KR20090129660A - 니오븀이 첨가된 스테인리스강의 제조방법 - Google Patents

니오븀이 첨가된 스테인리스강의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 알루미늄 산화물의 분리부상을 통해 용강 중 알루미늄 산화물 수를 저감할 수 있으며, 칼슘을 투입하여 용강 중의 알루미늄 산화물을 저융점 개재물로 변경시킬 수 있는 니오븀이 첨가된 스테인리스강의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명은 중량%로, Cr:15~25%, Nb:0.1~1%를 구비하며, 아르곤 산소 탈탄(AOD) 정련로에서 스테인리스 용강을 탈탄하고 실리콘으로 탈산하는 정련공정을 포함하는 니오븀이 첨가된 스테인리스강의 제조방법에 있어서, 주조래들 처리 공정에서 철-니오븀을 1~10kg/ton-steel(용강중량을 기준)을 투입하고, 슬래그가 10~50kg/ton-steel(용강중량 기준)이 있는 상태에서 버블링을 13~60분 실시하는 단계; 및, 최종 주조래들 처리 공정에서 합금철 투입으로 성분을 조정한 후 칼슘을 철-니오븀량을 기준으로 0.01~0.2kg/kg-FeNb를 투입하는 단계;를 포함한다. 이러한 구성에 의하여, 연속주조 시 침지노즐의 막힘 현상이 방지될 뿐만 아니라 제품인 코일 표면에 산화 개재물성 결함이 발생하는 것을 저감할 수 있다.
니오븀, 알루미늄 산화물, 분리부상, 저융점 개재물

Description

니오븀이 첨가된 스테인리스강의 제조방법{Method for Producing Niobium-added Stainless Steel}
본 발명은 니오븀이 첨가된 스테인리스강의 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 알루미늄 산화물의 분리부상을 통해 용강 중 알루미늄 산화물 수를 저감할 수 있으며, 칼슘을 투입하여 용강 중의 알루미늄 산화물을 저융점 개재물로 변경시킬 수 있는 니오븀이 첨가된 스테인리스강의 제조방법에 관한 것이다.
니오븀이 첨가된 스테인리스강 중에서 가장 대표적인 것이 STS430M이다. STS430M은 니오븀(Niobium)을 첨가하여 기존의 STS430 대비 가공성 및 내식성을 향상시킨 강종이다. 그리고, STS430J1L 대비 제조 프로세스 단순화로 원가가 저렴하여 건조기 및 HDD 커버(cover)용 등으로 이용되고 있으며, 그 용도를 확대 추진 중에 있다.
그러나, STS430M을 포함한 니오븀이 첨가된 스테인리스강의 제조 시 니오븀 첨가를 위해 투입되는 철-니오븀(Fe-Nb) 원료에 있어 문제점이 있다. 표 1은 철-니오븀의 화학 성분 분석 결과를 나타낸 것이다. 표 1에서 보는 바와 같이, 철-니 오븀은 약 1~2%(규격 4% 이하) 정도의 알루미늄을 포함하고 있다.
구분 Nb C Si P S Al
원료규격 60~70 ≤0.20 ≤3.0 ≤0.2 ≤0.2 ≤4.0
분석결과 66 0.08 1.12 0.15 0.013 1.27
이러한 니오븀이 첨가된 STS430M은 실리콘 탈산법을 사용하는 강종으로, 실리콘 탈산 후 주조래들 처리(LT : Ladle Treatment) 공정에서 니오븀 첨가를 위해 철-니오븀을 투입하고 있다. 도 1은 산소-실리콘-알루미늄의 이론적 평형 농도를 나타낸 그래프이다. 상기 철-니오븀에 포함된 알루미늄은 도 1에서 보는 바와 같이, 실리콘에 비해 탈산력이 강하기 때문에 소량이 첨가되어도 실리콘 탈산 후에 용강 중의 산소와 결합하여 알루미늄 산화물(Al2O3)을 형성하게 된다.
