(19) 대한민국특허청(KR)
(12) 등록특허공보(B1)
(45) 공고일자 2011년07월27일
(11) 등록번호 10-1052262
(24) 등록일자 2011년07월21일
(51) Int. Cl.

C21C 7/00 (2006.01) C21C 7/068 (2006.01)
(21) 출원번호 10-2008-0133878
(22) 출원일자 2008년12월24일
심사청구일자 2008년12월24일
(65) 공개번호 10-2010-0075236
(43) 공개일자 2010년07월02일
(56) 선행기술조사문헌
JP2005264207 A
KR1020000038788 A*
KR1019980009473 A
*는 심사관에 의하여 인용된 문헌
(73) 특허권자
주식회사 포스코
경북 포항시 남구 괴동동 1번지
(72) 발명자
현동엽
경상북도 포항시 남구 괴동동 1번지 포스코 본사
내
김용래
경상북도 포항시 남구 괴동동 1번지 포스코 본사
내
(뒷면에 계속)
(74) 대리인
특허법인신세기
전체 청구항 수 : 총 5 항 심사관 : 김종혁
(54) 저탄소강 제조방법
(57) 요 약
스테인리스강 제조 설비를 이용한 0.01~0.07 중량%의 탄소를 포함하는 저탄소강 제조방법으로서, 전기로(EAF)에
서 원료를 용해시킨 다음, 탑 랜스와 투이어가 구비된 정련로에서 1차 정련하고 LT용 래들에서 2차 정련하여 상
기 저탄소강을 제조하되, 상기 전기로에서 출탕되는 용강 중의 탄소가 0.5~1.2중량%가 되도록 조절하는 저탄소강
제조방법이 소개된다.
대 표 도 - 도1
등록특허 10-1052262
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(72) 발명자
김인규
경상북도 포항시 남구 괴동동 1번지 포스코 본사
내
신재열
경상북도 포항시 남구 괴동동 1번지 포스코 본사
내
장재량
경상북도 포항시 남구 괴동동 1번지 포스코 본사
내
등록특허 10-1052262
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특허청구의 범위
청구항 1
스테인리스강 제조 설비를 이용한 0.01~0.07 중량%의 탄소를 포함하는 저탄소강 제조방법으로서,
전기로(EAF)에서 원료를 용해시킨 다음, 탑 랜스와 투이어가 구비된 정련로에서 1차 정련하고 LT용 래들에서 2
차 정련하여 상기 저탄소강을 제조하되, 상기 전기로에서 출탕되는 용강 중의 탄소가 0.5~1.2중량%가 되도록 조
절하고,
상기 2차 정련과정에서, 용강 중 알루미늄(Sol-Al)의 함량은 0.06~0.12%로 제어됨을 특징으로 하는 저탄소강 제
조방법.
청구항 2
청구항 1에 있어서, 상기 1차 정련과정에서, 정련 초기의 고탄소 영역에서는 탑 랜스 및 투이어가 혼용되거나
투이어만이 사용되며, 정련 후기의 저탄소 영역에서는 투이어만이 사용됨을 것을 특징으로 하는 저탄소강 제조
방법.
청구항 3
청구항 1에 있어서, 상기 1차 정련과정에서 취입되는 탈탄 가스 중의 산소 농도는, 정련 초기의 고탄소 영역에
서보다 정련 후기의 저탄소 영역에서 낮아지도록 조절됨을 특징으로 하는 저탄소강 제조방법.
청구항 4
청구항 3에 있어서, 상기 1차 정련과정에서, 상기 고탄소 영역에서 취입되는 탈탄 가스의 산소 : 아르곤 비율은
40~80 : 10~40이며, 저탄소 영역에서 취입되는 탈탄 가스의 산소 : 아르곤 비율은 20~60 : 10~40로 조절됨을 특
징으로 하는 저탄소강 제조방법.
