KR100896642B1 - 고질소용강의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 본 발명은 고질소 용강을 전로조업에 의해 제조하는 방법에 관한 것으로서, 전로 정련작업 완료 직후 산소취입 랜스를 통하여 N₂를 취입함으로써, 전로 종점에서의 질소농도가 40~90ppm인 고질소 용강을 안정적으로 제조하는 방법을 제공하고자 하는데, 그 목적이 있다.

본 발명은 용선 및 고철을 주원료 하고 산소랜스를 통해 산소를 취입하여 정련하는전로 정련조업(취련)을 통하여 고질소 용강을 제조하는 방법에 있어서, 상기 전로 정련조업(취련)이 완료된 후에, 통상의 취련 높이에서 상기 산소랜스를 통하여 2.5~3.5 Nm³/min-ton-steel의 유량으로 질소를 1분~4분동안 취입하는 고질소 용강의 제조방법을 그 요지로 한다.

고질소, 용강, 정련, 전로, 랜스, 질소, 취입

Description

고질소용강의 제조방법{A METHOD FOR MANUFACTURING HIGH NITROGEN MOLTEN STEEL}

도 1은 종래방법에 의한 용철의 질소 거동을 나타내는 그래프.

도 2는 종래방법에서의 종점 질소 농도와 본 발명에 의한 조업에서의 종점 질소 농도 추이 비교를 나타내는 그래프

본 발명은 고질소 용강을 전로조업에 의해 제조하는 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 4.0중량% 이상의 탄소를 함유한 용선을 전로정련하는 과정에서 정련 작업 완료 후 질소의 종점목표에 따라 일정량의 질소를 취입함으로써 고질소 용강을 제조하는 방법에 관한 것이다.

제강조업의 기본구성은 용선예비처리~전로~2차 정련~연속주조공정으로 구성되며, 전로조업은 주원료인 용선(hot metal)과 고철(scrap)을 전로에 장입한 후 송산취련에 의해 용철에 산소를 분사하여 착화가 되면 송산과 동시에 부원료인 생석회(주성분이 CaO), 경소백운석(주성분이 CaO·MgO)및 소결광(주성분이 FeO), 형석(주성분이 CaF₂) 등을 투입하여 용선 중 불순원소 인 C, Si, Mn, P, S, Ti 등을 산화 정련에 의해 제거하는 일련의 작업을 통칭한다.

이러한 전로의 탈탄정련은 초기, 중기 말기의 3단계로 구분된다.

상기 초기단계는 용선 중 규소가 산화 제거되는 시기로 시간의 경과와 함께 탈탄속도가 서서히 증가하여 가는 구간이다.

그리고 중기단계는 탈탄 최성기라 부르는 구간으로 용철중의 규소가 완전히 제거되어 랜스를 통하여 취입되는 산소는 거의 전부가 용철 중의 탄소와 반응하여 하기 반응식 1과 같이 CO 가스를 생성하는 시기로서 탈탄속도는 산소 취입속도에 따라 좌우된다.

[C] + 1/2O₂ = CO(g)

또한, 상기 말기단계는 탈탄천이구간으로써, 강욕의 교반에 의해 용강중 탄소가 제거되는 속도가 결정되는 구간이다.

한편, 용철중 질소는 전로정련중 상기 반응식 1에 의해 탈탄반응이 진행될 때, 동반되어 제거된다.

용철중 질소가 제거되는 반응은 하기 반응식 2와 같고, 취련중 노내 발생되는 일산화탄소의 압력과 발생속도에 따라 탈질속도가 좌우된다. 즉, 용철중 질소가스 성분의 용해·흡수되는 반응은 시버트 법칙(Sievert's Law)에 의해 하기 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.

[N] = 1/2 N₂

[%N] = K·(P_N2)^½

여기서, K는 화학반응의 평형정수라고 하며, 1600℃에서 K=0.044, 1700℃에서 K=0.046 값을 갖는다.

상기 수학식 1에서도 알 수 있는 바와 같이, 질소거동은 반응온도의 영향이 거의 없으며, 주어진 온도에서 용철중 질소를 제거하기 위해서는 질소분압을 낮게 관리하거나 탈탄속도를 적절히 제어하는 수 밖에 없다.

