KR20090073504A

KR20090073504A - 고청청 베어링강의 제조방법

Info

Publication number: KR20090073504A
Application number: KR1020070141467A
Authority: KR
Inventors: 박진홍; 구경회; 민중기
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2007-12-31
Filing date: 2007-12-31
Publication date: 2009-07-03
Also published as: KR101259374B1

Abstract

본 발명은 중량퍼센트 C:0.95~1.10%, Si:0.15~0.35%, Mn: 0.50% 이하, P: 0.025 이하, S: 0.025 이하, Cr: 1.30~1.60% 나머지 Fe로 조성된 강인 고청정 베어링강을 제조하는데 있어서 전로 출강중 탈산제 및 부원료를 투입하고 LF 공정중 부원료를 투입하여 염기도 CaO/SiO₂ 5~10, CaO/Al₂O₃를 1.5~2.0로 슬래그의 조성을 제어하는 단계와, RF 공정 중 황을 상향 조정함으로써 재산화를 방지하는 단계를 포함하는 고청정 베어링강의 제조방법을 제공한다.

베어링강, 슬래그 정련, 탈가스, 재산화

Description

고청청 베어링강의 제조방법{Method for manufacturing high cleaness bearing steel}

본 발명은 고청정 베어링강의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 개재물의 제어를 위한 슬래그의 정련 방법 및 2차 정련 후 베어링강의 재산화 방지를 위해 황의 함량을 제어하는 기술로 청정도 향상을 통한 고청정 베어링강의 제조 방법에 관한 것이다.

일반적으로 고탄소 베어링강은 중량퍼센트로 C: 0.95~1.10%, Si: 0.15~0.35%, Mn:0.50% 이하, P: 0.025%이하, Cr: 1.30~1.60%, 나머지 Fe와 같이 조성된 강이다. 상기 고탄소 베어링강은 전로취련시 탈탄조업을 실시한 후 LF(Ladle Furnance) 공정과 RH(Ruhrstahl-Heraess) 공정을 거쳐 주편을 제조된다. 전로 취련 작업 후 용강의 산소 함량을 제거하기 위해 Al을 투입하는데, 이때, Al이 산소와 반응하여 Al₂O₃ 산화물을 생성하게 된다. Al₂O₃ 산화물이 주조시까지 용강내에서 완전히 제거되지 않으면 비금속 개재물로 잔존하게 되어 피로수명을 저하시키고 노즐막힘의 문제를 야기시키는 원인이 된다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 슬래그의 조성을 Al₂O₃ 개재물의 제거가 용이한 조성으로 제조 할 필요가 있다. 고탄소 베어링강의 경우 일반강에 비하여 저융점을 가지므로 낮은 온도에서 슬래그가 형성된다. 이와같은 슬래그는 낮은 유동성을 가지며 이에 Al₂O₃와 같은 개재물의 포집능력이 떨어져 개재물의 제거가 원활하지 못한 결과를 가져온다. 그러므로 낮은 온도에서의 슬래그의 높은 유동성 확보가 중요하다.

고탄소 베어링강의 2차 정련 이후 주조까지의 공정에서 베어링강의 재산화가 일어나 베어링강의 청정도를 저해시킨다. 따라서 베어링강의 재산화를 방지하는 기술이 요구된다. 대한민국 특허 출원 제1996-0023181호 (피로수명이 우수한 고탄소 고크롬계의 베어링강)에서는 피로수명의 향상을 위하여 황화물의 함량을 제한하고 있다. 또한, 대한민국 특허출원 제1996-002381호에 제시된 바에 의하면, 베어링강에 함유되는 황의 함량을 저감시켜 피로수명이 우수한 베어링강을 제공한다. 이때, 황의 함량을 0.001~0.01 중량%로 제한하고 있다. 이와 같이 종래에는 황의 함량을 낮추기 위하여 2차 정련 후 지속적인 탈류 작업이 이루어져야 하는 문제점을 가지고 있었다.

