KR20020032710A

KR20020032710A - 가스의 취입량에 따른 레이들내의 교반력 측정방법 및이를 이용한 청정강의 제조방법

Info

Publication number: KR20020032710A
Application number: KR1020000063167A
Authority: KR
Inventors: 이순규; 강수창
Original assignee: 이구택; 주식회사 포스코
Priority date: 2000-10-26
Filing date: 2000-10-26
Publication date: 2002-05-04
Also published as: KR100488757B1

Abstract

본 발명은 레이들에 설치된 포러스 플러그를 통해 취입되는 가스량에 따른 레이들내의 교반력을 연속적으로 측정하는 방법과, 이를 이용하여 레이들의 저취 조업을 제어함으로써 용강 생산시의 청정강을 제조하는 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명에 따르면, LF(Ladle Furnace) 또는 BAP(Bubbling, Alloying, Powder injection)설비에서 용강의 성분과 온도 균일화 및 개재물 부상분리의 목적으로 수행하는 하부 버블링(Bottom Bubbling)에 의해 형성되는 레이들내의 교반력을 측정하는 방법에 있어서, 레이들의 외면에는 하부 버블링시에 생성되는 레이들의 진동을 측정하는 다수의 센서가 부착되어 있으며, 다수의 센서에서 각각 출력되는 각 부착지점의 진동특성을 대표하는 진동지수를 이용하여 레이들내의 교반력을 측정한다. 또한, 상기와 같은 방법에서 진동지수가 20 ∼ 40을 유지하도록 하부 버블링의 유량을 제어함으로써 슬래그가 용강내에 혼입되지 않는 청정강을 제조한다.

Description

가스의 취입량에 따른 레이들내의 교반력 측정방법 및 이를 이용한 청정강의 제조방법{A manufacturing process of ultra-clean steel by control of gas flow rate using measurement of specific energy input rate}

본 발명은 레이들내의 교반력 측정방법에 관한 것이며, 특히, LF(Ladle Furnace) 또는 BAP(Bubbling, Alloying, Powder injection)설비에서 용강을 처리할 때 수행되는 하부 버블링(bottom bubbling)에 의해 형성되는 레이들내의 교반력을 측정하는 방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 하부 버블링에 의해 형성되는 레이들내의 교반력을 측정하는 방법을 이용하여 청정강의 제조에 필요한 후버블링시에 슬래그가 용강내에 혼입되지 않도록 하부 버블링의 유량을 제어하는 방법에 관한 것이기도 하다.

통상 LF 또는 BAP에서는 용강내의 온도 및 성분의 균일화를 목적으로 하부 버블링(이하, '저취'라 칭함) 조업을 수행한다. 이 저취 조업은 레이들 바닥에 설치되어 있는 포러스 플러그(porous plug)를 사용하며, 불활성 가스를 취입하여 용강을 교반시킨다. 이 때 사용되는 포러스 플러그는 내화물로 제작된 것으로서, 사용회수가 증가함에 따라 용강에 의한 침식 및 마모가 발생하게 된다. 이로 인해, 불활성 가스의 모든 취입량이 용강을 교반시키기 위해 공급되지 못하고, 일부분이 포러스 플러그의 침식부위를 통해 외부로 배출되기 때문에, 실제 용강내에 공급되는 저취 가스의 양은 유량계에서 지시하는 가스 양과 차이가 존재하는 경우가 발생된다. 즉, 레이들내에서의 교반력의 차이가 발생한다. 이와 같은 교반력의 차이는 조업방법의 편차를 야기하여 최종적으로는 용강 품질의 편차를 초래하게 된다.

일반적으로, 레이들에는 용강뿐만 아니라 슬래그가 같이 존재한다. 이 슬래그들은 용강에서 가스취입에 의해 부상되는 개재물을 포집함으로써, 강의 청정도를 향상시키는 역할을 수행한다. 하지만, 저취 가스가 너무 많아 슬래그가 용강 중에 혼입되는 경우에는 오히려 강의 청정도를 저하시키게 된다. 그래서, 종래의 레이들 저취 조업에서는 초기에 많은 양의 저취 가스를 취입하는 강한 교반을 통해 개재물의 응집합체를 촉진시킨 후에, 슬래그가 용강내에 혼입되지 않을 정도의 저취 가스를 취입하여 후버블링을 실시하였다. 이러한 후버블링에 사용되는 저취 가스량 및 가스 취입시간은 용강 품질에 큰 영향을 미치는 것으로 알려져 있다.

