KR101917443B1 - Ni 함량이 높은 인바강을 제조하기 위한 박판 주조장치 및 이를 이용한 Ni 함량이 높은 인바강의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 개시내용의 쌍롤형 박판 주조장치는 Ni성분의 중량비율이 적어도 15% 함유된 인바강을 주조하는 쌍롤형 박판 주조장치에 있어서, 중심부에 비해 더 낮은 표면조도를 가지는 에지부를 포함하는 주조롤, 한 쌍의 상기 주조롤의 양단부에 각각 구비되는 에지댐, 한 쌍의 상기 주조롤과 상기 에지댐 사이의 공간인 섬프로 용강을 주입하는 침지 노즐 및 주조하는 용탕면을 덮도록 상기 섬프의 상부에 위치되며, 용해성 가스인 질소의 공급 통로가 되고, 상기 용해성 가스를 대기압보다 150 내지 250 mmH2O 높은 압력으로 상기 섬프로 공급하는 메니스커스 쉴드를 포함하며, 상기 주조롤 에지부의 표면조도는 단부에서 중심부로 선형적으로 증가하게 숏블라스팅에 의해 형성되되, 상기 주조롤 에지부의 표면조도의 Ra는 13 내지 17um의 범위를 가지며, 상기 주조롤 중심부의 표면조도의 Ra는 20um일 수 있다.

Description

Ni 함량이 높은 인바강을 제조하기 위한 박판 주조장치 및 이를 이용한 Ni 함량이 높은 인바강의 제조방법{STRIP CASTING ROLL FOR MANUFACTURING HIGH NI INVAR STEEL AND MANUFACTURING METHOD FOR HIGH NI INVAR STEEL USING THE SAME}

본 개시내용은 Ni 함량이 높은 인바강을 제조하기 위한 박판 주조장치 및 이를 이용한 Ni 함량이 높은 인바강의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 Ni 성분이 많이 함유된 인바강 제조 시 열간압연 중 고온산화에 의해 발생하는 에지 과응고, 에지벌징과 같은 문제점을 줄일 수 있는 Ni 함량이 높은 인바강을 제조하기 위한 박판 주조장치 및 이를 이용한 Ni 함량이 높은 인바강의 제조방법에 관한 것이다.

인바강 박판제조는 일반적인 쌍롤식 박판주조롤을 이용하여 연속주조에 의하여 슬라브를 제조하고, 이를 열간압연하여 두께 2 내지 6mm의 박판을 생산하였다. 일반적인 쌍롤식 박판 주조장치를 이용한 연속주조에 의한 슬라브의 제조에 있어서, 슬라브를 주조한 이후 열간압연 재가열 열처리 공정을 거칠 때 제품에서 품질 문제가 발생한다.

재가열 열처리 공정은 일반적으로 1200도 이상의 고온에서 2~3시간 동안 가열을 하게 된다. 인바강은 고온산화가 매우 심하게 발생하므로, 재가열 열처리 과정 동안의 산화를 억제하기 위하여 일반적으로 산화방지제를 도포하게 된다. 그러나 산화방지제를 도포하여도 고온산화를 근본적으로 방지하기 어려울 뿐만 아니라, 슬라브에 도포된 산화방지제는 열간압연 중에 제품에 압입되어 표면결함을 유발하는 문제가 있다.

출원번호 10-2010-0149391: 에지부 품질이 우수한 고질소 스테인레스 강판을 제조하기 위한 박판주조롤 및 이를 이용한 고질소 스테인레스 강판의 제조방법 출원번호 10-2005-0128503: 표면위치에 따라 다른 딤플 면적율을 가지는 주조롤 선행기술문헌 1은 질소의 함량이 약 8 중량%를 포함하는 고질소 함량의 듀플렉스 스테인레스 강을 제조하기 때문에, 에지부의 표면결함을 없애기 위해 에지부에 요철뿐만 아니라 미세홈도 형성하였다. 선행기술문헌 2는 일반적인 철 및 비철 금속과 그 합금의 주조를 위한 장치로, 주조롤에 형성되는 딤플의 면적율을 다르게 하는 사상이 개시되어 있고, 구체적으로 금속 또는 질소 함량에 따른 강판 제조에 적합한 주조롤을 개시하지는 못한다.

