KR20160071949A - 일렉트로 슬래그 재용융 공정용 슬래그 및 이를 이용한 잉곳의 제조방법 - Google Patents

일렉트로 슬래그 재용융 공정용 슬래그 및 이를 이용한 잉곳의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 일렉트로 슬래그 재용융(Electro Slag Remelting, ESR) 공정 용 슬래그 및 이를 이용한 잉곳의 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 CaF2 50 내지 70 중량%; CaO 10 내지 30 중량%; 및 Al2O3 10 내지 30 중량%를 포함하는 일렉트로 슬래그 재용융 공정용 슬래그로서, Na2O 및 LiO2 중 적어도 하나의 금속 산화물이 2 내지 10 중량%로 첨가된 것인, 일렉트로 슬래그 재용융 공정용 슬래그와, 이를 이용하여 잉곳을 제조하는 방법에 관한 것이다.
본 발명에서 제공하는 ESR 공정용 슬래그는 융점이 1200℃ 이하이며 유동성이 높아, 이를 대규모의 잉곳 몰드에 적용하더라도 결정화 속도를 지연시켜, 잉곳 표면에 주름이 발생하는 현상을 최소화하여 그 표면 품질을 향상시킬 수 있고, 최종적으로는 생산성 향상 및 원가 절감의 효과 또한 거둘 수 있다.

Description

일렉트로 슬래그 재용융 공정용 슬래그 및 이를 이용한 잉곳의 제조방법{SLAG FOR ELECTRO SLAG REMELTING AND THE METHOD FOR PREPARING INGOT USING THE SAME}
본 발명은 일렉트로 슬래그 재용융(Electro Slag Remelting, ESR) 공정용 슬래그 및 이를 이용한 잉곳의 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 ESR 공정으로 제조되는 잉곳(ingot)의 표면 품질을 개선시킬 수 있는 ESR 공정용 슬래그와 그 제조방법에 관한 것이다.
일렉트로 슬래그 재용해(Electro-Slag Remelting, 이하 "ESR"로 통칭함.) 공정은 특수 재용해법의 하나로서, 그 원리는, 도 1에 도시된 바와 같이, 전원(2)이 소모 전극(10) 및 슬래그(11)에 전기가 통하도록 턴온되면, 슬래그(11) 및 소모 전극(10)의 상단부는 슬래그(11)의 저항 열로 인해 용융된다. 용융된 금속 적상(dropwise)은 적절한 점도를 가진 슬래그(11)를 통해 아래로 진행하고, 이 과정에서, 용융된 금속 내 황(S) 및 기타 원소는 슬래그로 포함되고 그에 의해 금속은 정제되고 슬래그 아래에 용융 풀(12)을 형성하며, 이는 점진적으로 용광로 벽에서 용광로 바닥까지 냉각되어 ESR 잉곳(13)을 생성한다. ESR 잉곳(13) 및 용융 풀(12)의 형성과 함께, 슬래그(11)는 점진적으로 떠오르고 윗 방향으로 이동하고, 그에 따라, 소모 전극(10)은 아래로 이동하고 연속적으로 재용융된다. 상술한 바와 같이, 용융된 금속은 슬래그(11)를 통해 아래로 이동하고 그에 의해 효과적으로 탈황되고, 이는 용광로 벽과 용광로 바닥으로부터 냉각되어 우수한 주조면과 우수한 내부 성질을 가지는 잉곳을 생성하며 공융 혼합물은 정제된다.
여기서 ESR 주요설비는, 전원공급장치, 전극승강장치, 수냉 몰드, 제어장치 등으로 이루어져 있으며, 용해 방식으로는 몰드 고정법, 몰드 인상법, 강괴 강하에 의한 연속법 등이 사용되고 있다. 최근에는, 청정도가 우수한 특수강 및 초내열 합금(Superalloy)의 ESR 공정 적용을 위해, 불활성 가스 분위기를 제어할 수 있는 전용 챔버(Chamber) 또는 진공설비를 부착하는 추세에 있다. 용해의 제어는, 소정의 용해속도가 되도록 전압 또는 전류를 설정하여, 전극의 강하 속도를 조절한다.
