KR102509839B1 - 몰드파우더 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연속주조용 몰드파우더로서, 상기 몰드파우더는, 25 내지 30wt%의 CaO, 23 내지 25wt%의 SiO₂, 1.0 내지 1.5wt%의 MgO, 16 내지 18wt%의 Al₂O₃, 1.2 내지 1.4wt%의 Na₂O, 4 내지 6wt%의 F, 17 내지 18wt%의 C 및 불가피 분술물을 함유할 수 있다.

Description

몰드파우더{Mold powder}

본 발명은 몰드파우더에 관한 것으로서, 더 상세하게는 연속주조용 몰드파우더에 관한 것이다.

포정강 빔블랭크는 0.09wt% 내지 0.14wt%의 탄소(C)를 함유하는 강이다. 포정강은 아포정강(C<0.09wt%) 및 과포정강(C>0.14wt%)과는 다르게 용융상태(Liquid)에서 응고되는 과정에서 탄소의 영향으로 δ-페라이트(ferrite)가 γ-오스테나이트(Austenite)로 상변태되며, 이때 약 0.38%의 체적감소가 발생하게 된다.

이렇게 발생한 체적감소는 H형강을 만들기 위한 빔블랭크 연속 주조시, 초기 응고쉘과 몰드간의 에어갭(Air Gap)을 형성하여 응고쉘의 불균일 성장을 야기한다. 이렇게 발생된 불균일 정도는 응고가 지속되면서 더욱 심해지게 된다. 응고가 지속되면서, 용강정압 및 몰드(Mold)의 마찰 응력에 의하여 취약한 부분에서 크랙(Crack)이 발생되고 이는 빔블랭크 표면에 종크랙으로 나타나게 된다.

포정강과 과포정강을 동일한 연주조건으로 주조시, 플랜지(Flange) 면에서 발생하는 수축량의 차이를 연속주조 소프트웨어(Thercast S/W)를 통하여 응고 해석 해본 결과를 도 5에 도시하였다. 도 5를 참조하면, 포정강의 경우 과포정강에 비하여 응고가 진행되는 몰드(Mold) 내에서 응고수축이 많이 발생하는 것을 확인할 수 있었다. 이는 곧 빔블랭크 표면 품질에 종크랙 발생과 같은 안좋은 영향을 미치는 것을 의미한다.

한국공개특허공보 특2001-0040738호 및 특1998-086691호에는 상기 문제를 해결하기 위해서 연속주조시 몰드파우더를 이용하여 품질을 제어하는 기술을 개시하고 있으나, 연속주조시 빔블랭크의 표면품질에 직접적 영향을 미치는 점도 및 염기도에 대해서는 고려하지 않고 있어, 그 품질이 떨어지는 문제점이 있었다.

1. 한국공개특허공보 특2001-0040738호 2. 한국공개특허공보 특1998-086691호

종래에는 이와 같이, 포정강 빔블랭크의 연속주조시 응고불균일에 의해 포정강 빔블랭크의 표면 품질이 떨어지는 문제점이 있었다. 본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 몰드 내 용강의 냉각속도를 느리게 제어하여 응고를 천천히 진행시키고 이를 통하여 응고불균일을 최소화할 수 있는 몰드파우더를 제공하는 것을 목적으로 한다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 연속주조용 몰드파우더를 제공한다. 상기 연속주조용 몰드파우더는 25 내지 30wt%의 CaO, 23 내지 25wt%의 SiO₂, 1.0 내지 1.5wt%의 MgO, 16 내지 18wt%의 Al₂O₃, 1.2 내지 1.4wt%의 Na₂O, 4 내지 6wt%의 F, 17 내지 18wt%의 C 및 불가피 분술물을 함유할 수 있다.

상기 연속주조용 몰드파우더에 있어서, 상기 몰드파우더는 4.2 내지 4.5wt%의 F를 포함할 수 있다.

