KR101159928B1 - 극저탄소강의 진공정련방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 극저탄소강의 진공정련방법에 관한 것이다. 본 발명은 환류식 탈가스장치(RH)로 용강을 진공정련하되, 환류가스 유량과 진공도 조절로 용강환류량을 196~211ton/min로 유지하여 탈탄처리를 수행하는 탈탄단계와; 상기 용강의 탈탄처리 후 상기 용강에 탈산제를 투입하고, 환류가스 유량을 낮춰 상기 용강환류량을 183~200ton/min가 되도록 하는 탈산단계와; 상기 용강의 탈산처리 후 합금철을 투입하고, 진공도를 높여 상기 용강환류량을 136~148ton/min가 되도록 하는 용강성분조정단계를 포함한다.

본 발명은 환류가스 유량과 진공도를 조절하여 알루미늄 탈산 후와 티타늄 및 합금철 투입 후의 용강환류량을 단계적으로 낮춤에 의해 진공조 내벽 지금 부착량을 최소화하고 진공정련 처리시간도 단축할 수 있는 유용한 이점이 있다.

진공정련, 탈가스, 용강환류량

Description

극저탄소강의 진공정련방법{Vaccum refining method of ultra low carbon steel}

본 발명은 극저탄소강의 진공정련방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 환류식 탈가스장치를 이용한 극저탄소강의 진공정련시 개재물 제거능력을 향상시키기 위한 극저탄소강의 진공정련방법에 관한 것이다.

극저탄소강은 탄소 농도 300ppm 이하의 강으로 재질이 연하고 가공성이 양호하기 때문에 자동차 외판과 같이 제품의 표면부에 사용되는 경우가 많다.

기존의 제강공정으로는 탄소 농도를 300ppm 이하로 유지하기가 쉽지 않으며, 탄소 농도 300ppm 이하의 극저탄소강을 제조하는 경우에는 레들로 출강되는 용강에 대해 탄소 농도를 저감하기 위한 별도의 처리과정이 요구된다.

용강중 탄소는 물리화학적 특성상 진공정련에 의해 CO 가스 형태로 제거하는 것이 가장 효과적으로 알려져 있으며, 현재 극저탄소강 수준의 탈탄작업을 위한 감압장치로 환류식 탈가스장치(RH)가 적용되고 있다.

본 발명의 목적은 진공정련 처리시 용강 내 개재물을 최소화하면서도 용강 온도 하락을 방지하고 진공조 내벽의 지금 부착도 방지할 수 있는 극저탄소강의 진공정련방법을 제공하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명은 환류식 탈가스장치(RH)로 용강을 진공정련하되, 환류가스 유량과 진공도 조절로 용강환류량을 196~211ton/min로 유지하여 탈탄처리를 수행하는 탈탄단계와; 상기 용강의 탈탄처리 후 상기 용강에 탈산제를 투입하고, 환류가스 유량을 낮춰 상기 용강환류량을 183~200ton/min가 되도록 하는 탈산단계와; 상기 용강의 탈산처리 후 합금철을 투입하고, 진공도를 높여 상기 용강환류량을 136~148ton/min가 되도록 하는 용강성분조정단계를 포함한다.

상기 탈탄단계에서 상기 환류가스 유량은 160~200Nm³/hr, 상기 진공도는 0이다.

상기 탈산단계에서 상기 환류가스 유량은 130~170Nm³/hr, 상기 진공도는 0이다.

상기 탈산단계에서 상기 환류가스 유량은 상기 탈산제 투입 직후 낮춘다.

상기 용강성분조정단계에서 상기 환류가스 유량은 130~170Nm³/hr, 상기 진공 도는 50~70torr이다.

상기 용강성분조정단계에서

상기 진공도는 상기 합금철 투입 후 0.5~2분 후에 높인다.

상기 탈산제는 알루미늄이고, 상기 합금철은 티타늄합금철을 포함한다.

