KR20200080506A - 연주설비용 특수강 합금 및 그로 이루어진 연주설비용 롤 - Google Patents

연주설비용 특수강 합금 및 그로 이루어진 연주설비용 롤 Download PDF

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Abstract

C 0.05 내지 0.15 중량%, Si 0.3 내지 1.0 중량%, Mn 0.8 내지 2.5 중량%, Cr 11.5 내지 15.0 중량%, Ni 2.2 내지 5.0 중량%, Mo 1.0 내지 2.8 중량%, V 0.1 내지 0.5 중량%, N 0.01 내지 1.0 중량%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어지는 연주설비용 특수강 합금 및 그로 이루어진 연주설비용 롤을 제공한다.

Description

연주설비용 특수강 합금 및 그로 이루어진 연주설비용 롤{Special steel alloys for continuous casting equipment and rolls of continuous casting equipment comprising the same}
본 발명은 연주설비용 롤 용재에 이용되는 연주설비용 특수강 합금 및 그로 이루어진 연주설비용 롤에 관한 것으로, 내열성과 내식성 및 고온 경도가 향상된 연주설비용 특수강 합금 및 그로 이루어짐으로써 설비수명 및 생산성이 증가되는 연주설비용 롤에 대한 것이다.
연주공정(continuous casting process)은 일정한 형상의 주형에 용강을 연속적으로 주입하여 주형 내에서 반응고된 주편을 연속적으로 주형의 하부로 인발하는 공정을 말한다. 연주공정을 수행하는 연주설비의 구성은 도 1과 같다.
도 1을 참조하면, 연주설비(10)는 용강이 담기는 래들(12)과 상기 래들(12)에 연결된 주입노즐을 통해 용강을 공급하는 턴디쉬(14)와, 턴디쉬(14)에 구비된 용강을 전달받아 일정한 형상으로 초기 응고시키는 몰드(16)와, 상기 몰드(16)의 하부에 위치하여 미응고된 주편(S)을 이송하여 냉각시키는 작업을 수행하는 스트랜드를 포함한다.
상기 스트랜드를 구성하는 세그먼트(18)는 서로 대향되도록 정렬된 복수개의 롤(R)을 포함하며, 상기 롤들 사이의 이격거리를 조절함으로써 주편(S)에 압하력을 가할 수 있으며, 회전에 의해 주편을 이송시키는 기능을 하는 것이다.
연주설비의 롤(R)은 고온의 주편과 지속적인 접촉으로 인해 설비의 구동 중 열피로로 인한 크랙, 열간 마모 또는 부식, 롤의 변형 등이 발생할 수 있으며, 이에 따라 롤의 수명이 단축될 수 있다. 또한, 이로 인해 연주설비의 보수비용이 증가할 수 있으며, 주편의 표면품질 저하, 주편의 두께 불균일, 생산성 저하 등의 문제가 발생할 수 있다.
이를 해결하기 위해, 연주설비의 롤(R)은 용사 코팅이나 육성용접을 이용하여 기능성 피막을 형성하는 하드페이싱 공법으로 표면이 우수한 성질의 합금강으로 이루어질 수 있다. 따라서 용접재와 모재의 용융에 의한 우수한 결합성능을 구비하며, 롤 표면에 대해 내열성과 내식성 및 고온 경도를 증가시킬 수 있는 합금 용재의 기술 개발이 더욱 필요하다.
한국등록특허 제 10-1360552호(등록일: 2014. 02. 03.) 한국공개특허 제 10-2014-0118698호(공개일: 2014. 10. 08.) 일본공개특허 제 2007- 136509호(공개일: 2007. 06. 07.)
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 모재와의 용융에 의한 우수한 결합성능을 구비하며 내열성과 내식성 및 고온 경도가 향상된 연주롤 연주설비용 특수강 합금을 제공하는 것에 목적이 있다.
또한 본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 상기 본 발명의 연주설비용 특수강 합금을 연주롤 표면을 강화시키는 하드페이스용 용재로 구비함으로써 열피로로 인한 크랙, 열간 마모 또는 부식, 롤의 손상에 의한 변형 등을 감소시켜, 연주설비의 설비수명 및 생산성을 향상시킬 수 있는 연주설비용 롤을 제공하는 것에 목적이 있다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기의 문제를 해결하기 위하여 본 발명은 C 0.05 내지 0.15 중량%, Si 0.3 내지 1.0 중량%, Mn 0.8 내지 2.5 중량%, Cr 11.5 내지 15.0 중량%, Ni 2.2 내지 5.0 중량%, Mo 1.0 내지 2.8 중량%, V 0.1 내지 0.5 중량%, N 0.01 내지 1.0 중량%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어지는 연주설비용 특수강 합금을 제공할 수 있다.
