KR100325098B1 - 전기로용강의처리방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전기로에서 처리된 용강에 대하여 통상적으로 VTD(Vacuum Tank Degasser)와 LF라고 불리는 2종의 로외 정련로를 이용하여 용강중에 가스성분과 산화물계 개재물이 적게 포함된 고청정강을 경제적이고 안전하게 제조하기 위한 방법에 관한것이다.

본 발명의 전기로 용강의 처리방법은 전기로에서 용강을 출강시 용강의 탄소농도를 최종제품에서 요구하는 값보다 0.02∼0.06 중량 % 높게 제어하여 출탕하며, 용강이 출탕될때 탈산제와 슬래그 조정용 생석회를 투입하지 않는 제 1 공정과, 상기 제 1 공정에서 출강된 용강을 VTD 진공장치로 이동하여 생석회를 용강톤당 15∼30kg 투입한뒤 진공처리를 시작하여 1차로 용강 및 슬래그중의 산소를 제거한 다음 알루미늄등의 탈산제를 첨가하는 제 2 공정과, 상기 제 2 공정에서 제조된 용강을 후속공정인 버블링 또는 로외 정련로에서 용강톤당 0.3Nm³/Hr이하의 아르곤가스를 이용하여 용강의 온도 및 성분에 미세조정처리를 행하는 제 3 공정으로 이루어진다.

Description

전기로 용강의 처리방법

본 발명은 전기로에서 처리된 용강에 대하여 통상적으로 VTD(Vacuum Tank Degasser)와 LF라고 불리는 2종의 로의 정련로를 이용하여 용강중에 가스 성분과 산화물계 개재물이 적게 포함된 고청정강을 경계적이고 안전하게 제조하기 위한 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로는 전기로에서 철스크랩(고철), 냉선(또는 형성이라고도 함), 탄화물(Iron carbide),HBI(Hot-briquetted iron), DRl(Direct reduced iron), 용선 등의 철원료를 배합하여 용강을 제조한 뒤 용강을 레이들(용강의 보관 및 반응 처리를 위해 사용되는 용기)에 출탕한 뒤 레이들내 용강에 대하여 VTD에서 용강 및 용강과 함께 혼입된 슬래그를 안정화하고 후속 처리에서 탈산제의 소비량을 저감할 목적으로 1차 처리한 뒤 VTD 마지막 단계 및 후속 공정인 LF에서 탈산 및 용강의 온도와 성분조성을 마쳐 주조용 용강을 제조하는 방법에 관한 것이다.

현대 일반탄소강의 제조법은 (1) 용광로-용선예비처리-전로-2차정련-주조 또는 (2) 전기로-2차정련-주조 공정을 주축으로이루어지고 있다. 주조 공정은 주로 연속 주조법이 채택되고 있으며 소량의 공급강에 대하여 조괴법이 사용되기도 하는데경제적인 대량 생산을 목적으로 하는 경우 전로법이 경쟁력이 우세한 것으로 알려져 있으며, 전기로 제강법은 소량 생산체재하에서 전로법과 어려운 경쟁을 해오고 있었다.

그러나 최근 박슬라브 연주법(Thin slab casting)과 같은 소량 생산 체재에 유리한 공정이 상업화하고 전로법과 경쟁할수 있게 됨에 따라 전기로법에 의한 일반강의 제조가 증가되고 있다.

종래 전기로에서 제조되는 용강은 주로 건축재등 저급재로써 2차정련 장치로는 단순한 온도 및 성분 조성의 기능만을 갖춘 버블링 장치를 이용하던 것이 고작이었지만 근래에는 전기로에서도 고급강의 생산을 위한 2차정련 처리시간이 길어지고 각종 매용제를 첨가하게 되었다. 이로 인하여 전기로에서 출탕되는 용강 온도가 높게 요구되는 관계로 해서 전기로의생산성이 저하되고 전기로 내화물의 용손이 증가하게 되었다. 이와 같은 문제를 해결하기 위해 전기로 이후 공정에서도용강의 온도를 올릴 수 있는 설비인 로외정련로(통상 LF라고 불림)를 갖추고 있다.

