KR20240008923A - Molten steel refining method - Google Patents
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Abstract
제강 공정에 있어서, 레이들 내의 용강에 수소 플라즈마를 부여했을 때의 탈산, 탈질, 탈황의 정련 반응을 신속하게 진행시켜, 불순물이 적은 고순도 용강을 효율적으로 용제한다. 용강의 정련 방법으로서, 레이들 내에 수용된 용강 (9) 에 교반용 가스를 취입하여 용강을 교반하는 공정에 있어서, 교반 처리에 의해 유동 상태에 있는 용강의 표면에, 레이들 내 용강의 상방에 설치된 플라즈마 발생 장치 (11, 12) 로부터, 수소 가스 또는 수소 가스를 포함하는 불활성 가스를 플라즈마 가스로서 하기의 (1) 식을 만족하는 조건에서 조사하는 플라즈마 처리를 실시하여, 용강 중에 포함되는 산소, 질소, 황 중에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 원소의 함유량을 저감시킨다. (1) 식에 있어서, GP 는 플라즈마 가스의 유량 (Nm3/min), (H2) 는 플라즈마 가스 중의 수소 가스 농도 (체적%), Q 는 용강 순환 유량 (ton/min) 이다.
(GP × (H2)/Q) ≥ 0.05 …(1)In the steelmaking process, when hydrogen plasma is applied to molten steel in a ladle, the refining reactions of deoxidation, denitrification, and desulfurization proceed quickly, and high purity molten steel with few impurities is efficiently produced. A method of refining molten steel, in which a gas for stirring is blown into the molten steel 9 contained in a ladle to stir the molten steel, the ladle is installed above the molten steel in the ladle on the surface of the molten steel in a fluid state due to the stirring process. A plasma treatment is performed in which hydrogen gas or an inert gas containing hydrogen gas is irradiated from the plasma generators 11 and 12 as a plasma gas under conditions that satisfy the equation (1) below, thereby removing oxygen and nitrogen contained in the molten steel. , the content of one or two or more elements selected from sulfur is reduced. (1) In the formula, G P is the flow rate of the plasma gas (Nm 3 /min), (H 2 ) is the hydrogen gas concentration (volume %) in the plasma gas, and Q is the molten steel circulation flow rate (ton/min).
(G P × (H 2 )/Q) ≥ 0.05 … (One)
Description
본 발명은, 불순물 원소인 산소, 질소, 황의 함유량이 적은 용강을 제조하는 정련 방법에 관한 것으로, 상세하게는, 수소 가스 또는 수소 가스를 포함하는 불활성 가스를 플라즈마 가스로서 레이들 내의 용강 표면에 조사하여, 플라즈마 가스에 의해 불순물을 제거하는, 용강의 정련 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a refining method for producing molten steel with a low content of oxygen, nitrogen, and sulfur, which are impurity elements, and specifically, to irradiate hydrogen gas or an inert gas containing hydrogen gas as a plasma gas to the surface of molten steel in a ladle. Thus, it relates to a method of refining molten steel, in which impurities are removed using plasma gas.
철강 재료 중의 비금속 개재물은, 일반적으로, 재료 특성이나 품질에 악영향을 미치는 것이 알려져 있다. 또, 산화물계의 비금속 개재물은, 연속 주조에 있어서 침지 노즐의 폐색을 일으켜, 주조 속도의 감소에 의한 생산성 저하나, 최악의 경우에는 주조를 중단하지 않을 수 없게 된다. 비금속 개재물로는, 용강의 탈산시에 생성되는 산화물계의 탈산 생성물이나 강 중 합금 원소의 황화물, 질화물 등을 들 수 있다. 이들 비금속 개재물 (이하, 간단히「개재물」로도 기재한다) 의 양을 저감시키는 데에는, 용강 중의 산소, 질소 및 황을 최대한 저감시키는 것이 중요하며, 종래, 다양한 대처가 이루어져 왔다.It is generally known that non-metallic inclusions in steel materials have a negative effect on material properties and quality. Additionally, oxide-based non-metallic inclusions cause blockage of the submerged nozzle during continuous casting, resulting in lower productivity due to a decrease in casting speed and, in the worst case, forcing casting to be stopped. Non-metallic inclusions include oxide-based deoxidation products generated during deoxidation of molten steel, and sulfides and nitrides of alloy elements in steel. In order to reduce the amount of these non-metallic inclusions (hereinafter also simply referred to as “inclusions”), it is important to reduce oxygen, nitrogen, and sulfur in molten steel as much as possible, and various measures have been taken in the past.
용강 중의 산소에 대해서는, 알루미늄 (Al) 이나 규소 (Si) 와 같은 탈산재를 첨가함으로써, 용강 중의 용존 산소를 Al2O3 이나 SiO2 로서 고정시키고 있다. 생성된 산화물계 개재물은, 용강과의 비중차를 이용하여, 용강의 가스 교반 처리나 RH 진공 탈가스 장치에서의 환류 처리 등에 의해 부상 제거가 도모되고 있다. 그러나, 현 상황에서는 모든 산화물계 개재물의 분리 제거는 불가능하며, 산화물계 개재물의 용강 중으로의 잔류는 피할 수 없다.Regarding the oxygen in the molten steel, the dissolved oxygen in the molten steel is fixed as Al 2 O 3 or SiO 2 by adding a deoxidizing agent such as aluminum (Al) or silicon (Si). The generated oxide-based inclusions are removed by flotation by using the difference in specific gravity from the molten steel by gas stirring treatment of the molten steel or reflux treatment in an RH vacuum degassing device. However, under the current situation, it is impossible to separate and remove all oxide-based inclusions, and remaining oxide-based inclusions in the molten steel cannot be avoided.
용강 중의 질소에 대해서는, 진공 탈가스 설비에 있어서의 진공 처리에 의해 저감이 도모된다. 그러나, 용강 중의 질소는, 계면 활성 원소인 산소나 황의 영향을 받는 것 외에, 진공계 외로부터의 대기 혼입에 의한 흡질을 피하는 것이 어려워, 안정적으로 저농도의 질소 레벨을 달성하지 못하고 있는 것이 현 상황이다.Nitrogen in molten steel is reduced by vacuum treatment in a vacuum degassing facility. However, nitrogen in molten steel is influenced by oxygen and sulfur, which are surface active elements, and it is difficult to avoid adsorption due to air incorporation from outside the vacuum system, so the current situation is that a stable low concentration nitrogen level cannot be achieved.
용강 중의 황에 대해서는, CaO 계 플럭스나 CaO-Al2O3 계 플럭스의 첨가 (탈황제 첨가) 에 의해 저감이 도모되고 있다. 예를 들어, 레이들 정련로에 있어서의 레이들 정련에서는, 레이들 바닥으로부터 아르곤 가스를 용강 중에 취입하여 교반함으로써, 레이들 내의 용강과 CaO-Al2O3 계 플럭스의 반응을 촉진시키고, 플럭스측 (슬래그측) 으로 황을 이동시켜, 용강 중 황의 저감을 도모하고 있다. 그러나, 이와 같은 레이들 정련로에서의 처리에서는, 흑연 전극에 의한 아크 가열을 실시하는 점에서, 용강 중으로의 탄소의 용입이 발생하여, 극저탄소강과 같은 강종에는 적용하기 어렵다.Sulfur in molten steel is being reduced by adding a CaO-based flux or a CaO-Al 2 O 3- based flux (addition of a desulfurizing agent). For example, in ladle refining in a ladle refining furnace, argon gas is blown into the molten steel from the bottom of the ladle and stirred to promote the reaction between the molten steel in the ladle and the CaO-Al 2 O 3 -based flux, and the flux By moving sulfur to the slag side, we are trying to reduce sulfur in molten steel. However, in the treatment in such a ladle refining furnace, since arc heating is performed using a graphite electrode, carbon infiltration into the molten steel occurs, making it difficult to apply to steel types such as ultra-low carbon steel.
또, RH 진공 탈가스 장치에 있어서, 진공조 내를 환류하는 용강에 CaO 계 플럭스 또는 CaO-Al2O3 계 플럭스를 첨가함으로써 탈황을 실시하는 방법이 있다. 또한, 아르곤 가스와 같은 불활성 가스를 반송용 가스로서 상취 랜스로부터 진공조 내를 환류하는 용강에 CaO 계 플럭스 또는 CaO-Al2O3 계 플럭스를 투사 (내뿜는다) 함으로써 탈황을 실시하는 방법도 있다. 그러나, 이들 방법에서는, 용강과 플럭스의 반응 시간이 충분하지 않아, 효율적으로 저위의 황 농도의 용강을 얻는 것은 어렵다.Additionally, in the RH vacuum degassing device, there is a method of performing desulfurization by adding a CaO-based flux or a CaO-Al 2 O 3- based flux to the molten steel refluxing in the vacuum tank. In addition, there is also a method of performing desulfurization by projecting (blotting) CaO-based flux or CaO-Al 2 O 3 -based flux onto the molten steel refluxing in the vacuum tank from the top blowing lance using an inert gas such as argon gas as a conveying gas. However, in these methods, the reaction time between the molten steel and the flux is not sufficient, and it is difficult to efficiently obtain molten steel with a low sulfur concentration.
