KR20030048806A

KR20030048806A - 알루미늄 및 황 첨가 강의 제조방법

Info

Publication number: KR20030048806A
Application number: KR1020010078837A
Authority: KR
Inventors: 안상복; 서정도
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2001-12-13
Filing date: 2001-12-13
Publication date: 2003-06-25
Also published as: KR100530063B1

Abstract

본 발명은 산업기계, 자동차 등에서 크랭크 샤프트, 커플링, 커넥팅 로드등의 소재로 사용되는 알루미늄 및 황 첨가 강을 제조하는 방법에 관한 것으로서, 강중의 황농도를 정밀하게 제어할 수 있고, 연속주조 과정에서 노즐 막힘 현상이 방지되고 그리고 용강의 청정도(T.[O])를 크게 향상시킬 수 있는 알루미늄 및 황 첨가 강을 제조하는 방법을 제공하고자 하는데, 그 목적이 있다.

본 발명은 알루미늄 및 황 첨가 강을 제조하는 방법에 있어서,

레이들로 출강하는 과정에서 용강탈산제 Al과 가탄제를 첨가하고, 그 첨가 직후, 금속 Al 함량이 40% 이상인 슬래그 탈산제를 용강 1톤당 0.6∼2.0kg 첨가하는 단계; 용강을 담은 레이들을 레이들 로(LF)로 이송하여 목표 온도까지 용강을 가열하는 단계; 상기와 같이 목표온도로 가열된 용강을 담은 레이들을 진공탈가스 장치로 이송하여 진공도 2torr 이하에서 감압정련하는 단계; 상기 레이들 바닥에 장착된 가스취입노즐을 통하여 아르곤(Ar) 가스를 분당 5 ∼10리터(ℓ)유량으로 취입하여 교반하는 단계; 및 Fe-S 외이어를 초당 3.0∼5.0미터(m)의 속도로 취입하는 단계를 포함하는 알루미늄 및 황 첨가 강의 제조방법을 그 요지로 한다.

Description

알루미늄 및 황 첨가 강의 제조방법{Method for Manufacturing Steel Including Aluminum and Sulfur}

본 발명은 산업기계, 자동차 등에서 크랭크 샤프트(Crank shaft), 커플링(Couplings), 커넥팅 로드(Connecting rods) 등의 소재로 사용되는 알루미늄 및 황 첨가 강을 제조하는 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 탄소(C) 0.43~0.46중량%, 알루미늄(Al) 및 황(S)을 각각 0.005~0.040중량% 및 0.025~0.035중량% 함유하는 강을 제조하는 방법에 관한 것이다.

상기 C: 0.43 ~ 0.46중량%, Al: 0.005 ~ 0.040중량% 및 S: 0.025 ~ 0.035중량%를 함유하는 강은 산업기계, 자동차 등에서 크랭크 샤프트(Crank shaft), 커플링 (Couplings), 커넥팅 로드(Connecting rods) 등의 소재로 사용되고 있다.

상기 알루미늄 및 황 첨가 강의 제조시 우수한 주조성(Castability) 및 기계적 가공성, 피로특성 등을 보장하기 위하여, 정련단계에서부터 용강에 함유되는 비금속 개재물(Non-metallic inclusion), 특히 알루미나(Al₂O₃)를 가능한 적게 함유되도록 하는 것이 요구된다.

상기 C: 0.43~0.46중량%, Al: 0.005~0.040중량% 및 S: 0.025~0.035중량% 함유하는 강을 전로 또는 전기로 공정에서 제조(정련)하는 종래방법에서는 먼저 전로 또는 전기로에서 정련작업이 완료된 C: 0.03~0.08중량% 용강을 레이들(Ladle)로 출강한다.

출강과정에 용강탈산제로 Al을 첨가하고, 용강탈산제 첨가와 동시에 용강의 탄소성분을 0.43~0.46중량%로 증가시키기 위하여 가탄제를 첨가한다.

이어서 용강을 담은 레이들을 레이들 로(Ladle Furnace, 이하 "LF"라고도 칭함)로 이송하고, 아크(Arc) 가열을 실시하여 용강온도를 적정범위로 조정한다.

그리고, 레이들을 알에이치(RH) 또는 브이티디(VTD, Vacuum Tank Degasser) 등 진공 탈가스 장치로 이송하여, 용강을 수 torr 정도의 감압상태로 유지하여(이하, "진공처리"라고도 칭함), 용강 중 수소(H₂) 가스를 제거한다.

