KR20010059506A - 크롬 함유 용강의 진공정련장치 및 이를 이용한진공정련방법 - Google Patents

크롬 함유 용강의 진공정련장치 및 이를 이용한진공정련방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 취련 중 유출되는 배가스로부터 탄소산화물의 농도와 총 배가스량 등으로부터 탈탄속도를 구하고, 이를 지수평활하여 오차범위를 조절한 재조정값을 구한 다음, 이 재조정값이 0 이하로 되는 시점을 탈탄천이점으로 기준하여 탈탄천이점 이후의 산소취입유량을 제어하는 진공정련장치와 진공정련방법을 제공하며, 이에 의하여 용강(11)의 취련시 금속성분의 과산화를 간단하고도 정확하게 그리고 효과적으로 예방할 수 있도록 한다.

Description

크롬 함유 용강의 진공정련장치 및 이를 이용한 진공정련방법 {Vacuum Oxygen decarburization apparatus of chromium comprising melting steel and vacuum decarburization method using the apparatus}
본 발명은 진공정련방법(VOD ; Vacuum Oxygen Decarburization method) 등의 진공정련용기에서 스테인레스강 등의 크롬 함유 용강을 정련할 때 탈탄속도가 낮아지기 시작하는 산소 취련 말기에 용강의 과도한 산화에 의한 크롬이나 망간 등의 유가 금속의 손실을 억제하면서도 효과적인 탈탄을 가능하게 하는 실시하는 방법에 관한 것이다.
진공정련은 진공 분위기 하에서 랜스를 이용하여 기체 산소를 크롬 함유 용강 상부에 분사하여 탄소 등의 불순물을 산화 제거하여 원하는 조성과 온도의 용강을 제조하는 공정으로서 품질과 원가 측면에서 용강의 과산화방지는 매우 중요하다. 종래의 진공정련에 있어서 산소취입 중의 전형적인 탈탄 거동과 산소취입유량 패턴을 도 1에 개략적으로 나타내었다. 탈탄 거동은 뚜렷하게 3단계로 구분된다. 탈탄속도가 점차 증가하는 탈탄 1단계에서는 용강(11) 중 실리콘이나 알루미늄과 같은 원소가 산화되며, 이 기간 중 취입되는 산소는 상당 부분이 실리콘, 알루미늄 산화에 소요된다. 탈탄 2단계에서는 랜스에서 공급되는 산소의 유량이 탈탄 반응을 지배하므로 탈탄 속도가 일정하며, 이 기간 중의 산소는 거의 전부 탈탄에 이용된다. 탈탄이 어느 정도 진행되어 용강(11) 중의 탄소농도가 낮아지게 되면 탈탄 반응 기구가 용강(11) 내부에서 반응계면으로의 탄소원자 이동으로 변화하여 탈탄속도가 낮아지며, 이 탈탄 3단계에서 대부분의 용강(11) 산화가 일어난다. 용강(11)의 산화는 유가금속의 산화 손실 뿐 아니라 슬래그량을 증가시키고, 슬래그 물성을 악화시켜 탈탄을 방해하므로 정련시간의 연장을 초래하는 문제점이 일어날 수 있다. 또한, 용강(11)의 과산화는 환원단계에서 훼로실리콘이나 알루미늄의 사용량을 증가시켜 원가 상승의 요인으로 작용하기 때문에 크롬 함유 용강(11)이 진공정련에서는 용강(11)의 과산화를 적극적으로 억제하여야 한다.
탈탄 3단계에서 용강(11)의 산화를 억제하기 위해 고안된 정련 방법으로는 도 1에서 탈탄속도가 낮아지기 시작하는 시점(ttr)이나, 탈탄천이점(Ctr)에서 부터 산소취입유량을 직선적으로 낮추거나, 탈탄 3단계를 더욱 세분화하여 산소취입유량을 계단식으로 낮추는 방법이 있다. 그러나, 이러한 방식들은 조업에 간편하게 적용할 수 있다는 장점은 있으나, 기본적으로 미리 설정된 패턴에 의존하기 때문에 ttr또는 Ctr이 정련개시 이전에 이미 결정되어 있어야 하고, 설령 정확하게 탈탄천이점을 예측하였다 하더라도 그 이후의 탈탄거동에 따른 대응력이 약하므로 기본적인 작업 조건을 결정하는 수단은 될 수 있을지언정 실질적이고 효과적인 과산화 방지 대책은 될 수 없다는 문제가 있었다.
