KR20100035825A - 극저탄소강 제조용 용강의 정련방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 극저탄소강 제조용 용강의 정련방법에 관한 것이다. 본 발명은 전기로, 2차정련(LF), 진공정련(VD-OB)공정을 통해 용강을 정련하되, 전기로의 용강을 레들로 출강시 미탈산 출강하여 용강 중 산소를 900ppm이상 확보하는 제1단계와; 진공정련 공정 도착시 상기 레들 내의 용강에 탈산제를 투입하여 용강 중 산소를 300~500ppm 범위로 조정하고 탈탄을 수행하는 제2단계;를 포함한다. 본 발명에 의하면 미니밀 공정을 이용한 극저탄소강의 제조시 질소, 탄소, 실리콘 성분의 동시 제어가 가능하므로 초기 질소를 낮게 관리하여 탈탄 후 탈가스 시간을 단축시키므로 생산성 향상에 기여하는 것은 물론, 제품신뢰도 향상에도 기여하는 이점이 있다.

극저탄소강, 정련방법, 탄소 픽업, 실리콘 픽업

Description

극저탄소강 제조용 용강의 정련방법{Refining method of the molten steel for manufacturing ultra low carbon steel}

본 발명은 극저탄소강 제조용 용강의 정련방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 진공정련공정에서 탈탄반응 이후 탄소와 실리콘의 픽업을 저감하는 극저탄소강 제조용 용강의 정련방법에 관한 것이다.

극저탄소강은 재질이 연하고 가공성이 양호하기 때문에 자동차 외판과 같이 제품의 표면부에 사용되는 경우가 많다. 탄소강의 가공성은 강 중 탄소농도에 크게 영향을 받는데, 탄소농도가 낮을수록 제품의 이방성 지수가 증가되고 품질이 향상된다. 따라서 대부분의 극저탄소강은 진공정련공정을 통해 탄소 농도를 50ppm이하로 제한하여 제조하고 있다.

진공정련공정은 진공 분위기에서 용강 및 슬래그를 교반시켜 용강과 슬래그 반응을 통한 탈황, 탈탄, 탈수소, 탈질소와 비금속 개재물 제거 등을 수행하는 공정이다.

진공정련공정에서는 레들을 진공조 베슬(vessel) 내에 장입하고 이 베슬을 진공 상태로 만든 후 하부버블링(bottom bubbling)을 통해 용강 및 슬래그를 교반 시켜 가스 및 비금속 개재물을 제거한다.

진공정련공정 초기에는 용강 중에 존재하는 산소와 탄소를 반응시켜 탈탄반응을 일으키고, 탈탄반응이 종료된 후에는 용강 중 잔류하는 산소를 제거하는 탈산반응을 수행한다. 탈산반응 이후에는 탈황 반응과 탈수소 탈질소 반응을 시킴으로써 원하는 성분의 용강을 제조하게 된다.

하지만 종래의 진공정련공정에서는 용강과 슬래그가 함께 존재하므로 탈산반응과 그 이후의 반응에서 슬래그 중에 존재하는 탄소(C)와 실리콘(Si)이 다시 용강 중으로 확산이동하여 용강 중 탄소와 실리콘의 함량이 증가하는 문제점이 발견되었다.

이와 같이 진공정련공정에서 탈탄반응 이후 용강 중의 탄소와 실리콘의 함량이 증가하면 극저탄소강 제조가 어려우므로 탈탄반응 이후 탄소와 실리콘이 용강에 픽업되는 것을 방지하기 위해 진공정련공정의 처리시간을 단축시켜야 한다.

하지만 진공정련공정 시간을 단축할 경우, 용강 중의 황 및 개재물 등이 충분히 제거되지 않고 용강 성분을 고려한 적절한 슬래그의 조성이 어려워 최종 용강 성분이 목표치에 도달하지 못하는 문제점이 있다.

한편, 실리콘이 용강에 픽업되는 것을 저감하기 위해 전기로 유출 슬래그를 원천적으로 방지하거나 유출된 슬래그를 제거하여 조업을 진행하는 방안이 있으나 전기기 유출 슬래그를 원천적으로 방지하는 것은 불가능하다. 또한, 진공정련공정 전 슬래그를 제거하는 공정을 수행할 수도 있다. 그러나 이는 온도 강하량이 커지고 작업시간의 증가를 초래하므로 바람직한 해결책이라 보기 어렵다.

