KR820001936B1 - 대기압하에서의 제강공정 제어법 - Google Patents

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Description

대기압하에서의 제강공정 제어법

제1도는 대기압하에서 상부 취입전로(converter)내의 제강공정을 제어하는 본 발명의 방법을 구체화한 기기의 배열도.

제2도는 대기압하에서 AOD로 내의 제강공정을 제어하는 본 발명의 방법을 구체화한 기기의 배열도.

제3도는 본 발명에 의한 장치에 도입되는 기준가스량의 변화 ΔqA가 기준가스이 이온화 전류변화, ΔXA에 비례하고 있다는 것을 나타낸 그래프.

본 발명은 대기압하에서 융융강의 탈탄과, CO,CO₂및 N₂로 구성하는 배기가스의 생성을 구성하고 있는 제강공정의 작동 또는 진행중 제어방법에 관한 것이다.

특히, 본 발명은 소요의 범위까지 처리되는 용융강의 탈탄율 혹은 탄소함량을 신속하게 검출하여 검출된 탈탄올 또는 탄소함량에 따라 공정을 제어함으로써 탈탄공정의 종결점에서 철의 함량을 예정치까지 정확하게 제어할 수 있도록 하는 방법에 관한 것이다.

용융강의 탈탄을 구성하고 있는 대기압하에서의 제강공정은 널리 실용화 되어 있다.

이와 같은 처리공정에 있어서는 소요의 철을 생산하기 위하여 탄소함량의 예정수준까지 상부 취입전로 또는 하부 취입전로 내에서 혹은 AOD(알곤-산소 탈탄)로 내에서 용융강을 탈탄하였다.

최근에는 기술의 개발 결과로 각종의 철 생산을 가능케 하였다. 이 결과로서 처리되는 용융강의 상태를 나타내는 파라미터를 조속히 검출, 결정하여 파라미터의 결정치에 따라 처리되는 공정을 제어하는 것이 점점 중요하게 되어 필요로 하는 철을 생산할 수가 있었다. 처리되는 공정의 주 목적이 용융철의 탈탄에 있으므로 여러가지의 다른 파라미터 중에서 처리되는 용융철의 탄소함량의 검출이 특히 중요하다. 산소의 취입을 중지하고, 용융강을 채취(전로인 경우 전로를 역전한 다음)하여 가급적 가놓하한 신속하게 채취강을 분석하여 처리되는 용융강의 탄소함량을 결정할 수 있다.

그러나, 이와 같은 용융강의 채취와 분석을 처리 조작상 극히 번잡한 일이다.

용융강을 채취하여 분석할 필요 없이 처리되는 용융강의 탄소함량을 정확하게 결정하는 것이 가능하다면 공저의 능률과 생산량이라는 2가지 관점에서 유리할 것이다.

이러한 문제해결은 용융강에 남아있는 탄소량을 측정하는 대신 배기가스로 전이되는 탄소량, 즉, 배기가스에 있어서 CO 및 CO₂량을 측정하는데 기인되는 것으로, 배기가스에 있어 CO 및 CO₂량만이 아니고 순간마다 전 배기가스의 양을 정확히 결정하는 것이 이 문제해결에 있어 기본적으로 필요로 하는 것이다.

배기가스를 구비한 차압유량계로 배기가스의 유속을 점검하여 적외선 분석기로 배기가스의 시료중 CO 및 CO₂량을 점검함으로써 처리되는 용융강의 탄소량을 결정하는 것이 하나의 목적이 되었다.

그러나, 이러한 목적으로는 만족스러운 결과를 얻을수가 없었다. 극히 다량의 배기가스가 대기압하에서 제강처리 공정상 큰 단면적을 가진 관을 통하여 흐르도록 하고 배기가스의 온도가 처리공정 과정에서 광범위하게 변화되어 차압유량계와 같은 기기로 배출가스의 양을 정확하게 검출한다는 것은 어려운 일이며, 또 적외선 분석기와 같은 분석기는 제한 정밀도와 반응속도를 갖게 되므로 이와 같은 목적은 그 일부에 불과하다.

더 나아가서, 각종의 적외선 분석기는 배기가스의 시료중 각종의 가스성분을 검출하는데 필요하다는 사실 때문에 개개의 분석기의 취급오차와 시차에 있어서 곤란성을 초래하였다.

따라서, 이와 같은 사실로 순간마다 배기가스에 대한 정보로 부터 처리되는 용융강의 탄소함량을 정확하게 결정하는 것은 극히 어렵다.

종래의 방법에 의한 탄소함량치는 상당히 큰 범위 내에서 변동이 자주 있으며, 결정치가 허용정도로 적중하는 확률은 약 60 내지 80% 정도이다.

특히, 배기가스에 불가피하게 들어간 대기는 이 가스량에 영향을 미쳐 배기가스에 대한 정보에서 용융강에 대한 정확한 정보를 얻기가 더 어렵게 되었다.

1975년 8원 7일에 공개되었고 본원의 양수인에게 양도한 일본 특허공개공보 제1975-99592 호에서 본 발명자들은 건조기에서 형성되는 수증기량과 같이 가스발생실에서 형성되는 가스량을 결정하는 방법을 발표한 바 있다.

여기서 제안한 방법은 가스 발생실에 유사가스를 장입하는 단계를 구성하여 가스 발생실에 장입하는 유사가스의 양과 배기가스에 포함되어 형성된 가스 및 유사가스의 분압을 모니터하여 모니터치로 부터 형성된 가스량은 측정하는 것이다.

더 나아가서, 위 공개공보에서는 가스의 분압은 질량분광계에 의해 측정하는 것이 유리하며, 또 이 방법은 제강로 내에 형성된 가스의 결정에 응용될 수 있다는 것을 암시하고 있다.

그러나, 이 공개공보에서는 CO CO₂및 N₂로 구성하고 있는 가스의 질량분광 분석에 있어서 그 기술적인 곤란성에 대하여 충분히 언급을 하지 않았다.

