KR101663187B1 - 강의 제조 방법 - Google Patents

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KR101663187B1
KR101663187B1 KR1020150105105A KR20150105105A KR101663187B1 KR 101663187 B1 KR101663187 B1 KR 101663187B1 KR 1020150105105 A KR1020150105105 A KR 1020150105105A KR 20150105105 A KR20150105105 A KR 20150105105A KR 101663187 B1 KR101663187 B1 KR 101663187B1
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Abstract

본 발명은 강의 제조 방법에 관한 것으로, 스크랩을 마련하는 과정; 상기 스크랩을 정련 용기에 투입하는 과정; 상기 정련 용기에 용선을 장입하는 과정; 산소를 포함하는 가스를 가열하는 과정; 및 상기 정련 용기의 상부에 구비되는 랜스를 이용하여 상기 정련 용기에 상기 가열된 산소를 포함하는 가스를 취입하는 과정;을 포함하여, 스크랩을 용융시키는데 필요한 열원을 확보함으로써 생산성을 향상시킬 수 있다.

Description

강의 제조 방법{Manufacturing method for molten metal}
본 발명은 강의 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 원료를 용융시키는데 필요한 열원을 확보하여 생산성을 향상시킬 수 있는 강의 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로 전로에서는 최종 제품의 요구 조건을 만족하고, 제품의 품질을 높이기 위하여, 용선에 산소 등을 취입하여 용선 중 불순물을 제거하는 정련 조업이 실시된다. 최근 Post-Kyoto 기후변화 협약에 따른 CO2 감축이 의무화 됨에 따라 당사에서는 제선 및 제강에서 발생되는 CO2양을 저감하여 협약에 효과적으로 대응할 수 있는 방안이 필요한 실정이다. 이에 따라 제강공정 중 불순원소인 탄소(Carbon)를 주로 제거하므로 CO2 가스가 가장 많이 발생되는 전로 정련공정의 신속한 대응이 요구된다.
현재의 전로 정련 공정은 통상적으로 용선비(Hot Metal Ratio, HMR)를 약 80~85% 수준으로 사용하고 있으며, 전로에 장입되는 용선은 탄소를 약 4.5% 수준으로 포함하고 있다. 따라서 전로 정련공정에서 발생되는 CO2 저감을 위해서는 비교적 탄소 함량이 많은 용선의 사용량을 최소화 하는 것이 바람직하다. 하지만 현재 사용하고 있는 용선비(HMR)를 80% 이하로 낮추게 되면, 스크랩 등과 같이 철원을 대체할 수 있는 물질이 사용되기 때문에 이들을 용해시키기 위한 열원이 부족하게 된다. 이에 후속공정에서 요구되는 온도를 맞추기 위해 고가의 열원제를 투입하면 Fe의 과산화가 발생하게 되며 제조원가가 상승 및 최종 제품 품질 악화의 원인이 된다.
따라서 CO2 저감 및 용선, 고철 등 주원료 가격이 급변하는 환경에서도 원가 경쟁력을 확보 할 수 있는 전로 정련 조업 기술이 필요하나 현재의 전로 정련 방법만으로는 한계가 있다.
또한, 현재의 전로정련방법은 불순물 제거를 위해 도1에 도시된 바와 같이, 랜스를 통하여 열풍을 공급하고, 반응특성개선을 위해 저취 노즐(MHP,단공 등)을 활용하여 Ar, N2 등의 불활성가스를 취입한다. 또한, 랜스를 일부 개조하여 식(1), (2)와 같이 노내 탈탄 반응 시 발생되는 CO 가스와 반응시켜 2차연소를 일으킴으로써 부족한 열원을 보충하기도 한다.
식 1)
전로 내 탈탄 반응 : [C] + ½ O2 → CO + 2.65 kWh/kg C
식 2)
CO가스 2차연소 반응: CO + ½ O2 → CO2 + 5.89 kWh/kg C (2)
열풍은 공기를 가열하여 제조된 것으로서, 대부분 질소로 이루어져 있으며 20% 정도의 산소를 포함하고 있다. 이에 열풍을 취입하여 열원을 확보하는 경우 열풍 중 질소가 용강으로 흡수되어 용선 내 질소 함량이 증가하는 흡질반응이 일어나게 된다.
