KR20090062189A - 극저탄소 페라이트계 스테인리스강 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 슬래그 중 (Cr2O3) 함량 및 적정 조성과 액상 분율을 제어하여 진공 탈탄 정련 효율을 극대화함으로써 기존의 기술대비 단시간 내에 용강 중 탄소 농도를 극저 수준으로 함유하는 페라이트계 스테인리스강을 제조하는 방법에 관한 것으로서, AOD 정련로에서 조탈탄 및 탈질후 미탈산 상태로 용강을 래들에 출강 후 상기 래들의 용강 상부에 미탈산 슬래그를 제거하는 단계; 상기 래들을 대형 진공조에 안착하여 감압 후, 상기 용강 상부로부터 랜스를 통해 산소가스를 취입하여 탈탄 반응을 수행하는 단계; 상기 산소 취련 개시 시점에 Al을 투입하여 Al2O3를 생성시키는 단계; 상기 산소 취련 종료 시점에 생석회를 투입하여 CaO-Al2O3-Cr2O3-MgO계 슬래그를 형성시켜 산소 취련 종료 후 유동성이 양호한 상기 슬래그와 용강의 반응을 통하여 슬래그 중 [Cr2O3]와 용강 중 [C] 간 반응에 의해 진공 미세탈탄이 촉진되는 단계; 상기 진공 미세탈탄의 효율 극대화를 위해 래들 바닥의 다공성 플러그를 통해 Ar과 같은 불활성 가스를 공급해주는 단계;를 포함하여 이루어진다.
산소취련, 슬래그, 진공 탈탄, 페라이트계 스테인리스강

Description

극저탄소 페라이트계 스테인리스강 제조방법 {Method of manufacturing ultra low carbon ferritic stainless steel}
본 발명은 극저 수준의 탄소를 함유하는 고순도 페라이트계 스테인리스강 제조 방법에 관한 것으로서, 더 상세하게는 VOD (Vacuum Oxygen Decarburization) 슬래그 중에서 Cr2O3 함량과 적정 조성 및 액상 분율등을 제어하여 진공 탈탄 정련 효율을 극대화함으로써 단시간 내에 극저탄소 페라이트계 스테인리스강을 제조하는 방법에 관한 것이다.
일반적으로 크롬 Cr 농도가 10~30wt%인 페라이트계 스테인리스강은 고내식/ 고가공성을 요하는 곳에 적용되며, 이때 내식성과 가공성 향상을 위해 침입형 원소인 탄소 농도가 100 ppm 이하의 (특별한 경우 50 ppm 이하) 매우 낮은 수준으로 포함되도록 요구되고 있다. 이 경우 통상적인 희석 탈탄 AOD 정련법으로는 한계가 있어 진공 VOD 정련법이 적용되며, 이를 달성하기 위해 다음과 같은 진공 탈탄 기술들이 보고되어 있다.
일본공개특허공보 1997-316528호에서는 산소취련 시 스테인리스 용강 비산, 즉 스플래쉬(splash) 현상으로 인해 진공조, 침지관의 내벽 및 산소 랜스 선단에 용강이 융착되는 현상을 줄임과 동시에 Cr 손실을 저감하는 진공 탈탄 정련을 위해, 탈탄 개시 전 염기도 (%CaO/%SiO2, 이하 C/S로 표기) 1~4, (Al2O3) 함량 5~30wt% 조성의 플럭스(flux)를 440~2650kg 가량 침지관 내에 첨가하여 용융 슬래그를 생성한 후 진공정련 하는 방법을 제안하였다. 그러나, 상기 슬래그 조성은 실리콘 Si 탈산을 전제로 하 경우에 해당하는 슬래그 조성으로서 알루미늄 Al 탈산이 필요한 페라이트계 용강 제조 시에는 적용할 수 없는 단점이 있다.
