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KR101286213B1 - 마르텐사이트계 스테인리스 박판의 주조 방법 및 마르텐사이트계 스테인리스 박판의 주조 장치 - Google Patents

마르텐사이트계 스테인리스 박판의 주조 방법 및 마르텐사이트계 스테인리스 박판의 주조 장치 Download PDF

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KR101286213B1 KR1020100136263A KR20100136263A KR101286213B1 KR 101286213 B1 KR101286213 B1 KR 101286213B1 KR 1020100136263 A KR1020100136263 A KR 1020100136263A KR 20100136263 A KR20100136263 A KR 20100136263A KR 101286213 B1 KR101286213 B1 KR 101286213B1
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Abstract

본 발명은 쌍롤식 박판 주조 방법에 의하여 마르텐사이트계 스테인리스 박판을 주조하는 방법에 관한 것으로, 턴디쉬로부터 반대 방향으로 회전하는 두 개의 주조롤 사이로 용강을 주입하여 마르텐사이트계 스테인리스 박판을 주조하되, 상기 턴디쉬의 용강온도는 1520~1560℃, 상기 주조롤의 압하력은 2~10톤으로 유지하는 것을 특징으로 하는 판파단 발생이 억제되는 마르텐사이트계 스테인리스 박판의 주조 방법을 제공한다.
본 발명에 의하면, 쌍롤식 박판 주조공정에 의해 마르텐사이트계 스테인리스 박판을 주조하고, 턴디쉬의 용강온도 및 주조롤의 압하력을 최적 조건으로 제어함으로써, 주조시 중심편석과 균열 및 판파단을 방지하여 주조 안정성을 확보하고, 주조두께의 편차를 대폭 저감하여 도물(刀物)류나 공구류 제작시 경도가 높고 품질이 우수한 제품을 제조할 수 있다.

Description

마르텐사이트계 스테인리스 박판의 주조 방법 및 마르텐사이트계 스테인리스 박판의 주조 장치{TWIN ROLL STRIP CASTING PROCESS OF MARTENSITIC STAINLESS STRIP AND TWIN ROLL STRIP CASTING APPARATUS OF MARTENSITIC STAINLESS STRIP}
본 발명은 쌍롤식 박판 주조공정에 의해 마르텐사이트계 스테인리스 박판을 제조하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 주조중 중심편석과 균열 및 판파단을 억제하여 주조 안정성을 확보하고, 경도가 높고 품질이 우수한 제품 제조가 가능한 판파단 발생이 억제되는 마르텐사이트계 스테인리스 박판의 주조 방법에 관한 것이다.
일반적으로 마르텐사이트계 스테인리스강은 내식성, 경도 및 내마모성이 우수하여 각종 공구류나 도물(刀物)류 제조에 사용되는데, 연속주조공정이나 잉곳으로 슬라브를 제조한 다음 재가열하고 열간압연하여 제조하며, 열간압연된 상태에서 강의 조직은 마르텐사이트상, 템퍼드 마르텐사이트상, 페라이트상 및 잔류 오스테나이트상 등이 혼재하여 존재한다. 그리고, 열연강판은 상소둔(batch annealing) 공정을 거쳐 페라이트와 탄화물로 변태되어 연질화되고, 스케일 제거를 위해 산세 공정을 거친 후, 연질 소재는 냉간압연 또는 제품으로 가공후 최종 수요가의 열처리 공정을 통해 마르텐사이트계 스테인리스강으로 변태되는 것이다.
여기서, 마르텐사이트계 스테인리스강을 연속주조공정에 의해 제조하는 경우에는 탄소 첨가량이 높을수록 주편 중심부에 조대한 중심 편석이 심하게 형성되고 고액공존영역이 넓어 주조성에 취약한 문제가 있기 때문에, 주로 잉곳으로 슬라브를 제조한 다음 재가열하고 열간압연하여 열연코일을 생산하고, 상소둔 공정을 거쳐 산세처리후 냉간압연하여 마르텐사이트계 스테인리스강을 제조하고 있다.
그러나, 상술한 잉곳 주조법을 이용하는 경우에는 느린 냉각속도 때문에 슬라브에 조대한 중심 편석이 형성되고 상기 중심 편석은 후속 열처리 공정에서 잘 제거되지 않고 잔류하게 되어 스트립의 절단 과정에서 이중판(lamination) 결함을 수반하게 되며, 입계에는 조대한 1차 크롬 탄화물(크롬 카바이드)이 석출되어 후처리 공정에서 강판에 균열이나 판파단이 발생하게 된다.
