KR101017482B1 - 박슬라브 주조용 보론 첨가 용강의 정련방법 - Google Patents

박슬라브 주조용 보론 첨가 용강의 정련방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 박슬라브 주조용 보론 첨가 용강의 정련방법에 관한 것이다. 본 발명은 전기로, 2차정련(LF), 진공정련(VD-OB)설비를 사용하여 박슬라브 주조용 용강을 정련하되, 전기로의 용강을 레들로 출강시 미탈산 출강하고 상기 레들에 보론을 투입하여서 탈질반응을 유도하는 제 1단계와; 상기 제 1단계 실시 후, 상기 레들을 2차 정련(LF)설비로 이송하여 탈산제를 첨가하여 탈산반응을 수행하는 제2단계;를 포함한다. 본 발명에 의하면, 전기로의 용강을 레들로 출탕시 용존 산소가 용강에 잔류하도록 하므로 미탈산 출강을 실시하므로 탈질을 위한 보론 첨가량을 절감하고 박슬라브의 가공성을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.
미탈산 출강, 박슬라브, 보론

Description

박슬라브 주조용 보론 첨가 용강의 정련방법{Refining method of boron-addes molten steel for thin slab}
본 발명은 박슬라브 주조용 보론 첨가 용강의 정련방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 박슬라브의 가공성을 향상시키기 위한 박슬라브 주조용 보론 첨가 용강의 정련방법에 관한 것이다.
박슬라브 주조법은 슬라브 주조공정에서 슬라브의 두께를 좀더 얇은 두께로 하여 최종제품에 가까운 형상으로 주조하는 것으로, 열연공장에서 조압연 공정을 생략할 수 있어 공정생략 및 단순화에 주로 적용된다.
이러한 박슬라브는 얇은 두께로 인하여 냉각이 빠르기 때문에 일반 슬라브에 비하여 미세한 결정립(Grain size)을 갖는다. 따라서, 박슬라브는 홀- 패치식(Hall-Petch equation)(1)에서와 같이 결정립 미세화에 의한 영향으로 강도증가와 함께 가공성이 저하되는 단점을 갖는다.
홀-패치식은 결정립 크기와 항복응력 사이의 관계를 나타내는 식으로 다음과 같이 표현된다.
식 (1)
Figure 112008068081870-pat00001
여기서, σy는 항복응력, d는 결정립 크기, K:결정립계의 상대적인 강화기여도를 나타내는 상수, σ0:결정립내에서 전위의 이동을 방해하는 마찰응력을 나타내며, 이 식에 의하면, 결정립의 크기가 작을수록 항복강도가 증가한다.
박슬라브의 주조법은 보론 첨가 강에도 적용되는데, 보론 첨가 강은 인성과 내충격성이 우수하여 고강도, 고경도, 내마모성을 요구하는 자동차의 보강재나 구조부재에 주로 사용된다.
박슬라브의 주조를 위한 용강의 정련은 전기로에서 스크랩을 용해하여 원하는 용강 성분과 온도를 얻고, 전기로의 용강을 레들로 출강하여 2차 정련(LF)하는 과정을 통해 인(P), 황(S), 규소(Si) 등의 불순물을 제거하게 된다.
그런데, 용강 중의 황의 제거는 용강 중의 산소 포텐셜이 낮고 슬래그의 염기도가 높아야 하므로 전기로의 용강을 레들로 출강시 레들에 탈산제를 투입하는 탈산 출강법을 실시하게 된다. 이러한 탈산 출강법은 2차정련(LF)공정에서 탈산작업에 필요한 시간을 단축하여 진공정련조업시간에 대한 부담을 줄인다.
일반적으로 용강 중 산소는 표면활성화 원소로 용강 표면에 분포하여 외부의 대기가 용강과 접촉되는 것을 방지하여 용강의 질소흡질을 방지하고, CO가스를 형성하여 탈탄 효율을 높인다.
제강공정 중 대기의 질소 침입은 다음의 식(2)에 의해 이루어진다.
