WO2018084517A1 - 용강 처리 장치 및 이를 이용한 용강 처리 방법 - Google Patents

용강 처리 장치 및 이를 이용한 용강 처리 방법 Download PDF

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WO2018084517A1
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김욱
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    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21C—PROCESSING OF PIG-IRON, e.g. REFINING, MANUFACTURE OF WROUGHT-IRON OR STEEL; TREATMENT IN MOLTEN STATE OF FERROUS ALLOYS
    • C21C7/00—Treating molten ferrous alloys, e.g. steel, not covered by groups C21C1/00 - C21C5/00
    • C21C7/0075—Treating in a ladle furnace, e.g. up-/reheating of molten steel within the ladle
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21C—PROCESSING OF PIG-IRON, e.g. REFINING, MANUFACTURE OF WROUGHT-IRON OR STEEL; TREATMENT IN MOLTEN STATE OF FERROUS ALLOYS
    • C21C7/00—Treating molten ferrous alloys, e.g. steel, not covered by groups C21C1/00 - C21C5/00
    • C21C7/0087—Treatment of slags covering the steel bath, e.g. for separating slag from the molten metal
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21C—PROCESSING OF PIG-IRON, e.g. REFINING, MANUFACTURE OF WROUGHT-IRON OR STEEL; TREATMENT IN MOLTEN STATE OF FERROUS ALLOYS
    • C21C7/00—Treating molten ferrous alloys, e.g. steel, not covered by groups C21C1/00 - C21C5/00
    • C21C7/04—Removing impurities by adding a treating agent
    • C21C7/064—Dephosphorising; Desulfurising

Definitions

  • the present invention relates to an apparatus for treating molten steel and a method for treating molten steel using the same, and more particularly, an apparatus for treating molten steel, which controls an interfacial reaction between molten steel and slag, prevents reoxidation of molten steel, and controls components of molten steel. And a molten steel treatment method using the same.
  • slag is used to insulate molten steel, prevent mixing of external impurities into molten steel, and perform a refinery reaction to remove impurities in molten steel through an interfacial reaction between slag and molten steel.
  • Such slag is composed of a composite oxide, and in ladle refining conditions, it is present in the form of an ionic solution at the top of the molten steel.
  • Respectively to the main components of the slag comprises a basic oxide, SiO 2, a neutral oxide of an acidic oxide and the like FeO, MnO, such as Al 2 O 3, such as CaO, MgO, maintain electroneutrality even Ca 2 +, Mg 2 +, SiO 4 - present in the ionic state, such as, Fe 2 + / 3 +, Mn 2 + / 3 + , and O 2- -, AlO 4.
  • inclusions and impurity elements in molten steel may be removed by an interfacial reaction between slag and molten steel, and for this, basicity and oxidation degree of slag may be controlled.
  • basicity means a ratio of basic oxide content to oxidative oxide content
  • ladle refining requires high basicity.
  • the degree of oxidation of the slag means the content of neutral oxides such as FeO, MnO contained in the slag. And the higher the degree of oxidation of slag, the easier it is to generate inclusions by reacting with deoxidation elements in molten steel, which is called reoxidation by slag.
  • slag is used in slag refining to make it easy to remove inclusions and impurities in molten steel
  • quicklime is added to increase the basicity of slag
  • slag deoxidizer containing aluminum and calcium carbonate is added to oxidize slag.
  • the method of lowering the degree is used.
  • additives such as quicklime or slag deoxidizer increases the manufacturing cost, and especially in the case of slag deoxidizer, a technique for exposing the problem of generation of inclusions by the injected aluminum is required.
  • a Ca component is added in the form of metallic Ca, Fe-Ca, Ca-Si, or the like.
  • Ca has a problem of very low error rate due to high volatility.
  • the present invention provides an molten steel treatment apparatus and a molten steel treatment method using the same, which can suppress the reoxidation of molten steel by causing an interfacial reaction between slag and molten steel without adding an additional additive.
  • a molten steel processing apparatus used for ladle refining, comprising: a power supply module including a first electrode and a second electrode electrically separated from the first electrode; And a power supply unit connected to the power supply module.
  • the first electrode may be formed in a plate shape having an area, and the second electrode may extend through the first electrode and extend in the vertical direction, and an insulator may be provided between the first electrode and the second electrode. have.
  • An extension part having an area under the second electrode and provided in parallel with the first electrode may be formed.
  • the first electrode and the second electrode may have a plate shape having an area, and an insulator may be provided to separate the first electrode and the second electrode between the first electrode and the second electrode.
  • the first electrode may include a material having a specific gravity smaller than that of the slag formed on the molten steel.
  • the first electrode may include graphite.
  • the second electrode may include a conductive refractory including Al 2 O 3 (MgO) -C.
  • the insulator may be formed longer than the thickness of the slag formed on the molten steel.
  • the power supply module may be formed in the ladle cover to be inserted into the ladle.
  • the molten steel treatment method according to an embodiment of the present invention, the molten steel treatment method, the step of providing a slag on the molten steel; Contacting at least a portion of the slag with a first electrode and contacting at least a portion of the molten steel with a second electrode; And applying a voltage to the first electrode and the second electrode to polarize the slag.
  • the first electrode may be suspended in the slag, and at least a part of the second electrode may be dipped in the molten steel.
  • an anode may be connected to the first electrode, and a cathode may be connected to the second electrode.
  • the first electrode includes graphite, and in the process of polarizing the slag, oxygen ions in the slag may be removed as CO gas by reacting with the first electrode.
  • Ca component of the slag may be introduced into the molten steel to be reduced.
  • the Ca component may react with the sulfur component of the molten steel to generate CaS.
  • the CaS may be trapped in the slag and removed.
