스테인레스 스틸 제조 공정

스테인리스 스틸 제조 공정

스테인리스강은 10~30%의 크롬을 함유합니다. 이 강철은 또한 다양한 양의 니켈, 몰리브덴, 구리, 황, 티타늄 및 니오븀 등을 포함합니다.

1970년경까지 스테인리스강 생산의 대부분은 전기로(EAF)를 통해 이루어졌습니다. 철강 생산에 산소 톤수를 사용하면서 EAF 스테인리스강 제조 관행이 바뀌었습니다. 탈탄 속도를 향상시키기 위해 산소 가스를 사용할 수 있습니다. 이것은 높은 산소 포텐셜을 주입하여 달성할 수 있지만 크롬이 슬래그로 광범위하게 산화되는 역반응이 동반되었습니다. 이것은 슬래그에서 산화된 크롬을 환원시키기 위해 페로 실리콘을 사용하는 잘 정의된 환원 기간을 필요로 했습니다.

아르곤 산소 탈탄(AOD) 전로 공정의 성공적인 개발과 함께 이중 공정으로 스테인리스강 생산을 시작했습니다. AOD 변환기를 사용한 이중 공정이 눈에 띄지만 오늘날 스테인리스 강을 제조하는 데 여러 이중 공정이 사용됩니다. 이러한 공정에는 액체강을 생산하기 위해 스크랩, 합금철 및 기타 원료를 녹이는 EAF 또는 이와 유사한 용광로가 있습니다. 대부분의 크롬과 니켈뿐만 아니라 일부 다른 합금 원소를 포함하는 이 액체강은 변환기의 전하입니다. 변환기는 저탄소 스테인리스강을 달성하는 데 사용됩니다. EAF-AOD 듀플렉스 공정의 다양성으로 인해 철강 제조업체는 스테인리스강의 용융을 위해 다양한 변환기의 사용을 재검토하게 되었습니다. 이로 인해 이중 프로세스를 위한 몇 가지 다른 변환기가 개발되었습니다.

1950년대 후반과 1960년대 초반에 기존의 BOF(Basic Oxygen Furnace)를 사용하여 스테인리스강을 만드는 개발 작업이 시작되었습니다. 1960년대 중반까지 일부 제철소는 저탄소 스테인리스강을 만들기 위해 진공 상태에서 국자에서 탈탄 후 부분 탈탄을 위해 기존 BOF 전로를 사용했습니다. 이러한 공정을 3중 공정이라고 하는 이유는 EAF, 예비 취입용 전로, 최종 정제용 진공 탈탄 장치 등 3개의 공정 장치가 관련되기 때문입니다. 강철은 국자를 티밍 작업으로 가져오기 전에 최종 탈탄, 최종 트리밍, 균질화 및 개재물의 부상을 위한 처리를 거칩니다. 이러한 삼중 공정의 거의 모두에서 티밍 래들에서 강철을 진공 처리하는 것은 주조 전 마지막 단계입니다. 그림 1은 이중 및 삼중 프로세스 경로의 비교를 보여줍니다.

그림 1 이중 및 삼중 프로세스 경로 비교

이러한 모든 발전으로 현재 스테인리스강을 제조하는 데 사용할 수 있는 다양한 공정이 있습니다. 사용 가능한 프로세스는 세 그룹으로 나뉩니다. 전로 공정, 진공 공정이 있는 전로 및 진공 공정이 있습니다.

스테인리스 강 생산의 일반 원칙

스테인리스강 탈탄은 크롬의 산화를 최소화해야 합니다. 일반적으로 스테인리스강에 산소를 주입하면 크롬과 철의 혼합물이 산화되는 것으로 알려져 있습니다. 탈탄은 용해된 탄소가 형성되는 크롬 및 산화철을 감소시킬 때 발생합니다. 따라서 탈탄 순서는

3오? (g) + 4Cr =2Cr?O?

