KR101207099B1 - 고크롬 저탄소 스테인리스강의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 산소취련 종점을 판정하는 방법에 관한 것으로서, 구체적으로 고크롬계 페라이트강의 진공탈탄공정에 있어서 본 발명에 의한 산소취련 종점 판정방법은 다음과 같은 단계를 포함한다.
제1 단계에서는 산소 취련한다. 제2 단계에서는 상기 고크롬계 페라이트강의 산소취련탈탄기의 2차연소비를 통한 산소취련 진행전도를 산출하여 산소취련 종기를 판단한다. 제3 단계에서는 산소취련 종기로 판단되는 경우 산소취련을 중단한다.
본 발명에 따르면 20~30% 크롬을 함유하고, 탄소함량이 200 ppm이하인 페라이트계 스테인리스강의 VOD 공정 중 진공도 및 배가스 조성 중 CO2, CO 비를 이용한 2차연소비 계산을 수행하여 산소 취련기의 산소 취련 종점을 보다 정밀하게 판정할 수 있다.

Description

고크롬 저탄소 스테인리스강의 제조방법{method of manufacturing high Cr and low carbon stainless steel}

본 발명은 고크롬 저탄소 스테인리스강의 제조방법에 관한 것으로 더욱 상세하게는 고크롬 저탄소 스테인리스강의 산소 취련의 종기를 적절히 판단함으로써 소강탄소농도를 제어하는 방법에 관한 것이다.

극저탄소 스테인리스강은 탄소 성분 범위가 낮고 미세하기 때문에 용강을 정련하는 것은 용강내의 온도와 산소 및 탄소 함량에 따라 성분과 용강의 온도를 제어하는데 어려움이 있다. 산소 상취와 아르곤 저취를 이용하여 용강의 탈탄, 탈산 과정에서 일산화탄소(CO), 이산화탄소(CO2), 기체산소(O2), 아르곤(Ar), 질소(N2)등의 가스가 발생한다. 스테인리스강의 VOD 설비를 이용한 제조 공정은 탈탄시간에 따라 탄소성분 불안정화, 처리시간 지연 등으로 인해 처리 비용이 증가한다.

또한 종래에는 베슬(vessel) 내 진공도가 약 50 mbar이하, 배가스 조성 중 산소의 조성비가 약 10% 이상 되었을 때를 VOD 조업의 종점으로 판정하였으나, 이는 배가스 유량의 불명확성으로 인해 각 조업마다 종점 탄소 농도의 오차가 크게 나타났다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서,

본 발명의 과제는 전기로 출탕 후 AOD 조탈탄을 거친 후 VOD의 탈탄과정에서 진공탈탄기 이전 산소 취련 탈탄 말기에 진공도 및 배가스 조성 중 탄소 성분(CO, CO2)을 이용하여 2차연소정도를 예측하고 VOD 산소 취련을 이용한 탈탄 조업의 종점을 판단하는 고크롬 저탄소 스테인리스강의 제조방법을 제공하는 데 있다.

상술한 기술적 과제를 달성하기 위하여,

고크롬계 저탄소 스테인리스강의 진공탈탄공정에 있어서 본 발명에 의한 산소취련 종점 판정하는 고크롬 저탄소 스테인리스강의 제조방법은 다음과 같은 단계를 포함한다.

제1 단계에서는 산소 취련한다. 제2 단계에서는 상기 스테인리스강의 산소취련탈탄기의 2차연소비를 통한 산소취련 진행정도를 산출하여 산소취련 종기를 판단한다. 제3 단계에서는 산소취련 종기로 판단되는 경우 산소취련을 중단한다.

또한 상기 스테인리스강은 wt%로 크롬 15 내지 30%를 함유하고, 탄소함량이 200ppm 이하의 페라이트계 스테인리스강일 수 있다.

또한, 상기 2차연소비는 CO에 대한 CO₂의 비율(CO₂ / CO)에 의하여 산출될 수 있다.

나아가 상기 2차연소비는 하기 식 1의 범위를 산소취련 종기의 조건으로 할 수 있다.

[식 1] 1≤ CO₂ / CO ≤ 5

또한 상기 산소취련 종기의 판단에는 VOD 설비의 최소 진공도 요구치를 조건으로할 수 있다.

나아가 상기 진공도의 최소 요구치는 10mbar일 수 있다.

