KR100647147B1 - 미세 균열이 없는 페라이트계 스테인리스강 스트립의 연속주조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 회전 구동하며, 축이 수평인 2개의 냉각롤 사이에 액상 금속으로부터 직접 10mm 이하의 두께를 지닌 페라이트계 스테인리스강을 연속 주조하는 방법에 관한 것이다. 본 발명에 있어서, 액상 금속의 조성은 중량%로 %C + %N ≤0.12, %Mn ≤1, %P ≤0.4, %Si ≤1, %Mo ≤2.5, 11 ≤%Cr ≤19, Al ≤1%, %Ti + %Nb + %Zr ≤1이며, 나머지는 제조로 인한 철과 불순물이고, 액상 금속에서 γ_p 지수는 35%∼60% 범위이며, γ_p 지수는 화학식 γ_p = 420 %C + 470 %N + 23 %Ni + 9 %Cu + 7 %Mn - 11.5 %Cr - 11.5 %Si - 12 %Mo - 23 %V - 47 %Nb - 49 %Ti - 52 %Al + 189로 정의한다. 이러한 롤의 표면 거칠기는 5㎛ 이상이고, 롤간에 존재하는 메니스커스 금속 액상 부근에, 강내의 가용성 가스의 부피가 적어도 60%인 불활성 가스를 사용한다.

Description

미세 균열이 없는 페라이트계 스테인리스강 스트립의 연속 주조 방법 {METHOD FOR CONTINUOUSLY CASTING FERRITIC STAINLESS STEEL STRIPS FREE OF MICROCRACKS}

본 발명은 금속의 연속 주조에 관한 것으로, 보다 상세하게는 액상 금속으로부터 직접 페라이트(ferrite)형 스테인리스강 스트립(strip)을 연속 주조하는 것으로서, "쌍롤 주조(twin-roll casting)"라고 하는 공정을 사용하여 그 두께를 수 mm로 한 것을 말한다.

최근에는 액상 금속으로부터 직접 탄소강 박판(thin strip) 또는 스테인리스강 박판을 주조하기 위한 공정 개발에 상당한 진전이 있었다. 현재 주로 사용되는 공정은 2개의 롤사이에서 전술한 액상 금속을 주조하는 것이며, 전술한 2개의 롤은 그 내부가 냉각되어 있고, 그 수평축에 대하여 서로 반대 방향으로 회전하며, 각각 나란히 위치하고, 이들 표면간의 최소 거리는 예를 들면 수 mm로, 주조판에 부여하는 데 바람직한 두께와 대략 동일하다. 액상 금속을 포함하는 주조 공간은 2개의 롤의 측면 및 측면 경계판으로 정의되며, 전술한 롤의 측면 위에서 스트립이 고형화하기 시작되고, 전술한 측면 경계판은 롤의 양단부에 맞닿아 있는 내화물로 만들어진다. 액상 금속은 롤의 외부 표면에 접촉하여 응고되기 시작하고, 그 위에 고형화한 "셀(shell)"이 형성되며, 이러한 셀들이 "닙(nip)" 영역에서 만나 배열이 만들어진다. 닙 영역은 롤사이의 거리가 최소인 영역을 말한다.

쌍롤 주조법에 따른 박판 페라이트계 스테인리스강 스트립을 제조하는 경우에 직면하는 주요 문제점 중의 하나는 스트립상에 미세 균열(microcracks)이라고 하는 표면 결함이 생길 위험성이 크다는 것이다. 이러한 균열은 미세하지만, 충분히 사용에 부적합한 냉각 처리 제품을 만들 수 있다. 미세 균열은 강의 고형화 중에 형성되며, 약 40㎛의 깊이와 약 20㎛의 직경을 가진다. 이는 강이 접촉 원주 길이에 걸쳐 롤표면과 접촉시, 고형화중의 조건에 따라 일어난다. 이러한 조건을 2개의 연속적인 단계로 기술할 수 있다. 제1 단계는 롤 표면에서 고상인 강의 셀을 형성하는 액상인 강과 롤 표면간의 초기 접촉에 관한 것이다. 제2 단계는 닙까지의 이러한 셀의 성장에 관한 것이고, 앞서 언급한 바와 같이 완전히 고형화한 스트립을 이루도록 다른 롤상에 형성된 셀과 결합한다. 강과 롤표면간의 접촉은 불활성 가스의 성질 및 강의 화학 조성과 함께 주조롤 표면의 형상에 따라 결정된다. 모든 이러한 매개 변수들은 강과 롤간의 열전달을 확립하는 데 수반되고, 셀이 고형화하는 조건을 결정한다.

