KR101268606B1 - 단조품용 강재의 정련방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 정련과정에서 내화물의 용손방지를 위한 정련방법에 관한 것으로, 구체적으로는 강재의 용해단계와 용해단계 후 Al₂O₃-MgO로 이루어진 내화물 내에 용강을 담아 Si-Mn계 탈산제를 이용해 정련하는 정련방법에 있어서, 상기 탈산제에 특정량의 Al을 추가적으로 첨가하여 탈산생성물이 SiO₂-MnO-Al₂O₃의 3원계상태가 되도록 하고 동시에 최종탈산 생성물의 조성비를 조절하여 내화물과의 반응성을 좌우하는 MnO의 함량을 줄이도록 한 기술이다. 이로 인해 최종 탈산생성물의 융점이 낮아지고, 더불어 최종 탈산생성물의 각 성분간 합체가 용이해져 정련과정 중 부상분리가 촉진됨에 따라 탈산생성물과 내화물 간의 반응성이 저하됨은 물론, 반응이 이루어지더라도 MnO의 함유량 저하로 인해 내화물의 용손률이 감소된다. 또한 내화물을 구성하는 의중량비를 최적조건으로 한정함에 따라, 내화물의 MgO와 슬래그의 MnO간 반응조건을 저하시켜 내화물의 용손율을 낮출 수 있는 기술에 관한 것이다.

제강, 정련, 내화물, 탈산

Description

단조품용 강재의 정련방법{Refining method of Steel}

본 발명은 제강과정에 포함되는 정련단계 중 용강의 탈산을 위해 첨가되는 Si-MnO계 탈산제에 Al이 첨가되어 SiO₂-MnO-Al₂O₃로 이루어진 슬래그가 형성되도록 함과 동시에, 슬래그를 구성하는 각 성분의 조성비를 조절하여 MnO의 함량을 줄임으로써, 정련과정 슬래그와 내화물간 반응률을 저하시킴으로써 내화물의 용손(溶損)을 방지하고 이로 인해 추후 실시되는 초음파 결함검사과정에서의 불량발생률을 줄일 수 있는 기술에 관한 것이다.

일반적으로 대형선박의 프로펠러 샤프트와 같은 대형단조품들의 제작공정은 [도 1]에 도시된 것과 같이 가열로에서 스크랩(scrap)을 용강상태로 용해시키는 제강단계(S100)와, 내화물(refractories)로 이루어진 레이들(ladle)내에 용강을 담은 후 탈산제를 이용해 용강에 함유된 수소 및 산소등을 탈산하는 정련단계(S200)와, 정련된 용강을 몰드에 주입하영 강괴를 제조하는 주조단계(S300)와, 강괴를 가열한 후 해당 형상으로 가공되는 단조단계(S400) 및 열처리 단계(S500)를 통해 이루어진다.

이렇게 제작된 제품은 초음파를 통해 제품내부의 균열등을 검사하는 품질검사단계를 거친 후 사용된다.

상기 품질검사단계에서 강재의 불합격이 야기되는 원인으로는, 크게 내부에 균열이 발생되거나 상기 레이들의 내화물에 포함된 슬래그에 의해 강재 내에 내화물이 존재하는 경우이다.

그 중 내화물이 강재 내에 존재하는 경우는 상기 정련단계()에서 사용되는 탈산제와 레이들의 내화물 간 반응에 의해 발생된다.

일반적으로 탄소강의 정련용 내화물은 Al₂O₃-MgO계 스피넬(Sspinel)로 이루어지고 탈산제는 Si-Mn계가 사용되며 탈산제에 의한 탈산생성물은 SiO₂-MnO계가 되며 이는 SiO₂-MnO-Al₂O₃계 슬래그를 형성시킨다.

도 2는 불량 강재 내에 존재하는 내화물입자를 확대한 도면으로, 도면에서 보는 바와 같이 내화물 입자사이에 SiO₂-MnO-Al₂O₃계 슬래그가 혼합되어 있는 것을 볼 수 있다.

이렇게 내화물 내에 산화성 슬래그가 침투됨에 따라 내화물의 용손이 초래되고 이로인해 내화물이 정련과정에서 부상분리되지 못함으로써 불량이 발생되는 것이다.

