KR20040059785A

KR20040059785A - 등축정율이 향상된 페라이트계 스테인레스강의 제조방법

Info

Publication number: KR20040059785A
Application number: KR1020020086288A
Authority: KR
Inventors: 김동식; 박종환; 이희호
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2002-12-30
Filing date: 2002-12-30
Publication date: 2004-07-06
Also published as: KR100889686B1

Abstract

본 발명은 전기로에서 중량%로 0.0040~0.0150% C, 11~19% Cr, 0.2~0.5% Mn, 0.2~0.6% Si, 0.0030~0.0120% N, 기타 Fe 및 불순물을 함유하는 페라이트계 스테인레스용강을 제조하는 단계와; 상기 스테인레스용강을 에오디(AOD) 정련로에서 정련하는 단계와; 정련처리된 스테인레스용강을 래들에서 가스교반시키는 단계와; 가스교반처리된 스테인레스용강을 연속주조하는 단계로 이루어진 페라이트계 스테인레스강 제조방법에 관한 것으로서, 상기 에오디 정련로에서는 Si 탈산을 실시하고; 상기 래들에서는 가스교반전에 0.01%~0.06% Al을 투입하여 Al 탈산을 실시하고, 4~15ppm의 칼슘합금을 첨가하고, (C+N)의 6~12배로 Ti를 첨가하여; 주편내 산화물 크기는 1~16㎛로 제어하고, 산화물 개수는 30~60개/50 ×100mm²로 제어하고, 질화물 크기는 1~5㎛로 제어하는 것을 특징으로 하므로, 주편내 등축정율을 향상시켜 내리징성을 개선시킬 수 있다.

Description

등축정율이 향상된 페라이트계 스테인레스강의 제조방법{Method for manufacturing the ferritic stainless steel improved the equiaxed structure ratio thereof}

본 발명은 주편내 등축정율이 향상된 페라이트계 스테인레스강(409강)의 제조방법에 관한 것이고, 더 상세하게는 리징성을 개선하여 가공시 결함도를 감소시킬 수 있도록 주편내 등축정율이 향상된 페라이트계 스테인레스강의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로, 페라이트계 스테인레스강, 특히 SUS409강은 중량%로 0.0040~0.0150% C, 11~19% Cr, 0.2~0.5% Mn, 0.2~0.6% Si, 0.0030~0.0120% N, 기타 Fe 및 불순물을 함유한다. 이러한 페라이트계 스테인레스강은 리징(Ridging: 제품 가공시 주름이 생기는 결함)의 높이가 낮을수록 좋고 또한 높은 연신율(Elogation)을 요구하는 재질특성을 갖는다. 이는 리징성이 나쁘면 배기관 성형시 결함이 쉽게 생기기 때문이다.

따라서, 리징성이 우수한 재질을 확보하기 위해서는 연속주조로 생산되는 주편내 주조조직중 등축정율이 높아야만 한다. 즉, 도 1에 나타난 바와 같이, 주편내 등축정율이 높을수록 리징높이가 낮아지며 그 결과 가공시 주름에 의한 결함도가 감소하게 된다.

주편내에서 등축정율은 용강의 탈산방법, Al/Ti의 비율제어, TiN의 함유량 제어, 연속주조시 주조온도제어, 냉각패턴제어 등의 여러가지 기술에 의해 촉진시킬 수 있으며, 적용되는 기술에 따라서 등축정율은 0%~100% 범위까지 주편내에 생성될 수 있다.

결과적으로, 주편내 등축정율을 향상시키기 위한 특허문헌은 많이 있으며, 예를 들어 최근의 특허를 살펴보면 다음과 같다.

먼저, 일본국 특허공개 제2002-30324호[2002년. 1. 31. 공개, 일본 쓰미도모금속공업㈜]에는 페라이트계 스테인레스강의 리징성을 향상시키기 위해 1)슬래그 염기도(CaO/SiO₂)를 1.2~2.4로 조정하고, 2) Al/Ti의 비율을 0.01~0.10으로 제어하여 연속주조하는 기술이 기재되어 있다.

그러나, Al/Ti의 비율을 0.01~0.10으로 제어하는 경우에, 도 2에 나타난 바와 같이 주편내 등축정율이 약 100%와 약 30% 정도로 대별하여 나타난다는 것을 알 수 있다. 즉, 실조업에서 Al/Ti의 비를 제어함으로써 80% 이상의 높은 등축정율을 확보하는 것이 어렵다는 것을 알 수 있다.