일본특허공보 JP3616423호에서는 VOD 정련법으로 스테인리스 용강 탈탄 시 극저탄소 영역에서의 탈탄속도 저하, 산소취련 종료시점 제어의 정밀도 저하, 과잉의 산소취련에 의한 Cr 산화 및 슬래그 유동성 악화, 이로 인한 Si, Al 등의 환원제 소비량 증가 등을 해결하기 위해, 조탈탄 후 슬래그의 C/S=1.5~3.5로 제어하고, 여기에 CaO-Al2O3계 플럭스를 투입하여 슬래그 조성을 (wt%CaO)/ (wt%SiO2+wt%Al2O3, 이하 C/(S+A)로 표기)=1.2~3.0 범위에서 조정하고, 진공 하 산소취련 후 가스 중의 산소농도로부터 계산된 Cr2O3 발생량이 40% 이하 될 때 취련을 중지한 후 가스 교반에 의해 탈탄을 촉진하는 방법을 제안하였다. 그러나, 진공 개시 전 C/(S+A)=1.2~3.0 조성을 제어하기 위해 CaO-Al2O3계 플럭스를 투입할 경우, 조탈탄 후 슬래그의 중량 (또는 부피), 슬래그의 C/S 비를 기기측정 및 분석을 통해 알아야만 하며, 이를 위해서는 상당한 시간이 소요됨을 피할 수 없다.
일본특허공보 JP3752801호에서는 감압 하 스테인리스 용강의 탈탄 정련 시, Cr 손실을 억제하고 탈탄 공정을 단축하기 위해, 조탈탄 후 (진공탈탄 전) 용강 중 탄소 농도를 0.25~0.1wt%로 하고, 미탈산 출강 후 감압 하 산소취련을 행할 때 래들 바닥에서의 불활성 가스 공급유량을 5 Nl/min.t-steel 이상으로, 이 때 생성되는 슬래그의 중량을 15kg/t-steel 이하로 할 것을 제안하였다. 그러나, 산소취련 시 발생하는 슬래그의 중량을 15kg/t-steel 이하로 제어하기 위해서는 진공 하 산소취련 중에 슬래그 중량을 측정하기 위해 취련을 일시적으로 중지해야 하는 문제가 있으며, 심지어는 진공을 해제하고 대기압 하에서 슬래그 중량 측정을 행한 후에 다시 진공 하 산소취련을 해야 하는 문제가 발생할 수 있다.
대한민국특허 KR10-0523105호에서는 VOD법에 의한 극저탄소 함유 페라이트계 스테인리스강의 정련 시 슬래그에 의한 탈탄반응을 촉진하고, 탈탄 종료 후 용강의 탄소 오염 (C pick-up이라 함) 억제를 위해, 산소취련 종료 후 슬래그 중 (Cr2O3) 함량을 25~45wt%, (wt%CaO)/(wt%Al2O3, 이하 C/A로 표기) 비를 1.0 이하로 제어하고 진공탈탄 단계에서 CaO를 투입하는 방법을 제안하였다. 그러나, 약 1700℃에서의 정련 온도에 해당하는 CaO-Al2O3-Cr2O3 슬래그의 평형 상태도로부터, C/A<0.7 조성 범위에서는 슬래그 중 Cr2O3와 Al2O3간 반응으로 인해 열역학적으로 매우 안정한 코런덤 (corundum, 화학기호 (Cr,Al)2O3) 화합물이 생성됨을 알 수 있으며, 이는 열역학적 원리에 의해 탈탄 반응의 구동력을 떨어뜨리는 결과를 가져오게 된다.
일본공개특허공보 2006-213960호에서는 탈탄 효율이 높고 C pick-up을 억제할 수 있는 스테인리스강의 탈탄을 위해, 진공 하 산소취련 종료 후 불활성 가스의 교반에 의한 진공탈탄 전후에 용강 중 산소농도를 측정하고, 미리 산출해 놓은 식에 의해 슬래그 중 Cr2O3 함량을 추정하여, 그 최종 함량이 10~30wt% 되도록 탈산제를 첨가하는 방법을 제안하였다. 그러나, 용강 중 산소농도 측정을 위해서는 고가의 산소센서를 매번 사용해야 하며, 이는 비용과 정련 시간의 증대를 초래하게 된다. 또한 용강 중 산소농도로부터 슬래그 중 Cr2O3의 농도를 추정하더라도, Cr2O3 10~30wt% 범위를 제어하기 위한 탈산제 투입량 산출을 위해서는 슬래그의 중량에 (또는 부피) 관한 정보가 있어야 함에도 불구하고 이에 관한 구체적 측정 방법은 제시되어 있지 않다.
