KR20040003315A - 저 탄소강 제조용 몰드플럭스 - Google Patents

Abstract

본 발명은 주조속도 4.0m/min 이상의 박 슬라브를 생산하는 연속주조 공정에서 용강 중의 카본함량이 중량%로 0.06% 이하인 저 탄소강을 주조할 때에 브레이크아웃(Breakout)의 저감과 면 세로크랙을 저감시킬 수 있도록 한 저 탄소강 제조용 몰드플럭스에 관한 것으로, 이는 몰드플럭스는 용강 중의 카본함량이 중량%로 0.06% 이하인 저 탄소강을 제조할 때에 사용되는 몰드플럭스에 있어서, 상기 몰드플럭스는 중량%로 CaO: 30∼40%, SiO₂: 25∼30%, Free-C 4∼7%, 그외 F, Na₂O, MgO, Al₂O₃, 불가피한 불순물의 합이 31∼33%로 구성되고, 상기 중량%로 31∼33%를 유지하는 성분 중 F: 8∼12%, Na₂O: 7∼11%, MgO: 2∼5%, Al₂O₃: 2∼5%, 나머지는 불가피한 불순물이고, 점도 0.4 ~ 0.6 Poise(at 1300℃), 염기도(CaO/SiO₂) 1.2~1.4 유지시켜 된 것이다.

Description

저 탄소강 제조용 몰드플럭스{Mold flux for law carbon steel plate manufacture}

본 발명은 저 탄소강 제조용 몰드플럭스에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 주조속도 4.0m/min 이상의 박 슬라브를 생산하는 연속주조 공정에서 용강 중의 카본함량이 중량%로 0.06% 이하인 저 탄소강을 주조할 때에 브레이크아웃(Breakout)의 저감과 면 세로크랙을 저감시킬 수 있도록 한 저 탄소강 제조용 몰드플럭스에 관한 것이다.

연속주조공정(10)은 도 1과 같이 턴디쉬(11)에 받아진 용강(12)을 침지노즐(13)을 통하여 수냉몰드(14)로 유입 및 냉각되어 몰드 내부에서 응고가 시작되면서 얇은 응고쉘(15)이 형성된다. 이때 몰드내 용강 상부에 뿌려진 분체상 혹은 과립상의 몰드플럭스는 용강의 열을 아직 받지 않고 미 반응된 상태의 몰드플럭스 층(16)과 열을 받아가며 소결되는 소결 층(17) 및 결국에는 용융되는 용융 층(18)으로 구분되어 기본적으로 용강과 산소와의 접촉을 차단하는 역할을 하며, 본질적으로는 수냉몰드와 응고쉘 사이로 유입되어 얇은 슬래그필름 층(19)을 형성하여 응고쉘과 수냉몰드가 직접 접촉하는 것을 막고 더불어 윤활작용을 하여 블랙아웃(Breakout)의 발생을 억제하고, 또, 응고쉘로부터 수냉몰드로의 열 전달을 균일하게 함으로써 면 세로크랙과 같은 결함의 발생을 방지한다.

상기와 같은 방법으로 이루어지는 일반적인 슬라브 연주공정은 250mm 두께 전후의 두꺼운 반제품을 생산하는 것에 비해, 박슬라브 주조공정은 두께가 60mm 전후로 상기 일반적인 슬라브에 비해 1/3 정도의 얇은 슬라브를 생산하며, 따라서 생산성을 일정정도 확보하기 위해서는 연주기가 평균 1.2m/min 전후의 속도로 주조하는 것에 비하여 3배 이상 빠른 4.0m/min 이상의 주조속도를 나타낸다.

상기에서 설명된 바와 같이 일반적인 슬라브 연속주조공정에 비하여 박슬라브 주조공정은 고속주조에 기인하여 응고쉘로부터 수냉몰드로 빠져나가는 전열량이 도 2에 나타낸 바와 같이 크게 증가한다. 또, 도 3에서 보는 바와 같이 전열량이 증가하면 면 세로크랙(선형크랙) 발생경향도 확연히 증가하는 것을 알 수 있으며, 이는 전열량 증가시 불 균일한 열 전달에 의하여 응고초기 불 균일 응고를 조장하여 면 세로크랙의 발생을 용이하게 하기 때문이다.