한편, 용강 중 질소함량이 높으면 냉간 압연재, 저탄소 소둔강, 알루미늄 킬드강(Al-killed)을 이용한 판재 등의 표면 품질 및 연성의 저하를 초래하게 된다. 따라서 용강의 질소 성분을 60ppm 이하로 제한할 필요성이 있기 때문에 후속 공정에서 용강 중 질소 함량을 저감시키는 탈가스 공정을 실시하고 있다. 그러나 이러한 방법은 추가적인 조업 시간을 증가시켜 생산성을 저하시키고, 생산비용을 증가시키는 문제점이 있다.
JP 2013-167017 A JP 2013-209746 A
본 발명은 스크랩을 용해시키기 위한 열원을 확보할 수 있는 강의 제조 방법을 제공한다.
본 발명은 강 중 불순물 흡수를 억제 혹은 방지할 수 있는 강의 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 실시 형태에 따른 강의 제조 방법은, 스크랩을 마련하는 과정; 상기 스크랩을 정련 용기에 투입하는 과정; 상기 정련 용기에 용선을 장입하는 과정; 산소를 포함하는 가스를 가열하는 과정; 및 상기 정련 용기의 상부에 구비되는 랜스를 이용하여 상기 정련 용기에 상기 가열된 산소를 포함하는 가스를 취입하는 과정;을 포함할 수 있다.
상기 스크랩을 마련하는 과정에서 상기 스크랩의 표면에 탄소 성분을 포함하는 물질을 코팅할 수 있다.
상기 정련 용기의 바닥에 구비되는 저취 노즐을 이용하여 상기 용선 중에 산소를 포함하는 가스를 취입할 수 있다.
상기 산소를 포함하는 가스를 가열하는 과정에서 상기 산소를 포함하는 가스는 800 내지 1300℃로 가열할 수 있다.
상기 저취 노즐을 이용하여 취입되는 산소를 포함하는 가스와, 상기 랜스를 이용하여 취입되는 산소를 포함하는 가스의 유량비는 1 : 0.7 내지 1 : 1.5일 수 있다.
상기 랜스에서 상기 가열된 산소를 포함하는 가스가 분사되는 분사구를 상기 용선의 탕면으로부터 10,000㎜ 범위에 배치시킬 수 있다.
상기 가열된 산소를 포함하는 가스는 8,000 내지 10,000Nm3/Hr의 유량으로 취입할 수 있다.
본 발명에 의하면, 전로 내에 장입된 용선 중에 저취로 산소를 공급하여 용선 중 함유되는 탄소 성분을 산화시켜 CO 가스를 발생시키고, 전로 상부로 순산소를 예열하여 취입함으로써 용선 중 탄소 성분이 산화되면서 발생하는 CO 가스를 2차연소시켜 전로 내 열원을 확보할 수 있다. 따라서 랜스를 통해 전로 내에 열풍을 취입하는 경우에 비해 전로 내 2차연소를 촉진시켜 높은 열원을 확보할 수 있다. 또한, 질소 농도가 높은 열풍 대신 순산소를 이용하기 때문에 용선 중 질소 함량이 증가하는 것을 억제할 수 있다.
또한, 조업 여건에 따라 2차연소율 제어가 가능하기 때문에 용선 및 스크랩의 사용비율을 탄력적으로 조절할 수 있다. 이에 용선 장입량을 감소시키는 경우, 전로 내 장입되는 탄소 성분의 함량이 적어지므로, 철강 생산 공정에서 발생되는 CO2 가스 양을 저감시킬 수 있기 때문에 친환경적인 철강산업을 구축할 수 있다. 또한, 제강 원료의 가격변동에 따라 전로 내 장입 용선 및 스크랩의 비율을 탄력적으로 조절하여 생산비를 절감할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 강의 제조 장치를 개략적으로 보여주는 도면.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 강의 제조 방법으로 강을 제조하는 과정을 보여주는 순서도.