그리고, 도 3은 상기 내화물 입자에 포함된 각 성분의 함유량을 분석한 데이 터 표로, 도면에서 볼 수 있듯이 특히 MnO의 함류량이 높다는 것을 알 수 있는데, 이는 [도 4](MgO-SiO₂-MnO 3원계 상태도)의 (1)구간에 표시된 것처럼 MnO와 MgO가 상호 쉽게 반응하여 산화물고용체(oxide solid solution)를 이루기 때문이다.

즉 이렇게 내화물내에서 탈산제의 MnO가 반응함에 따라 내화물은 Al₂O₃-MgO-MnO의 3원계 산화물로 변질되고 이로 인해 융점이 낮아져 고온의 용강내에서 쉽게 용손됨으로써 강재 내에 쉽게 혼합되는 것이다.

특히 기존 탈산생성물의 MnO의 중량비는 SiO₂와 더불어 40~50%를 차지하므로 반응이 더욱 활발할 수밖에 없다.

본 발명은 상기와 같은 종래 탈산방법의 문제점을 해결하기 위한 것으로,

정련공정에서 사용되는 탈산제의 성분 및 조성비를 개선함에 따라 정련과정에서 슬래그에 의해 내화물이 강재에 혼합되는 것을 방지함에 따라, 강재의 불량발생률을 낮출 수 있는 강재의 정련방법을 제공하고자 한다.

더불어 내화물의 주요성분, 즉 Al2O3와 MgO의 함량비를 개선함에 따라 슬래그와의 반응을 억제하여 용손률을 낮출 수 있는 강재의 정련방법을 제공하고자 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은,

제강단계 후 용강을 Al2O3-MgO계 내화물 내에 담은 상태에서 SiO2-MnO계 탈산생성물을 갖는 Si-Mn계 탈산제를 첨가하여 탈산이 이루어지도록 하는 정련방법에 있어서,

상기 제강단계와 정련단계 사이 중 상기 탈산제에 Al이 별도로 첨가되되, Al은 용강1톤 대비 1kg용량으로 첨가되는 것을 특징으로 한다.

그리고 상기 Al의 첨가로 인해 슬래그는 SiO2-MnO-Al2O3의 3원계상태를 이루며, 상기 탈산생성물은 SiO2가 40~50중량비 이고 MnO는 25~30중량비이며 Al2O3는 15~25중량비로 조성되는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 정련단계 중 용강 내 총 산소량은 100ppm이하인 점도 특징으로 한다.

그리고 내화물을 구성하는 Al2O3/MgO의 중량비는 2.57 이하이거나 1.2 내지 3인 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 특징적 구성으로 이루어진 본 발명은,

용강이 가열로로부터 출강되는 과정에서 Al이 첨가됨에 따라 탈산재의 탈산생성물이 SiO2-MnO-Al2O3를 이루게 되되, Al의 투입량이 1kg/1ton-steel로 한정되어 탈산생성물 중 내화물과의 반응성이 가장 큰 MnO의 함유량이 적정수준으로 감소되므로,

탈산생성물의 융점이 낮아져, 결국 정련과정에서 슬래그의 부상분리가 원활히 이루어지므로 슬래그와 내화물간의 반응률이 억제되어 강재 내에 내화물의 포함가능성이 낮아지는 장점이 있다.

더불어 실험을 통해 내화물의 주요 성분인 Al2O3/MgO의 중량비를 최적의 기준비인 1.2 내지 3으로 한정함으로써, 슬래그와의 반응과정에서 내화물의 용손률이 감소되는 장점도 갖는다.

이하에서는 본 발명의 구체적인 구성에 대한 실시예를 설명하도록 한다.

<제1실시예>

본 실시예는 탈산제의 성분 및 조성비 개선을 통해 내화물과 슬래그 간의 반응을 억제하는 방법에 관한 것으로,

[도 5]에 도시된 것처럼 일단 전기로와 같은 가열로를 통해 스크랩을 용강상태로 용해하는 제강단계(S100) 및 용강을 외부로 빼내는 출탕단계(S200)를 거친 후 용강을 레이들의 내화물 내에 담은 후 탈산제 등을 통한 정련단계(S300)를 거친다.

상기 정련단계(S300)에서 사용되는 탈산제는 Si-Mn계가 사용되고, 이로인해 정련과정에서의 탈산생성물은 SiO2-MnO계가 되며, 앞에서 설명한 것처럼 탈산생성물 중 MnO가 내화물과의 전체 반응률을 결정하는 성분이다.

