KR102171769B1 - 용융물 처리 방법 및 이에 의하여 제조되는 스테인리스 강 - Google Patents

용융물 처리 방법 및 이에 의하여 제조되는 스테인리스 강 Download PDF

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Abstract

본 발명은 용융물 처리 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 용융물에 함유되는 불순물을 제거하기 위한 용융물 처리 방법에 관한 것이다.
본 발명의 실시 예에 따른 용융물 처리 방법은 용융물을 제1 용기에 장입하는 과정; 상기 제1 용기에 장입된 용융물을 1차 탈탄하는 과정; 및 상기 1차 탈탄된 용융물을 배출하는 과정;을 포함하고, 상기 용융물을 1차 탈탄하는 과정은, 상기 용융물에 페로크롬(FeCr)을 포함하는 합금철을 공급하여, Cr2O3-FeO-SiO2-MgO계 슬래그를 형성한다.

Description

용융물 처리 방법 및 이에 의하여 제조되는 스테인리스 강{METHOD FOR PROCESSING MOLTEN MATERIAL AND STAINLESS STEEL MANUFACTURED USING THE SAME}
본 발명은 용융물 처리 방법 및 이에 의하여 제조되는 스테인리스 강에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 용융물에 함유되는 불순물을 제거하기 위한 용융물 처리 방법 및 이에 의하여 제조되는 스테인리스 강에 관한 것이다.
스테인리스 강의 제조 방법은 사용하는 원료에 따라서 스크랩을 사용하는 제조 방법과 용선을 사용하는 제조 방법으로 크게 나눌 수 있다. 스크랩 및 원료의 가격에 크게 의존하는 스크랩을 사용하는 제조 방법에 비하여, 용선을 사용하는 제조 방법은 원가 측면에서 상당히 유리하여, 근래에는 세계 주요 스테인리스 강 제조사들도 용선을 사용하는 제조 방법을 이용하는 추세이다.
스크랩을 사용하는 스테인리스 강 제조 방법은 일반적으로 크롬 등 스테인리스 강의 필수 성분을 대부분 함유한 스크랩을 전기로에서 용해시킨 후, 정련로에서 탈탄 공정을 거치게 된다. 반면, 용선을 사용하는 제조 방법은 고로로부터의 출선된 용선을 전로에 장입하고, 크롬 등의 성분을 함유한 원료를 투입하여 탈탄 공정을 수행하게 된다. 여기서, 탄소 강용 고로를 이용하여 용선을 제조하는 제철소는, 대부분의 경우 탈탄용 전로도 보유하고 있으므로 스테인리스 강의 제조를 위한 탈탄 조업 또한 전로를 이용하여 행하는 사례가 많다.
종래에는, 스테인리스 강을 제조함에 있어서 액상의 슬래그가 전로의 내벽 등을 형성하는 내화물에 침투하여 내화물을 용손시키는 것을 방지하기 위하여, 슬래그 중의 산화칼슘 성분의 함량을 증가시켜 일정 염기도 이상으로 유지하는 방법을 사용하였다. 따라서, 종래의 전로 조업에서는 기본적으로 산화칼슘 성분을 함유하는 생석회를 부원료로 투입하게 된다. 그러나, 생석회는 스테인리스 강의 제조 원가를 상승시키는 문제가 있는 바, 부원료로서 생석회의 사용량을 최소화시키기 위한 기술 개발이 활발하게 진행되고 있다.
KR 10-2005-0014464 A
본 발명은 내화물이 용손되는 것을 최소화할 수 있는 용융물 처리 방법 및 이에 의하여 제조되는 스테인리스 강을 제공한다.
본 발명의 실시 예에 따른 용융물 처리 방법은, 용융물을 제1 용기에 장입하는 과정; 상기 제1 용기에 장입된 용융물을 1차 탈탄하는 과정; 및 상기 1차 탈탄된 용융물을 배출하는 과정;을 포함하고, 상기 용융물을 1차 탈탄하는 과정은, 상기 용융물에 페로크롬(FeCr)을 포함하는 합금철을 투입하여, Cr2O3-FeO-SiO2-MgO계 슬래그를 형성한다.
상기 용융물을 1차 탈탄하는 과정에서, 상기 Cr2O3-FeO-SiO2-MgO계 슬래그를 고체 상태로 유지시킬 수 있다.
상기 Cr2O3-FeO-SiO2-MgO계 슬래그는 슬래그 전체 중량%에 대하여 0.5 내지 2.5 중량%의 산화마그네슘(MgO) 성분을 함유할 수 있다.
상기 용융물을 제1 용기에 장입하는 과정은, 상기 용융물의 온도를 1250 내지 1450℃로 제어하여, 상기 제1 용기에 장입할 수 있다.
상기 용융물을 1차 탈탄하는 과정은, 상기 제1 용기에 산소를 포함하는 기체를 공급하는 과정; 및 상기 제1 용기에 산소를 포함하는 기체를 공급하는 중에, 상기 용융물에 합금철을 투입하는 과정;을 포함할 수 있다.
상기 용융물에 합금철을 투입하는 과정은, 상기 용융물 중에 용해시킬 크롬(Cr) 성분의 함량을 계산하여, 합금철의 기준 투입량을 산출하는 과정; 상기 기준 투입량에, 슬래그 중에 함유될 산화크롬(Cr2O3) 성분의 함량을 더하여, 합금철의 보정 투입량을 산출하는 과정; 및 상기 산출된 보정 투입량으로 합금철을 투입하는 과정;을 포함할 수 있다.
상기 보정 투입량은 상기 기준 투입량의 1.02 내지 1.05 배의 값을 가질 수 있다.
상기 용융물을 1차 탈탄하는 과정은, 상기 제1 용기에 산화칼슘(CaO)를 포함하는 부원료를 투입하지 않을 수 있다.
