KR20010009041A - 심가공용 고청정 페라이트계 스테인레스강의 정련방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 AOD정련법을 이용한 심가공 페라이트계 스테인레스강의 정련방법에 관한 것으로, 그 목적은 실리콘 탈산한 용강에서 발생하는 실리케이트 연성개재물을 Al과 Ti을 이용하여 비연성개재물로 조성을 변화시켜 제품의 표면결함을 개선하는 정련방법을 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, AOD에서 스테인레스 용강을 탈탄하고 실리콘으로 탈산하는 정련공정을 포함한 심가공용 페라이트계 스테인레스강의 제조방법에 있어서, 상기 실리콘 탈산후에 알루미늄을 용강중량을 기준으로 1.5-3kg/ton-steel을 투입하고 버블링하는 단계; AOD내 용강을 슬래그 20-40kg/ton-steel(용강중량기준)과 함께 래들로 출강하는 단계; 래들내의 슬래그에 형석을 슬래그 중량기준으로 3-6kg/ton-slag 투입하고 래들을 진공조내로 인입하는 단계; 상기 래들내의 용강을 저취버블링하면서 티타늄을 용강중량기준으로 0.1-0.3kg/ton-steel을 투입하는 단계;를 포함하여 이루어지는 스테인레스강의 정련방법에 관한 것을 그 기술적요지로 한다.

Description

심가공용 고청정 페라이트계 스테인레스강의 정련방법{Method of refining ferritic stainless steel for deep drawing}

본 발명은 AOD정련법을 이용한 심가공 페라이트계 스테인레스강의 정련방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 실리콘 탈산한 용강에서 발생하는 실리케이트 연성개재물을 Al과 Ti을 이용하여 비연성개재물로 조성을 변화시켜 제품의 표면결함을 개선하는 정련방법에 관한 것이다.

페라이트계의 대표적 강종인 STS430강은 양식기 및 전자부품용으로 사용되는데 이때 표면이 미려해야 함은 물론 심가공시에 가공 크랙이 발생되지 않도록 고가공성의 재질이 요구된다.

STS430강을 양식기로 제조하는 경우에는 스피닝 가공이라는 심가공 방법이 적용된다. 스피닝 가공방법은 만들고자 하는 양식기 형상의 금형에 판재 형태의 소재를 얹혀 놓고 프레스가공하는 방법 또는 소재를 회전시키면서 작업자의 손으로 밀어서 제품을 제조하는 가공방법으로서, 소재의 가공성이 나쁠 경우 가공을 많이 받는 부분 또는 소재의 취약한 부위에서 크랙이 발생하여 불량품이 된다.

한편, 소재의 가공성은 자체의 연성에 크게 좌우되고 연성은 기계적인 성질인 연신율로 나타낼 수 있다. 또한, 연신율은 소재의 합금원소에 의해 결정되어지는 재질에 일반적으로 의존된다. 예를 들면, 18%Cr-18%Ni 성분의 오스테나이트계 강종인 STS 304강의 경우 연신율은 50-60정도인데 반하여 16%Cr 성분의 페라이트계 강종인 STS430강의 연신율은 25-35%정도로 오스테나이트계 강종의 절반 정도 밖에 되지 않는다. 즉, STS304강 대비 STS430강의 연성은 매우 열위하여 이에 따라 심가공시에는 특별한 주위가 필요하다.

가공시의 크랙은 연성이외에 소재 내부에 개재물에 의해서도 영향을 받는데 특히 연성이 열위한 강종일수록 그 정도는 심하다. 즉, 소재내부에 큰 개재물이 존재할 경우 심가공시에 이 부위를 시발점으로 크랙이 발생되고 더 가공이 진행되면 이 크랙이 진전되어 소재의 파단이 발생한다. 일반적으로 가공시 크랙을 유발하는 개재물은 미세 개재물보다는 크기가 큰 실리케이트 개재물로 알려져 있다. 실리케이트 개재물은 소재 제조시 압연과정에서 연성이 있기 때문에 길게 띠상으로 늘어나서 개재물의 크기가 증대되므로 스피닝 가공과 같은 심한 가공을 받을 경우 개재물 부위가 취약하므로 크랙의 원인이 된다고 알려져 있다. 따라서, STS304 강종 대비 연성이 상대적으로 부족한 STS430 강종에 있어서 개재물의 제거는 매우 중요하다 .

전세계적으로 스테인레스강의 일반화된 정련법은 AOD(Argon Oxygen Decarburization:아르곤 산소탈탄)정련법과 VOD(Vaccum Oxygen Decarburization:진공탈탄)정련법의 두 방법이 있다.

