KR860000039B1 - 크롬주철의 탈탄방법 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

크롬주철의 탈탄방법

본 발명은 C를 1.5-8중량%, Cr을 10-30중량%, Ni을 30%까지, 그리고 가능하면 첨가물로서 Co, Mn, Mo를 함유하는 크롬 또는 니켈크롬함유 주철의 탈탄방법에 관한 것이다.

종래부터, 대기압하나 저압하에서 산소단독으로 혹은 다른 개스와 혼합한 산소의 작용으로 주철의 탈탄을 행하도록 하는 방법이 다수공지되어 있는데, 이에 있어서는 산소나 개스혼합물을 전로의 저부를 통해 분사시켜 액체금속과 접촉시키거나, 금속위 표면에까지 도달시키게 하고 있다.

특히, LD법에서는 탈탄되어야할 주철을 수직전로에서 액체주철위에 배치되는 분기관(branch pipe)에 의해 처리를 하게되어 있는데, 이 분기관은 산소제트를 액체금속욕의 표면에 분사시키도록 작용하게 된다.

이 방법에 대한 최근의 연구자료를 보면 금속욕과 이를 덮고 있는 슬래그에 분사되는 산소제트의 작용을 용이하게 이해할 수 있는데, 일례로 "산소 상취법의 시행중에 발생하는 반응과 금속학적 조절 매개변수의 계산"이란 명칭의 논문(Ironmaking and Steelmakin, 1978년판, 제2권 72-79페이지)에는 200T전로를 사용하여 LD법을 시행하는 경우의 주철의 탈인화 및 탈탄화시의 기구(mechanism)에 관해 기재되어 있는데, 이를 참조하면 상기 방법에 있어서의 산소와 액체금속간의 반응은 주로 슬래그에 액체금속의 방울이 존재하기 때문에 발생하고 있다는 것을 알수 있다.

슬래그를 통하여 방울의 형태로 분무되는 액체금속의 유속은 액체금속에 대한 산소제트충격력에 따르게 되는데, 이 금속의 유속은 초당 1톤이 될 수 있으며, 이를 초과하기도 한다.

이러한 조건하에서는 액체금속과 슬래그사이의 접촉면은 100배로 늘어나면서, 액체금속, 슬래그와 개스혼합물사이에 에멀젼(emulsion)이 형성되는데, 이때 에멀젼의 체적은 산소제트의 충격력뿐만 아니라, 슬래그의 유동성에 따라서도 달라지게 된다.

상기 논문에 따르면, 인은 낮은 충격력에서 우선적으로 제거되는 반면, 탄소는 높은 충격력에 의해 제거되게 된다고 되어있다.

분석결과, 인을 제거하는데 유효한 조건하에서는 금속방울주의 P함량이 금속욕에서의 인함량보다도 100배정도 작게 된다는 것을 알수 있었다.

금속욕에 대한 산소제트의 충격력을 증가시키게 되면 분무되는 금속방울의 유속이 상술한 바와같이 초당 1톤을 초과할 정도로 증가되기 때문에 탈탄반응이 증가하게 되는데, 이와같이 급속한 탈탄반응이 개시되게되면 CO기포의 형성으로 인한 금속방울의 파열에 의해 그러한 급속탈탄반응은 촉진되게 된다.

"LD강제조법"이라는 명칭의 논문(Ironmakingand Stcolmaking, 1976년판, 제1권)에는 특히 LD법에 의해 주철의 탈탄을 행하는 방법에 관해 기재되어 있는데, 이에 있어서는 송풍구의 배출단에서 초음속을 이루는 산소제트가 액체금속과 슬래그, 그리고 여러가지 비율의 산소와 탄소산화물을 함유하는 개스혼합물사이에 서충격에 의해 에멀젼을 형성한다고 되어있고, 에멀젼의 체적은 슬래그의 점성에 의해 크게 좌우된다고 되어있다. 슬래그가 FeO이 많고 유동성이 큰 경우에는 송풍구의 배출단에서의 액체금속의 체적보다 3-4배가 더 큰 체적의 에멀젼을 형성시킬 수 있게 된다. 에멀젼내에서의 액체금속방울의 탈탄은 두개의 동시 반응 즉, 개스혼합물에 함유된 산소에 의한 탄소의 산화와 글래그에 함유된 FeO에 의한 탄소의 산화에 의해 이루어지게 된다.

