KR20020080304A - 복합탈산제 및 이를 이용한 용강 및 슬래그의 처리방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 제강 및 제철시에 용탕내에 투입되는 복합탈산제는, 알루미늄기지내에 알루미늄보다 비중이 무겁고 융점이 높은 강화원소인 금속편이 고용되어 종전의 순수알루미늄탈산제와는 달리 용탕안의 밀도보다 높아 용탕의 바닥 깊숙한 하부까지 투입되므로 알루미늄이 용해되고 Fe가 나중에 용해되면서 알루미늄의 탈산효과를 십분발휘하여 원가의 절감 및 강의 품질에 획기적인 향상을 가져오는 효과가 있으며, 특히 레들내 Al을 첨가시 분진 및 가스가 발생하는데 이 발명품을 제강공정시 투입하면 용탕에 바로 들어가서 반응하기 때문에 분진 및 가스의 발생이 감소되므로 환경친화적이라는 우수한 효과를 갖는다.

Description

복합탈산제 및 이를 이용한 용강 및 슬래그의 처리방법{ Method for manufacturing composite deoxidizer of molten steel and the composite deoxidizer by using the mothod thereof }

본 발명은 복합탈산제의 제조방법 및 상기 방법에의해 제조된 복합탈산제 및상기 복합탈산제를 이용한 용강 및 슬래그의 처리방법에 관한 것으로, 더욱 구체적으로 설명하면, 알루미늄기지내에 강화요소가 첨가되어 밀도가 높아진 복합탈산제 및 상기 탈산제를 이용하여 용강 및 슬래그를 탈산 및 합금하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 제강과정에서 C, Si, P기타의 불순원소를 제거할 목적으로 용강중에 산소를 취입하여 산화정련을 한다. 정련이 진행함에 따라 용강중에 산소량은 점차 증가하여 제강말기에는 상당량의 산소가 용강중에 남게된다.

이러한 산소는 조괴(Ingot)시에 C와 반응하여 기포를 생성하여 불완전한 강괴의 원인이 되거나 산화물등의 개재물등을 형성하여 강질을 나쁘게 한다. 탈산은 이러한 산소를 용강에서 제거하는 것이며, 산소함량을 저하시켜 개재물을 감소시킬 뿐 아니라 개재물의 형태나 분포를 조정하여 청정강을 만든다.

따라서 기존사용되는 탈산제는 주로 Al을 괴, 선(wire)등으로 제조하여 제강과정에서 첨가하게 되어 있다. 그러나, 도2b도에서 볼 수 있듯이, 공지의 방법에 따르면, 용강을 순수알루미늄으로 처리할 경우, 현재 제강 및 제철공정에서 사용하는 알루미늄이 저융점 및 저밀도를을 갖고 소모량이 많고 회수율이 적어 문제점으로 지적되어 왔다.

따라서 순수 Al은 저밀도를 갖으므로 용강의 밀도(Density, 6.9g/c㎥)인데 비하여 순수 Al의 밀도는 2.4g/c㎥ 이므로 약 0.35배정도 밀도가 적다. 이 때문에 Al을 용탕속에 투입하면 비중이 낮아 용탕에서 혼입되지 않고 투입 즉시 녹으면서 물방울로 되며 슬래그로 유입된다. 시험결과에 의하면 약 54% 이상이 순수 Al이 헛되이 손실된다. 일부 제강공장에서 슬래그탈산시에도 탈산중 비중이 낮아 제강공정중에 공장전체가 연기 및 가스분출로 제강작업시 문제를 일으키나, 이때에도 Al에 강화원소로 비중을 높여 슬래그탈산을 할 경우 슬래그 바로 밑에서 슬래그탈산을 시키므로서 대단한 효과가 있는 것으로 시험결과 나타났다.

그러나, 지금까지 방법은 Al에 비중을 높이기 위해서 Fe의 용탕에 Al을 첨가하는 방법을 시도하여 특허에 공표되었으나 Fe-Al이 금속간 화합물을 만들어 이것이 용융되는 온도가 1400 ~ 1500℃ 로 높아 탈산에 문제가 되고 특히 제조원가가 비싸다. 여기서, 장시간 제강을 하여야 하므로 신속조업이 추세인 현재 제강 및 제철공정에 역행되는 결과를 초래한다.

