KR100377272B1 - 진공 탈가스 장치에서의 정련방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 상측 또는 횡측에서 산소를 분사할 수 있는 장치를 구비한 RH설비에서 기체산소 대신 액체산소를 분사함으로써 탈탄산소효율을 증가시킴과 동시에 스컬부착을 억제할 수 있는 진공탈가스장치에서의 정련방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

위와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 기체산소를 상측 또는 횡측에서 분사하여 용강 중에 함유된 가스성분을 제거하는 진공탈가스장치에서의 정련방법으로서, 기체산소를 액체산소로 대체하여 용강 톤당 0.1 ∼ 0.4kg/min의 유량을 4bar 이하의 압력으로 분사함으로써 탈탄반응과 탈황반응을 촉진시켜 탈탄산소효율과 탈황산소효율을 향상시키고 장치 내부의 스컬(skull)부착을 억제시킨다.

Description

진공탈가스장치에서의 정련방법

본 발명은 진공탈가스장치에서의 정련방법에 관한 것이며, 특히, 제강과정에서 용강을 진공탈가스처리하여 고순도강을 제조하는 설비인 진공탈가스장치(Rheinstahl Huttenwerke ; 이하 'RH'라 함)에서 탈탄산소효율을 증가시키고 스컬(skull)의 부착을 억제하는 진공탈가스장치에서의 정련방법에 관한 것이다.

RH공정은 초기에는 단순히 진공설비를 이용하여 용강 중에 함유된 가스성분을 제거하기 위하여 개발되었으나, 점차 부가적인 기능이 추가되어 가스성분의 제거뿐만 아니라 산소를 분사함으로써 탈탄기능 및 용강의 온도상승의 기능까지 부여하고 있다.

이런 RH설비의 본체는 도 1에 도시된 바와 같이 상부조(11), 하부조(12) 및 환류관(13)으로 구성되어 있으며, 산소분사는 상측랜스(14)를 사용하거나 횡측노즐(15)을 이용하여 분사하고 있다. 이런 RH에서의 산소분사는 용강 중의 탄소를 매우 낮은 범위까지 제거함과 동시에 발생되는 CO가스를 재연소시켜 CO₂가스를 생성하는 과정에서 발생되는 연소열을 이용하여 용강의 온도를 올리기 위한 목적으로 사용된다. 이 때 분사되는 산소는 탈탄효율을 증가시키고 처리시간을 단축하기위하여 축소-확대노즐을 사용하여 초음속의 제트로 분사된다.

이렇게 고압의 산소를 고속으로 분사하는 과정에서 용강면에 부딪힌 산소제트의 운동에너지에 의해 용강이 비산된다. 즉, 비산된 용강에 의해 형성된 스컬(17)이 도 2에 도시된 바와 같이 RH의 내측면에 부착된다. 이런 스컬(17)은 상부조(11)에 부착되어 산소를 분사하는 상측랜스(14)의 승강 및 하강을 어렵게 하고, 합금철 투입구(16)를 막기도 한다. 그래서, 도 2에 도시된 바와 같이 버너(18)를 이용하여 스컬(17)을 녹여내고 있다.

그러나, 버너(18)를 이용하여 스컬을 녹여내기 위해서는 RH조업을 중지시켜야 하며, 녹여내는 시간도 많이 소요되기 때문에 생산성의 저해요인이 된다. 또한, 스컬을 녹여내는 동안 내화물의 침식이 일어날 뿐만 아니라 버너를 작동시키기 위해 가스를 이용해야 함으로 추가적인 에너지 비용이 소요되며, 버너설비를 별도로 설치해야 하는 등의 많이 문제점이 발생한다. 그러나, 고속의 산소를 분사하는 한 스컬부착을 억제하기는 사실상 불가능하며, 그래서 버너를 이용하여 스컬을 녹여내고 있는 실정이다.

