KR101647126B1 - 전기로 제강조업 중 총 산소 제어방법 - Google Patents

전기로 제강조업 중 총 산소 제어방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 제품의 품질을 향상시키고 불량률을 저감할 수 있도록 용강 중의 총 산소 농도를 낮추기 위한 전기로 제강조업 중 총 산소 제어방법에 관한 것이다. 본 발명의 실시예에 따른 전기로 제강조업 중 총 산소 제어방법은 전기로 제강조업 중 전기로 출강 시 용강에 Mn 및 Si가 1.9~2.2의 투입비(Mn/Si)로 투입되어 용강 중의 총 산소 농도를 제어한다.

Description

전기로 제강조업 중 총 산소 제어방법{METHOD OF CONTROLLING TOTAL OXYGEN FOR EAF OPERATION}
본 발명은 전기로 제강조업 중 총 산소 제어방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 제품의 품질을 향상시키고 불량률을 저감할 수 있도록 용강 중의 총 산소 농도를 낮추기 위한 전기로 제강조업 중 총 산소 제어방법에 관한 것이다.
일반적으로, 전기로(EAF, Electric Arc Furnace) 제강조업 중 전기로의 출강 공정에서는 용강의 청정도 향상을 위해 탈산제로써 FeSi, SiMn의 합금철을 투입하고 있다.
투입된 상기 합금철에 의해서 식(1)과 같은 슬래그 반응이 생기며, 이를 통해 슬래그 탈산이 이루어질 수 있다. 그리고, 슬래그 탈산 과정에서는 SiO2의 탈산 반응 생성물이 생성된다.
<Si>+2(FeO) or 2(MnO)= (SiO2)+2[Fe] or 2[Mn] - 식(1)
또한, 투입된 상기 합금철에 의해 용강 반응도 이루어지게 되는데, 용강 합금 성분으로 Si가 생성되거나, 식(2)와 같은 용강 탈산 반응으로 SiO2의 탈산 반응 생성물이 생성될 수 있다.
<Si>+2[O]=[SiO2] - 식(2)
그리고, 식(3)과 같은 용강 총 산소(T.[O]) 반응이 형성될 수 있다.
<Si>+2[FeO]=[SiO2]+2[Fe] - 식(3)
탈산 반응 생성물인 SiO2, MnO는 단독 산화물로서 고융점을 가지기 때문에, 용강에서 고상으로 존재를 하여 슬래그화되거나, 또는 연주공정상까지 남아 있게 되면서 제품에 개재물로 존재하게 된다. 탈산 반응 생성물이 제품에 개재물로 존재하게 되면 제품에 균열(Crack) 등과 같은 불량을 야기시키는 요인이 된다.
따라서, 제강조업에서는 개재물을 슬래그화하여 제거하는 것이 바람직하며, 이를 위해, SiO2, MnO와 같은 단독 산화물로 존재하는 탈산 반응 생성물을 복합산화물로 만들어 저융점화 하는 기술이 필요하다. 즉, 탈산 반응 생성물을 저융점화하여 액상산화물로 존재하도록 함으로써, 레이들 로(Ladle Furnace)에서 슬래그화 되어 부상 분리가 가능하게 된다.
그러나, 종래의 제강조업에서는 FeSi, SiMn의 합금철을 투입 시에, 목표성분 및 레이들 로의 도착 시 용강의 용존 산소 농도만을 고려하여 그 투입량을 결정하였다. 이로 인해, SiO2, MnO와 같은 탈산 반응 생성물이 충분히 제거되지 못하였으며, 용강이 레이들 로에 도착 시에 개재물 지수인 총 산소 농도가 높아지게 되었다.
