KR100589843B1 - 용강중 질소함유에 의한 액적 미세화법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 용강의 액적 미세화에 관한 것으로서, 질소를 용강에 일정농도로 용해시켜 질소(N)의 농도를 증가시킨 상태에서 용강을 진공분위기 몰드에 주입하여 용강의 액적이 미세하게 비산되도록 하기 위한 용강중 질소함유에 의한 액적 미세화법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 용강중 질소함유에 의한 액적 미세화법에 있어서, 상기 용강이 80~200PPM의 질소함량을 갖도록 질소취입을 한 후에, 5~10톤/분의 주입속도로 노즐을 통해 몰드에 주입하도록 구성된 것을 기술적 특징으로 한다.

이와 같이 구성된 본 발명의 용강중 질소함유에 의한 액적 미세화법은 용강에 질소를 취입하여 질소의 함량을 증가시킨 상태로, 진공분위기 몰드에 주입함으로써, 용강에 함유된 질소가 가스상태의 질소로 변하여 방출되는 에너지를 이용하여 용강의 액적을 미세화 한다.

용강, 액적의 미세화, 질소함유, 질소함량

Description

용강중 질소함유에 의한 액적 미세화법{Fine Droplet Method by Nitrogen in Molten Steel on Vacuum Pouring}

도 1은 본 발명의 한 실시 예로써, 용강중 질소 함유에 따른 용강의 주입상태를 나타낸 사진과 종래 기술에 따른 Ar주입법에 따른 용강의 주입상태를 나타낸 사진이다.

본 발명은 용강의 액적 미세화에 관한 것으로서, 특히, 질소를 용강에 용해시켜 질소의 농도를 증가시킨 상태에서 용강을 진공분위기 몰드에 주입하여 용강의 액적이 미세하게 비산되도록 하기 위한 것이다.

단강품용 강괴를 제조하기 위한 조괴법은 진공조괴법과 하주조괴법으로 대표되며, 제품의 크기, 요구 품질 수준 등에 따라 상기 두 조괴법 중에 어느 하나의 방법으로 조괴한다.

그 중에서 진공조괴법은 진공조 내에 강괴 몰드를 정치하고, 진공분위기 중에 상주하는 방법으로, 용강이 진공에 노출되어 수소, 산소 및 개재물이 적은 양호 한 강괴를 제조한다.

일반적으로 진공조괴법의 경우, 500톤의 강괴를 제작하기 위해서는 5~8톤/분의 주입속도로 용강을 몰드로 주입하게 되는데, 중간 레이들(pony Ladle)의 노즐에서 강괴 몰드의 스툴(stool)까지는 약 8m가 된다. 이와 같이 용강을 노즐을 통해 상부에서 주입하다보면 하부 스툴이 받는 충격은 하기 수학식1과 같다.

여기에서, ρ는 용강밀도이고, g는 중력가속도이며, h는 주입높이로서 8m에 해당하며, w는 용강의 중량이다.

이와 같은 충격이 스툴을 파손시키고, 용강의 액적이 미세화 되지 못한 경우강괴의 표면 성상을 나쁘게 한다. 또한, 몰드내 용강이 심하게 유동하면서 강괴의 품질을 확보하기에 어려움이 따른다.

따라서, 강괴의 품질을 향상시키기 위해서는 주입시에 비산되는 용강의 액적이 미세한 것이 바람직하다. 이와 같이 비산되는 용강의 액적이 미세화 됨에 따라, 상대적으로 비산된 용강의 전체 표면적은 증가하게 되고, 그럼으로써, 용강 중에 가스 성분의 감소 및 비산된 용강에 부착된 산화물을 효과적으로 제거할 수 있다.

아래에서는 용강이 비산되는 동력에 대해 설명한다.

진공하에서, 평형상태의 C-O관계가 깨지면, 원자 상태의 탄소와 산소가 반응하여 기체상태의 일산화탄소(C + O -> CO)로 반응하여 용강에 내재된 기포가 폭발 적으로 방출되면서 비산이 이루어진다. 이와 같이 용강 내에 산소량이 많으면 비산이 많아 바람직하지만, 산소량이 많아지면서 탈황이 어렵고 탈산작업을 진행하여야 한다는 단점이 있다.

역으로, 강괴의 청정성을 확보하기 위해 탈황과 탈산작업을 수행하게 되면, 용강 중 산소활동성(oxygen activity)이 낮아져 CO의 발생량이 적아지고, 그로 인해 비산 또한 적아지게 된다.