상기 문제점을 해결하고자, 탄화물을 고용하기 위해 열간압연후 상소둔 공정(BAF, Batch Annealing Furnace)에서 소둔온도를 높이고, 소둔시간을 장시간 유지하는 기술이 공지되어 있으나, 가열로의 설비투자가 필요하여 생산원가가 증대되고, 생산성이 급감하는 문제가 있다.
그밖에, 저온주조 및 저속주조 방법도 제안되었으나, 이 방법들은 주편 중심부에 입상의 등축정 조직을 형성하고 주편 응고층을 빠르게 형성시켜 중심편석이 감소되지만, 주조중 침지노즐이 막혀 조업이 불안정하게 되고 생산성이 저하되는 문제가 있다.
따라서, 주조시 중심 편석이 억제되고, 균열 및 판파단을 방지하여 주조 안정성이 확보된 고품질의 마르텐사이트 스테인리스강 및 그 제조방법에 대한 개발이 요청되어 왔다.
본 발명은 상기 문제점들을 해소하기 위해 안출된 것으로, 쌍롤식 박판 주조공정에 의해 마르텐사이트계 스테인리스 박판을 주조하고, 턴디쉬의 용강온도 및 주조롤의 압하력을 최적 조건으로 제어함하여, 주조시 중심편석과 균열 및 판파단을 방지하여 주조 안정성을 확보하고, 주조두께의 편차를 대폭 저감하여 도물(刀物)류나 공구류 제작시 경도가 높고 품질이 우수한 제품 제조가 가능한 판파단 발생이 억제되는 마르텐사이트계 스테인리스 박판의 주조 방법의 제공을 그 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은 턴디쉬로부터 반대 방향으로 회전하는 두 개의 주조롤 사이로 용강을 주입하여 마르텐사이트계 스테인리스 박판을 주조하되, 상기 턴디쉬의 용강온도는 1520~1560℃, 상기 주조롤의 압하력은 2~10톤으로 유지하는 것을 특징으로 하는 판파단 발생이 억제되는 마르텐사이트계 스테인리스 박판의 주조 방법을 제공한다.
이때, 상기 용강은 중량%로 C:0.1~1.5%, Cr:12~15%, Ni:1%이하, Ti:0.005~0.1%, 잔부Fe 및 기타 불가피하게 첨가되는 불순물로 조성된 것에도 그 특징이 있다.
게다가, 상기 용강에 중량%로 Mo:0.005~0.1%, V:0.005~1.0%가 단독 또는 복합으로 더 첨가되는 것에도 그 특징이 있다.
뿐만 아니라, 상기 주조된 박판은 100톤 코일당 스컬의 혼입 갯수가 40개 이하인 것에도 그 특징이 있다.
나아가, 상기 주조된 박판의 주조 두께의 편차가 70㎛ 이하인 것에도 그 특징이 있다.
본 발명에 의하면, 쌍롤식 박판 주조공정에 의해 마르텐사이트계 스테인리스 박판을 주조하고, 턴디쉬의 용강온도 및 주조롤의 압하력을 최적 조건으로 제어함으로써, 주조시 중심편석과 균열 및 판파단을 방지하여 주조 안정성을 확보하고, 주조두께의 편차를 대폭 저감하여 도물(刀物)류나 공구류 제작시 경도가 높고 품질이 우수한 제품을 제조할 수 있다.
도 1은 쌍롤 박판 주조 공정의 개략도.
도 2는 주조중 마르텐사이트계 스테인리스 박판의 스컬에 의한 판파단 사진.
도 3은 주조중 마르텐사이트계 스테인리스 박판의 가로무늬를 따라 발생한 판파단 사진.
도 4는 마르텐사이트계 스테인리스 박판의 입계에 석출된 1차 크롬 탄화물 사진.
도 5는 본 발명에서 턴디쉬 용강온도와 스컬혼입 및 대형크랙의 발생 관계를 나타낸 그래프.
도 6은 본 발명에서 주조롤의 압하력에 다른 주조두께의 편차 변화에 관한 주조데이터의 일례를 나타낸 그래프.
