KR20100022287A

KR20100022287A - 표면 품질이 우수한 선재용 주편 제조방법

Info

Publication number: KR20100022287A
Application number: KR1020080080892A
Authority: KR
Inventors: 서일권; 현영준; 이민구
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2008-08-19
Filing date: 2008-08-19
Publication date: 2010-03-02
Also published as: KR100971251B1

Abstract

본 발명은 선재용 주편을 제조하는 연주 공정의 조업 조건 중에서 주조속도, 모울드 EMS의 전류치 및 턴디쉬 스토퍼로부터 분사되는 불활성 가스의 유량을 최적화하여 핀홀, 선상흠과 같은 표면 결함을 감소시켜 우수한 표면 품질을 확보할 수 있도록 해주는 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 기술구성은, C: 0.60중량% 이하, Si: 0.5중량% 이하, P: 0.04중량% 이하, S: 0.04중량% 이하, Al: 0.01 ~ 0.15중량%, Mn: 2.0중량% 이하, Cr: 2.4중량% 이하, Mo: 0.5중량% 이하, B: 40ppm 이하, 나머지는 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어진 용강을 연주 공정을 통해 선재용 주편을 제조하는 방법에 있어서, 상기 연주 공정의 조업 조건 중에서 주조속도를 0.50 ~ 0.90 m/min, 모울드 EMS(8)의 전류치를 250 ~ 450 Amp, 턴디쉬 스토퍼(16)에서 분사되는 불활성 가스의 유량을 1.0 ~ 2.0 ℓ/min로 각각 제어하도록 구성된다.

선재, 주편, 연속주조, 주조속도, 모울드 EMS, 아르곤 가스

Description

표면 품질이 우수한 선재용 주편 제조방법{METHOD FOR MANUFACTURING CASTING STRIP FOR WIRE CORD WITH EXCELLENT SURFACE QUALITY}

본 발명은 표면 품질이 우수한 선재용 주편 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 선재용 주편을 연속주조함에 있어 주조속도 등 연주 공정의 조업 조건을 최적화함으로써 핀홀, 선상흠 등과 같은 표면 품질의 저하 요인을 감소시킬 수 있도록 마련된 제조방법에 관한 것이다.

냉간 압조용 선재는 상온에서의 압조 가공을 통해 볼트, 너트, 스크루 및 각종 샤프트를 제조하는 강종으로, 강의 표면에 존재하는 선상흠과 같은 결함이 냉간 가공시에 크랙을 유발하기 때문에 우수한 표면 품질이 요구된다.

냉각 압조용 선재의 주편에 발생하는 표면 결함은 표면 검사 후 연마, 스카핑(Scarfing) 등의 후공정을 통해 제거가 가능하지만, 연주 공정에서 표면 결함이 다량으로 발생하게 되면 검사 및 연마 공정을 통해서도 완벽한 제거가 곤란하다. 그 결과 잔존하게 되는 표면 결함은 고객사의 냉간 압조 가공시에 제품의 절손을 초래하고, 나아가 자동차의 기계부품으로 사용된 후에 부품의 절손을 가져와 심한 경우 자동차 안전사고의 원인이 되기도 한다.

이와 같이, 냉각 압조용 선재를 제조하기 위한 주편의 표면 결함은 최종 제품의 구조적 안정성을 저하시키는 근본 원인이 되므로, 주편의 제조 단계에서부터 우수한 표면 품질을 확보할 수 있도록 해주는 방법이 요구된다.

도 1 및 도 2에는 종래의 연주 공정을 통해 제조되는 주편의 표면에 발생된 표면 결함의 일 예가 개시되어 있다. 도 1에서 보는 바와 같이, 종래의 연속주조 기술로는 주편의 표면에 핀홀(흰색 원 내에 존재함)이 불가피하게 발생되며, 이 핀홀들은 선재 압연 후에 선상흠, 심(seam) 형태로 확대된다. 도 2에는 핀홀이 선재 압연 후 선상흠으로 확대된 형태가 개시되어 있다. 현장 양산 시에 발생되는 핀홀, 선상흠 등의 표면 결함은 후공정인 검사 및 연마 작업의 부하로 작용하며, 최종 제품의 표면 품질의 저하시켜 고객사 크레임(claim)의 주요 원인이 되고 있다.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 선재용 주편을 제조하는 연주 공정의 조업 조건 중에서 주조속도, 모울드 EMS의 전류치 및 턴디쉬 스토퍼로부터 분사되는 불활성 가스의 유량을 최적화하여 핀홀, 선상흠과 같은 표면 결함을 감소시켜 우수한 표면 품질을 확보할 수 있도록 해주는 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 상기 모울드 EMS는 연속 주조기의 모울드 둘레에 설치되고, 다상 교류 전압을 상기 모울드에 따라 배치된 전자석에 연결하여 이동 자기장을 형성함으로써 이 이동 자기장이 용강을 교반시켜 균일한 응고를 유도하도록 구성된다.