그러나, 고로 용선을 80%이상 사용하는 전로조업에서 종점탄소를 0.05%까지 탈탄할 경우 이론적인 최대한의 탈질은 계산상으로 취련종점에서 용해질소는 5ppm이하까지도 제어가 가능하지만, 실 조업에서는 통상 12~20ppm이 된다.

이는 취련말기(취련전시간의 2/3시점~취지)에 대기중의 질소가 강욕에 흡질이 쉽게 일어나기 때문인 것으로 알려져 있다. 즉, 취련중 질소는 송산개시부터 취련 85%까지는 취련중 왕성한 CO가스 발생으로 노내가 항상 대기압보다 높은 정압 상태가 유지되므로 흡질이 되지 않지만, 취련 90% 이후가 되면 용철중 탄소농도가 낮아짐에 따른 탈탄반응 약화로 노내 CO 발생이 적어져 대기중의 공기가 전로 내에 흡입되면서 질소가 상승하게 된다.

그래서 지금까지는 전로조업에서 이러한 흡질을 최소화하고 경제성이 높은 고품위의 부생가스(LD Gas)를 회수하기 위한 방법으로 전로 노구와 스커트 사이의 간격을 좁게 하여 공기 흡입을 최소화하여 왔다.

상기와 같이 감압정련을 통해 저질소강을 제조하는 기술과 관련되는 대표적인 예로서 대한민국 특허 제38970호를 들수 있는데, 이 대한민국 특허 제38970호에는 전로출강 시 강중 산소와 레이들 슬래그 조성 및 슬래그 두께를 조정하고, 감압정련 공정 중 합금철을 진공상태에 투입하여 용강중에 질소가 혼입되지 않는 분위기에서 흡질을 방지함으로써 저질소강을 제조하는 방법이 제시되어 있다.

또 다른 예로서, 대한민국 공개특허 제2000-19388호를 들수 있는데, 이 대한민국 공개특허 제2000-19388호에는 극저탄소 저질소강을 제조하는 제강공정 중 탈탄 및 환원탈류를 행하는 공정에 있어서 정련로 중에 슬래그 염기도를 2.2~2.6으로 조정, 생석회투입량의 14~17중량%의 형석을 투입하는 흡질 방지방법이 제시되어 있다.

그러나, 상기한 종래의 방법들은 저질소강 제조방법에 주안점을 두고 제안되어 있거나, 혹은 정련로에서 슬래그 및 용철중 탈탄을 제어하여 탈질하는데에 촛점을 두고 있다.

한편, 상기의 종래의 방법들과는 달리 제품중에는 고질소를 요구하는 강종이 있으며, 이러한 고질소강에서는 상기한 취련 말기시점에서의 흡질로써의 한계가 12~20ppm이기 때문에 취련 종료 후 출강하면서 가질제를 첨가하여 요구되는 질소농도를 제어하고 있으나, 출강 시 투입되는 가질제의 실수율이 출강온도, 슬래그의 유출정도 및 종점에서의 산소농도등에 따라 각기 다르기 때문에 상기한 고질소강을 제조하는 공정은 항상 문제점을 안고 있다.

즉, 질소는 통상 전로정련 후 종점에서 12~20ppm수준으로 분포되는데, 이러한 관계로 출강작업 시 강종별 요구특성에 맞는 질소를 확보하기 위하여 가질제인 CaCN₂,Fe-Mn(N)를 투입하고 있으나,이들은 실수율이 불안정하여 품질이상을 유발시키며,특히 CaCN₂는 다량의 회백색 분진을 발생시켜 환경오염 및 작업자 안전에 많은 문제점이 있다.

상기한 문제점을 해결하기 위한 하나의 방법으로 대한민국 특허 공고번호 1995-12417호를 들수 있다.

상기 대한민국 특허 공고번호 1995-12417호에는 전로에서 취련시 저취가스로 N₂가스를 사용하여 최대한 가질시키고, 진공탈가스 처리시(RH 처리) 환류가스로서 N₂ 가스를 사용하고 탈수소를 실시한 후 저진공도에서 가질용 플럭스를 투입하는 것을 특징으로 하는 저수소 고질소강의 제조방법이 제시되어 있다.