한편, 상기 제2 단계는 다음과 같은 단계를 포함할 수 있다. 제2a 단계에서는 주기적으로 VOD 설비의 진공도를 확인한다. 제2b 단계에서는 상기 진공도가 0 초과 10mbar 이하인지 여부를 판단한다. 제2c 단계에서는 상기 진공도가 0 초과 10mbar 이하인 경우 2차연소비인 CO에 대한 CO₂의 비율(CO₂ / CO)을 확인한다. 제2d 단계에서는 상기 2차연소비가 1 내지 5 이하인지 여부를 판단한다. 제2e 단계에서는 상기 2차연소비가 1 내지 5 이하인 경우 산소취련 종기가 도래한 것으로 판단하고, 상기 2차연소비가 0 초과 1 미만인 경우에는 상기 제2a 단계로 회귀한다.

다른 한편, 상기 제2 단계는 다음과 같은 단계를 포함할 수 있다. 제2a'단계에서는 주기적으로 2차연소비인 CO에 대한 CO₂의 비율(CO₂ / CO)을 확인한다. 제2b'단계에서는 상기 2차연소비가 1 내지 5 이하인지 여부를 판단한다. 제2c'단계에서는 상기 2차연소비가 1 내지 5 이하인 경우 VOD 설비의 진공도를 확인한다. 제2d'단계에서는 상기 진공도가 0 초과 10mbar 이하인지 여부를 판단한다. 제2e'단계에서는 상기 진공도가 0 초과 10mbar 이하인 경우 산소취련 종기가 도래한 것으로 판단하고, 상기 진공도가 10mbar 초과인 경우 제2a'단계로 회귀한다.

본 발명에 따르면 20~30% 크롬을 함유하고, 탄소함량이 200 ppm이하인 페라이트계 스테인리스강의 VOD 공정 중 진공도 및 배가스 조성 중 CO2, CO 비를 이용한 2차연소비 계산을 수행하여 산소 취련기의 산소 취련 종점을 보다 정밀하게 판정할 수 있다.

또한 본 발명에 따르면 이러한 산소 취련기의 산소 취련 종점을 정밀하게 판단함으로써 탈탄을 위한 산소의 과취를 억제하여 최종적으로 극저탄소 스테인리스강 생산 및 개재물 생성을 억제하고 고청정강의 개발속도를 향상시키는 효과가 있다.

도 1은 VOD 공정 중 산소 취련기의 배가스 성분 중 CO2, CO2 조성비를 나타낸 그래프이다.
도 2는 VOD 공정 중 산소 취련기의 진공도를 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 산소취련 종점 판단 방법을 나타내는 순서도이다.
도 4는 본 발명에 따른 산소 취련 종점 판정 결과를 도시한 그래프이이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명한다.

본 실시예에 의한 제강공정은 정련단계(AOD, Argon Oxygen Decarburization), 진공탈탄단계(VOD, Vaccum Oxygen Decarburizatin), 성분조정단계(LT, Ladle Treatment) 및 연속주조단계(C/C, Continuous Casting)를 통하여 이루어 진다.

AOD에서 탈탄 작업과 슬래그의 제조를 통한 탈황(Desulfurization)과 탈산(Deoxidation)이 이루어진다. AOD 공정에서는 아르곤과 산소 혼합가스 또는 질소와 산소 혼합가스를 용탕 중에 취입한다. 용강 중에 산소가 공급되면 크롬이 먼저 산화되면서 탈탄반응이 진행된다.

VOD는 고크롬 용강의 진공 탈탄법이다. VOD법에서의 진공탈탄은 통상 이전 공정에서 예비 탈탄처리한 용강을 사용한다. VOD 공정에서는 진공 용기 내에 레이들을 넣고 레이들 바닥에 설치한 다공질 플러그를 통해 아르곤(Ar) 가스를 취입하여 용강을 교반하면서 상부에 설치한 랜스로부터 산소를 취입하여 탈탄처리를 한다. 생산성은 AOD보다 미흡하지만 고크롬 페라이트계의 극저 탄소(C), 질소(N)강 제조에 적합하다.

본 실시예에 의한 VOD 공정은 탈탄(VOD) 단계(산소취련탈탄기), 미세탈탄(VCD) 단계(진공탈탄기) 및 탈산(VD) 단계(환원탈황기)의 총 3단계로 구분될 수 있다.