크?오? + 3C =2Cr + 3CO(g)

탈탄은 주입되는 불활성 가스로부터 형성되는 상승 기포의 표면 또는 환원되고 CO를 생성하는 산화크롬 입자의 표면에서 발생합니다.

탈탄에는 크롬 산화를 최소화하는 기술이 포함됩니다. 온도, 희석 및 진공의 세 가지 기본 기술이 있습니다.

온도 기술은 이중 공정의 개발 이전에 EAF 스테인리스강 제조에 사용되었습니다. 온도가 증가함에 따라 특정 크롬 함량에서 평형 함량이 감소합니다. 그러나 이는 운영상의 어려움과 높은 비용으로 이어집니다.

희석 기술은 AOD 및 모든 전로 공정에서 사용되는 기술입니다. 불활성 가스(아르곤 또는 질소)를 주입하면 수조의 CO 가스 부분압이 낮아져 더 높은 크롬 함량이 더 낮은 탄소 함량과 평형을 이룰 수 있습니다.

금속 수조에 진공을 적용하면 CO도 제거되어 높은 크롬 함량이 낮은 탄소 함량과 평형을 이룰 수 있습니다. 탄소 함량이 낮을 때 특히 효과적입니다.

반응에서 생성되는 슬래그의 세심한 제어가 중요합니다. 탄소에 의해 환원되지 않은 산화크롬은 결국 슬래그에 들어가 복잡한 스피넬을 형성할 수 있습니다. 크롬, 철, 망간 등과 같은 산화된 원소를 회수하려면 후속 처리(환원이라고 함)가 필요합니다. 환원 단계의 효율성은 슬래그 염기도 및 온도, 전로의 혼합 조건 및 고체 첨가 용해 속도를 비롯한 여러 요인에 따라 달라집니다.

프로세스 경로 선택

스테인레스 스틸 제조 공정에 사용할 수 있는 다양한 공정 경로가 있습니다. 자본 및 운영 비용을 결정하는 많은 요소를 기반으로 이러한 경로 중에서 선택해야 합니다. 공정 경로의 선택은 원자재 가용성, 원하는 제품, 다운스트림 처리, 기존 매장 물류 및 자본 경제성에 의해 영향을 받습니다. 또한 공정 경로에서 어느 정도의 유연성이 바람직합니다. 이러한 요소는 적절한 시기에 변경될 수 있기 때문입니다. 일반적으로 스테인리스 강 제조 공정의 흐름은 이중 또는 삼중으로 분류할 수 있습니다. EAF 제강 후 전로에서 정련하는 이중 공정은 원료 선택과 관련하여 유연한 경향이 있습니다. EAF 제강 및 전로 정제 후 진공 시스템으로 정제하는 삼중 공정은 최종 제품의 탄소 및 질소 사양이 매우 낮을 때 종종 바람직합니다. 삼중 공정은 공정 변환기에서 진공 장치로의 추가 이동이 있기 때문에 이중 공정보다 전체 주기 시간이 더 긴 경향이 있습니다. 또한 탈탄을 수행하는 두 개의 용광로가 있기 때문에 내화물 비용이 약간 더 높은 경향이 있습니다.

최대의 유연성을 위해 작업장에는 이중 및 삼중 경로를 모두 통합할 수 있는 프로세스 흐름이 있어야 합니다. 이는 원자재, 생산 능력 및 공정 흐름에서 가장 유연성을 제공합니다. 이 경우 경제적 및/또는 품질상의 이유로 진공 정제가 필요한 제품만 삼중 경로를 사용합니다.

희석 정제 공정

전로에서 탈탄은 희석 원리를 사용하여 수행됩니다. 사용되는 가스에 따라 다른 변환기가 있습니다. 컨버터는 또한 측면 또는 하단 블로운 방식입니다. 측면 취입 변환기의 사용자는 측면 취입이 더 긴 불활성 가스 기포 체류 시간으로 인해 0.1 ~ 0.005% 탄소 범위에서 더 높은 탄소 제거 효율(탄소와 반응하는 산소의 양을 취입된 가스의 총량으로 나눈 값)을 초래한다고 주장합니다. 및 개선된 혼합으로 인한 0.005% 내지 0.001% 미만의 범위에서 개선된 탈황. 가장 널리 사용되는 변환기 희석 과정은 아래에 설명되어 있습니다.