냉연소재로써 STS430강도 이 두 정련방법에 의해 제조될 수 있으며, 이 경우 조업방법은 유사하다. 그러나, VOD정련법은 주로 극저탄소, 극저질소 강종의 제조에 적용되는 정련방법으로, 반드시 AOD정련설비 등의 조탈탄 설비를 거친후에 VOD에서 정련하는데, 최소 60분 이상의 처리시간이 필요하다. 즉, 0.03-0.06%의 탄소범위의 430강과 같이 탈탄부하가 적고 단지 개재물의 제거만 요구되는 강종을 VOD정련하게 되면, 중복되는 정련공정에 의해 생산성 저하 및 제조비의 상승이 초래되게 된다. 따라서, 심가공용 페라이트계 스테인레스강(STS430)은 단독 정련이 가능하고 대량생산에 유리한 AOD정련법에 의해 대부분 제조되고 있다.

한편, AOD(또는 VOD)법으로 심가공용 페라이트계 스테인레스 용강을 정련할 때 실리콘 탈산하면 실리케이트 아래 (1), (2)식과 같은 반응에 의해 슬래그중의 산화물 또는 용강내 용존산소와 반응하여 실리케이트 개재물이 생성되는데, 대부분의 실리케이트는 슬래그화하여 제거되지만 일부가 용강내 잔류하여 최종 제품의 불량을 유발한다.

3Si + 2(Cr₂O₃)→3SiO₂+4Cr……(1)

Si + 2[O]→SiO₂……(2)

이러한 실리케이트 개재물은 실리콘 탈산제 대신 알루미늄을 탈산제로 사용하면 근본적인 발생을 방지할 수 있다. 알루미늄 탈산제는 슬래그중 유가금속 산화물 또는 용강중의 용존산소와 반응하면서 알루미나를 형성하는데, 이것은 비연성개재물로 용강내에 개재물로 존재하더라도 가공 크랙을 유발하지 않는다. 그러나, 용강중의 알루미나가 다량 존재하는 경우는 연속주조시의 노즐 크로깅(clogging)과 열간압연 및 냉간압연시의 표면결함을 야기하기 때문에 또 다른 심각한 문제를 야기하게 된다. 또 알루미늄으로 탈산을 할 경우는 실리콘 대비 고가이므로 경제적인 부담이 되고 슬래그중 알루미나의 농도가 증가하면 내화물의 용손이 증가하게 된다.

따라서, 심가공용 페라이트계 스테인레스강(STS430)의 AOD정련법에서는 다량의 탈산제의 투입이 필요하기 때문에 알루미늄 탈산제를 직접 사용하지 못하고 그대신 실리콘 탈산후에 소량의 알루미늄을 이용하여 실리케이트 개재물을 제거하는 기술을 채용하고 있다. 그렇지만 여전히 실리케이트 개재물이 잔존으로 인해 표면결함이 발생하는 문제가 있다.

한편, AOD 정련이 끝나면 슬래그와 용강을 동시에 래들로 출강하므로써 용강과 대기의 접촉을 슬래그로 차단하므로써 용강재산화를 최대한 억제하는 출강법을 사용하고 있다. 이 경우에도 재산화를 완전히 피할 수는 없으며 또한, 일부의 슬래그가 용강내 혼입되어 최종제품의 표면품질을 떨어뜨리는 경향도 있다.

상기와 같이 AOD에서 래들내로 용강과 슬래그를 출강한 직후 래들내의 슬래그를 완전히 제거한 다음, 대기하에서 미세성분 및 온도조정을 위한 아르곤 가스 버블링작업이 행해지고 있다. 정련로에서 출강한 슬래그는 융점이 상당히 높아 출강후에는 완전히 굳기 때문에 미세성분 조정을 위한 합금철 투입을 위해 래들내 슬래그를 제거하고 있다. 래들내 상부 슬래그가 없는 상태에서 가스 버블링 작업을 해하면 용강중에 혼입된 슬래그 및 알루미나 등의 비금속 개재물을 효과적으로 분리부상 제거시키기가 어려운 문제점이 있다.

또 경우에 따라서는 용강내에 알루미나가 너무 많으면 연주 노즐 막힘 문제가 생기기 때문에 출강후 용강내에 고가의 칼슘을 투입하는 경우도 있다. 그러나, 이 경우에는 경제성 문제도 있을 뿐만 아니라, 칼슘에 의한 내화물 침식과 침식된 내화물에 의한 소재의 표면품질 불량이 문제가 되므로 완전한 해결책이라고 할 수 없다.

