KR102046949B1 - 2차 냉각대의 비수분포가 균일한 오스테나이트계 스테인리스강 연속주조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연주주편 표층의 델타 페라이트상이 균일하게 분포될 수 있도록 주형 직하 2차 냉각대의 폭 방향 냉각수 비수분포를 균일하게 제어하는 오스테나이트계 스테인리스강의 연속주조방법을 개시한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 2차 냉각대의 비수분포가 균일한 오스테나이트계 스테인리스강의 연속주조방법은, 연주주편의 폭 방향으로 설치된 복수 열의 냉각수 분사노즐을 포함하는 2차 냉각대에 있어서, 상기 연주주편의 폭 방향 비수분포 최대차가 10% 이하이다.

Description

2차 냉각대의 비수분포가 균일한 오스테나이트계 스테인리스강 연속주조방법 {AUSTENITIC STAINLESS STEEL CONTINUOUS CASTING METHOD WITH UNIFORM DISTRIBUTION OF COOLING WATER OF SECOND COOLING STAND}

본 발명은 오스테나이트계 스테인리스강의 연속주조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 주형 직하 구간의 2차 냉각을 균일하게 제어하고, 2차 냉각대의 폭 방향 비수분포를 제어하여 주편을 효과적으로 냉각하는 오스테나이트계 스테인리스강의 연속주조방법에 관한 것이다.

일반적으로 오스테나이트계 스테인리스강은 STS304, STS316, STS310S 등과 같이 Cr 및 Ni를 주요 원소로 하는 내식성이 뛰어난 재료이다. 오스테나이트계 스테인리스강의 연속주조에 있어서 델타 페라이트상(δ-ferrite)로 초정이 응고하여, 거의 70%까지 초정이 생성된 후에 포정반응이 일어난다. 평형으로 응고가 진행된다면 델타 페라이트상은 응고가 진행될수록 오스테나이트상으로 변태하여 주편의 델타 페라이트상이 완전히 변태된다. 하지만 오스테나이트계 스테인리스강의 연속주조는 비평형으로 진행되므로 냉각시간과 속도에 따라서 주편 표층에 3~7% 정도 존재하게 된다.

연속주조는 도 1에 도시한 바와 같이 래들(10)에서 턴디쉬(20)로 공급된 용강(5)을 침지노즐(15)을 통하여 주형에 주입하고, 연속주조 주형(30)에서 형성된 주편을 아래 방향으로 롤(50)에 의해 인출하면서 2차 냉각대 노즐(40)에서 분사하는 냉각수에 의해 주편을 응고시키는 기술이다.

오스테나이트계 스테인리스강 주편 제조 시 2차 냉각을 균일하게 제어하지 않는 경우 코일에서는 표면결함이 발생한다. 코일에서 폭 방향으로 빛의 반사에 따라 어두운 부분과 밝은 부분이 교대로 나타나는 띠상 줄무늬 결함이다. 코일에서 어두운 부분의 미세조직을 관찰하면 결정립의 손상이 많이 관찰된다. 이를 제거하기 위해 주편을 그라인딩하여 표층을 제거하게 되면 표면결함이 감소하지만, 그라인딩은 작업시간과 비용이 많이 소요되는 공정으로 생산성의 저하를 가져온다.

일본 공개특허공보 제1999-012652호에 의하면 띠상 줄무늬 결함은 연속주조 후 주편 표층 스케일 직하의 폭 방향 델타 페라이트 농도 편차(vol.%/cm)에 의하여 Ni 등의 폭 방향 편석이 발생하며, 열연 가열로에서 델타 페라이트 편석층이 충분히 확산되지 않고 냉연공정까지 일부 잔존하게 된다. 편석층은 냉연소둔 시에 결정립계의 산화 정도 차이를 유발시키고 산세 후에도 잠식 깊이의 차를 발생시켜 띠상 줄무늬 결함 발생시키므로, 압연 전 가열로에서 충분히 페라이트 분해하여 결함을 제거하고자 하였다. 하지만 띠상 줄무늬 저감을 위하여 연속적으로 생산되는 열간 작업의 시간을 확대하기는 어렵고, 이는 부가적으로 다른 결함을 발생시킬 수 있다. 균일한 냉각을 유지하기 위하여 2차 냉각 설비에 설치된 노즐의 크기 및 사양, 노즐선단과 주편 사이의 거리, 물의 미립자화(atomization) 양을 제어하여야 한다. 일반적으로 플랫 타입 노즐(flat spray type nozzle)을 사용하여 전체 비수량을 계산하여 노즐당 비수량으로 환산하여 적절한 노즐을 선택하고, 균일 냉각을 위하여 노즐을 길이방향으로 엇갈리게 설치하거나 여러 개의 노즐을 설치하여 균일한 분포를 확보하고 있었다. 그러나 이러한 방법에 의해서도 표면의 띠상 줄무늬 결함을 완전히 제거할 수 없었고, 이에 주편 표면을 여러번 그라인딩하여 표면의 불균일층을 완전 제거한 후 열간압연을 함으로써 결함을 제어하여 왔다.

