KR101729191B1 - 복합상취 정련을 이용한 저탄소 망간계 합금철 제조방법 - Google Patents

복합상취 정련을 이용한 저탄소 망간계 합금철 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 의한 복합상취 정련을 이용한 저탄소 망간계 합금철 제조방법은, 전로본체에 고탄소 망간계 합금철 용강을 장입하는 장입단계; 상기 용강의 상부면을 향해 산소로 이루어진 제1 상취가스를 상취하며, 상기 용강의 내부에서 횡방향으로 산소와 불활성기체의 혼합가스로 이루어진 제1 횡취가스를 횡취하는 제1 탈탄단계; 및 탄소 임계점으로부터 산소와 불활성기체의 혼합가스로 이루어진 제2 상취가스를 상기 용강의 상부면을 향해 상취하며, 산소와 불활성기체의 혼합가스로 이루어진 제2 횡취가스를 상기 용강의 내부에서 횡방향으로 횡취하는 제2 탈탄단계를 포함하되, 상기 탄소 임계점은 상기 용강 탈탄속도의 2차 미분값이 음수로 전환되는 지점이며, 상기 제2 탈탄단계에서는 하기의 식 1에 의해 산출되는 산소요구량(WO)에 따라 제2 상취가스 및 제2 횡취가스를 취입한다.

Description

복합상취 정련을 이용한 저탄소 망간계 합금철 제조방법{Manufacturing method for low-carbon manganese ferroalloy using complex top blowing of refining converter}
본 발명은 복합상취 정련을 이용한 저탄소 망간계 합금철의 제조방법에 관한 것이며, 상세하게는 고탄소 망간계 합금철로부터 복합상취 정련을 이용하여 효과적으로 저탄소 망간계 합금철을 제조할 수 있는 제조방법에 관한 것이다.
중저탄소 망간계 합금철을 제조하는 제조방법에는 실리사이드(siliside)법과 전로법이 있다. 실리사이드법은 망간광석, 규석, 조재제 및 환원제로서 탄재를 전기로에 장입하고 환원정련을 행하여 실리콘망간 합금 용탕을 제조한다. 제조된 실리콘망간 합금 용탕을 별도의 전기로로 옮긴 후 망간광석을 투입하며, 망간의 환원 및 실리콘의 재산화를 통해 중저탄소 망간계 합금철을 제조한다. 전로법은 용융된 고탄소 망간계 합금철에 산소를 불어넣어 용탕중의 탄소와 산소간의 탈탄반응을 통해 중저탄소 망간계 합금철을 제조한다. 전로법은 용탕의 상부에서 산소를 불어넣는 상부랜스 및 용탕의 하부측에서 산소를 불어넣는 튜이어를 이용하여 용탕을 유통시킴과 통시에 탈탄시킨다.
대한민국 특허공개공보 제10-2013-0078936호 (2013.07.10. 공개)
본 발명은 고탄소 망간계 합금철로부터 복합상취 정련을 이용하여 효과적으로 저탄소 망간계 합금철을 제조할 수 있는 제조방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적들은 다음의 상세한 설명과 도면으로부터 보다 명확해질 것이다.
본 발명의 일 실시예에 의한 복합상취 정련을 이용한 저탄소 망간계 합금철 제조방법은, 전로본체에 고탄소 망간계 합금철 용강을 장입하는 장입단계; 상기 용강의 상부면을 향해 산소로 이루어진 제1 상취가스를 상취하며, 상기 용강의 내부에서 횡방향으로 산소와 불활성기체의 혼합가스로 이루어진 제1 횡취가스를 횡취하는 제1 탈탄단계; 및 탄소 임계점으로부터 산소와 불활성기체의 혼합가스로 이루어진 제2 상취가스를 상기 용강의 상부면을 향해 상취하며, 산소와 불활성기체의 혼합가스로 이루어진 제2 횡취가스를 상기 용강의 내부에서 횡방향으로 횡취하는 제2 탈탄단계를 포함하되, 상기 탄소 임계점은 상기 용강 탈탄속도의 미분값이 음수로 전환되는 지점이며, 상기 제2 탈탄단계에서는 하기의 식 1에 의해 산출되는 산소요구량(WO)에 따라 제2 상취가스 및 제2 횡취가스를 취입한다.
