KR101356930B1 - 스테인리스강의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 정련로에서 용강상태의 스테인리스강을 탈탄 또는 탈산하는 정련단계; 상기 스테인리스강을 래들에서 처리하는 래들처리단계; 상기 래들처리단계를 거친 스테인리스강을 턴디쉬내로 주입하고, 상기 스테인리스강에 희토류금속 (Rare earth metal; REM)을 첨가하는 희토류금속 첨가단계; 및 상기 희토류금속이 첨가된 스테인리스강을 턴디쉬에서 침지노즐을 통하여 몰드로 연속주조하는 주조단계;를 포함하는 스테인리스강 제조방법에 관한 것이다.

Description

스테인리스강의 제조방법 {Method of manufacturing stainless steel}
본 발명은 스테인리스강의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고온강도 및 고온내식성이 향상되고, 희토류의 실수율이 향상된 희토류 금속을 이용한 스테인리스강의 제조방법에 관한 것이다.
스테인리스강의 고온내식성은 치밀하게 형성되어 크롬산화물에 기인된다. 여기에 희토류금속, 특히 란타늄 (La) 및 세륨 (Ce) 등을 첨가하면, 상기 스테인리스강의 고온강도 및 고온내식성이 전반적으로 향상됨이 알려져 있다.
통상, 희토류금속을 첨가한 스테인리스강을 제조하기 위해서는, 용강상태인 스테인리스강을 래들처리 (Ladle Treatment, LT)하는 단계에서, 희토류금속 또는 상기 희토류금속을 포함하는 합금철을 래들에 투입하여, 스테인리스강 중의 희토류금속의 목표로 하는 함유량을 제어한다. 반면, 상기 희토류금속은 높은 산소친화력을 갖으므로, 상기 희토류금속의 투입량에 대한 스테인리스강 중의 희토류금속의 함유량을 의미하는 희토류금속 실수율이 5%~20%로 상당히 낮고, 또한 상기 희토류금속이 고가이므로, 희토류금속을 첨가한 스테인리스강의 제조비용이 매우 높은 실정이다.
희토류금속은 스테인리스강을 래들에서 턴디쉬로의 이동, 주조대기 등에 의하여, 대략 30분 내지 60분 동안 내화물 또는 슬래그와 지속적으로 반영하여 성분변화가 발생하고, 스테인리스강을 주조하는 동안에도, 상기 희토류금속은 래들 또는 턴디쉬 내부의 내화물 및 슬래그와 반응이 한다. 따라서, 주조가 완료된 주편상태의 스테인리스강 중의 희토류금속을 분석하면, 상기 스테인리스강의 길이방향으로 희토류금속의 농도 편차가 발생한다. 특히, 스테인리스강은 주조 말기로 갈수록 목표성분, 고온강도 및 고온내식성을 확보하기 위한 회토류금속의 목표농도도 만족하지 못하는 경우가 발생하여, 스테인리스강의 품질을 저하시키는 문제가 있다.
다른 한편으로는, 희토류금속을 첨가한 스테인리스강의 제조방법에 있어서, 몰드 내로 용강상태의 스테인리스강을 공급하는 수단으로 내화물로 이루어진 침지노즐이 사용된다. 이때, 상기 침지노즐의 내화물은 회토류금속과 쉽게 반응하여 침지노즐의 내벽에 반응생성물을 침적시킨다. 또한, 스테인리스강 중에 존재하는 개재물이 상기 반응생성물에 부착되고 결과적으로 침지노즐이 막혀 연속주조가 불가능하게 된다. 특히, 희토류금속의 산화물은 비중이 용강상태의 스테인리스강과 유사하여 부상분리가 어렵고, 이는 침지노즐이 막히는 현상을 촉진하는 요인으로 작용한다.
이와 같은 문제를 해결하기 위하여 다양한 연구가 진행되었는데, 그중 하나로는 스테인리스강의 AOD공정에서 정련한 스테인리스강에 알루미늄 (Al) 탈산을 실시하고, 알루미늄 농도의 제한 범위내에서 희토류금속을 첨가함으로써 희토류금속 산화물을 함유한 개재물의 형성을 억제하는 방법이 있다. 반면, 이러한 방법은 알루미늄과 희토류금속의 성분비 (Al/REM)를 조절하는 구성을 개시하였으나, 스테인리스강이 소정의 고온내식성을 갖기 위해서는 0.01% (이하에서는, 별도의 말이 없으며 함량은 중량%를 의미한다) 이상의 희토류금속이 요구되고, 상기 알루미늄과 희토류금속의 성분비에 해당하는 알루미늄은 0.2% 이상이다. 반면, 알루미늄이 0.2% 이상인 경우에는, 알루미늄에 의한 침지노즐 막힘현상이 발생하고, 알루미늄의 고함량에 의하여 몰드플럭스의 물성변화 및 주편상태의 스테인리스강의 품질 저하를 유발하여 실제 공정에는 적용할 수 없다.
다른 방법으로는, 침지노즐에 회토류금속의 산화물이 부착되는 것을 방지하기 위한 것으로, 침지노즐의 재질을 희토류금속을 포함하는 내화물를 이용하여 제작하여, 스테인리스강 중의 회토류금속과의 반응 또는 회토류금속 산화물의 부착을 억제하는 것이다. 반면, 희토류금속을 포함하는 내화물로 이루어진 침지노즐은 스테인리스강의 연속주조공정에서 미검증된것으로, 특히 상기 침지노즐을 고온에서 장시간 동안 사용하는 경우의 희토류금속을 포함하는 내화물의 열적 안전성 등이 검토되지 않은 상태이다.
