KR20070057326A

KR20070057326A - 저탄소 오스테나이트계 스테인레스강의 제조방법

Info

Publication number: KR20070057326A
Application number: KR1020050116167A
Authority: KR
Inventors: 이상범; 신동익; 박종환
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2005-12-01
Filing date: 2005-12-01
Publication date: 2007-06-07
Also published as: KR100729123B1

Abstract

본 발명은 0~30% 크롬과 5~15% 니켈을 함유하며, 타이타늄 함량이 50ppm이하이고 탄소함량이 300ppm이하인 원료를 전기로에서 용해하고 알곤-산소 탈탄법(AOD)으로 정련한 뒤 주조래들 처리를 거쳐 연속주조하는 저탄소 오스테나이트계 스테인레스강의 제조방법에 있어서, 상기 AOD정련로에서 상기 래들처리를 거치는 알루미나 농도를 저감시키는 단계; 및 상기 래들처리에서 상기 연속주조를 거치는 용강 개재물을 저하시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하여, 용강 중의 고융점 개재물 발생을 억제하고, 개재물수를 대폭 저감하여 최종 제품의 표면품질을 향상시킬 수 있는 저탄소 오스테나이트계 스테인레스강의 제조방법이다.

오스테나이트, 스테인레스강, 저탄소, 청정도, 표면품질

Description

저탄소 오스테나이트계 스테인레스강의 제조방법{Method of manufacturing for low-carbon austenite stainless steel}

도 1은 일반적인 스테인레스강의 제조공정 중 일부를 나타낸 개략도,

도 2a는 스테인레스강의 경질 개재물의 형상을 나타낸 도면,

도 2b는 경질 개재물에 의한 냉연 코일 표면의 결함을 나타낸 도면,

도 3은 용강 중 개재물이 생성되는 기구가 개략적으로 도시된 도면,

도 4는 본 발명의 실시예 및 종래기술에 따른 스테인레스강의 결함지수가 도시된 그래프도면.

본 발명은 저탄소 오스테나이트계 스테인레스강의 제조방법에 관한 것으로, 특히 전기로에서 용해된 원료를 알곤-산소 탈탄법(AOD)으로 정련하고 주조래들에서 성분 및 온도 조정한 후 연속주조하는 스테인레스강 정련방법에 있어서, 정련로의 슬래그 염기도(칼슘산화물(CaO)와 실리콘산화물(SiO₂)의 비)와 용강 온도를 제어하고, 주조래들의 내화물을 제한하고 래들에서 성분 및 온도 조정 시 슬래그의 유동 성을 높이고 래들 하부로부터 Ar 가스를 취입하여 용강 중 개재물의 부상분리를 용이하게 하고, 주조온도를 조정하여 개재물을 최소화시킴으로써 스테인레스 제품 가공시 개재물에 의해 발생하는 표면 결함을 방지할 수 있도록 하는 것이다.

일반적으로 오스테나이트계 스테인레스강은 표면 품질이 매우 중요하며, 특히 저탄소 스테인레스강은 연성이 우수해서 쉽게 표면 결함이 일어나는 특성이 있다. 이러한 저탄소 스테인레스강의 표면 결함에 영향을 미치는 인자에는 여러가지가 있지만 그 중에서도 고융점 비금속 개재물의 조성 및 개수 등이 큰 문제가 되고 있다. 즉, 개재물이 제품의 표면에 잔류해 있을 경우 표면을 손상시키거나 균열발생의 원인이 되는 것이다. 그러나, 비금속 개재물은 용강의 탈산 과정과 슬래그 혼입, 재산화 등에 의해서 필연적으로 발생되기 때문에 개재물의 조성을 저융점화하고, 개수를 최소화시키는 방법이 요구되고 있다.

