KR101388062B1 - 용강 내 수소농도 예측 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 용강 중 수소농도 예측 방법에 관한 것으로, 전로 출강 중에 사용되는 가탄제, 망간(M.Mn), 생석회 및 진정재의 투입량(ton)과 용강을 출강하는 시간(min)을 이용하여 하기 관계식에 의해 수소발생지수(HPI)를 산출하여 용강 중 수소농도를 예측할 수 있다.
관계식

여기서, a는 6.4 내지 7.5 사이의 상수값이고, b1은 1.35 내지 1.66 사이의 계수값이고, b2는 0.76 내지 0.95 사이의 계수값이고, b3은 0.27 내지 0.33 사이의 계수값이고, b4는 0.18 내지 0.22 사이의 계수값이며, c는 0.28 내지 0.34 사이의 계수값임.

Description

용강 내 수소농도 예측 방법{METHOD FOR PREDICTING CONCENTRATION OF HYDROGEN IN MOLTEN METAL}

본 발명은 수소농도 예측에 관한 것으로, 특히 전로 출강 후의 용강 중 수소농도를 예측하기 위한 용강 내 수소농도 예측 방법에 관한 것이다.

철광석을 원재료로 하여 최종 제품으로 강을 제조하는 제강 공정은 철광석을 고로에서 용해하는 제선 공정으로부터 시작된다. 철광석을 용해한 형태인 용강에 탈황 등의 예비처리 공정을 수행하여 용강을 제조한다. 이와 같이 제조된 용강은 불순물을 제거하는 1차 정련 공정과 1차 정련된 용강 내 성분을 다시 미세하게 조정하는 2차 정련 과정을 거쳐 성분 조정이 완료된다. 2차 정련이 완료된 용강은 연속주조 공정으로 이동되고, 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 미세조정과 탈황작업을 하는 기구를 래들로(Ladle Furnace)라고 한다. 래들로에서는 부원료를 첨가하고 Ar 버블링(bubbling) 한 후, 아크 가열하여 탈산, 탈황에 적당하도록 용강 성분을 조정하는 2차 정련이 이루어진다.

전로에서는 용강내 인과 탄소, 및 산소 성분 등을 목표 성분으로 제어하여 후속 공정인 탈가스 공정 등을 진행한다. 관련된 선행기술로는 한국등록특허 제10-0949724호(등록일: 2010. 03. 19, 명칭: 저황 중고 탄소강의 수소저감 용강정련법)가 있다.

본 발명은 전로 출강 직후의 용강 중 수소농도를 예측함에 따라 진공탈가스 공정을 처리하지 않는 강종 생산시에 수소농도에 의한 주조 불안을 원천적으로 방지할 수 있는 용강 내 수소농도 예측 방법을 제공하는 것이다.

상기한 과제를 실현하기 위한 본 발명의 용강내 수소농도 예측 방법은, 전로 출강 중에 사용되는 가탄제, 망간(M.Mn), 생석회 및 진정재의 투입량(ton)과 용강을 출강하는 시간(min)을 이용하여 하기 관계식에 의해 수소발생지수(HPI)를 산출하여 용강 중 수소농도를 예측할 수 있다.

관계식

여기서, a는 6.4 내지 7.5 사이의 상수값이고, b1은 1.35 내지 1.66 사이의 계수값이고, b2는 0.76 내지 0.95 사이의 계수값이고, b3은 0.27 내지 0.33 사이의 계수값이고, b4는 0.18 내지 0.22 사이의 계수값이며, c는 0.28 내지 0.34 사이의 계수값임.

상기 수소발생지수(HPI)가 설정된 기준값을 초과할 경우, 출강된 용강을 진공탈가스 공정을 통해 용강 중 수소농도를 저감시키게 된다.

상기 기준값은 용강 중 수소농도가 8ppm을 초과할 확률이 30%를 초과하는 값으로 설정될 수 있는 데, 바람직하게는 상기 기준값은 '8'일 수 있다.

상기와 같이 구성되는 본 발명에서는 용강 중의 수소농도를 출강 작업 직후에 예측할 수 있으며, 특히 진공탈가스 공정을 처리하지 않는 강종 생산시에 수소농도에 의한 주조 불안 및 사고를 예방할 수 있는 이점이 있다.

