KR101403118B1 - 쌍롤식 박판주조기를 이용한 고질소 듀플렉스 스테인레스 박강판의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 쌍롤식 박판주조기를 이용한 고질소 듀플렉스 스테인레스 박강판의 제조방법에 관한 것으로서, 본 발명의 일 실시형태는 회전하는 한 쌍의 박판주조롤; 상기 박판주조롤과 함께 용강이 수용되는 공간인 섬프를 형성하는 한 쌍의 에지댐; 및 상기 박판주조롤을 향해 용강을 토출하는 용강 토출구를 통하여 용강을 공급하는 침지노즐을 포함하는 박판주조기를 이용한 박강판의 제조방법으로서, 상기 용강 토출구를 통하여 공급되는 용강의 토출속도는 40cm/s이하인 고질소 듀플렉스 스테인레스 박강판의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따르면, 토출되는 고온의 용강의 영향을 감소시킴으로써 표면결함 발생을 현저히 억제시킬 수 있는 쌍롤식 박판주조기를 이용한 고질소 듀플렉스 스테인레스 박강판의 제조방법을 제공할 수 있다.

Description

쌍롤식 박판주조기를 이용한 고질소 듀플렉스 스테인레스 박강판의 제조방법{METHOD FOR MANUFACTURING A DUPLEX STAINLESS THIN STEEL SHEET CONTAINING HIGH NITROGEN BY USING STRIP CASTER WITH TWIN ROLL}

본 발명은 쌍롤식 박판주조기를 이용한 고질소 듀플렉스 스테인레스 박강판의 제조방법에 관한 것이다.

스테인레스 강재의 내식성을 보다 높이기 위해 예를 들면 질소를 1800ppm 이상(질소의 용해도를 고려했을 때 최대 3000ppm까지 포함)으로 다량 함유한 스테인레스 강재가 많이 개발되고 있으며, 그 대표적인 예로서는 듀플렉스 스테인레스 강을 들 수 있다.

듀플렉스 스테인레스 강이라 함은 오스테나이트와 페라이트 상이 혼합된 조직을 가지는 스테인레스 강을 의미한다. 이러한 듀플렉스 스테인레스 강은 일반 스테인레스 강보다도 높은 강도와 내식성을 가지고 있을 뿐만 아니라, 염소이온, 바닷물에 강한 성질을 가진다. 따라서, 듀플렉스 스테인레스 강은 고강도, 고내식성이 요구되는 분야에 많이 사용되며, 화력발전소, FGD(Flue Gas Desulfurizer) 덕트, 원자력 발전소 해수냉각 파이프, 조선용 화학 탱크, 해수용/화학용 설비 등에 주로 사용되며, 그 용도는 점차 증가되는 추세이다.

상기 듀플렉스 스테인레스 강은 연속주조방식으로 슬라브를 제조하고, 얻어진 슬라브를 열간압연하여 원하는 두께로 제조하는 것이 일반적인 방식이었다. 그러나, 이러한 종래의 방식으로 슬라브를 제조하고 압연할 경우에는 압연중에 박강판의 에지 및 표면에서 크랙이 심하게 발생한다는 문제가 있었다. 경우에 따라서는, 크랙 부위를 절단하여도 쓸 수 없을 정도로 상기 크랙의 발생정도는 심각하며, 따라서 크랙발생이 저감된 듀플렉스 스테인레스 강의 제조방법의 제공이 절실하였다.

듀플렉스 스테인레스 강에서 크랙이 발생하는 이유는, 강중에 오스테나이트 상과 페라이트 상이 공존하기 때문이다. 오스테나이트 상은 고온에서 페라이트 상에 비하여 그 경도가 높으며, 따라서 응력이 작용할 때 두 상의 변형량이 달라지게 된다. 이러할 경우, 오스테나이트 상과 페라이트 상의 계면에서 응력이 집중되어 크랙이 발생하게 되는 것이다.

이를 위해서 고온에서의 패스당 압하율을 제한하고, 크랙에 영향을 미치는 S 등의 불순성분의 함량을 엄격히 제한하는 등의 기술들이 제안되었다. 그러나, 고온에서의 패스당 압하율을 제한하는 것은 생산성에 문제가 있을 뿐 아니라 규격확보에도 어려움을 초래할 수 있으며, 불순성분의 함량을 제한할 경우에는 조업부담을 증가시킨다는 문제가 있을 수 있었다.