초기에 일반주철의 탈탄을 위해 개발된 이 방법은 크롬주철의 처리에 적용되어 왔는데, 이에 대해서는 예를들면 "BOF법에 의해 처리된 스테인레스강"이란 명칭의 논문(Iron and Steel Eng, 1972년 8월판, 53-58페이지)에 설명되어 있다. 이 논문에는 일반주철과 약 4%의 C 및 약 15재지 16%의 Cr을 함유하는 탄화된 페로크롬을 혼합하여 얻어진 합성크롬주철을 산소를 불어넣어 C의 함량이 최종적으로 0.05%로 되기까지 탈탄시키고, 그러한 탈탄말기에 온도는 1,900℃를 초과한다고 기재되어 있다.

이 방법에서는, 송풍초기에 주로 주철에서의 산소의 작용에 의해 상당량이 산화크롬 및 산화철이 형성되어 슬래그에 혼입되게 되고 그에 의해 슬래그에서의 산화물의 농도가 충분히 크게되면, 그 산화물은 금속욕에 함유된 탄소와 작용하여 CO를 형성하여 유리시키게 되며, 반응초기에 형성된 산화크롬의 일부는 먼지형태의 고온개스에 의해 운반되고, 나머지 부분은 슬래그에 존재하여 실리코 테르미아(silicothermia)에 의한 차후의 환원작용시 환원되어 회수되게 되어있다.

그러므로, 이 방법은 크롬의 일부를 회수하기 위해 슬래그에 대체적으로 값비싼처리를 필요로 하는 여러가지 단계로 구성되고, 더우기 고온개스에 의해 운반된 크롬산화물은 회수하기가 어려울 뿐만 아니라, 탈탄효과를 위해 슬래그에 크롬산화물을 다량함유케 하는 것은 부가되는 단점이 있다. 즉, 이러한 슬래그는 실제로 금속욕에 대한 산소제트의 충격효과를 감소시키게 하며, 따라서 교반효과도 감소하며, 그 결과 탈탄이 감소되고 한편으로는 산화로 인한 크롬의 손실이 증가한다.

이와같이 크롬주철을 C₂rO₃가 다량함유된 슬래그와 접촉시켜 탈탄시키는 것은 슬래그에서 또는 연기에 혼입됨에 의한 C₂rO₃의 손실이 발생하고, 따라서, 본 발명의 목적은 이러한 방식의 탈탄을 가능한한 배제시키면서 산소를 사용하여 크롬주철을 직접 탈탄시키게 하는 것에 의해 탈탄을 가속화시킬수 있게한 크롬주철의 탈탄방법을 제공하는 것이다.

그리하여, 본 발명에 따른 방법은 Cr을 10-30중량%, Ni을 0-30중량%, Co+Mn+Mo을 0-20중량%, Si를 4중량%이하 그리고 기타 불순물을 함유하는 크롬주철에 적용되는 것으로서, 액체주철의 표면으로 향하는 초음속영역을 가진 산소제트에 의해 탈탄을 행하게 되어 있는데, 특히 탄소성분이 C_D/n(C_D: 초기탄소중량%, n : 1.5내지 2.5)일때 개시되는 적어도 최종의 탈탄공정시 상기 산소제트에 의해 개스-주철의에 멀젼을 발생시켜 그 에멀젼중에서 산소에 의해 탄소를 직접 산화시키는 것을 특징으로 하고 있다.

본 발명에 따르면 C를 1.5-8%, Cr을 10-30%, Ni을 0-30%, Co+Mn+Mo를 0-20%, Si를 4%이하, 그리고 일반 불순물등을 함유하고 있는 액체주철을 LD법에 의한 탈탄시사용되는 유형의 전로와 비교될 수 있는 수직전로에 유입시키도록 되어있다.

이 전로는 고온에 견디는 염기성 라이닝(basic lining)을 가지고 있는데, 특히, 크롬마그네시아벽돌을 사용할 수 있다.

상기 전로에서, 액체주철은 석회가 주성분인 제한된 양의 슬래그로 덮히게 되어있다. 탈탄은 전로의 상부를 관통하여 설치된 분기관을 사용하여, 고압으로 산소를 주입시키에 의해 이루어지게 되는데, 이 분기관은 속도가 초음속이 되는 작은 영역을 가진 산소제트를 금속욕의 표면쪽으로 분사하는 초음속 송풍구로 구성되어 있다.