그 사실은 CO 및 N₂가 동일한 질량수 28을 갖고 있으므로 질량 분광계에 있어서 CO와 N₂의 어미 피이크(parent peak)는 분리할수가 없다.

더 나아가서, CO₂의 단편 피이크(fragment peak)가 질량수 28에서 나타나 동일 질량수에서 또 나타난 CO의 어미 피이크를 교란시킨다.

본 발명의 목적은 주위 온도에서 실시하예 용융강의 탈탄과 CO.CO₂및 N₂로 구성하는 배기가스의 형성을 포함하는 제강공정의 작동 또는 진행중 제어방법을 제공하는데 있다.

본 발명에 의한 방법은 배기가스의 개개의 가스 혼합물과 배기가스에 불활성인 기준가스의 측정량을 형성하여, 위 시료에서 CO, CO₂,N₂및 기준가스에 관한 선택 피이크(selected peak)의 이온화 전류에 대하여 위 개개의 혼합물의 시료를 질량분광계로 모니터하고, 위 혼합물에서 기준가스량의 측정치와 선택 피이크에 대한 이온화 전류의 측정치에서 모니터하는 시간에 용융강의 탈탄율 혹은 그 양을 결정하여, 용융가의 탈탄을 혹은 그 양의 결정치에 따라 제강공정을 제어하느 단계를 구성하고 있다.

본 발명의 충분한 이해와 이에 부수하는 많은 장점을 첨부도면에 따라 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

구체적으로 표시한 제1도에서 철의 탈탄은 랜스(lance)(3)로 부터 전로내의 용융강(2)에 산소를 취입함으로써 상부 취입전로(1)내에서 실시된다.

랜스로 부터 취입되는 산소의 양은 압력 및 유량조절기(4)에 의해 제어된다.

또 이와 같은 위치에서 전로가 직립되어 있을 때 전로의 상부가 개구되어, 전로의 상부 개구에서 간격을 가진 배기가스 후우드(5)를 구비하고 있다.

여기서, 후우드(5)에 모인 배기가스는 관(6)을 통해 제거된다. 탈탄 과정에서 다량의 함열 배기가스가 형성되어 관(6)을 통하여 흐르게 한다.

또, 이 가스는 랜스(3)에서 취입되는 미반응산소취입전로(1)와 후우드(5)사이의 틈에서 흡인된 공기 및 각종의 먼지로 구성되어 있다. 또한, 탈탄 공정에서 형성된 모든 CO 및 CO₂가 관(6)을 통하여 흐르게 한다.

따라서, 관(6)을 통하여 흐르는 CO 및 CO₂가스의 양은 탈탄량에 해당된다.

본 발명에 따라서 질량분광계를 사용하여 관(6)을 통하여 흐르는 CO 및 CO₂가스의 양을 결정한다.

그리고 관(6)을 통하여 흐르는 가스는 흡입관(10)에 의해 필터(9)를 통하여 가스 인입관(8)에서 질량분광계(7)의 가스 시료 인입장치(도시생략)로 들어간다.

이에 따라, 질량분광계(7)에 의해 측정을 계속하기 위하여 관(6)이 강스인입관(8)에 역행하는 예정거리 위치에 기준가스 인입관(11)으로 구성되어 있어 기준가스(12)가 관(11)을 통하여 배기가스 장치에 도입되는 반면에 정확하게 유량계(13)로 측정된다.

기준가스의 성질에 따라 랜스(3)를 통하여 이 장치에 도입된다. 이와 같은 목적으로, 산소배관(14)은 압력 및 유량조절기(4)와 랜스(3)를 연결하고, 유량측정기(16)로 측정하는 기준가스 도입용 지관(15)이 구성되어 있다. 또한 구체적으로 나타낸 제2도에서 설명한다.

철의 탈탄은 AOD로 내에서 되는 바, 제2도의 설치는 취입전로(1)가 그 하부에 또는 그 하부 근처에 취입공(18)을 구비하는 것을 제외하고는 제1도의 구조와 동일하며, AOD공정에서 필요로 하는 가스가 전로(1)의 용융강(2)에 취입된다.

이들의 가스는 산소, 알곤 및 질소이며, 이들 가스의 양은 압력 및 유량조절기(19),(20) 및(21)에 의해 각각 조절된다.

이들의 가스는 배관(22)를 통하여 취입공(18)으로 통과하는데 이 배관(22)은 지관(23)으로 구성되어 있어 기준가스는 가스의 성질에 따라, 유량계(24)로 정확하게 측정한 다음 본 발명에 따라 지관(23)을 통하여 이 장치로 도입된다.

제1도 및 제2도에서 동일 부호는 동일 부분을 의미한다.

본 발명에 의한 방법에서, 기준가스 인입관(11)또는 지관(15) 및(23)를 통하여 이 장치에 도입되는 기준가스의 유입량은 주어진 순간에서 점검되며, 동시에 배기가스의 시료는 질량분광 분석으로 선택된 질량수에서 피이크(peak)의 이온화 전료로 분석한다.

이와같이 하여 기준가스의 유입량 측정치와 선택 피이크의 이온화 전류의 측정치에 의해 그 순간에 탈탄량 또는 그 비율을 결정한다.

이미 설명한 바와 같이, 대기압 하에서 실시한 탈탄공정에서 도관(6)을 통하여 흐르는 배기가스는 다량의 질소가스를 포함하고 있다. 이 질소가스는 질량수(m/e) 28을 갖고 있는 바, CO의 것과 동일하다.

이 결과로, 질소의 어미 피이크는 CO의 것과 일치한다. 따라서, CO의 어미 피이크에 대한 이온화 전류의 측정치는 CO 자신의 표시로 이용될 수 없다.

더 나아가서, N₂및 CO이 2가 이온 피이크는 질량수(m/e)14에서 나타나며 CO₂의 단편 피이크는 질량수(m/e)28에서 나타난다.

