KR20010038889A - 경강선재 용강의 전로출강시 탈산방법 - Google Patents

경강선재 용강의 전로출강시 탈산방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 탄소농도가 0.5∼0.8중량%의 고탄소 경강선재의 정련방법에 관한 것으로, 그 목적은 개재물원을 저감하여 용강의 품질을 향상시킴과 동시에 연속주조시의 노즐막힘을 방지하여 연속주조작업을 원활히 하기 위한 전로출강중 용강의 탈산방법을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 전로의 용강을 래들로 출강하면서 Fe-Mn합금철, 가탄재, Fe-Si합금철, Al탈산제, 생석회 및 형석의 순으로 투입하여 C:0.5∼0.8중량%의 경강선재를 제조하는 방법에 있어서, 상기 용강의 출강중에 상기 Al탈산제의 전장입량의 20∼38%를 먼저 투입하고 이어 상기 Fe-Mn합금철, 가탄재를 투입하고 나머지 Al탈산제를 투입한 다음, 상기 생석회와 형석을 투입하여 래들 슬래그의 염기도를 5∼7로 조정하고, 래들 슬래그의 산화도를 1.3중량%이하로 조정하는 것을 포함하여 이루어지는 고탄소 경강선재 용강의 정련방법에 관한 것을 그 기술적요지로 한다.

Description

경강선재 용강의 전로출강시 탈산방법{Method of deoxidize molten steel for hard steel wire rods at steel tapping }
본 발명은 탄소농도가 0.5∼0.8중량%의 고탄소 경강선재의 정련방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 개재물원을 저감하여 용강의 품질을 향상시킴과 동시에 연속주조시의 노즐막힘을 방지하여 연속주조작업을 원활히 하기 위한 전로출강중 용강의 탈산방법에 관한 것이다.
일반적으로 강의 제강조업은 전로→ 이차정련 → 연속주조공정으로 구성된다. 전로조업은 용선과 고철을 전로에 장입하여 송산과 동시에 부원료인 생석회, 소결광, 형석 등을 투입하여 용선중 불순원소인 C, Si, Mn, P, S, Ti 등을 주랜스(Main Lance)를 통해 산소를 분사하여 산화정련에 의해 제거하는 일련의 작업을 통칭한다. 이러한 전로조업을 통해 얻어지는 용강은 전로 종점탄소와 평형하는 농도의 용존산소를 함유하고 있으며, 보통 전로종점의 용존산소(Free Oxygen)는 600∼1300ppm 정도 함유된다.
이러한 용강의 용존산소는 전로에서 래들로 출강할 때 Al 등의 탈산제를 투입하여 탈산생성물로 제거하고 있다. 그런데, 이 탈산생성물의 일부는 용강중에 남게되어 유해한 개재물로서 용강의 품질을 악화시킬 뿐 아니라, 연속주조시 턴디쉬노즐(Tundish Nozzle)에 부착되면 노즐이 막히게 되어 주조가 중단되는 사례가 빈번히 발생되고 있다. 경강선재의 연속주조 공정에서도 이러한 노즐막힘이 발생하고 있다.
경강선재 용강을 제조하는 경우에도 전로에서 취련을 완료하고 래들로 출강중에 성분조정을 위하여 Fe-Mn합금철, 가탄제, Fe-Si합금철을 투입한 다음, 용강 탈산용 Al을 투입하고 있다. 따라서, 이 Al에 의한 유해한 개재물이 생긴다. 상기와 같이 Al을 투입한 다음에는 슬래그 개질을 위한 생석회 및 형석을 등을 투입하고, 출강이 완료되면 래들은 가스 버블링 등의 공정에서 불활성 가스를 취입하여 탈산생성물 등에 의한 개재물을 슬래그 층으로 부상분리시키고 용강성분을 미세 조정하거나 균일하게 하고 있다. 또한, 용강중에 일정량의 칼슘와이어(Ca-Wire)를 투입하여 탈산생성물인 Al2O3를 CaO+Al2O3의 복합산화물로 형성시켜 슬래그 층으로 부상분리를 촉진시켜 연속주조시 노즐막힘을 방지하고 있다. 그러나, 근본적인 해결책은 되지 못하며 빈번히 노즐막힘이 발생되고 있다.
