KR100921499B1 - 극저탄소강의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 버블링이 가능한 설비를 이용하여 매우 우수한 청정성을 가지는 극저탄소강의 제조 방법에 관한 것으로서, 버블링 정련에서 버블링 전 또는 도중에 용강의 온도를 측정하고, 용강을 버블링하여 용강의 온도를 제어하거나, 버블링 정련에서 용강의 버블링 후의 용존 산소량을 측정하고, 슬래그 탈산제를 투입하여 용강의 산소 농도를 제어하는 것을 특징으로 하여, 슬래그 중의 저급산화물 농도가 낮고 탈탄 및 탈산에 적정한 용존산소 농도를 가지는 용강을 탈가스 공정에 공급하여 청정한 극저탄소강 용강을 용이하게 제조할 수 있다.
극저탄소강, 슬래그, 탈산, 버블링, 탈가스

Description

극저탄소강의 제조 방법{Method for manufacturing ultra low-carbon steel}
본 발명은 극저탄소강의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 BAP 또는 버블링 스탠드와 같이 버블링이 가능한 설비를 이용하여 매우 우수한 청정성을 가지는 극저탄소강의 제조 방법에 관한 것이다.
최근 극저탄소강은 물리적, 기계적 성질의 우수함으로 인하여 자동차 강판등의 고부가가치 산업에서의 수요가 급증해 오고 있다. 이러한 용도로 사용되기 위하여 극저탄소강은 우수한 표면 및 내부 품질이 요구된다. 극저탄소강의 표면 결함은 재산화에 의한 개재물성 결함과 소위 피팅(Pitting)으로 일컬어지는 기포성 결함에 의하여 야기되며, 개재물에 의한 결함과 기포성 결함은 동시에 발생하기도 한다.
제강단계에서 표면 및 내부 결함을 일으키는 개재물의 발생 원인으로 아래와 같은 예를 들 수 있다.
첫째, 슬래그에 의한 재산화에 의하여 결함이 야기된다. 슬래그 중의 저급산화물(FeOx, MnOx, P2O5) 등은 CaO, Al2O3, SiO2, TiO2 등에 비해 용강중의 Al, Ti, Si등의 비교적 강한 환원력을 가진 원소들에 의해 쉽게 환원이 되고, 이로 인해 발생 된 Al2O3, TiO2, SiO2 및 이들의 복합 산화물과 같은 여러 종류의 산화물들은 미세하게 생성되어 부유하기 위한 충분한 시간을 가지지 못해 용강 중에 잔류하게 되고 주조 이후에도 슬라브에 잔존하여 표면 및 내부 결함을 유발하게 된다. 따라서, 이를 해결하기 위하여 종래에는 종점 산소를 이용한 예측식이나, 슬래그 두께를 측정하거나 또는 그에 상응하는 방법으로 래들에 잔존하는 슬래그의 양을 측정하는 등의 방법으로 슬래그 중의 저급산화물의 양을 가늠하여 그에 상응하는 슬래그 탈산제를 투입하여 슬래그 중의 저급산화물의 농도를 줄이거나, 슬래그를 물리적인 방법으로 제거한 후 새로운 슬래그를 제조하여 슬래그로 인한 재산화를 막고자 하였다.
두번째로, 용강중의 산소를 제거하기 위해 투입되는 탈산제의 반응에 의해 생성되는 산화물 그 자체에 의해 결함이 야기된다. 극저탄소강의 탈탄 공정은 감압을 이용한 환류식 진공 탈가스장치(이하, 'RH'라 함) 또는 진공탱크 탈가스장치(이하, 'VTD'라 함) 등의 감압장치에서 행해진다. RH에서의 탈탄반응을 위해서는 용강중 산소농도가 매우 중요하며, RH의 설비능력과 요구되는 용강의 탄소농도에 따라 적정 범위의 용강 산소농도가 요구된다. 용강 산소농도가 매우 낮을 경우에는 오랜 탈탄 처리시간이 요구되고 이를 단축하기 위하여 용강 중에 산소를 취입하게 된다. 이 경우 취입된 산소가 용강과 반응하여 FeO를 생성시키고 슬래그에 의한 재산화와 유사한 방식의 반응이 일어나게 된다. 또한, 높아진 산소농도만큼의 탈산생성물이 더 발생하게 되어 용강내에 비금속 개재물로 존재하게 될 가능성이 높아진다. 반대 로, 적정수준보다 높은 용강산소의 경우 탈산에 필요한 탈산제의 양이 그만큼 많아져 탈산생성물이 개재물로 존재하게 될 가능성이 높아지고, 또한 많은 양의 탈산생성물은 슬래그의 개재물 흡수능을 저하시켜 표면 및 내부결함을 야기시킬 수 있다.
세번째로, 용강에 첨가되는 합금철 및 부원료와 이들 속에 포함되어진 불순물에 의해 개재물성 결함이 발생할 수 있다. 특히, RH 공정에서 필요이상으로 높은 온도의 용강을 공급받았을 경우 스크랩 등을 가공하여 만든 냉각제를 이용하여 온도를 조절하게 되는데 이 경우 산화된 스크랩의 일부가 재산화를 발생시키는 원인으로 작용하게 된다.
