KR100929468B1 - 용강의 정련 방법 및 이를 이용한 고망간 저탄소강의제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 용강의 정련 방법 및 이를 이용한 고망간 저탄소강의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명은 전기로에 스크랩을 장입하고 용해하여 용강을 정련하는 제1단계와; 상기 제1단계에서 정련된 용강의 탈산전에 중탄소 망간 합금철을 투입하여 탈탄을 유도하는 제2단계와; 상기 제2단계 실시 후 탈탄된 용강에 알루미늄을 투입하여 탈산공정을 실시하는 제3단계;를 포함한다. 본 발명은 추가적인 탈가스 공정 없이도 용강 중의 탄소 증가량 억제 및 용강의 흡질현상을 감소시킬 수 있음은 물론, 탈산과정에서 알루미늄의 소모량도 종래에 비해 감소되므로 생산원가가 절감되는 이점이 있다.

고망간, 저탄소, 탈산, 탈탄

Description

용강의 정련 방법 및 이를 이용한 고망간 저탄소강의 제조방법{Refining method of molten steel, and Producting method of high manganese and low carbon alloy using thereof}

본 발명은 용강의 정련 방법 및 이를 이용한 고망간 저탄소강의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 탈탄제로 고가의 금속 망간 또는 저탄소 망간 합금철(탄소농도 1.0w%이하) 대신 저가의 중탄소 망간 합금철(탄소농도 2.0w% 이하)을 대체하여 제조비용을 절감시킬 수 있도록 한 용강의 정련 방법 및 이를 이용한 고망간 저탄소강의 제조방법에 관한 것이다.

최근에는 석유 ㆍ천연가스 수송강관(line pipe), 자동차 구조용 열간 압연 강판 및 강대와 같이 인장강도 400MPa이상의 고강도와 더불어 인성과 용접성을 동시에 요구하는 강재의 수요가 증가하고 있다. 이러한 강재의 생산을 위해서는 낮은 탄소농도와 높은 망간 함량을 갖도록 하고, 가능한 질소를 적게 함유하도록 강재의 성분을 조절하는 것이 필요하다.

이러한 강재의 성분 조절은 제강공정시 실시된다. 제강공정에서는 전기로와 같은 1차 정련로에서 스크랩을 용해하여 용강을 제조하고, 이 용강을 래들(laddle) 로라는 2차 정련로에 출강하여, 합금철 투입 및 가열을 통해 수요자의 요구 및 후속의 주조공정에 적합한 용강 성분과 온도를 조절하게 된다.

이때, 전기로에서 출강되는 용강은 탄소농도가 중량비로 0.04~0.06%의 값을 갖게 된다. 그리고 용강에 함유된 탄소농도는 2차 정련(래들로에서의 처리) 후 더 증가하여 최대 0.07~0.09%까지 증가한다. 이는 원료인 스크랩 중에 포함된 탄소가 일정치 이하로 잘 제거되지 않고, 2차 정련과정에서 투입되는 합금철과 같은 부원료에도 일정량의 탄소가 포함되기 때문이다.

특히, 석유 및 천연가스 수송 강관 및 자동차 구조용 강판의 경우 높은 망간 함량 위해 대량의 합금철(예컨데, 중탄소 합금철)을 투입하므로 탄소 농도가 규정치 이상으로 크게 증가된다. 탄소의 함량증가는 강재의 가공성 저하의 원인이 되므로 가능한 한 적게 함유되어야 한다.

이를 해결하기 위해 상술한 합금철 대신 고가인 저탄소 망간 합금철 또는 금속망간을 사용할 수도 있으나, 이는 원단위 상승의 요인이 되므로 바람직하지 않다.

따라서, 일반적인 제철, 제강공정에서는 용강 중의 탄소(C)를 산소(O)와 반응에 의해 일산화탄소(CO)가스형태로 제거하고 있다.

용강 중의 탄소(C)와 산소(O)의 반응에 의한 탈탄반응은 반응식 1과 같다.

[C] + [O] = CO(gas)

아래의 수학식 1은 탄소농도의 저감을 예측하는 식이다.

여기서, P_{{ co }}는 CO 가스의 분압, a_{c}와 a_{o}는 각각 용강 중의 탄소와 산소의 활동도, [%C]와 [%O]는 각각 용강 중의 탄소와 산소의 농도를 나타낸다.

수학식 1에서 예측할 수 있듯이, 감압에 의한 탈가스 장비를 이용하여 분위기 중의 CO가스 분압을 낮출수록 탈탄반응이 촉진되고 최종 탄소농도를 낮출 수 있음을 알 수 있다. 하지만, 상기한 방법은 감압에 의한 탈가스라는 부가적인 처리가 추가되므로 정련시간 및 비용이 증가하는 단점이 있다.

