KR20010027741A - 고탄소 합금 공구강의 연속주조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 공구강의 소재로 사용되는 고탄소(0.70중량이상) 합금강의 연속주조방법에 관한 것으로, 그 목적은 주편표면 및 내부 품질이 우수한 고탄소 합금강의 연속주조 방법을 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은,

탄소 0.7중량이상의 고탄소강을 연속주조하는 방법에 있어서,

N의 함량이 50ppm이하인 레이들의 용강을 턴디쉬로 주입하는 단계;

턴디쉬에 수강된 용강의 과열도를 15-20℃로 관리하면서 몰드로 주입하고, 몰드내의 용강상부에는 CaO:22-33, SiO₂:22-33, B₂O₃:5-7를 포함하여 조성되는 몰드파우더를 투입하는 단계;

몰드로 부터 나오는 주편에 0.4-0.5ℓ/kg의 비수량으로 2차냉각하면서 1.0-1.2m/min의 속도로 주조하는 단계;를 포함하여 이루어지는 고탄소 합금 공구강의 연속주조 방법에 관한 것을 그 기술적요지로 한다.

Description

고탄소 합금 공구강의 연속주조 방법{Method for continuous casting of high carbon alloy steel}

본 발명은 공구강의 소재로 사용되는 고탄소(0.70중량이상) 합금강의 연속주조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 주편표면 및 내부 품질이 우수한 고탄소 합금강의 연속주조 방법에 관한 것이다.

일반적으로 탄소가 0.7중량이상 함유되는 고탄소 합금강은 열연제품상태로 줄자, 톱날, 태엽 등의 공구소재로 사용된다. 이러한 고탄소 합금강은 전로 100톤 규모의 전로 및 연주기에서 주로 생산되었으나, 최근 수요가 늘면서 대용량의 350톤 규모의 전로 및 연주기에서의 생산이 필수적으로 요구되고 있다.

탄소가 0.70중량이상의 고탄소강은 과공석강으로 응고 특성은 0.70중량이하의 일반강 대비 응고도중 고상, 액상 공존구역의 온도가 약 100℃이상으로 응고가 쉽게 되지 않는 즉 "응고지연현상"이 있다. 응고지연이 생기면 응고쉘 두께가 약화되어 구속성 브레이크-아웃(brake-out)의 발생에 따른 설비파손 및 생산성이 떨어지게 된다. 뿐만 아니라, 응고과정중 주편의 굽힘, 폄 운동에 의해 주편에 기계적인 응력이 부가되어 주편표면 크랙이 민감하다. 이와 더불어, 많은 탄소성분으로 인해 주조조직에서 고르지 않은 성분분산 즉 편석현상이 심화되고 연속주조 응고 도중 고온에서 발생하는 내부크랙 결함발생에 민감한 특징이 있으므로, 고탄소 합금강의 연주주편은 품질확보가 매우 어려운 것으로 인정되고 있다.

따라서, 종래에는 가능한 고탄소 합금강의 내부품질을 안정되게 얻기 위하여 2차냉각대에서 강냉조건을 적용하였으나, 그만큼 표면품질의 열화가 뒤따랐다.

이에 본 발명은 대상재의 N성분 및 연속주조조건의 전반을 적절히 제어하여 주편의 내부는 물론, 표면결함도 거의 없는 열연고탄소 합금강의 연속주조방법을 제공함에 있다.

도 1은 온도 및 질소함량에 따른 단면감소율의 변화를 나타내는 그래프

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 연속주조방법은,

N의 함량이 50ppm이하가 되도록 진공탈가스처리한 레이들의 용강을 턴디쉬로 주입하는 단계;

턴디쉬에 수강된 용강의 과열도를 15-20℃로 관리하면서 몰드로 주입하고, 몰드내의 용강상부에는 CaO:22-33, SiO₂:22-33, B₂O₃:5-7를 포함하여 조성되는 몰드파우더를 투입하는 단계;

몰드로 부터 나오는 주편에 0.4-0.5ℓ/kg의 비수량으로 2차냉각하면서 1.0-1.2m/min의 속도로 주조하는 단계;를 포함하여 이루어진다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명은 연주주편 품질의 열화를 최소화하기 위하여 N성분을 제어하는 한편, 2차냉각대에서 약냉조건을 제어하고, 이와 더불어, 주조속도, 몰드플럭스을 최적화하여 주편내부 및 표면품질을 개선하는데, 그 특징이 있다. 이와 같이, 본 발명에서는 (1) [N] 성분, (2) 과열도, (3) 몰드파우더, (4) 2차냉각조건, (5) 주조속도의 조건을 종합적으로 제어하 는 것으로, 이들의 조건을 분설하면 다음과 같다.