도 1은 종래의 극저탄소강 제조 방법을 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 용강이 전기로(Electric Arc Furnace; EAF) 또는 순산소로(Basic Oxygen Furnace; BOF)에서 취련된 뒤(S10) 부원료 및 합금철이 투입되어 출강된다. 출강된 용강은 BAP(Bubbling, Alloying, Powder injection) 스탠드로 옮겨져 BAP정련이 수행된다(S20). BAP에서는 버블링(bubbling) 공정(S21)과 슬래그 탈산제 투입 공정(S23)을 거치게 된다. BAP정련(S20)이 종료되면 용강은 차후 공정인 RH 조업(S30)으로 옮겨진다. RH 정련로에서는 탈탄 및 탈산이 수행(S31)되고, RH처리가 종료된 뒤(S32) 2차 탈산(S33)이 수행된다. RH 조업(S30)이 종료되면, 용강은 턴디쉬를 거쳐 주조된다(S40).
상기와 같은 일련의 공정에 있어서, 슬래그 탈산제 투입 공정(S23)은 취련이 종류된 이후 슬래그 중의 저급산화물을 감소시켜 재산화를 방지하기 위하여 수행되며, 전로 종점산소를 기준으로 슬래그 탈산제를 투입량을 조절한다. 또한, 버블링 공정(S21)이나 냉각제 투입과 같은 작업은 작업자 임의판단에 의해 실시된다.
이와 같은 종래 공정의 문제점은 슬래그 탈산제의 투입양이 적정량보다 많을 경우에는 용강의 과탈산이 이루어져 탈가스 공정에서 산소 취입이 필요하고, 적을 경우 슬래그 중의 저급산화물의 농도가 높아져서 재산화로 인한 품질저하가 발생한다. 온도의 경우에도 과할 경우 냉각제가, 적을 경우 산소 취입에 이은 Al투입이 요구된다.
상기에서 살펴 본 바와 같이, 전로 및 전기로등의 1차 정련공정에서 탈가스 공정인 RH에 적정한 온도의 용강을 공급하는 것이 요구된다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 전로 및 전기로에서 1차 정련된 용강을 탈탄 및 탈산하는 탈가스 공정에서 필요한 적정한 범위의 온도와 산소농도로 공급하여, 탈가스 공정에서의 산소 취입을 저감하고 저급산화물의 농도가 낮은 슬래그를 공급하여 고청정의 극저탄소강을 제조하는 방법을 제공하고자 한다.
본 발명은 1차 정련된 용강을 출강하여 버블링 정련을 수행하는 단계 및 상기 버블링 정련된 용강에 탈가스 처리를 수행하는 단계를 포함하며, 상기 버블링 정련에서 상기 버블링 전 또는 도중에 상기 용강의 온도를 측정하고, 상기 용강을 버블링하여 상기 용강의 온도를 제어하는 것을 특징으로 하는 극저탄소강의 제조 방법을 제공한다.
여기서, 상기 용강의 온도 제어는 상기 버블링의 정도를 증가 또는 감소하여 실시하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 버블링의 정도는 버블링 시간 또는 버블링 유량일 수 있다.
또한, 상기 용강의 온도 제어는 용강의 BAP 도착 온도와 용강의 버블링 후의 온도 차이의 절대값 및 버블링 시간의 비례관계로 제어하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 용강의 온도 제어는 상기 용강 270톤에 대하여 하기 관계식에 의해 버블링 시간을 조절하여 상기 버블링 후의 온도를 제어하는 것을 특징으로 한 다.
300f = 300e - 16d - 1620
여기서, d는 버블링 시간(s)이고, e는 용강의 BAP 도착 온도(℃)이며, f는 용강의 버블링 후의 온도(℃)이다.
이때, 상기 버블링 시간은 버블링 유량과 반비례 관계이며, 상기 용강의 온도 제어는 상기 버블링 유량을 조절하여 실시하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 1차 정련된 용강을 출강하여 버블링 정련을 수행하는 단계 및 상기 버블링 정련된 용강에 탈가스 처리를 수행하는 단계를 포함하며, 상기 버블링 정련에서 상기 용강의 버블링 후의 용존 산소량을 측정하고, 슬래그 탈산제를 투입하여 상기 용강의 산소 농도를 제어하는 것을 특징으로 하는 극저탄소강의 제조 방법을 제공한다.
여기서, 상기 용강의 산소 농도 제어는 상기 슬래그 탈산제의 투입량 증가 또는 감소로 실시하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 용강의 산소 농도 제어는 버블링 후 산소량과 RH 도착 산소량의 차이값 및 상기 슬래그 탈산제의 투입량의 비례관계로 제어하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 용강의 산소 농도 제어는 상기 용강 270톤에 대하여 하기 관계식에 의해 상기 슬래그 탈산제 투입량을 조절하여 상기 용강의 산소 농도를 제어하는 것을 특징으로 한다.
