KR101360536B1 - 마르텐사이트계 스테인리스 강판의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 주조안정성을 확보하는 동시에 균일한 에지형상을 유지하여 품질이 양호한 마르텐사이트계 스테인리스 강판을 제조하는 방법에 관한 것으로,
서로 반대 방향으로 회전하는 한쌍의 롤, 상기 롤 측면을 밀봉하여 용강풀을 형성하는 에지댐 및 상기 용강풀 상부를 밀봉하고, 불활성 가스를 공급하는 매니스커스 쉴드를 포함하는 쌍롤식 박판 주조 장치를 이용하여 마르텐사이트계 스테인리스 강판의 제조방법에 있어서,
상기 매니스커스 쉴드 내의 압력이 200~450mmAq인 것을 특징으로 하는 마르텐사이트계 스테인리스 강판의 제조방법을 제공한다.

Description

마르텐사이트계 스테인리스 강판의 제조방법{METHOD FOR MANUFACTURING MARTENSITIC STAINLESS STEEL SHEET}

본 발명은 쌍롤식 박판 주조장치를 이용하여 스테인리스 강판을 제조하는 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 마르텐사이트계 스테인리스 강판을 제조하는 방법에 관한 것이다.

마르텐사이트계 스테인리스 강은 내식성, 경도 및 내마모성이 우수하여, 각종 도물류나 공기구루에 사용된다. 특히 면도날, 의료용 칼, 일반 식도 및 가위 등에 많이 사용된다.

일반적으로 마르텐사이트계 스테인리스강은 다음과 같은 제조공정을 통해 제조된다. 용강을 주조하여 연주 슬라브를 제조한 다음 재가열하고 열간압연하는데, 열간압연된 상태에서 강의 조직에는 마르텐사이트상, 템퍼드 마르텐사이트상, 잔류오스테나이트 상 등이 혼재하여 존재한다. 이러한 열연코일의 조직은 열연판 소둔 목적으로 상소둔(batch annealing) 공정을 거쳐 페라이트와 탄화물로 변태되어 연질화되는데, 열연소둔에 의한 연질재는 열연소둔시 형성된 스케일 제거를 위하여 산세공정을 거친다. 산세후의 연질의 소재는 냉간압연 또는 제품가공 후 최종수요가 열처리 공정을 거쳐 마르텐사이트강으로 변태되는 것이다.

대표적인 마르텐사이트계 스테인리스강으로는 420 계열강이 있는데, 이 강들은 강의 높은 탄소함량으로 인하여 연주슬라브 제조공정에서 조대한 탄화물 중심편석을 형성한다. 탄화물 중심편석은 수지상(dendrite) 사이에 존재하는 미세편석 용강이 응고가 진행되면서 벌크(bulk) 용강내로의 흡입과 집적의 결과로 발생하는 현상이다. 슬라브내에 형성된 중심편석은 재가열 또는 소둔열처리 공정에서 잘 제거되지 않아서, 열연 또는 냉연판에 잔류하게 되고, 이로 인해 스트립(strip)의 전단절단(shearing) 과정에서 라미네이션(lamination, 이중판) 결함을 수반한다.

종래의 200~250mm의 슬라브를 생산하는 경우에 있어서, 중심편석을 최소화하기 위하여 연주공정에서 주조속도를 통상재 대비 70~80%로 저감하여 조업하는데, 연주생산성이 현저히 저하되는 문제점이 있다. 또한 주조시 형성된 중심부의 조대한 탄화물을 고용하기 위해, 열간압연 후의 상소둔(batch annealing)의 소둔온도 및 유지시간을 과다하게 해야 하므로, 생산성이 급격히 감소한다. 연속주조시 발생하는 중심편석은 응고가 진행되면서 탄소의 축적에 의한 농화용강에 의해 발생되므로 이를 저감시키는 방법이 보고되고 있다. 즉, 중심편석을 저감하는 방법은 전자교반법(Electromagnetic Stirring), 기계적 경압화법(Mechanical Soft Reduction) 그리고 열적 경압하(Thermal Soft Reduction) 등이 있다.

이와 같은 문제를 해결하기 위해서, 기존의 연속주조법이 아닌 박물을 직접 쌍롤에 의하여 생산하는 쌍롤식 박판 주조(스트립캐스팅)법을 활용하여 마르텐사이트계 스테인리스강을 제조하는 기술이 개발되었다.

