KR20130009472A - 연속주조용 몰드파우더 - Google Patents

연속주조용 몰드파우더 Download PDF

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Abstract

본 발명은 몰드파우더에 카본 대체물질로 BN 및 CaSi를 첨가함에 의하여, 연속주조 후 주편 표면에 발생되는 탄소의 침탄에 의한 흑색 띠흠 결함을 근본적으로 억제할 수 있는 연속주조용 몰드파우더에 관한 것이다. 본 발명에 따른 연속주조 시 몰드 내의 용강 표면에 투입되는 몰드파우더에 있어서, 상기 몰드파우더는 중량%로, SiO2 : 32.5%~34%, CaO : 26%~40.8%, Al2O3 : 5.5%~7%, Na2O : 5.5%~7%, F: 3~5.5%, 나머지 기타 성분 및 불가피한 불순물로 이루어지며, 상기 몰드파우더는 BN : 0초과~2.0% 및 CaSi : 0초과~1.5%를 더 포함한다. 이러한 구성에 의하여, 표면품질이 양호하여 그라인딩 공정을 생략할 수 있으며, 이에 따라 비용을 저감할 수 있다.

Description

연속주조용 몰드파우더{Mold powder for continuous casting}
본 발명은 연속주조용 몰드파우더에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 표면품질이 양호한 주편을 생산할 수 있는 연속주조용 몰드파우더에 관한 것이다.
일반적인 스테인리스강의 연속주조 공정 시 몰드파우더가 사용된다. 몰드파우더는 연속주조 공정에서 몰드 내의 용강이 응고될 때 응고쉘과 몰드가 융착되지 않도록 주조작업을 할 수 있게 하는 일종의 윤활 작용을 한다.
보다 상세하게, 이러한 몰드파우더는 가열 전에는 분말 형태이며, 연속주조 공정에서 몰드 내의 용강 표면에 투입이 된다. 이때, 1500℃가 넘는 용강 표면에서 비교적 낮은 용융점으로 소결 상태를 거쳐 용융 상태로 몰드와 응고쉘 사이에서 윤활작용을 하게 된다.
또한, 몰드파우더는 윤활작용 이외에도 용강 중 비금속개재물의 흡수제거, 용강의 보온 및 몰드로의 열전달 제어 등 연속주조 시 매우 중요한 역할을 한다.
이러한 몰드파우더는 여러 가지 성분들로 이루어져 있으며, 그 중 카본이 함유될 수 있다. 그러나 몰드파우더 중 카본의 함량이 지나치게 많거나, 몰드파우더의 용융풀 깊이가 얇으면 용강 중으로 카본이 침탄된다. 이에 의해 최종 연주 주편에 흑색 띠흠을 발생시켜 주편 표면에 검은색의 띠 형태로 나타나게 된다.
따라서, 이와 같이 주편 표면에 발생되는 흑색 띠흠 결함을 해결하기 위한 근본적인 해결책이 필요한 실정이다.
본 발명은 몰드파우더에 카본 대체물질로 BN 및 CaSi를 첨가함에 의하여, 연속주조 후 주편 표면에 발생되는 카본의 침탄에 의한 흑색 띠흠 결함을 근본적으로 억제할 수 있는 연속주조용 몰드파우더를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 따른 연속주조 시 몰드 내의 용강 표면에 투입되는 몰드파우더에 있어서, 상기 몰드파우더는 중량%로, SiO2 : 32.5%~34%, CaO : 26%~40.8%, Al2O3 : 5.5%~7%, Na2O : 5.5%~7%, F: 3~5.5%, 나머지 기타 성분 및 불가피한 불순물로 이루어지며, 상기 몰드파우더는 BN : 0초과~2.0% 및 CaSi : 0초과~1.5%를 더 포함한다.
여기서, 상기 몰드파우더는 염기도(CaO/SiO2)가 0.8~1.2일 수 있다.
그리고, 상기 몰드파우더는 용융온도 1300℃에서의 점도가 0.87~1.0포아즈(poise, g/㎝.s)의 범위일 수 있다.
