KR20140003777A - 극저탄소강의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자원 재활용을 통하여 탄소 농도 0.002%이하의 극저탄소강을 제조하는 방법에 관한 것으로, 전로에서 정련된 용강을 래들로 출강하여 RH 탈가스 처리하는 단계와, 상기에서 RH 탈가스 처리한 후, 래들을 연속주조 공정으로 이송하는 동안 슬래그의 산화도를 증가시키기 위해 상기 래들 내로 슬래그 산화제를 투입하는 단계 및 상기에서 슬래그 산화제의 투입에 따라 산화도가 증가된 슬래그와 용강이 반응하여, 추가적인 탈탄 반응을 일으켜 연속주조 공정으로 이송되는 단계를 포함하는 극저탄소강의 제조방법을 제공한다.

Description

극저탄소강의 제조 방법{MANUFACTURING METHOD FOR EXTRA LOW CARBON STEEL}

본 발명은 극저탄소강의 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 자원 재활용을 통하여 탄소 성분 0.002%이하의 극저탄소강을 제조하는 방법에 관한 것이다.

철광석을 원재료로 하여 최종 제품으로 강을 제조하는 제강 공정은 철광석을 고로에서 용해하는 제선 공정으로부터 시작된다. 철광석을 용해한 형태인 용선에 탈린 등의 예비처리 공정을 수행하여 용강을 제조한다. 용강은 불순물을 제거하는 1차 정련 공정을 거친 후 용강 내 성분을 미세하게 조정하는 2차 정련 과정을 거치게 되고, 2차 정련이 완료되면 용강 내 성분 조정이 완료된다. 2차 정련이 완료된 용강은 연속주조 공정으로 이동하게 되고, 연속주조 공정을 거쳐 슬라브, 블룸, 빌릿 등의 반제품이 성형된다. 이와 같이 성형된 반제품은 압연 등의 최종 성형과정을 거쳐 압연 코일, 후판 등 목표하는 최종 제품으로 제조된다.

최근 자동차용 고급 강판 등으로 사용되는 극저탄소강은 용강 내 탄소 성분을 극한(0.002wt% 이하)으로 제어하여 제조되는 강종으로 전로 정련 및 2차 정련 등을 거쳐 생산된다.

관련 선행기술로는 한국공개특허 제2002-0042122호(공개일: 2002. 6. 5. 발명의 명칭: 청정도가 우수한 극저탄소강 제조방법)가 있다.

본 발명은 폐자원을 활용하여 탄소 성분 0.002%이하의 극저탄소강을 제조할 수 있는 극저탄소강의 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않는다.

상기 과제를 달성하기 위한 본 발명의 극저탄소강 제조방법은, 전로에서 정련된 용강을 래들로 출강하여 RH 탈가스 처리하는 단계와, 상기에서 RH 탈가스 처리한 후, 래들을 연속주조 공정으로 이송하는 동안 슬래그의 산화도를 증가시키기 위해 상기 래들 내로 슬래그 산화제를 투입하는 단계 및 상기에서 슬래그 산화제의 투입에 따라 산화도가 증가된 슬래그와 용강이 반응하여, 용강 내 탄소가 저감된 상태로 연속주조 공정으로 이송되는 단계를 포함할 수 있다.

구체적으로, 상기 슬래그 산화제는, 철강의 열처리에 의해 발생되는 밀스케일(Mill scale)일 수 있다.

상기 슬래그 산화제는 산화철을 주성분으로 할 수 있다.

상기 슬래그 산화제를 투입한 후에, 상기 래들 바닥으로 가스를 취입하여 용강과 슬래그 간의 반응 효율을 증가시킬 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 폐자원을 활용하여 극저탄소강을 제조함으로서 극저탄소강 제조에 소모되는 시간 및 비용을 절감하면서도 0.002%이하의 극저탄소강을 용이하게 제조할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명과 관련하여 극저탄소강 용강 정련 시 전로 정련 이후 용강을 수용하는 수강 래들의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 극저탄소강 제조방법을 순서에 따라 도시한 순서도이다.
도 3은 도 2의 제조방법을 간략하게 도시한 개략도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 도면들 중 동일한 구성요소들은 가능한 어느 곳에서든지 동일한 부호로 표시한다. 또한 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.

