KR20010073236A

KR20010073236A - 텅스텐 함유 듀플렉스 스테인레스강 연속주조방법

Info

Publication number: KR20010073236A
Application number: KR1019990049544A
Authority: KR
Inventors: 김지준; 김선구; 심상대
Original assignee: 이구택; 포항종합제철 주식회사
Priority date: 1999-11-09
Filing date: 1999-11-09
Publication date: 2001-08-01

Abstract

본 발명은 텅스텐 함유 듀플렉스 스테인레스강의 연속주조방법에 관한 것으로, 연속주조방법은 턴디쉬에서의 용강온도와 이론 응고온도와의 차이(ΔT)는 10℃ 내지 30℃ 범위로 유지하는 단계와, 주형에서의 용강공급측 냉각수의 유량이 장변에서는 2900ℓ내지 3100ℓ로 유지하고, 단변에서는 440ℓ내지 460ℓ로 유지하는 단계와, 주편배출측 냉각수 온도차이(ΔT)는 4.5℃ 내지 5.0℃로 유지하는 단계와, 2차냉각대에서의 비수량은 0.25(ℓ/㎏) 내지 0.30(ℓ/㎏)으로 유지하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하므로, 주편표면 및 내부에서의 응고크랙의 발생 및 열간압연시 선상결함의 발생을 방지할 수 있다.

Description

텅스텐 함유 듀플렉스 스테인레스강 연속주조방법{Method for continuously casting duplex stainless steel}

본 발명은 텅스텐 함유 듀플렉스(duplex) 스테인레스강을 제조하기 위한 방법에 관한 것이고, 특히 주편표면 및 내부에서의 응고크랙의 발생 및 열간압연시선상결함의 발생을 방지할 수 있는 듀플렉스 스테인레스강 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로, 22%Cr-6%Ni-1.5%Mo-0.18%N-2.5%W의 조성을 주성분으로 하는 텅스텐 함유 듀플렉스 스테인레스강은 내식성 및 강성이 우수하므로, 해수용 파이프, 해수용 설비, 화학 설비 또는 발전 설비 등에 널리 사용되고 있다. 그러나, 이러한 스테인레스강은, 응고과정에서, 경질취성인 비자성의 시그마상이 입계에 편석되어 입내와 입계의 결합력을 약화시킨다.

따라서, 스테인레스강의 표면에는, 연속주조 과정에서, 응고크랙이 쉽게 발생되고, 이러한 크랙은 후속공정으로 진행하는 열간 및 냉간압연 동안 선상 결함을 유발시킨다.

즉, 듀플렉스계 스테인레스강의 연속주조 주편은 연속주조 공정을 거쳐서 열연공정으로 진행되는 데, 이 주편의 입계에 시그마상이 연속적으로 석출되어 있는 경우, 연속주조 공정 또는 열간압연 공정 시, 시그마상을 따라서 크랙이 발생되어 제품화가 불가능해진다. 이는, 시그마상이 비자성을 띄는 2차 석출상으로서, 경도가 높고 깨지기 쉽기 때문에, 시그마상을 제거하는 것이 주편을 주조할 때 가장 크게 중요시된다.

또한, 이러한 시그마상에 의한 크랙 발생장소가, 연속주편의 입계에 위치하므로 표면품질이 중요한 스테인레스강에 있어서, 치명적인 결함으로 작용하므로, 이러한 크랙을 제거하기 위하여 추가 공정을 필요로 하게 되며, 그 결과 스테인레스강의 제조단가가 상승하는 문제점을 야기시킨다.

예를 들어, 이상(2-phase) 스테인레스강(22Cr-5Ni)을 연속주조할 때, 설비 특성상 냉각속도가 한계가 있어, 시그마상을 제어하는 것이 어려웠다. 즉, 이상 스테인레스강을 연속주조할 때, 냉각속도 및 주조조직을 제어하여도, 이상 스테인레스강에서의 시그마상은 표면에 생성되는 데 반해, 텅스텐 함유 듀플렉스 스테인레스강의 주편의 시그마상의 석출은 표면 뿐만 아니라 주편 전체에 생성되므로, 주편이 형성되는 주형과 냉각대에서 균일한 냉각제어가 필요하다.

