KR101550999B1 - 제강 정련 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 제강공정에서 용강중의 황(S)이 0.005 %이하인 강종을 정련하는 방법에 관한 것이다. 구체적으로 전로에서 합금철을 평량할 때 알루미늄을 투입하여 알루미나를 생성시킨 후, 생석회 및 합금철을 투입하면서 보텀버블링을 실시하는 저류강 제강 정련 방법에 관한 것이다.

Description

제강 정련 방법{STEELMAKING REFINING METHOD}

본 발명은 제강공정에서 형석을 투입하지 않고 알루미늄 투입 후 생석회 및 합금철을 투입하여 정련하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로 용강중의 황(S) 농도가 0.005 % 이하의 강종을 저류강이라고 한다.

상기와 같은 강종의 제강 정련 방법은 다음과 같다.

전로에 고철과 용선을 장입하고 상부에서 산소를 공급하여 용선중의 5대 불순물을 하기 화학식 1에 의해서 제거한다.

[화학식 1]

C + O → CO(가스로 제거)

Si + O₂ → SiO₂

Mn + O → MnO

2P + 5O → P₂O₅

Ti + 2O → TiO₂

상기와 같은 반응을 하여 불순물을 제거하기 위해 일반적으로 17 ~ 19분 정도의 정련작업을 하게 된다. 이러한 정련작업 과정에서 용강 중에 산소가 400 ~ 1000 ppm이상 존재하게 된다.

전로 정련을 하는 동안에 합금철을 평량하게 되는데 하기 표 1은 중탄소강의 성분조성표이다.

(%)	[C]	[Si]	[Mn]	[P]	[S]	Sol[Al]	[N]
max	0.32	0.002	0.8	0.02	0.005	0.045	0.006
mid	0.29		0.7			0.035
min	0.27	-	0.6	-		0.02

일반적으로 황(S)의 경우는 하기 화학식 2와 같이 환원반응에 의해서 제거할 수 있다.

[화학식 2]

CaO + FeS → CaS+ FeO

기존의 전로에서의 화학반응은 산화반응으로 황(S)을 제거하는데 한계가 있다. 따라서, 용선 예비처리공정에서 고순도의 생석회를 분말상태로 질소와 같이 불어넣어 용강을 교반시켜 환원반응을 촉진하여 30 ppm 수준까지 황(S)을 제어한 후 전로공정으로 보내지게 된다.

전로에서는 고철을 장입하는 비율이 10 ~ 20 % 수준이며 고철 중의 황(S)은 0.02 % 수준이기 때문에 전로 출강후의 황(S)의 수준은 50 ppm 이상이 된다.

용강 중 황(S)은 강의 품질을 저하시키는 불순물이다. 제강 분야에서는 이러한 황(S)의 함량을 낮추기 위한 다양한 시도가 있어왔다.

예를 들어, 황(S)의 농도를 낮추기 위해서 전로 출강 중에 생석회와 형석을 투입하여 고염기도의 슬래그(Slag)만들면서 동시에 합금철을 투입하여 용강의 특성에 맞는 정련작업을 진행하게 된다.

그러나, 형석을 사용하는 경우 슬래그 중에 포함되는 3,800 내지 7,300 mg/Kg 의 불소로 인해 토양, 수질 오염이 야기된다. 또한, 출강 중 형석을 투입하게 되면 3 ~ 4 ppm 의 불소가 대기 중에 방출되어 대기 환경 오염을 유발한다. 따라서 최근 대기, 토양, 수질 오염을 방지하기 위해서 형석의 사용을 금지하고 있다.

만약, 형석을 투입하지 않으면 4 ~ 7 분의 짧은 출강시간에 용강잠열과 출강류의 기계적인 교반에 의하여 생석회가 용융되지 않아 이차정련공정에서 실시하는 탈류작업이 용이하지 않게 되어 품질불량의 원인이 된다.

또한, 생석회의 용융을 촉진하기 위해서 형석 대체제로 나트륨계 원료를 사용할 경우에는 화염이 다량 발생되는 문제점이 발생하게 된다.

상기의 문제점을 해결하기 위한 종래의 방법으로, 대한민국특허출원 제2004-0091765호는 무형석의 전로 정련방법을 개시한다. 구체적으로는 CaO-SiO₂-FeO의 삼원상태도를 확보할 수 있는데 이것은 전로정련과정에서 랜스로 공급하는 산소와 철이 만나서 반응하여 산화철을 형성하고 용선중의 실리콘에 의해서 슬래그재화를 촉진할 수 있다. 그러나 레이들 내에서는 충분한 FeO를 확보할 수가 없다.