도 3은 전로 내로 취입되는 순산소와 가열된 순산소의 거동을 보여주는 도면.
도 4는 전로 내 열풍 취입 시간에 따른 출강 후 용강 중 질소 함량 변화를 보여주는 그래프.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 강의 제조 장치를 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 강의 제조 장치는, 저취 노즐(110)이 구비되고 내부에 용융물, 예컨대 용선을 수용하는 전로(100)와, 전로(100) 상부에 상하방향으로 이동 가능하도록 구비되고 용선에 산소를 포함하는 ㄱ가스, 예컨대 순산소를 분사하는 랜스(230)와, 랜스(230)에 순산소를 공급하기 위한 순산소 공급설비(312) 및 저취 노즐(110)에 교반가스 및 부원료 등을 공급하기 위한 보조 설비(112, 114, 116)를 포함할 수 있다.
전로(100)는 상측에 노구가 형성되고, 상부 측면에는 용강을 출강하기 위한 출선구가 형성될 수 있다. 또한, 전로(100)에는 바닥을 관통하며 형성되는 적어도 하나의 저취 노즐(110)이 형성될 수 있다. 저취 노즐(110)은 전로(100) 외부의 보조 설비와 연결되어 전로(100) 내부에 장입된 용선에 부원료 및 교반 가스를 공급할 수 있다. 여기에서 보조 설비는 석회석 등과 같은 부원료를 저장하는 부원료 저장기(112)와, 산소와 천연가스를 저장하는 저장기(114) 및 불활성 가스를 저장하는 저장기(116) 등을 포함할 수 있다. 이와 같은 전로(100)는 공지의 기술로서 상세한 설명은 생략한다.
랜스(230)는 전로(100) 상부에 상하방향으로 이동 가능하도록 구비되고, 순산소 공급설비(312)로부터 순산소를 공급받아 용선에 분사한다. 랜스(230)는 내부에 순산소가 이동하는 유로(미도시)가 형성되고, 하부에 유로를 따라 이동하는 순산소를 분사하는 분사구(미도시)가 형성될 수 있다.
순산소 공급설비(312)는 순산소를 저장하는 순산소 저장기(미도시)와, 순산소 저장기에 저장된 순산소를 공급받아 가열하는 가열장치(미도시)를 포함할 수 있다. 이에 순산소 공급설비(312)는 순산소를 소정 온도, 예컨대 800 내지 1300℃ 정도로 가열하여 랜스(230)에 공급할 수 있다. 이와 같이 순산소 공급설비(312)를 통해 순산소를 가열하여 전로에 취입함으로써 순산소 취입에 의한 용선의 온도 저하를 억제할 수 있다.
이와 같은 구성을 통해 본 발명은 고온의 순산소를 전로에 취입하여 용선 중 함유되는 탄소성분을 제거하는 동시에, 탄소 성분이 제거되면서 발생하는 CO 가스를 2차 연소시켜 스크랩을 용해하기 위한 열원을 확보할 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 강의 제조 방법으로 강을 제조하는 과정을 보여주는 순서도이고, 도 3은 전로 내로 취입되는 순산소와 가열된 순산소의 거동을 보여주는 도면이고, 도 4는 전로 내 열풍 취입 시간에 따른 출강 후 용강 중 질소 함량 변화를 보여주는 그래프이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 강의 제조방법은, 스크랩을 마련하는 과정, 용선을 마련하는 과정, 정련 용기(100)인 전로(100)에 스크랩을 장입하는 과정(S110), 스크랩이 장입된 전로(100)에 용선을 장입하는 과정(S120), 용선에 가열된 산소를 포함하는 가스, 예컨대 고온의 순산소를 분사하는 취련과정(S130) 및 용강을 출강하는 과정(S140)을 포함한다.
