KR101536296B1 - 고청정 스테인리스 스트립 주조 방법 - Google Patents

Abstract

고청정 스테인리스 스트립 주조 방법이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 고청정 스테인리스 스트립 주조 방법은 전기로에서 용해시킨 용탕을 정련로에 장입하고, 상기 정련로에 산소를 공급하여 용강 중의 탄소를 제거하는 단계, 상기 정련로 슬래그의 염기도를 2.0 내지 4.0의 범위 내에서 조절하여 상기 용강 내의 슬래그를 제거하는 단계, 상기 슬래그가 제거된 용강을 정련하는 단계, 및 상기 용강을 주조하는 단계를 포함한다.

Description

고청정 스테인리스 스트립 주조 방법{METHOD FOR CASTING HIGH-PURITY STAINLESS STRIP}

본 발명은 고청정 스테인리스 스트립 주조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 슬래그의 현탁 및 용존 산소 저감을 위하여 정련로 슬래그의 염기도를 상향시키되, 염기도 상향으로 인해 발생할 수 있는 고융점 고상 개재물 석출과 같은 문제를 스트립 주조의 급속응고를 통하여 회피함으로써, 고청정 스테인리스 스트립을 제조 가능한 고청정 스테인리스 스트립 주조 방법에 관한 것이다.

스테인리스 강의 생산공정은 일반적으로 전기로 - 정련로(AOD) - 레들 정련 혹은 진공정련(VOD) - 주조로 이루어져 있다.

먼저, 전기로에서 용해시킨 스테인리스 용탕을 정련로에 장입하고, 상취랜스(upward blowing lance)와 저취 투이어(bottom tuyere)를 이용하여 산소를 공급함으로써, 용강 중 탄소를 원하는 수준까지 제거한다.

정련로 공정에서 발생한 유가금속 산화물은 탈산제를 투입하여 환원 및 회수하는데 산소 포텐셜이 충분히 낮기 때문에, 슬래그 조건을 적절히 제어하여 용강 중 황을 슬래그로 흡수하여 제거한다. 그리고, 슬래그가 제거된 용강은 강종 및 목표성분에 따라 레들(ladle) 정련 혹은 진공정련(VOD)을 거치게 되는데, 레들 정련에서는 성분 및 온도 조정, 톱 슬래그를 이용한 개재물 분리 등이 이루어진다.

용강 중 탄소농도를 더욱 감소시켜야 하는 경우에는 감압 하에서 산소를 취입하는 진공정련을 실시한다. CO 분압이 낮은 조건에서 탈탄(脫炭)이 촉진되기 때문에 더욱 낮은 탄소농도를 얻을 수 있다.

한편, 정련공정으로 목표성분을 만족하는 용강은 주조공정을 통하여 일정한 형태로 생산된다.

현행 가장 일반적인 주조공정은 턴디쉬 내의 용강을 몰드 내에 연속적으로 주입하면서 응고된 제품을 만드는 연속주조 공정이며, 생산성이 우수한 특징 때문에 널리 이용되고 있다.

몰드 형태에 따라 다르지만 일반적으로 연속주조에 생산되는 제품의 두께는 200mm 내외의 슬래브(slab) 형태이며, 열간압연 및 냉간압연 공정을 거쳐 다양한 용도로 사용되는 두께 1mm 이하의 강판(strip)이 된다.

이러한 압연공정을 대폭 생략할 수 있는 주조기술로 최근 주목받고 있는 기술이 스트립 주조로, 최초로 제창된 것은 약 100여년 전이지만 실질적인 기술로 구현하고자 하는 노력은 1980년대에 시작되어 유럽과 미주지역 등의 제철소에서 양산에 활용하고 있다.

용강을 회전하는 2개의 롤 사이에 통과시키며, 약 3mm 내외의 스트립을 직접 생산하는 주조방식으로 20mm → 수mm의 압연과정을 생략할 수 있는 장점이 있어, 미니밀 등 소형 제철소에 적합하며 그 외에도 열간 압연이 곤란한 난압연 강종의 주조에도 활용 가능한 점이 유망하다고 할 수 있다.

