제강 중 합금철의 활용 최적화

제강 중 합금철의 활용 최적화

합금철은 규소(Si) 및 망간(Mn) 등과 같은 다른 원소 중 하나 이상의 비율이 높은 철의 합금입니다. 이들은 부서지기 쉽고 사용 제품 제조에 직접 사용하기에 부적합합니다. 합금철은 제강 공정의 중요한 원료입니다. 주로 철강의 탈산 및 합금화에 사용됩니다.

합금철은 순수 원소보다 용융 범위가 낮고 밀도가 낮으므로 순수 원소보다 액체강에 더 쉽게 통합될 수 있습니다. 합금철은 액강에서 잉여 산소(O2)를 제거하는 탈산화 공정을 수행하기 위해 액강에 첨가됩니다. 그들은 O2에 대한 친화력이 높으며 슬래그 형태의 산화물을 형성합니다.

합금철은 일반적으로 (i) 벌크 합금철과 (ii) 귀금속 또는 특수 합금철의 두 그룹으로 분류됩니다. 벌크 철 합금은 페로 망간(Fe-Mn), 페로 크롬/충전 크롬(Fe-Cr) 및 페로 실리콘(Fe-Si)과 같은 주요 합금으로 구성됩니다. 고귀한 합금철은 특수강 및 합금강 생산에 필수적인 요소입니다. 이 합금철은 가치가 높으며 소량으로 소비됩니다. 그들은 즉, 페로 몰리브덴(Fe-Mo), 페로 바나듐(Fe-V), 페로 텅스텐(Fe-W), 페로 티타늄(Fe-Ti) 및 페로 니오븀(Fe-Nb)입니다. 철을 아주 적은 비율로 포함하는 규소-망간과 같은 일부 합금은 일반적으로 벌크 합금철로 분류됩니다.

우수한 제강 관행에서 합금철은 일반적으로 용해로에 추가되지 않으며 약 60%~90%의 합금철 추가가 액체강의 태핑 동안 레이들에 만들어지며 나머지는 2차 제강 공정 중에 추가됩니다. 그러나 2차 제강 공정 중 또는 특수 와이어 제품을 사용하는 턴디쉬에서도 더 많은 첨가물을 만드는 경향이 있습니다.

합금철을 액체강조에 첨가하는 동안 합금철을 액체강에 담가야 합니다. 추가하면 강철 쉘이 합금철의 표면에 얼어붙습니다. 액체 강철에서 전달된 열은 이 껍질을 원래의 합금철 표면으로 다시 녹입니다. 대류 열 전달은 수조 교반 및 과열도의 기능이며 쉘 용융을 제어합니다.

합금철의 여러 물리적 및 화학적 특성은 액체강에서 합금철의 용해에 영향을 미칩니다. 녹는점은 합금철의 용해 속도에 대한 주요 요인이며 다른 중요한 특성에는 밀도, 열전도율, 비열 및 혼합 엔탈피가 포함됩니다. 밀도는 첨가가 부유(페로실리콘), 가라앉는(페로망간) 또는 액체 배스 내에서 비말동반(페로크롬) 여부를 결정합니다. 비열 및 밀도와 함께 열전도율은 냉간 첨가 시 형성되는 강철 쉘의 두께를 결정합니다. 마지막으로, 합금철과 액체강 사이의 강한 발열 반응(혼합 엔탈피)은 동화 시간(75% 페로실리콘)을 상당히 줄일 수 있습니다.

합금철 크기를 최소화하면 용해율이 향상되는데, 이는 슬래그 층을 관통하는 데 도움이 되도록 큰 덩어리진 합금철을 사용했던 역사적 관행과 반대입니다. 불행히도, 작은 크기는 바람직하지 않은 가스와 습기를 운반할 더 많은 표면적을 의미하며, 작은 합금 크기는 먼지 손실을 증가시키고 취급 어려움을 초래합니다. 합금철의 최적 크기는 3mm에서 20mm로 결정되었습니다. 와이어 및 분말 주입은 모두 미세한 합금 크기로 인한 한계를 극복하는 수단입니다.

