KR100328055B1 - 알루미늄탈산강의레이들슬래그탈산방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 제강공장에서 알루미늄 탈산강 제조시 레이들 슬래그를 탈산하는 방법에 관한 것이며; 그 목적은 슬래그가 고상으로 존재할 때 슬래그탈산제를 투입함으로써, 분진발생 및 용강탈산을 억제하고 슬래그중 철산화물과 망간산화물을 효과적이고도 안정적으로 저감시킬수 있는 방법을 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 레이들에 장입된 용강을 진공탈가스처리 장치의 진공조로 흡상하여 레이들로 환류시키면서 탈탄한 후 탈산한 다음 진공탈가스정련을 종료하는 2차정련공정에 있어서,상기 탈산개시후 레이들의 슬래그 상부에 비중이 3.1-4.7인 용융슬래그 탈산제를 투입하여 이루어지는 알루미늄탈산강의 레이들슬래그 탈산방법에 관한 것을 그 요지로 한다.

Description

알루미늄 탈산강의 레이들 슬래그 탈산방법{A slag reformation method in Al-killed steel}

본 발명은 제강공정에서 알루미늄 탈산강 제조시 레이들 슬래그를 탈산하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 알루미늄 탈산강이 레이들 슬래그에 의한 재산화를 방지하기 위하여 레이들슬래그 상부에 용융 슬래그탈산제를 투입하여 레이들슬래그를 탈산하는 방법에 관한 것이다.

고로제강법은 고로→용선예비처리→전로→이차정련→연속주조공정으로 이루어지며, 전로조업은 고로에서부터 출선된 용철에 산소를 분사하여, 용철중 불순원소를 제거한다.(이하, 전로정련이라 함) 이때, 탄소는 CO, CO₂등의 가스상태로, 망간(Mn), 실리콘(Si), 인(P)등은 각각 MnO, SiO₂, P₂O₅등 산화물형태로 슬래그화되어 제거된다. 이러한 과정에서 용철중 철원소(Fe)도 산화되어 슬래그로 이동되며, 전로정련후 슬래그중 T.Fe와 MnO의 합은 20-30중량%에 달한다.

전로정련후, 용강을 티밍레이들(Teeming ladle)로 옮기는 과정(이하, 출강이라 함)에 전로슬래그가 용강 1톤당 5-10kg가량 티밍레이들로 혼입하게 되며, 이렇게 혼입된 슬래그는 티밍레이들에서 용강탈산시 사용되는 알루미늄의 실수율을 저하시키고, 용강중 알루미늄 등을 산화시켜 산화물성 비금속개재물(이하, 개재물이라함)의 발생원으로 작용한다. 따라서, 티밍레이들에서는 가능한 한 슬래그중 철산화물(FeO)와 망간산화물(MnO)를 저감시키는 것이 바람직하다.

이를 위해서 전로슬래그가 티밍레이들로 혼입되는 것을 방지하는 방법(대한민국 특허등록 제 9869호, 제 78097호)이 제안된 바 있으나, 그 효과가 크지 않고 경제적으로 불리한 단점이 있다.

상기 결점을 해결하기 위하여, 전로슬래그가 유출된 직후 금속 알루미늄을 함유하는 슬래그 탈산제를 티밍레이들에 첨가하여 FeO와 MnO를 환원시키는 방법이 대한민국 특허등록 제 110332호 및 제 118956호, 그리고, 대한민국 특허출원 제 96-56445호, 및 제 96-67594호에 제안된 바 있다. 이러한 방법들은 알루미늄 생산시 부산물로 발생되는 알루미늄 드로스(Al dross)를 단독 또는 반응효율을 높이기 위해 주성분이 CaO인 생석회나 주성분이 CaCO₃인 석회석을 알루미늄 분말 또는 알루미늄 드로스등과 혼합하여 성형한 단광(Briquette)형 탈산제를 사용하는 것이다. 그러나, 알루미늄 드로스는 부산물로 발생되는 것으로 탈산의 주체인 금속 알루미늄의 함량조절이 극히 어려워서 추가로 금속 알루미늄을 혼합해서 사용해야 되므로 작업부하 및 용강탈산을 초래하게 되고, 슬래그 탈산제 첨가시 인체에 해로운 다량의 분진을 발생시키는 문제점이 있다.