이의 해결방안으로, 출강중 또는 출강후 슬래그 개질제를 첨가하여 슬래그 물성을 변화시켜서 용강중의 탈산생성물 등의 유해 개재물을 흡수하는 방법(대한민국 특허제37363호) 등이 다수 제안되어 있다. 이러한 방법은 고청정강을 제조하는데 기여하고는 있으나, 슬래그 개질제나 슬래그 탈산제를 용강 1톤당 1-10kg 정도 추가로 첨가하기 때문에 용강온도의 감소는 물론이고 슬래그 발생량을 더욱 증가되는 결점이 있다. 이렇게 발생된 슬래그는 일종의 폐기물로 분류되며 환경오염원으로 작용한다.
또 다른 방법으로, 래들 버블링공정후에 RH진공탈가스 장치(이하 간단히 'RH'라 함)에서 용강을 환류시켜 개재물을 분리부상하여 주조하는 방법과, 불활성가스(Ar)를 용강중에 취입하는 별도의 버블링공정을 다시 거치는 작업방법을 행하는 경우도 있다. 그러나, 이들 방법은 공정의 추가로 후속하여 전로에서 출강되는 용강이 대기하여야 하므로, 전체적인 생산장애가 발생되는 문제가 있다. 따라서, 연속주조기에서 주조직전에 일정시간 동안 불활성가스로 버블링 작업을 거쳐 주조하게 되는 일종의 직송처리를 하고 있다. 대부분의 경강선재는 현재 이러한 직송처리에 의하여 생산되고 있다.
이와 같이, 종래에 경강선재의 제조기술에서는 노즐막힘이 없는 고청정강을 제조하기 위해서, 생산장애를 무릎쓰고 RH정련 또는 별도의 버블링공정을 채택하던가 아니면, 용강온도의 감소는 물론 대량의 슬래그 발생을 간과하고 슬래그 개질제를 투입하는 방법고 채택하고 있는 실정이다.
본 발명은 경강선재의 제조방법에서 별도의 RH 또는 버블링공정을 행하지 않음은 물론, 대량의 슬래그 발생을 유발하지 않으면서 고청정의 경강선재를 제조할 수 있는 방법을 제공하는데, 그 목적이 있다. 이러한 본 발명은 경강선재의 정련공정에서 노즐막힘의 근본적인 발생원인을 야금학적으로 파악하고 그 해결방안을 도출하여 완성된 것으로, 기존의 합금철 및 탈산제 투입방법의 개선을 통해 그 문제를 해결하고 있다.
도 1은 연속주조공정에서 턴디쉬노즐막힘에 미치는 래들 슬래그의 염기도와 슬래그 산화도의 상관적인 영향을 나타내는 그래프.
도 2는 본 발명과 종래방법에서 합금철 및 탈산제 그리고 부원료의 투입방법의 비교도
도 3은 본 발명과 종래방법에서 래들 슬래그의 CaO-SiO2-Al2O33원계 상태도.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 전로의 용강을 래들로 출강하면서 Fe-Mn합금철, 가탄재, Fe-Si합금철, Al탈산제, CaO, CaF2의 순으로 투입하여 C:0.5∼0.8중량%의 경강선재를 제조하는 방법에 있어서, 상기 용강의 출강중에 상기 Al탈산제를 전장입량의 20∼40%를 먼저 투입하고 이어 상기 Fe-Mn합금철, 가탄재를 투입한후에 나머지 Al탈산제를 투입한 다음, 상기 CaO, CaF2를 투입하여 래들 슬래그의 염기도를 5∼7로 조정하고, 래들 슬래그의 산화도를 1.3중량%이하로 조정하는 것을 포함하여 구성된다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명자들은 경강선재 용강에서 노즐막힘이 발생하는 원인을 알아보기 위하여 여러가지 가능성이 있는 조건들을 추적한 결과, 래들 슬래그에서 그 원인을 찾아볼 수 있었다. 즉, 연속주조중 노즐이 막힌 경우와 정상적으로 주조를 완료한 경우에 래들 슬래그의 특성을 조사한 결과(도 1), 래들 슬래그의 산화도(T.Fe+MnO)와 래들 슬래그의 염기도의 관계가 직접적인 영향을 미치는 것을 알 수 있었다. 도 1에서 알 수 있듯이, 노즐막힘을 방지하여 정상적으로 주조를 완료하기 위해서는 래들 슬래그의 산화도를 약 1.0% 부근 이하로 유지하면서 염기도를 5.0이상으로 유지하여야 함을 알 수 있다.