상기 용융물을 1차 탈탄하는 과정은, 상기 슬래그를 환원시키기 위한 환원제를 투입하지 않을 수 있다.
상기 용융물을 전로에 장입하는 과정 전에, 상기 용융물을 예비 처리하는 과정;을 더 포함하고, 상기 용융물을 예비 처리하는 과정에서, 용융물 중의 인(P) 성분과, 황(S) 성분은 용융물 전체 중량%에 대하여 각각 0.2 중량% 이하로 함유되도록 제어할 수 있다.
상기 배출된 용융물을 2차 정련하는 과정;을 더 포함하고, 상기 용융물을 2차 정련하는 과정은, 상기 용융물을 제2 용기에 장입하는 과정; 상기 제2 용기에 진공을 형성하는 과정; 및 상기 제2 용기에 장입된 용융물을 2차 탈탄하는 과정;을 포함할 수 있다.
상기 용융물을 2차 탈탄하는 과정은, 상기 제2 용기에 산소를 포함하는 기체를 공급하는 과정; 및 상기 용융물에 알루미늄(Al)을 포함하는 탈산제를 투입하는 과정;을 포함할 수 있다.
상기 용융물을 2차 탈탄하는 과정에서, 용융물 중의 황(S) 성분은 용융물 전체 중량%에 대하여 0.1 중량% 이하로 함유되도록 제어할 수 있다.
상기 1차 탈탄된 용융물 상에 부유하는 슬래그를 회수하는 과정; 및 상기 회수한 슬래그를 환원시키는 과정;을 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 스테인리스 강은, 전술한 어느 하나에 기재된 용융물 처리 방법에 의하여 제조된다.
본 발명의 실시 예에 따른 용융물 처리 방법 및 이에 의하여 제조되는 스테인리스 강에 의하면, 탈탄 과정에서 액체 상태로 존재하는 CaO-SiO2-MgO계 슬래그의 생성을 방지하고, 고체 상태를 유지하는 Cr2O3-FeO-SiO2-MgO계 슬래그를 형성시켜 내화물의 용손을 최소화할 수 있다.
또한, 산화칼슘(CaO)을 포함하는 부원료를 투입하지 않아 원가 절감이 가능할 뿐만 아니라 열 손실이 적어 온도 확보 측면에서 유리하고, 슬래그를 환원시키기 위한 환원제를 투입하지 않아 제조 비용을 최소화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 용융물 처리 방법을 개략적으로 나타내는 도면.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따라 용융물을 1차 탈탄하는 모습을 개략적으로 나타내는 도면.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 Cr2O3-FeO-SiO2-MgO계 슬래그를 나타내는 사진.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 발명의 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 용융물 처리 방법을 개략적으로 나타내는 도면이고, 도 2는 본 발명의 실시 예에 따라 용융물을 1차 탈탄하는 모습을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 용융물 처리 방법은 용융물을 제1 용기에 장입하는 과정(S200), 상기 제1 용기에 장입된 용융물을 1차 탈탄하는 과정(S300) 및 상기 1차 탈탄된 용융물을 배출하는 과정(S400)을 포함하고, 상기 용융물을 1차 탈탄하는 과정은 상기 용융물에 페로크롬(FeCr)을 포함하는 합금철을 공급하여 Cr2O3-FeO-SiO2-MgO계 슬래그(S)를 형성한다.
여기서, 본 발명의 실시 예에 따른 용융물 처리 방법은 스테인리스 강을 제조하는 공정에 적용될 수 있다. 또한, 용융물은 용선(M) 또는 용강을 포함할 수 있으며, 제1 용기는 용선(M)이 장입되는 전로(10)를 포함할 수 있다. 이하에서는, 1차 탈탄 과정이 종료하기 전까지의 용융물은 용선(M)으로 표현하고, 1차 탈탄이 종료된 후 전로(10)로부터 배출되는 용융물은 용강으로 표현하기로 한다.
용선(M)을 전로(10)에 장입하는 과정(S200)은 고로에서 출선된 용선(M)을 전로(10)에 장입한다. 여기서, 전로(10)의 내벽은 내화물(11)로 이루어지며, 전로(10)의 일측에는 출강구(12)가 구비되어, 출강구(12)를 통하여 1차적으로 탄소 성분이 제거된 용강이 출강되게 된다. 전로(10)의 상부에는 랜스(13)가 배치되며, 전로(10)의 하부에는 홀(14)이 형성되어 상취 및 저취 중 적어도 하나의 방법으로 전로(10) 내에 기체를 공급할 수 있게 구성된다.
상기 전로(10)에 장입된 용선(M)을 1차 탈탄하는 과정(S300)에서는 전로(10)에 장입된 용선(M) 중의 탄소 성분을 제거하는 탈탄 과정이 수행된다. 여기서, 용선(M)을 1차 탈탄하는 과정(S300)은 전로(10)에 산소를 공급하는 과정(S310) 및 상기 전로(10)에 산소를 공급하는 중에, 용선(M)에 페로크롬(FeCr)을 포함하는 합금철(15)을 투입하는 과정(S320)을 포함할 수 있다.
전로(10)에 산소를 공급하는 과정(S310)은 전로(10)에 산소(O2)를 포함하는 기체를 공급하여, 용선(M) 중의 탄소(C) 성분과 반응시켜 1차적으로 탈탄한다. 전술한 바와 같이 전로(10)의 상부에는 랜스(13)가 배치되며, 전로(10)의 하부에는 홀(14)이 형성된다. 이에, 전로(10)의 상부에 배치되는 랜스(13)를 통하여 산소(O2)를 포함하는 기체를 공급하고, 전로(10)의 하부에 형성되는 홀(14)을 통하여 산소(O2) 및 불활성 가스 중 적어도 하나를 포함하는 기체를 공급하여 용선(M) 중의 탄소(C) 성분을 제거할 수 있다. 여기서, 용선(M) 내의 탄소 성분(C)은 전로(10) 내에 취입되는 산소(O2) 함유 기체와 반응하여 일산화탄소(CO)로 가스화하여 제거될 수 있게 된다.
