KR101257253B1 - 용강 보온재 및 그를 이용하여 제조된 형강 - Google Patents

용강 보온재 및 그를 이용하여 제조된 형강 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 고정탄소 함량이 1.5 내지 3.5 중량%, SiO2 함량이 70 내지 80 중량%, 휘발성분 함량이 5 내지 10 중량% 및 나머지 잔량은 왕겨가 탄화처리되면서 생성되는 기타 성분을 함유한 탄화왕겨를 포함하고, 용강의 재산화를 방지하고 보온성을 향상시키는 것을 특징으로 하는 용강 보온재에 관한 것이다.

Description

용강 보온재 및 그를 이용하여 제조된 형강{INSULATOR FOR MOLTEN STEEL AND STEEL MANUFACTURED BY USING THE SAME}
본 발명은 연주 과정 중, 용강의 산화를 방지하고 온도가 하강되는 것을 방지하기 위하여, 용강 수용 장비에 투입되는 용강 보온재와 그를 이용하여 제조된 형강에 관한 것이다.
연주 공정에서, 용강은 래들에서 2차 정련 작업 완료 후, 턴디쉬로 이송되어 빌렛, 슬라브 등과 같은 주편을 생산하기 위한 주형으로 공급된다. 이와 같이 연주 공정이 단계적으로 이루어짐에 따라 용강 온도의 하강이 예상될 수 있다.
본 발명의 목적은 용강의 산화방지와 보온을 위하여 래들이나 턴디쉬에 투입하는 보온재의 재료로서 탄화왕겨를 이용하고, 용강 보온의 효율을 높이고 탄소 편석 발생을 줄일 수 있는 용강 보온재를 제공함과 동시에 이를 이용하여 소량의 탄소가 함유되도록 제조된 형강을 제공하는 것이다.
상기한 과제를 실현하기 위한 본 발명의 용강 보온재는 고정탄소 함량이 1.5 내지 3.5 중량%, SiO2 함량이 70 내지 80 중량%, 휘발성분 함량이 5 내지 10 중량% 및 나머지 잔량은 왕겨가 탄화처리되면서 생성되는 기타 성분을 함유한 탄화왕겨를 포함할 수 있다.
상기 용강 보온재는 입도가 90 내지 95 mm인 과립형으로 형성될 수 있다.
상기 용강 보온재는 래들 또는 턴디시의 용강 표면으로 투입되어 용강의 재산화를 방지하고 보온성을 향상시킬 수 있다.
상기 래들에서 턴디쉬로 용강이 출강된 직후의 용강의 탄소 함량과 턴디쉬의 용강 표면에 보온재를 투입한 이후의 용강의 탄소 함량에 변화가 없는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기한 과제를 실현하기 위한 본 발명의 형강은 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항의 용강 보온재를 적용하여 얻어질 수 있다.
상기 형강은 0.08 내지 0.1 중량%의 탄소함량을 갖는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기와 같이 구성되는 본 발명에 관련된 용강 보온재에 의하면, 탄화왕겨를 재료로 이용하고, 용강의 산화방지와 보온을 위하여 래들이나 턴디쉬에 투입하는 보온재의 용강 보온의 효율을 증가시키고 탄소 편석 발생을 감소시킬 수 있는 효과와 동시에 이를 이용하여 제조된 형강에 의하면, 제품 내에 소량의 탄소가 함유될 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 용강 보온재를 래들에 투입한 모습을 도시한 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 의한 용강 보온재를 턴디쉬에 투입한 모습을 도시한 개념도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 용강 보온재에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 본 명세서에서는 서로 다른 실시예라도 동일·유사한 구성에 대해서는 동일·유사한 참조번호를 부여하고, 그 설명은 처음설명으로 갈음한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 용강 보온재를 래들에 투입한 모습을 도시한 개념도이다.
본 도면을 참조하면, 래들(100)은 용해로로부터 용강을 수용하고, 필요에 따라 스크랩(scrap)이나 합금원소를 첨가 받아 성분의 미세조정과 탈황작업이 이루어지게 된다. 또한 래들(100)의 하단 일측에 형성된 포러스 플러그(102)로부터 비활성기체(103)를 공급받아 래들(100) 내부의 용강을 교반시켜 반응성을 활성화시키게 된다. 구체적으로는 아르곤(Ar), 질소(N2)등이 비활성기체(103)로 사용될 수 있다. 이러한 래들(100)에서의 정련 작업을 2차 정련이라 할 수 있다.
