KR20010048854A - 냉간상태에서 가공성이 우수한 심가공용 극저탄소강의제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 냉간상태에서 가공성이 우수한 심가공용 극저탄소강의 제조방법에 관한 것이며, 그 목적하는 바는 별도의 부가적인 설비를 필요치 않으면서 인과 질소의 제어를 가능하게 하여 냉간상태에서 가공성이 우수한 심가공용 극저탄소강을 얻을 수 있는 방법을 제공하고자 하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 극저탄소강을 제조하는 방법에 있어서, 탄소 3.0-5.0중량, 규소 0.05-1.0중량, 망간 0.05-1.0중량, 인 0.06-0.20중량, 황 0.002-0.05중량를 함유하는 용선을 이용하여, 전로에서 송상량을 2500-4000Nm³범위로 제어하고 소프트 블로우잉을 행하여, 인함량을 0.050이하로 감소시키고, 전로 하부에서 Ar가스를 공급하여 질소를 15ppm이하로 제어하는 1차취련을 실시하고; 또한, 상기 1차취련후 용강을 탈탄로로 재장입하여 송산량을 10000-14000Nm³범위로 제어하고 하드 블로우잉을 행하여, 탈탄과 함께 인성분을 0.006이하로 감소시키는 2차취련을 실시하는 것을 특징으로 하는 냉간상태에서 가공성이 우수한 심가공용 극저탄소강의 제조방법에 관한 것을 그 요지로 한다.

Description

냉간상태에서 가공성이 우수한 심가공용 극저탄소강의 제조방법{Method of Manufacturing Ultra Low Carbon Steel for Supper Extra Deep Drawing Quality}

본 발명은 심가공용 극저탄소강의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 강중 함유원소인 탄소, 인, 황, 질소 등의 함량을 극소화하여 냉간상태에서 가공중에 균열(crack)이 발생하지 않아 냉간상태에서 우수한 가공성을 보이는 극저탄소강을 제조하는 방법에 관한 것이다.

종래 제강공정에서 심가공용 극저탄소강 강재를 제조하기 위해서는 기본적으로 강중 존재하는 불순원소를 극소화시키는 것이 필요하기 때문에 전로공정에서는 인과 질소를 감소시키며 이차정련과정에서 진공처리를 통하여 탄소와 질소를 동시에 제어하는 프로세스(process)를 가지고 있었다.

한편, 가공중 발생하는 균열(crack)은 대부분 주조중 발생한 편석대(segregation area), 혹은 비금속개재물(non-metallic inclusion)에서 발생하기 때문에 편석에 민감한 원소인 인과 탈산중 생성된 비금속개재물을 제거하는 것이 무엇보다 필요하다. 그러나, 종래의 기술에서는 전로공정만으로는 인을 제거하는데 한계가 있었으므로 예비처리 공정을 이용하여 인을 제거한 후 전로에서 조업을 하는 공정을 선택하고 있었다. 이러한 예비처리 공정을 이용하기 위해서는 별도의 설비가 요구되고 있다.

종래의 극저린강 제조기술에서는 용선을 전로에 장입하기 전, 즉 용선예비처리(HMPS:Hot Metal Pretreatment Station) 단계에서 고체산소 및 기체산소를 용선에 취입하여 인을 제거한 후 전로에서 정련하는 공정을 통하여 생산하고 있었다. 상기 용선예비처리를 이용한 탈린조업은 용강중의 인 성분을 100ppm 수준 이하로 낮출 수 있는 아주 유용한 방법이다.

그러나, 이같은 종래 방법은 용선예비처리 단계에서 온도하락이 심하여 전로정련중 승온의 부담을 가지게 되며, 용선예비처리 탈린을 위해서는 용선규소가 선행 제거되어야 하는 문제점이 있었다. 또한, 예비처리를 수행한 후 용선의 질소수준은 약 0.0030수준으로 후공정에서의 제어만으로는 목표인 0.0020이하를 안정적으로 얻기 어려운 문제가 있었다.

