KR101313476B1 - 고탄소강 제조용 몰드 플럭스 - Google Patents

고탄소강 제조용 몰드 플럭스

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Abstract

본 발명은 고탄소강 제조용 몰드 플럭스에 관한 것으로서, 더욱 상게하게는 기존 고탄소강 제조용 몰드 플럭스 조성에서 발열성 원료의 함량을 증가시킨, 즉 전체 조성 100 중량부에 대하여, CaO 25 내지 40 중량부, SiO2 26 내지 40 중량부, Fe2O3 1 내지 12 중량부 및 유리 탄소 3 내지 5 중량부를 포함하며, 점도가 0.16 내지 0.35 poise(1300 ℃)로 주편 표면 품질이 향상된 고탄소강 제조용 몰드 플럭스에 관한 것이다.

Description

고탄소강 제조용 몰드 플럭스{MOLD FLUX FOR MANUFACTURING HIGH CARBON STEEL}
본 발명은 주편 표면 품질이 향상된 고탄소강 제조용 몰드 플럭스에 관한 것이다.
통상, 몰드 플럭스란 강의 연속 주조 공정에서 주형 내 첨가제로 사용하는 중요한 소모성 부자재로서, 이를 주형 내 용강 위에 투입하면 용강의 열을 받아 미용융층, 소결층, 용융 슬래그층의 3개 층을 나타내는데, 이러한 몰드 플럭스의 주된 기능은 탄소 함량과 밀접하게 관계하여 용강의 응고를 방지하는 보온 기능, 대기와의 접촉을 차단함으로써 대기에 의한 용강의 재산화를 방지하는 기능, 용강 표면으로부터 부상되는 개재물을 흡수하는 기능, 응고 셀과 주형간의 윤활 기능 및, 응고 셀과 주형 간의 열전달 매체의 기능을 수행한다.
특히, 몰드 플럭스는 용강과 접촉하여 액상 슬래그(Slag)로 변화되면서 주형과 응고 셀 사이에 유입되어 윤활 작용을 함으로써 연속 주조 공정의 조업 안정과 주편 표면 품질을 향상시키는 기능을 한다.
일반적으로, 몰드 플럭스는 SiO2, CaO, MgO, Al2O3, Na2O, Fe2O3, F, C 등으로 구성되어 있는 여러 화합물의 혼합 물질이다. 강의 연속주조 조건 즉, 강종 및 주조속도에 따라 몰드 플럭스의 화학 및 물리적 성질(용융점, 점도, 결정질율, 응고 온도 등)은 적절하게 조절되어야 한다. 강종의 구분은 대개 강 중의 탄소 함량에 따라 구분하며 극저탄소강(0.08wt%C 미만), 저탄소강(0.08 ~ 0.15 또는 0.18wt%C), 중·고탄소강(0.16 또는 0.19 ~ 0.6wt%C), 고탄소강(0.6wt%C 이상)으로 나누며 주조속도는 약 1.2 ~ 1.5m/min을 기준으로 하여 낮은 쪽을 저속, 높은 쪽을 고속으로 구분된다. 따라서, 강종에 따라 요구되는 몰드 플럭스의 화학 및 물리적 성질은 저탄소강일수록 몰드플럭스의 결정화 경향이 크며 고탄소강에 비해 염기도, 용융점 및 점도가 높다. 또한 저속용 보다는 고속용 몰드 플럭스의 점도가 낮다.
또한, 몰드 플럭스 중의 각종 산화물 종류에 따른 몰드 플럭스의 화학 및 물리적 성질 변화는 다음과 같이 요약된다. 몰드 플럭스의 점도는 SiO2, Al2O3 증가에 따라 증가하나, CaO, MgO, Na2O, Fe2O3, F 증가에 따라 감소한다. 응고온도는 CaO 증가에 따라 증가하나, SiO2, Al2O3, MgO, Na2O, Fe2O3, F 증가에 따라 감소한다. 또한, 결정화 경향은 CaO, MgO, Na2O, F 증가에 따라 증가하나, SiO2, Al2O3 증가에 따라 감소한다.