용선(M)에 합금철(15)을 투입하는 과정(S320)은 스테인리스 강을 제조하는데 적합한 조성을 구현하기 위하여 용선(M) 내로 합금철(15)을 투입한다. 합금철(15)은 페로크롬(FeCr)을 포함할 수 있으며, 페로크롬(FeCr)은 합금철(15) 전체 중량%에 대하여 50 내지 70 중량%의 크롬(Cr) 성분과, 10 내지 30 중량%의 철(Fe) 성분 및 불순물로서 탄소(C) 성분 및 규소(Si) 성분을 포함할 수 있다.
용선(M)을 1차 탈탄하는 과정(S300) 중에는 산소(O2)를 포함하는 기체의 공급 및 합금철(15)의 투입에 따라 용선(M) 상에 슬래그(S)가 형성되게 된다.
종래에는, 스테인리스 강을 제조함에 있어서 용선(M) 상에 형성되는 슬래그(S)가 액체 상태로 유지되도록 하였다. 그러나, 슬래그(S)가 액체 상태를 가지는 경우, 액상의 슬래그(S)는 전로(10)의 내벽 등을 형성하는 내화물(11)에 쉽게 침투하게 된다. 이에, 종래에는 슬래그(S)의 침투에 따라 내화물(11) 중의 산화마그네슘(MgO) 성분이 용출되는 것을 막기 위하여, 슬래그(S)의 염기도를 일정 값 이상으로 조절하는 방법을 사용하였다. 슬래그(S)의 염기도는 산화칼슘(CaO) 성분으로 조절되는 바, 종래의 전로 조업에서는 기본적으로 산화칼슘(CaO) 성분을 함유하는 생석회를 부원료로 투입하게 된다. 그러나, 생석회는 스테인리스 강의 제조 원가를 상승시키는 문제가 있는 바, 부원료로서 생석회의 사용량을 최소화시키기 위한 기술 개발이 활발하게 진행되고 있다.
일반적으로 염기도는 산화규소(SiO2) 성분의 함량 대비 산화칼슘(CaO) 성분의 함량을 의미한다. 이에, 생석회의 사용량을 줄이는 방법으로는 가장 간단하게 원료 중에 함유되는 규소(Si)의 함량을 줄이는 방법이 생각된다. 예를 들어, 용선(M) 중에 함유되는 규소(Si)의 함량을 줄이거나, 합금철(15)로 투입되는 페로크롬(FeCr) 중 규소(Si)의 함량이 낮은 것을 사용하는 것이다. 그러나, 이와 같은 방법은 사용할 수 있는 원료의 범위를 제한하는 것으로, 규소(Si)의 함량이 낮은 원료일수록 원료의 가격이 높은 특징이 있어 결국, 제조 원가가 증가하게 되는 한계가 있다.
다른 방법으로는 부원료로 투입되는 생석회의 손실을 막는 방법이 생각된다. 전로(10) 조업 중에는 분진을 방지하기 위하여 일반적으로 집진기를 강하게 가동하게 된다. 이때, 전로(10) 상부에 있는 호퍼로 생석회를 투입하는 경우, 생석회 중 미분은 노 내로 투입되지 못하고 집진기에 의하여 흡입되어 그 수율이 떨어지게 된다. 이에, 생석회의 입도를 변화시키거나, 호퍼 이외에 전로(10)의 내측으로 부원료를 투입하기 위한 별도의 슈트를 통하여 생석회를 투입할 수 있다. 그러나, 이는 생석회의 제조 방법을 제한하거나, 조업 용이성이 떨어지는 문제점이 있다.
이외에, 염기도를 낮추기 위하여 출강 온도를 하향시키는 방법도 생각될 수 있다. 그러나, 이는 전로(10) 내에서의 탈탄 효율을 감소시킬 뿐만 아니라, 후속 공정에서의 조업이 어려워지는 역효과가 발생하게 되는 문제점이 있다.
이와 같은 방법들은 모두 용선(M) 상에 CaO-SiO2-MgO계 슬래그(S)를 형성하여, 슬래그(S)를 액체 상태로 유지시키는 경우를 전제로 하고 있다. 그러나, 액상의 슬래그(S)는 내화물(11)로 용이하게 침투할 수 있기 때문에, 이 경우 내화물(11) 중의 산화마그네슘(MgO)이 용출되는 문제는 계속적으로 존재할 수 밖에 없다.
따라서, 본 발명의 실시 예에 따른 용융물 처리 방법에서는 페로크롬(FeCr)을 포함하는 합금철(15)의 투입에 의하여 산화크롬(Cr2O3) 성분, 산화철(FeO) 성분, 산화규소(SiO2) 성분 및 산화마그네슘(MgO) 성분을 포함하는 Cr2O3-FeO-SiO2-MgO계 슬래그(S)를 형성한다.
투입되는 페로크롬(FeCr)은 용선(M)의 열에 의하여 용해되어 용선(M) 중의 크롬(Cr) 농도를 증가시키고, 용선(M) 중의 크롬(Cr)은 전로(10)에 공급되는 산소에 의하여 산화되어 슬래그(S) 중에 산화크롬(Cr2O3) 성분으로 함유되게 된다. 또한, 용선(M) 및 페로크롬(FeCr)은 다량의 철(Fe) 성분과, 불순물로서 규소(Si) 성분을 함유하고 있는 바, 이와 같은 성분들은 전로(10)에 공급되는 산소에 의하여 산화되어 슬래그(S) 중에 산화철(FeO) 및 산화규소(SiO2) 성분으로 함유되게 된다.
