KR101630107B1

KR101630107B1 - 단강 롤의 제조 방법

Info

Publication number: KR101630107B1
Application number: KR1020147025328A
Authority: KR
Inventors: 히로후미 오니시; 아키히로 야마나카; 히데오 미즈카미; 도모아키 세라; 히데요시 야마구치
Original assignee: 신닛테츠스미킨 카부시키카이샤
Priority date: 2012-02-21
Filing date: 2013-02-01
Publication date: 2016-06-13
Anticipated expiration: 2033-02-01
Also published as: CN104144759A; JP5672255B2; BR112014019024A8; JP2013169571A; BR112014019024A2; AU2013223629A1; TW201347876A; BR112014019024B1; US20150026957A1; IN2014DN07287A; AU2013223629B2; TWI541088B; KR20140125423A; US10144057B2; WO2013125162A1; CN104144759B

Abstract

단강 롤의 제조 방법은, ESR법에 의해, 질량%로, C: 0.3% 이상, Si: 0.2% 이상, Cr: 2.0~13.0% 및 Mo: 0.2% 이상을 함유하고, 또한 Bi를 10~100질량ppm으로 함유하는 강괴를 주조하며, 이 강괴를 단조하여 롤을 제조한다. 이에 의해, 프렉클 결함을 강괴의 중심 근처에 봉할 수 있기 때문에, 장기에 걸쳐 롤을 안정적으로 사용할 수 있다.

Description

단강 롤의 제조 방법{FORGED STEEL ROLL MANUFACTURING METHOD}

본 발명은, 냉간 또는 온간에서 사용하는 단강 롤의 제조 방법에 관한 것이며, 특히, 사용에 수반하여 롤 표면을 반복해 절삭하더라도, 양호한 표면 성상을 유지하는 것이 가능한 단강 롤의 제조 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 단강 롤은, 직경이 크기 때문에, 조괴법에 의해 대형의 잉곳(주괴)을 주조하고, 이를 단조함으로써 제조된다. 대형 잉곳에는, 주조시에 중심으로부터 표면 근방에 걸쳐 고스트 편석으로 불리는 매크로 편석이 생성되기 쉽고, 이 고스트 편석은, 단조 공정 및 열처리 공정을 거친 후에 있어서도, 제조된 단강 롤의 내부에 편석으로서 잔존한다.

도 1은, 조괴법에 의해 얻어진 일반적인 잉곳의 종단면도이다. 동 도에 도시하는 바와 같이, 잉곳 내에는, 일반적인 매크로 편석으로서 V편석과 고스트 편석이 나타난다. V편석은, 잉곳의 중심부에서 V자형상을 나타내고, 상부의 짙은 V편석과 하부의 옅은 V편석으로 이루어진다. 옅은 V편석의 하방에는 침전정이 존재한다. 고스트 편석은, C나 P, 또는 Mn이나 그 외의 합금 성분이 농화한 편석이며, V편석의 외측으로부터 잉곳의 반경의 약 1/2의 위치까지의 영역에 존재하고, 잉곳의 상하 방향으로 연장된 선형상의 편석선의 형태를 이룬다.

고스트 편석은, 생성 위치가 V편석보다 잉곳 표면에 가깝기 때문에, 잉곳의 주조 이후의 단조나 열처리 공정에서, 이 고스트 편석을 기점으로 가공 변형시의 응력이나 열처리냉각시의 열응력으로 균열이 발생한다고 하는 문제가 있다.

또, 단강 롤은, 사용하는 중에 표면이 마모되거나 손모된 경우, 평활도를 규정 범위 내로 복원하기 위해, 롤 표면을 절삭하는 손질이 행해진다. 이때, 고스트 편석선이 단강 롤의 표면 근방에 잔존하고 있으면, 당초의 제조 공정에서 균열 등의 결함이 발생하지 않더라도, 이 절삭 손질에 의해 롤의 표면에 편석선이 노출되는 경우가 있다. 편석선이 노출된 롤을 압연 등의 가공에 사용하면 편석선이 피가공재에 전사되기 때문에, 롤 자체가 재사용에 적합하지 않게 된다.

따라서, 단조나 열처리 공정에서 균열이 발생하지 않고, 또, 단강 롤의 표면을 반복해 절삭 손질하더라도 편석선이 노출되지 않으며, 장기에 걸쳐 안정적으로 이용할 수 있는 단강 롤의 제조 기술을 확립하는 것이 강하게 요구된다.

