KR101913410B1

KR101913410B1 - 고청정 용강의 제조 방법

Info

Publication number: KR101913410B1
Application number: KR1020160176047A
Authority: KR
Inventors: 최자용; 최주한; 김장훈; 조현진; 한상우
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2016-12-21
Filing date: 2016-12-21
Publication date: 2018-10-31
Also published as: KR20180072459A

Abstract

고청정 용강의 제조 방법이 개시된다. 개시된 고청정 용강의 제조 방법은, 용강을 액적화하여 정련하는 연속주조용 턴디쉬를 이용한 용강의 제조 방법에 있어서, 상기 턴디쉬 내 용강의 유동을 제어하기 위하여 저취로 불활성기체 및 탄화수소의 혼합가스를 취입한다. 따라서, 턴디쉬 내부에 회전류를 형성하기 위해 불활성기체를 취입하는 경우 불활성기체 내 산소 분압을 낮추어 불순 산소에 의한 Al₂O₃ 개재물 형성을 방지할 수 있다.

Description

고청정 용강의 제조 방법{METHOD OF MANUFACTURING HIGH PURITY MOLTEN STEEL}

본 발명은 용강의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 고청정 용강의 제조 방법에 관한 것이다.

제강분야 또는 용융 금속을 주조함에 있어서 제품 품질의 균일성 및 실수율 등에서 종래의 조괴법에 비하여 우수한 연속주조법은 설비 및 조업기술 등에서 많은 연구개발이 이루어져 소수의 특수용도를 제외하여 고합금강을 비롯한 거의 모든 강종을 생산할 수 있게 되었다.

연속주조 설비는 레들(Ladle)과 턴디쉬(Tundish), 주형(Mold), 2차 냉각대로 이루어져있다. 상공정인 2차 정련에서 받은 용강은 턴디쉬를 통해서 지속적으로 주형으로 공급되고, 주형에서는 반제품인 주편(Slab)의 형상을 결정하고, 초기 응고층을 형성함과 동시에 주편의 표면 품질을 결정하게 된다.

이때 주형에서의 표면 품질은 용강의 개재물에 대한 청정도에 의해서 결정되며, 개재물에 대한 청정도가 좋지 않을 경우에는 개재물 자체로 인한 결함 발생 또는 개재물과 몰드로 용강을 주입하는 침지노즐에서의 막힘으로 인한 몰드 내 이상 용강류의 발생이 일어나게 된다.

용강의 청정도는 2차 정련에서 대부분 결정이 되지만 턴디쉬에서 용강이 장시간 체류하면서 개재물과 용강의 비중 차로 인해 부상 분리되는 부분도 상당히 크다. 그래서 턴디시에서는 용강의 체류시간을 길게 하기 위한 방안으로 댐(dam)이나 둑(weir)과 같은 턴디시 내부에 구조물을 설치하여 용강의 흐름을 제어하게 되고, 이를 이용하여 용강의 체류시간을 조절할 수 있게 된다.

하지만 용강 내 개재물의 크기가 30㎛ 이하의 경우 부상 분리되는데 걸리는 시간이 체류시간과 비교했을 때 보다 훨씬 많이 걸리게 되고, 이러한 이유로 30㎛ 이하의 개재물은 턴디쉬에서 제거가 어렵게 된다.

용강에 포러스 등을 이용한 미세한 Ar 기포를 분사하게 되면 기포가 용강 내에서 거동하면서 용강내 개재물을 기포 계면에 부착시키게 된다. 이는 용강 내 존재하는 개재물 역시 용강과 계면장력 차이를 가지는데 이때 개재물은 계면장력이 낮은 쪽이 있으면 그 쪽으로 부착되게 된다. 이러한 이유로 턴디쉬에서 다양한 방법으로 Ar을 주입하여 용강의 개재물을 제거하려는 연구들이 진행되어 왔다.

다만, 일반적으로 공업용 Ar 가스 중에는 불순산소가 미량 포함되어 있으며, 불순산소가 포함된 Ar 가스를 용강에 주입할 경우 불순산소에 의한 용강 재산화가 발생하는 문제점이 있다.