상기 연주설비용 특수강 합금은, N 0.04 내지 0.1 중량%인 것일 수 있다.
상기 연주설비용 특수강 합금은, 페라이트가 5 내지 10% 포함되는 것일 수 있다.
상기 연주설비용 특수강 합금은, 하기의 식으로 정의되는 크롬당량(Creq)이 10 내지 22인 것일 수 있다.
Creq = Cr + Mo + 1.5Si + 0.5Nb +2Ti
상기 연주설비용 특수강 합금은, 니켈당량(Nieq)이 하기의 식으로 정의되고 니켈당량(Nieq)에 대한 크롬당량(Creq) 당량비(Creq/Nieq)가 1.3 내지 3인 것일 수 있다.
Nieq = Ni + 30C + 0.5Mn
상기 연주설비용 특수강 합금은, 로크웰 경도 40 내지 45 HRC인 것일 수 있다.
또한 상기의 문제를 해결하기 위하여 본 발명은 상기의 연주설비용 특수강 합금으로 이루어진 연주설비용 롤을 제공할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연주롤용 연주설비용 특수강 합금은 모재와의 용융에 의한 우수한 결합성능을 구비하여 내열성과 내식성 및 경도가 향상되어, 상기 연주설비용 특수강 합금을 용재로 표면에 하드페이싱한 연주설비용 롤은 열피로로 인한 크랙, 열간 마모 또는 부식, 손상에 의한 롤의 변형 등을 감소시켜, 연주설비의 설비수명 및 생산성이 향상될 수 있는 장점이 있다.
도 1은 통상적인 연주설비를 나타낸 도면,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연주설비용 특수강 합금의 크롬당량(Creq)과 니켈당량(Nieq)에 대해 나타낸 그래프이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 실시예들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 기술자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되어지는 것이다. 따라서 본 발명은 이하 설명되어지는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고 도면들에 있어서, 층 및 영역의 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1은 통상적인 연주설비를 나타낸 도면, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연주설비용 특수강 합금의 크롬당량(Creq)과 니켈당량(Nieq)에 대해 나타낸 그래프이다.
본 발명의 실시예에 따른 연주설비용 특수강 합금은 C 0.05 내지 0.15 중량%, Si 0.3 내지 1.0 중량%, Mn 0.8 내지 2.5 중량%, Cr 11.5 내지 15.0 중량%, Ni 2.2 내지 5.0 중량%, Mo 1.0 내지 2.8 중량%, V 0.1 내지 0.5 중량%, N 0.01 내지 1.0 중량%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어질 수 있다.
연주설비용 특수강 합금에 있어서 C(탄소)는 타원소와 결합하여 탄화물을 형성함으로써 고온 강도 및 크리프 강도를 향상시킬 수 있으며, 본 발명의 실시예의 각각 조성에 따른 탄화물의 석출량을 확보하기 위해서는 0.05 내지 0.15중량%를 함유할 수 있다. C의 함유량이 0.15중량%를 초과하면, 과량의 탄화물을 형성하는 동시에 탄화물의 형성이 조대화하여 연성이 저하될 뿐만 아니라 강화층을 얻을 수 없으므로 상기의 상한 이내의 범위를 가지는 것이 바람직하며, 0.05 중량% 미만에서는 탄화물을 형성하는 탄소량이 적어 원하는 경도 및 강도를 얻을 수 있는 조직이 형성되지 않을 수 있다.
Si(실리콘)은 산화력이 강한 원소로 용강 중 산소를 제거하는 탈산 작용을 하는 것으로 연주설비용 특수강 합금의 내산화성 향상을 위해 함유될 수 있으며, 과잉 함유로 인해 인성이 저하될 수 있으므로 0.3 내지 1.0 중량%의 조성비로 함유될 수 있다.
