KR100191010B1 - 저탄소강의 산화정련방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전기로 산화정련공정에서 0.1%~0.3%C의 저탄소강의 신속탈탄 및 저산소용강의 제조방법을 개시한다. 본 발명은 전기로 용락시에 출강 탄소량에 대한 용락 탄소량의 비를 종래에 비하여 크게 조정하여 용락때의 자유산소량을 최소한으로 억제한다. 산화정련 초, 중기에는 산소취입속도를 크게 하므로써 신속탈탄을 행하고, 산화정련말기에는 산소취입속도와 가탄속도를 제어하여 산화정련후(출강전)의 자유산소량을 종래에 비하여 낮고 협폭인 100~200ppm으로 최소화한다. 이와 같은 방법으로 산화정련을 완료한 후 출강시 제재하고 통상의 저산소기슬을 채택하여 레이들에서 Al탈산과 플럭스 투입에 의한 슬래그 정련을 행한다. 이 후, 강교반하에서 진공탈가스 처리, 주조 및 열간압연을 통하여 저탄소강의 산소함량이 15ppm이하가 되는 최종제품을 안정적으로 제조한다.

Description

저탄소강의 산화정련방법

제1도는 본 발명의 실시예에 따른 전기로 산화정련공정에서 용락탄소량[C%]/출강 탄소량[C%]과 탈탄속도의 관계를 보여주는 그래프.

제2도는 전기로 산화정련공정에서 종래법과 본 발명에 의한 출강 탄소량[C%]에 대한 산화정련 단계별 탄소량 [C%]의 비를 도시한 그래프.

제3도는 전기로 용락시 종래법과 본 발명에 의한 용강의 탄소량[C%]과 자유산소량[0%]의 관계를 나타낸 그래프.

제4도는 본 발명의 실시예에 따른 전기로 산화정련공정에서 용락탄소량[C%]/출강탄소량[C%] 및 산소취입속도에 따른 탈탄속도의 변화를 나타낸 그래프.

제5도는 전기로 산화정련후 종래법과 본 발명에 의한 용강의 탄소량[C%]과 자유산소량[0%]의 관계를 나타낸 그래프.

[발명의 목적]

[발명이 속하는 기술분야 및 그 분야의 종래기술]

본 발명은 저탄소강의 산화정련방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전기로 산화정련공정에서 0.1%~0.3%C의 저탄소강의 신속탈탄 및 저산소용강의 제조방법에 관한 것이다.

근래들어 자동차용 부품소재에 대한 재질특성의 요구품질이 엄격해지는 추세에 따라 강재의 내질과 표면품질의 요구품질규격도 엄격하여 제강공정에서 불순물, 비금속개재물이 극저화된 고청정제조기술을 필요로 하고 있으며, 특히 0.1%C~0.3%C강인 자동차 트랜스미션소재의 경우 산소함량은 15ppm이하가 요구되고 있다.

이러한 청정화된 강재를 제공하기 위해서는 제강 공정 즉, 전기로-레이들-진공탈가스-연속주조 공정의 최적 조업조건에서 산화정련과 환원정련을 행하고 용강의 재산화를 방지하여야 한다.

최근 제강조업기술은 전기로에서 산화정련, 레이들 및 진공탈가스에서 복합환원정련을 행하고 있으나, 신속용해를 목표로 하는 전기로 산화정련조업은 대부분 C-0반응 평형치보다 과잉인 자유탄소량이 존재하는 용강의 과산화상태가 산화정련 후 발생되고 있으며, 이로인해 이후 정령공정에서 용강의 과산화정도에 따라 적정한 환원정련이 수행되어야 하지만 실제조업에서 Al탈산과 슬래그(Slag) 정련등 복합정련에 의해 과산화된 정도에 따라 제어하여 용강을 환원처리하는데는 많은 문제점이 나타나고 있다.

따라서 제강공정에서 중요한 복합 환원정련을 원활히 수행하여 극저산소강을 안정적으로 제공하기 위해서는 초기공정인 전기로산화정련에서 용강의 자유산소량을 일정수준으로 최소화시키는 기술이 요구되고 있다.

