KR101356767B1

KR101356767B1 - 철계 분말의 제조방법

Info

Publication number: KR101356767B1
Application number: KR1020110093128A
Authority: KR
Inventors: 김하늘; 이언식; 권오준; 박선종; 강희수
Original assignee: 재단법인 포항산업과학연구원; 주식회사 포스코
Priority date: 2010-09-15
Filing date: 2011-09-15
Publication date: 2014-01-28
Also published as: WO2012036488A2; US9156090B2; CN103209791B; US20130180360A1; JP2013540897A; EP2617503A4; EP2617503B1; WO2012036488A3; CN103209791A; JP6249774B2; KR20120028854A; EP2617503A2

Abstract

용강을 이용한 철계 분말의 제조방법이 개시된다. 본 발명에 의한 철계 분말의 제조방법은 제선공정 및 제강공정을 통해 제조된 철계 용강을 턴디쉬에 제공하는 단계, 및 상기 턴디쉬에 연결된 노즐을 통해 배출되는 상기 용강에 수분사하는 단계를 포함한다. 본 발명을 적용함으로써 제선공정에서 출선된 용선을 용선예비처리 과정없이 전로에 장입한 후 정련시킨 용강으로부터 철계 분말을 제조함으로써 경제적으로 고청정도의 철계 분말을 제공할 수 있다.

Description

철계 분말의 제조방법{METHOD FOR MANUFACTURING IRON-BASED POWDERS}

본 발명은 철계 분말의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 제선공정 및 제강공정을 통하여 얻은 용강을 이용한 철계 분말의 제조방법에 관한 것이다.

최근 자동차 및 기계에 필요한 복잡한 형상을 가지는 소결용 부품산업의 발전으로 그 원료로 사용되는 철계 분말의 사용량이 급증하고 있다.

소결용 부품은 원료인 철계 분말을 목적에 맞는 제조 제품의 형상을 가진 금형 내부에 충진시킨 후 4~7 ton/cm² 의 고압을 가하여 압축 성형하고, 물리적 및 기계적 특성을 부여하기 위해 고온에서 소결처리를 하여 고밀도의 소결체를 얻는 과정을 거치게 된다.

특히 자동차용 소결 부품 제조를 위해서는 분말 자체가 적정 입도, 유동도, 겉보기 밀도, 성형밀도, 고청정도 등의 고밀도 소결체를 제조할 수 있도록 우수한 품질을 갖추어야 한다.

수분사 공정을 통해 제조된 철분은 환원 철분과는 달리 환원 공정시 분말 내부에서 산화물이 환원된 자리에 기공이 잔존하는 현상이 없어 내부 기공이 거의 존재하지 않으므로, 동일한 압력을 가했을 때의 성형밀도가 환원 철분에 비해 0.5g/cm3 이상 높은 값을 나타내기 때문에 고밀도 소결 부품 제조에 적합한 것으로 알려져 있다.

또한, 철계 분말 제조시에는 성형성에 악영향을 미치는 탄소(C), 산소(O), 질소(N), 황(S), 인(P) 등 불순물의 최소화를 통해 철계 분말의 고청정도를 유지하는 것이 매우 중요하다.

고청정, 높은 성형 밀도 등의 우수한 품질과 더불어 철계 분말에 있어서 또 하나 요구되는 중요한 요건은 제조 공정의 경제성이다.

종래에는 고철을 아크 전기로에서 재용해하여 탈탄, 탈린 등의 산소취련을 비롯한 정련 공정을 거쳐 용강화시킨 후, 수분사 공정에 의해 철계 분말을 제조하였다.

그러나, 종래기술은 불순물 함량이 각기 다른 고철을 재활용하므로,용강의 성분을 일정하게 유지하는데 많은 시간과 비용이 소요되었다.

또한, 일반적으로 수분사되는 용강의 표면장력이 높기 때문에 수분사 공정에서 용강이 분말화될 때 분말의 형상이 구형화되는 경향이 나타나 분말을 성형할 때 성형체의 성형강도가 낮아져 이송 중에 성형체에 원치않는 파손이 일어나는 문제가 있다.

