KR20010046660A - 고Ｃｒ-Ｎｉ계 스테인레스강 열간압연 선재의 제조방법 - Google Patents

고Ｃｒ-Ｎｉ계 스테인레스강 열간압연 선재의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고Cr-Ni계 스테인레스강 열간압연 선재의 제조방법에 관한 것이며, 그 목적하는 바는 내식성과 내열성을 향상시키기 위해 다량의 Cr과 Ni성분을 합금화시킨 스테인레스강의 열간압연 선재 제조시 2차 수냉상자의 냉각수량을 조정해서 레잉헤드의 입구와 출구에서의 선재표면 온도를 적절히 제어하여 선재표면의 경도를 증대시킴으로서, 레잉헤드와 선재가 고속으로 마찰되면서 발생되는 표면의 스크래치 결함을 저감할 수 있도록 한 고Cr-Ni계 스테인레스강 선재의 제조방법을 제공하는데 있다
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 고Cr-Ni계 스테인레스강 열간압연 선재를 레잉헤드가 포함된 레잉식 권취설비를 이용하여 제조하는 방법에 있어서, 상기 레잉헤드 입구에서의 선재표면온도를 690-840℃로 제어하고, 상기 레잉헤드 출구에서의 선재표면온도를 730-940℃로 제어하는 것을 특징으로 하는 고Cr-Ni계 스테인레스강 열간압연 선재의 제조방법에 관한 것을 그 요지로 한다.

Description

고Ｃｒ-Ｎｉ계 스테인레스강 열간압연 선재의 제조방법{Method for Manufacturing Stainless Steel Rod}
본 발명은 고Cr-Ni계 스테인레스강을 이용하여 열간압연 선재로 제조하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 레잉(laying)식 권취중 선재의 표면에 발생되는 스크래치(scratch)결함을 저감할 수 있는 스테인레스강 선재의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 스테인레스강을 비롯한 각종 열간압연 선재는 도 1과 같은 라인설비에의해 제조되어 지고 있는데, 즉 재가열된 빌레트(billet)가 추출된 후, 압연라인(2)상의 조압연기(3), 중간압연기(4), 1차 수냉상자(5), 사상압연기(6)를 통과하면서 목표치수로 압연된 후, 2차 수냉상자(7)와 핀치롤(pinch roll)을 거쳐 권취기(9)에서환형상 선재(10)로 되어 콘베이어(11)을 통과하면서 냉각되거나 열처리되는 공정을 거쳐서 제조된다.
도 2는 종래 사용되는 레잉식 권취기를 나타낸 것으로, 핀치롤(8)에 의해 권취기(9) 입구로 압입된 선재(10)가 고속으로 회전되는 나선형상 파이프로 만들어진 레잉헤드(laying head, 12)를 통과하면서 환형상으로 권취된다. 레잉헤드(12)는 통상 배관용 합금강 강관 재질인 STPA24, -25, -26강종 등을 주로 이용하여 제조하고 있다.
그런데, 도 2와 같은 레잉식 권취설비에 있어서는 선재(10)가 레잉헤드(12)를 고속으로 통과할 때, 선재표면과 나선상 유도관의 내면사이에서 발생되는 마찰현상을 피할 수 없으며, 이 같은 마찰현상은 마모된 기지금속과 이들의 산화물로 구성되어 경도가 높은 마모생성물을 레잉헤드(12) 내면에 돌기형상으로 적층시키게 되고, 이와 같이 형성된 마모생성물이 선재표면과 마찰되면서 스크래치 결함을 발생시키고 있다.
이와 같은 열간압연선재 표면의 스크래치 결함은 합금성분중 Cr농도가 높아 산화스케일이 얇고 치밀하게 형성되는 스테인레스강에서 발생되기 쉬우며, 특히 최종 직경이 작을수록 선재가 레잉헤드(12)를 고속으로 통과하기 때문에 보다 많이 발생되고 있다.