본 발명의 목적은 상기 결점들은 제거하면서도 고밀도와, 순수알루미늄의 저융점 및 저렴성은 유지하는 것이 가능한 복합탈산제의 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 상기 결점들은 제거하면서도 고밀도와, 순수알루미늄의 저융점 및 저렴성은 유지하면서 용강을 처리하는 것이 가능한 복합탈산제를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 결점들은 제거하면서도 고밀도와, 순수알루미늄의 저융점 및 저렴성은 유지하면서 용강을 처리하는 것이 가능한 용강을 처리하는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 이러한 목적은 거대불균질 복합주조합금(MHCCA: Macro Heterogeneous Composite Casting Alloy)로 명명된 새로운 주조방법에 의해서 연구개발된 탈산제로서 Al의 용해용탕에 강화요소를 넣어서 탈산제를 제조한 복합탈산제(MHCCA)로서, 이 복합탈산제는 종전의 순수알루미늄탈산제와는 달리 용강중에서 투입시 용탕에서 밀도를 높여 용탕의 바닥깊숙한 데까지 투입되어 알루미늄이 용해되고 Fe가 떨어지면서 용해되어 알루미늄의 탈산효과를 십분발휘하여 원가절감 및강의 품질향상에 획기적인 향상을 이룩하게 되었다.

본 발명에 따른 복합탈산제 및 이를 이용한 용강 및 슬래그의 처리방법은 첨부된 도면을 참고로 하여 이하에 상세히 기술되는 실시예에의하여 그 특징 및 장점들을 명백하게 이해할 수 있을 것이다.

도1은 복합탈산제 제조후의 종단면도

도2a는 본 발명에 따른 복합탈산제가 용탕내에서 순환되면서 용융되는 상태를 도시한 용해공정도

도2b는 종래의 알루미늄 탈산제의 용탕내에서의 용해공정도

본 발명에 따른 복합탈산제는 로내에 고순도의 순수알루미늄을 용해하고, 높은 용해점을 갖는 강화요소인 금속편을 알루미늄용탕내에 서서히 투입하고 혼합시키는등의 다수의 공정을 거쳐서 제조된다. 상기 금속강화 요소는 알루미늄보다 비중이 높기때문에 하부로 가라안게 되므로 균일하게 분산되도록 잘 혼합시키면서 반응고상태로 유지시키면 금속강화요소의 침하가 방지된다.

일반적으로, 합금은 고융점을 갖는 용탕내에 저융점을 갖는 금속이 투여되어 제조되지만, 본 발명의 복합탈산제는 저융점을 갖는 금속용탕내에 고융점을 갖는 금속(금속강화요소)이 투여되는 방식으로 진전된 것으로 획기적인 방법이라 할 것이다. 본 발명에서, 용융금속내에 투여되는 금속강화요소들로는 희토류금속, Fe, Ca, Si, Mg, 및 Ti중의 하나 또는 2개이상이 사용될 수 있으며, 다른 구성으로는 알루미늄에 이중합금인 Fe-Mn, Fe-Si, Fe-Al, Fe-Ti, Fe-Ce가 사용될 수 있으며, 알루미늄에 3중합금인 Fe-Si-Ca, Al-Si-Ca등이 사용될 수 있으며, 더욱 복잡한 구성의 합금이 사용될 수 있음은 물론이다. 복합산화물의 개략적인 형상은 도1에 도시되어 있다. 백색부는 알루미늄기지부분을 나타내며, 흑색부는 Fe, Ca, Si, Mg, Ti 또는 희토류금속중의 하나 또는 2개이상 또는 3개이상으로 구성된 금속강화요소를 나타낸다. 또한 금소강화요소로는 철재 파이프가 사용되거나, 강편, 철선편등을 크기는 0.1mm-50mm 이고, 무게는 0.1g-50g 정도의 작은 파편으로서 알루미늄기지내에 비중을 증가시키려고 첨가되는것을 포함한다.

본 발명의 일실시예에 따른 복합탈산제는 저융점의 알루미늄의 용탕내에 고융점의 강구를 넣어 제조한 것으로서, 탈산제의 용도에 맞는 크기로 만들어 제강시 탈산제로 사용하였다.

본 발명의 다른 실시예로서는 알루미늄의 비중을 높이는 방법으로서 간단하게 알루미늄에 강봉을 묶어서 알루미늄의 비중을 높여서 사용하는 것도 가능하며, 또는 알루미늄상에 스틸블록이나 환봉을 넣어 비중을 높여서 사용하는 방법도 가능하고 철용기에 알루미늄을 붇고 응고시키는 방법도 가능하다할 것이며 이 또한 본 발명의 범위에 포함된다 할 것이다.

