KR100563265B1 - 극저탄소 용강의 청정성을 향상시키기 위한 정련방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 소재내 목표 탄소 함량이 70ppm 이하인 극저탄소강의 진공탈가스 설비를 이용한 용강 정련시, 용강의 청정성을 향상시킬 수 있고 진공탈가스 처리 시간을 단축하여 공정 부하 및 제조 원가를 절감시킬 수 있는 극저탄소 저온 용강의 청정성을 향상시키기 위한 정련 방법에 관한 것으로, 진공탈가스 설비에서 알루미늄의 산화열을 이용하여 용강을 승온하며, 70 ppm 이하의 탄소를 함유하는 극저탄소 용강의 정련 방법에 있어서, 용강의 청정성을 향상시키기 위하여 용강의 탈탄 처리중에 산소 취입과 함께 알루미늄을 투입하여 승온하는 것을 특징으로 하는 구성이며, 알루미늄은 탈탄 개시후 8분 이내에 투입완료하며, 투입 간격을 5∼15초로 하여 매회당 5∼15㎏씩 알루미늄을 분할 투입한다.

Description

극저탄소 용강의 청정성을 향상시키기 위한 정련방법{REFINING METHOD FOR IMPROVING CLEANNESS OF LOW TEMPERATURE MOLTEN STEEL WITH ULTRA LOW CARBON}

도 1은 용강을 정련하기 위한 진공탈가스 설비를 개략적으로 도시한 도면,

도 2는 진공탈가스 설비에서 탈탄처리 시간에 따른 용강중 탄소량 추이를 나타내는 그래프도이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

1:진공조 2:레이들 3:용강 4:상승관

본 발명은 진공탈가스 설비(RH)를 이용한 소재내 목표 탄소 함량이 70ppm 이하인 극저탄소 용강의 정련방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 용강의 청정성을 향상시킬 수 있고 진공탈가스 처리 시간을 단축하여 공정 부하 및 제조 원가를 절감시킬 수 있는 극저탄소 저온 용강의 청정성을 향상시키기 위한 정련 방법에 관한 것이다.

일반적으로 용강의 온도 관리는 용강 주조시 품질의 우열을 좌우할 뿐만 아니라 응고과정에서 설비 사고와도 직결되는 중요한 인자이므로 용강을 정련하는 각 공정에서는 용강의 온도를 확실히 관리하기 위한 기술을 지속적으로 연구하고 있다.

그런데 이러한 용강의 온도를 관리하기 위하여 용강을 정련하는 설비인 진공탈가스설비(RH)에서 용강의 탈탄 작업을 종료한 시점에서 알루미늄과 산소를 취입하여 용강을 승온하고 있는데, 이는 화학식1에서 나타내고 있는 바와 같이, 산소와 알루미늄의 산화반응열을 이용하여 저온 상태의 용강의 온도를 올리는 것이다.

2Al + 3/2O₂→ Al₂O₃ΔH = －1677.4 (kJ/mol)

상기와 같이 알루미늄의 산화열로 용강 승온 작업을 행할 경우는 승온용 알루미늄의 투입량이 증가할수록 그 만큼 용강중에 알루미나 개재물의 발생량이 증가하기 때문에 용강의 청정성을 확보하는 측면에서 불리하였고 진공탈가스 설비에서는 이러한 문제를 해결하기 위해 승온용의 알루미늄 투입량이 증가하면 용강의 환류시간을 연장시킴으로써 용강중 알루미나 개재물의 부상 분리 시간을 확보하여 용강의 청정성을 유지하였다.

이때 용강의 온도가 상당히 낮아 승온해야할 온도가 클 경우는 처리 시간이 과도하게 길어져 내화물 용손 속도의 증가로 인한 설비 사고의 유발과 처리 지연으로 전후 공정간 작업 부하가 가중되는 문제를 안고 있었다.

한편, 본 발명의 대상 강종인 극저탄소강의 경우 화학식 2로 나타낸 바와 같 이, 용강중의 산소 혹은 취입되는 산소와 반응을 일으켜 용강중의 탄소를 제거해야 하므로 알루미늄을 이용한 용강의 승온 작업은 화학식 2로 나타낸 바와 같이 반응하는 탈탄 작업을 행한후 실시하였다.

