KR100916098B1 - 칼슘 함유 파이프 제조용 강재 정련방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 칼슘을 함유하는 파이프 제조용 강재를 정련하는 방법에 관한 것이다.

본 발명에 의하면, C 0.02~0.12중량%, Si 0.1~0.3중량%, Al 0.01~0.04중량% 및 T.Ca 10~40ppm을 함유하는 파이프 제조용 강재를 정련함에 있어서,

전로(1)에서 출강된 용강(2)을 티밍 레이들(3)로 출강하면서 출강류(4)에 가탄제, 페로 실리콘 및 알루미늄을 첨가하는 단계;

상기 용강(2)을 담은 티밍 레이들(3)을 Ca-Si 와이어(6) 투입 및 Ar 저취 교반이 가능한 정련장치로 이송하고 저취 노즐(5)을 통해 아르곤(Ar)을 분당 0~0.2Nm³로 제어하면서 외경이 9~15mm이고 내부에 Ca-Si을 내장한 와이어(6)를 분당 180~250m 속도로 첨가하는 단계; 및

상기 Ca-Si 와이어 첨가가 종료된 후 저취 노즐(5)을 통해 Ar을 분당 0.2~1.0Nm³ 유속으로 3~10분 동안 교반하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 칼슘 함유 파이프 제조용 강재 정련방법이 제공된다.

본 발명은 Ca 첨가를 용이하고 효율적이도록 함으로써 T.[O]가 낮은, 즉 청정도가 우수한 강재를 안정적으로 제조할 수 있도록 하는 효과가 있다.

출강류, 전 칼슘, Ca-Si 와이어, 저취 노즐, 청정도

Description

칼슘 함유 파이프 제조용 강재 정련방법{Method for Refining Steel Pipe Containing Ca}

도 1은 본 발명의 정련공정을 나타내는 개략도

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

1... 전로 2... 용강 3... 티밍 레이들 4... 출강류

5... 저취 노즐 6... 와이어

본 발명은 칼슘이 함유된 파이프 제조용 강재를 정련하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 Ca 첨가를 용이하고 효율적이도록 하는 파이프 제조용 강재 정련방법에 관한 것이다.

원유나 천연가스 등을 이송하는데 사용되는 강재에서는 비금속 개재물을 제거하거나 또는 형태를 구형으로 제어할 목적으로 Ca을 첨가하며, 이들 소재에서는 전체 칼슘(Total Calcium; T.Ca) 함량을 기준으로 10~40ppm 정도가 요구됨과 동시에 가능한 비금속 개재물 함유량이 적을 것 즉, 우수한 청정도가 요구된다.

하지만, Ca은 제강 온도 1600℃ 정도에서 증기압이 4~6기압 정도로 매우 높 고 용강에의 용해도가 매우 작기 때문에 제강 단계에서 이를 용강에 첨가하는 것이 어려운 문제점 중의 하나이다.

이러한 문제점을 해소하기 위하여 종래 제강공정에서 Ca을 첨가하는 방법으로 일본국 특공소 제46-26612호가 제안되었으며, 이 방법은 레이들내 용강에 랜스를 담그고 랜스를 통해 Ca 합금 분말을 취입하는 것을 특징으로 하고 있다. 그러나, 본 발명자들의 실험에 의하면 Ca 수율이 5% 이하로 관찰되었으며, 그 이유는 1600℃ 정도의 용강에서 Ca의 증기압이 커서 기화되기 때문에 나타나는 현상으로 생각된다. 따라서, 제강공정에 적용하는 경우 Ca 취입시간이 연장되는 문제점이 있다.

