KR101008087B1 - 진공 탈가스 장치에서의 용강 탈류방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 진공 탈가스 장치에서의 용강 탈류방법에 관한 것이다.
본 발명은 용강을 정련하는 방법에 있어서,
전로에서 출강이 완료된 용강에 용강 톤당 0.2~0.5kg의 슬래그 탈산제를 투입하는 단계;
용강중에 알루미늄을 첨가하여 알루미늄 함량을 0.050~0.060중량%로 제어하는 단계;
래들내 슬래그 중 CaO/Al2O3 비를 2.0~2.5로 제어하는 단계; 및
진공 탈가스 장치(VTD)에서 용강 톤당 0.060~0.152N㎥/시간의 유량으로 Ar과 N2중 1종의 가스를 취입하며 진공 탈가스 처리하는 단계;를 포함하여 이루어진다.
본 발명은 VTD에서의 용강중 황의 함량을 안정적으로 저감하는 방법을 제공함으로써, 용강중 황성분의 중심편석(center segregation)에 의한 슬라브, 코일 및 플래이트의 내부 품질 불량을 저감할 수 있는 효과가 있다.
슬래그 탈산제, 알루미늄, 생석회, 알루미나, 진공 탈가스, VTD

Description

진공 탈가스 장치에서의 용강 탈류방법{A method for desulfurizing at vacuum tank degasser}
도 1은 슬래그 탈산제 투입량에 따른 용강 탈류율을 나타내는 그래프이다.
도 2는 진공 탈가스 처리(VTD)중 용존 알루미늄 함량에 따른 용강 탈류율을 나타내는 그래프이다.
도 3은 진공 탈가스 처리(VTD) 전 래들내 CaO/Al2O3 비에 따른 용강 탈류율을 나타내는 그래프이다.
도 4는 진공 탈가스 처리(VTD)시 하취유량에 따른 용강 탈류율을 나타내는 그래프이다.
본 발명은 진공 탈가스 장치에서의 용강 탈류방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 용강중 황의 함량을 기존에 비하여 안정적으로 저감할 수 있는 진공 탈가스 장치인 VTD(Vacuum Tank Degasser)에서의 용강 탈류방법에 관한 것이다.
조선 및 건축 시의 구조용 강(structural steel), 저온 LNG 보관용 탱크(tank)나 베슬(vessel) 등의 압력용기용 강(pressure steel), 석유 및 원유, 천연가스 등을 수송하는 파이프용 강(Line pipe steel) 등의 용도로 사용되는 강은 수요가가 요구하는 제품으로 제조시 우수한 내부 품질을 보장하기 위하여 정련 단계에서부터 용강에 함유되는 편석 유발 성분인 황(sulfur)을 가능한 한 적게 함유하는 것이 요구된다. 이는 용강중 황(sulfur)의 함량이 높아지는 경우 슬라브 내부에 중심편석(center segregation)을 유발하고 압연과정에서 MnS 등과 같은 연신성 개재물을 형성하여 압연 중에 내부 품질 불량을 유발시키기 때문이다.
종래의 VTD(Vacuum Tan Degasser)에서 강을 정련하는 방법으로는 먼저 전로 또는 전기로에서 정련작업이 완료된 용강을 래들(Ladle)로 출강한다. 출강과정에 용강 탈산제로 알루미늄을 첨가하고, 상기 용강 탈산제 첨가와 동시에 용강의 성분을 조정하기 위해 실리콘, 망간, 가탄제 및 기타 합금원소를 첨가한다. 이어서 용강을 담은 래들을 용강승온설비로(Ladle Furnace; LF)로 이송하고, 아크(Arc) 가열을 실시하여 용강온도를 적정범위로 조정한다. 이후, 래들을 VTD(Vacuum Tank Degasser)로 이송하여, 용강을 수 torr 정도의 감압상태로 유지하여 용강중 수소(H2) 및 질소(N2) 가스를 제거하게 된다.