전기로와 정련로의 제강, 정련 공정을 거쳐 재래식 잉곳을 만들면, 자연냉각에 의해 응고되기 때문에, 응고속도의 조정에 어려움이 따르고, 화학성분의 편석, 불균일한 조직과, 비금속 개재물의 제어가 어려워, 최종 제품의 기계적 성질에 악영향을 미친다. 그러나, ESR법은 응고속도를 강괴의 특성에 맞게 조절하는 것이 가능하여, 재래식 잉곳에서 발생하는 성분 및 조직 불균일성과 비금속 개재물을 최소화할 수 있으므로, 고품질의 잉곳을 얻을 수 있다.
한편, 최근에는 초초임계압(Ultra Super Critical, USC) 화력발전소의 용량이 증대됨에 따라 HIP(Hot Isostatic Pressing) 로터(rotor)의 크기가 증가하게 되었고, 이에 따라, HIP 로터용 ESR 잉곳 또한 직경이 증가하게 되었으며, 그와 함께 ESR 몰드(mold)의 직경 증가가 수반되었다.
그런데, ESR 몰드의 직경을 증가시키자, ESR 공정 시 그에 담지되는 슬래그의 온도가 감소하여 제조되는 ESR 잉곳의 표면에 주름이 형성되고, 이로 인하여 단조성이 악화되어 생산성을 감소시키며 스카핑(scalfing) 시간을 증가시켜 원가가 상승되는 문제점이 발생하게 되었다.
따라서, 최근에는 기본 ESR 공정용 슬래그계인 CaF2-CaO-Al2O3 3원계 슬래그 시스템에서 융점이 가장 낮은 공정(eutectic) 조성으로 조절하는 시도가 있었으나, 이러한 경우에도 몰드(mold) 대형화에 의한 슬래그 온도 감소로 쉽게 슬래그의 고상 및 결정화가 일어나기 쉬우며, 결국 슬래그의 혼입으로 잉곳 표면에 깊은 주름이 발생하게 되는 문제점이 존재하였다.
본 발명은 일렉트로 슬래그 재용융(Electro Slag Remelting, ESR) 공정용 슬래그의 융점을 낮게 조정하고, 유동성은 증가시켜 결정화 속도를 지연시킴에 따라, ESR 공정에 의해 제조되는 잉곳의 표면에 주름이 생성되는 문제점을 방지하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 구현 예에 따르면, CaF2 50 내지 70 중량%; CaO 10 내지 30 중량%; 및 Al2O3 10 내지 30 중량%를 포함하는 일렉트로 슬래그 재용융 공정용 슬래그로서,
Na2O 및 LiO2 중 적어도 하나의 금속 산화물이 2 내지 10 중량%로 첨가된 것인, 일렉트로 슬래그 재용융 공정용 슬래그를 제공한다.
상기 Na2O 및 LiO2 중 적어도 하나의 금속 산화물은 4 내지 6 중량%로 첨가될 수 있다.
상기 일렉트로 슬래그 재용융 공정용 슬래그는 SiO2 0 초과 8 중량% 이하를 더 포함할 수 있다.
상기 일렉트로 슬래그 재용융 공정용 슬래그의 융점은 1200℃ 이하일 수 있다.
상기 일렉트로 슬래그 재용융 공정용 슬래그의 점도는 1200℃에서 2~3poise일 수 있다.
본 발명의 다른 구현 예에 따르면, CaF2 50 내지 70 중량%; CaO 10 내지 30 중량%; 및 Al2O3 10 내지 30 중량%를 포함하는 일렉트로 슬래그 재용융 공정용 슬래그를 준비하는 단계;
상기 슬래그에 Na2O 및 LiO2 중 적어도 하나의 금속 산화물을 슬래그 총 중량에 대하여 2~10 중량%의 양으로 첨가하는 단계; 및
상기 금속 산화물이 첨가된 슬래그에 소모 전극을 용해시켜 잉곳을 제조하는 단계를 포함하는, 잉곳의 제조방법을 제공한다.
상기 Na2O 및 LiO2 중 적어도 하나의 금속 산화물은 2 내지 10 중량%로 첨가될 수 있다.
상기 일렉트로 슬래그 재용융 공정용 슬래그는 SiO2 0 초과 8 중량% 이하를 더 포함할 수 있다.
상기 금속 산화물이 첨가된 슬래그의 융점은 1200℃ 이하일 수 있다.
상기 금속 산화물이 첨가된 슬래그의 점도는 1200℃에서 2~3poise일 수 있다.
상기 잉곳을 제조하는 단계는 불활성 가스 분위기 또는 진공 분위기 하에서 수행될 수 있다.