일본 공개특허공보 제1999-012652호 (1999.01.19.)

본 발명은 연주주편 표층의 델타 페라이트상이 균일하게 분포될 수 있도록 주형 직하 2차 냉각대의 폭 방향 냉각수 비수분포를 균일하게 제어하는 오스테나이트계 스테인리스강의 연속주조방법을 제공하고자 한다.

또한, 연주주편 표층의 델타 페라이트상을 균일하게 분포시킴으로써 표면에 띠상 줄무늬 결함 발생을 방지하는 오스테나이트계 스테인리스강의 연속주조방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 2차 냉각대의 비수분포가 균일한 오스테나이트계 스테인리스강 연속주조방법은, 연주주편의 폭 방향으로 설치된 복수 열의 냉각수 분사노즐을 포함하는 2차 냉각대에 있어서, 상기 연주주편의 폭 방향 비수분포 최대차가 10% 이하이다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 연주주편의 표층 폭 방향 델타 페라이트상(δ-ferrite) 분율의 최대차가 1.5% 이하일 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 폭 방향 비수분포 최대차가 10% 이하인 상기 복수 열의 냉각수 분사노즐은, 연주주편의 길이 방향으로 주형 직하부터 상기 연주주편의 표면온도가 900℃인 위치까지 배치할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 폭 방향 비수분포 최대차가 1% 이하인 상기 복수 열의 냉각수 분사노즐은, 주형 직하로부터 1m 이상 배치할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 2차 냉각대에서 냉각되는 연주주편의 폭은 900mm 이상 2,200mm 이하일 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 오스테나이트계 스테인리스강 연속주조방법은 2차 냉각대의 연주주편 표층 델타 페라이트상 고상 변태 구간에서 냉각수 분사노즐의 폭 방향 비수분포를 균일하게 제어함으로써, 열연 및 냉연 공정을 거친 코일의 띠상 줄무늬 결함을 저감할 수 있다.

또한, 2차 냉각대의 냉각으로부터 표면결함을 제어할 수 있어, 표면결함 제거를 위한 부가공정을 거치지 않으므로 생산성을 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 연속주조방법을 개략적으로 나타내는 연속주조장치의 단면도이다.
도 2는 오스테나이트계 스테인리스강 연주주편 표층의 델타 페라이트 분포도이다.
도 3은 오스테나이트계 스테인리스강 연주주편 표면의 띠상 줄무늬 결함을 나타내는 모식도이다.
도 4는 종래예에 사용되는 냉각수 분사노즐의 폭 방향 비수분포를 나타내는 그래프이다.

이하에서는 본 발명의 실시예를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 이하의 실시예는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 사상을 충분히 전달하기 위해 제시하는 것이다. 본 발명은 여기서 제시한 실시예만으로 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 도면은 본 발명을 명확히 하기 위해 설명과 관계없는 부분의 도시를 생략하고, 이해를 돕기 위해 구성요소의 크기를 다소 과장하여 표현할 수 있다.

