KR100415678B1 - 직류전기장을 이용한 고순도 용철의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 직류전기장을 이용한 고순도 용철의 제조방법에 관한 것이며, 그 목적하는 바는 전자교반에 의해 용철을 용해·교반하면서 용융플럭스층과 노저사이에 직류전류를 부가함으로서, 탈인 및/또는 탈류속도를 높여 보다 고순도의 용철을 제조할 수 있는 방법을 제공하고자 하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 고순도의 용철을 제조하는 방법에 있어서, 상기 용철을 전자교반으로 용해·교반하고, 용철상부에 통상의 방법으로 플럭스를 투입하고, 노저와 용융플럭스층간에, 7(Ω)이하의 저항을 유지하면서 직류전류가 흐르도록 하는 것을 특징으로 하는 직류전기장을 이용한 고순도 용철을 제조하는 방법에 관한 것을 그 요지로 한다.

Description

직류전기장을 이용한 고순도 용철의 제조방법{A Method for Making High Purity Molten Iron Using DC Electric Field}

본 발명은 전자교반에 의해 용철을 제조하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 용융플럭스층과 노저사이에 직류전류를 부가하여 고순도의 용철을 제조하는 방법에 관한 것이다.

철강공정은 제선공정을 통해 제조된 용철을 예비처리를 통하여 S를 제거하고 전로에서 산소취련에 의하여 C과 P를 제거한다. 그런데, 고탄소 용강의 경우는 평형 산소포텐셜이 낮아 P 제거가 어려운 문제점이 있다.

최근에는 주편의 중심편석을 줄이기 위하여 P와 S를 극하한치까지 요구하는 추세이다. 따라서, 2차정련공정이나 연주공정에서 이들을 경감시키는 것은 매우 중요하다.

P와 S를 제거하기 위하여 출현한 종래의 방법으로는 교반탈류법, Ca계 플럭스(flux)취입법, 전로탈린법 그리고 래들 로(furnace)법등이 있다.

교반탈류법은 Ca계 플럭스를 투입하면서 회전임펠러로서 용강을 교반시켜 Ca계 플럭스와 용강중 유황이 반응하여 CaS를 형성시켜 슬랙중으로 유황성분을 제거하는 방법이다. Ca계 플럭스 분체취입법 역시 Ca계 플럭스를 탕면상에 띄운후 산화철성분을 랜스로 취입시켜 CaO·P₂O₅로 탈린을 실시하는 방법이다.

전로탈린법 역시 전로에서 용강을 산소로 취련하여 용강중 P를 CaO·P₂O₅의 형태로제거하는 방법이다.

래들로법은 슬랙중 CaO와 용강중 유황이 반응하여 형성된 CaS의 제거효율을 높히기 위하여 슬랙중에 전극을 침적시켜 슬랙을 통하여 전류를 흐르게 하여 슬랙이 저항발열되도록 하므로서 고온의 슬랙에 의해 CaS의 용해도가 높아지도록 한는 방법이다.

그러나, 이상의 방법들은 모두 용철과 슬랙간의 탈인 혹은 탈류반응을 촉진시키기 위하여, 교반탈류법의 경우 Ca계 플럭스와 용강간 반응상태에서 용철을 교반시킨다거나, 전로탈인법과 분체취입법은 산소취련 혹은 분체취입을 통하여 플럭스와 용철간 반응계면적을 높힌다든가, 래들로법 처럼 슬랙의 온도를 높히는 방법이다. 이상의 공통점은 슬랙과 용철간의 반응속도를 높히기 위하여 슬랙 조성이나 교반동력을 부가하는 것으로 더 이상 탈인 및 탈류 속도를 높히는데는 한계가 있다.

이에, 본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로, 전자교반에 의해 용철을 용해·교반하면서 용융플럭스층과 노저사이에 직류전류를 부가함으로서, 탈인 및/또는 탈류속도를 높여 보다 고순도의 용철을 제조할 수 있는 방법을 제공하고자 하는데, 그 목적이 있다.

