KR100424808B1 - 환류탈가스 설비에서의 용강의 환류시간 결정방법 - Google Patents

환류탈가스 설비에서의 용강의 환류시간 결정방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 알루미늄 탈산후에 용강에 형성되는 산화물계 비금속 개재물의 저감을 위해서 수행되는 환류탈가스 조업에서 용강 중의 존재하는 개재물의 제거 속도를 예측하여 환류시간을 결정하는 방법에 관한 것으로, 환류탈가스 설비에서의 환류시간 결정방법은 용강 내 개재물의 제거속도(kO)를 매개변수로 하는 하기 수식, 즉 t = - Ln(25/[O]before)/kO,에 의해 결정되고, 상기 개재물의 제거속도(kO)는 하기 수식,
k0= 6.69 ×10-2×k0,Killing- 1.04 ×10-3×k0,Oxygen+ 1.1 ×10-3×k0,Circ- 2.21 ×10-4×k0,Slag+ 0.0425,
에 의해 결정되므로, 기존의 환류시간에 비해 짧은 환류시간을 가지면서, 처리종료시점의 청정도는 동등 이상의 품질을 확보할 수 있는 조업을 가능하도록 한다.

Description

환류탈가스 설비에서의 용강의 환류시간 결정방법{Method for determining the circulation time of the molten steel in the Ruhrstahl-Heraues degassing device}
본 발명은 환류탈가스 설비에 의한 극저탄소강의 제조시 용강의 환류시간을 결정하는 방법에 관한 것이고, 특히 알루미늄 탈산후에 용강에 형성되는 산화물계 비금속 개재물의 저감을 위해서 수행되는 환류탈가스 조업에서 용강 중의 존재하는 개재물의 제거 속도를 예측하여 환류시간을 결정하는 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 상온에서 사용되고 있는 강재에는 그 제조공정 특성상 필연적으로 산화물계 비금속 개재물이 존재하고 있다. 특히, 알루미늄 탈산강에는 알루미나계 비금속 개재물이 존재하며, 이들은 강재의 연성, 파괴인성, 피로 특성, 응력부식 등을 유발할 뿐만 아니라, 주조하는 과정에서 내화물로 된 노즐 내벽에 부착되어 용강의 흐름을 방해하고 주조 작업을 중단시키는 문제를 유발하므로, 그 양을 일정 수준 이하로 낮추거나, 또는 강 중에 잔류하는 비금속 개재물을 유해성이 적은 형태와 크기 및 조성으로 유지되도록 각종 노력을 경주하고 있다.
한편, 이러한 산화물계 개재물의 기원을 살펴보면, (1) 강재의 건전한 주조 조직을 얻기 위해 제강 과정에서 필수적으로 실시하는 탈산공정에 의해 생성되는 탈산 생성물, (2) 후속 탈가스 처리시 용강의 온도 강하 및 주조시 응고과정에서 산소의 용해도 감소로 인해 석출되는 산화물, (3) 용강 상부 슬래그에 의해 용강이 산화되어 생기는 산화물, (4) 대기 및/또는 내화물 등과 접촉하여 반응이 진행되면서 생긴 반응 생성물, (5) 각종 슬래그, 제강 원료 및 내화물 조각 등이 직접 혼입된 이물질 등으로 분류할 수 있다.
이때, 상기 네번째 기원, 즉 대기 및/또는 내화물과 용강간의 반응에 의해 생기는 비금속 개재물은 아르곤 같은 불활성 가스를 사용하거나 또는 용강에 안정한 내화물을 선택함으로써 그 양을 저감할 수 있다. 그리고, 상기 다섯번째 기원, 즉 각종 슬래그, 제강 원료 및 내화물 조각 등이 직접 혼입된 이물질은 그 처리에 주의를 기울인다면 그 발생을 억제할 수 있다.
그러나, 상기 첫번째에서 세번째까지의 기원에 의하여 생성되는 탈산 생성물과 산화물들은 용강이 갖고 있는 물리적, 화학적 특성에 의해 필연적으로 발생되기때문에 어느 수준 이하로 제거하기가 곤란하다.
그리고, 제강과정에서 이러한 산화물들은 슬래그상으로 부상 분리 제거된다. 산화물들이 슬래그층으로 부상되는 속도는 입자 크기가 클수록, 비중이 작을수록 빠르기 때문에 산화물이 이러한 특성을 갖도록 조정하는 것이 청정강 제조에 효과적이다.