도 1은 본 발명과 관련하여 극저탄소강 용강 정련 시 전로 정련 이후 용강을 수용하는 수강 래들의 단면도이다. 이를 참조하면, 일반적으로 용강(본 발명에서는 특히 극저탄소강용 용강)은 전로 공정을 거치면서 용강 내의 탄소 성분이 1차적으로 정련된다. 이처럼 전로 정련을 통해 제조된 용강(M)은 전로에서 출탕되어 수강 래들(10)에 담겨지게 된다. 수강 래들(10) 내에는 대부분 전로 정련된 용강이 수용되며, 용강의 상단에 전로에서 용강과 함께 유출된 슬래그층(S)이 형성된 상태일 수 있다.

이때 래들 내 슬래그층(S)을 형성하는 물질은 FeO, SiO₂, CaO, P₂O₅, MnO 등이며, 용강(M) 내에는 다량의 Fe를 포함한 금속물질 및 산소(O), 질소(N), 탄소(C) 등의 물질이 포함되어 있다.

극저탄소강을 제조하는 경우, 전로에서 정련을 마치고 나와 출강된 용강(M)에는 일정량의 산소 가스가 잔류하여야 한다. 그 이유는 용강(M) 내 산소 가스가 일정량 잔류해야 후속 공정인 환류 진공 탈가스 공정(RH process)를 수행할 때 극저탄소강 제조를 위한 탈탄 공정에 유리하기 때문이다.

구체적으로, 극저탄소강 제조 시 환류 진공 탈가스 공정에 들어가기 전 용강(M) 내 산소가 존재해야 용강(M) 내 탄소 성분과 결합하여 아래와 같은 반응식 1에 의해 탄소성분이 용강(M) 내에서 제거될 수 있기 때문이다.

반응식 1

2C + O₂ = CO↑(gas)

이러한 이유로 미탈산된 용강(M)이 수강 래들(10)에 담겨지는데 이때 용강(M) 상단에 형성된 슬래그층(S)에는 산화철(FeO)이 존재할 수 있다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 극저탄소강의 제조방법을 순서에 따라 도시한 순서도로서, 먼저 상술한 바와 같이 전로에서 용강을 1차적으로 정련한 후, 정련된 용강을 수강 래들(이하, '래들'이라 함)로 출강하여 RH 탈가스 공정을 수행한다(S10).

극저탄소강을 제조하기 위해서는 용강 내 탄소 성분이 극한으로 제어되어야 하기 때문에 일반 전로 정련만으로는 용강 내 탈탄 정도가 부족하다. 때문에 진공 탈가스 장비인 RH 탈가스(진공 환류식 탈가스) 처리를 통하여 목표하는 용강 내 탄소 함량을 제어한다. 그러나 용강 내 탄소 함량을 극한으로 제어하다보면 RH 탈가스 공정에서 처리시간이 증가하게 되고, RH 처리 시간의 증가는 RH 진공조(20)의 손상이 증가를 유발하여 장비 수명이 감소할 수 있다. 또한 RH 처리를 장시간 수행하게 되는 경우에는 용강의 온도 감소량이 커지므로 이 공정 중에 감소된 용강 온도를 보상하기 위하여 TOB(Top Oxygen Blowing)라는 별도의 승온 공정을 더 필요로 하게 된다. 이와 같이 TOB는 산소와 알루미늄(Al)과의 발열반응에 의해 이루어지는데 이 공정 중 용강 내 대표적인 개재물인 알루미나(Al₂O₃)가 발생하여 용강의 품질을 저하시키는 문제를 유발한다.