마지막으로 진공정련이 종료된 이후, 황화철(FeS) 와이어(wire)를 첨가하여, 용강의 S 농도를 0.025~0.035중량%로 조정함으로써, 용강 정련을 종료하며, 이어서 연속주조를 실시하게 된다.

상기와 같은 종래의 정련방법에서는 용강 중 S 농도를 소기의 범위로 제어하기 어려울 뿐 아니라, 연속주조 과정에서 노즐 막힘 현상이 발생되는 문제점을 지니고 있다.

즉, 전로 또는 전기로에서 용강을 출강하는 과정에 슬래그가 용강 1톤당 5~10kg 레이들로 유출된다. 이들 슬래그는 15~25중량%의 산화철(FeO)을 포함하고 있으며, 이들 FeO는 출강과정에 첨가되는 용강탈산제, 가탄제 등과 반응하여 3~5중량% 범위로 감소된다.

상기 슬래그에 잔존하는 FeO는 용강 중 S농도를 정확하게 제어하는데 지장을 초래할 뿐 아니라, 용강의 정련종료 시점으로부터 연속주조가 완료되기까지 용강에 잔존하는 용존 알루미늄 [Al]과 하기 식(1)의 화학반응(이하, "재산화반응"이라고도 칭함)을 일으켜 알루미나를 형성하고, 이 알루미나는 연속주조시 침지 노즐의 막힘 현상(Clogging)을 유발하는 주요 원인이 된다.

3(FeO) + 2[Al] = Al₂O₃(s) + 3Fe(l)

본 발명자들은 상기한 종래기술의 제반 문제점을 해결하기 위하여 연구 및 실험을 행하고, 그 결과에 근거하여 본 발명을 제안하게 된 것으로서, 본 발명은 강중의 황농도를 정밀하게 제어할 수 있고, 연속주조 과정에서 노즐 막힘 현상이 방지되고 그리고 용강의 청정도(T.[O])를 크게 향상시킬 수 있는 알루미늄 및 황 첨가 강을 제조하는 방법을 제공하고자 하는데, 그 목적이 있다.

도 1은 슬래그 중 (FeO) 농도에 따른 용존 알루미늄의 감소속도변화를 나타내는 그래프

도 2는 본 발명재와 비교재의 용강 청정도를 나타내는 그래프

도 3은 본 발명재와 비교재의 연속주조 노즐 막힘지수를 나타내는 그래프

본 발명은 0.43 ~ 0.46중량%의 C, 0.005 ~ 0.040중량%의 Al 및 0.025~0.035중량%의 S 를 함유하는 알루미늄 및 황 첨가 강을 제조하는 방법에 있어서,

용강을 로에서 정련한 후 레이들로 출강하는 과정에서 용강탈산제 Al과 가탄제를 첨가하고, 그 첨가 직후, 금속 Al 함량이 40% 이상인 슬래그 탈산제를 용강 1톤당 0.6 ∼ 2.0kg 첨가하는 단계;

용강을 담은 레이들을 레이들 로(LF)로 이송하여 목표 온도까지 용강을 가열하는 단계;

상기와 같이 목표온도로 가열된 용강을 담은 레이들을 진공탈가스 장치로 이송하여 진공도 2torr 이하에서 감압정련하는 단계;

상기 레이들 바닥에 장착된 가스취입노즐을 통하여 불활성 가스, 바람직하게는 아르곤(Ar) 가스를 용강 1톤 당 5 ∼10리터(ℓ)유량으로 취입하여 교반하는 단계; 및

Fe-S 외이어를 초당 3.0∼5.0미터(m)의 속도로 취입하는 단계를 포함하는 알루미늄 및 황 첨가 강의 제조방법에 관한 것이다.

이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명에 따라 알루미늄 및 황 첨가 강을 제조하기 위해서는 전로 또는 전기로등의 로에서 적절한 조성을 갖는 용강으로 정련을 행한다.

상기한 전로 또는 전기로 정련은 정련이 종료된 용강이 C 0.03~0.08중량%, 용존산소 [O] 400~800ppm 정도를 함유하도록 행하는 것이 바람직하다.

상기와 같이 로 정련이 완료된 후, 레이들내로 출강하는 과정에서 용강탈산제 Al 첨가로 용존산소가 3ppm 이하로 감소하며, 가탄제 첨가로 탄소 농도는 목표범위로조정된다.

