KR20050094922A - 종점탄소를 높게 제어하는 전로정련방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 타이어코드 강재, 베어링 강재, 와이어로프 강재, 스프링 강재 등의 고탄소강의 전로조업시 용강의 인(P) 성분을 안정적으로 제거하면서 가탄제 및 탈산제 투입량을 획기적으로 감소시켜 저비용 고청정 조업을 실시하여 용강의 탄소함량을 높게 제어하는 종점탄소를 높게 제어하는 전로정련방법에 관한 것이다.

이를 위해서, 본 발명은 고탄소강을 전로에서 취련하여 정련하는 방법에 있어서, 고탄소 용선을 전로에 수강하여 취련시점 40%까지인 취련초기에는 송산 유량을 용강 톤당140N㎥ 이하로 송산하여 인 성분을 낮게 유지하고, 취련중기에서 용강의 출강까지 전로 슬래그의 T.Fe를 13~30중량% 범위로 조절하는 것을 특징으로 하는 종점탄소를 높게 제어하는 전로정련방법을 제공한다.

Description

종점탄소를 높게 제어하는 전로정련방법{REFINING METHOD FOR MAINTAINING HIGH CARBON CONTENT IN MOLTEN STEEL CONTAINED IN CONVERTER}

본 발명은 종점탄소를 높게 제어하는 전로정련방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 탄소(C) 0.50~1.20중량%를 함유하는 타이어코드 강재, 베어링 강재, 와이어로프 강재, 스프링 강재 등의 고탄소강의 전로조업시 용강의 인(P) 성분을 안정적으로 제거하면서 가탄제 및 탈산제 투입량을 획기적으로 감소시켜 저비용 고청정 조업을 실시하여 용강의 탄소함량을 높게 제어하는 종점탄소를 높게 제어하는 전로정련방법에 관한 것이다.

전로는 용선에 함유되어 있는 탄소, 실리콘, 망간 및 인(P) 등을 산소로 산화시켜 제거하여 용강을 만드는 것이 주기능이다. 전로에서 인(P) 성분을 안정적으로 제거하면서 탄소를 대폭 높게 제어하여, 가탄제 및 탈산제 투입량을 획기적으로 감소시켜, 저비용 고청정 조업을 하는 것이 목적으로 하는 것으로서, 종래의 고탄소강 전로조업방법과 본 발명이 목적으로 하는 전로조업방법을 간단히 요약 비교하여 도 1에 나타내었다.

상기한 인(P) 성분을 제어하는 통상적인 전로조업방법은 다음과 같다.

도 2에 도시된 바와 같이, 인(P) 성분을 제거하기 위해 투입된 생석회(CaO)는 용융(이하 재화)이 되어야만 인(P)제거(이하, ‘탈린’이라 함) 반응이 일어난다. 그래서 전로에서는 재화를 촉진시키기 위해, 직전 차지에서 조업한 슬래그를 일부 남겨 배재하고, 이를 이용하여 취련을 실시한다. 인(P) 성분을 제거하기 위해 생석회를 투입하는데, 취련 초기에 일부만 투입하고, 노체 보호용으로 취련 전에 투입된 생석회, 경소 백운석이 재화되는 것을 확인하면서 분할 투입한다.

취련 시의 재화판단은 전로 노구로 넘치는 슬래그 상태를 보고 판정한다. 또한 재화 촉진을 위해 형석과 소결광(혹은 밀스케일)을 제한하여 사용하는 것이 일반적인 인 성분 제어 방법이다. 취련이 끝난 다음, 레이들로 유출된 전로 슬래그에 의한 인성분 상승(이하, ‘복린’이라 함)을 최소화하기 위해, 출강 시 전로 슬래그유출을 억제하면서 출강하는 것이 종래의 방법이다.

