KR100368225B1 - 일반용선을이용한극저린강의제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전로에 장입되는 [P] 성분이 1000ppm이상인 일반 용선을 이용하여 최종 [P] 성분이 100ppm이하인 극저린강을 제조하는 방법에 관한 것이다.

구체적으로 본 발명은 용선예비처리공정을 거치지 않은 [P]함량이 약 1000ppm이상인 일반 용선을 1차 취련에서 용선중의 [P]농도를 일단 100ppm이하로 정련한 다음, 이어서 슬래그중의 1/3~1/2 배재하여 승온한 후, 2차 취련에서 용강중의 [P] 농도를 70ppm이하, 바람직하게는 30~70ppm으로 정련하여 최종 소강의 [P]농도가 100ppm이하인 극저린강을 제조하는 방법에 관한 것으로서, 이러한 본 발명의 극저린강의 제조방법에 의하면 극한 환경하에서 압력용기나 라인 파이프 등의 소재로는 사용되는 [P]농도 100ppm이하의 극저린강을 일반 용선을 예비처리하지 않고도 용이하게 제조할 수 있다.

Description

일반 용선을 이용한 극저린강의 제조방법{A METHOD FOR MANUFACTURING EXTRA-LOW PHOSPHOROUS STEEL USING HOT METAL UNTREATED MELT}

본 발명은 극저린강의 제조에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전로에 장입되는 [P] 성분이 1000ppm이상인 용선을 이용하여 최종 [P] 성분이 100ppm이하인 극저린강을 제조하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로 용강중의 함유되는 [P] 성분은 연속주조중 주편 내부에 편석되어 품질불량을 야기하며, 특히 극한 환경하에서 소재의 균열을 유발하여 제품에 악영향을 미치게 된다. 이에 따라 극한 환경하에서 압력용기나 라인 파이프 등의 소재로는 수소유기균열이나 황화물에 의한 응력부식균열 특성에 강한 극저린강을 주로 사용하고 있다.

이러한 극저린강은 보통 [P] 함량이 약 100ppm이하로 함유된 강으로서, 고로의 용선 예비처리공정을 통해 용선중의 [P] 성분을 제거하므로써 얻어진다. 즉, 종래에는 용선을 전로에 장입하기 전, 용선예비처리단계에서 먼저 용선규소 [Si]를 탈규한 다음, 고체 산소원인 부원료 및 기체 산소를 용선에 취입하여 인을 제거한 후 전로에서 정련하는 공정을 통하여 극저린강을 제조하였다. 용선예비처리단계에서의 탈린조업은 용강중의 [P] 성분을 100ppm 수준 이하로 낮출 수 있는 아주 유용한 방법으로 현재 거의 모든 제철소에서 실시하고 있다.

그러나, 용선예비처리에서는 용선의 발열원 역할을 하는 [Si]가 탈규된 상태에서 탈린을 행하게 되므로 간혹 용선의 온도하락이 심하여 전로정련중 승온의 부담을 가지게 되는 문제가 있다. 더구나, 용선예비처리 자체는 고가의 투자비가 필요하며 설비 설치에 소요되는 시간이 길기 때문에 용선예비처리시설이 없는 곳에서는 급변하는 시장의 요구에 능동적으로 대처하지 못하는 단점이 있다.

따라서, 본 발명은 용선예비처리를 거치지 않고 탈린되지 않은 일반 용선을 전로내에서 2회의 정련(double slag)을 행하므로써 부가적인 설비투자나 개조없이 소강중의 [P]함량이 100ppm이하인 극저린강을 제조할 수 있는 새로운 방법을 제공함에 그 목적이 있다.