한편, 출강과정에서 슬래그가 용강 1톤당 5~10kg 유출되며, 출강이 완료된 상태, 즉 레이들에서 슬래그는 3~5중량%의 FeO를 함유하게 된다.

본 발명에서는 출강과정에서 용강탈산제와 가탄제를 첨가한 직후, 금속 Al 함량이 40% 이상인 슬래그 탈산제를 용강 1톤당 0.6~2.0kg 첨가한다.

상기와 같이 슬래그 탈산제를 첨가하는 경우에는 슬래그 중 FeO 농도가 1중량% 이하로 감소하게 된다.

본 발명자의 실험결과에 의하면, 도 1에 나타난 바와 같이, 슬래그 중 FeO 농도가 증가함에 따라 상기 식(1)의 재산화반응에 의한 용존 Al의 감소속도, d[Al]/dt가 크게 증가하며, FeO 농도가 1중량% 이하일 때, 감소속도는 0.5 이하에서 일정한 값을 유지하므로, 재산화반응을 억제하기 위해서는 슬래그 중 FeO 농도를 1중량% 이하로 감소할 필요성이 있음을 알 수 있다.

상기한 슬래그 탈산제를 용강 1톤당 0.6kg 미만 첨가하는 경우, 슬래그 중 (FeO) 농도를 1중량% 이하로 감소시키기 어렵고, 용강 1톤당 2.0kg 이상을 첨가하는 경우, (FeO) 농도를 1중량% 이하로 용이하게 감소시킬 수 있으나, 슬래그 탈산제의 반응효율이 낮아질 뿐 아니라, 슬래그 탈산제 다량첨가로 인한 폐기물 발생량이 늘어나게 되므로 불리하다.

한편, 슬래그 탈산제에 포함된 금속 Al은 하기 식(2)의 화학반응으로 (FeO)를 감소시키는 역할을 행하게 되므로, 금속 Al 함량이 높을수록 반응능력이 우수할 것으로 생각되나, 본 발명자 등의 실험결과 금속 Al 성분을 40% 이상 포함하는 경우 슬래그 탈산 능력이 충분함을 확인하였다. 반면에 40% 이하인 경우, 탈산능력이 떨어지고, 슬래그 탈산제 첨가량이 증가되어 불리하다.

2Al(s) + 3(FeO) = (Al₂O₃) + 3Fe(l)

다음에, 용강을 담은 레이들을 LF로 이송하고, 목표로 하는 온도까지 용강을 가열한다.

만약, 용강의 온도가 목표온도를 충족시킬 정도로 높다면, 이 단계를 생략할 수 있다.

LF에서의 용강 가열은 통상적으로 제강공정에서 행하는 Arc 가열등을 실시하는 것을 의미한다.

이어서, 레이들을 진공 탈가스 장치로 이송하고, 2torr 이하의 진공도에서 감압정련을 실시한다. 이 감압정련은 용강에 용존상태로 존재하는 수소를 제거하기 위함이다.

2torr 이상 즉, 수십 torr 진공도에서는 수소가 제거되는 속도가 낮아 불리하다. 바람직하게는 2torr 이하 진공을 유지하면서 5~15분간 진공정련을 실시하는 경우, 용강의 수소농도 1.5ppm 이하를 얻을 수 있게 된다.

이어서, 레이들 바닥에 사전에 장착된 저취노즐을 통해 아르곤 가스를 용강 1톤당 5내지 10ℓ유속으로 용강을 교반한다.

이는 강 중에 존재하는 비금속 개재물을 합체시키고 슬래그 층으로 부상분리시키기 위함이다.

유속이 5ℓ이하이면 교반력이 약하여 비금속 개재물을 효과적으로 부상분리시키기 어렵고, 10ℓ를 초과하는 경우에는 교반력이 충분한 반면에 슬래그 층에서 나탕, 즉 용강이 대기와 직접 접촉하게 됨으로써 하기 식(3)의 공기에 의한 재산화 반응이 발생되므로 불리하다.

3/2O₂(g) + 2[Al] = (Al₂O₃)

강 중에 잔존하는 비금속 개재물은 용강탈산 및 출강시 슬래그 혼입 등으로 발생되며, 이들 비금속 개재물을 제거하기 위해서는 불활성가스 바람직하게는 Ar가스를 용강 1톤당 5ℓ내지 10ℓ유속으로 취입하면서 교반시간을 5~15분 유지하는 것이 바람직하다.

상기 교반시간이 5분 이하인 경우에는 30㎛ 이상의 대형 개재물의 대부분은 슬래그 층으로 부상하는 반면에 상당량의 10㎛ 전후 소형 개재물이 강 중에 잔존하게 되므로 불리하다.