고탄소 공구강은 C성분이 중량%로 0.06 ~ 0.85%로 냉간압연 후 열처리를 실시하는 표면 고경도 제품으로서 줄자, 시계 태엽, 면도날 및 자동차 부품 등에 주로 사용되는 고부가 가치 제품이다. 금속학적인 특징으로는 일반적인 Fe-C 상태도에서도 알 수 있듯이, 고탄소 공구강은 과공석강이며, 열간압연 후 인장강도가 90-100kgf/㎟, 항복강도가 35-65kgf/㎟, 연신율이 10% 수준인 고강도재로서 최종제품 가공 후 수중 또는 유중 소입을 실시하여 표면강도를 얻으며, 강한 경화능으로 압축응력을 잔존시켜 공구의 구부러짐 현상과 뒤틀림 현상 등을 방지한다는 특징이 있다.
일반적으로 연속주조기를 통해 주조되는 고탄소 공구강과 같은 고탄소강은 그 제조상 다음과 같은 문제가 있다. 즉, 일반적인 Fe-C 상태에서도 알 수 있듯이, 강 중 C의 함량이 증가함에 따라서 고상선 온도가 낮아짐과 동시에 고액공존 구간이 넓어지게 된다.
이러한 고탄소강의 응고지연 현상으로 인하여 수냉되는 몰드와 접촉된 표면만이 응고되어 응고쉘(solidification shell)의 두께가 얇아지게 된다. 이에 따라 상대적으로 응고쉘과 몰드 간의 마찰에 의해 응고쉘이 파단되면서 구속성 주편터짐(break-out)이 발생되기 쉽다. 연주과정에서는 이 구속성 주편터짐을 막기 위해 윤활제로서 분말 또는 과립 형상의 합성슬래그(slag)인 몰드 플럭스(mold flux)를 몰드 내의 용강 상부에 투입하게 된다.
한편, 슬라브 연주기에서의 고탄소 공구강 주조 시 사용되는 종래의 몰드 플럭스는 다수 제안되어 있다. 그 대표적인 예로서 특허문헌 1에는 슬라브 연주기의 구속성 주편터짐을 저감하기 위한 고탄소강용 몰드 플럭스가 개시되어 있다. 상기 특허에 개시된 몰드 플럭스는 중량%로, CaO : 25-40%, SiO2 : 25-40%, Al2O3 : 3-8%, Na2O: 7-13%, Ba2O5 : 5-7%, F : 10-15%로 조성되는데, 이러한 종래의 몰드 플럭스는 염기도(CaO/SiO2)가 0.95~0.97이고, 점도가 1.0~1.2 (poise, 1300℃)가 되도록 하여 윤활성을 확보하도록 선정되었다. 그러나, 이러한 몰드 플럭스는 열전달능 및 윤활능 미약으로 인하여, 응고되는 주편의 단위 중량당 윤활작용에 의해 소모되는 몰드 플럭스 중량(이하, '소모량')이 확보가 되지 않는 문제가 있었다. 고탄소 공구강을 연주 작업할 때 몰드 내 플럭스의 소모량이 충분치 않을 경우 응고쉘 파단에 의한 주편터짐이 발생할 가능성이 커지는 단점이 있다.
또한, 고탄소강 스트랜드 내 응고 시 편석 발생을 최소화 하기 위해 용강 과열도를 타 강종대비 낮게 관리하고 있으며, 용융점 및 점도가 낮은 몰드 플럭스를 사용하여 주형과 응고쉘 사이에 몰드 플럭스가 원활히 유입되도록 유도하였다[ST-M5; 제조사: 스톨베르그].
그러나, 고탄소강의 낮은 용강과열도 및 저점도, 저융점 몰드 플럭스 사용으로 초기 응고쉘의 후크(Hook)부 과다 성장 가능성이 높으며, 이로 인해 용강 내의 개재물, 기포가 부상되어 몰드 플럭스 용융층에 포집되지 못하고 후크부에 부착되어 주편 표면 또는 표층 하에 잔류, 후 공정 압연 시 블로우 홀(Blow Hole), 스캡(Scab) 등의 결함을 발생시켰다.
