KR20130079158A

KR20130079158A - 포러스 플러그, 이를 이용한 고질소강 제조장치 및 방법

Info

Publication number: KR20130079158A
Application number: KR1020120144736A
Authority: KR
Inventors: 이종욱; 이명열; 신종호; 정현문; 김영득; 김영환; 최간대
Original assignee: 두산중공업 주식회사
Priority date: 2011-12-30
Filing date: 2012-12-12
Publication date: 2013-07-10
Also published as: CN105603157A; KR101497769B1

Abstract

래들에 장착되는 포러스 플러그 및 고질소강 제조장치가 제조된다. 상기 포러스 플러그는 용강을 수용하는 래들에 장착되고, 개구부를 구비하는 상부블록, 상기 상부블록의 상기 개구부를 관통하고, 용강 내부로 가스를 안내하기 위한 안내관을 구비하는 다공성 내화물, 상기 안내관을 감싸도록 상기 상부블록의 하부에 연결되어 상기 상부블록을 상기 래들에 고정하고, 상기 다공성 내화물을 지지하기 위한 하부블록 및 상기 안내관에 연결되어 상기 다공성 내화물을 통해 용강 내부로 원소주기율표상 서로 다른 족(group)에 속하는 제1가스 및 제2가스를 교대로 공급할 수 있는 가스취입 부재를 구비한다. 상기 고질소강 제조장치는 용강을 수용하는 래들, 상기 래들의 하부에 장착된 포러스 플러그 및 상기 포러스 플러그로부터 용강 내부로 원소주기율표상 서로 다른 족(group)에 속하는 제1가스 및 제2가스를 교대로 공급할 수 있는 가스공급 시스템을 구비한다.

Description

포러스 플러그, 이를 이용한 고질소강 제조장치 및 방법 {A porous plug, apparatuses for manufacturing high nitrogen steels using the same and a method thereof}

본 발명은 질소강 제조장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 원소주기율표상의 5족 원소 및 불활성 가스를 교대로 주입할 수 있는 포러스 플러그를 이용하여 용강 내부의 질소 고용도를 높일 수 있는 포러스 플러그, 이를 이용한 고질소강 제조장치 및 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 극저탄소 고질소강은 고가의 니켈 합금원소를 대체하여 내식성을 향상시키기 위해 개발된 소재로 철강재료가 갖는 강도 및 인성을 동시에 부여할 수 있다는 장점을 갖는다. 이러한 극저탄소 고질소강은 오스테나이트계, 페라이트계 및 마르텐사이트계로 구분되며, 오스테나이트계는 질소의 함량이 0.40 ~ 0.45wt% 정도이고, 페라이트계 및 마르텐사이트계는 약 0.08wt% 정도이다.

오스테나이트계 극저탄소 고질소강의 경우, 제강 시 용강 내부의 질소 고용도가 최소 0.45wt%(4500ppm) 정도 되어야한다. 그러나, Fe계 합금의 경우 대기압(1 atm) 하에서 질소 고용도는 최대 0.045wt%(450ppm) 정도이다. 따라서, 니켈을 대체하기 위한 오스테나이트계 스테인리스강, 예를 들어 TP300 계열의 경우 고질소강 소재를 적용하기 위해서는 필연적으로 용강 내 질소 함량을 증가시켜야 한다.

1.8bar 미만으로 질소를 가압하는 경우, 오스테나이트계 극저탄소 고질소강은 용강의 응고 중 델타페라이트 초정상(Primary phase)을 형성하여 제품 가공 중 외부응력(단조, 압연, 가공, 열처리 등)에 의해 가공유기 변태를 일으켜 비자성체에서 상/강자성체로 변화되고, 내청성, 내식성 및 내부식 저항성이 저하된다.

용강 내에 질소를 주입하는 방법으로, 용강이 수용되는 래들(ladle)의 하부에서 노즐을 통해 가압된 질소 가스를 주입하는 방법이 사용될 수 있다. 상기 방법은 노즐을 통해 질소 가스를 저취입하는 경우 용강(1500℃)과 질소 가스(끓는점 159.79℃)간의 급격한 온도차이 및 질소의 낮은 이온화도로 인해 노즐이 막혀 용강 내 질소 고용도를 증가시키기 어렵다는 문제점을 갖는다. 또한, 질소 가스의 온도를 약 10℃로 높여 용강 내로 주입하더라도 주입시간이 길어지는 경우 노즐의 막힘 현상이 빈번하게 발생하고, 용강의 자중으로 인해 질소 가스의 저취입법 적용이 용이하지 않다는 단점을 갖는다.