본 발명에서 제공하는 ESR 공정용 슬래그는 융점이 1200℃ 이하이며 유동성이 높아, 이를 대규모의 잉곳 몰드에 적용하더라도 슬래그가 고상화 및 결정화되는 속도를 늦춰 ESR 공정에 의해 제조되는 잉곳의 표면 품질을 향상시킬 수 있고, 더 나아가서는 그 생산성 향상과 원가 절감의 경제적 효과 또한 확보할 수 있다.
도 1은 일반적인 일렉트로 슬래그 재용해(Electro-Slag Remelting, ESR) 장치의 개략적인 단면도를 나타낸 것이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시형태들을 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시형태는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.
최근에 화력발전소 등에서 대규모의 잉곳이 요구됨에 따라, 이를 제조하는 데에 사용되는 이를 제조하기 위한 일렉트로 슬래그 재용융(Electro Slag Remelting, 이하 'ESR'이라 한다.) 장치 내 포함된 잉곳 몰드의 규모 또한 커지게 되었다. 이에 따라, 큰 규모의 잉곳 몰드에 슬래그를 적용하게 되면, 슬래그의 온도가 감소되어 슬래그의 고상화 및 결정화가 쉽게 이루어지고, 이들이 ESR 공정 중 용융된 금속 내에 혼입되면, 제조되는 잉곳 표면에 깊은 주름이 발생하여 단조성을 악화시키는 문제점이 있었다.
이에 본 발명에서는, ESR 공정에 사용되는 슬래그의 조성을 적절히 조정하여 융점을 낮추고 유동성을 높임으로써, 이를 대규모의 잉곳 몰드에 적용하더라도 슬래그의 온도 감소로 인한 고상 및 결정화를 방지하여, 표면 품질이 우수한 잉곳을 제조할 수 있도록 하였다.
구체적으로, 본 발명의 일 구현 예에 따르면, CaF2 50 내지 70 중량%; CaO 10 내지 30 중량%; 및 Al2O3 10 내지 30 중량%를 포함하는 일렉트로 슬래그 재용융 공정용 슬래그로서, Na2O 및 LiO2 중 적어도 하나의 금속 산화물이 2 내지 10 중량%로 첨가된 것을 특징으로 한다.
우선, 본 발명에서 제공하는 슬래그에 포함된 각 성분들의 함량과 관련하여서는 이하 자세히 설명한다.
CaF2: 50~70 중량%
CaF2는 일렉트로 슬래그 재용융 공정용 슬래그의 기본적인 성분으로 슬래그의 적당한 유동성과, 목적으로 하는 융점 및 전도도 등을 확보하기 위해서 포함된다. 특히 본 발명에서는, 슬래그를 대규모의 잉곳 몰드에 적용하더라도 슬래그의 온도 감소로 인한 고상화 및 결정화를 방지하기 위하여, 종래에 일반적으로 사용되었던 ESR 슬래그에 비하여 유동성을 높이고, 융점을 내릴 필요가 있다. 따라서, CaF2는 적어도 50중량%의 양으로 포함하는 것이 바람직하다. 다만, CaF2 함유량이 너무 많게 되면, 슬래그의 비저항이 저하해 용해가 곤란하게 되므로 상한을 70중량% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.
CaO: 10 내지 30 중량%
CaO는 슬래그의 염기도를 증가시켜 정련능을 향상시키는 작용이 있다. 따라서, 본 발명에서는 상기와 같은 효과를 얻기 위해서는 CaO를 10 중량% 이상으로 포함하는 것이 바람직하다. 다만, CaO 함유량이 너무 많으면 점성의 증가와 고융점화를 촉진하여 제조되는 잉곳의 표면 품질을 악화시킬 수 있으므로, 30 중량% 이하로 포함하는 것이 바람직하다.
Al2O3: 10 내지 30 중량%
Al2O3는 슬래그를 줄 발열시킬 때 필요한 전기저항(ρ)(을)를 확보하는 동시에, 슬래그의 융점의 저하, 전극의 용해 속도등의 안정화(조업의 안정화), 탈황 반응을 진행시키는데 유용한 원소이다. 따라서, 본 발명에서는 상기와 같은 효과를 얻기 위해 Al2O3를 10 중량% 이상으로 포함하는 것이 바람직하다. 다만, Al2O3의 농도가 30 중량%를 초과하면, 상대적으로 CaF2의 함량 저하에 의해 슬래그의 융점이 높아져, 이를 이용해 제조되는 잉곳의 표면에 주름이 발생할 수 있다. 따라서, 본 발명에서는 Al2O3를 10 내지 30 중량%의 양으로 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에서 제공하는 슬래그는 상기한 성분들 외에도 필요에 따라 SiO2 0 초과 8중량% 이하를 추가로 더 포함할 수 있다.