기존의 유량계를 통해 저취 유량을 제어하는 방법은 앞서 설명한 바와 같이 포러스 플러그의 상태에 따라 실제 레이들내로 공급되는 저취 가스량의 차이가 발생하기 때문에, 후버블링시에 저취 가스량이 필요 이상으로 많이 공급되거나 그 반대로 너무 적게 공급되어 원하는 대로 용강을 교반시켜지 못하는 경우가 발생한다. 이와 같은 문제를 해결하기 위해서는, 저취 가스의 취입량에 따른 레이들내의 교반강도를 측정하고, 그 교반강도를 바탕으로 저취 조업을 수행하는 조업방법이 필요하다.

따라서, 본 발명은 앞서 설명한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 레이들에 설치된 포러스 플러그를 통해 취입되는 가스량에 따른 레이들내의 교반력을 연속적으로 측정하는 방법과, 이를 이용하여 레이들의저취 조업을 제어함으로써 용강 생산시의 청정강을 제조하는 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

도 1a 내지 도 1c는 레이들의 진동특성을 파악하기 위한 가속도센서의 부착위치를 도시한 도면이고,

도 2a 및 도 2b는 레이들내에서의 균일혼합시간을 측정하기 위한 백금센서의 부착위치를 도시한 도면이고,

도 3은 저취가스의 유량에 따른 진동특성을 도시한 그래프이고,

도 4는 본 발명에 따른 진동지수와 교반력과의 관계를 도시한 그래프이고,

도 5는 본 발명에 따른 슬래그의 유입깊이를 측정하는 방법을 도시한 개략도이며,

도 6은 본 발명에 따른 진동지수와 슬래그의 유입깊이와의 관계를 도시한 그래프이다.

♠ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ♠

1 : 레이들 2 : 포러스 플러그

3 : 가속도센서 4 : 백금센서

5 : 트레이서 투입구 6 : Ar기포

7 : 슬래그 8 : 슬래그 침투 깊이

위와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따르면, LF(Ladle Furnace) 또는 BAP(Bubbling, Alloying, Powder injection)설비에서 용강의 성분과 온도 균일화 및 개재물 부상분리의 목적으로 수행하는 하부 버블링(Bottom Bubbling)에 의해 형성되는 레이들내의 교반력을 측정하는 방법에 있어서, 상기 레이들의 외면에는 하부 버블링시에 생성되는 레이들의 진동을 측정하는 다수의 센서가 부착되어 있으며, 상기 다수의 센서에서 각각 출력되는 각 부착지점의 진동특성을 대표하는 진동지수를 이용하여 레이들내의 교반력을 측정하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따르면, LF(Ladle Furnace) 또는 BAP(Bubbling, Alloying, Powder injection)설비에서 용강의 성분과 온도 균일화 및 개재물 부상분리의 목적으로 수행하는 하부 버블링(Bottom Bubbling)을 이용하는 후버블링시에 슬래그가 용강내에 혼입되지 않는 청정강을 제조하는 방법에 있어서, 상기 레이들의 외면에는 하부 버블링시에 생성되는 레이들의 진동을 측정하는 다수의 센서가 부착되어 있으며, 상기 다수의 센서에서 각각 출력되는 각 부착지점의 진동특성을 대표하는 진동지수가 20 ∼ 40을 유지하도록 하부 버블링의 유량을 제어함으로써 슬래그가 용강내에 혼입되지 않는 청정강을 제조하는 것을 특징으로 한다.

아래에서, 본 발명에 따른 가스의 취입량에 따른 레이들내의 교반력 측정방법 및 이를 이용한 청정강의 제조방법의 양호한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명하겠다.

도면에서, 도 1a 내지 도 1c는 레이들의 진동특성을 파악하기 위한 가속도센서의 부착위치를 도시한 도면이고, 도 2a 및 도 2b는 레이들내에서의 균일혼합시간을 측정하기 위한 백금센서의 부착위치를 도시한 도면이다. 그리고, 도 5는 본 발명에 따른 슬래그의 유입깊이를 측정하는 방법을 도시한 개략도이며, 도 6은 본 발명에 따른 진동지수와 슬래그의 유입깊이와의 관계를 도시한 그래프이다.