띠상 줄무늬 결함은 오스테나이트계 스테인리스강 연속주조 시 2차 냉각대에서의 냉각특성에 의해 발생할 수 있다. 연속주조 시 2차 냉각대에서의 냉각특성은 주편의 2차 냉각 시 표면 및 내부 품질에 영향을 주는 중요한 조업인자이다. 2차 냉각 시 연주주편의 표면 온도분포는 주편 표면 상태와 밀접한 관계가 있고, 응고 두께와 응고층 내 온도 구배는 응고층의 강도를 결정하기 때문에 기계적 응력에 관계되어 내부품질을 결정하는 주요요인이다. 2차 냉각대에서 연주주편 온도 분포, 응고 두께 등을 결정하는 것은 냉각수 스프레이 노즐에 의한 주편 표면에서의 열전달량, 주조속도, 주조온도, 강종 등이므로 이와 같은 변수들을 제어하여 연주기의 구조적 특성에 맞는 2차 냉각조건을 설정하는 것이 중요하다. 일반적으로 2차 냉각은 주편의 폭 방향 및 길이 방향으로 주편 표면의 균일한 냉각이 되어야 한다.

본 발명자들은 주편 표층부의 델타 페라이트상의 폭 방향 편차를 저감하기 위해서는 주형 직하의 2차 냉각대에서 냉각을 균일하게 하는 것이 중요하며, 이를 위해 폭 방향의 냉각수 비수분포를 균일하게 제어하고 주형 통과 직후 고상변태가 활발하게 이루어지는 구간에서 약냉을 할 필요가 있는 것을 확인하였다.

도 2는 오스테나이트계 스테인리스강 연주주편 표층의 델타 페라이트상 분포도를 나타낸다. 도 2에 나타난 바와 같이, 2차 냉각대의 냉각수 노즐의 폭 방향 비수분포 불균일에 의해 델타 페라이트상 분포의 불균일이 발생한다. 노즐 중심부에 대응하는 연주주편 중심부의 델타 페라이트상은 도 2에 나타난 바와 같이 다른 부위 대비 그 분율이 높으며, 강한 냉각에 의하여 고상변태가 이루어지지 않은 것이다. 이러한 델타 페라이트상이 후공정에서 효과적으로 제거되지 못하는 경우 델타 페라이트상 분율 차이에 의하여 도 3과 같은 띠상 줄무늬 결함이 나타난다. 도 3은 연주주편 표면의 띠상 줄무늬 결함을 나타내는 모식도로, 폭 방향으로 어두운 부분과 밝은 부분이 나타나는데 어두운 부분의 미세조직을 관찰하면 손상된 결정립이 많이 관찰된다.

도 4는 종래 냉각수 분사노즐의 폭 방향 비수분포를 나타내는 그래프이다. 도 4를 참조하면, 오스테나이트계 스테인리스강 연속주조 시 노즐 중심과 폭 방향 양측 말단의 비수분포의 차이가 큰 경우에 표층 델타 페라이트상 분율 편차가 매우 크게 나타났다. 델타 페라이트상의 폭 방향 분율 차이가 노즐의 위치와 아주 밀접한 관계를 가지고 있고, 특히 주형 직하 냉각수 분사노즐의 위치와 관련되어 있어 노즐에 의한 폭 방향 냉각수 비수분포 편차를 감소시킴으로써 후공정에서의 표층결함을 방지할 수 있다.

본 발명에 따른 오스테나이트계 스테인리스강을 연속주조로 제조하는 경우 초정 페라이트상으로 응고를 시작하여 포정응고 후 고상에서 페라이트상이 오스테나이트상으로 상변태하며, 이를 만족하는 오스테나이트계 스테인리스강은 Cr 함량이 10 내지 20중량% 범위이고 Ni 함량이 5 내지 15중량% 범위이다. 또한, 본 발명이 적용되는 연주주편의 두께는 150 내지 250mm이며, 주조폭은 900 내지 2,200mm일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 오스테나이트계 스테인리스강 연속주조방법은, 연주주편의 폭 방향으로 설치된 복수 열의 냉각수 분사노즐을 포함하는 2차 냉각대에서 상기 연주주편의 폭 방향 비수분포 최대차가 10% 이하를 만족한다.

폭 방향으로의 냉각수 분사노즐 1열에는 복수개의 분사노즐이 배치될 수 있다. 복수개의 분사노즐에 의한 중첩된 냉각수 비수분포에 있어서, 폭 방향 비수분포 최대차는 연주주편의 폭 방향을 기준으로 분사되는 냉각수량의 최대 비수량과 최저 비수량의 차를 말한다. 상기와 같이 비수분포 최대차를 10% 이하로 유지하여 냉각하게 되면 냉각속도의 편차를 줄이고 열전달량이 균일하여 연주주편 표층의 델타 페라이트상 분율의 최대차가 1.5% 이하를 만족할 수 있다. 델타 페라이트상 분율의 최대차는 연주주편 표층의 폭 방향 길이를 기준으로 델타 페라이트상의 최대 분율과 최저 분율을 나타내는 지점에서의 분율 차를 말한다.