<식 1>
WO = {(WCT-WCC)/12}*16/EO
식 1에서, WO는 산소요구량(g), WCT는 용탕 내에 포함된 총 탄소량(g), WCC는 탄소 임계점까지 제거된 탄소량(g), EO는 산소효율을 의미한다.
상기 식 1의 산소효율(E0)은 0.75 ~ 0.85일 수 있다.
상기 불활성 기체는 아르곤가스(Ar) 및 질소가스(N2)를 포함하는 군으로부터 선택된 어느 하나일 수 있다.
상기 제2 상취가스는 산소와 불활성기체의 혼합 비율이 1: 0.05 ~ 1.5일 수 있다.
상기 제2 상취가스는 난류로 형성되어 상취될 수 있다.
상기 제2 상취가스는 레이놀드 넘버(Raynold Number)가 2100 이상일 수 있다.
상기 제2 탈탄단계는, 상기 제2 상취가스의 유량이 상기 제1 탈탄단계에서의 상기 제1 상취가스 유량을 유지하도록 상취할 수 있다.
상기 제1 및 제2 상취가스의 유량은 2000 ~ 2400 Nm3/hr일 수 있다.
상기 제2 탈탄단계에서의 전로본체 내의 CO 기체 분압은 0.550 ~ 0.778일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 복합상취 정련을 이용한 저탄소 망간계 합금철의 제조장치는, 용탕을 수용 가능한 공간이 내부에 형성된 전로본체; 상기 전로본체의 하부측 측벽에 배치되어 상기 공간에 수용된 용탕 내부에서 횡방향으로 횡취가스를 횡취가능한 튜이어유닛; 상기 공간에 수용된 용탕의 상부면을 향해 상취가스를 상취하되, 산소로 이루어지는 제1 상취가스 및 산소와 불활성기체의 혼합가스로 이루어진 제2 상취가스 중 선택적으로 상취가스를 상취하는 랜스유닛; 및 상기 랜스유닛에 전기적으로 연결되어 상기 랜스유닛을 제어하는 제어부를 포함한다.
상기 랜스유닛은, 산소가 공급되는 산소공급관; 상기 산소공급관에 연결되어 상기 산소공급관에 불활성기체를 공급하는 불활성기체공급관; 및 상기 불활성기체공급관의 선단에 연결되어 상기 산소공급관의 내부에 배치되며, 복수의 분사홀이 형성되어 상기 제2 상취가스를 난류로 형성하는 디퓨져부재를 포함할 수 있다.
상기 랜스유닛으로부터 상취되는 제2 상취가스는 레이놀드 넘버(Raynold Number)가 2100 이상일 수 있다.
상기 랜스유닛은, 상기 산소공급관 상에 배치되어 상기 상취가스의 산소량을 조절하는 산소밸브부재; 및 상기 불활성기체공급관 상에 배치되어 상기 상취가스의 불활성기체량을 조절하는 불활성기체밸브부재를 더 포함하고, 상기 튜이어유닛은, 상기 횡취가스의 공급량 및 횡취가스의 혼합비를 조절하는 횡취가스밸브부재를 포함하며, 상기 제어부는 상기 산소밸브부재, 상기 불활성기체밸브부재 및 상기 횡취가스밸브부재를 제어할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 제1 상취가스를 상취하는 상기 랜스유닛이 탄소 임계점으로부터 제2 상취가스를 상취하도록 상기 랜스유닛을 제어하되, 상기 탄소 임계점은 상기 용강 탈탄속도의 미분값이 음수로 전환되는 지점일 수 있다.
상기 제어부는, 상기 탄소 임계점으로부터 상기 전로본체 내에 공급되는 산소량이 하기 식 1의 산소요구량(WO)을 만족하도록 상기 랜스유닛 및 상기 튜이어유닛을 제어할 수 있다.
<식 1>
WO = {(WCT-WCC)/12}*16/EO
식 1에서, WO는 산소요구량(g), WCT는 용탕 내에 포함된 총 탄소량(g), WCC는 탄소 임계점까지 제거된 탄소량(g), EO는 산소효율을 의미한다.
상기 식 1의 산소효율(EO)은 0.75 ~ 0.85일 수 있다.