상기 연속주조용 몰드파우더에 있어서, 상기 몰드파우더는 1.3 내지 1.35의 염기도를 만족

상기 연속주조용 몰드파우더에 있어서, 상기 몰드파우더는 17.5 내지 18.5의 점도를 만족

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상술한 연속주조용 몰드파우더를 사용하여 제조한 빔블랭크를 제공한다. 상기 빔블랭크의 표면품질지수 결과값은 70 내지 90이며, 상기 표면품질지수 결과값은 하기 수식 1에 의해 연산될 수 있다.

[수식 1]

표면품질지수=(25.8 × exp(-0.04 × 크랙수))-(최대크랙깊이)

상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따르면, 적정 냉각속도와 점도를 갖는 몰드파우더를 이용함으로써, 포정강 빔블랭크 생산시 표면 크랙발생을 억제할 수 있고, 크랙발생에 따른 스카핑 작업을 줄여 H형강의 회수율 증가 및 스카핑 비용 감소 효과를 얻을 수 있는 연속주조용 몰드파우더를 제시할 수 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 빔블랭크의 구조를 개략적으로 도해한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연속주조시 용강의 응고에 대해 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실험예에 따른 연속주조용 몰드파우더의 종류에 의한 전열량을 비교한 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실험예에 따른 연속주조용 몰드파우더의 종류에 의한 표면품질지수를 비교한 그래프이다.
도 5는 종래의 몰드파우더를 사용했을 경우, 포정강과 과포정강 제조시 플랜지(Flange) 면에서 발생하는 수축량의 차이를 연속주조 소프트웨어(Thercast S/W)를 통하여 응고 해석한 결과를 도시한 그래프이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 여러 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.

본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려 이들 실시예들은 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. 또한, 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이다.

이하, 본 발명의 실시예들은 본 발명의 이상적인 실시예들을 개략적으로 도시하는 도면들을 참조하여 설명한다. 도면들에 있어서, 예를 들면, 제조 기술 및/또는 공차(tolerance)에 따라, 도시된 형상의 변형들이 예상될 수 있다. 따라서, 본 발명 사상의 실시예는 본 명세서에 도시된 영역의 특정 형상에 제한된 것으로 해석되어서는 아니 되며, 예를 들면 제조상 초래되는 형상의 변화를 포함하여야 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 빔블랭크의 구조를 개략적으로 도해한 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연속주조시 용강의 응고에 대해 설명하기 위한 도면이다.

본 발명에서 사용되는 H형강용 포정강 빔블랭크는 도 1에 도시된 바와 같이, 다른 철강 반소재 제품들(슬라브, 빌렛)과 다르게 복잡한 형상을 갖고 있다.

상기 H형강용 포정강은 0.10wt% 내지 0.13wt%의 C, 0.15 wt% 내지 0.20 wt%의 Si, 1.20 wt% 내지 1.30 wt%의 Mn, 0.020 wt% 내지 0.025 wt%의 Al, 0.060 wt% 내지 0.070 wt%의 V, 0.010 wt% 내지 0.015 wt%의 Ti, 그 외 Fe 및 기타 합금원소로 이루어진 강종으로서, 포정강의 특성과 더불어 기타 합금원소들의 영향으로 크랙 발생민감도가 높은 강종이다. 그러므로, 연속주조시 몰드파우더에 의한 응고속도 조절이 매우 중요하다.

상기 포정강 빔블랭크를 연속주조로 제조시 몰드파우더의 점도가 매우 중요한 요소가 된다. 본 발명에서 상기 몰드파우더는 17.5 poise 내지 18.5 poise의 점도를 만족할 수 있다.

일반적으로 슬라브나 빌렛의 경우, 연속주조시 점도가 낮을수록 몰드와 용강 사이로 용융 몰드파우더의 유입성이 좋아진다. 반면, 빔블랭크는 점도가 낮을수록 몰드파우더의 유입성이 떨어지기 때문에 몰드파우더의 점도는 17.5 보다 높아야 한다. 또, 몰드파우더의 점도가 너무 높을 경우, 연속주조가 불가능해질 수 있으므로 최대 18.5를 넘기지 않도록 제어해야 한다.

