KR20050008809A

KR20050008809A - 철합금의 정련 방법

Info

Publication number: KR20050008809A
Application number: KR10-2004-7020017A
Authority: KR
Inventors: 카메론앤드류밀러; 펠더만크리스티안주언
Original assignee: 더 비오씨 그룹 피엘씨
Priority date: 2002-06-11
Filing date: 2003-06-09
Publication date: 2005-01-21
Also published as: ATE318940T1; AU2003274162A1; KR101018535B1; DE60303802D1; CN1324156C; ES2254951T3; AU2009236006B2; US8142543B2; US20060060028A1; EP1511871B1; WO2003104508A1; CA2488061A1; CN1675392A; AU2009236006A1; EP1511871A1; DE60303802T2; GB0213376D0; ZA200409795B

Abstract

본 발명은 산소 분자, 또는 산소 분자를 포함하는 기체 혼합물을 철합금의 용융물 내에 취입하는 단계를 포함하는 철합금의 정련 방법에 관한 것이다. 상기한 바로부터 야금-허용가능한 미립자 물질을 용융물 내에 도입한다. 미립자 물질은 제 1 초음속 기체 제트에서 용융물 내로 옮겨지며 제 2 기체 제트에 의해 슈라우딩된 용융물로 이동된다.

Description

철합금의 정련 방법{REFINING FERROALLOYS}

중간체 카본 페로크롬(carbon ferrochrome)은, 비교적 높은 비율의 탄소(전형적으로 약 6중량%)를 함유하는 크로뮴과 철의 합금인 소위 "충전물(charge) 크롬"의 탄소 내용물의 부분적인 산화에 의해 상업적으로 제조된다. (페로크롬은 페로크로뮴의 또다른 명칭이다.) 상기 부분적인 산화는 변환기에서 산소와 스팀의 혼합물을 하나 이상의 침수(submerged) 송풍구에 의해 용융 합금을 통해 취입시킴으로써 수행된다. 탄소 2중량% 미만을 함유하는 페로크롬 생성물이 제조될 수 있다. 상당량의 산화크로뮴을 함유할 수 있는 슬래그가 산화 도중에 형성된다. 상기 산화크로뮴은 전형적으로 공정 사이클의 말단부에서 페로실리콘 환원제의 첨가에 의해 회수된다. 그럼에도 불구하고, 제 1 환원 단계에서 형성되는 슬래그에서일부 산화크로뮴이 소실된다.

환원된 카본 페로망가니즈는 페로크롬의 제조를 위해 전술된 바와 유사한 공정에 의해 상업적으로 제조될 수 있다.

스테인레스 스틸은 크로뮴 및 니켈을 합금 요소들로서 전형적으로 포함하는 저탄소 철 합금이다. 전형적인 조성물은 크로뮴 18중량%, 니켈 8중량%, 탄소 0.1중량% 미만을 함유하며, 나머지는 철 및 기타 다른 합금 요소들이다(부수적인 불순물은 여기서 제외된다). 전형적으로 스테인레스 스틸은, 전기 아크 노에서 스테인레스 스틸 단편(scrap)의 충전물 및 고탄소 철합금을 용융시켜, 크로뮴 0.5중량% 미만(이는 생성물에서 원하는 것보다 많다)을 함유하고 탄소 함량 0.25 내지 2중량% 및 규소 함량 0.2 내지 1.5중량%를 갖는 조질의 합금을 형성시킴으로써 제조될 수 있다. 탄소 및 규소의 구체적인 수준은 생성물의 조성, 스틸 제조 관행 및 용기 크기에 따라 달라진다. 조질의 합금은, 용융 합금이 표면 아래로부터 산소와 함께 취입되어 탄소를 일산화탄소로 산화시키며 이로 인해 생성된 스테인레스 스틸의 탄소 함량을 0.1중량% 미만으로 감소시키는 변환기에 용융 상태로서 전달된다. 취입 도중 탄소 수준이 점진적으로 감소함에 따라, 산소가 크로뮴과 반응하여 산화크로뮴을 형성하려는 경향이 존재한다. 또한 이와 관련하여, 산화 반응의 발열 속성 때문에 변환기에서 과도한 온도가 발생되려는 경향이 존재한다. 아르곤-산소 탈탄(Argon-Oxygen Decarburisation, AOD) 공정에서, 이 경향은 산소를 아르곤으로 점진적으로 또는 단계적으로 희석시켜 일산화탄소의 분압을 감소시키며 이로 인해 크로뮴의 산화에 바람직한 탄소 산화를 촉진시킴으로써 중화된다. 이들 수단에 의해, 대부분의 크로뮴은 조 내에 남아 있고, 온도 증가가 허용가능한 수준(예컨대, 1750℃ 이하의 온도)으로 제한될 수 있다. 전형적인 예에서, 취입은 1:3의 아르곤-산소 비율(부피 기준)로 시작되며, 2:1의 아르곤-산소 비율(부피 기준)로 마무리될 수 있다. 취입 후, 일부 페로실리콘이 첨가되어 슬래그 내의 산화크로뮴을 환원시키며, 석회가 탈황화제(desulphurisation agent)로서 도입될 수 있다.

