KR101387336B1 - 티타늄 함유 오스테나이트계 스테인리스강의 용강 정련방법 - Google Patents

티타늄 함유 오스테나이트계 스테인리스강의 용강 정련방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 VOD(Vaccum Oxygen Decarburization)을 이용하여 Ti이 함유된 오스테나이트계 스테인리스강을 생산할 수 있도록 하는 티타늄 함유 오스테나이트계 스테인리스강의 용강 정련방법에 관한 것으로서, 본 발명의 일 실시형태에 따른 티타늄 함유 오스테나이트계 스테인리스강의 용강 정련방법은 Ti이 함유되는 오스테나이트계 스테인리스강의 용강을 정련하는 방법으로서, 용강이 장입된 정련로에 산소와 불활성 가스를 취입하면서 탈탄을 실시하여 1차로 탄소 농도를 조정하는 준비단계와; 1차로 탄소 농도가 조정된 용강이 장입된 래들을 진공정련설비에 장착한 후 진공 중에서 상기 래들에 산소와 불활성 가스를 취입하면서 탈탄을 실시하여 탄소의 목표농도까지 2차로 탄소 농도를 조정하는 진공 탈탄단계와; 진공 중에서 용강을 교반하면서 상기 래들에 부원료와 탈산제를 투입하여 탈류와 탈산을 실시하는 진공 환원탈류단계를 포함하고, 상기 진공 환원탈류단계에서 투입되는 부원료는 Ti가 함유된 합금철을 포함하여 용강의 Ti의 목표농도를 달성하는 것을 특징으로 한다.

Description

티타늄 함유 오스테나이트계 스테인리스강의 용강 정련방법{METHOD FOR REFINING AUSTENITIC STAINLESS STEEL HAVING Ti}
본 발명은 티타늄 함유 오스테나이트계 스테인리스강의 용강 정련방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 VOD(Vaccum Oxygen Decarburization)을 이용하여 Ti이 함유된 오스테나이트계 스테인리스강을 생산할 수 있도록 하는 티타늄 함유 오스테나이트계 스테인리스강의 용강 정련방법에 관한 것이다.
일반적으로 오스테나이트계 스테인리스강은 내식성이 우수하고, 비자성으로 주방용기, 중화학공업 및 건물 내외장재 등에 다양하게 사용되고 있다.
일반적인 스테인리스강의 정련 방법에 대해서는 "오스테나이트계 스테인리스강의 고정청 정련 방법(등록특허 10-0844794)", "스테인리스 강의 용강정련방법(등록특허 10-0947434)" 등에서 구체적으로 공지되어 있다.
일반적인 오스테나이트계 스테인리스강은 전기로 공정에서 생산된 용탕을 이용하여 생산하게 되는데, 전기로 공정에서 생산된 용탕은 탄소 함유량이 많고 상당량의 규소, 황과 같은 불순물이 함유되어 있어 경도가 높고 취약한 성질을 가진다. 이러한 용탕을 잘 늘어나면서 강인한 강으로 만들려면 정련 공정을 통하여 탄소의 양을 줄이고 불순물을 제거하여야 하는데, 이러한 공정을 제강공정이라고 한다.
제강공정은 정련 공정(AOD, Argon Oxygen Decarburization) - 성분조정 공정(LT, Ladle Treatment) - 연속주조 공정(C/C, Continuous Casting)을 통하여 이루어진다. 이때 정련공정(AOD) 이후에는 극저탄소강의 제조시에 필요에 의해 진공정련공정을 추가로 포함할 수 있다.
정련 공정은 정련로에서 이루어지는데, 정련로에서는 탈탄 작업과 슬래그의 제조를 통한 탈황(Desulfurization)과 탈산(Deoxidation)이 이루어진다. 즉, 정련 공정(AOD)에서는 아르곤(Ar)과 산소(O2)의 혼합가스 또는 질소(N2)와 산소(O2)의 혼합가스를 용탕 중에 취입한다. 용강 중에 산소(O2)가 공급되면 공급된 산소(O2)가 용탕 중의 탄소(C)와 결합하여 CO 또는 CO2가 발생하면서 탈탄반응이 진행된다.
진공정련 공정은 탄소와 질소를 100ppm이하로 낮추기 위한 공정으로서, 진공정련 설비를 이용하여 용강 내 탄소 및 질소의 농도를 극저 수준으로 낮추게 된다.
이후 성분조정 공정(LT, Ladle Treatment)에서는 탈산 후 교반을 통하여 성분 조정을 하게 된다. 성분조정 공정은 용강상태에서 성분 및 온도를 적중하기 위한 마지막 공정이다.
