KR20050093292A - 등축정율이 향상된 페라이트계 스테인레스강의 제조방법 - Google Patents

등축정율이 향상된 페라이트계 스테인레스강의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 배기계용 페라이트계 스테인레스강의 제조에 있어서 AOD(Argon Oxygen De carburization) 정련로에서 산소와 Ar 가스를 취입하여 C, N을 제거하고, 용강의 산소를 낮춘 이후 주조 래들에 출강 된 용강 상부의 슬래그를 제거한 후 래들 처리 공정을 이용하여 용강 산소를 제어 하므로써 주편의 등축정율을 향상시켜 주조 조직을 개선하는 방법에 관한 것이다.
본 발명은 이를 위하여 전기로에서 용해된 용탕을 AOD 정련공정과, 주조래들 처리공정(LT)을 통하여 제조하는 페라이트계 스테인레스강으로서, 상기 주조래들 처리공정(LT)에서 Ti를 첨가하여 최종 성분계가 Cr : 10.0~12wt%, C: 0.02wt%이하, N: 0.015wt%이하, Si: 0.3~0.7wt%, S: 0.01wt%이하, Ti: 0.1-0.3wt% 및 잔부가 Fe 과 불가피한 불순물로 이루어진 등축정율이 개선된 페라이트계 스테인레스강의 제조방법을 제공한다.

Description

등축정율이 향상된 페라이트계 스테인레스강의 제조방법{A method for manufacturing ferritic stainless steel having improved equiaxed crystals in slab}
본 발명은 자동차 배기계용 페라이트계 스테인레스강의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 주편의 등축정율을 향상시켜 주조조직을 현저히 개선한 자동차 배기계용 페라이트계 스테인레스강 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 자동차 배기계용 페라이트계 스테인레스강은 크롬농도가 10~12%이고, 불순 원소인 C, N 농도가 각각 0.020%이하, 0.015%이하, Ti/C+N 6.0이상이 요구되는 성분계로 일정 비율 이상의 주편 등축정율을 확보하여 제품에서의 리징(Ridging)이 없어야 한다. 리징은 압연 후 압연방향으로 줄무늬 형태 표면 요철이 발생하는 현상을 의미한다. 특히 자동차 배기계로 사용될 경우 가공 단계에서 줄무늬 요철부위에 응력집중으로 가공 크랙이 발생한다. 만일 주편의 등축정율이 낮으면 소재를 재 가열하여 조직을 미세화 및 균질화시켜야 하므로 제조비용이 상승하는 문제가 있다.
본발명에서의 주편 등축정율은 다음과 같이 정의하는 값이다.
주편 등축정율(%) = 두께 방향 등축정 길이/주편 두께×100
보통 배기계용 페라이트 스테인레스강, 특히 409L 스테인레스강의 일반적인 제조공정을 살펴보면, (1) 전기로→AOD→VOD→래들정련→연속주조 또는 (2) 용선→전로→VOD→래들정련→연속주조 공정으로 이루어진다. 상기 제조공정에서는 양자 공히 VOD(Vacuum Oxygen Decarburization) 라는 진공정련설비를 이용하여 제조하고 있다. 이는 강중에 C, N 수준이 각각 150ppm 이하로 낮아야 하는 특성을 갖고 있고, Cr을 함유하는 강중 C, N을 낮추기 위해서는 진공정련이 훨씬 용이하기 때문이다. 그러나, VOD는 C, N 저감 및 산소 농도가 낮은 고순도, 고청정강 제조에 유리하나 제조비용이 높은 문제점이 있다. 또 VOD는 등축정율 형성과 관련이 있는 용강 중 TiN 생성에 불리하여, 등축정율을 높이기 위해서는 저온주조 및 전자교반장치(EMS, Electric Magnetic Stirrer) 사용이 필수적이다.
한편, 이와 같은 VOD공정을 경유하지 않고 AOD(Argon Oxygen Decarburization) 공정만을 경유하여 제조하는 경우도 있다. 그리고 AOD 공정만으로 생산할 경우 제조 공정이 단순하고, 주편의 등축정율을 높이는데 유리하지만, 용강 조건 및 제조 방법에 따라등축정의 편차가 큰 문제점이 있다.