도 4는 주조속도에 따른 몰드플럭스의 소모량 경향을 나타낸 것으로, 고속주조 일수록 몰드플럭스의 소모량이 감소하는 것을 알 수 있다. 몰드플럭스의 소모된 양은 결국 수냉몰드와 응고쉘간의 윤활작용을 해야 하는 슬래그필름 층(19)으로 사용되므로, 이의 감소는 슬래그필름 층의 두께가 얇아지거나 연속적으로 유입되지 않는 현상으로 나타나 수냉몰드와 응고쉘이 직접적으로 접촉할 수 있는 확률이 높아지며 이는 구속성 브래크이아웃과 같은 조업사고의 증가를 유발한다.

한편 수냉몰드와 응고쉘 사이의 용융된 몰드플럭스가 유입되는 곳에서는 상대적으로 온도가 낮은 수냉몰드로부터 슬래그베어(20)가 성장한다. 그리고, 용강탕면 수위의 변동이 심한 경우 몰드플럭스의 용융 층(18)과 미용융 플럭스(16)가 반복하여 접촉함으로써 슬래그베어가 빠르게 성장하며, 이는 결국 몰드와 응고쉘 사이로 몰드플럭스 용융층이 유입되는 통로를 차단하는 역효과에 의하여 브래이크아웃을 유발시킬 수 있다.

박슬라브 고속주조공정은 협소한 몰드내부 면적과 고속주조에 따른 용강의 수위의 조절에 어려움이 있으며, 슬래그베어의 성장이 용이한 조건이다.

종래에 제공된 물드플럭스(특허출원 제2000-73224호)는 중량%로, CaO : 25-40%, SiO₂: 25-40%, Al₂O₃: 1-3%, Na₂O :17-22%, F : 10-15%, free [C] : 1-5%, 및 나머지는 기타 불순성분으로 구성되어 있고, 점도는 0.1-0.2(poise, 1300℃)로 구성된다.

이와 같이 구성된 상기 몰드플럭스는 중량%로, C: 0.80-0.90%, Si:0.15-0.25%, Mn: 0.35- 0.50%, P:0.020%이하, S:0.005%이하이고 나머지미량의 불순성분으로 조성된 고탄소 공구강에 적용되는 것이다.

또, 특허 제113104호에는 슬라브 연주기의 구속성 주편터짐을 저감하기 위한 고 탄소강용 몰드플럭스로 중량%로, CaO : 25-40%, SiO2 : 25-40%, Al2O3 : 3-8%, Na2O : 7-13%, Ba2O5: 5-7%, F : 10-15%로 조성되는데, 이러한 종래의 몰드플럭스는 염기도(CaO/SiO2)가 0.95~0.97이고, 점도가 1.0~1.2(poise, 1300℃)가 되도록 하여 윤활성을 확보하도록 선정되었다.

그러나, 이러한 몰드 플럭스는 열 전달능력 및 윤활능력의 미약으로 인하여, 응고되는 주편의 단위 중량 당 윤활작용에 의해 소모되는 몰드플럭스 중량(이하, `소모량')이 확보가 되지 않는 문제가 있었다. 그리고, 고 탄소 공구강을 연주 작업할 때 몰드 내 플럭스의 소모량이 충분치 않을 경우 응고셀 파단에 의한 주편터짐이 발생할 가능성이 커지는 단점이 있다.

고탄소 공구강은 C성분이 중량%로 0.80-0.90%로 냉간압연 후 열처리를 실시하는 표면 고경도 제품으로서 줄자, 시계태엽, 면도날 및 자동차 부품 등에 주로 사용되는 고부가 가치 제품이다. 금속학적인 특징으로는 일반적인 Fe-C 상태도에서도알 수 있듯이, 고탄소 공구강은 과공석강이며, 열간압연후 인장강도가 90-100kgf/㎟, 항복강도가 35-65kgf/㎟, 연신율이10% 수준인 고강도재로서 최종제품 가공후 수중 또는 유중 소입을 실시하여 표면강도를 얻으며, 강한 경화능으로 압축응력을 잔존시켜 공구의 구부러짐 현상과 뒤틀림 현상 등을 방지한다는 특징이 있다.

일반적으로 연속주조기를 통해 주조되는 고탄소 공구강과 같은 고탄소강은 그 제조상 다음과 같은 문제가 있다. 즉, 일반적인 Fe-C 상태에서도 알 수 있듯이, 강중 C의 함량이 증가함에 따라서 고상선 온도가 낮아짐과 동시에 고액공존 구간이 넓어지게 된다.

