KR20000045518A - 고청정강 제조용 칼슘알루미네이트계 첨가제 - Google Patents

Abstract

본발명은 알루미늄 탈산강 제조시 산화물계 비금속 개재물의 저감 및 형태 제어를 통하여, 용강의 청정도 향상, 주조시 노즐 막힘을 방지하기 위해 투입하는 칼슘알루미네이트계 첨가제에 대한 것으로, 칼슘 알루미네이트와 금속철의 비율이 중량비로 (10∼20):(90∼80)인 조성의 소결체로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 2차 정련에서 탈산후에 사용되는 개재물 제거 및 형태 제어로 사용되는 첨가제의 조성을 변경하는 것에 의해, 첨가제가 레이들내의 용강 유동류에 따라 레이들내에 고르게 분포되며, 용강중의 알루미나성 개재물과의 접촉 기회를 증대시킴으로써 용이하게 용강중의 탈산성 개재물을 포집, 부상 제거할 수 있어서 고청정강을 효과적으로 제조할 수 있다.

Description

고청정강 제조용 칼슘알루미네이트계 첨가제

본발명은 알루미늄 탈산강 제조시 산화물계 비금속 개재물의 저감 및 형태 제어를 통하여, 용강의 청정도 향상, 주조시 노즐 막힘을 방지하기 위해 투입하는 고청정강 제조용 칼슘알루미네이트계 첨가제에 대한 것이다.

통상 상온에서 사용되고 있는 강재에는 그 제조공정 특성상 필히 산화물계 비금속 개재물이 존재하고 있다. 특히, 알루미늄 탈산강에는 알루미나계 비금속개재물로서 존재하는 것이 일반적인데, 이들은 강재의 연성, 파괴인성, 피로특성, 응력부식 등을 유발할 뿐만 아니라, 용융 철강을 주조하는 과정에서 내화물제 노즐 내벽에 부착되어 용강의 흐름을 방해하고 주조 작업을 중단시키는 문제를 유발하므로, 그 양을 일정 수준 이하로 낮추거나, 강중에 잔류하는 비금속 개재물이 유해성이 적은 형태의 크기 및 조성을 유지되도록 노력하고 있다.

산화물계 개재물의 경우에는 그 기원을 살펴보면, 강재의 건전한 주조 조직을 얻기 위해 제강 과정에서 필수적으로 실시하는 탈산에 의해 생성되는 탈산 생성물, 후속 처리시 용강의 온도 강하 및 주조시 응고 과정에서 산소의 용해도 감소로 인해 석출되는 산화물, 용강 상부 슬래그에 의해 용강이 산화되어 생기는 산화물, 대기, 내화물 등과 접촉하여 반응이 진행되면서 생긴 반응 생성물, 각종 슬래그, 제강원료 및 내화물 조각등이 직접 혼입된 이물질 등으로 분류할 수 있다.

이중 대기 또는 내화물과 용강간의 반응에 의해 생기는 개재물은 아르곤 같은 보호가스를 사용하거나 용강에 안정한 내화물을 선택하므로써 그 양을 저감할 수 있으며, 각종 슬래그, 제강원료 및 내화물 조각등이 직접 혼입된 이물질은 처리에 주의를 기울인다면 그 발생을 억제할 수 있다.

그러나, 탈산 생성물과 산화물들은 용강이 갖고 있는 물리, 화학적 특성에 의해 필연적으로 발생되기 때문에 어느 수준 이하로 제거하기가 곤란하다.

제강과정에서 이러한 산화물들은 슬래그상으로 부상 제거되는데, 산화물들이 슬래그층으로 부상되는 속도는 입자 크기가 클수록, 비중이 작을수록 빠르기 때문에 산화물이 이러한 특성을 갖도록 조정하는 것이 청정강 제조에 효과적이다.

또한, 용강 상부 슬래그는 부상된 산화물의 흡수능이 크고, 용강을 재오염시키지 않는 성질을 갖도록 하는 것이 중요하다.

