KR20030049287A

KR20030049287A - 용강의 탈류방법

Info

Publication number: KR20030049287A
Application number: KR1020010079457A
Authority: KR
Inventors: 김정식; 서성모; 심상철
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2001-12-14
Filing date: 2001-12-14
Publication date: 2003-06-25

Abstract

본 발명은 2차정련시 용강을 탈류하는 방법에 관한 것으로서, 용강의 2차 정련공정에서 버블링 작업시 버블링 랜스를 용탕내에서 상하로 움직이거나 완전 슬래그층을 빠져 나갔다가 다시 침지하여 레이들내 슬래그/용탕 계면 근방에 집적되어 있는 산화물계 개재물층을 신속하게 파열, 분산시킴으로써 탈류효율을 보다 향상시킬 수 있는 용강의 탈류방법을 제공하고자 하는데, 그 목적이 있다.

본 발명은 용강의 2차 정련공정에서 버블링 랜스를 통한 아르곤 가스의 취입에 의해 용강에 교반력을 부여하여 용강을 탈류하는 방법에 있어서, 상기 버블링 랜스를 통해 아르곤 가스를 용강 1톤에 대하여 1.5~10.0Nl/min의 유량으로 용탕내에 취입하여 용탕에 교반력을 공급하고, 그리고 버블링 작업중에 상기 버블링 랜스를 용탕내에서 상하로 움직이거나 버블링 랜스를 레이들내 슬래그층 상부로 일단 빼었다가 다시 침지시켜 슬래그 및 용강계면에 집적된 산화물계 개재물층을 파열, 분산시키는 용강의 탈류방법을 그 요지로 한다.

Description

용강의 탈류방법 {A Method for Desulfurizing Molten Steel}

본 발명은 2차정련시 용강을 탈류하는 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 슬래그 및 용강계면에 집적된 산화물계 개재물층을 파열, 분산시켜줌으로써 탈류효율을 향상시킬 수 있는 용강의 탈류방법에 관한 것이다.

통상 제강조업은 용선예비처리 ~ 전로 ~ 2차정련 공정으로 구분된다.

용선예비처리는 고로로부터 출선된 용선중 함유되어 있는 불순원소인 유황, 인등을 전로에 장입하기 전에 미리 제거하는 단계이며, 전로조업은 주원료로 용선과 고철을 사용하여 송산랜스를 통해 순산소를 취입하면서 생석회 등의 부원료 및 냉각재등을 투입하여 탈탄 및 탈린하여 장입된 용선을 정련한다.

이렇게 정련된 용강은 출탕과정을 거치는데, 이때 수요가가 원하는 용탕의 조성을 얻기 위하여 기본적인 합금철 및 탈산재등을 투입하고, 필요에 따라서 2차정련공정에서 탈황을 위하여 레이들내 용강 상부에 생석회 및 형석등을 투입한다.

이렇게 한 다음, 2차정련 스테이션(station)으로 이송한 후 도 1과 같이 버블링 랜스(Bubbling Lance)(3)를 상부로부터 레이들(Ladle)(5)내 용강(1)으로 침지하여 버블링하면, 용강(1)내 기포(4)가 생성되어 부상하면서 용강의 교반력을 공급함에 의해 용강(1) 및 슬래그(2)의 성분 및 온도의 균일화와 동시에 탈류가 진행된다.

도 1에서 부호 6은 아르곤 가스를, 그리고 부호 7은 플럭스, 탈산제 및 합금철 투입구를 나타낸다.

상기에서 출강중 투입된 탈산재는 용탕중 용해산소와 반응하여 산화물계 개재물이 생성되며, 합금철은 용해되어 필요 성분을 공급하게 된다.

그리고 생석회는 슬래그 염기도를 상승시키기 위해 투입하는데, 이것은 용탕상부에 출탕시 유출된 전로슬래그와 혼재되어 있게 된다.

여기서, 전로슬래그는 염기도(CaO/SiO₂)가 3.0~3.5이고 철산화물(FeO)이 20~35중량% 함유되어 있다.

한편, 2차정련 스테이션에 도착한 레이들내 용탕은 탈산된 상태로 내부에는 탈산생성물인 미세한 개재물로 현탁되어 있다. 이러한 개재물은 용탕보다 비중이 1/3~1/2로써 가벼우므로 부상하여 용탕과 슬래그 계면 근방으로 집적된다.

슬래그/용탕간 탈류반응식인 하기 식(1)을 이용하여 레이들내 용탕중 유황의 효과적인 슬래그층으로의 제거에 대하여 설명하면 다음과 같이 정리된다.

