KR101280936B1 - 용강의 정련방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 용강의 정련방법에 관한 것으로, 전로에 용강을 재장입하는 과정과; 상기 용강에 탄소를 함유하는 첨가물을 투입하는 과정과; 상기 전로 내에 산소를 함유하는 가스를 취입하여 탈탄 반응을 일으키는 과정;을 포함하며, 상기 탈탄 반응이 일어나는 과정에서 상기 용강에 함유된 질소가 제거되고, 이를 통해 전로에 용강이 재장입되는 과정에서 질소가 픽업(pick up)되는 현상을 방지하는 동시에, 용강 중의 질소 농도도 감소시킬 수 있다.

Description

용강의 정련방법{Method for refining molten steel}

본 발명은 용강의 정련방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전로에 용강이 재장입되는 과정에서 질소가 픽업(pick up)되는 현상을 방지하는 동시에, 용강 중의 질소 농도도 감소시킬 수 있는 용강의 정련방법에 관한 것이다.

전로 정련 공정은 철원인 용선과 고철(scrap)을 전로에 장입하여 랜스를 통해 고순도의 산소(O₂) 가스를 취입(blowing)하고 동시에 부원료를 투입함으로써, 용선 중 탄소와 불순 원소를 CO 가스 또는 슬래그 중 산화물 형태로 제거하는 작업을 의미한다. 이러한 과정을 통해 불순물이 제거된 용선을 용강이라고 한다.

이와 같이 정련 공정이 수행된 용강은 전로에서 래들로 장입되어 연속주조 등의 후속 공정이 이루어지게 된다. 그러나 전로에서 출강된 용강이 성분격외이거나 설비 이상 등으로 인해 용강의 온도가 낮아지는 경우에는 용강을 전로에 재장입하여 용강의 성분 및 온도 등을 재조정해야 한다.

그러나 용강을 전로에 재장입하는 경우, 용강을 장입 래들에 옮긴 후 다시 전로에 장입하기 때문에, 용강이 공기와 접촉하여 공기 중에 함유된 질소가 용강에 픽업됨으로써 용강 중 질소 농도가 증가하는 문제점이 발생하게 된다.

도 1은 전로 정련 과정 중 질소의 거동을 보여주는 도면이다.

용강 중의 질소는 전로 과정 중 다음과 같은 거동을 보인다.

제1기 : 도 1의 (a)에 도시된 바와 같이 취련 초(初)에는 용선에 함유되어 있는 질소는 용선에 함유되어 있는 Ti에 의해 TiN 화합물을 형성하면서 탈질 반응이 일어난다. 이때, TiN 화합물은 용선 상부로 분리 부상되어 슬래그를 형성한다.

제2기 : 도 1의 (b)에 도시된 바와 같이, 취련 초 중반에는 용선 중의 탄소가 제거되는 탈탄 반응이 왕성하게 일어나게 되며, 도 1의 (a)와 같은 질소의 거동은 정체기를 맞는다. 탈탄 반응이 용선의 표층에서 주로 발생하기 때문에 탈탄 반응을 통한 질소의 제거는 기대하기 힘들다.

제3기 : 도 1의 (c)에 도시된 바와 같이, 취련 중에는 용선의 표층에서의 탄소 농도가 저하함에 따라 탈탄 반응은 용선 내부에 일어나게 되고, 이에 따라 탈질 반응이 급속하게 진행된다. 즉, 탈탄 반응으로 인해 발생하는 CO 기포 내로 질소가 확산되면서 배가스로 배출된다.

제4기 : 도 1의 (d)에 도시된 바와 같이, 취련 말기에는 탈탄 속도가 낮아지고 CO 기포의 발생량이 감소하면서 전로 내부와 전로 외부와의 압력 차이에 의해 노구로부터 외부 공기가 침투하게 되며, 이에 용선 중의 질소 농도가 증가하게 된다.