그러나, 상기 방법은 전로에서 저취가스를 사용하므로써 복합취련 전로에서만 가능하고, 상취전로에서는 불가능하고(복합취련 전로라 하더라도 일정 노사용후에는 저취를 폐쇄함), 또한 저취가스의 취입이 가능하다 하더라도 전로정련은 급격한 탈탄반응으로 CO 및 CO₂ 가스가 노구로 분출되어 이와 함께 질소가 아무리 취입되더라도 가스 기포에 흡착되어 탈질반응을 초래되어 도 1과 같이 취련중에는 탈질반응만이 일어날 뿐 말기에 탈탄이 거의 종료된 후 외에는 가질현상을 기대할 수가 없다.

따라서, 전로에서 저취가스로 N₂ 가스를 사용하여 가질시키는 것은 통상적으로 20~25ppm 수준으로 밖에 형성이 안된다.

또한, 환류공정인 RH 공정에서 탈수소를 위하여 10분정도 고진공도를 유지한 후 저 진공도로 5~10분정도 가질처리를 실시하며 여기서 질소가스와 더불어 가질용 플럭스를 투입하는 부분은 개재물 및 강중 수소와 질소 저감으로 사용되는 RH 공정에서 질소를 가질시키는 것은 가능하더라도 개재물의 부상분리 및 용강환류속도 저하로 강의 청정성에 악영향을 미칠 가능성이 있기 때문에 상기한 방법은 바람직 하지 않다.

또한, 상기 종래방법은 100ppm 이상의 질소농도를 얻고자 하는 기술로써 플럭스의 투입량 및 진공도 조절등이 모두 연주의 바로 전 단계인 RH 공정에서만 이루어 지므로 질소 편차에 따른 제어를 쉽게 할 수 없는 문제점을 가지고 있다.

본 발명자들은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 연구 및 실험을 행하고, 그 결과에 근거하여 본 발명을 제안하게 된 것으로서, 본 발명은 전로 정련작업 완료 직후 산소취입 랜스를 통하여 N₂를 취입함으로써, 전로 종점에서의 질소농도가 40~90ppm인 고질소용강을 안정적으로 제조하는 방법을 제공하고자 하는데, 그 목적이 있다.

이하, 본 발명에 대하여 설명한다.

본 발명은 용선 및 고철을 주원료 하고 산소랜스를 통해 산소를 취입하여 정련하는전로 정련조업(취련)을 통하여 고질소 용강을 제조하는 방법에 있어서, 상기 전로 정련조업(취련)이 완료된 후에, 통상의 취련 높이에서 상기 산소랜스를 통하여 2.5~3.5 Nm³/min-ton-steel의 유량으로 질소를 1분~4분동안 취입하는 고질소 용강의 제조방법에 관한 것이다.

이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명에 있어서, 요구되는 강중의 질소농도가 40~60ppm인 경우에는 상기한 질소취입량을 1분~2분으로 하여 출강 후 질소농도를 30~35ppm으로 제어하는 것이 바람직하고, 요구되는 강중의 질소농도가 60~80ppm인 경우에는 질소취입량을 2-3분으로 하여 출강 후 질소농도를 50~55ppm으로 제어하는 것이 바람직하고, 그리고 요구되는 강중의 질소농도가 80ppm이상인 경우에는 질소취입량을 3-4분으로 하여 출강 후 질소농도를 70~75ppm으로 제어하는 것이 바람직하다.

먼저 출강전에 질소농도를 질소요구농도 이상으로 제어하게 되면, 후공정에서 질소를 제거하기 위하여 진공정련 혹은 버블링(bubbling)공정을 추가로 거쳐야 하기 때문에 비효율적이며, 또한 후공정과 연주공정까지 정련과정이 진행되는 동안 대기노출에 의해 2~5ppm정도 질소 픽업(pick up)현상이 발생하기 때문에 질소 분사에 의해서 질소농도 제어시 반드시 질소요구농도보다 5~10ppm 낮게 하는 것이 바람직하다.

본 발명에 있어서, 질소의 취입유량이 2. 5Nm³/min-ton-steel미만인 경우에는 용강으로의 흡질량이 적어 용강중의 질소함량의 증가가 적고, 3.5Nm³/min-ton-steel를 초과하는 경우에는 용강의 버블링이 커서 용강온도의 강하게 크게될 우려가 있으므 로 질소의 취입유량은 2.5-3.5Nm³/min-ton-steel로 선정하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에 있어서 질소취입시간이 4분이상인 경우에는 노내의 자연 온도 강하와 질소 취입에 의한 과도한 온도강하로 후공정 정련작업 불리, 즉, 승온과정 및 연주공정에서의 목표 요구온도보다 낮게 도착할 수 있기 때문에 온도 강하를 감안하여 4분을 초과하여 질소를 취입하는 것은 바람직하지 않다.