환류식 탈가스장치(RH)로 용강을 진공정련하되, 개재물이 분리 부상되도록 환류가스 유량과 진공도를 조절하여 알루미늄 탈산 후와 티타늄 및 합금철 투입 후의 용강환류량을 단계적으로 낮춘다.

상기 알루미늄 탈산 후의 용강환류량은 196~211ton/min에서 183~200ton/min로 낮춘다.

상기 합금철 투입 후의 용강환류량은 183~200ton/min에서 136~148ton/min로 낮춘다.

본 발명은 환류가스 유량과 진공도를 조절하여 알루미늄 탈산 후와 티타늄 및 합금철 투입 후의 용강환류량을 단계적으로 낮춘다. 이는 용강 내의 산화 개재물 및 복합 개재물을 효과적으로 제거하여 환류식 탈가스장치의 진공조 내벽 지금 부착량을 최소화한다. 따라서, 진공정련공정(환류식 탈가스 처리) 후의 용강 탄소 상승이 방지되어 용강 중의 탄소를 안정적으로 제어할 수 있게 된다.

또한, 본 발명은 진공조 내벽 지금 부착량 최소화로 진공조 내화물 수명도 연장된다.

또한, 본 발명은 용강 중 산소농도가 30ppm이하로 도달되는 시점 및 알루미 늄 탈산 후 환류시간도 단축된다. 따라서 진공정련공정 중 용강 온도 하락이 최소화되고, 이에 따라 전로에서의 인(P) 제어 부담과 에너지 비용이 감소하게 된다.

특히, 용강 온도 하락 최소화는 연속주조공정에서 이차정련의 처리지연으로 인한 턴디쉬 탕면 하락을 방지하므로 고품질의 청정강을 제조할 수 있는 유용한 효과가 있다.

이하 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다.

본 발명에 의한 극저탄소강의 진공정련방법은 환류식 탈가스장치(RH)를 통해 용강을 진공정련하는 것으로서, 환류가스 유량과 진공도를 조절하여 알루미늄 탈산 후와 티타늄 및 합금철 투입후의 용강환류량을 단계적으로 낮추는 것이다.

이는 환류식 탈가스장치의 진공조 내벽의 지금부착을 최소화하면서도 용강 내 탈산 개재물 및 복합 개재물의 제거 속도를 향상시키기 위한 것이다.

환류식 탈가스장치(RH)를 이용한 극저탄소강의 진공정련방법은 용강 내 탈산 개재물의 제거를 위해 용강환류량을 최대로 하므로 진공조 내벽에 지금부착량이 증가하게 된다.

따라서, 진공처리 종료시점에 용강 중의 탄소 함량이 증가하고 내화물의 사용수명도 단축된다.

또한, 고환류 조업을 위해 진공정련 처리시간이 길어지게 되어 용강 온도 하락이 발생하고, 이에 따라 전로에서의 인(P) 제어 부담과 에너지 비용이 증가하게 되며 연속주조 작업시 레들 연결 시간이 지연된다.

그리고, 연속주조 작업시 레들 연결 시간 지연은 슬라브 품질에 악영향을 미치게 된다.

이를 방지하기 위해, 알루미늄 탈산 후와 티타늄 및 합금철 투입후의 용강환류량을 단계적으로 낮춘다.

구체적으로 그 과정을 살펴보면, 먼저 환류가스 유량을 160~200Nm³/hr, 진공도를 0으로 유지하여 탈탄을 수행한다.

상기 조건으로 탈탄 수행시 용강환류량은 196~211ton/min로 유지되어 탈탄 효율이 높아진다. 이때, 환류가스로는 아르곤 가스가 사용된다. 환류가스는 용강 균일 혼합 및 개재물 합체를 위해 투입된다.

환류가스 유량과 진공도는 용강환류량에 영향을 미치며, 이는 아래의 <관계식 1>로 표시된다.