도 1은 본 발명과 관련된 제강 공정 중 전로 공정을 간략하게 나타낸 개념도이다.
도 2는 대기와 슬래그 및 용강의 수소 이동을 설명하기 위해 나타낸 도면이다.
도 3은 전로 출강시의 부원료 및 합금철 투입을 설명하기 위해 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명에 의한 수소발생지수에 따른 수소농도 발생 확률을 설명하기 위해 나타낸 그래프이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 용강 내 수소 저감 방법에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 본 명세서에서는 서로 다른 실시예라도 동일·유사한 구성에 대해서는 동일·유사한 참조번호를 부여하고, 그 설명은 처음 설명으로 갈음한다.

도 1은 본 발명과 관련된 제강 공정 중 전로 공정을 간략하게 나타낸 개념도이다.

도면을 참조하면, 일반적으로 전로(10)는 예비처리가 완료된 용강(M)을 받아 수용하여 용강 내의 일정 원소의 함량을 조절하는 작업을 수행하여 출강하기 위해 사용되는 것이다. 정련이 완료된 용강(M)은 출강구(11)를 통해 출강하게 된다.

전로(10)에 용강(M)이 장입되면 기울어져 있던 전로(10)를 똑바로 세운 후 상부에서 가스를 취입할 수 있는 랜스(20)를 전로(10) 내부로 삽입하여 장입된 용강(M)의 상부로 가스를 불어넣게 된다. 이때 전로(10)의 하부에도 가스를 취입할 수 있는 저취 풍구가 설치될 수 있다.

저취의 목적은 용강(M), 즉 전로(10)의 상부에서는 랜스(20)를 통해 가스를 용강의 상부에 불어넣고, 전로(10)의 하부 즉 장입된 용강(M)의 바닥에서는 가스 저취 풍구를 통해 아르곤가스가 용강 내로 취입한다. 용강(M) 내 가스 취입을 통해 용강을 교반하면서 상부에서 부원료를 투입하여 용강(M) 내 정련 반응을 최대한 촉진할 수 있다. 이와 같이 산소 및 아르곤가스와 부원료의 투입으로 인해 정련된 용강(M)의 상부에는 슬래그가 형성되며, 이 슬래그를 배제한 후 후속 공정을 위해 용강(M)을 출강구(11)로 출탕하고 이송시키게 된다.

이때, 전로에서 출강되는 용강 중 수소농도는 연주공정에서 주조성에 영향을 주거나 제품의 크랙 불량과 관계가 깊다. 즉, 용강(M) 내에 수소농도가 높을 경우, 연속주조 공정에서 몰드 플럭스의 결정화를 유발하게 된다. 몰드 플럭스는 몰드 내의 미응고 용강(M)과 몰드 벽 사이의 마찰을 줄여주는 역할을 수행한다. 이러한 몰드 플럭스가 결정화되면 몰드 플럭스와 미응고 용강 사이의 마찰력이 커지면서, 몰드 벽과 접촉하는 부분에 위치한 냉각된 용강(M)의 응고쉘이 개구되어 내부의 용강(M)이 몰드 내로 누설되는 브레이크 아웃이 발생될 수 있다. 또한, 용강 중 수소농도가 높아지면 용강의 탕면을 요동치게 하여 주조 작업을 불안하게 만들 수 있고, 강의 응고 과정에서 내부 크랙의 원인이 되기도 한다. 따라서 용강 중 수소는 제거되어야 하는 대상이다.

하지만, 수소는 도 2와 같이 대기 중의 수증기 및 제조 중 슬래그 진정재와 생석회와 같은 부원료, 가탄제와 M.Mn(Mn Metal)과 같은 합금철 등에 의해 용강 중에 혼입될 수 있다. 슬래그 중의 수소농도는 H₂O 분압에만 의존하며, 수소 단독으로 고착되는 것이 아니라 (OH-) 이온 상태로 고정된다.

그리고, 하기 표 1과 같이 수소 이동은 대기에서 슬래그층으로 이동되는 경우와 슬래그에서 용강으로 이동되는 경우가 있다. 수소가 대기에서 슬래그층으로 이동되는 경우는 대기 중 수증기압이 높을 경우와 슬래그 중 산소 활동도가 높을 경우 및 슬래그 염기도가 높을 경우가 있으며, 수소가 슬래그에서 용강으로 이동되는 경우는 용강 용존 산소가 낮을 경우와 유출 슬래그량이 많을 경우이다.

표 1

이와 같은 용강 중에 함유된 수소를 제거하기 위해서는 제강의 전로에서 나온 용강을 이차 정련 공정 중 진공탈가스(RH or VD) 공정을 거쳐야 한다.

