KR101112984B1 - 용융 페로망간의 합금 밀도 평가 방법 - Google Patents

용융 페로망간의 합금 밀도 평가 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 페로망간 제조시 용융 페로망간의 합금 밀도를 평가하는 방법에 관한 것으로, 용융 순철의 용탕온도에 따른 밀도값의 관계식을 구하는 제1단계와, 용융 페로망간의 용탕온도에 따른 합금 밀도값의 관계식을 구하는 제2단계와, 상기 제1단계의 관계식에 임의의 Mn의 함량 및 용융 페로망간의 합금 밀도의 Mn 조성 의존성 계수가 더 포함된 관계식을 정의하는 제3단계와, 상기 제2단계 및 제3단계의 관계식을 대비하여 상기 용융 페로망간의 합금 밀도의 Mn 조성 의존성 계수를 계산하는 제4단계와, 상기 제4단계에서 계산된 용융 페로망간의 합금 밀도의 Mn 조성 의존성 계수가 포함된 관계식을 이용하여 Mn의 함량 및 용탕온도에 따른 용융 페로망간의 합금 밀도를 평가하는 제5단계를 포함하는 용융 페로망간의 합금 밀도 평가 방법을 그 기술적 요지로 한다.
본 발명에 의하면, 페로망간의 제련 및 정련 과정에서 저농도의 Mn이 함유된 페로망간의 Mn 조성 및 용탕온도에 따라 측정된 합금 밀도를 이용하여 고농도의 Mn이 함유된 페로망간의 합금 밀도를 평가하는 방법을 제공함으로써, 페로망간 제조시 고온에서 Mn의 높은 증기압 및 반응성으로 인하여 정밀 측정이 곤란하였던 페로망간의 합금 밀도값을 정확하게 평가하고, 상기 평가된 밀도값을 이용하여 열수지 등을 정확하게 계산함으로써 페로망간의 제련 및 정련 실수율을 향상시킬 수 있다.

Description

용융 페로망간의 합금 밀도 평가 방법{METHOD FOR ESTIMATING ALLOY DENSITY OF MOLTEN FERRO-MANGANESE}
본 발명은 페로망간 제조시 용융 페로망간의 합금 밀도를 평가하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 페로망간의 제련 및 정련 과정에서 저농도의 Mn이 함유된 페로망간의 Mn 조성 및 용탕온도에 따라 측정된 합금 밀도를 이용하여 고농도의 Mn이 함유된 용융 페로망간의 합금 밀도를 평가하는 방법에 관한 것이다.
현재 철강산업은 고장력강, 내진강판, 고가공용 망간10%이상 함유 TWIP강 등의 고급강, 특수강 생산의 증가 추세에 따라 순도가 높은 금속 망간(Metal Mn)의 수요가 날로 증가하고 있다.
상기 금속 망간은 일반적으로 전기분해를 이용한 습식제련 방법으로 제조되는데, 이러한 전해법은 원료혼합, 여과, pH조절 등 그 제조공정이 복잡한 반면에 금속 망간의 회수율은 40~50% 수준으로 낮은 편이며, 제조공정중 발생되는 황산 및 슬러지로 인해 향후 환경 규제가 강화될 경우에는 그 수급이 불안정할 수 밖에 없다.
따라서, 최근에는 제조공정이 복잡하고 환경오염물질을 배출하는 종래의 고가의 금속 망간의 제조방법을 대체할 수 있는 고순도의 페로망간의 제조방법이 연구, 개발되고 있다.
그러나, 페로망간의 제련 및 정련 실수율을 향상시키기 위해서는 그 과정에서 페로망간의 용융 합금의 정확한 밀도 데이터가 요구되는데, 페로망간에 포함된 고농도의 Mn 함량으로 인하여 고온 용탕에서 Mn의 증기압에 의한 Mn의 기화로 인해 용융 합금 내부에 기포가 발생하게 되어 용융 페로망간의 정확한 밀도값의 측정이 매우 곤란하였다.