청구항 5
청구항 2 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서, 상기 저탄소 영역은 용강 중 탄소 함량이 0.12 중량% 이하인
영역임을 특징으로 하는 저탄소강 제조방법.
청구항 6
삭제
명 세 서
발명의 상세한 설명
기 술 분 야
본 발명은 스테인리스강 제조 설비를 이용한 저탄소강 제조방법에 관한 것이다.[0001]
배 경 기 술
저탄소강은 열연강판에 대한 수요량 중 상당히 많은 부분을 차지하는 강으로, 강관 등에 사용되는 JS-SPHT1,[0002]
SPHT2 등이 그 대표적인 예라고 할 수 있다. 이러한 저탄소강은 "고로 - 전로 - 2차정련" 공정을 거쳐 제조되어
왔다.
한편, 스테인리스강은 "전기로 - AOD(Argon Oxygen Decarburization) 또는 VOD(Vacuum Oxygen[0003]
Decarburization) 정련로 - LT" 공정을 거쳐 제조되는데, 최저 비용으로 최고 품질로 제조할 수 있도록 스테인
리스강 제조에 최적화되어 있는 설비를 이용하여 상기 저탄소강을 제조한다는 것은, 지금까지는 전혀 생각될 수
없는 것이었다. 생산성의 저하가 너무나 자명하게 예견되기 때문이다.
그런데, 근래와 같이 경기침체로 인해 용선대비 가격 변동이 심한 고철 값이 현저하게 떨어지고 스테인리스강에[0004]
대한 수요 감소가 있는 경우, 스테인리스강 제조설비를 그대로 이용하여 어느 정도의 효율성을 가지고 고철로부
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터 저탄소강을 생산할 수 있다면, 압도적인 원료 경쟁력으로 비교적 가공비가 더 들어가더라도 원가경쟁력을 갖
춘 제품을 만들 수 있다고 판단되어 진다.
발명의 내용
해결 하고자하는 과제
본 발명은 산업 침체기 낮은 수요로 인하여 가동이 중지될 수 밖에 없는 스테인리스강 제조 설비를 이용하여 저[0005]
탄소강을 제조할 수 있는 방법을 제공하고자 한다.
과제 해결수단
상기 목적 달성을 위한 본 발명에 따른 저탄소강 제조방법은, 스테인리스강 제조 설비를 이용한 0.01~0.07 중량[0006]
%의 탄소를 포함하는 저탄소강 제조방법으로서, 전기로(EAF)에서 원료를 용해시킨 다음, 탑 랜스와 투이어가 구
비된 정련로에서 1차 정련하고 LT용 래들에서 2차 정련하여 상기 저탄소강을 제조하되, 상기 전기로에서 출탕되
는 용강 중의 탄소가 0.5~1.2중량%가 되도록 조절한다.
바람직하게는, 상기 1차 정련과정에서, 정련 초기의 고탄소 영역에서는 탑 랜스 및 투이어가 혼용되거나 투이어[0007]
만이 사용되며, 정련 후기의 저탄소 영역에서는 투이어만이 사용된다.
또한, 바람직하게는, 상기 1차 정련과정에서 취입되는 탈탄 가스 중의 산소 농도는, 정련 초기의 고탄소 영역에[0008]
서보다 정련 후기의 저탄소 영역에서 낮아지도록 조절된다.
또한, 바람직하게는, 상기 1차 정련과정에서, 상기 고탄소 영역에서 취입되는 탈탄 가스의 산소 : 아르곤 비율[0009]
은 40~80 : 10~40이며, 저탄소 영역에서 취입되는 탈탄 가스의 산소 : 아르곤 비율은 20~60 : 10~40로
조절된다.
또한, 바람직하게는, 상기 저탄소 영역은 용강 중 탄소 함량이 0.12 중량% 이하인 영역, 더욱 바람직하게는, 탄[0010]
소 함량이 0.1 중량% 이하인 영역이다.