로외정련로는 전기아크열을 이용하여 용강을 가열하며 기타 버블링, 분체,취입 매용제 및 합금철투입 등 다양한 정련 기능을 갖춘 설비이다. 로외정련로의 도입으로 다양한 처리가 가능하여졌는데 그중 레이들내 영강 상부슬래그의 조성 제어를 통한 탈산,탈황을 통한 청정강의 제조기능이 가장 뚜렷한 성과중의 하나이다.

전기로→2차정련→연속주조 공정으로 용강을 제조하는 경우 전기로에서 용해 및 정련된 용강을 레이들이라고 불리는 용기에 출탕하고 출탕된 용강은 버블링이나 로외정련로등 2차 정련 장치로 이동시켜 합금성분 및 용강온도에 대해 미세조정처리를 하여 주조공정에 보내게 된다.

레이들내 용강 상부 슬래그는 전기로에서 용강을 출탕할 때 용강과 함께 혼입된 전기로 슬래그와 출탕중에 벌어지는 각종작업 즉 탈산 합금재 첨가 등의 결과로 생긴 반응물질로 구성된다. 전기로에서 용해 및 정련시에는 산화성 분위기가 유기되는 것이 일반적이기 때문에 전기로에서 만들어지는 슬래그 역시 강산화성으로 되어 FeO, MnO 저급 산화물의 양이 많다.이들 저급 산화물은 용강을 계속 산화시켜 강증에 산화물계 비금속 개재물을 만들어 낼 뿐 아니라 생성된 비금속 개재물의 흡수능을 저하시키고 탈황 능력을 떨어뜨리므로 레이들내의 유입을 극력억제하거나, 유입된 슬래그를 무해화시키는 처리를 해야 한다. 전기로 슬래그의 레이들내 유입억제를 목적으로 출강구에 플러그를 삽입하거나, 출강중 체크볼 등 부유물체를 이용한 각종 장치가 고안되어 실용화되고 있으나, 전기로의 경우에는 그 구조상 상기와 같은 장치를 사용하기가곤란하며 설령 사용한다 하더라도 전기로에서 출탕되는 용강의 실수율이 크게 저하되는 결점이 있다.

따라서 전기로에서는 불가피하게 혼입된 슬래그에 별도의 조치를 취하여 그유해성을 저감시켜야 한다. 이를 위한 첫째방법은 유입된 전기로 슬래그를 노외 정련 공정의 본격 처리 이전에 제거하는 방법인데 이 방법은 처리시간이 길어져 용강의 온도 강하가 크고 슬래그 배제시 용강이 함께 손실되는 결점이 있다.

둘째로는 출강중에 부원료를 투입하여 슬래그 조성을 제어하게 되는데, 이들 처리법은 저급산화물의 농도가 10~20%로 높게 나타날 뿐만 아니라 부원료의 반응성의 차이로 슬래그 조성을 예측하기 어려운 실정이다.

마지막으로는 슬래그 유입량을 최소한으로 줄일 다음 알루미늄 등을 투입하여저급산화물을 저감시키는 방법으로써 현재가장 널리 사용되고 있는 방법으로는 수종의 특허가 출원 또는 등록되어 있다(예:대한민국 특허등록번호 56122호, 60757호 및 출원번호 1992년 제10826호). 이때 사용되는 알루미늄은 미니펠렛이 슬래그중에 과량으로 존재하기 때문에 산화 칼슘등의 부원료를 함께 사용해야 한다. 전기로 작업에서 유입된 전기로 슬래그가 많아질수록 슬래그의 무해화 처리를 위해사용된 부원료의 양도 많아져 레이들내 용강 상부에 있는 슬래그양이 증가하는데 통상적인 전기로 작업에서 슬래그양은용강 톤당 40~100kg이며 이것을 두께로 환산하면 100~450mm가 된다. 1회 정련에서 제조되는 용강에 따라 레이들내의 크기가 정해져 있는데 레이들의 크기는 용강량과 슬래그량을 감안하여 결정되며 보통 슬래그 상부에 여유치를 갖게 된다. 보통의 경우 그 여유치는 300-800mm로 하고 있다.