이러한 고탄소강의 응고지연 현상으로 인하여 수냉되는 몰드와 접촉된 표면만이 응고되어 응고셀(solidification shell)의 두께가 얇아지게 된다. 이에 따라 상대적으로 응고셀과 몰드간의 마찰에 의해 응고셀이 파단되면서 구속성 주편터짐(break-out)이 발생되기 쉽다. 연주과정에서는 이 구속성 주편터짐을 막기 위해 윤활제로서 분말 또는 과립 형상의 합성슬래그(slag)인 몰드 플럭스(mold flux)를 몰드 내의 용강 상부에 투입하게 된다.

한편, 슬라브 연주기에서의 고탄소 공구강 주조시 사용되는 종래의 몰드 플럭스는 다수 제안되어 있다. 그 대표적인 예로서 대한민국 특허 제113104호에는 슬라브 연주기의 구속성 주편터짐을 저감하기 위한 고탄소강용 몰드 플럭스가 개시되어있다. 상기 특허에 개시된 몰드 플럭스는 중량%로, CaO : 25-40%, SiO2 : 25-40%, Al2O3 : 3-8%, Na2O : 7-13%, Ba2O5: 5-7%, F : 10-15%로 조성되는데, 이러한 종래의 몰드플럭스는 염기도 (CaO/SiO2)가 0.95~0.97이고, 점도가 1.0~1.2(poise, 1300℃)가 되도록 하여 윤활성을 확보하도록 선정되었다. 그러나, 이러한 몰드 플럭스는 열전달능 및 윤활능 미약으로 인하여, 응고되는 주편의 단위 중량 당 윤활작용에 의해 소모되는 몰드 플럭스 중량(이하, `소모량')이 확보가 되지 않는 문제가 있었다. 고탄소 공구강을 연주 작업할 때 몰드 내 플럭스의 소모량이 충분치 않을 경우 응고셀 파단에 의한 주편 터짐이 발생할 가능성이 커지는 단점이 있다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 이를 해소하고자 발명한 것으로서, 그 목적은 주조속도 4.0m/min 이상의 박슬라브를 생산하는 연속주조 공정에서 용강 중의 카본함량이 중량%로 0.06% 이하인 저 탄소강을 주조할 때에 블랙아웃과 같은 조업사고가 발생하지 않는 윤활능력을 확보하기 위한 충분한 소모량이 필요하고, 완냉각화에 의한 면 세로크랙의 저감과 슬래그베어 발생을 저감하는 몰드플럭스를 제공함에 있다.

도 1은 연속주조공정에서의 슬래그필름 층을 나타낸 개략도,

도 2는 주조속도에 따른 응고쉘로부터 수냉몰드로의 전열량을 나타낸 그래프,

도 3은 전열량과 면 세로크랙(선형크랙) 발생지수를 나타낸 그래프,

도 4는 점도 및 주조속도에 따른 몰드플럭스 소모량을 나타낸 그래프,

도 5는 결정질률에 따른 선형크랙 및 블랙아웃 지수를 나타낸 그래프,

도 6은 염기도와 결정질률과의 관계를 나타낸 그래프,

도 7은 Free-C함량과 용융속도와의 관계를 나타낸 그래프.

※도면의 주요부분에 대한 부호 설명※

11 : 턴디쉬 12: 용강

13 : 침지노즐 14 : 수냉몰드

15 : 응고쉘 16 : 몰드플럭스

17 : 몰드플럭스소결 층 18 : 몰드플럭스용융 층

19 : 슬래그필름 층 20 : 슬래그베어

21 : 결정질 층 22. 유리질 층

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 몰드플럭스는 용강 중의 카본함량이 중량%로 0.06% 이하인 저 탄소강을 제조할 때에 사용되는 몰드플럭스에 있어서,

상기 몰드플럭스는 중량%로 CaO: 30∼40%, SiO₂: 25∼30%, Free-C 4∼7%, 그외 F, Na₂O, MgO, Al₂O₃, 불가피한 불순물의 합이 31∼33%로 구성되고, 상기 중량%로 31∼33%를 유지하는 성분 중 F: 8∼12%, Na₂O: 7∼11%, MgO: 2∼5%, Al₂O₃: 2∼5%, 나머지는 불가피한 불순물이고, 점도 0.4 ~ 0.6 Poise(at 1300℃), 염기도(CaO/SiO₂) 1.2~1.4 유지한다.