233 - a + 1.1b = 1.1c
여기서, a는 슬래그 탈산제 투입량(㎏)이고, b는 버블링 후의 산소량(ppm)이며, c는 RH 도착시의 산소량(ppm)이다.
또한, 상기 슬래그 탈산제는 Al 또는 CaO를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 버블링을 상기 슬래그가 액상화될 때까지 수행하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 1차 정련된 용강을 출강하여 버블링 정련을 수행하는 단계 및 상기 버블링 정련된 용강에 탈가스 처리를 수행하는 단계를 포함하며, 상기 버블링 정련에서 상기 버블링 전 또는 도중에 상기 용강의 온도를 측정하고, 상기 용강을 버블링하여 상기 용강의 온도를 제어하고, 상기 버블링 정련에서 상기 용강의 버블링 후의 용존 산소량을 측정하고, 슬래그 탈산제를 투입하여 상기 용강의 산소 농도를 제어하는 것을 특징으로 하는 극저탄소강의 제조 방법을 제공한다.
여기서, 상기 용강의 온도 제어는 용강의 BAP 도착 온도와 용강의 버블링 후의 온도 차이의 절대값 및 버블링 시간의 비례관계로 제어하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 버블링 시간은 버블링 유량과 반비례 관계이며, 상기 용강의 온도 제어는 상기 버블링 유량을 조절하여 실시하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 용강의 산소 농도 제어는 버블링 후 산소량과 RH 도착 산소량의 차이값 및 상기 슬래그 탈산제의 투입량의 비례관계로 제어하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 극저탄소강의 제조 방법으로, 슬래그 중의 저급산화물 농도가 낮고 탈탄 및 탈산에 적정한 용존산소 농도를 가지는 용강을 탈가스 공정에 공급하여 청정한 극저탄소강 용강을 용이하게 제조할 수 있다.
또한, 첨가되는 원료의 반응효율을 높이고, 대기와 탈산제와의 반응을 최대한 억제하며, 슬래그로부터 기인되는 재산화를 줄일 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 극저탄소강의 제조 방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.
달리 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.
종래의 공정에서, 전로에서 출강되는 용강의 산소농도는 용강 내 탄소가 산소와 반응을 하여 가스형태로 용강으로부터 제거되는 반응이 일어나서 전로의 종점 산소보다 낮게 될 것으로 여겨져 왔다. 본 발명자들은 전로의 종점 산소농도는 노내의 용강과 슬래그간의 상태를 나타내는 수치이며, 출강 이후에는 온도하락과 함 께 새로운 조성의 슬래그가 형성되기 때문에 변화가 발생할 것으로 생각하였다.
본 발명자들은 전로종점 이후 출강, 버블링, 슬래그 탈산제 투입, RH도착, 탈탄 및 탈산으로 이어지는 일련의 공정 중에서 전로종점에서부터 버블링까지의 용강의 산소농도 변화를 이론적으로 검토해보았다. 산소농도의 변화 현상에 대한 가능성을 확인하기 위하여 열역학 계산프로그램인 Factsage™를 이용하여 전산모사를 실시하여 그 결과를 표 1 및 도 2에 나타내었다. 열역학 계산의 편의를 위하여 초기 조건을 총괄 철(T.Fe) 함량이 20%인 1 톤의 슬래그가 출강 중 용강과 함께 유출되었으며 용존산소가 각각 400, 500, 600, 700 및 800 ppm일 경우로 가정하였으며, 출강후 평형에 도달했을 때의 종점산소 변화 발생 여부를 확인하여 용강중의 산소가 어떻게 변화하는지에 대해 계산을 실시하였다. 도 2에서의 출강전 용강 산소량 200 ppm일 경우의 결과는 상기 계산으로부터 도출된 외삽값이며, 이하의 설명 및 도면 상에 나타나는 각각의 주어진 정량 데이터 범위를 벗어난 값은 외삽값을 나타낸다.
초기조건(출강전) 종점산소 (ppm) 총괄 Fe 함량 (%) 총산소량(용강+슬래그, ppm) 평형상태(출강후) 종점산소 (ppm) 총괄 Fe 함량 (%) 총산소량(용강+슬래그, ppm)
800 20 240+70 580 24 176+134
700 20 210+70 560 20 168+112
600 20 180+70 535 17 164+86
500 20 150+70 500 14 150+70
400 20 120+70 465 11 139+51
표 1 및 도 2를 참조한 계산 결과에 따르면, 주어진 조건 내에서는 총 산소량에 의해 용강 중에서 슬래그로, 또는 역으로 슬래그에서 용강 중으로 산소의 재분배가 발생하여, 출강전 200 내지 800 ppm의 용강 산소량이 출강후 420 내지 580 ppm으로 수렴되는 것을 알 수 있다. 이러한 계산 결과로부터 탈가스 공정에 적정한 용존산소와 낮은 저급산화물의 농도를 가진 슬래그를 동시에 제공할 수 있음을 알 수 있다.
