KR20060055737A - 일렉트로 슬래그 재용해에 의한 보론함유 고크롬 강괴제조방법 - Google Patents

일렉트로 슬래그 재용해에 의한 보론함유 고크롬 강괴제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 일렉트로 슬래그 재용해(Electro-Slag Remelting, ESR)에 의한 보론함유 고크롬 강괴(High Cr Steel Ingot) 제조방법에 관한 것으로서, 최적의 일렉트로 슬래그 조성 및 몰드(Mold) 내의 임계산소농도를 조절함으로써, 일렉트로 슬래그 재용해 처리후, 목표 보론 함량이 균일하게 분포된 고품질의 고크롬 강괴를 얻을 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일렉트로 슬래그 재용해에 의한 보론함유 고크롬 강괴 제조방법은, 수냉 몰드에 투입되고 산화붕소를 함유한 슬래그 중에 수 mm 침적된 보론함유 고크롬강 소모전극이, 용융 슬래그의 주울열에 의하여 물방울 형태로 재용해되고, 슬래그 중을 적하 침강한 용강을 수냉 몰드 내에 연속적으로 응고시킴으로써, 목표 보론 함량이 균일하게 분포된 고크롬 강괴를 제조함에 있어서, 상기 슬래그 내의 실리카 활동도를 소정의 범위로 설정하는 단계와; 상기 수냉 몰드 내의 임계산소농도를 소정의 범위로 제어하는 단계와; 상기 소모전극 내의 실리콘 활동도 및 강괴내 목표 보론 농도와의 관계에 따라 슬래그 내에 산화붕소를 소정량 첨가하는 단계;를 포함하여 이루어진다.
ESR, 일렉트로, 슬래그, 재용해, 고크롬, 강괴, 보론, 산화붕소, 실리콘, 실리카, 활동도, 회수율, 불활성, 임계산소농도

Description

일렉트로 슬래그 재용해에 의한 보론함유 고크롬 강괴 제조방법 {METHOD FOR MANUFACTURING BORON CONTAINING HIGH CR STEEL INGOT BY ELECTRO-SLAG REMELTING}
도 1은, 일렉트로 슬래그 재용해(Electro-Slag Remelting, ESR) 장치의 개략적인 단면도이다.
도 2는, 일렉트로 슬래그 재용해시, 종래 강괴내 보론(Boron) 농도를 제어하는 방법을 수행한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 3은, 대기중 보론 함유 고크롬강의 일렉트로 슬래그 재용해 과정에서의 반응을 모식화한 도면이다.
도 4는, 본 발명에 따른 일렉트로 슬래그 재용해에 의한 보론함유 고크롬 강괴 제조방법에 있어서, 실리카 활동도를 설정하기 위한 CaO-Al2O3-SiO2 3원계 상태도이다.
도 5는, 본 발명에 따른 일렉트로 슬래그 재용해에 의한 보론함유 고크롬 강괴 제조방법에 있어서, 임계산소농도를 도출하기 위한 시험결과를 나타내는 그래프이다.
도 6은, 실리콘 회수율 및 보론 회수율의 직선적 관계를 나타내는 그래프이다.
도 7은, 슬래그내 산화붕소와 일렉트로 슬래그 재용해후 고크롬 강괴내 보론 농도 변화를 나타내는 그래프이다.
도 8은, 소모전극내 실리콘 활동도 및 슬래그내 첨가된 산화붕소의 농도에 따른 일렉트로 슬래그 재용해후 강괴내 보론 농도의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 9는, 슬래그내 산화붕소의 첨가량을 결정하는 그래프이다.
본 발명은 일렉트로 슬래그 재용해(Electro-Slag Remelting, ESR)에 의한 보론함유 고크롬 강괴(High Cr Steel Ingot) 제조방법에 관한 것으로서, 특히 최적의 슬래그 조성 및 몰드(Mold) 내의 임계산소농도를 조절함으로써, 슬래그 재용해 처리후, 목표 보론 함량이 균일하게 분포된 고품질의 고크롬 강괴를 얻을 수 있도록 하는 일렉트로 슬래그 재용해에 의한 보론함유 고크롬 강괴 제조방법에 관한 것이다.
