KR100402003B1 - 전기로 조업시 고철의 용해 촉진방법 - Google Patents

전기로 조업시 고철의 용해 촉진방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전기로 조업시 고철의 용해촉진 방법에 관한 것으로, 그 목적하는 바는 전기로 조업시 용해촉진제로 알루미늄드로스를 사용하면서 그 연소제로 액체산소를 이용하여, 전기로내 고철의 용해를 촉진하는 방법을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 장입된 고철을 통전하여 용해하고 정련하는 것을 포함하는 전기로 조업방법에 있어서, 상기 고철장입 전에 알루미늄드로스 단광을 장입고철 톤당 12~48㎏ 투입한 다음, 고철을 장입하여 통전하면서 고철의 용해가 완료될 때까지 상기 알루미늄드로스 단광에 대해 45~75중량부의 액체산소를 공급하는 것을 특징으로 하는 전기로 조업시 고철의 용해 촉진방법에 관한 것을 그 기술적 요지로 한다.

Description

전기로 조업시 고철의 용해 촉진방법{A METHOD FOR INCREASING SCRAP MELTING RATE IN ELECTRIC FURNACE}
본 발명은 전기로내 고철의 용해를 촉진하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 알루미늄드로스와 액체산소를 이용한 고철의 용해 촉진방법에 관한 것이다.
일반적으로, 전기로 조업에서는 고철을 전체 장입량의 약 75% 정도로 우선 로내에 장입하여 1차 용해한 다음, 나머지 약 25%의 고철을 다시 장입한 후 2차 용해하고, 전량이 용해되었을 때 정련과정을 거친다. 이와 같은 용해 및 정련과정에서는, 조업시간을 단축하기 위해 각 단계별로 적절한 전력패턴을 설정하여 통전(通電)을 행하면서, 용강면 상부에 기체산소와 탄소를 공급하여 용해를 촉진시키고 있다.
전기로내에 탄소와 산소를 공급하면 하기와 같은 발열반응에 의해 용해시간을 단축할 수 있게 된다.
C +½O2= COΔH° 298 = -26.42㎉/mole- C
즉, 용강에 공급된 고체상의 탄소와 기체상의 산소가 일으키는 상기 반응에서 발열량은 탄소 1㎏당 25℃의 경우 2200㎉, 1500℃의 경우 2340㎉로 이를 전기에너지로 환산(1KWH/860㎉)할 경우 각각 2.6KWH와 2.7KWH에 해당된다.
따라서, 종래기술에서는, 장입 고철 톤당 유량 25~60N㎥/hr의 기체산소 및 탄소분말을 통전중에 용강면 상부에 분사함으로써 반응식(1)의 반응을 통해 용해시간을 단축하여 소비전력을 절감하고 있다. 이러한 기술과 관련하여 탄소와 기체산소의 반응을 촉진하기 위한 여러가지 랜스 및 노즐이 제안되어 있다. 그러나, 종래 방법에 따라 탄소 및 산소를 공급하기 위해서는 별도의 랜스 및 디스펜서 등의 고가 장비가 필요할 뿐 아니라, 분사된 기체산소가 로내에 장입된 고철 등의 장애물을 만나서 C성분의 산화에 사용되는 비율을 저하시키고 오히려 고철을 산화시키기 때문에, 과산화로 인한 여러 문제를 일으킨다. 예를 들어, 출강 실수율 저하, 또는 슬래그량의 증가 및 후속 탈산시 탈산제 및 합금재 소비량 증대 등이 있다. 이것은 공급된 산소가 용해촉진제 뿐 아니라, 철 고철과의 반응으로 산화철을 형성하기 때문이다.
한편, 일본 공개특허공보 소55-125219에는 다른 형태의 탄소성분을 함유한 물질을 용해촉진제로 사용하는 기술이 제안된 바 있다. 기 제안된 용해촉진제는, 반성(半成) 코크스 , 무연탄, 철분, 및 리그린산을 점결재로 이용하고, 대부분 탄소분을 용해촉진제로 이용하여, 반응식(1)과 같은 발열반응 유도에 의해 전력원단위를 저감시키고 용해시간을 단축하고 있다. 이 용해촉진제에는 철분이 함유되어 있으나 그 작용에 대한 언급이 없기 때문에, 자세한 내용은 알 수 없다. 다만, 이 철분이 용해촉진제로 작용하는 C의 연소를 돕는다고 가정하면, 철분이 일단 산화되어 Fe2O3가 된 다음 반응식(2)와 같은 반응을 한다고 생각할 수 있다. 그러나, 반응식(2)의 반응은 흡열반응이므로 C의 연소가 증가하더라도 전체적으로는 용해가 저해된다.
