KR20090062149A - 티타늄이 첨가된 페라이트 스테인레스강의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 티타늄이 첨가된 페라이트 스테인레스강의 제조 방법에 관한 것으로, 본 발명의 티타늄이 첨가된 페라이트 스테인레스강의 제조 방법은 진공정련로(VOD)에서 탈탄단계를 마친 용강에 알루미늄을 첨가하여 용강 내의 산소를 제거하는 단계; 상기 용강에 칼슘을 첨가하여 상기 용강에 존재하는 고융점 알루미늄 개재물을 저융점화시키는 단계; 및 상기 용강의 주조온도를 제어하여 상기 용강을 주조하는 단계를 포함한다.

티타늄이 첨가된 페라이트 스테인레스강, 칼슘, 알루미늄

Description

티타늄이 첨가된 페라이트 스테인레스강의 제조 방법{Steel making method for titanium containing ferrite stainless steel with high chromium}

본 발명은 티타늄이 첨가된 페라이트 스테인레스강의 제조시 용강의 탈산 및 개재물 조성의 개선을 통해 최종제품 표면의 개재물성 결함을 감소시키는 티타늄이 첨가된 페라이트 스테인레스강의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로 고크롬(18%이상의 크롬을 함유)을 함유한 티타늄(Ti)을 첨가하는 스테인리스강의 제강시 용강의 탈산 방법 개선을 통해 연속 주조시 발생되는 침지노즐의 막힘과 표면 결함을 사전에 방지하는 티타늄이 첨가된 페라이트 스테인레스강의 제조 방법이다.

일반적으로 20% 이상의 크롬(Cr)을 함유한 스테인레스강 중에서 가장 대표적인 것은 STS445NF이다. STS445NF는 고가의 니켈(Ni)을 포함하지 않으면서 STS304수준의 내식성을 보이고, 가격이 저렴하기 때문에 수요가 급격히 증가하고 있다. 이 강종을 포함한 티타늄 첨가 스테인레스강의 제강 공정에 있어 가장 대표적인 문제점은 탄소, 질소의 농도를 각각 100ppm이하로 낮추어야 하기 때문에 진공정련(Vacuum Oxygen Decarburization)에서 탈탄을 위해 취입되는 산소의 양이 많다. 또한, 이러한 강종은 용강의 온도가 높아 탈산이 어렵고, 탈산시에 생성된 알루미나 및 티타늄 화합물로 인해 연속주조시 턴디쉬로부터 수냉 모올드에 용강을 주입하는 침지노즐의 내측면에 부착물이 형성된다. 이에 따라, 침지노즐의 구경이 좁아지거나 막힘현상이 발생되어 주조속도가 저하되거나 주조가 중단될 수 있다. 이는 도 1에서와 같이, 침지노즐(10)의 내측면에 부착물(11)이 형성되며, 부착물(11)의 두께는 대략 10㎛의 티타늄 산화물(TiO₂) 또는 스피넬(Spinnel) 상의 알루미나(Al₂O₃)로 이루어진다. 이러한 산화물(11)은 주조 진행 중 점차 성장되어 침지노즐(10)의 내측면에 두터운 층으로 형성되어 침지노즐(10)의 막힘현상을 유발시킨다.

전술한 바와 같이 진공정련설비인 VOD를 이용하여 제조되는 고 크롬 스테인레스강은 내식성 및 용접부의 인성을 향상시키기 위해 티타늄을 0.2~0.35% 첨가하고 있다. 또한, 티타늄이 함유된 스테인레스강을 제조할 때, 슬래그중 크롬, 철 등의 산화물들은 티타늄을 산화시키기 때문에, 이들 산화물 등을 알루미늄으로 미리 환원시킨 후, 티타늄을 첨가하여 산화물 발생을 억제하고 있다. 이에 따라, 용강 중 비연성 티타늄 산화물(TiO₂)을 감소시켜 용강의 청정도를 개선할 수 있다. 또한, 티타늄 산화물에 의한 노즐막힘 현상을 방지하며, 코일의 표면결함을 방지할 수 있다.

그러나 알루미늄 탈산량이 과다하면, 알루미늄 농도규격을 맞추지 못하는 문제 뿐 아니라, 알루미늄의 원단위(原單位)가 증가하고, 강중 알루미나(Al₂O₃)가 다량으로 생성되어 알루미나 개재물에 의한 노즐막힘 현상 및 코일표면 결함을 유발 시키는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명은 전술한 문제점들을 해소하기 위해 도출된 발명으로, 청정도가 우수한 티타늄을 함유한 스테인레스강을 생산하기 위해 용강에 적절한 알루미늄의 농도 및 칼슘을 첨가하여 스테인레스강의 제품표면의 개재물성 결함을 감소시켜며, 연속주조시 용강을 주입하는 침지노즐의 내측면에 부착물이 형성되는 것을 감소시키는 티타늄이 첨가된 페라이트 스테인레스강의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 본 발명의 티타늄이 첨가된 페라이트 스테인레스강의 제조 방법은 진공정련로(VOD)에서 탈탄단계를 마친 용강에 알루미늄을 첨가하여 용강 내의 산소를 제거하는 단계; 상기 용강에 칼슘을 첨가하여 상기 용강에 존재하는 고융점 알루미늄 개재물을 저융점화시키는 단계; 및 상기 용강의 주조온도를 제어하여 상기 용강을 주조하는 단계를 포함한다.