상기한 바와 같이, 종래에는 다양한 강종을 생산하는 제강공장에서 수요가의 요구수준에 따라 40~90ppm의 고질소강을 제조할 때 추가의 합금철을 출강작업중 투입하여 가질작업을 하지 않으면 고질소강의 제조가 불가능하였지만, 본 발명은 취련완료 직후 산소취입 랜스를 통하여 질소를 취입함으로써 전로종점에서의 질소 농도를 40~90ppm수준으로 제어가 가능하고, 이에 따라 종점의 용강중 질소 함량을 생산 강종별 요구 수준에 따라서 고질소강을 안정적으로 제조할 수 있어 품질 및 제조 원가적인 효과를 얻을 수 있다.

이하, 본 발명을 실시예를 통하여 구체적으로 설명한다.

100톤 전로에서 용선 85%이상, 고철 15%이하로 주원료를 장입하여 정련조업을 실시하였다. 이때, 전로에 장입한 주원료는 탄소 4.0~4.5중량%, 실리콘 0.25~0.45중량%, 망간 0.25~0.40중량%, 인 0.09~0.105중량%, 유황 0.003~0.028중량% 및 질소 60~ 70ppm의 범위로 함유한 용선을 사용하였다.

그 다음, 종래방법과 상기한 본 발명에 의해 구성된 질소 취입방법을 이용하여 송산용 랜스로 질소 취입작업을 진행하여, 취련 각 구간에서의 질소농도 추이를 조사하였다.

한편, 본 발명예 방법에 의해 실시한 전로에서의 종점 질소 취입 조업시 종료시점에서 채취한 시료로부터 질소농도를 분석하여, 그 결과를 [표1]에 나타내었다.

구분	질소취입량	취입시간	종점질소농도
종래예	0	0	15ppm
발명예 1	3Nm3/min-ton-steel	2분	32ppm
발명예 2	3Nm3/min-ton-steel	3분	56ppm
발명예 3	3Nm3/min-ton-steel	4분	71ppm

상기 표 1에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따라 고질소강을 제조하는 경우(발명예 1-3)에는 강종별 요구 질소 수준에 따른 질소 취입작업으로 질소농도를 40~90ppm을 안정적으로 얻을 수 있음을 알 수 있다. 이는 본 발명의 경우 전로에서 1차 취지 후 질소 취입을 통하여 고질소강을 안정적으로 제조할 수 있음을 반증하는 것이다.

한편, 종래의 조업에서의 종점 질소 농도와 상기한 표 1의 본 발명에 의한 종점 질소농도 추이를 도 2에 나타내었는데, 도 2에 나타난 바와 같이 종래의 작업으로 12~20ppm 수준의 질소농도를 얻는 반면, 본 발명에서 처럼 종료후 질소를 분사함으로써 짧은 시간안에 강중의 요구되는 질소농도를 얻을 수 있음을 알 수 있다. 이상으로부터 종래에 출강중에 투입되는 CaCN₂ 혹은 Fe-Mn등의 가질제 절감이 가능하며, 종래보다 안정적인 질소 농도를 얻음에 따라 결국 질소 격외를 억제할 수 있는 안정적인 고질소강의 제조가 가능하다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 전로종점에서 질소농도 40~90ppm의 고질소 용 강을 안정적으로 얻게 됨으로써 2차 정련공정에서의 도착 질소 관리가 용이하여 보다 효율적이고 환경친화적적으로 고질소 용강을 제조할 수 있는 효과가 있는 것이다.

Claims (1)

1. 용선 및 고철을 주원료로 하고 산소랜스를 통해 산소를 취입하여 정련하는 전로 정련조업(취련)을 통하여 고질소 용강을 제조하는 방법에 있어서, 상기 전로 정련조업(취련)이 완료된 후에, 통상의 취련 높이에서 상기 산소랜스를 통하여 2.5~3.5 Nm³/min-ton-steel의 유량으로 질소를 1분~4분동안 취입하는 것을 특징으로 하는 고질소 용강의 제조방법

Images