본 발명의 목적은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 래들 하부에 포러스 플러그를 장착하여 용강 내부로 원소주기율표상 서로 다른 족(group)에 위치한 제1가스 및 제2가스를 선택적으로 공급함으로써 노즐의 막힘 현상을 방지하고, 용강 내의 질소 고용도를 증가시킬 수 있는 포러스 플러그, 이를 이용한 고질소강 제조장치 및 방법을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 래들 하부에 복수 개의 포러스 플러그를 장착하여 질소 가스를 주입함으로써 질소 고용도를 향상시키고, 용강 내부에 질소 가스를 균일하게 공급함으로써 강괴 내에서 질소의 편석율을 줄일 수 있는 포러스 플러그, 이를 이용한 고질소강 제조장치 및 방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 포러스 플러그는 용강을 수용하는 래들에 장착되고, 개구부를 구비하는 상부블록, 상기 상부블록의 상기 개구부를 관통하고, 용강 내부로 가스를 안내하기 위한 안내관을 구비하는 다공성 내화물, 상기 안내관을 감싸도록 상기 상부블록의 하부에 연결되어 상기 상부블록을 상기 래들에 고정하고, 상기 다공성 내화물을 지지하기 위한 하부블록 및 상기 안내관에 연결되어 상기 다공성 내화물을 통해 용강 내부로 원소주기율표상 서로 다른 족(group)에 속하는 제1가스 및 제2가스를 교대로 공급할 수 있는 가스취입 부재를 구비한다.

또한, 본 발명에 따른 포러스 플러그에 의하면, 상기 하부블록은 상기 안내관을 감싸도록 상기 다공성 내화물의 하부에 위치하여 상기 다공성 내화물을 고정할 수 있는 내화물 고정수단, 상기 내화물 고정수단을 감싸도록 상기 상부블록의 하부에 위치하고, 상기 래들에 장착된 상부블록을 지지하기 위한 상부블록 고정수단, 상기 안내관을 감싸도록 상기 상부블록 고정수단의 하부에 위치하여 상기 내화물 고정수단을 지지할 수 있는 장착 프레임 및 상기 장착 프레임을 감싸도록 상기 상부블록 고정수단의 하부에 위치하고, 상기 래들에 장착됨으로써 가스 주입시 상기 상부블록의 요동을 방지할 수 있는 플레이트를 구비하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 포러스 플러그에 의하면, 상기 하부블록은 상기 안내관을 감싸도록 상기 상부블록의 하부에 위치하여 상기 안내관을 따라 공급되는 가스의 압력을 조절함으로써 상기 다공성 내화물이 용강에 의해 막히는 것을 방지할 수 있는 조정키를 구비하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 포러스 플러그에 의하면, 상기 하부블록은 상기 안내관을 감싸도록 상기 상부블록의 하부에 위치하여 상기 가스취입 부재와 연결되고, 상기 안내관의 측면으로 가스가 유출하는 것을 방지할 수 있는 장착블록을 구비하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 포러스 플러그에 의하면, 상기 가스취입 부재는 내측에 가스 취입구를 구비함으로써 상기 장착블록, 상기 안내관 및 상기 다공성 내화물을 통해 용강 내부로 가스를 공급하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 포러스 플러그에 의하면, 상기 제1가스 및 제2가스는 각각 아르곤 가스 및 질소 가스인 것을 특징으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 고질소강 제조장치는 용강을 수용하는 래들, 상기 래들의 하부에 장착된 포러스 플러그 및 상기 포러스 플러그로부터 용강 내부로 원소주기율표상 서로 다른 족(group)에 속하는 제1가스 및 제2가스를 교대로 공급할 수 있는 가스공급 시스템을 구비한다.

또한, 본 발명에 따른 고질소강 제조장치에 의하면, 상기 가스공급 시스템은 상기 제1가스 및 상기 제2가스를 상기 포러스 플러그에 선택적으로 안내하기 위한 가스공급 유로, 상기 포러스 플러그에 공급되는 제1가스의 유량을 조절하는 제1가스 유량조절 밸브, 상기 포러스 플러그에 공급되는 제1가스의 속도를 조절하는 제1가스 속도조절 밸브, 상기 포러스 플러그에 공급되는 제2가스의 유량을 조절하는 제2가스 유량조절 밸브, 상기 포러스 플러그에 공급되는 제2가스의 속도를 조절하는 제2가스 속도조절 밸브 및 상기 제1가스 및 상기 제2가스를 상기 포러스 플러그에 선택적으로 공급할 수 있는 제어장치를 구비하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 고질소강 제조장치에 의하면, 상기 가스공급 시스템은 상기 가스공급 유로에 연결되어 상기 제1가스 및 상기 제2가스를 가압하거나, 상기 제1가스 또는 상기 제2가스를 가압하기 위한 가압 탱크 및 상기 포러스 플러그에 선택적으로 공급되는 상기 제1가스 또는 상기 제2가스의 역류를 방지하기 위한 역류방지 밸브를 더 구비하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 고질소강 제조장치에 의하면, 상기 역류방지 밸브는 솔레노이드 밸브 또는 체크 밸브를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 고질소강 제조장치에 의하면, 상기 제1가스 및 제2가스는 각각 아르곤 가스 및 질소 가스인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 고질소강 제조장치에 의하면, 상기 래들에 장착하여 상기 포러스 플러그의 하부를 밀봉하는 하우징을 더 구비하는 것을 특징으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 고질소강 제조방법은 탈산 공정 및 탈탄 공정이 완료한 상태의 용강 내부에 소정 시간동안 제1가스를 취입하는 제1가스의 1차 취입단계, 상기 1차 취입단계 후에 상기 제1가스와는 다른 제2가스를 소정 시간동안 용강 내부로 취입하는 제2가스 취입단계, 상기 제2가스 취입단계 후에 상기 제1가스를 소정 시간동안 용강 내부로 취입하는 제1가스의 2차 취입단계 및 상기 2차 취입단계 후에 용강 내부의 제2가스 고용도를 측정하는 측정단계를 포함한다.