또한, 바람직하게는, 상기 2차 정련과정에서, 용강 중 알루미늄(Sol-Al)의 함량은 0.06~0.12%로 제어된다.[0011]
효 과
상술한 바와 같은 저탄소강 제조방법에 따르면, 생산 설비의 활용율이 높아지고, 또한, 산업 침체기에 비교적[0012]
원가경쟁력이 있는 저탄소강을 효과적이고 안정적으로 제조할 수 있게 된다.
발명의 실시를 위한 구체적인 내용
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 저탄소강 제조방법에 대하여 구체적으로 살펴본다.[0013]
도 1에서 보듯이, 본 발명에 따르면 저탄소강은 원료인 고철 스크랩을 전기로(EAF)에 장입하여 용해한 다음, 탑[0014]
랜스(top lance)와 투이어(tuyere)가 구비된 정련로, 예로서, AOD 정련로에서 산소 가스를 취입하면서 탈탄을
하는 1차 정련을 하고, 이어 래들에서 아르곤 버블링을 하면서 알루미늄 탈산을 하는 2차 정련 후, 연속 주조함
을 통해 제조된다. 이하 각 공정별로 살펴본다.
[용해 공정][0015]
본 발명에서 제조하고자 하는 강은 0.01~0.07 중량%의 탄소를 포함하는 저탄소강으로서, 예로서, 중량%로, 탄소[0016]
(C): 0.01~0.07%, 망간(Mn): 0.05~0.6%, 알루미늄(Al): 0.02~0.15%, 실리콘(Si): 0.03이하, 인(P): 0.02%이하,
황(S): 0.02%이하, 질소(N): 0.008%이하, 나머지 철 및 기타의 불가피한 불순물을 포함한다. 고철로부터 유입되
는 난정련성 성분들이 상기 불순물에 포함되는데, 이들 중에서, 특히, 구리(Cu): 0.10%이하, 주석(Sn): 0.03%이
하, 니켈(Ni): 0.15%이하가 되도록 전기로에 장입되는 원료 스크랩이 선별될 필요가 있다.
위와 같은 조성을 갖는 저탄소강을 기존의 스테인리스강 제조설비를 이용하여 제조하기 위하여, 본 출원인은 전[0017]
기로에서 고로의 용선(탄소 4~5 중량%)과 비슷한 용탕을 만드는 고탄소 조업을 실시해 보았다. 그 결과, 전기로
에서의 조업시간이 상당히 길어 생산성이 매우 낮았고, 그리고 전로 방식을 채용한 AOD에서의 정련은 탑 랜스를
통한 대량의 산소 취입으로 금속산화물을 다량 발생시켜 노체 수명을 단축시키며 슬로핑을 발생시키는 문제점이
있었다. 또한 2차 정련 중의 하나인 LT(ladle treatment)에서의 탈산을 위한 Al 투입량을 결정할 만한 관리 항
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목이 없어, 과탈산 또는 미탈산이 발생하여 연주공정에서 노즐 막힘과 같은 조업이상과 슬라브의 품질 이상을
야기하기도 하였다.
전기로에서 생산성을 높이기 위해서는 고역률이 달성되도록 고 탭(TAP)을 많이 사용하여 같은 전력을 쓰더라도[0018]
빠르게 스크랩을 용해시켜야 한다. 그러나, 고 탭을 쓰면 아크의 길이가 길어져서 전기로의 벽을 이루는 냉각
패널 플레이트나 루프 등에 아크가 튀어 구멍을 내거나 생산에 나쁜 영향을 미친다. 따라서, 카본 분말의 투입
(C-injection)을 통하여 아크 주변을 슬래그 거품으로 감싸주는 슬래그 포밍 작업이 필요하다. 또한 승열기 마
지막에는 저 탭을 사용을 하여 노상관리를 하게 된다.