그러나, 전로에서 작업하는 방법이나 사용하는 합금철, 부원료에 따라 용강 중 수소농도의 편차가 크게 나타나며, 진공 설비를 이용한 탈가스 처리는 수소 제거에는 효과적이나 추가의 비용과 시간이 필요한 것이다. 그리고, 실제 공정에서 모든 용강(M)을 탈가스 처리하기에는 생산 효율이나 공정 스케줄 등의 문제로 인해 불가능한 경우가 많다.

일반적으로 전로 정련에서는 도 1에 도시한 바와 같이, 전로에 용선과 스크랩을 함께 장입하여 용강 내의 인, 탄소, 산소 성분을 한번에 목표치까지 제어한다. 이후 이와 같이 성분 제어된 용강을 출강하여, LF(Ladle Furnace)로 보낸 뒤 2차정련하고 마지막으로, 진공탈가스(RH or VD) 공정으로 이동시켜 용강 내 수소농도를 제어하게 된다.

이와 같이 탈가스 공정으로 용강을 보내는 전로 정련에는 용강 내 인, 탄소, 산소 성분을 목표치만큼 한번에 제어하기 때문에 다량의 슬래그가 발생하게 되고, 이로 인해 슬로핑 발생의 위험이 높아질 수 있다. 또한, 전로 정련시 인, 탄소, 산소 성분을 한번에 목표치로 제어하게 되면, 이에 사용되는 산소의 양이 많기 때문에 전로 종점에서 용강 내 산소 농도가 높아지게 되고, 이에 따라 용강 내 탄소 성분 함량은 상대적으로 감소하게 된다.

이러한 이유로 도 3과 같이, 전로 정련을 하게 되면 전로 종점에서 다량의 진정재, 가탄제 및 탈산제가 투입되어야 한다. 슬래그 진정재는 소정의 휘발 성분을 포함하고 있는 물질로서, 전로(10) 내에서 슬래그 포밍(Slag Forming) 현상이 발생하는 것을 방지하기 위하여 투입되는 첨가제이다. 일반적으로 슬래그 진정재는 알루미늄 드로스, 코크스, 쌀겨, 제지슬러지 등이 사용되고 있으며, 이를 압출 성형하는 등 분체로 만들어 사용하기도 한다. 슬래그 진정재는 내부에 존재하는 휘발 성분으로 인하여 슬래그 내에 첨가되었을 때 슬래그에 기포를 형성시킨다. 이러한 기포는 용강(M)에서 발생한 가스가 슬래그를 뚫고 외부로 배출될 수 있는 통로 역할을 함으로써, 슬래그 포밍 현상을 방지하여 줄 수 있다.

또한, 전로 정련 종점에서 용강 내 산소 함량이 높기 때문에 탈산을 위한 탈산제(Al 탈산제 등)가 다량 투입되어야 하고, 용강 내 탄소 농도가 낮아 가탄제와 M.Mn과 같은 합금철을 다량으로 투입해야 한다. 물론, 합금철은 목적하는 합금의 종류에 따라 필요한 원소를 함유하는 합금철이 사용될 수도 있다.

뿐만 아니라, 전로 정련 이후 2차 정련을 하기 위해서는 용강의 염기도를 일정 수준으로 유지해야 한다. 2차 정련에서 염기도는 CaO(중량%)/Al₂O₃(중량%)로 정의된다. 이와 같이 정의되는 2차 정련 시 염기도를 확보하기 위해서는 다량의 생석회가 투입되어야 한다. 구체적으로 설명하면, 전로 정련에서 용강 내로 탈산제를 다량 첨가하게 되면 생성되는 Al₂O₃의 함량이 증가할 것이고, 이에 따라 2차 정련으로 용강을 이송하면서 염기도를 맞추기 위해 다량의 생석회(CaO)가 투입되어야 할 것이다.

상술한 바와 같이 전로 정련시 투입되는 슬래그 진정재, 가탄제, 망간(M.Mn) 및 생석회에는 수분이 포함되어 있으며, 이에 따라 부원료의 투입량이 많아지면 수분 내의 수소(H)가 용강 내로 흡수되어 용강 내 수소농도가 높아질 수가 있다.

예컨대, 생석회의 경우 1톤을 투입함에 따라 용강 내 수소농도가 1ppm 증가될 수 있고, 가탄제 300kg 투입 당 용강 내 수소농도가 1ppm, 진정재 450kg 투입 당 용강 내 수소농도가 1ppm씩 증가될 수 있다. 뿐만 아니라, 표 1에서 나타낸 바와 같이 다양한 요인에 따라 용강 중 수소농도가 증가될 수 있다.

