KR100336857B1

KR100336857B1 - 취입형용선탈황제의탈황효율향상방법

Info

Publication number: KR100336857B1
Application number: KR1019970070809A
Authority: KR
Inventors: 안상복; 김정식; 허기행
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 1997-12-19
Filing date: 1997-12-19
Publication date: 2002-10-18
Also published as: KR19990051470A

Abstract

본 발명은 고로→예비처리→전로→노외정련→연속주조 등으로 이루어지는 일관 제철소의 예비 처리 공정에서 탈황제를 취입시켜 용선을 탈황시 탈황제의 반응 효율을 증가시키는 방법에 관한 것이다.

본 발명의 탈황효율 향상방법은, CaO 또는 CaCO₃계 용선 탈황제에 탄화철(Fe₃C) 분체를 5 내지 10중량% 혼합하고, 용선탈황제와 탄화철 분체의 입경을 0.1∼1.0㎜로 하며, 이 혼합 분체를 이송가스와 함께 침적랜스를 사용하여 용선에 취입함으로써 탈황제의 반응효율을 증가시키는 것을 특징으로 하는 구성이다.

Description

취입형 용선 탈황제의 탈황효율 향상방법

종래 사용되는 용선 탈황 방법은 칼슘카바이드(CaC₂)계 탈황제, 산화칼슘(CaO)계 탈황제(대한민국 특허 제29843호), 탄산칼슘(CaCO₃)계 탈황제(대한민국 특허공개 제93-13142호), 수산화칼슘(Ca(OH)₂)계 탈황제(대한민국 특허공개 제86-1198호), 탄산나트륨(Na₂CO₃)계 탈황제(대한민국 특허 제37010호) 등을 용선에 침적된 랜스를 통해 이송가스와 동시에 취입시키는 취입형 용선 탈황법이 있다.

그러나, 종래의 용선 탈황법에서는 탈황제의 겉보기 밀도가 3.1∼3.3g/㎤ 정도로 작기 때문에 많은 양의 탈황제 분체가 이송가스에 포집된 상태로 용선에 취입된다.

이때, 용선에서 탈황제 분체가 부상하는 속도는 하기 수학식 1과 같이 표시되고, 하기 수학식 1로부터 이송가스에 포집된 탈황제 분체(Particle in Bubble; 이하 PIB 라 함)의 경우, 직경이 증가되기 때문에 부상 속도가 크게 빨라진다.

하기 식에서 V는 탈황제 분체의 부상 속도, g는 중력 가속도(=9.8 m/sec²), r은 탈황제 분체의 반경(m), PFE 와 PDES 는 각각 용철과 탈황제 분체의 겉보기 밀도(톤/㎥),η는 용철의 점성계수를 나타낸다.

[수학식 1]

V = (2/9)·{g·r ² ·(PFE - PDES )}/η

그러나, 상기 종래의 취입형 용선 탈황법으로 용선을 탈황하는 경우, 탈황제가 용선에 체류하는 시간이 짧아지게 되어 탈황제의 반응 효율이 5∼7%로 매우 낮기 때문에 탈황제의 취입량이 크게 증가되는 단점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 발명자들이 연구와 실험을 통해 안출한 결과 이루어진 것으로, 취입형 용선탈황제에 고밀도 분체를 혼합시켜 탈황제의 반응효율을 효과적으로 향상시킨 취입형 용선 탈황제의 탈황 효율 향상 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1 은 본 발명에서 용선에 용선 탈황제를 취입시 탈황제의 거동을 설명하는 도면이다.

〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉

1:용선 2:노즐 3:가스기포 4:탈황제 5:FRP 6:PIB

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 CaO 또는 CaC0₃계 용선탈황제에 탄화철(Fe₃C) 분체를 5 내지 10중량% 혼합하는 단계와; 상기 용선탈황제와 탄화철의 혼합물 분체 입도분포가 0.1∼1.0㎜로 되도록 선별하는 단계와; 상기 선별된 용선 탈황제와 탄화철의 혼합 분체를 이송가스와 함께 침적랜스를 사용하여 용선에 취입함으로써 탈황제의 반응효율을 증가시키는 단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 취입형 용선 탈황제의 탈황효율 향상 방법을 제공하게 된다.

이하에서는 양호한 실시예와 관련하여 본 발명을 상세하게 설명한다.

도 1에는 용선 탈황제를 용선에 취입시의 탈황제의 거동을 개략적으로 도시하고 있는데, 용선(1)에 CaO계 탈황제(4)를 취입하면 하기 수학식 2와 3의 순차적인 반응으로, CaC0₃계 탈황제를 취입하면 하기 수학식 4, 수학식 2 및 수학식 3의 순차적인 반응으로 탈황 반응이 일어나게 된다. 하기 수학식 2 및 3에서 [S]는 용철중 황성분을, [O]는 용철중 산소성분을, [C]는 용철중 탄소성분을 각각 나타낸다.

