KR101353196B1 - 전로에서 탄소성분 제어방법 및 이를 포함하는 철강 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전로에서 용강을 출강하기 전에, 슬래그에 코크스를 투입하는 공정; 및 코크스가 투입된 슬래그에 Ca-Si 럼프 물질을 투입하는 공정을 수행하는 것을 포함하는 전로에서의 탄소 성분 제어방법 및 상기 전로에서의 탄소 성분 제어방법을 포함하는 철강 생산방법을 제공한다. 상기 탄소 성분 제어방법은 코크스 및 Ca-Si 럼프 물질을 용강 출강전 슬래그에 순차적으로 첨가함으로써, 자연탈탄으로 인한 탄소손실을 방지하고 슬래그의 넘침을 방지하는 효과가 있다.

Description

전로에서 탄소성분 제어방법 및 이를 포함하는 철강 제조방법{METHOD FOR CONTROLLING CARBON IN CONVERTER AND MANUFACTURING METHOD OF STEEL COMPRISING THEREOF}

본 발명은 전로에서의 탄소 성분을 제어하는 방법 및 이를 포함하는 철강 제조방법을 제공한다.

일반적인 고탄소강의 제조 방법에서, 용강은 전로형 탈탄로(BOF)에서 정련 과정을 거치게 된다. 그러나, 이후 용강이 전로에서 출강하는 과정에서 자연탈탄 등으로 인해 탄소의 함량이 감소하고, 슬래그가 노구쪽으로 끓어 넘치는 현상이 발생한다.

자연탈탄 등의 현상으로 인해, 용강내 탄소 성분의 손실이 일어나게 되면, 용강내 탄소 성분을 제어하기 위해서 합금철을 투입하는 추가 공정이 요구된다. 그러나, 이러한 추가 공정은 제조비용의 증가, 용강온도의 하강 내지 합금철에 함유된 불순물의 혼입 등으로 인해 강의 청정성을 저해하는 요인으로 작용한다.

또한, 슬래그가 노구쪽으로 끓어 넘치는 현상은 작업자의 부상 및 설비파손의 가능성이 있다. 최근에는 슬래그가 넘치는 현상을 방지하기 위해 펄프계 진정제를 투입하는 방법이 사용되기도 한다. 그러나, 펄프계 진정제는 원료의 수급과정에서 산림을 훼손하게 되고, 용강에 주입하는 과정에서 작업자가 위험에 노출될 가능성이 있다.

전로에서의 탄소 성분을 제어하는 공정 및 그 방법에 관한 기술을 제공한다.

본 발명의 하나의 실시예는, 전로에서 용강을 출강하기 전에, 슬래그에 코크스를 투입하는 공정; 및 코크스가 투입된 슬래그에 Ca-Si 럼프 물질을 투입하는 공정을 수행하는 것을 포함하는 전로에서의 탄소 성분 제어방법을 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 전로에서의 탄소 성분 제어방법을 포함하는 철강 생산방법을 제공한다.

본 발명에 따른 전로에서의 탄소 성분 제어방법은 코크스 및 Ca-Si 럼프 물질을 용강 출강전 슬래그에 순차적으로 첨가함으로써, 자연탈탄으로 인한 탄소손실을 방지하고 슬래그의 넘침을 방지하는 효과가 있다.

도 1은 전로에서 용강을 출강하는 과정을 나타낸 모식도이다;
도 2는 본 발명의 전로에서의 탄소 성분 제어를 위한 순서도이다;
도 3은 전로에서 용강을 출강하기 전 코크스 투입 유무에 따른 탄소 성분의 손실량을 나타낸 모식도이다.

본 발명은 전로에서의 탄소 성분 제어방법을 제공한다.

하나의 실시예에서, 상기 제어방법은, 전로에서 용강을 출강하기 전에,

슬래그에 코크스를 투입하는 공정; 및

코크스가 투입된 슬래그에 Ca-Si 럼프 물질을 투입하는 공정을 수행하는 것을 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 전로에서의 탄소 성분 제어방법은, 용강을 출강하기 전에 슬래그에 코크스와 Ca-Si 럼프 물질을 순차적으로 투입함으로써 자연탈탄으로 인한 탄소손실을 방지하고 슬래그의 넘침을 방지하는 효과가 있다.

