합금철의 제조방법 document_id A220623068583

스테인레스 스틸은 합금화 원소들로서 전형적으로 크롬 및 니켈을 포함하는 저탄소 철 합금이다. 전형적인 조성물은 크롬 18중량%, 니켈 8중량%, 탄소 0.1중량% 미만을 함유하며, 나머지는 철 및 기타 다른 합금화 원소들이다(부수적인 불순물은 제외된다). 전형적으로 스테인레스 스틸은, 전기 아크 노에서 연강(mild steel) 단편의 충전물(charge) 및 고탄소 합금철을 용융시켜서, 생성물중에 원하는 것보다 0.5중량% 이하 더 많은 크롬을 함유하고 탄소 함량 0.25 내지 2.5중량% 및 규소 함량 0.2 내지 1.5중량%를 갖는 조질의 합금을 형성시킴으로써 제조된다. 탄소 및 규소의 구체적인 수준은 생성물의 사양, 스틸 제조 관행 및 용기 크기에 따라 달라진다. 조질의 합금은, 용융된 합금이 용융된 금속 표면 아래로부터 산소와 함께 취입되는 변환기에 용융 상태로 전달되어서, 생성된 스테인레스 스틸의 탄소 함량을 0.1중량% 미만으로 산화시킨다. 다수의 경우, 침지(submerged) 취입은 상부 랜스(lance)를 사용하여 정련 사이클의 부분을 위해 추가 산소를 전달함으로써 보충된다. 취입 도중 탄소 수준이 점진적으로 감소함에 따라, 산소는 크롬과 반응하여 산화크롬을 형성하려는 경향을 갖는다. 또한 이와 관련하여, 산화 반응의 발열 속성 때문에 변환기에서 과도한 온도가 발생되려는 경향이 존재한다. 실제적으로 이 경향은, 아르곤-산소 탈탄화(Argon-Oxygen Decarburisation, AOD) 공정을 채택함으로써, 산소는 아르곤으로 점진적으로 또는 단계적으로 희석되어 일산화탄소의 분압을 감소시키며, 이로 인해 크롬의 산화에 대한 바람직한 탄소의 산화를 촉진시킴으로써 중화될 수 있다. 이 수단에 의해, 대부분의 크롬은 용융된 금속 내에 남아 있다. 크롬의 산화에 대한 회피는 온도를 허용 가능한 수준, 예컨대 1750℃ 이하의 온도로 유지하는데 도움이 된다. 종종, 비-미립자 단편을 첨가함으로써 온도 제어가 더욱 촉진된다. 전형적인 예에서, 취입은 3:1의 산소 대 질소 비율(부피 기준)로 시작된다. 이 비율은 일련의 단계들에서 변화되는데, 아르곤은 소정의 단계에서 질소를 대신하며, 아르곤 이외의 산소는 기체 혼합물의 소량의 성분이다. 기체 혼합물의 정확한 시리즈 및 상기 공정의 다른 상세한 내용은 생성되는 스틸의 등급에 따라 달라진다. 취입 후, 일부 페로실리콘이 첨가되어 슬래그 내의 산화크롬을 환원시킬 수 있으며, 석회가 탈황화제(desulphurisation agent)로서 도입될 수 있다. 상기 AOD 공정의 대안으로서 크뢰조-뢰어-우데홈(Creusot-Loire-Uddeholm, CLU) 공정을 사용하여 스테인레스 스틸을 제조할 수 있다. CLU 공정은 AOD 공정과 유사하지만, 전형적으로는 아르곤 대신 스팀을 사용하여 표면 아래로부터 용융물 내로 취입되는 산소를 희석시킨다. 전자 아크 노 내에서의 스틸 단편과 합금화 물질의 용융 기간 동안, 일부 산소 원자들이 미가공 물질 부분으로서 화학적으로 조합된 형태로 첨가될 수 있는데, 예컨대 단편이 산화된 상태인 경우 또는 산소-함유 플럭스화제(fluxing agent), 예컨대 석회 또는 석회석이 사용되는 경우이다. 