상기 본 발명에 따른 몰드플러스 조성성분 사용량을 한정하는 이유를 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 몰드플럭스 중에 함유되는 CaO와 SiO₂는 염기도 조정 성분으로서, CaO를 40% 초과하여 첨가하거나 SiO₂를 25%미만으로 첨가하는 경우 슬래그의 점도가 매우 떨어지므로 용강 내에 슬래그 유입이 과다해 지고, 반대로 CaO를 30% 미만으로 첨가하거나 SiO₂를 40% 초과 첨가시에는 슬래그의 점도가 높아지게 되어 용강내 슬래그 유입이 곤란해지므로 몰드와 응고쉘의 윤활능력이 떨어져서 구속성 주편터짐의 가능성이 커지게 된다.

또, Al₂O₃를 5% 초과 첨가시에는 점도 증가와 더불어 용강 내의 비금속개재물 흡수능력이 저하되고, 2% 미만인 경우에는 슬래그의 Al₂O₃흡수능력 과다로 인해 슬래그 점도가 과다하게 증가하여 윤활능이 저하된다.

상기 Na₂O를 7-11% 첨가하는 이유는 이 범위를 벗어갈 경우 몰드플럭스의 용융점이 상승되어 원활한 슬래그 유입이 억제되기 때문이다. 특히, Na₂O가 7% 미만 첨가될 경우 몰드플럭스의 융제 기능이 저하되어 점도가 급격히 증가하게 된다.

상기 F를 12% 초과 첨가시에는 슬래그의 결정질율이 과도하게 상승되어 몰드내 주편의 냉각속도가 저하되어 응고셀의 두께가 얇아지게 되어 구속성 주편터짐의 위험성이 커지게 되고, 8% 미만 첨가시에는 점도가 급격히 증가되어 윤활능력이 저하된다.

또, Free-C를 4% 미만으로 첨가하면 몰드 내 용강 면의 보온성이 떨어져 슬래그 윤활능력이 저하되고, 7%를 초과하여 함유되는 경우 몰드플럭스의 용융속도가 느려져 주편과 몰드 사이에 원활한 슬래그 유입이 이루어지지 않는다.

한편, 본 발명의 몰드플럭스에서 점도는 수냉몰드와 응고쉘 사이로 유입되는 몰드플럭스의 유입량을 조절하는 역할을 하는 것으로, 통상의 슬라브 연주공정은 1.2m/min 정도의 저주속도 영역에 해당하므로 1.0Poise 이상의 고점도 몰드플럭스의 사용으로도 충분한 유입량을 확보할 수 있어 윤활 부족에 의한 구속성 블랙아웃의 발생률이 낮다.

그러나 박 슬라브 고속주조 공정에서는 도 4에서 알 수 있는 것처럼 고속주조에 따른 필연적인 몰드플럭스의 소모량(유입량)이 감소하며, 이에 의한 수냉몰드와 응고쉘간의 윤활능력이 부족해져 블랙아웃의 발생이 증가한다. 따라서 윤활능력 확보를 위해서는 점도를 0.4 ~ 0.6 Poise(at 1300℃) 유지함이 바람직함은 물론, 블랙아웃 저감을 도모할 수 있다.

연속주조 공정에서 응고쉘로부터 수냉몰드로의 전열량은 도 2에서 보는 바와 같이 주조속도에 비례하여 증가한다. 또한, 전열량의 증가는 필연적으로 열 전달을 불 균일하게 하며, 이는 도 3에서 알 수 있는 것처럼 면 세로크랙이 많이 발생하게 된다. 따라서, 이와 같은 결함의 저감을 위해서는 몰드플럭스에 의한 완냉각화가 필요하다.

한편 도 1에서 몰드플럭스의 슬래그필름 층을 자세히 관찰하면 비교적 차가운 수냉몰드측으로는 결절질 층(21)이 응고쉘측으로는 유리질 층(22)이 형성되며, 이중 결정질 층의 두께 즉 몰드플럭스의 결정질률(Crystallization ratio)이 응고쉘로부터 수냉몰드로의 전열량에 영향을 미치는 것으로 알려져 있다.

도 5는 결정질률과 면 세로크랙과의 상관관계 그래프로서, 결정질률 증가시 전열량 감소에 의한 면 세로크랙 발생률이 감소함을 알 수 있다. 또한, 몰드플럭스의 결정질률은 도 6에서 보는 바와 같이 CaO와 SiO₂의 성분비(CaO/SiO2, 이하 염기도)와 밀접한 관계가 있음을 알 수 있으며, 완냉각화를 위해서는 염기도의 상향이 필요하다.

그러나 지나친 결정질률의 상승은 슬래그필름 층 중에 윤활작용을 주로하는 유리질 층(22)의 감소에 의한 윤활능력 부족으로 오히려 블랙아웃을 유발할 수 있으므로 발명품이 규정하는 정도까지의 염기도 상향이 요구된다.