전로(100)에 스크랩을 장입하기 전, 스크랩을 예열하거나 스크랩에 탄소 성분을 포함시키는 전처리과정을 포함할 수도 있다. 스크랩을 예열하여 전로(100)에 장입하면 용선의 온도 저하를 억제할 수 있다. 또한, 스크랩에 탄소 성분을 포함시켜 전로(100)에 장입하면 취련 시 2차 연소율을 극대화시켜 스크랩을 용해시키기 위한 열원을 용이하게 확보할 수 있다. 이때, 스크랩은 용선 장입 전 투입될 수도 있고, 용선 장입 후 투입될 수도 있다.
전로(100)에 스크랩과 용선이 장입되면, 전로(100) 상부에 구비되는 랜스(230)를 하강시켜 랜스(230) 하부를 용선 탕면 상부에 배치시키고 가열된 산소를 포함하는 가스, 예컨대 고온의 순산소를 분사한다. 또한, 전로(100) 바닥에 설치된 저취 노즐(110)을 통해 석회석 등의 부원료와 산소를 포함하는 가스를 용선 중으로 분사한다. 이때, 저취 노즐(110)을 통해 분사되는 산소를 포함하는 가스는 순산소, 천연가스, 불활성 가스의 혼합 가스일 수 있다.
이와 같이 랜스(230)를 통해서는 고온의 순산소를 분사하고 저취 노즐(110)을 통해 산소를 포함하는 가스를 분사하면, 용선이 교반되면서 용선 중 불순물이 용선으로 분사되는 가스의 특정 성분과 상호 반응하여 제거될 수 있다. 예컨대 저취 노즐(110)을 통해 분사되는 가스에 함유되는 산소 성분과 용선 중 탄소 성분이 반응하여 CO 가스가 발생하게 된다. 이렇게 발생하는 CO 가스는 용선 상부로 부상하여 랜스(230)를 통해 분사되는 고온의 순산소와 반응하여 CO2 가스를 발생시킨다. 이러한 반응은 CO 가스가 산화되는 반응으로 2차연소반응이라 하며, 2차연소반응에 의해 발생하는 반응열은 용선의 온도를 상승시키며 스크랩을 용해시키는 열원으로 사용될 수 있다.
여기에서 순산소는 약 97% 이상의 산소 성분을 포함할 수 있다. 이와 같이 순산소를 소정 온도, 예컨대 800 내지 1300℃ 정도로 가열하여 전로에 취입하면 다음과 같은 효과를 기대할 수 있다. 일반적으로 가스의 온도가 높을수록 가스의 유속이 증가하게 되는데, 통상 1200℃에서는 상온대비 가스의 유속이 약 2배 이상 증가하게 된다.
가스의 운동량 P(momentum)는 다음 식(3)과 같이 나타낼 수 있으며, 실제 순산소를 가열하여 취입하면 상온의 순산소에 비해 약 10배 이상 운동량이 증가하게 된다.
식 3)
Figure 112015072208470-pat00001
이는 도 3에 도시된 바와 같이 전로에 순산소(O2)를 취입한 경우와 순산소를 가열(hot O2)하여 취입한 경우 전로 내 거동을 통해 다시 한 번 확인할 수 있다. 순산소(O2), 상온의 순산소를 취입한 경우, 순산소는 전로 내에서 그 취입 방향으로 거동하는 것을 알 수 있다. 이에 비해 순산소를 가열하여 취입한 경우에는 그 취입 방향으로부터 수평방향으로 그 거동이 더 확산된 것을 알 수 있다.
이와 같이 전로에 순산소를 가열하여 취입하면 전로 내 유입 및 침투가 훨씬 광범위하게 이루어져 상온의 순산소를 취입한 경우에 비해 2차연소 효과가 증대될 수 있다.
한편, 2차연소율(PCD: Post Combustion Degree)은 식 4)와 같이 나타낼 수 있다.
식 4)
Figure 112015072208470-pat00002
%X = concentration of fraction X in process gas [vol%]
그리고 열전달 효율(HTE: Heat Transfer Efficiency)은 2차연소에 의해 발생한 열이 용선으로 전달되는 정도를 의미하며, HTE(Heat Transfer Efficiency)는 식 5와 같이 정의할 수 있다.