이렇게 발생된 알루미늄 산화물은 연속주조 시 턴디쉬로부터 수냉 몰드에 용강을 주입하는 역할을 하는 침지노즐의 내측면에 부착되어 구경이 좁아지거나 막힘으로써, 주조속도가 저하되거나 주조가 중단되는 문제점이 있다. 침지노즐 내측면에 형성되는 부착물은 주로 10㎛ 크기의 스피넬(Spinnel) 상의 알루미나(Al2O3)로 이루어져 있다. 이러한 산화물은 주조 진행 중에 점차적으로 부착, 성장하여, 침지노즐의 내측면에 두터운 층을 형성하게 된다. 도 2는 침지노즐에 부착된 산화물 및 냉연 코일 결함 개재물의 전자현미경 분석 결과를 나타내는 그래프이다. 이에 의해 도 2에서 보는 바와 같이 침지노즐의 막힘을 유발시키며, 부착물 탈락에 의해 대형 개재물이 되어 제품인 코일에서 개재물에 의한 결함을 유발시키는 문제점이 있다.
이에 따라, 철-니오븀 투입 시 첨가되는 알루미늄에 의해 연주 침지노즐 막힘이나 코일 결함이 발생하는 것을 주조 전에 방지하기 위해서는 산화물 저감 및 산화물의 조성 변경이 필요하다. 현재, 산소탈탄(AOD:Argon-Oxygen Decarburization) - 주조래들 처리(LT:Ladle Treatment) - C/C의 프로세스를 거치는 STS430M의 경우, 주조래들 처리 공정 시 진공산소탈탄(VOD:Vacuum Oxygen Decarburization)과 같은 강한 교반을 할 수가 없다. 이에 의해 철-니오븀 투입 후 발생하는 알루미늄 산화물의 저감을 위한 조치가 부족한 실정이다.
이에 따라, 알루미늄 산화물의 포집 능력을 강화하기 위한 버블링(Bubbling) 기준 정립이 필요하다. 또한, 알루미늄 산화물은 용강 중에서 고융점(2000℃)의 고상으로 존재하여 응고 후에 코일의 표면결함을 유발시키므로, 알루미늄 산화물에 의해 표면 결함이 발생하지 않도록 알루미늄 산화물의 조성을 변경할 필요가 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 알루미늄 산화물의 분리부상을 통해 용강 중 알루미늄 산화물 수를 저감할 수 있으며, 칼슘을 투입하여 용강 중의 알루미늄 산화물을 저융점 개재물로 변경시킬 수 있는 니오븀이 첨가된 스테인리스강의 제조방법을 제공하는 데 있다.
본 발명은 중량%로, Cr:15~25%, Nb:0.1~1%를 구비하며, 아르곤 산소 탈탄(AOD) 정련로에서 스테인리스 용강을 탈탄하고 실리콘으로 탈산하는 정련공정을 포함하는 니오븀이 첨가된 스테인리스강의 제조방법에 있어서, 주조래들 처리 공정에서 철-니오븀을 1~10kg/ton-steel(용강중량을 기준)을 투입하고, 슬래그가 10~50kg/ton-steel(용강중량 기준)이 있는 상태에서 버블링을 13~60분 실시하는 단계; 및, 최종 주조래들 처리 공정에서 합금철 투입으로 성분을 조정한 후 칼슘을 철-니오븀량을 기준으로 0.01~0.2kg/kg-FeNb를 투입하는 단계;를 포함한다.
또한, 상기 버블링은 아르곤 가스 버블링인 것이 바람직하다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면 알루미늄 산화물의 분리부상을 통해 용강 중 알루미늄 산화물 수를 저감할 수 있으며, 칼슘을 투입하여 용강 중의 알루미늄 산화물을 저융점 개재물로 변경시킴으로써, 연속주조 시 침지노즐의 막힘 현상이 방지될 뿐만 아니라 제품인 코일 표면에 산화 개재물성 결함이 발생하는 것을 저감할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 실시예를 도시한 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 니오븀이 첨가된 스테인리스강의 제조방법을 구체적으로 설명한다.
본 발명의 중량%로 크롬을 15~25% 포함하며, 니오븀이 첨가된 스테인리스강의 제조방법은, 먼저 아르곤 산소 탈탄(AOD) 정련로에서 스테인리스 용강을 탈탄하고 실리콘으로 탈산하는 정련공정을 행한다.