상기 불활성기체는 아르곤가스(Ar) 및 질소가스(N2)를 포함하는 군으로부터 선택된 어느 하나일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 복합상취 정련을 이용한 저탄소 망간계 합금철 제조방법의 효과를 설명하면 다음과 같다.
망간계 함금철의 정련과정에 있어서, 산소(O2) 및 산소(O2)와 불활성기체가 혼합된 상취가스를 단계적으로 취입함으로서 최종제품의 망간(Mn) 손실율을 최소화할 수 있다. 또한, 상취가스의 단계적 취입에 있어서 상취유속의 변화 없이 최대유속으로 취입하고, 상취가스를 난류로 형성하여 취입함으로서 탈탄효율을 극대화할 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 의한 복합상취 정련을 이용한 저탄소 망간계 합금철 제조방법은 고품질의 저탄소 망간계 합금철을 생산할 수 있으며, 제조 단가를 효과적으로 절감할 수 있다.
도 1은 저탄소 망간계 합금철을 제조하는 전로의 일 예를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 복합상취 정련을 이용한 저탄소 망간계 합금철 제조장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 복합상취 정련을 이용한 저탄소 망간계 합금철 제조방법을 개략적으로 나타낸 플로우 차트이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 복합상취 정련을 이용한 저탄소 망간계 합금철 제조장치의 동작을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 6은 탈탄속도와 탈망간속도를 나타낸 그래프이다.
도 7은 디퓨져부재를 개략적으로 도시한 도면이다.
본 발명은 복합상취 정련을 이용한 저탄소 망간계 합금철 제조방법에 관한 것으로, 이하에 첨부된 도면을 이용하여 본 발명의 실시예들을 설명하고자 한다. 본 발명의 실시예들은 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 설명하는 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 안된다. 본 실시예들은 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자에게 본 발명을 더욱 상세하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다. 따라서, 도면에 나타난 각 요소의 형상은 보다 분명한 설명을 강조하기 위하여 과장될 수 있다. 또한, 이하에 언급되는 연결은 두 개의 구성요소가 직접적으로 연결되는 경우뿐만 아니라, 다른 매개체를 통해 간접적으로 연결되는 경우도 포함하는 것으로 해석되어야 한다.
도 1은 저탄소 망간계 합금철을 제조하는 전로장치의 일 예를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이 망간계 합금철의 정련작업을 수행하는 전로장치(1)는 내부에 공간(6)이 형성된 전로본체(2)를 구비하며, 전로본체(2)의 공간(6)에는 망간계 합금철 용탕(5)이 수용된다. 전로본체(2)의 하부측에는 용탕(5) 내부에서 횡방향으로 횡취가스를 횡취하는 튜이어(4)가 배치되며, 전로본체(2)의 상부측에는 용탕(5)의 상부면을 향해 상취가스를 상취하는 상부랜스(3)가 배치된다. 튜이어(4) 및 상부랜스(3)는 산소(O2)를 횡취 및 상취하며, 이에 따라 망간계 합금철 용탕(5)의 탈탄반응이 진행된다.
일반적으로, 상부랜스(3)를 통해서 산소(O2)가 공급되며, 튜이어(4)를 통해서는 산소(O2) 및 질소(N2)의 혼합가스 또는 산소(O2)와 아르곤(Ar)의 혼합가스가 공급된다. 상취 및 횡취작업에 의해 전로본체(2)에 수용된 망간계 합금철 용탕(5)은 적절히 유동하며, 공급된 산소에 의해 용탕(5) 내의 탄소(C)가 제거된다.