그 외의 방법으로는, 스테인리스강을 연속주조하는 공정에서 희토류금속을 함유하는 와이어를 몰드 내로 직접 첨가하는 방법이 있다. 반면, 이와 같은 방법은 몰드 내에서 희토류금속이 균일하도록 혼합하는 것이 어렵고, 새로운 설비 투자가 필요하다. 또한, 몰드 내로 희토류금속을 함유하는 와이어를 투입함으로써, 스테인리스강의 탕면이 불안정하고, 불균일하게 응고하여 블랙아웃과 같은 조업적인 문제를 유발하여 스테인리스강의 품질을 안정적으로 획득하기 어렵다.
상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 본 발명의 목적은 고온강도 및 고온내식성이 향상된 희토류금속 첨가 스테인리스강의 제조방법을 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 희토류금속의 실수율을 향상시킴으로써, 생산비가 감소된 스테인리스강의 제조방법을 제공하기 위함이다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은 침지노즐의 막힘을 예방하여 스테인리스강의 실수율을 향상시킨 스테인리스강의 제조방법을 제공하기 위함이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명은 정련로에서 용강상태의 스테인리스강을 탈탄 또는 탈산하는 정련단계; 상기 스테인리스강을 래들에서 처리하는 래들처리단계; 상기 래들처리단계를 거친 스테인리스강을 턴디쉬내로 주입하고, 상기 스테인리스강에 희토류금속 (Rare earth metal; REM)을 첨가하는 희토류금속 첨가단계; 및 상기 희토류금속이 첨가된 스테인리스강을 턴디쉬에서 침지노즐을 통하여 몰드로 이동시켜 연속주조하는 주조단계;를 포함하는 스테인리스강 제조방법에 관한 것이다.
상기 정련단계는 스테리인스 용강을 탈탄한 후 탈산하되, 상기 스테인리스강을 탈산할 때 CaO-Al2O3계의 슬래그를 이용할 수 있다.
이때, 상기 슬래그는 CaO/Al2O3가 2 내지 4일 수 있다.
상기 래들처리단계는 상기 스테인리스강에 있는 개재물을 제거하기 위하여 칼슘 (Ca) 처리하고, 부상분리를 촉진하기 위하여 버블링할 수 있다.
상기 희토류금속첨가단계에서 상기 턴디쉬는 내부에 구비된 위어 (weir)을 중심으로 일측에는 스테인리스강이 유입되는 제1 영역과, 타측에는 상기 스테인리스강이 배출되는 제2 영역으로 이루어지고, 상기 희토류금속은 상기 턴디쉬의 제2 영역으로 투입될 수 있다.
또한, 상기 턴디쉬내의 제2 영역에는 상기 턴디쉬의 바닥에 구비되는 댐 (dam)과 배출되는 스테인리스강의 양을 제어하는 스토퍼 (stopper)가 구비되고, 상기 회토류금속은 댐과 스토퍼 사이에 투입될 수 있다.
상기 턴디쉬는 상기 스토퍼의 하부에서 상기 스테인리스강이 배출되는 침지노즐을 더 포함하고, 상기 침지노즐은 내화물로 이루어질 수 있다.
상기 스테인리스강은 중량%로, C : 0.05~0.15%, Si : 0.05~0.5%, Mn : 0.3~0.6%, Cr : 18~30%, Ni : 3~20%, N : 0.1~0.4%, La 및 Ce을 포함하는 희토류금속 (Rare earth metal; REM) : 0.01~0.1%의 조성을 갖고, 잔부는 Fe 및 불순물로 이루어질 수 있다.
이상 살펴본 바와 같은 본 발명에 따르면, 고온강도 및 고온내식성이 향상된 희토류금속 첨가 스테인리스강의 제조방법을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면 희토류금속의 실수율을 향상시킴으로써, 생산비가 감소된 스테인리스강의 제조방법을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면 침지노즐의 막힘을 예방하여 스테인리스강의 실수율을 향상시킨 스테인리스강의 제조방법을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 스테인리스강의 제조방법을 나타낸 흐름도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 턴디쉬의 개략적인 도면.
도 3은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 스테인리스강의 희토류금속 농도를 나타낸 그래프.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 이하의 설명에서 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 전기적으로 연결되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 도면에서 본 발명과 관계없는 부분은 본 발명의 설명을 명확하게 하기 위하여 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다.
이하, 첨부된 도면들을 참고하여 본 발명에 대해 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 스테인리스강의 제조방법을 나타낸 흐름도이다.
본 발명의 바람직한 실시예는 스테인리스강의 제조방법으로, 정련로에서 스테인리스강을 탈탄 또는 탈산하는 정련단계 (S1); 상기 스테인리스강을 래들에서 처리하는 래들처리단계 (S2); 상기 래들처리단계를 거친 스테인리스강을 턴디쉬내로 주입하고, 상기 스테인리스강에 희토류금속 (Rare earth metal; REM)을 첨가하는 희토류금속첨가단계 (S3); 및 상기 희토류금속이 첨가된 스테인리스강을 턴디쉬에서 침지노즐을 통하여 몰드로 이동시켜 연속주조하는 주조단계 (S4):를 포함한다.
