KR101280945B1 - 플럭스 및 이를 이용한 고산소용 용강의 정련 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 용강의 산소농도를 높게 제어하기 위한 플럭스 및 이를 이용한 고산소용 용강의 정련 방법에 관한 것으로서, 특히 본 발명의 일실시예에 따른 고산소용 용강의 정련 방법은 고산소강용 용강을 정련하는 방법으로서, 전로에서 정련된 용강을 래들로 출강하는 과정을 포함하고, 상기 출강 과정 중 MnO, CaO 및 SiO₂를 주성분으로 함유하는 플럭스를 투입하는 것을 특징으로 한다.

Description

플럭스 및 이를 이용한 고산소용 용강의 정련 방법{Flux and Refining method of molten steel for high oxygen steel}

본 발명은 플럭스 및 이를 이용한 고산소용 용강의 정련 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 용강의 산소농도를 높게 제어하기 위한 플럭스 및 이를 이용한 고산소용 용강의 정련 방법에 관한 것이다.

일반적으로 철강생산공정에 있어서 고로에서 생산된 용선은 전로에서 정련된 후 2차 정련 공정과 연속주조 공정을 거쳐 주편으로 생산된다. 현재 연속주조 공정에서 생산하는 주편의 대부분은 용강 중 자유산소가 2 ~ 3ppm 이하의 완전 탈산강이다. 2차 정련 공정에서 용강의 자유산소를 완전히 제거하기 위하여 합금철로 탈산하는 것이 일반적인 경우이다.

하지만, 고산소강은 일반강과는 다르게 강 중 자유산소의 농도를 수십에서 수백 ppm까지 유지시킨 상태에서 연속주조 공정을 실시하여 생산하는 강으로서, Al, Si 등의 강탈산 원소를 첨가하지 않으며 대표적인 약탈산 원소인 Mn을 주된 탈산제로 사용한다. 그래서 용강이 주편으로 응고되는 도중 강 중의 용존산소와 탈산제 성분을 반응시켜 미세한 개재물을 의도적으로 형성시킴으로써 주편 중 개재물을 미세하게 분산시키는 것이 고산소강 생산의 핵심 기술이다.

고산소강의 대표적인 강종은 법랑강과 쾌삭강이 있다. 법랑강의 경우 용강 중 고산소를 유지하면서 주성분이 MnO인 개재물을 형성시킴에 따라 수소투과율을 높여 내화물과의 친화력이 좋아지도록 유도한다. 이때 풍부한 개재물양을 확보하기 위해서는 정련단계에서 용강이 용존산소농도를 높게 확보하는 것이 중요하다.

종래의 고산소용 용강을 제조할 때는 전로에서 정련이 끝난 후 탈가스 장치로 이송하여 탈탄 처리를 한 후 연주를 처리하였다. 탈가스 공정을 거치는 이유는 고산소강의 경우 용존하는 탄소(C)성분이 높을 경우 주조시 CO가스의 발생으로 인하여 주편의 내부품질확보가 매우 어려워지기 때문에 통상적으로 탄소를 저탄영역 혹은 극저탄소강 영역인 수십 ~ 수백ppm이하로 조정하게 된다. 또한, 이후 승온이나 성분조정을 위하여 별도의 아크 승온 공정이나 래들정련이 수행되는 경우도 있다. 보다 상세하게는 전로에서 정련이 끝난 후 래들로 출강시 5 ~ 30kg/ton의 생석회와 10kg/ton 이하의 형석, 그리고 5 ~ 30kg/ton의 SiO₂ 성분의 물질을 첨가한다. Mn 및 기타 제품의 스펙에 맞는 합금철도 이때 일부분이 투입된다.

하지만, 종래의 고산소강 정련방법은 용강의 출강 중 래들로 투입되는 합금철의 실수율이 낮고, 용강의 산소농도를 고농도 상태로 유지시키기 어렵다는 문제점이 있었다.

합금철의 실시율이 낮은 이유를 설명하자면, 전로에서 정련이 끝난 용강은 용존산소의 농도가 수백 ppm 수준으로 매우 높은 상태인데, 여기에 Mn과 같은 합금철을 투입할 경우 상당량의 Mn이 산화되어 슬래그화 되기 때문이다.