연속주조 공정에서는 특정 온도로 출강된 용강을 래들 터렛(ladle turret)을 통하여 연주기 주상으로 이송한 다음 중간 용기인 턴디시(tundish)로 주입한다. 턴디시에서는 용강 중 게재물을 부상 분리시키며 몰드(mold) 내로 용강을 주입한다.
상기와 같은 일련의 공정을 통하여 제강공정이 이루어진다.
한편, 스테인레스강은 고온내산화성 및 내부식성과 같은 우수한 재질특성을 얻기 위하여 스테인레스 용강에 티타늄을 첨가한다. 그러나, 이러한 티타늄 함유 스테인레스강은 제조시, 특히 제강공정에서 티타늄을 첨가할 때 티타늄 산화물 및/또는 티타늄 질화물의 개재물이 생성되고, 이러한 개재물이 스테인레스강 제품에 표면결함을 야기시킨다는 문제점이 있었다.
등록특허 10-0844794 (2008. 07. 01) 등록특허 10-0947434 (2010. 03. 05)
본 발명은 탈탄, 탈산, 탈류 및 성분조정 공정을 진공정련 설비 내에서 실시하여 티타늄 산화물 및/또는 티타늄 질화물과 같은 개재물의 부상분리를 조장하여 청정한 상태의 제품을 생산할 수 있는 티타늄 함유 오스테나이트계 스테인리스강의 용강 정련방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 티타늄 함유 오스테나이트계 스테인리스강의 용강 정련방법은 Ti이 함유되는 오스테나이트계 스테인리스강의 용강을 정련하는 방법으로서, 용강이 장입된 정련로에 산소와 불활성 가스를 취입하면서 탈탄을 실시하여 1차로 탄소 농도를 조정하는 준비단계와; 1차로 탄소 농도가 조정된 용강이 장입된 래들을 진공정련설비에 장착한 후 진공 중에서 상기 래들에 산소와 불활성 가스를 취입하면서 탈탄을 실시하여 탄소의 목표농도까지 2차로 탄소 농도를 조정하는 진공 탈탄단계와; 진공 중에서 용강을 교반하면서 상기 래들에 부원료와 탈산제를 투입하여 탈류와 탈산을 실시하는 진공 환원탈류단계를 포함하고, 상기 진공 환원탈류단계에서 투입되는 부원료는 Ti가 함유된 합금철을 포함하여 용강의 Ti의 목표농도를 달성하는 것을 특징으로 한다.
상기 오스테나이트계 스테인리스강은 중량%로, C: 0.03 내지 0.06%, Si: 0.4 내지 0.7%, Mn: 1.3 내지 1.6%, P: 0 내지 0.030%, S: 0 내지 0.01%, Cr: 17.5 내지 18.5%, Ni: 9.0 내지 9.5%, Ti: 0.2 내지 0.35%, N: 0 내지 0.0.35%, 나머지 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물을 포함한다.
상기 준비단계 이후에는 용강의 슬래그를 제거한 다음 상기 진공 탈탄단계를 실시하는 것을 특징으로 한다.
상기 준비단계에서는 탄소의 목표농도가 0.2 ~ 0.3wt%가 되도록 탈탄을 실시하는 것을 특징으로 한다.
상기 진공 탈탄단계에서 랜스를 통하여 용강 내로 산소를 취입시키기 전에 용강 내 탄소량(Kg)의 0.75배 값에 275 ~ 400을 더한 양(Nm3)만큼의 산소를 더 취입시키는 것을 특징으로 한다.
상기 진공 환원탈류단계 이후에는 진공을 해제하고 용강의 온도를 조정하는 온도조정단계를 더 포함한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 용강의 성분을 조정하는 공정을 진공정련 설비 내에서 실시하고, 특히 Ti이 함유된 부원료를 투입하여 Ti의 농도를 조정하는 공정을 진공정련 설비에서 실시함에 따라 티타늄 산화물 및/또는 티타늄 질화물과 같은 개재물이 부상분리될 수 있는 충분한 교반력을 용강에 제공하여 청정한 상태의 고Ti 함유 용강을 용이하게 생산할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 티타늄 함유 오스테나이트계 스테인리스강의 용강 정련방법을 보여주는 순서도이다.
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. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
먼저, 본 발명에 따른 Ti이 함유된 오스테나이트계 스테인리스강의 용강 정련이 이루어지는 진공정련 설비에 대해서 설명한다.
