KR20000023300A - 얇은 스테인리스강 스트립의 제조공정 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 주제는 용강을 두 개의 냉각된 이동벽을 포함하는 주조플랜트에서 두께가 8mm 이하인 스트립 형태로 직접 응고―여기서 용강은 상기 벽을 벗어날 때 대체로 응고가 완료됨―시키고, 상기 스트립을 열간압연하여 얇은 스테인리스강 스트립을 제조하는 공정에 관한 것으로서, 작업롤의 직경이 400∼900mm 사이인 압연기 상에서 열간압연이 실행되고, 스트립이 압연기를 벗어날 때 스트립의 온도가 800∼1100℃ 사이이며, 열간압연 도중에 스트립의 두께 감소율이 15∼50%인 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 응고된 스트립과 동일한 속도로 이동하는, 수평축을 가진 두 개의 회전롤(rotating roll) 외벽과 같은 두 개의 냉각된 벽(cooled wall)으로 이루어진 주형(mould) 내에서 용강(liquid metal)을 직접 응고시켜 얇은 스테인리스강 스트립(thin stainless steel strip)을 제조하는 공정에 관한 것이다.
산업용-스케일(industrial-scale) 개발 중이며, "트윈-롤 주조(twin-roll casting)"라고 하는 이 주조공정에 있어서, 스트립의 품질에 관련된 주요한 문제 중 하나는 스트립의 코어(core) 내에 기공(porosity)이 생길 수 있다는 것이다. 이러한 기공이 스트립에 실행된 후속의 전환, 예를 들면 피클링(pickling), 어닐링(annealing), 냉간압연(cold rolling) 및 다른 전환작업(conversion operatrion)으로부터 제품 상에 나타나는경우, 이 기공으로 인한 기계적 성질의 성능저하 때문에 제품의 적용 분야가 제한된다.
이 기공이 트윈-롤 주조 스트립의 코어 내에 나타나는 원인은, 주괴(ingot) 내의 수축공(shrinkage cavities) 및 종래의 연속주조 제품 내에 중앙 기공이 생기는(보다 치수가 큰 스케일 상에서) 원인, 이른 바 제품의 응고(일반적으로 스트립이 몰드의 벽을 벗어날 때 대체로 완료, 즉 스트립의 코어가 완전하게 액체상태가 아님)가 완전히 균일하게 실행되지 않을 때 액체상태로 존재하는 용강(still-liquid metal)을 포함하는 고체상태 금속포켓(soild metal pocket)에 의한 폐쇄와 유사할 수 있다. 이들 포켓이 가지는 용강의 냉각 및 응고에 수반하여 이 금속이 수축됨으로써 공동(void)이 나타난다. 이 폐쇄된 포켓에는 새로운 용강이 공급되지 않기 때문에 응고가 종료되기 전에 이 공동은 충전될 수 없다. 이들 구멍(pore)은 일반적으로 용해가스(dissolved gas)의 배출로 인하여 제품의 표면에 근접하여 발생하는 "블로홀(blowhole)"이라고 하는 구형(球形)의 결함(spherical defects)과는 구별되어야 한다.
유럽특허 제0,396,862호에는 스틸 스트립의 트윈-롤 주조 도중에 중앙 기공 및 임의의 내부 결함, 및 표면 결함 또한 제거하는 공정이 제안되어 있다. 이 공정에 따르면, 주조롤(casting roll)의 양쪽 롤 상에는 오프셋 방식(offset manner)으로 배열된 치수가 정밀한 원주의 그루브(circumferential groove)를 주조롤의 표면에 가진다. 따라서, 이 목적은 응고된 금속셸(metal shell)이 롤 표면 상에 분리되는 것을 방지하려는 것으로서, 이것은 스트립의 응고 중에 불균일을 야기할 수 있다. 그러나, 단지 이러한 분리 방지는 중앙 기공이 나타나는 것을 완전하게 방지하는데는 불충분한 것 같다.
일본특허 JP 8252653호에는 주조작업과 일관작업으로, 스트립이 다음 부등식을 충족시키는 조건 하에서 열간압연을 거치는 공정에 관하여 제안되어 있다.
r ≥ (2.74×10-5T2-6.88×10-2T+43.55)(t0/w0)
여기서,
- r은 열간압연 감소율;
- T는 열간압연온도 ℃;
- t0는 스트립 두께방향의 구멍 직경;
- w0는 스트립 폭방향의 구멍 직경.
