KR100723376B1

KR100723376B1 - 진공 탈가스 장치

Info

Publication number: KR100723376B1
Application number: KR1020050132997A
Authority: KR
Inventors: 박정호; 오정근
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2005-12-29
Filing date: 2005-12-29
Publication date: 2007-05-30

Abstract

본 발명은 진공 탈가스 장치에 관한 것으로, 상승관, 진공조 및 하강관을 포함하고, 상기 하강관에 직경이 1 내지 3mm인 하강 가스 취입 노즐이 하강관의 원주 방향을 따라서 2 내지 8개 미만으로 형성되고, 상기 하강 가스 취입 노즐에 불활성 가스가 0.5 내지 0.8kgf/cm²의 공급 압력으로 2 내지 15Nm³/hr의 유량으로 취입되는 것을 특징으로 하는 진공 탈가스 장치가 제공된다. 이에 따라 본 발명은 고가의 용제를 사용하지 않고도 탈산 생성물을 효율적으로 제거하고 고청정강을 제조할 수 있을 뿐 아니라, 환류 시간을 단축시킬 수 있어 진공 탈가스 장치의 내화물의 침식을 저감시키고, 생산성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

진공 탈가스, RH, 정련, 용강, 환류, 탈산, 탈탄

Description

진공 탈가스 장치{Vaccum degassing apparatus}

도 1은 종래 일반적인 진공 탈가스 장치의 구조를 개략적으로 도시한 단면도.

도 2는 용강의 환류 시간에 따른 용강의 청정도를 나타낸 그래프.

도 3은 본 발명에 따른 진공 탈가스 장치의 구조를 개략적으로 도시한 단면도.

도 4는 본 발명에 따른 진공 탈가스 장치의 하강관의 단면을 도시한 단면도.

도 5는 실시예와 비교예의 청정도를 비교한 그래프.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 래들 20 : 진공조

30 : 상승관 40 : 하강관

50 : 용강 60 : 환류 가스 취입 노즐

70 : 하강 가스 취입 노즐 80 : 합금철 투입구

본 발명은 진공 탈가스 장치 및 이를 이용한 정련 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 정련 효율을 높이고 정련 시간을 단축시킬 수 있는 진공 탈가스 장치 및 이를 이용한 정련 방법에 관한 것이다.

일반적으로 제강 공정은 용선 예비처리 공정, 전로 정련 공정, 이차 정련 공정 및 연속주조 공정 순으로 진행된다.

전로 공정은 용선에 산소 가스를 취입함으로써 탈탄 공정을 주 목적으로 한다. 따라서 전로 출강시 용강 중 산소량은 500 내지 1000ppm에 이르고, 주조를 위해서는 용강을 탈산하여야 하는데, 이 때 탈산제로는 Al, Si, Mn, Ti 등이 사용된다. 이러한 탈산 반응에 의해 생성되는 탈산 생성물들은 산화물로서 용강 청정도를 악화시키는 원인이 되기 때문에, 이를 슬래그에 흡수하기 위하여 출강 공정 및 2차 정련 공정에서는 슬래그 개질제(flux)를 첨가해야 한다.

일반적으로 전로에서 출강되는 용강은 불순물이 많고 원하는 특수강의 성분이 대부분 미달인 상태이므로, 별도의 용기, 즉 래들(ladle)에 용강을 담고 불순물, 예를 들어 탄소(C) 성분의 제거를 위한 탈탄 작업 등을 수행한다. 이를 노외 정련 공정이라 하고, 이와 같은 노외 정련 공정은 진공 탈가스 및 산소, 아르곤 가스 등을 이용하여 강의 불순물을 제거하는 여러 방식이 있다.

도 1은 종래 일반적인 진공 탈가스 장치의 구조를 개략적으로 도시한 단면도이다.

도 1을 참조하면, 진공 탈가스 장치는 래들(1) 상부에 배치되는 상승관(3), 진공조(2) 및 하강관(4)을 포함하고, 상기 상승관(3)은 환류 가스 취입을 위한 환 류 가스 취입 노즐(6)을 포함한다.

이를 이용한 정련 공정은 래들(1) 상부에 진공조(2)를 위치시키고, 고온, 고압의 스팀을 구동력으로 진공조(2)내의 압력을 낮추어서 래들(1)에 담겨 있는 용강(5)을 상승관(3) 및 하강관(4)을 통해 진공조(1)로 흡상시키며 유동시킨다. 또한 상승관(3)에 설치되어 있는 노즐(6)을 통해 불활성 가스를 취입하여 용강(5)의 겉보기 비중을 감소시킴으로써, 진공조(1) 내의 용강 높이 차이를 야기시켜, 용강(5)을 환류시키는 것이다. 이 때, 진공 탈가스 장치 내로 주입되는 기포에 의해 정련 효율이 향상되며, 특히 탈탄 한계와 개재물 응집 측면에서 우수하다.