SiO2: 0 초과 8중량% 이하
SiO2는 Al2O3 및 CaF2와 마찬가지로 슬래그의 융점을 낮춰 유동성을 향상시키는 성분에 해당한다. 따라서, 본 발명에서는 필요에 따라 SiO2를 필수 성분으로 포함할 수 있다. 다만, 그 함유량이 너무 많으면 경제적인 점에서도 문제가 되지만, 오히려 점도가 높아질 수 있다. 따라서, SiO2는 슬래그 내 최대 8 중량%의 양으로 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 슬래그는 상기와 같은 조성을 가짐으로써, 슬래그의 융점을 낮추고 유동성은 어느 정도 높일 수 있겠으나, USC 화력발전소에서 사용되는 잉곳을 제작하기 위한 대규모의 잉곳 몰드에 적용하게 되면 슬래그의 온도 저하로 인한 고상화 및 결정화가 일어날 수 있다.
따라서, 본 발명에서는 상기와 같은 조성을 갖는 슬래그에 Na2O 및 LiO2 중 적어도 하나의 금속 산화물을 2 내지 10 중량%, 보다 바람직하게는 4 내지 6 중량%의 양으로 첨가함으로써, 슬래그를 어떠한 규모의 잉곳 몰드에 적용하더라도 슬래그가 고상 및 결정화되는 속도를 늦춰 잉곳 표면에 주름이 발생하는 현상을 방지할 수 있도록 한다.
구체적으로, 본 발명에서 상기와 같이 슬래그에 첨가되는 Na2O 또는 LiO2 는 인체에 무해할 뿐만 아니라, 첨가되는 슬래그의 융점을 1200℃ 이하, 점도는 1200℃에서 2~3poise의 수준으로 낮춰, 슬래그가 고상 및 결정화되는 속도를 현저히 늦출 수 있다.
본 발명의 다른 구현 예에 따르면, 잉곳을 제조하는 방법에 관한 것으로, CaF2 50 내지 70 중량%; CaO 10 내지 30 중량%; 및 Al2O3 10 내지 30 중량%를 포함하는 일렉트로 슬래그 재용융 공정용 슬래그를 준비하는 단계; 상기 슬래그에 Na2O 및 LiO2 중 적어도 하나의 금속 산화물을 슬래그 총 중량에 대하여 2~10 중량%의 양으로 첨가하는 단계; 및 상기 금속 산화물이 첨가된 슬래그에 소모 전극을 용해시켜 잉곳을 제조하는 단계를 포함한다.
본 발명은 우선, CaF2 50 내지 70 중량%; CaO 10 내지 30 중량%; 및 Al2O3 10 내지 30 중량%를 포함하는 일렉트로 슬래그 재용융 공정용 슬래그를 준비하는 단계를 수행할 수 있는데, 이때 상기 성분들의 함량에 관한 내용은 앞서 기재한 바와 동일하다.
이렇게 슬래그가 준비되면, 본 발명에서는 제조되는 잉곳의 표면 품질을 향상시키기 위하여 준비된 슬래그에 Na2O 및 LiO2 중 적어도 하나의 금속 산화물을 슬래그 총 중량에 대하여 2~10 중량%, 바람직하게는 4~6중량%의 양으로 첨가하는 단계를 수행할 수 있다.
즉, 본 발명에서는 상기의 조성을 갖는 슬래그에 Na2O 및 LiO2 중 적어도 하나를 상기와 같은 함량으로 첨가함으로써, 슬래그의 융점은 1200℃ 이하, 점도는 1200℃에서 2~3 poise의 수준으로 낮춰, ESR 공정 중 슬래그를 대규모의 잉곳 몰드에 적용하더라도 슬래그의 온도 저하로 인한 결정화 속도를 현저히 늦춤에 따라 제조되는 잉곳 표면에 깊은 주름이 발생하는 현상을 방지할 수 있다.
