KR101408228B1

KR101408228B1 - 스테인리스강의 탈탄방법

Info

Publication number: KR101408228B1
Application number: KR1020120156247A
Authority: KR
Inventors: 김공영; 양진일; 권용화
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2012-12-28
Filing date: 2012-12-28
Publication date: 2014-06-16
Anticipated expiration: 2032-12-28

Abstract

본 발명은 스테인레스강의 정련로에서 탈탄방법에 있어서, 상기 정련로에 담겨진 용강에 취입되는 산소와 불활성기체의 비율을 조정하여 상기 용강의 탄소함유량 [C]%이 0.055 ~ 0.08 [C]%가 되는 조정단계와;
상기 0.055 ~ 0.08[C]%의 용강에 불활성기체만을 취입시켜서 0.04 ~ 0.048[C]%의 용강이 되는 완성단계;를 포함하는 스테인리스강의 탈탄방법을 제공한다.

Description

스테인리스강의 탈탄방법{Method for decarburizing stainless steel}

본 발명은 스테인리스강의 탈탄방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 용강 및 슬래그 중에 포함되어 있는 Cr₂O₃를 재활용함으로써, 용강 내로 산소 취입없이 불활성기체만을 취입하여 탈탄단계에서 발생하는 금속산화물을 감소시킬 수 있는 스테인리스강의 탈탄방법에 관한 것이다.

일반적으로 스테인리스강을 제조하기 위한 탈탄방법으로는 AOD(Argon Oxygen Decarburization)법과 VOD(Vacuum Oxygen Decarburization)법으로 대별할 수 있다. 이중 AOD법은 희석탈탄법이라 부르기도 하는데 이 정련법은 크게 탈탄, 환원 및 탈류단계로 나누어진다.

탈탄단계는 크롬이 다량 함유된 스테인리스 조(粗)용강 중 탄소만을 효과적으로 제거하기 위해 산소와 불활성기체의 취입비를 적절히 조절하여 CO분압(Pco)을 낮춤으로써 크롬산화를 최대한 억제하면서 탄소를 우선 산화, 제거하는 단계이다.

탈탄단계에서는 Cr 등 유가금속 산화를 최대한 억제시키면서 탄소를 효과적으로 제거하는 것이 용강 제조원가 측면에서 중요하다. 특히, 탈탄 마지막 단계에서는 용강 중 탄소농도가 낮아지기 때문에 Hilty의 우선탈탄반응에 근거하여 CO분압을 낮추고 용강온도를 높게 유지하는 방법을 채택하고 있다.

이러한 CO분압을 낮추기 위해서는 용강중 탄소농도에 따라 산소와 불활성기체의 취입비를 증가하는 방법을 이용한다. 즉, 강중 탄소농도가 높은 탈탄초기에는 산소공급속도에 탈탄반응이 비례하므로 산소취입비를 높게 하여 강중 탄소를 신속히 제거하고 탈탄중기 및 탈탄말기에는 불활성기체의 취입비를 높게 하여 강중 Cr의 산화를 억제하면서 탈탄작업을 진행한다.

스테인리스 조용강 중 탄소만을 우선탈탄시킬 때 탈탄효율에 영향을 미치는 인자로는 용강온도, CO분압, 용강교반력, 슬래그 물성조건 등이 있으며 용강온도는 높을수록, CO분압은 낮을수록, 용강교반력은 클수록, 슬래그 물성은 저융점 슬래그인 CaO·SiO2가 적을수록 탈탄반응에 유리하다.

여기서 탈탄온도를 높일수록 탈탄반응에는 유리하나 용강온도의 상승에 따라 노체 내화물의 용손도 증가하기 때문에 원가상승의 원인이 되므로 내화물의 포용온도에 제한된 용강온도 유지가 필요하다.

또한, CO분압을 낮추는 것은 아르곤 등의 불활성 기체의 취입량을 산소취입량 대비 증가시켜 용강중 산소와 탄소가 반응하여 발생되는 CO가스의 분압을 낮추는 것을 말하며 산소취입량 대비 불활성기체의 취입량을 증가시키는 방법에 의해 CO분압을 낮추는 것이 가능하나 상대적으로 산소취입량을 줄임으로써 탈탄소요시간이 증가하고 설비 기능상 불활성기체의 취입량을 무한정으로 증가시킬 수 없기 때문에 탈탄시간과 설비능력을 고려한 적절한 취입가스비 조절이 필요하다.

한편, 용강교반력을 향상시키는 것은 설비특성에 따라 제한되고, 불활성기체의 취입량을 최대로 증가시켜 교반력을 향상시킬 수 있으나 불활성기체의 사용량이 급격하게 증가하여 원가상승의 원인이 되고 동시에 노벽내화물의 용손도 급격하게 증가하기 때문에 설비특성에 적절한 취입량을 선택하여야 한다.

