KR100868093B1 - 원심주조법을 이용한 허스롤 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고온에서 내열성과 내구성이 우수하면서도 조직이 치밀하여 제품의 사용수명이 현저히 연장될 수 있는 원심주조법을 이용한 허스롤 제조 방법에 관한 것으로서, 그 특징적인 구성은 회전주형(1)을 예열하는 단계; 상기 회전주형(1)을 회전시키면서 그 내측 둘레면에 도형제를 분무하여 도형제코팅층(10)을 형성하는 단계; 상기 도형제코팅층(10)의 내측 둘레면에 희토류금속분말을 분무하여 제1희토류금속도포층(20)을 형성하는 단계; 및 상기 제1희토류금속도포층(20)의 내측 둘레면에 용탕을 주입하여 주물관(2)을 주조하는 단계를 포함하여서 된 것이다.

원심주조, 허스롤, 도형제코팅층, 희토류금속분말

Description

원심주조법을 이용한 허스롤 제조 방법{Hearth Roll Manufacture Method which uses The centrifugal casting}

도 1a는 회전주형 내부 내주면에 도형제코팅층과 제1희토류금속도포층이 형성된회전주형의 단면도.

도 1b는 회전주형 내부에 주조된 주물관 내주면에 제2희토류금속도포층이 형성된 회전주형의 단면도.

도 2는 강종 별 100,000시간 stress-rupture 강도 비교 실험도.

도 3은 본 발명 적용 전후의 강종별 침탄화성 비교 실험도.

도 4는 강종별 고온 인장강도와 본 발명이 적용된 후의 고온 인장강도를 비교한 실험도.

도 5는 강종별 고온 항복강도와 본 발명이 적용된 후의 고온 항복강도를 비교한 실험도.

도 6은 종래의 원심주조에 의해 얻게 되는 조직 탄화물 및 게제물 편석 분포를 나타낸 조직 사진.

도 7은 본 발명에 의해 적용되는 원심주조에 의해 얻게 되는 원심주조 조직 탄화물의 균일한 분포를 나타낸 조직 사진.

※도면의 주요부분에 대한 부호의 설명※

1; 회전주형 2; 주물관

10; 도형제코팅층 20; 제1희토류금속도포층
30; 제2희토류금속도포층

본 발명은 원심주조법을 이용한 허스롤 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 고온에서 내열성과 내구성이 우수하면서도 조직이 치밀하여 제품의 사용수명이 현저히 연장될 수 있는 원심주조법을 이용한 허스롤 제조 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 제철소의 냉간압연공정 등에서는 박판의 강판 이송을 위하여 소위, 프로세스롤이라고 불리우는 다수의 롤을 이용하는데, 이를 허스롤(Hearth Roll)이라 한다.

이와 같은 허스롤은 연속소둔공정의 소둔로 내부의 예열대와 가열대 및 냉각대 등에 설치되는 허스롤과, 연속도금공정의 용융 도금욕 내부에 설치되는 싱크롤(sink roll) 및 상온에서 이용되는 메저링롤(measuring roll) 등이 있다.

특히 허스롤(Hearth Roll)은, 약 600-1100℃ 범위의 환원성 분위기 하에서 장시간 사용되어지는데, 로내의 철분과 철산화물이 표면에 부착되어 수소가스 환원 분위기에 의해 활성화됨에 따라 응고 퇴적하여 괴상화되는 소위 빌드업(Build-up, 게재물층)을 형성하게 된다.

이와 같이 빌트업에 의해 고착된 퇴적물은 강판의 표면을 손상시키는 요인으로 작용하게 되는데 특히 허스롤의 표면경도가 작은 경우 이송 강판이나 불순물에 의해 표면에 스크레치 등의 자국이 발생하여 강판의 표면에 전사되어 결함을 유발시키게 되는 문제가 있다.

따라서 이와 같은 허스롤은 그 용도나 기능 및 이송 강판의 종류 등에 따라 우수한 내마모성과 내이물질 부착성 및 내열충격성, 내구성 등을 요구하게 되는데, 예열대 허스롤의 경우 강판을 상온에서 고온으로 고속 이송하게 되므로 특히 우수한 내마모성이 더욱 요구된다.

그리고, 가열대 허스롤의 경우 로내의 온도와 강판의 온도 차이에 따른 내열충격성이 요구되며, 냉각대 허스롤의 경우 강판의 균일한 서냉과 급냉을 위해 냉각성과 내마모성이 요구되어진다.