상기 초음속영역은 산소제트의 축을 따라 소정길이만큼 연장되는데, 그 길이는 직경이 최소가 되는 목부에서의 송풍구의 직경 및 산소압력에 따라 정해지게 된다. 산소제트는 대체로 수직방향으로 향하게 되며, 송풍구의 단부와 금속욕 표면간의 거리는 산소제트의 초음속 영역의 단부를 금속욕 표면에 도달시킬 수 있게 하도록 조절된다. 실제로, 분기관과금속욕사이의 거리는 송풍구 목부직경의 5배내지 30배사이에서 변화한다. 또한, 액체주철 톤당산소의 유속은 8내지 12바아의 압력하에서 약 3Nm³-mm이 되어야 한다.

이러한 조건하에서는 산소제트에 의해 욕의 표면으로부터 점차적으로 슬래그층이 제거되는 동안, 주철에 포함된 전산화성요소의 급속한 산화가 일어남과 동시에 제1반응상이 관찰된다. 이 시기의 주된 반응은 크롬의 산화로서, 이와동시에 금속의 온도가 급상승한다.

제2반응상에서는 초기에 산화된 크롬이 탄소에 의해 환원되는데, 이때에도 여전히 금속욕의 크롬함량은 높은 상태이다.

산화크롬의 환원중에 온도는 계속 상승하게 되는데, 그 온도가 1700-1800℃이상으로 되게되면, 제3반응상이 시작되며, 이때 금속욕의 탄소에 대한 산소의 작용에 의해 야기되는 비등현상은 금속욕의 표면뿐만 아니라 심부에서도 더 이상 일어나지 않게되며, 이렇게해서 개스혼합물과 액체금속사이에 에멀젼이 형성되고, 이의 높이는 점차적으로 상승하여 주입분기관을 둘러싸게 된다. 이에 멀젼내에서 산소는 슬래그의 간섭없이 직접적으로 액체금속에 접촉하게 되는데 이러한 조건하에서는 중간 생성물인 산화크롬이 형성됨이 없이 아주 급속한 금속의 직접 탈탄이 행해지게 된다. 높이가 금속욕의 초기표면위까지 상승한 개스와 금속의 에멀젼은 철, 크롬이나 다른 형성가능한 금속의 산화물의 고체입자를 보유시키도록 작용하는 필터로서 작용하게 된다. 에멀젼중에서 그의 25%를 초과하는 체적을 갖는 액체금속과 개스혼합물이 서로 영구접촉하게 됨으로써 탈탄의 효율이 크게 증가하게 되고, 같은 이유로해서, 액체금속의 온도상승이 더욱 커지게 되고, 따라서 크롬주철을 빠르고 일정한 속도로 탈탄시키는 것이 가능하다는 것을 알게되었다. 최종적으로, 개스와 금속의 에멀젼은 절연재로서 작용하여, 열손실을 상당히 감소시켜주게 된다.

실험결과, 제3반응상이 일어나는 동안개스/금속에멀젼을 안정상태로 유지시키는 것이 가능하고, 탈탄을 빠르고 일정한 속도로 일으켜 최종탄소함량이 0.2%까지로 되게할 수 있다는 것을 알수있었다. 이 시점에서 화학분석을 한 결과, 금속욕에 존재하는 크롬함량은 초기에 전로에 유입된 주철에 함유된 크롬함량의 97중량%, 이상이 되는 것을 알수 있었다. 이 결과는 실리콘, 페로실리콘등의 환원성분이나 그 화합물의 첨가없이 나타난 것이다. 산소송풍을 계속하면 금속조의 탄소함량을 더욱 감소시키는 것이 가능하기는 하지만, 그와 같이 하는 경우는 탄소의 확산으로 반응이 제한됨에 의해 크롬의 재산화가 발생하는 문제점이 있고, 따라서 탄소함량을 좀더 감소시키고자 하는 경우에는 전로의 압력을 감소시키는 것이 바람직하다. 이러한 경우에는 예를들면 전로의 압력을 감소시키기 위한 펌프에 연결되는 개스배출용 파이프로 구성되는 밀폐된 덮개를 전로에 설치하여, 상기 펌프에 의해 산소나 중성개스를 임의적으로 보충유입시킴으로써 전로의 압력을 10Torr나 그 이하수준으로 이루게 할 수 있다.