전기로 산화정련은 일반적으로 P등 유해 불순물원소, H등 유해 가스 및 비금속개재물 등을 산소취입에 의한 산화정련반응으로 제거함과 동시에 탈탄반응에 의해 용기온도를 높일 목적으로 실시한다.

실제 산화정련에 있어서 주요 반응은 탈탄, 탈인 반응이고, 특히 용강의 청정도, 산화정련시간 및 용강온도 확보측면에서 탈탄반응은 매우 중요하다.

이러한 탈탄반응의 속도는 용락 탄소량[C%], 산소취입속도 및 가탄속도에 크게 의존한다는 사실과 산화정련후의 자유산소량이 산화정련의 조업조건에 따라 달라진다는 사실에 착안하여 산화정련에 관한 연구를 거듭한 결과, 본 발명자 등은 전기로 산화정련에 있어서 신속 탈탄과 용가의 과산화억제를 위한 산화정련 조업방법을 개발하게 되었다.

종래의 산화정련 기술은, 전기로 에서 스크랩이 완전용해된 용락상태에서 제재한 후 용락탄소량[C%]을 출강탄소량[C%]의 0.5~1.5비율로 확보한 후 조재제(CaO)를 투입하여 Slag염기도(Cao/SiO₂)을 2.0~2.5로 조정하고 산소랜스를 이용하여 Slag/용강계면하에 산소를 취입함과 동시에 가탄을 행하여 1,580℃이하의 온도에서 탈인작업을 하고, 용강에서 C-O반응에 의해 CO가스를 발생시키면서 탈탄작업을 실시한다.

산소취입에 의한 탈탄반응은 아래의 식과 같이 발열반응이므로 용강온도가 상승하고 탈탄반응은 더욱 촉진된다. 즉.

[C] + 1/20₂(g)=CO(g) : △H₂₉₈= -29,366 cal

[발명이 이루고자 하는 기술적 과제]

종래의 산화정련에서는 전극Arc에 의한 용강온도의 상승은 많은 전기에너지 소요를 가져오므로 에너지 절감과 신속한 용해를 위해 탈탄작업은 산소취입에 크게 의존한다. 이로인해 산화정련후(출강전)용강의 자유산소량은 200~600ppm 범위로서 C-O반응 평형치보다 매우 높고 용탕(Melt)별 편차가 크게 나타나는 등 용강의 과산화상태가 대부분 발생되고 있다.

그 결과, 출강(Eccentric Bottom Tapping)시 제재한 후 레이들에서 Al탈산과 플럭스(Flux) 투입에 의한 슬래그 정련, 강교반하에서 진공탈가스를 실제조업에서 용탕(Melt) 상태에 따라 처리하는데는 한계가 있으므로 용강중에 과다하게 존재하는 자유탄소와 산화물계 비금속개재물이 충분히 제거되지 못하여 결국 저탄소강의 산소량을 극저화시킬 수 없고 안정적으로 청정화된 용강을 제조할 수 없다.

본 발명은 상기의 문제를 해결하여 특히 저탄소강의 청정도(전산소량 15ppm 이하)를 안정적으로 확보하고 아울러 종래에비하여 탈탄속도를 향상시킬 수 있는 산화정련방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

[발명의 구성 및 작용]

본 발명에 따르면, 산화정련방법은, 전기로 용락시에 출강탄소량[C%]에 대한 용략 탄소량[C%]의 비를 종래법보다 크게 조정하여 용락때의 자유산소량을 최소한으로 억제하고 산화정련초, 중기에 산소취입속도를 크게 하여 탈탄속도를 종래법보다 증가시켜 신속탈탄을 행하고, 산화정련말기에는 충강탄소량[C%]에 대한 용간 탄소량[C%]의 비를 일점 범위내로 관리될 수 있도록 산소취입속도와 가탄속도를 제어하여 산화정련후(출강전)의 자유산소량을 100~200ppm으로 최소화하는 것이다.

상기의 방법에 의해 산화정련을 완료한 후 출강시 제재하고 통상의 저산소제 강기술을 채택하여 레이들에서 Al탈산과 플럭스 투입에 의한 슬래그 정련을 행하고 강교반하에서 진공탈가스처리를 완료한 후 용강의 재산화를 방지하면서 주조하고, 통상적인 열간압연을 하였을 때, 최종제품인 저탄소강의 전산소량을 15ppm이하로 안정적으로 제조할 수 있다.