그런데, 금속 중의 불순물을 저감시키는 정련 기술로서, 수소 플라즈마의 이용이 알려져 있다. 플라즈마 내의 온도는 수천 도 이상에나 달하기 때문에, 플라즈마 가스 중의 수소 가스가 원자 또는 이온 상태가 되어, 매우 활성인 상태가 된다. 이것을 용강 표면에 조사함으로써, 통상적인 수소 가스 조사만으로는 이룰 수 없는 우수한 정련 효과를 기대할 수 있다. 즉, 하기에 나타내는 (6) 식 내지 (8) 식의 반응에 의해, 용강 중의 산소, 질소, 황을 신속하게 제거할 수 있다.However, the use of hydrogen plasma is known as a refining technology to reduce impurities in metal. Since the temperature in the plasma reaches thousands of degrees or more, the hydrogen gas in the plasma gas is in an atomic or ionic state and is in a very active state. By irradiating this to the molten steel surface, an excellent refining effect that cannot be achieved by ordinary hydrogen gas irradiation alone can be expected. That is, oxygen, nitrogen, and sulfur in the molten steel can be quickly removed through reactions of formulas (6) to (8) shown below.
2H + [O] = H2O ……(6)2H + [O] = H 2 O... … (6)
xH + [N] = NHx ……(7)xH + [N] = NH x ... … (7)
yH + [S] = HyS ……(8)yH + [S] = H y S... … (8)
여기서, [O] 는 용강 중의 산소, [N] 은 용강 중의 질소, [S] 는 용강 중의 황을 나타낸다.Here, [O] represents oxygen in the molten steel, [N] represents nitrogen in the molten steel, and [S] represents sulfur in the molten steel.
용강 중의 산소, 질소 및 황을, H2O, NHx 및 HyS 로 하여, 각각 가스로서 계 외로 제거할 수 있는 것에 더하여, 산소 제거시 (탈산시) 에 개재물을 발생시키지 않으므로 청정성이 높은 강이 얻어진다.In addition to the fact that oxygen, nitrogen , and sulfur in molten steel can be removed to the outside of the system as gases as H 2 O, NH A river is obtained.
이와 같은 수소 플라즈마를 이용한 고순도 금속의 정제 기술로서, 특허문헌 1 에는, 수소 플라즈마를 사용하여 금속의 용융을 실시할 때에, 금속 중의 산소, 질소 또는 탄소를 저감시키기 위한 플라즈마 가스 중의 수소 농도나 노 내 압력의 바람직한 범위가 개시되어 있다.As a technology for refining high-purity metal using such hydrogen plasma,
그러나, 상기 특허문헌 1 의 기술을 공업 규모의 제강 공정에 적용하는 데에는, 이하의 문제점이 있다.However, there are the following problems in applying the technology of
특허문헌 1 에 기재된 실시예에서는, 수십 g 내지 수십 ㎏ 레벨의 금속을 플라즈마 용해로에서 처리한 경우의 정련 효과가 기재되어 있다. 그러나, 공업 규모의 제강 공정에서는 100 톤을 초과하는 용강을 처리할 필요가 있어, 플라즈마 가스를 용강 전체에 조사하는 것이 어렵다. 그 때문에, 특허문헌 1 의 개시 기술로는 신속한 불순물 제거 효과를 얻을 수 없을 것이 염려된다. 신속한 불순물 제거 효과를 얻기 위해서는, 플라즈마 조건뿐만 아니라, 용강측의 유동 조건을 적절하게 하여, 효율적으로 수소 플라즈마 처리를 실시하는 것이 중요하다.In the example described in
또, 특허문헌 1 의 개시 기술에는, 수소 플라즈마를 부여하는 대상의 금속량이나, 금속량과 플라즈마 가스 유량의 관계가 규정되어 있지 않다. 그 때문에, 플라즈마 가스 조성이나 분위기 압력을 적절히 제어해도, 금속량에 대한 플라즈마 가스 유량이나 수소량이 부족하여, 충분한 불순물 저감 효과를 얻을 수 없는 케이스가 상정된다. 나아가서는, 특허문헌 1 은, 이미 용융되어 있는 철에 수소 플라즈마를 부여하는 기술이 아니라, 플라즈마에 의한 대상 금속의 가열 용융의 역할도 갖고 있다. 그 때문에, 제강 공정과 같이, 이미 용융되어 있는 강에 대해 개시되는 플라즈마 가스 조건을 적용해도, 동일한 기대 효과가 얻어지지 않을 가능성도 염려된다.Additionally, in the technology disclosed in
본 발명은 상기 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 그 목적으로 하는 바는, 제강 공정에 있어서, 레이들 내의 용강에 수소 플라즈마를 부여했을 때의 탈산, 탈질, 탈황의 정련 반응을 신속하게 진행시켜, 불순물이 적은 고순도 용강을 효율적으로 용제하는, 용강의 정련 방법을 제공하는 것이다.The present invention was made in consideration of the above circumstances, and its purpose is to rapidly proceed with the refining reactions of deoxidation, denitrification, and desulfurization when hydrogen plasma is applied to the molten steel in the ladle in the steelmaking process, thereby removing impurities. The purpose of this article is to provide a method for refining molten steel that efficiently melts high-purity molten steel.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 요지는 이하와 같다.The gist of the present invention for solving the above problems is as follows.
[1] 레이들 내에 수용된 용강에 교반용 가스를 취입하여 레이들 내의 용강을 교반하는 가스 교반 처리를 실시하는 공정에 있어서,[1] In the process of performing a gas stirring treatment in which a stirring gas is blown into the molten steel contained in a ladle to stir the molten steel in the ladle,
상기 가스 교반 처리에 의해 유동 상태에 있는 레이들 내 용강의 표면에, 당해 레이들 내 용강의 상방에 설치된 플라즈마 발생 장치로부터, 수소 가스 또는 수소 가스를 포함하는 불활성 가스를 플라즈마 가스로서 하기의 (1) 식을 만족하는 조건에서 조사하는 플라즈마 처리를 실시하여, 당해 플라즈마 처리에 의해 용강 중에 포함되는 산소, 질소, 황 중에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 원소의 함유량을 저감시키는, 용강의 정련 방법.From the plasma generator installed above the molten steel in the ladle, hydrogen gas or an inert gas containing hydrogen gas is applied to the surface of the molten steel in the ladle in a fluid state by the gas stirring treatment as a plasma gas as shown in (1). ) A method of refining molten steel in which plasma treatment is performed under conditions that satisfy the formula, and the plasma treatment reduces the content of one or two or more elements selected from oxygen, nitrogen, and sulfur contained in the molten steel.
여기서, GP 는 플라즈마 가스의 유량 (Nm3/min), (H2) 는 플라즈마 가스 중의 수소 가스 농도 (체적%), Q 는 레이들 내 용강의 용강 순환 유량 (ton/min) 이다.Here, G P is the flow rate of the plasma gas (Nm 3 /min), (H 2 ) is the hydrogen gas concentration (volume %) in the plasma gas, and Q is the molten steel circulation flow rate of the molten steel in the ladle (ton/min).
[2] 상기 레이들 내 용강의 용강 순환 유량을, 하기의 (2) 식, (3) 식, (4) 식을 사용하여 산출하는, 상기 [1] 에 기재된 용강의 정련 방법.[2] The molten steel refining method according to [1] above, wherein the molten steel circulation flow rate of the molten steel in the ladle is calculated using the following equations (2), (3), and (4).
여기서, Q 는 레이들 내 용강의 용강 순환 유량 (ton/min), Wm 은 레이들 내 용강의 질량 (ton), tc 는 레이들 내 용강의 용강 순환 시간 (min), D 는 레이들 내 용강욕의 평균 직경 (m), H 는 레이들 내 용강욕의 깊이 (m), ε 은 교반 동력 (W/ton), GB 는 레이들 내 용강에 대한 합계 교반용 가스 취입 유량 (Nm3/min), TL 은 레이들 내 용강의 용강 온도 (K), P0 은 플라즈마 조사 영역의 분위기 압력 (torr) 이다.Here, Q is the molten steel circulation flow rate of the molten steel in the ladle (ton/min), W m is the mass of molten steel in the ladle (ton), t c is the molten steel circulation time of the molten steel in the ladle (min), and D is the ladle The average diameter of the molten steel bath in the ladle (m), H is the depth of the molten steel bath in the ladle (m), ε is the stirring power (W/ton), G B is the total stirring gas injection flow rate for the molten steel in the ladle (Nm) 3 /min), T L is the molten steel temperature (K) in the ladle, and P 0 is the atmospheric pressure (torr) in the plasma irradiation area.
[3] 상기 가스 교반 처리는, 상기 레이들의 바닥부에 1 개 지점 또는 2 개 지점 이상의 가스 취입부를 설치하고, 당해 가스 취입부로부터 상기 레이들 내 용강 중에 교반용 가스를 취입함으로써 실시되고, 그 때의 (4) 식으로 산출되는 교반 동력 (ε) 이 25 W/ton 이상인, 상기 [1] 또는 상기 [2] 에 기재된 용강의 정련 방법.[3] The gas stirring process is performed by installing a gas inlet at one point or at two or more points at the bottom of the ladle, and blowing a gas for stirring into the molten steel in the ladle from the gas inlet, The molten steel refining method according to [1] or [2] above, wherein the stirring power (ε) calculated by equation (4) is 25 W/ton or more.