종래의 방법은 용선에 함유된 인(P)을 제거하기 위해서 탄소제거에 필요한 이상의 산소를 불어 넣게 되는데, 이로 인해 제품에서 필요한 탄소 함량보다 훨씬 낮게 탄소가 낮아지게 되고, 용강 내부에는 산소가 많아지게 된다. 그래서 출강단계에서 탄소가 함유된 합금철(이하, ‘가탄제’라 함)을 투입하고, 산소 제거용 합금철(이하, ‘탈산제’라 함)을 투입함에 따라 고비용 조업을 초래하고, 투입된 탈산제는 비금속 화합물을 형성, 용강의 청정성을 떨어뜨린다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 취련 초기에 슬래그를 재화시키기 위한 송산 유량을 작게 하는 취련방법(이하, ‘Soft Blowing’이라 함)으로 전로에 투입된 부원료를 조기 용융시켜 취련 초기부터 인(P) 성분을 낮게 제어하고, 취련 중반 이후에는 탄소를 높게 취련함에 따른 산소 퍼텐셜 하락으로 인한 인(P) 성분 제어 능 하락 방지를 위해, 슬래그의 T.Fe함량을 올려 산소 포텐셜을 확보하여 인(P) 성분을 낮게 제어(탈린)한 다음, 출강 단계에서는 유출 슬래그에 의해 인(P) 상승(복린)을 최소로 하는 종점탄소를 높게 제어하는 전로정련방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 고탄소강을 전로에서 취련하여 정련하는 방법에 있어서, 고탄소 용선을 전로에 수강하여 취련시점 40%까지인 취련초기에는 송산 유량을 용강 톤당140N㎥ 이하로 송산하여 인 성분을 낮게 유지하고, 취련중기에서 용강의 출강까지 전로 슬래그의 T.Fe를 13~30중량% 범위로 조절하는 것을 특징으로 하는 종점탄소를 높게 제어하는 전로정련방법을 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 고탄소 용강을 전로에 수강하기 전에 온도 보상을 위한 열원제를 투입하는 것을 특징으로 하는 종점탄소를 높게 제어하는 전로정련방법을 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 취련초기에 투입되는 경소백운석의 량이 용강 톤당 5~10㎏ 범위이고, 상기 취련초기 5분 이내에는 생석회를 투입하지 않는 것을 특징으로 하는 종점탄소를 높게 제어하는 전로정련방법을 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 용강의 출강이 완료된 후 전로 바닥부에 2.0~3.0N㎥/T-S의 산소를 불어넣는 것을 특징으로 하는 종점탄소를 높게 제어하는 전로정련방법을 제공한다.

이하, 본 발명의 구성을 상세하게 설명한다.

전로는 탄소(C) 및 인(P) 성분 제거와 승온이 주기능이며, 전로 작업이 진행됨에 따른 각각의 거동을 도 3에 도시하였다. 도 3에 도시된 바와 같이, 종점탄소를 상승시키기 위해서는 산소량을 줄이거나 취련시간을 조기에 종료해야 되는데, 그렇게 되면 용강온도가 목표로 하는 값보다 덜 올라가고, 인(P) 성분이 목표로 하는 값보다 덜 제거가 된 상태로 작업을 종료해야 한다. 용강온도는 용선온도 상향, 열부가재 사용 등으로 해결이 가능하나 인 성분은 전로에서 해결해야 할 문제이므로, 종점탄소를 올리기 위해서는 인(P) 성분 제어가 관건이다.

따라서, 용강의 종점탄소 상향조업은 인(P) 성분제어 부담으로 전로 조업자가 기피하는 취련 방법 중의 하나이다. 본 발명은 종점탄소를 올리면서도 인 성분을 안정적으로 제어하는 방법론적 측면에서 접근하여 개발된 것이다.

탄소는 산소에 의해 쉽게 제거되므로 어렵지는 않으나, 인(P) 성분은 하기 반응식 1에 나타낸 바와 같이, 복합 화합물을 형성하여 슬래그로 제거되므로 제거 방법이 단순하지 않다. 게다가 종점탄소를 높이게 되면 용강 중 산소가 낮아져서 인 제거가 더욱 어렵다.