식 5)
Figure 112015072208470-pat00003
H(TG) = Enthalpy process gas at actual off gas temperature
H(TB) = Enthalpy process gas at metal bath temperature
HPC = Total enthalpy released from post combustion at metal bath temperature
전로 내 2차연소율이 증가하면 용선으로의 열부가 효과는 더욱 증대될 수 있다. 반면에 열전달 효율은 2차연소율이 증가하더라도 거의 유사한 수준으로 나타나는 것을 알 수 있다.
상온의 순산소를 취입한 경우와 순산소를 가열하여 취입한 경우 2차연소율(PCD)과 열전달 효율(HTE)를 비교해보면 다음과 같다. 열전달 효율(HTE)은 상온의 순산소와 가열된 순산소를 취입한 경우 거의 유사하게 나타날 수 있다. 그러나 가열된 순산소를 취입하는 경우에는 2차연소율(PCD)이 훨씬 높게 나타나게 된다. 이는 이는 식 3)에서 나타낸 바와 같이 가열된 순산소가 가지는 운동량이 상온의 순산소에 비하여 매우 높기 때문이다. 따라서 가열된 순산소를 전로에 취입하면 2차연소율이 증가하게 되고, 이에 따라 발생하는 반응열이 용선으로 전달되는 열전달효율이 증가하게 된다.
따라서 용선의 온도 저하 없이 용선으로 투입되는 스크랩을 효과적으로 용해시킬 수 있다.
가열된 순산소, 예컨대 고온의 순산소 취입은 다음과 같은 조건으로 수행할 수 있다.
순산소 공급설비(312)에서는 순산소 저장기에 저장된 상온의 순산소를 가열장치에 공급하여 소정의 온도, 예컨대 800 내지 1300℃ 정도, 바람직하게는 1000 내지 1200℃ 정도로 가열한다. 이때, 순산소의 온도가 제시된 범위보다 낮은 경우에는 2차연소에 의해 발생하는 반응열을 흡수하여 열효율이 저하될 수 있다. 또한, 순산소 공급 설비로 생산할 수 있는 순산소의 온도에 한계가 있으며, 순산소의 온도가 제시된 범위보다 높은 경우에는 전로의 내화물이나 순산소가 공급되는 배관 및 랜스(230)가 열화될 수 있다.
이후, 가열된 고온의 순산소를 전로 상부에 구비되는 랜스(230)에 공급하여 전로 내에 고온의 순산소를 분사한다. 고온의 순산소는 전로에 8,000 내지 10,000Nm3/Hr 정도의 유량으로 분사될 수 있으며, 순산소의 유량이 제시된 범위보다 작은 경우에는 용선비(Hot Metal Ratio, HMR)을 감소시키기 어렵고 제시된 범위보다 큰 경우에는 순산소에 의해 용선이 외부로 유출되거나 전로의 내화물이 손상될 수 있는 문제점이 있다.
또한, 저취 노즐(또는 횡취 노즐)(110)을 통해 순산소를 취입하고, 전로 상부의 랜스(230)를 통해 고온의 순산소를 공급하는 경우, 전로 내에서 발생하는 2차연소반응을 극대화하기 위하여 저취 또는 횡취에 의해 발생되는 CO가스의 유량과 전로 상부로부터 공급되는 순산소의 유량을 최적화해야 할 필요가 있다. 이때, 저취 노즐(110)을 통해 분사되는 순산소와 용선 중 탄소 성분의 반응 정도에 따라 CO 가스의 발생량이 변동할 수 있으므로 저취 노즐(110)과 랜스(230)를 통해 분사되는 순산소의 유량비를 1 : 0.7 내지 1 : 1.5의 범위에서 조절하여 2차연소율을 조절할 수 있다. 이와 같이 저취 노즐(110)과 랜스(230)를 통해 분사되는 순산소의 유량비를 조절함으로써 2차연소율 조절이 가능하므로 조업여건에 따라 HMR을 탄력적으로 조절할 수 있다.