이러한 실험결과에 입각하여, 종래 래들 슬래그의 염기도와 산화도의 관리가 제대로 되어지지 않는 원인을 파악해 보았다. 종래에는 전로에서 정련이 완료된 용강을 출강할때 성분조정을 위하여 가탄재 및 합금철을 투입하고 있다. 이때, 투입되는 순서는 Fe-Mn→가탄재→Fe-Si합금철→Al→CaO→CaF2순이다.
본 발명자들은 이러한 합금철와 탈산제 그리고 부원료의 투입순서에 대하여 주목하게 되었다. 즉, 출강중에는 용강중의 용존산소의 농도가 높은데, 이때 Fe-Mn, 가탄재, Fe-Si순으로 투입하면 용강의 산소가 아래 반응식 1과 같이 투입 가탄재중의 탄소와 반응하여 다량의 CO가스를 발생시킨다. 또한, Fe-Mn합금철 중의 Mn은 반응식 2와 같이 산화되어 MnO로 되면서 슬래그의 산화도를 증가시킨다. 또한, Fe-Si합금철 중의 Si이 반응식 3과 같이 산화하여 슬래그중 SiO2농도가 증가하게 되는 것이다.
O + [C] = CO(g)
O + [Mn] = (MnO)
2O + [Si] = (SiO2)
물론, SiO2의 증량에 맞추어 CaO를 추가로 더 투입하면 염기도를 조절할 수 있을 것으로 생각되었지만, 500kg의 CaO를 투입하여도 슬래그 염기도가 목표로 하는 수준까지 증가하기 힘들었다. 왜냐하면, CaO을 증량투입하면 이의 용해를 촉진하기 위한 형석(CaF2)도 역시 증량하여야 한다. 형석의 첨가로 슬래그의 용해는 촉진되지만 형석중에 약 15-20%정도 함유되어 있는 SiO2로 인해서 염기도의 증가폭은 줄어들게 되며 온도강하량이 증가하는 문제점을 가지고 있다. 따라서, 연속주조 도중에 턴디쉬 노즐이 막히는 현상이 발생하여 주조를 완료하지 못하는 현상이 빈번하게 발생하는 것을 알 수 있었다.
따라서, 본 발명에서는 용존산소와 합금철중의 Mn, Si의 반응으로 래들 슬래그의 염기도와 산화도의 조절이 안되는 문제를 해결하기 위한 방안을 모색한 결과, 합금철과 Al탈산제의 투입순서의 변경 그리고, Al탈산제 투입량을 조정하면 그 해결이 가능하다는 것을 실험을 통해 확인할 수 있었다.
본 발명은 합금철과 Al탈산제의 투입방법을 개선함으로써, 생석회의 투입량을 증량하지 않고도 래들 슬래그를 목표로 하는 염기도와 산화도로 조정한다는데, 특징이 있다. 즉, 본 발명은 Fe-Mn과 가탄제를 투입하기전에 Al탈산제의 일부를 사전에 투입하고 나머지는 Fe-Si의 투입전에 투입하여 용존산소를 감량시키므로써, MnO 및 SiO2의 생성을 억제하여 슬래그 산화도를 감소시키고 염기도가 항상 5 이상이 유지되도록 하는 것이다.
슬래그중의 MnO는 전로내의 슬래그 유출에 의한 것과 래들에 투입한 Fe-Mn합금철중의 Mn이 산화되어 생성된 것이 있다. 또한, 래들 슬래그중의 SiO2는 출강중 전로에서 유출된 슬래그중의 SiO2와 Fe-Si 합금철중의 Si이 산화되어 생성된 SiO2및 슬래그 유동성 확보를 위해서 투입하는 형석중에 함유되어 있는 SiO2(통상 15-20% 정도 함유)가 있다. 따라서, 생석회 투입량을 증가시키지 않고 래들 슬래그 중의 산화도를 낮추고 SiO2를 낮추어 염기도를 상승시키기 위해서는 우선적으로 전로 슬래그의 유출을 방지히아여 하지만, 이는 전로조업상황에 따라 변동이 심하며, 형석중의 SiO2농도도 불변이므로, Fe-Mn 합금철 및 Fe-Si 합금철로 부터 생성되는 MnO 및 SiO2발생량을 감소시키는 것이 필요하다.
따라서, 본 발명에서는 Fe-Mn 합금철 및 Fe-Si 합금철 보다 Al 탈산제의 일부를 우선 투입하여 용강을 탈산시키는 것에 의해 Fe-Mn 합금철 및 Fe-Si 합금철의 산화에 의한 MnO 및 SiO2발생을 억제하도록 한다. 열역학적으로 Si, Mn 보다 Al이 산소와의 친화력이 커서 보다 강력한 탈산제로 작용한다.
