KR20150072755A

KR20150072755A - 연속박판 주조기를 이용한 sts321강의 제조방법

Info

Publication number: KR20150072755A
Application number: KR1020130160262A
Authority: KR
Inventors: 박성진; 송병준; 이대성
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2013-12-20
Filing date: 2013-12-20
Publication date: 2015-06-30
Also published as: US20150174647A1; CN104726788A

Abstract

연속박판 주조기를 이용한 STS321강의 제조방법이 제공된다.
본 발명은, 쌍롤식 박판주조공정을 이용하여 STS321 스텐레스 강판을 제조하는 방법에 있어서, 용강의 성분을 관리하여 하기 [관계식 2]에서 정의되는 TiN 석출온도를 조절함으로써, TiN 석출온도와 턴디쉬(T/D) 용강 온도와의 차이(△T)가 50℃이상이 되도록 T/D 용강온도를 TiN 석출온도 보다 높게 관리하는 것을 특징으로 하는 표면품질이 우수한 STS321 스텐레스 강판의 제조방법에 관한 것이다.
[관계식 2]
Log(N %) = - 19755/(T+273)+7.78+0.07[% Ti] - log[%Ti] + 0.045[%Cr]

Description

연속박판 주조기를 이용한 STS321강의 제조방법{A Method of Manufacturing Stainless Steel 321 by Twin Roll Strip Caster}

본 발명은 연속박판 주조기를 이용한 STS321강의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 종래 연속 주조방식으로 제조하여 왔던 STS321강을 새롭게 쌍롤형 박판주조장치에서 용탕으로부터 직접 박판을 제조함으로써, 종래 연속 주조시 의 노즐 막힘을 방지하고 주편 표면의 대형 결함(TiN 질화물, 산화물성 개재물에 기인된) 문제를 근본적으로 해결할 수 있는 표면품질이 우수한 STS321강의 제조 방법에 관한 것이다.

STS321강은 0.2~0.5%의 고 Ti를 함유하는 강으로서 통상 연주공정에서 Ti 질화물 또는 산화물 발생 가능성이 매우 높은 강종이며, 이들의 혼합에 의해 래들 및 턴디쉬 침지 노즐 막힘 많이 발생 되는 강종으로 알려져 있다.

또한 Ti 질화물로 구성된 대형 cluster들에 의한 표면결함이 다발하고 있는 실정이며, 따라서 이들 고 Ti 첨가강은 거의 대부분 slab grinding을 하여 표면의 결함들을 제거한 후에 열간압연의 후공정을 진행하고 있다. 그리고 열연코일내 해당 결함이 잔존할 경우 coil grinding을 한 후 제품화하거나 냉간압연 공정을 거쳐 최종 제품화하고 있다. 그러므로 이로 인해 추가공정 비용증가와 공정부하가 많아지고 실수율 하락에 의한 이익감소도 커져 이에 대한 해결책이 요구되어 왔다.

일반적으로 Ti 첨가 스테인레스강은 고내식성이 요구되는 강종에 0.2 ~ 0.5% 범위로 Ti를 첨가하여 강중 탄소를 TiC 형태로 고정시킴으로써, 스테인레스강의 내식성을 보장하는 가장 중요한 원소인 Cr이 탄소와 결합하여 Cr₂₃C₆의 형태로 석출하는 것을 방지한다. 이러한 Ti 첨가 스테인레스강의 생산 공정은 일반직인 스테인레스 강 생산 공정인 전기로-정련로-래들 조정장-연속주조의 공정에 의해 생산된다. 즉, 종래에 321 스테인레스강의 박판제조는 연속주조 방식에 의하여 슬라브를 제조하고, 이를 열간 압연하여 두께 2~6mm의 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.

전기로에서 스크랩 및 합금철을 녹여 용탕을 만들고 정련로에서는 이 용탕을 산소 및 아르곤 가스를 이용하여 탈탄, 탈린 및 탈황의 정련을 하며, 래들 조정장에서는 연속 주조에 알맞게 온도 및 미세성분을 조절한다. 온도 및 성분이 조절된 용강은 연속 주조에 의해 열연코일 형태의 제품을 생산하게 된다.