한편, 배가스 정보를 이용하여 탈탄속도와 탈탄천이점을 예측하고, 이 변화에 대응하여 산소취입유량을 실시간으로 제어하는 방법이 공지되었으나, 산소취입유량을 설정하는 계산 프로세스가 복잡하여 실제 조업에 적용하기는 곤란하다는 문제점이 있었다.
본 발명의 목적은 상기와 같은 제반 문제점을 해소하기 위한 것으로 취련 개시부터 일정한 시간 간격으로 연속 측정되는 배가스 정보를 이용하여 용강 중 탈탄속도와 탄소농도를 실시간으로 예측하고, 탈탄천이점을 판단하여 탈탄천이점 도달 후의 산소취입유량을 탈탄속도에 따라 단계적으로 제어토록 함으로써 탈탄 3단계에서의 크롬 함유 용강의 과산화를 효과적으로 방지하는 크롬 함유 용강의 진공정련장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기한 크롬 함유 용강의 진공정련장치를 이용하는 크롬 함유 용강의 진공정련방법을 제공하는 것이다.
도 1은 종래의 크롬 함유 용강의 진공정련에 있어서 산소취입 중의 전형적인 탈탄 거동과 산소취입유량 패턴을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 크롬 함유 용강의 진공정련장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 3은 실제 정련 중 탈탄속도 변화와 탈탄속도 변화율 재조정값을 도시한 그래프이다.
도 4는 종래의 진공정련방법과 본 발명의 진공정련방법에서 취련 말기 산소취입 유량 변화를 비교하여 도시한 그래프이다.
도 5는 종래의 진공정련방법과 본발명의 진공정련방법에서 용강 1톤당 금속산화산소량을 비교하여 도시한 도면이다.
도 6은 종래의 진공정련방법과 본발명의 진공정련방법에서 훼로실리콘 사용량을 비교하여 도시한 도면이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
10 : 하드웨어부 11 : 용강
12 : 레이들 13 : 렌스
14 : 배기관 15 : 배가스분석계
16 : 배가스유량계 20 : 소프트웨어부
21 : 탄소농도계산부 22 : 탈탄속도계산부
23 : 탈탄천이점연산부 24 : 산소취입유량제어부
25 : 정보표시기
이하, 본 발명의 구체적인 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 크롬 함유 용강의 진공정련장치는 용강(11)을 수용하는 레이들(12)과, 상기 레이들(12)의 상부에 위치하여 기체상의 산소를 분사하는 렌스(13)와, 상기 레이들(12)로부터 방출되는 배가스를 배출하는 배기관(14)과, 상기 배기관(14)에 연결되어 그 내부를 통과하는 배가스 중의 탄소산화물의 농도를 일정주기로 측정하는 배가스분석계(15)와, 상기 배기관(14)에 연결되어 그 내부를 통과하는 배가스의 유량을 상기 배가스분석계(15)와 동일한 주기로 측정하는 배가스유량계(16)를 포함하여 이루어지는 하드웨어부(10)와, 상기 배가스분석계(15)와 상기 배가스유량계(16)들로부터 출력되는 출력신호로부터 탄소농도를 계산하는 탄소농도계산부(21)와, 상기 배가스분석계(15)와 상기 배가스유량계(16) 및 상기 렌스(13)로부터 출력되는 출력신호로부터 탈탄속도를 계산하는 탈탄속도계산부(22)와, 상기 탄소농도계산부(21)로부터 출력되는 출력신호로부터 탈탄천이점을 연산하는 탈탄천이점연산부(23)와, 상기 탈탄천이점연산부(23)와 상기 탈탄속도계산부(22)들로부터 출력되는 출력신호로부터 산소취입유량을 계산하여 이를 상기 렌스(13)로 피드백하여 산소취입유량을 제어하는 산소취입유량제어부(24)를 포함하여 이루어지는 소프트웨어부(20)를 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.
상기 소프트웨어부(20)의 산소취입유량제어부(24)에 탄소농도를 감시할 수 있는 정보표시기(25)가 더 연결될 수 있으며, 이 정보표시기(25)로는 음극선관(CRT ; Cathod Ray Tube), 프린터, 평판디스플레이 등이 사용될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 크롬 함유 용강의 진공정련방법은 취련 중 배출되는 배가스 중에 포함된 탄소산화물의 농도와 배가스의 유량 들로부터 탈탄속도를 구하고, 이 탈탄속도의 변화율을 2회 이상 지수평활한 재조정값을 구하여 이 재조정값이 0 이하로 되는 시점을 탈탄천이점으로 기준하여 탈탄천이점 이후의 산소취입유량을 제어하는 단계를 포함하여 이루어진다.