대한민국특허출원 제2006-0133683호는 슬래그 개질 방법을 개시한다. 구체적으로는 출강 중에 탈산제를 투입하지 않고 출강하는 경처리재의 경우로 출강 중 산화철을 공급하여 생석회 용융을 도울 수 있다. 그러나 출강 중 탈산제를 투입하는 경우 산화철을 투입하면 알루미나의 생성이 증가하기 때문에 품질불량의 원인이 된다.

대한민국특허출원 제2004-0091765호 대한민국특허출원 제2006-0133683호

본 발명은, 전로 출강 중 형석을 투입하지 않고, 레이들(Ladle) 내에서 Al₂O₃(알루미나)-CaO(생석회)-SiO₂(산화철)의 삼원상태도에 의한 슬래그 조제를 촉진하고, 레이들 내에서 교반을 촉진하여 수질, 대질, 토질 오염을 방지하고 합금철 실수율을 증대함으로써 용강의 원가 절감과 품질을 향상시킬 수 있는 저류강 제강 정련 방법을 제공하고자 한다.

전로 합금철 평량과정에서,

알루미늄, 생석회 및 합금철 순으로 합금철을 평량하는 단계;

용강을 레이들로 이송하는 과정 중에 알루미나를 투입한 후, 생석회 및 합금철을 투입하는 단계; 및

레이들 내 버블링을 실시하는 단계를 포함하는 제강 정련 방법을 제공한다.

본 발명에 따른 저류강 제강 정련 방법은, 형석을 사용하지 않음으로써, 환경오염을 방지하고, 탈류능 을 향상시킬 수 있다. 또한, 합금철 실수율을 증대하여, 용강의 제조원가 절감 및 품질 향상 등의 효과를 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명의 제강 정련 기술의 과정을 나타낸 모식도이다.
도 2는 종래의 제강 정련 기술의 과정을 나타낸 모식도이다.

본 발명에서는 종래의 문제점들을 보완하며 제강공정에서 용강중의 황(S)이 0.005 % 이하인 강종을 정련하는 제강 정련 방법을 제공한다.

본 발명에 따른 제강 정련 방법은,

전로 합금철 평량과정에서,

알루미늄, 생석회 및 합금철 순으로 합금철을 평량하는 단계;

용강을 레이들로 이송하는 과정 중에 알루미늄을 투입한 후, 생석회 및 합금철을 투입하는 단계 및 레이들 내 버블링을 실시하는 단계를 포함하는 제강 정련 방법을 제공한다.

상기 과정에서 알루미늄을 먼저 투입하는 이유는, 매용제 역할을 하는 형석을 사용하지 않기 때문이다. 형석 없이 Al₂O₃(알루미나)-CaO(생석회)-SiO₂(산화철)의 삼원상태도를 만들기 위해서는 알루미늄이 투입되어 하기 화학식 3 과 같이 알루미나를 만들어야 하기 때문이다.

[화학식 3]

2Al + 3FeO → Al₂O₃ + 3Fe

상기 화학식 3에서 알루미늄은 탈산제 역할을 할 수 있으며, 상기 화학식 3과 같이 만들어진 알루미나와 생석회가 만나서 용융점을 1600℃ 수준으로 저하시켜 생석회의 용융을 촉진할 수 있다.

본 발명에 의한 제강 정련 방법은, 전로 출강 중 슬래그 조제를 위해 투입하던 형석을 사용하지 않고 레이들내에서 Al₂O₃(알루미나)-CaO(생석회)-SiO₂(산화철)의 삼원상태도에 의한 슬래그 조제를 촉진하고 레이들내에서 교반을 촉진하게 된다. 따라서, 환경오염을 방지하고 합금철 실수율을 증대하여 용강의 원가가 절감되고 품질이 향상될 수 있다.

상기 용강을 레이들로 이송하는 과정 중에 알루미늄 투입 후, 생석회 및 합금철을 투입하는 단계에서, 생석회 및 합금철은 레이들 내 용강이 50 내지 150톤인 시점에서 투입하는 것을 특징으로 한다.

구체적으로 상기 레이들 내 용강은 80 내지 120 톤, 80 내지 110 톤, 90 내지 110 톤 혹은 110 내지 120 톤 범위일 수 있다. 레이들 내의 용강이 상기 범위일 경우, 생석회화 알루미나의 비율이 일정해지면서 용융점이 떨어지기 때문이다.

따라서, 레이들 내의 용강이 상기 범위 일 때 생석회 및 합금철을 투입할 경우, 생석회가 완전히 용융되지 않아 레이들 상부에 떠다니는 것을 방지할 수 있다. 또한, 교반시간이 부족하여 생석회가 용융되지 않는 경우를 방지할 수 있다.

만약, 용강중의 성분이 불균일한 경우에는 하기 수학식 1에 의해서 합금철 투입량을 산출하고 합금철을 투입하게 된다.