대다수의 경우에 있어서, 주철과 잔유슬래그에 존재하는 산소의 양은 잔유탄소를 산화시키기에 충분한 양이고, 따라서 최종 탄소함량을 0.03%이하로 하는 것은 용이하다. 이러한 조건하에서 전 크롬함량은 대단히 양호하여 98%정도에 이르게 되며, 상술한 바와같이 이 결과는 환원성분이나 그 화합물의 첨가없이 얻어진 것이다.

이하, 본 발명의 실시예에 관해 설명하겠다.

먼저, Cr을 17중량%, C를 6중량%, Si를 0.3중량%, Mn을 0.3중량%, S를 0.03이하, P를 0.03%이하를 함유하는 주철을 준비하여, 이 주철 60㎏을 유도 가열장치를 가진 로(爐)에서, 1,430℃까지 가열한후, 액체주철의 표면에 약 0.5㎏의 석회를 덮도록 한다.

다음에 수직분기관을 사용하여 산소를 9바아의 압력, 168NI/min의 유속으로 분사시킨다. 상기 수직분기관의 노즐목부의 직경은 2mm이고, 분기관단부와 금속을표면사이의 수직거리는 30mm이다. 이러한 방식으로 분사된 산소는 욕과 작용하면서 세개의 연속된 반응상을 발생시키게 된다.

즉, 제1상에서는 산소는 주로 주철욕의 표면에서 반응하면서 바람직하게 Cr, Si, Fe를 산화시키게 된다. 형성된 산화물은 주로 Cr₂O₃를 함유하는 것으로서, 이러한 산화물이 욕의 표면에 모이게 되면 탄소에 의한 이들 산화물의 환원을 이루게 하는 것으로서, 이러한 산화물이 욕의 표면에 모이게 되면 탄소에 의한 이들 산화물의 환원을 이루게 하는 이차반응이 시작하게 되는데, 이 환원반응의 속도는 온도가 약 10분동안 1,650℃까지 상승됨에 따라 점차적으로 증가하게 되고, 이러한 기간중에 형성된 CO는 유리되어 화염과 함께 타버린다.

제2반응상에서는, 약 11분때로부터 주로 산화크롬인 산화물의 탄소에 의한 환원속도가 산화물의 형성속보다 훨씬 빠르게 되기 시작하고, 이 활발한 반응시기에 온도는 계속오르나 속도는 느려지고, 약 15분때로부터 탈탄속도는 안정화된다. 이때의 탄소함량은 약 4%로서, 그때부터 탄소함량은 분망 0.3의 속도로 감소하게 되고 동시에 산화크롬에서도 같은 환원이 관찰된다. 이 반응기구는 20분때까지 계속된다. 그러면 욕의 온도는 1,750℃가 되고, 반면에 탄소함량은 2.9%까지 떨어진다. 제2반응상의 말기에는 초기에 형성된 금속산하물은 거의 완전히 환원된 상태에 있게 된다.

20분때로부터는 탄소함량을 0.3%이하 0.2%까지 환원시키게 하는 제3반응상을 개시할 수 있도록 모든 조건이 부합되게 된다. 즉, 제3반응상의 초기에 주철욕의 온도는 높게된다. 산소 유속조건과 분기관의 단부와 주철욕사이의 거리에 변화가 없는 상태에서 상기와 같은 조건이 이루어지면, 주철욕으로부터 개스와 주철의 에멀젼의 형성이 관찰되는데, 이 에멀젼은 욕의 표면을 빠르게 덮고나서 주철욕의 추기체적이 두배로 될때까지 두께를 증가시킨다. 이러한 반응은 산소 제트작용과 CO의 생성하에서, 산소와 주철에 함유된 탄소가 직접적으로 반응함에 의해 발생한 물리화학조건에 따라 주철자체가 마치 전체적으로 끓게되는 것과같이 발생하게 된다. 형성된 에멀젼내에서의 반응속도는 빠르고, 그리하여 최종탄소함량이 약 0.2%가 되기까지 탈탄이 빠른 속도로 진행되는데, 이는 29분때쯤에 성취된다. 이때의 온도는 1,860℃로서 이때 산소송풍을 중단한다.