여기서, 산화마그네슘(MgO) 성분은 용선(M)이 장입되는 전로(10)의 내화물(11)로부터 슬래그(S) 중으로 함유된다. 이와 같은 산화마그네슘(MgO) 성분은 예를 들어, 합금철(15)에 의하여 Cr2O3-FeO-SiO2-MgO계 슬래그(S)가 형성되기 전에 전로(10)의 내화물(11)로부터 슬래그(S) 중으로 함유될 수 있다. 그러나, 산화마그네슘(MgO) 성분은 슬래그(S) 중에 미량으로 함유될 수 있으며, 이 경우 슬래그 전체 중량%에 대하여 0.5 중량% 이상, 2.5 중량% 이하로 함유될 수 있다.
Cr2O3-FeO-SiO2-MgO계 슬래그(S)는 2000℃ 이상, 3000℃ 이하의 높은 융점을 가져 전로 조업 중 고체 상태로 유지될 수 있다. 슬래그(S)가 고체 상태로 유지되는 경우, 슬래그(S)가 내화물(12) 중으로 침투하는 문제는 발생하지 않는 바, 본 발명의 실시 예에 따르면 전로 조업 중 슬래그(S)에 의하여 내화물(11)이 용손되는 것을 최소화할 수 있게 된다.
용선(M)을 1차 탈탄하는 과정(S300) 중에는 산화칼슘(CaO)을 포함하는 부원료를 투입하지 않을 수 있다. 즉, 슬래그(S)가 고체 상태로 유지되는 경우, 슬래그(S)는 내화물(12) 중으로 침투하지 않으므로, 슬래그(S)의 염기도를 별도로 조절할 필요가 없다. 뿐만 아니라, 산화칼슘(CaO)을 포함하는 부원료를 투입하는 경우, 산화칼슘(CaO) 성분에 의하여 슬래그(S)가 CaO-SiO2-MgO계 슬래그(S)로 변화될 수 있는 바, 용선(M)을 1차 탈탄하는 과정(S300) 중에는 산화칼슘(CaO)을 포함하는 부원료를 투입하지 않는다.
또한, 용선(M)을 1차 탈탄하는 과정(S300)에는 슬래그(S)를 환원시키기 위한 환원제를 투입하지 않는다. 종래의 경우, 산화되어 슬래그(S) 중으로 함유된 산화크롬(Cr2O3)으로부터 크롬(Cr)을 회수하기 위하여 용선(M)을 1차 탈탄하는 중에 환원제를 투입하였다. 그러나, 이 경우 환원제의 투입에 의하여 산화크롬(Cr2O3) 뿐만 아니라, 슬래그(S) 중의 인 산화물, 예를 들어 오산화인(P2O5) 등이 용강 중으로 다시 환원되어 복린이 발생하는 문제점이 있었다. 본 발명의 실시 예에 따르면, 후술하는 바와 같이 용선(M)의 탈린을 용선(M)의 예비 처리 과정(S100)에서 수행하여 환원제를 투입하는 경우에도 인(P) 산화물이 환원되는 문제는 발생하지 않는다. 그러나, 환원제를 투입하는 경우 슬래그(S) 중의 산화크롬(Cr2O3)이 환원되어 슬래그(S)의 융점이 낮아져 고상의 슬래그(S)가 액화될 수 있으므로, 용선(M)을 1차 탈탄하는 과정(S300)에는 슬래그(S)를 환원시키기 위한 환원제를 투입하지 않는다.
용선(M)에 합금철(15)을 투입하는 과정(S220)은 전로(10)에 산소를 공급하는 과정(S210) 중에 이루어진다. 합금철(15)을 투입하는 과정(S220)은 페로크롬(FeCr)을 포함하는 합금철(15)을 용선(M) 1톤당 300 내지 400kg의 투입량으로 투입한다. 이와 같이, 용선(M)에 페로크롬(FeCr)을 투입하는 경우, 페로크롬(FeCr)은 용선(M)의 열에 의하여 용해되어 용선(M) 중의 크롬(Cr) 농도를 증가시키게 된다. 또한, 페로크롬(FeCr)의 용해는 주위의 열을 흡수하는 흡열 반응에 의하여 이루어지며, 이에 의하여 투입된 페로크롬(FeCr)의 주위에는 국부적으로 낮은 온도가 형성된다. 따라서, 용선(M) 중의 크롬(Cr)은 전로(10)에 공급되는 산소에 의하여 쉽게 산화되어 산화크롬(Cr2O3)을 형성할 수 있다.
여기서, 합금철(15)의 투입 초기에는 용선(M)의 온도가 용선(M) 중의 크롬(Cr)을 산화시키기 위한 중요한 인자가 된다. 전술한 바와 같이 용선(M)에 페로크롬(FeCr)이 충분하게 투입된 이후에는 용선(M) 중의 높은 크롬(Cr) 농도에 의하여 산화크롬(Cr2O3)이 쉽게 형성된다. 그러나, 합금철(15)의 투입 초기에는 용선(M)의 높은 온도로 인하여 페로크롬(FeCr)에 함유되는 크롬(Cr)이 산화되지 않고, 용선(M) 중에 용해된 상태로 존재할 수 있게 된다.
따라서, 합금철(15)의 투입 초기부터 산화크롬(Cr2O3)을 형성하기 위하여, 용선(M)을 전로(10)에 장입하는 과정(S200)은 용선(M)의 온도를 1250 내지 1450℃로 제어하여 전로(10)에 장입할 수 있다. 이와 같이, 용선(M)의 온도를 제어하는 이유는 용선(M)의 온도, 용선(M) 중의 탄소(C)의 농도 및 용선(M) 중의 크롬(Cr)의 농도 사이의 평형 관계를 나타내는 하기의 힐티(Hilty) 식에 의하여 알 수 있다.
[힐티 식]
log[%Cr]/[%C] = -13800/T + 8.76 - 0.925logPCO
위의 힐티 식에서 [%Cr]은 크롬(Cr)의 농도, [%C]는 탄소(C)의 농도를 나타내고, PCO는 일산화탄소(CO) 기체의 분압을 나타내며, T는 용선(M)의 온도를 나타낸다.
