KR100583997B1

KR100583997B1 - 용강의 청정도 향상을 위한 가스 취입 방법

Info

Publication number: KR100583997B1
Application number: KR1019990056808A
Authority: KR
Inventors: 서성모; 허기행; 윤병훈
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 1999-12-11
Filing date: 1999-12-11
Publication date: 2006-05-26
Also published as: KR20010055570A

Abstract

본 발명은 용강중에 함유되어 있는 개재물을 제거하는 과정에서 사용되는 가스의 취입방법에 관한 것으로, 용강(110)에 함유되어 있는 개재물(120)을 부력을 이용하여 제거하기 위해 용강내로 가스를 취입하는 통상적인 가스 취입 방법에 있어서, 취입초기과정의 1분 30초이내에는 0.008 1/min-Kg의 함량으로 가스를 취입하고, 중기과정의 1분이내에는 0.005 1/min-Kg의 함량으로 가스를 취입하며, 말기과정의 5분이내에는 0.002 1/min-Kg의 함량으로 가스를 취입하는 것을 특징으로하여, 용강의 개재물함량에 따라 가스의 취입량을 조절하므로써, 개재물의 제거효율 및 제거속도가 향상될 뿐만 아니라 용강의 청정도가 향상되게 한 것이다.

수강용기, 용강, 개재물

Description

용강의 청정도 향상을 위한 가스 취입 방법 {Gas injecting method for improving the steel cleanliness}

도 1은 일반적인 기술에 따른 용강에 혼입물이 개재된 상태의 모식도,

도 2는 본 발명에 따른 용강의 청정도가 향상된 상태를 도시한 그림이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

100 : 수강용기 110 : 용강

120 : 개재물

본 발명은 용강중에 함유되어 있는 개재물을 제거하는 과정에서 사용되는 가스의 취입방법에 관한 것으로, 특히 용강에 취입되는 각종 가스의 취입량패턴을 변경하여 개재물의 제거효율을 향상시킬 수 있도록 된 용강의 청정도 향상을 위한 가스 취입 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 용강중에 함유되어 있는 각종 개재물들은 용강과는 접촉하지 않으려는 성질을 가지고 있는 반면에, 다른 개재물과 충돌하는 경우에 서로 합체하려는 성질을 가지고 있다.

따라서, 개재물들의 특성을 이용하여 용강중에 기포를 취입하거나 개재물보다는 부피가 상대적으로 큰 분말을 기포와 함께 취입하여 개재물의 부력이 증가되도록하여 용강의 상부로 떠오르게 하는 방법이 이용되고 있다.

즉, 용강내에 개재물들이 존재하고 있는 경우, 개재물은 용강과의 밀도차이에 의해 부력을 받는다. 이때, 개재물의 부력은 용강의 물성과 개재물의 밀도와 개재물의 크기에 의해 다르게 나타나며, 개재물의 형상이 구형이라고 가정할 경우 다음의 식(1)을 통해 얻을 수 있다.

*** Ｖ_ｔ=2Ｒ²(ρ_ｍ-ρ_ｉ)/9η---------------------------(1)

Ｖ_ｔ: 개재물 부상속도, Ｒ: 개재물 반경, ρ_ｍ: 용강 밀도, ρ_ｉ: 개재물 밀도, η: 용강 점도

그리고, 식(1)을 살펴보면, 모든 물성들의 값이 고정되어 불변이라고 가정할 경우에, 용강내에 함유된 개재물의 부유속도(Ｖ_ｔ)는 개재물반경(Ｒ)의 제곱에 비례한다는 것을 알 수 있다.

이 경우, 용강내에서 형성된 기포는 수 ㎝이상의 크기로 추정되며, 이때 용강중에 존재하는 개재물은 수십 ㎛정도의 크기이다. 즉, 용강내에 개재물이 단독으로 존재하고 있을 경우 개재물반경이 매우작아 처리시간동안에는 충분히 떠오르지 못하게 됨을 알 수 있다.

즉, 기포의 크기는 개재물에 비해 10만배 정도의 크기이고, 그 부상속도는 식(1)에 의해 10만의 제곱에 비례하는 속도가 되고, 개재물의 부상시간은 10만에 대한 제곱의 역수에 해당하는 만큼 빨라지게 되는 것이다.

그런데, 용강내에 개재물을 분리하기 위한 가스를 취입하게 되면, 긍정적인 측면에서는 개재물이 부상속도가 빠르게되어 제거효율이 그에 비례하는 만큼 향상되는 특징이 있지만, 부정적인 측면에서는 가스의 반응에 의해 용강이 오염되는 문제점이 있었다.