일렉트로 슬래그 재용해(Electro-Slag Remelting, 이하 "ESR"로 통칭함.)법은 특수 재용해법의 하나로서, 그 원리는, 도 1에 도시된 바와 같이, 수냉 몰드(Mold, 10)에 투입된 슬래그(30) 중에 수 mm 침적된 소모전극(20)이, 용융 슬래그(30)의 주울(Joule)열에 의하여, 물방울 형태(Droplet)로 재용해되고, 슬래그(30) 중을 적하 침강한 용강을, 수냉 몰드(10) 내에 연속적으로 응고시켜 강괴(32)로 제 조하는 것이다.
ESR에서의 열원은 모두 용융 슬래그의 주울열에 의한 것이므로 슬래그의 전기전도도는 조업의 중요한 인자로서, 전기전도도의 온도의존성이 작아야 한다. 또한, 슬래그에 의한 정련효과는 성분조성에 따라서도 좌우되기 때문에, 탈황을 하기 위해서는, CaO를 많이 함유한 슬래그나, 합금원소의 실효율 안정화나 탈산 산화방지를 위해서는 FeO, MnO, SiO2 함량이 적은 슬래그가 좋다.
ESR 주요설비는, 전원공급장치, 전극승강장치, 수냉 몰드, 제어장치 등으로 이루어져 있으며, 용해방식으로는 몰드 고정법, 몰드 인상법, 강괴 강하에 의한 연속법 등이 사용되고 있다. 최근에는, 청정도가 우수한 특수강 및 초내열 합금(Superalloy)의 ESR 공정 적용을 위해, 불활성 가스 분위기를 제어할 수 있는 전용 챔버(Chamber) 또는 진공설비를 부착하는 추세에 있다. 용해의 제어는, 소정의 용해속도가 되도록 전압 또는 전류를 설정하여, 전극의 강하속도를 조절한다.
전기로와 정련로의 제강, 정련 공정을 거쳐 재래식 강괴를 만들면, 자연냉각에 의해 응고되기 때문에, 응고속도의 조정에 어려움이 따르고, 화학성분의 편석, 불균일한 조직과, 비금속 개재물의 제어가 어려워, 최종 제품의 기계적 성질에 악영향을 미친다. 그러나, ESR법은, 응고속도를 강괴의 특성에 맞게 조절하는 것이 가능하여, 재래식 강괴에서 발생하는 성분 및 조직 불균일성과 비금속 개재물을 최소화할 수 있으므로, 고품질의 강괴를 얻을 수 있다.
종래에는, 보론 함유 고크롬 강괴의 ESR 정련과정에서, 보론의 산화 손실을 예상하여, 다음의 두 가지 방법을 사용하였다.
(1) ESR 소모전극에 보론 농도를, 최종 얻고자 하는 목표 보론 농도보다 높게 첨가하고, 산화를 방지하기 위하여 몰드 내 불활성 분위기에서 ESR을 실시하는 방법.
(2) 불활성 분위기에서 슬래그에 알루미늄을 투입, 탈산하여 슬래그 내의 보론 산화물인 산화붕소(Boron Oxide, B2O3)를 환원시켜 강괴내 보론 회수율을 증가시키는 방법.
그러나, 상기한 종래 방법들에 있어서는, 적정 조건의 확립이 어려워 강괴내 보론 함유량을 제어하기가 곤란하였다. 상기 두 가지 방법으로 ESR를 실시한 결과의 예를 표 1, 표 2 및 도 2에 나타내었다.
분류 Si(wt%) Al(wt%) B(wt%) Si회수율(%) B회수율(%)
전극내 성분 0.10 0.002 0.0090 - -
ESR후 성분변화 0.04 0.002 0.0030 40 33.3
0.03 0.001 0.0030 30 33.3
분류 Si(wt%) Al(wt%) B(wt%) Si회수율(%) B회수율(%)
전극내 성분 0.10 0.003 0.0090 - -
ESR후 성분변화 0.08 0.014 0.0029 80 32.2
0.07 0.005 0.0031 70 34.4
0.07 0.002 0.003 70 33.3
0.06 0.002 0.0031 60 34.3
0.08 0.012 0.0037 80 41.1
0.07 0.004 0.0036 70 40.0
0.06 0.002 0.0035 60 38.9
0.06 0.002 0.0034 60 37.8
0.05 0.002 0.0033 50 36.7
0.05 0.002 0.0033 50 36.7
표 1의 결과는, 보론 함유 고크롬강의 ESR 과정에서 CaF2-CaO-Al2O3 3원계 슬래그 내에 산화붕소를 첨가하지 않고, 불활성 분위기에서 재용해한 ESR 결과이다.
