KR101091956B1 - 용선의 탈류 처리 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 의한 용선의 탈류 처리 방법은 용선 예비 처리에서 탈류 작업시 고로 노황 불안에 의해 용선의 출선 온도가 1480℃ 이하, 용선 중 Si 성분이 0.15% 이하, 용선 중 S 성분이 0.035% 이상 및/또는 슬래그 상태가 물성인 경우에 고체 석회를 지속적으로 투입하다가 취입 60 내지 70% 시점부터 소다회를 복합 취입하여 탈류 효율을 향상시키고 탈류 처리 시간을 단축할 수 있다.

또한 원료 투입량의 감소로 원가를 절감하고 탈류 효율의 향상으로 용선 공급을 원활히 하여 후공정 작업의 부하를 경감하고 용선 대기를 방지하여 생산성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

용선, 탈류, 탈황, 슬래그, 탈류제

Description

용선의 탈류 처리 방법 {Method for desulfurizing molten metal}

도 1은 용선 예비 처리 작업을 도시한 작업 상황도.

도 2는 종래의 탈류 처리 방법에 따른 취입 패턴을 도시한 도표.

도 3은 본 발명의 탈류 처리 방법에 따른 취입 패턴을 도시한 도표.

도 4는 TLC 내 영구적인(permanent) 탈류 반응과 일시적인(transitory) 탈류 반응을 도시한 개략도.

도 5a는 탈류 처리 전 슬래그와 용선의 계면을 도시한 개략도.

도 5b는 탈류 처리시 탈류 효율에 미치는 물성 슬래그의 영향을 도시한 개략도.

도 6은 탈류제 원단위와 탈류 효율의 관계를 도시한 그래프.

도 7은 용선의 온도와 탈류 효율의 관계를 도시한 그래프.

도 8은 용선 중 황(S) 성분과 탈류 효율의 관계를 도시한 그래프.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : TLC(torpedo ladle car) 11 : 용선

12 : 랜스 13 : 저장 탱크

15 : 슬래그 20 : 탈류제

본 발명은 용선 예비 처리에서의 탈류 처리 방법에 관한 것이다.

일반적으로 제강 조업은 고로에서 출선된 용선을 용선 예비 처리를 실시하여 전로에 장입하고, 전로 정련과 2차 정련 공정을 거친 후 연속 주조 공정을 통해 주편을 제조하는 것으로 이루어진다. 여기서 용선 예비 처리는 고로에서 출선된 용선을 전로에 공급하기 이전에 처리하는 공정으로 용선에 함유된 5대 불순물인 탄소(C), 규소(Si), 망간(Mn), 인(P), 황(S)을 제거한다. 특히 황(S)은 강중에 다량으로 존재하는 경우 크랙(crack)을 유발하고 취성을 저하시키며 적열취성(red shortness)의 원인이 되는 등 강재 특성에 나쁜 영향을 미치므로 가능한 낮은 수준으로 유지해야 한다.

도 1은 용선 예비 처리 작업 상황도를 나타낸 것으로 고로에서 토페도 래들카(10, torpedo ladle car; 이하 'TLC'라 칭함)로 출선된 용선(11)에 저장 탱크(13)로부터 랜스(12)를 통해 부원료(flux) 및 불활성 가스를 취입하여 탈류 처리를 수행한다. 이 때 강으로부터 불순물을 분리하고 부상시키기 위해 첨가하는 화합물로서 주로 소다회(Na₂CO₃), 고체 석회(CaCO₃, CaO)를 사용한다. 일반적으로 탈류 처리 작업 시 고체 석회를 사용하며 고로 용선의 정보 중 용선의 온도와 용선 중 Si, S 성분의 함량을 참조하여 탈류 목표에 맞게 원료 투입량을 설정하였다. 원료 투입량은 생산 강종의 소강 성분 대비 예비 처리 성분의 목표를 기준으로 하여 설정하 며 일반적으로 1800~2500kg의 원료를 투입하고 있다.