또한, 몰드파우더는 점도뿐만 아니라, 염기도도 일정수준 만족해야 한다. 염기도는 CaO와 SiO₂의 비 즉, CaO의 함량을 SiO₂의 함량으로 나눈 값을 의미한다. 상기 염기도는 몰드파우더의 융점 및 전열량에 큰 영향을 미치는 요소이기 때문에, 상기 몰드파우더는 1.3 내지 1.35의 염기도를 만족해야 한다. 염기도가 1.3 미만시 몰드파우더의 전열량이 증가하여 냉각속도가 증가하게 되어 초기 응고층의 불균일을 유발한다. 반면, 염기도가 1.35 초과시에는 몰드파우더의 전열량이 감소하여 냉각속도의 감소로 표층부 조직의 조대화를 유발한다.

본 발명에서는 이러한 몰드파우더의 점도를 제어하기 위해서, SiO₂ 및 Al₂O₃의 함량을 일정하게 제어한다. 또, 염기도를 제어하기 위해서, CaO와 SiO₂의 비도 제어해야 한다. 이하에서 몰드파우더의 조성에 대해서 구체적으로 후술한다.

도 2를 참조하면, 연속주조용 몰드파우더는 용강의 탕면에 도포되어 녹으면서 용융층을 형성한다. 그 위로 소결층과 분말층을 형성한다. 이렇게 용융된 몰드파우더는 몰드와 용강사이로 흘러들어 수냉 냉각몰드에 의해 다시 응고된다. 이때, 고상의 슬래그 필름을 형성하고 이렇게 형성된 슬래그 필름은 결정질(동판쪽)로 유리질(응고쉘쪽)로 크게 구분되어 있다.

포정강 빔블랭크의 연속주조시 발생하는 몰드(Mold) 내 초기 응고불균일을 억제하기 위해서는 몰드 내 용강의 냉각 속도를 느리게 제어하여 응고를 천천히 진행시키고 이를 통하여 응고불균일을 최소화해야 한다.

상기 용강의 냉각 속도를 제어하기 위해서, 포정강 빔블랭크 연속주조시 몰드파우더를 이용한다. 몰드파우더는 연속주조용 몰드 내 용강면 상에 뿌려주는 인공 슬래그(slag) 조성물이다. 몰드파우더는 용강(주편)과 주형 사이로 유입되면서 마찰을 감소시켜, 주편이 주형에 구속되는 형상을 방지한다. 몰드내 용강면 위에 몰드파우더가 균일하게 피복되어, 용강이 대기에 의하여 재산화 되는 것을 방지한다. 이와 함께, 용강의 열이 대기로 방출되는 것도 억제하는 기능을 한다.

또한, 몰드파우더의 용융층은 용강의 개재물과 반응하여 저융점 화합물을 만들어 용융층으로 용해시켜 개재물을 흡수하는 작용도 가지고 있다. 가장 중요한 것은 주형과 주편간에 얇은 슬래그 필름(Slag Film)을 형성하여 열전달을 통제하고 균일한 열전달이 이루어질수 있도록 조절한다. 만약, 몰드파우더가 상술한 기능을 충분히 해내지 못할 경우, 불균일한 열전달이 초래되어 빔블랭크에 크랙이 발생할 수 있다.

몰드파우더의 화학조성은 크게 CaO, SiO₂ 및 Al₂O₃로 이루어져 있으며, 그 외에 조업 및 용융 특성을 고려하여 MgO, Na₂O, F, C 등의 성분들이 추가된다.

