KR100429157B1 - 알 에이치 교반력 측정을 이용한 고청정강 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 극저탄소강 제조시에 고청정강을 제조하기 위한 방법에 관한 것으로, 탈산 후에 수행되는 환류공정에서 교반력을 측정하고 이를 바탕으로 환류시간을 설정함으로써, 기존의 환류공정보다 처리시간이 단축되면서도, 처리 종료 시점에 동등 이상의 청정도를 얻을 수 있는 조업방법을 제공함으로써, 극저탄소강 생산시의 고청정 극저탄소강 제조의 효과를 얻을 수 있게 된다.

Description

알 에이치 교반력 측정을 이용한 고청정강 제조방법{Method for producing ultra clean steel by using measurement of RH agitation force}

본 발명은 고청정강 제조 방법에 관한 것이고, 특히 RH 진공탈가스 장치(이하 RH로 칭함)에서 극저탄소강 제조 시에, 고청정강 생산을 목적으로 수행되는 RH 환류조업에 중요한 조업 변수로 알려져 있는 용강의 교반력을 매 처리시 마다 측정하여 이를 바탕으로 환류시간을 결정함으로써, 고청정 극저탄소강을 제조하는 방법에 관한 것이다.

통상 상온에서 사용되고 있는 강재에는 그 제조 공정 특성상 필히 산화물계 비금속 개재물이 존재하고 있다. 특히, 극저탄소강에서는 알루미나-티타늄산화물계가 비금속 개재물로서 존재하는 것이 일반적인데 이들은 강재의 연성, 파괴인성, 피로특성, 응력부식등을 유발할 뿐만 아니라, 용융 철강을 주조하는 과정에서 내화물제 노즐 내벽에 부착되어 용강의 흐름을 방해하여 주조 작업을 중단시키는 문제를 유발한다.

따라서, 극저탄소강에서 비금속 개재물의 양을 일정 수준 이하로 낮추거나, 강 중에 잔류하는 비금속 개재물이 유해성이 적은 형태와 크기 및 조성으로 유지되는 고청정강에 대한 요구가 있다.

이와 같은, 산화물계 비금속 개재물은 강재의 건전한 주조 조직을 얻기위해 제강 과정에서 필수적으로 실시하는 탈산에 의해 생성되는 탈산 생성물, 후속 처리시 용강의 온도 강하 및 주조시 응고과정에서 산소의 용해도 감소로 인해 석출되는 산화물, 용강 상부 슬래그에 의해 용강이 산화되어 생기는 산화물, 대기 또는 내화물 등과 접촉하여 반응이 진행되면서 생긴 반응 생성물, 각종 슬래그, 제강 원료 및 내화물 조각등이 직접 혼입된 이물질 등으로 분류할 수 있다.

이중 대기 또는 내화물과 용강의 반응에 의해 생기는 개재물은 아르곤 같은 불활성가스를 사용하거나 용강에 안정한 내화물을 선택하므로써 그 양을 저감할 수 있다. 또한, 각종 슬래그, 제강 원료 및 내화물 조각 등이 직접 혼입된 이물질은 제강 공정에서 세심한 주의를 기울인다면 그 발생을 억제할 수 있다.

그러나, 탈산 생성물과 석출 산화물들은 용강이 갖고 있는 물리적, 화학적 특성에 의해 필연적으로 발생되기 때문에 어느 수준 이하로 제거하기가 곤란하다.

즉, 제강 과정에서 이러한 산화물들은 슬래그상으로 부상 제거되지만, 산화물들이 슬래그층으로 부상되는 속도는 입자 크기가 클수록, 비중이 작을수록 빠르기 때문에 산화물은 이러한 특성을 갖도록 조정되는 것이 고청정강 제조에 효과적이다.

또한, 용강 상부 슬래그는 부상된 산화물의 흡수능이 크고, 용강을 재오염시키지 않는 성질을 갖도록 하는 것이 중요하다.

