KR20010101205A - 용융강철 제조중의 탈질방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 처리될 용융 금속 용액으로 송풍가능한 형태의 산소 및 탄소를 함께 그러나 분리하여 동일 용액영역으로 주입하여, 이들 두 원소로부터 일산화탄소가 용액중에 국부적으로 발생되도록 하는 것으로 이루어지는 방법에 관한 것이다. 탄소와 산소 투입량의 화학양론적 조절은 용액중 일정한 탄소 탈질을 가능하게한다. 본 발명의 방법은, 특히 전기오븐에서의 저탄소강 등급의 제조에 사용할 수 있다.

Description

용융강철 제조중의 탈질방법{METHOD FOR DENITRIDING MOLTEN STEEL DURING ITS PRODUCTION}

강철중 질소의 존재는 여러가지 이유로 바람직하지 않다고 알려져 있다. 그 중 하나는 질소가 강철의 용도 특성에 미치는 영향으로, 금속의 연성이 감소됨에 의해 스탬핑(stamping)성향이 감소하고, 또는 질소가 질화알루미늄으로 존재하는 경우, ZAC(열-영향 구간)에서의 질소 재용해에 의해 용접성이 제한되며 및 결과적으로 국부적 기계적 약화가 발생하는 것이다. 그러나, 또한 질소의 존재는, 질소가 연속 주조시 연성포켓에 연결된 틈을 증가시키고, 또는 제품의 인발(wire-drawn) 경향을 감소시키는 것과 같이, 생산공정 단계에도 영향을 미침으로 인해 바람직하지 않을 수 있다.

그러므로 때때로, 특정 강철의 생산공정 또는 등급은, 예를 들면 자동차조립용 또는 포장 강판용 강철은 15 내지 25 ppm, 해양 플랫폼 플레이트는 50 ppm, 또는 타이어 강화 와이어는 40 내지 60ppm 등과 같이, 최종 제품에 대해 매우 낮은 질소 함량을 요구한다. 이와 같은 질소 함량은, 전기오븐 또는 전환기에서부터 연속 주조시 용융강철의 고형화까지의 용융금속을 생산하는 모든 단계의 강철작업에서 요구된다. 특히, 전기오븐에서의 제조는, 액체금속으로의 전환을 용이하게 하는 전기 아크의 가열 영역에서 공기중의 질소분자가 열분해됨으로 인하여, 질소에 의해 금속이 상당히 오염되는 특징을 갖는다고 알려져 있다. 이런 현상은 현재 약 20 ppm의 더 낮은 질소 함량이 얻어지는 (용광로에서 용융 철광석을 환원-융해한 다음 기압식 전환기에서 산소로 제련하는)"주조공정"에 의해 현재 생산되고 있는 등급 일부를 "전기공정"으로 제조하는 것을 방해하는 중요한 인자로 인식된다.

액체강철에서 질소 함량의 전개를 결정하는 물리화학적 메카니즘이 잘 알려져 있다(예를 들어, Ch. Gatellier and H. Gaye의 논문, REVUE de METALLURGIE, CIT of Jan 1986, pp 25-42 참조). 질소는 식으로 표현되는 "금속-기체" 화학평형을 따른다. 이 반응식의 평형상수는으로 표시되고, 관련 반응기의 작업영역의 온도(1550 내지 1700 ℃)에 약간 의존한다. a_N은 용존 질소의 활동도로, 약하게 합금된 탄소강철의 경우, 금속의 질소함량에 일치될 수 있고, P_N2는 액체금속과 접촉하고 있는 기체중의 질소의 분압이다. 이것은 대기중 질소 존재시, 금속의 질소 함량이 용융강철의 온도(약 1600 ℃)에서 약 430 ppm 인 용해도 한계까지 계속 증가할 것임을 의미한다.