그러나, 상기와 같은 종래의 정련방법은 용강중 황(S) 농도를 소기의 범위내로 제어하기 어려운 문제점을 지니고 있다. 즉, 전로 또는 전기로에서 출강된 용강을 VTD(Vacuum Tank Degasser)에서 정련함에 있어서 슬래그중의 MnO, FeO와 같은 약산화성 산화물(weal oxide)에 의하여 용강중의 대표적인 탈산제인 알루미늄이 산화되며, VTD(Vacuum Tank Degasser)에서 진공 처리중에 알루미늄이 산화되어 알루미나가 다량으로 발생하게 되어 이로 인하여 래들 슬래그의 조성이 변경되고 용강 탈류가 어렵게 된다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 출강완료후 슬래그 탈산제를 투입하고, 용강중 알루미늄 함량, 슬래그중 CaO/SiO2 비 및 진공 탈가스 처리시 유량을 제어함에 의하여 용강중 황의 함량을 기존에 비하여 안정적으로 저감할 수 있는 진공 탈가스 장치에서의 용강 탈류방법을 제공하는데, 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 용강을 정련하는 방법에 있어서,
전로에서 출강이 완료된 용강에 용강 톤당 0.2~0.5kg의 슬래그 탈산제를 투입하는 단계;
용강중에 알루미늄을 첨가하여 알루미늄 함량을 0.050~0.060중량%로 제어하는 단계;
래들내 슬래그 중 CaO/Al2O3 비를 2.0~2.5로 제어하는 단계; 및
진공 탈가스 장치(VTD)에서 용강 톤당 0.060~0.152N㎥/시간의 유량으로 Ar과 N2중 1종의 가스를 취입하며 진공 탈가스 처리하는 단계;를 포함하여 이루어진다.
이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.
전로정련이 종료된 용강은 C: 0.03~0.08중량%, 용존산소: 400~800ppm 정도를 포함하게 되며, 탈산용강의 경우 용강중 황의 함량을 낮추기 위하여 출강중에 탈산제인 알루미늄을 투입하여 용강을 탈산시키게 된다. 용강중의 황 함량을 낮게 요구하는 강종에 있어서 출강중에 탈산제를 투입하여야 하는데, 그 이유는 하기 화학식 1로부터 유추할 수 있다.
[화학식 1]
[S] + (O-2) = (S-2) + [O]
(단, [S]는 용강중의 황(S)의 농도, (O-2)는 이차정련 슬래그에서의 산소이온의 농도, (S-2)는 이차정련 슬래그에서의 황(S)의 농도, [O]는 용강에서의 산소의 농도를 의미함)
상기 화학식 1에 의하면, 용강중의 산소 함량이 적고 슬래그 중의 산소 이온이 많은 반응 조건에서 정반응으로 진행되므로, 황의 함량을 낮게 요구하는 용강의 경우 출강중에 탈산제인 알루미늄이 첨가되어야 한다.
종래의 VTD(Vacuum Tank Degasser) 처리시에는 래들에 슬래그 탈산제를 별도로 투입하지 않아 슬래그 중에 FeO 및 MnO 등의 약산화성 산화물(weak oxide) 함량이 높았다. 래들 슬래그 중에 약산화성 산화물(weak oxide)의 함량이 높은 경우에는 VTD(Vacuum Tank Degasser) 처리중에 하기 화학식 2 및 화학식 3과 같은 반응에 의하여 용강중 알루미늄 함량이 저감되게 된다.
[화학식 2]
3(FeO) + 2[Al] = 3[Fe] + (Al2O3)
[화학식 3]
3(MnO) + 2[Al] = 3[Mn] + (Al2O3)
(단, (FeO), (MnO), (Al2O3)는 슬래그중의 산화물, [Al], [Fe], [Mn]은 용강중에 용존된 원소를 의미함)
상기 화학식 2 및 화학식 3의 반응에 의하여 VTD(Vacuum Tank Degasser) 처리시 용강중의 알루미늄 함량이 저감되는 경우에는 상기 화학식 1의 반응에 의하여 용강중의 산소 농도가 증가하게 되고, 따라서 VTD(Vacuum Tank Degasser) 처리시에 용강 탈류 반응이 떨어지게 된다.
이에 본 발명자들은 VTD(Vacuum Tank Degasser) 처리시에 약산화성 산화물에 의한 용존 알루미늄 저하를 방지함으로써 소기의 용강 탈류반응을 유도하기 위하여 출강 완료 후에 용강 톤당 0.2~0.5kg의 슬래그 탈산제를 투입하고자 한다. 상기 슬래그 탈산제로는 알루미늄 칩(Chip)이 사용될 수 있다. 도 1에서 알 수 있듯이, 슬래그 탈산제가 용강 톤당 0.2kg 미만 첨가되면 용강 탈류율이 30% 이하로 낮아지고, 0.5kg을 초과하면 용강 탈류율이 포화되며 용강 제조 비용이 상승할 뿐만 아니라 미 반응된 슬래그 탈산제 중의 알루미늄 칩이 용강으로 용해되어 용존 알루미늄 량을 변동시키기므로, 상기 슬래그 탈산제 투입량은 용강 톤당 0.2~0.5kg으로 제한하는 것이 바람직하다.