용탕의 온도가 하강 되는 것을 방지하기 위하여, 래들(100)과 같은 용탕 수강 장비는 용탕이 수강 되기 이전에 예열작업이 선행된다. 또한, 좀 더 확실한 용탕의 보온과 산화방지를 위하여 2차 정련 작업 완료 후, 용탕 보온재(10)를 투입할 수 있다.
도 2은 본 발명의 일실시예에 의한 용강 보온재를 턴디쉬에 투입한 모습을 도시한 개념도이다.
본 도면을 참조하면, 용강(M)은 래들(100)에 수용된 상태에서 턴디쉬(200)로 유동하게 된다. 이러한 유동을 위하여, 래들(100)에는 턴디쉬(200)를 향해 연장하는 슈라우드 노즐(Shroud nozzle, 105)이 설치된다. 슈라우드 노즐(105)은 용강(M)이 공기에 노출되어 산화·질화되지 않도록 턴디쉬(200) 내의 용강(M)에 잠기도록 연장한다. 슈라우드 노즐(105)의 파손 등으로 용강(M)이 공기 중에 노출된 경우를 오픈 캐스팅(Open casting)이라 한다.
턴디쉬(200) 내의 용강(M)은 주형(300) 내로 연장하는 침지 노즐(SEN, Submerged Entry Nozzle, 205)에 의해 주형(300) 내로 유동하게 된다. 침지 노즐(205)은 주형(300)의 중앙에 배치되어, 침지 노즐(205)의 양 토출구에서 토출되는 용강(M)의 유동이 대칭을 이룰 수 있도록 한다. 침지 노즐(205)을 통한 용강(M)의 토출의 시작, 토출 속도, 및 중단은 침지 노즐(205)에 대응하여 턴디쉬(200)에 설치되는 스톱퍼(stopper, 201)에 의해 결정된다. 구체적으로, 스톱퍼(201)는 침지 노즐(205)의 입구를 개폐하도록 침지 노즐(205)과 동일한 라인을 따라 수직 이동될 수 있다. 침지 노즐(205)을 통한 용강(M)의 유동에 대한 제어는, 스톱퍼 방식과 다른, 슬라이드 게이트(Slide gate) 방식을 이용할 수도 있다. 슬라이드 게이트는 판재가 턴디쉬(200) 내에서 수평 방향으로 슬라이드 이동하면서 침지 노즐(205)을 통한 용강(M)의 토출 유량을 제어하게 된다.
도 1의 설명에서 전술한 바와 같이, 상기 턴디쉬(200)에서 또한 용강의 온도 하락을 방지하기 위하여, 예열작업과 보온재(10) 투입이 이루어질 수 있다.
용강 보온재(10)는 래들(100) 정련 작업 완료 후 용강 표면(500)과 턴디쉬(200) 내 용강 표면(500)에 투입될 수 있다. 용강 보온재(10)의 투입은 래들(100)이나 턴디쉬(200)의 상단 개방부에서 용강 표면(500)으로 뿌려지는 형태로 이루어질 수 있다. 구체적으로는 작업자가 용강 수용 장비의 상단에서 내부로 투척하는 형태로 이루어지는 것이 가능하다. 또는 용강 수용 장비의 상단에 구비된 자동 투척기를 이용하는 것도 가능하다. 용강 보온재(10)의 투입량은 래들(100) 또는 턴디쉬(200)의 1회 처리량(CH)을 기준으로 래들(100)에서는 35~45kg/CH, 턴디쉬(200)에서는 25~35kg/CH정도가 적당할 수 있다. 용강 보온재(10)의 투입량이 래들(100)에서 35kg/CH미만이거나 턴디쉬(200)에서 25kg/CH미만이면, 용강의 산화 방지와 보온의 효율이 낮아질 수 있다. 용강 보온재(10)의 투입량이 래들(100)에서 45kg/CH초과가 되거나 턴디쉬(200)에서 35kg/CH초과이면, 용강 보온재(10)의 탄소성분이 용강으로 다량 유입되어 용강 내에서 탄소 편석 현상이 발생할 수 있다.