[4] 상기 가스 취입부 중 적어도 1 개 지점의 연직 상방의 용강 표면 바로 위를 중심으로 하여, 하기의 (5) 식으로 산출되는 플라즈마 조사 범위 반경 (r) 이내의 범위에 상기 플라즈마 가스를 조사하는, 상기 [3] 에 기재된 용강의 정련 방법.[4] The plasma gas is irradiated in a range within the plasma irradiation range radius (r) calculated by the equation (5) below, centered just above the molten steel surface vertically above at least one of the gas inlet points. The method for refining molten steel according to [3] above.
여기서, r 은 플라즈마 조사 범위 반경 (m), gB 는 교반용 가스의 취입 유량 (Nm3/min/가스 취입부 1 개 지점) 이다.Here, r is the radius of the plasma irradiation range (m), and g B is the injection flow rate of the stirring gas (Nm 3 /min/one gas injection point).
[5] 상기 레이들 내 용강에 플라즈마 가스를 조사할 때의 분위기 압력이 150 torr 이하인, 상기 [1] 내지 상기 [4] 중 어느 하나에 기재된 용강의 정련 방법.[5] The method for refining molten steel according to any one of [1] to [4] above, wherein the atmospheric pressure when irradiating plasma gas to the molten steel in the ladle is 150 torr or less.
[6] 레이들 내에 수용한 용강의 표면에 부유하는 슬래그는, 철 산화물의 농도와 망간 산화물의 농도의 합계가 5 질량% 이하인, 상기 [1] 내지 상기 [5] 중 어느 하나에 기재된 용강의 정련 방법.[6] The slag floating on the surface of the molten steel contained in the ladle is the molten steel according to any one of [1] to [5] above, wherein the total concentration of iron oxide and manganese oxide is 5% by mass or less. Refining method.
[7] 상기 플라즈마 처리에 의해, 용강에 포함되는 산소, 질소, 황의 3 원소의 함유량을 동시에 저감시키는, 상기 [1] 내지 상기 [6] 중 어느 하나에 기재된 용강의 정련 방법.[7] The method of refining molten steel according to any one of [1] to [6] above, wherein the content of the three elements of oxygen, nitrogen, and sulfur contained in the molten steel is simultaneously reduced by the plasma treatment.
본 발명에 의하면, 레이들에 수용된 용강에, 수소 플라즈마 처리를 적절히 실시할 수 있고, 그 결과, 불순물이 적은 고순도강을 신속하게 용제할 수 있어, 공업상 유익한 효과를 가져온다.According to the present invention, hydrogen plasma treatment can be appropriately performed on molten steel contained in a ladle, and as a result, high-purity steel with few impurities can be quickly melted, resulting in an industrially beneficial effect.
도 1 은, 일반적인 레이들 정련로의 일례를 나타내는 개략 종단면도이다.1 is a schematic longitudinal cross-sectional view showing an example of a typical ladle refining furnace.
이하, 본 발명에 대해 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.
본 발명에 관련된 용강의 정련 방법은, 레이들 내에 수용된 용강에 교반용 가스를 취입하여 레이들 내의 용강을 교반하는 가스 교반 처리를 실시하는 공정에 있어서, 가스 교반 처리에 의해 유동 상태에 있는 레이들 내 용강의 표면에, 레이들 내 용강의 상방에 설치된 플라즈마 발생 장치로부터, 플라즈마화된 수소 가스, 또는, 플라즈마화된 수소 가스와 불활성 가스의 혼합 가스를 플라즈마 가스로서 조사하여, 이 플라즈마 가스의 조사에 의해 용강 중의 산소, 질소, 황 중에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 원소를 제거하여, 그 함유량을 저감시키는 용제 방법이다. 본 명세서에서는, 수소 가스 또는 수소 가스를 포함하는 불활성 가스를 플라즈마 가스로서 용강 표면에 조사하는 것을「플라즈마 처리」또는「수소 플라즈마 처리」라고 칭한다.The method for refining molten steel according to the present invention is a process of performing a gas stirring treatment in which a stirring gas is blown into the molten steel contained in a ladle to agitate the molten steel in the ladle, wherein the ladle is in a fluid state by the gas stirring treatment. The surface of the molten steel is irradiated as plasma gas with plasmaized hydrogen gas or a mixture of plasmaized hydrogen gas and an inert gas from a plasma generator installed above the molten steel in the ladle, and irradiated with this plasma gas. This is a solvent method that removes one or two or more elements selected from oxygen, nitrogen, and sulfur in molten steel to reduce their content. In this specification, irradiating hydrogen gas or an inert gas containing hydrogen gas as a plasma gas to the molten steel surface is referred to as “plasma treatment” or “hydrogen plasma treatment.”
본 발명을 실시 가능한 정련 설비는, 교반용 가스를 레이들 내의 용강에 취입하여 용강을 교반할 수 있는 2 차 정련로이고, 예를 들어, 레이들 정련로 (LF : Ladle Furnace), VOD 로 (Vacuum OxygenDecarburization 로), VAD 로 (Vacuum Arc Decarburization 로), REDA (Revolutionary Degassing Activator) 진공 탈가스 장치 등이 있다.A refining facility capable of implementing the present invention is a secondary refining furnace capable of agitating the molten steel by blowing a stirring gas into the molten steel in a ladle, for example, a ladle furnace (LF: Ladle Furnace) and a VOD furnace ( There are Vacuum OxygenDecarburization Furnace), VAD Furnace (Vacuum Arc Decarburization Furnace), REDA (Revolutionary Degassing Activator) vacuum degassing device, etc.
도 1 에, 일반적인 레이들 정련로의 일례를 개략 종단면도로 나타낸다. 도 1 에 있어서, 부호 1 은 레이들 정련로, 2 는 레이들, 3 은 상측 덮개, 4 는 흑연 전극, 5 는 철피, 6 은 라이닝 내화물, 7 은 영구 내화물, 8, 8a 는 저취 플러그, 9 는 용강, 10 은 슬래그, 11, 12 는 플라즈마 토치, 13 은 교반용 가스 기포이다. 용강 (9) 을 수용하는 레이들 (2) 은, 외각을 철피 (5) 로 하고, 철피 (5) 의 내측에, 영구 내화물 (7), 라이닝 내화물 (6) 의 순서로 내화물이 시공되어 있고, 라이닝 내화물 (6) 의 적어도 일부 (주로 슬래그 라인) 는 MgO 계 내화물로 시공되어 있다. 또, 레이들 (2) 의 바닥부에는, 가스 취입부로서, 희가스 등의 교반용 가스를 취입하기 위한 저취 플러그 (8, 8a) 가 설치되어 있다. 플라즈마 토치 (11, 12) 는, 플라즈마 발생 장치의 일부분을 구성하는 장치로서, 그 선단부로부터 레이들 내의 용강 (9) 의 표면에 플라즈마 가스를 조사하여 수소 플라즈마 처리를 실시하는 장치이며, 상측 덮개 (3) 를 관통하여 설치되어 있고, 레이들 (2) 과 상측 덮개 (3) 로 둘러싸이는 공간 내에서의 상하 이동이 가능하게 되어 있다. 도 1 에서는, 플라즈마 토치가 2 기 설치되어 있지만, 플라즈마 토치는 1 기여도, 또, 3 기 이상이어도 상관없다. 또, 도 1 에서는, 저취 플러그가 2 개 지점에 설치되어 있지만, 저취 플러그는 1 개 지점이어도, 또, 3 개 지점 이상이어도 상관없다.In Fig. 1, an example of a typical ladle refining furnace is shown in a schematic longitudinal cross-sectional view. In Figure 1,
레이들 정련로 (1) 는, 레이들 내의 용강 (9) 에 대해, 저취 플러그 (8, 8a) 로부터 아르곤 가스 등의 교반용 가스를 취입하고, 용강 (9) 을 교반하면서, 정련용 플럭스 및 합금재를 첨가하는 설비이다. 그리고, 레이들 정련로 (1) 는, 흑연 전극 (4) 에 의한 통전 가열을 실시하여, 용강 (9) 의 성분 및 온도를 목표값으로 조정하는 설비이기도 하다. 또한, 교류 전원에 의해 통전 가열을 실시하는 설비에서는, 흑연 전극 (4) 이 3 개 설치되는 경우가 많지만, 도 1 에서는, 3 개의 흑연 전극 (4) 중 2 개의 기재를 생략하고, 흑연 전극 (4) 이 1 개 기재된 도면으로 되어 있다. 또, 레이들 정련로 (1) 에서는, 첨가한 정련용 플럭스가 용융되어 원하는 조성의 슬래그 (10) 가 형성되고, 이 슬래그 (10) 와 용강 (9) 의 반응에 의해, 용강 중 개재물의 형태 제어나 용강의 탈황 반응이 실시된다. 레이들 (2) 의 슬래그 라인의 라이닝 내화물 (6) 을 MgO 계 내화물로 하는 이유는, MgO 계 내화물은 슬래그 (10) 에 대한 내식성이 높은 것에 기초한다. 레이들 정련로 (1) 에서는, 레이들 (2) 과 상측 덮개 (3) 로 둘러싸이는 공간 내 분위기의 압력은 대기압과 동등하다. 요컨대, 레이들 정련로 (1) 에서는, 감압하의 정련은 실시할 수 없다.The
VOD 로 (도시 생략) 및 VAD 로 (도시 생략) 는, 배기 장치에 연결된 진공 챔버를 구비하고, 용강 (9) 을 수용한 레이들 (2) 을 진공 챔버의 내부에 배치한다. 그리고, 진공 챔버의 내부를 감압하여, 레이들 (2) 의 바닥부에 배치한 저취 플러그 (8, 8a) 로부터 교반용의 희가스 또는 비산화성 가스를 취입하도록 구성되어 있다. 이렇게 하여 레이들 내의 용강 (9) 을 교반시키면서, 진공 챔버를 관통시켜 설치한 상취 랜스로부터 산소 가스 혹은 반송용 가스와 함께 탈황제 등의 정련제를 레이들 내의 용강 (9) 에 내뿜어 정련하는 설비이다. VAD 로는, 레이들 정련로 (1) 와 동일하게, 용강 (9) 을 가열하기 위한 흑연 전극을 구비하고 있다. VOD 로 및 VAD 로에서는, 통상적으로, 감압하에서 정련이 실시된다. 플라즈마 토치를, 진공 챔버의 상부에 진공 챔버를 관통시켜 설치함으로써, 본 발명을 실시할 수 있다.The VOD furnace (not shown) and the VAD furnace (not shown) have a vacuum chamber connected to an exhaust device, and a
REDA 진공 탈가스 장치 (도시 생략) 는, 교반용 가스에 의한 레이들 내 용강의 저취 교반과, 레이들 내 용강에 선단부를 침지시킨, 내부가 감압되는 대경 침지조를 조합한 탈가스로이고, 저취 교반하면서, 대경 침지조 내에 용강을 상승시켜 정련하는 장치이다. REDA 진공 탈가스 장치에서는, 통상적으로, 감압하에서 정련이 실시된다. 플라즈마 토치를, 대경 침지조의 상부에 대경 침지조를 관통시켜 설치함으로써, 본 발명을 실시할 수 있다.The REDA vacuum degassing device (not shown) is a degassing furnace that combines bottom blowing agitation of the molten steel in the ladle using a stirring gas and a large-diameter immersion tank with a depressurized interior in which the tip is immersed in the molten steel in the ladle. This is a device that elevates molten steel into a large-diameter immersion tank and refines it while stirring. In the REDA vacuum degassing device, refining is usually carried out under reduced pressure. The present invention can be implemented by installing a plasma torch on the upper part of the large-diameter immersion tank through the large-diameter immersion tank.