조괴법에 의해 얻어진 잉곳을 그대로 단강 롤의 소재로 한 경우, 특히 고스트 편석에 기인하여, 단강 롤의 품질 악화가 현저하다. 이 점, 일렉트로 슬래그 재용해법(이하, 「ESR법」이라고 한다)에 의해 얻어지는 강괴는, 일반적으로, 편석이 적은 응고 조직이 되는 것이 알려져 있다. 이로 인해, 단강 롤의 소재로서는, 통상, ESR법에 의해 얻어진 강괴가 적용된다.

도 2는, ESR법에 의해 얻어진 일반적인 강괴의 종단면도이다. 강괴 내에는, 용강풀의 깊이에 따라 다르지만, 용강풀의 곡률이 커지는 강괴의 반경의 약 1/2의 영역 근방에, 프렉클(freckle) 결함이 나타난다. 이러한 ESR법에 의한 강괴 내에 나타나는 프렉클 결함은, 조괴법에 의한 잉곳 내에 나타나는 V편석과 고스트 편석에 비해, 경미하다. 이로 인해, ESR법에 의해 얻어진 강괴를 단강 롤의 소재로서 적용하면, 단강 롤의 품질 향상을 일단은 기대할 수 있다.

그러나, 프렉클 결함은, 고스트 편석과 같은 발생 기구의 채널형 편석의 일종이다. 이로 인해, ESR법에 의해 얻어진 강괴를 단강 롤의 소재로 한 경우여도, 실제로는, 프렉클 결함에 기인하여, 고스트 편석에 기인하는 것과 마찬가지로, 단강 롤의 품질 악화가 표면화된다.

여기서, 프렉클 결함의 발생 기구는 이하와 같이 설명할 수 있다.

주조 과정에 있어서, 강 중의 C나 P, Si 등의 경원소는, 응고 도상의 덴드라이트 수지 사이에서 마이크로 편석한다. 마이크로 편석한 용강은, 이들 경원소가 농화하고 있기 때문에, 벌크(모재) 용강보다 밀도가 낮아, 부력에 의해 중력과 반대 방향의 연직 상향의 힘을 받는다.

마이크로 편석 용강은, 생성 당초에는 수지형상의 덴드라이트 수지 사이에서 멈추어 있지만, 그 후 부력에 의해 조금 부상하여, 더욱 상부에 위치하고 있던 다른 마이크로 편석 용강과 합체하고, 매크로적인 편석 용강의 집합체로 성장하여 체적을 늘린다. 마이크로 편석 용강은, 더욱 부상하여 합체가 진행되고, 체적이 늘어남으로써, 큰 부력이 발생하여, 상부에 존재하는 덴드라이트의 수지를 횡 절단하고, 또, 수지를 파괴하면서 상승하며, 다른 마이크로 편석 용강을 더 모으게 된다.

이 편석 용강은, 덴드라이트 수지 사이를 상승 중에 응고의 진전과 더불어 동결하고, 편석선이 되어 강괴의 내부에 남아, 이것이, 프렉클 결함으로서 나타난다.

프렉클 결함은, 그 발생 기구상, 용강 중의 경원소의 함유량이 많으면 많을수록 발생하기 쉬운 것은 말할 필요도 없다.

또, 응고 조직인 덴드라이트 조직이 조밀하지 않으면, 마이크로 편석 용강의 체적이 커지기 쉽고, 프렉클 결함이 조대화하기 쉽다. 이는, 덴드라이트 조직이 조밀하지 않으면, 덴드라이트 수지 사이에 최초로 발생하는 마이크로 편석 용강의 체적도 커지는 것과, 마이크로 편석 용강이 부력에 의해 상승하기 시작할 때의 저항이 작은 것에 의해, 용강의 상승류가 용이하게 일어나기 때문이다.

일반적으로, 강괴의 반경을 R로 했을 때, 프렉클 결함은, 용강풀의 곡률이 커져 덴드라이트 아암 간격의 선단이 넓어지기 쉬운 강괴의 R/2 근방에 발생하기 쉽다. 그러나, 강괴가 대형이고, 경원소의 함유량이 높은 경우에는, 강괴의 표면 근처에도 발생하기 쉽고, 상기 서술한 고스트 편석의 경우와 마찬가지로 열처리 공정에서 균열이 발생하는 등의 문제가 생긴다.

상기 서술한 대로, 단강 롤을 제조함에 있어서, 단조나 열처리 공정에서 균열이 발생하지 않고, 또, 단강 롤의 표면을 반복해 절삭 손질하더라도 편석선이 노출되지 않으며, 장기에 걸쳐 안정적으로 이용할 수 있는 기술의 확립이 강하게 요구된다. 이 요구에 응하기 위해서는, 프렉클 결함을 강괴의 주조 단계에서 완전하게 억제하거나, 적어도 강괴의 표면으로부터 중심 근처에 프렉클 결함을 봉할 필요가 있다.