(CaO) + [S] →(CaS) + [O]

logK( = a_CaO·a_S/a_CaS·a_o) = -5170/T + 1.34

여기서, K는 탈류반응에 대한 화학 반응 평형정수이며, a_i는 I성분의 활동도를, T는 절대온도를 의미한다.

상기 평형정수로부터 효과적인 탈류반응의 유도를 위해서는 일정온도에서는 반응물인 슬래그중 CaO 활동도와 용탕중 [S]의 활동도를 크게 해주는 것이 좋고, 반면에 생성물인 슬래그중 CaS 활동도와 용탕중 [O]의 활동도를 낮게 해주는 것이 바람직함을 알 수 있다.

그리고 반응온도가 높을수록 탈류반응이 잘 일어난다는 것도 알 수 있다.

한편, 실조업에서도 탈류조업시 다음의 조건을 만족시키기 위해 작업을 실시하고 있다.

그 조건을 열거하면 다음과 같다.

1) 용탕 및 슬래그중 산소포텐샬이 낮아야 한다. 즉, 용탕중 용해산소 낮고, 슬래그중 산화철 및 산화망간의 함량의 합이 1중량 % 이하여야 한다.

2) 용강온도가 높을수록 좋다

3) 슬래그의 염기도 높고, 용융점이 낮을수록 좋다.

4) 용탕중 산소와의 화학적 친화력이 강한 원소가 많을수록 좋다.

일반적으로 현장조업에서는 상기 조건중 1)을 충족시키기 위하여 용탕 및 슬래그를 알미늄(Al)등과 같은 강력한 탈산력을 가진 원소로 탈산을 한다.

상기 조건중 2)는 별도의 조정을 할 수 없으며, 통상 용탕온도는 1580~1620℃ 범위에서 탈류작업을 하게 된다.

상기 조건중 3)의 조건을 충족시키기 위해 출탕작업시 미리 2500℃의 고융점 생석회를 투입하고 있으며, 조기 재화를 위해 형석을 같이 투입하고, 1)의 조건을 위해 실시한 탈산재에 의해 용탕중 생성된 탈산생성물이 부상하여 슬래그층으로 모이게 되고, 슬래그중의 산화철이나 산화망간이 환원되어 생성되는 알루미나 등이 25중량% 이상 함유시켜 용융점이 낮은 슬래그로 유도하는 작업을 한다.

그리고 상기 조건중 4)의 조건은 수요가가 원하는 용강조성을 맞추어야 하기 때문에 탈류율을 높이기 위해 인위적으로 높일 수는 없다.

상기한 바와 같이, 효과적인 탈류를 위한 조건을 맞추기 위해 적극적으로 실시함에도 불구하고 탈류율은 저조하여 성분격외가 발생되는 경우가 적지 않다.

본 발명자들은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 연구 및 실험을 행하고, 그 결과에 근거하여 본 발명을 제안하게 된 것으로서, 본 발명은 용강의 2차 정련공정에서 버블링 작업시 버블링 랜스를 용탕내에서 상하로 움직이거나 완전 슬래그층을 빠져 나갔다가 다시 침지하여 레이들내 슬래그/용탕 계면 근방에 집적되어 있는 산화물계 개재물층을 신속하게 파열, 분산시킴으로써 탈류효율을 보다 향상시킬 수 있는 용강의 탈류방법을 제공하고자 하는데, 그 목적이 있다.

도 1은 통상적인 레이들 정련에 있어 버블링 작업을 나타내는 개략도

도 2는 종래기술에서의 버블링 작업 및 산화물계 개재물 집적층을 나타내는 모식도도 3은 본 발명에 의한 버블링 작업 및 탈류반응 향상을 위한 산화물계 개재물 집적층 해소기구를 나타내는 모식도

도 4는 본 발명에 의한 다른 버블링 작업 및 탈류반응 향상을 위한 산화물계 개재물 집적층 해소기구를 나타내는 모식도

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

1 . . . 용강 2 . . . 슬래그 3 . . . 버블링 랜스 5 . . . 레이들6 . . . 아르곤 가스 9 . . . 산화물계 개재물 집적층

이하, 본 발명에 대하여 설명한다.