본 실시형태에 관련된 용강의 정련 방법에서는, 레이들 정련로 (1) 나 VOD 로 등의 2 차 정련로에서의 용강 (9) 의 정련 중, 아르곤 가스 등의 교반용 가스에 의해 교반되고 있는 용강 (9) 의 표면에, 플라즈마 토치 (11, 12) 로부터, 수소 가스 또는 수소 가스를 포함하는 불활성 가스를 플라즈마 가스로서 조사한다. 플라즈마 내의 온도는 수천 도 이상에나 달하므로, 플라즈마 가스 중의 수소 가스가 원자 또는 이온 상태가 되어, 매우 활성인 상태가 된다. 원자 또는 이온 상태의 활성인 수소를 용강 표면에 조사함으로써, 하기에 나타내는 (6) 식, (7) 식, (8) 식의 반응이 형성되고, 용강 중의 산소, 질소, 황을 신속하게 제거할 수 있다.In the molten steel refining method according to the present embodiment, the molten steel is stirred by a stirring gas such as argon gas during refining of the
2H + [O] = H2O ……(6)2H + [O] = H 2 O... … (6)
xH + [N] = NHx ……(7)xH + [N] = NH x ... … (7)
yH + [S] = HyS ……(8)yH + [S] = H y S... … (8)
(6) 식, (7) 식, (8) 식에 있어서, [O] 는 용강 중의 산소, [N] 은 용강 중의 질소, [S] 는 용강 중의 황을 나타낸다.In the formulas (6), (7), and (8), [O] represents oxygen in the molten steel, [N] represents nitrogen in the molten steel, and [S] represents sulfur in the molten steel.
도 1 에서는, 저취 플러그 (8, 8a) 로부터 교반용 가스를 취입하고 있지만, 용강 (9) 에 인젝션 랜스 (도시 생략) 를 침지시키고, 인젝션 랜스의 선단부로부터 교반용 가스를 용강 (9) 에 취입해도 된다. 교반용 가스로는, 불활성 가스인 아르곤이나, 환원 가스인 수소 가스나 프로판을 사용할 수 있다. 수소 플라즈마 처리에 있어서, 탈질 반응을 목적으로 하지 않는 경우에는, 교반용 가스로서 질소 가스를 사용할 수도 있다. 또, 불활성 가스나 질소 가스를 혼합하여 사용하거나, 수소 플라즈마 처리 중에 적절히 전환하여 사용하거나 할 수 있다.In Fig. 1, the stirring gas is blown from the bottom blowing plugs 8 and 8a, but an injection lance (not shown) is immersed in the
플라즈마를 발생시키는 데에는 다양한 방식이 있지만, 도 1 에 나타내는 바와 같이, 플라즈마 토치 (11, 12) 를 사용하여 플라즈마를 발생시키는 방식이 일반적이다. 플라즈마 토치 (11, 12) 는, 주로 직류 전류를 사용하여, 기류나 수랭 노즐 등의 작용으로, 아크 플라즈마를 각종 용도에 적합한 형태로, 안정적으로 또한 양호한 제어로 발생시키는 장치 중 하나이다.There are various methods for generating plasma, but as shown in FIG. 1, a method of generating plasma using
전술한 직류 전원을 사용한 플라즈마 토치에는 비이행형과 이행형이 있다. 비이행형의 플라즈마 토치에서는, 용강측에 전극을 형성할 필요가 없기 때문에, 설비 제약이 적고, 또, 설치 비용이 저렴하며, 이 관점에서, 직류 아크 방전에 의한 비이행형의 플라즈마 토치를 사용하는 것이 바람직하다.There are two types of plasma torches using the above-described direct current power supply: non-transitional type and transitional type. In the non-transition type plasma torch, there is no need to form an electrode on the molten steel side, so there are fewer equipment restrictions and installation costs are low. From this point of view, a non-transition type plasma torch using direct current arc discharge is used. It is desirable to do so.
또한, 플라즈마 발생 장치는, 용강 (9) 의 상방에 설치할 수 있고, 또한, 수소 플라즈마를 용강 표면에 안정적으로 공급 가능한 형태라면, 특별히 방식은 제한되지 않는다. 예를 들어, 레이들 정련로 (1) 에서 수소 플라즈마 처리를 실시하는 경우, 흑연 전극 (4) 으로부터 생성되는 아크 중에 수소 가스 또는 수소를 포함하는 불활성 가스를 공급하고, 수소 가스 또는 수소 가스를 포함하는 불활성 가스를 플라즈마화시키는 방식이어도 된다. 또, VOD 로와 같은 가열용의 전극을 갖지 않는 프로세스에 대해서는, 용강 (9) 의 상방에 교류 아크를 발생시키는 전극을 형성하고, 이 전극 사이에 수소 가스 또는 수소 가스를 포함하는 불활성 가스를 공급함으로써, 수소 플라즈마 처리를 실시할 수 있다.Additionally, the plasma generating device can be installed above the
플라즈마 가스로는, 수소 가스, 또는, 수소 가스와 불활성 가스를 혼합한 혼합 가스를 사용한다. 수소 가스를 사용하는 이유는, 전술한 바와 같이, 수소 가스를 플라즈마화시킴으로써, 직접적으로 용강 중의 불순물을 제거할 수 있기 때문이다. 신속한 불순물 제거 효과를 얻기 위해서는, 플라즈마 가스 중에 수소 가스를 0.5 체적% 이상 혼합하는 것이 바람직하다. 수소 플라즈마 가스 중의 수소 가스 농도가 높을수록, 불순물 제거 효과가 상승하므로, 수소 플라즈마 가스 중의 수소 가스 농도의 상한은 특별히 두지 않는다. 불활성 가스로는, 아르곤 가스나 헬륨 가스를 사용할 수 있다.As the plasma gas, hydrogen gas or a mixed gas containing hydrogen gas and an inert gas is used. The reason for using hydrogen gas is that impurities in molten steel can be directly removed by turning hydrogen gas into plasma, as described above. In order to obtain a rapid impurity removal effect, it is preferable to mix 0.5 volume% or more of hydrogen gas in the plasma gas. Since the higher the hydrogen gas concentration in the hydrogen plasma gas, the impurity removal effect increases, there is no particular upper limit to the hydrogen gas concentration in the hydrogen plasma gas. As the inert gas, argon gas or helium gas can be used.
용강 중의 산소, 질소 및 황과 같은 불순물을 신속하게 저감시키는 데에는, 플라즈마 가스의 유량, 플라즈마 가스 중의 수소 가스 농도, 및, 레이들 내 용강의 용강 순환 유량의 3 개의 요소를, 적절한 범위로 제어할 필요가 있다.In order to quickly reduce impurities such as oxygen, nitrogen, and sulfur in molten steel, the three elements of the flow rate of the plasma gas, the hydrogen gas concentration in the plasma gas, and the circulation flow rate of the molten steel in the ladle must be controlled to an appropriate range. There is a need.