힐티 식에 의하면, 용선(M)의 온도가 높아질수록 용선(M) 중에 함유될 수 있는 크롬(Cr)의 농도[%Cr]는 증가하며, 이에 따라 용선(M) 중의 크롬(Cr)으로부터 산화크롬(Cr2O3)의 형성이 어렵게 된다. 반면, 용선(M)의 온도가 낮아질수록 용선(M) 중에 함유될 수 있는 크롬의 농도[%Cr]는 감소하며, 이에 따라 용선(M) 중의 크롬(Cr)으로부터 산화크롬(Cr2O3)의 형성이 보다 용이하게 된다. 따라서, 용선(M)의 온도는 1450℃ 이하로 제어될 수 있다. 여기서, 장입되는 용선(M)의 온도가 1250℃ 미만인 경우 용선(M)이 응고할 가능성이 높으며, 용선(M)이 응고하면 이후 제강 조업은 불가능한 바, 장입되는 용선(M)의 온도는 1250℃ 이상으로 제어될 수 있다.
이와 같이, 전로(10)에 장입하는 용선(M)의 온도를 제어하게 되면, 합금철(15) 투입 초기에는 용선(M) 중에 함유될 수 있는 크롬(Cr)의 농도를 낮추어 용이하게 슬래그(S) 중으로 산화크롬(Cr2O3)을 형성할 수 있다. 또한, 합금철(15) 투입 초기를 지나, 충분한 합금철(15)의 투입이 이루어지면 용선(M) 중의 높은 크롬(Cr) 농도에 의하여 산화크롬(Cr2O3)을 쉽게 형성할 수 있다.
여기서, 용선(M)에 합금철을 투입하는 과정(S320)은 용선(M) 중에 용해시킬 크롬(Cr) 성분의 함량을 계산하여, 합금철의 기준 투입량을 산출하는 과정, 상기 기준 투입량에, 슬래그(S) 중에 함유되는 산화크롬(Cr2O3) 성분의 함량을 더하여, 합금철의 보정 투입량을 산출하는 과정 및 상기 산출된 보정 투입량으로 상기 용선(M)에 합금철을 투입하는 과정을 포함할 수 있다.
후술하는 바와 같이, 슬래그(S)는 용선(M)을 1차 탈탄하는 과정(S300)이 종료된 이후, 용강과 별개로 회수된다. 따라서, 합금철을 투입하는 과정(S320)에서 합금철의 투입량은 슬래그(S) 중에 함유되어 용강과 별개로 회수되는 슬래그(S) 중에 함유되는 산화크롬(Cr2O3) 성분의 함량을 고려하여야 한다.
이에, 합금철의 기준 투입량을 산출하는 과정에서는, 먼저 용선(M) 중에 용해시킬 크롬(Cr) 성분의 함량을 계산하여 합금철의 기준 투입량을 산출한다. 여기서, 기준 투입량은 제조하기 위한 스테인리스 강의 종류에 따라 다양하게 결정될 수 있다.
합금철의 보정 투입량을 산출하는 과정에서는 이와 같이 결정된 기준 투입량에, 슬래그(S) 중에 함유되는 산화크롬(Cr2O3) 성분의 함량을 더하여 보정 투입량을 산출한다. 즉, 보정 투입량은 슬래그(S)에 함유되어 유출되는 산화크롬(Cr2O3) 성분의 함량이 포함된 값으로, 그 값은 전로(10) 내에 형성되는 슬래그의 양을 고려할 때, 기준 투입량의 1.02 배 이상, 1.05 배 이하의 값을 가질 수 있다.
이와 같은 과정에 의하여 합금철의 보정 투입량을 산출되면, 산출된 보정 투입량으로 상기 용선(M)에 합금철을 투입할 수 있으며, 이 경우 슬래그 중에 산화크롬(Cr2O3) 성분으로 유출되는 크롬(Cr)이 제외되어 정확한 함량의 크롬(Cr)을 함유하는 스테인리스 강을 제조할 수 있게 된다.
전술한 바와 같이, Cr2O3-FeO-SiO2-MgO계 슬래그(S)를 형성하여, 슬래그(S)를 고체 상태로 유지시키는 경우, 슬래그(S)의 염기도와 무관하게 내화물(11)에 함유되는 산화마그네슘(MgO) 성분이 슬래그(S) 중으로 용출되는 것을 최소화할 수 있다. 그러나, 용선(M)을 1차 탈탄하는 과정(S300) 중에 슬래그(S)를 고체 상태로 유지시키는 경우, 용선(M) 중에 존재하는 황(S) 성분과 인(P) 성분의 제어 및 개재물의 흡수 제거가 어렵게 되는 바, 탄소 성분을 제거하는 과정(S300)과는 별도의 과정에서 이와 같은 황(S) 성분, 인(P) 성분의 제어 및 개재물의 흡수 제거를 수행할 필요가 있다.
용선(M) 중에 존재하는 황(S) 성분과 인(P) 성분의 제어를 위하여, 본 발명의 실시 예에 따른 용융물 처리 방법은, 용선(M)을 전로(10)에 장입하는 과정(S200) 전에 용선(M)을 예비 처리(HMPS:Hot Metal Pretreatment Station)하는 과정(S100)을 더 포함할 수 있다. 즉, 용선(M)을 예비 처리하는 과정(S100)에서는 용선(M)을 탈황하는 과정 및 탈린하는 과정이 이루어질 수 있다.
