KR100363417B1

KR100363417B1 - 저탄소 스테인레스강의 탈탄법

Info

Publication number: KR100363417B1
Application number: KR10-1998-0053897A
Authority: KR
Inventors: 송효석
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 1998-12-09
Filing date: 1998-12-09
Publication date: 2003-01-24
Also published as: KR20000038788A

Abstract

본 발명은 AOD정련시에 상취랜스와 횡취투이어를 이용하여 산소와 아르곤 가스를 적절히 사용하고 혼합가스비에 맞는 탄소농도를 제공함으로써, 탈탄시간과 크롬산화의 증가를 억제할 수 있는 저탄소 스테인레스강의 탈탄법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

위와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 정련로 장입 탄소농도 1.5중량%에서 0.3중량% 탄소농도까지는 용강 중에 공급되는 산소와 아르곤 가스의 비를 8:1 이상으로 하고, 상취랜스(Lance)와 횡취 투이어(tuyere)의 산소 유량비는 1:1.6로 하여 산소를 취입하며, 아르곤 가스는 횡취투이어로만 불어 넣는 제1단계와, 횡취투이어만을 사용하여 산소 대 아르곤 가스비를 1:1, 1;3의 순서로 변화시켜 탄소농도 0.3중량%에서 0.05중량%까지 탈탄하는 제2단계 및, 횡취투이어만을 사용하며 산소 대 아르곤 가스비를 1:4, 1:6의 순서로 변화시켜 취입함으로써 탄소농도 0.05중량%에서 0.01중량%까지 탈탄하여 스테인레스강의 탄소농도를 0.01중량%이하까지 낮추는 제3단계를 포함한다.

Description

저탄소 스테인레스강의 탈탄법

본 발명은 저탄소 스테인레스강의 탈탄법에 관한 것이며, 특히, 18중량% 크롬 함유 저탄소 스테인레스강의 AOD정련로에서 산소와 아르곤가스를 용강 중에 적절히 공급하여 스테인레스강의 탄소농도를 저감시킬 수 있는 저탄소 스테인레스강의 탈탄법에 관한 것이다.

스테인레스강의 사용 범위가 확대됨에 따라 가혹한 사용 조건에서도 우수한 품질 특성을 나타내는 다양한 용도의 스테인레스강이 개발되고 있고, 이런 강종들의 품질 특성을 만족시키기 위해서는 강중의 탄소를 극히 낮은 수준까지 낮추어야 한다. 그러나, 스테인레스강 중의 탄소는 가공중의 연신율 및 용접부의 인성 저하 등 철강제품의 여러가지 기계적 성질을 나쁘게 하기 때문에 해로운 원소로 알려져 있다. 특히, 선재용으로 사용되는 스테인레스강에서 탄소, 질소 및 유황농도가 높으면 최종제품의 냉간가공(단조)시에 크랙이 발생되어 불량품의 원인이 되므로 매우 낮은 탄소수준까지 요구하고 있지만, 산소와의 친화력이 높은 크롬을 다량 함유(18중량%)하고 있기 때문에 선재용 스텐인레스강에서 탄소를 낮추는 것은 매우 어렵다.

통상적으로, 스테인레스강 중의 탄소는 AOD(Argon Oxygen Decarburization) 정련로에서 산소와 아르곤의 혼합가스를 용강 중에 취입하여 제거하고 있지만, VOD(Vacuum Oxygen Decarburization)와는 달리 AOD에서 탄소농도를 100ppm정도의 낮은 수준까지 저감하는 것은 매우 어렵다.

또한, 저탄소 농도가 요구되는 스테인레스강의 정련은 STS304강의 정련과 비교하여 조업비용(정련시간, 아르곤 사용량, 생석회, 환원제 등)이 상당히 증가된다. 또한, 저탄소 강종은 대부분 저질소 농도가 동시에 요구되므로 정련로에서의 탈질소는 탈탄반응시에 발생하는 CO가스량을 증가시켜 탈질소 반응을 촉진하는 방법이 시도되고 있다. 그러나, 이런 방법은 질소를 효과적으로 낮출 수는 있지만, 탈탄을 위해 취입하는 산소의 증가에 따라 유가금속(크롬, 망간, 철 등)의 산화도 증가하기 때문에 합금철 실수율 저하는 물론이고, 환원-탈황효율을 떨어뜨리기 때문에 목표로 하는 유황농도 이하로 낮추는 것이 곤란하다. 이 때, 유황농도가 목표치 이상인 경우는 환원 슬래그의 일부를 쏟아내고, 생석회 및 형석 등의 부원료를 첨가하여 슬래그를 만든 후 다시 탈황작업을 실시해야 한다. 그러나, 이 경우 조업시간이 길어지는 것은 물론이고, 이 때 투입되는 합금철 및 부원료 등에 함유되어 있는 탄소에 의해 용강 중의 탄소농도가 높아지거나, 환원기에서는 가스발생량이 불충분하므로 AOD내로 공기가 흡입되어 질소농도가 높아지는 문제가 발생한다.