본 실시예에 따른 스테인리스강의 제조방법은 희토류금속을 함유한 스테인리스강을 제조하는 방법으로, 턴디쉬에서 몰드로 이동시 사용되는 침지노즐의 막힘현상을 방지하고, 주편상태로 제작된 스테인리스강 내의 희토류금속의 함량이 목표치에 대응하고 동시에 상기 스테인리스강의 길이방향으로 희토류금속의 함량이 균일하도록 할 수 있다. 또한, 상기 스테인리스강은 중량%로, C : 0.05~0.15%, Si : 0.05~0.5%, Mn : 0.3~0.6%, Cr : 18~30%, Ni : 3~20%, N : 0.1~0.4%, La 및 Ce을 포함하는 희토류금속 (Rare earth metal; REM) : 0.01~0.1%의 조성을 갖고, 잔부는 Fe 및 불순물로 이루어질 수 있다.
상기 스테인리강에서, 중량 %로 C (탄소)는 0.05~0.15%일 수 있는데, 상기 탄소는 스테인리스강의 조직을 안정화 시키므로 0.05% 이상 포함되어야 하나, 과도하게 포함되면 스테인리스강의 내식성을 저하시키므로 0.05% 이하로 포함되는 것이 좋다. 이하에서는, 별도의 기재가 없는 이상, %는 중량 %를 의미한다.
Si (규소)은 0.05~0.5%로 포함되는 것이 바람직한데, 상기 규소는 정련단계에서 탈산효과를 발휘하고 내산성 및 내공식성을 증가시키므로 0.05% 이상 포함되는 것이 좋으나, 반면 과장 첨가하는 경우 스테인리스강의 인성, 연성 및 고온변형저항성을 증가시키므로 0.5% 이하로 첨가될 수 있다.
Mn (망간)은 0.3~0.6%로 포함할 수 있는데, 질소를 고용화를 증가하고 기계가공성을 향상시키므로 0.3% 이상으로 첨가되나, 과량 첨가하면 내식성을 저하시키므로 0.6% 이하로 첨가될 수 있다.
Cr (크롬)은 18~30%로 포함될 수 있는데, 스테인리스강의 내식성을 증가시키므로 18% 이상으로 포함되는 것이 바람직한 반면, 타 원소와의 균형에 따른 단일한 상 (페라이트 또는 오스테나이트)의 스테인리스강을 제작하기 위해서는 30% 이하로 포함될 수 있다.
Ni (니켈)은 3~20%으로 포함될 수 있다. 상기 니켈은 스테인리스강의 전면부식저항성 및 공식저항성을 증가시키고, 가공경화속도를 늦추므로 3% 이상으로 포함될 수 있다. 반면, 상기 니켈은 고가로 스테인리스강의 생산비를 증가시키고, 타 원소와의 균형에 따른 단일한 상의 스테인리스강을 제작하기 위해서는 20% 이하로 포함될 수 있다.
N (질소)는 0.1~0.4%일 수 있는데, 스테인리스강의 부동태 피막을 개선시켜 내식성을 증가시키므로 0.1% 이상 포함되는 것이 좋은 반면, 단일한 상의 스테인리스강으로 제작하기 위해서는 0.4% 이하로 포함되는 것이 좋다.
상기 희토류금속의 함량이 0.01% 미만인 경우에는, 스테인리스강의 고온강도 및 고온내식성의 향상정도가 미미하며, 상기 희토륨금속의 함량이 1.0% 초과인 경우에는 희토류금속을 초과하여 사용하는 것이므로, 생산비를 증가시키고 또한 상기 희토류금속에 의하여 발생할 수 있는 부반응의 가능성이 증가될 수 있다. 예컨대, 상기 희토류금속은 La 및 Ce을 포함할 수 있는데, 상기 La 및 Ce는 그 밖의 희토류금속에 비하여 효과대비 단가가 싸고, 스테인리스강의 고온강도 및 고온내식성에 효과적으로 기여할 수 있다.
정련단계 (S1)에서는 정련로에서 스테인리스강을 탈탄 또는 탈산하는 것으로, 상기 정련단계는 스테리인스강을 탈탄한 후 탈산할 수 있다. 이때, 상기 탈탄은 아르곤 산소 탈탄법 (Argon Oxygen Decarburization process, AOD법)을 이용하여 수행할 수 있고, 상기 스테인리스강은 탈탄이 종료된 후에 탈산을 실시한다. 이때, 상기 탈산은 알루미늄-풀 (Al-fully) 탈산을 원칙으로 하다. 상기 탈산과정에서는 스테인리스강에 슬래그 및 알루미늄이 투입되고, 예컨대, 알루미늄 투입량은 슬래그 중량을 기준으로 100kg/T-slag~200kg/T-slag로 투입할 수 있고, 상기 알루미늄은 슬래그의 종성을 슬래그의 조성을 CaO-Al2O3계로 형성시킬 수 있다. 알루미늄 투입량이 100kg/T-slag 미만인 경우에는 탈산에 필요한 슬래그를 충분히 형성시킬 수 없어 스테인리스강을 충분히 탈산하기 어렵고, 상기 알루미늄 투입량이 200kg/T-slag 초과인 경우에는 알루미늄의 일분가 잉여로 잔류하여 스테인리스강의 조성을 변화시킨다.