또한, 상기 나머지 기타 성분 및 불가피한 불순물은 카본(C)을 포함하지 않는다.
본 발명에 의하면 연속주조 후 주편 표면에 발생되는 흑색 띠흠 결함이 방지됨으로써, 표면품질이 양호하여 그라인딩 공정을 생략할 수 있으며, 이에 따라 비용을 저감할 수 있다.
도 1은 일반적인 스테인리스강 제조를 위한 연속주조 장치를 나타내는 도면.
도 2는 연속주조 시 카본이 함유된 몰드파우더를 사용하여 생산된 스테인리스강 표면에 발생한 결함을 나타내는 사진.
도 3은 연속주조 중 몰드 내에 몰드파우더를 투입 시 생성되는 층을 나타내는 단면도.
도 4a는 본 발명에 따른 몰드파우더에 포함된 BN의 결정구조를 나타내는 모식도.
도 4b는 본 발명에 따른 몰드파우더에 포함된 BN 파우더를 나타내는 SEM 사진 및 TEM 사진.
이하 첨부한 도면을 참고하여 본 발명의 실시예 및 그 밖에 당업자가 본 발명의 내용을 쉽게 이해하기 위하여 필요한 사항에 대하여 상세히 기재한다. 다만, 본 발명은 청구범위에 기재된 범위 안에서 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로 하기에 설명하는 실시예는 표현 여부에 불구하고 예시적인 것에 불과하다.
본 실시예를 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다. 그리고 도면에서 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 참조번호 및 부호로 나타내고 있음에 유의해야 한다. 아울러, 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장될 수 있으며 실제의 층 두께나 크기와 다를 수 있다.
본 발명은 스테인리스강 연속주조 공정에서 생산된 주편의 표면에 흑색 띠흠의 결함이 자주 발생하는 409L강이 양호한 표면 품질을 갖도록 하기 위한 몰드파우더에 관한 것이다. 통상적으로 409L강 소재는 자동차 배기계용 소재로 사용되는 주력 강종으로, 연속주조 공정 후 흑색 띠흠의 결함이 발생하여 전면 그라인딩 실시로 흑색 띠흠을 제거하고 있다. 그러나, 연속주조 공정 시 몰드파우더 내의 카본이 주편에 침탄되는 것을 억제함으로써, 표면 그라인딩 작업 없이 안정적인 조업 조건을 달성할 수 있다.
도 1은 일반적인 스테인리스강 제조를 위한 연속주조 장치를 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 전기로 및 정련로를 거쳐 생산된 용강은 래들(1)에 담겨 연속주조 공정에서 주조가 시작된다. 래들(1)의 용강(11)은 턴디쉬(2)로 이송되고, 다시 침지노즐(3)을 통해 몰드(5)로 주입된다. 몰드(5) 상단에는 몰드(5)와 응고쉘(12, 도 3 참조) 간의 윤활역할을 하는 몰드파우더(4)가 연속적으로 투입된다.
이와 같이 용강(11)은 수냉을 위한 동판 몰드(5)에 투입되며, 응고가 시작되면 몰드(5) 밖으로 배출된다. 이후, 용강(11)은 2차 냉각대(6)에 의해 응고가 완료된 후 일정한 크기로 절단되어 주편(slab, 11a)으로 생산된다.
도 2는 연속주조 시 카본이 함유된 몰드파우더를 사용하여 생산된 스테인리스강 표면에 발생한 결함을 나타내는 사진이다.
도 2를 참조하면, 연속주조 공정 시 투입되는 몰드파우더에 카본이 포함되어 있는 경우, 연속주조 공정 후에 생산된 주편의 표면에는 흑색 띠흠 결함이 발생한다. 하지만, 몰드파우더의 조성 중 카본은 모든 몰드파우더의 성능결정에 가장 중요한 인자이다. 카본의 주요 역할은 투입 몰드파우더의 용융속도를 제어하고, 용강이 대기와의 반응으로 인한 재산화를 억제하여 안정적인 주조 환경과 건전한 주편 품질을 확보하는데 있다.
