KR101257277B1 - 래들로의 청정강 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이차 정련 과정 중 용강 승온 시 발생 가능한 용강 내의 개재물 증가를 억제하여 청정강을 제조할 수 있는 래들로의 청정강 제조 방법에 관한 것으로, 전극봉을 이용하여 용강을 승온하는 단계와, 상기 용강의 재산화 방지를 위하여 탕면에 부상된 슬래그의 성분 중 산화칼슘(CaO) 중량을 알루미나(Al₂O₃) 중량 대비 1.3~1.7 비율로 조절하는 단계와, 상기 전극봉에 형성되는 아크길이를 감소시켜, 용강 내 개재물의 증가를 방지하는 단계를 포함하는 래들로의 청정강 제조 방법을 제공한다.

Description

래들로의 청정강 제조 방법{MANUFACTURING METHOD FOR CLEAN METAL IN LADLE FURNACE}

본 발명은 래들로의 청정강 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 이차 정련 과정 중 용강 승온 시 발생 가능한 용강 내의 개재물 증가를 억제하여 청정강을 제조할 수 있는 래들로의 청정강 제조 방법에 관한 것이다.

철광석을 원재료로 하여 최종 제품으로 강을 제조하는 제강 공정은 철광석을 고로에서 용해하는 제선 공정으로부터 시작된다. 철광석을 용해한 형태인 용선에 탈린 등의 예비처리 공정을 수행하여 용강을 제조한다. 용강은 불순물을 제거하는 1차 정련 공정을 거친 후 용강 내 성분을 미세하게 조절하는 2차 정련 과정을 거치게 되고, 2차 정련이 완료되면 용강 내 성분 조절이 완료된다. 2차 정련이 완료된 용강은 연속주조 공정으로 이동하게 되고, 연속주조 공정을 거쳐 슬라브, 블룸, 빌릿 등의 반제품이 성형된다. 이와 같이 성형된 반제품은 압연 등의 최종 성형과정을 거쳐 압연 코일, 후판 등 목표하는 최종 제품으로 제조된다.

전로에서 스크랩의 용융과 일차 정련 작업이 이루어진 후, 출강되어 나온 용강 성분의 미세조절과 탈황작업을 하는 기구를 래들로(LF,Ladle Furnace)라고 한다. 래들로에서는 용강 내에 합금철을 투입하여 성분 조절을 실시하고, 전극봉을 이용하여 용강의 승온 작업을 실시한다. 또한 저취 Ar 버블링을 통한 개재물 분리 부상 등을 실시하기도 한다. 따라서 청정강을 제조하기 위해서는 래들로 공정에서 슬래그 조성 및 유동성 등의 슬래그 특성과 가스 유량 조절 등이 중요하다고 알려져 왔다. 이와 같이 래들로 공정 중 용강 내 개재물의 증가를 억제하여 청정강을 제조할 수 있다.

본 발명은 이차 정련 시 래들로(LF,Ladle Furnace)에서 개재물이 증가하는 것을 방지하여 청정강을 제조할 수 있는 래들로의 청정강 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않는다.

상기 과제를 달성하기 위한 본 발명의 래들로의 청정강 제조 방법은, 전극봉을 이용하여 용강을 승온하는 단계와, 상기 용강의 재산화 방지를 위하여 탕면에 부상된 슬래그의 성분 중 산화칼슘(CaO) 중량을 알루미나(Al₂O₃) 중량 대비 설정된 비율로 조절하는 단계와, 상기 전극봉에 형성되는 아크길이를 감소시켜, 용강 내 개재물의 증가를 방지하는 단계를 포함할 수 있다.

구체적으로, 상기 아크길이를 감소시키면, 상기 전극봉이 하단으로 자동 이동하여 슬래그 내로 침적할 수 있다.

상기 산화칼슘(CaO) 중량을 조절할 때, 상기 용강 내로 산화칼슘(CaO)을 투입하여 조절할 수 있다.

상기 아크길이를 감소시킬 때, 상기 전극봉에 인가되는 전압의 세기 및 전류의 세기 중 적어도 하나 이상을 가변시킬 수 있다.