이와 같은 사실로 CO 및 CO₂가스에 N₂가스를 포함하고 있는 가스에서 CO 및 CO₂가스의 함량을 질량분광 분석으로 결정하는 것은 어렵다.

본 발명의 주요한 특징중의 하나는 이온화 전류가 모니터되는 피이크의 선택에 있다.

본 발명에 따라 발명자들은 시료중에서 CO, CO₂및 N₂의 어미피이크 만이 아니고 2가 이온 및 단편 피이크를 선택하였다. 질량수 12,14,28 및 44에서 나타나는 피이크를 선택하여 이들의 질량수에서 이온화 전류를 모니터하는 것이 바람직하다.

또한, 사용되는 기준가스의 어미 피이크에 대하여서도 위와 같이 선택하는 것이 바람직하다.

이에, 선택된 피이크에 대하여 이온화 전류의 측정치로 부터 시료중의 CO 및 CO₂의 분압을 계산하는 반면에 그 CO, CO₂및 N₂의 감도 및 패턴계수에 대하여는 공제한다.

이 CO 및 CO₂의 분압계산치는 이 장치에 도입된 기준가스의 개개의 모니터량 변화, 기준가스의 피이크, 바람직하게는 에미 피이크의 이온화 전류에서 질량분광 분석으로 측정된 전류변화 측정치 및 기준가스의 감도가 이때 이용되어 시료중의 CO 및 CO₂의 함량을 계산치로 부터 결정된다.

CO 및 CO₂의 분압 계산은

설명할 배기가스 장치에 대하여 다음의 식 [1],[2],[3] 및 [4]를 구체화 한다.

X₁₂=Sco·

co·12·Pco+Sco₂·

co₂·12·Pco₂……[1]

X₁₂=Sco·

co·14·Pco+S_N2·

_N2·14·P_N2……[2]

X₂₈=S_N2·P_N2+Sco·Pco+Sco₂·

co₂·28·Pco₂……[3]

X₄₄=Sco₂·Pco₂……[4]

이들의 식에서 X₁₂, X₁₄, X₂₈및 X₄₄는 질량수(m/e)12,14,28 및 44에서 각각 이온화 전류(암페어)를 표시한다.

Sco, S_N2및 Sco₂는 CO, N₂및 CO₂각각의 질량분광계의 감도(ampere/torr)를 표시하며,

CO·14 및

N₂·14는 질량수(m/e)14에 대한 각각, CO 및 N₂의 패턴계수이고,

CO·12 및

CO₂·12는 질량수(m/e) 12에 대한 각각의 CO 및 CO₂의 패턴계수이며,

CO₂·28은 질량수(m/e)에 대한 CO₂의 패턴계수이고, Pco, P_N2및 Pco₂는 배기가스에 있어서 각각 CO, N₂및 CO₂의 분압을 나타낸다.

이온화 전류치 X₁₂, X₁₄, X₂₈및 X₄₄는 질량분광계(7)에 의해 측정되며, 감도 Sco, S_N2및 Sco₂와 패턴계수

CO·12,

CO·14,

CO₂·12,

CO₂·28 및

N₂·14는 측정하는 측정조건 하에서 질량분광계(7)가 갖고 있는 값이므로, 예비실험에 의해 이미 알고 있거나 결정할 수 있다.

따라서, 3변수, Pco, P_N2및 Pco₂에 대하여 식[1] 내지 [4]의 4식이 있다는 것을 기억해야 한다. 결국 Pco, P_N2및 Pco₂의 값은 최소제공법에 의해 이들 4식에서 계산할 수 있다.

교호적으로, 3식 예컨데,[4],[1] 및 [2],[4],[2] 및 [3], 혹은 [4],[1] 및 [3]은 Pco, P_N2및 Pco₂의 값을 선택해서 계산할 수 있다.

물론, 가능한 오차를 최소화 하는 것이 바람직하다. 예로서 어떤 탄화수소가 배기가스의 시료중에 존재하면 그 단편 피이크가 질량수 12에서 자주 나타나며, X₁₂값을 교란시킨다.

탄화수소에 의한 교란을 무시할 수 없다면 분압계산에 식[2],[3] 및[4]를 선택하는 것이 바람직하다.

적당하게 선택된 3식의 풀이를 탈탄공정의 실제제어에 이용될 때 다른 3식은 질량분광계의 유지검사 또는 컴퓨터의 순서검사에 이용하는 것이 유리하다는 것을 이해하게 한다.

CO 및 CO₂의 용량 검사

일단 배기가스중 CO 및 CO₂의 분압이 결정되면 배기가스중의 CO 및 CO₂의 용량은 다음 식에 의해 이론적으로 결정할 수 있다.

여기서, qco 및 qco₂는 각각 배기가스중의 CO 및 CO₂의 용량을 나타내며 Pco 및 Pco₂는 각각 CO 및 CO₂의 분압의 계산치이며, P는 배기가스의 총압력이고, Q는 배기가스의 양이다.

그러나, 대기압하에서 용융강을 탈탄하는 제강공정에서 형성된 배기가스의 양을 정확하게 결정하는 것은 가능하더라도 극히 어렵고 실용성이 없다.

본 발명의 주요한 특징중의 하나는 배기가스중의 CO 및 CO₂의 용량, 즉 qco 및 qco₂는 배기가스의 용량을 측정할 필요없이 결정된다는 사실에 있다.

이미 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 방법에서 기준가스 A가 기준가스 인입관(11) 또는 랜스(3) 또는 취입공(18)에서 그 장치로 도입되어 정확하게 측정된다.

기준 가스량의 변화, Δq_A및 피이크, 더 바람직하게는 어미 피이크에 대한 기준가스A의 이온화 전류변화, ΔX_A(암페어)를 점검하였다. 그 결과 이 장치에 도입되는 기준가스 A가 배기가스 중에서 균일하게 분산되면 다음의 식[5] 및 [6]으로 구체화 된다.