또한, 상기 불활성 가스는 아르곤 가스(Ar)를 사용하는 것이 바람직하다.

상기와 같이 구성된 본 발명에 따르면, 연주 공정 중에서 응고의 균일성이 향상되어 주편의 표면에 발생하는 핀홀의 갯수가 현저히 감소되며, 그 결과 선재 압연 공정 후에도 선상흠과 같은 표면 결함이 감소되어 최종 제품의 우수한 표면 품질을 확보할 수 있다.

또한, 핀홀, 선상흠과 같은 표면 결함이 크게 감소되므로, 후공정인 검사 및 연마 공정의 부하가 경감되어 작업 생산성도 향상된다.

이하에서 첨부된 도면을 참조로 본 발명에 따른 구체적인 실시예를 상세히 설명한다.

본 발명은 냉간 압조용 선재의 표면 결함을 감소시키고자 개발된 것이므로, 냉간 압조용 선재, 보다 상세하게는 C: 0.60중량% 이하, Si: 0.5중량% 이하, P: 0.04중량% 이하, S: 0.04중량% 이하, Al: 0.01 ~ 0.15중량%, Mn: 2.0중량% 이하, Cr: 2.4중량% 이하, Mo: 0.5중량% 이하, B: 40ppm 이하, 나머지는 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어진 냉간 압조용 선재를 대상으로 한다(하한치를 규정하지 않은 합금성분도 조업 상 반드시 용강 내에 포함되는 것이므로 0 중량%는 제외한다)

상기 냉간 압조용 선재의 합금성분 및 그 함량의 임계적 의의를 간단히 설명한다. 먼저, C는 0.6중량% 이하, Si는 0.5중량% 이하로 제어하는 것이 바람직하다. 왜냐하면, 상기 조성을 초과한 C와 Si가 용강 내에 함유되면 냉간 압조의 가공성을 저하시켜 다이스 마모, 수명 단축 등을 초래하기 때문이다.

P와 S는 공히 0.04중량% 이하로 제어하는 것이 바람직하다. 왜냐하면, P의 함량이 0.04중량%를 초과하면 결정입계에 편석되어 인성을 저하시키고, S의 함량이 0.04중량%를 초과하면 황화물과 같은 유해한 개재물을 형성하기 때문이다.

Al은 0.01 ~ 0.15중량%로 제어하는 것이 바람직하다. 왜냐하면, Al의 함량이 0.01중량% 미만이면 제강 공정에서의 탈산 효과가 미미하고, 0.15중량%를 초과하면 용강 중의 산소와 결합하여 유해한 개재물을 형성하기 때문이다.

Mn은 2.0중량% 이하, Cr은 2.4중량% 이하, Mo은 0.5중량% 이하 및 B은 40ppm 이하로 제어하는 것이 바람직하다. 왜냐하면, 소입성 향상을 위해 첨가되는 상기 합금성분들이 상기 함량을 초과하게 되면 소입성 향상에는 한계가 있는 반면에 오히려 인성을 저하시키는 원인이 되기 때문이다.

제강 공정을 통해 상기와 같은 조성을 갖도록 제어된 용강은 연주 공정을 통해 냉간 압조용 선재를 위한 주편으로 제조된다. 연주 공정은 용강을 모울드에 주입하고 연속주조기를 통과하면서 냉각, 응고되도록 하여 연속적으로 슬래브나 블룸, 빌릿 등의 중간 소재를 만드는 공정이다. 이 과정에서 만들어진 블룸은 다시 강편 압연기를 거쳐 빌릿으로 변하며 선재 압연기를 통해 선재로 최종 가공된다. 본 발명에서 주편은 연주 공정에서 제조되어 선재로 최종 가공되기 전의 중간 소재인 블룸, 빌릿 등을 의미하는 것으로 사용된다.