또한, 본 발명에 따른 고질소강 제조방법에 의하면, 상기 제2가스 고용도가 미리 설정된 기준 값보도 낮을 경우 상기 제1가스 및 상기 제2가스를 교대로 소정 시간동안 반복하여 취입하는 재취입단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 고질소강 제조방법에 의하면, 상기 제1가스의 1차 취입단계는 질소 분위기에서 수행되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 고질소강 제조방법에 의하면, 상기 제1가스 및 상기 제2가스는 각각 아르곤 가스 및 질소 가스인 것을 특징으로 한다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 포러스 플러그, 이를 이용한 고질소강 제조장치 및 방법에 의하면, 래들 하부에 포러스 플러그를 장착하여 용강 내부로 원소주기율표상 서로 다른 족(group)에 위치한 제1가스 및 제2가스를 선택적으로 공급함으로써 노즐의 막힘 현상을 방지하고, 용강 내의 질소 고용도를 증가시킬 수 있다는 효과가 얻어진다.

또한, 본 발명은 래들 하부에 복수 개의 포러스 플러그를 장착하여 질소 가스를 주입함으로써 질소 고용도를 향상시키고, 용강 내부에 질소 가스를 균일하게 공급함으로써 강괴 내에서 질소의 편석율을 줄일 수 있다는 효과도 얻어진다.

도 1은 본 발명의 제1실시 예에 따른 고질소강 제조장치를 보여주는 도면이다.
도 2a는 본 발명의 실시 예들에 채택되는 포러스 플러그를 보여주는 부분분해 사시도이다.
도 2b는 본 발명의 실시 예들에 구비된 포러스 플러그를 보여주는 분해 사시도이다.
도 3은 본 발명의 제2실시 예에 따른 고질소강 제조장치를 보여주는 도면이다.
도 4는 본 발명의 제2실시 예에 따른 복수 개의 포러스 플러그를 보여주는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시 예들에 따른 고질소강 제조방법을 설명하기 위한 흐름도이다.

이하에서는 본 발명에 대하여 첨부된 도면에 도시된 실시 예에 따라 구체적으로 설명하기는 하나, 본 발명이 도시된 실시 예만으로 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 상기 및 그 밖의 목적과 새로운 특징은 본 명세서의 기술 및 첨부 도면에 의해 더욱 명확하게 될 것이다.

이하, 도 1 내지 도 4를 참조하여 본 발명의 실시 예들에 따른 포러스 플러그 및 고질소강 제조장치의 구성을 상세하게 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 제1실시 예에 따른 고질소강 제조장치를 보여주는 도면이고, 도 2a 및 도 2b는 각각 본 발명의 실시 예들에 채택되는 포러스 플러그를 보여주는 부분분해 사시도 및 분해 사시도이다. 도 3은 본 발명의 제2실시 예에 따른 고질소강 제조장치를 보여주는 도면이고, 도 4는 본 발명의 제2실시 예에 따른 복수 개의 포러스 플러그를 보여주는 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 제1실시 예에 따른 고질소강 제조장치는 용강(10)을 수용하는 래들(12), 상기 래들(12)의 하부에 장착된 포러스 플러그(14) 및 상기 포러스 플러그(14)로부터 용강(10) 내부로 원소주기율표상 서로 다른 족(group)에 속하는 제1가스 및 제2가스를 교대로 공급하는 가스공급 시스템(16)을 구비한다.

상기 래들(12)은 원통형으로 형성되어 용강(10)을 수용하고, 상기 용강(10)이 접촉하는 래들(12)의 내면은 약 1500℃ 정도의 용강(10)에 녹지않도록 알루미나(Al₂O₃) 및 마그네시아(MgO)를 포함하는 내화벽돌로 형성된다. 상기 용강(10) 상부의 분위기는 용강(10) 내 질소 고용도를 극대화시키기 위해 질소 분위기로 형성된 것이 바람직하다.

상기 래들(12)의 하부에는 포러스 플러그(14)의 하부를 밀봉하여 반진공 상태(유사 진공상태)로 유지하기 위한 하우징(18)이 구비된다. 상기 하우징(18)을 이용하여 포러스 플러그(14)의 하부를 밀봉함으로써 용강(10) 내부를 가압상태와 같은 유사 가압상태로 만들 수 있다. 이 경우, 상기 포러스 플러그(14)는 하우징(18)을 관통하는 가스공급 유로(20)에 연결된 가스공급 시스템(16)으로부터 공급된 제1가스 또는 제2가스를 용강(10)의 내부로 공급한다.