일반적으로 탈가스 공정은 먼저 전로에서 출강된 용강에 상기와 같은 방법으로 진공 탈가스 장치에서 용강의 환류를 진행하여 진공 탈탄을 수행하는 탈탄 과정, 탈탄된 용강에 잔류된 산소를 제거하는 탈산 공정, 탈산 후 용강 성분 조정을 위한 합금철 투입 및 탈산시 생성된 탈산성 생성물을 제거하는 환류 과정을 포함한다. 상기 환류 과정은 탈산 공정시 생성된 다량의 미세한 탈산 생성물의 부상 분리를 돕기 위한 것으로, 10 내지 15분 동안 용강을 환류시킨 후 정련을 종료하게 된다. 이 때, 용강의 환류 시간에 따른 용강의 청정도, 즉 개재물 총량의 변화를 나타낸 도 2에서 볼 수 있듯이 환류 시간이 길어짐에 따라 용강 중 개재물 총량은 감소한다.

종래에는 상기 언급한 바와 같이 용강의 탈산 공정시 생성되는 탈산 생성물을 제거하기 위해 슬래그 개질제, 즉 용제(flux)를 첨가하는데, 이는 가격이 고가이기 때문에, 용강의 제조 원가를 증가시키며 용강의 온도를 2 내지 3℃ 냉각시키 는 원인이 된다. 또한, 용제를 첨가한 후 탈산 생성물의 부상 분리를 위해 용강을 단순히 10 내지 15분 동안 환류하는데, 이는 정련 효율이 낮을 뿐만 아니라 환류 시간이 지나치게 길기 때문에 용강 온도를 떨어뜨리게 된다.

본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 진공 탈가스 장치의 하강관에 하강 가스 취입 노즐을 형성하여 이를 통해 불활성 가스를 취입함으로써, 고가의 용제를 사용하지 않고도 정련 효율을 향상시키고 정련 시간을 단축시킬 수 있는 진공 탈가스 장치 및 이를 이용한 정련 방법에 관한 것이다.

본 발명은 상술한 목적을 달성하기 위하여, 진공 탈가스 장치에 있어서, 상승관, 진공조 및 하강관을 포함하고, 상기 하강관에 직경이 1 내지 3mm인 하강 가스 취입 노즐이 하강관의 원주 방향을 따라서 2 내지 8개 미만으로 형성되고, 상기 하강 가스 취입 노즐에 불활성 가스가 0.5 내지 0.8kgf/cm²의 공급 압력으로 2 내지 15Nm³/hr의 유량으로 취입되는 것을 특징으로 하는 진공 탈가스 장치를 제공한다.
여기서 상기 하강 가스 취입 노즐은 일정한 간격을 두고 형성될 수 있다.

삭제

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 진공 탈가스 장치 및 이를 이용한 정련 방법에 대하여 상세히 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명에 따른 진공 탈가스 장치의 구조를 개략적으로 도시한 단면도이다.

도 3을 참조하면, 진공 탈가스 장치는 래들(10) 상부에 배치되는 상승관(30), 진공조(20) 및 하강관(40)을 포함하고, 상기 상승관(30)은 환류 가스 취입을 위한 환류 가스 취입 노즐(60)을 포함하고, 상기 하강관(40)은 원주 방향을 따라서 형성된 다수의 하강 가스 취입 노즐(70)을 포함한다.

상기 하강관(40)의 단면을 도시한 도 4에서 볼 수 있듯이, 상기 하강 가스 취입 노즐(70)은 원주 방향을 따라서 다수개가 형성되고, 이는 용강의 균일한 흐름을 위하여 일정한 간격을 두고 형성되는 것이 바람직하다. 도면에는 3개의 하강 가스 취입 노즐을 형성하였으나, 이에 한정되지 않고 하강 가스 취입 노즐은 다양한 개수로 형성될 수 있다.

상기 하강 가스 취입 노즐은 2 내지 8개 미만으로 형성되는 것이 바람직하다. 이는 상기 하강 가스 취입 노즐이 1개인 경우에는 불균일한 용강 흐름이 형성되어 청정도의 향상 효과를 얻기가 어렵고, 8개를 초과하는 경우에는 한정되어 있는 가스 유량으로 인해 노즐 막힘 현상이 발생하여, 마찬가지로 청정도의 개선 효과가 감소하기 때문이다.