따라서, 본 발명은 전술한 종래의 문제점들을 해결하기 위해 고안된 발명으로, VOD 진공 탈탄 정련과정에서 슬래그 중 Cr2O3 함량과 적정 조성 및 액상 분율을 제어하여 진공 탈탄 정련 효율을 극대화함으로써, 단시간 내에 극저탄소 페라이트계 스테인리스강 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 극저탄소 페라이트계 스테인리스강 제조방법은, AOD 정련로에서 조탈탄 및 탈질후 미탈산 상태로 용강을 래들에 출강 후 상기 래들의 용강 상부에 미탈산 슬래그를 제거하는 단계; 상기 래들을 대형 진공조에 안착하여 감압 후, 상기 용강 상부로부터 랜스를 통해 산소가스를 취입하여 탈탄 반응을 수행하는 단계; 상기 산소 취련 개시 시점에 Al을 투입하여 Al2O3를 생성시키는 단계; 상기 산소 취련 종료 시점에 생석회를 투입하여 CaO-Al2O3-Cr2O3-MgO계 슬래그를 형성시켜 산소 취련 종료 후 유동성이 양호한 상기 슬래그와 용강의 반응을 통하여 슬래그 중 [Cr2O3]와 용강 중 [C] 간 반응에 의해 진공 미세탈탄이 촉진되는 단계; 상기 진공 미세탈탄의 효율 극대화를 위해 래들 바닥의 다공성 플러그를 통해 Ar과 같은 불활성 가스를 공급해주는 단계;를 포함하여 이루어진다.
또한, 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 극저탄소 페라이트계 스테인리스강 제조방법은 AOD 정련로에서 조탈탄 및 탈질후 미탈산 상태로 용강을 래들에 출강 후 상기 래들의 용강 상부에 미탈산 슬래그를 제거하는 단계; 상기 래들을 대형 진공조에 안착하여 감압 후, 상기 용강 상부로부터 랜스를 통해 산소가스를 취입하여 탈탄 반응을 수행하는 단계; 상기 산소 취련 종료 시점에 진공 호퍼를 활용하여 CaO.Al2O3 flux를 투입하여 CaO-Al2O3-Cr2O3-MgO계 슬래그를 형성시키는 단계; 상기 산소취련 종료 후 유동성이 양호한 상기 슬래그와 용강의 활발한 반응에 의해 슬래 그 중 [Cr2O3]와 용강 중 [C]간 반응에 의해 진공 미세탈탄이 촉진되는 단계; 상기 진공 미세탈탄의 효율 극대화를 위해 래들 바닥의 다공성 플러그를 통해 Ar과 같은 불활성 가스를 공급해주는 단계;를 포함하여 이루어진다.
본 발명에서, 상기 AOD 조탈탄 종료 후 용강 중 탄소와 질소 농도가 각각 0.2~0.4wt%, 100ppm 이하인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에서 상기 산소 취련기에 1000~1600Nm3/hr 유량으로 산소가스를 공급하여 탈탄하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명은 상기 산소 취련 개시 시점에 1.2~3.8kg/t-steel의 Al을 투입하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명은 상기 산소 취련 종료 시점에 2.5~5.0kg/t-steel의 생석회를 투입하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에서 상기 CaO.Al2O3 플럭스는 10~50mm 크기로 7~10kg/t-steel 투입한다.
또한, 본 발명에서 상기 슬래그는 (wt%CaO)/(wt%Al2O3) : 0.5~1.0, Cr2O3 : 15~60wt%, MgO < 7wt% 이며, 상기 CaO.Al2O3 플럭스는 (wt%CaO)/(wt%Al2O3 : 0.5~0.8, (SiO2)+(MgO)+(TiO2) < 15wt%으로 나타난다.
본 발명은 기존에 실시하였던 과도한 산소취련에 의존하던 극저탄소 페라이트계 스테인리스강 제조방법과 대비하여, 일정량의 산소취련 종료 후 괴상의 CaO.Al2O3 플럭스 투입에 의해 슬래그 중 크롬 산화물의 활동도와 액상 분율의 곱이 높은 최적의 슬래그 조성을 제어하여 저 탄소 영역에서의 진공 미세탈탄 효율을 극대화함으로써, 내식성과 가공성을 저하시키는 탄소의 농도가 매우 낮은 페라이트계 스테인리스강을 얻을 수 있다.