표 1에는 선재용 저탄소 스테인레스강의 성분규격 및 목표치가 나타나 있다. 표 1에 나타난 바와 같이 구성된 선재용 저탄소 스테인레스강(18%Cr강)은 STS304강과 비교하여 탄소, 질소 및 유황농도가 동시에 낮게 요구되는 강종이다. 그러나, 탄소, 질소 및 유황의 세성분을 동시에 낮추는 것은 야금학적인 측면에서 서로 모순되는 부분이 있으므로, 동일 반응용기내에서 동시에 소기의 목적을 달성하는 것은 쉽지 않다. 그리고, 18%Cr강의 탈탄을 위해서는 일반 STS304강에 비해 취입하는 산소량이 많기 때문에 취입산소량에 비례하여 크롬산화량도 증가된다. 이런 이유로, 탈황을 위한 슬래그 조성 제어가 어렵고, 탈산에 필요한 Si농도의 적중율이 크게 떨어져 재탈류를 실시하는 경우도 자주 발생한다.

또한, 스테인레스강의 제조에서 가장 일반적으로 적용되고 있는 전기로-AOD공정에서, 전기로는 합금철 및 일반 스크랩을 용해하므로 조업시간이 강종에 무관하게 거의 일정하다. 그러나, AOD정련로의 조업시간은 강종에 따라 조업시간의 차이가 있는 데, 특히 탄소농도에 크게 영향을 받는다. 예를 들어, 탄소농도 요구범위가 0.04-0.08중량%인 STS304강의 AOD조업시간이 60분 정도인데 비하여, 탄소농도가 0.02중량%이하인 선재용 스테인레스강의 조업시간은 90분 이상이 소요된다. 따라서, 저탄소강을 생산할 때는 전기로와 정련로의 조업시간의 차이가 생기게 되고, 정련로 조업시간이 길어짐에 따라 전기로는 휴지할 수 밖에 없어 생산성이 하락한다. 이를 해결하기 위해서는 저탄소 스테인레스강을 정련할 때 정련로의 조업시간을 단축시켜야 한다.

그리고, AOD를 이용한 스테인레스강 탈탄에서는 용강 중 Cr의 산화를 억제하면서 탄소를 제거하기 위해 CO분압을 낮춰야 한다. 이런 CO분압을 낮추는 수단으로 Ar가스를 산소가스와 함께 혼합하여 사용하는 데, 용강중 탄소농도가 낮아짐에 따라 산소와 아르곤의 혼합가스 중의 산소비를 낮추게 된다. 그러나, 혼합가스 중의 산소비를 낮추면 크롬의 산화는 감소시킬 수 있으나, 산소공급속도가 감소하기 때문에 탈탄속도가 감소하게 된다. 그러므로, Cr의 산화를 효과적으로 억제할 수 있더라도 탈탄속도가 극히 느리다면 생산성의 문제가 뒤따르기 때문에 혼합가스 중의 산소/아르곤비와 그에 따른 탄소농도의 설정이 필요하다.

종래의 선재용 저탄소 스테인레스강의 탈탄법은 고탄소 영역에서는 유량 범위가 큰 상취랜스를 이용하여 산소 공급 속도를 크게하여 탈탄속도를 높이는 방법을 이용하는 데, 이 경우 일정 탄소 농도 이하에서는 공급된 산소가 탄소와 반응하지 못하고 크롬만을 태우기 때문에 오히려 탈탄속도가 감소하게 된다. 또한, 크롬 산화가 증가하면 생성된 크롬 산화물을 환원시키는 데 필요한 환원제 소요량의 증가하고, 이에 따라 생석회의 첨가량이 증가하여 환원시간이 길어지기 때문에 오히려 조업시간을 연장시키게 된다.

