KR20120016369A - 연속박판 주조기를 이용한 듀플렉스 스테인레스 강의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연속박판 주조기를 이용한 듀플렉스 스테인레스 강의 제조방법 에 관한 것으로, 보다 상세하게는 종래 연속 주조방식으로 제조하여왔던 듀플렉스 스테인레스 강을 새로이 쌍롤형 박판제조 장치에서 용탕으로부터 직접 박판을 제조함으로써, 종래기술에서 제기되어 왔던 에지 크랙 등 주편의 품질 문제를 근본적으로 해결하고, 우수한 표면품질과 뛰어난 인성을 갖는 듀플렉스 스테인레스 강의 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명인 연속박판 주조기를 이용한 듀플렉스 스테인레스 강의 제조방법은, 반대방향으로 회전하는 두 개의 주조롤 사이에서 용강이 응고, 압하되어 박판이 형성되고, 형성된 박판이 디스차지 공정을 거쳐 권취되어 박판을 제조하는 연속박판 주조기를 이용하여 듀플렉스 스테인레스 강을 제조하는 방법에 있어서, 상기 주조롤 사이를 용강이 통과하면서 응고, 압하될 때 가스 배출이 용이하도록 주조롤 표면에 주조방향으로 줄무늬 형태의 골이 형성된 주조롤을 사용하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서는 2 - 6 mm 의 듀플렉스 강 박판을 박판주조법에서는 용강으로부터 직접 주조하여 제조하므로서, 연속 주조법에서와 같이 슬라브를 열간 압연하는 공정이 필요하지 않다. 따라서 기존의 연속주조에 의한 듀플렉스 강 제조에서와 같이 열간 압연 중에 생기는 에지 크랙의 문제를 근본적으로 해결하였다. 또한 본 발명에 따르면, 듀플렉스 강 제조가 종래기술에 의한 경우보다 훨씬 용이하며, 공정이 크게 단축되고, 제조원가가 절감된다. 또한 본 발명에 따르면, 고강도, 고 내식성의 장점이 있으면서 인성이 뛰어나고 표면 품질이 우수한 듀플렉스 강을 생산하는 것이 가능하며, 듀플렉스 강의 용도를 다양하게 확대할 수 있는 효과가 있다.

Description

연속박판 주조기를 이용한 듀플렉스 스테인레스 강의 제조방법{A Method of Manufacturing Duplex Stainless Steel by Twin Roll Strip Caster}

본 발명은 연속박판 주조기를 이용한 듀플렉스 스테인레스 강의 제조방법 에 관한 것으로, 보다 상세하게는 종래 연속 주조방식으로 제조하여왔던 듀플렉스 스테인레스 강을 새로이 쌍롤형 박판제조 장치에서 용탕으로부터 직접 박판을 제조함으로써, 종래기술에서 제기되어 왔던 에지 크랙 등 주편의 품질 문제를 근본적으로 해결하고, 우수한 표면품질과 뛰어난 인성을 갖는 듀플렉스 스테인레스 강의 제조 방법에 관한 것이다.

쌍롤형 박판제조 방법은 용탕으로부터 직접 두께 2 - 6 mm 의 주편을 직접 주조하여 제조하므로서, 슬라브 연주법에서의 열연을 생략할 수 있도록 한 새로운 공정이다. 따라서, 제조원가가 슬라브 연주법에 비하여 저감 되는 장점이 있으며, 급속응고에 의한 비평형상의 존재로 입도 미세화나 개재물 미세화 등에 의하여 주편 내부품질도 우수한 장점이 있다.

그러나 종래의 쌍롤형 박판제조 장치에서는 크랙(crack) 및 디프레션(depression)이 없는 양호한 주편(8)을 제조하기 위해서는 주조롤(1) 표면에 숏블라스팅 등에 의하여 표면 요철을 형성하여야 하고, 용해성 가스, 일반적으로 질소 가스를 사용하여야 한다. 그러나, 듀플렉스 강과 같이 용강 중 질소[N] 함량이 1000 ppm 이상인 경우에는 주조 중 질소 가스가 용해되는 속도가 감소하여 국부적인 응고셀 들뜸으로 인한 크랙(crack), 덴트(dent), 디프레션(depression) 등의 표면 결함이 발생한다.