본 발명에 따른 크롬 함유 용강의 진공정련장치는 통상의 진공정련장치의 배기관(14)을 통하여 유출되는 배가스 중의 탄소산화물의 농도와 배가스의 배출량 등의 배가스 정보를 이용하여 이들로부터 탈탄속도를 구하고, 이를 2회 이상 지수평활하여 재조정값을 구하여 이를 기준으로 산소취입유량을 제어함으로써 용강(11)의 취련시 금속성분의 과산화를 방지토록 이루어짐을 특징으로 한다.
[본 발명에 따른 탈탄속도, 총탈탄량 및 탄소농도 예측법]
진공 정련에서 탄소는 가스로 제거되므로 탈탄속도는 하기의 수학식 1로 표현될 수 있다.
여기에서, t : 취련 경과 시간,
: t에서의 탈탄속도,
: t에서의 용강 중량,
: t에서의 CO, CO2농도,
k : 단위 환산인자, 및
: t에서의 배가스 유량이다.
상기 수학식 1로 표시된 탈탄속도는 한 싸이클 동안의 순간값이므로 하기 수학식 2와 같이 탈탄속도를 정련시간에 대하여 적분하면 취련 개시부터 현재까지의총탈탄량을 구할 수 있다.
여기에서,: 취련 개시부터 t까지의 %로 표시되는 총탈탄량이다.
그러므로 진공 정련 초기의 크롬 함유 용강(11) 중 탄소농도와 배가스 정보로부터 예측된 탄소농도는 하기 수학식 3으로 표시된다.
여기에서,: 배가스 정보로부터 예측한 t 에서의 탄소농도,
: 진공 정련 초기의 탄소농도이다.
따라서, 상기한 바와 같은 수학식들로부터 유효한 탈탄속도, 총탈탄량 및 용강(11) 중 탄소농도 등을 산출할 수 있다.
[본 발명에 따른 탈탄천이점 결정 방법]
탈탄 속도의 변화율은 탈탄속도의 기울기를 의미한다. 어떤 함수에서 기울기가 0보다 큰 조건에서는 함수가 증가 상태에 있고, 기울기가 0일 경우에는 극값을 가지며, 기울기가 0보다 작은 조건이면 함수가 감소 상태에 있으며 한다는 간단한 수학 원리를 이용하면 탈탄속도 변화율로부터 탈탄속도가 낮아지기 시작하는 포인트를 정확히 찾아낼 수 있다.
현재의 계산 싸이클(t)에서의 순간 탈탄속도 변화율은 상기 수학식 1을 이용하여 계산한 탈탄속도의 증분을 배가스 성분과 배가스 유량의 측정주기()로 나눈 값으로 정의되며, 하기 수학식 4로 표시된다.
상기 수학식 4의 부호 중 아래첨자 t와 t-1은 각각 현재 계산주기와 이전 계산주기를 나타낸다. 즉,는 현재 계산주기에서의 탈탄속도 변화율이다. 이 탈탄속도 변화율 곡선은 계측기기의 오차에 의하여 변동폭이 매우 크므로 이전 싸이클의 예측값을 기초로 하여 오차를 수정한 새 예측값을 제시하는 이른바 지수평활법을 사용하여 탈탄속도 변화율을 조정한다.
탈탄속도 변화율의 변동폭을 감소시키고, 시계열적인 예측이 가능하도록 적절한 상수(α)를 사용하여 탈탄속도 변화율을 조정하는 계산식을 하기 수학식 5에 나타내었다. 상수(α)는 그 크기에 따라 다음 측정주기의 새 조정값에 현재 측정주기의 조정값의 오차가 얼마나 반영되었는지를 나타내는 평활상수이다.
상기 수학식 5의 부호에서 위첨자 F1은 조정값을 의미하고, 아래첨자 t와 t+1은 각각 현재 계산주기와 다음 계산주기를 나타낸다. 즉,은 현재 계산주기에서의 탈탄속도 변화율,은 현재 계산주기에서의 탈탄속도 변화율 조정값,은 다음 계산주기에서의 탈탄속도 변화율 조정값이다. 평활상수(α)는0.1에서 0.3 사이의 값이 적절하다. 이 값은 다음 싸이클의 조정값이 현재 싸이클의 조정값의 오차를 10%에서 30% 조정하였다는 의미이다. 동일한 방식으로 탈탄속도 변화율 조정값을 한차례 더 평활하여 탈탄속도 변화율 재조정값을 산출한다. 이 식은 하기 수학식 6으로 나타내었다.
