KR20070012478A

KR20070012478A - 용융 금속 정련

Info

Publication number: KR20070012478A
Application number: KR1020067023784A
Authority: KR
Inventors: 앤드류 밀러 카메론; 앤드류 피터 리차드슨; 존 켈빈 배탐; 마크 에이 윌킨슨; 마이클 제임스 스트렐비스키
Original assignee: 더 비오씨 그룹, 인크.
Priority date: 2004-05-14
Filing date: 2005-05-12
Publication date: 2007-01-25
Also published as: DE602005015575D1; BRPI0510988A; US20090229416A1; WO2005111247A2; ATE437245T1; EP1749109A2; EP1749109B1; WO2005111247A3; JP2007537355A

Abstract

본 발명은 용기에서 산소와 용융 금속중의 불순물의 반응에 의해 용융 금속을 정련하는 방법에 관한 것으로,

(a) 상기 용융 금속 위에 위치되는 랜스(lance)로부터 하나 이상의 1차 산소 젯을 용융 금속으로 분사하여 불순물과 반응시켜 용융 슬래그 층을 형성하는 단계;

(b) 상기 랜스로부터 1차 산소 젯을 계속 분사하여 1차 산소 젯이 슬래그 층을 통과해 용융 금속으로 가도록 하는 단계;

(c) 상기 랜스로부터 복수의 2차 산소 젯을 상기 1차 산소 젯과는 별도로 일정 거리를 이동하도록 분사하는 단계; 및

(d) 상기 1차 산소 젯의 소정 체적의 용융 금속으로의 유입부의 상류에서 2차 산소 젯을 1차 산소 젯으로 비말동반시키는 단계를 포함한다. 또한, 본 발명은 상기 정련 방법에 사용하기 위한 랜스 헤드에 관한 것으로, 상기 랜스 헤드는 하나 이상의 1차 산소 포트 및 복수의 2차 산소 포트를 갖고, 상기 2차 산소 포트의 축은 1차 산소 포트로부터 유동 방향으로 45° 이하의 각으로 분기한다. 상기 방법 및 랜스 헤드는 특히 염기성 산소 제강(BOS) 공정에서 이용된다. 필요한 경우, 아르곤과 같은 교반 가스가 1차 산소와 혼합될 수 있다.

Description

용융 금속 정련{REFINING MOLTEN METAL}

본 발명은 용융 금속을 정제하는 방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 상기 방법에 사용하기 위한 랜스 헤드(lance head)에 관한 것이다.

하나 이상의 산소 젯을 용융 금속으로 도입시킴에 의해 용융 금속을 정련하는 것은 공지되어 있다. 예컨대, 스틸은 이런 방식으로 철로부터 제조된다. 일부 공정에서, 팁이 용융 금속의 표면 아래에 위치하는 풍구(tuyere)로부터 용융 금속 욕으로 산소의 젯이 도입된다. 풍구의 사용은 금속 정련 작업이 실시되는 용기의 내열성 라이닝에 손상을 일으키는 원인과 관련되어, 보다 덜 이상적으로 고려된다. 그러므로, 산소 젯의 일부 또는 모두를 이로부터 용융 금속으로 도입하는 것이 일반적 절차이다. 상업적으로 중요한 염기성 산소 제강(BOS) 공정은 이로부터 용융 금속으로 "송풍된(blown)" 산소 젯을 이용하는 공정이다. 산소는 용융 금속 중에서 용해된 형태로 발견되는 탄소와 반응하여 일산화탄소를 형성한다. 또한, 상기 산소는 용융 금속의 불순물 또는 소량 성분(예: 규소)와 반응하여 상기 용융 금속의 표면 상에 슬래그를 형성한다.

일반적으로, 용융 금속에서의 산소와 탄소 사이의 반응은 속도 제한되지 않는다. 그러므로, 산소가 상기 용융 금속으로 도입되는 속도를 최대화시키는 것이 바람직하다. 그러나, 실제 문제는 이런 속도를 제한한다. 이런 문제 중 하나는 상기 용융 금속으로의 산소의 도입에 의해 야기되는 난류(turbulence)의 정도이다. 용융 금속의 과도한 스플래싱(splashing)이 있으면, 산소가 송풍되는 랜스의 마모가 심해져서, 랜스(lance)의 헤드를 자주 교체할 필요성을 초래하여 경제적인 금속 제조에 악영향을 준다. 또한 용융 금속의 과도한 스플래싱은 용기로부터 이를 분사되게 하여 수율의 손실 및 하류 장비 유지 필요성을 증가시킬 수 있다. 한편, 산소와 탄소 사이의 반응을 촉진시키기 위해, 질량 전달 한계에 직면할 수 있는 경우에 특히 후기 단계 동안, 전형적으로 송풍의 마지막 20% 동안 용융 금속에서의 어느 정도의 난류가 있는 것이 바람직하다.