도 1은 종래기술에 따른 스트립 주조 공정을 나타낸 것이다.

도 1에 도시된 종래기술에 따른 스트립 주조 공정에 의해 주조된 제품은, 연속주조 후 열간 압연, 냉간 압연을 통해 생산되는 제품에 비해, 응고 후 압하정도가 매우 작기 때문에, 용강 중 비금속 개재물의 연신 정도가 상이하다.

이에, 스트립 주조재 중 개재물이 연속주조재 중 개재물에 비해서 고찰이 충분하게 이루어졌다고 보기 어려우며, 특히, 연신정도가 작고 개재물의 종횡비(aspect ratio, 개재물의 장축과 단축의 비)가 1에 가까운 스트립 주조재의 개재물이 유효 면적율이 크고, 제품의 물성에 악영향을 미칠 가능성이 더 크게 작용하는 문제점이 있다.

본 발명의 일 실시예는, 정련로 슬래그를 적절하게 제어함으로써, 연속주조 방법에서의 압연공정을 대폭 생략할 수 있는 스트립 주조 방법을 사용하면서도, 고청청도 스트립을 제조 가능한 고청정 스테인리스 스트립 주조 방법을 제공하고자 한다.

상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 전기로에서 스테인리스 강의 원료를 용해시킨 용탕을 정련로에 장입하고, 상기 정련로에 산소를 공급하여 용강 중의 탄소를 제거하는 단계, 상기 정련로 슬래그의 염기도를 2.0 내지 4.0의 범위 내에서 조절하여 상기 용강 내의 슬래그를 제거하는 단계, 상기 슬래그가 제거된 용강을 정련하는 단계, 및 상기 정련된 용강을 직접 스트립으로 주조하는 단계를 포함하는, 고청정 스테인리스 스트립 주조 방법이 제공된다.

이 때, 상기 스테인리스 강은 0.3%C-13%Cr 마르텐사이트계 스테인리스 강 일 수 있다.

또한, 상기 슬래그의 염기도는 염기성 산화물인 CaO와 산성 산화물인 SiO₂의 질량비 일 수 있다.

또한, 상기 정련은 레들 정련이며, 상기 용강 중 탄소농도를 더욱 감소시켜야 하는 경우에는 감압 하에서 산소를 취입하는 진공정련을 실시하는 단계를 더 포함할 수 있다.

상술한 본 발명의 과제 해결 수단의 일부 실시예 중 하나에 의한 고청정 스테인리스 스트립 주조 방법에 따르면, 정련로 슬래그를 적절하게 제어함으로써, 연속주조 방법에서의 압연공정을 대폭 생략할 수 있는 스트립 주조 방법을 사용하면서도, 고청정 스테인리스 스트립을 제조 가능한 효과가 있다.

도 1은 종래기술에 따른 스트립 주조 공정을 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 고청정 스테인리스 스트립 주조 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 3은 정련로 슬래그의 염기도와 출강 후 용강 중 산소농도와의 관계를 나타내는 도면이다.
도 4는 개재물 성분의 염기도와 개재물 내 스피넬(spinel) 정출온도와의 관계를 나타내는 도면이다.
도 5는 개재물의 염기도와 스트립 단면의 단위면적당 개재물의 개수와의 관계를 나타내는 도면이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 여러 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.

또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.

또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

이하에서는, 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 고청정 스테인리스 스트립 주조 방법에 대하여 상세히 설명하도록 한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 고청정 스테인리스 스트립 주조 방법을 나타낸 흐름도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 고청정 스테인리스 스트립 주조 방법은 전기로에서 스테인리스 강의 원료를 용해시킨 용탕을 정련로에 장입하고, 상기 정련로에 산소를 공급하여 용강 중의 탄소를 제거하는 단계(S10), 상기 정련로 슬래그의 염기도를 2.0 내지 4.0의 범위 내에서 조절하여 상기 용강 내의 슬래그를 제거하는 단계(S20), 상기 슬래그를 제거한 용강을 정련하는 단계(S30), 및 상기 정련된 용강을 직접 스트립으로 주조하는 단계(S40)를 포함한다.