알루미늄 탈산강의 탈산 생성물 및 재산화 생성물은 주로 미세한 알루미나로 이루어져 있으며, 이러한 알루미나 입자들은 서로 부착되어 클러스터(cluster)를 이루고 있다. 이 클러스터의 내부에는 용강이 포함되어 있어, 클러스터 전체의 겉보기 비중이 커지므로, 알루미나가 슬래그층으로 부상하기가 어렵게된다. 또한 알루미나 입자들은 융점이 용강 온도보다 높아서 대형으로 성장하기가 어려워 그만큼 제거하기가 어렵다.

일반적으로, 극저탄소강을 제조 시에는 강의 청정도를 높이기 위하여 환원하면, 강 중의 탈산성 개재물을 제거하여야 하며, 이를 위해서, RH 탈산후 환류조업을 실시하고 있다.

이 환류조업이란 RH 처리시 용강의 환류량을 결정하는 진공도와 환류가스량을 조절하여, 식(1)과 같은 식을 이용하여 탈산후 용강을 환류하는 시간을 결정하는 방법을 사용하고 있다.

환류시간 = Ln(탈산전산소/25)/0.25 ---- (1)

여기에서, 환류시간의 단위는 분이고, 탈산전산소의 단위는 ppm이다.

상기 식에서, 탈산후 환류시간에 따라 용강 중의 산화물계 비금속 개재물의 함량을 나타내는 총산소치(Total Oxygen; Tot.[O], 이하 "총산소치"로 칭함)가 감소하므로, 이를 바탕으로 일정한 총산소치를 얻을 수 있는 시점을 계산한다. RH 환류 공정에서는 상기에서 얻어진 환류시간을 이용하여 탈산제 투입후 환류를 실시하고 있다.

이와 같이, RH에서 환류를 실시하는 목적은 RH 내에서의 교반을 통하여 알루미나와 같은 미립자 개재물의 충돌 및 응집을 통해서 클러스터가 빨리 생성되어 개재물을 용강으로부터 용이하게 분리하는 것이다. 하지만, 미세한 알루미나성 개재물의 충돌 및 응집의 경우에는 처리시간보다는 RH내에 부여되는 교반력에 따라 차이가 발생하며, 따라서 교반력의 변화를 고려한 환류시간의 설정이 필요하다.

RH 내에 부여되는 교반력은 일반적으로 진공조 내의 압력과 환류가스 사용량 및 침적관의 직경 등에 의해서 결정되며, 이에 대한 구체적인 원리와 측정예에 대해서는 많은 문헌과 특허 등의 자료에서 용이하게 얻을 수 있다.

그러나, 이들 자료에서는 RH 설비가 일정한 경우, 환원하면 특정 처리의 경우만을 고려한 것으로, 모든 조업에서 실제의 교반력을 정확히 얻을 수 없는 단점을 가지고 있다. 즉, 설비의 사용회수에 따라서 침적관의 크기가 변화하거나, 환류가스 사용량이 변화하는 경우에 대해서는 정확한 교반력을 얻을 수 없는 단점을 가지고 있다.

따라서, 개재물 제거 및 형상제어를 위해서 RH환류조업에서는 매 조업시마다 RH내의 교반력을 측정하고 적정한 교반력을 제어함으로써, 알루미나성 개재물의 충돌 및 응집할 수 있는 반응기회를 증대시킬 수 있는 방안이 필요하다.

이상에서 열거한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 RH 환류 조업 시 RH에서 공급되는 교반력을 연속적으로 측정하고 이를 이용하여 RH 환류 조업을 제어함으로써 산화물성 개재물의 저감을 통해 극저탄소강 생산 시에 고청정강을 제조하는 방법을 제공하는 것이다.상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 고청정강 제조 방법은 RH 환류 조업 시에 발생하는 RH 설비의 진동 주파수 특성을 측정하고, 이를 이용하여 RH에서 공급되는 교반력을 측정함으로써, 환류 시간을 결정하는 것을 특징으로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 RH 진공탈가스 장치에서의 용강 교반력 측정을 위한 가속도 센서의 부착 상태를 나타낸 도면.도 2는 도 1의 A-A'선 단면도.도 3은 본 발명의 실시예에 따라 가속도 센서가 부착된 위치에서 각각의 실험조건에 따라 5초동안 얻어진 데이터의 주파수 스펙트럼 특성을 나타낸 그래프