그러나 이러한 Ti 첨가시 결정적인 단점은 Ti가 산소 및 질소와의 친화력이 매우 크기 때문에, 제강 공정중 용강중에 Ti 산화물(TiO₂) 및 Ti 질화물(TiN)을 형성하며, 이와 같이 형성된 Ti 산화물 및 질화물이 융점이 매우 높아 주조중 노즐 막힘을 야기하고 제품 표면의 품질에 악영향을 미치다는 것이다. 특히, 주조중 노즐 막힘은 턴디쉬 및 주조기에 용강이 공급되지 않으므로 주조가 불가능하게 되어 제품 자체를 생산하지 못하는 가장 치명적인 상황을 야기시킨다.

또한 노즐 막힘 물질이 용강으로 혼입되어서 대형 개재물에 의해 제품의 표면 품질이 극히 불량하게 된다. 이와 같이, 주조중 노즐 막힘은 생산성 측면뿐만 아니라 제품 표면 품질에도 큰 영향을 미치게 된다.

이러한 노즐 막힘을 방지하기 위한 종래의 방법으로는

첫째, Ti을 감소시키는 방법을 들 수 있다. 즉, Ti을 감소시키면 Ti 산화물 및 Ti 질화물의 생성량이 감소할 것이라는 이론이다. 그러나 이 경우 탄소(C)를 동시에 감소시켜야 하는 부담이 생긴다. Ti 첨가 스테인레스강은 내식성 확보를 위해 C의 함량에 따라 일정비 이상의 Ti 를 첨가하는 것을 기본 설계로 한다. 이를 Ti 안정화비라고 하는데 통상 그 비율 Ti/C는 5~10정도이고 일반적으로 최소 5이상을 기본으로 한다. 따라서 동일한 비를 만족하기 위하여 Ti이 적은 경우 탄소를 낮추어야 한다. 탄소를 낮추면 정련로에서 탈탄을 위해 산소 취입량이 증가하게 되어 용강중 용존 산소량이 증가하게 되어 오히려 Ti 산화물이 더 많이 생성될 가능성이 있다. 또한 정련 시간이 길어짐에 따라 용강온도가 상승하여 출강후 온도를 낮추기 위하여 상당량의 냉각제를 투입하게 되어 냉각제 투입중 용강이 대기와 접촉하게 되어 재산화에 의한 개재물의 다량 생성의 가능성이 있다.

둘째 Ti 산화물을 원칙적으로 감소시키기 위해 Ti 투입 전에 Ti 보다 산소와의 친화력이 큰 Al을 다량 첨가하여 용존산소를 없애는 방법이다. 이 방법은 Ti 산화물을 거의 형성시키지 않는 반면, 표면 품질에 Ti 산화물 보다 더 해로운 다량의 Al 탈산 생성물인 Al₂O₃가 형성되므로 이러한 Al₂O₃를 덜 해로운 CaO-Al₂O₃로 만들기 위하여 용강에 Ca을 투입하는 처리를 반드시 해주어야 한다. 그러나 Ca 처리의 경우, Ca 자체의 강한 기화성으로 인해 정확한 농도 제어가 매우 어려우며 지나치게 적거나 많게 투입되면 원하는 개재물 형상이 얻어지지 않아 표면결함이 증가하게 되며 특히, 지나치게 많이 첨가될 경우 용강중 Ca이 턴디쉬와 주조기 사이의 용강 주입을 조절하는 스토퍼 내화물의 Al₂O₃와 반응하여 저융점 화합물인 CaO-Al₂O₃를 형성하여 스토퍼의 용손이 심하게 된다. 따라서 용강 주입 조절이 불안정하게 되어 제품 품질이 크게 악화 된다.

따라서 본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 쌍롤식 박판주조기를 이용해 통상 연속 주조중 발생 되는 노즐의 막힘을 효과적으로 방지하고 TiN의 형성을 억제하여 주조 안정성을 확보하고 제품 표면 품질을 양호하게 관리할 수 있는 STS321 스테인레스강의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

그러나 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은,

쌍롤식 박판주조공정을 이용하여 STS321 스텐레스 강판을 제조하는 방법에 있어서, 용강의 성분을 관리하여 하기 [관계식 2]에서 정의되는 TiN 석출온도를 조절함으로써, TiN 석출온도와 턴디쉬(T/D) 용강 온도와의 차이(△T)가 50℃이상이 되도록 T/D 용강온도를 TiN 석출온도 보다 높게 관리하는 것을 특징으로 하는 표면품질이 우수한 STS321 스텐레스 강판의 제조방법에 관한 것이다.