따라서, 본 발명은 앞서 설명한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, AOD정련시에 상취랜스와 횡취투이어를 이용하여 산소와 아르곤 가스를 적절히 사용하고 혼합가스비에 맞는 탄소농도를 제공함으로써, 탈탄시간과 크롬산화의 증가를 억제할 수 있는 저탄소 스테인레스강의 탈탄법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

도 1은 표 2 및 표 3에 각각 나타낸 종래의 탈탄법과 본 발명의 탈탄법을 적용하였을 때의 탈탄 1단계의 탈탄산소효율을 비교한 그래프이고,

도 2는 종래의 탈탄법과 본 발명의 탈탄법을 적용하였을 때의 탈탄 1단계의 탈탄속도를 비교한 그래프이고,

도 3은 전탈탄과정에서 탄소농도와 용강 중 [%Cr]/[%C]의 비의 관계를 나타낸 그래프이며,

도 4는 표 2에 나타낸 종래의 산소 취입방법과 표 3에 나타낸 본 발명의 산소 취입방법을 적용하였을 때의 탈탄시간을 비교한 그래프.

앞서 설명한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 18중량% 크롬 함유 저탄소 스테인레스강의 AOD(Argon Oxygen Decarburization)정련로에서의 탈탄법으로서, 정련로 장입 탄소농도 1.5중량%에서 0.3중량% 탄소농도까지는 용강 중에 공급되는 산소와 아르곤 가스의 비를 8:1 이상으로 하고, 상취랜스(Lance)와 횡취 투이어(tuyere)의 산소 유량비는 1:1.6로 하여 산소를 취입하며, 아르곤 가스는 횡취투이어로만 불어 넣는 제1단계를 포함한다. 또한, 본 발명은 횡취투이어만을 사용하여 산소 대 아르곤 가스비를 1:1, 1;3의 순서로 변화시켜 탄소농도 0.3중량%에서 0.05중량%까지 탈탄하는 제2단계와, 횡취투이어만을 사용하며 산소 대 아르곤 가스비를 1:4, 1:6의 순서로 변화시켜 취입함으로써 탄소농도 0.05중량%에서 0.01중량%까지 탈탄하여 스테인레스강의 탄소농도를 0.01중량%이하까지 낮추는 제3단계를 포함한다.

아래에서는, 상술한 방법의 혼합가스비 및 탄소농도의 한정 이유와 정련방법에 대해 설명하겠다.

먼저, 1단계에서 장입탄소가 1.5%인 것은 1.5%이하가 되면 정련로에서의 탈탄량이 부족하여 질소농도를 낮추기 위한 CO발생량이 부족하게 되며, 1.5%이상이 되면 탈질효율은 향상되나 탈탄시간이 길어지고, 크롬 산화가 증가하는 단점이 있기 때문이다. 또한, 산소/아르곤 가스비를 8:1로 한 것은 탈탄 1단계가 탄소농도가 높은 영역이므로 산소비를 더욱 높여도 되지만, 횡취투이어의 냉각, 보호를 위해 설비에서 허용하는 최소한의 아르곤은 흘려주기 위해서다.

그리고, 상취랜스와 횡취투이어의 산소비를 1:1.6로 한 것은 상취랜스 대 횡취투이어 가스비를 1:1.6보다 상취랜스의 가스비를 크게 하면, 횡취투이어로 공급되는 가스량이 작기 때문에 용강교반력이 감소하고, 탈탄반응 효율이 떨어져 탈탄반응 속도가 늦어질 염려가 있다. 또한, AOD정련에서 상취랜스의 산소가스는 용강상부로 불어넣기 때문에 횡취투이어로 공급되는 산소보다 용강과의 반응성이 떨어져 탈탄반응에 대한 기여도가 낮기 때문에, 상취가스의 유량은 횡취투이어 보다 약간 낮은 비율로 공급하는 것이 바람직하다.

그리고, 상취랜스 대 횡취투이어 가스비를 1:1.6이하로 하면 상취가스의 유량이 줄어들어 설비에 의한 전체 산소공급량에 제한을 받게 되며, 상취랜스로 공급되는 산소에 의한 2차연소의 감소로 용강온도의 상승 효과가 감소하고, 저취가스 유량이 많아져 용강 비산이 심하게 발생하여 용강이 노구 밖으로 튀어 나올 우려가 있다.

그리고, 1단계의 탄소농도를 0.3%로 한정한 것은 0.3%이상이면 1단계 이후의 탈탄시간이 길어지는 단점이 있다. 또한, 1단계의 탄소농도를 0.3중량% 이하로 하면 1단계에서의 크롬산화가 크게 증가하여, 탈탄속도가 감소하게 될 뿐만 아니라 탈탄 종료후의 환원제 및 생석회의 소요량이 증가하게 되고, 탈황효율 저하 및 환원시간이 길어지는 문제가 있다.