본 발명에 의하면 출강중 탈산제 및 부원료를 투입하여 슬래그의 조성을 제어하는 단계와 LF 공정 중 부원료를 투입하여 상기 슬래그의 조성을 유지시키는 단계를 거쳐 Al₂O₃와 같은 개재물 포획 능력이 우수한 슬래그의 조성 제어 방법을 제공하기 위한 것이다. 또한 RF 공정중 황의 함량을 상향 조업하여 베어링강의 재산화를 방지하는 방법을 제공하는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 고청청 베어링강의 제조방법은 전로취련시 용강의 탈탄조업을 수행하는 단계; 상기 용강의 출강 중 첨가제를 투입하여 슬래그의 CaO/SiO₂ 비를 5 ~ 10로, 슬래그의 CaO/Al₂O₃ 비를 1.5~2.0로 제어하는 단계; 상기 용강의 LF 공정중 래들 승온 시 첨가제를 투입하여 상기 슬래그의 CaO/SiO₂ 비 및 CaO/Al₂O₃ 비를 유지시키는 단계; 상기 용강의 RH 공정 중 황의 함량을 0.003~0.007% 로 상향 조정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 첨가제는 탈산제 또는 부원료를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이때 상기 탈산제는 알루미늄, 페로망간 및 페로 실리콘으로 구성된 일 군에서 선택된 적어도 하나를 사용하는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 부원료는 가탄제, 생석회, 형석, 조재제, 페로크롬 및 조재제로 구성된 일 군에서 선택된 적어도 하나를 사용하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 출강중 첨가제를 투입하는 단계는 출강 10% 시점에 알루미늄 및 페로망간을 투입하는 공정, 출강 30% 시점에 가탄제를 투입하는 공정, 출강 50% 시점에 생석회 및 형석을 투입하는 공정, 출강 70% 시점에 조재제를 투입하는 공정, 출강 80% 시점에 페로크롬, 페로 실리콘, 조재제를 투입하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 출강 중 첨가제를 투입하는 단계에서, 투입되는 생석회의 총 양은 650~700kg이고, 형성의 총 양은 250~350kg인 것이 바람직하다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 의하면 개재물의 포집 능력이 우수한 슬래그를 조성하여 노즐막힘 현상을 억제하고 피로수명이 우수한 고청정 베어링강을 제공할 수 있다. 또한 베어링강의 토탈 산소 함량을 저감시켜 표면 및 품질이 우수한 고청정 베어링강을 제공할 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 상세히 설명하기로 한다.

특별한 언급이 없는 한, 본 명세서 내에서의 '%'의 기재는 '중량%'를 의미한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 고청정 베어링강의 제조 방법의 순서도이다.

우선 전로에서 고압의 산소를 불어넣어 용강에 포함된 불순을 제거하는 취련 공정을 수행한다(S10). 전로 취련(S10)시에 탈탄공정 조업을 실시하여 종점 탄소의 양을 조절한다. 이때, 탄소는 0.65~0.80%, 산소 30~40ppm 수준으로 조정된다. 이를 통해 탈산 결과물로 발생하는 개재물을 최소화 할 수 있다.

이어서, 전로취련(S10) 및 탈탄공정이 끝난 용강을 출강(S20)하는 단계를 거친다. 종래에는 출강(S20)중에 첨가제를 투입하지 않는 반면, 본 발명의 실시예에서는 출강(S20)중 첨가제를 투입하여 슬래그의 조성을 제어한다.

고탄소 베어링강의 경우 용강의 온도가 낮아 슬래그 역시 낮은 온도에서 형성된다. 슬래그의 온도가 낮아지면 슬래그의 유동성 저하로 인하여 개재물 제거가 원활하지 못하게 된다. 따라서 개재물 포집 능력이 우수한 슬래그 조성뿐만 아니라 유동성의 확보가 중요하다. 이러한 슬래그의 조성을 위하여 본 발명의 실시예에서는 표 1과 같은 슬래그의 성분을 목표로 한다.

항목	CaO	SiO₂	Al₂O₃	T.Fe+MnO	CaO/SiO₂	CaO/Al₂O₃
목표(중량%)	45~55	5~10	25~35	≤10%	5.0~10.0	1.5~2.0

본 발명의 실시예에서는 표 1과 같은 슬래그를 조성하기 위하여 첨가제를 투입한다. 상기 첨가제는 탈산제 및 부원료가 포함되며, 본 발명의 실시예에서는 탈산제 및 부원료의 투입 순서를 표 2와 같이 규정한다.

슬래그의 조성을 제어하기 위해서는 SiO₂의 생성을 최대한 억제해야 한다. 슬래그 중 FeO 및 MnO가 Si와 반응하여 SiO₂가 생성하는 것을 억제하기 위해서는 Al, Mn, Si의 순서로 탈산이 진행되는 것이 효과적이다. 이에, 출강(S20)중 탈산제를 알루미늄, 페로망간, 페로실리콘 순서로 투입하는 것이 바림직하다. 또한, 출강(S20)중 투입되는 부원료는 가탄제, 생석회, 형석, 조재제 및 페로크롬을 포함하며, 표 2와 같은 순서로 투입한다.