즉, ΔX_A=S_A·ΔP_A……[5]

Q/P=Δq_A/ΔP_A……[6]

여기서 ΔX_A, Q, P 및 Δq_A는 위에서 밝힌바와 같으며, SA(ampere/torr)는 기준가스 A에 대한 질량분광계(7)의 감도이고,ΔP_A는 배기가스중 기준가스의 분압변화를 표시한다.

식[5] 및[6]에서 다음 식[7]을 직접 유도할 수 있다.

즉,

따라서, qco 및 qco₂는 다음의 식[8] 및[9]에 의해 Pco 및 Pco₂의 계산치, 기준가스의 유량변화 측정치 Δq_A,기준가스의 어미피이크에 대한 이온화 전류의 변화측정치 ΔX_A및 기준가스에 대한 질량분광계의 기지 또는 예정감도 S_A로 부터 계산할 수 있다.

지금 t 시간에서 용융강의 탈탄율

를 표시하면 다음과 같다.

여기서,qco(t) 및 qco₂(t)는 탈탄공정상에서 t 시간에 각각 CO 및 Co₂의 양이며, k는 상수이다.

따라서, t시간의 탈탄량 ΔC(%)는 다음과 같이 결정된다.

여기서, k´는 상수이고, w(t)는 t시간에 용융강의 예측중량에 관계되는 시간 t의 함수이며, B는 바이어스 계수이다.

따라서, 질량분광계(7)에 의한 X₁₂, X₁₄, X₂₈, X₄₄및 ΔX_A및 유량측정기 (13),(16) 혹은(24)에 의한 Δq_A를 검증함으로써 용융강의 탈탄량 ΔC(%)를 결정할 수 있다.

질량분광계 및 유량측정기의 출력신호를 식[1]내지[4] 및 [8]내지 [11]의 풀이를 구하는 프로그램을 가진 컴퓨터에 실시한 공정상에서 전송함으로써 동시에 결정할 수 있다.

본 발명의 방법중 구체적인 한 예로서, 배기 및 기준가스의 개개의 혼합물 시료를 질량분광 분석으로 질량수 12, 14, 28 및 44에서 나타낸 피이크에 대한 이온화 전류와 기준가스의 어미 피이크의 이온화 전류를 모니터하고, 위 시료에서 CO 및 CO₂분압을 질량수 12, 14,28 및 44의 피이크에 대한 이온화 전류의 측정치로 부터 계산하며, 위 시료에서 CO 및 CO₂의 양은 CO 및 CO₂의 분압계산치, 위 혼합물에서 기준 가스량의 측정치 또는 시간에 따르는 그 변화 값에서 산출되며, 모니터시간에 용융강의 탈탄량 또는 탈탄율이 위 시료에서 CO 및 CO₂량의 계산치로 부터 결정된다.

또 하나의 본 발명의 구체적인 예로서 배기가스 및 기준가스이 개개의 혼합물 시료는 질량분광 분석으로 질량수 44에서 나타난 피이크의 이온화전류 X₄₄, 질량수 12, 14, 및 28에서 각각 나타난 피이크의 이온화전류 X₁₂, X₁₄및 X₂₈로 구성되는 그룹에서 선택된 Xn 및 Xm와 기준가스의 어미 피이크의 이온화전류X_A에 대하여 모니터하여, 시료중 CO 및 CO₂의 양의 합, qco+qco₂가 다음의 식에 따라 결정된다.

여기서,Δq_A는 위 혼합물에서 시간에 따르는 기준가스의 측정량 값의 변화이며, ΔX_A는 시간에 따르는 X_A의 변화이고, a₁, a₂및 a₃는 제강공정을 최소한 3회 실시하여 미리 결정한 상수이며, qco+qco₂, X_A, X_n, X_m및 X₄₄는 위에서 설명한 바와 같으며, 모니터시간에 용융강이 탈탄율 또는 탈탄량은 qco+qco_2의결정치에서 결정된다.

이것을 구체적으로설명하기 위하여 X₁₄및 X₂₈을 X₄₄및 X_A에 가하여 선택적으로 모니터 하는 경우를 생각할 때 식[2] 내지[4],[8] 및[9]로 부터 다음의 식을 얻을 수 있다.

여기서, a₁, a₂및 a₃는 다음과 같다.

a₁, a₂, 및 a₃는 위와 같이 특정장치의 상수이므로 이들 상수는 최소한 3회 동일공정을 반복함으로써 미리 결정할 수 있다. 일단 a_1,a₂, 및 a₃를 결정하면 다음의 식에 따라서 시료중의 CO 및 CO₂의 양의 합, qco+qco₂를 결정하는 것은 가능하다.

여기서,α는 바이어스 계수이며 Δq_A,ΔX_A,X₁₄, X₂₈및 X₄₄를 모니터하는데 의존된다.

이와 같이 결정된 qco+qco₂의 값으로 부터 모니터의 탈탄량(ΔC) 및 탈탄율

가 식[10] 및 [11]에 따라 각각 결정될 수 있다.

위에서 설명한 제2의 구체적 예의 방법은 각각의 감도 S와 패턴계수

를 미리 정하는 것이 필요하지 않다는 점에서 유리하다.

이와 같은 방법은 동일한 기기설치 동일한 조건하에서 2중 가열을 반복해서 실시할 때 특히 유용하다.

더 나아가서, 본 발명의 구체적인 방법으로는, 기준가스로서 알곤을 사용하여 배기가스와 기준가스의 각각의 혼합물 시료를 질량분광 분석방법으로 질량수 28, 40 및 44 각각에 나타나는 피이크에 대한 이온화 전류 X₂₈,X₄₀및 X₄₄를 모니터하여 시료중에서 CO 및 CO₂의 양의 합, qco+qco₂를 다음식에 따라 결정하였다.