상기 공정에 따르면, 열간압연은 압연 도중에 구멍을 폐쇄시키기에 충분한 감소율로 실행되고, 이 최소 감소율은 압연온도(즉 스트립이 롤 닙(roll nip)에 유입되는 온도), 구멍의 형상 및 그 배향에 따라 다르다. 그러나, 이들 압연 조건이 구멍 모두를 확실하게 폐쇄시키기에는 여전히 불충분하고, 특히 폐쇄된 구멍이 스트립의 전환이나 이 전환으로부터 발생하는 제품을 사용하는 도중에 다시 개방되는 것을 항상 방지하지는 못하여 이들 구멍이 파손되는 것으로 판명되었다.
본 발명의 목적은 스트립이 완전하게 응고된 후 스트립의 코어 내에 나타나는 중앙 구멍이 확실하게 폐쇄되는 것이 보장되는 공정을 제안하는 것이다.
상기 목적을 위하여, 본 발명의 주제는 두 개의 냉각된 이동벽을 포함하는 주조플랜트에서 두께가 8mm 이하인 스트립 형태로 용강을 직접 응고―여기서 용강은 상기 벽을 벗어날 때 대체로 응고가 완료됨―시키고, 상기 스트립을 열간압연하여 얇은 스테인리스강 스트립을 제조하는 공정에 관한 것으로서, 작업롤의 직경이 400∼900mm 사이인 압연기 상에서 열간압연이 실행되고, 스트립이 압연기를 벗어날 때 스트립의 온도가 800∼1100℃ 사이이며, 열간압연 도중에 스트립의 두께 감소율이 15∼50%인 것을 특징으로 한다.
열간압연은 스트립 주조와 함께 실행되는 것이 바람직하다. 주조플랜트는 "트윈-롤 주조" 유형일 수 있다.
이해된 바와 같이, 본 발명의 목적은 열간압연기 작업롤(work roll)의 직경, 롤을 벗어날 때 스트립의 온도, 및 열간압연 도중의 스트립의 두께 감소율에 대한 요구조건을 조합시킴으로써 달성된다.
본 발명은 일반적으로 탄소 함유량 1%이하, 규소 함유량 1%이하, 망간 함유량 15%이하, 크롬 함유량 10∼30% 사이, 구리 함유량 5%이하, 및 질소 함유량 0.5%이하(이들 함유량은 중량%로 나타낸 것임)를 가지는 임의의 종류의 스테인리스강을 주조하는데 적용된다. 이들 강은 다량의 니켈(40% 까지)이나 몰리브덴(8% 까지)을 또한 함유할 수 있다. 또한, 일반적인 경우이지만, 다른 성분, 즉 불순물 또는 합금요소, 특히 황(sulphur), 인(phosphorus), 티타늄(titanium), 니오브(niobium) 및 지르코늄(zirconium)이 금속에 함유되지만, 그들의 총 함유량은 2 중량%를 초과하지 않아야 한다.
전술한 바와 같이, 트윈-롤에 의하여 주조된 얇은 스테인리스강 스트립은, 응고 도중에, 액체포켓이 고체금속에 의하여 폐쇄될 때 코어 내에 기공이 생길 가능성이 매우 높다. 이 현상은 롤과 접촉하는 "주상영역(columnar region)"이라고도 하는 두 개의 응고된 셸(shell) 사이에 위치된 "등축영역(equiaxed region)"이라고도 하는 페이스티영역(pasty region)의 응고 종료 시에 나타난다. 등측영역은 제어하기가 매우 곤란하며, 그 두께는 주상영역의 응고율에 따라 변할 수 있다. 따라서, 등축영역은 주상영역이 평소보다 더 빠르게 성장한 포인트에서 예상한대로 국부적으로 닫혀질 수 있다. 등축영역의 닫혀진 포인트 하측에는, 액체포켓에 용강이 더 이상 적절하게 재공급될 수 없고, 이들 용강이 응고될 때 금속의 수축으로 인하여 구멍이 형성된다. 그러나, 이런 경우는 매우 드물고, 실제로는 등축결정의 액체 내 클러스터링(clustering)에 의하여 액체포켓이 격리되어 이것이 등축영역을 방해하는 플러그를 형성하는 것이 일반적이다. 등축영역에 형성된 구멍은 가스가 함유되지 않은 채널(channels) 및 캐버티(cavities) 군으로 구성되고, 이 채널 및 캐버티의 최대 크기는 강의 두께방향으로는 등축영역의 두께(예를 들면, 100 내지 400μm)에 대응하며 다른 방향으로는 1 내지 2mm만큼 길게될 수 있다. 전술한 바와 같이, 이들은 가스의 배출에 의하여 발생될 수 있는 구형의 블로홀이나 스트립의 표면 상에 나타나는 내부 결함은 아니다.
