KR20030048915A - 용강중의 수소성분 채집분석 장치 및 그 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 제철소 용광로에서 제조된 탄소 및 불순물이 다량 함유된 선강을 정련하는 과정인 고청정강 제조공정중 고철등의 장입에 의해 발생되는 수소는 금속의 인성저하, 취성파괴 및 크랙의 발생가능성이 높고 현재까지 국내 산업분야에서 강중 수소성분 분석은 수작업에 의존하고 있는바 수소성분을 자동, 실시간으로 분석하는 장치 및 그 방법에 대한 것이다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 용강내 수소를 채취하는 프로브, 이를 용강속에 침적시키기 위한 랜스 및 승하강 구동장치, 채집용 질소를 공급하는 질소공급장치, 채취된 용강내 기포속의 수소성분을 분석 및 분석데이터를 타 제어기기로 전송하는 기능을 갖춘 가스수집 및 성분분석장치, 상위 레벨로 분석 데이타를 전송하기 위한 전기제어장치 및 분석 데이타를 직접 조업자가 확인 할 수 있는 운전자용 단말기 등의 장치들을 조합하여 수소성분 분석방법을 개발함으로써 궁극적으로 용강중 수소성분을 조업자의 개입이나 별도의 시험장비들을 사용하지 않고 실시간으로 채취, 분석하여 조업공정에 활용하여 생산성 향상은 물론 각종 조업기준의 정립 등 효과를 얻을 수 있다.

Description

용강중의 수소성분 채집분석 장치 및 그 방법{A Method and Apparatus for Collection and Analysis of the Hydrogen Element contained in Molten Metal of the Furnace}

본 발명은 용강내 수소를 채취하는 프로브(Probe), 이를 용강속에 침적시키기 위한 랜스(Lance) 및 승하강 구동장치, 채취용 질소를 공급하는 질소공급장치,채취된 용강내 기포속의 수소성분을 분석 및 분석데이타를 타 제어기기로 전송하는 기능을 갖춘 가스수집 및 성분분석장치, 상위 레벨로 분석데이타를 전송하기 위한 전기제어장치 및 분석 데이터를 직접 조업자가 확인 할 수 있는 운전자용 단말기 등 각각의 장치들을 조합하여 용강중 수소성분을 조업자의 개입이나 별도의 시험장비들을 사용하지 않고 조사자 스스로 실시간으로 채취, 분석할 수 있는 방법 및 장치개발에 의해서 생산성 향상은 물론 각종 조업기준의 정립 등 부수효과를 제공함에 그 목적이 있다.

본 발명은 제철소의 용선중에 포함된 각종 불순물을 제거할 목적으로 운용중인 용선 예비처리 공정 중에서 LF(LADLE FURNACE)조업은 노외 정련의 한 형태로써 그 설비는 진공설비는 없고 용강위의 슬래그에 아아크를 발생시키는 소위 서브머지드(SUBMERGED) 아아크정련을 하는 점을 특징으로 하는 불순물 제거 공정인데, 이는 합성철을 첨가하여 아르곤(Ar)가스에 의해 교반하면서 래들(Ladle)내를 강 환원성 분위기를 유지한 상태에서 행하는 정련 공정이다.(도 1 참조)

이와 같은 용강 정련법은 용강의 승온이 용이하고 탈인, 탈황 등의 성분조성이 쉬워 전기로뿐만 아니라 후공정인 전로와 조합한 조업도 가능하다.

이러한 조업 과정에서 강중에는 수소가 발생되는데 그 원인은 다음과 같다.

제강에서 사용하는 부원료, 특히 생석회(CaO)의 경우 보관중에 수분발생을 피할 수 없으며 용강의 청정성 향상 및 강의 기계적 성질을 향상시키기 위해 용강처리에 투입되는 각종 부원료 및 합금철중의 수분에 의해 강중에 수소성분이 발생되며 이에 대한 화학 반응식은 다음과 같다

H42O (g) = 42H + O

이때 발생되는 수소가 강중 품질에 미치는 영향은 다음과 같다.

수소는 원자반경이 매우 작아 Fe격자 중에서 N, C와 같이 침입형으로 고용하며 수소는 다른 인자에 비해 확산속도가 빠르다. 이러한 수소는 금속의 조직에 잔류하여 인성저하, 취성파괴 및 용접 시 비드 하부 크랙발생 등 각종 결함의 원인이 된다.