[실시예]

이하에서 본 발명의 특정 실시예를 설명한다.

표 1은 본 발명강 및 종래강의 최종제품인 강재이 성분목표치를 나타내며, 특히 전산소량이 15ppm이내로 제한되어 있다.

제조공정은 60Ton전기로-레이들정련-진공탈가스-연속주조(강괴주조)-열간압연의 순으로 이루어진다.

표 1과 같은 함량을 갖는 저탄소강을 대상으로 하여 전기로에서 스크랩을 장입한다. 여기서, 스크랩은 일반고철로서, 이 일반고철은 중량%로 유해불순물인 Cu 0.2% 이하, Sn 0.025%이하, As 0.02%이하, Sb 0.02% 이하, Pb 0.002% 이하를 함유하고, 나머지는 Fe 및 통상적으로 함유되는 미량의 불순물로 이루어진 조성범위에 있다.

그리고, 전극 아크(Arc)에 의해 와전히 용해된 용락상태에서 모재(母材)용강의 화학조성은 중량%로 C:0.20 내지 0.60%, Si : 0.001 내지 0.050%, Mn : 0.01 내지 0.20%, P:0.001 내지 0.020%, S:0.010내지 0.050%, Cr:0.10내지 0.060%, 잔부는 Fe 및 통상적으로 함유되는 미량의 불순물로 이루어진다.

전극아크(Arc)에 의해 완전히 융해된 용락상태에서 출강탄소량([C%]tap)에 대한 용락탄소량([C%]m.d)의 비(즉, [C%]m.d/[C%]tap)의 변화에 따른 산화정련중의 탈탄 속도(즉, -d[C]/dt)는 도 1에서 보는 바와 같이 일정한 산소취입속도의 조건에서 그 비가 클수록 탈탄속도가 증가하였다. 여기서 출강탄소량에 대한 용략탄소량의 비는 2.0 내지 3.0의 범위로 하였다. 그 수치한정의 이유는 다음과 같다. 전기로에서 스크랩을 용하한 후 P등 유해 불순물원소, H등의 우해가스 및 비금속개재물 등을 산화반응으로 제거시키는 산화정련과정은 용강에 산소를 취입하여 반응을 일으키며, 출강탄소량에 대한 용락탄소량의 비가 작으면, 제3도에서와 같이 용락때의 용강중의 산소량이 증가되고, 산화정련때의 탈탄방응의 평형을 고려할 때, 산소위입량이 감소됨으로써 탈탄반응영리 감소하여 출강온도까지의 용강승온은 전기아이크에 의해 크게 의존해야 하므로 경제적으로 제조원가가 상승하고, 산화정련시간이 지연되어 생산성이 저하되는 결과를 초래하므로 2.0이상으로 한정하였고, 반변에 그 비가 크면, 상대적으로 산소취입량의 증가에 의한 탈탄반응열의 증대로 산화정련시간의 단축과 전기에너지의 감소가 가능하지만, 용강상부에 형성된 전기로슬래그의 포밍(기포화)현상이 과도하게 발생되어 산화정련중에 필요한 슬래그가 전기로외로 유출됨으로써 산화정련반응이 원활이 이루어 질 수 없게 되어 유해 불순물, 유해가스 및 비금속개재물 등을 제거하는 데 한계가 있기 때문에 3.0이하로 한정하였다.

이러한 결과를 바탕으로 전기로 산화정련은 도2에서 보는 바와 같이 산소취입속도와 가탄속도의 조절을 통해 출강탄소량([C%]tap)에 대한 산화정련단계별 탄소량([C%]x)의 비(즉, [C%]x/[C%]tap)를 일정범위내로 제어하여 탈탄속도를 증가시키고 용강의 자유산소량을 크게 협폭으로 감소시킬 수 있었다. (도2이하의 그림에서 표시된 A~E는 본 발명법, F~J는 종래법에 의한 실시예를 나타낸다.)