본 발명에서는 상기 기능을 만족시키기 위해서, 상기 몰드파우더는, 25 내지 30wt%의 CaO, 23 내지 25wt%의 SiO₂, 1.0 내지 1.5wt%의 MgO, 16 내지 18wt%의 Al₂O₃, 1.2 내지 1.4wt%의 Na₂O, 4 내지 6wt%의 F, 17 내지 18wt%의 C 및 불가피 분술물을 함유한다. 상기 CaO 및 SiO₂ 조성의 경우, 해당 범위를 벗어날 경우 본 발명에서 제안하는 염기도를 달성하기 어렵다. 상기 MgO 조성의 경우 연속주조시 센(SEN) 노즐의 부식을 방지하기 위해서 상기 범위내의 첨가가 필요하다. 상기 AL₂O₃의 경우 본 발명에서 요구하는 점도를 달성하기 위해 해당범위내의 양만큼 첨가가 필요하다. 상기 Na₂O 및 F의 경우 본 발명에서 요구하는 쿠스피딘(Cuspidine)의 몰드파우더 결정상을 만들기 위해 반드시 필요한 조성이다. 상기 C 조성의 경우 해당범위를 벗어날 경우 보온능이 떨어져 연속주조시 몰드내 용강온도의 저하를 발생한다.

상기 몰드파우더는 전열량에 영향을 미치는 몰드파우더 슬래그 필름의 결정질율을 높이고 전열량 저감에 좋은 쿠스피딘 결정의 형태로서, 3CaO, 2SiO₂ 및 CaF₂가 주로 포함되어 있으며, 결정질상을 높이기 위해서 F의 함량을 4wt% 내지 6wt%로 제한한다. F의 함량이 높아질 경우, 몰드파우더의 점도를 저하시킬 수 있어 몰드파우더 유입성에 악영향을 미치므로 F의 성분 제어가 매우 중요하다. 따라서 가장 바람직하게는 F의 함량은 4.2 내지 4.5wt%로 제어될 수 있다.

본 발명의 실시예에 의한 몰드파우더를 적용할 경우, 생성된 슬래그 필름의 결정질률이 높아져 몰드파우더의 응고온도가 높아지고, 몰드로 전달되는 주형 전열량이 감소하여 완냉효과를 유발하면서 크랙 발생을 저하하게 된다.

상기 몰드파우더를 이용하여 제조된 빔블랭크는 하기 수식 1에 의해 연산된 표면품질지수 결과값을 통해서 확인할 수 있다.

[수식 1]

표면품질지수=(25.8 × exp(-0.04 × 크랙수))-(최대크랙깊이)

상기 수식 1에 의해 연산된 상기 빔블랭크의 표면품질지수 결과값이 70 내지 90을 만족할 수 있다. 여기서, 상기 크랙수 및 최대크랙깊이는 플랜지(Flange) 측(2면)과 웹측(2면)에 대하여 측정을 진행하였으며, 상기 크랙수와 최대크랙깊이를 반영하여 빔블랭크 표면품질지수 식을 산출하였다. 상기 표면품질지수 결과값은 상기 빔블랭크 4면에 대하여 계산된 표면품질 지수 값을 합한 값을 의미한다.

이하에서는, 본 발명의 몰더파우더의 효과를 확인하기 위한 실시예들을 설명한다. 다만, 하기의 실험예들은 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 아래의 실시예들만으로 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 실험예 1 샘플은 연속주조 공정을 이용하여 0.10wt% 내지 0.13wt%의 C, 0.15 wt% 내지 0.20 wt%의 Si, 1.20 wt% 내지 1.30 wt%의 Mn, 0.020 wt% 내지 0.025 wt%의 Al, 0.060 wt% 내지 0.070 wt%의 V, 0.010 wt% 내지 0.015 wt%의 Ti, 그 외 Fe 및 기타 합금원소로 이루어진 강종을 갖는 빔블랭크 샘플을 제조하였다. 이때, 상기 빔블랭크 샘플은 하기 표 1에 도시된 조성을 갖는 몰드파우더로 제조하였다.

