KR100544430B1 - 고 Ｎｉ합금의 연속주조 스라브의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 바이메탈, 액체질소 저장탱크, 칼라 TV 및 컴퓨터 모니터의 쉐도우 마스크 등에 사용되는 고Ni 합금의 연속주조 스라브의 제조방법에 관한 것으로서, 턴디쉬에서의 주조온도와 몰드에서 냉각수량을 적절히 제어함으로써 고Ni 합금강 연속주조시에 발생하는 스라브 표면 및 내부크랙을 방지할 수 있는 연속주조 스라브의 제조방법을 제공하고자 하는데, 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은,

Ni 함량이 30∼45중량%이고 연속주조시 초정 오스테나이트상으로 응고를 시작하여 응고과정중 상변태없이 응고를 완료하는 고 Ni 합금의 연속주조 스라브의 제조방법에 있어서, 상기 연속주조시 턴디쉬에서의 용강온도와 이론 응고온도 차이(△T)를 10∼40℃로 하고, 몰드내에서의 냉각수량은 몰드의 장변에 대하여 5,500∼7,000ℓ/min, 몰드의 단변에 대하여 700∼900ℓ/min로 설정하여 조업하는 것을 특징으로 하는 고 Ni 합금의 연속주조 스라브의 제조방법을 기술적 요지로 한다.

고Ni 합금, 연속주조, 스라브, 크랙, 선상결함

Description

고 Ｎｉ 합금의 연속주조 스라브의 제조방법{A METHOD FOR MANUFACTURING CONTINUOUS CASTING SLAB OF HIGH NICKEL CONTAINING ALLOY}

도1은 연속주조장치를 도시한 개략도

*도면 주요부분에 대한 부호의 설명*

1…용강 2…래들 3…쉬라우딩 노즐(shrouding nozzle) 4…턴디쉬

5…턴디쉬 댐(dam) 6…턴디쉬 스토퍼(stopper) 7…침지노즐

8…주형 9…2차 냉각대

본 발명은 바이메탈(bi-metal), 액체질소(LNG) 저장탱크, 칼라 TV 및 컴퓨터 모니터의 쉐도우 마스크(shadow mask) 등에 사용되는 고Ni 합금의 연속주조 스라브의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연속주조시 표면 및 내부의 크랙발생이 없는 고Ni 합금 연속주조 스라브의 제조방법에 관한 것이다.

고Ni 합금은 통상 Ni이 30% 이상 함유된 합금을 말하는 것으로서, -96~180 ℃의 온도구간에서 1.2x10^-6℃ 이하의 매우 낮은 열팽창 특성을 갖으며, 극 저온에서 우수한 인성을 나타낸다. 이러한 특성으로 인하여, 바이메탈(bi-metal), 액체질소(LNG) 저장탱크와 칼라 TV 및 컴퓨터 모니터의 쉐도우 마스크(shadow mask) 등에 사용되고 있으며, 산업의 고도화 및 고기능화에 따라 그 수요는 증가추세에 있다.

이와 같은 고Ni 합금은, 비용이 저렴한 연속주조에 의해 제조하는 것이 바람직하지만, 연속주조시 초정 오스테나이트 상으로 응고를 시작해서 상변태없이 응고를 완료하기 때문에 연속주조중 스라브표면 및 내부에 크랙이 발생하는 문제를 안고 있다. 이에, 바이메탈용과 LNG 탱크용을 대상으로는 연속주조 기술에 관한 연구가 진행되고는 있으나, 강괴법(ingot casting)에 의한 제조가 일반화 되고 있다. 또한, 상기한 고Ni 합금은 가열로 내에서 내부산화가 심하게 발생되기 때문에, 열간압연시 열간 가공성이 저하하고 표면결함이 발생할 가능성이 높다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 무산화 가열로를 사용하거나, 혹은 일본특개소55-94791호에서는 스라브(slab) 표면에 산화방지제를 도포하고 탄소강 혹은 스테인레스 강판을 덮어서 가열하는 기술을 적용하기도 하였다.