도 1(a-c)는 직류통전 방식을 개략적으로 보인 모식도

도 2는 용강탕면에서 전극선단까지의 거리에 따른 전기저항을 보이는 그래프

도 3(a-d)는 직류통전시 통전량 및 플럭스 연속투입에 따른 탈황 및 탈인속도를 보이는 그래프

도 4(a-b)는 용철의 극성에 따른 탈인 및 탈황 반응을 개략적으로 보인 모식도

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

1...유도용해로 2...용철

3...용융플럭스층 4...흑연전극

5...노저전극 6...프라즈마 아크

7...플럭스(flux) 8...오버플로우(overflow) 슬랙

9...배출구

본 발명자들은 유도용해 원리를 이용하여 용철을 교반시키고, 슬랙과 용철간에 직류전류를 통전시켜 전자기장을 형성시키므로서 탈인과 탈류반응 속도를 증가시킨다는 점과, 플럭스를 연속적으로 공급 및 배출시키면 슬랙의 P와 S성분의 포화를 막아 저린 혹은 저유황 용철을 제조할 수 있다는 점을, 연구 및 실험을 통하여 알아내었다.

상기와 같은 연구 및 실험의 결과에 의한 본 발명은 고순도의 용철을 제조하는 방법에 있어서, 상기 용철을 전자교반으로 용해·교반하고, 용철상부에 통상의 방법으로 플럭스를 투입하고, 노저와 용융플럭스층간에, 7(Ω)이하의 저항을 유지하면서 직류전류가 흐르도록 하는 것을 특징으로 하는 직류전기장을 이용한 고순도 용철을 제조하는 방법에 관한 것이다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명에서는 제강공정에서 고순도 용철을 제조하기 위하여 전자교반으로 용철을 용해·교반하고 용철상부에 플럭스를 투입하고, 노저와 용융플럭스층간에 전류가 흐르도록 노저와 용융플럭스 혹은 노저와 용융플럭스층 상부에 전극을 설치하므로서 탈인 혹은 탈황반응을 촉진시킨다.

상기 전류는 직류전류이며, 저항은 7Ω이하로 유지하는 것이 바람직하다. 그 이유는 황 또는 인을 제거하기 위해서는 전기적으로 직류를 부가하여, 이들을 용융플럭스층으로 포집하기 위해서이고, 또한, 상기 저항이 7Ω을 초과하는 경우는 프라즈마 아크가 단락되는 문제가 있기 때문이다.

또한, 본 발명에서는 상기 직류전류 인가시 유황성분이 낮은 용철을 제조하는 경우는 용철이 음극, 용융플럭스층이 양극으로, 인성분이 낮은 용철을 제조하는 경우는 용철이 양극, 용융플럭스층이 음극으로 하는 것이 바람직하다.

상기 유황성분이 낮은 용철을 제조하는 경우는 용철을 음극, 용융플럭스층을 양극으로 하여 하기 반응식(1-4)와 같은 반응에 의해 탈황효과를 얻는 것이 바람직하다.

(CaO) + S = (CaS)

S + (O^-2) = (S^-2) + O

S + 2e = (S^-2)

(O^-2) = O +2e

상기 인성분이 낮은 용철을 제조하는 경우는 용철을 양극, 용융플럭스층을 음극으로 하여 하기 반응식(5-8)과 같은 반응에 의해 탈인효과를 얻는 것이 바람직하다.

2P + 5(FeO) = (P₂O₅) + 5Fe

2P + 5(O^-2) = 2P⁺⁵+ 5(O^-2) + 10e

P = P⁺⁵+ 5e

O + 5e = 5(O^-2)

또한, 본 발명에서는 프라즈마 아크의 단락을 방지하기 위하여 용융플럭스층의 전극에 불활성가스를 취입시키는 것이 바람직하다.

