KR101485915B1 - 용탕 처리 방법 및 이를 이용하여 제조된 강판 - Google Patents

Abstract

본 발명은 용탕 처리 방법 및 이를 이용하여 제조된 강판에 관한 것으로서, 용탕을 처리하는 방법으로서, 용기에 용탕을 마련하는 과정과; 상기 용탕의 성분을 측정하는 과정과; 상기 용탕을 환류시키는 과정과; 상기 용탕에 Ti를 제외한 합금철을 투입하는 과정과; 상기 합금철이 투입된 용탕의 성분을 측정하는 과정과; 상기 용탕 내에 투입될 Ti 합금철의 투입량을 산출하는 과정과; 상기 Ti 합금철의 투입량을 산출하는 과정에서 산출된 양의 Ti 합금철을 투입하는 과정;을 포함하여, 압연판에 발생하는 결함을 억제 혹은 방지할 수 있다.

Description

용탕 처리 방법 및 이를 이용하여 제조된 강판{Treatment method for molten metal and metal sheet by manufacturing using the same}

본 발명은 용탕 처리 방법 및 이를 이용하여 제조된 강판에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 압연판에 발생하는 결함을 억제 혹은 방지할 수 있는 용탕 처리 방법 및 이를 이용하여 제조된 강판에 관한 것이다.

자동차의 몸체 등에 이용되는 강판의 경우, 기본적으로 높은 성형성을 요구한다. 이러한 요구를 충족하기 위하여 종래에는 인장강도가 200~300MPa로 낮지만 성형성이 우수한 극저 탄소강이 자동차 강판으로 많이 사용되어 왔다. 그러나, 최근 들어 대기오염과 같은 환경문제가 부각되면서 자동차의 연비를 높이기 위한 많은 방법이 제기되고 있다. 특히, 자동차의 경량화가 연비 향상을 위하여 중요시되면서, 자동차 강판은 높은 성형성뿐만 아니라 높은 강도를 가질 것이 요구되고 있다.

또한, 자동차용 범퍼 보강재 또는 도어 내의 충격 흡수재와 같은 자동차 부품은 승객 안전과 직접적으로 관계되는 부품이므로, 인장강도가 통상적으로 780MPa 이상인 초고강도이면서도 동시에 높은 연신율을 갖는 강판이 사용될 필요가 있는 등 고강도 강의 상업화 필요성이 크게 증가하고 있다.

이러한 자동차용 고강도 강으로는, 예컨대, 이상조직(DP; Dual Phase)강, 변태유기소성(TRIP; TRansformation Induced Plasticity)강, 쌍정유기소성(TWIP ; TWin Induced Plasticity)강 등이 있다.

먼저, 이상조직강은 강을 열간 압연 후, 상온으로 냉각하는 과정에서 냉각 종료 온도를 마르텐사이트 변태 개시 온도(Ms)보다 낮게 하여, 오스테나이트의 일부를 마르텐사이트로 변태시켜, 상온에서 오스테나이트로부터 변태된 마르텐사이트와 페라이트의 이상조직을 갖게 한 것이다. 이러한, 이상조직강(DP강)은 마르텐사이트와 페라이트 분율을 조절하여 다양한 기계적 성질을 얻을 수 있다.

변태유기소성강(TRIP 강)은 조직 일부를 잔류 오스테나이트로 형성시킨 후, 부품성형 중 오스테나이트에서 마르텐사이트로의 상변태를 이용하여 강의 가공성을 향상시킨 것이다. 이러한, TRIP 강은 마르텐사이트 변태에 의한 큰 가공 경화로 인해 높은 강도를 가는 장점이 있지만, 연신율이 너무 낮다는 단점이 있다.

즉, DP 강 및 TRIP 강의 경우 가공경화기구는 주로 경한 상인 마르텐사이트를 이용한 것인데, 이러한 마르텐사이트는 소성변형 중 높은 가공경화 증가율을 보여 고강도의 열연 강판을 제조할 수 있으나, 연성은 극히 낮으므로 30% 이상의 연신율을 확보하기 어렵다는 단점이 있다.