이에 본 발명자들은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 연구와 실험을 거듭한 결과, Al-Ti을 복합적으로 이용하면 실리케이트 개재물을 거의 완전히 제거할 수 있다는 것을 확인하고 본 발명을 제안하게 이르렀다.

본 발명은 실리케이트 개재물의 제거와 더불어 저융점 탈산생성물에 의해 연속주조에서 노즐 막힘 현상을 방지할 수 있음에 따라 제품의 표면결함도 감소시킬 수 있는 심가공용 페라이트계 스테인레스강의 정련방법을 제안하는데 그 목적이 있다.

도 1은 본 발명의 처리조건에 따른 조업영향을 나타내는 그래프로

도 1(a)는 알루미늄 투입량에 따른 실리케이트 개재물의 점유율

도 1(b)는 알루미늄 투입량에 따른 노즐막힘

도 1(c)는 래들 잔존슬래그량에 따른 청정도지수

도 1(d)는 형석투입량에 따른 청정도지수

도 1(e)는 티타늄 투입량에 따른 실리케이트 개재물의 점유율

도 1(f)는 티타늄 투입량에 따른 TiN의 석출온도의 변화

도 1(g)는 진공처리시간에 따른 청정도지수의 변화

도 2는 본 발명과 종래방법에 있어 노즐막힘 발생율을 비교한 그래프

도 3은 본 발명과 종래방법에 있어 냉연강판의 청정도지수를 비교한 그래프

도 4는 본 발명과 종래방법에 있어 열연판의 개재물성 표면결함발생율 비교한 그래프

도 5는 본 발명과 종래방법에 있어 냉연강판의 내부에 존재하는 개재물의 크기 및 조성을 비교한 사진

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 정련방법은, AOD에서 스테인레스 용강을 탈탄하고 실리콘으로 탈산하는 정련공정을 포함한 심가공용 페라이트계 스테인레스강의 제조방법에 있어서,

상기 실리콘 탈산후에 알루미늄을 용강중량을 기준으로 1.5-3kg/ton-steel을 투입하고 버블링하는 단계;

AOD내 용강을 슬래그 20-40kg/ton-steel(용강중량기준)과 함께 래들로 출강하는 단계;

래들내의 슬래그 상부에 형석을 슬래그 중량기준으로 3-6중량부 투입하고 래들을 진공조내로 인입하는 단계;

상기 래들내의 용강을 저취버블링하면서 티타늄을 용강중량기준으로 0.1-0.3kg/ton-steel을 투입하는 단계;를 포함하여 구성된다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명의 심가공용 페라이트계 스테인레스강의 정련방법은,

첫째, AOD 정련시 실리콘 탈산을 실시한 후 일정량의 알루미늄을 투입하여 아래와 같은 반응식으로 실리케이트를 제거하고

3(SiO₂) + 4[Al] → 2(Al₂O₃) + 3[Si]

둘째, AOD에서 용강과 함께 레이들로 수강된 슬래그에 형석을 일정량 투입하여 래들 슬래그를 저융점으로 개재물 포집능이 우수한 슬래그로 만들고,

셋째, 티타늄을 투입하여 실리케이트 개재물을 아래의 반응식으로 보다 완전하게 제거하고

(SiO₂) + [Ti] → (TiO₂) + [Si]

넷째, 진공상태에서 가스교반을 통하여 용강내 존재하는 알루미나, 티타늄 산화물 등의 개재물을 저융점의 슬래그로 완전히 분리 부상시키는데 그 특징이 있다.

이러한 본 발명의 정련방법에 따르면 VOD 처리공정 없이 AOD 정련법의 단독공정으로 표면품질 및 성형성이 우수한 심가공 용도로 사용되는 페라이트계 스테인레스강을 효과적으로 생산할 수 있다.

이하, 본 발명의 정련방법의 조건(수단) 한정이유를 도 1를 통해 상세히 설명한다.

먼저, 본 발명의 정련방법은 심가공용 페라이트계 스테인레스강(STS430)의 제조에 적용되며, STS430강의 대표적인 조성은 C:0.03-0.08%, Si:0.20-0.60%, Cr:16.0-17.0%, N:0.02-0.06%를 포함하여 이루어진다.

통상의 방법대로 스테인레스 용강을 AOD에서 탈탄하고 실리콘으로 탈산한 후에 실리케이트 개재물의 제거를 위해 알루미늄을 용강에 투입하여 버블링한다. 알루미늄의 투입량은 용강중량을 기준으로 1.5-3.0kg/ton-steel로 한다. 이는 도 1(a)(b)에서 알 수 있듯이, 알루미늄이 3.0kg/ton-steel을 초과하여 투입되면 연속주조시의 노즐막힘과 표면결함이 발생되는 문제가 있으며. 1.5kg/ton-steel 미만으로 투입되면 실리케이트의 제거가 불충분하여 후속되는 티타늄의 다량 투입이 불가피함에 따라 원가손실이 됨은 물론 후술한 질화티탄(TiN)이 생성되어 또 다른 심각한 표면결함의 원인이 된다.