한편 전기로에서 제조된 용강과 슬래그중에는 다량의 산소와 기타 가스발생물질이 포함되어 있다. 가스 발생물질이 용강및 슬래그중의 용해되는 온도가 낮아질수록 감소되므로 전기로 출탕 및 출탕 완료 이후에도 낮아지면서 가스발생이 지속된다. 발생된 가스는 기포가 되어 용강 및 슬래그 상부로 부상하는데 용강층에서의 부상속도는 대단히 빠른데 반하여 슬래그층에서는 매우 느려 다량의 기포가 슬래그층에 갇히고 집적된다. 이로인해 슬래그가 비누거품처럼 부풀어 올라 레이들의 여유치 이상으로 성장하면 레이들 밖으로 흘러넘치거나, 갇혔던 기포가 충격등 어떤 원인으로 인하여 일시에 터져나오면 폭발과 함께 용강과 슬래그가 레이들 밖으로 분출하는 등 작업성이 크게 나빠진다.

이와 같이 슬래그가 부풀어 오르는 현상은 그 정도의 차이가 있지만 거의 모든 경우에 발생하며 심하게 폭발 및 분출하는현상은 출강완료후 일정시간(약 10~20분)이 경과한 후에 발생하는데 공정의 연결상 버블링 또는 로외정련로에서 발생하게된다. 전기로 출탕중에는 가스발생용강상부에 슬래그가 존재하지 않아 슬래그 부품현상이 문제가 되지 않는 것으로 생각되고 있다.

슬래그가 부풀어 오르는 문제를 방지하는 방법은 다분히 경험적이지만 크게 두가지로 요약된다.

첫째는 상부 슬래그를 조절하는 것으로 다시 세분하면 우선 용강 상부에 슬래그가 존재하지 않도록 하는 것인데 현실적으로 불가능하며 다음에 슬래그가 부풀어 오르지 않을 만큼 빠르게 가스를 통과시킬수 있는 물성을 갖도록 제어하는 방법이며 이러한 슬래그의 조성에 대한 검토는 아직 충분히 이루어지지 않았다.

둘째로는 발생되는 가스를 조절하는 것으로 우선은 가스 발생속도를 충분히 크게하여 슬래그층에 가스 발생 통로가 생기고 생긴 통로가 막히지 않아 슬래그내에 가스 집적량이 적게되고 슬래그가 넘쳐 흐를만큼 부풀어 오르지 않도록 하는 것그리고 다음에는 가스발생원은 아예 없애는 것이다.

현재까지 밝혀진 바에 다르면 슬래그를 부풀게하는 가스발생원인으로 되는 것은 주로 탄산가스(일산화탄소 또는 이산화탄소)또는 수분이다. 수분은 주로 제강부원료인 생석회 등에서 혼입되지만 부원료의 보관 상태만 적절히 관리한다면 크게 문제가 되지 않는다. 그러나, 탄산가스는 산소와 탄소의 화학 반응에 의해 만들어지는데 강중 탄소 농도는 강종에 따라정해져 있어 어느 수치 이하로 낮출수 없으므로 산소 농도를 낮추는 탈산 작업으로 문제를 해결하려 하고 있다. 탈산 목적으로 알루미늄 등 각종의 탈산제가 사용되고 있으나 전기로에서 제조된 용강과 혼입된 전기로 슬래그에서 산소가 다량포함되어 있어 탈산제 소비량이 많을 뿐만 아니라 출강완료후 레이들의 이동과 같이 교반이 강하지 않은 조건하에서는 반응효율이 낮아 슬래그 부품 현상을 완전히 방지할 수가 없다.