한편, 쌍정유기소성강(TWIP 강)은 망간을 다량 함유하여 상온에서 안정한 오스테나이트 단상을 가지고, 부품 가공 중 그 오스테나이트 조직 내에 기계적 쌍정을 형성함으로써 가공 경화를 증가시킨 것이다. 즉, TWIP 강은 기지조직이 페라이트가 아닌 오스테나이트이고 소성변형 중 오스테나이트 결정립 내에 기계적 쌍정을 꾸준히 발생시켜 전위의 이동을 방해함으로써 가공경화를 추가로 얻어 우수한 연신율을 갖게 한 것이다. 또한, TWIP 강은 높은 가공경화를 일으키는 기계적 쌍정이 형성되므로 높은 연신율뿐만 아니라 높은 인장강도도 얻을 수 있다. 특히, TWIP 강은 연신율이 종래의 DP강이나 TRIP강 보다도 더 높은 50% 이상으로서 자동차용 강판 등으로 사용하기에 우수한 특성을 갖는다.

TWIP강은 강도를 향상시키고, 고액 구간을 유지하기 위하여 C 함량을 1.5% 이하로 하고, Mn의 함량은 미세 조직에서 오스테나이트를 안정화시키기 위하여 15.0~35.0%로 하며, 가공중 오스테나이트를 안정화시키고 쌍정변태를 유발할 목적으로 Al을 0.1~6.0% 첨가하는 조성을 갖는 고망간강을 의미한다.

이러한 TWIP강을 기존 공정인 연속 주조 공정으로 제조할 경우에는, 주조시 균열의 발생이 많아 연속주조가 어려우며, 특히 인라인 열간 압연시 강의 성분 중에 Mn 및 Al이 많음으로 인하여 산화 스케일(scale)의 생성이 불균일하고, 선택산화가 발생하고 산화층이 완전히 제거되지 못하여 표면에 묻어서 딱지흠이 심하게 발생한다. 이에 TWIP 강은 열간 압연하였을 때 도 1에 도시된 것처럼 압연판이나 코일의 폭방향 모서리가 터져 톱날처럼 생긴 톱귀와 같은 결함이 다량 발생하여 결함 발생 부위를 사이드 트리밍(side trimming)하여 제거해야 한다. 그런데 이와 같이 결함을 제거하는 경우 생산성 저하 및 품질 문제가 야기될 수 있다. 또한, 톱귀 발생의 원인으로 작용하는 몰드 플럭스 및 스트랜드 냉각 속도 등을 조절할 수 있지만, 이 경우 전체적인 주편의 품질이 저하되는 문제점이 있다.

KR 1140931B KR 2012-70739A

본 발명은 압연판(강판)의 결함을 억제할 수 있는 용탕 처리 방법 및 이를 이용하여 제조된 강판을 제공한다.

본 발명은 제품의 품질 및 생산성을 향상시킬 수 있는 용탕 처리 방법 및 이를 이용하여 제조된 강판을 제공한다.

본 발명의 실시 예에 따른 용탕 처리 방법은, 용탕을 처리하는 방법으로서, 용기에 망간(Mn) 함량이 15 내지 35중량%로 조절된 용탕을 마련하는 과정과; 상기 용탕의 성분을 측정하는 과정과; 상기 용탕을 환류시키는 과정과; 상기 용탕에 Ti를 제외한 C, N, Al, B 및 Si 중 적어도 어느 하나를 포함하는 합금철을 투입하는 과정과; 상기 합금철이 투입된 용탕의 성분을 측정하는 과정과; 상기 용탕 내에 투입될 Ti 합금철의 투입량을 산출하는 과정과; 상기 Ti 합금철의 투입량을 산출하는 과정에서 산출된 양의 Ti 합금철을 투입하는 과정;을 포함하고, 상기 Ti 합금철의 투입량을 산출하는 과정은 하기의 수학식 1에 의해 상기 용탕 중 Ti 함량의 목표 범위를 산출하는 과정; 및 상기 용탕의 성분 설계에 따라 하기 수학식 2에 의해 상기 Ti 합금철의 투입량을 산출하는 과정;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
[수학식 1]

(여기에서 C, N, Al 및 Ti는 각각 중량%를 의미한다.)
[수학식 2]

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상기 환류시키는 과정은 상기 용기 내부에 진공을 형성하고, 아르곤(Ar) 가스를 환류가스로 이용하여 수행될 수 있다.