또한, 텅스텐 함유 듀플렉스 스테인레스강은 다른 단상으로 이루어진 오스테나이트강이나, 페라이트강과는 달리 표면크랙에 매우 민감한 강종이므로, 표면크랙을 피할 수 없다.

상기된 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 주편의 입계에 형성되는 시그마상을 제어하여 열간압연공정 또는 냉간압연공정과 같은 후속공정에서 표면에 선상결함이 야기되는 것을 방지할 수 있는 듀플렉스 스테인레스강의 제조방법을 제공하는 데 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 듀플렉스 스테인레스강의 연속주조방법은 턴디쉬에서의 용강온도와 이론 응고온도와의 차이(ΔT)는 10℃ 내지 30℃ 범위로 유지하는 단계와, 주형에서의 용강공급측 냉각수의 유량이 장변에서는 2900ℓ내지 3100ℓ로 유지하고, 단변에서는 440ℓ내지 460ℓ로 유지하는 단계와, 주편배출측 냉각수 온도차이(ΔT)는 4.5℃ 내지 5.0℃로 유지하는 단계와, 2차냉각대에서의 비수량은 0.25(ℓ/㎏) 내지 0.30(ℓ/㎏)으로 유지하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 한다.

도 1은 연속주조장치를 개략적으로 도시한 구성도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >

1 : 용강

2 : 레이들

3 : 턴디쉬

4 : 주형

5 : 2차냉각대

6 : 주편

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명한다.

도 1에는 연속주조장치(10)가 개략적으로 도시되어 있다. 즉, 도 1을 참조하면, 연속주조장치(10)는 제강공정에서 정련처리된 용강(1)이 저장되어 있는 레이들(2)과, 주조속도를 조절하거나 또는 용강을 분해하도록 레이들(2)로부터 용강이 주입되는 턴디쉬(3)와, 턴디쉬(3)로부터 주입되는 용강을 소정 형상의 주편(6)으로 형성하는 주형(4)과, 주형(4)에서 제조된 주편을 냉각시키기 위한 2차냉각대(5)로 구성된다.

레이들(2)과 턴디쉬(3) 사이에는 쉬라우딩 노즐(shrouding nozzle)이 설치되어 있고, 턴디쉬(3) 내부에는 용강의 유동을 제어하기 위한 댐이 설치되어 있고, 턴디쉬(3)와 주형(4) 사이에는 용강의 유속을 제어하기 위한 슬라이딩 게이트가 설치되어 있다.

이러한 연속주조장치에 의한 연속주조공정에서, 시그마상은 주편이 형성되는 주형(4)과 2차냉각대(5)에서 냉각제어가 불균일할 때, 생성되므로, 주편(6)의 냉각제어를 통해 시그마상을 제어한다.

즉, 턴디쉬(3)에서의 용강온도와 이론 응고온도 차이(ΔT)는 10℃ 내지 30℃ 범위로 유지하고, 주형(4)에서 용강공급측 냉각수의 유량이 장변에서 2900ℓ내지3100ℓ인 반면에 단변에서 440ℓ내지 460ℓ로 유지한다. 그리고, 주편배출측 냉각수 온도차이(ΔT)는 4.5℃ 내지 5.0℃로 유지한다.

이때, 2차냉각대(5)에서의 비수량(S)은, 하기식

,에 의해서 구해지며, 예를 들어 2차냉각대(5)에서의 비수량은 0.25(ℓ/㎏)으로 유지된다.

여기에서, Q는 2차냉각대(5)에서의 총 물공급량(ℓ/m²)이고, W는 주편폭(m)이고, D는 주편두께(m)이고, G는 밀도(㎏/m²)이다.

