KR20040091653A - 강철 용해물의 심층 탈탄 방법 - Google Patents

Abstract

용해된 강철을 RH-유닛 내에서 탈탄하는 방법이 개시된다. 상기 방법은 자연 탈탄의 결과로 강철 배스 내에서 용해되고 시스템 내에 존재하는 산소로 인해 방출된, 진공 용기(2) 내의 CO의 증가 시에, 용해물의 초기 탄소 함량 및 초기 산소 함량 비율을 기초로 하여 계산된 산소량이 도입되며, 블로우 과정의 개시를 위해 초기 탄소 함량에 기초하여 계산된 개시 압력이 결정되는 것을 특징으로 한다.

Description

강철 용해물의 심층 탈탄 방법 {METHOD FOR DEEP DECARBURISATION OF STEEL MELTS}

도면에서 도1에 도시된 상기 유형의 RH-시스템은 탱크(1)로 구성되며, 이 탱크 상에는 탈탄화 공정을 수행하기 위한 진공 용기(2)가 놓이며 진공 용기의 바닥으로부터 시작되는 2개의 침지 도관(8)은 탱크 내에 위치하는 강철로 침지된다. 진공 용기(2)가 연결 튜브(3)를 통해 도시되지 않은 진공 펌프와 연결됨으로써, 이러한 방식으로 진공 용기(2) 내에 설정된 진공으로 인해 강철은 탱크(1)로부터 진공 용기(2)로 그리고 진공 용기로부터 탱크로 다시 복귀되도록 순환된다. 이러한 순환은 분사 장치(4)를 통해 하나의 침지 도관(8) 내로 아르곤과 같은 희유기체를 주입시킴으로써 지원될 수 있다. 산소 제트(6)는, 진공 용기(2) 내에서 이동 가능하게 배열된 공급 랜스(5, lance)를 통해 진공 용기(2) 내에 위치한 강철 배스의배스 상부 표면으로 공급된다.

RH-공정의 범주 내의 이러한 산소 공급은 여러 이유에서 바람직할 수 있다. 첫번째 이유는, 요구되는 탈탄을 자연 방법으로 수행하기에는 탱크 내에 있는 용해물의 장입량(charge)에서 생성된 산소 함량이 충분치 않다는 것이다. 이러한 점이 후술되는 본 발명의 기초를 이룬다. 다른 이유는, 장입물의 온도가 너무 낮아 장입물에 대한 산소의 "과잉 공급"으로 인해 탈탄을 위해 필요한 산소보다 더 많은 산소가 수용되며, 이러한 추가로 수용된 산소는 통상적으로 알루미늄을 통해 결합되고 이는 온도를 상승시키거나 또는 자연 탈탄을 위해 충분한 산소를 함유하는 경우에는 산소 공급을 통해 탈탄이 가속된다는 것이다.

통상적인 블로우 공정은, 진공압이 사전에 확정 설정되었을 경우에, 요구되는 장입물 탈탄 정도가 달성될 때까지, 특정되지 않은 산소량이 배스 상부 표면에 공급되도록 설정된다. 블로우 공정은 통상적으로 과잉 산소로 실행된다.

서두에 언급된 종래 기술에 따른 방법은 예를 들어 유럽 특허 공보 제0 347 884 B1호에 공지되어 있고, 상기 방법에서, 탈탄으로 인해 방출된 CO가 탈탄 단계에 이어 상술된 방식으로 공급된 과잉 산소에 의해 후연소(post combustion)됨으로써, 이에 의해 얻어진 열이 공정 과정에 유용하도록, 진공 용기 내에서 탈탄된 강철의 열 손실을 최소화되도록 실질적으로 RH-유닛의 진공 용기 내로의 산소 공급이 설정된다. 특히 후연소를 위한 산소 또는 산소 함유 기체의 공급은 (CO + CO₂)≥ 5% 및 CO₂/(CO + CO₂)≥30%의 배기 가스량의 한계 조건에 의해 규정된다. 공지된방법의 범주 내에서 사용된 산소 공급은 야금학 공정 및 요구에 일치하지 않는다.