따라서, 용융 페로망간의 합금 밀도값을 정확하게 측정하여 페로망간의 제련 및 정련 실수율을 향상시킬 수 있는 평가 방법이 요청되어 왔다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 페로망간 제조시 고온에서 Mn의 높은 증기압 및 반응성으로 인하여 정밀 측정이 곤란하였던 용융 페로망간의 합금 밀도값을 정확하게 평가하고, 상기 평가된 밀도값을 이용하여 열수지 등을 정확하게 계산함으로써 페로망간의 제련 및 정련 실수율을 향상시킬 수 있는 용융 페로망간의 합금 밀도 평가 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
본 발명은 페로망간 제조시 용융 페로망간의 합금 밀도를 평가하는 방법에 있어서, 용융 순철의 용탕온도에 따른 밀도값의 관계식을 구하는 제1단계와, 용융 페로망간의 용탕온도에 따른 합금 밀도값의 관계식을 구하는 제2단계와, 상기 제1단계의 관계식에 임의의 Mn의 함량 및 용융 페로망간의 합금 밀도의 Mn 조성 의존성 계수가 더 포함된 관계식을 정의하는 제3단계와, 상기 제2단계 및 제3단계의 관계식을 대비하여 상기 용융 페로망간의 합금 밀도의 Mn 조성 의존성 계수를 계산하는 제4단계와, 상기 제4단계에서 계산된 용융 페로망간의 합금 밀도의 Mn 조성 의존성 계수가 포함된 관계식을 이용하여 Mn의 함량 및 용탕온도에 따른 용융 페로망간의 합금 밀도를 평가하는 제5단계를 포함하는 용융 페로망간의 합금 밀도 평가 방법을 제공한다.
이때, 상기 제2단계는 40중량% 이하의 Mn을 함유한 페로망간의 용탕 온도에 따른 합금 밀도값의 관계식을 구하는 것에도 그 특징이 있다.
게다가, 상기 제1단계의 관계식은 하기의 식으로 이루어진 것에도 그 특징이 있다.
[수학식1]
ρFe = 7.215 - 11.6×10-4(T-1823).
(ρFe : 용융 순철의 밀도(g/㎤), T:용탕온도(K))
뿐만 아니라, 상기 제2단계의 관계식은 하기의 식으로 이루어진 것에도 그 특징이 있다.
[수학식2]
ρFe-5%Mn = 7.110 - 13.8×10-4(T-1823).
(ρFe-5%Mn : 5%망간을 함유한 용융 페로망간의 합금 밀도(g/㎤), T:용탕온도(K))
또한, 상기 관계식은 수적법(constrained drop method)을 이용하여 도출된 것에도 그 특징이 있다.
나아가, 상기 제3단계의 관계식은 하기의 식으로 이루어진 것에도 그 특징이 있다.
[수학식3]
ρFe-Mn = (7.215 - α[Mn]) - (11.6 + β[Mn])×10-4(T-1823).
(ρFe-Mn : 용융 페로망간의 합금 밀도(g/㎤), T:용탕온도(K)
α,β : Mn 성분함량 계수, [Mn] : Mn 성분함량(%))
그리고, 상기 제5단계의 관계식은 하기의 식으로 이루어진 것에도 그 특징이 있다.
[수학식4]
ρFe-Mn = (7.215 - 0.021[Mn]) - (11.6 + 0.44[Mn])×10-4(T-1823).
(ρFe-Mn : 용융 페로망간의 합금 밀도(g/㎤), T:용탕온도(K), [Mn] : Mn 성분함량(%))
본 발명에 의하면, 페로망간의 제련 및 정련 과정에서 저농도의 Mn이 함유된 페로망간의 Mn 조성 및 용탕온도에 따라 측정된 합금 밀도를 이용하여 고농도의 Mn이 함유된 페로망간의 합금 밀도를 평가하는 방법을 제공함으로써, 페로망간 제조시 고온에서 Mn의 높은 증기압 및 반응성으로 인하여 정밀 측정이 곤란하였던 페로망간의 합금 밀도값을 정확하게 평가하고, 상기 평가된 밀도값을 이용하여 열수지 등을 정확하게 계산함으로써 페로망간의 제련 및 정련 실수율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 용융 페로망간의 합금 밀도 평가 방법의 플로우 차트.