상기 합금철이 투입된 용탕의 성분을 측정하는 과정에서 상기 용탕 중에 함유되는 C, N 및 Al 성분의 함량을 측정할 수 있다.

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상기 용탕은 쌍정유기소성(TWIP ; TWin Induced Plasticity) 용강일 수 있다.

또한, 이와 같은 용탕 처리 방법으로 제조되는 강판을 특징으로 한다.

본 발명의 실시 예에 따른 용탕 처리 방법 및 이를 이용하여 제조된 강판은, TWIP 강의 생산 시 압연 공정으로 압연판에 발생하는 톱귀 등의 결함 발생을 억제 혹은 방지할 수 있다. 용선이나 용강 등과 같은 용탕 중에 Ti 성분을 적절하게 조절하여 소강 성분을 제어함으로써 최종 제품(압연제)의 물성 변화 없이 제품의 품질 및 생산성을 향상시킬 수 있다. 또한, 적정량의 합금철 투입으로 원가절감의 효과를 기대할 있다.

도 1은 결함이 발생한 TWIP강의 압연판 및 코일의 사진.
도 2는 결함 원인 분석을 위한 고온 압축 모사 시험편의 미세조직 사진 및 결함 부위에 분포하는 미세 석출물의 에너지 분산 분광분석(Energy Dispersive X-ray Spectrocopy, EDS) 결과.
도 3은 강중 Ti(CN) 크기에 따른 압연 에지(edge) 크랙 발생 정도를 보여주는 그래프.
도 4는 TWIP강에서 Ti 투입량에 따른 강중 Ti(CN)의 평형 석출량과 석출개시 온도를 보여주는 그래프.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 용탕 처리 과정을 보여주는 순서도.
도 6은 본 발명의 실시 예에 의해 제조된 코일의 사진.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.

TWIP 강의 열연 강판의 에지(edge) 결함의 원인을 제거하기 위해 연주 주편 장변 코너부 표면 및 내부 품질을 향상시키는 방법이 있으나, 이를 위해서는 몰드 플러스 및 스트랜드(strand) 냉각을 적정화시켜야 하지만, 전체적인 주편 품질 저하가 발생할 수 있는 단점이 있다. 또한, 가열온도 및 압하율 등의 열간 압연 조건을 변경하는 것이 톱귀 발생의 직접적인 원인을 제거할 수 있는 방법이 될 수 있으나, 가열 온도 및 압하율을 변경할 경우 최종 압연재의 물성(강도, 연성)을 변화시키는 한계가 있다. 따라서 본 발명의 실시 예에서는 상기와 같은 문제점을 일으키지 않으면서도 열간 압연시 톱귀 발생 등의 결함 발생을 억제 혹은 방지함으로써 열연 품질 및 생산성을 향상시킬 수 있는 방법을 제시하고자 한다.

도 2는 결함 원인 분석을 위한 고온 압축 모사 시험편의 미세조직 사진 및 결함 부위에 분포하는 미세 석출물의 에너지 분산 분광분석(Energy Dispersive X-ray Spectrocopy, EDS) 결과이고, 도 3은 강중 Ti(CN) 크기에 따른 압연 에지(edge) 크랙 발생 정도를 보여주는 그래프이고, 도 4는 TWIP강에서 Ti 투입량에 따른 강중 Ti(CN)의 평형 석출량과 석출개시 온도를 보여주는 그래프이다.