정적 분위기(stationary atmosphere)를 통해 산소의 젯이 통과함에 따라, 산소의 젯은 정적 분위기를 산소의 젯으로 비말동반하는 경향이 있다는 것이 EP-A-866 138 및 EP-A-866 139와 같은 특허 출원에 개시되어 있다. 이런 비말동반(entrainment)은 속도를 감소시키고, 산소 젯을 밀어 넣는 효과를 갖는다. 비말동반의 결과로서 랜스 헤드는 이상적인 경우보다 용융 금속의 표면에 보다 근접하게 위치되어야 하는 것이 요구되어, 용융 금속의 스플래싱에 의해 보다 손상되기 쉽게 만든다. EP-A-866 138 및 EP-A-866 139는 상기 랜스 헤드가 효과적으로 버너로 전환되는 것을 제안한다. 상기 랜서에서 초음속으로 분사되는 1차 산소 젯이 여전히 있지만, 이제 1차 산소 젯은 2차 플레임 엔빌로프(flame envelope)에 의해 둘러싸인다. 2차 플레임 엔빌로프는 상기 랜스 헤드로부터 연료 가스(또는 액체 연료) 및 2차 산소를 분사시킴에 의해 형성된다. 연료 가스 및 2차 산소는 혼합되어 플레임을 형성한다. 플레임 엔빌로프는 정적 분위기의 산소 젯으로의 비말동반을 억제하는 것으로 알려져 있다. 그러므로, 설명된 바와 같이, 산소 젯은 이것이 존재하려 했던 곳에 플레임 엔빌로프가 없는 경우와 같은 방식으로 분기되거나 또는 속도가 감소되지 않는다. 따라서, 산소 젯은 용융 금속의 표면 아래로 잘 투과될 수 있어서, 상기 용융 금속에 용해된 탄소와 산소의 반응을 촉진시킨다. 또한, 랜스 헤드의 마멸 속도가 허용가능한 수준으로 유지될 수 있도록 충분하게 용융 금속 위에 용이하게 위치될 수 있다.

비록 이것은 매혹적인 이론이지만, 이는 통상적 절차의 단점을 과대평가한 것으로 여겨진다. 또한, 플레임 엔빌로프의 형성은 하나의 실질적인 불이익, 즉 연료 가스 또는 액체 연료가 오버헤드 랜스로 공급되어야 하는 불이익을 갖는다. 불이익의 정도는 금속 용융 또는 정련 공정에 따라 변할 수 있다. 예컨대, EP-A-866 138 및 EP-A-866 139의 교시는 오버헤드 연료 공급기가 플레임 엔빌로프의 생성을 위해 특정하게 놓여지는 것을 요구하기 때문에, BOS 공정에서는 상기와 같은 불이익이 매우 크다. 특히 보통 랜스가 상부와 하부 위치 사이에서 조작되어야만 하기 때문에, 이렇게 함에 있어서의 공학적 어려움은 상당하다. 또한, 용융 금속에 의한 수소 픽업(pick-up)의 가능성이 상당히 증가되어, 많은 등급의 스틸에서 허용불가하다.

금속 정련에서의 산소 송풍 기법을 개선하는 능력은, 랜스의 마모 속도가 과 도하게 증가되는 부수적 문제를 일으킴이 없이 산화제가 반응에서 사용될 수 있는 속도를 증가시키는 것을 조건으로 하는 것으로 여겨진다.

도 1은 본 발명에 따른 방법을 실시하는데 적합한 BOS 용기의 개요도이다.

도 2는 본 발명에 따른 제 1 랜스 헤드의 말단부이다.

도 3은 도 2의 라인 N-N에 따른 단면도이다.

도 4는 도 2에 도시된 랜스 헤드의 측면도이다.

도 5는 본 발명에 따른 제 2 핸스 헤드의 말단부이다.

도 6은 도 5의 라인 M-M에 따른 단면도이다.

본 발명에 따르면, 소정 체적의 용융 금속을 함유하는 용기에서 산소와 용융 금속중의 불순물의 반응에 의해 용융 금속을 정련하는 방법이 제공되되, 상기 방법은 하기 단계 (a) 내지 (d)를 포함한다:

(b) 상기 랜스로부터 1차 산소 젯을 계속 분사하여, 1차 산소 젯이 슬래그 층을 통과해 용융 금속으로 가도록 하는 단계;

(d) 상기 1차 산소 젯의 소정 체적의 용융 금속으로의 유입부의 상류에서 2차 산소 젯을 1차 산소 젯으로 비말동반시키는(entrain) 단계.

또한, 본 발명은 상기에 개시된 방법에 사용하기 위한 랜스 헤드를 제공하되, 상기 랜스 헤드는 하나 이상의 1차 산소 포트 및 복수의 제 2 산소 포트를 갖고, 각 2차 산소 포트는 1차 산소 포트 또는 1차 산소 포트들 중 하나와 연관되고, 그와 연관된 1차 산소 포트로부터 유동 방향으로 45° 이하의 각으로 분기하는 축을 갖는다.

본 발명에 따른 상기 방법 및 랜스 헤드는 주어진 체적의 용융 금속의 탄소 함량을 감소하는데 걸리는 시간을 감소시키기 위해 사용될 수 있는 것으로 여겨진다. 또한, 이런 결과는 1차 산소의 초기 압력, 속도 및 유동을 증가시킴 없이 성취될 수 있어서, 통상의 방법에서 보통 일어나는 경우와 비교 시에 랜스 헤드에서의 부식 또는 손상 속도를 증가시키는 위험을 낮게 유지시킬 수 있다. 또한, 1차 산소의 압력, 속도 및 유동의 증가는 부수적인 수율의 손실 및 관리 문제와 함께 용기로부터 일부 용융 금속 및 슬래그의 분사를 일으킬 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 방법 및 랜스 헤드는 랜스 헤드로 공급되는 연료가 없다는 이익을 또한 제공하므로, 오버헤드 연료 공급기에 대한 필요성이 없어지되, 이러한 오버헤드 연료 공급기는 EP-A-866 138 및 EP-A-866 139에 기술된 쉬라우드화된(shrouded) 가스 젯의 형성에서는 필요하다.

본 발명에 따른 방법 및 랜스 헤드는 염기성 산소 제강(BOS) 공정에서의 사용을 특히 의도하지만, 또한 일부 다른 제강 공정 및 비철 금속의 정련을 위한 일부 공정에도 적용가능하다.