이에, 본 발명자들은 상기 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 연구와 실험을 거듭하고 그 결과에 근거하여 본 발명을 제안하게 된 것으로, 본 발명은 별도의 부가적인 설비를 필요치 않으면서 인과 질소의 제어를 가능하게 하여 냉간상태에서 가공성이 우수한 심가공용 극저탄소강을 얻을 수 있는 방법을 제공하고자 하는데, 그 목적이 있다.

도 1은 본 발명에 의한 전로작업공정을 간략히 보이는 공정도

도 2는 취련시간(blowing time)에 따른 P의 함량을 보이는 그래프

도 3은 취련시간에 따른 N의 함량을 보이는 그래프

도 4는 본 발명에 따른 1차취련시 송산량 및 랜스높이조절의 일예를 보이는 그래프

도 5는 종래방법에 의한 취련시 송산량 및 랜스높이조절의 일예를 보이는 그래프

도 6은 본 발명에 따른 2차취련시 송산량 및 랜스높이조절의 일예를 보이는 그래프

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 탄소가 0.0020중량이하, 인이 0.008중량이하, 황이 0.008중량이하, 질소가 0.0020중량이하로 제어된 극저탄소강을 제조하는 방법에 있어서, 탄소 3.0-5.0중량, 규소 0.05-1.0중량, 망간 0.05-1.0중량, 인 0.06-0.20중량, 황 0.002-0.05중량를 함유하는 용선을 이용하여, 전로에서 송산량을 2500-4000Nm³범위로 제어하고 소프트 블로우잉(soft blowing)을 행하여, 인함량을 0.050이하로 감소시키고, 전로 하부에서 Ar가스를 공급하여 질소를 15ppm이하로 제어하는 1차취련을 실시하고; 또한, 상기 1차취련후 용강을 탈탄로로 재장입하여 송산량을 10000-14000Nm³범위로 제어하고 하드 블로우잉(hard blowing)을 행하여, 탈탄과 함께 인성분을 0.006이하로 감소시키는 2차취련을 실시하는 것을 특징으로 하는 냉간상태에서 가공성이 우수한 심가공용 극저탄소강의 제조방법에 관한 것이다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

전술한 바와 같이, 강중의 인성분은 응고과정에서 편석되어 압연후 소재를 가공하는 과정에서 균열의 원인이 된다. 즉, 심가공을 필요로하는 강재에서 강중 인 함량이 높은 경우 대부분 균열이 발생하게 될 가능성이 높게된다. 따라서, 강중 인 함량을 극소화 하는 것이 필요하지만 일반적인 조업기술로써는 이러한 강재에 요구되는 0.008이하를 안정적으로 얻기 어렵다. 그러므로, 현재 많은 경우 용선예비처리 공정을 거쳐 제조하고 있으나 본 발명에서는 용선예비처리 없이 전로 정련을 통해 0.008이하의 인함량을 얻을 수 있는 것이다.

본 발명은 도 1에서와 같이, 1차적으로 전로에서 고체산소와 기체산소를 사용하여 인함량을 낮추게 되며 이를 출탕하여 다시금 또 하나의 전로에 장입하여 2차적인 처리를 함으로써 인함량을 낮추게 된다. 즉, 유휴설비인 전로를 인함량을 낮추는 탈린로로 전용하여 사용함으로써 본 발명에서 추구하는 수준을 얻을 수 있게하는 것이다. 또한, 질소를 0.0020이하로 안정적인 제어를 위해서는 최초 질소함량을 낮추어야 하며 일반적인 용선의 질소수준은 약 0.0030수준이나 탈린로에서 인 함량을 낮춘 용선의 경우 탈린조업중 일부 발생하는 탈탄에 의해 질소수준도 감소하여 최초 질소는 약 0.0015가 됨으로써 질소제어도 가능하게 된다.

