KR100311803B1 - 알루미늄 탈산강의 정련방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 레이들로 출탕된 용강의 레이들정련방법에 관한 것이며; 그 목적은 연주 주편내 비금속개재물의 양을 줄일 수 있고, 노즐막힘 발생을 방지할 수 있는 알루미늄 탈산강의 정련방법을 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 용강을 레이들로 출강하고, 이어 알루미늄 및 부원료를 투입하여 레이들 슬래그중의 T.Fe+MnO의 함량 및 CaO/SiO₂/Al₂O₃의 비를 조절하면서 강버블링하여 정련한 후 정련된 용강을 턴디쉬로 출강하는 공정을 포함한 알루미늄 탈산강의 졍련방법에 있어서, 상기 레이들슬래그중의 T.Fe+MnO의 함량을 15중량%이하로 하고, 또한 CaO/SiO₂/Al₂O₃의 비를 0.25-0.45로 하여 강버블링 하는 단계; 및 상기 강버블링한 용강에 용강톤당 100-1000g의 Mg 단독 또는 함 Mg 혼합분말을 분당 10-100g의 속도로 취입하는 단계;를 포함하여 구성되는 알루미늄 탈산강의 정련방법에 관한 것을 그 요지로 한다.

Description

알루미늄 탈산강의 정련방법

본 발명은 레이들로 출탕된 용강의 레이들정련방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연주 주편내 비금속개재물의 양을 줄일 수 있고, 노즐막힘 발생을 방지할 수 있는 알루미늄 탈산강의 정련방법에 관한 것이다.

현대 대량 생산체제하에서의 강재의 제조는 일단 용융상태의 용강을 제조한 다음 일정 형상으로 주조하여 응고시킨 뒤 압연 등의 가공공정을 거쳐 제조하고 있다. 용융상태의 용강을 제조하는 방법으로는 크게 용광로-전로법과 전기로법으로 대별된다.

용광로-전로법은 1차로 용광로내에서 철광석을 원료로 하여 선철을 제조한 뒤 전로에서 2차 처리하여 용강을 제조하는 방법으로서 비교적 경제적이므로 오늘날 가장 보편적으로 이용되고 있다. 이에 반해 전기로법에서는 고철을 용해하여 용강을 제조하고 있으므로 제품의 가격과 고철 원료의 수급 등 시황에 민감하고 원가도 높아 적용에 제한을 받는다. 그러나, 최근에는 후속 주조공정의 장치비가 종래보다 싼 미니밀 연주기가 발달하게 되어 전기로-미니밀 연속주조법에 의한 철강재 생산공정이 점차 확대되고 있다.

전로와 전기로에서 제조된 용강은 레이들(ladle)이라는 용강 보관용기에 출탕되어 후속되는 주조공정에 적합하도록 처리된다. 용강의 주조는 조괴법과 연속주조법이 이용되고 있다. 조괴법은 제품의 품질특성은 좋으나, 생산성, 실수율 및 에너지의 경제성이 낮은 단점이 있기 때문에 일부 특수강 및 고급강에 한정적으로 적용되고 있다. 반면에 연속 주조법은 조괴법의 단점을 해결하고 또한 제품의 품질이 균일하도록 제어할 수 있는 장점이 있어 오늘날 널리 이용되고 있다.

연속 주조용 용강은 주조중 용강이 몰드(mould)에서 유출되는 사고인 브렉아웃(break-out)을 방지하고 핀홀(pin-hole) 등 제품결함을 방지하기 위해 강중 탄소 농도가 일정수준 이하가 되도록 산소로 탈탄하고, 탈탄시 이용된 산소는 노외정련시 레이들에서 알루미늄으로 탈산하여 알루미늄 탈산강(Al-Killed steel)으로 제조하고 있다.

