KR101719515B1 - 주조방법 - Google Patents

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KR101719515B1
KR101719515B1 KR1020150105102A KR20150105102A KR101719515B1 KR 101719515 B1 KR101719515 B1 KR 101719515B1 KR 1020150105102 A KR1020150105102 A KR 1020150105102A KR 20150105102 A KR20150105102 A KR 20150105102A KR 101719515 B1 KR101719515 B1 KR 101719515B1
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주식회사 포스코
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    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/14—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing titanium or zirconium

Abstract

본 발명은 용융물을 마련하는 과정과, 몰드에 상기 용융물을 공급하여 주편으로 인발하는 과정과, 냉각대에 상기 주편을 통과시키며 냉각시키는 과정과, 상기 냉각대의 전체 구간에서 상기 주편의 표면 온도를 측정하는 과정과, 기준 온도와 상기 표면 온도를 대비하여 상기 표면 온도가 기준 온도를 초과하는 초과 구간을 판단하는 과정과, 기준 냉각속도 이하로 상기 초과 구간의 냉각속도를 조절하는 과정을 포함하는 주조방법으로서, 주조 중인 주편의 표면 온도에 대응하여, 주편의 표면 온도가 설정된 온도 이상인 구간에서, 주조 중인 주편의 냉각속도를 조절하여, 주조가 완료된 주편의 표면 품질을 향상시킬 수 있는 주조방법이 제시된다.

Description

주조방법{Method for casting}
본 발명은 주조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 주편을 주조하는 동안 주편의 냉각속도를 조절하여 주조가 완료된 주편의 표면 품질을 향상시킬 수 있는 주조방법에 관한 것이다.
연속주조공정은 제강공정으로부터 정련된 용강을 공급받아 이를 다양한 형상의 주편으로 인발하여 슬래브(slab), 블룸(bloom), 빌릿(billet) 등의 여러 반제품을 주조하는 공정이다.
이러한 연속주조공정에 적용되는 연속주조설비는 정련된 용강이 담기는 레이들, 레이들로부터 정련된 용강을 공급받아 임시 저장하는 턴디쉬, 턴디쉬로부터 정련된 용강을 공급받아 주편의 형상으로 응고시키는 몰드 및 몰드로부터 연속하여 인발되는 주편을 냉각시키며 일련의 성형 작업을 수행하는 냉각대를 포함한다.
한편, 주편이 냉각대를 통과하며 응고 및 냉각되는 과정에서, 오스테나이트 입계에 생성되는 미세한 석출물 또는 페라이트 필름에 응력이 집중되어, 주편 표면에 균열이 발생하는 경우가 있다. 특히, 최종 제품에서의 기계적 특성을 확보하기 위하여 용강의 정련 시에 탄소(C), 망간(Mn), 니오븀(Nb), 티타늄(Ti) 등을 첨가하는 경우, 주편 표면에 균열이 더 쉽게 발생하게 된다.
주편의 표면에 발생된 균열은 최종 제품에서 표면 문제를 발생시키기 때문에 후공정인 압연공정 이전에 스카핑 처리 또는 그라인딩 처리하여 제거하며, 스카핑 처리 또는 그라인딩 처리로도 주편 표면의 균열이 제거되지 않는 경우에는 주편을 스크랩 처리하여, 최종 제품의 표면 품질을 양호하게 유지한다.
하지만, 주편의 표면을 스카핑 처리 또는 그라인딩 처리하거나, 주편을 스크랩 처리하는 경우 전체 공정에 필요 이상의 부하를 주는 문제점이 있으며, 따라서, 종래와는 다른 방식으로 최종 제품의 표면 품질을 양호하게 유지하는 방안이 요구되고 있다.
KR 10-2011-0092101 A KR 10-2001-0011611 A
본 발명은 주조 중인 주편의 표면 온도에 대응하여 주편의 냉각속도를 조절할 수 있는 주조방법을 제공한다.
본 발명은 주편의 냉각수량 및 주조속도 중 적어도 하나를 조절하여 주조 중인 주편의 냉각속도를 조절할 수 있는 주조방법을 제공한다.
본 발명은 주조 중인 주편의 냉각속도를 조절하여 주편 표면의 균열 민감도를 저감시킬 수 있는 주조방법을 제공한다.
본 발명의 실시 형태에 따른 주조방법은, 용융물을 마련하는 과정과, 몰드에 상기 용융물을 공급하여 주편으로 인발하는 과정과, 냉각대에 상기 주편을 통과시키며 냉각시키는 과정과, 상기 냉각대의 전체 구간에서 상기 주편의 표면 온도를 측정하는 과정과, 기준 온도와 상기 표면 온도를 대비하여 상기 표면 온도가 상기 기준 온도를 초과하는 초과 구간을 판단하는 과정과, 상기 초과 구간의 냉각속도를 조절하는 과정을 포함한다.