(1) [N]성분 제어

연주주편 품질의 열화를 최소화하기 위해서는 화학성분중 [N]성분 함량을 50ppm이하로 한 용강을 연속주조 대상재로 하는 것이 바람직하다.

본 발명자들은, 도 1에서와 같이 고탄소 합금강의 응고 메카니즘에서 [N]함량에 따른 응고특성을 확인하기 위하여 고탄소강 시험편을 제작하여 900℃까지 재가열하여 고온에서 인장시험을 통한 감면율을 조사한 결과, 화학성분중 [N]함량이 많을수록 고온에서의 감면율(Reduction of area)이 감소되어 주편의 크랙 발생을 조장하는 것을 확인하였다.

따라서, 본 발명에서는 강중 [N]함량을 50ppm이하로 관리하여 주편의 크랙발생을 방지한다. 이를 위해서는 RH공정에서 용강의 [N]성분을 50ppm이하로 관리하면되는데, 이는 저진공도로 15분 이상 충분히 탈가스처리하면 얻어질 수 있다.

(2) 과열도

본 발명에서는 연속주조동안 안정적으로 주조할 수 있는 온도, 즉 과열도(이론응고온도-주조온도)를 10∼20℃로 한다.

안정적인 주조작업완료를 위해서는 주조시간동안(통상 40-50분) 일정한 온도가 필요하나(과열도) 온도가 낮을 경우 용강이 응고되는 노즐막힘으로 주조중단이 되고 온도가 일정온도 이상의 경우 응고지연현상으로 인해 내부품질 불안 및 응고쉘 약화로 브레이크-아웃이 발생하게 된다. 고탄소강은 저속주조로 인해 주조시간이 통상재 대비 추가로 약 10분 이상 필요하게 되어 적정온도 관리가 매우 어렵다.

본 발명에서는 이러한 측면을 고려하여 이론응고온도 대비 10-20℃ 높은 온도(과열도)로 주조한다. 과열도가 10℃미만의 경우 장시간의 주조시간동안 온도가 하락하여 성공적인 주조가 불가능하고, 과열도가 20℃ 초과의 경우 주조동안 온도가 하락되지는 않지만 응고쉘 약화 및 주편 내부 크랙발생으로 품질이 불안하게 된다.

(3) 몰드파우더

고탄소강은 아래 표 1에 보이는 바와 같이, 주조온도(1475∼1485℃)가 일반강 대비 매우 낮다.

구분	고탄소강	일반탄소강	저탄소강
	C:0.7이상	C:0.2	C:0.008(Mn:0.3, Si:0.34, P:0.02)
액상선온도(℃)	1470	1507	1520
고상선온도(℃)	1360	1440	1493
고액공존구간(℃)	110	67	27

따라서, 고탄소강의 경우에는 낮은 온도에서도 충분한 윤활능을 가지고 저점도이면서 몰드내에서 다소 강냉되는 효과를 나타내는 몰드 파우더를 사용하는 것이 바람직하다. 이런 측면을 고려할때, 몰드 파우더는 낮은 온도에서도 충분한 열전달 기능을 가져 응고쉘 두께 증가, 윤활능 확보를 위해 필요한 소모량을 확보할 수 있도록 플럭스 성분중 5-7범위 B₂O₃가 함유된 것을 사용한다. 이러한 몰드 파우더로는 일명 FFM1이라는 플럭스가 있다. 이 플럭스는, 중량로 CaO:27-33, SiO₂:22-33, B₂O₃:5-7를 주성분으로 하는데, 이외에도 Al₂O₃:3-5, Na₂O:8-12, K₂O:3-4, F:3-4, Li₂O: 약 0.6이하, MgO: 약 1.4이하가 함유될 수 있다.