한편, 질소의 경우도 강재의 연성을 해치므로 농도를 가급적 낮게 유지하는 것이 바람직하다. 하지만 질소는 대기 중에 78%가 포함되므로 스크랩이 용해하기 시작한 시점부터 용강에 침입하기 쉽다.

일반적인 제강공정에서 대기에 의한 흡질반응은 반응식 2와 수학식 2에 의한다.

여기서, a_[N]은 용강 중 질소의 활동도, P_N2는 질소의 분압, f_[N]은 용강 중 질소의 활동도 계수, [%N]은 용강 중 질소의 농도를 나타낸다.

수학식 2에 의하면, 질소는 활동도 계수가 낮아지면 용해도가 증가됨을 알 수 있다. 그런데, 망간은 질소의 활동도 계수를 낮추므로 일단 용강에 혼입된 질소를 제거하는 것은 질소의 반응속도가 느려 효율적이지 못하다. 따라서 고망간 강의 경우 정련 및 출강 중에 용강과 대기의 접촉을 억제하는 것이 특히, 중요하다.

하지만, 종래의 정련방법은 전기로에서 용강을 출강하는 과정에서 출강개시와 동시에 알루미늄을 첨가하여 탈산처리 하므로, 용강이 충분히 래들내에 출강되지 않은 상태에서 알루미늄에 의해 용강이 완전히 탈산된다. 이에 따라 용강은 대기와 접촉되고 대기중의 질소가 용강 중에 쉽게 혼입된다.

따라서, 후속공정인 LF(Ladle Furnace;래들로)에서 탈탄반응을 강화하여 CO기포를 발생시킴으로써 질소 방출을 촉진하거나, 아르곤(Ar)가스 교반을 통해 용강 중 질소를 CO혹은 Ar가스기포로 이동시키거나, 감압처리에 의해 평형 질소 농도를 저감시키는 방법 등이 있으나 이와 같은 종래의 정련방법은 공정이 많아져 복잡할 뿐만 아니라 첨가제의 양 등 많은 부분을 제어해야하므로 실제 적용하기에는 어려운 점이 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 제강공정에서 저가의 중탄소 망간 합금철을 사용하여 망간 성분을 첨가하되, 용강 내의 탄소농도 및 질소농도를 효율적으로 저감할 수 있는 용강의 정련 방법 및 이를 이용한 고망간 저탄소강의 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명은 전기로에 스크랩을 장입하고 용해하여 용강을 정련하는 제1단계와; 상기 제1단계에서 정련된 용강의 탈산전에 용강에 탄소함량이 1.0wt% 초과 2.0wt% 이하인 중탄소 망간 합금철을 용강 1 톤당 10~15kg 투입하여 탈탄반응을 유도함에 의해 용강 성분을 조정하는 제2단계와; 상기 제2단계 실시 후 탈탄반응이 완료된 용강에 알루미늄을 투입하여 탈산 처리하는 제3단계;를 포함하며, 상기 중탄소 망간 합금철은 상기 용강을 전기로에서 래들로 출강하는 중 래들로 내에 투입한다.

삭제

상기 중탄소 망간 합금철은 탄소 함량이 1.8~2.0wt%인 것이 사용된다.

상기 제 3단계에서, 상기 탈산처리는 래들로에서 실시된다.

전기로에서 정련이 완료된 용강의 탈산전에, 용강에 탄소함량이 1.0wt% 초과 2.0wt% 이하인 중탄소 망간 합금철을 용강 1 톤당 10~15kg 투입하여 탈탄을 유도하고, 다음으로 알루미늄을 투입하여 탈산처리한다.

본 발명은, 고가의 금속 망간 또는 저탄소 망간 합금철 대신 저가의 중탄소 망간 합금철을 사용하는 용강의 정련 방법 및 이를 이용한 고망간 저탄소강의 제조방법에 관한 것인바, 전기로 출강시 미탈산 용강에 중탄소 망간 합금철을 투입하여 탈탄반응을 먼저 유도한 후 탈산을 실시한다.

이에 따라 첫째, 중탄소 망간 합금철 중의 탄소와 용강 중의 산소에 의한 CO반응으로 용강 중의 탄소증가량이 억제된다.

둘째, 미탈산에 의한 산소가 질소흡수를 억제하고, 미량 흡수된 질소는 탈탄반응에 의한 CO기포로 이동되어 제거되므로 질소 흡질량이 감소된다. 따라서 추가의 탈가스 공정 없이도 고망간 저탄소 강을 정련할 수 있다.