앞서 설명한 바와 같이 냉간 압조용 선재를 위한 주편은 핀홀이나 선상흠과 같은 표면 결함이 없는 우수한 표면 품질이 요구되며, 이러한 표면 품질은 연주 공정에서 응고의 균일성이 확보될 수 있도록 조업 조건을 최적화함으로써 달성할 수 있다.

본 발명자는 주편의 응고 균일성을 확보할 수 있는 연주 공정의 조업 조건으로서, 주조속도, 모울드 EMS의 전류치 및 턴디쉬 스토퍼로부터 분사되는 불활성 가스의 유량을 선택하고, 여러 번의 실험을 통해 이를 최적화한 것이다. 이하에서는 3가지 조업 조건의 기능과 수치 한정의 임계적 의의에 대해 상세히 설명한다.

먼저, 냉간 압조용 선재를 위한 주편의 표면 결함을 감소시키기 위해서는 연주 공정의 주조속도를 0.50 ~ 0.90 m/min으로 제어하는 것이 바람직하다. 주조속도는 노즐의 막힘 등으로 인해 용강의 주입이 원활하지 않은 경우와 같이 여러 상황에 대응하여 하나의 주편을 제조하는 중간에도 실시간으로 변화될 수 있다. 그러나, 주조속도가 급격하게 변화되면 주편의 길이 방향에 따라 응고가 불균일하게 발생하고 그 결과 주편의 표면에 다량의 핀홀이 발생하게 된다.

따라서, 가급적 하나의 주편을 제조하는 조업 중에는 주조속도를 일정 범위 내로 제어하여 크게 변화되지 않도록 하는 것이 바람직하다. 주조속도가 0.50 m/min 미만이 되면 용강의 주입 초기에 응고가 발생하여 균일한 응고가 어렵고, 주조속도가 0.90 m/min을 초과하면 브레이크 아웃(Break out) 등이 발생하여 조업 자체가 어렵다.

한편, 본 발명에 따르면 냉간 압조용 선재를 위한 주편의 표면 결함을 감소시키기 위한 또 다른 조업 조건으로 모울드 EMS의 전류치를 250 ~ 450 Amp로 제어하는 것이 바람직하다.

EMS(Electro Magnetic Stirring)는 전자기 교반장치로서 연속주조 설비 내에 장착되어 용강을 교반시킴으로써 균일한 응고를 유도한다. 즉 EMS는 주조 중에 미응고 용강에 자장을 걸어서 강제 용강류를 발생시킴으로써 건전한 주조조직을 만드는데 그 원리는 다음과 같다.

유도 코일에 전류를 흘려 보내 발생시킨 자장이 미응고 용강에 걸리면 맴돌이 전류(Eddy Current)가 발생하고, 이 맴돌이 전류와 자장이 서로 작용하여 힘을 발생시켜 미응고 용강을 강제 유동시킨다. 이 강제 유동된 미응고 용강이 응고 계면을 스치고 지나가면서 계면 사이에 성장하던 수지상 가지를 절단시키고, 이 절단된 수지상 가지 파편들이 응고핵으로 작용하든지 또는 재용해되어 용강 과열도나 온도구배를 낮춤으로써 등축정 생성을 촉진시켜서 주편의 등축정대를 넓혀주게 된다.

EMS는 그 설치 위치 및 목적에 따라 모울드 EMS(Mold EMS, M-EMS), 스트랜드 EMS(Strand EMS, S-EMS), 파이널 EMS(Final EMS, F-EMS)로 구분된다. 모울드 EMS는 연속주조 설비의 모울드에 설치되어 핀홀 저감, 개재물 분리부상, 표면크랙 저감 등과 같은 주편 표면 품질의 향상을 가져오는 것이고, 스트랜드 EMS는 2차 냉각대에 설치되어 내부크랙 저감, 중심편석 감소 등과 같은 내부 품질의 향상을 가져오는 것이며, 파이널 EMS는 응고 말단에 설치되어 중심편석 감소, 중심 공극률(Porosity) 저감 등과 같은 편석의 분산 효과를 가져오는 것이다.

이러한 3가지 EMS 장치 중에서 스트랜드 EMS와 파이널 EMS는 그 설치 위치로 볼 때 이미 주편의 표면 응고가 이미 진행된 상태에서 사용되는 것이어서, 주편의 표면 품질에 영향을 미치지 못한다. 본 발명자는 이러한 점을 고려하여 주편의 표 면 품질의 향상을 목적으로 설치된 모울드 EMS의 전류치 제어를 최적화함으로써 핀홀 저감 등과 같은 표면 품질 향상 효과를 달성한 것이다.

