KR20100075180A - 페라이트계 스테인레스강 제조방법 - Google Patents

페라이트계 스테인레스강 제조방법 Download PDF

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Abstract

페라이트계 스테인레스강 제조시 발생되는 개재물로 인한 굽힘 가공시 발생되는 제품상의 결함을 최소화하기 위하여 슬라그를 이용하여 개재물을 포집하여 그 수를 줄이고, Ti를 첨가하여 개재물의 조성을 변화시킨 페라이트계 스테인레스강 제조방법이 소개된다. 본 발명에 따른 페라이트계 스테인레스강 제조방법은 전기로에서 1차 정련된 용강에 Si를 첨가하여 단독 탈산하는 아르곤 산소 정련 과정(S10); 상기 아르곤 산소 정련과정에서 출강된 용강 중에 혼입된 개재물이 용강 중에서 분리되어 부상될 수 있도록 합금철 투입전까지 아르곤 가스를 주입하고 5-20분간 버블링하는 과정(S24)을 포함하는 래들 처리 과정(S20); 및 래들처리된 용강을 냉각, 응고시켜 중간재를 제조하는 연속 주조 과정(S30)을 포함한다.
페라이트계, 스테인레스강, 정련, 버블링, 주조

Description

페라이트계 스테인레스강 제조방법{METHOD FOR MANUFACTURING FERRITIC STAINLESS STEEL}
본 발명은 페라이트계 스테인레스강 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 페라이트계 스테인레스강 제조시 발생되는 개재물을 슬라그를 이용하여 포집하고, Ti를 이용하여 개재물의 조성을 변화시켜 페라이트계 스테인레스강의 굽힘 가공시 발생되는 제품상의 결함을 개선하여 가공성을 향상시킨 페라이트계 스테인레스강 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 스테인레스강은 오스테나이트계 스테인레스강, 페라이트계 스테인레스강, 마르텐사이트계 스테인레스강, 이상계 스테인레스강 및 석출경화계 스테인레스강으로 분류된다. 이 중 페라이트계 스테인레스강은 체심입방구조로 응력, 부식, 및 균열에 대한 강도가 우수하고, 상온에서 강자성이며 열처리에 의해 경화되지 않고 냉간가공성이 매우 우수하여 내열기구, 가전부품, 컴퓨터 부품 등에 폭 넓게 쓰이고 있다.
이러한 페라이트계 스테인레스강 중 널리 쓰이고 있는 STS430강의 일반적인 정련 프로세스에 대하여 살펴본다.
STS430강의 정련프로세스는 AOD(Argon Oxygen Decarburization)과정- LT(Laddle Treatment)과정-CC(Contiunous Casting)과정으로 이루어진다.
AOD 과정에서 탈산하여 주조한 뒤에 열연, 냉연 공정 후에 O.5t 두께의 최종 제품 냉연 코일로 제조되는 STS430강은 그것을 180도 굽힘 가공하였을 때 굽힘 부분에 크랙(Crack)이 발생되는 문제점이 있었다.
도 1에 도시된 바와 같이, 이러한 크랙의 단면은 실린더 타입의 보이드(Void)의 형성 및 성장, 합체에 의해 발생되는 것으로서 도 2에 도시된 바와 같이, 냉연 코일 단면을 에칭(etching)한 후에 현미경으로 관찰한 결과, 이러한 보이드의 생성은 압연 방향으로 길게 늘어진 개재물이라는 것이 판명되었다.
이러한 늘어진 개재물은 그 주성분이 정련 과정에서 발생된 CaO-SiO2로써, 주조 공정 중에 온도 하락에 의해 발생된 것이며, 재산화 생성물인 Mno, Cr2O3가 일분 포함되어 있는 것으로 판명되었다.
도 3에 도시된 바와 같이, 최종 주조 후 주편의 개재물은 주 성분인 CaO /SiO2가 약 0.3~0.5의 상태에서 그 융점은 약 1300℃로 낮은 영역에 존재하는 바, 이러한 개재물은 낮은 영률(Young`s Modulus)를 갖기 때문에 이로 인하여 압연시 길게 늘어난 상태로 최종 제품에 나타나게 되는 것이다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 Ti를 0.02% 이상을 투입하는 방법이나 Al을 투입하는 방법을 사용하였으나, 투입되는 Ti의 양이 많아 원가가 상승되고, Ti, Al 투입시 발생되는 비금속 개재물에 의해 주조 중에 침지 노즐이 막히거나 압연 후에 코일에서 표면 결함이 다수 발생되는 등의 문제점이 있었다.
본 발명은 이러한 종래의 문제점을 해결하기 위해 탈산 과정에서 발생되는 슬래그를 이용하여 개재물을 포집하고, 이러한 개재물을 Ti를 이용하여 그 조성을 변화시킴으로써, 페라이트계 스테인레스강의 굽힘 가공시 발생되는 결함을 최소화하여 가공성을 향상시킨 페라이트계 스테인레스강 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 페라이트계 스테인레스강 제조방법은 전기로에서 1차 정련된 용강에 Si를 첨가하여 단독 탈산하는 아르곤 산소 정련 과정; 상기 아르곤 산소 정련과정에서 출강된 용강 중에 혼입된 개재물이 용강 중에서 분리되어 부상될 수 있도록 합금철 투입전까지 아르곤 가스를 주입하고 5-20분간 버블링하는 과정을 포함하는 래들 처리 과정; 및 래들 처리된 용강을 냉각, 응고시켜 중간재를 제조하는 연속 주조 과정을 포함한다.