한편, 슬래그 포밍 및 생산성 향상을 위해 전기로에 산소를 취입할 필요가 있는데, 산소 취입량이 많아지면 출[0019]
탕시 탄소가, AOD에서 탄소를 산소와 반응시켜 생기는 산화열로 용탕을 승온시키는데 필요로 하는 양보다 턱없
이 낮게 된다. 따라서, 전기로에서 출탕되는 용탕 중의 탄소량을 관리하는 것은 매우 중요하게 된다. 본 발명에
따르면 전기로에서의 출탕 탄소 함량은 0.5~1.2중량%로 관리될 필요가 있다. 이러한 출탕 탄소 함량의 관리를
위해서는, 전기로에의 적입 탄소 성분을 약 1.6~2.2 중량%로 관리할 필요가 있는데, 이를 위해 값싸고 전기로
집진기에 의해 손실이 발생되지 않는 괴코크스를 사용하는 것이 바람직하다.
일례에 따른 조업 결과에 따르면, 위와 같은 탄소 함량 관리 후 일생산량은 1,572톤으로서 그러한 탄소 함량 관[0020]
리를 하지 않은 경우(탄소 함량을 4~5 중량%로 유지하는 상기 고탄소 조업)의 1,174톤에 비하여 약 34% 증가하
는 결과로 나타났다. 또한, 아래의 [표 1]에서 보듯이, 본 발명에 따른 범위에서 출탕 탄소 함량을 관리하는 경
우, 그렇지 않은 경우(상기 고탄소 조업)에 비하여 조업 시간이 23% 정도 단축되는 것으로 나타났다. 여기서,
C-T는 원료 장입부터 출탕까지의 시간이며, T-T는 전단계 원료 장입으로부터 다음 단계의 원료 장입까지의 시간
에 대응하는 것이다.
표 1
구분[0021] C-T(Charge to Tap) T-T(Tap to Tap)
관리 x 95.3 107.6
관리 ○ 73.4 83.2
상기 고탄소 조업을 하는 경우 고로의 용선과 같은 조성을 만들고 AOD 공정에서의 열원 공급을 위해 과도한 괴[0022]
코크스를 사용하게 되나, 이렇게 적입 탄소 성분을 높이게 되면 전기로에서 잘 녹지않아 전력을 더 많이 써야하
고 그만큼 전기로 작업시간이 늘어나게 된다. 또한 녹지 않은 괴코크스가 노상에 가라앉아 노상이 높아져 적입
량이 줄어들어 생산량이 줄어들게 되는 문제점이 발생된다. 그러나, 본 발명에서와 같이 괴코크스를 적정량 투
입하여 노상관리가 잘 이루어지게 되면, 고 탭 사용량이 많아져 전력 절감, 용해시간 단축에 의한 생산량 증가
및 적입량 증가에 따른 생산량 증가와 같은 큰 효과를 볼 수 있었고, 선출탕이 줄어 들어 출탕 온도관리 및 래
들 관리도 쉬워진다. 이외에도 부수적으로 전기로를 안정적으로 운영하는데 큰 역할을 하게 된다.
한편, 전기로에의 적입 탄소 성분이 너무 낮으면 산소 취입에 따라 FeO가 다량 발생하여 실수율이 하락되며 슬[0023]
래그 포밍이 잘 이루어지지 않는다. 또한 앞에 서술한 바와 같이 AOD에서 승온을 금속 산화열로만 해야하므로
승온에 부하가 걸리고 금속 슬래그량의 증가로 급속한 AOD노체 수명하락을 가져오게 된다. 1600±20℃로 출탕온
도를 지속적으로 유지하면서 전기로 출탕 탄소를 0.5~1.2 중량%로 관리하면 AOD 공정에서 가탄재 없이도 큰 부
담없이 작업에 임할 수 있다.
[1차 정련][0024]
상기된 바와 같이 출탕 탄소 함량이 0.5~1.2 중량%로 제어된 용강은 탑 랜스와 투이어를 구비하는 정련로에서[0025]
산소 취입을 통해 탈탄 처리된다.
