KR20020051962A

KR20020051962A - 저린 저질소 용강의 전로 정련방법

Info

Publication number: KR20020051962A
Application number: KR1020000079939A
Authority: KR
Inventors: 김정식; 서성모; 임문석
Original assignee: 이구택; 주식회사 포스코
Priority date: 2000-12-21
Filing date: 2000-12-21
Publication date: 2002-07-02
Also published as: KR100423449B1

Abstract

본 발명은 저린 저질소강의 제조에 관한 것이며; 그 목적은 종점에서의 인 함량이 0.02%이하, 질소 농도가 15ppm이하인 용강을 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 용선 및 고철을 전로에 장입한 다음 용해한 용선을 랜스에 의해 송산 및 취련을 행하여 용강을 제조하는 방법에 있어서, 전로 취련진행 5~15% 시점에서 전체 장입량에 대하여 용강 톤당 소결광을 3 내지 10kg의 범위에서 투입한 후, 다시 취련진행 80~ 85% 시점에서 전체 장입량에 대하여 소결광을 3 내지 5kg의 범위에서 투입하고, 상기 전로의 노내 압력을 대기압보다 높은 정압 상태에서 종점에서의 탄소 농도를 0.04~ 0.10중량%의 범위로 취지(吹止)하는 저린 저질소 용강의 전로 정련방법에 관한 것을 그 기술적 요지로 한다.

Description

저린 저질소 용강의 전로 정련방법{A METHOD FOR REFINING LOW NITROGEN AND LOW PHOSPHUROUS MOLTEN STEEL IN CONVERTER}

본 발명은 저린 저질소강의 제조에 관한 것으로, 보다 상세하게는 인 함량이 0.02중량%이하, 질소농도가 15ppm이하인 저린 저질소 용강 제조를 위한 전로 정련방법에 관한 것이다.

일반적으로 제강공정은 용선예비처리→전로정련→2차정련→연속주조공정으로 구성된다. 이러한 일련의 제강공정중에서 전로 정련은, 도1에 도시된 전로(1)에서 용철(4)의 취련중 반응식1과 같은 탈탄작업이 주 반응이 되어 목표하는 종점온도를 적중시켜 가면서 동시에 인을 안정적으로 제거한다.

[C] + 1/2O₂= CO(g)

이러한 탈탄반응에 의하여 진행되는 탄소의 제거속도, 즉 탈탄속도에 따라 전로 정련조업은 취련초기, 중기, 말기로 구분될 수 있다. 구체적으로 취련 초기에는 용철중 Si가 산화제거되며 취련이 진행되면서 탈탄반응도 동시에 진행된다. 취련중기에는 탈탄이 가장 활발하게 일어나는 시기로서, 용철중 Si가 완전히 제거되어 랜스(2)를 통해 취입되는 산소가 전부 용철중의 탄소와 반응하여 CO가스를 생성하게 되는데, 이때 탈탄속도와 비례하여 반응식 2와 같은 탈질이 진행된다.

[N] = 1/2N₂

그러나, 취련중 발생되는 CO가스는 취련 중기까지는 왕성하게 배출되어 항상 노내 압력이 대기압보다 높은 정압 상태가 되지만, 취련 말기에 접어들면 탈탄이 서서히 약화되면서 CO가스 발생량이 감소되어 노내 압력이 점차 대기압보다 낮은 부압 상태로 되어 대기중의 질소가 용철중으로 흡질될 가능성이 높아진다. 따라서, 대기중의 질소가 용철중에 흡질되는 현상을 방지하기 위해서는 취련말기의 탈질을 최대한 억제할 필요가 있다.

