KR20090101685A - 레이들 슬래그 활성화제 - Google Patents

Abstract

본 발명은 레이들 슬래그 활성화제에 관한 것으로, Al 30 ~ 45 wt%, CaO 20 ~ 40 wt%, SiO₂ 6 ~ 15 wt%, Al₂O₃ 3 ~ 8 wt%, CaF₂ 0 ~ 4 wt%, MgO 0 ~ 5 wt%, T-Fe 0 ~ 2 wt% 및 H₂O 0 ~ 1 wt%의 조성비를 갖는 것을 특징으로 한다. 상기 구성의 본 발명에 의하면, 레이들에 유입된 고융점 제강 슬래그의 유동성 개선을 통한 반응성을 높여 용강 중의 불순물이나 개재물 제거가 용이하고 외부로부터 용강에 산소가 유입되는 것을 차단할 수 있는 이점이 있다.

Description

레이들 슬래그 활성화제{Activator for slag of ladle in steel refining process}

본 발명은 제강 공정에 있어서 레이들에 유입된 제강 슬래그의 유동성을 개선하여 반응성을 높여주고 용강 중 산화물의 성장을 도와 용강의 청정성을 높이기 위한 레이들 슬래그의 활성화제에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 본 발명은 제철소에서 다양한 종류의 제강로(주로 전로 또는 전기로)를 이용하여 용강을 정련한 후 출탕시 레이들에 혼입된 슬래그를 저융점화하여 정련시 발생하여 용강 중에 존재하는 높은 융점의 산화물(Al₂O₃, SiO₂ 등)이 성장하여 쉽게 용강 위로 부유할 수 있도록 하여 강내의 산화물 및 개재물을 쉽게 줄일 수 있는 레이들 슬래그 활성화제에 관한 것이다.

제강공정에서 용강을 생산할 때는 전로나 전기로에서 용철을 1차 정련한 후 수강레이들로 받아서 2차 정련을 행하게 된다. 점차 철강 제품의 품질에 대한 요구가 엄격해지고 고급화되는 추세에 따라 용강 중 개재물이 적은 고청정강에 대한 요구가 증가되고 있다.

일반적으로 용강 속에 함유된 불순물들은 용강 위로 떠올라 슬래그를 형성하게 된다. 이때 불순물이 떠오르는 부유속도는 아래의 스토크 법칙(Stoke's Law)에 따른다.

상기 스토크 법칙에서 보는 바와 같이, 떠오르는 불순물의 부유속도는 불순물의 크기에 매우 민감하여 크기가 클수록 기하급수적으로 그 속도가 빨라지는 것을 알 수 있다. 따라서 용강 내 개재물이나 불순물을 액상으로 유지하며 불순물들이 결합하여 쉽게 성장할 수 있는 조건을 만들 수 있는 슬래그 활성화제가 필요하다.

일반적으로 제강로에서 용강을 정련할 때 발생하는 슬래그는 고융점이나 정련시 산소부화 또는 교반에 의해 제강로의 온도가 높고 용강이 활발하게 유동되기 때문에 문제가 되지 않지만, 출탕 후에 제강로보다 온도가 낮고 용강의 유동성도 없는 레이들에서 이것들이 부상하여 제거되지 못하고 강중에 개재된다면 최종 제품의 품질에 큰 영향을 미치게 된다.

실제 제강로에서 출탕 후 레이들 내에서 용강중의 개재물이나 불순물이 쉽게 부상하지 못하는 데, 그 이유는 제강로에서 정련시 발생하여 레이들에 혼입된 고융점의 개재물들이 부상을 위한 단위 크기를 갖지 못하고, 고상인 관계로 용강 중에서 성장도 어렵기 때문이다.

이렇게 용강 중의 개재물 흡수능이 낮은 고융점 제강 슬래그는 효과적인 개재물 제거가 불가능하고 슬래그를 구성하는 일부 성분의 재환원에 의한 용강의 오염가능성도 있다. 따라서 융점이 낮고 유동성 및 반응성이 좋은 환원성 슬래그를 형성시켜 효과적으로 개재물을 제거하고 용강을 외부와 차단하여 슬래그의 재산화를 방지해야 한다. 그러므로 환원성 슬래그 형성에 필수적인 기본 성분을 함유한 슬래그 활성화제의 투입은 불가피하다고 할 것이다.