또한, 용강의 산소농도를 고농도 상태로 유지시키기 어려운 이유를 설명하자면, 탄소를 탈가스 장치에서 수십 ppm 이하 수준으로 탈탄을 하려면 적어도 300 ~ 400ppm 이상의 산소농도가 필요하게 되고, 이를 촉진하기 위하여 통상적으로 산소취입(Oxygen Blowing)을 실시하여 인위적으로 산소농도를 높여 탈탄속도를 상승시켜야 한다. 이렇게 탈탄이 완료되면 Mn 농도를 보정하고 제품의 기계적 성질을 위하여 다른 합금철(Cr, V 등)을 투입한다. 하지만 이렇게 투입되는 합금철은 통상 Mn 보다도 산화력이 강하여 Mn보다 먼저 산화됨에 따라 산소농도가 저하되는 것이다.

그리고, 통상 2차 정련이 종료되는 시점의 산소농도는 통상 100 ~ 300ppm 수준을 요구하게 되나 각종 요인으로 인하여 산소농도가 목표치에 도달하지 못하였을 경우에는 산소 취입(Oxygen Blowing)을 실시하여 강제적으로 산소농도를 올리는 조업을 하지만 산소 취입은 합금성분 농도를 떨어뜨려 이를 보정하기 위해 처리시간이 길어지게 되어 생산성을 저하시키는 문제를 초래한다.

한편, 페로망간의 제조시에는 각 단계별로 MnO를 다량으로 포함하는 고탄소 페로망간 슬래그(FeMn slag), 실리카망간 슬래그(Si-Mn slag), 정련로 페로망간 슬래그(FeMn slag) 등이 발생하는데, 이중 고탄소 페로망간 슬래그(FeMn slag) 만이 합금철 제조시 자체 원료로 재활용되고, 나머지 슬래그는 폐기 처리되는 실정이다.

본 발명은 용강의 산소농도를 높게 유지하고, 용강에 투입되는 합금철의 수율을 향상시키는 플럭스 및 이를 이용한 고산소용 용강의 정련 방법에 관한 것이다.

특히, 본 발명은 고산소용 용강의 제조시 전로에서 출강되는 용강에 MnO를 함유하면서 슬래그의 용융점을 낮추는 플럭스를 투입함에 따라 슬래그 중 MnO의 함유량을 향상시켜 용강 중의 MnO 성분이 슬래그로 픽업되는 것을 억제시키는 플럭스 및 이를 이용한 고산소용 용강의 정련 방법에 관한 것이다.

본 발명의 일실시예에 따른 플럭스는 고산소강용 용강의 정련과정에 사용하는 플럭스로서, MnO, CaO 및 SiO₂를 주성분으로 함유하고, 염기도(CaO/SiO₂)가 0.5 ~ 4 인 것을 특징으로 한다.

상기 플럭스는 상기 MnO를 20wt% 이상 함유하는 것을 특징으로 한다.

상기 플럭스는 FeMn 합금철 제조공정에서 발생되는 슬래그를 포함한다.

본 발명의 일실시예에 따른 고산소용 용강의 정련 방법은 고산소강용 용강을 정련하는 방법으로서, 전로에서 정련된 용강을 래들로 출강하는 과정을 포함하고, 상기 출강 과정 중 MnO, CaO 및 SiO₂를 주성분으로 함유하는 플럭스를 투입하는 것을 특징으로 한다.

상기 플럭스는 MnO를 20% 이상 함유하고, 염기도(CaO/SiO₂)가 0.5 ~ 4인 것을 특징으로 한다.

상기 플럭스는 용강 톤당 2 ~ 20Kg을 투입하는 것을 특징으로 한다.

상기 출강 과정 중에는 상기 플럭스의 투입 이후에 Mn함유 합금철을 투입하는 것을 특징으로 한다.

상기 플럭스를 마련하는 과정을 더 포함하고, 상기 플럭스는 페로망간 합금철의 제조시 발생되는 슬래그를 이용하여 마련하는 것을 특징으로 한다.

상기 고산소용 용강은 총산소농도가 0.005% 이상인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 실시예에 따르면, 전로에서 정련된 용강을 래들로 출강시 MnO를 다량으로 함유하고 액상슬래그 형성을 유도하는 플럭스를 투입하여 슬래그 중의 MnO 함유량을 높게 유지함에 따라 슬래그와 용강과의 MnO 평형반응을 유도하여 Mn합금철의 수율을 향상시키고 적정한 산소 농도를 안정적으로 유지하게 하여 우수한 품질의 고산소강용 용강을 제조할 수 있다.

이에 따라 고산소강용 용강의 정련과정에서 산소농도를 높고 안정적으로 유지함에 따라 제품의 기계적 성질을 향상시키고, Mn 합금철의 사용량을 감소시켜 고산소강의 제조비용을 절감시킬 수 있다.