본 발명에 의한 산화정련방법을 구체적으로 설명하면, 전기로 용락시에 [C%]m.d/[C%]tap를 2.0~3.0으로 조정하여 도3에서와 같이 용락때의 자유산소량을 1550℃, CO분압 1기압하에서의 C-O반응곡선의 평형치(그림의 점선 표시 곡선)에 해당하는 100ppm이하로 억제하고 C-O반응의 용해도적 ([C%] ×[O%] = 0.0024)이상의 조건일 때 용강의 상태에서 CO가스발생에 의한 탈탄반응이 일어나므로 복수의 산소 랜스를 사용하는 등의 방법으로 산화정련 초, 중기에 산소취입속도를 25~35Nm /min으로 크게 하여 탈탄작업을 행하였다. 여기서, 산소취입속도를 25~35Mm /min의 범위로 제한한 이유는 다음과 같다. 산화정련때의 반응물질인 탄소와 산소의 존재량이 평형상태에 도달할 때까지 지속되는 데, 이때 탈탄반응속도는 반응물질의 공급속도에 크게 의존하며, 출강탄소량에 대한 용락탄소량의 비가 2.0 내지 3.0인용락 때의 탄소량에 대해 산소취입속도가 느리면 탈탄속도의 지체로 산화정련시간이 증가되어 생산성이 저하되므로 25 Nm /min이상으로 한정하였고, 산소취입속도가 빠르면, 슬래그의 포밍형성이 급속히 이루어지면서, 포밍의 크기와 양이 과도하여 전체 용적이 팽창하여 전기로외로 유출됨으로써, 산화정련효과를 얻기 어렵기 때문에 본 발명에서 35Nm /min이하로 제한하였다. 여기서 슬래그포밍은 탈탄반응에 의해 생성되는CO가스에 의한 슬래그의 기포화현상으로서 조업중에 적정하게 제어하면, 용강 승온시 전기 아아크의 효율증대로 전기에너지의 절감과 조업시간의 단축을 가져오고, 전국소모를 줄일 수 있는 등의 잠점이 있어, 최근 제강업체에서 신기술로 도입하고 있는 추세이다.

위의 탈탄작업의 결과, ///도4에서와 같이 [C%]m.d/[C%]tap와 산소취입속도가 증가할수록 탈탄속도(-d[C]/dt)가 0.02C%~0.04C%/min로 증가되어 종래법에 베해 신속하게 탈탄작업이 완료되었으며, 탈탄반응속도의 증가에 따른 발열량증가로 탈탄완료후 용강온도가 급격히 상승하였다. 여기서, 탄소와 산소의 반응에 의한 탈탄반응속도는 반응물질의 조건, 즉 용강중에 존재하는 탄소량과 산소취입속도에 따라 크게 좌우된다.

탈탄작업이 완료된 산화정련말기에는 도2에서와 같이 출강 탄소량[C%]에 대한 용강의 탄소량[C%]의 비가 0.6~1.0 범위내로 제어될 수 있도록 가탄속도에 대한 산소취입속도의 비를 조절하여 산화정련후(출강전)의 자유산소량을 제5도에서와 같이 출강온도인 1650℃에서 CO분압 1기압하에서의 C-O반응곡선의 평형치(그림의 점선 표시 곡선)에 근접하는 수준으로서 종래법에 비해 100~200ppm의 협폭범위내로 최소화되었다. 여기서, 출강탄소량에 대한 용강탄소량의 비를 0.6 내지 1.0의 범위로 제한한 이유는 다음과 같다. 산화정련초기, 중기때는 용락시의 탄소량에 따른 적정한 산소취입에 의해 불순물 등의 산화제거와 아울러 산화정련때까지 산소취입 없이 탈탄반응을 진행시켜 산화정련말기에는 출강탄소량에 대한 용강탄소량의 비를 조성하는데 이때 그 비가 작으면 가탄시간이 증가될 뿐만 아니라, 가탄량의 과도한 증가로 탄소편석이 일어나고, 가탄된 탄소가 용강증에서 균일혼합하는 데 필요한 시간이 증가되어 출강때까지의 작업시간의 증가로 인해 생산성이 저하되므로 0.6이상으로 제한하였으며, 그의 비가 1.0이상으로 크게 되면, 출강탄소량이상으로 용강중에 탄소가 함유되어 출강후부터 정련때까지 투입되는 합금, 용제 등에 함유된 불순물로서 탄소가 추가 유입됨으로써 제강완료후 저탄소강의 탄소규격을 초과하게 되므로 1.0이하로 한정하였다.