프렉클 결함의 발생은, 그 발생 기구로부터 보면, 덴드라이트 조직을 미세화함으로써 억제할 수 있다고 생각된다. 덴드라이트 조직의 미세화는, 주조시의 냉각 속도를 크게 함으로써 실현할 수 있지만, 예를 들어, 냉각 속도가 큰 소경의 강괴를 제조하더라도, 제품의 롤 반경이 제한되거나, 강괴의 단조시의 단련비를 충분히 얻지 못하는 문제가 있다.

특허 문헌 1에는, 주조시에 발생하는 덴드라이트 조직이 냉간 압연기의 워크 롤 표면의 거칠음의 원인이기 때문에, 롤 표면의 거칠음을 개선하는 방법으로서, P의 함유량을 0.025~0.060중량%로 하여 덴드라이트 조직을 미세화하는 방법이 기재되어 있다. 그러나, P는 일반적으로 불순물 원소이며, 철강 재료의 취화의 원인이 되기 때문에, P의 함유량을 높게 하는 것은 바람직하지 않다. 또, P는 상기 서술한 바와 같이 프렉클 결함의 원인이 되는 경원소이며, P의 함유량을 높게 하는 것은, 프렉클 결함의 발생을 조장하게 되는 것이라고 생각된다.

특허 문헌 2에는, 임의의 주조 방안에 의거하는 주조 프로세스 시뮬레이션으로 산출하는 농도나 온도로부터, 편석 용강 흐름을 고려한 프렉클 결함 평가 지표(Ra수(Rayleigh 수；레일리 수))나, 이결정 발생 기구를 고려한 이결정 결함 평가 지표를 동시에 평가하여, 주물 방안의 좋고 나쁨을 판정하는 것을 특징으로 하는 주조 프로세스 시뮬레이터에 있어서의 판정 방법이 제안되어 있다. 동 문헌의 단락［0057］의 기재와 같이, 동 문헌의 도 12의 계산 실시예로부터 Ra수가 0.07 이상인 장소에서 프렉클 결함이 발생할 가능성이 높은 것 등을 시사할 수 있지만, 주물 재료를 바꾼 경우, 결함 평가 기준값을 재차 설정할 필요가 있다.

일본국 특허 공개 소61-9554호 공보 일본국 특허 공개 2003-33864호 공보

상기 서술한 바와 같이, 단강 롤의 소재가 되는 강괴의 덴드라이트 조직의 미세화에는, 롤 반경의 제한이나, 경원소 함유량의 증대에 의한 취화나 편석의 발생 등의 문제가 있다. 본 발명은, 이러한 문제를 감안하여 이루어진 것이며, ESR법에 의해 단강 롤의 소재가 되는 강괴를 주조할 때, 프렉클 결함을 완전하게 억제하거나, 적어도 종래의 강괴에서 프렉클 결함이 나타나는 위치보다 중심 근처에 프렉클 결함을 봉하는 것이 가능한 단강 롤의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명자들은, 상기의 목적을 달성하기 위해 열심히 검토를 거듭한 결과, ESR법에 의한 주조의 과정에서 용강에 Bi를 함유시켜, Bi를 소정량 함유하는 강괴를 주조함으로써, 프렉클 결함의 발생을 억제함과 더불어, 덴드라이트 조직을 미세화시킬 수 있는 것을 지견했다. 이 검토 내용에 대해서는 후술한다.

본 발명은, 이 지견에 의거하여 완성된 것이며, 하기의 단강 롤의 제조 방법을 요지로 하고 있다. 즉, ESR법에 의해, 질량%로, C: 0.3% 이상, Si: 0.2% 이상, Cr: 2.0~13.0% 및 Mo: 0.2% 이상을 함유하고, 또한 Bi를 10~100질량ppm으로 함유하는 강괴를 주조하며, 이 강괴를 단조하여 롤을 제조하는 것을 특징으로 하는 단강 롤의 제조 방법이다.

이하의 설명에서는, 강의 성분 조성에 대해, 특별한 문제가 없는 한, 「%」는 「질량%(mass%)」를 의미하고, 「ppm」은 「질량ppm」을 의미한다.

본 발명의 단강 롤의 제조 방법에 의하면, ESR법에 의한 강괴의 주조시에 생성되는 매크로 편석인 프렉클 결함을, 강괴의 표면으로부터 중심 근처에 봉할 수 있다. 그로 인해, 강괴의 단조 및 열처리시에 편석을 기점으로 한 균열을 억제할 수 있음과 더불어, 롤을 재사용하기 위해 롤을 절삭 손질하더라도 프렉클 결함의 편석선이 노출되기 어렵기 때문에, 장기에 걸쳐 롤을 안정적으로 사용할 수 있다.