예를 들어, RH 탈가스 조업(환류탈가스 조업; Ruhrstahl-Heraues degassing)에서는 환류탈가스 조업을 통해 개재물 간의 응집 및 합체를 유도하여 개재물의 입자 크기를 증대시킴으로써, 개재물들을 슬래그상으로 부상이 용이하도록 조업을 수행한다. 이와 같은 환류탈가스 조업은 하기 식(1)과 같이 RH 탈가스 조업에서 탈산 직전에 용강 중에 존재하는 산소(이하, "탈산전 산소"로 칭함)에 따라 그 환류시간이 결정되고 있다.
t = - 4×Ln(25/[O]before) ---- (1)
t : 환류시간(분)
[O]before: 탈산전 산소(ppm)
종래 실시예에 따른 RH 탈가스 조업에서는, 상기 식(1)에 나타난 바와 같이, 탈산전 산소만을 고려하여 환류 시간을 결정하고 있을 뿐이며, 환류 조업의 처리시간에 따른 용강 중의 개재물의 변화를 고려하지 않은 것으로 되어있다.
그러나, RH 탈가스 조업에서의 환류에 따른 개재물의 성장은 진공도, 환류가스 유량 등과 같은 조업 인자에 따라 변화한다. 즉, 동일한 환류시간에서도 용강의 청정도는 진공도, 환류가스 유량 등과 같은 조업 인자에 따라 변화하는 것으로 나타나고 있다.
용강의 청정도는 일반적으로 용강 중에 존재하는 총산소치(Total oxygen; 즉, 용강중에 존재하는 산화물성 개재물의 총량으로서, 이하, "Tot.[O]"로 칭함)를 가지고 평가하고 있다. 통상 강의 청정도는 비금속 개재물의 양에 의해 판별되며, 비금속 개재물은 대부분 산화물이므로 Tot.[O]가 낮을수록 용강의 청정도가 높다는 것을 의미한다.
일반적으로 청정강의 수준은 강종에 따라 차이가 있으나, 자동차 외판재의 경우 RH 탈가스 조업에서의 Tot.[O]값이 25ppm전후인 경우에 청정강으로 간주하고 있다. 용강의 Tot.[O]의 측정은 전용 샘플러를 통한 용강 채취, 시편가공 및 분석 등의 절차를 거쳐야 한다. 따라서, RH 탈가스 설비에서 용강의 처리중에 Tot.[O]를 측정하여 청정강 여부를 확인하기 위해서는 처리시간이 길어지며, 이에 따른 용강 온도의 하강 및 승온량 증대 등의 문제점을 가지고 있다. 따라서, 용강 시편을 채취하지 않고 Tot.[O]을 예측하고, 이를 통한 환류탈가스 조업 시간을 조정하는 방안이 필요한 실정이다.
본 발명은 상기된 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, RH 탈가스 설비에서의 청정강 생산시에 환류공정 중의 개재물의 제거 속도를 예측하여 환류시간을 결정하는 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
도 1은 본 발명에 의해 계산된 개재물 제거속도와 실측값을 비교하여 나타낸 그래프.
도 2는 본 발명과 종래 실시예에 의해 계산된 환류시간에서의 Tot.[O]를 비교하여 나타낸 그래프.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 환류탈가스 설비에서의 환류시간 결정방법은 용강 내 개재물의 제거속도(kO)를 매개변수로 하는 하기 수식에 의해 결정되고,
t = - Ln(25/[O]before)/kO,
상기 개재물의 제거속도(kO)는 하기 수식에 의해 결정되고,
k0= 6.69 ×10-2×k0,Killing- 1.04 ×10-3×k0,Oxygen+ 1.1 ×10-3×k0,Circ- 2.21 ×10-4×k0,Slag+ 0.0425,
여기에서, [O]before은 탈산전 산소(ppm)이고,k O,Killing은 탈산 및 합금철 투입에 의한 영향요소이고,k O,Oxygen은 산소의 영향요소이고,k O,Circ은 교반력의 영향요소이고,k O,Slag은 슬래그 조성의 영향요소인 것을 특징으로 한다.
즉, 본 발명에 따른 환류탈가스 설비에서의 환류시간 결정방법은 환류탈가스 설비에서 고청정강 제조시 조업조건을 이용하여 개재물의 제거 속도를 계산하고, 이를 이용하여 처리 종료시점에 요구되는 Tot.[O]값에 도달하는데 필요한 환류시간을 계산함으로써, 처리 종료시점을 결정한다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.