상기 AOD 공정의 대안으로서 크뢰조-뢰어-우데홈(Creusot-Loie-Uddeholm, CLU) 공정이 사용될 수 있다. CLU 공정은 AOD 공정과 유사하지만, 전형적으로는 표면 아래로부터 용융물 내에 취입되는 산소를 희석시키기 위해 순수 아르곤 대신에 스팀, 질소 및 아르곤의 혼합물을 사용한다.

전술된 모든 공정들은 통상적으로 적절한 탄소 함량을 갖는 철합금을 산소를 사용함으로써 정련시켜 그의 탄소 함량을 감소시키는 방법을 갖는다. 산소를 예컨대 아르곤으로 희석시키는 경우에도, 이들 공정들에서는 산소를 취입하는 각각의 송풍구 부근에서 변환기의 내화성 라이닝이 점진적으로 손상되려는 경향을 여전히 나타낸다. 따라서, 변환기의 정규적인 재라이닝화(relining)가 필요하다.

US-A-4 434 005 호는 슬래그에 의해 덮인 용융 금속을 정련시키는 방법으로서 차가운 고체가 예컨대 금속 단편의 형태로 도입되는 방법을 개시하고 있다. 정련 목적을 위한 산소를 별도의 비슈라우딩(non-shrouding) 제트들로부터 표면에 향하게 하고 중화 기체에 의해 금속을 기저부로 취입하여 슬래그의 과도한 발포를 방지함과 동시에, 탄소-비말동반 중화 기체의 제트를 초음속 속도에서 용융물의 표면에 향하게 함으로써, 단편을 용융시키고 조의 부적절한 냉각을 방지하는데 필요한열이 발생된다.

JP-A-61284512 호는 취입 노즐에서 크롬 광석과 코크 분말을 혼합시키고 상기 혼합물을 용융 철의 점화 지점 내에 취입시켜 크롬 광석을 용융 환원시킴으로써 고크롬 스틸을 제조하는 방법을 개시하고 있다.

GB-A-2 054 655 호, GB-A-2 122 649 호 및 JP-A-58207313 호는 용융 금속을 산소와 함께 상부 취입하고 기저부에는 다른 기체와 함께 취입하는 기초 산소 스틸의 제조방법에 관한 것이다. 상기 기체들과 함께 고체들이 도입될 수 있다.

JP-A-61106744A 호는 스테인레스 스틸의 제조 도중 송풍구를 통해 노 내로 산소 및 고체들을 도입시키는 것에 관한 것이다.

본 발명은 산소 정제 단계를 포함하는 공정에 의해 철 합금의 제조방법에 관한 것이다. 산소 정제 단계는 전형적으로 탈탄(decarburisation) 단계를 포함할 수 있지만, 다르게는 또는 부가적으로는 규소 또는 망가니즈의 제거 단계를 포함할 수 있다.

도 1은, 본 발명에 따른 방법을 실시하도록 채택되는, 랜스(lance)가 장착된 변환기의 개략적 측면도이다.

도 2는 도 1에 도시된 랜스의 섹션 일부를 나타내는 부분 정면도이다.

도 3은 도 2에 도시된 랜스의 근거리 단부를 나타내는 도면이다.

본 발명에 따르면, 산소 분자, 또는 산소 분자를 포함한 기체 혼합물을 철합금의 용융물 내에 취입하는 단계를 포함하는 철합금의 정련 방법으로서, 상기 용융물 내에 야금-허용가능한(metallurgically acceptable) 미립자 물질을 도입하되,상기 미립자 물질이 제 1 초음속 기체 제트에서 용융물 내로 옮겨지고, 제 2 기체 제트에 의해 슈라우딩된 용융물로 이동되는 방법이 제공된다.

바람직하게는, 본 발명의 방법에서 용융물의 표면 아래로부터 산소 분자의 일부만이 공급된다.

본원에 사용된 "철합금"이라는 용어는 철 10중량% 이상을 함유하는 합금을 의미한다. 전형적으로, 철합금은 철 30중량% 이상을 함유한다.

야금-허용가능한 미립자 물질은 냉각제로서 작용하며, 바람직하게는 정련된 합금 내에 포함되는 금속들, 상기 금속들의 합금, 상기 금속들의 산화물 및 이들의 혼합물로부터 선택된다.

용융물 내로의 야금-허용가능한 미립자 냉각제 물질의 도입은, 일산화탄소를 형성시키는 탄소와 산소 사이의 발열 반응으로부터 생성되는 온도 상승을 제한 또는 조절하는데 도움이 되는 냉각제 효과를 갖는다. 냉각 효과에 다양하게 기여한다. 첫째, 미립자 물질은 보통 용융물의 온도보다 낮은 온도에서 도입되며, 이로 인해 감지가능한 냉각 효과를 갖는다. 둘째, 금속 미립자 물질의 경우, 이들의 용융물 엔탈피는 부가적인 냉각 효과를 갖는다. 셋째, 산화금속의 경우, 이들 도입은, 철합금의 용융물 내에 도입되는 산소 분자를 포함하는 기체 혼합물 또는 산소 분자에 추가 산화제를 제공한다. 따라서, 산소 분자 또는 산소 분자를 포함하는 기체 혼합물이 용융물 내에 도입되는 속도는 비교가능한 통상의 방법에 비해 낮게 설정될 수 있다. 산화물과 탄소 사이의 반응은 흡열반응인 반면, 산소와 탄소 사이의 반응은 발열반응이기 때문에, 정련 도중 발생되는 온도 상승을 제한하기 위해서는 산화제로서 산소 분자와 더불어 산화물을 사용한다. 따라서, 본 발명에 따른 방법은 철합금을 정련시키는 변환기의 내화성 라이닝에 대해 통상의 방법보다 덜 손상시키는 것으로 생각된다. 결과적으로, 변화기를 재라이닝할 필요성이 적어진다.

