KR101012834B1 - 진공 탈가스 공정에서의 용존 탄소량 예측방법 - Google Patents

진공 탈가스 공정에서의 용존 탄소량 예측방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 진공 탈가스 공정에서 탈탄 반응에 대한 분압 평형식을 이용하여 상기 진공 탈가스 처리 후 용강 내에 잔존하는 용존 탄소량을 정확히 예측할 수 있는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
이러한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 진공 탈가스 처리 전에 용강 내의 [C]/[O] 비율을 계산하고, 그 비율이 0.7∼1.3 범위를 벗어나는 경우에는 상기 [C]/[O] 비율이 상기 0.7∼1.3 범위 내에 속하도록 가탄 또는 탈탄 처리를 행하는 제1단계; 진공 탈가스 장치의 진공도를 8분 이내에 탈탄에 필요한 최저 진공도로 만드는 제2단계; 진공 탈가스 처리 후에 처리 온도, 용강 내의 용존 산소량 및 일산화탄소의 분압(이하 "Pco 분압"이라 함)을 측정하여 하기한 식에 의해 용존 탄소량을 구하는 제3단계로 구성된다.
Figure 112003022180707-pat00001
진공 탈가스 처리, 용존 탄소량, 예측방법

Description

진공 탈가스 공정에서의 용존 탄소량 예측방법{Method for predicting dissolved carbon quantity in vacuum degassing process}
도1은 진공 탈가스 장치의 개략도.
도2는 탈탄 반응계수와 [C]/[O] 비율의 관계를 도시한 그래프.
도3은 본 발명에 따른 용존 탄소량 예측방법의 순서도.
도4은 본 발명에 따른 바람직한 [C]/[O] 비율을 도시한 그래프.
※도면의 주요부분에 대한 부호의 설명※
1: 상부조(upper vessel) 2: 산소 랜스
3: 하부조(lower vessel) 4: 침적관
5: 래들 6: 용강
7: 대차
본 발명은 진공 탈가스 공정에서의 용존 탄소량 예측방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 진공 탈가스 공정에서 탈탄 반응에 대한 분압 평형식을 이용하여 상기 진공 탈가스 처리 후 용강 내에 잔존하는 용존 탄소량을 정확히 예측하는 방법 에 관한 것이다.
진공 탈가스 공정은 전로에서 1차 정련한 용강을 보다 정확한 성분 제어를 위해 탈탄, 탈산 반응 등을 행하는 2차 정련으로, 노외 정련이라고도 한다. 진공 탈가스 공정을 행하는 장치로는 대표적으로 환류식 탈가스 장치(RH), 래들 퍼어니스(LF) 등이 있는 바, 도1을 참조로 상기 환류식 탈가스 장치의 구조 및 가동 방식에 대해 간단히 살펴본다.
환류식 탈가스 장치의 상부조(1)는 용강(6)을 순환시킬 수 있는 흡입력을 일정하게 유지해 주는 것으로 진공 상태를 유지한다. 하부조(3)는 용강(6)이 접촉되어 직접 순환하는 부분으로 상기 상부조(1)의 하부에 마련된다. 침적관(4)은 2개의 원통형 내화물로 하부조(3)의 하부에 마련되며, 래들(5) 내의 용강(6)이 한쪽으로 흡입되어 다른 한쪽으로 배출된다. 침적관(4)을 통해 하부조(3)와 래들(5) 간을 환류하는 용강 내에 산소를 공급하는 산소 랜스(2)가 상기 상부조(1) 상에 설치된다. 이와 같이 구성된 환류식 탈가스 장치에 의한 진공 탈가스 공정은 다음과 같다. 먼저, 전로에서 출강된 용강(6)을 담은 래들(5)이 대차(7)에 의해 이송되어 오면 상기 상부조(1)에 의해 진공상태가 유지되는 상태에서 용강(6)이 침적관(4)을 통해 환류되고, 상기 산소 랜스(2)를 통해 환류되는 용강(6) 내에 산소가 공급되어 탈탄 반응이 일어난다. 이 탈탄 반응에 의해 생성된 일산화탄소(CO)는 상기 상부조(1)를 따라 외부로 배출되고, 2차 정련이 완료된 용강(6)은 대차(5)에 실려 다음 공정인 연주 공정으로 이송된다.
탄소는 강의 기계적 성질에 가장 큰 영향을 미치는 합금원소이므로 그 함량 의 조절이 매우 중요한 바, 상기 2차 정련에 의한 탈탄 반응 후에 용강 내의 잔존하는 탄소 함량은 정확히 측정되어야 한다. 진공 탈가스 처리 후의 용존 탄소량을 측정하는 종래의 방법으로는 시료분석에 의한 방법이 널리 사용되어 왔다. 이 방법은 용강의 정련 처리 중에 시료 채취 장치를 이용하여 용강의 침지 시료를 채취하고 이를 기송관을 통해 분석실로 보낸 후 그 시료 내 탄소량을 측정하는 방법이다. 그러나, 이 방법에 따르면 반드시 용강의 시료가 채취되어야 하므로 연주 공정으로 용강을 인계할 시간이 촉박한 경우 시료 분석값을 기다릴 여유가 없기 때문에, 용존 탄소량에 대한 보정없이 용강을 연주 공정으로 이송시키는 경우가 빈번히 발생하여 최종 제품의 불량 발생에 대한 큰 원인이 되었다.
용존 탄소량을 측정하는 다른 방법은 대한민국 공개특허 제1994-15511호에 게시되어 있다. 이 방법은 진공 탈가스 공정 중에 발생한 배가스 중 CO, CO2, O2 성분 및 그 배가스 유량을 측정한 후 그 측정된 데이터값을 근거로 탈탄량 및 탈산량을 계산하고 이를 이용하여 용강 중에 잔존하는 탄소량을 측정하는 방법이다. 그러나, 이 방법에 따르면 상기 측정된 데이터값이 정확한 경우에는 매우 신뢰도가 높으나, 임의 시간에 측정된 데이터값이 부정확한 경우, 특히 임의 시간 동안 데이터값이 누락된 경우에는 용강 중의 탄소량의 판정오차가 커져 신뢰도가 떨어지는 단점이 있었다.
용존 탄소량을 측정하는 또 다른 방법이 대한민국 공개특허 제1995-19699호에 게시되어 있다. 이 방법은 용강의 미탈산 상태에서 발생되는 배가스량을 측정하 고, 이 배가스 중 일산화탄소의 함량을 정량 분석하여, 용강의 단위시간당 탈탄량을 산정하는 방법이다. 이 방법은 하기한 식을 근거로 단위시간당 탈탄량을 산정한다.
Figure 112003022180707-pat00002
Figure 112003022180707-pat00003