상기 정련단계 (S1)는 스테리인스강을 탈탄한 후 탈산하되, 상기 스테인리스강을 탈산할 때 CaO-Al2O3계의 슬래그를 이용할 수 있다. 슬래그는 상기 슬래그의 조성에 따라 산화물의 종류 및 산화물의 개수 등에 크게 영향을 미칠 수 있다. 따라서, 슬래그의 조성을 CaO-Al2O3계로 제어하는 것이 중요하다.
예컨대, 상기 슬래그는 CaO/Al2O3가 2 내지 4일 수 있다. 상기 CaO/Al2O3가 4 초과인 경우, 고융점의 CaO 또는 2CaO-SiO2형 개재물이 형성되어 부상분리가 원활히 이루어지지 않으며, 또한 슬래그가 고화되어 탈산 및 탈류작업이 원할하게 이루어지지 않는다. 반면, CaO/Al2O3의 비가 2 미만인 경우 슬래그 중 Al2O3의 활동도가 높아짐에 따라 탈산에서 형성된 산화물을 포집하는 능력이 감소하고, 스테인리스강 중의 전체 산소농도가 높아진다. 또한 고융점의 알루미나 또는 스피넬성 (spinel) 개재물의 생성으로 후공정 품질에 악영향을 미치게 된다. 따라서, CaO/Al2O3는 2 내지 4인 것이 바람직한데, 이와 같은 조건을 만족할 경우 슬래그의 유동성이 증가하여 개재물의 포집능이 증가하고 또한 개재물은 Ca-Al-Si-Mg-O의 복합저융점 개재물로 천이되면서 부상분리가 용이해진다.
별법으로, 슬래그 중으로 SiO2가 불가피하게 혼입될 수 있는데, 상기 SiO2의 대부분은 알루미늄에 의하여 환원이 되어 알루미늄을 소모시킬 수 있다. 따라서, 스테인리스강의 탈산에 사용될 수 있는 알루미늄이 상대적으로 감소하여 스테인리스강에 포함된 산소를 충분히 제거할 수 없으므로, 상기 SiO2는 가능한 유입되지 않도록 하는 게 바람직하다. 또한, 슬래그의 유동성 향상을 위해 20% 이하의 CaF2의 첨가하거나, 내화물 보호를 위하여 20%이하의 MgO를 더 첨가할 수 있다.
상기 래들처리단계 (S2)는 정련단계를 거친 스테인리스강을 래들 내에서 처리하는 것으로, 예컨대 상기 스테인리스강에 있는 개재물을 제거하기 위하여 칼슘 (Ca)처리하고, 부상분리를 촉진하기 위하여 버블링하는 것을 포함할 수 있다. 상기 칼슘처리는 탈산과정에서 스테인리스강 중에 잔류하는 Al2O3 개재물을 제거하기 위한 것으로, 즉 상기 칼슘은 Al2O3 개재물을 CaO-Al2O3 저융점개재물로 천이시킬 수 있다. 이때, 칼슘 투입량은 스테인리스강을 기준으로 0.5kg/ton-steel~2kg/ton-steel인 것이 바람직하다. 상기 칼슘 투입량이 0.5kg/ton-steel 미만인 경우에는, 스테인리스강 중 Al2O3 개재물을 CaO-Al2O3 저융점개재물로 천이시키는데 충분하지 못하여, Al2O3 개재물이 스테인리스강 중에 잔류할 수 있다. 반면, 칼슘 투입량이 2kg/ton-steel 초과인 경우에는, 상기 Al2O3 개재물을 CaO-Al2O3 저융점개재물로 천이시키고도 일부가 남고 이는 스테인리스강의 물성에 영향을 줄 수 있다. 또한, 스테인리스강의 버블링 시간은 20분 초과인 것이 바람직한데, 상기 버블링 시간이 20분 미만인 경우에는 개재물의 부상분리가 효과적으로 진행되지 않아 문제가 될 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 턴디쉬의 개략적인 도면이다.
희토류금속첨가단계 (S3)에서 스테인리스강 (10)은 턴디쉬 (200) 내 구비되고, 여기에서 상기 스테인리스강 (10) 중에 희토류금속이 첨가될 수 있다. 턴디쉬 (200)는 내부에 구비된 위어 (weir) (210)을 중심으로 일측에는 스테인리스강 (10)이 유입되는 제1 영역 (A)과, 타측에는 상기 스테인리스강 (10)이 배출되는 제2 영역 (B)으로 이루어지고, 상기 희토류금속은 턴디쉬 (200)의 제2 영역 (B)으로 투입될 수 있다.
정련단계 (S1) 및 래들처리단계 (S2)가 완료된 스테인리스강 (10)은 래들 (100)에서 턴디쉬 (200)로 이송되고, 상기 턴디쉬 (200) 내로 스테인리스강 (10)이 투입되면, CaO-Al2O3 슬래그를 이용하여 스테인리스강 (10) 표면을 보호하여 스태인리스강 (10)의 재산화를 방지한다. 이후, 턴디쉬 (200) 내의 스테인리스강의 수위가 일정해지면 (정상상태), 턴디쉬 (200) 내로 희토류금속, 예컨대 합금철와이어의 형태로 상기 희토류금속을 투입한다. 이때, 상기 희토류금속을 투입하는 방법 및 위치는 생성되는 개재물의 크기 및 개수에 영향을 미치며, 이에 의하여 상기 턴디쉬 (200)의 일측에 구비된 침지노즐 (300)의 막힘현상의 발생여부에 영향을 줄 수 있다.