또 슬래그의 물성 측면에서 보면, 전기로 출강후 2차정련 처리에서 탈황과 비금속 개재물의 제거를 위한 적정 슬래그 조성을 확보하기 위해 생석회 등의 부원료가 투입되는데 이때 슬래그가 부풀어 오르는 현상이 심해지는 것으로 보인다. 그러나 2차정련의 목적을 달성하기 위해서는 생석회 등의 부원료 투입이 불가피한 문제가 있다.

본 발명은 레이들내 용강 상부 슬래그의 부품 현상에 민감한 슬래그 조성과 가스발생 속도를 조절하여 슬래그 부품 현상을 방지하고 탈산제 소비량을 줄이고, 유황, 비금속개재물 및 가스 성분이 적은 고청정강을 제조하는 방법을 제공하고자하는데 그 목적이 있다.

도 1는 투입재중 생석회비율에 따른 부푼 슬래그 높이를 나타낸 그래프.

도 2는 생석회 투입량과 탈화율과의 관계를 나타낸 그래프.

도 3는 본 발명과 종래법에 의해 제조된 용강중 산소 및 질소 농도의 비교를 나타낸 그래프.

도 4는 강중 산소 농도에 미치는 저취가스 유량의 영량을 나타낸 그래이다.

본 발명은 전기로에서 제조하고자 하는 용강의 탄소농도를 최종 제품에서 요구하는 값보다 0.02~0.06중량% 높게 제어하여출당하며, 용강이 출강될 때 탄산제와 슬래그 조정용 생석회를 투입하지 않는 것을 특징으로로 하는 제1공정과, 출강후용강을 VTD라는 진공장치로 이동하여 생석회를 용강 톤당 15~30kg 투입한 뒤 진공처리를 시작하여 용강 및 슬래그 중의산소를 1차로 제거한 다음 알루미늄등의 탈산제를 첨가함으로써 슬래그를 부풀게하는 가스발생원을 없앰과 동시에 탈산제소비량을 줄이는 것을 특징으로 하는 제2공정, 그리고 후속 공정인 버블링 또는 로의 정련로에서 용강 톤당 0.3Nm3/Hr 이하의 아르곤 가스를 이용하여 용강의 온도 및 성분에 대한 미세 조정 처리를 하는 제3공정으로 구성되어 레이들내 용강상부 슬래그의 부품 현상을 방지하면서 탄산제 소비량을 줄이고 유황, 비금속개재물 및 가스 성분이 적은 고청정강을 제조하는 전기로 용강의 처리방법이다.

이하 본 발명을 상세히 설명한다.

먼저 전기로에서 출강시에 벌어지는 제1공정에 대해 설명한다.

전기로에서 제조되는 용강중에는 산소 농도는 전기로내 고철의 절단과 조연재로 투입되는 기체산소의 조건 및 기타 작업상황에 따라 500~20000ppm정도 함유되어 있으며 전기로내 슬래그는 이보다도 높은 농도의 산소를 함유하고 있다. 강중 산소 농도가 약 10ppm이상인 용강인 응고되면 핀홀(pin hole)이나 블로우 홀(blow hole)등 결함을 일으키거나, 후속 공정인연속 주조시 브레이크 아웃(break-out)등문제를 야기하기 때문에 후속 공정에서 탈산을 실시해야만 한다. 한편, 전기로장입물중에 포함되어 있던 탄소 성분은 전기로 반응이 진행될수록 감소되며 전기로 종점에서 탄소 농도는 강중 산소 농도에 반비례한다. 탄소와 산소의 포화 농도는 온도가 낮을수록 그리고 분위기 압력이 낮을수록 감소되는데 출강이 진행되면용강의 온도가 저하되므로 두 가스 성분이 반응하여 탄산가스로 되어 용강 밖으로 방출된다. 이때 레이들내 용강 상부에슬래그가 존재하면 슬래그가 부풀어 올라 넘쳐 흐르기 때문에 슬래그를 만드는 탈산제나 생석회 등의 부원료의 투입을 일체 제한하였다. 한편, 본 발명의 후속 공정인 VTD에서는 용강이 담겨있는 레이들을 진공조 내에 넣고 10밀리바 이하까지의 진공상태로 만들기 때문에 탄산 가스의 생성 반응이 진행되어 강중 산소와 탄소 농도가 낮아진다. VTD에서 통상 처리방법과 처리시간(약 40분 정도)에서 탄소성분은 0.2~0.6중량% 정도가 감소되므로 본 발명에서는 전기로내 탄소 농도를 최종 성분에서 요구되는 양보다 0.02~0.06중량% 높게 유지되도록 제한하였다.