산소취련탈탄기에서는 탈탄기로서 레이들 바닥으로부터 아르곤(Ar) 가스를 취입하면서 5mbar 이하의 진공도로 감압하고 상부 랜스로부터 산소를 취입하여 탈탄 및 탈질처리를 한다.

진공탈탄기에서는 산소 취입을 중단하고, 저부로부터 아르곤(Ar) 가스만 대량 취입하여 용강 내에 기 취입된 산소와 탄소의 반응에 따른 미세 탈탄반응을 촉진한다.

탈산 단계에서는 탈탄단계 및 미세탈탄단계에서의 진공상태에 비하여 저 진공상태로 제어하고, 탈산재를 투입한다. 다음, 탈가스 처리를 위하여 슬래그 중의 (Cr3O4)를 환원, 회수하고 탈산 및 탈황처리를 한다.

이후 LT(성분조정단계, Ladle Treatment)를 통하여 탈산 후 교반을 통하여 성분 조정을 하게 된다. LT 단계는 용강상태에서 성분 및 온도를 적중하기 위한 마지막 공정이다.

침적관중 상승 쪽으로 Ar, N를 취입하게 되면 상승관내에서 Bubble이 형성되어 위로 올라가고 그 위치 에너지 차에 의하여 하강관쪽으로 용강이 내려오게 되어 순환하게 된다. 용강이 순환하면서 래들 내에서 Ar 및 N₂기포의 파열과 함께 비산 및 포말층으로 탈가스가 이루어 진다.

본 발명은 20~30% 크롬을 함유하고, 탄소함량이 200ppm 이하인 페라이트계 스테인리스강의 탈탄방법에 관한 것으로서, 특히 VOD 공정에서 산소취련탈탄기 및 진공탈탄기에서의 산소취련 종점판단 방법에 관한 것이다. 이하 상세히 설명한다.

도 1 및 도 2를 참조하여 탈탄량 및 산소취련의 진행정도의 판단방법을 설명한다. 도 1은 VOD 공정 중 산소 취련기의 배가스 성분 중 CO, CO₂ 조성비를 나타낸 그래프이고, 도 2는 VOD 공정 중 산소 취련기의 진공도를 나타낸 그래프이다.

극저탄소 스테인리스강을 정련할 때 발생되는 배가스는 다량의 CO, CO₂ 를 포함하고 있다. CO, CO₂는 용강중의 탈탄 반응으로 생성된다. 도 1을 참조하여 보면 CO, CO₂는 정련 초기 CO 조성비가 CO2 조성비보다 크다가 정련 말기로 갈수록 CO의 조성비가 CO2의 조성비보다 작아지는 것을 알 수 있다. 이는 산소 취련 초, 중기에는 상취되는 산소가 탄소와 결합하는 탈탄반응이 활발히 발생하나 산소 취련기의 말기로 갈수록 탈탄이 감소하기 때문이다. 즉, 산소 취련 말기에서는 발생되는 CO가스가 상취되는 잉여산소와 결합하여 CO₂로 배출되는 2차연소가 활발하게 진행된다. 이로부터 2차 연소량, 즉 CO, CO₂의 조성비율을 이용하여 산소 취련기의 종점을 판정할 수 있음을 확인할 수 있다.

즉 2차 연소비는 아래의 식 1에 의하여 산출될 수 있다.

[식 1] 2차 연소비 = (CO₂ / O₂) / (CO / O₂) = CO₂ / CO

탈탄이 활발하게 발생하는 산소 취련의 초, 중기에는 CO의 조성비가 CO₂의 조성비보다 크므로, 이 때의 2차연소비는 0 < CO₂/CO < 1이다. 탈탄속도가 줄어드는 산소취련의 말기에는 2차 연소가 증가하여 CO₂의 조성비 또한 증가하게 된다. 이러한 이유로 산소취련의 말기에는 CO의 조성비가 CO₂의 조성비보다 작아지게 되어, 2차연소비 CO₂/CO는 1 이상이 된다. 그러나 강의 청정도 향상을 위해서는 적정량의 산소 취련이 요구되므로, 본 발명에서는 CO₂/CO의 상한선은 5로 하였다.