주조단계 (S4)는 희토류금속이 첨가된 스테인리스강 (10)은 턴디쉬 (200)에서 침지노즐 (300)을 통하여 몰드 (400)로 이동시킬 수 있다. 몰드 (400)의 주변에는 주조롤 (미도시) 등이 구비되어 스테인리스강을 성형할 수 있다. 또한, 상기 턴디쉬 (200)는 상기 스토퍼 (230)의 하부에서 상기 스테인리스강이 배출되는 침지노즐 (300)을 더 포함하고, 상기 침지노즐 (300)은 내화물로 이루어질 수 있다.
상기 희토류금속은 턴디쉬 (200)의 제2 영역 (B)으로 투입될 수 있는데, 예컨대, 상기 턴디쉬 (200)에는 제2 영역 (B)는 상기 턴디쉬 (200)의 바닥에 구비되는 댐 (dam) (220)과 배출되는 스테인리스강의 양을 제어하는 스토퍼 (stopper) (230)가 구비되고, 상기 회토류금속은 댐 (220)과 스토퍼 (230) 사이에 투입될 수 있다. 턴디쉬 (200) 내부에서 제1 영역 (A)은 위어 (210)을 기준으로 좌측, 즉 래들 (100)에서 스테인리스강 (10)이 유입되는 영역이고, 제2 영역 (B)은 위어 (210)를 거쳐 스테인리스강 (10)의 상승류가 생기는 영역으로 구분될 수 있다.
턴디쉬 (200) 내에 투입되는 희토류금속의 위치에 따라 개재물의 크기 및 개수에 영향을 미칠 수 있는데, 상기 제1 영역 (A)에 희토류금속을 투입하는 경우에는 개재물의 크기가 상태적으로 큰 반면, 제2 영역 (B)에 희토류금속을 투입하는 경우에는 개재물의 평균크기가 미세하다. 따라서, 희토류금속을 제2 영역 (B)에 투입한 경우에는 개재물의 크기가 미세하여 침지노즐 (300)의 막힘이 발생하지 않는 반면, 상기 희토류금속을 제1 영역 (A)에 투입한 경우에는 크기가 큰 개재물이 다량발생하여 침지노즐 (300)의 막힘에 영향을 줄 수 있다.
상기 제1 영역 (A)에 희토류금속을 투입하는 경우에는, 턴디쉬 (200) 내에서 스테인리스강 (20) 중 희토류금속을 포함하는 합금철의 균질화가 느리고 또한 제1 영역 (A)에서부터 침지노즐 (300) 사이의 거리가 증가되어, 개재물이 침지노즐을 통과하는 데 소용되는 시간이 증가하여 상기 개재물이 성장하고 개재물끼리의 합체가 용이하다. 따라서, 크기가 조대해진 개재물이이 형성되고, 이는 침지노즐 (300)의 벽면에 쉽게 부착될 수 있다. 반면, 제2 영역 (B)에 희토류금속을 투입하는 경우, 희토류금속을 포함하는 합금철의 균질화가 빠르고 침지노즐 (300)까지의 거리가 단축되므로, 개재물이 성장하거나 또는 합체하기 전에 침지노즐 (300)을 통과하므로 침지노즐 (300)의 막힘의 문제가 발생하지 않는다.
또한, 상기 침지노즐 (300)이 막힌 경우에는, 턴디쉬 (200) 내의 스테인리스강 (10)이 몰드 (400)로 이동하지 못하여, 스테인리스강 (10)의 연속주조하는데 문제가 된다. 또한, 래들 (100)에 투입한 스테인리스강 (10)에 대한 몰드 (400)를 통하여 배출되는 스테인리스강 (10)의 비율을 주편상태인 스테인리스강 (10)의 실수율이라할 때 상기 실수율은 대략 70% 이하로, 공정효율이 저하된다. 또한, 다음 고정을 하기 위해서는 침지노즐 (300)을 세척하거나 또는 심한경우에는 침지노즐 (300)을 교체해야하므로, 생산비를 증가시킨다. 따라서, 희토류금속은 턴디쉬 (200) 내에서 제2 영역 (B)에 투입되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 희토류금속의 투입위치는 주편으로 제작된 스테인리스강에서 상기 희토류금속의 성분의 균질화에도 영향을 미칠 수 있다. 특히, 희토류금속 첨가 스테인리스강의 경우, 상기 희토류금속의 성분에 따라 고온강도 및 고온내식성에 차이가 발생하므로 한 배치 내의 스테인리스강이 부분적으로 다른 특성을 갖게 되어 신뢰성을 저하시킬 수 있다. 따라서, 스테인리스강 중 희토류금속의 농도가 소정의 특성을 나타낼 수 있도록 임계농도 이상으로 함유되는 것이 중요하다. 반면, 희토류금속은 고가의 재료이므로 필요이상의 희토류금속을 투입하는 것은 제조원가를 상승시키고, 또한 상기 희토류금속이 개재물 및 내화물과 반응하여 침지노즐의 막힘, 내화물의 용손 등의 불리한 효과를 발생할 수 있다. 따라서, 한 배치 내의 스테인리스강이 일정을 특성을 갖고, 동시에 공정에서의 불리한 효과를 발생하는 것을 방지하기 위하여, 희토류금속의 소스로 작용하는 희토류금속을 포함하는 합금철의 균질화가 중요하다.