본 발명에 따른 방법의 다른 이점은 변환기의 생산성을 증가시킬 수 있다는 것이다.

본 발명에 따른 방법에 의한 페로크롬 또는 스테인레스 스틸의 정련에서, 미립자 물질은 바람직하게는 산화크로뮴, 전형적으로는 크로뮴(III) 옥사이드를 포함한다. 산화크로뮴의 특히 바람직한 형태는 철과 크로뮴의 혼합된 산화물인 크로마이트이다. 또한, 미립자 물질은 본 발명에 따른 방법에 의해 정련되는 매우 조질한 철합금의 입자들을 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 방법에 의한 페로망가니즈의 정련에서, 상기 합금 요소의 산화물은 바람직하게는 망가니즈의 산화물, 전형적으로는 망가니즈(II) 옥사이드이다.

야금-허용가능한 미립자 물질의 평균 입자 크기는 바람직하게는 5㎜ 미만이다. 미세한 미립자 물질을 사용하는 것이 특히 바람직하다. 미세한 미립자 물질은, 중력 하에서 본 발명에 따른 방법이 실시되는 변환기 내에 간편하게 공급되었다면, 용융 금속의 표면을 관통하지 못하므로 겨우 무시할 정도의 냉각 작용만을 나타낼 뿐이다. 가장 바람직하게는, 야금-허용가능한 미립자 물질의 평균 입자 크기는 1㎜ 이하이다.

본 발명에 따른 방법에 의한 페로크롬의 정련에서, 야금-허용가능한 미립자 물질로서 크로마이트의 미세한 미립자를 사용함으로써 2개의 추가 이점이 발생된다. 첫째, 더욱 큰 입자에 비해 비교적 빠른 산화물과 탄소 사이의 반응률이 달성될 수 있다. 둘째, 본 발명에 따른 방법의 일부 예에서, 크로마이트의 미세한 미립자는 조질의 페로크로뮴의 제조시 폐기물로서 수득된 광석일 수 있다. 조질의 페로크로뮴은 전형적으로 승온 하에 전기 아크 노에서 탄소를 크로마이트와 반응시켜 액체 페로크롬 및 슬래그를 형성시킴으로써 형성된다. 또한, 전기 아크 노에 대한 충전제는 전형적으로 석회와 같은 염기성 플럭스(flux)-형성 구성성분들을 포함한다. 크로마이트 광석을 채굴하면, 아크 노 환원 단계에서 제한된 정도로만 사용될 수 있는 다량의 미세한 미립자들이 생성된다. 미세한 미립자들은 아크 노의 적재 허용치를 감소시키는 경향을 갖고, 이는 고열 기체의 분출시키며, 공정시 문제점을 제어할 수 있게 만든다. 제한된 미세한 미립자의 첨가에서도, 노의 상부로부터 유동하는 고온 기체는 크로마이트의 현탁된 미세한 미립자를 함유할 것이다. 이들 입자는 회수될 수 있으며, 광산 폐기물과 함께, 본 발명에 따른 방법에 의해 페로크로뮴을 정련시키는 바람직한 예에서 상기로부터 용융물 내로 도입되는 크로마이트의 적어도 일부를 형성할 수 있다. 이들 입자의 크기는, 상기 입자가 중력 하에 본 발명에 따른 방법이 실시되는 변환기 내로 간편하게 공급되도록 하여서, 이들이 용융 페로크롬의 표면을 관통하지 못하며, 이로 인해 겨우 무시할 정도의 환원 작용을 갖는 것이다. 조질의 페로크로뮴의 제조에 폐기물로서 추가로 수득되는 미세한 미립자 충전 크롬을 야금-허용가능한 미립자 물질로서 사용함으로써 유사한 이점들이 달성될 수 있다.

그러나, 상기로부터의 야금-허용가능한 미립자 물질을 제 1 초음속 기체 제트에서 용융물 내로 도입함으로써, 상기 기체 제트의 추진력(momentum)이 예컨대 본 발명에 따른 방법에 의해 정련되는 용융 철합금의 표면 상부 또는 표면 그 자체에 슬래그 층을 관통할 수 있게 한다. 제 1 기체 제트를 제 2 제트와 함께 슈라우딩함으로써, 기체 제트가 정지 분위기를 통해 움직일 경우에 자연적으로 발생하는 속도에서의 감소율은 거의 기록되지 않는다.

바람직하게는, 제 2 기체 제트도 또한 초음속 제트이다. 더욱 바람직하게는, 제 1 기체 제트는 제 1 초음속 속도에서 제 1 라발(Laval) 노즐로부터 배출되고, 제 2 기체 제트는 제 2 초음속 속도에서 제 2 라발 노즐로부터 배출되며, 제 2 초음속 속도는 바람직하게는 제 1 초음속 속도보다 10% 미만에서부터 제 1 초음속 속도보다 10% 초과까지의 범위이다. 제 1 초음속 속도 및 제 2 초음속 속도는 바람직하게는 마하 1.5 내지 4, 더욱 바람직하게는 마하 2 내지 3의 범위이다.