이외에도, 생석회와 알루미나 용융산화물에 금속 알루미늄을 첨가하여 괴상의 슬래그 탈산제를 제조하고, 이를 전로출강직후 티밍레이들에 첨가하는 방법(대한민국 특허출원 95-58445)이 제안된 바 있다. 이 방법은 괴광 슬래그탈산제 제조시 탈산의 주체인 금속 알루미늄의 함량조절이 극히 어렵고, 용강을 탈산시켜 후공정에서의 용강탈탄반응을 저해하며, 레이들슬래그가 액상일때만 그 사용이 가능하고, 탈탄에 필요한 산소를 탈산하는 문제가 있다.

본 발명은 상기 종래 문제점인 분진발생을 없애고, 용강탈산을 억제하기 위해 레이들슬래그가 고상으로 존재할 때 레이들슬래그중 철산화물과 망간산화물을 효과적이고도 안정적으로 저감시키는 방법을 제공하는데, 그 목적이 있다.

도 1은 본 발명에 따라 레이들슬래그에 슬래그탈산제를 투입하기 위한 슬래그 탈산제 용융장치를 나타내는 일례도이다.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

1...용강 2...레이들 슬래그

3...슬래그 탈산제 10...레이들

11...진공탈가스장치('RH') 20...레이들 슬래그 용융장치

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 레이들 슬래그 탈산방법은 레이들에 장입된 용강을 진공탈가스처리 장치의 진공조로 흡상하여 레이들로 환류시키면서 탈탄한 후 탈산한 다음 진공탈가스정련을 종료하는 2차정련공정에 있어서, 상기 탈산개시후 레이들의 슬래그 상부에 비중이 3.1-4.7인 용융슬래그 탈산제를 투입하는것으로 구성된다.

이하 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명은 경화된 레이들 슬래그 층으로 슬래그 탈산제가 효과적으로 침투해 들어가 탈산하도록 용융된 슬래그 탈산제를 투입하는데, 그 특징이 있다. 이와 같이 본 발명에 따라 용융슬래그 탈산제를 투입하면, 슬래그탈산제 투입에 따른 분진발생이 없고, 용강의 탈산이 최대한 억제된다.

본 발명에 의하면, 용융 슬래그탈산제가 레이들 슬래그층에만 침투되어 용강의 탈산을 방지하는데, 반응효율을 높이기 위해서는 첫째, 용융 슬래그탈산제의 비중의 조절이 필요하고, 둘째, 그 투입시점이 중요하다.

먼저, 용융 슬래그탈산제는 그 비중이 3.1-4.7인 것이 필요하다. 그 이유는 통상적인 레이들 슬래그 비중이 2.5-3.0이므로 용융 슬래그탈산제의 비중이 3.1미만이면 비중이 낮아 고화된 레이들 슬래그 층으로 침투해 들어가지 못한다. 이에 따라, 레이들 슬래그중 철산화물이나 망간산화물과 반응하기 보다는 대기중 산소와 반응하게 되므로 슬래그 탈산제의 반응효율이 낮아지기 때문이다. 그리고, 비중이 4.7를 넘으면 비중이 지나치게 커서 슬래그 탈산제가 슬래그층을 통과하고 용강과 반응하여 알루미늄 성분을 증가시킬 뿐 아니라, 용강의 청정성이 열악해진다.

상기와 같이 비중이 3.1~4.7인 용융 슬래그탈산제이면 어떤 것이든 가능하고, 이러한 슬래그탈산제로는 1)금속알루미늄이 50-85중량%이고, 전해철 또는 철성분이 95중량%이상인 철화합물이 15-50중량%로 조성되는 것과 2) 알루미늄 합금을 이용한다. 알루미늄 합금은 Al-Fe계가 바람직하며, 금속알루미늄이 50~85중량%이고나머지 철화합물로 조성되는 것이 좋다. 철화합물은 전해철 또는 철성분이 95중량%이상인 것이 바람직하다.