본 발명은 용강의 2차 정련공정에서 버블링 랜스를 통한 아르곤 가스의 취입에 의해 용강에 교반력을 부여하여 용강을 탈류하는 방법에 있어서,

상기 버블링 랜스를 통해 아르곤 가스를 용강 1톤에 대하여 1.5~10.0Nl/min의 유량으로 용탕내에 취입하여 용탕에 교반력을 공급하고, 그리고 버블링 작업중에 상기 버블링 랜스를 용탕내에서 상하로 움직이거나 버블링 랜스를 레이들내 슬래그층 상부로 일단 빼었다가 다시 침지시켜 슬래그 및 용강계면에 집적된 산화물계 개재물층을 파열, 분산시키는 용강의 탈류방법에 관한 것이다.

이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명자들은 연구 및 실험 결과, 다음과 같은 사실을 발견할 수 있었다.

즉, 전로~레이들간 출탕시 탈산재에 의해 생성된 알루미나 및 산화규소 등의 개재물들이 부상되어 슬래그/용탕간 계면에 집적됨에 따라 상기의 조건인 슬래그의 평균 조성 자체는 염기도가 높고, 용탕 및 슬래그의 산소포텐샬이 낮음에도 불구하고 국부적으로는 탈류반응이 진행되는 장소인 슬래그/용탕계면에서는 평균 조성과 같이 균질화가 되어 있지 않고 개재물들이 집적된 상태로 되어 있어 탈류반응이 효과적으로 일어나지 않음을 알았다.

본 발명은 상기한 연구 및 실험결과를 토대로 하여 이루어진 것으로서, 2차정련단계에서 탈류를 위한 버블링 작업시 슬래그와 용강 계면 근방에 집적된 탈산에 의해 생성된 산화물계 개재물층을 버블링 랜스를 이용하여 상하로 움직이거나 랜스를 슬래그층으로 일단 빼내었다가 다시 용탕내로 침지하여 파열, 분산시킴으로써 탈류반응에 유리한 슬래그중의 산화칼슘의 활동도를 증가시켜주고 슬래그중의 산화철 및 산화망간을 강탈산원소에 의해 신속히 환원시키는 일련의 과정을 조기에 유도함에 의해 탈류효율을 향상시키는데 특징이 있다.

상기 슬래그와 용탕 계면 근방에 집적된 산화물계 개재물층은 출탕시 투입된 탈산재에 의해 용탕중 용해산소와 반응하여 생성된 산화물(주로 Al₂O₃또는 SiO₂)로써 CaO가 다량 함유된 슬래그층과 용탕과의 별도의 층을 형성함에 의해 탈류반응을 진행시킴에 있어 큰 장애요인으로 작용하고 있다. 이것을 도식적으로 나타내면 도 2와 같이 된다.

도 2에서 볼 수 있는 바와 같이, 아르곤을 용강내에 취입하면 랜스(3) 선단부로부터 아르곤 기포가 생성되고 이 기포는 용탕내부에서부터 슬래그 계면층으로 상승하면서 용탕(용강)(1)은 교반된다. 이때 슬래그(2)층은 기포가 파열되면서 나탕을 발생시키며, 이 나탕 근방의 슬래그(8)층은 혼합성이 좋은 슬래그 영역이 된다.

하지만, 이 영역을 밖의 슬래그층은 교반의 영향력이 약해지면서 슬래그/용탕 계면의 산화물계 개재물 집적층(9)을 파열하기에는 계면적이 좁으므로 슬래그/용탕간 계면반응에 의해 탈류반응을 진행하기에는 많은 시간이 소요되어, 주어진 시간내에 2차정련작업을 진행하기에는 충분한 탈류율을 얻을 수가 없다.

도 2에서 부호 10은 기포부상에 따른 용강의 흐름방향을 나타낸다.

반면에, 본발명은 상기의 문제점을 해소하기 위해 용탕내 아르곤 가스 버블링을 실시할 때 버블링 랜스를 상승시켜 슬래그층의 교반력이 강하게 해주거나 랜스를 상승시켜 일단 슬래그 밖으로 빼낸 다음 다시 용탕내 침지시켜줌으로써 종래에 문제가 되었던 슬래그층의 나탕 부위 근방를 제외한 슬래그층의 혼합성도 충분히 제공함으로써 슬래그/용탕 근방에 집적되어 있던 산화물계 개재물층을 신속히 파열,분산시켜 슬래그/용탕 계면반응에 의해 탈류반응하는 계면적이 대폭 확대됨에 따라 탈류반응에 효과적인 작용을 시켜줌으로써 단시간에 목표하는 탈류율을 얻을 수 있게 된다.

상기한 본 발명의 기본적인 기술사상을 도식적으로 표현하면 도 3 및 도 4와같이 나타낼 수 있다.