C + ⅓Fe 2 O 3 = ⅔Fe+COΔH298 = 39.35㎉/mole- C
더욱이, 용해촉진제에 포함된 C성분의 연소를 위해 분사된 산소가, 로내에 장입된 고철 등의 장애물로 인해 고철을 산화시키므로, 과산화로 인한 여러 문제는 여전히 해결하지 못하고 있다.
이에, 본 발명자들은 이러한 문제를 해결하기 위하여 알루미늄과 고체산소(산화철)를 함유하는 용해촉진제를 제안한 바 있다(대한민국 출원번호 제 1998-57623호). 이 선행기술은 금속 알루미늄이 발열량이 많다는 점을 이용하면서, 고체산소를 이용하여 과산화로 인해 발생되는 문제를 해결함은 물론, 상부에서 분사된 산소공급이 원활하지 못한 로 저부에서도 발열반응이 일어날 수 있도록 한다는데 그 기술적 의미가 있다 할 것이다.
2Al +Fe 2 O 3 = Al 2 O 3 + 2FeΔH1500 =-105.0㎉/mole
2Al +FeO = Al 2 O 3 + 3FeΔH1500 =-113.9㎉/mole
반응식(1)과 반응식(3) 또는 (4)에서 알 수 있듯이, 금속 알루미늄은 종래의 탄소에 비해 발열량이 4배 이상 큰 것 임을 알 수 있다.
본 발명자들은 선행기술이 갖는 잇점을 최대한 이용하면서 보다 전력원단위를 감소시킬 수 있는 방법을 개발하기 위한 일련의 연구과제를 통해 본 발명을 완성하여 제안하기에 이르렀다.
이러한 본 발명은 과산화의 염려가 없는 액체산소를 알루미늄드로스와 함께 이용하여 알루미늄드로스의 발열량을 보다 높임으로써 고철의 용해를 촉진하여 전력원단위를 감소시킬 수 있는 용해촉진방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 용해촉진방법은, 장입된 고철을 통전하여 용해하고 정련하는 것을 포함하는 전기로 조업방법에 있어서, 상기 고철장입 전에 알루미늄드로스 단광을 장입고철 톤당 12~48㎏ 투입한 다음, 고철을 장입하여 통전하면서 고철의 용해가 완료될 때까지 상기 알루미늄드로스 단광에 대해 45~75중량부의 액체산소를 공급하는 것으로 구성된다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명의 발명자들은, 알루미늄과 기체산소를 반응시키면(반응식(5)), 알루미늄을 고체산소(Fe2O3또는 FeO)와 반응시켜 얻은 발열량, 즉, 105, 114㎉에 비해((3),(4)반응식 참조) 약 4배 정도 높은 발열량을 얻을 수 있다는 점을 주목하게 되었다.
2Al+ 2/3O 2 = Al 2 O 3 ΔH1500 =-400㎉/mole
그런데, 기체산소는 오히려 장입고철을 산화시키기 때문에, 그 적용이 바람직하지 않다. 따라서, 본 발명자들은 알루미늄드로스의 연소제로서 액체산소를 새롭게 적용하면 장입고철의 과산화의 염려없이 알루미늄드로스의 발열량을 최적화할 수 있다는 것을 실험을 통해 확인하고, 본 발명을 완성하게 되었다.