도 1에 도시한 박판 주조법은 이를 해소하는데 효과적인 방법이다. 즉, 박판주조법은 하나 또는 한 쌍의 롤을 회전시키면서 회전되는 틈사이로 용강을 공급하여 박판을 주조하는 방식으로서, 이미 최종 두께에 가까운 두께의 박판을 주조법에 의해 제조하므로 고온 변형량을 증가시켜야 한다는 부담이 없다. 그러나, 이러한 방법에 의하더라도 강판에 발생되는 크랙을 완전히 방지할 수는 없다는 문제가 있었다.

본 발명은 박판주조법에 의해 듀플렉스 스테인레스 강을 제조할 때 디프레션 등의 표면결함 발생을 감소시킬 수 있는 쌍롤식 박판주조기를 이용한 고질소 듀플렉스 스테인레스 박강판의 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 일 실시형태는 회전하는 한 쌍의 박판주조롤; 상기 박판주조롤과 함께 용강이 수용되는 공간인 섬프를 형성하는 한 쌍의 에지댐; 및 상기 박판주조롤을 향해 용강을 토출하는 용강 토출구를 통하여 용강을 공급하는 침지노즐을 포함하는 박판주조기를 이용한 박강판의 제조방법으로서, 상기 용강 토출구를 통하여 공급되는 용강의 토출속도는 40cm/s이하인 고질소 듀플렉스 스테인레스 박강판의 제조방법을 제공한다.

본 발명에 따르면, 토출되는 고온의 용강의 영향을 감소시킴으로써 표면결함 발생을 현저히 억제시킬 수 있는 쌍롤식 박판주조기를 이용한 고질소 듀플렉스 스테인레스 박강판의 제조방법을 제공할 수 있다.

도 1은 박강판 제조법을 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 2는 도 1에 개시된 A 부분을 확대한 단면도이다.
도 3은 본 발명 실시예에 따른 비교예 1의 박강판 표면을 관찰한 사진이다.
도 4는 본 발명 실시예에 따른 발명예 1의 박강판 표면을 관찰한 사진이다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다. 쌍롤식 박판주조법은 롤이 두개 사용되며, 용강이 롤과 롤사이의 공간으로 공급되어 두 롤의 회전에 의해 주조가 이루어진다. 상기 주조를 통해 박주편을 제조하게 되고, 상기 박주편을 열간압연함으로써 박강판을 제조하게 된다. 본 발명에서는 고질소를 함유하는 듀플렉스 스테인레스 강을 주된 대상 강종으로 한다. 듀플레스 스테인레스 강이라 함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 이미 널리 알려진 강재로서 듀플렉스 스테인레스 강과 그렇지 않은 강재의 구별은 명확하게 이루어질 수 있다. 다만, 본 발명에서 대상으로 하는 듀플렉스 스테인레스 강의 한가지 예를 든다면 하기 표 1과 같은 조성을 포함할 수 있다.

합금성분	C	Si	Mn	P	S	Cr	Ni	Mo	N
함량(wt%)	0.02~0.1	0.5~2.0	1~5	0.03이하	0.02이하	19~23	0.5~6.5	0~3.5	0.1~0.3

본 발명의 발명자들은 박판주조에 의해 고질소를 함유하는 듀플렉스 스테인레스 강을 제조할 때 강판 표면에 디프레션(depression) 등의 결함이 발생하는 문제점을 해결하기 위하여 연구하던 결과, 박판주조시에 표면결함이 발생되는 큰 원인 중 하나가 공급되는 용강의 토출속도에 의한 영향이라는 사실을 발견하고 본 발명에 이르게 되었다.

도 1은 박강판 제조법을 개략적으로 나타낸 모식도이다. 도 1에서 확인할 수 있듯이, 레이들(1)에 수강되어 있는 정련과정을 거친 용강은 턴디시(2)와 침지노즐(SEN, Submerged Entry Nozzle)(3)을 통하여 섬프(4)로 공급된다. 상기 섬프(4)로 공급된 용강은 서로 반대방향으로 회전하는 박판주조롤의 중심 방향으로 열량을 빼앗기면서 롤 표면에서 응고쉘을 형성하게 되고, 이 응고쉘은 주조롤(5) 사이를 지나면서 박강판으로 주조된다.