먼저, 본 발명에 따르면, 환류탈가스 공정에서의 환류시간(t)은 하기 식(2)에 의해 결정된다.
t = - Ln(25/[O]before)/kO------- (2)
여기에서, kO는 개재물의 제거속도이다.
상기 개재물 제거 속도(kO)는 환류탈가스 조업 중에 수행되는 조업 조건 및 용강 조건을 이용하여 계산된다. 즉, 개재물의 제거 속도(kO)는 탈산 및 합금철 투입에 의한 항, 승온용 산소의 영향, 슬래그 조성의 영향, 환류 가스 유량과 같은 교반력의 영향 및 상수 항을 고려하여 하기 식(3)와 같이 계산된다.
k0= 6.69 ×10-2×k0,Killing- 1.04 ×10-3×k0,Oxygen+ 1.1 ×10-3×k0,Circ- 2.21 ×10-4×k0,Slag+ 0.0425 ‥‥‥ (3)
상기 식에서,k O,Killing은 탈산 및 합금철 투입에 의한 영향,k O,Oxygen은 산소의 영향,k O,Circ은 교반력의 영향,k O,Slag은 슬래그 조성의 영향을 나타낸 것이다.
한편, 상기 탈산 및 합금철 투입에 의한 영향(k O,Killing)은 하기 식(4)와 같이 표현된다.
k O,Killing= 3.32 ×10-3×[O]before+ 8.03 ×10-3WAl- 8.5 ×10-3(T - 0.877)(T - 8.754)2--- 식(4),
여기에서, [O]before은 탈산전 산소(ppm)이고, WAl은 탈산용 알루미늄 사용량(kg)이고, T는 합금철 투입시간(분)이다.
산소의 영향(k O,Oxygen)은 승온용 산소와 탈탄용 산소에 따라 하기 식(5-1)과 식(5-2)로 표현되며, 산소 미취입시에 산소의 영향은 영(0)이다.
즉, 승온용 산소인 경우에 있어서,
k O,Oxygen= 0.015(Qo2- 123.2)2- 42.51(WAl/Qo2) --- 식(5-1),
그리고, 탈탄용 산소인 경우에 있어서,
k O,Oxygen= 2.97 ×10-3(Qo2- 123.5)2--- 식(5-2),
여기에서, Qo2는 산소사용량(Nm3)이고, WAl은 승온용 알루미늄 사용량(kg)이다.
상기 교반력의 영향(k O,Circ)은 하기 식(6)에 의해 표현된다.
k O,Circ= 0.0755(QAr- 90.4)2- 1.1 ×10-3(D - 651.1)2--- 식(6),
여기에서, QAr는 환류가스 사용량(Nm3/hr)이고, D는 침적관의 침지깊이(mm)이다.
상기 슬래그 조성의 영향(k O,slag)은 하기 식(7)에 의해 표현된다.
k O,Slag= -3.449(FeO - 10.95)2- 4.057(R - 2.998)3--- 식(7)
여기에서, FeO는 슬래그 중의 FeO와 Fe2O3의 함량(%)이고, R은 슬래그 중의 CaO/Al2O3의 비(-)이다.
따라서, 본 발명에 따르면, 상기 식(2)를 이용하여 환류시간을 설정하는 경우, 환류탈가스 조업의 종료시점에 동일한 Tot.[O]을 가지면서도 환류시간이 상대적으로 짧아지므로 환류처리 시간이 단축되는 장점을 가지고 있다.
또한, 하기에 설명되는 바와 같이, 기존의 조업시에 환류탈가스 조업의 종료시점의 Tot.[O]가 25ppm이상으로 나타나는 경우가 있으나, 본 발명에 따라서 환류시간을 결정하는 경우에서는 Tot.[O]가 25ppm이하로 안정적으로 얻어지는 장점이 있다.
이상, 상기 내용을 요약하면 다음과 같다.
즉, 환류탈가스 설비에서 탈탄 이후에 수행되는 환류탈가스 조업의 시간은 상기 식(3)와 같이 탈산 및 합금철 투입에 의한 영향, 산소의 영향, 슬래그 조성의 영향 및 교반력의 영향과, 상수항을 이용하여 개재물 제거 속도를 계산한 후, 이를 이용하여 결정된다.
청정도에 미치는 탈산 및 합금철 투입에 의한 영향은 상기 식(4)와 같이 탈산전 산소, 탈산용 알루미늄 사용량 및 합금철 투입시간을 매개변수로 하여 결정된다.
