KR100523106B1 - 저질소 스테인레스강의 정련 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 10-12%크롬 함유 스테인레스강의 질소를 효율적으로 제거하기 위한 방법으로, AOD에서의 아르곤 부족 문제를 해결하고, 질소 농도를 낮추기 위해 아래와 같이 AOD정련로와 진공 설비를 순차적으로 이용하는 것을 특징으로 하는 저질소 스테인레스강의 정련 방법으로써, 먼저, AOD 정련로에서 시작 탄소 농도를 1.3 중량% 이상으로 하고, 탄소농도 0.3%까지는 질소를 불활성 가스로 사용하며, 탄소농도 100ppm이하까지는 아르곤을 사용하여 탄소를 제거하며, 질소농도를 250ppm이하가 되도록 한다. 그리고 진공정련에서는 1660^oC이상의 용강중에 Al농도가 0.05-0.1%이 되도록 첨가하고, 10mbar이하의 진공조건에서 래들 바닥으로부터 8.5-12.5l/min/t의 아르곤 가스를 취입하여 10-13분간 용강을 교반시킴으로써 질소를 제거하는 저질소 스테인레스강의 정련방법을 요지로 한다.

Description

저질소 스테인레스강의 정련 방법{method for refining a stainless steel sheet with low nitrogen}

본 발명은 저질소 스테인레스강의 정련방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 스테인레스강의 질소농도를 낮추는 데 있어서 AOD정련로와 진공 설비를 이용하여 저질소 스테인레스강을 제조하는 정련 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 스테인레스강 중의 질소는 가공중의 연신율 및 용접부의 인성 저하 등과 같은 제품의 기계적 성질을 나쁘게 하기때문에 사용 용도에 따라 극히 낮은 수준까지 제거해야 하는 원소이다.

스테인레스강은 크롬, 망간 등 질소와의 친화력이 높은 원소를 다량 함유하고 있기 때문에 스테인레스강의 정련에서 질소를 제거하는 기술은 매우 중요하다.특히 STS409L강과 같이 Ti를 함유하는 강은 탄소 및 질소가 각각 탄화물 또는 질화물을 형성하기 때문에 두 성분의 농도를 낮추어야 하는데 특히 질소의 경우에는 응고 과정 중에 TiN이 생성되어 연속주조시의 노즐 막힘 현상을 일으키거나 열연 코일의 표면 결함을 야기시키므로 용강중의 질소농도를 낮추어야 한다.

스테인레스강의 용강중 질소농도는, Ti농도가 증가함에 따라 감소하게 된다. 만일 용강중 질소가 평형 질소농도 보다 높으면 질소는 Ti와 반응하여 TiN으로 석출하며 TiN은 전술한 바 같은 제반문제를 야기시키게 된다.

전기로-AOD(Argon Oxygen Decarburization) 공정으로 스테인레스강을 제조할 때 전기로를 이용하여 합금철 및 일반 스크랩을 용해하는데 아크(Arc)방전에 의해 공기중의 질소가 용강중으로 용해되기도 하고, 출강 시에 용강과 공기의 접촉에 의해 질소가 흡수되어 AOD시작 시점의 질소농도는 200-250ppm정도가 함유되어 있다. AOD에서는 산소와 아르곤의 혼합가스를 이용하여 전기로에서 제조한 스테인레스강 용강의 탄소를 제거하고 있는데, 이때 질소를 낮은 수준까지 낮추기 위해 정련로 시작 탄소 농도를 높이고, 산소와의 혼합가스로 정련 과정에서 아르곤만을 사용하는 것이 일반적인 방법이며, 이는 탈탄 과정 중에 생성되는 CO 가스 기포와 아르곤 가스 기포를 탈질 반응에 이용하기 위함이다.

그러나 정련로 개시 탄소를 높이는 경우 최종 정련 단계에서 용강중의 탄소 농도를 높이는 문제를 야기 시키므로 탄소 농도를 높여 질소를 제거하는 방법을 적용하는 데는 한계가 있다. 또 AOD출강 중에 용강과 대기와의 접촉에 의해 용강중의 질소농도가 높아지기 때문에 저질소 스테인레스강의 질소 농도 조절에 곤란을 겪고 있다.