미세 균열과 같이 수용할 수 없는 표면 결함이 존재하지 않고, 건실한 스트립을 제조하기 위한 쌍롤 주조 공정을 개발하기 위하여 다양한 시도가 이루어지고 있다.

탄소강의 경우 제시되는 해결책은 강과 롤 표면간의 열교환을 양호하게 제어할 필요에 따라 좌우된다. 특히 주조롤에 의해 고형화가 시작되는 경우, 강에서 추출된 열유동을 증가시키기 위한 시도가 이루어진다. 이러한 목적을 위하여, EP-A-0 732 163은 거칠기(roughness)가 다소 작은(Ra < 5㎛) 롤을 사용할 것을 제안한다. 여기서, 롤은 강 표면과 롤 계면간을 습하게 하는 액상 산화물을 금속 내에 형성하도록 촉진하는 강의 조성 및 생산 조건하에 사용한다. 오스나이트계 스테인리스강에 관하여, EP-A-O 796 685는 고온에서 상변화를 최소화하도록 주조하기 위해서 Cr_eq/Ni_eq의 비가 1.55 이상인 강을 주조할 것을 제안한다. 이는 직경이 100㎛∼1500㎛이고 깊이가 20㎛∼50㎛인 접촉 딤플(touching dimple)을 포함하는 표면을 지닌 롤을 사용하고, 강내의 가용성 가스 또는 이러한 가용성 가스를 주로 하여 이루어진 가스 혼합물로 주조 표면을 비활성화함으로써 이루어진다.

페라이트계 스테인리스강에 있어서, 일본특허공개공보 제5,337,612호는 탄소 함유량 및 질소 함유량이 적고(각각 0.05% 미만), 니오븀(0.1%∼5%) 및 티타늄을 함유한 강의 주조를 제안한다. 또한 스트립이 롤에서 벗어남에 따라, 고속 냉각시켜 스트립을 감는 온도를 제어해야 할 필요가 있다. 이러한 제조 조건 및 주조 조건은 비용이 많이 들고 큰 노력을 요하므로, 필요한 등급의 특수한 특성으로 인하여 제조 제품의 적용 분야가 제한된다.

본 발명의 목적은 표면에 미세 균열이 없는 박판 페라이트계 스테인리스강 스트립을 주조하는 공정을 제공하는 것이다. 이러한 공정은 이행시 큰 노력을 요하는 주조 조건을 특별히 요구하지 않고, 넓은 범위의 강 등급에 적용할 수 있다.

이러한 목적을 위하여, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 축이 수평인 2개의 냉각 회전롤간의 액상 금속으로부터 직접 10mm 이하의 두께를 지닌 페라이트계 스테인리스강 스트립을 연속 주조하기 위한 공정에 관한 것으로서,

상기 액상 금속은, 중량비를 기준으로, C% + N% ≤0.12, Mn% ≤1, P% ≤0.04, Si% ≤1, Mo% ≤2.5, 11 ≤Cr% ≤19, Al ≤1% 및 Ti% + Nb% + Zr% ≤1, 나머지가 철과 용융으로 인한 불순물인 조성을 가지고,

상기 액상금속의 γ_p 지수는 35%∼60% 이며, 이 때, γ_p 지수는 하기 식에 의해 정의되고:식γ_p = 420 C% + 470 N% + 23 Ni% + 9 Cu% + 7 Mn% - 11.5 Cr% - 11.5 Si% - 12 Mo% - 23 V% - 47 Nb% - 49 Ti% - 52 Al% + 189 (상기 식에서, %는 중량%임),

롤의 표면 거칠기(Ra)는 5㎛ 이상이고,

상기 롤 사이에 존재하는 액상 금속의 메니스커스 부근에서, 상기 강 내에 용해될 수 있는 가스가 적어도 60 부피%인 불활성 가스가 사용되는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 금속을 고형화한 후 고온에서 오스테나이트가 형성될 가능성을 지배하는 금속의 조성에 대한 조건, 주조 표면의 최소 거칠기에 대한 조건, 및 불활성 가스의 화학 조성에 대한 조건을 결합하는 데 있다. 이러한 결합을 적용함에 의해, 주조 공정에서 너무 많은 것을 요구하는 한계를 부과하는 일 없이, 그리고, 주조 스트립으로부터 제조될 제품의 적용 분야를 과도하게 제한하는 일 없이, 스트립 표면 상에 미세 균열이 형성되는 것을 방지할 수 있다.