따라서, 본 발명은 앞서 설명한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 상측 또는 횡측에서 산소를 분사할 수 있는 장치를 구비한 RH설비에서 기체산소 대신 액체산소를 분사함으로써 탈탄산소효율을 증가시킴과 동시에 스컬부착을 억제할 수 있는 진공탈가스장치에서의 정련방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 종래기술의 진공탈가스장치에서의 정련방법을 설명하기 위한 개략도이고,

도 2는 종래기술의 정련방법을 이용할 경우 발생하는 스컬의 부착상태를 도시한 도면이고,

도 3은 본 고안의 한 실시예에 따른 진공탈가스장치에서의 정련방법을 설명하기 위한 개략도이고,

도 4는 본 고안의 정련방법에 사용되는 액체산소와 종래의 정련방법에 사용되는 기체산소의 분사시의 반응을 도시한 개략도이며,

도 5 및 도 6은 본 고안의 정련방법에 사용되는 액체산소와 종래의 정련방법에 사용되는 기체산소의 분사시의 탈탄산소효율 및 탈황산소효율을 각각 비교한 그래프.

♠ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ♠

11 : 상부조 12 : 하부조

13 : 환류관 14 : 상측랜스

15 : 횡측노즐 16 : 합금강 투입구

17 : 스컬 18 : 버너

21 : 저장탱크 22 : 이송라인

앞서 설명한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 기체산소를 상측 또는 횡측에서 분사하여 용강 중에 함유된 가스성분을 제거하는 진공탈가스장치에서의 정련방법으로서, 기체산소를 액체산소로 대체하여 용강 톤당 0.1 ∼ 0.4kg/min의 유량을 4bar 이하의 압력으로 분사함으로써 탈탄반응과 탈황반응을 촉진시켜 탈탄산소효율과 탈황산소효율을 향상시키고 장치 내부의 스컬부착을 억제시킨다.

아래에서, 본 발명에 따른 진공탈가스장치에서의 정련방법의 양호한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명하겠다.

도면에서, 도 3은 본 고안의 한 실시예에 따른 진공탈가스장치에서의 정련방법을 설명하기 위한 개략도이고, 도 4는 본 고안의 정련방법에 사용되는 액체산소와 종래의 정련방법에 사용되는 기체산소의 분사시의 반응을 도시한 개략도이며, 도 5 및 도 6은 본 고안의 정련방법에 사용되는 액체산소와 종래의 정련방법에 사용되는 기체산소의 분사시의 탈탄산소효율 및 탈황산소효율을 각각 비교한 그래프이다.

본 발명의 정련방법은 도 3에 도시된 바와 같이 구성된 RH설비에서 행해진다. 본 발명에 사용되는 RH설비는 기체산소 대신에 액체산소를 용강을 향해 분사하도록 구성한 것을 제외하고는 종래의 RH설비와 동일하게 구성된다. 이러한 본 발명의 RH설비는 통상적인 방법으로 액체산소를 공급하여 분사하도록 구성된다. 즉, 본 발명의 RH설비는 액체산소를 저장하고 액체 유량계가 설치된 저장탱크(21)와, 상기저장탱크(21)에 저장된 액체산소가 이송하는 이송라인(22)과, 상기 저장탱크(21)와 이송라인(22)의 사이에 설치되어 액체산소의 공급량 등을 조절하는 액체 밸브 및, 상기 이송라인(22)의 끝단에 설치되어 용강을 향해 액체산소를 분사하는 액체산소 분사노즐로 구성된다.

여기에서, 상기 액체산소 분사노즐은 통상의 기체산소 분사노즐과 동일하게 구성된다. 그리고, 이송라인(22)은 외부와의 단열을 목적으로 이중관 구조로 형성되어 있어, 내부는 액체산소가 유동될 수 있도록 하고 외부는 진공으로 하는 것이 효과적이다.

이렇게 구성된 RH설비에서 산소를 상측 또는 횡측에서 분사하는 이유는 2가지가 있다. 첫째는 용강 중의 탄소를 매우 낮은 영역까지 제거하기 위한 탈탄반응을 목적으로 하며, 둘째는 탈탄반응으로 생성된 CO가스를 이차연소시켜 CO₂가스로 만들면서 발생된 열량으로 용강의 온도강하를 막기 위함이다.

