KR100450611B1 - 표면품질이 우수한 마르텐사이트계 스테인레스강의 연주주편제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 표면품질이 우수한 마르텐사이트계 스테인레스강의 연주주편 제조방법에 관한 것이며, 그 목적하는 바는 연속주조시 몰드 파우더의 염기도와 주조속도를 적절히 제어함으로써, 마르텐사이트계 스테인레스강 주편 표면에 발생하는 디프레션(depression) 및 표면크랙 등의 결함을 억제할 수 있는 연속주조 방법을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 초정 페라이트로 응고하기 시작하고, 응고과정중 오스테나이트상이 형성되는 마르텐사이트계 스테인레스 합금을 연속주조하여 연주주편으로 제조하는 방법에 있어서, 상기 연속주조시, 몰드 파우더는 염기도(CaO/SiO2, CaO와 SiO2의 단위는 중량%)가 1.1~1.3범위인 것을 사용하고, 주조속도는 0.8~1.2(m/min)로 유지하여 조업하는 표면품질이 우수한 마르텐사이트계 스테인레스강의 연주주편 제조방법에 관한 것을 그 요지로 한다.
Description
본 발명은 마르텐사이트계 스테인레스 합금을 연속주조로 제조하는 경우 주편표면에서 디프레션(depression) 및 크랙을 방지하고, 또한 열간압연시 발생하는 선상결함을 방지하기 위해 연속주조로 양호한 주편을 제조하는 방법에 관한 것이다.
마르텐사이트계 스테인레스강은 13중량%Cr(이하, 단지 '%')을 함유하는 것을 기본으로 하는 강종으로 고온에서 급냉하면 마르텐사이트(martensite)변태에 의해 경화하나, 다량의 Cr을 함유하고 있으므로 탄소강이나 저합금강보다 변태속도가 느리기 때문에 수냉하지 않아도 충분히 경화하는 특성이 있다. STS 420J1과 STS 420J2로 대표되는 마르텐사이트계 스테인레스강은 강도가 높고, 내마모성도 우수하기 때문에 칼날(blade)류에 이용되며, 또한 인성 내열성 및 내식성을 필요로 하는 일반기계구조용강으로도 사용되고 있다. 그러나, 상기 STS 420J1과 STS 420J2와 같은 마르텐사이트계 스테인레스강은 도 1의 13%-C계에 나타난 것처럼 응고과정에 있어서 포정반응을 일으키기 때문에 변태에 의한 응고층변형이 발생하기 쉽다. 특히, 포정반응영역의 중심조성인 STS 420J2강은 저온영역까지 액상이 존재하기 때문에 초기 응고층은 강도가 낮고, 응고 불균일이 발생하기 쉽다. 이러한 원인으로 인하여 연속주조조건이 불안전한 경우 주편 표면에 홈과 같은 형상의 디프레션(depression) 및 표면크랙 결함이 다발하는 경향이 있다. 따라서 종래에는 마르텐사이트계 스테인레스강의 연속주조에는 주조된 주편은 전량 서냉후 그라인딩을 실시하는 경우도 있지만, 이러한 방법은 실수율의 저하와 제조비용의 증가를 초래하게 된다. 또한 이러한 방법은 주편을 냉각하지 않고 압연 라인(line)의 가열로에 직송해서 열간장입하는 방법을 적용할 수 없기 때문에 생산성을 높힐 수 없고, 가열로 연료 원단위를 저하시키는 것도 곤란하게 된다.
이처럼 제조 가능여부를 결정짓는 크랙은 열간압연 공정에서 산세후 검출되는 선상결함이다. 이러한 선상결함은 발생장소가 연주주편이고 표면품질이 중요한 스테인레스강에 있어서 치명적인 결함이 되기 때문에 재산세와 그라인딩(grinding)같은 정정공정을 통해 선상결함을 제거하는 추가공정이 필요하기 때문에 가격상승의 요인이 되고 있다. 이같은 선상결함을 방지하기 위해 연속주조 공정에서부터 열연 및 소둔공정에 이르기까지 여러가지 검토가 이루어져 왔다.
열연공정에서는 이러한 결함을 방지하기 위해서 가열로에서는 주편 표층부의 페라이트상 석출을 억제하는 것이 중요하다. 이를 위해 마르텐사이트계 스테인레스강 주편을 가열로에서 균열시 오스테나이트 단상영역과 페라이트상과 오스테나이트 2상 영역과의 경계온도 보다 20~200℃ 낮은 온도로 재가열해서 2시간이상 10시간 이하로 균열 유지한 후 압연하는 방법이 제시되어 있다(일본의 특공평6-78567호 공보). 그러나 상기 방법은 탄소함량이 높은 강종에서는 표면결함을 방지할 수 없고, 가열로의 설비투자가 필요하므로 위에서 서술한 방법으로는 선상결함을 완전히 제거하기는 곤란한 실정이다.
