KR19980083686A - 전기로에서의 고품질 용강 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전기로에서의 고품질 용강 제조방법에 관한 것으로, 특히 종래 전기로 조업에서 가장 제어가 곤란한 질소(N), 트램프(Ttramp) 원소 수준을 낮게 제어함으로써 박판과 같은 고부가가치 제품 용도에 부합하는 용강을 제조할 수 있도록 한 것이다.

이와 같은 본 발명은 고로에서 출선된 용선을 용선용 래들카에 수선 및 운반하여 용선 장입래들에 중량%로 40 ∼ 50%의 용선을 수선하여 배재작업을 실시한 후 용선 장입을 위하여 대기시키는 공정과, 용선장입 이전에 1차 장입에 필요한 총중량%의 50 ∼ 60%의 스크랩을 전기로에 장입한 후 전력을 투입하여 용해작업을 실시하는 공정과, 상기 대기중인 용선장입 래들을 이용하여 보오정홀에 분당 15 ∼ 20ton의 속도로 래들을 서서히 경동시켜 용선을 장입하는 공정과, 용선장입 완료후 슬래그 조제재인 생석회의 전체 투입량 절반수준인 16 ∼ 17㎏/t·s를 로내에 투입한 후 2차 용해에 필요한 나머지 추가전력을 투입하는 공정과, 생석회 투입에 따른 조제슬래그의 유동성 확보를 위해 형석을 투입하고 이후 정련기 조업을 위해 산소와 분코크스를 투입하여 정련을 하는 공정으로 이루어져 전기로에서의 고품질 용강을 제조하게 되는 것이다.

Description

전기로에서의 고품질 용강 제조방법

본 발명은 전기로에서의 고품질 용강 제조방법에 관한 것으로, 특히 종래 전기로 조업에서 가장 제어가 곤란한 질소(N), 트램프(Ttramp) 원소 수준을 낮게 제어함으로써 박판과 같은 고부가가치 제품 용도에 부합하는 용강을 제조할 수 있도록 한 것이다.

일반적으로 고부가가치 제품이라 함은 일반용도의 제품과 비교할 때 품질에 치명적인 영향을 미치는 불순원소들이 현저히 낮은 제품을 말한다.

그러한 불순원소중의 하나인 질소(N)는 알루미늄 탈산강에서 질화 알루미늄(AIN)이라는 화합물을 형성, 계면(Grain boundtry)에 편석(Segregation)됨으로써 얇은 판재류의 가공시, 제품의 형상성 및 인성(Toughness)에 악영향을 초래하게 된다.

이러한 이유 때문에 박판류와 같은 고급용도의 제품에 있어서 질소범위를 엄격히 제한하고 있는 실정이다.

통상 일반용도용 냉연 소재급(CQ : Commercial Quality)으로 사용하는 경우 70ppm 이하, 냉연가공용 용도(DQ : Deep Quality)인 경우 50ppm 이하의 질소수준을 요구하고 있다.

또한 박판류와 같은 고급용도의 제품에 있어서 엄격히 규제하고 있는 것이 트램프 원소이다.

트램프원소란 판재류와 같은 철강제품에 미량으로 존재하는 불순합금원소의 총칭으로 통상 구리(Cu), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 몰리브덴(Mo)의 총합으로 표시된다.

일반적으로 트램프(Tramp) 원소는 모재(Matrix)인 철(Fe)에 쉽게 고용되지 못하고 계면(Grain boundary)에 집적하는 경향을 가짐으로써 박판(Thin Slab) 주조시 표면 및 내부크랙(Crack)을 유발시킬 뿐만 아니라 고온에서 열처리시 연성(Ductility)을 현저히 감소시키는 열간취성(Hot Shortness)의 주요한 요인이 되고 있다.

이러한 이유 때문에 미국, 일본, 유럽과 같은 선진국들은 제품별 트램프원소 함량범위를 정하여 일반용도용 냉연소재급(CQ)인 경우 0.22%, 냉연가공용 용도(DQ)인 경우 0.16% 이하로 정하여 엄격히 규제하고 있다.

따라서, 상기의 질소와 트램프원소 수준을 요구치 이하로의 제어 여부가 막판등과 같은 고품질 용도 제품의 시금석이 된다.

