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철강자료 HOME > TECHNOLOGY > 철강자료

특수 제강법  AOD / VOD / VIM / VAR


AOD

 AOD법은 1964년 미국의 Union Carbide에 의해 저탄소 스테인리스강의 정련법으로 개발되어 1968년에 실용화되었다. AOD 노체는 그림에 나타낸 바와 같이 전로와 매우 흡사하다. 노저 부근의 측벽에 2중관 구조의 풍구를 설치하여 Ar O2 혼합가스를 용탕 중에 취입한다. 풍구의 외관에는 냉각용 Ar 가스가, 그리고 내관에는 취련용 혼합가스가 공급된다. 경우에 따라서는 고가의 Ar 대신에 N2가스를 사용하기도 한다. 개발 초기의 설비에는 상부 랜스가 없었으나, 최근에는 랜스를 추가로 설치하여 대량의 산소를 공급함으로써 탈탄 능력이 크게 증대되었다. AOD에서의 탈탄반응은 전술한 바와 간이 용강 중에 산소가 공급되면 [Cr]이 먼저 산화되고, (Cr2O3)는 강 중 탄소와 반응하여 탈탄반응이 진행된다. AOD에서는 N2 또는 Ar과 같은 불활성 가스를 산소와 함께 취입함으로써 CO 가스의 분압을 낮추어 [Cr]의 비율을 감소시켜야 한다. 그림에 탈탄효율과 [C] 농도의 상관관계에 대한 O2/Ar비와 온도의 영향을 나타내었다. 조업 방법은 전기로에서 스크랩과 Fe-Cr, Fe-Ni을 배합하여[%C]=1.5~2.0의 용강을 용해한 후, 용강을 AOD로 옮겨 탈탄한다. 정련과정은 그림에서와 같이 탈탄기와 환원기로 구분되며 전체 정련시간은 70~90분 정도 소요된다. 산화기, 측 탈탄기에는 상부 랜스와 풍구를 통해 산소를 취입하며, 합금철 및 생석회 등의 부원료를 투입한다. 미세 탈탄기에서는 풍구를 통하여 Ar를 취입하여 용강을 강교 반함으로써 용강 중의 산소를 이용한 미세 탈탄을 한다. 환원 및 탈황기에서는 Fe-Si을 투입하여 용강을 탈산하고, 슬래그 중의 (Cr) (Mn) 등 유가금속을 회수하며, 슬래그 정련에 의한 탈황처리를 실시한다


AOD의 모식도


O2/Ar비에 따른 탈탄효율

<--------35~50min-------> <--------6min-------> <-------8~10min------>

탈탄기

미세탈탄기

환원탈황기

-O2 Bloeing
-Top lance,tuyere
이용
-합금철, 생석회 투입

-Rinsing
-Ar
강교반

-Si 탈산
-Cr, Mn
등 회수
-탈황 : [S]20ppm

AOD 조업 방법 및 처리 시간

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VOD(Vacuum Oxygen Decarburization)

  VOD법은 1967년 서독의 Edelstahlwerk Witten사와 Standard Messo사가 공동으로 개발한 고[Cr] 용강의 진공 탈탄법으로, Witten법이라고도 한다. VOD법에서의 진공탈탄은 통상 0.3~0.8%[C]의 용강에 적용될 수 있으므로 이전 공정에서 예비 탈탄처리한 용강을 사용한다. 예비 탈탄로로서 전로를 사용하는 공정을 LD-VAC, 전기로를 이용하는 것을 ELO-VAC법이라고 한다. 그림은 VOD의 개념도로서 진공 용기 내에 레이들을 넣고 레이들 바닥에 설치한 다공질 플러그를 통해 Ar 가스를 취입하여 용강을 교반하면서 상부에 설치한 랜스로부터 산소를 취입하여 탈탄처리를 하다. VOD는 탈탄 및 탈질반응을 촉진하기 위하여 감압 상태에서 정련하는 설비로서 생산성은 AOD 보다 미흡하지만, 부가가치가 높은 고Cr 페라이트계의 극저 C, N강 제조에 적합하다.

 그림은 VOD 조업 과정으로서 전술한 AOD와 유사하게 세 단계로 구성된다. 첫단계는 탈탄기로서 레이들 바닥으로부터 Ar 가스를 취입하면서 5~60mbar의 진공도로 감압하고 상부 랜스로부터 산소를 취입하여 탈탄 및 탈질처리를 한다. 미세 탈탄기에서는 산소 취입을 중단하고, 저부로부터 Ar 가스만 대량 취입하여 강 중 산소와 탄소의 반응에 따른 미세 탈탄반응을 촉진한다. 그리고 마지막 단계는 탈가스 처리단계로서 슬래그 중의 (Cr3O4)를 환원, 회수하고 탈산 및 탈황처리를 한다.