대한민국공개특허공보 제10-2005-0014464호(2005.02.07.)

본 발명의 해결하고자 하는 과제는 산소 취입량이 감소하거나 산소를 취입하지 않더라도 탈탄소요시간이 증가하지 않으면서 탈탄단계에서 발생하는 크롬산화물을 감소시킬 수 있는 스테인리스강의 탈탄방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 해결하고자 하는 다른 과제는 원가상승 및 노벽내화물 용손을 일으키는 불활성기체의 사용량을 급격하게 증가시키지 않으면서 탈탄단계에서 발생하는 크롬산화물을 감소시킬 수 있는 스테인리스강의 탈탄방법을 제공하는 것이다.

상술한 해결하고자 하는 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 스테인레스강의 정련로에서 탈탄방법에 있어서, 상기 정련로에 담겨진 용강에 취입되는 산소와 불활성기체의 비율을 조정하여 상기 용강의 탄소함유량 [C]%이 0.055 ~ 0.08 [C]%가 되는 조정단계와; 상기 0.055 ~ 0.08[C]%의 용강에 불활성기체만을 취입시켜서 0.04 ~ 0.048[C]%의 용강이 되는 완성단계;를 포함하는 스테인리스강의 탈탄방법을 제공한다.

여기서, 상기 조정단계는 산소에 대한 불활성 기체의 비율을 점차 증가시키면서 2회 이상 취입시킬 수 있다.

이때, 상기 조정단계는 1.5[C]%의 용강에 13:1.5의 비율로 산소와 상기 불활성기체를 취입시켜서 0.6[C]%의 용강이 되는 제1단계와;

상기 0.6[C]%의 용강에 3:1의 비율로 산소와 상기 불활성기체를 취입시켜서 0.4[C]%의 용강이 되는 제2단계와;

상기 0.4[C]%의 용강에 1:1의 비율로 산소와 상기 불활성기체를 취입시켜서 0.2[C]%의 용강이 되는 제3단계와;

상기 0.2[C]%의 용강에 1:3의 비율로 산소와 상기 불활성기체를 취입시켜서 0.055 ~ 0.08[C]%의 용강이 되는 제4단계;를 포함할 수 있다.

또한, 상기 조정단계는 상기 제4단계의 용강의 시료를 채취하여, 상기 시료의 [C]%를 측정하는 측정단계;를 더 포함하되, 상기 완성단계는 측정된 상기 시료의 [C]%에 따라서 상기 불활성기체의 취입 유량을 200 ~ 350[N㎥]으로 조절할 수 있다.

본 발명에 따른 스테인리스강의 탈탄방법의 효과는 다음과 같다.

첫째, 용강 및 슬래그 중에 포함되어 있는 Cr₂O₃를 재활용함으로써, 용강 내로 산소 취입없이 불활성기체만을 취입하여 크롬산화물 등 금속산화물의 발생을 감소시킴으로써 용강제조원가가 절감되는 이점이 있다.

둘째, 용강 및 슬래그 중에 포함되어 있는 Cr₂O₃를 재활용함으로써 환원용 실리콘(Si)의 첨가량을 감소시키면서 금속의 실수율은 감소하지 않는 이점이 있다.

셋째, 불활성기체의 사용량을 급격하게 증가시키지 않으면서 탈탄단계에서 발생하는 크롬산화물을 감소시킬 수 있는 이점이 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 스테인리스강의 정련 패턴 모식도.
도 2는 본 발명의 일실시예에 스테인리스강의 탈탄방법의 순서도.

탈탄작업 과정에서 용강중 탄소[C]를 우선적으로 산화시키는 노력이 다각도로 연구되고 있으나, 강중 포함된 크롬의 절대량이 탄소에 비해 엄청나게 많기 때문에 크롬산화물의 생성은 어쩔 수 없다.

또한 스테인레스강에서의 기본적인 탈탄반응은 용강중에 취입 된 산소에 의해 0.02초의 순간에 크롬의 산화가 1차적으로 하기 [반응식 1]과 같이 일어나고, 1차 산화된 크롬산화물은 용강 중 탄소와 재반응을 하여 하기 [반응식 2]와 같이 탈탄반응이 이루어지기 때문에 크롬산화물의 적정수준 유지는 탈탄반응 속도를 위해서도 필요하다.