도 2는 수적법(constrained drop method)을 이용한 밀도 측정을 위해 특수 제작된 알루미나 도가니의 개략도.
도 3은 실험을 통해 얻은 액적의 이미지를 비교한 사진으로서, (a)는 정적법(sessile drop method)을 통해 얻은 액적의 이미지이고, (b)는 수적법(constrained drop method)을 통해 얻은 액적의 이미지.
도 4는 수적법을 이용해 측정한 용융 순철의 온도에 따른 밀도값을 나타낸 그래프.
도 5는 수적법을 이용해 측정한 5중량%의 Mn을 함유한 페로망간 용융 합금의 온도에 따른 밀도값을 나타낸 그래프.
도 6은 본 발명에 따른 용융 페로망간의 합금 밀도 평가방법과, 정적법을 통해 실제로 측정된 80중량%의 Mn을 함유한 페로망간 용융 합금의 온도에 따른 밀도값을 비교한 그래프.
도 7은 본 발명에 따른 용융 페로망간의 합금 밀도 평가방법의 평가식을 이용하여 Mn 농도 및 용탕온도에 따른 등밀도선을 나타낸 그래프.
이하, 본 발명에 따른 용융 페로망간의 합금 밀도 평가방법에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
본 발명은 도 1의 플로우 차트에 도시된 바와 같이 페로망간의 제련 및 정련시 용융 페로망간의 합금 밀도를 평가하기 위하여, 먼저 Mn 성분이 포함되지 않은 용융 순철의 용탕온도에 따른 밀도값의 관계식을 구하는 제1단계(S10 단계)를 수행한다.
용탕온도에 따른 순철의 밀도값은 도 4에 나타난 바와 같이 여러 문헌들에 기재되어 있고, 또한 용융 금속의 밀도 측정 방법은 부력법(buoyancy method), 정적법(sessile drop method), 수적법(囚滴法, constrained drop method) 등이 있으므로, 상기 여러 문헌들을 참고하고 상기 밀도 측정 방법을 이용하여 용융 페로망간의 합금 밀도를 측정할 수 있다.
다만, 도 3의 액적 이미지에 잘 나타난 바와 같이, 알루미나 플레이트에서 정적법을 사용하여 용해시킨 (a)의 경우 고액의 계면이 확실하지 못하여 부피값이 부정확하여 정밀한 밀도값의 측정이 어렵지만, 도 2의 특수 제작된 알루미나 도가니에서 수적법을 사용한 (b)의 경우 고액의 계면이 확실하여 정적법보다는 상대적으로 정밀한 밀도 측정이 가능하므로, 상기 여러 밀도 측정 방법중에 수적법을 이용하여 밀도값을 측정하는 것이 바람직하다.
따라서, 본 발명의 일실시예에 해당하는 수적법에 의해 온도에 따른 용융 순철의 밀도값을 측정하여 보면 도 4의 그래프와 같이 나타난다. 'Present work'로 표시된 값이 수적법에 의해 측정된 밀도값이고, 그밖의 값들은 여러 문헌들에 기재된 밀도값을 나타낸 것이며, 측정오차값은 ±0.44%로 나타났다.
도 4의 그래프를 온도에 따른 밀도식으로 나타내면 아래의 수학식1로 표현할 수 있다.
[수학식1]
ρ Fe = 7.215 - 11.6×10 -4 (T-1823).
(ρ Fe : 용융 순철의 밀도(g/㎤), T:용탕온도(K))
상기 수학식1에 나타난 바와 같이, 용융 순철 밀도의 온도 의존 계수는 11.6×10-4이고, 용탕온도 1823K에서 밀도값이 7.215임을 알 수 있다.