[실험예 1]

이 실험예는 본 발명에 따른 교반력 측정방법에 관한 것으로서, 1/5크기의 수모델 장치를 이용하여 실험을 행하였다. 레이들내의 교반력과 레이들의 진동특성의 관계를 알아보기 위해서, 도 1에 도시된 바와 같이 가속도센서(3)를 레이들(1) 수모델 장치의 상부지점 4곳, 레이들 높이의 1/3 및 2/3 지점에 22곳, 총 26곳에 설치하여 레이들의 저취시에 발생하는 진동을 측정하였다. 종래의 교반력 측정방법으로는 수학식 1을 이용하여 용탕의 균일혼합시간을 측정하고, 이를 레이들내의 교반력으로 계산하였다. 즉, 균일혼합시간이 짧다는 것은 교반력이 높음을 의미하고, 균일혼합시간이 길다는 것은 교반력이 낮음을 의미하기 때문에, 균일혼합시간을 측정하여 레이들내의 교반력을 계산하였다.

균일혼합시간 = 800 ×교반동력밀도^(-0.4)

따라서, 본 발명에서는 종래의 방법과의 차이를 알아보기 위해서 균일혼합시간을 측정하였다. 즉, 균일혼합시간의 측정을 위하여 백금센서(4)를 도 2에 도시된 곳에 각각 설치하고, 트레이서(tracer)로는 6N(노르말)농도의 KCl 100㎖을 트레이서 투입구(5)에 투입한 후 용액내의 전기저항을 측정하여, 그 변화가 1%이하로 줄어드는 시점을 균일혼합시간으로 설정하였다.

도 3에는 본 발명에 따른 가속도센서(3)의 부착위치 'L' 에서 1초 동안 얻어진 데이터의 주파수 스펙트럼(Frequency Spectrum) 특성이 나타나 있다. 도 3에 나타난 바와 같이, 저취량에 따른 레이들의 진동으로 인하여 특정 진동주파수가 나타나는 것을 볼 수 있다. 또한, 도 3에서 알 수 있듯이, 저취 가스의 유량(5Nl/min, 15Nl/min, ... 45Nl/min)이 변화하면, 피크(Peak)를 나타내는 진동 주파수(Hz)와 그 때의 진폭값(V_rms)이 다르게 나타나는 것을 알 수 있다. 하지만, 피크가 나타내는 주파수 범위를 이용해서는 교반력을 대표할 수 있는 값을 구할 수가 없다.

예를 들어, 도 3에 나타난 바와 같이, 5Nl/min의 피크시의 주파수는 250Hz이고, 20Nl/min의 피크시의 주파수는 330Hz이며, 25Nl/min의 피크시의 주파수는 305Hz로 주파수 범위가 각기 다르기 때문에, 이 주파수 범위를 이용하여 대표적인 교반력 값을 구할 수가 없는 것이다. 또한, 저취 가스의 유량이 일정한 경우에도 여러 개의 피크가 동시에 나타나기 때문에 각 시점의 교반력을 피크가 나타나는 주파수로 표시할 수 없게 된다(도 3의 25Nl/min 참조).

이와 같은 특정 진동주파수와 교반력의 상관성을 유추하기 위해서, 본 발명에서는 수학식 2를 이용하여 각 측정지점의 진동특성을 대표하는 값(이하, '진동지수'라 칭함)을 구하였다.

수학식 2는 각 주파수에 따른 진폭을 크기별로 정렬하여 최대 피크에서 75번째 피크의 진폭의 합만을 선택해서 계산한 값이다. 수학식 2에서 75개의 피크만을 이용한 것은 1회 측정시에 얻어지는 피크를 크기 순서로 정렬해 보면, 피크값이 대략 50 ∼ 100 사이에서 최대 피크값의 1/10 이하로 줄어들기 때문에, 75개의 피크만을 계산에 사용한 것이다. 수학식 2의 A(x)는 진동 주파수(x)에 대한 임의의 변수값(전압, 가속도 등등)을 나타낸다.

그리고, 레이들의 저취에 의한 진동은 측정 위치에 따라 그 크기가 다르며, 따라서 적정한 측정위치를 선택할 필요가 있다. 표 1 ∼ 표 3은 각각의 취입 가스의 유량에 따른 레이들의 상부에서 측정한 진동지수의 변화 및 레이들 벽면 상부와 벽면 하부에서 측정한 진동지수의 변화를 나타낸 것이다. 표 1 ∼ 표 3에서 알 수 있듯이, 레이들 상부에서의 진동지수의 변화는 동일한 유량에서도 본 발명에 따른 가속도센서(3)의 측정 위치(T1, L, X)뿐만 아니라, 대각선 부위 및 저취 노즐 부위에 근접한 위치(T2, F, G, E)에서 크게 나타나는 것을 확인할 수 있다. 하지만, 이러한 위치(T1, L, X, T2, F, G, E)에서는 유량에 따른 진동지수의 변화가 일정한 경향을 나타내지 않는다.