[수학식 2]

CaO(s) + [S] → CaS(s) + [O]

[수학식 3]

[O] + [C] → CO(g)

[수학식 4]

CaCO₃(s) → CaO(s) + CO ₂ (g)

용선(1)에 취입된 CaO가 상기 수학식 2와 같이 황성분과 반응하여 CaS로 되며, 산소(0)가 환원되고, 환원된 산소는 상기 식(3)과 같은 반응으로 용선중의 탄소(C)와 반응하여 CO가스를 생성한다.

이때 도 1에 나타낸 바와 같이 탈황제(4) 분체를 용선(1)에서의 거동에 따라 2가지로 구분할 수 있다. 즉, 노즐(2)을 통해 이송가스(3)와 함께 취입된 탈황제 (4) 분체는 운동에너지를 가지게 되며, 이들 중 취입노즐(2)의 토출공 전면에 생성되는 가스 기포(3)를 탈출할 수 있을 정도로 충분한 에너지를 가진 분체(Free Rising Particle:FRP)(5)와, 운동에너지가 작아서 가스 기포(3)에 포집된 분체(Particle in Bubble: PIB)(6)로 구분할 수 있다. 이들 FRP(5)와 PIB(6) 두 입자는 용선 중에서 서로 다른 거동을 나타낸다. 즉, FRP(5)는 용선(1)에 직접 침투하여 용선 흐름에 따라 부유하기 때문에 용선에 충분한 시간 동안 정체하면서 탈황반응에 기여하게 되고, 반면에 PIB(6)는 가스기포(3)에 포집되어 입자의 일부분만이 용선과 접촉할 뿐만 아니라 분체의 직경이 기포의 직경과 동일한 수내지 수십㎜로 증가되기 때문에 부상 속도가 매우 빨라져 분체의 정체 시간이 단축되고(수학식 1), 반응효율이 매우 낮아지게 된다.

랜스를 통해 겉보기 밀도가 3.1∼3.3g/㎤인 탈황제를 용선에 취입하는 경우, FRP(5) 와 PIB(6)의 비율은 각각 0.3, 0.7에 도달하고, 반면에 FRP(5)와 PIB(6)의 탈황 반응에 기여한 정도(이하, 기여도라 함)는 각각 0.6, 0.4에 이른다. 즉,FRP(5)의 탈황반응 기여도가 PIB(6) 보다 매우 크다.

본 발명에서는 취입용 용선탈황제에 있어서 FRP(5)의 비율을 증가시키기 위하여 상기 식(3)의 탈황반응에 기여하면서도 탈황제의 겉보기 밀도를 증가시킬 수 있는 탄화철 분말을 CaO 또는 CaC0₃등 탈황제에 5 내지 10 중량% 첨가시킨다.

탄화철의 겉보기 밀도가 7.7g/㎤이므로 탈황제에 탄화철을 5 내지 10 중량% 첨가시키는 경우, 혼합 분체의 겉보기 밀도가 3.4∼3.7 g/㎤로 증가되어, 탈황제의 FRP 비율을 증가시킬 수 있게 되고, 따라서 탈황제의 반응 효율을 효과적으로 향상시킬 수 있다.

탄화철 분말이 5 중량% 미만의 경우, 탈황제의 겉보기 밀도가 작기 때문에 FRP를 증가시키지 못하므로 탈황제의 반응 효율이 증가되는 것을 기대하기 어렵고, 10중량%를 초과하게 되면 탈황제의 밀도는 더욱 증가되는 반면에 탈황제중 CaO 또는 CaCO₃의 양이 상대적으로 감소되기 때문에 탈황제 소요량이 증가되고, 반응효율의 편차가 커져서 재현성이 불량해진다.

탈황제와 탄화철의 입경은 0.1∼1㎜로 하는 것이 바람직하다. 0.1㎜ 이하의 경우, CaO나 CaCO₃입자가 용선과 직접 반응하는 것이 아니라 이송가스 기포와 함께 용선 탕면으로 부상하게 되며, 입경이 1㎜ 이상이면, FRP의 양이 증가되나 CaO나 CaCO₃의 계면적이 감소되어 탈황효율이 낮아지게 된다.

상기 탄화철을 함유한 탈황제를 용선에 취입하는 경우, 노즐로부터 분사된 가스와 탈황제 입자의 평균운동량(P)은 하기 수학식 5와 같이 분체의 평균질량(M)과 평균속도(V)의 곱으로 나타낼 수 있고, 탈황제 분체의 평균운동량이 기포와 용선 계면사이에 존재하는 임계운동량(Critical Momentum)을 초과하게 되어 탈황제 분체가 용선과 직접 접촉하는 입자, 즉 FRP 비율이 증가되어 탈황제의 반응효율을 향상시킬 수 있게 되는 것이다.