또한 Mn(망간)은 용강 내에서 산소 및 황과 결합하여 황화물과 산화물을 형성하며, 이는 슬래그와 함께 일부 제거되는 것으로 Mn(망간)은 결정립의 영역을 안정화시키는 역할을 수행하지만, 과잉 함유될 경우 열간 가공성이 저하될 수 있으므로 본 발명의 조성물의 각각의 중량비에 따라 0.8 내지 2.5 중량% 의 범위 내에 함유하는 것이 바람직하다.
나아가서 Cr(크롬)은 연주설비용 특수강 합금의 내식성을 위해 11.5 내지 15.0 중량%의 비율로 함유될 수 있다. 11.5 중량% 미만이면 내식성 확보가 저하될 수 있고, 15.0 중량%를 초과하면 상온에서 페라이트 조직이 형성되어 강도 저하를 가져올 수 있다.
연주설비용 특수강 합금에 있어서 Ni(니켈)은 결정립을 안정화시키고 인성을 증가시키는 성분이지만, 함유량이 과잉되면 인성을 증가하는 효과 보다는 비용의 증가를 초래할 수 있으므로 2.2 내지 5.0 중량%의 비율로 함유되는 것이 바람직하다.
또한 Mo(몰리브덴)은 고용 강화에 의해 고온 강도를 향상시킬 수 있으나 열간 가공성을 위해 1.0 내지 2.8 중량%로 함유될 수 있으며, V(바나듐)은 탄화물 또는 질화물 형성에 도움을 주어 고온 강도를 개선시킬 수 있으나 탄화물이나 질화물 같은 석출물의 과잉 형성은 열간 가공성을 저하시키므로 0.1 내지 0.5 중량%로 함유되는 것이 바람직하다.
상기 연주설비용 특수강 합금은 N(질소)를 0.01 내지 1.0 중량%를 함유할 수 있으며, 나아가서 0.04 내지 0.1 중량%를 함유할 수 있다. N는 고용 강화에 의해 고온 강도를 향상시키고 Mo와 함께 함유 시 내식성 향상에 영향을 주며, 크롬(Cr)과 질화물을 형성해서 고온 강도를 향상시키는 성분으로 0.01 내지 1.0 중량%를 함유할 수 있다.
도 2의 X 영역과 같이 본 발명의 실시예에 따른 연주설비용 특수강 합금은 페라이트를 더욱 포함할 수 있으며, 나아가서 페라이트가 5 내지 10% 포함되는 것일 수 있다.
연주설비용 특수강 합금은 Cr과 Ni의 함량에 따라 조직이 결정되며, Cr 및 Cr 계열의 원소들은 페라이트 조직을 활성화시킬 수 있고, Ni 및 Ni 계열의 원소들은 오스테나이트 조직을 활성화시킬 수 있다. 따라서 일반적으로 니켈당량(Nieq)에 대한 크롬당량(Creq) 당량비(Creq/Nieq)가 클수록 페라이트 조직이 형성되고 당량비가 작을수록 오스테나이트 조직이 활성화될 수 있다.
상기 연주설비용 특수강 합금은 하기의 식으로 정의되는 크롬당량(Creq)이 10 내지 22인 것일 수 있다.
Creq = Cr + Mo + 1.5Si + 0.5Nb +2Ti ………………(1)
또한, 상기 연주설비용 특수강 합금 은 니켈당량(Nieq)이 하기의 식으로 정의되고 니켈당량(Nieq)에 대한 크롬당량(Creq) 당량비(Creq/Nieq)가 1.3 내지 3인 것일 수 있다.
Nieq = Ni + 30C + 0.5Mn ………………………(2)
예를 들어, 도 2에 나타난 바와 같이, 식 (1)에 따른 크롬당량(Creq)이 16 내지 21, 식 (2)에 따른 니켈당량(Nieq)이 7 내지 12인 경우 연주설비용 특수강 합금은 니켈당량(Nieq)에 대한 크롬당량(Creq) 당량비(Creq/Nieq)가 1.3 내지 3일 수 있다. 이는 마르텐사이트 조직에 오스테나이트와 페라이트 조직이 일부 포함된 것일 수 있으며, 그로 인해 모재와의 용융에 의한 우수한 결합성능을 구비하며 내열성과 내식성 및 경도가 향상된 연주설비용 특수강 합금이 이루어질 수 있다.