듀플렉스 스테인레스 강은 오스테나이트 스테인레스 강에 비하여 성분조정에 의하여 Creq 를 높이고, Nieq를 낮춤으로써 응고모드를 L-> L+d -> d -> d+g 로 변경시켰다. 따라서, 상온에서 페라이트(Ferrite)를 50 % 존재 시키므로서 기존의 오스테나이트계 스테인레스에 비하여 2 배정도의 고강도를 달성하고, Cr, Mo, N의 첨가에 의하여 고 내식성을 확보할 수 있는 강종이다.

듀플렉스 스테인레스 강은 내식성을 위하여 PREN = Cr+3.3M0+16N 의 값이 32 이상으로 관리하고 있다. (* PREN: Pitting Resistance Equivalent Number, 공식저항지수) 이러한 듀플렉스 강은 고강도, 고 내식성이 요구되는 분야에 사용되며 화력발전소의 FGD덕트(Flue Gas Desulfurizer duct), 원자력 발전소의 해수냉각 파이프, 조선용 화학탱커 (chemical tanker), 해수용/화학용 설비 등에 주로 사용되며, 현재 용도가 증가하는 강종이다.

종래에 듀플렉스 스테인레스강의 박판제조는 연속주조 방식에 의하여 슬라브를 제조하고, 이를 열간 압연하여 두께 2 - 6 mm 의 박판을 생산하였다. 도 1은 종래기술에 의한 연속주조 공정의 개념도이다. 연속주조 과정은 도 1에 도시된 바와 같이, 제강과정에서 정련을 완료한 용강(1)이 담겨있는 래들(2), 상기 래들(2)과 주형(8) 사이에서 버퍼역할을 하는 턴디쉬(4), 주편을 제조하는 주형(8) 및 2차 냉각대(9)로 구성된다. 이를 거치면서 용강은 슬라브로 제조되며, 슬라브는 박스 내에 표시된 바와 같이 슬라브 재가열 과정을 거쳐 열간 압연되어 박판으로 제조되며, 박판은 수냉과정을 거쳐 권취된다.

도 1에 나타낸 바와 같은 종래 기술의 연속주조에 의하여 듀플렉스 강을 생산하는데 있어, 슬라브의 제조단계까지는 커다란 문제가 없으나, 열간 압연 공정에서는 문제가 심각해진다. 듀플렉스 강의 열간압연에서 가장 큰 문제점은 열간 압연 중에 박판의 에지에서 크랙이 생기는 것인데, 에지 크랙이 심하게 발생하여 어떤 경우에는 크랙 부위를 절단하여도 쓸 수 없을 정도로 되어, 생산성을 극도로 저하시킨다.

크랙 발생의 원인은 오스테나이트와 페라이트 2상이 존재하기 때문인데, 고온에서는 오스테나이트의 경도가 페라이트에 비하여 상대적으로 강하고, 따라서 2상에 대한 변형량이 달라지게 된다. 따라서, 2상의 계면에 응력이 집중되어 크랙이 발생하게 된다.

일반적으로 이러한 문제점을 해결하기 위하여 듀플렉스 스테인레스강의 박판제조를 위한 조업조건은 오스테나이트 스테인레스 강의 제조공정에 비하여 엄격하게 관리하게 된다. 그 방법은 계면 취화 원소인 S 의 함량을 10 ppm 이하로 극소화하고, 조압연의 패스당 압하율를 20% 이하로 하는 것인데, S 함량을 10 ppm 이하로 하는 것은 극히 어려운 것으로 제조단가가 올라가고, 패스당 압하율을 낮추는 것도 생산성을 매우 감소시키는 단점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로, 본 발명에서는 2 - 6 mm 의 듀플렉스 강 박판을 박판주조법에서 용강으로부터 직접 주조하여 제조하므로서, 기존의 연속주조에 의한 듀플렉스 강 제조에서와 같이 열간 압연 중에 생기는 에지 크랙 등 주편의 품질 문제를 근본적으로 해결하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은 종래기술에 의한 경우보다 훨씬 용이하며, 공정이 크게 단축되고, 제조원가가 절감될 수 있는 듀플렉스 강 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은, 고강도, 고 내식성의 장점이 있으면서 인성이 뛰어나고 표면 품질이 우수한 듀플렉스 강을 생산, 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명인 연속박판 주조기를 이용한 듀플렉스 스테인레스 강의 제조방법은, 반대방향으로 회전하는 두 개의 주조롤 사이에서 용강이 응고, 압하되어 박판이 형성되고, 형성된 박판이 디스차지 공정을 거쳐 권취되어 박판을 제조하는 연속박판 주조기를 이용하여 듀플렉스 스테인레스 강을 제조하는 방법에 있어서, 상기 주조롤 사이를 용강이 통과하면서 응고, 압하될 때 가스 배출이 용이하도록 주조롤 표면에 주조방향으로 줄무늬 형태의 골이 형성된 주조롤을 사용하는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에서 상기 주조롤은 표면을 숏블라스팅으로 요철을 형성한 후, 그 위에 주조방향으로 줄무늬 형태의 골을 형성하여서 된 것을 특징으로 하고, 또한 본 발명에서 상기 박판의 권취 시 귄취 코일의 온도는 600 ^oC 이하로 유지되는 것을 특징으로 하며, 또한 본 발명에서 상기 주조롤의 표면의 요철은, 깊이 10 ~ 20 um이고, 주조 방향으로 형성된 줄무늬 형태의 골은, 깊이 10 ~ 200 um, 골 간의 간격 100 ~ 500um, 골의 폭 50 ~ 200um로 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서는 2 - 6 mm 의 듀플렉스 강 박판을 박판주조법에서는 용강으로부터 직접 주조하여 제조하므로서, 연속 주조법에서와 같이 슬라브를 열간 압연하는 공정이 필요하지 않다. 따라서 기존의 연속주조에 의한 듀플렉스 강 제조에서와 같이 열간 압연 중에 생기는 에지 크랙의 문제를 근본적으로 해결하였다.

