KR20010065798A

KR20010065798A - 내열충격성이 우수한 알미늄연속주조기용 롤쉘

Info

Publication number: KR20010065798A
Application number: KR1019990065743A
Authority: KR
Inventors: 전제영; 김일봉
Original assignee: 윤영석; 두산중공업 주식회사
Priority date: 1999-12-30
Filing date: 1999-12-30
Publication date: 2001-07-11

Abstract

본 발명은 알미늄코일을 연속주조에 의하여 생산하는 알미늄연속주조기용 롤의 롤쉘, 특히, 탄소 0.25∼0.45 중량%, 규소 0.15∼0.40 중량%, 망간 0.20∼0.50 중량%, 인 0.020 중량% 이하, 유황 0.020 중량% 이하, 니켈 0.10∼0.40 중량%, 크롬 2.35∼2.88 중량%, 몰리브덴 0.70∼1.10 중량%, 및 바나듐 0.10∼0.30 중량%를 포함하고, 잔부는 철과 미량의 불순물을 포함하는 것을 특징으로 하는 알미늄 연속주조기용롤쉘에 관한 것으로, 본 발명의 알미늄연속주조기용 롤쉘은 열전도도를 향상시키고, 항복강도와 인성을 향상시키며 선팽창계수를 감소시켜 열변형과 열응력을 최소화하여 내열충격성에 뛰어난 효과가 있다.

Description

내열충격성이 우수한 알미늄연속주조기용 롤쉘{ROLL SHELL WITH GREAT THERMAL SHOCK RESISTANCE FOR ALUMINUM CONTINUOUS CASTER}

본 발명은 알미늄코일을 연속주조에 의하여 생산하는 알미늄연속주조기용 롤의 롤쉘에 관한 것으로, 특히, 롤쉘의 재가공량을 적게 하여 수명을 향상시키기 위한 내열충격성이 우수한 알미늄연속주조기용 롤쉘에 관한 것이다.

주지하다시피, 알미늄연속주조기는 도 1에서 도시한 바와 같이 용융상태의 알미늄(11)을 상하의 롤과 롤 사이를 통과시켜 연속적으로 응고 및 압연공정을 거쳐 알미늄판재의 코일(12)을 생산하는 장치로서, 알미늄 코일(12)의 두께에 따라서 롤 사이의 간격은 임의로 조절된다. 이 알미늄연속주조기의 핵심부품인 롤은 롤코어(21)와 롤코어(21)의 외면을 따라서 끼워지는 슬리브 형태의 롤쉘(22)로 구성되어 있는 복합 롤이며, 롤코어(21)와 롤쉘(22) 사이에는 냉각수의 순환통로(23)가 롤코어(21)에 가공되어 있어 조업 중에는 항상 냉각수를 흐르게 하여 680℃ 내지 700℃인 고온의 용융 알미늄과 접촉에 의하여 가열된 롤쉘(22)을 1회전하는 동안 실온으로 냉각시켜준다. 롤쉘(22)은 용융 알미늄(11)과의 접촉에 의한 급속가열 및 냉각수에 의한 급속냉각에 의한 열충격을 반복적으로 받고, 또한 고온과 실온 사이의 온도에서 압연하중에 의한 인장 및 압축응력이 반복적으로 작용한다. 이와 같은 열충격과 기계적응력이 롤쉘(22)에 복합적으로 작용하여 일정기간 사용하면 롤쉘(22)의 표면은 균열이 발생한다. 일정기간 사용 후 발생된 균열은 재가공하여 제거하고 다시 사용하게 되는데, 이 균열의 깊이는 롤쉘(22)의 재가공량을 결정하므로 결국 롤쉘(22)의 수명을 좌우하게 된다.

따라서, 알미늄연속주조기용 롤쉘의 특성으로 요구되는 것은 열전도도 및 내열충격성이 우수하고, 고온강도가 높을 뿐만 아니라 인성이 우수하고, 조직이 균일하여야 한다는 것이다. 종래의 롤쉘 재료로서 미합중국 특허 제 4,409,027호에서는 합금성분으로 0.53 내지 0.58 중량% C, 0.1 내지 0.2 중량% Si, 0.40 내지 0.70 중량% Mn, 0.02 중량% 이하의 P 및 S, 0.45 내지 0.55 중량% Ni, 1.9 내지 2.3 중량% Cr, 0.90 내지 1.10 중량% Mo, 0.30 내지 0.35 중량% V를 함유하고 잔부는 Fe로 구성된 소재를 사용하고 있다. 그러나, 상기의 특허는 롤쉘의 수명을 향상시키기 위한 기계적 성질이 우수하지만 열전도도가 낮다. 이로 인하여, 용융 알미늄과의 접촉에 의하여 고온으로 가열된 롤쉘 표면의 온도가 롤의 1 회전 동안에 롤코어와 롤쉘 사이의 냉각수로 신속히 전달되어 실온으로 냉각되어야 하는데, 롤쉘의 열전도도가 낮기 때문에 표면온도를 신속히 냉각시키지 못하므로, 롤의 작업속도가 상대적으로 낮아져 알미늄 코일의 생산성이 감소한다는 문제점이 있었다.