이처럼, 레이들 로 공정 중 총 산소 농도가 높고, 레이들 로 공정 중 탈산 반응 생성물이 개재물로 존재하게 되면, 이후 생산되는 제품의 품질이 저하될 수 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 제품의 품질을 향상시키고 불량률을 저감할 수 있도록 용강 중의 총 산소 농도를 낮추기 위한 전기로 제강조업 중 총 산소 제어방법을 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시예는 전기로 제강조업 중 전기로 출강 시 용강에 Mn 및 Si가 1.9~2.2의 투입비(Mn/Si)로 투입되어 용강 중의 총 산소 농도를 제어하는 것인 전기로 제강조업 중 총 산소 제어방법을 제공한다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 Mn 및 Si는 탈산제에 포함되고, 상기 탈산제는 SiMn 합금철 및 FeSi 합금철일 수 있다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 SiMn 합금철 및 FeSi 합금철은 상기 전기로 출강 시 용강 대비 중량%로 0.96%~1.04%가 투입될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 전기로 출강 시 용강에 1.9~2.2의 투입비(Mn/Si)로 Mn 및 Si를 투입함으로써, 산화물의 액상화율을 증가시키고, 개재물 생성율을 낮출 수 있다. 그리고, 이를 통해 용강 중 총 산소 농도를 저감시켜 생산되는 제품의 품질을 향상시키고, 불량률을 낮출 수 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 전기로 제강조업 중 총 산소 제어방법에서 Mn 및 Si의 투입비(Mn/Si)에 따른 슬래그 생성율을 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 전기로 제강조업 중 총 산소 제어방법에서 Mn 및 Si의 투입비(Mn/Si)에 따른 개재물 생성율을 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 전기로 제강조업 중 총 산소 제어방법에서 Mn 및 Si의 투입비(Mn/Si)에 따른 상(Phase) 상태를 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 전기로 제강조업 중 총 산소 제어방법에서 Mn 및 Si의 투입비(Mn/Si)에 따른 총 산소 농도의 변화를 나타낸 그래프이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
먼저, 본 발명의 일실시예에 따른 전기로 제강조업 중 총 산소 제어방법에서는 고철인 철스크랩이 전기로로 옮겨지게 되면, 전기로에서는 전기를 이용해 철스크랩을 녹이는 제강공정이 이루어지게 된다.
그리고, 전기로의 용강은 출강되어 레이들 로(Ladle Furnace)로 옮겨지게 되는데, 여기서 용강의 화학성분이 조절되고 불순원소가 제거되는 정련이 이루어지게 된다.
이후, 레이들 로에서 정련된 용강은 턴디쉬(Turndish)에 주입되고, 이후, 연속주조되는 공정을 거쳐 판재, 형강 및 봉강 등으로 만들어지게 된다.
한편, 전기로의 출강 시 용강에는 탈산제가 투입될 수 있다.
탈산제는 SiMn 합금철 및 FeSi 합금철을 포함할 수 있으며, SiMn 합금철 및 FeSi 합금철이 용강에 투입됨에 따라, 용강에는 Mn 및 Si가 투입될 수 있게 된다.
여기서, 탈산제의 양, 즉, SiMn 합금철과 FeSi 합금철의 합 량은 전기로 출강 시 용강 대비 중량%로 0.9~1.1%가 투입될 수 있다. 그리고 이때 투입되는 탈산제 중 Mn 및 Si의 투입비(Mn/Si)는 1.9~2.2일 수 있다.
본 발명에서는 전기로 출강 시 용강에 Mn 및 Si가 1.9~2.2의 투입비(Mn/Si)로 투입됨으로써 용강 중의 총 산소(T.[O]) 농도를 낮출 수 있으며, 이를 통해, 제품의 품질 향상과 불량율 저감의 효과를 얻을 수 있다.
[실시예]
이하에서는 전기로 제강조업 중 총 산소 제어방법에 따라 용강 중의 총 산소 농도를 낮추는 효과를 검증하기 위해 실시된 실시예를 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 전기로 제강조업 중 총 산소 제어방법에서 Mn 및 Si의 투입비(Mn/Si)에 따른 슬래그 생성율(%)을 나타낸 그래프이고, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 전기로 제강조업 중 총 산소 제어방법에서 Mn 및 Si의 투입비(Mn/Si)에 따른 개재물 생성율(%)을 나타낸 그래프이다.