즉, 신속한 불순물 제거 효과를 얻기 위해서는, 플라즈마 가스 중의 수소 가스 농도를 높이는 것뿐만 아니라, 저취 가스 교반에 의해 레이들 내 용강욕 내를 순환하는 용강 순환 유량에 대해 적절한 수소 가스량을 공급하는 것이 필요하다. 구체적으로는, 하기의 (1) 식에 나타내는 바와 같이, 플라즈마 가스의 유량 (GP), 플라즈마 가스 중의 수소 농도 (H2), 및, 레이들 내 용강의 용강 순환 유량 (Q) 의 3 개의 요소가, 하기의 (1) 식의 관계를 만족하는 조건인 것이 필요하다. 또, 바람직하게는 3 개의 요소의 관계 (GP × (H2)/Q) 를 0.1 이상으로 하는 것이고, 보다 바람직하게는 0.5 이상으로 하는 것이다. 한편, (GP × (H2)/Q) 가 3.0 보다 커지면, 플라즈마 가스 중의 수소를 해리 혹은 전리하기 위해 큰 출력을 요하게 된다. 나아가서는, 그것에 수반하는 플라즈마 토치의 손모가 현저해지기 시작하기 때문에, (GP × (H2)/Q) 를 3.0 이하로 하는 것이 보다 바람직하다.In other words, in order to achieve a rapid impurity removal effect, it is necessary not only to increase the hydrogen gas concentration in the plasma gas, but also to supply an appropriate amount of hydrogen gas for the molten steel circulation flow rate circulating in the molten steel bath in the ladle by stirring the bottom gas. . Specifically, as shown in equation (1) below, the flow rate of the plasma gas (G P ), the hydrogen concentration in the plasma gas (H 2 ), and the molten steel circulation flow rate (Q) of the molten steel in the ladle. The element must be a condition that satisfies the relationship in equation (1) below. Also, the relationship between the three elements (G P × (H 2 )/Q) is preferably 0.1 or more, and more preferably 0.5 or more. On the other hand, when (G P × (H 2 )/Q) becomes greater than 3.0, a large output is required to dissociate or ionize hydrogen in the plasma gas. Furthermore, since the accompanying wear and tear of the plasma torch begins to become significant, it is more preferable to set (G P × (H 2 )/Q) to 3.0 or less.
(1) 식에 있어서, GP 는, 플라즈마 가스의 유량 (Nm3/min), (H2) 는, 플라즈마 가스 중의 수소 가스 농도 (체적%), Q 는, 레이들 내 용강의 용강 순환 유량 (ton/min) 이다. 또한, 플라즈마 가스의 유량의「Nm3/min」은, 플라즈마 가스의 체적 유량을 나타내는 단위이고,「Nm3」은, 표준 상태에 있어서의 플라즈마 가스의 체적을 의미한다. 본 명세서에서는, 플라즈마 가스의 표준 상태를 0 ℃, 1 atm (101325 Pa) 로 한다.(1) In the equation, G P is the flow rate of the plasma gas (Nm 3 /min), (H 2 ) is the hydrogen gas concentration (volume %) in the plasma gas, and Q is the molten steel circulation flow rate of the molten steel in the ladle. (ton/min). In addition, “Nm 3 /min” of the flow rate of the plasma gas is a unit representing the volumetric flow rate of the plasma gas, and “Nm 3 ” means the volume of the plasma gas in a standard state. In this specification, the standard state of plasma gas is 0°C and 1 atm (101325 Pa).
레이들 내 용강의 용강 순환 유량 (Q) 은, 레이들 내의 용강 질량 및 저취 가스에 의한 교반 동력에 영향을 받는다. 그 때문에, 이들 조건마다, 레이들 내 용강에 있어서의 용강 순환 시간을 실기 (實機) 의 레이들 (2) 에 있어서 측정하고, 레이들 내의 용강 질량을, 측정된 용강 순환 시간으로 제산함으로써, 레이들 내에 있어서의 용강 (9) 의 용강 순환 유량 (Q) 을 구할 수 있다.The molten steel circulation flow rate (Q) of the molten steel in the ladle is influenced by the mass of molten steel in the ladle and the stirring power caused by the bottom blowing gas. Therefore, for each of these conditions, the molten steel circulation time of the molten steel in the ladle is measured in the
여기서, 레이들 내의 용강 (9) 에, 트레이서 원소 (예를 들어, 구리, 니켈 등) 를 첨가하고, 레이들 내로부터 시계열로 채취한 성분 분석용 시료의 트레이서 원소 농도의 변동이 ±5 % 이내가 되는 데에 요하는 시간을 균일 혼합 시간으로 하면, 용강 순환 시간은 균일 혼합 시간의 약 1/3 이 되는 점에서, 얻어진 균일 혼합 시간의 1/3 이 되는 시간을 용강 순환 시간으로서 사용할 수 있다.Here, tracer elements (e.g., copper, nickel, etc.) are added to the
또, 레이들 내 용강에 있어서의 용강 순환 시간은, 하기의 (3) 식으로 나타내는, 경험적인 회귀식으로 구할 수 있고, 또한, 하기의 (3) 식에 있어서의 교반 동력 (ε) 은, 하기의 (4) 식으로 나타내는, 경험적인 회귀식으로 구할 수 있는 것이 주지되어 있다. 따라서, 하기의 (2) 식, (3) 식, (4) 식을 사용하여 레이들 내 용강의 용강 순환 유량 (Q) 을 구하는 것이 바람직하다.In addition, the molten steel circulation time for the molten steel in the ladle can be obtained by an empirical regression equation expressed in equation (3) below, and the stirring power (ε) in equation (3) below is: It is well known that it can be obtained by an empirical regression equation expressed in equation (4) below. Therefore, it is desirable to determine the molten steel circulation flow rate (Q) of the molten steel in the ladle using the following equations (2), (3), and (4).
(2) 식 내지 (4) 식에 있어서, Q 는 레이들 내 용강의 용강 순환 유량 (ton/min), Wm 은 레이들 내 용강의 질량 (ton), tc 는 레이들 내 용강의 용강 순환 시간 (min), D 는 레이들 내 용강욕의 평균 직경 (m), H 는 레이들 내 용강욕의 깊이 (m), ε 은 교반 동력 (W/ton), GB 는 레이들 내 용강에 대한 합계 교반용 가스 취입 유량 (Nm3/min), TL 은 레이들 내 용강의 용강 온도 (K), P0 은 플라즈마 조사 영역의 분위기 압력 (torr) 이다. 또한, 레이들 내 용강에 대한 합계 교반용 가스 취입 유량 (GB) 에 대해서도,「Nm3」은, 표준 상태에 있어서의 합계 교반용 가스의 체적을 의미하고, 0 ℃, 1 atm (101325 Pa) 를 표준 상태로 한다. 또,「torr」는, 압력 단위이고, 1 torr 가 133.32 Pa 이 된다. 그리고 또한, 레이들 (2) 의 측벽은 상측으로 넓어지도록 경사져 있는 형상인 경우가 있으며, 따라서, 레이들 내 용강욕의 평균 직경이란, 레이들 내 용강욕의 하단부의 직경과 상단부의 직경의 평균값이다.In equations (2) to (4), Q is the molten steel circulation flow rate of the molten steel in the ladle (ton/min), W m is the mass of molten steel in the ladle (ton), and t c is the molten steel of the molten steel in the ladle. Circulation time (min), D is the average diameter of the molten steel bath in the ladle (m), H is the depth of the molten steel bath in the ladle (m), ε is the stirring power (W/ton), G B is the molten steel in the ladle is the total stirring gas blowing flow rate (Nm 3 /min), T L is the molten steel temperature in the ladle (K), and P 0 is the atmospheric pressure (torr) in the plasma irradiation area. Also, regarding the total agitation gas injection flow rate ( GB ) to the molten steel in the ladle, “Nm 3 ” means the total agitation gas volume in the standard state, 0°C, 1 atm (101325 Pa) ) is set to the standard state. Also, “torr” is a pressure unit, and 1 torr is 133.32 Pa. Additionally, the side wall of the
레이들 내에 수용되고, 수소 플라즈마 처리를 실시하기 전의 용강 (9) 은, 전로 또는 전기로로부터 레이들 (2) 에 출강되고, 예를 들어, RH 진공 탈가스 장치와 같은 진공 탈가스 설비에서의 진공 탈가스 정련 공정을 거치고, 교반용 가스를 취입하여 레이들 내의 용강을 교반하는 가스 교반 처리 공정에 반송된 것이어도 된다.The
수소 플라즈마 처리를 실시하기 전의 용강 (9) 은 미탈산 상태여도 되지만, 수소 플라즈마 처리를 실시하기 전에, 수소 가스나 프로판과 같은 환원 가스를 용강 (9) 에 공급하여, 용강 (9) 을 예비 탈산해도 된다. 플라즈마 처리 전의 환원 가스에 의한 예비 탈산에 의해, 용강 중 산소 농도가 어느 정도 저하된 상태로부터 플라즈마 처리를 개시할 수 있으므로, 상기의 (6) 식에 의한 반응의 부하가 경감되어, 플라즈마 처리 시간을 단시간화할 수 있다.The
또, 용강 중의 질소 및 황의 제거를 중점적으로 실시하는 경우에는, 플라즈마 처리 전에 알루미늄이나 규소와 같은 탈산재를 첨가하여 용강 (9) 을 탈산하여, 용강 중 산소 농도를 미리 저감시켜도 된다. 이 경우에는, 용강 중 산소 농도가 이미 낮으므로, 플라즈마 처리에 의한 탈산 효과는 한정적이다. 용강 중 산소는 계면 활성 원소로서 기능하고 있으며, 탈산에 의해 용강 중 산소 농도를 저감시킴으로써, 용강 표면으로부터의 질소 가스, 질화수소, 황화수소의 기상 (레이들 내 분위기) 으로의 이탈을 저해할 수 있다. 그러나, 알루미늄이나 규소에 의한 탈산 처리에 의해 용강 중 산소 농도를 저위로 해 둠으로써, 신속하게 수소 플라즈마에 의한 용강 중의 산소, 질소, 황 등의 제거 효과를 얻을 수 있다. 또, 용강 (9) 을 탈산해 둠으로써, 수소 플라즈마 처리에 의한 직접적인 황 제거 효과뿐만 아니라, 용강-슬래그간 반응에 의한 탈황 반응 촉진도 기대할 수 있다.In addition, when the removal of nitrogen and sulfur in the molten steel is mainly performed, the oxygen concentration in the molten steel may be reduced in advance by adding a deoxidizing agent such as aluminum or silicon to deoxidize the
플라즈마 출력 (E) 은 하기의 (9) 식을 만족하는 것이 보다 바람직하다. 수소 가스를 고비율로 원자 상태로 해리시키기 위해서는 일정 이상의 출력이 필요해지는데, 도입하는 플라즈마 가스의 유량 혹은 플라즈마 가스 중의 수소 농도에 따라 필요해지는 출력은 상이하다. 그들을 조사한 결과, 플라즈마 출력은 (9) 식의 관계를 만족하면 되는 것을 알 수 있었다. 출력을 증가시키면, 수소 원자로의 해리뿐만 아니라, 수소 이온으로의 전리 비율이 증가하기 때문에, 보다 불순물 제거 효과가 현저해진다. 한편으로, 출력 증가에 수반하여 전력 비용이 증가하기 때문에, 요구하는 품질과 비용의 밸런스에 따라 플라즈마 출력을 선택하면 된다.It is more preferable that the plasma output (E) satisfies the equation (9) below. In order to dissociate hydrogen gas into an atomic state at a high rate, a certain level of output is required, but the required output varies depending on the flow rate of the introduced plasma gas or the hydrogen concentration in the plasma gas. As a result of examining them, it was found that the plasma output only needs to satisfy the relationship in equation (9). If the output is increased, the impurity removal effect becomes more noticeable because not only the dissociation into hydrogen atoms but also the rate of ionization into hydrogen ions increases. On the other hand, since the power cost increases with the increase in output, the plasma output can be selected according to the balance between required quality and cost.