여기서, 철성분은 슬래그 탈산제의 비중을 조정한다.

본 발명의 슬래그 탈산제는 야금특성만을 고려할 때 알루미늄성분을 금속 알루미늄만을 사용하여 첨가시키는 것이 바람직하다. 그러나, 금속알루미늄만을 사용하게 되면, 가격이 비싸지기 때문에 상기 2)의 슬래그탈산제를 이용하는 것도 유용하다.

이러한 본 발명의 슬래그탈산제의 함량에 있어, 금속알루미늄의 함량을 50-85중량%로 하는 이유는 슬래그탈산제의 비중과 탈산능력을 고려하여 선정된 것이다. 즉, 금속알루미늄 함량이 85중량%를 넘으면 비중이 낮아 균일한 탈산효과를 기대하기 어렵고, 슬래그 탈산제중 금속알루미늄 50중량%이하의 경우, 슬래그탈산제의 탈산능력이 부족하기 때문이다. 이는 아래 표 1를 참고하면 알 수 있다.

한편, 슬래그탈산제의 비중을 적절하게 제어하기 위하여 비중이 철과 유사하거나 더큰 Cd, Pb, Hg등 비철류로 철성분을 대체할수도 있으나, 이러한 성분은 용강에 비철류가 첨가되어 용강성분에 불순원소를 증가시키기 때문에 용강제조시 생산량에 제한을 받게 되어 일반적으로 사용할 수가 없다.

다음으로, 본 발명의 용융슬래그탈산제의 투입시점은 진공탈가스장치(이하, 'RH'라 함)에서 탈산개시후면 언제든지 좋다. 이는 탈탄이 완료되어 용강중 산소가 탈산되더라도 문제가 발생되지 않도록 그 시점을 선정하는 것으로서, 보다 바람직하게는 진공탈가스정련 종료후가 좋다. 이는 진공탈가스정련중 용융 슬래그탈산제의 투입은 설비적인 제약이 많이 따르기 때문이다.

이때, 용융슬래그 탈산제가 상기 1)의 금속알루미늄이 50-85중량%이고, 전해철 또는 철성분이 95중량%이상인 철화합물이 15-50중량%인 경우 그 투입량은 용강톤당 0.8-1.4kg이 좋다. 그 이유는 투입량이 용강톤당 0.8kg미만인 경우 탈산효과가 적고, 1.4kg를 넘으며 그 효과는 미세하고 불필요한 량이 들어가 비 경제적이다.

그리고 용융 슬래그탈산제가 상기 2)의 금속알루미늄 50-85중량%이 되도록 알루미늄합금이 함유되고, 나머지 전해철 또는 철성분이 95중량%이상인 철화합물인 경우 그 투입량은 용강톤당 0.96-1.63kg이 좋다. 그 이유는 투입량이 용강톤당 0.96kg미만인 경우 탈산효과가 적고, 1.63kg를 넘으며 그 효과는 미세하고 불필요한 량이 들어가 비 경제적이다.

상기와 같이 용융슬래그 탈산제가 투입될 때, 레이들 슬래그는 표면이 냉각되어 경화된 상태이며, 이때, 괴상 슬래그탈산제를 첨가시키는 경우, 경화된 슬래그층을 침투할수 없으나, 본 발명의 액상 슬래그탈산제를 첨가시킴으로써 슬래그탈산제의 현열(Latant heat)로 슬래그 표면을 용해시키고, 이어서 슬래그탈산제와 슬래그 비중차이 및 확산(Diffuslon)반응으로 슬래그탈산제가 슬래그에 침투하게 된다. 슬래그탈산제중 용융 알루미늄이 하기식(1)과 (2)의 반응으로 슬래그중 FeO, MnO를 용이하게 환원시킨다.