  • the present invention it is possible to easily remove inclusions and impurities in molten steel by controlling the basicity and oxidation degree of the slag without using an additional additive. That is, by supplying current to the slag and molten steel to induce a polarization phenomenon in the slag, it is possible to trap inclusions and impurities in the slag through the ion exchange at the interface between the slag and molten steel.
  • a specific component of the slag may be introduced into the molten steel to adjust the components of the molten steel without using a separate additive.
  • the cleanliness of molten steel can be prevented from being deteriorated by the use of additives, and an increase in production cost can be prevented.
  • FIG. 1 is a view schematically showing a molten steel treatment apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a view showing a modification of the power supply module.
  • 3 and 4 are views showing a state in which the power supply module is installed on the ladle.
  • FIG. 5 is a view showing slag polarization occurring in the process of processing molten steel in the molten steel treatment method according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 6 is a schematic diagram of the interface reaction generated in the process of processing molten steel in the molten steel treatment method according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 7 is a graph showing the experimental results of controlling the sulfur concentration in the molten steel in a molten steel treatment method according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a view schematically showing a molten steel processing apparatus according to an embodiment of the present invention
  • Figure 2 is a view showing a modified example of the power supply module
  • Figure 3 and Figure 4 is a state in which the power supply module is installed on the ladle. Figure showing.
  • a molten steel processing apparatus may be electrically separated from a first electrode 110 having an area so as to cover at least a portion of a molten steel surface, and a first electrode 110.
  • the power supply module 100 may be formed as a single unit, and the first electrode 110 and the second electrode 120 are electrically separated from the first electrode 110 and the second electrode 120.
  • An insulator 130 may be provided between the insulators 130.
  • the power supply module 100 may be installed to float above the molten steel, or may be installed in a structure such as a ladle cover. In the former case, as shown in FIG. 3, the power supply module 100 may be placed on the molten steel to allow the first electrode 110 to float on the slag, and a portion of the second electrode 120 may be immersed in the molten steel. have. In the latter case, as shown in FIG. 4, when the power supply module 100 is connected to the ladle cover 12 to cover the ladle 10 in which molten steel is accommodated by the ladle cover 12, the first electrode 110 is formed. It may be disposed above the slag, a portion of the second electrode 120 may be immersed in the molten steel.
  • the first electrode 110 may be formed to have an area in which the first electrode extends in one direction and may have, for example, a disc shape corresponding to the molten surface of the molten steel. In addition, it may be formed in various shapes, but may be formed in a shape corresponding to the surface of the molten steel so as to induce polarization in the slag over a wide area.
  • an insertion hole 112 for installing the second electrode 120 may be formed in the first electrode 110. The insertion hole 112 may be formed to penetrate the first electrode 110 in the vertical direction. For example, the insertion hole 112 may be formed at the center of the first electrode 110. This is to increase the contact area with the slag by equilibrating the first electrode 110 in the molten steel or the upper slag when the first electrode 110 is installed.
  • the first electrode 110 may be installed such that the bottom thereof is in contact with the surface of the slag so as to supply power to the slag, for example, a current. Accordingly, the first electrode 110 may be manufactured using graphite having high electrical conductivity, low melting loss, and no reaction with slag. In this case, when the power supply module 100 is inserted into the ladle 10 without being connected to a separate structure, the first electrode 110 is made of a material smaller than the specific gravity of the slag because the first electrode 110 must be maintained in a floating state on the slag. It is preferable to form.
  • the second electrode 120 may be formed in a bar shape penetrating the first electrode 110 and extending in the vertical direction.
  • the second electrode 120 is for supplying power to the molten steel, and may be formed of a material having high electrical conductivity, low molten iron and not reacting with the molten steel.
  • the second electrode 120 since the second electrode 120 is immersed in molten steel having a higher temperature than slag, the second electrode 120 may be formed of a refractory having electrical conductivity.
  • the second electrode 120 may be formed of Al 2 O 3 (MgO) -C material.
  • the insulator 130 may be provided between the first electrode 110 and the second electrode 120 to electrically separate the first electrode 110 and the second electrode 120.
  • the insulator 130 is formed to be hollow so as to accommodate the second electrode 120 therein, and the upper and lower portions are open to expose the second electrode () to receive power and to supply power to the molten steel. Can be.
  • the first electrode 110 When the power supply module 100 is installed in the ladle, the first electrode 110 is suspended above the slag, but the second electrode 120 may be disposed from the top of the slag over the molten steel. Therefore, since the second electrode 120 should be electrically separated from the first electrode 110 at least in the region passing through the slag, the length H of the insulator 130 is formed to be longer than the thickness of the slag formed on the molten steel. It is preferable.
  • the power supply module 100 is not limited thereto, but may be formed in various structures capable of supplying power to slag and molten steel.
  • the second electrode 120 may include an extension part 120a disposed in parallel with the first electrode 110 to increase a contact area with molten steel. .
  • the first electrode 110 and the second electrode 120 having an area may be disposed to be spaced apart in the vertical direction.
  • the first electrode 110 and the second electrode 120 may be formed to have the same or similar area, and may be interconnected by the insulator 130.
  • the length of the insulator 130 that is, the distance between the first electrode 110 and the second electrode 120 is preferably formed longer than the thickness of the slag.
  • a plurality of through holes 122 may be formed in the second electrode 120 to facilitate installation of the power supply module 100.
  • the power supply unit 140 may be electrically connected to the power supply module 100, that is, the first electrode 110 and the second electrode 120 to supply power such as current and voltage.
  • the power supply unit 140 may be installed in the ladle 10 in which molten steel is accommodated, or may be installed and operated in a separate treatment plant.
  • first electrode 110 and the second electrode 120 may be connected to the power supply 140 through wires, respectively.