도 1은, 조괴법에 의해 얻어진 일반적인 잉곳의 종단면도이다.
도 2는, ESR법에 의해 얻어진 일반적인 강괴의 종단면도이다.
도 3은, 본 발명의 단강 롤의 제조 방법에 있어서, 소재가 되는 강괴를 ESR법에 의해 주조할 때 상태의 일례를 도시하는 모식도이다.
도 4는, Bi함유량과 덴드라이트 일차 아암 간격의 관계를 도시하는 도이다.
도 5는, 강괴 표면으로부터 반경 방향의 거리와 덴드라이트 일차 아암 간격의 관계를 도시하는 도이다.
도 6은, 강괴 표면으로부터 반경 방향의 거리와 Ra/Ra₀의 값의 관계를 도시하는 도이다.

본 발명의 단강 롤의 제조 방법은, ESR법에 의해, C: 0.3% 이상, Si: 0.2% 이상, Cr: 2.0~13.0% 및 Mo: 0.2% 이상을 함유하고, 또한 Bi를 10~100ppm으로 함유하는 강괴를 주조하며, 이 강괴를 단조하여 롤을 제조하는 것을 특징으로 한다.

이하에, 본 발명의 단강 롤의 제조 방법을 상기와 같이 규정한 이유 및 그 바람직한 양태에 대해 설명한다.

1. ESR법에 의한 강괴의 주조

도 3은, 본 발명의 단강 롤의 제조 방법에 있어서, 소재가 되는 강괴를 ESR법에 의해 주조할 때의 상태의 일례를 도시하는 모식도이다.

동 도에 도시하는 바와 같이, ESR법에서는, 강괴(1)의 모재인 원주형상의 소모 전극(2)은, 그 상단에 용접에 의해 스터브(4)가 연결되고, 도시하지 않은 승강 기구에 의한 스터브(4)의 하강에 수반하여 하강한다. 그때, 챔버(5) 내의 주형(수랭 구리 몰드)(6) 내에는 용융 슬래그(7)가 유지되어 있으며, 소모 전극(2)을 용융 슬래그(7)에 침지시킨 상태로 통전을 행함으로써, 용융 슬래그(7)에 전류가 흘러 용융 슬래그(7)가 발열한다. 소모 전극(2)은, 그 용융 슬래그(7)의 줄열에 의해 하단으로부터 순차 용해된다. 용해된 소모 전극(2)은, 용적(溶滴)이 되어 용융 슬래그(7) 중을 침강하고, 주형(6) 내에서 용강(3)의 풀이 되어 저류되면서 적층 응고되어 간다. 이렇게 하여 소모 전극(2)이 상단까지 순차 용해되고, 그 용강(3)이 주형(6) 내에서 순차 응고함으로써, 단강 롤용의 강괴(1)가 얻어진다.

본 발명에서는, ESR법에 의해 얻어지는 강괴(1)에 Bi를 소정량 함유시키기 때문에, ESR법에 의한 주조의 과정에서 용강(3)에 Bi를 함유시킬 필요가 있다. 그 수법으로서, ESR법에 의한 주조 단계에서 용강(3)에 Bi를 첨가해도 되고, ESR법에 의한 주조의 전단층, 즉 조괴법에 의해 모재가 되는 소모 전극(2)을 제작하는 단계에서 그 용강에 Bi를 첨가해도 된다.

전자와 같이 ESR법에 의한 주조 단계에서 용강(3)에 Bi를 첨가하는 경우, Bi첨가는, 도 3에 도시하는 바와 같이, Bi를 함유하는 Bi와이어(8)를 용강(3)에 공급함으로써 실현할 수 있다. 그 외에, 미리, 소모 전극(2)의 측면에 축 방향을 따라 Bi와이어를 용접해 두는 것으로도 실현할 수 있다.

여기서, ESR법에 의한 주조시, 용강의 온도는 1600℃를 넘는다. 한편, Bi의 순수한 비점은, 용강 온도를 밑도는 1564℃에 지나지 않는다. 이로 인해, Bi와이어를 Bi 단체로 구성하면, 주조시에 Bi가 휘발하여, 용강 중에 Bi를 유효하게 둘 수 없다. 그래서, Bi와이어는, Bi와 Ni 등의 합금으로 구성하는 것이 적절하다. Ni 등의 함유에 의해, 외관상, Bi의 비점이 상승하기 때문이다. 합금으로서 Ni－Bi계를 선정하는 경우에는, 용강 중에서 Bi가 액상 상태로 존재하도록, Bi와이어 중의 Bi함유량은 20~70질량%인 것이 바람직하다.

후자와 같이 소모 전극(2)을 제작하는 단계에서 그 용강에 Bi를 첨가하는 경우는, ESR법에 의한 주조시의 Bi의 휘발량을 예측하여 첨가하면 된다.

