KR100402005B1 - 청정도가 우수한 극저탄소 알루미늄 탈산강의 정련방법 - Google Patents

청정도가 우수한 극저탄소 알루미늄 탈산강의 정련방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 극저탄소 알루미늄 탈산강의 제조방법에 관한 것이며, 그 목적하는 바는 슬래그중 T.Fe+MnO의 함량을 상향화하여 레이들내 용강의 감압처리시 탈탄효율을 떨어뜨리지 않으면서도 강중 비금속 개재물의 양을 줄일 수 있는 극저탄소강의 정련방법을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 1차 정련된 용강을 레이들로 출강하고 슬래그 탈산제를 투입하여 레들슬래그중 T.Fe+MnO의 함량을 6~24중량%로 조정 하고, 이어 진공탈가스설비에서 탈탄 및 탈산한 다음, T.Fe+MnO의 함량을 24중량% 이하로 조정하면서 슬래그중 산화칼슘/산화알루미늄의 중량비가 1.1~2.5가 되도록 조절하되 상기 T.Fe+MnO의 함량과 산화칼슘/산화알루미늄의 비가 다음의 조건, 산화칼슘/산화 알루미늄=0.05×(T.Fe+MnO)+(0.9~1.3)을 만족하도록 하는 것을 포함하여 이루어지는 고청정 극저탄소강의 정련방법에 관한 것을 그 기술적요지로 한다.

Description

청정도가 우수한 극저탄소 알루미늄 탈산강의 정련방법{A METHOD FOR REFINING ULTRA LOW CARBON Al-KILLED STEEL OF HIGH CLEANINESS}
본 발명은 전로 또는 전기로에서 1차 정련된 용강을 진공탈가스장치(RH, DH, VD, VOD, VTD등)에서 탈탄하여, 청정도가 우수하고 결함이 적은 냉연용 극저탄소강의 제조방법에 관한 것이다.
현대 대량생산체제에서 강재는, 용융상태의 용강을 제조한 다음 일정 형상으로 주조하여 응고시킨 뒤 압연 등의 가공공정을 거쳐 제조되고 있다. 용융상태의 용강을 제조하는 방법으로는, 크게 용광로-전로법과 전기로법으로 대별된다. 전로와 전기로 등 1차 정련로에서 제조된 용강은 레이들(Ladle)이라는 용강 보관용기에 출탕되어 후속되는 주조공정에 적합하도록 처리되고 있다.
표면성상과 품질이 양호한 냉연강판 소재로는 림드강(Rimmed steel), 캡트강(Capped steel) 및 알루미늄 킬드강(Al-killed steel)이 주로 사용되고 있는데, 림드강 및 캡트강은 주조시 핀홀(Pin hole)과 같은 결함을 일으키고 응고층의 성장이 불안정하기 때문에 연속주조법으로는 제조하기가 곤란하다. 따라서, 연속주조법에서는 냉연강판으로 알루미늄 킬드강을 사용해야 한다. 알루미늄 킬드강은 강중 탄소(C)농도가 낮을수록, 제품의 이방성(r-value)지수가 증가되어 품질이 향상되기 때문에, 탄소농도를 가능한 낮은 수준(통상 100ppm 이하)까지 낮추어 극저탄소강으로 제조하는 것이 바람직하다.
제철, 제강공정에서 탄소([C])는 아래 반응식1과 같이 강중 산소([O])와 반응하여, 일산화 탄소(CO)가스 상태로 제거된다.
[C]+[O]→CO(gas)
이 반응에서 보면 탄소는 산소농도가 높을수록 낮아진다. 그런데, 강중 산소농도는 접촉하고 있는 슬래그중 산화철(FeO)농도가 증가함에 따라 증가되지만, 일정온도에 대한 포화상태가 존재하고, 통상의 제강온도인 1600~1680℃ 정도에서는 0.2~0.3중량% 정도가 된다. 따라서, 전로 또는 전기로 등 1차 정련로에서 탄소농도를 150ppm 이하로 유지하기는 이론적으로 불가능하다. 그러므로, 100ppm 이하의 탄소농도를 유지하는 극저탄소강을 제조하는 경우, 1차 정련로에서 레이들에 출강된 용강에 대한 감압정련공정이 요구되는 것이다. 감압정련공정은 진공탈가스설비에서 행해지는데, 그 예로는 환류식 탈가스장치(RH), 분류식 탈가스장치(DH), 진공 탈가스장치(VD : Vaccum Degasing), 진공탈탄장치(VOD : Vaccum Oxygen Decarburization), 진공탱크 탈가스장치(VTD : Vaccum Tank Degasing) 등이 있다. 이중 대표적인 것이 RH이다.