대한민국 공개특허공보 제10-2000-0044839호

본 발명의 실시예들은 턴디쉬 내 용강의 유동을 제어하기 위하여 저취로 불활성기체를 포함하는 혼합가스를 취입하여 용강의 재산화를 방지하여 고청정 용강을 제조할 수 있는 방법을 제공한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 고청정 용강의 제조 방법은, 용강을 액적화하여 정련하는 연속주조용 턴디쉬를 이용한 용강의 제조 방법에 있어서, 상기 턴디쉬 내 용강의 유동을 제어하기 위하여 저취로 불활성기체 및 탄화수소의 혼합가스를 취입한다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 불활성 기체는 아르곤(Ar)이고 상기 탄화수소는 메탄(CH₄)일 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 용강에 취입되는 상기 메탄의 유량은 하기 식 (1)을 만족할 수 있다.

CH₄ ≥ 4.5*Ar-24.9 ------ (1)

여기서, CH₄는 용강 1ton에 대하여 취입되는 메탄의 양(liter)이며, Ar은 용강 1ton에 대하여 취입되는 아르곤의 양(liter)을 의미한다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 용강에 취입되는 상기 메탄의 유량은 하기 식 (2)를 만족할 수 있다.

CH₄ ≤ 1.865*(C최종-C초기) ------ (2)

여기서, CH₄는 용강 1ton에 대하여 취입되는 메탄의 양(liter)이며, C최종은 최종 제품의 탄소 성분 상한(ppm)이며, C초기는 용강의 턴디쉬 주입전 용강의 탄소 함량(ppm)을 의미한다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 용강에 취입되는 상기 메탄의 유량은 하기 식 (3)을 만족할 수 있다.

CH₄ ≤ 5.68*(H최종-H초기) ------ (3)

여기서, CH₄는 용강 1ton에 대하여 취입되는 메탄의 양(liter)이며, H최종은 최종 제품 또는 조업 특성을 고려한 수소 성분 상한(ppm)이며, H초기는 용강의 턴디쉬 주입전 용강의 수소 함량(ppm)을 의미한다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 저취로 취입되는 상기 혼합가스 내 산소의 분압은 4.5*10^-15atm 이하일 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 용강 내에서 재산화되는 Al₂O₃의 양은 0.001% 미만일 수 있다.

본 발명의 실시예들은 고청정 용강의 제조 방법에 있어서, 턴디쉬 내부에 회전류를 형성하기 위해 불활성기체를 취입하는 경우 불활성기체 내 산소 분압을 낮추어 불순 산소에 의한 용강의 재산화를 방지하여 Al₂O₃ 개재물 형성을 방지할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고청정 용강의 제조 방법을 설명하기 위한 턴디쉬의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 고청정 용강의 제조 방법을 설명하기 위한 아르곤 및 메탄의 유량의 상관관계를 도시한 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 고청정 용강의 제조 방법을 설명하기 위한 메탄의 유량에 따른 용강 중 침탄량의 상관관계를 도시한 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 고청정 용강의 제조 방법을 설명하기 위한 메탄의 유량에 따른 용강 중 침수소량의 상관관계를 도시한 그래프이다.

이하에서는 본 발명의 실시 예를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 이하의 실시 예는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 사상을 충분히 전달하기 위해 제시하는 것이다. 본 발명은 여기서 제시한 실시 예만으로 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 도면은 본 발명을 명확히 하기 위해 설명과 관계 없는 부분의 도시를 생략하고, 이해를 돕기 위해 구성요소의 크기를 다소 과장하여 표현할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고청정 용강의 제조 방법을 설명하기 위한 턴디쉬의 개략도이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 고청정 용강의 제조 방법에 따르면, 용강을 액적화하여 정련하는 연속주조용 턴디쉬를 이용한 용강의 제조 방법에 있어서, 상기 턴디쉬 내 용강의 유동을 제어하기 위하여 저취로 불활성기체 및 탄화수소의 혼합가스를 취입한다.

용강내 개재물을 제거하기 위하여 용강에 미세 Ar 가스를 분사하게 되는 경우, 일반적으로 공업용 Ar 가스는 불순산소가 미량 포함되어 이에 의한 용강의 재산화가 발생하나, 본 발명에서는 Ar 가스 중의 산소 분압을 낮추어 용강의 재산화를 방지하고자 하였다. 따라서, 본 발명에서는 Ar 가스를 용강에 주입할 경우, 예를 들어, 환원성 천연 가스로서 메탄(CH₄)을 혼합하여 취입함으로써 용강 재산화를 방지하기 위한 방법을 제시하고자 한다.

