KR101448595B1 - 철계 분말의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 실시예에 따른 철계 분말 제조방법은, 용강 내의 탄소 함량을 제어하는 단계, 상기 탄소 함량이 제어된 용강을 수분사 공정을 통하여 철 분말을 제조하는 단계 및 상기 철 분말을 환원로에 장입하여 철 분말내의 탄소에 의해 표면확산을 통해 산화층을 환원시키는 자기 환원과 상기 환원로 내의 수소에 의한 환원을 통해 상기 철 분말 표면에 형성된 산화층을 환원시키는 단계를 포함한다.
Description
본 발명은 철계 분말의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 용강 내 탄소함량을 제어하여 철 분말 제조 후 자기 환원을 통하여 환원속도를 증가시킬 수 있는 철계 분말의 제조방법에 관한 것이다.
철계 분말을 이용한 부품제조 기술은 최종 부품의 치수 정밀도를 높이고, 대량 생산이 용이하며, 기계가공 및 재료 손실이 적은 장점이 있다. 또한 성분 조절이 수월하여 제품 성능을 극대화할 수 있다는 장점이 있어 정밀 부품, 소재 제조 산업에서 핵심적인 기술로서 그 중요도가 점점 크게 증가하고 있다.
특히, 자동차 및 전자 기계부품 제조에 분말야금 공정을 적용함으로써, 기존의 기계가공 공정 대비 40%이상 저렴한 비용으로 생산이 가능하다. 최근 자동차 및 가전 산업의 발전과 함께 철 분말 소결부품의 수요가 증대됨에 따라 철계 분말의 사용량이 급증하고 있다. 자동차용 소결 부품 제조를 위해서는 분말 자체가 적정 입도, 유동도, 겉보기 밀도, 성형밀도, 고청정도 등의 고밀도 소결체를 제조할 수 있도록 우수한 품질을 갖추어야 한다.
철계 분말의 제조 공정은 전로 또는 전기로를 이용하여 용해된 금속을 턴디쉬 및 용탕 노즐을 통하여 수직 낙하시키면서 고압수를 용탕 줄기에 분사하여 금속 용탕을 분말화하는 수분사 공정, 분말과 물을 분리하여 수분을 제거하는 탈수 및 건조 공정, 수분사 공정 중 생성되는 분말 표면의 산화층을 제거하기 위한 환원 공정 그리고 분쇄 및 혼합 공정 등으로 이루어 진다.
분말의 성분 및 특성을 좌우하는 가장 중요한 공정이 환원 공정이며, 전제 공정 중 가장 많은 경비가 소요되는 공정이기도 하다. 전체 제조 공정 중 환원공정의 시간당 처리 속도가 제일 늦어 병목 공정으로 작용하여 최종 생산성을 향상시킬 수 없는 한계를 가지고 있다.
철계 분말의 제조시 경제성을 향상시키기 위해서는 제조 원가 중 가장 큰 비중을 차지하는 환원 공정을 보다 효율적으로 구성하는 것이 반드시 필요하다.
고온의 용강을 수분사할 경우 분말의 표면이 산화되어 약 10 ㎛ 정도의 산화층이 생성되게 된다. 이러한 분말 표면의 산화층을 환원 시키기 위하여 900℃ 이상의 온도에서 1시간 이상을 수소분위기에서 유지시켜야만 한다. 수십미터 길이의 환원로 내부의 수소분압을 일정하게 유지시키기 위하여 막대한 양의 수소가 소요되는 문제점을 가지고 있다.
본 발명은 수분사로 제조된 철 분말의 환원에 소요되는 시간을 단축하여 제조비용을 절감할 수 있는 철계 분말의 제조방법을 제공하기 위한 것이다.
또한, 환원에 필요한 수소양을 저감시켜 제조비용을 절감할 수 있는 철계 분말의 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상기 기술적 과제로 제한되지 않는다.
위 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 철계 분말 제조방법은, 용강 내의 탄소 함량을 제어하는 단계, 상기 탄소 함량이 제어된 용강을 수분사 공정을 통하여 철 분말을 제조하는 단계 및 상기 철 분말을 환원로에 장입하여 철 분말내의 탄소에 의해 표면확산을 통해 산화층을 환원시키는 자기 환원과 상기 환원로 내의 수소에 의한 환원을 통해 상기 철 분말 표면에 형성된 산화층을 환원시키는 단계를 포함한다.