위와 같은 전로장치(1)를 이용하여 저탄소 망간계 합금철을 제조하는 경우, 다음과 같은 기술적 난점이 존재한다. 상부랜스(3)는 산소(O2)를 지속적으로 공급하여 탈탄작업을 수행하므로, 정련 작업의 후반부에 과량의 산소(O2) 취입에 의한 망간(Mn)의 증발 손실이 발생한다. 또한, 상부랜스(3)에서 공급된 산소(O2)와 용탕(5) 상부면이 직접 맞닿는 부위에서는 산화반응에 의해 급격한 온도 상승이 발생한다. 용탕(5) 상부면의 급격한 온도 상승 따라 망간(Mn)의 증기압이 증가되며, 망간(Mn)의 증발이 촉발된다. 따라서, 정련된 망간계 합금철은 망간(Mn) 함량이 하락하고, 실수율이 저하되는 문제점이 발생한다. 정련 작업에서 망간(Mn)의 증발 손실이 필연적으로 발생하므로, 고품위의 망간광석의 수급이 불안정해 질 경우 일정한 함량 이상의 망간(Mn)을 포함하는 망간계 합금철의 생산이 어려워진다. 따라서, 고품위 망간광석의 수급 불안정시 수요자의 요구에 부응하기 어려워지는 난점이 존재한다. 또한, 정련과정에서의 망간(Mn) 손실을 최소화하기 위하여 상부랜스(3)에서 공급되는 산소(O2)의 유량을 감소시키는 경우, 용탕(5)의 교반력이 약화되어 탈탄효율이 하락하는 문제점이 존재한다.
도 2는 본 발명의 복합상취 정련을 이용한 저탄소 망간계 합금철 제조장치를 개략적으로 나타낸 도면이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 복합상취 정련을 이용한 저탄소 망간계 합금철 제조방법을 개략적으로 나타낸 플로우 차트이다. 도 4 및 도 5는 본 발명의 복합상취 정련을 이용한 저탄소 망간계 합금철 제조장치의 구동을 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 7은 본 발명의 디퓨져부재를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 복합상취 정련을 이용한 저탄소 망간계 합금철 제조장치(10)는 공간(110)이 형성되어 용탕(5)을 수용 가능한 전로본체(100), 전로본체(100)의 측벽에 배치되어 공간(110)에 수용된 용탕(5)의 내부에서 횡방향으로 횡취가스를 횡취가능한 튜이어유닛(200), 용탕(5)의 상부면을 향해 상취가스를 상취가능한 랜스유닛(300), 랜스유닛(300)에 연결되어 상취가스의 혼합비 및 상취가스의 공급량을 제어하는 제어부(400)를 포함한다.
랜스유닛(300)은 산소(O2)가 공급되는 산소공급관(310) 및 산소공급관(310)에 불활성기체를 공급하는 불활성기체공급관(320)을 포함한다. 산소공급관(310) 및 불활성기체공급관(320) 상에는 각각 산소밸브부재(315) 및 불활성기체밸브부재(325)가 배치되며, 이들에 의해 상취가스의 산소(O2)량 및 불활성기체량이 조절된다. 튜이어유닛(200) 역시 산소(O2)가 공급되는 산소공급관(210) 및 불활성기체공급관(220)을 포함한다. 산소공급관(210) 및 불활성기체공급관(220) 상에는 각각 산소밸브부재(215) 및 불활성기체밸브부재(225)가 배치되며, 이들에 의해 횡취가스의 산소(O2)량 및 불활성기체량이 조절된다. 제어부(400)는 산소밸브부재(215, 315) 및 불활성기체밸브부재(225, 325)에 전기적으로 연결되어 이들을 제어한다. 상취가스 및 횡취가스로 공급되는 불활성기체는 아르곤가스(Ar) 또는 질소가스(N2)를 예로 들 수 있으나, 반드시 이들에 국한되는 것은 아니다.
도 7에 도시된 바와 같이, 디퓨져부재(300)는 불활성기체공급관(320)의 선단에 연결되며, 산소공급관(310)의 내부에는 디퓨져부재(330)가 배치된다. 디퓨져부재(330)에는 복수의 분사홀(335)이 형성되어 있으며, 분사홀(335)을 통해 불활성기체가 산소공급관(310) 내부로 공급된다. 디퓨져부재(330)에 의해 불활성기체와 산소(O2)는 난류(turbulent flow)를 형성하며 혼합되고, 난류로 형성된 상취가스가 랜스유닛(300)을 통해 상취된다.
상취가스는 산소(O2)로 이루어진 제1 상취가스 및 산소(O2)와 불활성기체의 혼합가스로 이루어진 제2 상취가스로 구분된다. 제어부(400)는 전로본체(100)에 장입된 용탕(5)을 향해 제1 상취가스를 상취하는 랜스유닛(300)이, 탄소 임계점을 임계로 제2 상취가스를 상취하도록 제어한다. 이상에서 본 발명의 복합상취 정련을 이용한 저탄소 망간계 합금철 제조장치(10)의 구성을 도면을 이용하여 설명하였으며, 이하의 복합상취 정련을 이용한 저탄소 망간계 합금철 제조방법에서 복합상취 정련을 이용한 저탄소 망간계 합금철 제조장치의 구체적인 동작을 상세히 설명하도록 한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 의한 저탄소 망간계 합금철 제조방법은 장입단계(S10), 제1 탈탄단계(S20), 제2 탈탄단계(S30) 및 출탕단계(S40)를 포함한다.