Kc는 탈탄 반응계수로서, 진공 탈가스 장치의 환류관 지름, 상·하부조의 크기, 환류관의 유량 등에 따라 달라진다. 여기서 [C]i는 용강의 초기 탄소량으로, 이 방법에 따르면 정확한 초기 탄소량을 알아야 하는 문제점이 있다. 즉, 진공 탈가스 처리 전에 초기 탄소량을 정확히 측정하여야 하나 진공 탈가스 장치로 이송된 직후 탄소량을 신속하게 분석하는 장치가 없으며, 전공정인 전로에서 출강된 직후 측정된 탄소량을 사용할 수도 있으나 이는 이송 중에 대기압 상태에서의 탈탄 반응으로 인해 오차가 발생하는 문제점이 있다. 또한, 목표 탄소량인 상기 [C]t는 감압과 상관이 있으며, 진공도를 고진공으로 할 경우에는 탄소와 산소의 평형치가 낮기 때문에 목표치가 정확하지 않다는 문제점도 가진다.
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 진공 탈가스 공정에서의 탈탄 반응 즉 용강 내의 탄소와 산소가 반응하여 일산화탄소를 생성하는 화학 반응에 대한 분압 평형식을 근거로 진공 탈가스 처리 후의 용존 산소량 및 일산화탄소의 분압을 측정하여 상기 분압 평형식에 대입함으로써 용강 내에 잔존하는 용존 탄소량을 정확히 예측하는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 진공 탈가스 처리 전에 상기 화학 반응이 가장 효과적으로 일어날 수 있는 용강 내 초기 [C]/[O] 비율의 범위를 설정하고 이 범위를 벗어나는 경우 가탄 또는 탈탄 처리를 하여 상기 범위 내에 속하도록 처리함으로써, 보다 정확하게 용존 탄소량을 예측할 수 있는 방법을 제공하는데 또 다른 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 진공 탈가스 공정에서의 용존 탄소량 예측방법은 다음과 같은 특징적인 기술구성을 가진다.
즉, 본 발명은 진공 탈가스 처리 전에 용강 내의 [C]/[O] 비율을 계산하고, 그 비율이 0.7∼1.3 범위를 벗어나는 경우에는 상기 [C]/[O] 비율이 상기 0.7∼1.3 범위 내에 속하도록 가탄 또는 탈탄 처리를 행하는 제1단계; 진공 탈가스 장치의 진공도를 8분 이내에 탈탄에 필요한 최저 진공도로 만드는 제2단계; 진공 탈가스 처리 후에 처리 온도, 용강 내의 용존 산소량 및 일산화탄소의 분압(이하 "Pco 분압"이라 함)을 측정하여 하기한 식(1)에 의해 용존 탄소량을 구하는 제3단계로 구성된다.
Figure 112003022180707-pat00004
(1)
또한, 본 발명은 상기 [C]/[O] 비율이 0.7 미만인 경우에 행하는 가탄 처리 에 있어서 그 투입되는 탄소량을 하기한 식(2)에 의해 결정하고, [C]/[O] 비율이 1.3 초과하는 경우에 행하는 탈탄 처리에 있어서 그 투입되는 산소량을 하기한 식(3)에 의해 결정한다.
Figure 112003022180707-pat00005
(2)
Figure 112003022180707-pat00006
