KR20170011712A - 고탄소강의 연속 주주용 몰드 플럭스 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따라서, B₂O₃ 3 내지 5 중량%, Li₂0 1 내지 3 중량%, Na₂O 10 내지 15 중량%, CaF₂ 10 내지 15 중량%, Al₂O₃ 1 내지 3 중량%를 포함하며, 잔부는 Cao, SiO₂ 및 불가피 불순물이며, 염기도(CaO/SiO₂)가 0.4 내지 0.8인 것을 특징으로 하는 연속 주조용 몰드 플럭스가 제공된다.

Description

고탄소강의 연속 주주용 몰드 플럭스{MOLD FLUX FOR CONTINUOUS CASTING OF HIGH CARBON STEEL}

본 발명은 연속 주조용 몰드 플럭스에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는, 윤활 작용 및 열전달 특성을 개선한 고탄소강의 연속 주조용 몰드 플럭스 및 이을 이용한 연속 주조 방법에 관한 것이다.

연속 주조용 몰드 플럭스가 알려져 있다(예컨대, 등록특허 제10-749021호).

일반적으로, 제강 공정의 용선 예비 처리 공정, 전로 정련 공정, 이차 정련 공정 및 연속 주조 공정 순으로 진행된다. 연속 주조 공정에서 제조되는 슬라브, 빌렛 등(주편)은 액체 상태의 용강을 공급받아, 턴디쉬를 거쳐 노즐을 통해 주형을 통과하면서 주형에서의 냉각 작용에 의해 고체 상태의 응고 쉘을 형성한다. 이와 같이 용강이 냉각된 응고 쉘은 하부에 설치된 가이드 롤에 의해 안내를 받으면서 스프레이 노즐로부터 분사되는 2차 냉각수에 의해 응고가 진행되어, 완전한 고상의 주편 형태로 나타난다.

이러한 철강의 연속 주조 공정 중, 용강이 주형 내에 공급될 때 용강뿐만 아니라, 부자재인 몰드 플럭스도 투입된다. 몰드 플럭스는 주형 내 용강 위에 투입되어, 용강의 열을 받아 미용융층, 소결층, 용융 슬래그층의 3개 층을 나타내는데, 이러한 몰드 플럭스는 용강의 응고를 방지하는 보온 기능, 대기와의 접촉을 차단하여 대기에 의한 용강의 재산화를 방지하는 기능, 용강 표면으로부터 부상하는 개재물을 흡수하는 기능, 응고 쉘과 주형간의 윤활 기능, 응고 쉘과 주형간의 열전달 매체의 기능 등을 담당한다.

연속 주조 몰드 플럭스는 일반적으로 CaO-SiO₂ 2원계를 주성분으로 하여, 여러 용해 촉진제를 첨가하여 몰드 플럭스의 특성을 제어한다. 한편, 고탄소강의 얇은 슬래브 연속 주조의 고속화는 생산성 향상에 큰 영향을 미친다. 이러한 연속 주조 공정의 고속화를 위해서는, 몰드와 용강 사이에 유입되어 윤활 작용 및 열전달 현상에 큰 영향을 미치는 몰드 플럭스의 적절한 개발이 요구된다. 일반적으로, 연속 주조 공정의 주속이 증가하면, 몰드 플럭스의 유입량은 감소하며, 이에 따라 전열량은 증가한다. 전열량이 증가하게 되면, 용강과 접촉하는 몰드가 손상된다. 따라서, 연속 주조의 고속화를 위해 주속 증가에 따른 변화를 고려한 몰드 플럭스의 개발이 요구된다.

본 발명은 상기 종래 기술에서 나타나는 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 연속 주조 공정의 고속화를 가능케 하는 몰드 플럭스 및 이를 이용한 연속 주조 방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따라서, B₂O₃ 3 내지 5 중량%, Li₂0 1 내지 3 중량%, Na₂O 10 내지 15 중량%, CaF₂ 10 내지 15 중량%, Al₂O₃ 1 내지 3 중량%를 포함하며, 잔부는 Cao, SiO₂ 및 불가피 불순물이며, 염기도(CaO/SiO₂)가 0.4 내지 0.8인 것을 특징으로 하는 연속 주조용 몰드 플럭스가 제공된다.