이를 고려하여, 본 개시내용은 Ni 성분의 중량비율이 적어도 15% 함유된 인바강을 제조함에 있어서, 표면 요철만으로 에지부의 표면결함을 없애기 위한 박판 주조장치 및 이를 이용한 인바강 제조방법을 제공한다.

본 개시내용의 제1 관점의 실시예는 쌍롤형 박판 주조장치를 제공한다. 쌍롤형 박판 주조장치는 Ni성분의 중량비율이 적어도 15% 함유된 인바강을 주조하는 쌍롤형 박판 주조장치에 있어서, 중심부에 비해 더 낮은 표면조도를 가지는 에지부를 포함하는 주조롤, 한 쌍의 상기 주조롤의 양단부에 각각 구비되는 에지댐, 한 쌍의 상기 주조롤과 상기 에지댐 사이의 공간인 섬프로 용강을 주입하는 침지 노즐 및 주조하는 용탕면을 덮도록 상기 섬프의 상부에 위치되며, 용해성 가스인 질소의 공급 통로가 되고, 상기 용해성 가스를 대기압보다 150 내지 250 mmH2O 높은 압력으로 상기 섬프로 공급하는 메니스커스 쉴드를 포함하며, 상기 주조롤 에지부의 표면조도는 단부에서 중심부로 선형적으로 증가하게 숏블라스팅에 의해 형성되되, 상기 주조롤 에지부의 표면조도의 Ra는 13 내지 17um의 범위를 가지며, 상기 주조롤 중심부의 표면조도의 Ra는 20um일 수 있다.

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한편, 본 개시내용의 제2 관점의 실시예는 쌍롤형 박판 주조장치에 Ni성분의 중량비율이 적어도 15% 함유된 인바강의 조성을 가지는 용강을 공급하는 단계 및 상기 공급되는 용강을 응고시키면서, 회전하는 한 쌍의 박판 주조롤 사이로 배출하는 단계를 포함하며, 제1항의 박판 주조장치를 이용하는 것을 특징으로 하는 인바강 제조방법을 제시한다.
일부 실시예에서, 상기 인바강의 니켈성분의 중량비율은 적어도 36% 일 수 있다.

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또한, 일부 실시예에서, 상기 박판 주조롤을 통과한 용강은 적어도 100℃/sec로 급속냉각될 수 있다.

본 개시내용에 의하면, 용탕으로부터 두께 2 내지 6mm의 주편을 직접 주조하여 제조하므로, 슬라브 연주법에서의 열연을 생략할 수 있도록 한 새로운 공정이다. 따라서, 제조원가가 슬라브 연주법에 비하여 저감되는 장점이 있으며, 급속응고에 의한 석출 상을 억제하고, 주편 내부품질도 우수하다.

본 개시내용에 의하면, 2 내지 6mm의 박판을 용강으로부터 직접 주조하여 제조함으로써, 응고속도가 통상 슬라브 공정 대비 100배 이상 빠르게 된다. 따라서, 주편이 산화될 수 있는 시간이 없으므로, 고온산화의 문제점이 근본적으로 해결되게 될 뿐만 아니라, 산화 문제가 발생하지 않으므로 산화방지제를 사용할 필요가 없게된다. 따라서 제조 공정의 단순화에 의하여 제조 비용도 크게 감소하는 장점이 있다.