2. 단강 롤의 성분 조성 및 그 한정 이유

C: 0.3% 이상

C는, 강의 담금질성을 높인다. 또한, C는, Cr이나 V와 결합하여 탄화물을 형성하고, 강의 내마모성을 높인다. 따라서, C함유량은 0.3% 이상으로 한다. 더욱 바람직하게는 0.5% 이상으로 하고, 더 바람직하게는 0.85% 이상으로 한다. C함유량의 상한은 특별히 한정하지 않으나, C가 과잉으로 함유되면, 특히 냉간 압연용의 단강 롤로서 충분한 경도가 얻어지지 않고, 또, 탄화물이 불균일하게 분포하여, 강의 인성 및 선삭성이 저하한다. 이로 인해, C함유량은 1.3% 이하로 하는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는 1.05% 이하로 한다.

Si: 0.2% 이상

Si는, 강을 탈산하는데에 유효한 원소이다. 또한, Si는, 강에 고용하여 강의 뜨임 연화 저항성을 높이고, 강의 경도를 높인다. 따라서, Si함유량은 0.2% 이상으로 한다. 더욱 바람직하게는 0.3% 이상으로 한다. Si함유량의 상한은 특별히 한정하지 않으나, Si가 과잉으로 함유되면, 강의 청정성이 저하한다. 이로 인해, Si함유량은 1.1% 이하로 하는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는 0.85% 이하로 하고, 더 바람직하게는 0.6% 이하로 한다.

Cr: 2.0~13.0%

Cr은, 강의 담금질성을 높인다. 또한, Cr은, 탄화물을 형성하여 강의 내마모성을 높인다. 한편, Cr이 과잉으로 함유되면, 탄화물이 불균일하게 분포하여, 강의 연성이나 인성이 저하한다. 따라서, Cr함유량은 2.0~13.0%로 한다. 더욱 바람직하게는 2.5~10.0%로 한다.

Mo: 0.2% 이상

Mo는, 강의 담금질성을 높인다. 또한, Mo는, 뜨임 연화 저항성을 높인다. 따라서, Mo함유량은 0.2% 이상으로 한다. 더욱 바람직하게는 0.3% 이상으로 한다. Mo함유량의 상한은 특별히 한정하지 않으나, Mo가 과잉으로 함유되면, 탄화물을 형성하여 강의 연성이나 인성이 저하한다. 이로 인해, Mo함유량은 1.0% 이하로 하는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는 0.7% 이하로 한다.

Bi: 10~100ppm

C 및 Si는 경원소이기 때문에, C함유량이 0.3% 이상인 고탄소계의 탄소강에 있어서, Si를 0.2% 이상 함유하는 경우, 프렉클 결함이 발생하기 쉽다. 그러나, 후술하는 바와 같이, ESR법에 의한 주조의 과정에서 용강에 Bi를 함유시켜, Bi함유량을 10ppm 이상으로 함으로써, 프렉클 결함의 발생을 억제할 수 있다. Bi함유량이 100ppm을 넘으면, 미량이라고 하더라도 단조에 의해 롤을 성형할 때에 취화가 문제가 되기 때문에, Bi함유량은 100ppm 이하로 한다.

단강 롤은, 상기의 주요 원소에 더해, 하기의 원소를 더 함유할 수 있다.

Mn: 0.4~1.5%

Mn은, 강의 담금질성을 높인다. 또한, Mn은, 강을 탈산하는데에 유효한 원소이다. 한편, Mn이 과잉으로 함유되면, 강의 내균열성이 저하한다. 따라서, Mn을 적극적으로 함유시키는 경우는, 그 함유량은 0.4~1.5%로 한다.

Ni: 2.5% 이하

Ni는, 강의 인성을 높인다. 또한, Ni는, 강의 담금질성을 높인다. 한편, Ni가 과잉으로 함유되면, 열처리 후에 수소 균열이 발생하기 쉬워진다. 또, Ni는 오스테나이트 형성 원소이기 때문에, Ni가 과잉으로 함유되면, 강의 경도가 저하한다. 따라서, Ni를 적극적으로 함유시키는 경우는, 그 Ni함유량은 2.5% 이하로 한다. 더욱 바람직하게는 0.8% 이하이다.

V: 1.0% 이하

V는, 탄화물을 형성하고, 강의 내마모성을 높인다. 그러나, V가 과잉으로 함유되면, 탄화물의 형성에 의해, 강의 연성이나 인성이 저하한다. 따라서, V를 적극적으로 함유시키는 경우는, 그 함유량은 1.0% 이하로 한다. 더욱 바람직하게는 0.2% 이하이다.