그 이유는, 도 1에서 도시된 바와 같이, 수강용기(100)에 수용된 용강(110)과 그 상부로 부유된 개재물(120)이 상호 반응되므로 즉, 용강(110)을 오염시키기에 적합한 환경으로 이르게 되므로써, 다음과 같은 반응을 일으켜 용강을 오염시키게 되기 때문이다.

첫째로, 용강내로의 개재물 혼입: 용강(110)의 교반이 강하면 강할수록 용강과 슬래그(120)의 접촉이 강화되어 슬래그의 일부가 용강내로 혼입될 가능성이 증대되기 때문이다.

둘째로, 용강내로 내화물의 혼입: 수용용기(100)의 내화물과 용강(110)과의 반응 또는 용강의 교반과정에서 내화물의 침식현상이 발생되어, 침식된 내화물이 용강으로 혼입되기 때문이다.

셋째로, 용강내의 탈산성분과의 반응: 용강(110)이 개재물(120)에 존재하고 있는 약한 탈산성분(ＭｎＯ,ＦｅＯ 등)과 반응하여 다시 용강을 오염시키며, 대기중의 산소와도 반응하여 용강을 요염시키기 때문이다.

따라서, 용강(110)내에 취입되는 가스량이 증대되면 개재물(120)의 제거효율이 향상되지만, 개재물이 다시 용강중으로 혼입되는 량이 증대되므로, 결국 용강의 청정도가 가스취입량이라는 변수에 의해 좌우된다고 할 수 있는 것이다.

그런데, 용강(110)내에 부유된 개재물의 함량과는 상관없이 일정한 분량으로 기체를 취입하게 되므로써, 개재물(120)의 제거효율이 의심스러움은 물론 이로인해 개재물의 제거속도가 증대되는 문제점이 있었다.

이에, 본 발명은 상기한 바와 같은 제문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 용강에 함유된 개재물의 함량에 따라 가스의 취입량을 조절하므로써, 개재물의 제거효율 및 제거속도를 향상시킬 수 있도록 된 용강청정도 향상을 위한 가스 취입 방법을 제공하는 데에 그 목적이 있다.

이하, 본 발명에 따른 실시예를 첨부된 예시도면을 참조로하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명에 따른 용강의 청정도를 도시한 도면으로서, 용강(110)에 함유되어 있는 개재물(120)을 부력을 이용하여 제거하기 위해 용강내로 가스를 취입하는 통상적인 가스 취입 방법에 있어서, 취입초기과정의 1분 30초이내에는 0.008 1/min-Kg의 함량으로 가스를 취입하고, 중기과정의 1분이내에는 0.005 1/min-Kg의 함량으로 가스를 취입하며, 말기과정의 5분이내에는 0.002 1/min-Kg의 함량으로 가스를 취입하는 것을 특징으로 한다.

먼저, 식(2)와 (3)의 공식을 통해 개재물(120)의 제거속도(Κ)는 가스의 공급량이 많을수록 증대되지만 반대로 용강내로 가스의 혼입속도가 상대적으로 커진 다는 것을 알 수 있고, 그에 대한 관계식(2)은 다음과 같이 표현된다.

*** ｄＯ/ｄｔ=-ΚＯ------------------------------------(2)

Ｏ: 개재물전체를 산화물로 보았을 때 개재물에 포함된 산소의 양을 용강량과 비교한 농도로 치환한 값(이하 Ｔ.Ｏ값이라 함)이고, ｔ: 시간, Κ: 개재물의 제거속도 상수이다.

*** ｄＯ/ｄｔ=ｆ(Ｑ)-----------------------------------(3)

ｆ(Ｑ): 취입가스의 유량에 따라 정해지는 상수, 즉, 용강내로 개재물이 유입되는 정도의 상수이다.

그리고, 관계식(2,3)을 이용하여 개재물의 동적평형이 고려된 개재물의 제거속도(Κ)를 구하기 위해, 관계식(4)을 유도할 수 있다.

*** (ｄＯ/ｄｔ)net =-ΚＯ+ｆ(Ｑ)-----------------------(4)

식(4)는 시간의 변화에 따른 미분방정식으로 이용하여 일반적인 미분방정식의 해법을 이용하여 답을 구하면 하기 식(5)를 얻을 수 있다.

*** Ｏ=(Ｏ_i-ｆ(Ｑ)/Κ)*ｅ^-Κｔ+ｆ(Ｑ)/Κ-----------------(5)

여기서, 식(5)를 살펴보면, 우변 1항은 Ｔ.Ｏ값의 거동을 나타낸 것이고, 우변 2항은 1항에서 시간이 무한대로 흘렀을 때 Ｔ.Ｏ값의 제거한계를 나타낸 것이다. 즉, 우변 1항을 살펴보면, 개재물의 제거속도(Κ)가 아무리 크다고 하더라도 최종적인 Ｔ.Ｏ값이 거의 변함없음을 알 수 있다.