먼저, S10에서는, 전기로에서 용해시킨 스테인리스 용탕을 정련로에 장입하고, 상취랜스(upward blowing lance)와 저취 투이어(bottom tuyere)를 이용하여 상기 정련로에 산소를 공급함으로써, 용강 중 탄소를 원하는 수준까지 제거한다.

그리고, S10에서 산소를 공급함에 따라 발생된 유가금속 산화물은 탈산제를 투입하여 환원 및 회수하는데, 산소 포텐셜이 충분히 낮기 때문에 슬래그 조건을 적절히 제어하여 용강 중 슬래그를 제거하여야 한다(S20).

보다 상세하게, 스테인리스의 청정도는 많은 이론적, 공정적인 변수에 의해 결정되지만 최종 제품에 존재하는 대부분의 비금속 개재물은 정련로 슬래그와 함께 출강되는 용강의 정련로 출강과정에서 유래된다.

정련로 출강 시, 강력한 유동과 함께 많은 슬래그 입자가 용강 중에 혼입되며, 일정한 크기 이하의 미세한 슬래그 입자는 부상 분리되지 못하고, 용강 중에 현탁된 채로 존재하게 된다.

상기 현탁된 입자는 이후 공정에서 용존 산소 등 용강성분, 슬래그 성분과 반응하여 성장하면서 최종 제품 중의 개재물로 변화하게 된다.

즉, 개재물의 발생원인을 감소시키기 위해서는 슬래그 입자의 용강 중 현탁을 억제하여야 한다. 상기 현탁을 억제하기 위하여 용강과 슬래그 분리하여 출강하는 것을 고려할 수 있으나, 흡질 등의 부작용 때문에 실제 적용은 곤란할 수 있다.

또한, 용강 중에 현탁되어 잔류하는 슬래그의 양에는 용강 온도, 낙하높이 등 다양한 인자들이 영향을 미치고 있는데, 그 중 많은 조건들이 조업, 설비적 제약이나 부작용 때문에 큰 범위로 변동될 수 없다.

이러한 이유로 비금속 개재물의 성분, 형태 및 성질은 정련로 슬래그의 성질에 의해 그 대부분이 좌우된다고 판단할 수 있다.

예를 들면, 정련로 슬래그의 성분에 따라 용강 중의 용존 산소 수준이나 고상 개재물의 생성조건이 변화하게 되며, 이에 따라 최종 제품 중 개재물의 성분이 결정되게 된다.

이 때, 정련로 슬래그의 조건을 나타내는 지표로서, 가장 널리 사용되는 것이 염기도(basicity)이다.

용융 슬래그 내에서 산화물은 이온 상태로 존재하며, 산소이온과 분리되려고 하는 경향(양이온으로 존재하는 경향) 혹은 결합되려고 하는 경향(음이온으로 존재하는 경향)에 따라 염기성 및 산성 산화물로 구분된다.

슬래그의 염기도는 이 염기성 산화물과 산성 산화물의 비율로써 구해지는데, 정련공정에서는 대표적인 염기성 산화물과 산성 산화물인 CaO와 SiO₂의 질량비를 사용한다.

한편, 슬래그의 점성도는 제강공정 중에 파악하고 제어해야 하는 중요한 파라미터로서, 용융 슬래그의 미세구조와 밀접한 관계를 가지고 있기 때문에 염기도에 따라 변화하게 된다.

예를 들면, 슬래그의 점성도가 현행 대비 높아진다면 슬래그의 현탁량은 감소할 것으로 예상할 수 있다.

도 3은 정련로 슬래그의 염기도와 출강 후 용강 중 산소농도와의 관계를 나타내는 도면이다. 도 4는 개재물 성분의 염기도와 개재물 내 스피넬(spinel) 정출온도와의 관계를 나타내는 도면이다.