박슬라브 고속주조 공정은 종래의 몰드에 비해 협소한 몰드단면적으로 용강의 수위조절이 곤란하며, 이는 몰드플럭스 용융층이 응고쉘과 수냉몰드 사이로 유입되는 부위에서 오히려 수냉몰드로부터 슬래그베어라는 응고층 형성을 용이하게 하여 몰드플럭스의 유입을 방해하여 블랙아웃을 유발한다. 따라서 이의 억제 방법으로는 Free-C의 몰드플럭스 용융입자가 서로 달라붙는 것을 억제하는 것이 효과적이나,

또한, 도 7에서 보는 바와 같이 Free-C의 함량이 많아질수록 용융속도 또한 낮아져 이 또한 블랙아웃을 유발할 가능성이 높아지므로, 본 발명이 규정하는 수준으로의 Free-C 함량을 증량하는 것이 필요하다.

이하 본 발명의 몰드플럭스를 실시 예를 들어 설명하면 다음과 같다.

(실시 예)

	염기도	성분함량(wt%)	점도 (Poise at 1300℃)
		CaO	SiO2	Free-C	그 외
종래재 1	0.95	29.26	30.57	2.00	38.17	1.14
종래재 2	1.10	28.10	25.60	3.60	42.7	2.19
발명재	1.32	35.66	27.11	5.28	31.95	0.52

종래재 1 : 종래의 슬라브 연주기의 저탄강용 몰드플럭스

종래재 2 : 박슬라브 연주공정 초도 도입 몰드플럭스

상기의 발명재를 박슬라브 주조공정의 저탄강 주조에 적용하여 종래재 2에 비하여 하기 표 2에 나타낸 바와 같이 현저한 개선실적을 나타내어 박슬라브 연속주조 가동 초기부터 문제되었던 블랙아웃 및 면 세로크랙 측면에서 안정적으로 공정 적용하여 사용할 수 있다.

	종래재2	발명재	비 고
몰드플럭스 소모량(kg/ton-steel)	0.30	0.45	증가
Breakout 발생률(%)	2.5	0.2	감소
전열량(MW/㎡)	3.3	2.5	감소
선형크랙 발생률(%)	49.0	4.5	감소
슬래그베어 발생 회수(회/Ch)	3.5	0.5	감소

이상과 같은 본 발명은 중량%로 CaO: 30∼40%, SiO₂: 25∼30%, Free-C 4∼7%, 그외 F, Na₂O, MgO, Al₂O₃, F: 8∼12%, Na₂O: 7∼11%, MgO: 2∼5%, Al₂O₃: 2∼5%, 나머지는 불가피한 불순물불로 조성되고, 점도 0.4 ~ 0.6 Poise(at 1300℃), 염기도(CaO/SiO₂) 1.2~1.4를 갖는 몰드플럭스를 제공 함으로서, 주조속도 4.0m/min 이상의 박슬라브를 생산하는 연속주조 공정에서 용강 중의 카본함량이 중량%로 0.06% 이하인 저 탄소강을 주조할 때에 블랙아웃과 같은 조업사고가 발생하지 않는 윤활능력을 확보되고, 완냉각에 의한 면 세로크랙의 저감과 슬래그베어 발생을 저감하는 효과가 있다.

Claims (3)

1. 용강 중의 카본함량이 중량%로 0.06% 이하인 저 탄소강을 제조할 때에 사용되는 몰드플럭스에 있어서,

   상기 몰드플럭스는 중량%로 CaO: 30∼40%, SiO₂: 25∼30%, Free-C 4∼7%, 그외 F, Na₂O, MgO, Al₂O₃, 불가피한 불순물의 합이 31∼33%로 구성된 것을 특징으로 하는 저 탄소강 제조용 몰드플럭스.
2. 제1항에 있어서, 상기 중량%로 31∼33%를 유지하는 성분 중 F: 8∼12%, Na₂O: 7∼11%, MgO: 2∼5%, Al₂O₃: 2∼5%, 나머지는 불가피한 불순물임을 특징으로 하는 저 탄소강 제조용 몰드플럭스.
3. 제1항에 있어서, 상기 몰드플럭스는 점도 0.4 ~ 0.6 Poise(at 1300℃), 염기도(CaO/SiO₂) 1.2~1.4인 것을 특징으로 하는 저 탄소강 제조용 몰드플럭스.