상기 용융물을 마련하는 과정은, 상기 용융물의 전체 중량에 대하여 0.02wt% 내지 0.5wt% 의 탄소(C) 성분, 0.005wt% 내지 0.1wt% 의 티타늄(Ti) 성분, 15ppm 내지 150ppm 의 질소(N) 성분을 함유하고, 기타 불가피한 불순물과 철(Fe) 성분을 함유하는 강을 마련하는 과정을 포함할 수 있다.
상기 주편의 표면 온도를 측정하는 과정은, 상기 주편 표면의 폭방향으로의 중심부의 온도를 측정하는 과정을 포함할 수 있다.
상기 주편의 표면 온도를 측정하는 과정은, 상기 주편 표면의 폭방향으로의 가장자리부의 온도를 측정하는 과정을 포함할 수 있다.
상기 초과 구간의 냉각속도를 조절하는 과정은, 기준 냉각속도 이하로 상기 초과 구간의 냉각속도를 조절하는 과정을 포함할 수 있다.
상기 기준 냉각속도 이하로 초과 구간의 냉각속도를 조절하는 과정은, 상기 초과 구간에서 상기 주편 표면의 길이방향으로의 복수의 위치별로 상기 주편 표면의 냉각속도를 측정하는 과정과, 상기 기준 냉각속도와 상기 주편 표면의 냉각속도를 대비하여 상기 주편 표면의 냉각속도가 상기 기준 냉각속도를 초과하는 초과 위치를 판단하는 과정과, 상기 기준 냉각속도 이하로 상기 초과 위치의 냉각속도를 조절하는 과정을 포함할 수 있다.
상기 초과 구간의 냉각속도를 조절하는 과정은, 상기 초과 구간에 공급되는 냉각수량을 감소시켜 상기 초과 구간의 냉각속도를 조절하는 과정을 포함할 수 있고, 상기 주편의 주조속도를 감소시켜 상기 초과 구간의 냉각속도를 조절하는 과정을 포함할 수 있다.
상기 기준 온도는 상기 주편의 입계에 형성되는 석출물의 크기를 조대화시킬 수 있는 상기 주편의 표면 온도를 포함할 수 있고, 상기 기준 냉각속도는 상기 기준 온도를 초과하는 온도 범위에서 상기 주편의 입계에 형성되는 석출물의 크기를 조대화시킬 수 있는 상기 주편의 표면 냉각속도를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 형태에 따르면, 주조 중인 주편의 표면 온도에 대응하여, 주편의 표면 온도가 설정된 온도 이상인 구간에서, 주편의 냉각수량조건 및 주조속도조건 중 적어도 하나의 조건을 조절하는 방식으로, 주조 중인 주편의 냉각속도를 조절할 수 있다.
예컨대 연속주조공정에 적용되는 경우, 주조 중인 주편의 표면 온도를 측정하여 주편의 표면 온도가 기준 온도를 초과하는 구간을 판단하고, 주편의 표면 온도가 기준 온도를 초과하는 초과 구간에서 주편의 냉각수량조건 및 주조속도조건 중 적어도 하나를 조절하여, 주편의 냉각속도를 기준 냉각속도 이하가 되도록 조절할 수 있다.
이로부터 주조 중인 주편의 오스테나이트 입계에 형성되는 석출물의 크기를 조대화하여 주편 표면의 균열 민감도를 저감시킬 수 있고, 따라서, 주조 중인 주편의 표면 균열을 억제 또는 방지할 수 있어, 주조가 완료된 주편의 표면 품질을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 주조장치를 설명하기 위한 도면.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 주조방법을 설명하기 위한 도면.
도 3은 본 발명의 실시 예 및 비교 예에 따른 시편의 인장실험 결과를 설명하기 위한 도면.
도 4는 본 발명의 실시 예 및 비교 예에 따른 연속주조공정에서의 주편 표면 품질을 설명하기 위한 도면.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 더욱 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니며, 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이다. 단지 본 발명의 실시 예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하고 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다. 본 발명의 실시 예를 설명하기 위하여 도면은 과장되거나 확대될 수 있으며, 도면상에서 동일한 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 주조장치를 도시한 개략도이다.
도 1을 참조하여, 본 발명의 실시 예에 따른 주조장치를 설명한다. 주조장치는 정련된 용강이 담기는 레이들(10)과, 레이들(10)의 하부에 마련된 롱노즐(11)로부터 정련된 용강을 공급받아 임시 저장하는 턴디쉬(20)와, 턴디쉬(20)의 하부에 마련되는 침지노즐(21)로부터 정련된 용강을 공급받아 주편의 형상으로 응고시키는 몰드(30)와, 몰드(30)로부터 연속하여 인발되는 주편(1)을 냉각시키며 일련의 성형 작업을 수행하는 복수개의 냉각대를 포함한다.
복수개의 냉각대 각각에는 복수개의 세그먼트롤(40) 및 노즐(미도시)이 구비된다. 주편(1)은 복수개의 냉각대에 각각 구비되는 적어도 하나 이상의 세그먼트롤(40)에 안내되며 냉각대를 통과하는 동안 노즐에서 분사되는 냉각수 및 세그먼트롤(40)과의 접촉에 의하여 냉각되며 연속하여 주조된다. 주조가 완료된 주편(1)은 절단부(50)에서 토치에 의하여 목적하는 길이로 절단된 후, 후공정으로 이송된다.