상기 가스공급 시스템(16)은 가스공급 유로(20), 상기 포러스 플러그(14)에 공급되는 제1가스의 속도를 조절하는 제1가스 속도조절 밸브(22), 상기 제1가스의 유량을 조절하는 제1가스 유량조절 밸브(24), 상기 포러스 플러그(14)에 공급되는 제2가스의 속도를 조절하는 제2가스 속도조절 밸브(26) 및 상기 포러스 플러그(14)에 공급되는 제2가스의 유량을 조절하는 제2가스 유량조절 밸브(28)를 포함한다. 상기 제2가스 속도조절 밸브(26)의 일측에는 포러스 플러그(14)로 공급되는 질소 가스를 여과하기 위한 필터(30)가 더 구비될 수 있다.

또한, 상기 가스공급 시스템(16)은 제1가스를 저장하기 위한 제1가스 저장탱크(32) 및 제2가스를 저장하기 위한 제2가스 저장탱크(34)를 구비하고, 제1가스 및 제2가스를 포러스 플러그(14)에 선택적으로 공급할 수 있는 제어장치(36)를 구비한다. 이 경우, 상기 제1가스 및 제2가스는 원소주기율표 상에서 서로 다른 족(group)에 속하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 상기 제1가스는 불활성 가스인 아르곤(Ar) 가스이고, 상기 제2가스는 5족 원소에 속하는 질소(N) 가스일 수 있다.

한편, 상기 가스공급 유로(20)는 제1가스 유로(20a) 및 제2가스 유로(20b)를 포함한다. 상기 제1가스 유로(20a)에는 제1가스 속도조절 밸브(22), 제1가스 유량조절 밸브(24) 및 제1가스 저장탱크(32)가 차례로 연결된다. 상기 제2가스 유로(20b)에는 제2가스 속도조절 밸브(26), 제2가스 유량조절 밸브(28) 및 제2가스 저장탱크(34)가 차례로 연결된다. 상기 제1가스 및 제2가스는 바이패스 형태로 연통된 유로를 따라 포러스 플러그(14)에 연결될 수 있지만, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니고, 별개의 공급관을 통해 제1가스 및 제2가스를 용강(10) 내부로 공급할 수도 있다.

상기 제어장치(36)는 제1가스 유량조절 밸브(24) 및 제2가스 유량조절 밸브(28)를 제어함으로써 제1가스 및 제2가스를 선택적으로 포러스 플러그(14)에 공급하거나, 상기 제1가스 및 제2가스를 교대로 공급할 수 있다. 또한, 상기 제어장치(36)는 제1가스 속도조절 밸브(22) 및 제2가스 속도조절 밸브(26)를 제어하여 가스공급 유로(20)에 공급되는 제1가스 및 제2가스의 속도를 조절할 수 있다. 따라서, 본 발명은 질소 가스를 가압하기 위한 별도의 가압장치를 구비하지 않고도 고압과 고속으로 질소 가스를 용강 내부로 공급할 수 있다.

도 1 내지 도 2b를 참조하면, 본 발명의 실시 예들에 따른 포러스 플러그(14)는 용강(10)을 수용하기 위한 래들(12)의 하부에 장착된다. 상기 포러스 플러그(14)의 상부 일부는 래들(12)의 하부 면을 관통하여 용강(10)에 직접 접촉함으로써 제1가스 및 제2가스를 용강(10) 내부로 공급할 수 있다. 상기 포러스 플러그(14)는 래들(12)의 하부 면의 중심부에 장착된 것이 바람직하다.

상기 포러스 플러그(14)는 래들(12)의 하부 면을 관통하는 상부블록(38), 상기 상부블록(38)에 구비된 개구부(40)에 장착된 다공성 내화물(42), 상기 상부블록(38)의 하부에 장착되는 하부블록(44) 및 상기 다공성 내화물(42)에 가스를 공급하기 위한 가스취입 부재(46)를 구비한다.

상기 상부블록(38)은 원통형으로 형성되고 상부 일부는 용강(10)에 직접 접촉한다. 상기 상부블록(38)에 구비된 개구부(40)는 그 단면이 원형이고 양단의 직경이 서로 다르게 형성된다. 즉, 상기 개구부(40)는 용강(10)에 인접한 상부블록(38)을 따라 폭이 줄어드는 것이 바람직하다.

상기 다공성 내화물(42)은 상부블록(38)의 개구부(40)에 장착되는 부분이 개구부(40)의 형상과 대응하도록 형성되고, 내부에 형성된 복수의 구멍들(도시하지 않음)을 통해 용강(10) 내부로 가스를 공급한다. 상기 용강(10)과 직접 접촉하는 다공성 내화물(42)의 상부는 제1가스 및 제2가스를 용강(10) 내로 균일하게 공급하도록 콘(corn)의 형상을 갖는 것이 바람직하다. 따라서, 상기 다공성 내화물(42)은 그 형상으로 인해 개구부(40)에 견고하게 장착될 수 있고, 콘의 형상이 용강(10)에 의해 녹거나 마모되는 경우 개구부(40)로부터 용이하게 교체될 수 있다.