또한, 일본국 특허공개 제2000-160229호[2000. 6. 13. 공개, 일본 일신제강㈜]에는 내리징성 페라이트계 스테인레스강을 제조하기 위해 1) 브이오디(VOD) 진공정련시 슬래그 성분중 CaO/Al₂O₃의 비를 0.7~2.5 범위로 하여 Al을 첨가하고, 2) TiN 단독 개재물의 면적율을 0.01% 이상으로 유지하도록 Ti를 첨가하는 기술이 기재되어 있다.

그러나, TiN 개재물의 면적율을 0.01% 이상으로 하는 경우에 실질적으로 높은 등축정율을 확보하는 데에는 한계가 있다. 왜냐하면, TiN은 용강과 접촉성이 나쁘기 때문에 TiN 덩어리(Cluster)가 포도송이처럼 잘 성장되고, 또한 이들이 산화물과도 쉽게 응집하여 성장되기 때문이다. 즉, 주편내에서 일정크기 예를 들어15㎛ 이상의 질화물 및 산화물이 분포하게 되면 TiN 개재물의 면적이 적정한 조건을 만족한다고 하여도 오히려 응고시 주편내에서 등축정율의 핵생성에 불리하게 작용한다.

본 발명은 상기된 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 약 1~15㎛ 정도 크기의 미세한 개재물들이 적정한 개수로 주편내에 분포하도록 하여 응고시 이들이 핵생성 사이트(Site)가 작용할 수 있도록 주편내 산화물의 크기와 개수를 조정함으로써 주편내 높은 등축정율을 확보할 수 있는 페라이트계 스테인레스강의 제조방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

도 1은 주편의 등축정율과 제품의 리징(ridging)성의 상관관계를 나타낸 그래프;

도 2는 용강중 Al/Ti의 비율과 등축정율의 상관관계를 나타낸 그래프;

도 3은 본 발명에 따라서 에오디(AOD) 공정을 이용한 페라이트강의 성분을 나타낸 표;

도 4는 본 발명에 따라서 에오디(AOD) 공정을 이용한 페라이트강의 주편 및 제품의 평가결과를 나타낸 표;

도 5a는 기존 주편의 등축정을 나타낸 사진이고, 도 5b는 본 발명에 따른 주편의 등축정을 나타낸 사진;

도 6은 주편내 산화물 수와 등축정율의 상관관계를 나타낸 그래프;

도 7은 주편내 미세 질화물과 등축정율의 상관관계를 나타낸 그래프.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따르면, 전기로에서 중량%로 0.0040~0.0150% C, 11~19% Cr, 0.2~0.5% Mn, 0.2~0.6% Si, 0.0030~0.0120% N, 기타 Fe 및 불순물을 함유하는 페라이트계 스테인레스용강을 제조하는 단계와; 상기 스테인레스용강을 에오디(AOD) 정련로에서 정련하는 단계와; 정련처리된 스테인레스용강을 래들에서 가스교반시키는 단계와; 가스교반처리된 스테인레스용강을 연속주조하는 단계로 이루어진 페라이트계 스테인레스강 제조방법에 있어서, 상기 에오디 정련로에서는 Si 탈산을 실시하고; 상기 래들에서는 가스교반전에 0.01%~0.06% Al을 투입하여 Al 탈산을 실시하고, 4~15ppm의 칼슘합금을 첨가하고, (C+N)의 6~12배로 Ti를 첨가하여; 주편내 산화물 크기는 1~16㎛로 제어하고, 산화물 개수는 30~60개/50 ×100mm²로 제어하고, 질화물 크기는 1~5㎛로 제어하는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.

먼저, 본 발명이 적용되는 페라이트계 스테인레스강은, 상술된 바와 같이 중량%로 0.0040~0.0150% C, 11~19% Cr, 0.2~0.5% Mn, 0.2~0.6% Si, 0.0030~0.0120% N, 기타 Fe 및 불순물을 함유한다. 따라서, 상기 성분의 조성범위 한정이유는 본 명세서에서 상세히 기재하지 않는다.

그리고, 상기 조성성분을 갖는 페라이트계 스테인레스용강은 전기로에서의 용해과정을 통해서 얻어진다. 이 후에, 페라이트계 스테인레스용강을 에오디(AOD) 정련로에서 탈탄 및 탈산하여 정련처리한다. 이때, 에오디 정련로에서의 탈산은 Si을 투입함으로써 이루어진다. Si의 투입량은 상술된 페라이트계 스테인레스강의 최종성분계를 구성하고 있는 Si의 조성범위를 구성하도록 조절한다.

에오디 정련로에서 정련과정이 완료된 후에, 페라이트계 스테인레스강은 래들에 출강된 후에서 탈산처리된다. 래들에서의 탈산처리는 0.01%~0.06% Al을 투입하고, 4~15ppm의 칼슘합금을 투입하고, (C+N)의 6~12배로 Ti를 투입함으로써 이루어진다. 이때, 칼슘합금을 투입하여 페라이트계 스테인레스강의 용존산소를 수ppm 까지 감소시킨 상태에서 Ti를 첨가하므로, Ti 산화물의 생성을 최소화할 수 있다.