알루미늄 탈산강의 탈산 생성물 및 재산화 생성물은 주로 미세한 알루미나인데, 알루미나 입자들이 서로 부착되어 클러스터(cluster)를 이루고 있다. 이 클러스터의 내부에는 용강이 포함되어 클러스터 전체의 겉보기 비중이 커져 슬래그층으로 부상이 어렵게 된다.

또한, 알루미나 입자들은 용점이 용강 온도 보다 높아서 대형으로 성장하기가 어려워 그만큼 제거하기가 어렵다.

한편, 용강에 칼슘 성분을 공급하게 되면, 강중 알루미나와 칼슘이 결합하여 액체상의 산화 칼슘-산화 알루미늄 화합물을 형성하게 된다. 이러한 칼슘-알루미네이트(산화 칼슘-산화 알루미늄 화합물)는 대형으로 성장하기가 용이하고 비중도 작아 슬래그층으로 부상 제거되기 쉽다. 칼슘을 이용하여 산화물계 비금속 개재물의 유해성을 저감하는 기술에 대해서는 그 구체적인 작용원리와 실시예에 대해서 많은 문헌과 특허자료 등의 기술 자료가 알려져 있다.

이들을 종합하면 Ca이 이용되고 있는 형태는 칼슘 단체 금속, 칼슘합금, 산화칼슘 등 매우 다양하다.

그러나, 칼슘은 산화물의 형태로 이용되는 경우를 제외하고는 증발 및 기화가 쉽고, 대기와의 반응성이 크기 때문에 용강중에 통상적으로 투입하는 방법으로는 처리중 손실이 많고, 용강을 비산(splash)하게 하여 작업성이 나쁘며, 실수율이 낮은 단점이 있다.

이러한 단점을 보완하는 방안의 하나로 칼슘을 분말(powder)상태로 만들어 용강 내부에 깊이 투입하는 방법이 이용되고 있다. 구체적으로는 칼슘 또는 칼슘 함유물을 랜스(lance)를 통하여 강중에 기체와 함께 취입(injection)하거나, 칼슘을 칼슘보다 융점이 높은 철피(steel sheet)로 싸서 포탄 형태로 발사하거나, 심이 있는 와이어(cored wire)형태로 공급(feeding)하는 방법이 이용되고 있지만, 어느 경우에도 칼슘의 손실, 용강의 비산등의 문제를 해결해 주지 못한다.

반면, 산화물 형태의 칼슘인 산화칼슘은 증발되기 어렵고 매우 안정하고 작업성도 양호하지만, 융점이 높아 반응속도와 효율이 떨어지는 단점이 있다.

특히, 산화 칼슘을 철피로 싸서 와이어(cored wire) 형태로 공급하는 방법으로는 강중 알루미나계 개재물의 제어가 곤란하여, 산화칼슘과 산화알루미늄의 혼합물을 와이어심으로 사용하는 방법이 있으나, 이 방법에서도 취입된 산화칼슘-산화알루미늄 혼합제가 용해되어 강중에 고루 분산되지 못하고, 합체되어 곧바로 슬래그층으로 부상되기 때문에 효과가 적게 나타난다.

또한, 덩어리(lump) 형태의 칼슘-알루미네이트를 투입하는 경우에는 투입된 칼슘-알루미네이트가 용강내에 균일하게 분포되지 않고 슬래그층에 머무르므로 용강 중의 알루미나 개재물이 슬래그까지 부상하지 못하면, 제거가 어려운 단점이 있다.

특히, 미세한 알루미나성 개재물의 경우 용강류를 따라서 레이들내에서 계속 이동하고 있으며, 유동류를 벗어날 정도로 크기가 성장하지 못하면 슬래그로 부상되지 못하는 단점이 있으므로, 투입된 칼슘 알루미네이트계가 슬래그층에 머무르고 있는 경우에는 개재물을 제거하기가 더욱 어렵다.

따라서, 개재물 제거 및 형상 제어를 위해서 칼슘 알루미네이트계를 투입하는 경우에는 가능한 용강내에서 균일하게 분포시켜서 알루미나성 개재물과의 반응기회를 증대시킬 수 있는 방안이 필요하다.

