KR20000041671A

KR20000041671A - 고청정강의 정련방법

Info

Publication number: KR20000041671A
Application number: KR1019980057625A
Authority: KR
Inventors: 안상복; 김정식; 손호상
Original assignee: 이구택; 포항종합제철 주식회사
Priority date: 1998-12-23
Filing date: 1998-12-23
Publication date: 2000-07-15
Also published as: KR100368239B1

Abstract

본 발명은 고청정강의 정련방법에 관한 것으로, 그 목적은 전로에서 미탈산된 용강에 생석회계 분체를 투입하여 알루미늄개재물을 부상이 용이한 칼슘알루미네이트로 형상제어함으로써, 고청정강을 얻을 수 있는 정련방법을 제공함에 있다.

이와 같은 목적을 갖는 본 발명은, 전로에서 출강된 미탈산 용강에 생석회계 분체(Flux Powder)를 취입하고 알루미늄으로 탈산한 다음, 이때 발생되는 비중이 낮은 칼슘알루미네이트형 개재물을 자력부상시키거나 또는 RH에서 감압정련을 실시할 때 아르곤 기포에 의해 포착하여 부상 제거시킴으로써, 강의 청정도를 개선할 수 있는 고청정강의 정련방법에 관한 것을 그 기술적요지로 한다.

이러한 본 발명은, 주편에서의 전산소량이 종래의 20ppm이상 수준에서 8-13ppm을 얻게됨으로써 대폭적인 개재물 저감효과를 실현할 수 있으며, 또한, 본 발명에 따라 정련한 용강중에는 기존의 알루미나개재물 대신 칼슘알루니마네이트 개재물이 존재하므로 연속주조중 노즐막힘을 대폭감소할 수 있는 효과가 있다.

Description

고청정강의 정련방법

본 발명은 고청정강의 정련방법에 관한 것으로, 보다 상세히는 전로에서 미탈산된 용강에 생석회계 분체를 취입하여 알루미늄개재물을 부상이 용이한 칼슘알루미네이트로 형상제어하여 고청정강을 제조하는 방법에 관한 것이다.

제강조업의 기본구성은 주로 용선예비처리→전로→이차정련→연속주조공정으로 이루어진다. 전로조업은 용철에 산소를 분사하여 탄소(C), 망간(Mn), 실리콘(Si), 인(P) 등의 불순원소를 제거하는데(이하, '정련'이라 함), 이와 같이 전로정련을 종료한 용강에는 수백 ppm의 용존산소(free oxygen)가 함유된다. 이 용존산소를 제거하기 위하여 전로출강중에 알루미늄, 실리콘, 망간 등을 첨가하게 되고, 그 결과 탈산생성물이 용강에 현탁, 산재하게 된다. 이러한 탈산생성물은 연속주조 주편, 최종제품(압연재)까지 잔류하여 표면결함을 유발하게 되므로 연속주조가 실시되기 이전 단계에서 용강으로부터 철저하게 부상제거시키는 것이 필요하다.

이러한 필요에 의해 고청정강을 제조하기 위한 연구가 다양하게 진행되고 있으며, 그 대표적인 기술로는 전로 출강중 또는 출강후 슬래그개질재를 첨가하여 슬래그 물성을 변화시키거나 재산화를 방지함으로써, 고정정강을 제조하는 방법들이 다수 제안되었다(대한민국 특허등록 제 37363호, 제 93299호, 제 118956호, 제 110322호, 특허출원 제 95-45965호, 제 95-56445호, 제 96-67564호). 이러한 방법들은 고청강을 제조하는데 어느 정도 기여하고 있으나, 슬래그개질재나 슬래그탈산제를 용강 1톤당 1-10kg 첨가함으로써, 슬래그 발생량을 더욱 증가시키는 결점을 지니고 있다. 이렇게 발생된 슬래그는 일종의 폐기물로 분류되며, 환경의 오염원이기도 하다. 따라서, 슬래그 발생량 증가는 곧 폐기물 발생량의 증가를 의미하므로 환경적인 측면에서 불리하고, 또한, 슬래그를 무해한 물질로 재처리해야 하는데, 이를 재처리하기 위해서는 다각적인 설비 투자와 비용이 소요된다.