한편, 본 발명의 실시 예에서는 주조장치의 구조를 특정 구조로 특별히 한정하지 않으며, 주조장치의 상기한 구조는 다양하게 변경될 수 있다. 예를 들어 주조장치에는 수직 만곡형 연속주조설비의 구조가 적용되거나, 만곡형 연속주조설비의 구조가 적용될 수 있다. 따라서, 이하에서는 본 발명의 요지를 모호하게 하지 않기 위하여, 주조장치의 구체적인 구조에 대한 상세한 설명을 생략한다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 연속주조방법을 도시한 순서도이다.
다음으로, 도 1 및 도 2를 참조하여, 본 발명의 실시 예에 따른 주조방법을 설명한다. 주조방법은 용융물을 마련하는 과정과, 몰드(30)에 용융물을 공급하여 주편(1)으로 인발하는 과정과, 냉각대에 주편(1)을 통과시키며 냉각시키는 과정과, 냉각대의 전체 구간에서 주편(1)의 표면 온도를 측정하는 과정과, 기 설정된 기준 온도와 주편(1)의 표면 온도를 대비하여 이의 표면 온도가 기 설정된 기준 온도를 초과하는 초과 구간을 판단하는 과정과, 초과 구간의 냉각속도를 조절하는 과정을 포함한다.
이러한 과정들에 의하여, 본 발명의 실시 예에서는 주편(1)의 응고 및 냉각 시에, 오스테나이트 입계에 생성되는 석출물의 크기를 증가시킬 수 있고, 이로부터 주편의 균열 민감도를 저감시킬 수 있어 주편의 표면 균열을 방지할 수 있다. 따라서, 후공정인 압연공정에서 주편의 압연 시에 주편 표면의 품질을 양호하게 유지할 수 있다.
우선, 용융물을 마련(S100)한다. 이때, 용융물을 마련하는 과정은, 용융물의 전체 중량에 대하여 0.02wt% 내지 0.5wt% 의 탄소(C) 성분, 0.005wt% 내지 0.1wt% 의 티타늄(Ti) 성분, 15ppm 내지 150ppm 의 질소(N) 성분을 함유하고, 잔부 철(Fe) 성분 및 기타 불가피한 불순물을 함유하는 강을 마련하는 과정을 포함할 수 있다.
이처럼 강에 여러 합금성분을 첨가하여 상기와 같이 강의 조성을 구성하는 이유를 하기에서 설명한다.
탄소 성분은 강의 전체 중량에 대하여 0.02wt% 내지 0.5wt% 로 함유될 수 있다. 탄소 성분은 모든 강에서 강도를 결정하는 주요 원소이며, 예컨대 TiC 등 석출물 형성에도 기여한다. 한편, 탄소 성분의 함량이 0.02wt% 미만으로 제어되는 강은 연성이 좋아 주편의 표면에 균열(crack)이 거의 발생하지 않는다. 또한, 탄소 성분의 함량이 0.5wt% 를 초과하도록 제어되는 강은 기본적으로 취성(brittle)을 가지므로 냉각대 전체 구간에서 주편을 약하게 냉각하며 주조한다. 따라서, 본 발명의 실시 예에서는 전체 중량을 기준으로 탄소 성분의 함량이 0.02wt% 내지 0.5wt% 의 범위로 제어되는 강을 마련한다.
티타늄 성분은 강의 전체 중량에 대하여 0.005wt% 내지 0.1wt% 로 함유될 수 있다. 강에 함유되는 티타늄 성분은 강의 재가열시 결정립의 성장을 억제하여 강의 저온 인성을 크게 향상시키는 역할을 한다. 이때, 티타늄 성분이 강의 저온 인성을 크게 향상시키기 위해서는 티타늄 성분의 함량이 0.005wt% 이상의 범위로 제어되어야 한다. 또한, 티타늄 성분의 함량이 0.1wt% 를 초과하도록 과도하게 첨가되는 경우에는 침지노즐의 막힘 또는 중심부 정출에 의한 저온 인성의 감소를 야기할 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시 예에서는 전체 중량을 기준으로 0.005wt% 내지 0.1wt% 의 범위로 제어되는 강을 마련한다.
한편, 티타늄 성분은 강의 연속주조 시에, 가장 고온에서 석출물을 형성하는 성분 원소로서, 티타늄계 석출물의 크기를 어떻게 제어 하느냐가 주편 표면의 균열 민감도를 저감하는 중요한 요소이다. 본 발명의 실시 예에서는 냉각대의 후술하는 초과 구간에서 주편 표면의 냉각속도를 조절하는 방식으로 주편 내부의 오스테나이트 입계에서 티타늄계 석출물을 성장시키고, 이로부터 주조 중인 주편 표면의 균열 민감도를 저감시킨다.