알루미늄을 투입한 다음의 버블링은 용강과 슬래그가 충분히 반응하도록 용강의 요구종점온도 범위내에서 충분한 시간동안 행하는데, 대략 10분 정도이면 요구종점온도를 벗어나지 않는다. 그리고, 버블링은 강버블링하는데 약 30-50 m³/min정도의 유량으로 행한다.

상기와 같이 AOD에서 조업한 후에 용강과 슬래그를 출강하되, 슬래그는 용강중량기준으로 20-40kg/ton-steel정도를 출강한다. 이는 슬래그를 래들정련에 이용하기 위한 것으로, 용강내 잔존한 알루미나와 출강시 알루미늄의 재산화에 의해 발생된 알루미나, 그리고 출강시 슬래그의 혼입물 등을 슬래그중으로 효과적으로 제거하기 위한 것이다. 래들내의 슬래그의 양은 도 1(c)에서 알 수 있듯이, 20kg/ton-steel 미만의 경우 이 정도의 슬래그량으로는 개재물 포집이 부족하게 되며 40kg/ton-steel를 초과하는 경우에는 슬래그가 너무 많아서 용강의 미세 성분 조정시에 투입하는 다른 합금철의 실수율을 저하시킬 뿐 아니라 후술하는 형석 등의 첨가량을 증가시켜야 하는 문제가 있다.

AOD에서 용강과 함께 출강된 슬래그는 융점이 매우 높아 개재물 포집능이 거의 없으므로 레이들의 슬래그에 형석을 일정량 투입하여 개재물 포집능이 우수한 슬래그로 개질하는 것이 중요하다. 형석은 도 1(d)에서 알 수 있듯이 슬래그 중량기준으로 3-6kg/ton-slag 투입하는데, 3kg/ton-slag 보다 적게 투입하면 슬래그 융점 저하효과가 미흡하여 개재물 포집능이 떨어지며 6kg/ton-slag 이상 투입하면 내화물 손상이 극심해지는 문제가 야기된다.

상기와 같이 래들에 형석을 투입한 다음 래들을 진공조내로 인입하고, 이어 용강을 저취버블링하면서 티타늄을 용강의 상부에 투입한다. 티타늄은 도 1(e)(f)에서 알 수 있듯이, 0.1-0.3kg/ton-steel 투입한다. 티타늄은 알루미늄에 의해 완전히 제거되지 않은 실리케이트 개재물을 제거하기 위한 것으로 Ti를 용강중량 기준으로 0.1kg/ton-steel 미만으로 투입하면 실리케이트 제거효과가 미흡하고 0.3kg/ton-steel을 초과하여 투입하면 티타늄이 스테인레스강중에 함유되어 있는 질소와 반응하여 TiN 개재물이 생성되고 이 TiN은 다시 연속주조시의 노즐막힘 및 표면결함을 야기시키게 된다.

또한, 본 발명에서 래들을 진공처리를 실시하는 것은 대기 상태에서 용강교반을 실시하는 경우와 비교하여 용강 재산화의 위험이 적고 또한 진공상태에서 동일 저취 아르곤 유량으로도 교반효과가 우수하므로 용강내 개재물 분리부상이 용이한 장점이 있다. 진공처리시간은 도 1(g)에서 알 수 있듯이 5-10분이 적당하며, 용강교반시간이 너무 길며 용강온도의 손실이 커서 연속주조시에 곤란한 문제가 발생하게 되고 너무 짧은 경우는 개재물의 분리, 부상이 불충분하게 된다. 또한, 이 경우에 버블링은 강 버블링하는게 바람직한데 그 유량은 400-600NL/min로 한다.

이하, 본 발명을 실시예를 통하여 구체적으로 설명한다.

[실시예]

(발명예)

실제 스테인레스강을 생산하고 있는 90톤 AOD정련로에서 STS430강을 대상으로 실험하였다. AOD에서 탈탄을 종료하고 실리콘에 의한 용강의 탈산후 실리케이트 개재물을 제거할 목적으로 알루미늄을 2kg/ton-steel 투입하고 약 5분간의 아르곤 가스 취입으로 용강을 교반시켜 알루미늄과 실리케이트가 충분히 반응하도록 하였다. AOD 출강시에는 슬래그와 용강을 동시에 출강한 후 래들내의 100kg/ton-steel 슬래그중 상부 슬래그로서 30kg/ton-ton을 잔류시켰다. 래들내 잔류 슬래그 상부에 슬래그의 융점을 저하시키기 위해 형석을 잔류슬래그 100중량부에 대해 1.5중량부 투입하고 용강과 슬래그가 담긴 슬래그를 진공상태로 만들어 준 다음, 용강중에 티타늄을 0.2kg/ton-steel을 투입하고 진공상태에서 약 5분간 아르곤 가스에 의한 저취교반을 실시하여 용강을 제조하였다.