이하 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 극저탄소 페라이계 스테인리스강 제조방법의 순서도이다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 극저탄소 페라이계 스테인리스강 제조방법은, AOD 정련로에서 조탈탄 및 탈질 정련을 수행하여 100 ppm 이하의 질소와 0.2~0.4wt%의 탄소를 함유하는 용강을 미탈산 (Al 또는 FeSi 등의 탈산제를 첨가하지 않은 상태를 말함) 상태로 래들에 출강하는 단계; 상기 래들의 용강 상부에 부유하는 미탈산 슬래그를 제거하는 단계; 상기 래들을 대형 진공조에 안착 후 100mbar 이하의 압력으로 감압을 실시하는 단계; 상기 용강 상부로부터 랜스를 통해 1000~1600Nm3/hr 유량의 산소가스 취입에 (산소취련이라 함) 의한 탈탄 반응이 수행되는 단계; 상기 산소취련 개시 시점에 1.2~3.8kg/t-steel의 Al을 투입하여 (Al2O3)를 인위적으로 생성시키는 단계; 상기 산소취련 종료 시점에 2.5~5.0kg/t-steel의 생석회를 투입하여 결과적으로 유동성이 양호한 CaO-Al2O3-Cr2O3-MgO계 슬래그를 형성시키는 단계; 또는 상기 두 단계를 생략하고 산소취련 종료 시점에 진공 호퍼를 활용하여 10~50mm 크기의 CaO.Al2O3 플럭스를 7~10kg/t-steel 투입하여 유동성이 양호한 CaO-Al2O3-Cr2O3-MgO계 슬래그를 형성시키는 단계; 산소취련 종료 후 상기 유동성이 양호한 슬래그와 용강의 활발한 반응에 의해 슬래그 중 (Cr2O3)와 용강 중 [C]간 반응에 의해 진공 (10mbar 이하) 미세탈탄이 촉진되는 단계; 상기 진공 미세탈탄 효율 극대화를 위해 래들 바닥의 다공성 플러그를 통해 Ar과 같은 불활성 가스를 공급해주는 단계를 포함하여 이루어진다.
도 2는 1700℃에서 CaO-Al2O3-Cr2O3-5wt%MgO 4원계 슬래그의 액상 분율에 (f liquid) 미치는 크롬 산화물 함량의 영향을 나타낸 그래프로서, 슬래그 중 크롬 산화물 함량이 20wt% 이하일 경우, 슬래그의 C/A 비에 상관없이 90% 이상의 액상이 확보되는 반면, 크롬 산화물 함량이 30wt% 이상일 때에는 슬래그의 C/A 비가 증가함에 따라 f liquid가 급격히 감소함을 알 수 있다.
도 3은 1700℃에서 CaO-Al2O3-Cr2O3-5wt%MgO 4원계 슬래그의 액상 영역에서 크롬 산화물의 열역학적 활동도를 (a CrOx) 나타낸 그래프로서, 슬래그 중 크롬 산화물 함량이 60wt% 이하일 때 슬래그의 C/A 비가 증가함에 따라 a CrOx는 급격히 감소함을 알 수 있다. 또한, C/A=0.5일 때에는 크롬 산화물 함량에 따라 a CrOx는 증가하다가 30wt% 이상에서는 일정한 값을 나타내는 반면, C/A≤1.0인 경우에는 크롬 산화물 함량이 약 60wt%까지 증가함에 따라 a CrOx는 직선적으로 증가하는 경향을 보이고 있다.
도 4는 도 2와 도3의 결과로부터 도출될 수 있으며, 슬래그의 액상 분율과 크롬 산화물 활동도의 곱을 크롬 산화물의 함량에 대해 나타낸 그래프이다. 슬래그의 C/A 비가 증가할수록 f liquid × a CrOx 값은 감소하며, 동일한 C/A 비에서는 크롬 산화물 농도에 대해 최대값을 갖는 경향을 보인다.
기 공지된 문헌에 따르면, 탄소농도가 높은 영역에서는 하기 식 1의 반응에 의해 용강 중 탄소가 CO 가스로 제거되며, 이 때 고유량의 산소 가스를 충분히 공급해줌으로써 탈탄 반응을 촉진시킬 수 있는 것으로 알려져 있다.