본 발명은 상기 설명한 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 이루어진 것으로, 일반 합금철처럼 강중에 공급하여 알루미늄 탈산 용강중 비금속 개재물 제어를 위한 처리에 사용될 수 있는 칼슘 알루미네이트계 첨가제를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

도 1은 본 발명에 의한 첨가제의 용해 거동을 도시한 모식도이다.

〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉

1:레이들 2:슬래그 3:첨가제 4:칼슘알루미네이트

5:저취노즐 6:용강유동 7:Ar 기포

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 칼슘 알루미네이트계 첨가제는, 고청정강 제조시 알루미늄 탈산강중 비금속 개재물을 제어하기 위해 사용되는 첨가제에 있어서, 칼슘 알루미네이트와 금속철의 비율이 중량비로 (10∼20):(90∼80)인 조성의 소결체로 이루어지는 것을 특징으로 하는 구성이다.

이하에서는 양호한 실시예와 관련하여 본 발명을 상세하게 설명한다.

본 발명에서 사용된 칼슘 알루미네이트계 첨가제는 80mesh 이하의 칼슘 알루미네이트 및 100mesh 이하의 금속철을 사용하여, 중량비로 (10-20):(90-80)의 비율로 혼합하고, 성형 및 수소분위기하에서의 소결을 통하여 얻어지는 소결체로, 이를 이용하여 호퍼에 장입하여 사용할 수 있도록 성형성을 확보하고, 개재물 제어능을 증대시키기 위해서 용강중에서 용해되는 것을 특징으로 하고 있다.

본 발명 첨가제와 같이, 칼슘 알루미네이트계와 금속철을 균일하게 혼합시켜 소결하여 얻어지는 소결체는, 철 소결체내에 칼슘알루미네이트 입자가 박혀있는 형태를 하고 있다.

따라서, 본 발명품을 용강에 투입하면, 저융점의 칼슘 알루미네이트가 액상으로 변화해도 철소결체가 용해되지 않으면 소결체에서 분리되지 못하고 철소결체내에 갇혀 있는 형상을 갖는다.

이러한 소결체의 표면이 용해되어 분리되면, 이때에 칼슘알루미네이트도 같이 소결체에서 분리되어 용강중으로 퍼지게 된다. 분리된 소결체는 용강과의 밀도차이에 의해서 부상되며, 미용해된 소결체는 계속 용강 유동에 따라 이동하게 되므로, 칼슘알루미네이트가 레이들내의 국부적인 영역에서 용해되어 부상되는 것을 방지할 수 있다.

즉, 도 1도시와 같이 투입된 첨가제(3)가 저취노즐(5)을 통해 취입된 Ar가스에 의해 발생한 기포(7)에 의한 용강의 유동류(6)에 편승하여 레이들(1)내를 돌아다니면서 용해되면, 첨가제 내에 있는 칼슘알루미네이트(4)는 분리되어, 부상중 알루미나 개재물을 흡수하여 슬래그(2)층으로 들어감으로써 개재물 제거 효과를 증대시킬 수 있는 것이다.

본 발명의 첨가제를 구성하는 칼슘알루미네이트중의 산화칼슘과 산화알루미늄의 비는 몰비로 1:1인 것이 가장 바람직하다.

이하에서는 실시예와 관련하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다.

실시예 1

투입된 첨가제가 완전히 용해될 때까지 용강 유동에 따라 강중에 고루 분산되어야만 하므로, 첨가제의 비중이 용강의 비중과 유사하여야 한다. 80mesh 이하의 칼슘알루미네이트 및 100mesh 이하의 금속철을 하기 표 1과 같이 혼합후 성형하여, 수소 분위기 하에서 1200℃에서 3 시간 소결후, 그의 걷보기 비중을 측정하여 표 1에 나타내었다.

또한, 종래의 덩어리형 칼슘알루미네이트계 첨가제의 겉보기 비중을 측정하고, 그 결과를 표 1에 나타내었다.

