KR101615014B1 - 고청정강 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

고청정강 제조 방법이 개시된다. 본 발명의 일 측면에 따르면, 전기로에서 철 스크랩을 용융시켜 용강을 생성하는 단계; 상기 용강을 래들에 출강하는 단계; 상기 용강에 고로 슬래그를 투입하는 단계; 래들 정련을 통해 상기 용강의 온도를 상승시키고 상기 용강 성분의 함량을 조정하는 단계; 탈가스 공정을 통해 상기 용강 내 수소를 제거하는 단계; 상기 용강에 S 성분을 투입하여 상기 용강의 S 성분의 함량을 조정하는 단계; 및 상기 용강을 연주기로 이송하여 연속 주조하는 단계를 포함하는 고청정강 제조 방법이 제공된다.

Description

고청정강 제조 방법{METHODS FOR MANUFACTURING HIGH CLEAN STEEL}
본 발명은 고청정강 제조 방법에 관한 것이다.
자동차용 특수강은 다른 용도의 강재와 비교하여 보다 높은 수준의 청정도가 요구될 수 있다. 이러한 요구에 대응하기 위하여, 자동차용 특수강의 제강 단계에서 형성되는 유해한 개재물의 수를 감소시킬 필요가 있다. 예를 들어, 자동차 구동 부품 중 구동 샤프트(drive shaft)에 사용되는 자동차용 특수강에서, 대표적인 유해 개재물로서는 MgO - Al2O3로 이루어지는 스피넬 구조의 고융점 개재물이 있다. 개재물의 종류 및 개수는 주로 슬래그 조성에 의해 결정될 수 있으므로, 유해 개재물의 수를 줄이기 위해서는 슬래그의 조성 제어가 필요할 수 있다.
본 발명의 배경기술은 대한민국 등록특허공보 제10-0215105호(1999. 08. 16, 고청정강의 제조방법)에 개시되어 있다.
본 발명의 실시예들은 제선 공정에서 생성되는 고로 슬래그를 용강에 투입하여 스피넬 구조의 고융점 개재물의 생성을 억제할 수 있는 고청정강 제조 방법을 제공하는데 목적이 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 전기로에서 철 스크랩을 용융시켜 용강을 생성하는 단계; 상기 용강을 래들에 출강하는 단계; 상기 용강에 고로 슬래그를 투입하는 단계; 래들 정련을 통해 상기 용강의 온도를 상승시키고 상기 용강 성분의 함량을 조정하는 단계; 탈가스 공정을 통해 상기 용강 내 수소를 제거하는 단계; 상기 용강에 S 성분을 투입하여 상기 용강의 S 성분의 함량을 조정하는 단계; 및 상기 용강을 연주기로 이송하여 연속 주조하는 단계를 포함하는 고청정강 제조 방법이 제공된다.
상기 고로 슬래그는 전체 100중량부 기준으로 36중량부 이상의 SiO2를 포함할 수 있다.
상기 고로 슬래그는 전체 100중량부를 기준으로 40중량부의 CaO, 10중량부의 MgO, 36중량부의 SiO2, 10중량부의 Al2O3 및 1중량부의 S를 포함할 수 있다.
상기 고로 슬래그를 투입하는 단계에서, 상기 고로 슬래그는 상기 용강 120ton에 대하여 500kg 이하의 비율로 투입될 수 있다.
상기 용강 성분의 함량을 조정하는 단계에서, 상기 용강의 C, Si, Mn, Al, Ti 성분 등의 함량을 조정할 수 있다.
상기 용강의 S 성분의 함량을 조정하는 단계 이후에, 상기 용강은 전체 100중량부를 기준으로 0.37중량부의 C, 0.22중량부의 Si, 0.82중량부의 Mn, 0.029중량부의 Al, 0.034중량부의 Ti 및 0.018중량부의 S를 포함할 수 있다.
상기 용강을 출강하는 단계에서, 상기 용강에 탈산제를 투입할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, S 성분을 포함하는 고청정강을 제조하는데 있어서, 제선 공정에서 생성되는 고로 슬래그를 용강에 투입함으로써, 고로 슬래그 내 다량 함유된 SiO2 성분으로 인해 제강 슬래그 내 SiO2의 활동도를 증가시켜 용강 내 스피넬 구조의 고융점 개재물인 MgO - Al2O3이 생성되는 것을 억제할 수 있고, 고로 슬래그 내 소량 함유된 S 성분으로 인해 탈황을 위한 추가적인 공정이 요구되지 않으며 도리어 S 성분의 조정을 위해 투입되는 S 와이어(sulfur wire)를 절감할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고청정강 제조 방법을 나타낸 도면이다.