질소 성분은 강의 전체 중량에 대하여 15ppm 내지 150ppm 으로 함유될 수 있다. 질소 성분은 티타늄 성분과 결합하여 석출물을 만드는 성분 원소로, 질소 성분의 첨가는 제품의 강도를 증가시키는 반면 인성을 크게 감소시키기 때문에 150ppm 이하로 그 함량을 제한할 필요가 있다. 다만, 이전 공정인 제강공정에서의 제강부하 증가 때문에 질소 성분의 함량 하한은 15ppm으로 정한다.
상기한 바와 같이 마련되는 용융물은 레이들(10)에 담겨 턴디쉬(20)의 상측으로 운반되고, 턴디쉬(20)에 임시 저장되어 준비될 수 있다.
이후, 몰드(30)에 용융물을 공급하여 주편(1)으로 인발(S200)하고, 연속하여 인발되는 주편(1)을 냉각대에 통과시키며 냉각 및 압하하여 다양한 형상의 반제품으로 주조한다.
주편(1)이 복수의 냉각대를 통과하며 응고 및 냉각되는 과정에서, 주편(1)은 벌징(bulging), 열(thermal), 미스얼라인먼트(misalignment), 벤딩(bending), 언벤딩(unbending) 등에 의하여, 지속적인 응력을 받게 되고, 이러한 응력은 주편(1)의 취약부에 집중되어 균열을 야기한다. 이때, 주편(1)의 취약부 예컨대 응력이 집중되는 부위는 일반적으로 오스테나이트 입계 석출물 및 오스테나이트 입계 페라이트 등이 있다.
예컨대 강은 응고 과정을 거치면서 오스테나이트 상으로 변하게 되고, 냉각 과정을 거치면서 오스테나이트 상은 페라이트 상으로 변태를 하게 된다. 이때, 이러한 상의 변태 과정에서 에너지를 낮추는 방향으로 변태가 이루어지도록, 일반적으로 A3 온도 영역 예컨대 페라이트로 변태 되는 온도 영역에서, 오스테나이트 입계에 우선적으로 페라이트 상의 변태가 이루어진다. 이의 과정으로, 오스테나이트 입계에 필름(film) 형태의 페라이트 상이 생성되며, 이때, 페라이트 상은 오스테나이트 상보다 상대적으로 약한 조직 구조를 가지기 때문에 보다 쉽게 응력이 집중되어지며, 따라서, 이의 부위에 균열이 발생되게 된다.
또한, 여러 합금성분들을 함유하는 강 예컨대 합금첨가강의 경우에는 나이트라이드(nitride) 석출물이나 카바이드(carbide) 석출물이 우선적으로 오스테나이트 입계에 석출된다. 상기의 석출물들이 오스테나이트 입계에 생성되게 되면, 전체 메트릭스에 대하여 어느 정도 미스피트(msifit)를 가지게 되고, 따라서, 석출물 주변에는 마이크로 보이드(micro void)가 생성되게 된다. 이처럼 오스테나이트 입계를 따라 마이크로 보이드(micro void)를 가지는 각종 석출물들이 생성되는 경우, 이는 균열의 전파 경로로 작용하게 되어, 주편의 균열 민감도가 커지게 된다.
상기한 바와 같이, 주편(1)을 복수의 냉각대를 통과시키며 응고 및 냉각시키는 동안 주편의 오스테나이트 입계에 생성되는 각종 석출물 및 페라이트 상에 응력이 집중됨에 따라 주편(1)의 표면에는 균열이 생길 수 있다.
한편, 오스테나이트 입계에 생성되는 다양한 석출물들은 각각마다 생성개시 온도가 상이하기 때문에, 주조 중인 주편의 표면 온도 제어에 따라 석출물들의 크기 분포가 다를 수 있고, 석출물들의 크기 분포에 따라 주편 표면의 균열 민감도가 상이하게 나타날 수 있다.
본 발명의 실시 예에서는 주편의 표면 온도가 기준 온도를 초과하는 초과 구간에서 주편의 표면 냉각속도를 기준 냉각속도 이하로 제어함에 따라 주편의 오스테나이트 입계에 석출물을 조대하게 석출시킬 수 있고, 이로부터 주편의 표면 균열이 전파되는 것을 억제 또는 방지 가능하다. 이를 위하여, 본 발명의 실시 예는 하기의 과정들을 포함한다.
냉각대에 주편(1)을 통과시키며 냉각시키는 과정과 함께, 냉각대의 전체 구간에서 주편(1)의 표면 온도를 측정(S300)한다. 이때, 주편(1)의 표면 온도를 측정하는 과정은, 주편(1) 표면의 폭방향으로의 중심부의 온도를 길이방향으로의 주편(1)의 복수의 위치별로 측정하는 과정을 포함할 수 있고, 주편(1) 표면의 폭방향으로의 가장자리부의 온도를 길이방향으로의 주편(1)의 복수의 위치별로 측정하는 과정을 포함할 수 있다. 여기서, 길이방향은 복수의 냉각대가 몰드(30)의 하측에서 연속하여 배열된 소정의 방향을 의미한다.