식(2)
Figure 112008068081870-pat00002
Figure 112010074883814-pat00006

식 (2)의
Figure 112010074883814-pat00007
는 가스(gas) 상의 질소(N2)가 액체(liquid) 상의 Fe에 대하여 일정한 절대온도(T)에서 평형을 이루는 열역학 평형 방정식이다.
또한, 식 (2)에서 N:질소, (ℓ-Fe):액체상의 Fe, K:반응의 평형상수, an:질소의 활동도, Pn2:질소 분압, fn:질소의 활동도 계수, T:절대온도를 나타냅니다.<출처:steelmarking data sourcebook(P21)>
식 (2)에 의하면, 대기 중 질소 분압 Pn2가 높고 용강 중 질소의 농도 [%N]가 낮을 수록 질소 픽업이 증가한다.
용강 중 첨가되는 보론은 이러한 용강 내 질소와 결합하여 연속주조시 BN화합물을 형성하여 질소에 의한 취화를 억제한다.
그러나, 보론 첨가 강에서 탈산 출강을 하게 되면 질소의 침입량이 증가하고 그 값도 예측하기가 어려워 2차정련(LF)공정에서 보론의 투입량을 결정하고 성분을 조정하는 것이 어렵다.
특히, 박슬라브 주조법에 의해 보론 첨가 강을 제조할 경우에는 강 중에 침입한 질소를 제거하기 위해 과량의 보론 투입이 이루어져야 하는 것은 물론, 침입한 질소 및 잔류하는 탄소의 영향으로 박슬라브의 가공성이 저하되는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 보론의 첨가량을 절감하고 박슬라브의 가공성을 향상시키는 박슬라브 주조용 보론 첨가 용강의 정련방법을 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명은 전기로, 2차정련(LF), 진공정련(VD-OB)설비를 사용하여 박슬라브 주조용 용강을 정련하되, 전기로의 용강을 레들로 출강시 미탈산 출강하고 상기 레들에 보론을 투입하여서 탈질반응을 유도하는 제 1단계와; 상기 제 1단계 실시 후, 상기 레들을 2차 정련(LF)설비로 이송하여 탈산제를 첨가하여 탈산반응을 수행하는 제2단계;를 포함한다.
상기 보론은 용강 1톤당 0.3~0.5kg 투입된다.
본 발명에 의하면, 전기로의 용강을 레들로 출강시 미탈산 출강을 실시함으로써 용강 중의 질소량이 증가되는 현상을 억제한다. 이는 탈질반응을 위해 투입되는 보론의 함량을 줄이므로 원가 절감의 효과가 있다.
또한, 미탈산 출강을 통한 용강의 질소 흡질 방지와 보론의 탈질반응은 금속 내에서 질소가 일으키는 시효에 의한 취하를 억제하므로 박슬라브의 가공성을 향상시킨다. 또한, 미탈산 출강에 의해 용강 중에 잔류하는 산소는 용강 중의 탄소와 C-O반응을 일으켜 탈탄 효율을 높이므로 박슬라브의 가공성 향상에 기여한다.
따라서, 박슬라브의 안정적 제조가 가능하며, 이로 인해 생산성 및 제품신뢰도가 향상되는 효과가 있다.
이하, 본 발명에 의한 박슬라브 주조용 보론 첨가 용강의 정련방법의 바람직한 실시예를 설명한다.
본 발명에 따른 보론 첨가 용강의 정련방법은, 전기로, 2차정련(LF), 진공정련(VD-OB)공정을 통해 용강을 정련하되, 전기로의 용강을 레들로 출강시 용강 중의 질소가 증가하는 현상을 방지할 수 있도록 탈산반응을 2차정련(LF) 공정에서 수행한다.
전기로, 2차정련(LF), 진공정련(VD-OB)설비를 사용하여 박슬라브 주조용 용강을 정련하되, 전기로의 용강을 레들로 출강시 미탈산 출강하고 상기 레들에 보론을 투입하여서 탈질반응을 유도하고, 상기 탈질 반응이 수행된 레들을 2차 정련(LF)설비로 이송하여 탈산반응을 수행하게 된다.