이때, 상기 용강에 첨가되는 알루미늄의 농도는 0.05 내지 0.15wt%이며, 상기 용강에 첨가되는 칼슘은 상기 용강의 중량을 기준으로 0.2 내지 0.5kg/T-steel이며, 상기 용강의 주조온도는 1550 내지 1565℃일 수 있다.

본 발명은 용강에 적절한 알루미늄의 농도 및 칼슘을 첨가하여 스테인레스강 제품표면의 개재물성 결함을 감소시켜며, 연속 주조시 용강을 주입하는 침지노즐의 내측면에 부착물이 형성되는 것을 감소시킬 수 있다.

이하에서는, 본 발명의 실시예를 도시한 도면을 참조하여, 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다.

통상적으로 침지노즐의 부착물은 도 1과 같이 티타늄 산화물과 알루미늄 산화물로 구성되어 있다. 티타늄보다 탈산력이 우수한 알루미늄은 탈산을 해도 티타늄 산화물이 생성되는 것은 용강 중 알루미늄의 농도가 부족하였기 때문이다. 또한, 생성된 알루미나 개재물은 칼슘(Ca) 처리에 의해 저융점 복합산화물로 만들어 줌으로써 연주 침지노즐 내부에 부착되는 것을 방지할 수 있게 되고, 연속주조의 온도를 적절히 제어하여 주조중 용강에서 알루미나 개재물을 부상분리 할 수 있게 해준다.

본 발명에서는 이점에 착안하여 연속주조 이전의 제강 공정에서 용강의 탈산을 강화함으로써 티타늄 산화물의 형성을 근본적으로 차단하여 침지 노즐의 부착물 형성을 감소시키도록 한다.

이하에서는 티타늄 산화물 형성 방지를 위한 용강 탈산 방법에 대하여 설명하도록 한다.

도 2는 20% 크롬 용강에서의 산소-티타늄-알루미늄의 이론적 평형 농도를 나타낸 그래프이다.

도 2를 참조하면, X축은 티타늄(Ti), 알류미늄(Al)의 중량농도(wt%)를 나타 내며, Y축은 산소(O)의 중량농도(wt%)를 나타낸다.

그래프를 살펴보면, 티타늄의 중량농도가 0.2~0.35wt%인 경우 강중에 존재하는 용존 산소의 농도는 약 20ppm에 해당되어, 이때 평형을 이루는 알루미늄의 중량농도는 0.02~0.05wt%에 해당한다.

따라서 용강 중에 티타늄 산화물의 형성을 방지하려면 이론적으로 산소 농도를 20ppm 이하로 유지해야 하며 이를 위해 알루미늄의 중량농도가 0.02wt% 이상이어야 함을 알 수 있다.

개재물성 결함을 저감시키기 위한 티타늄이 첨가된 페라이트 스테인레스강을 제조하기 위해서는 우선, 진공정련로(VOD)에서 탈탄단계를 마친 용강에 알루미늄을 첨가하여 용강 내의 산소를 제거한다. 이때, 알루미늄의 농도는 0.05 내지 0.15wt%이다. 이는 20% 크롬을 함유한 용강의 알루미늄 농도가 0.05% 미만으로 유지되면, 침지노즐에 부착되는 산화물의 원인이 되는 티타늄 산화물이 형성되지 않으며, 0.15% 초과되면 페라이트 스테인리스강의 알루미늄 상한 규격에 제한되기 때문이다.

이후, 알루미늄 탈산강에서 칼슘(Ca)을 첨가하여 고융점의 알루미나를 저융점 개재물로 형성한다. 알루미늄 탈산강에서 칼슘(Ca)을 첨가하여 고융점의 알루미나를 저융점 개재물만드는 원리는 다음과 같다.

Al₂O₃(융점 대략 1800℃) + CaO(융점 대략 2700℃) = CaO.Al₂O₃(융점 대략 1350℃)

즉, 고융점의 Al₂O₃와 고융점의 CaO가 반응하여 저융점의 CaO.Al₂O₃를 만들어 줌으로써 주조온도인 1555℃에서 용강이 액체상태로 유지되어 노즐에 부착되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 알루미나 개재물을 저융점화하기 위한 칼슘(Ca)투입량은 용강의 중량을 기준으로 0.2 내지 0.5kg/T-steel(1톤의 용강일 때 칼슘을 0.2 내지 0.5 투입시킴)로 한정하는 이유는 칼슘의 농도가 0.2kg/T-steel 미만이면 알루미나와 반응하기 위한 칼슘의 양이 부족하여 CaO.Al₂O₃의 반응이 충분히 발생되지 못하며, 용강 중 Al₂O₃가 잔류하게 되기 때문이다. 또한, 칼슘의 농도가 0.5kg/T-steel를 초과하면 알루미나 개재물과 반응하는 데에 필요한 양 이상으로 되어, 스테인리스강의 내식성을 저하시킨다.