출강시 발생하는 교반에 의해서도 새로운 슬래그 조성과 용강 및 대기간의 평형상태에 도달하는데 기여를 하지만, BAP에서의 버블링이 용강과 슬래그 간의 산소의 재분배를 더욱 촉진시켜 주는 사실을 알 수 있다.
버블링은 단순히 용강내 산소의 재분배를 위한 것 뿐만 아니라 온도제어를 위해 실시될 수도 있으므로, 버블링 유량 및 시간 조절을 통하여 용강의 온도를 조절할 수 있다.
이하에서는 실험예를 통하여 본 발명에 따른 극저탄소강의 제조 방법을 설명한다. 하기의 실험예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명의 기술적 사상이 이에 한정되는 것은 아니다.
실험예
전로(BOF)를 사용하였으며, BAP, RH를 거치는 공정을 이용하여 용강을 제조하였다. 전로에서 1차 정련을 마친 후 약 270톤의 용강을 래들로 출강하여 BAP에서 버블링 및 측온/측산후 슬래그 탈산제를 투입하여 RH 도착 후 슬래그 성분 분석 및 측온/측산을 행하였다. 버블링은 상부 랜스로 70 N/㎥/hr.의 Ar을 취입하였으며, 전로에서 출강한 용강의 BAP버블링을 실시하여 산소의 재분배와 탈산제 투입량에 따른 RH도착산소량 제어 및 버블링시간에 따른 RH도착온도를 구하였다. 각 실험예의 조건 및 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
　 종점온도 (℃) 종점산소량 (ppm) BAP도착온도 (℃) BAP도착산소량 (ppm) 버블링시간 (sec) 버블링 후온도 (℃) 버블링 후산소량 (ppm) 슬래그 탈산제 투입양 (kg) RH도착온도 (℃) RH도착산소량 (ppm)
실험예1 1686 666 1629 621 30 1622 484 350 1597 354
실험예2 1684 646 1638 688 60 1629 749 600 1606 445
실험예3 1697 634 1641 689 90 1628 611 600 1603 258
실험예4 1704 702 1657 830 330 1634 737 650 1599 371
실험예5 1701 753 1646 712 60 1638 752 660 1608 364
실험예6 1694 589 1636 607 90 1624 583 498 1603 361
실험예7 1676 461 1640 603 240 1620 414 280 1606 371
실험예8 1691 555 1630 493 60 1621 480 450 1601 271
실험예9 1691 614 1657 562 120 1643 686 550 1608 469
실험예10 1681 571 1636 623 180 1618 702 500 1602 373
표 2에 나타난 바와 같이, 전로 종점산소, BAP 도착산소, 버블링 후의 용존산소량이 모두 변하는 것을 확인할 수 있었다. 따라서, BAP 공정에 의한 산소의 재분배를 확인할 수 있었다.
상기 표 2에서 버블링 이후 측온/측산한 용강에 대하여 슬래그 탈산제 투입량에 따른 버블링 후와 RH도착간의 용존산소 차이를 도 3과 같이 나타낼 수 있으며, 상부 랜스에 의한 버블링 시간에 따른 버블링 전후의 온도 차이는 도 4와 같이 나타낼 수 있다.
도 3에 따르면, 탈산제 투입량에 따른 버블링이 종료된 이후에서 RH 도착에 이르기까지의 산소 변화량은 비례관계를 이루어 거의 선형으로 도시되는 것을 알 수 있다. 이러한 결과로서 버블링 후의 산소량을 측정함으로써 RH 도착시에 요구되는 산소량을 탈산제 투입량으로 조절할 수 있다는 것을 유추할 수 있다. 도 3의 그래프로부터 하기 식 1을 구할 수 있다.
[식 1]
1.1y = x - 233
여기서, x는 탈산제 투입량(㎏)이고, y는 버블링 후의 산소량(ppm) - RH 도착시의 산소량(ppm)이다.
상기 식 1에서 버블링 후의 산소량을 b로 놓고, RH 도착시의 산소량을 c로 놓으면, 즉 y = (b - c)로 하면 하기 식 2를 도출할 수 있다.
[식 2]
233 - a + 1.1b = 1.1c
여기서, a는 탈산제 투입량(㎏)이고, b는 버블링 후의 산소량(ppm)이며, c는 RH 도착시의 산소량(ppm)이다.
상기 식 1 또는 식 2를 이용하여 버블링 후의 용강내 산소량을 측정하고 탈산제 투입량을 증가 또는 감소시킴에 따라 RH 도착시의 용강 내 산소량을 요구하는 용존 산소량으로 조절할 수 있다.
예를 들어, 버블링된 용강의 산소농도가 414 ppm일 때 RH 도착 산소농도를 371 ppm 정도로 감소시키고자 할 경우, 슬래그 탈산제를 280 ㎏ 투입하여 제어할 수 있다.