대한민국 등록 특허 제113104호
이에, 본 발명자는 기존 고탄소강 제조용 몰드 플럭스에서 발열성 원료(Fe2O3)의 양을 증대시키고 점도 및 융점을 상향 조정하여 용융 몰드 플럭스의 유입량을 적절히 제어함으로써 주편 표면 품질이 향상된 고탄소강 제조용 몰드 플럭스를 개발하였다.
따라서, 본 발명의 목적은 주편 표면 품질이 향상된 고탄소강 제조용 몰드 플럭스를 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 본 발명은
전체 조성 100 중량부에 대하여, CaO 25 내지 40 중량부, SiO2 26 내지 40 중량부, MgO 1 내지 5 중량부, Al2O3 4 내지 9 중량부, Na2O 9 내지 16 중량부, Fe2O3 1 내지 12 중량부, Li2O 1 내지 5 중량부, F 7 내지 15 중량부 및 유리 탄소 3 내지 5 중량부를 포함하는 고탄소강 제조용 몰드 플럭스를 제공한다.
상기 과제를 해결하기 위한 다른 수단으로서, 본 발명은
전체 조성 100 중량부에 대하여, CaO 25 내지 40 중량부, SiO2 26 내지 40 중량부, Fe2O3 1 내지 12 중량부 및 유리 탄소 3 내지 5 중량부를 포함하며, 점도가 0.16 내지 0.35 poise(1300 ℃)인 고탄소강 제조용 몰드 플럭스를 제공한다.
본 발명은 고탄소강의 낮은 용강 과열도를 보상하기 위해 발열성 원료의 양을 증대시키고 점도 및 용융점을 상향 조정하여 용융 몰드 플럭스의 유입량을 적절하게 제어함으로써 몰드 플럭스 소모량 감소 및 완냉 효과를 확인(전열량 감소: 0.04 ~ 0.19 MW/m2)하였다. 즉, 본 발명은 고탄소강의 주편 표면 품질이 향상되었고, 초기 응고 쉘 완냉으로 데컬(Deckel) 발생을 저감시켰다.
도 1은 실시예 1 및 비교예 1의 몰드 플럭스의 개재물성 결함 발생 여부를 나타낸 것이다.
본 발명은 전체 조성 100 중량부에 대하여, CaO 25 내지 40 중량부, SiO2 26 내지 40 중량부, Fe2O3 1 내지 12 중량부 및 유리 탄소 3 내지 5 중량부를 포함하는 고탄소강 제조용 몰드 플럭스에 관한 것이다.
더욱 바람직하게는, 전체 조성 100 중량부에 대하여, CaO 25 내지 40 중량부, SiO2 26 내지 40 중량부, MgO 1 내지 5 중량부, Al2O3 4 내지 9 중량부, Na2O 9 내지 16 중량부, Fe2O3 1 내지 12 중량부, Li2O 1 내지 5 중량부, F 7 내지 15 중량부 및 유리 탄소 3 내지 5 중량부를 포함하는 고탄소강 제조용 몰드 플럭스에 관한 것이다.
CaO와 SiO2는 몰드 플럭스의 염기도를 조성하는 성분으로, 전체 조성 100 중량부에 대하여 CaO 25 내지 40 중량부, SiO2 26 내지 40 중량부, 보다 바람직하게는 CaO 26 내지 35 중량부, SiO2 27 내지 35 중량부, 더욱 바람직하게는 CaO 27 내지 30 중량부, SiO2 28 내지 30 중량부가 포함된다.
CaO의 함량이 25 중량부 미만일 때에는 염기도가 극도로 낮아서 점도가 너무 높아지므로, 윤활을 위한 요구 점도치를 얻기 힘들고, 40 중량부를 초과할 경우에는 용강과의 반응에 의해 SiO2가 소모됨으로써 염기도가 높아져 고온 결합물의 형성이 시작될 수 있다.
마찬가지로 SiO2의 함량이 26 중량부 미만인 경우에는 염기도가 높아져 고온 결합물의 형성이 시작될 수 있으며, 40 중량부를 초과하는 경우 저 염기도로 인해 점도가 크게 증가하여 몰드 플럭스의 윤활능이 떨어지는 문제가 있다.