2Al(ℓ)+3(FeO)=(Al₂O₃)+3[Fe]

2Al(ℓ)+3(MnO)=(Al₂O₃)+3[Mn]

본 발명은 상기식(1)과 (2)의 반응으로 레이들 슬래그중 FeO와 MnO를 환원하여 저감시킴으로써, RH-연속주조공정간 용강이 재산화되는 것을 방지하며, 개재물이 생성되는 것을 용이하게 억제시킬수 있게 되는 것이다.

본 발명에 따라 용융슬래그탈산제를 레이들슬래그에 투입할 때, 슬래그탈산제를 먼저, 용융하는 것이 필요하며, 이때, 슬래그탈산제를 용융하여 투입하는 것은 어떤 장치를 이용하든 상관이 없다. 다만, 슬래그탈산제를 용융하고, 그 용융된 상태 그대로 유지하여 효과적으로 레이들슬래그에 투입하면 되는 것이 요구된다.

이하, 본 발명에 부합되는 슬래그탈산제 용융장치의 일례를 도 1로서 설명한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 슬래그탈산제 용융장치(20)는, 그 상부의 장입구(22)로 장입된 슬래그탈산제를 용융하기 위한 로(21);

상기 로(21)의 측벽상단에 위치하고, 용융슬래그 탈산제의 산화를 방지하기 위해 분위기를 불어넣는 가스인입구(23) 및 상기 가스인입구(23)와 일정간격을 두고 설치되어 배가스를 배출하는 가스배출구(24); 및

상기 로의 하부에 위치하고, 용융슬래그탈산제를 투입하는 투입구(25);를 포함하여 구성된다.

상기 로(21)의 내용적은 레이들에 출강된 용강의 양에 따라 정하는 것이 필요하나, 본 발명의 실시예에 적용된 레이들의 크기를 고려할 때 1-2㎥하는 것이 경제적으로 유리하다. 이는 슬래그탈산제(23)를 1회 용해할 때, 2톤 가량을 용해할수 있도록 하기 위함이다. 즉, 제강공정에서는 경제성을 극대화하기 위하여, RH에서 용강 4-8차지(charge)를 연속적으로 정련하며, 슬래그를 효과적으로 탈산하는데 용강 1톤당 0.8-1.2kg슬래그탈산제가 필요하다. 따라서, 100내지 300톤 티밍레이들(2)의 슬래그(4)를 1회분 연속적으로 탈산하기 위해서 2톤 가량의 슬래그 탈산제가 필요하기 때문이다. 보다 구체적으로 설명하면, 용융 알루미늄의 비중이 2.5-2.7이고, 용융철의 비중이 6.5-7.0이므로, 본발명 슬래그탈산제는 알루미늄 85중량%, 철 15중량%일 때 슬래그탈산제의 부피가 최대값이 되고, 이 조성물이 2톤일 때, 그 체적은 0.41-0.65㎥에 달한다. 슬래그탈산제의 체적이 최대가 되는 0.65㎥을 용이하게 처리하기 위해 로(5) 내용적을 1-2㎥하는 것이다.

슬래그탈산제(3)를 용해시키는 동안 산화되는 것을 방지하기 위하여, 로(2)의 가스인입구(23)로 Ar,Ne등 불활성 가스를 불어넣는 것이 바람직하다. 예를들어, 질소를 불어넣는 경우, 용융 알루미늄이 질소와 반응하여 질화알루미늄(AIN)을 형성하고, 공기를 불어넣는 경우에는 알루미늄이 산화반응을 일으키게 되므로 슬래그탈산제의 야금특성을 저해하기 때문이다.

로(20)에 있는 슬래그탈산제(3)에 열을 가하여 용융시킬때의 열원으로서 전기유도가열장치(26)(Electric Induction Heating equlpment)를 이용하는 것이 바람직하다. 이는 알루미늄과 철의 비중이 서로 다르므로, 용융된 슬래그 탈산제(3)중 알루미늄과 철이 두층으로 분리될수 있고, 따라서, 이러한 분리현상을 효과적으로 방지하고 교반의 열할을 제공하면서도 고효율의 열원을 공급할수 있는 것이 유도가열장치(26)이기 때문이다. 슬래그탈산제중 알루미늄과 철이 분리되는 것을 방지하기 위해 별도의 기계적 진동장치나 전자교반장치를 부착할수 있으나 이는 장치가 복잡해지고 별도의 경비지출 및 유지보수에 불리하다.