도 4는 예비 처리 공정에서 TLC 내 탈류 반응을 나타낸 것으로 TLC의 용선(11)에 랜스(12)를 침적시킨 상태에서 분체(powder)의 탈류제(20)를 질소 가스와 같이 취입하여 용선 중의 황을 저감시킨다. 여기서 탈류 반응은 두 가지로 일어난다. 용선(11)에 취입된 탈류제(20) 계면에서 용선의 황 성분과 반응하는 일시적인(transitory) 탈류 반응과 용선 상부의 슬래그(15)와 용선(11) 계면에서 일어나는 영구적인(permanent) 탈류 반응이 있다. 일시적인 탈류 반응은 탈류제 취입시 용선 상부로 부상하면서 일어나는 반면, 영구적인 탈류 반응은 탈류제가 용선 상부로 부상 후 슬래그와 용선 계면에서 지속적으로 일어난다.

탈류 반응이 활발하게 일어나기 위해서는 염기도가 높고 온도가 높으며 슬래그 량이 많고 유동성이 좋아야 한다.

반면 용선 온도가 낮은 경우에는 반응 유동성이 저하되고 TLC 내 데드 존(dead zone)이 발생함으로써 탈류 효율이 저하된다. 또한 TLC 내 고로 슬래그 량이 적은 경우에 탈류 작업 중 취입되는 질소 가스의 버블(bubble) 효과에 의한 얇은 슬래그 층에서 용선이 산화되어 탈류 효율이 감소되고 반응된 CaS의 흡수력이 저하된다.

예비 처리 탈류 작업 과정에서 발생된 산소(O)를 제거하기 위하여 분말 가탄제가 탈류제 중 5 내지 9% 정도 함유되어 있으나 Si 성분이 산소(O)와의 친화도가 더 높기 때문에 용선 중 Si가 0.02 내지 0.05% 즉 평균 0.04% 정도 손실되며 용선 중 Si 성분이 낮은 경우에 탈류 처리 후 황(S)의 계면 반응의 안정성이 부족하여 복류 현상이 일어나고 탈류 효율이 낮다.

또한 고로에서 산화철(FeO)을 다량 함유한 슬래그가 TLC 내로 유입되면 탈류 작업 시 산화성 반응이 유지되어 탈류 효율이 저하되고 탈류 처리 후 복류 현상이 발생한다. 도 5a는 탈류 처리 전 슬래그(15)와 용선(11)의 계면을 도시한 것이며, 산화철(FeO)을 많이 포함하고 산소 포텐셜이 높은 슬래그(이하, '물성 슬래그'라 칭함)인 경우 용선 중 존재하는 Si/Mn 성분과 다음과 같은 반응이 일어난다.

FeO + Si(Mn) = SiO₂(MnO) + Fe

상기 식과 같은 반응으로 초기 염기도가 감소되고, 특히 물성 슬래그는 점도가 매우 낮고 유리질화되어 있기 때문에 도 5b에 도시한 바와 같이 투입된 탈류제(20) 입자의 주위를 슬래그(15)가 모두 코팅하여 슬래그(15)와 용선(11) 계면에서의 영구적인(permanent) 탈류 반응을 저해한다. 이는 적정 점도 및 염기도를 형성한 후 탈류 반응이 진행되기 때문에 탈류 효율이 낮아지고 원단위가 증가하는 문제점이 있다.

또한 고로에서 출선되는 용선 중 황(S) 성분의 함량이 높은 경우에도 탈류 효율이 낮아지고, 후배제가 미흡하여 TLC내 슬래그가 다량 잔류한 경우에는 복류 현상이 일어난다.