한편, 상기 교반시간이 15분 이상인 경우에는 수 ㎛ 정도의 소형 개재물도 대부분 제거할수 있는 장점이 있는 반면에, 용강 온도가 크게 감소하게 되므로 불리하다.

이어서 Fe-S 와이어(wire)를 초당 3.0~5.0m 속도로 용강에 공급(feeding)한다.

이때 Fe-S 와이어는 상업적으로 판매되는 S 20~30중량%의 와이어를 사용하는 것이 바람직하며, 용강 중 S 성분을 정밀하게 제어하기 위해서는 와이어 공급(wire feeding )속도를 일정범위로 제어하는 것이 중요하다.

즉 초당 3.0m 이하로 공급(feeding)하는 경우, 와이어가 일차적으로 레이들에 존재하는 슬래그와 반응하게 되므로, 슬래그의 황 성분이 높아지는 반면에 용강의 황 성분의 증가량은 적다.

그리고, 정련이 종료된 이후 연속주조가 진행될 때까지 슬래그로부터 용강으로 황의 물질이동이 일어나, 황 성분이 원하는 함량 이상으로 증가되는 현상 즉, 성분격외를 유발하게 된다.

한편, 초당 5.0을 초과하는 경우에는 속도가 지나치게 빨라 미용해 상태의 와이어가 레이들 바닥과 부딪힌 후, 슬래그 층을 향하여 상승하게 되므로 S 성분을 정밀하게 제어하는데 불안정한 요소로 작용하게 된다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세하세 설명한다.

(실시예)

용강을 정련하기 위하먼저 100톤 전로에서 하기 표 1과 같은 조성을 갖는 Al 및 S 첨가 용강이 얻어지도록 정련을 종료한 후, 정련된 용강을 레이들로 출강하였다.

하기 표 1의 비교재의 경우에는 하기 표 1에 나타난 바와 같이 종래방법과 같이 출강시 가탄제와 탈산제 Al 만을 첨가한 반면에, 본발명재의 경우에는 가탄제와 Al 첨가 직후 금속 Al 47.6중량%의 슬래그 탈산제를 100kg, 즉 용강1톤당 1.0kg 첨가하였다. 출강이 종료된 직후 레이들에서 용강과 슬래그를 각각 채취하고, 성분을 분석한 결과, 비교재와 본발명재 모두에서 C와 Al 성분이 각각 목표범위 이내에 속함을 확인하였다.

반면에, 슬래그 중 (FeO)는 비교재와 본발명재에서 각각 3.9중량%, 0.8중량%로 본발명재가 비교재보다 약 3중량% 낮음을 확인하였다.

구분	전로정련	출강	LF승온	감압정련	Ar교반	Fe-S와이어공급속도
구분	[C],wt%	[O],ppm	LF승온	감압정련	Ar교반	Fe-S와이어공급속도	가탄제	Al첨가	슬래그탈산제첨가
비교재	0.04	670	4.6	1.24	무첨가	23	10	무교반	2.5m/sec
본발명재	0.05	610	4.5	1.16	1.0	25	10		3.5m/sec

다음에, 용강을 담은 레이들을 LF로 이송하고, 이후 정련과정에서 감소될 온도와 연속주조 온도를 고려하여 용강을 1610℃로 가열한 후, RH 진공 탈가스 장치로 이송하였다. RH에서는 진공도를 1.5torr로 유지하며, 10분간 진공정련을 실시하고, 수소성분을 분석한 결과, 비교재 및 본발명재의 수소성분이 각각 0.8 및 0.9ppm임을 확인하였다.

감압정련 종료후, 비교재는 용강교반을 실시하지 않은 상태로 직경 12.5mm, S 성분 25중량%의 Fe-S wire를 초당 2.5m 속도로 100m 공급(feeding)하였다.

반면에, 본 발명재에서는 감압정련 종료 후, 레이들 바닥에 설치된 저취노즐을 통해 500ℓ/min, 즉 용강 1톤당 5ℓ/min 유속으로 Ar을 8분간 취입하였으며, 이후 상기와 동일한 Fe-S wire를 초당 3.5m 속도로 100m 취입하였다.

상기와 같이 Fe-S wire 공급(feeding) 종료 후, 비교재 및 본발명재에 대하여 용강시료를 채취하여 전산소량(T.[O])을 각각 분석하고, 그 결과를 도 2에 나타내었다.

