KR101412566B1 - 전기로를 이용한 극저탄소강 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 스크랩을 용해하여 강을 제조하는 전기로 공정을 통해 탄소 함량이 극한으로 제한되는 극저탄소강을 제조하는 방법에 관한 것으로, 전기로에서 스크랩을 용융시켜 용강을 제조한 후 산소를 취입하여 취련을 실시하여 1차 정련하는 단계와, 상기에서 취련된 용강을 래들(L)에 출강하여 LF(Ladle Furnace) 정련을 통해 2차 정련하는 단계와, 상기에서 2차 정련된 용강을 VD 장비로 이송하여 진공 탈가스를 수행하되, 상기 용강이 설정된 산소 함량을 갖도록 탈산제를 투입하여 탈산하는 단계 및 상기에서 진공 정련이 완료된 용강을 연속주조 공정을 이송하는 단계를 을 포함하는 전기로를 이용한 극저탄소강 제조방법을 제공한다.

Description

전기로를 이용한 극저탄소강 제조방법{MANUFACTURING METHOD OF ULTRA-LOW CARBON STEEL USING ELECTRIC FURNACE}

본 발명은 전기로를 이용한 극저탄소강 제조방법에 관한 것으로, 상세하게는 스크랩을 용해하여 강을 제조하는 전기로 공정을 통해 탄소 함량이 극한으로 제한되는 극저탄소강을 제조하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로 전기로를 이용한 제강 공정에서는, 전기로 내에는 고철 또는 스크랩(Scrap)이 장입되고 전극봉에 전류가 인가됨에 따라 스크랩에 대한 용해가 이루어진다. 스크랩을 용해하면서, 탈산, 탈황 및 탈류를 하기 위해서, 부원료(Fe-Si, CaCO₃, CaO, MO-Oxide) 등을 전기로의 내부로 투입하여 불순물을 제거하고 있다. 전기로에서 출강되는 용강은 래들(Ladle)에 수강되어서 정련을 위한 곳으로 옮겨진다. 정련은 상기 용강을 승온한 후에 성분을 조정하는 것이다. 정련된 용강은 연속주조기로 옮겨져서 요구되는 형태로 주조된다. 이렇게 형성된 주조물은, 압연을 통하여 최종적으로 요구되는 형태로 제조된다.

전기로를 이용한 제강 공정에서는 일반적으로 용강 성분의 미세 조정을 위하여 용강이 수강된 래들을 VD(Vacuum Degasser) 장비에 넣어 진공 상태(negative pressure)를 조성하여 용융 금속 내 기체 포화도를 낮춰주면서 소정의 가스를 취입하여 융용 금속 내의 수소, 산소, 탄소 등의 기체와 반응하여 이를 제거하는 진공 탈가스 공정을 실시한다.

관련 선행기술로는 한국등록특허 제1009828호(등록일: 2011.1.13, 발명의 명칭: 극저탄소강의 정련방법)가 있다.

본 발명은 전기로 공정 시 사용되는 진공정련(VD(Vacuum Degasser)) 공정에서 1회에 적정한 수준으로 용강 내 탈산을 실시할 수 있는 전기로를 이용한 극저탄소강 제조방법을 제공하는 데에 그 목적이 있다. 또한, 극저탄소강 제조 시 VD 공정 용강 내로 규소 성분이 재유입되는 복규소를 방지할 수 있는 전기로를 이용한 극저탄소강 제조방법을 제공하는 데에 또 다른 목적이 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않는다.

상기 과제를 달성하기 위한 본 발명의 전기로를 이용한 극저탄소강 제조방법은 전기로에서 스크랩을 용융시켜 용강을 제조한 후 산소를 취입하여 취련을 실시하여 1차 정련하는 단계와, 상기에서 취련된 용강을 래들에 출강하여 LF(Ladle Furnace) 정련을 통해 2차 정련하는 단계와, 상기에서 2차 정련된 용강을 VD 장비로 이송하여 진공 탈가스를 수행하되, 상기 용강이 설정된 산소 함량을 갖도록 탈산제를 투입하여 탈산하는 단계 및 상기에서 진공 정련이 완료된 용강을 연속주조 공정을 이송하는 단계를 을 포함할 수 있다.