표 1에 나타나는 바와 같이, 슬래그 내 실리카(Silicon Dioxide, SiO2)를 첨가하지 않은 상태에서, 몰드 내의 분위기가 완전한 불활성 분위기로 제어되지 못하여, 실리콘 회수율은 30∼40%, 보론 회수율은 33% 수준이다. 즉, 몰드 내 분위기 제어만으로는, 보론 산화를 방지하기 힘들다는 것을 알 수 있다.
또한, 표 2 및 도 2의 결과는, 불활성 분위기에서 CaF2-CaO-Al2O3-SiO 2 4원계 슬래그 내에 산화붕소를 첨가하지 않고, 강괴내 보론 회수율을 향상시키기 위하여, 슬래그를 알루미늄으로 탈산시키며 ESR 정련한 결과이다.
표 2 및 도 2에 나타나는 바와 같이, 몰드 내 분위기가 불완전한 불활성 분위기로 제어됨으로써, 즉 몰드 내 분위기가 임계산소농도 조건을 충족시키지 못함으로써, 강괴 높이에 따라 실리콘 회수율이 50%까지 감소하였다. 그러나, 슬래그 내 실리카 첨가 및 알루미늄에 의한 슬래그 탈산으로 인하여, 표 1의 경우보다 실리콘 회수율이 다소 개선되었으나, 소모전극 내의 실리콘의 산화손실에 의한 슬래그 내 실리카의 활동도(SiO2 Activity, aSiO2)가 증가하여, 보론 회수율 또한 25∼40%로 여전히 낮은 수준이다. 또한, 슬래그 내 산화물들의 활동도 비가 고려되지 않은 상태에서 알루미늄으로 슬래그 탈산을 실시함으로써, 강괴내 알루미늄 농도가 불안정한 것을 알 수 있다.
본 발명은 상기한 종래 문제점을 고려하여 이루어진 것으로서, 최적의 일렉트로 슬래그 조성 및 몰드(Mold) 내의 임계산소농도를 조절함으로써, 일렉트로 슬래그 재용해 처리후, 목표 보론 함량이 균일하게 분포된 고품질의 고크롬 강괴를 얻을 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 수냉 몰드에 투입되고 산화붕소를 함유한 슬래그 중에 수 mm 침적된 보론함유 고크롬강 소모전극이, 용융 슬래그의 주울열에 의하여 물방울 형태로 재용해되고, 슬래그 중을 적하 침강한 용강을 수냉 몰드 내에 연속적으로 응고시킴으로써, 목표 보론 함량이 균일하게 분포된 고크롬 강괴를 제조하는 일렉트로 슬래그 재용해(ESR)에 의한 보론함유 고크롬 강괴 제조방법에 있어서: 상기 슬래그 내의 실리카 활동도를 소정의 범위로 설정하는 단계와; 상기 수냉 몰드 내의 임계산소농도를 소정의 범위로 제어하는 단계와; 그리고, 상기 소모전극 내의 실리콘 활동도 및 강괴내 목표 보론 농도와의 관계에 따라 슬래그 내에 산화붕소를 소정량 첨가하는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 슬래그 내의 실리카 활동도는 0.0005∼0.005인 것이 바람직하다.
또한, 상기 임계산소농도는 1% 이하인 것이 바람직하다.
또한, 상기 소모전극 내의 실리콘 활동도를 aSi라 하고, 강괴내 목표 보론 농도를 [Bppm]Ingot이라 할 때, 상기 산화붕소 첨가량(wt%B2O3) Slag은,
log[Bppm]Ingot = 0.38log(aSi) + K
log(K)=0.109log(wt%B2O3)Slag + 0.384
의 관계에 의하여 결정될 수 있으며, 상기 슬래그 내 첨가하는 산화붕소의 함량은 0∼10wt%인 것이 바람직하다.