상기 수학식 6의 부호에서 위첨자 F1, F2는 각각 탈탄속도 변화율 조정값과 탈탄속도 변화율 재조정값을 의미하고, 아래첨자 t와 t+1은 각각 현재 계산주기와 다음 계산주기를 나타낸다. 즉,은 현재 계산 싸이클의 탈탄속도 변화율 조정값,는 현재 계산 싸이클의 탈탄속도 변화율 재조정값,은 다음 계산 주기의 탈탄속도 변화율 재조정값이다. 상기 수학식 6으로 표시된 탈탄속도 변화율 재조정값을 실제 정련 중 탈탄속도 변화와 함께 도 3에 나타낸 바, 탈탄속도 변화율 재조정값이 0보다 낮아지는 포인트가 탈탄 3단계의 개시시점이며, 이 계산주기부터 산소취입유량을 제어하면 크롬함유 용강(11)의 과산화를 억제할 수 있다. 이 시점에서의 탄소농도가 탈탄천이점()이며, 취련 개시부터 탈탄천이점에 이르기까지의 정련시간이이다.
[본 발명의 산소취입유량 제어방법]
탈탄 3단계에 취입되는 산소는 대부분 탈탄이나 용강(11) 산화에 사용된다. 산소효율은 90%이상으로 매 회(charge) 마다 거의 일정하며,으로 표시했을 때산소발란스는 하기 수학식 7로 표시된다.
여기에서,: 탈탄 3단계의 산소취입 유량,
: 탈탄 3단계 취입산소 중 탈탄에 이용된 산소의 유량,
: 탈탄 3단계 취입산소 중 탈탄에 이용된 산소의 유량이다.
탈탄 3단계 취입산소 중 용강(11)산화에 이용된 산소유량이 탈탄천이점에 이르기까지의 용강(11)산화에 이용된 산소유량과 동일하다고 가정하면는 하기 수학식 8로 표시할 수 있다.
상기 수학식 8에서는 탈탄천이점까지의 도달시간,는 탈탄천이점에 도달하기까지 취입된 총산소량에서 탈탄에 사용된 산소량과 실리콘, 알루미늄 산화에 사용된 산소량을 감한 값으로서, 하기 수학식 9로 표시된다.
여기에서,는 취련개시부터 탈탄천이점까지의 총산소취입량으로서 랜스산소유량 데이터부터 적산관리되며,는 취련개시부터 탈탄천이점까지 탈탄에 이용된 산소량으로서 상기 수학식 2를 이용하면 하기 수학식 10으로 표시된다.
또한,는 취련개시부터 탈탄천이점까지 실리콘과 알루미늄 산화에 이용된 산소량으로서 크롬함유 용강(11)의 초기 실리콘, 알루미늄 농도만 알면 손쉽게 구할 수 있다.
한편를 탈탄속도의 항으로 표시하면 하기 수학식 11로 표시된다.
상기 수학식 11에서 탈탄속도는 배가스 정보에 의해 일정주기마다 연산할 수 있다. 상기 수학식 8 내지 수학식 11을 상기 수학식 7에 대입하여 정리하면 하기의 수학식 12로 표시된다.
상기 수학식 12의 두 번째 항은 해당 히트의 조업특성에 따라 결정되는 상수이므로, 탈탄 3단계에서의 정련에 필요한 산소유량은 첫 번째 항의 탈탄속도에 의존한다. 탈탄 3단계에서는 탈탄속도가 점차 감소하므로 산소취입 유량도 이에 대응하여 점차 낮아지게 되며, 상기 수학식 12에 의해 산소취입유량을 제어하면 탈탄 3단계에서 용강(11)의 산화를 최대한 억제할 수 있다.
이하, 본 발명의 구체적인 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
포항제철소의 제련공장에 설비된 진공정련장치를 사용하여 실제 크롬 함유 용강(11)을 통상의 방법에 의하여 정련할 때의 탈탄속도변화와 탈탄속도 변화율 재조정값의 변화를 도 3에 그래프로 도시하였다. 이 도면에 의하면, 탈탄속도의 변화가 크게 변화하는 탈탄 3단계에 대응하는 탈탄속도 변화율 재조정값 역시 양의 수치에서 음의 수치로 변화함을 확인할 수 있었으며, 이 점을 탈탄천이점으로 설정하기에 용이함을 확인할 수 있었다.