제 2 초음속 기체 제트의 사용으로 인해 몇몇 이점들이 생성된다. 첫째, 제 1 기체 제트의 감소율은 제 1 초음속 기체 제트가 사용될 때보다 적은 경향을 갖는다. 따라서, 제 1 기체 제트는 슬래그 층 또는 용융물의 표면에 충돌하기 전에 더욱 먼 거리로 이동하게 할 수 있다. 따라서, 스플래슁(splashing) 금속 또는 슬래그에 의해 초래되는 라발 노즐에 대한 손상률은 허용가능한 수준으로 유지될 수 있다. 둘째, 제 2 제트의 속도는 슬래그 층 또는 용융 금속의 표면을 관통할 수 있도록 선택될 수 있다. 따라서, 제 1 제트로부터 제 2 제트로 이동하는 임의의 입자들은 여전히 많이 용융 금속 내로 옮겨진다. 셋째, 제 1 제트 및 제 2 제트를 서로 유사한 속도에서 형성시킴으로써, 본 발명자들은 대부분의 입자들이 제 2 제트의 이동 없이 제 1 제트에 한정될 수 있는 것으로 생각한다.

제 1 제트를 형성하는 기체는 산화성 기체, 특히 산소이거나, 또는 비산화성 기체, 예컨대 아르곤일 수 있다. 다르게는, 제 1 제트는 산화성 기체와 비산화성 기체의 혼합물, 예컨대 산소와 아르곤의 혼합물일 수 있다. 다른 대안은 제 1 제트 내에 스팀을 포함시키는 것이다. 제 1 제트를 산소로부터 부분적으로 또는 전체적으로 형성시킴으로써, 산화제를 위한 정련 방법의 추가 요건 부분이 충족되기 때문에, 용융 금속의 표면 아래로부터 산소를 공급함으로써 상기 요건 부분이 거의 충족될 필요가 없게 된다.

제 2 기체 제트는 제 1 기체 제트와 동일한 조성 또는 이와 상이한 조성을 가질 수 있다. 제 1 기체 제트가 전형적으로 주위 온도보다 약간 높은 온도 또는 거의 주위 온도에서 제 1 라발 노즐로부터 배출되는 반면, 제 2 기체 제트는 연소 기체들을 포함할 수 있다. 이러한 "화염 제트"는 제 1 기체 제트의 세기를 유지시키는데 특히 효과적인 것으로 밝혀졌다.

바람직하게는, 제 1 라발 노즐 및 제 2 라발 노즐은, 제 1 라발 노즐 내의 출구 단부에서 종결되는 제 1 축 기체 통로, 제 2 라발 노즐 내의 출구 단부에서 종결되는 주요 기체 통로 주변의 슈라우딩 기체 통로, 및 제 1 라발 노즐과 교통하고 바람직하게는 제 1 라발 노즐의 발산부에서 종결되는 축 출구를 갖는 미립자 물질 수송 통로를 포함하는 야금 랜스의 일부를 형성한다. 산화물의 입자들이 수송통로를 통해 제 1 라발 노즐의 발산부 내에 도입될 수 있기 때문에, 입자들이 고속으로 제 1 라발 노즐의 벽들과 충돌하는 것을 최소로 유지할 수 있다.

제 2 기체 제트가 화염의 형태를 취한다면, 슈라우딩 기체 통로는 바람직하게는 연소실을 구성한다. 연소실은 바람직하게는 근거리 단부에 산화제를 위한 출구를 갖고 유체 연료를 위한 입구를 갖는다. 연료 및 산화제는 전형적으로 동축(coaxial) 산화제 및 연료 통로들을 통해 공급된다. 연소실은 임의의 소정 비율의 연료 기체의 연소가 발생되도록 하는 크기 및 구조를 가질 수 있다.

바람직하게는, 야금-허용가능한 미립자 물질은 정련 작업의 제 1 부에서 연속적으로 용융물 내에 도입된다. 필요하다면, 야금-허용가능한 미립자 물질의 도입이 중단된 후, 제 1 기체 제트의 도입은 계속될 수 있다. 제 1 기체 제트가 산소를 포함한다면, 그의 공급은 바람직하게는 정련 작업의 말단부 전에 중단되는 것이 바람직하다.

첨부된 도면을 참고하면서 예를 들어 본 발명에 따른 방법을 설명할 것이다.

도면의 도 1을 참고하면, 통상의 종류인 변환기(2)는 틸터블(tiltable) 상부 개방 용기(4)의 형태를 취한다. 기저부 또는 그의 부근에서, 용기에는 다수의 송풍구(6)가 제공되며, 이들 중 하나만이 도 1에 도시되고 있다. 변환기의 내면에는 내화성 라이닝(8)이 제공된다.

작동시, 변환기(2)는 비교적 높은 비율의 탄소(즉, 약 6중량%)를 함유하는 조질의 페로크로뮴(페로크롬) 합금을 정련(즉, 탈탄화)시키는데 사용된다. 정련 단계의 목적은 페로크롬의 탄소 함량을 2중량% 미만까지 감소시키는 것이다.