일반적으로 용강을 출강하는 과정에서 용강 내에 함유된 탄소 성분이 손실되는 경향이 있다. 이는 자연탈탄 등의 현상으로 설명될 수 있다. 자연탈탄이란, 전로에서 용강을 출강하는 과정에서 하기 반응식 1과 같이 용강내의 탄소 성분([C]in melt)과 슬래그 중 철산화물(FeO(l) in slag)이 반응하여 CO 가스가 발생하는 현상이다.

[반응식 1]

FeO(l) in slag + [C] in melt → CO(g) + Fe(l)

이러한 자연탈탄 현상은 출강되는 시간 동안 용강 내의 탄소 성분이 지속적으로 손실되는 문제가 발생한다. 특히, 상기 자연탈탄으로 인해 용강 내 탄소 성분의 손실과 함께 CO 가스가 방출되고, 방출된 CO 가스는 용강을 출강하는 과정에서 슬래그가 노구쪽으로 넘치는 현상을 수반하게 된다.

도 1은 전로에서 용강을 출강하는 과정을 나타낸 모식도이다. 도 1을 참조하면, 용강(30)이 들어있는 전로(10)를 기울여 수강레이들(20)로 옮기게 된다. 그러나, 용강(30)을 전로(10)에서 출강하는 과정에서 자연탈탄 현상이 발생한다. 자연탈탄으로 인해 용강(30) 내 함유된 탄소 성분이 손실되고, 부수적으로 CO 가스(50)를 생성한다. 또한, 생성된 CO 가스(50)는 용강(30)을 출강하는 과정에서 슬래그(40)를 노구 바깥으로 밀어내는 힘으로 작용한다. 이로 인해, 슬래그(40)가 끓어 넘치는 현상이 발생되고, 이는 작업자의 부상 및 설비파손의 원인이 된다.

하나의 실시예에서, 본 발명에 따른 전로에서의 탄소 성분 제어방법은, 전로 내의 슬래그에 코크스를 투입하는 공정을 포함한다.

일반적으로 자연탈탄 현상은 전로 내 온도가 1550 내지 1650℃이고, 슬래그 중 철산화물의 농도가 15 내지 25 중량%일 때 활발하게 발생한다. 따라서, 이러한 조건을 회피하도록 제어함으로써, 자연탈탄 현상을 방지 내지 저감할 수 있다. 예를 들어, 전로에서 용강과 함께 존재하는 슬래그에 함유된 철산화물에 환원제를 투입하여, 철산화물의 농도를 농도를 낮출 수 있다.

본 공정에서는 탄소가 자연탈탄에 의해 손실이 된다는 점에 감안하여 탄소원이 되는 코크스를 환원제로 사용하였다. 특히, 대상강종이 고탄소강인 경우에는, 코크스를 사용함으로써 탄소 공급원으로 유용하게 활용할 수 있다.

코크스의 투입시점은 용강을 출강하기 전이라면 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어, 용강을 출강하기 전 100초 내지 300초, 혹은 120초 내지 180초의 시간 범위에서 수행될 수 있다. 이는, 투입된 코크스가 슬래그 중 철산화물과 환원반응을 활발히 일으킬 수 있는 시간을 확보할 수 있다.

상기 코크스의 투입량은, 용강의 황 함량을 현저히 높이는 경우가 아니라면 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, 코크스의 투입량은 용강 1톤당 0.5 내지 2 kg, 또는 0.9 내지 1.3 kg 범위일 수 있다. 상기 코크스의 투입량은 코크스에 포함된 황 성분이 용강쪽으로 픽업되어 용강의 황 농도가 현저히 높아지는 것을 방지할 수 있는 범위이다. 코크스의 투입량을 상기 범위로 제어함으로써, 용강 내 황 성분의 함량을, 용강 전체 100 중량부를 기준으로, 0.001 중량부 이하로 조절할 수 있고, 동시에 슬래그 중 철산화물을 효과적으로 환원시킬 수 있다.

상기 코크스는 탄소의 함량이 높은 것이 유리하다. 하나의 실시예에서, 상기 코크스는, 코크스 전체 100 중량부를 기준으로, 탄소 성분의 함량이 80 중량부 이상, 86 중량부 이상, 또는 90 중량부 이상일 수 있다. 예를 들어, 상기 코크스의 탄소 함량은, 코크스 전체 100 중량부를 기준으로, 80 내지 99.9 중량부, 86 내지 99 중량부, 또는 90 내지 95 중량부일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.