금속의 탈질화는 상기 반응(세정효과)이 오른쪽 방향으로 일어나도록 질소를 포함하지 않는 세정기체(P_N2=0)를 액체금속에 순환시킴으로써 얻는다. 산업적으로 이 기체는 낮은 유속 및 고비용으로 주입된 아르곤 또는 헬륨이거나, 또는 산소를주입하는 동안 금속의 탈탄(decarburization)에 의해 현장에서 생성되는 일산화탄소일 수 있으며, 전통적으로 기체 또는 미립자 형태이다(예를 들어, K. Shinme 및 T. Matsuo의 "감압하에서 분말 산화제 송풍에 의한 탈탄화에 의한 질소제거의 가속화", Japanese Jounral ISIJ in 1987 참조). 이와 같은 산소 주입을 실행하는데 대한 제한은 탈탄 초기에 금속의 탄소함량과 관련되며, 생산될 금속의 초기 및 예상 질소함량과 관계없이, 시간이 지남에 따라 방출된 일산화탄소의 부피 및 그것에 의해 가능한 탈질을 부과한다.

이런 물리화학적 접근은 금속의 표면활성 원소들, 즉 산소 및 황에 의해 실행되는 역할에 의해 완성되어야 하며, 이 원소들은 모두 금속과 기체간의 질소 이동을 차단하는 효과를 갖는다. 결과적으로 약 0.1 중량%인 탄소함량의 상한에 해당하는 용존산소의 어떤 활동도 이상에서, 세정기체에 의한 탈질은 완전히 억제된다.

액체금속의 탈질술을 발전시키기 위한 모든 관심은 "주조" 과정에서 얻어지는 것과 비슷한 질소함량, 즉 약 20 ppm을 갖고, 최종 제품에서는 그 이하의 함량을 갖는 강철을 특별히 "전기적" 방법으로 생산하는 것을 가능하게 하는 것이다.

본 발명은 저-질소 강철의 제조분야에 관한 것이다. 본 발명은 저탄소 및 극저탄소 등급의 제품에 유용하게 적용된다.

도 1은 산소의 단독주입(a곡선) 및 본 발명에 따른 탄소-산소 공동주입(b곡선)에 대해, 탄소 15 중량% 이상을 함유하는 전기오븐 중의 강철용액에서 방출된 중량 단위의 질소 함량을 용액중 방출된 일산화탄소의 부피의 함수로서 비교한 것을 나타내는 그래프이다.

도 2는 도 1과 유사하지만, 탈탄용액 즉, 금속용액중 탄소함량이 낮은, 즉 0.1 중량% 이하인 경우를 나타내는 그래프이다.

도 3은 기체 및 주입된 탄소의 운반 특성에 의존하는 탄소-산소 공동주입에 의해 용액중 방출된 일산화탄소의 부피의 함수로서 질소의 함량을 중량으로 비교한 것을 나타낸 그래프이다.

본 발명의 목적은 정확하게는, 한편으로는 세정기체의 탈질 잠재력을 가장 잘 활용하고, 다른 한편으로 현재 종래의 탈탄화의 경우, 금속용액중의 초기 탄소 함량에 상관없이 최종 질소함량을 조절할 수 있게 하는 용융금속의 탈질을 촉진하는 것이다.

본 발명은 산소를 송풍함으로써 용융금속의 제조 중에 용융금속을 탈질하는방법에 관한 것으로, 본 방법은 그외에 탄소를 송풍가능 형태(분말 탄소)로 도입하는 것으로 이루어지며, 및 탄소와 산소가 동일 금속용액 영역으로 함께 그러나 (예를 들면, 서로 약 20 cm 거리로)분리하여 주입되는 것을 특징으로 한다.

그러므로, 탄소 및 산소 주입영역에서 탈질에 유리한 조건들이 국부적으로 생겨난다. 실제에 있어서, 산소를 단순 주입하는 경우(기존 탈탄의 경우), 투입영역(노즐)은 일산화탄소의 형성을 지연시키는 탄소의 결핍에 의해, 및 알려진 바와 같이 형성된 일산화탄소 기포에 의한 금속의 탈질에 역행하는 상관적으로 높은 용존산소의 활동도에 의해 급격하게 이동될 것이다.