작동시, 변환기를 조질의 용융 페로크롬으로 충전시킨다. 전형적으로는 석회와 같은 유동화제를 페로크롬에 도입한다. 페로크롬은 산소, 또는 산소와 비반응성 기체 또는 증기(예: 아르곤)의 혼합물을 송풍구(6)를 통해 취입시킴으로써 정련된다. 산소는 페로크롬 내에서 탄소와 발열적으로 반응하여 일산화탄소를 형성한다. 탄소와 산소 사이의 반응열은 페로크롬을 용융 상태로 유지시킨다. 페로크롬 내의 불순물들이 유동화제와 반응함으로써 슬래그가 형성되며, 페로크롬의 표면에는 슬래그 층이 형성된다.

조질의 페로크롬은 전형적으로 별도의 용기(도시되지 않음), 예컨대 전기 아크 노에서 형성된다. 이 작동시, 탄소 조각, 크로마이트 조각 및 염기성 유동화제(예: 석회)를 포함하는 고체 충전물을 전기 아크 노 내에 도입하며, 하나 이상의 탄소 전극과 충전물 사이에서 아크가 발생된다. 결과적으로, 충전물을 용융시키는데 충분한 온도가 발생된다. 탄소는 크로마이트와 반응하여 페로크롬 및 실리카를 형성하며, 후자 실리카는 슬래그 층의 원인이 된다. 생성된 페로크롬은 높은 탄소 함량을 갖는다. 용융 페로크롬 및 슬래그는 전기 아크 노로부터 적합한 수거 용기(도시되지 않음)(이는 용융 금속을 변환기(2) 내로 전달하는데 사용된다) 내로 비워진다.

고탄소 용융 페로크롬 및 임의의 유동화제(예: 석회)가 변환기(2)에 충전되면, 하나 이상의 랜스(10)는 용융 금속 상의 위치로 낮춰지고, 그 위치에서 페로크롬의 정련 전반에 걸쳐 유지된다.

야금 랜스(10)는 참고로 제작된 도 2 및 3에 더욱 상세하게 도시되고 있다.야금 랜스(10)는 6개의 동축 튜브 또는 파이프의 배열을 포함한다. 최내부 튜브로부터 최외부 튜브까지, 미립자 물질 튜브(14), 제 1 기체를 위한 주요 기체 튜브(16), 물을 위한 내부 튜브(18), 연료 기체를 위한 튜브(20), 산화제(전형적으로, 시판중인 순수 산소)를 위한 튜브(22), 및 물을 위한 외부 튜브(24)가 차례차례 존재한다. 각각의 튜브(14, 16, 18, 20, 22 및 24)는 랜스(10)의 근거리 단부 또는 그 부근에 입구를 갖는다. 또한, 내부 물 튜브(18) 및 외부 물 튜브(24)로부터의 출구들이 존재한다. 따라서, 미립자 물질을 랜스(10)의 원거리 단부로 수송시키는데 사용되는 캐리어 기체(전형적으로는 공기)를 위한 랜스(10)의 근거리 단부에 축 입구(26)가 존재한다. 입구(26)는 미립자 물질(크로마이트)을 캐리어 기체 내에 도입하기 위한 통로(들)(도시되지 않음)와 교통할 수 있다. 캐리어 기체는 미립자 물질 수송 튜브에 따른 속도가 약 100m/초 이하이도록 비교적 낮은 압력에서 공급될 수 있으며, 그 안에 미립자 물질이 희석 상으로서 옮겨진다. 다르게는, 미립자 물질은 고압 캐리어 기체에서 조밀한 상으로서 수송될 수 있다.

주요 기체 튜브(16)는 입구(28)를 갖는다. 전형적으로, 제 1 기체는 산소 또는 산소-풍부 공기이며, 입구(28)는 산소 또는 산소-풍부 공기의 공급원(도시되지 않음)과 교통한다. 내부 물 튜브(18)는 물을 위해 입구(30) 및 출구(32)를 갖는다. 튜브(18)에는 튜브 배플(baffle)(34)이 제공된다. 작동시, 냉각수가 배플(34)의 내면 상을 통과한다. 내부 냉각수를 제공하면, 작동하고 있는 고온 환경의 영향으로부터 랜스(10)의 내부 부품들을 보호하게 된다.

연료 기체 튜브(20)는 그의 근거리 단부에서 연료 기체(전형적으로, 천연가스)의 공급원(도시되지 않음)과 입구(36)를 통해 교통한다. 유사하게, 입구(38)에는 산소의 공급원(도시되지 않음), 전형적으로는 산소 또는 산소-풍부 공기와 교통하는 산화제 튜브가 위치한다.

외부 물 튜브(24)는 그의 원거리 단부에서 물을 냉각시키기 위해 다른 입구(40)와 교통한다. 외부 튜브(24)는 관 배플(42)을 포함한다. 냉각수가 입구(40)를 통해 유동하여 배플(42)의 외면 상을 통과하면서, 랜스(10)의 근거리 단부로부터 원거리 단부까지 유동하도록 배열된다. 냉각수는 반대 방향으로 되돌아가고 랜스(10)의 근거리 단부에서 출구(44)를 통해 멀리 유동한다. 외부 물 튜브(24)는 작동 도중에 고온의 환경에서 랜스(10)의 외부 부품을 냉각시킨다.