[관계식 2]

Log(N %) = - 19755/(T+273)+7.78+0.07[% Ti] - log[%Ti] + 0.045[%Cr]

상기 용강은 중량%로, C:0.025~0.055%, Si:0.25~0.55%, Mn:1.5~1.8%, Cr:17.1~17.7%, Ni:9.25~9.65%, Ti:0.2~0.5%, N:0.025%이하, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하여 조성됨이 바람직하다.

본 발명에서는 또한 Ti/C 가 8이상 인 것이 바람직하다.

상술한 바와 구성의 본 발명에 따르면, 종래의 통상의 연속주조 공정중에 발생하는 노즐의 막힘을 효과적으로 방지하고 TiN의 형성을 억제하여 주조안정성을 확보할 수 있음과 아울러, 제품 표면 품질이 우수한 STS321 스테인레스 박강판을 쌍롤식 박판주조기를 이용하여 효과적으로 제조할 수 있다.

도 1은 종래기술에 의한 연속주조 공정의 개념도이다.
도 2는 본 발명에 사용되는 박판주조기의 개념도이다.
도 3은 TiN+TiO₂ cluster형 복합 산질화물의 형상을 나타내는 전자현미경 사진이다.
도 4는 본 실시예의 비교재들의 주조 실시 후 주조재 표면 및 턴디쉬 노즐 내부모습 사진이다.
도 5는 본 실시예의 발명재들의 주조 실시 후 주조재 표면 및 턴디쉬 노즐 내부모습 사진이다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명에 사용되는 박판주조장치의 개념도이다.

도 2에 나타난 바와 같이, 본 발명에서의 박판주조장치(100)은 크게 주조롤(110), 래들(120), 턴디쉬(130), 침지노즐(140), 메니스커드 실드(150), 브러쉬롤(160) 및 에지댐(170)을 포함하여 구성되며, 180은 주편을 나타낸다. 이러한 박판주조장치를 이용한 쌍롤식 박판 주조법은 용강으로부터 두께 10mm 이하의 박판을 직접 제조하는 방법으로, 빠른 속도로 반대방향으로 회전하는 내부 수냉식 쌍롤 사이에 주입 노즐을 통해 용강을 공급하여 원하는 두께의 박판을 제조하는 방법이다.

본 발명은 상기 쌍롤식 박판주조장치를 이용하여 STS321 스텐레스 강판을 제조함에 있어서, 용강의 성분을 관리하여 하기 [관계식 2]에서 정의되는 TiN 석출온도를 조절함으로써, TiN 석출온도와 턴디쉬(T/D) 용강 온도와의 차이(△T)가 50℃이상이 되도록 T/D 용강온도를 TiN 석출온도 보다 높게 관리하는 것을 특징으로 한다.

먼저, 본 발명에서 쌍롤식 박판주조장치를 이용하여 제조하고자 하는 강판은 STS321 스텐레스 강판으로서, STS321 스텐레스강의 조성성분은 중량%로, C:0.025~0.055%, Si:0.25~0.55%, Mn:1.5~1.8%, Cr:17.1~17.7%, Ni:9.25~9.65%, Ti:0.2~0.5%, N:0.025%이하, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 것으로서 이미 규격화되어 통상적으로 잘 알려져 있는 성분계이다.

그런데 상기와 같은 조성된 용강을 이용하여 쌍롤식 박판주조공정을 이용하여 주편을 제조할 경우, 첨가되는 Ti 성분의 영향으로 여러 가지 주조결함을 유발할 수 있다.

일반적으로, 턴디쉬 노즐막힘의 부착물들의 조성을 살펴보면, TiN, TiO₂ 두물질들이 부착되어 있는 것을 볼 수 있는데, TiN을 핵생성 seed로 주변에 TiO₂ 산화물들이 달라붙어 cluster형태를 이루며 복합 개재물로 존재하는데, 도 3은 TiN+TiO₂ cluster형 복합 산질화물의 형상을 나타내는 전자현미경 사진으로서 이를 잘 보여주고 있다. 그러므로 TiN 질화물 석출 및 TiO₂ 산화물 생성 모두를 최소화할 필요가 있다.

용강중 Ti는 질소와의 반응에 의해 TiN 개재물을 형성한다. TiN은 융점이 2000℃ 근방으로 매우 높기 때문에, 용강중에 형성되어 여러 TiN 입자가 응집하여 성장하면 비록 노즐 막힘에는 TiO₂ 개재물 보다는 악영향을 미치지 않지만 제품 표면 품질에는 극히 해롭다. 따라서 TiN 을 용강중, 정확히 말하면 턴디쉬 용강 이전에 형성하지 않도록 조절하는 것이 중요하다.