2단계에서 횡취투이어만을 사용하는 것은 0.3%이하의 저탄소 농도 영역에서 상취랜스로 산소를 공급하면 용강 중의 크롬산화를 크게 증가시키기 때문에, 횡취투이어만을 사용함으로써 용강의 교반력을 강화하여 탈탄반응 효율을 향상시키고자 한 것이다. 그리고, 2단계에서 탄소농도를 0.05중량%로 한정한 것은 2단계 이후에서는 산소 공급 속도를 더욱 낮춰 탈탄을 실시하기 때문에 탈탄속도가 감소하게 되는 데, 3단계의 시작 탄소가 0.05중량%보다 높으면 3단계의 탈탄시간이 길어지는 단점이 있고, 0.05중량% 이하로 하면 2단계에서의 크롬산화가 크게 증가하여 탈탄 종료후의 환원제 및 생석회의 소요량이 증가하기 때문이다. 그리고, 혼합가스 중 아르곤 가스비를 너무 크게 하면, 아르곤의 소비량이 크게 증가하여 정련과정에서 아르곤 부족현상이 발생할 우려가 있다. 그리고, 전체 산소 대 아르곤 가스비는 1;1, 1:3의 순서로 연속적으로 변화시킴으로써 탄소농도 감소에 따른 크롬 산화량의 증가를 억제하고자 한 것이다. 즉, 2단계에서의 탈탄효율을 고려하여 산소량을 계산한 후, 그 산소량의 1/2은 산소 대 아르곤 가스비를 1:1로 취입하고, 나머지 1/2은 1:3으로 취입한다.

3단계에서는 0.05중량%이하의 탄소농도에서 횡취투이어만을 사용하여 탈탄하는 것으로서, 0.05%이하의 저탄소 농도 영역에서 크롬산화를 더욱 억제하기 위해 산소/아르곤의 혼합가스비를 1:4, 1:6의 순서로 혼합가스 중 산소의 비를 더욱 낮추고 아르곤 가스비를 높여, 용강교반력은 증대시키면서 크롬산화를 최대한 억제하고자 한 것이다. 즉, 저탄소 농도 영역에서는 혼합가스 중 산소비가 크면 크롬산화가 증가하므로, 아르곤 가스비를 증가시켜 CO가스의 분압을 낮추고, 용강교반력을 증대시켜 용강 중에 용해되어 있던 산소와 탄소의 반응을 유도하고자 한 것이다.

<실시예>

아래에서, 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명하겠다.

본 발명의 실시예는 실제 스테인레스를 생산하고 있는 90ton용량의 AOD정련로에서 실시하였다. 실험 대상으로는 선재용 저탄소 스테인레스강인 PWAXM7강을 선정하였으며 표 1에 조성을 나타내었다.

(중량%)

항목	C	Si	Mn	S	Cr	Ni	N
규격	0.025이하	0.2-0.4	0.6-0.9	0.006이하	17.4-18.0	9.5-9.9	0.025이하
목표	0.012이하	"	"	0.002이하	"	"	0.020이하

항목	목표탄소[%C]	상취랜스(Nm³/min)	횡취투이어(Nm³/min)
항목	목표탄소[%C]	O₂	O₂	Ar
탈탄단계	1 단계	1.5-0.4	100	30	15
	2 단계	0.4-0.20	-	60	20
		0.20-0.08	-	45	45
		0.08-0.04	-	20	60
	3 단계	0.04-0.015	-	12	48
	3 단계	0.015-0.01	-	10	60
	린싱	<0.010	-	-	60
환원단계	<0.010	-	-	45

표 2에는 기존의 PWAXM7강의 탈탄법이 나타나 있는데, 종래의 탈탄법도 본 발명에서와 같이 탈탄단계를 3단계로 구분하였고, 상취랜스를 통해 산소를 취입하는 것은 0.4%의 고탄소 영역에서만 실시하고, 그 이하의 탄소농도에서는 횡취투이어만으로 산소와 불활성 가스를 공급하여 탈탄을 실시한다.

항목	목표탄소[%C]	상취랜스(Nm³/min)	횡취투이어(Nm³/min)
항목	목표탄소[%C]	O₂	O₂	Ar
탈탄단계	1 단계	1.5-0.3	50	80	15
	2 단계	0.3-0.15	-	50	50
	2 단계	0.15-0.05	-	20	60
	3 단계	0.05-0.02	-	12	48
	3 단계	0.02-0.01	-	10	60
	린싱	<0.010	-	-	45
환원단계	<0.010	-	-	45

표 3은 본 발명의 탈탄법의 예를 나타낸 것으로, 앞서 설명한 바와 같이 탈탄단계를 3단계로 구분하였고, 0.3%의 탄소농도까지 상취랜스를 사용한다. 본 발명은 종래의 탈탄법에 비해 탈탄과정에서의 산소/아르곤비를 변화시키는 것을 단축시켰으며, 고탄소영역에서는 혼합가스 중 산소비를 증가시켰고, 저탄소영역에서는 혼합가스 중 아르곤비를 높여 전체적으로 탈탄반응 속도를 향상시키면서 크롬산화를 억제하고자 하였다.

