KR101528068B1 - 표면품질이 우수한 오스테나이트계 스테인리스 강판의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 스테인리스 강판을 제조하는 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 쌍롤식 박판 주조장치를 이용하여 표면품질이 우수한 오스테나이트계 스테인리스 강판을 제조하는 방법에 관한 것이다.

Description

표면품질이 우수한 오스테나이트계 스테인리스 강판의 제조방법 {METHOD FOR MANUFACTURING AUSTENITIC STAINLESS STEEL SHEET HAVING EXCELLENT SURFACE QUALITY}

본 발명은 스테인리스 강판을 제조하는 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 쌍롤식 박판 주조장치를 이용하여 표면품질이 우수한 오스테나이트계 스테인리스 강판을 제조하는 방법에 관한 것이다.

쌍롤식 박판 주조장치를 이용한 강판의 제조는 연속 주조로부터 이루어지며, 통상 회전하는 두 개의 주조롤 사이로 용강을 공급하여, 그 용강으로부터 직접 수 mm 두께의 박판을 연속적으로 제조하여 얻는다.

보다 구체적으로, 용융금속은 냉각수에 의해 냉각되면서 반대방향으로 회전하는 한 쌍의 주조 롤 사이에 노즐을 통하여 주입되고, 주조 롤 표면과 접촉 및 응고되어 응고셀을 형성하고, 롤 닢에서 압하되어, 박판이 생성된다.

상기 롤의 단부에는 세라믹으로 구성된 에지댐이 있어, 단부로의 용강 유출을 막는다. 주조 롤은 내부에 냉각수 홀이 있어 이곳에 냉각수를 공급함으로써 롤을 냉각시키며, 상기 롤은 구리 등과 같이 열전달이 양호한 재질로 만들어져 있고, 표면에는 내마모를 위한 니켈 등에 의해 코팅되어 있다.

롤 표면의 코팅층은 강의 응고를 양호하게 하기 위하여 숏 브라스트(short blast)와 같은 방법에 의해 무방향 조도가 형성되어 있다. 이러한 조도가 있는 박판을 1100~1200℃ 정도의 온도에서 20~40%의 압하율로 열간압연하게 된다. 이러한 과정에서 판재 표면의 조도가 양호해지고, 재결정이 발생되어 물성을 양호하게 한다.

이와 같은 박판 주조 공정으로 스테인리스 강을 제조함에 있어서, 양호한 표면 품질의 확보가 필요하다. 그러나, 응고조직 특히 내부의 편석이 불균일한 경우, 표면 품질이 불량해지는 문제가 있다. 이러한 내부 편석에 의한 표면흠을 서리상 얼룩이라고 하며, 이 서리상 얼룩은 도 2에 나타낸 바와 같이 주조된 판재의 내부에 Ni부편석(Ni negative segregation)이 발생하면, 후속되는 냉간압연 - 열처리 - 성형공정에서 가공 유기 마르텐사이트 변태의 정도차이로 표면에 요철이 생성되어 흠이 되는 것이다.

따라서, 박판 주조 공정으로 스테인리스 강을 제조하는 경우, 서리상 얼룩을 억제하여 표면품질이 우수한 오스테나이트계 스테인리스 강판을 제조할 수 있는 기술이 요구되고 있는 실정이다.

본 발명의 일 측면은, 쌍롤식 박판 주조장치를 이용하여 오스테나이트계 스테인리스 강판을 제조함에 있어서, 그 표면에 서리상 얼룩에 의한 표면결함이 없어 우수한 표면품질을 확보할 수 있는 오스테나이트계 스테인리스 강판을 제조할 수 있는 방법을 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 일 측면은, 서로 반대 방향으로 회전하는 한쌍의 주조 롤, 상기 롤 측면을 밀봉하여 용강풀을 형성하는 에지댐 및 상기 용강풀 상부를 밀봉하고, 아르곤이 혼합된 불활성 가스를 공급하는 매니스커스 쉴드를 포함하는 쌍롤식 박판 주조 장치를 이용하여 오스테나이트계 스테인리스 강판을 제조하는 방법에 있어서,

상기 불활성 가스 중 아르곤(Ar)의 혼합비가 4~10%이고, 상기 주조 롤 표면의 흑피 두께(㎛)는 하기 관계식 1을 만족하는 것을 특징으로 하는 표면품질이 우수한 오스테나이트계 스테인리스 강판의 제조방법을 제공한다.