도 2는 SiO2 및 Al2O3의 함량에 따른 활동도 변화를 나타낸 도면이다.
도 3은 제강 슬래그 조성에 따른 SiO2 활동도를 나타낸 도면이다.
도 4는 고로 슬래그 투입량에 따른 제강 슬래그 내 SiO2 함량 및 스피넬 개재물의 개수를 나타낸 도면이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 본 발명에 따른 고청정강 제조 방법의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고청정강 제조 방법을 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 고청정강 제조 방법은 용강을 생성하는 단계(S100), 용강을 출강하는 단계(S110), 용강에 고로 슬래그를 투입하는 단계(S120), 용강 성분의 함량을 조정하는 단계(S130), 용강 내 수소를 제거하는 단계(S140), 용강의 S 성분의 함량을 조정하는 단계(S150) 및 연속 주조하는 단계(S160)를 포함할 수 있다.
먼저, 전기로에서 철 스크랩을 용융시켜 용강을 생성할 수 있다(S100).
철 스크랩을 전기로에 장입하고, 전기로에 설치된 전극 봉에 고전압의 전기를 공급하여 발생되는 아크 열에 의해 철 스크랩을 용융시킬 수 있다.
전기로에는 탈린 반응을 위한 생석회(CaO)가 투입될 수 있다.
전기로에는 열원을 보충하기 위하여 LNG, 산소 가스, 가탄제 등이 취입될 수 있다. 전기로에 취입되는 산소 가스는 가탄제 및 기타 용강 내 함유된 C 성분과 산화 반응을 일으키면서 전기로 내에 열을 추가로 공급하게 되고, 이러한 열에 의해 용강의 온도는 보다 상승될 수 있다.
다음으로, 용강을 래들에 출강할 수 있다(S110).
용강을 래들에 출강하는 과정에서 용강에는 탈산제, 예를 들어 Fe - Si, Si - Mn 등이 투입될 수 있다. 탈산제는 전기로의 1차 정련 조업 중 취입되어 용강 내 다량 함유된 산소 성분을 제거할 수 있다.
다음으로, 용강에 고로 슬래그를 투입할 수 있다(S120).
고로 슬래그는 철광석에서 용선을 제조하는 고로의 제선 공정에서 수집될 수 있다.
고로 슬래그는 S 성분을 소량이나마 함유하고 있기 때문에, 제강 슬래그로 사용하는 경우 고로 슬래그 투입 후 추가적인 탈황 공정을 거쳐야 한다. 이러한 이유로 고로 슬래그를 제강 슬래그로 사용하지 않는 것이 일반적이다. 하지만, 본 실시예에서 제조하고자 하는 자동차 구동 부품 중 구동 샤프트(drive shaft)에 사용되는 자동차용 특수강의 경우에는 최종적으로 S 성분을 함유하고 있기 때문에, 고로 슬래그를 제강 슬래그로 사용하는 것이 가능하고, 오히려 고로 슬래그 내 S 성분으로 인해 S 와이어(sulfur wire)의 투입량을 절감할 수 있는 장점이 있다.
특히, 고로 슬래그는 다량, 구체적으로는 전체 100중량부 기준으로 36중량부 이상의 SiO2를 포함할 수 있다.
그 결과, 고로 슬래그 투입을 통해, 초기 제강 슬래그 내 SiO2 활동도를 증가시킬 수 있고, 나아가 후술하는 것처럼 용강 내 MgO - Al2O3로 이루어지는 스피넬 구조의 고용점 개재물이 생성되는 것을 억제할 수 있다.
용강 내 스피넬 구조의 고융점 개재물은 다음 반응을 차례로 거쳐 생성될 수 있다.