동일 영역에서 탄소의 결합 주입은 유입된 탄소와 산소간의 반응에 의해 일산화탄소 기포의 더 빠른 형성 및 용존산소의 국부적 활동도의 감소를 허용할 것이다. 따라서, 방출된 일산화탄소에 의해 더 나은 효율의 탈질이 얻어지며, 이는 강철이 표면 공기중의 질소와 접촉 후 질화되어지는 자연적 경향을 대체하며, 그것에 의해 금속의 질소함량의 전체적인 감소를 초래한다.

실제로 엔클로저는 아크용광로, 그와 유사하거나, 더우기 금속의 제조방법을 구성하는 어떠한 금속제련 반응기에서도, 외부대기에 대해 완전하게 밀폐되지도 않으며, 밀폐될 수도 없음을 상기해야 한다. 따라서, 얻어진 제품에서의 최종 질소 함량은 질소의 복귀(예를 들어, 공기에 의한 오염)와 액체상태로 생산되는 동안 수행되는 탈질 사이의 절충에 따른다.

그밖에, 바람직하게 주입량을 화학양론적으로 (즉, 0.9 Nm³의 산소에 대해 1kg의 탄소)조절함에 의해, 금속용액의 탄소함량은 변하지 않는다. 이 방법에서, "용액중의 일정한 탄소함량"에 의해 일산화탄소가 배출되며, 그 후 배출 지속시간은 요구되는 탈질에 맞춰 조절될 것이다(질소함량은 초기 질소함량에 따라 예측된다).

본 발명은 쉽게 이해될 것이며, 본 발명의 다른 면 및 장점들은 첨부된 도면을 참조로 제공되는 아래의 설명에 나타날 것이다.

본 발명에 따른 공동주입술을 6 톤 용량의 작은 오븐에서 산업적 조건 하에서, 주입노즐의 출구 말단이, 처리되어질 용융 강철 용액에서 동일한 높이로 서로 약 20 cm의 간격으로 나란히 위치하는, 두개의 독립 주입노즐을 통해 탄소와 산소를 동시에 주입함으로써 시험하고 실시하였다. 탄소 주입은 황 및 질소 함량이 낮은 (두 원소에 대해 0.1 중량% 이하의 함량) 석탄에 의해, 및 지지기체로서 아르곤 또는 질소를 사용하여 실시되었다. 산소는 기체상의 산소를 주입하거나 또는 철광석 (1 kg의 철광석에 대해 산소 0.2 Nm³)을 주입함에 의해 도입되었다.

얻어진 정량적 결과를 도 1 및 도 2에 나타내었으며, 각각 탄소 0.15 중량% 이상의 강철(도 1) 및 0.10 중량% 이상의 강철(도 2)에서, 금속중의 질소함량의 전개를 용액중 방출된 일산화탄소 부피함수로 나타냄으로써, 탄소와 산소의 공동주입(b곡선)과 단순 탈탄(a곡선)을 비교하였다.

나타낸 바와 같이, 비교적 거의 탈탄되지 않은 강철에서 용존산소의 함량은 항상 너무 낮아서 용존질소가 세정기체 기포로 확산되는 것을 막을 수 없고, 세정기체는 용액의 탈탄에 의한 일산화탄소(a곡선)이거나 또는 본 발명에 따라 용액에 주입된 탄소와 산소간의 반응에 의해 생성된 일산화탄소(b곡선)이다. 실제로, 시간이 흐름에 따라 용액에서 배출되는 일산화탄소의 누적량의 함수로 주어지는 이 두 탈질 반응속도 곡선에서 매우 유사한 과정이 관찰되며, 더욱이 서로 근접하며, 본 발명에 따른 혼합 주입에서 약 5 ppm 정도의 약간 우수한 효율을 얻었음을 알 수 있다.