한편, 일반 탄소강의 연속주조 스라브에 있어서도 표면 및 내부크랙 등의 표면결함은 발생하지만, 몰드 파우더의 개선, 몰드 냉각의 개선, 및 2차 냉각패턴의 개선 등에 의해 이러한 결함을 방지하고 있다. 그러나, Ni을 30% 이상 함유하는 고Ni 합금강에서 발생하는 스라브의 결함은 종래 연속주조 스라브의 결함과는 다른 것인데, 이하에서는 이러한 결함의 종류 및 특성에 대해 서술한다.

1) 표면 가로 크랙: 2차 냉각대에서 스프레이 노즐의 수량 밀도가 낮은 곳에서 발생하는 결함으로, 그라인딩(Grinding)을 하지 않은 스라브에서 현저히 관찰되고 스라브 폭 방향에서 주기성이 있다.

2) 표층하 크랙: 스라브 표면에서 3~30mm의 위치에서 발생하므로 그라인딩을 하면 할수록 크랙이 증가하는 경향이 있다.

3) 코너 크랙: 엣지(Edge)에서 약 50mm 위치에서 발생하며, 면세로 크랙의 일종이다.

또한, 이러한 크랙들을 야금학적으로 설명하면 다음과 같다.

1) 고Ni 합금강(36%Ni강)은 조직학적으로는 초정이 오스테나이트 상이고 응고과정중 상변태 없이 오스테나이트 상으로 응고를 완료하기 때문에, 오스테나이트 입계에는 P, S 등 불순물의 편석이 심하게 발생되고, 또한 응고조직이 조대하게 형성되어 열응력에 대한 취약한 특성을 갖는다.

2)스라브 가로 크랙은, 초기 응고시 냉각의 불균일에 의해 야기된 열응력에 의해 크랙이 발생하며, 오스테나이트 입계를 따라 전파한다.

3)표층하 크랙 및 코너 크랙은 몰드 및 2차 냉각대에서 냉각-복열에 의한 열응력에 의해 발생한다. 이러한 크랙은 어느 것이나 취약부인 오스테나이트 입계에서 진전한다.

이처럼 제조 가능여부를 결정짓는 크랙은, 열간압연 공정에서 산세후 검출되 는 선상 결함인데, 발생장소가 연속주조 스라브이고 표면품질이 중요한 스테인레스강에 있어서 치명적인 결함이 되기 때문에, 재산세와 그라인딩과 같은 추가의 정정공정을 통해 이들을 제거해야 한다. 그러나, 이와 같은 공정의 추가는 가격상승의 요인이 되기 때문에, 선상결함을 방지하기 위해, 연속주조 공정에서부터 열연 및 소둔 공정에 이르기까지 여러가지 검토가 이루어져 왔다.

한편, 연속주조과정은 도 1에 나타난 바와 같이, 제강과정에서 정련을 완료한 용강(1)이 담겨있는 래들(2), 상기 래들(2)과 주형(8)사이에서 버퍼(buffer)역할을 하는 턴디쉬(4), 스라브를 제조하는 주형(8) 및 2차 냉각대(9)로 구성되어 있다. 상기 래들(2)과 턴디쉬(4) 사이에는 쉬라우딩 노즐(shrouding nozzle)(3)이 있고, 턴디쉬(4) 내부에는 용강(1)의 유동을 제어하기 위한 턴디쉬 댐(dam) (5)이 있으며, 턴디쉬(4)와 주형(8)사이에는 침지노즐(7)이 있고, 침지노즐(7) 상부에는 용강의 유량을 조절하는 턴디쉬 스토퍼(stopper) (6)가 설치되어 있다. 이와 같은, 연속주조 공정에 있어서, 선상결함은 응고조직이 불균일하게 형성되었을 때 야기되기 때문에, 스라브가 형성되는 주형(8)과 2차 냉각대(9)가 선상결함의 발생장소로 된다. 따라서, 일본특개소57-26141호에서는 선상결함의 발생을 방지하기 위해 재료의 인성을 높이는 관점에서 Ca과 Ti을 첨가하는 방법을 개시하고 있다. 그러나, 이러한 재료에 대해 인성을 높이는 불순물 제거와 미량원소의 첨가는 주조 전단계인 정련과정에서 부가적인 공정을 필요로 하기 때문에 온도보상, 정련재 및 합금 등 원가상승의 요인이 되고 있다. 또한, 鐵과鋼 67-1980, S738에서는, 특수한 원소를 첨가하지 않고 표면 크랙을 억제하기 위해 냉각대에서 수량 밀도를 균일하게 조절하며, 이를 위해 오벌 타입(oval type) 형상의 스프레이 노즐을 사용하고 있다. 또한, 공기/물(air/water) 노즐을 사용해서 스라브 온도의 균일화를 꾀하는 방법도 개시되어 있고, 일본특개소57-32862호에서는 만곡형 연주기에서 스라브 표면온도를 인성이 약한 온도영역에 걸리지 않도록 고온측으로 회피하기 위해, 2차 냉각대에 있어서 950℃ 이하의 영역을 20℃/분 이하의 냉각속도로 냉각하는 완냉의 냉각 패턴을 적용하는 방법을 제안하고 있다. 그러나, 상기한 방법은 추가공정이 요구되고 공정상의 부하를 증가시키기 때문에, 표면 및 내부크랙을 완전히 제거하기는 곤란한 실정이다.