이와 같이 본 발명에서는 전로 출강 중에 사용되는 가탄제, 망간(M.Mn), 생석회 및 진정재의 투입량(ton)과 용강을 수강래들(30)로 출강하는 시간(min)을 이용하여 하기 관계식 1에 의해 수소가능지수(HPI)를 산출하여 용강 중 수소농도를 예측하고자 한다. 본 발명에서는 용강 중 수소농도에 영향을 주는 주요 인자별 영향도를 검출하기 위하여 다중 선형 회귀법을 이용하였다.

관계식 1

여기서, a는 6.4 내지 7.5 사이의 상수값이고, b1은 1.35 내지 1.66 사이의 계수값이고, b2는 0.76 내지 0.95 사이의 계수값이고, b3은 0.27 내지 0.33 사이의 계수값이고, b4는 0.18 내지 0.22 사이의 계수값이며, c는 0.28 내지 0.34 사이의 계수값이다.

상기 계수값들은 바람직하게는, a는 6.9이고, b1은 1.51이고, b2는 0.86이고, b3은 0.3이고, b4는 0.2이며, c는 0.31이다.

관계식 1에 나타낸 바와 같이 수소발생지수(HPI)에는 가탄제의 투입량이 가장 큰 영향을 미치고, 그다음으로 생석회와 M.Mn 및 진정재의 투입량이다. 전로(10)의 출강시간의 경우 일반적으로 3분 내지 8분 정도가 소요되는 데, 출강시간이 길수록 수소발생지수가 낮아지게 된다. 이는 출강시간이 길수록 출강시에 슬래그가 수강래들(30)로 유출될 가능성이 낮아지기 때문이다.

상기에서 예측된 수소발생지수를 미리 설정된 기준값과 비교하여 기준값을 초과할 경우에는 출강된 용강을 진공탈가스 공정을 통해 용강 중 수소농도를 저감시키는 공정을 실시할 수 있다. 여기서, 기준값은 '8'일 수 있는 데, 기준값은 용강 중 수소농도가 8ppm을 초과할 확률이 30%를 초과하는 값으로 설정되는 것이 바람직하다.

도 4에 도시된 바와 같이 수소발생지수가 4 내지 5에서는 용강 중 수소농도가 8ppm이상 발생될 확률이 0%이며, 수소발생지수가 5 내지 6에서는 수소농도가 8ppm이상 발생될 확률이 1.9% 정도이며, 수소발생지수가 6 내지 7에서는 수소농도가 8ppm이상 발생될 확률이 6% 정도이며, 수소발생지수가 8에서는 용강 중 수소농도가 8ppm이상 발생될 확률이 35.2% 정도로 급증하는 것으로 나타났다. 따라서, 수소발생지수가 8을 초과할 경우에는 용강 중 수소농도가 8ppm을 초과할 가능성이 높으므로, 진공탈가스(RH 또는 VD) 공정을 통해 용강 중 수소농도를 저감시키는 것이 바람직하다.

만일, 수소발생지수가 8미만에서는 수소 8ppm이상 발생될 확률이 6%이하이므로, 진공탈가스 공정을 실시하지 않고 래들로(LF) 공정을 통해 용강을 처리하는 것도 무방하다.

이와 같이 본 발명에서는 용강 중의 수소농도를 전로 출강 직후에 예측할 수 있으며, 특히 진공탈가스 공정을 처리하지 않는 강종 생산시에 수소농도에 의한 주조 불안 및 사고를 예방할 수 있다.

상기와 같은 용강 내 수소농도 예측법은 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.

10: 전로 11: 출강구
20: 랜스 30: 수강래들

Claims (4)

1. 전로 출강 중에 사용되는 가탄제, 망간(M.Mn), 생석회 및 진정재의 투입량(ton)과 용강을 출강하는 시간(min)을 이용하여 하기 관계식에 의해 수소발생지수(HPI)를 산출하여 용강 중 수소농도를 예측하는, 용강 내 수소농도 예측 방법.
   관계식
   

   

   
   여기서, a는 6.4 내지 7.5 사이의 상수값이고, b1은 1.35 내지 1.66 사이의 계수값이고, b2는 0.76 내지 0.95 사이의 계수값이고, b3은 0.27 내지 0.33 사이의 계수값이고, b4는 0.18 내지 0.22 사이의 계수값이며, c는 0.28 내지 0.34 사이의 계수값임.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 수소발생지수(HPI)가 설정된 기준값을 초과할 경우, 출강된 용강을 진공탈가스 공정을 통해 용강 중 수소농도를 저감시키는, 용강 내 수소농도 예측 방법.
   
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 기준값은 '8'인 것인 용강 내 수소농도 예측 방법.
   
4. 삭제

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