또한, 본 발명에 따르면, 알루미늄을 철기지합금과 함께 용융물 속에 넣음에 있어서, 용강밀도(6.9g/㎤)와 비교하여4.0g/㎤의 밀도를 가지므로 0.5이상의 초기비중을 가지며, 다음과 같은 성분범위(중량%)의 Al, C, Si, Mn, Fe를 함유하는 복합탈산제형태로 용융물 속에 알루미늄 및 철기지합금을 넣는데,

Al25∼50

C0.05∼0.90

Si0.05∼1.50

Mn0.15∼1.25

Fe잔량

이 복합탈산제는 매트릭스성분으로서 알루미늄과 강화성분으로서 철기지합금의 형태로 그 외의 성분을 함유하며, 용강 내에서의 알루미늄의 용해는 복합탈산제의 용강에 대한 상대비중을 1.00∼1.05까지 연속적으로 증가시킴으로서 이루어지는, 복합탈산제에의하여 용강을 처리하는 방법이 제공된다.

본 발명에 따르면, 본 방법은 용강 내에서 알루미늄이 용해하는 알맞은 조건을 보장한다. 매트릭스성분으로서 알루미늄이 포함되고 초기의 저융점이 유지되는, 복합탈산제에 의한 용강의 처리는 용융물 속에서 급속하게 용해하게 한다. 철기지합금이 강화성분이 되는, 복합탈산제에 의한 용강의 처리는 필요에 따라서 무겁게 한다. 즉 용강의 밀도와 비교하여 복합탈산제의 밀도를 비교하면 그 상대적인 비중이 0.55∼0.70까지 증가시킨다. 이런 정도의 밀도에서 복합탈산제는 슬래그 속으로 부상하지 않고 용이하게 순환용융류 속으로 들어가서 용강 속에서 탈산과 화학반응을 한다.

용강을 Al-Fe합금복합탈산제로 처리하는 동안에 제일 먼저 알루미늄만이 용융되고 그 다음에는 철볼이 분리되어 용해되고 다시 Al이 용해되는 과정을 거친다. 알루미늄이 완전히 용해할 때까지는 철기지합금으로부터 강화성분이 용융되지 않는다. 이 것은 용강의 밀도보다 무거운 강화성분알루미늄이 존속하기 때문에 용해 중에 복합탈산제의 밀도가 연속적으로 증가하고 알루미늄전체가 용해한 순간에는 용강의 밀도와 비교하여 용강과의 상대적인 비중이 1.00∼1.05의 값을 갖는 이유가 된다.

알루미늄이 용해한 후 철기지합금으로부터 강화성분이 용융한다. 그 조성은용강의 조성과 유사하다. 따라서 복합탈산제의 강화부는 용강과 쉽게 혼합되어 완전히 융화한다.

Al-Fe기지합금으로 용강을 처리하는 동안에 대류의 영향 때문에 복합탈산제조각이 파편으로 분해된다. 서서히 이들 파편이 더 작은 파편으로 분해된다.

복합탈산제의 파편의 크기의 감소와 파편의 밀도의 증가의 조합으로 알루미늄이 보다 빠르게 용강 속으로 용해하여 용융물 중에 보다 균일하게 분포된다. 따라서 알루미늄손실이 감소되고 알루미늄에 의한 탈산 및 합금의 안정성이 보장된다.

복합탈산제 중의 알루미늄무게비로 25∼50%의 범위 내에 있다면, 용강의 처리에 대한 가장 바람직한 조건이 제공된다. 복합탈산제 중의 알루미늄함량부가 낮다면 강화성분부의 증가와 복합탈산제소모량의 증가의 필요성 때문에 용융물에서의 복합탈산제의 냉각효과가 강해진다. 복합탈산제 내의 알루미늄함량부가 커질수록 그 밀도가 낮아지고 용융물 속으로의 혼합성이 나빠지며 알루미늄손실이 커진다.

상기 제시한 범위 내에서 복합탈산제 내의 C, Si, Mn, Fe의 함량을 조절하는 것은 처리된 강의 함량에 대한 상기 원소함량과 유사한 것을 얻는 강화성분의 필요성에 따른다. 그런데 Al-Fe기지합금복합탈산제로 용강을 처리하면 그 화학적조성이 변화지 않는다.