본 발명의 제1공정과 같이 처리된 용강은 VTD라는 처리 장치로 이동하게 되며 본 발명의 제2공정은 VTD 처리에 관한 것이다. VTD는 진공상태로 만들어 용강중가스 성분의 제거는 물론 레이들내 저부에 설치된 저취 노즐을 통해 가스를 취입하면 용강과 슬래그를 강하게 교반할 수가 있다. 본 발명에서는 이러한 VTD 기능을 적극 활용하고자 하였다. 제2공정에서는투입되는 용강톤당 10~35kg의 생석회는 전기로에서 불가피하게 혼입된 슬래그와 VTD 처리중에 발생하는 각종 반응 생성물과 반응하여 슬래그화되는데 만들어진 슬래그가 탈황 및 비금속 개재물의 제거에 유리한 조성으로 되도록 하는 역할을 한다. 15kg 이하의 투입량에서는 이러한 효과가 적어지며 반대로 30kg 이상이 되면 슬래그중 고체량이 많아져 탈황 및 비금속 개재물 제거에 대한 효과가 저하되고 진공 정련 반응 즉 탈탄, 탈산, 탈질소 등의 반응속도가 늦어지는 단점이 있다.본 발명에서는 생석회의 투입을 VTD 정련 시작 전으로 제한하였는데 이것은 진공처리와 교반 중에 슬래그가 충분히 형성되도록 하기 위한 것이다.

한편, VTD에서 진공 상태로 만들어준 효과에 의해 용강 및 슬래그중에 함유된 산소 농도가 남아지는 결과가 얻어진다. 보통의 처리 조건에서 산소 농도의 감소량은 0.02∼0.06중량%로 이것은 탈산제로써 알루미늄 또는 실리콘 사용할 때 그 사용량을 용강 톤당 0.25~0.8kg줄일 수 있으며, 알루미늄 탈산시 생성되는 알루미나 개재물량을 줄여 주조후 강중 산소 농도가 낮게 즉 강의 청정도가 높게 되도록 하는 효과가 있다. 따라서 본 발명에서는 알루미늄 등 탈산제의 투입 시기를 진공처리에 의해 용강을 1차 탄산한 이후로 제한하였다.

이때 투입해야 하는 실리콘 또는 알루미늄 등의 탈산제의 사용량은 진공 처리 후 남아 있는 산소량과 제품에서 요구하는성분 농도에 따라 달라지는데 그 사용기준은 많은 제철소 등에서 조업 노우-하우로 관리되고 있으며 본 발명에 문제가 되지 않을 뿐만 아니라, 실제 그 적정 사용량을 결정하는 것도 그다지 어려운 문제가 아니다. 본 발명의 제2공정을 거친 용강과 슬래그중에는 슬래그를 부풀게하는 가스 발생원인 탄소와 산소의 농도가 충분히 낮아 슬래그가 넘치거나 폭발하는문제가 더 이상 발생하지 않으며 투입된 생성회에 의한 정련 효과에 의해 용강중 유황과 비금속 개재물의 제거가 효과적으로 일어나게 된다.