도 1은 CaO-SiO₂-MnO 3원계 평형상태도이고,
도 2는 MnO 함유 플럭스의 용해 특성을 보여주는 실험 결과이며,
도 3은 실시예와 비교예의 Mn함유 합금철의 투입량을 비교한 그래프이고,
도 4는 실시예와 비교예의 RH과정 재처리율을 비교한 그래프이며,
도 5는 실시예와 비교예에 따라 생산된 고산소강의 최종 산소 농도 평균을 비교한 그래프이다.

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

본 발명의 일실시예에 따른 고산소강용 용강의 정련 방법은 전로에서 정련된 용강을 래들로 출강하는 과정에서 이루어지는 플럭스의 투입 및 합금철의 투입에 관한 것이다.

본 발명에서 설명되는 고산소강용 용강은 총산소농도가 0.005% 이상인 것으로서, 바람직하게는 용강 중 총산소농도가 0.002 ~ 0.003% 이하의 일반적인 완전 탈산강보다 산소농도가 높은 강이 적용될 것이다.

전로에서 정련되는 고산소강용 용강은 래들로 출강되는 동안 MnO를 다량으로 함유하는 플럭스를 투입하여 슬래그 중의 MnO의 농도가 신속하게 포화상태에 가까운 상태가 되도록 한다. 그리고, MnO, CaO 및 SiO₂ 각 성분을 적절히 조절하여 투입된 플럭스의 액상화가 신속하게 이루어지도록 한다.

상기 플럭스는 MnO, CaO 및 SiO₂를 주성분으로 함유하는 플럭스로서, 상기 플럭스는 MnO을 20wt% 이상 함유하고, 염기도(CaO/SiO₂)가 0.5 ~ 4인 것이 바람직하다.

도 1은 CaO-SiO₂-MnO 3원계 평형상태도로서, CaO-SiO₂-MnO계의 액상선을 온도에 따라 표시한 상태도이다. 안쪽에서 바깥쪽으로 1400℃, 1500℃, 1600℃에서의 액상영역을 표시하였다. 정련공정에서 슬래그는 용강의 온도보다 약간 낮은 1400 ~ 1500℃를 유지하게 되는데 이런 경우 CaO/SiO₂의 비율에 따라 MnO의 함유량은 40 ~ 50%까지도 상승하게 된다.

도 2는 MnO 함유 플럭스의 용해 특성을 보여주는 실험 결과로서, MnO가 함유된 플럭스는 약 1250℃ 근처에서 녹기 시작하는 저융점 플럭스인 것을 확인할 수 있다.

상기와 같이 플럭스의 MnO, CaO 및 SiO₂의 함유량 및 비율을 제한하는 이유는 도 1에서 알 수 있듯이 제시된 조성의 범위에서 슬래그의 융점이 1500℃ 이하로 급격히 낮아지기 때문이다. 이렇게 슬래그의 융점을 낮춤에 의해 슬래그의 액상화를 유도하여 용강과의 빠른 평형을 유도하는 것이다.

상기 MnO의 상한값을 한정하지 않은 이유는 플럭스가 액상화되는 과정에서 MnO의 함량이 염기도(CaO/SiO₂)에 따라 다르지만, 일정 수준보다 많을 경우에 MnO는 고상으로 석출되어 고상의 슬래그로 용강의 탕면에 부상되기 때문이다.

상기 플럭스는 FeMn 합금철 제조공정에서 발생되는 부산물인 슬래그로서, 이러한 부산 슬래그는 MnO를 다량으로 함유하고, CaO와 SiO₂의 비율이 상기에서 제시된 비율을 만족한다.

FeMn 합금철 제조공정에서는 다양한 종류의 슬래그가 발생되는데 각 슬래그의 조성을 아래의 표 1에 표시하였다.

구 분	CaO	SiO2	MnO	Al2O3	S
고탄소 FeMn 부산Slag	15.7	21.6	41.9	11.3	0.6
Si-Mn 부산Slag	14.9	39.3	18.8	15.2	0.5
정련로 FeMn 부산Slag(분말)	31.9	26.8	31.1	1.4	0.03
정련로 FeMn 부산Slag(괴상)	28.1	29.9	34.1	1.1	0.02

상기 표 1에서 고탄소 FeMn 부산Slag는 Mn을 함유하는 철광석을 전기로에서 용융시킬 때 발생되는 슬래그이고, Si-Mn 부산Slag는 상기 고탄소 FeMn 부산Slag에 Si를 첨가하여 SiMn합금을 생산할 때 발생되는 슬래그이고, 상기 정련로 FeMn 부산Slag는 전기로에서 용융된 고탄소 FeMn 합금을 정련하는 과정에서 발생되는 슬래그이다.