본 발명의 기본 개념은, 응고된 스트립이 열간압연되는 동안, 이미 공지된 바와 같이, 스트립이 중앙 구멍을 폐쇄할 뿐만 아니라 압연으로 함께 결합될 수 있는 대향하는 구멍의 벽이 확실하게 용접되도록 하는 조건을 창안하는 것이다. 이와 같이 하여, 스트립을 연속 형성하는 도중이나, 또는 이렇게 제조된 제품을 사용하는 도중에 구멍이 개방될 위험이 확실하게 제거될 수 있다. 첫째로, 결함의 내벽은 스트립의 두께가 감소될 때 서로 접촉하여 점진적으로 함께 결합된다. 다음에, 이렇게 접촉되고 나면 강의 구성 성분을 계면(interface) 간에 걸쳐 확산시킴으로써 벽이 용접된다. 그러나, 스트립이 압연기의 롤 닙을 벗어나기 직전에 벽은 이미 용접되어 있어야 하고, 그렇지 않으면 롤을 벗어날 때 발생하는 스트립의 압력(compression) 릴리스로 인하여 벽이 부분적으로 분리될 수 있다.
용접의 효과는, 압연기 상에서 벽의 강제접촉(forced contacting)이 일어나는 유지시간 및 이 접촉이 일어나는 온도의 두 가지 변수에 따라 실질적으로 달라진다. 따라서, 이 강제접촉은 가능한 스트립이 압연기로 유입되자 마자 일어나야 하고, 그 유지시간은, 소정의 압연속도(이것은, 인-라인 압연(in-line rolling)인 경우, 압연되기 전의 스트립 두께에 의하여 대부분 결정됨)마다, 압연기의 작업롤 직경 및 이 직업롤이 스트립 상에 가하는 두께 감소율에 따라 주로 달라진다. 롤의 직경이 커지고 감소율이 높아질수록 구멍의 벽의 강제접촉이 보다 신속하고 접촉 유지시간이 길어진다. 그러나, 제기된 문제를 만족스럽게 해소하기 위하여, 무엇이든지 감소율 및 롤 직경을 가능한 높게 하여 스트립을 압연하는 것이라고 설명하기에는 충분하지 않을 수 있다. 그 이유는 감소율이 너무 높아서 스트립의 고온 변형성(hot deformability)을 상회할 수 있어서 절대적으로 회피되어야 하는 표면 균열(surface crack)이 스트립 상에 나타나기 때문이다. 또한, 구멍의 벽의 강제접촉이 일어나는 온도는, 이 접촉으로 스트립이 냉각되기 때문에 압연기 내의 스트립 유입온도 뿐만 아니라 스트립과 롤 사이의 접촉 유지시간에 따라 다르다. 스트립의 소정 유입온도에 대하여, 롤의 직경이 매우 큰 경우, 이로 인한 스트립의 냉각으로 유입온도가 구멍의 벽을 완전하게 용접시킬 만큼 충분하게 높지 못한 온도로 될 위험이 있다. 이와 관련하여, 스트립이 롤을 벗어날 때 스트립의 온도값이 구멍의 벽이 롤 닙에서 서로 용접될 수 있다는 실질적인 가능성의 좋은 지표를 제공한다.
따라서, 스트립이 롤을 벗어날 때의 온도가 구멍이 용접될 수 있을 정도로 충분하게 높아야 하지만, 롤 상에 과다한 열적 부하(thermal load)를 방지하기 위하여 너무 높아서는 안된다. 이것은 롤 표면을 성능저하시킬 수 있어서 스트립의 표면 외관이 지나치게 거친 형태로 열화된다. 따라서, 본 발명의 목적은 롤의 직경, 감소율 및 압연기를 벗어날 때의 스트립 온도가 적절한 방식으로 결합되는 경우에만 스트립의 일반적인 품질에 악영향을 미치지 않도록 달성될 수 있다.
이들 변수가 어떻게 조합되어야 하는 가를 결정하기 위하여, 일련의 시험주조를 행하고 이 동안, 소정 유형의 스테인리스강마다 압연기의 작업롤 직경, 스트립의 두께 감소율 및 압연기를 벗어날 때의 스트립의 온도를 변경하였다. 압연기를 주조플랜트와 일관작업이 되도록 위치시켰다. 각각의 시험주조는 구멍의 용접 여부를 판정할 수 있는 캐릭터리제이션(characterization)을 포함한다. 이 캐릭터리제이션은 인장시험 시편(tensile test piece)을 파단하여 파단면(fracture surface)을 검사하는 것을 포함한다. 인장시험 동안 파단면에 개방된 구멍이 나타난 경우는 용접이 만족스럽지 못하다는 결론이고, 파단면에 기공이 분명하게 나타나지 않는 경우는 용접이 만족스러운 것으로 판단된다.