본 발명에서 용해촉진제로 사용되는 알루미늄드로스는, 알루미늄 제조시 발생되는 부산물로서, 금속 알루미늄이 통상 50~80% 함유되어 있어서 반응식(5)와 같은 발열원으로 작용한다. 또한, 알루미늄드로스는 연성을 가지며 각 형태가 괴상형이고 모서리가 날카로운 형태이므로, 별도의 결합제를 첨가하지 않아도 단광 (briquette)으로 성형이 가능하여 호퍼를 통한 자동투입이 가능한 장점을 가진다.본 발명에 적용되는 알루미늄드로스는 크기가 2.67mm 이하인 것이 바람직하다. 크기가 2.67mm를 초과하는 괴상 알루미늄드로스는 단광의 제조후 성형성(압축강도)을 떨어뜨릴 뿐 아니라, 별도의 용도가 있어서 값이 비싸기 때문에 부산물로써의 가치가 떨어진다. 본 발명에서는 알루미늄드로스 단광을 전기로 내에 고철장입 전에 투입하는데, 이 때 투입량은 전력원단위 및 산화철량을 고려하여 장입고철 톤당 12~48kg으로 한다.
한편, 본 발명에서는 상기와 같이 알루미늄드로스 단광을 투입하고 고철을 장입하여 통전하면서 고철의 용해가 완료될 때까지 액체산소를 공급하여 용해촉진제를 연소시키는 것을 특징으로 한다. 상기 액체산소는 로내에 장입된 고철 틈사이를 통해 로 저부까지 쉽게 이동할 수 있기 때문에, 용해촉진제로 투입된 알루미늄드로스와 전체 로내에서 반응하게 된다. 일반적으로, 산소는 활성이 커서 용해를 촉진시킬 뿐 아니라 고철을 산화시켜 산화철을 형성하는 경향이 있지만, 본 발명의 알루미늄드로스는 종래의 탄소계 용해촉진제에 비해 산소와의 결합력이 월등이 크기 때문에, 고철의 산화에 사용되는 산소의 양이 줄어든다. 따라서, 종래와 같이 기체산소의 사용에 따른 과산화의 염려는 없다.
본 발명에서는 액체산소를 일괄공급하는 것 보다는 용해가 완료될 때까지 임의의 속도로 공급하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 균일한 속도로 공급하는 것이다. 이는 액체산소와의 반응으로 생기는 알루미늄드로스의 발열량을 고철의 용해가 완료될 때까지 균일하게 이용하기 위해서이다.
본 발명에서 액체산소는 알루미늄드로스의 투입량에 따라 결정한다. 즉, 전력원단위 및 산화철량을 고려하여 알루미늄드로스 단광 투입량의 40~75 중량부에 해당하는 양만큼 공급한다. 본 발명에 따라 고철의 용해가 완료된 후에는, 기존의 용해촉진방법에 따라 탄소분말 및 기체산소를 랜스를 통해 공급할 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예를 통해 보다 상세히 설명한다.
(실시예)
고철중량에 대하여 용해촉진제인 알루미늄드로스 단광을 소정 비율로 고철과 함께 로내에 장입하고 통전하면서 액체산소를 알루미늄드로스 중량에 대해 일정비율로 공급하여 용해작업을 실시하여, 용강이 용해되어 1600℃까지 도달하는데 소비되는 전력원단위 및 이 과정에서 형성된 산화철의 양을 조사하였다. 이 때, 산화철의 양은 산화철 형성에 기인한 슬래그의 양과 슬래그 중 산화철 함량을 분석하여 계산한 값이다.
표1은 알루미늄드로스와 액체산소의 중량비를 2:1로 한 발명예, 액체산소대신 기체산소를 알루미늄드로스와 함께 장입한 비교예, 고체산소로서 산화철을 사용하여 알루미늄드로스와 함께 장입한 종래예에 대해 알루미늄드로스 투입량에 따른 전력원단위 및 산화철 형성량을 나타낸 것이다.