예컨대 주편(1) 표면의 가장자리부에 균열이 집중되는 경우, 주편(1) 표면의 폭방향으로의 가장자리부의 온도를 측정하고, 주편(1) 표면의 중심부에 균열이 집중되는 경우, 주편(1) 표면의 폭방향으로의 중심부의 온도를 측정한다. 이러한 경우 후술하는 초과 구간의 길이가 달라질 수 있으며, 이는 주편(1) 표면의 폭방향으로의 중심부와 가장자리부는 일반적으로 약 150℃ 에서 200℃ 정도의 온도 차이가 나기 때문이다. 상기와 같이 주편(1) 표면의 폭방향으로의 가장자리부와 중심부의 온도 측정을 선택적으로 하여 주편(1) 표면의 폭방향으로의 균열이 집중되는 부분에 집중하여 대응할 수 있다. 물론, 주편(1) 표면 온도를 측정하는 위치는 주편(1)의 폭방향으로의 중심부 및 가장자리부 외에도 다양할 수 있다.
한편, 주편(1)의 표면 온도를 측정하는 방식에는 공지의 기술이 적용될 수 있으므로, 따라서 본 발명의 요지를 모호하게 하지 않기 위하여, 이에 대한 설명은 생략한다.
이후, 기준 온도와 주편(1)의 표면 온도를 대비하여 주편(1)의 표면 온도가 기준 온도를 초과하는 초과 구간을 판단(S400)한다. 이때, 기준 온도는 주편(1)의 응고 및 냉각 과정에서, 주편(1) 내부의 오스테나이트 입계에 형성되는 석출물의 크기를 조대화시킬 수 있는 주편(1)의 표면 온도를 포함할 수 있다. 본 발명의 실시 예에서는 기준 온도로 800℃ 또는 850℃를 예시한다.
이처럼, 본 발명의 실시 예에서는, 주편(1)의 표면 온도를 직접 측정한 후에 기준 온도와 주편(1)의 표면 온도를 대비하여 초과 구간을 판단할 수 있다.
또는, 주편(1)의 표면 온도가 기준 온도를 초과하는 초과 구간을 판단하는 과정은 하기의 변형 예를 포함하여 다양한 방식으로 구성될 수 있다.
주편(1)의 표면 온도가 기준 온도를 초과하는 초과 구간을 판단하는 과정은 주편(1)의 표면 온도가 기 설정된 기준 온도를 초과하는 냉각대의 구간을 하기와 같이 예지하여 이를 초과 구간으로 판단하는 과정을 포함할 수 있다.
예컨대 냉각대의 전체 구간에서 주편(1)의 온도가 상대적으로 높게 형성되는 구간은 몰드(30) 하측의 고온 구간일 수 있다. 일반적으로 몰드(30)의 직하 온도는 약 1100℃일 수 있으며, 냉각대를 통과하며 점차 낮아져서 주편(1)이 벤딩 혹은 언벤딩되는 위치 이전에서 약 800℃ 미만의 온도로 냉각될 수 있다. 이에, 몰드(30)의 직하부터 주편(1)의 벤딩되는 위치 또는 주편(1)의 언벤딩되는 위치까지의 소정 구간을 주편(1)의 표면 온도가 기 설정된 기준 온도를 초과하는 냉각대의 구간으로 예지하여 이를 초과 구간으로 판단할 수 있다.
물론, 이 외에도 본 발명의 실시 예에서는 강의 조성에 따른 주편의 열전도 계수 등의 각종 물성치와, 주편 두께나 주편에 공급되는 냉각수량 등의 조업 조건들을 이용하여 냉각대 전체 구간에서의 주편(1)의 길이방향으로의 표면 온도들을 예측하고, 이를 기준 온도와 대비하여 초과 구간을 판단할 수도 있다.
이후, 초과 구간의 냉각속도를 기준 냉각속도 이하로 조절(S500)한다. 이의 과정은, 초과 구간의 각 냉각대별 냉각속도의 평균 냉각속도를 기준 냉각속도 이하로 조절하는 과정일 수 있다. 또는, 초과 구간의 냉각속도를 기준 냉각속도 이하로 조절하는 과정은, 초과 구간의 각 냉각대별 냉각속도 각각이 기준 냉각속도 이하가 되도록 초과 구간의 냉각속도를 초과 구간의 냉각대별로 각각 조절하는 과정일 수 있다.
여기서, 기준 냉각속도는 기준 온도를 초과하는 온도 범위에서 주편(1)이 응고 및 냉각되는 동안 주편(1) 내부의 오스테나이트 입계에 형성되는 석출물의 결정립 크기를 조대화 시킬 수 있는 즉, 주편(1)의 오스테나이트 입계에 형성되는 석출물의 크기를 성장시킬 수 있는 주편의 표면 냉각속도를 포함할 수 있다. 본 발명의 실시 예에서는 기준 냉각속도로 5℃/s를 예시한다.