이하, 본 발명을 실시예를 통하여 구체적으로 설명한다.

[실시예]

100톤 전로→RH→연속주조공정으로 구성된 제강공정의 RH(11)에 내용적이 1.5㎥의 로(20)가 마련되고, 그 로(20)에는 열원을 공급하면서도 슬래그탈산제(3)중 알루미늄과 철이 비중차이로 분리되는 것을 방지하기 위하여 전기유도가열장치(26)가 마련된 슬래그탈산제 용융장치(20)를 설치하였다.

슬래그 탈산제 용융장치에는 아래 표 2의 비교재(1,2) 및 본발명(1,2,3)의 조성이 유지되도록 금속알루미늄과 철함량이 95중량% 이상인 철화합물을 각각 동시에 장입하고, 유도가열장치(26)를 가동시켜 욕의 온도를 1000-1600℃로 가열하였다. 이때, 용융 슬래그탈산제가 산화되는 것을 방지하기 위하여, 측벽에 가스 인입구(23)와 배출구(24)로, 아르곤을 분당 15-20노르말리터(N ℓ)불어넣었다. 로내 슬래그 탈산제가 완전 용융상태에 도달된 후에는 로의 온도를 900-1500℃로 낮추고,슬래그 탈산제가 응고되지 않도록 지속적으로 항온유지하였다.

이와같이 하여 레이들에 장입된 탄소 70ppm이하, 망간 0.2-0.3중량%, 알루미늄 0.02-0.06중량%, 티타늄 0.04-0.07중량%인 용강을 RH(11)의 진공조로 흡상하여 12-16분동안 용강을 탈탄하고, 알루미늄을 첨가하여 용강탈산을 실시한 직후, 경화된 슬래그(2) 표면에 상기 용융 슬래그탈산제(3)를 용강 1톤당 1.0kg첨가하여 슬래그를 탈산하였다.

아래표 2의 기존재는 상기 동일한 강을 대상으로 전로출강후 특허출원 95-56445 조성물을 용강 1톤당 2kg 슬래그에 첨가하고, RH로 이송하여 상기와 동일시간 탈탄을 실시하고, 이어서 알루미늄으로 용강탈산을 실시한 결과를 나타낸다.

본 실험에서는 전로종점, RH 도착 및 RH종료시점의 슬래그 시료를 채취하여 발광분광 분석법을 통해 슬래그중(T.Fe)와 (MnO)를 분석하고, 그 결과를 아래 표 2에 나타내었다.

상기 표 2에서 나타낸 바와같이, 전로종점에서 기존재, 비교재 및 본발명 슬래그중(T.Fe)와 (MnO)의 합은 20-30중량%로 유사한 값을 나타내고 있으며, RH 도착시점에서는 기존재의 경우 8-10중량%로 본발명 및 비교재의 17-23중량%보다 현저하게 낮은 값을 나타내고 있음을 알 수 있다. 그러나, RH 종료시점에서 기존재의 경우 슬래그중(T.Fe)+(MnO)값이 초기값과 동일한 값을 나타내고 있으나, RH 탈산후 슬래그 탈산을 실시한 본발명 및 비교재의 (T.Fe)+(MnO)값은 초기값보다 현저하게 감소되는 것으로 나타났다. 특히, 본 발명의 경우 3-5중량%로 매우 낮은 값을 나타낸다. 반면에 비교재의 경우 기존재와 유사한 값을 갖는 것으로 나타났다. 이는 슬래그탈산제중 금속알루미늄의 함량이 90중량% 이상인 비교재(1)의 경우, 슬래그탈산제의 비중이 작기 때문에 레이들슬래그가 슬래그 층을 침투하기 어렵고, 슬래그탈산제가 대기중 산소와 반응하기 때문이다. 슬래그탈산제중 금속알루미늄의 함량이 50중량%이하인 비교재(2)의 경우, 금속알루미늄 함량이 적어 탈산능력이 부족할 뿐 아니라, 슬래그탈산제의 비중이 지나치게 커서 슬래그층을 통과하기 때문에 나타난 결과로 생각된다.