진공정련 설비(VOD; Vaccum Oxygen Decarburization)는 진공 용기 내에 래들을 넣고 래들 바닥에 설치한 다공질 플러그를 통해 아르곤(Ar) 가스를 취입하여 용강을 교반하면서 상부에 설치한 랜스를 통하여 산소를 취입하여 탈탄처리를 하는 설비이다. 진공정련 설비를 통한 진공정련 공정의 생산성은 정련공정(AOD)보다 낮지만 극저 탄소(C), 질소(N)강 제조에 적합하다.
한편, 진공정련 설비에는 진공과 더불어 하취 방식의 아르곤 가스 취입에 따라 용강을 교반하기 때문에 용강 중에 생성되는 개재물의 부상분리를 충분히 유도할 수 있는 장점도 있다.
다음으로, 상기와 같은 진공정련 설비를 이용하여 Ti이 함유된 오스테나이트계 스테인리스강의 용강을 정련하는 방법에 대하여 도면을 참조하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 티타늄 함유 오스테나이트계 스테인리스강의 용강 정련방법을 보여주는 순서도이다.
본 발명의 일실시에에 따른 Ti 함유 오스테나이트계 스테인리스강의 용강 정련방법은 용강이 장입된 정련로에 산소와 불활성 가스를 취입하면서 탈탄을 실시하여 1차로 탄소 농도를 조정하는 준비단계와; 1차로 탄소 농도가 조정된 용강이 장입된 래들을 진공정련설비에 장착한 후 진공 중에서 상기 래들에 산소와 불활성 가스를 취입하면서 탈탄을 실시하여 탄소의 목표농도까지 2차로 탄소 농도를 조정하는 진공 탈탄단계와; 진공 중에서 용강을 교반하면서 상기 래들에 부원료와 탈산제를 투입하여 탈류와 탈산을 실시하는 진공 환원탈류단계를 포함한다.
그리고, 상기 진공 환원탈류단계 이후에는 진공정련설비의 진공을 해제하고 용강의 온도를 조정하는 온도조정단계를 더 포함한다.
이때 제조되는 용강은 고Ti을 함유하는 오스테나이트계 스테인리스강을 제조하기 위한 용강으로서, 상기 오스테나이트계 스테인리스강은 중량%로, C: 0.03 내지 0.06%, Si: 0.4 내지 0.7%, Mn: 1.3 내지 1.6%, P: 0 내지 0.030%, S: 0 내지 0.01%, Cr: 17.5 내지 18.5%, Ni: 9.0 내지 9.5%, Ti: 0.2 내지 0.35%, N: 0 내지 0.0.35%, 나머지 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물을 포함한다.
이때 C의 함량이 0.06%보다 높으면 크롬탄화물이 석출되어 입계부식의 원인이 된다. 반대로 C의 함량이 0.03%보다 낮을 경우 경도 등 재질확보가 어려워 상기와 같은 범위의 적정 수준을 유지해야 한다.
그리고, Si의 함량은 열간압연시 결함을 발생시킬 우려가 있기 때문에 상한을 0.7wt%로 제한하게 된다.
또한, Mn, Cr, Ni의 함량은 원하는 오스테나이트상을 얻기 위하여 상기 범위 내에 있어야 한다. 상기 범위를 벗어나는 경우 원하는 오스테나이트의 상을 얻을 수 없다.
그리고, P, S는 불순물로 작용하여 제품으로 가공시 크랙(Crack)을 유발할 수 있으므로 각각의 함량이 0.030, 0.01%보다 낮아야 한다.
Ti는 내식성 및 용접성을 확보하기 위하여 0.2wt% 이상 첨가되어야 하지만 주조성을 확보하기 위해 0.4wt% 이하로 첨가해야 한다.
N는 응고시 질화물에 의해 발생할 수 있는 결함을 줄이기 위해 취대한 용강에서 제거하는 조업을 실시한다.
따라서 상기 성분들은 위에 서술한 각각의 범위를 벗어나지 않도록 작업해야 한다.
상기와 같은 조성을 갖는 오스테나이트계 스테인리스강을 제조하기 위한 용강의 정련방법을 단계별로 상세하게 설명한다.
먼저, 준비단계는 용강이 장입된 정련로(AOD)에 산소와 불활성 가스를 취입하면서 탈탄을 실시하여 용강 중 탄소 성분의 농도를 조정하는 단계로서, 이때 탈탄은 후속공정인 진공 탈탄단계에서 원하는 만큼의 탈탄반응 및 탈질반응을 활성화 시키기 위한 수준까지만 탈탄을 실시한다.