[관계식 1]

0.6×(흑피 두께) < (Ar 혼합비)-1

본 발명에 따르면, 박판 주조 공정시 주조 롤의 압하력을 2톤/m(폭) 이하로 균일하게 부여할 수 있으므로, 서리상 얼룩과 같은 결함이 발생하지 않고, 우수한 표면품질을 갖는 오스테나이트계 스테인리스 강판을 제공할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 쌍롤식 박판 주조공정의 모식도를 나타낸 것이다.
도 2는 상기 도 1의 쌍롤식 박판 주조공정에 의해 제조되는 스테인리스 강판 표면에서 서리상 표면결함이 발생하는 과정을 모식화하여 나타낸 것이다.
도 3은 상기 도 1의 쌍롤식 박판 주조공정에 의해 주조된 판재 표면에서 발생한 서리상 얼룩을 관찰한 사진이다.
도 4는 상기 도 3의 주조된 판재 표면에서 발생한 서리상 얼룩 위치의 내부 미세조직을 관찰한 결과이다.
도 5는 주조 롤 표면 흑피 불균일에 따른 주조된 판재 표면의 서리상 얼룩 발생 기구를 모식화하여 나타낸 것이다.
도 6은 불활성 가스의 Ar 혼합비와 주조 롤의 흑피 두께에 따른 서리상 얼룩 발생 관계를 그래프화하여 나타낸 것이다.

일반적으로, 박판 주조 공정에 의한 스테인리스 강의 표면결함, 특히 서리상 얼룩을 방지하기 위해서는 주조 롤의 압하력을 낮게 설정해야 하는 것으로 알려져 있으며, 이는 압하력이 낮을 경우 박판 내부의 부편석이 약해져 서리상 얼룩의 발생이 적어지기 때문이다. 이에, 주조 롤의 압하력을 2톤/m(폭) 이하로 부여하여야 서리상 얼룩이 발생하지 않는 것으로 알려져 있다.

그러나, 실제 박판 주조 공정으로 STS304와 같은 오스테나이트 스테인리스 스틸의 박판을 제조시 압하력을 2톤/m(폭) 이하로 관리하여도 서리상 얼룩이 발생하고 있으며, 이는 주조 롤 폭방향의 압하력이 일정하지 못한 것에 기인한 것이다. 즉, 2톤/m(폭) 이하의 압하력은 주조 롤 전체가 받는 힘으로 국부적으로 받는 압하력을 의미하지 않는다. 그러므로, 국부적으로 받는 압하력을 균일하게 한 상태에서 전체 압하력을 2톤/m(폭) 이하로 관리하는 것이 필요하다.

또한, 주조 시작이나, 래들 교환시 용강온도 변화가 발생하는 구간에서는 주조 폭방향의 압하력이 균일할 수가 없다. 이러한 경우 대부분 주조 롤 중앙부가 압하력을 많이 받고, 주조 롤 중앙부에 서리상 얼룩이 발생하는 경우가 많다. 그러므로, 주조 폭방향의 응고 조직의 균일도를 확보하는 것이 매우 중요하다.

한편, 서리상 얼룩은 박판 주조된 판재 표면에서도 나타나는 경우가 있다 (도 3 참조). 즉, 후속하는 냉간압연 - 열처리 - 성형 공정을 거치지 않아 가공 유기 마르텐사이트가 생성되지 않았으나, 그 표면에 서리상 얼룩이 발생한 경우로서, 상기 서리상 얼룩이 발생한 부위의 내부 미세조직은 부편석 응고조직을 보인다 (도 4 참조). 이때 형성된 서리상 얼룩은 규칙적으로 동일한 피치(pitch)를 가지고 발생하고 있으며, 주조 롤 표면에도 동일한 얼룩이 발생하는 것으로 볼 때, 주조 판재 표면에 발생한 서리상 얼룩은 내부 부편석뿐만 아니라 표면 스케일에 의해 발생한 것으로 예측할 수 있다.

보다 구체적으로, 주조 판재 표면의 서리상 얼룩은 주조 롤 내에서 국부적으로 압하를 많이 받는 위치에서 주로 발생하며, 이 위치가 압하를 받으면서 주조 롤 표면의 흑피를 치밀하게 한다. 이렇게 되면, 한번 압하를 받은 위치는 열전달이 더 잘되므로 응고가 잘 일어나게 되고, 그로 인해 계속 압하되어 결국 서리상 얼룩이 발생하게 되는 것이다.