용강에 존재하는 고융점 알루미늄을 저융점화시킨 후, 용강의 주조온도를 1550 내지 1565℃로 제어하여 용강을 주조시킨다. 이와 같이 용강의 주조온도를 1550 내지 1565℃로 제어하는 이유는 용강의 온도가 1550℃ 이상이어야지 용강의 알루미나 개재물이 부상분리되어 제거될 수 있기 때문이다. 또한, 용강의 주조온도가 1565℃를 초과하면 연속주조의 몰드내에서 용강이 응고되지 않아 주조가 어렵게된다.

이하에서는 실시예를 통해 본 발명의 티타늄이 첨가된 페라이트 스테인레스강의 제조 방법을 보다 구체적으로 설명한다.

실시예

용강은 티타늄이 첨가되며, 18% 이상의 크롬이 첨가된 STS445NF로 한다. STS445NF강의 주요 성분은 크롬(21.5%), 티타늄(0.2~0.35%)이다.

본 발명의 실시예에서는 VOD조업에서 기존의 탈산법과 본 발명의 탈산법의 효과를 비교하도록 한다.

기존재에서는 용강의 알루미늄 농도를 0.02~0.15%로 한다. 또한, 발명재에서는 티타늄 산화물 발생을 억제하기 위해 알루미늄 하한 농도를 기존재보다 높게 한다. 발명재에서의 용강은 알루미늄 농도를 0.05 내지 0.15%로 한다. 그리고, 발명재에는 칼슘(Ca)을 칼슘-실리콘(Ca-Si)의 합금 형태로 투입시킨다. 이때, 칼슘-실리콘(Ca-Si) 중의 칼슘 함량은 30%정도가 일반적이며 칼슘은 원단위로 환산하여 투입량을 결정한다.

이와 같이 형성된 용강의 연속주조 후 침지 노즐의 내부는 도 3에 나타난 바와 같이, 노즐(100) 내측면에 형성된 부착물(110)의 두께가 3㎛로 형성된다. 즉, 발명재는 기존재(도 1참조)의 부착물 두께보다 대략 7㎛의 두께가 감소된 것을 알 수 있다.

또한, 도 4는 발명재와 기본재의 냉간 압연공정에서의 제품 결합율을 나타낸 것인데, 발명재는 기존재에 배해 결함율이 1/3이하로 감소된다.

이와 같이 본 발명은 진공정련로(VOD)에서 탈탄단계를 마친 용강에 알루미늄을 첨가하여 용강 내의 산소를 제거하고, 용강에 칼슘을 첨가하여 용강에 존재하는 고융점 알루미늄 개재물을 저융점화시키고, 용강의 주조온도를 제어하여 용강을 주조함에 따라, 연속 주조시 턴디쉬로부터 수냉모울드에 용강을 주입하는 침지노즐 내측면에 부착물이 형성되는 것을 방지하며, 제품 표면에 개재물성 결함이 발생하 는 것을 감소시킬 수 있다.

이상에서와 같이 상세한 설명과 도면을 통해 본 발명의 최적 실시예를 개시하였다. 용어들은 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

도 1은 침지노즐에 부착한 티타늄 산화물 및 알루미늄산화물의 전자현미경 사진이다.

도 2는 20% 크롬 용강에서의 산소-티타늄-알루미늄의 이론적 평형 농도를 나타낸 그래프이다.

도 3은 본 발명에 따른 연주 침지노즐의 내부 사진.

도 4는 본 발명과 기존 방법의 냉간압연 제품의 결함율 나타내는 비교도이다.

♣ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ♣

100 : 노즐

110 : 부착물

Claims (2)

1. 진공정련로(VOD)에서 탈탄단계를 마친 용강에 알루미늄을 첨가하여 용강 내의 산소를 제거하는 단계;

   상기 용강에 칼슘을 첨가하여 상기 용강에 존재하는 고융점 알루미늄 개재물을 저융점화시키는 단계; 및

   상기 용강의 주조온도를 제어하여 상기 용강을 주조하는 단계를 포함하는 티타늄이 첨가된 페라이트 스테인레스강의 제조 방법.
2. 제1 항에 있어서,

   상기 용강에 첨가되는 알루미늄의 농도는 0.05 내지 0.15wt%이며,

   상기 용강에 첨가되는 칼슘은 상기 용강의 중량을 기준으로 0.2 내지 0.5kg/T-steel이며,

   상기 용강의 주조온도는 1550 내지 1565℃인 것을 특징으로 하는 티타늄이 첨가된 페라이트 스테인레스강의 제조 방법.

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