TWIP강의 톱귀 결함 발생 근본 원인을 분석하기 위하여 압연 공정을 모사한 고온 압축 시험을 실시한 결과, 열연 톱귀 발생의 직접적인 원인은 0.1㎛ 미만의 미세한 석출물 (TiCN)이 결정립계를 따라 존재하기 때문인 것으로 추정된다.

이에 TWIP강 열연 강판의 에지 결함 원인을 분석하기 위하여 TWIP강 주편을 이용하여 압연공정을 모사한 고온 압축 시험(1200℃까지 가열 후 1분 유지한 다음, 1000℃까지 냉각한 후 70% 압축 변형 가하는 시험) 후 압축된 시편의 단면의 미세조직(도 2의 (a))과 미세 석출상의 에너지 분산 분광분석(Energy Dispersive X-ray Spectroscopy, EDS)(도 2의 (b))을 실시하였다. 도 2의 (a)를 살펴보면, 압축 변형된 조직의 결정립계에 변형에 의한 보이드(void)가 생성되었으며, 이 보이드 부근에 0.1㎛ 미만의 미세한 석출상이 존재하였고, 이 석출상의 종류를 알아보기 위하여 EDS 분석을 실시한 결과 도 2의 (b)에 나타난 바와 같이 Ti(C,N)석출물임을 알 수 있었다. 이와 같이 미세한 Ti(C,N)은 1400℃ 이상에서 주로 생성되기 때문에 압연 모사 시험에서 생성되었다기 보다는 주편에서 이미 생성되어　있었던 것으로 판단된다.　

연주 공정에서 생산된 주편에서 석출된 미세한 Ti(C,N)은 주로 오스테나이트 입계를 따라 분포하며, 압연 시 에지 크랙과 같은 결함을 유발하는 것으로 판단된다. 이러한 압연 에지 크랙을 저감하기 위해서는 Ti(C, N) 석출물을 조대한 크기로 밀집되게 생성시키지 않은 것이 하나의 방법이 될 수 있다.

Ti(C, N) 석출물은 강중에서 열연 가열로 온도보다 높은 온도인 1400℃ 이상에서 생성되기 때문에 제강-연주 과정에서 생성되는 것이 압연조직까지 영향을 미친다.

그러므로 압연 시 열연 강판의 에지에서 결함 발생을 최소화시키기 위해서는 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 연주 공정 중에 고상(오스테나이트)과 액상이 공존하는 온도 구간에서 Ti(C, N)을 최대로 석출(도 3의 ①)시키고, 냉각 시 0.5㎛~1㎛ 크기를 가지는 비교적 조대한 Ti(CN)이 주편에 고르게 분포(도 4의 ①)되도록 하는 것이 효과적이다.

그러나 Ti 투입량이 너무 적어서 고상에서 석출되게 되면 미세한 석출물이 생성되고(도 3의 ② 및 도 4의 ②), Ti 첨가량이 너무 많아서 액상에서 정출되게 되면 몰드에서 몰드 플럭스와 반응하여 기포성 결함을 야기(도 3의 ③ 및 도 4의 ③))의 시키는 단점이 있다.

따라서 본 발명에서는 탈가스 조업에서 Ti 합금철을 제외한 모든 합금철, 예컨대 C, N 및 Al을 목표성분에 맞도록 투입하고, 이들 합금철의 양에 대해 Ti 합금철의 투입량을 결정한다.

여기서 강 중에 함유되는 C, N 및 Al의 기능에 대해서 알아보면 다음과 같다.

[C (탄소)]

일반적으로 강중의 탄소는 강의 강도를 향상시키는데 가장 효과적이고 중요한 원소로서, 오스테나이트에 고용하여 ?칭 열처리시 마르텐사이트 조직을 형성한다. Fe, Cr, Mo, Nb, V 등과 같은 원소와 결합하여 강중에서 미세하게 석출됨으로써 강도 및 경도를 향상시킨다.