본 발명에 따르면, 듀플렉스 강 제조가 종래기술에 의한 경우보다 훨씬 용이하며, 공정이 크게 단축되고, 제조원가가 절감된다.

또한 본 발명에 따르면, 고강도, 고 내식성의 장점이 있으면서 인성이 뛰어나고 표면 품질이 우수한 듀플렉스 강을 생산하는 것이 가능하며, 듀플렉스 강의 용도를 다양하게 확대할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래기술에 의한 연속주조 공정의 개념도이다.
도 2는 본 발명에 사용되는 박판주조기의 개념도이다.
도 3은 본 발명에서 숏블라스팅에 의하여 1차 요철이 형성된 주조롤 표면의 사진이다.
도 4는 본 발명에서 요철이 형성된 주조롤 표면에 추가로 골을 형성시킨 주조롤 표면의 사진이다.
도 5는 종래기술에서의 표면 결함의 형상을 보여주는 사진이다.

이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 일 실시예를 보다 상세하게 설명한다. 도 2는 본 발명에 사용되는 박판주조기의 개념도이다. 도 3은 본 발명에서 숏블라스팅에 의하여 1차 요철이 형성된 주조롤 표면의 사진이다. 도 4는 본 발명에서 요철이 형성된 주조롤 표면에 추가로 골을 형성시킨 주조롤 표면의 사진이다.

도 2를 참조하여 쌍롤식 박판주조 공정을 설명하면, 우선 래들(2)에 저장된 용강이 스토퍼를 통해 턴디쉬(3)로 공급되며, 턴디쉬(3)로 공급된 용강은 다시 침지노즐(4)을 통해 두 개의 주조롤(1)과 주조롤 양 측면의 에지댐(7)으로 형성된 섬프로 공급된다. 섬프(9)로 공급된 용강은 약 0.2초 내에 두 주조롤(1) 사이에서 압하되면서 응고되어 주편(8)으로 주조된다. 주조된 주편(8)은 핀치롤(9)의 안내로 수냉장치(10)를 거쳐, 최종적으로 권취코일(11)에 의해 코일로 권취된다.

쌍롤식 연속박판 주조기를 이용하여 듀플렉스 스테인레스 강을 제조하는데 있어서, 크랙이 없는 양호한 주편(8)을 제조하기 위해서는 전폭의 균일 응고를 위하여 도 2에 나타낸 바와 같이 용탕면을 완전히 덮을 수 있고, 가스를 공급할 수 있는 메니스커스 쉴드(5)를 사용하여야 한다.

그리고, 이때 사용하는 분위기 가스가 중요한데, 분위기 가스를 유지함으로써 용탕의 산화를 방지하고, 응고 시의 용강 메니스커스와 주조롤 계면의 계면에너지를 변화시켜 응고를 균일하게 할 수 있다.

이때, 분위기 가스는 아르곤이나 질소로 할 수 있으며, 용탕의 산화를 방지하기 위하여는 분위기 가스를 충분히 공급하여 산소농도를 0.1% 이하로 관리하여야 한다. 그리고, 분위기 가스는 용해성 가스를 사용하여 응고셀이 주조롤에 충분히 전사되도록 하여야 한다. 즉 질소를 사용하는 경우에는 질소의 용강으로의 흡수가 중요한데, 아래에 수식을 나타내었다.