연속주조시 주편 표면결함을 방지하는 방법을 살펴보면, 몰드내에 전자장을 가해 용강유동을 제어함으로써 주편 표면품질을 확보하는 방법이 제안되어 일부 실용화되고 있다. 예를 들면, 전자장을 몰드에 적용하여 몰드내에서의 용강유동을 제어함과 동시에 탕면온도를 상승시키는 방법(CAMP-ISIJ 9(1996), P206)이 실용화되고 있다. 또한 몰드내에 이동자장을 가해 초기응고를 균일하게 하는방법(CAMP-ISIJ 8(1995), P217)도 실용화 되고 있다.
그러나, 이러한 방법들은 고속주조시 탄소강에 적용되는 기술로서 탕면의 불안전성을 완전히 해결하지 못하는 문제점으로 인해 주편 표면품질이 엄격히 요구되는 스테인레스강의 경우에는 주편 표층부에 발생하는 디프레션 결함을 방지하는 데는 한계가 있다.
이에, 본 발명의 목적하는 바는 연속주조시 몰드 파우더의 염기도와 주조속도를 적절히 제어함으로써, 마르텐사이트계 스테인레스강 주편 표면에 발생하는 디프레션(depression) 및 표면크랙 등의 결함을 억제할 수 있는 연속주조 방법을 제공하는데 있다.
도 1는 13중량% Cr 마르텐사이트강의 상태도.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 초정 페라이트로 응고하기 시작하고, 응고과정중 오스테나이트상이 형성되는 마르텐사이트계 스테인레스 합금을 연속주조하여 연주주편으로 제조하는 방법에 있어서, 상기 연속주조시, 몰드 파우더는 염기도(CaO/SiO2, CaO와 SiO2의 단위는 중량%)가 1.1~1.3범위인 것을 사용하고, 주조속도는 0.8~1.2(m/min)로 유지하여 조업하는 것을 특징으로 하는 표면품질이 우수한 마르텐사이트계 스테인레스강의 연주주편 제조방법을 제공한다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명에 의하면, 마르텐사이트계 스테인레스강을 연속주조로 제조하는 경우, 연속주조 주편을 열간압연시 코일 선상결함의 발생위치와 주편크랙과의 상관성을 조사하여 주편의 응고크랙을 연속주조시 방지할 수 있다.
연속주조시 주편에 발생하는 디프레션 및 표면크랙을 야금학적으로 살펴보면다음과 같다. 응고 쉘(shell) 용강측 내면에는 페라이트상에서 오스테나이트상으로의 변태에 의한 수축이 발생한다. 이때 응고 쉘 두께가 얇은 응고 지연부가 존재하면 이러한 응고지연부는 주변의 응고 쉘에 비해 강도가 낮기 때문에 용강측으로 굽힘변형이 일어나서, 용강측으로 움푹파이게 된다. 이러한 결과 열저항이 증가하게 되어 응고지연부가 진전하게 되고, 또한 복열에 의해 강의 강도저하가 발생하기 때문에 철정압을 이기지 못하고 응고 쉘은 주형쪽으로 다시 변형하여, 최종적인 디프레션이 형성된다.
결론적으로, 디프레션(depression)발생에는 (1)응고 지연부가 존재할 것, (2)페라이트상에서 오스테나이트상으로의 변태에 의한 수축이 발생할 것, (3)응고 쉘 두께방향으로 수축량의 차이로 인해 발생한 열응력이 응고 쉘의 변형을 일으킬 정도 이상의 온도구배가 있어야 되는 것이다.
따라서, 연속주조시 주형내의 응고과정을 균일하게 하면 디프레션 및 표면크랙의 발생은 억제할 수 있다고 판단되는 것으로, 본 발명은 연속주조시 주편의 디프레션 및 표면크랙을 제어하기 위해 몰드 파우더의 염기도와 주조속도를 조절하는 것이다. 그런데, 이러한 몰드 파우더의 염기도 및 주조속도의 조절과정에서 표면크랙이외의 품질 및 조업문제를 야기시킬 수 있는데, 이를 피하기 위해서는 몰드 파우더의 염기도와 주조속도의 적절한 범위를 선정해야 하는 것이다. 이에, 본 발명에서 몰드 파우더의 염기도는 1.1~1.3으로 조절하고, 주조속도는 0.8~1.2(m/min)으로 조절하는 것으로, 다음에서는 이들의 수치한정이유를 상세히 설명한다.