4(CaO) + 2[P] + 5[O] → 4CaO·P ₂ O ₅

따라서, 본 발명에서 해결해야 할 기술적 과제는 종점탄소를 올리면서 인(P) 성분을 제품에서 요구하는 수준으로 낮게 제어하는 것이다. 즉 종래 종점탄소를 낮게 제어하는 방법과는 달리 종점탄소를 높게 제어하므로, 용강의 산소 함량이 낮아져서 탈린반응이 잘 일어나지 않아, 인 성분 제어가 어렵다.

그러므로, 본 발명에서는 인(P)을 용이하게 제거하기 위하여, 취련 초기부터 인 성분을 낮게 제어하기 위해 소프트 블로잉(Soft Blowing)을 실시한 다음, 슬래그의 산소 퍼텐셜을 올려 인 성분이 상승되지 않게 하여, 고탄소로 조업하면서 인을 제거하는 것을 기본개념으로 한다.

종래의 방법은 취련 초기에 탄소의 제거를 위해 송산량을 톤 당170 N㎥/min 이상으로 취련하는 하드 블로잉(Hard Blowing)을 실시하여, 인 성분이 취련 70% 시점에서 낮게 제어되는 방법을 사용하였지만, 본 발명은 취련시간이 단축됨에 따라 인 성분을 초기부터 제어해야 하므로, 취련 40% 이내의 초기 송산량을 톤 당 140 N㎥/min 이하로 취련하는 소프트 블로잉(Soft Blowing)을 실시하여 인 성분을 초기부터 제어하였다. 송산량 140 N㎥/min를 초과하는 경우에는 재화 지연으로 인해, 표 5에 나타낸 바와 같이 인 성분이 잘 제거되지 않았다.

그런 다음, 취련 중기 이후에는 슬래그의 산소 퍼텐셜을 관리하여 인 성분을 제어하였다. 즉, 용강 중의 인은 상기 반응식 1의 반응에 의해 슬래그로 제거가 되므로 슬래그의 산소 퍼텐셜을 올리면 이 반응이 잘 일어나서 인이 잘 제거되는데, 슬래그의 산소 퍼텐셜은 슬래그 중의 T.Fe 함량으로 나타낸다.

상기 슬래그 중의 T.Fe 함량이 높게 되면 출강 중 슬래그가 노구로 넘치게 되는데, 표 1에 나타낸 바와 같이, 30% 이상이 되면 노내에 진정제를 다량 투입하여도, 출강 작업이 어렵게 되는 바, 30% 이하로 관리하여야 한다.

종점탄소를 높게 작업한 경우, 원인이 불분명한 인(P) 성분으로 인하여 격외(규격이외)가 간혹 발생하였는데, 이는 종점탄소를 높이게 되면 용강산소량이 낮아져 슬래그 중의 T.Fe 함량도 매우 낮게 되어 인(P) 성분 격외를 유발하게 되는 것이다.

따라서, 인 성분을 잘 제거하려면, 노내 염기도가 높을수록, 재화도가 양호할수록, 그리고 낮게 제어된 인 성분이 출강 중 다시 용강으로 복린되지 않아야 한다.

첫째, 노내 염기도에 끼치는 T.Fe의 영향을 조사한 결과, T.Fe는 SiO₂량에 영향을 끼치는 것이 관찰되었다. 노 내에서 상기 반응식 1과 같은 반응은 CaO량이 증가할수록, 즉 염기도가 높을수록 잘 일어나는데, 이는 SiO₂에 의해 CaO의 기능을 저해하여 CaO의 탈린효율을 저하시키기 때문이다.

동일한 조건에서 T.Fe가 올라가면 SiO₂량이 낮아지고, 염기도(CaO/SiO₂)가 증가되어 인(P) 성분 제어에 유리하게 작용하게 되는 것이다. 특히 T.Fe가 13% 이하에서는 도 4에 도시된 바와 같이, SiO₂량이 급격히 올라가 인 성분 제어에 매우 불리해진다.