본 발명은 용해된 강철을 RH-시스템 내에서 심층 탈탄하기 위한 방법이며, 강철은 탱크로부터 진공 설정된 진공 용기로 안내되고 순환식으로 다시 탱크로 복귀되며, 진공 용기 내에 놓인 강철 배스(steel bath)의 배스 상부 표면에 대해 소정 간격으로 이격된 블로우(blow) 파이프에 의해 산소 또는 산소 함유 기체가 강철 배스 상으로 공급된다.

현대 야금학의 배경에는 탈탄 종료 시에 통상적으로 10 내지 15ppm 사이의 값을 갖는, 탈탄화 용해 강철의 낮은 최종 탄소 함량을 요구하기 때문에, 본 발명의 목적은, 강철 내의 낮은 최종 탄소 함유를 달성케 하며 공급 산소에 대한 요구가 낮게 설정될 수 있는 것을 가능케 하는 용해 강철 탈탄 방법을 제공하는 것이다.

이러한 목적의 해결책은 본 명세서의 종결부에 기재된 특허청구범위의 특징에 설명된 본 발명의 바람직한 실시예 및 구성에서 알 수 있다.

상세하게는, 자연 탈탄의 결과로 강철 배스 내에서 용해되고 시스템 내에 존재하는 산소로 인해 방출된, 진공 용기 내의 CO의 증가 시에, 탈탄될 장입물 내의 초기 산소 함량에 대한 초기 탄소 함량 비율을 기초로 하여, 이하의 공식에 따라 탈탄을 위해 요구되는 산소 비율이 계산되고,

공급된 산소량이 이하 공식에 따라 계산되며,

블로우 과정의 개시를 위해 진공 용기 내에 설정된 개시 압력(P_start)은 용해 강철의 초기 탄소 함량(C_ini)의 함수로서, 하기 방정식에 따라 결정된다.

여기서,

Qo₂는 공급된 산소량(Nm³),

O_Dec는 탈탄을 위해 필요한 산소 비율(ppm)

O_{End Dec}는 탈탄 공정의 종료 시에 장입물에 함유된 산소 비율(ppm),

C_ini는 용해 강철의 초기 탄소 함량(ppm)

O_ini는 용해 강철의 초기 산소 함량(ppm)

G_Ch는 장입물의 무게(Kg)

P_O2는 산소 밀도 계수 = 1.428 Kg/Nm³를 의미한다.

본 발명에서, 용해 강철 내의 탄소 함량이 높을 때 충분한 산소 공급을 통해 용해 강철 내에 생성된 탄소가 CO와 반응하도록 그리고 용해물로부터 기체 형태로 제거되도록 그리고 이에 의해 산소 공급 효과가 증대되도록, 자연 탈탄화를 기초로 하여 가능한 조기에 산소가 용해 강철에 공급되도록 하는 지식이 고려된다.

본 발명은, 장입물의 탈탄 시에 캐스팅 슬래그(casting slag)와 같은 산소공급 매체를 고려하여 또는 진공 용기 내에 보유된 강철 바(bar)를 고려하여 요구되는, 장입물의 중량 유닛 당 필요한 산소량 요구는 용융물의 초기 탄소 함량에 대한 용융물의 초기 산소 함량의 비율에 대한 소정의 변수로서 유닛 특성적으로 관련될 수 있으며 공급되는 산소량에 대한 산출의 기초로서 제공되어, 탈탄 장입물 및 블로우 공정의 종료 시에 장입물에 설정되는 최종 산소 함량(O_{End Dec})의 변수(G_CH)를 고려하여 전체 산소량이 결정되어 공급될 수 있다. 통상적인 공정에서, 일반적으로 200ppm 내지 400ppm, 평균 300ppm의 최종 탄소 함량이 장입물에서 설정되었다. 최종 산소 함량이 200ppm보다 적을 때, 탈탄 공정은 불필요하게 연장되는데, 이는, 추가의 탈탄을 실행하기에 너무 적은 산소가 제공되기 때문이다. 최종 산소 함량이 400ppm 이상이면, 용융물, 특히 알루미늄 내의 산소 결합을 위한 탈산소 수단에 대한 요구가 강하게 증가하는데, 이는 탈탄 공정의 종료 시에 용융물에 남아있는 산소가 결합되어야 하기 때문이다. 최종 산소 함량이 너무 높을 때 요구되는 탈산소 수단은 용융물의 주입 시에 방해적으로 작용하는 품질 문제를 야기한다.

