KR100384119B1 - 저탄소, 저질소 스테인레스강의 정련방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 저탄소, 저질소 스테인레스강의 정련방법에 대한것으로, 정련로에 장입되는 스테인레스용강의 탄소농도를 1.8%-2.0중량%로 조절하고, 정련로의 탈탄과정에서 탄소를 제거하기 위해 공급하는 산소의 취입방법으로, 1.8-2.0중량%의 탄소농도에서 0.7-0.8중량%까지는 상취랜스(lance)를 이용하고, 그 이하의 탄소농도에서는 상취랜스를 사용하지 않고 횡취튀이어(tuyere)만을 이용하여 산소를 취입하는 것으로 이루어지며, 이로써 스테인레스강의 탄소농도 저감에 문제를 야기시키지 않으면서 질소농도를 낮출 수 있으며, 이 결과 연속 주조시 TiN에 의한 침적노즐의 막힘현상을 현저하게 개선하는 효과가 얻어진다.

Description

저탄소, 저질소 스테인레스강의 정련방법

본 발명의 목적은, 저탄소, 저질소의 Ti 안정화 스테인레스강의 제조시 탄소농도조절상의 문제점을 발생시키지 않으면서 용강중의 질소농도를 효과적으로 낮출 수 있는 스테인레스강 정련방법을 제공하는 것이다.

본 발명은 저탄소, 저질소의 Ti 안정화 스테인레스강 제조시 AOD 정련로에서의 질소농도를 낮추는 정련방법에 관한 것이다.

스테인레스강중의 탄소, 질소는 가공중의 연신율 및 용접부의 인성 저하등철강제품의 여러가지 기계적 성질을 나쁘게 하기 때문에 해로운 원소로 알려져 있다. 스테인레스강은 크롬, 망간등 탄소 및 질소와의 친화력이 높은 원소를 다량 함유하고 있기 때문에 스테인레스강의 정련시에 탄소 및 질소를 제거하는 기술은 매우 중요하다. 특히 STS409L강과 같이 Ti를 함유하는 강은 탄소 및 질소가 각각 탄화물 또는 질화물을 형성하기 때문에 두 성분의 농도를 낮추어야 하는데 특히 질소의 경우에는 응고 과정중에 TiN이 생성되어 연속주소시의 노즐 막힘현상을 일으키거나 열연 코일의 표면 결함을 야기시키므로 용강중의 질소농도를 적극적으로 감소시켜야 한다.

도 1은 11.5% Cr을 함유한 스테인레스강에서 온도에 따른 용강중 [Ti]와 [N]관계를 나타낸 것으로 Ti농도가 증가함에 따라 용해 질소농도가 감소하는 것을 볼 수 있다. 만일 용강중 질소가 용해질소 농도보다 높으면 질소는 TiN이 되어 석출하게 되며 TiN은 전술한 바 같은 제반 문제를 야기시키게 된다. 또한 도면으로부터 동일 Ti농도에서 용강온도가 감소할수록 용해 질소농도도 감소한다. 즉, 정련로 용강 출강후 주조할때까지 용강의 온도는 점차 감소하게 되는데, 이에 따라 고온에서 용해된 질소가 TiN으로 석출하게 되므로 STS409L의 질소농도는 STS409L의 응고온도(1505℃)에서의 질소농도(0.15%Ti에서 약 100ppm)보다 낮추어 주는 것이 바람직하다.

본 명세서에서 사용한 %는 특히 표시한바가 없더라도 중량 %를 의미함은 명백하다.