슬래그 활성화제의 대표적인 특성으로는 첫째 융점이 낮을 것, 둘째 제강 슬래그와 용강 사이에 탑슬래그층을 짧은 시간 내에 형성할 것, 셋째 제강 슬래그의 재환원을 방지하고 용강 중의 개재물을 슬래그층으로 끌어들일 수 있도록 염기성일 것, 넷째 레이들의 슬래그 레벨 부근의 내화물의 침식을 방지할 수 있도록 내화물을 구성하는 주요 성분을 포화상태로 만들 수 있을 것 등을 들 수 있다.

기존에는 제강로에서 Al+CaO로 구성된 조재제 또는 Al+CaO+SiO₂+Al₂O₃로 구성된 조재제가 사용되었다. 상기 기존의 제강로용 조재제들은 고융점이거나 또는 레이들의 내화물 수명에 영향을 주는 등의 단점을 가지고 있어 개재물 및 불순물 제거가 어려울 뿐만 아니라 제강슬래그의 재차 환원에 의한 Si, Mn 등의 혼입으로 청정강 생산을 위해 후처리 공정을 도입해야 하는 등 생산원가를 높이는 원인이 되고 있다. 특히 기존의 슬래그 조재제에 함유된 다량의 CaO 및 SiO₂에 의한 내화물의 침식이 제강로 및 레이들의 수명에 큰 영향을 주게 되는 단점이 있었다. 따라서, 기존의 제강로용 조재제들은 상기 슬래그의 활성화제의 특성을 만족시키기에는 부족한 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명은 레이들에 유입된 고융점 제강 슬래그의 유동성 개선을 통한 반응성을 높여 강내 존재하는 산화물 및 개재물을 감소시키고 외부로부터 용강에 산소가 유입되는 것을 차단하여 용강의 청정성을 높일 수 있는 레이들 슬래그 활성화제를 제공하는 것이다.

또한 본 발명은 레이들의 내화물 성분의 용출을 막아 용강의 청정성을 높이고 레이들의 내화물 수명을 연장할 수 있는 레이들 슬래그 활성화제를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적 및 이점은 하기의 발명의 상세한 설명, 청구범위 및 도면에 의해 더욱 명확하게 된다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 다음의 조성비를 갖는 레이들 슬래그 활성화제를 제공한다.

(Al)x(CaO)y(SiO₂)z(Al₂O₃)u(CaF₂)v(MgO)w(T-Fe)r(H₂O)s

7.26 ≤ x ≤ 10.89 (30 ~ 45 wt%)

2.33 ≤ y ≤ 4.66 (20 ~ 40 wt%)

0.65 ≤ z ≤ 1.63 ( 6 ~ 15 wt%)

0.08 ≤ u ≤ 0.24 ( 3 ~ 8 wt%)

0.00 ≤ v ≤ 0.17 ( 0 ~ 4 wt%)

0.00 ≤ w ≤ 0.81 ( 0 ~ 5 wt%)

0.00 ≤ r ≤ 0.22 ( 0 ~ 2 wt%)

0.00 ≤ s ≤ 0.36 ( 0 ~ 1 wt%)

본 발명에 의한 레이들 슬래그 활성화제는 석탄(Coal) 2 wt% 이하로 첨가되는 것이 바람직하다.

이하, 본 발명에 의한 레이들 슬래그 활성화제에 대해 보다 상세하게 설명한다.

본 발명에 의한 레이들 슬래그 활성화제는 Al 30 ~ 45 wt%, CaO 20 ~ 40 wt%, SiO₂ 6 ~ 15 wt%, Al₂O₃ 3 ~ 8 wt%, CaF₂ 0 ~ 4 wt%, MgO 0 ~ 5 wt%, T-Fe 0 ~ 2 wt% 및 H₂O 0 ~ 1 wt%의 조성비를 갖는 것을 특징으로 한다.