스테인레스강의 알곤-산소 탈탄법(AOD)에 의한 정련시에는 산소가스를 용강 중에 취입하여 탄소를 제거하기 때문에 크롬산화물이 생성되며, 이를 환원시키기 위해서 CaO를 주성분으로 하는 염기성 플럭스와 함께 탈산제로써 실리콘 합금(FeSi)을 첨가하고, 탈산 및 개재물의 제거를 촉진하기 위해서 불활성 가스로 용강을 교반시킨다. 그러나 이와 같은 실리콘의 투입에 의한 탈산의 경우, 하기 식 1의 반응에 의해 실리카(SiO₂)가 생성되고, 실리콘 합금 내 존재하는 알루미늄이 식 2의 반응에 의해 알루미나(Al₂O₃)로 되어 용강 내에는 고융점 개재물이 필연적으로 존재하게 된다.

[식 1]

[Si] + 2[O] = (SiO₂)

[식 2]

2[Al] + 3[O] = (Al₂O₃)

상기와 같이 생성된 미세한 비금속 개재물들은 1600~1700℃의 용강 내부에서 미세한 고체 입자로 부유하므로, 각 입자들간의 응집, 성장이 어렵고, 부력에 의해 용강 상부로 떠올라 제거되지 못하고 계속 용강 중에 체류하게 된다. 이 개재물들은 AOD 정련로에서 주조래들로 출강될 때, 용강 내로 혼입된 슬래그와 서로 반응하면서 CaO-SiO₂-Al₂O₃-MgO계 저융점 개재물로 변화한다. 그러나 용강 중 알루미늄은 용강 온도 하강에 의해 용해도가 낮아지기 때문에 용강 중 산소와 결합하여 알루미나화 하면서 개재물을 다시 고융점 개재물로 변화시키고, 최종적으로 제품 표면 품질에 악영향을 미치는 슬래그성 개재물과 고융점 스피넬 개재물의 석출상이 결합되어 있는 형상을 보이게 된다. 이러한 개재물의 성분과 개수, 크기 등을 제어하기 위해 여러가지 기술들이 적용되어 왔으나, 이를 실제 공정에 적용하기에는 어려움이 따른다.

대한민국특허 제2002-0022275호는 진공정련 및 대기압 하에서 오스테나이트 스테인레스 용강의 교반강도를 낮추어 슬래그성 개재물이 용강으로 혼입되는 것을 방지할 수는 있으나, 저탄소 용강과 같이 개재물이 많이 존재할 경우에는 개재물을 부상시켜 제거시키는 것이 더 중요하다. 대한민국특허 제2001-0063536호는 대형 개 재물 형성 방지를 위하여 탈탄 및 실리콘 탈산 후, 실리콘과 알루미늄의 비를 90~180 범위로 하고, 알루미늄 투입과 동시에 슬래그 염기도를 2.3~3.5가 되도록 제어하여, 고Si 함유 스테인레스강에서 높은 청정도를 얻는 것으로써, 특수한 강종에만 가능한 방법으로 일반적인 적용에는 한계가 있다.

또한, 대한민국특허 제2004-0056706호는 개재물 중 알루미나의 농도를 감소시키기 위해 돌로마이트 래들을 이용하는 방법을 제시하고 있으나, 용강 중 개재물의 수를 줄이기에는 곤란하다. 일본특허 제2001-164312호는 산화정련 후에 실리콘 및 타이타늄에 의해 탈산하여, 실리콘 함유량을 0.4%이하로 하고 타이타늄 함량을 0.001/[%질소] 이하로 조절하여 청정도를 향상시킴으로써 연속주조 시 노즐 막힘을 해소하는 방법으로 타이타늄 함량이 높은 경우에만 적용이 가능하고 안정적으로 제어하기 곤란하며 근본적인 청정도 향상 방법으로 보기 어렵다. 일본특허 특개평11-199917호는 실리콘으로 탈산하는 오스테나이트계 스테인레스강에 있어서 칼슘과 희토류금속(REM)을 복합 첨가하여 개재물 성상을 저융점 복합산화물화하여 응고조직 중 비금속개재물을 무해화하는 것으로 성분제어가 매우 어려워 현실성이 없고, 노즐 막힘의 우려가 있다. 일본특허 특개평07-188861호는 Al 함량이 적은 FeSi을 이용하여 용강 중 Al을 조정하고 Ca을 첨가하고 교반시간을 적정히 선정하여 개재물 부상분리를 행하는 방법을 제시하고 있으나 원료 중의 Al을 규제하는 것이 실제 스테인레스강 제조공정에서는 매우 어렵다. 일본 특허 특개평03-267312호, 특개평10-158720호 및 프랑스특허 E.I.7603020603호에서는 정련로 슬래그의 염기도와 슬래그 중 알루미나와 마그네시아의 농도를 규제함으로써 고융점 개재물의 생성을 방지할 수 있다고 하지만, 정련로 슬래그의 조성만을 조정해서는 고융점 개재물의 생성을 억제하기 힘들고 용강 중 칼슘과 산소의 농도비만을 제어할 경우 개재물 형상 제어의 가능성이 낮다.