본 개시내용의 구성 및 효과는 도면과 함께 이하의 설명으로부터 명백해지고 더욱 용이하게 이해될 것이다.
도 1은 본 개시내용의 일 실시예에 따르는 박판 주조장치 및 주조방법을 나타낸 개략도.
도 2는 본 개시내용의 일 실시예에 따르는 고 Ni 함량의 인바강의 박판 주조 시 용강과 박판 주조롤 사이에 가스층이 형성되는 현상을 설명하기 위한 개략도.
도 3은 본 개시내용의 일 실시예에 따르는 주조롤 상에 형성되는 표면요철의 분포를 도시한 그래프.
도 4는 본 개시내용의 일 실시예에 따르는 주조롤 숏블라스팅 표면요철의 사진.
도 5는 본 개시내용의 에지부와 센터부 표면조도에 따라 에지 응고 및 에지 징 발생을 나타낸 실험 결과표.
도 6(a)는 종래 박판 주조장치에 의해 생산된 고 Ni 함량의 인바강 표면에 형성된 에지 과응고 현상을 관찰한 사진이며, 도 6(b)는 본 개시내용의 박판 주조장치 및 주조방법에 의해 생산된 고 Ni 함량의 인바강 표면의 사진이다.

본 개시내용의 실시예가 상세하게 언급될 것이다. 첨부 도면들을 참조하여 여기에서 기술된 실시예는 설명적이고 예시적이며, 본 개시내용을 일반적으로 이해하기 위해 사용된다. 실시예는 본 실시내용을 제한하기 위해 해석될 수 없다.

명세서에서, 구체적이거나 다르게 한정되지 않은 경우라면, "길이", "폭", "상부", "하부", "외측", "내측" 및 그의 파생어와 같은 위치 또는 위치 관계를 나타내기 위해 사용된 용어들은, 도면에서 도시한 것과 같은 위치 또는 위치 관계를 가리키는 것으로 해석되어야 한다. 관련 용어들은 기술의 편의를 위해 사용된 것이고, 반드시 본 개시내용이 특정의 위치에서 구성되거나 작동되어야 할 것을 요구하는 것이 아니다.

본 개시내용의 실시예에 따른 고 Ni 인바강을 제조하기 위한 박판 주조롤이 이하에서 상세하게 논의될 것이다.

도 1은 본 개시내용의 일 실시예에 따르는 박판 주조장치 및 주조방법을 나타낸 개략도이며, 도 2는 본 개시내용의 일 실시예에 따르는 고 Ni 함량의 인바강의 박판 주조 시 용강과 박판 주조롤 사이에 가스층이 형성되는 현상을 설명하기 위한 개략도이다.

본 개시내용의 일 실시예에 따르면, 쌍롤형 박판 주조장치는 쌍롤형 박판 주조장치이며, 용강이 롤과 롤 사이의 공간으로 공급되어 두 롤의 회전에 의해 주조가 이루어질 수 있다.

도 1 및 도 2을 참조하면, 쌍롤형 박판 주조장치는 레이들(1), 턴디시(2), 침지노즐(3, SEN, Submerged Entry Nozzle), 주조롤(5)을 포함할 수 있다.

레이들(1)에 수강되어 있는 정련과정을 거친 용강은 턴디시(2)와 침지노즐(3)을 통하여 섬프(4)로 공급된다. 상기 침지노즐(3)은 상기 주조롤(5) 사이로 용강을 주입한다.

섬프(4)는 두 개의 주조롤(5)과 에지댐(6)에 의해 둘러싸인 공간으로서 용강이 수용되는 공간을 의미한다. 섬프(4) 구역의 용강이 대기에 노출될 경우에는 용강이 산화되게 되며, 이로 인하여 생성된 산화물이 제품 품질에 크게 영향을 미친다. 이와 같은 쌍롤형 박판 주조장치에서 양호한 주편(S)을 제조하기 위해서, 용강의 용탕을 분위기 가스로 완전히 덮는다. 이를 위해, 섬프(4)의 상부에는 용해성 가스 공급 통로가 되는 메니스커스 쉴드(7)가 위치한다. 따라서, 섬프(4)의 상부에는 용강의 탕면, 주조롤(5) 그리고 에지댐(6)으로 이루어지는 자유공간이 형성되고 상기 자유공간에 분위기 가스를 유지함으로써 용탕의 산화를 방지하고, 응고 시 용강과 주조롤(5) 계면의 계면 에너지를 변화시켜 응고를 균일하게 할 수 있다.

주조된 인바강 주편(S)의 두께(d)는 2 내지 6mm가 되도록 주조롤의 간격을 조정한다.