따라서, 허스롤의 우수한 표면 특성을 얻기 위해 종래에는 하기와 같이 다양한 용사코팅법에 의해 내열금속 등을 이용한 산화물 코팅층을 형성하여 사용하는 것이 일반적으로, 특히 근래에 들어 허스롤 코팅에 관한 연구를 통하여 여러 가지 종류의 코팅이 연구 개발되었는데, 이러한 코팅은 폭발용사(Detonation Gun Spraying), 플라즈마 용사(Plasma Spraying) 등을 이용하여 롤의 표면에 실시하여 얻어지는 것이다.

공지기술로서 최근 일본에서 공개된 특개 평7-003426에서는 SiO₂를 함유하는 허스롤 코팅을 제시하고 있고, 일본 특개 평7-003425 에서는 ZrO₂ 계통의 코팅을 실 시하는 것을 제시하고 있으며, 미국 특허 제 5,418,025호에서는 ZrSiO₄ 계의 코팅을 제시하고 있다.

한편, 대한민국특허 제92020호(내빌드업성 및 내열충격성이 우수한 탄화크롬계 서메트 코팅제 및 그 구성분말의 제조방법)에서는 Cr₂C를 이용한 탄화물계 허스롤 코팅에 대해 제시하고 있다.

그러나 플라즈마 용사코팅방법에 의하면 코팅 내부에 기공이 다수 존재하고(약 5%), 경도가 낮으며, Cr₃C₂가 분해되는 등의 문제가 있었고, 폭발용사방법은 미국의 유니온 카바이드(Union Carbide)사에서만 실시되어, 일반 업체에서는 용이하게 코팅을 실시할 수 없는 문제점이 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여 종래에는 허스롤 표면에 크롬(Cr)도금을 하거나 산화알루미늄(Al₂O₃) 또는 일본특허공개공보 평7-3425와 같이 산화지르코니아(ZrO₃) 등을 코팅하여 사용하기도 한다. 또한, 일본특허공개공보 소63-199857과 같이 알루미나를 51-95 vo1%, 나머지가 Co, Ni, Cr, Mo, Fe, Al, Y, Si인 금속으로부터 1종 또는 2종이상의 금속이 함유된 서멧(cermet)재를 용사한 허스롤, 또는 일본특허공개공보 평7-173524와 같이 산화크롬(Cr₂O₃)이 함유된 세라믹재를 용사한 허스롤등이 있다.

한편, 고장력 냉연강판은 일반냉연강판에 비하여 특성상 강판내에 망간(Mn)이 다량 함유되어 있다. 강판의 소둔중 강판내에 존재하는 망간은 산화망간으로 산 화되어 강판표면으로 확산된다. 따라서 강판표면에 확산된 산화망간은 허스롤과 강판과의 슬립(slip) 등에 의하여 허스롤에 부착되어진다.

특히, 상기 언급한 종래기술인 서멧계 또는 산화물계 코팅재는 허스롤 사용분위기에서 산화망간과 반응하여 제3의 반응생성물이 생성된다. 이 생성물질은 허스롤코팅층의 크랙(crack) 및 박리현상을 유발시켜 허스롤의 수명을 단축시킬 뿐 아니라 소둔강판에 요철모양이 전사되어 강판의 품질을 저하시키는 문제점으로 작용된다.

더구나, 상기한 내열금속의 산화물 코팅층은 강판의 조성성분과 반응하여 제3의 반응생성물을 생성하게 되므로, 산화물 코팅층의 크랙(crack)과 박리현상 등을 유발하게 되어, 허스롤의 수명 단축 뿐만 아니라, 강판의 품질 저하를 유발시키게 되는 등의 문제점이 지적되고 있다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 그 목적은 허스롤을 원심주조에 의해 제조하는 과정에서 상기 원심주조를 위한 금형 표면 즉, 허스롤을 구성하는 외주면 및 금형에 주입되어 주조되는 반제품인 허스롤의 내주면에 희토류금속분말을 분사, 고온상에서 용융시켜 고온에서 내구성과 내열성이 우수하면서도 조직이 치밀한 우수한 제품성을 갖는 허스롤을 제조할 수 있는 원심주조법을 이용한 허스롤 제조 방법을 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징적인 구성을 설명하면 다음과 같 다.

본 발명의 원심주조법을 이용한 허스롤 제조 방법은 회전주형을 예열하는 단계; 상기 회전주형을 회전시키면서 그 내측 둘레면에 도형제를 분무하여 도형제코팅층을 형성하는 단계; 상기 도형제코팅층의 내측 둘레면에 희토류금속분말을 분무하여 제1희토류금속도포층을 형성하는 단계; 및 상기 제1희토류금속도포층의 내측 둘레면에 용탕을 주입하여 주물관을 주조하는 단계를 포함하여서 된 것이다.