스테인레스강 선재 표면에 발생되기 쉬운 스크래치 결함을 저감하기 위한 공지기술로서 US Patent 4,581,078와 같은 것을 들 수 있는데, 이 기술에서는 수냉상자(7)을 통과한 후, 선재표면 온도를 600-700℃로 제어해서 선재표면의 강성을 증대시킴으로서 레잉헤드(12) 내면에 적층된 마모생성물과 마찰하면서 선재표면에 발생되는 스크래치를 저감하는 방법을 제공하고 있다. 그러나, 선재설비 마다 2차 수냉상자(7)와 레잉헤드(12) 사이의 거리가 다르기 때문에 상기 공지기술에서 제공한 2차 수냉상자(7) 통과 후 선재표면온도 제어는 스크래치 발생저감 방안으로 적절치 못한 점이 있다.
이상과 같이, 기존의 스크레치저감에 대한 공지기술은 모든 종류의 스테인레스강 열간압연선재의 표면에 발생되는 스크래치 저감에 적용될 수 없으며, 특히 모든 종류의 설비에 적용하기는 어렵다는 문제가 있다.
또한, 종래에 있어 고Cr-Ni계 스테인레스강 열간압연 선재는 저Cr-Ni계 스테인레스강 열간압연 선재에 비교해서 레잉헤드(12)와 마찰저항이 클 뿐만 아니라 윤활제 역할을 해주는 산화스케일이 매우 얇게 형성됨으로서 표면에 다량의 스크래치 결함을 발생시키는 문제점을 가지고 있다.
이에, 본 발명은 상기 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 그 목적하는 바는 내식성과 내열성을 향상시키기 위해 다량의 Cr과 Ni성분을 합금화시킨 스테인레스강의 열간압연 선재 제조시 2차 수냉상자의 냉각수량을 조정해서 레잉헤드의 입구와 출구에서의 선재표면 온도를 적절히 제어하여 선재표면의 경도를 증대시킴으로서, 레잉헤드와 선재가 고속으로 마찰되면서 발생되는 표면의 스크래치 결함을 저감할 수 있도록 한 고Cr-Ni계 스테인레스강 선재의 제조방법을 제공하는데 있다.
도 1은 일반적인 선재 열간압연의 라인설비를 보이는 구성도
도 2는 종래에 사용되는 레잉식 권취장치를 간략하게 도시한 모식도
도 3(a)(c)는 산화스케일이 형성된 스테인레스강 열간압연 선재의 단면을 보이는 층구조도, (b)(d)는 산화스케일이 형성된 스테인레스강 열간압연 선재의 단면사진
도 4는 스테인레스강 열간압연 선재의 고온경도를 보이는 그래프
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
1...가열로 2...압연라인(mill pass line)
3...조압연기 4...중간압연기
5...1차 수냉상자 6...사상압연기
7...2차 수냉상자 8...핀치롤
9...권취기 10...선재
11...콘베이어 12...레잉헤드
13,13a...Fe2O3스케일층 14...(Fe,Cr)2O3스케일층
15,15a...기지금속 16...Cr2O3스케일층
본 발명의 발명자들은 스테인레스강 열간압연 선재 제조공장에서 같은 속도로 레잉헤드(12)를 통과하면서 생산되는 각종 스테인레스강 열간압연 선재표면에 발생되는 스크래치 결함에 대하여 연구와 각종 실험을 행하였다. 그 연구결과를 정리하면 다음과 같이 요약될 수 있다.
즉, STS 304, STS 316과 같이 Cr성분을 20중량이하, Ni성분을 14중량이하 합금화시킨 저Cr-Ni계 스테인레스강에서는 육안상으로 관찰될 수 있는 스크래치가 발생되지 않지만, STS 309, STS 310, STS 314와 같이 내식성과 내열성을 향상시키기 위해 Cr성분을 22중량이상, Ni성분을 12중량이상 합금화시킨 고Cr-Ni계 스테인레스강에서는 통상 냉간신선 업체가 허용하는 최대깊이(50μm)이상의 스크래치가 다량 발생되면서 제품불량을 유발한다는 것을 알 수 있었다. 이들 두가지 강종들 간에서 관찰된 스크래치 발생결과의 차이점은 산화스케일이 형성된 스테인레스강 열간압연 선재의 단면 구조도 및 단면사진을 나타낸 도 3(a-d)를 비교분석함으로서 쉽게 알 수 있다.