장입단계(S10)에서는, 고탄소 망간계 합금철 용탕(5)이 전로본체(100)에 형성된 공간(110)에 장입된다. 제1 탈탄단계(S20)에서는, 랜스유닛(300)을 통해 용탕(5)의 상부면에 상취가스가 상취되며, 튜이어유닛(200)을 통해 용탕(5)의 하부측 내부에 횡방향으로 횡취가스가 횡취된다. 제1 탈탄단계(S20)에서 불활성기체밸브부재(325)는 폐쇄되고 산소밸브부재(315)가 개방된 상태를 유지하므로, 랜스유닛(300)은 산소(O2)로 이루어진 제1 상취가스를 용탕의 상부면에 상취한다. 튜이어유닛(200)은 제1 탈탄단계(S20)에서 산소(O2)와 불활성기체가 혼합된 제1 횡취가스를 횡취한다. 제1 탈탄단계(S20)의 복합상취 정련을 이용한 저탄소 망간계 합금철 제조장치(10)의 동작은 도 4에 도시되어 있다.
도 6은 탈탄속도(dWC/dt)와 탈망간속도(dWMn/dt)를 나타낸 그래프이다.
도 6에 도시된 바와 같이 망간계 합금철의 탈탄과정은 세 구간으로 구분될 수 있다. 탈탄 1기(initial period)는 탈탄반응에 필요한 온도까지 승온하는 과정이며, 탈탄 2기(second period)는 가장 탈탄반응이 활발하게 이루어지는 구간이다. 탈탄 2기에서는 산소(O2)의 송산속도를 최대로 하는 것이 탈탄효율을 증대시키는 주요한 인자이다. 탈탄반응이 진행됨에 따라 용탄(5)내의 탄소 함량이 감소하게 되며, 일정 수준의 탄소 함량에 도달하게 되면 산소(O2)의 송산속도를 최대로 하여도 탈탄속도가 감소하게 된다. 이를 탄소 임계점이라 하며, 이때의 탄소 함량을 탄소 임계 함량이라 한다.
탄소 임계점은 탈탄속도의 미분값을 이용하여 도출한다. 탈탄속도(VC)는 아래의 식 2과 같으며, 탈탄속도(VC)의 미분값은 아래의 식 3과 같다.
<식 2>
VC = d(Wc)/dt
상기 식 2에서 Wc는 용탕 내의 탄소 중량을 의미한다.
<식 3>
d(Vc)/dt = d2(Wc)/dt2
도 6 및 식 3을 참고하면, 탄소 임계점은 탈탄속도의 미분값이 0에서 음수로 변화하는 지점을 의미하며, 이는 도 6에 C로 표시되어 있다.
탄소 임계점으로부터 제2 탈탄단계(S30)가 진행되며, 제어부(400)는 불활성기체밸브부재(325)를 개방하도록 제어한다. 즉, 불활성기체밸브부재(325)가 개방됨에 따라 산소(O2)와 불활성기체의 혼합가스로 이루어진 제2 상취가스가 상기 용탕(5)의 상부면을 향해 상취된다. 제2 탈탄단계(S20)의 복합상취 정련을 이용한 저탄소 망간계 합금철 제조장치(10)의 동작은 도 4에 도시되어 있다.
제어부(400)는 불활성기체밸브부재(325)를 개방하도록 제어함과 동시에 산소밸브부재(315)를 일부 폐쇄하도록 제어하여 제2 상취가스의 유량이 제1 상취가스의 유량을 유지하도록 한다. 제2 탈탄단계(S30)에서는 탄소 임계점 이후의 시점부터 용탕(5)의 잔여 탄소 탈탄에 필요한 산소(O2)량만을 취입하고, 줄어드는 산소(O2)량만큼 불활성기체를 혼합하여 취입하므로, 망간의 증기압을 낮추고 과잉 산소(O2) 공급을 억제하여 망간 증발 손실을 효과적으로 저감시킬 수 있다. 또한, 상취 유속을 최대로 유지하여 용탕(5)의 교반력을 증대시키므로, 탈탄 효율을 효과적으로 증대시킬 수 있다.