Si는 0.25wt% 이상 0.4wt% 이하인 것을 특징으로 한다.
래들 처리 과정은 상기 용강 중의 개재물이 흡수될 수 있도록 상기 아르곤 산소 정련 과정에서 생성된 슬래그 중 용강 1톤당 5kg이상 40kg이하의 슬래그를 투입하여 상기 용강 표면에 탑슬래그(top slag)를 형성시킨 탑슬래그 형성 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
래들 처리 과정은 상기 용강 중에 존재하는 개재물의 조성을 변화시키기 위 해 Ti 투입 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
Ti 투입 과정에서 투입되는 Ti는 용강 1톤당 0.05kg 이상 0.2kg이하인 것을 특징으로 한다.
Ti는 와이어 형태로 제조되어 투입되는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 상기한 기술적 구성으로 인해 용강 중의 개재물의 수가 줄고, 개재물의 조성이 변화됨으로써, 페라이트계 스테인레스강 굽힘 가공시 최종 주편에서 크랙의 발생을 최소화하여 페라이트계 스테인레스강의 가공성이 개선되는 효과를 얻을 수 있다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명인 페라이트계 스테인레스강 제조방법의 일 실시예에 대하여 살펴본다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 페라이트계 스테인레스강 제조방법은 아르곤 산소(AOD: Argon Oxygen Decarburization) 정련 과정, 래들처리(Laddle Treatment)과정, 연속주조(Continuous Casting)과정을 포함한다.
후에 생산되는 최종 생산물인 폐라이트계 스테인레스강의 굽힘 가공시 크랙의 발생 원인이 되는 개재물의 수를 줄이기 위하여 아르곤 산소 정련 과정(S10)이 진행된다. 아르곤 산소 정련 과정(S10) 이전에는 전기로에서 산소 가스를 용강중에 투입하여 탄소를 제거하는 탈탄 정련인 1차정련이 선행된다. 아르곤 산소 정련 과정(S10)은 Cr 산화물을 환원시키기 위하여 CaO를 주성분으로 하는 염기성 플럭 스(flux)와 함께, 환원제를 첨가한 후, 탈산 및 개재물의 제거를 촉진하기 이해 불활성 가스인 Ar을 투입하는 과정으로 이루어진다. 이러한 아르곤 산소 정련 과정(S10)에서는 Si 단독으로 첨가되어 용강을 단독 탈산한다.
아르곤 산소 정련 과정(S10)에서 Si 단독탈산에 의하여 CaO-SiO2를 주 성분으로 하는 개재물이 생성된다. 이러한 개재물은 슬라그화되거나 용강 중에 존재한다. 아르곤 산소 정련 과정(S10)에서 생성된 CaO-SiO2는 용강이 래들로 출강되는 과정에서 유입되는 것은 물론, 슬래그가 래들로 유입되면서 슬래그 중에 존재하던 CaO-SiO2도 용강 중으로 혼입된다.
이러한 용강 중에 혼입된 개재물인 CaO-SiO2을 포집하기 위하여 버블링(Bubbling)이 이루어진다. 즉, 용강 중에 혼입되어 슬래그 형태로 존재하는 CaO-SiO2를 분리(分離)하여 용강 중에서 부상(浮上)시키기 위해서 아르곤 가스를 투입하여 버블링(Bubbling)하는 래들 처리 과정(S20)이 진행된다. 아르곤 산소 정련 과정(S10)에서 출강시 용강 중에 혼입되어 슬래그화된 개재물인 CaO-SiO2이 그대로 용강 중에 존재할 경우 이것이 최종 페라이트계 스테인레스강의 굽힘 가공에 의해 최종 생산된 코일에서 CaO-SiO2 때문에 크랙이 발생되므로, 이러한 크랙의 발생을 방지하기 위하여 슬래그의 분리부상이 필요하다,
이러한 래들 처리 과정(S20)에서 특히, 개재물의 부상이 원활하게 일어날 수 있도록 Ar에 의한 버블링단계가 이루어지는데, 이러한 개재물의 분리 부상을 위해서는 충분한 시간의 버블링이 필요하다. 버블링 시간은 아르곤 산소 정련 과정(S10)후에 용강이 래들에 도착 직후부터 합금철을 투입하기 전까지 5분 이상 20 분 미만으로 한다. 버블링이 5분 이하인 경우에는 용강 중에 혼입되어 있는 개재물의 분리부상 시간이 짧기 때문에 충분한 분리부상이 이루어질 수 없고, 20분 이상인 경우에는 용강의 과도한 온도 하락과 내화물의 탈락이 우려된다.
이러한 과정을 통하여, 정련된 용강을 이용하여 연속 주조 과정(S30)을 거쳐 중간재가 생산, 제조되고, 이러한 중간재를 열간, 또는 냉간 압연하면 가공성이 향상된 페라이트계 스테인레스강을 얻을 수 있다.