물론, 다른 문헌에 기재된 밀도값이나, 다른 밀도 측정 방법을 이용하게 되면 수학식1은 다른 값을 가질 수 있다.
상기 제1단계 다음으로, 용융 페로망간의 용탕온도에 따른 합금 밀도값의 관계식을 구하는 제2단계(S20 단계)를 수행한다. 이때, 페로망간의 Mn의 함량이 40중량%를 초과하는 경우에는 고온의 용탕에서의 Mn의 높은 증기압으로 인한 Mn의 기화로 인해 용융 합금 내부에 기포가 발생하여 정확한 밀도 측정이 어렵게 되므로, Mn의 함량이 40중량% 이하인 페로망간의 합금 밀도값을 측정하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일실시예로서 Mn이 5중량% 함유된 페로망간을 사용하여 수적법을 이용해 용탕온도에 따른 용융 페로망간의 합금 밀도값을 측정하여 도 5에 그래프로 나타내었으며, 측정오차값은 ±0.5%인 것으로 나타났다.
도 5의 그래프를 온도에 따른 밀도식으로 나타내면 아래의 수학식2로 표현할 수 있다.
[수학식2]
ρ Fe-5%Mn = 7.110 - 13.8×10 -4 (T-1823).
(ρ Fe-5%Mn : 5%망간을 함유한 용융 페로망간의 합금 밀도(g/㎤), T:용탕온도(K))
상기 수학식2에 나타난 바와 같이, 용융 페로망간 합금 밀도의 온도 의존 계수는 13.8×10-4이고, 용탕온도 1823K에서 밀도값이 7.110임을 알 수 있다. 물론, Mn 함량 조성이 다른 페로망간을 사용하거나, 다른 밀도 측정 방법을 이용하게 되면 수학식2는 다른 값을 가질 수 있다.
상기 제2단계 다음으로, 상기 제1단계의 관계식에 임의의 Mn의 함량 및 용융 페로망간의 합금 밀도의 Mn 조성 의존성 계수가 더 포함된 관계식을 구하는 제3단계(S30 단계)를 수행한다.
즉, Mn의 함량에 따른 용융 페로망간 합금 밀도값의 의존성을 계산하기 위하여 상기 수학식1을 이용하여 하기와 같이 수학식3을 정의한다.
[수학식3]
ρ Fe-Mn = (7.215 - α[Mn]) - (11.6 + β[Mn])×10 -4 (T-1823).
(ρ Fe-Mn : 용융 페로망간의 합금 밀도(g/㎤), T:용탕온도(K)
α,β : Mn 성분함량 계수, [Mn] : Mn 성분함량(%))
상기 수학식3에는 상기 수학식1에 비하여 임의의 Mn의 함량 및 용융 페로망간의 합금 밀도의 Mn 조성 의존성 계수에 대한 부분이 더 부가되어 있다.
다음으로, 상기 제2단계 및 제3단계의 관계식을 서로 대비하여 상기 용융 페로망간의 합금 밀도의 Mn 조성 의존성 계수를 계산하는 제4단계(S40 단계)를 수행한다.
즉, 수학식2의 ρ Fe-5%Mn 와 [Mn]에 5%를 대입한 수학식3의 ρ Fe-Mn 을 동일한 값으로 하여, 수학식2와 수학식3을 대비하면, 하기와 같은 2개의 식이 도출된다.
[수학식3-1]
7.110 = 7.215 - 5α
[수학식3-2]
13.8 = 11.6 + 5β
상기 수학식3-1로부터 α값은 0.21, 상기 수학식3-2로부터 β값은 0.44를 얻을 수 있다.
따라서, 상기 수학식3에 계산된 α와 β값을 입력하면 하기와 같은 수학식4를 얻을 수 있다.
[수학식4]
ρ Fe-Mn = (7.215 - 0.021[Mn]) - (11.6 + 0.44[Mn])×10 -4 (T-1823).