종래에는 취련말기에 노구(6) 상부의 스커트(3)를 밀착시켜 공기의 혼입을 최소화하거나 철광석 또는 소결광을 다량 투입하여 배출가스를 증대시켜 노내 압력을 대기압보다 높은 정압 상태로 유도하는 방법이 있다. 그러나, 이러한 종래의 전로 취련방법에 의하면 종점탄소 농도가 0.04중량%이하로 취지되어 흡질이 많아 질소의 농도가 약 15~ 25ppm이 되기 때문에 저린 저질소강의 생산에는 안정적이지 못한 단점이 있다. 특히, 실제로 다양한 강종을 생산하는 제강공정에서는 수요가의 요구수준에 따라 50ppm이하의 저질소강을 제조해야 되는데, 보통 전로에서 취련 완료후 출강하는 과정에서 레이들 내의 용강은 공기와의 접촉에 의해 흡질이 되어 최종적으로 실리콘 탈산강의 경우 약 45~ 60ppm, 알루미늄 탈산강의 경우 약 60~75ppm 정도로서 용강중 질소 농도가 상당히 높게 된다. 따라서, 제강공정에서는 전로 출강에서부터 주편 생산에 이르기까지의 흡질은 거의 동일하므로 RH나 VOD 등과 같은 감압설비를 이용하여 탈질작업을 하지 않으면 저질소강의 생산이 불가능한 실정이다.

상기 감압설비를 이용한 저질소강의 대표적인 종래기술의 일례로서, 대한민국 공개특허 제2000-19388호에는 극저탄소·저질소강의 제강공정중 대기로부터 질소가 용강중으로 흡입되는 것을 방지하는 방법이 개시되어 있다. 이 방법은 극저탄소·저질소강을 제조하는 제강공정에 있어서, 탈탄 및 환원탈류를 행하는 정련로 중의 슬래그 염기도를 2.2∼2.6으로 조정하고, 총생석회 투입량의 14∼17중량%의 형석을 투입하여 용접부의 내식성 및 인성을 크게 저하시키므로써 용강중의 질소함량을 최소화하는 극저탄소·저질소강의 출강중 흡질 방지방법에 관한 것이다. 그러나, 이 방법은 감압설비를 사용하기 때문에 제강공정에 상당한 부담을 주게 된다는 단점이 있다. 더욱이, 탈질과 동시에 탈린을 행하면서 전로조업만으로도 저린 저질소강을 생산하기에는 무리가 따른다.

한편, 전로 취련중 탈린반응을 안정적으로 유도하기 위해서는 반응식3과 같이 용철중 인을 효율적으로 슬래그(5)로 제거하는 것이 중요하다.

4(CaO) + 2[P] + 5(FeO) →(4CaO·P₂O₅) + 5Fe

이러한 탈린반응을 효과적으로 유도하여 저린강을 제조하는 종래기술을 살펴보면, 저린 고탄소 용강 제조를 위한 전로 정련 방법이 대한민국 공개특허 제2000-42501호에 개시되어 있다. 이 방법은 전회(前回) 조업의 슬래그를 15-40% 남긴 전로에, 전장입량에 대하여 0.8-2중량%의 경소백운석을 투입한 후, 노를 경동시켜 슬래그를 노벽에 코팅하고, 이어서 노체보호용 생석회를 1.5-2중량%를 투입한 다음 고철을 장입하고, 이후 용선을 장입한 다음, 송산에 의해 노내 용선을 취련개시와 동시에 전장입량에 대하여 0.5-1.5중량%의 생석회와 0.3-1.5중량%의 소결광을 일괄투입하고, 전체 취련시간 30-70%에는 전장입량에 대하여 생석회: 2중량%이하, 소결광: 3중량%이하, 경소백운석: 0.5중량%이하 중에서 선택된 1종 이상을 연속분할 투입하며, 그리고 전체취련시간 80-85% 시점에는 전장입량에 대하여 생석회, 경소백운석, 소결광 중에서 선택된 1종 이상을 각각 0.1-0.3중량% 일괄투입하므로써, 고탄소 영역에서 화학적으로 불안정한 인화화물을 슬래그에 안정하게 유지시켜 0.02중량%이하의 인을 함유하는 저린 고탄소 용강 제조를 위한 정련방법이다. 그러나, 이 방법은 저린강 생산에는 유리하나, 취련중 질소의 흡질을 방지하면서 저린강을 생산하기에는 다소 무리가 따른다.