반면에, 단순한 보통의 탈탄법으로는 이 한계 이하로 탈질하는 것은 불가능하다고 알려져 있으므로, 개념 정의를 위해 0.10 중량%을 경계로 한, 탈탄 또는 저탄소강철에 대해, 공동주입(b곡선)의 경우 탈질 반응속도는 앞선 경우와 동일한 경로를 갖는다는 것이 도 3에서 관찰되었고, 따라서 반응속도는 용액의 초기 탄소함량과 무관하다. 한편, 종래의 산소 단독주입(a곡선)의 경우에는, 탈탄에 의한 일산화탄소 배출에 따라 규칙적으로 증가하는 질소의 체계적인 복귀가 발견된다. 이런 질소 복귀 현상은, 이미 설명했듯이, 동시에 다른 방향으로 행해지는 메카니즘의 결과로, 저탄소인 경우 탈탄시 일산화탄소에 의한 탈질이 기포근처에 고활성 산화상이 국부적으로 형성됨에 의해 차단되고, 결과적으로 발생되는 기포에 의해 용액 표면이 교반되는 동안 대기 질소의 복귀가 우세한 메카니즘이 된다는 것을 명확하게 보여준다. 반면에 도 1의 b곡선의 예에 따르면, 본 발명에 따른 공동주입의 경우(도 2의 b곡선) 우세한 메카니즘은 탄소의 초기함량에 상관없이 항상 세정 일산화탄소에 의해 탈질되는 것이고, 그러므로 매우 낮은 탄소함량에서도 마찬가지이다.

탄소 운반기체가 결과에 미치는 영향을 도 3에 나타내었다. 질소흐름하에 탄소를 주입하는 경우(곡선 1), 탈질반응속도는 더 느려지고, 질소함량은 아르곤 흐름하의 주입 경우보다 더 높고, 그 이하로는 접근할 수 없는, 금속에 대해 한정된 질소함량(고원 p)을 야기한다. 그럼에도 불구하고 상기 경우에도 탈질화를 수행할 수 있으며, 이는 예상질소 함량을 기준으로 "중간"목표 정도이다(예를 들어, 이 경우에 35ppm의 고원 p).

본 발명의 탈질방법은 많은 다양한 구현예를 위한 수단을 제공하는데 충분하며, 그 중 몇몇 예는 다음과 같다.

ㆍ어떠한 종류의 탄소와 산소 투입도 사용할 수 있다.

실제로, 어떠한 산화 기체 또는 산화 분말(철광석 뿐만 아니라 망간광석, 규소 분말 등)도 산소 공급물로 사용할 수 있다. 마찬가지로, 어떠한 종류의 탄소-함유 제품이라도 탄소 공급을 위해 사용할 수 있다.

또한, 이 두 원소를 동시에 함유하는 제품을 사용하는 것도 가능하며, 이런 경우 국부적인 투입은 자동화방법, 및 미리 준비된 균일 혼합물(예를 들어 석탄/철광석 혼합물)에 의한 공지의 방법으로 실시될 수 있다.

ㆍ본 발명에서 예상되는 "국부적" 조건을 보장하는 어떠한 투입기술도 사용할 수 있다

냉각된 또는 냉각 안된 종래의 주입노즐을 실제로 사용할 수 있다; 잠긴 벽면(immersed parietal) 노즐 또는 어떠한 기타 형태의 주입기, 여기서 이들은 산소 및 탄소의 "분리 주입"을 위한 형태이거나 또는 집중 또는 인접 튜브를 갖는 "단일주입"형태이다.

ㆍ본 기술은 어떠한 형태의 야금 반응기에서도 사용할 수 있다.

본 발명에 따른 공동주입은 전기오븐뿐만 아니라 최상부에서 산소를 송풍하는 전환기(LD, AOD 형) 또는, 하부에서 산소를 송풍하는 전환기(OBM, LWS형); 포켓오븐 또는 탈질화시 진공에 의해 추가적인 이익(금속용액보다 약간 높은 P_N2)을 얻을 수 있는 RH형 진공설비에서 특별한 어려움 없이 실시될 수 있다; .