또한, 도 4를 참조하면, 상부 버블링 시간의 변화 및 BAP 도착시의 용강 온도와 버블링 후의 온도차이의 상관관계를 알 수 있으며, 상부 버블링 시간의 변화 및 BAP 도착시의 용강 온도와 버블링 후의 온도차이가 비례관계를 이루는 것을 알 수 있다. 이로서 BAP 도착시의 용강 온도를 측정하면 버블링 공정을 통하여 버블링 후의 온도를 제어할 수 있다는 것을 알 수 있다. 이와 같은 온도의 제어는 버블링 전, 즉 용강이 BAP에 도착할 시의 온도 측정 외에도 버블링 공정 도중의 온도 측정에 또한 적용될 수도 있다. 도 4의 그래프로부터 하기 식 3을 구할 수 있다.
[식 3]
300y' = 16x' + 1620
여기서, x'는 버블링 시간(s)이고, y'는 용강의 BAP 도착 온도와 용강의 버블링 후의 온도 차이의 절대값이며, 도 4에서의 세로축 또한 절대값을 나타낸다.
상기 식 3에서 용강의 BAP 도착 온도를 e로 놓고, 용강의 버블링 후의 온도를 f로 놓으면, 즉 y' = (e - f)로 하면 하기 식 4를 도출할 수 있다.
[식 4]
300f = 300e - 16d - 1620
여기서, d는 버블링 시간(s)이고, e는 용강의 BAP 도착 온도(℃)이며, f는 용강의 버블링 후의 온도(℃)이다.
상기 식 3 또는 상기 식 4를 이용하여 버블링 시간에 따라 용강의 BAP 도착 온도를 요구하는 용강 온도로 제어할 수 있다.
예를 들어, BAP에 도착된 용강의 온도가 1629℃일 때 버블링 후에 1622℃ 정도의 온도로 감소시키고자 할 경우, 버블링 시간을 30 초로 설정하여 제어할 수 있다.
버블링 시간 이외에도 버블링 유량 등의 버블링 정도에 따라 용강의 온도가 제어될 수도 있다. 즉, 버블링 유량을 증가시켜 버블링 시간을 감소시키거나, 버블링 유량을 감소시켜 버블링 시간을 증가시킬 수도 있다.
예를 들면, 표 2에서의 버블링 시간은 70 N/㎥/hr.보다 높은 양의 Ar을 취입하면 짧아질 수 있고, 70 N/㎥/hr.보다 낮은 양의 Ar을 취입하면 길어질 수도 있다.
이러한 상술된 설명과 도 3 및 도 4와 같은 상관관계를 이용하여, 용강의 온도를 제어함으로써 탈가스공정인 RH에서의 승온 산소 취입을 저감시킬 수 있고, 탈산제 투입량을 조절함으로써 탈탄에 적절한 용강산소량을 가진 용강을 탈가스공정인 RH에 공급할 수 있다. 이와 같이 용강의 온도와 산소량을 제어함으로써 탈탄 산소 취입을 저감시킬 수 있으며, 슬래그 중의 저급산화물 농도를 낮게 유지하여 청정한 용강의 얻을 수 있어 슬라브의 품질을 안정적으로 확보할 수 있다.
상기 실험예로부터 얻어진 상관관계는 제철소 조건, 기후, 사용원료, 설비 등의 조업환경의 변화에 의해 언제든 변경이 가능하며 이에 따른 수정이 가능하다. 특히, 상술된 도 3 및 도 4의 관계식으로부터 각각 구해진 식 1,2 및 식 3,4는 선형보간법을 이용하여 1차 함수 형태로 구해진 것으로서, 이의 관계식에 한정되는 것은 아니며, 이외의 수치해석으로부터 구해지는 함수, 예를 들자면 2차 함수 또는 스플라인 함수 등의 형태로 나타낼 수도 있으며, 이외의 다른 조업 조건 등에 의하여 변수 인자가 추가될 수도 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 극저탄소강의 제조 방법을 나타낸 도면이다.
도 5에 따르면, 용강이 전기로 또는 순산소로에서 취련되는 단계(S100)를 거친 뒤 부원료 및 합금철이 투입되어 출강된다. 출강된 용강은 BAP 또는 버블링 스탠드로 옮겨져 버블링 정련이 수행된다(S200). BAP정련(S200)이 종료되면 용강은 차후 공정인 RH 조업(S300)으로 옮겨지며, RH 정련로에서는 탈탄 및 탈산이 수행(S310)되고, RH처리가 종료된 뒤(S320) 2차 탈산(S330)이 수행된다. RH 조업(S300)이 종료되면, 용강은 턴디쉬를 거쳐 주조된다(S400).
BAP 정련(S200)은 버블링을 실시하는 단계(S210), 상기 버블링이 실시된 용강의 용존 산소량을 측정하는 단계(S220), 및 상기 용강에 슬래그 탈산제를 투입하는 단계(S230)를 포함한다.
