KR20000043798A - 스테인레스강 연주 주편의 표층 슬리버 결함 저감방법 - Google Patents

스테인레스강 연주 주편의 표층 슬리버 결함 저감방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 스테인레스강의 연속 주조시 연주 주편의 표층 슬리버 결함발생을 저감할 수 있는 방법에 관한 것으로서,
본 발명의 구성은 304 스테인레스강의 연속주조에서, 상기 304 스테인레스강의 델타 페라이트(δ-ferrite )함량을 하기 식에 의하여 6 ∼ 8%가 되도록 조절하므로서 주편 표면의 슬리버 결함을 저감할 수 있는 스테인레스강 연주 주편의 표층 슬리버 결함 저감방법을 제공하는 것을 요지로 한다.
δ-ferrite={161+{(%Cr+%Mo+1.5%Si+0.5Nb+18)/(Ni+30%C+30%N+0.5%Mn+36)]+0.262}-161 (% : 중량 %)
본 발명에 의하면, 스테인레스강의 연속주조시에 있어서 주편 오실레이션 마크 깊이, 몰드 슬래그 필름 두께 및 델타 페라이트를 적절히 조절하여 304계 스테인레스강의 슬리버 결함을 효과적으로 감소시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

스테인레스강 연주 주편의 표층 슬리버 결함 저감방법
본 발명은 스테인레스강의 연속 주조시 연주 주편의 표층 슬리버 결함발생을 저감할 수 있는 방법에 관한 것으로서, 특히 주편 오실레이션 마크(oscillation mark) 깊이, 몰드 슬래그 필름 두께 및 델타 페라이트를 적절히 조절하여 304계 스테인레스강 열연제품의 슬리버 결함을 효과적으로 감소시킬 수 있는 방법에 관한 것이다.
일반적으로 스테인레스강의 제강공정은 전기로에서 고철 및 합금철을 녹여 용탕을 제조한 다음, 정련로에서 목표로 하는 용강의 조성 및 온도를 확보한 뒤에 용강은 래들에 담기어 연속주조 공정으로 이동된다. 이동된 용강은 연속주조 공정 즉, 턴디쉬를 통하여 수냉 되는 몰드에 공급되고 여기서 응고가 되어 주편(slab, bloom, billet)을 생산하게 된다. 도 1은 연속 주조중인 몰드내 상황을 도식적으로 나타낸 것이다. 턴디쉬로부터 침지노즐(1)을 통해 용강은 몰드(2)로 공급된다. 몰드(2)는 냉각수에 의해 냉각되므로 용강(5)은 몰드로부터 응고되어 응고층(4)을 형성한다. 한편 (3)은 연속주조시 몰드와 응고셀간의 윤활제로 첨가되는 몰드파우더를 나타낸다. (6)은 몰드내 용강표면을 나타내는 것으로 통상 몰드 레벨(mold level)이라 부른다. 여기서 몰드(2)는 몰드(2)와 응고셀(4)과의 고착을 방지하기 위하여 일정한 진동수 및 진폭을 갖고 상하 진동을 하게 된다. 이러한 결과로 주편 표면에는 일정한 주기의 요철(산부(山部)와 곡부(谷部))을 갖는 오실레이션 마크(oscillation mark)가 형성된다. 한편 이와 같이 생산된 연주 주편은 가열로에서 1250∼1300℃로 가열한 후 열간압연하여 코일을 생산한다. 생산된 코일을 열처리 및 표면을 산세(pickling)한 후 표면을 검사하면 도 2에서 나타낸 바와 같이 코일 양 에지부에 길이 10∼30mm, 폭 0.2mm 정도의 선형 결함이 발생하는 경우가 있다. 이러한 결함을 슬리버(sliver)라고 부르며 이는 오스테나이드계 스테인레스강, 특히 304계 및 316계 등의 강종에 쉽게 발생한다. 이러한 결함이 심한 경우 코일 표면을 그라인딩(grinding)하는데 이에 따른 추가 비용은 매우 크다.
이러한 슬리버 결함의 주된 원인중의 하나는 주편의 표층 결함으로 추정되나 정확한 원인이 밝혀지지 않았다. 따라서 기존의 결함 저감방법은 주편의 양 에지를 그라인더로 1∼2mm 절삭해 내어 주편 표층 결함을 제거하는 방법을 사용해 왔다. 이러한 방법은 주편 표층 결함을 근본적으로 제거하는 장점은 있으나 주편 그라잉딩 비용이 매우 크고 또한 그라잉딩을 함에 따라 고가의 스테인레스강이 손실되는 경제적인 단점이 있다. 더욱이 그라인딩 조건이 불량할 경우 그라인딩 크랙이 발생하여 더 심각한 제품 결함을 야기시키게 되는 문제점을 일으킬 수 있다.