도1은 일반 용선을 1차 전로정련한 후 종점온도 1620℃에서 슬래그중의 CaO농도변화에 따른 용선중의 [P]농도와 종점 [P] 농도와의 관계를 보이는 그래프

도2는 도1의 1차 전로정련된 용강을 2차 취련한 후 슬래그중의 CaO농도변화에 따른 용강중의 [P]농도와 종점 [P] 농도와의 관계를 보이는 그래프

도3은 본 발명의 취련과정에 따른 [P] 농도변화를 보이는 그래프

도4는 도3의 2차 취련 시간에 따른 용강의 탈린정도를 보이는 그래프

상기 목적달성을 위한 본 발명은 [P] 성분을 100ppm이하로 함유하는 극저린강의 제조방법에 있어서,

용선의 중량(W_HM), 용선중의 [P]농도([P]_HM), 스크랩의 중량(W_scrap), 스크랩중의 [P]농도([P]_scrap), 플럭스 중량(W_flux), 및 플럭스중의 [P]농도([P]_flux)에 대한 값과 취련후의 용강 중량(W_steel), 슬래그의 중량(W_slag) 및 슬래그중의 [P]농도([P]_slag)값을 구하는 단계;

상기와 같이 얻어진 데이터값으로부터 1차 취련후의 취지 [P]농도를 100ppm이하가 되는 [P]분배비를 구하고, 이 [P]분배비를 만족하도록 슬래그중의 생석회(CaO)의 농도를 조성하여 1차 취련하는 단계;

1차 취련된 용강중의 슬래그를 총슬래그의 중량에 대하여 1/3~1/2 배재하는 단계; 및

슬래그가 배재된 용강에 발열재를 투입한 다음, 발열재가 투입된 용강을 최종 출강목표온도까지 승온하면서 취지[P] 농도를 30~70ppm이 되도록 2차 취련하는 단계;를 포함하여 구성되는 일반 용선을 이용한 극저린강의 제조방법에 관한 것이다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

전술한 바와 같이, 보통 극한 환경하에서 압력용기나 라인 파이프 등의 소재로는 수소유기균열이나 황화물에 의한 응력부식균열 특성에 강한 극저린강의 경우 소강[P] 수준은 100ppm이하를 함유하도록 요구된다. 그러나, 실제 전로에서 1차 취련후 출강중 유출된 전로 슬래그중의 P₂O₅는 노외정련공정에서 용강과 슬래그를 강교반하므로써 전량 용강중으로 환원되기 때문에 소강[P]를 100ppm이하로 얻기 위해서는 종점[P]의 농도를 70ppm이하로 제어해야만 최종강의 [P]농도가 100ppm이하로 얻어질 수 있다. 따라서, 본 발명에서는 예비처리를 거치지 않은 일반 용선을 먼저 1차 취련에서 취지(blow-out)후의 [P] 농도를 100ppm이하로 제어한 다음, 2차 취련에서 취지 [P]농도를 70ppm이하로 제어하는 2회의 정련수단을 이용함에 특징이 있다.

우선, 본 발명에서 사용되는 일반 용선이라는 용어는 용선예비처리를 거치지 않고 탈린되지 않은 용선을 말하며, 용선중의 [P]가 약 1000ppm 이상인 용선을 의미한다. 이러한 일반 용선은 고로에서 제선된 용선으로서, 바람직하게는 [C] 3.0∼5.0중량%(이하, 단지 `%'), [Si] 2.0%이하, [Mn] 1.0%이하, [P] 0.200%이하, [S] 0.030%이하, 및 [Ti] 1.0% 이하를 포함한 강종을 들 수 있다.

취련은 통상의 전로제강공정에서와 같이, 전로 상부에서 용탕 표면에 산소를 취입하여 산화시키므로써 원료로 사용되는 일반 용선중의 [P] 성분을 제거한다. 즉, 전로취련에서의 반응은 반응식1과 같이 일어나 용선중의 [P] 성분은 전로정련중 산화되어 슬래그로 제거된다.

2[P] + 5(FeO) = (P₂O₅) + [Fe]

실제 용선의 전로 취련과정에서 일어나는 물질균형(mass balance)을 근거로[P]의 변화를 살펴보면, 취련전 [P]의 중량(W_p-input)과 취련후 [P]의 중량(W_p-output)은 수학식 1과 같이 동일해야만 된다.

W SUB { p-input } ~=~W SUB { p-output }

또한, 취련전후의 [P]의 중량은 각각 수학식2, 3과 같이, 용선, 스크랩 및 및 플럭스의 중량과 [P]농도, 그리고 용강, 및 슬래그중량과 [P]농도로 표현될 수 있다.