먼저, 도 3을 참조하면, 정련로 슬래그의 염기도가 증가하고, 이에 따라 고상 분율이 증가하면, 슬래그의 점성도가 증가하여, 출강 후 후술되는 레들(ladle) 정련 초기, 용강 내의 산소농도가 감소하는 것을 알 수 있다.

슬래그의 점성은 염기도가 낮을수록 증가하므로, 상기 염기도에 의해 슬래그의 현탁량은 감소될 수 있으나, 저 염기도 슬래그 조건하에서는 용존 산소가 증가함에 따라, 정련로에서 실시하는 탈황이 적절하게 이루질 수 없는 문제점이 있다.

그러나, 염기도를 증가시키면, 슬래그의 점성은 낮아지지만 고융점의 화합물(2CaO·SiO₂)이 석출되면서, 슬래그 전체의 점성을 크게 증가시켜 슬래그의 현탁을 효과적으로 억제할 수 있을 것이다.

또한, 고염기도의 슬래그는 용존 산소를 감소시키는 효과가 있을 뿐만 아니라, 슬래그의 황산염 제거 효과가 크기 때문에 탈황효율의 효과적인 촉진도 기대할 수 있다.

그러나, 개재물 성분의 염기도가 일정 수준 이상으로 증가되면, 도 4에 도시된 바와 같이, 압연 과정에서 심각한 결함을 유발하는 액상 개재물 내의 고융점 고상 개재물(스피넬, MgO·Al₂O₃)의 정출확률이 급격히 증대되는 문제점이 있어 염기도 제어를 통한 슬래그 현탁 억제가 용이하지 않다.

그러나, 응고과정에서 액상 개재물 내의 고상 개재물의 정출이 억제된다면, 고염기도 조업을 통하여 용강 중의 정련로 슬래그 현탁을 효과적으로 제어할 수 있을 것이다.

이에 따라, 본 발명에서는 고염기도 슬래그를 사용하였을 때 스피넬이 용이하게 정출하는 문제점을 해결하기 위하여, 급속응고가 가능한 스트립 주조에 착안했다.

완전 용융상태(T>T액상선)에서 완전 응고상태(T>T고상선)까지의 소요시간이 1초 이내인 스트립 주조에서는, 액상 개재물도 급격한 온도변화를 겪게되고, 스피넬의 정출온도인 약 1400±50℃(염기도 2.0 이상)의 온도영역을 매우 짧은 순간에 지나게 된다.

즉, 액상 개재물의 급속응고로 인해, 용질의 이동이 제한되어 고상이 석출하기에 불충분하다.

이 때, 본 발명의 일 실시예에 따른 고청정 스테인리스 스트립 주조 방법에서는 적정한 염기도의 범위를 2.0~4.0의 범위 내로 조절하도록 한다.

보다 상세하게, 정련로 슬래그의 염기도 증가에 따른 슬래그 현탁 저감 효과를 얻기 위해서는, 앞서 언급된 바와 같이, 정련로 슬래그의 염기도를 2.0 이상으로 조절하여야 한다.

통상, 정련로에 발생하는 SiO₂의 양이 약 30kg/steel.ton에 해당하는데, 슬래그의 총 발생량이 일정 수준 이상으로 증가하면 환원시간 및 배재시간 증가 등 조업성이 악화될 우려가 있으므로, 슬래그의 총 발생량을 약 150kg/steel.ton 이하로 관리하여야 한다. 이를 위해, 정련로 슬래그의 염기도는 4.0 이하로 조절되어야 한다.

이에 따라, 정련로 슬래그의 염기도를 증가시켜 조업성을 유지하면서도, 슬래그의 현탁 저감 및 용존산소 저감을 통한 청정도 개선을 이루기 위해서는 정련로 슬래그의 염기도를 2.0~4.0의 범위로 조절할 필요가 있다.

한편, 다시 도 2를 참조하면, 슬래그가 제거된 용강은 강종 및 목표성분에 따라 레들(ladle) 정련 혹은 진공정련(VOD)을 거치게 된다(S30).