  • the wire may be made of carbon steel or stainless steel with heat dissipation coating, and may be formed to be stretchable to allow vertical movement of the power supply module 100 according to a change in the amount of molten steel in the ladle 10.
  • FIG. 5 is a view showing the slag polarization phenomenon generated in the process of processing the molten steel in the molten steel treatment method according to an embodiment of the present invention
  • Figure 6 is a process of treating molten steel in the molten steel treatment method according to an embodiment of the present invention It is a schematic diagram of the interface reaction which arises.
  • the present invention can be applied in the course of transferring the molten steel after the casting and refining, for example, after the secondary refining.
  • the present invention can control the degree of oxidation and basicity of the slag by inducing polarization by applying power to the slag.
  • the inclusion and impurity elements in the molten steel can be picked up and removed from the slag through ion exchange at the interface between the slag and the molten steel, and the components of the molten steel can be adjusted by introducing the components necessary for the composition adjustment of the molten steel from the slag to the molten steel.
  • the power supply module 100 is installed inside the ladle in which the molten steel M is accommodated.
  • the first electrode 110 is in contact with the slag (S) formed on the molten steel (M), a portion of the second electrode 120, that is, the lower portion is to be immersed in the molten steel (M).
  • the first electrode 110 and the second electrode 120 are connected to the power supply unit 140 using a wire.
  • the connection process between the power supply module 100 and the power supply unit 140 may be omitted.
  • the first electrode 110 may be a positive electrode (+)
  • the second electrode 120 may be a power source, for example a voltage to be a negative electrode (-).
  • the slag surface on which the first electrode 110 is disposed may be an anode
  • the molten steel on which the second electrode 120 is immersed may be a cathode.
  • the molten steel surface in contact with the slag may be the interface between the electrode and the electrolyte.
  • ions that are irregularly distributed in the slag are first electrode (according to the polarity). It moves to the 110 and the second electrode 120 side.
  • the ions moved to satisfy the electric charge and the electrical charge charged by the first electrode 110 and the second electrode 120 are integrated at the electrode interface, that is, the interface between slag and molten steel.
  • anion is formed in the upper layer where the first electrode 110 is located, and cations are accumulated in the lower layer where the second electrode 120 is located, thereby generating polarization.
  • MnO contained in the slag, CaO, FeO and the like may be ionized Ca 2 +, Fe 2 + / 3 +, Mn 2 + / 3 + ions and free oxygen ions (O2-).
  • the free oxygen ions (O2-) in the slag may be removed in the form of CO gas by moving to the first electrode 110 containing graphite to cause an electrochemical reaction.
  • the electrons separated from the free oxygen ions may be supplied to the molten steel through the power supply unit 140.
  • Ca 2 +, Fe 2 + / 3 +, Mn 2 + / 3 + ions are moved to the interface between the second electrode 120 is immersed in the molten steel side in, that slag and molten steel.
  • Ca 2 + , Fe 2 + / 3 + and Mn 2 + / 3 + ions moved to the interface between slag and molten steel are reduced and dissolved by electrons supplied to molten steel and flow into molten steel in the form of Ca, Fe, Mn. Can be.
  • the Ca 2 + affects the basicity of the slag can be selectively increasing the basicity of the slag from the lower part, which is integrated in the interface side of the slag and the molten steel in contact with molten steel. In this case, inclusions such as Al 2 O 3 in the molten steel are collected into slag to reduce the inclusions in the molten steel.
  • the Ca component introduced into the molten steel may react with the sulfur component in the molten steel to generate CaS. That is, the Ca component introduced into the molten steel from the slag may serve as an additive added to control the sulfur component in the molten steel. CaS generated due to the inflow of Ca components is trapped in the slag, thereby reducing the concentration of sulfur components in the molten steel.
  • FIG. 7 is a graph showing an experimental result of controlling the sulfur concentration in the molten steel by the molten steel treatment method according to an embodiment of the present invention.
  • Experimental Example 2 charged 50g of molten silver and 25g of slag with basicity of 3.2 into the crucible and applied a voltage of 5V for 5 hours. Thereafter, the content of Ca in the molten silver was measured.
  • Experimental Example 3 charged 50g of molten silver and 25g of slag with basicity of 3.2 into a crucible and applied a voltage of 10V for 5 hours. Thereafter, the content of Ca in the molten silver was measured.
  • Experimental Example 1 is a case where no polarization is formed in the slag, it can be seen that a small amount of Ca component in the slag flowed into the molten silver.
  • a molten steel containing about 80 ppm of sulfur and a CaO-SiO 2 -Al 2 O 3 -MgO slag having a basicity of 3.2 were charged to the crucible, and a power supply module was installed in the crucible. At the initial stage of charging, the power supply module was maintained without applying power, and a voltage of 10 V was applied for 220 minutes (395 minutes after charging) from 175 minutes. And after loading molten steel and slag into the crucible, the sulfur concentration in molten steel was measured for 500 minutes, and it is shown in FIG.
  • the sulfur concentration in the molten steel is gradually decreased until the molten steel and the slag are charged into the crucible and the voltage is applied to the power supply module.
  • the sulfur concentration in the molten steel decreases rapidly, and after about 200 minutes after the voltage is applied, the sulfur concentration tends to increase again.
  • the sulfur concentration in the molten steel increases rapidly again.
  • the apparatus for treating molten steel according to the present invention and a method for treating molten steel using the same can easily remove inclusions and impurities in molten steel by controlling the basicity and oxidation degree of slag without using an additional additive. Therefore, it is possible to prevent the deterioration of the cleanliness of the molten steel by the use of additives, it is possible to prevent the increase in the production cost due to the purchase of additives.