이와 같이 용강의 산소량에 따라 상호 상반되는 결과가 도출됨으로써, 종래에는 이를 보완하기 위해서 아래와 같은 Ar가스를 취입하였다.

종래에는 강력한 탈산에 의한 주입 용강의 비산 저하에 따른 문제점을 보완하기 위한 목적으로, 용강과 반응성 및 용해도가 없는 Ar가스를 중간 레이들(Pony Ladle)의 스토퍼 로드(stopper rod)를 통하여 약 10kg/cm² 압력으로 취입하면, Ar가스가 진공하에서 급격하게 팽창하면서 주입류를 작은 크기의 액적으로 비산시킨다.

하지만, 이와 같은 Ar가스의 취입에 따른 문제점이 있다.

Ar가스를 취입하여 용강을 비산시키는 방법은 Ar가스에 의하여 온도저하가 발생되므로 주입온도를 높여줘야 하며, 주입노즐 내에 기포가 발생하면 주입속도가 저하된다. 또한 스토퍼 로드(stopper rod)내에 Ar가스 도입관(I.D:2.5mm) 내부가 이물질로 막히면, 액적이 조대화 되고, 직진성이 확보되지 않아 산화물인 스토퍼 헤드(stopper head) 및 노즐(Nozzle)을 파손시켜, 주입 용강으로 탈락하여 결함을 유발시킨다는 단점이 있다.

본 발명은 앞서 설명한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 발명된 것으로서, Ar가스의 취입에 따른 문제점을 극복하면서 미세화된 액적이 비산될 수 있게 용강의 내부에 질소 용해량을 제어하여 용강의 액적 미세화를 달성하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 용강중 질소함유에 의한 액적 미세화법에 있어서, 상기 용강이 80~200PPM의 질소함량을 갖도록 질소를 용해시키 후에, 5~10톤/분의 주입속도로 노즐을 통해 몰드에 주입하도록 구성된 것을 기술적 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 상기 용강을 상기 몰드에 주입할 시에 용강의 주입온도는 1550~1600℃이다.

아래에서, 본 발명에 따른 용강중 질소함유에 의한 액적 미세화법의 양호한 실시 예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명한다.

진공조괴의 장점은 용강 내에 가스성분의 감소 및 액적에 부착된 산화물을 효과적으로 제거하여 강괴의 청정도를 향상시킨다는 것이다. 이와 같은 진공조괴의 장점을 얻기 위해서는, 비산되는 용강의 액적을 미세화하여야 하는데, 본 발명은 용강 내에 가스 성분인 질소(N)를 일정 농도 이상으로 용해시켜, 진공 하에서 폭발적으로 방출되게 하여 비산되는 용강의 액적을 미세화 하는 기술에 관한 것이다.

용강 내에 높은 질소 농도에 따른 비산되는 액적의 미세화는 다음과 같은 메 커니즘에 의해 구현된다.

중간 레이들(Pony Ladle)을 통해 진공 탱크내에 용강을 주입하면, 용강 표면에서 가스확산에 의한 반응속도는 아래의 수학식2로 나타낼 수 있다.

상기 수학식 2는 하기의 수학식 3으로 풀 수 있으며,

다시 수학식 3은 수학식 4로 풀 수 있다.

상기의 수학식 2 내지 수학식 4에 있어서, C는 t시간 경과 후에 가스의 농도이고, Cs는 용강표면에서 가스의 평형농도이며, Co는 t=0 시에 용강 중 가스의 초기농도이다. 그리고 dc/dt는 시간 t인 시점에서 용강에 용해된 가스농도 변화율이고, F는 탈가스(Degassing)유효면적이며, k는 용강유동 및 가스종류에 의존하는 물질이동계수이다. 또한, P는 t시간 경과 후에 용강 상부의 압력이고, Ps는 평형 도달 후에 용강상부의 가스압력이며, Po는 반응초기(t=0) 용강 상부 압력이며, V는 용강의 체적이다.

수학식 2에서 탈가스율을 높이기 위한 조건으로, 용강 표면에서 진공도, 유동에 의한 반응 팩터 부여, 농도차 및 반응 계면적 증대를 들 수 있다. 반응 계면적(F)을 증대시키기 위하여 용강의 액적을 미세화한다. 즉, 주입 용강을 미세 액적으로 만들어 반응 유효면적율(F/V)을 증대시키면, 정련기능은 향상된다.