그런데, 알루미늄 킬드강을 연속주조하여 얻은 주편은 그 표층부에 비금속 개재물이 다량 존재하게 되며, 이 표층부를 제거에 따른 실수율이 감소되는 문제가 있는데, 이들 비금속 개재물은 주로 알루미나를 비롯한 산화물로 이루어져 있다. 뿐만 아니라, 연속 주조작업에 있어서도 사용되는 내화물제 노즐의 내벽에 비금속 개재물이 부착, 성장하여 노즐 내면을 축소시키므로 주조가 더 이상 곤란하게 되는 문제도 확인되고 있다. 특히, 미니밀 연주기는 종래 연주기에 비해 노즐의 내면 공간의 두께가 극히 작아 약간의 부착층이 형성되더라도 연속주조작업이 중단되게 된다. 따라서, 주조 이전 단계에서 강중 비금속 개재물의 양을 가급적 적은 수준까지 저감하는 것이 중요하다.

통상적으로 제조되고 있는 알루미늄 킬드강에는 용강의 탈산 특성과 강의 기계적 성질을 향상시킬 목적으로 제품중 알루미늄 농도가 0.01~0.07중량%가 될 수 있는 양 만큼의 알루미늄을 첨가한다. 용강에 알루미늄을 첨가하면 산화물이 생성되는데, 생성된 산화물은 90~95%가 슬래그층으로 분리 제거되지만 강중에 잔존하게 되는 산화물은 비금속 개재물로 되어 후속 공정이나 제품의 사용할 때 각종 결함을 유발하거나 강의 기계적 성질을 저하시키므로 잔류 산화물량을 극력 낮추도록 노력하고 있다. 따라서 산화물계 비금속 개재물의 흡수능력이 큰 슬래그로써 용강을 처리해야 한다.

산화물계 비금속 개재물의 흡수능력이 큰 슬래그에 대해서는 많은 보고와 특허등이 발표되어 있는데, 어느 경우를 보더라도 환원성 분위기의 유지가 가능하도록 산화도가 낮아야 하는 것으로 알려져 있다. 그런데, 슬래그의 산화도는 산화철(FeO, Fe₂O₃등), 산화망간(MnO등)과 같은 저급 산화물의 양이 많을수록 높아지므로 산화물계 개재물의 저감을 위해서는 용강과 접촉하고 있는 슬래그중에 포함되어 있는 이들 저급 산화물의 농도를 감소시켜야만 한다.

이와 같은 목적으로 가장 널리 사용되고 있는 방법은 알루미늄 등을 함유하고 있는 슬래그 탈산제를 투입하여 저급산화물을 저감시키고 산화칼슘 등의 함량을 조절하는 방법으로써 현재 수종의 특허가 출원 또는 등록되어 있다(대한민국특허 제56122호, 제60757호 및 대한민국 특허출원 92-10826호).

상기 특허들을 보면 용강중 비금속 개재물을 줄이고 청정도를 향상시킬 목적으로 레이들 슬래그중 T.Fe+MnO 농도가 1.5~3중량%이하가 되도록 조절하고 있다. 뿐만 아니라, 실제 레이들 슬래그는 FeO, MnO의 함량은 비교적 낮고, 오히려 산화칼슘, 산화규소, 산화알루미늄등이 주성분으로 이루어져 있는데, 슬래그의 비금속 개재물 흡수능은 이들 산화물의 구성비 특히, 산화칼슘의 함량에 따라 달라지는 것으로 알려져 있다. 공지 기술들을 검토해보면 산화칼슘/산화규소/산화알루미늄 (이하, '(%CaO)/(%SiO₂)/(%Al₂O₃)'라 함)의 중량%의 비가 0.25~0.45범위에서 T.[0] 값이 낮아, 개재물의 양이 적고, 강의 청정도가 높고 결함발생율이 낮다고 알려져 있다.

그러나, 이와같은 공지기술들은 실제 공정에서 다음과 같은 문제점을 안고 있다.

첫째, 알루미늄을 이용하여 공지기술에서 요구하는 바와 같이, T.Fe+MnO농도를 1.5% 수준까지 낮추는 것이 용이하지 않으며, 슬래그중 FeO, MnO를 낮추기 위해 투입된 알루미늄이 본래 목적으로 이용되는 비율도 높지 않다. 이것은 공업적으로 이용되는 알루미늄이 괴상으로 되어 있어 슬래그 보다 무겁고, 용강중으로 쉽게 침투하기 때문이다. 용강과 접촉하는 알루미늄은 매우 빠르게 용강중으로 용해되어 들어가기 때문에 그 만큼 슬래그중 T.Fe+MnO를 낮추는데 사용되는 비율은 낮아진다.