구체적으로, 상기 진공 정련하는 단계에서 상기 설정된 산소 함량은 2~5ppm일 수 있다.

상기 탈산제의 투입량은 하기 관계식에 의해 산출될 수 있다.

관계식

알루미늄 투입량(kg) = VD도착 시 용강 내 산소함량(ppm) × 0.83 +1.33

상기 탈산제는 알루미늄(Al)이며, 상기 VD 장비 내로 진공호퍼를 통해 투입될 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 전기로 공정 시 사용되는 VD(Vacuum Degassing) 공정에서 1회에 적정한 수준으로 용강 내 탈산을 실시할 수 있어 탈가스에 소요되는 시간과 비용이 절감된다. 또한, 1회에 적절한 범위로 용강의 탈산이 수행되므로 VD 장비의 진공을 파기하고 탈산제를 재투입하는 과정을 반복하지 않을 수 있으므로 탈산제 반복 투입에 의한 용강의 온도 저하를 방지할 수 있어 에너지 절감 효과를 얻을 수 있어 효율적인 탈가스 공정 수행이 가능하다. 또한, 극저탄소강 제조 시 VD 공정 용강 내로 규소 성분이 재유입되는 복규소를 방지할 수 있어 용강의 품질을 효과적으로 제어할 수 있다.

도 1은 본 발명과 관련된 전기로를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 전기로를 이용한 극저탄소강 제조방법을 순서에 따라 도시한 순서도이다.
도 3은 본 발명과 관련된 진공정련용 VD 장비를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명과 관련된 용강 내 알루미늄 함량과 이에 따른 탈황 시 복규소량의 관계를 나타낸 그래프이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 도면들 중 동일한 구성요소들은 가능한 어느 곳에서든지 동일한 부호로 표시한다. 또한 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.

도 1은 본 발명과 관련된 전기로를 개략적으로 나타낸 도면이다.

먼저, 본 발명에서 사용되는 전기로(10)는 전열(電熱)을 이용하여 가열을 수행하는 저항로, 아크로 및 유도로 등을 통칭하는 가열로이다. 도시된 바와 같이 전기로(10)는, 용강(M)을 수강하기 위한 내부 공간을 갖는 로체(11)와, 로체(11)를 개폐시킬 수 있는 덮개(13)와, 로체(11)의 하단 일측에 형성되며 내부의 용강(M)을 외부로 출강시키기 위한 출강구(15), 아크열을 발생시켜 용강(M) 또는 로체(11)를 승온시키기 위한 전극봉(17) 및 상기 로체(11) 내로 산소와 탈린제 등을 선택적으로 취입하는 수냉랜스(20) 등을 포함할 수 있다.

여기서, 전기로(10)는 상부를 개폐시키는 덮개(13)에 수직 방향으로 설치된 복수의 전극봉(17)에 고전류를 통전시켜 고열의 아크열을 발생시키고, 이를 통해 로체(11) 내부에 투입된 스크랩 등을 용해하게 된다. 여기서, 로체(11) 내부에 스크랩(scrap)이 투입될 때 탈린 등을 위해 생석회(CaO)도 투입된다. 수냉랜스(20)는 용강(M) 중에 포함된 불순물을 산화시켜 제거하기 위하여 고순도의 산소를 공급하게 된다. 이러한 수냉랜스(20)는 상세하게 도시하지는 않았지만, 바디 내부에 형성되어 외부의 산소공급부로부터 공급된 산소를 용강으로 분사하는 산소토출관, 및 상기 산소토출관과 접촉되도록 바디 내부에 설치되어 산소토출관과 바디를 냉각시키는 냉각관을 포함하여 구성될 수 있다.

도 2는 본 발명의 실시예에 의한 전기로를 이용한 극저탄소강 제조방법을 순서에 따라 도시한 순서도로서, 이를 참조하면 본 발명의 극저탄소강은 스크랩을 그 원료로 하여 전기로에서 용융하여 용강을 제조하는 것으로 시작한다. 전기로에서 스크랩과 합금철을 용융시켜 용강을 제조한 후 산소를 취입하여 취련을 실시하여 1차 정련한다(S10). 1차 정련에서는 다량의 산소 취입에 의하여 용강 내 탈탄을 수행하는 것이 주목적이다. 1차 정련 시 용강의 성분 목표치까지 탈탄을 수행하여 이를 래들로 출강하게 된다. 이때 탈탄과 동시에 탈산 등의 반응이 함께 일어나 용강 내에서 제거된 기체들은 슬래그 형태로 제거되어 용강 상단에 부유하게 된다.