상기 희토류금속을 포함하는 합금철의 균질화는 턴디쉬 (200) 내의 용강상태의 스테인리스강의 유동 및 잔류시간과 상화 연계성을 갖으며, 상기 희토류금속의 투입위치는 전술한 개재물의 크기뿐 아니라, 주편상태의 스테인리스강 중의 회토류금속의 농도의 균질화에도 큰 영향을 미칠 수 있다. 즉, 제1 영역 (A)의 경우에는, 희토류금속의 임계농도에 도달하는데 장시간이 소요되며, 동시에 희토류금속의 최대농도는 평균농도에 비하여 높게 나타난다. 반면, 제2 영역 (B)의 경우, 가장 단시간 내에 목표로 하는 특성을 갖는 임계온도에 도달할 수 있으며, 상기 스테인리스강이 최종으로 응고된 후에도 균일한 희토류금속 농도를 유지할 수 있다. 따라서, 침지노즐의 막힘을 방지하고, 스테인리스강의 희토류금속의 균질화를 위해서는 상기 희토류금속은 턴디쉬 내에서 제2 영역 (B)에 첨가하는 것이 바람직하다.
이하 본 발명의 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러나, 하기 실시예들은 본 발명의 바람직한 일 실시예일뿐 본 발명의 권리 범위가 하기 실시예들에 의하여 제한되는 것은 아니다.
실시예들은 중량%로, C : 0.05~0.15%, Si : 0.05~0.5%, Mn : 0.3~0.6%, Cr : 18~30%, Ni : 3~20%, N : 0.1~0.4%, La 및 Ce을 포함하는 희토류금속 (Rare earth metal; REM) : 0.01~0.1%의 조성을 갖고, 잔부는 Fe 및 불순물로 이루어진 스테인리스강을 이용하여 연소주조되는데, 상기 스테인리스강의 80톤~120톤을 용강상태로 용융시킨 후, 전술한 바와 같이 정련단계, 래들처리단계를 수행하였다. 상기 정련단계에서는 탈산을 종료한 후, 탈산을 하였고, 상기 스테인리스강을 탈산하는 동안에 CaO-Al2O3계의 슬래그를 이용하였다. 래들처리단계에서는 상기 정련단계를 거치 스테인리스강을 래들로 이동하여 상기 스테인리스강의 성분제어 및 칼슘처리를 하였다. 이어서, 상기 스테인리스강은 턴디쉬로 내로 투입된 후 희토류금속첨가단계를 거치게 되는데, 이때 희토류금속은 직경 5mm~15mm의 합금철 와이어의 형태로 정해진 속도 (5m/min~30m/min)로 투입되었다. 이때, 상기 희토류금속을 포함하는 합금철 와이어는 턴디쉬 내부의 제2 영역에 투입되었다. 상기 합금철 와이어는 희토류금속인 La 및 Ce가 10% 이상 함유된 것으로 이용하였다. 턴디쉬 내의 스테인리스강은 침지노즐을 통하여 몰드로 이동하는 주조단계를 거치고, 폭 160mm, 두께 150mm의 주편형태로 제작되었다. 이때, 상기 몰드는 만곡형 연속주조기를 이용하였으며, 주조속도는 0.7m/min~1.1m/min의 범위에서 실시되었다.
비교예들은 실시예에서 사용된 동일한 종류의 희토류금속을 포함하는 합금철 와이어를 이용하고, 동일한 장치를 이용하여 희토류금속 첨가 스테인리스강을 제작하였다. 단, 희토류금속의 투입방법 및, 정련단계에서 사용되는 슬래그의 종류 (아래, 표 1 참조)를 제외하고는 상기 실시예와 동일하게 하여 제작하였다.
도 3은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 스테인리스강의 희토류금속 농도를 나타낸 그래프이고, 표 1은 본 발명의 실시예 및 비교예의 슬래그 및 희토류금속 투입위치에 따른 조건을, 표 2는 표 1에 따른 결과를 개략적으로 나타내었다.