이 같은 본 발명을 크게 인 제어와 질소 제어로 구분하여 설명하면 다음과 같다.

먼저, 인 제어에 대하여 살펴본다. 일반적인 조업을 통해 얻을 수 있는 인의 수준은 공정에 따라 다소 차이가 있으나 0.010이하를 안정적으로 만족시킬 수 없다. 이러한 극한 수준을 만족하기 위해서는 전술한 바와 같이 대부분 용선예비처리 단계에서 인 함량을 낮추어 전로 정련을 수행하게 되는데 이때 얻을 수 있는 인 함량은 약 0.025수준이다. 본 발명에서는 0.110수준의 인 함량을 가진 용선을 전로형 예비처리 용기인 탈린로에 장입하여 1차탈린을 수행하며 이 용탕(melt)을 출탕하여 다시금 탈탄로에 장입하는 공정을 선택하였다. 이때, 인 함량은 1차탈린후 0.025, 탈탄취련 완료후 0.006수준이었는데, 이는 탈린로 조업시의 인함량변화를 보이는 도 2를 보더라도 알 수 있다.

또한, 일반전로 조업시 용강으로부터 분리된 슬래그(slag)중 P₂O₅농도는 2수준을 보이고 있으므로, 이차정련중 복린이 발생하여 안정적인 품질확보가 사실상 불가능하였으나, 탈린용선을 이용한 취련시 슬래그중 P₂O₅농도는 1수준으로 복린량이 저감되었다.

다음으로, 질소 제어에 대하여 살펴본다. 용탕속에 존재하는 질소는 가스 상태가 아니라 원자(atom) 상태로 존재하며 이러한 질소 함량의 메카니즘(mechanism)은 하기식 (1)과 같은 시버트법칙(Sivet's Law)에 의해 알려져 있다.

wt[N] = kN(PN2)1/2

즉, 용탕중의 질소수준은 분위기 기체중 질소 분압(partial pressure)에 비례하는 관계를 가지며 질소수준을 낮추기 위해서는 분위기 기체중 질소분압을 낮추는 것이 요구된다.

일반적으로 취련초기에는 용선중의 탄소가 공급되는 산소와 반응하여 CO 가스가 되기 때문에 로내 분위기중 질소분압은 상대적으로 낮아지게 되며 또한 발생한 CO 가스가 로외로 방출되면서 강중의 [N]를 흡수하여 방출되므로 취련초기 질소는 감소하게 된다. 그러나, 취련 말기 탈탄반응이 감소하면서 발생되는 가스량이 작아지므로 로내 분위기 기체중 CO가스분압은 낮아지며 전체적인 가스 압력이 낮아지므로 외부로부터 공기(air)가 유입될 가능성이 커지게 된다. 따라서, 대기중 79를 점유하는 질소는 쉽게 용강중으로 픽업(pickup)될 수 있으며 질소의 픽업을 방지하는 것은 사실상 불가능하다. 다만, 취련말기 질소 픽업을 저감하기 위해서 본 발명에서는 취련중기 이후, 보다 자세하게는 용철중 탄소농도가 0.30이상 0.70이하가 되는 시점에서 탄소농도와 온도를 측정한 후 로내 가스 발생량을 증대시켜 분위기 압력을 상승시키는데, 이를 위해 가스 발생에 유리한 부원료를 투입하여 외부공기의 유입을 최소화 하였으나 픽업량은 약 5ppm 수준이었다. 따라서 용선중 질소수준을 낮추어 취련중기 질소함량을 최소화 하는 것이 극저질소강에 있어서 중요한 부분이 되었다.

용선중 질소함량은 일반적으로 20~30ppm 수준이다. 전로 취련중 탈질속도는 거의 일정하기 때문에 취련중기 질소는 약 10~15ppm까지 감소하게 되지만 전술한 바와 같이 취련말기 질소 픽업에 의해 취련완료시점 용강 질소는 15~20ppm 수준이 된다. 또한, 출강중 대기와 노출되어 흡질되는 양을 감안할 경우 최종 제품의 질소는 약 25ppm 수준이 됨으로써 극저질소강 제어가 불가능하다.