셋째, 상술한 탈탄(CO)반응이 용강 중의 산소량을 저감시키므로 탈산제인 알루미늄의 투입량을 감소시킬 수 있다.

이와 같은 이유로, 종래의 금속 망간 또는 저탄소 망간 합금철을 사용하지 않고도 고망간 저탄소 강재를 생산할 수 있어 생산비용이 절감되는 효과가 있다.

이하 본 발명에 의한 용강의 정련 방법 및 이를 이용한 고망간 저탄소강의 제조방법의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.

본 발명에 따른 용강의 정련 방법 및 이를 이용한 고망간 저탄소강의 제조방법은, 탄소가 0.065wt%이하, 망간이 0.9~1.4wt% 함유되는 고망간 저탄소강을 제조하되, 제강공정에서 원단위 절감을 위해 중탄소 망간 합금철(탄소 농도 1.0wt% 초과 2.0wt% 이하)(이하, '합금철'이라 칭함)을 사용하고, 알루미늄 탈산전에 합금철을 먼저 투입하여 탈탄반응을 유도한 후 탈산을 실시함을 특징으로 한다.

보다 상세하게는, 전기로에 스크랩을 장입하고 용해시킨 후 생석회 등을 투입하여 용강을 정련하고, 전기로에서 정련된 용강을 래들로 출강하는 도중 또는 출강과 동시에 래들에 합금철을 투입하는 것이다. 그리고, 탈산은 출강 완료 후 실시한다.

여기서, 합금철의 투입이 알루미늄의 투입보다 선행되는 것은 용강 중의 산소를 이용하여 자연스러운 탈탄반응을 유도하고, 미탈산 산소 및 탈탄반응의 CO가스를 이용하여 용강과 대기와의 접촉을 차단함으로써 대기중의 질소에 의한 용강의 흡질현상을 방지하기 위함이다.

이는 종래의 감압에 의한 탈가스를 수행하지 않고도 탄소농도를 저감시킨다. 이를 위하여 전기로 출강시에는 탈산제인 알루미늄이 투입되지 않은 미탈산 용강을 출강한다.

감압에 의한 탈가스를 수행하지 않는 경우, 즉 P_{[ co ]}=1atm 이라 가정하면, 제강온도 1500~1700℃에서는 다음과 같은 수학식이 성립한다.

[%C]ㆍ[%O]=0.0025

그리고, 용강 중의 탄소(C)와 산소(O)의 반응에 의한 탈탄반응은 다음과 같다.

[C] + [O] = CO(gas)

수학식 3에 의하면, 용강 중의 탄소농도와 산소농도는 반비례한다. 즉, 미탈산 출강에 의해 용강 중 산소농도가 높을 경우 CO가스를 형성하는 탈탄반응이 촉진됨을 알 수 있다.

여기서, 미탈산 산소는 출강 중 용강 내에 다량으로 존재할수록 흡질방지에 유리한데, 이는 산소가 표면활성원소로 용강 상부에 막형태를 이루게 되어 용강과 대기와의 접촉을 차단하기 때문이다. 그리고, CO가스는 질소가 용강에 미량 흡입되더라도 용강 상부에서 질소를 배출, 가스화하여 제거하므로 질소의 흡질량 감소 효과가 있다.

합금철은 대략 출강 50%완료시점에 투입하는 것이 효과적이다. 이는 합금철이 래들 바닥에 융착되는 것을 방지하고, 용강의 위치에너지에 의한 자체교반에 의해 합금철이 용강에 용해되는 비율이 높아지도록 하기 위함이다.

물론, 아르곤 가스(Ar)의 취입을 통한 버블링을 실시할 수도 있다. 버블링은 강중에 취입된 기체의 팽창에너지 및 운동에너지를 이용하여 용강을 교반하는 방법이다. 버블링은 주로 용강이 래들로 출강완료되고, 상기 용강을 래들로로 이동 후 실시될 수 있다.

합금철은 1.0~1.5wt% 범위로 투입한다. 합금철은 합금철 내의 망간성분 첨가를 위한 것으로 함량이 1.0wt% 미만이면 필요한 인장강도를 확보가 어렵고, 1.5wt% 초과되면 가공성 및 용접성을 저하시키므로 1.5wt%이상은 첨가하지 않는 것이 바람직하다. 이는 고망간과 저탄소강의 물성치를 만족하는 범위로, 용강 1ton당 10~15kg이 투입된다. 여기서

본 실시예의 중탄소 망간 합금철은 탄소 함량이 1.8~2.0wt%인 것이 사용되고, 이는 최종 생산된 고망간 저탄소강에 탄소가 0.065wt%이하, 망간이 0.9~1.4wt% 함유되게 한다. 바람직하게는 중탄소 망간 합금철은 탄소 함량이 1.8wt%이 사용된다.

