KR101239426B1 - 고크롬 페라이트 스테인리스강 제조방법 및 이를 제조하기 위한 진공탈탄 공정설비 - Google Patents

고크롬 페라이트 스테인리스강 제조방법 및 이를 제조하기 위한 진공탈탄 공정설비 Download PDF

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Abstract

산소취련탈탄기, 진공탈탄기 및 탈산기로 이루어지는 진공탈탄(VOD) 공정을 수행하는 설비에 있어서 본 발명에 따른 고크롬 페라이트 스테인리스강 제강설비는 래들, 베슬, 상부 렌스, 진공설비, 집진설비 및 제어부를 포함한다.
래들은 용강을 수용하고, 하단으로 불활성 가스를 취입하는 다공질 플러그를 구비한다. 베슬은 상기 래들을 감싸고 밀폐시킨다. 상부 렌스는 상기 베슬 내로 산소를 취입한다. 진공설비는 상기 베슬과 유체소통가능하도록 연결되고, 상기 베슬 내의 진공 환경을 조성한다. 집진설비는 상기 진공설비와 상기 베슬 사이에 개재되어 이물질이 상기 진공설비로 유입되는 것을 방지한다. 제어부는 상기 진공탈탄(VOD) 공정 중 탈탄단계 및 미세탈탄단계에서의 진공상태에 비하여 저 진공상태로 제어한다.
본 발명에 의한 진공탈탄 공정 및 설비는 백필터에 잔류하는 알루미늄의 양을 줄이도록 함으로써 대기압으로의 복압 시에 발화되는 것을 방지하는 효과가 있다.

Description

고크롬 페라이트 스테인리스강 제조방법 및 이를 제조하기 위한 진공탈탄 공정설비{Manufacturing method of high Cr ferrite stainless steel and vacuum oxygen decarburization apparatus thereof}
본 발명은 고크롬 페라이트 스테인리스강 제조방법 및 진공탈탄 공정설비에 관한 것으로서, 구체적으로는 진공탈탄 공정 중 탈산제의 증발 저감을 위한 고크롬 페라이트 스테인리강 제조방법 및 진공탈탄 공정설비에 관한 것이다.
일반적으로 극저탄소 페라이트 스테인레스강의 경우에는 진공정련설비인 진공탈탄(VOD, Vaccum Oxygen Decarburization)에서 탈탄한 다음, 알루미늄으로 탈산하여 제조하고 있다. 특히 400계 고 크롬강은 니켈(Ni)이 포함되지 않아 내식성과 가공성이 300계 스테인리스강에 비하여 열위하다. 이러한 약점을 보완하기 위하여 탄소 및 질소의 함유량이 낮아야 하기 때문에 진공탈탄(VOD)의 진공설비를 이용하여 탈탄, 탈질의 효율을 높이게 된다.
그러나 진공탈탄(VOD) 공정의 후미에서 대기압으로 복원하는 공정 중 진공설비 전단에 위치하는 백필터(bag filter)에 화재가 자주 발생하는 문제점이 대두되었다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서 본 발명의 과제는 탈산제 혹은 알루미늄의 증발을 저감시킬 수 있는 진공탈탄 공정을 포함한 고크롬 페라이트 스테인리스강 제조설비 및 제조방법을 제공하는 데 있다.
동시에 본 발명의 과제는 탈산 및/또는 탈황 작용의 효율을 떨어뜨리지 않거나 오히려 증가시킬 수 있는 진공탈탄 공정을 포함한 고크롬 페라이트 스테일니스강 제조설비 및 제조방법을 제공하는 데 있다.
산소취련탈탄기, 진공탈탄기 및 탈산기로 이루어지는 진공탈탄(VOD) 공정 을 수행하는 설비에 있어서 본 발명에 따른 진공탈탄(VOD) 공정설비는 래들, 베슬, 상부 렌스, 진공설비, 집진설비 및 제어부를 포함한다.