한편 고로 노황 불안에 따른 노열이 낮을 경우 출선 온도가 낮아지고 용선 중 Si 성분이 낮고 상대적으로 S가 높아지는데, 이는 Si가 용선에서 빠져나가고 코 크스(coke) 중 S가 용선 중으로 침투되어 온도가 낮아지는 것이다. 그러나 상술한 바와 같이 출선 온도가 낮고, 용선 중 Si가 낮거나 S가 높은 경우에 탈류 효율이 낮고 탈류 작업 시간이 증가하는 문제점이 있다. 종래의 고체 석회만을 사용한 방법으로는 탈류 효율의 향상을 기대하기 어려우며, 그로 인해 후공정 작업의 부하를 유발하고 용선 대기를 야기하여 생산성을 저하한다. 따라서 이러한 경우에 탈류 효율을 높이고 탈류제 원단위를 절감할 수 있는 탈류 처리 방법의 개선이 필요하다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 용선 예비 처리에서 탈류 작업시 탈류 처리 시간을 단축하고 탈류 효율을 향상하는 용선의 탈류 처리 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 용선의 탈류 처리 방법은, 용선의 출선 온도, 용선 중 Si 성분, S 성분의 함량 또는 슬래그 상태를 확인하는 단계 및 고체 석회를 취입하여 탈류 작업하는 단계를 포함하고, 상기 용선의 출선 온도가 1480℃ 이하, 용선 중 Si 성분이 0.15% 이하, 용선 중 S 성분이 0.035% 이상 및 슬래그 상태가 물성 슬래그인 경우들 중 적어도 어느 하나의 조건에 해당하는 경우에 상기 탈류 작업하는 단계에서 소다회를 취입하는 것을 특징으로 한다.

상기 탈류 작업하는 단계는 고체 석회를 지속적으로 취입하면서 취입 60 내지 70% 시점부터 소다회를 취입하는 것을 특징으로 하며, 용선량이 160 내지 320톤 인 경우에 소다회 취입 시점에서 고체 석회의 투입량은 50 내지 80kg/min으로 조정 하고 소다회 투입량은 40 내지 50kg/min으로 취입하는 것을 특징으로 한다.

소다회를 취입할 때 고체 석회의 취입 압력보다 소정값만큼 높은 취입 압력으로 소다회를 취입하고, 상기 소정값은 2 내지 3kg/cm²인 것을 특징으로 한다.

또한 소다회를 취입할 때 캐리어 가스인 질소 가스 유량을 일정값만큼 증가하여 취입하며, 상기 일정값은 3.0 내지 5.0 Nm³/min 인 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 의한 용선의 탈류 처리 방법에 대하여 상세히 설명하기로 한다.

도 1에 도시한 바와 같이 용선의 예비 처리를 위해 고로에서 TLC(10)로 출선된 용선(11)에 저장 탱크(13)로부터 랜스(12)를 통해 탈류제 및 질소 가스(N₂)를 취입한다. 용선의 출선 온도가 1480℃ 이하, 용선 중 Si 성분이 0.15% 이하, 용선 중 S 성분이 0.035% 이상 및/또는 슬래그 상태가 물성 슬래그인 경우에 탈류제로서 고체 석회와 소다회를 복합하여 사용한다.

일반적으로 사용되는 고체 석회를 이용한 탈류 반응은 다음과 같다.

CaO(s) + [S] = CaS(s) + [O]

CaO + FeS = CaS + FeO

CaO·CaCO₃ + 2FeS = 2CaS + 2FeO + CO₂

2CaO + Si + 2FeS = 2CaS + SiO₂ + 2Fe

또한 소다회를 이용한 탈류 반응은 다음과 같다.

Na₂CO₃ + [S] = Na₂S + CO₂(g) + [O]

소다회는 용철 및 슬래그 중의 산소 활량에 따른 영향이 작고 온도가 낮을수록 탈류 반응이 유리하기 때문에 취입 말기 온도가 낮은 시점에서 투입함으로써 탈류 반응을 극대화할 수 있다. 또한 부상 시 일시적인(transitory) 탈류 반응의 의존도가 크며 Na₂S를 생성하고자 하는 자유 에너지가 크기 때문에 복류 확률이 상대적으로 작은 장점이 있다.

도 2는 종래의 탈류 처리 방법에 따른 취입 패턴을 도시한 것이며, 도 3은 본 발명의 탈류 처리 방법에 따른 취입 패턴을 도시한 것이다.