• AOD 변환기 프로세스 – 프로세스는 링크 http://www.ispatguru.com/argon-oxygen-decarburization-process/의 별도 기사에 설명되어 있습니다.
• K-BOP 및 K-OBM-S – Kawasaki Steel Corporation의 K-BOP 공정은 기존의 상부 산소 취입 BOF로 시작되었습니다. OBM(Q-BOP)형의 7개의 하부 송풍구를 갖도록 수정되었다. 이 송풍구는 송풍구 냉각을 위해 프로판으로 산소를 날릴 수 있습니다. 분말 석회도 이 송풍구를 통해 주입할 수 있습니다. Voest Alpine Industrieanlagenbau(현재 Siemens VAI)에서 개발한 K-OBM-S 공정은 Kawasaki의 K-BOP 공정에서 발전했습니다. 변환기 바닥의 송풍구로 시작된 K-OBM-S 프로세스. 그러나 일부 설비는 측면 취입 원자로입니다. 따라서 K-OBM-S 변환기는 상단이 랜스로 날리고 하단 또는 측면이 송풍구로 날립니다. 그것은 현대 AOD와 매우 유사합니다. 그러나 K-OBM-S 공정에서 천연 가스나 프로판과 같은 탄화수소는 풍구 보호를 위해 사용되며 이는 내화물 수명을 늘리는 데 도움이 될 수 있습니다.
• 금속 정제 공정(MRP) 변환기 -MRP 변환기는 Mannesmann Demag Huttentechnik(현재 SMS Siemag)에서 개발했습니다. 크롬과 니켈이 포함된 용강은 MRP 변환기에 장입됩니다. 탈탄은 산소와 불활성 가스를 사용하여 수행됩니다. 개발 초기 단계에서 가스는 변환기 바닥에 있는 송풍구를 통해 교대로 분사되었습니다. 산소는 불활성 가스로 희석하지 않고 용융물에 불어넣습니다. 원하는 산소 취입 후에 불활성 기체만을 사용하여 취입합니다. 산소 분사 후 불활성 분사 주기를 순환 정제 또는 펄스라고 하며 개발자는 순수한 불활성 가스로 플러싱하면 CO 분압이 낮고 탈탄이 빨라져 크롬 산화 및 환원을 위한 실리콘 소비가 낮아질 수 있다고 주장합니다. 컨버터의 원래 버전은 이제 모든 산소가 탑블로우되고 불활성 가스가 바닥의 다공성 요소를 통해 주입되는 MRP-L 프로세스로 발전했습니다. 하단 송풍구는 교체 가능한 하단을 사용하여 쉽게 교체할 수 있습니다. 하부 송풍구를 사용하면 변환기 측벽의 침식이 덜 발생합니다. 최근 몇 년 동안 MRP-L 장치는 특히 더 낮은 탄소 및 질소 수준이 필요한 스테인리스강 제조를 위한 삼중 공정의 일부로 진공 장치와 결합되었습니다.
• Creusot-Loire-Uddeholm(CLU) 전로 – CLU 공정은 스테인리스강 제조를 위한 AOD 공정과 유사합니다. 또한 EAF의 액체강을 사용합니다. 개발의 주요 동기는 아르곤 대신 증기를 희석 가스로 대체하려는 아이디어였습니다. 컨버터는 하단 취입 방식이므로 측면 취입 AOD 컨버터와 구별됩니다. CLU 공정을 사용한 최초의 상업용 플랜트는 1973년에 건설되었습니다. 탈탄 기간은 산소-증기 혼합물 주입으로 구성됩니다. 이 공정은 증기와 용강조의 반응이 흡열이기 때문에 에너지 비효율적입니다. 탈탄이 약 0.18% 탄소 미만에서 계속될 때 크롬 산화는 AOD 공정보다 높습니다. 아르곤 소비 감소의 원래 목표는 달성할 수 있지만 감소 단계에 대한 증가된 실리콘 요구량이 반드시 전체 비용 절감으로 이어지는 것은 아닙니다. 또한, 전체 기간에 걸쳐 증기를 사용하면 정제강에 바람직하지 않은 수소 함량이 발생하는 것으로 나타났습니다. 따라서 공정에서 다양한 양의 증기, 아르곤 및 질소를 사용하는 관행이 발전했습니다.