둘째, 용강에 알루미늄을 첨가하면 산화물이 생성되는데, 생성된 산화물은 90~95%가 슬래그층으로 분리제거되지만, 강중에 잔존하여 비금속 개재물로 되어 후속공정이나 제품의 사용할 때 각종 결함을 유발하거나, 강의 기계적 성질을 저하시키는 알루미나가 여전히 강중에 존재한다.

셋째, 투입된 알루미늄이 FeO, MnO를 환원할때에는 알루미나(Al₂O₃)가 생성되는데, 위에서 설명한 요구조건 즉, (%CaO)/(%SiO₂)/(%Al₂O₃)의 비가 0.25~0.45범위로 유지하기 위해서는 생석회 등 산화칼슘 함유물질을 추가로 투입해야 한다.

마지막으로, 현재 전기로에서 출강돤 용강 및 슬래그를 수용하는 레이들에서 슬래그와 접촉하고 있는 부위의 내화물은 마그네시아질로 되어 있는데, 개재물 흡수능이 우수한 슬래그 조성 즉 (%CaO)/(%SiO₂)/(%Al₂O₃)의 비가 0.25~0.45범위에서는 슬래그의 유동성이 좋고, 마그네시아질 내화물과 접촉이 용이하여 내화물 침식이 심하다.

따라서, 본 발명자들은 T.Fe+MnO 최대한 감소시키기 위하여 첨가되는 알루미늄의 문제점을 개선하기 위해 다각도로 연구한 결과, T.Fe+MnO농도를 일정 수준이하로 만 관리하고, 비금속제거능이 우수한 마그네슘으로 마무리 처리하면 그 해결이 가능하다는 것을 확인하고 본 발명을 제안하게 이르렀다.

본 발명은 연주 주편내 비금속개재물의 양을 줄이며 노즐막힘 발생을 방지할 수 있는 알루미늄 탈산강의 정련방법을 제공하는데, 그 목적이 있다.

도1은 슬래그중 산화철과 산화망간의 합이 강중 산소농도에 미치는 영향을

나타내는 그래프이다;

도2는 알루미늄 또는 마그네슘 이용율에 미치는 T.Fe+MnO 영향을

나타내는 그래프이다;

도 3은 본 발명 및 종래방법에 따른 개재물에 의한 제품불량율을

나타내는 그래프이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 용강을 레이들로 출강하고, 이어 알루미늄 및 부원료를 투입하여 레이들 슬래그중의 T.Fe+MnO의 함량 및 CaO/SiO₂/Al₂O₃의 비를 조절하고 강버블링하여 정련한 후 정련된 용강을 턴디쉬로 출강하는 공정을 포함한 알루미늄 탈산강의 졍련방법에 있어서, 상기 레이들슬래그중의 T.Fe+MnO의 함량을 15중량%이하로 하고, 또한 CaO/SiO₂/Al₂O₃의 비를 0.25-0.45로 하여 강버블링 하는 단계; 상기 강버블링한 용강에 용강톤당 100-1000g의 Mg 단독 또는 함 Mg 혼합분말을 분당 10-100g의 속도로 취입하는 단계;를 포함하여 구성된다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

일반적으로 전기로 또는 전로에서는 용강을 탈탄, 탈규, 탈린 등의 과정을 거쳐 1차 정련한 후 레이들로 출탕한다. 레이들로 출탕된 용강은 탄소농도를 관리하기 위해 탈탄이 요구되는 경우 탈탄하고 탈산하거나 또는 탈탄이 필요없는 경우 바로 탈산을 하는데, 이때, Al 및 부원료를 투입하여 레이들 슬래그중의 T.Fe+MnO의 함량 및 CaO/SiO₂/Al₂O₃의 비를 조절하고, 강버블링하여 용강의 비금속개재물을 제거한다.