또한, 코크스의 황 함량은 낮은 것이 유리하다. 코크스에 함유된 황 성분은 용강의 황 농도를 높이는 원인으로 작용할 수 있기 때문이다. 예를 들어, 상기 코크스는, 코크스 전체 100 중량부를 기준으로, 황 성분의 함량이 1 중량부 이하, 0.65 중량부 이하, 또는 0.5 중량부 이하일 수 있다. 경우에 따라서는 상기 코크스에 함유된 황 성분의 함량은 0.001 내지 1 중량부, 0.001 내지 0.65 중량부, 또는 0.01 내지 0.5 중량부 범위일 수 있다.

하나의 실시예에서, 상기 코크스는 고품위제로 판매되는 제품이 사용될 수 있으며, 이 경우에는 코크스 전체 100 중량부를 기준으로, 탄소 성분이 86 중량부 이상이고, 황 성분은 0.65 중량부 이하 수준으로 제어된 제품을 사용할 수 있다. 코크스는 대부분이 탄소 성분으로 이루어지며, 앞서 설명한 바와 같이 소량의 황을 함유할 수 있다. 그 외의 나머지 성분들은 재(ash) 등과 같은 불순물 등일 수 있다.

또 다른 하나의 예로서, 상기 코크스의 입자크기는 20 mm 이상 또는 25 mm 이상일 수 있다. 이는 분말 또는 미세 입자 상태의 코크스는 수분을 많이 흡수하고 있어서 원료에 대한 전처리가 필요하기 때문이다. 또한, 전로 출강전에는 전로 노구에서 다량의 화염과 가스가 발생된다. 따라서, 분말 상태의 코크스를 전로에 투입하게 되면, 투입과정에서 전로 상부로 집진되어 실수율이 저하될 수 있다. 예를 들어, 상기 코크스는 괴상 형태로 투입될 수 있다. 또한, 상기 코크스의 입자크기는 20 내지 100 mm, 또는 25 내지 90 mm 범위일 수 있다.

본 발명은 상기 코크스를 투입하는 공정 이후에, 슬래그에 Ca-Si 럼프 물질을 투입하는 공정을 수행할 수 있다.

상기 Ca-Si 럼프 물질을 투입하는 공정은, 전로에서 용강을 출강하기 전 100 초 미만의 시간 범위에서 수행될 수 있다. 구체적으로는, 코크스를 투입한 시점 이후부터 용강을 출강하기 전까지 가능하다. 예를 들어, Ca-Si 럼프 물질은 용강 출강전 100초 미만, 용강 출강전 0.1 내지 99초, 용강 출강전 10 내지 95 초, 또는 용강 출강전 30 내지 90초 범위에서 투입될 수 있다. 상기 Ca-Si 럼프 물질을 투입하는 공정은, 슬래그 상부에 일괄 투입하는 방법으로 수행될 수 있다.

투입하는 Ca-Si 럼프 물질의 양이 증가할수록 환원할 수 있는 철산화물의 양도 증가하지만, 과다한 환원은 CaO 및/또는 SiO₂와 같은 산화물 생성으로 전로 내 슬래그의 양이 증가할 수 있다. 또한, 자연탈탄이 활발히 발생하는 철산화물의 농도는 슬래그 전체 100 중량부를 기준으로 15 중량부 이상이므로, 철산화물의 농도를 상기 범위 미만으로 제어할 수 범위라면, 그 투여량은 특별히 제한되지 않는다. 하나의 실시예로, 상기 Ca-Si 럼프 물질의 투입량은 용강 1 톤당 3 kg 이내, 또는 2 kg 이내일 수 있다. 예를 들어, 상기 투입량은 용강 1 톤당 0.1 내지 3 kg, 0.5 내지 2 kg, 또는 1 내지 1.5 kg 범위일 수 있다. 이와 같이 투입되는 Ca-Si 럼프 물질의 양은 철산화물의 함량을 15 중량부 미만, 경우에 따라서는 5 중량부 수준까지 환원시킬 수 있는 범위이다.

상기 Ca-Si 럼프 물질은 그 성분의 구체적인 함량이 특별히 제한되는 것은 아니다. 하나의 실시예에서, 상기 Ca-Si 럼프 물질은 칼슘(Ca) 10~15 중량부, 규소(Si) 40~45 중량부 및 철(Fe) 40~45 중량부를 포함할 수 있다. 또한, Ca-Si 럼프 물질은 10 중량부 이하, 또는 0.01 내지 5 중량부의 불순물을 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 불순물은 탄소 0.5 중량부 이하, 알루미늄 2 중량부 이하, 인 0.05 중량부 이하 및 황 0.05 중량부 이하 등을 포함할 수 있으며, 수분 내지 재(ash)와 같은 기타 성분들을 더 포함할 수 있다.