표 1은 시험주조를 행한 강의 조성(composition)을 나타내며, 그 시험주조 결과를 표 2에 나타낸다. 각종 요소의 함유량은 중량%로 나타낸다. 또한, 표 1은 시험주조를 행한 스트립이 주조롤을 벗어날 때 스트립의 두께, 및 주조롤과 열간압연기 사이에서 측정된 대응하는 주조속도(casting speed)를 나타낸다.
표 1: 시험주조작업에서의 강의 조성, 주조 스트립의 두께, 및 주조속도
| 주조작업 A | 주조작업 A' | 주조작업 B | 주조작업 C | |
| C | 0.05 | 0.05 | 0.04 | 0.01 |
| Mn | 1.5 | 1.5 | 0.4 | 0.2 |
| P | 〈 0.04 | 〈 0.04 | 〈 0.04 | 〈 0.03 |
| S | 〈 0.01 | 〈 0.01 | 〈 0.01 | 〈 0.01 |
| Si | 0.3 | 0.3 | 0.3 | 0.5 |
| Ni | 8.6 | 8.6 | 〈 0.3 | 〈 0.1 |
| Cr | 18 | 18 | 16.5 | 11.5 |
| Cu | 〈 0.5 | 〈 0.5 | 〈 0.2 | 〈 0.2 |
| Mo | 〈 0.5 | 〈 0.5 | 〈 0.1 | 〈 0.1 |
| Ti | 〈 0.01 | 〈 0.01 | 〈 0.01 | 0.15 |
| N | 0.05 | 0.05 | 0.04 | 0.01 |
| 스트립 두께 | 4 mm | 2 mm | 3 mm | 3 mm |
| 주조속도 | 25 m/분 | 100 m/분 | 60 m/분 | 60 m/분 |
유형 A 및 A' 의 주조작업 조성은 AISI 304 유형의 종래의 오스테나이트 스테인리스강(austenitic stainless steel)의 조성에 대응한다. 유형 B의 주조작업은 AISI 430 유형의 페라이트계 스테인리스강(ferritic stainless steel)에 대응한다. 유형 C의 주조작업은 티탄-안정화(titanium-stabilized) AISI 409 유형의 페라이트계 스테인리스강에 대응한다.
표 2는 이들 주조작업으로부터 생긴 스트립 상에 대응하는 시험주조 조건으로 행한 시험주조 결과를 나타낸다.
표 2: 유형 A, A', B 및 C의 주조작업상에 행한 시험주조 결과
| 본 발명에따름 | 주조작업유형 | 압연기 롤직경(mm) | 감소율(%) | 압연기를벗어날 때온도(℃) | 구멍용접 | 다른결함 |
| 아니오 | A | 300 | 50 | 1100 | 아니오 | 없음 |
| 아니오 | A | 400 | 10 | 1100 | 아니오 | 없음 |
| 아니오 | A | 400 | 15 | 750 | 아니오 | 없음 |
| 예 | A,A',B,C | 400 | 15 | 800 | 예 | 없음 |
| 예 | A,A',B,C | 400 | 15 | 1100 | 예 | 없음 |
| 아니오 | A | 400 | 15 | 1150 | 예 | 거칠음과다 |
| 아니오 | A | 400 | 50 | 750 | 아니오 | 없음 |
| 예 | A,A',B,C | 400 | 50 | 800 | 예 | 없음 |
| 예 | A,A',B,C | 400 | 50 | 1100 | 예 | 없음 |
| 아니오 | A | 400 | 50 | 1150 | 예 | 거칠음과다 |
| 아니오 | A | 400 | 60 | 1100 | 예 | 표면 균열 |
| 아니오 | A | 900 | 10 | 1100 | 아니오 | 없음 |
| 아니오 | A | 900 | 15 | 750 | 아니오 | 없음 |
| 예 | A,A',B,C | 900 | 15 | 800 | 예 | 없음 |
| 예 | A,A',B,C | 900 | 15 | 1100 | 예 | 없음 |
| 아니오 | A | 900 | 15 | 1150 | 예 | 거칠음과다 |
| 아니오 | A | 900 | 50 | 750 | 아니오 | 없음 |
| 예 | A,A',B,C | 900 | 50 | 800 | 예 | 없음 |
| 예 | A,A',B,C | 900 | 50 | 1100 | 예 | 없음 |
| 아니오 | A | 900 | 50 | 1150 | 예 | 거칠음과다 |
| 아니오 | A | 900 | 60 | 1100 | 예 | 표면 균열 |
| 아니오 | A | 1000 | 50 | 750 | 아니오 | 없음 |
이들 시험주조에서 보면, 다음 세 가지 조건이 결합될 때 표면이 균열되지 않고 스트립 표면 상에 거칠음이 과다하지 않는 효과적인 구멍 용접을 얻을 수 있다는 것이 분명하다:
- 압연기 작업롤의 직경이 400∼900mm 사이
- 압연 도중의 스트립 두께 감소율이 15∼50% 사이
- 압연기를 벗어날 때 스트립의 온도가 최소 800℃ 및 최대 1100℃.
