KR100404281B1 - 스테인레스 제강 슬래그의 포밍방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 스테인레스 제강 전기로 조업에서 전력의 이용 효율을 증대시키기 위한 방법에 관한 것으로서, 스테인레스 제강 전기로 조업에서, 승열기에 형성된 용융 슬래그를 포밍시키기 위하여 슬래그 염기도를 1.3 내지 1.4의 범위 내에 유지하면서 분체탄소를 취입시켜 분체탄소와 산화물과의 환원반응을 통해 발생하는 CO가스를 기포 발생방법으로 이용하며, 이에 의해서, 전기로의 열효율을 높이고 내화물의 손상을 저감시킬 수 있다.

Description

스테인레스 제강 슬래그의 포밍방법{Foaming Method For Stainless Steel Slag}

본 발명은 스테인레스 제강 전기로 조업에서 전력의 이용 효율을 증대시키기 위한 방법에 관한 것이고, 특히 스테인레스 제강 슬래그 내에 분체 탄소를 취입하여 슬래그 포밍을 수행하는 스테인레스 전기로 제강슬래그에 분체 탄소를 취입함으로써 슬래그 포밍(foaming)를 유도하여 스테인레스 제강 전기로 조업에서 전력의 이용 효율을 증대시키기 위한 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 제강용 전기로(EAF : Electric Arc Fumace)에서 스크랩 또는 합금철을 용해하고 일정한 용강온도를 얻기위해 필요한 에너지중 약 70%이상은 전기에너지가 차지하며 나머지는 산소 취입에 의한 산화열이 차지한다. 따라서 전기로에서 사용되는 에너지를 효율적으로 관리하기 위해서는 기본적으로 전력의 이용 효율을 극대화시켜야 한다.

전기로에서는 아크를 이용하여 전기에너지를 열에너지로 전환함으로써 스크랩을 용해한다. 아크는 전극봉과 용강 사이에 형성되는 초고온의 전리 기체이며, 대류, 복사, 전자충돌 등을 통하여 용강 및 용강 이외의 부분으로 열을 전달한다.

일반적으로, 아크에 의해 발생된 열에너지 중 용강으로 전열되는 비율은 약73%정도이며, 나머지 27%에 해당하는 열은 대류, 복사, 전자충돌에 의해 대기, 노벽 또는 전극봉을 가열하거나 노내 기타 부분으로 확산되는 것으로 알려져 있다. 특히, 3상 교류방식의 전기로에서는 아크 편향이 발생되며, 이에 따라 노벽의 특정 부위가 과열되는 현상이 나타난다. 이는 에너지 절감 차원에서 뿐만 아니라 노벽 수명에 있어서도 매우 불리한 조건이 된다.

슬래그 포밍이란 용강 이외의 부분으로 전달되는 열을 차단하여 용강 또는 슬래그로의 전열율을 높이는 방법의 일종으로서, 슬래그를 포밍시켜 슬래그의 외형 부피, 즉 겉보기 부피(volume)를 증가시키는 것을 의미한다. 따라서, 슬래그 포밍에 의해 전기로 슬래그층의 두께가 증가되면, 도1에 도시된 바와 같이, 아크 노출이 차단된다.

아크 노출이 차단되면, 용강 이외의 부분으로 전달되던 열이 용강으로 전달되므로 전기로의 열효율이 증가하게 된다. 따라서 전기로에서 슬래그 포밍을 실시하게 되면 동일한 전력으로 더 높은 온도의 용강을 얻을 수 있게 된다.

이와 같은, 슬래그 포밍은 일반강 제강에서는 이미 이용되고 있는 기술로 에너지 이용 효율 증대에 의한 원가 절감에 필수적인 기술이 되고 있다.

일반적으로, 슬래그 포밍은 슬래그/가스의 상호작용으로 형성되며, 보통 슬래그 포밍결과 슬래그는 에멀젼(emulsion) 상태와 폼(foam) 상태로 크게 나누어 질 수 있다. 여기서 에멀젼 상태란 액상 내에서 가스 기포가 자유로이 부력 상승을 하는 상태를 의미하며, 가스 기포간의 상호작용이 없는 상태를 말한다. 그리고, 폼 상태란 액상 내에서 가스 기포간의 활발한 상호 작용에 의해 부력상승하지 못하고 액상 내에 가스가 적층되어 있는 상태로 기포들은 폼의 표면에서 파멸 또는 소멸된다.

이러한 폼 상태에서는 액상 내에서의 기포 발생과 폼 표면에서의 기포 소멸이 평형을 이루므로 슬래그의 겉보기 부피는 일정해진다. 즉, 액상 내에서 가스 기포의 발생 속도와 폼 표면에서의 기포 소멸 속도의 차이가 슬래그 폼의 두께를 결정 짓는 중요한 변수로 작용하게 된다.