그러나, 본 발명에 따른 가속도센서(3)의 부착 위치 T1, L, X에서 얻어지는 진동지수를 이용하면, 교반력을 평가하는 방법이 우수하다는 것을 알 수가 있다. 즉, 레이들내에서 용액의 이동속도가 큰 부위에서 진동지수가 높다는 것을 알 수가 있다.

아래의 표 1은 레이들 상부에서 측정한 진동지수의 변화를 나타내고, 표 2는 레이들 벽면(높이의 2/3위치)에서 측정한 진동지수의 변화를 나타내며, 표 3은 레이들 벽면(높이의 1/3위치)에서 측정한 진동지수의 변화를 나타낸 것이다.

구분	유량(Nl/min)
실시예	부착위치	5	15	20	25	35	45
본발명	T1	2.4	24.0	31.0	50.3	101.0	119.5
비교예1	T2	1.4	24.6	26.9	43.9	85.5	94.6
비교예2	T3	1.6	13.8	35.2	45.3	63.5	86.9
비교예3	T4	1.8	16.4	22.8	33.0	52.7	64.6

구분	유량(Nl/min)
실시예	부착위치	5	15	20	25	35	45
비교예4	A	3.1	34.0	44.3	70.1	122.9	120.9
비교예5	B	1.7	7.0	20.5	33.2	54.5	57.7
비교예6	C	0.9	1.3	31.7	24.4	39.3	57.5
비교예7	D	0.6	6.5	11.7	14.0	34.4	33.0
비교예8	E	1.4	13.7	17.2	20.6	40.8	35.1
비교예9	F	0.5	0.6	12.9	58.6	79.3	64.9
비교예10	G	0.9	12.9	17.9	25.9	38.2	28.4
비교예11	H	0.7	7.7	14.4	18.9	25.6	24.2
비교예12	I	0.9	10.5	28.2	39.1	57.4	48.5
비교예13	J	1.4	14.3	12.3	14.1	35.0	50.3
비교예14	K	0.8	0.9	22.7	36.5	52.0	80.8
본발명	L	1.0	10.7	19.3	37.5	92.9	201.1

구분	유량(Nl/min)
실시예	부착위치	5	15	20	25	35	45
비교예15	N	1.3	20.9	24.5	33.2	54.3	49.4
비교예16	O	1.0	10.3	15.7	21.7	36.4	35.3
비교예17	P	0.5	9.2	11.5	17.3	30.4	41.7
비교예18	Q	1.1	11.1	22.9	18.2	28.4	58.2
비교예19	R	0.6	7.2	11.4	8.9	32.3	26.9
비교예20	T	0.7	6.9	11.0	13.8	23.8	24.8
비교예21	U	0.9	9.0	15.4	19.0	33.7	36.2
비교예22	V	0.5	7.0	17.2	11.9	67.5	77.7
비교예23	W	1.2	16.1	26.0	28.2	62.2	83.8
본발명	X	4.4	45.0	65.1	89.4	178.0	245.9

도 4는 본 발명에 따른 가속도센서(3)의 부착 위치 T1, L, X에서 얻어지는 진동지수와 저취가스의 유량 및 교반동력과의 관계를 나타낸 그래프이다. 도 4에서 알 수 있듯이, 진동지수와 교반력간의 상관계수(R²)값이 0.997로 매우 높게 나타남을 알 수 있다. 도 4의 그래프를 수식화 하면, 수학식 3과 같은 관계가 성립한다.

즉, 본 발명에 따른 가속도센서(3)의 부착 위치 T1, L, X에서 얻어지는 진동지수를 수학식 2를 통해 측정하고 이를 수학식 3에 대입하면 그 때의 교반력(교반강도 ε)을 역산할 수가 있다.