도 7은 본 발명에서 주조롤의 압하력에 따른 주조두께의 편차의 변화를 나타낸 그래프.
이하, 본 발명에 따른 마르텐사이트계 스테인리스 박판의 주조 방법에 관하여 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
본 발명은 쌍롤식 박판 주조 공정에 의해 마르텐사이트계 스테인리스 박판을 주조하고, 턴디쉬의 용강온도 및 주조롤의 압하력을 최적 조건으로 제어함으로써, 주조시 중심편석과 균열 및 판파단을 방지하여 주조 안정성을 확보하고, 주조두께의 편차를 대폭 저감하여 경도가 높고 품질이 우수한 도물(刀物)류나 공구류를 제작할 수 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 판파단 발생이 억제되는 마르텐사이트계 스테인리스 박판의 주조 방법은 도 1의 쌍롤식 박판 주조 공정을 이용하여 제조되는 바, 이와 같은 쌍롤식 박판 주조 공정은 턴디쉬(1)에 수용된 용강(4)이 하부의 침지노즐(2)을 통하여 반대방향으로 회전하는 한쌍의 주조롤(3) 사이로 공급되어 그 용강으로부터 직접 수 mm 두께의 박판 제품을 연속적으로 제조하는 설비이다.
즉, 반대방향으로 회전하면서 냉각되는 한 쌍의 주조롤(3) 사이에 침지노즐(2)을 통하여 주입된 소정의 성분을 갖는 용강이 응고되어 응고쉘을 형성하고 롤닢에서 압하되어 박판(7)이 생성된다. 이렇게 생성된 박판(7)은 핀치롤(10)에 의해 안내되어 인라인 압연기(11)의 압연롤에 의해 압연되어 마르텐사이트계 스테인리스 강판으로 제조되는 것이다.
마르텐사이트계 스테인리스 박판을 종래의 연속주조공정이나 잉곳 주조법에 의해 주조하는 경우, 중심 편석이 형성되어 선상 결함이나 판상 분리가 발생될 수 있고, 입계에 조대한 1차 크롬 탄화물이 석출되어 후처리 공정에서 강판에 균열이나 판파단이 발생하는 문제가 있었으나, 상기 쌍롤식 박판 주조 공정에 의해 마르텐사이트계 스테인리스 박판을 주조하는 경우에는 롤닙 부근의 용강이 압하될 때 압착 유동(squeezing flow)이 발생됨으로써 중심부 용질 농축이 발생되는 구간의 용강이 압출(squeezing out)되어 중심 편석이 제거될 뿐만 아니라, 용강이 응고되는 냉각속도가 빨라 입계의 결정립이 미세화되어 1차 크롬 탄화물의 석출물이 저감되므로, 주조시 중심 편석 및 균열을 억제하여 주조 안정성을 확보할 수 있다.
이와 같이, 상기 쌍롤식 박판 주조 공정에 의해 제조된 마르텐사이트계 스테인리스 박판은 종래의 주조법에 비해 중심 편석이 제거되고, 도 4와 같이 입계에 1차 크롬 탄화물이 미세하게 석출되어 균열 및 판파단 억제에 유리하지만, 쌍롤식 박판 주조 공정을 적용하더라도, 도 2 및 도 3의 사진에 나타난 바와 같이, 주조시 탕면이나 에지댐(5) 하부에 발생된 지금이 주편에 혼입되어 박판 에지부에 과응고됨으로써 에지 스컬이 형성되고, 박판에 가로무늬가 형성되는 경우에는 판파단이 발생하는 문제가 있다.
이러한 에지 스컬은 턴디쉬(1)의 용강온도와 밀접한 관련이 있는데, 이하에서 실시예를 통하여 상세히 설명한다.
턴디쉬의 용강 성분은 중량%로 C:0.65%, Cr:13.2%가 함유되고, 그 밖에 Si, Mn의 성분이 적정량 포함되며, 편석 억제를 위하여 P,S 성분은 최소로 관리하였다. 그리고, 주조폭 1,300mm, 주조두께 2.86mm로 하여, 상기 용강을 쌍롤식 박판 주조기에 의하여 100톤씩 주조하여 마르텐사이트계 스테인리스 박판을 제조하였으며, 상기 박판은 주조직후에 인라인압연기에 의하여 압연되어 약 2mm 두께의 열연코일로 연속 제조되었다.
