KR102348528B1 - 클래드강판의 제조방법 - Google Patents

클래드강판의 제조방법 Download PDF

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KR102348528B1
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이진우
김상훈
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주식회사 포스코
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Abstract

본 발명의 일 실시형태는 탄소강 모재를 준비하는 단계; 상기 준비된 탄소강 모재와 슈(shoe) 사이에 공간이 형성되도록, 상기 탄소강 모재 및 슈(shoe)를 서로 마주보도록 위치시키는 단계; 상기 공간으로 전극 와이어를 삽입시켜 일렉트로 슬래그 용접하여 상기 탄소강 모재 상에 클래드재를 형성시켜 클래드강판을 제조하는 단계; 및 상기 슈(shoe)를 제거하는 단계를 포함하며, 상기 탄소강 모재 및 슈(shoe) 사이의 간격은 50mm 미만이고, 상기 탄소강 모재의 두께는 16mm 이상인 클래드강판의 제조방법을 제공한다.

Description

클래드강판의 제조방법{METHOD OF MANUFACTURING CLAD STEEL PLATE}
본 발명은 클래드강판의 제조방법에 관한 것이다.
클래드강이란 탄소강 표면에 STS강, Ni 합금강 등 내식성이 우수한 강재를 2~5mm의 두께로 접합하여, 단일 내식강 사용 대비 원가를 절감한 강재이다. 이러한 클래드강은 여러가지 제조방법에 의해 제조되고 있으며, 대표적으로는 롤 본딩(Roll Bonding), 폭발 압접(Explosive Welding), 육성 용접(Overlay Welding) 등이 있다. 이중 롤 본딩 방법은 투자비는 높으나, 우수한 품질 및 낮은 제조비용 등의 이점이 있어 통상적으로 후판 밀에서 채택되어 사용 중이다. 클래드강은 소재에 따라서도 분류가 가능하며 적용되는 클래드 소재는 STS, Ni 합금강, Cu 합금강, Ti, 산화물 등이 있다. 이 중 STS 및 Ni 합금강을 적용한 클래드 강판이 시장의 85% 이상을 차지하고 있다.
앞에서 소개한 바와 같이 후판 밀에서 주로 적용하고 있는 롤 본딩 방법의 경우 슬라브 패키지 제작, 후판 압연, 열처리, 절단, 교정, 표면처리 등의 공정으로 이루어져 있으며, 이중 슬라브 패키지 제작이 핵심기술이라고 할 수 있다. 슬라브 패키지 제작에는 이종금속의 접합성능을 높이고 2매의 클래드 강판의 분리가 용이하게 되도록 전처리 공정이 필수이며, 전처리 공정에는 모재와 클래드재의 접합력을 높이기 위한 표면연마, Ni 도금 또는 포일(Foil) 부착, 클래드재 간 계면에 분리재 도포 및 진공처리가 포함된다. 이러한 전처리 공정은 진공챔버 또는 진공펌프를 적용하여 진공처리를 수행하게 되는데, 확실한 진공처리를 위해서는 높은 초기 투자비용이 필요할 뿐만 아니라, 생산속도 또한 낮아지게 되며, 공정상의 어려움으로 실제 생산기술을 확보하는 것이 매우 어려운 실정이다.
따라서, 초기 투자비용이 낮고, 비교적 간단하면서도 양호한 품질을 확보할 수 있는 클래드강의 제조기술이 요구되고 있다.
본 발명의 일측면은 클래드강판의 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 일 실시형태는 탄소강 모재를 준비하는 단계; 상기 준비된 탄소강 모재와 슈(shoe) 사이에 공간이 형성되도록, 상기 탄소강 모재 및 슈(shoe)를 서로 마주보도록 위치시키는 단계; 상기 공간으로 전극 와이어를 삽입시켜 일렉트로 슬래그 용접하여 상기 탄소강 모재 상에 클래드재를 형성시켜 클래드강판을 제조하는 단계; 및 상기 슈(shoe)를 제거하는 단계를 포함하며, 상기 탄소강 모재 및 슈(shoe) 사이의 간격은 50mm 미만이고, 상기 탄소강 모재의 두께는 16mm 이상인 클래드강판의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일측면에 따르면, 양호한 품질을 갖는 클래드강판을 비교적 간단한 방법으로 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 클래드강판의 제조방법을 설명하기 위한 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 클래드강판의 제조방법을 설명하기 위한 사시도이다.