여기서,Δq_Ar은 시간에 따르는 위 혼합물에서 기준가스로서 알곤의 측정량의 변화이고, ΔX₄₀은 X₄₀의 시간에 따르는 변화이며, b₁, b₂, b₃및 b₄는 최소한 4회 제강처리 공정을 실시하여 미리 결정한 상수이고, qco+qco₂, X₂₈, X₄₀,및 X₄₄, 는 위에서 설명한 바와 같으며, 모니터시간에 용융강의 탈탄율 혹은 탈탄량은 결정된 qco+qco₂값에서 결정된다.

Q는 배기가스의 미지량, P는 배기가스의 미지의 전압력, L은 후우드(5)를 통해 흡입된 공기의 미지량, q_o2는 랜스(3) 또는 취입공(18)을 통해 취입되는 산소의 량, C¹ _Ar은 공기 중의 알곤의 함량, T_Ar은 취입공(18)을 통해 취입되는 알곤의 양, 또, C_N2는 공기중의 N₂의 함량, C_Ar은 공기중의 알곤의 함량, S_Ar은 알곤에 대한 질량분광계의 감도, P_Ar은 시료 중의 알곤의 분압, ΔP_Ar은 시간에 따르는 P_Ar의 변화, q_Ar은 배기가스 중의 알곤의 양, Δq_Ar은 기준가스로서 알곤의도입에 의한 시간에 따르는 q_Ar의 변화 ΔX₄₀은 시간에 따르는 X₄₀의 변화이면, 다음과 같은 식이 구체화 된다.

Q/P=ΔP_Ar/ΔP_Ar=q_co2/Pco₂=qco/Pco=q_N2/P_N2=q_Ar/P_Ar…[13]

ΔX₄₀=S_Ar·ΔP_Ar및 X₄₀=S_Ar·P_Ar………………………[14]

q_N2=C_N2·L……………………………………………… [15]

q_Ar=C_Ar·L+C´_Aq_o2+T_Ar……………………………………[16]

식 [3],[4] 및 [13] 내지 [16]에서 다음의 식이 얻어진다.

여기서, b₁, b₂, b₃및 b₄는 다음과 같다.

b₁=S_Ar/S_co

b₂=-S_N2/Sco·C_N2/C_Ar

b₃=S_Ar/Sco₂-

co₂·28·S_Ar/S_co및

b₄=S_N2/Sco·C_N2/C_Ar(C´_Ar·qo₂+ T_Ar)

b₁, b_2,b₃및 b₄는 특정장치의 상수이므로 위에서 설명한 바와 같이, 이들 상수는 최소한 4회 동일공정을 반복하여 미리 결정할 수 있다.

일단 b₁, b₂, b₃및 b₄를 미리 결정하면 X₂₈, X₄₀, X₄₄,ΔX₄₀및 Δq_Ar을 모니터하여 식[17]에 따라 qco+qco₂의 결정이 가능하다.

이와같이 결정된 qco+qco₂값에서 모니터 시간의 탈탄율

및 탈탄량 (Δc)은 식[10] 및[11]에 의해서 각각 결정할 수 있다.

결정된 탈탄량 또는 탈탄율에 의해 탈탄공정 과정에서 용융강은 필요로 하는 조건까지 조절된다.

특히, 탈탄공정이 복수의 단계에서 실시될 때 각 단계의 종결점에서 용융강의 탄소함량은 취입되는 산소의 양, 혼합된 취입가스의 비 및 압력, 합금원소가 부가, 슬래그의 제거 및 이 장치에 영향을 주는 기타의 피라미터를 적절하게 조절함으로써 예정치까지 제어된다.

본 발명에서 사용되는 기준가스는 배기가스와 비반응성이어야 하며 배기가스에 변성되어서는 아니된다.

더 나아가서, 기준가스는 기준가스의 온도 및 유속의 변화에 관계없이 질량분광계에 의해 정확하게 측정할 수 있는 것이 바람직하다.

일반적으로 알곤, 헬륨 또는 질소와 같은 불활성 가스는 본 발명의 사용에 있어 기준가스로 사용하는데 적당하다.

그러나, 어느 경우이든간에 기준가스를 장치에 취입하는 장치 설치의 위치와 취입방법(예컨데, 연속적 취입방법 혹은 단속적 취입방법)을 특정 기준가스의 성질에 따라 적당하게 선택하여야 한다.

그 예로서, 알곤 또는 헬륨의 경우, 기준가스가 랜스(3)(제1도), 취입공(18)(제2도) 및 기준가스 인입관(11) 중 어느 하나를 통하여 장치로 도입될 수 있다.

이에 반하여, 질소가스의 경우, 용융강과의 가스를 피하기 위하여 랜스(3) 또는 취입공(18)을 통한 가스의 취입은 피하여야 한다.

따라서, 기준가스로서의 질소가스는 기준가스 인입관(11)를 통하여 장치에 도입되는 것이 적당하다.

기준가스로서 알곤을 랜스(3) 또는 취입공(18)을 통해 장치에 도입할 때 알곤 기준가스를 단속적으로 도입하여 Δq_A및 ΔX_A를 모니터하는 것이 일반적으로 바람직하다.

헬름의 겨우, 장치에 단속적으로 도입할 수 있으나, 랜스(3) 또는 취입공(18)을 통해 연속적으로 도입하여 q_A및 X_A를 모니터하는 것도 가능하다

기준가스의 단속적인 도입은 기준가스와 동일한 가스의 부주의한 도입 또는 의도적인 도입으로 교환이 방지될 수 있다는 점에서 유리하다.

이미 설명한 바와 같이 기준가스는 그 가스의 성질에 따라 전로(1)에서 처리되는 용융강에 랜스(3)또는 취입공(18)을 통하여 가스를 취입함으로써 장치에 도입된다.

이와같은 경우, 배기가스에 기준가스를 균일하게 분산시키는 시료의 균일성이 보장된다.

그러나, 기준가스가 기준가스 인입관(11)을 통하여 관(6)의 배기가스 흐름에도입될 때 배기 및 기준가스의 개개의 가스혼합물을 채취할 수 있도록 기준가스를 관(6)에 도입하는 위치의 관(6)에서 채취위치를 택하는데 주의를 하여야 한다.