즉, 상술한 냉각속도의 조절 과정은 초과 구간을 통과하는 주편(1)을 소정의 냉각속도로 보다 천천히 냉각시키고자 하는 과정이며, 이로부터, 주편(1)의 오스테나이트 입계에 형성되는 석출물의 크기를 키울 수 있으므로, 균열 민감도를 저하시킬 수 있다.
한편, 이하에서는, 초과 구간의 각 냉각대별 냉각속도 각각이 기준 냉각속도 이하가 되도록 초과 구간의 냉각속도를 초과 구간의 냉각대별로 각각 조절하는 과정을 중심으로 설명하나, 이하에서 설명되는 각 과정들의 기술적인 특징은 초과 구간의 각 냉각대별 냉각속도의 평균 냉각속도를 기준 냉각속도 이하로 조절하는 과정에도 유사 혹은 동일하게 적용될 수 있다.
상기한 바와 같이, 기준 냉각속도 이하로 초과 구간의 냉각속도를 조절하는 과정은, 초과 구간에서 주편(1) 표면의 길이방향으로의 복수의 위치별로 주편(1) 표면의 냉각속도를 측정하는 과정, 기준 냉각속도와 주편(1) 표면의 냉각속도를 대비하여 주편(1) 표면의 냉각속도가 기준 냉각속도를 초과하는 초과 위치를 판단하는 과정, 기준 냉각속도 이하로 초과 위치의 냉각속도를 조절하는 과정을 포함할 수 있다.
예컨대 초과 구간을 형성하는 복수개의 냉각대 각각에 대응하는 주편(1) 표면의 길이방향으로의 복수의 위치별로 주편(1) 표면의 냉각속도를 각각 측정하고, 측정된 냉각속도 각각을 기준 냉각속도와 대비하여 기준 냉각속도를 초과하는 각각의 위치를 판단한다. 이의 과정으로 선택되는 초과 위치별로 주편(1) 표면의 냉각속도를 기준 냉각속도 이하로 조절한다. 이러한 방식은 각각의 냉각대 마다 냉각속도의 측정과 냉각수량의 조절을 각각 제어하는 방식이고, 이로부터, 주편(1) 표면의 냉각속도를 보다 정밀하게 제어할 수 있다. 여기서, 주편(1)의 표면 냉각속도를 측정하는 방식에는 공지의 기술이 적용될 수 있으므로, 따라서 본 발명의 요지를 모호하게 하지 않기 위하여, 이에 대한 설명은 생략한다.
한편, 초과 구간의 냉각속도를 조절하는 과정은, 초과 구간에 공급되는 냉각수량을 감소시켜 초과 구간의 냉각속도를 조절하는 과정을 포함할 수 있다.
예를 들어, 초과 구간 내의 어느 한 냉각대에서의 주편 표면의 냉각속도가 10℃/s 일 경우, 초과 구간의 상기 냉각대에서 공급되는 냉각수량을 초과 구간의 상기 냉각대에서 공급되는 냉각수의 전체 체적유량 대비 약 40% 내지 60% 정도를 감소시켜 초과 구간의 상기 냉각대에서의 냉각속도를 기준 냉각속도 이하로 감소시킬 수 있다.
또는, 초과 구간의 냉각속도를 조절하는 과정은, 주편의 주조속도를 감소시켜 초과 구간의 냉각속도를 조절하는 과정을 포함할 수 있다. 예컨대 각 냉각대에 구비되는 구동롤(미도시)의 회전수를 조절하여 전체 주편의 이동속도를 줄여 주조속도를 소정 비율 감소시킨다. 이때, 냉각대의 전체 구간을 통과하는 주편의 최종 냉각온도를 맞추기 위하여, 주조속도가 감소됨에 따라 전체 냉각대에서 주편으로 공급되는 냉각수량이 적어지게 되며, 이에 따라, 초과 구간에서의 냉각수량도 함께 적어지게 된다. 이의 과정으로 초과 구간에서의 냉각속도가 감소될 수 있다. 즉, 상기의 방식은 주조속도를 감소시켜 전체 냉각대에서 분사되는 냉각수량을 감소시킴에 의하여 초과 구간의 냉각수량 또한 감소시키는 방식이다.
이처럼, 초과 구간을 통과하는 주편의 표면 냉각속도를 감소시킴에 따라, 오스테나이트 입계에 석출물의 결정립을 조대화시킬 수 있고, 이에, 주편(1)의 표면 균열이 발생되어 전파되는 것을 억제 또는 방지할 수 있다.
여기서, 오스테나이트 입계에 석출물 특히 티타늄계 석출물이 크게 형성되는 것이 주편 표면의 균열 발생을 방지할 수 있는 이유는 하기와 같다.
일반적으로 주편(1)에 생성되는 석출물에는 TiN(C), BN, NbN(C), AlN 등이 있다.