탈탄 3단계에서 종래의 정해진 취련패턴에 의해, 즉 일정한 산소유량으로 취련하는 경우를 비교예로 하고, 본 발명의 배가스 정보를 이용하여 탈탄속도와 탄소농도를 연속적으로 모니터링하고, 탈탄속도 변화율의 재조정값이 0보다 작아지는 시점을 탈탄천이점으로 간주하여 그 때부터 탈탄속도 변화에 대응하여 산소취입유량을 연속적으로 제어한 경우의 산소유량 변화를 도 4에 도시하였다. 또한, 90톤 용량의 진공정련장치를 대상으로 본 발명에 효과를 평가하였다. 총 51히트(heat)의 종래 조업 데이터(비교예)와 본 발명이 적용된 22히트의 데이터(실시예)를 분석하여 용강(11) 1톤당 금속산화산소량을 비교하여 도 5에 나타내었다. 본 발명이 적용된 경우 금속산화산소량은 종래의 4/96Nm3/ton에서 4.29Nm3/ton으로 낮아졌으며, 표준편차도 1.44Nm3/ton에서 0.83Nm3/ton으로 감소하여, 정련이 안정화되었음을 확인할 수 있었다. 또한, 비교예로 조업한 훼라이트계 12Cr 스테인레스강 28히트와 실시예가 적용된 동일강조 17히트의 조업데이터로부터 환원제로 사용된 훼로실리콘의 사용량을 비교하여 도 6에 도시하였다. 본 발명이 적용된 경우, 훼로실리콘 사용량은 종래의 5.12kg/ton에서 4.28kg/ton으로 낮아졌으며, 표준편차도 1.15kg/ton에서 0.8kg/ton으로 감소하여 본 발명이 탈탄 3단계에서 용강(11)의 과산화를 억제하는 데 효과가 있음을 확인할 수 있었다.
따라서, 본 발명에 의하면 용강(11)의 취련에서 탈탄 3단계로의 탈탄천이점을 정확하게 측정하여 산소취입유량을 최적으로 변화시킬 수 있으며, 그에 의하여 금속성분의 과산화를 크게 감소시킬 수 있으며, 그에 의하여 환원제로서의 훼로실리콘 등의 고가의 원료의 사용량을 크게 줄일 수 있음은 물론 크롬 함유 용강의 품질을 향상시키는 효과를 제공한다.

Claims (4)

  1. 용강을 수용하는 레이들과, 상기 레이들의 상부에 위치하여 기체상의 산소를 분사하는 렌스와, 상기 레이들로부터 방출되는 배가스를 배출하는 배기관과, 상기 배기관에 연결되어 그 내부를 통과하는 배가스 중의 탄소산화물의 농도를 일정주기로 측정하는 배가스분석계와, 상기 배기관에 연결되어 그 내부를 통과하는 배가스의 유량을 상기 배가스분석계와 동일한 주기로 측정하는 배가스유량계를 포함하여 이루어지는 하드웨어부와, 상기 배가스분석계와 상기 배가스유량계들로부터 출력되는 출력신호로부터 탄소농도를 계산하는 탄소농도계산부와, 상기 배가스분석계와 상기 배가스유량계 및 상기 렌스로부터 출력되는 출력신호로부터 탈탄속도를 계산하는 탈탄속도계산부와, 상기 탄소농도계산부로부터 출력되는 출력신호로부터 탈탄천이점을 연산하는 탈탄천이점연산부와, 상기 탈탄천이점연산부와 상기 탈탄속도계산부들로부터 출력되는 출력신호로부터 산소취입유량을 계산하여 이를 상기 렌스로 피드백하여 산소취입유량을 제어하는 산소취입유량제어부를 포함하여 이루어지는 소프트웨어부를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 크롬 함유 용강의 진공정련장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 소프트웨어부의 산소취입유량제어부에 탄소농도를 감시할 수 있는 정보표시기가 더 연결되어 이루어짐을 특징으로 하는 상기 크롬 함유 용강의 진공정련장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 정보표시기가 음극선관(CRT ; Cathod Ray Tube), 프린터, 평판디스플레이 등으로 이루어진 그룹 중에서 선택된 것임을 특징으로 하는 상기 크롬 함유 용강의 진공정련장치.
  4. 취련 중 배출되는 배가스 중에 포함된 탄소산화물의 농도와 배가스의 유량 들로부터 탈탄속도를 구하고, 이 탈탄속도의 변화율을 2회 이상 지수평활한 재조정값을 구하여 이 재조정값이 0 이하로 되는 시점을 탈탄천이점으로 기준하여 탈탄천이점 이후의 산소취입유량을 제어하는 단계를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 크롬 함유 용강의 진공정련방법.
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