C ＋ 1/2O₂→ CO↑

따라서 종래 본 발명의 대상 강종인 극저탄소강의 용강 승온 작업시는 용강의 탈탄 작업이 종료되는 시점에서 승온 작업을 실시하였고, 이때 승온용 알루미늄과 함께 성분조정용의 알루미늄이 동시에 다량 투입되었으므로 그 만큼 용강중 알루미나 개재물의 발생량도 일시적으로 다량 증가하였다.

이와 같은 승온 작업으로 인해 용강중에 발생된 알루미나를 부상분리시키기 위해 용강 환류시간을 연장하지 않으면 안되며, 처리 시간이 길어질수록 용강 온도도 하락하기 때문에 용강 승온시 용강 환류시간 연장에 필요한 온도까지 감안하여 용강의 온도를 올려야 하는 불합리한 문제를 안고 있었다.

이상 설명한 바와 같이, 극저탄소강 정련시 저온 용강을 승온하는 것이 탈탄 작업 종료후 알루미늄을 투입하여 이루어지고 있으므로 용강의 청정성을 확보하는 면에서 불리하였고 용강의 처리 시간도 길어지는 문제가 있었다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 이루어진 것으로, 용강의 탈탄 작업과 동시에 승온 작업을 행할 수 있도록 함으로써 용 강 승온시 발생하는 알루미나의 부상분리 시간을 충분히 확보하여 용강의 청정성을 향상시키고, 진공탈가스 처리시간을 단축하여 공정 부하 및 제조원가를 절감하는 극저탄소 저온 용강의 청정성을 향상시키기 위한 용강 정련 방법을 제공함에 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 극저탄소강의 용강의 청정성을 향상시키기 위한 정련 방법은, 진공탈가스 설비에서 알루미늄의 산화열을 이용하여 용강을 승온하는 극저탄소강 정련 방법에 있어서, 용강의 청정성을 향상시키기 위하여 용강의 탈탄 처리중에 산소 취입과 함께 알루미늄을 투입하여 승온하는 것을 특징으로 하는 구성이다.

본 발명에서 알루미늄은 탈탄 개시후 8분 이내에 투입완료하며, 투입 간격을 5∼15초로 하여 매회당 5∼15㎏씩 알루미늄을 분할 투입한다.

이하에서는 양호한 실시예를 도시한 첨부 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다.

본 발명에서는 탈탄 작업 초기부터 용강 환류 8분 시점까지 산소를 취입하여 탈탄을 실시함과 동시에 매회 투입량을 레이들에 수용된 340톤 용강을 기준으로 5∼15㎏(=용강톤당 0.015∼0.044㎏)씩 5∼15초 간격으로 알루미늄을 연속 투입하여 용강의 승온 작업을 실시한다.

본 발명에서 용강의 탈탄과 함께 용강을 승온시키기 위하여 알루미늄을 투입할 수 있는 원리를 설명하면, 도 1 도시와 같이 합금철 투입구(5)와 산소 취입 랜 스(6)가 구비된 진공조(1)와, 그 하부에서 상승관(4)을 통해 진공조(1)로 환류하는 용강이 수용된 레이들(2)로 이루어진 진공탈가스 설비에서는 탈탄 반응이 다음과 같이 크게 3곳에서 일어난다.

즉, 우선, 레이들(2)의 용강(3) 내부에서 탄소와 산소가 결합하여 일산화탄소를 생성하며 탈탄이 이루어지며, 다음에 레이들(2)의 용강이 진공조(1)로 환류하는 상승관(4)의 환류가스 기포 표면에서 탈탄이 이루어지며, 마지막으로 진공조(1) 내의 용강(5) 표면에서 탈탄 반응이 일어난다.