예를 들어 상기한 TiN 석출물 예컨대 티타늄계 석출물을 포함한 다른 석출물들이 오스테나이트 입계에 미세한 크기 예컨대 10㎚ 정도의 크기로 다량 석출되는 경우, 석출물 하나하나가 각 균열의 전파 경로로 작용하기 때문에 주편의 균열 민감도가 커지게 되어, 주편 표면에 다수의 균열이 생기게 된다.
즉, 오스테나이트 입계에 다수의 석출물이 미세하게 다수 형성되게 되면, 석출물에 의한 마이크로 보이드(micro void)가 증가되어 균열의 전파가 쉬워지게 된다.
따라서, 주편의 메트릭스와의 미스피트(misfit)가 상대적으로 큰 다른 석출물들이 오스테나이트 입계에 생성되기 전에, 메트릭스와의 미스피트가 작은 티타늄계 석출물 예컨대 상기한 TiN 석출물을 고온에서 약 20㎚ 내지 30㎚ 혹은 그 이상의 크기로 조대하게 석출시키면 석출물 주변에 생성되는 마이크로 보이드(micro void)를 줄일 수 있어, 이를 통한 균열의 생성 및 전파를 억제 또는 방지할 수 있다.
이때, 티타늄계 석출물 예컨대 상기의 TiN 석출물은 상대적으로 고온에서 석출되기 때문에, 본 발명의 실시 예에서는 초과 구간을 통과하는 주편(1)의 표면 냉각속도를 5℃/s 이하로 감소시켜 초과 구간에서 주편의 표면을 보다 천천히 냉각시키며, 주편의 고온 구간을 보다 오래 유지한다. 이로부터 오스테나이트 입계에서 페라이트 또는 펄라이트가 변태하기 이전에 석출물 특히 티타늄계 석출물의 크기를 제어하여 크게 성장시킴으로써, 주편의 균열 민감도를 저하시킬 수 있다. 따라서, 주편의 표면에 균열이 생성 및 전파되는 것을 억제 또는 방지할 수 있다.
이후, 연속하여 인발되는 주편(1)을 냉각대에 통과시키며 냉각 및 압하하여 다양한 형상의 반제품으로 주조하며, 이때, 주편(1)의 표면 균열이 억제 또는 방지됨에 따라 반제품의 표면 품질을 별도의 표면 처리 과정 없이도 양호하게 유지할 수 있다.
상기한 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 조주방법에서는 주편 표면 온도를 측정 또는 예지하여 주편 표면 온도가 800℃를 초과하는 초과 구간에서 주편 표면의 냉각속도가 5℃/s 이하가 되도록 냉각대의 냉각수량 또는 주조속도를 조절함으로써 주조 중에 주편 내에서 생성되는 석출물의 크기를 크게 제어할 수 있고, 이로부터 주편의 균열 민감도를 저하시켜 표면 균열을 방지할 수 있다.
이처럼 본 발명의 실시 예에서는 상대적으로 고온에서 주편의 표면 냉각속도를 작게 하여 티타늄(Ti)계 석출물의 크기를 크게 해야 한다. 이에 필요한 기준온도와 기준 냉각속도를 결정하는 방법을 하기에서 설명한다.
도 3은 본 발명의 실시 예 및 비교 예에 따른 시편의 인장실험 결과를 도시한 그래프이고, 도 4는 본 발명의 실시 예 및 비교 예에 따른 연속주조공정에서 주조된 주편의 표면 품질을 검사하여 그 결과를 도시한 그래프이다.
다음으로, 도 3 및 도 4를 참조하여, 본 발명의 실시 예에 따른 주조공정에 적용되는 기준 온도 및 기준 냉각속도를 결정하는 방법을 설명한다.
본 발명의 실시 예에 적용되는 기준 온도 및 기준 냉각속도를 얻기 위하여 고온인장 실험을 실시하였다. 이의 방법은 다음과 같다.
먼저, 강의 시편을 마련하고, 시편에 있는 석출물들을 충분히 융체화처리하기 위하여 약 1400℃에서 5분 동안 유지한다. 이후 단면수축율을 측정하고자 하는 온도까지 시편을 다양한 냉각속도로 냉각한다. 이때, 연속주조공정에서의 주편 표면의 냉각속도는 약 1℃/s 내지 10℃/s 의 범위이므로, 각 700℃ 내지 1000℃ 범위의 온도 영역에서 1℃/s, 5℃/s 및 10℃/s의 냉각속도로 냉각하였다.
다음으로, 연속주조설비에서 주편을 주조하는 중에 주편에 가해지는 인장력을 주편의 주조 속도에 유사하게 시편에 가하여 시편의 단면 수축율(Reduction of Area)를 측정한다. 이때, 단면 수축율 값이 낮을수록 주편의 균열 민감도가 커지며, 이에 쉽게 균열이 발생한다고 볼 수 있다.