따라서, 본 발명에서는 RH 탈가스 공정을 수행하되 그 처리시간을 줄이면서 연속주조 공정으로 용강을 이송 중에 용강의 탈탄이 더 수행하여 탄소 함량을 0.002wt%이하로 제어할 수 있도록 하는 것을 핵심으로 한다. 그러므로 본 발명에서 RH 탈가스가 완료된 용강 내 탄소 함량을 최종 목표 탄소 함량보다 높은 상태일 수 있다. 예를 들어, 본 발명에서 RH 탈가스가 완료된 용강 내 탄소 함량은 0.002~0.003wt% 일 수 있다.

이처럼 최종 목표로 하는 용강 내 탄소 함량보다 높은 탄소 함량을 갖도록 RH 탈가스 공정을 수행한 후, 그림 3과 같이, 래들을 연속주조 공정으로 이송하기 위한 대차(30)에 실은 후 연속주조 공정으로 이송하는 동안 래들 내로 슬래그 산화제(40)를 투입한다(S20).

이때 슬래그 산화제는 대차의 이동 중에 대차 상부에서 호퍼(50) 등에 의해서 자동으로 설정된 양만큼 투입될 수 있다.

일반적으로 용강 내 탄소는 용강 중 산소와 반응하여 상기 반응식 1과 같이 일산화탄소(CO)의 형태로 제거되거나, 반응식 2와 같이 슬래그 내에 존재하는 산소 이온과 반응하여 카본 이온 형태로 제거된다.

반응식 2

2[C](melt) + O₂(slag) = C₂ ^2-(slag) + 1/2O₂(g)

반응식 1 내지 반응식 2와 같이, 슬래그에 의한 용강 내 탄소는 용강 내 산소 이온이 많을수록 많이 제거되는데, 이는 슬래그의 산화도를 증가시켜서 강화할 수 있다.

따라서, 본 발명에서는 RH 탈가스 처리 종료 후 슬래그 산화제(40)로서 산화철(FeO) 성분을 주재료로 하는 슬래그 산화제(40)를 투입하여 슬래그 산화도를 증가시킨다. 이때 슬래그 산화제(40)로는 철강의 압연 공정 등에서 열처리에 의해 발생되는 산화물인 밀스케일(Mill scale)을 사용하는 것이 바람직하다.

밀스케일은 금속, 주로 철강을 열간압연 또는 열처리할 때 철강 표면이 공기 중의 산소와 반응하여 산화하면서 발생되는 산화물층을 말한다. 밀스케일은 FeO, Fe₃O₄, Fe₂O₃ 등을 포함하고 있을 수 있으며, 이러한 산화철 성분이 90% 이상을 구성하고 나머지 불가피한 불순물로 이루어지는 물질이다. 이는 제강 공장에서 압연공정 중 발생할 수 있으며 주로 고철 등으로 구분되거나, 재활용 하는 경우가 매우 한정적이다.

이와 같이 FeO 성분을 다량 함유한 밀스케일을 RH 탈가스 처리 후 래들에 수강된 용강 상단의 슬래그 내로 투입하면 슬래그 내의 산화도가 증가하게 되는데, 이로 인하여 슬래그의 탄소 정련능이 향상된다.

슬래그의 탄소 정련능은 슬래그가 탄소를 흡수할 수 있는 능력(Capacity)로 정의할 수 있으며, 하기 반응식 3과 같이 나타낼 수 있다.

반응식 3

상기 반응식 3에서 C_C2 ^2-는 슬래그의 탄소 정련능이며, aO2-는 슬래그내 산소 이온의 활동도 이다. 이때 탄소 정련능이 높을수록 슬래그에서 탄소를 흡수할 수 있는 능력이 높음을 의미한다. 반응식 3에 나타낸 바와 같이, 슬래그 내 탄소 정련능은 슬래그내 산소 이온의 활동도가 높을 수록 증가한다. 따라서 슬래그 내로 FeO를 주성분으로 하는 밀스케일을 투입하게 되면 슬래그 내 산소 이온을 공급(FeO -> Fe2+ + O2-)하게 되어 슬래그 내 산소 이온의 활동도가 증가하게 되고 이로 인하여 슬래그의 탄소 정련능이 상승되어 슬래그에서 용강 내 탄소를 흡수하는 양이 늘어나게 된다.