VOD의 개략도

<--------35~50min-------> <------20~40min----> <-------15~30min------>

탈탄기

미세탈탄기

환원탈황기

-Top lance 이용 O2 Blowing
-탈탄, 탈질
-진공도 : 50~60mbar

-Rinsing
-Ar
유량 증대
-강교대

- 탈산
-Cr, Mn
등 회수
-탈황 : [S]20ppm

VOD 조업 방법 및 처리 시간

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VIM(Vacuum Induction Melting)

 코일에 교류전류가 흐르면 내측에 자장이 형성되며, 그 자계 내에 금속과 같은 전도체를 놓으면 전자유도 작용에 의하여 도체에 코일의 전류와 반대 방향의 와전류(eddycurrent)가 흘러 줄열(Joule heat)이 발생한다. 이 열에 의하여 금속도체를 가열, 용해하는 것을 유도용해라 하며 용량은 수 g의 실험용 소형로부터 수 10톤의 대형로까지 가동되고 있다. 유도 코일은 구리관으로 만들어지고 내부에 냉각수가 흐른다.

 유도 용해로의 중요한 특징 중 하나는 용탕의 교반이다. 즉 자장과 전류의 상호작용에 의하여 발생하는 전자기력(electromagnetic force)에 의하여 용탕과 코일 사이에 반발력이 생겨 용탕은 그림과 같이 유동하며, 이때 용탕의 교반력 P는 다음 식으로 표현된다.

 P= 0.316W/3.14dL√ρf

          여기에서, W : 1차 코일의 전력(W), d : 도가니 지름(cm), L : 용탕높이(cm),
                    
ρ : 용강의 저항(Ω . cm), f : 전류의 주파수(Hz)

 위식에서 교반력은 √f에 반비례하므로 저주파일수록 교반작용이 강하다. 유도로는 주파수에 따라 고주파, 중주파 및 저주파 유도 용해로로 구분된다. 고주파 유도 용해로는 500~5000Hz, 그리고 저주파 유도 용해로는 50~60Hz의 상용 주파수를 사용한다. 노 용량이 커질수록 전류의 침투 깊이가 깊은 저주파 유도용해로가 사용된다. 유도 용해로는 산화성 합금원소의 실수율이 높고, 고합금강일수록 용해에 유리하며, 용탕의 강한 교반작용에 의하여 성분과 온도 제어가 쉽기 때문에 특수강의 용해에 널리 활용된다. 유도용해로를 진공실 내에 설치한 진공유도용해로(VIM, Vacuum Induction Melting)는 고급 특수합금의 용해에 가장 많이 이용되는 장치로서 진공 중에서 용해하므로 용탕의 오염이 없고, 감압하의 [C]-[O]반응으로 탈탄과 탈산효율이 좋으며 성분조정이 용이하다. 다만 진공용해이므로 증기압이 높은 성분은 기화 손실이 크다.


용강의 교반반응

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VAR(Vacuum Arc Remelting)

 VAR은 원래 고융점 금속이나 반응성이 강한 금속을 재용해하기 위하여 개발되어 Ti 용해에 주로 이용되었으나 철강에도 응용되기 시작하였다. VAR의 원리도 ESR법과 유사하다. 즉 아크로나 진공로에서 일차 용해한 피용해재를 소모전극으로 하여 아크열을 이용하여 용해한후, 진공하에서 수랭 동몰드 내에 응고시키는 방법으로서 이러한 작업을 반복함으로써 진공정련, 비금속개재물의 부상분리, 응고조직의 개선 등의 효과를 얻는다.

 설비는 그림과 같이 노체, 급수계, 진공배기계, 전극구동계 및 전원 공급장치등으로 구성된다. VAR에서는 소모 전극이 음극, 몰드가 양극인 직류 전원을 사용하며, 정류 방법으로는 실리콘 또는 게르마늄 정류기가 ㅅ용된다. 진공 배기계는 로타리 펌프와 확산펌프를 조합하여 사용하며 용해 중에는 10-2 ~ 10-3Pa(10-3~10-4mmHg)정도로 유지된다. 잉고트는 진공 중에서 응고하기 때문에 기포가 생성되기 쉬우므로 모재의 산소함량을 낮게 유지해야 하며 이를 위하여 표면스케일을 제거할 필요가 있다. 그리고 증발하기 쉬운 성분은 증발량을 감안하여 성분을 약간 높게 조정할 필요가 있다. VAR 처리 강재는 H, O, N나 비금속개재물이 적고 조직이 미세화되어 기계적 특성이 개선된다.

 
VAR 설비의 개략도

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