KR100913216B1 - 탈산능 강화 시료 채취구 - Google Patents

Abstract

본 발명은 탈산능이 강화된 시료 채취구에 관한 것으로, 용탕이 유입되는 탕구를 갖는 상실주형과, 탕도를 통해 상기 상실주형의 내부와 연통되며 유입된 용강 시료가 응고되는 하실주형으로 이루어진 시료 채취구에 있어서; 상기 상실주형과 하실주형에 걸치게 탈산제가 삽입된 탈산능이 강화된 시료 채취구를 제공한다.

본 발명에 따르면, 산소 및 불활성 가스가 취입되는 정련 공정에서 탈산능과 냉각능 향상 및 용강의 흐름을 제어함으로써 건전 시료 채취가 취약하였던 공정에서 하실의 시료에 결함이 발생되지 않아 정확한 분석값을 활용한 산소와 불활성 가스의 취련 시간 및 부원료 투입량을 적절하게 조절할 수 있어 정련작업의 효율성이 증대된다.

프로브, 시료 채취구, 탈산제, 스프링, 탈산능

Description

탈산능 강화 시료 채취구{DEOXIDATION EFFICIENCY REINFORCED SAMPLER}

본 발명은 스테인리스 제강공정에서 용강의 정련 정도를 파악하기 위한 용강온도 및 시료 채취용 서브랜스 프로브의 개선에 관한 것으로, 보다 상세하게는 탈산제의 구조를 개선하여 탈산능을 향상시켜 유입되는 시료중 산소를 제어함으로써 시료중의 산소 기포로 인한 기공 발생을 억제시킬 수 있도록 한 탈산능 강화 시료 채취구에 관한 것이다.

일반적으로, 스테인리스 정련(AOD) 공정은 전기로에서 출선된 용강을 전로에 장입하여 순산소 및 아르곤, 질소 등을 상하횡 측에서 강압으로 취입하여 정련을 시키는데 이때 강으로부터 불순물을 부상 분리 시키기 위해 부원료를 투입 조정하고, 슬로핑 억제 및 강(Steel)의 성분에 맞는 특수 합금철을 투입 조정하여 제품의 성분을 조정하는 일련의 작업을 말하는 것으로 스테인리스 공정중 중요한 공정이다.

AOD공정중 탈탄처리단계에서 상,하취입(Top and bottom blowing)을 통해 다량의 산소를 공급하여 탄소를 산화시킴에 따라 고온(1600~1800℃)의 용강이 생성되게 된다.

이때, 상부취입(Top blowing)된 산소는 주로 [C]의 산화에 소비되며, 하부취입(Bottom blowing)된 산소의 대부분은 [Cr]의 산화에 소비된다. 이 반응에서 생성된 Cr₂O₃가 Ar 및 N₂와 함께 용강상면으로 부상하면서 탄소와 반응한다.

이러한 AOD공정은 탄소를 산화시키는 탈탄 처리단계를 1~4단계로, 귀금속을 환원시키고 제품에 악영향을 미치는 [S]를 산화시키는 환원 탈류 처리단계를 5~8단계로 구분하며, 이들 각 공정중, 1단계에서 온도 측정 및 시료를 분석하여 산소 및 불활성가스 취련량을 조절하기 위하여, 4단계에서는 불활성가스 취입량 및 합금철 및 부원료 투입량을 조절하기 위해, 그리고 8단계에서는 출강 여부를 결정하기 위해 각 단계별로 목적에 부합하는 프로브가 사용된다.

특히, 스테인리스강은 일반 탄소강보다 산소와 탄소의 활량계수 값의 곱이 1/10 수준에 불과하여 탄소 제거가 매우 어렵기 때문에 탄소강과 다르게 산소 및 아르곤, 질소 등을 전로 하측에서 취입하여 탈탄능을 향상시킬 수 있어 용존 산소양이 많은 1~4단계에서는 시료채취구 내부에 탈산제를 삽입한 프로브를 사용하고 있다.

그러나, 현재까지의 AOD 처리공정중 용강온도가 가장 높고, 용강의 와류가 심한 4단계에서의 시료 채취에 애로가 있어, 간혹 시료의 건전성 불량으로 인해 소량의 파쇄시편으로도 분석 가능한 [C], [S] 가스분석을 통한 성분값 만을 활용하여 조업이 이루어지고 있고, 이와 같은 시료불량으로 인해 용강의 성분정보를 충분히 확보하지 못하는 문제를 야기시키고 있다.