상기 용강을 승온시키는 단계에서, 상기 전극봉은 상기 슬래그에 침적되지 않은 상태에서 용강을 승온시킬 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 이차 정련 시 래들로(LF,Ladle Furnace)에서 개재물이 증가하는 것을 방지하여 청정강을 제조할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 래들로의 청정강 제조 방법을 순서에 따라 나타낸 순서도이다.
도 2는 본 발명과 관련된 래들로의 모습을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명과 관련된 래들로 내의 처리시간에 따른 용강 내 전체 산소농도(T.[O])를 측정한 결과를 도시한 그래프이다.
도 4는 본 발명과 관련된 래들로에서 슬래그 조성과 용강 내 전체 산소농도(T.[O])를 측정한 결과를 도시한 그래프이다.
도 5는 본 발명을 설명하기 위해 전극봉과 아크길이를 표시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 래들로의 청정강 제조 방법을 이용하여 용강을 처리하였을 때 슬래그 내 전체 철 성분농도(△T.[Fe]) 변화량을 도시한 그래프이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 도면들 중 동일한 구성요소들은 가능한 어느 곳에서든지 동일한 부호로 표시한다. 또한 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 래들로의 청정강 제조 방법을 순서에 따라 나타낸 순서도로서, 본 발명의 용강 내 개재물 증가 방지는 이차 정련 과정 중 래들로(LF, Ladle Furnace)에서 실시되는 것일 수 있다.

먼저 래들로에서는 용강을 수요자의 요구에 맞는 성분으로 조절해야하므로 합금철 투입에 의한 성분 조절이 이루어질 수 있는데, 합금철 등이 투입되고 나면 이를 용융시키기 위해 용강에서 에너지를 사용하게 되므로 용강의 온도가 떨어질 수 있다.

합금철 투입 이후 용강(M)의 온도를 정련에 적합한 온도(약 1500℃~1600℃)로 유지하기 위하여 용강(M)의 승온을 실시한다(S10). 래들로 내의 용강(M)의 승온은 도 2와 같이 래들로 상단에 설치되는 전극봉에 의하여 수행된다. 도 2는 일반적인 래들로 내 용강(M)의 승온 모습을 도시한 것으로, 전극봉이 용강(M) 상단에 형성되는 슬래그층(S)에 침적된 상태로 아크를 발생시켜 용강(M)을 승온시키는 것이다.

그러나 래들로 내의 용강(M) 및 슬래그(S)양이 적은 경우가 발생할 수 있다. 이러한 경우 전극봉이 슬래그(S) 내로 침적되지 않은 상태에서 즉 전극봉 최하단과 슬래그(S) 최상단이 서로 접하지 않은 상태에서 아크 가열이 실시될 수 있다.

도 3은 이처럼 전극봉이 슬래그(S) 내로 침적되지 않은 상태에서 아크 가열을 실시한 경우 래들로 내의 래들로 내 처리시간(LF 처리시간)에 따른 용강(M) 내 전체 산소농도(T.[O])를 측정한 결과를 도시한 그래프이다. 도 3과 같이, 래들로에서 용강(M)을 처리하는 중 용강(M) 내의 전체 산소 농도의 변화를 살펴보면, 래들로 내로 합금철을 투입한 시점 이후 용강(M) 내 산소 농도는 지속적으로 감소되는 추세를 보인다. 그러나 전극봉을 이용하여 용강(M)의 아크 승온을 시작한 이후로는 용강(M) 내 산소농도가 다시 증가하는 것을 알 수 있다. 이때 용강(M) 내 산소 농도의 증가는 용강(M) 내 개재물(Al₂O₃ 등의 산화물)이 증가하기 때문에 나타나는 현상이다.

이러한 결과는 전극봉이 슬래그(S)나 용강(M) 내로 침적되지 않은 상태에서 아크 승온이 실시되었을 때 나타나는 결과이다. 이와 같이 아크 승온을 실시한 이후 용강(M) 내 산소 농도가 증가하는 경향을 보이는 이유는 전극봉에서 발생하는 강한 아크에 의하여 외부의 공기 즉 산소를 포함하고 있는 외부 공기가 슬래그층(S)을 통해 용강(M)으로 유입되었기 때문일 수 있다. 이처럼 슬래그층(S)을 통해 유입된 산소는 용강(M) 내에서 철 성분 및 합금철로 투입된 금속 성분과 결합하여 산화물을 형성하면서 개재물로 잔류할 수 있다.