전기로에서 취련된 용강은 래들로 출강하여 LF(Ladle Furnace) 정련을 통해 2차 정련을 실시한다(S20). LF 정련은 래들에 수강된 용강 위를 덮고 있는 슬래그에 전극을 침적하고 가열하면서 래들 하부에 설치된 다공성 플러그를 통해 불활성 가스를 취입하여 교반을 통해 정련하는 것이다. 이때 용강 내 성분 조정을 위한 부원료가 투입될 수 있으며 부원료는 강종에 따라 선택적으로 사용될 수 있다.

LF 정련을 통해 2차 정련된 용강 내 성분을 미세하게 조절하기 위하여 래들을 VD 장비로 이송하여 진공 탈가스를 수행하게 되는데, 본 발명에서는 이때 용강이 설정된 산소 함량을 갖도록 탈산하는 진공 정련을 실시한다(S30).

일반적으로 극저탄소강은 자동차용 강판 등에 사용되어 고성형성이 요구되는 강종으로서 가공성 향상 및 시효경화의 방지를 위해 강 중 탄소와 질소 성분을 매우 낮게 관리하여야 한다. 따라서, 극저탄소강은 일관제철 공정을 통해 생산하는 것이 일반적인데 그 이유 중 하나는 일관제철 공정에서는 용강 내 미세 탄소 및 산소 등의 성분제어를 위해 RH 탈가스 방식을 사용하기 때문이다.

구체적으로, RH 탈가스 공정은 전기로 공정에 사용되는 VD 공정에 의한 탈가스 대비 탈탄 제어능이 우수하여 용강 내 미세 성분 조절에 있어 VD 장비를 이용한 정련에 비해 정련이 용이하기 때문에 극저탄소강과 같은 성분 미세조정이 필요한 강종은 일반적으로 전기로 공정을 잘 사용하지 않는다.

그러나 본 발명에서는 도 3에 도시한 바와 같이, 극저탄소강 제조 시 VD 장비를 이용한 진공 정련 공정을 통해 극저량으로 용강 내 탄소를 제어한다. VD 장비는 LF 정련을 마치고 온 래들(L)이 안착되는 내부 공간을 구비한 진공 챔버 형태의 몸체에 몸체 상부를 완전히 덮어 밀폐시키는 상부덮개가 구비된다. 이같은 상부덮개에는 진공 정련 시 탈산제 등을 투입할 수 있는 진공호퍼가 설치되어 진공을 파기하지 않으면서도 정련 중 부원료를 투입할 수 있도록 한다.

그러나, 극저탄소강 제조 시 VD 장비를 이용하여 진공정련을 실시하면 탈탄에 소요되는 시간이 길어지고 이에 따른 용강의 온도 드롭(drop)이 발생할 수 있으므로 탈탄 시간 제어에 부담이 있다. 뿐만 아니라, 전기로 공정에서는 일관제철 공정과 같은 예비처리 공정이 별도로 없기 때문에 탈탄 처리 작업 이후에 탈황 공정을 반드시 실시하여야 한다.

이처럼 탈탄 이후 탈황 공정을 실시하게 되면 용강을 강하게 교반하게 되는데, 이때 슬래그 내 SiO₂가 환원되면서 하기 반응식 1과 같이 환원에 의해 생성된 규소(Si) 성분이 용강 내로 돌아오는 복규소 현상이 발생하게 되는 문제점이 있다.

반응식 1

SiO₂ → Si + O2

이 같은 산화규소에 의한 복규소에 의해 용강 내 규소 성분 제한 함량인 0.03중량%를 초과하게 될 수 있으므로 VD 장비를 이용한 진공정련 공정을 통해 극저탄소강을 제조하는 경우에는 탈탄 공정도 중요하지만 탈탄 후 수행하는 탈황 공정 시 복규소를 방지하는 것이 반드시 필요하다.