또한, 상기 하강 가스 취입 노즐은 그 직경이 1 내지 3㎜인 것이 바람직하다. 이는 하강 가스 취입 노즐의 직경이 1㎜ 미만인 경우에는 노즐의 가공이 어려 워 노즐의 가격이 상승하는 단점이 있고, 3㎜를 초과하는 경우에는 불활성 가스의 공급 압력을 0.5kg/cm² 이하로 낮추어야 한다. 실제로 공급 압력을 제어하기가 곤란하고, 공급 압력을 낮추지 못하는 경우에는 하강 가스 취입 노즐을 통한 불활성 가스가 과도하게 취입됨으로써, 하강관에서의 용강 흐름, 즉, 직하 방향의 용강 흐름을 직상 방향으로 바뀌게 하여 용강의 환류 속도를 저감시키기 때문에 용강 정련을 방해할 수 있다. 따라서, 상기 하강 가스 취입 가스 노즐의 직경은 1 내지 3㎜인 것이 바람직하다.

이하, 상술한 진공 탈가스 장치를 이용한 정련 방법에 대하여 설명한다.

본 발명은 고청정강의 용강을 정련하기 위해 상기 진공 탈가스 장치의 상승관에 형성된 환류 가스 취입 노즐에 환류 가스를 취입하고, 상기 하강관에 형성된 다수의 하강 가스 취입 노즐에 불활성 가스를 취입하여 환류 공정을 진행한다. 상기 불활성 가스로는 아르곤(Ar) 가스인 것이 바람직하다.

상기 불활성 가스는 0.5 내지 0.8kg/cm³의 공급 압력으로 취입되는 것이 바람직하다. 이는 상기 불활성 가스의 공급 압력이 0.5kg/cm³ 미만인 경우에는 불활성 가스를 최소한으로 필요한 취입량을 충족시키기 어렵고, 0.8kg/cm³를 초과하는 경우에는 불활성 가스의 취입량이 과도하여 하강관에서의 용강 흐름을 방해하게 된다.

또한, 상기 불활성 가스의 공급 유량은 2 내지 15Nm³/hr인 것이 바람직하다. 이는 상기 불활성 가스의 공급 유량이 2Nm³/hr 미만인 경우에는 가스 기포에 의한 비금속 개재물의 포집 효과가 매우 저하되어 청정도 향상 효과를 얻기 어렵고, 15Nm³/hr을 초과하는 경우에는 불활성 가스에 의한 용강의 청정성 향상 효과를 기대할 수는 있으나, 하강관에서의 용강 흐름을 방해하기 때문에 용강의 환류 속도를 저하시키고 정련 시간을 증가시키게 된다.

따라서, 본 발명에 따른 정련 공정시 상기 하강관에 형성된 다수의 하강 가스 취입 노즐에 불활성 가스를 취입하여 환류 공정을 진행하되, 상기 불활성 가스는 0.5 내지 0.8kg/cm³의 공급 압력으로 2 내지 15Nm³/hr의 유량을 취입하는 것이 바람직하다.

이와 같은 본 발명에 따른 정련 공정의 메카니즘에 대해 설명하면 다음과 같다.

용강 중 개재물의 부상 분리는 용강과 탈산 생성물의 비중차에 의한 개재물의 부상 분리, 즉 stockes 법칙으로 설명할 수 있다. 용강 중에서 개재물의 부상 속도는 하기 식과 같이 표기할 수 있으며, 여기서 v는 비금속 개재물의 부상 속도, g는 중력 가속도(=9.0m/sec²), r은 개재물 반경(m), ρ_Fe와 ρ_inclu는 각각 용강 및 개재물의 밀도(kg/m³), η는 용강의 점성계수(=0.005kg/m-sec)를 의미한다. 하기 식으로부터 개재물의 입자가 클수록, 개재물의 밀도가 작을수록 부상 속도가 빠른 것을 알 수 있다.

한편, 진공 탈가스 장치에서 용강 환류시, 하강류의 속도는 초당 1.1 내지 1.6미터(m) 정도의 빠른 유속을 가지며, 하강관에 형성된 가스 취입 노즐을 통해 불활성 가스를 취입하는 경우, 하강류의 속도와 난류 운동 에너지의 작용으로 불활성 가스는 1 내지 5mm 범위의 미세 기포로 쪼개지고, 이들 미세 기포는 래들 내 용강의 매우 깊은 위치에 도달한 후, 래들 슬래그 층으로 부상하게 된다. 이러한 미세 기포가 부상하면서 탈산 생성물과 충돌하여 결합하며, 미세 기포와 결합된 탈산 생성물의 부상 속도는 미세 기포의 부상 속도와 유사한 값을 갖게 된다. 즉, 미세 기포와 결합된 탈살 생성물의 부피는 크게 증가하고, 밀도는 크게 감소하므로 상기 식에 따라 탈산 생성물의 부상 속도는 매우 크게 증가한다. 따라서 본 발명은 하강관의 하강 가스 취입 노즐을 통해 취입되는 불활성 가스로 인해 생성되는 미세 기포가 탈산 생성물의 부상 속도를 크게 증가시킴으로써, 정련시 고가의 용제를 첨가하지 않고도 탈산 생성물을 효과적으로 제거할 수 있다. 또한 환류 시간의 감소로 정련 시간을 단축시킬 수 있는 효과가 있다.