따라서, 슬래그 포밍의 정도를 증대시키기 위해서는 액상 내에서의 기포 발생 속도를 증대시키는 반면 폼 표면에서의 기포 소멸 속도를 느리게 하는 조건이 필요하다.

일반강 제강에서 슬래그 포밍을 유도하는 방법은 주로 분체 탄소를 슬래그중으로 취입하고 다음의 반응을 통해 발생하는 CO가스를 슬래그 포밍의 주요 원인으로 이용한다.

FeO + C = Fe + CO(g)

일반강 전기로 제강시 슬래그 중에는 다량의 FeO가 존재하며, 이는 취입된 탄소에 의해 쉽게 환원되어 CO가스를 발생시킨다. 안정한 슬래그 포밍 상태를 얻기 위해 슬래그의 염기도는 대략 2 내지 2.5 정도의 고염기도를 유지하는 것이 일반적이다.

한편, 스테인레스강의 전기로 제강에서는 일반 탄소강의 제강과는 달리 슬래그 중에 다량의 Cr₂O₃를 함유하는 것이 특징이다. 크롬(Chrome)은 철보다 먼저 산화되므로 스테인레스강에 있어서, 슬래그 중에는 FeO보다 Cr₂O₃의 함량이 높게 나타난다. 일반적으로 전기로 스테인레스 제강 슬래그에서 Cr 산화물의 함량은 약 15 %인 반면 Fe 산화물은 1 내지 2 %를 나타낸다.

또한, 스테인레스 제강 슬래그는 일반 제강 슬래그와 달리 다량의 Cr 산화물의 함량으로 인하여 독특한 물성을 나타내므로 스테인레스 제강 슬래그의 유동성 또는 용강반응성, 포밍 특성과 같은 제반 성질을 조절하거나 활성화하기 위해서는 새로운 조건의 조사가 필요하게 된다.

종래에는 스테인레스 제강 슬래그의 포밍을 위해 CaCO₃또는 MgCO₃를 사용하는 경우가 있었는데 이는 다음과 같은 반응을 통해 CO₂가스를 발생시키고 이에 따라 슬래그 내에 기포가 형성이 된다.

CaCO₃= CaO + CO₂(g) .... [1]

MaCO₃= MgO + CO₂(g) .... [2]

그러나, 전기로 조업 특성상 MgCO₃, CaCO₃등은 형성된 용융 슬래그 위로 투입되므로 슬래그와 혼합되기가 어렵다. 따라서, MgCO₃, CaCO₃등을 투입함으로써 발생되는 가스는 거의 대부분 슬래그 표면에서 존재하게 되어, 슬래그 내부에서 기포가 발생되는 것은 어렵다.

따라서, 실질적으로 위와 같은 MgCO₃, CaCO₃에 의한 기포발생은 매우 미약하므로, 아크 노출을 차단할 정도의 슬래그 포밍을 얻는 것은 매우 어렵다.

또한, 슬래그 포밍을 위해 MgCO₃, CaCO₃를 과다하게 투입할 경우 슬래그 내의 CaO 또는 MgO의 함량이 과도하게 높아져 슬래그 유동성을 저해함으로써 출탕작업의 곤란을 야기한다.

따라서, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 위와 같은 기존의 스테인레스 제강 슬래그의 포밍에서의 단점을 보완함과 동시에 보다 활발한 슬래그 포밍을 유도할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 목적은 Cr 산화물을 함유하는 스테인레스 슬래그의 포밍을 기존의 방법보다 더 활성화시킬 수 있는 방법을 제공하여 전기로의 열효율을 높이고 내화물의 손상을 저감하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 스테인레스 제강 전기로 조업에서 전력 이용 효율 증대 방법은 스테인레스 제강 슬래그 내에 분체 카본을 취입하여 취입된 분체 카본과 스테인레스 제강 내 산화물의 환원반응을 통해 발생하는 CO가스를 기포로 이용하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 분체 카본이 취입된 스테인레스 제강 슬래그의 포밍을 최대화하기 위하여 슬래그 염기도를 1.3 내지 1.4의 범위 내에 유지하는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.

도1은 슬래그 포밍에 의한 아크노출의 차단원리를 도시한 도면으로서, (1)은 아크점화거리가 슬래그 높이보다 높아 아크 노출된 경우이고, (2)는 아크점화거리가 슬래그 높이보다 낮아 아크 노출이 차단된 경우이다.

도2는 스테인레스 제강슬래그의 염기도에 따른 Cr 산화물(Cr₂0₃)의 환원 속도의 변화를 나타낸 그래프.

도3은 스테인레스 제강슬래그의 염기도에 따른 슬래그 폼의 높이 변화를 나타낸 그래프.

도4는 전기로 내 분체 탄소 취입을 개략적으로 도시한 도면.