본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 제선공정 및 제강공정을 통해 제조된 철계 용강을 턴디쉬에 제공하고 상기 턴디쉬에 연결된 노즐을 통해 배출되는 상기 용강에 수분사하여 철계 분말을 제조하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 철계 분말의 제조방법은 제선공정 및 제강공정을 통해 제조된 철계 용강을 턴디쉬에 제공하는 단계, 및 상기 턴디쉬에 연결된 노즐을 통해 배출되는 상기 용강에 수분사하는 단계를 포함한다.

상기 제강공정은 상기 제선공정에서 출선된 용선을 용선예비처리 없이 전로에 장입하여 정련할 수 있다.

상기 전로에 장입 전 상기 용선의 온도범위는 1,250℃~1,450℃, 황(S)의 함량은 0.005wt%~0.1wt% 일 수 있다.

상기 철계 분말의 제조방법은 상기 턴디쉬에 제공되기 전 상기 용강에 포함된 황(S)의 함량이 0.1wt%~0.2wt%가 되도록 상기 용강에 황함유 물질을 첨가하는 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 제강공정에 의해 정련된 용강은 탄소(C) 함량이 0.001wt%~0.1wt%, 인(P)의 함량이 0.001wt%~0.02wt% 일 수 있다.

상기 철계 분말의 제조방법은 상기 수분사에 의해 제조된 철계 분말을 탈수, 건조 및 환원열처리하는 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 환원열처리는 상기 수분사에 의해 액적으로 분리되어 냉각된 철계 분말을 600℃~1,200℃의 환원성 분위기에서 반응시킴으로써 이루어질 수 있다.

상기 환원열처리 후 상기 철계 분말의 황(S)의 평균함량이 0.01wt% 를 초과하는 경우, 상기 환원열처리를 반복하여 수행할 수 있다.

상기한 바와 같은, 본 발명에 의한 철계 분말의 제조방법에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.

본 발명은 스크랩을 재용해하는 것과는 달리 액체상태인 용선을 제강처리를 거쳐 직접 철계 분말을 제조함으로써, 우수한 품질의 분말의 제공 및 제조원가 절감을 달성할 수 있다. 이에 의해, 상기 철계 분말을 활용하는 자동차 및 기계 관련 부품 산업의 기술 및 가격 경쟁력 향상에 크게 기여할 수 있다.

또한, 고철 재용해에 필요한 에너지 절약이 가능하여 CO₂ 배출을 저감할 수 있다.

또한, 황이 일정량 함유된 용선을 제강공정에서 정련한 용강으로부터 분말을 제조함으로써 수분사 공정에 의해 분말화된 철계 분말의 성형강도를 증가시킬 수 있다.

도 1은 본 발명에 일 실시예에 의한 용강을 이용한 철계 분말 제조방법의 공정을 나타낸 도면이다.
도 2는 턴디쉬에 연결된 노즐에서 배출되는 용강에 수분사하는 공정을 나타낸 도면이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 용강을 이용한 철계 분말의 제조방법에 대하여 설명하기로 한다. 참고로 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 용강을 이용한 철계 분말의 제조공정을 개략적으로 나타낸 공정도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 의한 철계 분말의 제조방법은 제선공정 및 제강공정을 통해 제조된 철계 용강을 턴디쉬에 제공하는 단계, 및 상기 턴디쉬에 연결된 노즐을 통해 배출되는 상기 용강에 수분사하는 단계를 포함한다.

본 발명은 제선공정에서 제조된 용선을 철계 분말 제조원료로 사용하는 것을 특징으로 한다. 상기 제선공정은 일반적인 제선 설비인 고로 또는 파이넥스 용융환원공정을 포함하며 용선을 1,500~1,600^oC 범위에서 출선하여 용선운반차에 투입한 후, 전로에 장입한다.

상기 출선된 용선의 주요성분의 함량은 탄소(C) 4wt% 이상, 실리콘(Si) 0.1 ~ 1wt%, 망간(Mn) 0.1 ~0.5wt%, 인(P) 0.06 ~ 0.2wt%, 황(S) 0.005 ~ 0.1wt%, 크롬(Cr) 0.1wt% 이하, 티타늄(Ti) 0.1wt% 이하, 바나듐(V) 0.1wt% 이하, 구리(Cu) 0.01% 이하일 수 있다.