또한, 최근 마르텐사이트계 및 페라이트계 스테인리스강(즉, 400계)의 생산량이 증가함에 따라, 고온에서 취약한 기존 시료채취구로는 정확한 분석값 확보에 어려움이 있어, 특히 고온에서 건전한 시료를 채취할 수 있는 시료채취구의 필요성이 대두되고 있다.

본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술상의 문제점들을 감안하여 이를 해결하고자 창출한 것으로, 기존 탈산제 삽입 방법은 수강부 상실에 권취형 혹은 부정형으로 삽입되어 있어 하실에 유입되는 용강뿐만 아니라 상실에 남아있는 용강의 산소 또한 탈산시키기 때문에 탈산능이 떨어지므로 탈산제의 구조를 개선하여 탈산능을 향상시키는 것에 의해 유입되는 시료중 산소를 제어함으로써 시료중의 산소 기포로 인한 기공 발생을 억제하는데 그 주된 목적이 있다.

또한, 본 발명은 녹는점이 고온(1675℃)인 Ti 탈산제를 하실 중심부에 스프링 형태로 삽입하여 유입되는 용강 흐름을 중심부로 제어함으로써 시료의 충진성을 향상시키는데도 또다른 목적이 있다.

뿐만 아니라, 본 발명은 녹는점이 고온(1675℃)인 Ti 탈산제를 하실 중심부에 위치시켜 중심 하부에서부터 냉각이 이루어지도록 함으로써 냉각속도를 빠르게 할 뿐만 아니라 응고 수축에 의한 기공 결함을 상단부로 이동시켜 줌으로써 시료 분석면의 건전성을 확보하고, 이를 통해 정확한 분석이 가능하며, 결국 정련공정에서의 생산성 향상 및 부원료의 양을 적절하게 조절할 수 있도록 하는데 또다른 목 적이 있다.

본 발명은 상기한 기술적 과제를 달성하기 위하여, 용탕이 유입되는 탕구를 갖는 상실주형과, 탕도를 통해 상기 상실주형의 내부와 연통되며 유입된 용강 시료가 응고되는 하실주형으로 이루어진 시료 채취구에 있어서; 상기 상실주형과 하실주형에 걸치게 탈산제가 삽입된 탈산능 강화 시료 채취구를 제공함에 그 특징이 있다.

이때, 상기 탈산제는 티타늄계의 재질로 외경이 탕도의 75~105%의 스프링 형태로 이루어지는 것에도 그 특징이 있으며, 상기 탈산제는 그 전체 길이 대비 상실:30~40%와 하실:60~70%의 비율로 배치되도록 삽입설치되는 것에도 그 특징이 있다.

또한, 상기 탈산제는 Al, Zr,Ti중 하나인 것에도 그 특징이 있다.

또한, 상기 하실 주형은 시료 테이퍼(θ)가 0.5° ~ 1.5°인 형태로 이루어지는 것에도 그 특징이 있다.

본 발명에 따르면, 산소 및 불활성 가스가 취입되는 정련 공정에서 탈산능과 냉각능 향상 및 용강의 흐름을 제어함으로써 건전 시료 채취가 취약하였던 공정에서 하실의 시료에 결함이 발생되지 않아 정확한 분석값을 활용한 산소와 불활성 가스의 취련 시간 및 부원료 투입량을 적절하게 조절할 수 있어 정련작업의 효율성이 증대된다.

이하에서는, 첨부도면을 참고하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 시료 채취구가 장착된 프로브의 예시적인 단면도이고, 도 2는 본 발명을 설명하기 위한 시료 채취구의 예시적인 절개 사시도 및 단면도이며, 도 3은 본 발명에 따른 시료 채취구의 예시적인 절개 사시도 및 탈산제를 보인 사시도이고, 도 4는 본 발명에 따른 시료 채취구의 테이퍼 설명을 위한 모식도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 시료 채취구(200)는 프로브(100)의 메인지관(110)에 삽입 설치된다.

상기 시료 채취구(200)는 일반적으로 도 2의 도시와 같이, 일측면에 탕구(222)가 형성되고, 용탕의 유입과 흐름을 원활히 하도록 내부가 원통형상으로 된 상실주형(220)과, 상기 상실주형(220)의 하부에 위치되면서 탕도(242)에 의해 상기 상실주형(220)과 연통되며 채취 대상 용탕이 충전되는 하실주형(240)으로 분리되고, 상기 상실주형(220)이 이루는 공간을 상실(224), 하실주형(240)이 이루는 공간을 하실(244)로 칭한다.