연료 기체 튜브(20) 및 산화제 튜브(22)는 랜스(10)의 원거리 단부로부터 다른 튜브들보다 멀리서 종결된다. 튜브(20 및 22)는 환상 연소실(46)의 근거리 단부에서 노즐(45) 내에서 종결된다. 작동시, 산화제 및 연료 기체는 승압, 전형적으로 천연가스에 대해 약 5bar 및 산소에 대해 11bar에서 공급되며, 노즐(45)을 통과하여 연소실(46)에서 혼합되어 연소한다. 전형적으로는, 산화제(산소) 및 연료 기체는 화학량론적 연소를 제공하는 비율로 제공되지만, 필요하다면 연료 기체 및 산화제는 과량의 연료 기체 또는 과량의 산화제를 화염 내에 제공하게 하는 비율로 공급될 수 있다.

주요 기체 튜브(16)는 랜스(10)를 통해 제 1 기체를 위한 통로를 제공한다. 주요 기체 튜브는 제 1 또는 내부 라발 노즐(48)에서 종결된다. 제 1 라발 노즐(48)은 그 안에 환상 냉각 통로(50)를 형성한다. 냉각 통로(50)는 튜브(18)의 내면과 주요 기체 튜브(16)의 외면 사이로 한정된 내부 물 통로와 유사하다. 배플(34)은 냉각수의 흐름을 향하도록 통로(50) 내로 연장된다.

연소실(46)은 그의 원거리 단부에서 제 2 또는 외부 라발 노즐(52)에서 종결된다. 연소실(46) 및 라발 노즐(52)의 배열은 연소실(46) 내에 형성된 화염이 랜스(10)의 작동시 초음속 속도로 가속화되게 한다. 이 화염은 제 1 라발 노즐(48)로부터의 제 1 기체 제트를 슈라우딩한다. 제 2 라발 노즐(52)은 이중벽 부재로서 형성된다. 제 2 라발 노즐(52)의 외벽은 최외부 튜브(24)의 원거리 단부와 연속적이다. 따라서, 최외부 튜브(24)는 랜스(10)의 작동시 제 2 라발 노즐(52)에 냉각을 제공할 수 있되, 배플(42)은 제 2 라발 노즐(52)의 내벽 및 외벽에 의해 한정된 환상 공간 내로 연장된다. 제 1 또는 내부 라발 노즐(48)은 제 1 라발 노즐(48)의 팁에 대해 역으로 설정되며, 제 1 라발 노즐(48)의 발산부에서 종결된다.

작동시, 제 1 기체 제트는 전형적으로 마하 2 내지 3의 범위의 속도로 라발 노즐(48)을 통해 방출한다. 크로마이트의 입자를 함유하는 캐리어 기체는 내부 라발 노즐(48)의 발산부 내의 영역에서 튜브(14)의 원거리 단부로부터 제 1 가속화 기체 내로 이동한다. 따라서, 크로마이트는 초음속 속도에서 라발 노즐(48)의 밖으로 옮겨진다.

제 1 기체 제트는 연소실(46)에서 방출되는 연소 탄화수소 기체의 환상 초음속 유동에 의해 슈라우딩된다. 라발 노즐(52)로부터의 연소 탄화수소 기체 화염의 방출 속도는 전형적으로 제 1 기체 제트의 방출 속도의 90 내지 110%이다. 유사한 방출 속도들을 채택함으로써, 주요 기체 제트와 그의 화염 슈라우드의 혼합이 억압된다.

도면에 제시된 야금 랜스(10)는 제작하기 간편하며, 주로 스테인레스 스틸로 형성될 수 있다. 라발 노즐(48 및 52)은 적합한 땜납에 의해 랜스에 부착될 수 있다. 연소실(46)로의 입구에서의 노즐(45)은 또한 납땜하여 고정될 수 있다.

사용시, 랜스(10)는 용융 페로크롬에 대한 탈탄화제로서 산소 및 크로마이트를 제공하는데 사용된다. 랜스(10)는 그의 팁이 용융 금속의 표면 위에 수직으로 1.5 내지 2.0m의 범위가 되고 그의 축이 수직 위치를 갖도록 위치한다. 초음속 슈라우드는 그의 방출구에서 제 1 기체 제트의 원형(integrity)을 200 내지 300D(여기서, D는 라발 노즐(48)의 직경이다)의 거리로 유지시킬 수 있다. 따라서, 크로마이트 및 산소가 용융물 내로 충분하게 관통하는데 전혀 어려움이 없다.

상기로부터 페로크롬 내로의 산소 및 크로마이트의 도입과 동시에, 산소와 아르곤 및 스팀 중 하나 또는 둘다의 혼합물은 전형적으로 송풍구(6)를 통해 아래로부터 용융 금속 내로 취입된다. 산소가 탄소와 발열적으로 반응하여 일산화탄소를 형성하는 반면, 크로뮴 금속 및 일산화탄소를 형성시키기 위한 크로뮴과 탄소 사이의 반응은 흡열반응이다. 그러므로, 크로마이트는 발생하는 온도 상승을 온화하게 하거나 제거하는 기능을 한다. 따라서, 적어도 취입 초기 기간 동안 탈탄 비율이 최고점에 있을 경우 크로마이트를 도입시키는 것이 특히 유리하다. 반면, 이후의 취입 단계들 동안, 흔히는 임의의 크로마이트를 도입시키고 비반응성 기체 대 산화성 기체(이들은 용융 페로크롬 내에 취입된다)의 비율을 증가시키는 것이 바람직하지 않다. 이 증가의 목적은 크로뮴의 산화물에 대한 크로뮴의 용융물에서의적절한 산화가 존재하도록 산소 분압이 그리 크지 않게 하는데 있다. 사실상, 전체 정련 작동을 통해 본 발명에 따른 방법은 보급되어 있는 조건들이 크로뮴의 산화에 걸쳐 탄소의 산화에 적당하도록 작동된다.