한편, 오스테나이트계 스테인리스강 연주주편의 고상변태가 균일하게 일어나기 위해서는, 고온 구간에서의 냉각이 더욱 균일해야 한다. 고상변태가 일어나지 않은 부분의 잔존하는 델타 페라이트상은 후공정에서 제거되기 어렵다. 연주주편 표층의 델타 페라이트상의 오스테나이트상으로의 상변태는 표면온도가 900℃ 이상일 때 활발하게 이루어지며, 900℃ 미만의 온도에서는 상변태가 거의 일어나지 않는다. 따라서, 2차 냉각대에서의 연주주편의 표면온도와 관련하여, 연주주편 폭 방향 비수분포 최대차를 10% 이하로 냉각 시, 복수 열의 냉각수 분사노즐은 연주주편의 길이 방향으로 표면온도가 900℃ 이하로 떨어지는 지점까지 배치될 수 있다.

이하, 실시예들을 통하여 본 발명을 구체적으로 설명하지만, 하기 실시예는 본 발명을 예시하여 보다 상세하게 설명하기 위한 것일 뿐 본 발명의 권리범위가 이들 실시예로 한정되는 것은 아니다.

본 발명은 하기 표 1과 같은 조성의 STS304 오스테나이트계 스테인리스강을 대상으로 하여 평가하였다. 본 발명자는 도 2와 같은 델타 페라이트상의 편차가 주형 직하 1m 이내의 냉각수 비수분포와 밀접한 관계가 있으며, 연주주편의 고상변태는 온도가 높은 구간에서 균일하게 일어나야 후공정에서도 균일한 냉각을 될 수 있음을 알았다.

	Cr	Ni	Si	Mn	C	N	S
함량(중량%)	18.2	8.1	0.4	1.1	0.06	0.04	0.003

하기 표 2에 나타낸 폭 방향 비수분포 최대차(%)에 따른 주조조건으로 주편을 제조하여, 주편 표층의 델타 페라이트상 분율의 최대차(%), 표층결함의 발생정도를 5점 척도로 평가하였다. 폭 1,350mm 주편의 폭 방향 1열의 냉각수 분사노즐은 6개를 사용하였다. 또한, 비수분포 최대차를 측정하기 위한 냉각수량 값은 비수분포측정장치를 사용하여 최저점과 최대점을 일차원적으로 측정하여 두 값을 비교하였으며, 델타 페라이트상의 분율 측정은 페라이트스코프(Ferritescope)를 사용하여 계측하였다.

구분	폭 방향 비수분포 최대차(%)	폭 방향 델타 페라이트 최대차(%)	표층결함 발생정도
종래예	40	3.20	2.7
실시예 1	1	0.45	1.0
실시예 2	2	0.68	1.0
실시예 3	4	0.72	1.0
실시예 4	6	0.95	1.0
실시예 5	8	1.39	1.0
실시예 6	10	1.42	1.0
비교예 1	12	1.56	1.5
비교예 2	14	1.64	2.0
비교예 3	15	1.83	2.1
비교예 4	16	1.91	2.2
비교예 5	18	2.01	2.5
비교예 6	20	2.46	2.7
비교예 7	25	2.91	2.9
비교예 8	30	3.09	2.9

상기 표 2에서 알 수 있는 바와 같이, 종래예에서의 폭 방향 비수분포 최대차는 40%이며 델타 페라이트상 분율의 최대차가 3.2%로 높아 폭 방향으로 불균일하였다. 이에 따라 최종 제품에 띠상 줄무늬 표층결함이 발생하여 제품으로 출하하지 못하고 코일 그라인딩 공정을 거쳐야 했다.