그리고, 대한민국 특허 제 2570호에 개시된 바에 의하면, 롤쉘 재료의 합금성분으로 0.50 내지 0.60 중량% C, 0.1 내지 0.35 중량% Si, 0.40 내지 0.80 중량% Mn, 0.02 중량% 이하의 P 및 S ,0.40 내지 0.80 중량% Ni, 0.80 내지 1.50 중량% Cr, 0.40 내지 0.80 중량% Mo, 0.10 내지 0.30 중량% V를 함유하고 잔부는 Fe로 구성된 소재를 사용하고 있다. 이 특허는 기계적 성질과 열전도도가 우수하지만 인성이 낮은 결점을 가지고 있는데, 이것은 반복적인 열충격과 작용응력에 의하여 발생된 균열이 쉽게 전파되어 조기에 파손될 가능성이 높다는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 본 발명의 목적은 열전도도를 향상시키고, 항복강도와 인성을 향상시키며 선팽창계수를 감소시켜 열변형과 열응력을 최소화한 내열충격성이 우수한 알미늄연속주조기용 롤쉘을 제공하는 데 있다.

즉, 본 발명은 탄소 0.25∼0.45 중량%, 규소 0.15∼0.40 중량%, 망간 0.20∼0.50 중량%, 인 0.020 중량% 이하, 유황 0.020 중량% 이하, 니켈 0.10∼0.40 중량%, 크롬 2.35∼2.88 중량%, 몰리브덴 0.70∼1.10 중량%, 바나듐 0.10∼0.30 중량%를 포함하고, 잔부는 철과 미량의 불순물을 포함하는 것을 특징으로 하는 내열충격성이 우수한 알미늄연속주조기용 롤쉘을 제공하는 것이다.

도 1 은 일반적인 알미늄연속주조기에 대한 구성을 나타낸 기능블록도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

11 : 용융상태의 알미늄

12 : 알미늄 코일

21 : 롤코어

22 : 롤쉘

23 : 냉각수의 순환통로

이하, 본 발명에 의한 내열충격성이 우수한 알미늄연속주조기용 롤쉘에 대하여 상세히 설명한다.

상술한 바와 같이, 롤쉘의 열전도도는 알미늄 코일 생산성과 직접적으로 관계되므로 열전도도가 우수할수록 생산성이 높아진다. 또한, 열전도도는 탄소가 많이 함유될수록 낮아지고, 합금원소가 첨가될수록 낮아지는 경향이 있다. 따라서, 본 발명에 의한 내열충격성이 우수한 알미늄연속주조기용 롤쉘은 기존의 재질과 동등 이상의 열전도도가 되도록 탄소함량을 낮추었고, 크롬량을 증가하여 열전도도가 낮아지는 영향을 보상하기 위하여 망간과 니켈의 함량을 낮추었다.

또한, 롤쉘 표면은 680℃ 내지 700℃의 용융 알미늄과 직접 접촉하여 약 550℃까지 급가열되고 냉각수에 의하여 실온까지 급랭이 되므로 1회전할 때마다 급가열과 급랭의 열충격을 받고 반복적인 열충격에 의하여 열충격 균열이 발생한다. 이 열충격 균열의 깊이는 각회 사용후 표면의 재가공량을 결정하므로 롤쉘의 수명과직접적으로 관계되고, 이러한 열충격 균열의 발생은 아래의 수학식 1과 수학식 2에 의하여 설명될 수 있으며, 이 식에 의하여 내열충격성을 개선할 수 있다.

롤쉘 표면은 용융 알미늄과 접촉되면 순간적으로 가열되어 열팽창이 일어나고, 수학식 1과 같이 열변형이 생긴다. 급속가열된 부분은 주위가 구속된 상태이므로 열팽창에 의하여 열응력이 발생하며, 이 때의 열응력은 수학식 2와 같이 표시된다. 롤쉘의 표면에 발생된 열응력이 재료의 항복강도 보다 크면 반복적인 항복에 의하여 균열이 발생한다.

ε_T: 전체 열변형량

ε_E: 탄성성분의 변형량

ε_P: 소성성분의 변형량

σ_Y.S: 재료의 항복강도

E : 탄성계수

α: 선팽창계수

ΔT : 온도구배

상기 식에서 알 수 있듯이 동일조업조건에서는 온도구배가 일정하므로 전체열변형량을 감소시키기 위해서는 선팽창 계수가 낮아야 한다. 그리고 롤쉘 재료와 조업 조건이 동일하면 전체 변형량은 일정하다. 따라서, 양성인 탄성성분의 변형량이 클수록 악성인 소성성분의 변형량이 감소하므로, 탄성 변형량이 증가하기 위해서는 항복강도가 높고 탄성계수는 낮아야 한다.