그런데, 개재물의 제거속도(Κ)와 개재물의 유입정도(ｆ(Ｑ))는 유량이 증가하면 할수록 그 값이 상승하게 되는데, 개재물 유입정도의 상승정도가 더 크기 때문에 결과적으로 유량이 증가할수록 개재물의 제거한계(우변 제2항)가 높아짐을 알 수 있었다.

한편, 관계식(2∼5)을 이용하면 각 유량에서의 개재물의 겉보기 제거속도(Κ')를 얻을 수 있으며, 그 값은 일반적인 개재물 제거속도인 ｄＯ_net/ｄｔ=-ΚＯ의 관계식을 통해 식(6,7)을 얻음으로서 구할 수 있다.

*** ｄＯ_net/ｄｔ=-ΚＯ+ｆ(Ｑ)=-(Κ-ｆ(Ｑ)/Ｏ)·Ｏ=-Κ'Ｏ---(6)

*** ∴ Κ'=Κ-ｆ(Ｑ)/Ｏ-----------------------------------(7)

여기서, 식(6)을 살펴보면, 동일한 교반조건일지라도 항상 동일한 개재물의 제거속도(Κ)가 유지되지 않고, Ｔ.Ｏ값에 따라 개재물의 제거속도가 좌우됨을 알 수 있다. 즉, 식(6)에서 나타난 개재물의 제거속도(Κ)가 가스공급량(O)이 많아 졌을 경우 ｆ(Ｑ)/Ｏ에 비해 상대적으로 크게 되기 때문이다.

반면에, Ｔ.Ｏ값이 낮아질 경우에는 ｆ(Ｑ)/Ｏ값이 상대적으로 증가하여 개재물의 겉보기 제거속도(Κ')가 감소하는 것처럼 보인다. 즉, 슬래그와 용강이 공존하는 제강과정에는 용강중에 함유된 개재물의 겉보기 제거속도(Κ')는 상수가 아니라 Ｔ.Ｏ값에 따라 변하는 값이 된다.

그 이유는, 식(7)에서와 같이, 개재물 제거속도(Κ)와 Ｔ.Ｏ값이 일정한 반면에, 분모에 위치하고 있는 가스공급량(Ｏ)이 변화되기 때문이다. 또한, 용강의 교반력이 강한 경우에는 통상 개재물의 제거속도(Κ)가 증가되고, 동시에 개재물이 혼입정도인 ｆ(Ｑ)값도 증가되기 때문이다.

그리고, 가스유량이 높을 경우에, 예컨대, Ｔ.Ｏ값이 높을 때는 개재물 겉보기 제거속도(Κ')가 높게 나타나며, Ｔ.Ｏ값이 낮을 때는 개재물 겉보기 제거속도(Κ')가 낮게 나타남을 알 수 있다.

그러나, 유량이 낮은 경우에는 Ｔ.Ｏ값과 개재물 겉보기 제거속도(Κ')가 반비례함을 알 수 있었다. 따라서, 개재물의 제거효율을 향상시키기 위해서는 최적의 개재물 겉보기 제거속도(Κ')를 유지해야하므로, Ｔ.Ｏ값의 단계적 변화에 따라 최적조건의 Κ'값을 구하는 과제가 선결되어야 한다.

(실시예)

먼저, 표 1에서와 같이 가스의 공급유량을 8개의 단계로 나누어 용강내로 취입한 다음 각 30초마다 용강시료를 채취하였다. 이후, 채취된 시료를 가공하여 LECO사 제품인 N₂/O₂ 동시 분석기를 이용하여 강 중의 Ｔ.Ｏ값을 측정하였다.

[표 1} 가스 유량

케이스	A	B	C	D	E	F	G	H
취입유량(1/Min-Kg)	0.001	0.002	0.003	0.004	0.005	0.006	0.007	0.008

그리고, 표 1과 같은 취입유량(A∼H)별로 각 Ｔ.Ｏ값을 얻은 다음 식(8)을 이용하여 개재물 겉보기 제거속도(Κ')을 구하였다.

Κ'=-1/Ｏ·ｄＯ/ｄｔ------------------------------(8)

물론, 개재물 겉보기 제거속도(Κ')를 계산하는 방법은, 각 단계에서의 Ｔ.Ｏ값, 전 단계와 그 단계에서의 Ｔ.Ｏ의 차이 및 시간의 차이를, Ｏ,ｄＯ,ｄｔ로 하여 입력하여 얻었다. 이어서, 개재물의 겉보기 제거속도(Κ')와 Ｔ.Ｏ의 관계를 각 단계별로 Κ'=a+b/Ｔ.Ｏ의 형태로 분석하여 이 때의 a와 b의 값을 표 3와 같이 구하였다.