그리고, 주조래들 처리 공정에서 철-니오븀을 1~10kg/ton-steel(용강중량 기준)을 투입하고, 슬래그가 10~50kg/ton-steel(용강중량 기준) 있는 상태에서 버블링을 13~60분 실시한다. 이때, 주조래들 처리 공정 전 단계에서 생성된 슬래그를 이용하여 대기 하에서 미세 성분 및 온도 조정을 위한 아르곤 버블링을 13~60분 실시한다. 이로 인해 알루미늄 산화물이 분리부상되면서 알루미늄 산화물의 포집 능력을 향상시켜 용강 중 알루미늄 산화물 수를 저감시킬 수 있다.
이후, 최종 주조래들 처리 공정에서 합금철 투입으로 성분을 조정한 후 칼슘을 철-니오븀량을 기준으로 0.01~0.2kg/kg-FeNb를 투입한다. 칼슘 투입에 의해 용강 중의 고융점 알루미늄 산화물이 저융점 알루미늄(CaO-Al2O3) 개재물로 변경된다.
이러한 본 발명의 제조방법에 따르면 알루미늄 산화물의 저감 또는 조성 변화를 통해 연속주조 시 침지노즐의 막힘 현상 방지될 뿐만 아니라 제품 표면의 개재물성 결함을 감소시킬 수 있다.
본 발명의 제조방법은 STS430M의 제조에 적용되며, STS430M강의 대표적인 조성은 중량%로 C:0~0.02%, Si:0.3~0.7%, Cr:16.3~16.6%, Nb:0.2~0.4%, N:0~0.015%를 포함하여 이루어진다. STS430M강과 같은 강종은 실리콘을 탈산제로 사용하는데, 철-니오븀에 포함되어 있는 알루미늄은 실리콘보다 탈산력이 강하다. 그렇기 때문에 탈산 후에도 알루미늄은 용강 중 산소와 반응하여 알루미늄 산화물을 생성하게 된다. 이러한 알루미늄 산화물 저감을 위해 주조 전에 효과적으로 제어하여 노즐 막힘이나 코일에서의 결함이 발생하지 않는 수준으로 할 필요가 있다.
따라서, 주조래들 처리 공정에서 니오븀 첨가를 위해 철-니오븀을 1~10kg/ton-steel(용강중량 기준) 투입한 후 슬래그가 10~50kg/ton-steel(용강중량 기준) 있는 상태에서 아르곤 버블링을 강화하여 알루미늄 산화물을 분리부상을 통해 저감시킨다. 그리고, 철-니오븀량을 기준으로 0.01~0.2kg/kg-FeNb의 칼슘 투입을 통해 고융점의 알루미늄 산화물을 저융점의 알루미늄 화합물로 만들어 침지노즐 내측면에 개재물 부착을 저감하고, 코일 표면에서의 결함 발생을 억제할 수 있다.
이하에서는 알루미늄 산화물 저감을 위해 슬래그를 이용한 아르곤 버블링 방법에 대하여 설명한다.
도 3은 용강 중 개재물의 분리부상 단계를 나타내는 모식도이다.
도 3을 참조하면, 용강 중에 떠있는 알루미늄 산화물인 개재물은 다음의 3단 계를 거쳐 제거된다.