따라서, 극저탄소강을 안정적으로 생산하기 위해서는 기존의 진공정련공정의 탈탄반응 이후부터 진공정련공정이 완료될 때까지 용강 중에 탄소와 실리콘이 픽업되는 것을 최대한 억제할 수 있는 용강의 정련방법이 필요하다.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 진공정련공정에서 탈탄반응 이후 탄소와 실리콘의 증가가 최대한 억제되도록 슬래그 조성 및 용강 조건을 제어하는 극저탄소강 제조용 용강의 정련방법을 제공하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명은 전기로, 2차정련(LF), 진공정련(VD-OB)공정을 통해 용강을 정련하되, 전기로의 용강을 레들로 출강시 미탈산 출강하여 용강 중 산소를 900ppm이상 확보하는 제1단계와; 진공정련 공정 도착시 상기 레들 내의 용강에 탈산제를 투입하여 용강 중 산소를 300~500ppm 범위로 조정하고 탈탄을 수행하는 제2단계;를 포함한다.

상기 제 2단계 이후에는 용강에 생석회와 알루미늄을 투입하여 용강 중 생석회와 알루미늄의 비율이 3.5~4:1 범위가 되도록 용강 성분을 조정하는 제3단계를 추가로 실시한다.

상기 제2단계에서 상기 탈산제로는 알루미늄이 사용되며, 상기 알루미늄은 용강 1톤당 0.7~1.8kg이 투입된다.

본 발명에 의하면, 미니밀 공정을 이용한 극저탄소강의 제조시 탈탄제의 투입시기와 투입방법 및 투입량을 조절하여 용강 중 산소 및 슬래그 조성을 제어함으 로써 진공정련공정에서 탈탄반응 이후 용강 중의 탄소 및 실리콘 함량이 픽업에 의해 증가되는 것을 억제한다. 따라서 극저탄소강의 안정적 제조가 가능하며, 이로 인해 생산성 및 제품신뢰도가 향상되는 효과가 있다.

또한, 본 발명에서는 전기로의 용강을 레들로 출강시 미탈산 출강을 실시함으로써 용강 중의 질소량이 증가되는 현상을 억제한다. 이는 용강 중 초기 질소함량을 낮게 유지하므로 진공정련공정의 탈탄 후 탈가스 시간을 단축시키므로 생산성 향상에 기여하는 효과가 있다.

그리고, 진공정련공정에서 실리콘의 픽업 방지는 탈산제의 사용량을 줄이므로 원가 절감의 효과가 있다.

이하 본 발명에 의한 극저탄소강 제조용 용강의 정련방법의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.

본 발명은 전기로, 2차정련(LF), 진공정련(VD-OB)공정을 통해 용강을 정련하되, 전기로의 용강을 레들로 출강시 미탈산 출강을 실시하고, 진공정련공정에서 탈산 후 탈탄을 실시하며, 탈탄 후에는 용강 중 생석회와 알루미늄의 비를 3.5~4:1의 범위로 조정하여 탈황 및 탈질소 반응을 수행한다.

더 상세히 설명하면, 전기로의 용강을 레들로 출강시 질소 픽업을 최소화하기 위해 미탈산 출강을 실시하고, 진공정련공정에서 탄소(C) 픽업을 최소화하기 위해 탈탄 처리 전 용강의 탈산을 먼저 수행한다. 그리고 탈탄 이후 진행되는 탈황 탈질소 반응시 용강 중의 생석회와 알루미늄의 비를 조절하여 실리콘(Si)의 픽업을 최소화하는 것이다

미탈산 출강은 전기로의 용강을 레들 내로 출강시 용강 중의 용존 산소를 잔류시키기 위해 수행된다. 용강 중 산소는 표면활성화 원소로 용강 표면에 분포하여 외부의 대기가 용강과 접촉되는 것을 방지하여 용강의 질소흡질을 막는다.

극저탄소강은 연성 확보를 위해 탄소의 함량이 낮아야 할 뿐만 아니라 질소 또한 낮게 요구된다. 전로 제강에서 생산되는 극저탄소강은 출강시부터 질소의 함량이 낮아 후속 공정인 환류식 탈가스 공정에서 탈질소의 부담이 없다. 하지만 전기로 제강의 경우에는 초기 질소의 함량이 높아 후속공정인 진공정련공정에서 탈질소의 부담이 크다.

질소 수준을 낮추기 위해서는 진공정련공정에서 탈가스 처리시간, 유량 등의 조건을 증가시킬 수 있다. 그러나 탈질소 반응은 진공처리를 하더라도 반응속도가 빠르지 않다. 따라서 진공정련공정의 탈가스 처리시간을 증가시키는 것보다 탈가스 시작전의 초기 질소의 함량을 낮추는 것이 더 중요하다. 이러한 이유로 전기로의 용강을 레들로 출강시 미탈산 출강을 실시하여 용강의 질소흡질을 최대한 억제한다. 이러한 미탈산 출강법은 진공정련공정에서 탈질작업에 필요한 시간을 단축하여 진공정련조업시간에 대한 부담을 줄인다.

