금속 용해 방법

스테인리스강의 전환 제련은 바닥에서 공기 송풍(베세머 및 토마스 방식)과 상부 및 하부에서의 산소 송풍을 통해 수행됩니다. 공기 중의 산소는 불순물을 산화시켜 철을 강철로 변화시킵니다. 산화 시 발생하는 열이 용융물을 1600 °C까지 가열합니다.

1. 베세머 법

영국 엔지니어 베세머가 19세기 중반에 개발한 베세머 전환기의 산성 라이닝은 저인 회석의 철을 재용융할 수 있게 합니다. 베세머 전환기의 라이닝은 산성입니다 — 디나스벽돌. 전환기에 주철(0.7–1.2%Si)을 1250–1300 °C까지 가열한 후 공기로 송풍합니다. 이 과정에서 실리콘, 탄소 및 망간이 산화되어 산성 슬래그가 형성됩니다. 이후 송풍을 중단합니다. 금속을 주괴로 붓고 동시에 탈산화합니다. 슬래그가 산성이므로 황과 인은 제거되지 않습니다.

2. 토마스 법

토마스 법은 인이 풍부한 철을 처리하기 위하여 19세기 말 S. 토마스에 의해 제안되었습니다. 토마스 전환기의 내부 라이닝은 기본형입니다(비트루돌로미트). 전환기의 하단에는 공기 상자가 부착됩니다. 송풍은 노즐을 통해 전환기로 들어갑니다. 전환기에 석회를 넣어 기본 슬래그를 형성한 후 주철(0.3 — 0.5%Si, 1.6 — 2.0%P;<0.08%S;)을 1250°C까지 가열하여 공기로 송풍합니다. 실리콘, 탄소 및 망간이 산화되고 형성된 슬래그에 황과 인이 제거됩니다. 금속 내 인 함량이 30배 감소하면 송풍을 중단합니다.

이 방법들은 모두 공통된 단점이 있습니다 — 송풍할 때 대기의 질소가 용융물에 들어가 강철이 질소로 포화되는 것입니다. 그래서 토마스 및 베세머 강철은 더 취약하고 노화되기 쉽습니다. 오늘날 이러한 방법들은 상부 및 하부 송풍을 사용하는 산소 전환제련으로 대체되었습니다.

3. 산소 전환기

기본 라이닝과 냉각수 노즐을 통한 산소 송풍을 사용하는 전환기가 사용됩니다. 다음과 같은 철강 재료가 사용됩니다:

• 액상 주철;
• 고철;
• 슬래그형성재(석회, 장석, 철광석, 보크사이트).

제련 전 전환기에 고철(스크랩)을 장전하고 1300–1400°C로 가열한 주철을 붓습니다. 이후 냉각수 노즐을 전환기에 삽입하고 산소를 공급합니다. 송풍이 시작되면 전환기에 석회, 보크사이트, 철광석을 넣습니다. 산소는 금속과 슬래그의 순환 및 혼합을 유발하고, 망간, 실리콘, 탄소를 산화시킵니다. 강한 산화 작용이 혼합물을 가열합니다. 인은 FeO와 CaO에 결합됩니다. 인이 0.15% 이상일 경우 슬래그를 비워내고 새로운 슬래그를 만들어야 합니다. 제련 동안 황은 지속적으로 슬래그로 제거됩니다. 금속 내 탄소 함량이 요구 수준에 도달하면 산소 공급을 중지합니다. 이 후 주괴에 탈산제 및 합금 첨가제를 도입합니다. 50 — 350톤 용량 전환기에서의 제련 시간은 1시간 미만입니다.

4. 하부 송풍을 이용한 전환기 제련.

전환기에 철 스크랩을 장전하고 액상 주철을 붓습니다. 주철을 부을 때 전환기는 거의 수평으로 놓여 노즐에 주철이 덮이지 않도록 합니다. 그 동안 질소나 공기로 송풍하고, 가루 형태의 석회에 때때로 송화상석을 첨가합니다. 이후 산소를 켜고 전환기를 수직 위치로 변환합니다. 송풍은 실리콘, 탄소, 망간을 산화시킵니다. 슬래그가 형성되며, 이 슬래그로 인과 황이 넘어갑니다. 금속 내 요구되는 탄소 함량에 도달하면 송풍을 중지합니다. 혼합 및 산소의 완전한 흡수가 탈탄을 더 강력하게 만듭니다.