한편, 산소취련탈탄기에서 탈탄 정련을 진행하는 경우 진공펌프를 이용하여 베슬(vessel) 내의 압력을 감소시켜 CO 분압을 감소시키면서 탈탄 정련을 진행한다. 이 때 탈탄 정련이 진행됨에 따라 배출되는 가스량이 감소하므로 베슬 내의 압력은 점차 감소한다. 탈탄 정련의 진행에 따른 VOD 설비 내에서의 압력을 측정 결과를 도 2에 도시하였다. 그래프 상에서 베슬 내의 압력이 10mbar인 부근에서 압력이 급격히 감소하는 것을 알 수 있었다. 이러한 이유로 베슬 내의 압력, 즉 VOD 설비 내의 진공도가 10mbar 이하로 떨어지는 것을 산소 취련 종점의 조건 중 하나로 선택하게 되었다.

결론적으로 본 발명에서는 베슬 내의 진공도가 10mbar 이하라는 조건과 2차 연소비(CO₂/CO)가 1 이상 5 이하인 영역 내에 도달하는 조건을 만족하는 경우 산소 취련 종기에 도달한 것으로 판정할 수 있다.

도 3을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 산소취련 종기의 판단 과정을 설명한다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 산소취련 종점 판단 방법을 나타내는 순서도이다.

먼저 산소취련 도중 주기적으로 VOD 설비의 진공도를 확인하여 VOD 설비 내의 진공도가 0 초과 10mbar 이하인지 여부를 판단한다. 이 때 진공도가 10mbar 초과인 경우에는 계속해서 산소취련을 하면서 주기적으로 진공도를 확인하게 된다. 진공도가 0 초과 10mbar 이하의 값을 갖는 경우에는 다음 단계로 진행하게 된다.

다음 단계에서, 즉 진공도가 0 초과 10mbar 이하인 경우에는 2차연소비인 CO에 대한 CO₂의 비율(CO₂ / CO)을 확인한다. 이 때 2차연소비가 5 초과인 값을 갖는 경우에는 계속해서 산소취련을 하고 주기적으로 진공도를 확인하게 된다. 반대로 2차연소비가 1 내지 5 이하인 경우에는 산소취련 종기가 도래한 것으로 판단한다.

한편, 앞서 설명한 진공도 확인 및 판단과 2차연소비 확인 및 판단은 그 순서를 바꿀 수 있다. 즉, 먼저 주기적으로 2차연소비인 CO에 대한 CO₂의 비율(CO₂ / CO)을 확인하고, 2차연소비가 1 내지 5 이하인지 여부를 판단한다.

다음으로 상기 2차연소비가 1 내지 5 이하인 경우 VOD 설비의 진공도를 확인하고, 2차연소비가 0 초과 1 미만인 경우에는 계속해서 산소취련을 진행한다.

계속해서 확인된 VOD 설비의 진공도가 0 초과 10mbar 이하인지 여부를 판단하여, 진공도가 0 초과 10mbar 이하인 경우 산소취련 종기가 도래한 것으로 판단한다. 상기 진공도가 10mbar 초과인 경우 다시 산소취련을 계속하고, 다시 주기적으로 2차연소비를 확인하게 된다.

마지막으로 산소 취련의 종기가 도래한 것으로 판단되는 경우에는 산소 취련을 마감하고 진공상태에서의 미세탈탄을 진행하게 된다.

도 4 및 표 1을 참조하여 본 실시예에 따른 산소취련 종점 판단 방법을 이용하여 탈탄정련을 수행한 결과를 각 데이터와 함꼐 설명한다. 도 4는 본 발명에 따른 산소 취련 종점 판정방법을 이용한 결과를 비교예와 함께 도시한 그래프이고, 표 1은 본 발명에 따른 산소 취련 종점 판정 결과에 따른 소강 탄소 농도 및 표준 편차 및 95%이내의 소강 탄소 농도를 이에 대응하는 비교예의 데이터와 함께 나타낸 표이다.