이에 따라, 카본이 함유된 몰드파우더를 사용하고, 주편 표면에 발생된 흑색 띠흠 결함을 해결하기 위하여, 생산된 주편을 그라인딩하여 표층부 결함을 제거하였다. 그러나, 이 경우 고가의 주편 손실(1회 그라인딩 시 약 2㎜ 정도의 손실)이 발생한다. 또한, 주편을 그라인딩하는 비용이 많이 요구된다.
본 발명에서는 연속주조 시 흑색 띠흠을 발생시키는 카본을 대체하여 BN(보론 나이트라이드) 및 CaSi(칼슘 실리사이드)를 첨가한 몰드파우더를 투입한다. 여기서, BN는 윤활능 및 용융속도를 조절하고, CaSi는 용강의 재산화 및 발열로 인한 용강 보온을 확보하여 흑색 띠흠이 없는 양호한 주편 품질을 가지도록 할 수 있다.
도 3은 연속주조 중 몰드 내에 몰드파우더를 투입 시 생성되는 층을 나타내는 단면도이다.
도 3을 참조하면, 연속주조 중 몰드파우더를 투입하는데, 몰드파우더는 CaO-SiO2-Al2O3-Na2O-BN-CaSi-F 등으로 구성된 산화물로 구성된다. 이러한 몰드파우더가 용강(11) 위에 투입되면, 용강(11)의 복사열로 인하여 분말층(7), 소결층(8), 몰드 슬래그층(9)이 형성되고, 수냉된 몰드(5) 인접 부근에는 슬래그 림(slag rim, 10)이 생성된다. 이 중 몰드 슬래그층(9)이 응고쉘(12)과 동판 몰드(5) 사이로 흘러들어가 윤활 작용을 함으로써, 연속주조가 가능하게 된다.
몰드파우더는 이러한 윤활기능 외에도 용강(11) 중 비금속개재물의 흡수 제거, 용강(11)의 보온 및 몰드(5)로의 열전달 제어 등 연속주조 시 매우 중요한 역할을 한다.
본 발명에 따른 연속주조 시 몰드(5) 내의 용강 표면에 투입되는 몰드파우더는 중량%로, SiO2 : 32.5%~34%, CaO : 26%~40.8%, Al2O3 : 5.5%~7%, Na2O : 5.5%~7%, F: 3~5.5%, BN : 0초과~2.0% 및 CaSi : 0초과~1.5%, 나머지 기타 성분 및 불가피한 불순물로 이루어지며, 몰드파우더의 염기도(CaO/SiO2)는 0.8~1.2일 수 있다.
그리고, 몰드파우더는 용융온도 1300℃에서의 점도가 0.87~1.0포아즈(poise, g/㎝.s)의 범위일 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 몰드파우더의 성분제한 이유 및 염기도와 점도 범위에 대한 이유를 상세하게 설명한다.
SiO2 : 32.5~34중량%(이하, 단지 '%'로 기재함)
상기 SiO2는 본 발명에서 염기도를 결정하는 성분으로, 그 함량이 32.5% 미만이거나 34%를 초과하면 본 발명의 CaO함량에 따른 염기도를 만족할 수 없으므로, 그 함량을 32.5~34%로 제한하는 것이 바람직하다.
CaO : 26~40.8%
상기 CaO도 본 발명에서 염기도를 결정하는 성분으로, 그 함량이 26% 미만이거나 40.8%를 초과하면 본 발명의 SiO2 함량에 따른 염기도를 만족할 수 없으므로, 그 함량을 26~40.8%로 제한하는 것이 바람직하다.
Al2O3 : 5.5~7%
Al2O3는 통상적으로 점도를 증가시키나, 결정화온도 및 응고온도를 낮추는 성분이기도 하다. 그 함량이 5.5% 미만이면 점도가 낮아져서 몰드파우더의 유동성은 좋아지나 소모량이 늘어나고, 7%를 초과하면 몰드파우더 내 점도는 증가하나 브레이크 아웃(break out)의 위험성이 커진다. 따라서, 그 함량을 5.5~7%로 제한하는 것이 바람직하다.