즉, 도 3(a)와 도 3(b)는 종래에 있어서 육안으로 스크래치 결함이 관찰되지 않는 STS 304 선재 표면에 산화스케일이 형성된 경우의 단면 구조와 조직사진이며, 도 3(c)와 도 3(d)는 스크래치 결함이 다량으로 관찰되고 있는 STS 309 선재 표면에 산화스케일이 형성된 경우의 단면구조 및 조직사진이다.
도 3(a)에서 알 수 있는 바와같이, 스크래치 결함이 발생되지 않는 STS 304 선재의 산화스케일은 Fe2O3층(13)과 (Fe,Cr)2O3층(14)으로 구성되는데, 기지표면에 형성된 (Fe,Cr)2O3층(14)이 가지고 있는 결함을 통해 기지금속(15)으로 부터 Fe원자가 바깥표면으로 쉽게 이동될 수 있는 특성 때문에 두꺼운Fe2O3층(13)을 형성하게 된다. 도 3(b)는 STS 304 열간압연 선재의 단면을 보여주는 사진으로 두께 약10μm의 산화스케일층이 형성되어 있다. 이와 같이 표면에 두껍게 형성된 산화스케일은 선재(10)가 레잉헤드(12)와 고속으로 마찰될 때 윤활제 역할을 할 수 있다.
반면에 도 3(c)에서 알 수 있는 바와같이, 스크래치 결함이 다량 발생되는 STS 309선재의 경우, 기지금속(15a)표면에 형성된 Cr2O3층(16)이 치밀하기 때문에 기지금속(15a)으로 부터 Fe원자가 바깥 표면으로 이동되기 어려워서 바깥표면에 Fe2O3층(13a)이 얇게 형성된다. 도 3(d)는 STS 309 열간압연 선재의 단면을 보여주는 사진으로 두께 약3μm 산화스케일층이 형성되어 있다. 이와 같이 얇은 산화스케일을 형성하는 경우에는 선재(10)가 레잉헤드(12)와 고속으로 마찰될 때 윤활제 역할을 할 수 없을 것이다.
도 3(c)와 도 3(d)에서는 STS 309 스테인레스강만을 예로 들고 있는데, STS 310, STS 314와 같이 Cr성분을 22중량이상, Ni성분을 12중량이상 합금화시킨 고Cr-Ni계 스테인레스강에서는 상기와 같이 얇은 산화스케일층이 형성되어 선재(10)가 레잉헤드(12)와 고속으로 마찰될 때 윤활제 역할을 할 수 없기 때문에 스크래치가 쉽게 발생된다.
더욱이, 고 Cr-Ni계 스테인레스강 선재는 고온강도가 높아서 레잉헤드(12)를 통과할 때 선재 표면온도가 지나치게 낮은 경우에는 선재 내부온도 필요이상으로 감소되면서 큰 마찰저항을 유발하기 때문에 스크래치 결함이 다량 발생될 수 있다.
도 4는 STS 304, STS 309, STS 310S 스테인레스강의 고온경도를 나타낸 그래프이며, 스테인레스강 열간압연 선재가 레잉헤드(12)를 통과할 때 표면온도에 상당하는 700-950℃에서의 경도차이는 매우 작다는 것을 보여준다. 따라서, 저Cr-Ni계와 고Cr-Ni계 스테인레스강 열간압연 선재 사이에서 나타나는 스크래치 발생거동의 차이점은 재질별 경도차이가 아님을 알 수 있으며, 상기에서 설명한 산화스케일층의 차이에 의해 초래되는 것임을 알 수 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 연구결과에 근거하여 제안하게 된 것으로서, 본 발명은 고Cr-Ni계 스테인레스강 열간압연 선재를 레잉헤드가 포함된 레잉식 권취설비를 이용하여 제조하는 방법에 있어서, 상기 레잉헤드 입구에서의 선재표면온도를 690-840℃로 제어하고, 상기 레잉헤드 출구에서의 선재표면온도를 730-940℃로 제어하는 것을 특징으로 하는 고Cr-Ni계 스테인레스강 열간압연 선재의 제조방법에 관한 것이다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명은 마찰저항이 크고, 산화스케일이 얇게 형성되고, 선재표면의 경도가 낮을수록 스크래치 결함이 발생되기 쉽다는 점을 고려한 것으로, 고 Cr-Ni게 스테인레스강 열간압연 선재제조시 레잉헤드(12)의 입구와 출구에서의 선재표면 온도를 제어함으로서 선재표면과 레잉헤드(12) 내면사이의 마찰로 발생되는 선재표면의 스크래치 결함을 감소시키고자 하는 것이다.