Ca을 첨가하기 위한 다른 방법으로는 일본국 특공소 제58-6762호가 제안되었으며, 이 방법은 황(S)을 함유하는 탈산 용강의 연속주조 턴디시에 Ca 함유 와이어를 첨가하는 것을 특징으로 한다. 한편, 본 발명자들의 실험에 의하면 용강에 Ca을 첨가함에 있어서 재현성 있는 Ca 수율을 얻기 위해서는 첨가되는 Ca 파우더의 조성과 와이어 투입속도 및 와이어 첨가시 용강온도 등이 매우 중요한 인자들이었다. 하지만, 상기 방법은 그러한 인자들과 그 값들을 명료하게 제시하지 못한다.

Ca을 첨가하는 다른 제안으로는 일본국 특개평 제5-51623호가 있으며, 이 방법은 스테인레스 정련로(AOD)에서 Ca의 로스(loss)를 줄이기 위하여 Ca을 첨가하기 이전에 먼저 Al을 첨가하여 슬래그 중 SiO2 농도를 감소시키고 다음으로 Ca을 첨가하는 것을 특징으로 한다. 그러나, 상기 방법은 Ca을 첨가하기 위한 상세한 조작 방법을 제공하지 못한다.

그 다음으로, RH 진공 탈가스 장치의 침지관을 레이들 내 용강에 담그고 침지관 내부를 가압하면서 Ca 합금을 첨가하는 방법이 일본국 특허출원 평05-331672호에 의해 제안되었다. 그러나, 상기 방법은 RH 공정의 생략이 가능함에도 불구하고 Ca 첨가를 목적으로 RH 정련공정을 경유함으로써 제강시간이 길어지는 문제점을 지니고 있으며, 또한 첨가되는 Ca 합금의 형태, 첨가방법 등을 상세하게 제시하지 못한다.

본 발명은 상기 문제점을 해소하고자 제안된 것으로, Ca을 효율적으로 첨가하는 방법을 제시함으로써 전 칼슘(T.Ca)이 10~40ppm 요구되는 파이프 제조용 강재를 보다 용이하게 정련하는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

이하, 본 발명에 대하여 설명한다.

본 발명은 C 0.02~0.12중량%, Si 0.1~0.3중량%, Al 0.01~0.04중량% 및 T.Ca 10~40ppm을 함유하는 파이프 제조용 강재를 정련함에 있어서,

전로(1)에서 출강된 용강(2)을 티밍 레이들(3)로 출강하면서 출강류(4)에 가탄제, 페로 실리콘 및 알루미늄을 첨가하는 단계;

상기 용강(2)을 담은 티밍 레이들(3)을 Ca-Si 와이어(6) 투입 및 Ar 저취 교반이 가능한 정련장치로 이송하고 저취 노즐(5)을 통해 아르곤(Ar)을 분당 0~0.2Nm³로 제어하면서 외경이 9~15mm이고 내부에 Ca-Si을 내장한 와이어(6)를 분당 180~250m 속도로 첨가하는 단계; 및

상기 Ca-Si 와이어 첨가가 종료된 후 저취 노즐(5)을 통해 Ar을 분당 0.2~1.0Nm³ 유속으로 3~10분 동안 취입하여 용강을 교반하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 칼슘 함유 파이프 제조용 강재 정련방법에 관한 것이다.

이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

전로에 용선과 고철을 일정 비율로 장입하고 산소를 초음속으로 분사하는 것을 전로정련이라 하며, 전로정련이 종료된 직후 용강은 온도가 1650~1700℃이고 산소 400~800ppm, C 0.02~0.05중량%, 그 외 Si, Al, Ca 등이 극미량 함유된다.

따라서, 제강공정에서 C 0.02~0.12중량%, Si 0.1~0.3중량%, Al 0.01~0.04중량% 및 T.Ca 10~40ppm의 강재를 제조하기 위해 본 발명은 먼저 전로정련이 종료된 용강을 티밍 레이들로 출강할 때 출강류에 가탄제, 페로 실리콘(Fe-Si) 및 알루미늄(Al)을 첨가한다. 이 때 사용하는 가탄제, 페로 실리콘 및 알루미늄은 통상 상업적으로 널리 공급되는 것이면 충분하다. 일례로, 300톤 용강의 경우, 출강시 가탄제 50~200kg, Si 함량이 70중량% 전후인 Fe-Si 400~800kg, Al 200~400kg를 첨가하면 목표로 하는 C, Si, Al 성분을 용이하게 얻을 수 있다.