효율적인 제강 공정은 (i) 합금철을 용해하고, (ii) 개재물을 띄우고, (iii) 화학적 및 온도 불균일성을 제거하는 액체강의 움직임에 의존합니다. 자연력은 액체 강철 운동을 유발할 수 있습니다. 수돗물 동안 떨어지는 흐름의 온도 구배 또는 에너지로 인한 대류. 자연 대류는 상대적으로 느리고 탭 유도 운동은 시간 제한이 있습니다. 대조적으로, 랜스, 플러그 또는 송풍구를 통한 가스 주입과 같은 외력은 훨씬 더 강렬한 움직임을 생성할 수 있습니다. 랜스와 다공성 플러그를 통한 가스 주입은 제강 공정 중에 일반적으로 사용되는 주된 교반 방법입니다.

이상적인 탈산 방법의 목적은 액강의 유리 O2를 결합하고 태핑 중 탈산에서 형성되는 산화물 개재물을 제거하고 탈산소 요소의 효율성을 높이는 것입니다. 액체강의 탈산 과정은 독특한 현상입니다. 특정 임계값 이상으로 합금철의 농도가 증가하면 액강이 재산화됩니다.

일반적으로 액강을 태핑하는 동안 세 가지 주요 탈산 방법이 사용됩니다. 이들은 (i) 액체강을 죽이지 않는 것을 의미하는 리밍 강철, (ii) 액체 강이 부분적으로 죽임을 의미하는 반살균강, 및 (iii) 완전히 - 용해된 강철입니다. Rimming steels 및 semi-killed steels는 액강의 연속 주조에 적합하지 않으며 열간 압연에서 변형 가능한 Mn-Al(aluminum)-silicate 개재물을 생성하고 Al2O3( 알루미나) 및 MgO·Al2O3(마그네시아 -알루미나).

현재 제강 관행의 대부분은 액체강을 완전히 죽이는 것을 목표로 합니다. 강철의 과소살상은 액강조에 O2 기포의 존재로 이어지며, 이는 차례로 주조 제품에 블로홀의 존재로 이어지며 턴디쉬 스토퍼 작동 등으로 이어집니다. 액강의 과잉살상은 재산화됩니다. 액체 강철 욕조는 강철에 더 많은 비용을 추가합니다. 탈산의 최적화는 주조를 시작하기 전에 액강에 최소 용존 산소를 달성하기 위해 필요합니다.

합금철은 (i) O2와 반응하여 액체강을 탈산시키고 슬래그에 흡수될 산화물을 형성함으로써, (ii) 강철, (iii) 강철에 존재하는 개재물을 수정하여 강철의 지정된 기계적 특성을 달성합니다. 그들은 제강 과정에서 주요 비용 기여 요인입니다. 또한 생산 장애 및 예상치 못한 공정 동작의 지속적인 원인이 될 수 있습니다.

액체강에 합금철을 추가하는 동안 다른 요소(예:탄소)도 픽업합니다. 합금철을 추가할 때 전체 강철 조성에 대한 합금철의 다른 구성요소의 영향을 인식하고 필요한 경우 계산하는 것도 중요합니다. C(탄소) 포집은 특정 저탄소강 및 초저탄소강 등급에서 중요할 수 있습니다. 이러한 경우에는 보다 고가의 저탄소 합금 또는 고순도 합금철을 사용해야 합니다.

합금철의 추가는 일반적으로 국자 추가로 이루어집니다. 태핑 및 각 2차 제강 장치(예:아르곤 헹굼 스테이션, 국자로, CAS-OB 또는 진공 탈기 장치)에서 만들 수 있습니다. 일반적으로 합금철의 대량 추가는 일반적으로 국자에서 태핑하는 동안 이루어지며 후속 단계에서 '트리밍' 추가가 이루어집니다.