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Abstract

본 발명은 용강 처리 장치 및 이를 이용한 용강 처리 방법에 관한 것으로서, 용강 상부에 슬래그를 마련하는 과정; 상기 슬래그의 적어도 일부에 제1전극을 접촉시키고, 상기 용강의 적어도 일부에 제2전극을 접촉시키는 과정; 상기 제1전극과 상기 제2전극에 전압을 인가하여 상기 슬래그를 분극시키는 과정;을 포함하여, 별도의 첨가재를 사용하지 않고 슬래그의 염기도 및 산화도를 제어하여, 용강 중 개재물 및 불순원소를 용이하게 제거할 수 있다.

Description

용강 처리 장치 및 이를 이용한 용강 처리 방법
본 발명은 용강의 처리 장치 및 이를 이용한 용강 처리 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 용강과 슬래그의 계면 반응을 제어하여 용강의 재산화를 방지하고, 용강의 성분을 제어할 수 있는 용강의 처리 장치 및 이를 이용한 용강 처리 방법에 관한 것이다.
래들 정련 공정은 슬래그를 이용하여 용강을 보온시키고, 외부 불순물의 용강으로 혼입되는 것을 방지하며, 슬래그와 용강의 계면 반응을 통해 용강 중 불순물을 제거하는 정련 반응을 수행한다. 이와 같은 슬래그는 복합산화물로 이루어져 있으며, 래들 정련 조건에서는 용강 상부에서 이온성 용액의 형태로 존재한다. 슬래그의 주요 성분은 CaO, MgO 등의 염기성 산화물, SiO2, Al2O3 등의 산성 산화물과 FeO, MnO 등의 중성산화물을 포함하며, 전기적 중성도를 유지하기 위하여 각각 Ca2 +, Mg2 +, SiO4 -, AlO4 -, Fe2+/3+, Mn2+/3+ 및 O2- 등과 같은 이온 상태로 존재한다.
한편, 래들 정련 시 용강 중 개재물 및 불순 원소는 슬래그와 용강 간 계면반응으로 제거될 수 있으며, 이를 위해 슬래그의 염기도 및 산화도를 제어할 수 있다. 여기에서 염기도란 산화성 산화물 함량 대비 염기성 산화물 함량의 비율을 의미하며, 래들 정련에서는 높은 염기도를 요구한다. 또한, 슬래그의 산화도는 슬래그에 함유되는 FeO, MnO와 같은 중성 산화물의 함량을 의미한다. 그리고 슬래그의 산화도가 높을수록 용강 중 탈산 원소와 반응하여 개재물을 생성하기 용이하며, 이를 슬래그에 의한 재산화라 한다.
이와 같이 래들 정련에서 슬래그를 이용하여 용강 중 개재물 및 불순 원소를 용이하게 제거할 수 있도록, 생석회를 투입하여 슬래그의 염기도를 높이고, 알루미늄과 탄산칼슘을 주성분으로 하는 슬래그 탈산재를 투입하여 슬래그의 산화도를 낮추는 방법이 사용되고 있다. 그러나 생석회나 슬래그 탈산재와 같은 첨가재 사용에 따라 제조 비용이 상승하고, 특히 슬래그 탈산재의 경우 투입된 알루미늄에 의한 개재물 생성 문제를 드러내어 이를 대체할 수 있는 기술이 요구된다.
또한, 용강 중 알루미나 개재물의 저융점화 및 구상화, 용강 중 [S]에 의한 주조 중 MnS 생성 방지를 위해 Ca 성분을 금속(Metallic) Ca, Fe-Ca, Ca-Si 등의 형태로 투입한다. 그런데 Ca는 높은 휘발성으로 실수율이 매우 낮은 문제점이 있다. 이에 미분 생석회(CaO)를 용강에 투입하여 Ca를 공급하려는 시도가 있었으나, 생석회의 용해 및 해리 반응이 어렵고, 이 또한 실수율이 낮아 용강의 성분을 제어하는데 어려움이 있었다.
(선행기술문헌)
일본공개특허 1994-128618A
본 발명은 별도의 첨가재를 투입하지 않고 슬래그와 용강과의 계면 반응을 일으켜 용강의 재산화을 억제하고, 용강의 성분을 조정할 수 있는 용강 처리 장치 및 이를 이용한 용강 처리 방법을 제공한다.
본 발명의 실시 형태에 따른 용강 처리 장치는, 래들 정련에 사용되는 용강 처리 장치로서, 제1전극과, 상기 제1전극과 전기적으로 분리되는 제2전극을 포함하는 전원공급모듈; 및 상기 전원공급모듈에 연결되는 전원부;를 포함할 수 있다.
상기 제1전극은 면적을 갖는 플레이트 형상으로 형성되고, 상기 제2전극은 상기 제1전극을 관통하며 상하방향으로 연장되도록 구비되며, 상기 제1전극과 상기 제2전극 사이에는 절연체가 구비될 수 있다.
상기 제2전극의 하부에는 면적을 가지며 상기 제1전극과 나란하게 구비되는 연장부가 형성될 수 있다.
상기 제1전극과 상기 제2전극은 면적을 갖는 플레이트 형상으로 형성되고, 상기 제1전극과 상기 제2전극 사이에 상기 제1전극과 상기 제2전극을 이격시키도록 절연체가 구비될 수 있다.
상기 제1전극은 용강의 상부에 형성되는 슬래그의 비중보다 작은 비중을 갖는 재료를 포함할 수 있다.
상기 제1전극은 흑연을 포함할 수 있다.
상기 제2전극은 Al2O3(MgO)-C를 포함하는 전도성 내화물을 포함할 수 있다.
상기 절연체는 상기 용강 상부에 형성되는 슬래그의 두께보다 길게 형성될 수 있다.