또한, 상기 소모전극은, 실리콘(Si):0.5wt% 이하, 크롬(Cr):5∼30wt%, 보론(B):0∼500ppm, 탄소(C):0.05∼0.30wt%, 망간(Mn):0.05∼1.0wt%, 니켈(Ni):0.10∼10.0wt%, 바나듐(V):0.01∼0.20wt%, 알루미늄(Al):0.10wt%이하, 니오브(Nb):0.01∼0.30wt%, 텅스텐(W):0.10∼4.0wt%이고, 나머지가 철 및 기타 제어 불가능한 불순원소인 인(P), 황(S), 비소(As), 안티몬(Sb), 주석(Sn)의 화학조성으로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 슬래그 조성은, 형석(CaF2)을 제외한 CaO-Al2O3-SiO2 3원계 슬래그 내에서, 실리카 활동도 범위가 0.0005∼0.005로 제어된 CaF2-CaO-Al2O3-SiO 2 4원계 슬래그 조성을 기본으로 하며, 상기 형석의 함량은 12∼54wt%, 생석회(CaO)+알루미나(Al2O3)의 함량은 80wt% 이하로 하는 것이 바람직하다.
본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
도 3에는, 대기중 보론 함유 고크롬강의 ESR 공정에서의 용융금속과 슬래그의 반응과정이 개략적으로 도시되어 있다.
그 과정을 살펴보면, 대기중에서, ESR 정련을 할 경우, 수냉 몰드에 산화붕소를 함유한 슬래그를 투입하고, 그 슬래그 중에 수 mm 침적된 보론함유 고크롬강 소모전극을, 용융 슬래그의 주울열에 의하여 물방울 형태로 재용해하며, 슬래그 중을 적하 침강한 용강을 수냉 몰드 내에 연속적으로 응고시킴으로써, 목표 보론 함량이 균일하게 분포된 고크롬 강괴를 제조하게 된다. 이 때, 소모전극중 온도가 가장 높은 슬래그의 침적부에서 소모전극에 포함된 철(Fe), 망간(Mn)이 산화됨으로써, 저급 산화물인 산화철(Iron Oxide, FeO) 및 산화망간(Manganese Oxide, MnO)가 가장 많이 생성된다. 이로 인해, 소모전극의 실리콘(Si) 및 보론(B) 회수율이 감소하게 되므로, 수냉 몰드내 임계산소농도 및 분위기 제어가 어렵지만 이는 대단히 중요한 인자이다.
또한, 슬래그로 이동한 실리카(SiO2) 및 산화붕소(B2O3)를 환원시켜, 실리콘과 보론의 회수율을 증가시키기 위하여, 알루미늄(Al) 탈산을 실시할 경우, 회수율이 다소 향상될 수 있으나, 적정 탈산 조건을 설정하지 못하면 강괴 내의 알루미늄 농도가 불균일하게 된다.
따라서, 보론 함유 고크롬강을 CaF2-CaO-Al2O3-SiO2 4원계 슬래그 조성으로 ESR 정련할 경우, 실리콘 및 보론의 산화에 의한 손실을 방지하여 목표하는 보론 농도를 균일하게 함유하는 강괴를 제조하기 위해서는, 수냉 몰드내 임계산소농도, 소모전극내 실리콘 농도, 슬래그내 실리카 및 산화붕소의 농도의 관계를 적절하게 설정할 필요가 있다.
즉, 본 발명의 특징은, 슬래그 내의 실리카 활동도를 소정의 범위로 설정하고, 상기 수냉 몰드 내의 임계산소농도를 소정의 범위로 제어하며, 상기 소모전극 내의 실리콘 활동도 및 강괴내 목표 보론 농도와의 관계에 따라 슬래그 내에 산화붕소를 소정량 첨가함으로써, 목표 보론 함량이 균일하게 분포된 고크롬 강괴를 제조하는 것이다.
먼저, 슬래그내 적정 실리카 농도(실리카 활동도, aSiO2)를 결정하기 위하여, 슬래그내 실리카 활동도(aSiO2)에 따른 강괴내 실리콘 농도분포에 대해 ESR 시험하였다. 즉, 형석(CaF2)을 제외한 CaO-Al2O3-SiO2 3원계 슬래그 내에서 실리카 활동도(aSiO2)는, 도 4를 기준으로 하였다. 또한, 실리카 활동도(aSiO2)에 따른 강괴내 실리콘 농도 분포를 다음의 표 3에 나타내었다. 이 때, 소모전극내 실리콘 농도는 0.10wt%이다.