상기 슬래그 탈산제는 통상적으로 사용되는 것은 어느 것이나 가능하나, 용강의 오염 억제 및 고효율의 강종 개재물 흡수를 위해서 대한민국 특허 출원번호 1994-32268호에 개시된 슬래그 탈산제를 이용하는 것이 보다 바람직하다. 상기 대한민국 특허 출원번호 1994-32268호에 개시된 슬래그 탈산제는 금속 알루미늄: 30~60중량%, CaCO3: 20-50중량%, Al2O3: 10중량% 이하, SiO2: 10중량% 이하, N: 0.2중량% 이하, Na+K: 0.1중량% 이하, Cl+F: 0.3중량% 이하 및 잔여량의 불가피한 불순물로 조성되고, 그 입도가 5-30mm인 것을 특징으로 한다.
종래의 VTD(Vacuum Tank Degasser) 처리시에는 용강중 용존 알루미늄 함량이 0.005~0.050중량%가 요구될때 VTD(Vacuum Tank Degasser) 처리전 용존 알루미늄 함량을 0.050% 이하로 제한하였다. 그러나, 이러한 경우에는 VTD(Vacuum Tank Degasser) 처리시에 용강 강교반(Strong Bubbling)에 따라 슬래그 중의 약산화성 산화물(weak oxide)과 용존 알루미늄이 반응하여 용존 알루미늄 양이 평균 0.020% 만큼 감소하게 되며, 용존 알루미늄 양이 감소하게 됨에 따라 상기 화학식 1에서와 같이 용존 가용 가능 산소량이 증가하게 되어 용강 탈류율이 떨어지게 된다. 따라서, 본 발명에서는 VTD 처리전 용강중 알루미늄 함량을 0.050~0.060중량%로 제어하여 VTD 처리후의 알루미늄 함량을 0.030중량% 이상으로 제어하게 된다(도 2).
상기 VTD 처리전 용강중 알루미늄 함량이 0.050중량% 미만이면 VTD 처리중에 용존 알루미늄이 0.030중량% 미만으로 제어되어 용강 탈류율이 저하되며, 0.060중량%를 초과하면 VTD 처리후의 용강중 알루미늄 함량이 0.050중량%를 초과하는 문제점이 있으므로, 상기 VTD 처리전 용강중 알루미늄 함량은 0.050~0.060중량%로 제한하는 것이 바람직하다.
상기와 같이 VTD(Vacuum Tank Degasser) 처리전에 슬래그 탈산제를 투입하더라도 슬래그중 약산화성 산화물(weak oxide)은 약 1~2% 수준으로 남아있게 되며, VTD(Vacuum Tank Degasser) 처리중에 용강 강교반에 의하여 알루미나(Alumina, Al2O3)는 지속적으로 발생하게 된다. 따라서, 래들 슬래그 중의 알루미나 함량이 증 가하게 되며 이에 따라 용강 탈류율에 영향을 주게 된다. 종래의 VTD(Vacuum Tank Degasser) 처리시에는 VTD(Vacuum Tank Degasser) 처리전의 래들 슬래그 중 생석회(lime, CaO)와 알루미나(Alumina, Al2O3)의 비(CaO/Al2O3)가 1.6~2.0 수준이었으며, VTD(Vacuum Tank Degasser) 처리시 래들 슬래그중의 알루미나 함량이 증가하게 됨에 따라 용강 탈류율이 저하되게 된다.
따라서, 본 발명에서는 VTD(Vacuum Tank Degasser) 처리전의 래들 슬래그 중 생석회와 알루미나의 비율을 2.0~2.5 수준으로 제어한다. 그 이유는 VTD(Vacuum Tank Degasser) 처리전의 래들 슬래그 중 생석회와 알루미나의 비율이 2.0 미만이거나 2.5를 초과하는 경우에는 래들 슬래그의 VTD(Vacuum Tank Degasser) 처리 중에 탈류에 적정한 래들 슬래그 조성역(1.6~2.0)을 벗어나기 때문에 일정 수준 이상의 탈류율을 기대하기 어렵기 때문이다(도3).
VTD(Vacuum Tank Degasser) 공정은 RH(Rheinstaal Huttenwerke und Heraus) 설비와는 달리 진공처리(evacuation treatment) 중에 아르곤(Ar) 등의 불활성 가스(inert gas)를 하취(bottom blowing)한다. 이때 하취유량(bottom blowing flow rate)이 적절하여야 용강과 슬래그 간의 반응을 증진시켜 일정 수준 이상의 용강 탈류율을 확보할 수 있게 된다. 즉, VTD(Vacuum Tank Degasser) 공정에서 용강 탈류를 위한 용강과 슬래그 간의 반응(slag-metal reaction)은 상기 화학식 1에서 설명된 바와 같이 슬래그 중의 산소 이온과 용강 중의 황 원소간의 이온 치환 반응이 며, 이 반응을 유도하기 위해서는 계면적을 일정 수준 이상 늘려주어야 한다.