Mn 및 Si의 투입비(Mn/Si) 변화에 따른 용강 중의 총 산소 농도의 저감 효과를 검증하기 위하여, 먼저, 전기로 제강조업 중 전기로 출강 시 Mn 및 Si가 종래의 투입비(Mn/Si)로 용강에 투입되는 조업(비교예)과, Mn 및 Si의 투입비(Mn/Si)가 변경되어 용강에 투입되는 조업(실시예1 내지 실시예4)을 실시하였다.
구분 비교예 실시예1 실시예2 실시예3 실시예4
투입 탈산제(kg) SiMn 1000 1100 1050 1100 1100
FeSi 350 350 300 300 250
탈산제 중 Mn, Si 투입량(kg) Si 420 435 382.5 390 352.5
Mn 700 770 735 770 770
투입비 Mn/Si 1.7 1.8 1.9 2.0 2.2
표 1은 비교예와, 실시예1 내지 실시예4의 조업 조건을 나타낸 것이다.
비교예와 실시예는 통상적으로 실행되고 있는 조업 방식과 동일한 조건으로 실시되었다. 즉, 전기로의 출강 시 용강에 투입되는 Mn 및 Si의 투입비(Mn/Si) 만을 달리하고, 그 외의 조건들은 동일하게 하여 제강조업을 진행하였다. 비교예와 실시예에서는 140톤 전기로 실공정 기준으로 전기로 출강 시 용강 140톤에 탈산제가 투입되도록 하였다.
표 1에서 보는 바와 같이, 비교예는 종래의 제강조업에서 투입되는 탈산제 및 탈산제의 투입량이 그대로 사용되었다. 구체적으로, 용강에 투입되는 탈산제로는 SiMn 합금철 1000kg과 FeSi 합금철 350kg이 투입되었다. 이 경우, 탈산제의 총 투입량은 1350kg으로, 전기로 출강 시 용강 140톤 대비 중량%로 0.96%이다. 그리고, 상기 탈산제 중 투입량을 보면, Si는 420kg이고, Mn은 700kg이었으며, 이에 따른 Mn 및 Si의 투입비(Mn/Si)는 1.7이다.
그리고, 실시예1에서는 투입되는 탈산제로 SiMn 합금철 1100kg, FeSi 합금철 350kg이 투입되었다. 이 경우, 탈산제의 총 투입량은 1450kg으로, 전기로 출강 시 용강 140톤 대비 중량%로 1.04%이다. 그리고, 탈산제 중 Si 투입량은 435kg이고, Mn 투입량은 770kg으로 투입비(Mn/Si)는 1.8이다.
실시예2 내지 실시예4에서는 투입되는 탈산제의 총 투입량이 각각 1350kg, 1400kg 및 1350kg으로, 전기로 출강 시 용강 대비 중량%로 각각 0.96%, 1.0% 및 0.96%이며, 투입비(Mn/Si)는 각각 1.9, 2.0, 2.2 이었다.
실시예1 내지 실시예4에서는 전기로 출강 시 용강 대비 중량%로 0.96%~1.04%의 범위에서 탈산제가 투입되었으며, 투입비(Mn/Si)는 1.8~2.2의 범위였다.
전기로 출강 시 탈산제의 투입량은 제품의 1차 성분을 고려하여 결정되며, 나아가서는 제품의 목표 물성치를 고려하여 결정될 수 있다.
한편, 전기로의 용강 중 총 산소(T.[O]) 농도는 도 1 및 도 2에서 보는 바와 같이 1500~2000ppm이었다. 그리고, 용존산소([O]) 농도는 750ppm이었으며, 이때 나머지 산소는 대부분 FeO로 존재하게 된다.
비교예와 실시예에 따른 제강조업에서는 출강 시 투입되는 탈산제에 의해 탈산 반응 및 FeO의 환원반응이 발생하게 되며, 탈산 반응 생성물인 SiO2와 MnO는 슬래그화 되어 부상분리될 수 있다.