따라서 본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 스테인레스강의 슬리버 결함 발생에 미치는 주편의 영향을 자세하고 다양한 시험을 통하여 규명하고 비용이 많이 드는 주편 그라인딩을 하지 않고도 제품의 슬리버 결함을 발생하지 않도록 하는 조업방법을 도출함에 있다.
본 발명은 상기 목적을 달성하기 위하여, 304계 스테인레스강의 주조시 다음과 같은 슬리버 결함 저감방법을 제공하는 것을 특징으로 한다.
먼저, 304 스테인레스강의 연속주조에서, 상기 304 스테인레스강의 델타 페라이트(δ-ferrite )함량을 하기 식에 의하여 6 ∼ 8 이 되도록 조절하므로서 주편 표면의 슬리버 결함을 저감할 수 있는 스테인레스강 연주 주편의 표층 슬리버 결함 저감방법을 제공하며,
δ-ferrite={161+{(%Cr+%Mo+1.5%Si+0.5Nb+18)/(Ni+30%C+30%N+0.5%Mn+36)]+0.262}-161 (% : 중량 %)
또한, 본 발명은 304 스테인레스강의 연속주조에서, 하기식에 의하여 계산되는 액상 몰드 슬래그 필름의 두께(d1)를 0.1≤d1≤0.15로 조절하므로서 주편 표면의 슬리버 결함을 저감할 수 있는 스테인레스강 연주 주편의 표층 슬리버 결함 저감방법을 제공한다.
d1=1000 x Q / ρ (mm)
(Q = 몰드 파우더 소모량 (kg/m2), ρ = 몰드 파우더 밀도 (kg/m3))
또한, 본 발명은 상기 연속주조시의 델타 페라이트의 함량을 조절함과 동시에 연속 주조시의 몰드로부터 오실레이션 마크(oscillation mark) 의 곡(谷)부까지의 거리(d2)와 몰드 슬래그 필름 두께(d1)와의 비를 하기 식에 의하여 조절하므로서 주편 표면의 슬리버 결함을 저감할 수 있는 스테인레스강 연주 주편의 표층 슬리버 결함 저감방법을 제공하는 것을 특징으로 한다.
(d2-d1)/d1≤2.0
도 1은 스테인레스강의 연속주조중 몰드내의 상황을 개략적으로 도시하는 도면.
도 2는 스테인레스강의 열연 코일 에지부에 발생하는 슬리버 결함의 발생 특징을 도시하는 도면.
도 3의 (A)는 슬리버 결함이 다량 발생한 히트(heat)와 미발생 히트(heat)의 주편 델타 페라이트와의 관계를 도시하는 그래프도.
(B)는 슬리버 결함이 다량 발생한 히트(heat)와 미발생 히트(heat)의 표층 응고 조직 이상율과의 관계를 도시하는 그래프도.
도 4는 슬리버 결함이 심하게 발생된 주편의 표층 응고 조직 특징을 도식적으로 나타내는 도면.
도 5는 주편 델타 페라이트와 슬리버 결함과의 상관성을 나타내는 그래프도.
도 6은 주편 표층부 열전달 해석 모델을 도식적으로 나타내는 그래프도.
도 7은 최적의 몰드 슬래그 필름두께 (d1)의 범위를 나타내는 그래프도.
도 8은 슬리버 결함을 감소시키는 적정한 오실레이션 마크 깊이와 몰드 슬래그 필름 두께의 비[(d2-d1)/d1)]의 최적범위를 나타내는 그래프도.
도 9는 본 발명과 종래기술에 있어서의 주편 표층 마이크로 응고조직을 비교하는 사진을 나타내는 도면.