W SUB { p-input } ~=~W SUB { HM~ } ×[P] SUB { HM } ~+~W SUB { scrap } ×[P] SUB { scrap~ } +W SUB { flux } ~×[P] SUB { flux }

여기서, W_HM: 용선의 중량(톤)

[P]_HM: 용선중의 [P]농도(%)

W_scrap: 스크랩의 중량(톤)

[P]_scrap: 스크랩중의 [P]농도(%)

W_flux: 플럭스 중량(톤)

[P]_flux: 플럭스중의 [P]농도(%)

W SUB { p-output } ~=~W SUB { steel~ } ×[P] SUB { steel } ~+~W SUB { slag } ×[P] SUB { slag }

여기서, W_steel: 용강의 중량(톤)

[P]_steel: 용강중의 [P]농도(%)

W_slag: 슬래그의 중량(톤)

[P]_slag: 슬래그중의 [P]농도(%)

한편, 통상 용선중의 [P] 제어능은 슬래그 성분과 분위기 온도에 의해 지배를 받으며, 이 [P] 제어능은 일반적으로 수학식4와 같이 [P]분배비(Lp)로 표현될 수 있다.

Lp~=~[P] SUB { slag~ } /[P] SUB { steel }

상기 [P]분배비라 함은 수학식1과 같이, 용선중의 [P]농도([P]_steel)에 대한 슬래그중의 [P]농도비([P]_slag)를 말한다. 따라서, [P]분배비가 높을수록 슬래그중의 [P]농도가 높다는 의미가 되므로 용강중의 [P]함량이 낮은 극저린강을 제조할 수 있는 [P]제어능으로 볼 수 있다.

그런데, 상기한 수학식2, 3의 [P] 농도 변화는 동일해야 하므로 취련후의 용강중에 함유된 [P]농도는 수학식5와 같이 표현될 수 있다.

결국, 수학식5에서와 같이, 용선의 중량(W_HM), 용선중의 [P]농도([P]_HM), 스크랩의 중량(W_scrap), 스크랩중의 [P]농도([P]_scrap), 플럭스 중량(W_flux), 플럭스중의 [P]농도([P]_flux), 용강의 중량(W_steel), 슬래그의 중량(W_slag), 및 슬래그중의 [P]농도([P]_slag)는 정련조업시 사전에 알 수 있으므로 [P]분배비(Lp)값만 결정될 수 있으면 취련후의 용강중의 [P]농도([P]_{1st blow})는 용이하게 제어될 수 있게 된다.

상기 [P]분배비는 취련시 투입되는 부원료와 조업온도와의 관계에서 실험적으로 수학식6과 같이 얻어질 수 있다.

log(Lp)=4.269{log(CaO)+0.3(MgO)+0.1(MnO)}+10,420/T-13.90+2.5log(T.Fe)

여기서, CaO, MgO, MnO, T.Fe: 슬래그중의 CaO, MgO, MnO, T.Fe

T: 용강의 온도

상기 [P]분배비에 대한 실험식은 하나의 예이며, 전로 취련조건 및 부원료의 상태에 따라 계수들은 변할 수 있다. 수학식6에서 (MgO),(MnO)항의 계수는 [P]분배비에 거의 영향을 주지못하게 되므로 [P]분배비는 슬래그중의 CaO, FeO함량을 증가시키거나 저온조업을 하면 [P] 분배비가 증가되어 [P]분배비는 정련과정에서 극저린강을 용이하게 생산할 수 있는가 여부를 결정하는 하나의 인자가 된다. 그러나, [P]분배비 제어를 위해 저온조업을 하면 용강의 온도하락이 우려되며, 또한 슬래그중의 FeO 농도 관리보다 슬래그중의 CaO 농도 관리가 보다 유력함을 알 수 있다.

구체적으로 [P]분배비의 제어를 위해 본 발명의 경우 먼저 일반 용선을 1차 취련에서 취지 [P]의 농도를 100ppm이하로 제어함이 필요하므로 수학식5에 의해 1차 취련후의 취지 [P]농도는 100ppm이하로 하여 이때 Lp값이 결정되면 수학식6에 의해 슬래그중의 생석회(CaO)가 결정될 수 있다. 도1은 용선의 종점온도 1620℃에서 슬래그중의 CaO농도변화에 따른 용선중의 [P]농도와 1차 취련후의 종점 [P] 농도와의 관계를 보이고 있다. 도1에서도 알 수 있듯이, 슬래그중의 CaO함량의 증가에 의해 종점 [P]는 감소하는 경향을 나타내고 있다. 통상 용선중의 [P]농도가 약 1100ppm을 함유한 경우 슬래그중의 CaO농도가 약 40%에서 46%수준으로 증가함에 의해 종점[P] 수준이 120ppm에서 100ppm으로 감소되었다. 따라서, 1차 취련에 의해 [P]농도를 100ppm이하로 낮추기 위해서는 적어도 슬래그중의 (CaO) 농도를 약 44%이상 유지해야 함을 알 수 있다.