일반적으로 스크랩을 주원료로 하는 통상 전기로를 베이스(Base)로 한 공정에서 탄소(C), 규소(Si), 망간(Mn), 인(P), 황(S)와 같은 5대 성분 등은 전기로를 비롯한 2차 정련 프로세스인 LF(Ladle Arc Furnace)설비 및 탈가스 정련설비의 적절한 조합에 의한 제어가 가능하지만 질소 및 트램프 원소는 상기와 같은 조업방법으로는 한계가 있어 왔다.

이것은 다음과 같은 이유로 설명할 수가 있다.

먼저, 전기로에서 질소제어가 곤란한 것은, 전기로가 높은 전력투입에 의한 장시간의 용해과정이 주가 됨으로써, 용해작업시 발생되는 6,000∼10,000℃ 정도의 높은 아아크열은 롱 아아크(Long Arc) 조업을 유도함으로써, 이것에 의해 대기중의 질소가 헤리(dissociation), 아래와 같은 용존 가능한 단원자 분자 상태가 되어 용강중으로의 흡질이 용이하게 된다.

1/2 N₂↔ N (용강중으로 용해) -----(1)

logKn = -518T - 1.063 -----------(2)

통상 전기로에서 용강중에 들어 있는 질소를 제거하거나, 대기중의 질소가 용강중으로 흡질되는 것을 막기 위하여, 슬래그 포밍이라는 전기로 특유의 방법을 사용하여 조업을 실시해오고 있으나, 통상 전기로에서 질소제어 범위가 80∼100ppm가 한계로 알려져 있다.

최근에는 이를 위해 용선을 비롯 냉선 및 직접환원철등 스크랩 대체철원류의 전기로 적용이 검토되고 있으나 상기 원료들을 전기로에 적용시 최적 원료 배합 제어기술과 이에 따른 탈탄제어기술, 탈인 제어기술 및 슬래그포밍 제어등 제반기술이 확립되어 있지 않은 상태이다.

그 다음에 전기로에서 트램프 원소 제어측면을 볼 때 스크랩을 주원료로 하는 종래의 전기로 공정에서는 트램프 원소들을 제강공정에서 산화정련하기 곤란할 뿐 아니라, 철강제품에 그대로 잔류하여 박판과 같은 고품질용도의 제품에 악영향을 미치게 된다.

일반적으로 트램프원소를 제거하기 위한 방법으로 자선처리, 용융선별 등과 같은 사전처리방법과 진공정련법, 전기화학적 정련법 등과 같은 정련처리방법이 있으나 전자방법의 경우 대량처리시 엄청난 비용 밋 공해유발과 후자방법의 경우는 대부분 연구수준 단계로 상업적 메리트의 기대가 현재로는 불가능한 실정이다.

최근 전기로에서 트램프원소의 제어를 위한 조어방법으로는 스크랩대비 트램프원소가 낮은 냉선 및 직접환원철 등과 같은 스크랩 대체철원류의 다량 사용에 의한 트램프 원소의 희석방법이 부착되고 있으나 이를 전기로에 적용키 위해 앞에서 설명한 바와 같은 전기로 제반기술이 정립되어 있지 않다.

현재 전기로를 베이스로 하여 박판류를 생산하는 미니밀 업체에서는 트램프 원소가 상대적으로 낮은 고급스크랩류의 사용비율을 최대한 높여 조업을 실시하고 있으나, 고급고철류의 구득난 및 상대적으로 높은 스크랩가격 등 원가 측면에서 불리한 요인으로 작용하고 있다.

이상의 내용을 종합해 볼 때 종래의 스크랩을 주원료로 하는 전기로 공정으로는 박판등과 같은 고급용도의 제품에서 요구되는 질소와 트램프원소 수준에 부합할 수 없는 기술적인 한계와 근본적인 문제점을 가지고 있다.

본 발명은 상기와 같은 제반 문제점을 감안하여 이를 해소하고자 발명한 것으로, 전기로에서 용선사용기술의 개발을 통해 박판등과 같은 고급용도의 제품에서 요구되는 질소와 트램프원소 수준을 낮게 제어함으로써 고품질은 물론 제조 코스트의 절감이 가능한 용강을 제공하고자 하는데 그 목적이 있다.