구체적으로, 슬래그(S) 및 용강(M)에 침적되지 않은 상태에서 전극봉에 의한 아크 가열을 실시하는 경우 슬래그(S) 내 전체 철 농도(T.[Fe], Total Fe)가 증가하게 된다. 슬래그(S) 내 전체 철 농도가 증가하게 되면 이로 인하여 용강(M) 내 알루미나 개재물이 형성되게 되는데 그 반응은 하기 반응식 1과 같다.

반응식 1

FeO(슬래그 내) + Al(용강 내) → Al₂O₃ + Fe

반응식 1에 나타낸 바와 같이, 아크와 함께 슬래그(S) 내로 유입된 산소는 슬래그(S) 내에 FeO의 형성을 유도하여 슬래그(S) 내의 전체 철 농도를 증가시킨다. 이때 생성된 슬래그(S) 내 FeO는 용강(M) 내에 존재하는 합금 금속 원소인 알루미늄(Al)과 결합하여 알루미나(Al₂O₃) 개재물의 발생을 유도하게 되는 것이다. 그러므로 슬래그 내 전체 철 농도가 증가하면 용강 내 알루미나 개재물의 생성이 증가하게 되는 요인으로 작용하게 된다.

이러한 알루미나 개재물들은 향후 최종 제품을 제조하였을 때 강 내의 주요 결함 요인으로 작용할 수 있기 때문에 개재물의 발생을 최대한 억제하는 것이 필요하다.

래들로 내에서 용강(M) 내 개재물의 발생을 최대한 억제하기 위해서는 용강(M)의 아크 승온에 사용되는 전극봉을 슬래그(S) 내로 침적하여 승온을 실시하여야 한다. 그러나 대부분 공장에서는 규격화된 용량의 래들로가 사용되며 이러한 래들로 내 용강(M) 및 슬래그(S)양도 규격화되어 제조되므로 전극봉이 슬래그(S) 및 용강(M) 내로 침적되지 않고 아크 승온이 이루어질 가능성이 많이 있다.

이러한 경우 슬래그(S)의 조성을 조절하여 개재물을 최대한 흡수하기 좋은 상태의 슬래그(S)를 제조하여 주면 용강(M) 내에서 발생하는 개재물을 줄여줄 수 있다. 즉 용강(M)의 재산화를 방지하고 개재물의 형성을 감소시키기 위하여 용강(M) 상단에 형성된 슬래그(S)의 성분 중 산화칼슘(CaO) 중량을 알루미나(Al₂O₃) 중량 대비 1.3~1.7로 조절한다(S20).

도 4는 래들로 내 슬래그(S) 조성과 용강(M) 내 전체 산소농도(T.[O])를 측정한 결과를 도시하였는데, 이 결과를 보면 가로축에 표시한 래들로 내 슬래그층(S)의 산화칼슘(CaO) 중량이 알루미나(Al₂O₃) 중량 대비 1.3~1.7의 범위에 있을 때 용강(M) 내 전체 산소 농도가 낮게 측정되는 것을 알 수 있다. 래들로 내 슬래그층(S)의 산화칼슘(CaO) 중량이 알루미나(Al₂O₃) 중량 대비 1.5일 때 용강(M) 내 전체 산소 농도값이 가장 낮게 측정되었다. 그러나 공정 중 슬래그(S) 내 알루미나(Al₂O₃) 중량 대비 산화칼슘(CaO) 중량의 값을 완벽히 1.5에 맞추기는 매우 어렵기 때문에 그 범위를 1.3~1.7로 설정하는 것이 바람직하다.