MgO는 점도와 용융점의 조정을 위해 첨가되며, 몰드 플럭스 전체 조성 100 중량부에 대하여 바람직하게는 1 내지 5 중량부, 보다 바람직하게는 1.2 내지 4 중량부, 더욱 바람직하게는 1.3 내지 2.5 중량부가 포함된다. MgO의 함량이 5 중량부를 초과할 경우 불규칙한 결정상인 MgSiO4가 형성되어 열전도의 조정 기능의 수행에서 불리해질 수 있다.
Al2O3은 몰드 플럭스의 점도를 조절하는 성분으로, 몰드 플럭스 전체 조성 100 중량부에 대하여 바람직하게는 4 내지 9 중량부, 보다 바람직하게는 4.5 내지 8 중량부, 더욱 바람직하게는 5 내지 7 중량부가 포함된다. Al2O3의 함량이 4 중량부 미만일 경우에는 점도가 낮아 용강 유속에 의한 Mold Flux 혼입 가능성이 증가하는 문제가 있으며, 9 중량부를 초과할 경우, 몰드 플럭스의 점도가 과도하게 증가하고 용강 내의 비금속 개재물 흡수능이 저하된다. 따라서, 점도를 증가시키려면 Na2O 성분을 감소시키고 Al2O3 성분을 증가시키며, 점도를 감소시키려면 Na2O 성분을 증가시키고 Al2O3 성분을 감소시키는 것이 바람직하다.
Na2O는 몰드 플럭스의 용융점을 제어하기 위해 조성되는 성분으로, 몰드 플럭스 전체 조성 100 중량부에 대하여 바람직하게는 9 내지 16 중량부, 보다 바람직하게는 10 내지 16 중량부, 더욱 바람직하게는 13 내지 15.5 중량부가 포함된다. Na2O의 함량이 너무 적을 경우 몰드 플럭스의 점도와 표면 장력이 지나치게 높아지게 되는 문제점이 있으며, 너무 많을 경우 몰드 플럭스의 용융점이 낮아져 점도와 표면 장력이 지나치게 저하되므로, 용강 혼입의 억제 효과를 현저히 저하시킨다.
Fe2O3은 발열성 원료로 유리 탄소의 산화성 연료 역할을 하며, 기존 고탄소강 제조용 몰드 플럭스에서는 발열성 원료로 사용되지 않았으므로 전체 조성 100 중량부에 대하여 Fe2O3 1 중량부 미만을 사용하였으나, 본 발명에서 Fe2O3는 몰드 플럭스 전체 조성 100 중량부에 대하여 바람직하게는 1 내지 12 중량부, 보다 바람직하게는 5 내지 11 중량부, 더욱 바람직하게는 6 내지 10 중량부를 사용함으로써 기존 고탄소강 제조용 몰드 플럭스의 문제점을 개선시킬 수 있다. Fe2O3의 함량이 1 중량부 미만일 경우에는 유리 탄소량 대비 산화성 원소가 부족한 문제가 있으며, 12 중량부를 초과할 경우, 유리탄소대비 너무 많은 산화성 원료가 불필요하게 포함되며 다른 성분 설계의 제약으로서 작용하게 된다.
Li2O는 몰드 플럭스의 용융점, 점도 열전도도 등을 제어하는 성분으로, 몰드 플럭스 전체 조성 100 중량부에 대하여 바람직하게는 1 내지 5 중량부, 보다 바람직하게는 1.5 내지 4 중량부, 더욱 바람직하게는 1.5 내지 3 중량부 가 포함된다. Li2O의 함량이 너무 적을 경우 점도가 크게 증가하며 반대로 너무 많을 경우 저점도로 인한 문제를 야기한다.
F는 연주 조업 시 결정질 몰드 슬래그 필름을 확보하여 전열량을 억제하도록 Cuspidine(3CaO-2SiO2-CaF2)을 주된 결정상으로 정출하는 성분으로, 몰드 플럭스의 용융점을 제어하기 위해 사용된다.