[C] + 1/2O2 (g) = CO (g) --- (1)
여기서, (g)는 가스상태를 의미한다. 그러나 용강 중 탄소 농도가 수 백 ppm 이하의 농도 영역으로 감소하면, 탈탄 반응 속도가 급격히 감소함과 동시에 용강의 주 합금성분인 Cr이 하기 식 2에 의해 (Cr2O3)로 산화된다.
2[Cr] + 3/2O2 (g) = (Cr2O3) --- (2)
따라서, 탄소 농도가 낮은 영역에서는 산소가스의 공급을 차단하고 산소취련기에 발생한 (Cr2O3)와 용강 중 탄소간에 하기 식 3과 같은 반응을 유도한다.
(Cr2O3) + 3[C] = 2[Cr] + 3CO (g) --- (3)
식 3에 보인 탈탄 반응의 평형상수는 하기 식 4와 같이 쓸 수 있다.
Figure 112007089454629-PAT00001
--- (4)
식 4로부터 슬래그 중 크롬 산화물의 활동도인 a Cr2O3가 크고, CO 가스의 분압인 p CO가 낮을수록 탈탄 반응의 구동력이 커지며, 이 때 진공 조건이 일정하다면, 탈탄 반응의 효율은 a Cr2O3에 의해 좌우됨을 알 수 있다. 그러나, 실제 반응은 이와 같은 열역학적 구동력뿐 아니라 속도론적 인자에도 영향을 받으며, 이는 슬래그의 유동성이 탈탄 반응에 영향을 미침을 시사한다. 순수한 (Cr2O3)는 융점이 매우 높은 (약 2330oC) 산화물로서, 일반적인 정련 온도인 1600~1700oC에서는 고체로 존재한다. 따라서 열역학적으로는 순수 (Cr2O3)와 용강 중 탄소가 반응하는 것이 가장 바람직하지만, 그 속도는 매우 느리며, 적정한 시간 내에 원하는 수준의 탄소농도까지 정련을 마칠 수 없게 된다. 따라서, a Cr2O3가 감소하더라도 적절한 슬래그의 유동성을 확보하는 것이 필수적이며, 이를 위해 첨가제를 (이하 플럭스(flux)라 함) 투입함으로써 유동성 슬래그를 형성시키는 것이 필수적으로 요구된다.
상기 도 2~4에서 언급한 바와 같이 산소취련기에 발생한 (Cr2O3)를 (CaO), (Al2O3), (MgO) 등의 성분 첨가를 통해 희석함에 따른 액상 슬래그의 분율과 (Cr2O3)의 활동도를 열역학적으로 계산할 수 있으며, 바람직하게는 두 값의 곱이 높은 영 역을 선택하는 것이 필요하다. 이 때 (CaO)는 생석회의 형태로 투입할 수 있으며, (MgO)는 산소취련기에 VOD 래들 내화물로부터 물리화학적 원인으로 인해 자연적으로 발생하게 된다. 그러나, 순수한 (Al2O3)는 매우 고가이므로 단독으로 첨가하기 어려우며, 이를 해소하기 위해 다음과 같은 방법을 이용할 수 있다.
첫째, 산소취련 초기에 일정량의 Al을 투입함으로써 하기 식 5에 의해 (Al2O3)를 생성시킬 수 있다.
2[Al] + 3[O] = (Al2O3) --- (5)
따라서, 산소취련기에 (Al2O3), (Cr2O3), 그리고 소량의 (MgO)가 생성되며, 산소취련 종료 후 생석회를 투입함으로써 f liquid × a CrOx 값이 높은 CaO-Al2O3-Cr2O3-MgO 슬래그를 형성할 수 있다.
둘째, 상기와 같이 산소취련 초기에 Al을 투입하여 (Al2O3)를 생성하기 위해서는 추가적인 산소공급과 함께 취련 시간이 더 소요된다. 따라서 더욱 바람직하게는 산소취련 종료 후 진공상태에서 괴상의 CaO.Al2O3 flux를 일정량 투입함으로써, f liquid× a CrOx 값이 높은 CaO-Al2O3-Cr2O3-MgO 슬래그를 형성할 수 있다. 이 경우 상기 첫 번째 방법에 비해 정련시간 단축 및 탈탄효율 증대 효과를 동시에 충족할 수 있다.