물론, 탈산 출강의 경우에도 탈산제의 투입량이 0.3kg/ton-steel이하일 경우에는 미탈산 출강한 경우와 흡질량의 차이가 거의 없다. 그러나 탈산제의 투입시 산화반응이 발생하여 열보상 효과가 있으므로 진공정련공정에서 부족한 온도를 보상하기 위해 탈산제의 투입을 진공정련공정에서 실시한다.

이에 따라, 전기로의 용강을 레들로 출강시 탈산제를 투입하지 않고 미탈산 출강을 실시하여 용강 중 산소를 900ppm 이상 확보한다.

진공정련공정에서는 진공정련 도착 후 탈탄전 탈산제를 먼저 투입하여 용강 중 산소를 300~500ppm 범위로 낮춘 후 탈탄을 수행한다. 탈탄 반응시 용강 중 산소량이 높으면 탈산 후 탈가스 공정 상에서 탄소 픽업이 발생한다. 탄소 픽업은 탈산시 슬래그 중에 용해된 탄소가 용강 속으로 재용해되는 과정에서 발생하므로 탈탄반응 전 탈산을 먼저 수행하여 용강중 산소량를 낮게 관리하는 것이다.

하지만 산소량이 과도하게 낮을 경우에는 탈탄시 필요한 산소의 절대량이 부족하여 탈탄반응 속도가 저하되므로 300~500ppm범위로 낮추는 것이 바람직하다. 탈산제로는 알루미늄이 사용되며, 용강 중 산소를 300~500ppm 범위로 조정하기 위한 알루미늄의 투입량은 용강 1톤당 0.7~1.8kg범위이다.

탈탄반응 이후에는 생석회와 알루미늄을 투입하여 탈산 반응을 수행한다. 탈산반응동안 형성된 산화알루미늄(Al₂O₃)이 생석회(CaO)와 반응하여 슬래그로 형성된다. 그런데, 슬래그의 형성후 탈가스 공정을 수행시 용강과 슬래그의 반응이 활발하게 일어나므로 슬래그 중에 존재하는 산화규소가 환원되어 용강 중으로 들어오므로 탈가스 처리 후 용강 중 실리콘량이 증가하게 된다.

이와 같이, 진공정련공정의 탈탄반응 이후 진공정련공정 종료시까지 용강 중의 실리콘량 증가는 슬래그 중에 존재하는 이산화규소(SiO₂)의 양과 밀접한 관계를 가진다. 따라서 슬래그 중의 실리콘의 양을 줄이기 위해서는 슬래그의 반응을 제어 하는 것이 필요하다.

슬래그 반응의 제어는 용강 중 알루미늄과 생석회의 비율에 의해 조절된다. 따라서 탈탄반응 이후 용강 중 생석회와 알루미늄의 비율이 3.5~4:1을 만족하도록 생석회와 알루미늄을 투입하여 탈황 및 탈질소 반응을 수행한다. 알루미늄에 대한 생석회의 비율은 4를 초과하면 총 슬래그양증가에 따른 슬래그 넘침의 위험이 있어 강제적으로 외부의 공기를 유입시켜 진공을 파기해야 하므로 조업시간 지연을 초래하고, 3.5 미만이면 실리콘의 픽업 저감효과가 낮다.

용강 정련시 총 알루미늄의 투입량은 용강 1ton 기준으로 3.2~5.7kg범위이다. 알루미늄은 투입량이 적으면 강 중 산소를 잔류시켜 탈황율을 낮추고, 투입량이 과하면 탈산 효과가 과다해지고 연속주조에 어려움이 있다.

하기 표 1은 전기로 출강시 알루미늄 첨가량에 따른 흡질량을 나타낸 결과 표이다.

구분	출강시 Al투입량 (kg/ton-steel)	흡질량 (ppm)	출강 후 산소량 (ppm)	비고
case1	2.7	29	24	종래기술
case2	1.7	22	470	종래기술
case3	1.3	23	514	종래기술
case4	0.7	15	770	종래기술
case5	0.3	8	823	비교예
case6	0	7	900	본 발명

[흡질량: 출강 전과 출강 후의 용강 중 질소농도변화]

표 1을 살펴보면, 전기로의 용강을 레들로 출강시 알루미늄의 투입량이 증가하면 흡질량도 증가함을 알 수 있다. 그리고, 알루미늄의 투입량이 0.3kg/ton-steel이하일 경우에는 흡질량의 차이가 거의 없다. 그러나 알루미늄은 투입시 산화반응이 발생하여 열보상 효과가 있으므로 진공정련공정에서 부족한 온도를 보상하기 위해 알루미늄의 투입을 진공정련공정에서 실시한다.