이 때, 레들 정련에서는 성분 및 온도 조정, 톱 슬래그를 이용한 개재물 분리 등이 이루어진다.

그리고, 용강 중 탄소농도를 더욱 감소시켜야 하는 경우에는 감압 하에서 산소를 취입하는 진공정련을 실시한다. CO 분압이 낮은 조건에서 탈탄(脫炭)이 촉진되기 때문에 더욱 낮은 탄소농도를 얻을 수 있다.

그리고, 정련공정으로 목표성분을 만족하는 용강은 주조공정을 통하여 일정한 형태의 스트립으로 생산된다(S40).

이하에서는, 바람직한 실시예를 통하여 본 발명의 일 실시예에 따른 고청정 스테인리스 스트립 주조 방법에 대하여 설명하도록 한다.

0.3%C-13%Cr 마르텐사이트계 스테인리스 강을 대상으로 정련로 슬래그의 염기도 상향 시험을 실시하였다. 비교예와 실시예의 조건을 [표 1]에 나타내었다.

출강온도 등 다른 조건을 동등하게 유지하면서 정련로 슬래그의 염기도를 통상 1.8 대비 2.3으로 상향하였다.

	정련로 슬래그의 계산 염기도	출강온도(℃)
비교예	1.8	1744
실시예 1	2.3	1758
실시예 2	2.3	1735

도 5는 개재물의 염기도와 스트립 단면의 단위면적당 개재물의 개수와의 관계를 나타내는 도면이다.

도 5는 주조 후 스트립의 폭 방향으로 5개소에서 얻어진 시편의 단면을 광학현미경과 화상분석 소프트웨어를 이용한 청정도 평가 장치를 이용하여 분석한 결과를 나타낸 것이다.

도 5를 참조하면, 정련로 슬래그의 염기도 변화에 따라 개재물 염기도가 변화하였으며, 스트립의 청정도는 비교예 대비 실시예의 경우가 개선되었음을 확인할 수 있다.

따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 본 발명의 일 실시예에 따른 고청정 스테인리스 스트립 주조 방법에 따르면, 정련로 슬래그를 적절하게 제어함으로써, 연속주조 방법에서의 압연공정을 대폭 생략할 수 있는 스트립 주조 방법을 사용하면서도, 고청청도 스트립을 제조 가능한 효과가 있다.

이상 첨부된 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 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 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변경된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

1: 용강 2: 주조롤
3: 가이드롤 4: 압연롤
5: 코일

Claims (4)

1. 전기로에서 스테인리스 강의 원료를 용해시킨 용탕을 정련로에 장입하고, 상기 정련로에 산소를 공급하여 용강 중의 탄소를 제거하는 단계;
   상기 정련로 슬래그의 염기도를 2.0 내지 4.0의 범위 내에서 조절하여 상기 용강 내의 슬래그를 제거하는 단계;
   상기 슬래그가 제거된 용강을 정련하는 단계; 및
   상기 정련된 용강을 직접 스트립으로 주조하는 단계
   를 포함하고,
   상기 정련된 용강을 직접 스트립으로 주조하는 단계;는,
   상기 용강의 용융상태(T>T액상선)에서 응고상태(T>T고상선)까지의 소요시간이 0초과 및 1초 이하가 되도록 수행하는 것인,
   고청정 스테인리스 스트립 주조 방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 스테인리스 강은 0.3%C-13%Cr 마르텐사이트계 스테인리스 강인, 고청정 스테인리스 스트립 주조 방법.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 슬래그의 염기도는 염기성 산화물인 CaO와 산성 산화물인 SiO₂의 질량비인, 고청정 스테인리스 스트립 주조 방법.
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 정련은 레들 정련이며,
   상기 용강 중 탄소농도를 더욱 감소시켜야 하는 경우에는 감압 하에서 산소를 취입하는 진공정련을 실시하는 단계를 더 포함하는, 고청정 스테인리스 스트립 주조 방법.
   

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