도 5는 1650℃, 진공조건에서 슬래그의 C/A 비와 크롬 산화물의 함량에 따른 21wt%Cr 함유 페라이트계 스테인리스 용강의 탈탄효율을 나타낸 그래프이다. 여기 서 탈탄 효율은 하기 식 6에 의해 구할 수 있다.
탈탄효율 (%) = {1-(최종 탄소농도)/(초기 탄소농도)}×100 --- (6)
슬래그의 C/A 비가 1.3일 때보다 0.6일 때, 그리고 슬래그 중 크롬 산화물 함량이 20wt%일 때보다 60wt%일 때 더 높은 탈탄효율을 나타내고 있으며, 슬래그의 C/A 비가 더 지배적인 인자임을 알 수 있다.
또한 종래예에서의 미세 탈탄기 슬래그 조성을 본 발명예에서의 경우와 비교하여 진공 미세탈탄 효과를 표 1에 나타내었다.
구분 미세 탈탄기 슬래그 조성 진공미세탈탄 전후 탄소농도 차 (ppm) 비 고
C/A 비 Cr 2 O 3 (wt%) [C] 진공미세탈탄 -[C] 산소취련
종래예 1 0.36 50.2 -15
종래예 2 0.27 89.1 -9
종래예 3 0.51 91.5 -6
종래예 4 0.38 68.9 +14 C pick-up
종래예 5 0.41 62.1 -1
종래예 6 0.69 79.0 -7
종래예 7 0.43 82.6 +10 C pick-up
종래예 8 0.21 51.8 -19
발명예 1 0.58 20.5 -26
발명예 2 0.73 16.2 -41
발명예 3 0.82 29.4 -16
발명예 4 0.96 58.2 -38
발명예 5 0.69 59.0 -27
발명예 6 0.60 48.3 -19
발명예 7 0.71 27.7 -39
발명예 8 0.59 39.1 -22
발명예 9 0.74 28.9 -11
발명예 10 0.81 48.1 -12
상기 표 1에 나타낸 바와 같이, 발명예에서는 공히, 종래예와 비교하여 C pick-up이 되지 않으면서 미세 탈탄 효과가 매우 우수함을 알 수 있다.
도 6을 참조하면, 1700℃의 온도에서 5wt%MgO를 함유하는 기존 미세 탈탄 슬래그의 조성은 C/A<1.0, (Cr2O3)>50wt%이며, 주로 액상 슬래그와 함께 MgO.Cr2O3 chromite, (Al,Cr)2O3 corundum, 그리고 (Mg,Al)(Al,Cr)2O4 spinel 화합물들이 상호 공존하는 상태에 해당함을 알 수 있다. 이 경우 열역학적으로 매우 안정한 corundum, spinel과 같은 화합물의 생성은 전술한 상기 식 3과 식4에서 언급한 바와 같이 슬래그 중 (Cr2O3)의 활동도 감소를 의미하므로, 이는 곧 탈탄효율을 저하의 원인이 된다. 그러나, 본 발명에서 제안한 미세 탈탄 슬래그 조성은 0.5≤(C/A)≤1.0, 15≤(wt%Cr2O3)≤60이며, 주로 액상 슬래그와 함께 크로마이트(chromite)가 공존하며, 소량의 CaO.Cr2O3, Cr2O3, corundum 화합물이 존재함을 알 수 있다. 기 공지된 문헌에 의하면 크로마이트 화합물은 분해 및 용해가 corundum 또는 spinel 화합물에 비해 비교적 용이하므로 탈탄 반응의 효율이 크게 감소되는 일이 발생하지 않음을 알 수 있다.
결과적으로, 극저탄소 페라이트계 스테인리스 용강의 진공 탈탄 시, 미세 탈탄 슬래그의 C/A비와 (Cr2O3) 함량을 최적화하고, 이를 만족하기 위해 본 발명에서 제안된 CaO.Al2O3 플럭스의 투입 시기, 투입량, 투입방법을 적용하거나 또는 산소취련 개시 전 Al을 투입하고 산소취련 종료 후 생석회를 투입하여 상기 최적 조성을 만족하는 방법을 적용함으로써 탄소농도 50 ppm 이하 수준을 달성할 수 있게 된다.