도 10은 본 발명을 적용한 결과 304 스테인레스강의 열연코일 표면의 스릴버 결함율의 발생율을 종래기술과 비교하여 도시한 도면.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1: 연속주조기의 침지노즐
2: 연속주조기의 수냉 몰드
3: 몰드 파우더
4: 몰드내 응고된 셀(solidified steel shell)
5: 용강(molten steel)
6: 용강 레벨(molten steel level)
7: 열연코일 표면의 슬리버 결함
8: 주편 표층 응고조직 이상 부위
9: 주편 표층 정상 응고조직 이상 부위
10: 최적 주편 델타 페라이트 함량 범위
11: 최적의 몰드 슬래그 필름 두께 (d1) 범위
12: 최적의 오실레이션 마크의 깊이(d2-d1)와 몰드 슬래그 필름(d1) 두께의 비, 즉 (d2-d1)/d1의 범위
이하, 본 발명에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
우선 본 발명에서는 결함의 발생원인을 조사하기 위하여 슬리버 결함이 심하게 발생한 주편과 슬리버 결함이 거의 발생하지 않은 주편을 각각 7개씩 확보하여 여러 가지 항목에 대하여 분석하였다. 도 3의 (A) 및 (B)는 이중 가장 현격한 차이를 보인 것으로 (A)는 주편 델타 페라이트(δ-ferrite) 함량에 관한 것으로서 결함 발생 주편의 델타 페라이트(δ-ferrite) 함량이 결함 미발생 주편의 델타 페라이트(δ-ferrite) 함량보다 3% 가량 낮은 것을 알 수 있다. (B)는 표층 응고 조직 이상율을 비교한 것으로 결함 발생주편의 이상율이 미발생 주편보다 무려 7배 이상 높은 것을 알 수 있다.
도 4는 슬리버 결함이 심하게 발생된 주편의 표층응고 조직 특징을 도식적으로 나타낸 것으로 표층 조직 이상은 표층의 응고조직이 STS 304의 정상 응고 조직인 δ+γ가 아니고 δ가 비정상적으로 소멸되어 γ상만 남아 있는 조직을 의미하며, 이러한 조직은 특히 오실레이션 마크의 산부(山部)에 집중적으로 나타난다. 한편, 응고조직 이상율의 정의는 조사된 시편의 전체 길이와 비정상조직부의 길이의 백분율로 하였다. 이상의 조사 결과로부터 우선 주편 델타 페라이트(δ-ferrite)가 슬리버 결함에 미치는 영향을 n수를 많이 하여 조사하기 위하여 연속주조 조업 기록표상의 계산된 델타 페라이트와 슬리버 결함율과의 상관성을 조사하였다. 여기서 계산된 델타 페라이트식은 다음과 같이 강의 조성으로부터 계산되고 이것은 실제 측정된 델타 페라이트와 일치하므로 실제 델타 페라이트 함량으로 보아도 타당하다.
δ-ferrite={161+{(%Cr+%Mo+1.5%Si+0.5Nb+18)/(Ni+30%C+30%N+0.5%Mn+36)]+0.262}-161 (% : 중량 %)
도 5는 델타 페라이트(δ-ferrite) 함량이 슬리버 결함에 미치는 영향을 나타낸 것으로 델타 페라이트(δ-ferrite)는 지나치게 낮아도 또는 지나치게 높아도 결함이 증가하여 최적의 범위가 6∼8% 임을 알 수 있다. 이러한 적정한 델타 페라이트가 존재하는 이유는 지나치게 낮은 경우 표층의 델타 페라이트 역시 적어서 가열로 및 압연중 재결정의 사이트(site)가 적어져서 재결정립의 크기가 커지고 결국 압연중 크랙이 쉽게 발생하는 것으로 해석된다. 반면 지나치게 높은 경우는 열간압연시 고온 연성(hot ductillty)이 저하되어 열간가공성이 나빠지고 이로 인해 델타 페라이트와 γ상의 계면에서 크랙이 발생하기 쉽기 때문에 슬리버 결함이 발생하는 것으로 해석된다.
다음은 중요한 슬리버 결함의 원인인 표층 응고 조직 이상에 대하여 그 발생원인 및 방지 방법에 대하여 조사하였다. 먼저 본 발명에서는 표층 이상 응고 조직부위와 정상응고 조직부위의 미세 응고조직을 조사하였다. 그 결과 이상부와 정상부 응고 조직에서 SDAS(secondery dendrite arm spacing)의 차이가 확실히 존재하였으며, 이러한 SDAS로부터 다음 식에 의해 응고시 냉각속도를 계산하였으며 그 결과를 표 1에 나타내었다.