한 가지 실시예에 있어서, 상기 연속 주조용 몰드 플럭스는 고탄소강 연속 주조시 사용될 수 있다.

본 발명의 다른 양태에 따라서, 연속 주조 방법이 제공된다. 상기 방법은 B₂O₃ 3 내지 5 중량%, Li₂0 1 내지 3 중량%, Na₂O 10 내지 15 중량%, CaF₂ 10 내지 15 중량%, Al₂O₃ 1 내지 3 중량%를 포함하며, 잔부는 Cao, SiO₂ 및 불가피 불순물이며, 염기도(CaO/SiO₂)가 0.4 내지 0.8인 것을 특징으로 하는 연속 주조용 몰드 플럭스를 주형 외부에서 용해하는 단계, 상기 용해된 몰드 플럭스의 유량을 제어하여 연속 주조 공정에서 상기 용해된 몰드 플럭스를 주형 내에 투입하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

한 가지 실시예에 있어서, 상기 연속 주조 공정은 고탄소강 제조를 위한 연속 주조 공정일 수 있다.

본 발명에 따라 제공되는 몰드 플럭스는 기존의 몰드 플럭스와 비교하여 점성과 열전달을 감소시킬 수 있어, 연속 주조 공정을 고속으로 수행할 수 있도록 해줌과 아울러, 몰드(주형)을 보호할 수 있다.

도 1은 본 발명의 몰드 플럭스와 기존의 몰드 플럭스의 점성 측정 결과를 보여주는 도면이다.
도 2는 본 발명의 몰드 플럭스와 기존의 몰드 플럭스의 열전도도 측정 결과를 보여주는 도면이다.
도 3은 본 발명의 몰드 플럭스와 기존의 몰드 플럭스의 결정화 측정 결과를 보여주는 도면이다.

이하, 실시예를 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다. 이하의 설명에 있어서, 당업계에 이미 널리 알려진 기술적 구성에 대한 설명은 생략한다. 예컨대, 연속 주조 공정, 그 설비, 주조 방법 등의 구성, 점성이나 열전도도 측정 장치 등에 대한 설명은 생략한다. 이러한 설명을 생략하더라도 당업자라면, 이하의 설명을 통해, 본 발명에 의해 제공되는 몰드 플럭스의 특징을 쉽게 이해할 수 있을 것이다.

본 발명에 따라서, 연속 주조의 고속화를 도모하면서, 열전달 현상도 감소시킬 수 있는 몰드 플럭스가 제공된다. 즉, 고속의 연속 주조를 위해, 기존 몰드 플럭스와 비교하여, 융점과 점성이 낮으며, 높은 결정화를 나타내는 몰드 플럭스가 제공된다.

즉, 본 발명에 따라 제공되는 몰드 플럭스는 B₂O₃ 3 내지 5 중량%, Li₂0 1 내지 3 중량%, Na₂O 10 내지 15 중량%, CaF₂ 10 내지 15 중량%, Al₂O₃ 1 내지 3 중량%를 포함하며, 잔부는 Cao, SiO₂ 및 불가피 불순물이며, 염기도(CaO/SiO₂)가 0.4 내지 0.8인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따라 제공되는 몰드 플럭스의 경우, 후술하는 바와 같이, 기존의 몰드 플럭스 대비 낮은 점성과 더 넓은 고액 공존 영역을 가지며 향상된 결정화 특성을 보인다. 또한, 액상의 열전도도의 경우, 기존 대비 낮은 열전도도 특성을 보인다. 이러한 특성들로 인하여, 연속 주조의 고속화에 따른 플럭스 유입의 감소가 상쇄되고, 낮은 액상의 열전도도 특성으로 인하여, 열전달 상승이 억제되고, 넓은 고액 공존 영역으로 인해 안정적인 조업 운행이 가능하다.

이하, 몰드 플럭스에 포함되는 각 성분의 함량의 특징을 구체적으로 설명한다.