한편, 탈산을 위해서 아르곤 산소 정련 과정(S10)에서 투입되는 Si는 0.25wt% 이상 0.4wt%이하의 범위인 것이 바람직하다. Si가 0.25wt% 이하로 투입되는 경우에는 탈산력이 부족하므로 용강 중의 산소의 용존산소량이 높아지고, Si가 0.4wt% 보다 높게 투입되면 스테인레스강의 강도가 원하는 강도 이상으로 높아지고, 압연시 재료가 길이 방향으로 늘어나는 성질인 연신율의 하락을 가져오기 때문에 스테인레스강의 가공성이 제한된다.
래들 처리 과정(S20)에서 용강 중에 슬래그화되어 혼입된 개재물의 주성분인 CaO-SiO2를 보다 효율적으로 포집하기 위해서 아르곤 산소 정련 과정(S10)에서 잔류한 슬래그가 래들의 용강 표면상에 떠 있을 수 있도록 탑슬래그(top slag)형성 과정(S22)이 진행되는 것이 바람직하다.
슬래그를 용강중의 표면에 탑슬래그 형태로 주입하는 경우, 용강 중에 슬래그화되어 존재하던 CaO-SiO2는 탑슬래그에 흡수되어 포집된다. 이러한 과정을 좀 더 상세히 설명하면, 래들에 담겨 있는 용강 중에 잔류 중이던 슬래그화된 개재물인 CaO-SiO2는 버블링 과정(S24)에 의하여 용강 표면으로 이동하여 부상한다. 이러 한 개재물은 용강과 탑슬래그의 경계 표면까지 이동하는 단계를 거치게 되고, 용강의 표면에 있던 탑슬래그상으로 이러한 개재물이 용해되는 단계를 거쳐 용강 중에 슬라그화된 개재물인 CaO-SiO2이 포집된다.
이러한 탑슬래그를 이용하는 단계 중에서 슬래그화된 개재물인 CaO-SiO2가 용강 표면으로 이동하여 부상하는 단계가 율속 단계(rate determining step; 率速段階)에 속한다. 따라서, 이러한 개재물의 부상을 촉진하기 위해서 충분한 시간의 버블링 과정(S24) 수행은 물론 Ar에 의한 버블링이 이루어진다. 이러한 슬라그화된 개재물을 포집하는 탑슬라그의 흡수능을 충분히 유지시키기 위해서 탑슬래그의 양은 용강 1톤당 5kg이상 40kg이하로 생성되는 것이 바람직하다. 탑슬래그가 너무 적어 5kg이하라면 래들 내의 용강 중에 존재하는 슬라그화된 개재물을 흡수하는 성능인 흡수능이 저하되어 용강 중에 존재하는 개재물의 수를 줄일 수 없고, 슬래그가 너무 많아 40kg이상이면 투입되는 합금철의 실수율이 하락되는 문제가 발생한다.
래들 처리 과정(S20)에서 래들 내의 용강 중에 존재하는 개재물의 조성을 변화시킬 수 있도록 Ti를 주입하는 Ti 투입 과정(S26)이 진행되는 것이 바람직하다.
도 5에 도시된 바와 같이, Ti은 O와 반응하여 TiO2를 생성하고, 이러한 TiO2는 개재물 중에 존재하게 된다. 개재물 중에 존재하는 이러한 TiO2는 강도가 상당한 것인 바, 추후 연속주조 후 압연 및 굽힘 가공에 의해 최종 제품을 생성되더라도 크랙의 발생을 방지한다. 투입된 Ti는 O와 반응하여 TiO2를 형성하고 개재물 중의 TiO2의 비율이 증가되는 바, 이러한 TiO2는 개재물의 융점을 증가시키기 때문에 용강 중의 산소의 용해도를 다시 증가시키고 전체적으로 주요 개재물인 CaO-SiO2의 양을 감소시킨다.
래들 처리 과정(도 4참조)에서 투입되는 Ti는 용강 1톤당 0.05kg 이상 0.2kg이하로 제한하는 것이 바람직하다. Ti의 양을 0.05kg 보다 적게 투입하는 경우, 용강 중의 개재물 중 SiO2의 잔존량 및 TiO2의 생성량이 미량에 그쳐 개재물의 조성 변화의 기대치를 충족할 수 없다. 또한 Ti의 양을 0.2kg 이상 투입하는 경우 과도한 Ti 산화물의 형성으로 연속주조 과정에서 노즐이 막히거나, 스테인레스강의 표면 결함이 유도될 수 있다. 따라서, 상기한 범위에서 Ti를 투입하는 경우 본 발명에서 얻고자하는 효과를 얻으면서 본 과정에서 수반되어 발생되는 문제점을 방지할 수 있다.
이러한, Ti는 와이어 형태로 제조되어 투입되는 것이 바람직하다. 와이어 형태로 제도되어 Ti가 투입되면, Ti가 래들 내의 표면상에 존재하는 슬래그와 접촉되어 이러한 슬래그 표면 아래 존재하는 용강과 반응이 제한되는 것을 방지할 수 있다. 즉, 와이어 형태의 Ti는 용강 중에 직접적으로 투입, 반응할 수 있어서, Ti 산화물을 생성하고 개재물과의 결합이 보다 원활하게 유도될 수 있다.
상기한 본 발명인 페라이트계 스테인레스강 제조방법에 의거하여 생산된 강 중의 일 실 시예인 STS430강에 대하여 아래와 같이 시험을 실시하였다.
아르곤 산소 정련 과정(도 4참조)에서 유가 금속을 환원하고, 용강의 탈산을 위해 Si로 단독 탈산한 후, 래들 처리 과정 후 주조 하였다. Si의 중량비를 0.25wt% 이상 0.4wt% 미만으로 하였다. 래들 처리 과정에서 버블링 시간을 조절하면서, Ti의 투입이 있는 경우와 없는 경우에 대한 시험을 실시하여 개재물의 수 및 개재물의 주요 성분을 조사하였다. 그 결과는 아래의 표 1과 같다.