몰드 파우더중 CaO와 SiO₂는 염기도 조정성분으로 CaO가 33초가 첨가되거나 SiO₂가 22미만 첨가하는 경우 슬래그의 점도가 떨어지므로 용강내 슬래그의 유입이 과다해지고 CaO가 27미만 첨가되거나 SiO₂가 33이상 첨가되는 경우 슬래그의 점도가 높아지게 되어 용강내 슬래그 유입이 어려워지게 되어 윤활능이 감소되어 브레이크-아웃이 발생하게 된다. 몰드 파우더 성분중 B₂O₃는 취약한 응고쉘 두께 확보와 소모량 증가에 의한 슬래그의 안정적 유입을 위하여 5-7로 한다. 7초과하면 열전달이 많아 주편 수축이 심하고 5미만의 경우 열전달 효과가 미미하다.

(4) 2차 냉각조건

연속주조되어 주형밑으로 빠져 나와 2차냉각대에 이르는 주편에 약냉 패턴의 비수량인 0.40∼0.55(ℓ/㎏)의 냉각수를 살수한다. 연속주조용 연주기내에서 휘어졌던 주편이 다시 펴지는 구역(이하, 'straightener'로 표기)에서의 온도가 가장 중요하다. 이는 대부분의 크랙이 여기에서 확장, 진전되는 영역으로 통상 2차 냉각물량으로 제어하고 있다.

본 발명에서 2차냉각과의 상관성 시험을 동시에 추진한 결과 이부분을 지나는 주편온도가 850℃이상으로 유지되어야만 품질이 확보됨을 알 수 있었으며, straightener 부분의 온도를 850℃이상으로 유지하기 위해서는 2차냉각대의 비수량을 0.40∼0.55(ℓ/kg) 범위 내로 관리할때 얻어지는 것이 확인되었다. 상기 물량(비수량) 이외의 온도에서는 주조할 경우 감면율 감소정도가 미미하여 응고취성발생 저감효과가 적음에 따라 양호한 표면 및 내부품질을 얻을 수 없다.

(5) 주조속도

주조속도는 브레이크-아웃, 주편냉각을 고려하여 폭에 상관없이 1.0∼1.2m/min조건으로 한다. 보통강(저탄)은 포정반응(0.16[C], 1493℃) 구역을 통과하여 단일상으로 γ영역으로 경유하나, 고탄소합금강은 (0.70이상)은 γ 또는 F.C.C 상으로 직접 응고하여 일반강 대비 고액 공존구역이 약 4배로 주조시 응고가 지연됨으로, 충분한 응고 시간이 주어지지 않으면 브레이크-아웃이 발생하여 조업사고가 발생한다.

따라서, 주조속도는 양호한 내부품질 확보 및 조업사고를 방지하기 위해서는 주조폭에 상관없이 일반강 대비 저속주조속도인 1.0∼1.2m/min의 범위로 저속주조하여야 한다. 주조속도가 1.0m/min 미만의 경우 장시간의 주조시간(약 73분) 소요로 주조완료가 불가능하며, 주조속도가 1.2m/min초과로 빠를경우 응고쉘 악화에 의한 브레이크-아웃이 발생하여 주조가 어렵게 된다.

연속주조된 고탄소 합금강은, 상온상태에서 냉각시 주조중 주편에 포함된 응력이 냉각도중 응력이 완화되어 주편깨짐 현상이 발생하게 되므로 통상 주조완료직후 열간압연을 하는 직장입압연조업(HCR)을 행하고 있다. 본 발명에서도 이러한 직장입 압연조업을 행한다.

이하, 본 발명을 실시예를 통하여 구체적으로 설명한다.

[실시예 1]

320톤 전로내의 용강을 먼저, 2.0톤의 가탄제가 바닥에 깔린 레이들내로 출강한 다음, LF공정에서 약 0.5톤, RH에서 0.5톤 분산하여 가탄한 결과, 용강 비산 또는 용강분출 현상 미약하였으며, 조업불안, 가시분진 발생이 없었다. 상기 RH에서는 용강을 탈가스처리하여 [N]성분 함량을 50ppm이하로 제어한 경우와 제어하지 않은 용강(표 2의 A, B)에 대하여 비교 시험하여 주편품질을 확인하였다.