Mn 및 Si의 투입비(Mn/Si)가 1.7인 경우, 즉, 비교예의 경우, 도 1에서 보는 바와 같이, 슬래그(Slag) 생성율(%)은 52~67%이다. 슬래그 생성율은 탈산 반응 생성물인 SiO2와 MnO의 액상화율을 의미한다. 즉, 종래의 제강조업 조건인 Mn 및 Si의 투입비(Mn/Si)가 1.7인 경우, 탈산 반응 생성물인 SiO2와 MnO의 슬래그 생성율은 52~67%로써, 실시예1 내지 실시예4에서의 슬래그 생성율, 즉, Mn 및 Si의 투입비(Mn/Si)가 각각 1.8, 1.9, 2.0 및 2.2에서의 슬래그 생성율보다 낮았다.
구체적으로, 실시예1에서는 슬래그 생성율이 70~80%였고, 실시예2에서는 슬래그 생성율이 83~90%였다. 그리고, 실시예3에서는 슬래그 생성율이 91~95%였으며, 실시예4에서는 슬래그 생성율이 100%였다. 즉, 실시예1 내지 실시예4에서의 슬래그 생성율은 비교예에서의 슬래그 생성율보다 높았으며, 따라서, 탈산 반응 생성물인 SiO2와 MnO의 부상분리를 통해 제거가 용이하게 이루어질 수 있게 된다.
한편, 부상분리가 안된 SiO2는 개재물화되는데, 개재물화된 SiO2는 레이들 로에 도착되어 총 산소 농도를 높이는 요인이 될 수 있다. 따라서, 단독 산화물인 SiO2가 개재물화되는 생성율, 즉, SiO2의 개재물 생성율은 중요한 관리 요소가 된다.
이와 관련하여, 도 2에서 보는 바와 같이, Mn 및 Si의 투입비(Mn/Si)가 1.7인 경우 개재물(SiO2) 생성율은 33~48%로 나타났다. 그러나, 실시예1의 경우 개재물(SiO2) 생성율은 21~30%로 나타났으며, 실시예2의 경우 개재물(SiO2) 생성율은 10~16%로 나타났다. 또한, 실시예3의 경우에는 개재물(SiO2) 생성율이 5~9%로 나타났으며, 실시예4의 경우에는 개재물(SiO2) 생성율이 0%로 나타났다.
즉, Mn 및 Si의 투입비(Mn/Si)가 1.8~2.2의 범위에서는 비교예에서 보다 개재물(SiO2) 생성율이 낮게 나타났다. 특히, Mn 및 Si의 투입비(Mn/Si)가 2.2인 경우에는 개재물(SiO2) 생성율이 0%로 나타났다. 이에 따라, Mn 및 Si의 투입비(Mn/Si)가 2.2를 초과하는 경우에도 개재물(SiO2) 생성율은 0%일 것으로 예상된다. 실시예에서 보면, Mn 및 Si의 투입비(Mn/Si)가 1.9~2.2인 경우에 슬래그 생성율은 80% 이상이고, 개재물(SiO2) 생성율은 20% 이하의 양호한 결과를 얻을 수 있었다.
Mn 및 Si의 투입비(Mn/Si)에 따른 액상화율 분석 및 개재물(SiO2) 생성율 분석은 열역학 프로그램인 Factsage를 활용하여 이루어졌다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 전기로 제강조업 중 총 산소 제어방법에서 Mn 및 Si의 투입비(Mn/Si)에 따른 상(Phase) 상태를 나타낸 그래프이다. 여기서, 도 3의 (a)는 SiO2 및 MnO의 상을 나타내는 개념도인데, 온도선(100)을 기준으로 우측으로 갈수록 SiO2 및 MnO의 액상영역이 증가, 즉, 슬래그화가 증가하고, 좌측으로 갈수록 부상분리가 되지 않은 SiO2의 고상영역이 증가, 즉, 개재물 생성화가 증가함을 알 수 있다.