그런데, 본 발명의 연구를 통해 얻어낸 중요한 사실은, Al 탈산제의 전량 또는 너무 많은 양을 출강 초기부터 투입하여 용강을 완전히 탈산시키면 안된다는 것이다. 만일 이렇게 되면, 소강의 탄소농도를 조정하기 위해서 첨가하는 가탄재가 교반력 부족에 의해 용해되지 못하고 용강중에 덩어리 상태로 남아 있다가 출강이 완료되어 후속공정으로 잔존하는 용존산소와 급격한 반응을 일으켜 CO가스가 발생되면서 용강을 비산시켜 안전사고를 유발하는 문제점이 있다. 따라서, 본 발명에서는 출강초기에 투입되는 Al탈산제의 전장입량의 20-40%로 하여 약탈산시킨다.
상기와 같이 출강초기에 Al탈산제를 투입한 다음에 통상의 방법으로 성분조정용으로 Fe-Mn합금철과 가탄재를 투입한다. 가탄재를 첨가하면 전로에서 래들로 낙하하여 CO가스가 발생되면서 용강을 교반시키게 되어 가탄재가 용강중에 용이하게 용해된다. 이어 투입예정량의 나머지 Al탈산제를 투입하여 용강을 탈산시키면서 Fe-Si 합금철을 첨가한다. 따라서, Fe-Si 합금철중의 Si의 산화반응이 억제되어 SiO2발생량을 극소화시킬 수 있다. 이후 출강말기에 생석회와 형석을 투입하게 되면 래들 슬래그의 염기도를 상승시키는 것이 가능하다. 이러한 본 발명에서는 합금철의 투입순서와 Al의 투입량을 분배하여 염기도와 산화도를 적정수준으로 가져 가는 것이므로, 생석회와 형석의 투입량을 통상의 수준대비 증가시키지 않아도 되는 잇점이 있다.
본 발명에 따라 기존의 방법에서 Al투입순서 및 그 양을 적절히 분배하면 되지만, 바람직하게는 부원료(생석회, 형석)의 투입조건을 실제 용강과 슬래그의 조건을 감안하여 래들 슬래그의 염기도가 5-7, 산화도가 1.3%이하로 유지되도록 하는 것이다. 래들 슬래그를 저융점으로 하기 위해서는 염기도를 5-7로 관리하면서 CaO는 55-60중량%로 하고, Al2O3도 29-32중량%로 하는 것이 좋다.
이하, 본 발명을 실시예를 통하여 구체적으로 설명한다.
[실시예 1]
100톤 전로의 용강을 래들에 출강중에 도 2와 같은 순으로 합금철과 부원료를 투입하였다. 여기서, 알루미늄의 투입순서의 변경과 투입량의 변화이외에 조건은 동일하게 하였다. 즉, 생석회와 형석의 경우 종래예와 발명예 모두 생석회:500kg/Ch, 형석:100kg/Ch를 투입하였다. 그리고, 종래예와 발명예 모두 출강완료후 용강중의 Al농도를 미세조정하기 위하여 소량의 알루미늄을 투입하고, 출강이 완료된 래들은 버블링공정으로 이송시켜 불활성가스를 취입하여 성분을 균일하게 하고 성분분석을 한후 성분미세조정용 합금철을 투입한 후 다시 불활성가스를 취입하면서 칼슘와이어를 투입하여 탈산생성물인 Al2O3의 부상분리를 촉진하였다.
이 결과를 표 1에 나타내었다.