용강이 본 발명의 제2공정을 완료하면 VTD에는 통상 다음에 처리될 용강이 오게 되므로 용강을 다른 곳으로이동하여 처리해야 한다. 제1,2공정을 거친 용강은 전기로에 출강된 지 상당시간 경과하였기 때문에 온도가 낮으며 강중에 소비량이기는 하지만 비금속 개재물이 존재하므로 비금속 개재물량을 줄이고 용강은 온도와 성분의 미세 조정을 하기 위해 이동하게된다. 이때 용강의 온도를 높여야 할 필요가 있는 경우에 대비하기 위해 제3공정은 LF라고 불리는 노외정련로에서 실시한다. 만약 본 발명의 제2공정이 완료된 시점에서 용강의 온도와 성분이 후속 공정에 충분히 대응할 수 있도록 조정되었다면 본 제3공정은 생략할 수 있으며 용강의 승온이 필요하지 않다면 버블링 만으로도 충분하다.

로외정련로 또는 버블링 설비에서 제3공정을 처리하는 경우 용강의 온도 및 성분의 균일화 및 비금속 개재물의 부상, 제거가 신속히 이루어지도록 용강을 교반해야 하는데 이때 사용되는 가스의 유량은 용강 톤당 0.3Nm3/Hr이하가 되어야 한다. 이 이상의 유량 범위에서는 용강의 요동이 심하여 슬래그가 혼입되거나 용강이 대개 노출되어 산화되므로 용강로 유가금속의 손실과 용강의 청정도가 저하된다.

본 발명을 좀더 상세히 설명하기 위해 우선 전기로에서 회수된 슬래그와 고루파 유도로를 이유하여 1600℃에서 실험을 실시한 결과에 대해 설명한다.

제1도는 슬래그의 부품 현상을 방지하기 위한 방안으로 제1공정에서 전기로에서 출강중 일체의 부원료를 넣지 않아야 한다는 것을 보여주기 위한 것

Claims (2)

1. 전기로에서 제조하고자하는 용강의 탄소농도를 최종제품에서 요구하는 값보다 0.02~0.06중량% 높게 제어하여 출탕하여, 용강이 출강될때 탈산제과 슬래그 조정용 생석회를 투입하지 않는 제1공정과;

   상기 제1공정에서 출강된 용강을 VTD 진공장치에서 용강톤당 15~30kg의 생석회를 투입한뒤 1~10밀리바의 진공상태에서 40분간 처리하여 1차로 용강 및 슬래그중의 산소를 제거한 다음 알루미늄 등의 탈산제를 첨가하는 제2공정으로 이루어진 것을 특징으로 하는 전기로 용강의 처리방법.
2. 전기로에서 제조하고자 하는 용강의 탄소농도를 최종 제품에서 요구하는 값보다 0.02-0.06중량% 높게 제어하여 출탕하며, 용강이 출강될 때 탈산제와 슬래그조정용 생석회를 투입하지 않는 제1공정과;

   상기 제1공정에서 출강된 용강을 VTD라는 진공장치로 이동하여 생석회를 용강 톤당 15~30kg 투입한 뒤 1~10밀리바의 진공상태에서 40분간 처리하여 용강 및 슬래그중의 산소를 1차로 제거한 다음 알루미늄 등의 탈산제를 첨가하는 제2공정과;

   상기 제2공정에서 제조된 용강을 후속공정인 버블링 또는 로외정련로에서 로내로 랜스를 하강시켜 용강톤당 0.3Nm3/hr이하의 아르곤가스를 취입하여 용강의 온도 및 성분에 대한 미세조정처리를 행하는 제3공정으로 이루어진 것을 특징으로 하는 전기로 용강의 처리방법.

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