그러나, 이러한 슬래그중의 CaO 농도 제어는 용선중의 성분 뿐만아니라 용선의 온도 등 제 조건에 따라 변화될 수 있으므로 본 발명은 이에 한정되지 않음은 물론이다. 즉, 본 발명은 수학식5에서와 같이, 용선중량, 용선중의 [P] 농도 등 사전정보를 통해 [P]분배비(Lp값)를 결정하여 생석회를 투입하여 1차 취련시 용강중의 [P]농도를 먼저 100ppm이하로 제어하는데 하나의 특징이 있다. 바람직하게는 1차 취련시 용강중의 [P]농도를 100~60ppm의 범위로 정련하는 것이다.

그 다음, 1차 취련된 용강중의 슬래그를 총슬래그의 중량에 대하여 1/3~1/2 배재한다. 슬래그의 배재는 전로를 장입측에 경동하여 전로 하부에 위치한 슬래그 배재장에 쏟아내는 작업으로 노의 경동 속도를 조절하여 85。이상 90。이하로 기울여 행한다. 이때, 경동 속도를 과도하게 조절하는 경우 슬래그와 함께 용강이 넘쳐나게 되며 조업사고가 유발되므로 저속 경동함이 바람직하다. 무엇보다도 중요한 것은 슬래그의 배재는 전로내 슬래그 총량의 1/3 수준이상을 배재하는 것이 필요하다.

그 다음, 슬래그가 배재된 용강에 발열재를 투입한 다음, 발열재가 투입된 용강을 최종 출강목표온도까지 승온하면서 취지[P] 농도를 60ppm이하가 되도록 생석회를 투입하여 2차 취련한다. 통상 슬래그 배재를 수행하는 경우 온도강하가 수반되며, 또한 별도의 발열재없이 2차 취련을 행하면 슬래그의 산소함량이 증가하여 출강중 용강과 함께 레이들내로 슬래그가 유출되게 되므로 노외정련 등 후공정에서 복린의 원인이 될 수 있다. 이때, 2차 취련시의 발열재로는 통상 사용되는 Fe-Si나 석탄(coal) 등이면 충분하며, 때로는 염기도 보정용으로 생석회를 추가로 투입할 수 있다.

이와같이 슬래그를 약 1/3정도 배재된 상태에서 생석회를 투입하여 2차 취련을 하게 되면 1차 취련후 용강중의 [P]농도가 100ppm이하에서 70ppm이하로 떨어질 수 있다. 이때, 2차 취련후의 용강중의 [P]농도([P]_steel2)는 상기 1차 취련때와 마찬가지 방법에 의해 구하면 수학식7과 같이 표현될 수 있다.

즉, 수학식7에서와 같이, 1차 취련후 용강의 중량(W_steel), 1차 취련후의 [P]농도([P]_{1st blow}), 최종 용강량(W_steel2), 및 최종 슬래그 중량(W_slag2)은 사전에 알 수 있으므로 2차 취련후 [P]분배비(Lp₂)값만 수학식6에 의해 결정될 수 있으면 2차 취련후의 용강중의 [P]농도([P]_{2nd blow})는 용이하게 제어될 수 있게 된다. 물론 상기 2차 취련후 [P]분배비에 따라 생석회의 투입을 결정할 수 있다. 또한, 2차 취련과정에서 보다 극저린강을 얻기 위해서는 취련시간을 길게하는 것이 필요하며, 취련시간의 연장을 위해서는 전체 송산량은 한정되어 있으므로 송산 유량을 낮추어 조업함이 바람직하다.