본 발명은 용선의 출선 온도가 1480℃ 이하, 용선 중 Si 성분이 0.15% 이하, 용선 중 S 성분이 0.035% 이상 및/또는 슬래그 상태가 물성 슬래그인 경우에 고체 석회를 지속적으로 취입하며 탈류 처리를 진행하다가 온도가 낮아지는 취입 60 내지 70% 시점에 소다회를 동시에 취입한다. 원료 투입량은 생산 강종의 소강 성분 대비 예비 처리 성분의 목표를 기준으로 하여 설정하고, 취입 말기 소다회를 복합 취입하기 위하여 고체 석회의 투입량을 종래 투입량보다 낮은 양으로 취입한다. 또 한 소다회 취입시 고체 석회에 비해 현저히 적은 투입량의 소다회를 취입하면 원할한 취입이 어렵기 때문에 소다회 취입과 동시에 고체 석회의 투입량을 하향한다.

즉 도 3에 나타낸 바와 같이 고체 석회의 투입량을 낮추며 지속적으로 탈류 처리를 하다가 취입 60 내지 70% 시점에 소다회 취입시 고체 석회의 투입량은 50 내지 80 kg/min으로 하향하고, 소다회는 40 내지 50 kg/min으로 설정하여 작업을 실시한다. 이는 일시적인(transitory) 탈류 반응을 유도하여 고체 석회와 소다회의 탈류제 반응 시간을 확보하기 위한 것이다. 소다회 투입량을 60 내지 80 kg/min으로 설정하여 취입한 경우에는 소다회 취입 시간이 단축되어 탈류 효율의 향상이 미미하므로 소다회 투입량은 40 내지 50 kg/min으로 설정하는 것이 바람직하다. 여기서 용선량에 따라서 상기 고체 석회와 소다회의 총 투입량이 조정되고 취입시 원료의 분당 투입량은 변하지 않는다. 상기 제시된 고체 석회와 소다회 투입량의 수치는 통상적으로 160 내지 320톤의 용선을 탈류 처리하는 경우이며, 고로 수선의 과다 또는 과소로 인해 탈류 처리가 불가능한 경우를 제외하고는 제시된 투입량을 적용하도록 한다.

취입 압력은 고체 석회의 경우 초기 원료 교반의 반응성을 향상시키기 위하여 종래보다 더 높은 4.0 ~ 5.0 kg/cm²으로 설정하고, 취입 말기 소다회 취입시 소다회의 취입 압력은 6.0 ~ 7.0 kg/cm²으로 설정한다. 취입 말기에 소다회와 고체 석회의 압력을 적정하게 유지하기 위하여 소다회 취입 압력을 고체 석회보다 2.0kg/cm² 이상 높이는 것이 바람직하다.

또한 캐리어(carrier) 가스인 질소 가스 유량은 초기에 5.0 ~ 6.0 Nm³/min 으로 설정하고, 소다회 취입 시점에 8.0 ~ 10.0 Nm³/min으로 상향 조정한다. 취입 초기에는 고체 석회의 투입량 감소에 따른 교반력의 저하를 방지하기 위하여 종래보다 1.0 Nm³/min 이상 높이는 것이 바람직하다. 또한 취입 말기에는 용선의 온도가 저하되어 랜스의 노즐과 배관이 막히는 현상을 방지하고 교반력의 향상을 위해 질소 가스 유량을 3 내지 4 Nm³/min 증가하여 변경한다. 그리하여 원활한 탈류제 취입으로 탈류 효율을 극대화하고 처리 시간을 단축하며 원료 투입의 원단위를 절감할 수 있다.

여기서 용선량의 많고 적음에 따라 취입 압력과 질소 유량의 조건을 설정하는데 이는 취입 작업 시 비산(splash)의 발생 때문이다. 따라서 용선량이 250톤 이하인 경우에는 취입 압력과 질소 유량을 최대값의 범위로 설정하고, 용선량이 250톤 이상인 경우에는 용선의 비산 상황에 따라 취입 압력과 질소 유량을 최소값의 범위로 설정하는 것이 바람직하다.