진공탈가스 설비에서의 정련공정을 RH를 예로 설명하면, 레이들의 용강을 RH의 정련로에 흡상하여 환류하면서 탈탄하여 탄소농도를 100ppm 이하로 만들고, 잔류산소를 제거하기 위해 탈산공정을 실시한다. 이러한 RH에서 탈탄반응에 소요되는 시간은 약 15~20분 내외이기 때문에, RH 총처리시간을 35~40분으로 간주하더라도 탈산에 의해 발생하는 강중 개재물의 제거를 위한 시간은 20분 미만이 된다. 따라서, 극저탄소 알루미늄 탈산강의 개재물제거는 일반 저탄소 알루미늄 탈산강에 비해 신속하게 달성해야한다. 특히, 알루미늄 탈산강에는 탈산을 위해 첨가된 알루미늄중의 90~95%가 슬래그층으로 분리 제거되지만, 나머지는 강중에 비금속 개재물로 존재하므로, 이러한 잔류 산화물을 짧은 시간안에 처리하기가 쉽지 않다.
만일 용강중에 비금속개재물이 많은 경우에는 후속되는 연속주조 작업에서 내화물제 노즐의 내벽에 비금속 개재물이 부착, 성장하여 노즐 내면을 축소시키므로 주조가 더이상 곤란하게 되는 문제를 유발할 수 있으며, 주조된 강괴 또는 주편 표층부에 비금속 개재물이 다량 존재하게 되면 표층부를 제거해야 하므로 실수율이 크게 감소된다. 따라서, 주조 이전 단계에서 강중 비금속 개재물의 양을 가급적 적은 수준까지 저감하는 것이 중요하다. 용강중 비금속 개재물의 양을 저감하기 위한 노력은 매우 오래전부터 철강생산업체의 중대 과제 중 하나로, 현재 탈산방법, 레이들내 용강의 교반방식, 분체 취입, 슬래그 개질 등 각종 방법이 개발되어 실용화 되어있다.
알루미늄 킬드강에 대해서는, 산화물계 비금속 개재물의 흡수능력이 큰 슬래그로 용강을 처리하는 방법이 효과적인 것으로 알려져 있다. 산화물계 비금속 개재물의 흡수능력이 큰 슬래그에 대해서는 많은 보고와 특허 등이 발표되어 있는데, 어느 경우에 있어서도 환원성 분위기를 유지하도록 산화도를 낮추어야 하는 것으로 알려져 있다. 슬래그의 산화도는 산화철 (FeO, Fe2O3등), 산화망간(MnO등)과 같은 저급 산화물의 양이 많을수록 높아지므로, 산화물계 개재물의 저감을 위해서는 용강과 접촉하고 있는 슬래그 중 포함된 이들 저급 산화물의 농도를 감소시켜야만 한다.
이러한 목적으로 가장 널리 사용되고 있는 방법은, 알루미늄 등을 함유하고 있는 슬래그 탈산제를 투입하여 저급 산화물을 저감시키는 방법인데, 현재 수종의 특허가 출원 또는 등록되어 있다(예: 대한민국특허 제 56122호, 60757호 및 출원번호 1992년 제10826호, 일본 공개특허공보 소59-70710 등). 상기 특허들은, 용강중 비금속 개재물을 줄이고 청정도를 향상시키기 위해 레이들 슬래그중 T.Fe+MnO 농도(산화도)를 가능한 낮추고 있으며, 도 1은 그러한 필요성을 잘 보여주고 있다. 이러한 측면에서 레이들 슬래그중의 산화도를 1.5~3중량%로 조절하고 있다.