<표 1>

본 발명 방법에 의해 평균 소강탄소농도는 도 4 및 표 1에 도시된 바와 같이 73 ppm에서 63ppm으로 감소하였으며, 표준편차는 12ppm에서 10ppm으로 감소하였다. 2차연소비(CO₂/CO)가 0 초과 1 미만의 값을 갖는 경우 95%이내의 소강탄소농도는 65ppm에서 85ppm으로 편차가 20ppm이나, 2차연소비가 1 이상 5 이하의 값을 갖는 경우에는 95%이내의 소강탄소농도는 61ppm에서 69ppm으로 편차가 8ppm이다. 이러한 결과로부터 VOD 공정에 본 발명에 따른 산소취련 종점판단 방법을 적용한 경우 안정된 조업 결과를 보임을 알 수 있었다.

결론적으로 VOD 설비에서 산소취련 시 진공도가 10mbar 이하라는 조건과, 배가스 분석치를 이용하여 CO₂/CO의 비가 1 이상 5 이하라는 조건을 산소취련 종점판단에 적용함으로써 보다 정밀한 산소취련 종점의 판단이 가능해지고, 소강탄소농도를 70ppm이하로 제조하는 것이 가능하였다.

이상 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상이 상술한 바람직한 실시예에 한정되는 것은 아니며, 특허청구범위에 구체화된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범주에서 다양한 산소취련 종점 판정방법으로 구현될 수 있다.

Claims (8)

1. 고크롬 저탄소 스테인리스강의 진공탈탄공정에 있어서,
   산소 취련하는 제1 단계;
   상기 스테인리스강의 산소취련탈탄기의 2차연소비를 통한 산소취련 진행정도를 산출하여 산소취련 종기를 판단하는 제2 단계; 및
   산소취련 종기로 판단되는 경우 산소취련을 중단하는 제3 단계를 포함하되,
   상기 2차연소비는 하기 식 1의 범위를 산소취련 종기의 조건으로 하여 산소취련 종점을 판정하는 고크롬 저탄소 스테인리스강의 제조방법.
   [식 1] : 1 ≤ CO₂ / CO ≤ 5
2. 제1항에 있어서,
   상기 스테인리스강은 wt%로 크롬 15 내지 30%를 함유하고, 탄소함량이 200ppm 이하의 페라이트계 스테인리스강인 고크롬 저탄소 스테인리스강의 제조방법.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 2차연소비는 CO에 대한 CO₂의 비율(CO₂ / CO)에 의하여 산출되는 고크롬 저탄소 스테인리스강의 제조방법.
   
4. 삭제
5. 제1항에 있어서,
   상기 산소취련 종기의 판단에는 VOD 설비의 최소 진공도 요구치를 조건으로하는 고크롬 저탄소 스테인리스강의 제조방법.
   
6. 제5항에 있어서,
   상기 진공도의 최소 요구치는 10mbar인 고크롬 저탄소 스테인리스강의 제조방법.
   
7. 제1항에 있어서,
   상기 제2 단계는,
   주기적으로 VOD 설비의 진공도를 확인하는 제2a 단계;
   상기 진공도가 0 초과 10mbar 이하인지 여부를 판단하는 제2b 단계;
   상기 진공도가 0 초과 10mbar 이하인 경우 2차연소비인 CO에 대한 CO₂의 비율(CO₂ / CO)을 확인하는 제2c 단계;
   상기 2차연소비가 1 내지 5 이하인지 여부를 판단하는 제2d 단계;
   상기 2차연소비가 1 내지 5 이하인 경우 산소취련 종기가 도래한 것으로 판단하고, 상기 2차연소비가 0 초과 1 미만인 경우에는 상기 제2a 단계로 회귀하는 제2e 단계;를 포함하는 고크롬 저탄소 스테인리스강의 제조방법.
   
8. 제1항에 있어서,
   상기 제2 단계는,
   주기적으로 2차연소비인 CO에 대한 CO₂의 비율(CO₂ / CO)을 확인하는 제2a'단계;
   상기 2차연소비가 1 내지 5 이하인지 여부를 판단하는 제2b'단계;
   상기 2차연소비가 1 내지 5 이하인 경우 VOD 설비의 진공도를 확인하는 제2c'단계;
   상기 진공도가 0 초과 10mbar 이하인지 여부를 판단하는 제2d'단계;
   상기 진공도가 0 초과 10mbar 이하인 경우 산소취련 종기가 도래한 것으로 판단하고, 상기 진공도가 10mbar 초과인 경우 제2a'단계로 회귀하는 제2e'단계;를 포함하는 고크롬 저탄소 스테인리스강의 제조방법.

Images