KR20040058814A - 마르텐사이트계 스테인리스강 연주주편의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연속주조시 주편 중심부의 열수축을 최소화하여 중심편석 및 크랙을 저감시키는 마르텐사이트계 스테인리스강 연주주편의 제조방법을 제공하는 데 목적이 있다.

따라서 본 발명은 마르텐사이트계 스테인레스강 연주주편의 제조방법에 있어서, 연속주조시 주조속도는 0.75∼0.85m/min 이고, 주편 중심부 응고말기 지점의 냉각수량을 500∼700ℓ/min로 하여 강제냉각하는 마르텐사이트계 스테인레스강 연주주편의 제조방법을 제공한다.

Description

마르텐사이트계 스테인리스강 연주주편의 제조방법{Method for manufacturing slab of martensitic stainless steel}

본 발명은 마르텐사이트계 스테인리스강 연주주편의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 중심편석 및 크랙이 저감된 마르텐사이트계 스테인리스강 연주주편의 제조방법을 제공하는 데 있다.

일반적으로 널리 사용되는 마르텐사이트계 스테인리스강은 13Cr-0.2C을 기본 조성으로한 STS 420J1강과, 13Cr-0.3C을 기본 조성으로한 STS 420J2강이 있다.

이러한 마르텐사이트계 스테인리스강은 강도가 높고, 내마모성, 인성 내열성 및 내식성이 우수하기 때문에 양식기, 칼 및 가위 등의 주방소재와 일반 기계 구조용강으로 널리 사용되고 있다.

마르텐사이트계 스테인리스강은 전기로 및 제강공정에 의해 생산된 용강을 연속주조하여 주편을 제조하고, 제조된 연주주편을 열연공정에서 재가열하고 압연하여 열연코일을 생산하게 된다.

열연코일 상태에서 마르테사이트계 스테인레스강은 마르텐사이트상, 탬퍼드 마르텐사이트상과 페라이트상이 혼재한 조직으로 존재한다.

이러한 열연코일은 상소둔 공정을 거쳐 페라이트와 탄화물로 변태시켜 연질화되는데, 열연소둔에 의한 연질재는 열연소둔시 형성된 스케일제거를 위해 산세공정을 거친다.

또한 산세 후 연질재는 냉간압연 또는 제품가공 후 최종 수요가에서 소입 및 소려의 열처리 공정을 거쳐 고강도 마르텐사이트계 스테인리스강으로 된다.

그러나 이와 같이 생산된 STS 420J1 및 STS 420J2 마르텐사이트계 스테인리스강은 고액구간이 넓고, 응고과정 중 포정반응을 일으키기 때문에 편석 및 응고층의 변형이 발생하기 쉽다.

특히 STS 420J2강은 저온까지 액상이 존재하기 때문에 초기 응고층의 강도가 낮고, 응고 불균일이 발생하기 쉽다.

이러한 원인으로 인해 마르텐사이트계 스테인리스강은 연속주조주편 제조공정에서 조대한 탄화물 중심편석을 형성한다.

주편내 생성된 마크로 중심편석은 열연 재가열 공정 또는 소둔 열처리 공정에서 완전히 제거되지 않기 때문에 스라브내 중심편석은 열연 또는 냉연 코일에 잔류하게 되어 소재 절단시 라미네이션(lamination, 이중판)결함을 야기시킨다.

이러한 라미네이션 결함을 방지하기 위해 연속주조 공정에서부터 열연 및 소둔공정에 이르기까지 여러가지방법이 개발되었다.

열연 및 소둔공정에서는 주편 중심부에 존재하는 조대한 크롬탄화물의 중심편석을 제거하기 위해 열간압연 후 소둔공정 (BAF, Barch Annealinf Furnace)에서 소둔온도 및 소둔시간을 장시간 유지해야 한다.

그러나 상기의 방법으로는 가열로의 설비투자가 필요하므로 생산원가가 증대되고 생산성이 급감하는 문제점이 있다.

한편 연속주조시 주편내 중심편석을 저감시키는 방법을 살펴보면 전자교반법, 경압하법, 저온 및 저속주조법이 개발되어 사용되고 있다.