이때, 상기 탕도(242)는 스테인리스강 정련공정에서 구경 13.5mm가 적정하며, 그 이상일 경우에는 유입속도가 크게 되어 시료가 냉각되는 시간이 오래 걸리고, 시료 상부의 응고가 늦어 상부에 결함이 발생된다.

반대로, 그 이하일 경우에는 유입속도가 적게 되어 용강중의 가스들이 빠져 나오지 못한 상태에서 응고되기 때문에 시료중 기공이 생기는 결함이 발생된다.

일반적으로, 주조는 주형의 수직방향으로 하강하며 응고시, 상부에서 하부로 갈수록 일정한 비율로 내경이 작아지도록 형성하는 내측 테이퍼(Taper)(θ)를 줌으로써, 주물의 방향성 응고를 유도하여 주물의 내측에 가스 상이 갇히는 현상을 방지할 수 있도록 설계하지만, 본 발명이 속하는 기술분야와 같이, 극히 제한된 주형(여기서는 상,하실주형(220,240)) 공간에서 방향성 응고 뿐만아니라, 전체적인 주형의 열용량또한 고려되어야 하기 때문에, 테이퍼(θ)의 정도가 전체 시료의 건전성은 물론이고, 탈산제의 탈산 효율에도 영향을 미치는 것으로 예측된다.

또한, 시료는 분석 부위인 시료 하단에서 17~20mm인 부위에서 커팅되어 지름30mm의 분석면을 갖추어야 함으로, 이를 종합적으로 검토해 본 결과; 시료의 내측 테이퍼(θ)를 0.5°이하로 할 경우에는 분석면 확보는 가능하나, 시료와 하실주형(240)간의 응착 현상이 간혹 발생하였으며, 시료 건전성이 미확보 되었다.

반면, 1.5°이상인 경우에는 분석면 확보에 애로가 있었으며, 열용량의 영향으로 판단되는 시료 건전성 미확보 시료가 발생하였고, 추가적으로, C/S분석을 위한 칩(Chip)을 가공하는 측면 드릴링(Drilling)시 입사각이 지나치게 크게 되어, 어려움을 발생시켰다.

아래 수학식 1은 상기 내측 Taper(θ)의 의미를 부연 설명한다.

즉, 도 2를 참고하면, 내측 테이퍼(θ)=tan^-1(a-b/2L)이 되게 되며, 본 발명에서는 0.5 ~ 1.5°의 테이퍼일 때가 가장 바람직하다.

아울러, 상기 상실주형(220)의 재질은 규사(SiO2)가 아닌 세라믹(Al₂O₃-SiO₂계)으로 하는 것이 바람직한 바, 세라믹 분말을 압축 성형기로 압축 성형한 후 소결 제조하여 고온의 용강에 노출되는 세라믹 시료 채취구(200)의 내열성을 확보함이 바람직한데, 이는 오염에 의한 탄소 성분의 픽업(Pick up)을 방지할 수 있기 때문이다. 상기 하실주형(240)을 이루는 재질은 시료의 건전성을 확보하기 위해 비열이 크고 가공이 용이하며 저렴한 주철 및 주강으로 하는 것이 바람직하다.

한편, 도 3에서와 같이, 본 발명에 따른 탈산제(300)는 스프링 형태로 구성함이 바람직하며, 외경은 탕도경(13.5mm)의 75~105%인 10~14mm로 형성되어야 탈산제(300)의 삽입 작업성이 좋다.

이는 상기 탈산제(300)가 탕도(242)를 거쳐 상실(224)과 하실(244)에 걸치도록 배치되어야 하기 때문인 바, 예컨대 상기 탈산제(300)의 외경이 14mm 이상일 경우에는 탕도(242)에 잘 들어가지 않으며, 10mm 이하일 경우에는 탈산제(300)가 중심부에 위치하지 않을 우려가 있으며, 가늘고 길기 때문에 작업성이 떨어지므로 상기와 같은 범위의 외경을 가짐이 바람직하다.

아울러, 상기 탈산제(300)의 상실(224) 내에서의 돌출높이는 탕구(222)의 아래선 이하 높이로 유지시킴이 바람직한 바, 이는 탈산제(300)의 돌출높이가 탕 구(222)의 아래선보다 높을 경우 탕구캡 성형시 사용하는 내화시멘트(SiO₂계)로 인해 탈산제(300)가 오염될 염려가 있다.

이때, 탕구(222)의 성형은 메인지관(110)과 속지관 그리고 시료 채취구(200)의 틈을 내화시멘트로 충진하여 용강의 침투를 방지하도록 함이 바람직하다.