상기 1차 산소 젯은 본 발명에 따른 방법의 단계 (a) 및 단계 (b) 모두에서 초음속의 축 속도로 상기 랜스로부터 분사되는 것이 바람직하다. 이들 단계 모두에서, 마하 1.5 내지 마하 3의 범위의 초음속이 사용될 수 있다.

2차 산소 젯과 연관된 1차 젯의 적당한 중간 위치에서 각 2차 산소 젯의 비말동반을 성취하기 위해, 각 2차 젯의 종축은 이것과 연관된 1차 젯의 종축으로부터 45° 이하의 각의 이동 방향으로 분기된다.

연관된 1차 산소 젯으로부터의 바람직한 각 2차 산소 젯의 분기 각은 2차 산소 젯의 절대 속도 및 1차 산소 젯에 대한 속도에 좌우되어 5° 내지 25°의 범위이다. 특히 바람직한 분기 각은 10° 내지 20°의 범위이다.

전형적으로, 2 내지 8개의 2차 산소 젯이 사용되고, 2 내지 6개가 바람직하다. 2차 포트의 정확한 개수는 1차 산소 대 2차 산소 유동의 목적하는 비에 따라 선택될 수 있다. 예컨대, 2차 산소 유동은 1차 산소 유동의 50% 이하일 수 있고, 12개 이하의 2차 포트가 사용될 수 있다. 보통 2차 산소 유동은 1차 산소 유동의 5 내지 50%이다.

연관된 1차 산소 포트로부터의 각 2차 산소 포트의 선형적 이격은 전형적으로 1차 산소 포트의 직경의 두배 미만이다.

각 2차 산소 젯은 1차 산소 젯보다 가는 것이 바람직하다.

개별적 2차 산소 젯은 1차 산소 젯에서의 비말동반으로 서로 개별적으로 이동하는 것이 바람직하다.

예컨대, 염기성 산소 제강에서, 랜스의 헤드는 상기 단계 (b) 동안 슬래그 층에 전형적으로 함침된다. 염기성 산소 제강의 이런 예 및 다른 예에서, 각 1차 산소 젯이 하나 이상의 2차 산소 젯과 연관되는 복수의 1차 산소 젯이 있다.

각 1차 산소 젯과 그의 연관된 2차 산소 젯 사이의 관계는 전술된 전형적인 또는 바람직한 특성 중 어느 것 또는 모두가 사용될 수 있도록 될 수 있다.

복수의 1차 산소 젯이 사용되는 경우, 이들은 일반적으로 원주형으로(또는 다른 유사 형태의 주변에) 배열되는 1차 산소 포트로부터 전형적으로 분출된다. 2차 산소 포트는 1차 산소 포트의 외부에 전형적으로 배열된다.

바람직하게는, 각 1차 산소 포트는 이와 연관된 제 2 산소 포트의 그룹을 갖고, 2차 산소 포트의 각 그룹은 원의 호에 배열되거나 원주형으로 배열된다. 상기 원은 1 차 산소 포트가 있는 원과 동심원(concentric)을 이룰 수 있다. 상기 호에 의해 대하여지는 각(subtended angle)은 보통 180° 미만이다.

본 발명에 따른 바람직한 랜스 헤드에서, 연관된 1차 산소 포트로부터 상기 또는 각각의 2차 산소 포트의 분기 각은 보통 45° 이하이고, 바람직하게는 5° 내지 25°의 범위, 보다 바람직하게는 10° 내지 20°의 범위이다. 바람직하게는 상기 또는 각각의 1차 산소 포트와 연관된 1개 내지 8개(보다 바람직하게는 2개 내지 8개)의 2차 산소 포트의 그룹이 존재한다. 1차 산소 포트로부터의 각 2차 산소 포트의 선형적 이격은 바람직하게는 1차 산소 포트의 직경의 2배 미만이다. 1차 산소 포트 및 각각의 2차 산소 포트는 바람직하게 랜스 헤드의 팁에 위치한다.

BOS 공정에서 사용하기에 적당한 바람직한 랜스 헤드에서, 랜스 헤드의 축 주변에 원주형으로 배열되는 복수의 1차 산소 포트가 존재한다. 1차 산소 포트는 바람직하게는 랜스 헤드의 경사진 환형 면에 위치되고, 이 면은 선도적(leading) 내부 원주형 에지를 가져서, 1차 산소 포트의 종축이 산소 유동 방향으로 서로 모두 분기된다. 바람직하게는 각 1차 산소 포트는 상기 환형 면에 모두 형성된 복수의 2차 산소 포트와 연관된다.

본 발명에 따른 바람직한 랜스 헤드에서, 상기 또는 각각의 1차 산소 포트는 집중-분기 노즐의 형태이고, 각 산소 젯은 상기 랜스 헤드의 팁으로부터 방출된다.

본 발명에 따른 랜스 헤드는 일반적으로 냉각수(예: 물)의 유동을 위한 통로를 갖는다.

본 발명에 따른 랜스 헤드의 일부 바람직한 실시양태에서, 모든 1차 및 2차 산소 포트는 랜서 헤드에서의 공통 챔버와 연통된다. 이런 실시양태는 기계적 단순성의 장점을 제공한다. 본 발명에 따른 랜스 헤드의 다른 바람직한 실시양태에서, 상기 또는 각각의 1차 산소 포트는 2차 산소 포트와 연통되지 않는 랜스 헤드에서의 챔버와 연통된다. 이들 실시양태들은 1차 산소와 독립적으로 2차 산소의 속도 및 유량의 제어을 가능케 하는 장점을 제공한다.

많은 경우, 본 발명에 따른 방법에서 추가 단계 (e) 1차 젯 및/또는 2차 젯이 형성되는 산소 분사의 상류에서 하나 이상의 교반 가스(stirring gas)와 혼합하는 단계를 수행하는 것이 바람직하다.