바람직하게는 준비단계을 마친 용강의 탄소 농도가 0.2 내지 0.3wt%가 될 수 있도록 한다. 그 이유는 탄소가 0.2 ~ 0.3wt% 범위에서 상한을 초과할 경우 작업시간이 불필요하게 길어지며, 하한 미달일 경우 탈질능이 떨어져 연주시 질화물에 의한 개재물이 생성될 수 있기 때문이다.
그리고, 준비단계 이후에는 정련이 끝난 용강의 슬래그를 제거(배제)하고, 필요한 경우에는 상기 탄소 농도의 범위를 맞추기 위하여 탄소가 함유된 부원료를 투입할 수 있다.
상기 진공 탈탄단계는 진공 상태에서 원하는 목표수준의 탄소 성분 조정을 실시하는 단계로서, 상기 준비단계에서 1차로 성분이 조정된 용강이 장입된 래들을 진공정련 설비(VOD; Vaccum Oxygen Decarburization)의 진공 용기 내에 넣고, 래들 바닥에 설치한 다공질 플러그를 통해 아르곤(Ar) 가스를 취입하여 용강을 교반하면서, 상부에 설치한 랜스를 통하여 산소를 취입하여 용강을 교반시키면서 탈탄처리를 실시한다.
상기 진공 탈탄단계에서는 탄소 농도를 0.02wt% 이하가 되도록 탈탄을 실시한다. 특히, 본 실시예와 같이 Ti 첨가강은 진공탈탄에 의한 탈탄반응으로 탈질반응을 활성화시키기 위하여 진공탈탄을 실시하는 것이 더욱 효과적이다.
바람직하게는 상기 진공 탈탄단계에서 목표하는 탄소 농도인 0.030 ~ 0.045wt%까지 탈탄을 실시한다. 이는 탄소가 0.03wt% 이하일 경우 경도가 낮아져 재질을 확보할 수 없고 0.04wt% 초과한 경우 내식성 확보를 위하여 Ti 투입량이 많아져 Ti 산화물로 인해 용강의 청정도를 악화시키기 때문이다.
이때 상기와 같은 진공 탈탄을 효과적으로 진행하기 위해서 상기 진공 탈탄단계에서는 본격적인 용강의 진공 탈탄을 위하여 랜스를 통하여 용강 내로 산소를 취입시키기 전에 용강 내 탄소량(Kg)의 0.75배 값에 275 ~ 400을 더한 양(Nm3)만큼의 산소를 미리 더 취입시켜 조업자가 원하는 수준의 탈탄이 적중될 수 있도록 한다. 산소 취입량이 상기 범위에 미달일 경우 탈탄이 원하는 수준으로 일어나지 않는 문제가 있고, 상기 범위를 초과할 경우 탈탄이 과다하게 일어나 탄소함유 원료(가탄제)를 투입하여야 하는 문제가 있다. 이렇게 진공 탈단단계 이후에 탄소함유 원료를 투입하는 가탄을 실시할 경우에는 슬래그로 인해 탄소의 실수율 편차가 커져서 탄소 성분 적중이 힘들어지는 문제가 있다.
한편, 진공 탈탄단계에서 원하는 수준으로 탄소 농도를 적중시키기 위해서는 랜스의 높이를 용강 표면에서 1200~1500mm를 유지하고, 이와 동시에 래들 하부 플러그에 Ar 기체를 300 ~ 400l/min으로 취입하여 용강교반을 활성화시키는 것이 바람직하다. 또한 용강의 탈탄 및 교반을 활성화시키기 위하여 진공정련 설비의 진공도를 산소 취련 시작 300mbar에서 10mbar이하로 지속 유지시키는 것이 바람직하다.
또한 진공탈탄단계는 진공 용기 내에 래들을 넣고 래들 바닥에 설치한 다공질 플러그를 통해 아르곤(Ar) 가스를 취입하여 용강의 교반력을 향상시키기 때문에 이에 의한 용강의 청정도 향상 효과도 기대할 수 있다. 이를 통해 Ti 함유 오스테나이트계 스테인리스강 생산시 Al 및 Ti 개재물에 의해 노즐막힘과 같은 문제가 발생하는 것을 방지할 수 있는 효과를 기대할 수 있다.