그러나, 본 발명에 따르면, 산소 공급 요구만이 결정되는 것이 아니라, 동시에, 산소 공급 과정의 개시도 결정되는데, 이러한 개시는 용융물의 초기 탄소 함량에 따라 결정되는 개시 압력으로서, 요구된 후연소가 달성될 때까지 산소 공급량이 공급되고 탈탄은 산소 과잉 하에 발생하는 후분사 이전에 산소 공급에 의해 실행되도록 결정된다.

상세하게는, 본 발명에 따른 방법을 실행하기 위한, 탈탄될 용융물의 각각의 장입물에 대한 제1 단계로서, 공급되는 산소량 계산이 용융물 내의 추가 탄소 함량 및 초기 산소 함량에 따라 실행된다. 장입물의 탈탄을 위해 공급되는 산소량은 유닛 특성적인 상태에 따르는데, 이는 탈탄을 위해 필요한 산소 요구가 예를 들어 진공 용기 내에 보유된 강철 바 또는 존재하는 캐스팅 슬래그와 같은 공정 제한적인 산소원을 통해 부분적으로 이미 처리되었기 때문이다. 통상적으로, RH-유닛은, 각 제품군에 따라 포괄적으로 동일한 합성물을 갖는 용융물을 처리하기 때문에, RH-유닛의 작동 중에 실질적인 변경이 형성되지 않음으로써, 유닛 특성적인 상태는 측정 데이터 검출을 포함하는 일련의 시험의 실행을 통해 결정되고 그것을 기초로 하는 관련 기능이 검출될 수 있다.

일련의 시험에서, 검출될 초기 탄소 함량(C_ini) 및 검출될 초기 산소 함량(O_ini)을 포함하는 장입량이 산소의 공급을 통해 탈탄되며, 탈탄 공정의 종기 바로 직전에 후퇴된(withdrawn) 프로브에서 용융물의 산소 함량이 결정되어 이 시점까지 실제로 공급된 산소의 양이 검출된다. 각 프로브-장입량의 비교 검출을 위한 기준 변수로서, 원하는 최종 산소 함량이 예를 들면, 300 ppm 정도에서 결정되며, 후퇴된 프로브에서 측정된 실제의 산소 함량과 기준 변수(300 ppm)의 상향 또는 하향의 편차에 따라, 측정을 통해 실제로 결정된 공급된 산소량이 기준 변수로서 기초가 된 최종 산소 함량과 관련된 블로우량(Q_ist)(Nm3)으로 변환 또는 보정된다. 상기 결과는 가로 좌표에 비율(C_ini/O_ini)이 도시되고 세로 좌표에 실제 공급된, 경우에 따라서는 보정을 통해 전환된 관련 산소량(O_ist)이 도시되는 좌표 시스템으로 전달된다. 요구되는 정확성을 얻기 위해 적어도 10회의 실험을 실행해야 한다.

좌표 시스템에서 얻어진 측정 지점들을 통해 형성된 커브는 아래의 다항 방정식에 의해 수학적으로 기술될 수 있고,

현재의 경우 좌표 시스템에서 고정되어 있는 변수로 인해 y=O_Dec(ppm) 및 x=C_ini/ O_ini를 의미한다. 다항 방정식의 계수(a, b, c)는 실제의 산소 요구량을 결정할 때, 진공하에서 실행되는 탈탄 과정 중 장치 또는 공정에 의해 요구되는 산소 공급원을 통한 추가적 산소가 어느 정도까지 고려되는지를 나타낸다.

도3에는 RH-장치용 관련 다항 방정식의 결정을 위한 상응하는 실시예가 도시되어 있으며, 기초가 되는 RH-장치(8)에서 시험 장입량의 탈탄 공정이 이루어진다. 도3에 도시된 측정 결과의 그래프는 기준 지점을 통해 형성된 커브를 나타내는 다항식을 생성하며,

각 계수는 차원(ppm)으로 표시되어, 이 장치에 대한 산소 요구량(O_Dec)은 아래와 같이 나타내어진다.