수소 취성현상이란 수소가 고온,고압 하에서 금속내부에 침투하여 탄소와 작용, 탄산이 되면서 금속이 쉽게 깨어지는 성질이 증가하는 현상을 말하며 화학적인 반응은 다음과 같다

Fe3C + 42H42 = CH4 + 3Fe

특히 사용지가 극한지일 경우 강중에 존재하는 개재물 및 수소에 의해 금속에 Crack이 발생하는 현상인 HIC가 발생 될 가능성이 높다.(HIC : HYDROGEN INDUCED CRACK,수소유기 크랙현상))

이러한 원인에 의해 발생된 수소는 강중 수소성분 함유에 의한 용강 주조작업중 BREAK OUT이 발생하고 있다. 여기서 Break Out이란 용강의 연속 주조 중 고화가 미처 완성되지 않은 상태에서 강피막의 터짐현상등에 의한 조업 중단사태를 말한다.

상기와 같은 문제점을 발생시키는 수소성분을 분석하기 위해서 종래에는 다음의 방법으로 작업을 진행하였다. 종래 방법에 의한 수소성분의 분석 작업순서는 도 2 와 같다.

먼저 강중 수소성분 분석작업을 위해 조업자는 수소 시편을 보관하기 위한 액체질소 보관용기를 준비한다(도 2의 ② 단계). 다음으로 작업자는 액체질소를 액체질소 보관장소에서 일정량을 직접 수령한다.(도 2의 ③ 단계 ). 이때 액체질소 수령 및 용기 보관 시 작업자에 의한 직접적인 작업으로 피부접촉에 의한 동상의 우려(질소 온도:-190℃)가 문제된다.

다음작업은 작업자가 기존의 국자모양의 채취기를 이용, 용강내로 이를침적시켜 시료(강)를 직접 채취한 다음 미리 준비한 시료 보관용기에 보관한다.(도 2의 ④ 단계 ). 이 과정에서 작업자는 고온, 분진장소에 직접적으로 노출되어 대단히 위험한 환경에서 작업이 이루어 지며 또한 시료채취 시 채취자의 기능도에 따라 시편의 건전성 편차발생 및 시편 냉각 시 냉각과정에서 수소 일부 대기방출에 의한 분석값 신뢰성 저하 현상등의 문제점이 발생한다.

다음으로 작업자는 채취한 시료용기를 시험분석실로 의뢰하고 시험분석실에서는 시험분석기를 이용하여 시료분석을 통한 강중 수소성분을 추출함과 동시에 조업자에게 분석결과를 서면으로 통보한다.(도 2의 ⑤ 과정 ) 이 과정에서는 불필요한 시편분석 의뢰 등을 위한 행정업무가 발생하고 시험분석실에서 시료분석 시간 및 최종 확인 시까지의 소요시간 과다(1일 이상 소요)로 조업 신속대응이 곤란하고 그 결과분석 데이터를 조업에 즉시 적용하기에 곤란한 문제점이 있었다.

본 발명은 제철소 용광로에서 제조된 탄소 및 불순물이 다량 함유된 선강을 정련하는 과정인 고청정 강 제조 공정중 고철 등의 장입에 의해 발생되는 수소가금속의 인성저하, 취성파괴 및 크랙의 원인이 되고 있는데, 현재까지 국내에서 강중 수소성분 분석은 수작업에 의존하고 있는바 수소성분을 자동으로 분석할 수 있는 방법을 안출함으로서 특히 수소 분석과정의 채취에서 분석, 데이터의 전송, 이용까지를 자동 및 실시간으로 분석하는 방법 및 장치를 제공하는 것이다.

제 1도 : 본 발명이 관련된 제철소에서 전극봉을 이용한 제강 정련 조업 구성도

제 2도 : 종래의 수소성분 분석방법 순서도

제 3도 : 본 발명의 주요장치 구성도

제 4도 : 본 발명의 수소성분 채집 장치 및 방법 구성도

제 5도 : 본 발명의 수소분석 작업방법 순서도

제 6도 : 본 발명의 용강내 프로브 침적단계 및 위치 구성도

제 7도 : 본 발명의 승하강 장치 위치제어를 위한 센서설치 구성도

제 8도 : 본 발명을 이용한 실제 강중 수소성분 분석 결과도

본 발명은 상기와 같은 과제를 해결하기 위한 것으로, 용강중으로 질소 가스를 공급하기 위한 버블링관(44)과 기포를 채집하기 위한 기포 채집관(45)이 관통 설치되도록 내부관(33)이 형성된 랜스(42)와, 상기 랜스(42)를 승하강 작동 시키도록 된 구동모터(39)와, 상기 랜스(42)의 내부관(33) 선단부에 장착되고 기포채집을 위한 포로스벨(47)이 구비되어 있는 프로브(31)와, 상기 기포 채집관(45)을 통해 수집된 기포를 분석하기 위한 분석 장치로 구성된 것을 특징으로 한다.

또한 상기 랜스는 승하강 장치 지지대(71)에 결합되어 승하강 되며, 이 승하강 장치 지지대(71)에는 랜스(42)가 정해진 깊이 만큼 승하강 하도록 감지센서가(72,73,74,75,76)가 부착된다.