또, 기준가스가 관(6)에 도입되는 위치의 D(cm) 하류거리 위치에 있는 관에서 채취를 하여야 함을 알수 있다.

여기서, D는 다음의 관계식을 만족시킨다.

위 식에서 R은 관(6)의 배기가스의 최저유속(

/min)이고, A는 단면적(cm²), Ls는 관(6)의 배기가스 흐름의 최저 선형속도(10³cm/min)이다.

본 발명을 실시함에 있어서 최소한 기준가스의 측정량은 사용되어야 한다.

또한, 사용되는 특정 질량분광계의 기준가스에 대한 감도에 의존되나 배기가스에 의해 0.001용량% 정도의 기준가스가 도입되는 시간에 그 장치에 대표적으로 도입될 수 있다.

확실히, 측정을 계속해서 실시하는 한 가급적 최소량의 기준가스를 사용하는 것이 유리하다.

본 발명은 다음의 실시예에 의해 더 구체적으로 설명한다.

[실시예 1]

제1도에 표시한 바와 같이 40톤용 전로에서 용융강 약 40톤이 랜스(3)를 통과한 산소의 취입으로 탈탄 되었다.

용융강의 최초 조성은 C 2.35~3.05%, Ni 약 8.9%, Cr 약 18.0%, Mn 약 0.5%, Si 약0.4%이었다.

종결점에서 용융강의 고유 탄소함량은 0.03%이었다.

탈탄공정 과정에서 변화하는 지지량의 알곤을 랜스(3)를 통하여 도입하였다.

또, 배기가스 흡입펌프(10)에 의해 시료인입관(8) 및 필터(9)를 통과하여 질량분광계(7)의 시료인입장치에서 채취하였다.

그리고, 랜스(3)를 통하여 장치에 도입되는 알곤량에 따라 변화되는 질량수40(X_A)의 이온화 전류를 측정하였다.

질량수(m/e) 40에서 이온화 전류의 변화, ΔX_A는 제3도에서와 같이 도입되는 알곤량의 변화,Δq_A에 비례한다는 것을 나타내었다.

제3도의 그래프의 기울기(slope)로부터 알곤에 대한 질량분광계의 감도를 측정하였다.

변화하고 있는 기지량의 알곤이 기준가스 인입관(11)을 통하여 관(6)에 도입되는 것을 제외하고는 위에서 설명한 예비실험의 처리공정을 반복하였다.

이 결과, 제3도에서와 같이 동일한 결과를 얻었다.

용융강을 전로(1)에서 제거하고 산소의 취입을 하지 않는 또 하나의 예비시험에

있어서도 기준가스 인입관(11)을 통하여 관(6)에 도입되는 알곤량의 변화에 따르는 이온화 전류ΔX_A의 변화를 모니터하였다.

그 결과 동일한 성적이 얻어졌다.

예비실험에서 사용되는 전로에서 스테인레스강 가열 제42로를 실험하였다.

각 가열에 있어서 위에서 설명한 초기 조성을 가진 용융강 약 40톤을 랜스(3)를 통과한 산소취입으로 전로(1)에서 처리하였다.

종결점에서 고유 탄소함량은 0.30%이었다.

가열번호 제1 내지 제20에 대하여서는 기준가스로서 알곤을 산소 취입중 및 전후에 유량측정기(16),도입지관(15) 및 랜스(3)를 통하여 장치에 단속적으로 도입하였다.

반면에 가열번호 제21내지 제42에 대해서 기준가스로서 알곤을 랜스(3) 및 기준가스 인입관(11)을 통하여 관(6)에 단속적으로 도입하였다.

일체의 가열에 있어서 도입되는 알곤의 유속은 분당500

이었고, 60초의 1주기에 대하여 2.5분마다 흐름을 정지시켰다.

각각의 가열에 있어서, 배기가스의 시료, 즉 배기가스와 기준가스의 개개의 혼합물을 흡입관(10)에 의해 시료인입관(8) 및 필터(9)를 통하여 질량분광계(7)의 시료인입 장치로 계속해서 도입시켜, 이온화전류 X₁₂, X₁₄, X₂₈, X₄₄, 및 X₄₀에 대하여 계속해서 모니터하였다.

X₄₀은 알곤의 어미 피이크에 대한 이온화 전류를 표시하며, 질량수(m/e) 40을 나타낸다.

측정치는 고속 기록계에 기록되어 실 [1]내지 [4] 및 [8] 내지 [11]의 풀이에 대한 프로그램을 가진 콤퓨터로 처리하여 탈탄량 C%를 결정하였다.

가열번호 제1 내지 5 및 제21 내지 25에서 얻어진 데이터를 실 [11]에서 바이어스 계수 13를 계산하는데 이용하였다.

시간 t에서 용융강의 예측증량에 대한 질량계수 W(t)는 용융강의 초기 중량에서 콤퓨터에 의해 각각의 가열에 대해서 별도로 미리 결정하였다.

각각의 가열에 대해서는 용융강의 탄소의 실제함량, Cact %는 채취 및 이에 따르는 화학분석에 의해 공정의 종결점에서 결정하였다.

일체의 가열번호 제6내지 제20 및 제26 내지 제42에 대하여 본 발명의 방법에 의해 질량분광 분석으로 결정한 값, C%와 화학분석으로 결정한 실제의 값, Cast %간의 차는 1회 가열을 제외하고는 ±0.04% 범위내에 있었다.

본 실시예에서, 기준가스로서 알곤은 장치에 단속적으로 도입되어 알곤이 도입될때 얻어진 X₄₀의 값과 알곤의 도입을 중지할 때 얻어진 X₄₀의 값 사이의 차, 즉 ΔX_A를, 취입산소(산소에는 보통 0.2 내지 0.3%의 알곤을 포함하고 있음)내에 존재하는 알곤과 후우드(5)에서 흡입된 대기(보통, 대기에는 약 0.93%의 알곤을 포함하고 있음) 중에 존재하는 알곤에 의해 X₄₀의 교란을 가급적 최소화하기 위하여 도입하였다.