따라서 용강을 전로에 재장입하는 경우, 용강 중 질소 농도는 용선 상태에서와 비슷한 수준이거나 높은 상태를 갖는다. 또한, 전로에 재장입되는 용강은 이미 정련 과정을 거친 상태이기 때문에, 용강 중 Ti 성분의 부재로 인해 취련 초기 TiN 화합물의 형성을 통한 탈질 반응을 기대할 수 없으며, 탄소(C) 농도 또한 0.1 ~ 0.001% 수준으로 낮아 CO 기포에 의한 확산 탈질도 기대하기 어렵다. 게다가 용강 중의 탄소 농도가 낮기 때문에 취련 중 배가스의 발생량이 적어 노구로부터 외부 공기가 침투하여 공기 중에 함유된 질소가 용강 중에 픽업되어 용강 중의 질소 농도가 급격하게 상승하게 된다.

이와 같이 용강 중의 질소 농도가 높아지게 되면, 출강 후 노외정련 설비인 RH 탈가스 설비를 이용하여 탈질 효율 향상을 통해 질소 농도 제어를 시도하지만, 이 경우 RH 탈가스 공정 시간이 증가하고, 의도하지 않은 성분 격외 현상까지 발생하는 문제점이 있다.

KR 2002-0055438 A KR 2005-0024555 A

본 발명은 용강이 전로에 재장입되는 과정에서 용강 중에 질소가 흡입되는 것을 방지할 수 있는 용강의 정련방법을 제공한다.

본 발명은 전로에 재장입된 용강 중의 질소 농도를 저감시킬 수 있는 용강의 정련방법을 제공한다.

본 발명은 용강의 품질을 향상시킬 수 있는 용강의 정련방법을 제공한다.

본 발명은 후공정 처리시간을 감소시켜 공정 효율을 향상시킬 수 있는 용강의 정련방법을 제공한다.

본 발명의 실시 형태에 따른 용강의 정련방법은, 전로에 용강을 재장입하는 과정과; 상기 용강에 탄소를 함유하는 첨가물을 투입하는 과정과; 상기 전로 내에 산소를 함유하는 가스를 취입하여 탈탄 반응을 일으키는 과정;을 포함하며, 상기 탈탄 반응이 일어나는 과정에서 상기 용강에 함유된 질소가 제거될 수 있다.

상기 첨가물은 흑연 브리켓, 탄소분, 코크스, 유연탄, 무연탄 및 가탄제 중 어느 한 가지 이상일 수 있다.

상기 전로에는 적어도 용선이 장입되어 있을 수 있고, 상기 첨가물은 상기 용선과 용강 전체 중량에 대하여 0.5% 내지 0.6%의 탄소가 함유되도록 투입되는 것이 좋다. 이때, 상기 용강은 상기 전로 내에 장입된 용선과 용강 전체 중량의 70% 이상일 수 있다.

상기 용강에 함유된 질소는 상기 탈탄 반응에 의해 발생되는 CO 기포에 확산되어 용강에서 배출되며, 이로 인해 상기 용강 중의 질소 농도가 저감될 수 있다.

특히, 전로에 철원을 장입하기 전에 상기 전로를 경동시켜 전로 내벽을 코팅하는 것이 좋다.

본 발명의 실시 형태에 따른 용강의 정련방법은, 회송되어 전로 등과 같은 용기에 재장입되는 용강에 흑연 브리켓(briquette)과 가탄제(加炭劑) 등과 같은 탄소 성분을 함유하는 첨가제를 투입하여 재장입 과정에서 질소가 용강 중에 픽업되는 현상을 방지할 수 있다. 또한, 재장입 과정에서 용강 중에 픽업된 질소를 저감시킬 수도 있다. 이에 재장입 용강 중의 질소 농도를 효과적으로 저감시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 형태에 따른 용강의 정련방법은 재장입된 용강 중의 질소 농도를 저감시킬 수 있기 때문에 RH 탈가스 등과 같은 후공정의 처리시간을 단축시킬 수도 있다. 이에 전체적인 공정 시간이 단축되어 생산성을 향상시킬 수 있다.