*질소의 흡수 속도: d[%N]/dt = K (A/V)([%N]_s-[%N])

K : 물질 이동계수 , A : 반응 계면적, V : 용강의 체적

[%N]_s : 질소의 평형 농도

[%N] : 질소의 실제 농도

위 식에서 분위기 가스로 질소를 사용할 경우 듀플렉스 스테인레스 강의 질소함량이 1000 ppm 이상인 반면에 STS 304는 400 ppm 이하이므로, 듀플렉스 강의 경우 STS 304에 비하여 용강의 질소함량이 높으므로, 응고 중 조도를 가진 주조롤에 응고셀이 전사되는 비율이 감소하여, 전폭의 응고 불균일이 발생할 수 있고, 이러한 응고 불균일이 발생한 영역에서 표면 결함이 생성 된다.

본 발명에서는 이를 해결하기 위하여 도 3과 같이 숏블라스팅에 의한 표면처리를 통하여 깊이 10um 이상, 바람직하게는 깊이 10 ~ 20 um의 요철을 형성시키고, 이어서 도 4와 같이 숏블라스팅 표면 처리된 주조롤 표면 위에 주조방향으로 줄무늬 형태의 골을 레이저(laser)에 의하여 형성하는 주조롤 표면처리를 적용하였다. 골의 깊이 또한 10um 이상, 바람직하게는 깊이 10 ~ 200 um가 바람직하며, 골간의 간격은 100 ~ 500um의 범위에서 상호 중첩되지 않도록 적정 간격을 유지한다. 골의 폭은 50 ~ 200um이 바람직하다.

상기 숏블라스팅 및 레이저 가공에 의하여 형성되는 요철 및 골의 깊이가 10um 미만이 되면 가스배출의 효과가 잘 나타나지 않으며, 요철 및 골의 깊이가 200um를 초과하면 제조된 주편의 표면이 거칠어지는 문제가 생긴다. 골간의 간격이 100um 미만이 되거나, 500um를 초과하면 가스 배출로가 정상적으로 형성되지 못한다. 골의 폭 또한 50um 미만이 되거나 200um를 초과하게 되면 가스 배출 효과가 현저히 감소된다. 이러한 새로운 형태의 주조롤을 이용하여 주조하고, 이후에는 디스차지에서의 주편(8)을 수냉장치(10)에 의하여 권취할 때의 권취코일(11)의 온도를 잘 제어하여 제조하여야 한다.

일반적으로 듀플렉스 강에서 가장 중요하게 제어하여야 하는 시그마 상으로는 Cr, Mo가 40% 이상으로 많고 결정구조는 사방정계이다. 기지에 시그마상이 존재하면 재료의 취성이 증가하므로 최대한 석출을 억제하여야 한다.

시그마상은 오스테나이트계 스테인레스 강에서는 석출 속도가 느리나, 듀플렉스 강에서는 매우 빠르게 석출할 수 있으며, 수 분 이내에도 석출 가능하다. 특히 박판주조법에 의하여 제조하는 경우에는 주조 시 빠른 냉각속도 때문에 델타페라이트 모드로 응고한 이후 오스테나이트로 고상 변태하는 시간이 충분하지 않아 50 - 70% 까지의 비교적 많은 페라이트상이 존재하게 되므로, 이러한 취약한 시그마상이 생기기 쉬운 단점이 있다.

따라서, 이러한 시그마 상의 석출을 억제하기 위하여는 디스차지에서의 수냉장치(10)에 의하여 권취코일(11)의 온도를 엄격히 제한하여야 한다. 시그마상의 석출을 억제하여 충분한 인성을 얻기 위해서는 600 ^oC 이하의 온도로 권취하여야 한다.

상기와 같은 본 발명의 실시예로 사용한 듀플렉스 강의 성분표는 아래의 표 1과 같다.

C	Si	Mn	P	S	Cr	Ni	Mo	Cu	Al	N	W
0.020 - 0.10	1.00	2.00	0.030	0.020	22.0 -23.0	2.50 - 6.50	0.5 - 3.50	-		0.10 - 0.20	-

상술한 바와 같이 본 발명의 쌍롤형 박판 주조기에서 균일한 응고를 위하여는 도 3 및 도 4와 같이 주조롤 표면에 요철 및 골이 형성된 주조롤을 적용한다. 요철이 형성된 주조롤에 의하여 주조하면 용강은 항상 조도산에 먼저 접촉하게 되고, 따라서 조도산이 용강 응고의 핵 생성 위치가 된다. 따라서, 전폭으로 미세한 조도산의 공급은 응고 시 핵 생성 위치가 전폭으로 균일해짐에 따라 결과적으로 균일한 응고를 유발하여 결함이 없는 주편의 제조를 가능하게 한다.