(ρ Fe-Mn : 용융 페로망간의 합금 밀도(g/㎤), T:용탕온도(K), [Mn] : Mn 성분함량(%))
다음으로, 상기 제4단계에서 계산된 용융 페로망간의 합금 밀도의 Mn 조성 의존성 계수가 포함된 수학식4를 이용하여 Mn의 함량 및 용탕온도에 따른 용융 페로망간의 합금 밀도를 평가하는 제5단계(S50 단계)를 수행한다.
상기 수학식4는 용융 페로망간의 합금 밀도 평가식으로서, 온도 및 Mn조성 의존성이 고려되어 있는 것이며, 따라서 저농도 Mn 함유 페로망간 용융 합금 뿐만 아니라, 40중량%를 초과하는 고농도 Mn 함유 페로망간 용융 합금의 밀도 평가에도 적용될 수 있다.
한편, 상기 수학식4를 이용하여 Mn 농도 및 용탕온도에 따른 등밀도선을 나타내 보면 도 7의 그래프와 같다. 도 7 그래프의 등밀도선을 이용하게 되면 페로망간에 포함된 Mn의 성분함량과 용탕온도에 따른 용융 페로망간의 합금 밀도의 대략적인 값을 쉽게 알 수 있게 된다.
이하, 본 발명에 따른 용융 페로망간의 합금 밀도 평가 방법에 관한 일실시예에 관하여 도면을 참조하여 설명한다. 후술하는 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명의 개념과 범위를 벗어나지 않는 한 다양한 형태로 변형될 수 있다.
정적법(sessile drop method)을 이용하여 실험시 고액의 계면의 구분이 불확실한 점을 보완하기 위하여 도 2의 형상과 크기를 갖는 알루미나 도가니를 제작하여 수적법을 이용하여 밀도값을 측정하였다. 물론, 도가니의 형태 및 크기의 변형은 얼마든지 가능하다.
상기 알루미나 도가니를 이용하여 수적법에 의해 용융 순철의 용탕온도 1800~1900K 범위에서의 밀도값을 측정하여 상기 수학식1을 구하고, 수적법에 의해 5중량%의 Mn을 함유한 페로망간의 용탕온도 1800~1900K 범위에서의 합금 밀도값을 측정하여 상기 수학식2를 얻은 후에, 수학식1에 Mn 조성 및 Mn 조성 의존성 계수(α,β)가 포함된 수학식3을 정의하여, 수학식2와 수학식3을 대비해 α값 0.21과 β값 0.44를 얻을 수 있었다. 그리고, 상기 α및β값을 수학식3에 대입하여 Mn 조성 및 온도에 따른 용융 페로망간의 합금 밀도 평가식인 수학식4를 도출하였으며, 상기 수학식4를 이용하여 용융 페로망간의 합금 밀도값을 계산하였으며, 그 계산결과를 도 6의 'Present model calc'로 나타내었다(직선 부분).
또한, 직접 고농도의 Mn을 함유한 페로망간의 용융 합금 밀도값을 측정하여 상기 수학식4에 의해 측정된 밀도값과 비교 평가하기 위해 알루미나 플레이트를 사용한 정적법을 이용하여 80중량%의 Mn을 함유한 페로망간의 용융 합금 밀도값을 측정하였으며, 그 측정결과를 도 6의 'Present work(S.D.)로 나타내었다(사각형 점).
도 6에서 직선의 위 아래에 도시된 점선 또는 일점쇄선은 1칸 당 ±10%의 오차를 나타내는데, 상기 도 6에 나타난 바와 같이 본 발명에 따른 용융 페로망간 합금 밀도 평가 방법을 이용하지 않고, 직접 고농도의 Mn을 함유한 페로망간의 용융 합금 밀도값을 구하는 경우에는 본 발명에 따른 평가식과 10~40%의 오차를 보였다.