상기 황(S) 성분이 0.005~0.1wt%인 용선을 1250^oC~1450^oC 범위에서 전로에 장입한다.

본원발명과는 달리, 일반적으로 슬라브 등을 제조하는 연속 주조공정에서는 용선을 전로에 장입하기 전 레이들(ladle)에 용선을 투입하여 용선예비처리과정(예를 들어, 탈황처리)에 의해 황을 0.005wt% 이하로 제어하는 데, 이러한 공정은 약 45분이 소요되며, 용선 온도가 최대 50^oC 까지 하락하게 된다.

탈황처리는 레이들에 장입된 용선에 생석회 등을 첨가한 후 교반시킴으로써 용선중에 포함된 황 성분을 제거하는 공정을 말한다.

제강공정은 제선공정에 의해 출선된 용선에 포함된 탄소, 규소, 망간, 인, 황과 같은 불순물을 정련하여 탄소 함량을 낮추고 불순물을 제거하는 공정을 말하며 전로 등이 사용될 수 있다.

본원발명에서는 일반적인 제강공정에서 거치게 되는 용선예비처리공정을 필요로 하지 않는다. 즉, 용선에 함유된 황을 예비처리과정에서 제거하지 않아도 되기 때문에 상기와 같은 온도하락을 방지할 수 있으며 공정시간을 단축시킬 수 있다.

상기 황을 제거하는 공정은 용선예비처리 공정 이외에도 상기 제강공정의 전로에서도 이루어질 수도 있다.

상기 황은 용강의 표면장력을 감소시킴으로써 후술할 수분사 공정에서 용강이 분말화될 때 분말의 형상을 비구형의 불규칙한 형상을 갖도록 하는 역할을 한다.

이어서, 상기 철계 분말의 제조방법은 상기 턴디쉬에 공급되기 전의 용강에 포함된 황(S)의 함량이 0.1wt%~0.2wt% 가 되도록 상기 용강에 황함유 물질을 첨가하는 단계를 추가적으로 포함할 수 있다.

상기 용강내의 황의 함량을 증가시키는 물질을 첨가함으로써 용강의 점도를 감소(용강의 유동성은 증가)시켜 후술할 수분사시, 즉 낙하하는 용강에 고압수를 분사하는 공정에 의하여 제조된 분말의 형상이 구형이 아닌 불규칙한 형상을 갖도록 하여 분말을 압축·형성할 때 성형체의 성형강도를 증가시킬 수 있다.

상기 황의 함량을 증가시킬 수 있는 물질은 페로황(FeS) 등의 황을함유하는 합금철이 사용될 수 있으며 상기 합금철은 정련된 용강을 레이들에 담아 턴디쉬에 공급하기 전에 상기 레이들에 첨가될 수 있다.

상기 제강공정에서는 상기 제선공정에서 출선된 용선을 상기 전로에서 30~60분 산화반응을 통해 함유성분 중 탄소(C) 0.001~0.1wt%, 인(P) 0.001 wt%~0.02wt% 범위인 용강으로 정련시키게 된다.

이 경우, 용강의 성분 중 탄소함량을 0.001~0.1wt%로 유지시키는 이유는 용강을 수분사하여 분말화 할 때 탄소(C) 함량이 0.001wt%보다 낮으면 수분사 직후 분말의 표면에 FeO 산화층이 5~15㎛ 정도 발생하여 후속하는 환원열처리 공정에서 소요시간, 환원가스 소비량이 많아져 생산성 이 저하되며 제조원가가 상승되기 때문이다.

한편, 탄소(C)함량이 0.1wt% 보다 높으면 환원열처리 공정을 거쳐도 분말내 탄소의 제거가 완전히 되지 않아 탄화물을 형성하게 되어 분말의 경도값 상승으로 분말의 성형성을 저하시키게 되기 때문이다.