AOD를 이용한 저질소 스테인레스강의 제조에서는 탈탄 반응시에 발생하는 CO가스에 의해 질소가 제거되므로, 초기 탄소농도를 높이기 위해 가탄제를 첨가하게 된다. 그러나 탄소 농도를 높이면, 상술한 바와 같은 탈탄 종료 후 탄소 픽업에 의해 탄소 농도가 증가하는 문제를 발생시키게 될 뿐 아니라, AOD정련시간이 길어지고, 불활성 가스인 아르곤의 소비가 늘어나게 되는 등 많은 문제를 야기시키게 된다. 즉 AOD단독처리의 경우 저 질소농도의 스테인레스강을 안정적으로 생산하는 것이 곤란하며, AOD정련시간이 과다하게 소요되고, Ar소비량이 증가하여 Ar부족에 의해 정련로 휴지가 빈번하게 발생된다.

이에 본 발명의 발명자들은 상기한 종래방법의 문제점을 개선하기 위해 연구 및 실험을 행하고, 그 결과에 근거하여 본 발명을 제안하게 된 것으로, 본 발명의 목적은 저질소 스테인레스강의 제조를 위해 AOD정련로와 진공 설비를 이용하는 방법으로, AOD 정련로에서는 탄소만을 제거하고, 질소는 진공 설비를 이용하여 제거하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 AOD정련로에서 질소를 낮추는 부담이 없기 때문에 아르곤 가스의 소비가 절감되기 때문에 아르곤 부족 문제를 해결하고, 질소는 대기와의 접촉을 차단한 진공 설비를 이용하여 제거하는 방법을 제공함으로써 전체 정련시간을 단축하고, 스테인레스강의 질소 농도를 효율적으로 낮출 수 있는 저질소 스테인레스강의 정련법에 관한 것이다.

이하, 본 발명을 도면을 참조하여 더욱 상세히 설명한다.

본 발명은 10-12%크롬 함유 스테인레스강의 질소를 효율적으로 제거하기 위한 방법으로, AOD에서의 아르곤 부족 문제를 해결하고, 질소 농도를 낮추기 위해 아래와 같이 AOD정련로와 진공 설비를 순차적으로 이용하는 것을 특징으로 하는 저질소 스테인레스강의 정련 방법으로써, 먼저, AOD 정련로에서 시작 탄소 농도를 1.3 중량% 이상으로 하고, 탄소농도 0.3%까지는 질소를 불활성 가스로 사용하며, 탄소농도 100ppm이하까지는 아르곤을 사용하여 탄소를 제거하며, 질소농도를 250ppm이하가 되도록 한다. 그리고 진공정련에서는 1660^oC이상의 용강중에 Al농도가 0.05-0.1%이 되도록 첨가하고, 10mbar이하의 진공조건에서 래들 바닥으로부터 8.5-12.5l/min/t의 아르곤 가스를 취입하여 10-13분간 용강을 교반시킴으로써 질소를 제거하는 저질소 스테인레스강의 정련법이다.

이하, 상술한 용강 성분의 농도 한정 이유와 정련방법에 대해 설명한다.