본 발명에서는 VTD에서 용강 톤당 0.060~0.152N㎥/시간의 유량으로 Ar과 N2중 1종의 가스를 취입하며 진공 탈가스 처리한다. 상기 하취유량이 용강 톤당 0.060N㎥/시간 미만이면 용강과 슬래그간의 충분한 반응 계면적을 확보하기 어렵기 때문에 용강 탈류 효율이 낮아지고, 0.152N㎥/시간을 초과하면 VTD(Vacuum Tank Degasser) 처리중에 온도 하락양이 증가할 뿐만 아니라 하취 플러그(bottom plug)의 용손이 증가하게 되므로, 상기 VTD에서의 가스의 유량은 용강 톤당 0.060~0.152N㎥/시간으로 제한하는 것이 바람직하다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
[실시예]
중량%로, C: 0.04~1.00%, Al: 0.005~0.050%, S: 0.005% 이하, Mn: 0.50~1.60%, Si: 0.05~0.50%, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성되는 강을 VTD(Vacuum Tank Degasser)에서 정련함에 있어서 용강중의 황의 함량을 저감하기 위한 시험을 하였다. 먼저 350톤 전로에서 용선의 1차 정련을 종료하고, 출강완료후 래들에 하기 표 1의 조건으로 슬래그 탈산제, 알루미늄을 투입하였으며, 하기 표 1의 조건으로 CaO/Al2O3를 조절하고 진공 탈가스 처리하였다.
상기와 같이 제조된 비교재와 발명재 각각의 VTD(Vacuum Tank Degasser) 처리 전후의 용강중의 황의 함량을 분석하여 용강 탈류율을 확인하였으며, 그 결과는 하기 표 1과 같다.
상기 용강 탈류율은 하기 수학식 1을 이용하여 계산하였다.
[수학식 1]
용강 탈류율(%)=(Sb-Sa)/Sb × 100
(단, Sa는 VTD처리후 S함량, Sb는 VTD처리전 S함량)
구분 슬래그탈산제 투입량
(kg/용강톤)		 VTD처리전
용강내 Al
(중량%)		 슬래그중
CaO/Al2O3 		VTD하취유량(N㎥/시간) 용강중 S함량(중량%) 용강 탈류율
(%)
VTD처리전 VTD처리후
비교재1 0 0.031 1.8 0.015 0.007 0.006 14
비교재2 0 0.045 1.5 0.015 0.008 0.006 25
비교재3 0 0.038 1.9 0.030 0.010 0.008 20
비교재4 0 0.041 1.7 0.045 0.008 0.006 25
발명재1 0.2 0.052 2.1 0.091 0.007 0.003 57
발명재2 0.2 0.055 2.3 0.121 0.011 0.002 82
발명재3 0.4 0.058 2.3 0.121 0.009 0.002 78
발명재4 0.4 0.054 2.0 0.152 0.006 0.002 67

상기 표 1에서, 본 발명에 따른 발명재1~4는 VTD처리후 S의 함량이 0.005중량% 이하로 제어하기가 용이하였으며, 용강 탈류율도 평균 71% 수준으로 매우 우수함을 알 수 있다.
그러나, 본 발명의 범위를 벗어난 비교재1~4의 경우 VTD처리후 S의 함량을 0.005중량% 이하로 제어하기가 어려웠으며, 용강 탈류율도 평균 21% 수준으로 매우 불량함을 알 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면 VTD에서의 용강중 황의 함량을 안정적으로 저감하는 방법을 제공함으로써, 용강중 황성분의 중심편석(center segregation)에 의한 슬라브, 코일 및 플래이트의 내부 품질 불량을 저감할 수 있는 효과가 있다.

Claims (1)

  1. 용강을 정련하는 방법에 있어서,
    전로에서 출강이 완료된 용강에 용강 톤당 0.2~0.5kg의 슬래그 탈산제를 투입하는 단계;
    용강중에 알루미늄을 첨가하여 알루미늄 함량을 0.050~0.060중량%로 제어하는 단계;
    래들내 슬래그 중 CaO/Al2O3 비를 2.0~2.5로 제어하는 단계; 및
    진공 탈가스 장치(VTD)에서 용강 톤당 0.060~0.152N㎥/시간의 유량으로 Ar과 N2중 1종의 가스를 취입하며 진공 탈가스 처리하는 단계;를 포함하여 이루어지는 진공 탈가스 장치에서의 용강 탈류방법.
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