그리고, 래들에서의 탈산처리가 완료된 페라이트계 스테인레스용강은 연속주조를 통해서 주편으로 제조된다.

결과적으로, 주편내에서 산화물 크기는 1~16㎛로 제어되고, 산화물 개수는 30~60개/50 ×100mm²로 제어되고, 질화물 크기는 1~5㎛로 제어된다.

한편, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 래들에서의 탈산을 실시하기 전에 에오디 정련로에서의 정련과정에서 발생된 에오디 슬래그의 잔류량을 배제하고 또한 재산화를 억제하기 위하여 용강톤당 5kg의 CaO를 첨가한다.

또한, 래들에서는 Ti를 첨가한 후에, 용강의 성분 균일화 및 개재물의 부상분리를 위하여 10~20watt/톤-용강의 유량속도로 8~20분 동안 Ar 가스를 취입하여 가스교반시킨다. 이때, Ar 가스의 유량속도가 10watt/톤-용강의 미만이면 가스 취입효과가 없고 20watt/톤-용강을 초과하면 슬래그의 용강혼입이 발생하게 된다. 또한, Ar 가스취입시간이 8분 미만이면 용강의 성분 균일화 및 개재물의 부상분리가 완전히 이루어지지 않게 되고, 20분을 초과하면 스테인레스강의 생산량이 감소하게 된다.

한편, 상술된 바와 같이 래들에서는 액상 슬래그를 거의 제거한 다음에 가스교반을 실시하므로 슬래그 입자의 혼입에 의한 슬래그성 산화물 혼입을 감소시킬 수 있다.

이하에서는 등축정율과 관련하여 미세 산화물의 분포효과와 미세 질화물의분포효과를 설명한다.

[미세산화물의 분포효과]

먼저, 도 3에 나타난 표는 정련공정에 이용된 페라이트강의 성분과, 슬래그및 정련조건을 나타내고, 도 4에 나타난 표는 도 3에 나타난 강종 각각의 주편 및 제품평가결과를 나타낸다.

기존 공정의 경우(1, 2, 3, 4 강종)에, Al/Ti 비를 0.01~0.1로 하더라도 도 4의 평가 결과 처럼 등축정율은 각각 10%, 33%, 20%로서 대단히 낮다는 것을 알 수 있다. 왜냐하면, 기존 공정의 문제는 첫째, Ti 투입시 Ti 산화물 및 Ti 산화물을 함유한 슬래그성 산화물들이 많이 존재하기 때문이다. 예를 들어, 1, 4 강종에 있어서, 산화물의 개수는 각각 188개/50*100mm², 240개/50*100mm²이다. 그리고, 산화물의 평균 크기도 16㎛, 15㎛로서 너무 크다.

이와 같은 요인들은 주편 응고시 등축정 핵생성 사이트로 작용하기가 어렵기 때문으로 추정된다.

또한, 2, 3 강종의 경우처럼 산화물 수가 너무 적어도 응고시 등축정핵 사이트(site)가 적기 때문에 등축정율이 낮은 것으로 사료된다. 특히, 3 강종의 경우에, 즉 진공정련을 하고, 래들 슬래그 염기도를 적용하여 산화물 개수가 14개 수준임에도 불구하고 등축정율은 20% 밖에 되지 않는다.

결과적으로, 등축정율이 낮은 기존 강종은 도 5a에 나타난 바와 같은 결정조직을 갖는다.

그리고, Ti를 첨가하는 경우에 질소농도를 기준으로 하여 응고시(4089강 이론 응고온도 1506℃) TiN 생성이 가능하도록 하며, 특히 (C+N)의 6~12배 범위로 Ti를 첨가하기 때문에 응고시 미세한 질화물 생성이 용이하게 된다.

도 6은 도 4에 나타난 표의 강종별 평가 결과를 토대로 주편내 산화물의 개수와 등축정율과의 관계를 나타낸 그래프로서, 주편내 산화물 개수가 너무 적거나 너무 많으면 등축정율이 20~33%로 매우 낮은 반면에, 산화물 개수가 약 50~120개/50*100mm²인 경우에 약 100%의 등축정율이 얻어질 수 있다는 것을 알 수 있다. 이것은 산화물 개수가 너무 적으면 응고시 등축정의 핵생성 사이트가 적기 때문에 등축정율이 낮고, 산화물 개수가 너무 많으면 산화물들이 응집성장하여 산화물의 크기가 약 30㎛~200㎛ 정도로 대형화되고 이들은 등축정의 핵생성으로 작용하기가 어렵다는 것으로 추정된다.