상기 용강 내의 탄소 함량은 0.1~2.0 중량 퍼센트(wt%)일 수 있다.
상기 철 분말을 환원하는 단계에서 온도는850~950℃일 수 있다.
본 발명에 의한 철계 분말 제조방법에 따르면 환원로 내에서 산화층이 환원되는 속도가 향상되어 환원시간을 단축시킬 수 있어서 철계 분말의 대량 생산시에도 환원공정에서 발생되는 병목현상을 방지할 수 있다. 또한, 환원공정 시간의 단축에 따라 수소사용량을 혁신적으로 절감하여 보다 경제적으로 철계 분말을 제조할 수 있다.
도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 철계 분말 제조방법의 개략적인 모식도이다.
도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 철계 분말 제조방법의 공정도이다.
도3은 종래의 철계 분말 제조방법의 환원공정의 모식도이다.
도4는 본 발명의 일 실시예에 따른 철계 분말 제조방법의 환원공정의 모식도이다.
도5는 발명예1, 발명예2 및 종래예의 환원 시간에 따른 산소함량을 나타낸 그래프이다.
도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 철계 분말 제조방법의 공정도이다.
도3은 종래의 철계 분말 제조방법의 환원공정의 모식도이다.
도4는 본 발명의 일 실시예에 따른 철계 분말 제조방법의 환원공정의 모식도이다.
도5는 발명예1, 발명예2 및 종래예의 환원 시간에 따른 산소함량을 나타낸 그래프이다.
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, 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 철계 분말 제조방법에 대하여 설명하기로 한다.
도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 철계 분말 제조방법의 개략적인 모식도이다. 이를 참조하여 철 분말 제조 과정을 설명하면, 먼저 전로 또는 전기로 등을 이용하여 철 분말을 제조하기 위한 용강을 제조한다. 이때 용강의 성분 제어를 통하여 목표로 하는 철 분말의 성분 함량을 제어하게 된다. 이후 턴디쉬로 용강을 출강하여 턴디쉬에서 용강을 하방향으로 출강하고 출강되는 용강에 고압수를 분사하여 이를 분말로 제조하게 된다. 이와 같이 제조된 철 분말을 수거하여 소정의 탈수 장비를 이용하여 탈수하고 건조하여 수분사 시 철 분말과 혼재되어 있던 수분을 제거한다. 이때 건조된 철 분말의 불순물을 분리하는 과정이 더 포함될 수 있다. 그 다음으로 수분사 공정 중에 철 분말의 표면에 형성된 산화층을 제거하기 위하여 환원과정을 거친 후 분쇄 및 분급 공정을 통하여 철 분말의 제조가 완료된다.
도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 철계 분말 제조방법의 공정도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 철계 분말의 제조방법은 용강 내의 탄소 함량을 제어하는 단계(S10), 상기 탄소 함량이 제어된 용강을 수분사 공정을 통하여 철 분말을 제조하는 단계(S20); 및 상기 제조된 철 분말의 표면 산화층을 철 분말 내의 탄소에 의한 자기 환원과 수소에 의한 환원을 수행하는 단계(30)를 포함한다.
먼저 본 발명의 일 실시예에서는 용강 내 탄소함량을 설정된 범위로 제어하여 목표로 하는 탄소함량을 가진 용강을 제조한다.(S10) 이때 용강을 제조하는 전로 내로 산소를 취입하여 용강 내 탈탄을 수행하면서 샘플링을 통해 목표 탄소함량으로 용강 성분을 제어할 수 있다.
상기 제강과정에서 용강 내의 탄소 함량은 0.1~2.0 중량퍼센트(wt%)일 수 있다. 이는 탄소강 수준의 탄소함량으로서 이후의 환원 과정에서 철 분말의 자기환원에 의한 환원효율이 가장 큰 범위이다. 용강 내 탄소함량이 0.1 중량퍼센트(wt%) 미만인 경우 자기 환원을 통한 환원효과가 미미하여 환원시간을 단축할 수 없으며, 탄소함량이 2.0 중량퍼센트(wt%) 초과인 경우 환원 완료 후 철계 분말 내의 탄소 함량이 과다하여 환원 후에도 철계 분말 내에 잔류하는 탄소에 의해 철계 분말의 품질이 저하되는 문제점이 발생할 수 있다. 최종 철계 분말의 탄소함량이 높은 경우 강도가 증가하여 후속 성형공정이 어려울 수 있다.