또한 상기 연주설비용 특수강 합금은, 800 내지 1020˚F의 온도에서 4시간 내지 8시간 동안 템퍼링 처리하여 로크웰 경도 HRC 40 내지 45에 도달할 수 있다. 800˚F 이하의 온도에서는 템퍼링이 충분히 일어나지 않아 잔류 오스테나이트가 남아 있어 인성이 열악하여 내충격성이 불충분하며, 1020˚F 이상의 온도에서는 경도가 HRC 40 이하를 보여 충분한 경도를 유지할 수 없다.
따라서 상기 연주설비용 특수강 합금을 용재로 구비한 연주설비용 롤은 열피로로 인한 크랙, 열간 마모 또는 부식, 롤의 변형 등을 감소시켜, 연주설비의 설비수명 및 생산성이 향상될 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 연주설비용 특수강 합금을 하기 실험예를 통해 설명하겠는 바, 하기 실험예는 본 발명을 설명하기 위한 예시일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
실험예
C 0.06중량%, Si 0.6중량%, Mn 2.3중량%, Cr 12.5중량%, Ni 4.2중량%, Mo 1.6중량%, V 0.3중량%, N 0.05중량%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물의 조성으로 특수강 합금을 제조하였다.
상기 특수강 합금을 직경 3.2mm 와이어로 제조하고, A36 계열의 모재를 250℃ 전후로 가열한 후 잠호용접으로 2회 육성용접하였으며, 26 내지 30V, 300 내지 450A의 조건으로 모재 표면에 상기 특수강 합금을 용접하였다. 이후 250 내지 300℃ 범위 내에서 2 내지 4시간동안 후열처리를 진행하였으며, 잔류 응력완화를 위한 열처리를 추가로 수행하였다. 잔류 응력완화를 위한 공정은 530℃에서 4 내지 8시간 열처리 후 로냉으로 200℃까지 냉각하였다. 이후, 20mm *20mm * 50mm 및 12.5mm * 12.5mm * 20mm (가로*세로*높이)의 크기를 갖는 시편으로 각각 절단하여 하기의 시험들을 실시하였다.
비교예
C 0.12중량%, Si 0.4중량%, Mn 1.2중량%, Cr 13.5중량%, Ni 2.5중량%, Mo 1.2중량%, V 0.18중량%, Nb 0.18중량%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물의 조성으로 특수강 합금을 제조하였다. 이후 실험예와 동일한 모재에 동일한 과정으로 모재에 용접한 후 열처리를 수행한 후 시편을 제조하였다.
시험예 1 - 마모 실험
비교예와 실험예로부터 구비된 연주설비용 특수강 합금을 각각 ASTM G65의 방법을 이용하여 각각의 시편에 대한 마모 테스트를 수행하여 무게 감소량을 측정하였다. 즉, 상기의 시편을 제작한 후 ASTM G65 규격에 맞는 사이즈로 가공하였다. 표면을 그라인딩(#80) 한 후 초기의 무게를 측정하였다. 그리고 6,000 바퀴 테스트 후 무게를 측정하고 표면을 연마하였으며, 다시 6000 바퀴 테스트를 수행하였다.
시험예 2 - 내식성 실험
비교예와 실험예로부터 준비된 연주설비용 특수강 합금을 각각 ASTM G48 A의 방법을 이용하여 실온의 환경에서 6%의 염화철 용액에 72시간 동안 침지한 후 무게 감소비율을 측정하였다.
시험예 3 - 조직 실험
비교예와 실험예로부터 준비된 연주설비용 특수강 합금 시편을 폴리싱한 다음 각각 Lepera 에칭 용액에 90초간 에칭한 후 광학현미경으로 200 배로 확대하여 관찰하고 각각의 현미경 조직에 대하여 분석하였다.
시험예 4 - 템퍼링 경도 측정
비교예와 실험예로부터 준비된 연주설비용 특수강 합금을 800 내지 1200˚F의 온도에서 4 내지 8시간 동안 유지하고 로냉하는 템퍼링을 실시한 후, 이의 HRC 경도를 측정하여 온도별 템퍼링 HRC 경도를 기록하였다.
시험예 5 - 열피로 실험
비교예와 실험예로부터 준비된 연주설비용 특수강 합금을 시편 가열을 위한 프로판 토치와 냉각을 위한 수냉노즐이 설치된 시험설비에 장착 후 회전하여 가열-퀸칭(Quenching) 사이클을 1,000회 실시한 후 표면 손상을 육안으로 관찰하였다.