이 상태에서 화학적인 분석을 한 결과, 크롬산출량은 97.5중량%을 나타냈다.

다음에는 약 20분만에 잔유압력을 2Torr로 할수 있게하는 진공펌프아래에 로(爐)를 위치시킨 상태에서 공지의 방식으로 최종탈탄을 행한다. 이러한 최종탈탄시, 탄소함량은 액체주철과 잔유슬래그에 존재하는 산소때문에 약 0.02까지 감소하게 된다. 이 실험의 최종단계에서 크롬산출량은 98%이 되는 것을 알수 있다.

이 실험에서는 작은 양의 주철을 사용하였기 때문에, 과도한 열손실을 보상해줄 필요가 있고, 따라서 이러한 목적을 위해 전작동을 통해 대체적으로 일정한 동력으로 부가적인 유도가열을 행하여 열손실을 최적으로 보상하고 있는데, 이러한 유형의 가열은 단지실험의 경우와 같이 소규모의 경우에만 필요한 것으로 산업적인 규모에 서는 불필요한 것이다.

개스와 액체크롬주철의 에멀젼의 형성을 촉진시키기 위한 조건으로서는 개스와 금속의 에멀젼의 형성개시시기 및 금속옥의 초기온도가 부등식 T_D+65C_D

1,740을 만족하는 것이 중요하다.

상기 식에서, T_D는 산소 송풍개시시 크롬주철의 초기 섭씨온도, C_D는 주철중의 초기 탄소함량의 중량% 크롬주철중의 탄소함량이 6%라면, 산소 송풍개시시의 온도는 1740-390=1350℃보다 높아야 한다는 것을 알수 있는데, 실혐결과 이렇게 결정된 임계치보다 실제온도가 높으면 높을 수록, 탈탄공정시 개스와 액체금속의 에멀젼을 형성하는데 유리한 조건이 더욱 빨리 나타난다는 것을 알수 있었다. 주로 금속산화물의 환원에 의해 탄소를 제거시키게 되어있는 탈탄공정의 제1,2반응상의 지속기간이 보다 짧아지게 되어, 개스와 금속의 에멀젼의 형성에 의한 액체주철의 직접적인 탈탄을 이루게 하는 제3반응상의 잇점을 보다 많이 얻을 수 있다는 것을 의미하는 것이다. 이상과 같은 본 발명의 방법은 다른 첨가물없이 Cr을 함유하는 주철뿐만 아니라, Ni, Co, Mn이나 Mo같은 다른 금속첨가물을 가지는 Cr함유 주철에도 적용시킬수 있다. 이렇게 해서, 적당한 첨가물을 가지는 Cr이나 주철로부터 직접 페라이트, 세미페라이트, 오스테나이트 또는 오스테노 페라이트의 스테인레스강을 얻는 것이 가능하다.

실험결과, 전로내에 위치하는 산소 분사용 송풍구의 수명을 충분히 길게하기 위한 중요한 인자중의 하나는 작동시 송풍구의 표면에 자동적으로 라이닝을 형성시키게 하는 것임을 알수 있었다. 즉, 송풍구는 바람직하게 구리로 제작되어 물의 순환에 의해 냉각되게 되어있는 것으로서, 작동시 그의 표면에는 내화성이 큰산화물층이 점차적으로 피복되게 되어 있는데 이층은 관통의 위험과 물의 누출로부터 송풍구를 보호 및 절연시키는 이중기능을 가지는 것이다.

Claims (1)

1.5중량%내지 8중량%의 탄소, 10중량%내지 30중량%의 크롬, 30중량이하의 니켈, 20중량%이하의 코발트+망간+몰리브덴과, 4중량%이하의 규소 및 기타 불순물을 함유하는 액체주철의 표면을 향해서 초음속영역이 있는 산소 제트를 분사하여서 되는 크롬주철의 탈탄방법에 있어서, 탄소성분이 C_D/n(C_D: 초기탄소중량%, n : 1.5내지 2.5), 즉 C_D÷탄소성분=n일때 개시되는 적어도 최종의 탈탄공정시 개스와 액체주철의 에멀젼을 발생시켜 산소를 주철에 대해 직접 작용시키는 것을 특징으로 하는 크롬주철의 탈탄방법.