Na2O : 5.5~7%
상기 Na2O는 몰드파우더의 점도를 증가시키는데 유효한 성분으로, 그 함량이 5.5% 미만이면 첨가에 따른 상기 효과를 얻을 수 없고, 7%를 초과하면 Al2O3를 과도하게 흡수하는 문제점이 있다. 따라서, 그 함량을 5.5~7%로 제한하는 것이 바람직하다.
F : 3~5.5%
상기 F는 점도를 저하시키고, 몰드파우더의 결정화온도 및 용융온도를 저하시키는 성분으로, 그 함량이 3% 미만이면 점도, 결정화온도 및 용융온도가 높아지고, 5.5%를 초과하면 몰드 파우더의 소모량이 많아진다. 따라서, 그 함량을 3~5.5%로 제한하는 것이 바람직하다.
BN : 0초과~2.0%
상기 BN는 카본을 대체하여 몰드파우더의 윤활능 및 용융속도를 조절하므로 반드시 첨가되어야 하는 성분이지만, 2.0%를 초과하는 경우 브레이크 아웃이 발생될 수 있다. 따라서, 그 함량을 0초과~2.0%로 제한하는 것이 바람직하다.
CaSi : 0초과~1.5%
상기 CaSi는 카본을 대체하여 용강의 재산화 및 발열로 인한 용강 보온을 확보하기 위한 것으로 반드시 첨가되어야 하는 성분이지만, 1.5%를 초과하는 경우 산화 발열의 이상 증가로 몰드파우더의 슬래그층이 증가한다. 이에 의해 몰드파우더의 소모량이 증가되는 문제점이 있다. 따라서, 그 함량을 0초과~1.5%로 제한하는 것이 바람직하다.
상기한 성분 이외에 나머지는 연소손실(loss of ignition)이며, 기타 불가피하게 포함되는 불순물을 포함할 수 있다. 상기 불가피하게 포함되는 불순물로는 예를 들면 MgO, MnO, P2O5, K2O, Fe2O3 및 수분 등이 있다.
또한, 본 발명의 몰드 파우더는 상기한 성분 조성을 만족함과 아울러 0.8~1.2 범위의 염기도(CaO/SiO2)를 가져야 한다. CaO/SiO2의 중량비가 0.8 미만이거나 1.2를 초과하면, 몰드파우더의 융점이 현저하게 높아지기 때문에 바람직하지 않다.
그리고, 본 발명에 따른 성분을 가지는 몰드파우더는 용융온도 1300℃에서의 점도가 0.87~1.0포아즈(poise, g/㎝.s)의 범위일 수 있다. 염기도에 따라 용강열에 의한 몰드파우더의 용융, 몰드 슬래그 풀 형성 및 몰드와 주편 사이로의 몰드파우더의 윤활 특성이 달라진다. 본 발명에서 제시한 염기도 범위는 고점도 조건에서 몰드파우더의 소모가 적어 경제적이면서 우수한 몰드파우더를 제공할 수 있기 때문이다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 하지만, 이러한 실시예의 기재는 본 발명의 실시를 예시하기 위한 것일 뿐 이러한 실시예의 기재에 의하여 본 발명이 제한되는 것은 아니다.
(실시예)
[표 1]의 조성을 갖는 몰드파우더를 제조하고, 각각의 몰드파우더를 몰드 내에 취입하여 주편을 제조한 후 표면품질을 관찰하였다.
이때, 본 발명에 따른 발명재의 몰드파우더는 용융온도 1300℃에서의 점도가 0.87~1.0포아즈의 범위에 속하였다.