한편, 용강의 성분 중 인(P)의 함량을 0.001~0.02wt%으로 유지시키는 이유는 인의 성분이 0.001wt% 수준으로 낮게 되기 위해서는 복재법(double-slag method)을 이용해 산화반응시간이 더 필요하기 때문에 전로 공정이 더 길어지게 되며, 0.02wt% 보다 높게 되면 최종 제품에 취성이 나타나게 되어 제품 수명이 저하되는 단점이 있기 때문이다.

상기 전로에서 산화반응을 거친 용강은 1550^oC~1750^oC 온도 범위에서 레이들로 출강시키며, 상기 레이들에서 1530^oC~1700^oC 온도의 용강을 100kg/min~3ton/min 의 토출속도로 레이들 하부의 턴디쉬에 출탕하고, 턴디쉬 하부에 위치한 내경 10mm~40mm인 원형의 세라믹 오리피스(노즐)를 통해 용강을 하부의 수분사공정 챔버 내로 낙하시킨다.

상기 레이들에서 용강이 1530 ^oC 미만이 되면 용강이 응고되어 공정이 더 이상 진행될 수 없으며, 1700 ^oC를 초과하게 되면 레이들 내화물, 턴디쉬 내화물에 과부하를 주어 조업이 매우 위험해 질 수 있다.

용강 토출속도가 100kg/min 보다 낮으면 생산성이 떨어져 원가상승의 요인이 될 뿐만 아니라, 10톤 이상의 용강을 처리하기에 매우 힘들며, 용강 토출속도가 3ton/min 보다 크면 수분사 및 냉각을 위한 물의 총량이 많이 필요하기 때문에 전체적으로 장치의 규모가 기하급수적으로 증가하게 되어 투자비가 과도하게 들어가게 된다.

도 2는 턴디쉬에 연결된 노즐을 통해 배출되는 철계 용강에 고압의 물을 분사하여 철계 분말을 제조하는 공정을 개략적으로 나타낸 도면이다.

상기 수분사는 종래의 철계 분말 제조법에 사용되는 장치를 사용할 수 있다.

상기 세라믹 오리피스(노즐)를 통해 수분사공정 챔버로 유입되는 용강이 상기 챔버 상부에 위치한 고압수를 분사하는 노즐을 통해 50~300bar의 압력으로 분사된 물과의 충돌로 인해 500㎛ 크기 이하인 액적으로 분리되며, 이 액적은 상기 챔버 내부에 20~80% 채워져있는 냉각수 및 상기 분사된 물에 의해 급냉되어 150㎛ (100mesh) 크기 이하의 비율이 80~95% 수준으로 분말화된다.

이때 고온에서 물과 철이 직접 접촉하기 때문에 표면은 산화층으로 덮이게 된다.

상기 고압수의 압력이 50bar보다 낮으면 분말 표면조도가 낮아지며 150m 이하의 분말을 80% 이상 얻을 수 없으며, 압력이 300bar 이상이면 분말의 평균입도가 작아져 원하는 크기범위의(100mesh 이하 분말이 80% 이상 95% 이하) 분말을 얻을 수 없어 수율이 낮아지게 된다.

상기 분말을 챔버내의 공정수 및 냉각수와 분리한 후 탈수처리 및 건조처리를 거쳐 함수량이 0.1wt% 로 되도록 건조 한 후 수소를 비롯한 환원성 기체를 흘려주면서 600~1,200^oC 온도에서 산소함량 0.2wt% 이하로 열처리해준다.

상기 환원열처리에 의해 상기 철계 분말의 황(S)의 평균함량이 0.01wt% 이하가 되도록 관리한다. 상기 환원열처리에 의해 상기 철계 분말의 황의 평균함량이 0.01wt%를 초과하는 경우, 상기 환원열처리를 반복적으로 수행한다.

이후 분말을 분쇄공정, 분급공정, 혼합공정을 거쳐 평균크기가 50~100㎛ 이고 45㎛ 크기 이하의 비율이 40% 이하, 150㎛ 크기 이하의 비율이 80~95% 범위로 제어한다.

수분사 공정 직후 분말의 입도분포 중 100mesh 이하가 80~95%로 되어야 후속 공정에서 손실되는 분말의 양이 최소화 되어 분말수율을 높일수가 있다.