상기 몰드 파우더의 염기도는 하한이 1.1이고, 상한은 1.3이 된다. 먼저,이같은 염기도가 미치는 영향에 대하여 조사하였는데, 각 염기도에 따른 몰드 파우더 시료를 1400℃에서 완전히 용융된 슬래그로 한 후, 냉각시켜 XRD분석을 해서 결정상을 조사하는 방법으로 하였다. 그 결과 염기도가 1.1미만으로 되는 경우 결정상은 거의 존재하지 않고 대부분 유리질이 나타났으며, 염기도가 1.3을 초과하는 경우 결정물질이 커스피다인(Cuspidine, 3CaO·2SiO2·CaF2)이외에 CaO가 주된 성분이 다량 생성되어 결정화 정도가 크게 증가하는 결과를 나타냈다. 염기도 1.1미만에서 주로 존재하는 유리질은 주편으로부터 몰드로의 열전달을 촉진시킨다. 열전달이 지나치게 많아지면 몰드에서 응고과정이 불균일하게 되어 앞에서 언급한 것처럼 주편표면에 디프레션 및 표면크랙이 발생할 가능성이 높게 된다. 반대로 염기도가 1.3이상에서 대부분을 차지하는 결정질은 결정내의 기포가 존재하게 되어 열전달을 감소시킨다. 열전달이 과도하게 감소되면 응고 쉘이 얇게 형성되어 주편 터짐등의 조업사고가 발생할 위험성이 있다.
이상의 실험결과로부터 주편결함을 방지할 수 있는 몰드 파우더의 염기도 범위는 1.1~1.3인 것으로 도출되었다.
한편, 마르텐사이트계 스테인레스강 연속주조시 주편과 주형간의 원활한 윤활작용을 위해 실제로 요구되는 주조속도는 하기식(1)을 이용하여 결정하였다.
[수학식 1]Q=0.4(A-0.3)(60/f)(η-0.5)(V-1)+0.22
(여기서 Q는 몰드 파우더의 소모량(kg/㎡), A는 몰드 진동폭(mm), f는 몰드 진동수(cpm), η는 1300℃부근에서 몰드 파우더의 점도(poise), V는 주조속도 (m/min))
상기식(1)로부터 마르텐사이트계 스테인레스강을 연속주조조건인 A=4mm정도, f=165cpm정도, η=0.9~2.0조건에서 몰드 파우더의 적정 소모량인 약 0.3kg/㎡이상을 확보하기 위해서는 주조속도는 0.8~1.2m/min가 되어야함을 알 수 있다.
상기 주조속도가 0.8m/min보다 느리면 상기식 (1)에서 알 수 있듯이 몰드 파우더의 소모량은 증가하게 되어 몰드와 응고 쉘 사이에서 국부적으로 용융 파우더(powder)가 과잉으로 유입된다. 이로 인해 몰드 파우더 소비가 과잉 유입부에서 집중적으로 일어나기 때문에 응고가 불균일하게 진행이 되어 주편표면은 디프레션 및 크랙이 발생하게 된다. 한편 주조속도가 1.2m/min을 초과하게 되면 상기식(1)에서 알 수 있듯이 몰드 파우더의 소비량은 과도하게 감소하기 때문에 몰드와 응고 쉘사이의 유입이 부족하게 되므로 주형과 응고 shell은 윤활이 충분치 못하여 응고 쉘이 터지는 브레이크아웃(break-out)의 조업사고가 발생하기 쉽다. 따라서, 주조속도는 0.8~1.2(m/min)로 제어하는 것이 요구된다.
한편, 본 발명을 적용하기 위한 대상강종은 통상적인 마르텐사이트계 스테인레스 합금을 적용할 수 있는데, 다만, 연속주조에 의한 응고시, 초정 페라이트로 응고하기 시작하고, 응고과정중 오스테나이트상이 형성되는 마르텐사이트계 스테인레스 합금인 것이 바람직하다. 즉, 예를들어, 13%Cr의 마프텐사이트강의 상태도를보이는 도 1에서 L+α+γ영역을 거치는 조성이 바람직한 것이다.