λ=63.91 (CR)-0.347
λ: SDAS (㎛)
CR: 냉각 속도 (℃/sec)
표층 응고조직 이상부 및 정상부의 SDAS 및 냉각 속도 비교
구분 정상부 비정상부 (비정상/정상)
SDAS(㎛) 16.3 10.2 0.63
냉각속도(℃/sec) 51.3 198 3.9
도 6은 이러한 응고 조직 이상 부위의 냉각속도가 빠른 원인을 해석하기 위하여 간단히 열전달 해석에 관한 도식도를 나타낸다. 여기서 오실레이션 마크의 산부(山部)의 연전달량을 q1이라 하고, 곡부(谷部)의 열전달량을 q2라고 하며, 오실레이션 마크의 산부와 몰드사이의 거리(액상 몰드 슬래그 필름의 유입 두께)를 d1, 오실레이션 마크의 곡부와 몰드 사이의 거리를 d2라 한다. 1차원 열전도에 의한 열전달만을 고려하면 각 위치에서의 열전달량의 비는 다음의 퓨리에(Fourier)의 열전도법칙에 의해 계산될 수 있다.
q = - k A dt/dx
( q: 열전달량 (cal/sec), k: 열전도도 (cal/m. sec. ℃), A: 면적 (m2)
t: temperature (℃), x: 거리 (m) )
여기서 주편의 표면 온도 및 몰드의 표면 온도는 각 위치에서 동일하다고 가정하고, 또한 k 및 A는 동일하기 때문에 각 위치에서의 열전달량의 비는 거리의 (x)외 역수가 되어 다음식으로 표시할 수 있다.
q1/q2 = d2/d1
여기서 d1은 몰드파우더의 소모량(Q)와 밀도(ρ)로부터 다음식으로 계산되어 진다.
d1 = 1000 x Q/p (mm)
( Q: mold powder 소모량 (kg/m2), ρ: mold powder 밀도 (kg/m3) )
통상적으로 304계 스테인레스강의 주조시 소모량은 0.27kg/m2, 몰드 파우더(mold powder)의 밀도는 2600 kg/m3이므로 계산된 d1은 0.14mm가 된다. 한편 d2-d1은 오실레이션 마크의 깊이가 되므로 표중 응고 조직 이상이 심한 경우 오실레이션 마크의 깊이는 약 0.3∼0.4mm가 된다. 따라서 d2는 0.44∼0.54mm가 되고 결국 q1/q2 = 3.1∼3.9로 앞의 SDAS로부터 구한 냉각속도비인 3.9와 유사한 값을 나타낸다. 이 러한 결과로부터 본 발명자는 다음과 같은 결론을 얻을 수 있다. 표층응고조직 이상은 냉각속도가 지나치게 빠른 경우 SDAS가 매우 작아져서 STS 304강의 δ 소멸방법인 표정반응 L + δ→γ의 반응의 확산거리가 짧아져서 변태반응이 비정상적으로 빠르게 일어나고 결국, 표층에 δ가 거의 없고 γ만 존재하는 조직이 되어 슬리버가 발생한 것으로 판단된다.
본 발명에서는 이러한 결과를 바탕으로 d1 및 d2를 적절히 조절하면 표층 응고조직 이상을 방지할 수 있다는데 착안하여 d1 및 d2가 표층 응고 조직 이상 및 슬리버 결함에 미치는 영향을 다각도로 심층 조사 분석하였다.
도 7은 최적의 d1의 범위를 나타내는 것으로 d1은 0.1≤d1≤0.15mm 범위가 최적이었다. 즉, 0.1mm 이하인 경우는 슬래그 필름의 두께가 지나치게 얇아 윤활능이 부족하여 주편이 몰드에 고착(sticking)되는 현상이 발생하여 조업의 안정성이 크게 감소하였다. 또한 0.15 이상의 두께는 오실레이션 마크의 깊이가 0.35mm 이상으로 되어 냉연 제품 표면에 결함을 야기 시켰다. 이러한 문제는 표층 응고 조직 이상으로 위험한 것이기 때문에 반드시 위의 d1의 조건은 만족되어야만 되는 전제 조건이다. 본 발명에서는 이러한 조건을 만족하는 주편에 대해 슬리버 결함을 최소로 하는 최적의 d1, d2의 관계식을 찾기 위해 분석을 한 결과 도 8과 같은 결과를 얻었다. 즉, 슬리버 결함은 (d2-d1)/d1의 함수에 양호한 상관관계를 나타내었으며, 최적의 조건은 (d2-d1)/d1≤2.0 이었다. 이러한 현상은 오실레이션 마크의 깊이 (d2-d1)가 깊은 경우 어느 임계값 이상의 몰드 슬래그 필름두께 (d1)를 형성시켜 주어야만 냉각속도가 지나치게 커져서 주편 표층의 응고조직 이상 발생을 방지하는 것을 해석된다. 반면 오실레이션 마크의 깊이가 낮은 경우는 슬래그 필름 두께가 얇아도 오실레이션 마크의 산부와 곡부의 냉각속도차가 크지 않기 때문에 상대적으로 균일한 응고 조직을 형성하므로 결함이 감소하는 것으로 해석되었다.