또한, 도 3에 도시된 바와 같이, 인 성분은 취련 중 노내 거동이 취련 70% 시점에서 다시 상승하는 거동을 하는데, 이는 용강 중 산소 퍼텐셜이 낮아져서 발생하는데, 인 성분의 상승을 방지하기 위해서는 이 시점에 슬래그의 산소 퍼텐셜을 높여줘야 한다.

둘째, 재화도에 끼치는 T.Fe의 영향을, 실제 부원료 투입량 등 동일한 조건에서 실험을 통해 조사한 결과, 도 5에 도시된 바와 같이, T.Fe 13% 이하에서는 재화도(실제염기도/이론염기도)가 급격하게 하락하였다. 따라서 전로 슬래그의 T.Fe함량은 13중량% 이상으로 제어해 주어야 전로 종점에서 고탄소로 취련을 하여도 안정적으로 인 성분을 제어할 수 있다.

마지막으로 전로에서 낮게 제어된 인 성분을 출강 중 복린량을 최소화 시키는 것이다.

취련이 끝나고 레이들로 용강을 출강해야 하는데, 이 때 용강뿐만 아니라 전로 슬래그도 같이 레이들로 유출된다. 전로에서 제어된 인 성분은 [4CaO·P₂O₅] 형태로 슬래그에 존재하는데, 이 것은 불안정한 화합물이다. 즉, 레이들로 유출된 [4CaO·P₂O₅] 화합물은 탈산제에 의해 쉽게 환원되어, 인 성분은 용강으로 다시 들어간다(이하 복린). 따라서 종래 방법에서는 복린을 방지하기 위해, 출강 중 슬래그 유출량을 억제하는 여러 가지 기계적인 방법을 사용하여왔다.

본 발명에서는 슬래그의 물성이 복린량에 끼치는 영향을 조사하여, 유출된 슬래그에 의한 복린량을 최소화할 수 있는 방법을 연구하였다.

연구 결과, T.Fe성분이 복린량에 가장 큰 영향을 끼치는 것을 알 수 있었는데, T.Fe가 증가할수록 복린량이 감소하고, 11 중량% 이하 시 복린량이 급격하게 증가하는 것을 도 6에 나타내었다.

T.Fe함량을 올리는 방법은 밀스케일이나 소결광 등 T.Fe 원을 투입하는 방법이 있는데, 용강 온도 여유가 있을 경우에는 이 방법을 사용하고, 온도 여유가 없는 경우에는 송산량을 줄여 소프트 블로잉(Soft Blowing) 취련으로 T.Fe량을 증가시키는 조업을 실시하였다.

슬래그 중의 T.Fe를 판정하기 위한 방법으로 T.Fe 함량별 슬래그 상태를 직접 샘플링하여 조사하였다. 도 7에 나타낸 바와 같이, T.Fe가 증가하면 채취된 슬래그가 얇게 붙고, 부착된 슬래그의 표면이 매끈하며, 기공이 작아지는 반면에, 13% 이하 시에는 표면이 거칠고, 기공이 많아져 육안으로도 쉽게 식별이 가능하다.

종점탄소를 지속적으로 높게 제어하면, 전로 슬래그의 물성이 저하하여 전 차지 슬래그를 남겨서 취련 하여도, 재화 속도가 지연되어 인성분 제어가 어렵고, 이 슬래그가 출강 말기 전로 바닥부에 고착이 되어 바닥부 융기 현상으로 인해 탈탄계수(산소량에 의해 제거되는 탄소 량을 계수화한 것)가 불안정하여 탄소 함량을 예측하기 어렵다.

이를 해결하기 위해서는 두 가지 방법으로 해결하였다.