통상적 랜스를 사용하는 통상적인 실시에서, 상업적 순수 산소는 간단하게 초음속으로 용융 금속으로 송풍된다. 비율 및 속도는 과도한 난류 및 스플래싱의 발생 없이 최소 시간으로 정련 작업을 완료할 수 있도록 선택된다. 본 발명에 따른 1차 젯에서 교반 가스를 포함하는 것은 용융 금속중의 용해된 탄소와 상기 용융 금속의 표면을 투과한 기체 산소 사이의 야금 반응을 촉진시키는 경향이 있다. 또한, 2차 젯의 사용은 부가적 산소를 제공하고, 투입 산소의 합계 속도를 최대화하면서 1차 젯에 의해 가해지는 힘이 허용불가한 스플래싱이 발생되는 지점까지 증가되지 않도록 1차 산소, 2차 산소 및 교반 가스의 공급기의 속도를 선택할 수 있다.

교반 가스가 사용되는 경우, 1차 젯은 상기 교반 가스와 산소를 예비혼합시킴에 의해 형성되는 것이 바람직하다.

교반 가스는 바람직하게는 희 가스, 특히 바람직하게는 아르곤이다. 그러나, 일부 등급의 스틸에서, 스틸에 악영향을 갖지 않는 경우, 질소가 교반 가스로서 사용될 수 있다.

교반 가스가 사용되는 경우, 상기 1차 산소 젯은 열처리 전체에 걸쳐 동일한 조성을 가질 수 있다. 다르게는, 그의 조성은 변할 수 있고, 열처리 동안 하나 이상의 순간에서 증가될 수 있다. 실로, 초기 동안 교반 가스의 의도적 첨가가 없을 수 있다(일부 아르곤은 산소중의 불순물로서 항상 존재할 것이다). 교반의 필요성은 열처리 말기에 향할수록 보통 최대로 커지므로, 1차 젯에서의 교반 가스의 몰 분율은 열처리의 전반부에서 보다 열처리의 후기 부분(전형적으로 마지막 1/5 부분)에 커지는 것이 바람직하다. 실로, 산소 공급이 중지된 후에 교반 가스의 공급을 계속할 수 있다.

본 발명에 따른 방법 및 본 발명의 실시양태에 따른 랜스 헤드는 이제 첨부된 도면을 참고하여 예시적으로 기술될 것이다.

도면 중 도 1에서, 염기성 산소 제강(BOS) 용기(102)가 도시되어 있다. 용기(102)는 내열성 라이닝(미도시됨)을 갖는다. 작동에 있어서, 상기 용기는 용융 철의 배치(batch)로 충전된다. 도 1에 참고번호(106)에 의해 이러한 체적의 용융 철이 도시된다. 상기 용융 철은 산소와의 반응에 의해 정련된다. 산소는 헤드(112)를 갖는 수직 랜스(110)를 통해 공급된다. 상기 랜스(110)는 전형적으로 스테인레스 스틸로 제조되고, 헤드(112)에 산소의 방출을 위한 복수의 1차 포트(114)를 갖는다. 포트(114)는 랜스(110)를 통해 산소 통로(115)와 연통된다. 랜스(110) 및 헤드(112)에는 또한 BOS 용기(102)의 고온 환경에서 파국적 손상에 대해 이를 보호하기 위한 냉각수(전형적으로 물)의 유동을 위한 통로(116)가 제공된다. 또한 랜스(110)는 상기 랜스(110)를 높이고 낮출 수 있는 랜스 조정기(미도시됨)와 연관된다. 전형적 실시에서, 상기 랜스(110)는 두 위치에서 작동된다. 하나는 소위 "미풍(soft blowing)" 위치로서, 여기에서는 랜스(110)가 그의 팁이 용융 금속의 표면에 비교적 거리를 두고 작동되고, 다른 하나는 소위 "강풍(hard blowing)" 위치로서, 여기에서는 랜스(110)는 그의 팁이 용융 금속의 표면에 비교적 근접하여 작동되고, 전형적으로 용융 금속의 정련 동안 용융 금속의 체적(106)의 표면에 형성되는 용융 슬래그의 체적(118)에 랜스 헤드(112)가 침지된다. 본 발명에 따른 방법의 장점 중 하나는 때때로 통상적으로 사용되는 미풍 및 강품 랜스 헤드 위치로의 어떠한 변화도 필수적으로 포함하지 않는다는 것이다.

본 발명에 따른 방법은 위치가 탈탄 속도 및 다른 인자에 반응하여 동역학적으로 제어되는 랜스와 함께 동등하게 사용될 수 있다. 이런 동역학적 제어는 당업계에 공지되어 있다.

미풍 위치에서 랜스 헤드(112)로부터의 산소 공급으로 용융 철의 정련이 시작된다. 산소는 초음속으로, 전형적으로 마하 1.5 내지 3의 범위로 헤드(112)로부터 분사된다. 전형적으로 산소는 0℃ 내지 50℃의 범위의 온도로 상기 랜스 헤드로 공급된다. 산소를 예열시킬 필요는 없지만, BOS 용기의 주변 환경이 보통 실온보다 상당히 높은 온도에 있기 때문에 약한 임시적 예열이 일어날 수 있다. 또한, 산소는 초음속으로 랜스 헤드로부터 분사될 수 있도록 5 내지 20 bar의 범위의 압력으로 전형적으로 공급된다. 1차 산소는 용융 금속(106)의 표면을 투과하고, 탄소 및 다른 불순물(예: 규소 및 인)과 반응한다. 제강 화학은 공지되어 있고, 본원에 상세하게 기술될 필요가 없다. 용융 금속 욕에 용해된 탄소는 산소에 대해 높은 친화도를 갖고, 이와 신속하게 반응하여 일산화탄소를 형성하는 반면, 다른 불순물은 산소와 반응하여 용융 슬래그를 형성하는데, 이는 용융 제1철(ferrous) 금속보다 가볍워, 표면으로 상승되어 용융 슬래그 층을 형성한다고 기재하는 것으로 충분하다. 1차 산소의 속도는, 용융 금속의 교반을 일으키고 전형적으로 그 표면에 어느 정도의 난류가 일어나는 정도이다. 또한, 슬래그 층(118)은 요동하게 되고, 용융 제1철 금속에 용해된 탄소와 산소와의 반응의 결과로서 상당한 체적의 일산화탄소 거품을 함유할 것이다.