구분 종점온도(℃) 종점산소(ppm) 래들 슬래그 조성(%) 노즐막힘 Al투입량
T.Fe MnO CaO SiO2 Al2O3 염기도 1차 2차
종래예1 1683 647 0.44 0.6 52.07 10.54 24.14 4.74 0 85
종래예2 1643 949 1.24 0.69 44.90 19.33 22.05 2.32 0 125
종래예3 1666 811 1.07 0.85 43.96 20.57 20.56 2.13 0 105
종래예4 1715 932 1.28 0.58 46.20 14.45 25.46 3.19 0 120
종래예5 1698 877 1.87 0.74 49.04 15.06 24.78 3.25 0 115
발명예1 1653 610 0.37 0.43 58.12 9.01 24.66 6.40 × 30 50
발명예2 1676 870 0.61 0.31 56.34 8.76 26.31 6.43 × 40 75
비교예1 1673 480 0.56 0.10 54.78 12.30 27.11 4.45 10 50
발명예3 1705 481 0.94 0.32 55.92 9.85 26.31 5.68 × 20 40
발명예4 1710 631 0.31 0.21 53.94 10.47 25.04 5.15 × 30 55
발명예5 1706 910 0.53 0.15 56.22 8.85 26.85 6.35 × 50 70
발명예6 1695 908 0.72 0.31 57.45 9.50 25.91 6.05 × 40 80
발명예7 1680 850 0.58 0.41 55.30 9.12 26.62 6.06 × 30 80
비교예2 1712 934 0.42 0.62 54.34 13.23 25.96 4.11 20 100
발명예8 1710 712 0.51 0.72 53.18 14.50 24.93 3.67 10 85
상기 표 1에 나타난 바와 같이, 종래예(1)은 전로 출강후 LF에서 승온처리한 경우로서 래들 슬래그의 염기도는 다른 종래예들 보다 상당히 높은 값을 나타내고 있으나, 목표로 하는 염기도 5.0에 미치지 못하고 있다. 종래예(2-5)는 Al탈산제 보다 Fe-Mn 합금철 및 Fe-Si 합금철을 먼저 투입하여 래들 슬래그의 MnO농도는 0.6-0.85%의 범위를 나타내고 있으며, SiO2농도는 14.45%-20.57%까지 매우 높은 값을 나타내어 슬래그 염기도가 낮아지고 결과적으로 연주공정에서 노즐막힘을 초래하여 정상적으로 주조를 완료하지 못하였다.
발명예와 비교예는 출강초기에 알루미늄을 투입예정량 일부를 투입하고, Fe-Si합금철, 가탄재를 투입하고 나머지를 투입한 경우이다. 발명예와 비교예의 경우에는 Al을 Fe-Mn, Fe-Si의 투입전에 투입함에 따라 MnO, SiO2의 생성이 억제되어 종래예에 비하여 대체로 낮았다. 특히, Al을 전장입량의 27-38%로 초반에 투입한 발명예(1-8)의 경우에는 슬래그의 염기도가 5%이상으로 노즐막힘이 발생하지 않았다.
도 3에는 종래의 방법으로 탈산한 경우와 본 발명의 방법으로 탈산한 경우에 래들 슬래그 조성을 CaO-SiO2-Al2O33원계 상태도상에 나타내었다. 종래예의 경우는 CaO-SiO2-Al2O33원계 상태도상에서 저융점 슬래그 조성을 생성하지 못하여 연속주조 작업시 노즐막힘이 직접적인 원인이 됨을 알 수 있다. 반면에, 본 발명예의 경우는 출강시합금철 투입방법의 조절로 CaO-SiO2-Al2O33원계 상태도상에서 저융점 슬래그 조성범위를 만족하여 개재물 흡수능이 향상되어 연속주조 작업시 턴디쉬 노즐막힘을 방지하여 정상적인 주조가 가능하였다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 전로출강시 탈산방법을 개선함으로써 저융점 슬래그 조성을 안정하게 얻어 연속주조시 노즐막힘을 방지하며, 공정간의 간섭을 방지할 수 있어 작업자 부담을 해소할 수 있고 생선상을 향상을 도모할 수 있다. 또한, 슬래그의 발생량을 감소시켜 환경개선에 기여하는 유용한 효과가 있다.

Claims (1)

  1. 전로의 용강을 래들로 출강하면서 Fe-Mn합금철, 가탄재, Fe-Si합금철, Al탈산제, 생석회 및 형석의 순으로 투입하여 C:0.5∼0.8중량%의 경강선재를 제조하는 방법에 있어서, 상기 용강의 출강중에 상기 Al탈산제의 전장입량의 20∼40%를 먼저 투입하고 이어 상기 Fe-Mn합금철, 가탄재를 투입한후에 나머지 Al탈산제를 투입한 다음, 상기 생석회 및 형석을 투입하여 래들 슬래그의 염기도를 5∼7로 조정하고, 래들 슬래그의 산화도를 1.3중량%이하로 조정하는 것을 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 고탄소 경강선재 용강의 전로출강시 탈산방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR100887132B1 (ko) * 2002-08-20 2009-03-04 주식회사 포스코 전로출강방법
KR101045968B1 (ko) * 2004-03-15 2011-07-04 주식회사 포스코 알루미늄 킬드강의 정련방법
KR101045967B1 (ko) * 2007-12-31 2011-07-04 주식회사 포스코 망간 함유 강의 제조 방법

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