이렇게 구성된 RH설비에서 탈탄반응을 촉진시키기 위해서는 고압의 산소를 분사시켜야 하며, 이를 위해 수축-확장노즐을 사용하여 마하 1이상의 초음속으로 시간당 2000Nm³이상을 분사한다. 이렇게 고속으로 분사된 산소는 용강 탕면에 부딪히면서 탈탄반응을 일으키고, 일부는 CO가스와 반응하여 CO₂가스를 생성하는 이차연소를 일으킨다.

이 때, 탕면에 부딪히는 산소제트에 의해 용강의 비산이 필연적으로 일어나며, RH조내에 스컬형태로 부착되어 작업성을 떨어뜨린다. 이 때, 스컬의 부착량은산소 분사압력에 크게 좌우되며 분사압력이 증가될수록 노즐선단에서 분사속도가 빨라지고 운동에너지가 커지기 때문에 용강의 비산량은 그만큼 증가한다. 그러나, 스컬부착을 억제하기 위하여 분사압이나 분사유량을 감소시키면 탈탄시간이 지연되고 탈탄효율이 떨어지는 단점이 있다. 그러나, 기체산소 대신 액체산소를 분사하게 되면 액체산소의 비중은 1.14g/㎤으로서 기체산소의 0.0014g/㎤에 비해 약 1000배정도 크고, 부피팽창은 862배로서 매우 적은량의 분사로도 기체산소보다 더욱 큰 효과를 얻을 수 있다.

이런 액체산소의 특성이 표 1에 나타나 있다.

[표 1]

이와 같은 특징을 갖는 액체산소가 분사되어 RH내의 용강탕면에 부딪히면 부피팽창은 급격하게 일어나며, 액체산소가 도달된 지역은 액체산소의 부피팽창에 의해 도 4에 도시된 바와 같이 기체산소에 비해 더욱 넓은 반응지역을 형성하게 된다. 이렇게 반응지역이 넓어짐에 따라 용강내의 탄소의 물질이동속도는 더욱 빠르게 되고, 탈탄반응은 기체산소에 비해 왕성하게 일어난다. 또한, 산소액적이 기화되는 부근에서 일시적으로 높은 산소포텐샬을 유지할 수 있기 때문에 부분적으로 탈황반응도 일어난다.

그리고, 액체산소의 비중은 기체산소에 비해 1000배 가량 크기 때문에, 기체산소와 동일한 산소량을 공급하는 데 있어서 매우 적은 액체산소량으로도 대체가 가능하다. 그러므로, 기체산소의 분사압력보다 낮은 분사압력으로 같은 산소량을 공급할 수 있으며, 분사압력이 낮기 때문에 스컬의 비산량 또한 현저하게 줄일 수 있는 장점이 있다.

아래에서는 실시예를 통하여 본 발명을 구체적으로 설명하겠다.

<실시예>

50kg급 대기유도 용해로를 사용하여 냉선 20kg을 장입하고, 온도를 1500℃로 상승시켜 완전히 용해시킨 다음, 기체산소를 분사시킨 경우와 액체산소를 분사시킨 경우의 탈탄거동과 탈황거동 및 스컬의 비산정도를 비교 및 검토하였다.

이 때, 기체산소와 액체산소는 직경 5mm의 동일한 노즐을 사용하였으며, 노즐의 높이는 탕면에서 450mm상부에 위치시켰다.

이런 상태에서 여러 시험조건을 부여하여 비교 실험한 비교결과치가 표 2에 나타나 있다.

[표 2]

이와 같은 실험결과치인 표 2에서 알 수 있듯이, 액체산소를 분사한 경우 분사량이 더욱 많음에도 불구하고 분사압력은 기체산소에 비해 현저히 낮음을 알 수 있다. 여기에서, 분사압력은 용강의 비산정도와 매우 밀접한 관계에 있으며, 분사압력이 낮을수록 비산량은 감소하게 된다.

또한, 표 3은 본 발명예(액체산소)와 비교예(기체산소)에 있어서 용강의 비산정도를 관찰한 것으로서, 액체산소 분사의 경우 분사압력이 낮기 때문에 비산은 거의 없는 반면에 기체산소의 경우 용강 비산이 매우 심하게 일어남을 알 수 있다.