상기 Ca-Si 럼프 물질의 평균 입자크기는, 15 mm 이상, 또는 20 mm 이상일 수 있으며, 이를 통해 투입과정에서 발생되는 상부집진을 줄일 수 있다. 예를 들어, Ca-Si 럼프 물질의 입자크기는 15 내지 100 mm, 또는 20 내지 90 mm 범위일 수 있다.

또한, 본 발명의 하나의 실시예에서, 상기 코크스를 투입하는 공정 전에, 용강 내 탄소 성분의 함량을 조절하는 공정을 더 포함할 수 있다. 상기 용강은 철(Fe)를 주성분으로 포함하며, 용강 내의 탄소(C) 함량을 조절함으로써 강도 내지 경도를 조절할 수 있다. 용강 내 탄소 성분의 함량은, 용강 전체 100 중량부를 기준으로, 0.02 내지 2 중량부 범위에서 제어될 수 있으며, 제조하고자 하는 강종에 따라 적절한 범위로 조절될 수 있다. 하나의 실시예에서, 상기 공정을 통해 조절된 용강 내 탄소 성분의 함량은, 용강 전체 100 중량부를 기준으로, 0.5 내지 1.2 중량부, 또는 0.6 내지 1 중량부일 수 있다.

예를 들어, 용선을 전로형 탈탄로에 장입하여 탈탄반응을 통해 탄소 성분의 함량과 온도를 제어할 수 있다. 상기 탈탄로에서는 탄소 성분의 함량을 해당 강종이 요구하는 범위로 제어하게 되며, 이를 캐치[C] 조업이라도 한다. 이를 통해, 용선에 들어있는 탄소 성분을 충분히 활용할 수 있고, 향후 정련과정에서 용강내 탄소함량을 예측하고 제어용 합금철의 투입량을 조절할 수 있다.

경우에 따라서는, 상기 용강은 황(S) 또는 인(P)과 같은 불순물을 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 황(S)의 함량은 0.001 중량% 이하로 제어할 수 있다. 또한, 전로형 탈린로 등을 이용하여 인(P)의 함량을 0.02 중량% 이하로 제어할 수 있다. 이 외에도 종래에 알려진 다양한 공정 등을 통해 불순물의 함량을 제어할 수 있다.

도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전로에서의 탄소 성분 제어방법을 모식적으로 나타낸 순서도이다. 도 2를 참조하면, 용강 내 탄소 성분의 함량을 일정 수준(0.5~1.2 중량%)로 조절하는 단계를 수행할 수 있다. 그런 다음, 탄소 성분이 제어된 용강을 전로에서 출강하기 2~3분 전에 슬래그 상부에 코크스를 투입한다. 그런 다음, 용강을 전로에서 출강하기 직전에 슬래그 상부에 Ca-Si 럼프 물질을 투입하는 단계를 거친다. 전로에서 출강된 용강은 수강레이들로 옮겨져 후속 공정으로 이동한다.

또한, 본 발명은 앞서 설명한 전로에서의 탄소 성분 제어방법을 포함하는 철강 생산방법을 제공한다. 예를 들어, 제조된 철강 제품의 탄소 성분의 함량은, 용강 전체 100 중량을 기준으로, 0.5 내지 1.2 중량부, 또는 0.6 내지 1 중량부일 수 있다. 상기 범위의 탄소 성분을 함유하는 용강은 고탄소강으로 제품화될 수 있다. 고탄소강은, 예를 들어, 엔진밸브용 스프링, 타이어코드, 베어링강 등을 활용 가능하다. 상기 철강 내 탄소 성분의 함량은 제조하고자 하는 강종에 따라 적절한 범위로 조절될 수 있으며, 이는 모두 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석될 것이다.

본 발명에서 “코크스”는 탄소질의 고체 연료를 총칭하는 의미이며, 그 성분의 구체적인 함량이 특별히 제한되는 것은 아니다. 제철소의 고로 등에서 철광석 환원제로 사용되는 코크스 물질을 포함한다.