이때, 분위기 가스는 아르곤이나 질소로 할 수 있으며, Ni 성분의 중량비율이 적어도 15% 함유된 인바강 제조 시 용탕의 산화를 방지하기 위해서는 분위기 가스를 충분히 공급하여 산소농도를 0.1% 이하로 관리하여야 한다.

그런데 상기 분위기 가스의 압력이 충분하지 않을 경우에는 외부로부터 상기 자유공간으로 공기가 유입될 수 있으므로 분위기 가스의 압력은 대기압보다 150~250mmH₂O 높은 수준으로 유지되는 것이 필요하다. 이러한 이유로 높은 압력을 가지는 분위기 가스는 용강의 탕면 상부에만 위치하는 것이 아니라, 그 압력으로 인하여 주조롤(5)과 용강(응고각을 포함하는 개념임) 사이에까지 침투하게 된다(도 2의 도면부호 10, 가스층 참조).

이러한, 용강과 주조롤 사이에 분위기 가스층(10)이 형성되면 상기 가스층(10)은 단열층으로 작용하게 되므로 용강의 응고를 지연시키는 작용을 하게 된다. 따라서, 용강은 가스층(10)이 형성된 부분과 그렇지 않은 부분 사이에 응고 속도가 큰 차이가 나게 되므로 불균일 응고가 발생하는 것이다.

또한, 주조된 후 인바강의 주편(S)은 인라인 압연기(12)에 의해 10 내지 50% 열간 압연하고, 냉각장치(8)로 100℃/sec 이상으로 급속 냉각법으로 응고시킨 후 권취기(9)를 통해 권취한다.

질소 함량이 높지 않은 고 Ni 함량의 인바강의 박판 주조시에는 분위기 가스로 아르곤이나 질소가스를 사용함으로써 불균일 응고가 발생하는 것을 최소화할 수 있다. 예를 들어, 질소가스는 용강을 산화시키지는 않으나, 용강 내에 용해되는 것이 가능하므로 가스층 중의 질소가스가 용강 중으로 용해 흡수되고, 그 결과 가스층이 제거되게 되어 용강이 용이하게 주조롤 표면에 전사(본 개시내용에서는 용강의 표면이 주조롤에 밀착되는 것을 의미함)될 수 있는 것이다.

본 개시내용의 인바강은 Ni 성분의 중량비율이 15% 이상이며 질소 성분을 다량으로 포함하고 있지 않기 때문에 용강이 용이하게 주조롤 표면에 전사가 기본적으로 용이하게 이루어진다. 인바강은 Fe-Ni합금으로 Ni 성분이 충분하면 팽창계수가 극히 낮게 된다. 대체로 Ni 성분의 중량비율을 36% 부근으로 형성하며, Ni 성분의 중량비율이 15%라고 한다면 고 Ni 함량의 인바강으로 정의할 수 있다.

이로 인해 고 질소 함량의 스테인레스 강 제조 시, 주조롤에서 미세요철이 형성된 부위에 레이저 가공을 통한 미세홈이 필요한데, 인바강은 상기 미세홈이 불필요할 수 있음을 착안하고, 미세요철만의 변화에 따라 에지 과응고나 에지벌징과 같은 고온 산화 문제를 없앨 수 있는지 실험을 통해 확인하였다.

도 3은 본 개시내용의 일 실시예에 따르는 주조롤 상에 형성되는 표면요철의 분포를 도시한 그래프이며, 도 4는 본 개시내용의 일 실시예에 따르는 주조롤 숏블라스팅 표면요철의 사진이다.

본 개시내용의 일 실시예에 따르는 주조롤(5)은 폭 방향(W)으로 균일한 응고를 위하여 숏블라스팅법에 의해 표면요철을 부여하는데, 이로 인해 주조롤(5)에 표면조도, Ra가 형성된다. 여기서 H는 주조롤의 높이 방향이다.

표면요철을 균일하게 부여하여 스트립을 제조하면, 주조 초기에 에지부 응고셀 들뜸에 의하여 에지부 응고가 지연되고 심한 경우는 에지 벌징이 발생할 수 있다.