산소 취입을 하여 취련을 실시하는 1차 정련에서 문제가 되는 점은 금속 산화물의 함유가 많은 슬래그로 인한[0026]
노체의 수명 하락과 슬로핑 발생 등을 들 수 있다. 즉, 상기 고탄소 조업의 경우, 전로의 취련 패턴을 채용하여
탑 랜스만을 이용한 산소 취입을 한 결과, 산소 취입량이 많아 탈탄 과정에서 생성되는 가스에 의해 슬래그가
부푸는 현상인 슬로핑이 발생되고 상부에서 불어오는 고압 산소로 인하여 슬래그가 노체로 튀는 스피팅이 발생
되어, 노체의 수명 하락이 문제되었다.
위와 같은 문제점을 해소하기 위한 방안으로서, 먼저, 노체수명의 하락 방지를 위한 방안으로는, FeO 등 슬래그[0027]
중의 금속산화물 감소를 위해 출탕 탄소를 0.5~1.2 중량%로 관리함과 아울러 경소 돌로마이트를 투입하여 MgO성
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분을 12 중량% 정도까지 올려서 내화물을 향상시키는 것이 바람직하다. 그리고, 슬로핑의 방지를 위한 방안으로
서는, 산소 취입량을 약하게 하고 아르곤 취입을 증가시킴과 아울러 전로와는 달리 용강속으로 바로 산소를 취
입할 수 있는 투이어를 구비하는 AOD와 같은 정련로를 이용하여 보다 적은 량의 산소를 취입함으로써 탑 랜스만
을 이용할 때보다 더 큰 교반력으로 효율적으로 스피팅 없이 안정하게 조업하는 것이 바람직하다. 하지만, 투이
어로만 취련할 때는 투이어 쪽에 노체 침식이 빨리 진행되어 노 교체 주기가 빨라지는 문제가 발생하기 때문에,
보조적으로 탑 랜스를 1차 정련 초기의 고탄소 영역에서 약하게 사용하여 투이어 쪽의 노체 침식을 줄이도록 하
는 것이 더욱 바람직하다. 한편, 탑 랜스를 따라 외부공기가 유입되어 용강의 질소 픽업이 발생될 수 있기 때무
에, 정련 후기의 저탄소 영역에서는 투이어만으로 조업하는 것이 필요가 있다.
상기 1차 정련과정의 구체적인 조업 조건을 요약하면, 아래의 표 2에 기재된 바와 같다. 즉, 정련 초기의 고탄[0028]
소 영역에서는, 탑랜스와 투이어를 혼용하거나 투이어 만을 이용하여 산소 : 아르곤 비율이 40~80 : 10~40인 가
스를 취입하며, 정련 후기의 저탄소 영역, 바람직하게는, 용강 중 탄소 함량 0.12 중량% 이하 영역, 적어도 탄
소 함량 0.1 중량% 이하의 영역에서는 투이어만을 이용하여 정련 초기 보다 산소 농도가 낮은 산소:아르곤 비율
20~60 : 10~40인 가스를 취입하도록 한다. 탄소 농도 0.1중량% 이하의 영역에서도 정련 초기의 산소 농도를 갖
는 가스를 그대로 취입하게 되면, 탈탄 효과가 미미할 뿐만 아니라 FeO 등 금속 산화물이 발생되는 문제점이 있
다.
한편, 고탄소 영역에서의 취련 과정 중 탑 랜스를 사용하는 경우, 탑 랜스를 통하여는 순수 산소가 취입되므로,[0029]
탑 랜스를 통하여 취입되는 산소량을 고려하여 용강 중에 공급되는 총 산소 : 아르곤 비율이 40~80 : 10~40이
되도록 투이어를 통하여 공급되는 가스의 산소 : 아르곤의 비율이 조절되어야 한다. 탈탄 가스 중 산소의 농도
가 표 2에 기재된 조건보다 많은 경우 앞서 설명된 바와 같은 과도한 슬로핑 및 스피팅이 문제되며, 적은 경우
에는 목표 조업온도를 달성하기 어렵다. 조업 목표온도는 1740±10℃이다.