그러나, 슬래그중 T.Fe+MnO 농도가 낮을수록 반응식1에서 보인 탈탄반응에 참여하는 강중 산소([O])농도가 낮아져 감압처리효율이 떨어지고, 이로 인하여 일정 수준 이하의 탄소농도를 달성하기 어렵기 때문에, 탄소농도가 0.02% 이상인 저탄소 알루미늄 킬드강의 제조는 용이하지만, 탄소 농도 100ppm 이하의 극저탄소강 으로서 청정강을 제조하기가 쉽지 않다.
이에, 본 발명은 슬래그 중 T.Fe+MnO의 함량을 탈탄속도에 유효한 범위로 조정하여 탈탄효율을 확보하면서도 강중 비금속 개재물의 양을 줄일 수 있도록 슬래그를 제어하여 고청정 극저탄소 알루미늄 킬드강을 제조할 수 있는 방법을 제공하는데, 그 목적이 있다.
도1은 슬래그중 T.Fe+MnO값이 강중 산소농도에 미치는 영향을 나타내는 그래프.
도2는 슬래그중 T.Fe+MnO값이 탈탄속도정수(K)에 미치는 영향을 나타내는 그래프.
도3은 슬래그중 T.Fe+MnO값이 강중 산소농도에 미치는 영향에 대하여 종래예와 발명예를 비교한 그래프.
도4는 슬래그중 CaO/Al2O3의 중량비와 강중 산소농도와의 관계를 나타내는 그래프.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 1차 정련된 용강을 레이들로 출강하고 슬래그 탈산제를 투입하여 레들슬래그중 T.Fe+MnO의 함량을 6~24중량%로 조정 하고, 이어 진공탈가스설비에서 탈탄 및 탈산한 다음, T.Fe+MnO의 함량을 24중량% 이하로 조정하면서 슬래그중 산화칼슘/산화알루미늄의 중량비가 1.1~2.5가 되도록 조절하되 상기 T.Fe+MnO의 함량과 산화칼슘/산화알루미늄의 비가 다음의 조건, 산화칼슘/산화 알루미늄=0.05×(T.Fe+MnO)+(0.9~1.3)을 만족하도록 하는 것을 포함하여 구성된다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명은 진공탈가스처리전에 레이들 슬래그의 T.Fe+MnO 함량(산화도)을 탈탄효율을 최적화할 수 있는 범위로 조절하는 대신, 슬래그의 산화도와 CaO/Al2O3의 비를 유기적으로 관리하여 용강의 청정도를 확보하는데, 그 특징이 있다.
일반적으로 탈탄속도식은 아래 반응식2와 같이 표시되는데, 이 탈탄속도식에서 탈탄반응속도 정수K가 클수록 탈탄반응은 빠르게 진행되며, 이에 따라 탈탄처리시간은 단축된다.
[C]=[C]0exp(-Kt)
(여기서, [C]0는 초기 강중 탄소농도, t는 반응시간, [C]는 시간 t에서의 강중 탄소농도, K는 탈탄 반응속도 정수)
상기 탈탄반응속도 K를 크게 할려면 슬래그중의 T.Fe+MnO의 함량을 높이는게 유효하며, 이 관계는 도 2에 나타나 있다. 따라서, 슬래그중 T.Fe+MnO 농도를 높게 하여 탈탄반응속도 K를 높여서 극저탄소강을 용이하게 제조할 수는 있으나, 그에 따른 용강의 오염이 가장 큰 문제로 대두된다.
본 발명자들은, 슬래그중의 T.Fe+MnO 농도를 높게하면서도 용강의 청정도를 확보할 수 있는 방안을 개발하기 위한 일련의 연구과정에서 슬래그의 T.Fe+MnO 농도와 CaO/Al2O3의 관계에 주목하게 되었다. 즉, 도 4에서 보듯이, 슬래그중에 일정량의 T.Fe+MnO 농도에 대해서 용강의 토탈산소를 최적화하는 슬래그의 CaO/Al2O3의 비가 존재한다는 것을 발견하게 되었다.