ESR법으로의 주조에 의해, 상기 조성의 강괴는, 덴드라이트 조직이 미세해진다. 이로 인해, 그 강괴를 소재로서 단조하여 제조된 단강 롤은, 프렉클 결함이 완전하게 억제되거나, Bi를 함유시키지 않은 경우보다 강괴의 중심 근처에 프렉클 결함을 봉할 수 있으며, 단강 롤의 표면을 반복해 절삭 손질하더라도 편석선이 노출되지 않고, 재생 롤이라 하더라도 안정적으로 사용할 수 있다.

3. Bi를 함유시키는 것의 효과

본 발명자들은, ESR법에 의한 주조의 과정에서 용강에 Bi를 함유시키고, 강괴에 Bi를 미량(10ppm 이상)으로 함유시킴으로써, 덴드라이트 조직이 미세화하여, 프렉클 결함의 발생을 억제하는 것이 가능한 것을, 이하의 일 방향 응고 시험에 의해 찾아냈다.

3－1. 시험 조건

직경이 15mm, 높이가 50mm의 원주형의 강괴를 ESR법에 의해 주조하는 시험을 행했다. 그때, 용강 중에 Bi를 첨가하여, Bi함유량이 10ppm, 21ppm 및 38ppm인 강괴를 제작함과 더불어, Bi를 첨가하는 일 없이, Bi를 함유하지 않은 강괴를 제작했다. 냉각 속도는, 실 조업시의 조건에 맞추어 5~15℃/min로 했다.

얻어진 강괴의 각각에 대해, 중심을 통과하는 종단면에서 축 방향으로 거의 평행하게 연장되는 약 10개의 일차 아암들의 간격을 측정하여, 산술 평균한 값을 각 강괴의 덴드라이트 일차 아암 간격으로 했다.

3－2. 시험 결과

도 4는, Bi함유량과 덴드라이트 일차 아암 간격의 관계를 도시하는 도이다. 동 도에서는, 덴드라이트 일차 아암 간격(d)을, Bi 함유하지 않은 강괴의 덴드라이트 일차 아암 간격(d_B)에 대한 비(d/d_B)로서 종축에 표시했다. 동 도로부터, Bi함유량이 많을수록, 탄소강의 덴드라이트 일차 아암 간격이 좁아져, 덴드라이트 조직이 미세해지는 것을 알았다. 이는, Bi가 탄소강의 고액 계면의 계면 에너지를 내리는 효과를 가지는 원소이며, 그 함유량이 미량으로도 덴드라이트 일차 아암 간격의 미세화에 효과를 보이는 것에 의한 것이라고 생각된다. Bi함유량은, 후술의 실시예에 개시하는 바와 같이, 10ppm 이상이면 프렉클 결함의 발생의 억제에 효과가 있다.

4. 프렉클 결함 발생의 척도

본 발명자들은, 프렉클 결함 발생의 척도로서, Ra수를 이용하는 것에 주목했다. Ra수는, 온도장에서의 대류 유동 무차원수이며, Pr수(Prandtl수；프랜틀 수)와 Gr수(Grashof수；그래스호프 수)의 곱이며, 하기 (1)식으로 표기된다.

Ra=Pr·Gr=gβ(Ts－T_∞)L³/υα …(1)

여기서, g［m/s²］: 중력 가속도, β[1/K］: 체적 팽창 계수, Ts［K］: 물체 표면 온도, T_∞［K］: 유체의 온도, υ[m²/s］: 동점성 계수, α[m²/s］: 열확산율, L［m］: 대표 길이이다.

Ra수는, 물리적으로는 유동 저항력에 대한 유동 구동력인 부력의 비라고 생각되고, 상기 (1)식으로 표기하는 바와 같이 대표 길이의 3승에 비례한다. 프렉클 결함의 발생의 임계에 대해 생각하는 경우, Ra수에 있어서의 대표 길이는, 덴드라이트 수지 사이의 마이크로 편석의 크기로 해야 한다. 이 경우, 마이크로 편석 용강이 생성 초기에 덴드라이트 수지 사이를 채우기 때문에, 마이크로 편석의 크기를 덴드라이트 일차 아암 간격으로 볼 수 있으므로, Ra수에 있어서의 대표 길이를 덴드라이트 일차 아암 간격으로 할 수 있다. 그로 인해, Ra수는, 덴드라이트 일차 아암 간격의 3승에 비례한다고 할 수 있다.