본 발명자는 이상의 발명에 대한 효과를 실시예를 통해 검증하였다.
이하 본 발명을 실시예를 통하여 더욱 상세히 설명한다.
(실시예 1)
도 9는 본 발명을 적용한 결과와 종래의 방법에서의 주편 표층 응고조직사진을 비교한 결과를 나타낸다. 본 발명은 표층에 δ와 γ가 혼재하는 정상응고조직을 보이는 반면 종래의 응고 조직은 표층에 δ가 거의 분해되어 γ상만이 존재하는 것을 알 수 있다.
(실시예 2)
다음의 표 2는 본 발명을 적용한 주편과 종래의 방법에서의 각 조건과 표층응고조직 이상율을 나타낸 것이다.
본 발명과 종래의 방법의 적용 결과
구분 본 발명 종래기술
발명예 1 발명예 2 비교예 1 비교예 2 비교예 3
델타페라이트 (δ-ferrite) 7.0% 6.1% 5.2% 5.7% 6.5%
d1 0.11mm 0.14mm 0.14mm 0.13mm 0.17mm
(d2-d1)/d1 1.6 1.8 1.7 3 2.4
표층응고조직이상율(%) 7% 9% 23%(슬리버 발생) 70% 51%
상기 표 2에서 알 수 있듯이 본 발명을 적용한 경우에 표층 응고조직 이상율은 10% 미만으로 양호하나 종래의 방법의 경우 비교예 1은 d1, d2는 조건을 만족하나 델타 페라이트가 지나치게 낮아 표층 응고 조직은 비교적 양호하나 슬리버 결함이 발생한 경우이며, 비교예 2는 델타 페라이트도 낮고 d1, d2도 본 발명의 조건을 만족시키지 못하므로 표층 응고조직 이상율이 대단히 높게 나타났다. 비교예 3은 d1, d2가 부적절하여 응고조직 이상율이 비교적 높게 나타난 경우이다.
(실시예 3)
도 10는 본 발명을 적용한 결과 304계 열연 코일 제품의 표면에 발생하는 슬리버 결함율을 비교한 것이다. 본 발명에 의해 결함율은 크게 감소한 결과를 보였다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 의하면 스테인레스강의 연속주조시에 있어서 주편 오실레이션 마크 깊이, 몰드 슬래그 필름 두께 및 델타 페라이트를 적절히 조절하여 304계 스테인레스강의 슬리버 결함을 효과적으로 감소시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (3)

  1. 304 스테인레스강의 연속주조에서, 상기 304 스테인레스강의 델타 페라이트(δ-ferrite )함량을 하기 식에 의하여 6 ∼ 8%가 되도록 조절하므로서 주편 표면의 슬리버 결함을 저감할 수 있는 것을 특징으로 하는 스테인레스강 연주 주편의 표층 슬리버 결함 저감방법.
    δ-ferrite={161+{(%Cr+%Mo+1.5%Si+0.5Nb+18)/(Ni+30%C+30%N+0.5%Mn+36)]+0.262}-161 (% : 중량 %)
  2. 304 스테인레스강의 연속주조에서, 하기 식에 의하여 계산되는 액상 몰드 슬래그 필름의 두께(d1)를 0.1≤d1≤0.15로 조절하므로서 주편 표면의 슬리버 결함을 저감할 수 있는 것을 특징으로 하는 스테인레스강 연주 주편의 표층 슬리버 결함 저감방법.
    d1=1000 x Q / ρ (mm)
    (Q = 몰드 파우더 소모량 (kg/m2), ρ = 몰드 파우더 밀도 (kg/m3))
  3. 제 1 항에 있어서, 연속 주조시의 몰드로부터 오실레이션 마크(oscillation mark) 의 곡(谷)부까지의 거리(d2)와 몰드 슬래그 필름 두께(d1)와의 비를 하기 식에 의하여 조절하므로서 주편 표면의 슬리버 결함을 저감할 수 있는 것을 특징으로 하는 스테인레스강 연주 주편의 표층 슬리버 결함 저감방법.
    (d2-d1)/d1≤2.0
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