섬프(4)라 함은 두개의 주조롤(5)과 에지댐(6)으로 둘러싸인 공간으로서 용강이 수용되는 공간을 의미한다. 그런데, 섬프(4) 구역의 용강이 대기에 노출될 경우에는 용강이 산화되게 되며, 그로 인하여 생성된 산화물이 제품 품질에 크게 영향을 미치므로 용강의 탕면을 분위기 가스로 덮고 외부 공기를 차단하기 위해 상기 섬프(4)의 상부에는 메니스커스 쉴드(7)가 위치한다. 이 메니스커스 쉴드(7)에는 분위기 가스를 공급하기 위한 가스 공급 노즐(8)이 구비되어 분위기 가스를 공급하여 용강의 탕면 윗부분이 불활성 분위기로 유지되도록 한다. 또한, 침지노즐(3)로부터 토출되는 용강의 운동량은 상당히 커서 탕면 요동을 야기시킬 수 있기 때문에 용강 유동 제어를 목적으로 상기 메니스커스 쉴드(7)에 위어(9)가 설치되어 있다. 주조 중 탕면 위의 분위기를 최대한 불활성 분위기로 유지하는 것이 중요하나, 불활성 가스로 완전하게 실링하는 것은 공정상 어려움이 따르며, 이에 따라 탕면에서 부분적으로 산화물이 생성될 소지가 있다. 상기 위어(9)는 이렇게 생성된 산화물이 응고쉘로 도달하지 못하도록 하는 일종의 장애물 역할도 수행한다.

한편, 상기 침지노즐(3)은 용강을 공급하기 위한 용강토출구를 포함한다. 이 용강토출구에서 토출되는 용강은 통상적으로 주조롤(5)을 향하게 된다. 이 때, 상기 용강토출구로부터 토출되는 용강은 섬프 내에 수용되는 용강에 비하여 비교적 고온 상태인데, 상기 용강이 토출되는 속도가 일정 수준 이상일 경우 최종적으로 얻어지는 박강판에 표면결함을 유발하게 된다. 보다 상세하게는, 토출되는 용강의 영향을 직접적으로 받지 않는 응고쉘은 주조롤 표면에서 정상적으로 응고 및 수축이 일어나지만, 고온의 토출 용강의 영향을 받는 응고쉘 부위는 상대적으로 응고 지연이 발생하면서 정상적으로 응고되는 부분보다 응고 속도가 늦게 되고 이로 인해 응고 수축이 지연되게 된다. 이러한 이유로 고온 토출 용강의 영향을 받는 부위에서 디프레션과 같은 표면결함이 발생한다. 이와 같이 박강판의 표면에 표면결함이 발생하는 경우에는 박강판이 제품성을 전혀 갖지 못하며, 결과적으로 실수율의 악화를 초래하게 된다.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여, 박판주조기를 이용하여 박강판을 제조함에 있어 상기 용강 토출구를 통하여 공급되는 용강의 토출속도를 40cm/s이하로 제어하는 것을 주된 특징으로 한다. 상기와 같이, 용강을 낮은 속도로 토출시킴으로써, 용강토출구로부터 토출되는 고온의 용강이 박강판에 미치는 영향을 감소킬 수 있고, 이를 통해 박강판에 디프레션 결함이 발생하는 것을 방지할 수 있다. 만일 용강의 토출속도가 40cm/s를 초과할 경우에는 고온의 용강의 영향으로 인하여 박강판의 표면에 결함이 발생할 수 있다.

한편, 상기 토출속도는 제품의 생산성과 관련하여 하기 식 1과 같은 관계가 성립한다.

[식 1]

V = (R/60 × G × W) / A

(V : 용강 토출속도(m/s), R : 주조롤 회전속도(m/min), G : 스트립 두께(m), W : 스트립 폭(m), A : 용강토출구 총 면적(㎡))

상기 식 1에서 알 수 있듯이, 제품의 일정한 생산성을 고려하였 때, 용강의 토출속도를 제어하기 위해서는 용강토출구 면적을 제어하는 방법밖에 없다. 즉, 토출속도를 낮게 제어하기 위해서는 용강토출구의 총 면적을 늘려야 하고, 이를 통해 고온의 용강에 의한 영향을 저감시킬 수 있다.