한편, 고급 도물류일수록 무엇보다 높은 경도가 요구되는데, 이러한 높은 경도 수준은 강의 마르텐사이트 기지조직에 의해 구현된다. 마르텐사이트 조직은 고온의 오스테나이트를 빠르게 냉각시킬 때 형성되는 매우 경한 미세조직이다. 고온의 오스테나이트상에 고용된 탄소의 함량이 높을수록, 마르텐사이트에 고용된 탄소가 많아 마르텐사이트 경도는 높아진다. 따라서, 높은 경도를 갖는 마르텐사이트계 스테인리스강을 제조하기 위해서는 가급적 많은 탄소를 강에 첨가시킬 수 있어야 한다.

그러나, 탄소함량이 높을수록 편석이 심하고, 고액공존영역이 높아지고, 판파단까지 연결되는 에지크랙 발생 민감도가 증가되어, 상기 쌍롤식 박판 주조기술응 이용하더라도 주조성 및 제품 실수율이 매우 취약한 문제가 있다.

본 발명의 일측면은 쌍롤식 박판 주조기술을 이용하여, 마르텐사이트계 스테인리스 강판을 제조하는 방법에 있어서, 주조안정성을 확보하는 동시에 균일한 에지형상을 유지하여 품질이 양호한 마르텐사이트계 스테인리스 강판을 제조하는 방법을 제공하고자 하는 것이다.

본 발명은 서로 반대 방향으로 회전하는 한쌍의 롤, 상기 롤 측면을 밀봉하여 용강풀을 형성하는 에지댐 및 상기 용강풀 상부를 밀봉하고, 불활성 가스를 공급하는 매니스커스 쉴드를 포함하는 쌍롤식 박판 주조 장치를 이용하여 마르텐사이트계 스테인리스 강판의 제조방법에 있어서,

상기 매니스커스 쉴드 내의 압력이 200~450mmAq인 것을 특징으로 하는 마르텐사이트계 스테인리스 강판의 제조방법을 제공한다.

본 발명은 마르텐사이트계 스테인리스 강을 제조함에 있어서 용강으로부터 직접 열연코일을 제조하는 쌍롤식 박판 주조(strip casting) 공정을 적용하는 것을 특징으로 하며, 특히 중, 고탄소 마르텐사이트계 스테인리스강 주조시 발생하기 쉬운 에지크랙을 억제할 수 있는 주조조건을 설정함으로써 주조안정성을 꾀하고, 에지크랙을 저감하여 실수율을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.

도 1은 통상의 쌍롤식 박판 주조 공정의 단면을 나타낸 모식도임.
도 2의 (a) 및 (b)는 각각 발명예와 비교예 2의 에지 단면조직을 관찰한 사진임.
도 3의 (a) 및 (b)는 각각 발명예와 비교예 2의 에지 크랙을 관찰한 사진임.
도 4는 본 발명의 실시예의 크랙 크기를 관찰한 결과를 나타낸 그래프임.

이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명은 서로 반대 방향으로 회전하는 한쌍의 롤, 상기 롤 측면을 밀봉하여 용강풀을 형성하는 에지댐 및 상기 용강풀 상부를 밀봉하고, 불활성 가스를 공급하는 매니스커스 쉴드를 포함하는 쌍롤식 박판 주조 장치를 이용하여 마르텐사이트계 스테인리스 강판을 제조하는 방법에 있어서, 상기 매니스커스 쉴드 내의 압력이 200~450mmAq이 되도록 제어한다.

도 1은 알려진 쌍롤식 박판 주조 장치 일예의 단면을 모식화한 것이다. 도 1로부터, 쌍롤식 박판 주조 장치를 이용하여 마르텐사이트 스테인리스 강판을 제조하는 방법을 간략히 설명하면 다음과 같다.

용강을 래들(1)에 수용시키고, 노즐을 따라 턴디쉬(2)로 유입되며, 턴디쉬(2)로 유입된 용강은 주조롤(6) 양 끝단부에 설치된 에지댐(5)의 사이, 즉, 주조롤(6)의 사이로 용강 주입노즐(3)을 통해 공급되어 응고가 개시된다. 이때 롤 사이의 용탕부에는 산화를 방지하기 위해 매니스커스 쉴드(4)로 용탕면을 보호하고 적절한 가스를 주입하여 분위기를 적절히 조절하게 된다. 양 롤이 만나는 롤 닙(7)을 빠져나오면서 박판(8)이 제조되어 인발되면서 압연기(9)를 거쳐 압연이 된 후 냉각공정을 거쳐 권취 설비(10) 에서 권취된다.