먼저, 철-니오븀에 포함된 알루미늄을 투입하여 용강에서 부상에 의해 알루미늄 산화물이 금속의 표면 쪽으로 이동한다. 이때, 투입되는 철-니오븀은 용강중량 기준으로 1~10kg/ton-steel만큼 투입한다. 투입되는 철-니오븀이 1kg/ton-steel 이하이면, 일반적으로 니오븀이 첨가된 스테인리스강에서 필요한 조성인 0.1~1%보다 니오븀이 부족하게 되고, 10kg/ton-steel 이상이면, 알루미늄 산화물이 과다하게 증가되는 문제가 있다. 그 후에는 분리부상되는 알루미늄 산화물의 양을 증가시키기 위해서 충분한 버블링이 필요하며, 바람직한 버블링 시간은 13~60분이다. 버블링이 13분 이하로 진행될 경우 알루미늄 산화물의 분리부상이 제대로 이루어지지 않게 되고, 60분 이상으로 진행될 경우 조업시간이 길어질 수 있다. 또한, 알루미늄 산화물의 흡수능을 충분히 유지하기 위해 슬래그는 10~50kg/ton-steel(용강중량 기준)만큼 필요하다. 슬래그가 10kg/ton-steel 이하이면, 개재물 포집이 부족하게 되며, 50kg/ton-steel 이상이면, 슬래그가 너무 많아서 용강의 미세 성분 조정 시에 투입하는 다른 합금철의 실수율을 저하시키는 문제가 있다.
상기와 같이 아르곤 버블링 단계를 거친 뒤에도 남아있는 고융점 알루미늄 산화물은 칼슘 첨가를 통해 저융점의 화합물로 조성을 변경한다.
이하에서는 고융점의 알루미늄 산화물을 저융점 화합물로 변경하는 방법에 대하여 설명한다.
칼슘을 투입하면, 하기와 같은 반응식에 의해 융점이 약 1800℃인 알루미늄 산화물(Al2O3)과 융점이 약 2700℃인 산화칼슘(CaO)이 반응하여, 융점이 약 1350℃인 저융점의 CaO-Al2O3가 생성된다.
Al2O3 + CaO = CaO-Al2O3
즉, 고융점의 Al2O3와 CaO가 반응하여 저융점의 CaO-Al2O3를 생성함으로써, 주조온도인 1530℃에서 CaO-Al2O3는 액체 상태로 존재하게 된다. 이에 의해 알루미늄 산화물이 침지노즐에 부착되는 것을 방지할 수 있을 뿐만 아니라 개재물에 의한 표면 결함 발생을 방지할 수 있다.
본 발명에서 알루미늄 산화물을 저융점화하기 위한 칼슘의 투입량을 철-니오븀 투입량 기준으로 0.01~0.2kg/kg-FeNb를 투입하였다. 알루미늄이 철-니오븀에 포함되어 있으므로, 철-니오븀의 투입량이 증가하면 알루미늄의 양도 늘어나기 때문에 철-니오븀 투입량을 기준으로 하였다. 여기서, 칼슘 농도가 0.01kg/kg-FeNb이하이면, 알루미늄 산화물과 반응하기 위한 칼슘량이 부족하여 상기 반응이 충분히 발생하지 못하여 용강 중 알루미늄 산화물이 잔류하게 된다. 그리고, 칼슘 농도가 0.2kg/kg-FeNb이상이면, 알루미늄 산화물과 반응하는데는 충분한 양이지만, 스테인리스강에서 칼슘 농도가 과다하게 되면 내식성이 저하된다.
이하, 실시예에 의해 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
(실시예)
본 발명의 실시예에서는 니오븀 첨가를 위해 철-니오븀을 투입하는 STS430M강을 선정하였다. STS430M강의 조성은 중량%로 C:0~0.02%, Si:0.3~0.7%, Cr:16.3~16.6%, Nb:0.2~0.4%, N:0~0.015%를 포함하여 이루어진다.
본 발명의 실시예에서는 주조래들 처리 공정에서 철-니오븀을 용강중량을 기준으로 1~10kg/ton-steel을 투입하고, 슬래그가 10~50kg/ton-steel(용강중량 기준) 있는 상태에서 버블링을 13~60분 실시하였다. 그리고, 최종 주조래들 처리 공정에서 합금철 투입으로 성분을 조정한 후 칼슘을 철-니오븀량을 기준으로 0.01~0.2kg/kg-FeNb를 투입하였다. 이때, 칼슘은 공업적으로 칼슘-실리콘의 합금 형태로 투입하게 되는데, 칼슘-실리콘 중의 칼슘 함량은 일반적으로 20~50% 정도이며, 칼슘을 원단위로 환산하여 투입량을 결정하였다.