쌍롤형 박판주조법에 의하여 스트립을 제조하면, 주조 초기의 에지부 응고셀 들뜸에 의하여 에지부 응고가 지연되고 심한 경우는 에지벌징이 발생하여 주조가 중단될 수도 있다.

이와 같은 요철이 있는 주조롤(5)에 의하여 주조하면, 용강은 항상 조도산에 먼저 접촉하게 되고, 따라서 조도산이 용강 응고의 핵 생성 위치가 된다. 조도골은 표면장력과 가스압력에 의하여 용강이 완전히 차지는 못하므로, 가스 갭을 가지게 되므로, 표면 조도(Ra)를 변경하여, 주조롤(5)의 폭 방향(W)으로 응고를 조정하게 된다. 따라서, 에지부(E)의 응고 지연을 방지하기 위해서는 표면 요철을 주조롤(5)의 폭 방향(W)으로 차등하여 다르게 적용하는데, 센터부(C)의 표면조도, Ra는 20um을 부여하고, 에지부(E)의 표면조도, Ra는 9um에서 20um까지 조도가 점차 증가하는 분포를 가진다. 조도 경사를 가지는 에지부(E)의 범위는 제조하는 강종에 따라 차이가 있으며, 50~300mm 내외이다.

도 3을 참조하면, 본 개시내용의 일 실시예에 따르는 주조롤(5)은 중심부(C)와 에지부(E)로 구분할 수 있으며, 에지부(E)는 중심부(C)에 비해 더 낮은 표면조도, Ra를 가진다.

본 개시내용의 일실시예에 따르는 에지부(E)의 표면조도, Ra는 단부에서 중심부 방향으로 선형적으로 증가한다.

주조롤(5)의 표면에 요철을 형성하는 것은 쇼트 블라스팅을 실시하여 가급적 많은 요철을 형성시킴으로써 용강의 주조롤 표면에의 전사가 용이하도록 한다.

비교예로 에지부(E) 단부의 표면조도, Ra는 9um이고, 센터부(E)의 표면조도, Ra는 20um가 되도록 주조롤(5)을 표면처리하면, 도 6(a)에 나타난 것과 같이 스트립의 에지부의 과응고가 매우 극심하였다.

또한, 심한 에지 과응고에 의하여 에지댐(6)에 과도한 힘을 미쳐 에지댐(6)에 의한 용강 실링이 충분하지 못하여 에지 핀이 발생되고, 주조롤(5)이 국부적으로 변형되는 심각한 문제점을 나타내었다.

도 5는 본 개시내용의 에지부와 센터부 표면조도에 따라 에지 응고 및 에지 징 발생을 나타낸 실험 결과표이다.

본 개시내용의 일실시예는 이러한 심한 에지 과응고 현상을 해결하기 위하여 센터부(C)의 표면조도, Ra는 20um으로 고정하고, 에지부(E)의 Ra 값과 그에 따른 조도 경사 기울기를 변화시켜서 폭 방향(W)으로 균일한 응고를 달성하고자 하였으며, 그 결과를 도 5에 나타내었다.

에지부(E)의 폭 방향 외측의 단부의 표면조도, Ra를 9um에서 20um까지 변경하여 실험하였으며, 에지부(E)의 단부의 표면조도, Ra를 증가시킴에 따라 에지 과응고 현상이 해소되었으나, Ra 20um까지 증가한 경우에는 오히려 에지응고가 지연되어 에지벌징이 발생하였다.

실험예에서 에지부(E)의 단부에서의 표면조도, Ra는 15um이고, 점차 폭방향으로 조도를 증가시켜 센터부(C)의 표면조도, Ra 20um으로 유지하면, 따라서, 에지 과응고와 에지벌징을 모두 방지할 수 있다.

바람직하게는 에지부(E)의 폭 방향 단부의 표면조도, Ra는 13um 내지 17um를 가지며, 상기 중심부의 표면조도, Ra는 20um의 표면조도를 가진다. 에지부(E)의 폭 방향 단부, Ra가 12um보다 작은 경우라면, 에지부(E)의 단부에서 에지 과응고가 발생한다. 또한 에지부(E)의 폭 방향 단부의 표면조도, Ra가 17um보다 큰 경우라면, 에지벌징 현상이 발생한다.