[반응식 1]

2Cr + (3/2)O₂ → Cr₂O₃

[반응식 2]

Cr₂O₃ + 3C → 2Cr +3CO↑

AOD 정련에서 목표로 하는 범위까지의 탈탄작업이 이루어지면 탈탄기에 생성된 슬래그중의 고가금속인 크롬산화물(Cr2O3)과 기타 금속산화물(FeO, MnO)을 용강중으로 환원시키기 위해 탈산재를 이용하여 환원반응을 실시한다. 환원재로 사용하는 합금철은 Al, Ti, Si등의 합금철인데 품질 및 원가 측면을 종합적으로 고려하여 대부분 페로-실리콘(Fe-Si)을 사용한다.

강중에 첨가된 실리콘(Si)은 하기의 [반응식 3]에 의해 슬래그중의 유가금속을 강중으로 환원시키고, 이때 생성된 SiO₂는 탈탄과정에서 첨가된 염기도조정용 부원료인 CaO에 의해 CaO·SiO₂의 화합물을 구성하게 된다.

[반응식 3]

Cr₃O₄(slag) + 2Si(metal) ↔3Cr(metal) + 2SiO₂(slag)

환원제로 첨가하는 실리콘은 탈탄기에 생성된 금속산화물량에 비례하여 가감이 되어지는데 스테인리스강의 AOD 정련법에서는 설비특성상 다량의 금속산화물이 발생되므로 다량의 환원재를 첨가하여 슬래그중의 산화물과 용강중에 존재하는 산화물을 Si과 반응시켜 고가금속인 크롬을 용강중으로 환원시킨다.

상기와 같은 사유로 환원용으로 사용하는 실리콘(Si) 사용량을 감소하기 위해서는 탈탄기 조업방법을 최적의 조건으로 하여 금속산화물 발생을 최소화하여야 하는데 현 설비인 AOD에서는 금속산화물 발생량을 감소시키는데 한계가 있다.

이하, 상술된 문제점을 해결하기 위해, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 스테인리스강의 용강제련방법의 실시 예를 설명한다.

도 1은 본발명의 AOD 취련 PATTERN 모식도이다. 도 1을 참조하여, 본 발명의 일실시예에 따른 스테인리스강의 용강제련방법을 설명한다.

AOD 취련패턴은 탈탄단계, 환원 및 탈류단계로 크게 나눌 수 있고, 탈탄단계는 강중 포함된 탄소함유량 [C]%에 따라 5단계로 나누어서 작업을 진행한다. 이는 스테인리스강의 탈탄작업시 강중에는 다량의 크롬(Cr)이 포함되어 있어서, 취입된 산소와 탄소와의 산화반응이 어려워지고 크롬(Cr)이 급격하게 산화되는 임계점을 가지기 때문이다.

따라서, 취입된 산소가 금속과의 산화반응을 최소화시키기 위한 수단으로 일산화탄소(CO) 분압을 낮추기 위해 강중 탄소의 함량이 감소함에 따라 산소의 취입비를 낮추고 아르곤(Ar) 등의 불활성 기체의 취입비를 증가시킨다.

먼저, 정련로에 담겨진 용강에 취입되는 산소와 불활성기체의 비율을 조정하여 상기 용강의 탄소함유량 [C]%이 0.055 ~ 0.08 [C]%가 되는 조정단계가 수행된다(S10). 이런 조정단계(S10)에서는 산소에 대한 불활성 기체의 비율을 점차 증가시키면서 2회 이상 취입시키는 것이 바람직하며, 구체적으로 하기의 제1단계 내지 제4단계를 포함할 수 있다.

1.5[C]%의 용강에 13:1.5의 비율로 산소와 불활성 기체를 취입시켜서 0.6[C]%의 용강이 되는 제1단계가 수행된다(S11). 이는 고탄소영역에서의 탈탄반응은 산소의 취입속도와 율속반응이므로 산소취입비를 높여 신속한 탈탄반응에 의한 전체 작업시간을 감소시키기 위함이다.

다음으로, 상기 0.6[C]%의 용강에 3:1의 비율로 산소와 불활성 기체를 취입시켜서 0.4[C]%의 용강이 되는 제2단계가 수행된다(S12).

다음으로, 상기 0.4[C]%의 용강에 1:1의 비율로 산소와 불활성 기체를 취입시켜서 0.2[C]%의 용강이 되는 제3단계가 수행된다(S13).

다음으로, 상기 0.2[C]%의 용강에 1:3의 비율로 산소와 불활성기체를 취입시켜서 0.055 ~ 0.080[C]%의 용강이 되는 제4단계가 수행된다(S14). 이때, 제4단계의 작업이 종료되면 후술할 완성단계(S20)에서 불활성기체의 취입 유량을 조절하기 위해서 시료 채취 및 온도 측정이 수행될 수 있다.