이를 위하여 본 발명에서는 용강 내 산소함량을 적정한 범위로 제어하는 진공 정련을 실시하여 복규소를 방지하면서도 효율적인 정련이 가능하도록 하였다. 본 발명에서 용강 내 산소함량을 적절한 범위로 제어하는 방법은 용강의 탈산을 위해 투입되는 탈산제인 알루미늄(Al)의 양을 정확하게 산출하여 VD 장비에서 진공 정련 중 1회의 탈산제 투입으로 용강 내 산소함량을 목표치로 제어하는 것이다.

이러한 과정 중에 용강 내 산소함량을 미리 설정된 범위로 제어하는 이유는 용강의 탈산을 위해 투입되는 알루미늄 성분이 탈황 시 복규소에 영향을 미치는 인자이기 때문이다.

도 4에는 탈황처리 전 용강 내 알루미늄 성분 함량과 이에 따른 용강의 복규소량을 측정하여 그 결과를 도시한 그래프이다. 이를 참조하면, 용강 내 알루미늄 성분 함량이 높아질수록 용강의 복규소량도 동반하여 증가함을 알 수 있다. 즉 용강 탈산을 위한 탈산제인 알루미늄이 불필요하게 첨가되는 경우 탈산이 완료된 후 실시되는 탈황 작업 시 복규소량이 증가하여 용강 내 규소 함량이 기준치 이상으로 증가될 수 있다. 이와 같이 용강의 샘플링을 통해 용강 내 규소량이 기준치를 초과함을 확인하면 VD 공정을 재실시해야 하며 이러한 반복 작업 시 계속하여 진공을 파기하고 새로이 작업을 진행해야하므로 시간 소요에 따른 용강 온도 드롭 및 작업 공정 시간이 길어지고 작업 효율이 저하되는 문제점이 발생하게 된다. 따라서, 본 발명에서는 진공 정련 시 용강 내 산소 성분 함량을 설정된 범위로 정확히 제어하여 이에 따른 탈산제(알루미늄)를 산출된 양만큼만 투입함으로써 반복적인 추가 탈산 작업을 실시하지 않을 수 있도록 하는 것이다. 또한, 정확한 알루미늄 투입량 산출을 통해 탈산 이후 탈황 작업에서 발생하는 복규소량을 최소화하도록 한다.

본 발명에서 탈산 후 목표로 하는 용강 내 산소 함량은 2~5ppm(중량%로 용강 중량 대비 0.002~0.005중량%)이다. 이러한 산소함량은 극저탄소강 제조 시 적절한 품질을 얻을 수 있는 함량이다.

본 발명에서는 진공 정련 시점에 도착한 용강 내 산소함량을 측정하고 이에 따라 탈산제인 알루미늄의 투입량을 변화시키면서 탈산 정도를 측정하여 그 결과를 아래 표 1과 같이 도출하였다.

정련전 산소량 (ppm)	647	21	511	491	357	397	490	729	557	516
Al 투입량 (kg)	450	450	450	405	350	400	400	400	400	450
정련후 산소량 (ppm)	3.7	8.7	1.2	1.4	0.9	1.3	4.1	61.0	2.1	4.2
탈산 정도	적절	부족	과다	과다	과다	과다	적절	부족	적절	적절

표 1은 다양한 상황에서, 즉 다양한 범위의 용강 내 산소함량에 따라 탈산제인 알루미늄을 증감하면서 투입하여 이에 따른 탈산 정도를 측정한 결과이다. 진공 정련에 도착한 래들(L) 내 용강을 샘플링하여 이때 용강 내 산소 함량을 측정하고 진공 정련 시 탈산제를 투입하여 탈산한 후 다시 용강을 샘플링하여 용강 내 산소 함량을 측정하여 정련 후 산소 함량이 적절한 범위, 즉 2~5ppm내인 경우 적절, 2ppm미만이면 과다, 5ppm을 초과하는 경우 부족으로 표시하였다.

상기 표 1 외에도 여러 번의 조업을 거쳐 획득한 데이터를 이용하여 회귀분석을 실시하여, 극저탄소강 제조 시 VD 장비를 이용한 진공 정련 시 1회에 적절한 수준(2~5ppm)의 산소함량을 확보할 수 있도록 탈산하기 위해 용강으로 투입되는 알루미늄(Al) 투입량을 아래 관계식 1과 같이 산출하였다.