이와 같은 목적을 갖는 본 발명은 고로에서 출선된 용선을 용선용 래들카에 수선 및 운반하여 용선 장입래들에 중량%로 40 ∼ 50%의 용선을 수선하여 배재작업을 실시한 후 용선 장입을 위하여 대기시키는 공정과, 용선장입 이전에 1차 장입에 필요한 총중량%의 50 ∼ 60%의 스크랩을 전기로에 장입한 후 전력을 투입하여 용해작업을 실시하는 공정과, 상기 대기중인 용선장입 래들을 이용하여 보오정홀에 분당 15 ∼ 20ton의 속도로 래들을 서서히 경동시켜 용선을 장입하는 공정과, 용선장입 완료후 슬래그 조제재인 생석회의 전체 투입량 절반수준인 16 ∼ 17㎏/t·s를 로내에 투입한 후 2차 용해에 필요한 나머지 추가전력을 투입하는 공정과, 생석회 투입에 따른 조제슬래그의 유동성 확보를 위해 형석을 투입하고 이후 정련기 조업을 위해 산소와 분코크스를 투입하여 정련을 하는 공정으로 이루어짐을 특징으로 한다.

도 1은 용선 혼합비에 따른 산소 사용량을 나타낸 그래프.

본 발명은 전기로에 장입되는 총 주원료 중 용선과 스크랩을 중량%로 각각 용선 40∼50%, 스크랩 50∼60%의 배합비율로 구성되어 있다.

이하, 본 발명에 따른 배합비율의 수치한정 이유에 대하여 설명한다.

먼저 용선 40%는 전기로 용해시간과 탈탄에 따른 정련시간을 고려한 최소하한치로 40% 미만으로 될 경우 1차 스크랩 장입물의 용해에 필요한 통전시간 연장에 따른 대기중 질소 픽-업(pick-up)이 발생하고, 또한 슬래그 포밍 조업시 최소 5㎏/t·s이상의 분 코크스가 별도로 투입됨으로써 정련시간의 단축에 별다른 효과가 없다.

또한 40% 미만으로 할 경우 트램프 원소 제어측면에서 일반용도 박판제의 트램프 원소 제한치인 0.22% 이상을 초과하여 고품질의 용강제조가 곤란하다.

또한 용선배합 상한치를 50%로 제한한 것은 용선 배합 50% 초과시에 용해 시간이 짧아지고 트램프 원소의 희석효과는 증대하나, 상대적으로 탈탄에 필요한 정련시간이 연장됨으로써 전체적으로 생산성에 좋지 않은 영향을 미치게 되고 또한 이의 단축을 위한 과다 산소취입에 따른 T·Fe(Total Fe)의 증가로 인해 출강실수율이 하락한다.

특히, 전기로 내 탈인 조업에 필요한 생석회(Cao)와 형상(CaF2)의 증가에 따른 슬래그 포밍효율의 저하로 고품질 용도에 부합하는 질소제어가 곤란하다. 따라서 용선사용 배합비율을 최적범위인 40∼50%로 제한하였다.

나머지 스크랩 비율은 최적 용선범위가 고정됨에 따라 결정되었고 전체 전기로 조업 측면에서 이러한 비율은 매우 효과적임을 확인하였다.

이하 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다.

실시예

본 발명은 고로에서 출선된 용선을 250Ton 용선용 래들카(Torpedo Ladle Car)에 수선 및 운반하여 용선 퍼링 피트(pouring pit)에 도착, 용선장입래들에 40∼50%의 용선을 수선하여 배재작업을 실시한 후 용선작업을 위하여 대기시킨다.

먼저 용선장입 이전에 1차 장입에 필요한 총중량%의 50∼60%의 스크랩을 전기로에 장입한 후 1차 용해작업을 실시한다.

이때의 투입되는 전력량은 장입스크랩을 용해하는데 소요되는 전력량의 20∼30%로 유지하였다. 이것은 전극의 아아킹(Arcing)에 의해 일정한 크기의 보오링 홀(Boring Hole)을 형성시켜 용선장입시 용선의 자유낙하로 인해 발생되는 스플래시로부터 전기로 내부의 수냉판넬을 보호하기 위함이다.