도 3에 나타난 바와 같이, 버블링 랜스(3)를 슬래그/용탕간 계면층으로 상승시키면 슬래그/용탕간 계면층 부근에 강한 교반력을 제공하여 랜스 선단부로부터 생성된 아르곤 기포가 슬래그 계면층으로 상승하면서 용탕(1)을 강히게 교반시키고, 이때 슬래그(2)층은 기포가 파열되면서 나탕을 발생시켜, 나탕 근방의 슬래그(8)층은 혼합성이 좋은 슬래그 영역이 되면서 슬래그층 근방의 개재물 집적층을 파열, 분산시키는 효과가 있다.

또한, 도 4에 나타난 바와 같이, 버블링 작업을 하기 위해 용탕내로 랜스를 침지하고[도 4의(a)], 단시간 버블링을 한 다음, 버블링 랜스를 슬래그층 밖으로 일단 빼내었다[도 4의(b)]가 다시 침지[도 4의(c)(d)]하므로써, 버블링 랜스를 일단 슬래그층 밖으로 빼내는 순간 버블링중 나탕밖으로 밀려나간 슬래그가 다시 밀려오면서 슬래그 혼합성을 제공하고 또 다시 랜스의 용강내 침지에 의해 혼합성을 제공함으로써 슬래그층 근방의 개재물 집적층은 완전해소되면서 슬래그중 CaO와 용탕중 유황의 반응 기회 확대는 물론 슬래그중 산화철 및 산화망간의 환원이 급속히 진행되면서 탈류속도가 크게 향상되게 된다.

상기와 같은 현상을 바람직하게 유도하기 위한 버블링 작업시 랜스를 통해 취입하는 아르곤 유량은 용강 1톤당 1.5~10Nl/min 범위로 설정하는 것이 바람직하다.

아르곤 유량을 용강 1톤당 1.5Nl/min 미만으로 취입하는 경우에는 버블링에 의해 교반강도가 약하여 본 발명의 효과를 충분히 얻지 못하고, 용강 1톤당 10Nl/min 초과하여 취입한 경우에는 용탕이 비산하는 스프래쉬(Splash)현상이나 용탕중 대기의 질소 픽업(Pick-up)이 생기는 경우가 있어 버블링 작업시 취입하는 아르곤 유량은 용강 1톤당 1.5~10Nl/min 범위로 설정하는 것이 바림직하다.

한편, 본 발명에서는 용탕온도가 높고, 버블링작업중 나탕 부위에 산소와의 친화력이 강한 알미늄 또는 실리콘 등을 투입하는 것이 보다 효과적이다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다.

(실시예)

300톤 용량의 레이들을 이용하여 전로에서 출탕과정에 탈산재로써 하기 표 2의

조성을 갖는 알미늄 또는 페로실리콘(Fe-Si)을 투입하고, 합금철로써 주로 하기 표 2의 조성을 갖는 페로망간(Fe-Mn)과 페로실리콘등을 투입하였으며, 부원료로는 하기 표 1의 조성을 갖는 생석회 및 형석을 각각 1~2톤 및 100~200kg을 투입하여 출탕을 완료한 다음, 버블링 스탠드(Bubbling Stand)로 이송하여 버블링 랜스를 이용하여 아르곤 유량을 용강 1톤당 3.0~9.0Nl/min를 취입하면서 약 10분간 버블링을 실시하였다.

이때 사용한 버블링 실시전 용강은 탄소: 0.04~0.06중량%, 규소: 0.15~0.60중량%, 망간: 0.60~1.60중량%, 인: 0.008~0.013중량%, 및 유황: 0.003~0.008중량%의 조성을 갖는다.

구분	화학조성(중량%)
구분	CaO	MgO	Fe₂O₃	SiO₂	Al₂O₃	CaF₂	Igloss
생석회	90.71	3.80	0.49	0.92	0.28	-	3.80
형석	-	-	-	13.54	-	83.86	-

구분	화학조성(중량%)
구분	Fe	C	Si	Mn	P	S	Al	Mg
알미늄	1.58	-	0.51	0.25	-	-	95.67	0.49
페로실리콘	24.29	0.02	75.64	0.01	0.02	0.02	-	-
페로망간	18.40	0.45	0.43	80.55	0.17	0.004	-	-

(종래예)

상기 과정을 통해 버블링 스탠드에 도착한후 레이들내 용탕을 랜스를 이용하여 버블링을 실시하되, 랜스를 레이들 바닥으로부터 300mm 떨어진 지금까지 랜스 선단부를 고정시켜 놓고 10분간 연속하여 버블링을 실시하였다. 이 방법으로는 33 차이지(Charge)분에 대해 실적을 정리해 본 결과, 탈류율은 50~70%를 얻었다. 여기서 탈류율은 버블링 처리전 용탕중 유황농도에 대해 버블링 처리 전후의 유황농도의 차를 백분율로 표시한 것을 의미한다.