도 4는 환류 공정 중에 측정된 피크지수의 평균치와 처리 종료 시점의 총산소치의 관계를 나타낸 그래프.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

1 : 상승관

2 : 환류관

3 : 하강관

4 : 레이들 슬래그

5 : 진공조

6 : Ar 기포

7 : 용강

8 : 레이들

9 : 하부조

10 : 상부조

11 : 가속도 센서 제 1 부착위치

12 : 가속도 센서 제 2 부착위치

13 : 가속도 센서 제 3 부착위치

14 : 가속도 센서 제 4 부착위치

본 발명에 따르면, RH 환류 조업 시에 발생하는 RH 설비의 진동 주파수 특성을 측정하기 위하여, 가속도 센서를 환류관에 부착하고, RH 환류 시에 나타나는 주파수 특성을 이용해서 RH에서 공급되는 교반력을 측정한다. 또한, 본 발명은 극저탄소강 제조시 알루미늄 탈산후에 용강 환류를 통한 고청정강 제조에 있어서, RH 교반력을 이용하여 환류시간을 결정함으로써, 기존 방법에 비해서 처리시간을 단축하면서도 동등 이상의 청정도를 갖는 고청정강을 제조할 수 있다.

이하, 실시예을 들어 본 발명을 상세히 설명한다.

[실시예 1]

본 실시예는 본 발명의 교반력 측정 방법에 대한 것이다. 본 실시예에서는 1/5크기의 수모델 장치를 이용하여 실험을 행하였다.

RH 교반력과 RH 설비의 진동 특성의 관계를 알아보기 위해서, 먼저 도1에 도시한 바와 같이, 가속도 센서를 RH수모델의 상승관(1)측 환류관(2)의 제1 부착위치(11)에 1개 설치하고, 하부조(9)의 제2 및 제3 부착위치(12, 13)에 각각 1개씩 설치하고, 레이들(8)의 제4 부착위치(14)에 1개를 설치하였다.

종래의 기술에서 교반력을 측정하는 방법으로 용탕의 균일 혼합 시간을 측정하여, 이를 식(2)에 의해서 교반력으로 계산하는 방식을 사용하였다. 따라서, 본 발명은 기존 방법과의 차이를 알아보기 위해서 균일혼합시간을 측정하였다. 균일 혼합시간을 측정하기 위해서는 트레이서(tracer)로 6N(노르말)농도의 HCl 100 ㎖를 수모델에 투입한 후에 전기저항을 측정하고 그 변화가 5%이하로 줄어드는 시점을 균일 혼합시간으로 설정하였다.

수모델 시험에서 사용한 조건은 실제 조업에서는 진공도가 1 Torr, 환류가스 유량이 80 Nm³/hr, 140 Nm³/hr, 200 Nm³/hr의 조건에서 수행되었다.

균일 혼합 시간 = 800 X 교반동력밀도＾(-0.4) --(2)일반적으로 제강공정에서의 용강에 공급되는 교반동력을 계산하는 방법으로는 용강에 취입되는 가스량을 이용하여 계산하는 방법과, 균일혼합시간(용액에 트레이서(tracer)를 투입하여 그 트레이서의 농도가 일정하게 도달하는데 걸리는 시간)을 측정하는 방법을 사용하고 있으며, 기존의 연구 논문등에 따른 균일혼합시간(τ)과 교반동력밀도(ε)은 아래 식과 같은 상관 관계를 가진다고 보고되어 있다.τ∝ a×ε^-b단, a, b는 상수대표적인 예로, 일본의 Nakanishi는 상기 식에서 a, b의 값이 각각 284, 0.45라고 보고하였으나, 위의 상수 값은 여러 연구자에 따라 그 값이 다르게 보고되어져 있으며, 본 발명자의 경험에 의하면 상기 식의 상수 값을 각각 800 및 0.4로 사용하는 경우가 보다 정확한 결과를 유출할 수 있었기 때문에 교반동력 밀도를 측정하는데 상기 식(2)와 같은 방법을 사용하였다.또한, 본 발명에서의 교반동력은 수모델을 통한 시험조건간의 상대 비교를 위해서 사용되었으며, 따라서 Nakanishi등이 사용한 수식과의 차이가 있다고 하더라도 큰 영향은 없을 것으로 사료된다.도 3은 본 발명의 실시예에 따라 가속도 센서가 부착된 위치에서 각각의 실험조건에 따라 5초동안 얻어진 데이터의 주파수 스펙트럼(frequency spectrum) 특성을 나타낸 그래프이다. 도 3에 나타난 바와 같이 환류가스 유량이 변화하면, 피크(Peak)를 나타내는 주파수와 그 때의 진폭값이 다르게 나타나는 것을 알 수 있다.