버블링을 실시하는 단계(S210)는 용강 온도 제어 단계(S211), 슬래그/용강 산소 재분배 단계(S213) 및 슬래그 액상화 단계(S215)를 포함하며, 슬래그 탈산제 투입 단계(S230)는 슬래그 중의 저급산화물 농도를 감소시키는 단계(S231)와 탈탄/탈산에 필요한 적정 용존산소 농도를 제어하는 단계(S232)를 포함한다. 본 발명의 실시예는 BAP 또는 버블링 스탠드 이외에 상부 랜스를 이용한 설비나 다공성 플러그(porous plug)를 통한 저부 취입이 가능한 설비나 횡취 투이어(tuyere)를 구비한 설비에 또한 적용될 수 있으며, 버블링을 상부 랜스 또는 다공성 플러그로 수행할 수도 있다. 또한, 냉각제 및 합금철 등을 첨가하여 온도를 조절하는 단계를 더 포함할 수 있다.
먼저, 미탈산 상태의 용강이 출강완료되면 용강의 온도와 용강성분을 확인하기 위한 샘플링이 실시된 후, 버블링이 실시된다(S210). 샘플링은 생략될 수도 있으며, BAP 조업에서의 어느 단계에서나 실시될 수도 있다.
용강온도 제어 단계(S211)는 버블링 단계(S210)의 전 혹은 도중 측정된 온도와 이어 연결되어지는 탈가스 공정에서 필요한 온도차이와 시간차이 등을 고려하여 표 2 및 도 4를 참조하여 설명된 바와 같이 버블링 시간 또는 버블링 유량 등의 버블링 정도의 증가 또는 감소를 통해 용강의 온도를 제어한다. 버블링 단계(S210)에서 취입되는 가스의 유량이 많아질수록 버블링 시간이 짧아지거나 유량이 적어질수록 버블링 시간이 길어질 수도 있다. 또한, 냉각제를 투입하여 버블링 시간을 짧게할 수 있으며, 냉각제 투입량이 증가되면 버블링 시간은 감소된다.
슬래그/용강 산소 재분배 단계(S213)는 버블링 단계(S210)에서 이루어지는 과정으로 슬래그/용강 간의 산소 재분배를 촉진하게 된다. 출강 이후 슬래그와 용강의 조성에 따라서 산소농도가 변하는 현상에 대하여 자세하게 알려진 바는 없다. 용강중의 산소와 탄소가 반응하여 CO 또는 CO2의 가스형태로 제거되는 과정은 쉽게 유추될 수 있으나, 슬래그와의 반응에 의해 용강중의 산소가 증가한다는 사실은 알려지지 않았다. 본 발명의 실시예에서는 극저탄소강의 조업을 면밀히 관찰하여 버블링 전후에 용존산소와 슬래그 중의 산소 및 출강과정에서 대기와의 반응 등에 의해서 얼마든지 증가 혹은 감소할 수 있다는 사실을 알 수 있었다. 이러한 현상을 이용하여 버블링 시간이나 탈산제 투입량 등의 조업 조건을 가변시켜 매우 높은 청정도를 요구하는 극저탄소강을 제조할 수 있다.
슬래그 액상화 단계(S215)에서는 버블링을 통해 용강과 슬래그간의 열 전달이 이루어져 액상화가 진행된다. 슬래그의 액상화가 중요한 이유로 두 가지를 들 수 있다. 첫째, 투입되어지는 생석회, 형석 등의 부원료의 이용 효율을 높이기 위해서이다. 슬래그가 고상의 상태일 때 부원료를 투입하게 되면 부원료는 고상의 상태로 슬래그 표면에 굳게 되어 주조완료까지도 반응이 진행되기 어렵게 된다. 둘째, 차후 공정인 탈산제 투입단계에서의 슬래그 탈산효율을 높이기 위해서이다. 슬래그 탈산제는 통상적으로 금속 Al 단독이거나 슬래그 염기도를 고려하여 CaO가 섞인 상태로 사용되는 것을 통칭한다. 슬래그 탈산제가 슬래그 위로 투입될 시점에 슬래그가 고상일 경우 슬래그 위에 쌓이게 되고 대기중의 산소와 Al이 반응하거나 국부적으로 슬래그와 반응하고 나머지는 용강의 탈산에 기여하게 된다. 이 경우 차후 공정인 RH공정(S300)에 저급산화물이 적은 슬래그와 탈탄반응에 충분한 산소를 가진 용강을 공급하지 못하게 된다.
용존산소 측정 단계(S220)에서는 버블링을 통하여 용강온도제어, 슬래그/용강 산소재분배, 슬래그 액상화가 완료된 용강의 용존산소를 측정하는 단계이다. 용존산소의 측정은 통상의 침적 샘플러를 이용하며, 이에 상응하는 다른 방법을 사용할 수도 있다. 이때 용강의 온도도 같이 측정되며 온도제어의 성공여부 등에 따라 버블링(S210)을 더 실시할 수도 있다.
