KR20110053705A

KR20110053705A - 스테인리스강의 청정도 향상 방법

Info

Publication number: KR20110053705A
Application number: KR1020090110357A
Authority: KR
Inventors: 임종근; 최자용
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2009-11-16
Filing date: 2009-11-16
Publication date: 2011-05-24

Abstract

본 발명은 스테인리스강의 청정도 향상 방법에 관한 것으로서, 구체적으로 아르곤산소탈탄(AOD) 단계와 진공산소탈탄(VOD) 단계로 이어지는 스테인레스강 제강 공정에 있어서 본 발명은 상기 아르곤산소탈탄 단계에서 CaO/SiO2 비가 1.8 내지 2.5인 슬래그를 형성하여 탈황을 실시하고, 상기 진공산소탈탄 단계에서 CaO/SiO2 비가 0.8 내지 1.8의 슬래그를 형성하여 탈황을 실시하는 것을 특징으로 한다. 또한 상기 진공산소탈탄 단계에서 탈황을 실시한 이후 불활성기체의 유량을 용강 1톤당 2 내지 20ℓ/min로 취입하여 교반할 수 있다.

상술한 본 발명에 따르면 AOD에서 탈황을 원활히 함과 동시에 VOD에서 저염기도 슬래그를 활용하여 고융점 개재물 형성을 억제하고 저융점의 개재물을 형성하게 한다. 또한 VOD에서 강한 용강 교반을 하여 개재물의 제거 효과를 강화하게 된다. 이로 인하여 0.3t 이하의 박판을 압연하는 경우에도 개재물에 의한 표면 결함의 발생을 최소화할 수 있다.

스테인리스강, 슬래그, 스피넬, 개재물, Al2O3, 탈황, 염기도

Description

스테인리스강의 청정도 향상 방법{The Refining Method for Improving Cleanness in Stainless Steel}

본 발명은 스테인리스강의 청정도 향상 방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 스테인리스강의 제조시 개재물 조성 제어 및 개재물 수 저감을 통해서 주편에서의 청정도를 향상시켜 최종 제품인 코일, 특히 두께 0.3mm이하의 박판 코일에서 개재물에 의한 표면 결함을 저감할 수 있는 방법에 관한 것이다.

스테인리스강으로 Cr 11%이상을 첨가하여 내식성을 높인 대표적인 강종이 STS304, STS430강이다. STS304, STS430강은 기본 강으로서 양식기, 장식관 등 다양한 곳에 사용되고 있으며 태양광 전지 기판, 전자부품 등 정밀 소재로도 사용되고 있다.

이러한 강이 정밀 소재와 같은 용도로 사용될 때에는 원소재에 대한 품질 수준을 더욱 엄격하게 요구하는 경우가 많은데, 특히 0.3mm 두께 미만의 소재로 사용되는 경우 스테인리스 표면의 품질기준을 엄격히 요구하는 경우가 있다. 즉 두께가 얇아지면 코일 내부에 존재하는 개재물에 의한 표면결함이 발생하기 쉽기 때문에 판 두께가 얇아질수록 표면 결함에 민감해 진다.

표면결함을 유발하는 개재물은 제조 공정 중, 제강 공정에서의 정련과정 중에 주로 발생을 한 것으로 박판의 품질향상을 위해서는 제강 정련 공정에서 개재물의 무해화가 필요하다.

개재물은 산화력이 강한 원소가 산소와 결합한 금속산화물으로 주로 탈산재 및 합금철로 제강공정에서 투입되는 Si, Al, Ti 등의 산화물이다. 특히 Al, Ti의 산화물인 Al2O3, TiO2 등은 고융점 개재물로 용강중에서 고상으로 존재하며 최종 제품에도 표면 결함을 일으키는 주요인이 된다. 그 중에서도 Al2O3는 MgO와 결합하여 Al2MgO3의 스피넬 구조를 가진 개재물이 되며 이 스피넬 개재물은 융점이 2000℃가 넘는 고융점이며 단단하기 때문에 제품인 스테인리스 코일내부에 존재하게 되면 압연시 표면에 흠을 일으키는 원인이 되며 코일 두께가 얇아질수록 표면결함의 정도가 심화된다.

[도 1a]는 스피넬 개재물에 의한 코일 표면의 결함을 보여주며, [도 1b]는 결함부의 개재물을 분석한 결과를 그래프로서 나타내었다.