용선(M)을 탈황하는 과정은, 고로에서 출선된 용선(M)을 탈황로로 이송하여 용선(M)에 함유된 황 성분을 제거할 수 있다. 탈황로는 교반 설비의 일종으로서, 용선(M)을 교반시키기 위한 임펠러(impeller)가 구비될 수 있으며, 임펠러의 회전과 탈황제의 투입에 의하여 용선(M)에 함유된 황(S) 성분을 용이하게 제거할 수 있게 된다. 또한, 용선(M)을 탈린하는 과정은, 용선(M)의 탈황 작업이 완료되면 용선(M)을 탈린로로 이송하여 용선(M)에 산소를 취입하여 용선(M)에 함유된 인(P) 성분을 제거할 수 있다.
이와 같이, 용선(M)을 예비 처리하는 과정(S100)에서 용선(M) 중의 인(P) 성분과 황(S) 성분은 용선(M) 전체 중량%에 대하여 각각 0.2 중량% 이하로 함유되도록 제어할 수 있다. 여기서, 용선(M) 중의 인(P) 성분과 황(S) 성분은 완전하게 제거하는 것은 불가능하므로, 인(P) 성분과 황(S) 성분은 용선(M) 중에 각각 0.1 중량% 이상 함유될 수 있다.
전술한 바와 같이, 종래의 경우 산화되어 슬래그(S) 중으로 함유된 산화크롬(Cr2O3)으로부터 크롬(Cr)을 회수하기 위하여 용선(M)을 1차 탈탄하는 중에 환원제를 투입하였다. 그러나, 환원제를 투입하여 산화크롬(Cr2O3)을 환원시키는 경우, 인 산화물도 함께 환원되는 바, 스테인리스 강의 제조에 있어서 용선(M)을 1차 탈탄하는 중에는 탈린이 불가능한 것으로 알려져 있다. 따라서, 본 발명의 실시 예에서는 용선(M)을 예비 처리하는 과정(S100)에서 용선(M) 중의 인(P) 성분과 황(S) 성분을 먼저 충분하게 제어함으로써, 용선(M)을 1차 탈탄하는 과정(S300)에서 별도의 제어 없이 충분한 탈린 또는 탈황 효과를 얻을 수 있게 된다.
1차 탈탄된 용선(M)을 배출하는 과정(400)은, 전로(10)에서 1차 탈탄이 종료되어 탄소(C) 성분이 1차적으로 제거된 용강을 출강구(12)를 통하여 배출한다. 출강구(12)를 통하여 배출된 용강은 제2 용기, 예를 들어 래들에 장입되어 2차 정련되고, 슬래그(S)는 용강과 별개로 회수된다.
용강을 2차 정련하는 과정(S500)은, 용강을 래들에 장입하는 과정, 래들에 진공을 형성하는 과정 및 래들에 장입된 용강을 2차 탈탄하는 과정을 포함할 수 있다. 즉, 용강을 2차 정련하는 과정(S500)은 진공 정련 공정, 예를 들어 VOD(Vacuum Oxygen Decarburization) 공정에 의하여 2차 탈탄될 수 있다.
진공 정련 공정을 위한 진공 정련 설비는 내부에 래들을 수용할 수 있는 공간이 형성되는 진공조와, 진공조의 상부에 설치되고 래들에 수용된 용강에 산소 함유 가스를 취입할 수 있는 랜스와, 진공조의 상부 또는 측부에 설치되고 래들에 수용된 용강에 탈산제를 투입할 수 있는 공급관을 포함할 수 있다. 그리고, 래들의 하부에는 저취 노즐이 형성되고, 저취 노즐에는 불활성 가스 등과 같은 교반 가스를 공급할 수 있는 가스 공급관 등이 연결될 수 있다.
이러한 구성을 통하여, 진공조 내부에 진공을 형성한 상태로, 랜스를 통하여 용강에 산소를 포함하는 가스를 공급하는 과정이 수행되고, 저취 노즐을 통해 교반 가스를 공급하여 용강을 교반하면서 용강을 2차적으로 탈탄할 수 있다. 또한, 래들에 탈산제를 투입하는 과정은, 산소 함유 가스의 취입을 중단한 상태로, 저취 노즐을 통해 용강을 교반하면서 용강을 탈산할 수 있다. 여기서, 진공 정련 설비는 이와 같은 구성에 한정되지 않고, 진공조 내부에 진공을 형성한 상태로 용강을 처리할 수 있는 다양한 구성으로 변경이 가능함은 물론이다.
이와 같이, 용강을 2차 탈탄하는 과정(S500)에서 용강 중의 황(S) 성분은 용강 전체 중량%에 대하여 0.1 중량% 이하로 함유될 수 있다. 즉, 용강을 1차 탈탄하는 과정(S300) 전의 용선(M)을 예비 처리하는 과정(S100)에서 용선(M) 중의 황(S) 성분은 용선(M) 전체 중량%에 대하여 0.2 중량% 이하로 제어되고, 용강을 1차 탈탄하는 과정(S300) 후의 용강을 2차 정련하는 과정(S500)에서 용강 전체 중량%에 대하여 0.1 중량% 이하로 제어될 수 있다. 이는, 용강을 2차 탈탄하는 과정(S500)에서 알루미늄(Al)을 포함하는 탈산제가 투입되어 환원성 분위기가 조성되기 때문인 것으로, 용강 중의 황(S) 성분은 높은 분배비(2차 탈탄 슬래그 중 황(S) 중량% / 용강 중 황(S) 중량%)로 환원되어 제거될 수 있다. 여기서, 탈산제는 SiO2-Al2O3-MgO계 산화물과 Al을 포함하는 알루미늄-드로스를 포함할 수 있으며, 알루미늄-드로스와 산화칼슘(CaO)을 함께 사용할 수도 있다.