한편 수소성분을 채집하여 분석하는 방법에는, 용강중에 질소가스를 분사하는 단계와, 상기 용강중에 분사된 질소 가스내로 용강중의 수소가 확산되어 질소와 수소가 혼합된 기포를 발생시키는 단계와, 상기 질소와 수소가 혼합된 기포를 수집하는 단계와, 상기 수집된 기포를 분석하는 단계로 이루어 지며, 상기 질소와 수소가 혼합된 기포는, 포로스 벨이 부착된 프로브(31)에 의해 수집된다.

이하 본 발명의 작용을 첨부한 도면을 참조하여 더욱 상세히 설명한다.

도 5에 도시한 바와 같이, 용강내 수소성분을 분석하기 위해 조업자는 운전자용 단말기(36)에서 운전화면을 이용하여 수소분석작업을 위한 작업개시 지시를 내리게 된다(도5 ②). 운전화면에는 레벨 1,레벨 2,레벨 3,레벨 4위치를 지시할 수 있는 표시와 랜스 승하강장치의 승하강 작동상황이 표시되는 구조로 되어있다. 이때 작업 개시 전에 작업자는 사전에 프로브를 랜스에 장착시킨다. 작업지시는 전기제어장치(35)를 거쳐 랜스 승하강 장치(32)와 가스 수집 및 가스분석장치(34)로 전달되고 질소공급장치(33)에서 질소가 랜스로 공급되기 시작한다.

이때 질소는 공장에서 공용으로 사용되는 질소이며 질소공급은 질소공급장치내부에 설치된 벨브를 이용, 공급 및 차단 할 수 있는 구조로 되어있다.

이때부터 랜스 승하강장치가 하강하기 시작하여 미리 정해진 높이까지 하강하여 강중에 침적되며 이 과정에서 선단부가 Porous Tube (기포채집장치)로 구성된 소모형 프로브(Probe)가 용강에 침적되게 된다(도5 의 ③ 단계). 용강중에 프로브의 침적깊이는 실제 용강의 높이에 따라 정해지는데 이를 위해 조업자용 단말장치에 4단계 깊이로 선택하여 침적을 시킬 수 있도록 화면이 구성되어 있고 작업자는 단계를 선택하여 용강내 침적깊이를 결정, 이에 따라 랜스 승하강 장치가 정해진 깊이 만큼 하강한다. 하강 위치를 감지하기 위해 승하강 구동모터(39)와 모터 후단부에 위치감지센서(38)가 부착되어 있다.

랜스 승하강 장치는 1단계부터 4단계까지 4단계로 구분하여 하강토록 되어있고 승하강 하는 위치 및 용강내 침적 깊이, 각 단계에 대한 상세내용은 도 6에 표시하였다.

도 6에 도시한 바와 같이 제 1단계는 FL + 5400MM이며, 제 2단계는 FL + 5150MM, 제 3단계는 FL + 4900MM, 제 4단계는 FL + 4650MM이고, 실제 용강의 높이에 따라 작업자가 조업자용 단말장치에서 선택할 수 있도록 되어 있다.

또한 Lance승하강 장치에는 비상시를 대비해 일정한 깊이 이하와 높이이상으로는 승하강할 수 없도록 비상장치를 설치하였다. 이의 작동방법을 도7을 참조하여 설명하면, 먼저 승하강 장치가 일단 하강 시 일정한 위치에 도달하면 하강속도를 줄이기 위해 승하강장치 지지대(71)에 하강속도 감소용 센서(limit sensor,(72))를 부착, 랜스 승하강 장치가 하강 시 이를 감지하여 랜스 구동모터의 회전속도를 감속하여 하강속도를 줄이고 원하는 깊이만큼 하강하며 이상에 의해 하한치 이상으로 하강 시 비상 센서(73)가 이를 감지, 즉시 랜스 구동모터의 작동이 중단된다.

또한 승하강장치의 상승 시에도 상승 속도감지센서(74)의 감지에 의해 상승속도가 감소하고, 목표지점에 도달하면 상승정지 센서(75)의 감지에 의해 승하강 장치가 정지하도록 되어있다. 만약 이상이 발생하여 상승 상한치 이상으로 상승 시에는 상한 비상센서(76)가 이를 감지 즉시 구동모터를 정지되도록 장치를 구성하였다.

이때 각각의 경우를 위한 실제 센서들의 설치위치와 동작결정지점은 도 7 하단에 상세히 나타내었다.