이에, 본 발명의 발명자들은 상기와 같은 문제를 해결하기 위하여 연구 및 실험을 거듭하고 그 결과에 근거하여 본 발명을 제안하게 된 것으로, 본 발명은 턴디쉬에서의 주조온도와 몰드에서 냉각수량을 적절히 제어함으로써 고Ni 합금강 연속주조시에 발생하는 스라브 표면 및 내부크랙을 방지할 수 있는 연속주조 스라브의 제조방법을 제공하고자 하는데, 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은,

Ni 함량이 30∼45중량%이고 연속주조시 초정 오스테나이트상으로 응고를 시작하여 응고과정중 상변태없이 응고를 완료하는 고 Ni 합금의 연속주조 스라브의 제조방법에 있어서,

상기 연속주조시 턴디쉬에서의 용강온도와 이론 응고온도 차이(△T)를 10∼40℃로 하고, 몰드내에서의 냉각수량은 몰드의 장변에 대하여 5,500∼7,000ℓ/min, 몰드의 단변에 대하여 700∼900ℓ/min로 설정하여 조업하는 것을 특징으로 하는 고 Ni 합금의 연속주조 스라브의 제조방법에 관한 것이다.

이하, 본 발명에 대하여 설명한다.

본 발명의 발명자들은 Ni이 30∼45중량% 함유된 고Ni 합금강을 연속주조로 제조하는 경우, 스라브의 표면 및 내부크랙을 방지하기 위해 연구 및 검토하고, 연속주조 스라브의 열간압연시 코일 선상결함의 발생위치와 스라브 크랙과의 상관성을 조사하여 연속주조시 적절한 조업조건을 설정함으로써, 본 발명을 완성시킨 것이다.

이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

연속주조시 스라브에 발생하는 크랙은 합금원소의 첨가량에 따라 다르게 나타난다. Nb, W등의 특수원소가 약간 함유된 저 합금강은 페라이트 상으로 응고하고 페라이트 상으로 응고를 완료한 후에 오스테나이트 상으로 변태하는 응고형태를 띠기 때문에, 오스테나이트 입계와 최종 응고위치가 달라서 오스테나이트 입계에 P, S 등의 불순물이 거의 편석되지 않을 뿐만 아니라 응고조직이 미세하게 된다. 이러 한 이유로, 저 합금강은 연속주조시 스라브 표면 및 내부크랙 감수성은 높지 않다.

그러나, 오스테나이트 상으로 응고하는 고Ni 합금강은 오스테나이트 입계와 최종 응고위치가 일치하기 때문에 오스테나이트 입계에는 P, S 등 불순물의 편석이 심하게 발생되고, 또한 응고조직이 조대하게 형성되기 쉽기 때문에 입계가 현저히 취화되고, 열응력에 대한 크랙 감수성이 매우 높다. 따라서, 이와 같은 고Ni 합금강에서 스라브 표면 및 내부크랙을 방지하기 위해서는 용질원소의 편석량을 줄이고, 응고조직을 미세하게 형성시켜야 하는데, 그 방법은 다음과 같다.