구분
개재물 주요 성분		 연신개재물 수 (단위면적당 200㎛ 이상 개재물의 수)
버블링 시간
기존재 CAo-SiO2-MnO 30개 2분
버블링 강화 CAo-SiO2-MnO 3개 7분
버블링 강화 CAo-SiO2-MnO 10개 5분
Ti 첨가 및 버블링 강화 CAo-SiO2-TiO2 0개 5분
기존재에 비하여 버블링 강화시에 개재물의 수가 줄어든다. 즉, 버블링의 시간을 증가시킬 수록 개재물의 수가 줄어드는 바, 전술한 바와 같은 이유로 버블링 시간은 20분 이내로 제한되는 것이 바람직하다. 또한, 래들 처리 과정을 통해 5분간 버블링 후에 Ti을 0.1kg 투입시킨 경우, 일정 크기의 개재물의 숫자가 발견되지 않은 바, 페라이트계 스테인레스강의 굽힘 가공성이 향상되었다.
도 6에 도시된 바와 같이, 상기한 제조방법에 의해서 제조된 페라이트계 스테인레스강은 개재물의 수가 저감됨은 물론, 그 조성도 변화되어 압연 가공시 늘어난 개재물이 관찰되지 않았으며, 냉간 코일의 180도 굽힘 가공 시험시에 크랙도 발생되지 않았다.
본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
도 1은 종래의 STS430강의 냉연 코일의 180도 굽힘 시험 후 파단면의 현미경 분석 사진을 나타낸 도면;
도 2는 종래의 STS430강의 냉연 코일의 단면의 현미경 관찰시 조직의 모습을 나타낸 도면;
도 3은 종래의 최종 주편에서의 개재물의 조성 및 개재물의 상태도 상의 위치를 나타낸 도면;
도 4는 본 발명에 따른 페라이트계 스테인레스강의 제조방법의 과정을 나타낸 도면;
도 5는 래들 처리 과정 후의 개재물의 형상 및 조성을 나타낸 도면;
도 6은 본 발명의 페라이트계 스테인레스강 제조방법에 의해 생산된 스테인레스강의 180도 굽힘 시험 후의 굽힘면과 현미경 관찰시 조직의 모습을 나타낸 도면이다.
※도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명※
S10: 아르곤 산소 정련 과정 S20: 래들 처리 과정
S22: 탑슬래그 형성 과정 S24: 버블링 과정
S26: Ti 투입 과정 S30: 연속 주조 과정