종래 스테인레스강의 등축정율 향상을 위한 방법으로 JP 2001-58243, 2002-30324, JP 2000-160299 그리고 EP 924313등이 있다. JP 2001-58243에서는 연주 과열도 30℃이하, 0.5~2.0%B을 첨가하는 방법이지만, 과열도를 30℃이하로 조절하는 것이 현실적으로 용이하지 않고, 또 B은 스테인레스강의 내식성을 떨어뜨리기 때문에 바람직하지 못하다. JP 2002-30324과 JP 2000-160299에서는 용강 성분을 조절하는 방법으로 등축정율을 높일 수 있으며, 특히 JP 2000-160299에서는 TiC를 석출시켜 등축정율을 60%이상 확보할 수 있다고 주장하고 있으나, 용강 성분 제어만으로는 등축정율을 향상시키는 것은 한계가 있고, 0.2%Ti, 0.01%C의 농도에서 TiC는 열역학적으로 생성될 수 없다. EP 924313에서도 용강 성분 제어를 통해 등축정율을 높일수 있으며, 특히 Ti×N/Al ≥ 0.14, [Ti] ≥0.10%, [N],[Al]농도의 규제 등에 의해 50%이상의 등축정을 확보할 수 있다고 주장하고 있다. 그러나 주편 응고 시에 생성되는 등축정은 용강내의 TiN 또는 TiO2 미세 석출물의 양 및 크기에 따라 차이가 있고, 이들 석출물의 양 및 크기는 용강의 탈산 상태 및 Al, Ti 첨가후의 용강 처리 방법에 영향을 받기 때문에 용강 성분만을 규정한 종래의 방법들로 제조된 페라이트계 스테인레스강 주편의 등축정율이 큰 편차를 나타내게 되는 것이다.
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, AOD에서 출강후 VOD 정련로 공정을 생략하고, 전기로→AOD→LT (래들정련)→연속주조 공정을 거침으로써, 제조공정을 단순화하면서도 주편의 등축정율을 개선하기 위함과 동시에 한편으로 VOD 생략으로 인한 청정도 저하와 많은 양의 TiO2 생성을 적정하게 조정하기 위하여 위 공정에서 용강 성분, 슬래그 조성 및 LT공정에서의 Ti 투입방법을 개선하여 용강중 TiN 및 TiO2의 크기 및 양을 제어함으로써 페라이트 스테인레스강의 등축정율을 안정적으로 높일 수 있는 페라이트계 스테인레스강의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
먼저, 본 발명은 전기로에서 용해된 용탕을 AOD 정련공정과, 주조래들 처리공정을(LT) 통하여 제조하는 페라이트계 스테인레스강으로서, 상기 주조래들 처리공정(LT) 에서 Ti를 첨가하여 최종 성분계가 Cr : 10.0~12wt%, C: 0.02wt% 이하, N: 0.015wt% 이하, Si: 0.3~0.7wt%, S: 0.01wt%이하, Ti: 0.1-0.3wt% 및 잔부가 Fe 과 불가피한 불순물로 이루어진 등축정율이 개선된 페라이트계 스테인레스강의 제조방법을 제공하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에서 전기로에서 용해된 용탕은 Cr: 11wt%, C: 2.0wt%, Si: 0.15wt%, N: 0.04wt%, S: 0.03wt% 및 잔부가 Fe 과 불가피한 불순물로 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명중 AOD 정련공정에서 AOD 슬래그 염기도를 2.2~2.6으로 조절후 Si으로 탈산시키며, 탈산 후 Al을 첨가하여 슬래그중 Al2O3의 농도를 4~8%로 조절하여 등축정율을 개선하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에서 상기 용강중의 Si은 0.4~0.7wt% 인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에서 상기 주조래들 처리공정(LT) 을 통하여 출강된 래들의 슬래그를 200kg/ch 이하가 되도록 제거하고, 분CaO를 200~500kg/ch 투입하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에서는 상기 주조래들 처리공정(LT) 을 통하여 출강된 래들 용강을 Ti 투입 전 4~6Nl/min/t의 Ar유량으로 버블링(bubbling)을 실시하고, Ti 투입 후에는 2~3Nl/min/t의 저 Ar유량으로 버블링(bubbling)을 실시하는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명을 도면을 참조하여 더욱 상세히 설명하기로 한다.
본 발명은 전기로에서 용해된 용탕을 AOD 정련로에서 산소와 아르곤 가스를 취입하여 C, N 농도를 제거한 후 Cr 산화물을 환원함과 동시에 용강 탈산제로 Si을 첨가하고 Ar으로 용강을 교반시켜 슬래그를 만들어 정련을 완료하는 AOD 정련과정과 AOD슬래그와 함께 출강된 용강을 주조래들 처리공정(이후 LT공정으로 칭함)에서 Ti를 첨가하여 표 1에 나타낸 성분계로 조정하게 된다. 도 4은 위와 같은 제조공정을 도시하고 있다.