도 1은 전로 정련 과정 중 질소의 거동을 보여주는 도면.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따라 용강을 정련하는 과정을 보여주는 순서도.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 용강의 정련과정을 거친 용강의 성분을 측정한 결과를 보여주는 그래프.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.

본 발명에서 사용되는 용강의 정련방법은 전로에서 출강된 용강이 성분격외나 온도 저감으로 인해 제품 생산에 적용할 수 없는 경우, 전로로 회송시켜 재장입된 용강을 재취정련하는데 적용될 수 있다.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따라 용강을 정련하는 과정을 보여주는 순서도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 용강의 정련방법은 용강을 전로에 재장입하는 과정과, 재장입된 용강에 탄소를 함유하는 첨가제를 투입하고 산소를 취입하여 취련하는 과정과, 취련이 완료된 용강을 출강하는 과정을 포함한다.

전로에 재장입되는 용강은 취련을 통해 탄소(C), 질소(N), 규소(Si), 황(S) 및 인(P) 등의 불순물이 제거된 상태로 출강 래들에 출강되었다가, 연속주조 설비 등의 이상으로 온도가 낮아졌거나 성분격외 등으로 인해 온도 및 성분 등의 재조정을 위해 전로로 재장입된다. 재장입 시 용강은 출강 래들에서 장입 래들에 옮겨져 전로로 재장입되는데, 이때 용강이 공기와 접촉되면서 공기 중에 함유된 질소가 용강에 픽업되어 용강 중의 질소 농도가 높아지게 된다.

이에 본 발명의 실시 예에서는 재장입된 용강에 탄소를 함유하는 첨가제를 투입하고 취련 공정을 수행함으로써 질소가 용강에 픽업되는 현상을 억제함과 동시에, 용강 중에 함유된 질소를 제거한다. 이때, 첨가제로는 탄소 성분을 함유하는 다양한 물질이 사용될 수 있으며, 이와 같은 물질로는 흑연 브리켓(briquette), 탄소분, 가탄제, 코크스, 유연탄, 무연탄 등이 있다.

전로에 재장입된 용강에 첨가제를 투입하면 다음과 같은 현상이 일어나게 된다.

첫째, 전로에 재장입된 용강에 탄소를 함유하는 첨가제를 투입하고, 산소를 취입하여 취련 과정을 수행하면, 용강 중에서 CO 기포가 발생하면서 배가스로 배출되는 탈탄 반응이 발생하고, 이때 질소는 CO 기포에 확산되어 CO와 함께 용강으로부터 배출된다. 또한, 용강의 탈탄 반응이 왕성해지면서 CO 기포가 다량 발생하게 되고, 용강 중의 질소가 CO 기포 내로 확산되어 배가스로 배출된다. 이에 용강 중의 질소 농도가 저감될 수 있다.

둘째, CO 기포의 발생으로 인해 배가스가 증가함에 따라 전로 내부의 공기는 외부로 배출되고, 이에 용강 중에 질소 픽업이 감소하게 된다.

여기에서 재장입된 용강에 첨가제를 투입하고 산소를 취입하여 취련 과정을 수행하면, 용강에 투입된 첨가제가 고온의 용강과 반응하여 화염이 발생하는데, 이에 따라 용강의 온도가 높아져 용강의 온도가 조정된다.

이와 같이 재장입 용강 중의 질소 농도를 저감시키기 위해서는 투입되는 첨가제의 양이 적절하게 조절될 필요가 있다.

통상 전로에서는 350톤(ton) 정도의 용선을 장입하여 정련 공정을 수행하고 있다. 이는 전로에서 용강을 일정하게 출강시켜 후공정을 원활하게 수행하기 위함이다. 따라서 전로에 재장입되는 용강의 양에 따라 전로에는 용선이 추가적으로 장입될 수도 있다. 이때, 용선 중에는 용선의 중량 대비 4%의 탄소 성분이 함유되어 있다. 따라서 전로에 재장입되는 용강의 양에 따라 투입되는 첨가제의 양이 변경될 수 있다.