본 발명은 이와같은 종래의 문제점을 해결하고자 제안된 것으로서, 그 목적은 전로 정련시 취련 패턴과 부원료의 투입방식을 개선하므로써 종점에서의 인 함량이 0.02%이하, 질소 농도가 15ppm이하인 용강을 제조하기 위한 전로 정련방법을 제공하는데 있다.

도1은 전로의 내부 구조도.

도2는 본 발명의 전로 정련조업시 탈질과 흡질 개념을 설명하기 위한 모식도.

도3은 종래 및 본 발명에 의한 취련에 따른 용철중의 탄소 및 질소거동을 비교한 그래프.

도4는 종래 및 본 발명에 의한 취련패턴과 부원료 투입방법을 예시한 일례도.

도5는 종래 및 본 발명에 의한 정련조업시 취련종점에서의 질소 농도 변화를 보이는 그래프.

도6은 종래 및 본 발명에 의한 정련조업시 취련종점에서의 인 함량 변화를 보이는 그래프.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

1: 전로2: 랜스3: 스커트(skirt) 4: 용철

5: 슬래그 6: 노구

상기 목적달성을 위한 본 발명은 용선 및 고철을 전로에 장입한 다음 용해한 용선을 랜스에 의해 송산 및 취련을 행하여 용강을 제조하는 방법에 있어서,

전로 취련진행 5~15% 시점에서 전체 장입량에 대하여 용강 톤당 소결광을 3 내지 10kg의 범위에서 투입한 후, 다시 취련진행 80~ 85% 시점에서 전체 장입량에 대하여 소결광을 3 내지 5kg의 범위에서 투입하고, 상기 전로의 노내 압력을 대기압보다 높은 정압 상태에서 종점에서의 탄소 농도를 0.04~ 0.10중량%의 범위로 취지(吹止)하는, 저린 저질소 용강의 전로 정련방법에 관한 것이다.

이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

우선, 본 발명에 부합되는 용선은 고로로부터 생산되는 용선이면 어느 것이 무방하나, 바람직하게는 중량%로, C: 4.0~4.6%, Si: 0.2~0.5%, P: 0.7~ 1.0%, 질소 농도: 50~70ppm을 포함한 용선을 사용하는 것이다.

이러한 용선을 이용한 통상의 제강공정에서 최종적으로 실리콘 탈산강의 경우 질소 농도를 약 45ppm이하, 알루미늄 탈산강의 경우 약 60ppm 이하로 함유된 용강을 안정적으로 제조하기 위해서는 전로 종점에서의 질소 농도를 약 15ppm이하로 제어할 필요가 있다.

이를 위하여 본 발명의 전로조업은 통상의 전로 정련과정을 거치면서 먼저 효과적인 탈린 거동을 유도하기 위해 취련 시간 5~ 15%시점에서 소결광을 투입한다. 통상 취련 초기에는 미리 투입된 고융점의 생석회나 경소백운석이 다량 투입되어 있기 때문에 슬래그의 재화가 어려워 효과적인 탈린반응이 곤란하다. 그러나, 소결광을 투입하면 슬래그 속으로 균일하고 용이하게 분산되어 반응식4와 같이 (FeO)의 확보가 용이하여 슬래그 재화를 촉진시켜 용철중의 인이 효과적으로 슬래그층으로 쉽게 이동되어 탈린반응에 매우 유리하다.