주조 롤 표면의 흑피는 MnO로 구성된 수 ㎛ 두께의 산화물 층으로서, 이러한 흑피는 용강 중의 Mn이 반응하여 롤 표면에 붙어서 형성된 것으로, 매우 미세한 분말(powder)로 구성되어 열전달이 잘되지 않는다. 이러한 부분이 국부적 과응고로 롤 닢에서 압하를 받게 되면 흑피는 매우 치밀(dense)해지며, 이후 롤 한바퀴를 돌고 용강에 재유입될 때 다시 과응고되어 롤 닢에서 압하를 더 받게 되면서 서리상 얼룩이 심해지게 된다. 이와 같이 국부적으로 압하가 심해진 부분은 롤로의 열전달이 잘 일어나게 되고, 이로 인해 그 부위에서의 판 온도가 낮게 되어 고온 산화 정도가 달라짐에 따라 박판 주조된 판재에서도 서리상 얼룩이 관찰되는 것이다 (도 5 참조). 그러므로, 주조 롤 표면에서 균일한 흑피가 형성되어야만 주조 판재 표면의 서리상 얼룩이 심해지는 현상을 방지할 수 있다.

본 발명자들은 상기 서리상 얼룩이 발생하는 기구를 이해하고, 박판 주조 공정으로 오스테나이트계 스테인리스 강판을 제조함에 있어서 주조시 주조 롤 폭 방향의 응고 균일도를 확보함과 동시에 주조 롤 흑피의 균일도를 향상시킬 수 있는 방안에 대하여 깊이 연구한 결과, 본 발명에 이르게 되었다.

이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명의 일 측면에 따른 오스테나이트계 스테인리스 강판은 서로 반대 방향으로 회전하는 한쌍의 주조 롤, 상기 롤 측면을 밀봉하여 용강풀을 형성하는 에지댐 및 상기 용강풀 상부를 밀봉하고, 아르곤이 혼합된 불활성 가스를 공급하는 매니스커스 쉴드를 포함하는 쌍롤식 박판 주조 장치를 이용하여 제조할 수 있다.

먼저, 쌍롤식 박판 주조공정에 대하여 도 1을 참조하여 상세히 설명한다.

턴디쉬(1)에 부착된 노즐(2)을 통해 서로 반대 방향으로 회전하는 한 쌍의 주조롤(3) 사이로 공급된 용강(4)이 상기 주조 롤(3)과 에지댐(5)에 의해 둘러싸인 용융풀을 형성하고, 상기 주조 롤(1) 표면과 접촉 응고되면서 박판(7)을 형성하고, 상기 박판(7)은 분위기 조성 쳄버(8)를 통과한 후 압연롤(11)에 의해 압연된다. 여기서 도면부호 6은 브러쉬롤, 9는 메니스커스 쉴드 및 10은 핀치롤이다.

본 발명은 상기와 같은 박판 주조 공정을 통해 표면품질이 우수한 오스테나이트계 스테인리스 강판을 얻기 위한 것으로서, 특히 강판 표면에서 발생하는 서리상 얼룩을 방지하기 위해서는 주조 롤의 전체 압하력을 2톤/m(폭) 이하로 관리한 상태에서 주조 롤 폭방향으로 국부적으로 압하가 집중되지 않도록 하는 것이 바람직하다.

이를 최대로 얻기 위해서는, 메니스커스 쉴드 내에 공급되는 불활성 가스 내 아르곤(Ar) 혼합비와 주조 과정에서 주조 롤 표면에 형성되는 흑피의 두께 간의 관계를 제어하는 것이 바람직하다.

상기 메니스커스 쉴드는 용강의 탕면을 보온하고, 탕면에 불활성 가스를 공급하여 재산화를 막는데, 이때 불활성 가스로서 주로 질소가스를 사용하며, 에지 벌징을 개선하기 위한 목적에서 상기 질소에 아르곤(Ar)을 적정비율로 혼합하여 사용할 수 있다.

특히, 본 발명에서 제조하고자 하는 오스테나이트 스테인리스 강판을 박판 주조하는 경우, 주조 롤 에지 쪽은 응고가 지연되고, 주조 롤 중앙부의 응고가 강화되는데, 이러한 응고 불균일을 불활성 가스 내 아르곤 혼합비를 조절함으로써 제어할 수 있다. 즉, 불활성 가스 내 아르곤 혼합비를 높여 주조 롤 중앙부의 응고를 지연시키면서, 주조 롤 폭 방향의 응고 균일도를 달성할 수 있는 것이다.