E ≥ GP × (1.5 × (H2) + 11.5) …(9)E ≥ G P × (1.5 × (H 2 ) + 11.5) … (9)
(9) 식에 있어서, E 는, 플라즈마 출력 (kW) 이다.(9) In the equation, E is the plasma output (kW).
플라즈마 처리시, 레이들 내의 용강 (9) 에 일정 이상의 유동을 부여함으로써, 더욱 효율적으로 불순물을 저감시킬 수 있다. 즉, 플라즈마의 조사는 용강 표면의 비교적 국소적인 영역이 되기 때문에, 용강 교반에 의해 플라즈마 조사부에 새로운 용강 (9) 을 계속 보냄으로써, 레이들 내 용강 전체의 불순물 농도를 신속하게 저감시킬 수 있다.During plasma treatment, impurities can be reduced more efficiently by providing a certain level of flow to the
용강 표면의 유동은 상기의 (4) 식으로 나타내는 교반 동력 (ε) 과 상관 관계에 있는 것을 알 수 있고, 교반 동력 (ε) 이 커질수록 용강 표면의 유동은 커진다. 따라서, 플라즈마 처리를 효율화하는 관점에서, 교반 동력 (ε) 은 25 W/ton 이상으로 하는 것이 바람직하다. 교반 동력 (ε) 이 25 W/ton 보다 작은 경우에는, 플라즈마 조사부인 용강 표면과 벌크 용강의 순환, 혼합이 정체되어, 신속한 불순물 저감 효과가 얻어지지 않는다. 교반 동력 (ε) 의 상한은 특별히 두지 않지만, 교반 동력 (ε) 이 지나치게 큰 경우에는 가스의 취발이나 용강 비산이 증대되므로, 150 W/ton 이하로 하는 것이 바람직하다.It can be seen that the flow on the surface of molten steel is correlated with the stirring power (ε) expressed in equation (4) above, and as the stirring power (ε) increases, the flow on the surface of molten steel increases. Therefore, from the viewpoint of improving the efficiency of plasma treatment, it is preferable that the stirring power (ε) is set to 25 W/ton or more. If the stirring power (ε) is less than 25 W/ton, the circulation and mixing of the molten steel surface, which is the plasma irradiation area, and the bulk molten steel become stagnant, and a rapid impurity reduction effect is not obtained. There is no particular upper limit to the stirring power (ε), but if the stirring power (ε) is too large, gas blowing or molten steel scattering increases, so it is preferably set to 150 W/ton or less.
또, 플라즈마를 조사하는 위치에는 바람직한 범위가 있다. 즉, 저취 플러그 (8, 8a) 로부터 취입된 교반용 가스가, 교반용 가스 기포 (13) 가 되어 용강 표면에 부상하는 위치 또는 그 근방에 수소 플라즈마를 조사하는 것이 바람직하다. 도 1 에서는, 저취 플러그 (8) 의 연직 상방에 플라즈마 토치 (11) 가 설치되고, 또, 저취 플러그 (8a) 의 연직 상방에 플라즈마 토치 (12) 가 설치되어 있다. 요컨대, 본 발명에 있어서는, 가스 취입부 (저취 플러그) 중 적어도 1 개 지점의 연직 상방의 용강 표면 바로 위를 중심으로 하여, 하기의 (5) 식으로 산출되는 플라즈마 조사 범위 반경 (r) 이내의 범위에, 플라즈마 가스를 조사하는 것이 바람직하다.Additionally, there is a preferable range for the position at which plasma is irradiated. That is, it is preferable to irradiate hydrogen plasma at or near the position where the stirring gas blown in from the bottom blowing plugs 8 and 8a becomes the stirring
(5) 식에 있어서, r 은 플라즈마 조사 범위 반경 (m), gB 는 교반용 가스의 취입 유량 (Nm3/min/가스 취입부 1 개 지점) 이다. 또한, 교반용 가스 취입 유량 (gB) 에 대해서도,「Nm3」은, 표준 상태에 있어서의 교반용 가스의 체적을 의미하고, 0 ℃, 1 atm (101325 Pa) 를 표준 상태로 한다.(5) In the equation, r is the radius of the plasma irradiation range (m), and g B is the injection flow rate of the stirring gas (Nm 3 /min/one gas injection point). Also, regarding the gas blowing flow rate (g B ) for stirring, “Nm 3 ” means the volume of gas for stirring in a standard state, and 0° C. and 1 atm (101325 Pa) are taken as the standard state.
플라즈마 조사 범위 반경 (r) 의 영역 내는, 레이들 내 용강 표면 중에서 가장 유동이 빠른 (격렬한) 영역이며, 거기에 플라즈마를 조사함으로써, 수소 플라즈마와 레이들 내 용강의 반응이 신속하게 진행된다. 또, 플라즈마 조사 범위 반경 (r) 에 해당하는 영역은, 교반용 가스 기포 (13) 와 함께 상승하는 용강 (9) 이 슬래그 (10) 를 밀어내어 용강탕면이 노출되어 있거나, 또는, 슬래그 두께가 비교적 얇은 영역이므로, 슬래그 (10) 에 저해되지 않고, 용강 표면에 플라즈마 처리를 실시할 수 있다.The area within the plasma irradiation range radius (r) is the area where the flow is the fastest (violent) on the surface of the molten steel in the ladle, and by irradiating plasma there, the reaction between the hydrogen plasma and the molten steel in the ladle progresses quickly. In addition, in the area corresponding to the radius r of the plasma irradiation range, the
한편, 플라즈마 조사 범위 반경 (r) 의 영역 외에 플라즈마를 조사한 경우에는, 용강 유동이 느린 범위이기 때문에, 밀어내어진 슬래그 (10) 가 퇴적되어 슬래그 두께가 크게 되어 있어, 플라즈마가 용강 (9) 까지 도달할 수 없을 우려가 있다.On the other hand, when the plasma is irradiated outside the area of the plasma irradiation range radius (r), since the molten steel flow is in a slow range, the extruded
레이들 내의 용강 표면에 플라즈마 조사를 실시할 때, 그 분위기는 감압하, 구체적으로는 150 torr 이하인 것이 바람직하다. 150 torr 이하의 감압하에서 플라즈마 가스를 조사함으로써, 플라즈마 제트의 유속 증가, 나아가서는 수소 가스 분자의 원자나 이온으로의 해리 촉진을 기대할 수 있기 때문에, 대기압하에서 플라즈마 처리하는 것보다 용강 중 불순물 저감 효과가 커진다. 분위기 압력이 150 torr 보다 높은 경우에는, 상기의 효과가 작기 때문에, 감압에 의한 효과는 얻어지지 않는다.When plasma irradiation is performed on the surface of molten steel in a ladle, the atmosphere is preferably under reduced pressure, specifically 150 torr or less. By irradiating plasma gas under reduced pressure of 150 torr or less, it can be expected to increase the flow rate of the plasma jet and further promote the dissociation of hydrogen gas molecules into atoms and ions, so the effect of reducing impurities in molten steel is greater than plasma treatment under atmospheric pressure. It gets bigger. When the atmospheric pressure is higher than 150 torr, the above effect is small, so the effect of reduced pressure is not obtained.