[수학식 5]

P = M ·V

이하에서는 실시예를 통해 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.

[실시예]

100kg 대기 유도용해로에 철 70kg을 장입하여 1350℃로 용해시키고, 합금철 (Fe-S)을 첨가하여 용선중 S성분(이하, 초기황성분이라 함)이 0.035%가 되도록 조정하였다.

표 1에 나타낸 본 발명과 비교재를 이송가스와 더불어 상취랜스를 통해 취입하고, CaO는 용선 1kg당 10g을, CaCO₃는 용선 1kg당 20g을 각각 취입하였다. 이때 이송가스로 질소를 사용하고 탈황제를 분당 100g의 속도로 취입하여, 탈황제 취입이 종료된 시점으로부터 5분 경과 후 용강시료를 채취하여 C/S분석기로 황성분을 분석하였다(이하 탈황후 황성분이라 함.)

[표 1]

일반적으로 탈황제의 반응효율(이하, 탈황 반응효율이라 함)은 하기 수학식6과 같이 정의되므로 수학식 6으로 각 실험에서의 탈황 반응효율을 산출하였다. 하기 수학식 6에서 W는 탈황제 첨가량을, WDE-S는 황과 반응한 탈황제의 양을 각각 나타낸다.

[수학식 6]

탈황제 반응효율 (%) = WDE-S /W × 100

황과 반응한 탈황제의 양은 다음과 같은 방법으로 구할 수 있다.

용철중 황성분이 감소된 것은 탈황제 첨가에 따른 상기 수학식 2의 반응에 기인된 것으로 가정할 수 있으므로, 하기 수학식 7에 의거, 황성분의 감소량을 구할 수 있으며, 하기 수학식 7에서 △S, S_i, S_f는 각각 황성분 감소량, 초기 황성분 및 탈황 후 황성분을 나타내고, W_m은 로에 장입된 용철량을 나타낸다. 용선 탈황 반응에서는 상기 수학식 2로부터 1몰 CaO가 1몰의 S와 반응하므로 황과 반응한 탈황제 CaO양(WDE-S)을 하기 수학식 8로 나타낼 수 있다. 하기 수학식 8에서 M_CaO와 M_S는 각각 CaO와 S의 몰당량을 나타낸다.

CaCO₃의 경우에도 상기와 동일한 방법으로 반응 효율을 산출하였다.

[수학식 7]

△S = (S _i - S _f )·W _m

[수학식 8]

WDE-S = △S ·(M _CaO /M _S )

표 2는 본 실험에서 실시한 CaO계 용선탈황제의 반응효율을, 표 3은 CaCO₃계 탈황제의 반응 효율을 각각 나타낸 것이다. Fe₃C를 혼합하지 않거나, 3중량%를 혼합시키는 경우, 탈황제 반응효율이 5∼8% 정도이며, 반면에 Fe₃C를 5∼10중량% 혼합하는 경우에는 탈황효율이 9∼13%로 증가되는 것으로 밝혀졌다. 이는 탈황제에 고밀도 Fe₃C를 첨가시킴으로써 용선에 탈황제를 취입했을 때, FRP 비율이 증가되기 때문에 나타나는 것으로 판단된다.

[표 2]

[표 3]

한편, 탈황제에 Fe₃C를 13중량% 첨가시키는 경우에는 반응효율이 6∼12%로 양호한 것으로 나타났으나, 동일한 양의 탈황제를 취입할 때, 반응효율의 편차가 비교적 크기 때문에 재현성이 불량한 것으로 나타났다.

따라서, 상기 설명한 바와 같은 본 발명에 의하면, 취입형 용선 탈황제에 밀도가 큰 탄화철 분말을 5∼10중량% 첨가시켜 탈황제의 반응효율을 증가시킴으로써, 탈황제 취입량을 크게 절감시킬 수 있는 등 우수한 효과를 얻을 수 있다.

Claims

CaO 또는 CaCO₃계 용선 탈황제에 탄화철(Fe₃C) 분체를 5 내지 10중량% 혼합하는 단계와;

상기 용선 탈황제와 탄화철의 혼합물 분체 입도분포가 0.1∼1.0㎜로 되도록 선별하는 단계와;

상기 선별된 용선 탈황제와 탄화철의 혼합 분체를 이송가스와 함께 침적랜스를 사용하여 용선에 취입함으로써 탈황제의 반응효율을 증가시키는 단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 취입형 용선 탈황제의 탈황효율 향상 방법.