표 1에서 알 수 있듯이 FeMn 합금철 제조공정에서 발생되는 각종 슬래그는 MnO를 다량을 포함하고, CaO와 SiO₂의 비율이 상기에서 제시된 비율을 만족하는 것을 확인할 수 있다. 특히 정련로 FeMn 부산Slag는 CaO와 SiO₂의 비율이 대략 1 정도이고, MnO의 함유량이 30% 이상으로서 본 발명의 실시예에서 제시하고 있는 플럭스의 조건에 충족하기 때문에 슬래그 재화촉진용 플럭스로 충분히 사용할 수 있다는 것을 확인할 수 있다. 그래서 본 발명에 사용되는 플럭스는 FeMn 합금철 제조공정에서 발생되는 슬래그를 그대로 사용하거나, 소정의 가공을 거쳐 마련할 수 있을 것이다.

그리고, FeMn 부산 슬래그의 실제 용융특성 측정결과에서도 MnO, CaO, SiO₂ 농도에 따라 플럭스의 용융점은 1250 ~ 1300℃를 보이는 것을 확인하였다.

상기 플럭스의 투입량은 용강의 출강 중에 용강 톤당 2 ~ 20Kg을 투입하는 것이 바람직하다. 플럭스를 래들에 투입할 때 투입량을 2 ~ 20 kg/ton-steel로 한정하는 이유는 제시된 투입량보다 플럭스의 투입량이 적을 경우에는 슬래그 중의 MnO 함유량을 높여서 용강과 슬래그의 평형반응을 유도하지 못하기 때문이다. 그리고, 제시된 투입량보다 플럭스의 투입량이 많은 경우에는 용강 전체의 온도를 하락시키기 때문이다.

이렇게 출강 중 용강에 투입된 플럭스가 액상화 되면서, MnO의 농도가 포화상태에 가까운 상태로 되었다면, 용강 중으로 Mn함유 합금철을 투입한다.

그러면, Mn함유 합금철에 함유된 Mn 성분이 용강 중의 산소와 반응하여 MnO를 생성하지만, 용강 중에 생성된 MnO는 슬래그 중의 MnO 농도가 이미 포화상태에 가깝기 때문에 용강 중에 생성된 MnO가 슬래그 중으로 픽업되는 것이 억제된다. 그래서, 용강 중에 Mn함유 합금철을 투입해서 생성된 MnO는 대부분 용강 중에 잔류하게 되고, 이에 따라 Mn함유 합금철의 실수율이 높아지고, 용강 중의 산소농도를 높게 유지하여 고산소강용 용강의 정련 조업이 가능하게 된다.

이렇게 산소성분의 조정이 안정된 상태로 유지된 용강은 진공탈가스 설비로 이송되어 용강의 탈가스처리와 성분의 미세 조정이 진행된 다음 최종적으로 주조 작업에 적합한 온도로 조정하기 위하여 교반된 다음 연속주조 설비로 제공된다.

이하, 본 발명에 따른 실시를 실 공정에 적용한 결과를 통하여 본 발명의 실시예를 보다 구체적으로 설명한다.

<실시예>

Mn의 목표농도가 1.0%이고, 최종 요구 산소농도가 200ppm인 고산소 쾌삭강 생산을 위하여 100톤 전로에서 출강한 용강에 MnO 농도가 약 35%이고 염기도(CaO/SiO₂)가 1 인 플럭스를 500kg을 투입한 후, 이어서 Mn함유 합금철을 1.25 ton 투입하였다. 출강 이후 진공탈가스 처리과정을 거쳐 다른 성분들을 조정하고 최종 산소농도 150 ~ 250ppm 수준을 유지하여 주조를 실시하였다.

그 결과, 총 8차지(Ch)중 평균 Mn의 수율은 84%(1.25톤 투입, 실적 1.05%)이었다.

또한, 총 8Ch 중 진공탈가스 처리과정에서 최종 산소농도가 낮아 성분조정을 위해 재처리를 실시한 경우는 1Ch로 재처리율이 13% 수준이었고, 재처리하지 않은 7Ch의 평균 최종 산소농도는 230ppm 이었다.

<비교예>

Mn의 목표농도가 1.0%이고, 최종 요구 산소농도가 200ppm인 고산소 쾌삭강 생산을 위하여 100톤 전로에서 출강한 용강에 B-Flux(주성분 CaO-SiO₂, 염기도 1 ~ 1.2) 500kg을 투입한 후 Mn함유 합금철을 1.5 ton 투입하였다. 출강 이후 진공탈가스 처리과정을 거쳐 다른 성분들을 조정하고 최종 산소농도 150 ~ 250ppm 수준을 유지하여 주조를 실시하였다.