본 발명에 있어, 질소제어를 위해서는 전로탈린 조업시 전로 하부에서 공급되는 교반용 가스를 Ar으로 사용하고 0.5수준의 탄소를 산화시켜 CO가스를 발생시켰다. 따라서, Ar 가스가 부상하면서 용선중의 질소를 일부 제거하게 되며 더불어 발생된 CO 가스도 질소를 제거하였다. 이 결과 탈탄로 장입시 질소수준은 15ppm 까지 감소하였으며 취련중기 질소수준은 7~10ppm, 그리고 취련완료시점 질소는 13~15ppm으로 안정적인 제어가 가능하였는데, 이는 종래방법과 본 발명에 의한 질소의 변화량을 보이는 도 3을 보더라도 알 수 있다.

다음에서는 본 발명에 적용된 전로 조업기술에 대해 보다 상세하게 설명한다. 본 발명에 적용된 전로조업기술은 1차취련조업(탈린조업)과 2차취련조업(탈탄조업)으로 크게 두가지로 나눌 수 있다.

먼저, 1차취련조업은 적정한 량의 슬래그를 이용하여 규소와 인을 선택적으로 반응시키며 탄소의 산화를 최대한 억제하기 위해 예를 들어 도 4와같은 방법으로 조업을 수행하고 있으며, 이는 도 5와 같은 기존 조업기준 대비 소프트 블로잉이라 할 수 있다. 이러한 소프트 블로우를 해야하는 이유는 산소랜스를 통해 공급되는 기체산소가 용철중으로 공급되는 경우, 다시 말해 용철 표면에 캐비티(cavity)가 형성되는 경우에는 탈린과 함께 탈탄이 진행되기 때문에 탈린조업후 용철을 출탕할때 슬래그가 부풀어 올라 작업성이 현저히 악화되기 때문이며, 또한 탄소가 산화되는 경우 온도 상승에 의해 탈린에 불리한 조건이 조성되기 때문이다.

결론적으로, 상기 1차취련은 송상량을 2500-4000Nm³범위로 제어하는 것이 바람직하며, 보다 우수한 효과를 얻기 위해서는 탕면에서 용강의 캐비티(cavity) 비율(L/L₀)이 0.05이하인 소프트 블로우잉(soft blowing)을 행하는 것이 좋다. 또한, 1차취련시에는 질소를 15ppm이하로 제어하기 위해 전로 하부에서 Ar가스를 공급하는 것이 바람직하다.

다음으로, 2차취련조업은 예를들면 도 6과 같은 형태의 조업을 수행하는 것이 바람직하다. 이는 도 5에 나타난 종래 기준과 다소 차이가 있으며 이러한 차이는 용선의 성분 차이 때문이다. 즉, 일반용선 대비하여 탈린용선의 경우 용선중에 포함된 규소의 함량이 크게 다르기 때문에 탈린용선은 통상적으로 조업초기 전로내 슬래그 형성이 어려워 용철이 전로 밖으로 분출되는 이른바 스피팅(spitting) 현상이 발생하기 때문이다.

결론적으로, 상기 1차취련후 용강을 탈탄로로 재장입하여 송산량을 10000-14000Nm³범위로 제어하는 것이 바람직하고, 보다 우수한 효과를 얻기 위해서는 탕면에서 용강의 캐비티 비율(L/L₀)이 0.5-0.7인 하드 블로우잉(hard blowing)을 행하는 것이 좋다.