그 다음에 대기중인 용선장입래들을 이용하여 보오링 홀(Boring Hole)에 분당 15∼20 Ton 속도로 최대한 래들을 서서히 경동시켜 용선을 장입한다. 이때, 전기로 로내에 잔탕(Hot Heel)이 존재할 경우 용선장입전 50∼100kg 정도의 알루미늄이나 페로실리콘 등을 사전 투입하는데 이것은 잔탕중의 높은 상응 급격한 보일링(Boiling) 현상을 방지하였다.

용선장입 완료 후 슬래그 조제재인 생석회의 전체 투입량 절반 수준인 16∼17 kg/t·s를 로내에 투입한 후, 2차 용해에 필요한 나머지 추가전력 70∼80%를 투입하였다.

스크랩의 완전한 용해가 이루어지는 용락기(Melt Down) 판정 후 전체 생석회 투입량의 나머지 절반 수준인 6∼17kg/t·s 투입하여 전체 여기도 수준 2.5∼3.5(CaO/SiO₂비) 수준이 되도록 종래 스크랩 위주의 조업대비 중량으로 투입하였다.

또한 이 때 생석회 투입에 따른 조제슬래그의 유동성 확보를 위해 형석을 1kg/t·s투입하였다. 이후 정련기 조업을 위해 산소와 분 코크스를 투입하였다.

도 1은 정련기 조업시 용선 중에 함유된 다량의 카본을 산화제거시키기 위한 산소 사용량을 나타낸 것으로, 사용량을 종래 대비 2.5∼3.0배 증가시킨 7.000∼8.000 Nm³/Hr으로 탈산효율을 증대시켰다.

이러한 조업결과 종점에서 탄소 0.03∼0.04% 이때 종점산소는 800∼1000ppm으로 매우 안정적이었다.

또한 슬래그 포밍제로 투입되는 분 코크스 량은 종래 사용량 대비 10∼20% 수준인 1∼4kg로 감소시키면서 우수한 슬래그 포밍효과를 얻을 수 있었다.

정련기조업 완료 후 출강전 샘플링을 실시하여 전기로에서 효과를 측정하였다.

이후, 전기로에서 출강된 용강은 2차 정련 공정인 LF(Ladle Arc Furnace)에서 승온 및 칼슘 처리를 거치고 이어서 탈가스 정련 공정에서 탈탄 및 탈가스 처리를 거친 후 박판주조를 위한 연주조업 및 제품의 마무리를 위한 일련의 압연공정을 거치게 된다.

표 1. 본 발명과 종래의 트램프 원소수준 비교

상기 표 1은 본 발명과 종래의 트램프 원소 수준을 나타낸 것으로 종래의 경우 크램프원소 수준이 0.4∼0.6% 수준이고, 특히 트램프원소 중에서 가장 해로운 원소인 구리는 0.2∼0.3% 수준으로 높았으나 본 발명에 있어서 용선과 스크랩을 일정비율 배합하여 사용한 경우 트램프원소 수준이 0.16∼0.20% 수준으로 현저히 낮았다. 특히 구리는 0.10% 수준으로 종래 대비 1/3∼1/4 수준이었다.

표 2. 본 발명과 종래의 질소수준 비교

상기 표 2는 본 발명과 종래의 질진소수준을 배교한 것으로서 종래의 경우 전기로 종점에서 80∼90ppm 의 질소를 나타내고 소강(제품)에서 90∼130ppm 수준을 보였다.

본 발명에 있어서 용선과 스크랩을 40∼50% 배합하여 사용한 경우 전기로 종점에서 30∼40ppm, 소강에서 40∼50ppm 수준으로 종래 발명대비 1/2∼1/3 수준으로 감소하였다.

본 발명이 종래 발명대비 질소수준이 대폭 감소한 것은 용선중에 들어있는 충분한 카본과 중량하여 인젝선(Injection)되는 산소와 활발한 반응이 이루어져 Co 보일링에 의한 플러싱(Flushing) 효과가 크기 때문으로 판단된다.

즉 본 발명의 경우가 종래발명 대비 슬래그포밍 조업측면에서 훨씬 더 효율적임을 확인하였다.

표 3. 본 발명과 종래의 인수준과 전력원단위 수준 비교

상기 표 3은 본 발명과 종래 발명의 인수준과 전력원단위 수준을 나타낸 것으로 먼저 인수준을 볼 때 종래의 경우에 비해 본 발명의 경우가 인제어 측면에서 다소 유리하였다.