Claims (6)

  1. 전기로에서 1차 정련된 용강에 Si를 첨가하여 단독 탈산하는 아르곤 산소 정련 과정(S10);
    상기 아르곤 산소 정련과정에서 출강된 용강 중에 혼입된 개재물이 용강 중에서 분리되어 부상될 수 있도록 합금철 투입전까지 아르곤 가스를 주입하고 5-20분간 버블링하는 과정(S24)을 포함하는 래들 처리 과정(S20); 및
    래들 처리된 용강을 냉각, 응고시켜 중간재를 제조하는 연속 주조 과정(S30)을 포함하는 페라이트계 스테인레스강 제조방법.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 Si는 0.25wt% 이상 0.4wt% 이하인 것을 특징으로 하는 페라이트계 스테인레스강 제조방법.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 래들 처리 과정(S20)은 상기 용강 중의 개재물이 흡수될 수 있도록 상기 아르곤 산소 정련 과정에서 생성된 슬래그 중 용강 1톤당 5kg이상 40kg이하의 슬래그를 투입하여 상기 용강 표면에 탑슬래그(top slag)를 형성시킨 탑슬래그 형성 과정(S22)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 페라이트계 스테인레스강 제조방법.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 래들 처리 과정(S20)은 상기 용강 중에 존재하는 개재물의 조성을 변화시키기 위해 Ti 투입 과정(S26)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 페라이트계 스테인레스강 제조방법.
  5. 청구항 4에 있어서, 상기 Ti 투입 과정(S26)에서 투입되는 Ti는 용강 1톤당 0.05kg 이상 0.2kg이하인 것을 특징으로 하는 페라이트계 스테인레스강 제조방법.
  6. 청구항 4 또는 청구항 5에 있어서, 상기 Ti는 와이어 형태로 제조되어 투입되는 것을 특징으로 하는 폐라이트계 스테인레스강 제조방법.
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KR20130058070A (ko) * 2010-10-14 2013-06-03 제이에프이 스틸 가부시키가이샤 내열성과 가공성이 우수한 페라이트계 스테인리스강

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