슬래그 탈산제 투입 단계(S230)에서는 용존 산소 측정 단계(S220)에서 측정된 산소농도 및 원하는 목표 산소 농도에 따라 슬래그 탈산제를 투입한다. 슬래그 액상화 단계(S215)에서 액상 상태로 된 슬래그에 슬래그 탈산제를 투입하면 비중이 용강보다 낮은 슬래그 탈산제는 일차적으로 슬래그와 반응을 하게 되며 반응후의 일부 탈산제는 용강과 반응하게 된다. 탈산제 투입 단계(S230)에서는 표 2 및 도 4를 참조하여 설명된 바와 같이 용존산소 측정 단계(S220)에서 측정된 산소량으로 탈산제 투입량을 결정하여 요구되는 용존 산소를 가지는 용강을 제조할 수 있다. 산소농도와 슬래그 탈산제의 투입양의 관계는 여러 조업환경에 의해서 수정이 가능하다.
슬래그 중 저급산화물 농도를 감소시키는 단계(S231)는 투입된 슬래그 탈산제가 슬래그중의 FeO, MnO, P2O5 등의 저급산화물과 반응하여 슬래그중의 저급산화물의 농도가 탈가스공정에 도착하였을 때 약 8% 이하의 농도를 가지도록 반응이 이루어지는 단계이다.
적정 산소 농도 제어 단계(S233)는 투입된 탈산제가 슬래그와 반응하고 남은 여분의 탈산제가 용강과 반응하여 차후 공정인 RH 공정에서의 탈탄 및 탈산에 적정한 용존 산소량을 가지는 용강을 제조하기 위한 단계이다. 만약, 용강이 요구되는 용존 산소량보다 높은 용존 산소량을 가질 경우, 적정 산소 농도 제어 단계(S233)에서 더 낮은 용존 산소량을 가지는 용강을 제조하기 위하여 탈산제가 더 투입될 수도 있다.
이렇게 제조된 용강은 RH 탈가스 공정(S300)에 도착하였을 때 처리에 요구되는 적절한 온도와 탈탄에 필요한 산소농도를 가지게 된다. 탈탄 후 탈산 및 합금철 첨가 후부터 주조까지 슬래그중의 저급산화물과 용강중의 강산화성 물질인 Al, Si, Ti등의 재산화 반응을 억제하여 합금철의 실수율 하락을 방지하고 비금속 개재물의 생성을 억제하여 청정한 극저탄소강을 제조할 수 있게 한다.
실시예
전술한 실험예와 같은 BAP에서 버블링 후 측정된 용강산소, 슬래그 탈산제의 투입양 및 RH 도착산소 간의 상관관계와 버블링 시간에 따른 용강 온도 강하량과의 상관관계를 이용하여 극저탄소강 제조를 약 3750 ch(charge) 실시하였다.
비교예
전술한 실시예와의 비교를 위하여 전로 종점산소 농도를 기준으로 BAP에서 슬래그 탈산제를 투입하고 BAP에서의 버블링 기준 없이 약 1750 ch의 조업을 실시하였다.
실시예와 비교예에서의 결과를 도 6 내지 도 8에 도시하였다.
실시예에서는 극저탄소강 제조 중 87.8%의 용강을 RH 탈탄에 적정한 용강산소의 조건으로 공급하였으며, 비교예에서는 극저탄소강 제조 중 58.6%의 용강을 RH 탈탄에 적정한 용강산소의 조건으로 공급하였다.
또한, 실시예에서는 전체 중 74.7%의 용강을 RH에서 요구하는 온도의 오차범위 내로 공급하였으며, 비교예에서는 전체 중 66.5%의 용강을 RH에서 요구하는 온도의 오차범위 내로 공급하였다.
실시예에서의 슬래그 중의 총괄 Fe량의 평균은 5.86%이었으며, 비교예에서의 총괄 Fe량의 평균은 5.5%이었다.
그리고, 실시예에서는 RH 조업 중 용강 내 산소가 낮아 실시한 탈탄 산소 취입율은 1.70%이었고, 용강의 온도가 낮아 실시한 승온 산소 취입율은 6.78%이었다. 이에 반해 비교예에서는 RH 조업 중 용강 내 산소가 낮아 실시한 탈탄 산소 취입율은 22.91%이었고, 용강의 온도가 낮아 실시한 승온 산소 취입율은 53.45%이었다.
이와 같이, 본 발명의 실시예에 의해서 RH 공정에서의 산소 취입을 저감하고 저급산화물의 농도가 낮은 슬래그를 공급하여 고청정의 극저탄소강을 제조할 수 있다.
발명의 기술적 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주지해야 한다. 또한, 본 발명의 기술분야에서 당업자는 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 종래의 극저탄소강의 제조 방법을 개략적으로 나타낸 순서도,
도 2는 슬래그와 용강 중의 총 산소량에 따라 각각의 산소가 재분배되는 현상을 열역학 계산프로그램을 이용하여 계산한 결과를 나타낸 도면,
도 3은 슬래그 탈산제 투입량에 따른 버블링 후와 RH도착간의 용존산소 차이를 나타낸 도면,
도 4는 버블링 시간에 따른 버블링 전후의 온도 차이를 나타낸 도면,
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 극저탄소강의 제조 방법을 나타낸 도면,
도 6은 본 발명의 실시예와 비교예에서의 RH 도착산소 적중율을 비교도시한 도면,
도 7은 본 발명의 실시예와 비교예에서의 RH 도착온도 적중율을 비교도시한 도면,
도 8은 본 발명의 실시예와 비교예에서의 RH 산소 취입율(탈탄 및 승온)을 비교도시한 도면.