도 3의 (b)는 본 발명의 일실시예에 따른 전기로 제강조업 중 총 산소 제어방법에서 단독 산화물인 SiO2의 상태를 나타낸 것이다. 도 3의 (b)를 보면, Mn 및 Si의 투입비(Mn/Si)가 1.7인 경우, SiO2는 1650℃ 온도선(110) 근방에 위치되고 있어 고상으로 많이 존재하는 것을 알 수 있다.
그러나, Mn 및 Si의 투입비(Mn/Si)가 2.2인 경우, SiO2는 1600℃ 온도선(120) 근방에 위치되고 있어 비교예보다 SiO2의 고상영역이 감소되었음을 알 수 있다. 즉, Mn 및 Si의 투입비(Mn/Si)가 2.2인 경우, SiO2는 더욱 액상화됨을 알 수 있다. 특히, SiO2가 1650℃ 온도선(110)보다 낮은 1600℃ 온도선(120) 근처에 존재됨으로써, 낮은 온도에서도 액상으로 존재 가능함을 알 수 있다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 전기로 제강조업 중 총 산소 제어방법에서 Mn 및 Si의 투입비(Mn/Si)에 따른 총 산소 농도의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 4에서 보는 바와 같이, 투입비(Mn/Si)가 1.7일 때, LF 도착(전기로에서 출강된 용강이 레이들 로에 도착된 시점)에서의 총 산소(T.[O]) 농도는 450~680ppm의 범위를 나타내고, 평균 521ppm이었다. 그러나, 투입비(Mn/Si)가 2.2일 때는 LF 도착에서의 총 산소 농도는 200~380ppm의 범위를 나타내고, 평균 300ppm으로 종래의 제강조업에서보다 평균 총 산소 농도가 약 221ppm감소하였다.
그리고, 투입비(Mn/Si)가 1.7일 때, LF 출강(레이들 로에서 용강이 출강되는 시점)에서의 총 산소 농도는 105~182ppm의 범위를 나타내고, 평균 142ppm이었다. 그러나, 투입비(Mn/Si)가 2.2일 때는 LF 출강에서의 총 산소 농도는 48~183ppm의 범위를 나타내고, 평균 90ppm으로 종래의 제강조업에서보다 총 산소 농도가 52ppm 감소하였다.
또한, 투입비(Mn/Si)가 1.7일 때, T/D(레이들 로에서 출강된 용강이 턴디쉬에 도착된 시점)에서의 총 산소 농도는 50~190ppm의 범위를 나타내고, 평균 114ppm이었다. 그러나, 투입비(Mn/Si)가 2.2일 때는 T/D에서의 총 산소 농도는 59~68ppm의 범위를 나타내고, 평균 63ppm으로 종래의 제강조업에서보다 총 산소 농도가 51ppm 감소하였다.
이처럼, 본 발명에 따르면, 전기로 제강조업 중 Mn 및 Si의 투입비(Mn/Si)를 1.9~2.2로 하면, 탈산 후 필연적으로 발생하는 산화물을 효과적으로 저융점화시킬 수 있다. 이에 따라, 탈산 반응생성물의 액상화율이 증가 되어 레이들 로 공정에서 슬래그로 흡수, 제거될 수 있으며, 개재물 생성율을 감소시킬 수 있다. 그리고, 이를 통해, 용강 중 총 산소 농도를 저감시킬 수 있기 때문에, 제품의 품질 향상과 불량률 저감의 효과를 얻을 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (3)

  1. 전기로 제강조업 중 전기로 출강 시 용강에 Mn 및 Si가 1.9~2.2의 투입비(Mn/Si)로 투입되어 용강 중의 총 산소 농도를 제어하고,
    상기 Mn 및 Si는 탈산제에 포함되고, 상기 탈산제는 SiMn 합금철 및 FeSi 합금철이며,
    상기 탈산제는 상기 전기로 출강 시 용강 대비 중량%로 0.96%~1.04%가 투입되는 것인 전기로 제강조업 중 총 산소 제어방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
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