<관계식 1>

여기에서, Q는 용강환류량(ton/min), G는 환류가스 유량(Nl/min), D:환류관 내경(m), P₀는 진공도(대기압)(torr), P₁은 진공도를 나타낸다.

<관계식 1>에 의하면 용강환류량은 환류관(상승관, 하강관)의 내경과 진공도, 환류가스 유량에 의해 결정된다. 이 중 환류관의 내경은 설비사양으로 고정된 값을 가지므로 고려대상에서 제외되지만, 환류식 탈가스장치의 특성상 진공도와 환 류가스 유량은 진공정련 처리 중에 제어가 가능하다.

<관계식 1>에 의하면, 환류가스 유량이 많아지면 용강환류량이 높아진다. 용강환류량이 높을 경우 탈탄반응은 촉진된다.

도 1에 도시된 바에 의하면, 환류식 탈가스장치를 이용한 진공정련(탈가스 작업)은 레들(1)을 상승시켜 환류관(3)을 용강에 침지한 후 진공조(5)를 감압하고 상승관(3a)에 설치된 노즐(7)을 통하여 아르곤 가스를 취입하여 수행한다.

아르곤 가스를 취입하면 용강(m)의 겉보기 비중이 감소되어 용강(m)이 진공조(5) 내부로 상승하고, 이는 중력의 작용에 의해 다시 하강관(3b)을 통하여 레들(1)로 하강하여 진공조(5)와 레들(1) 사이에서 용강의 연속적인 순환이 이루어지고 이 과정에서 탈탄, 탈수소, 탈질소 등의 반응이 수행된다.

여기서, 환류관(3)은 상승관(3a)과 하강관(3b)을 의미하며, 미설명 부호 9는 배기구, 11은 합금철 투입구이다.

탈탄 수행시 용강환류량은 196ton/min 보다 낮으면 탈탄 효율이 낮고, 211ton/min를 초과하면 에너지 비용이 증가하게 될 뿐아니라 그 효과가 포화된다.

탈탄반응이 종료된 후에는 용강 중 잔류하는 산소를 제거하는 탈산반응을 수행한다.

탈산반응을 위해 용강에 탈산제가 첨가된다. 탈산제의 첨가 방법은 탈산원소의 실수율을 높이고 강 제품 중의 산소농도를 규격 범위 이내로 조절할 수 있는 범위로 투입된다. 참고로, 탈산제의 투입량이 본 발명의 목적은 아니므로 탈산제 투입량에 대한 제한은 하지 않기로 한다. 탈산제로는 알루미늄이 사용된다.

탈산제의 투입 후에는 환류가스 유량을 30Nm³/hr 정도 낮춘다. 이는 용강환류량을 낮춰 탈산반응에 의해 형성된 산화 개재물(산화알루미늄:Al₂O₃)을 슬래그 상으로 분리 부상이 용이하도록 한다.

산화 개재물(Al₂O₃)은 탈산반응 직후 바로 생성되며, 알루미늄의 농도가 높고 압력이 낮은 조건에서 쉽게 합체가 이루어져 성장한다. 산화 개재물이 슬래그 상으로 분리 부상되기 위해서는 스토크스의 법칙(Stole's Law)에 의해 크기가 클수록 유리하다.

그런데, 환류식 탈가스장치(RH) 내에서는 용강류가 계속해서 움직이고 있으므로 이 용강류에서 벗어나야 슬래그상으로 분리 부상된다. 이를 위해 용강환류량을 탈탄반응시 보다 5% 정도 낮춰 산화 개재물의 분리 부상이 용이하도록 한다.

보다 상세하게는, 알루미늄 투입후 환류가스 유량을 30Nm³/hr 정도 낮춘 130~170Nm³/hr로 유지한다. 이때, 진공도 0으로 유지한다. 상기 조건으로 탈산 수행시 용강환류량은 183~200ton/min로 유지되고, 그에 따라 산화 개재물 분리 부상효과가 커진다.