{표 2} 각 유량별 a와 b

케이스	A	B	C	D	E	F	G	H
a	18	25	32	35	45	51	67	68
b	0.33	0.44	0.55	0.60	0.73	0.82	0.90	1.04

여기서, 표 2에 도시된 바와 같이, 용강의 청정도는 각각의 Ｔ.Ｏ별 Κ'의 값에 의해 좌우되므로써, Κ'의 값이 가장 높게 나타내는 유량을 선택하는 것이 바람직함을 알 수 있다.

통상, 전로에서 탈산된 용강은 출강시 강력한 교반작용에 의하여 균질화가 촉진되고, 이와함께 개재물의 제거작업이 일어난다. 따라서, 출강된 용강 중 Ｔ.Ｏ값은 90∼120ppm정도이고, 이를 기준으로하여 패턴을 설정하였다.

이때, 초기상태의 Ｔ.Ｏ값을 평균 110ppm으로 가정하여 각 단계에서의 가장 높은 Κ'값을 가지는 유량값으로 가스를 취입하여, 가장 높은 Κ'값은 다음과 같은 방법으로 선정하였다.

(1).110ppm에서는 Κ'값이 가장 높은 유량으로 가스를 취입한다.

(2).다음 6초 후에는 초기값을 6초선의 값으로 하고 경과시간은 6초로하여 식(5)에서 나타낸 H의 Κ'값과 G의 Κ'값을 적용하여 Ｔ.Ｏ값을 비교한다.

(3).H의 Κ'을 적용한 경우 Ｔ.Ｏ값이 낮은 경우에는 6초를 더 경과하여 (2)의 과정을 반복한다.

(4).G의 Κ'값이 낮은 경우(2)와 (3)의 과정을 반복하여 F와 비교한다.

(5).동일한 요령으로 E→A의 방향으로 (2)와(3)의 과정을 반복실시한다.

Κ'값의 선정방법 (1)에서(5)를 통해 가장 낮은 유량값을 가지는 패턴을 구하여 본 결과, 다음과 같은 표 3의 결과를 얻을 수 있었다.

{표 3}

구분	H	G	F	E	D	C	B	A
유지시간(초)	12	30	42	18	18	18	24	계속
Ｔ.Ｏ	110	101.8	87.3	75.9	72.9	70.6	68.8	67.0

표 3은 하나의 실시예로 설비를 제어할 수 있는 최소 시간단위와 유량단위를 고려한 결과이다.
그러나, 표 3에서와 같이, 각 유량값을 매우 작은 간격으로 나누어서 시험을 실시한 결과 개재물의 제거효율을 향상시키는 데는 효과적이지만, 실시상의 문제점 예컨대, 간격이 너무 작으면 조업과정에서 컨트롤이 어렵고 작업과정이 불편하므로, 표 4와 같은 간격으로 패턴을 설정하였다.

{표 4}

유량	0.008	0.005	0.002
유지시간(1/min-Kg)	1분 30초	1분	5분

표 4는 실제 적용되는 조업조건을 적용하여 재계산한 결과이다.
표 4에서 나타난 바와 같이, 용강(100)을 1분간격으로 채취하여 전술한 방법을 통해 Ｔ.Ｏ값을 분석한 결과, 초기에는 H방법과 비슷한 속도로 Ｔ.Ｏ값이 감소되다가, 시간이 지날수록 H방법에 비해 낮은 Ｔ.Ｏ값을 나타내며, 이때, A방법에 비해선 훨씬 빠르게 최저 Ｔ.Ｏ값으로 도달됨을 알 수 있었다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 용강의 청정도 향상을 위한 가스 취입 방법에 의하면, 용강의 개재물함량에 따라 가스의 취입량을 조절하므로써, 개재물의 제거효율 및 제거속도가 향상될 뿐만 아니라 용강의 청정도가 향상되는 효과가 있는 것이다.

Claims

용강(110)에 함유되어 있는 개재물(120)을 부력을 이용하여 제거하기 위해 용강내로 가스를 취입하는 통상적인 가스 취입 방법에 있어서,

취입초기과정의 1분 30초이내에는 0.008 1/min-Kg의 함량으로 가스를 취입하고, 중기과정의 1분이내에는 0.005 1/min-Kg의 함량으로 가스를 취입하며, 말기과정의 5분이내에는 0.002 1/min-Kg의 함량으로 가스를 취입하는 것을 특징으로 하는 용강의 청정도 향상을 위한 가스 취입 방법.