여기에서, 내화시멘트를 성형하는 방법은 얇은 철판을 이용하여 지관 사이의 틈에 내화시멘트를 충진한 후 용강이 원활하게 유입되도록 표면을 다듬어주는 방식으로 성형되며, 만약 탕구(222) 성형시 내화시멘트에 의해 탈산제(300)가 오염되게 되면 시료 성분값에 영향을 미칠 수가 있음으로 탈산제(300)의 돌출높이는 반드시 탕구(222)의 아래선 이하에서 이루어지도록 하여야 한다.

뿐만 아니라, 상기 탈산제(300)의 재질은 Al, Zr, Ti가 바람직하다.

이때, 탈산제는 용융금속내의 기체상과 반응하여 부상분리시키기 위해 사용되는 것으로, 본 발명과 같은 스테인레스강의 처리시에는 용융금속상의 질소 제거를 위해서도 사용된다.

특히, 보편적으로 탈산능과 경제적인 이유에 의해 Al을 사용하고 있으나 알류미늄 규제강의 경우에는 탈산제로 Al 사용시 용탕의 대표성을 잃게 되어 실효성이 없고, 티타늄 규제강일 경우에도 Ti를 사용할 수 없다.

따라서, 이러한 점과 탈산능(력), 탈질능(력), 경제성, 강종 등을 고려하여 적합한 탈산제가 선택되어야 하며, 탈산능을 기준으로 볼 때 Al ＞ Zr ＞ Ti 순으로 높고, 탈질력을 기준으로 볼 때는 Zr ＞ Ti ＞ Al 순으로 높으며, 경제성에 있 어서는 Zr ＞ Ti ＞ Al 순으로 비싸다.

이하, 구체적인 실시 예에 대하여 상세하게 설명한다.

본 발명 실시 예에서는 탈산제와 그것의 삽입위치 그리고 주형의 열용량이 성분분석에 어떠한 영향을 미치는지를 확인하기 위하여 실시하였으며, 이들이 성분분석과 매우 긴밀한 관계에 있음을 확인하였기에 그에 기초하여 본 발명이 완성되었다.

[실시예 1]

본 발명에 따른 스프링 형상의 탈산제(300)를 상실(224)과 하실(244)의 중심부에 삽입시켜 평균온도 1750℃인 AOD 4단계에서의 온도 및 시료 채취용 복합 프로브에 사용하였다.

이때, 상기 탈산제(300)가 상,하실 중심부에 위치할 때와 상실에만 위치할 때의 분석실패율을 검증하여 탈산제(300)의 위치가 시료 분석에 어떠한 영향을 미치는지 즉, 건전시료의 채취여부에 대한 검증결과를 표 1에 나타내었다.

여기에서, 용강을 채취한 후 시료로 정확한 성분분석이 가능한 건전한 시료의 경우를 성공으로 하고, 시료 내에 수축에 의한 공동 또는 가스에 의한 기포 등이 존재하여 성분 분석이 불가능한 경우를 실패로 판정하였다.

탈산제 삽입 방법	상, 하실 중심부	상실
분석 실패율(%)	5.7%(4/70)	18%(12/66)

(상기 분석실패율의 괄호안 수치는 실패회수/분석회수를 나타낸다.)

상기 표 1에서와 같이, 탈산제의 삽입위치에 따른 성분분석시 분석실패율의 카이-스케워(Chi Square) 통계적 검증결과 P-Value가 0.024로 통계적 의미가 있는 것으로 판단되었고 탈산제의 삽입위치에 따라 분석실패의 주요한 요인이 되는 것으로 확인되었다.

[실시예 2]

상기 실시예1의 결과를 토대로 최적의 탈산제 삽입위치를 확인하기 위하여 상실과 하실에 걸쳐 삽입되는 탈산제의 비율을 변화시켜 가면서 실조업을 수행하였으며, 조업후 채취된 시료로 정확한 성분분석이 가능한 건전 시료의 경우를 성공으로 하고, 시료내 Ti 편석이 발생하였거나 탈산능이 낮아 가스에 의한 기포 등이 존재하여 성분분석이 불가능한 경우를 실패로 판정하였는 바, 그 결과를 표 2에 나타내었다.