그런데, 많은 연구 자료 및 현장 조업 결과를 보면 용강의 탈탄 반응은 약 95% 이상이 진공조(1) 내의 용강 표면에서 발생하는 것으로 보고되고 있으며, 진공조내에서의 용강은 통상 160∼230톤/분의 빠른 환류 속도로 환류되고 있으므로 용강 표면에서의 탈탄 반응을 저해하지 않는 범위내에서 알루미늄을 투입하여 레이들(2) 내에서 알루미늄의 산화 반응을 일으킨다면 탈탄 작업중에도 탈탄 성능의 저하없이 용강을 승온시킬 수 있는 것이다.

본 발명에서는 탈탄 작업중 알루미늄의 투입 시기를 용강 환류 개시후부터 8분 이내로 투입 완료하도록 제한하고 있는데, 그 이유를 설명하면, 도 2 도시와 같이 용강중에서의 탈탄 반응은 크게 2단계로 구분되어 일어나며, 탈탄 1기에서는 용강중에 많은 양의 산소와 탄소가 존재하여 반응 계면적이 큰 진공조(1) 용강 표면에서 왕성하게 탈탄 반응이 일어나며, 이 시기는 용강 환류 개시후부터 약 8분 시점이 되며, 탈탄 2기는 용강중의 탄소량이 극미하여 일산화탄소를 생성하는 탈탄 반응이 주로 용강 표면 뿐만 아니라 용강 내부에서도 어느 정도 발생하여 용강중 탄소이동율속 단계에 접어들게 된다.

따라서, 용강을 승온시키기 위해 알루미늄을 투입하는 것으로 인해 탈탄 2기 시점에서 레이들내 용강에서의 탈탄 성능이 저하하지 않도록 알루미늄을 용강 환류 개시후부터 8분 이내에 투입하는 것이다.

표 1에는 현장 조업시 탈탄 처리중 알루미늄 투입 시점에 따른 처리후의 용강중 탄소 함량을 나타내고 있다.

알루미늄투입시점 (환류개시후부터의시간)	2∼5분	6∼8분	9∼11분	비 고
처리후 용강중 탄소량 (ppm)	28, 26, 24	30, 35, 28	45, 56, 49	용강탈탄시간 16분처리시의실적

표 1로부터 알 수 있는 바와 같이, 탈탄 처리중 알루미늄의 투입 시점이 지연됨에 따라 처리후의 탄소 함량이 증가함을 알 수 있고 투입 시점이 9분 이상일 경우 목표로 하는 탄소 함량이 50 ppm 이하 수준까지 근접하여 탄소 농도 관리상 위험 수준임을 알 수 있다.

또한, 본 발명에서는 탈탄 처리중 용강 승온을 위해 알루미늄을 투입시 매회 5∼15㎏씩 5∼15초 간격으로 연속 투입하는데, 그 이유를 설명하면 다음과 같다.

우선, 용강 승온을 위하여 알루미늄을 투입하나 탈탄 처리중 과다하게 알루미늄을 투입하면 용강중 산소가 탄소와 결합하기 전에 산소 친화력이 강한 알루미늄과 먼저 결합하여 탈탄 성능이 저하하고, 산소 취입에 의한 용강중으로의 산소 공급 속도 보다 알루미늄 투입에 의한 용강중 산소저감 속도가 클 경우 용강중 탈탄 반응 속도가 급격히 저하되어 탈탄 반응이 잘 이루어지지 않는 문제가 발생하기 때문에 탈탄 성능이 열화되지 않는 범위내에서 알루미늄을 투입하는 것이 필요하다.

따라서, 이론상 산소 취입에 의한 용강 중으로의 산소 공급 속도는 약 2.5ppm/초이므로 용강중에 알루미늄을 10㎏ 투입시 알루미늄 산화에 필요한 산소량은 약 27ppm이 되고, 산소 취입중에 10㎏의 알루미늄을 10초 단위로 투입시 산소 취입(산소상취)에 의한 산소 공급량과 알루미늄에 의한 산소 감소량이 유사하여 용존산소량의 감소없이 승온시킬 수 있으며, 탈탄 작업에도 영향을 미치지 않게 되는 것이다.