슬래그 층의 형성 후에, 용융 금속의 탈탄 속도를 증가시키는 것이 바람직하다. 따라서 랜스(110)는 강풍 위치로 하강하여, 헤드(112)가 용융 슬래그(118)에 침지된다(도 1에 도시된 위치). 1차 산소는 강풍 단계 동안 초음속 분사 속도로 공급된다. 또한, 본 발명에 따르면, 2차 산소가 또한 공급된다. 필요한 경우, 또는 랜스 헤드의 형상에 의한 불가피한 결과로서, 2차 산소는 미풍 단계 동안 공급될 수 있고, 이후 슬래그 형성을 도울 수 있다. 많은 상이한 선택이 존재한다. 예컨대, 1차 산소 유량 및 속도는 미풍 단계로부터 강풍 단계로 증가될 수 있다.

전형적으로 복수의 1차 산소 젯이 사용되고, 각각이 복수의 2차 산소 젯과 연관된다. 이런 1차 산소 젯(120) 하나가 도 1에 개략적으로 도시되어 있다. 상기 1차 산소 젯(120)은 산소 유동 방향으로 분기된다. 2개의 2차 산소 젯(122)이 도 1에 도시되어 있다. 2차 산소 젯(122)은 서로 개별적으로 이동한다. 이들은 1차 산소 젯(120)으로부터 분기된다. 분기 각은 1차 및 2차 산소 젯의 절대 및 상대 속도에 따라 45° 이하의 임의의 값일 수 있다. 일반적으로, 2차 산소 젯의 절대 및 상대 속도가 낮으면 낮을 수록, 분기 각은 더 커질 수 있다. 분기 각의 목적은 2차 젯의 대부분이 용융 금속의 표면의 상류에서 1차 젯으로 다시 비말동반되는 것을 보장하는 것이다. 그러나, 이러한 비말동반이 랜스 헤드 그 자체의 팁에 너무 근접하게 일어나는 것은 피하는 것이 바람직하다. 이는 분기 각이 너무 작은 경우에 일어날 수 있다. 다른 한편, 분기 각이 너무 큰 경우, 2차 산소 젯은 단지 분기를 계속하고, 1차 젯으로의 비말동반되지 않고 용융 금속을 투과함이 없이 소멸될 수 있다. 바람직하게는, 5° 내지 25°, 보다 바람직하게는 10° 내지 20°의 분기 각이 사용된다.

2차 산소 젯(122)은 슬래그 층(118)을 통해 이동함에 따라 그 내부의 일산화탄소의 거품에 직면한다. 슬래그 층에서의 온도는 일산화탄소와 산소 사이의 반응으로 이산화탄소의 형성이 되게 할 것이라고 예측된다. 실로, 이러한 반응은 플레임으로의 각 2차 산소 젯을 형성하기에 충분히 강할 수 있을 것이다. 이러한 방식으로의 이산화탄소의 형성은 이산화탄소가 탈탄제로서 작용할 수 있기 때문에 본질적으로 불리하지 않다. 2차 산화제의 1차 산소 젯으로의 비말동반은 보다 많은 산화제가 용융 금속과 접촉되게 한다. 결과적으로, 탄소 및 다른 불순물의 산화 속도는 증가되므로, 용해된 탄소의 농도를 선택된 수준으로 감소시키는데 걸리는 시간을 감소시킬 수 있다. 2차 산화제가 1차 산소 젯으로서, 2차 산소로서, 2차 이산화탄소로서 또는 상기 두 가스의 2차 혼합물로서 유입되는가는 거의 중요하지 않다. 따라서, 어더한 이산화탄소의 형성도 본 발명에서는 부차적이다.

용융 금속에서의 탄소 수준을 주어진 값으로 감소시키는데 걸리는 시간은 산화제 분자가 용해된 탄소 분자와 접촉되는 속도에 의존된다. 산화제 분자가 용해된 탄소와 밀접하게 접촉되는 속도를 증가시키는 것은 정련 시간을 감소시킨다. 따라서, 알맞은 양의 2차 산화제를 사용하는 것이 유리하다. 일반적 관점에서, 2차 산화제의 유량은 1차 산화제의 유량의 50% 이하일 수 있다.

1차 산소 및 2차 산소가 랜스 헤드에서의 동일 챔버를 통해 유동하는 경우, 1차 젯 속도에 독립적으로 2차 산소 젯 속도를 설정하는 것이 자유롭지 못하고(이는 1차 산소 젯 속도보다 약간 작은 경향이 있다), 2차 젯이 1차 젯보다 좁은 통로로부터 보통 생성되기 때문에 2차 젯과 연관된 보다 큰 "마찰 손실"이 있다. 이런 예에서, 2차 젯은 전형적으로 음속이지만 덜 팽창되는(underexpanded) 조건으로 2차 통로를 나와, 초음속 유동 조건에 대한 즉각적인 강한 충격 및 젯의 역학적 에너지를 분산시키는 일련의 충격파를 초래한다. 다른 한편, 2차 산소가 1차 산소 이외의 별개의 공급원으로부터 오는 경우 2차 산소 속도를 변화시키는 것이 보다 더 자유롭다. 일반적으로, 1차 산소 속도보다 상당히 낮은 2차 산소 속도는 1차 산소로의 2차 젯의 비말동반을 촉진시킨다.