국자에 합금철을 첨가하면 강 성분이 순간적으로 변하는 것이 아니라 용해되는 데 유한한 시간이 걸린다는 점을 인식하는 것이 중요합니다. 따라서 합금철 첨가물이 용해되기 위해서는 충분한 시간(혼합 시간)이 제공되어야 합니다. 중요한 혼합 시간과 관련된 문제는 (i) 굵은 입자가 분말, 와이어 및 미세 입자 첨가보다 액체 강에서 더 느린 속도로 용해되고, (ii) 국자를 휘젓는 것(즉, 아르곤 버블링에 의해)이 용해 과정을 가속화한다는 것입니다. 또한 액체 강 조성을 균질화하는 데 필수적이며 (iii) 온도가 감소함에 따라 혼합 시간이 증가합니다.

제강 작업 중 상당한 비용 중 하나는 합금철을 추가하는 것입니다. 따라서 합금 회수를 결정하고 최종 화학물질의 제어를 개선하는 요인을 더 잘 이해하는 것이 중요합니다. 철강 제조 관행과 함께 합금철 회수는 합금철의 최적화된 활용을 위해 적절한 제어가 필요합니다.

현대의 제강 관행에 필요한 정밀도로 인해 합금철을 액체 강조에 더 신중하게 첨가하는 관행이 생겼습니다. 현대의 제강 관행에는 높은 수준의 회수율과 함께 반복 가능하고 일관된 결과가 필요합니다. 의심의 여지 없이, 제강 관행은 최종 회수율뿐만 아니라 열의 탈산 정도, 국자의 난류 및 기타 여러 요인에 영향을 미칩니다. 그러나 합금철의 물리화학적 성질은 합금철의 회복에 큰 영향을 미치기 때문에 매우 중요합니다.

합금철의 회수율 또는 단순히 합금철의 회수율은 슬래그로 손실되는 것이 아니라 액상강 조성에서 실제로 증가하는 원소의 양입니다. 합금철 회수는 경제적인 관점에서뿐만 아니라 재현성이 높은 기계적 특성을 가진 고품질 제품을 만드는 관점에서도 중요합니다. 합금철의 회수는 광범위한 매개변수에 따라 달라지며, 다음 세 그룹으로 요약됩니다. 불순물 농도 등), (ii) 첨가 방법(로, 국자 및 와이어 주입 등의 특수 주입 방법) 및 (iii) 제강 기술(제강로의 종류 및 크기, 조성, 조건 , 및 슬래그의 양, 열의 온도, 열의 시간).

제강 작업 중 합금철의 회수는 여러 요인에 의해 영향을 받습니다. 합금철의 산화는 일반적으로 불량하거나 불규칙한 회복의 주요 원인입니다. 합금철의 회수율은 합금의 용해율, 합금의 밀도, 용강 내 용존 O2(질화물 형성 합금의 경우 용존 N2도 포함됨)의 함수입니다. 강철에 용해된 O2의 증가는 합금철의 회수율을 낮추고 강철보다 녹는점이 높은 합금철의 용해율을 감소시킵니다.

용해율은 합금철 회수율을 결정하는 가장 중요한 단일 속성입니다. 합금철이 용액에 빨리 들어갈수록 손실 가능성이 줄어듭니다. 또한 합금철 밀도도 중요한 요소입니다. 합금철의 이상적인 밀도는 입방 센티미터당 6.2g(g/cc)에서 7.6g/cc 범위입니다. 그러나 액강이 잘 탈산되지 않으면 합금철이 높은 용체율과 이상적인 밀도를 가지고 있더라도 회수율이 낮을 수 있습니다.