슬래그의 탄소 정련능이 향상되면 반응식 2와 같은 슬래그 내 반응이 증가하여 용강 내 탄소가 카본 이온으로서 제거되는 양이 많아지고 이는 곧 용강 내 탈탄이 활발이 일어나 용강 내 탄소함량을 극한으로 제어할 수 있게 되는 것이다.

이처럼 래들을 대차(30)로 연주 공정으로 이송하는 동안 슬래그 산화제(40)를 투입하여 용강의 추가적인 탈탄 반응을 유발시켜 용강 내 탄소함량이 극한으로 제거된 용강은 연속주조 공정에 도착하게 된다.(S30).

본 발명에서는 슬래그 산화제(40) 투입 후 래들을 대차(30)에서 연속주조 공정까지 이송하는 동안 래들 바닥에서 가스를 취입하여 용강을 교반시켜 용강과 슬래그의 반응을 촉진시킬 수 있다. 이와 같이 래들 바닥에서 일어나는 Bottom Bubbling을 통하여 산화도가 증가된, 즉 탄소 정련능이 향상된 슬래그와 용강과 활발히 접촉할 수 있도록 하여 용강 내 탈탄 효율을 더욱 향상시키는 것이다.

이때 대차(30)에 Bottom Bubbling을 수행할 수 있는 가스라인과 가스저장기 등을 구비하여 래들을 대차(30)에 옮겨 실은 후 슬래그 탈산제를 투입하고 이송 중 계속하여 Bottom Bubbling을 수행할 수 있다.

본 발명에서 연속 주조 공정에 도착한 용강 내에는 탄소가 0.002wt% 이하의 극저탄소강을 제조할 수 있게 된다.

이와 같이 본 발명은 압연 공장에서 폐기되는 밀스케일을 활용하여 슬래그에 의한 용강의 탈탄반응을 추가적으로 발생하게 하여, 0.002% 이하의 극저탄소강을 저렴한 비용으로 제조할 수 있다. 또한, 폐자원을 유효자원화함으로써 환경적으로도 도움이 되는 극저탄소강 제조 방법을 제공할 수 있다.

상기와 같은 극저탄소강의 제조방법은 위에서 설명된 실시예들의 구성과 작동 방식에 한정되는 것이 아니다. 상기 실시예들은 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 구성될 수도 있다.

10 : 수강 래들(래들) 20: RH 진공조
30 : 래들 대차(대차) 40: 슬래그 산화제
50 : 호퍼 M : 용강
S : 슬래그층

Claims (4)

1. 전로에서 정련된 용강을 래들로 출강하여 RH 탈가스 처리하는 단계;
   상기에서 RH 탈가스 처리한 후, 래들을 연속주조 공정으로 이송하는 동안 슬래그의 산화도를 증가시키기 위해 상기 래들 내로 슬래그 산화제를 투입하는 단계; 및
   상기에서 슬래그 산화제의 투입에 따라 산화도가 증가된 슬래그와 용강이 반응하여, 용강 내 탄소가 저감된 상태로 연속주조 공정으로 이송되는 단계;를 포함하는 극저탄소강의 제조방법.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 슬래그 산화제는, 철강의 열처리에 의해 발생되는 밀스케일(Mill scale)인 극저탄소강의 제조방법.
   
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 슬래그 산화제는 산화철을 주성분으로 하는 극저탄소강의 제조방법.
   
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 슬래그 산화제를 투입한 후에,
   상기 래들 바닥으로 가스를 취입하여 용강과 슬래그 간의 반응 효율을 증가시키는 극저탄소강의 제조방법.
   
   

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