도 3에 도시한 바와 같이, 시편의 냉각속도가 10℃/s 일 때, 800℃에서 단면 수축율이 16%로 최저 값을 나타내었고, 이보다 저온으로 갈수록 단면 수축율의 값이 회복되었다. 이는 저온으로 갈수록 페라이트의 분율이 증가함이 그 원인일 수 있다. 반면, 고온으로 갈수록 단면 수축율 값이 증가함을 알 수 있고, 이는 고온으로 갈수록 석출물의 양이 적어짐이 그 원인일 수 있다.
하지만, 1℃/s 및 5℃/s 의 냉각속도로 시편을 냉각하여 단면 수축율을 측정한 경우를 보면, 800℃를 초과하는 영역에서의 단면 수축율 값이 시편을 10℃/s로 냉각한 경우보다 우수한 것을 알 수 있다. 즉, 냉각속도가 감소함에 따라 석출물이 상대적으로 조대해져서 균열 민감도를 저하시킴을 확인할 수 있다. 한편, 800℃ 이하의 온도에서는 냉각속도 저감에 따른 단면 수축율의 증가 경향을 볼 수 없었다.
상기한 바에 의하여, 본 발명의 실시 예에서는 기준 온도를 800℃로 하고, 기준 냉각속도를 조절하면서 연속주조공정을 실시하였다. 비교예에 따른 냉각속도는 10℃/s로 하였고, 실시예에 따른 냉각속도는 5℃/s로 하였다. 도 4에 도시된 바와 같이, 주편의 균열 발생정도는 비교예에 비하여 실시예의 경우가 약 3배 정도 감소함을 확인할 수 있다.
본 발명의 상기 실시 예는 본 발명의 설명을 위한 것이며, 본 발명의 제한을 위한 것이 아님을 주지해야 한다. 본 발명은 청구범위 및 이와 균등한 기술적 사상의 범위 내에서 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 본 발명이 해당하는 기술 분야에서의 업자는 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시 예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
10: 레이들 20: 턴디쉬
30: 몰드 40: 세그먼트롤

Claims (10)

  1. 용융물을 마련하는 과정;
    몰드에 상기 용융물을 공급하여 주편으로 인발하는 과정;
    냉각대에 상기 주편을 통과시키며 냉각시키는 과정;
    상기 냉각대의 전체 구간에서 상기 주편의 표면 온도를 측정하는 과정;
    기준 온도와 상기 표면 온도를 대비하여 상기 표면 온도가 상기 기준 온도를 초과하는 초과 구간을 판단하는 과정; 및
    상기 초과 구간의 냉각속도를 조절하는 과정;을 포함하고,
    상기 기준 온도는 상기 주편의 입계에 형성되는 석출물의 크기를 20㎚ 이상의 크기로 조대화시킬 수 있는 주편의 표면 온도를 포함하는 주조방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 용융물을 마련하는 과정은,
    상기 용융물의 전체 중량에 대하여 0.02wt% 내지 0.5wt% 의 탄소(C) 성분, 0.005wt% 내지 0.1wt% 의 티타늄(Ti) 성분, 15ppm 내지 150ppm 의 질소(N) 성분을 함유하고, 기타 불가피한 불순물과 철(Fe) 성분을 함유하는 강을 마련하는 과정;을 포함하는 주조방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 주편의 표면 온도를 측정하는 과정은,
    상기 주편 표면의 폭방향으로의 중심부의 온도를 측정하는 과정;을 포함하는 주조방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 주편의 표면 온도를 측정하는 과정은,
    상기 주편 표면의 폭방향으로의 가장자리부의 온도를 측정하는 과정;을 포함하는 주조방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 초과 구간의 냉각속도를 조절하는 과정은,
    기준 냉각속도 이하로 상기 초과 구간의 냉각속도를 조절하는 과정;을 포함하는 주조방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 기준 냉각속도 이하로 초과 구간의 냉각속도를 조절하는 과정은,
    상기 초과 구간에서 상기 주편 표면의 길이방향으로의 복수의 위치별로 상기 주편 표면의 냉각속도를 측정하는 과정;
    상기 기준 냉각속도와 상기 주편 표면의 냉각속도를 대비하여 상기 주편 표면의 냉각속도가 상기 기준 냉각속도를 초과하는 초과 위치를 판단하는 과정; 및
    상기 기준 냉각속도 이하로 상기 초과 위치의 냉각속도를 조절하는 과정;을 포함하는 주조방법.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 초과 구간의 냉각속도를 조절하는 과정은,
    상기 초과 구간에 공급되는 냉각수량을 감소시켜 상기 초과 구간의 냉각속도를 조절하는 과정;을 포함하는 주조방법.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 초과 구간의 냉각속도를 조절하는 과정은,
    상기 주편의 주조속도를 감소시켜 상기 초과 구간의 냉각속도를 조절하는 과정;을 포함하는 주조방법.
  9. 삭제
  10. 청구항 5에 있어서,
    상기 기준 냉각속도는 상기 기준 온도를 초과하는 온도 범위에서 상기 주편의 입계에 형성되는 석출물의 크기를 조대화시킬 수 있는 상기 주편의 표면 냉각속도를 포함하는 주조방법.
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