그러나, 피크가 나타내는 주파수 범위를 이용해서는 교반력을 대표할 수 있는 값을 구할 수 없다. 즉, 환류가스 유량이 일정한 경우에서도 여러개의 피크가 동시에 나타나기 때문에 각 위치에서의 교반력을 피크가 나타나는 주파수로 표시할수 없다.

피크지수=∑(i피크의 값/최대피크값)/총피크개수 --(3)

따라서, 본 발명에서는 상기 식(3)과 같이 최대 피크치와 각 피크치의 비의 평균 값(이하, "피크지수"로 칭함)을 계산하여 하기 표1에 나타내었다. 또한, 각 실험에서 얻어진 균일 혼합시간을 이용한 교반동력 밀도를 실제 조업의 값으로 환산하여 표1에 함께 나타내었다.

실시예	부착위치	환류가스 유량 (Nm3/hr)
		0	80	140	200
본발명	도1 (11)	0.025	0.086	0.12	0.22
비교예 1	도2 (12)	0.043	0.10	0.17	0.20
비교예 2	도2 (13)	0.042	0.11	0.12	0.13
비교예 3	도1 (14)	0.09	0.14	0.17	0.14
종래예	-	-	17	22	45

표1에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 경우 기존 방식에서과 같이 환류가스 유량이 증대함에 따라, 계산 값의 변화가 크게 나타나는 것을 볼 수 있으나, 비교예들의 경우에서는 환류가스 유량이 변화하는 경우에서도 특별한 값의 변화를 볼 수 없었다. 특히, 비교예 1의 경우 환류가스 유량이 변화함에 따라 피크지수가 변화하는 양상을 보이지만 종래예와의 상관성이 본 발명예에 비해 적게 나타나는 것을 볼 수 있었다. 이는 진공조내의 용강에 의한 영향으로 생각된다.

[실시예2]

본 실시예는 본 발명의 교반력 측정 방법과 용강의 청정도의 상관관계를 조사하기 위한 것이다. 본 실시예에서는 실기 RH를 대상으로 실시하였다.

먼저, RH에서 탈산 후 환류를 실시하는 동안, RH 환류량에 영향을 주는 환류가스와 진공도는 각각 80 내지 200 Nm3/hr, 1 내지 60 Torr로 변경하여 사용하였으며, 각 처리에서는 동일한 환류가스와 진공도를 사용하였다.

RH 환류를 실시하는 동안, 본 발명에 따른 교반력 측정방법을 이용하여 5회에 걸쳐서 피크지수를 조사하였으며, 처리가 종료되는 시점의 용강의 청정도를 측정하기 위해 용강 시편을 채취하여 총산소치를 분석하였다.

도4는 환류 공정 중에 측정된 피크지수의 평균치와 처리 종료 시점의 총산소치의 관계를 나타낸 그래프이다. 도4에서 알 수 있는 바와 같이, 피크지수의 평균 값이 0.07 내지 0.08인 경우에서만 종료시점에서 총산소치가 30 ppm 이하로 나타나는 것을 볼 수 있었으며, 그 외의 경우에서는 총산소치가 30 ppm 이하로 나타나는 경우도 존재하지만, 재현성의 문제가 있는 것으로 나타났다.