또한, 용강을 2차 탈탄하는 과정(S500)에서 용강 중의 개재물도 함께 제거될 수 있다. 즉, VOD 공정에서는 강한 진공을 이용하여 장시간의 교반 과정을 수행하기 때문에 용강을 2차 탈탄하는 과정(S500)에서 용강 중의 개재물은 효율적으로 제거될 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시 예에 따라 슬래그를 고체 상태로 유지시키는 경우, 용선(M) 중에 존재하는 황(S) 성분은 예비 처리 과정(S100) 및 용강의 2차 탈탄 과정(S500)에 의하여 단계적으로 제어된다. 또한, 용선(M) 중에 존재하는 인(P) 성분은 예비 처리 과정(S100)에서 제어될 수 있다. 뿐만 아니라, 용선(M) 중의 개재물은 용강의 2차 탈탄 과정(S500)에서 용강의 교반에 의하여 효과적으로 제거될 수 있게게 된다.
전술한 바와 같이, 슬래그는 2차 정련 과정(S500)이 수행되는 용강과 별개로 회수된다. 즉, 본 발명의 실시 예에 따른 용융물 처리 방법은 1차 탈탄된 용선(M)을 배출하는 과정(400) 이후에, 용강 상에 부유하는 슬래그를 회수하는 과정(S600) 및 회수한 슬래그를 환원시키는 과정(S700)을 더 포함할 수 있다.
용강 상에 부유하는 슬래그를 회수하는 과정(S600)은 전로(10)로부터 출강시에 용강 상에 부유하는 슬래그를 제3 용기, 예를 들어 베셀(vessel) 등으로 회수한다. 여기서, 슬래그는 용강 상에서 고체 상태를 유지하고 있는 바, 슬래그의 회수가 간편하게 이루어질 수 있다. 즉, 종래에는 액체 상태의 슬래그를 비용을 들여 단광으로 가공하였으나, 본 발명의 실시 예에 따르면 고체 상태를 유지하고 있는 슬래그를 그대로 사용할 수 있게 된다.
회수한 슬래그를 환원시키는 과정(S700)은 고체 상태로 회수된 슬래그를 전기 아크에 의해 용해시키면서 부원료 등을 장입하여 환원시킴으로써, 슬래그 중의 산화크롬(Cr2O3)으로부터 크롬(Cr)을 추출한다. 추출된 크롬(Cr)은 전기로를 이용하여 스테인리스 강을 제조하는 데 재활용될 수 있으며, 이에 의하여 슬래그 중으로 유가 금속인 크롬(Cr)이 손실되는 것을 방지할 수 있다.
이하에서는, 하기의 표 1을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따라 형성된 슬래그의 성분을 분석한 실험 예에 대하여 설명하기로 한다.
[표 1]
Figure 112018107844276-pat00001
실험은 모사 전로(300kg Pilot 탈탄로)를 이용하였으며, 비교 예 1 내지 비교 예 6에서는 전로에 페로크롬(FeCr)을 투입하고, 부원료로써 산화칼슘(CaO)을 포함하는 생석회의 투입량을 변화시켜 형성되는 슬래그의 상태를 나타내었다. 한편, 실시 예에서는 전로에 산화칼슘(CaO)을 포함하는 부원료를 투입하지 않고, 페로크롬(FeCr)만을 투입하여 형성되는 슬래그의 상태를 나타내었다. 여기서, 실시 예 1 내지 실시 예 4는 각각 동일한 조건을 반복하여 형성되는 슬래그의 상태를 나타내었다.
비교 예 1의 경우 부원료로써 생석회를 용선 톤(ton-steel)당 37kg의 양으로 투입한 것으로, 생석회에 포함되는 산화칼슘(CaO) 성분으로부터 CaO-SiO2-MgO계의 액상 슬래그가 형성됨을 알 수 있다. 여기서, 슬래그 중의 산화마그네슘(MgO) 성분은 용선이 장입되는 전로의 내화물로부터 용출되어 슬래그 중에 함유된 산화마그네슘(MgO)을 나타낸다. 즉, 비교 예 1의 경우 슬래그 중에 9.2 중량%의 산화마그네슘(MgO) 성분이 함유되어 전로의 내화물로부터 다량의 산화마그네슘(MgO)이 용출되었음을 알 수 있다. 또한, 비교 예 2 내지 비교 예 6의 경우에도 모두 CaO-SiO2-MgO계의 액상 슬래그가 형성되었으며, 슬래그 중의 산화마그네슘(MgO) 성분은 최소 10.2 중량%, 최대 11.9 중량%까지 함유됨을 알 수 있다.
반면, 실시 예 1의 경우, 부원료로써 산화칼슘(CaO)를 투입하지 않는 경우, Cr2O3-FeO-SiO2-MgO계의 고상 슬래그가 형성됨을 알 수 있다. 여기서, 실시 예 1의 경우에는 슬래그 전체 중량%에 대하여 1.0 중량%의 산화마그네슘(MgO) 성분만이 슬래그 중에 함유되고, 실시 예 2, 실시 예 3 및 실시 예 4의 경우에도 각각 1.2, 2.1, 1.4 중량%의 산화마그네슘(MgO) 성분만이 슬래그 중에 함유되어, 전로의 내화물(11)로부터 산화마그네슘(MgO) 성분이 용출되는 것을 효과적으로 억제할 수 있음을 알 수 있다.
여기서, 도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 Cr2O3-FeO-SiO2-MgO계 슬래그를 나타내는 사진이다. 즉, 도 3은 실시 예 1에 따라 형성된 Cr2O3-FeO-SiO2-MgO계 슬래그를 촬영하여 확대한 모습을 나타낸다. 도 3에 나타난 바와 같이, Cr2O3-FeO-SiO2-MgO계 슬래그는 일 영역에서 1MgO-80Cr2O3-19FeO 성분으로 형성되는 입자와, 1MgO-45SiO2-54Cr2O3 성분으로 형성되는 입자로 구성되어 전체적으로 산화마그네슘(MgO) 성분이 약 1 중량%로 소량 함유됨을 알 수 있다. 한편, Cr2O3-FeO-SiO2-MgO계 슬래그의 다른 영역에서도 1MgO-45SiO2-45Cr2O3-7FeO 성분으로 형성되는 입자와, 2MgO-81Cr2O3-17FeO 성분으로 형성되는 입자로 구성되어 전체적으로 산화마그네슘(MgO) 성분이 약 0.5 중량% 내지 2.5 중량%의 범위에서 소량 함유됨을 알 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 용융물 처리 방법에 의하면, 탈탄 과정에서 액체 상태로 존재하는 CaO-SiO2-MgO계 슬래그의 생성을 방지하고, 고체 상태를 유지하는 Cr2O3-FeO-SiO2-MgO계 슬래그를 형성시켜 내화물의 용손을 최소화할 수 있다.