(발명예 1)

상기 과정을 통해 버블링 스탠드에 도착한후 레이들내 용탕을 랜스를 이용하여 10분간 버블링을 실시하되, 버블링을 개시한후 초기 1.5분간은 랜스를 레이들 바닥으로부터 300mm 떨어진 위치까지 랜스 선단부를 고정시켜 놓고 하다가 1.5분간은 슬래그/용강 계면 근방의 개재물 집적층을 해소 할 목적으로 랜스를 슬래그층 계면으로부터 900mm까지 상승시켜 버블링을 실시한 다음 다시 하강시 레이들 바닥으로부터 300mm 떨어진 위치까지 랜스 선단부를 고정시켜 놓고 7분간 연속하여 버블링을 실시하였다.

이러한 방법으로 10차이지를 대상으로 시험한 결과, 탈류율은 73~78%를 얻었다. 이 사실로부터 종래예에서 얻은 탈류율 50~70%에 비하여 탈류율의 변동폭도 적으며, 탈류효율 향상 효과를 얻었으며, 이로부터 본 발명법에 의해 안정적인 탈류반응이 진행되었음을 확인할 수 있었다.

(발명예 2)

상기 과정을 통해 버블링 스탠드에 도착한후 레이들내 용탕을 랜스를 이용하여 10분간 버블링을 실시하되, 버블링을 개시한후 초기 1.5분간은 랜스를 레이들 바닥으로부터 300mm 떨어진 위치까지 랜스 선단부를 고정시켜 놓고 하다가 1.5분간은 슬래그/용강 계면 근방의 개재물 집적층을 해소 할 목적으로 랜스를 상승시켜 슬래그층 밖으로 완전히 빼낸 다음 바로 랜스를 하강시켜 슬래그층 계면으로부터 900mm 위치에 고정시켜 3.5분간 버블링을 실시한 다음 다시 랜스를 하강시켜 레이들 바닥으로부터 300mm 떨어진 위치까지 랜스 선단부를 고정시켜 놓고 5분간 연속하여 버블링을 실시하였다.

이와 같은 방법으로 13차이지를 시험한 결과, 탈류율은 77~83%를 얻었다. 이 결과로부터 본 방법이 발명예1에서 얻은 탈류율 73~78%에 비하여 탈류율의 변동폭은 유사하지만 탈류율 약 5%정도 높게 얻어졌다. 이것은 버블링 도중 랜스를 슬래그층으로 완전히 빼낸 다음 다시 슬래그층을 통해 버블링 해준 것이 슬래그/용탕 계면에서의 탈류반응시 계면적의 증대 효과가 더 크게 작용할 결과로 생각되며, 보다 안정적인 탈류반응을 진행시키기 위해서는 이 방법이 가장 효과적임을 확인할 수 있었다.

상기한 본 발명의 방법에 의해 저류강을 대상으로 유황의 성분격외는 종래에는 매월 4~5차이지(charge)가 발생하였으나, 본 발명의 방법으로 3개월간 1차이지만이 발생하여 종래방법에 비해 현저한 탈류율의 안정적 확보가 가능함을 입증할 수 있었다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 탈류작업시 슬래그와 용탕 계면에서의 탈류반응을 저해하는 슬래그 계면층 근방의 산화물계 개재물의 집적층을 버블링 방법을 개선하여 해소함으로써, 저류강의 안정적 탈류작업이 가능해짐에 따라 유황의 성분격외의 대폭적 감소를 통해 용강의 품질향상은 물론 용강 제조 원가를 낮추는 효과를 제공함에 따라 생산성 향상 및 작업성이 개선되는 부수적인 효과도 얻을 수 있다.

Claims

용강의 2차 정련공정에서 버블링 랜스를 통한 아르곤 가스의 취입에 의해 용강에 교반력을 부여하여 용강을 탈류하는 방법에 있어서,

상기 버블링 랜스를 통해 아르곤 가스를 용강 1톤에 대하여 1.5~10.0Nl/min의 유량으로 용탕내에 취입하여 용탕에 교반력을 공급하고, 그리고 버블링 작업중에 상기 버블링 랜스를 용탕내에서 상하로 움직이거나 버블링 랜스를 레이들내 슬래그층 상부로 일단 빼었다가 다시 침지시키는 것을 특징으로 하는 용강의 탈류방법