상기 토출속도의 제어외에도 박강판의 표면에 결함이 발생하는 것을 억제하기 위하여, 용강토출구와 주조롤 사이의 간격을 제어하는 것이 바람직하며, 이 때, 상기 용강 토출구와 상기 박판주조롤의 평균간격이 90mm이상의 범위를 갖도록 하는 것이 바람직하다. 상기 용강 토출구와 상기 박판주조롤의 평균간격이 90mm미만인 경우에는 토출되는 고온의 용강이 박강판에 미치는 영향이 커 박강판에 표면 결함을 유발할 수 있고, 또한 탕면 요동에 의한 주조 불안정성을 초래할 수 있다. 한편, 상기 평균간격은 크면 클수록 토출되는 용강의 영향을 감소시킬 수 있어 바람직하므로, 상기 평균간격의 상한에 대해서는 특별히 한정하지 않는다. 다만, 본 발명에 적용되는 박판주조기 장치의 한계로 인하여 상기 평균간격은 140mm를 초과하기 어렵다. 도 2는 도 1에 개시된 A 부분을 확대한 단면도이다. 도 2에 개시된 바와 같이, 상기 평균간격(D)은 수평방향을 기준으로 하였을 때, 용강토출구(9)와 박판주조롤(5) 표면간의 거리를 의미한다.

한편, 본 발명의 대상 강종인 듀플렉스 스테인레스 강은 통상의 304 스테인레스 강(약 18중량%의 Cr과 8중량%의 Ni를 포함함, 오스테나이트 스테인레스 강으로 분류됨)에 비하여 Creq(Cr 당량, 성분원소들의 함량을 대등한 역할을 하는 Cr의 함량으로 환산한 것)은 높이되 Nieq(Ni 당량)은 낮춘 조성을 가지는 것을 특징으로 한다. 이러한 조성상의 특징으로 인하여, 듀플렉스 스테인레스 강의 응고 및 냉각은 L( 액상) → L+δ(델타 페라이트) → δ → δ+γ의 상변태 과정을 겪게 된다. 뿐만 아니라, 듀플렉스 스테인레스 강은 내식성을 향상시키기 위해 PREN(=Cr+3.3Mo+16N)이라는 변수를 가능한 한 높게 관리하고 있다. 그 결과, 통상의 오스테나이트계 스테인레스 강에 비하여 강중에 질소함량이 매우 높게 될 수 있으며, 경우에 따라서는 1800ppm을 상회할 수도 있다. 그러나, 이와 같이 많은 양의 질소를 함유하는 듀플렉스 스테인레스 강을 제조하는 경우에는 강종의 특성상 질소의 흡질능이 상당히 낮으므로, 용강이 응고될 때 분위기 가스인 질소가 응고쉘과 주조롤 사이에까지 침투하여 가스층을 형성하게 된다(도 2의 11 참조). 이와 같이, 응고쉘과 주조롤 사이에 분위기 가스의 층이 형성되면 응고쉘이 롤표면과 밀착되지 않고 들뜨거나 불균일하게 응고되는 현상이 나타나게 된다. 이 경우 박강판 표면에 덴트(dent), 디프레션(depression), 크랙(crack) 등의 결함을 유발할 수 있다.

이러한 문제를 해결하기 위해서는 응고쉘이 형성되는 동안 분위기 가스가 탕면 위로 빨리 배출되도록 해야하며, 이를 위해 주조롤 표면에 가스 배출 통로를 확보하는 것이 바람직하다.

본 발명에서는 가스를 배출하기 위하여 박판주조롤의 표면에 주조방향으로 미세 홈을 형성시키는 것이 바람직하다. 상기 미세 홈은 일단 형성된 가스층이 용강의 정압에 의해 롤과 용강의 접촉 계면 밖으로 용이하게 배출될 수 있도록 하는 배출통로 역할을 한다. 상기 미세 홈은 충분한 가스 배출효과를 얻기 위해서, 50~400㎛의 평균 폭과 50~300㎛의 평균 깊이를 가지고, 미세 홈 간의 평균 간격은 100~700㎛의 범위를 갖는 것이 바람직하다. 이와 같은 형태의 미세 홈은 공지된 여러가지의 방식에 의해 제조될 수 있으며, 본 발명에서 특별히 제한하지는 않는다. 다만, 한가지 예를 든다면 높은 에너지를 가지는 레이저를 표면에 조사한 후 화학적인 에칭에 의하여 홈을 형성시키는 레이저, 에칭 가공법을 들 수 있다. 한편, 상기 인접하는 미세 홈 사이의 간격에 대해서는 여러가지 정의가 있을 수 있으나, 본 발명에서는 인접하는 홈 간의 중심과 중심 사이의 거리를 의미한다. 미세 홈간의 간격이 너무 넓을 경우에는 가스의 배출효과가 충분하지 않을 수 있다. 반대로, 미세 홈간의 간격이 너무 좁을 경우에는 용강의 정압 및 열전달에 필요한 접촉면적이 너무 작아져서 제품의 표면에 흠이 발생할 우려가 있다.