• Krupp 복합 취입-스테인리스(KCB-S) 공정 - AOD 공정이 도래하기 전에 탑 랜스를 사용하여 BOF 전로에서 스테인리스강을 생산하는 방법이 시행되었습니다. AOD 공정을 도입한 후 Krupp Stahl AG는 스테인리스강을 정제하기 위해 랜스와 송풍구를 통한 혼합 송풍을 실시할 수 있도록 전로를 수정했습니다. 이 공정은 Krupp Combined Blowing Stainless 또는 KCB-S로 명명되었습니다. 공정 가스의 동시 도입은 탈탄 속도를 높이는 데 도움이 되었습니다. 상단 랜스와 수조 표면 아래의 송풍구를 통한 송풍은 매우 높은 탈탄율을 달성하는 데 도움이 되었습니다. 증가된 탈탄율은 기존 AOD 단독에 비해 정제 시간을 최대 30%까지 감소시켰습니다. EAF의 액강은 변환기에 충전됩니다. 타격 시작 시 랜스와 측벽 송풍구를 통해 순수 산소가 동시에 주입됩니다. 원하는 공정 온도에 도달한 후 블로우 동안 다양한 첨가가 이루어집니다. 첨가물은 석회, 합금철 및 스크랩으로 구성됩니다. 임계 탄소 수준에 도달한 후 질소 또는 아르곤과 같은 불활성 가스를 사용하여 공정 가스의 산소 함량을 줄입니다. 4:1, 2:1, 1:1, 1:2 및 1:4의 산소 대 불활성 가스 비율은 더 낮은 수준으로의 탈탄을 추구하는 데 사용됩니다. 탄소 함량이 0.15%에 도달하면 랜스의 사용이 중단되고 공정 가스는 송풍구를 통해서만 도입됩니다. 원하는 탄소 수준에 도달하면 산소 분사가 중단되고 실리콘이 페로실리콘으로 추가되어 슬래그의 산화크롬을 줄이고 필요한 실리콘 사양을 달성합니다. 페로실리콘과 함께 석회 및 기타 용제를 첨가하면 용존 산소 함량이 낮아지고 탈황이 향상됩니다.
• 아르곤 2차 용해(ASM) 변환기 – 이 공정은 독일의 MAN GHH에서 개발했습니다. 송풍구가 용기 바닥에 있다는 점을 제외하고는 AOD 공정과 유사합니다. 탑블로운 산소를 사용하는 경우 ASM-L 공정으로 식별됩니다.
• Sumitomo STB(상하 취입 공정) 변환기 – Sumitomo Metal Industries는 Sumitomo STB(상하 취입 공정)를 개발했습니다. 두 개념을 하나의 공정으로 결합하여 Pure Top 또는 Pure Bottom Blowing 공정의 단점을 극복하기 위해 개발되었습니다. 또한 당시 AOD 공정의 두 가지 단점, 즉 풍구 침식과 제한된 산소 유량을 극복하려고 시도했습니다. 상단 랜스에서 산소가 풍부한 가스를 추가로 공급하여 탈탄 시간을 단축했습니다.
• 상단 혼합 바닥 불활성(TMBI) 전로 – 이 공정에서 전로에는 아르곤 또는 질소와 같은 불활성 가스만 주입하기 위한 하단 송풍구가 장착되어 있습니다. 대부분의 공정 가스는 상단 랜스를 통해 도입됩니다. 상단 랜스는 원하는 가스 혼합물을 도입하는 데 사용할 수 있습니다. 이 공정을 TMBI(상부 혼합 바닥 불활성)라고 합니다. 이 공정은 전로에서 혼합 가스 블로잉을 사용하는 다른 공정과 유사합니다. 이 공정으로 Allegheny Ludlum이 운영하는 공장에는 탄소강 스크랩을 녹이고 무크롬 고온 금속을 BOF 변환기에 공급하는 코어리스 유도로가 있습니다.
• 결합된 전로 및 진공 장치 – 위에서 논의한 전로 공정은 탄소 및 질소 잔류량이 매우 낮은 스테인리스강을 생산하기 어려워진다는 한 가지 단점이 있습니다. 원하는 탄소 및 질소 수준이 감소함에 따라 크롬 산화 및 아르곤 소비가 증가하는 반면 탈탄 기간은 길어집니다. 일부 제철소에서는 탈탄 공정의 가장 늦은 단계에서 전로에 진공을 적용하여 이러한 단점을 극복하려고 시도했습니다. 이 개념은 AOD 또는 VOD의 대안으로 Leybould-Heraus에 의해 촉진되었습니다. 변환기에 진공을 적용하는 개념은 Daido가 Shibukawa 및 Chita 공장에, Nippon Steel이 Hikari 공장에 AOD/VCR을 설치하여 추구하고 있습니다. AOD-VCR은 0.08 % – 0.10 % C까지 일반적인 AOD로 작동합니다. 샘플링을 위해 프로세스가 중지되고 진공 덮개가 제자리에 놓입니다. 뚜껑은 변환기의 원추형 부분의 절반 정도에 위치한 플랜지에 밀봉되어 있습니다. 진공을 당겨서 나머지 탈탄 및 환원에 사용합니다. 탈황은 AOD 장입 전에 이송 국자에서 수행됩니다. 컨버터 공정에 비해 이 공정의 주요 이점은 아르곤과 실리콘 소비가 감소한다는 것입니다. 단점은 내화물 소비 증가, 스크랩 용융 능력 감소, 증기 생산과 관련된 유지 관리 및 비용 추가 등이 있습니다. 별도의 변환기 및 VOD 장치와 비교할 때 AOD-VCR은 운영 비용(실리콘, 내화물 및 아르곤)이 더 높고 생산성이 낮으며 질소 함량이 높습니다. 자본 비용은 두 개의 개별 장치를 사용하는 것보다 다소 낮을 수 있습니다.