즉, 턴디쉬(3)로부터 주형(4)으로 주입되는 용강이 초경델타 페라이트상으로 응고를 시작하고, 2차냉각대(5)를 통과하여 응고완료된 주편(6)은 고상변태 과정에서 오스테나이트상이 형성된다. 그리고, 페라이트상과 오스테나이트상의 비율이 50 대 50인 주편, 즉 스테인레스강은 [Cr/Ni]eq.값이 2.2 내지 3.0 범위에 속해진다. 이때, [Cr/Ni]eq.는 하기 수정된 드롱(Delong)식, 즉 수학식 1 및 수학식 2로부터 구해진다.

[Cr]eq. = Cr + Mo + 1.5Si + 0.73%W

[Ni]eq. = Ni + 0.5%Mn + 30%C + 30(%N-0.045) + 0.33Cu

또한, 텅스텐 함유 듀플렉스 스테인레스강의 연속주조공정에 있어서, 연속주조 주편의 열간압연시 발생하는 코일 선상결함의 위치는 시그마상에 의한 주편크랙과 관련이 있기때문에, 연속주조시 주편의 응고크랙을 방지해야 한다.

따라서, 먼저, 연속주조 주편의 열간압연시, 코일 선상결함의 발생위치와 시그마상에 의한 주편크랙의 발생위치의 상관성을 고려하여 연속주조공정시, 주편의 응고크랙 생성을 방지하는 것이 중요하다.

즉, 연속주조공정시, 주편(6)에 발생하는 시그마상에 의한 응고크랙을 야금학적으로 살펴보면, 용질원소의 편석량이 높아 시그마상이 발생하는 경우와 수지상정(dendrite)의 응고조직이 조대하게 형성되어서 연신율이 저하되어 입계에 시그마상이 발생하는 경우가 있다.

용질원소의 편석으로 인한 시그마상에 의해 응고크랙이 발생하는 경우는 응고과정 중 용질원소가 수지상정 사이에 편석되어 머시구역(mushy zone)을 확장시키기 때문에 발생하는 경우이다. 이 경우에 있어서, 응고크랙 발생을 방지하기 위해서, 응고과정 중 용질원소의 편석량을 줄이는 것이 요구된다. 한편, 조대한 수지상정 내의 입계 시그마상은 고온강도가 낮기때문에, 외부응력의 작용시 수지상정의 응고조직 계면에서 응고크랙이 발생한다.

따라서, 연속주조 주편의 시그마상에 의한 응고크랙을 억제하기 위해서는 용질원소의 편석량을 줄이고, 응고조직을 미세하게 형성시키는 것이 중요하다.

즉, 액상선온도부터 응고완료 온도인 고상선온도까지의 온도구간은 용질원소가 농축되는 구간으로서, 이 구간에서 냉각속도를 느리게 하면, 용질원소의 확산이 진행되기 때문에 액상에 농축되는 용질원소의 함량은 감소된다. 따라서, 냉각속도를 느리게 함으로써, 응고크랙의 발생을 억제할 수 있다. 그러나, 냉각속도를 빠르게 하면, 수지상정의 크기가 미세하게 되므로, 이 역시 응고크랙 발생을 억제할 수 있지만, 용질원소의 확산이 지연되는 문제점을 수반한다.

상술된 바와 같이, 연속주조공정시 주편(6)의 응고크랙은 응고과정 중 냉각조건에 의해 조절될 수 있으므로, 본 발명의 실시예에 따르면, 연속주조공정시 주편(6)에 발생하는 응고크랙을 제어하기 위해 턴디쉬(3)에서의 용강과열도로 설정되는 주조온도와, 주형(4)에서의 냉각수량 및 냉각대에서의 비수량을 조절한다. 또한, 주조온도 및 비수량의 한계범위를 설정하여, 주조온도 및 비수량 조절시 발생할 수 있는 응고크랙이외의 품질 및 조업문제를 해결한다.