슬래그 내 실리카 활동도 (aSiO2) 0.0005 0.001 0.0026 0.005 0.2
ESR후 강괴 높이에 따른 실리콘 농도 변화 (wt%) 0.10 0.10 0.12 0.12 0.21
0.09 0.09 0.11 0.11 0.18
0.09 0.09 0.11 0.11 0.18
0.09 0.09 0.10 0.10 0.16
0.09 0.09 0.10 0.10 0.13
0.09 0.09 0.09 0.10 0.13
0.09 0.09 0.09 0.10 0.13
0.08 0.09 - 0.10 0.12
0.08 0.09 - 0.10 0.12
도 4 및 표 3에 나타나는 바와 같이, 실리카 활동도(aSiO2)가 0.0005 이하가 되면, 실리콘 농도가 마이너스(-) 편석, 0.005 이상이 되면 플러스(+) 편석이 되는 것을 알 수 있다. 또한, 실리카 활동도(aSiO2)가 0.2 정도가 되면, 강괴내 실리콘 농도가 심각한 플러스 편석이 발생된다는 것을 알 수 있다. 따라서, ESR후 강괴내 균일하면서 양호한 실리콘 회수율을 얻을 수 있는 슬래그내 실리카 활동도(aSiO2) 범위는 0.0005∼0.005인 것이 적절하다.
도 5에는, 적정 실리카 활동도(aSiO2)로 조절된 CaF2-CaO-Al2O3-SiO 2-B2O3 5원계 슬래그 조성에서 불활성 가스인 아르곤(Ar) 가스로 수냉 몰드내 분위를 제어하면서, 실리콘 회수율을 90% 이상 유지할 수 있는 수냉 몰드내 임계산소농도를 도출하기 위해 실시한 시험결과가 나타나 있다.
도 5의 그래프에 나타나는 바와 같이, 수냉 몰드내 임계산소농도가 1% 이하인 경우, 강괴 높이에 따라 실리콘 농도가 일정한 값을 나타내는 것을 알 수 있다. 또한, 아르곤(Ar) 가스 취입을 중단하여 수냉 몰드내 산소농도가 증가함에 따라 실리콘 및 보론 회수율이 급격히 감소한다는 것을 알 수 있다. 이는, 실리콘 회수율 및 보론 회수율의 직선적 관계를 나타내는 도 6의 그래프에서도 확인할 수 있다.
한편, 표 4 내지 표 11에서는, 수냉 몰드내 임계산소농도가 1% 이하인 분위기에서 소모전극내 실리콘 농도 및 적정 실리카 활동도(aSiO2)로 조절된 CaF2-CaO-Al2O3-SiO2 4원계 슬래그에 첨가한 산화붕소 농도에 따른 강괴내 보론 농도 변화를 조사하기 위하여, ESR 설비(독일 ALD사, 용해중량 100Kg)로 시험한 실시예를 나타내었다.
(산화붕소 0.3wt%)
분류 Si(wt%) Al(wt%) B(wt%) Si회수율(%) B회수율(%)
전극내 성분 0.10 0.003 0.0090 - -
ESR후 강괴 높이에 따른 성분변화 0.09 0.003 0.0053 90 59
0.09 0.003 0.0060 90 67
0.09 0.002 0.0059 90 66
0.09 0.003 0.0054 90 60
0.08 0.002 0.0058 80 64
0.08 0.002 0.0060 80 67
0.08 0.002 0.0055 80 61
0.08 0.002 0.0057 80 63
0.08 0.002 0.0060 80 67
0.08 0.002 0.0064 80 71
(산화붕소 0.6wt%)
분류 Si(wt%) Al(wt%) B(wt%) Si회수율(%) B회수율(%)
전극내 성분 0.10 0.003 0.0090 - -
ESR후 강괴 높이에 따른 성분변화 0.09 0.003 0.0083 90 92
0.09 0.003 0.0084 90 93
0.08 0.003 0.0080 80 89
0.08 0.003 0.0081 80 90
0.08 0.003 0.0081 80 90
0.08 0.002 0.0080 80 89
0.08 0.002 0.0079 80 88
0.08 0.002 0.0083 80 92
0.08 0.002 0.0081 80 90
(산화붕소 1.6wt%)
분류 Si(wt%) Al(wt%) B(wt%) Si회수율(%) B회수율(%)
전극내 성분 0.10 0.003 0.0090 - -
ESR후 강괴 높이에 따른 성분변화 0.09 0.003 0.0136 90 151
0.09 0.003 0.0138 90 153
0.09 0.003 0.0137 90 152
0.08 0.003 0.0144 80 160
0.08 0.003 0.0145 80 161
0.08 0.002 0.0143 80 159