초기 탄소 함량 C_ini=400 ppm, 초기 산소 함량 O_ini=307 ppm 및 설정되는 최종 산소 함량 O_{End Dec}=300 ppm을 갖는 300 t 포함 용융물 장입량에 대한 실시예에 적용되면, 이로부터 얻어진 비율이 C_ini/O_ini=1.30일 때, 아래와 같다.

그 다음, 산소 요구량(Q_{O 2})은 다음과 같다.

본 발명에 따라 결정된 탈탄용 요구량과 도3에 따라 C_ini/O_ini=1.3에 대해 이루어진 실제 산소량을 비교하면, 명백한 감소가 발생된다. 따라서, 상술된 예와 상응하게, 적용되는 다항 방정식과 관련되어 시험이 이루어지도록 도입된 RH-장치에 대해, 공급 랜스를 통해 도입된 산소의 요구량이 용융물의 탈탄될 각 장입량의분석으로부터 유도되는 분석값(C_ini, O_ini)에 따라 결정될 수 있다.

본 발명에 대한 다른 본질적인 단계는 용융물의 초기 탄소 함량에 따라 계산된 한계 압력 = P_start이 달성되는 즉시, 계산된 산소량의 블로우에 의해 개시되어야 한다는 것이다. 압력 감소의 개시 시, 배기 가스에서의 보다 적은 CO 발생을 통해 그리고 산소의 특별한 공급 없이 잔류 공기 및 누설로부터 발생되는 이에 비해 상대적으로 높은 산소량을 통해 우선적으로 자연적 진행되는 후연소가 발생되나, 후연소 속도는 공정이 더 진행될 때 증가하는 CO 발생으로 인해 감소된다. 이러한 점에서는 공급 공정의 해제를 위한 개시 압력(P_start)은 결정적으로 용융물의 개시 탄소 함량에 따른다.

개시 압력에 대해서도 장치에 고유한 변수에 대한 의존성이 존재한다. 탈탄 공정을 위해 필요한 산소 요구량을 결정할 때의 방법과 유사하게, 공급 공정을 위한 개시 압력의 본 발명에 따른 결정과 관련하여서도, 우선 장치에 고유한 영향이 측정 데이터의 검출을 포함하여 일련의 시험의 실행을 통해 결정되며, 이에 기초를 둔 근사 함수의 형태로 검출된다.

일련의 시험에서, 상이한 초기 탄소 함량(C_ini)을 갖는 장입량이 CO 방출 시 압력이 감소할 때 관찰되며, Nm³의 가장 높은 CO 교환(CO-피크) 및 mbar의 상기 CO 방출에 관련된 압력(P)이 검출된다. 이 측정 결과는 가로 좌표에 초기 탄소 함량(C_ini), 좌측 세로 좌표에 압력(P) 그리고 우측 세로 좌표에 CO 방출량이 도시되는좌표 시스템에 그래프식으로 전달된다. 요구되는 정확성을 얻기 위해 재차 10회의 실험을 실행해야 한다.

좌표 시스템에서 얻어진 측정 지점들을 통해 형성된 커브는 아래의 다항 방정식에 의해 수학적으로 기술될 수 있고,

현재의 경우 y=P_start및 x=C_ini를 의미한다. 다항 방정식의 계수(a, b, c)는 다시 CO-피크를 결정하는 장치에 고유한 변수를 고려한다.

도4에는 상술된 방법이 실시예로서 도시되어 있으며, 총 12 장입량이 운전된다. 측정 지점을 통해 이루어진 커브는 다항 방정식을 형성한다.

초기 탄소 함량 C_ini=400 ppm을 갖는 실시예에 적용되면, 관련된 개시 압력의 결정이 아래와 같이 이루어진다.

이러한 개시 압력에서, 후연소의 발생 전에 공급 공정을 차단하기 위해, 82.48 Nm³로 계산된 산소량의 도입에 의해 개시되어야 한다.