도 1은 표 2, 표 3에 나타낸 종래의 탈탄법과 본 발명의 탈탄법을 적용하였을 때의 탈탄 1단계의 탈탄산소효율을 비교한 것이다. 여기서, 탈탄산소 효율은 수학식1에 의해 계산하였다.

즉, 탈탄산소효율은 용강 중에 공급된 산소가 탄소와 반응한 비율을 나타낸는 것으로서, 이 값이 높을수록 크롬의 산화가 적으면서 탈탄이 효과적으로 이루어진 것이다.

도 1에 보이듯이, 본 발명예의 탈탄산소효율은 종래방법에 비해 높은 값을 보여주며, 약 10%정도 향상된 것을 알 수 있다. 또한, 본 발명예에서 탄소농도가 0.3%이하가 되면 탈탄산소효율이 감소하는 것을 볼 수 있는 데 이것으로부터 1단계 탄소농도는 0.3중량%이하가 되지않도록 하는 것이 바람직하다.

도 2는 종래의 탈탄법과 본 발명의 탈탄법을 적용하였을 때의 탈탄 1단계의 탈탄속도를 비교한 것이다. 즉, 본 발명예의 탈탄속도는 종래방법보다 향상된 것을 알 수 있다. 또한, 본 발명예에서 탄소농도가 0.3%이하가 되면 탈탄속도가 감소하는 것을 볼 수 있다.

도 3은 전탈탄과정에서 탄소농도와 용강 중 [%Cr]/[%C]의 비의 관계를 나타낸 것이다. 여기에서, [%Cr]/[%C]의 비는 각 탄소농도에서의 크롬농도를 나타낸 것이다. 즉, 이 값이 클수록 동일 탄소농도에서 크롬농도가 높은 것이므로 크롬산화가 적게 일어난 것을 의미한다. 도 3에 보이듯이, 본 발명예는 종래의 방법에서보다 크롬산화가 적게 일어난 것을 알 수 있다.

도 4는 표 2에 나타낸 종래의 산소 취입방법과 표 3에 나타낸 본 발명의 산소 취입방법을 적용하였을 때의 탈탄시간을 비교한 것이다. 도 4에 보이듯이, 본 발명에 의해 탈탄시간이 크게 단축된 것을 알 수 있다. 특히, 본 발명의 경우 도달 탄소농도가 90ppm으로 종래의 탈탄법 보다 탄소저감효과가 있음을 알 수 있다.

본 발명의 실시예를 통해 본 발명에 의한 탈탄법에 의해 기존의 탈탄법 대비 약 7분 정도의 탈탄 시간 단축효과과 있으며, 제강 공정의 생산성을 크게 향상시킬 수 있음을 확인하였다.

앞서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명의 저탄소 스테인레스강의 탈탄법은 기존의 탈탄법 대비 약 7분 정도의 탈탄 시간 단축효과가 있으며, 제강 공정의 생산성을 크게 향상시킬 수 있는 장점이 있다.

이상에서 본 발명의 저탄소 스테인레스강의 탈탄법에 대한 기술사상을 첨부도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다.

Claims

18중량% 크롬 함유 저탄소 스테인레스강의 AOD(Argon Oxygen Decarburization)정련로에서의 탈탄법에 있어서,

정련로 장입 탄소농도 1.5중량%에서 0.3중량% 탄소농도까지는 용강 중에 공급되는 산소와 아르곤 가스의 비를 8:1 이상으로 하고, 상취랜스(Lance)와 횡취 투이어(tuyere)의 산소 유량비는 1:1.6로 하여 산소를 취입하며, 아르곤 가스는 횡취투이어로만 불어 넣는 제1단계와,

횡취투이어만을 사용하여 산소 대 아르곤 가스비를 1:1, 1;3의 순서로 변화시켜 탄소농도 0.3중량%에서 0.05중량%까지 탈탄하는 제2단계 및,

횡취투이어만을 사용하며 산소 대 아르곤 가스비를 1:4, 1:6의 순서로 변화시켜 취입함으로써 탄소농도 0.05중량%에서 0.01중량%까지 탈탄하여 스테인레스강의 탄소농도를 0.01중량%이하까지 낮추는 제3단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 저탄소 스테인레스강의 탈탄법.