활성화제의 성분들 중 알루미늄(Al)는 용강 내 용존 산소와 지속적으로 반응하여 용존산소를 줄여주고 용강과 전로 슬래그 계면 사이에서 대기로부터 산소침투를 막아 외부로부터 산소유입을 억제하는 역할도 한다.

상기 Al의 성분이 30 wt%보다 낮게 되면 레이들 슬래그 중 (FeO)등의 철산화물의 환원 능력(슬래그 탈산력)이 부족하게 되어 전로 슬래그 중 T.Fe (Total Fe)의 함량이 상승하게 되어 제강 조업중 출강 실수율이 저하된다.

3(FeO) + 2[Al] = Al₂O₃ + 3Fe

또한 Al의 성분이 45 wt% 보다 높게 되면 Al이 슬래그 중의 (P₂O₅)를 환원시켜 용강중으로 복[P]가 진행되며, 이로 인하여 제강 조업중 [P] 성분격외가 발생한다.

3/5(P₂O₅) + 2[Al] = Al₂O₃ + 6/5[p]

따라서 상기 순수한 Al 양(Al_Total)이 레이들에 혼입된 제강슬래그의 환원을 야기하지 않은 다음의 범위를 가지는 것이 바람직하다.

30 wt% ≤ Al_Total ≤ 45 wt%

투입 초기, 본 발명에 의한 활성화제 중 CaO는 제강로에서 용강을 탈산하는 동안 생성되어 용강에 개재된 산화알루미늄(Al₂O₃)과 무게비 1 : 1에서 반응, 결합하여 약 1,600℃ 부근의 액상 슬래그로 전환된다. 이 액상 슬래그는 유동성이 높기 때문에 용강 중의 다른 개재물의 입자를 포함하여 성장하고, 부상하여 제강 슬래그와 용강 사이에 유동성과 반응성이 좋은 탑슬래그층(top slag layer)을 형성하면서 용강 중의 산화알루미늄과 개재물의 양을 줄여 주게 된다.

CaCO₃(석회석)은 900℃ 이상에서 열분해를 일으키기 때문에 슬래그를 교반 시키는 작용이 있으나 너무 많으면 제강 조업시 CO 가스가 다량 발생함으로써 분진이 과다하게 발생하여 작업성이 악화하게 된다.

더불어 본 발명에 의한 슬래그 활성화제 내의 SiO₂는 슬래그를 염기성으로 만들어 줄뿐만 아니라 Al₂O₃-CaO 시스템에 더해져 용융온도를 100℃ 정도 더 낮춰 주는 역할을 하기 때문에 슬래그의 유동성을 더욱 좋게 하여 용강과 슬래그의 반응성을 최대한 높여주게 된다.

나아가 Al₂O₃와 SiO₂는 용강중 개재물로 형성될 수 있음으로 적을수록 좋으며

본 발명의 SiO₂ 6 ~ 15wt%, Al₂O₃ 3 ~ 8wt% 범위에서는 강중 개재물 흡수능은 없다.

또한, 본 발명에 의한 슬래그 활성화제 중 CaF₂는 슬래그의 활성화제의 용해시간을 단축시켜 신속한 반응을 유도하여 공정시간을 줄여주는 역할을 한다. 나아가 T-Fe는 슬래그층에 포화된 산화철의 Fe 성분만을 표시한 것으로 용강의 포화량만큼 첨가되면 용강의 지속적인 산화를 방지하여 준다.

한편, 다량의 CaO와 SiO₂ 는 슬래그를 오히려 고상화시키고 레이들의 내화물의 침식을 일으켜 수명을 단축하게 할 수 있다. 또한 침식된 내화물 성분들은 슬래그 활성화제 내의 알루미늄 성분에 의해 MnO₂ 등과 같이 재환원되어 다시 강중에 개재물로 혼재되면 강의 품질을 저하하게 한다.

따라서 슬래그 활성화제 내의 각 성분의 혼합비를 적정수준으로 맞추어야 한다. 상기 조성비에서 활성화제의 투입 후 생성된 슬래그의 최저융점화를 위해 CaO - SiO₂ - Al₂O₃ 사이의 관계가 다음 조건을 만족시키는 것이 바람직하다.