이렇게 진공 탈탄단계에서 탄소의 농도가 조절된 이후에는 종래와 같이 래들을 진공정련 설비에서 꺼내서 탈류와 탈산을 실시하는 것이 아니라 진공정련 설비 내에서, 즉 진공 중에서 용강을 교반하면서 상기 래들에 부원료와 탈산제를 투입하여 탈류와 탈산을 실시하는 진공 환원탈류단계를 진행한다.
상기 진공 환원탈류단계는 산소의 취입을 중단시키고, 래들 하부의 플러그를 통한 Ar 기체의 취입은 계속 300 ~ 400l/min으로 유지하여 용강의 교반을 10분 이상 실시한다. 이때 미세탈탄과 동시에 성분 조정을 위한 부원료를 넣어 슬래그에 의한 개재물 포집이 잘 일어날 수 있도록 한다.
특히, 상기 진공 환원탈류단계에서는 Ti가 함유된 합금철을 부원료로 투입하여 용강 중 Ti 농도를 목표값을 적중시킨다. 이때 Ti의 농도는 0.2 ~ 0.35wt%에 들어올 수 있도록 조정한다.
또한, 상기 진공 환원탈류단계에서는 탈산제 및 부원료를 투입하여 탈류와 탈산이 일어날 수 있도록 한다. 탈류와 탈산이 일어나는 동안에도 래들 하부의 플러그에서 Ar 기체 유량 300 ~ 400l/min으로 유지하면서 용강을 약 15분간 교반시키는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 진공 환원탈류단계 이후에는 진공정련 설비의 진공을 해제하고 용강의 온도를 조정하는 온도조정단계를 더 포함할 수 있다.
상기 온도조정단계에서는 진공해제 후 용강의 온도가 주조에 알맞은 온도가 될 수 있도록 냉각제를 투입한다. 그리고, 용강의 성분이 주조에 알맞게 될 수 있도록 상기 진공 환원탈류단계에서 농도가 조정되지 않은 성분에 대해서는 상기 온도조정단계에서 해당 합금철을 투입하여 목표로 하는 농도로 성분을 조정할 수 있다.
이렇게 성분이 조정된 용강은 래들에 담겨 연주설비로 이송된다.
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 (6)

  1. 중량%로, C: 0.03 내지 0.06%, Si: 0.4 내지 0.7%, Mn: 1.3 내지 1.6%, P: 0 내지 0.030%, S: 0 내지 0.01%, Cr: 17.5 내지 18.5%, Ni: 9.0 내지 9.5%, Ti: 0.2 내지 0.35%, N: 0 내지 0.0.35%, 나머지 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물을 함유하는 오스테나이트계 스테인리스강의 용강을 정련하는 방법으로서,
    용강이 장입된 정련로에 산소와 불활성 가스를 취입하면서 탈탄을 실시하여 1차로 탄소 농도를 조정하는 준비단계와;
    1차로 탄소 농도가 조정된 용강이 장입된 래들을 진공정련설비에 장착한 후 진공 중에서 상기 래들에 산소와 불활성 가스를 취입하면서 탈탄을 실시하여 탄소의 목표농도까지 2차로 탄소 농도를 조정하는 진공 탈탄단계와;
    진공 중에서 용강을 교반하면서 상기 래들에 부원료와 탈산제를 투입하여 탈류와 탈산을 실시하는 진공 환원탈류단계를 포함하고,
    상기 진공 환원탈류단계에서 투입되는 부원료는 Ti가 함유된 합금철을 포함하여 용강의 Ti의 목표농도를 달성하는 것을 특징으로 하는 티타늄 함유 오스테나이트계 스테인리스강의 용강 정련방법.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 준비단계 이후에는 용강의 슬래그를 제거한 다음 상기 진공 탈탄단계를 실시하는 것을 특징으로 하는 티타늄 함유 오스테나이트계 스테인리스강의 용강 정련방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 준비단계에서는 탄소의 목표농도가 0.2 ~ 0.3wt%가 되도록 탈탄을 실시하는 것을 특징으로 하는 티타늄 함유 오스테나이트계 스테인리스강의 용강 정련방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 진공 탈탄단계에서 랜스를 통하여 용강 내로 산소를 취입시키기 전에 용강 내 탄소량(Kg)의 0.75배 값에 275 ~ 400을 더한 양(Nm3)만큼의 산소를 더 취입시키는 것을 특징으로 하는 티타늄 함유 오스테나이트계 스테인리스강의 용강 정련방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 진공 환원탈류단계 이후에는 진공을 해제하고 용강의 온도를 조정하는 온도조정단계를 더 포함하는 티타늄 함유 오스테나이트계 스테인리스강의 용강 정련방법.
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