실제적 전환 시 공급 공정의 해제를 위한 개시 압력을 결정할 때, 사이클 개시와 블로우의 개시 사이의 지연이 고려되어야 한다. 상기 시간은 자동 공정의 작동, 랜스 구동 및 불활성 가스 작동을 산소 공급 작동으로 전환하는 것을 포함한다. 여기서, 장치 실행에 따라 예를 들면 45초까지의 시간 지연이 발생될 수 있다. 상기 시간이 사이클 개시와 산소 공급의 개시 시의 압력의 차이로서도 표현될 수 있다면, 상기 압력 차이는 P_start의 결정 시 고려된다.

공급 공정의 종기에 대한 한계값으로서 30%의 후연소 속도가 준수되므로, 공급 공정의 시간은 산소 요구량의 결정에 부가하여 후연소의 감시를 통해 제어되며, 상기 후연소 속도 이상에서는 야금학 및 탈탄 속도를 고려할 때 산소의 블로우가 더 이상 효율적이 아니며, 종래 기술과 같이 진공 용기에서 탈탄된 강철의 열적 손실을 최소화하도록 사용될 뿐이다. 우선, 그 외의 작동 변수의 최적 설정 시 탈탄 공정 중의 산소 공급은 강철 배스로부터 해리된 CO의 부분적 후연소를 발생시킨다. 산소 공급 중의 후연소 속도는 용융물로부터의 CO-해리와 직접 관련된다. 후연소 속도는 탈탄 속도에 따라 다소 증가되며, 탈탄 속도 및 이에 따라 CO-해리가 감소되면 산소 공급 중 후연소가 증가되는 것이 명백하다. 따라서, 산소의 공급을 위한 최적의 작동 영역은 한계 압력(P_start)의 달성에 의해 개시된다. 여기서, 최적의 작동 영역은 용융물의 보다 높은 초기 탄소 함량에 의해 증가된다. 상세하게는, 특히 산소 공급의 종기에서 진공 용기에 나타나는 진공 압력의 감시는 후연소가 적은 상태에서 산소의 최적의 도입을 준수하기 위한 기준으로서 사용될 수 있다. 실제로, 진공 펌프의 한정된 흡입 성능에서 진공 용기내의 압력 수준은 해리된 가스의 양과 관련되며, 처리 공정 중 배기 가스내의 CO 함량은 용융물의 초기 탄소 함량에 따른다. 동일한 산소 공급 조건에서 사전 설정된 압력에서의 후연소 속도는 진공 용기내의 진공 압력이 보다 낮게 설정될수록 더 높게 된다. 이는 CO-발생이 보다 작게 되는 상태로 압력 감소가 진행됨을 통해 이해될 수 있다.

종래 기술에서와 같이 배스 높이 위에서는 해리된 CO의 후연소가 발생되는 것이 아니라 강철 용융물내의 블로우된 산소가 용융물에서 용해된 탄소와 반응하도록 용해되어야 하므로, 산소 공급의 효율성은 또한 강철 용융물내로 산소를 도입하는 것에 의존한다. 산소 발생, 즉, 배스면상으로 블로우된 산소에 대한 용융물 배스에서 용해된 산소의 비율은 각각의 경우 본질적으로 RH-용기의 공급 랜스 위치의 높이, 용융물의 높이의 자유 표면, 즉, RH-용기의 직경 및 RH-용기를 통한 용융물의 순환 속도에 따른다. 일반적으로, 이 산소 발생은 대략 80 내지 90%로 설정될 수 있으므로, 공급 공정에 대한 실제의 전환 시에는 수학적으로 결정된 산소량(QO2)이 상기 산소 발생을 고려하여 상응하게 증가된다.

산소 발생은 산소가 순환을 통해 이동 유지되는 강철 용융물내로 충분히 깊게 도입되기 위해, 조밀한 산소 분사에 의해 높은 속도로 작은 표면상의 배스면을 가압해야 하는 공급 노즐의 형성을 통해서도 영향을 받는다. 이를 위해, 본 발명의 실시예에 따르면, 라발(laval) 노즐로 형성된 공급 노즐에서, 이상적으로는 배스면상으로의 충돌 시까지 얇은 실린더 형상으로 유지되어 부채꼴로 펼쳐지지 않는, 초음속을 갖는 공급 분사가 발생되는 것이 제안된다. 이에 상응하게, 공지된범위에서는 2.5 미터 내지 5.5 미터에서 유지되는, 강철 배스 높이로부터 공급 노들의 간격도 조절된다.