표 2는 탈탄 처리중 알루미늄 투입 속도 및 투입량에 따른 탈탄 반응 속도 정수와 승온 속도를 조사하여 나타내고 있다.

Al 투입간격(초) Al 투입량		5∼15	16∼25	26∼35	비 고
5∼15 (㎏/회)	kc(－1/min)	0.204	0.203	0.206	*기존방법 (탈탄완료후승온, Al일괄투입) - kc:0.205(－1/min) - 승온속도:4.8(℃/min) * 시험수:Al 투입간격별 4∼9회 시험시의 평균실적
	승온속도 (℃/min)	5.1	2.2	1.8
16∼25 (㎏/회)	kc(－1/min)	0.111	0.187	0.189
	승온속도 (℃/min)	5.2	4.1	3.2
26∼35 (㎏/회)	kc(－1/min)	0.101	0.134	0.141
	승온속도 (℃/min)	5.1	4.8	4.9

겉보기 탈탄반응 속도정수식(kc)은 다음 식 1과 같이 나타내진다.

Ct = Co. exp(-kc,t)

Ct: t 시간후의 탄소 농도(%), Co: 초기 탄소농도(%)

표 2로부터 알 수 있는 바와 같이, 알루미늄을 5∼15초 간격으로 5∼15㎏ 투입시 탈탄반응 속도정수값이 기존방법과 유사하고, 승온속도는 기존방법에 비해서 증가하였다.

그러나 알루미늄 투입 간격을 16초 이상으로 하고 투입량을 16㎏ 이상으로 한 경우는 탈탄 성능은 유사하나 승온속도가 저하하거나 탈탄 성능은 열위하나 승온속도는 양호한 결과가 얻어진다.

따라서, 상기와 같은 결과로부터 알 수 있는 바와 같이, 탈탄 작업중 용강의 탈탄 성능의 저하없이 용강을 승온할 수 있는 최적 범위는 알루미늄 투입 간격을 5∼15초로 하고 투입량을 5∼15㎏로 하는 것임을 알 수 있다.

그리고, 본 발명에서 진공 처리시의 작업 조건으로 산소 상취 유량은 통상 조업에서와 같이 2000∼2400N㎥/Hr이며, 산소 취입 유무에 대하여 통상 조업의 경우 탈탄을 목적으로 산소를 취입하며, 본 발명에서도 탈탄 목적으로 기존의 경우와 같이 산소를 취입하나 승온을 위해 필요한 산소를 추가로 취입하는 점과 산소 취입중에만 알루미늄을 투입한다는 것이 특징이다.

탈탄 성능에 영향을 미치는 환류가스량과 진공도에 있어서, 본 발명에서는 통상의 경우와 유사하게 120∼200N㎥/Hr의 환류가스를 취입하며, 진공도를 통상의 경우와 같이 탈탄 작업 개시와 함께 최대한 빠른 속도로 고진공으로 유도(대기압 760 Torr → 0 Torr)하는 조업 패턴을 취한다.

이하에서는 실시예와 관련하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.

실시예

중량%로, Si: 0.03% 이하, Mn: 0.30% 이하, P: 0.020% 이하, S: 0.020% 이하, Sol. Al:0.070% 이하를 함유하고, 탄소 함량 목표치 70ppm 이하인 극저탄소강을 제조하기 위하여 진공탈가스 처리전의 용강 온도가 도착 목표 온도 대비 15∼25℃ 낮은 용강을 대상으로 하여 종래와 같이 탈탄을 완료후 성분 조정용 Al과 함께 Al 및 산소를 취입하여 저온 용강의 승온 조업을 실시한 경우(종래예)와, 본 발명 정련 방법에 따라 탈탄 처리를 진행하는 도중의 용강의 환류 개시후 8분 이내에 투입 간격을 5∼15초로 하고 투입량을 매회당 5∼15㎏로 하여 산소 취입과 함께 알루미늄을 분할 투입하여 용강 승온 작업을 실시한 조업(발명예)을 각각 13회 실시하여 총처리 시간과 겉보기 탈탄반응 속도정수(kc), 진공탈가스 처리후 탄소농도(ppm), 승온용 Al 투입량(㎏), 진공탈가스 처리후 용강중 총산소량(T.[O])을 측정하여 비교하였고 그 결과를 표 3에 나타내었다.