강풍 단계 동안 아르곤 또는 다른 교반 가스는 랜스(110)의 상류에서 1차 산소에 첨가될 수 있다. 전형적으로 교반 가스는 2차 산소가 사용되는 속도와 동일하거나 그 이하의 속도로 첨가된다. 1차 젯으로의 가스의 총 유동은 바람직하게는 열처리의 강풍 단계 전체에 걸쳐 불변되게 유지된다. 교반 가스는 열처리 전체에 걸쳐 일정한 속도로 공급될 수 있거나, 용해된 탄소의 수준이 목적하는 수준에 도달되는 때에 열처리의 후기에서 공급될 수 있다. 교반 가스는 1차 산소의 일부를 대신하여, 1차 젯에 공급될 수 있다.

제 1 철 금속 중의 탄소 수준이 목적하는 값으로 감소되는 경우, 산소(1차 및 2차 모두) 및 교반 가스의 공급은 정지될 수 있고, 랜스(110)는 제강 용기(102)로부터 회수될 수 있다. 이후 용융 금속은 통상적인 방식으로 용기(102)로부터 방출될 수 있다.

교반 가스의 공급 시점과 양을 선택하는 능력은 제강업자가 제강 공정을 최적화하는 것을 돕는다. 열처리의 강풍 단계의 초기 동안, 탄소 수준은 비교적 높고, 산소를 교반 가스로 교체하는 것은 정련을 간단하게 지연시킬 수 있다. 열처리의 후기로 갈수록, 탄소 수준이 낮아지는 경우, 교반 가스의 첨가가 유리한 것으로 여겨진다.

본 발명에 따른 방법에서 사용하기 위한 제 1 랜스 헤드(200)의 형상이 도 2 내지 4에 도시되어 있다. 도 2 내지 4에서, 랜스 헤드(200)는 전방 말단부 또는 팁(204)에 노우즈(202)를 갖는다. 상기 노우즈(202)는 외부 원주 에지보다 더 전방에 있는 내부 원주 에지를 갖는 경사 환형 면(206)에 의해 둘러싸인다. 도 2에 도시된 바와 같이, 4개의 1차 산소 포트(208)가 환형 면(206)에 형성된다. 1차 산소 포트(208) 각각은 상기 면에 수직인 축을 갖는다. 이와 같이, 1차 산소 포트(208) 각각은 상기 랜스 헤드(200) 자체의 종축으로부터 산소 유동 방향으로 분기되는 축을 갖는다. 분기 각은 전형적으로 약 5 내지 15°이다. 산소 포트(208)는 서로 동일하게 이격되어 원주형으로 배열된다. 이런 배열의 결과로서, 1차 산소 젯은 4개의 상이한 지역에서 용융 금속의 표면을 투과하므로, 양호한 산소의 분산을 촉진시킨다. 필요한 경우, 도시된 4개 보다 적거나 많은 1차 산소 포트(208)가 사용될 수 있다.

각 1차 산소 포트(208)는 랜스 헤드(200)를 통해 형성된 집중-분기 노즐(210)의 말단을 형성한다. 노즐(210)은 상류 집중부(212), 일정한 직경의 중간부(214) 및 분기부(216)를 갖는다. 집중부(212)는 헤드(200)의 연장부로서 형성되는 산소 챔버(218)와 연통된다. 집중-분기 노즐(210)(종종 라발 노즐로 불림)은 승압에서 공급되는 산소를 초음속으로 챔버(218)로 분사할 수 있다. 집중-분기 노즐(210)의 디자인은 산소가 1차 산소 포트(208)로부터 방출시에 완벽하게 팽창되게 하는 것이 바람직하다.

각 1차 산소 포트는 복수의 2차 산소 포트(220)와 연관된다. 도 2에 도시된 바와 같이, 각 1차 산소 포트(208)는 2개의 2차 산소 포트(220)와 연관된다. 각 포트(220)는 환형 면(206)에 형성된다. 2차 포트(220)는 1차 산소 포트(208)와 환형 면(206)의 외부 원주형 에지의 중간에 모두 위치된다. 각 2차 포트(220)는 1차 산소 포트(208)보다 상당히 작은 직경을 갖는다. 각 2차 포트(220)는 연관되는 1차 산소 포트(208)의 대응 축으로부터 산소 유동의 방향으로 분기되는 축을 갖는다. 분기 각은 45° 이하일 수 있으되, 도 1에서 상기 논의된 기준을 충족해야 한다. 그러나, 전형적으로 분기 각은 5° 내지 25°의 범위, 보다 전형적으로는 5° 내지 25°의 범위이다.

각 2차 산소 포트(220)는 2차 산소 통로(222)의 말단에 있다. 2차 산소 통로(222)는 각각 상류 레그(leg)(224) 및 하류 레그(226)를 갖게 형성된다. 하류 레그(226)는 바람직하게는 상류 레그(224)에 대해 비스듬히 있는 것이 바람직하다. 각 상류 레그(224)는 챔버(218)와 연통된다. 도 3에 도시된 바와 같이, 하류 레그(226)는 상류 레그(224)보다 작은 직경을 갖는다. 그러나, 필요한 경우, 상류 레그(224)가 하류 레그(226)보다 작은 직경을 갖는 반대 배열이 사용될 수 있다. 이러한 배열은 보다 낮은 2차 산소 젯 속도가 필요한 경우에 사용될 수 있다. 통로(222)는 전형적으로 보어(bore) 및 카운터보어(counterbore)로서 모두 형성된다.