도 3은 발명예 2를 광학현미경으로 관찰한 사진이다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 클래드강판의 제조방법을 설명하기 위한 모식도이며, 도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 클래드강판의 제조방법을 설명하기 위한 사시도이다. 이하, 도 1 및 2를 참조하여 본 발명의 일 실시형태에 따른 클래드강판의 제조방법에 대하여 설명한다.
우선, 탄소강 모재(10)를 준비한다. 본 발명에서는 상기 탄소강 모재의 종류에 대해서 특별히 한정하지 않으며, 당해 기술분야에서 이용되는 모든 종류의 탄소강 모재를 이용할 수 있다. 한편, 본 발명에서는 상기 준비된 탄소강 모재를 그대로 사용할 수 있으나, 한편으로는, 용접이 건전하게 이루어질 수 있도록, 용접이 수행될 탄소강 모재의 표면을 디스케일링 또는 샷블라스팅 등을 통해 표면처리하여 이용할 수도 있다.
이후, 상기 준비된 탄소강 모재(10)와 슈(shoe)(20) 사이에 공간이 형성되도록, 상기 탄소강 모재(10) 및 슈(shoe)(20)를 서로 마주보도록 위치시킨다. 이 때, 도 1 및 2에 도시된 바와 같이, 상기 탄소강 모재(10) 및 슈(shoe)(20)는 일렉트로 슬래그 용접을 이용하여 용접할 수 있도록 세워서 고정되는 것이 바람직하다. 상기 슈(shoe)는 일렉트로 슬래그 용접시, 용융물(30)의 넘침을 방지함과 동시에 용접 재료가 빨리 냉각되도록 하여 용융물이 클래드재로 형성되도록 하는데 도움을 주는 역할을 한다. 또한, 상기 냉각을 위하여, 상기 슈(shoe)는 그 내부에 냉각수가 흐르는 구조를 가질 수 있다. 아울러, 상기 슈(shoe)(20) 외에 탄소강 모재의 양 측면에는 추가적으로 (shoe)(24)가 구비될 수 있으며, 또한, 탄소강 모재의 바깥면에는 냉각패드(22)가 구비될 수 있다. 한편, 본 발명에서는 상기 슈(shoe)의 종류나 형태에 대해서 특별히 한정하지 않으며, 당해 기술분야에서 통상적으로 이용되는 모든 것을 사용할 수 있다. 다만, 바람직한 일례로서, Cu-슈(shoe)를 이용할 수 있다. 또한, 상기 슈(shoe)(20)의 두께는 제조되는 클래드강판의 두께에 따라 결정될 수 있다. 상기 냉각패드(22) 또한 공냉보다 빠르게 고온의 용접열이 외부로 용이하게 배출되도록 함으로써 상기 탄소강 모재 및 클래드재의 변형을 억제하는 역할을 한다. 상기 냉각패드는 상기 탄소강 모재가 용접되는 영역의 반대편에 설치될 수 있으며, 냉각효율을 위하여 상기 냉각패드는 상기 탄소강 모재에 부착되는 것이 바람직하다. 본 발명에서는 용접열을 외부로 용이하게 배출시킬 수 있는 것이라면 상기 냉각패드의 종류나 형태에 대해서 특별히 한정하지 않는다. 다만, 바람직한 일례로서, Cu 또는 이와 유사한 열전달 특성을 갖는 재질을 이용할 수 있고, 그 내부에 냉각수가 흐를 수 있는 냉각수 관이 구비된 형태를 가질 수 있다. 또한, 상기 냉각패드는 탄소강 모재와 유사한 수준의 넓이를 갖는 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다. 한편, 본 발명에서는 슈와 냉각패드를 구분하여 언급하고 있으나, 냉각기능 측면에서는 유사한 역할을 하며, 다만, 슈는 용접시 슬래그 제거 등의 역할을 추가로 행할 수 있다.