상기 다공성 내화물(42)의 하부에는 제1가스 또는 제2가스를 안내하기 위한 안내관(48)이 연결되어 있다. 이 경우, 상기 하부블록(44)은 안내관(48)을 감싸도록 형성되어 상부블록(38)을 래들(12)에 고정하고, 상기 개구부(40) 내에서 다공성 내화물(42)이 견고하게 위치하도록 다공성 내화물(42)을 지지한다. 상기 하부블록(44)은 내화물 고정수단(50), 상부블록 고정수단(52), 장착 프레임(54) 및 플레이트(56)를 구비한다.

상기 내화물 고정수단(50)은 안내관(48)을 감싸도록 다공성 내화물(42)의 하부에 위치하고, 가스의 압력에 의해 다공성 내화물(42)이 회전하거나 요동치지 않도록 고정한다. 상기 상부블록 고정수단(52)은 내화물 고정수단(50)을 감싸도록 상부블록(38)의 하부에 위치하고, 상기 래들(12)에 장착된 상부블록(38)을 지지한다. 이 경우, 상기 상부블록 고정수단(52) 및 상부블록(38)의 사이에 패킹(58)이 개재되어 상부블록 고정수단(52) 및 상부블록(38) 사이를 밀봉할 수 있다.

상기 장착 프레임(54)은 상부블록 고정수단(52)의 하부에 위치하여 내화물 고정수단(50)을 조여주는 역할을 수행한다. 상기 플레이트(56)는 장착 프레임(54)을 감싸도록 상부블록 고정수단(52)의 하부에 위치하고, 상기 래들(12)에 장착됨으로써 가스 주입시 상부블록(38)의 요동을 방지한다.

또한, 상기 하부블록(44)은 조정키(60) 및 장착블록(62)을 더 구비할 수 있다. 상기 조정키(60)는 안내관(48)을 감싸도록 상부블록(38)의 하부에 위치하여 안내관(48)을 따라 공급되는 가스의 압력을 조절함으로써 다공성 내화물(42)이 용강에 의해 미세하게 막히는 것을 방지한다. 이 경우, 상기 조정키(60)는 가스의 압력을 조절하도록 제어장치(36)에 의해 제어되거나, 드라이버 등의 공구를 사용하여 조절될 수 있다. 상기 조정키(60)는 안내관(48)을 감싸도록 내화물 고정수단(50)의 하부에 장착된 와셔(64)와 연결되어 있다.

예를 들어, 본 발명의 실시 예에 따른 가스공급 시스템(16)에 구비되어 가스의 역류를 방지하기 위한 역류방지 시스템(도시하지 않음)으로부터 소음이 발생하는 경우, 사용자는 조정키(60)를 미세하게 조절하여 가스의 압력을 높여줌으로써 다공성 내화물(42)의 막힌 구멍들을 뚫어 용강 내로 가스를 공급할 수 있다.

상기 장착블록(62)은 안내관(48)을 감싸도록 상부블록(38)의 하부에 위치하여 가스취입 부재(46)와 연결되고, 상기 안내관(48)의 측면으로 가스가 유출하는 것을 방지한다. 상기 장착블록(62)은 내화물 고정수단(50)의 하부에서 조정키(60)를 감싸도록 위치한다. 상기 가스취입 부재(46)는 내측에 가스 취입구(도시하지 않음)를 구비함으로써 장착블록(62), 안내관(48) 및 다공성 내화물(42)을 통해 용강(10) 내부로 가스를 공급한다.

상기 가스취입 부재(46)가 렌치형으로 형성된 경우, 사용자는 용강(10)에 의해 다공성 내화물(42)의 구멍들(도시하지 않음)이 많이 막히거나 완전히 막힌 경우 가스취입 부재(46)를 조절하여 막힌 구멍들을 뚫어줌으로써 용강(10) 내로 가스를 공급할 수 있다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 제2실시 예에 따른 고질소강 제조장치는 래들(12)의 하부에 복수 개의 포러스 플러그(14)를 장착함으로써 질소 가스의 유동을 원활하게 하고, 용강 내 질소함량 편석율을 줄일 수 있다. 본 발명의 제2실시 예서는 두 개의 포러스 플러그(14)를 래들(12)의 하부 면에 대칭적으로 장착한 것으로 설명하지만, 세 개 이상의 포러스 플러그(14)를 래들(12)에 장착하는 것도 가능하다.

또한, 본 발명의 제2실시 예에 적용되는 가스공급 시스템(16)은 가스공급 유로(20)에 연결되어 제1가스(아르곤 가스) 및 제2가스(질소 가스)를 가압하거나, 상기 제1가스 또는 제2가스를 가압하기 위한 가압 탱크(66)를 구비한다. 상기 가스공급 시스템(16)은 포러스 플러그(14)에 선택적으로 공급되는 제1가스 또는 제2가스의 역류를 방지하기 위한 역류방지 밸브(68)를 더 구비한다.

상기 역류방지 밸브(68)는 포러스 플러그(14)의 개수와 동일하게 형성되어 각각의 포러스 플러그(14)에 하나씩 연결될 수 있다. 상기 역류방지 밸브(68)는 솔레노이드 밸브 또는 체크 밸브일 수 있지만, 역류방지 기능을 갖는 다른 형태의 밸브를 사용하는 것도 가능하다. 상기 가압 탱크(66) 및 가스공급 시스템(16) 사이에는 스로틀 밸브(70)가 더 개재될 수 있다.