합금철 첨가물의 고체에서 액체 상태로의 이동은 용융 또는 용해로 간주될 수 있습니다. 용융은 열을 가하면 발생하고, 용해는 고체 물질이 고체의 녹는점보다 낮은 온도에서 액체와 접촉할 때 발생합니다. 용해 과정은 연속적인 두 단계로 나눌 수 있습니다. 첫 번째 단계는 고체가 액체로 상 변화하는 표면 반응입니다. 두 번째 단계는 경계층을 통한 확산에 의해 생성된 용질 원자를 계면에서 대부분의 액체강으로 수송하는 것입니다. 어느 단계든 용해 과정에서 속도 조절이 될 수 있습니다.

첨가 원소의 가치 외에도 합금철에는 철과 잠재적인 화학 에너지가 포함되어 있습니다. 합금철의 철은 잘 정의되어 있고 빠르게 녹고 덩어리진 모양으로 제공되기 때문에 상당한 가치가 있습니다. 화학 에너지도 잠재적인 가치가 있지만 문제와 비용이 발생할 수 있습니다. 합금철에는 내포물과 트램프 요소도 포함될 수 있습니다. 합금철의 트램프 요소는 산화물 개재물 또는 기타 침전물(질화물, 탄화물)에 대한 영향으로 인해 특별한 제한이 있을 수 있습니다. 합금철에는 황(S), 인(P), O2, 질소(N2), 수소(H2)와 같은 가스 및 수분과 같은 소량의 불순물도 포함될 수 있습니다.

일반적으로 청정강을 생산하기 위해서는 용강을 탈산하여 탈산 생성물을 제거하고 슬래그에 의한 재산화를 효과적으로 방지하여야 한다. 1차 제강로에서 액강을 태핑하는 동안 Si/Mn/Al 복합 탈산화가 합금철로 수행되어 압연 중에 변형되는 목표 저융점 연 산화물 개재물을 달성하고 알루미늄 드의 고체 Al2O3 개재물을 방지합니다. -산화 또는 탈산제의 개별 탈산에 의해.

반응에 대한 보편적 방정식은 'x[M] + y[O] =MxOy'로 정의됩니다. 이 방정식에서 M은 첨가 원소이고 O는 액강의 용존 산소입니다. 방정식에 대한 평형 상수는 (i) 탈산 반응에 대한 자유 에너지 변화, (ii) 용강 내 용존 원소, (iii) 첨가 원소의 활성 'a'(a[M] =fM * %[M ] 여기서 fM은 1% 표준 상태 Fe에 대한 첨가제 원소의 활성 계수, (iv) 1% 표준 상태 Fe에 대한 O2의 활성 계수, (v) 일반적으로 1로 취한 탈산 생성물의 활성 고체 상태 특정 온도에서 강철 조성에 대해 첨가 원소의 활성 계수는 ​​일정하고 각 산화물 형성 원소에 대한 평형 상수를 계산할 수 있습니다 평형 상수 및 그 값과 함께 가장 일반적인 탈산 반응은 다음과 같습니다.

합금철은 액강에 냉각 효과가 있습니다. 합금철을 첨가하면 액체강의 온도가 감소합니다. 액체강의 온도 감소는 다양한 용질의 열용량과 용액의 열에 따라 달라집니다. 한 가지 중요한 예외는 알루미늄으로, 존재하는 모든 O2(강에 용해되거나 랜스를 통해 주입됨)와 발열 반응하여 강을 가열합니다. 일반적으로 Al을 사용한 탈산은 낮은 온도에서 더 효율적입니다. 또한 액체강은 탈산 후 냉각되고 Al-O '용해도 곱'(즉, 그림 1의 평형 곡선)도 낮아진다는 점을 염두에 두어야 합니다. 이것은 Al과 O가 계속 반응하여 매우 미세한 Al2O3 입자가 형성될 수 있음을 의미합니다. 떠오를 시간이 없으면 최종 제품에 갇히게 됩니다.

3가지 다른 온도에서의 그림 1 Al-O 평형 곡선