그러나, 듀플렉스 강과 같이 용강 중 질소[N]의 함량이 1000 ppm 이상으로 과도하게 되면 분위기 질소가스가 용강으로 용해되는 속도가 감소하고, 따라서 가스의 온도가 올라감에 따라 가스팽창에 의하여 응고셀이 주조롤 표면에서 국부적으로 들뜨는 현상이 발생하게 된다. 주조롤 표면에서 들뜬 응고셀이 주위의 응고셀에 의하여 힘을 받게 되고, 따라서 도 6과와 같은 크랙, 덴트, 디프레션과 같은 표면 결함의 원인이 된다.

이러한 결함을 방지하기 위하여는 가스가 팽창하지 않도록 하여야 하는데, 본 발명에서는 도 4와 같이 주조롤 표면에 추가적으로 골을 형성하는 표면 처리를 수행한다. 즉, 종래의 숏블라스팅 표면 처리 위에 주조 방향으로 골을 형성하는 표면처리인데, 이는 주조 중 가스가 용강 중으로 용해되지 못하는 경우에도 주조롤 표면에 형성된 골을 따라서 배출될 수 있도록 하는 것이다.

이러한 가스 배출 경로의 제공에 의하여 가스가 팽창되지 않으므로 국부적인 응고셀의 들뜸이 방지되고, 따라서 표면 결함이 제거된 우수한 표면 품질의 주편을 제조할 수 있게 되며, 이와 같이 제조된 듀플렉스 스테인레스 강은, 고강도, 고 내식성의 장점이 있으면서 인성이 우수한 특성을 지닌다.

요약하면, 본 발명에서는 2 - 6 mm 의 듀플렉스 강 박판을 쌍롤식 박판주조법에 의거 용강으로부터 직접 주조하여 제조하므로서, 연속 주조법에서와 같이 슬라브를 열간 압연하는 공정이 필요하지 않다. 따라서, 기존의 연속 주조공정에서 듀플렉스 스테인레스 박판을 제조하는데 가장 큰 문제점인 열간압연을 하지 않아도 되므로 표면 결함이 발생하는 문제를 근본적으로 해결할 수 있게 되었으며, 제조 공정의 단순화에 의하여 제조 비용도 크게 저감하는 것이 가능하게 되었다.

1. 주조롤 2. 래들
3. 턴디쉬 4. 침지노즐
5. 메니스커스 실드 6. 브러쉬롤
7. 에지댐 8. 주편
9. 핀치롤 10. 수냉장치
11. 권취코일

Claims (4)

1. 반대방향으로 회전하는 두 개의 주조롤 사이에서 용강이 응고, 압하되어 박판이 형성되고, 형성된 박판이 디스차지 공정을 거쳐 권취되어 박판을 제조하는 연속박판 주조기를 이용하여 듀플렉스 스테인레스 강을 제조하는 방법에 있어서,
   상기 주조롤 사이를 용강이 통과하면서 응고, 압하될 때 가스 배출이 용이하도록 주조롤 표면에 주조방향으로 줄무늬 형태의 골이 형성된 주조롤을 사용하는 것을 특징으로 하는 연속박판 주조기를 이용한 듀플렉스 스테인레스 강의 제조방법
2. 제1항에 있어서,
   상기 주조롤은 표면을 숏블라스팅으로 요철을 형성한 후, 그 위에 주조방향으로 줄무늬 형태의 골을 형성하여서 된 것을 특징으로 하는 연속박판 주조기를 이용한 듀플렉스 스테인레스 강의 제조방법
3. 제1항에 있어서,
   상기 박판의 권취 시 귄취 코일의 온도는 600 ^oC 이하로 유지되는 것을 특징으로 하는 연속박판 주조기를 이용한 듀플렉스 스테인레스 강의 제조방법
4. 제2항에 있어서,
   상기 주조롤의 표면의 요철은 깊이 10 ~ 20 um이고, 주조 방향으로 형성된 줄무늬 형태의 골은, 깊이 10 ~ 200 um, 골 간의 간격 100 ~ 500um, 골의 폭 50 ~ 200um로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 연속박판 주조기를 이용한 듀플렉스 스테인레스 강의 제조방법

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