미탈산 출강은 전기로의 용강을 레들 내로 출강시 용강 중의 용존 산소를 잔류시키기 위해 수행된다. 용존 산소는 용강 표면에서 질소의 침입을 억제하므로 용강의 탈산시점이 늦어지면 늦어질수록 용강 중 질소함량은 낮아진다. 그리고, 용강 중의 산소성분이 감소할수록 용강의 흡질속도는 증가한다. 이러한 이유로 전기로의 용강을 레들로 출강시 미탈산 출강을 실시하여 용강의 질소흡질을 최대한 억제한다.
질소는 강 중에 첨가량이 많을 경우 연신율과 r값을 감소시켜 강의 가공성 및 성형성을 저하시킨다. 그리고, 두께가 얇은 박슬라브의 경우에는 가공성을 더욱 저하시키게 된다.
그리고, 보론의 첨가 전 용강 중에 다량의 질소를 함유하는 것은 질소가 보론과 반응하여 BN화합물로 석출되므로 강의 가공특성을 저하시키게 된다.
미탈산 출강된 용강은 600ppm정도의 산소 농도를 갖고, 탈산 출강된 용강은 300ppm정도의 산소농도를 갖는다. 미탈산 출강된 용강은 2차정련 공정에서 용존 산소함량이 탈산 출강된 용강에 비해 300ppm 이상 높아, 외부의 대기가 용강과 접촉되는 것을 방지하여 용강의 질소흡질을 억제한다. 이는 탈질을 위해 첨가되는 보론의 함량을 줄인다.
또한, 용존산소는 박슬라브의 가공성에 영향을 미치는 원소인 탄소와 용강 중의 산소가 C-O반응을 일으키도록 한다. C-O반응은 아래의 식에서와 같이 산소농도가 증가함에 따라 탄소 농도가 감소하는 탈탄 효과를 가져온다.
식(3)
[%C]*[%O]=0.0025
보론의 투입시기는 전기로의 용강을 레들로 출탕시 레들 내에 투입하게 된다. 보론은 용강을 레들로 출강시 발생하는 위치에너지에 의한 교반력에 의해 용강 내에 용해된다. 물론, 보론의 투입 후 보론이 용강에 용해되는 비율을 높이기 위하여 아르곤 가스 취입을 통한 버블링을 실시할 수도 있다.
보론의 투입에 의한 탈질반응이 완료되면 2차정련(LF)공정에서 레들 내 탈산 제를 첨가하여 용강의 탈산반응을 수행한다. 탈산반응 이후에는 진공정련공정에서 탈황반응과 탈수소 탈질소 반응을 시킴으로써 최종 원하는 성분의 용강을 제조한다.
보론은 용강 1톤당 0.3~0.5kg이 투입되는 것이 바람직하다. 보론은 용강 1톤당 0.3kg 미만으로 투입될 경우 탈질효율이 낮아 박슬라브의 가공성 향상효과가 미비하고, 용강 1톤당 0.5kg을 초과하여 투입될 경우 용강의 정련공정 제어가 어려워 최종제품의 재질편차를 크게 한다.
이하, 상술한 박슬라브 주조용 보론 첨가 용강의 정련방법을 실시예를 통해 종래와 비교하여 상세히 설명하기로 한다.
실시예1:
전기로에서 스크랩을 용해하여 용강을 얻고, 상기 용강을 1600℃에서 레들로 출강한다. 전기로의 용강을 레들로 출강시 용강이 레들에 70% 정도 출강되었을 때 용강 1톤당 2kg의 알루미늄을 투입하여 탈산 출강을 수행한다.
이외에 용강의 성분조정에 필요한 각종 부원료를 첨가하고 레들을 2차정련(LF)로 이송한다. 용강을 레들로 출강 중 부원료의 투입으로 인하여 용강이 냉각되므로 2차정련(LF)설비로 이송된 용강은 아크열과 아르곤 저취교반으로 딱딱한 용강 표면을 용해시킨다. 이때, 디스크 샘플러를 이용하여 용강의 샘플을 채취하고 N/O분석기를 이용하여 용강 중 질소 값을 측정한다.
하기 표 1은 탈산 출강을 수행한 경우 2차정련(LF) 공정에서 측정한 용강 중 질소함량을 나타낸 것이다.