탈탄 효율 및 망간의 손실 방지를 위하여 상취 유량은 2000 ~ 2400 Nm3/hr인 것이 바람직하며, 더욱 바람직한 상취 유량은 2200 Nm3/hr이다. 제 2 탈탄단계(S30)의 제2 횡취가스의 유량은 100 ~ 300 Nm3/hr 수준으로 유지됨이 용탕(5)의 교반력 측면에서 바람직하다.
제2 탈탄단계(S30)에서 랜스유닛(300) 및 튜이어유닛(200)을 통해 전로본체(100)의 내부로 공급되는 산소(O2)량은 아래의 식 1에 의해 산출된다.
<식 1>
WO = {(WCT-WCC)/12}*16/EO
식 1에서, WO는 산소요구량(g), WCT는 용탕 내에 포함된 총 탄소량(g), WCC는 탄소 임계점까지 제거된 탄소량(g), EO는 산소효율을 의미한다. 산소효율(EO)는 공정효율을 고려한 상수로서, 0.75 ~ 0.85의 범위에서 선택된 상수이다.
제2 탈탄단계(S30)에서는 식 1에 의해 산출되는 산소요구량(WO)에 따라 제2 상취가스 및 제2 횡취가스가 공급된다. 즉, 제어부(400)는 제2 탈단단계(S30)에서 랜스유닛(300) 및 튜이어유닛(200)에 의해 공급되는 산소(O2)량이 상기 산소요구량(WO)을 충족하도록 산소밸브부재(215, 315) 및 불활성기체밸브부재(225, 325)를 제어한다.
정련 작업중인 전로본제(100) 내의 CO 기체 분압은 아래의 식 4에 의해 도출할 수 있다.
<식 4>
PCO = wt%CO / (wt%Ar + wt%CO)
제2 탈탄단계(S30)에서 산소(O2)와 아르곤가스(Ar)가 혼합된 제2 상취가스가 상취되므로, 산소(O2)만이 상취되는 경우에 비하여 낮은 CO 기체 분압을 나타내게 된다. 산소(O2)만을 상취하는 경우 PCO는 0.949 ~ 0.929 수준을 나타내나, 산소(O2)와 아르곤가스(Ar)를 혼합하여 상취하는 본 발명의 경우 PCO는 0.550~0.778의 수준을 나타낸다.
아래의 식 8은 식 5 내지 식 7에 의해 도출되며, 식 8을 이용하여 PCO에 따른 탈탄온도를 도출할 수 있다.
<식 5>
MnO = Mn + 1/2 O2 △G°(cal) = 97683 - 21.317T
(+) C + 1/2 O 2 = CO (+) △G°(cal) = -27108 - 20.576T
MnO + C = Mn + CO △G°(cal) = 70575 - 41.893T
<식 6>
K = (aMn * PCO) / (aMnO * aC)
aMnO = 1 (MnO = pure)
∴ K = (aMn * PCO) / aC
<식 7>
△G°(cal) = - RTlnK, (R = 1.987 cal/K)
lnK = - (△G°/ (1.987 * T))
∴ K = exp(- (△G°/ (1.987 * T)))
<식 8>
(aMn * PCO) / aC = exp(- (△G°/ (1.987 * T)))
산소(O2) 만을 이용하여 상취하는 경우 0.5wt%C 기준 약 1754 ~ 1806 ℃에서 탈탄반응이 일어나지만, 산소(O2)와 아르곤가스(Ar)을 혼합하여 상취하는 경우에는 동일한 0.5 wt%C 기준 약 1733 ~ 1749 ℃에서 탈탄반응이 일어난다. 따라서, 산소(O2)와 아르곤가스(Ar)를 혼합하여 상취하는 경우, 정련과정에서 PCO가 감소하여 탈탄온도가 하락하며, 그에 따라 망간 산화손실이 절감된다.