한편, 산소는 용강 내에 다량으로 함유될 경우 취성 발생의 원인이 되므로 그 양을 일정범위 내로 조절할 필요가 있다. 이를 위해 용강의 출강 완료 후 래들로(LF, ladle furnace)도착 직후에 탈산제인 알루미늄을 래들로 내부에 첨가한다. 탈산을 래들로에서 실시하는 것은 슬래그의 조성제어가 용이하고, 가스취입에 의한 교반력 강화로 탈산 효율이 향상되기 때문이다. 특히, 래들로는 용강의 성분조절(야금처리)을 할 수 있는 마지막 단계이기 때문이다.

용강 중의 산소(O)와 알루미늄(Al)의 반응에 의한 탈산 반응은 다음과 같다.

3[O] + 2[Al] = Al₂O₃

이때, 용강 중의 산소는 그 함량이 탈탄반응에 의해 일정량 이하로 저감된 상태이므로 알루미늄의 투입량을 종래보다 감소시킨다. 이는 탈탄반응 자체가 용강 중의 산소를 소모시키는 반응이기 때문이다.

이하, 본 발명의 용강의 정련 방법 및 이를 이용한 고망간 저탄소강의 제조방법을 실시예를 통해 상세히 설명한다.

(실시예)

표 1은 전기로 출강 중 탈산제 및 중탄소 망간 합금철 투입에 따른 용강 성분 변화를 나타낸 것이다.

비교예 1은 전기로에서 정련 완료된 용강을 래들로 출강 시 알루미늄 탈산제를 투입하여 탈산을 실시함과 동시에 망간 합금철을 투입한 것이고, 실시예 1은 전기로에서 정련된 미탈산 용강을 래들로 출강 중 래들에 합금철을 투입한 것이다.

본 실시예는 탄소(C) 1.81wt%, 규소(Si) 1.07wt%, 망간(Mn) 76.42wt%, 인(P) 0.163wt%, 황(S):0.004wt%, 나머지 철(Fe)로 구성되는 중탄소 망간 합금철을 사용하였으며, 대표적인 저탄소-고망간 강재를 150톤 실제 전기로를 사용하여 실제 조업을 행함으로써 확인하였다.

구분	출강 중 부원료 투입량 (kg/ton)		출강후 산소농도 (ppm)	최종 탄소농도 (중량비)	흡질량 (ppm)	총 Al 탈산제 사용량 (kg/ton)	비고
	탈산제	합금철
비교예1	3.5	10	<20	0.081%	27	3.53	종래기술
실시예1	0	10	200~600	0.065%	9	3.30	본 발명

표 1에서와 같이, 본 발명에 의한 미탈산 출강법은 최종 탄소 농도를 만족하고 용강의 흡질량 또한 종래에 비해 저감된 것을 확인할 수 있다. 또한, 총 Al 탈산제 사용량도 종래보다 대략 0.2kg/ton 저감된 것을 확인할 수 있다.

본 발명의 권리는 위에서 설명된 실시예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.

Claims (5)

1. 전기로에 스크랩을 장입하고 용해하여 용강을 정련하는 제1단계와;

   상기 제1단계에서 정련된 용강의 탈산전에 용강에 탄소함량이 1.0wt% 초과 2.0wt% 이하인 중탄소 망간 합금철을 용강 1 톤당 10~15kg 투입하여 탈탄반응을 유도함에 의해 용강 성분을 조정하는 제2단계와;

   상기 제2단계 실시 후 탈탄반응이 완료된 용강에 알루미늄을 투입하여 탈산 처리하는 제3단계;를 포함하며,

   상기 중탄소 망간 합금철은 상기 용강을 전기로에서 래들로 출강하는 중 래들로 내에 투입하는 것을 특징으로 하는 용강의 정련 방법을 이용한 고망간 저탄소강의 제조방법.
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서,

   상기 중탄소 망간 합금철은 탄소 함량이 1.8~2.0wt%인 것이 사용됨을 특징으로 하는 용강의 정련 방법을 이용한 고망간 저탄소강의 제조방법.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 제3단계에서,

   상기 탈산처리는 래들로에서 실시됨을 특징으로 하는 용강의 정련 방법을 이용한 고망간 저탄소강의 제조방법.
5. 전기로에서 정련이 완료된 용강의 탈산전에, 용강에 탄소함량이 1.0wt% 초과 2.0wt% 이하인 중탄소 망간 합금철을 용강 1 톤당 10~15kg 투입하여 탈탄을 유도하고, 다음으로 알루미늄을 투입하여 탈산처리하는 것을 특징으로 하는 용강의 정련방법.