　

　[N (질소)]

일반적으로 질소는 극히 미량 존재로도 강의 기계적 성질에 큰 영향을 미치는 데 인장강도, 항복강도를 증가시키고 연신률을 저하시킨다. 질소와 친화력이 큰 Al, Ti, Zr, B, V 등의 원소와 결합하여 질화물을 형성하므로 강의 여러 성질에 영향을 미친다. 특히 N이 Al과 결합하여 AlN과 같은 질화물을 강중에 미세하게 석출되어 있으면 오스테나이트 결정립이 미세하게 되어 강도가 큰 세립강의 제조를 할수 있게 되지만, 다량의 AlN이 강중에 오스테나이트 입계에 존재하게 되면 고온 인성, 연성, 고온 크립(creep) 특성을 저하시킨다.

[Al (알루미늄)]

강에서 Al의 역할은 강탄산제로서 유용하게 쓰이나, 0.1% 이상으로 첨가량이 많을 경우 강중 N와 결합하여 AlN과 같은 미세 석출물을 형성시킴으로써 강의 여러 성질에 영향을 미치게 된다. 하지만 강중에서 Al을 고용원소상태로 존재시키게 되면 강도와 연신율을 증가시킬 수 있으며, 크랙 감수성을 감소시키는 역할을 한다.

이를 위하여 TWIP강에서 Ti(C,N) 석출에 영향을 줄 수 있는 C, N, Al의 량을 고려하여 적정 크기의 Ti(C, N)이 강 중에 생성되도록 하기의 수학식 1과 같은 적정 Ti 범위(목표 범위)를 도출하였다.

이와 같이 Ti 함량의 목표 범위가 정해지면, 하기의 수학식 2에 의해 Ti 투입량을 산출할 수 있다.

여기에서 목표성분은 수학식 1에 의해 산출된 용강 중 함유될 Ti의 함량을 의미한다. 그리고 Ti 투입량은 탈가스 조업에서 실시간으로 측정되는 C, N 및 Al의 함량에 따라 결정되는 것이 아니라, 용강의 성분 설계에 따라 이미 결정된 Ti함량을 맞추기 위한 방법이다.

도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 용탕 처리 과정을 보여주는 순서도이고, 도 6은 본 발명의 실시 예에 의해 제조된 코일의 사진이다.

먼저, 용기에 용강을 마련(S100)한다. 용강은 전로에서 출강되어 망간(Mn) 함량이15 내지 35 중량%으로 조절된 TWIP 용강일 수 있다. 용기는 용강에 함유된 가스와 불순물을 제거하여 용강 제품의 균일화 및 품질개선에 이용되는 탈가스 설비(RH(Ruhrstal Heraeus) 설비)로 이송된다. 탈가스 설비는 하부에 환류관이 구비되는 베셀을 포함하며, 진공을 이용하여 용기 내의 용강을 환류시켜 용강 중의 불순물이나 가스를 제거한다.

다음, 용기 내에 수용된 용강을 채취하여 용강의 성분을 측정(S102)한다.

이후, 베셀 내부의 진공도를 5torr 미만으로 설정한 후 용강을 환류(S104)시킨다. 이때, 아르곤(Ar) 가스를 환류가스로 사용할 수 있다.

그리고 전 단계에서 측정된 용강의 성분에 따라 용강 내에 합금철을 투입(S106)한다. 이때, 합금철은 Ti를 제외한 합금철이 투입될 수 있으며, C, N, Al, B 및 Si를 포함할 수 있다. 예컨대 C성분 함량의 목표 범위는 1.5중량% 이하, N 성분은 0.008중량% 이하가 되도록 투입될 수 있다. 93%품위의 가탄제(C 성분, 실수율 97%), 76%품위의 Fe-Si(실수율 88%), 95% 품위의 Al 펠렛(실수율 94%), 19% 품위의 Fe-B(실수율 85%)를　상기 수학식2에 의거하여 용강에 투입할 수 있다. 이때, 합금철의 투입에 의해 용강은 C 성분이 1.5 중량% 이하, Si 성분이 0.6 중량% 이하, Mn 성분이 15 내지 35중량%, Al 성분이 0.1 ~ 6중량%, B 성분이 0.0005 내지 0.05중량%를 갖는 TWIP 용강이 만들어진다.