또 다른 방법으로는, RH진공탈가스 장치(이하 'RH'라 함)에서 용강을 환류시키는 상승관과 하강관의 2개로 구성된 침적관의 길이를 서로 다르게 형성시켜 용강교반력을 향상시켜 개재물의 조대화를 촉진시키는 방법(대한민국 특허등록 제 95381호)이 제안되었다. 이 방법은 길이가 긴 침적관의 내화물 침식이 극심하여 침적관의 유지보수가 매우 어렵고, 유지비용이 가중되는 결점이 있다.

본 발명자들은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해소하고 제강조업의 경제성을 극대화하면서 고청정용강을 안정적으로 생산하기 위해 계속적인 연구와 실험을 통해 본 발명을 완성하고, 이를 제안하게 이르렀다.

즉, 본발명은 미탈산 용강에 생석회계 분체를 취입하여 종래 알루미나 단독이었던 개재물을 자력부상분리가 용이한 칼슘알루미네이트형 개재물로 형상제어함으로써, 고청정강 바람직하게는 용강중 전산소가 15ppm이하의 강의 정련방법을 제공하는데, 그 목적이 있다.

도 1은 본 발명에서 이용한 분체취입장치(PI process)의 개략도

도 2는 분체에 의한 개재물의 변천기구를 설명하는 모식도

도 3은 본 발명에서 이용한 RH정련장치 개략도

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

10...레이들 16...슬래그

18...개재물 20...상취랜스

22...분체 26,36...아르곤기포

30...진공조 39...용강류

38...형상제어된 개재물(칼슘알루미네이트)

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 정련방법은, 전로정련한 미탈산 용강을 레이들로 출강하는 단계; 이 레이들에 수강된 용강에 생석회계 분체를 취입하는 단계;

분체가 취입된 용강에 알루미늄 탈산제를 투입하는 단계; 및 탈산제가 투입된 용강을 RH의 진공조내로 환류하여 정련하는 단계;를 포함하여 구성된다.

이하, 본 발명을 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

본 발명은 용강을 전로정련공정, 분체취입공정, RH정련공정의 일련의 공정을 통하여 고청정강으로 제조하는데, 이러한 본 발명을 각 공정 단계별로 설명한다.

[전로정련공정]

먼저, 전로에서 통상의 방법으로 용강을 정련하고 레이들로 출강하는데, 이때 용강은 탈산하지 않고 미탈산 상태로 출강한다. 필요에 따라서, 합금철(FeSi, FeMn)은 첨가하여도 무방하다.

[분체취입공정]

상기 전로정련공정에서 출강하여 레이들에 수강된 용강을 먼저, 분체취입공정으로 이송한다. 분체취입공정은 분체를 레이들 상부로 취입할 수 있는 장치를 갖춘 공정으로, 예를 들어 레이들로(LF, Ladle Furnace), 바프(BAP, Bubbling, Al-wire feeding & Powder Iniection), 피아이(PI, Powder Injection) 등이 있다. 도 1은 PI장치를 일례로 한 분체취입공정이다.

본 발명에서는 분체취입공정에서 랜스(20)를 하강하여 용강(12)에 침적시키고, 이 랜스(20)를 통해 생석회계 분체(22)를 수송가스(carrier gas)와 함께 취입함으로써, 기존에 알루미나 단독으로 존재하던 개재물을 부상이 용이한 칼슘알루미네이트로 형상제어(shaping control)하여 용강의 청정성을 확보하는 것이다. 이러한 본 발명의 메카니즘을 아래의 반응식(1-3)과 도 3를 통해 설명한다.

본 발명에 따라 생석회계 분체(22)를 미탈산 용강(12)중에 취입하게 되면, 취입된 분체(22)는 용강중 산화철(FeO)과 반응하여 하기 식(2)의 반응에 의해 칼슘페라이트(calcium-ferrite, CaO·FeO)가 된다. 이 칼슘페라이트는 후속공정에서 알루미늄으로 용강을 탈산할 때, 식 3의 반응에 의해 칼슘알루미네이트(calcium-aluminates, mCaO·nAl₂O₃)로 생성된다. 이러한 생성과정을 도 2에 모식적으로 나타낸다. 이 과정에서 용강중 개재물인 산화물은 (FeO)→(CaO·FeO)→mCaO·nAl₂O₃(액체)로 바뀌어가며, 이때 산화물의 비중은 대략 5.5→4.1→3.3으로 낮아지면서 개재물 자체 크기는 점차 증가한다.