도 3에는 본 발명에 따른 모울드 EMS가 설치된 연속주조 설비의 일 예가 도시되어 있다.

턴디쉬(1)로부터 침지 노즐(6)을 통해 박스 형태의 모울드(3)로 용강(2)이 공급되면, 모울드(3)의 내벽에서부터의 냉각으로 인해 기다란 스트랜드의 응고가 바깥쪽에서부터 시작되어 중심쪽으로 진행된다. 스트랜드가 모울드(3)에서 배출되는 지점에서부터 비응고된 중심(5)을 둘러싼 응고된 케이싱(4)이 적어도 하나 이상의 가이드 롤러(7)에 의해 지지 이송되면서 주편이 연속적으로 주조된다.

이 때, 모울드(3) 내에서 용강의 유동을 일정하게 하여 모울드(3)의 단면 전체에서 균일한 하방 속도를 얻기 위해서는 용강(2)의 상부면에서 일정하고 안정적인 온도를 달성하는 것이 중요하다. 모울드(3)의 둘레에 설치된 모울드 EMS(8)는 다상 교류 전압을 모울드(3)에 따라 배치된 전자석에 연결하여 이동 자기장을 형성하고, 이 이동 자기장이 용강(2)을 교반시켜 상부면 영역에서의 온도 편차를 감소시켜 줌으로써 균일한 응고를 유도한다. 이 응고의 균일성은 곧 핀홀과 같은 표면 결함 갯수의 감소로 나타난다.

상기한 바와 같이 본 발명에 따르면 상기 모울드 EMS(8)의 전류치를 250 ~ 450 Amp로 제어한다. 모울드 EMS(8)의 전류치가 클수록 용강(3)의 교반 효과가 증가되는데, 전류치가 250 Amp 미만이 되면 후술하는 불활성 가스의 배출이 원활하게 이루어지지 못해 개재물에 의한 용강 막힘 현상이 발생할 수 있고, 전류치가 450 Amp을 초과하면 과도한 교반력으로 인해 안정적인 응고가 방해되므로 오히려 응고의 균일성을 저해하게 된다.

냉간 압조용 선재를 위한 주편의 표면 결함을 감소시키기 위한 본 발명의 마지막 조업 조건으로 턴디쉬 스토퍼에서 분사되는 불활성 가스의 유량을 1.0 ~ 2.0 ℓ/min로 제어하는 것이 바람직하다.

도 4에는 본 발명에 따른 턴디쉬 스토퍼(16)가 설치된 연속주조 설비의 일 예가 도시되어 있다.

턴디쉬 스토퍼(16)는 턴디쉬(12)의 바닥면에 형성되고 침지 노즐(14)과 연결되는 배출공을 선택적으로 개폐할 수 있도록 설치되어 모울드로 주입되는 용강(11)의 유량을 제어한다. 턴디쉬 스토퍼(16)가 상승하여 침지 노즐(14)을 개공하면 용강 내 비금속 개재물 등이 유입되어 노즐의 막힘 현상을 유발시키므로, 이를 방지하기 위해 턴디쉬 스토퍼(16)의 내부에 설치된 가스 유입관(19), 디바이더(17) 및 원주 방향으로 일정 간격 형성된 분사구(18)를 통해 침지 노즐(14)의 주위에 불활성 가스의 버블링(15)을 실시한다. 미설명 부호 11은 전로로부터 용강을 운반하는 래들이다.

이 턴디쉬 스토퍼(16)에 의한 불활성 가스의 버블링은 주편의 표면 품질에 상당한 영향을 미치는데, 불활성 가스의 유량이 1.0 ℓ/min 미만이 되면 버블링이 약하여 노즐 막힘 현상이 발생하고 이는 주조 속도를 저하시켜 응고의 불균일성을 유발한다. 반면 불활성 가스의 유량이 2.0 ℓ/min를 초과하게 되면 과도한 버블링에 의해 오히려 표면 핀홀의 갯수를 증가시킨다.

한편, 상기 불활성 가스로는 질소 가스, 아르곤 가스 등이 사용될 수 있으나, 본 발명에서는 용강 내에서 다른 성분과의 화학적 반응이 일어나지 않아 가장 안정적인 아르곤 가스를 사용하는 것이 바람직하다.

이상에서 설명한 본 발명에 따른 표면 품질이 우수한 선재용 주편의 제조방법의 효과를 알아보기 위해 다음과 같은 실험을 실시하였다. 먼저, 연속주조의 조업 조건을 적용하기 위한 기본 소재로서 하기 표 1에 기재된 바와 같이 4가지 조성(단위: 중량%)으로 된 용강을 준비한다.