본 발명자들이 도 4의 실험결과를 분석한 바에 의하면,
첫째, 슬래그의 CaO/Al2O3의 비가 낮아질수록 슬래그가 저융점화되어 반응성이 좋아지는 반면, 슬래그의 T.Fe+MnO가 용강을 오염시킬 가능성이 커지기 때문에 슬래그의 CaO/Al2O3의 비가 낮으면 낮을수록 T.Fe+MnO 농도를 낮게 관리하면 좋다는점과,
둘째, 이러한 추이대로 하면서도 슬래그의 T.Fe+MnO 농도에서 가장 적합한 CaO/Al2O3의 비가 존재한다는 것을 알게 되었다.
본 발명자들은 슬래그의 T.Fe+MnO 농도와 CaO/Al2O3의 유기적인 관계를 분석한 결과 슬래그의 T.Fe+MnO 농도와 CaO/Al2O3의 비가 갖는 상관관계를 아래의 관계식 1로 도출할 수 있었다.
[관계식 1]
CaO/Al2O3= 0.05×[T.Fe+MnO] + (0.9~1.3)
상기 관계식에 의한 T.Fe+MnO 농도에 따른 용강의 청정도에 유효한 CaO/Al2O3의 비는 아래 표 1과 같다.
T.Fe+MnO값(%) CaO/Al2O3비
1 0.95∼1.35
2 1∼1.4
3 1.05∼1.45
4 1.1~1.5
6 1.2~1.6
8 1.3~1.7
10 1.4~1.8
12 1.5~1.9
16 1.7~2.1
20 1.9~2.3
24 2.1~2.5
본 발명에서는 슬래그의 T.Fe+MnO 농도와 CaO/Al2O3의 비가 상기 관계식 1을 만족하면서도 CaO/Al2O3의 비가 1.1~2.5범위내에서 조절되어야 하는데, 그 이유는 상기 범위내에서 슬래그의 포집능과 용강의 오염도가 최대화되기 때문이다.
상술한 바와 같이, 본 발명에서는 슬래그의 T.Fe+MnO 농도를 탈탄속도정수를 고려하여 가능한 높게하고, 이어 진공탈가스 설비에서 탈탄 및 탈산한 다음에, T.Fe+MnO 농도와 CaO/Al2O3의 비를 관계식 1을 만족하도록 정련하는데, 이때의 정련조건을 구체적으로 정련방법과 함께 설명한다.
통상적으로 전로 또는 전기로에서 1차정련한 용강을 레이들로 출강하는데, 이때 출강하면서 용강탈산을 위해 탈산제와 슬래그 조제를 위한 부원료 등을 투입하고 출강이 완료되면 슬래그의 탈산을 위해 슬래그 탈산제를 투입하고 버블링하면서 슬래그의 T.Fe+MnO 농도를 목표치로 관리하면서 정련한다. 이러한 슬래그 탈산제로는 알루미늄 계가 널리 알려져 있다.
본 발명에서는 상기 레이들에서 슬래그의 T.Fe+MnO 농도를 6~24중량%로 조정하는데, 이는 도 2에서 알 수 있듯이, T.Fe+MnO가 6중량% 미만이면 K값이 저하하기 시작하기 때문이다. 또한, 슬래그의 T.Fe+MnO의 농도가 24중량%를 초과하면 이를 탈산하는데 필요한 탈산제의 양이 증가하여 비경제적이다.
상기와 같이 슬래그의 산화도가 조정된 레이들의 용강을 통상의 방법에 따라 설비에서 탈탄 및 탈산한다.
그 다음, 레이들에 존재하는 슬래그의 T.Fe+MnO 농도와 CaO/Al2O3의 비를 조절하는데, 이때 레들슬래그의 T.Fe+MnO 농도가 24%이하의 경우에는 관계식 1에 따라 T.Fe+MnO 농도에 적합한 CaO/Al2O3의 비가 되도록 CaO/Al2O3의 비를 조절한다. 실제 CaO/Al2O3의 비의 조절은 CaO 또는 Al2O3를 첨가하여 조절할 수 있다. 만일 진공탈가스 정련을 완료한 레들슬래그의 T.Fe+MnO 농도가 24%를 넘으면 슬래그 탈산제(알루미늄)을 투입하여 레들슬래그의 T.Fe+MnO 농도를 조절하면서 CaO/Al2O3의 비도 함께 상관관계에 따라 조절한다.