용이한 설명을 위해, 각 1차 산소 포트(208)는 단 2개의 산소 포트(220)와 연관되는 것으로 도시된다. 그러나, 전형적으로 각 1차 산소 포트(208)는 2개보다 많은 수의 2차 산소 포트(220)와 연관된다. 따라서, 전형적으로 각 1차 산소 포트(208)는 2 내지 8개의 2차 산소 포트(220)와 연관된다. 2차 산소 포트(220)의 각 그룹은 연관된 1차 산소 포트(208)의 축과 동심원을 이루는 원의 원주에 배열되는 것이 바람직하다. 2차 산소 포트(220)의 간격은, 작동 시에 방출되는 산소의 젯이 서로 병합되지 않도록 한다. 전형적으로 2차 산소 포트(220)의 각 그룹은 포트(220)가 전체 원주 주변에 연장되지 않지만, 대신 360° 미만, 보통 180° 미만인 호에 대하도록(subtend) 배열된다.

헤드(200)는 산소 챔버(218) 주위에 내부 일체형 슬리브(228) 및 외부 일체형 슬리브(230)를 갖게 형성된다. 슬리브(228) 및 (230)는 보통의 작동에 있어서 랜스 헤드를 통한 냉각수(보통 물)의 유동을 위한 통로를 한정한다. 이들 통로들은 랜스(200)의 노우즈(202)로 연장된다.

랜스 헤드(200)는 세 개의 동심원 통로(내부의 하나는 산소용이고, 다른 2개는 냉각수용)를 갖는 랜스(도 2 내지 4에는 미도시됨)에 유체 밀폐되게 간단히 용접되거나 달리 고정될 수 있다. 매우 많은 수의 용융 금속 배치를 정련하는데 사용 후에, 랜스 헤드(200)의 교체하는 것이 필요하다. 이는 랜스로부터 사용 헤드를 절단해 내고, 새로운 랜스 헤드를 용접함으로써 간단히 실시할 수 있다.

도 2 내지 4에 도시된 랜스 헤드의 작동은 도 1을 참고하여 본원에서 기술된 바와 같이 본질적이다. 2차 산소 젯은 각 1차 산소 젯으로 비말동반되고, 전술된 바와 같이 정련되는 용융 금속과 밀접하게 접촉하는 탈탄제의 유동을 증가시킨다. 결과적으로, 소정의 조성을 갖는 주어진 체적의 용융 금속을 정련하는데 걸리는 시간은 단지 1차 산소 젯만이 사용되는 통상적인 절차와 비교 시에 감소될 수 있다. 2차 산소로의 일산와탄소의 비말동반의 결과로서 일어나는 2차 산소의 어떠한 연소도 본 발명에서는 부차적인 것이다.

2차 산소 포트(220)가 산소 챔버(218)와 연통되기 때문에, 덜 팽창되는(underexpanded) 조건과 주변 용기 압력 사이에서의 차동 압력에 의해 2차 산소 젯은 초음속으로 신속하게 방출된다. 이런 초음속 속도는 1차 산소 젯이 유동 산소와 2차 산소 통로(222)를 한정하는 벽 사이의 "마찰" 상호작용의 결과로서 분사되는 경우의 속도보다 낮을 수 있다.

랜스 헤드의 다른 실시양태가 도 5 및 6에 도시된다. 도 2 내지 4의 부품에 상응하는 도 5 및 6의 부품은 도 2 내지 4에서와 같은 참고번호로 지시된다. 일반적으로, 도 5 및 6에 도시된 랜스 헤드의 형상 및 작동은 도 2 내지 4에 도시된 랜스 헤드의 형상 및 작동과 매우 유사하다. 이들 두 실시양태에서의 주요한 차이는, 도 5 및 6에 도시된 랜스 헤드에서 2차 산소 통로(222)가 챔버(218)를 둘러싸고 공축인(coaxial) 환형 2차 산소 챔버(300)와 연통되는 것이다. 결과로서, 2차 산소는 1차 산소가 랜스 헤드로부터 방출되는 속도와는 독립적인 속도로 분사될 수 있다. 따라서, 필요한 경우, 2차 산소는 1차 산소 속도보다 큰 초음속으로, 1차 산소 속도보다 적은 초음속으로, 음속으로, 아음속(subsonic)으로 분사될 수 있다. 아음속의 2차 산소 속도의 한 장점은 1차 산소로의 2차 산소 젯의 비말동반을 촉진시키는 것이다.

랜스 헤드에 대한 다양한 변화 및 변형이 가해질 수 있다. 예컨대, 필요한 경우, 랜스 헤드는 산소의 일부가 용융 금속의 표면으로부터 떨어진 BOS 용기의 영역에서 일산화탄소의 후연소를 위해 분사되도록 산소 챔버의 벽에 형성된 어퍼쳐(aperture)를 기부 말단(proximal end)에 가질 수 있다. 본 발명의 다른 실시양태는 당업자에게 용이하게 이해될 것이다. 본 발명의 범위는 다음의 청구범위에 의해 정의된다.