(반응 1)
3(SiO2)슬래그 + 4Al → 3Si + 2(Al2O3)개재물
(SiO2)슬래그 + Ti → Si + (TiO2)개재물
Si + 2O → (SiO2)개재물
(반응 2)
(SiO2)개재물 + (Al2O3)개재물 → (SiO2 - Al2O3)개재물
(반응 3)
4(Al2O3)개재물 + 3Mg → 3(MgO - Al2O3)개재물 + 2Al
상기 반응들의 아래 첨자 중 슬래그는 해당 성분이 슬래그 내에 존재함을 의미하고, 아래 첨자 중 개재물은 해당 성분이 용강 내 개재물의 형태로 존재함을 의미한다.
반응 1에서 초기 제강 슬래그의 SiO2 활동도를 증가시키면, SiO2 개재물이 증가하게 되고, 반응 2에서 SiO2 개재물이 증가하게 되면 SiO2 - Al2O3 개재물 내의 Al2O3의 활동도는 감소하게 되며, 반응 3에서 Al2O3의 활동도가 감소하게 되면 MgO - Al2O3로 이루어지는 스피넬 구조의 고융점 개재물의 생성 구동력이 떨어지게 된다. 그 결과, 최종적으로 용강 내 스피넬 구조의 고융점 개재물의 생성을 억제할 수 있다. 따라서, 용강 내 스피넬 구조의 고융점 개재물의 생성을 억제하기 위해서는, 초기 제강 슬래그의 SiO2 활동도를 증가시킬 필요가 있다.
도 2는 SiO2 및 Al2O3의 함량에 따른 활동도 변화를 나타낸 도면, 도 3은 제강 슬래그 조성에 따른 SiO2 활동도를 나타낸 도면이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 제강 슬래그 내 SiO2의 함량이 증가할수록 SiO2의 활동도는 증가하고, 특히 도 3에 도시된 것처럼 일반적으로 제강 슬래그 내 SiO2 함량이 20%를 넘기지 않는 범위 내에서 형성되는 것을 고려하면 SiO2의 함량이 조금만 증가해도 SiO2의 활동도가 0.0001에서 0.001 또는 0.01로 변화하여 10배 내지 100배 증가하는 것을 확인할 수 있다.
따라서, SiO2 성분을 다량 함유하고 있는 고로 슬래그를 용강에 투입함으로써, 초기 제강 슬래그 내 SiO2 활동도를 증가시킬 수 있고, 나아가 용강 내 MgO - Al2O3로 이루어지는 스피넬 구조의 고용점 개재물이 생성되는 것을 억제할 수 있다.
도 4는 고로 슬래그 투입량에 따른 제강 슬래그 내 SiO2 함량 및 스피넬 개재물의 개수를 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하면, 고로 슬래그의 투입량을 증가시킬수록, 제강 슬래그 내 SiO2 성분의 함량은 점차 증가하고, 스피넬 구조의 고융점 개재물의 수는 감소하는 것을 확인할 수 있다. 한편, 고로 슬래그를 500kg 초과하여 투입 시 스피넬 구조의 고용점 개재물의 수가 다시 증가하는 것은 Si 성분의 농도 과다로 인한 재산화로 추정된다. 따라서, 고로 슬래그는 500kg 이하로 투입되어야 스피넬 구조의 고융점 개재물의 수를 최소화할 수 있다. 이 경우, 용강은 120톤(ton)이고, 고로 슬래그는 전체 100중량부를 기준으로 40중량부의 CaO, 10중량부의 MgO, 36중량부의 SiO2, 10중량부의 Al2O3 및 1중량부의 S를 포함할 수 있다.
다음으로, 래들 정련을 통해 용강의 온도를 상승시키고 용강 성분의 함량을 조정할 수 있다(S130).
래들에 출강된 용강은 LF(ladle furnace) 설비 및 후술한 VD(vacuum degasing) 설비에 의해 2차 정련될 수 있다. 본 공정은 LF 설비에 의한 래들 정련에 관한 것으로서, 래들 정련에 의해 용강은 추후 조업의 수행을 위해 충분히 승온될 수 있고, 용강 성분 중 S 성분을 제외한 나머지 성분, 즉 C, Si, Mn, Al, Ti 성분 등의 함량을 조정할 수 있다. 용강 성분 중 S 성분을 제외하고 나머지 성분만을 조정하는 이유는 후술하는 VD 설비에 의한 탈가스 공정에서 S 성분 함량이 변화될 수 있기 때문이다.