본 실험에서는 본 발명과 기존재(특허출원 95-56446)의 슬래그 탈산방법에 따른 용강중 용존산소거동을 확인하기 위하여 전로종점, RH 도착 및 RH 종료시점의 용존산소를 측정하고, 또한 용강의 탈탄반응에 미치는 영향을 정량적으로 파악하기 위하여 RH에서 용강탈탄전과 탈탄후 각각 용강시료를 채취하여 C/S 동시 분석기로 분석한후, 하기식(3)으로부터 탈탄반응 속도정수, Kc를 산출하였다(표3). 탈탄반응 속도정수는 RH에서 탈탄반응이 일어나는 속도를 정량적으로 나타내는 자료로 널리 사용되며, 이는 용강중 탈탄반응이 물질이동율속이므로 용강중 탈탄반응이하기식(4)로 정의되고, 따라서, 하기식(3)은 하기식(4)로부터 유도될 것이다.

Kc =-In{[C]t/[C]o}/t

[C]t=[C]o·e ^{- Kc*t}

여기서, [C]o, [C]t는 각각 탈탄전과 탈탄 t분후 용강중 탄소함량(중량%)을, t는 탈탄시간(분)을 나타낸다.

상기 표 3에 나타난 바와같이, 본 발명과 전로종점 산소는 유사하나, RH도착시점의 용존산소는 본 발명보다 기존재가 100-130ppm낮음을 알 수 있다. 이는 기존재의 경우, 출강직후 슬래그에 슬래그탈산제를 첨가함으로써, 슬래그탈산과 더불어 용강탈산이 진행되었음을 입증하는 것이다. 한편, 출강중 슬래그탈산에 따른 용강중 산소함량 저감이 탈탄반응에 미치는 영향을 파악하기 위하여 산출한 탈탄반응 속도 정수는 본발명이 0.19-0.22min^-1로 기존재의 0,14-0.16min^-1보다 30%이상 증가되는 효과를 얻었다.

상술한 바와같이, 본발명은 RH탈탄후 또는 정련후, 용융상태의 슬래그탈산제를 첨가함으로써 분진발생을 방지하고, 용존산소를 감소시키지 않으면서도 슬래그중 저급산화물(T.Fe)+(MnO)의 함량을 크게 저감시킬수 있는 효과가 있다.

Claims (6)

1. 레이들에 장입된 용강을 진공탈가스처리 장치의 진공조로 흡상하여 레이들로 환류시키면서 탈탄한 후 탈산한 다음 진공탈가스정련을 종료하는 2차정련공정에 있어서,상기 탈산개시후 레이들의 슬래그 상부에 비중이 3.1-4.7인 용융슬래그 탈산제를 투입하여 이루어짐을 특징으로 하는 알루미늄탈산강의 레이들슬래그 탈산방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 슬래그탈산제는 금속알루미늄이 50~85중량%이고 철화합물이 15~50중량%로 이루어지며, 이 철화합물은 전해철 또는 철성분이 95중량%이상임을 특징으로 하는 방법
3. 제 2항에 있어서, 상기 슬래그탈산제는 용강톤당 0.8-1.4kg투입함을 특징으로 하는 방법.
4. 제 1항에 있어서, 상기 슬래그탈산제는 Al-Fe로 이루어지는 알루미늄 합금으로서, 알루미늄 합금중 금속알루미늄이 50~85중량%이고 철화합물이 15~50중량%이며, 이 철화합물은 전해철 또는 철성분이 95중량%이상임을 특징으로 하는 방법.
5. 제 4항에 있어서, 상기 슬래그탈산제는 용강톤당 0.96-1.63kg투입함을 특징으로 하는 방법.
6. 제 1항에 있어서, 상기 용융 슬래그탈산제는 진공탈가스정련후에 투입함을 특징으로 하는 방법.

Images