구분	화학성분(중량)
	C	Si	Mn	P	S	S.Al	Cr	N(ppm)
A	0.85	0.20	0.50	0.02	0.005	0.015	0.015	40
B	0.83	0.20	0.40	0.02	0.004	0.020	-	70

또한, 상기 제강조업기준에 과열도, 몰드 파우더(표 3), 2차냉각조건을 달리하는 연속주조조건을 비교시험하여 폭 1100mm인 주편을 생산하였으며, 제조된 주편에서 시편을 채취하여 Sulfur Print, Macro Test에 의해 표면과 내부품질을 검사하여 그 결과를 표 4에 나타내었다.

구분	몰드파우더 물성치
	염기도	용융점(℃)	점도	응고온도
SGP20-04	1.01	1040	1.20	1128
FF-M1	0.96	993	1.03	1026
ST-SP/Y5	0.96	975	0.67	1031

구분	강종	주조속도(m/min)	비수량(ℓ/kg)	교정점온도(℃)	주편냉각	몰드파우더	주편표면결함지수	중심편석지수
비교예a	A	1.20	0.69	800	HCR압연	SGP20-04	0.32	2
발명예1	A	1.10	0.47	880		FF-M1	0.01	0
비교예b	B	1.10	0.77	750		SGP20-04	0.05	1
발명예2	B	1.20	0.47	880		FF-M1	0.4	0
비교예c	A	1.10	0.70	750		ST-SP/Y5	0.3	2
비교예d	B	1.20	0.60	800		FF-M1	0.2	2
비교예e	A	1.30	0.47	860		ST-SP/Y5	0.2	3

표 4에 나타낸 바와 같이, 교정점 통과온도가 850℃ 이상이 되도록 주조속도 와 2차냉각을 제어한 발명예(1, 2)의 경우 표면결함이 상대적으로 감소하였으며, 내부품질도 양호하였다. 반면, 주조속도를 증가하고 2차냉각을 다소 강냉한 비교예(a-e)의 경우는 표면결함 및 내부품질도 다소 열위하였다.

이 실험을 통해 알 수 확인된 것은 품질뿐만 아니라, 연주작업성 확보를 위해서는 몰드 파우더가 중요하다는 것을 알 수 있었다. 표 4에서와 같은 SGP20-04, ST-SP/Y5파우더를 사용한 경우에는 부족한 열전도도 및 소모량으로 인해 표면결함이 발생하였으며, 구속성 브레이크-아웃이 계측기에 감지되어 사전조치가 필요하였다. 따라서, 본 발명강의 안정적인 주조를 위해서는 고탄소 합금강의 경우 절대적인 용강온도가 낮으므로 저점도, 저융점 파우더의 사용으로 충분한 파우더의 소모량을 확보하면서 몰드내 냉각도 다소 강냉하는 방향으로 몰드 파우더 조성을 설계 하는 것이 바람직하다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면 고탄소강의 연주조업불안 및 품질문제를 해결할 수 있음에 따라, 내부는 물론 표면품질이 우수한 열연소재를 안정적으로 공급할 수 있는 효과가 있다.

Claims (1)

1. 탄소 0.7중량이상의 고탄소강을 연속주조하는 방법에 있어서,

   N의 함량이 50ppm이하인 레이들의 용강을 턴디쉬로 주입하는 단계;

   턴디쉬에 수강된 용강의 과열도를 15-20℃로 관리하면서 몰드로 주입하고, 몰드내의 용강상부에는 CaO:22-33, SiO₂:22-33, B₂O₃:5-7를 포함하여 조성되는 몰드파우더를 투입하는 단계;

   몰드로 부터 나오는 주편에 0.4-0.5ℓ/kg의 비수량으로 2차냉각하면서 1.0-1.2m/min의 속도로 주조하는 단계;를 포함하여 이루어지는 고탄소 합금 공구강의 연속주조 방법.