이것은 본 발명에 이어서 용선중의 인 함유량이 각각 0.090∼0.100%, 종래 대비 장입(Input) 인이 훨씬 높아 인 제어의 어려움이 우려되었으나 염기도(Cao/SiO₂)를 2.5∼3.5로 조정하기 위해 종래 생석회 사용량의 30% 정도를 중량 투입하고, 형석을 소량 첨가함으로써 종래 발명대비 다소 양호한 결과를 얻을 수 있었다.

이것은 냉연용 소재의 인 규제범위가 통상 0.015% 이하이므로 본 발명의 경우 이를 위한 요건에는 전혀 문제가 없었다.

전력원단위 수준을 볼 때 종래의 경우 용강톤당 400∼450 KWH 수준이었으나 본 발명에 있어서 용선과 스크랩을 일정비율 사용한 경우 290∼340 KWH 본 발명의 경우가 종래 대비 대략 톤당 50∼100 KWH의 전력원단위 절감효과가 있었다.

이것은 기존 전기로 공정에서 전력원단위가 전체 공정 원가에 상당부분 영향을 미친다는 점을 고려한다면 대단히 중요한 의미를 갖는다.

이처럼 본 발명의 경우 전력원단위가 현저히 낮은 것은 용선 자체의 헌열을 이용함으로써 용해에 소요되는 에너지가 대폭 감소하기 때문이다.

본 발명은 전기로에서 용선사용기술의 개발을 통해 종래 전기로 조업대비 질소와 트램프 원소 수준을 현저히 감소시켜 고품질은 물론 제조코스트를 대폭적으로 절감을 할 수 있어 좋은 효과를 나타내고 있다.

Claims (6)

1. 고로에서 출선된 용선을 용선용 래들카에 수선 및 운반하여 용선 장입래들에 중량%로 40 ∼ 50%의 용선을 수선하여 배재작업을 실시한 후 용선 장입을 위하여 대기시키는 공정과,

   용선장입 이전에 1차 장입에 필요한 총중량%의 50 ∼ 60%의 스크랩을 전기로에 장입한 후 전력을 투입하여 용해작업을 실시하는 공정과,

   상기 대기중인 용선장입 래들을 이용하여 보오정홀에 분당 15 ∼ 20ton의 속도로 래들을 서서히 경동시켜 용선을 장입하는 공정과,

   용선장입 완료후 슬래그 조제재인 생석회의 전체 투입량 절반수준인 16 ∼ 17㎏/t·s를 로내에 투입한 후 2차 용해에 필요한 나머지 추가전력을 투입하는 공정과, 생석회 투입에 따른 조제슬래그의 유동성 확보를 위해 형석을 투입하고 이후 정련기 조업을 위해 산소와 분코크스를 투입하여 정련을 하는 공정으로 이루어짐을 특징으로 하는 전기로에서의 고품질 용강 제조방법.
2. 제 1 항에 있어서, 스크랩을 전기로에 장입후 전력을 투입하되, 이때 투입되는 전력량은 장입스크랩을 용해하는데 소요되는 전력량의 20∼30%가 되도록 하여서 됨을 특징으로 하는 전기로에서의 고품질 용강 제조방법.
3. 제 1 항에 있어서, 2차 용해에 필요한 나머지 추가전력을 투입하되, 이때 필요한 전력량은 70∼80%가 되도록 하여서 됨을 특징으로 하는 전기로에서의 고품질 용강 제조방법.
4. 제 1 항에 있어서, 슬래그 조제재인 생석회의 전체 염기도를 2.5∼3.5가 되도록 하여서 됨을 특징으로 하는 전기로에서의 고품질 용강 제조방법.
5. 제 1 항에 있어서, 정련기 조업시 용선중에 함유된 다량을 카본을 산화 제거하기 위한 산소 사용량은 7,000∼8,000 H㎥/Hr로 하여서 됨을 특징으로 하는 전기로에서의 고품질 용강 제조방법.
6. 제 1 항에 있어서, 슬래그 포밍제로 투입되는 코크스는 분코크스를 사용하되, 이 분코크스의 투입량은 1∼4kg으로 하여서 됨을 특징으로 하는 전기로에서의 고품질 용강 제조방법.