먼저 전자교반법은 잔류용강을 전자력에 의해 교반시켜 응고조직을 등축정화하여 용질농축 용강의 이동을 억제하는 것에 의해 중심편석을 방지하는 방법이다.

그러나 상기의 방법으로는 등축정 응고조직은 벌징등에 의한 용강유동의 영향에 둔감하기 때문에 중심편석이 낮은 안정된 품질수준을 얻을 수 있지만, 중심부 및 중심부 이외의 등축정 조직내에 분산된 세미마크로(semi-macro) 편석이 존재하고, 그 크기가 클 경우에는 압연코일에 라미네이션 결함을 유발시키는 문제점이 있다.

다음으로 경압하 방법은 응고 말기에 주편을 2∼5mm 눌러줌으로써 주편 중심부에 잔존하고 있는 용강이 정체되지 않고, 흐르도록 해주며, 롤과 롤사이의 간격을 줄여줌으로써 중심편석을 감소시키는 방법이다.

그러나 상기의 방법으로는 롤의 간격을 변경해주고 롤의 배치 및 구동조건, 압하조건, 냉각조건등 여러가지 조건에 대한 재설계가 필요하므로 설비의 구매를 위한 설비비가 증대되고 설비를 설치하기 위해 생산라인을 중지시키야 하므로 생산성이 떨어지는 문제점이 있다.

아울러 용강의 과열도를 낮추는 저온주조 및 용강의 주조속도를 낮추는 저속주조 방법은 주편 중심부에 입상의 등축정 조직을 형성하고, 주편 응고층을 빠르게 형성시켜 벌징량을 줄여줌으로써 중심편석을 감소시키지만 주조 중 침지노즐이 막혀 조업 불안정이 발생되고 생산성이 저하되는 문제점이 있다.

이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출 된 것으로, 연속주조시 주편 중심부의 열수축을 최소화하여 중심편석 및 크랙을 저감시키는 마르텐사이트계 스테인리스강 연주주편의 제조방법을 제공하는 데 목적이 있다.

도 1은 일반적인 연속주조장치를 도시한 개략도이다.

도 2는 본 발명에 따른 마르텐사이트계 스테인리스강 주편의 연주시 주조속도에 따른 표면 및 중심부의 온도를 나타낸 그래프이다

도 3은 본 발명에 따른 마르텐사이트계 스테인리스강 주편의 응고 말기 분사된 냉각수량에 따른 주편 표면 및 중심부 온도를 나타낸 그래프이다

도 4는 본 발명에 따른 마르텐사이트계 스테인리스강 주편의 응고 말기 분사된 냉각수량에 따른 주편 중심편석지수를 나타낸 그래프이다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은 마르텐사이트계 스테인레스강 연주주편의 제조방법에 있어서, 연속주조시 주조속도는 0.75∼0.85m/min 이고, 주편 중심부 응고말기 지점의 냉각수량을 500∼700ℓ/min로 하여 강제냉각하는 마르텐사이트계 스테인레스강 연주주편의 제조방법을 제공한다.

여기서 마르텐사이트계 스테인레스강 연주주편은 두께가 200㎜이고 주조폭이1000∼1600mm인 것이 바람직하다.

이하 본 발명에 따른 마르텐사이트계 스테인레스강 연주주편의 제조방법을 첨부도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 1은 일반적인 연속주조장치를 도시한 개략도이고, 도 2는 본 발명에 따른 마르텐사이트계 스테인리스강 주편의 주조속도에 따른 연주시 표면 및 중심부의 온도를 나타낸 그래프이며, 도 3은 본 발명에 따른 마르텐사이트계 스테인리스강 주편의 응고 말기 분사된 냉각수량에 따른 주편 표면 및 중심부 온도를 나타낸 그래프이고, 도 4는 본 발명에 따른 마르텐사이트계 스테인리스강 주편의 응고 말기 분사된 냉각수량에 따른 주편 중심편석지수를 나타낸 그래프이다.