이때 상기 제강단계(s300)후 용강을 내화물 내에 담는 과정에서 상기 탈산제에 포함되는 Al을 추가 첨가하는데, 이때 Al은 용강 1톤당 1kg이하로 투입된다.

상기와 같은 조건으로 Al의 투입량을 한정함에 따라 레이들 내에 담겨진 용강의 총 상소량은 100ppm이하로 제어되고, 더불어 Al의 투입으로 인해 탈산제의 탈산생성물의 조성이 SiO2-MnO에서 SiO2-MnO-Al2O3 3원계 상태로 변경된다.

그리고 Al의 투입조건을 한정함에 따라 SiO2는 40내지 50%중량비, MnO는 25내지 35%중량비, Al2O3는 15내지 25%중량비로 조성비가 제어된다.

이러한 탈산생성물의 조성비는 [도 6]의 ③번영역을 보면 알 수 있듯이 기존 조성비(②번영역)와 달리 SiO2-MnO-Al2O3 3원계에서 대표적인 저융점 영역이 된다.

이처럼 저융점화 됨에 따라 탈산생성물 간 결합이 용이하여 정련과정에서 내화물과의 부상분리가 촉진됨에 따라 강 중 탈산생성물, 즉 슬래그양이 감소되고, 이로 인해 슬래그와 내화물 간의 반응율도 함께 저하되므로, 결국 내화물의 용손이 방지되는 효과가 발생된다.

더구나 상기와 같이 Al의 투입조건을 한정에 의해 탈산생성물의 MnO함유량이 기존에 비해 줄어듬에 따라, 슬래그와 내화물이 반응을 하더라도 내화물에 미치는 슬래그의 위해성이 감소하므로 역시 내화물의 용손 가능성이 낮아진다.

더불어 상기와 같이 Al투입으로 인해 탈산이 강화됨에 따라 용강내 산소량이 100ppm 이하로 제어되어 내화물 내 탄소의 산화손실이 줄어들기 때문에 내화물 용손이 방지된다.

즉 본 발명은 Si-Mn계 탈산제에 Al를 첨가하되, 첨가조건을 제한함에 따라 탈산생성물의 MnO함유량을 저하시키고, 이로 인해 내화물과 슬래그간의 반응률이 낮아지도록 함으로써 내화물의 용손을 방지할 수 있게 되는 것이다.

<제2실시예>

본 실시예는 상기 제1실시예의 조건 하에서 내화물의 함유량을 조절함에 따라 내화물의 용손현상을 더욱 저하 시키는 방법에 관한 것으로,

일반적인 내화물은 위에서 설명한 것처럼 Al2O3와 MgO가 단순 혼합되어 고온에서 쉽게 Al2O3-MgO계 스피넬(spinel)을 형성한다.

따라서 상기 내화물은 앞의 실시예에서 설명한 것처럼 MgO가 탈산제의 MnO와 반응이 활발하게 이루어지기 때문에 내화물을 제작하는데 있어서 의함량비가정련과정에서의내화물용손율에큰영향을미친다.

이를 증명하기 위해 본 출원인은 의함량비와슬래그와의반응율간관계를실험하였다.

실험조건은 앞의 제1실시예에서 제시된 슬래그, 즉 Al을 1kg/1ton-steel로 투입하여 조성비(MnO : 25~35%중량비, SiO2 : 40~50%중량비, Al2O3 : 15~25%중량비)를 갖는 슬래그를 생성시켜 사용하였다.

그리고 슬래그를 내화물 내에 투입하여 약 1650℃로 2시간 가열한 후 내화물의 용손지수를 평가하는 방식으로 이루어졌다.

실험결과, [도 7]에 도시된 것처럼 내화물의 용손지수는 Al2O3/MgO의 중량이론비인 2.57을 기준으로 크게 변화되는 것으로 나타났다.

구체적으로 설명하면 2.57보다 적을 경우, 즉 스피넬을 형성하는 MgO의 함량이 충분할 경우 용손율이 크게 감소하고 2.57이상, 즉 스피넬 형성에 필요한 MgO함량이 부족할 경우 용손율이 급격히 증가되었다.

이렇게 MgO의 함유량에 의해 용손량이 결정되는 이유는 MgO함량이 부족한 경우 슬래그와 접촉하는 내화물은 결정상 내화도가 완벽한 스피넬 형성은 불가능하고, 잉여의 Al2O3와 Al2O3-MgO 스피넬로 형성되기 때문이다.