Al₂O₃ / CaO ≤ 1.2

CaO / SiO₂ ≥ 1.5

또한 슬래그 활성화제에 첨가되는 고융점의 Al₂O₃ 양과 용강 중에 개재된 Al₂O₃ 의 합(T-Al₂O₃)이 8% 이하이면서 상기 CaO - SiO₂ - Al₂O₃ 사이의 관계를 만족시키는 범위에 있는 것이 바람직하다.

또한, 활성화제의 기본 성분 Al-CaO-SiO₂-Al₂O₃ 외에 활성화제의 용해시간을 단축시켜 신속한 반응을 유도하는 CaF₂와 CaF₂에 의해 발생할 수 있는 레이들의 내화물 성분의 용출을 막아 줄 수 있는 MgO가 탑슬래그 형성시 주어진 평형상태에서 포화량만큼 슬래그 활성화제 내에 첨가되어야 한다.

이외에도, 레이들에 출탕된 용강의 온도저하를 방지하기 위한 방안으로 약간의 석탄(주로 무연탄)을 활성화제에 첨가하여 사용할 수 있다. 이 경우 슬래그의 반응성이 좋아지기 때문에 공정시간을 단축할 수 있으나, 용강 중의 탄소량의 증가를 가져올 수 있으므로 사용시 2wt% 이하로 첨가하는 것이 바람직하다.

본 발명에 의한 래이들용 슬래그 활성화제는 그 형태나 크기가 소재의 특성이나 효과에 크게 영향을 미치지 않으나 성형시 사용되었던 수분은 용강에 수소개제와 산화물 발생의 원인이 될 수 있으므로 가능한 한 제거되어야 한다. 그러므로 본 발명에 의한 슬래그 활성화제는 펠릿(pellet), 바(bar), 볼(ball) 타입의 적절한 크기로 성형한 후 열(熱)로 건조시켜 수분함량이 1 wt% 이하인 상태로 사용되어야 한다.

본 발명에 의한 슬래그 활성화제의 생산공정은 매우 일반적이고 간단하여 재료혼합기, 성형기, 건조기의 단순한 설비를 연계, 구성하면 쉽게 생산할 수 있으며 더불어 용도에 따른 크기 및 모양과 성분조절이 매우 용이하여 사용자의 즉각적인 요구에 대응할 수 있다.

본 발명에 의한 슬래그 활성화제를 레이들에 투입하는 시기는 일반적으로 제강로에서 정련공정 후 출탕시 레이들에 용강이 반 정도 채워졌을 때 하며, 그 이유는 정련시 발생한 산화물, 특히 Al₂O₃와 쉽게 결합하고, 결합된 입자가 성장하면서 부유할 수 있는 최적의 조건을 제공할 수 있기 때문이다. 이렇게 부유하는 산화물과 결합한 슬래그 활성화제는 제강 슬래그와 용강 사이에 유동성이 좋은 새로운 형태의 탑슬래그층을 형성시켜 용강으로부터 개재물 제거와 제강 슬래그의 재환원을 방지하고, 레이들의 내화물 수명을 연장할 수 있는 이점이 있다.

본 발명에 의한 레이들용 슬래그 활성화제는 기존의 제강로에 사용되는 슬래그 조재제에 비해 더욱더 낮은 용해 온도와 짧은 용해시간에 기인한 월등한 유동성과 반응성을 가지고 있어, 레이들의 용강에 유입된 비금속 개재물의 제거에 탁월한 효과가 있고 제강 슬래그와 용강을 효과적으로 분리함으로써 제강 슬래그가 재차 환원되어 용강에 불순물로 개재되는 것을 방지하여 준다.

또한 기존의 슬래그 조제제를 사용할 경우 함유된 다량의 CaO와 SiO₂로 인한 내화물 침식으로 제강로 및 레이들의 수명이 단축되는 것을 본 발명의 슬래그 활성화제에 의해 해결할 수 있다.