감압하에서 수소 플라즈마 처리를 실시하기 위한 구체예를 이하에 나타낸다. 예를 들어, VOD 로와 같이 용강 (9) 을 수납한 레이들 (2) 째 진공 챔버 내에 넣고, 진공 챔버의 상부에 설치한 플라즈마 발생 장치로부터 레이들 내의 용강 표면에 수소 플라즈마의 조사를 실시한다. 또는, REDA 진공 탈가스 장치와 같이 대경 침지조를 레이들 내 용강에 침지하고, 대경 침지조 내를 진공 배기하여 감압 분위기로 한 후에, 대경 침지조의 상부에 구비한 플라즈마 발생 장치로부터 대경 침지조 내에 빨아들여진 용강의 표면에 대한 플라즈마 조사를 실시한다. 이들은, 감압하에서의 처리의 일례이며, 이들 방법에 한정되는 것은 아니다. 또한, 플라즈마 조사를 실시할 때의 분위기 압력은, 보다 바람직하게는 100 torr 이하이고, 더욱 바람직하게는 50 torr 이하이다.A specific example for performing hydrogen plasma treatment under reduced pressure is shown below. For example, as in a VOD furnace, the ladle (2) containing the
레이들 내의 용강 (9) 의 표면에 부유하는 슬래그 (10) 의 성분 중, 특히, 슬래그 중의 철 산화물 및 망간 산화물은, 용강 (9) 에 대한 산소 공급원이 될 수 있다. 이 때문에, 슬래그 (10) 의 철 산화물의 농도와 망간 산화물의 농도의 합계를 5 질량% 이하로 하는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 3 질량% 이하, 더욱 바람직하게는 1 질량% 이하로 한다. 철 산화물 농도와 망간 산화물 농도의 합계 농도가 5 질량% 보다 높은 경우에는, 플라즈마 처리 중에 슬래그 (10) 로부터 용강 (9) 으로의 산소 공급이 동시에 진행되어, 불순물 저감 효과를 충분히 얻을 수 없다.Among the components of the
슬래그 (10) 의 철 산화물이나 망간 산화물을 저감시키는 방법으로는, 플라즈마 처리 전에, 용강 상에 부유하는 슬래그 (10) 에 대해, 금속 알루미늄이나 알루미늄 드로스를 첨가하여, 알루미늄으로 철 산화물이나 망간 산화물의 환원을 실시하는 것이 유효하다. 또, 슬래그 (10) 를 레이들 (2) 로부터 제거하고, 그 후, 레이들 내에 조재제를 첨가하여, 철 산화물이나 망간 산화물이 적은 슬래그를 새롭게 만드는 것도 유효하다. 또, 슬래그 (10) 에 대해 수소 플라즈마 가스를 조사함으로써, 슬래그 중의 철 산화물 및 망간 산화물의 환원 처리를 실시할 수도 있다.As a method of reducing iron oxide and manganese oxide in the
수소 플라즈마 처리 후, 알루미늄이나 규소와 같은 탈산재의 첨가 시기는 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어, 수소 플라즈마의 정지 후, 대기, 슬래그 (10) 또는 레이들 내화물로부터 산소가 용강 (9) 에 공급되고, 용강 중의 산소 농도가 상승하므로, 수소 플라즈마 처리 후, 용강 (9) 에, 신속하게 알루미늄이나 규소와 같은 탈산재를 첨가하고, 수소 플라즈마 처리에 의해 저감된 용강 중 산소 농도를 저위로 유지하는 것이 바람직하다. 알루미늄이나 규소와 같은 탈산재 이외에도 용강 성분을 조정할 필요가 있는 경우에는, 수소 플라즈마 처리 후, 소정의 합금철이나 순금속을 레이들 내의 용강 (9) 에 첨가한다.After hydrogen plasma treatment, the timing of addition of a deoxidizing agent such as aluminum or silicon is not particularly limited. For example, after stopping the hydrogen plasma, oxygen is supplied to the
또, 수소 플라즈마 처리에 의해 용강 중의 수소 농도는 수 질량ppm 이상으로 상승하므로, 수소 플라즈마 처리 후, 10 torr 이하의 감압하에서 5 분간 이상 탈수소 처리를 실시하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 플라즈마 처리를 레이들 정련로 (1) 에서 실시하는 경우에는, 후공정에 RH 진공 탈가스 장치 등의 진공 탈가스 설비에서의 정련을 마련하여, 진공 탈가스 설비에서 탈수소 처리를 실시한다. 탈가스 기능을 갖는 VOD 로나 REDA 진공 탈가스 장치에서 플라즈마 처리를 실시하는 경우에는, 플라즈마 처리 후, 탈수소 처리를 계속해서 실시한다.Additionally, since the hydrogen concentration in the molten steel increases to several mass ppm or more due to the hydrogen plasma treatment, it is preferable to perform dehydrogenation treatment for 5 minutes or more under reduced pressure of 10 torr or less after the hydrogen plasma treatment. For example, when plasma treatment is performed in a ladle refining furnace (1), refining is provided in a vacuum degassing facility such as an RH vacuum degassing device in the post-process, and dehydrogenation treatment is performed in a vacuum degassing facility. do. When plasma treatment is performed in a VOD furnace or REDA vacuum degassing device having a degassing function, dehydrogenation treatment is continuously performed after the plasma treatment.
이상과 같은 수소 플라즈마 처리를 사용한 정련 방법에 의해, 용강 중의 산소, 질소 및 황을 각각 30 질량ppm 이하까지 신속하게 저감시킬 수 있다.By the refining method using hydrogen plasma treatment as described above, oxygen, nitrogen, and sulfur in molten steel can be quickly reduced to 30 mass ppm or less each.
실시예Example
1 차지의 용강량이 200 톤 이상 350 톤 이하인 규모의 실기에 있어서, 레이들 정련로 (LF) 를 사용하여, 전로로부터 출강된 용강에 대해 대기압하에서 수소 플라즈마 처리를 실시하는 시험을 실시하였다 (본 발명예 1 내지 9, 비교예 1 내지 3). 또, 감압하에서의 분위기의 영향을 평가하는 시험에서는, 1 차지의 용강량이 200 톤 이상 350 톤 이하 규모인 실기에서, VOD 로를 사용하여, 전로로부터 출강된 용강에 대해 감압하에서 수소 플라즈마 처리를 실시하는 시험을 실시하였다 (본 발명예 10 내지 19, 비교예 4, 5).In a practical machine with a molten steel volume of 200 tons or more and 350 tons or less per charge, a ladle refining furnace (LF) was used and a test was conducted in which molten steel tapped from the converter was subjected to hydrogen plasma treatment under atmospheric pressure (this invention) Honors 1 to 9, Comparative Examples 1 to 3). In addition, in a test to evaluate the influence of atmosphere under reduced pressure, a VOD furnace is used in an actual machine with a molten steel volume of 200 tons to 350 tons per charge, and hydrogen plasma treatment is performed under reduced pressure on the molten steel tapped from the converter. Tests were conducted (invention examples 10 to 19, comparative examples 4 and 5).
레이들 정련로에서는 노 덮개의 상부에, 직류 아크 방전에 의한 비이행형의 플라즈마 토치를 설치하였다. 또, VOD 로에서는 진공 챔버의 상부에, 직류 아크 방전에 의한 비이행형의 플라즈마 토치를 설치하고, 이들 플라즈마 토치로부터, 플라즈마 가스 유량이나 플라즈마 가스 중의 수소 가스 농도를 변화시켜, 레이들 내 용강의 표면에 수소 플라즈마를 조사하였다. 또한, 레이들 정련로나 VOD 로에 있어서의 조업 조건이나 용강 조성 (산소 농도, 질소 농도, 황 농도 등) 을 변화시켰다. 또한, 레이들 정련로에 있어서의 수소 플라즈마 처리는, 흑연 전극에 의한 아크 가열을 정지한 상태에서 실시하였다.In the ladle refining furnace, a non-transition type plasma torch using direct current arc discharge was installed on the upper part of the furnace cover. Additionally, in the VOD furnace, a non-transition type plasma torch by direct current arc discharge is installed at the upper part of the vacuum chamber, and the plasma gas flow rate and the hydrogen gas concentration in the plasma gas are changed from these plasma torches to change the molten steel in the ladle. Hydrogen plasma was irradiated on the surface. Additionally, the operating conditions and molten steel composition (oxygen concentration, nitrogen concentration, sulfur concentration, etc.) in the ladle refining furnace and VOD furnace were changed. In addition, hydrogen plasma treatment in the ladle refining furnace was performed with arc heating by the graphite electrode stopped.