즉, 출강(S20) 10% 시점에서 알루미늄과 페로망간을 투입한 후, 출강(S20) 30% 시점에서 가탄제를 투입하여 탄소함량을 증가시킨다. 출강(S20) 50% 시점에서 생석회 6.19 kg/T-S, 형석 2.65 kg/T-S을 투입한 후 출강(S20) 70% 시점에서 조재제를 0.71kg/T-S 투입한다. 그리고 출강(S20) 80% 시점에서 페로 실리콘, 페로 크롬, 조재제를 투입한다. 이를 통해 슬래그는 염기도(CaO/SiO₂) 5.0~10.0, CaO/Al2O 1.5~2.0 로 조정할 수 있다.

출강시점	첨가제
출강시점	탈산제	부원료
10%	알루미늄, 페로망간
30%		가탄제
50%	생석회, 형석
70%		조재제
80%	페로 크롬, 페로 실리콘	조재제

이어서, LF 공정(S30) 중 래들 승온 시 알루미나 3.19kg/T-S, 조재제를 0.35 kg/T-S 투입한다. 이를 통해 상기 염기도(CaO/SiO₂) 5.0~10.0를 유지한다.

이와같은 단계를 거친 후, RH 공정(S40)에서 탈류작업이 이루어진다. 탈류작업 후 이때의 황의 함량은 0.001~0.0015% 수준이다. 황의 함량이 너무 낮게 되면 산화 분위기로 노출 시에 즉시 개재물이 형성될 수 있다. 이에 본 발명에서는 황의 함량을 다시 상향하여 베어링강의 재산화를 방지할 수 있다.

표면활성화 원소인 S, O, Se, Te 등은 용강에서 그 함량이 증가하면, 표면장력이 감소하는 특성을 가지고 있다. 상기 원소가 표면 활성화 원소로서 계면을 이동하게 되면 용강의 내부와 계면에서의 농도차이가 발생하게 된다. 즉, 용강의 내부에서는 농도가 낮아져 표면장력이 증가하고, 용강의 표면에서는 농도가 낮아 표면장력이 낮아지게 된다. 이를 통해, 상기 표면 활성화 원소가 용강의 표면부에 넓게 분포하게 되며, 다른 원소가 용강의 표면으로 흡착되는 것을 방지 할 수 있다. 따라서 본 발명에서는 RH 공정(S40) 중 Fe-S를 첨가하여 황의 중량 퍼센트 0.003%~0.007%로 상향 조정하여 용강의 표면장력을 낮추어 용강의 재산화를 방지할 수 있다.

이하, 본 발명을 다양한 실시예를 통하여 설명한다.

실시예 1 내지 실시예 4 모두 전로취련(S10) 시 탈탄공정을 통해 탄소의 함량을 중량퍼센트로 0.65~0.80%, 산소를 30~40ppm으로 조절한다. 이어서 본 발명에 출강(S20)중에 탈산제 및 부원료를 표 2의 순서대로 투입하고 LF공정중(S30) 부원료, 예를들어 알루미늄을 투입하여 슬래그의 조성을 제어한다. 이때, 실시예 1 내지 실시예 5에 따른 부원료의 투입양과 그에 따른 슬래그의 조성을 표 3에 나타내었다.

구분	전로출강(kg)			LF(kg)	RH 슬래그
구분	생석회	형석	조재제	알루미나	CaO/SiO₂	CaO/Al₂O₃	T.Fe+MnO
실시예 1	697	268	80	360	5.01	1.62	0.672
실시예 2	695	338	80	369	5.35	1.63	0.593
실시예 3	742	272	80	366	5.56	1.72	0.546
실시예 4	652	270	80	366	5.9	1.63	0.593
실시예 5	696	319	80	366	5.26	1.55	0.565

실시예 1 내지 실시예 5에서와 같이 출강(S20)중 투입되는 조재제의 양은 80kg으로 고정하고 각 실시예에 따라 생석회를 650~700kg, 형석을 250~350kg의 범위에서 각기 다르게 투입한다. 이어서 LF 공정(S30)중 래들 승온시 각 실시예에 따라 알루미나를 360~370kg의 범위에서 각기 다르게 투입한다. 이에 각 실시예에 따라 슬래그의 CaO/SiO₂ 비를 5.0~10.0, 슬래그의 CaO/Al₂O₃ 비를 1.5~2.0의 조성을 갖는 안정적인 슬래그의 조성을 형성할 수 있다. 또한, 형석의 투입을 통하여 낮은 용강온도에서도 슬래그의 유동성을 확보하여 개재물을 효과적으로 포집할 수 있다.