따라서 다음 식으로 나타내어지는 Ti 와 질소의 TiN 형성 반응에 대해 열역학적 조사를 하였다.

[관계식 1]

Ti + N = TiN

상기 [관계식 1]은 여러 학술 자료에서 발표되어 왔다. 본 발명에서는 이들 여러 자료를 검토한 결과, 실제 321 스테인레스강에서 TiN 형성 결과와 가장 잘 일치하는 다음 [관계식 2]을 채택하였다.

[관계식 2]

Log(N %) = - 19755/(T+273)+7.78+0.07[%Ti] - log[%Ti] + 0.045[%Cr]

상기 [관계식 2]는 TiN 석출온도를 나타내는 식으로서, Ti, N, Cr 성분에 의해 TiN 석출온도가 결정되고 Ti, N 함량이 적을수록, Cr 함량이 증가할수록 TiN 석출온도가 낮아지는 것을 볼 수 있다. 즉, 응고가 시작되는 주조기에서의 T/D 용강온도가 TiN 석출온도 이상으로 관리되어야 응고 이전에 TiN 석출을 최소화 할수 있다. 따라서 정련로에서 탈질, 흡질 방지를 통해 질소 농도를 최소화하여 TiN석출이 일어나지 않도록 하는 것을 전제로 하고, Ti 첨가량을 최소한으로 관리하여 TiN, TiO₂ 산질화물들의 생성을 최소화하여야 한다.

따라서 본 발명에서는, 용강의 성분을 관리하여 상기 [관계식 2]에서 정의되는 TiN 석출온도를 조절함으로써, TiN 석출온도와 턴디쉬(T/D) 용강 온도와의 차이(△T)가 50℃이상이 되도록 T/D 용강온도를 TiN 석출온도 보다 높게 관리한다.

박판주조공정으로는 고온주조(1550℃이상)가 가능하여 TiN 석출온도와 고온주조간의 온도차 △T를 50℃이상 유지할 수 있어 TiN 석출을 억제할 수 있어 TiN을 seed로 하는 TiN+TiO₂ cluster형 복합 산질화물들 생성을 방지하여 노즐막힘 해결하고 표면결함을 최소화 할 수 있다.

또한 본 발명에서는 Ti 안정화비인 Ti/C를 8 이상으로 관리하여 소재의 내식성을 확보할 수 있다. 따라서 동일한 비를 만족하기 위하여 Ti을 투입을 적게 할 경우 탄소를 낮추어야 한다. 탄소를 낮추려면 정련로에서 탈탄을 위해 산소 취입량이 증가하게 되어 용강중 용존 산소량이 증가하게 되어 오히려 Ti 산화물이 더 많이 생성될 가능성이 있다. 또한 정련 시간이 길어짐에 따라 용강온도가 상승하여 출강후 온도를 낮추기 위하여 상당량의 냉각제를 투입하게 되어 냉각제 투입중 용강이 대기와 접촉하게 되어 재산화에 의한 개재물의 다량 생성의 가능성이 있다.

그러나 정련로 탈탄을 위해 산소 취입량이 증가하여 용강중 용존 산소량이 증가하고 TiO₂ 산화물이 더 많이 생성되더라도 박판 주조기 공정 특성상 급속으로 응고가 이루어지기 때문에 TiO₂ 개재물들은 크기가 작고 미세하여 TiO₂ 단독의 영향도는 작다고 할 수 있다. TiN을 seed로 하여 TiO₂ 산화물들이 결합된 형태의 대형 군집형태가 노즐에 쉽게 부착되고 표면 결함을 유발하는 영향도가 큰 산화물이다.

대신에 정련로 탈탄이 많이 되어 C함량을 0.3%이하로 낮출수가 있어 Ti 안정화비에 맞는 Ti 투입량도 줄일 수 있어 TiN 석출, TiO₂생성을 근본적으로 감소시킬 수 있다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명한다.