도 4는 본 발명에 따른 연속주조 침지노즐의 내부 사진 및 턴디시 개도율과 주조속도를 나타내는 그래프이다.
도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 침지노즐 내측면에 형성되는 부착물의 두께는 0.5㎜ 이하로, 기존의 방법(도 1)에서 침지노즐에 형성되는 부착물의 두께가 평균 10㎜로 형성되는 것과 비교하여 매우 양호한 결과가 얻어짐을 알 수 있다.
개도율은 턴디시 슬라이드 게이트(Slide gate)의 개도율로, 용강이 턴디시에서 몰드로 주입 시, 주입구의 크기 조절이 필요하게 된다. 이는 일정량의 용강을 흘려보내기 위함이며, 이때 비금속 개재물이 많을 경우, 침지노즐에 개재물이 부착되어 주입구를 막게 된다. 이에 따라, 개도율 상승은 개재물의 많고 적음을 판단하는 간접적인 기준이 될 수 있다. 또한, 침지노즐이 개재물로 막히지 않더라도 주조속도를 높이기 위해 용강을 더 많이 흘려야 하기 때문에 개도율이 증가할 수 있다. 이에 의해 주조속도는 변하지 않는데 개도율이 변했다는 것으로, 개재물에 의한 막힘 현상이 있으며, 용강 중에 개재물이 많아 제품에서 결함이 발생할 확률이 높아진다는 것을 의미한다.
도 5는 기존재와 발명재의 냉연결함률 및 침지노즐 막힘에 의한 용강반송률을 비교한 그래프이다.
도 5를 참조하면, 기존재의 냉연결함률이 4.1%인데 비해, 발명재의 냉연결함률은 0%를 나타내는 것을 볼 수 있다. 또한, 침지노즐 막힘이 없는 본 발명의 용강반송률 또한 0%를 나타내는 것으로 보아, 발명재는 기존재에 비해 냉연결함률 및 용강반송률이 크게 감소한 것을 알 수 있다.
이상에서와 같이, 본 발명에 따르면, 니오븀 첨가를 위해 철-니오븀을 투입하는 스테인리스강의 연속주조 시에 턴디시로부터 수냉몰드에 용강을 주입하는 침지노즐 내측면에 부착물이 형성되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 제품인 코일 표면에 개재물성 결함을 감소시킬 수 있다.
전술한 실시예에서는 STS430M강을 예를 들어 설명하였지만, 니오븀이 첨가된 모든 스테인리스강에 적용할 수 있음은 물론이다.
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.
도 1은 산소-실리콘-알루미늄의 이론적 평형 농도를 나타내는 그래프.
도 2는 침지노즐에 부착된 산화물 및 냉연 코일 결함 개재물의 전자현미경 분석 결과를 나타내는 도면.
도 3은 용강 중 개재물의 분리부상 단계를 나타내는 모식도.
도 4는 본 발명에 따른 연속주조 침지노즐의 내부 사진 및 턴디시 개도율과 주조속도를 나타내는 그래프.
도 5는 기존재와 발명재의 냉연결함률 및 침지노즐 막힘에 의한 용강반송률을 비교한 그래프.

Claims (2)

  1. 중량%로, Cr:15~25%, Nb:0.1~1%를 구비하며, 아르곤 산소 탈탄(AOD) 정련로에서 스테인리스 용강을 탈탄하고 실리콘으로 탈산하는 정련공정을 포함하는 니오븀이 첨가된 스테인리스강의 제조방법에 있어서,
    주조래들 처리 공정에서 철-니오븀을 1~10kg/ton-steel(용강중량을 기준)을 투입하고, 슬래그가 10~50kg/ton-steel(용강중량 기준)이 있는 상태에서 버블링을 13~60분 실시하는 단계; 및,
    최종 주조래들 처리 공정에서 합금철 투입으로 성분을 조정한 후 칼슘을 철-니오븀량을 기준으로 0.01~0.2kg/kg-FeNb를 투입하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 니오븀이 첨가된 스테인리스강의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 버블링은 아르곤 가스 버블링인 것을 특징으로 하는 니오븀이 첨가된 스테인리스강의 제조방법.
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