상기 “Ca-Si 럼프 물질”이란, 칼슘 및 규소 성분을 포함하는 덩어리 상태를 총칭하는 의미이다. 예를 들어, 상기 Ca-Si 럼프 물질은, 칼슘과 규소 성분이 혼합되어 덩어리를 형성하는 구조일 수 있다.

또한, 본 발명에서 사용되는 중량부는, 각 성분간 중량 비율을 의미한다.

이하, 실시예 등을 통해 본 발명을 더욱 상술하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.

실시예

100 톤급 전로를 이용하여 전로 조업 말기에 탄소 성분을, 용강 100 중량부를 기준으로, 0.7 내지 0.8 중량부 수준으로 제어하였다. 출강 2 분 전에 전로 상부를 통해 25 mm 이상의 입자크기를 갖는 괴코크스 90 내지 110 kg을 일괄 투입하였다. 그런 다음, 출강 직전에 전로 상부를 통해 20 mm 이상의 입자 크기를 갖는 Ca-Si 럼프 물질 160 내지 170 kg을 일괄 투입하였다.

비교예

실시예와 비교하여 코크스를 투입하지 않았다는 점을 제외하고는 동일한 과정을 수행하였다.

실험예

실시예 및 비교예에서, 용강의 출강전과 출강 종료후를 비교하여 탄소 성분의 손실량을 각각 측정하였다. 측정된 결과는 도 3 및 표 1에 기재하였다. 도 3에서 가로축은 탄소 성분 손실량(중량%)을 의미하고, 세로축은 측정된 값이 각 구간에 해당된 횟수를 의미한다.

	실시예	비교예
평균 탄소손실량(중량%)	0.013	0.057
탄소손실 최소값(중량%)	0	0.035
탄소손실 최대값(중량%)	0.03	0.085

도 3 및 표 1을 함께 참조하면, 코크스를 투입한 실시예의 경우에는 출강 전과 후를 비교하여 용강 중 탄소 성분 손실량이 평균 0.013 중량%이고, 0 ~ 0.03 중량%에 걸쳐 나타났다. 이에 대해, 코크스를 투입하지 않은 비교예의 경우에는 탄소 성분 손실량이 평균 0.057 중량% 이고, 그 범위는 0.035 ~ 0.085 중량% 범위에서 나타났다.

이를 통해, 본 발명에 따른 전로에서의 탄소성분 제어방법은 용강 중 탄소 성분의 손실을 효과적으로 방지할 수 있음을 확인하였다.

10: 전로 20: 수강레이들
30: 용강 40: 슬래그
50: CO 가스

Claims (12)

1. 고탄소강 제조시 전로에서 용강을 출강하기 전에,
   전로에서 용강 출강전 100초 내지 300초 범위에서, 코크스를 용강 1 톤당 0.5 내지 2 kg의 양으로 투입하는 슬래그에 투입하는 공정; 및
   코크스가 투입된 슬래그에, 전로에서 용강 출강전 100초 미만의 시간 내에, Ca-Si 럼프 물질을 용강 1 톤당 0.1 내지 3 kg의 양으로 투입하는 공정을 수행하는 것을 포함하는 전로에서의 탄소 성분 제어방법.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제 1 항에 있어서,
   코크스는 탄소 성분의 함량이, 코크스 전체 100 중량부를 기준으로, 86 중량부 이상이고, 황 성분의 함량이 0.65 중량부 이하인 전로에서의 탄소 성분 제어방법.
5. 제 1 항에 있어서,
   코크스의 입자 크기는 20 mm 이상인 전로에서의 탄소 성분 제어방법.
6. 삭제
7. 삭제
8. 제 1 항에 있어서,
   Ca-Si 럼프 물질은, Ca-Si 럼프 물질 전체 100 중량부를 기준으로, 칼슘 10 내지 15 중량부; 규소 40 내지 45 중량부; 및 철 40 내지 45 중량부를 포함하는 전로에서의 탄소 성분 제어 방법.
9. 제 1 항에 있어서,
   Ca-Si 럼프 물질의 평균 입경은 15 mm 이상인 전로에서의 탄소 성분 제어방법.
10. 제 1 항에 있어서,
    코크스를 투입하는 공정 전에,
    용강의 탄소 함량을, 용강 전체 100 중량을 기준으로, 0.5 내지 1.2 중량부로 조절하는 공정을 포함하는 전로에서의 탄소 성분 제어방법.
11. 삭제
12. 삭제

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