이렇게 제4단계에서 용강의 [C]%를 0.055 ~ 0.080[C]%로 하는 이유는 용강의 [C]% 가 0.055[C]% 미만이면 불활성기체 취입량에 비해 탈탄량이 적고, 현실적으로 제4단계에서 용강의 [C]% 확인에 소요되는 시간 4 ~ 5분 감안시 필요 이상으로 불활성가스 취입량이 증가하여 종점[C]%가 목표범위(0.04 ~ 0.048[C]%)보다 과다하게 낮아질 수 있다. 또한 0.080[C]% 초과시 탈탄에 필요한 불활성기체량이 많아져 취련시간 지연의 요건이 발생되어 산소를 취입하여 탈탄을 진행하는 것보다 탈탄효율이 급격하게 저하되어 제강시간 지연 요인이 되어 원가절감 효과가 발생되지 않기 때문이다.

다음으로, 하기의 [반응식 4]를 참조하면, 슬래그 및 강중에 생성된 Cr₂O₃가 용강교반을 통해 강중 탄소와 반응하도록 제4단계에서 생성된 0.055 ~ 0.080[C]%의 용강에 불활성기체만 취입시켜서 0.04 ~ 0.048[C]%의 용강이 되는 완성단계가 수행된다(S20). 즉, 산소 취입없이 슬래그 및 강중에 포화되어 있는 Cr₂O₃를 이용하여 불활성기체에 의한 교반력으로 탈탄반응을 유도하는 것이다. 이때, 완성단계(S20)에서 용강에 취입되는 불활성기체의 취입 유량은 제4단계(S14)에서 채취한 시료의 탄수함유량 [C]%에 따라 조절될 수 있다. 이때, 종점[C]%가 목표범위(0.04 ~ 0.048[C]%)보다 과다하게 낮아지지 않도록 불활성기체의 취입 유량은 200 ~ 350[N㎥]인 것이 바람직하다.

[반응식 4]

Cr₂O₃ + 3C → 2Cr +3CO↑

구체적으로, 제4단계에서 시료채취 후 강중 [C]%를 파악하기 위해 소요되는 시간은 약 5~7분 정도 소요되는데, 이 시간 동안 불황성기체만을 취입하여 CO분압을 극대화하여 유가금속의 산화반응을 전혀 발생시키지 않고 제1단계 내지 제4단계에서 발생된 Cr₂O₃를 활용하여 탈탄반응을 유도하는 것이다.

또한, 본 실시예에 따른 스테인리스강의 탈탄방법은 제1단계 내지 제4단계에서 생성된 산화물을 탈탄반응에 재활용하는 방법으로 전체적으로는 환원용 실리콘(Si) 첨가량을 감소시키며 유가금속인 크롬[Cr]의 실수율은 감소하지 않는다. 이는 환원기에 실리콘(Si) 첨가에 의해 일어나는 반응인 환원반응이 불활성기체만을 취입하여 실시하는 제5단계에서 Cr₂O₃가 일부 탈탄반응에 소요되면서 크롬[Cr]이 강중으로 환원되기 때문이다.

아래의 [표 1]은 90[t] 정련로에서 제4단계 [C]%에 따라 아르곤 기체만 취입하여 탈탄작업을 실시한 예이다.

제4단계 [C]%	용강량 (t)	아르곤유량 (Nm³)	종점[C]%	탈탄량(kg)	아르곤1[Nm³]당 탈탄량(kg)	취입산소 예상량	환원용Si 절감량(kg)
0.045	93	200	0.034	10.2	0.051	24	30
0.050	95	250	0.035	14.3	0.057	33	42
0.051	97	250	0.034	16.5	0.066	38	48
0.052	92	250	0.035	15.6	0.063	36	46
0.055	95	250	0.033	20.9	0.084	49	61
0.057	94	250	0.035	20.7	0.083	48	60
0.060	97	250	0.035	24.3	0.097	57	71
0.063	93	250	0.037	24.2	0.097	56	70
0.065	93	250	0.039	24.2	0.097	56	70
0.070	91	300	0.038	29.1	0.097	68	85
0.071	96	300	0.047	23.0	0.077	54	68
0.071	94	300	0.042	27.3	0.091	64	80
0.073	97	350	0.048	24.3	0.069	57	71
0.075	95	300	0.048	25.7	0.086	60	75
0.076	93	300	0.046	27.9	0.093	65	81
0.077	90	300	0.045	28.8	0.096	67	84
0.078	92	350	0.045	30.4	0.087	71	89
0.079	89	300	0.046	29.4	0.098	68	85
0.080	94	350	0.049	29.1	0.083	68	85
0.081	95	400	0.048	31.4	0.078	73	91
0.082	95	450	0.049	31.4	0.070	73	91
0.083	92	400	0.050	30.4	0.076	71	89
0.084	92	450	0.047	34.0	0.076	79	99
0.085	97	500	0.044	39.8	0.080	93	116
0.090	94	550	0.047	40.4	0.073	94	118