[실시예 2]

제2도에서와 같이 100kg형 AOD로를 사용하여 스테인레스강 가열 제14로를 실시하였다.

실시예 1과 같은 예비실험 결과 기준가수로서 헬륨에 대하여 ΔqA에 ΔXA가 비례한다는 것을 나타내었다.

또, 헬륨에 대한 질량분광계의 감도를 측정하였다.

각각의 가열에 대해서 용융강의 초기 조성은 C 0.65~1.20%, Ni 약 8.9%, Cr 약 18.0%, Mn 약 0.5% 및 Si 약 0.4%이었다.

그리고 0.060%의 탄소의 최종 함량을 달성하기 위하여 취입 처리공정을 실시하였다.

취입처리 공정은 AOD로에서와 같이 3단계로 구분되어, 제1단계에서는 산소 대 알곤의 흐름의 비가 3:1이었고, 제2단계에서는 산소 대 알곤의 흐름의 비가 2:1이었으며, 제3단계에서는 산소 대 알곤의 비가 1:2이고, 예비실험실에 의해 미리 정한 취입방식에 따랄 실시한 결과 제1, 제2 및 제3단계의 종결점에서 탄소함량은 각각 약 0.25%, 약 0.15% 및 0.06%가 되었다.

가열번호 제1내지 제10에 대해서는 제1단계의 종결에서 제3단계가 종결할 때까지 전로(1)를 역전시키지 않는 반면에 가열번호 제11내지 제14에 대해서는 전처리 공정을 통하여 로를 역전시키지 않고 처리공정을 실시하였다.

각각의 가열에 있어 유량측정계(24)에 의해 정확히 측정한 다음 취입처리 공정 전후와 그 처리과정중에 취입공(18)을 통해 그 장치에 연속적으로 기준가로로서 헬륨을 도입하였다.

도입된 헬륨가스의 취입속도는 분당 2

정도이었다.

가스인입관(8) 및 필터(9)를 통하여 질량분광계 (7)의 시료인입 장치로 배기가스의 시료를 연속적으로 도입하여 이온화 전류 X₁₂, X₁₄, X₂₈, X₄₄및 X₄에 대하여 연속적으로 모니터하였다.

X₄는 질량수(m/e) 4에서 나타내는 헬륨의 어미 피이크에 대한 이온화 전류를 표시하며, 이들의 이온화 전류의 측정치로부터 탈탄량 C%를 실시예 1에서와 같은 방법으로 결정하였다.

용융강의 실제의 탄소함량, Cast%는 각각의 가열에 대한 처리공정의 종결점에서 화학적으로 결정하였다.

본 발명의 방법에 의해 질량분광 분석으로 결정한 측정치 C%와 화학분석에 의해 실제로 결정한 측정치 Cast %간의 차는 다만 각각의 가열에 대하여 다만±0.01% 범위내에 있었다.

본 실시예에서는 기준가스로서 헬륨을 장치에 계속해서 도입하여 X₄를 모니터 하였다.

질량수(m/e)4에서 이온화 전류는 그 장치에 들어가는 산소, 알곤 및 공기에 포함되어 있는 헬륨에 의해 실제로 교란되지 않는다는 것을 알았다.

이것은 이와같은 가스 중의 헬륨의 함량이 10^-3내지 10^-4정도로 낮다는 것으로 이해된다.

따라서, 헬륨이 기준가스로서 사용될 때 그 장치에 계속해서 도입할 수 있다.

그러므로, 본 발명은 여러가지의 잇점을 갖고 있다.

실제로 처리되는 용융강의 채취는 본 발명의 방법으로는 필요하지 않으며, 따라서 채취를 목적으로 취입을 정지하여 전로를 역전시킬 필요가 없다.

소량의 시료로 측정하는데 충분하다는 사실로 보아서 시료를 여과하는데 필요로 하는 장치를 간단하게 할 수 있고, 이와같은 시료를 질량분광계에 이전시키는 시간의 주기를 짧게 할 수 있다.

더우기, 채취가스중의 CO 및 CO₂의 함량은 전 배기가스의 양을 측정할 필요없이 미리 초(milli-seconds)단위로 하여 단시간 내에 하나의 동일 기기로 동시에 결정될 수 있다.

점검된 파라미터(이온화 전류)가 전기적 성질을 갖고 있어 이들의 파라미터는 진행중의 처리공정에 적당한 기록계와 콤퓨터에 직접 용이하게 전송할 수 있다.

이와같이, 측정시 순간마다 탈탄율 또는 탈탄량을 결정하는 것이 가능하다.

더 나아가서, 이와같은 측정은 정확하며 일관성이 있다.

본 발명은 상부 취입전로 또는 AOD로에서 스테인레스강 제조공정에 대한 실시예로 설명하였으나 본 발명의 방법은 그 처리공정을 대기압하에서 실시하고 배기가스가 CO,CO₂및 N₂로 구성되어 있다면 다른 로에서 용융강의 탈탄 및 일반 강 제조에 용융할 수도 있다.

더 나아가서, 식[11]에서 적분한ㄴ C%와 초기 C%에 따라 제강공정을 대신 제조된 특정 강에 대하여 별도로 미리 결정한 탈탄방식으로 어떤 시간에 결정한 탈탄율을 이용함으로써 이 처리공정을 조절할 수도 있다.

초기의 C%는 몇가지 이유에서 충분히 이용할 수 없으며, 어떤 단계에서 화학적으로 측정한 용융강의 C%는 그대신 이용할 수 있다.

본 발명의 범위와 기술적인 사상에서 벗어남이 없이 이 분야에서 여러가지 변형을 할 수 있음은 명백하여 한 예로서 이들 변형간의 몇가지 변형을 다음에 구체적으로 설명하는 것이 바람직하다.