σ: 열팽창에 의한 열응력

E : 탄성계수

α: 선팽창계수

ΔT : 온도구배

ν: 포아송비

상기 식에서 알 수 있는 바와 같이 동일한 조업조건에서는 온도구배가 일정하므로 발생되는 열응력을 최소화하기 위해서는 탄성계수와 선팽창계수를 낮추어야 한다. 이 열응력을 낮출수록 균열의 발생을 감소시킬 수 있다. 따라서, 본 발명은 롤쉘 재료의 항복강도가 높고 탄성계수와 선팽창계수가 낮으면 열충격 균열의 저항성을 개선할 수 있다는 점에 착안하여, 탄소함량의 감소에 의한 항복강도의 감소와 선팽창계수의 증가에 대하여 크롬과 몰리브덴 함량을 증가하여 항복강도를 향상시키고 선팽창계수를 낮추어 내열충격성을 개선하였다.

본 발명의 내열충격성이 우수한 알미늄연속주조기용 롤쉘은 다음과 같은 화학 조성을 갖는다. 즉, 탄소는 0.25 내지 0.45 중량%, 규소는 0.15 내지 0.40 중량%, 망간은 0.20 내지 0.50 중량%, 인은 0.020 중량% 이하, 유황은 0.020 중량% 이하, 니켈은 0.10 내지 0.40 중량%, 크롬은 2.35 내지 2.88 중량%, 몰리브덴은 0.70 내지 1.10 중량%, 바나듐은 0.10 내지 0.30 중량%이며 잔부는 철과 미량의 불순물로 구성된다.

본 발명에서 화학성분을 상기와 같이 한정한 이유에 대하여 설명하면, 탄소는 롤쉘의 필요한 강도와 경도를 부여하고 선팽창계수의 증가를 방지하기 위하여 0.25 중량% 이상 첨가하고, 열전도도의 감소와 내열충격성 저하를 방지하기 위하여 0.45 중량% 이하로 제한하였다. 규소는 제강 과정에서 필수적인 탈산제로 사용되므로 강에 존재하게 되는데 규소는 페라이트에 고용되어 강도를 증가시키므로 0.15 중량% 이상으로 하였고, 다량 첨가되면 소성성이 감소하고 또한 결정입계에 규산염 불순물이 생성하여 취화될 수 있으므로 0.40 중량% 이하로 제한하였다. 망간은 경화능 향상에 대단히 유효하고 강도를 증가시키므로 0.20 중량% 이상 첨가하였고, 다량 첨가되면 MnS를 형성하고 또한 담금질 열처리후 잔류 오스테나이트를 안정화시켜 열균열(Thermal Crack)의 발생을 증가시키는 경향이 있으므로 0.50 중량% 이하로 제한하였다. 인과 유황은 잔류원소로 존재하여 인성을 저하시켜 취성을 조장하고 또한 열균열의 발생 경향을 증가시키므로 0.020 중량% 이하로 제한하였다. 니켈은 인성을 향상시키므로 크롬, 몰리브덴의 첨가에 의한 인성의 감소를 보상하여 주고, 또한 경화능을 증가시키므로 0.10 중량% 이상 첨가하였고, 다량 첨가되면 담금질 후 오스테나이트를 잔류시켜 강도를 저하시키므로 0.40 중량% 이하로 제한하였다. 크롬은 강도, 특히 고온강도, 내산화성 및 내열충격성을 향상시키며 경화능을 증가시키므로 2.35 중량% 이상으로 첨가하였고, 크롬이 첨가될수록 열전도도를 감소시키고 인성을 저하시키므로 2.88 중량% 이하로 제한하였다. 몰리브덴은 2차 경화 현상을 일으키고 고온강도와 경도를 증가시킬 뿐만 아니라 열처리시 뜨임취성을 억제시켜 유효하므로 0.70 중량% 이상 첨가하였고, 한도 이상으로 첨가되면 인성을 감소시키므로 1.10 중량% 이하로 제한하였다. 바나듐은 강도를 증가시키고 결정립을 미세화하여 인성을 향상시키므로 0.10 중량% 이상 첨가하였고, 다량 첨가 시에는 경화능이 감소할 뿐만 아니라 비경제적이므로 0.30 중량% 이하로 규제하였다.

이하, 본 발명을 실시예를 들어 더욱 상세히 설명하고자 하나 본 발명이 하기 실시예에 의하여 제한되는 것은 아니다.