하기 표 2는 진공정련(VD-OB)공정 도착 산소에 따른 탈산 후 탄소 픽업량을 나타낸 결과 표이다.

구분	VD-OB도착시 산소량 (ppm)	탈산 후 [C]성분 (ppm)	탈가스 후 [C]성분 (ppm)	△C(ppm)	비고
case1	300	29	29	0	본 발명
case2	450	30	30	0	본 발명
case3	404	43	40	-3	본 발명
case4	502	28	43	15	본 발명
case5	741	15	57	42	종래기술
case6	843	48	100	52	비교예
case7	873	13	104	91	비교예

표 2를 살펴보면, 진공정련 도착시 산소량을 300~500ppm범위로 낮춘 경우에는 탈산 후 탈가스 공정사이의 탄소 픽업이 발생하지 않음을 알 수 있다.

하기 도 3은 생석회와 알루미늄의 사용율에 따른 실리콘 픽업량을 나타낸 결과 표이다.

구분	CaO 투입량 (kg/ton-steel)	Al 사용량 (kg/ton-steel)	CaO/Al	△Si(ppm) (VD출발-도착)	비고
case1	13.6	5.9	2.32	340	종래기술
case2	14.3	5.0	2.86	430	종래기술
case3	18.6	5.4	3.42	300	본 발명
case4	16.4	5.4	3.03	370	종래기술
case5	14.3	5.9	2.44	430	종래기술
case6	17.9	7.1	2.53	450	종래기술
case7	21.5	5.4	3.99	220	본 발명

표 3을 살펴보면, 알루미늄(Al)에 대한 생석회(CaO)의 비가 3.42이상에서 실리콘의 픽업량이 급격히 감소하였다. 하지만 알루미늄에 대한 생석회의 비가 4를 초과하면 슬래그의 양이 증가하여 슬래그 넘침을 초래한다.

그리고, 도 1의 슬래그의 조성과 실리콘 픽업의 관계를 보인 그래프에서도 CaO/Al비가 3.5일 경우 실리콘의 픽업량이 가장 낮았다, 이에 따라, 탈탄 후 용강 중 생석회와 알루미늄의 비를 3.5~4:1 범위로 조정할 경우 실리콘 픽업량을 최소로 할 수 있음을 알 수 있다.

표 1 내지 표 3의 결과로부터 진공정련공정에서 탈탄 처리 전 용강의 탈산을 수행하여 용강의 온도를 올리고, 탈황, 탈질 반응을 위한 탈산시 생석회와 알루미늄의 비를 조절하여 슬래그 조성을 제어하는 경우 진공정련공정에서 탄소와 실리콘의 함량이 증가하는 것을 억제할 수 있음을 알 수 있다.

본 발명은 전기로-2차정련(LF)-진공정련(VD-OB)공정 순으로 용강의 정련을 수행하나, 전기로-진공정련(VD-OB)공정으로 2차정련(LF)공정을 생략하는 것도 가능하다.

본 발명의 권리는 위에서 설명된 실시예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.

도 1은 슬래그 조성(CaO/Al 투입량 비)과 실리콘 픽업과의 관계를 나타낸 그래프.

Claims (3)

1. 전기로, 2차정련(LF), 진공정련(VD-OB)공정을 통해 용강을 정련하되, 전기로의 용강을 레들로 출강시 미탈산 출강하여 용강 중 산소를 900ppm이상 확보하는 제1단계와;

   진공정련 공정 도착시 상기 레들 내의 용강에 탈산제를 투입하여 용강 중 산소를 300~500ppm 범위로 조정하고 탈탄을 수행하는 제2단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 극저탄소강 제조용 용강의 정련방법.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 제 2단계 이후에는 용강에 생석회와 알루미늄을 투입하여 용강 중 생석회와 알루미늄의 비율이 3.5~4:1 범위가 되도록 용강 성분을 조정하는 제3단계를 추가로 실시하는 것을 특징으로 하는 극저탄소강 제조용 용강의 정련방법.
3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,

   상기 제2단계에서 상기 탈산제로는 알루미늄이 사용되며, 상기 알루미늄은 용강 1톤당 0.7~1.8kg이 투입되는 것을 특징으로 하는 극저탄소강 제조용 용강의 정련방법.

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