상기 전원공급모듈은 래들 내부로 삽입되도록 래들 커버에 설치되는 형성될 수 있다.
본 발명의 실시 형태에 따른 용강 처리 방법은, 용강 처리 방법으로서, 용강 상부에 슬래그를 마련하는 과정; 상기 슬래그의 적어도 일부에 제1전극을 접촉시키고, 상기 용강의 적어도 일부에 제2전극을 접촉시키는 과정; 상기 제1전극과 상기 제2전극에 전압을 인가하여 상기 슬래그를 분극시키는 과정;을 포함할 수 있다.
상기 제1전극은 상기 슬래그에 부유시키고, 상기 제2전극의 적어도 일부는 상기 용강에 침지시킬 수 있다.
상기 슬래그를 분극시키는 과정에서, 상기 제1전극에는 양극을 연결하고, 상기 제2전극에는 음극을 연결할 수 있다.
상기 제1전극은 흑연을 포함하고, 상기 슬래그를 분극시키는 과정에서, 상기 슬래그 중 산소 이온은 상기 제1전극과 반응하여 CO 가스로 제거될 수 있다.
상기 슬래그 중 Ca 성분은 상기 용강 중으로 유입되어 환원될 수 있다.
상기 Ca 성분은 상기 용강 중 황 성분과 반응하여 CaS를 생성할 수 있다.
상기 CaS는 슬래그에 포획되어 제거될 수 있다.
본 발명에 따르면, 별도의 첨가재를 사용하지 않고 슬래그의 염기도 및 산화도를 제어하여, 용강 중 개재물 및 불순원소를 용이하게 제거할 수 있다. 즉, 슬래그와 용강에 전류를 공급하여 슬래그에 분극 현상을 유도하여 슬래그와 용강의 계면에서 이온 교환을 통해 용강 중 개재물 및 불순원소를 슬래그에 포집할 수 있다. 또한, 슬래그 중 특정 성분을 용강 중으로 유입시켜 별도의 첨가재를 사용하지 않고도 용강의 성분을 조정할 수 있다.
또한, 첨가재 사용에 의해 용강의 청정도가 악화되는 것을 방지할 수 있고, 생산비용이 증가하는 것을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 용강 처리 장치를 개략적으로 보여주는 도면.
도 2는 전원공급모듈의 변형 예를 보여주는 도면.
도 3 및 도 4는 래들에 전원공급모듈을 설치한 상태를 보여주는 도면.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 용강 처리 방법으로 용강을 처리하는 과정에서 발생하는 슬래그 분극 현상을 보여주는 도면.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 용강 처리 방법으로 용강을 처리하는 과정에서 발생하는 계면 반응 모식도.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 용강 처리 방법으로 용강 중 황 농도를 제어한 실험 결과를 보여주는 그래프.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 설명 중, 동일 구성에 대해서는 동일한 참조부호를 부여하도록 하고, 도면은 본 발명의 실시예를 정확히 설명하기 위하여 크기가 부분적으로 과장될 수 있으며, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 용강 처리 장치를 개략적으로 보여주는 도면이고, 도 2는 전원공급모듈의 변형 예를 보여주는 도면이고, 도 3 및 도 4는 래들에 전원공급모듈을 설치한 상태를 보여주는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 용강 처리 장치는, 용강의 탕면의 적어도 일부를 커버하도록 면적을 갖는 제1전극(110)과, 제1전극(110)과 전기적으로 분리되고, 적어도 일부가 용강에 침지되도록 제1전극(110)을 관통하며 상하방향으로 연장되도록 구비되는 제2전극(120)을 포함하는 전원공급모듈(100) 및 전원공급모듈(100)과 연결되는 전원부(140)를 포함할 수 있다. 이때, 전원공급모듈(100)은 하나의 유닛으로 형성될 수 있으며, 제1전극(110)과 제2전극(120)을 전기적으로 분리하기 위해서 제1전극(110)과 제2전극(120) 사이에 절연체(130)를 구비할 수 있다.
전원공급모듈(100)은 용강 상부에 부유하도록 설치될 수도 있고, 래들 커버 등과 같은 구조물에 설치될 수도 있다. 전자의 경우 도 3에 도시된 바와 같이 전원공급모듈(100)을 용강 상부에 투입하여 제1전극(110)은 슬래그 상부에 부유시키고, 제2전극(120)의 일부는 용강에 침지되도록 설치할 수 있다. 후자의 경우에는 도 4에 도시된 바와 같이, 래들 커버(12)에 전원공급모듈(100)을 연결하여 래들 커버(12)로 용강이 수용된 래들(10)을 덮으면, 제1전극(110)은 슬래그 상부에 배치시킬 수 있고, 제2전극(120)의 일부는 용강에 침지시킬 수 있다.
제1전극(110)은 제1전극은 일방향으로 연장되어 면적을 갖도록 형성될 수 있으며, 예컨대 용강의 탕면에 대응하는 원판형으로 형성될 수 있다. 이외에도 다양한 형상으로 형성될 수도 있지만, 넓은 영역에 걸쳐 슬래그에 분극을 유도할 수 있도록 용강의 탕면에 대응하는 형상으로 형성되는 것이 좋다. 또한, 제1전극(110)에는 제2전극(120)을 설치하기 위한 삽입구(112)가 형성될 수 있다. 삽입구(112)는 제1전극(110)을 상하방향으로 관통하도록 형성될 수 있으며, 예컨대 제1전극(110)의 중심부에 형성될 수 있다. 이는 제1전극(110)을 설치할 때 용강 상부 또는 슬래그 상부에서 제1전극(110)이 평형을 이루어 슬래그와의 접촉 면적을 증가시키기 위함이다.