첫 번째는 산소랜스를 이용하여 출강 직후 전로 바닥 부위에 산소를 불어 이를 해결한다(이하 바닥 공취). 하기 표 2에는 연속 고탄소 조업 후 슬래그 조성을 나타내었는데, T.Fe가 연속 고탄소 조업시에는 낮게 되지만, 바닥 공취 이후에는 증가하여, 슬래그 물성이 개선되어 연속 고탄소 조업이 가능케 되었다. 즉, 연속적으로 종점탄소를 높게 조업시는 2차지 당 1회 바닥 공취 송산을 실시하면 된다. 그러나 바닥 공취 송산 조업은 전로 시간을 길게 하고, 노바닥부 내화물 용손을 초래할 수 있어 가능한 최소량으로 실시하여야 되는데, 표 3에 나타난 바와 같이 2.5~3.0N㎥/T-S정도면 효과를 볼 수 있다. 그러나 4.0N㎥/T-S 이상으로 송산량이 많아지면 전로 바닥부 연와 손상이 초래되고, 전로 시간이 길어져 생산성을 하락시킨다.

두 번째 방법은 전로 내화물 보호용으로 투입하는 경소백운석량을 감소시켰다.

경소백운석은 슬래그의 유동성을 저하시키고, 전로 바닥부에 쌓여 바닥부 융기에 의한 전로 탕면 불안정을 유발하여 탈탄계수가 일정치 않아, 종점탄소가 편차를 갖게 된다. 종점탄소가 상향하면 출강온도 및 용강 산소가 낮아지고, 슬래그 중 T.Fe가 감소되어 전로 내화물 손상이 거의 없기 때문에 경소백운석은 량을 대폭 줄이는 것이 가능하다.

표 4에 경소백운석량에 따른 슬래그 고착에 의한 바닥부 융기 및 연와 침식을 나타내었는데, 5㎏/T-S 미만 시에는 연와 침식이 발생하므로, 5~10㎏/T-S이 적정하다.

본 발명으로 제조된 용강의 종점탄소는 종점 0.30%에서 0.50%로 올리면서도, 인 성분은 도 8에 도시된 바와 같이, 종래방법과 유사한 수준을 유지하여, 탄소 함량을 높게 취련하면서도 인 성분은 안정적으로 제어되었다.

또한, 하기 표 5에는 취련 패턴, T.Fe제어 방법, 연속적 고탄소 조업 방법 등을 종래 방법과 비교하여 나타내었다.

제 9도에 본 발명에 의한 작업 방법의 절차를 상세하게 나타내었다.

전로 내화물 보호용으로 15㎏/T-S 투입하는 경소백운석은 5~10㎏/T-S으로 줄였는데, 이는 종점탄소를 상향하면서, 출강온도 저하, 슬래그 중 T.Fe의 감소 등으로 전로 내화물 손상이 거의 없어 량을 줄였다.

온도 보상을 위해 Fe-Si나 Fe-Si-C 등의 열원제 투입시기는 종전에는 취련 개시 후 다음 투입하였으나 본 발명에서는 용선 장입 전에 투입한다. 이는 열원제 중의 Si성분이 취련 초기에 용해되어 SiO₂로의 반응을 당겨서 재화 속도를 촉진시키기 위함이다.

취련 초기에 투입하는 CaO는 실험결과 인 제어에 불리하므로 투입하지 않고, 재화가 된 이후에 투입한다. 재화시기는 생석회 품질이나, 전차지에 작업하고 남은 슬래그량 등에 의해 재화 시간이 변경되는데, 통상 5~7분 경에 재화가 된다.

산소 랜스 및 송산량은 재화를 촉진시키기 위해 초기에는 Soft하게 조정하고, 말기에 Hard하게 조업하여 출강 중 노구로 슬래그가 넘치지 않도록 조업한다.

출강 시 전로 슬래그를 채취하여 T.Fe를 분석한 다음, 전로 조업이 정상적으로 되었는지 분석하고, 분석 내용을 근거로 하여 다음 차지 조업에 반영한다.

출강후 배재 전에 전로 바닥부에 산소를 불어넣어 슬래그 물성을 개선시키는 것이 본 발명의 주요 작업 방법 절차이다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다.