제련법으로 생산되는 스테인리스 및 내열강. 산소 제련

현재 오스테나이트 스테인리스 및 내열강의 생산은 산소 송풍 제련법에 기반하여 이루어집니다. 이는 원료 내부의 합금 요소의 최적 용해를 촉진합니다. 전기 아크로의 제련은 산화 없이 수행되며, 전극으로 인한 금속의 탄소화가 일어나기 때문에 초기 탄소 함량이 최소화되어야 합니다. 이로 인해 고합금재의 사용이 제한되며, 원료 구성에 저탄소 및 인과 황에서 불순물이 제거된 연철이 포함되어야 하며 이는 최종 제품의 제조 비용을 증가시킵니다.

산소 제련은 고크롬결을 사용하지 않습니다, 왜냐하면 산소와의 친화도가 유사하여 동시에 크롬을 산화시키지 않고 탄소를 산화시키기 어렵기 때문입니다. 그러나 온도가 상승할수록 산소에 대한 크롬의 친화도는 감소하고, 탄소의 친화도는 증가합니다. 따라서 온도가 높을수록 크롬 함유량의 변화 없이 탄소는 보다 적극적으로 가스와 함께 산화되어 제거됩니다.

산소의 역할

기체 산소를 사용하면 금속의 온도를 효과적으로 높이고 탄소를 산화시킬 수 있습니다. 실무에서는 일반적인 철강 용융 온도에서 탄소 함유량을 0.1%로 낮추려면 금속 내 크롬 함유량이 3% 미만이어야 가능하다는 것이 잘 알려져 있습니다. 그러나 t°가 1800°C일 경우 크롬 함유량이 15%일 때 목표로 하는 탄소 농도에 도달하게 됩니다. 기체 산소로 탄소를 산화시키면 높은 온도에서 탄소 농도를 최적화하여 스틸의 화학적 구성을 조절할 수 있으며, 고크롬 쇄재를 무제한으로 사용 가능하게 합니다. 투입물의 높은 탄소 함유량이 저탄소 금속을 얻는 데 장애물이 되지 않습니다. 투입물 내 크롬 함유량만이 완성된 철강 내 탄소 비율과 최종 용융 온도를 결정합니다.

투입물 채우기. 크롬, 니켈, 몰리브덴

13-14%의 Cr을 얻기 위해서는 투입물에서 최대 70%까지 철강 부산물을 사용할 수 있습니다. 크롬 산화를 방지하고 블로잉 동안 용해욕의 온도를 빠르게 높이기 위해 투입물에 0.7-0.9% Si가 포함되는 것이 중요합니다. 부족한 실리콘은 페로실리콘, 실리코크롬 또는 실리콘 종류의 철강 부산물로 도입합니다. 부족한 몰리브덴은 페로몰리브덴 형태로 투입물에 포함시킵니다. 니켈은 니켈 합금, 금속 니켈 또는 니켈 산화물 형태로 투입물에 추가합니다.

실리콘과 인

변압기 철강은 3-4%의 Si를 포함하므로 투입물에 20-25%의 변압기 철강 폐기물을 포함하는 것이 바람직합니다. 이는 투입물에 필요한 양의 실리콘을 공급하여 보다 비용이 많이 드는 실리콘 합금을 사용할 필요성을 줄여줍니다. 또한 변압기 철강에는 인이 거의 포함되어 있지 않아, 인 구성에 최적의 상태를 보장합니다. 변압기 철강 폐기물이 없을 경우 인을 희석하기 위해 투입물에 저인 탄소철강 폐기물을 포함시켜야 합니다.

탄소

금속이 넘칠 때 좋은 탈가스를 위해서는 투입물이 최소 0.3%의 탄소를 포함해야 합니다. 필요할 경우 탄소를 추가하기 위해 전극 파편이나 코크스를 사용합니다. 또한, 바닥에는 석회석(0.5-1.0%)를 입히고 때로는 크롬 산화 손실을 줄이기 위해 0.5%의 크롬광을 더 추가합니다.