본 발명에서 진공탈가스처리가 완료된 레들슬래그의 T.Fe+MnO 농도를 24중량%이하로 하는 것은, T.Fe+MnO 농도가 이 보다 높으면 관계식 1에 의해CaO/Al2O3의 비를 조절하더라도 용강중의 토탈산소가 높아지기 때문이다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
(실시예 1)
고주파 유도 용해로를 이용하여 1600℃에서 용강 30㎏을 용해하고, 여기에 T.Fe+MnO 농도가 다양한 슬래그를 제조하여 2㎏ 투입한 후 20분간 처리하였다. 이때 T.Fe+MnO 농도에 따른 CaO/Al2O3의 비를 조절하였다. 이와 같이 정련처리한 용강의 토탈산소를 측정하고 이를 도 3에 나타내었다. 도 3에서 종래예는 도 1의 결과를 나타낸 것인데, 이는 T.Fe+MnO 농도와는 무관하게 CaO/Al2O3의 비를 일정하게 유지하여 얻은 결과이다.
도3에서 알 수 있듯이, 종래예에서는 슬래그중 T.Fe+MnO값이 증가함에 따라 강의 청정도가 저하되어 T.[O]가 35ppm까지 높아지는데 반해, CaO/Al2O3비를 조절한 본 발명의 경우에는, T.Fe+MnO값이 증가하여도 청정도 변화는 크지 않고, T.[O]이 15~20ppm내외로 유지되는 것을 알 수 있다. 그러나, T.Fe+MnO값이 24%를 초과하면 본 발명의 경우에도 T.[O]가 다소 증가하는 경향이 나타났다.
(실시예 2)
실시예 1과 동일한 고주파 유도 용해로를 이용하여 1600℃에서 용강 30㎏을 용해하고 2㎏의 슬래그를 주입하여 20분간 처리한 후, 강중 T.[O]에 미치는 CaO/Al2O3비의 영향을 도4에 나타내었다. 여기서는, 그 중 T.Fe+MnO의 농도가 각각 6, 12중량%인 경우를 선택한 결과이다.
도4에 나타난 바와 같이, T.Fe+MnO이 6%인 경우, CaO/Al2O3비가 1.2~1.6인 범위에서 T.[O]는 15~17ppm으로 낮았고, CaO/Al2O3비가 이보다 낮거나 높은 범위에서는 T.[O]가 증가하였다. 즉, 주어진 T.Fe+MnO에 따른 적정 CaO/Al2O3비(즉, CaO/Al2O3비)가 존재하는 것으로, T.Fe+MnO이 6%인 경우에는 CaO/Al2O3비가 1.2~1.6, T.Fe+MnO이 12%일 때는 1.5~1.9로 나타났다.
상술한 바와 같은 본 발명에 의하면, 제품의 청정도를 향상시키고 결함발생율을 저감시킬 수 있어서, 불량 발생율이 적은 고품질 극저탄소강 제품을 얻을 수 있다.

Claims (1)

1차 정련된 용강을 레들로 출강하고 슬래그 탈산제를 투입하여 레들슬래그를 조제한 다음, 진공탈가스설비에서 탈탄 및 탈산하는 극저탄소강의 정련방법에 있어서,
상기 레들 슬래그중 T.Fe+MnO의 함량을 6~24중량%로 조정하는 단계;
상기 진공탈가스설비에서 탈산한 후, T.Fe+MnO의 함량을 24중량% 이하로 조정하면서 슬래그중 산화칼슘/산화알루미늄의 중량비가 1.1~2.5가 되도록 조절하되 상기 T.Fe+MnO의 함량과 산화칼슘/산화알루미늄의 비가 다음의 조건, 산화칼슘/산화 알루미늄=0.05×(T.Fe+MnO)+(0.9~1.3)을 만족하도록 하는 것을 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 청정도가 우수한 극저탄소 알루미늄 탈산강의 정련방법.
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