상기 탄소강 모재 및 슈(shoe) 사이의 간격(G)은 50mm 미만인 것이 바람직하다. 상기 탄소강 모재 및 슈(shoe) 사이의 간격이 50mm 이상인 경우에는 용접부의 두께가 증가하여 클래드재 또는 클래드강판의 형상이 불량해질 수 있을 뿐만 아니라, 용융불량 및 고온균열 등의 결함이 발생할 가능성이 매우 높다. 본 발명에서는 상기 탄소강 모재 및 슈(shoe) 사이의 간격의 하한에 대해서 특별히 한정하지 않으나, 최소한 전극 와이어가 투입될 수 있는 간격 보다는 큰 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는, 상기 탄소강 모재 및 슈(shoe) 사이의 간격이 20mm 이상인 것이 유리하다. 이는, 제조과정 중 전극 와이어 또는 용접시 발생하는 아크가 탄소강 모재 또는 슈(shoe)와 접촉하게 되어 제품 또는 용접 불량이 발생할 가능성을 낮추기 위함이다. 한편, 상기 탄소강 모재 및 슈(shoe) 사이의 간격이 40mm를 초과하는 경우 용접부 형상 불량 또는 품질 불량과 같은 문제가 발생할 가능성이 있고, 또한, 전극 와이어의 용융량이 과다해질 필요가 있으므로, 이로 인해 입열량 과다에 따른 탄소강 모재의 변형 등과 같은 문제가 발생할 수 있다. 따라서, 상기 탄소강 모재 및 슈(shoe) 사이의 간격은 40mm 이하인 것이 보다 바람직하다.
상기 탄소강 모재의 두께(t)는 16mm 이상인 것이 바람직하다. 작업성, 입열량 등의 문제에 의해 상기 탄소강 모재의 두께에 대한 제한이 발생하게 되며, 제조과정 중 열변형에 의한 형상 불량 등의 문제가 발생하지 않도록 하기 위해서는, 상기 탄소강 모재의 두께(t)가 일정 수준 이상일 필요가 있다. 이를 위해, 상기 탄소강 모재의 두께(t)가 16mm 이상인 것이 바람직하며, 만일, 16mm 미만인 경우에는 전술한 문제들이 발생할 가능성이 있다.
상기 탄소강 모재 및 슈(shoe) 사이의 간격(G)과 상기 탄소강 모재의 두께의 합은 400mm 이하인 것이 바람직하다. 상기 탄소강 모재 및 슈(shoe) 사이의 간격(G)과 상기 탄소강 모재의 두께의 합이 400mm를 초과하는 경우에는 후공정인 압연 공정 적용시 통상의 열연압연설비에서 열간압연을 수행하기 어려울 수 있다.
이후, 상기 탄소강 모재 및 슈(shoe) 사이의 공간으로 전극 와이어(40)를 삽입시켜 일렉트로 슬래그 용접하여 상기 탄소강 모재 상에 클래드재를 형성시켜 클래드강판을 제조한다. 이때, 용접하고자 하는 탄소강 모재의 폭에 따라 일렉트로 슬래그 용접시 전극의 수가 결정되며, 본 발명에서는 상기 전극의 수가 1개 이상일 수 있다. 한편, 본 발명에서는 상기 클래드재의 종류에 대해서 특별히 한정하지 않으나, 예를 들면, STS, Ni합금, Cu 합금, Ti 중 1종을 이용할 수 있다.
한편, 앞서 언급한 바와 같이, 탄소강 모재의 폭에 따라 전극 와이어의 수가 결정되며, 탄소강 모재의 폭이 클 경우에는 전극 와이어의 수 또한 증가된다. 다만, 상기 전극 와이어가 2개 이상일 경우, 상기 전극 와이어 간의 간격(E)은 150mm 이하인 것이 바람직하다. 만일, 상기 전극 와이어 간의 간격(E)이 150mm를 초과하는 경우에는 용융물 생성량이 탄소강 모재 및 슈(shoe) 사이의 공간을 충분히 채우지 못하여, 적정 용접조건 범위를 범위나게 됨에 따라 용접불량이 발생할 가능성이 있다. 본 발명에서는 상기 전극 와이어 간의 간격(E)의 하한에 대해서는 특별히 한정하지 않으나, 전극 와이어 두께 보다는 큰 것이 바람직하다. 이는, 전극 와이어 간의 물리적 접촉이나 용접시 발생하는 아크에 의해 제품 또는 용접 불량이 발생할 가능성을 낮추기 위함이다. 한편, 상기 전극 와이어 간의 간격(E)이 50mm를 초과하는 경우에는 용융물이 탄소강 모재 및 슈(shoe) 사이의 공간을 충분히 채울 수 있도록 전극 와이어에 진동을 줄 필요가 있으므로, 상기 전극 와이어 간의 간격(E)은 50mm 이하인 것이 보다 바람직하다.