또한, 주변 환경으로부터의 일부 산소 및 가능한 일부 수분이 용융된 금속과 반응한다. 결과적으로, 합금화 원소들의 일부, 특히 크롬이 산화되고, 그 결과 전기 아크 노 내에서 스틸 단편의 용융 동안 용융된 금속의 상부에 형성된 슬래그 층으로 상기 크롬이 소실된다. 슬래그 층으로의 산화크롬의 소실은, 그 결과 불필요하게 많은 양의 크롬이 전기 아크 노 내에서 스틸 단편에 첨가되어야 하기 때문에 불리할 뿐만 아니라, 또한 슬래그 층의 특성들에 대해 부정적인 영향을 미치므로 불리하다. 합금된 스틸보다 오히려 연강을 형성하게 되는 전기 아크 노의 통상적 작동 동안, 탄소-함유 물질이 슬래그에 첨가되어 슬래그 내에서의 탄소 및 환원 가능한 산화물 사이의 반응에 의한 일산화탄소의 기포를 생성시킨다. 일산화탄소의 기포의 형성은 포움 슬래그를 발생시킨다. 포움 슬래그와의 전기 아크 노의 작동은 비활성(quiescent) 슬래그와의 작동에 비해 몇몇 이점들을 제공하는 것으로 인식된다. 특히, 에너지 소모가 전자의 경우보다 적고, 노의 벽을 라이닝하는 내화물 및 전극의 소모는 또한 비활성 슬래그 작동에서보다 포움 슬래그 작동에서 적다. 그러나, 상당량의 양쪽성(amphoteric) 산화물, 예컨대 산화크롬의 존재는 슬래그의 점도를 증가시키며, 환원성 산화물, 예컨대 철 산화물의 형성에 이용 가능한 산소의 양을 감소시킨다. 실용적 목적을 위해서는, 스테인레스 스틸의 제조시 포움 슬래그로써 전기 아크 노를 작동시키는 것이 가능하지 않다. WO-A-00/34532호에서는, 용융된 스틸이 전기 아크 노로부터 레이들(ladle)을 통해 변화기에 전달될 수 있고, 용융된 스틸 및 슬래그가 노로부터 태핑되기(tap) 전에 미세한 미립자 페로실리콘이 전기 아크 노 내에서 슬래그에 첨가될 수 있음을 개시하고 있다. 결과적으로, 페로실리콘은 슬래그 내에서 산화크롬과 반응하고, 용융된 금속 내로 하향하는 최종의 용융된 크롬 금속이 형성된다. 그러나, 이러한 절차는 만족스러운 제어가 어렵다. 아크 노 내에서 용융물로 유입되는 산소의 정확한 양을 정확하게 알 수 없다. 너무 적은 규소가 첨가되면, 슬래그의 산화크롬 함량은 너무 높게 유지될 것이고, 너무 많은 규소가 첨가되면, 변환기에 전달된 스틸 내의 규소의 최종 함량은 너무 높게 될 것이며, 이로 인해 정련 시간이 증가되고, 변환기 내에 형성된 슬러그의 양이 증가될 것이다. WO-A-03/104508호에서는, 산소 분자 또는 산소 분자가 포함된 기체 혼합물을 합금철의 용융물로 취입시키는 단계를 포함하되, 여기서 야금학적으로 허용 가능한(metallurgically acceptable) 미립자 물질, 예컨대 페로크롬 또는 크로마이트는 위로부터 용융물 내에 도입되고, 미립자 물질은 제 2 기체 제트에 의해 슈라우딩된(shroud) 용융물로 이송되는 제 1 초음파 기체 제트 중의 용융물 내로 이동되는, 합금철(예: 스테인레스 스틸)의 정련 방법이 개시된다. 그러나, WO-A-03/104508호는 전기 아크 노 내에서 초기에 스틸을 용융시키는데 있어서의 문제점들을 다루고 있지 않다.