[수학식 1]

예를 들어, 용강량이 280,000 Kg이고, 망간[Mn]의 목표성분이 0.8 % 이고, 밥(Bubbling Al-wire feeding Powder injection, BAP) 장의 성분이 0.6 % 로 실적되며, 철-망간의 함유율이 75 % 이고, 실수율이 95 % 라고 가정한다면, 상기 수학식 1에 의하여 용강에 투입될 합금철 투입량은 442 Kg 이다.

예) 합금철 투입량

본 발명에 사용된 용어 "밥 장"은 정련의 한 공정으로, 전로에서 출강된 용강이 보텀 버블링(Bottom Bubbling)을 실시하고, 알루미늄 및 탈산을 처리하면서 개재물 분리를 실시하는 자동장치를 의미한다.

상기와 같이 용강에 투입할 합금철의 투입량이 산출되면, 레이들을 엘에프로 이송하고 정련하게 되는 바, 레이들 하부에서 보텀 버블링을 실시하게 된다.

상기 보텀 버블링을 수행할 시 용강의 청정도가 향상되며, 성분 및 온도의 균일화에 도움이 된다.

상기 레이들 내 보텀 버블링을 실시하는 단계는 레이들 내의 용강이 50 내지 120 톤인 시점에서 실시할 수 있다. 구체적으로는 레이들 내의 용강이 60 내지 80톤, 70 내지 90톤 범위일 수 있다. 더욱 구체적으로는 상기 생석회와 합금철을 용강에 투입하는 시점에 레이들 내 버블링을 실시할 수 있다. 생석회와 합금철을 투입하는 시점에 레이들 내 버블링을 실시하게 되면, 생석회 및 합금철이 용강과 반응하는 시간이 빨라져 동시에 교반력이 증대되는 효과가 있다.

또한, 상기 레이들 내 버블링을 실시하는 단계에서 보텀 유량은 40 내지 85 Nm³/min 으로 수행할 수 있으며, 구체적으로는 55 내지 70 Nm³/min 으로 수행할 수 있다. 보텀 유량을 상기 범위로 할 경우 교반력이 증대되는 효과가 있고, 용강이 레이들 밖으로 넘치는 문제 또한 방지할 수 있다.

상기와 같은 과정으로 정련된 강은, 용강 100 중량부를 기준으로, 황(S) 농도가 0.005 % 이하일 수 있다. 합금철 평량 과정에서 알루미늄, 생석회, 합금철 순으로 투입 함으로써, 형석의 사용 없이 황(S) 농도가 0.005 % 이하인 저류강을 정련할 수 있다.

도 1은 본 발명에 의한 저류강 제강 정련 방법의 과정을 모식도화 한 것이다. 도 1을 참조하면, 합금철 평량 과정에서 기존의 방법에서 사용하던 형석을 제외한 후 알루미늄, 생석회, 합금철 순으로 평량한다. 또한 합금철 투입 과정에서 종래기술의 과정에는 없었던 보텀 버블링을 실시한다.

도 2는 종래 제강 정련 기술의 과정을 모식도화 한 것이다. 도 2를 참조하면 합금철 평량 과정에서 형석을 사용하여 생석회, 형석, 알루미늄, 합금철 순으로 평량한다. 또한 합금철 투입 과정에서 보텀 버블링을 실시하지 않는다.

이하, 실시예 등을 통해 본 발명을 더욱 상세하게 설명하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.

실시예

전로 합금철 평량과정에서 알루미늄, 생석회 및 합금철을 순차적으로 평량하였다.

레이들 내 용강이 90 톤 인 시점에서 알루미늄 520 Kg 을 투입한 후 생석회 2200 Kg 및 합금철을 투입하였다. 합금철의 양은 상기 수학식 1에 의해 산출하여 투입하였다.

그 후, 레이들 내 용강이 80 톤 인 시점에서 보텀 유량 65 Nm³/min 으로 보텀 버블링을 수행하여 강을 정련하였다.

실시예에서 사용한 원료성분 및 보텀 버블링 여부를 하기 표 2에 정리하였다.

	1순위 투입원료	생석회 (Kg)	형석(Kg)	나트륨계원료 (Kg)	보텀버블링여부
실시예	Al	2200	-	-	O

비교예 1

전로 합금철 평량과정에서 생석회, 형석, 알루미늄 및 합금철을 순차적으로 평량하였다.

그 후, 레이들 내 용강이 90 톤 인 시점에서 생석회 2200 Kg 을 투입한 후 형석 250 Kg 및 합금철을 투입하였다. 합금철의 양은 상기 수학식 1에 의해 산출하여 투입하였다.

그리고 레이들 내 용강이 80 톤 인 시점에서 보텀 버블링을 보텀 유량 65 Nm³/min 로 수행하여 강을 정련하였다.