제강공정에서 제조된 용강은 수분사 공정을 통하여 철 분말로 제조된다.(S20)
전로에서 제강공정을 통하여 성분 조정을 마친 용강은 1550~1750℃ 온도 범위에서 레이들로 출강시키며, 상기 레이들에서 1530~1700℃ 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.
이때 레이들에서 용강의 온도가 1530℃ 미만인 경우 용강이 응고되어 공정이 더 이상 진행될 수 없으며, 1700℃ 초과인 경우 레이들 내화물, 턴디쉬 내화물에 과부하를 주어 조업이 매우 위험해 질 수 있다.
수분사 공정에 의해 제조된 철 분말을 장입하여 환원을 실시한다.(S30) 환원공정 전에 탈수 및 건조 공정을 더 포함할 수 있으며 이 때 철 분말의 외부에 존재하던 수분을 모두 제거할 수 있다. 수분사 공정에 의해 생성된 철 분말의 표면에는 공기와 수분에 의해 산소와 반응하여 산화철(FeO) 성분의 산화층이 생성된다.
도3은 종래의 철계 분말 제조방법의 환원공정의 모식도이다. 산화층을 제거하여 위하여 제조된 철 분말을 환원로에 장입하여 산화층을 구성하는 산화철 성분의 환원을 실시한다. 종래에는 철 분말을 환원 시 도 3과 같이, 수소 분위기의 환원로에서 산화층이 형성된 철 분말을 장입하고 컨베이어벨트를 따라 철 분말이 이동하면서 환원로 내부에 채워진 수소 가스에 의해 하기 식 1의 반응에 의하여 철분말 표면의 산화층이 철로 환원된다.
[식1]
FeO + H2 → Fe + H2O
이러한 수소분위기에 의한 수소 환원을 위해서는 일반적으로 1시간 이상 환원 공정이 실시되어야 하기 때문에, 철 분말의 대량생산 시 공정상 과부하가 발생될 수 있다.
도4는 본 발명의 일 실시예에 따른 철계 분말 제조방법의 환원공정의 모식도이다. 본 발명의 일 실시예에서는 철 분말 표면에 형성된 산화층의 환원 시, 환원로 내에서 상기 철 분말 내의 탄소에 의한 자기환원과 환원로 내의 수소에 의한 수소환원이 동시에 실시되도록 하였다.
즉, 철 분말 제조에 사용될 용강 내 탄소함량을 0.1~2.0 중량퍼센트(wt%)로 제어하여 이와 동일한 탄소함량을 가진 철 분말을 수분사로 제조하면, 철 분말 내에는 0.1~2.0 중량퍼센트(wt%)의 탄소 성분이 존재하고 있으며, 철 분말 제조 이후 환원로 내로 철 분말을 장입하게 되면 고온의 수소가스 분위기인 환원로 내에서 철 분말 내의 탄소성분이 철 분말 표면으로 확산하여 이동하게 된다. 이와 같은 확산에 의해 철 분말 표면으로 노출된 탄소원자는 철 분말 표면에 산화층을 구성하는 산화철(FeO)과 하기 식과 같은 반응을 하게 된다.
[식2]
FeO + C → Fe + CO(↑)
상기 식2와 같이 철 분말 내의 탄소 성분에 의해 스스로 산화층의 환원이 발생하는 것을 자기환원이라 한다. 자기환원에 의해 산화층의 환원이 일어나게 되고, 이와 동시에 환원로 내의 수소분위기에세 상기 식1과 같은 반응에 의해 철 분말 표면의 산화층의 환원이 동시에 수행된다.
철 분말의 환원을 실시하는 온도는 850~950℃일 수 있으며, 환원을 실시하는 시간은 15~30분일 수 있다. 이러한 온도 범위에서 15분 미만으로 환원하는 경우 철 분말 내 탄소가 모두 확산되어 반응하지 못하므로, 철 분말 내부에 잔류 탄소량 및 산소량이 과다하게 발생할 수 있으며, 30분을 초과하여 환원하게 되면 환원에 소요되는 시간과 에너지에 비하여 환원 효과가 미미하므로 상기 범위 내에서 환원을 수행하는 것이 바람직하다.