본 발명은, 이하의 발명의 상세한 설명을 통하여 더욱 완전한 이해가 가능해진다.

롤 사이에서 주조 박판 스트립을 연속적으로 주조하기 위한 필수 매개 변수 중의 하나는 고형화 스트립과 롤간의 열교환의 제어이다. 이러한 열교환을 적절히 제어하기 위해서는, 고화된 셀이 롤 벽에 부착하게 되는 조건을 알아야 하고, 상기 조건이 재현 가능한 것이어야 할 필요가 있다. 그러나, 11%∼19%의 크롬을 함유하는 페라이트계 스테인리스강으로 만들어진 스트립을 주조하는 경우, 롤에 닿은 셀을 완전히 고형화한 후에 다음 현상이 일어난다. 고형화한 셀은 처음에 완전한 페라이트 구조이나(δ상), 냉각됨에 따라 롤 표면에 여전히 고착되면서 1300℃∼1400℃ 범위의 온도에서 δ페라이트/γ오스테나이트로 상변태한다. 이러한 상변태는 금속의 국부 수축을 야기하고, 극미세한 수준에서나 감지할만한 이러한 2상간의 밀도를 변화시킨다. 이러한 수축이 충분히 크므로, 고형화한 셀과 롤 표면간 접촉의 국부 손실을 야기한다. 이해되는 바와 같이, 이러한 접촉 손실은 국부 열전달 조건을 근본적으로 변형시킨다. 롤의 표면 마무리 및 이러한 표면 수축에 존재하는 불활성 가스의 성질을 결합하므로, 금속의 조성에 의존하는 이러한 상변태 정도는 열전달 강도에 영향을 미친다.

페라이트계 스테인리스강에서 δ→γ상변태 범위는 γ_p 지수로 나타낼 수 있다. 이것은 고온에서 금속에 존재하는 오스테나이트의 최대량을 나타낸다. 이러한 γ_p 지수는 이른바 하기 식에 의해 표현되는 "Tricot and Castro" 관계를 사용하여 금속의 조성으로부터 공지된 방법으로 계산한다: (하기 식에서, 백분율은 중량%임)

γ_p = 420 C% + 470 N% + 23 Ni% + 9 Cu% + 7 Mn% - 11.5 Cr% - 11.5 Si% - 12 Mo% - 23 V% - 47 Nb% - 49 Ti% - 52 Al% + 189

본 발명에 이르기 위한 연구 중에, 다른 것이 동일할 경우, 상기 γ_p 값은 고형화동안 주조롤에 의해 추출된 열유동 크기의 좋은 지표이라는 것을 밝혀내게 되었다. 롤에 의해 금속으로부터 추출된 열유동은 평균값에 의해 실험적으로 정량화할 수 있고, 롤 냉각용 액체의 가열 측정으로부터 계산한다. 실험으로부터, γ_p 지수값이 보다 높을수록, 금속으로부터 추출된 평균 열 유동값은 더 낮아진다는 것을 알 수 있었다.

롤 간의 얇은 페라이트계 스테인리스강 스트립 주조물 상에 나타나는 균열을 방지하기 위해 필요한 조건은, 액상 금속과 롤 간의 초기 접촉시에 추출된 열유동이 높아야 한다는 것이다. 이를 위해, 메니스커스(액상 금속 표면과 롤 표면간의 교차점, meniscus) 영역에서 액상 금속의 표면을 둘러싼 불활성 가스가, 강 내에 용해 가능한 가스를 함유하거나, 또는 주로 상기 가스로 이루어지는 것이 바람직하다. 이를 위해, 질소를 사용하는 것이 통상적이나, 수소, 암모니아 또는 이산화탄소(CO₂)의 사용도 또한 생각할 수 있다. 비 가용성 가스가 불활성 분위기를 100%까지 만들 수 있기 때문에, 종래 기술에 따른 아르곤을 사용하지만, 헬륨 등의 다른 비가용성 가스의 사용도 고려할 수 있다. 강 내에서 지배적으로 용해 가능한 가스를 사용할 경우, 롤 표면의 수축 영역에서 금속의 용입(penetration)에 있어서 비가용성 가스가 가용성 가스보다 적절한 효과를 지니기 때문에 강과 롤간의 접촉이 보다 양호해진다. 이와 같이, 롤과 금속을 보다 가깝게 접촉시킴에 따라, 롤 표면이 약간 거칠어지면 열유동이 커지게 된다.