일반적으로, 용강 보온재(10)는 탄화왕겨 등을 재료로 하여 열처리, 분쇄, 반죽, 성형, 건조, 소결 등의 단계를 목적에 따라 조정하여 반복 처리하여 제조될 수 있다. 제조과정 중 성형 단계의 조건에 따라 분말 또는 과립형으로 제조가 가능 할 수 있다. 또한, 과립형으로 제조한 용강 보온재(10)의 경우 용강 주입시 분진의 비산을 방지하여 작업 환경을 개선할 수 있다. 또한, 용강 표면(500)에 투입 즉시 균일하게 팽창 확산되어 우수한 퍼짐성, 피복성 및 단열성을 갖을 수 있다. 또한, 용강의 산화를 방지할 수 있다.
용강 보온재(10)는 고정탄소(F.C; fixed carbon)와 SiO2(실리카;이산화규소)와 휘발성분(VM; volatile material) 및 나머지 잔량은 왕겨가 탄화되면서 생성되는 기타 성분으로 이루어지는 탄화왕겨를 포함할 수 있다.
고정탄소(fixed carbon)는 화학적으로 석탄, 코크스 등의 물질에서 수분, 회분, 휘발성 성분을 제거하고 남은 고체로서 주성분은 탄소이고, 소량의 수소, 산소, 질소 등이 함유되어 있는 것으로 정의되며, 일반적으로 말하는 탄소와는 다른 물질이다. 본 발명의 용강 보온재(10)의 성분은 고정탄소를 기준으로 분석한다. 휘발성분은 탄화왕겨 생성시 기화되는 성분으로 다량의 수증기(H2O)와 탄소산화물, 질소산화물 등의 연소산화물로 이루어질 수 있다. 구체적으로 연소산화물은 이산화탄소(CO2), 일산화탄소(CO), 이산화질소(NO2)등 일 수 있다. 기타 성분은 왕겨가 탄화되면서 생성되는 생성물 중, 상기된 성분을 제외한 나머지 물질로 이루어질 수 있다. 그 밖에 용강 보온재(10)의 제조 과정 중에 점결제, 합금원소 등의 물질이 첨가될 수도 있다. 구체적으로 그 밖의 성분으로는 산화철(Fe2O3), 알루미나(Al2O3) 등의 성분이 포함될 수도 있다.
용강 보온재(10)는 고정탄소 함량이 1.5 내지 3.5 중량%, SiO2 함량이 70 내지 80 중량%, 휘발성분 함량이 5 내지 10 중량% 및 나머지 잔량은 왕겨가 탄화처리되면서 생성되는 기타 성분을 함유한 탄화왕겨를 포함할 수 있다. 고정탄소 함량이 1.5 중량% 미만인 경우 용강의 보온성이 낮아질 수 있다. 고정탄소 함량이 3.5 중량% 초과인 경우 탄화왕겨의 탄소성분이 용강으로 유입되는 정도가 높아져, 탄소 편석이 발생할 수 있다. SiO2의 함량은 물질의 유동성 내지 점성을 변화시킬 수 있다. SiO2의 함량이 70 중량% 미만인 경우 유동성이 커서 보온재(10)를 일정한 모양의 과립형으로 성형하는데 어려움이 있을 수 있다. SiO2의 함량이 80 중량% 초과인 경우 점성이 커서 보온재(10)를 과립형 입자로 분리하는데 어려움이 있을 수 있다. 휘발성분은 왕겨가 탄화되면서 휘발되는 물질로 다량의 수증기와 연소산화물로 이루어질 수 있다. 휘발성분에 의하여 왕겨입자 내부에 미세한 공극부위가 발생되며, 상기 공극부위에 의해 퍼짐성이 달라질 수 있다. 휘발성분이 5 중량% 미만인 경우 보온재(10)의 퍼짐성이 낮아 용강 표면(500)에서 부분적으로 뭉쳐있을 수 있다. 휘발성분이 10 중량% 초과인 경우도 탄화왕겨의 공극 부위에 용강이 다소 흡착되어, 퍼짐성이 낮아질 수 있다.
용강 보온재(10)의 물리적 특성으로는 입도를 확인할 수 있다. 용강 보온재(10)는 일정한 범위의 입도를 갖는 과립형으로 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다. 용강 보온재(10)의 입도는 90 내지 95 mm인 것을 특징으로 할 수 있다. 보온재(10)의 입도에 따라 보온재(10)의 탄소 성분이 용강으로 유입되는 정도와 퍼짐성이 달라질 수 있다. 보온재(10)의 입도가 90mm 미만인 경우 용강 보온재(10)와 용강 표면(500)의 접촉면적이 증가되어 보온재(10)의 탄소 성분이 용강으로 유입되는 정도가 증가할 수 있다. 보온재(10)의 입도가 95mm 초과인 경우 보온재(10)의 퍼짐성 및 피복성이 낮아질 수 있다.