(Fe₂O₃)_소결광+ Fe → 3(FeO)

상기 취련 초기에 투입되는 소결광의 양은 전체 장입량에 대하여 용강 톤당 3 내지 10kg의 범위에서 정함이 바람직하다. 취련 초기 소결광을 3kg/T-S미만으로투입하면 슬래그의 저온화가 미흡하고 사전에 투입된 부원료의 재화를 촉진시키는 것이 불충분하여 용철중의 인을 효과적으로 제거하기 곤란하다. 반대로 용강톤당 10kg/T-S를 초과하여 투입하면 노내 온도가 약 1100~ 1350℃로 낮기 때문에 슬래그층이 저융점화가 되기 이전에 굳어져버릴 가능성이 있다.

본 발명에서는 취련초기에 소결광을 투입한 다음에, 다시 취련진행 80~ 85% 시점에서 소결광을 투입한다. 이 시기에 소결광을 투입하는 목적은, 취련시간 15~80% 시점에 분할 투입되는 생석회 및 경소백운석의 재화를 촉진시켜 효율적인 탈린 반응을 유도하기 위함이다. 상기 취련 말기에 투입되는 소결광은 전체 장입량에 대하여 약 3 내지 5kg의 범위에서 투입하는 것이 바람직하다. 취련말기에 소결광을 용강톤당 3kg미만으로 투입하면 슬래그의 저융점화는 물론 이로 인해 탈린 뿐만 아니라 탈망간의 유도가 미흡하여 용철중의 탈린 효과가 미흡하다. 또한, 소결광을 용강톤당 5kg를 초과하여 투입하면 슬래그층의 저융점화로 탈린반응에는 유리하나 노내 온도가 급격히 저하되어 바람직하지 않다.

한편, 본 발명에서는 상기 전로의 노내 압력을 대기압보다 높은 정압 상태에서 종점탄소를 0.04~ 0.10중량%로 취지하여 정련을 완료함이 중요하다. 즉, 본 발명의 경우 상기 취련 80~ 85% 시점에서 소결광을 투입하므로써 탈탄 말기의 CO가스 발생량이 증대되어 탈질이 지속적으로 진행될 수 있다.

즉, 본 발명에서의 취련중 탈질반응은, 도2a에 도시된 바와 같이, 취련개시부터 탈탄반응에 의해 생성되는 CO가스와 더불어 용철중 질소가 반응식2와 같이 제거된다. 구체적으로 도2b와 도2c에서와 같이, 취련중 탈질 반응은 기본적으로 탈탄반응에 의해 생성된 CO기포가 용철중을 상승하는 동안 주변 용철중에 함유되어 있는 질소를 포착하여 일어난다. CO 기포 중에는 질소의 분압이 "0"이기 때문에 용철중의 질소가 CO 기포로 포착, 흡수되어 질소 가스로 되고 CO가스와 더불어 노구로 방출된다. 그러나, 도2d와 같이 취련 종점 근방에서는 전로 내에 공기가 흡입되어 반응식 2의 역반응에 의해 용강중으로 질소가 흡입됨을 알 수 있다. 즉, 용철중의 탈질과 흡질은 탈탄반응속도 혹은 CO가스 발생속도나 양과 연계되며, 취련초기에 서서히 감소하기 시작하여 취련 중기에는 평형 한계농도까지 감소한 후, 탈탄속도가 감소하여 CO가스 발생량이 급격히 감소되면서 취련종점 부근에서는 다시 상승하는 경향이 있다. 따라서, 본 발명에서는 소결광을 투입하고 나서, 노내 압력이 (-)압이 되기 전에 송산을 완료하여 종점탄소의 농도를 0.04~ 0.10중량%로 취지함이 바람직하다. 이때, 취련 종점에서의 탄소농도가 0.04~ 0.10중량%를 벗어나게 되면 용강중의 질소 농도가 15ppm이상으로 상승된다.