[실시예 3]

본 실시예는 본 발명에서 교반력 측정방법을 이용하여 환류시간을 결정하는 방법을 위한 것이다. 본 실시예에서는 표2와 같은 환류시간 결정방법을 사용하여, 환류시간을 계산하고 그 시점의 용강의 청정도를 측정하기 위해 용강 시편을 채취하였다.

또한, 종래와의 차이를 비교하기 위해서, 기존의 환류 종료 시점에서의 용강시편을 측정하였다. 여기서 얻어진 용강시편에 총산소치를 분석하여 표2에 같이 나타내었다.

표2에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명예에서 얻어진 식으로 환류시간을 결정한 경우의 용강의 청정도는 종래예에 비해서 낮게 나타나고 있으며, 그 환류시간도 종래예와 비교해서 짧아지는 것으로 나타났다.

즉, 본 발명에 따르면, 처리시간이 줄면서도 기존의 방법과 비교하여 청정도의 열화 없이 고청정강을 생산할 수 있다. 이와같은 현상은 종래예에서는 용강의 청정도에 영향을 미치는 교반력을 고려하지 않았기 때문에, 교반력이 적거나 큰 경우에 청정도의 문제가 발생하지 않도록 환류시간을 조정하지 못하기 때문에 생기는 현상이다.

하지만, 비교예 1과 2의 경우에서는 환류시간이 짧아지면, 총산소치가 커지거나 그와 반대의 경우가 발생하는 경우를 볼 수 있었다.

구 분	환류시간 계산식	환류시간 평균(min)	총산소치 평균(ppm)
본 발명	Ln(탈산전산소/25)/(-3.7×(피크지수-0.027)2+0.35)	7.4	32.5
비교예1	Ln(탈산전산소/25)/(0.25-│피크지수-0.027│)	12.9	31.7
비교예2	Ln(탈산전산소/25)/(0.35 - │피크지수-0.027│)	8.5	37.4
종래예	Ln(탈산전산소/25)/0.25	10.1	34.1

본 발명은 극저탄소강 제조시에 고청정강 제조를 목적으로 탈산 후에 수행되는 환류공정에서 교반력을 측정하고 이를 바탕으로 환류시간을 설정함으로써, 기존의 환류공정보다 처리시간이 단축되면서도, 처리 종료 시점에 동등 이상의 청정도를 얻을 수 있는 조업방법을 제공함으로써, 극저탄소강 생산시의 고청정 극저탄소강 제조의 효과를 얻을 수 있게 된다.

Claims (4)

1. RH 진공탈가스 장치에서의 극저탄소강 제조시 고청정강 제조를 위해서 수행되는 환류공정에서 용강에 공급되는 교반력을 측정하고, 일정한 교반력을 유지하도록 환류조업시 환류가스와 진공도를 조정하며, 상기 교반력 측정을 통해 환류시간을 결정함으로써 상기 용강의 처리종료시점에서 용강의 청정도를 확보하는 것을 특징으로 하는 알 에이치 교반력 측정을 이용한 고청정강 제조방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 교반력 측정을 위해서 가속도 센서를 상승관측 환류관에 부착하고, 상기 가속도 센서로부터 나오는 신호의 주파수 스펙트럼을 이용하여 하기 식으로 피크지수를 환산하는 것을 특징으로 하는 알 에이치 교반력 측정을 이용한 고청정강 제조방법.

   피크지수=∑(i피크의 값/최대피크값)/총피크개수
3. 제 1항에 있어서, 상기 환류조업시 일정 교반력 유지를 위해서 피크지수의 평균값이 0.07 내지 0.08이 되도록 환류가스와 진공도를 조정하는 것을 특징으로 하는 알 에이치 교반력 측정을 이용한 고청정강 제조방법.
4. 제 1항에 있어서, 상기 환류시간은 하기 식을 통해 피크지수에 따라 결정하는 것을 특징으로 하는 알 에이치 교반력 측정을 이용한 고청정강 제조방법.

   환류시간 = Ln(탈산전산소/25)/(-3.7 ×(피크지수-0.027)²+ 0.35)