또한, 산화칼슘(CaO)을 포함하는 부원료를 투입하지 않아 원가 절감이 가능할 뿐만 아니라 열 손실이 적어 온도 확보 측면에서 유리하고, 슬래그를 환원시키기 위한 환원제를 투입하지 않아 제조 비용을 최소화할 수 있다.
상기에서, 본 발명의 바람직한 실시 예가 특정 용어들을 사용하여 설명 및 도시되었지만 그러한 용어는 오로지 본 발명을 명확하게 설명하기 위한 것일 뿐이며, 본 발명의 실시 예 및 기술된 용어는 다음의 청구범위의 기술적 사상 및 범위로부터 이탈되지 않고서 여러 가지 변경 및 변화가 가해질 수 있는 것은 자명한 일이다. 이와 같이 변형된 실시 예들은 본 발명의 사상 및 범위로부터 개별적으로 이해되어져서는 안 되며, 본 발명의 청구범위 안에 속한다고 해야 할 것이다.
10: 전로 11: 내화물
12: 출강구 13: 랜스
14: 홀 15: 합금철

Claims (15)

  1. 용융물을 제1 용기에 장입하는 과정;
    상기 제1 용기에 장입된 용융물을 1차 탈탄하는 과정; 및
    상기 1차 탈탄된 용융물을 배출하는 과정;을 포함하고,
    상기 용융물을 1차 탈탄하는 과정은,
    상기 용융물에 페로크롬(FeCr)을 포함하는 합금철을 투입하여, Cr2O3-FeO-SiO2-MgO계 슬래그를 형성하고,
    상기 Cr2O3-FeO-SiO2-MgO계 슬래그를 고체 상태로 유지시키도록, 상기 용융물에 산화칼슘(CaO)를 포함하는 부원료를 투입하지 않는 용융물 처리 방법.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 Cr2O3-FeO-SiO2-MgO계 슬래그는 슬래그 전체 중량%에 대하여 0.5 내지 2.5 중량%의 산화마그네슘(MgO) 성분을 함유하는 용융물 처리 방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 용융물을 제1 용기에 장입하는 과정은,
    상기 용융물의 온도를 1250 내지 1450℃로 제어하여, 상기 제1 용기에 장입하는 용융물 처리 방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 용융물을 1차 탈탄하는 과정은,
    상기 제1 용기에 산소를 포함하는 기체를 공급하는 과정; 및
    상기 제1 용기에 산소를 포함하는 기체를 공급하는 중에, 상기 용융물에 합금철을 투입하는 과정;을 포함하는 용융물 처리 방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 용융물에 합금철을 투입하는 과정은,
    상기 용융물 중에 용해시킬 크롬(Cr) 성분의 함량을 계산하여, 합금철의 기준 투입량을 산출하는 과정;
    상기 기준 투입량에, 슬래그 중에 함유될 산화크롬(Cr2O3) 성분의 함량을 더하여, 합금철의 보정 투입량을 산출하는 과정; 및
    상기 산출된 보정 투입량으로 합금철을 투입하는 과정;을 포함하는 용융물 투입 방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 보정 투입량은 상기 기준 투입량의 1.02 내지 1.05 배의 값을 가지는 용융물 투입 방법.
  8. 삭제
  9. 청구항 5에 있어서,
    상기 용융물을 1차 탈탄하는 과정은,
    상기 슬래그를 환원시키기 위한 환원제를 투입하지 않는 용융물 처리 방법.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 용융물을 전로에 장입하는 과정 전에, 상기 용융물을 예비 처리하는 과정;을 더 포함하고,
    상기 용융물을 예비 처리하는 과정에서, 용융물 중의 인(P) 성분과, 황(S) 성분은 용융물 전체 중량%에 대하여 각각 0.2 중량% 이하로 함유되도록 제어하는 용융물 처리 방법.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 배출된 용융물을 2차 정련하는 과정;을 더 포함하고,
    상기 용융물을 2차 정련하는 과정은,
    상기 용융물을 제2 용기에 장입하는 과정;
    상기 제2 용기에 진공을 형성하는 과정; 및
    상기 제2 용기에 장입된 용융물을 2차 탈탄하는 과정;을 포함하는 용융물 처리 방법.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 용융물을 2차 탈탄하는 과정은,
    상기 제2 용기에 산소를 포함하는 기체를 공급하는 과정; 및
    상기 용융물에 알루미늄(Al)을 포함하는 탈산제를 투입하는 과정;을 포함하는 용융물 처리 방법.
  13. 청구항 11에 있어서,
    상기 용융물을 2차 탈탄하는 과정에서, 용융물 중의 황(S) 성분은 용융물 전체 중량%에 대하여 0.1 중량% 이하로 함유되도록 제어하는 용융물 처리 방법.
  14. 청구항 1에 있어서,
    상기 1차 탈탄된 용융물 상에 부유하는 슬래그를 회수하는 과정; 및
    상기 회수한 슬래그를 환원시키는 과정;을 더 포함하는 용융물 처리 방법.
  15. 청구항 1, 청구항 3 내지 청구항 7, 청구항 9 내지 청구항 14 중 어느 한 항에 기재된 용융물 처리 방법에 의하여 제조되는 스테인리스 강.
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