즉, 본 발명에 따르면, 턴디쉬(3)에서의 용강온도와 이론 응고온도와의 차이(ΔT)는 10℃ 내지 30℃ 범위로 하고, 주형에서의 용강공급측 냉각수의 유량이 장변에서는 2900ℓ내지 3100ℓ로 하고, 단변에서는 440ℓ내지 460ℓ로 하며, 주편배출측 냉각수 온도차이(ΔT)는 4.5℃ 내지 5.0℃로 한다. 또한, 2차냉각대(5)에서의 비수량은 0.25(ℓ/㎏) 내지 0.30(ℓ/㎏)으로 조절한다.

예를 들어, 상기 턴디쉬(3)에서의 용강온도와 이론 응고온도 차이(ΔT)는 하한이 10℃이고, 하한은 30℃인데, 이는 온도차이가 상한 30℃를 초과하게 되거나 냉각수 유량이 상한(3100ℓ 또는 460ℓ)을 초과하게 되면, 응고속도가 느리게 되어 응고조직이 조대하게 되므로, 연속주조 주편(6)에 응고크랙이 발생되고 열간압연시 선상결함이 발생된다.

또한, 온도차이가 하한 10℃ 이하로 되거나, 또는 냉각수 유량이 하한(2900ℓ또는 440ℓ) 이하로 되면, 연속주조과정에서 주형파우더의 윤활능이 떨어지기 때문에 연속주조 주편에 개재물성 결함을 야기시키게 된다.

그리고, 상술된 조건이 설정된 경우에, 용강공급측 및 주편배출측에 있어서 냉각수의 온도차이는 4.5℃ 내지 5.0℃가 된다.

한편, 상기된 주조온도 및 주형조건을 만족시키면서, 2차냉각대(5) 비수량을 0.25(ℓ/㎏) 내지 3.0(ℓ/㎏)으로 제어하여 응고크랙 발생을 방지한다.

이와 같이 2차냉각대(5)의 비수량을 한정한 이유는 다음과 같다.

즉, 2차냉각대(5)의 비수량을 상대적으로 크게 설정하면, 응고조직은 미세하게 형성시킬 수 있지만, 비수량이 0.3(ℓ/㎏) 이상이 되면, 연속주조공정시 응고조직 사이에 편석된 불순물들이 확산할 시간이 적어지기 때문에, 시그마상으로 존재하게 하여 주편표면에 크랙을 발생시키고 또한 열응력으로 인한 크랙 뿐만 아니라 잔류응력이 표면에 과도하게 발생되므로, 주편 연마(grouding)시 표면 크랙이 발생하게 된다.

그리고, 비수량을 0.25(ℓ/㎏) 이하로 하면, 응고조직은 과대하게 되어 입계에 생성된 시그마상에 의해 응고크랙이 발생되는 문제점과 연속주조 중 주편 응고쉘(shell)의 강도가 저하되어 주편 벌징(bulging)으로 인한 크랙이 발생하는 문제점을 야기시킨다.

<실시예>

하기 표 1에 나타난 바와 같이, [Cr/Ni]eq.가 2.28인 텅스텐 함유 듀플렉스 스테인레스강을 이용하여, 하기 표 2와 같은 용강과열도 및 냉각대 비수량을 적용하여 연속주조주편을 제조하였다. 제조된 주편결함발생을 조사하여 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.

Cr	Ni	Si	Mn	W	Cu	C	Mo	N
22.0	6.0	0.5	1.5	2.6	0.2	0.02	1.5	0.18

	턴디쉬에서용강과열도(℃)	장변냉각수량(ℓ/min)	단변냉각수량(ℓ/min)	냉각대비수량(ℓ/㎏)	연속주조주편결함발생정도
본발명예	1	15	3000	450	0.25	무
	2	25	3000	450	0.30	무
	3	20	3000	450	0.23	무
비교예	1	8	3000	450	0.20	유
	2	41	3000	450	0.25	유
	3	25	2800	450	0.25	유
	4	26	3200	430	0.30	유
	5	25	3200	40	0.20	유
	6	26	3200	450	0.33	유

상기 표 2에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 제어조건을 모두 만족시키는 본 발명예1, 2 및 3에서는 주편 및 열연코일 표면에 벌징 또는 응고크랙이 발생하지 않았음을 알 수 있다.