그 결과 총 22Ch 중 평균 Mn 수율은 69%이었다.

또한, 총 22Ch 중 진공탈가스 처리과정에서 최종 산소농도가 낮아 성분조정을 위해 재처리를 실시한 경우는 7Ch로 재처리율이 32% 수준이었고, 재처리하지 않은 15Ch의 평균 최종 산소농도는 180 ppm 이었다.

상기의 실시예와 비교예에 따른 결과를 도면을 참조하여 설명하면 아래와 같다.

도 3은 실시예와 비교예의 Mn함유 합금철의 투입량을 비교한 그래프이고, 도 4는 실시예와 비교예의 진공탈가스 처리과정 재처리율을 비교한 그래프이며, 도 5는 실시예와 비교예에 따라 생산된 고산소강의 최종 산소 농도 평균을 비교한 그래프이다.

도 3을 참조하면 본 발명에 따른 실시예가 종래의 비교예에 비하여 Mn함유 합금철의 투입량이 절감된 것을 알 수 있다. 이는 본 발명이 Mn함유 합금철의 실수율을 향상시킬 수 있을 확인시켜준다.

도 4를 참조하면 본 발명에 따른 실시예가 종래의 비교예에 비하여 진공탈가스 처리과정의 재처리율이 절감된 것을 알 수 있다. 이는 본 발명이 용강 중의 산소 농도를 안정적으로 제어할 수 있음을 확인시켜준다.

도 5를 참조하면 본 발명에 따른 실시예가 종래의 비교예에 비하여 최종 산소 농도 평균이 상승된 것을 알 수 있다. 이는 본 발명이 용강 중의 산소 농도를 고농도 상태로 제어할 수 있음을 확인시켜준다.

따라서, 본 발명에 따르면 페로망간의 제조시에 발생되는 부산 슬래그를 고산소용 용강의 정련시에 사용되는 플럭스로 사용함에 따라 용강의 산소농도를 고농도 상태로 유지하면서 안정적인 정련조업을 실시할 수 있고, 정련 공정에서 소요되는 Mn함유 합금철의 실수율을 향상시켜 Mn함유 합금철의 사용을 절감할 수 있다. 이와 더불어 폐기 처리되는 슬래그를 재활용할 수 있어 자원의 낭비를 억제하는 효과를 얻을 수 있다.

본 발명을 첨부 도면과 전술된 바람직한 실시예를 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 (9)

1. 총 산소 농도가 0.005% 이상인 고산소강용 용강의 정련과정에 사용하는 플럭스로서,
   MnO, CaO 및 SiO₂를 함유하고, 염기도(CaO/SiO₂)가 0.5 ~ 4 이며,
   상기 플럭스는 FeMn 합금철 제조공정에서 발생되는 슬래그를 포함하는 플럭스.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 플럭스는 상기 MnO를 20wt% 이상 함유하는 플럭스.
   
3. 삭제
4. 고산소강용 용강을 정련하는 방법으로서,
   전로에서 정련된 용강을 래들로 출강하는 과정을 포함하고,
   상기 출강 과정 중 MnO, CaO 및 SiO₂를 함유하는 플럭스를 투입한 후 Mn함유 합금철을 투입하는 고산소용 용강의 정련 방법.
   
5. 총 산소 농도가 0.005% 이상인 고산소강용 용강을 정련하는 방법으로서,
   전로에서 정련된 용강을 래들로 출강하는 과정을 포함하고,
   상기 출강 과정 중 MnO, CaO 및 SiO₂를 함유하는 플럭스를 투입하는 고산소용 용강의 정련 방법.
   
6. 청구항 4 또는 청구항 5에 있어서,
   상기 플럭스는 용강 톤당 2 ~ 20Kg을 투입하는 고산소용 용강의 정련 방법.
   
7. 청구항 4 또는 청구항 5에 있어서,
   상기 플럭스는 MnO를 20% 이상 함유하고, 염기도(CaO/SiO₂)가 0.5 ~ 4인 고산소용 용강의 정련 방법.
   
8. 청구항 4 또는 청구항 5에 있어서,
   상기 플럭스를 마련하는 과정을 더 포함하고,
   상기 플럭스는 페로망간 합금철의 제조시 발생되는 슬래그를 이용하여 마련하는 고산소용 용강의 정련 방법.
   
9. 청구항 4에 있어서,
   상기 고산소용 용강은 총산소농도가 0.005% 이상인 고산소용 용강의 정련 방법.
   

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