B₂O₃의 경우 몰드 플럭스의 고액 공존 영역을 확장시키는 목적을 위해 포함시키는 성분이다. 즉, 도 1을 보면, 기존의 몰드 플럭스의 경우, 점성 측정이 약 1,050℃에서 멈추지만, 본 발명에 따라 제공되는 몰드 플럭스의 경우, 점성 측정이 약 975℃의 낮은 온도에서까지 이루어짐을 알 수 있다. 이는 본 발명자가 임의로 멈춘 것이 아니라, 본 발명에 따라 제공된 플럭스의 고액 공존 영역이 확장된 결과 나타나는 현상이다(참고로, 측정이 끝난 온도 이하에서는, 고상의 분율이 너무 높거나 완전 고상화되어, 점성을 갖지 않는다는 것을 의미한다). 그런데, 5 wt%보다 많이 첨가되면, 용강 내로의 B이 용출되는 현상으로 인해 제품에 큰 악영향을 미치게 된다. 또한 B₂O₃의 경우 용융시 borosilicate 구조를 형성하며 이는 점성과 열전도도 특성에 매우 독특한 특성을 부여하는데, 3 wt% 미만 첨가되면, 이러한 독특한 특성을 확보하기가 어렵다. 따라서, 본 발명의 몰드 플럭스에서, B₂O₃는 3 내지 5 중량%의 범위에서 포함시킨다.

Li₂O의 경우 슬래그의 융점 및 점성을 낮추는 역할을 수행하는데, 1 wt% 미만 첨가시, 그 효과를 얻을 수 없는 반면에, 3 wt%를 초과하여 첨가하여도, 그 효과의 추가 개선이 이루어지지 않는다. 따라서, 효과와 경제성을 고려하여, 본 발명의 몰드 플럭스에서 Li₂O는 1 내지 3 중량%의 범위에서 포함시킨다.

한편, 몰드 플럭스의 경우 1,300℃ 또는 그 이하의 융점을 가질 필요가 있는데, 너무 높은 융점을 갖는 몰드 플럭스는 사용할 수가 없다. 이는 강의 융점이 대략 1,480~1,510℃인데, 이 보다 높은 융점을 갖는 몰드 플럭스는 조업시에 액상이 형성되지 않고, 일반 파우더 형태로 존재하여 아무런 기능을 수행하지 않는다(액상이 되지 못하면, 구리 몰드와 용융 강 사이에 유입 자체가 안된다). 이러한 이유로, 플럭스의 융점은 1,300℃ 또는 그 이하일 필요가 있고, 이러한 융점 저하를 유도하기 위해, Na₂O를 첨가한다. 그러나, 과도한 양이 첨가되면, 조업 중 과도한 휘발을 야기하고, 너무 적게 포함되면, 융점이 비교적 높게 유지되어, 공적 적용에 문제가 발생한다. 따라서, 본 발명의 몰드 플럭스에서, Na₂O는 조업 중 과도한 휘발을 방지하고 융점 저하의 최적화를 위해, 10 내지 15 중량%의 범위에서 포함시킨다.

CaF₂의 경우 대부분의 상용화된 플럭스가 20 내지 25wt%의 높은 함량을 가지고 있다. 그러나, 본 발명자의 검토에 따르면, 이는 필요 이상의 과도한 함량인 것으로 판단되며 융점 저하, 점성 저하, 결정화 현상에 최적 조성인 10 내지 15 중량%의 범위에서 포함시킨다. 15 중량%보다 많이 첨가되면 조업 중 플럭스 내 SiO₂ 성분과 반응하여 SiF₆를 형성하여 휘발이 되며 이는 대기 및 조업 내 수분과 반응하여 HF를 형성하게 된다. 이는 매우 강력한 산성물질로 조업자의 건강과 장비의 부식에 악영향을 미친다. 한편, 10 중량% 미만으로 첨가되는 경우, 본 발명이 의도한 효과, 예컨대 점성 저하, 원하는 결정화 현상 등이 얻어지지 않는다.

Al₂O₃의 경우 본 발명에 따라 제안되는 몰드 플럭스의 점성이 과도하게 낮아질 수 있는 것을 어느 정도 상쇄하기 위하여 첨가된다. 즉 용융된 플럭스 내에서 aluminosilicate를 형성하여 조업 중 적절한 점성 유지를 위해 첨가되는데, 1 중량% 미만으로 첨가되면, 그러한 점성 유지 효과를 발휘할 수 없고, 3 중량%를 초과하여 첨가하면, 오히려 점성을 증가시킬 수 있으므로, 본 발명의 몰드 플럭스에서 Al₂O₃는 1 내지 3 중량%의 범위에서 포함시킨다.