Fe+[0]=(FeO)

CaO(고체)+(FeO)=(CaO·FeO)

m(CaO·FeO)+n[Al]=mCaO·nAl₂O₃(액체)

상기 반응식에 의해 생성된 칼슘알루미네이트(24)는 제강온도(1570-1600℃)에서 액체로 존재하기 때문에 비중은 3.3보다 훨씬 낮은 2.3-2.7로 낮아서 용강중으로부터 부상분리가 매우 용이한 상태로 바뀐다.

본 발명에서 부상이 용이한 칼슘알루미네이트를 생성하기 위해 취입되는 생석회계 분체는, 생석회가 다량 함유된 것이로, 그 예로는 Ca:68-87%, CaF₂:10-30%를 함유하는 분말이 있다. 이러한 분체는 취입하기에 적정한 크기를 가지면 되며, 바람직하게는 0.5mm이하의 입경을 가지는 것이다. 0.5mm이상의 경우 분체취입시 용강내 침입은 용이하나, 용강과의 계면적이 적어 개재물과의 반응 효율과 충돌 확률이 낮아 이용효율이 낮다. 특히 분체취입시 주의해야하는 것은 수송가스만 취입되고 분체가 취입되지 않는 경향이 높고, 취입랜스의 막힘현상을 유발할 가능성이 있다.

용강중에 취입하는 분체의 양은 목표로 하는 용강의 청정도에 따라 관리하는데, 주편에서의 용강중 전산소가 15ppm이하를 목표로 한다면, 용강 1톤당 0.5-2.0kg으로 취입한다. 분체 취입량이 용강 1톤당 0.5kg 이하의 경우, 용강중 현탁되어 있는 개재물양에 대비하여 절대량이 부족하여 목표로 하는 청정도를 확보하기 어렵고, 2.0kg이상이 되면 분체취입량이 많아서 용강온도 강하에 영향을 주므로 용강 제조원가가 상승할 뿐만 아니라, 부상 분리된 분체는 용강상부에 남아 슬래그 양을 증가시켜 폐기물 발생량을 늘이게 된다.

상기와 같은 취입량은 일정속도로 취입하는데, 바람직하게는 50-100kg/min의 속도로 취입하는 것이다. 분체취입속도가 50kg/min이하의 경우, 목표로 하는 분말을 취입하는데 너무 많은 시간이 걸려 용강의 온도가 떨어지게 된다. 또한, 100kg/min이상으로 하는 경우에는 동일 유량에서의 용강중에 분체를 침입, 분산시키는데 압력손실이 크므로 설비개조를 통한 수송가스의 압력을 높여야 하는 문제가 생길 뿐만 아니라 취입량 대비 실수율이 개재물과 충돌, 응집, 합체시키는 데에 이용되는 효율이 낮아지므로 불리하다.

이러한 분체의 수송가스로는 고청정강 제조시에 사용되는 것이므로 불활성 성질을 지닌 것이 좋으며, 예를 들면 아르곤 가스가 있다. 이때, 수송가스는 압력 5.0-10.0kg/cm², 유량 1.0-2.0Nm³/min범위로 제어하는 것이 바람직하다. 압력 5.0kg/cm²이하의 경우 랜스의 막힘현상이 유발될 가능성이 있으므로 분체 취입이 곤란하고, 10.0kg/cm²이상에서는 너무 고압이 되어 용강이 레이들 밖으로 튀어나갈 가능성이 높기 때문에 작업성을 극도로 악화시킨다. 수송가스 유량이 1.0Nm³/min 이하일 때, 랜스 선단부의 선속도가 느려서 분체의 용강내 침입성이 나쁘거나 노즐막힘 유발 가능성이 높고, 2.0Nm³/min 이상에서는 용강이 비산되어 작업성을 극도로 악화시킨다.

상기와 같이 목표로 하는 용강의 청정도를 얻기 위한 일정량의 분체를 취입하고 난 후, 알루미늄탈산제를 투입하는데, 그 투입량은 통상의 조업조건에 따라 취입하면 된다.

[RH정련공정]

분체를 취입한 용강이 수강된 레이들(10)을 도 2와 같이 진공조(30), 상승관(32a), 하강관(32b), 환류가스 공급장치(34)를 포함하여 구성된 RH로 이송하여, 용강환류를 실시한다. 상승환류관(32a)과 하강환류관(32b)을 레이들(10)내 용강(12)에 침적시키면서 진공조(30)내부압력을 일정기압까지 낮추고, 상승관에 아르곤가스를 불어 넣으면서 용강을 강제 환류시킨다.