도 6(a)는 종래 박판 주조장치에 의해 생산된 고 Ni 함량의 인바강 표면에 형성된 에지 과응고 현상을 관찰한 사진이며, 도 6(b)는 본 개시내용의 박판 주조장치 및 주조방법에 의해 생산된 고 Ni 함량의 인바강 표면의 사진이다.

에지부(E)의 폭 방향 단부의 표면조도, Ra는 13 내지 17um를 가지며, 에지부(E)의 단부에서 중심부(C)로 선형적으로 표면조도를 증가시켜 중심부에서 표면조도, Ra를 20um를 유지하는 경우, 도 6(b)의 사진과 같이 에지 과응고 현상이 해소되었으며, 폭 방향으로 응고가 매우 균일한 것을 알 수 있다.

이 명세서 전반에 걸쳐 언급된, "실시예", "일부 실시예"는 실시예 또는 예시에 관계하여 기술된 특별한 특징, 구조, 재료, 또는 특성이 본 개시내용의 적어도 하나의 실시예 또는 예시에 포함된다. 따라서, 이 명세서 전체를 통해서 다양한 곳에서, "일부 실시예에서", "일 실시예에서", "다른 실시예에서"라고 하는 구(phases)의 존재는 본 개시내용의 동일한 실시예 또는 예시를 반드시 인용하는 것은 아니다. 게다가, 특별한 특징, 구조, 재료 또는 특성들은 하나 이상의 실시예들 또는 예시들에서 임의의 적절한 방법으로 결합될 수 있다.

설명적인 실시예들이 보여지고 기술되었다고 하더라도, 변화, 치환 및 수정 모두 청구항의 범위에 속하는 것이며, 그들의 균등물은 개시내용의 정신 및 원칙으로부터 벗어나지 않고 실시예에서 만들어질 수 있는 것으로 당업자에 의해 이해될 것이다.

1: 레이들
2: 턴디시
3: 침지노즐
4: 섬프
5: 주조롤
6: 에지댐
7: 메니스커스 실드
8: 냉각 장치
9: 권취기
10: 가스층

Claims (6)

1. Ni성분의 중량비율이 적어도 15% 함유된 인바강을 주조하는 쌍롤형 박판 주조장치에 있어서,
   중심부에 비해 더 낮은 표면조도를 가지는 에지부를 포함하는 주조롤;
   한 쌍의 상기 주조롤의 양단부에 각각 구비되는 에지댐;
   한 쌍의 상기 주조롤과 상기 에지댐 사이의 공간인 섬프로 용강을 주입하는 침지 노즐; 및
   주조하는 용탕면을 덮도록 상기 섬프의 상부에 위치되며, 용해성 가스인 질소의 공급 통로가 되고, 상기 용해성 가스를 대기압보다 150 내지 250 mmH2O 높은 압력으로 상기 섬프로 공급하는 메니스커스 쉴드;를 포함하며,
   상기 주조롤 에지부의 표면조도는 단부에서 중심부로 선형적으로 증가하게 숏블라스팅에 의해 형성되되, 상기 주조롤 에지부의 표면조도의 Ra는 13 내지 17um의 범위를 가지며, 상기 주조롤 중심부의 표면조도의 Ra는 20um인 쌍롤형 박판 주조장치.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 쌍롤형 박판 주조장치에 Ni성분의 중량비율이 적어도 15% 함유된 인바강의 조성을 가지는 용강을 공급하는 단계; 및
   상기 공급되는 용강을 응고시키면서, 회전하는 한 쌍의 박판 주조롤 사이로 배출하는 단계;
   를 포함하며,
   제1항의 박판 주조장치를 이용하는 것을 특징으로 하는 인바강 제조방법.
   
5. 제4항에 있어서,
   상기 인바강의 니켈성분의 중량비율은 적어도 36%인 인바강 제조방법.
   
6. 제4항에 있어서,
   상기 박판 주조롤을 통과한 용강은 적어도 100℃/sec로 급속냉각되는 인바강 제조방법.

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