하기 표 1은 종래의 고체 석회만을 이용한 탈류 처리 방법과 본 발명의 고체 석회와 소다회의 복합 탈류 처리 방법에 따른 결과를 비교한 것이다.

상기 표 1에서 알 수 있듯이, 용선의 출선 온도가 1480℃ 이하이고 용선 중 Si 성분이 0.15% 이하인 경우에 본 발명에 따라 고체 석회와 소다회를 복합 사용하여 탈류 처리하면 탈류 효율이 높고 처리 시간이 단축되며 원단위를 절감할 수 있다.

도 6은 탈류제 원단위와 탈류 효율의 관계를 도시한 그래프로서, 본 발명은 종래보다 크게 향상된 탈류 효율을 얻을 수 있다. 종래 고체 석회만 사용한 탈류 처리 방법은 용선 온도가 낮아짐에 따른 반응 효율의 저하로 인해 탈류 효율이 상대적으로 낮고, 원단위 증가에 따른 탈류율 상승 정도는 미미한 것을 알 수 있다.

도 7은 본 발명에 따른 용선의 온도와 탈류 효율의 관계를 도시한 그래프로서, 용선의 온도가 낮을수록 투입된 소다회의 기화가 억제되어 탈류 반응의 기여도가 증가하기 때문에 탈류 효율이 높아지는 것을 알 수 있다. 반면, 종래 고체 석회만 사용한 탈류 처리 방법은 용선 온도가 높을수록 탈류 효율이 양호하다.

도 8은 용선 중 S 성분과 탈류 효율의 관계를 도시한 그래프로서, 고체 석회를 단독 사용한 경우보다 고체 석회와 소다회를 복합 사용하여 탈류 처리한 경우에 탈류 효율이 20 내지 30% 높은 것을 볼 수 있다.

이하, 본 발명에 대한 실시예를 통하여 보다 구체적으로 설명한다.

[실시예1]

용선 중 S 성분이 0.035% 이상인 경우에 도 3의 취입 패턴과 같이 종래의 취입 패턴에 비해 고체 석회의 투입량을 적게 하고 취입 압력과 질소 유량은 증가시켜 취입한다. 취입 60 내지 70% 시점에 소다회를 취입하며 소다회 투입량은 40 내지 50 kg/min으로 설정하고 고체 석회의 투입량은 50 내지 80 kg/min으로 감소시킨다. 소다회 취입시 소다회의 취입 압력은 고체 석회의 취입 압력보다 높게 설정하고 질소 유량은 3 내지 4 Nm³/min 증가시켜 작업을 진행한다.

하기 표 2는 용선 중 S 성분이 0.035% 이상인 경우에 고체 석회만 단독 취입한 비교예와 상기와 같이 고체 석회와 소다회를 복합 취입한 실시예의 탈류 처리 결과를 나타낸 것이다.

상기 표 2에서 용선 중 S 성분이 0.035% 이상인 경우에 고체 석회만을 투입하여 탈류 처리한 비교예는 처리 후 S 성분이 0.006 내지 0.022% 이며, 고체 석회와 소다회를 복합 투입하여 탈류 처리한 실시예는 처리 후 S 성분이 0.001 내지 0.010% 으로 현저하게 높은 탈류 효율을 보임을 알 수 있다. 또한 원료 투입량이 감소하고 탈류 처리 시간이 단축된 것을 알 수 있다.

[실시예2]

용선의 출선 온도가 1480℃ 이하이고 용선 중 Si 성분이 0.15% 이하인 경우에 도 3의 취입 패턴과 같이 종래의 취입 패턴에 비해 고체 석회의 투입량을 적게 하고 취입 압력과 질소 유량은 증가시켜 취입한다. 취입 60 내지 70% 시점에 소다회를 취입하며 소다회 투입량은 40 내지 50 kg/min으로 설정하고 고체 석회의 투입량은 50 내지 80 kg/min으로 감소시킨다. 소다회 취입시 소다회의 취입 압력은 고체 석회의 취입 압력보다 높게 설정하고 질소 유량은 3 내지 4 Nm³/min 증가시켜 작업을 진행한다.