제1전극(110)은 그 저면이 슬래그 표면과 접촉 가능하도록 설치되어 슬래그에 전원, 예컨대 전류를 공급할 수 있다. 이에 제1전극(110)은 전기전도도가 높고, 용손이 적으며, 슬래그와 반응을 하지 않는 흑연을 이용하여 제조될 수 있다. 이때, 전원공급모듈(100)을 별도의 구조물에 연결하지 않고 래들(10)에 투입한 경우, 제1전극(110)은 슬래그 상부에 부유한 상태를 유지해야 하기 때문에 슬래그의 비중보다 작은 재질로 형성하는 것이 바람직하다.
제2전극(120)은 제1전극(110)을 관통하며 상하방향으로 연장되는 바형상으로 형성될 수 있다. 제2전극(120)은 용강에 전원을 공급하기 위한 것으로 전기전도도가 높고, 용선이 적으며 용강과 반응하지 않는 재질로 형성될 수 있다. 이때, 제2전극(120)은 슬래그보다 높은 온도를 갖는 용강에 침지되므로 전기전도도를 갖는 내화물으로 형성되는 것이 좋다. 예컨대 제2전극(120)은 Al2O3(MgO)-C 재질로 형성될 수 있다.
절연체(130)는 제1전극(110)과 제2전극(120) 사이에 구비되어 제1전극(110)과 제2전극(120)을 전기적으로 분리하는 역할을 할 수 있다. 이때, 절연체(130)는 내부에 제2전극(120)을 수용할 수 있도록 중공형으로 형성되고, 전원을 공급받고 용강에 전원을 공급하기 위해 제2전극()을 노출시킬 수 있도록 상하부가 개방될 수 있다.
전원공급모듈(100)를 래들에 설치하는 경우 제1전극(110)은 슬래그 상부에 부유되지만, 제2전극(120)은 슬래그 상부로부터 용강에 걸쳐 배치될 수 있다. 따라서 제2전극(120)은 적어도 슬래그를 통과하는 영역에서 제1전극(110)과 전기적으로 분리되어야 하므로 절연체(130)의 길이(H)는 적어도 용강 상부에 형성되는 슬래그의 두께보다 길게 형성되는 것이 바람직하다.
전원공급모듈(100)은 이에 한정되지 않고 슬래그와 용강에 전원을 공급할 수 있는 다양한 구조로 형성될 수 있음은 물론이다. 예컨대 도 2의 (a)를 참조하면, 제2전극(120)은 용강과 접촉 면적을 증가시킬 수 있도록 하부에 제1전극(110)과 나란하게 배치되는 연장부(120a)를 포함할 수 있다.
또는, 도 2의 (b)에 도시된 바와 같이, 면적을 가지는 제1전극(110) 및 제2전극(120)이 상하방향으로 이격되도록 배치될 수 있다. 이때, 제1전극(110)과 제2전극(120)은 동일하거나 유사한 면적을 갖도록 형성될 수 있고, 절연체(130)에 의해 상호 연결될 수 있다. 이때, 절연체(130)의 길이, 즉 제1전극(110)과 제2전극(120)의 이격거리는 슬래그의 두께보다 길게 형성되는 것이 바람직하다. 또한, 전원공급모듈(100)의 설치를 용이하게 하기 위해서 제2전극(120)에는 복수의 관통구(122)가 형성될 수도 있다.
전원부(140)는 전원공급모듈(100) 즉, 제1전극(110)과 제2전극(120)과 전기적으로 연결되어 전류, 전압 등의 전원을 공급할 수 있다. 전원부(140)는 용강이 수용되는 래들(10)에 설치될 수도 있고, 별도의 처리장에 설치되어 운용될 수도 있다.
그리고 제1전극(110)과 제2전극(120)은 배선을 통해 전원부(140)와 각각 연결될 수 있다. 배선은 방열 피복을 실시한 탄소강이나 스테인레스강 재질이 사용될 수 있으며, 래들(10) 내 용강량의 변화에 따라 전원공급모듈(100)의 상하 이동이 가능하도록 신축 가능하게 형성될 수 있다.
이하에서는 본 발명의 실시 예에 따른 용강 처리 방법에 대해서 설명한다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 용강 처리 방법으로 용강을 처리하는 과정에서 발생하는 슬래그 분극 현상을 보여주는 도면이고, 도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 용강 처리 방법으로 용강을 처리하는 과정에서 발생하는 계면 반응 모식도이다.
본 발명은 전로 정련 후 주조가 이루어지는 사이, 예컨대 2차 정련 후 용강을 이송하는 과정에서 적용될 수 있다. 본 발명은 슬래그에 전원을 인가하여 분극을 유도함으로써 슬래그의 산화도 및 염기도를 제어할 수 있다. 이에 슬래그와 용강 계면에서 이온 교환을 통해 용강 중 개재물과 불순원소를 슬래그 중으로 픽업시켜 제거할 수 있고, 용강의 성분 조정에 필요한 성분을 슬래그에서 용강으로 유입시켜 용강의 성분을 조정할 수 있다.
전로 정련이나 2차 정련이 완료된 용강이 마련되면, 용강(M)이 수용된 래들 내부에 전원공급모듈(100)을 설치한다. 이때, 제1전극(110)은 용강(M) 상부에 형성되는 슬래그(S)에 접촉시키고, 제2전극(120)의 일부, 즉 하부는 용강(M)에 침지되도록 한다.
전원공급모듈(100)이 설치되면, 배선을 이용하여 제1전극(110)과 제2전극(120)을 전원부(140)와 연결시킨다. 이때, 전원부(140)가 래들에 설치되어 있는 경우에는 전원공급모듈(100)과 전원부(140) 간의 연결 과정을 생략될 수 있다.