그 결과, 도 5에 나타난 바와 같이, 턴디쉬의 용강온도가 높을수록 에지 스컬의 혼입갯수와 20mm 이상의 크기를 갖는 대형크랙의 갯수가 감소하므로 턴디쉬의 용강온도는 1,520 ℃이상으로 유지하는 것이 바람직하다. 다만, 상기 턴디쉬의 용강온도가 1,560℃를 초과하게 되면 에지 스컬의 혼입갯수는 감소하지만 대형크랙의 갯수가 증가할 뿐만 아니라, 고온 인성이 저하되어 주조시 크랙 민감성이 높아지게 되어 주조안정성이 저하되므로, 본 발명에서의 턴디쉬의 용강온도는 1,520~1,560℃로 유지 관리하는 것이 바람직하다. 물론, 에지댐(5)의 운용 조건에 따라 에지 스컬이 감소하게 된다면 턴디쉬의 용강온도는 더 낮게 유지될 수 있을 것이다.
또한, 도 6은 압하력 20톤 구간과 압하력 8톤 구간에서의 가로축의 주조시간(초)에 따른 압하력(RSF, Roll Separation Force)와 박판의 주조두께(mm)의 변화를 나타낸 그래프로서, RSF와 관련된 그래프에서 붉은색과 파란색은 각각 드라이브 사이드(DS)와 워크 사이드(WS)의 압하력이고, 박판의 주조두께와 관련된 그래프에서 붉은색과 파란색은 두께 헌팅량(hunting)으로서 압하율30%로 압연시 각각 압연전 두께, 압연후 두께를 나타낸 것이다.
통상 304 스테인리스강의 경우 주조롤의 압하력 변화에 따른 판파단 가능성이 적으나, 마르텐사이트계 스테인리스강의 경우에는 고탄소로 인하여 취성이 매우 강하고, 경한 성질이기 때문에 주조롤의 압하력이 높을 경우 가로무늬 생성으로 인해 판파단이 많이 발생하는 경향이 있는 바, 도 6에 나타난 바와 같이, 압하력 20톤 구간에서는 압하력의 편차(압하력의 변동치)가 크고, 압하력 8톤 구간에서는 압하력의 편차가 작음을 알 수 있고, 그에 따라 주조두께의 편차(붉은색과 파란색 각 그래프에서의 상·하 편차)도 200㎛ 내외에서 70㎛ 이하로 감소됨을 알 수 있으며, 따라서 주조롤의 압하력이 감소할수록 박판의 주조두께의 편차도 감소하게 됨을 확인할 수 있다.
이와 같이, 주조롤의 압하력을 감소시키면 주조롤 압하력의 편차가 감소하게 되며, 결국 주조두께의 편차도 감소하게 됨으로써 생성된 가로무늬가 희미해지기 때문에 크랙이나 판파단의 발생 가능성이 낮아지게 된다.
그리고, 도 7은 주조롤의 압하력에 따른 주조두께의 편차를 나타낸 그래프인데, 주조롤의 압하력이 10톤을 초과하는 경우에는 주조두께의 편차가 크게 되어 가로무늬가 심하게 생성되며, 그에 따라서 판파단의 발생 가능성이 높아지게 되며, 압하력이 20톤일 때 생성된 가로무늬와 그로 인해 판파단이 발생한 사진이 도 3에 나타나 있다.
한편, 턴디쉬로부터 한쌍의 주조롤 사이로 주입되는 용강은 중량%로 C:0.1~1.5%, Cr:12~15%, Ni:1%이하, Ti:0.005~0.1%, 잔부 Fe 및 기타 불가피하게 첨가되는 불순물로 조성되는 것이 바람직하다. 이때, 중량%로 Mo:0.005~0.1%, V:0.005~1.0%가 단독 또는 복합으로 더 첨가될 수도 있다.
상술된 성분들의 조성 범위 한정 이유는 다음과 같다.
상기 C는 스테인리스강의 경도 향상에 매우 효과적인 원소로서 C의 함량이 0.1중량% 미만인 경우 마르텐사이트계 스테인리스 박판에 요구되는 경도를 확보할 수 없고, C의 함량이 1.5중량%를 초과하는 경우 비교적 조대한 1차 크롬 탄화물을 형성하여 균열 민감도가 증가하고 내식성을 감소시키기 때문에, C의 함량을 0.1~1.5중량%로 한정한다.