하기 표 3은 용선의 출선 온도가 1480℃ 이하이고 용선 중 Si 성분이 0.15% 이하인 경우에 고체 석회만 단독 취입한 비교예와 상기와 같이 고체 석회와 소다회를 복합 취입한 실시예의 탈류 처리 결과를 나타낸 것이다.

상기 표 2에서 용선의 출선 온도가 1480℃ 이하이고 용선 중 Si 성분이 0.15% 이하인 경우에 고체 석회만을 취입하여 탈류 처리한 비교예는 처리 후 S 성분이 0.007 내지 0.015% 이며, 고체 석회와 소다회를 복합 취입하여 탈류 처리한 실시예는 처리 후 S 성분이 0.003 내지 0.008% 로 현저하게 높은 탈류 효율을 보임을 알 수 있다. 또한 원료 투입량이 감소하고 탈류 처리 시간이 단축된 것을 알 수 있다.

본 발명에 의한 용선의 탈류 처리 방법은 용선 예비 처리에서 탈류 작업시 고로 노황 불안에 의해 용선의 출선 온도가 1480℃ 이하, 용선 중 Si 성분이 0.15% 이하, 용선 중 S 성분이 0.035% 이상 및/또는 슬래그 상태가 물성인 경우에 고체 석회를 지속적으로 투입하다가 취입 60 내지 70% 시점부터 소다회를 복합 취입하여 탈류 효율을 향상시키고 탈류 처리 시간을 단축할 수 있다.

또한 원료 투입량의 감소로 원가를 절감하고 탈류 효율의 향상으로 용선 공급을 원활히 하여 후공정 작업의 부하를 경감하고 용선 대기를 방지하여 생산성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (7)

1. 용선의 탈류 처리 방법에 있어서,

   용선의 출선 온도, 용선 중 Si 성분, S 성분의 함량 또는 슬래그 상태를 확인하는 단계; 및

   고체 석회를 취입하여 탈류 작업하는 단계를 포함하고,

   상기 용선의 출선 온도가 1480℃ 이하, 용선 중 Si 성분이 0.15% 이하, 용선 중 S 성분이 0.035% 이상 및 슬래그 상태가 물성 슬래그인 경우들 중 적어도 어느 하나의 조건에 해당하는 경우에 상기 탈류 작업하는 단계에서 소다회를 추가로 취입하는 것을 특징으로 하는 용선의 탈류 처리 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   탈류 작업하는 단계는,

   고체 석회를 지속적으로 취입하면서 취입 60 내지 70% 시점부터 소다회를 취입하는 것을 특징으로 하는 용선의 탈류 처리 방법.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   용선량이 160 내지 320톤인 경우에 소다회 취입 시점에서 고체 석회의 투입량은 50 내지 80kg/min으로 조정하고 소다회 투입량은 40 내지 50kg/min으로 취입하는 것을 특징으로 하는 용선의 탈류 처리 방법.
4. 제 1항 또는 제 2 항에 있어서,

   소다회를 취입할 때에는 고체 석회를 취입할 때보다 높은 취입 압력으로 소다회를 취입하는 것을 특징으로 하는 용선의 탈류 처리 방법.
5. 제 4 항에 있어서,

   소다회를 취입할 때에 더 높게 하는 취입 압력은 2 내지 3kg/cm²인 것을 특징으로 하는 용선의 탈류 처리 방법.
6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   소다회를 취입할 때에는 고체 석회를 취입할 때보다 캐리어 가스인 질소 가스 유량을 더 많게 하여 취입하는 것을 특징으로 하는 용선의 탈류 처리 방법.
7. 제 6 항에 있어서,

   소다회를 취입할 때에 더 많게 하는 질소 가스 유량은 3.0 내지 4.0 Nm³/min 인 것을 특징으로 하는 용선의 탈류 처리 방법.

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