한편, 용강 내에 질소(N)의 농도가 높을 경우에 용강 주입시에 질소(N)의 원자가 질소 분자(N₂)로 되어 용강에 내재된 기포가 폭발적으로 방출되면서 비산이 이루어진다.

따라서 본 발명에서는 용강에 질소를 정련 중에 용해시켜 질소의 함량을 증가시킨다. 질소(N)를 80~200PPM의 농도 범위로 용해한 후에, 노즐을 통해 몰드로 용강을 주입하게 되면, 질소의 원자는 가스 상태의 질소로 변하게 되고, 진공 하에서 폭발적으로 방출된다. 이와 같은 질소가스의 방출을 구동력으로 용강은 미세한 액적상태로 비산된다. 여기에서, 질소의 농도범위는 용강 내에 질소가스 취입 또는 질소를 함유한 합금(Cr-9%N 또는 Mn-9%N)을 투입 용융시켜 농도를 조절한다.

여기에서, 질소의 함량이 80PPM 미만일 경우에는 질소함량이 작아 용강의 미세한 액적 발생에 필요한 충분한 구동력을 발생하지 못하며, 200PPM을 초과하였을 경우에 수요자가 원하는 강괴의 질소 범위를 초과하게 된다.

도면에서, 도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 질소함유에 따른 용강의 주입상태를 나타낸 사진(b)과 종래 기술에 따른 Ar주입법에 따른 용강의 주입상태를 나타낸 사진(a)이다.

도 1의 사진에서 알 수 있듯이, 질소가스의 방출에 따른 비산상태가 Ar가스 취입에 따른 비산상태보다 더욱 미세하고 균일한 것을 알 수 있다.

또한, 하기의 표 1은 질소 함유에 의해 제작된 강괴의 성분비와 Ar 가스 주입법에 의해 제작된 강괴의 성분비이다. 표 1에 알 수 있듯이, 용강중 질소함유에 의한 액적 미세화법에서의 수소와 산소의 평균함유량이 감소하여 보다 우수한 성질의 강괴가 제조되었음을 알 수 있다.

구분	수소	질소	산소
Ar가스 주입법	0.85~1.0	40~60	15~25
질소함유법	0.8~0.95	45~70	15~20

(단위 : PPM)

앞서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명의 용강중 질소함유에 의한 액적 미세화법은 용강에 질소를 용해시켜 질소의 함량을 증가시킨 상태로 몰드에 주입함으로써, 용강에 함유된 질소(N)가 가스상태의 질소(N₂)로 변하여 방출되는 에너지를 이용하여 용강의 액적을 미세화 한다. 따라서 종래의 Ar가스 함유법에 따른 문제점 즉, 온도저하, 주입속도 저하, 스토퍼 헤드 및 노즐의 파손 등의 문제점을 해결한다.

본 발명의 용강중 질소함유에 의한 액적 미세화법에 따라 용강을 몰드에 주입하였을 때에, 주입속도는 5~10톤/분이고, 주입온도는 1550~1600℃이다.
일반적으로 주입탱크내에 잉곳 몰드를 두고 진동도 0.2~1 torr가 되도록 조건을 조성한 상태에서 용강을 5~10톤/분으로 주입한다. 여기에서, 5톤/분미만으로 용강을 주입하게 되면, 노즐 막힘현상이 발생할 수 있고, 반대로 10톤/분을 초과하여 주입하게 되면, 주입용강이 탕면 깊숙이 파고들어 용강 유동이 심해져 양질의 잉곳을 생산하기 어려움이 있다.
또한, 주입온도는 1550~1600℃로서, 주입시 온도는 액적화에 의한 온도 강하 50℃를 고려하여 탄소강의 용융온도(1495℃)보다 높은 1550℃ 이상을 유지하여야 하며, 1600℃를 초과하게 되면 몰드표면에 끊어오름 현상이 발생하여 몰드 및 내화물의 침식에 의해 용강청정성이 나빠진다.

이상에서 본 발명의 용강중 질소함유에 의한 액적 미세화법에 대한 기술사상을 첨부도면과 함께 서술하였지만, 이는 본 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다.

Claims (2)

1. 용강중 질소함유에 의한 액적 미세화법에 있어서,

   상기 용강이 80~200PPM의 질소함량을 갖도록 질소를 용해시킨 후에, 5~10톤/분의 주입속도로 노즐을 통해 몰드에 주입하며,상기 용강을 상기 몰드에 주입할 시에 용강의 주입온도는 1550~1600℃인 것을 특징으로 하는 용강중 질소함유에 의한 액적 미세화법.
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