(종래예)

실제 스테인레스강을 생산하고 있는 90톤 AOD정련로에서 탈탄을 종료하고 실리콘에 의한 용강의 탈산후 실리케이트 개재물을 제거할 목적으로 알루미늄을 2kg/ton-steel 투입하고 약 5분간의 아르곤 가스 취입으로 용강을 교반시켜 알루미늄과 실리케이트가 충분히 반응하도록 하였다. AOD 출강시에는 슬래그와 용강을 동시에 출강한 후 슬래그를 제거하고, 대기하에서 미세성분 및 온도조정을 위한 아르곤가스 버블링을 행하여 용강을 제조하였다.

본 발명의 효과를 확인하기 위하여 연속주조시의 노즐 막힘 현상, 청정도 그리고, 열간압연후의 제품을 검사하여 결함의 정도 및 결함의 형태를 종래의 방법과 비교하고 그 결과를 도 2-6에 나타내었다.

도 2에는 종래방법과 본 발명의 적용시에 연주 노즐막힘 발생현상을 비교한 것이다. 종래방법에서는 약 11%의 연속주조시의 노즐막힘 현상이 발생하여 생산성이 크게 저하하는 심각한 문제가 야기되었으나, 본 발명의 적용에 의해 노즐막힘 현상을 0.1%이하로 크게 감소시켜 품질향상 및 생산성 향상이 가능하게 되었다.

도 3에는 종래방법과 본 발명에 의해 생산된 STS430강의 청정도를 비교한 것이다. 청정도 지수는 강중에 존재하는 비금속 개재물의 농도를 나타내는 수단으로 수치가 낮을수록 청정도가 좋다는 것을 의미한다. 도면에서 보듯이, 본 발명의 적용에 의해 용강의 청정도가 크게 향상되었음을 알 수 있다.

도 4는 종래방법과 본 발명의 적용시에 발생된 열간압연 제품의 표면결함 발생율을 비교한 것이다. 본 발명에 따르면 개재물에 기인한 제품의 표면결함 발생이 현저하게 감소함을 알 수 있었다.

도 5에는 열간압연한 제품상에 나타난 표면결함을 종래방법과 본 발명을 적용한 경우를 비교한 사진이다. 도 5(a)에서 보듯이, 종래의 방법에 의해 생산된 제품에서는 100㎛이상의 대형 개재물성 표면결함이 발생하며 이 결함부의 주성분은 실리케이트임을 알 수 있다. 그러나, 도 5(b)에서 보듯이, 본 발명의 적용에 의해 생산된 열간압연 제품에서는 결함의 발생이 거의 없을 뿐만 아니라 발견된 개재물도 가공크랙을 유발하지 않는 크기가 아주 작은 미세 개지물만이 존재하고, 그 조성도 알루미늄과 티타늄산화물로 변화되어 심가공시에 연성개재물의 기인한 크랙 발생의 가능성이 완전히 제거되었음을 알 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 VOD정련에 의하지 않고 AOD 단독정련으로도 표면결함이 없고 성형성이 우수한 심가공용 페라이트계 스테인레스강을 제조할 수 있는 효과가 있다.

Claims (2)

1. AOD에서 스테인레스 용강을 탈탄하고 실리콘으로 탈산하는 정련공정을 포함한 심가공용 페라이트계 스테인레스강의 제조방법에 있어서,

   상기 실리콘 탈산후에 알루미늄을 용강중량을 기준으로 1.5-3kg/ton-steel을 투입하고 버블링하는 단계;

   AOD내 용강을 슬래그 20-40kg/ton-steel(용강중량기준)과 함께 래들로 출강하는 단계;

   래들내의 슬래그 상부에 형석을 슬래그 중량기준으로 3-6kg/ton-slag 투입하고 래들을 진공조내로 인입하는 단계;

   상기 래들내의 용강을 저취버블링하면서 티타늄을 용강중량기준으로 0.1-0.3kg/ton-steel을 투입하는 단계;를 포함하여 이루어지는 스테인레스강의 정련방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 진공처리는 5-10분동안 행함을 특징으로 하는 정련방법.