ㆍ화학양론에 관하여 탄소/산소 비율을 조절할 수 있다.

화학양론에 관하여 산소와 탄소의 투입을 조절하는 장점을 위에서 기재하였다. 따라서, 예를 들어 탈질단계가 실시되는 동시에 금속의 탈탄이 계속되도록 하기 위해 탄소/산소 비율을 약간 조절하면서, 노즐에서 탈질조건을 유지하는 것이 가능하다.

본 발명의 두드러진 장점중에 특별한 것은 다음과 같다.

ㆍ저탄소함량의 탈질 가능성

국부적인 조건(탄소함량, 용존산소의 활동도)의 조절 때문에, 상기와 같이 본 발명의 방법은 금속용액의 평균 탄소함량이 (단순 탈탄으로는 더 이상 탈질되지 않는 최저한계인) 0.1 % 미만인 경우에도 금속을 탈질시킬 수 있다. 그러므로, "용액중 일정한 탄소함량"을 갖는 일산화탄소의 배출에 의한 탈질 단계는 용액에서 평균 탄소 함량이 0.05 내지 1.0 중량% 사이일 때 수행될 수 있다.

ㆍ용이하고 융통성 있는 방법의 수행

본 기술은 많은 투자를 필요로 하지 않는다. 특히 전기 오븐의 경우, 필요한 설비는 일반적으로 이미 공장에서 이용가능하다. 즉, 금속에 주입하기 위한 장치에 연결된 산소공급망(일반적으로 이미 탈탄용으로 존재) 및 금속에 석탄을 주입하기 위한 장치와 관련된 분말 분배기(일반적으로 이미 슬래그에 석탄을 주입하기 위해 존재). 후자의 장치는 금속용액에서의 발포슬래그가 동시에 발생되는 동안, 금속에 탄소와 산소의 동시주입을 실행하는 것이 바람직한 경우에도, 그럼에도 불구하고 분리되어야 한다. 기타 생산반응기의 경우, 산소 주입영역과 동일 영역에서 탄소를 주입하는 장치가 필요할 수도 있다.

이러한 탈질술의 실시비용은 다음과 같은 소모품의 비용으로 집약된다: 탄소및 산소 투입을 위한 제품 및 고체제품 주입시의 운반기체.

ㆍ"차폐시간"동안 탈질이 가능함

본 기술은 다른 통(vat)의 금속이 융해되는 차폐시간 동안 탄소와 산소의 동시투입에 의한 탈질 단계가 이루어지는, 이중 통을 갖는 전기오븐의 경우에 특히 유용하다. 이 목적을 위해 탈질 작업은 철강제품의 생산성 손실없이, 투입물 생산의 마지막에 전기력 없이 실행되며, 전기력은 다음 투입물의 용융을 위해 다른 통으로 이송되어진다.

본 발명에 따른 방법은 첨부된 청구범위에 주어진 정의와 관련되는 한, 다수의 동등한 또는 변화된 구현예를 제공한다.

Claims (4)

1. 송풍가능한 형태의 탄소가 용액에 또한 주입되는 것으로 이루어지며, 및 탄소와 산소는 금속용액의 동일영역에 함께 그러나 분리되어 주입되는 것을 특징으로 하는, 산소 주입에 의한 용융강철 제조중 용융강철 용액의 탈질방법.
2. 제 1항에 있어서, 탄소 및 산소의 주입량이 화학양론적 방법으로 조절되는 탈질방법.
3. 제 1항에 있어서, 탄소가 운반기체의 도움으로 분말고체 상태로 주입되는 탈질방법.
4. 제 1항에 있어서, 탈질이 이중 용기를 갖는 전기적 강철제품 설비에서 수행되는 탈질방법.