한편, 이와 비교하기 위하여, 동일한 강종을 갖는 빔블랭크 샘플을 제조하되, 상기 실험예 1 빔블랭크 샘플 제조시 사용된 몰드파우더의 조성과 상이하게 제어하여 몰드파우더의 염기도와 점도를 각각 상이하게 제어하였다.

연속주조 공정 조건은 도 5에 도시된 공정조건과 동일하게 제어하였다. 이후에 상기 빔블랭크 샘플의 전열량 및 표면품질지표를 분석하였다. 이때, 각 샘플의 제조에 사용된 몰드파우더의 조성, 염기도 및 점도는 하기 표 1 및 표 2에 각각 정리하였다.

표면품질지표는 상기 수식1을 참조하여 계산하였으며, 전열량은 연속주조가 진행되는 동안 몰드에 흐르는 냉각수의 온도변화를 열전대를 통하여 측정한 후 하기 수식 2를 통하여 계산하였다.

[수식 2]

구분(wt%)	SiO2	CaO	MgO	Al2O3	Na2O	F	C
실험예1	24	27	1.3	17	1.3	4.3	17.5
비교예1	25	29	1.7	12	1.2	1.7	21.0
비교예2	28	33	2.3	5	2.5	4.0	18.6

구분	염기도	점도(Poise)
실험예1	1.34	18.0
비교예1	1.14	21.0
비교예2	1.20	4.0

도 3은 본 발명의 실험예에 따른 연속주조용 몰드파우더의 종류에 의한 전열량을 비교한 그래프이다.

도 3을 참조하면, 비교예 1 샘플의 전열량이 가장 높았으며, 그 다음은 비교예 2 샘플, 실험예 1 샘플 순서대로 전열량이 낮게 나타났다. 이를 통해, 몰드파우더의 염기도가 용강의 응고시 전열량에 영향을 미친 것을 확인할 수 있었다. 또, 실험예 1 샘플에 사용된 몰드파우더가 용강을 완냉시키는데 효과가 있다는 것을 확인할 수 있었다.

도 4는 본 발명의 실험예에 따른 연속주조용 몰드파우더의 종류에 의한 표면품질지수를 비교한 그래프이다.

도 4를 참조하면, 몰드파우더 변경에 따른 각 샘플의 품질지수는 실험예 1 샘플이 가장 높게 측정되었으며, 비교예 1 샘플 및 비교예 2 샘플의 경우, 본 발명에 의한 몰드파우더를 이용한 경우보다 상대적으로 적은 지수를 갖는 것으로 확인 되었다. 즉, 염기도와 점도를 적절하게 제어한 몰드파우더를 이용해야 용강의 응고속도를 낮게 제어할 수 있고, 상기 몰드파우더로 인해 포정강 빔블랭크를 생산시 표면 크랙발생을 억제할 수 있다는 것을 확인할 수 있었다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

Claims (5)

1. 연속주조용 몰드파우더로서,
   상기 몰드파우더는,
   25 내지 30wt%의 CaO, 23 내지 25wt%의 SiO₂, 1.0 내지 1.5wt%의 MgO, 16 내지 18wt%의 Al₂O₃, 1.2 내지 1.4wt%의 Na₂O, 4 내지 6wt%의 F, 17 내지 18wt%의 C 및 불가피 분술물을 함유하는,
   몰드파우더.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 몰드파우더는 4.2 내지 4.5wt%의 F를 포함하는,
   몰드파우더.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 몰드파우더는 1.3 내지 1.35의 염기도를 만족하는,
   몰드파우더.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 몰드파우더는 17.5 poise 내지 18.5 poise의 점도를 만족하는,
   몰드파우더.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 의한 상기 몰드파우더를 사용하여 제조한 빔블랭크로서, 상기 빔블랭크의 표면품질지수 결과값은 70 내지 90이며, 상기 표면품질지수 결과값은 하기 수식 1에 의해 연산되는,
   빔블랭크.
   [수식 1]
   표면품질지수=(25.8 × exp(-0.04 × 크랙수))-(최대크랙깊이)

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