노즐 기하학을 공급 공정용 변수의 변화에 적어도 어느 정도 적응시킬 수 있기 위해, 자체의 구조에서 변위 조절 원추형 부품에 의해 변화 가능한 공급 노즐을 사용하는 것이 제안되며, 이는 도면 중 도2에 개략적으로 도시되어 있다. 조절 원추형 부품(11)이 위치(1)로 표시된 위치에 존재하면, 이는 라발 노즐(10)이한정된 구조적 지점을 따라 작동되는 완전 개방된 노즐 횡단면(12)을 나타낸다. 조절 원추형 부품(11)이 위치(2)에 존재하면, 노즐 기하학은 본질적으로 보다 작은 배압으로 설계된다. 물론, 허용 압력이 일정하게 유지되면, 노즐을 통한 유동 속도는 감소된다.

상술된 상세한 설명, 특허청구범위, 요약서 및 도면에 개시된 본 명세서의 대상물의 특징은 각각 본 발명의 구현을 위해 서로 임의로 조합되어 다양한 실시예의 형태로서 본질적인 것일 수 있다.

Claims (4)

1. 용해된 강철을 RH-유닛 내에서 탈탄하는 방법으로서, 강철은 탱크(1)로부터 진공 설정된 진공 용기(2)로 안내되고 순환식으로 다시 탱크(1)로 복귀되며, 진공 용기(2) 내에 놓인 강철 배스의 배스 상부 표면에 대해 소정 간격으로 이격된 공급 랜스(5)에 의해 산소 또는 산소 함유 기체가 강철 배스 상으로 공급되는 방법에 있어서,

   자연 탈탄의 결과로 강철 배스 내에서 용해되고 시스템 내에 존재하는 산소로 인해 방출된, 진공 용기 내의 CO의 증가 시에, 탈탄될 장입물 내의 초기 산소 함량에 대한 초기 탄소 함량 비율을 기초로 하여, 이하의 공식에 따라, 탈탄을 위해 요구되는 산소 비율이 계산되고,

   이하의 공식에 따라 공급된 산소량이 계산되며,

   블로우 과정의 개시를 위해 진공 용기 내에 설정된 개시 압력(P_start)은 용해강철의 초기 탄소 함량(C_ini)에 따라, 이하의 공식에 따라 결정되며,

   여기서,

   Qo₂는 공급된 산소량(Nm³),

   O_Dec는 탈탄을 위해 필요한 산소 비율(ppm),

   O_{End Dec}는 탈탄 공정의 종료 시에 장입물에 함유된 산소 비율(ppm),

   C_ini는 용해 강철의 초기 탄소 함량(ppm),

   O_ini는 용해 강철의 초기 산소 함량(ppm),

   G_Ch는 장입물의 무게(Kg),

   P_O2는 산소 밀도 계수 = 1.428 Kg/Nm³를 의미하며,

   블로우 과정은 (CO + CO₂) = 5% 및 CO₂/(CO + CO₂) = 30%의 배기 가스량의 한계 조건의 달성 시에 종료되는 것을 특징으로 하는 방법.
2. 제1항에 있어서, 진공 용기(2) 내에 놓인 강철 배스의 배스 상부 표면(7)은 블로우 노즐(10)로부터 고속 분사되는 간단한 산소-공급 제트(6)에 의해 가압되는것을 특징으로 하는 방법.
3. 제2항에 있어서, 블로우 노즐(10) 내에서 형성되는 블로우 속도는 초음속으로 설정되는 것을 특징으로 하는 방법.
4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 위치 원추부(11)의 변위에 의해 변경 가능한 작업 영역을 갖는 블로우 노즐(10)은, 진공 용기 내의 대응압이 작을 경우 블로우 노즐(10)에 의해 형성되는 공급 노즐의 초음속 유동이 유지되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 방법.