(실시예)

구분		비교예(통상의 연주공정)			발명예(STRIP CASTING)
구분		1	2	3	1	2	3
용강조성 (wt%)	탄소(C)	0.025	0.03	0.027	0.03	0.029	0.028
	질소(N)	0.0147	0.015	0.013	0.012	0.01	0.0091
	티타늄(Ti)	0.157	0.24	0.22	0.26	0.25	0.26
	Ti/C	6.28	8.0	8.14	8.66	8.62	8.21
TiN 석출온도(℃)		1487	1516	1501	1509	1493	1490
T/D 용강온도(℃)		1502	1510	1511	1559	1558	1562
주조결과	노즐막힘(mm)	20	10	5	2	1	1
주조결과	표면 Grinding 횟수(상하면 합의 수)	10	8	8	-	-	-

상기 표 1과 같이 조성된 용강을 이용하여 STS321 스텐레스강 박판을 주조하였다. 이때 표 1에서 비교예 1-3은 통상의 연속 주조공정을 이용하여 주편을 제조한 경우의 예이며, 발명예 1-3은 쌍롤식 박판주조기를 이용하여 주편을 제조했을때의 경우를 나타낸다. 그리고 표 1에서 TiN의 석출온도는 상술한 관계식 2를 이용하여 계산된 수치를 나타낸다.

상기 표 1에 나타난 바와 같이, 통상의 연속주조공정에서는 정련 시간이 길어짐에 따라 탈탄 반응열로 인해 용강온도가 상승하면 Break-out(주편 터짐)으로 고온주조가 불가하기 때문에, 출강후 온도를 낮추기 위하여 상당량의 냉각제를 투입하게 되어 냉각제 투입중 용강이 대기와 접촉하게 되어 재산화에 의한 개재물의 다량 생성의 가능성이 있다. 또한 용강온도를 낮추게 되면서 TiN 석출온도(1490~1505도) 인근온도에서 주조를 실시하게 되어 TiN 석출물 생성이 많이 발생될 수 있으므로, 비교예 1-3의 경우 노즐 막힘 정도가 5mm 이상으로 좋지 않음을 알 수 있다.

또한 상기 통상의 연속주조공정에 의해 생산된 슬라브 제품은 TiN+TiO₂ 복합개재물들에 의해 표면결함이 발생되어, 표면 grinding을 상/하면 각각 4회 이상 실시해야 함을 알 수 있다. 도 4는 표 1의 비교재들의 주조 실시 후 주조재 표면 및 턴디쉬 노즐 내부모습 사진이다.

이에 반하여, 쌍롤식 박판주조공정으로 고온주조(1550℃ 이상)가 가능하여 TiN 석출온도와 고온주조간의 온도차 △T=50℃ 이상 유지할 수 있는 발명예 1-3의 경우, TiN 석출을 억제할 수 있어 TiN을 seed로 하는 TiN+TiO₂ cluster형 복합 산질화물들 생성을 방지하여 노즐막힘 해결하고 표면결함을 최소화 할 수 있다.

즉, 본 발명에서는 TiN 석출을 최소로 억제함으로써 턴디쉬 노즐 내부 막힘이 1mm수준으로 미발생되어 정상적으로 주조를 완주할 수 있음을 알 수 있다. 또한 본 발명인 박판 주조공정법으로 생산된 제품은 표면 grinding을 미실시할 정도로 표면품질이 양호한 스테인리스 321강을 생산하게 됨을 알 수 있다.

이상 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

110: 주조롤 120: 래들
130: 턴디쉬 140: 침지노즐
150: 메니스커스 실드 160: 브러쉬롤
170: 에지댐 180: 주편

Claims

쌍롤식 박판주조공정을 이용하여 STS321 스텐레스 강판을 제조하는 방법에 있어서, 용강의 성분을 관리하여 하기 [관계식 2]에서 정의되는 TiN 석출온도를 조절함으로써, TiN 석출온도와 턴디쉬(T/D) 용강 온도와의 차이(△T)가 50℃이상이 되도록 T/D 용강온도를 TiN 석출온도 보다 높게 관리하는 것을 특징으로 하는 표면품질이 우수한 STS321 스텐레스 강판의 제조방법.
[관계식 2]
Log(N %) = - 19755/(T+273)+7.78+0.07[% Ti] - log[%Ti] + 0.045[%Cr]
제 1항에 있어서, 상기 용강은 중량%로, C:0.025~0.055%, Si:0.25~0.55%, Mn:1.5~1.8%, Cr:17.1~17.7%, Ni:9.25~9.65%, Ti:0.2~0.5%, N:0.025%이하, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하여 조성됨을 특징으로 하는 표면품질이 우수한 STS321 스텐레스 강판의 제조방법.
제 1항에 있어서, Ti/C가 8이상인 것을 특징으로 하는 표면품질이 우수한 STS321 스텐레스 강판의 제조방법.