제2 탈탄단계(S30)에서 제2 상취가스는 티퓨져부재(330)에 의해 난류(turbulent flow)로 형성되어 상취된다. 이는 산소(O2)와 불활성기체를 완전 혼합하여 상취하기 위함으로, 제2 상취가스의 레이놀드 넘버(Raynold number)는 2100 이상인 것이 바람직하다. 레이놀드 넘버가 2100 이상의 수준을 유지하는 경우, 용탕(5)의 탈탄효율이 최대화 된다. 레이놀드 넘버는 난류(turbulent flow) 아래의 식 9에 의해 산출할 수 있다.
<식 9>
Re = (D*υ*ρ)/η
여기서, D는 특성길이(characteristic length), υ는 유체의 평균 속도(average velocity of the fluid), ρ는 유체의 밀도(density of the fluid), η은 유체의 점도(viscosity of the fluid)를 의미한다.
출탕단계(S40)에서는 탈탄이 완료된 저탄소 망간계 합금철 용탕(5)이 출탕되며, 그에 따라 본 발명의 일 실시예에 의한 복합상취 정련을 이용한 저탄소 망간계 함금철이 제조방법이 종료된다.
<실시예>
20 톤 용량의 전로본체(100)를 사용하여 본 발명의 일 실시예에 의한 저탄소 망간계 합금철을 생산하였다. 먼저 고탄소 망간계 합금철 용강(5)을 전로에 장입하였으며, 랜스유닛(300)으로 산소(O2)를 상취하고, 튜이어유닛(200)으로 산소(O2)와 아르곤(Ar)을 혼합하여 횡취하였다. 튜이어유닛(200)은 전로본체(100) 내부의 바닥으로부터 350 mm 높이에 위치하는 2중관 횡취 튜이어유닛(200)을 이용하였으며, 내관으로는 산소(O2)와 아르곤가스(Ar)를 외관으로는 아르곤가스(Ar)를 취입하여 실험을 실시하였다.
랜스유닛(300)으로부터 상취되는 산소(O2)의 초기 유속은 최대로 유지하였으며, 랜스(300) 선단과 용탕(5)면과의 거리는 1000 ~ 1200 mm로 설정하였다. 탄소 임계점으로부터 잔여 탄소를 산화시키는데 필요한 산소(O2) 만을 취입하였으며, 감소하는 산소(O2) 유량만큼 아르곤가스(Ar)을 취입하여 상취 최대유속을 유지하도록 하였다. 본 시험예에서 상취가스는 산소(O2)와 아르곤가스(Ar)를 혼합하여 사용하였으나, 아르곤가스(Ar) 대신 질소가스(N2)를 이용하여도 무방하다. 제2 탈탄단계(S40)에서 상취가스는 산소(O2) : 아르곤가스(Ar)의 비율이 1 : 0.05 ~ 1 : 1.5가 되도록 혼합하였다. 탄소 임계점 전후로 상취유속은 2200 Nm3/hr을 유지하도록 상취하였으며, 횡취유속은 100 ~ 300 Nm3/hr을 유지하도록 횡취하였다. 아래의 표 1은 상취가스로 산소(O2) 만을 상취하여 고탄소 망간계 합금철로부터 저탄소 망간계 합금철을 제조한 비교예의 성분 함량과, 본 발명의 일 실시예에 따라 산소(O2)와 아르곤가스(Ar)를 난류로 혼합하여 고탄소 망간계 합금철로부터 저탄소 망간계 합금철을 상취한 실시예의 성분 함량을 비교한 표이며, 표 2는 비교예 및 실시예 각각의 경우, 저탄소 망간계 합금철 1 톤을 생산하기 위하여 필요한 고탄소 망간계 합금철의 양을 비교한 표이다.
구분 Mn Si C S N O Fe Etc.