이후, 슈(shoe)를 제거함으로써 클래드강판을 최종적으로 얻을 수 있다. 이와 같이 제조된 클래드강판은 두께, 형상 등에 있어 제품화하는데 문제가 없다면 바로 제품으로 출하할 수 있다. 다만, 필요시 간단한 표면처리 공정, 예를 들면, 숏 블라스팅 또는 그라인딩 등의 공정을 수행할 수도 있다.
더하여, 상기 클래드 강재를 얻는 단계 후에는 상기 클래드강판을 열간압연하는 단계를 추가로 행할 수 있다. 상기 열간압연 공정은 상기 클래드강판을 원하는 두께, 미세조직 또는 기계적 물성을 가지게 할 목적으로 수행될 수 있다. 본 발명에서는 상기 열간압연공정에 대해서 특별히 한정하지 않으며, 당해 기술분야에서 통상적으로 이용되는 열간압연공정을 모두 이용할 수 있다. 한편, 본 발명에서는 상기 열간압연공정시 2매 이상의 클래드강판을 패키징하여 압연할 수도 있다. 상기 열간압연공정을 통해 제조된 클래드강판은 두께, 형상 등에 있어 제품화하는데 문제가 없다면 제품으로 출하할 수 있다.
아울러, 상기 클래드강판을 열간압연하는 단계 후에는 상기 열간압연된 클래드강판을 열처리 및 교정하는 단계를 추가로 행할 수 있다. 상기 열처리 및 교정 공정을 통해, 원하는 제품 형상, 미세조직 또는 기계적 물성을 얻을 수 있다. 본 발명에서는 상기 열처리 및 교정 공정에 대해서 특별히 한정하지 않으며, 당해 기술분야에서 통상적으로 이용되는 열처리 및 교정 공정을 모두 이용할 수 있다.
전술한 바와 같이 제공되는 본 발명의 일 실시형태에 따른 클래드강판의 제조방법에 따르면, 기존의 방법에 비하여 고난도의 공정들을 일렉트로 슬래그 용접으로 대체할 수 있어 제조비용이 저렴하고, 제조공정이 보다 간단할 뿐만 아니라, 범용적인 설비에서도 클래드강판을 용이하게 생산할 수 있는 이점이 있다. 또한, 용접 공정을 통해 탄소강 모재와 클래드재를 결합시킴으로써 두 소재간의 결합력을 충분히 확보할 수 있어 양호한 품질을 얻을 수 있다. 더하여, 열간압연, 열처리 및 교정 공정 등을 이용하여 원하는 두께, 형상, 미세조직 및 기계적 물성을 쉽게 확보할 수 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하고자 한다. 다만, 하기의 실시예는 본 발명을 예시하여 보다 상세하게 설명하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 권리범위를 한정하기 위한 것이 아니라는 점에 유의할 필요가 있다. 본 발명의 권리범위는 특허청구범위에 기재된 사항과 이로부터 합리적으로 유추되는 사항에 의해 결정되는 것이기 때문이다.
(실시예 1)
탄소강 모재로서 SS400을 준비한 뒤, 상기 준비된 탄소강 모재와 슈(shoe) 사이에 공간이 형성되도록, 상기 탄소강 모재 및 슈(shoe)를 서로 마주보도록 위치시키고, 상기 공간으로 전극 와이어를 삽입시켜 일렉트로 슬래그 용접하여 상기 탄소강 모재 상에 클래드재를 형성시켜 클래드강판을 제조하였다. 이 때, 전극 와이어의 용접재료로는 STS316L를 사용하였으며, 전극 와이어는 1개를 사용하였다. 탄소강 모재 및 슈(shoe) 사이의 간격(G)과 탄소강 모재의 두께(t)는 하기 표 1에 기재하였다. 상기 제조된 클래드강판의 클래드재 두께는 20mm였다. 이와 같이 제조된 클래드강판을 열간압연하여 최종적으로 20mm 두께의 클래드강판을 제조하였으며, 상기 제조된 클래드강판에 대하여 접합부 품질을 측정한 뒤, 하기 표 1에 그 결과를 나타내었다.
접합부 품질은 초음파탐상검사를 통해 평가하였으며, 그 기준은 아래와 같다.