80% 이하가 되면 100mesh 보다 큰 분말이 20%를 초과하게 되어 분말수율이 80% 밑으로 떨어져 큰 분말을 스크랩 처리를 하거나 하는 불필요한 작업을 해야하므로 바람직하지 못하며 분말수율이 95% 이상으로 높아지면 평균입도가 50㎛ 수준으로 낮아지게 되고, -325mesh 분말의 비율이 40% 를 초과하게 되어 분말 유동성이 나빠져 (30sec/50g 이상), 성형공정시 금형내에 분말 장입속도가 낮아져 생산성이 나빠지며, 유동성 저하로 인한 성형체 내부 밀도불균일 영역이 발생하게 된다.

또한 동일밀도 성형체에 대한 필요 성형압이 높아져서 금형에 반복적인 높은 압력이 가해져 금형수명이 저하되게 된다.

이하, 실시예를 통해 본 발명에 의한 용강을 이용한 철계 분말의 제조방법에 대하여 상세히 설명한다. 단 하기의 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기의 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.

<실시예 1>

고로에서 제조된 용선을 용선예비처리를 거치지 않고 전로에서 제강처리 후 용강을 턴디쉬에 옮긴 후 고압의 수분사 장치를 이용하여 철계 분말을 제조하였다.

상기 용강은 제선공정을 통해 제조된 탄소함량이 높은 용선의 성분을 제어한 것으로 용강 상태에서 성분을 제어하기 위한 공정으로 전로에서 산화정련 공정을 적용하였다.

본 발명을 적용함으로써 발생 가능한 원가절감 효과를 구체적으로 산출하기 위하여 본 발명에 의한 철계 용강을 이용한 철계 분말과 종래 기술에 의한 고철을 아크로에서 재용해하여 철계 분말을 제조하였다.

고로에서 제조된 용선을 전로에 투입하여 전로에서 탄소, 실리콘, 인 등의 성분을 산화 정련하여 용강을 얻은 후 턴디쉬에 장입한 후 노즐을 통해 용강을 낙하시키면서 고압의 수분사 장치를 이용하여 철계 분말을 제조하여 그에 따른 공정별 비용 및 총 비용을 산출하여 표 1에 나타내었다.

또한, 고철을 재용해 한 뒤 전기로에서 제강공정을 거처 얻은 용강을 이용해 고압의 수분사 공정을 통해 철계 분말을 제조하여 공정별 비용 및 총 비용을 표 1에 비교자료로 나타내었다.

실질적으로 본 발명에서 제시하는 용강을 직접 원재료로 사용한 경우를 기존의 고철 재용해 공정과 비교할 때, 연속주조 공정 및 재용해 공정 소요시간, 진공 탈기 처리시 추가로 소모되는 에너지 등의 부가적인 원가절감 효과도 매우 클 것으로 예상된다.

비용요인	원료	용해 및 제강			분말제조	합계
종래의 공정	저탄수 청정고철	전기로제강		3.6만원/톤	수분사 및 후처리	53.6만원/톤
비용	45만원/톤	3.6만원/톤			5만원/톤	53.6만원/톤
본발명예	용선	전로	2.4만원/톤		수분사 및 후처리	37.4만원/톤
비용	30만원/톤	2.4만원/톤			5만원/톤	37.4만원/톤

상기 표 1에 나타난 바와 같이 본 발명에 따른 용강을 이용하여 1톤의 철계 분말을 제조할 경우, 종래의 공정에 비하여 약 16.2 만원/톤의 원가 절감효과를 기대할 수 있다.

또한, 용강의 직접이용으로 인한 냉각 및 재용해 공정이 생략됨에 따라 각각의 공정으로부터 유입 가능한 산화물, 탄화물, 편석, 불균질 조성 등의 여러 문제점 또한 제어 가능하므로 철계 분말의 품질 고청정화에도 효과가 클 것으로 예상된다.

또한, 본 발명을 적용함으로써 제조된 철계 분말의 용강의 직접 사용으로 불순물이 억제된 고청정화 효과를 기존 공정을 이용하여 제조된 상용 철계 분말과 비교하였다.