한편, 본 발명의 몰드 플럭스에서 염기도(CaO/SiO₂)는 0.4~0.8가 되도록 제어된다. 염기도는 상기한 본 발명의 플럭스의 기본 특성을 위해 제어되는데, 기존의 몰드 플럭스와 비교하여 낮다. 이러한 낮은 염기도는 본 발명의 몰드 플럭스의 점성과 결정화 특성에 중요한 영향을 미치며, 제시된 범위를 벗어나는 높은 염기도로 구성이 될 경우 점성이 과도하게 낮아지고, 또 플럭스에서 과도한 결정화 현상이 발생한다.

이하에서는, 상기와 같이 구성한 몰드 플럭스에 대한 구체적인 실험예를 설명한다.

본 발명자는 상기 조성의 몰드 플럭스를 제조하여 점성, 열전도도 및 결정화 특성 실험을 진행하였다.

점성 측정의 경우 학계에서 널리 사용되는 Rotating spindle method를 이용하여 측정을 하였다. 이 방법에 따르면, 일정한 크기와 모양의 추를 용융 플럭스 내 침하시켜 회전력을 가하게 되고 액상의 점도에 따라 추에 작용되는 전단응력을 torque 값으로 측정하게 된다. 이렇게 구해진 토크 값을 이용하여 계산식을 통해 점성을 최종적으로 환산하게 된다. 이때 침지된 추가 샘플과 반응하지 않아야 하며 용융 플럭스 내 충분히 장입 된 상태에서 측정이 수행되어야 하며 일정한 깊이에 침지시켜야 한다.

본 실험에서는 샘플과 추와의 반응을 억제하기 위하여 Pt-10%Rh으로 spindle과 rod를 제작하였다. 실험 과정은 알루미나 홀더 안에 Pt-10%Rh 도가니를 위치시키고 샘플 약 120g을 넣고 수직 관상로에 장입하였다. 가열로 온도를 30 K/min으로 승온 시키면서 가열로 내부를 Ar으로 분위기를 제어하였다. 목표 온도에 도달하기 전에 spindle과 rod을 수직 관상로 입구 위에 설치하여 예열시켜 주며 추를 장입한 후에는 한 온도에서 최소 20분 이상 유지하여 안정화를 한 후에 점성을 측정하였다. 위와 같은 방식으로 약 25K 간격으로 냉각시키면서 지속적으로 점성 측정을 실시하였다.

열전도도는 널리 사용되는 Hot wire 방법을 통해 측정하였다. Pt-10% Rh 도가니에 샘플을 넣고 1000℃에서 수직 관상로에 장입하였다. 샘플을 장입 후 온도를 1300℃로 올린 후 hot wire를 이용하여 열전도도를 측정하였다. 플러스의 열전도도는 galvanostat을 이용하여 1.5A의 전류를 흘려주었을 때, hot wire 에 걸리는 전압(V)을 측정하여 시간에 따른 전압의 변화를 측정하여 측정할 수 있다. 실험은 1300℃에서 100℃ 간격으로 900℃까지 진행하였다.

결정화 특성 분석의 경우 공지의 산화물 융체의 특성 검사 장치를 활용하여 실험을 진행하였다. 본 장치를 통해 얻어진 디스크 형태의 샘플을 XRD 분석을 통해 결정화 여부를 판단하였다.

이하에서는, 상기 과정에 따라 수행한 실험 결과를 도면을 참조하여 구체적으로 설명한다.