표 2
구분[0030] 산소취입장치 산소:아르곤 비율 비고
고탄소 영역(> 0.1%) 1) 탑랜스 투이어
2) 투이어
40~80 : 10~40 목표온도 :
1740±10℃
저탄소 영역(≤0.1%) 투이어만 사용 20~60 : 10~40
[2차 정련][0031]
2차 정련 중 하나인 LT(ladle treatment) 공정은, 1차 정련 후 래들을 이용하여 용강의 성분이 목표에 맞도록[0032]
합금철의 투입을 통해 미세 조정하고 아르곤 버블링(bubbling: B/B)을 통하여 개재물을 분리 부상시켜 청정한
강을 만들고 연속주조를 위한 온도로 조절하는 공정에 해당한다.
본 발명에서와 같은 탄소강 제조시에는 LT 공정에 탈산 공정이 부가될 필요가 있다. 전로가 이용되는 경우 전로[0033]
의 출강구를 통해 슬래그와 용강을 분리하여 출강과 함께 탈산을 실시하나, AOD 정련로에는 출강구가 없어 래들
에 용강과 슬래그를 모두 쏟은 후 슬래그를 스키머(skimmer)를 이용하여 완전 배제 한후 Al 탈산을 실시한다.
슬래그가 남아 있는 경우 슬래그 중의 SiO2에 의해 탈산을 위해 투입된 Al이 Al2O3로 생성되고, 남은 Si가 용강
중에 들어가는 성분 픽업(pick up)이 발생된다. 이를 방지하기 위하여 슬래그는 완전히 제거될 필요가 있으며,
이를 통해 용강 중 Al 성분의 적중율을 높일 수 있게 된다. Ar 강교반을 10~15분정도 하여 충분한 탈산이 이루
어 지도록 한다.
위와 같은 탈산 후에는, 성분 확인 후 C,Mn,Al을 미세 조정하여야 하는데, 앞서 탈산을 위해 투입되는 Al량을[0034]
결정하는 관리사항이 없는 경우 작업자는 임의로 Al을 투입하여 과탈산과 미탈산이 발생되고 아울러 후 B/B 시
간이 짧아 침지노즐에 개재물 흡착에 의해 침지노즐이 막히는 경우가 발생될 수 있다. 이 경우, 용강을 다시
AOD 정련로, 전기로 등으로 회송하여 작업을 다시 실행하여야 한다. 본 발명에 따른 경우의 용강 중 Sol-Al 농
도와 침지 노즐의 막힘과의 관계가 도 2에 도시되어 있는 바, 도 2에서 보듯이 침지 노즐의 막힘을 방지하기 위
해서는, 래들 내 용강 중 Sol-Al 농도가 0.06~0.12 중량%로 관리될 필요가 있다. 또한, 개재물 부상 분리 시간
증대를 위해 후 B/B을 약하게 10분이상 실시하고, 턴디쉬 온도를 1557℃ ±10℃가 되도록 LT 공정에서 온도를
관리하여 연속 주조시 침지노즐이 막히는 경우 없이 안정적으로 조업이 이루어질 수 있도록 할 필요가 있다.
이상, 본 발명의 특정 실시예에 관하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자[0035]
라면 하기의 특허청구범위에 기재된 발명의 기술적 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하
등록특허 10-1052262
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게 수정 및 변경시킬 수 있음이 이해될 필요가 있다.
도면의 간단한 설명
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 제조공정의 개략도,[0036]
도 2는 본 발명의 실시예에 있어, 2차 정련 과정 중 용강 중의 sol-Al과 연주 노즐의 막힘 관계를 보인 그래프[0037]
이다.
도면
도면1
도면2
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