래들은 용강을 수용하고, 하단으로 불활성 가스를 취입하는 다공질 플러그를 구비한다. 베슬은 상기 래들을 감싸고 밀폐시킨다. 상부 렌스는 상기 베슬 내로 산소를 취입한다. 진공설비는 상기 베슬과 유체소통가능하도록 연결되고, 상기 베슬 내의 진공 환경을 조성한다. 집진설비는 상기 진공설비와 상기 베슬 사이에 개재되어 이물질이 상기 진공설비로 유입되는 것을 방지한다. 제어부는 상기 진공탈탄(VOD) 공정 중 탈탄단계 및 미세탈탄단계에서의 진공상태에 비하여 저 진공상태로 제어한다.
또한 상기 집진설비는 상기 진공설비로 유입되는 먼지를 필터링하는 집진부와, 상기 집진부 내로 공급되는 배가스를 냉각시키는 냉각부를 포함할 수 있다.
또한 상기 진공설비는 고온의 스팀을 분사하는 이젝터와, 냉각수를 이용하여 상기 이젝터로부터 분사되는 스팀을 급격히 냉각하여 상기 베슬 내부를 일정한 진공도의 분위기로 조성하는 콘덴서를 포함할 수 있다. 이 때 상기 제어부는 상기 스팀 및 상기 냉각수의 온도를 제어하여 상기 진공도를 제어한다.
나아가 상기 제어부는 상기 베슬의 진공도를 190~210mBar로 제어할 수 있다.
한편, 정련공정(AOD), 진공탈탄공정(VOD) 및 성분조정공정(LT)으로 이루어지는 제강공정에 있어서 본 발명에 따른 고크롬 페라이트 스테인리스강 제조방법에의한 진공탈탄공정(VOD)은 다음 단계로 이루어진다.
산소취련탈탄단계는 용강 내로 산소를 취입하여 탈탄한다.
진공탈탄단계에서는 불활성 가스를 저취교반하여 기 취입된 용강 내의 산소를 이용하여 탈탄한다.
탈산 제1 단계에서는 상기 탈탄단계 및 미세탈탄단계에서의 진공상태에 비하여 저 진공상태로 제어한다. 탈산 제2 단계에서는 탈산제를 투입한다. 탈산 제3 단계에서는 탈산 및 탈황 반응이 진행된다. 탈산 제4 단계에서는 상기 용강 내의 기압을 대기압까지 복압한다.
또한 상기 진공탈탄공정(VOD)의 진공도를 평균 5mBar 이하로 제어할 수 있다.
또한 상기 제1 단계의 진공도를 190~210mBar로 제어할 수 있다.
나아가 상기 탈탄단계, 미세탈탄단계, 탈산 제1 내지 제3단계는 용강 온도가 섭씨 1700도 내지 1800도에서 이루어질 수 있다.
또한 상기 탈산제는 알루미늄일 수 있다.
상술한 본 발명의 구성상의 특징으로부터,
본 발명에 의한 진공탈탄 공정 및 설비는 백필터에 잔류하는 알루미늄의 양을 줄이도록 함으로써 대기압으로의 복압 시에 발화되는 것을 방지하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 진공탈탄 주설비를 나타내는 개략도이다.
도 2는 본 발명에 따른 진공탈탄 주설비 및 보조설비를 나타내는 블록도이다.
도 3은 온도 및 진공도에 따른 알루미늄의 증기압을 나타내는 그래프이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명한다.
1. 제강공정
본 실시예에 의한 제강공정은 정련 공정(AOD, Argon Oxygen Decarburization) - 진공탈탄 공정 (VOD, Vaccum Oxygen Decarburizatin) - 성분조정 공정(LT, Ladle Treatment) - 연속주조 공정(C/C, Continuous Casting)을 통하여 이루어 진다.
정련공정(AOD)에서는 탈탄 작업과 슬래그의 제조를 통한 탈황(Desulfurization)과 탈산(Deoxidation)이 이루어진다. 즉, 정련 공정(AOD)에서는 아르곤(Ar)과 산소 혼합가스 또는 질소와 산소 혼합가스를 용탕 중에 취입한다. 용강 중에 산소가 공급되면 크롬(Cr)이 먼저 산화되면서 탈탄반응이 진행된다.