◎: 비접합부의 총 면적이 강판 표면적의 1%이하
○: 비접합부의 총 면적이 강판 표면적의 1%초과~1.5%이하
△: 비접합부의 총 면적이 강판 표면적의 1.5%초과~2%이하
×: 비접합부의 총 면적이 강판 표면적의 2%초과
구분 탄소강 모재의 두께(mm) 탄소강 모재 및 슈 사이의 간격(mm) 접합부 품질
발명예1 120 10 ○
발명예2 120 20 ◎
발명예3 120 30 ◎
발명예4 120 40 ◎
비교예1 120 50 △
비교예2 120 60 ×
상기 표 1을 통해 알 수 있듯이, 본 발명이 제안하는 탄소강 모재 및 슈 사이의 간격 조건을 만족하는 발명예 1 내지 4의 경우에는 접합부 품질이 우수하거나 양호한 것을 알 수 있다.
반면, 본 발명이 제안하는 탄소강 모재 및 슈 사이의 간격 조건을 벗어나는 비교예 1 및 2의 경우에는 접합부 품질이 양호하지 않음을 알 수 있다.
도 3은 발명예 2를 광학현미경으로 관찰한 사진이다. 도 3에서 알 수 있듯이, 발명예 2는 탄소강 모재와 클래드재의 접합부 품질이 우수함을 알 수 있다.
(실시예 2)
실시예 1과 동일한 조건으로 클래드강판을 제조하였다. 다만, 탄소강 모재 및 슈(shoe) 사이의 간격(G)과 탄소강 모재의 두께(t)는 하기 표 2에 기재된 조건으로 하였다. 상기 제조된 클래드강판에 대하여 형상 품질을 측정한 뒤, 하기 표 2에 그 결과를 나타내었다.
형상 품질은 육안으로 평탄도 편차를 측정하여 평가하였으며, 그 기준은 아래와 같다. 여기서 평탄도 편차란 웨이브 형상을 갖는 강판에서 최대 높이와 최소 높이의 차이를 의미한다.
◎: 평탄도 편차가 강판 1m당 2mm이하
○: 평탄도 편차가 강판 1m당 2mm초과~4mm이하
△: 평탄도 편차가 강판 1m당 4mm초과~6mm이하
×: 평탄도 편차가 강판 1m당 6mm초과
구분 탄소강 모재의 두께(mm) 탄소강 모재 및 슈 사이의 간격(mm) 형상 품질
발명예5 120 10 ◎
발명예6 80 10 ○
발명예7 50 10 ○
발명예8 20 10 ○
비교예3 15 10 ×
상기 표 2를 통해 알 수 있듯이, 본 발명이 제안하는 탄소강 모재의 두께 조건을 만족하는 발명예 5 내지 8의 경우에는 형상 품질이 우수하거나 양호한 것을 알 수 있다.
반면, 본 발명이 제안하는 탄소강 모재의 두께 조건을 벗어나는 비교예 3의 경우에는 형상 품질이 양호하지 않음을 알 수 있다.
10: 탄소강 모재
20, 24: 슈(shoe)
22: 냉각패드
30: 용융물
40: 전극 와이어
G: 탄소강 모재 및 슈(shoe) 사이의 간격
t: 탄소강 모재의 두께
E: 전극 와이어 간의 간격

Claims (6)

  1. 탄소강 모재를 준비하는 단계;
    상기 준비된 탄소강 모재와 슈(shoe) 사이에 공간이 형성되도록, 상기 탄소강 모재 및 슈(shoe)를 서로 마주보도록 위치시키는 단계;
    상기 공간으로 전극 와이어를 삽입시켜 일렉트로 슬래그 용접하여 상기 탄소강 모재 상에 클래드재를 형성시켜 클래드강판을 제조하는 단계; 및
    상기 슈(shoe)를 제거하는 단계를 포함하며,
    상기 탄소강 모재 및 슈(shoe) 사이의 간격은 50mm 미만이고,
    상기 탄소강 모재의 두께는 16mm 이상인 클래드강판의 제조방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 탄소강 모재 및 슈(shoe) 사이의 간격과 상기 탄소강 모재의 두께의 합은 400mm 이하인 클래드강판의 제조방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 전극 와이어는 2개 이상이고, 상기 전극 와이어 간의 간격은 150mm 이하인 클래드강판의 제조방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 클래드재는 STS, Ni합금, Cu 합금, Ti 중 1종인 클래드강판의 제조방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 클래드강판을 제조하는 단계 후, 상기 클래드강판을 열간압연하는 단계를 추가로 포함하는 클래드강판의 제조방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 클래드강판을 열간압연하는 단계 후, 상기 열간압연된 클래드강판을 열처리 및 교정하는 단계를 추가로 포함하는 클래드강판의 제조방법.



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* Cited by examiner, † Cited by third party
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