비교예 2

형석을 투입하지 않는 것을 제외하고는 비교예 1과 동일한 방법으로 강을 정련하였다.

비교예 3

형석 대신에 나트륨계원료 100 kg 을 사용한 것을 제외하고는 비교예 1과 동일한 방법으로 강을 정련하였다.

비교예 4

보텀 버블링을 수행하지 않은 것을 제외하고는 실시예와 동일한 방법으로 강을 정련하였다.

상기 비교예 1 내지 4에 사용한 원료성분 및 보텀 버블링 여부를 하기 표 3에 정리하였다.

	1순위 투입원료	생석회 (Kg)	형석 (Kg)	나트륨계원료 (Kg)	보텀 버블링 여부
비교예1	CaO	2200	250	-	O
비교예2	CaO	2200	-	-	O
비교예3	CaO	2200	-	100	O
비교예4	Al	2200			X

실험예 1

실시예와 비교예 1 내지 4의 슬래그 풀림성을 평가하였다. 그 결과는 하기 표 4에 나타내었다.

	슬래그 풀림성
실시예1	양호
비교예1	양호
비교예2	불량
비교예3	양호
비교예4	불량

표 4를 참조하면, 1순위 투입원료를 알루미늄으로 한 실시예의 슬래그 풀림성은 양호하게 나타났다.

형석을 투입한 비교예 1은 슬래그의 풀림성은 양호하였지만, 형석의 사용으로 인한 환경오염 및 대기오염이 야기될 수 있다.

비교예 2는 생석회를 1순위 투입원료로 하였으며, 환경오염을 방지하기 위해 형석을 투입하지 않았다. 그 결과 생석회가 용해되지 않아 슬래그 풀림성이 낮게 나타났으며, 탈류불량으로 인한 성분격외가 발생하였다.

비교예 3은 생석회를 1순위 투입원료로 하였으며, 형석을 대신해 나트륨계 원료를 사용하였다. 그 결과 슬래그의 풀림성은 양호하였지만, 나트륨계원료가 용강과 반응하면서 분진발생에 의한 슬래그 유출의 문제점이 발생하였다.

비교예 4는 기계적 교반력을 증대시키는 보텀 버블링을 실시하지 않았다. 그 결과, 생석회가 용융되지 않아 슬래그의 풀림성이 낮게 나타났다.

실험예 2

실시예와 비교예 1 내지 4의 정련을 거친 강의 황(S) 함량을 측정하였다. 그 결과는 하기 표 5 에 나타내었다.

	정련을 거친 강의 황(S) 함량(wt%)
실시예1	0.0025
비교예1	0.0045
비교예2	0.0078
비교예3	0.0047
비교예4	0.0057

표 5를 참조하면, 실시예 1의 정련을 거친 강의 황(S) 함량은 양호한 결과를 보였다.

비교예 1의 황(S)의 함량은 양호하였지만 형석의 사용으로 대기오염 등의 환경오염이 야기된다는 문제점이 있다.

비교예 2는 알루미늄대신 생석회를 사용한 경우로, 황(S)의 함량이 실시예의 경우보다 높게 나타났다.

비교예 3의 황(S) 함량은 양호하였지만, 나트륨계원료가 용강과 반응하여 분진발생에 의한 슬래그 유출의 문제점이 나타났다.

비교예 4는 보텀 버블링을 수행하지 않은 경우로 황(S)의 함량이 실시예의 경우보다 높게 나타났다.

실험예 1 및 2를 통해서, 합금철 평량시에 알루미늄을 1순위 투입원료로 함으로써, 형석이나 나트륨계원료를 사용하지 않고도 높은 슬래그 풀림성과, 0.005% 미만의 낮은 황(S)의 함량이 나타나는 것을 확인할 수 있었다.

Claims (5)

1. 전로 합금철 평량과정에서,
   알루미늄, 생석회 및 합금철을 평량하는 단계;
   용강을 레이들로 이송하는 과정 중에 알루미늄을 투입한 후, 레이들 내 용강이 80 내지 120톤인 시점에서 생석회 및 합금철을 투입하는 단계; 및
   레이들 내 버블링을 실시하는 단계를 포함하는 제강 정련 방법.
   
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서,
   레이들 내 버블링을 실시하는 단계는,
   레이들 하부에 형성된 보텀 버블링을 이용하여 수행하는 것을 특징으로 하는 제강 정련 방법.
   
4. 제 1 항에 있어서,
   레이들 내 버블링을 실시하는 단계는,
   용강 70 내지 90 톤 시점에서 55 내지 70 Nm³/min으로 수행하는 것을 특징으로 하는 제강 정련 방법.
   
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 제강 정련 방법으로 정련된 강은,
   용강 100 중량부를 기준으로, 황(S) 농도가 0.005 % 이하인 것을 특징으로 하는 제강 정련 방법.
   
   

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