본 발명에서는 레잉헤드(12)의 입구와 출구에서의 선재표면온도를 제어하는데, 이같은 선재표면의 온도제어는 2차 수냉상자(7)의 냉각수량을 조절하여 제어할 수 있으며, 레잉헤드(12)의 입구에서의 선재표면 온도는 690-840℃로 제어하는 것이 바람직하고, 레잉헤드(12)의 출구에서의 선재표면 온도는 730-940℃로 제어하는 것이 바람직하다.
이는 입구의 선재표면 온도가 690℃미만이거나 출구의 선재표면 온도가 730℃미만이면 선재가 레잉헤드(12)를 통과하면서 나선형상으로 변형될 때 변형저항이 증가되면서 마찰저항이 증가되기 때문에 오히려 스크래치 발생이 조장되는 문제가 있고, 입구의 선재표면 온도가 840℃를 초과하거나 출구의 선재표면 온도가 940℃를 초과하면 선재 표면경도가 감소되면서 레잉헤드(12) 내면에 적층된 마모생성물과 마찰시 스크래치가 쉽게 발생되는 문제가 있기 때문이다.
한편, 본 발명에 있어서는 레잉헤드(12)의 입구와 출구에서의 선재표면 온도를 2차 수냉상자(7) 또는 추가적인 수냉상자를 레잉헤드(12) 입구 가까이에 설치해서 제어할 수 있으며, 추가 수냉상자를 설치하는 경우 복열시간이 단축되면서 복열에 의해 선재표면 온도가 높아지는 것을 최소화할 수 있기 때문에 소량의 냉각수만으로도 스크래치를 저감할 수 있는 선재표면 온도범위를 확보할 수 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다.
실시예
115mm 각재 치수의 STS 309와 STS 310S 빌레트를 1230℃로 가열해서 압연개시온도와 마무리압연온도를 각각 1210℃와 1050℃로 해서 직경 5.5mm의 선재를 제조하였다. 이때 권취기 통과시 선재의 속도는 55-65m/sec이었으며, 레잉헤드(12)는 배관용 합금강 강관 재질인 STPA-26 강종을 사용하였다. 그리고, 레잉헤드(12)의 입구와 출구에서의 선재표면온도는 수냉상자(7)에서의 냉각수량을 조절하여 하기 표1과 같은 온도로 각각 변화시겼다.
이와 같은 방법으로 제조된 선재들의 표면 스크래치 결함을 관찰하였다. 스크래치 결함 관찰은 단위길이(10m)당 깊이 20μm이상의 스크래치 빈도수와 스크래치 최대깊이 값을 측정하였으며, 그 결과는 하기 표1에 나타내었다.