이하, 본 발명을 도면을 참조하여 더욱 상세히 설명하기로 한다.
본 발명은 전기로에서 용해된 용탕을 AOD 정련로에서 산소와 아르곤 가스를 취입하여 C, N 농도를 제거한 후 Cr 산화물을 환원함과 동시에 용강 탈산제로 Si을 첨가하고 Ar으로 용강을 교반시켜 슬래그를 만들어 정련을 완료하는 AOD 정련과정과 AOD슬래그와 함께 출강된 용강을 주조래들 처리공정(이후 LT공정으로 칭함)에서 Ti를 첨가하여 표 1에 나타낸 성분계로 조정하게 된다. 도 4은 위와 같은 제조공정을 도시하고 있다.
409L 용강 성분조건(단위 : wt.%)
Cr C N Si S Ti
10.0 ~ 12.0 0.020 이하 0.015 이하 0.3 ~ 0.7 0.010 이하 0.10 ~ 0.30
이때 처리방법에 따라 용강 내의 TiN 및 TiO2의 크기 및 양의 차이를 유발하게 되어 종래의 용강 성분조건 만으로는 등축정율을 안정적으로 높일 수 없다. 따라서 본 발명은 AOD-LT 공정에서 용강 성분, 슬래그 조성 및 LT공정에서의 Ti 투입방법을 개선하여 용강중 TiN 및 TiO2의 크기 및 양을 제어함으로써 페라이트 스테인레스강의 등축정율을 안정적으로 높일 수 있게 된다.
그럼 이하에서는 먼저, TiO2 및 TiN 형성기구에 대하여 알아보기로 한다.
< TiO2 및 TiN 형성기구>
강중에 존재하는 TiO2, TiN, Al2O3의 비금속 개재물은 도 2에서 보듯이 연주 노즐막힘 및 표면불량의 원인이 되므로 이들 비금속 개재물의 생성을 방지하기 위해 N 농도를 낮추고, Ti보다 탈산력이 큰 원소인 Al로 탈산하게 된다.
AOD 정련로에서 산소 및 Ar가스 취입에 의해 C, N을 제거하는 단계에서 다량의 산소가 강중에 용해되며 이를 제거하기 위해 탈산제로 Si을 투입한다.
탈탄 시 생성된 크롬산화물은 Si에 의해 반응(1)과 같은 환원반응이 일어나며, 반응(1)에서 생성된 SiO2는 Ti를 첨가하면 반응 (2)에 환원된다.
Cr2O3 + Si → Cr + SiO2 ---------- (1)
SiO2 + Ti → Si + TiO2 ---------- (2)
즉 Si에 의해 Cr2O3가 환원되고, 생성된 SiO2는 Ti투입에 의해 다시 환원되며 다량의 TiO2가 생성되게 된다. 이러한 TiO2 개재물은 대부분 슬래그 중으로 제거되나, 용강 중에 잔류하면 그림 2에서 보듯이 노즐 막힘을 유발한다.
따라서 Ti 첨가강에서 Ti실수율이 낮으면 Ti첨가 전 탈산이 부족하여 TiO2 생성이 많았다는 것을 의미하기 때문에 Ti 실수율은 TiO2 생성량의 척도 혹은 용강 탈산의 척도로 사용할 수 있다.
Ti 실수율(%) = 용강중의 [%Ti]×용강량(kg)/총 투입된 Ti량(kg)×100
한편 용강 중 TiN은 도 3에서 보듯이 용강중에서 N와 Ti 농도적보다 높은 경우에 정출되며, 우수한 표면품질을 얻기 위해서는 TiN생성의 척도가 되는 TiN석출온도를 1530℃이하로 제어되어야 한다.
TiN 석출온도는 하기 식을 이용하여 계산한다.
따라서 노즐막힘을 방지하고 등축정율을 높이기 위해서는 TiN의 적절한 생성과 Ti실수율의 향상에 의해 가능함을 알 수 있다.
다음은 본 발명의 조성범위 한정이유를 간략히 설명한다.