이하, 실시예를 통해 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
(실시예)
하기표 1에 나타낸 것과 같은 조성의 STS 420J1 마르텐사이트 스테인레스강을 이용하고, 하기표 2에 나타난 제조조건으로 연속주조 주편을 제조하였다. 제조된 연속주조 주편의 표면결함 발생정도를 조사하여, 그 결과를 다음에서 상세히 설명하는 한편, 종합적인 결과를 하기 표2에 ○,△,×로 나타내었다. 상기 ○는 결함발생없음, △는 미세한 결함발생, ×는 심한 결함발생을 의미한다.
| 성분 | Cr | Ni | Si | Mn | P | S | C | N |
| 함량(wt%) | 13.27 | 0.2 | 0.46 | 0.49 | 0.019 | 0.001 | 0.196 | 0.023 |
| 몰드 파우더의 염기도 | 주조속도(m/min) | 연주주편 결함 발생정도 | ||
| 발명예 | A | 1.1 | 0.8 | ○ |
| B | 1.3 | 1.2 | ○ | |
| 비교예 | C | 1.2 | 0.75 | △ |
| D | 1.15 | 1.25 | X | |
| E | 1.0 | 1.0 | △ | |
| F | 1.35 | 0.95 | X | |
| G | 1.05 | 1.26 | X |
본 발명의 조건을 만족하는 발명예(A~B)의 경우는 연속주조주편 및 열연 코일 표면에 결함이 발생하지 않은 양호한 품질을 얻을 수 있었다.
이에 반하여, 비교예(C)의 경우는 주조속도범위가 본 발명의 조건을 벗어난것으로 몰드 파우더의 소비량이 0.42kg/㎡이 되어 주편표면에 디프레션이 미세하게 발생되었고, 또한 열간압연시 이러한 디프레션결함은 재결정 과정을 지연시켜 열연 코일상에 선상결함을 야기시켰다. 비교예(D)의 경우는 주조속도범위가 본 발명의 조건보다 빠른 경우로 몰드 파우더의 소비량이 0.25kg/㎡로 본 발명에서 목표로 하고 있는 0.30kg/㎡에 도달하지 못하여 주조중 몰드와 응고 쉘 사이의 윤활작용이 떨어지게 된 결과, 주편 표면크랙 및 디프레션이 심하게 발생되었다. 비교예(E)의 경우는 몰드 파우더의 염기도가 본 발명보다 낮은 조건으로 주조된 경우로서, 몰드 파우더의 염기도가 낮아 열전달이 국부적으로 촉진되어 주조 폭방향의 응고 불균일이 발생하고, 또한 열응력이 발생하기 때문에 주편표면에 미세크랙 및 디프레션이 심하게 발생되었다. 또한 이러한 저 염기도는 초기 응고층의 성장을 빠르게 하기 때문에 비금속 개재물이 초기 응고층에 포착되기 쉽기 대문에 주편 표층하의 청정도를 악화시킨다. 그리고, 비교예(F)의 경우는 몰드 파우더의 염기도가 본 발명범위보다 높은 조건으로 주조한 것으로, 주조시 형성된 몰드 슬래그를 분석한 결과 다량의 결정질이 관찰되며, 이러한 상태의 몰드 슬래그는 주조시 응고층으로부터의 열전달을 저하시키므로 응고 쉘이 얇게 형성되어 주편은 벌징(bulging)이 발생되었고, 몰드 탕면 헌팅(hunting)등의 조업불안정이 발생되었다. 그리고, 비교예(G)는 몰드 파우더의 염기도 및 주조속도가 본 발명의 기준치에서 벗어난 경우로서, 연속주조시 주편표면에 디프레션과 크랙이 심하게 발생되었고 이러한 결함은 열연 코일에 선상결함을 야기시키는 문제점을 안고 있다.
이상의 실시예를 통해 알 수 있는 바와같이, 연주조업시 몰드 파우더의 염기도와 주조속도를 제어함으로써 우수한 연속주조 주편품질을 얻을 수 있을 뿐만아니라 안정적인 연속주조 조업이 가능하다는 것을 확인하였다.
본 발명에 의하면, 연속주조 및 열간압연시 표면결함을 공정부하없이 방지할 수 있어서, 품질이 우수한 마르텐사이트계 스테인레스강을 제조하는 것이 가능하다.
Claims (1)
- 초정 페라이트로 응고하기 시작하고, 응고과정중 오스테나이트상이 형성되는 마르텐사이트계 스테인레스 합금을 연속주조하여 연주주편으로 제조하는 방법에 있어서,상기 연속주조시, 몰드 파우더는 염기도(CaO/SiO2, CaO와 SiO2의 단위는 중량%)가 1.1~1.3범위인 것을 사용하고, 주조속도는 0.8~1.2(m/min)로 유지하여 조업하는 것을 특징으로 하는 표면품질이 우수한 마르텐사이트계 스테인레스강의 연주주편 제조방법.
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