또한, 비교재 및 본발명재에 대하여 용강의 연속주조가 진행되는 동안 침지노즐의 막힘 정도를 측정하고, 그 결과를 도 3에 나타내었다.

도 2에 나타난 바와 같이, 비교재보다 본발명재의 T.[O]가 매우 낮음을 알 수 있다. 이는 본발명재가 비교재보다 강 중에 포함된 비금속 개재물이 현저하게 적음을나타내는 것이며, 본발명재의 경우 Ar 가스를 취입하는 교반을 실시함으로써, 비금속 개재물이 슬래그 층으로 부상분리되어 나타나는 현상으로 판단된다.

도 3에 나타난 바와 같이, 비교재의 막힘지수가 본발명재의 2배 이상에 달함을 알 수 있고, 이는 용강에 잔존하는 비금속 개재물 및 상기 식(1), 슬래그 중 (FeO) 성분에 의한 재산화에 기인된 것으로 생각된다.

한편, 본 발명재와 비교재에 대하여 S 성분을 분석한 결과, 본발명재의 경우에는 0.033중량%로, 그리고 비교재의 경우에는 0.024중량%로 각각 나타났다.

상기 본발명재의 경우 S 성분을 안정적으로 얻을 수 있음에 비해, 비교재는 성분규격의 하한값 0.025중량% 이하로 Fe-S wire를 추가 투입하였다.

이와 같이 본발명재의 경우 S 성분을 안정적으로 얻을 수 있음에 반해, 비교재에서 낮은 S 성분이 얻어지는 것은 와이어 공급(wire feeding)속도에 따른 것으로 판단된다. 즉, 비교재의 경우 투입속도가 늦어 상기 와이어가 투입되면서 상대적으로 많은 양이 슬래그 층에 용해되어 나타난 현상으로, 연속주조가 종료된 주편 분석결과, 본발명은 S 조성이 변하지 않음에 비해, 비교재는 S 성분이 0.005중량% S 증가됨을 확인하였다. 이는 비교재의 경우, 와이어 상당량이 슬래그 층에 용해되고, 정련종료로부터 연속주조가 종료되는 시점까지 슬래그로부터 용강으로 S를 공급했기 때문으로 생각된다.

상술한 한바와 같이, 본 발명은 Al 및 S 첨가 강을 제조함에 있어서, 출강과정에서 슬래그 중 (FeO) 농도를 감소시키고, 일정시간 Ar 교반을 실시하며, Fe-S 와이어공급속도를 적정범위로 조절함으로써, 강 중 비금속 개재물을 줄이고, S 농도를 안정적으로 제어할 뿐 아니라, 연속주조를 용이하게 할 수 있게 되는 효과가 있는 것이다.

Claims

0.43~0.46중량%의 C, 0.005~0.040중량%의 Al 및 0.025~0.035중량%의 S 를 함유하는 알루미늄 및 황 첨가 강을 제조하는 방법에 있어서,

용강을 로에서 정련한 후 레이들로 출강하는 과정에서 용강탈산제 Al과 가탄제를 첨가하고, 그 첨가 직후, 금속 Al 함량이 40% 이상인 슬래그 탈산제를 용강 1톤당 0.6 ∼ 2.0kg 첨가하는 단계;

용강을 담은 레이들을 레이들 로(LF)로 이송하여 목표 온도까지 용강을 가열하는 단계;

상기와 같이 목표온도로 가열된 용강을 담은 레이들을 진공탈가스 장치로 이송하여 진공도 2torr 이하에서 감압정련하는 단계;

상기 레이들 바닥에 장착된 가스취입노즐을 통하여 아르곤(Ar) 가스를 용강 1톤당 5 ∼10리터(ℓ)유량으로 취입하여 교반하는 단계; 및

Fe-S 외이어를 초당 3.0∼5.0미터(m)의 속도로 취입하는 단계를 포함하는 알루미늄 및 황 첨가 강의 제조방법
제1항에 있어서, 로가 전로 또는 전기로 이고, 그리고 이 전로 또는 전기로 정련이 종료된 용강이 C: 0.03~0.08중량% 및 용존산소 [O]: 400~800ppm 를 함유하는 것을 것을 특징으로 하는 알루미늄 및 황 첨가 강의 제조방법
제1항 또는 제2항에 있어서, 아르곤(Ar) 가스에 의한 교반시간이 5~15분인 것을 특징으로 하는 알루미늄 및 황 첨가 강의 제조방법