<관계식 1>에 의하면 환류가스 유량보다 진공도가 용강환류량에 미치는 영향이 더 크다. 그러나 알루미늄 탈산 직후 용강 중 알루미늄의 농도가 매우 높고 다른 산화성 원소가 없는 상태이므로 산화 개재물(Al₂O₃)의 합체가 매우 빠르게 진행된다. 따라서 알루미늄 탈산 직후 용강환류량을 약 5%정도 낮추도록 환류가스 유량 을 일차적으로 변경하여 합체가 이루어진 산화 개재물(Al₂O₃)들의 분리 부상을 유도하는 것이다.

알루미늄 투입후 환류가스 유량은 130Nm³/hr미만으로 설정될 경우 환류가스노즐에 용강이 침투되어 환류가스노즐 막힘 현상이 발생할 수 있고, 170Nm³/hr를 초과할 경우 용강환류량 변화가 미비하여 산화 개재물 분리 부상 효과가 적어질 수 있다.

탈산반응이 종료된 후에는 최종 용강성분 조정을 위해 합금철이 투입된다. 합금철로는 예컨데 Ti합금철이 투입될 수 있다.

합금철 투입에 의해 탈산반응 후 제거되지 않은 산화 개재물과 합금철의 복합 개재물이 형성될 수 있다. 복합 개재물은 탈산 직후 생성된 산화 개재물(Al₂O₃)에 비하여 합체가 잘 이루어지지 않으므로 복합 개재물 형성을 최소화해야 한다.

산화 개재물과 합금철의 복합 개재물 형성을 최소화하기 위해서는 용강 내 산소 농도가 일정 수준 이하로 낮아진 상태가 되어야 한다. 따라서 Al탈산 후 용강의 균일 혼합과 용강환류에 의한 산화 개재물 제거가 이루어진 후 합금철을 용강 내로 투입한다. 합금철은 용강 내 알루미늄 투입 후 3~5분 후 투입한다.

예를 들어, 알루미늄 투입 후 3분 이전에 용강 내로 Ti합금철이 투입되면 용강 내에서 Al-Ti 복합 개재물이 다량 형성되고, 5분을 초과하여 용강 내로 Ti합금철이 투입되면 처리시간이 연장되어 생산성에 지장을 주게된다.

합금철 투입 후 소정시간 후에 진공도를 높인다.

보다 상세하게는, 합금철 투입 후 0.5~2분 후에 진공도를 0에서 50~70torr로 높인다. 이때, 환류가스 유량은 130~170Nm³/hr로 유지한다. 그러면 용강환류량은 136~148ton/min로 유지되고 복합 개재물의 분리 부상 효과가 커진다.

진공도를 높여 용강환류량을 낮추는 것은 환류식 탈가스장치 구성상 진공도를 유지하기 위해 가동되는 이젝트(Ejector)와 부스터(Booster)를 효율적으로 이용하기 위함이다.

환류식 탈가스장치에서 구현할 수 있는 진공도는 2torr이하, 20torr이하, 60torr이하, 260torr이하의 4단계이다. 20torr이하로 진공도를 설정하면 부스터 설비의 부하가 발생할 뿐 아니라 용강환류량을 감소시키는 효과가 미비하고, 260torr이하로 진공도를 설정하면 용강 흡상력이 부족하여 진공조 내에서 용강 환류 자체가 어려워진다.

따라서, 60torr로 설정한다. 60torr로 설정하는 경우 50~70torr의 진공이 형성된다.

합금철 투입 후 0.5~2분 후에 진공도를 높이는 이유는 합금철이 용강에 균일혼합되는 시간을 고려한 것이다. 합금철이 용강에 균일 혼합된 후 용강환류량을 낮추면 복합 개재물의 부상 분리가 용이하다.