본 발명은 레이들 슬래그중의 CaO/SiO₂/Al₂O₃의 비를 통상의 방법대로 0.25-0.45로 조절하고, T.Fe+MnO의 함량을 낮추기 위해 첨가되는 Al의 함량을 줄이도록 T.Fe+MnO의 관리범위를 넓히는 대신 증기압이 대기압 보다 훨씬 높은 Mg을 투입하여 비금속개재물을 효과적으로 저감하는데, 그 특징이 있다.

따라서, 본 발명에 의하면, Al의 다량 투입에 따라 (%CaO)/(%SiO₂)/(%Al₂O₃)의 비가 저감되는 것을 막기 위해 추가로 생석회 등 산화칼슘을 투입할 필요가 없고, 알루미늄의 다량첨가로 인한 비금속개재물의 생성이 억제되며, Mg의 첨가로 형성된 마그네시아 성분이 레이들에 사용되고 있는 마그네시아질 내화물을 보호하게 되어 침식량을 줄이게 되는 것이다.

이를 위해 먼저, 레이들 슬래그에 알루미늄 및 부원료를 투입하여 레이들 슬래그중의 T.Fe+MnO의 함량을 15중량%이하, 보다 바람직하게는 3-15중량%로 하고, 또한 CaO/SiO₂/Al₂O₃의 비를 0.25-0.45로 하여 강버블링 한다,

여기서, 레이들 슬래그의 주요성분인 CaO/SiO₂/Al₂O₃의 비를 0.25-0.45로 한정하는 것은, 이와 같이 관리할 때 T.[O]의 값이 낮아 용강의 정련에 효과적인 것으로 알려져 있기 때문이다. 그리고, T.Fe+MnO의 함량은 낮을수록 강중 T.[O]값이 적어지나 15% 정도면 강중비금속개재물의 저감에 효과적이므로 관리범위를 넓힌 것이다. 그리고, 3%이상으로 한 것은 도 2에 나타난 바와 같이 후속되는 공정에서 Mg를 투입하는 경우 3%이하일 때 Mg의 이용율이 높기 때문에 그 전단계에서 3%이상으로하는 것이다. 물론, 이와 같이 T.Fe+MnO의 함량을 넓게 관리하는 것은 후속되는 공정에서 Mg를 투입하여 T.Fe+MnO를 적정수준으로 관리할 수 있기 때문이다.

상기와 같이 레이들 슬래그중의 T.Fe+MnO 및 CaO/SiO₂/Al₂O₃의 비를 조절하여 강버블링하는데, 이때, 레이들 슬래그는 저급산화물인 T.Fe+MnO의 함량이 높기 때문에 용강을 오염시키게 된다. 따라서, 슬래그에 의한 용강의 오염을 막고, 슬래그의 개재물 흡수능을 증가시키기 위해 T.Fe+MnO 수준을 더욱 낮추는 것이 필요하다.

본 발명은 이러한 목적으로 상기 강버블링한 용강에 용강톤당 100-1000g의 Mg 단독 또는 함 Mg 혼합분말을 분당 10-100g의 속도로 취입한다.

금속 Mg는 1600℃ 용강중에 용해도가 0.05 중량% 정도로 매우 낮으며, 증기압은 대기압보다 휠씬 높기 때문에 강중에 취입하여도 용강중의 성분 변화를 초래하지 않으며, 용강보다 휠씬 가볍기 때문에 강욕중을 상승하여 슬래그층에 도달하면 슬래그중 FeO, MnO 등과 쉽게 반응하여 그 농도를 저하시킨다.

이러한 효과는 Mg 투입량이 용강 톤당 100g 이상에서 뚜렷하며, 1000g 이상이 되면 이용 효율이 저하된다. 용강중 Mg를 투입하면, 기화된 Mg 가스에 의해 용강 및 슬래그가 비산되는데 그 투입 속도가 분당 100g 이상이 되면 비산이 과다하여 작업성이 악화된다. 용강 및 슬래그의 비산은 Mg 공급 속도가 작아질수록 감소되지만 그 만큼 일정량의 Mg 공급에 소요되는 시간이 길어지므로 비효율적이므로 그 속도의 하한을 10으로 제한하였다.