이 때의 합금철 첨가순서는 가탄제 →Fe-Si →Al 순으로 하는 것이 바람직하다. 그 이유는 산소와의 친화력으로 인하여 비교적 융점이 낮은 SiO₂-Al₂O₃ 복합 개재물을 형성시킬 수 있고, 형성된 개재물이 제강온도, 즉 1580~1600℃ 범위에서 구형으로 존재하므로 부상분리가 용이하기 때문이다.

다음, 출강이 종료된 용강을 Ca-Si 와이어 투입 및 Ar 저취 교반이 가능한 정련설비로 이송하고 Ca-Si 와이어를 첨가한다. 여기서 사용하는 Ca-Si 와이어는 외부가 Fe 테이프이고 내부는 Ca 20~40중량%와 Fe 또는 Si를 함유한 상업적으로 공급되는 것이면 충분하다. 다만, 본 발명에서는 그 외경을 9~15mm인 와이어로 한정하는 것이 바람직한데, 본 발명자들의 실험에 의하면 외경이 9mm 미만인 경우 Ca 수율이 8% 이하로 매우 낮은 반면 15mm를 초과하는 경우에는 수율 편차가 커서, 즉 수율의 재현성이 극히 불량하여 일정한 T.Ca 함량을 안정적으로 얻기가 어려웠다.

그리고, 본 발명자들의 실험에 의하면 용강에 Ca-Si 와이어를 첨가할 때에는 속도를 분당 180~250m 범위로 제어하는 것이 매우 중요하였는데 그 이유는 와이어를 첨가할 때의 용강온도, 즉 1550~1620℃ 범위에서 Ca 용해도가 매우 작은 반면 Ca 증기압이 4~6기압 정도로 매우 높아 Ca-Si 와이어가 가능한 한 레이들 바닥 부근에서 용해되도록 하는 것이 바람직하기 때문이다. 와이어 투입 속도가 분당 180m 미만인 경우 Ca이 레이들 상부에 용해되어 다량의 Ca가 대기로 방출되어 수율이 낮고, 또 분당 250m를 초과하는 경우에도 역시 Ca 실수율이 8% 이하로 낮은 것으로 나타났다. 그 이유는 분당 250m를 초과하는 경우 속도가 너무 빨라 와이어가 레이들 바닥에 부딪힌 후 레이들 상부로 상승하는 동안에 와이어가 용해되어 다량의 Ca가 대기로 방출되기 때문이다.

Ca-Si 와이어를 첨가하는 동안에는 저취 노즐을 통해 Ar을 분당 0~0.2Nm³로 제어하는 것이 중요하다. 그 이유는 용강에서 Ca의 반응이 격렬하게 일어날 뿐 아니라 Ca의 증기압이 크기 때문에 Ca-Si 와이어를 첨가하는 동안 별도의 교반을 실 시하지 않는다 하더라도 용강은 강하게 교반되기 때문이다. 만약 Ca-Si 와이어 첨가 중 저취 교반을 강하게 실시한다면 Ca 증기가 대기로 용이하게 방출되는 조건을 형성시키게 되어 Ca의 높은 수율을 얻기가 곤란하다. 본 발명자들의 실험에 의하면 Ca-Si 와이어 첨가 중 저취 Ar 유량을 0.2Nm³ 이하로 제어한다면 Ca 수율이 영향을 받지 않는 반면 0.2Nm³를 초과하는 경우에는 평균 수율이 낮을 뿐 아니라 재현성도 극히 불량한 것으로 나타났다.

