은 역다항식(Inverse polynomial)의 2차식 형태로 나타낸다.

(여기서 W(ℓ/min m²)는 물량이며 S는 응고층 두께(mm), a,b,c는 계수이다.)

전자교반장치(9) 하단부(A)의 2차 냉각대(7)의 비수량이 0.10ℓ/kg 미만인 경우, 수학식 3에 의해 구해진 냉각 비수량과 같은 형태로 전자교반장치(9) 하단부(A)의 냉각이 증가하지 않는다. 미응고 용강을 더 강하게 냉각할 수 없으므로 등축정 증대의 효과를 기대할 수 없다.

또한, 전자교반장치(9) 하단부(A)의 2차 냉각대(7)의 비수량이 0.20ℓ/kg 초과하는 경우, 주편의 냉각이 지나치기 때문에 주편이 복열되어 열응력으로 인한 크랙과 잔류 응력이 표면에 과도하게 발생한다. 그 결과, 주편 밴딩 및 표면크랙이 발생하게 된다. 따라서, 본원발명에서 전자교반장치(9) 하단부(A)의 2차 냉각대(7)의 비수량은 0.10ℓ/kg 이상에서 0.20ℓ/kg 이하가 되도록 한다.

이하, 실시예를 통해 본 발명의 효과 및 특징을 상세히 설명한다.

본 발명은 표 1과 같은 조성의 304 오스테나이트계 스테인리스강을 대상으로 하여 하기 표 2에 나타낸 주조조건으로 주편을 제조해서, 연속주조 주편의 등축정률, 주편 중심부의 기공과 주편 품질을 평가하였다.

또한, 단조 최종 제품으로 가공 평가 결과를 하기 표 2와 도 5에 나타내었 다. 이때 전자교반장치 교반력은 연주기에서 연주 주편이 없는 상태에서 가우스미터를 사용하여 주조폭에 따라 100mm간격으로 측정하여 최대의 전자기력을 나타내는 값을 기준으로 평가하였다. 도 3에는 전자기 교반장치에서 측정된 전자기력을 나타내며 주편 폭에 일정한 값이 아니므로 최대값을 선택하였다.

화학성분	Cr	Ni	Si	Mn	C	N	S
중량%	18.2	8.1	0.4	1.1	0.06	0.04	0.003

구분	교반력 (Gs)	전체비수량 (l/kg)	전자교반장치 하부비수량 (l/kg)	주편 내 등축정률 (%)	기공	최종제품 크랙발생	비고
종래재	0	0.60	0.05	12	발생	발생	제품내부 크랙발생
발명재1	50	0.65	0.10	25	미발생	양호
발명재2	50	0.70	0.10	24	미발생	양호
발명재3	50	0.80	0.20	20	미발생	양호
발명재4	50	0.70	0.20	27	미발생	양호
발명재5	20	0.65	0.10	24	미발생	양호
발명재6	100	0.65	0.10	23	미발생	양호
비교재1	500	0.60	0.05	48	미발생	평가불가	적층결함 발생
비교재2	250	0.60	0.05	40	미발생	발생	적층결함 발생
비교재3	200	0.60	0.05	36	미발생	발생	적층결함 발생
비교재4	150	0.60	0.05	25	미발생	발생	적층결함 발생
비교재5	100	0.60	0.05	14	발생	발생	적층결함 미발생
비교재6	50	0.60	0.05	13	발생	발생	적층결함 미발생
비교재7	20	0.60	0.05	10	발생	발생	적층결함 미발생
비교재8	50	0.60	0.20	-	-	-	브레이크아웃 발생
비교재9	50	0.90	0.20	25	발생	-	주편 표면크랙 발생

상기 표 2에서 알 수 있는 바와 같이 종래재에서 주편 내 등축정률은 12%이고 주편 중심부에 기공이 발생하였고, 단조 최종 제품에 크랙이 발생하여 최종 제품을 생산하지 못하였다.

그러나, 비교재 1에서는 전자교반이 500가우스일 때 등축정률은 48%로 충분히 형성되어 주편 중심부의 기공은 미발생하였지만, 주상정 및 등축정 계면에서 Cr 등이 정편석 되어 열간공정에서 적층 결함이 발생하였다. 비교재 2~4에서는 전자교반이 과도하여 적층 결함의 발생을 방지하기 위하여 전자기력을 조정하여 주조하였지만 전자교반이 과도한 경우에는 적층 결함이 발생하였다.

따라서 비교재 5~7에서 전자교반을 20에서 100까지 변경하여 인가한 경우에는 적층 결함은 발생하지 않았지만, 주편 중심부의 기공이 충분히 제거되지 못하여 최종 제품에 크랙 결함이 발견되어 재처리 비용이 요구되었다. 발명재 1~6에서는 적층 결함이 발생하지 않는 전자교반 조건에서 전자교반장치 하부의 냉각수를 증량하여 상부의 뜨거운 용강을 제한하고 하부의 차거운 용강을 교반하여 등축정 핵을 성장을 연주 주편 내 등축정률은 20~27%이고 주편 중심부에 기공이 발생하지 않고 양호한 결과를 얻을 수 있었다.

하지만 비교재 8~9에서와 같이 전자교반장치 하반부의 냉각수량이 많고 전체 냉각수량의 균형이 맞지 않으면 탕면 헌팅과 브레이크아웃(breakout) 결함이 발생하였고, 전체냉각수량이 과도하면 표면크랙이 발생하였다. 이상의 결과를 통해 본 발명예는 주편 중심부의 기공을 저감하고 최종제품에서 크랙이 없는 연속주조 조업이 가능하다는 것을 알 수 있다.

본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주지해야 한다. 또한, 본 발명의 기술분야에서 당업자는 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 연속주조장치의 단면도.

도 2는 주편 중심부에 발생하는 porosity의 분포를 나타내는 그래프.

도 3은 오스테나이트계 스테인리스강에서 발생하는 적층(lamination) 결함을 나타내는 사진.

도 4는 전자교반장치의 교반력 측정 결과를 나타내는 그래프.

도 5는 본 발명에 따른 교반력과 2차 냉각에 의한 등축정률 측정값을 나타내는 그래프.

♣ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ♣

1 : 침지노즐 3 : 주형
5 : 롤 7 : 2차 냉각대
9 : 전자교반장치 11 : 응고쉘
100 : 래들 200 : 턴디쉬

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Claims (4)

1. 전자교반장치로 용강을 교반하는 단계와, 상기 용강을 2차 냉각대로 냉각하는 단계를 포함하는 오스테나이트계 스테인리스강의 제조방법에 있어서,

   상기 전자교반장치의 전자기력 및 상기 2차 냉각대의 비수량을 제어하여 주편 중심부의 기공을 저감시키고,

   상기 전자교반장치의 전자기력은 20가우스(Gauss) 내지 100가우스(Gauss) 범위인 오스테나이트계 스테인리스강의 제조방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 2차 냉각대의 전체 비수량은 0.65ℓ/㎏ 내지 0.80ℓ/㎏ 범위인 오스테나이트계 스테인리스강의 제조방법.
3. 제1항에 있어서,

   상기 전자교반장치 하단부의 상기 2차 냉각대의 비수량은 0.10ℓ/㎏ 내지 0.20ℓ/㎏ 범위인 오스테나이트계 스테인리스강의 제조방법.
4. 삭제

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