상기 불활성 가스 내 아르곤 혼합비가 0% 이면, 박판의 에지쪽은 미응고 되어 벌징이 발생하고, 이때 에지는 국부적으로 압하력이 0톤이 되고, 중앙부에서는 상대적으로 높은 압하력이 작용하여 국부적으로 압하력이 2톤/m(폭)을 초과하게 됨에 따라 서리상 얼룩이 발생하게 된다. 또한, 상기 아르곤(Ar)의 혼합비가 10%를 초과하게 되면 주조된 판재 표면에 크랙이 발생할 우려가 있으므로 바람직하지 못하다.

따라서, 상기 불활성 가스 내 아르곤 혼합비는 0% 초과 10% 이하인 것이 바람직하지만, 만일 상기 범위 내로 아르곤 혼합비를 제어한다 하더라도 미약한 서리상 얼룩이 한번 발생하면 그 부분에 닿는 주조 롤 표면의 흑피가 치밀(dense)해지면서 그 두께가 얇아지고, 압하력이 증가하게 되어 최종적으로 서리상 얼룩이 발생하게 되는 문제가 있다.

그러므로, 균일한 응고를 위하여 아르곤(Ar) 혼합비를 제어함과 동시에, 주조 롤 표면의 흑피 두께를 확보함으로써 미약한 서리상 얼룩이 발생하더라도 국부적인 압하력 증가를 억제하는 것이 바람직하다.

보다 구체적으로, 상기 아르곤(Ar) 혼합비는 4~10%를 만족하는 것이 바람직하며, 상기 아르곤 혼합비가 조절되는 상태에서 주조 롤 표면의 흑피 두께는 하기 관계식 1을 만족하는 것이 바람직하다. 즉, 하기 관계식 1을 만족하도록 아르곤 혼합비와 흑피 두께를 제어할 경우, 서리상 얼룩결함이 없어 우수한 표면품질을 갖는 오스테나이트계 스테인리스 강판을 제조할 수 있는 것이다.

[관계식 1]

0.6×(흑피 두께) < (Ar 혼합비)-1

상기 관계식 1에서 아르곤 혼합비가 4% 미만이면 미응고되어 벌징을 일으키는 부위가 발생할 수 있으며, 반면 10%를 초과하게 되면 주조된 판재 표면에 크랙이 발생할 수 있으므로 바람직하지 못하다.

또한, 상기 관계식 1을 만족하는 바람직한 주조 롤의 흑피 두께는 5~10㎛인 것이 바람직하다 (도 6 참조).

상기에 따라 아르곤 혼합비가 4~10%로 제어되더라도 주로 롤의 흑피 두께가 5㎛ 미만이면 약간의 주조조건(용강 온도 및 강 성분 등)의 변화에도 에지의 벌징이 발생할 가능성이 높으며, 반면 10㎛를 초과하게 되면 주조 롤 표면에서 국부적인 흑피 불균일이 나타나게 되어 주조 판재에서 서리상 얼룩이 발생하는 문제가 있다.

한편, 주조 과정 중 형성된 주조 롤 표면 흑피의 두께는 브러쉬 롤을 이용하여 제어하는 것이 바람직하다.

상기 브러쉬 롤은 상기 주조 롤의 폭 방향으로 위치하며, 바람직하게는 각 주로 롤 당 2개씩을 사용할 수 있다. 이때, 브러쉬는 0.2~1mm 직경의 스테인리스 와이어(wire)로 구성되어 있으며, 직경은 100~300mm 정도이다.

상기 브러쉬 롤은 주조 롤 표면에 접촉하여, 롤 표면의 흑피를 제거하는 역할을 하며, 브러쉬 롤을 회전시키는 모터의 전류를 조절함으로써 브러슁의 강도를 제어할 수 있다. 상기 모터의 전류가 높다는 것은 브러쉬 롤과 주조 롤의 접촉이 강하다는 것이며, 이는 주조 롤 표면의 흑피가 많이 제거된다는 것을 의미한다.

따라서, 본 발명에서는 상기 브러쉬 롤을 회전시키는 모터의 전류를 조절함으로써 상기 주조 롤 표면의 흑피 두께를 5~10㎛로 제어할 수 있으며, 바람직하게는 상기 모터의 전류를 6~10A 수준으로 조절할 때 원하는 균일 두께의 흑피를 얻을 수 있다.