한편, 파이프 제조용 강재들은 우수한 청정도, 즉 비금속 개재물을 적게 함유하는 것이 요구된다. 그 이유는 파이프 강재들이 원유나 가스 등을 수송하는데 사용되므로 이들 비금속 개재물은 파손의 원인이 되기 때문이다. 이러한 비금속 개재물은 용강의 탈산(Al₂O₃)이나 정련용 내화물, 합금철, 전로 슬래그 등으로부터 생성되며, 그 조성은 대부분 Al₂O₃, SiO₂, FeO, MgO, CaO 등이거나 또는 이들의 복합 화합물이다.

본 발명은 이러한 비금속 개재물을 효과적으로 제거하기 위하여 Ca-Si 와이어 첨가 종료 직후에 저취 노즐을 통해 Ar을 분당 0.2~1.0Nm³ 유속으로 3~10분 동안 취입하여 용강을 교반하는 것을 특징으로 한다. 유속이 분당 0.2Nm³미만의 경우 용강 중 비금속 개재물을 제거할 수 있으나 제거하는데 소요시간이 길어 용강온도 감소, 주조 연결시간 등의 문제점을 야기하므로 효과적이지 못하다. 유속이 분당 1.0Nm³을 초과하는 경우에는 교반 전 용강에 잔존하던 비금속 개재물을 제거하는데는 효과적인 반면 강한 교반력으로 인하여 다량의 레이들 슬래그가 혼입되고 이들이 새로운 비금속 개재물로 작용하는 단점이 있음을 발견하였다.

한편, Ca-Si 와이어 첨가 후 실시하는 교반은 3~10분 정도가 적당하다. 3분 미만인 경우 비금속 개재물이 슬래그 층으로 부상하는데 요구되는 시간이 부족하고, 3~10분 정도면 용강 단계에서의 전 산소(T.[O]) 기준으로 15ppm 이하의 비금속 개재물 함량을 얻기에 충분하였다. 10분을 초과하여 저취 교반을 실시할 수 있으나 온도감소, 제강시간, 연주시간 등을 고려해 볼 때 바람직하지 못하다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 구체적으로 설명한다.

(실시예)

300톤 전로에 용선 80~90중량%와 나머지 고철을 장입하고 산소를 마하 2.0 속도로 용강 철 1톤당 50~55Nm³ 분사하여 전로정련을 종료하고 측산·측온을 실시한 결과, 용강온도가 1650~1700℃, 용존 산소가 400~800ppm임을 확인하였다. 300톤 티밍 레이들로 용강을 출탕하면서 가탄제 50~200kg, Si 함량이 72중량%의 페로-실리콘 400~800kg, 알루미늄 200~400kg를 첨가하고 티밍 레이들로부터 용강 시료를 채취, 분석하여 합금성분이 목표범위인 C 0.02~0.12중량%, Si 0.1~0.3중량%, Al 0.01~0.04중량%에 속함을 확인하였다.

이어서, 용강을 담은 레이들을 Ca-Si 와이어 투입 및 Ar 저취 교반이 가능한 정련설비 LF(Ladle Furnace)로 이송하였다. 외부가 C 0.04%, 두께 0.4mm의 스틸테이프(steel tape)이고 내부에 Ca 32.5중량%와 나머지 Si를 함유한 직경 13.5mm Ca- Si 코드와이어를 1550~1620℃ 용강에 속도가 다른 조건에서 153kg 취입하였다. 이 때 와이어에서 스틸테이프를 제외한 순수 Ca-Si 중량은 86.4kg 정도이다. 와이어를 취입하는 동안에 Ar 0~0.2Nm³/min 유속으로 취입하였다. Ca-Si 와이어 투입이 종료된 직후에 용강시료를 채취하여 발광분광분석법으로 Ca 성분을 분석하고 하기 식(1)에 따라 Ca의 수율(Y_Ca,%)을 산정하였다.