실시예	혼합비(중량%)	겉보기비중(g/cm3)
	칼슘알루미네이트		금속철
발명예 1	10	90	5.9
발명예 2	15	85	5.7
발명예 3	20	80	5.3
비교예 1	5	95	8.7
비교예 2	25	75	4.8
비교예 3	30	70	4.5
종래예	덩어리형 칼슘알루미네이트	2.5-3.0

상기 표 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 조성범위로 조성된 발명예1∼3의 경우에는 본 발명의 조성 범위를 벗어나는 비교예2,3 및 종래예 보다도 밀도가 높게 나타나고 있음을 알 수 있다.

실시예 2

본 발명의 개재물 제거 능력 효과를 확인하기 위해서 실시예1에서 사용된 원료들을 고주파 대기 유도 용해로를 이용하여 1600℃에서 실험을 실시한 결과를 표 2에 나타내었다.

먼저 실험 방법은 고주파 유도용해로에 용강 80kg을 용해한 뒤, 0.25kg 알루미늄으로 용강을 탈산한 뒤 슬래그 조재제를 2kg 투입하였다. 슬래그가 형성된 다음, 본 발명품, 비교재, 종래재를 칼슘알루미네이트의 양이 2kg이 되도록 강에 투입한 뒤, 투입후 10 분 시점에서 용강 시편을 채취, 청정도를 분석하였다.

이때 용강의 청정도 지수로 총산소치(Total. [0])를 채택하였다. 통상 강의 청정도는 비금속 개재물은 대부분 산화물이므로 총산소치가 낮을수록 용강의 청정도가 높다는 의미를 갖게된다.

실시예	혼합비(중량%)	총산소치(ppm)
	칼슘알루미네이트		금속철
발명예 1	10	90	27
발명예 2	15	85	24
발명예 3	20	80	25
비교예 1	5	95	32
비교예 2	25	75	28
비교예 3	30	70	30
종래예	덩어리형 칼슘알루미네이트	30

표 2에서 알 수 있는 바와 같이 칼슘알루미네이트를 중량%로 10-20% 함유한 발명예1-3의 첨가제의 경우에서는 기존의 덩어리형 칼슘알루미네이트에 비해서 총산소치의 저감 효과, 즉 청정도의 개선 효과가 있는 것으로 나타났다.

하지만, 칼슘알루미네이트가 25중량% 이상인 경우(비교예2,3)에는 청정도 개선 효과가 종래예와 동등하거나 약간 감소한 것으로 나타났으며, 이는 이 조성의 첨가제의 경우 비중이 작아서, 첨가제가 용강의 유동에 따라 도가니 내에 골고루 퍼지지 못하고 도가니 상부에서만 존재하기 때문에 기존의 덩어리형 첨가제와의 차이가 거의 없게 나타났다.

또한, 칼슘알루미네이트가 5중량% 가 첨가된 경우(비교예1)에는 종래예보다 총산소치가 높게 나타나고 있는 것을 볼수 있으며, 이는 투입된 칼슘알루미네이트계 첨가제도 산화물로 용강에서 제거되지 않으면, 총산소치를 상승시키는 역할을 하는 것을 고려할 때, 투입된 칼슘알루미네이트가 충분히 부상하지 못하기 때문이다.

따라서, 상기 설명한 바와 같은 본 발명에 의하면, 2차 정련에서 탈산후에 사용되는 개재물 제거 및 형태 제어로 사용되는 첨가제의 조성을 변경하는 것에 의해, 첨가제가 레이들내의 용강 유동류에 따라 레이들내에 고르게 분포되며, 용강중의 알루미나성 개재물과의 접촉 기회를 증대시킴으로써 용이하게 용강중의 탈산성 개재물을 포집, 부상 제거할 수 있어서 고청정강을 효과적으로 제조할 수 있다.

Claims (1)

1. 고청정강 제조시 알루미늄 탈산강중 비금속 개재물을 제어하기 위해 사용되는 첨가제에 있어서, 칼슘 알루미네이트와 금속철의 비율이 중량비로 (10∼20):(90∼80)인 조성의 소결체로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고청정강 제조용 칼슘알루미네이트계 첨가제.