슬래그 종류 CaO/Al2O3 희토류금속 투입위치
비교예 1 CaO-Al2O3 3.5 턴디쉬 내의 제1 영역
비교예 2 CaO-Al2O3 2.8 턴디쉬 내의 제1 영역
실시예 1 CaO-Al2O3 2.4 턴디쉬 내의 제2 영역
실시예 2 CaO-Al2O3 3.5 턴디쉬 내의 제2 영역
실시예 3 CaO-Al2O3 2.1 턴디쉬 내의 제2 영역
비교예 3 CaO-Al2O3 5.4 턴디쉬 내의 제1 영역
비교예 4 CaO-Al2O3 2.9 래들
비교예 5 CaO-SiO2 2.5
(=CaO/SiO2)
래들
침지노즐 내벽의
부착물 두께 (mm)
스테인리스강 중
희토류금속 균일도
희토류금속
실수율 (%)
비교예 1 4 보통 59
비교예 2 5 보통 61
실시예 1 2 양호 61
실시예 2 2 양호 62
실시예 3 3 양호 60
비교예 3 7 불량 55
비교예 4 8 불량 18
비교예 5 10 불량 22
비교예 1 내지 3과, 실시예 1 내지 3은 희토류금속을 턴디쉬 내의 제1 영역 또는 제2 영역에 투입하였고, 비교예 4 및 5는 희토류금속을 래들에 투입하고, 각각에 따른 희토류금속 실수율을 확인하였다. 상기 희토류금속 실수율은 투입된 희토류금속에 대한 주조단계를 마친 후 스테인레스강 중에 존재하는 희토류금속의 함량을 나타낸 값으로써, 상기 희토류금속 실수율이 높을수록, 공정중에 발생하는 희토류금속의 손실 (loss)가 적음을 의미한다. 비교예 1 내지 3과, 실시예 1 내지 3는 희토류금속 실수율이 55% 이상인데 반하여, 비교예 4 및 5는 희토류금속 실수율이 각각 18% 및 22%로 매우 낮음을 확인할 수 있었다. 즉, 스테인리스강 중에 희토류금속을 투입할 때, 래들에 투입하는 것에 비하여 턴디쉬에 투입하는 경우 높은 희토류금속 실수율을 얻을 수 있다.
또한, 침지노즐의 막힘현상을 확인하기 위하여, 스테인리스강의 연속주조가 완료된 후, 침지노즐을 수거하여 상기 침지노즐을 길이방향으로 절단하여 부착물 두께를 확인하였다. 상기 침지노즐 내벽의 부착물 두께는 각각 비교예들 및 실시예에서 동일한 위치로 복수회 측정한 후, 평균값으로 나타내었다.
슬래그의 염기도를 의미하는 CaO/Al2O3와 침지노즐 내벽의 부착물 두께의 관계를 검토하면, 비교예 1, 2 및 4와 실시예 1 내지 실시예 3과 같이 상기 CaO/Al2O3가 2 내지 4인 경우에는 대략 유사한 경향을 보이는 반면, CaO/Al2O3가 5 이상인 비교예 3의 경우에는 상기 부착물 두께가 상대적으로 증가하여 침지노즐의 막힘현상이 발생함을 확인할 수 있었다. 또한, 다른 종류의 슬래그, CaO-SiO2를 사용한 경우에는 CaO/SiO2가 2.5임에도 불구하고, 상기 침지노즐 내벽의 부착물 두께가 증가함을 확인할 수 있었다. 따라서, 슬래그는 CaO-Al2O3계를 사용하고, 이때, CaO/Al2O3가 2 내지 4인 것이 바람직함을 확인할 수 있었다. 반면, 비교예 4, 5의 경우는 CaO/Al2O3가 2 내지 4을 만족함에도 불구하고, 희토류금속을 래들에 첨가한 경우로 모두 침지노즐의 막힘현상이 발생함을 확인할 수 있었다.
또한, 침지노즐의 막힘현상은 스테인리스강의 수율도에 영향을 미칠 수 있다. 즉, 래들에 투입된 스테인리스강에 대하여 침지노즐을 통하여 배출된 스테인리스강의 비를 스테인리스강의 수율이라고 할 때, 침지노즐 내벽의 부착물 두께가 증가할수록 상기 스테인리스강의 수율은 저하된다. 비교예 1 내지 5의 경우에는 상기 스테인리스강의 수율이 평균 70% 미만인데 반하여, 실시예 1 내지 3의 경우는 스테인리스강의 수율이 95% 이상임을 확인할 수 있었다. 따라서, 실시예 1 내지 3인 경우, 공정효율이 증가함을 확인할 수 있었다.
스테인리스강 중의 희토류금속의 균일도는 주편상태의 스테인리스강의 길이방향으로, 희토류금속 농도의 목표값에 대한 실측값을 나타낸 것으로, 95% 이상인 경우에는 양호, 90% 이상 95% 미만인 경우에는 보통, 90% 이하인 경우에는 불량으로 기재하였다. 희토류금속을 턴디쉬 내의 제2 영역에 투입한 실시예 1 내지 3의 경우는 모두 양호함을 확인할 수 있었고, 반면 희토류금속을 제1 영역에 투입한 비교예 1 내지 3의 경우에서는, 이중 비교예 1, 2는 보통이고, 비교예 3은 불량임을 확인할 수 있었다. 또한, 희토류금속을 래들에 투입한 경우인 비교예 4, 5는 모두 불량임을 확인할 수 있었다.
또한, 도 3은 희토류금속의 투입위치에 따른 주편상태의 스테인리스강의 길이방향에 대한 비 (주편길이=실주편길이/총주편길이)에 따른 희토류금속의 함량 (희토류금속의 농도=측정농도/목표농도)의 추이를 나타낸 그래프이다. 래들은 희토류금속을 래들에 투입한 경우로 표 1의 비교예 4 및 5의 평균값을, 턴디쉬 내의 제1 영역은 희토류금속을 제1 영역에 투입한 경우로 표 1의 비교예 1 내지 3의 평균값, 턴디쉬 내의 제2 영역은 희토류금속을 제2 영역에 투입한 경우인 표 1의 실시예 1 내지 3의 평균값을 그래프로 나타낸 것이다.