예를 들어, 상기 불활성 기체는 아르곤(Ar)이고 상기 탄화수소는 메탄(CH₄) 일 수 있다.

기존의 공업용 Ar 가스 중 산소의 분압은 10^-3~10^-4atm 수준이며, Al으로 탈산된 용강이 상기 공업용 Ar 가스와 접촉할 경우 가스 중의 산소와 용강중 Al과 반응하여 하기 식 (1)에서와 같이 재산화 반응이 일어나게 된다.

2[Al] + 3/2O₂(g) --> Al₂O₃ ------ (1)

용강 중 Al 함량이 약 250ppm일 경우, 재산화를 방지하기 위한 가스 중 산소 분압은 열역학적으로 4.5*10^-15atm 이하를 만족하여야 한다. 이러한 Ar 기체 중의 산소 분압을 낮추기 위해 CH₄를 혼합하여 취입할 경우, 하기와 같은 Ar 가스 중의 산소 분압을 낮추는 반응(하기 식(2) 및 식 (3)), 침탄 반응 및 침수소 반응이 동시에 일어나게 된다.

CH₄(g) + 3/2O₂(g) --> CO(g) + 2H₂O(g) ------ (2)

CH₄(g) --> [C] + 4[H] ------ (3)

즉, 상기 식 (2) 및 식 (3)과 같은 반응이 동시에 일어나기 때문에, 재산화 억제 및 침탄/침수소를 동시에 고려하여, Ar 가스 중 CH₄ 혼합비율 및 CH₄의 유량을 조절해야 한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 고청정 용강의 제조 방법을 설명하기 위한 아르곤 및 메탄의 유량의 상관관계를 도시한 그래프이다.

강종에 따라 침탄 및 침수소가 문제가 되지 않는 강종은 이를 고려하지 않고, Ar 중의 산소에 의한 용강재산화를 방지하기 위한 조건 도출이 필요하다.

열역학적 검토결과 턴디쉬로 주입되는 용강량(주조속도, Q_steel, ton/min)과 Ar 가스 유량(Q-Ar, liter/min)의 비율과 재산화를 방지하기 위한 임계 메탄 유량(Critical Q_CH₄, liter/min)과 용강량 비율의 관계를 도 2에 나타내었다.

턴디쉬 내 저취 플러그를 통한 Ar 주입을 통해 회전류를 형성시키기 위한 저취 유량이 결정될 경우, 재산화를 방지하기 위해 취입되어야 하는 임계 CH₄ 유량비는 하기 식 (4)를 만족해야 한다.

임계 CH₄ 유량비 ≥ 4.5*Ar 유량(liter/min)/주조속도(ton/min)-24.9 ------ (4)

여기서, 임계 CH₄ 유량비는 CH₄ 유량(liter/min)/주조속도(ton/min)를 의미한다.

이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 고청정 용강의 제조 방법에 있어서, 상기 용강에 취입되는 상기 메탄의 유량은 하기 식 (5)를 만족한다.

CH₄ ≥ 4.5*Ar-24.9 ------ (5)

하기 표 1은 용강에 취입되는 아르곤의 유량 및 메탄의 유량, 그리고 이에 따른 Al₂O₃의 양을 나타낸 표이다.