청정도에 미치는 산소의 영향은 상기 식(5-1) 및 식(5-2)와 같이, 승온용 산소과 탈탄용 산소로 구분된 후, 산소 사용량 및 승온용 알루미늄 사용량 을 매개변수로 하여 결정된다.
청정도에 미치는 교반력의 영향은 상기 식(6)과 같이, 환류가스 사용량 및 침적관의 침지깊이를 매개변수로 하여 결정된다.
청정도에 미치는 슬래그 조성의 영향은 상기 식(7)과 같이, 슬래그 중의 FeO와 Fe2O3의 함량 및 슬래그 중의 CaO/Al2O3의 비를 매개변수로 하여 결정된다.
이하, 실시예를 통해 본 발명을 상세히 설명한다.
[실시예 1]
도 1은 상기 식(3)∼식(7)을 이용하여 계산된 개재물 제거 속도와 실제 공정에서 구해진 개재물 제거속도를 비교한 그래프이다. 이때, 실제 공정에서의 개재물 제거 속도를 측정하기 위해서, 제강공장에서 탈산 직후에 1분 간격으로 Tot.[O]을 측정하였다. 이 측정한 Tot.[O]값을 가지고 탈산 직후부터 처리 종료 시점까지의 개재물 제거 속도를 계산하였다.
도 1에 나타난 바와 같이, 본 발명에 의해 계산된 개재물 제거 속도는 측정값과 유사한 경향을 보이고 있으며, 그 편차는 ±0.03min-1이하로서 일정하다는 것을 알 수 있었다. 이는, 기존 방식에서 개재물 제거 속도를 0.25로 설정하는 경우, 실제 개재물 제거 속도가 0.2 min-1에서 0.35 min-1로 변화하기 때문에 최대 0.1 min-1의 편차가 존재하는데 비하면, 오차 범위가 최소한 70% 감소하는 것을 볼 수있다.
즉, 본 발명에 따라서 구해지는 개재물 제거 속도는 실제 현장조업과 유사하게 예측될 수 있을 뿐만 아니라, 결과적으로 종래 실시예에 비하여 상대적으로 우수하다는 것을 알 수 있다.
[실시예 2]
본 발명에 의해서 계산된 개재물 제거 속도를 이용하여, 상기 식(2)를 통해 얻어진 환류탈가스 설비(RH 탈가스 설비)에서의 탈산후 환류시간과 기존 방식으로 얻어진 환류시간을 하기 표 1에 나타내었다.
[표 1]
구 분 개재물 제거속도 탈산후 환류시간
본 발명 종래 실시예
실시예 1 0.31 8.3 10.2
실시예 2 0.21 9.3 7.8
실시예 3 0.26 8.9 9.1
실시예 4 0.30 8.8 10.6
실시예 5 0.36 6.9 9.8
실시예 6 0.26 8.5 9.0
실시예 7 0.29 9.0 10.3
실시예 8 0.27 9.0 9.6
실시예 9 0.22 9.7 8.5
실시예 10 0.27 9.5 10.1
실시예 11 0.23 10.4 9.4
실시예 12 0.30 8.6 10.2
실시예 13 0.22 9.4 8.1
실시예 14 0.23 9.9 9.2
실시예 15 0.22 9.4 8.2
실시예 16 0.32 7.7 9.8
평 균 0.265 8.96 9.38
상기 표 1에 나타난 바와 같이, 본 발명에 의해서 계산된 평균 환류시간은 8.96분으로서, 이는 기존의 평균 환류시간인 9.38분에 비하여 감소되었음을 알 수 있다.
한편, 일부의 경우(예를 들어, 실험예 11)에서는 오히려 본 발명에 의해서얻어진 환류시간이 종래 실시예에 의해 얻어지는 환류시간에 비해서 증가되었음을 알 수 있지만, 이는 본 발명의 실시예에서는 제강의 청정도에 미치는 여러가지 인자들을 고려하였기 때문이다.
즉, 제강의 청정도에 나쁜 영향을 미치는 인자가 있는 경우, 이에 따른 용강의 청정도를 확보하기 위해서 환류시간을 길게 설정하기 때문이다.
이는 또한 본 발명의 실시예와 기존 방식에 따라서 각각 결정된 환류시간에서 측정된 용강의 Tot.[O]을 보면 알 수 있다. 즉, 도 2를 참조하면, 본 발명과 종래 실시예에 의해 결정된 시점에 측정된 Tot.[O]의 값이 그래프로 나타나 있다.