이후, 전원부(140)를 통해 전원공급모듈(100)에 전원을 인가한다. 이때, 제1전극(110)은 양극(+)으로, 제2전극(120)은 음극(-)이 되도록 전원, 예컨대 전압을 인가할 수 있다. 제1전극(110)이 배치된 슬래그 표면은 양극으로, 제2전극(120)이 침지되어 있는 용강은 음극이 될 수 있다. 그리고 슬래그와 접촉하는 용강 면이 전극과 전해질의 계면이 될 수 있다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 전원부(140)에서 제1전극(110)과 제2전극(120)에 전압이 인가되는 경우, 슬래그 중에 불규칙하게 분포되어 있던 이온들은 극성에 따라 제1전극(110) 측과 제2전극(120) 측으로 이동하게 된다. 제1전극(110)과 제2전극(120)에 의해 대전된 전하와 전기적 중성도를 만족시키기 위해 이동된 이온은 전극 계면, 즉 슬래그와 용강의 계면에 집적된다. 이에 슬래그는 제1전극(110)이 위치한 상층부에는 음이온이, 제2전극(120)이 위치한 하층부에는 양이온이 집적되어 분극이 발생하게 된다.
이때, 슬래그에 함유되는 MnO, CaO, FeO 등은 Ca2 +, Fe2 +/3+, Mn2 +/3+ 이온과, 자유산소이온(O2-)로 이온화될 수 있다. 슬래그 중 자유 산소이온(O2-)은 흑연을 포함하는 제1전극(110)으로 이동하여 전기화학반응을 일으킴으로써 CO 가스형태로 제거될 수 있다. 그리고 자유 산소 이온에서 분리된 전자는 전원부(140)를 통해 용강으로 공급될 수 있다. 또한, Ca2 +, Fe2 +/3+, Mn2 +/3+ 이온은 제2전극(120)이 침지되어 있는 용강 측, 즉 슬래그와 용강의 계면으로 이동하게 된다. 이렇게 슬래그와 용강의 계면으로 이동한 Ca2 +, Fe2 +/3+, Mn2 +/3+ 이온들은 용강으로 공급되는 전자에 의해 환원 및 용해되어 Ca, Fe, Mn의 형태로 용강으로 유입될 수 있다.
이와 같은 반응으로 슬래그의 산화도에 영향을 미치는 MnO와 FeO가 감소하여 슬래그의 산화도를 저감시킬 수 있다. 또한, 슬래그의 염기도에 영향을 미치는 Ca2 +가 슬래그와 용강의 계면측에 집적되어 용강과 접촉하는 슬래그의 하층부에서 염기도를 선택적으로 증가시킬 수 있다. 이에 용강 중 Al2O3 등과 같은 개재물이 슬래그로 포집되어 용강 중 개재물을 저감시킬 수 있다.
또한, 용강으로 유입된 Ca 성분은 용강 중 황성분과 반응하여 CaS를 생성할 수 있다. 즉, 슬래그에서 용강으로 유입된 Ca 성분은 용강 중 황 성분을 제어하기 위해 투입되는 첨가재의 역할을 할 수 있다. Ca 성분 유입으로 인해 생성된 CaS는 슬래그로 포집되고, 이에 용강 중 황성분의 농도를 저감시킬 수 있다.
이하에서는 슬래그의 분극을 유도하여 얻어지는 효과를 검증하기 위한 실험 예에 대해서 설명한다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 용강 처리 방법으로 용강 중 황 농도를 제어한 실험 결과를 보여주는 그래프이다.
먼저, 슬래그 중 Ca 성분이 용강으로 유입되는 반응을 검증하기 위한 실험을 수행하였다.
실험은 용강 대신 Ca 성분을 4ppm 수준으로 함유하고 있는 용융 은을 사용하였고, CaO-SiO2-Al2O3-MgO 슬래그를 사용하였다.
실험 예1은 용융 은(Ag) 50g과 염기도가 1인 슬래그 25g을 도가니에 장입한 후 5시간 동안 유지하였다. 그 후 용융 은 중 Ca 성분의 함량을 측정하였다.
실험 예2는 용융 은 50g과 염기도가 3.2인 슬래그 25g을 도가니에 장입한 후 5시간 동안 5V의 전압을 인가하였다. 그 후 용융 은 중 Ca 성분의 함량을 측정하였다.
실험 예3은 용융 은 50g과 염기도가 3.2인 슬래그 25g을 도가니에 장입한 후 5시간 동안 10V의 전압을 인가하였다. 그 후 용융 은 중 Ca 성분의 함량을 측정하였다.
상기 실험 예1 내지 3에서 측정된 결과를 아래의 표 1에 나타내었다.
Ag(g)/슬래그(g) 염기도 인가 전압(V) Ca[ppm] Ca[g]
실험 예1 50/25 1.0 0 9 0.00045
실험 예2 50/25 3.2 5 100 0.005
실험 예3 50/25 3.2 10 200 0.010
상기 표 1을 살펴보면, 실험 예1은 슬래그에 분극을 형성하지 않은 경우로서, 슬래그 중 Ca 성분이 용융 은으로 미량 유입된 것을 알 수 있다.
반면, 슬래그에 전압을 인가하여 분극을 형성한 실험 예2 및 3의 경우, 초기 용융 은에 함유된 Ca 성분의 양이 4ppm인 것을 감안하면 상당히 많은 양의 Ca 성분이 용융 은으로 유입된 것을 알 수 있다. 또한, 동일한 조건에서 슬래그에 인가되는 전압 크기가 큰 경우 Ca 성분의 유입량이 증가하는 것을 알 수 있다.
다음은 슬래그 분극을 통해 용강으로 유입된 Ca 성분이 용강 중 황 성분을 제어하는 효과를 검증하기 위한 실험을 수행하였다.
