KR101018235B1 - 용강내 바나듐 첨가방법 - Google Patents

용강내 바나듐 첨가방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 용강내에 바나듐을 첨가하는 방법에 관한 것이다.
본 발명은 용강에 바나듐을 첨가하는 방법에 있어서,
전로 출강중 제조하려는 강종에서 요구되는 바나듐 함량에 해당하는 양으로 래들 내에 바나듐 옥사이드를 투입하고, 상기 투입된 바나듐 옥사이드 투입량의 40~60중량%의 Al을 추가로 투입하는 단계; 전로 출강 완료후 용강 톤당 0.5~1.0kg의 슬래그 탈산제를 투입하는 단계; 및 상기 출강 완료된 용강에 용강 톤당 0.006~0.011N㎥/분의 유량으로 Ar 및 N2중 1종의 가스를 취입하며 버블링하는 단계;를 포함하여 이루어진다.
본 발명은 바나듐 실수율을 안정적으로 높게 제어할 수 있고, 바나듐 옥사이드 사용에 따른 용강중 청정도 저하도 억제할 수 있는 방법을 제공하여 경제적으로 용강중에 바나듐을 첨가할 수 있는 효과가 있다.
바나듐 옥사이드, 청정도, 알루미늄, 슬래그 탈산제, 버블링

Description

용강내 바나듐 첨가방법{A method for adding vanadium to molten steel}
도 1은 용강에 바나듐 옥사이드 또는 페로 바나듐 첨가시 용강중 총 산소량을 나타내는 그래프이다.
도 2는 바나듐 옥사이드 첨가후 Al 투입시기에 따른 용강중 총 산소량을 나타내는 그래프이다.
도 3는 슬래그 탈산제 투입량에 따른 바나듐 옥사이드의 실수율을 나타내는 그래프이다.
도 4는 상취가스 유량에 따른 바나듐 옥사이드의 실수율을 나타내는 그래프이다.
본 발명은 용강내에 바나듐을 첨가하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 바나듐 옥사이드를 사용하면서도 바나듐 실수율을 안정적으로 높게 확보할 수 있고 용강의 청정도 저하도 방지할 수 있는 용강내 바나듐 첨가방법에 관한 것이 다.
일반적으로 바나듐(vanadium)이 첨가되는 용강은 조선 및 건축 용도의 구조용 강(structural steel), 저온 LNG 보관용 탱크(tank)나 베슬(vessel) 등의 압력용기용 강(pressure steel), 석유 및 원유, 천연개스 등을 수송하는 파이프용 강 (Line pipe steel) 등의 용도로 사용된다. 용강에서 바나듐(vanadium)은 슬라브, 코일 및 플레이트(plate) 등에서 오스테나이트(austenite) 결정립 크기를 미세화시켜 제품의 강도를 향상시키기 때문에 주로 상기와 같이 고강도를 요구하는 강종에 첨가된다.
기존 전로 또는 전기로 공정에서 사용되는 바나듐(vanadium)은 페로 바나듐(ferro-vanadium; FeV) 형태로써, 상기 페로 바나듐은 바나듐 함량이 75~85중량%, Fe 함량이 15~25중량%이다. 상기 페로 바나듐은 바나듐 옥사이드(vanadium oxide)를 주원료로 사용하여 제조되며, 그 반응식은 하기 화학식 1과 같다.
[화학식 1]
Fe + 3V2O5 + 10Al = FeV6 + 5Al2O3
종래에 용강내 바나듐을 첨가하기 위한 방법을 살펴보면 다음과 같다. 먼저 전로공정에서 정련작업이 완료된 탄소함량 0.03~0.08중량%, 용존산소함량 0.0300~0.1000중량%의 용강을 래들(Ladle)로 출강한다. 용강을 출강하면서 용강 특 성에 따라 알루미늄, 실리콘, 망간, 페로 바나듐 및 기타 합금철이 첨가되고, 필요에 따라 래들 슬래그를 조재하기 위한 생석회(lime)나 형석(fluospar) 등이 첨가된다. 이후 래들은 버블링장(bubbliong station)으로 옮겨져 용강 교반을 실시한 후, 필요시에 용강을 담은 래들을 용강승온설비로(Ladle Furnace; LF)로 이송하고, 아크(Arc) 가열을 실시하여 용강 온도를 적정범위로 조정하거나, 래들을 RH 또는 VTD(Vacuum Tank Degasser) 등의 진공 탈가스 장치로 이송하여 용강을 수 torr 정도의 감압상태로 유지하여 용강 중 수소(H2) 및 질소(N2) 가스를 제거하게 된다.