Claims

소정 체적의 용융 금속을 함유하는 용기에서 산소와 용융 금속중의 불순물의 반응에 의해 용융 금속을 정련하는 방법으로서,

(a) 상기 용융 금속 위에 위치되는 랜스(lance)로부터 하나 이상의 1차 산소 젯을 용융 금속으로 분사하여 불순물과 반응시켜 용융 슬래그 층을 형성하는 단계;

(b) 상기 랜스로부터 1차 산소 젯을 계속 분사하여 1차 산소 젯이 슬래그 층을 통과해 용융 금속으로 가도록 하는 단계;

(c) 상기 랜스로부터 복수의 2차 산소 젯을 상기 1차 산소 젯과는 별도로 일정 거리를 이동하도록 분사하는 단계; 및

(d) 상기 1차 산소 젯의 소정 체적의 용융 금속으로의 유입부의 상류에서 2차 산소 젯을 1차 산소 젯에 비말동반시키는(entrain) 단계를 포함하는,

용융 금속의 정련 방법.
제 1 항에 있어서,

단계 (b)에서 상기 1차 산소 젯이 마하 1.5 내지 마하 3 범위의 초음속 축 속도로 분사되는 정련 방법.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

각각의 2차 젯의 종축이 그의 연관된 1차 젯의 종축으로부터 진행 방향으로 45° 이하의 각으로 분기되는 정련 방법.
제 3 항에 있어서,

상기 각이 5 내지 25°의 범위인 정련 방법.
제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,

상기 각이 10 내지 20°의 범위인 정련 방법.
제 5 항에 있어서,

각 1차 산소 젯과 연관되는 2차 산소 젯이 2 내지 6개 있는 정련 방법.
제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 랜스의 헤드가 상기 단계 (b) 동안 슬래그 층에 침지되는 정련 방법.
제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,

각 산소 젯이 상기 랜스의 팁으로부터 방출되는 정련 방법.
제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,

복수의 1차 산소 젯이 존재하고, 각 1차 산소 젯이 하나 이상의 2차 산소 젯과 연관되는 정련 방법.
제 9 항에 있어서,

상기 1차 산소 젯이 일반적으로 원주형으로 배열되는 1차 산소 포트로부터 분출되는 정련 방법.
제 10 항에 있어서,

상기 2차 산소 젯이 상기 1차 산소 젯의 외부에 배열되는 2차 산소 포트로부터 분출되는 정련 방법.
제 11 항에 있어서,

각 1 차 산소 포트가 이와 연관된 제 2 산소 포트의 그룹을 갖고, 2차 산소 포트의 각 그룹은 원의 호에 배열되는 정련 방법.
제 12 항에 있어서,

상기 원이 상기 1 차 산소 포트가 있는 원과 동심원(concentric)을 이루는 정련 방법.
제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,

2차 산소 유동이 1차 산소 유동의 5 내지 50%인 정련 방법.
제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,

1차 젯 및/또는 2차 젯이 형성되는 산소 분사의 상류에서 하나 이상의 교반 가스(stirring gas)와 혼합하는 단계를 추가로 포함하는 정련 방법.
제 15 항에 있어서,

상기 교반 가스가 희 가스인 정련 방법.
제 16 항에 있어서,

상기 교반 가스가 아르곤인 정련 방법.
제 15 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 교반 가스가 가열의 후기 부분 동안에만 상기 1차 산소와 혼합되는 정련 방법.
제 18 항에 있어서,

상기 교반 가스의 유량이 2차 산소의 유량보다 적거나 같은 정련 방법.
제 1 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 따른 정련 방법에 사용하기 위한 랜스 헤드로서,

하나 이상의 1차 산소 포트 및 복수의 2차 산소 포트를 갖되, 각 2차 산소 포트는 1차 산소 포트 또는 1차 산소 포트들 중 하나와 연관되고

그와 연관된 1차 산소 포트로부터 유동 방향으로 45° 이하의 각으로 분기하는 축을 갖는 랜스 헤드.
제 20 항에 있어서,

상기 각이 5 내지 25°의 범위인 랜스 헤드.
제 20 항 또는 제 21 항에 있어서,

상기 각이 15 내지 20°의 범위인 랜스 헤드.
제 20 항 내지 제 22 항 중 어느 한 항에 있어서,

복수의 1차 산소 포트 및 각 1차 산소 포트와 연관된 1 내지 8개의 2차 산소 포트의 그룹이 있는 랜스 헤드.
제 23 항에 있어서,

2차 산소 포트의 각 그룹이, 상기 그룹이 연관되는 1차 산소 포트와 동심원을 이루는 원의 호에 배열되는 랜스 헤드.
제 24 항에 있어서,

상기 호가 180° 미만의 각으로 대하는(subtend) 랜스 헤드.
제 20 항 내지 제 25 항 중 어느 한 항에 있어서,

1차 산소 포트로부터 각 2차 산소 포트의 선형적 이격이 1차 산소 포트의 직경의 두배 미만인 랜스 헤드.
제 20 항 내지 제 25 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 1차 산소 포트 및 각 2차 산소 포트가 상기 랜스 헤드의 팁에 위치하는 랜스 헤드.
제 20 항 내지 제 27 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 랜스 헤드의 축 주변에 원주형으로 배열되는 복수의 1차 산소 포트가 있는 랜스 헤드.
제 20 항 내지 제 28 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 제 2 산소 포트가 1차 산소 포트의 외부에 배열되는 랜스 헤드.
제 20 항 내지 제 29 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 1차 산소 포트가 선도적(leading) 내부 원주형 에지를 갖는 랜스 헤드의 경사진 환형 면에 위치되어, 1차 산소 포트의 종축이 모두 산소 유동 방향으로 서로 분 기되는 랜스 헤드.
제 20 항 내지 제 30 항 중 어느 한 항에 있어서,

모든 제 1 및 제 2 산소 포트가 랜스 헤드의 공통 챔버(common chamber)와 연통되는 랜스 헤드.
제 20 항 내지 제 30 항 중 어느 한 항에 있어서,

각 1차 산소 포트가 제 2 차 산소 포트와 연통되지 않는 랜스 헤드에서의 챔버와 연통되는 랜스 헤드.