이와같은 본 발명의 정련방법을 통해 취련과정에 따른 용철중의 탄소농도와 질소농도의 거동을 종래의 경우와 비교해 보면 도3과 같은 경향을 보인다. 즉, 본 발명의 경우 취련 초기와 말기에 각각 일정량의 소결광을 투입하여 슬래그의 재화를 촉진하면서 취련 종점 부근에서 부압상태로 정련을 완료하므로써, 취련 종점에서의 인농도를 0.02중량%이하로 유지하면서 질소 농도를 약 15ppm이하로 안정되게 유지할 수 있게 된다. 부가적으로, 본 발명은 종점 탄소를 종래보다 높게 취지하므로써 종점 산소가 낮기 때문에 출강중 성분 조정용으로 투입해야 할 탈산제, 가탄제 및 합금철 등의 실수율을 향상할 수 있다.

이하, 본 발명을 실시예를 통하여 구체적으로 설명한다.

[실시예]

발명예(1~4)

100톤급 전로에서 전회(前回) 조업한 총슬래그 10~12톤중 3~4톤을 남기고, 노벽 보호를 위하여 경소백운석 1.5톤을 넣고, 노체를 1~3회 경동시켜 노벽에 슬래그를 코팅한 다음, 장입측 노벽의 충격을 보호하기 위하여 생석회를 1.5톤을 투입하고, 전체 장입량의 10중량%이하의 고철과 표1과 같은 성분을 갖는 용선 90중량%이상을 전로에 장입하였다.

성분	C	Si	Mn	P	S	Ti	Fe
조성(중량%)	4.4~4.6	0.2~0.5	0.2~0.5	0.07~0.11	0.003~0.023	0.035~0.070	잔부

이후 노체를 2회 경동한 후 도2a와 같은 취련패턴 및 부원료를 투입하여 정련을 행하였다. 이때, 정련조업에 사용된 각종 부원료 및 냉각재의 화학성분 조성을 정리하면 표1과 같다.

구분	화학조성(중량%)
구분	CaO	MgO	T. Fe	MnO	SiO₂	Al₂O₃	TiO₂	CaF₂	C
생석회	92.5	2.20	0.39	-	0.92	0.30	-	-	-
경소백운석	56.16	38.80	0.60	-	1.40	0.51	-	-	-
형석	-	-	-	-	13.54	-	-	83.86	-
소결광	8.42	1.24	48.29	0.42	4.54	1.56	0.17	-	2.60

구체적으로 본 발명의 취련패턴과 부원료 투입은 도4a에 도시된 바와 같이, 취련이 개시되면 용선중 규소함량에 따라 생석회 500~ 1000kg 및 소결광 300~ 1000kg를 투입하고, 취련시간 35~70%시점에서 생석회 및 경소백운석을 각각 200~300kg씩 2~4회 분할 투입하였고, 소결광은 열원이 허용되는 범위 내에서 연동 투입하였다. 또, 취련시간 80~85%시점에서 소결광을 300~800kg 정도 투입하였다.

비교예(1~3)

취련개시부터 5~ 15%시점과 80~85%시점에서 소결광을 각각 150kg씩 투입한 것을 제외하고는 발명예와 동일하게 정련을 행하였다.

종래예(1~5)

취련 패턴과 부원료 투입을 도4b와 같이 행한 것을 제외하고는 발명예와 동일하게 전로 정련을 행하였다. 구체적으로 종래의 취련패턴과 부원료 투입은 도4b에 도시된 바와 같이, 열원이 허용되는 범위 내에서 소결광을 연동 투입한 것이외에는 취련개시부터 5~ 15%시점과 80~85%시점에서 전혀 소결광을 투입하지 않았다.

이와같이 전로 정련을 행한 후, 취련 종점에서의 용강 성분을 채취하여 분석하고, 그 결과를 표3에 나타내었다.