블로잉

기체 산소를 사용한 블로잉은 투입제의 ¾이 녹은 후 시작됩니다. 이것은 용해를 가속화하고 전기 에너지 소비를 줄이는 데 도움이 됩니다. 더 이른 블로잉은 크롬의 나는 손실이 더 큽니다. 블로잉은 용해욕의 온도를 급속히 높이는 데 가동된 상태에서 진행됩니다. 실리콘과 크롬의 산화로 인한 발열 반응 덕분에 용해욕의 온도가 빠르게 상승합니다. 특정 온도에서 탄소 산화가 시작되고, 용광로에서 활활 타오르는 불꽃이 나타납니다. 그 후 용광로를 끄고 화학 분석을 위해 샘플을 채취한 후 필요한 탄소 함량이 달성될 때까지 용해욕 블로잉을 계속합니다.

온도

블로잉 중 용해욕의 온도는 1800°C를 초과할 수 있습니다. 이처럼 높은 온도는 용광로 내 뚜껑의 내구성을 감소시킵니다. 따라서 블로잉이 끝난 후 용해욕을 페로망가니즈로 탈산하고, 예열된 페로크롬의 계산된 양을 투입하여 급속히 냉각합니다. 때로는 금속의 냉각을 가속화하기 위해 추가로 5%의 순수 철강 부산물을 투입합니다.

슬래그

블로잉이 끝날 때 슬래그에는 보통 30%의 크롬과 망가니즈 산화물이, 20%의 실리콘, 철 및 칼슘 산화물이, 10%의 망가니즈와 알루미늄 산화물이 포함되어 있습니다. 높은 내열성 크롬 산화물의 존재는 슬래그를 이질적으로 만듭니다. 실리코크롬 또는 페로실리콘 분말로 크롬을 복원하기 위해 슬래그를 처리합니다. 실리코크롬을 사용한 탈산이 선호되며, 이 경우 철강은 크롬으로 합금됩니다. 슬래그 내에 추가로 석회석을 주입하지 않을 경우, 용광로 내에 pH가 0.6-0.8의 산성 슬래그가 형성됩니다. 슬래그 내 실리콘 산화물이 축적되면 크롬의 실리콘에 의한 복원이 느려집니다.

산소

크롬 산화물 내 산소를 제거하기 위해 석회석을 추가할 수 있습니다. 칼슘은 실리콘에 의해 크롬 복원을 촉진합니다. 그러나 석회석의 추가는 슬래그의 양을 늘려, 슬래그 내 크롬 산화물 함량이 낮더라도 크롬의 손실을 증가시킬 수 있습니다. 따라서 pH가 1.5-1.6 이상이 되지 않는 것이 합리적입니다.

시험 결과

금속의 용해 및 처리가 완료된 후, 국내외 표준의 요구 사항에 대한 제품 품질을 평가하기 위해 다양한 종류의 기계적 시험이 수행됩니다. 예를 들어 금속의 인장시험 결과는 그들의 탄성 한계를 결정하는 데 사용됩니다. 이 매개변수는 기계적 성질과 관련이 있으며, 다양한 복잡도의 구조물 구축 시 중요한 요소입니다. 금속의 인장 강도의 한계가 얼마나 높은지에 따라 그 사용 분야가 결정됩니다.

경도

완성된 철강의 또 다른 품질 관리 방법으로 “인덴터”를 사용한 금속 경도 시험 방식이 있습니다. 연구 결과는 철강의 물리적 특성에 관련되며, 대개 록웰 또는 브리넬 척도를 사용합니다.

압연 관련 정보

추가로, 금속의 화학적 시험은 합금의 구성요소와 품질을 결정하기 위해 수행됩니다. 또한, 금속의 내구성을 평가하고자 하는 다양한 하중을 가하는 순환적 시험도 있습니다. 생산 현장에서는 용해된 금속의 특성을 조사하기 위해 다음과 같은 시험도 함께 수행합니다:

·충격 강도;

·심한 스트레칭;

·압축;

·크리프;

·파단.

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