이와 같이 슬래그(S) 성분 중 산화칼슘(CaO) 중량의 값 상기와 같이 조절하기 위해서는 래들로 내로 산화칼슘(CaO)를 투입하여 조절하는 것이 바람직하다. 그 이유는 슬래그(S) 내 알루미나 함량은 대부분 래들로 내에 용강(M) 성분 조절을 위해 투입된 합금철 성분 즉 알루미늄 칩 등에 의하여 결정된다. 이때 용강(M) 성분 조절용으로 투입되는 알루미늄 칩 등은 최종 제품의 요구 함량에 맞추어 결정된 값이 투입되기 때문에 슬래그(S)로 발생되는 알루미나(Al₂O₃) 성분의 값은 거의 조절하기가 어렵다. 그러므로 산화칼슘 투입량을 조절하여 전체 슬래그(S) 내의 알루미나(Al₂O₃) 중량 대비 산화칼슘(CaO) 중량의 값을 조절하는 것이 필요하다. 산화칼슘 중량의 조절을 위하여, 슬래그(S) 내 산화칼슘 함량을 측정하고, 측정된 값에 따라 산화칼슘을 투입량을 결정하여 용강(M) 내로 산화칼슘을 투입한다. 이를 통하여 개재물의 흡수가 원활히 되는 알루미나(Al₂O₃) 중량 대비 산화칼슘(CaO) 중량 값을 가진 슬래그(S)를 제조하여 준다. 이와 같은 슬래그(S) 성분 조절에 의하여 슬래그량이 증가하여 전극봉과 슬래그층(S)과 이격된 거리를 좁혀주는 역할을 할 수도 있다.

슬래그(S) 조성의 조절이 완료되면, 전극봉에 형성되는 아크길이를 감소시켜 용강(M) 내 개재물의 증가를 방지한다(S30). 구체적으로, 도 5에 도시한 바와 같이, 아크길이는 전극봉의 최하단에서 아크가 발생되는 거리를 의미한다. 아크길이는 하기 관계식 1에 나타냈다.

관계식 1

l은 아크길이(mm)이고, α는1.0(mm/V)이고, V는 Tap 전압(V), cosθ:는 역률을 나타내며, I는 2차전류치(A)이고, R은 회로저항(Ω)이며, C는 양음극간 전위차(40V)를 나타낸다. (역률이라 함은 교류회로에서 유효전력과 피상전력(皮相電力)과의 비를 말한다)

아크길이는 상기 관계식 1과 같이 전극봉에 가하는 전압의 세기와 전류의 세기에 의해 조절될 수 있다. 그러므로 아크길이를 줄여주기 위하여 본 발명에서는 전극봉에 인가되는 전압의 세기 및 전류의 세기를 가변시킬 수 있다. 구체적으로, 아크길이를 줄여주기 위하여 전극봉에 인가되는 전압의 세기를 감소시키거나 전류의 세기를 증가시킬 수 있다. 이와 같이 전극봉에 인가되는 전압의 세기를 감소시키거나, 전류의 세기를 증가시키는 것은 각각 수행할 수도 있으며, 두 가지를 동시에 수행하여 적절한 범위로 아크길이를 조절할 수도 있다. 이때 전극봉에 인가되는 전압의 세기는 400V~700V 범위에서 조절될 수 있으며, 전류의 세기는 3000A~6000A 범위에서 전압의 세기를 고려하여 적절히 선택되는 것이 바람직하다. 전극봉에 인가되는 전압의 세기가 너무 낮아지면 아크 가열이 제대로 수행되지 않을 수 있으므로 상기와 같은 범위로 한정하였으며, 전극봉에 인가되는 전류의 세기가 지나치게 높아지면 전극봉이 과열될 수 있으므로 전류의 세기 역시 상기와 같은 범위로 한정하였다.

본 발명에서 아크길이를 감소시키는 것은 아크길이를 50~150mm의 범위로 조절하는 것을 의미하며, 이는 통상적으로 사용되는 전극봉의 아크길이에 비하여 아크길이가 감소된 범위일 수 있다.

상기와 같이 전극봉에 인가되는 전류 및 전압의 세기를 조절하여 아크길이를 감소시키면, 전극봉은 아크길이에 따라 자동으로 상하 이동하게 된다. 상세하게 설명하면, 아크길이가 감소하게 되면 전극봉이 자동으로 하방향으로 이동하게 되고 아크길이가 증가하면 자동으로 전극봉이 상방향으로 이동한다.