송풍구(6)를 통한 기체 혼합물의 취입은 페로크롬 내의 탄소 농도가 2% 미만으로 감소되기에 충분한 시간 동안 계속된다. 그 다음, 랜스(10)는 이것이 미리 끌어내지 않았다면 끌어당기며, 용기(4)는 모든 액체 페로크롬을 수거 용기(도시되지 않음) 내로 비우도록 기울인다. 슬래그는 크로뮴(III) 옥사이드의 회수를 위해 보유된다. 페로크롬 생성물은 전형적으로 적합한 몰드(도시되지 않음) 내에 부어질 수 있다.

페로크롬의 정련에 대한 2개의 예가 모의 실험하였으며, 이를 아래에 제시한다. 실시예 1은 비교예이고, 실시예 2는 본 발명에 따른 것이다.

실시예 1(비교예)

탄소 6중량%를 함유하는 용융 페로크롬(41% Fe, 53% Cr, 6% C)의 충전물을, 산소 22부피부와 스팀 7부피부의 혼합물과 함께, 송풍구(6)를 통해 시간당 1740㎥의 비율에서 47분 동안 취입하였다. 그 다음, 상기 기체 혼합물의 조성 및 유량을 변화시켰다. 유량을 시간당 1200㎥로 감소시키고, 조성을 스팀 13부피부 및 산소 7부피부로 변경시켰다. 24분 더 계속적으로 취입하였다. 탄소 1.5중량%를 함유하는 페로크롬(42.4% Fe, 55.6% Cr) 30.8톤이 수득되었다. 용융물의 최대 온도는1699℃이었다.

실시예 2

탄소 6중량%를 함유하는 용융 페로크롬(41% Fe, 53% Cr, 6% C)의 충전물을, 산소 14부피부와 스팀 9부피부의 혼합물과 함께, 송풍구(6)를 통해 시간당 1380㎥의 비율에서 35분 동안 취입하였다. 그 다음, 상기 혼합물을 충전하고, 용융 페로크롬을 산소 1부피부와 스팀 1부피부의 혼합물과 함께 시간당 1080㎥의 비율에서 12분 동안 더 취입하였다. 또한, 정련 작동 중 초반 21분 동안 입자 크로마이트를 상기로부터 계속적으로 랜스(10)로부터의 용융물 내로 주입하였다. 크로마이트를 시간당 1500㎥의 비율에서 산소 유동 제트에 의해 옮겼다. 크로마이트를 60㎏/분의 비율로 주입하였다. 크로마이트를 주입하면서, 용융물의 온도를 1600℃ 미만으로 유지시키되, 용융물 내로의 산소 분자의 총 유량은 실시예 1에서보다 큰 것이 사실이다. 일단 크롬의 공급이 종결되면, 랜스로부터의 산소 주입은 용융물의 온도가 1600℃까지 상승되도록 계속 실시하였다. 크로마이트 주입의 말단부로부터 5분이 경과한 후, 랜스로부터의 산소 주입도 또한 종결시켰다.

탄소 2중량% 미만을 함유하는 페로크롬 31.2톤 미만의 단부를, 임의의 단계에서 취입에서 얻은 최대 온도인 1667℃의 온도에서 태핑시켰다(tap).

(본 발명에 따른) 실시예 2가 실시예 1보다 실질적으로 높은 페로크롬의 생산성(톤/시)을 나타냄을 확인할 수 있다. 실시예 2에서, 생산성은 39.7톤/시이고, 실시예 1에서는 26.4톤/시이다. 또한, 송풍구(6)를 통한 유량은 실시예 1에 비해 실시예 2에서 실질적으로 감소된다.

본 발명의 다른 이점은 실시예 2로부터 자명하다. 예를 들면, 탈탄 비율은 높지만, 얻은 최대 용융 온도는 실시예 1보다 낮다. 또한, 송풍구를 통한 기체의 최대 유량은 실시예 1보다 실시예 2에서 적다. 따라서, 용기(4)의 내화물(8)에 대한 실시예 2의 규제는 실시예의 규제보다 적은 마모를 나타내는 것으로 보인다.

실시예 3

탄소 6중량%를 함유하는 용융 페로크롬(41% Fe, 53% Cr, 6% C)의 충전물을, 스팀 53부피부와 산소 88부피부의 비율로 스팀과 산소의 혼합물과 함께, 초기 40분 동안 송풍구(6)를 통해 시간당 1410㎥의 비율에서 취입하였다. 이 기간 중 최초 35분 동안, 입자 페로크롬(41% Fe, 53% Cr, 6% C)을 랜스(10)를 통해 80㎏/시의 비율로 용융 내에 취입하였다. 입자 페로크롬을 산소 유동 제트에 시간당 1500㎥의 비율로 옮겼다. 최초 35분 후, 랜스(10)를 통한 산소 및 페로크롬의 공급을 중단시켰다. 40분의 초기 기간 중 말단부에서, 송풍구(6)를 통한 산소와 스팀의 총 공급률을 시간당 1010㎥의 비율로 감소시키고, 스팀 대 산소 비율을 스팀 53부피비 대 산소 48부피비로 증가시켰다. 21분 더 취입을 계속 실시하였다.