본 발명에서 AOD 정련로와 진공 설비를 순차적으로 이용하는 이유는 탄소 제거 효율이 우수한 AOD 정련로와 질소 제거 능력이 우수한 진공 정련 설비를 이용하여 저질소 스테인레스강의 각 공정간의 부하를 분산시키기 위한 것이다. AOD 정련에서 시작 탄소 농도가 1.3중량% 이상으로 한정한 이유는 탄소농도가 높을수록 정련로의 탈탄 시간이 길어지기 때문에 바람직하지 않지만, 이보다 탄소농도가 낮으면 정련로에서의 탈탄량이 부족하여 목표 온도에 도달하는 데 열량이 부족할 수가 있기 때문이다. 또 1.3중량%의 탄소 농도는 전기로에서 원료 합금철에 포함된 탄소만을 고려한 값으로 가탄제를 사용하지 않아도 되는 장점이 있다. 그리고 정련로의 탈탄 과정중 0.3%의 탄소농도까지 질소가스를 사용하는 것은 아르곤 가스를 절감하기 위한 것으로, 0.3% 미만에서도 질소가스를 사용하게 되면, 종점 질소 목표인 250ppm이하로 만들기가 어렵게 된다. 그리고 정련로에서의 질소 농도가 250ppm이하가 되어야 하는 것은 진공 공정에서도 질소 제거 능력에 한계가 있기 때문이다. 또 진공 탈질 공정에서 용강온도가 높을수록 탈질반응이 잘 일어나는데, AOD내화물 용손 등을 고려하면 진공정련 개시 시점의 용강 온도가 1660℃이상이 바람직하다. 진공 정련 공정에서 진공도를 10mbar 이하로 한정한 것은 10mbar 초과의 경우에 질소 제거 속도가 늦어지기 때문이다. 또 Al농도를 0.05-0.1%로 한정한 것은 Al 농도 0.05% 미만에서는 탈산이 부족하여 표면 활성 원소인 산소의 제거가 불충분하여 탈질 반응을 방해하고, 0.1% 초과의 Al농도에서는 산소가 충분히 제거되기 때문에 그 이상으로 Al을 첨가하면 Al사용량만 증가시키게 된다. 저질소 농도영역에서의 탈질반응은 물질 이동 율속으로 알려져 있기 때문에 용강의 교반이 특히 중요하며, 래들 바닥의 포러스 플러그를 이용하여 아르곤을 불어넣게 되며, 아르곤 유량이 부족하면 용강 교반이 부족하여 탈질 반응이 늦어지고, 아르곤 유량이 너무 많으면 용강의 비산에 의해 진공 정련 조업이 곤란해지는 문제를 야기하기 때문에 저취 아르곤 유량을 8.5-12.5ㅣ/min/t하였다. 그리고 용강 교반 시간을 한정한 이유는 본 발명의 유량 범위 내에서 탈질소 반응이 충분히 일어나기 위해 필요한 시간과 시간이 너무 길면, 용강의 온도가 강하하는 문제를 야기시키게 않는 범위에서 설정하였다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명의 실시예는 실제 스테인레스강을 생산하고 있는 AOD정련로와 진공 정련 설비인 VOD를 이용하여 실시하였다. 시험대상으로는 11.5%Cr함유 저질소강인 STS409L강을 선정하였으며 표 1에 조성을 나타내었다.