이와 같은 단계를 거친 후 RH 공정(S40)에서 탈류작업이 이루어지면 이때의 황의 함량은 중량퍼센트 0.001~0.0015% 수준이다. 본 발명에서는 개재물 정련이 충분히 일어났다고 생각되는 RH공정(S40)중 Fe-S를 투입하여 S 수준을 중량퍼센트 0.003~0.007% 수준으로 다시 상향시킨다. 이에 상향 된 황에 의하여 용강 표면에는 표면장력이 낮아져 표면 활성 원소가 표면부에 넓게 분포하게 되어 다른 원소가 용강 표면으로 흡착되는 것을 방지할 수 있다.

이러한 재산화 방지 조업은 베어링강의 토탈 산소 수준을 판별하여 베어링강의 청정도 판별할 수 있다. 도 2는 턴디쉬에서 황 함량의 상향에 따른 토탈 산소의 경향성을 나타낸다. 턴디쉬 황의 함량이 증가함에 따라 베어링강의 토탈 산소가 감소하는 결과를 보인다. 이러한 황의 함량과 베어링강 제품에서의 토탈 산소의 상관관계는 다음과 같이 나타낼 수 있다.

베어링강 제품의 토탈 산소=10.5404-0.1062*턴디쉬 소강[S]

도 2과 같이 황 성분의 상향에 따른 베어링강 제품의 토탈 산소의 감소는 황의 표면 활성화 특성에 따라 용강의 표면장력이 감소하여 다른 원소가 용강의 표면에 흡착되는 것을 방지함으로써 재산화를 방지할 수 있다.

종래에는 출강(S20) 중 탈산제 및 부원료의 투입이 이루어 지지 않으며, RH 공정(S40) 후 황의 함량을 하향조정하나, 본 발명에서는 출강(S20) 중 탈산제 및 부원료를 투입하고, RH 공정(S40)중 황 함량을 상향 조정한다. 이에 따른, 베어링강의 토탈 산소 함량을 표 4에서 비교하여 설명한다. 표 4에서 알 수 있듯이 종래에는 토탈 산소의 평균값이 8.0이고, 토탈 산소 범위가 5~15였으나, 본 발명에 따른 고청정 베어링강의 제조방법을 통하여 토탈 산소의 평균이 5.5ppm, 토탈 산소 범위가 3~8ppm인 베어링강을 생산 할 수 있다.

	종래	본 발명
토탈 산소 평균 (ppm)	8.0	5.5
토탈 산소 범위 (ppm)	5~15	3~8

도 1는 본 발명의 고청정 베어링강의 제조 방법의 순서도.

도 2은 황의 함량에 따른 베어링강의 토탈 산소 함량의 관계를 나타내는 그래프.

<도면의 주요부분의 부호에 대한 설명>

S10: 전로취련

S20: 출강

S30: LH 공정

S40: RH 공정

S50: 주편

Claims

전로취련시 용강의 탈탄조업을 수행하는 단계;

상기 용강의 출강 중 첨가제를 투입하여 슬래그의 CaO/SiO₂ 비를 5 ~ 10로, 슬래그의 CaO/Al₂O₃ 비를 1.5~2.0로 제어하는 단계;

상기 용강의 LF 공정중 래들 승온 시 첨가제를 투입하여 상기 슬래그의 CaO/SiO₂비 및 CaO/Al₂O₃ 비를 유지시키는 단계;

상기 용강의 RH 공정 중 황의 함량을 0.003~0.007% 로 상향 조정하는 단계를 포함하는 고청정 베어링강의 제조방법.
청구항 1에 있어서,

상기 첨가제는 탈산제 또는 부원료를 포함하는 것을 특징으로 하는 고청정 베어링강의 제조방법.
청구항 2에 있어서,

상기 탈산제는 알루미늄, 페로망간 및 페로 실리콘으로 구성된 일 군에서 선택된 적어도 하나를 사용하는 것을 특징으로 하는 고청정 베어링강의 제조방법.
청구항 2에 있어서,

상기 부원료는 가탄제, 생석회, 형석, 조재제, 페로크롬 및 조재제로 구성된 일 군에서 선택된 적어도 하나를 사용하는 것을 특징으로 하는 고청정 베어링강의 제조방법.
청구항 1에 있어서,

상기 출강중 첨가제를 투입하는 단계는

출강 10% 시점에 알루미늄 및 페로망간을 투입하는 공정,

출강 30% 시점에 가탄제를 투입하는 공정,

출강 50% 시점에 생석회 및 형석을 투입하는 공정,

출강 70% 시점에 조재제를 투입하는 공정,

출강 80% 시점에 페로크롬, 페로 실리콘, 조재제를 투입하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 고청정 베어링강의 제조방법.
청구항 5에 있어서,

상기 출강 중 첨가제를 투입하는 단계에서,

투입되는 생석회의 총 양은 650~700kg이고, 형성의 총 양은 250~350kg인 것을 특징으로 하는 고청정 베어링강의 제조방법.