실시예에서 겉보기 탈탄반응 속도정수는 식 1로부터 구해지며, 용강중 총산소량은 용강에 잔류하는 산화물중의 산소량을 합산하여 구해진다.

표 3으로부터 알 수 있는 바와 같이, 발명예의 경우에 용강 승온에 따른 개 재물의 분리부상을 위한 환류시간의 연장이 필요없으므로 진공탈가스 총처리시간이 종래예와 비교하여 5분 정도 단축할 수 있었고, 탈탄반응 속도정수(kc) 및 진공탈가스 처리후의 탄소농도는 종래와 동일한 수준으로 탈탄 성능에서 전혀 문제가 없다.

구 분	종래예	발명예	비 고
총처리시간(분)	31	26
겉보기탈탄반응속도정수 (kc)	0.203	0.202
진공탈가스처리후탄소농도 (ppm)	29	29.4
승온용 Al 투입량(㎏)	186	174
진공탈가스처리후 용강중 T.[O]	72	56

표 3으로부터 알 수 있는 바와 같이, 발명예의 경우에 용강 승온에 따른 개재물의 분리부상을 위한 환류시간의 연장이 필요없으므로 진공탈가스 총처리시간이 종래예와 비교하여 5분 정도 단축할 수 있었고, 탈탄반응 속도정수(kc) 및 진공탈가스 처리후의 탄소농도는 종래와 동일한 수준으로 탈탄 성능에서 전혀 문제가 없다.

또한, 승온에 필요한 알루미늄 투입량의 경우, 발명예의 경우 용강 승온시 알루미나 개재물의 부상 분리를 위한 환류시간 연장이 불필요하고 승온시 추가적으로 환류시간을 연장하기 위하여 온도를 보정하는 것이 불필요하여 처리전 온도가 동일한 조건이더라도 발명예의 경우는 승온량이 줄어들므로 그 만큼 승온용 알루미 늄량도 감소시킬 수 있으며, 표 3 으로부터 발명예의 경우 종래예에 비해 감소된 것을 알 수 있다.

품질면에서는 탈탄처리중 투입된 승온용 알루미늄은 부상분리 시간을 충분히 확보하여 청정성면에서도 유리하며, 총알루미늄 투입량이 감소되므로 용강중 알루미나 개재물 저감 측면에서도 기존 조업에 비하여 양호한 실적을 확보할 수 있어서 진공탈가스 처리 종료후 용강중 총산소량이 대폭 감소된 것을 알 수 있다.

따라서, 상기 설명한 바와 같은 본 발명에 의하면 현재 제조되는 냉연 소재중 그 생산량 점유비가 큰 극저탄소강 제조시 종래 진공탈가스(RH) 설비에서 탈탄 작업과 승온작업을 병햄함에 따라 처리 시간이 타 강종에 비해 길어 작업 부하가 가중되었으나, 본 발명에서는 저온 용강의 처리 시간을 대폭 감소시켜 진공탈가스 설비의 생산능력을 향상시키고, 처리 시간을 단축하여 내화물의 용손을 저감실 수 있어서 제조원가를 절감할 수 있으며, 용강의 청정성을 대폭 향상시켜 냉연 소재의 표면 품질을 향상시킬 수 있다.

Claims (2)

1. 진공탈가스 설비에서 알루미늄의 산화열을 이용하여 용강을 승온하는 70 ppm 이하의 탄소를 함유하는 극저탄소 용강 정련 방법에 있어서, 용강의 청정성을 향상시키기 위하여 용강의 탈탄 처리중에 산소 취입과 함께 알루미늄을 투입하여 승온하되, 알루미늄을 탈탄 개시후 8분 이내에 투입완료하며, 투입 간격을 5∼15초로 하여 매회당 0.015~0.044㎏/용강1톤 씩 분할 투입하는 것을 특징으로 하는 극저탄소 용강의 정련 방법.
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