따라서, 본 발명은 전술한 종래의 문제점들을 해결하기 위해 고안된 발명으로, 저탄소 오스테나이트계 스테인레스강의 정련방법에 있어서, 탈탄 및 탈산 과정 후 주조래들로 옮겨진 용강에 대해서, 개재물을 무해화 시킴과 동시에 최대한 부상분리시켜서 포집하므로써, 스테인레스강의 청정도를 향상시킬 수 있는 기술을 제공하고자 한다. 이러한 정련기술을 통해 고융점 개재물의 발생을 억제하여 스테인레스강 가공 시에 개재물의 연성을 향상시키고, 개재물의 수를 최대한 감소하여 개재물에 기인한 표면 결함을 감소시킬 수 있는 저탄소 오스테나이트계 스테인레스강의 제조방법을 제공하는데 발명의 목적이 있다.

상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 저탄소 오스테나이트계 스테인레스강의 청정도 향상방법은, 10~30% 크롬과 5~15% 니켈을 함유하며, 타이타늄 함량이 50ppm이하이고 탄소함량이 300ppm이하인 원료를 전기로에서 용해하고 알곤-산소 탈탄법(AOD)으로 정련한 뒤 주조래들 처리를 거쳐 연속주조하는 저탄소 오스테나이트계 스테인레스강의 제조방법에 있어서, 상기 AOD정련로에서 상기 래들처리를 거치는 알루미나 농도를 저감시키는 단계; 및 상기 래들처리에서 상기 연속주조를 거치는 용강 개재물을 저하시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 알루미나 농도를 저감시키는 단계는, 상기 AOD정련로의 슬래그 염기도를 1.7~1.8로 조정하고, 상기 슬래그 중 알루미나 농도를 3% 이하로 하며, 상기 래들 내화물의 재료로써 돌로마이트재를 사용하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 용강 개재물을 저하시키는 단계는, 상기 AOD정련로 조업 후의 용강 온도를 1700~1750℃로 제한하며, 상기 주조래들 슬래그의 염기도를 1.5~1.6으로 조정하고, 용강 교반 시간을 15~20분으로 하면서 용강 교반 강도를 압력단위로 3.5~4bar가 되도록 하여, 주조 대기 시간을 20분 이상으로 하면서 주조 온도를 스테인레스강의 용융온도보다 40~50℃ 높게 제어하는 것을 특징으로 하며, 이때, 상기 래들 슬래그의 염기도는, 상기 래들의 슬래그 무게를 용강 무게의 1.5~2.0%가 되도록 조절하고, 규회석(CaO-SiO₂계 플럭스)과 형석(CaF₂)을 상부로부터 투입함으로써 이루어진다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 저탄소 오스테나이트계 스테인레스강의 제조방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 일반적인 스테인레스강의 제조공정 중 일부를 나타낸 개략도이며, 도 2a는 스테인레스강의 경질 개재물의 형상을 나타낸 도면이고, 도 2b는 경질 개재물에 의한 냉연 코일 표면의 결함을 나타낸 도면이다.