F는 몰드 플럭스 전체 조성 100 중량부에 대하여 바람직하게는 7 내지 15 중량부, 보다 바람직하게는 10 내지 14 중량부, 더욱 바람직하게는 11 내지 13.5 중량부가 포함된다. F의 함량이 7 중량부 미만인 경우 응고온도가 감소하여 전열량이 증가, 초기 완냉이 불가능한 문제가 있으며, 15 중량부를 초과할 경우 몰드 플럭스의 점도가 너무 낮아져서 소모량이 급증하고, 주편의 표면 결함을 야기할 수 있다.
또한, 유리탄소는 용융속도를 제어하기 위해 사용하는데, 몰드 플럭스 전체 조성 100 중량부에 대하여 3 내지 5 중량부로 포함되는 것이 바람직하다. 유리탄소를 3 중량부 미만으로 사용하면 탈탄 반응이 충분히 일어나기 전 입자 상호 간 융착에 의한 덩어리 형태의 소결층 형성으로 몰드 플럭스 유입 저해와 조업불안정을 야기시킬 수 있으며, 5 중량부 초과할 경우에는 용강 내 [O] 소스와 반응하여 CO 가스를 생성하고, 탕면 보일링(Boiling)이 심하게 발생한다.
본 발명에 따른 고탄소강 제조용 몰드 플럭스의 염기도는 SiO2와 CaO 성분의 수치 한정한 영향으로, 0.8 내지 1.0, 보다 바람직하게는 0.9 내지 0.99이다.
염기도가 0.8 미만인 경우 점도가 너무 높아서 용강과의 반응에 의해 점도가 더 상승하게 되므로 윤활이 잘 이루어지지 않으며, 염기도가 1.0을 초과하는 경우 반응 후 상대적으로 많아진 CaO의 함량에 의해 고융점 화합물이 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 고탄소강 제조용 몰드 플럭스의 용융점은 900 내지 1,000 ℃이다. 용융점이 중요한 이유는 적정 슬래그 풀(Slag Pool) 형성 및 초기 용융 속도를 결정하기 때문이며, 용융점이 너무 낮을 경우 슬래그 풀 이 과다 형성되어 소모량 증가 Oscillation Mark Depth가 증가하는 문제가 있고, 용융점이 너무 높을 경우 슬래그 풀 형성이 불충분하여 유입량이 감소 전열량이 불균일하거나 충분하지 않아 건전한 응고쉘 형성이 불가능 하기 때문이다.
본 발명에 따른 고탄소강 제조용 몰드 플럭스의 점도는 1300 ℃에서 0.16 내지 0.35 poise이다. 점도가 중요한 이유는 몰드 플럭스의 가장 중요한 기능인 윤활능을 결정하기 때문이다. 점도가 너무 낮을 경우 윤활능은 좋으나 용강 내 몰드 플럭스의 혼입이 증가하여 바람직하지 않고, 점도가 너무 높을 경우 유입량 및 윤활능이 감소하여, 초기 응고쉘 건전성 확보가 어려운 문제가 있다.
본 발명에 따른 고탄소강 제조용 몰드 플럭스는 발열성 원료의 양을 증대시킴으로써 플럭스의 소모량을 감소시키고 완냉형 특징을 부가하여 전열안정화를 향상시킬 수 있다. 즉 몰드 플럭스의 점도 및 용융점을 상향되도록, 성분계를 조정하여 완냉형 플럭스로 조성을 설계함으로써 몰드 전열을 안정화하고, 이에 따라 주조 완주율 및 열연 투입 가능한 주편 실수율을 향상시킬 수 있다.
본 발명에 따른 몰드 플럭스로부터 제조된 고탄소강은 [C]가 0.60% 이상, 바람직하게는 0.60 내지 0.90 % 함유된 것으로, 주편 표면 품질 확보가 가능하다.
이하, 본 발명을 실시예에 의해 더욱 상세히 설명한다. 단, 하기의 실시예는 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.
실시예 1 ~ 2 및 비교예 1
슬라브 연속 주조기에서 가장 생산량이 많은 [C] 0.6~0.85%의 고탄소 공구강에 대하여 모든 조건을 동일하게 하여 연속 주조를 실시하였다. 이때, 몰드 플럭스로는 하기 표 1과 같은 조성을 갖는 제품을 투입하였다.