진공탈탄 공정(VOD)은 고크롬 용강의 진공 탈탄법이다. 진공탈탄법에서의 진공탈탄은 통상 이전 공정에서 예비 탈탄처리한 용강을 사용한다. 진공탈탄 공정에서는 진공 용기 내에 레이들을 넣고 레이들 바닥에 설치한 다공질 플러그를 통해 아르곤(Ar) 가스를 취입하여 용강을 교반하면서 상부에 설치한 랜스로부터 산소를 취입하여 탈탄처리를 한다. 생산성은 정련공정(AOD)보다 미흡하지만 고크롬 페라이트계의 극저 탄소(C), 질소(N)강 제조에 적합하다.
본 실시예에 의한 진공탈탄공정(VOD) 공정은 산소취련탈탄기(VOD), 미세탈탄기(VCD) 및 탈산기(VD, 환원탈황기)의 총 3단계로 구분될 수 있다.
산소취련탈탄기에서는 탈탄기로서 레이들 바닥으로부터 아르곤(Ar) 가스를 취입하면서 5mbar 이하의 진공도로 감압하고 상부 랜스로부터 산소를 취입하여 탈탄 및 탈질처리를 한다. 진공탈탄기에서는 산소 취입을 중단하고, 저부로부터 아르곤(Ar) 가스만 대량 취입하여 용강 내에 기 취입된 산소와 탄소의 반응에 따른 미세 탈탄반응을 촉진한다. 탈산기에서는 탈탄단계 및 미세탈탄단계에서의 진공상태에 비하여 저 진공상태로 제어하고, 탈산제를 투입한다. 다음, 탈가스 처리를 위하여 슬래그 중의 (Cr2O3)를 환원, 회수하고 탈산 및 탈황처리를 한다.
이후 성분조정 공정(LT, Ladle Treatment)에서는 탈산 후 교반을 통하여 성분 조정을 하게 된다. 성분조정 공정은 용강상태에서 성분 및 온도를 적중하기 위한 마지막 공정이다. 즉, 성분조정 공정에서 침적관중 상승 쪽으로 아르곤(Ar) 및/또는 질소(N2)를 취입하게 되면 상승관 내에서 버블(Bubble)이 형성되어 위로 올라가고 그 위치 에너지 차에 의하여 하강관 쪽으로 용강이 내려오게 되어 순환하게 된다. 용강이 순환하면서 래들 내에서 아르곤(Ar) 및 질소(N₂)기포의 파열과 함께 비산 및 포말층으로 탈가스가 이루어 진다.
2. 진공탈탄 ( VOD ) 설비 및 백필터 ( Bag filter ) 소손의 원인 규명
도 1 및 도 2를 참조하여 본 발명에 따른 진공탈탄(VOD) 설비를 설명한다. 도 1은 본 발명에 따른 진공탈탄 주설비를 나타내는 개략도이고, 도 2는 본 발명에 따른 진공탈탄 주설비 및 보조설비를 나타내는 블록도이다.
진공탈탄(VOD) 설비는 진공탈탄과 관련된 주 설비와 진공탈탄의 분위기를 조성하는 보조설비로 나누어 볼 수 있다.
주 설비(100)는 래들(110)과, 진공 베슬(120)이 주 구성이다. 래들(110)은 진공탈탄(VOD) 공정을 수행하기 위하여 용강(10)을 수용한다. 래들(110) 외부에는 래들(110)을 감싸고 밀폐시키는 베슬(120)이 구비된다. 베슬(120)은 진공탈탄(VOD) 공정을 위하여 래들(110) 주위를 진공 분위기로 조성하기 위하여 밀폐시키게 된다.
래들(110) 하단에는 래들(110) 하부로 불활성 가스를 취입하기 위한 다공질 플러그(111)가 형성된다. 또한 베슬(120)에는 상부에서 베슬(120) 내부로 산소를 취입하는 상부 렌스가 구비된다.