구분 BN 함량
(%)		 CaSi 함량
(%)		 카본 함량
(%)		 흑색 띠흠
주결함률(%)		 주편
그라인딩률(%)
통상재 0 0 1.5 38.4 4.5
비교재1 1.0 0 0.5 15.2 2.1
비교재2 0 1.0 0.5 15.1 2.1
발명재1 0.5 1.0 0 0 0
발명재2 0.5 1.5 0 0 0
발명재3 1.0 0.5 0 0 0
발명재4 1.0 1.0 0 0 0
발명재5 1.0 1.5 0 0 0
발명재6 1.5 0.5 0 0 0
발명재7 1.5 1.0 0 0 0
발명재8 1.5 1.5 0 0 0
발명재9 2.0 0.5 0 0 0
발명재10 2.0 1.0 0 0 0
발명재11 2.0 1.5 0 0 0
[표 1]에서 보는 바와 같이, 본 발명에 따른 발명재들의 몰드파우더가 흑색 띠흠 생성 억제에 미치는 영향을 알 수 있다. 즉, 몰드파우더 내에 BN 및 CaSi 첨가는 흑색 띠흠 발생률과 주편 코일 그라인딩률과 직접적인 상관성을 갖는다. 모든 발명재에서 흑색 띠흠 발생률과 주편 코일 그라인딩률이 모두 0%를 나타내고 있다.
따라서, 본 발명에서의 몰드파우더는 이러한 흑색 띠흠 결함을 근원적으로 제거할 수 있도록 발명된 것이며, 이하에서 상세하게 설명하도록 한다.
본 발명에 따른 몰드파우더는 카본의 부작용을 원천적으로 억제하기 위하여 카본을 대체하여 BN와 CaSi를 첨가하였다.
여기서, BN는 '백색 흑연'의 명칭으로 불리우며 카본과 그 물성에 있어서 유사한 특성을 가지고 있어 카본을 대체할 몰드파우더 용융속도 조절제로 첨가하였다. 한편, CaSi은 제강 공정에서 용강 중 개재물 개질을 위해 범용으로 사용하는 탈산제로서, 용강의 재산화를 방지한다. 그리고, CaSi는 산소와 결합 시 발열 특성을 가지고 있으므로, 최적의 CaSi 함량을 평가하여 BN, CaSi 투입을 통한 최적의 몰드파우더 조성을 도출하였다.
[표 1]에서 발명재의 몰드파우더에 BN 함량을 0.5~2.5%, CaSi 함량을 0.5~1.5%로 하여 주편 흑색 띠흠 발생률과 주편 그라인딩률을 평가하였다. 발명재1 내지 발명재11에서 BN와 CaSi를 상기 범위를 만족하도록 동시에 함유하는 몰드파우더를 제조하였다. 모든 발명재에서 흑색 띠흠 주결함률 및 주편 그라인딩률이 모두 0%로, 주편 표면에 흑색 띠흠 발생률이 현저히 낮아짐을 알 수 있다.
그리고, [표 1]에는 나타나지 않았지만, CaSi를 0초과~1.5이하로 함유하고, BN을 2.5% 함유하는 몰드파우더에서는 흑색 띠흠은 역시 발생되지 않았으나, 연속주조 가동 중 브레이크 아웃이 발생하였다. 이는 과도한 BN 함량이 409L 용강 중 Ti에 의하여 환원되어 B2O3가 생성되며, 초기 몰드파우더 물성을 크게 변화시킨 것으로 판단된다.
또한, CaSi의 경우 1.5%까지 흑색 띠흠 저감에 효과적으로 확인되었다. 그러나, 상기 [표 1]에는 나타나지 않았지만, 1.5%를 초과하는 CaSi 투입 시 산화 발열의 이상 증가로 몰드파우더의 슬래그 층이 증가하여 몰드파우더 소모량 증가가 야기되었다.
그리고, 카본이 1.5% 함유되고, BN 및 CaSi가 함유되지 않은 통상재의 경우에는 흑색 띠흠 주결함률이 38.4%, 주편 그라인딩률이 4.5%로 매우 높은 표면 결함률을 나타냄을 알 수 있다.
또한, 비교재1에서는 카본 0.5%, BN 1.0%를 함유하고 있으며, 비교재2에서는 카본 0.5%, CaSi 1.0%를 함유하고 있다. 이러한 비교재1의 경우에 흑색 띠흠 주결함률이 15.2%, 주편 그라인딩률이 2.1%로 나타난다. 그리고, 비교재2의 경우에도 흑색 띠흠 주결함률이 15.1%, 주편 그라인딩률이 2.1%로 나타난다. 이와 같이 몰드파우더에 카본이 함유되면, BN 또는 CaSi 중 어느 하나라 함유되더라도 표면 결함이 발생하게 됨을 알 수 있다.