실시예

함량이 0.25% C, 0.70% Mn, 0.25% Si, 0.02% S, 0.03% P인 강을 전기로에서 용융시키고 최후에 전기로의 외부의 용융물의 산출시에 래들 내에서 알루미늄으로탈산시켰다. 래들의 용적을 1/6로부터 1/3까지에 용융강에서 Al를 함유하는 복합탈산제를 취하였다. 강을 주입하기 전에 산소 및 알루미늄함량을 시험하기 위해 래들로부터 몇 개의 샘플을 선택하였다. 탄소강과 액체알루미늄을 혼합함으로써 알루미늄을 함유하는 복합탈산제를 예비적으로 얻었다. 비교를 위해 상기 방법으로, 즉 순수알루미늄조각을 강 중량추에 의해 용융물 속으로 장입하여 강을 탈산시켰다. 순수알루미늄의 양과 강의 중량은 알루미늄과 강화성분의 소모량에 대하여 적당하였다.

알루미늄소모량의 비와 알루미늄손실의 비를 이용하여 강의 처리방법의 효율을 평가하였다.

알루미늄소모량의 비 K_using은 다음의 식으로 계산된다.

K_using= (Al_rest+ Al_o)^*100/Al_Σo(1)

여기서, Al_rest는 강 중의 알루미늄의 잔류량, %,

Al_o는 반응에서 용존산소의 결합시의 알루미늄소모량

2[Al] + 3[O] = Al₂O₃

Al_o= ([O]_initial- [O]_eventual)^*(2^*27/3^*16)(2)

[O]_initial및 [O]_eventual은 알루미늄으로 강을 탈산하기 전과 후의 강 내의 용존산소의 함량

Al_Σ는 강의 탈산시의 알루미늄소모량, %

용존산소함량은 다음과 같이 계산된다.

lg[%O] - e_o ^o[%O] = lg a_o+ Σe_o ^R[%R](3)

e_o ^o과 e_o ^R은 산소와 산소 및 강(R)의 성분과의 상호작용의 변수이다.

a_o은 액체강 내의 산소의 활성, %

lg a_o의 값은 액체강 속에 전기화학적 센서를 장입함으로써 실험적으로 결정하였다. 측정을 위해 대조전극 M_O+ M_OO₂을 갖는 ZrO₂+ 17%Y₂O₃의 센서를 사용하였다. 이 경우,

lg a_o= 2,685 -(10,087^*E+5660)/T(4)

여기서, E는 기전력센서의 측정치, mV

T는 온도, °K

알루미늄손실비는 다음의 식으로 계산된다.

K_loses= 100 - K_using(5)

강의 처리방법은 표 1 및 표 2에 도시하였다.

위의 <표 1><표 2>에서 알수 있듯이, <표 1>의 No.1 성분의 복합탈산제는 <표 2>의 No.1에서 알 수 있듯이 최초상태의 밀도가 4000g/㎤ 으로서 용강과의 상대적인 비중이 0.58이었으며 Al용해 개시점의 비중은 0.53 Al 용해최종점의 비중은 1.05이고 잔류 Al량은 0.028이고 사용된 Al비는 66%이며, 소모된 Al비는 34%이다. 이에 비하여 순수 알루미늄을 사용한 <표 1>의 No.5의 알루미늄은 <표 2>의 No.5에서 보듯이, 최초상태의 밀도가 2700g/㎤ 으로 용강과의 상대적인 비중이 0.39이었으며 Al의 최종용해점 비중이 0.35로서 비중의 변화가 거의 없으며 잔류 Al량은 0.012%이고 사용된 Al비는 46%, 소모된 Al비는 54% 로나타났다.

상기 <표 2>의 실시예들에서 알 수 있듯이, 본 발명의 복합탈산제는 용탕에 대한 상대적인 비중이 0.4 이상으로서, 이는 슬래그의 용탕에 대한 비중이 0.3으로서 용탕내로 복합탈산제가 슬래그를 통과하기위한 최소의 비중치이며, 본 발명의 복합탈산제는 측정결과 용탕에 대한 비중이 1.05를 초과하지 않았다.

강처리에 필요한 알루미늄소모량이 동일하다면(0.1%), 복합탈산제 내의 알루미늄함량이 낮기 때문에 Al-Fe기지합금복합탈산제의 탈산요과는 순수알루미늄보다 2∼4배 높다.(복합탈산제는 알루미늄양이 37~50이고,순수알루미늄은 100%이기 때문이다)

Al-Fe기지합금복합탈산제의 초기밀도는 순수한 알루미늄보다 1.47∼1.92배 높다. 용해과정 중에 밀도의 차이가 증가한다. 즉 용해초기의 값은 1.52∼2.04이고, 최후에는 3까지 도달할 수 있다.

그런데 알루미늄소모량의 비는 0.46에서 0.64∼0.77까지 증가하는데, 이는39∼67% 증가하였다는 것을 의미한다. 따라서, 알루미늄손실이 54%에서 23∼36%까지 감소한다.