[실시예]
이하, 본 발명의 실시예에 대하여 설명한다.
Fe-18%Cr 조성을 갖도록 전기로에서 고철 및 합금철 등을 용해 후 AOD 정련로에서 조탈탄 공정을 거쳐 약 1700℃의 온도로 래들에 출강하였다. 상기 래들에는 용강과 슬래그가 있으며, 진공 탈탄 효율을 높이기 위해 기계적 방법으로 슬래그를 제거하였다. 이때 용강 온도는 약 1630oC, 탄소 농도는 0.26wt%, 질소 농도는 95ppm으로 측정되었다. 이 때 탄소 농도가 0.2% 미만일 경우에는 진공 정련 시 CO 기포의 발생량이 적어 탈질 반응 촉진 효과를 기대할 수 없게 되며, 탄소 농도가 0.4%를 초과하면 정련시간이 매우 길어지는 문제가 생길 수 있다. 또한 질소 농도가 100ppm을 초과하면 진공정련 시 CO 기포에 의한 탈질반응이 진행된다 하더라도 원하는 수준의 낮은 질소 농도에 도달하기 어려울 수 있다. 상기 래들을 진공조가 위치한 탈탄 정련 스탠드로 이동하여 커버를 씌운 후 용강 상부에서 랜스를 이용하여 기체 산소를 공급하여 30분간 탈탄정련을 실시하였다. 반응 종료 후 용강 온도는 약 1760℃까지 상승하였고, 용강 조성은 하기 표 2와 같이 분석되었다.
성분 Cr Si Mn Al Ti C N
농도 (wt%) 17.1 0.01 0.02 0.002 0.001 0.0063 0.0092
산소 취련 종료 직후, 진공 분위기 하에서 호퍼를 이용하여 10~50mm 크기의 CaO.Al2O3 플럭스를 8.8kg/t-steel 투입하고, 래들 바닥에서 Ar을 공급해주어 강력한 교반에 의한 미세 탈탄을 20분간 실시하였다. 하기 표 3에 미세탈탄 실시 후 슬래그 시료를 채취하여 분석한 결과를, 표 4에 용강성분을 나타내었다.
성분 CaO Al 2 O 3 Cr 2 O 3 MgO SiO 2 MnO TiO 2
농도 (wt%) 12.5 18.1 59.3 6.3 1.2 0.5 1.4
성분 Cr Si Mn Al Ti C N
농도 (wt%) 17.2 0.03 0.02 0.008 0.001 0.0039 0.0087
상기 표 3의 슬래그 성분으로부터 슬래그의 C/A=0.69, 크롬 산화물 함량은 59.3wt%, (MgO) 함량은 6.3wt%로서 본 발명에서 제안한 범위를 만족하였으며, 결과적으로 용강 중 탄소 농도 39 ppm을 얻을 수 있었다. 진공 미세탈탄 종료 후 크롬 산화물의 환원 및 용강 탈산의 목적으로 Al과 Ti sponge를 투입하여 Al, Ti 농도를 최종 조정하였다. 하기 표 5에 최종 진공 정련 종료 후 용강 성분을 나타내었다.
성분 Cr Si Mn Al Ti C N
농도 (wt%) 18.1 0.09 0.12 0.078 0.27 0.0044 0.0093
진공 하 각종 합금철 투입에 의해 소량의 C, N pick-up 현상이 있으나, 종래의 기술 적용 시 pick-up 정도에 비해 극히 미미한 수준임을 알 수 있다.
이상에서와 같이 상세한 설명과 도면을 통해 본 발명의 최적 실시예를 개시하였다. 용어들은 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 극저탄소 페라이계 스테인리스강 제조방법의 순서도.
도 2는 1700℃에서 CaO-Al2O3-Cr2O3-5wt%MgO 4원계 슬래그의 액상 분율에 미치는 크롬 산화물 함량의 영향을 나타낸 그래프.
도 3은 1700℃에서 CaO-Al2O3-Cr2O3-5wt%MgO 4원계 슬래그의 액상 영역에서 크롬 산화물의 열역학적 활동도를 나타낸 그래프.
도 4는 슬래그의 액상 분율과 크롬 산화물 활동도의 곱을 크롬 산화물의 함량에 대해 나타낸 그래프.