전기로-AOD(Argon Oxygen Decarburization) 공정으로 스테인레스강을 제조할때 전기로를 이용하여 합금철 및 일반 스크랩을 용해하는데, 아크(Arc)방전에 의해 공기중의 질소가 용강중으로 용해되기도 하고, 출강시에 용강과 공기의 접촉에 의해 질소가 흡수되어 용강중의 질소농도를 증가시켜 AOD장입전의 질소농도는 200-250PPM정도가 함유되어 있다. AOD에서는 산소와 아르곤의 혼합가스를 이용하여 전기로에서 제조한 스테인레스강 용강의 탄소를 제거하고 있는데 스테인레스강중의 질소는 이러한 탈탄과정중에 생성되는 CO 가스 기포와 아르곤 가스 기포에 의해 제거되는 것으로 알려져 있으며, AOD 정련로 이후의 공정에서 질소농도를 저감시키는 것은 불가능하므로 정련로내의 정련과정에서 질소농도를 충분히 낮추어야 한다.

용강의 탈질소 반응은 다음의 5가지 소과정으로 나누어 생각할 수 있다.

1) 액상중 질소 원자는 랜덤하게 움직이지만, 전체적으로는 계면으로 이동,

2) 원자가 계면에 흡착, 이동,

3) 이동한 질소원자는 다른 질소 원자와 충돌,

4) 부딪힌 2개의 N원자는 N₂가 되고, 액상측 계면으로부터 기상측 계면으로 이동,

5) 기상측 계면으로 이동한 N₂가스가 되어 기상측으로 이동.

이들 일련의 반응이 일어날때, 이 반응의 속도는 가장 느린 과정에 의해서 결정된다. 일반적으로 탈질소반응에 있어서 가장 느린과정, 즉 율속단계는 4)의 N₂분자 생성과정으로 알려져 있으며, 이소과정의 반응을 촉진시키기 위해서는 질소원자가 흡착할 수 있는 반응 장소(site)를 많게 하는 것이 바람직하며, 반응장소를늘리기 위한 수단으로써 AOD정련로에 장입되는 스테인레스 용강의 탄소농도를 높여 CO 발생량을 증가시키거나 아르곤 취입가스량을 증가시키는 방법이 있다. 그러나 아르곤 취입량을 증가시키는 방법은 CO가스 기포와 비교하여 탈질소 효율이 떨어질 뿐만아니라, 아르곤 수급의 균형이 깨져 다음 차지(charge)의 생산 대기가 발생하게 되는 단점이 있다. 정련로에 장입되는 용강의 탄소 농도를 높이는 방법은 정련시간이 길어지고, 크롬산화를 증가시키므로 질소 농도를 낮추기 위한 최적의 탄소농도 및 정련기술이 필요하다.

이에 본 발명의 발명자들은 상기한 종래방법들의 문제점을 개선하기 위해 연구 및 실험을 행하고, 그 결과에 근거하여 본 발명을 제안하게 된 것으로써, 본 발명은 저탄소, 저질소의 Ti안정화 스테인레스강의 제조시에 탄소농도 조절상의 문제점을 발생시키지 않으면서 용강중의 질소농도를 효과적으로 낮출 수 있는 정련방법을 제공하는 데, 본 발명의 저탄소, 저질소, 스테인레스강의 정련방법은, 저탄소, 저질소의 Ti 안정화 스테인레스강의 제조시에 질소농도를 낮추는데 있어서, 정련로에 장입되는 스테인레스 용강의 탄소농도를 1.8%-2.0%로 조절하고, 정련로의 탈탄과정에서 탄소를 제거하기 위해 공급하는 산소의 취입방법으로 1.8-2.0%의 탄소농도에서 0.7-0.8중량%까지는 상취랜스(Lance)를 이용하고(이후 "상취단계"라 칭함), 그 이하의 탄소농도에서는 상취랜스를 사용하지 않고 횡취 투이어(tuyere)만을 이용하여 산소를 취입함으로써 스테인레스강의 질소 농도를 낮추는 구성으로 이루어지고 있다.