스테인레스강 제조 시 전기로를 거쳐 AOD정련로에서 탈탄할 때에, 크롬, 철 등의 유가금속들이 산화되어 용강 성분의 손실을 야기한다. 따라서, 이들의 환원제 로써 실리콘 합금(FeSi)을 이용하며, 이 경우, 도 2a와 같은 형상의 고융점의 마그네슘 알루미네이트계의 스피넬(MgAl₂O₄) 개재물이 발생하여, 도 2b에 나타난 것과 같은 제품의 표면 결함 또는 가공 시의 균열을 야기한다.

이러한 스테인레스강의 정련과정에서의 개재물 생성 원인은 다음과 같다.

정련로 환원기에 환원제로 투입된 실리콘은 산소와 반응하여 실리카(SiO₂)를 형성한다. 실리콘을 환원제로 이용하는 경우에도, 알루미늄 함유 물질을 포함하고 있기 때문에 용강 중 알루미늄의 농도가 일정치 이상이 되는 경우에는 마그네슘 알루미네이트계 스피넬 또는 알루미나(Al₂O₃) 개재물이 생성된다.

또한, 환원 정련 과정과 정련로에서 주조래들로 옮겨지는 과정에서 용강 중으로 슬래그가 현탁하게 되는데, 이 현탁된 슬래그 입자들이 개재물 성장의 핵으로서 작용하게 된다. 실리카와 스피넬, 알루미나 및 슬래그 입자들이 서로 반응하여 개재물을 이루게 되며, 주조 래들로 옮겨진 용강의 온도가 주조 공정에서 응고될 때까지 지속적으로 하강하면서 알루미늄의 산화반응이 개재물의 조성 변화를 일으켜, 개재물 중 알루미나의 농도를 높이게 된다.

이러한 과정이 도 3에 개략적으로 도시되어 있다.

이때 개재물 중 알루미나의 농도는 슬래그 염기도, 용강 중 알루미늄 농도, 래들 내화물의 재료, 슬래그 중 알루미나의 농도에 의존한다. 한편 용강 청정도에 가장 큰 영향을 미치는 용강 중 개재물의 수는 슬래그 염기도, AOD 조업 후의 온도, 용강 교반 시간, 용강 교반 강도, 주조 대기 시간 및 주조 온도에 의존한다.

따라서, 본 발명은 크게 개재물 중 알루미나의 농도를 저감하는 방법과 용강 중 개재물의 수를 줄이는 방법으로 구성된다.

개재물 중 알루미나의 농도를 저감하기 위해서 정련로의 슬래그 염기도를 1.7~1.8로 조정하고, 용강 중 알루미늄 농도를 30ppm 이하로 한정하고, 래들 내화물의 재료로써 돌로마이트재를 사용하고, 정련로 슬래그 중 알루미나의 농도를 3% 이하로 조절해야 한다.

또한, 용강 중 개재물의 수를 줄이기 위해서 주조래들 슬래그의 염기도를 1.5~1.6으로 조정하고, 정련로 조업 후의 용강 온도를 1700~1750℃로 제한하고, 용강 교반 시간을 15~20분으로 하면서 용강 교반 강도를 압력단위로 3.5~4bar가 되도록 조정해야 하고, 주조 대기 시간을 20분 이상으로 하면서 주조 온도를 스테인레스강의 용융온도(1450℃)보다 40~50℃ 높게 제어하여야 한다.

본 발명에서 정련로의 슬래그 염기도를 1.7~1.8로 한정한 것은 염기도 1.8이상에서는 개재물 중 스피넬(MgAl₂O₄) 개재물 발생율이 급격히 증가하기 때문이며, 슬래그 염기도 1.7 이하에서는 용강 중 산소가 높아져서 강 중의 개재물수를 증가시키고, 슬래그의 유황 제거 능력을 현저하게 감소시켜 스테인레스강의 표면품질을 저하시킨다.