이하, 본 발명을 실시예를 통하여 보다 구체적으로 설명한다.

[실시예]

탄소 함량 0.16%의 알루미늄 탈산강을 대상으로 하여, 하기 표 1은 조업 조건을 나타낸 것으로, 환류관 즉, 상승관 및 하강관의 내경은 730mm이고, 상승관의 환류 가스 취입 노즐을 통해 취입되는 환류 가스의 유량은 100Nm³/hr이고, 처리 진공도는 0.5torr로 유지하였다. 본 발명에 따른 실시예는 300톤의 진공 탈가스 장치의 하강관에 SUS304 파이프를 사용하여, 직경 2mm의 하강 가스 취입 노즐 4개를 형성하였다. 이와 같은 실시예의 경우, 상기 하강관의 하강 가스 취입 노즐에 아르곤(Ar) 가스를 취입하고, 아르곤 가스의 공급 압력을 0.5 내지 0.8kgf/cm², 유량을 2 내지 15Nm³/hr의 범위로 제어하였다. 반면에 비교예의 경우, 용강 탈산시 용제(flux)를 첨가한 후, 하기 표 1에 도시한 바와 같은 조건으로 환류 공정을 진행하였다.

도 5는 주편 시료를 채취하여 주편 두께에 따른 실시예와 비교예의 청정도를 비교한 것으로, 실시예에 대한 비교예의 개재물 함량 비율(실시예/비교예, %)을 나타낸 것이다. 즉, 주편 위치별 분석 값의 평균치를 산정하고, 비교예 값을 100으로 하였을 때 실시예의 상대적인 값을 나타낸 것이다. 도 5에서 볼 수 있듯이, 본 발명에 따라 정련 공정을 진행한 경우, 비교예에 비해 20 내지 30% 정도의 청정도를 개선할 수 있으며, 정련 효율을 향상시킬 수 있음을 알 수 있다.
또한 도 2에서 볼 수 있듯이 본 발명의 실시예에 의하면 용강의 개재물 총량이 20%에 도달하는데 걸린 시간이 대략 2 내지 3분 정도인데 반해 비교예에서는 13분 이상 걸리게 됨으로써, 종래에 비해 용강의 환류 시간을 단축시킬 수 있다.

이와 같이 본 발명은 진공 탈가스 장치의 하강관에 하강 가스 취입 노즐을 형성하여 이를 통해 불활성 가스를 취입함으로써, 고가의 용제를 사용하지 않고도 탈산 생성물을 효율적으로 제거하고 고청정강을 제조할 수 있을 뿐만 아니라, 환류 시간을 단축시킬 수 있어 진공 탈가스 장치의 내화물의 침식을 저감시키고, 생산성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 이용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시예에 한정되는 것이 아니며, 첨부된 특허 청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술 분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.

본 발명은 진공 탈가스 장치의 하강관에 하강 가스 취입 노즐을 형성하여 이를 통해 불활성 가스를 취입함으로써, 고가의 용제를 사용하지 않고도 탈산 생성물을 효율적으로 제거하고 고청정강을 제조할 수 있다. 또한, 환류 시간을 단축시킬 수 있어 진공 탈가스 장치의 내화물의 침식을 저감시키고, 생산성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims

진공 탈가스 장치에 있어서,

상승관, 진공조 및 하강관을 포함하고,

상기 하강관에 직경이 1 내지 3mm인 하강 가스 취입 노즐이 하강관의 원주 방향을 따라서 2 내지 8개 미만으로 형성되고, 상기 하강 가스 취입 노즐에 불활성 가스가 0.5 내지 0.8kgf/cm²의 공급 압력으로 2 내지 15Nm³/hr의 유량으로 취입되는 것을 특징으로 하는 진공 탈가스 장치.
청구항 1에 있어서,

상기 하강 가스 취입 노즐은 일정한 간격을 두고 형성되는 것을 특징으로 하는 진공 탈가스 장치.
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