탄화왕겨는 용강 보온재(10)의 주재료로서 매우 유용하게 사용되나 이를 이용한 용강 보온재(10) 투입 시, 보온재(10)와 접촉되는 래들(100)의 용강 표면(500)에서 탄화왕겨의 탄소성분이 용강으로 확산되어 유입될 수 있다. 또한, 이러한 확산에 의해, 정련이 완료된 용강의 탄소 함량이 상승되면서 불규칙하게 탄소 편석이 발생 될 수 있다. 또한, 탄소 함량이 높은 용강으로 제품을 생산하면, 최종 제품의 품질결함 발생률이 증가 될 수 있다.
상세한 예로는, 해양 구조물용 저온 충격치 보증을 위한 H-형강 양산에 있어서, 탄소 함량이 높은 용강의 경우 제품의 품질 결함을 야기시킬 수 있다. 더욱 상세하게는, 해양 구조물용 저온 충격치 보증은 영하 20℃에서 27 joule이상의 응력을 지탱할 수 있는 것을 말한다. 또한, 이 강재의 충격치 보증을 위한 탄소 함량 기준 범위는 0.08 중량%이상 0.1 중량%이하이다. 탄소 함량이 높은 용강으로 H-형강을 생산한 경우 해양 구조물용 저온 충격치 보증이 불가할 수 있다. 해양 구조물용 저온 충격치 보증이 가능하도록 저탄소 영역의 용강을 이용하여 강재를 생산하는 것이 매우 중요하지만, 용강 보온재(10)의 탄소성분의 유입으로 형강 제품의 품질 수준을 확보하는데 어려움이 있을 수 있다.
저탄소 영역의 용강을 이용하여 품질 수준이 높은 형강을 얻기 위하여, 용강 보온재(10)의 화학성분과 물리적 특성을 재구성할 수 있다. 상세하게는 용강 보온재(10)의 열처리, 분쇄, 반죽, 성형, 건조, 소결 등의 단계를 목적에 따라 조정하여 재구성된 용강 보온재(10)를 수득할 수 있다.
이하에서는 실시예와 관련하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
비교예인 기존 용강 보온재와 실시예인 본 발명의 용강 보온재의 화학성분과 물리적 특성의 비교는 표 1 과 같다.

구분
 화학성분 물리적 특성
F.C
(wt %)		 SiO2
(wt %)		 VM
(wt %)		 기타
(wt %)		 입도
(mm)
비교예 21.0 62.7 5.9 그밖의
탄화왕겨 성분		 99.7
실시예 2.2 75.8 7.7 그밖의
탄화왕겨 성분		 93.5
본 발명의 일실시예에 의한 용강 보온재(10)는 고정탄소 함량이 2.2 중량%, SiO2 함량이 75.8 중량%, 휘발성분(VM, volatile material) 함량이 7.7 중량%이고 나머지 잔량은 왕겨가 탄화처리되면서 생성되는 기타 성분을 함유하는 탄화왕겨를 포함할 수 있다. 또한, 용강 보온재(10)의 입도는 93.5mm가 적당할 수 있다.
비교예와 본 발명에 의한 실시예의 효과를 확인하기 위하여 후술되는 방법으로 용강의 탄소 함량을 측정할 수 있다. 비교예와 실시예는 각각의 연주공정을 거치며 턴디쉬(200)로 용강이 수강된 후 턴디쉬(200)의 용강 표면(500)에 투입될 수 있다. 래들(100) 정련 작업 완료 후 래들(100)의 용강 표면(500)에 보온재(10)를 투입하는 단계는 실제 연주 공정 중에서 포함되는 단계이지만, 본 실험에 있어서는 측정의 오차를 최소화하기 위해 생략한다. 탄소함량을 측정을 위한 시료는 래들(100)(LF, Laddle Furance)에서 턴디쉬(200)로 용강이 출강된 직후와 턴디쉬(200)(T/D, tundish)의 용강 표면(500)에 보온재(10)를 투입한 이후에 채취될 수 있다. 상기 두 차례 채취된 시료의 탄소 함유량의 변화로 보온재(10)로부터 용강으로 탄소 성분이 유입되었는지의 여부가 확인될 수 있다.