하기 표 6에 나타낸 바와 같이, 본 발명으로 초기 송산량, T.Fe함량, 바닥 공취 등 여러 조건을 나누어 실시하면서 종점탄소에 따른 인성분 함량을 비교하였다. 실시 제품은 자동차 타이어 보강용 소재로, 이 강종은 탄소 0.80중량%, 인 0.013중량% 이하인 제품으로 전로에서 고탄소 조업을 하는 대표적인 강종으로 인 성분을 가장 낮게 관리하는 강종이다.

종래 방법으로는 종점탄소가 0.40% 이상만 되면, 인 성분이 0.013중량% 이상으로 높아져서 고탄소 조업을 실시하는데 한계가 있었다. 그러나 초기 송산량이 톤 당 140 N㎥/min 이하, T.Fe량이 13% 이상, 바닥 공취 실시 조업시에 종점탄소 0.50% 이상 취련시에는 인 성분을 0.013 중량% 이하로 제어 가능하였다.

상술한 바와 같이, 본 발명을 타이어코드 보강용 소재에 적용한 결과를 도 10에 나타내었는데, 종점탄소는 종래방법의 0.30%에서 0.50%로 증가하였고, 이에 따른 가탄제 및 탈산제 투입량 감소, 용강 실수율 증가 등으로 저원가 조업 및 고품질 조업이 가능한 효과가 있다.

도1은 종래의 전로조업방법과 본 발명의 전로조업방법의 차이점을 비교 도시한 공정비교도;

도 2는 종래의 전로 조업방법의 순서를 도시한 공정순서도;

도 3은 전로취련조업 중 취련시간에 따른 탄소, 인, 온도의 거동을 도시한 그래프도;

도 4는 전로 내 SiO₂ 함량과 T.Fe와의 관계를 도시한 그래프도;

도 5는 전로 내 T.Fe와 재화도의 관계를 도시한 그래프도;

도 6은 출강 중 복린량과 T.Fe의 관계를 도시한 그래프도;

도 7은 T.Fe 함량별 슬래그 상태 견본을 도시한 사진도;

도 8은 종래의 방법과 본 발명의 방법에 따른 인(P) 성분 함량을 비교 도시한 그래프도;

도 9는 본 발명에 따른 종점탄소를 높게 제어하는 전로정련방법의 순서를 도시한 공정순서도;

도 10은 종래의 방법과 본 발명의 방법에 따른 종점탄소 함량을 비교 도시한 그래프도이다.

Claims (5)

1. 고탄소강을 전로에서 취련하여 정련하는 방법에 있어서,

   고탄소 용선을 전로에 수강하여 취련시점 40%까지인 취련초기에는 송산 유량을 용강 톤당140N㎥ 이하로 송산하여 인 성분을 낮게 유지하고, 취련중기에서 용강의 출강까지 전로 슬래그의 T.Fe를 13~30중량% 범위로 조절하는 것을 특징으로 하는 종점탄소를 높게 제어하는 전로정련방법.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 고탄소 용강을 전로에 수강하기 전에 온도 보상을 위한 열원제를 투입하는 것을 특징으로 하는 종점탄소를 높게 제어하는 전로정련방법.
3. 청구항 1에 있어서, 상기 취련초기에 투입되는 경소백운석의 량은 용강 톤당 5~10㎏ 범위인 것을 특징으로 하는 종점탄소를 높게 제어하는 전로정련방법.
4. 청구항 1 또는 청구항 3에 있어서, 상기 취련초기 5분 이내에는 생석회를 투입하지 않는 것을 특징으로 하는 종점탄소를 높게 제어하는 전로정련방법.
5. 청구항 1에 있어서, 상기 용강의 출강이 완료된 후 전로 바닥부에 2.0~3.0N㎥/T-S의 산소를 불어넣는 것을 특징으로 하는 종점탄소를 높게 제어하는 전로정련방법.