[표 1]

종류	C	Si	Mn	P	S	Al	Cr	Mo	B(ppm)
용강1	0.35	0.19	0.75	0.01	0.01	0.03	1.06	0.18	1
용강2	0.35	0.20	0.74	0.02	0.01	0.04	1.05	0.19	1
용강3	0.35	0.19	0.75	0.01	0.01	0.04	1.06	0.19	1
용강4	0.45	0.20	0.73	0.02	0.01	0.03	0.16	0.18	1

이와 같이 구성된 4가지 조성의 용강에 대해 주조속도, 모울드 EMS의 전류치, 아르곤 가스의 유량에 대한 조업 조건을 다르게 설정하여 주편을 제조한 후, 주편 당 핀홀 갯수, 주편 당 선상흠의 갯수/평균 길이/깊이(길이, 깊이의 단위: mm)를 측정하였는 바, 그 결과는 하기 표 2와 같다.

[표 2]

종류	주조속도 (m/min)	모울드 EMS (Amp)	아르곤 유량 (ℓ/min)	핀홀 개수	선상흠 개수 (평균길이/깊이)	구분
용강1	0.71	269	1.4	1.5	11(275/0.3)	실시예1
용강2	0.68	267	1.7	4.0	20(275/0.3)	실시예2
용강3	0.69	268	2.4	12.5	42(277/0.5)	비교예1
용강4	0.67	200	2.5	19.5	68(276/0.3)	비료예2

실시예1, 2는 본 발명에 따른 조성 및 연주 공정의 조업 조건을 모두 만족하였고, 비교예1은 아르곤 가스의 유량, 비교예2는 모울드 EMS의 전류치 및 아르곤 가스의 유량이 본 발명의 조업 조건을 벗어난 것이다. 실험 결과 실시예1,2는 핀홀 개수 및 선상흠 개수(평균 길이/깊이) 면에서 비교예1,2에 비해 매우 작은 값을 나타내었는 바, 이는 본 발명에 따른 표면 품질의 향상 효과가 매우 우수하다는 것을 의미한다.

도 1은 선재용 주편의 표면에 형성된 핀홀 결함을 나타낸 사진.

도 2는 선재용 주편의 표면에 형성된 선상흠을 나타낸 사진.

도 3은 본 발명에 따른 연주 공정을 도시한 도면.

도 4는 본 발명에 따른 턴디쉬 스토퍼를 도시한 도면.

※도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명※

1: 턴디쉬 2: 용강

3: 모울드 4: 케이싱

5: 비응고된 중심 6: 침지 노즐

7: 가이드 롤러 8: 모울드 EMS

10: 래들 11: 용강

12: 턴디쉬 13: 탕면

14: 침지 노즐 15: 아르곤 가스

16: 턴디쉬 스토퍼 17: 디바이더

18: 분사구 19: 가스 도입관

Claims

C: 0.60중량% 이하, Si: 0.5중량% 이하, P: 0.04중량% 이하, S: 0.04중량% 이하, Al: 0.01 ~ 0.15중량%, Mn: 2.0중량% 이하, Cr: 2.4중량% 이하, Mo: 0.5중량% 이하, B: 40ppm 이하, 나머지는 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어진 용강을 연주 공정을 통해 선재용 주편을 제조하는 방법에 있어서,

상기 연주 공정의 조업 조건 중에서 주조속도를 0.50 ~ 0.90 m/min, 모울드 EMS의 전류치를 250 ~ 450 Amp, 턴디쉬 스토퍼에서 분사되는 불활성 가스의 유량을 1.0 ~ 2.0 ℓ/min로 각각 제어하는 것을 특징으로 하는 표면 품질이 우수한 선재용 주편의 제조방법.
청구항 1에 있어서,

상기 모울드 EMS는 연속 주조기의 모울드 둘레에 설치되고, 다상 교류 전압을 상기 모울드에 따라 배치된 전자석에 연결하여 이동 자기장을 형성함으로써 이 이동 자기장이 용강을 교반시켜 균일한 응고를 유도하도록 구성된 것을 특징으로 하는 표면 품질이 우수한 선재용 주편의 제조방법.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,

상기 불활성 가스는 아르곤 가스(Ar)인 것을 특징으로 하는 표면 품질이 우수한 선재용 주편의 제조방법.