비교 분석하는 불순물 항목은 성형성에 큰 영향을 미치는 탄소, 산소, 질소, 황, 인, 실리콘 등의 항목을 중점적으로 분석하였으며, 종래의 공정을 이용하여 제조된 철계 분말(비교예 1, 비교예 2, 비교예 3)과 비교하였다.

구분	탄소(wt%)	산소 (wt%)	질소 (wt%)	황 (wt%)	인 (wt%)	실리콘(wt%)
비교예 1	0.001	0.094	0.0097	0.0065	0.0055	0.0088
비교예 2	0.002	0.16	0.008	0.0033	0.011	0.019
비교예 3	0.0016	0.15	0.0067	0.0065	0.0058	0.024
실시예 1	0.001	0.1	0.006	0.003	0.005	0.008

상기 표 2에 나타난 바와 같이 본 발명에 따른 용강을 이용하여 철계 분말(실시예 1)을 제조할 경우, 종래의 공정에 의해 제조된 분말(비교예 1, 비교예 2, 비교예 3)의 불순물 성분 함유량에 비해 모든 불순물 성분에서 최소 수준에 준하거나 그보다 적은 양을 함유하는 고청정도의 철계 분말을 얻었음을 알 수 있다.

특히, 성형성에 크게 영향을 주는 것으로 알려져 있는 탄소, 산소, 질소 등의 기체 불순물 함유량이 본 발명예의 경우 종래 기술에 의한 분말의 최소 수준으로, 고밀도 소결 부품 제조시에 큰 효과가 기대된다.

상기 효과를 검증하기 위하여 종래 기술에 의한 분말과 본 발명에의한 철계 분말을 윤활제와 혼합하여 실린더형 금형을 이용하여 압축 성형성을 평가하였다. 성형성 평가는 600 MPa 의 압력 하에서 3회 이상 실시하였으며, 성형체의 밀도를 측정하여 분말간의 성형성 비교를 실시하였다.

구분	성형체 1	성형체 2	성형체 3	평균
비교예 1	7.06	7.05	7.08	7.06±0.02
비교예 2	6.98	7.00	6.97	6.98±0.02
비교예 3	7.01	6.95	7.00	6.99±0.03
실시예 1	7.11	7.15	7.10	7.12±0.03

상기 표 3에 나타난 바와 같이 본 발명으로부터 제조된 철계 분말 성형체의 밀도는 종래 기술에 의해 제조된 분말 성형체의 밀도보다 0.06 ~ 0.14 g/cm³ 까지 높아지는 우수한 성형성을 나타냄을 알 수 있다.

성형성이 우수한 분말을 이용해 소결용 부품 제조시에 수축율이 작기 때문에 불량률을 낮출 수 있고 내부의 기공도도 낮출 수 있어 고인성 장수명 부품 제조가 가능한 효과를 기대할 수 있다.

<실시예2>

본 발명을 적용함으로써 발생 가능한 철 분말의 품질 개선 효과를 구체적으로 산출하기 위하여 5가지 시편을 제조하였다. 시편 5가지는 다음과 같다.

첫번째는 고로에서 제조된 용선을 탈황처리를 하지 않고, 전로에서 제강 공정을 거쳐 용강을 얻은 후 목표 온도에서 레이들로 출강하고, 턴디쉬 하부의 오리피스를 통해 낙하하는 용강에 고압의 물을 분사하여 철 분말을 제조하였으며, 탈수 및 건조과정을 거친 분말에 대해 환원열처리를 실시하였다. (실시예 2, 용강내 황 0.05 wt%)

두번째는 고로에서 제조된 용선을 탈황처리를 하지 않고, 전로에서 제강 공정을 거쳐 용강을 얻은 후 황 성분을 포함한 합금철을 투입한 후 고압수를 분사하여 분말을 얻어 동일한 후공정을 거쳤다. (실시예 3, 용강내 황 0.2 wt%)

세번째는 상기 실시예 2에 대해 추가적으로 탈황 처리를 하였다. (실시예 4)