본 발명에서는 전극봉에 형성되는 아크길이를 감소시켰기 때문에 이에 따라 전극봉이 하방향으로 이동하게 된다. 따라서 전극봉이 하방향으로 이동하여 슬래그(S) 내로 침적될 수 있다. 이와 같이 슬래그(S) 내로 침적된 상태에서 아크 가열을 실시하게 되면 도 3의 결과와 같은 아크 승온 이후에 발생하는 개재물의 증가 현상을 방지할 수 있다.

이와 같이 슬래그 내의 산화칼슘(CaO) 중량의 값을 알루미나(Al₂O₃) 중량 대비 1.3~1.7의 범위로 조절하고, 전극봉에 인가되는 전압 및 전류의 세기를 조절하여 아크길이를 줄여준 후 아크 승온에 따른 슬래그내 전체 철 농도(△T.[Fe], Total Fe) 변화량을 측정한 결과를 도 6에 도시하였다. 본 발명에 의한 방법을 사용하지 않고 슬래그와 이격된 위치에서 전극봉에 의해 아크 승온을 실시한 래들로의 슬래그 내 전체 철 농도 변화량은 검정색 마름모 형 표식으로 나타내었다.

도 6의 결과에서 보는 바와 같이, 본 발명에 의한 래들로의 청정강 제조 방법으로 래들로 내에서 용강을 승온하였을 때, 슬래그 내 전체 철 농도 변화량은 0에 근접한 것으로 측정되었다. 이 결과로 보아 본 발명에 의한 방법으로 래들로 내 용강을 승온하면 용강 내 개재물의 증가가 거의 없는 것을 알 수 있다. 그러나 본 발명에 의한 방법을 사용하지 않고 용강의 아크 승온을 실시한 후, 슬래그 내 전체 철 농도 변화는 승온 시간이 길어질수록 계속 하여 증가되는 것을 알 수 있다. 슬래그 내 철 농도 변화량이 용강 내 개재물의 증가에 미치는 영향 및 이 둘의 관계는 상술한 반응식 1에 설명하였다.

이와 같이 본 발명의 방법에 의하면 이차 정련 시 래들로에서 개재물이 증가하는 것을 방지하여 청정강을 제조할 수 있는 효과가 있다.

상기와 같은 래들로의 청정강 제조 방법은 위에서 설명된 실시예들의 구성과 작동 방식에 한정되는 것이 아니다. 상기 실시예들은 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 구성될 수도 있다.

M : 용강 S : 슬래그

Claims (6)

1. 전극봉을 이용하여 용강을 승온하는 단계;
   상기 용강의 재산화 방지를 위하여 탕면에 부상된 슬래그의 성분 중 산화칼슘(CaO) 중량을 알루미나(Al₂O₃) 중량 대비 설정된 비율로 조절하는 단계; 및
   상기 전극봉에 형성되는 아크길이를 감소시켜, 용강 내 개재물의 증가를 방지하는 단계;를 포함하며,
   상기 용강을 승온시키는 단계에서,
   상기 전극봉은 상기 슬래그에 침적되지 않은 상태에서 용강을 승온시키는 래들로의 청정강 제조 방법.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 아크길이를 감소시키면, 상기 전극봉이 하단으로 자동 이동하여 슬래그 내로 침적되는 래들로의 청정강 제조 방법.
   
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 산화칼슘(CaO) 중량을 조절할 때, 상기 용강 내로 산화칼슘(CaO)을 투입하여 조절하는 래들로의 청정강 제조 방법.
   
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 아크길이를 감소시킬 때, 상기 전극봉에 인가되는 전압의 세기 및 전류의 세기 중 적어도 하나 이상을 가변시키는 래들로의 청정강 제조 방법.
   
5. 삭제
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 설정된 비율은, 산화칼슘(CaO) 중량이 알루미나(Al₂O₃) 중량 대비 1.3~1.7 범위인 래들로의 청정강 제조 방법.
   

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