탈산제 삽입 비율 (상실 : 하실)	15~30% : 70~ 85%	30~40% : 60~ 70%	40~50% : 50~ 60%	60~80% : 20~ 40%
분석 실패율(%)	15%(3/33)	6%(2/33)	15%(5/33)	18%(6/33)
시료 내의 Ti 분석 편차 발생율(%)	12%(4/33)	3%(1/33)	3%(1/33)	0%(0/33)

상기 표 2에서와 같이, 탈산제의 삽입비율에 따른 성분분석 결과 상실과 하실의 삽입비율이 30-40:60-70의 경우 가장 효과적이고 건전한 시료를 얻을 수 있음을 확인하였다.

이때, 하실에 탈산제가 많게 되면 시료내 Ti 분석값의 편차가 커지는 경향이 있어 시료내 분석값에 영향을 미칠 우려가 있고, 상실에 탈산제가 많으면 하실의 탈산능이 떨어져 시료에 대한 냉각효율도 떨어지고 결국 시료내 응고수축에 의한 공동 및 기포 등이 더 많이 나타나 분석실패율이 높은 것으로 파악되었으며, 이에 따라 탈산제의 삽입비율은 성분분석시 분석실패율에 영향을 미치는 또 하나의 중요한 인자임을 확인하였다.

이와 같이, 상술한 실시예 들을 통해 고온인 AOD 4단계에서의 건전한 시료 재취를 위해 탈산제의 삽입위치 및 비율을 본 발명에서와 같이 변경함으로써, 분석실패율을 현저히 낮출 수 있음을 확인하였다.

덧붙여, 용탕의 정련과정에서 시료 채취는 프로브(Probe)가 자동 측정 장치를 통해 정련로 내부로 하강하여 용탕면에서 약 500mm 아래로 4~5초 동안 침지되고, 이어 그 내부에 장착된 시료 채취구의 하실에 용강이 유입됨으로써 시료가 형성되며, 시료 형성 후 프로브를 회수하여 채취된 시료를 분리 및 인출하고, 상실에 형성된 응고부를 인위적으로 제거하거나 절단하여 캐리어(Carrier)에 시료를 넣은 후 기송관을 통해 분석실로 이송하여 정련중인 용탕 성분 및 최종 성분을 분석하게 된다.

이때, 본 발명에서는 프로브를 용탕 내로 침지하고 약 4~5초를 유지하는 동안 탕구를 통해 상실로 유입된 용탕은 탕도를 거쳐 하실로 유입되어 응고하기 시작한다. 그리고, 용탕 내에서 일정시간 정지 후 프로브가 인출되어 용탕 외부로 나오게 되면 상실에 충전되어 미응고된 용탕은 자중에 의해 탕구를 통해 배출되고 하실에 응고된 형상을 유지하게 된다.

이로써, 이송된 시료는 분석실에서 시료의 하단으로부터 17~20 mm 지점을 절단기에 의해 절단된 후 절단면의 공동 결함 발생 유무를 확인한 후 분석기기에 의해 시료 분석이 행해지게 된다.

도 1은 본 발명에 따른 시료 채취구가 장착된 프로브의 예시적인 단면도,

도 2는 본 발명을 설명하기 위한 시료 채취구의 예시적인 절개 사시도 및 단면도,

도 3은 본 발명에 따른 시료 채취구의 예시적인 절개 사시도 및 탈산제를 보인 사시도,

도 4는 본 발명에 따른 시료 채취구의 테이퍼 설명을 위한 모식도.

♧ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ♧

100....프로브 110....메인지관

200....시료 채취구 220....상실주형

222....탕구 224....상실

240....하실주형 242....탕도

244....하실 300....탈산제

Claims (5)

1. 용탕이 유입되는 탕구를 갖는 상실주형과, 탕도를 통해 상기 상실주형의 내부와 연통되며 유입된 용강 시료가 응고되는 하실주형으로 이루어진 시료 채취구에 있어서;

   상기 상실주형과 하실주형에 걸치도록 탈산제가 삽입되며,

   상기 탈산제는 탕도의 75~105%의 외경을 갖는 스프링 형태로 이루어져 상실과 하실의 중심부에 배치되고, 그 전체 길이 대비 상실:30~40%와 하실:60~70%의 비율로 배치되도록 설치되는 것을 특징으로 하는 탈산능 강화 시료 채취구.
2. 삭제
3. 청구항 1에 있어서;

   상기 탈산제는 Al, Zr, Ti중 어느 하나의 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 탈산능 강화 시료 채취구.
4. 삭제
5. 청구항 1에 있어서;

   상기 하실주형은 내측 테이퍼(θ)가 0.5° ~ 1.5°인 형태로 이루어지는 것을 특징으로 하는 탈산능 강화 시료 채취구.

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