시편번호 알루미늄드로스투입량(㎏/톤) 산소 산소투입비(중량부) 전력원단위(%) 산화철량(%)
투입량(㎏/톤) 종류
비교예1 0 0 액체산소 － 100 100
비교예2 4 2 50 98 120
비교예3 8 4 50 98 122
발명예1 12 6 50 95 125
발명예2 24 12 50 92 127
발명예3 36 18 50 88 125
발명예4 48 25 50 85 131
비교예4 60 30 50 82 162
비교예5 70 35 50 80 178
비교예6 12 6 기체산소 50 97 165
비교예7 24 12 50 94 171
비교예8 36 18 50 91 187
비교예9 48 25 50 88 195
종래예1 12 6 고체산소(산화철) 50 99 132
종래예2 24 12 50 97 141
종래예3 36 18 50 95 163
종래예4 48 25 50 92 171
표1에 나타난 바와 같이, 알루미늄드로스 투입량이 증가하면 전력원단위가 줄어든다. 상기 알루미늄드로스 투입량이 12㎏/톤 미만인 비교예(1),(2),(3)의 경우 전력원단위 절감량이 미미하기 때문에, 알루미늄드로스 투입량은 그 이상으로 제어하는 것이 바람직하다. 한편, 액체산소 사용비율이 일정할 경우 슬래그 중 산화철 농도는 유사한 수준으로 되지만, 알루미늄드로스 투입량이 48㎏/톤을 초과하는 비교예(4),(5)의 경우 알루미늄드로스 사용량이 증가할수록 형성되는 슬래그량이 증가하여 산화철의 총량, 즉, 유가금속인 철분의 손실은 증가하기 때문에, 알루미늄드로스의 사용량은 고철 톤당 48㎏ 이하로 제한하는 것이 바람직하다.
표1에서 기체산소를 사용한 비교예(6)~(9)의 경우, 액체산소를 사용한 발명예에 비해 전력원단위 절감효과는 작았고, 산화철 발생량은 오히려 늘어났다.
또한, 고체산소로 산화철을 알루미늄드로스와 함께 장입한 종래예(1)~(4)도 발명예에 비해 전력원단위 절감효과는 작고 산화철 발생량은 늘어났다.
이와 같이, 본 발명의 액체산소를 사용하면, 종래의 기체 및 고체산소를 사용한 것에 비해 고철 용해에 사용되는 전력원단위 절감 및 산화철 발생으로 인한 철분의 손실량이 줄어드는 것을 알 수 있다.
다음, 하기 표2는 알루미늄드로스 투입량을 고철 톤당 24㎏로 하고 액체산소의 투입 비율을 변화시켜 용해한 실험결과를 나타낸 것이다.
시편번호 알루미늄드로스투입량(㎏/톤) 액체산소투입량(㎏/톤) 산소투입비(중량부) 전력원단위(%) 산화철량(%)
비교예a 0 0 － 100 100
비교예b 24 4.8 20 98 110
비교예c 24 7.2 30 98 112
발명예a 24 9.6 40 95 116
발명예b 24 12 50 92 127
발명예c 24 15.6 65 90 141
발명예d 24 18 75 88 149
비교예d 24 19.6 80 85 193
비교예e 24 21.6 90 82 225
상기 표2로부터, 본 발명의 알루미늄드로스에 대한 액체산소의 적정 투입비율을 결정할 수 있다. 표2에 나타난 바와 같이, 알루미늄드로스 투입량이 24㎏/톤으로 일정한 경우, 액체산소 투입량이 증가할수록 전력원단위는 줄어들었지만, 액체산소가 알루미늄드로스 단광의 40중량부 미만인 비교예(a),(b),(c)에서는 전력원단위 절감량이 미미하기 때문에, 액체산소 투입량은 그 이상으로 제어하는 것이 바람직하다. 한편, 액체산소 투입량이 증가하면 산화철 형성량이 증가하는데, 특히, 액체산소 사용비율이 알루미늄드로스 단광의 75중량부를 초과하는 비교예(d),(e)의 경우, 산화철의 총량, 즉, 유가금속인 철분의 손실이 증가되기 때문에, 액체산소는알루미늄드로스 단광의 75중량부 이하로 제어하는 것이 바람직하다.
상술한 바와 같은 본 발명에 의하면, 전기로내 고철 용해를 촉진하여 전기로 조업시 고철의 용해시간 및 전력원단위를 절감할 수 있다.

Claims (1)

  1. 장입된 고철을 통전하여 용해하고 정련하는 것을 포함하는 전기로 조업방법에 있어서, 상기 고철장입 전에 알루미늄드로스 단광을 장입고철 톤당 12~48㎏ 투입한 다음, 고철을 장입하여 통전하면서 고철의 용해가 완료될 때까지 상기 알루미늄드로스 단광에 대해 45~75중량부의 액체산소를 공급하는 것을 특징으로 하는 전기로 조업시 고철의 용해 촉진방법.
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