Claims (16)

1차 정련된 용강을 출강하여 버블링 정련을 수행하는 단계를 포함하며,
상기 버블링 정련에서 상기 버블링 전 또는 도중에 상기 용강의 온도를 측정하고, 상기 용강을 버블링하여 상기 용강의 온도를 제어하며, 상기 용강의 온도 제어는 용강의 BAP 도착 온도와 용강의 버블링 후의 온도 차이의 절대값 및 버블링 시간의 비례관계로 제어하는 것을 특징으로 하는 극저탄소강의 제조 방법.
청구항 1에 있어서, 상기 용강의 온도 제어는 상기 버블링의 정도를 증가 또는 감소하여 실시하는 것을 특징으로 하는 극저탄소강의 제조 방법.
청구항 2에 있어서, 상기 버블링의 정도는 버블링 시간 또는 버블링 유량인 것을 특징으로 하는 극저탄소강의 제조 방법.
삭제
청구항 1에 있어서, 상기 용강의 온도 제어는 상기 용강 270톤에 대하여 하기 관계식에 의해 버블링 시간을 조절하여 상기 버블링 후의 온도를 제어하는 것을 특징으로 하는 극저탄소강의 제조 방법.
300f = 300e - 16d - 1620
여기서, d는 버블링 시간(s)이고, e는 용강의 BAP 도착 온도(℃)이며, f는 용강의 버블링 후의 온도(℃)이다.
청구항 1 또는 청구항 5에 있어서, 상기 버블링 시간은 버블링 유량과 반비례 관계이며, 상기 용강의 온도 제어는 상기 버블링 유량을 조절하여 실시하는 것을 특징으로 하는 극저탄소강의 제조 방법.
1차 정련된 용강을 출강하여 버블링 정련을 수행하는 단계를 포함하며,
상기 버블링 정련에서 상기 용강의 버블링 후의 용존 산소량을 측정하고, 슬래그 탈산제를 투입하여 상기 용강의 산소 농도를 제어하는 것을 특징으로 하는 극저탄소강의 제조 방법.
청구항 7에 있어서, 상기 용강의 산소 농도 제어는 상기 슬래그 탈산제의 투입량 증가 또는 감소로 실시하는 것을 특징으로 하는 극저탄소강의 제조 방법.
청구항 7에 있어서, 상기 용강의 산소 농도 제어는 버블링 후 산소량과 RH 도착 산소량의 차이값 및 상기 슬래그 탈산제의 투입량의 비례관계로 제어하는 것을 특징으로 하는 극저탄소강의 제조 방법.
청구항 7에 있어서, 상기 용강의 산소 농도 제어는 상기 용강 270톤에 대하여 하기 관계식에 의해 상기 슬래그 탈산제 투입량을 조절하여 상기 용강의 산소 농도를 제어하는 것을 특징으로 하는 극저탄소강의 제조 방법.
233 - a + 1.1b = 1.1c
여기서, a는 슬래그 탈산제 투입량(㎏)이고, b는 버블링 후의 산소량(ppm)이며, c는 RH 도착시의 산소량(ppm)이다.
청구항 7에 있어서, 상기 슬래그 탈산제는 Al 또는 CaO를 포함하는 것을 특징으로 하는 극저탄소강의 제조 방법.
청구항 7에 있어서, 상기 버블링을 상기 슬래그가 액상화될 때까지 수행하는 것을 특징으로 하는 극저탄소강의 제조 방법.
1차 정련된 용강을 출강하여 버블링 정련을 수행하는 단계를 포함하며,
상기 버블링 정련에서 상기 버블링 전 또는 도중에 상기 용강의 온도를 측정하고, 상기 용강을 버블링하여 상기 용강의 온도를 제어하고,
상기 버블링 정련에서 상기 용강의 버블링 후의 용존 산소량을 측정하고, 슬래그 탈산제를 투입하여 상기 용강의 산소 농도를 제어하는 것을 특징으로 하는 극저탄소강의 제조 방법.
청구항 13에 있어서, 상기 용강의 온도 제어는 용강의 BAP 도착 온도와 용강의 버블링 후의 온도 차이의 절대값 및 버블링 시간의 비례관계로 제어하는 것을 특징으로 하는 극저탄소강의 제조 방법.
청구항 14에 있어서, 상기 버블링 시간은 버블링 유량과 반비례 관계이며, 상기 용강의 온도 제어는 상기 버블링 유량을 조절하여 실시하는 것을 특징으로 하는 극저탄소강의 제조 방법.
청구항 13에 있어서, 상기 용강의 산소 농도 제어는 버블링 후 산소량과 RH 도착 산소량의 차이값 및 상기 슬래그 탈산제의 투입량의 비례관계로 제어하는 것을 특징으로 하는 극저탄소강의 제조 방법.
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