이러한 고융점 및 경한 성질을 갖는 스피넬 개재물을 저감시키기 위해 조성을 변경하거나 그 수를 저감하기 위한 여러가지 방안이 알려져 있는데 그 중에 정련 공정 중에 발생하는 슬래그의 조성을 제어하는 방법이 널리 알려져 있다.

예를 들어 슬래그 염기도(CaO/SiO2 w%)를 낮게하여 스피넬 개재물의 생성을 억제하는 방법이 각종 문헌 및 특허인 스테인리스강의 고청정화 정련법(일본 特願平8-330188) 등에서 제시되고 있으나, 저염기도의 슬래그는 용강 중의 황(S)을 낮추는데는 그 효과가 떨어지게 된다.

(CaO) +[S] = (CaS) + [O]

위 식은 CaO를 이용한 탈황 반응식으로 고염기도 슬래그는 CaO의 활동도가 높아 탈황이 잘된다. 황이 강중에 많을 경우 고온강도의 약화 등 강의 성질에 악영향을 미치기 때문에 제거를 할 필요가 있다.

하지만 고염기도는 스피넬 개재물이 발생할 수 있다. 이러한 모순을 해결하기 위해서 별도의 탈황 설비를 활용하여 예비처리를 통해 용강의 황을 제거하는 방법이 사용되고 있다.

[도 2]에 도시된 바와 같이 기존에는 STS 304, STS430강을 AOD(Argon Oxygen Decarburization)-LT(Ladle Treatment)-C/C(Continuous Casting)의 프로세스로 생산하는데, AOD에서 탈탄 작업과 슬래그의 제조를 통한 탈황(Desulfurization)과 탈산(Deoxidation)이 이루어진다. 이때 저염기도 슬래그를 사용하면 용강 중 Al성분을 제어하여 스피넬 개재물을 저감 할 수 있지만 탈황이 미흡하기 때문에 슬래그의 염기도를 충분히 낮추기가 어렵다.

또한 LT에서 개재물의 제거를 위해서 래들(Ladle) 하부에서 Ar, N2와 같은 불활성 가스를 취입하여 용강을 교반하여 개재물의 부상을 촉진하고 있다. [도 3]은 용강중의 개재물이 부상을 통해 슬래그로 용해되어 제거되는 과정을 나타낸 개념도로 용강 중에 떠도는 개재물의 제거는 다음의 3단계로 이루어진다.

(1) 용강에서 부상에 의한 개재물의 표면으로 이동

(2) 용강/슬래그 계면에서 이동

(3) 슬래그 상으로의 용해

(1)의 효과를 강화하기 위해서는 충분한 양의 불활성 가스의 취입이 필요한데 LT 공정에서의 너무 강한 교반은 용강의 Splash가 발생할 수 있어 강한 교반을 하는데 한계가 있다.

즉, STS304와 STS430강과 같은 강종은 실리콘으로 탈산을 하지만 스피넬 개재물의 소스가 되는 Al이 부원료나 내화물 등에서 유입되어 용강에 존재하기 때문에 Al을 줄여 스피넬 개재물을 저감하기 위해서 저염기도 슬래그를 이용한다. 하지만 저염기도 슬래그를 사용하면 용강 중의 황을 제거하는 능력이 저하되어 스테인리스강의 성질이 악화된다. 또한 LT 공정에서 불활성기체를 활용한 교반(Bubbling)시 개재물의 분리부상을 촉진하기 위해 교반력을 강하게 하는 것이 필요하다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서,

본 발명의 과제는 스테인리스 제품인 코일에서 표면 결함을 일으키는 MgO- Al2O3 스피넬 개재물을 저감하기 위해 저염기도 슬래그를 활용하는 동시에 탈황을 충분히 하는 방법과 불활성 기체를 취입하여 교반을 강하고 충분히 실시하여 개재물의 분리부상을 촉진하여 개재물을 제거하는 방법을 제공하는 데 있다.

상술한 기술적 과제를 달성하기 위하여 아르곤산소탈탄(AOD) 단계와 진공산소탈탄(VOD) 단계로 이어지는 스테인레스강 제강 공정에 있어서 본 발명은 상기 아르곤산소탈탄 단계에서 CaO/SiO2 비가 1.8 내지 2.5인 슬래그를 형성하여 탈황을 실시하고, 상기 진공산소탈탄 단계에서 CaO/SiO2 비가 0.8 내지 1.8의 슬래그를 형성하여 개재물을 저감하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 진공산소탈탄 단계에서의 개재물은 MgO-Al₂O₃ 스피넬계 개재물일 수 있다.