구분
(전체 몰드 플럭스 조성 100 중량부 기준)		 비교예 1 실시예 1 실시예 2
염기도 0.95 0.96 0.96
SiO2 (중량부) 27.1 29.7 28.5
CaO (중량부) 25.8 28.6 27.3
MgO (중량부) 1.1 1.5 1.4
Al2O3 (중량부) 2.0 5.5 5.4
Fe2O3 (중량부) 0.2 7.4 8.9
Na2O (중량부) 18.4 14.7 14.7
F (중량부) 11.3 12.8 12.8
Li2O (중량부) 2.0 2.0 2.0
유리탄소(중량부) 7.1 3.1 3.7
기타불순물 나머지 나머지 나머지
시험예
상기 실시예 1~2 및 비교예 2의 몰드 플럭스에 의한 완냉 및 개재물 저감 효과 확인을 위해 스트랜드별 투입 몰드 플럭스를 다르게 하였다. 한쪽 스트랜드는 기존 고탄소강 몰드 플럭스인 비교예 1을 투입하였고 다른 한쪽 스트랜드는 실시예 1 또는 실시예 2의 몰드 플럭스를 투입하였다.
상기 몰드 플러스에 대하여 다음과 같이 물성을 확인하였다.
1) 용융점 측정
융점 측정기를 사용하여 용융점을 측정하였다.
2) 점도 측정
몰드 플럭스를 용융상태에서 점도를 측정하였다.
3) 소모량 측정
주조 개시시점부터 주조 종료시점까지 실제 주조에 사용된 몰드 플럭스의 소모량을 주조된 주편의 톤(Ton)으로 나누어 소모량을 계산하였다.
4) 전열량 측정
Mold 동판에 부착된 TC(열전대)의 온도 변화와 몰드 내 투입되는 1차 냉각수량을 집계하여 전열량을 측정하였다.
5) 압연 품질 평가
열연 공정에서 열간 압연후 표면 결함 확인을 위한 SDD(Surface Defect Detect) System을 활용하여 개재물성 결함 발생 여부를 확인하였다.
<평가기준>
○: 개재물성 결함 발생율 0.3% 이하
△: 개재물성 결함 발생율 0.3 내지 0.7%
Ｘ: 개재물성 결함 발생율 0.7% 이상
구분 비교예 1 실시예 1 실시예 2
용융점(℃) 870 965 925
점도(poise, 1300℃) 0.15 0.33 0.3
소모량(Kg/t.s) 0.34 0.25 0.31
전열량(MW/m²) 1.75 1.65 1.66
압연 품질 △ ○ ○
발열성 원료를 첨가한 실시예 1과 2는 점도 향상 및 완냉 효과로 인한 전열량 감소를 확인하였으며, 초기 후크(Hook) 성장 완화로 압연 시 개재물성 결함 발생 또한 크게 개선됨을 확인하였다.

Claims (6)

  1. 전체 조성 100 중량부에 대하여, CaO 25 내지 40 중량부, SiO2 26 내지 40 중량부, MgO 1 내지 5 중량부, Al2O3 4 내지 9 중량부, Na2O 9 내지 16 중량부, Fe2O3 1 내지 12 중량부, Li2O 1 내지 5 중량부, F 7 내지 15 중량부 및 유리 탄소 3 내지 5 중량부를 포함하며, [C]가 0.60% 이상인 고탄소강 제조용 몰드 플럭스.
  2. 제 1 항에 있어서,
    염기도(CaO/SiO2)는 0.8 내지 1.0인 고탄소강 제조용 몰드 플럭스.
  3. 제 1 항에 있어서,
    용융점이 900 내지 1000 ℃인 고탄소강 제조용 몰드 플럭스.
  4. 제 1 항에 있어서,
    점도가 0.16 내지 0.35 poise(1300 ℃)인 고탄소강 제조용 몰드 플럭스.
  5. 삭제
  6. 전체 조성 100 중량부에 대하여, CaO 25 내지 40 중량부, SiO2 26 내지 40 중량부, Fe2O3 1 내지 12 중량부 및 유리 탄소 3 내지 5 중량부를 포함하며, 점도가 0.16 내지 0.35 poise(1300 ℃)이고, [C]가 0.60% 이상인 고탄소강 제조용 몰드 플럭스.
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