이와 같이 고온의 순산소를 전로에 분사할 때 랜스(230)의 위치, 예컨대 고온의 순산소가 분사되는 분사구의 위치는 탕면으로부터 10,000㎜의 범위 내에서 조절될 수 있다. 랜스(230)가 탕면과 근접될수록 반응에 의해 전로 내부 온도가 증가하지만, 탕면에 지나치게 근접하는 경우에는 오히려 전로 내부 온도가 낮아지게 된다. 이는 예열된 고온의 순산소 운동량(P)이 크기 때문에 탕면에 근접한 경우에는 오히려 순산소가 용선과 직접 반응하여 CO가스를 형성하는 흡열 반응을 일으키는 반면, CO 가스와 반응하는 2차연소율이 감소하기 때문이다. 이러한 원리로 랜스(230)의 위치를 가변 하여 2차 연소율의 조절이 가능하므로, 조업 조건과 연동하여 랜스(230) 위치를 제시된 범위 내에서 가변하여 적용할 수 있다.
이와 같은 방법으로 전로 내 용선에 고온의 순산소를 분사하여 용선 중 탄소 성분을 제거하는 동시에, 탄소 성분이 제거되면서 발생하는 CO를 2차연소시킴으로써 용선 중 투입되는 스크랩을 용해시키기 위한 열원을 확보할 수 있다. 또한, 스크랩의 사용량을 증대시켜 용선의 장입량을 저감시킴으로써 생산비용을 절감할 수 있다. 이러한 취련 과정은 5 ~ 30분 정도 수행될 수 있으며, 취련 과정을 제시된 범위보다 짧은 시간동안 수행하는 경우 용선 중 탄소 성분을 제대로 제거하기 어려우며 스크랩을 용해시키기 위한 열원을 확보할 수 없다. 또한, 취련 과정을 제시된 범위동안 수행하게 되면 용선 중 탄소 성분이 충분이 제거되므로 취련 과정을 제시된 시간보다 길게 수행하는 것은 무의미하다.
한편, 열풍을 이용하여 취련하는 경우 도 4에 도시된 바와 같이 출강 후 용강 중 질소 함량이 증가하는 흡질현상이 발생하는데, 본 발명에서와 같이 고온의 순산소를 이용하여 취련하게 되면 용강 중 질소 성분이 흡수되는 흡질현상을 억제할 수 있어 용강의 청정도를 확보할 수 있는 효과가 있다.
본 발명을 첨부 도면과 전술된 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였으나, 본 발명은 그에 한정되지 않으며, 후술 되는 특허청구범위에 의해 한정된다. 따라서, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 후술되는 특허청구범위의 기술적 사상에서 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 변형 및 수정할 수 있다.
100: 전로(정련 용기) 110: 저취 노즐
230: 랜스

Claims (7)

  1. 스크랩을 마련하는 과정;
    상기 스크랩을 정련 용기에 투입하는 과정;
    상기 정련 용기에 용선을 장입하는 과정;
    산소 성분을 97% 이상 포함하는 순산소를 800 내지 1300℃로 가열하는 과정; 및
    상기 정련 용기의 상부에 구비되는 랜스를 이용하여 상기 정련 용기에 상기 가열된 순산소를 취입하는 과정;을 포함하되,
    상기 순산소를 취입하는 과정에서 상기 가열된 순산소가 분사되는 랜스의 분사구를 상기 용선의 탕면으로부터 10,000㎜ 범위에 배치시키고, 8,000 내지 10,000Nm3/Hr의 유량으로 취입하는 강의 제조 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 스크랩을 마련하는 과정에서 상기 스크랩의 표면에 탄소 성분을 포함하는 물질을 코팅하는 강의 제조방법.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 정련 용기의 바닥에 구비되는 저취 노즐을 이용하여 상기 용선 중에 산소를 포함하는 가스를 취입하는 강의 제조방법.
  4. 삭제
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 저취 노즐을 이용하여 취입되는 산소를 포함하는 가스와, 상기 랜스를 이용하여 취입되는 산소를 포함하는 가스의 유량비는 1 : 0.7 내지 1 : 1.5인 강의 제조 방법.
  6. 삭제
  7. 삭제
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