용강의 환류를 원활하게 하기 위하여 용강환류용 가스는 유량을 용강 1톤당 0.35-0.85Nm³/hr, 압력을 5.0-10.0kg/cm²범위로 제어한다. 환류가스유량이 0.35Nm³/hr 이하의 경우, 용강환류에 필요한 부상능력이 부족하여 용강을 효과적으로 환류시키기 어렵고, 0.85Nm³/hr 이상의 경우, 용강환류는 용이하나 진공조 내부에 다량의 지금이 부착되고 노즐부의 용손이 심하여 조업시 장애요인이 된다. 압력 5.0kg/cm²이하의 경우, 환류가스의 취입이 곤란하고, 10.0kg/cm²이상에서는 환류가스가 목표유량보다 지나치게 많이 분사되어 진공조 내부에 다량의 지금이 부착되거나 노즐부의 내화물 용손이 심하다는 결점이 있다.

상기와 같이 RH에서 용강을 환류시킴으로써, 용강(12)에서 개재물(18)의 부상분리는 용강과 개재물의 비중차에 의한 분리되는데, 이는 아래의 Stokes 방정식(4)에 의해 설명할 수 있다. 즉, 개재물의 입자가 클수록, 개재물의 밀도가 작을수록 부상속도가 빨라진다는 것을 알 수 있다.

[방정식 4]

V=(2/9)*{g*r²*(ρ_Fe-ρ_inclu)}/η

V는 비금속개재물의 부상속도, g는 중력가속도(=9.8m/sec²), r은 개재물반경(m), ρ_Fe와 ρ_inclu는 각각 용강 및 개재물의 밀도(ton/m³), η는 용강의 점성계수(=0.005kg/m-sec)를 의미한다.

상기 레이들내 용강(12)내부에서 발생된 아르곤기포(36)는 주변의 개재물(18)과 충돌하여 포착하게 되며, 포착된 개재물의 부상속도는 아르곤기포(36)의 부상속도와 유사한 값을 갖게 된다. 즉, 아르곤기포에 포착된 개재물(38)은 부피가 크게 증가하고, 밀도는 크게 감소하게 되므로 상기식(4)에 따라 개재물의 부상속도는 크게 증가한다.

본 발명은 상기의 방법으로 용강중 개재물의 부상속도를 크게 증가시킴으로써, 고청정강을 효과적으로 제조할 수 있게 되는 것이다.

이하, 본 발명을 실시예를 통해 보다 구체적으로 설명한다.

[실시예]

탄소 0.02-0.20중량%, 실리콘 0.30중량%이하, 망간 0.10-1.00중량%, 알루미늄 0.02-0.08중량%의 용강을 대상으로, 300톤 전로에서 송산정련을 종료하고, 출강시는 용강을 탈산하지 않고, 약간의 합금철(FeSi, FeMn등)만을 첨가하며, 용강을 담은 레이들을 PI정련장치로 이송하고, 상부로부터 랜스을 내려 용강에 침적시키고 생석회계 분체를 취입하였다. 이때 취입한 분체의 조성 및 입도별 분포의 대표적인 예를 표 1에 나타내었다(실제로 CaO:68-87%, CaF₂:10-30%를 함유하는 생석회계 분체를 각 조성별로 투입하였는데, 생석회계 분체의 조성에 따른 차이가 크지 않아 그 대표적인 예만 표 1에 기재하였다.)

분체조성(중량%)	CaO	CaF₂	SiO₂	H₂O
분체조성(중량%)	84.58	14.87	0.54	0.01
분체입도(%)	0.01mm이하	0.01-0.03mm	0.03-0.05mm	0.05mm이상
분체입도(%)	27%	53%	11%	10%

분체 취입량은 용강 1톤당 각각 표 2와 같이 0내지 2. 5kg 이었으며, 분체 취입속도는 분당 50-100kg으로 제어하였다. 이때, 아르곤을 수송가스로 사용하고, 수송가스 압력은 8.0kg/cm², 유량은 0.75Nm³/min로 조절하였다. 이어서 바로 용강에 알미늄 300-500kg을 투입하여 탈산하고, 합금철을 첨가하여 용강성분을 조정하였다.