상기 수행한 점성 측정 실험의 결과를 도 1에 나타내었다. 기존 몰드 플럭스의 경우 1050℃ 이하의 온도에서 완전히 결정화 되었지만, 본 발명의 몰드 플럭스의 경우 950℃의 온도까지 점성 측정이 가능하여 좀 더 넓은 고액 공존 영역이 형성된 것을 확인할 수 있다. 또한, 예컨대 1300℃에서의 점성 값을 비교하여 보면, 기존의 몰드 플럭스의 경우 0.4995 poise인 반면에 본 발명의 몰드 플럭스의 경우 0.3438로 약 30% 정도 낮은 점성 값을 나타내었다. 플럭스의 조성은 조업의 여러 조건 중 특히 "주속"에 큰 영향을 받는다고 알려져 있다. 일반적으로, 고점성의 플럭스에 빠른 주속을 적용하면, 플럭스의 유입이 원활하지 않다. 따라서, 고속 주속을 위해서는 비교적 낮은 저점성의 플럭스를 적용하는 것이 바람직하다. 이때, 너무 낮은 점성의 플럭스 역시 과도한 플럭스 유입을 야기하고, 이로 인해 플럭스의 트랩 현상 등 또 다른 강의 크랙을 유발할 수 있기 때문에, 적절한 점성이 중요하다. 본 발명의 경우, 기존 대비 낮은 점성을 갖고 있어서, 고속화와 관련하여 그 기술적 의의를 갖는다.

열전도도 측정 실험 결과는 도 2에 나타내었다. 예컨대, 1300℃에서 기존 몰드 플럭스의 경우 0.1568W/mK인 반면에, 본 발명의 몰드 플럭스의 경우 0.0716W/mK 값을 나타내었다. 즉 본 발명의 몰드 플럭스가 약 54% 낮은 열전도도 값을 보였다. 따라서 본 발명의 몰드 플럭스의 경우 액상의 열전달 현상이 매우 낮아, 주속이 증가함에 따라 나타나는 열전달 증가를 완화시켜, 몰드에 전달되는 열을 감소시켜, 몰드를 보호할 수 있다.

결정화 특성 실험 결과를 도 3에 나타내었다. 측정한 디스크 샘플의 XRD 분석 결과, 본 발명의 몰드 플럭스의 결정화 특성이 기존의 몰드 플럭스와 비교하여 낮다는 것을 알 수 있다. 고탄강의 경우 기본적으로 열전달을 빨리 가져가야 하며이를 위해 결정화 특성이 낮은 몰드 플럭스를 사용하여야 하는데, 본 발명은 이러한 요구를 충족시킬 수 있다. 즉, 본 발명은 고속 주조를 달성한다. 주속을 증가시켰을 때의 열전달 측면에서의 변화는 바로 열유속 증가이다. 이러한 이유로, 낮은 열전도의 플럭스를 적용하여, 주속으로 인한 열유속의 상승을 상쇄시킨다.

이상 본 발명을 실시예를 참조하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 제한되지 않는다. 즉, 후술하는 특허청구범위 내에서 다양하게 변형 및 수정할 수 있으며, 이 역시 본 발명의 범위 내에 속하는 것이다. 따라서, 본 발명은 청구범위 및 그 균등물에 의해서만 제한된다.

Claims (4)

1. B₂O₃ 3 내지 5 중량%, Li₂0 1 내지 3 중량%, Na₂O 10 내지 15 중량%, CaF₂ 10 내지 15 중량%, Al₂O₃ 1 내지 3 중량%를 포함하며, 잔부는 Cao, SiO₂ 및 불가피 불순물이며, 염기도(CaO/SiO₂)가 0.4 내지 0.8인 것을 특징으로 하는 연속 주조용 몰드 플럭스.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 연속 주조용 몰드 플럭스는 고탄소강 연속 주조시 사용되는 것을 특징으로 하는 연속 주조용 몰드 플럭스.
3. 연속 주조 방법에 있어서,
   B₂O₃ 3 내지 5 중량%, Li₂0 1 내지 3 중량%, Na₂O 10 내지 15 중량%, CaF₂ 10 내지 15 중량%, Al₂O₃ 1 내지 3 중량%를 포함하며, 잔부는 Cao, SiO₂ 및 불가피 불순물이며, 염기도(CaO/SiO₂)가 0.4 내지 0.8인 것을 특징으로 하는 연속 주조용 몰드 플럭스를 주형 외부에서 용해하는 단계,
   상기 용해된 몰드 플럭스의 유량을 제어하여 연속 주조 공정에서 상기 용해된 몰드 플럭스를 주형 내에 투입하는 단계
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 연속 주조 방법.
4. 청구항 3에 있어서, 상기 연속 주조 공정은 고탄소강 제조를 위한 연속 주조 공정인 것을 특징으로 하는 연속 주조 방법.
   

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