그러나 비교예 1에서는 폭 방향 비수분포 최대차를 12%까지 줄였을 때 델타 페라이트상 분율 최대차는 1.56%까지 줄어들었지만, 희미하게 어두운 부분과 밝은 부분이 교차해 보여 제품으로 출하는 가능하지만 완전한 제품을 만들지 못하였다. 비교예 2 내지 5에서는 폭 방향 비수분포 최대차를 14 내지 20%까지 조정하여 주조하였지만 비교예 1보다 못한 델타 페라이트상 분율 최대차를 나타내었고, 코일에서의 표층결함이 종래예보다는 양호하지만 빛의 반사에 따라 관찰이 가능하였다. 그리고 비교재 6 및 7에서와 같이 폭 방향 비수분포 최대차를 약간 조정한 경우는 종래예와 유사한 형태를 가졌다.

한편, 실시예 1 내지 6에서는 폭 방향 비수분포 최대차를 10% 이내로 조정하여 델타 페라이트상 분율 최대차는 상대적으로 많이 줄어 0.45 내지 1.42%의 분포를 가졌으며, 띠상 줄무늬 표층결함이 없는 우수한 코일을 제조할 수 있었다. 이상의 결과를 통해 본 실시예는 주편 중심부의 공극률을 저감하고 최종제품에서 결함이 없는 연속주조 조업이 가능하다는 것을 알 수 있었다.

이어서, 2차 냉각대에서의 연주주편 길이방향으로의 냉각수 분사노즐 배치 종점을 도출하기 위하여, 비수분포 최대차가 1%인 실시예 1을 기초로 배치 길이를 달리하여 평가하였다. 복수 열의 분사노즐은 길이방향 0.25m 간격으로 배치하였으며, 하기 표 3에 표층결함 발생정도를 5점 척도로 나타내었다.

폭 방향 비수분포 최대차	길이 방향 분사노즐 설치영역	표층결함 발생정도
1.0%	주형 직하부터 0.5m까지	3.7
	주형 직하부터 0.75m까지	2.5
	주형 직하부터 1.0m까지	1.0
	주형 직하부터 2.0m까지	1.0
	주형 직하부터 5.0m까지	1.0
	주형 직하부터 9.0m까지	1.0

상기 표 3에서 알 수 있는 바와 같이, 주형 직하에서 1.0m 이상 본 발명의 비수분포를 가지는 냉각수 분사노즐을 설치하여 연속주조한 경우 띠상 줄무늬가 저감된 완전한 제품을 생산할 수 있었다. 완전한 제품을 생산하기 위하여 주형 직하에서 1.0m를 초과하는 영역까지 편차가 본 발명의 비수분포를 가지는 분사노즐을 설치하지 않아도 품질이 확보될 수 있어 관리 및 설치 비용을 저감할 수 있었다.

상술한 바에 있어서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것으로서, 본 발명의 보호범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (5)

1. 연주주편의 폭 방향으로 설치된 복수 열의 냉각수 분사노즐을 포함하는 2차 냉각대에서 상기 연주주편을 응고시키는 오스테나이트 스테인리스강 연속주조방법에 있어서,
   상기 연주주편은 중량%로, Cr: 10 내지 20% 및 Ni: 5 내지 15% 범위를 포함하는 오스테나이트계 스테인리스강이며,
   상기 연주주편의 폭 방향 비수분포 최대차가 10% 이하이고,
   상기 폭 방향 비수분포 최대차가 10% 이하인 경우 상기 복수 열의 냉각수 분사노즐은, 연주주편의 길이 방향으로 주형 직하부터 상기 연주주편의 표면온도가 900℃인 위치까지 배치하며,
   상기 폭 방향 비수분포 최대차가 1% 이하인 경우 상기 복수 열의 냉각수 분사노즐은, 주형 직하로부터 1m 이상 배치하며,
   상기 복수 열의 냉각수 분사노즐은 길이 방향 0.25m 간격으로 배치하는 2차 냉각대의 비수분포가 균일한 오스테나이트계 스테인리스강 연속주조방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 연주주편의 표층 폭 방향 델타 페라이트상(δ-ferrite) 분율의 최대차가 1.5% 이하인 2차 냉각대의 비수분포가 균일한 오스테나이트계 스테인리스강 연속주조방법.
3. 삭제
4. 삭제
5. 제1항에 있어서,
   상기 2차 냉각대에서 냉각되는 연주주편의 폭은 900mm 이상 2,200mm 이하인 2차 냉각대의 비수분포가 균일한 오스테나이트계 스테인리스강 연속주조방법.

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