그러나, 상기와 같은 종래기술은 화학식 1과 같은 페로 바나듐(FeV)을 제조하는 과정에서 철 스크랩(scrap)과 알루미늄 분말(aluminum powder)이 사용되며 원광(raw ore) 형태에서 추가적인 처리공정이 소요됨에 따라 제조비용이 상승하는 문제점이 있다.
본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 기존의 페로 바나듐을 대체하여 바나듐 옥사이드(vanadium oxide)를 사용하면서도 바나듐 실수율을 높게 유지할 수 있고 용강의 청정도 저하도 방지할 수 있는 용강내 바나듐 첨가방법을 제공하는데, 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 용강에 바나듐을 첨가하는 방법에 있어서,
전로 출강중 제조하려는 강종에서 요구되는 바나듐 함량에 해당하는 양으로 래들 내에 바나듐 옥사이드를 투입하고, 상기 투입된 바나듐 옥사이드 투입량의 40~60중량%의 Al을 용강 탈산용 Al투입량에 더하여 함께 투입하는 단계;
전로 출강 완료후 용강 톤당 0.5~1.0kg의 슬래그 탈산제를 투입하는 단계; 및
상기 출강 완료된 용강에 용강 톤당 0.006~0.011N㎥/분의 유량으로 Ar 및 N2중 1종의 가스를 취입하며 버블링하는 단계;를 포함하여 이루어진다.
이하. 본 발명을 상세하게 설명한다.
본 발명은 기존에 용강에 바나듐 첨가시 사용되던 페로 바나듐(FeV)을 대신하여 바나듐 옥사이드(vanadium oxide)를 사용함으로써, 용강제조 원가를 절감하고 보다 안정적으로 바나듐 실수율을 확보할 수 있는데 특징이 있는 것으로, 이하 본 발명의 공정을 단계별로 설명한다.
전로정련이 종료된 용강은 탄소함량 0.03~0.08중량%, 용존산소함량 0.03~0.1중량% 정도를 포함하게 되며, 탈산용강의 경우 용강중 산소의 함량을 낮추기 위하여 출강중에 용강 탈산제인 알루미늄(aluminum)을 투입하여 용강을 탈산시키게 된 다.
이때, 전로 출강중 제조하려는 강종에서 요구되는 바나듐 함량에 해당하는 양으로 래들 내에 바나듐 옥사이드를 투입하고, 상기 투입된 바나듐 옥사이드 투입량의 40~60중량%의 Al을 용강 탈산용 Al투입량에 더하여 함께 투입한다.
상기와 같이 바나듐 옥사이드를 투입하면, 하기 화학식 2와 같은 반응이 일어나게 된다.
[화학식 2]
3V2O5 + 10Al = 6V + 5Al2O3
상기 화학식 2에서와 같이, 용강에 투입된 바나듐 옥사이드는 용강중의 알루미늄에 의하여 환원된다. 그러나, 바나듐 옥사이드가 환원되기 위해서는 용강내에 알루미나가 발생되고, 출강 완료후 용강중에 알루미늄을 투입하면 용강 청정도가 매우 저하되게 된다(도 1).