도 1 은 11.5% Cr의 STS강에서의 Ti와 N의 관계를 나타내는 그래프도,

도 2 는 정련로 종점에서의 질소농도와 제품의 질소농도의 관계를 나타내는 그래프도,

도 3 은 장입 탄소농도가 질소농도에 미치는 영향을 나타내는 그래프도,

도 4 는 장입 탄소농도와 탄소픽업량의 관계를 나타내는 그래프도,

도 5 는 상취랜스 종점에서의 탄소농토와 질소농도의 관계를 나타내는 그래프도.

이하, 상술한 정련법에서 탄소농도의 한정 이유와 정련방법에 대해 첨부도면과 관련하여 설명한다. 본 발명에서 정련로에 장입되는 스테인레스 용강의 탄소 농도를 1.8-2.0중량%로 한정한 것은, 용강중의 장입 탄소농도가 1.8 중량% 이하가 되면 질소농도를 저감시키기 위한 탈탄량이 부족하며 2.0중량% 이상이 되면 용강중의 질소농도를 더욱 낮추는 것은 가능하지만, 그 효과가 그다지 크지 않으면서 탈탄정련시간이 길어짐과 동시에 탈탄종료후의 크롬산화물 환원단계와 출강중에 탄소 픽업(pick-up)의 원인이 되기 때문이다. 장입 탄소농도가 높은 경우 환원단계에서 탄소 픽업의 원인이 되는 것은 탈탄과정에서 고속의 산소 제트에 의해 비산된 고탄소 함유 금속 입자가 탈탄과정중의 고체상태의 슬래그중에 혼재되었다가 환원단계에서 슬래그가 액화되면서 금속입자가 용강중으로 들어가 용강의 탄소농도를 높이게 되기 때문이다. 또한, 탈탄 과정에서 산소 제트(jet)에 의해 비산된 고탄소 함유 금속입자가 정련로 내화물에 붙어있다가 출강 과정에서 용강에 녹아들어가 탄소농도를 높이게 되기 때문이다. 또한 본 발명에서 상취단계의 탄소농도를 0.7-0.8중량%로 한정한 것은 0.8%이상의 탄소농도에서 상취 랜스의 사용을 중지하고 그 이하의 탄소 제거를 위해 투이어만으로 산소를 공급하면 투이어의 산소공급능력이 상취 랜스에 비해 떨어지기 때문에 탈탄속도가 저하되어 정련시간이 길어지는 것에 기인한다. 또한 탄소농도가 0.7중량% 이하까지 상취 랜스를사용하는 경우는 탈질반응의 반응장소를 제공하는 CO기포가 용강 표면에서 생성되므로 탈질소 반응 효율이 떨어져 용강의 질소농도를 낮추는 데 효과적이지 못하기 때문이다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명의 실시예는 실제 스테인레스강을 생산하고 있는 90톤 용량의 AOD 정련로에서 실시하였다. 시험대상으로는 대표적인 저질소강인 SUS409L강을 선정하였으며 표 1에 조성을 나타내었다. 장입용강중의 탄소농도 및 상취단계의 탄소농도는 0.5-1.0%의 범위로 조절하였다.

도 2는 STS409L 생산공정중 정련로 종점 질소 농도와 응고후 제품중의 질소농도의 관계를 보여주는 것으로, 응고제품의 질소농도는 정련로 종점 질소농도가 낮을수록 낮아지며, 100ppm이하로 낮추기 위해서는 정련로 종점에서 약 50ppm이하가 되어야 한다는 것을 보여준다.

도 3은 정련로 종점 질소농도와 장입 탄소 농도의 관계를 나타낸 것이다. 질소농도는 탄소농도가 증가함에 따라 감소하며, 약 1.8% 이상에서 50ppm이하의 질소를 안정적으로 얻을 수 있다. 이것은 탈탄량의 증가에 의해 탈질소 반응이 촉진된 것으로 생각된다. 그러나 2.0중량% 이상으로 탄소농도를 높이면 용강중의 질소농도를 더욱 낮추는 것은 가능하지만, 그 효과가 그다지 크지 않으면서 탈탄정련시간이 길어짐과 동시에 크롬산화가 증가하는 문제가 생긴다. 특히 탈탄종료후의 크롬산화물 환원과정과 출강중에 탄소 픽업(pick up)량을 증가시켜, 저탄소를 만드는데 장애가 되기 때문에 바람직하지 못하다.