따라서, 본 발명의 제2실시 예에 따른 고질소강 제조장치는 용강 내 질소 가스(순도 99.9%이상)를 저취입법으로 취입하여 0.60wt% 이상의 질소 고용도를 갖도록 한다. 또한, 상기 고질소강 제조장치는 반 진공상태 내 포러스 플러그를 이용하여 아르곤 및 질소 가스를 교번하여 용강의 자중 및 고온과 대기와의 접촉에 의한 노즐 막힘 현상(Clogging)을 방지하고, 고질소강 용강 내(100톤) 분석을 통하여 평균 질소함량을 0.60 ~ 0.75wt%의 범위에서 유지함으로써 1,000MPa 이상의 고강도 및 비자경성을 요구하는 제품에 적용할 수 있다.

다음으로, 도 5를 참조하여 본 발명의 실시 예들에 따른 극저탄소 고질소강의 제조방법을 설명한다. 도 5는 본 발명의 실시 예들에 따른 고질소강 제조방법을 설명하기 위한 흐름도이다.

도 5를 참조하면, 본 발명의 실시 예들에 따른 고질소강 제조방법은 래들 상부가 질소 분위기에서 탈산 공정과 탈탄 공정을 완료(S51)한 상태의 용강 내에 제1가스(아르곤 가스)를 소정의 시간동안 취입하는 제1가스의 1차 취입단계(S52), 아르곤 가스 취입을 중단하고 용강 내에 제2가스(질소 가스)를 소정의 시간동안 고압 고속으로 취입하는 제2가스 취입단계(S53), 질소 가스 취입을 중단한 후 용강 내에 아르곤 가스를 소정의 시간동안 취입하는 제2가스의 2차 취입단계(S54), 아르곤 가스 취입을 중단한 후 용강 내의 질소 고용도를 측정하는 측정단계(S55) 및 상기 측정한 질소의 고용도가 사전 설정된 기준 값보다 작을 경우 아르곤 및 질소 가스를 교대로 소정 시간동안 반복하여 취입하는 재취입단계(S56)를 포함하여 구성된다.

본 실시 예는 전기로(Electric Arc Furnace) 공정에서 합금원소 즉, 질소를 함유한 질화 크롬, 질화 망간, 메탈 크롬, 메탈 망간 등으로 용강 내 질소함량을 질소함량 목표값 대비 60~70%로 높인 후, 진공정련 공정에서 탈산 공정과 탈탄 공정(S51)을 마친 상태의 용강에 적용된다. 또한, 상기 래들의 상부는 질소 분위기로 형성하여 용강 내 질소 고용도를 극대화시킨다.

상기 제어장치(36)는 이온화 특성이 높은 아르곤 가스(순도 99.9%)를 약 2~5분간 용강 내로 아르곤 가스를 1차로 취입한다(S52). 아르곤 가스를 1차 취입한 후, 상기 제어장치(36)는 제1가스 유량조절 밸브(24)를 잠그고 즉시 액화점 및 이온화가 낮은 고순도 질소 가스(순도 99.9%)를 공급하기 위해 제2가스 유량조절 밸브(28) 및 제2가스 속도조절 밸브(26)를 열어 20~30분간 질소 가스를 취입한다(S53).

질소에 의한 포러스 플러그(14)의 막힘을 방지하기 위해 다시 제1가스 유량조절 밸브(24) 및 제1가스 속도조절 밸브(22)를 열어 아르곤 가스를 2차로 취입한다(S54). 그 후, 용강 내 질소 고용도를 알아보기 위한 샘플링 작업을 포함한 분석작업이 3~5분간 수행된다(S55).

상기 분석작업에 의한 질소분석 값이 사전 설정된 기준 값보다 작을 경우, 아르곤 및 질소 가스의 공급(질소 2차 취입)을 교호적으로 반복하여 수행한다(S56). 이 경우, 질소 가스가 포러스 플러그(14)를 통과할 때 압력은 7.9~8.5Nl/cm²이고, 취입유량은 130~150L/min으로 질소취입을 3차에 걸쳐 반복 수행한다. 그에 따라 전체 질소 취입시간은 30~60분 정도 소요되고 취입유량은 600~1,000 Nl에 해당한다.

온도에 따른 용강 내의 질소 고용도 변화 양상을 살펴보면, Fe는 액상온도 1600℃에서 최대 0.045wt%의 질소를 고용하고, 온도가 저하(1450℃ 이하)함에 따라 질소 고용도는 급격히 감소한다. 특히 오스테나이트에 비해 페라이트 영역에서는 질소 고용한이 극히 제한적이므로, 액상으로부터 고상으로 응고 시 델타페라이트 간극이 형성되고, 이 온도 영역을 통과하면서 고용된 질소가 가스로 배출되거나, 부유력이 작은 기포는 수지상(dendrite) 사이에 포획되어 최종응고 후 강괴결함으로 존재할 수 있다. 따라서, 질소가압이 없는 통상적인 제강법으로서는 극저탄소 고질소 스테인리스강 제조가 용이하지 않기 때문에 합금성분 조절 및 질소 분압, 온도 등의 공정변수에 따라 질소 고용도를 극대화하는 기술이 요구된다.