상기 전극을 통상의 흑연전극을 이용할 수 있으며, 이같은 전극에 Ar과 같은 불활성가스를 취입하여, 용융슬래그층의 상부에서도 어느 정도이하의 저항을 유지시켜 프라즈마 아크 단락을 방지할 수 있는 것이다.

실시예 1

도 1(a)와 같이 유도용해로(1)의 하부에 흑연질 노저전극(5)을 설치하고 용철(2)을용해시킨 다음 탕면 상부에 플럭스를 투입하고 용융플럭스층(3)에 흑연전극(4)을 침적시켰다. 노저전극(5)과 흑연전극(4)간에 전류를 통전시켰다. 유도용해로(1)는 25KW용량이며 전극간 인가전류는 최대 500A DC이다. 전압은 양 전극간의 용철(2) 및 용융플럭스층(3) 그리고 대기분율에 따라 변한다. 용철은 5kg이며 플럭스층(3) 두께는 25mm를 유지시켰다. 흑연전극(4)은 내부가 빈 원통형으로서 내부에는 2 l/min의 유량으로 Ar을 흘렸다. 노저전극(5)과 흑연전극(4)은 각각 양극/음극 혹은 음극/양극으로 전환가능한 구조로 제작하였다.

도 1(a)에서의 흑연전극(4)을 음극, 노저전극(5)을 양극으로 한 상태에서 흑연전극(4)을 탕면에서 용융플럭스층(3) 상부까지 이동시키면서 양극간 저항을 측정하여 그 결과를 도 2에 나타내었다. 이같은 실험은 Ar가스를 취입하면서 행하고, 또한 취입하지 않으면서 행하였다.

도 2에서 알 수 있는 바와 같이, 흑연전극(4)에 Ar가스를 취입하지 않은 경우는 탕면에서 흑연전극 하단간 거리가 길어질수록 저항이 증가하며 전극(4) 하단이 용융플럭스(3)층을 벗어나면서 대기중으로 인상되면서 저항이 급증한다. 이후 저항이 7Ω이상으로 급증하다가 프라즈마 아크가 단락되었다. 도 1(b)와 같이 흑연전극에 Ar가스를 흘린 경우는 도 2와 같이 흑연전극 하단이 용융플럭스층 내부에 침적시는 Ar미취입시보다 약간 저항이 크나 전극하단이 용융플럭스층에서 대기로 인상됨에 따라 저항은 증가하나 오히려 저항 증가의 기울기는 작아져 7Ω이하의 값을 어느 정도의 거리까지 유지하였다. 이는 Ar의 경우 공기보다 쉽게 프라즈마 아크(6)화되어 전기전도도가 매우 크기 때문이다. 따라서 Ar을 흘린 경우가 실제 저탄소강의 정련작업시 탕면이 변화하면 흑연전극(4)이 용손되는 문제가 적고 탕면변화시 프라즈마 아크(6)의 단락현상이 생기지 않는 장점이 있다.

실시예 2

직류전기의 통전효과를 조사하기 위하여 용철에 유황함량을 0.2wt%로 유지시킨 후 통전시 및 미통전시의 유황함량 저하효과를 비교하였다.

도 3(a)와 같이 미통전시는 초기에는 유황저하효과가 있으나 후기로 갈수록 슬랙중 유황성분의 용해도에 접근함에 따라 유황의 제거속도가 저하한다. 통전의 경우도 용선과 접하는 노저전극(5)과 흑연전극(4)이 각각 음극/양극과 양극/음극인 경우로 나누어 실험하였다. 노저전극(5)이 음극인 경우가 유황의 제거속도가 빠름을 알 수 있었다. 또한 통전전류가 증가하면 유황의 제거속도가 더욱 빨라졌다. 노저전극(5)이 양극인 경우는 반대로 유황의 제거속도가 미통전시 보다 저하하였다.