0.08 0.002 0.0135 80 150
0.08 0.002 0.0136 80 151
0.08 0.002 0.0145 80 161
(산화붕소 1.9wt%)
분류 Si(wt%) Al(wt%) B(wt%) Si회수율(%) B회수율(%)
전극내 성분 0.14 0.003 0.0130 - -
ESR후 강괴 높이에 따른 성분변화 0.123 0.002 0.0203 88 156
0.124 0.003 0.0194 89 149
0.127 0.003 0.0192 91 148
0.122 0.002 0.0206 87 158
0.126 0.003 0.0197 90 152
0.128 0.002 0.0192 91 148
0.122 0.003 0.0189 87 145
0.120 0.003 0.0190 86 146
0.125 0.003 0.0185 89 142
(산화붕소 1.2wt%)
분류 Si(wt%) Al(wt%) B(wt%) Si회수율(%) B회수율(%)
전극내 성분 0.14 0.003 0.0130 - -
ESR후 강괴 높이에 따른 성분변화 0.135 0.003 0.0155 96 119
0.125 0.002 0.0153 89 118
0.124 0.003 0.0157 89 120
0.127 0.003 0.0164 91 126
0.123 0.002 0.0150 88 115
0.131 0.003 0.0154 94 118
0.136 0.003 0.0156 97 120
0.136 0.003 0.0153 97 117
0.134 0.003 0.0150 96 115
(산화붕소 0.9wt%)
분류 Si(wt%) Al(wt%) B(wt%) Si회수율(%) B회수율(%)
전극내 성분 0.14 0.003 0.0130 - -
ESR후 강괴 높이에 따른 성분변화 0.135 0.003 0.0134 96 103
0.128 0.003 0.0131 91 101
0.128 0.003 0.0131 91 101
0.128 0.003 0.0132 91 102
0.130 0.003 0.0135 93 104
0.128 0.002 0.0135 91 104
0.128 0.002 0.0130 91 100
0.128 0.002 0.0132 91 102
0.129 0.002 0.0133 92 102
(산화붕소 0.3wt%)
분류 Si(wt%) Al(wt%) B(wt%) Si회수율(%) B회수율(%)
전극내 성분 0.14 0.003 0.0130 - -
ESR후 강괴 높이에 따른 성분변화 0.125 0.002 0.0068 89 52
0.128 0.003 0.0065 91 50
0.126 0.002 0.0070 90 54
0.125 0.002 0.0068 89 52
0.130 0.003 0.0072 93 55
0.124 0.002 0.0071 89 55
0.128 0.002 0.0075 91 58
0.126 0.002 0.0073 90 56
0.129 0.002 0.0076 92 58
(산화붕소 0.3wt%)
분류 Si(wt%) Al(wt%) B(wt%) Si회수율(%) B회수율(%)
전극내 성분 0.27 0.005 0.0093 - -
ESR후 강괴 높이에 따른 성분변화 0.265 0.011 0.0082 98 89
0.265 0.012 0.0083 98 90
0.265 0.013 0.0083 98 90
0.268 0.012 0.0085 99 92
0.268 0.013 0.0083 99 90
0.263 0.012 0.0086 97 93
0.266 0.012 0.0085 98 92
0.266 0.011 0.0089 98 96
0.265 0.013 0.0086 98 93
0.265 0.011 0.0089 98 96
0.260 0.010 0.0087 96 94
0.268 0.011 0.0080 99 86
보론 산화 관련 용융금속(강괴) 및 슬래그의 주반응은,
3(SiO2) + 4B = 2(B2O3) + 3Si
log K = {(aB2O3 2)(aSi 3)}/{(aSiO2 3)(a B 4)}
으로 나타낼 수 있는데, 상기 식에서 aB2O3는 슬래그내 산화붕소의 활동도, aSi는 소모전극내 실리콘 활동도, aSiO2는 슬래그내 실리카 활동도, aB는 소모전극내 보론 활동도를 각각 나타내며, K는 상기 활동도에 따라 결정되는 상수이다.