선재재질 레잉헤드통과속도(m/sec) 레잉헤드입구온도(℃) 레잉헤드출구온도(℃) 깊이20μm이상스크래치발생빈도(/10m) 스크래치최대깊이(μm)
종래재1 STS 309 65 930 1010 213 80
비교재1 STS 309 60 880 960 41 60
종래재2 STS 310S 60 940 1020 350 125
비교재2 STS 310S 55 630 700 150 140
발명재1 STS 309 65 840 940 0 9
발명재2 STS 309 60 805 870 0 16
발명재3 STS 309 60 810 880 0 12
발명재4 STS 309 55 725 770 52 45
발명재5 STS 309 55 700 785 9 35
발명재6 STS 310S 55 690 730 0 19
발명재7 STS 310S 55 730 755 28 38
발명재8 STS 310S 55 740 750 17 48
상기 표1에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 조건을 만족하는 발명재(1-8)의 경우는 기존에 알려진 종래재(1-2)나 비교재(1-2)에 비교하여 살펴보면, 깊이 20μm이상의 스크래치 빈도수는 52이하로 모두 양호하였고, 스크래치 최대깊이 역시 수요가 요구값인 50μm이하였다.
즉, 본 발명의 조건을 만족하는 발명재의 경우 선재재질과 레잉헤드 통과속도 즉, 사상압연기 통과후 선재 이송속도에 상관없이 모든 경우에서 스크래치 결함 발생빈도와 스크래치 최대깊이가 현저히 감소된다는 것을 수 있었다.
한편, 발명예의 경우에 있어 레잉헤드 입구온도와 출구온도의 차이가 서로 다르게 나타나는 것은 선재 이송속도가 다를 뿐만아니라 시편별로 2차 수냉상자(7)에서 사용된 최종 수냉노즐과 레잉헤드 사이의 거리가 서로 다르기 때문이여, 선재내부로 부터 선재표면으로 이동되는 열량 즉, 복열량의 차이로 부터 초래된 것으로 생각된다.
이상에서 설명한 본 발명은 실시예에서 보여준 STS 309, STS 310S에 한정되지 않고, 레잉식 권취기를 이용해서 제조되는 모든 고Cr-Ni계 스테인레스강 선재에 대해서 절용할 수 있다. 또한, 산화스케일층이 두껍게 형성되어 스크래치가 쉽게 발생되지 않는 STS 304, STS 316과 같은 저Cr-Ni계 스테인레스강 열간압연 선재에 있어서도 스크래치 깊이를 극력 억제하고자 하는 경우에 본 발명이 적용될 수 있다.
상기한 바와같은 본 발명에 의하면, 고Cr-Ni계 스테인레스강 열간압연 선재제조시 레잉헤드(12)의 입구와 출구에서의 선재표면 온도를 제어해서 선재표면의 경도를 증가시킴과 동시에 변형저항을 적절히 감소시킴으로서, 선재표면에 발생되는 스크래치 결함을 감소시켜 표면품질이 우수한 선재를 제조할 수 있는 효과가 제공된다.
또한, 본 발명에 의하면, 레잉헤드(12)의 입구와 출구에서의 선재표면온도를 제어하기 때문에 선재표면이 지나치게 냉각되는 것을 방지함으로서 콘베이어(11) 이송구간에서 실시될 수 있는 소둔열처리시 요구되는 온도를 보다 용이하게 확보할 수 있는 효과가 제공된다.
또한, 본 발명에 의하면, 수냉구간을 레잉헤드(12) 입구에 설치하는 경우에는 복열에 의해 선재표면온도가 높아지는 것을 최소화할 수 있기 때문에 소량의 냉각수만으로도 스크래치를 저감할 수 있는 선재표면온도범위를 확보할 수 있는 효과가 제공된다.

Claims (2)

  1. 고Cr-Ni계 스테인레스강 열간압연 선재를 레잉헤드가 포함된 레잉식 권취설비를 이용하여 제조하는 방법에 있어서,
    상기 레잉헤드 입구에서의 선재표면온도를 690-840℃로 제어하고, 상기 레잉헤드 출구에서의 선재표면온도를 730-940℃로 제어하는 것을 특징으로 하는 고Cr-Ni계 스테인레스강 열간압연 선재의 제조방법
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 레잉헤드 입구와 출구에서의 선재표면온도의 제어는 기존의 수냉구간을 이용하거나 별도의 수냉구간을 추가로 설치하여 행하는 것임을 특징으로 하는 고Cr-Ni계 스테인레스강 열간압연 선재의 제조방법
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