본 발명의 바람직한 실시예를 도표 및 첨부 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

본 발명은, 제철소의 냉간압연공정 등에서 빌트업에 의한 퇴적물 생성을 방지하고, 고온에서의 내구성, 내열성 및 내마모성을 갖는 허스롤(Hearth Roll)을 제조할 수 있는 원심주조법을 이용한 허스롤 제조 방법을 제공하는 것이다.

상기한 허스롤을 제조하기 위해 본 발명에서는 원심주조법을 채택하였는바, 회전주형(1)의 내부에 고온의 용탕을 주입할 때 상기 회전주형(1)이 손상되지 않도록 하기 위하여 상기 회전주형(1)을 소정의 온도(약 400 ℃)로 미리 가열한다.

이와 같이 승온된 상태의 회전주형(1)을 회전시키면서 그 내부로 입자크기가 40~80㎛인 SiO₂계 분말을 분무하여 회전주형(1)의 내주면에 도형제코팅층(10)을 형성하는 것이며, 상기 도형제코팅층(10)을 형성하는 이유는 주형 표층의 정결수지층 파괴를 방지하기 위함이다.

상기 도형제의 입자 크기가 40㎛이하이면 도형제코팅층(10)의 통기성이 저하되 고, 도형제이 입자 크기가 80㎛이상이면 표면 거칠기가 나빠지는 문제점이 있다.

상기 도형제를 분무하는 분무 수단은 공지의 도형제 도포장치를 이용할 수 있다.

상기와 같이 도형제코팅층(10)을 회전주형(1) 내주면에 형성시킨 상태에서, 회전주형(1) 내부측으로 공지의 스프레이분사장치를 진입시켜 상기 회전주형(1) 내주면측에 코팅처리되어 있는 도형제코팅층(10)의 내주면에 희토류금속분말을 분무하여 제1희토류금속도포층(20)을 형성한다.

상기 희토류금속분말의 입자크기는 미캐노케미스트리 방법에 의해 분쇄되고그 크기는 0.1-100㎛이고, 희토류금속은 원자번호 51에서 71까지의 원소에 이트륨을 포함한 17가지의 원소중 어느 하나 또는 2이상 혼합된 것으로서, 상기 희토류금속은 응용 금속 중의 산소, 질소, 유황이라든가 응고시 입계면에 모여드는 유해한 불순물을 깨끗이 해주는 역할을 한다

상기 희토류금속분말의 입자 크기가 0.1㎛ 이하이면 제조비용이 증가하여 경제성이 나빠지고, 100㎛ 이상이면 용해 시간이 증가되는 문제점이 있다.

이와 같이 회전주형(1) 내부에 도형제코팅층(10)과 제1희토류금속도포층(20)을 형성한 다음, 회전주형(1) 내부로 고온(약 1400℃ ~ 1500℃)의 용탕을 주입하면, 원심주조에 의해서 상기 회전주형(1) 내부에 주물관(2)이 주조된다.

이때 상기 회전주형(1)의 내주면에 형성된 제1희토류금속도포층(20)을 이루는 희토류금속의 용융점은 약 850℃ 이므로 회전주형(1)의 내부에 주입된 용탕에 의해서 주조되는 주물관(2)의 외주면에 반응(용융)되는 것이다.

한편, 상술한 과정에 부가하여 상기 주물관(2) 내주면측으로 제2희토류금속도포층(30)을 형성할 수 있다.

즉, 상기와 같이 회전주형(1) 내부에 용탕 주입 후 원심주조에 의해 이루어지는 주물관(2) 외주면과 회전주형(1) 내주면에 도포 처리된 제1희토류금속도포층(20)의 희토류금속간 반응이 완료된 후, 상기 주물관(2) 내부로 재차 공지의 스프레이분사장치를 진입하여, 상기 주물관(2) 내주면에 희토류금속분말을 분사하여 제2희토류금속도포층(30)이 형성되도록 한다.

이때 상기 주물관(2)은 희토류금속의 용용융 온도(약 850℃) 보다 높은 고온상태에 있게 되므로, 주물관(2)의 내주면에 형성된 제2희토류금속도포층(30)은 주물관(2)의 내주면에 반응(용융)되는 것이다.

상술한 과정을 거쳐 주물관(2)의 제조가 완료된 후 상기 주물관(2)을 회전주형(1)으로부터 탈형시키는 것으로서, 허스롤의 제조가 완료된다.

상기와 같이 제조된 허스롤을 이용하여 고온 Stress - rupture 강도를 비교한 결과 아래의 표 1과 같은 결과를 얻었다.