도 4는 장입 탄소농도와 탄소 픽업량의 관계를 나타낸 것으로 탄소 픽업량은 장입 탄소농도가 높을 수록 증가하는데, 이것은 상술한 바와같이 산소취입시기에 고탄소를 함유한 금속 미립자가 생석회등의 부원료와 엉켜있거나, 노벽에 붙어 있어 산소 취입중에 탈탄이 일어나지 못하고 탄소를 함유한 상태에서, 환원제 및 형석등이 첨가되는 환원기에 슬래그와 함께 용해되어 용강의 탄소농도를 높이는 것에 기인하는 것으로 판단된다. 그러므로 저질소강 정련을 위한 장입탄소의 상향은 정련시간의 연장 뿐 아니라 저탄소강 제조에도 장애가 되므로 저탄소, 저질소강 제조시 정련로 장입 탄소농도는 1.8-2.0%가 적절하다.

도 5는 질소농도와 상취단계 탄소농도의 관계를 나타낸 것으로, 정련중 질소농도는 탄소농도가 높을 수록 감소하며 0.7%에서 50ppm질소를 얻을 수 있다. 그러나 0.8%C이상에서는 그 효과가 그다지 크지 않고, 상취단계 탄소농도를 높게하면 전체 취련시간이 길어지기 때문에 0.7%-0.8%가 상취단계의 적정 탄소농도로 생각된다. 이것은 상취산소에 의해 용강 표면 부근에서 발생한 CO가스보다는 횡취 투이어를 통해 강욕중으로 공급된 산소에 의해 용강내에서 발생하는 CO가스가 탈질반응에 효과적이기 때문으로 생각된다. 그리고 상취단계 탄소농도를 높게하여도 0.8%C 이상에서 효과가 감소하는 것은 AOD정련에서 상취단계 탄소농도가 높아지면 후속 탈탄단계의 탈탄시간이 길어지므로 노구를 통한 공기유입량이 많아지고, 이때의 질소픽업의 영향으로 그 효과가 반감되는 것으로 추정된다. 그러므로 STS409L강의 저질소화를 위한 정련로 장입탄소 및 상취단계 탄소농도는 각각 1.8%-2.0%, 0.7%-0.8%가 바람직하다.

표 2는 본 발명의 적용에 의해 생산된 STS409L의 정련로 종점 및 제품에서의 탄소 및 질소 농도를 나타낸 것으로 탄소, 질소농도를 극히 낮은 수준까지 낮추는것이 가능하게 되었으며, 이 결과 연속주조시에 TiN에 의한 침적 노즐막힘 현상을 현저하게 개선할 수 있었다.

표 1 STS409L 요구조성(중량%)

표 2 STS409L 실시예

Claims (1)

1. 저탄소, 저질소 Ti안정화 스테인레스강의 제조시 질소농도를 낮추는 정련방법에 있어서, 정련로에 장입되는 스테인레스 용강의 탄소농도를 1.8%-2.0%로 조절하고, 정련로의 탈탄과정에서 탄소를 제거하기 위해 공급하는 산소의 취입방법으로, 1.8-2.0중량%의 탄소농도에서 0.7-0.8중량%까지는 상취랜스(lance)를 이용하고, 그 이하의 탄소농도에서는 상취랜스를 사용하지 않고 횡취 투이어(tuyere)만을 이용하여 산소를 취입하는 것으로 이루어지는 스테인레스강의 탄소농도 저감에 문제를 야기시키지 않으면서 질소농도를 낮추는 것을 특징으로 하는 저탄소, 저질소 스테인레스강의 정련 방법.