도 1에서 알 수 있는 바와 같이, 기존의 페로 바나듐을 사용할 때와 비교하여 바나듐 옥사이드(vanadium oxide)를 사용할 경우 용강중 총 산소량(total oxygen)은 약 3배 정도 증가하게 되는데, 이는 전로출강 완료후 바나듐 옥사이드(vanadium oxide)가 지속적으로 용강 중의 알루미늄과 반응하여 환원되면서 용강중의 알루미늄이 산화(oxidation)되고 이에 따라 용강에 필요한 수준만큼 알루미늄을 추가적으로 첨가하면서 알루미나(alumina)가 추가적으로 발생하기 때문인 것으로 판단되었다. 이에 본 발명자들은 용강 중의 알루미늄이 바나듐 옥사이드(vanadium oxide)에 의해 환원되는 양을 사전에 계산하여 전로출강 중에 용강 탈산용 Al투입량에 더하여 함께 투입함으로써 용강 총 산소(total oxygen)를 기존과 동등한 수준인 7~15ppm으로 낮출 수 있었다(도 2).
상기 Al 투입량이 바나듐 옥사이드 투입량의 40중량% 미만이면 용강 청정도(cleaniness) 향상 효과가 낮으며, 60중량%를 초과하면 용존 알루미늄 함량이 상승하게 되므로, 상기 Al 투입량은 바나듐 옥사이드 투입량의 40~60중량%로 제한하는 것이 바람직하다.
이후, 전로에서 출강한 다음 용강 톤당 0.5~1.0kg의 슬래그 탈산제를 투입한다.
본 발명에서와 같이 바나듐 옥사이드(vanadium oxide)를 용강중에 첨가시 바나듐 실수율이 90% 이하로 낮아지는 문제점이 있다. 이를 해결하기 위하여 슬래그 탈산제를 투입하여 슬래그에 잔류하는 바나듐 옥사이드(vanadium oxide)의 직접적인 환원을 유도하게 된다.
상기 슬래그 탈산제를 용강 톤당 0.5kg 미만 투입하면 바나듐 옥사이드(vanadium oxide) 실수율이 90% 이하로 낮아지고, 용강 톤당 1.0kg을 초과하면 바나듐 옥사이드(vanadium oxide)의 실수율은 90% 이상으로 확보되지만 잉여의 알루미늄이 용강에 용해되고 용강 제조원가를 상승시키므로, 상기 슬래그 탈산제의 투입량은 용강 톤당 0.5~1.0kg으로 제한하는 것이 바람직하다(도 3).
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.
이후, 상기 출강이 완료된 용강에 용강 톤당 0.006~0.011N㎥/분의 유량으로 Ar 및 N2중 1종의 가스를 취입하며 버블링한다.
바나듐 옥사이드(vanadium oxide)의 환원 반응은 상기 화학식 2에서와 같이 슬래그 중에 혼입되어 있는 바나듐 옥사이드(vanadium oxide)와 용강 중의 알루미늄간의 산화-환원 반응(oxidation-reduction reaction)이다. 상기 반응은 용강정련단계에서 가급적 반응효율(reaction rate)을 올려 주어야 이차정련(secondary refining)중에 발생하는 용강 중의 알루미나 개재물의 양을 저감할 수 있으며 바나듐 옥사이드(vanadium oxide)의 실수율도 증대시킬 수 있다. 따라서, 바나듐 옥사이드(vanadium oxide)의 실수율 및 반응효율을 증대 시키기 위하여 출강이 완료된 용강에 대하여 Ar 및 N2중 1종의 가스를 취입하며 버블링하게 된다.
상기 가스의 유량이 용강 톤당 0.006N㎥/분 미만이면 바나듐 옥사이드의 실 수율이 90% 이하로 낮아지며, 용강 톤당 0.011N㎥을 초과하면 버블링(bubbling) 작업중 용강온도의 하락 정도가 너무 커지고 바나듐 옥사이드의 실수율 측면에서는 큰 차이가 없으므로, 상기 가스의 유량은 용강 톤당 0.006~0.011N㎥/분으로 제한하는 것이 바람직하다(도 4).
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
[실시예]
중량%로, C: 0.04~1.00%, Al: 0.005~0.050%, S: 0.010% 이하, Mn: 0.50~1.60%, Si: 0.10~0.40% , V: 0.010~0.100%, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성되는 강을 제조하는데 있어서 용강에 바나듐을 첨가시에 본 발명의 방법을 벗어나는 방법과 본 발명의 방법에 따른 바나듐 옥사이드(vanadium oxide)의 실수율을 확인하기 위한 실험을 실시하였다. 먼저 350톤 전로에서 용선의 1차 정련을 종료하고, 출강중에 200kg의 바나듐 옥사이드(vanadium oxide)를 투입하였다. 이후, 하기 표 1의 조건으로 바나듐을 첨가하였다. 각각의 바나듐 실수율 및 용강중 총 산소량을 측정하였으며, 그 결과는 하기 표 1과 같다.