본 발명에 의하면 알루미늄으로 제강공정에서 탈산처리를 효과적으로 함으로서 강의 품질의 개선에 의해 그 효율을 보장한다. 이 품질은 용탕에서 비중을 높여 더 깊게 탈산하고 보다 안정하게 알루미늄을 융화시키며, 균일하게 알루미늄을 분포시켜 종전의 순수알루미늄을 투입하는 것보다 손실을 감소시킴으로써 개선된다.

특히 위에서 언급했듯이 이 복합탈산제를 사용하면 강의 내부가 깨끗한 청정강을 제조하는 것이 가능하여 강의 품질이 크게 향상될 수 있다. 이유는 탈산시 알루미늄탈산제를 용탕깊이 넣어 용해시킬 수 있으므로 알루미늄의 손실을 감소시킬 수 있는 동시에 알루미늄을 안정하게 용해시킬 수 있으므로 제강시 탈산효과를 증대시킬 수 있는 획기적인 발명이다.

이밖에 여기서 언급하지 않은 탈산제 Ca, 희토류금속도 이 방법을 이용하여 사용한 결과 탈산제 적게 사용하고 강중에 산소로 인한 결함이 대폭 감소하는 결과를 나타냈다.

또한, 슬래그탈산제로 사용시 15% Mg + 85% Al 용탕에 첨가요소 CaO 20 ~ 50wt% 첨가하고 강화원소인 철편을 10 ~ 30wt% 를 첨가하여 제조된 슬래그탈산제를 슬래그내에 첨가시키면 슬래그탈산제의 비중이 높으므로 슬래그의 바로 밑에서 슬래그탈산을 시키므로 연기의 발생이 최소로 됨과 아울러 가스의 분출이 방지되면서도 슬래그탈산에 대단한 효과가 있게 되는 것이다.

이상과 같이 본 발명에 따른 제강 및 제철시에 용탕내에 투입되는 탈산제는, 알루미늄기지내에 알루미늄보다 비중이 무겁고 융점이 높은 강화원소인 금속편이 고용되어 종전의 순수알루미늄탈산제와는 달리 용탕안의 밀도보다 높아 용탕의 바닥 깊숙한 하부까지 투입되므로 알루미늄이 용해되고 Fe가 나중에 용해되면서 알루미늄의 탈산효과를 십분발휘하여 원가의 절감 및 강의 품질에 획기적인 향상을 가져오는 효과가 있으며, 특히 레들내 Al을 첨가시 분진 및 가스가 발생하는데 이 발명품을 제강공정시 투입하면 용탕에 바로 들어가서 반응하기 때문에 분진 및 가스의 발생이 감소되므로 환경친화적이라는 우수한 효과를 갖는다.

Claims (5)

1. 제강 및 제철시 용탕내에 투입되는 탈산제에 있어서, 상기 탈산제는 철재파이프내에 알루미늄을 응고시켜 용탕에 대한 상대적인 비중을 높힌 것을 특징으로 하는 복합탈산제.
2. 알루미늄기지에 강화성분인 금속강화요소가 첨가되어 비중이 용강밀도와 비교하여 0.4이상의 초기밀도를 갖는 복합탈산제를 용탕내에서 투하시키는 단계와,

   상기 복합탈산제가 용탕내에서 용해되면서 복합탈산제의 상대밀도를 1.00 ~ 1.05까지 연속적으로 증가시키면서 용해되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합탈산제를 이용한 용강의 처리방법.
3. 슬래그탈산제로 사용시 15% Mg + 85% Al 용탕에 첨가요소 CaO 20 ~ 50wt% 첨가하고 강화원소인 철편을 10 ~ 30wt% 를 첨가하여 제조된 것을 특징으로 하는 슬래그탈산제를 사용하여 슬래그를 탈산시키는 슬래그탈산방법.
4. 슬래그탈산제로 사용시 15% Mg + 85% Al 용탕에 첨가요소 CaO 20 ~ 50wt% 첨가하고 강화원소인 철편을 10 ~ 30wt% 를 첨가하여 제조된 것을 특징으로 하는 슬래그탈산제.
5. 슬래그탈산제로 사용시 15% Mg + 85% Al 용탕에 첨가요소 CaO 20 ~ 50wt% 첨가하고 강화원소인 철편을 10 ~ 30wt% 를 첨가하여 제조된 슬래그탈산제를 슬래그내에 투입하여 슬래그의 바로 밑에서 탈산시키는 것을 특징으로 하는 슬래그탈산제를 이용한 슬래그탈산방법.