한편, 보조 설비로는 집진설비(200)와 진공설비(300)가 구비된다. 진공설비(300)는 상술한 베슬(120)과 소통이 가능한 배관(130)을 통하여 연결되고, 베슬(120)의 내부를 진공 분위기로 조성하는 기능을 하게 된다. 진공설비(300)는 이젝터(320)와 콘덴서(310)를 구비한다. 이젝터(320)는 고온의 스팀을 분사한다. 콘덴서(310)는 공급되는 냉각수로 이젝터(320)로부터 분사되는 스팀을 급격히 냉각시켜 베슬(120) 내부를 진공 환경으로 조성하게 된다.
한편, 집진설비(200)에는 냉각부(210)와 집진부(220)를 구비한다. 냉각부(210)는 베슬(120)에서 배출되는 고온의 배가스를 냉각시켜 후술할 집진부(220)로 보내주는 역할을 한다. 집진부(220)는 상술한 집진 설비(300)로 먼지(Dust)가 유입되지 않도록 집진을 해주는 역할을 한다. 집진부(220)가 기능을 상실하게 되면 상술한 진공설비(300)로 먼지(Dust)가 유입되어 배관(130)을 막는 문제를 유발하게 된다. 집진부(220)로는 백 필터(bag filter)가 이용될 수 있다. 백 필터는 배가스중의 먼저(dust)가 진공설비로 유입되지 않도록 집진 역할을 해주는 장치로써 자루모양의 미세한 섬유조직 여과장치인 백(Bag)으로 구성되어 있다.
한편, 백필터(Bag filter)의 소손 원인을 밝히기 위해 백필터 상에 잔류하는 잔류물(Dust)의 성분을 분석하였다. 이를 통하여 알루미늄(Al)이 발화의 주 원인임을 알 수 있었다. 또한 백 필터 상의 잔류 알루미늄의 발생 원인을 밝히기 위해 원료투입실적, 내화물 재질, 온도와 압력 실적 등에 대한 조업실적 분석과 참고문헌 조사를 실시하였다. 이로부터 탈산 작업시에 탈산제로서 투입되는 알루미늄(Al)이 고진공, 고온의 분위기에 노출됨으로써 증발되어 진공설비에 투입된다는 사실을 알 수 있었다. 결론적으로 탈산제로 투입되는 알루미늄이 진공설비의 전단에 구비된 백필터에 잔류하였다가, 대기압으로 복압하는 과정에서 산소와 반응하여 백 필터를 소손시키는 것을 알 수 있었다.
CO가스 분압(Pco)이 낮을수록 용강 중 탄소의 제거가 용이하여 정련효율이 좋아진다. 즉, 고진공의 경우 CO가스 분압(Pco)이 낮아지므로 탈탄효율이 증가하므로 VOD설비의 경우 탈탄반응 진행 중 진공을 유지하는 것이 중요하다. 그러나, 백 필터(Bag filter)가 소손되면 먼지가 진공설비(300)로 유입 및 누적되어 배관(130)을 막고, 배관(130)이 막힘에 따라 흡입능력이 떨어져 진공도 불량으로 이어진다. 또한 상술한 콘덴서(310)에 공급되는 냉각수 중 먼지가 다량 함유되게 되면 수처리의 냉각효율이 하락하게 된다. 수처리 냉각효율이 하락하게 됨에 따라 냉각수의 온도가 상승하게 되고, 콘덴서(310)에서의 스팀(Steam) 응축 능력이 떨어져 진공탈탄(VOD) 설비의 진공능력이 떨어지게 된다.
한편, 탈산을 위해 알루미늄을 투입하게 되면 알루미늄이 증발한다. 알루미늄의 증발량은 알루미늄 증기압과 밀접한 관련이 있으며, 알루미늄의 증기압은 도 3에 도시된 바와 같이 온도와 진공도의 영향을 받는다. 도 3은 온도 및 진공도에 따른 알루미늄의 증기압을 나타내는 그래프이다.