상기한 바에 따른 조건을 만족하는 박판 주조 공정에 의해 제조된 오스테나이트계 스테인리스 강판은 C, Cr, Ni 등의 성분을 포함하여 이루어지는 304 오스테나이트계 스테인리스 강판으로서, 바람직하게는 중량%로, 탄소(C): 0.1% 이하, 크롬(Cr): 12~25%, 니켈(Ni): 5~12%, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 강판일 수 있다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하고자 한다. 다만, 하기의 실시예는 본 발명을 예시하여 보다 상세하게 설명하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 권리범위를 한정하기 위한 것이 아니라는 점에 유의할 필요가 있다. 본 발명의 권리범위는 특허청구범위에 기재된 사항과 이로부터 합리적으로 유추되는 사항에 의해 결정되는 것이기 때문이다.

( 실시예 )

하기 표 1에 나타낸 성분조성(중량%)을 갖는 304 오스테나이트계 스테인리스 강판을 도 1의 주조 공정으로 제조하였다.

이때, 주조 두께는 2.86mmt, 주조 롤의 폭은 1320mm, 주속은 60mpm으로 실시하였다. 또한, 턴디쉬 용강 온도는 1525℃였다. 그리고, 메니스커스 쉴드에 공급하는 불활성 가스의 아르곤 혼합비를 0~10%를 변형시키면서, 브러쉬 롤의 모터 전류를 6~10A로 변경시켜 주조 롤 표면의 흑피 두께를 변경시켰다.

C	Si	Mn	P	S	Cr	Ni	Mo	Cu	N
0.0618	0.15	1.301	0.0332	0.0024	18.13	8.18	0.11	0.223	0.0442
0.0596	0.145	1.297	0.0336	0.004	18.13	8.2	0.1	0.212	0.0413
0.0632	0.164	1.381	0.0341	0.0021	18.15	8.17	0.12	0.247	0.04

상기 아르곤 혼합비 및 흑피 두께에 따른 판재의 표면을 관찰하여 서리상 얼룩의 발생 여부를 평가하였으며, 그 결과는 도 6에 나타내었다.

도 6에 나타낸 바와 같이, Ar 혼합비를 증가시킬수록 서리상 얼룩 발생이 감소하며, 브러슁의 강도를 증가시켜 주조 롤의 흑피 두께를 얇게 만들수록 서리상 얼룩이 감소하는 것으로 나타났다.

1: 턴디쉬, 2: 노즐,
3: 주조 롤, 4: 용강,
5: 에지댐, 6: 브러쉬롤
7: 박판, 8: 분위기 조성 쳄버
9: 메니스커스 쉴드, 10: 핀치롤,
11: 압연롤.

Claims (5)

1. 서로 반대 방향으로 회전하는 한쌍의 주조 롤, 상기 롤 측면을 밀봉하여 용강풀을 형성하는 에지댐 및 상기 용강풀 상부를 밀봉하고, 아르곤이 혼합된 불활성 가스를 공급하는 매니스커스 쉴드를 포함하는 쌍롤식 박판 주조 장치를 이용하여 오스테나이트계 스테인리스 강판을 제조하는 방법에 있어서,
   상기 불활성 가스 중 아르곤(Ar)의 혼합비가 4~10%이고, 상기 주조 롤 표면의 흑피 두께(㎛)는 하기 관계식 1을 만족하는 것을 특징으로 하는 표면품질이 우수한 오스테나이트계 스테인리스 강판의 제조방법.
   [관계식 1]
   0.6×(흑피 두께) < (Ar 혼합비)-1
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 주조 롤 표면의 흑피 두께는 5~10㎛인 것을 특징으로 하는 표면품질이 우수한 오스테나이트계 스테인리스 강판의 제조방법.
   
3. 제 1항에 있어서,
   상기 주조 롤 표면의 흑피 두께는 브러쉬 롤을 이용하여 제어하고, 상기 브러쉬 롤은 상기 주조 롤의 폭 방향으로 위치하는 것인 표면품질이 우수한 오스테나이트계 스테인리스 강판의 제조방법.
   
4. 제 1항에 있어서,
   상기 불활성 가스는 잔부로 질소를 포함하는 것인 표면품질이 우수한 오스테나이트계 스테인리스 강판의 제조방법.
   
5. 제 1항에 있어서,
   상기 강판은 중량%로, 탄소(C): 0.1% 이하, 크롬(Cr): 12~25%, 니켈(Ni): 5~12%, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 것인 표면품질이 우수한 오스테나이트계 스테인리스 강판의 제조방법.

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