이하 실시예를 통하여 보다 자세하게 설명한다.
[실시예]
철계 분말 내 탄소함량을 각각 0.12 중량퍼센트(wt%)(발명예1), 2.0 중량퍼센트(wt%)(발명예2)으로 제강단계에서 탄소함량을 제조한 후 환원로에서 철계 분말 내의 탄소에 의한 자기환원과 수소 가스분위기에서의 수소환원이 동시에 이루어 지도록 철계분말을 제조하고, 이와 비교하기 위하여 종래기술에 의해 철계 분말 내의 탄소 함량이 0.02 중량퍼센트(wt%)(비교예)이 되도록 조절하여 발명예1 및 발명예2와 동일하게 수소 가스분위기에서 철계 분말을 제조하면서 환원완료시간을 측정하였다.
환원완료시간은 철계 분말 내부의 산소 함량이 0.15중량퍼센트(wt%)이하 일 때를 의미한다.
구분 | 환원소요시간(분) |
발명예1 | 20 |
발명예2 | 15 |
종래예 | 60 |
도5는 발명예1, 발명예2 및 종래예의 환원 시간에 따른 산소함량을 나타낸 그래프이다.
상기 표1 및 도5에서와 같이 종래예의 환원시간이 발명예1 및 발명예2에 비하여 약 3~4배 가량 더 걸리는 것을 확인할 수 있었다. 따라서, 환원로 내에서 철계 분말 표면의 산화층이 환원되는 속도가 종래에 비해 단축되기 때문에 분말의 대량생산 시에도 환원공정에서 발생되는 병목현상을 방지할 수 있다. 또한 환원공정에서 소요되는 시간을 단축하여 수소사용량을 절감할 수 있으며, 단위시간당 생산량을 3배 이상 향상시켜 경제적으로 철 분말을 제조할 수 있다.
이상 첨부된 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 실시예는 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 (5)
- 용강 내의 탄소 함량을 제어하는 단계;
상기 탄소 함량이 제어된 용강을 수분사 공정을 통하여 철 분말을 제조하는 단계; 및
상기 철 분말을 환원로에 장입하여 철 분말내의 탄소에 의해 표면확산을 통해 산화층을 환원시키는 자기 환원과 상기 환원로 내의 수소에 의한 환원을 통해 상기 철 분말 표면에 형성된 산화층을 환원시키는 단계;
를 포함하고,
상기 철 분말내의 탄소에 의해 표면확산을 통해 산화층을 환원시키는 자기 환원 및 상기 환원로 내의 수소에 의한 환원은 동시에 일어나는 것인 철계 분말의 제조방법. - 제1항에서,
상기 용강 내의 탄소 함량은 0.1~2.0 중량 퍼센트(wt%)인 것을 특징으로 하는 철계 분말의 제조방법. - 제1항에서,
상기 철 분말을 환원하는 단계에서 온도범위는 850~950℃인 것을 특징으로 하는 철계 분말의 제조방법. - 제1항에서,
상기 철 분말을 환원로에 장입하여 철 분말내의 탄소에 의해 표면확산을 통해 산화층을 환원시키는 자기 환원과 상기 환원로 내의 수소에 의한 환원을 통해 상기 철 분말 표면에 형성된 산화층을 환원시키는 단계;는,
15 내지 30분 동안 수행되는 것인 철계 분말의 제조방법. - 제1항에서,
상기 철 분말을 환원로에 장입하여 철 분말내의 탄소에 의해 표면확산을 통해 산화층을 환원시키는 자기 환원과 상기 환원로 내의 수소에 의한 환원을 통해 상기 철 분말 표면에 형성된 산화층을 환원시키는 단계;는,
단일 단계의 수소 가스 분위기인 것인 철계 분말의 제조방법.
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KR970002097B1 (ko) * | 1994-12-20 | 1997-02-22 | 김만제 | 수분사 철분의 제조방법 |
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KR100530524B1 (ko) | 1997-06-17 | 2005-11-24 | 회가내스 아베 | 스테인레스강 분말 |
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KR100530524B1 (ko) | 1997-06-17 | 2005-11-24 | 회가내스 아베 | 스테인레스강 분말 |
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