구분	소결광 투입량	취련종점에서의 용강 성분 및 조성(중량%)
구분	취련초기 5~15%	취련말기 80~85%	C	P	N(ppm)
종래예1	-	-	0.025	0.017	23.5
종래예2	-	-	0.032	0.016	20.7
종래예3	-	-	0.038	0.019	17.6
종래예4	-	-	0.045	0.021	13.0
종래예5	-	-	0.055	0.023	11.5
비교예1	150	150	0.042	0.017	16.0
발명예1	300	300	0.065	0.016	8.7
발명예2	800	380	0.100	0.013	13.5
발명예3	1000	500	0.080	0.009	12.0
비교예2	750	800	0.073	0.007	9.8
비교예3	1300	500	0.061	0.008	9.3
발명예4	400	400	0.040	0.011	12.5

표3에 나타난 바와 같이, 소결광을 취련 초기와 말기에 전혀 투입하지 않은종래예(1~5)의 경우에는 정련완료후 질소 농도가 높거나 인 함량이 목표치보다 높게 얻어져 저린 저질소강의 제조가 곤란함을 알 수 있었다.

반면, 본 발명의 조건을 만족한 발명예(1~4)의 경우 종점에서의 탄소가 약 0.041~ 0.100중량%, 인은 0.007~ 0.016중량%, 그리고 질소가 8.7~ 13.5ppm으로서, 저린 저질소강을 안정적으로 얻을 수 있었다.

그러나, 취련시간 5~15%시점과 80~85% 시점에서 소결광을 투입하더라도 그 양이 적은 비교예(1)의 경우 종점에서의 질소농도가 16ppm으로 다소 높아졌으며, 또한 취련 진행 80~85% 시점에서 소결광의 투입이 약간 과대한 비교예(2)의 경우나 취련초기 소결광 투입이 많은 비교예(3)의 경우 종점에서의 질소 농도나 인의 함량은 양호한 수준이었으나 종점온도가 낮아지는 문제가 있었다.

[실시예 2]

실시예1의 본 발명과 종래방법에 따른 전로 취련조업을 여러번 행한 후, 취련 종점의 용강 성분을 분석하고, 취련 종점에서의 탄소와 질소 및 탄소와 인의 상관관계를 각각 도5와 도6에 나타내었다.

도5에 도시된 바와 같이, 종점탄소가 0.04~ 0.10중량%의 구간에서 발명예의 경우 종래에 비하여 질소가 15ppm이하에서 분포되며, 이 구간을 벗어나면 용강중 종점질소 농도가 상승함이 확인되었다.

또한, 도6에 도시된 바와 같이, 종래의 방법에 의하면 종점탄소가 상승할수록 인의 함량이 높아지는 경향을 보이지만, 본 발명에 의하면 탄소 농도와 무관하게 약 0.02중량% 이하의 인 함량을 갖는 강을 안정적으로 정련할 수 있음을 보이고있다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 취련 종점에서 인함량을 0.02중량%이하, 탄소를 0.04~ 0.10중량%를 만족하면서 15ppm이하의 저린 저질소 용강을 안정된 조업을 통해 정련할 수 있을 뿐만 아니라 종래의 경우와 달리 RH 등의 감압설비 부하를 크게 경감할 수 있는 매우 유용한 효과가 있다.

Claims

용선 및 고철을 전로에 장입한 다음 용해한 용선을 랜스에 의해 송산 및 취련을 행하여 용강을 제조하는 방법에 있어서,

전로 취련진행 5~15% 시점에서 전체 장입량에 대하여 용강톤당 소결광을 3 내지 10kg의 범위에서 투입한 후, 다시 취련진행 80~ 85% 시점에서 전체 장입량에 대하여 소결광을 3 내지 5kg의 범위에서 투입하고, 상기 전로의 노내 압력을 대기압보다 높은 정압 상태에서 종점에서의 탄소 농도를 0.04~ 0.10중량%의 범위로 취지(吹止)함을 특징으로 하는 저린 저질소 용강의 전로 정련방법.
제1항에 있어서, 상기 취지후의 인 함량이 0.02중량%이하이고 질소농도가 15ppm이하임을 특징으로 하는 저린 저질소 용강의 전로 정련방법.