또한, 주조래들 내화물로 알루미나계열의 산화물을 사용할 경우, 내화물이 슬래그와 반응하여 슬래그 중 알루미나(Al₂O₃)의 농도가 높아지게 되며, 용강 중 알루미늄의 농도를 증가시켜 결과적으로 개재물의 알루미나 농도를 증가시키기 때문 에 돌로마이트재 내화물을 사용하는 것이 바람직하다.

한편, 슬래그의 염기도를 1.5~1.6으로 조정할 경우 용강 내 부유하는 미세한 슬래그 입자들의 응집이 용이해져서 부상분리에 의한 개재물 제거가 원활해진다. 따라서, 정련로에서 주조래들로 이송한 후, 주조래들의 슬래그 무게를 용강 무게의 1.5~2.0%가 되도록 조절하고, 규회석(CaO-SiO₂계 플럭스, CaO/SiO₂=0.8~1.0)과 형석(CaF₂)을 상부로부터 투입하여 슬래그의 염기도를 조정하여야 한다.

정련로 조업 후의 용강 온도를 1700℃이상으로 할 경우 개재물의 부상분리 속도를 크게 증가시키나, 1750℃이상에서는 내화물의 용손이 심해져서 용강의 청정도를 악화시킨다. 또한, 용강 교반 시간을 15~20분으로 하면서 용강 교반 강도를 압력단위로 3.5~4bar가 되도록 조정해야 충분한 개재물의 부상분리가 이루어지고, 주조 대기 시간을 20분 이상으로 하면서 주조 온도를 스테인레스강의 용융온도(1450℃)보다 40~50℃ 높게 제어하여야 스테인레스강의 고청정성을 확보할 수 있다.

이하 본 발명의 실시예를 설명한다.

[실시예]

도 1에 도시된 바와 같은 전기로-AOD 정련로-주조래들-연속주조 공정을 통한 저탄소 오스테나이트계 스테인레스강(18.5%Cr)의 제조 공정에서 스크랩, 페로크롬(FeCr)을 원료로 하여 90톤 전기로에서 용해하고, AOD 정련로에서 알곤-산소 혼합가스를 이용한 탈탄 정련을 실시하였다. 탈탄 정련 후 산화된 크롬을 환원 및 회수 하기 위하여 실리콘과 함께 생석회와 형석을 첨가하고, 알곤 가스를 불어 환원 정련을 행한 후 주조래들로 이송하였다. 주조래들에서는 용강상부의 슬래그를 용강무게의 1.5~2.0%가 되도록 제거하고 규회석과 형석을 투입하여 슬래그의 염기도를 1.5~1.6이 되도록 조절하였다. 알곤 가스를 래들 하부로부터 3.5~4bar가 되도록 15~20분간 취입하여 교반을 실시하면서 최종 성분 및 온도 조정을 행하였다.

그 후 연속주조와 열간압연 및 냉간압연을 거쳐 스테인레스강의 냉연강판을 제조하였고 냉연강판의 표면을 육안검사하여 냉연강판 표면의 개재물에 의해 발생한 결함의 발생율을 조사하여 이를 0에서 10사이의 수준으로 구분한 스테인레스강의 결함 지수로 나타내었다.

하기 표1에 실시예에서 사용한 저탄소 오스테나이트 스테인레스강의 성분을 나타내었다.

성분	C	Si	Mn	Al	Cr	Ni
%	<0.02	0.1~1.0	1.0~2.0	<0.003	18~19.5	9.5~10.5

하기 표 2에 실험조건과 그에 따른 냉연강판 표면의 결함지수를 나타내었다.

구분	번호	실험조건								결함지수(0~10)
구분	번호	래들 내화물	정련로 슬래그 염기도	정련 후 용강온도(℃)	LT슬래그 사용여부	규회석 투입량(㎏)	형석 투입량(㎏)	주조 대기 시간(분)	주조 온도(℃)	결함지수(0~10)
종래기술	1	Alumina	1.9	1680	사용안함	0	0	18	1483	5.0
	2	Alumina	1.9	1650	사용안함	0	0	15	1479	8.6
	3	Alumina	1.9	1677	사용안함	0	0	17	1487	5.5
	4	Alumina	1.9	1670	사용안함	0	0	17	1480	6.7
	5	Alumina	1.9	1648	사용안함	0	0	15	1485	9.9
본발명	1	Dolomite	1.75	1705	사용	400	60	23	1495	0.4
	2	Dolomite	1.7	1730	사용	400	60	25	1503	0.8
	3	Dolomite	1.8	1705	사용	400	60	30	1503	1.0
	4	Dolomite	1.75	1710	사용	400	60	25	1495	2.2
	5	Dolomite	1.75	1705	사용	400	60	24	1493	0.8