합금철 투입 후 0.5분 전에 진공도를 높이면 합금철이 용강에 균일 혼합되지 않아 복합 개재물의 분리 부상이 어렵고, 2분을 초과하면 환류 탈가스 처리시간이 연장되어 연속주조 작업시 레들 연결 시간이 지연되는 등 본 발명의 효과가 감소한다.

용강환류량은 진공도에 의해 조절되는 것으로 136ton/min 미만이면 복합 개재물의 분리 부상이 어렵고, 148ton/min를 초과하는 것은 설비 조건상 어렵다.

이와 같이, 환류가스 유량 또는 진공도를 제어하여 용강환류량을 단계적으로 낮춤에 의해 탈산 후 형성되는 탈산 개재물와 합금철 투입 후 형성되는 복합 개재물 제거가 신속하게 이루어진다. 특히, 상술한 방법은 탈산 후 환류시간을 단축하여 진공정련(탈가스 처리)시간을 단축하고 환류식 탈가스장치의 진공조 내벽 지금부착을 최소화한다.

하기 표 1은 환류식 탈가스장치에서 용강환류량에 따른 진공조 내벽 지금부착 정도를 측정한 것이다.

구분		비교예1	비교예2	발명예1	발명예2
용강환류량(ton/min)	탈탄기	204	204	196	211
	Al탈산 후	204	183	183	200
	Ti합금철 투입 후	204	183	136	148
용강 중 산소농도가 30ppm이하 도달시점 (Pilot Test결과)		9~12분		7~7.5분
Al탈산 후 환류시간 기준		9~12분		8~10분
진공조 내벽 지금 부착량		대(大)	중(中)	소(小)

[대(大):진공조 내벽 지금 부착량이 내벽 전체 면적의 50%이상, 중(中):진공조 내벽 지금 부착량이 내벽 전체 면적의 10~50%, 소(小):진공조 내벽 지금 부착량이 내벽 전체 면적의 10% 미만]

표 1을 살펴보면, 탈산 후와 합금철 투입 후의 용강환류량을 단계적으로 낮춘 경우, 용강 중 산소농도가 30ppm이하로 도달되는 시점이 단축되고 알루미늄 탈산 후 환류시간도 단축되었다. 그리고, 진공조 내벽 지금 부착량도 감소하였다.

이는 탈산 후의 산화 개재물과 합금철 투입 후의 복합 개재물이 효과적으로 분리 부상되었고, 그에 따라 진공조 내벽 지금 부착량이 감소한 것이다.

도 2 내지 도 4에는 표 1의 비교예 1, 비교예 2, 발명예 1, 발명예 2에 해당되는 진공정련 패턴이 도시되어 있다.

도 2는 비교예 1의 진공정련 패턴을 보인 것으로 진공정련 처리시간동안 용강환류량을 196~211ton/min로 유지하였다. 이 경우 표 1에 도시된 바와 같이, 진공조 내벽 지금 부착량이 높았고, 용강 중 산소농도가 30ppm이하로 도달되는 시점 및 알루미늄 탈산 후 환류시간도 발명예 1과 발명예 2에 비해 연장되었다.

도 3은 비교예 2의 진공정련 패턴을 보인 것으로 탈산 후 환류가스 유량을 30Nm³/hr 정도 낮추고 진공도를 높여 용강환류량을 183~200ton/min로 유지하였다. 이 경우 표 1에 도시된 바와 같이, 용강 내벽 지금 부착량은 감소하였으나 용강 중 산소농도가 30ppm이하로 도달되는 시점 및 알루미늄 탈산 후 환류시간은 단축되지 않았다.

도 4는 발명예 1과 발명예 2의 진공정련 패턴을 보인 것으로 탈산 후 환류가스 유량을 30Nm³/hr 정도 낮추고, 합금철 투입 후 진공도를 높였다. 이 경우 표 1에 도시된 바와 같이, 용강 내벽 지금 부착량이 감소할 뿐 아니라, 용강 중 산소농도가 30ppm이하로 도달되는 시점 및 알루미늄 탈산 후 환류시간도 단축되었다.