네번째는 상기 실시예 3에 대해 추가적으로 탈황처리를 실시하였다. (실시예5)

다섯번째는 비교예로 활용하기 위해 선별된 스크랩을 아크 전기로에서 재용해하여 레이들에 출강하고, 턴디쉬 하부 오리피스를 통해 낙하하는 용강에 고압 수분사, 탈수, 건조, 환원열처리 공정을 거쳐서 철 분말을 제조하였다. (비교예 2, 용강내 황 0.01wt%)

아래의 표 4는 5가지 샘플의 철 분말의 성분을 나타낸 것이다. 5가지 샘플의 전체적인 성분이 비슷하도록 용강을 제조한 상태이기 때문에 모두 비슷한 성분치를 나타내지만, 실시예 3의 경우 용강에 황을 함유한 합금철을 첨가하였기 때문에 황 성분이 다른 분말에 비해 약간 높게 나타남을 알 수 있다.

또한, 비교예 2의 경우 용강에 따로 황성분을 첨가하지 않았기 때문에 분말에 황 성분이 가장 낮게 나타났다.

구분	탄소(wt%)	산소(wt%)	질소 (wt%)	황(wt%)	인(wt%)	실리콘(wt%)
실시예 2	0.002	0.147	0.0067	0.0065	0.0084	0.0078
실시예 3	0.002	0.150	0.0070	0.0110	0.0091	0.0083
실시예 4	0.002	0.151	0.0062	0.0035	0.0087	0.0085
실시예 5	0.002	0.150	0.0067	0.0058	0.0082	0.0079
비교예 2	0.002	0.146	0.0068	0.0015	0.0090	0.0079

5가지 철 분말에 대해 통상적으로 분말 특성을 평가하는 기준이 되는 겉보기밀도, 유동도, 성형밀도(at 600MPa), 성형강도(at 7.1g/cm3)를 평가하여 표 2에 나타내었다.

겉보기밀도의 경우, 비교예 2가 가장 높게 나타났는데, 이는 용강 내에 황 함유량이 낮기 때문에 다른 4개의 샘플에 비해 분말의 형상이 구형에 가깝기 때문에 그런 것으로 판단된다. 같은 이유로 인해 유동도 또한 비교예 2가 가장 낮게 나타났다.

성형밀도의 경우 600MPa 압력을 가할 때 모두 비슷한 값을 나타냈으나, 성형강도에서 비교예 2가 가장 낮은 값을 나타내었는데, 분말의 형상이 구형에 가깝기 때문에 분말끼리의 결합력이 떨어지기 때문인 것으로 판단된다.

성형강도값은 용강에 황성분을 추가로 첨가해 준 실시예 3, 실시예5에서 높게 나타났으며, 이는 황의 첨가로 인해 용강의 점성이 낮아졌기 때문에 두 분말의 경우 보다 불규칙한 입자 형태를 가지기 때문으로 판단된다.

일반적으로 상용분말의 경우 성형강도가 30~40MPa를 나타내기 때문에 본 5가지 샘플 중 본 발명예인 실시예 2~5 까지의 경우는 성형강도가 상용분말 수준과 비슷하거나 그 이상의 값을 나타냄을 알 수 있으며, 비교예 2는 값이 많이 떨어짐을 알 수 있다.

구분	겉보기밀도 (g/cm3)	유동도 (sec/50g)	성형밀도 (g/cm3)	성형강도 (MPa)
실시예 2	3.01	27.8	7.02	36
실시예 3	2.97	28.9	7.01	43
실시예 4	3.00	26.7	7.03	35
실시예 5	2.99	27.9	7.05	41
비교예 2	3.15	25.3	7.10	18

상기 표 5에 나타난 바와 같이 본 발명으로부터 용선에서 제조된 철 분말 성형체의 성형강도는 스크랩 재용해에 의해 제조된 분말 성형체의 강도에 비해 2배 이상 높은 값을 나타냄을 알 수 있다.

이는 동일한 분말 제조 조건(수분사 공정, 환원 공정)하에서 분말을 제조할 때, 스크랩을 재용해하여 용강을 얻는 경우에 황 성분이 낮으면 성형강도가 낮아져 성형체를 이송할 때 파괴가 일어날 우려가 있게 된다.