또한 상기 진공산소탈탄 단계에서 탈황을 실시한 이후 불활성기체의 유량을 용강 1톤당 2 내지 20ℓ/min로 취입하여 교반할 수 있다.

또한 상기 불황성기체의 취입은 상기 진공산소탈탄 단계에서의 슬래그 형성과 동시에 이루어질 수 있다.

상술한 본 발명에 따르면 AOD에서 탈황을 원활히 함과 동시에 VOD에서 저염기도 슬래그를 활용하여 고융점 개재물 형성을 억제하고 저융점의 개재물을 형성하게 한다.

또한 VOD에서 강한 용강 교반을 하여 개재물의 제거 효과를 강화하게 된다.

이로 인하여 0.3t 이하의 박판을 압연하는 경우에도 개재물에 의한 표면 결 함의 발생을 최소화할 수 있다.

이하 본 발명을 상세히 설명한다.

일반적인 제강공정은 [도 3]에 도시된 바와 같이 정련단계(AOD) - 성분조정단계(LT) - 연속주조단계(CC)를 통하여 이루어진다. 이에 비하여 본 실시예에서는 정련단계에서 진공산소탈탄(VOD) 공정을 추가로 거친다는 점에서 공정면에서의 차이가 있다. 각 공정단계에서의 세부적인 특징을 이하 상세하게 설명한다.

먼저 본 실시예에서의 AOD 공정에 대하여 설명한다.

본 실시예에서는 종래의 AOD 공정에 비하여 탈황과 함께 저염기도 슬래그를 활용하여 스피넬 개재물을 저감하는 방법이 사용된다.

저염기도 슬래그(CaO/SiO2 w%)는 Al의 활동도를 낮추어 용강 중 잔류 Al을 저농도로 제어하여 고융점의 스피넬 개재물 형성을 억제하는 효과가 있다.

아래 식 1은 용강과 슬래그의 반응을 나타낸 것으로 저염기도 슬래그는 SiO2의 활동도가 높아 용강 중의 Al 농도를 낮게 한다. 용강의 [Al]은 산소와 잘 반응하여 Al2O3로 되어 MgO- Al2O3 스피넬 개재물로 된다.

2(Al2O3) + 3[Si] = 3(SiO2)+ 4[Al]

저염기도 슬래그를 사용함으로써 미흡해지는 탈황은 이어지는 VOD 공정에 의하여 보충하게 된다.

AOD에서 탈탄 후 탈산재로 실리콘을 투입하여 슬래그를 제조할 때 1.8~2.5의 염기도(CaO/SiO2 w%)로 하여 황을 50ppm이하로 제어가 가능하다. 이 때 염기도가 1.8이하가 되면 용강 중에 황이 제거능력이 하락하게 되고, 2.5 이상인 경우에는 슬래그의 융점이 상승하여 고화되고 슬래그의 유동성이 떨어지게 되므로 슬래그 간의 반응성이 잘 이루어 지지 않는다.

이하 본 실시예에서의 VOD 공정에 대하여 설명한다.

AOD에서 출강 후 슬래그 Skimming을 통해 슬래그를 완전 제거 한 후 VOD 공정에서 저염기도 슬래그를 만들어 준다. 이때 염기도(CaO/SiO2 wt%)를 0.8 ~ 1.8 이하로 하여 슬래그와 용강간의 반응으로 용강 중의 Al, Mg 농도를 낮게 제어 하여 스피넬 개재물 형성을 억제한다. 너무 낮은 염기도의 슬래그는 유동성이 현저하게 증가되어 래들의 내화물의 침식을 심화시킬 수 있으므로 하한을 0.8로 제한한다. 반면 1.8 이상인 경우에는 용강 중에 Al이 증가하여 Al2O3가 발생하여 고융점 개재물인 스피넬 생성이 증가하게 된다.

본 실시예에서는 VOD공정에서 불활성 기체를 활용한 교반력 강화로 개재물 분리부상 강화하는 방법이 사용된다. 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

기존에는 탈산 후 교반을 하는 공정이 LT공정에서 이루어 졌으나 이는 용강의 넘침으로 교반강도의 한계가 있었다. 하지만 VOD 설비를 활용하여 불활성기체를 취입하면 교반을 강화할 수 있다.

이때 불활성 기체의 유량을 용강 톤당 20~200ℓ/min로 한다 20ℓ/min이하 일 경우 교반이 약하여 개재물의 분리부상이 충분히 일어나지 않으며, 200ℓ/min 이상일 때는 유량이 너무 강해 VOD 설비 부하와 용강의 넘침이 일어 날수 있다.