이러한 결과로부터 통상 적용 중인 409L강용 몰드파우더에 카본 대신 0초과~2.0%의 BN과 0초과~1.5%의 CaSi를 첨가한 몰드파우더 조성을 도출하였다.
이와 같이, 본 발명에 따르면, 주편에 발생되는 흑색 띠흠의 결함을 방지하기 위하여, 몰드파우더에 포함된 카본을 대신하여 BN(0초과~2.0%)와 CaSi(0초과~1.5%)를 첨가하였다. 이에 의해 주편 표면에 흑색 띠흠의 저감을 기대할 수 있으며, 흑색 띠흠이 근원적으로 억제되었음을 알 수 있다.
도 4a는 본 발명에 따른 몰드파우더에 포함된 BN의 결정구조를 나타내는 모식도이고, 도 4b는 본 발명에 따른 몰드파우더에 포함된 BN 파우더를 나타내는 SEM 사진 및 TEM 사진이다.
도 4a 및 도 4b를 참조하면, BN는 백색의 흑연이라고 불리우며, 세라믹스에서는 유일하게 기계가공성이 뛰어난 질화붕소이다. BN는 흑연과 비슷한 6방정계 구조를 가지고 있어 화학적, 물리적 성질이 흑연과 비슷하다. 그러나 BN은 백색으로서 전기적으로 뛰어난 절연체이고, 흑연은 전기적으로 도체라는 점에서 차이가 있다. 또한, BN 분말은 린편상의 결정구조를 가지고 있다.
보다 상세하게 BN의 특성을 살펴보면, BN는 열적 특성이 우수하다. 즉, 스테인리스강 정도의 높은 열전도율을 가지므로, 열충격저항이 크고, 1500℃ 정도의 급가열, 급냉각을 반복하여도 균열되거나 파손되지 않는다.
또한, BN은 전기 절연성 및 화학적 안전성이 뛰어나며, 고온 윤활성도 우수하다. 이에 의해 이유화몰리브덴(Mos2) 및 흑연에서는 산화, 분해되어 윤활이 불가능한 고온 영역에서도 사용할 수 있다. 그리고, BN는 진비중이 2.26으로 세라믹스 중 가장 가벼우며, 보통의 금속가공과 같이 공작기계로 복잡한 형상 가공이 가능하다.
본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 변형예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
전술한 발명에 대한 권리범위는 이하의 특허청구범위에서 정해지는 것으로써, 명세서 본문의 기재에 구속되지 않으며, 청구범위의 균등 범위에 속하는 변형과 변경은 모두 본 발명의 범위에 속할 것이다.
1 : 래들 2 : 턴디쉬
3 : 침지노즐 4 : 몰드파우더
5 : 몰드 6 : 2차 냉각대
7 : 분말층 8 : 소결층
9 : 몰드 슬래그층 10 : 슬래그 림
11 : 용강 11a : 주편
12 : 응고쉘

Claims (4)

  1. 연속주조 시 몰드 내의 용강 표면에 투입되는 몰드파우더에 있어서,
    상기 몰드파우더는 중량%로, SiO2 : 32.5%~34%, CaO : 26%~40.8%, Al2O3 : 5.5%~7%, Na2O : 5.5%~7%, F: 3~5.5%, 나머지 기타 성분 및 불가피한 불순물로 이루어지며,
    상기 몰드파우더는 BN : 0초과~2.0% 및 CaSi : 0초과~1.5%를 더 포함하는 연속주조용 몰드파우더.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 몰드파우더는 염기도(CaO/SiO2)가 0.8~1.2인 연속주조용 몰드파우더.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 몰드파우더는 용융온도 1300℃에서의 점도가 0.87~1.0포아즈(poise, g/㎝.s)의 범위인 연속주조용 몰드파우더.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 나머지 기타 성분 및 불가피한 불순물은 카본(C)을 포함하지 않는 연속주조용 몰드파우더.
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