먼저 마르텐사이트계 스테인레스강 연주를 위한 연속주조장치는 도 1에 도시된 바와 같이 정련이 완료된 용강(1)이 저장된 래들(2)과, 주편을 일차적으로 응고시키는 주형(8)과, 래들(2)과 주형(8)사이에서 용강을 일시 저장하여 버퍼(buffer)역할을 하는 턴디시(4)와, 일차적으로 냉각된 주편을 완전히 냉각시키는 2차냉각대 (9)로 구성되어 있다.

또한 래들(2)과 턴디시(4)사이에는 쉬라우딩 노즐(shrouding nozzle; 3)이 설치되고, 턴디시(4)와 주형(8)사이에는 침지노즐(7)이 설치되며, 침지노즐(7)의 상부에는 용강의 유량을 조절하기 위한 스톱파(6)가 설치되어 있다.

한편 연속주조시 주편에서 이루어지는 냉각은 주형(8)을 이루는 동판에 의해 간접적으로 이루어지는 일차냉각과, 2차냉각대(9)에서의 물 분사에의한 직접적인 냉각(수냉) 및 공기에 의한 자연냉각(공냉)으로 이루어진다.

통상적으로 수냉을 위한 2차냉각대(9)의 길이는 주형하단에서 3∼9m 정도이고, 그 이하에서는 공냉 방법을 채택하고 있다.

따라서 주편의 중심편석은 주편의 응고가 완료되는 지점에서 발생하게 되므로 연주기의 냉각영역 중 공냉영역에 해당하게 된다.

한편 도 2에 도시된 바와 같이 주편 중심부의 냉각속도는 주편 중심부가 응고를 완료하는 위치에서 주편 표면부의 냉각속도 보다 훨씬 커진다. 주편 중심부는 응고가 진행되는 동안 액상에서 고상으로 변태에 따른 응고잠열이 계속 발생하기 때문에 일정온도를 유지할 수 있었지만, 응고완료부에 이르면 응고잠열에 의한 열보상이 없기 때문에 온도가 급격히 떨어진다.

반면 주편 표면온도는 응고초기에는 수냉각에 의해 냉각이 빨리 진행되다가 공냉지역에서는 대기 냉각에 의한 냉각효과만 있기 때문에 냉각속도가 느리다.

따라서 응고말기에는 주편 표면의 냉각속도와 중심부의 냉각속도 차이에 의한 수축율의 차이가 발생하고, 주편 중심부의 수축율이 커짐에 따라 주편 중심부는 기공이 발생되고, 이와 더불어 중심편석이 발생하게 된다.

즉 중심부 부피변화가 양수가 되면, 주편 중심부에 기공이 발생이 되고, 중심부 부피변화가 음수가 되면 주편 중심부에 기공이 발생하지 않기 때문에 중심편석은 발생하지 않게 된다.

아래의 수식은 주편 중심부 기공 발생과 주편 표면과 중심부의 냉각속도의 관계식을 나타낸 것이다 (Scand. J. of Metallurgy, 1983, vol.12, P.3-13).

아래의 수학식1에서 알 수 있듯이 △Vcenter (중심부 부피변화)가 음수가 되기 위해서는 수학식2에서 G(주편표면 냉각속도/주편 중심부 냉각속도)가 1/2 보다 커야 한다.

(여기서 ℓ:길이, α : 열팽창계수, Tℓ : 액상선온도, Ts : 고상선온도)

상술한 설명에 의하여 연속주조시 주편의 중심편석은 주편 중심부 응고말기 위치에서 주편표면의 냉각속도가 주편 중심부의 냉각속도 보다 배이상이 되도록 강제냉각 시킴으로써 저감될 수 있으므로 본 발명은 연속주조시 중심편석을 저감시키기 위해 주편 중심부 응고말기를 일정하게 제어하고, 또한 이 위치에서 냉각수량을 증가시키는 방법을 제시하였다.

도 3 및 도 4는 A는 냉각수량을 변화시키면서 중심편석을 냉각수량을 투입하지 않은 경우이고, B,C,D,E는 각각 냉각수량을 100, 140, 200, 300 (ℓ/min) 투입한 경우이다.

도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 냉수량이 증가함에 따라 주편 중심편석은 크게 감소되는 효과를 보여주고 있다.