본 발명에서는 전로 내에 수용되는 용선과 용강 전체의 중량에 대해서 탄소가 0.5% 내지 0.6% 함유되는 것을 목표로 하여 첨가제의 투입량을 결정한다.

예컨대 재장입 공정에 있어서 재장입되는 용강의 양이 전로에 수용될 수 있는 양의 70% 정도 이하인 경우, 재장입되는 용강을 용선으로 취급하여 별도의 첨가제를 투입하지 않는다. 이와 같은 경우 전로에 수용되어 있는 약 30% 정도의 용선 중에 함유되어 있는 약 4% 정도의 탄소 성분을 이용하여 재장입된 용강 중의 질소를 제거할 수 있다.

반면에, 재장입되는 용강의 양이 전로에 수용될 수 있는 양의 70% 이상인 경우에는 재장입된 용강의 양에 비례하여 탄소를 함유하는 첨가제를 투입하게 된다. 이와 같은 경우 재장입되는 용강의 양이 지나치게 많아 전술한 탄소의 목표치를 달성할 수 없기 때문에 탄소를 인위적으로 투입하는 것이다.

여기에서 용강과 용선 전체에 함유되는 탄소의 양이 제시된 범위보다 지나치게 높은 경우, 탄소 성분이 열원으로 사용되어 용강의 온도를 상승시키는데 도움이 될 수 있으나 용강 중 탄소의 농도가 지나치게 높아져 탈탄 공정 시간이 증가할 수 있는 문제점이 있다. 또한, 탄소의 양이 제시된 범위보다 지나치게 낮은 경우에는 탈탄 반응이 원활하게 이루어지지 않아 결국에는 용강 중의 질소 농도를 효과적으로 낮출 수 없게 되는 문제점이 있다.

정련 전의 용선에는 4% 정도의 탄소가 함유되어 있으며, 전로에 재장입되는 용강의 양에 따라 하기의 표 1에 기재된 바와 같이 투입되는 첨가제의 양을 조절할 수 있다.

재장입 용강량(ton)	~200	201~	251~	301~
첨가제(흑연) 투입량(㎏)	-	1000	1500	2000

표 1을 참조하면, 재장입되는 용강의 양이 200톤 이하인 경우, 첨가제가 투입되지 않았고, 201톤 이상인 경우에는 1000㎏ 투입되었다. 그리고 재장입되는 용강이 50톤씩 증가할 때마다 첨가제를 500㎏씩 증가시키면서 투입하였다. 이때 사용된 첨가제는 흑연 브리켓으로서, 흑연 브리켓 대신 가탄제가 사용될 수도 있다. 가탄제는 흑연 브리켓에 비해 탄소 함량은 많아 흑연 브리켓에 비해 용강 중의 탄소 농도를 더 높일 수 있는 장점은 있으나, 황(S)의 함량이 높아 용강 중의 황의 농도가 높아질 수 있으므로 사용상에 주의가 필요하다.

이와 같이 용강 중에 첨가제가 투입되어 탄소 농도가 높아지면, 용강 중의 탄소와 전로에 취입되는 산소가 반응하여 탈탄 반응이 발생하게 되고, 이러한 탈탄 반응이 탈질 반응을 유도하여 촉진시키게 된다. 즉, 전로 내에 취입되는 산소가 용강 중의 탄소와 반응하여 용강 중에 CO 기포가 발생하게 되고, 이때 용강 중에 함유되어 있던 질소가 CO 기포에 확산되어 용강 외부로 배출되는 것이다.

이와 같은 조건으로 첨가제를 투입한 경우, 용강 내의 성분을 측정한 결과를 살펴보면 다음과 같다.

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 용강의 정련과정을 거친 용강의 성분을 측정한 결과를 보여주는 그래프로서, 하기의 표 2의 결과를 도식화한 것이다.