상기 서술한 바와 같이, 덴드라이트 조직이 조밀하지 않을수록 프렉클 결함이 조대화하기 쉽기 때문에, Ra수가 클수록 프렉클 결함은 발생하기 쉬워진다고 생각된다. 또, 실제의 강괴에서의 프렉클 결함의 발생 실적과, Ra수를 비교하면, Ra수를 프렉클 결함의 발생의 임계의 지표로 할 수 있다. 강괴에 Bi를 미량으로 함유시키는 것에 의한 덴드라이트 일차 아암 간격의 감소 그 자체가 비교적 작아도, Ra수는 덴드라이트 일차 아암 간격의 3승에 비례하기 때문에, 강괴에 Bi를 함유시키는 것은, Ra수의 저감에 유효하고, 프렉클 결함의 발생의 억제에 매우 효과적이다.

[실시예]

본 발명의 효과를, 실제로 강괴를 이용하여 행한 예비 시험, 및 수치 계산에 의한 시뮬레이션에 의해 평가했다.

1. 예비 시험

ESR법에 의한 직경 800mm의 강괴의 주조 시험을 예비 시험으로서 행했다. 대상 강종은, 0.87%C－0.30%Si－0.41%Mn－0.10%Ni－4.95%Cr－0.41%Mo－0.01%V(Bi 함유하지 않음)의 고탄소강으로 했다. 이 강종의 액상선 온도는 1460℃이며, 고상선 온도는 1280℃이다. 주조 조건은, 용강 규모를 9t, 강괴 길이를 2.3m로 했다.

그 결과, 강괴 표면으로부터 반경 방향 내부에 133mm의 위치까지는 프렉클 결함의 발생이 없고, 그보다 내측에서는 프렉클 결함이 발생했다. 즉, 프렉클 결함 발생의 임계점은, 강괴 표면으로부터 반경 방향 내부에 133mm의 위치였다. 이 강괴의 프렉클 결함 발생 임계점에 있어서의 덴드라이트 일차 아암 간격을 d₀, Ra수를 Ra₀으로 하고, 이하의 수치 계산에 의한 시뮬레이션의 기준값으로 한다.

2. 수치 계산에 의한 시뮬레이션

수치 계산 시뮬레이션의 평가 조건은 이하와 같이 설정했다. 대상 강종은, 상기 예비 시험과 같은 0.87%C－0.30%Si－0.41%Mn－0.10%Ni－4.95%Cr－0.41%Mo－0.01%V로 하고, Bi함유량은 0ppm(Bi 함유하지 않음), 10ppm, 21ppm 및 38ppm으로 했다. 대상 강괴의 직경도 예비 시험과 같은 800mm로 했다.

이 평가 조건에 있어서, 강괴의 반경 방향 일차원의 비정상 전열 해석에 의해, 강괴 각 부의 응고 속도와 냉각 속도를 계산하여, 강괴의 표면으로부터 반경 방향의 덴드라이트 일차 아암 간격의 분포를 하기 (2)식(「철강의 응고」, 사단법인 일본 철강 협회·철강 기초 공동 연구회, 응고 부회, 1977년, 첨부-4)에 의해 산출했다. 동 (2)식은, Cr－Mo강을 채용한 경우의 응고 속도 V(cm/min) 및 온도 구배 G(℃／cm)를 파라미터로 하는 덴드라이트 일차 아암 간격 d(㎛)의 실험식이다.

d=1620V^－0.2G^－0.4…(2)

도 5는, 강괴 표면으로부터 반경 방향의 거리와 덴드라이트 일차 아암 간격의 관계를 도시하는 도이다. 동 도에 도시하는, Bi 함유하지 않은 경우의 덴드라이트 일차 아암 간격(d_B)은, 상기 (2)식으로부터 산출했다. Bi를 함유하는 경우의 덴드라이트 일차 아암 간격(d)은, 상기 도 4에 도시되는 각 Bi함유량(10ppm, 21ppm 및 38ppm)에 대한 덴드라이트 일차 아암 간격의 비율(d/d_B)을, (2)식으로부터 산출한 d_B의 값을 곱해 산출했다.

도 6은, 강괴 표면으로부터 반경 방향의 거리와 Ra/Ra₀의 값의 관계를 도시하는 도이다. 각 Bi함유량의 Ra수(Ra)는, 상기 (1)식으로부터 도출되는 하기 (3)식으로 표기하는 바와 같이, Ra/Ra₀은 d/d₀의 3승이라고 할 수 있다. 동 도에 도시하는 Ra/Ra₀은, 이 (3)식에 의거하여 산출했다.

Ra/Ra₀=(d/d₀)³ …(3)

여기서, Ra/Ra₀은, 각 Bi함유량의 Ra수(Ra)의 기준이 되는 Ra수(상기 예비 시험으로 구한 Ra₀)에 대한 비이며, d/d₀은, Bi를 함유하는 강괴의 덴드라이트 일차 아암 간격(d)과, Bi를 함유하지 않은 강괴의 프렉클 결함 발생 임계점에 있어서의 덴드라이트 일차 아암 간격(d₀)의 비이다.