도 5는 1600℃에서 진공조건에서 슬래그의 C/A 비와 크롬 산화물의 함량에 따른 21wt%Cr 함유 페라이트계 스테인리스 용강의 탈탄효율을 나타낸 그래프.
도 6은 1700℃에서 CaO-Al2O3-Cr2O3-5wt%MgO 4원계 슬래그의 안정상을 나타내는 평형 상태도.

Claims (9)

  1. 극저탄소 페라이트계 스테인리스강의 제조방법에서,
    AOD 정련로에서 조탈탄 및 탈질후 미탈산 상태로 용강을 래들에 출강 후 상기 래들의 용강 상부에 미탈산 슬래그를 제거하는 단계;
    상기 래들을 대형 진공조에 안착하여 감압 후, 상기 용강 상부로부터 랜스를 통해 산소가스를 취입하여 탈탄 반응을 수행하는 단계;
    상기 산소 취련 개시 시점에 Al을 투입하여 Al2O3를 생성시키는 단계;
    상기 산소 취련 종료 시점에 생석회를 투입하여 CaO-Al2O3-Cr2O3-MgO계 슬래그를 형성시켜 산소 취련 종료 후 유동성이 양호한 상기 슬래그와 용강의 반응을 통하여 슬래그 중 [Cr2O3]와 용강 중 [C] 간 반응에 의해 진공 미세탈탄이 촉진되는 단계;
    상기 진공 미세탈탄의 효율 극대화를 위해 래들 바닥의 다공성 플러그를 통해 Ar과 같은 불활성 가스를 공급해주는 단계;를 포함하여 이루어지는 극저탄소 페라이트계 스테인리스강 제조방법.
  2. 극저탄소 페라이트계 스테인리스강의 제조방법에서,
    AOD 정련로에서 조탈탄 및 탈질후 미탈산 상태로 용강을 래들에 출강 후 상기 래들의 용강 상부에 미탈산 슬래그를 제거하는 단계;
    상기 래들을 대형 진공조에 안착하여 감압 후, 상기 용강 상부로부터 랜스를 통해 산소가스를 취입하여 탈탄 반응을 수행하는 단계;
    상기 산소 취련 종료 시점에 진공 호퍼를 활용하여 CaO.Al2O3 플럭스를 투입하여 CaO-Al2O3-Cr2O3-MgO계 슬래그를 형성시키는 단계;
    상기 산소취련 종료 후 유동성이 양호한 상기 슬래그와 용강의 활발한 반응에 의해 슬래그 중 [Cr2O3]와 용강 중 [C]간 반응에 의해 진공 미세탈탄이 촉진되는 단계;
    상기 진공 미세탈탄의 효율 극대화를 위해 래들 바닥의 다공성 플러그를 통해 Ar과 같은 불활성 가스를 공급해주는 단계;를 포함하여 이루어지는 극저탄소 페라이트계 스테인리스강 제조방법
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 AOD 조탈탄 종료 후 용강 중 탄소와 질소 농도가 각각 0.2~0.4wt%, 100ppm 이하인 극저탄소 페라이트계 스테인리스강 제조방법.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 산소 취련기에 1000~1600Nm3/hr 유량으로 산소가스를 공급하여 탈탄하는 극저탄소 페라이트계 스테인리스강 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 산소 취련 개시 시점에 1.2~3.8kg/t-steel의 Al을 투입하는 극저탄소 페라이트계 스테인리스강의 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 산소 취련 종료 시점에 2.5~5.0kg/t-steel의 생석회를 투입하는 극저탄소 페라이트계 스테인리스강 제조방법.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 CaO.Al2O3 flux는 10~50mm 크기로 7~10kg/t-steel 투입하는 극저탄소 페라이트계 스테인리스강 제조방법.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 슬래그는 (wt%CaO)/(wt%Al2O3) : 0.5~1.0, Cr2O3 : 15~60wt%, MgO < 7wt% 인 극저탄소 페라이트계 스테인리스강 제조방법.
  9. 제2항에 있어서,
    상기 CaO.Al2O3 플럭스는 (wt%CaO)/(wt%Al2O3 : 0.5~0.8, (SiO2)+(MgO)+(TiO2) < 15wt%인 극저탄소 페라이트계 스테인리스강 제조방법.
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