Fe-N계 액상 Fe 합금에 고용되는 평형질소농도는 아래 Sievert 방정식(수학식 1)을 이용한다.

[수학식 1]

%N=(K/f_N)×(P_N2)^1/2

(%N : 액상에 고용되는 질소 농도, f_N : Herian 활동도 계수, K : 평형상수(0.045), P_N2 : 질소분압)

상기 수학식 1에서 활동도 계수는 Wagner가 제안한 것으로, 용강 내 각 합금성분의 1차 및 2차 작용 상호계수를 고려한 것으로 f_N이 작을수록 용강 내 질소 고용도는 증가하고, 1차 및 2차 작용 상호계수가 음수(-)값을 나타낼수록 질소 고용도를 높일 수 있다. 상호작용 계수가 양수(+)값을 가지는 탄소, 실리콘, 니켈 등은 질소 고용도를 낮추고, 음수 값을 가지는 크롬, 망간 등은 용강 내 질소 고용도를 높인다.

그러나, 본 발명의 경우, 별도의 가압장치 없이 래들 하부의 하우징을 사용하여 포러스 플러그를 유사 진공상태에 두도록 하여 불활성 가스인 아르곤 가스와 5족 원소인 질소 가스를 교대로 취입시킨다. 그에 따라 노즐인 포러스 플러그(14)의 막힘 현상을 방지하고, 질소 취입유량 및 취입시간 등을 자동으로 제어할 수 있다.

성분	C	Si	Mn+Cr	P	S	N
분석값	＜0.10	＜0.50	＜35.0	0.050	0.05	0.65

(단위: wt%)

상기 (표 1)은 본 발명의 고질소강 제조장치 및 제조방법을 사용한 후, 각 합금성분에 대한 질소취입 후 진공정련 출강 전 분석결과이다. 상기 (표 1)을 참조하면, 본 발명의 고질소강 제조장치 및 제조방법을 사용함으로써 목표값(0.75wt%, Sievert 방정식에 의한 이론값) 대비 0.85(85% 회수율) 이상에 해당하는 0.65wt% 의 질소 고용도를 얻을 수 있다. 이 경우, 래들 상부에 위치한 커버를 통해 질소를 취입하에 용강 상부를 질소 분위기로 형성하여 용강 내 질소 고용도를 기존 대비 증대시킬 수 있다.

상기와 같은 구성에 의해, 본 발명은 오스테나이트계 극저탄소 고질소강 제강 시 용강 내 질소 고용도(max. 0.75wt%)를 높여 델타페라이트(δ-ferrite) 생성을 억제하여 가공유기 변태(α')로 인한 자성성질이 없는 비자경성(1.02/100 Oe 이하)을 나타내는 것(발전기 리테이닝링용 적용소재)과 일반적인 TP300계열 스테인레스강 중 Ni free STS304 및 316 대체제로 사용할 수 있다.

이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.

12: 래들 14: 포러스 플러그
16: 가스공급 시스템 20: 가스공급 유로
22: 제1가스 속도조절 밸브 24: 제1가스 유량조절 밸브
26: 제2가스 속도조절 밸브 28: 제2가스 유량조절 밸브
32: 제1가스 저장탱크 34: 제2가스 저장탱크
36: 제어장치 38: 상부블록
42: 다공성 내화물 44: 하부블록
46:가스취입 부재 48: 안내관
50: 내화물 고정수단 52: 상부블록 고정수단
54: 장착 프레임 56: 플레이트
60: 조정키 62: 장착블록
66: 가압 탱크 68: 역류방지 밸브