이에 따라, 진공정련공정(환류식 탈가스 처리) 후의 용강 탄소 상승이 방지되어 용강 중의 탄소를 안정적으로 제어할 수 있게 된다. 따라서 품질이 우수한 극저탄소강 제조가 가능하다.

이와 같은 본 발명의 기본적인 기술적 사상의 범주 내에서, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서는 다른 많은 변형이 가능함은 물론이고, 본 발명의 권리범위는 첨부한 특허청구 범위에 기초하여 해석되어야 할 것이다.

도 1은 환류식 탈가스장치(RH)의 원리도.

도 2는 환류식 탈가스장치(RH)를 이용한 비교예 1의 진공정련 패턴을 보인 도.

도 3은 환류식 탈가스장치(RH)를 이용한 비교예 2의 진공정련 패턴을 보인 도.

도 4는 환류식 탈가스장치(RH)를 이용한 발명예 1과 발명예 2의 진공정련 패턴을 보인 도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

1:레들 3:환류관

3a:상승관 3b:하강관

5:진공조 7:노즐

9:배기구 11:합금철 투입구

m:용강

Claims (10)

1. 환류식 탈가스장치(RH)로 용강을 진공정련하되,

   환류가스 유량과 진공도 조절로 용강환류량을 196~211ton/min로 유지하여 탈탄처리를 수행하는 탈탄단계와;

   상기 용강의 탈탄처리 후 상기 용강에 탈산제를 투입하고, 환류가스 유량을 낮춰 상기 용강환류량을 183~200ton/min가 되도록 하는 탈산단계와;

   상기 용강의 탈산처리 후 합금철을 투입하고, 진공도를 높여 상기 용강환류량을 136~148ton/min가 되도록 하는 용강성분조정단계를 포함하며,

   상기 탈산단계에서

   상기 환류가스 유량은 130~170Nm³/hr, 상기 진공도는 0이며,

   상기 용강성분조정단계에서

   상기 환류가스 유량은 130~170Nm³/hr, 상기 진공도는 50~70torr인 것을 특징으로 하는 극저탄소강의 진공정련방법.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 탈탄단계에서

   상기 환류가스 유량은 160~200Nm³/hr, 상기 진공도는 0인 것을 특징으로 하는 극저탄소강의 진공정련방법.
3. 삭제
4. 청구항 1에 있어서,

   상기 탈산단계에서

   상기 환류가스 유량은 상기 탈산제 투입 직후 낮추는 것을 특징으로 하는 극저탄소강의 진공정련방법.
5. 삭제
6. 청구항 1에 있어서,

   상기 용강성분조정단계에서

   상기 진공도는 상기 합금철 투입 후 0.5~2분 후에 높이는 것을 특징으로 하는 극저탄소강의 진공정련방법.
7. 청구항 1에 있어서,

   상기 탈산제는 알루미늄이고, 상기 합금철은 티타늄합금철을 포함하는 것을 특징으로 하는 극저탄소강의 진공정련방법.
8. 환류식 탈가스장치(RH)로 용강을 진공정련하되,

   개재물이 분리 부상되도록 환류가스 유량과 진공도를 조절하여 알루미늄 탈산 후와 티타늄 및 합금철 투입 후의 용강환류량을 단계적으로 낮추며,

   상기 알루미늄 탈산 후의 용강환류량은 196~211ton/min에서 183~200ton/min로 낮추는 것을 특징으로 하는 극저탄소강의 진공정련방법.
9. 삭제
10. 청구항 8에 있어서,

    상기 합금철 투입 후의 용강환류량은 183~200ton/min에서 136~148ton/min로 낮추는 것을 특징으로 하는 극저탄소강의 진공정련방법.

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