비교예와 실시예를 동일한 조건하에서 실험하기 위해 투입방법, 투입량의 기준을 정할 수 있다. 투입방법은 전술된 투입방법 중 택일하여 실험할 수 있다. 구체적으로는 본 실시예를 위한 실험에는 인위적으로 용강 표면(500)에 보온재(10)를 투척하는 방법이 시행될 수 있다. 투입량은 전술된 투입량을 기준으로 할 수 있다. 구체적으로는 래들(100) 또는 턴디쉬(200)의 1회 처리량(CH)을 기준으로 래들(100)에서는 40kg/CH, 턴디쉬(200)에서는 30kg/CH의 보온재(10)의 양이 투입될 수 있다.
실험을 실시하여 그 결과로서 용강 중의 탄소 함유량을 측정한바, 표 2와 같은 결과를 얻을 수 있다.

구분		 wt % C
LF 출강 직후 T/D 보온재 투입 후 변화량
비교예
(F.C 21 wt % C)
0.432
0.443
0.11
실시예
(F.C 2.2 wt % C)
0.443
0.443
0.00
상기 표 2의 측정 결과에 따르면, 비교예의 변화량이 0.11 중량%C 증가 한 반면 본 발명의 실시예에 의한 변화량은 없다는 것을 확인할 수 있었으며, 이는 용강으로 탄소 성분이 유입되지 않거나 그 정도가 매우 적어 무시할 수 있다는 것을 의미할 수 있다. 일반적으로 보온재(10)의 탄소 함량이 낮은 경우, 보온성이 떨어질 수 있으나 실시예의 경우 용강 보온의 효율이 유지될 수 있다.
본 발명의 실시예에 의한 용강 보온재(10)의 특성은 전술한 바와 같으며, 연주 공정 시, 발명의 용강 보온재(10)를 투입하여 형강을 제조할 수 있다. 발명의 용강 보온재(10)를 이용하여 제조된 형강은 해양 구조물용 저온 충격치 보증 가능한 것을 특징으로 할 수 있다. 구체적으로는 해양 구조물용 저온 충격치 보증에 관한 규격은 영하 20℃ 에서 27 joule 이상의 응력을 지탱할 수 있는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 상기 형강은 0.08 내지 0.1 중량 %의 탄소 함량을 갖는 것을 특징으로 할 수 있다. 형강의 탄소 함량이 0.08 중량% 미만인 경우 원하는 경도보다 낮아질 수 있다. 형강의 탄소 함량이 0.1 중량% 초과인 경우 취성이 매우 강해질 수 있다.
상기와 같이 구성되는 본 발명에 관련된 용강 보온재에 의하면, 탄화왕겨를 재료로 이용하고, 용강의 산화방지와 보온을 위하여 래들이나 턴디쉬에 투입하는 보온재의 용강 보온의 효율을 증가시키고 탄소 편석 발생을 감소시킬 수 있는 효과와 동시에 이를 이용하여 제조된 형강에 의하면, 형강 내에 탄소를 소량 함유할 수 있는 효과가 있다.
상기와 같은 용강 보온재 및 그를 이용하여 제조된 형강은 위에서 설명된 실시예들의 구성과 작동 방식에 한정되는 것이 아니다. 상기 실시예들은 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 구성될 수도 있다.
10: 용강 보온재 100: 래들(LF, Laddle Furance)
102: 포러스 플러그 103: 비활성기체
105: 슈라우드 노즐 200: 턴디쉬(T/D, Tundish)
201: 스톱퍼 205: 침지 노즐
300: 주형 500: 용강 표면
M: 용강

Claims (6)

  1. 고정탄소 함량이 1.5 내지 3.5 중량%, SiO2 함량이 70 내지 80 중량%, 휘발성분 함량이 5 내지 10 중량% 및 나머지 잔량은 왕겨가 탄화처리되면서 생성되는 기타 성분을 함유한 탄화왕겨를 포함하며,
    상기 휘발성분은 탄화왕겨 생성시 기화되는 성분으로서, 수증기(H2O), 탄소산화물, 및 질소산화물을 포함하는 연소산화물인 용강 보온재.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 용강 보온재는 입도가 90 내지 95 mm인 과립형으로 형성되는 용강 보온재.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 용강 보온재는 래들 또는 턴디시의 용강 표면으로 투입되어 용강의 재산화를 방지하고 보온성을 향상시키는 용강 보온재.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 래들에서 턴디쉬로 용강이 출강된 직후의 용강의 탄소 함량과 턴디쉬의 용강 표면에 보온재를 투입한 이후의 용강의 탄소 함량에 변화가 없는 용강 보온재.
  5. 삭제
  6. 삭제
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