도2는 2차 취련후 용강의 종점온도 1650℃에서 슬래그중의 CaO 농도변화에 따른 용강중의 [P]농도와 2차 취련후의 종점 [P] 농도와의 관계를 보이고 있다. 도2에서도 알 수 있듯이, 1차 취련시와 마찬가지로 슬래그중의 CaO함량의 증가에 의해 종점 [P]는 감소하는 경향을 나타내고 있다. 1차 취련후 용강중의 [P]농도가 약 100ppm을 함유한 경우 슬래그중의 CaO농도가 약 46%수준에서 [P]농도가 50ppm정도로 낮아짐을 알 수 있었다.

이러한 1차 취련에서 용선중의 [P]농도를 일단 100ppm이하로 정련한 다음, 이어서 2차 취련에서 용강중의 [P] 농도를 70ppm이하, 바람직하게는 30~70ppm으로정련하는 본 발명의 2회 정련(double slag)을 이용하면 일반적으로 [P]농도가 1000ppm이상인 용선을 예비처리하지 않고도 용이하게 최종 제품의 [P]농도가 100ppm이하인 극저린강의 제조가 가능하다.

이하, 본 발명을 실시예를 구체적으로 설명한다.

[실시예]

중량%로, [C] 4.5%, [Si] 0.35%, [Mn] 0.35%, [P] 1064ppm, [S] 0.020%을 포함한 용선 300톤에 약 12톤의 생석회를 투입하여 1차 취련하였다. 1차 취련후 용강의 종점온도는 1630℃이었으며, 용강중 [P] 농도는 77ppm였다.

그 다음, 1차 취련후에 슬래그를 10톤 정도 배재한 후, 생석회 약 4톤, Fe-Si 약 0.7톤을 투입하여 최종 용강의 온도를 약 1660℃로 승온하면서 2차 취련을 행하였다. 상기와 같은 각 취련과정에서의 [P]농도를 도3에 나타내었다. 또한, 2차 취련과정에서 취련시간에 따른 용강의 탈린 정도를 도4에 나타내었다.

도3에 나타난 바와 같이, 본 발명의 2회 정련법에 의하면 1차 취련후 용강의 [P]농도는 약 77ppm에서 2차 취련후에는 약 40ppm로 감소되었으며, 최종 소강중의 [P]농도는 80ppm을 나타내고 있음을 알 수 있었다.

도4와 같이 2차 취련시간을 1.3분에서 3.8분으로 연장함에 따라 탈린율이 증가되었음을 알 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 의하면 용선예비처리를 거치지 않고 탈린되지 않은 일반 용선을 전로내에서 2회의 정련(double slag)을 행하므로써 부가적인 설비투자나 개조없이 소강중의 [P]함량이 100ppm이하인 극저린강을 제조할 수 있는 효과가 있다.

Claims (2)

1. [P] 성분을 100ppm이하로 함유하는 극저린강의 제조방법에 있어서,

   용선의 중량(W_HM), 용선중의 [P]농도([P]_HM), 스크랩의 중량(W_scrap), 스크랩중의 [P]농도([P]_scrap), 플럭스 중량(W_flux), 및 플럭스중의 [P]농도([P]_flux)에 대한 값과 취련후의 용강 중량(W_steel), 슬래그의 중량(W_slag) 및 슬래그중의 [P]농도([P]_slag)값을 구하는 단계;

   상기와 같이 얻어진 데이터값으로부터 1차 취련후의 취지 [P]농도를 100ppm이하가 되는 [P]분배비를 구하고, 이 [P]분배비를 만족하도록 슬래그중의 생석회(CaO)의 농도를 조성하여 1차 취련하는 단계;

   1차 취련된 용강중의 슬래그를 총슬래그의 중량에 대하여 1/3~1/2 배재하는 단계; 및

   슬래그가 배재된 용강에 발열재를 투입한 다음, 발열재가 투입된 용강을 최종 출강목표온도까지 승온하면서 취지[P] 농도를 30~70ppm이 되도록 2차 취련하는 단계;를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 일반 용선을 이용한 극저린강의 제조방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 1차 취련단계에서 [P]분배비(Lp)는 하기 수학식 6, [수학식 6]

   log(Lp)=4.269{log(CaO)+0.3(MgO)+0.1(MnO)}+10,420/T-13.90+2.5log(T.Fe)

   에 의해 결정함을 특징으로 하는 일반 용선을 이용한 극저린강의 제조방법.