재장입 용강량(ton)	~200		201~		251~		301~
구분	전	후	전	후	전	후	전	후
질소(N) 농도(ppm)	59	53	71	64	91	72	109	82
종점산소(O)농도(ppm)	788	762	848	812	981	893	997	912

표 2와 도 3의 (a) 및 (b)를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 정련과정, 즉 취련과정을 거친 후의 용강은 종래의 재장입과정을 거친 용강에 비해 질소 농도가 9% 내지 24% 정도 낮아진 것을 알 수 있다. 이와 같이 용강 중의 질소 농도가 낮아지면 RH 탈가스 공정과 같은 후공정에서 질소를 제거하기 위해 소요되는 처리 시간을 단축할 수 있게 된다.

그리고 표 2와 도 3의 (c)를 참조하면, 정련과정, 즉 취련 종점에서 용강 중의 산소 농도도 4% 내지 10% 정도 낮아진 것을 알 수 있다. 이와 같은 산소 농도의 변화는 용강 중에 투입된 첨가제, 즉 탄소와의 반응에 의해 낮아지게 되며, 이로 인해 정련이 완료된 용강의 청정성을 확보할 수 있어, 후공정에서 생산되는 제품의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

이후 용강의 취련이 완료되면, 용강을 출강하여 후공정을 수행한다.

한편, 본 발명의 실시 예에서는 전로에 고철 등의 원료물질을 투입하기 이전에 전로 내벽을 보호하기 위해 질소 취입을 통해 슬래그를 전로 내벽에 부착시킨 후 전로를 경동시키는 코팅 공정을 전로를 경동시키는 과정으로만 수행한다. 즉, 슬래그 중에는 질소가 다량 함유되어 있어 용강의 재장입 시 슬래그 중의 질소가 용강에 유입될 수 있으므로, 전로 내벽을 코팅하고 있는 슬래그에 함유된 질소가 용강에 픽업되는 현상을 방지할 수 있게 된다.

따라서 전로에 용강을 재장입하기 이전에 이와 같은 방법으로 전로 내벽을 코팅하게 되면, 용강의 재장입 과정에서 슬래그로부터의 질소 픽업을 방지할 수 있어 상기와 같은 재장입 용강의 탈질을 보다 효과적으로 수행할 수 있게 된다.

본 발명을 첨부 도면과 전술된 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였으나, 본 발명은 그에 한정되지 않으며, 후술되는 특허청구범위에 의해 한정된다. 따라서, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 후술되는 특허청구범위의 기술적 사상에서 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 변형 및 수정할 수 있다.

Claims (6)

1. 용강의 정련방법으로서,
   전로에 용강을 재장입하는 과정과;
   상기 용강에 탄소를 함유하는 첨가물을 투입하는 과정과;
   상기 전로 내에 산소를 함유하는 가스를 취입하여 탈탄 반응을 일으키는 과정;을 포함하며,
   상기 전로에는 적어도 용선이 장입되어 있을 수 있고,
   상기 첨가물은 상기 용선과 용강 전체 중량에 대하여 0.5% 내지 0.6%의 탄소가 함유되도록 투입되며,
   상기 탈탄 반응이 일어나는 과정에서 상기 용선과 용강에 함유된 질소가 제거되는 용강의 정련방법.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 첨가물은 흑연 브리켓, 탄소분, 코크스, 유연탄, 무연탄 및 가탄제 중 어느 한 가지 이상인 용강의 정련방법.
3. 삭제
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 용강은 상기 전로 내에 장입된 용선과 용강 전체 중량의 70% 이상인 용강의 정련방법.
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 용강에 함유된 질소는 상기 탈탄 반응에 의해 발생되는 CO 기포에 확산되어 용강에서 배출되는 용강의 정련방법.
6. 청구항 1에 있어서,
   전로에 철원을 장입하기 전에 상기 전로를 경동시켜 전로 내벽을 코팅하는 용강의 정련방법.

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