각각 허스롤에 적용되는 강종별 HK금속, HP금속, 28Cr/48Ni재 금속과, 그 금속에 의한 용탕에 본 발명을 적용하여서 되는 적용예에 의해 각각의 강도를 비교하였다.

[표 1] 고온 Stress - rupture 강도 비교표 (단위 ; psi)

	870℃		980℃
	10,000 h	100,000 h	10,000 h	100,000 h
HK	2,690	4,200	1,190	1,890
HP 개선 후	3,821	5,490	1,469	2,590
HP	2,690	3,890	1,490	2,240
HP 개선 후	4,600	6,290	2,195	3,190
28Cr/48Ni	4,540	7,100	1,625	2,690
28Cr/48Ni 개선후	5,090	7,490	2,390	2,890

표 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이 강종별 고온 항복 강도와 그 각 강종에 본 발명을 적용하였을 경우 그 항복 강도가 증대된 것을 확인할 수 있었다.

아래의 표 2는 HK40재와 HP재를 1090 ℃ 에서 100 시간동안을 유지하는 상태에서의 탄화량과, 이를 개선한 후의 동일 조건에서의 탄화량을 비교한 표이다.

[표 2] 탄화량 비교표

	HK40	HK40 개선후	HP	HP 개선후
mg/㎠	25	4.5	19	4

도 3은 1,050 ℃에서 1,200 시간을 유지하며 2CH4-20CO-4OH2-37N2 분위기에서의 HK와 HP의 침탄화성과 이를 본 발명에 의해 개선한 상태에서의 침탄화성을 비교한 실험도표로서, 도 3에 나타낸 바와 같이 본 발명이 적용된 상태에서의 강종별 침탄화성이 현저하게 개선되고 있음을 알 수 있다.

한편, 아래의 표 3은 강종별 고온 인장강도 및 항복 강도와, 이를 본 발명을 적용하여 개선한 상태에서의 고온 인장강도 및 항복강도를 나타낸 표이다.

[표 3] 고온 인장강도 및 항복 강도 비교표

	HH	HK40	개선 후	HP	개선 후	HU
760℃ 인장강도	218	248	314	286	307	265
항복강도	107	158	135	190	149
870℃ 인장강도	117	151	176	169	204	125
항복강도	83	91	100	111	135

도 4 및 도 5는 표 3의 조건에 의한 각각의 강종별 고온 인장강도 및 항복강도와 이를 개선한 상태에서의 고온 인장강도 및 항복강도를 나타낸 비교실험도인바, 도 4 및 도 5에 나타낸 바와 같이 본 발명이 적용된 상태에서의 허스롤의 경우, 상당한 개선이 있음을 알 수 있다.

이와 같이 본 발명은 제철소의 냉간압연공정 등에서 박판의 강판 이송을 위하여 사용되는 허스롤의 제작시 회전주형 내주면 및 용탕 주입 후 원심주조에 의해 생성되는 주물관 내주면에 희토류금속분말을 분사 도포 처리하여 고온상에서 주물관 외주면 및 내주면으로 각각 반응되도록 하여, 고온에서 내구성과 내열성이 우수하면서도 조직이 치밀한 우수한 제품성을 갖는 허스롤을 얻게 되는 효과와 더불어, 사용수명의 현저한 연장 효과를 가져오게 되는 매우 유용한 발명인 것이다.

Claims (4)

1. 회전주형(1)을 예열하는 단계;

   상기 회전주형(1)을 회전시키면서 그 내측 둘레면에 도형제를 분무하여 도형제코팅층(10)을 형성하는 단계;

   상기 도형제코팅층(10)의 내측 둘레면에 희토류금속분말을 분무하여 제1희토류금속도포층(20)을 형성하는 단계; 및

   상기 제1희토류금속도포층(20)의 내측 둘레면에 용탕을 주입하여 주물관(2)을 주조하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 원심주조법을 이용한 허스롤 제조 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 주물관(2)의 내측 둘레면에 희토류금속분말을 분무하여 제2희토류금속도포층(30)을 형성하는 단계를 더 포함함을 특징으로 하는 원심주조법을 이용한 허스롤 제조 방법.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 도형제는 입자크기가 40~80㎛인 SiO₂계 분말임을 특징으로 하는 원심주조법을 이용한 허스롤 제조 방법.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 희토류금속분말은 입자크기가 0.1~100㎛인 원자번호 51 ~ 71 및 이트륨중 어느 하나 또는 2 이상이 혼합된 혼합분말임을 특징으로 하는 원심주조법을 이용한 허스롤 제조 방법.

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