또한, 상기 2차취련의 중기이후에는 CO발생이 줄어들어 전로내의 압력이 떨어져 공기중의 N성분이 혼입되는 문제가 있어 이를 방지하기 위해, 중기이후에 철광석, 소결광 등의 고체산소를 지속적으로 투입하여 탈탄로내의 압력을 일정수준이상으로 유지함으로서 질소 상승을 방지하는 것이 바람직하다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

실시예

탄소 4.0중량, 규소 0.07중량, 망간 0.5중량, 인 0.11중량, 황 0.01중량를 함유하는 용선을 300톤 전로에 투입하였다.

투입후, 도 4와 같은 방법에 의하고 Ar가스를 주입하면서 1차취련을 행한후, 다른 전로로 출강한 다음, 도 6과 같은 방법에 의해 2차취련을 행하였으며 2차 취련 중기이후부터는 철광석을 투입하여 전로내의 압력을 일정하게 유지하였다. 이같은 조업시의 부원료투입은 종래방법과 동일하게 행하였다. 이와 같은 방법으로 4회 조업을 행하고 얻어진 강재의 성분을 분석하여 탄소, 인, 황 및 질소이 함량을 하기 표1에 나타내었다.

또한, 동일한 성분의 용선을 전로에 투입한 후, 도 5와 같은 방법에 의해 취련하였으며, 이외의 조건은 통상조건으로 행하였다. 이와 같은 방법으로 4회 조업을 행하고 얻어진 강재의 성분을 분석하여 탄소, 인, 황 및 질소이 함량을 하기 표1에 나타내었다.

		탄소(ppm)	인(ppm)	황(ppm)	질소(ppm)
종래예	1차	22	100	50	22
	2차	21	90	50	23
	3차	24	120	40	20
	4차	20	120	40	22
발명예	1차	20	60	50	18
	2차	19	50	40	14
	3차	20	60	40	16
	4차	17	60	40	18

상기 표1에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 조건을 만족하는 발명예의 경우는 종래예에 비하여 동등수준의 탄소 및 황 함량을 보이면서도 인과 질소에 있어 매우 우수한 제거효과를 보였다.

상술한 바와 같은 본 발명에 의하면, 극저탄소강의 제조시 별도의 부가적인 설비를 필요치 않으면서도 인과 질소를 극소화시킨 탄소강을 얻을 수 있고, 이를 심가공용으로 적용하는 경우 냉간상태에서 우수한 가공성을 보이는 효과가 제공된다.

Claims (3)

1. 탄소가 0.0020중량이하, 인이 0.008중량이하, 황이 0.008중량이하, 질소가 0.0020중량이하로 제어된 극저탄소강을 제조하는 방법에 있어서,

   탄소 3.0-5.0중량, 규소 0.05-1.0중량, 망간 0.05-1.0중량, 인 0.06-0.20중량, 황 0.002-0.05중량를 함유하는 용선을 이용하여, 전로에서 송산량을 2500-4000Nm³범위로 제어하고 소프트 블로우잉(soft blowing)을 행하여, 인함량을 0.050이하로 감소시키고, 전로 하부에서 Ar가스를 공급하여 질소를 15ppm이하로 제어하는 1차취련을 실시하고; 또한, 상기 1차취련후 용강을 탈탄로로 재장입하여 송산량을 10000-14000Nm³범위로 제어하고 하드 블로우잉(hard blowing)을 행하여, 탈탄과 함께 인성분을 0.006이하로 감소시키는 2차취련을 실시하는 것을 특징으로 하는 냉간상태에서 가공성이 우수한 심가공용 극저탄소강의 제조방법
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 1차취련은 탕면에서 용강의 캐비티(cavity) 비율(L/L₀)이 0.05이하이고, 상기 2차취련은 탕면에서 용강의 캐비티 비율(L/L₀)이 0.5-0.7인 것을 특징으로 하는 냉간상태에서 가공성이 우수한 심가공용 극저탄소강의 제조방법
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 2차취련의 중기이후에 고체산소를 지속적으로 투입하여 탈탄로내의 압력을 일정수준이상으로 유지하는 것을 특징으로 하는 냉간상태에서 가공성이 우수한 심가공용 극저탄소강의 제조방법