표 2에 종래 방법과 본 발명의 409L강의 정련방법을 비교하여 나타내었다. 표 2에서 보듯이 종래법에서는 AOD정련로만을 이용하여 질소를 제거하지만, 본 발명에서는 AOD와 진공 탈탄 설비를 순차적으로 이용하여 탄소를 효과적으로 제거하게 된다. 본 발명에서는 AOD시작 탄소농도를 종래법의 평균 2.0%보다 1.5%로 낮추어, AOD정련시간의 단축이 가능하며, 종점 목표 질소를 종래의 60ppm이하보다 높은 250ppm이하로 하여 AOD정련로에서 산소와의 혼합가스로 탄소 농도 1.5%에서 0.3%까지는 질소 가스를 사용하고, 그 이후는 아르곤을 사용하였다. 본 발명에서 질소 제거를 위해 사용되는 진공 정련에서의 초기 용강 온도를 1670^oC, 진공도를 10mbar이하로 조절하고, 교반 시간은 13분, 그리고 저취가스 유량은 80톤 기준으로 800 l/min의 아르곤을 흘려 주어 탈질 반응이 일어나도록 하였다. 그림 1은 본 발명의 진공 탈질의 실시예 결과로 진공 탈질 공정에서 개시 질소 농도와 처리후 질소 농도의 관계를 나타낸 것이다. 그림에서 보듯이 본 발명의 진공 정련에서는 시작 질소농도가 약 250ppm에서도 처리후의 질소 농도를 90ppm이하로 낮추는 것이 가능하며, 그 이상의 질소 농도에서는 처리후의 질소 농도가 높아지는 것을 알 수 있다. 그림 2는 종래의 409L제조방법에서의 질소 농도 거동을 나타낸 것이다. 종래방법으로는 AOD에서 질소 농도를 56ppm까지 낮춘 다음 출강과정이 있기 때문에 용강 성분 조정 단계 인 LT처리전의 질소 농도가 84ppm으로 높아지고, 주조까지 92ppm까지 증가하였다. 그림 3은 본 발명의 실시예를 나타낸 것으로 AOD종점에서 정련로의 종점 질소 농도가 약 250ppm으로 높기 때문에 출강과정에서의 질소 농도 증가가 없으며, 진공 정련에 의해 질소 농도를 72ppm까지 낮출 수 있었고, 주조후의 질소 농도를 80ppm이었다. 종래법에서는 AOD정련과 용강 미세 조정을 위해 약 97분이 소요되었으나, 본 발명의 실시예에서는 90분으로 약 7분의 정련시간이 단축되었고, 질소의 농도도 종래의 92ppm에서 80ppm수준으로 10ppm이상 농도가 감소한 것을 알 수 있다.

(중량%)

C	Si	Mn	Cr	Ti	N
0.015이하	0.3	0.4	11.5	0.15	<0.02

구분	종래방법	본발명	비고
공정	AOD정련로-용강성분미세조정-주조	AOD정련로-진공탈질공정-주조	본 발명에서 용강성분 미세조정은 진공상태에서 실시
AOD정련로	시작탄소	2.5%	1.5%
	종점질소	60ppm이하	250ppm이하
	종점탄소	100ppm이하	100ppm이하
	질소/아르곤 가스 사용	아르곤만 사용	질소를 0.3%C까지 사용
진공처리공정	진공도	진공처리 없음	10mbar이하
	교반시간		Al첨가후 13분
	Al농도		0.05%
	저취유량		10 ㅣ/min/t

이상 상술한 바와 같이, 저질소 스테인레스강의 정련시에 본 발명을 적용하면, 정련 시간 단축은 물론이고, 저질소 스테인레스강의 성분 중 가장 중요한 원소인 질소 농도를 안정적이고, 효율적으로 낮추는 데에 효과가 있음을 알 수 있다.

도 1은 진공 정련 공정에서의 처리, 전후의 질소농도를 도시한 그래프도.

도 2는 STS409L강의 제조를 위한 종래기술에서의 질소농도의 거동을 도시한 그래프도.

도 3은 STS409L강의 제조를 위한 본 발명의 질소농도의 거동을 도시한 그래프도.

Claims (3)

1. 삭제
2. 10-12% 크롬 함유 저질소 스테인레스강을 AOD 정련로에서는 탄소만을 제거하고, 질소는 진공 설비를 이용하여 순차적으로 제거하는 저질소 스테인레스강의 정련방법에 있어서,

   상기 AOD 정련로에서 시작 탄소 농도를 1.3 중량% 이상으로 하고, 탄소농도 0.3%까지는 질소를 사용하고 탄소농도 100ppm이하까지는 아르곤을 사용하여 탄소를 제거하며, 질소농도를 250ppm이하가 되도록 하는 것을 특징으로 하는 저질소 스테인레스강의 정련방법.
3. 제2항에 있어서,

   진공설비에서는 1660℃이상의 용강중에 Al 농도가 0.05-0.1%이 되도록 첨가하고, 10mbar이하의 진공조건에서 래들 바닥으로부터 8.5-12.5ㅣ/min/t의 아르곤 가스를 취입하면서 10-13분간 용강을 교반시킴으로써 질소를 제거하는 것을 특징으로 하는 저질소 스테인레스강의 정련방법.