상기 바나듐 실수율은 하기 수학식 1에 의하여 구한 것이다.
[수학식 1]
바나듐 실수율 = (용강중 바나듐 분석치)/(용강중 바나듐의 이론함량)×100
구분 V2O5
투입량
(kg)		 출강중 알루미늄
투입량(kg)		 슬래그탈산제
투입량
(kg/용강톤)		 상취가스
유량
(N㎥/분)		 용강중
바나듐
함량
(중량%)		 바나듐
옥사이드
실수율
(%)		 용강중
총 산소량
(ppm)
탈산용 V2O5
환원용
비교재1 200 550 0 0 0.005 0.027 78 26
비교재2 200 550 0 0 0.005 0.025 73 22
비교재3 200 550 0 0 0.003 0.021 61 31
비교재4 200 550 0 0 0.003 0.028 81 25
발명재1 200 550 100 0.5 0.006 0.032 93 12
발명재2 200 550 100 0.5 0.008 0.034 99 13
발명재3 200 550 100 0.8 0.008 0.032 93 7
발명재4 200 550 100 1.0 0.011 0.033 96 8

상기 표 1에서 알 수 있듯이, 비교재1~4는 출강중 용강 탈산제로서 알루미늄을 투입시 바나듐 옥사이드(vanadium oxide) 투입량을 고려하지 않고 용존산소량만을 계산하여 투입하였으며, 발명재1~4는 용존산소를 제거하는데 필요한 알루미늄량과 바나듐 옥사이드(vanadium oxide)를 환원시키는데 필요한 알루미늄량(100kg=바나듐 옥사이드 투입량의 50중량%)을 계산하여 용강 탈산용 Al투입량에 더하여 함께 투입하였다.
상기 표 1에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 방법을 따라 제조된 발명재1~4의 경우 93~99%의 높은 바나듐 옥사이드 실수율을 얻을 수 있었으며, 또한 용강중 산소량도 종래의 페로 바나듐을 사용한 경우와 동등 수준 이상인 7~13ppm으로 나타났다.
그러나, 본 발명의 방법을 벗어난 방법으로 제조된 비교재1~4의 경우 바나듐 옥사이드 실수율이 매우 낮았으며, 바나듐 환원이 지연되면서 용강중에 바나듐이 환원시에 발생하는 개재물인 알루미나(Alumina, Al2O3)가 지속적으로 발생함에 따라 용강 중의 개재물 함량을 나타내는 용강 총 산소량이 22~31ppm으로 높게 나타났다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면 용강중에 바나듐 옥사이드를 첨가함에 있어서 바나듐 실수율을 안정적으로 높게 제어할 수 있고, 바나듐 옥사이드 사용에 따른 용강중 청정도 저하도 억제할 수 있는 방법을 제공하여 경제적으로 용강중에 바나듐을 첨가할 수 있는 효과가 있다.

Claims (1)

  1. 용강에 바나듐을 첨가하는 방법에 있어서,
    전로 출강중 제조하려는 강종에서 요구되는 바나듐 함량에 해당하는 양으로 래들 내에 바나듐 옥사이드를 투입하고, 상기 투입된 바나듐 옥사이드 투입량의 40~60중량%의 Al을 용강 탈산용 Al투입량에 더하여 함께 투입하는 단계;
    전로 출강 완료후 용강 톤당 0.5~1.0kg의 슬래그 탈산제를 투입하는 단계; 및
    상기 출강 완료된 용강에 용강 톤당 0.006~0.011N㎥/분의 유량으로 Ar 및 N2중 1종의 가스를 취입하며 버블링하는 단계;를 포함하여 이루어지는 용강내 바나듐 첨가방법.
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