이 때문에, 스크랩 재용해시 성형강도가 높은 철 분말을 얻기 위해서는 따로 황 성분을 추가로 용해에 투입해 주어야 함을 알 수 있으며, 이는 공정원가를 높이게 되는 원인이 된다.

반면, 용선에 함유되어 있는 0.05wt% 의 황 성분을 따로 제거하지 않고 수분사 공정에 적용하면 황 성분을 따로 첨가하지 않아도 상용분말에 준하는 성형강도 및 제반 물성을 얻을 수 있다.

종래 기술의 경우, 철계 분말의 제조시 용강을 연속주조 공정을 거쳐서 나오는 고철(자기발생 고철) 또는 일반적인 고철을 아크 용해로 등에서 재용해시켜 사용하는 경우 용융 과정에서 대기 중의 산소, 질소 등이 유입될 수 있고, 슬래그 등의 불순물을 제어해야 하며, 진공 탈기 및 2차 정련 공정을 다시 거쳐야 할 수도 있다.

반면에, 본원발명의 경우와 같이 직접 제선공정에서 출선된 용선을정련한 용강을 이용하는 경우는 재용해, 탈기 및 2차 정련 공정 생략이 가능하여 공정 단축으로 인한 원가절감을 이룰 수 있을 뿐만 아니라, 진공 탈기 처리된 용강을 직접 이용할 수 있어서 불순물 제거 및 고청정도 철계 분말 제조가 용이할 수 있다.

또한, 본원발명은 종래기술과 같이 스크랩을 활용하는 기술이 아니므로 황 성분이 포함된 합금철을 일정량 첨가하여 용강내 황 함량을 적정 범위로 조정해 주어야 할 필요가 없으며 합금철 투입과정에서 발생하는 온도손실을 보완하기 위하여 추가 승온 공정을 필요로 하지 않는다.

본원발명은 고철의 재용해 및 합금철 첨가 과정을 거치지 않고 황 성분을 일정량 포함하고 있는 용선을 활용하므로 종래기술에 비해 매우 경제적으로 철계 분말을 제조할 수 있다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변경된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims

철계 분말의 제조방법에 있어서,
제선공정 또는 제강공정을 통해 제조된 철계 용강을 턴디쉬에 제공하는 단계; 및
상기 턴디쉬에 연결된 노즐을 통해 배출되는 상기 용강에 수분사하는 단계를 포함하고,
상기 제강공정은 상기 제선공정에서 출선된 용선을 용선예비처리 없이 전로에 장입하여 정련하는 것을 특징으로 하고,
상기 전로에 장입 전 상기 용선의 온도범위는 1,250℃~1,450℃, 황(S)의 함량은 0.005wt%~0.1wt% 이고,
상기 턴디쉬에 제공되기 전 상기 용강에 포함된 황(S)의 함량이 0.1wt%~0.2wt%가 되도록 상기 용강에 황함유 물질을 첨가하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 철계 분말의 제조방법.
삭제
제 1 항에 있어서,
상기 제강공정에 의해 정련된 용강은 탄소(C) 함량이 0.001wt%~0.1wt%, 인(P)의 함량이 0.001wt%~0.02wt% 인 것을 특징으로 하는 철계 분말의 제조방법.
삭제
삭제
제 1 항에 있어서,
상기 수분사에 의해 제조된 철계 분말을 탈수, 건조 및 환원열처리하는 단계를 더 포함하는 철계 분말의 제조방법.
제 6 항에 있어서,
상기 환원열처리는 상기 수분사에 의해 액적으로 분리되어 냉각된 철계 분말을 600℃~1,200℃의 환원성 분위기에서 반응시킴으로써 이루어지는 것을 특징으로 하는 철계 분말의 제조방법.
제 7 항에 있어서,
상기 환원열처리 후 상기 철계 분말의 황(S)의 평균함량이 0.01wt% 를 초과하는 경우, 상기 환원열처리를 반복하여 수행하는 것을 특징으로 하는 철계 분말의 제조방법.