자동차 배기계용 409L강은 고온, 부식환경에서 주로 사용되므로 내식성이 매우 중요하며 스탬핑(Stamping), 벤딩(bending), 확관가공 등 고 성형성이 요구된다. 따라서 C,N 성분은 각각 0.02%이하, 0.015%이하로 유지되어야 하며, Cr성분은 내식성을 확보하기 위한 최소한의 성분이며, 너무 높을 경우 연신율이 떨어져 성형성을 열위시킨다. Si은 Ti를 투입하는 강종에 있어서 Al탈산을 할 경우에는 낮아도 문제없으나, 본 발명에서는 AOD-LT 정련공정에서의 탈산제를 Si을 사용하므로 Ti 투입전 용강산소를 낮추기 위해 최소한의 농도가 필요하며, 또한 열간압연 이후 열처리 조건을 만족하는 조직제어를 위해 적정량 함유되어야 하고 이는 C,N농도에 따라 조정하여야 한다고 알려져 있다. 과다 투입시는 소재의 경도가 높아져 성형성이 떨어진다고 알려져 있다. S는 스테인레스강에서 불순물로 여기기는 유해한 원소이므로 최소한으로 해야 한다. 바람직한 조성범위는 Cr : 11.0~11.3wt%, C: 0.003~0.02wt%, N: 0.003~0.015wt%, Si: 0.3~0.7wt%, S: 0.01wt%이하, Ti: 0.1-0.3wt% 이다.
이하 표 2의 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.
본 발명은 AOD-LT 공정에서의 AOD 탈탄기 이후의 탈산 및 슬래그 조제기준과 LT 공정의 Ti 투입조건을 개선하여 등축정이 우수한 10.0~12% Cr, 0.3~0.7%Si, 0.02%C 이하, 0.015% N 이하, 0.1~0.3%Ti을 성분조건으로 하는 배기계용 페라이트 스테인레스강의 등축정율이 80% 이상 되도록 제조하는 방법에 관한 것이다.
이를 위해 AOD 정련로에서 탄소와 질소를 제거한 후 Si 합금철(Ferro silicon)과 CaO,CaF2, Dolomite의 부원료를 첨가하여 슬래그 염기도(CaO/SiO2비)를 2.2~2.6으로 조절하고, Al을 25~35kg/t-slag로 첨가하여 58~62%CaO-22~26%SiO2-4~6%Al2O3-8~10%MgO로 조제되는 슬래그와 용강[Si]농도를 0.4~0.7%로 조정하여 주조 래들로 출강 한 이후, 래들 상부 슬래그를 200kg이하가 되도록 제거하고 그 위에 분CaO를 200~500kg/Ch첨가한다.
또한 LT 공정에서는 Ti 투입 전 Ar purging plug의 초기 개공과 온도조정 및 합금철 투입을 위해 실시하는 Ti 투입 전 버블링 시간을 조정하고, Ti 투입 후에는 용강의 나탕을 최소화하는 조건으로 미세 버블링 시간(후 bubbling시간이라 함)을 조절하는 것을 특징으로 한다.
이하, 상술한 AOD-LT 공정의 정련조건을 한정한 이유에 대하여 설명한다.
본 발명에서 염기도를 2.2~2.6로 제한하는 이유는 염기도가 2.2보다 낮을 경우는 슬래그 중의 SiO2의 함량이 높아 잔류 슬래그중의 SiO2가 Ti에 의한 환원되어 Ti실수율이 저하되며, 염기도가 2.6보다 높을 경우 슬래그의 유동성이 저하되어 CaF2의 투입량이 증가되며, 슬래그량의 증가로 내화물 침식이 가속화 될 우려가 있다.
또한 Al은 슬래그중의 SiO2를 감소시키기 위해 첨가하며, Al을 25~35kg/t-slag로 투입하는 이유는 35kg/t-slag이상이 될 경우 슬래그중 Al2O3의 함량이 증가하고, 용강 중에 잔류하는 Al2O3가 많아져 연주 침지노즐 막힘을 유발한다. 또한 Al투입량이 25kg/t-slag보다 낮을 경우 슬래그중의 SiO2 함량이 증가하여 Ti실수율이 저하하는 문제가 있다.
여기서
slag 량(kg) = 부원료 투입량(생석회+형석+돌로마이트)+SiO2발생량
SiO2발생량(kg)={FeSi투입 총량*Si품위-용강량*[%Si]}*2.14
도 5 및 도 6은 각각 Al투입량과 슬래그 염기도에 따른 Ti 실수율을 보여주고 있다.
또한 정련로의 [Si]농도를 0.4~0.7%로 한정하는 이유에 대해 설명한다.
도 7은 Ti 투입 전 [Si]농도와 Ti 실수율의 관계를 보여주는 것으로 특히 본 발명에서는 정련로 최종 탈산성분이 0.4~0.7%범위를 벗어날 경우 출강중에 래들에 투입하여 Si 탈산을 추가 실시하는 것을 특징으로 한다. 즉, 정련로 최종 정련후 용강[Si]농도가 0.4%보다 낮을 경우 도 7에서 보여 주듯이 산소농도가 증가하게 되어 Ti실수율이 낮아지며, 0.7%보다 높을 경우는 연신율이 저하되는 문제가 있고, 성분규격을 벗어나게 된다.