결과
ASTM G65 마모 테스트를 수행한 결과, 비교예보다 실험예에서 마모 후 감소량이 더 적었으며, 본 발명의 연주설비용 특수강 합금의 경도가 더 우수함이 나타났다. 온도에 따른 템퍼링 경도 특성에서도 800 내지 1200˚F 에서 템퍼링을 실시한 본 발명의 연주설비용 특수강 합금의 경도가 HRC 40 이상으로 더욱 우수하였다. 다만 800˚F 미만에서는 비교예가 경도가 높게 나타났으나, 이의 온도에서 템퍼링을 하는 경우 템퍼링 온도가 너무 낮아 연성 및 인성이 충분하지 않음에 따라 내충격성 등이 부족하여 실제 적용 시 크랙이 발생하는 등 문제점이 있었다.
또한, 6%의 염화철 용액에 대한 본 발명의 연주설비용 특수강 합금의 무게감소비율이 비교예보다 현저히 낮았으며, 이로 인해 종래보다 내식성이 더욱 향상됨을 알 수 있었다. 본 발명의 실시예는 상온에서 6% FeCl 용액에 72시간 침지한 경우에 0.061g/cc의 중량감소가 발생하였으며, 이는 비교예 대비 2.5배의 우수한 내식성(비교예의 40%)을 가지고 있는 것으로 판명되었다.
나아가서, 열피로 실험에서도 육안 관찰결과 비교예의 연주설비용 특수강 합금은 전반적인 표면 손상이 나타났으나, 본 발명의 실험예인 연주설비용 특수강 합금은 비교예와 대비하여 미미한 표면 손상을 관찰할 수 있었다.
또한, lepera 에칭 후의 표면을 현미경으로 관찰한 결과에서도 비교예는 결정립의 입계를 따라 부식이 진행되었음이 명확히 나타났으나, 실험예에서는 입계를 따른 부식은 나타나지 않았으며, 보다 우수한 부식특성이 관찰되었다. 즉, 본 발명의 연주설비용 특수강 합금은 내식 저항성이 더욱 향상되었음을 알 수 있었다.
따라서, 비교예보다 탄소의 함유량을 줄이고, 질소를 함유함으로써 본 발명의 연주설비용 특수강 합금은 경도, 내열성 및 내식성이 향상됨을 알 수 있으며, 이로 인해 열피로로 인한 크랙, 열간 마모 또는 부식, 롤의 변형 등을 감소시키는 연주설비용 롤을 제공할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 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.
10 : 연주설비
12 : 래들
14 : 턴디쉬
16 : 몰드
18 : 세그먼트

Claims (7)

  1. C 0.05 내지 0.15 중량%, Si 0.3 내지 1.0 중량%, Mn 0.8 내지 2.5 중량%, Cr 11.5 내지 15.0 중량%, Ni 2.2 내지 5.0 중량%, Mo 1.0 내지 2.8 중량%, V 0.1 내지 0.5 중량%, N 0.01 내지 1.0 중량%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어지는 연주설비용 특수강 합금.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 연주설비용 특수강 합금은, N 0.04 내지 0.1 중량%인 것을 특징으로 하는 연주설비용 특수강 합금.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 연주설비용 특수강 합금은, 페라이트가 5 내지 10% 포함되는 것을 특징으로 하는 연주설비용 특수강 합금.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 연주설비용 특수강 합금은, 하기의 식으로 정의되는 크롬당량(Creq)이 10 내지 22인 것을 특징으로 하는 연주설비용 특수강 합금.
    Creq = Cr + Mo + 1.5Si + 0.5Nb + 2Ti
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 연주설비용 특수강 합금은, 니켈당량(Nieq)이 하기의 식으로 정의되고 니켈당량(Nieq)에 대한 크롬당량(Creq) 당량비(Creq/Nieq)가 1.3 내지 3인 것을 특징으로 하는 연주설비용 특수강 합금.
    Nieq = Ni + 30C + 0.5Mn
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 연주설비용 특수강 합금은, 로크웰 경도 40 내지 45 HRC인 것을 특징으로 하는 연주설비용 특수강 합금.
  7. 제 1 항 내지 제 6항 중 어느 한 항의 연주설비용 특수강 합금으로 이루어진 연주설비용 롤.
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