도 2의 그래프에 나타난 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따라서 계산된 환류시점에 얻어진 Tot.[O]은 22±5.6ppm으로 안정적으로 나타나는 반면에 종래 실시예의 경우에서는 Tot.[O]은 26±8ppm으로서, 본 발명의 실시예에 따른 Tot.[O]의 편차는 종래 실시예에 비하여 작다는 것을 알 수 있다.
따라서, 본 발명에 따르면, 환류탈가스 설비에서 탈산 후에 수행되는 환류탈가스 조업에 있어서, 그 환류시간을 결정하기 위하여 종래 실시예 대신에 청정도에 영향을 미치는 조업 조건을 이용함으로써, 기존의 환류시간에 비해 짧은 환류시간을 가지면서, 처리종료시점의 청정도는 동등 이상의 품질을 확보할 수 있는 조업을 가능하도록 한다.
이상, 상기 내용은 본 발명의 바람직한 실시예를 단지 예시한 것으로 본 발명이 속하는 분야의 당업자는 첨부된 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 요지로부터 벗어나지 않고 본 발명에 대한 수정 및 변경을 가할 수 있다는 것을 인식하여야 한다.

Claims (5)

  1. 환류탈가스 설비(RH 탈가스 설비)에서 용강의 환류시간을 결정하는 방법에 있어서,
    상기 환류시간은 상기 용강 내 개재물의 제거속도(kO)를 매개변수로 하는 하기 식(1)에 의해 결정되고,
    t = - Ln(25/[O]before)/kO------- (1)
    상기 개재물의 제거속도(kO)는 하기 식(2)에 의해 결정되고,
    k0= 6.69 ×10-2×k0,Killing- 1.04 ×10-3×k0,Oxygen+ 1.1 ×10-3×k0,Circ- 2.21 ×10-4×k0,Slag+ 0.0425 ‥‥‥(2),
    여기에서, [O]before은 탈산전 산소(ppm)이고,k O,killing은 탈산 및 합금철 투입에 의한 영향요소이고,k O,Oxygen은 산소의 영향요소이고,k O,Circ은 교반력의 영향요소이고,k O,slag은 슬래그 조성의 영향요소인 것을 특징으로 하는 환류탈가스 설비에서의 환류시간 결정방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 탈산 및 합금철 투입에 의한 영향요소(k O,killing)는 하기 식(3)에 의해결정되고,
    k O,Killing= 3.32 ×10-3×[O]before+ 8.03 ×10-3WAl- 8.5 ×10-3(T - 0.877)(T - 8.754)2--- 식(3),
    여기에서, [O]before은 탈산전 산소(ppm)이고, WAl은 탈산용 알루미늄 사용량(kg)이고, T는 합금철 투입시간(분)인 것을 특징으로 하는 환류탈가스 설비에서의 환류시간 결정방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 산소의 영향요소(k O,Oxygen)는 승온용 산소 및 탈탄용 산소의 영향요소로 구분되고,
    승온용 산소의 영향요소는 하기 식(4-1)로 표현되고,
    k O,Oxygen= 0.015(Qo2- 123.2)2- 42.51(WAl/Qo2) --- (4-1),
    탈탄용 산소의 영향요소는 하기 식(4-2)로 표현되며,
    k O,Oxygen= 2.97 ×10-3(Qo2- 123.5)2--- 식(4-2),
    여기에서, Qo2는 산소사용량(Nm3)이고, WAl은 승온용 알루미늄 사용량(kg)인 것을 특징으로 하는 환류탈가스 설비에서의 환류시간 결정방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 교반력의 영향요소(k O,Circ)는 하기 식(5)에 의해 표현되고,
    k O,Circ= 0.0755(QAr- 90.4)2- 1.1 ×10-3(D - 651.1)2--- 식(5),
    여기에서, QAr는 환류가스 사용량(Nm3/hr)이고, D는 침적관의 침지깊이(mm)인 것을 특징으로 하는 환류탈가스 설비에서의 환류시간 결정방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 슬래그 조성의 영향요소(k O,slag)는 하기 식(6)에 의해 표현되고,
    k O,Slag= -3.449(FeO - 10.95)2- 4.057(R - 2.998)3--- 식(6)
    여기에서, FeO는 슬래그 중의 FeO와 Fe2O3의 함량(%)이고, R은 슬래그 중의 CaO/Al2O3의 비(-)인 것을 특징으로 하는 환류탈가스 설비에서의 환류시간 결정방법.
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