이는 Mn의 높은 증기압으로 인해 내부에 기포가 발생하였기 때문으로 판단되며, 이러한 경우 오차 발생으로 정밀한 밀도값을 얻기 어렵다. 따라서, 본 발명에 의한 평가식에 의해 용융 페로망간의 합금 밀도의 밀도값을 측정하는 경우 보다 정확한 측정값을 얻을 수 있는 것이다.
상기 본 발명의 일실시예에 따른 용융 페로망간의 합금 밀도 평가 방법은 Fe-Mn의 페로망간 합금 뿐만 아니라, 다른 이원계 합금의 밀도 평가에도 응용이 가능하다.
이상 본 발명에 대하여 설명하였지만, 다음에 기재하는 특허청구범위의 개념과 범위를 벗어나지 않는 한, 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 종사하는 자들이라면 쉽게 이해할 수 있을 것이다.

Claims (7)

  1. 페로망간 제조시 용융 페로망간의 합금 밀도를 평가하는 방법에 있어서,
    용융 순철의 용탕온도에 따른 밀도값의 관계식을 구하는 제1단계와,
    용융 페로망간의 용탕온도에 따른 합금 밀도값의 관계식을 구하는 제2단계와,
    상기 제1단계의 관계식에 임의의 Mn의 함량 및 용융 페로망간의 합금 밀도의 Mn 조성 의존성 계수가 더 포함된 관계식을 정의하는 제3단계와,
    상기 제2단계 및 제3단계의 관계식을 대비하여 상기 용융 페로망간의 합금 밀도의 Mn 조성 의존성 계수를 계산하는 제4단계와,
    상기 제4단계에서 계산된 용융 페로망간의 합금 밀도의 Mn 조성 의존성 계수가 포함된 관계식을 이용하여 Mn의 함량 및 용탕온도에 따른 용융 페로망간의 합금 밀도를 평가하는 제5단계를 포함하는 용융 페로망간의 합금 밀도 평가 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2단계는 40중량% 이하의 Mn을 함유한 페로망간의 용탕 온도에 따른 합금 밀도값의 관계식을 구하는 것을 특징으로 하는 용융 페로망간의 합금 밀도 평가 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1단계의 관계식은 하기의 식으로 이루어진 것을 특징으로 하는 용융 페로망간의 합금 밀도 평가 방법.
    [수학식1]
    ρFe = 7.215 - 11.6×10-4(T-1823).
    (ρFe : 용융 순철의 밀도(g/㎤), T:용탕온도(K))
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제2단계의 관계식은 하기의 식으로 이루어진 것을 특징으로 하는 용융 페로망간의 합금 밀도 평가 방법.
    [수학식2]
    ρFe-5%Mn = 7.110 - 13.8×10-4(T-1823).
    (ρFe-5%Mn : 5%망간을 함유한 용융 페로망간의 합금 밀도(g/㎤), T:용탕온도(K))
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서,
    상기 관계식은 수적법(constrained drop method)을 이용하여 도출된 것을 특징으로 하는 용융 페로망간의 합금 밀도 평가 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제3단계의 관계식은 하기의 식으로 이루어진 것을 특징으로 하는 용융 페로망간의 합금 밀도 평가 방법.
    [수학식3]
    ρFe-Mn = (7.215 - α[Mn]) - (11.6 + β[Mn])×10-4(T-1823).
    (ρFe-Mn : 용융 페로망간의 합금 밀도(g/㎤), T:용탕온도(K)
    α,β : Mn 성분함량 계수, [Mn] : Mn 성분함량(%))
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제5단계의 관계식은 하기의 식으로 이루어진 것을 특징으로 하는 용융 페로망간의 합금 밀도 평가 방법.
    [수학식4]
    ρFe-Mn = (7.215 - 0.021[Mn]) - (11.6 + 0.44[Mn])×10-4(T-1823).
    (ρFe-Mn : 용융 페로망간의 합금 밀도(g/㎤), T:용탕온도(K), [Mn] : Mn 성분함량(%))
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