다음으로 AOD에 정련된 용강의 재산화를 최대한 억제하면서 Ti를 투입하여야 하며, 이를 위해 슬래그와 함께 출강된 래들 상부 슬래그를 완전히 제거하고, 보온용 분CaO를 투입한 후, 용강의 대기 접촉시간을 최대한 억제하기 위해 Bubbling 유량을 최소화 하여야 하며, Ti 투입후 일정시간 bubbling을 반드시 실시하므로써 Ti 실수율을 확보하여야 하다.
AOD 정련로에서 최종 정련된 용강을 슬래그와 함께 출강한 이후 래들 상부의 슬래그를 완전히 제거하고, 보온용 분CaO를 200~500kg/Ch 투입한다. 슬래그를 완전히 제거하지 않은 상태에서 Ti를 투입하면 슬래그 중의 SiO2와 Cr2O3와 반응하여 TiO2를 생성시키게 된다. 또한 분CaO를 200~500kg/Ch 투입하는 이유는 투입양이 200kg/Ch 보다 작으면 래들 상부를 충분히 덮을 수 없어 합금철 및 Ti투입 시 용강의 재산화를 방지하기 어렵고, 투입량이 500kg/Ch 보다 많으면 합금철 투입이 곤란해지기 때문이다.
도 1은 409L강의 주편 Macro 조직을 보여주는 사진으로 종래재의 등축정율은 20~30% 내외이며, 본 발면재의 등축정율은 100%를 보여주고 있다. 이와 같이 본 발명에 의하면, 등축정율이 현저히 개선되어 원하는 조직성분을 얻을 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 VOD를 생략하면서도 등축정율이 개선된 페라이트 스테인레스강을 제조할 수 있는 저원가 고품질 제조가 가능한 효과가 있다.
도 1은 본 발명재와 비교재의 주편 등축정을 비교 도시한 도면.
도 2는 연주 침지노즐 막힘현상 및 부착물에 관한 사진도면.
도 3은 Ti, N농도에 따른 표면품질의 관계를 도시한 도면.
도 4는 일반적인 배기계용 페라이트 스테인레스강(409L강)의 제조공정도를 도시한 도면.
도 5는 정련로 Al 투입량에 따른 Ti 실수율 변화를 도시한 도면.
도 6은 정련로 슬래그 염기도에 따른 Ti 실수율 변화를 도시한 도면.
도 7은 Ti 투입전 [Si]농도에 따른 Ti 실수율 변화를 도시한 도면.

Claims (6)

  1. 전기로에서 용해된 용탕을 AOD 정련공정과, 주조래들 처리공정(LT)을 통하여 제조하는 페라이트계 스테인레스강으로서, 상기 주조래들 처리공정(LT)에서 Ti를 첨가하여 최종 성분계가 Cr : 10.0~12wt%, C: 0.02wt% 이하, N: 0.015wt% 이하, Si: 0.3~0.7wt%, S: 0.01wt%이하, Ti: 0.1-0.3wt% 및 잔부가 Fe 과 불가피한 불순물로 이루어진 등축정율이 개선된 페라이트계 스테인레스강의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    전기로에서 용해된 용탕은 Cr: 11wt%, C: 2.0wt%, Si: 0.15wt%, N: 0.04wt%, S: 0.03wt% 및 잔부가 Fe 과 불가피한 불순물로 이루어진 등축정율이 개선된 페라이트계 스테인레스강의 제조방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 AOD 정련공정에서 AOD 슬래그 염기도를 2.2~2.6으로 조절후 Si으로 탈산시키며, 탈산 후 Al을 첨가하여 슬래그중 Al2O3의 농도를 4~8%로 조절하여 제조된 등축정율이 개선된 페라이트계 스테인레스강의 제조방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 용강중의 Si은 0.4~0.7wt% 인 등축정율이 개선된 페라이트계 스테인레스강의 제조방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 주조래들 처리공정(LT) 을 통하여 출강된 래들의 슬래그를 200kg/ch 이하가 되도록 제거하고, 분CaO를 200~500kg/ch 투입하는 등축정율이 개선된 페라이트계 스테인레스강의 제조방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 주조래들 처리공정(LT) 을 통하여 출강된 래들 용강을 Ti 투입 전 4~6Nl/min/t의 Ar유량으로 버블링(bubbling)을 실시하고, Ti 투입 후에는 2~3Nl/min/t의 저 Ar유량으로 버블링(bubbling)을 실시하는 등축정율이 개선된 페라이트계 스테인레스강의 제조방법.
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