1. 위 시료를 질량분광 분석으로 질량수 12, 14, 28 및 44에 나타나는 피이크에 대한 이온화 전류와 기준 가스의 어미 피이크에 대한 이온화 전류에 대하여 모니터하며, 위 시료에서 CO 및 CO₂의 분압을 질량수 12, 14, 28 및 44에서의 피이크에 대한 이온화 전류의 측정치에서 산출하고, 위 시료에서 CO 및 CO₂의 양을 CO 및 CO₂의 분압 계산치, 위 혼합물에서 기준가스량의 측정치 또는 시간에 따르는 변환값 및 기준가스의 어미 피이크에 대한 이온화 전류의 측정치 또는 시간에 따르는 그 변화값에서 산출되며, 점검시간에 용융간의 탈탄율 또는 탈탄량을 위 시료에서 CO 및 CO₂양의 계산치에서 결정되는 제강공정을 제어하는 방법.

2. 배기가스 및 기준가스의 개개의 혼합물은 배기가스의 흐름에 기준가스의 측정량을 도입 형성하여, 기준가스가 배기가스의 흐름에 도입되는 위치의 D(cm)하류거리 위치에서 질량분광 분석용으로 시료를 채취하는 제강공정의 제어방법.

여기서, D는 다음의 관계를 만족시킨다.

D ＜ 0.8Ls

위에서, Ls는 배기가스의 흐름의 최저선형 유속(10³cm/min)이다.

3. 기준가스가 알곤, 헬륨 및 질소로 구성되는 그룹에서 선발되고, 배기가스의 흐름에 단속적으로 도입하는 제강공정의 제어방법.

4. 기준가스가 알곤이며, 처리되는 용융강에 단속적으로 도입되는 제강공정 제어방법.

5. 기준가스가 헬륨이며 처리되는 용융강에 단속적으로 도입되는 제강공정 제어방법.

6. 위 시료를 질량분광 측정방법으로 X₄₄에 대하여 모니터하여 피이크에 대한 이온화 전류가 질량수 44에서 나타나며, X₁₂,X₁₄및 X₂₈로 구성되어 있는 그룹에서 선택된 Xn 및 Xm은 질량수 12,14 및 28 각각에서 피이크에 대한 이온화 전류가 나타나며, X_A는 그 이온화 전류가 기준가스의 어미 피이크에 대하여 나타나고, 시료중 CO 및 CO₂양의 합, qCO+qCO₂는 다음의 식에 따라 결정되는 제강공정 제어방법.

위 식에서, Δq_A는 시간에 따르는 위 혼합물 중 기준가스의 측정량의 변화이고, ΔX_A는 시간에 따르는 X_A의 변화, a₁, a₂및 a₃는 최소한 3회 제강공정을 실시하여 미리 결정한 상수, α는 바이어스 계수, qCO+qCO₂, X_A, X_n, X_m및 X₄₄는 위에서 설명한 바와 같으며, 모니터 시간에 용융강의 탈탄율 또는 탈탄량은 이와 같이 결정된 qCO+qCO₂의 결정치에서 결정된다.

7. 배기가스와 기준가스의 개개의 혼합물이 배기가스의 흐름에 기준가스의 측정량을 도입함으로써 구성되며, 기준가스가 배기가스와 흐름에 도입되는 위치의D(cm) 하류거리 위치에서 질량분광 측정방법으로 채취하는 제강공정 제어방법.

여기서, 위 D는 다음의 관계식을 만족시킨다.

D ＞ 0.8Ls

위 관계식에서 Ls는 배기가스의 흐름의 최저선형 유속(10³cm/min)임.

8. 기준가스로서 알곤을 사용하며, 위 시료를 X₂₈, X₄₀및 X₄₄에 대하여 질량분광 측정방법으로 모니터하여 이들 피이크에 대한 이온화 전류가 각각 28, 40 및 44의 질량수에서 나타나며, 시료에서 CO 및 CO₂의 양의 합, qCO+qCO₂가 다음의 식에 의해 결정되는 제강공정 제어방법.

위 식에서, Δq_Ar은 위 혼합물에서 표준가스로서 알곤의 측정량 값의 시간에 따르는 변화, ΔX₄₀은 X₄₀의 시간에 따르는 변화, b_1,b_2,b₃및 b₄는 적어도 4회 제강공정을 실시함으로써 미리 결정한 상수, qCO+qCO₂, X₂₈, X₄₀및 X₄₄는 위에서 설명한 바와 같으며, 모니터 시간에 용융강의 탈탄율 혹은 탈탄량은 qCO+qCO₂의 결정치에서 결정됨.

9. 배기가스와 기준가스의 개개의 혼합물이 배기가스의 흐름에 기준가스의 측정량을 도입하여 구성하며 기준가스가 배기가스의 흐름에 도입되는 위치의 D(cm) 하류거리 위치에서 질량분광 측정용으로 시료를 채취하는 제강공정 제어방법.

여기서 D는 다음의 관계식을 만족시키며,

D ＞ 0.8 ＞Ls

는 배기가스의 흐름의 최저선형 유속(10³cm/min)임.

Claims (1)

1. 대기압하에서 용융강의 탈탄과 CO, CO₂및 N₂로 구성된 배기가스의 형성을 구성하여, 배기가스에 불활성인 기준가스의 측정량과 배기가스의 개개의 가스혼합물로 형성되는 단계를 구성하며, 위 시료에서 CO, CO₂, N₂및 기준가스의 선택 피이크에 대한 이온화 전류에 대하여 위 개개의 혼합물 시료를 질량분석 측정 방법으로 모니터하고, 선택된 피이크의 이온화 전료의 측정치와 위 혼합물의 기준가스량의 측정치에서 모니터 시간에 용융강의 탈탄율 또는 탈탄량을 결정하여, 용융강의 탈탄량 또는 탈탄율의 측정치에 따라 제강공정을 제어하는 대기압하에서의 제강공정 제어법.

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