횟수 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
질소함량(ppm) 98 105 121 87 110 106 97 103 91 84
2차정련(LF)설비로 이송된 용강은 산소 프로브로 용존 산소를 측정하고 탈산제를 첨가하여 완전 탈산시킨다. 이후 용강 성분조정을 위한 부원료를 투입하고 보론을 용강 1톤당 0.1~0.5kg 첨가한다.
미니밀 공정에서 박슬라브를 주조하고 주조된 슬라브에서 인장시험 시편을 만들어 인장시험기에서 연신율을 측정하였다. 탈산 출강법을 적용한 경우 박슬라브의 연신율은 도 1에 나타내었다.
실시예2:
전기로에서 스크랩을 용해하여 용강을 얻고, 전기로의 용강을 레들로 출강시 탈산제를 투입하지 않는 미탈산 출강을 수행한다. 그 외에 성분조정에 필요한 각종 부원료를 첨가하고 2차정련(LF)설비로 이송한다.
2차정련(LF)설비에서 용강 표면을 용해시키고, 디스크 샘플러를 이용하여 용강의 샘플을 채취하고 N/O분석기를 이용하여 용강 중 질소 값을 측정한다.
하기 표 2은 미탈산 출강을 수행한 경우 2차정련(LF) 공정에서 측정한 용강 중 질소함량을 나타낸 것이다.
횟수 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
질소함량(ppm) 77 80 75 83 87 75 70 72 84 83
2차정련(LF)공정에서 용강을 완전 탈산 시킨다. 이후 용강 성분조정을 위한 부원료를 투입하고 보론을 용강 1톤당 0.1~0.5kg 첨가한다. 박슬라브로 주조된 슬라브에서 인장실험 시편을 만들어 인장 시험기에서 연신율을 측정하였다.
미탈산 출강법을 적용한 경우 박슬라브의 연신율은 도 2에 나타내었다.
표 1과 표 2를 살펴보면, 전기로의 용강을 레들로 출강시 탈산 유무에 따라 2차정련(LF) 공정에서 측정한 용강 중 질소함량에 차이를 보였다. 즉, 전기로의 용강을 레들로 출강시 미탈산 출강하고, 2차정련(LF)공정에서 탈산반응을 수행한 본 발명의 경우 용강 중 질소함량 제어가 더 효과적임을 알 수 있다. 그리고, 도 1 및 도 2에서 확인되는 바와 같이, 미탈산 출강법을 적용하는 경우 박슬라브의 연신율도 향상됨을 확인할 수 있다.
또한, 도 1 및 도 2를 통해서 보론의 함량은 용강 1톤당 0.3kg 이상 투입되는 경우 박슬라브의 연신율 향상에 효과적임을 알 수 있다. 하지만 공정제어 및 보론의 원가절감차원에서 보론은 용강 1톤당 0.3~0.5kg범위로 투입된다.
상술한 바에 의해, 미탈산 출강법이 박슬라브의 가공성을 향상시키기에 바람직한 방법임을 알 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.
도 1은 종래의 탈산 출강법에 의해 용강을 정련하여 박슬라브를 주조한 경우로, 보론 함유량과 박슬라브의 연신율과의 관계를 나타낸 그래프.
도 2는 본 발명에 의한 미탈산 출강법에 의해 용강을 정련하여 박슬라브를 주조한 경우로, 보론 함유량과 박슬라브의 연신율과의 관계를 나타낸 그래프.

Claims (2)

  1. 전기로, 2차정련(LF), 진공정련(VD-OB)설비를 사용하여 박슬라브 주조용 용강을 정련하되, 전기로의 용강을 레들로 출강시 미탈산 출강하고 상기 레들에 보론을 투입하여서 탈질반응을 유도하는 제 1단계와;
    상기 제 1단계 실시 후, 상기 레들을 2차 정련(LF)설비로 이송하여 탈산제를 첨가하여 탈산반응을 수행하는 제2단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 박슬라브 주조용 보론 첨가 용강의 정련방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 보론은 용강 1톤당 0.3~0.5kg 투입되는 것을 특징으로 하는 박슬라브 주조용 보론 첨가 용강의 정련방법.
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