No.	Q_Ar/Q_Steel(l/ton)	Q_CH₄/Q_Steel(l/ton)	Al₂O₃
1-1	15.0	0.0	0.10
1-2		5.6	0.09
1-3		11.2	0.08
1-4		16.8	0.06
1-5		22.4	0.05
1-6		28.0	0.04
1-7		33.6	0.02
1-8		39.2	0.01
1-9		41.6	0.00
1-10		44.8	0.00
1-11		50.4	0.00
1-12		56.0	0.00
2-1	12.5	0.0	0.08
2-2		5.6	0.06
2-3		11.2	0.05
2-4		16.8	0.04
2-5		22.4	0.02
2-6		28.0	0.01
2-7		33.6	0.00
2-8		39.2	0.00
2-9		41.6	0.00
2-10		44.8	0.00
2-11		50.4	0.00
2-12		56.0	0.00
3-1	8.8	0.0	0.033
3-2		5.6	0.027
3-3		11.2	0.021
3-4		16.8	0.015
3-5		22.4	0.009
3-6		28.0	0.003
3-7		33.6	0.000
3-8		39.2	0.000
3-9		41.6	0.000
3-10		44.8	0.000
3-11		50.4	0.000
3-12		56.0	0.000
4-1	6.3	0.0	0.005
4-2		5.6	0.004
4-3		11.2	0.003
4-4		16.8	0.001
4-5		22.4	0.000
4-6		28.0	0.000
4-7		33.6	0.000
4-8		39.2	0.000
4-9		41.6	0.000
4-10		44.8	0.000
4-11		50.4	0.000
4-12		56.0	0.000

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 고청정 용강의 제조 방법을 설명하기 위한 메탄의 유량에 따른 용강 중 침탄량의 상관관계를 도시한 그래프이다.

한편, 극저탄소강 등 침탄에 의해 강 중 탄소성분이 품질 규격을 초과할 우려가 있는 강종에 있어서는 CH₄ 혼합 취입시 발생할 수 있는 침탄을 고려하여, CH₄ 취입량을 제한할 필요가 있으며, CH₄ 취입량에 따른 용강 중 침탄량은 열역학적으로 검토한 결과, 도 3에 나타내었다.

CH₄ 취입량 증가시 침탄량(Carbon pick-up)은 증가하기 때문에 최종 제품의 성분 상한 규격과 턴디쉬 주입 전 용강 중 탄소 함량과의 차이를 고려하여 취입량을 결정하여야 하며, CH₄ 취입량과 탄소 침탄량과의 관계를 하기 식 (6)에 나타내었다.

침탄량(ppm) = 0.536*CH₄유량비 ------ (6)

여기서, CH₄ 유량비는 CH₄ 유량(liter/min)/주조속도(ton/min)를 의미한다.

이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 고청정 용강의 제조 방법에 있어서, 상기 용강에 취입되는 상기 메탄의 유량은 하기 식 (7)을 만족한다.

CH₄ ≤ 1.865*(C최종-C초기) ------ (7)

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 고청정 용강의 제조 방법을 설명하기 위한 메탄의 유량에 따른 용강 중 침수소량의 상관관계를 도시한 그래프이다.

또한, 조업특성과 강중 수소 규격문제로 강중의 수소함량이 규제되는 경우, CH₄ 취입시 침수소를 고려하여 CH₄ 취입량을 제한할 필요가 있으며, CH₄ 취입량에 따른 용강 중 침수소량을 열역학적으로 검토한 결과를 도 4에 나타내었다.

CH₄ 취입량 증가시 침수소량(H pick-up)이 증가하기 때문에 최종 제품의 성분 상한 규격 또는 조업특성을 고려한 상한 수소 함량과 턴디쉬 주입 전 용강 중 수소 함량과의 차이를 고려하여 취입량을 결정하여야 하며, CH₄ 취입량과 침수소량과의 관계를 하기 식 (8)에 나타내었다.

침수소량(ppm) = 0.176*CH₄유량비 ------ (8)

이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 고청정 용강의 제조 방법에 있어서, 상기 용강에 취입되는 상기 메탄의 유량은 하기 식 (9)를 만족한다.

CH₄ ≤ 5.68*(H최종-H초기) ------ (9)

하기 표 2는 용강에 취입되는 메탄의 유량, 그리고 이에 따른 침탄량 및 침수소량을 나타낸 표이다.