Figure 112003022180707-pat00007
(3)
이하에서, 첨부된 도면을 참조로 본 발명에 따른 진공 탈가스 공정에서의 용존 탄소량 예측방법을 보다 상세히 설명한다. 도2는 탈탄 반응계수와 [C]/[O] 비율의 관계를 도시한 그래프이고, 도3은 본 발명에 따른 용존 탄소량 예측방법의 순서도이다.
진공 탈가스 공정의 탈탄 반응은 처리 전 [C]/[O]의 비율에 의해서 그 반응 속도가 좌우되는데, 도2를 보면 상기 [C]/[O]의 비율이 0.7∼1.3 범위에서 상기한 탈탄 반응계수(Kc)가 높게 나타남을 알 수 있다. 즉, 초기 [C]/[O]의 비율이 0.7 미만이 되면 산소가 평형치에서 상향되고, [C]/[O]의 비율이 1.3 초과가 되면 탄소가 평형치에서 상향되므로 탈탄 반응이 효과적으로 일어나지 않는다. 따라서, 용강의 초기 [C]/[O]의 비율을 상기한 0.7∼1.3 범위로 조절하는 것이 탈탄 반응을 가장 빠르게 시킬 수 있어 조업 생산성을 향상시킬 수 있다. 뿐만 아니라, 상기 범위 내에서 탈탄 반응율이 가장 높기 때문에 진공 탈가스 처리 후에 잔존하는 탄소량을 이론적인 반응 평형식에 의해 정확하게 예측할 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 용존 탄소량 예측방법에서는 상기 진공 탈가스 처리 전에 초기 [C]/[O]의 비율을 상기 범위 내로 조절하는 작업이 선행되어야 한다. 이러한 조절 작업을 위해 먼저 [C]/[O]의 비율을 계산하여야 하는바, 이에 필요한 탄소량은 전공정인 전로에서 출강된 용강 내에서 측정된 탄소량을 사용하고, 산소량은 진공 탈가스 장치로 이송된 용강 내의 용존 산소량을 측정하여 사용한다. 본 발명에 따르더라도 상기한 대한민국 공개특허 제1995-19699호에 게시된 방법과 같이 초기의 탄소량을 알아야 한다. 그러나, 종래의 방법에서는 ±10ppm 수준의 정확한 탄소량을 알아야지만 일산화탄소 발생량을 적분하여 정확한 용존 탄소량을 예측할 수 있는 반면, 본 발명에 따르면 초기 탄소량은 상기 [C]/[O]의 비율이 일정한 범위 내에 속하도록만 하면 되므로 ±50ppm 정도의 오차 범위 내에서 초기 탄소량을 구하면 된다. 따라서, 이송 중에 대기압 하에서 일어나는 탈탄 반응에 의한 오차를 무시해도 무방하므로 전공정인 전로에서 출강된 직후에 용강에서 측정한 탄소량을 사용할 수 있다.
상기와 같은 방법으로 측정된 초기 탄소량과 산소량을 근거로 [C]/[O]의 비율을 구하고, 이 [C]/[O]의 비율이 0.7 미만인 경우에는 즉 탄소량이 적은 때에는 용강 내에 탄소를 투입하여 [C]/[O]의 비율이 1.1이 되도록 하는데, 이를 선행 가탄이라한다. 상기 1.1은 상기한 [C]/[O] 비율 범위인 0.7∼1.3의 중간값으로 탈탄 반응이 가장 효과적으로 일어날 수 있는 이상적인 탈탄 반응계수값이다. 이 선행 가탄에 사용되는 투입탄소량은 하기한 식에 의해 구한다.
Figure 112003022180707-pat00008