더욱이 이 경우 슬래그에 항시 포함되어 있는 CaO와 Al2O3가 반응을 일으키는 경우가 발생되므로 내화물의 용손이 더욱 가중될 수밖에 없다.

따라서 내화물을 구성하는 Al2O3/MgO의 중량비를 2.57 이하로 하여 MgO가 충분히 포함되도록 하는 것이 본 실시예의 핵심이다.

하지만 MgO가 지나치게 많이 사용될 경우 내화물의 내 충격성이 저하되므로 내 충격성과 용손율 저하를 동시에 만족하기 위해서는 1.2~3정도가 바람직하다.

더불어 상기 각 실시예의 조건으로 실험한 결과 최종 강재에 포함된 내재물, 즉 내화물 및 슬래그혼합입자 크기가 약 0.8mm로 감소되는데, 통상적으로 강재의 초음파 검사기준 상 내재물의 크기가 1mm이상일 경우 불량판정을 받기 때문에 본 발명을 적용 할 경우 내재물 크기로 인한 불량판정률도 현저하게 감소되는 효과를 얻게 된다.

이처럼 본 발명은 정련과정에서 탈산제에 특정량의 Al이 첨가됨에 따라 탈산생성물 중 MnO의 함유량이 낮아지도록함과 동시에, 내화물을 구성하는 Al2O3/MgO의중량비를 특정범위로 제한하여 슬래그와 내화물간 반응률을 저하시킴으로써, 정련과정에서 내화물의 용손율을 낮추고, 이로 인해 최종 함으로써, 슬래그와의 반응률을 저하시켜 내화물에 의한 강재의 불량발생률을 줄일 수 있도록 한 것이 가장큰 특징이다.

이상 설명한 본 발명의 특징은 당업자에 의해 다양하게 변형되고 조합되어 실시될 수 있으나, 이러한 변형 및 조합이 강제의 정련과정에서 사용되는 탈산제에Al이 1kg/1ton-steel조건으로 첨가되도록 함에 따라 탈산생성물 중 MnO의 함유량이 줄어들도록 하여 내화물의 용손율을 낮추도록 한 방법 및 목적과 관련이 있을 경우에는 본 발명의 보호범위에 속하는 것으로 판단되어야 한다.

도 1은 일반적인 단조품의 제작공정을 나타낸 공정도.

도 2는 불량강재 내에 존재하는 내화물 입자의 조직확대 사진도.

도 3은 상기 내화물 입자의 성분 분석도.

도 4는 기존 MgO-SiO2-MnO 3원계 상태도.

도 5는 본 발명의 실시예에 의한 공정도.

도 6은 MnO-SiO2-Al2O3 3원계 상태에서의 탈산 생성물 조성범위를 나타낸 3원계 상태도.

도 7은 내화물의 Al2O3/MgO의 중량비에 따른 내화물용손지수를 나타낸 그래프도.

도 8은 본 발명에 의해 강재 내 내재물 크기 변화율을 나타낸 그래프도.

Claims (6)

1. 제강단계 후 용강을 Al₂O₃-MgO계 내화물 내에 담은 상태에서 SiO₂-MnO계 탈산생성물을 갖는 Si-Mn계 탈산제를 첨가하여 탈산이 이루어지도록 하는 강재의 정련방법에 있어서,

   상기 제강단계와 정련단계 사이 중 상기 탈산제에 Al이 별도로 첨가되되, Al은 용강1톤 대비 1kg용량으로 첨가되고,

   상기 탈산제는 Al의 첨가로 인해 탈산생성물은 SiO2-MnO-Al2O3의 3원계상태로 형성되며,

   상기 탈산생성물은 SiO2가 40~50%중량비 이고 MnO는 25~30%중량비이며 Al2O3는 15~25%중량비로 조성되는 것을 특징으로 하는 단조품용 강재의 정련방법.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,

   상기 정련단계 중 용강 내 총 산소량은 100ppm 이하인 것을 특징으로 하는 단조품용 강재의 정련방법.
5. 제1항에 있어서,

   상기 내화물을 구성하는 Al2O3/MgO의 중량비는 2.57 이하인 것을 특징으로 하는 단조품용 강재의 정련방법.
6. 제1항에 있어서,

   상기 내화물을 구성하는 Al2O3/MgO의 중량비는 1.2 내지 3인 것을 특징으로 하는 단조품용 강재의 정련방법.

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