액상선 온도부터 응고완료 온도인 고상선 온도까지의 온도구간은 용질원소가 농축되는 구간으로서, 이 구간에서 냉각속도를 느리게 하면 용질원소의 확산이 진행되기 때문에 액상에 농축되는 용질원소의 함량은 감소된다. 따라서 냉각속도를 느리게 하면 응고크랙의 발생은 억제할 수 있다. 한편 냉각속도를 빠르게 하면 덴드라이트(dendrite)의 크기가 미세하게 되므로 응고크랙을 억제할 수 있는 효과가 있지만, 용질원소의 확산이 지연되는 단점도 있다. 이러한 사실을 바탕으로, 본 발명의 발명자들은 응고과정중 냉각조건을 적절히 조절하면 연속주조시 스라브의 응고크랙을 제어할 수 있다고 판단하고, 턴디쉬에서의 용강 과열도로 설정되는 주조온도와 몰드 냉각에서의 냉각수량을 조절하는 방법을 제시한 것이다. 그러나, 주조온도와 냉각수량을 조절하는 과정에서 스라브 표면 및 내부크랙 이외의 품질 및 조업문제를 야기시킬 수 있기 때문에, 주조온도와 냉각수량의 한계 및 범위가 설정된다.

따라서, 본 발명에서는 턴디쉬에서의 용강온도와 이론 응고온도 차이(△T)를 10∼40℃범위로 설정하고, 몰드내에서 냉각수량을 몰드 장변에 대해 5,500∼7,000(ℓ/min), 몰드 단변에 대해 700∼900ℓ/min로 설정하여 조업하는 것이 바람직하다. 여기서, 몰드의 크기는 장변인 경우 대략 1200~1300mm이고, 단변인 경우 약 200mm이며, 이와 같은 몰드로는 주로 스라브를 제조하는 것이 바람직하다.

상기 턴디쉬에서의 용강온도와 이론 응고 차이인 △T(℃)가 상한인 40℃를 초과하게 되면, 응고 중 응고속도가 느리게 되어 응고조직이 조대하게 되므로 연주스라브에 응고크랙 및 열간압연시 선상결함이 발생되기 쉽다. 한편, △T가 하한인 10℃ 미만인 경우에는 연주과정에서 몰드 파우더의 윤활능이 떨어지기 때문에 연주스라브에 개재물성 결함을 야기시킨다.

또한, 상기 몰드내에서의 냉각수량이 몰드 장변에 대해 7,000ℓ/min이상, 몰드 단변에 대해 900ℓ/min 이상으로 하면, 응고조직은 미세하게 형성시킬 수 있지만 연속주조시 응고조직사이에 편석된 불순물들이 확산할 시간이 적어지기 때문에 스라브 표면에 면세로 크랙이 발생하고, 또한 스라브가 복열되어 열응력으로 인한 크랙 뿐만 아니라, 잔류응력이 표면에 과도하게 발생되므로 스라브 표면크랙이 발생된다. 반면, 상기 몰드내에서의 냉각수량이 몰드 장변에 대해 5,500ℓ/min미만이고 몰드 단변에 대해 700ℓ/min 미만인 경우에는, 응고조직은 조대하게 되어 스라브 표면 및 내부크랙이 발생되고 주조중 스라브 응고쉘(shell)의 강도가 저하되어 스라브 벌징(bulging)으로 인한 크랙이 유발된다.

따라서, 상기 몰드내에서의 냉각수량은 몰드 장변에 대해 5,500∼7,000(ℓ/min), 몰드 단변에 대해 700∼900(ℓ/min)로 제어하는 것이 바람 직하다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명한다.

[실시예]

중량%로, C: 0.018%, Ni: 36.07%, Cr: 0.09%, Mn: 0.26%, P: 0.003%, S: 0.0007%로 조성되는 합금강에 대하여, 하기 표 1의 제조조건으로 연속주조 스라브를 제조한 다음, 연속주조 스라브의 표면 및 내부크랙을 조사하고, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다. 이 때, 연주스라브의 크랙발생정도는, ○ : 없음, △ : 미세, X : 심함으로 표시하였다.