진공 정제 공정

강철의 탈탄을 위한 진공의 사용은 독일에서 개발되었습니다. 초기 공정에는 이중 공정의 두 번째 단계로 RH 탈기, DH 탈기 및 Allegheny 진공 정제(AVR)가 포함되었습니다. 이러한 공정에는 일산화탄소 가스의 발생을 촉진하기 위해 강조 위의 압력을 낮추는 것이 포함됩니다. 진공 공정에 들어가는 액체 스테인리스강은 일반적으로 약 0.5% 이하의 탄소를 함유합니다. 대부분의 진공 공정은 희석/변환기 공정에 사용되는 별도의 정제 용기와 달리 금속으로 가득 찬 국자가 있는 챔버에서 수행됩니다.

1960년대 중반에 Allegheny Ludlum Steel Corporation은 진공 탈탄 개념을 사용하여 Allegheny 진공 정제 공정을 개발했습니다. 이 프로세스는 AOD 프로세스의 도입으로 인해 경쟁력이 없게 되었고 중단되었습니다.

진공 처리가 두 번째 단계로 사용된 초기 이중 공정은 너무 느리고 사용할 수 있는 원료에 대한 유연성이 매우 제한적이었습니다. 진공 공정은 EAF의 생산성 향상을 따라갈 수 없었고 운영 비용이 높았습니다. 따라서 이후 개발은 두 번째 단계로 EAF에서 액강을 탈탄하고 마무리 단계에서 진공 탈기하기 위해 전로를 사용하는 데 초점을 맞췄습니다. 이러한 공정은 원하는 최종 화학을 얻기 위해 세 가지 공정을 사용하기 때문에 스테인리스강을 만드는 삼중 공정으로 알려져 있습니다.