관계식 1

알루미늄 투입량(kg) = VD도착 시 용강 내 산소함량(ppm) × 0.83 +1.33

위 관계식 1에 의하여 계산된 진공 정련 전 용강 내 산소함량에 따른 알루미늄 투입량은 하기 표 2와 같이 결정될 수 있다.

정련전 산소량 (ppm)	250	300	350	400	450	500	550	600	650	700
Al 투입량 (kg)	210	250	290	330	375	420	460	500	540	585

표 2의 알루미늄 투입량은 상기 관계식 1에 의해 나온 계산의 결과를 1의 자리에서 올림 또는 내림한 정수로서 그 수치를 산출한 것일 수 있다.

따라서, LF 정련을 마친 래들(L)이 VD 장비에 도착하면 용강 내 산소함량을 측정하여 이 측정값에 따라 미리 산출된 양만큼의 알루미늄을 진공호퍼로 투입하여 진공 정련을 실시하여 1회에 목표치까지 탈산을 수행할 수 있으므로 여러 번 진공을 파기해가며 탈산을 실시하고 다시 용강을 샘플링하는 문제점을 해결할 수 있다. 또한, 알루미늄 과다 투입에 의한 탈황 시 복규소의 문제를 최소화할 수 있으므로 효율적인 극저탄소강용 용강 생산이 가능하다.

상기에서 진공 정련이 완료된 용강을 연속주조 공정을 이송하여 반제품을 생산한다(S40). 본 발명에서 목표로 하는 용강 내 최종 탄소함량은 0.004중량%일 수 있다. 진공 정련 시는 탈산 뿐 아니라 탈탄 등의 반응이 발생하므로 이러한 조건을 모두 맞출 수 있도록 조업 조건을 설정하는 것이 필요하며 이와 같이 생산된 최종 용강 내 탄소 함량은 극저탄소강용으로 사용 가능한 0.004중량% 이하일 수 있다. 물론 상술한 바와 같이 전기로를 이용하여 극저탄소강을 제조하는 본 발명에서는 진공 정련 시 탈산 이후 탈황 공정이 더 수행될 수 있다. 최종 제조 완료된 용강은 래들(L)에서 출강되어 연속주조 공정을 통해 슬라브, 빌릿, 블룸 등 반제품으로 제조되어 압연 공장 등으로 이송된다.

상기와 같은 전기로를 이용한 극저탄소강 제조방법은 위에서 설명된 실시예들의 구성과 작동 방식에 한정되는 것이 아니다. 상기 실시예들은 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 구성될 수도 있다.

10: 전기로 11: 로체
13: 덮개 15: 출강구
17: 전극봉 20: 수냉랜스
30: VD 장비 31: 상부덮개
32: 진공호퍼

Claims (4)

1. 전기로에서 스크랩을 용융시켜 용강을 제조한 후 산소를 취입하여 취련을 실시하여 1차 정련하는 단계;
   상기에서 취련된 용강을 래들에 출강하여 LF(Ladle Furnace) 정련을 통해 2차 정련하는 단계;
   상기에서 2차 정련된 용강을 VD 장비로 이송하여 진공 탈가스를 수행하되, 상기 용강이 설정된 산소 함량을 갖도록 탈산제를 투입하여 탈산하는 단계; 및
   상기에서 진공 정련이 완료된 용강을 연속주조 공정을 이송하는 단계;를 포함하며,
   상기 탈산제의 투입량은 하기 관계식에 의해 산출되는 전기로를 이용한 극저탄소강 제조방법.
   관계식
   알루미늄 투입량(kg) = VD도착 시 용강 내 산소함량(ppm) × 0.83 +1.33
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 진공 정련하는 단계에서,
   상기 설정된 산소 함량은 2~5ppm인 전기로를 이용한 극저탄소강 제조방법.
   
3. 삭제
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 탈산제는 알루미늄(Al)이며, 상기 VD 장비 내로 진공호퍼를 통해 투입되는 전기로를 이용한 극저탄소강 제조방법.

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