구체적으로, 본 발명에서는 상기와 같이 슬래그에 금속 산화물을 첨가하면, 그 슬래그에 소모 전극을 용해시키는 일렉트로 슬래그 재용융 공정에 의해 잉곳을 제조할 수 있는데, 이때 사용되는 장치의 구성은 특별히 한정하지 않으며, 예를 들어 본 발명의 도 1에 도시한 일반적인 일렉트로 슬래그 재용융 장치를 사용하여 수행될 수 있다.
즉, 상기와 같은 조성을 갖는 슬래그(11)를 ESR 노(1)에 담지시키고, 목적하는 바에 따라 적절한 조성을 갖는 소모 전극을 준비한 뒤, 전원(2)을 턴온 시키면 슬래그(11) 및 소모 전극(10)의 상단부는 슬래그(11)의 저항 열로 인해 용융된다. 이때 용융된 금속 적상(dropwise)은 슬래그(11)를 통해 아래로 이동하고, 이 과정에서, 용융된 금속 내 S 및 기타 원소는 슬래그로 포함되고 그에 의해 금속은 정제되고 슬래그 아래에 용융 풀(12)을 형성하며, 이는 점진적으로 용광로 벽에서 용광로 바닥까지 냉각되어 ESR 잉곳(13)을 생성하게 된다.
단, 본 발명에서 상기와 같은 ESR 공정은 아르곤 등의 불활성 가스 분위기 또는 진공 분위기 하에서 수행될 수 있다.
본 발명에서는 상기와 같이 조성이 적절히 제어된 슬래그를 사용함으로써, ESR 공정 중 슬래그를 어떠한 규모의 잉곳 몰드에 적용하더라도 슬래그가 빠르게 고상 및 결정화되는 현상을 방지하여 최종적으로는 표면 품질이 우수한 잉곳을 제조할 수 있다.
1: ESR 노
2: 전원
10: 소모 전극
11: 슬래그
12: 용융풀
13: 잉곳

Claims (11)

  1. CaF2 50 내지 70 중량%; CaO 10 내지 30 중량%; 및 Al2O3 10 내지 30 중량%를 포함하는 일렉트로 슬래그 재용융 공정용 슬래그로서,
    Na2O 및 LiO2 중 적어도 하나의 금속 산화물이 2 내지 10 중량%로 첨가된 것인, 일렉트로 슬래그 재용융 공정용 슬래그.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 Na2O 및 LiO2 중 적어도 하나의 금속 산화물은 4 내지 6 중량%로 첨가되는, 일렉트로 슬래그 재용융 공정용 슬래그.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 일렉트로 슬래그 재용융 공정용 슬래그는 SiO2 0 초과 8 중량% 이하를 더 포함하는, 일렉트로 슬래그 재용융 공정용 슬래그.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 일렉트로 슬래그 재용융 공정용 슬래그의 융점은 1200℃ 이하인, 일렉트로 슬래그 재용융 공정용 슬래그.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 일렉트로 슬래그 재용융 공정용 슬래그의 점도는 1200℃에서 2~3 poise인, 일렉트로 슬래그 재용융 공정용 슬래그.
  6. CaF2 50 내지 70 중량%; CaO 10 내지 30 중량%; 및 Al2O3 10 내지 30 중량%를 포함하는 일렉트로 슬래그 재용융 공정용 슬래그를 준비하는 단계;
    상기 슬래그에 Na2O 및 LiO2 중 적어도 하나의 금속 산화물을 슬래그 총 중량에 대하여 2~10 중량%의 양으로 첨가하는 단계; 및
    상기 금속 산화물이 첨가된 슬래그에 소모 전극을 용해시켜 잉곳을 제조하는 단계를 포함하는, 잉곳의 제조방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 Na2O 및 LiO2 중 적어도 하나의 금속 산화물은 4 내지 6 중량%로 첨가되는, 잉곳의 제조방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 일렉트로 슬래그 재용융 공정용 슬래그는 SiO2 0 초과 8 중량% 이하를 더 포함하는, 잉곳의 제조방법.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 금속 산화물이 첨가된 슬래그의 융점은 1200℃ 이하인, 잉곳의 제조방법.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 금속 산화물이 첨가된 슬래그의 점도는 1200℃에서 2~3 poise인, 잉곳의 제조방법.
  11. 제6항에 있어서,
    상기 잉곳을 제조하는 단계는 불활성 가스 분위기 또는 진공 분위기 하에서 수행되는, 잉곳의 제조방법.
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