주조시 에지크랙을 유발시키는 인자는 에지 스컬, 대형 에지핀 발생 및 에지 형상 불량이 발생하는 경우이다. 에지 스컬은 주조시 탕면이나 에지댐 하부에 발생된 지금이 혼입되어 주편(strip) 에지부에 과응고되어 나타나며, 이때 주조롤 보호를 위해 롤갭이 벌어지면서 폭방향으로 두꺼운 주편이 형성되며, 국부적으로 스컬이 혼입된 부위를 제외하고는 응고가 지연되어 밝게 보이면서 고온의 라인이 형성되어 크랙이 쉽게 발생하거나, 그 라인을 따라 판파단이 발생하게 된다. 대형 에지핀은 에지댐과 주조롤 사이의 용강실링 불량한 경우 발생할 가능성이 높고, 이러한 경우에 에지 크랙 발생 가능성이 높아진다.

이와 같이, 쌍롤식 박판 주조기술을 이용하여 마르텐사이트계 스테인리스 강판을 제조함에 있어서, 주조시 에지 품질을 확보하기 위해서는 에지 형상을 균일하게 유지하고, 에지 스컬이나 에지핀의 발생을 억제하여야 한다.

이를 위해서는 주조롤과 에지댐 사이의 매니스커스 쉴드 내 압력이 안정적으로 유지되어야 하는 것이 매우 중요하다.

상기 매니스커스 쉴드 내 압력을 안정적으로 유지하여야만 박판으로 제조된 마르텐사이트계 스테인리스 강판은 압연 후 에지크랙이 적어 판파단이 방지되며, 실수율을 높일 수 있다.

이를 위해서, 상기 매니스커스 쉴드 내 압력이 200~450mmAq이 되는 것이 바람직하다. 상기 압력이 450mmAq를 초과하여 높은 압력이 되면, 에지댐과 주조롤 사이의 용강 실링이 불안정해져서 에지핀이나 스컬이 심하게 발생하여 대형 크랙이 발생할 우려가 있다. 반면, 200mmAq 미만에서는 매니스커스 쉴드 내에서 고온의 용강이 재산화가 발생하는 것을 억제하는 불활성 분위기 유지가 어렵기 때문에, 매니스커스 쉴드 내 불활성 분위기를 유지하기 위해서는 200mmAq 이상으로 압력을 유지하는 것이 바람직하다.

한편, 보다 바람직하게는, 쌍롤식 박판 제조과정에서 위어(Weir)의 상승 및 하강시에 압력변동량이 100mmAq 이하인 것이 바람직하다. 상기 위어(Weir)는 쌍롤식 박판 제조과정에서 용강 중 재산화물인 스컴을 배출하기 위한 것으로, 용강 탕면 위에 형성되 스컴이 주편 내에 혼입되는 것을 막는 역할을 한다. 상기 위어의 상승 및 하강시에는 매니스커스 쉴드내의 압력이 변동되나, 그 변동량이 100mmAq 이하가 되어야만 에지댐에 미치는 압력의 영향이 최소화되어 양호한 에지 품질을 확보할 수 있다.

상기와 같이, 매니스커스 쉴드내의 압력을 유지하고, 위어의 상승 및 하강시에 압력변동량을 제어하는 방법은 제한이 없다.

바람직한 일예로는, 용강공급노즐(3)의 양측에 위치하고 있으며, 매니스커스 쉴드(4)에 형성되어 있는 벤트 홀(Vent Hole)에 압력조절장치를 설치하여 압력센서에 의해 매니스커스 쉴드의 압력을 감지하고 압력 조절 장치에 압력 관리 범위를 설정함으로서, 자동으로 매니스커스 쉴드내의 압력을 200~450mmAq로 유지되도록 하고, 또한 위어(Weir)의 상승, 하강 압력 변동량을 100mmAq이하로 조절하는 것이 가능한다.

본 발명에서 상기 마르텐사이트계 스테인리스강의 조성을 한정하는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적으로 인식된 마르텐사이트계 스테인리스강이면 본 발명의 적용이 가능하다.

상기 마르텐사이트계 스테인리스강의 조성에 대한 바람직한 예로는 중량%로, C: 0.03~0.1%, Si: 0.5%이하, Mn: 0.5%이하, P: 0.025% 이하, Cr: 10~15%, N: 0.12%이하, Cu: 0.1%이하, Al: 0.01%이하, Ni: 0.3%이하, 나머지는 Fe와 불가피한 불순물을 포함하며, 추가적으로 Mo: 1.0%이하 및 W: 1.5% 중 1종 이상을 포함할 수 있다.