그 다음, 상기 용강을 담은 레이들을 RH 진공탈가스 장치로 이송하고, 용강환류를 실시하였다. 용강을 환류시킬 때, 진공조의 내부압력을 0.005기압 이하로 낮추면서, 상승관에 아르곤가스를 유량 용강 1톤당 0.40Nm³/min, 압력 8.0kg/cm²범위로 제어하였다. RH에서 처리된 용강은 연속주조 공정을 거쳐 주편을 제조하였으며, 이때 본 발명의 효과를 확인하기 위해 주편에서 시편을 채취하고 분석한 결과를 표 2에 정리하였다.

구분	종래예	발명예 1	발명예 2	발명예 3	발명예 4	발명예 5
분체취입량 (kg/t)	0	0.3	0.5	1.2	2.0	2.5
취입시간 (분)	-	3	3	3	5	5
분체취입속도(kg/min)	-	30	50	120	120	250
주편에서의 전산소량 (ppm)	23	18	13	10	8	12

표 2에 나타난 바와 같이, 생석회계 분체를 취입하지 않은 종래예의 경우에는 전산소가 23ppm으로 매우 높은 값을 나타내므로 고청정강의 15ppm의 강을 제조하는데는 적합하지 않은 것으로 확인되었다.

반면, 생석회계 분체를 용강 1톤당 0.3kg부터 2.5kg까지 취입한 경우에는, 전산소량이 종래예 보다는 모두 개선됨을 알 수 있으며, 특히, 분체를 용강 1톤당 0.5-2.0kg으로 3-5분동안 취입한 발명예(2)(3)이 경우가 주편에서의 전산소량이 8-10ppm으로 현저하게 낮음을 알 수 있었다. 이는 PI정련장치에서 분체 취입에 의해 용강중 칼슘페라이트를 존재시키고, 이후 알미늄 탈산에 의해 생성된 칼슘알루미네이트 개재물이 비중이 낮고, 부상분리가 용이하게 바뀐 효과가 그대로 반영되다가 차기 공정인 RH에서 용강환류중 취입한 아르곤 기포가 철정압을 해소하면서 용강중 저비중의 개재물과 충돌하여 개재물을 포집하여 부상분리되었기 때문에 얻어진 결과로 생각된다.

한편, 분체를 용강 1톤당 0.3kg취입한 경우, 전산소량을 저감시키는 측면에서 비교적 양호한 개재물 저감효과를 나타내고 있으나, 전산소가 15ppm에는 미치지 못하였다. 그리고, 분체를 용강 1톤당 2.5kg 취입한 경우에는 전산소가 12ppm으로 양호한 결과를 얻었으나, 분체취입시 간헐적인 용강비산과 용강온도 강하로 조업에 그대로 적용하기에는 작업성이 열악한 문제가 있었다. 또한 분체취입량이 증가된 만큼의 효과를 충분히 나타내지는 못하는 것으로 나타났다. 이와 같이 분체를 과량 취입하면, 주어진 제강온도에서 용강온도가 강하되어 조업전체를 불안하게 되는 요인이 된다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 생석회계 분체를 미탈산 용강에 취입함으로써 처리후 주편에서의 전산소량의 저감효과는 종래의 20ppm이상 수준에서 8-13ppm을 얻게됨으로써, 대폭적인 개재물 저감효과를 실현할 수 있게 되었다. 또한, 주편내 잔존하는 개재물은 종래는 알루미나 단독으로 존재하였으나, 본발명은 칼슘알루미나네이트 개재물로 존재하므로 연속주조중 노즐막힘을 대폭감소할 수 있는 효과를 실현할 수 있다.

Claims

전로정련공정과 RH정련공정을 포함한 고청정강의 제조방법에 있어서,

상기 전로정련한 미탈산 용강을 레이들로 출강하는 단계;

이 레이들에 수강된 용강에 생석회계 분체를 수송가스로 취입하는 단계;

분체가 취입된 용강에 알루미늄 탈산제를 투입하는 단계; 및

탈산제가 투입된 용강을 상기 RH의 진공조내로 환류하여 정련하는 단계;를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 고청정강의 정련방법.
제 1항에 있어서, 상기 생석회계 분체는 입도가 0.5mm이하이고, CaO:68-87%, CaF₂:10-30%를 함유함을 특징으로 하는 고청정강 제조방법
제 1항에 있어서, 상기 분체는 용강 톤당 0.5-2.0kg을 50-100kg/min의 속도로 취입함을 특징으로 하는 정련방법