그러나 주조속도와 냉각수량을 조절하는 과정에서 주편 중심편석 이외에 주편크랙의 품질 및 조업문제를 야기시킬 수 있기 때문에 주조속도와 냉각수량의 한계 및 범위가 설정된다.

따라서 본 발명에 따른 두께가 200mm이고, 폭이 1000∼1600mm인 마르텐사이트계 스테인리스강 연주주편의 제조방법은, 연주시 주조속도 0.75∼0.85m/min이고, 주편 응고 말기부분에 냉각수량을 500∼700(ℓ/min )로 하여 연주주편을 제조하는 것을 특징으로 한다.

여기서 주조속도는 상한인 0.85m/min를 초과하게 되면 주편 중심부의 응고말기 위치가 주편을 강냉시키기 위해 설치된 냉각설비의 위치를 벗어나게 되어 응고를 완료하게 되므로 이러한 상태에서는 냉각수량을 증가시켜도 주편 중심편석은 감소되지 않고, 오히려 주편 중심편석은 증가하게 된다.

그리고 주조속도가 하한 0.75m/min 이하로 주조하게 되면 몰드 파우더의 과량 유입에 의해 응고 불균일이 발생하게 되고, 이로 인해 연주주편에 디프레션 (depression)결함이 발생하기 쉽고, 주편의 상면과 하면의 냉각 불균일에 의해 주편이 굴곡(bending)되는 문제점을 야기시킬 수 있다.

또한 냉각수량의 경우는 냉각수량을 500ℓ/min 이하로 하면 중심편석의 생성을 방지할 수 없고, 냉각수량을 700ℓ/min 이상으로 하면 연속주조시 주편 중심편석은 방지할 수 있지만 주편이 복열되어 열응력으로 인한 크랙과 잔류응력이 표면에 과도하게 발생되므로 주편 표면크랙이 발생되는 문제점이 있다.

(실시예)

본 실시예에 사용되는 주편은 13.3Cr-0.28C인 STS 420J2 마르텐사이트 스테인리스강으로 표 1에 나타낸 바와 같이 중량%로 Cr:13.3%, Si:0.5%, Mn:0.45%, P:0.003%, S:0.001% 및 C;0.28% 로 구성되며 주편의 폭은 1040mm이고 두께는 200mm이다.

Cr	Si	Mn	P	S	C
13.3중량%	0.5중량%	0.45중량%	0.003중량%	0.001중량%	0.28중량%

본 실시예에서는 연속주조 주편의 중심편석 및 표면크랙을 조사하였다.

먼저 시험 주편의 중심편석은 주편 중심부와 표면부위의 탄소농도를 분석한 후, 중심부의 탄소농도를 표면부위의 탄소농도로 나눈 것을 탄소 중심편석도 지수로 하여 비교 검토하고, 탄소의 중심 편석도가 1.2 이하인 경우는 열연코일 및 최종제품의 가공시 라미네이션 결함이 발생되지 않았다.

표 2는 발명예 및 비교예의 주조속도 및 냉각수량의 변화에 따른 주편 중심편석 및 주편크랙의 정도를 나타낸다.

	주조속도(m/min)	냉각수량(ℓ/min)	탄소중심편석지수(C/Co)	주편크랙정도
발명예	1	0.75	500	1.08	o
	2	0.85	700	1.13	o
비교예	1	0.75	0	1.54	o
	2	0.9	600	1.42	△
	3	0.7	650	1.08	△
	4	0.75	370	1.38	o
	5	0.80	750	1.10	x
	6	0.90	800	1.35	x
	7	0.75	300	1.48	0

(여기서 o : 없음, △ : 미세, x : 심함)

먼저 비교예 1은 통상의 주조조건으로 주조속도 0.75m/min에서 주편 중심부응고말기 위치에서 별도의 냉각수량을 투입하지 않은 상태로 주조한 결과이다. 이 때는 주편의 탄소 중심편석도는 1.54로 평가되었으며, 이러한 탄소 중심편석도는 열연코일 및 최종제품 가공시 라미네이션 결함이 발생한다.