그러나 고형화가 시작된 후, 매우 높은 평균 열유동은 이러한 유속의 국부값간의 변동 위험을 증가시킨다. 실제로는, 여전히 약한 표면의 다양한 영역간에 이질 성분이 장력을 생성하기 때문에 스트립상의 표면 균열의 원인이 된다. 따라서 고형화 및 롤에 닿은 셀의 냉각 단계 동안 미세 균열 형성을 방지하는 것이 바람직한 경우, 가능하다면 주조 조건을 만족시킬 수 있는 다양한 요구간에 절충이 필요하다는 것을 인식하게 된다.

이러한 목적을 위하여, 액상 금속으로부터 페라이트계 스테인리스강 스트립을 주조하기 위한 다양한 조건을 실험하였다. 상기 실험에서는, 물의 내부 순환으로 냉각하고, 구리로 만들어지며 니켈로 표면을 코팅한 롤의 외부면 사이를 2.9mm∼3.4mm의 두께로 하여 스트립을 주조하였다. 하기 표 1은, 여러가지 실험 (A 내지 F로 표시함) 중에 사용한 금속주조의 조성 및 이에 대응하는 γ_p 지수값을 나타낸 것이며, 하기 표 2는, 강의 조성, 불활성 가스의 조성 및 롤의 거칠기의 관점에서, 수득한 스트립의 표면 품질에 대하여 다양한 실험 동안에 얻어진 결과를 나타낸 것이다. 롤의 거칠기는, ISO 4287(1997) 표준을 따라, 측정길이(meausrement travel) lm 내에서, 중심선(mean line)에 따른 거칠기 프로파일에서의 변동값의 산술 평균에 의해 평균 거칠기 (Ra)로 나타낸 것이다. 선으로서 정의되는 중심선은 필터링(filtering)에 의해 제공되는 것으로, 선위의 영역을 선아래의 영역과 동일하게 하는 방법으로 측정된 프로파일을 절단하는 선이다. 상기 정의에 따르면, 하기 수학식 1이 성립한다.

(Ra는 평균 거칠기, lm은 측정 길이, ｜y｜는, 중심선을 x축으로 하였을 때 x의 함수로 나타내어질 수 있는 거칠기 프로파일임)

실험 시의 강주조 조성

미세 균열 존재시 주조 매개 변수의 영향

A강, B강 및 F강에 있어서, 불활성 가스(질소 및 아르곤의 혼합물) 중의 질소 함유량이 60% 이상인 경우 미세 균열이 없다. 모든 이러한 강은 γ_p 지수가 45.7%∼53.4%이며, 표면 거칠기(Ra)가 7㎛ 또는 11㎛인 롤로 주조한다.

C강에 행한 실험은 표면 거칠기(Ra)가 8.5㎛이며, 질소중의 불활성 가스가 풍부하다고 하더라도 γ_p 지수가 29.5%로 낮은 강을 주조하는 경우, 미세 균열을 규칙적으로 얻는다. 그러나 γ_p 지수가 62%인 D강에 행해진 실험은, γ_p 지수가 매우 높은 주조된 강에서도 미세 균열이 얻어진다는 것을 나타낸다.

E강에 행한 실험은, 강의 조성 및 불활성 조건이 이전 실험에 비해 적절한 경우조차도 롤 거칠기(Ra)가 4㎛로 작으면 미세 균열이 형성된다는 것을 보여준다.

이러한 다양한 결과는 다음의 방법으로 설명할 수 있다.

균열이 없는 스트립을 얻기 위하여, 우선 금속과 롤간의 첫 번째 접촉 동안에 추출된 열유동이 커지도록 하는 것이 필요하다. 불활성 가스가 강내에 충분히 용해되지 않으면, 추출된 평균 열유동은 너무 작아서 강이 충분히 균일하게 고형화되지 않으므로 미세 균열 형성을 촉진한다. 이러한 점에서, 우선 롤 거칠기를 낮게 하는 것도 바람직하다. 그러나 거칠기(Ra)가 너무 낮으면, 고형화 개시 영역의 수 및 전체 표면적이 매우 커지므로, 미세 균열이 나타나도록 갑작스럽게 과도히 냉각시켜야 한다. 또한, 셀의 고형화 및 냉각 공정에서 다음 단계에 필요한 조건을 또한 고려해야 한다. 불활성 가스에서 적어도 60%의 가용성 가스량과 5㎛ 이상의 롤 거칠기(Ra)를 이용하여 실험에서 만족스러운 결과가 얻어진다는 것을 보여준다.