상술한 바와 같이 본 실시예에 의하면 AOD- VOD 프로세스를 활용하여 AOD에서 탈산과 함께 탈황을 하고, VOD에서 저염기도 슬래그를 이용하여 개재물 중 MgO- Al2O3 스피넬계 개재물을 저감시켜 탈황과 함께 저염기도 슬래그를 활용한 알루미나 개재물을 저감을 동시에 해결하고 강교반을 통해 개재물을 저감하여 스테인리스 코일, 특히 0.3t 이하의 극박재의 표면 결함을 방지할 수 있게 된다.

본 발명의 실증을 위하여 18% Cr, 8% Ni을 함유하는 STS304강을 선정하였다. 먼저 AOD에서 산소와 Ar 및 N2를 취입하여 탈탄 작업을 한 뒤 생석회와 Fe-Si을 투입하여 탈산과 탈황 작업을 실시하였다. 이때 슬래그 염기도는 약 2.0~2.2로 하여 황의 농도를 30ppm 수준으로 낮추었다.

AOD에서 출강 후 슬래그 Skimming을 통해 슬래그를 완전 제거 한 후 VOD에서 염기도 1.1~1.4의 슬래그를 활용하여 용강 톤당 4~7ℓ/min의 유량으로 Ar을 래들 하부에서 취입하여 15~20분간 교반을 실시하였다.

[도 5]는 연주 후 주편에서의 개재물 조성을 나타낸 것으로, 이를 참조하여 보면 MgO- Al2O3 스피넬과 Al2O3의 농도가 기존대비 낮아져 저융점의 개재물을 형성하였다. 또한 주편내에 10㎛이상의 개재물 수에서도 그 수가 기존 대비해서 줄어 든 것을 볼 수 있다.

이러한 방법으로 만든 코일을 0.125t의 극박코일로 압연시에도 표면 결함이 기존에 15~20개 이상/100m-coil 에서 5개/100m-coil로 줄어 극박용으로 사용시에도 무리가 없는 수준으로 품질이 개선됨을 확인 할 수 있으며, 아래 표와 같이 기존재와 발명재의 주편내 개재물 수 및 개재물 중 Al2O3농도 또한 줄어든 것을 확인 할 수 있었다.

구 분	개재물 수 (EA/㎠, 주편10㎛이상)	개재물 중 평균 Al₂O₃비율 (%wt)
기 존 재	3.2	26
본 발 명	1.7	15

이상 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상이 상술한 바람직한 실시예에 한정되는 것은 아니며, 특허청구범위에 구체화된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범주에서 다양한 스테인리스강의 청정도 향상 방법으로 구현될 수 있다.

도 1a는 코일 표면의 결함을 보여주는 사진이다.

도 1b는 코일 표면의 결함부에 영향을 미치는 개재물의 분석 결과를 나타내는 그래프이다.

도 2는 기존 304, 430 제강공정 프로세스를 개략적으로 나타내는 개념도이다.

도 3은 용강중 개재물의 분리부상과정을 나타내는 개념도이다.

도 4은 본 발명에 적용되는 제강공정 프로세스를 개략적으로 나타내는 개념도이다.

도 5는 기존과 본발명에서의 주편내 개재물 평균 조성 변화를 나타내는 그래프이다.

Claims

아르곤산소탈탄(AOD) 단계와 진공산소탈탄(VOD) 단계로 이어지는 스테인레스강 제강 공정에 있어서,

상기 아르곤산소탈탄 단계에서 CaO/SiO2 비가 1.8 내지 2.5인 슬래그를 형성하여 탈황을 실시하고,

상기 진공산소탈탄 단계에서 CaO/SiO2 비가 0.8 내지 1.8의 슬래그를 형성하여 개재물을 저감하는 것을 특징으로 하는 스테인리스강의 청정도 향상방법.
상기 제1항에 있어서,

상기 진공산소탈탄 단계에서의 개재물은 MgO-Al₂O₃ 스피넬계 개재물인 것을 특징으로 하는 스테인리스강의 청정도 향상방법.
제1항에 있어서,

상기 진공산소탈탄 단계에서 불활성기체의 유량을 용강 1톤당 2 내지 20ℓ/min로 취입하여 교반하는 것을 특징으로 하는 스테인리스강의 청정도 향상방법.
제3항에 있어서,

상기 불황성기체의 취입은 상기 진공산소탈탄 단계에서의 슬래그 형성과 동시에 이루어지는 것을 특징으로 하는 스테인리스강의 청정도 향상방법.