그러나, 비교예1은 용강과열도가 본 발명의 제어조건으로부터 벗어난 조건으로서, 주조온도가 낮아 주형파우더의 용융불량이 발생되어 주형과 응고층 사이의 윤활작용이 부족함으로써, 응고층에 크랙이 발생되고 또한 주조말기에는 주편 표면에 스크랩과 같은 대형 표면결함이 발생하였음을 알 수 있다.

또한, 비교예2는 주조온도가 본 발명의 제어조건보다 높게 설정한 경우로서, 주편표면에 조대한 응고조직이 형성되어 입계에 시그마상에 의한 응고크랙이 발생하였고, 또한 주편에 벌징이 발생하였음을 알 수 있다.

비교예3은 장변의 냉각수량을 본 발명의 제어조건보다 낮게 설정한 경우로서, 주형에서의 열전달이 느리게 되어 주편표면에 조대한 응고조직이 발생되고 시그마상에 의한 응고크랙이 발생되므로 후속공정을 진행하지 못하였음을 알 수 있다.

비교예4는 장변 및 단변의 냉각수량이 본 발명의 제어조건보다 높은 경우로서, 단위시간당 주형에서의 열전달속도가 증가하여 주형파우더의 윤활 불량이 발생되고, 이로 인해 응고층에서 크랙이 발생되었음을 알 수 있다.

비교예5는 냉각대의 냉각수량이 낮은 경우로서, 주편에서 벌징 및 냉각대에서 과도한 약냉으로 인하여, 주편품질을 조사한 결과, 시그마상의 석출에 의한 주편표면에 크랙이 미세하게 발생되었음을 알 수 있다. 이로 인하여, 열간압연시 과도한 스케일이 형성되어 열연코일 상에 선상결함이 야기된다.

비교예6은 비수량이 본 발명의 제어조건보다 높은 경우로서, 주조 중 벌징 발생은 없었으나, 주조 중 주편 표면에 열응력이 심하게 작용하여 주편에 표면크랙이 발생되었음을 알 수 있다.

따라서, 본 발명에 따르면 연속주조 및 열간압연 시 응고크랙을 공정부하없이 방지할 수 있으므로, 품질이 우수한 오스테나이트계 스테인레스강을 제조할 수 있다.

이상, 상기 내용은 본 발명의 바람직한 일실시예를 단지 예시한 것으로 본 발명이 속하는 분야의 당업자는 첨부된 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 요지로부터 벗어남이 없이 본 발명에 대한 수정 및 변경을 가할 수 있다.

Claims

텅스텐함유 듀플렉스 스테인레스강의 연속주조방법에 있어서,

턴디쉬에서의 용강온도와 이론 응고온도와의 차이(ΔT)는 10℃ 내지 30℃ 범위로 유지하는 단계와,

주형에서의 용강공급측 냉각수의 유량이 장변에서는 2900ℓ내지 3100ℓ로 유지하고, 단변에서는 440ℓ내지 460ℓ로 유지하는 단계와,

주편배출측 냉각수 온도차이(ΔT)는 4.5℃ 내지 5.0℃로 유지하는 단계와

2차냉각대에서의 비수량은 0.25(ℓ/㎏) 내지 0.30(ℓ/㎏)으로 유지하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 연속주조방법.
제1항에 있어서, 상기 2차냉각대에서의 비수량(S)은 하기식,

,에 의해서 구해지고,

여기에서, Q는 2차냉각대에서의 총 물공급량(ℓ/m²)이고, W는 주편폭(m)이고, D는 주편두께(m)이고, G는 밀도(㎏/m²)인 것을 특징으로 하는 연속주조방법.