No.	Q_CH₄/Q_Steel(l/ton)	침탄량(ppm)	침수소량(ppm)
1-1	0.0	0.0	0.0
1-2	5.6	3.0	1.0
1-3	11.2	6.0	2.0
1-4	16.8	9.0	3.0
1-5	22.4	12.0	4.0
1-6	28.0	15.0	5.0
1-7	33.6	18.0	6.0
1-8	39.2	21.0	6.9
1-9	41.6	22.3	7.3
1-10	44.8	24.0	7.9
1-11	50.4	27.0	8.8
1-12	56.0	30.0	9.8
2-1	0.0	0.0	0.0
2-2	5.6	3.0	1.0
2-3	11.2	6.0	2.0
2-4	16.8	9.0	3.0
2-5	22.4	12.0	4.0
2-6	28.0	15.0	5.0
2-7	33.6	17.3	5.7
2-8	39.2	18.0	6.0
2-9	41.6	21.0	6.9
2-10	44.8	24.0	7.9
2-11	50.4	27.0	8.9
2-12	56.0	30.0	9.8
3-1	0.0	0.0	0.000
3-2	5.6	1.5	0.504
3-3	11.2	3.0	1.006
3-4	16.8	4.5	1.509
3-5	22.4	6.0	2.010
3-6	28.0	7.5	2.510
3-7	33.6	8.3	2.765
3-8	39.2	9.0	3.010
3-9	41.6	10.5	3.509
3-10	44.8	12.0	4.007
3-11	50.4	13.5	4.505
3-12	56.0	15.0	5.001
4-1	0.0	0.0	0.000
4-2	5.6	0.3	0.101
4-3	11.2	0.6	0.202
4-4	16.8	0.9	0.302
4-5	22.4	1.2	0.403
4-6	28.0	1.3	0.430
4-7	33.6	1.5	0.504
4-8	39.2	1.8	0.604
4-9	41.6	2.1	0.705
4-10	44.8	2.4	0.806
4-11	50.4	2.7	0.906
4-12	56.0	3.0	1.007

이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 고청정 용강의 제조 방법에 있어서, 저취로 취입되는 상기 혼합가스 내 산소의 분압은 4.5*10^-15atm 이하를 만족할 수 있다.

또한, 예를 들어, 상기 용강 내에서 재산화되는 Al₂O₃의 양은 0.001% 미만일 수 있다.

상술한 바에 있어서, 본 발명의 예시적인 실시예들을 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 다음에 기재하는 특허청구범위의 개념과 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변경 및 변형이 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

1: 둑(Weir) 2: 댐(Dam)
3: 쉬라우드 노즐 4: 용탕부의 슬래그
5: 턴디시 외관 6: 침지노즐
7: 상부 챔버 8: 불활성기체 주입구

Claims

용강을 액적화하여 정련하는 연속주조용 턴디쉬를 이용한 용강의 제조 방법에 있어서,
상기 턴디쉬 내 용강의 유동을 제어하기 위하여 저취로 아르곤(Ar) 및 메탄(CH₄)의 혼합가스를 취입하고,
저취로 취입되는 상기 혼합가스 내 산소의 분압은 4.5*10^-15atm 이하이며,
상기 용강에 취입되는 상기 메탄의 유량은 하기 식 (1)을 만족하는 고청정 용강의 제조 방법.
CH₄ ≥ 4.5*Ar-24.9 ------ (1)
여기서, CH₄는 용강 1ton에 대하여 취입되는 메탄의 양(liter)이며, Ar은 용강 1ton에 대하여 취입되는 아르곤의 양(liter)을 의미한다.
삭제
삭제
제1항에 있어서,
상기 용강에 취입되는 상기 메탄의 유량은 하기 식 (2)를 만족하는 고청정 용강의 제조 방법.
CH₄ ≤ 1.865*(C최종-C초기) ------ (2)
여기서, CH₄는 용강 1ton에 대하여 취입되는 메탄의 양(liter)이며, C최종은 최종 제품의 탄소 성분 상한(ppm)이며, C초기는 용강의 턴디쉬 주입전 용강의 탄소 함량(ppm)을 의미한다.
제1항에 있어서,
상기 용강에 취입되는 상기 메탄의 유량은 하기 식 (3)을 만족하는 고청정 용강의 제조 방법.
CH₄ ≤ 5.68*(H최종-H초기) ------ (3)
여기서, CH₄는 용강 1ton에 대하여 취입되는 메탄의 양(liter)이며, H최종은 최종 제품 또는 조업 특성을 고려한 수소 성분 상한(ppm)이며, H초기는 용강의 턴디쉬 주입전 용강의 수소 함량(ppm)을 의미한다.
삭제
제1항에 있어서,
상기 용강 내에서 재산화되는 Al₂O₃의 양은 0.001% 미만인 고청정 용강의 제조 방법.