이와 같은 방법에 의해 정련을 완료한 후 출강(Eccentric Bottom Tapping)시 제재하고 청정강제조에 필요한 통상의 저산소제강기술을 채택하여 표 2에서와 같이 레이들에서 자유산소량의 감소에 때란 최소량의 Al탈산과 적정 플럭스(Flux)투입에 의한 고염기도의 슬래그(Slag)정련을 행한 후 강교반하에서 진공탈가스처리를 완료하고, 용강의 재산화를 방지하면서 강괴주조 또는 연속주조한 후 1,050~1,250℃의 온도로 가열하여 총성형단련비 6S이상인 통상적인 열간압연을 하였을 때, 최종제품인 0.2C%의 저탄소강에서의 전산소량을 표 3에 나타내었다.

표 3을 참조하면, 본 발명의 경우(A-E), 산화정련후 자유산소량은 종래의 경우(F-J)에 비하여 100-200ppm의 협폭범위내로 최소화되었으며, 최종압연제품을 전산소량 또한, 15ppm 이하로서 종래법에 비해 안정적으로 나타났다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 산화정련 방법은 전기로에 장입하여 완전용히하고 용락시에 출강탄소량에 대한 용락탄소량의 비를 크게 하여 용강의 자유산소량을 저감시킨 후 산화정련 초, 중기에 가탄속도에 대한 산소취입 속도비를 크게 하여 탈탄속도를 증가시키므로써, 신속 탈탄작업을 행하는 효과를 제공하며, 아울러, 산화정련 말기에 상대적으로 가탄속도에 대한 산소취입속도의 비를 일정범위내로 작게 하여 산소취입속도와 가탄속도를 제어하므로써 이론적인 C-O반응 평형치를 목표로 하여 출강탄소량을 확보하여 출강전 용강의 자유산소량을 일정 범위내로 최소화하는 효과를 제공한다.

여기에서 본 발명의 특정 실시예에 대하여 설명하고 도시하였지만, 당업자에 의하여 이에 대한 수정과 변형을 할 수 있다. 따라서, 이하 특허청구범위는 본 발명의 진정한 사상과 범위에 속하는 한 모든 수정과 변형을 포함하는 것으로 이해할 수있다.

Claims (4)

1. 0.1%~0.3%C 저탄소강의 전기로 산화정련에 있어서, 스크랩이 완전용해된 용락상태에서의 모재용강은 중량%로 C:0.2 내지 0.60%, Si 0.001 내지 0.050%, Mn : 0.01 내지 0.20%, P:0.001 내지 0.020%, S:0.010 내지 0.050%, Cr:0.010 내지 0.060%, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어진 성분범위에 있으며, 상기 완전용해된 용락상태에서 출강탄소량[C%]에 대한 용락탄소량[C%]의 비를 2.0~3.0으로 하고 산화정련초, 중기에 산소취입속도를 25~35Nm³/min으로 하고 산화정련말기에는 산소취입과 가탄에 의하여 탈탄속도를 제어하는 것을 특징으로 하는 저탄소강의 산화정련방법.
2. 제1항에 있어서, 탈탄작업의 완료후 산화정련 말기에 출강탄소량에 대한 용강의 탄소량의 비를 조절하는 단계를 더 포함하는 것을 톡징으로 하는 저탄소강의 산화정련방법.
3. 제2항에 있어서, 상기 산화정련말기에는 출강 탄소량에 대한 용강의 탄소량의 비는 0.6~1.0의 범위내로 제어하고, 산화정련후(출강전)의 자유산소량을 100~200ppm의 협폭범위내로 조절하는 것을 특징으로 하는 저탄소강의 산화정련방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 산화정련 초, 중기에서 산소취입속도의 조절은 복수의 산소랜스 사용에 의하여 이행되는 것을 특징으로 하는 저탄소강의 산화정련방법.