그러므로, 도 4의 5, 6, 7 강종에서의 주편 및 제품평가에서 알 수 있듯이 산화물의 평균크기가 10~16㎛이고, 산화물 개수가 60~120개/5*10㎠일 때 100% 등축정율 확보가 가능함을 알 수 있다. 즉, 등축정율이 양호한 주편의 결정조직 사진은 도 5b와 같다.

그러나, 5 강종의 경우에 개재물 개수가 120개 정도로 많은 경우에 비록 등축정율이 100%이지만 이러한 주편을 열간압연할 때 산화물에 의한 표면결함 발생율이 있는 C등급으로서 문제가 있다.

따라서, 주편의 등축정율도 우수하고, 제품표면결함 발생율 수준도 양호한조건은 주편내 산화물수가 약 30~60개/50*100㎠, 산화물의 평균크기는 1~16㎛ 임을 도 6과 도 4의 6, 7 강종의 결과에서 알 수 있다.

[미세 질화물의 분포효과]

도 7은 질화물이 존재하는 경우와 존재하지 않는 경우 각각의 강종별(도 4 참조) 주편에 대하여 등축정율의 분포 관계를 나타낸 그래프이다. 도 7에서 알 수 있는 바와 같이, 4, 8 강종의 주편인 경우에 TiN이 존재함에도 불구하고 등축정율이 20% 정도의 수준을 나타내고, 5, 6, 7 강종의 주편인 경우에 등축정율이 100% 수준을 나타내고 있다.

4 강종인 경우에 질화물의 크기는 약 20㎛ 정도로서 질화물이 너무 큰 경우도 등축정핵 생성에 불리하다는 것을 알 수 있다. 8 강종인 경우에 래들 슬래그 염기도를 적용하여 산화물 수도 적고, 2㎛의 미세한 질화물들이 주로 존재하여도 등축정율이 20% 밖에 안되는 것은 산화물 수가 8개 수준으로 너무 적어 등축정 핵생성 사이트(site) 역할을 하는 산화물 수가 적기 때문으로 생각된다.

그러므로 주편내 등축정율을 적어도 80% 이상 확보하기 위해서는 미세 산화물 및 미세 질화물의 적정한 크기와 갯수(50x100㎟ 면적기준)를 동시에 확보하는 것이 대단히 효과적임을 알 수 있다.

본 발명에 따르면, 주편내 산화물 크기를 1~16㎛로 제어하고, 산화물 개수를30~60개/50 ×100mm²로 제어하고, 질화물 크기를 1~5㎛로 제어함으로써 주편내 등축정율을 향상시켜 내리징성을 향상시킬 수 있다.

상기 내용은 본 발명의 바람직한 실시예를 단지 예시한 것으로 본 발명이 속하는 분야의 당업자는 첨부된 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 요지로부터 벗어나지 않고 본 발명에 대한 수정 및 변경을 가할 수 있다는 것을 인식하여야 한다.

Claims

전기로에서 중량%로 0.0040~0.0150% C, 11~19% Cr, 0.2~0.5% Mn, 0.2~0.6% Si, 0.0030~0.0120% N, 기타 Fe 및 불순물을 함유하는 페라이트계 스테인레스용강을 제조하는 단계와;

상기 스테인레스용강을 에오디(AOD) 정련로에서 정련하는 단계와;

정련처리된 스테인레스용강을 래들에서 가스교반시키는 단계와;

가스교반처리된 스테인레스용강을 연속주조하는 단계로 이루어진 페라이트계 스테인레스강 제조방법에 있어서,

상기 에오디 정련로에서는 Si 탈산을 실시하고;

상기 래들에서는 가스교반전에 0.01%~0.06% Al을 투입하고, 4~15ppm의 칼슘합금을 투입하고, (C+N)의 6~12배로 Ti를 첨가하여;

주편내 산화물 크기는 1~16㎛로 제어하고, 산화물 개수는 30~60개/50 ×100mm²로 제어하고, 질화물 크기는 1~5㎛로 제어하는 것을 특징으로 하는 등축정율이 향상된 페라이트계 스테인레스강의 제조방법.
제1항에 있어서,

상기 래들에서는 Al 탈산전에 에오디 슬래그를 배제하고 용강톤당 5kg의 CaO를 투입하는 것을 특징으로 하는 등축정율이 향상된 페라이트계 스테인레스강의 제조방법.
제1항에 있어서,

상기 래들에서의 가스교반은 10~20watt/톤-용강의 유량속도로 8~20분 동안 Ar 가스를 취입함으로써 이루어지는 것을 특징으로 하는 등축정율이 향상된 페라이트계 스테인레스강의 제조방법.