본 발명의 실시예 및 종래기술의 예를 비교해 보면, 본 발명에 따른 스테인레스강에서의 결함지수가 현저히 개선된 것을 알 수 있다. 평균 7.1이었던 결함지수가 평균 1.0으로 대폭 낮아져서 스테인레스강의 청정도가 60%정도 향상되었음을 알 수 있다. 상기 표 2의 결과는 도 4에 그래프로 도시되었으며, 이로부터 본 발명에 의한 용강 중 개재물 저감효과의 타당성을 입증할 수 있다. 또한 도 4로부터 냉연코일 간의 결함지수 편차도 크게 줄어든 것을 알 수 있어, 조업 관리 측면에서도 매우 유리하다는 것을 알 수 있다.

본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주지해야 한다. 또한, 본 발명의 기술분야에서 당업자는 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 저탄소 오스테나이트계 스테인레스강의 제조방법에 의하여 AOD정련로 환원 후의 슬래그 염기도 및 래들 정련 시의 규회석과 형석 투입, 교반 강도와 시간, 용강 온도 조절 등을 행함으로써, 용강 중의 고융점 개재물 발생을 억제하고, 개재물수를 대폭 저감하여 최종 제품의 표면품질을 향상시키는 효과가 있다.

Claims

10~30% 크롬과 5~15% 니켈을 함유하며, 타이타늄 함량이 50ppm이하이고 탄소함량이 300ppm이하인 원료를 전기로에서 용해하고 알곤-산소 탈탄법(AOD)으로 정련한 뒤 주조래들 처리를 거쳐 연속주조하는 저탄소 오스테나이트계 스테인레스강의 제조방법에 있어서,

상기 AOD정련로에서 상기 래들처리를 거치는 알루미나 농도를 저감시키는 단계; 및

상기 래들처리에서 상기 연속주조를 거치는 용강 개재물을 저하시키는 단계;

를 포함하는 것을 특징으로 하는 저탄소 오스테나이트계 스테인레스강의 제조방법.

제1항에 있어서,

상기 알루미나 농도를 저감시키는 단계는,

상기 AOD정련로의 슬래그 염기도를 1.7~1.8로 조정하고, 상기 슬래그 중 알루미나 농도를 3% 이하로 하며, 상기 래들 내화물의 재료로써 돌로마이트재를 사용하는 것을 특징으로 하는 저탄소 오스테나이트계 스테인레스강의 제조방법.

제1항에 있어서,

상기 용강 개재물을 저하시키는 단계는,

상기 AOD정련로 조업 후의 용강 온도를 1700~1750℃로 제한하며, 상기 주조래들 슬래그의 염기도를 1.5~1.6으로 조정하고, 용강 교반 시간을 15~20분으로 하면서 용강 교반 강도를 압력단위로 3.5~4bar가 되도록 하여, 주조 대기 시간을 20분 이상으로 하면서 주조 온도를 스테인레스강의 용융온도보다 40~50℃ 높게 제어하는 것을 특징으로 하는 저탄소 오스테나이트계 스테인레스강의 제조방법.

제3항에 있어서,

상기 래들 슬래그의 염기도는, 상기 래들의 슬래그 무게를 용강 무게의 1.5~2.0%가 되도록 조절하고, 규회석(CaO-SiO₂계 플럭스)과 형석(CaF₂)을 상부로부터 투입함으로써 이루어지는 저탄소 오스테나이트계 스테인레스강의 제조방법.