황 성분을 80ppm 정도 함유하고 있는 용강과, 염기도가 3.2인 CaO-SiO2-Al2O3-MgO 슬래그를 도가니에 장입하고, 도가니에 전원공급모듈을 설치하였다. 그리고 장입 초기에는 전원공급모듈에 전원을 인가하지 않고 그대로 유지하다가, 175분 경과한 시점으로부터 220분 동안(장입 후 395분) 10V의 전압을 인가하였다. 그리고 용강과 슬래그를 도가니에 장입한 이후부터 500분 동안 용강 중 황 농도를 측정하여 도 5에 나타내었다.
도 7을 참조하면, 도가니에 용강과 슬래그를 장입하고 전원공급모듈에 전압을 인가하기 전까지는 용강 중 황 농도가 완만하게 감소하고 있다. 그러나 전원공급모듈에 전압을 인가하면 용강 중 황 농도가 급격하게 감소하다가 전압 인가 후 약 200분 정도 경과하면 황 농도가 다시 증가하는 경향을 보이고 있다. 또한, 전원공급모듈에 인가되는 전압을 차단하면 용강 중 황 농도가 다시 급격하게 증가하는 것을 알 수 있다.
장입 초기에는 용강과 슬래그 간 계면 반응에 의해 슬래그 중 Ca 성분이 용강으로 유입되어 용강 중 황 농도가 완만하게 감소한다. 그러나 전원공급모듈에 전압을 인가하면 슬래그의 분극으로 Ca 이온이 슬래그와 용강 계면에 집적되고 이로 인해 Ca 성분의 유입량이 증가하여 용강 중 황 농도가 급격하게 감소한다. 그리고 전원공급모듈에 공급되는 전압이 차단되면, 전극 주변으로 이동해있던 이온들이 다시 불규칙하게 이동하면서 복황이 발생하여 용강 중 황 농도가 급격하게 증가하게 된다.
이와 같은 실험을 통해 래들 정련 시 슬래그와 용강에 전압을 인가하여 슬래그를 분극시키면 슬래그의 산화도 및 염기도를 제어하여 별도의 첨가재를 투입하지 않고도 용강 중 개재물 및 불순 원료의 제거와 성분 조정이 가능함을 알 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.
본 발명에 따른 용강의 처리 장치 및 이를 이용한 용강 처리 방법은, 별도의 첨가재를 사용하지 않고 슬래그의 염기도 및 산화도를 제어하여, 용강 중 개재물 및 불순원소를 용이하게 제거할 수 있다. 따라서 첨가재 사용에 의해 용강의 청정도가 악화되는 것을 방지할 수 있고, 첨가제 구매에 따른 생산비용의 증가를 방지할 수 있다.

Claims (16)

  1. 래들 정련에 사용되는 용강 처리 장치로서,
    제1전극과, 상기 제1전극과 전기적으로 분리되는 제2전극을 포함하는 전원공급모듈; 및
    상기 전원공급모듈에 연결되는 전원부;를 포함하는 용강 처리 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1전극은 면적을 갖는 플레이트 형상으로 형성되고,
    상기 제2전극은 상기 제1전극을 관통하며 상하방향으로 연장되도록 구비되며,
    상기 제1전극과 상기 제2전극 사이에는 절연체가 구비되는 용강 처리 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 제2전극의 하부에는 면적을 가지며 상기 제1전극과 나란하게 구비되는 연장부가 형성되는 용강 처리 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1전극과 상기 제2전극은 면적을 갖는 플레이트 형상으로 형성되고,
    상기 제1전극과 상기 제2전극 사이에 상기 제1전극과 상기 제2전극을 이격시키도록 절연체가 구비되는 용강 처리 장치.
  5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1전극은 용강의 상부에 형성되는 슬래그의 비중보다 작은 비중을 갖는 재료를 포함하는 용강 처리 장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 제1전극은 흑연을 포함하는 용강 처리 장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 제2전극은 Al2O3(MgO)-C를 포함하는 전도성 내화물을 포함하는 용강 처리 장치.
  8. 청구항 3 또는 청구항 4에 있어서,
    상기 절연체는 상기 용강 상부에 형성되는 슬래그의 두께보다 길게 형성되는 용강 처리 장치.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 전원공급모듈은 상기 제1전극과 상기 제2전극의 일부를 래들 내부로 삽입할 수 있도록 래들 커버에 설치되는 용강 처리 장치.
  10. 용강 처리 방법으로서,
    용강 상부에 슬래그를 마련하는 과정;
    상기 슬래그의 적어도 일부에 제1전극을 접촉시키고, 상기 용강의 적어도 일부에 제2전극을 접촉시키는 과정;
    상기 제1전극과 상기 제2전극에 전압을 인가하여 상기 슬래그를 분극시키는 과정;
    을 포함하는 용강 처리 방법.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 제1전극은 상기 슬래그에 부유시키고, 상기 제2전극의 적어도 일부는 상기 용강에 침지시키는 용강 처리 방법.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 슬래그를 분극시키는 과정에서,
    상기 제1전극에는 양극을 연결하고, 상기 제2전극에는 음극을 연결하는 용강 처리 방법.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 제1전극은 흑연을 포함하고,
    상기 슬래그를 분극시키는 과정에서,
    상기 슬래그 중 산소 이온은 상기 제1전극과 반응하여 CO 가스로 제거되는 용강 처리 방법.
  14. 청구항 13에 잇어서,
    상기 슬래그 중 Ca 성분은 상기 용강 중으로 유입되어 환원되는 용강 처리 방법.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 Ca 성분은 상기 용강 중 황 성분과 반응하여 CaS를 생성하는 용강 처리 방법.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 CaS는 슬래그에 포획되는 용강 처리 방법.
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