한편, 시험주조 조건하에서 스트립의 두께/주조속도 조합에는 영향이 나타나지 않았다: 유형 A'의 주조작업의 결과는 동일한 주조 변수에 대하여 유형 A의 주조 작업의 결과와 동일하다.
전술한 바와 같이, 이들 시험주조는 주조플랜트와 일관작업이 되도록 스트립 코일링플랜트(coiling plant) 전방에 위치된 열간압연기에서 실행되었다. 본 발명의 내용에서, 이 특징은 절대적으로 필수적이지는 않고, 열간압연은 주조플랜트 및 코일링플랜트와는 별개의 플랜트 상에서, 즉 주조상태(as-cast)의 스트립이 풀려서 재가열된 후 실행될 수 있다. 그러나, 여러 가지 이유로 일관작업 압연이 바람직하다. 무엇보다도, 이 해결책은 작업의 연속성면에서 경제적으로 유리하다. 먼저, 스트립 제조공정이 단축된다는 것이다. 또한, 코일러(coiler) 뿐만 아니라 비교적 고출력 재가열플랜트(high-power reheat plant)를 구비하지 않음으로써 경제적으로 절약될 수 있는데, 그 이유는 주조롤에서부터의 출구와 압연기로의 입구 사이에 스트립으로부터 방열을 방지하도록 위치된 커버의 도움으로 주조 스트립이 적당한 압연온도를 얻기에 충분할 만큼 고온으로 될 수 있기 때문이다. 그러나, 스트립의 재가열이 필요한 것으로 판명된 경우, 이러한 재가열은 이동하는 스트립의 온도를 수백도 상승시키기에 충분한 출력을 가진 저출력 유도전기로(low-power induction furnace)를 사용하여 행해질 수 있다. 또한, 일관작업 압연에서는, 주조상태 스트립을 코일링할 필요없이, 상기 코일링 도중에 재결정화되지 않은 구조를 가진 비교적 두꺼운 스트립 상에 발생될 수 있는 손상 위험이 동일 스트로크에 의하여 제거된다. 마지막으로, 스트립을 실온으로부터 열간압연온도까지 재가열시키지 않음으로써, 상기 작업 도중에 일반적으로 발생하는 스트립의 표면 재산화(reoxidation)가 배제된다. 이러한 재산화는 스트립 및 압연기 롤 내에 덮혀질 위험이 계속될 수 있는 녹(scale)이 형성될 수 있어서 피클링 후 제품의 표면 외관을 열화시킬 수 있다.
본 발명은 트윈-롤 주조플랜트 뿐만 아니라 어떤 유형의 플랜트에도 적용하여 두 개의 냉각된 이동면 사이를 이동하는 스트립과 같은 얇은 스테인리스강을 주조할 수 있다.
Claims (3)
- 두 개의 냉각된 이동벽을 포함하는 주조플랜트에서 두께가 8mm 이하인 스트립 형태로 용강을 직접 응고―여기서 용강은 상기 벽을 벗어날 때 대체로 응고가 완료됨―시키고, 상기 스트립을 열간압연하여 얇은 스테인리스강 스트립을 제조하는 공정에 있어서,작업롤의 직경이 400∼900mm 사이인 압연기 상에서 열간압연이 실행되고,상기 스트립이 압연기를 벗어날 때 스트립의 온도가 800∼1100℃ 사이이며,상기 열간압연 도중에 스트립의 두께 감소율이 15∼50%인얇은 스테인리스강 스트립 제조공정.
- 제1항에 있어서, 상기 열간압연이 상기 주조플랜트와 일관작업이 되도록 위치된 플랜트 상에서 실행되는 얇은 스테인리스강 스트립 제조공정.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 주조플랜트의 냉각된 벽이 수평축을 가진 두 개의 회전롤 표면으로 구성되는 얇은 스테인리스강 스트립 제조공정.
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