[표 3]

그리고, 도 5 및 도 6은 액체산소(발명예1, 2)와 기체산소(비교예1, 2)의 분사시 탈탄산소효율과 탈황산소효율을 비교한 것이며, 탈탄산소효율 및 탈황산소효율은 다음과 같이 수학식 1로 계산하였다.

[수학식 1]

먼저, 도 5에서 탈탄산소효율을 살펴보면, 산소 분사속도가 증가할수록 기체산소나 액체산소에 관계없이 탈탄산소효율이 증가하는 것을 확인할 수 있으나, 액체산소의 경우가 기체산소에 비해 훨씬 우수한 탈탄산소효율을 확인할 수 있다. 예를 들어, 비교예2와 발명예1을 비교해 보면, 비교예2의 기체산소 분사속도(320g/min)가 발명예1의 액체산소 분사속도(200g/min)에 비해 120g/min 높았음에도 불구하고 탈탄산소효율은 오히려 낮음을 알 수 있다.

그리고, 도 6에서 알 수 있듯이, 탈황산소효율도 액체산소를 분사할 때가 기체산소를 분사할 때 보다 더욱 높게 나타남을 확인할 수 있다.

이와 같은 실험결과 액체산소 분사시가 기체산소 분사시보다 탈탄산소효율은 1.5배, 탈황산소효율은 1.8배 높게 나타남을 확인할 수 있었다.

그리고, RH공정에서 용강 1톤당 분사되는 기체산소(비교예1, 2) 및 액체산소(발명예1, 2, 3)의 분사량과 분사압을 표 4와 같은 조건에서 실시하였을 경우 영향도는 다음과 같다.

[표 4]

이와 같이 표 4에서 비교예 1과 같이 액체산소 분사량을 용강 톤당 0.05kg/min으로 하였을 경우 분사압력(2bar)이 낮아 스컬부착은 전혀 없으나 산소공급량이 상대적으로 부족하여 RH에서 탈탄 처리시간(45min)이 길어지는 단점이 있으며, 이와는 반대로 비교예2와 같이 분사량을 0.5kg/min으로 하였을 경우에는 처리시간(18min)은 단축되나 분사압력(5.7bar)이 증가하기 때문에 스컬의 부착량이 많게 된다.

그러나, 발명예1, 2, 3과 같이 액체산소의 분사량을 0.1 ∼ 0.4kg/min으로 하였을 경우에는 처리시간도 23분에서 30분 정도 소요되어 종래의 기체산소 분사시보다 단축됨과 동시에 분사압력도 종래의 기체산소 분사시의 8 ∼ 9bar보다 현저히 낮아 스컬부착도 거의 없음을 확인할 수 있었다.

앞서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명의 진공탈가스장치에서의 정련방법은 액체산소를 분사함으로써 액체산소의 급격한 부피팽창에 의해 교반에너지가 증가되어 탈탄산소효율 및 탈황산소효율이 향상되고, 기체산소 보다 적은 양의 액체산소로 보다 큰 효과를 얻을 수 있다.

또한, 본 발명의 진공탈가스장치에서의 정련방법은 기체산소와 동일한 양의 액체산소를 저압으로 분사할 수 있어 스컬의 비산이 현저히 줄어들고 스컬부착이 발생하지 않는다는 효과가 있다.

이상에서 본 발명의 진공탈가스장치에서의 정련방법에 대한 기술사상을 첨부도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다.

Claims (1)

1. 기체산소를 상측 또는 횡측에서 분사하여 용강 중에 함유된 가스성분을 제거하는 진공탈가스장치에서의 정련방법에 있어서,

   기체산소를 액체산소로 대체하여 용강 톤당 0.1 ∼ 0.4kg/min의 유량을 4bar 이하의 압력으로 분사함으로써 탈탄반응과 탈황반응을 촉진시켜 탈탄산소효율과 탈황산소효율을 향상시키고 장치 내부의 스컬(skull)부착을 억제시키는 것을 특징으로 하는 진공탈가스장치에서의 정련방법.