그리고, Mg 분말은 단독으로 첨가하여도 되지만, Mg 분말의 온도가 과량 증가하는 것을 방지하기 방지하기 위해 산화물을 같이 첨가하는 것이 좋으며, 이 산화물로는 MgO와 CaO가 있다. CaO는 슬래그중 산화칼슘 농도를 증가시키므로 야금학적으로 우수한 효과를 나타낸다.

이때, 함 Mg 혼합분말의 혼합비는 크게 상관은 없으나, Mg이 5중량%이상이고 나머지 MgO와 CaO중 선택된 1종 또는 2종으로 구성되도록 하는 것이 보다 바람직하다. 이는 Mg가 5%미만이면 그 투입속도가 빨라져 분말이 비산될 수 있기 때문이다.

상기와 같이 정련한 후 턴디쉬로 출강하면 되는데, 이 용강을 미니밀 연속주조에 이용하는 경우 노즐막힘을 방지하기 위해 더욱 청정한 용강이 요구된다.

따라서, Mg단독 또는 함 Mg 혼합분말을 취입하고 강버불링한 용강에 Ca단독 또는 Ca혼합물을 투입하는데, 이 Ca는 용강중에 Al₂O₃와 반응하여 융점이 낮은 CaO-Al₂O₃께 화합물을 만들어 Al₂O_3를제거한다.그 투입량은 용강톤당 0.2-1.0Kg이 바람직한데, 그 이유는 Ca단독 또는 Ca혼합물의 투입량이 0.2kg이하이면 노즐 막힘 방지효과가 미비하며, 1.0kg이상에서는 Ca실수율 및 이용율이 저하되기 때문이다.

이하, 본 발명을 실시예를 통하여 구체적으로 설명한다.

[실시예 1]

강중 비금속 개재물량에 미치는 슬래그중 T.Fe+MnO 농도의 영향을 알아보기 위해 고주파대기 유도 용해로를 이용하여 1600℃에서 실험을 실시하였다. 먼저, 용강 30kg을 용해한 뒤 0.15kg 알루미늄으로 용강을 탈산한 뒤 슬래그 조재제를 2kg 투입하였다. 슬래그가 형성된 다음 소정량의 알루미늄 칩(chip)을 슬래그 상부에 투입한 뒤 12분 경과 시점에서 용강과 슬래그 시편을 채취, 분석하였다(종래방법).

상기와 같이 알루미늄 칩을 투입한 후 30g의 마그네슘 분말을 철피로 피복하여 용강에 투입하여 동일방법으로 실험을 실시하였다(본 발명).

실험에서 얻어진 결과를 슬래그중 T.Fe+MnO농도와 T.[0]와의 관계로서 도 1에 나타내었다.

도 1에 도시된 바와 같이, 슬래그중 T.Fe+MnO농도의 전 범위에 대하여 T.Fe+MnO농도 감소에 따라, T.[0]가 줄어드는 경향을 볼 수 있다. 또한, 마그네슘 분말을 사용한 경우(본 발명)에는 알루미늄 단독으로 사용한 경우(종래방법)에 비하여 동일 T.Fe+MnO 농도에서 T.[0]가 낮은 수치를 보였다.

강중에 존재하는 산소는 존재 형태에 따라 원자상태로 용해된 용존산소와 산화물과 결합된 개재물상의 산소로 구분된다. 알루미늄 탈산강에서는 용존 산소는 수ppm이하이며, 작업조건에 따라 별로 변하지 않으므로, 강중 전산소 농도가 높다는 것은 산화물상의 산소 즉 개재물의 양이 많아서, 강의 청정도가 낮고 결함 발생율이 높다는 것을 의미한다. 따라서, 본 발명과 같이 마그네슘을 사용하는 경우 기존의 알루미늄을 단독으로 사용하는 경우보다 비금속 개재물의 제거에 효과적이라는 것을 알 수 있다.

[실시예 2]

슬래그중 T.Fe+MnO를 낮추는데 사용되는 알루미늄 및 마그네슘의 비율을 정량적으로 알아보기 위해 1600℃에서 고주파 유도 용해로 실험을 실시하였다.