구분	과열도(℃)	몰드 냉각수량(ℓ/min)		연주주편 크랙발생정도
		장변	단변
발명예1	10	6000	700	O
발명예2	37	7000	880	O
비교예1	20	5300	720	△
비교예2	30	7300	850	△
비교예3	25	6200	650	△
비교예4	35	7700	930	△
비교예5	7	6800	800	X
비교예6	45	6500	750	X
비교예7	50	7500	920	X

상기 표 1에 나타난 바와 같이, 본 발명의 발명예(1),(2)의 경우에는 연속주조시 스라브 벌징(bulging) 및 크랙이 발생하지 않았고, 또한 열연 코일 표면에 선 상결함이 발생하지 않은 양호한 제품을 얻을 수 있었다.

그러나, 비교예(1)의 경우에는, 몰드 냉각수량중 몰드 장변에 대한 량이 낮아 연주시 스라브 벌징이 발생하여, 스라브 표면에 면세로 크랙이 미세하게 발생되었고, 또한 열간압연시 이러한 크랙은 스케일이 과도하게 형성되어 열연 코일상에 선상결함이 발생하였다.

비교예(2)의 경우에는, 몰드 냉각수량 중 몰드 장변에 대한 냉각수량이 많아 연속주조중 벌징발생은 없었으나, 주조중 스라브 표면에 열응력이 심하게 작용되어 스라브 표면에 크랙이 발생하였다.

또한, 비교예(3)의 경우에는 턴디쉬에서 용강 과열도는 본 발명의 조건을 만족하지만, 몰드 냉각수량중 몰드 단변에 대한 냉각수량이 적어 장변부와 단변부의 응고진행이 불일치하여 단변부의 응고가 지연되고, 이로 인해 단변부의 스라브 벌징(bulging)이 발생하였으며, 스라브 표층부에는 미세 크랙이 발생하였다.

비교예(4)의 경우도 턴디쉬에서 용강 과열도는 본 발명의 조건을 만족하지만, 몰드 단변부에 대한 냉각수량이 많아 단변부의 응고과정이 장변부 보다 빨리 진행되어 몰드내에서 응고과정중 스라브 코너부에서 에어 갭(air gap)이 발생하였다. 이로 인해, 열전달이 저하되어 스라브 코너부에서 미세크랙이 발생되었다.

한편, 비교예(5)는 턴디쉬에서의 용강과열도가 본 발명의 조건보다 낮아 몰드 파우더의 용융불량이 발생하였고, 몰드와 응고층 사이의 윤활작용이 부족하게 되었다. 이로 인해, 응고층에서 크랙이 발생되고 주조말기에는 스라브 표면에 스캡(scab) 등 대형 표면결함이 발생하였다.

비교예(6)은 턴디쉬에서의 용강과열도가 높아서 스라브 표면에 조대한 응고조직이 형성되어 입계에서 스라브 표면 및 내부 크랙이 발생하였고, 또한 연속주조시 스라브벌징(bulging)이 발생하여 탕면 헌팅(hunting) 등의 조업 불안정이 발생하였다.

또한, 비교예(7)은 주조온도 및 비수량이 본 발명의 기준치에서 벗어나서, 연속주조 스라브 및 열연 코일에 크랙이 발생하였다.

상술한 바와 같은 본 발명에 의하면, 연속주조 스라브에서 표면 및 내부크랙의 발생을 방지하여 이후 열간압연시 선상결함의 발생을 방지할 수 있기 때문에, 품질이 우수한 고Ni 합금강을 제조할 수 있는 효과가 있는 것이다.

Claims (1)

1. Ni 함량이 30∼45중량%이고 연속주조시 초정 오스테나이트상으로 응고를 시작하여 응고과정중 상변태없이 응고를 완료하는 고 Ni 합금의 연속주조 스라브의 제조방법에 있어서,

   상기 연속주조시 턴디쉬에서의 용강온도와 이론 응고온도 차이(△T)를 10∼40℃로 하고, 몰드내에서의 냉각수량은 몰드의 장변에 대하여 5,500∼7,000ℓ/min, 몰드의 단변에 대하여 700∼900ℓ/min로 설정하여 조업하는 것을 특징으로 하는 고 Ni 합금의 연속주조 스라브의 제조방법

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