이하, 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 하기 실시예는 본 발명의 이해를 위한 것일 뿐, 본 발명을 한정하는 것은 아니다.

(실시예)

도 1에 예시된 쌍롤식 박판 주조 공정을 이용하여 주조폭 1300mm, 주조두께 2.86mm로 주조하고, 주조된 직후, 고온에서 열간압연되어 약 2mm 두께의 코일로 마르텐사이트계 스테인리스 강판을 제조하였다. 상기 강판은 C: 0.065중량%, Cr: 13.2중량% 및 나머지 불가피한 성분과 Fe로 이루어진 마르텐사이트계 스테인리스 강판이었다.

주조 과정에서 매니스커스 쉴드 내의 압력과 위어의 상승 및 하강시의 압력변동량을 하기 표 1과 같이 변화시킨 후, 에지크랙의 크기를 관찰하여 그 결과를 표 1 및 도 4에 나타내었다.

조건	매니스커스 쉴드 내 압력(mmAq)	위어 상승 및 하강시 압력변동량(mmAq)	평균 에지크랙 크기(mm)	구분
A	100	50	25	비교예1
B	450	50	32	발명예1
C	500	100	105	비교예2

상기 표 1 및 도 4에서 비교예 2(조건 C)는 과도한 매니스커스 쉴드 내 압력으로 인해, 에지댐과 주조롤 사이에 용강 밀폐성이 저하되어 에지 크랙이 크게 과도하게 형성된 것을 알 수 있다. 반면, 비교예 1(조건 A)은 에지크랙이 작아지나, 매니스커스 쉴드내의 압력이 너무 낮아, 매니스커스 쉴드 내의 용강 재산화가 발생하지 않도록 불활성 분위기 유지에 어려움이 있기 때문에 비교예로 분류하였다.

한편, 발명예(조건 B)에서는 매니스커스 쉴드내 적정 압력을 유지할 수 있으면서, 에지크랙의 크기를 매우 작게 만들 수 있는 것을 확인할 수 있다.

한편, 도 2의 (a) 및 (b)는 각각 발명예와 비교예 2의 에지 단면조직을 관찰한 사진이고, 도 3의 (a) 및 (b)는 각각 발명예와 비교예 2의 에지 크랙을 관찰한 사진이다. 도 2 및 3에 나타난 바와 같이, 발명예는 비교예 2에 비해 크랙의 수가 적을 뿐만 아니라, 크랙의 크기가 매우 작은 것을 확인할 수 있다.

1.....래들 2.....턴디쉬
3.....주입노즐 4.....매니스커스 쉴드
5.....에지댐 6.....주조롤
7.....롤닙 8.....주편
9.....압연기 10.....코일권취설비

Claims (4)

1. 서로 반대 방향으로 회전하는 한쌍의 롤, 상기 롤 측면을 밀봉하여 용강풀을 형성하는 에지댐 및 상기 용강풀 상부를 밀봉하고, 불활성 가스를 공급하는 매니스커스 쉴드를 포함하는 쌍롤식 박판 주조 장치를 이용하여 마르텐사이트계 스테인리스 강판을 제조하는 방법에 있어서,
   상기 매니스커스 쉴드 내의 압력이 200~450mmAq인 것을 특징으로 하는 마르텐사이트계 스테인리스 강판의 제조방법.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 쌍롤식 박판 주조 장치는 용강 상에 형성된 스컴의 유입을 억제하는 위어를 포함하고,
   상기 위어의 상승 및 하강시에 상기 매니스커스 쉴드 내의 압력변동량이 100mmAq 이하인 것을 특징으로 하는 마르텐사이트계 스테인리스 강판의 제조방법.
   
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 스테인리스 강판의 조성은 중량%로, C: 0.03~0.1%, Si: 0.5%이하, Mn: 0.5%이하, P: 0.025% 이하, Cr: 10~15%, N: 0.12%이하, Cu: 0.1%이하, Al: 0.01%이하, Ni: 0.3%이하, 나머지는 Fe와 불가피한 불순물을 포함하는 마르텐사이트계 스테인리스 강판의 제조방법.
   
4. 청구항 3에 있어서,
   상기 조성은 Mo: 1.0%이하 및 W: 1.5% 중 1종 이상을 더 포함하는 마르텐사이트계 스테인리스 강판의 제조방법.

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