수소 플라즈마 처리 전후에, 성분 분석용 시료를 레이들 내의 용강으로부터 채취하고, 용강 중 산소 농도, 질소 농도, 황 농도의 분석을 실시하여, 플라즈마 처리에 의한 효과의 확인을 실시하였다. 플라즈마 처리 시간은 15 분간으로 통일하였다. 또한, 전로 출강 후부터 플라즈마 처리까지의 동안, 알루미늄 등의 탈산재의 첨가는 실시하지 않았다. 레이들 내 슬래그의 철 산화물 농도 및 망간 산화물 농도는, 레이들 정련로 또는 VOD 로에서의 처리 개시 전에, 레이들 내의 슬래그에 알루미늄 드로스를 첨가하여 조정하였다.Before and after the hydrogen plasma treatment, samples for component analysis were collected from the molten steel in the ladle, and the oxygen concentration, nitrogen concentration, and sulfur concentration in the molten steel were analyzed to confirm the effect of the plasma treatment. The plasma treatment time was standardized to 15 minutes. Additionally, deoxidizing agents such as aluminum were not added during the period from steel tapping in the converter to plasma treatment. The iron oxide concentration and manganese oxide concentration of the slag in the ladle were adjusted by adding aluminum dross to the slag in the ladle before starting treatment in the ladle refining furnace or VOD furnace.
표 1 에 각 시험의 시험 조건을 나타내고, 표 2 에 평가 결과를 나타낸다.Table 1 shows the test conditions for each test, and Table 2 shows the evaluation results.
본 발명예에 있어서는, 15 분간의 수소 플라즈마 처리를 실시함으로써, 용강 중의 산소 농도, 질소 농도 및 황 농도는, 동시에 또한 신속하게 30 질량ppm 이하까지 저감되었다. 플라즈마 처리의 개시 전부터 종료 후까지의 각각의 원소의 제거율은, 용강 중 산소가 94 % 이상, 용강 중 질소가 33 % 이상, 용강 중 황이 20 % 이상이었다.In the present invention example, by performing hydrogen plasma treatment for 15 minutes, the oxygen concentration, nitrogen concentration, and sulfur concentration in the molten steel were simultaneously and quickly reduced to 30 mass ppm or less. The removal rates of each element from before the start of the plasma treatment to after the end were 94% or more for oxygen in the molten steel, 33% or more for nitrogen in the molten steel, and 20% or more for sulfur in the molten steel.
한편, 본 발명의 조건을 만족하지 않는 비교예에 있어서는, 수소 플라즈마 처리 후에도 용강 중의 산소, 질소 및 황의 저감은 불충분하고, 플라즈마 처리의 개시 전부터 종료 후까지의 각각의 원소의 제거율은, 용강 중 산소가 90 % 이하, 용강 중 질소가 19 % 이하, 용강 중 황이 15 % 이하로, 모두 저위였다.On the other hand, in the comparative example that does not satisfy the conditions of the present invention, the reduction of oxygen, nitrogen, and sulfur in the molten steel is insufficient even after the hydrogen plasma treatment, and the removal rate of each element from before the start of the plasma treatment to after the end is lower than the oxygen in the molten steel. was 90% or less, nitrogen in molten steel was 19% or less, and sulfur in molten steel was 15% or less, all of which were low.
1 : 레이들 정련로
2 : 레이들
3 : 상측 덮개
4 : 흑연 전극
5 : 철피
6 : 라이닝 내화물
7 : 영구 내화물
8 : 저취 플러그
9 : 용강
10 : 슬래그
11 : 플라즈마 토치
12 : 플라즈마 토치
13 : 교반용 가스 기포1: Ladle refining furnace
2: Ladle
3: upper cover
4: graphite electrode
5: iron skin
6: Lining refractory material
7: Permanent refractory material
8: Low odor plug
9: molten steel
10: Slag
11: Plasma Torch
12: Plasma Torch
13: Gas bubble for stirring
Claims (7)
상기 가스 교반 처리에 의해 유동 상태에 있는 레이들 내 용강의 표면에, 당해 레이들 내 용강의 상방에 설치된 플라즈마 발생 장치로부터, 수소 가스 또는 수소 가스를 포함하는 불활성 가스를 플라즈마 가스로서 하기의 (1) 식을 만족하는 조건에서 조사하는 플라즈마 처리를 실시하여, 당해 플라즈마 처리에 의해 용강 중에 포함되는 산소, 질소, 황 중에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 원소의 함유량을 저감시키는, 용강의 정련 방법.
여기서, GP 는 플라즈마 가스의 유량 (Nm3/min), (H2) 는 플라즈마 가스 중의 수소 가스 농도 (체적%), Q 는 레이들 내 용강의 용강 순환 유량 (ton/min) 이다.In the process of performing a gas stirring treatment in which a stirring gas is blown into the molten steel contained in the ladle to stir the molten steel in the ladle,
From the plasma generator installed above the molten steel in the ladle, hydrogen gas or an inert gas containing hydrogen gas is applied to the surface of the molten steel in the ladle in a fluid state by the gas stirring treatment as a plasma gas as shown in (1). ) A method of refining molten steel in which plasma treatment is performed under conditions that satisfy the formula, and the plasma treatment reduces the content of one or two or more elements selected from oxygen, nitrogen, and sulfur contained in the molten steel.
Here, G P is the flow rate of the plasma gas (Nm 3 /min), (H 2 ) is the hydrogen gas concentration (volume %) in the plasma gas, and Q is the molten steel circulation flow rate of the molten steel in the ladle (ton/min).
상기 레이들 내 용강의 용강 순환 유량을, 하기의 (2) 식, (3) 식, (4) 식을 사용하여 산출하는, 용강의 정련 방법.
여기서, Q 는 레이들 내 용강의 용강 순환 유량 (ton/min), Wm 은 레이들 내 용강의 질량 (ton), tc 는 레이들 내 용강의 용강 순환 시간 (min), D 는 레이들 내 용강욕의 평균 직경 (m), H 는 레이들 내 용강욕의 깊이 (m), ε 은 교반 동력 (W/ton), GB 는 레이들 내 용강에 대한 합계 교반용 가스 취입 유량 (Nm3/min), TL 은 레이들 내 용강의 용강 온도 (K), P0 은 플라즈마 조사 영역의 분위기 압력 (torr) 이다.According to claim 1,
A method for refining molten steel, wherein the molten steel circulation flow rate of the molten steel in the ladle is calculated using the following equations (2), (3), and (4).
Here, Q is the molten steel circulation flow rate of the molten steel in the ladle (ton/min), W m is the mass of molten steel in the ladle (ton), t c is the molten steel circulation time of the molten steel in the ladle (min), and D is the ladle The average diameter of the molten steel bath in the ladle (m), H is the depth of the molten steel bath in the ladle (m), ε is the stirring power (W/ton), G B is the total stirring gas injection flow rate for the molten steel in the ladle (Nm) 3 /min), T L is the molten steel temperature (K) in the ladle, and P 0 is the atmospheric pressure (torr) in the plasma irradiation area.
상기 가스 교반 처리는, 상기 레이들의 바닥부에 1 개 지점 또는 2 개 지점 이상의 가스 취입부를 설치하고, 당해 가스 취입부로부터 상기 레이들 내 용강 중에 교반용 가스를 취입함으로써 실시되고, 그 때의 (4) 식으로 산출되는 교반 동력 (ε) 이 25 W/ton 이상인, 용강의 정련 방법.The method of claim 1 or 2,
The gas stirring process is performed by installing a gas inlet at one point or at two or more points at the bottom of the ladle, and blowing a gas for stirring into the molten steel in the ladle from the gas inlet, and at that time ( 4) A method of refining molten steel in which the stirring power (ε) calculated by the formula is 25 W/ton or more.
상기 가스 취입부 중 적어도 1 개 지점의 연직 상방의 용강 표면 바로 위를 중심으로 하여, 하기의 (5) 식으로 산출되는 플라즈마 조사 범위 반경 (r) 이내의 범위에 상기 플라즈마 가스를 조사하는, 용강의 정련 방법.
여기서, r 은 플라즈마 조사 범위 반경 (m), gB 는 교반용 가스의 취입 유량 (Nm3/min/가스 취입부 1 개 지점) 이다.According to claim 3,
The molten steel is irradiated with the plasma gas in a range within the radius (r) of the plasma irradiation range calculated by the equation (5) below, centered just above the surface of the molten steel vertically above at least one of the gas inlet points. refining method.
Here, r is the radius of the plasma irradiation range (m), and g B is the injection flow rate of the stirring gas (Nm 3 /min/one gas injection point).
상기 레이들 내 용강에 플라즈마 가스를 조사할 때의 분위기 압력이 150 torr 이하인, 용강의 정련 방법.The method according to any one of claims 1 to 4,
A method of refining molten steel, wherein the atmospheric pressure when irradiating plasma gas to the molten steel in the ladle is 150 torr or less.
레이들 내에 수용한 용강의 표면에 부유하는 슬래그는, 철 산화물의 농도와 망간 산화물의 농도의 합계가 5 질량% 이하인, 용강의 정련 방법.The method according to any one of claims 1 to 5,
A method of refining molten steel, wherein the slag floating on the surface of molten steel contained in a ladle has a total concentration of iron oxide and manganese oxide of 5% by mass or less.
상기 플라즈마 처리에 의해, 용강에 포함되는 산소, 질소, 황의 3 원소의 함유량을 동시에 저감시키는, 용강의 정련 방법.The method according to any one of claims 1 to 6,
A method of refining molten steel in which the content of the three elements of oxygen, nitrogen, and sulfur contained in the molten steel is simultaneously reduced by the plasma treatment.
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