도 3에 도시된 바와 같이 온도가 높고 압력이 낮아 고진공 상태가 될 수록 알루미늄의 증기압은 증가한다. 진공탈탄 공정의 경우 용강의 온도가 섭씨 1700 내지 1800도의 고온이며, 진공도가 5mBar 이하로 매우 낮으므로 알루미늄의 증발이 발생하기 쉬운 조건이다. 따라서, 알루미늄 증기압 및 증발량을 감소시키기 위해서는 온도를 낮추거나 진공도를 상향해야 한다. 그러나 용강온도의 경우 탈산공정뿐만 아니라 진공탈탄 공정, 연속주조 공정까지 영향을 주게 되므로 현실적으로 기준 변경이 불가능하다. 이러한 이유로 알루미늄의 진공도를 상향하여 저 진공상태로 바꾸어 줘야 한다.
제어부 및 진공탈탄(VOD)공정에 대하여 설명한다. 일 실시예에 따른 진공탈탄 공정 중 탈산기는 다시 4단계로 분류될 수 있다.
제1단계에서는 탈탄단계 및 미세탈탄단계에서의 진공상태에 비하여 저 진공상태로 제어한다. 즉, 알루미늄 투입 시점의 진공도를 0 내지 5mBar 에서 190 내지 210mBar로 변경시킬 경우 알루미늄(Al) 증기압이 약 70% 감소하게 된다. 진공도가 190mBar 미만일 경우 알루미늄(Al) 증기압이 상승하여 Bag Filter가 소손되는 문제가 발생하며, 210mBar 초과시 복압시간이 과다하게 소요되어 생산성이 저해되는 문제가 발생하였다. 상술한 이젝터(320)로부터 분사되는 스팀과 콘덴서(310)에 공급되는 냉각수의 온도에 따라 진공도를 제어할 수 있다.
제2단계에서는 탈산제를 투입한다. 탈산제로서는 주로 알루미늄과 실리콘이 사용된다. 알루미늄과 실리콘 모두 산소 친화력이 강하며, 특히 알루미늄의 산소 친화력이 실리콘보다 강하므로 강탈산제로 사용된다. 스테인리스강의 경우 티타늄을 첨가하는 강종이 많은데 티타늄 역시 산소 친화원소로서 실리콘보다 강한 산소친화력을 가지므로, 티타늄 첨가강에서는 탈산제로서 알루미늄을 사용한다. 특히 VOD 처리 강종은 대부분 티타늄이 첨가되므로 알루미늄을 탈산제로 사용하고 있다.
탈산 제3단계에서는 탈가스 처리단계로서 슬래그 중의 (Cr2O3)를 환원, 회수하고 탈산 및 탈황처리를 한다.
탈산 단계를 모두 마친 후에는 복압 단계를 진행하게 된다. 복압단계에서는 용강 내로 에어(Air)를 투입하여 기압을 대기압까지 복압하게 된다.
3. 작용 및 효과
탈산기에서 온도 섭씨 1700도 내지 1800도의 범위로 유지하고, 진공도를 190 ~ 210mBar내로 제어한 뒤 탈산제(알루미늄)을 투입하는 경우 백필터의 소손횟수가 연간 20회에서 연간 0회로 감소하였고, 진공라인내 누적 먼지(Dust) 발생량이 월 3,000kg에서 0kg으로 감소되었다. 또한 이에 따른 효과로 진공탈탄 공정의 평균진공도를 연속측정한 결과 진공도 불량율이 기존 11.1%에서 0.8%로 개선되었다.
또한 진공도가 향상됨으로써 탈탄, 탈질효율이 향상되었다. 탈탄 불량과 탈질 불량이 감소됨에 따라서 고크롬강의 탄소 및 질소 성분격외가 감소되었으며, 성분격외율이 기존 1.57%에서 0.20%까지 감소하였다. 이는 성분격외 스크랩 감소에 따른 실수율 향상의 효과로 이해될 수 있다.