강중 수소가스를 채집하는 방법을 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 먼저 소모성 프로브는 용강내 일정한 깊이로 침적되고 질소 분사장치인 질소공급장치(33)에 의해 Lance내 설치된 내부관내의 Bubbling Tube(44)를 통해 질소가스를 용강중에 강제로 분사한다(도 5의 ④ 단계)

용강중에 용해되어 있는 수소는 분사되어진 질소 기포 안으로 확산되고, 이 기포는 기포채집장치에 의해 자동 채집된다.(도 5의 ⑤ 단계)

이제 채집된 강내 발생기포(질소+수소)는 랜스 관내 통로인 채집관(45,Sunction Tube)를 통해 가스수집 및 가스 내 수소분석장치(34)로 보내지고, 이 장치에서 채취된 용강내 기포속의 질소와 수소를 분리, 수소성분을 자동으로 분석한다.(도 5의 ⑥ 단계)

이 장치 내에서는 용강내 질소가스에 의해 확산, 측정된 수소분압과 용강중의 수소분압이 같아지게 되면 이 시점에서 더 이상의 질소가스의 분사는 없어지고 질소공급장치에서 질소공급이 중단되며 랜스 승하강 장치가 상승하고 강중 수소성분 분석 작업이 이루어진다.

분석 완료된 수소 성분 데이터는 상위 레벨 시스템인 전기제어장치(35)로 유선 Cable을 통한 통신방식(RS42342방식)으로 전송되며, (도 5의 ⑦ 단계) 분석 데이타를 직접 조업자가 확인하고 이를 공정에 적용시키기 위한 지시를 내리는 운전자용 단말장치(36)에 수소분석 데이타가 자동으로 획득되어지고 화면상에 실시간으로 보여지게 된다.(도 5의 ⑧ 단계)

상기와 같은 과정을 거쳐 강중 수소 성분분석이 완료되면 작업자는 수소 성분데이타를 이용, 후 공정이나 관련공정에 이용, 효율적인 작업을 진행할 수 있게 된다.

또한 랜스 승하강 장치의 이상 발생으로 승하강이 불가능하거나, 정비시나비상시에는 작업등을 위해 스위치작동에 의한 수동으로 진행시킬 수 있도록 스위치가 부착된 Local 전기제어장치(37)가 설치되어 있다.

본 발명에 의한 실제 수소성분 분석결과는 도8에 보여주고 있다.

도8에 나타난 바와 같이 강중 수소성분 분석이 시작되고 나서 시간이 지남에 따라 안정적으로 진행됨을 볼 수 있다. 따라서 본 발명에 의해 조업자의 수작업에 의존한 용강 시료 채취 작업 시 채취된 시료의 보관 및 작업 과정에서 있을 수 있는 인명피해 가능성을 없애고 조업자들 간의 작업편차에 의한 분석정도의 저하, 시료분석 시간 및 최종 확인 시까지의 소요시간 과다로 조업 신속대응과 분석결과 적용이 곤란한 문제점들의 해결이 가능하며 조업설비의 안정적 운용 등의 효과등과 궁극적으로 용강중 수소성분을 조업자의 개입이나 별도의 시험장비들을 사용하지 않고 실시간으로 채취, 분석하여 조업공정에 활용하여 생산성 향상은 물론 각종 조업기준의 정립 등의 효과가 있다.

Claims (5)

1. 용강중으로 질소 가스를 공급하기 위한 버블링관(44)과 기포를 채집하기 위한 기포 채집관(45)이 관통 설치되도록 내부관(43)이 형성된 랜스(42)와,

   상기 랜스(42)를 승하강 작동 시키도록 된 구동모터(39)와,

   상기 랜스(42)의 내부관(43) 선단부에 장착되고 기포채집을 위한 포로스벨(47)이 구비되어 있는 프로브(31)와,

   상기 기포 채집관(45)을 통해 수집된 기포를 분석하기 위한 분석 장치로 구성된 것을 특징으로 하는 용강중의 수소채집분석 장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 랜스는 승하강 장치 지지대(71)에 결합되어 승하강 되는 것을 특징으로 하는 용강중의 수소채집분석 장치.
3. 제2항에 있어서,

   상기 승하강 장치 지지대(71)에는 랜스(42)가 정해진 깊이 만큼 승하강 하도록 감지센서가(72,73,74,75,76)가 부착된 것을 특징으로 하는 용강중의 수소채집분석 장치.
4. 용강중에 질소가스를 분사하는 단계와,

   상기 용강중에 분사된 질소 가스내로 용강중의 수소가 확산되어 질소와 수소가 혼합된 기포를 발생시키는 단계와,

   상기 질소와 수소가 혼합된 기포를 수집하는 단계와,

   상기 수집된 기포를 분석하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 용강중의 수소 가스 채집분석 방법.
5. 제4항에 있어서,

   상기 질소와 수소가 혼합된 기포는, 포로스 벨이 부착된 프로브(31)에 의해 수집되는 것을 특징으로 하는 용강중의 수소 가스 채집분석 방법.