[실험예 2]

이 실험예는 본 발명에 있어서 후버블링시에 슬래그가 용강내에 혼입됨이 없이 저취조업을 실시하기 위한 방법에 관한 것이다. 현재까지는 실조업에서의 용강내의 슬래그의 유입 깊이 및 유입량을 측정할 수 있는 방법이 없는 관계로, 수모델 장치를 통해 이 실험을 행하였다. 즉, 실험예 1에서 사용한 동일한 수모델 장치를 이용하였다. 수모델 장치의 상부에는 슬래그 대용으로 Tellus oil(Sheel No. 32)을 2cm 두께로 투입한 후에, 저취 가스를 취입하여 용액 중으로 혼입되는 대용 슬래그의 침투 깊이(8, 도 5 참조)를 측정하였다. 여기서 측정한 대용 슬래그의 침투 깊이와 저취에 의한 진동지수와의 관계를 도 6에 나타내었다.

도 6에서 알 수 있듯이, 저취에 따른 진동지수가 일정값 이상으로 커지는 경우에만 슬래그가 혼입되는 것을 알 수 있다. 하지만, 진동지수가 적어지는 경우에는 균일혼합시간이 너무 작아지기 때문에 충분한 교반효과를 얻을 수 없으므로, 진동지수를 20 ∼ 40의 범위가 되도록 조절하는 것이 바람직한 것으로 나타났다. 결론적으로, 저취에 따른 진동지수가 20 ∼ 40의 범위가 되도록 조절함으로써, 용강내에 슬래브가 혼입되지 않는 청정강을 제조할 수가 있는 것이다.

도면에서 미설명부호 2는 포러스 플러그를 나타내고, 6은 Ar기포를 나타내며, 7은 슬래그를 나타낸다.

앞서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명의 방법은, LF 및 BAP에서의 용강의 성분 및 온도 균일화와 개재물 부상분리를 목적으로 수행되는 저취조업에 있어서, 저취에 의해 발생하는 교반력을 측정하고 이를 바탕으로 가스 유량을 제어하여, 포러스 플러그의 상태와는 무관하게 레이들내에서 일정한 교반력을 얻도록 함으로써, 용강내에 슬래그가 혼입되지 않는 저취조업을 수행할 수 있을 뿐만 아니라, 이로인해 용강의 청정도의 편차를 줄이는 효과가 있다.

이상에서 본 발명의 가스의 취입량에 따른 레이들내의 교반력 측정방법 및 이를 이용한 청정강의 제조방법에 대한 기술사항을 첨부도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다.

또한, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자이면 누구나 본 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않는 범위내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

Claims

LF(Ladle Furnace) 또는 BAP(Bubbling, Alloying, Powder injection)설비에서 용강의 성분과 온도 균일화 및 개재물 부상분리의 목적으로 수행하는 하부 버블링(Bottom Bubbling)에 의해 형성되는 레이들내의 교반력을 측정하는 방법에 있어서,

상기 레이들의 외면에는 하부 버블링시에 생성되는 레이들의 진동을 측정하는 다수의 센서가 부착되어 있으며,

상기 다수의 센서에서 각각 출력되는 각 부착지점의 진동특성을 대표하는 진동지수를 이용하여 레이들내의 교반력을 측정하는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서, 상기 진동지수는 하기의 식과 같이 최대 피크에서 75번째 피크까지의 합으로 표현되는 것을 특징으로 하는 방법.

A(x)는 진동 주파수(x)에 대한 임의의 변수값(전압, 가속도 등등)을 나타낸다.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 진동지수는 레이블의 바닥에 형성되는 포러스 플러그(Porous Plug)와 제일 근접하게, 레이블의 상부지점과 레이블의 높이1/3지점 및 레이블의 높이 2/3지점에 각각 부착되는 센서를 이용하는 것을 특징으로 하는 방법.
LF(Ladle Furnace) 또는 BAP(Bubbling, Alloying, Powder injection)설비에서 용강의 성분과 온도 균일화 및 개재물 부상분리의 목적으로 수행하는 하부 버블링(Bottom Bubbling)을 이용하는 후버블링시에 슬래그가 용강내에 혼입되지 않는 청정강을 제조하는 방법에 있어서,

상기 레이들의 외면에는 하부 버블링시에 생성되는 레이들의 진동을 측정하는 다수의 센서가 부착되어 있으며,

상기 다수의 센서에서 각각 출력되는 각 부착지점의 진동특성을 대표하는 진동지수가 20 ∼ 40을 유지하도록 하부 버블링의 유량을 제어함으로써 슬래그가 용강내에 혼입되지 않는 청정강을 제조하는 것을 특징으로 하는 방법.