위 식에서, 슬래그내 산화물인 실리카 및 산화붕소의 활동도 비 및 소모전극내 실리콘 활동도에 따라, ESR후 강괴내 보론 농도가 변화한다는 것을 알 수 있다. 즉, 도 7에 도시된 바와 같이, 슬래그내 산화붕소 농도가 증가할수록 ESR 정련후 강괴내 보론 농도가 직선적으로 증가한다는 알 수 있다. 또한, 슬래그내 산화붕소 농도가 동일한 조건에서, 소모전극내 실리콘 농도가 증가할수록 강괴내 보론 농도가 증가함을 알 수 있다. 이는, ESR 정련후, 강괴내 균일한 보론 함량을 얻기 위해서 소모전극내 보론 농도보다는 실리콘 농도(실리콘 활동도(aSi))가 중요하며, 적정 실리카 활동도(aSiO2)로 조절된 슬래그내 산화붕소 농도가 상당히 중요한 인자임을 나타낸다.
분류 Si Al B 기타 주요원소 aSi
전극내 성분 0.10 0.003 0.0090 Ni, Cr, Mo, V, Nb, Co, N 0.11
0.14 0.003 0.0130 Ni, Cr, Mo, V, Nb, Co, N 0.16
0.27 0.005 0.0093 Ni, Cr, Mo, V, Nb, W, N 0.31
이를 확인하기 위하여, 상기 표 12에 나타낸, 소모전극내 화학조성에 따른 실리콘 활동도(aSi) 및 슬래그내 첨가된 산화붕소의 농도에 따른 ESR후 강괴내 보론 농도 관계를 조사한 결과를 도 8에 나타내었다. 즉, 표 12 및 도 8에 나타나는 바와 같이, 소모전극내 실리콘 활동도(aSi) 및 슬래그내 첨가된 산화붕소 농도가 증가함에 따라, ESR 정련후 강괴내 보론 농도가 증가한다는 것을 알 수 있다. 따라서, 소모전극내 실리콘 활동도(aSi) 및 슬래그내 첨가되는 산화붕소의 농도를 조절함으로써, 목표로 하는 보론 농도를 균일하게 함유하는, ESR에 의한 고크롬 강괴의 제조가 가능함을 알 수 있다.
산화붕소의 첨가량을 결정하기 하기 위하여, 소모전극 내의 실리콘 활동도를 aSi라 하고, 강괴내 목표 보론 농도를 [Bppm]Ingot이라 할 때, 산화붕소 첨가량 (wt%B2O3)Slag은,
log[Bppm]Ingot = 0.38log(aSi) + K
log(K)=0.109log(wt%B2O3)Slag + 0.384
의 관계에 의하여 결정될 수 있다.
즉, 소모전극내 실리콘 활동도(aSi)와 목표로 하는 강괴내 보론 농도에 의하여 상수 K를 구할 수 있으며, 상기 식과 도 9에 나타나는 바와 같이 상수 K의 증감에 따라 산화붕소의 첨가량이 증감되어야 함을 알 수 있다.
상기 식과 시험결과로부터, 상기 슬래그 내 첨가하는 산화붕소의 함량은 0∼10wt%인 것이 바람직한 것을 알 수 있었다.
한편, 소모전극은, 실리콘(Si):0.5wt% 이하, 크롬(Cr):5∼30wt%, 보론(B):0∼500ppm, 탄소(C):0.05∼0.30wt%, 망간(Mn):0.05∼1.0wt%, 니켈(Ni):0.10∼10.0wt%, 바나듐(V):0.01∼0.20wt%, 알루미늄(Al):0.10wt%이하, 니오브(Nb):0.01∼0.30wt%, 텅스텐(W):0.10∼4.0wt%이고, 나머지가 철 및 기타 제어 불가능한 불순원소인 인(P), 황(S), 비소(As), 안티몬(Sb), 주석(Sn)의 화학조성으로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 슬래그 조성은, 형석(CaF2)을 제외한 CaO-Al2O3-SiO2 3원계 슬래그 내에서, 실리카 활동도 범위가 0.0005∼0.005로 제어된 CaF2-CaO-Al2O3-SiO 2 4원계 슬래그 조성을 기본으로 하며, 상기 형석의 함량은 12∼54wt%, 생석회(CaO)+알 루미나(Al2O3)의 함량은 80wt% 이하로 하는 것이 바람직하다.