다음, 환류 중인 TWIP 용강을 채취하여 성분을 측정(S108)한다. 이때, TWIP 용강 중 C, N 및 Al 성분의 함량을 측정한다.

그 다음, 측정된 C, N 및 Al 성분의 함량을 상기 수학식 1에 대입하여 TWIP 용강 중에 함유될 Ti 성분의 함량(중량%)의 목표 범위를 산출(S110)한다. Ti 성분의 목표 범위가 산출되면 용강의 성분 설계, 예컨대 99% 품위의 Ti-스폰지(sponge)(실수율 88%)　또는 71%품위의　Fe-Ti(실수율 90%)를 수학식 2에 대입하여 합금철의 투입량을 산출(S112)하고, 산출된 양의 Ti 합금철을 투입(S114)한다.

모든 합금철이 투입되면 5 내지 10분 정도 용강을 더 환류시켜 탈가스 처리함으로써 성분을 균일하게 하고,　최종적으로 용강 온도를 측정하여 주조 온도에 맞추기 위해 OB(Oxygen Blowing)을 통해 용강의 온도를 높이거나 냉각(S116)시킨다.

이렇게 탈가스 공정에서 목표 성분이 잘 맞추어진 TWIP강의 용강을 이용하여 연속주조를 실시하고, 열간압연을 실시하여 강판을 제조한다. 제조된 강판, 예컨대 열연 코일을 살펴본 결과, 도 6에 나타난 바와 같이 현저하게 열연 코일의 에지(edge) 터짐이 현저하게 줄어듦을 확인하였다.

본 발명을 첨부 도면과 전술된 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였으나, 본 발명은 그에 한정되지 않으며, 후술되는 특허청구범위에 의해 한정된다. 따라서, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 후술되는 특허청구범위의 기술적 사상에서 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 변형 및 수정할 수 있다.

Claims (10)

1. 용탕을 처리하는 방법으로서,
   용기에 망간(Mn) 함량이 15 내지 35중량%로 조절된 용탕을 마련하는 과정과;
   상기 용탕의 성분을 측정하는 과정과;
   상기 용탕을 환류시키는 과정과;
   상기 용탕에 Ti를 제외한 C, N, Al, B 및 Si 중 적어도 어느 하나를 포함하는 합금철을 투입하는 과정과;
   상기 합금철이 투입된 용탕의 성분을 측정하는 과정과;
   상기 용탕 내에 투입될 Ti 합금철의 투입량을 산출하는 과정과;
   상기 Ti 합금철의 투입량을 산출하는 과정에서 산출된 양의 Ti 합금철을 투입하는 과정;
   을 포함하고,
   상기 Ti 합금철의 투입량을 산출하는 과정은
   하기의 수학식 1에 의해 상기 용탕 중 Ti 함량의 목표 범위를 산출하는 과정; 및
   상기 용탕의 성분 설계에 따라 하기 수학식 2에 의해 상기 Ti 합금철의 투입량을 산출하는 과정;
   을 포함하는 용탕 처리 방법.
   [수학식 1]
   

   

   
   (여기에서 C, N, Al 및 Ti는 각각 중량%를 의미한다.)
   [수학식 2]
   

   
2. 삭제
3. 삭제
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 환류시키는 과정은
   상기 용기 내부에 진공을 형성하고, 아르곤(Ar) 가스를 환류가스로 이용하여 수행되는 용탕 처리 방법.
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 합금철이 투입된 용탕의 성분을 측정하는 과정에서 상기 용탕 중에 함유되는 C, N 및 Al 성분의 함량을 측정하는 용탕 처리 방법.
6. 삭제
7. 삭제
8. 삭제
9. 청구항 1, 청구항 4 및 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 용탕은 쌍정유기소성(TWIP ; TWin Induced Plasticity) 용강인 용탕 처리방법.
10. 청구항 9에 의한 용탕 처리 방법으로 제조되는 강판.

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