취입 말단부에서, 탄소 2중량% 미만을 함유하는 페로크롬 35.5톤을 1630℃의 온도에서 태핑시켰다. 임의의 단계에서의 용융물의 최대 온도는 1680℃이었다.

(본 발명에 따른) 실시예 3이 실시예 1보다 실질적으로 높은 생산성(톤/시)을 나타냄을 확인할 수 있다. 실시예 3에서, 생산성은 34.9톤/시이다. 실시예 1에서는 26.4톤/시이다. 또한, 송풍구(6)를 통한 유량은 실시예 1에 비해 실시예 3에서 실질적으로 감소된다.

더구나, 실시예 2 및 3의 이점은, 랜스(10)를 통한 폐기물이 될 수 있는 주입물을 사용하여 얻을 수 있다.

본 발명에 따른 방법이 페로크롬이 아닌 철합금의 정련에 적용할 수 있음을 쉽게 이해할 수 있다. 예를 들면, AOD 또는 CLU 공정에 의한 스테인레스 스틸의 제조에 채택될 수 있다. 본 발명에 따른 방법이 예컨대 페로망가니즈 및 페로바나듐의 정련에도 또한 적용될 수 있다.

Claims

산소 분자, 또는 산소 분자를 포함한 기체 혼합물을 철합금의 용융물 내에 취입하는 단계를 포함하는 철합금의 정련 방법으로서,

야금-허용가능한(metallurgically acceptable) 미립자 물질을 용융물 내에 도입하되, 상기 미립자 물질이 제 1 초음속 기체 제트에서 상기 용융물 내로 옮겨지고, 제 2 기체 제트에 의해 슈라우딩된(shroud) 용융물로 이동되는 방법.
제 1 항에 있어서,

야금-허용가능한 미립자 물질이, 정련된 합금 내에 포함되는 금속들, 상기 금속들의 합금 및 상기 금속들의 산화물, 및 이들의 혼합물로부터 선택되는 정련 방법.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

철합금이 철 30중량% 이상을 함유하는 정련 방법.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

철합금이 페로크롬이고, 야금-허용가능한 미립자 물질이 크로뮴의 산화물을 포함하는 정련 방법.
제 4 항에 있어서,

크로뮴의 산화물이 크로마이트인 정련 방법.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,

야금-허용가능한 미립자 물질이 페로크롬을 포함하는 정련 방법.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

철합금이 스테인레스 스틸이고, 야금-허용가능한 미립자 물질이 크로뮴의 산화물인 정련 방법.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

철합금이 페로망가니즈이고, 야금-허용가능한 미립자 물질이 망가니즈의 산화물인 정련 방법.
제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,

야금-허용가능한 미립자 물질을 미세한 미립자 형태로 용융물 내에 도입하는 정련 방법.
제 9 항에 있어서,

야금-허용가능한 미립자 물질의 평균 입자가 1㎜ 이하인 정련 방법.
제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,

제 2 기체 제트가 초음속 기체 제트인 정련 방법.
제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,

제 1 기체 제트를 형성하는 기체가 산화성 기체, 비산화성 기체 또는 산화성 기체와 비산화성 기체의 혼합물인 정련 방법.
제 12 항에 있어서,

산화성 기체가 산소인 정련 방법.
제 12 항 또는 제 13 항에 있어서,

비산화성 기체가 아르곤 및 스팀 중 하나이거나, 또는 상기 물질 모두인 정련 방법.
제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,

제 2 기체 제트를 연소 기체로 형성시키는 정련 방법.
제 1 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,

제 1 기체 제트를 제 1 라발(Laval) 노즐로부터 마하 1.5 내지 4의 속도로 배출시키고, 제 2 기체 제트를 제 2 라발 노즐로부터 마하 1.5 내지 4의 속도로 배출시키는 정련 방법.
제 16 항에 있어서,

제 1 라발 노즐 및 제 2 라발 노즐이, 제 1 라발 노즐 내의 출구 단부에서 종결되는 제 1 축 기체 통로, 제 2 라발 노즐 내의 출구 단부에서 종결되는 주요 기체 통로 주변의 슈라우딩(shrouding) 기체 통로, 및 제 1 라발 노즐과 교통하는 축 출구를 갖는 미립자 물질 수송 통로를 포함하는 야금 랜스의 일부를 형성하는 정련 방법.
제 17 항에 있어서,

상기 축 출구가 제 1 라발 노즐의 발산부에서 종결되는 정련 방법.
제 17 항 또는 제 18 항에 있어서,

슈라우딩 기체 통로가 연소실을 포함하는 정련 방법.
제 1 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 있어서,

야금-허용가능한 미립자 물질을 정련 작업의 제 1 부에서 연속적으로 용융물 내에 도입하는 정련 방법.
제 20 항에 있어서,

제 1 기체 제트가 산소를 포함하는 것으로, 용융물 내로의 야금-허용가능한 미립자 물질의 도입을 중단시킨 후, 용융물 내로의 제 1 기체 제트의 도입을 계속적으로 실시하는 정련 방법.
제 21 항에 있어서,

용융물 내로의 제 1 기체 제트의 도입을 정련 작업 말단부 전에 중단시키는 정련 방법.