상기한 바와 같이 구성된 본 발명에 따른 일렉트로 슬래그 재용해에 의한 보론함유 고크롬 강괴 제조방법에 의하면, ESR 공정에서, 소모전극내 보론 농도에 관계없이 실리콘 활동도(aSi)에 따라 강괴내 목표 보론 농도에 평형하는 산화붕소를 적정량 첨가하여, ESR후 강괴내 보론 농도를 균일하게 제어할 수 있으므로, 강괴 하부에서 상부까지 균일한 보론 농도 분포를 가진 고품질의 고크롬 강괴를 용이하게 제조할 수 있다.

Claims (7)

  1. 수냉 몰드에 투입되고 산화붕소를 함유한 ESR 슬래그 중에 수 mm 침적된 보론함유 고크롬강 소모전극이, 용융 슬래그의 주울열에 의하여 물방울 형태로 재용해되고, 슬래그 중을 적하 침강한 용강을 수냉 몰드 내에 연속적으로 응고시킴으로써, 목표 보론 함량이 균일하게 분포된 고크롬 강괴를 제조하는 일렉트로 슬래그 재용해(Electro-Slag Remelting, ESR)에 의한 보론함유 고크롬 강괴 제조방법에 있어서:
    상기 슬래그 내의 실리카 활동도를 소정의 범위로 설정하는 단계와;
    상기 수냉 몰드 내의 임계산소농도를 소정의 범위로 제어하는 단계와; 그리고,
    상기 소모전극 내의 실리콘 활동도 및 강괴내 목표 보론 농도와의 관계에 따라 슬래그 내에 산화붕소를 소정량 첨가하는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 일렉트로 슬래그 재용해에 의한 보론함유 고크롬 강괴 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 슬래그 내의 실리카 활동도는 0.0005∼0.005인 것을 특징으로 하는 일렉트로 슬래그 재용해에 의한 보론함유 고크롬 강괴 제조방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 임계산소농도는 1% 이하인 것을 특징으로 하는 일렉트로 슬래그 재용해에 의한 보론함유 고크롬 강괴 제조방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 소모전극 내의 실리콘 활동도를 aSi라 하고, 강괴내 목표 보론 농도를 [Bppm]Ingot이라 할 때, 상기 산화붕소 첨가량(wt%B2O3)Slag 은,
    log[Bppm]Ingot = 0.38log(aSi) + K
    log(K)=0.109log(wt%B2O3)Slag + 0.384
    의 관계에 의하여 결정되는 것을 특징으로 하는 일렉트로 슬래그 재용해에 의한 보론함유 고크롬 강괴 제조방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 슬래그 내 첨가하는 산화붕소의 함량은 0∼10wt%인 것을 특징으로 하는 일렉트로 슬래그 재용해에 의한 보론함유 고크롬 강괴 제조방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 소모전극은, 실리콘(Si):0.5wt% 이하, 크롬(Cr):5∼30wt%, 보론(B):0∼500ppm, 탄소(C):0.05∼0.30wt%, 망간(Mn):0.05∼1.0wt%, 니켈(Ni):0.10∼10.0wt%, 바나듐(V):0.01∼0.20wt%, 알루미늄(Al):0.10wt%이하, 니오브(Nb):0.01∼0.30wt%, 텅스텐(W):0.10∼4.0wt%이고, 나머지가 철 및 기타 제어 불가능한 불순원소인 인(P), 황(S), 비소(As), 안티몬(Sb), 주석(Sn)의 화학조성으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 일렉트로 슬래그 재용해에 의한 보론함유 고크롬 강괴 제조방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 슬래그 조성은, 형석(CaF2)을 제외한 CaO-Al2O3-SiO2 3원계 슬래그 내에서, 실리카 활동도 범위가 0.0005∼0.005로 제어된 CaF2-CaO-Al2O3-SiO 2 4원계 슬래그 조성을 기본으로 하며, 상기 형석의 함량은 12∼54wt%, 생석회(CaO)+알루미나(Al2O3)의 함량은 80wt% 이하로 하는 것을 특징으로 하는 일렉트로 슬래그 재용해에 의한 보론함유 고크롬 강괴 제조방법.
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