나머지 공정 동안, 롤에 닿은 셀이 고형화되고 냉각됨에 따라, 앞서 언급한 바와 같이 미세 균열의 또다른 원인인 열적 이질성을 방지하기 위하여 추출된 유동이 커지는 것을 방지해야 할 필요가 있다. 이러한 관점에서, 거칠기의 피크부는 고형화 개시 및 발달용 공간 역할을 하고, 침하부(valley) 바닥에 도달할 필요 없이 금속이 용입하는 침하부가 수축부로 작용하고, 고형화되고 냉각됨에 따라 표면 부피에서의 변화를 흡수한다는 점에서 5㎛의 최소 거칠기(Ra)가 적합하다. 그러나 스트립 표면상의 "음"인 거칠기가 커져서, 이어지는 냉간 압연 단계 및 변환 단계 동안 감소되기 어렵기 때문에 20㎛ 이상의 거칠기(Ra)를 가지는 것은 현명하지 못하다. 따라서 표면 외관이 만족스럽지 못한 최종 제품이 다시 제조될 위험이 있다. 롤의 바람직한 거칠기는 숏 블라스팅(shot blasting), 레이저 기계 가공, 포토 에칭 작업, 전기 방전 가공 작업 등의 이러한 목적용으로 알려진 임의의 수단을 통하여 얻을 수 있다.

금속의 조성으로 부여된 높은 γ_p 지수값은 전체 접촉 원주에 걸쳐 δ→γ변태를 확대시킨다. 따라서 고형화한 셀은, 미세 균열이 이미 충분히 고형화되는 경우, 셀이 약하여 미세 균열이 생성되지 않고, 전술한 접촉 원호에 걸쳐 추출한 열유동을 적당하게 하여 적당한 수준으로 유지 및 격리한다. 실험은 γ_p 지수의 설정 하한이 35%임을 나타낸다. γ_p 지수가 60% 이상인 경우, δ→γ변태로 인한 격리는 너무 커서, 셀을 과도하게 약화시켜 미세 균열을 형성한다.

따라서 본 발명은 주조 스트립에 많은 다른 메커니즘으로 형성된 표면 미세 균열의 존재를 방지할 필요에 따라 지시되는 평소의 모순된 요구간에 절충점을 제시한다. 이것은 고가의 합금 원소(알루미늄, 티타늄, 지르코늄 및 니오븀 등의 안정화 원소가 선택적으로 존재할 수 있다.) 없이도 실시할 수 있다. 이와 마찬가지로, 롤에서 벗어난 후 스트립의 냉각 및 코일링에 있어서 특수 조건을 요하지 않는다.

Claims (3)

1. 축이 수평인 2개의 냉각 회전롤 사이에서 액상 금속으로부터 직접 두께 10mm 이하의 페라이트계 스테인리스 강 스트립을 연속 주조하는 방법으로서,

   상기 액상금속은, 중량 %로, C% + N% ≤ 0.12, Mn% ≤ 1, P% ≤ 0.04, Si% ≤ 1, Mo% ≤ 2.5, 11 ≤ Cr% ≤19, Al ≤ 1%, Ti% + Nb% + Zr% ≤ 1, 나머지는 철과 용융으로부터의 불순물인 조성을 가지며;

   하기 식에 의해 정의되는, 상기 액상금속의 γ_p 지수는 35%∼60% 이며;

   γ_p = 420 C% + 470 N% + 23 Ni% + 9 Cu% + 7 Mn% - 11.5 Cr% - 11.5 Si% - 12 Mo% - 23 V% - 47 Nb% - 49 Ti% - 52 Al% + 189 (상기 식에서, 백분율은 중량 %임),

   상기 롤의 표면 거칠기 (Ra)는 5㎛ 이상이며,

   상기 롤 사이에 존재하는 액상 금속의 메니스커스 부근에서, 강에 가용성인 기체를 60 부피% 이상 포함하는 불활성 가스가 사용되는 것을 특징으로 하는 연속 주조방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 불활성 가스는, 질소 및 아르곤의 조성이 각각 70%∼99% 및 1%∼30% 인 혼합물인 것을 특징으로 하는 연속 주조 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 롤의 표면 거칠기(Ra)는 5㎛∼20㎛인 것을 특징으로 하는 연속 주조 방법.