이하, 실시예를 통해 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 다만, 하기 실시예는 본 발명을 보다 상세히 설명하기 위한 예시일 뿐, 본 발명의 권리범위를 한정하지 않는다.

(실시예)

하기 표 2에 기재한 조성의 듀플렉스 스테인레스 용강을 제조한 후 박강판 주조에 이용하였다. 상기 주조시 하기 표 3의 조건과 같이 토출속도와 용강토출구와 주조롤의 평균간격(D)을 달리하여 박강판을 제조하였다. 이 때, 주조속도는 40m/min였으며, 주조롤의 직경은 1250mm, 주조롤의 폭은 1300mm였다. 이에 따라 제조된 박강판은 두께가 3.1mm였으며, 폭은 1300mm였다.

합금성분	C	Si	Mn	P	S	Cr	Ni	Mo	N
함량(wt%)	0.03	0.8	2.0	0.03	0.003	22	3	0.7	0.2

구분	토출속도(cm/s)	평균간격(mm)
비교예 1	54.5	90
비교예 2	42.0	90
발명예 1	31.8	90
비교예 3	54.5	108
비교예 4	42.0	108
발명예 2	31.8	108

비교예 1 및 3의 박강판 표면을 관찰한 결과, 빠른 용강 토출속도에 의해 박강판 표면에서 디프레션과 같은 표면 결함이 다수 관찰되었다. 비교예 2 및 4의 경우에는 비교예 1 및 3에 비해 비교적 느린 토출속도로 인하여 표면 결함이 상당히 감소하였다. 그러나, 40cm/s 이상의 토출속도로 인해 표면 결함이 일정 부분 관찰되었다. 이와 달리, 본 발명이 제안하는 토출속도 범위를 만족하는 발명예 1 및 2의 경우에는 표면 결함이 거의 관찰되지 않았다.

도 3은 비교예 1의 박강판 표면을 관찰한 사진이며, 도 4는 발명예 1의 박강판 표면을 관찰한 사진이다. 도 3에 나타난 바와 같이, 용강 토출속도가 상당히 빠른 경우에는 표면 결함이 발생함을 알 수 있는데 반하여, 도 4에 나타난 바와 같이, 본 발명의 토출속도 범위를 만족하는 경우에는 표면 결함이 관찰되지 않는 것을 알 수 있다.

1: 레이들
2: 턴디시
3: 침지노즐
4: 섬프
5: 주조롤
6: 에지댐
7: 메니스커스 실드
8 : 가스 공급 노즐
9 : 위어
10 : 용강토출구
11 : 가스층

Claims (3)

1. 회전하는 한 쌍의 박판주조롤; 상기 박판주조롤과 함께 용강이 수용되는 공간인 섬프를 형성하는 한 쌍의 에지댐; 및 상기 박판주조롤을 향해 용강을 토출하는 용강 토출구를 통하여 용강을 공급하는 침지노즐을 포함하는 박판주조기를 이용한 박강판의 제조방법으로서,
   상기 용강 토출구를 통하여 공급되는 용강의 토출속도는 40cm/s이하이고 상기 용강 토출구와 상기 박판주조롤은 수평방향으로 90mm이상의 평균간격을 갖는 고질소 듀플렉스 스테인레스 박강판의 제조방법.
   
2. 삭제
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 박판주조롤은 표면에 미세 홈을 포함하고,
   상기 미세 홈은 50~400㎛의 평균 폭과 50~300㎛의 평균 깊이를 가지고,
   상기 미세 홈 간의 평균 간격은 100~700㎛인 고질소 듀플렉스 스테인레스 박강판의 제조방법.

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