다음으로 본 발명에 따른 발명예1 및 발명예2 조건은 주편내 탄소의 중심편석도가 1.08과 1.13으로 매우 양호한 결과를 나타냈으며, 주편의 표면크랙 및 굴곡 (bending)현상도 발생하지 않았으며, 또한 열연 코일에 라미네이션 결함이 발생하지 않은 양호한 제품을 얻을 수 있었다.

다음으로 비교예2는 주조속도가 본 발명의 범위를 벗어난 0.9m/min 조건에서 냉각수량은 본 발명의 범위에 속하는 600ℓ/min으로 적용한 경우이다. 냉각수량을 600ℓ/min 투입하여도 탄소 중심편석도는 1.42로 열악하였으며, 주편에 미세한 크랙이 발생하였다. 이는 주조속도가 빠르면 주편 중심부 응고말기 위치가 냉각수량을 살포하는 범위를 벗어나기 때문으로 판단된다.

또한 비교예3은 냉각수량은 본 발명의 범위에 속하지만, 주조속도가 하한치 0.75m/min 보다 적은 경우이다. 탄소 중심편석도는 양호한 결과를 얻었지만, 주편이 bending되고, 또한 주편 표면에 미세한 크랙이 발생되었다.

아울러 비교예4는 주조속도는 본 발명의 범위에 속하지만, 냉각수량이 본 발명의 냉각수량 하한치 500ℓ/min 보다 적은 경우이다. 중심편석도는 1.38로 다소 감소되었지만, 목표인 1.2 보다 높은 값을 나타내었다. 이러한 중심편석도는 열연 코일 및 가공시 라미네이션 결함이 발생되었다.

비교예5는 주조속도는 0.8m/min로 본 발명의 범위에 속하지만, 냉각수량이750ℓ/min 로 본 발명의 상한치인 700ℓ/min 보다 높은 경우이다. 이 때 탄소의 중심 편석도는 1.1로 양호한 결과를 얻었지만, 주편 복열이 심하게 발생되어 주편 표면 크랙이 발생되는 부작용이 발생되었다.

비교예6은 주조속도가 0.9m/min, 냉각수량 800ℓ/min 로 주조속도와 냉각수량 모두 본 발명의 범위를 벗어난 경우이다. 이 때 탄소 중심편석도는 1.35로 높았으며, 또한 주편 표면크랙도 발생되는 문제점이 야기되었다.

그리고 비교예7은 주조속도가 0.75m/min로 본 발명의 범위에 속하지만, 냉각수량이 하한치 이하로 본 발명의 범위를 벗어난 경우이다. 이 때 주편 크랙은 발생되지 않았지만, 탄소 중심편석도가 1.48로 목표 탄소 중심편석도인 1.2 보다 높은 결과를 나타내었다.

이상의 실시예를 통해 본 발명에 따른 발명예1 및 발명예2의 조건에서 연주시 주조속도와 2차냉각대에서 응고말기 냉각수량의 제어는 주편의 중심편석 및 표면크랙을 저감시킬 수 있다.

상기한 바와 같이 본 발명에 따른 마르텐사이트계 스테인레스강 연주주편의 제조방법에 따라 제조된 주편은 중심편석 및 크랙이 방지되어 이 주편으로 생산되는 코일의 라미네이팅 결함의 방지로 제품의 품질이 향상된다.

또한 주편의 중심편석 및 크랙을 방지하기 위한 별도의 설비가 필요치 않으므로 설비비가 절감되고 생산성이 향상된다.

Claims (2)

1. 마르텐사이트계 스테인레스강 연주주편의 제조방법에 있어서,

   연속주조시 주조속도는 0.75∼0.85m/min 이고, 주편 중심부 응고말기 지점의 냉각수량을 500∼700ℓ/min로 하여 강제냉각하는 것을 특징으로 하는 마르텐사이트계 스테인레스강 연주주편의 제조방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 마르텐사이트계 스테인레스강 연주주편은 두께가 200㎜이고 주조폭이 1000∼1600mm인 것을 특징으로 하는 마르텐사이트계 스테인레스강 연주주편의 제조방법.