Nippon Steel Corporation은 스테인리스강 제조를 위한 RH-OB 공정을 도입했습니다. 용광로에서 나온 뜨거운 금속은 금속이 크롬과 합금되고 0.5% – 0.6% 탄소 수준으로 취입되는 BOF 전로로 공급되었습니다. 최종 탈탄은 RH-OB 공정을 사용하여 수행되었습니다. Nippon Steel은 탄소강에 사용되던 기존의 RH 탈기 장치를 진공 상태에서 산소가 주입될 수 있도록 개조했습니다.

독일의 Thyssen은 1960년대 중반에 VOD(진공 산소 탈탄) 공정을 개발했습니다. 개발 초기 단계에서 VOD는 EAF에서 용융 합금을 탈탄하는 데 사용되었습니다. 나중에 BOF에서 예비 탈탄이 이루어지고 EAF-BOF-VOD 삼중 공정이 더 생산적이되었습니다. 1970년대 초 Kawasaki Steel Corporation은 국자에 여러 개의 다공성 플러그 버블러를 사용하여 VOD 공정을 수정했습니다. 그들은 이것을 SS-VOD(강력 교반 VOD) 공정이라고 불렀습니다. 1988년 벨기에의 ALZ는 EAF 용융, MRP-L 전로 및 VOD 공정으로 구성된 삼중 공정으로 스테인리스강을 제조하기 위해 설비를 개조했습니다.

진공 공정의 주요 장점은 낮은 탄소 수준으로 최종 탈탄하는 동안 아르곤의 낮은 소비와 크롬의 낮은 산화를 포함합니다. 후자는 슬래그로부터 크롬을 회수하기 위한 환원 원소의 소비를 낮추었습니다. 진공 공정에 사용되는 국자에서 강철이 가득 차면 변환기의 태핑과 관련된 공기에서 질소와 산소가 제거됩니다. SS-VOD 공정은 국자에서 여러 버블러를 사용하여 강력한 교반을 달성하기 때문에 더 높은 크롬 수준에서 더 낮은 수준의 탄소, 질소 및 수소를 생성하는 능력을 더욱 향상시켰습니다.

VOD 처리의 가장 큰 단점은 원자재 사용 측면에서 AOD 또는 다른 변환기 프로세스보다 유연성이 떨어진다는 것입니다.

많은 제강업체들은 또한 진공 공정이 종종 높은 운영 비용을 갖고 대기압에서 전로 공정을 운영하는 용이성과 경쟁할 수 없다는 것을 깨달았습니다. 그러나 진공 공정, 특히 SS-VOD 공정은 AOD 공정이나 기타 전로 공정으로는 쉽게 달성할 수 없는 스테인리스강의 탄소 및 질소 수준을 낮추는 고유한 능력을 가지고 있습니다.

직접 스테인리스 스틸 제조

최근 몇 년 동안, 합금철 대신에 크롬 및 니켈 광석을 스테인리스강 제조에 사용하려는 노력이 있어 왔다. 일본에서는 많은 회사가 이러한 프로세스를 개발하여 상업적으로 사용하고 있습니다.

직접 스테인리스강 제조 공정은 스크랩 및 철 합금이 덜 필요하며 스테인리스강 스크랩 및 철 합금을 충분한 양으로 쉽게 구할 수 없을 때 고려할 수 있습니다. 그러나 크롬과 니켈 광석이 필요하며 고온 금속을 사용할 수 있는 일관제철소에서 사용할 수 있습니다. 프로세스는 다른 프로세스보다 자본 집약적입니다. 따라서 다른 공장 및 위치에서의 구현은 제한적일 수 있습니다.