상기 Cr은 내식성 향상을 위하여 첨가하는데, Cr의 함량이 12중량% 미만인 경우 내식성 향상 효과가 미미하고, Cr의 함량이 15중량%를 초과하는 경우 내식성은 향상되나 강도가 높고 연신율이 낮아 가공성이 저하되며 비용이 상대적으로 많이 요구되기 때문에, Cr의 함량을 12~15중량%로 한정한다.
상기 Ni은 감마(γ)상 생성원소로서 많이 첨가하면 γ 상이 증가하여 열간압연후 코일을 공냉하는 경우 마르텐사이트상 생성이 촉진되어 강도 및 경도가 증가하는 반면에 연신율이 저하되므로, Ni의 함량은 1중량% 이하로 한정하는 것이 바람직하다.
상기 Ti은 입계 강화 원소로서 입계의 1차 크롬 탄화물을 분절시키거나 미세하게 석출시켜 균열 및 판파단을 억제하는 바, Ti의 함량이 0.005중량% 미만인 경우 강판의 균열 및 판파단 억제 효과가 미미하고, Ti의 함량이 0.1중량%를 초과하는 경우 Ti계 산화물로 인해 턴디쉬의 스토퍼가 막히는 클로깅(clogging) 현상이 발생하여 주조에 문제가 발생하기 때문에, Ti의 함량은 0.005~0.1중량%로 한정한다.
상기 Mo, V은 단독 또는 복합으로 함유될 수 있고, 입계 강화와 내식성 향상을 위해 0.005중량% 이상 함유되는 것이 바람직하지만, 0.1중량%를 초과하는 경우 인성이 저하되므로, Mo, V의 함량은 0.005~0.1중량%로 한정한다.
이와 같이, 본 발명은 쌍롤 박판 주조 공정을 이용하고, 턴디쉬의 용강온도 및 주조롤의 압하력을 최적 조건으로 제어하여 마르텐사이트계 스테인리스 박판을 주조하고, 상기 박판을 인라인 압연기(11)에서 압연하여 마르텐사이트계 스테인리스 열연강판을 제조하며, 경우에 따라서는 상기 열연강판을 상소둔 처리한 후 냉간압연을 실시하여 마르텐사이트계 스테인리스 냉연강판을 제조함으로써 강내에 균일하게 분포된 미세 조직을 형성하여 도물(刀物)류나 공구류 제작시 경도가 높고 에지 품질이 우수한 제품을 제조할 수 있는 것이다.
1: 턴디쉬 2: 침지노즐
3: 주조롤 4: 용강
5: 에지댐 6: 브러쉬롤
7: 박판 8: 루프피트
9: 메니스커스 쉴드 10: 핀치롤
11: 인라인 압연기(IRM)

Claims (5)

  1. 턴디쉬에 수용된 용강을 반대 방향으로 회전하는 두 개의 주조롤 사이로 주입하여 마르텐사이트계 스테인리스 박판을 주조하되,
    상기 용강은 중량%로 C:0.1~1.5%, Cr:12~15%, Ni:1%이하, Ti:0.005~0.1%, 잔부Fe 및 기타 불가피하게 첨가되는 불순물로 조성되며,
    상기 용강의 온도는 1520~1560℃, 상기 주조롤의 압하력은 2~10톤으로 유지하는 것을 특징으로 하는 마르텐사이트계 스테인리스 박판의 주조 방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 용강에 중량%로 Mo:0.005~0.1%, V:0.005~1.0%가 단독 또는 복합으로 더 첨가되는 것을 특징으로 하는 마르텐사이트계 스테인리스 박판의 주조 방법.
  4. 용강을 수용하는 턴디쉬 및 반대 방향으로 회전하는 한 쌍의 주조롤, 그리고 상기 주조롤 사이로 상기 용강을 공급하는 침지 노즐을 포함하되,
    상기 용강은 중량%로 C:0.1~1.5%, Cr:12~15%, Ni:1%이하, Ti:0.005~0.1%, 잔부Fe 및 기타 불가피하게 첨가되는 불순물로 조성되며,
    상기 용강의 온도는 1520~1560℃, 상기 주조롤의 압하력은 2~10톤인 것을 특징으로 하는 마르텐사이트계 스테인리스 박판의 주조 장치.
  5. 삭제
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