상기 식에서 1.1은 이상적인 탈탄 반응계수값이고, 0.85는 가탄제의 실수율이다.
한편, 상기 [C]/[O]의 비율이 1.3 초과하는 경우 즉 산소량이 적은 때에는 산소를 취입하여 [C]/[O]의 비율이 1.1이 되도록 하는데, 이를 선행 탈탄이라한다. 이 선행 탈탄에 사용되는 투입산소량은 하기한 식에 의해 구한다.
Figure 112003022180707-pat00009
Figure 112003022180707-pat00010

상기 식에서 1.1은 이상적인 탈탄 반응계수값이고, 목표 산소량은 이론상 탈탄 반응이 안정적으로 일어나는 최소 산소량이며, 32는 부피/질량 환산상수이고, 22.4는 산소의 몰당 부피이다.
이와 같이, 가탄 또는 탈탄 처리에 의해 초기 [C]/[O]의 비율을 0.7∼1.3 범위 내로 조절한 후에는 진공 탈가스 처리를 행한다. 이 진공 탈가스 공정에서 일어나는 탈탄 반응은 하기한 식과 같으며, 모든 화학 반응식과 마찬가지로 평형에 도달한다. 즉, 일정한 Pco 분압에서는 평형하는 탄소와 산소의 농도가 일정하게 유지된다. 따라서, 탈탄 종료시점인 진공 탈가스 처리 직후의 Pco 분압과 용존 산소량 을 측정하면 하기한 식에 의해 평형하는 탄소 농도를 구할 수 있다. 여기서, K는 평형상수, ac와 ao는 각각 탄소 및 산소의 활동도(activity)이다, 또한, T는 진공 탈가스 처리 온도로서 진공 탈가스 처리 전 또는 후에 측정된다.
[C]+[O]=CO(g)
Figure 112003022180707-pat00011
Figure 112003022180707-pat00012
Figure 112003022180707-pat00013

한편, 본 발명에 의해 진공 탈가스 처리 후의 용존 탄소량을 보다 정확하게 예측하기 위해서는 또 하나의 중요한 인자를 고려하여야 하는데, 바로 감압 평형에 도달하는 시간이다. 즉, 본 발명에 따른 용존 탄소량 계산식은 탄소와 산소의 농도가 평형을 이루는 상태에서 얻어지는 것이므로, 평형을 가능한 빠르게 유지시켜야만 평형 탄소 농도를 정확히 계산할 수 있을 것이다. 이러한 가정 하에서 진공 탈가스 장치 내의 진공도를 최저 진공도(탈탄 반응이 일어나기 위한 최소한의 진공도를 의미하는 것으로 보통 10mbar이다)로 만드는 시간을 각각 4∼10분 간격으로 변화시키고 12분이 되는 시점에서 용존 산소량 및 Pco 분압을 측정한 후 상기 식을 이용하여 탄소량을 예측하고 시료의 분석에 의해 실측한 탄소량과의 편차를 비교하였는 바, 그 결과는 하기한 표1과 같다.
[표1]
최저 진공도 도달시간(분) 예측치(ppm) 실측치(ppm) 편차
발명예 4 20.5 21 0.5
발명예 5 20 21 1
발명예 6 23.2 22 1.2
발명예 7 22 24 2
비교예 8 27 23 4
비교예 9 20.5 26 5
비교예 10 39 27 12