용강의 승온은 아크열에 의해 이루어질 수 있으며, 래들의 하부에는 질소 가스가 주입되어 용강을 환류시킬 수 있으므로 이에 따라 용강 내 온도 분포 및 용강 내 성분 분포는 보다 균질화 될 수 있다.
다음으로, 탈가스 공정을 통해 용강 내 수소를 제거할 수 있다(S140).
래들 정련이 완료된 후 래들은 VD 설비의 진공 챔버 내에 배치되어 용강에 대한 진공 탈가스 공정이 이루어질 수 있다.
진공 탈가스 공정을 통해 용강 내 수소(H)의 함량을 감소시킬 수 있고, 이에 수반되어 용강 내 S 성분의 함량도 낮아질 수 있다. 용강 내 S 성분의 함량 조정이 진공 탈가스 공정 이후 이루어지는 것도 이러한 이유에 기초한다.
다음으로, 용강에 S 성분을 투입하여 용강의 S 성분의 함량을 조정할 수 있다(S150).
용강의 S 성분의 함량 조정을 위하여, 용강에 S 와이어(sulfur wire)를 투입할 수 있는데, 사전 투입된 고로 슬래그 내의 S 성분으로 인하여 S 와이어의 투입량을 절감할 수 있다.
용강의 S 성분의 함량 조정까지 완료되면, 용강은 자동차 구동 부품 중 구동 샤프트(drive shaft)에 사용되는 자동차용 특수강의 조성을 가질 수 있다.
즉, 용강은 전체 100중량부를 기준으로 0.37중량부의 C, 0.22중량부의 Si, 0.82중량부의 Mn, 0.029중량부의 Al, 0.034중량부의 Ti 및 0.018중량부의 S를 포함할 수 있다.
다음으로, 용강을 연주기로 이송하여 연속 주조할 수 있다(S160).
상술한 공정들에 의해 성분 함량 조정이 완료된 용강은 래들의 이송에 따라 연주기로 이송된다. 래들 하부에는 슈라우드 노즐이 연결되어 래들 내 용강은 턴디쉬로 주입될 수 있으며, 용강은 침지 노즐을 통해 몰드로 주입되어 이러한 몰드를 통해 슬라브가 생성될 수 있다.
이상, 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.

Claims (7)

  1. 전기로에서 철 스크랩을 용융시켜 용강을 생성하는 단계;
    상기 용강을 래들에 출강하는 단계;
    상기 용강에 고로 슬래그를 투입하는 단계;
    래들 정련을 통해 상기 용강의 온도를 상승시키고 상기 용강 성분의 함량을 조정하는 단계;
    탈가스 공정을 통해 상기 용강 내 수소를 제거하는 단계;
    상기 용강에 S 성분을 투입하여 상기 용강의 S 성분의 함량을 조정하는 단계; 및
    상기 용강을 연주기로 이송하여 연속 주조하는 단계를 포함하고,
    상기 용강의 S 성분의 함량을 조정하는 단계 이후에, 상기 용강은 전체 100중량부를 기준으로 0.37중량부의 C, 0.22중량부의 Si, 0.82중량부의 Mn, 0.029중량부의 Al, 0.034중량부의 Ti 및 0.018중량부의 S를 포함하는 것을 특징으로 하는 고청정강 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 고로 슬래그는 전체 100중량부 기준으로 36중량부 이상의 SiO2를 포함하는 것을 특징으로 하는 고청정강 제조 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 고로 슬래그는 전체 100중량부를 기준으로 40중량부의 CaO, 10중량부의 MgO, 36중량부의 SiO2, 10중량부의 Al2O3 및 1중량부의 S를 포함하는 것을 특징으로 하는 고청정강 제조 방법.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 고로 슬래그를 투입하는 단계에서,
    상기 고로 슬래그는 상기 용강 120ton에 대하여 500kg 이하의 비율로 투입되는 것을 특징으로 하는 고청정강 제조 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 용강 성분의 함량을 조정하는 단계에서,
    상기 용강의 C, Si, Mn, Al, Ti 성분 등의 함량을 조정하는 것을 특징으로 하는 고청정강 제조 방법.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 용강을 출강하는 단계에서,
    상기 용강에 탈산제를 투입하는 것을 특징으로 하는 고청정강 제조 방법.
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