[관계식 1]

[상기 식에서, T.Ca: 용강 중 Ca 함량(ppm), W_melt: 레이들 내 용강량(kg), W_Ca-Si: 스틸테이프를 제외한 순수 Ca-Si 파우더 투입량(kg), C_Ca: Ca-Si 파우더 중 Ca 함량(%)]

이어서, 저취노즐을 통해 Ar을 0.2~1.2Nm³/min 유속으로 취입하여 용강을 교반하고 교반이 종료된 직후 용강시료를 채취하여 N₂/O₂ 동시분석기로 전 산소량(T.[O])을 분석하였다. 하기 표 1은 상기 실시예의 방법과 결과를 정리한 것이다.

표 1

비교예 1의 경우 150m/min으로 와이어를 투입하면서 Ar 0.1 Nm³/min로 제어한 결과 와이어 첨가 직후 8ppm의 T.Ca 및 최종적으로 5ppm의 T.Ca를 얻어 Ca 성분 목표치 10~40ppm에 모자람을 알 수 있다.

한편, 본 발명예 1과 2의 경우 최종적으로 각각 16ppm과 19ppm의 T.Ca를 얻을 수 있을 뿐 아니라 T.[O]가 각각 9ppm 및 11ppm으로서 청정도가 매우 우수함을 알 수 있다.

반면, 비교예 2의 경우 200m/min으로 와이어를 투입하면서 Ar 0.2 Nm³/min로 제어한 결과 와이어 첨가 직후에는 12ppm의 T.Ca를 얻을 수 있었으나, 와이어 첨가종료 후 Ar 유속을 1.2 Nm³/min로 제어함으로써 10ppm의 우수한 T.[O]를 얻을 수 있음에도 불구하고 T.Ca가 8ppm으로 목표 성분에 미달하였다.

비교예 3의 경우에도 12ppm의 양호한 T.[O]를 얻을 수 있음에도 불구하고 T.Ca 함량이 목표성분에 미치지 못하고 Ca 수율도 낮은 것으로 나타났다.

한편, 최종적으로 얻은 T.Ca를 상기 식(1)에 대입하여 Ca 수율을 구한 결과, 비교예 1, 2, 3의 경우 각각 5.3, 8.5 및 7.5%로 낮은 반면, 본 발명예 1, 2의 경우 각각 17.1 및 20.2%로 우수한 것으로 나타났다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 C 0.02~0.12중량%, Si 0.1~0.3중량%, Al 0.01~0.04중량% 및 T.Ca 10~40ppm을 함유하는 파이프 제조용 강재를 정련함에 있어서 Ca 첨가를 용이하게 함으로써 T.[O]가 낮은, 즉 청정도가 우수한 강재를 안정적으로 제조할 수 있게 할 뿐 아니라 Ca의 수율을 높임으로써 용강 제조원가를 낮추는 효과도 얻을 수 있다.

Claims (1)

1. C 0.02~0.12중량%, Si 0.1~0.3중량%, Al 0.01~0.04중량% 및 T.Ca 10~40ppm을 함유하는 파이프 제조용 강재를 정련함에 있어서,

   전로(1)에서 출강된 용강(2)을 티밍 레이들(3)로 출강하면서 출강류(4)에 가탄제, 페로 실리콘 및 알루미늄을 첨가하는 단계;

   상기 용강(2)을 담은 티밍 레이들(3)을 Ca-Si 와이어(6) 투입 및 Ar 저취 교반이 가능한 정련장치로 이송하고 저취 노즐(5)을 통해 아르곤(Ar)을 취입하지 않거나 최대 분당 0.2Nm³의 유속으로 취입하면서 외경이 9~15mm이고 내부에 Ca-Si을 내장한 와이어(6)를 분당 180~250m 속도로 첨가하는 단계; 및

   상기 Ca-Si 와이어 첨가가 종료된 후 저취 노즐(5)을 통해 Ar을 분당 0.2~1.0Nm³ 유속으로 3~10분 동안 취입하여 용강을 교반하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 칼슘 함유 파이프 제조용 강재 정련방법

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