표1에서 보는 바와 같이, 본 발명에 따른 용존 탄소량 예측치가 실측치와 비교하여 그 편차가 허용한도(5ppm 미만) 이내이기 위해서는 최저 진공도에 도달하는 시간이 8분 이내이어야 한다. 이와 같이, 최저 진공도에 도달하는 시간이 증가함에 따라 예측치와 실측치의 편차가 커지는 이유는 최저 진공도에 도달하는 시간이 늦는 경우 Pco 분압의 편차가 발생하여 상기 식에서 탄소와 산소의 반응 평형에 도달하는 시간이 늦어지기 때문이라 생각된다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 일 실시예로서, 초기 [C]/[O] 비율에 따른 최종 용존 탄소량 예측치의 정확성을 알아보기 위한 실험을 하였다. 즉, 초기 [C]/[O] 비율이 0.3∼1.7의 범위가 되도록 조정하고 최저 진공도 도달시간을 8분 이내로 한 후 12분의 지난 시점에서 용존 산소량 및 Pco 분압을 측정하여 용존 탄소량을 예측하였다. 그 예측치를 시료 분석에 의한 실측치와 비교한 결과는 다음 표2와 같다.
[표2]
초기 [C]/[O]비율 선행 처리 예측치(ppm) 실측치(ppm) 편차
발명예 0.3 선행 가탄 21.5 23 1.5
발명예 0.5 선행 가탄 24.7 22 2.7
발명예 0.7 21.2 22 0.8
발명예 0.9 23.0 24 1.0
발명예 1.1 25.3 23 2.3
발명예 1.3 28.2 26 2.2
발명예 1.5 선행 탈탄 24.0 27 3
발명예 1.7 선행 탈탄 24.5 27 2.5
비교예 0.3 25 40 15
비교예 0.5 20 30 10
비교예 1.5 28 45 17
비교예 1.7 30 50 20

상기 표2에서 보는 바와 같이, 초기 [C]/[O] 비율이 0.7∼1.3 범위 내인 경우에는 예측치와 실측치와의 편차가 적게 나타나지만, 상기 범위를 벗어나는 경우에는 편차가 커진다. 하지만, 초기 [C]/[O] 비율이 상기 범위를 벗어나는 경우에도 본 발명에 따라 선행 가탄 또는 선행 탈탄을 실시하여 그 초기 [C]/[O] 비율을 상기 범위 내로 조절한 경우에는 예측치와 실즉치와의 편차가 적어진다.
따라서, 도4에서 보는 바와 같이 초기 [C]/[O] 비율이 0.765 미만인 상태에서 탈탄 반응이 일어나는 조업(상단에 원, 네모, 마름모로 표시된 그래프)의 경우, 본 발명에 따른 예측방법에 의해서는 용존 탄소량의 정확한 예측이 어렵다. 따라서, 선행 가탄 처리를 행하여 초기 [C]/[O] 비율이 0.765와 1.33의 직선 영역 내에 속하도록(중앙에 세모로 표시된 그래프) 조절하는 것이 바람직하다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 진공 탈가스 공정에서의 용존 탄소량 예측방법에 의하면, 진공 탈가스 처리 후 용강내 잔존하는 탄소량을 보다 정확하게 예 측할 수 있어 탄소량의 제어 오류에 의한 제품 불량을 방지할 수 있을 뿐만 아니라, 선행 처리에 의해 탈탄 반응에 가장 신속하고 효율적으로 일어날 수 있도록 해줌으로써 생산성 향상에 기여할 수 있다.

Claims (2)

  1. 진공 탈가스 처리 전에 용강 내의 초기 [C]/[O] 비율을 계산하고, 그 비율이 0.7∼1.3 범위를 벗어나는 경우에는 상기 [C]/[O] 비율이 상기 0.7∼1.3 범위 내에 속하도록 가탄 또는 탈탄 처리를 행하는 제1단계;
    진공 탈가스 장치의 진공도를 8분 이내에 탈탄에 필요한 최저 진공도로 만드는 제2단계;
    진공 탈가스 처리 후에 처리 온도, 용강 내의 용존 산소량 및 일산화탄소의 분압을 측정하여 하기한 식(1)에 의해 용존 탄소량을 구하는 제3단계로 구성된 진공 탈가스 공정에서의 용존 탄소량 예측방법.
    Figure 112010046853821-pat00014
    (1)
  2. 제1항에 있어서,
    상기 [C]/[O] 비율이 0.7 미만인 경우에 행하는 가탄 처리에 있어서 그 투입되는 탄소량을 하기한 식(2)에 의해 결정하고, [C]/[O] 비율이 1.3 초과하는 경우에 행하는 탈탄 처리에 있어서 그 투입되는 산소량을 하기한 식(3)에 의해 결정하는 것을 특징으로 하는 진공 탈가스 공정에서의 용존 탄소량 예측방법.
    Figure 112010046853821-pat00015
    (2)
    Figure 112010046853821-pat00016
    Figure 112010046853821-pat00017
    (3)
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