도 3(b)와 같이 노저전극(5)과 흑연전극(4)이 각각 음극/양극인 경우 통전전류를 증가시킬수록, 도 1(c)와 같이 플럭스(7)를 연속적으로 투입 및 배출(8)할수록 유황의 제거속도가 빠름을 알 수 있었다. 이는 통전전류를 증가시키면 용철중 유황의 제거반응이 촉진되며, 플럭스(7)를 연속적으로 투입 및 배출(8)시키는 경우는 용융플럭스(3)중 유황의 농도를 항상 일정하게 유지시킬 수 있기 때문일 것이다.

탈황반응은 도 4(a)와 같이 나타낼 수 있다. 노저전극(5)이 음극이 되면 용철(2)중 유황이 음이온화되어 양극인 흑연전극(4)측으로 이동하며 용융플럭스층(3)에서 Ca양이온과 반응하여 CaS를 형성하게 될 것이다. 결국 노저전극(5)과 흑연전극(4)간에 형성된 전기장에 의하여 상기 반응이 촉진되는 것으로 사료된다.

용철(2)중 인을 0.28wt%로 유지시킨 후 통전시 및 미통전시 용철(2)중 인의 제거속도를 조사하였다.

도 3(c)과 같이 미통전시는 용융플럭스(3)와 반응하여 초기에는 빠르게 시간이 경과할수록 제거속도가 감소하는 경향을 나타낸다. 이는 용융플럭스(3)중 인화합물이 포화농도에 접근하면서 반응의 구동력이 감소되기 때문일 것이다. 통전시 노저전극(5)과 흑연전극(4)이 각각 양극/음극과 음극/양극인 경우중, 전자가 초기의 용철(2)중 인의 제거속도가 빠르고 후자는 오히려 제거속도가 미통전시 보다도 늦다. 이 역시 통전으로 인하여 탈인반응이 촉진되거나 지연되는 때문임이 밝혀졌다.

도 3(d)는 미통전시와 노저전극(5)이 양극인 경우를 비교한 것이다. 또한 도 1(c)와 같이 플럭스를 연속적으로 투입 및 배출한 경우가 인의 제거속도가 빠르고 시간이 경과하여도 일정한 제거속도를 유지하였다.

이상의 반응거동도 도 4(b)와 같이 노저전극(5)이 양극이 되면 용철(2)중 인성분이 이온화되어 인이 양이온화되어 음극인 흑연전극(4)측으로 이동하여 용융플럭스(3)중의 전자와 반응하여 인산화물이 되어 제거된다.

상술한 바와 같은 본 발명에 의하면, 전자교반에 의해 용철을 용해·교반하면서 용융플럭스층과 노저사이에 직류전류를 부가함으로서, 탈인 및/또는 탈류속도를 높여 보다 고순도의 용철을 제조할 수 있는 효과가 얻어진다.

Claims (4)

1. 고순도의 용철을 제조하는 방법에 있어서,

   상기 용철을 전자교반으로 용해·교반하고, 용철상부에 통상의 방법으로 플럭스를 투입하고, 노저와 용융플럭스층간에, 7(Ω)이하의 저항을 유지하면서 직류전류가 흐르도록 하는 것을 특징으로 하는 직류전기장을 이용한 고순도 용철을 제조하는 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 용철을 음극, 상기 용융플럭스층을 양극으로 하여 유황성분의 제어를 행하거나, 상기 용철을 양극, 상기 용융플럭스층을 음극으로 하여 인성분의 제어를 행하는 것을 특징으로 하는 직류전기장을 이용한 고순도 용철을 제조하는 방법.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 용융플럭스층의 전극에 불활성가스를 취입시키는 것을 특징으로 하는 직류전기장을 이용한 고순도 용철을 제조하는 방법.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한항에 있어서,

   상기 용융플럭스층의 용융플럭스를 외부로 배출하면서 플럭스를 공급하여 조업을 행하는 것을 특징으로 하는 직류전기장을 이용한 고순도 용철을 제조하는 방법.