Claims

용강을 수용하는 래들에 장착되고, 개구부를 구비하는 상부블록;
상기 상부블록의 상기 개구부를 관통하고, 용강 내부로 가스를 안내하기 위한 안내관을 구비하는 다공성 내화물;
상기 안내관을 감싸도록 상기 상부블록의 하부에 연결되어 상기 상부블록을 상기 래들에 고정하고, 상기 다공성 내화물을 지지하기 위한 하부블록; 및
상기 안내관에 연결되어 상기 다공성 내화물을 통해 용강 내부로 원소주기율표상 서로 다른 족(group)에 속하는 제1가스 및 제2가스를 교대로 공급할 수 있는 가스취입 부재를 구비하는 포러스 플러그.
제1항에 있어서,
상기 하부블록은
상기 안내관을 감싸도록 상기 다공성 내화물의 하부에 위치하여 상기 다공성 내화물을 고정할 수 있는 내화물 고정수단;
상기 내화물 고정수단을 감싸도록 상기 상부블록의 하부에 위치하고, 상기 래들에 장착된 상부블록을 지지하기 위한 상부블록 고정수단;
상기 안내관을 감싸도록 상기 상부블록 고정수단의 하부에 위치하여 상기 내화물 고정수단을 지지할 수 있는 장착 프레임; 및
상기 장착 프레임을 감싸도록 상기 상부블록 고정수단의 하부에 위치하고, 상기 래들에 장착됨으로써 가스 주입시 상기 상부블록의 요동을 방지할 수 있는 플레이트를 구비하는 것을 특징으로 하는 포러스 플러그.
제1항에 있어서,
상기 하부블록은
상기 안내관을 감싸도록 상기 상부블록의 하부에 위치하여 상기 안내관을 따라 공급되는 가스의 압력을 조절함으로써 상기 다공성 내화물이 용강에 의해 막히는 것을 방지할 수 있는 조정키를 구비하는 것을 특징으로 하는 포러스 플러그.
제1항에 있어서,
상기 하부블록은
상기 안내관을 감싸도록 상기 상부블록의 하부에 위치하여 상기 가스취입 부재와 연결되고, 상기 안내관의 측면으로 가스가 유출하는 것을 방지할 수 있는 장착블록을 구비하는 것을 특징으로 하는 포러스 플러그.
제4항에 있어서,
상기 가스취입 부재는 내측에 가스 취입구를 구비함으로써 상기 장착블록, 상기 안내관 및 상기 다공성 내화물을 통해 용강 내부로 가스를 공급하는 것을 특징으로 하는 포러스 플러그.
제1항에 있어서,
상기 제1가스 및 제2가스는 각각 아르곤 가스 및 질소 가스인 것을 특징으로 하는 포러스 플러그.
용강을 수용하는 래들;
상기 래들의 하부에 장착된 포러스 플러그; 및
상기 포러스 플러그로부터 용강 내부로 원소주기율표상 서로 다른 족(group)에 속하는 제1가스 및 제2가스를 교대로 공급할 수 있는 가스공급 시스템을 구비하는 고질소강 제조장치.
제7항에 있어서,
상기 포러스 플러그는
제1항 내지 제5항 중에서 선택된 어느 하나의 청구항과 동일한 구성을 갖는 것을 특징으로 하는 고질소강 제조장치.
제7항에 있어서,
상기 가스공급 시스템은
상기 제1가스 및 상기 제2가스를 상기 포러스 플러그에 선택적으로 안내하기 위한 가스공급 유로;
상기 포러스 플러그에 공급되는 제1가스의 유량을 조절하는 제1가스 유량조절 밸브;
상기 포러스 플러그에 공급되는 제1가스의 속도를 조절하는 제1가스 속도조절 밸브;
상기 포러스 플러그에 공급되는 제2가스의 유량을 조절하는 제2가스 유량조절 밸브;
상기 포러스 플러그에 공급되는 제2가스의 속도를 조절하는 제2가스 속도조절 밸브; 및
상기 제1가스 및 상기 제2가스를 상기 포러스 플러그에 선택적으로 공급할 수 있는 제어장치를 구비하는 것을 특징으로 하는 고질소강 제조장치.
제9항에 있어서,
상기 가스공급 시스템은
상기 가스공급 유로에 연결되어 상기 제1가스 및 상기 제2가스를 가압하거나, 상기 제1가스 또는 상기 제2가스를 가압하기 위한 가압 탱크; 및
상기 포러스 플러그에 선택적으로 공급되는 상기 제1가스 또는 상기 제2가스의 역류를 방지하기 위한 역류방지 밸브를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 고질소강 제조장치.
제10항에 있어서,
상기 역류방지 밸브는
솔레노이드 밸브 또는 체크 밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 고질소강 제조장치.
제7항에 있어서,
상기 제1가스 및 제2가스는 각각 아르곤 가스 및 질소 가스인 것을 특징으로 하는 고질소강 제조장치.
제7항에 있어서,
상기 래들에 장착하여 상기 포러스 플러그의 하부를 밀봉하는 하우징을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 고질소강 제조장치.
탈산 공정 및 탈탄 공정이 완료한 상태의 용강 내부에 소정 시간동안 제1가스를 취입하는 제1가스의 1차 취입단계;
상기 1차 취입단계 후에 상기 제1가스와는 다른 제2가스를 소정 시간동안 용강 내부로 취입하는 제2가스 취입단계;
상기 제2가스 취입단계 후에 상기 제1가스를 소정 시간동안 용강 내부로 취입하는 제1가스의 2차 취입단계; 및
상기 2차 취입단계 후에 용강 내부의 제2가스 고용도를 측정하는 측정단계를 포함하는 고질소강 제조방법.
제14항에 있어서,
상기 제2가스 고용도가 미리 설정된 기준 값보도 낮을 경우 상기 제1가스 및 상기 제2가스를 교대로 소정 시간동안 반복하여 취입하는 재취입단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고질소강 제조방법.
제14항에 있어서,
상기 제1가스의 1차 취입단계는 질소 분위기에서 수행되는 것을 특징으로 하는 고질소강 제조방법.
제14항 내지 제16항 중에서 선택된 어느 하나의 청구항에 있어서,
상기 제1가스 및 상기 제2가스는 각각 아르곤 가스 및 질소 가스인 것을 특징으로 하는 고질소강 제조방법.