상기 도 5로부터, Bi를 함유하지 않은 강괴의 프렉클 결함 발생 임계점에 있어서의 덴드라이트 일차 아암 간격(d₀)은, 약 400㎛인 것을 알았다. 덴드라이트 일차 아암 간격(d)이 d₀보다 큰 강괴 내부에서는, 프렉클 결함이 발생한다. 한편, Bi를 미량(10ppm, 21ppm 및 38ppm) 함유하는 경우에는, 덴드라이트 일차 아암 간격(d)이, 강괴 표면으로부터 반경 방향의 거의 전역에 걸쳐, 상기 임계점에 있어서의 아암 간격(d₀)보다 좁아지는 것을 알았다. 이 경우, 즉 d/d₀＜1을 만족하는 경우에는, 프렉클 결함의 발생이 억제된다. 상기 (3)식으로부터, d/d₀＜1은, Ra수를 이용하여 바꾸어 말하면 Ra/Ra₀＜1이 되기 때문에, Ra/Ra₀＜1을 만족하는 경우에는, 프렉클 결함의 발생이 억제된다고 할 수 있다.

또, 상기 도 6에 의하면, Bi를 함유하는 경우에는 강괴의 표면으로부터 꽤 심부(강괴의 중심 부근)까지 Ra/Ra₀＜1을 만족하고 있기 때문에, 프렉클 결함을 강괴의 표면 근방뿐만 아니라 중심 부근까지 봉하는 것, 또는 완전하게 프렉클 결함의 발생을 억제할 수 있을 가능성을 나타냈다.

이상의 결과로부터, Bi의 함유량은, 10ppm 이상이면 프렉클 결함의 발생을 확실히 억제할 수 있다.

또한, 상기 도 6으로부터, Bi를 함유하는 경우의 Ra/Ra₀이 1보다 작아지는 영역은, Bi를 함유하지 않은 경우보다, 강괴 중앙측으로 넓어지고 있다고 생각된다. 그로 인해, 프렉클 결함의 발생 위치를 가능한 한 강괴 표면보다 멀게 하고 싶어하는 목적은, 임의의 사이즈의 강괴로 달성될 가능성은 충분히 있다. 단, 실제의 강괴의 냉각은, 반드시 균등하게 된다고는 한정할 수 없으며, 균등하지 않은 경우도 많기 때문에, 덴드라이트 일차 아암 간격이 부분적으로 넓어지는 경우도 상정할 수 있다. 이로부터, Bi함유량은 10ppm 이상으로 하는 것이 중요하다.

게다가, 대상 강종으로서, 1.30%C－0.24%Si－0.32%Mn－0.51%Ni－9.75%Cr－0.50%Mo－0.11%V의 고탄소강을 선정하여, 같은 예비 시험 및 시뮬레이션을 실시한 바, 같은 결과가 얻어졌다.

이상으로부터, Bi를 강괴에 미량으로(10ppm 이상) 함유시키는 것의 효과의 가능성이 명확하게 나타났다.

단, 상기 서술한 바와 같이, Bi의 함유량이 100ppm을 넘으면, 단조에 의해 롤을 성형할 때에 취화가 문제가 되기 때문에, Bi함유량은 100ppm을 상한으로 한다.

또, 상기의 실시예에서는 강괴의 형상을 원주형으로 했으나, 각주형이어도 같은 효과가 얻어지는 것은 말할 필요도 없다.

[산업상의 이용 가능성]

본 발명의 단강 롤의 제조 방법에 의하면, 강괴의 주조시에 생성되는 매크로 편석인 프렉클 결함을, 강괴의 표면으로부터 중심 근처에 봉할 수 있다. 그로 인해, 강괴의 열처리시의 편석을 기점으로 한 균열을 억제할 수 있음과 더불어, 롤을 재사용하기 위해 롤을 절삭 손질하더라도 프렉클 결함의 편석선이 노출되기 어렵기 때문에, 장기에 걸쳐 롤을 안정적으로 사용할 수 있다.

1: 강괴 2: 소모 전극
3: 용강 4: 스터브
5: 챔버 6: 주형
7: 용융 슬래그 8: Bi와이어

Claims

단강 롤의 제조 방법으로서,
ESR법에 의해, 질량%로, C: 0.3~1.3%, Si: 0.2~1.1%, Cr: 2.0~13.0% 및 Mo: 0.2~1.0%를 함유하고, 또한 Bi를 10~100질량ppm으로 함유하는 강괴를 주조하며,
이 강괴를 단조하여 롤을 제조하는 것을 특징으로 하는 단강 롤의 제조 방법.