[표 1]을 살펴보면, 제4단계(S14)에서 용강의 [C]%가 0.055 미만인 경우에 탈탄량은 적고, 0.080을 초과하는 경우에 탈탄에 필요한 불활성기체량이 많아져 취련시간 지연의 요건이 발생되어 산소를 취입하여 탈탄을 진행하는 것보다 탈탄효율이 급격하게 저하되는 것을 알 수 있다. 따라서, 제4단계 [C]%는 0.055 ~ 0.080인 것이 바람직하다.

또한, 탈탄 마지막 단계에서의 미세한 탈탄작업에서는 불활성기체만을 취입한 탈탄작업이 강중 금속산화물량의 감소에 효과가 크고 이에 따라 환원기에 첨가되는 환원용 실리콘(Si)량이 감소하는 것을 알 수 있다. 또한, 아르곤유량을 최저 250에서 550까지 취입하였으며 아르곤유량에 비례하여 탈탄량이 증가하는 것을 알 수 있다.

아래의 [표 2]는 제4단계(S14)의 강중 탄소함유량 [C]%에 따라서 아르곤 환류유량을 조절하였을 때 완성단계(S20)의 강중 탄소함유량 [C]%을 나타낸 것이다.

4단계 [C]%	RINSING유량[Nm³]	목표[C]%	비고
0.055 ~ 0.060	150	0.04 ~ 0.048	미적용
0.061 ~ 0.065	200	0.04 ~ 0.048	본 발명 적용구간
0.066 ~ 0.070	250	0.04 ~ 0.048
0.071 ~ 0.075	300	0.04 ~ 0.048
0.076 ~ 0.080	350	0.04 ~ 0.048

[표 2]를 살펴보면, 제4단계(S14)의 용강중 [C]%를 0.055 ~ 0.080으로 한 것은 [C]%가 0.08을 초과하면 탈탄에 소요되는 작업시간이 성분분석시간보다 장시간 소요되어 탈탄반응에 의한 작업시간이 지연되어 생산성이 저하되기 때문이며, [C]%를 0.055 이상으로 하는 것은 최종성분 범위가 0.04[C]%이므로 환원기에 첨가되는 합금철에 의한 탄소(C) PICK-UP량을 감안하더라도 추가 탈탄을 실시하지 않아도 무방하기 때문이다.

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

없음

Claims

스테인레스강의 정련로에서 탈탄방법에 있어서,
상기 정련로에 담겨진 용강에 취입되는 산소와 불활성기체의 비율을 조정하여 상기 용강의 탄소함유량 [C]%이 0.071 ~ 0.079 [C]%가 되는 조정단계;및
상기 0.071 ~ 0.079[C]%의 용강에 불활성기체만을 취입시켜서 0.04 ~ 0.048[C]%의 용강이 되는 완성단계;를 포함하되,
상기 완성단계에서 취입되는 상기 불활성기체의 취입 유량은 200 ~ 350[N㎥]인 것을 특징으로 하는 스테인리스강의 탈탄방법.
청구항 1에 있어서,
상기 조정단계는 산소에 대한 불활성 기체의 비율을 점차 증가시키면서 2회 이상 취입시키는 것을 특징으로 하는 스테인리스 강의 탈탄방법.
청구항 2에 있어서,
상기 조정단계는
1.5[C]%의 용강에 13:1.5의 비율로 산소와 상기 불활성기체를 취입시켜서 0.6[C]%의 용강이 되는 제1단계;
상기 0.6[C]%의 용강에 3:1의 비율로 산소와 상기 불활성기체를 취입시켜서 0.4[C]%의 용강이 되는 제2단계;
상기 0.4[C]%의 용강에 1:1의 비율로 산소와 상기 불활성기체를 취입시켜서 0.2[C]%의 용강이 되는 제3단계;및
상기 0.2[C]%의 용강에 1:3의 비율로 산소와 상기 불활성기체를 취입시켜서 0.055 ~ 0.08[C]%의 용강이 되는 제4단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 스테인리스강의 탈탄방법.
청구항 3에 있어서,
상기 조정단계는
상기 제4단계의 용강의 시료를 채취하여, 상기 시료의 [C]%를 측정하는 측정단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스테인리스강의 탈탄방법.