실험방법은 실시예 1과 유사하며 그 결과를 알루미늄 또는 마그네슘 투입후 슬래그중 T.Fe+MnO 농도와 이용율과의 관계로서 도 2에 나타내었다. 여기서, 알루미늄 및 마그네슘 이용율은 투입된 알루미늄 양과 용강 및 슬래그 분석치 등을 이용한 물질 수지로부터 계산한 것이다.

슬래그중 T.Fe+MnO 농도가 낮아질수록 슬래그 탈산에 사용된 알루미늄 또는 마그네슘의 이용율 보다 알루미늄의 이용율이 높지만, 3.0중량%이하가 되면 알루미늄 이용율이 급격이 감소되는 것을 알 수 있다. 따라서, 본 발명에서와 같이 마그네슘을 이용한 슬래그 탈산은 슬래그중 T.Fe+MnO 농도를 3.0중량%이하에서 더욱 효과적이라고 할 수 있다.

[실시예 3]

1600℃정도의 100-130톤의 용강 및 1.5~3.0톤의 슬래그를 수용하고 있는 레이들에 대하여 실시예 1의 종래방법과 같이 정련한 용강으로 연속주조하고, 개재물에 의한 제품불량율을 조사하고, 그 결과를 도 3에 나타내었다.

또한, 1600℃정도의 120-150톤의 용강 및 1.5~3.0톤의 슬래그를 수용하고 있는 레이들에 알루미늄으로 용강을 탈산한 뒤 슬래그 조재제를 투입하여 슬래그가 형성된 다음 소정량의 알루미늄 칩(chip)을 슬래그 상부에 투입한 다음, 비금속 개재물의 제거 및 주조성 향상을 목적으로 용강 톤당 100~1000g의 금속 마그네슘 Mg 분말을 단독 또는 CaO를 포함하는 물질과 함께, 분당 10~100g의 속도로 강중에 취입하였다. 이어 용강톤당 0.2-1.0Kg의 Ca단독 또는 Ca혼합물을 투입하여 정련한 용강으로 미니밀 연속주조기에서 박슬라브를 주조한 다음, 개재물에 의한 제품불량율을 조사하고, 그 결과를 도 3에 나타내었다.

도 3에 나타낸 바와같이, 개재물에 의한 제품의 불량율을 종전 대비 50%이상 저하시켰다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 연속주편내 비금속개재물의 양이 줄어들어 청정한 강을 얻을 수 있으며, 마그네시아 성분이 레이들에 사용되고 있는 마그네시아질 내화물을 보호할 수 있다. 특히, 미니밀 연주시 노즐 막힘 발생을 방지할 수 있는 효과가 있는 것이다.

Claims (4)

1. 용강을 레이들로 출강하고, 이어 알루미늄 및 부원료를 투입하여 레이들 슬래그중의 T.Fe+MnO의 함량 및 CaO/SiO₂/Al₂O₃의 비를 조절하면서 강버블링하여 정련한 후 정련된 용강을 턴디쉬로 출강하는 공정을 포함한 알루미늄 탈산강의 졍련방법에 있어서, 상기 레이들슬래그중의 T.Fe+MnO의 함량을 15중량%이하로 하고, 또한 CaO/SiO₂/Al₂O₃의 비를 0.25-0.45로 하여 강버블링 하는 단계; 및

   상기 강버블링한 용강에 용강톤당 100-1000g의 Mg 단독 또는 함 Mg 혼합분말을 분당 10-100g의 속도로 취입하는 단계;를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 알루미늄 탈산강의 정련방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 함 Mg혼합분말은 Mg를 기본으로 하고, 여기에 MgO와 CaO중 선택된 1종 또는 2종이 혼합된 것임을 특징으로 하는 정련방법.
3. 제 2항에 있어서, 상기 함 Mg혼합분말은 Mg이 5중량%이상 함유된 것임을 특징으로 하는 정련방법.
4. 제 1항에서 제 3항중 어느 한항에 있어서, Mg 단독 또는 함 Mg 혼합분말을 취입하고 강버블링한 다음, 용강에 용강톤당 0.2-1.0Kg의 Ca단독 또는 Ca혼합물을 투입한 후 턴디쉬로 출강함을 특징으로 하는 정련방법.

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