그 외에도 기존의 제강용 조재제들이 용강 정련 말기의 제강로에 투입됨으로써 제강슬래그와 혼합되어 조재제 투입 효과가 떨어져 실제 필요한 양 이상을 투입하게 되어 원가 상승의 요인이 되었으나, 본 슬래그 활성화제는 제강 슬래그의 극히 일부분만 유입된 레이들에 사용하는 관계로 적은 양으로도 탁월한 효과를 얻을 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 의한 레이들 슬래그 활성화제는 Al, CaO, SiO₂ 및 CaF₂를 적정량으로 포함하여 구성되어, 레이들에 투입될 경우 짧은 시간 내에 용해되어 제강로에서 용강을 정련한 후 출탕시 유입될 수 있는 용강 중의 산화물이나 개재물과 반응한 후 부상하여 제강 슬래그와 용강을 분리하고, 용강 내 산화물 흡수능이 높은 저융점의 염기성 슬래그로 쉽게 변화가 가능한 효과가 있다.

또한 본 발명에 의한 레이들 슬래그 활성화제는 MgO를 포함하여 레이들의 슬래그 라인 부근에 축조된 내화물을 보호하여 용강의 청정성을 높이고 레이들의 내화물 수명을 연장할 수 있는 효과도 도모할 수 있다.

따라서 본 발명은 제강공정에 사용되는 슬래그 활성화제 분야에 매우 유용한 발명이라 할 것이다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 요지에 따라 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명할 것이다.

실시예

용강 200톤을 전로에서 정련한 후 상기 용강을 레이들에 출강하면서 본 발명에 의한 슬래그 활성화제를 약 400Kg 정도로 투입하여 레이들 슬래그를 활성화하였다. 그 결과를 표 1에 나타내었다. 표 1은 용강 중 산소 농도를 비교한 것을 나타낸다.

	용강량(Ton)	조재제 투입량(Kg)	산소농도(ppm)
종래의 제품	200	500	450
본 발명품	200	400	350

이상의 실험 결과를 통해 본 발명의 범위내의 조성을 갖는 레이들 슬래그 활성화제가 기존의 슬래그 개질제 등에 비해 우수함을 알 수 있었다.

이상으로 본 발명의 특정한 부분을 상세히 기술하였으나, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어 이러한 구체적인 기술은 단지 바람직한 구현예일 뿐이며, 이에 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백하다. 따라서 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항과 그의 균등물에 의하여 정의된다고 할 것이다.

Claims (5)

1. 다음의 조성비를 갖는 레이들 슬래그 활성화제.

   (Al)x(CaO)y(SiO₂)z(Al₂O₃)u(CaF₂)v(MgO)w(T-Fe)r(H₂O)s

   7.26 ≤ x ≤ 10.89 (30 ~ 45 wt%)

   2.33 ≤ y ≤ 4.66 (20 ~ 40 wt%)

   0.65 ≤ z ≤ 1.63 ( 6 ~ 15 wt%)

   0.08 ≤ u ≤ 0.24 ( 3 ~ 8 wt%)

   0.00 ≤ v ≤ 0.17 ( 0 ~ 4 wt%)

   0.00 ≤ w ≤ 0.81 ( 0 ~ 5 wt%)

   0.00 ≤ r ≤ 0.22 ( 0 ~ 2 wt%)

   0.00 ≤ s ≤ 0.36 ( 0 ~ 1 wt%)
2. 제1항에 있어서, 활성화제의 투입 후 생성된 슬래그의 최저융점화를 위해 CaO - SiO₂ - Al₂O₃ 사이의 관계가 다음 조건을 만족시키는 것을 특징으로 레이들 슬래그 활성화제.

   Al₂O₃ / CaO ≤ 1.2

   CaO / SiO₂ ≥ 1.5
3. 제2항에 있어서, 슬래그 활성화제에 첨가되는 고융점의 Al₂O₃ 양과 용강 중에 개재된 Al₂O₃ 의 합(T-Al₂O₃)이 8% 이하인 것을 특징으로 하는 레이들 슬래그 활성화제.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 순수한 Al 양(Al_Total)이 레이들에 혼입된 제강슬래그의 환원을 야기하지 않은 다음의 범위를 가지는 것을 특징으로 하는 레이들 슬래그 활성화제.

   30 wt% ≤ Al_Total ≤ 45 wt%
5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 레이들의 용강 온도저하를 방지하기 위해 석탄이 2 wt% 이하로 첨가된 것을 특징으로 하는 레이드 슬래그 활성화제.