또한 탈탄, 탈질효율 향상에 따라 고Cr강 열연코일에서 발생하던 제강성 스크랩율이 기존 2.30%에서 0.91%로 크게 감소하였다. 탈탄효율이 낮을 경우, 탈탄을 위해 사용하는 산소 취입량이 크게 증가하여 금속산화물의 증가로 이어진다. 금속 산화물이 증가할 경우, 원가적으로 손실이 발생할 뿐만 아니라 품질불량의 원인이 된다. 따라서, 진공도 향상으로 인해 후공정 품질을 향상시킬 수 있었다.
이상 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상이 상술한 바람직한 실시예에 한정되는 것은 아니며, 특허청구범위에 구체화된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범주에서 다양한 VOD 공정 및 그 설비로 구현될 수 있다.
110: 래들 120: 베슬
200: 집진설비 210: 냉각부
220: 집진부 300: 진공설비
310: 콘덴서 320: 이젝터

Claims (9)

  1. 산소취련탈탄기, 진공탈탄기 및 탈산기로 이루어지는 진공탈탄(VOD) 공정 을 수행하는 진공탈탄 공정설비에 있어서,
    용강을 수용하고, 하단으로 불활성 가스를 취입하는 다공질 플러그를 구비하는 래들;
    상기 래들을 감싸고 밀폐시키는 베슬;
    상기 베슬 내로 산소를 취입하는 상부 렌스;
    상기 베슬과 유체소통가능하도록 연결되고, 상기 베슬 내의 진공 환경을 조성하는 진공설비;
    상기 진공설비와 상기 베슬 사이에 개재되어 이물질이 상기 진공설비로 유입되는 것을 방지하는 집진설비; 및
    상기 진공탈탄(VOD) 공정 중 탈탄단계 및 미세탈탄단계에서의 진공상태에 비하여 저 진공상태로 제어하는 제어부;를 포함하고,
    상기 진공설비는 고온의 스팀을 분사하는 이젝터와, 냉각수를 이용하여 상기 이젝터로부터 분사되는 스팀을 급격히 냉각하여 상기 베슬 내부를 일정한 진공도의 분위기로 조성하는 콘덴서를 포함하고,
    상기 제어부는 상기 스팀 및 상기 냉각수의 온도를 제어하여 상기 진공도를 제어하는 진공탈탄 공정설비.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 집진설비는 상기 진공설비로 유입되는 먼지를 필터링하는 집진부와, 상기 집진부 내로 공급되는 배가스를 냉각시키는 냉각부를 포함하는 진공탈탄 공정설비.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 베슬의 진공도를 190~210mBar로 제어하는 진공탈탄 공정설비
  5. 정련공정(AOD), 진공탈탄공정(VOD) 및 성분조정공정(LT)으로 이루어지는 제강공정에 있어서,
    상기 진공탈탄공정(VOD)은,
    용강 내로 산소를 취입하여 탈탄하는 산소취련탈탄단계;
    불활성 가스를 저취교반하여 기 취입된 용강 내의 산소를 이용하여 탈탄하는 진공탈탄단계;
    상기 탈탄단계 및 미세탈탄단계에서의 진공상태에 비하여 저 진공상태로 제어하는 탈산 제1 단계;
    탈산제를 투입하는 탈산 제2 단계;
    탈산 및 탈황 반응이 진행되는 탈산 제3 단계; 및
    상기 용강 내의 기압을 대기압까지 복압하는 탈산 제4 단계;를 포함하는 고크롬 페라이트 스테인리스강 제조방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 진공탈탄공정(VOD)의 진공도를 평균 5mBar 이하로 제어하는 고크롬 페라이트 스테인리스강 제조방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 제1 단계의 진공도를 190~210mBar로 제어하는 고크롬 페라이트 스테인리스강 제조방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 산소취련탈탄단계, 진공탈탄단계, 탈산 제1 내지 제4단계는 용강 온도가 섭씨 1700도 내지 1800도에서 이루어지는 고크롬 페라이트 스테인리스강 제조방법.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 탈산제는 알루미늄인 고크롬 페라이트 스테인리스강 제조방법.
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