비교예
(wt%)		 고탄소 망간계 합금철 80.78 0.13 7.02 0.00 0.02 0.29 11.17 0.60
저탄소 망간계 합금철 80.91 0.28 0.45 0.01 0.04 0.76 15.78 1.88
실시예
(wt%)		 고탄소 망간계 합금철 77.75 0.17 6.24 0.00 0.01 0.30 13.95 1.58
저탄소 망간계 합금철 77.93 0.43 0.48 0.00 0.04 1.25 18.69 1.18
구분 중량(kg) 고탄소(kg)/
저탄소(kg)		 Mn 회수율(%)
비교예 고탄소 망간계 합금철 15,040 1.407 71.26
저탄소 망간계 합금철 10,690
실시예 고탄소 망간계 합금철 14,480 1.338 74.96
저탄소 망간계 합금철 10,820
표 2에 나타난 바와 같이, 비교예의 경우 저탄소 망간계 합금철 1 톤의 생산을 생산을 위해 필요한 고탄소 망간계 합금철은 1.407 톤이며, 실시예의 경우 저탄소 망간계 합금철 1 톤의 생산을 위해 필요한 고탄소 망간계 합금철은 1.338 톤임을 확인할 수 있다. 즉, 동일한 양의 저탄소 망간계 합금철을 생산하는데 있어서, 약 4.9 %의 원가 절감 효과가 발생함을 확인할 수 있다. 또한, Mn 함율에 있어서도 실시예는 비교예에 비해 약 3% 이상의 Mn 회수율을 나타내는바, 망간 손실율이 현저히 감소하였음을 확인할 수 있다.
실시예를 통하여 본 발명을 상세하게 설명하였으나, 이와 다른 형태의 실시예들도 가능하다. 그러므로, 이하에 기재된 청구항들의 기술적 사상과 범위는 실시예들에 한정되지 않는다.
1: 전로장치 2, 100: 전로본체
3: 상부랜스 4: 튜이어
5: 용탕 6, 110: 공간
10: 저탄소 망간계 합금철 제조장치 200: 튜이어유닛
300: 랜스유닛 310: 산소공급관
315: 산소밸브부재 320: 불활성기체공급관
325: 불활성기체밸브부재 330: 디퓨져부재
335: 분사홀 400: 제어부

Claims (15)

  1. 전로본체에 고탄소 망간계 합금철 용강을 장입하는 장입단계;
    상기 용강의 상부면을 향해 산소로 이루어진 제1 상취가스를 기 설정된 상취유량으로 상취하며, 상기 용강의 내부에서 횡방향으로 산소와 불활성기체의 혼합가스로 이루어진 제1 횡취가스를 횡취하는 제1 탈탄단계; 및
    탄소 임계점으로부터 산소와 불활성기체의 혼합가스로 이루어진 제2 상취가스를 상기 용강의 상부면을 향해 상취하되, 상기 제2 상취가스는 상기 제1 상취가스의 기 설정된 상취 유량을 유지하여 상취되며, 산소와 불활성기체의 혼합가스로 이루어진 제2 횡취가스를 상기 용강의 내부에서 횡방향으로 횡취하는 제2 탈탄단계를 포함하되,
    상기 탄소 임계점은 상기 용강 탈탄속도의 미분값이 음수로 전환되는 지점이며,
    상기 제2 탈탄단계에서는 하기의 식 1에 의해 산출되는 산소요구량(WO)에 따라 제2 상취가스 및 제2 횡취가스를 취입하고,
    상기 제2 탈탄단계의 탈탄온도는 1733 ~ 1749 ℃로 제어되는, 복합상취 정련을 이용한 저탄소 망간계 합금철 제조방법.
    <식 1>
    WO = {(WCT-WCC)/12}*16/EO
    식 1에서, WO는 산소요구량(g), WCT는 용탕 내에 포함된 총 탄소량(g), WCC는 탄소 임계점까지 제거된 탄소량(g), EO는 산소효율을 의미한다.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 식 1의 산소효율(E0)은 0.75 ~ 0.85인, 복합상취 정련을 이용한 저탄소 망간계 합금철 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 불활성 기체는 아르곤가스(Ar) 및 질소가스(N2)를 포함하는 군으로부터 선택된 어느 하나인, 복합상취 정련을 이용한 저탄소 망간계 합금철 제조방법.
  4. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    상기 제2 상취가스는 산소와 불활성기체의 혼합 비율이 1: 0.05 ~ 1.5인, 복합상취 정련을 이용한 저탄소 망간계 합금철 제조방법.
  5. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    상기 제2 상취가스는 난류로 형성되어 상취되는, 복합상취 정련을 이용한 저탄소 망간계 합금철 제조방법.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 상취가스의 유량은 2000 ~ 2400 Nm3/hr인, 복합상취 정련을 이용한 저탄소 망간계 합금철 제조방법.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 삭제
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