주편길이의 0.1까지의 부분 (S)은 스테인리스강이 턴디쉬 내로 투입될 때 그 수위가 어느정도 높이까지 차기 전으로, 정상상태로 도달하기 전이다. 또한, 주편길이의 말단 0.9부터 1까지의 부분 (F)은 연속주조가 끝나는 부분이다. 상기 스테인리스강의 시작부분과 끝부분에 형성된 스테인리스강은 그 조성 등이 균일하지 못하므로 더미로 처리되어 폐기되거나 재사용된다. 따라서, 고가의 희토류금속이 고용량이 투입될 필요가 없고, 또한 폐기되는 부분이므로 생산비를 증가시키는 효과만 가져온다. 희토류금속을 래들에 첨가한 경우에는 주편길이의 0.1까지의 부분 (S)에서 높은 농도를 갖으므로, 희토류금속의 손실이 크고, 또한 주편길이의 말단의 0.7 부분에서부터 이미 희토류금속의 농도가 저하되므로 스테인리스강의 신뢰성을 저하시킨다. 반면, 희토류금속을 턴디쉬 내의 제1 영역 또는 제2 영역에 투입한 경우에는 폐기되는 부분인 주편길이의 0.1까지의 부분 (S)에서 희토류금속 농도가 낮으므로 희토류금속의 손실을 감소시킬 수 있다. 또한, 희토류금속을 턴디쉬 내의 제1 영역에 투입한 경우와 제2 영역에 투입한 경우를 비교하면, 두 경우 모두 폐기되는 부분 (S, F)의 희토류금속의 농도가 낮으므로 공정을 효율적으로 운영할 수 있다. 반면, 상기 제2 영역에 투입한 경우는 희토류금속의 농도인 목표농도에 대한 측정농도의 편차가, 제1 영역에 투입한 경우에 비하여 적음을 확인할 수 있었다. 즉, 턴디쉬 내의 제2 영역에 희토류금속을 투입한 경우에는 스테인리스강 중 길이방향에 대한 희토류금속이 목표농도 이상으로 포함될 수 있고, 동시에 목표농도에 근접하므로 상기 스테인리스강의 품질을 향상시킬 수 있다.
위에서 검토한 바와 같이, 슬래그는 CaO-Al2O3계이되 그 CaO/Al2O3의 값이 2 내지 4이고, 희토류금속을 턴디쉬 내의 제2 영역에 투입하는 실시예 1 내지 3이 스테인리스강 중 희토류금속이 균일하게 함유되고, 희토류금속의 실수율이 높으면서 동시에 침지노즐의 막힘현상을 예방함을 확인할 수 있었다.
본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구의 범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구의 범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10: 용강 100: 래들
200: 턴디쉬 210: 위어
220: 댐 230: 스토퍼
240: 턴디쉬 커버 300: 침지노즐
400: 몰드

Claims (8)

  1. 정련로에서 용강상태의 스테인리스강을 탈탄 또는 탈산하는 정련단계;
    상기 스테인리스강을 래들에서 처리하는 래들처리단계;
    상기 래들처리단계를 거친 스테인리스강을 턴디쉬내로 주입하고, 상기 스테인리스강에 희토류금속 (Rare earth metal; REM)을 첨가하는 희토류금속 첨가단계; 및
    상기 희토류금속이 첨가된 스테인리스강을 턴디쉬에서 침지노즐을 통하여 몰드로 이동시켜 연속주조하는 주조단계;를 포함하며,
    상기 스테인리스강은 중량%로, C : 0.05~0.15%, Si : 0.05~0.5%, Mn : 0.3~0.6%, Cr : 18~30%, Ni : 3~20%, N : 0.1~0.4%, La 및 Ce을 포함하는 희토류금속 : 0.01~0.1%의 조성을 갖고, 잔부는 Fe 및 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 스테인리스강의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 정련단계는 스테리인스 용강을 탈탄한 후 탈산하되, 상기 스테인리스강을 탈산할 때 CaO-Al2O3계의 슬래그를 이용하는 것을 특징으로 하는 스테인리스강의 제조방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 슬래그는 CaO/Al2O3가 2 내지 4인 것을 특징으로 하는 스테인리스강의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 래들처리단계는 상기 스테인리스강에 있는 개재물을 제거하기 위하여 칼슘 (Ca) 처리하고, 부상분리를 촉진하기 위하여 버블링하는 것을 특징으로 하는 스테인리스강의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 희토류금속첨가단계에서 상기 턴디쉬는 내부에 구비된 위어 (weir)을 중심으로 일측에는 스테인리스강이 유입되는 제1 영역과, 타측에는 상기 스테인리스강이 배출되는 제2 영역으로 이루어지고, 상기 희토류금속은 상기 턴디쉬의 제2 영역으로 투입되는 것을 특징으로 하는 스테인리스강의 제조방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 턴디쉬내의 제2 영역에는 상기 턴디쉬의 바닥에 구비되는 댐 (dam)과 배출되는 스테인리스강의 양을 제어하는 스토퍼 (stopper)가 구비되고, 상기 회토류금속은 댐과 스토퍼 사이에 투입되는 것을 특징으로 하는 스테인리스강의 제조방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 턴디쉬는 상기 스토퍼의 하부에서 상기 스테인리스강이 배출되는 침지노즐을 더 포함하고, 상기 침지노즐은 내화물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 스테인리스강의 제조방법.
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