실시예

탄소 0.33 중량%, 규소 0.25 중량%, 망간 0.34 중량%, 인 0.01 중량%, 유황 0.005 중량%, 니켈 0.20 중량%, 크롬 2.72 중량%, 몰리브덴 0.90 중량%, 바나듐 0.15 중량%에 철과 미량의 불순물을 잔부로 첨가하고, 대기 유도 용해로를 이용하여 강괴를 제조하고 단조한 다음, 불림, 담금질, 뜨임 열처리를 하고 물성을 평가하여 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.

또한, 상술한 재료를 이용하여 롤쉘을 제조하고 국내의 알미늄연속주조기에 장착한 후, 알미늄 코일생산 시험을 실시한 결과를 표 2에 나타내었다.

비교예 1

대한민국 특허 제 2570호에 개시된 바에 따라 탄소 0.57 중량%, 규소 0.25 중량%, 망간 0.7 중량%, 인 0.01 중량%, 유황 0.01 중량%, 니켈 0.60 중량%, 크롬 1.20 중량%, 몰리브덴 0.70 중량%, 바나듐 0.25 중량%에 철과 미량의 불순물을 잔부로 첨가한 것을 제외하고는 상기 실시예와 동일하게 실시하고 물성을 평가하여 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.

비교예 2

미합중국 특허 제 4,409,027호에 개시된 바에 따라 탄소 0.56 중량%, 규소 0.14 중량%, 망간 0.46 중량%, 인 0.014 중량%, 유황 0.015 중량%, 니켈 0.45 중량%, 크롬 2.05 중량%, 몰리브덴 1.02 중량%, 바나듐 0.14 중량%에 철과 미량의 불순물을 잔부로 첨가한 것을 제외하고는 상기 실시예와 동일하게 실시하고 물성을 평가하여 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.

또한, 상술한 재료를 이용하여 롤쉘을 제조하고 국내의 알미늄연속주조기에장착한 후, 알미늄 코일생산 시험을 실시한 결과를 표 2에 나타내었다.

구분	열전도도(kcal/m·h℃)(600℃)	선팽창계수(×10^-6/℃)(α_20-600℃)	항복강도(kgf/mm²)(600℃)	인장강도(kgf/mm²)(600℃)	충격값(kgf-m/cm²)
열충격 균열깊이(㎛)(30-600℃,5000Cycles)
실시예	33.6	15.05	62.6	76.3	7.4
86
비교예 1	33.1	15.65	51.0	71.7	4.6
661
비교예 2	27.1	15.0	52.5	70.6	3.5
735

상기 표 1에서도 알 수 있듯이 본 발명의 재료가 종래의 재료에 비하여 열전도도와 선팽창계수는 동일 이상이고, 고온의 항복강도와 인장강도 및 충격값은 아주 높다는 것을 알 수 있다. 특히 열충격 균열의 최대 깊이를 비교하였을 때 비교예의 재료에 비하여 본 발명의 재료가 월등히 우수하다는 것을 알 수 있다. 이상의 특성시험 결과로부터 본 발명의 재료가 종래의 재료에 비하여 같거나 그 이상의 조업속도를 얻을 수 있고, 내열충격성이 우수하여 롤쉘의 수명이 연장될 수 있다는 것을 판단할 수 있다.

구분	조업시간/회(hr)
표면재가공량/회(mm/면)	총 조업시간(hr)
최대 조업속도(inch/min.)
실시예	670
3.5	7,370
49
비교예 1	670
4.5	5,360
48
비교예 2	550
4.5	4,600
32

상기 표 2에서 알 수 있는 바와 같이 본 발명에 의하면 최대 조업속도도 종래의 재료와 같거나 그 이상이고, 각 회의 일정 기간 사용 후 표면재가공량을 보면 본 발명의 재료가 적다는 것을 알 수 있을 뿐만 아니라, 총 사용 수명에 있어서도 훨씬 장시간 사용하였다는 것을 확인할 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명에 의한 내열충격성이 우수한 알미늄연속주조기용 롤쉘은, 열전도도를 향상시키고, 항복강도와 인성을 향상시키며 선팽창계수를 감소시켜 열변형과 열응력을 최소화하여 내열충격성에 뛰어난 효과가 있다.

Claims

탄소 0.25∼0.45 중량%, 규소 0.15∼0.40 중량%, 망간 0.20∼0.50 중량%, 인 0.020 중량% 이하, 유황 0.020 중량% 이하, 니켈 0.10∼0.40 중량%, 크롬 2.35∼2.88 중량%, 몰리브덴 0.70∼1.10 중량%, 바나듐 0.10∼0.30 중량%를 포함하고, 잔부는 철과 미량의 불순물을 포함하는 것을 특징으로 하는 내열충격성이 우수한 알미늄연속주조기용 롤쉘.