도5는 통상 조업과 슬래그 포밍을 실시한 조업에서의 아크유효전력 비교한 그래프로서, (1)은 슬래그 포밍을 실시하지 않은 통상 조업에서의 아크유효전력을 나타내고, (2)는 슬래그 포밍을 실시한 조업에서의 아크유효전력을 나타낸다.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

1 : 전극봉

2 : 산소랜스

3 : 분체 탄소 취입관

일반적으로 슬래그 foam의 높이는 슬래그의 물성 및 가스 발생 속도에 비례하며 식으로 표현하면 다음과 같다.

h = ∑ × r_g[1],

여기에서, h는 슬래그 폼 높이이고, ∑는 슬래그 물성이며, r_g는 가스 발생 속도이다.

따라서, 슬래그 폼의 높이를 높게 하기 위해서는, 슬래그 중의 가스 발생속도를 빠르게 하고 발생된 기포가 보다 오랜 시간동안 소멸되지 않게 유지하는 것이 중요하다.

스테인레스강은 성분 특성상 10% 이상의 크롬 성분을 다량 함유하고 있다. 그리고 크롬 성분이 철(Fe)보다 산소와의 친화력이 강하기 때문에, 1500℃이상의 고온에서 진행되는 제강 공정에서는 크롬 성분의 산화가 필연적으로 일어나게 된다.

전기로의 경우 스크랩의 용해를 촉진하기 위하여, 톤당 10 Nm³이상의 다량의 산소를 필수적으로 사용하게 되므로 스테인레스 용강 제조시 다량의 크롬 성분이 산화되어 슬래그화 한다.

일반적으로, 스크랩과 합금철이 95 %이상 용해되어 용강을 형성하는 시기에서 슬래그 내 크롬 산화물 함량은 약 20 %의 높은 수준에 달한다. 이는 전기로에서의 스크랩 용해 조업중에 취입되는 산소와 용강과의 접촉 또는 외부에서 유입되는 대기와의 접촉에 의해 극심한 산화가 일어나기 때문이다.

이와 같이, 크롬 산화물을 다량 함유하는 스테인레스 제강 슬래그중으로 분체 카본을 취입하면 다음의 화학식과 같이 크롬 산화물의 환원반응이 일어나며, 이 때 발생하는 일산화탄소(CO) 가스에 의해 슬래그 내부에는 가스 기포가 형성된다.

Cr₂O₃+ 3C = 2Cr + 3CO(g) .....[2]

본 발명에서는 이와 같이 스테인레스 제강 슬래그를 포밍시키기 위하여, 슬래그 내에 분체 카본을 취입하고, 이때 분체 카본과 산화물과의 환원반응을 통해 발생하는 CO가스를 기포 발생 방법으로 이용한다.

슬래그 내 CO 가스 기포의 발생 속도는 위와 같이 Cr 산화물 환원 반응의 속도에 좌우된다. 따라서 슬래그 폼의 높이를 보다 더 높게 하기 위해서는 환원반응을 보다 빠르게 진행시킬 수 있는 조건의 설정이 필요하다.

도2는 본 발명을 위해 실시한 실험 결과로 슬래그의 염기도에 따른 Cr 산화물(Cr₂O₃)의 환원속도 변화를 나타내는 그래프이다. 이 결과는 흑연도가니에 20 %의 Cr₂O₃를 함유한 CaO-SiO₂-Cr₂O₃-FeO-Al₂O₃-MgO계 슬래그를 담고 1600 ℃의 온도에서 소정 시간 유지시킨 후, 슬래그 내의 잔류 Cr₂O₃함량을 분석하여 얻은 것이다.

결과에서 알 수 있듯이 Cr의 환원 반응 속도상수, k는 슬래그의 염기도 (CaO/SiO₂비)가 1.25 내지 1.4의 범위일 때, 가장 높아지고 있다. 이를 통하여,슬래그 내의 Cr이 탄소에 의해 환원될 때, 위와 같은 염기도 조건에 따라 환원 속도가 민감하게 변화하며 1.3 내지 1.4 범위의 염기도 조건에서 가장 빠르게 환원됨을 알 수 있다.

따라서, 스테인레스 전기로 제강 슬래그 내의 산화물의 대부분을 차지하는 Cr 산화물의 탄소에 의한 환원 속도를 최대화하기 위해서는 슬래그의 염기도를 1.25 내지 1.4로 유지해야 한다.

한편 슬래그 폼의 유지에 영향을 주는 슬래그의 물성은 다음과 같은 식으로 표현된다.

∑ = C ·μ/(ρ·σ)^1/2.....[3],

여기에서, C : 비례상수,

μ: 슬래그 점성(viscosity),

ρ: 슬래그 밀도,

σ: 슬래그 표면 장력이다.

위 식에 의하면 슬래그 포밍의 유지시간은 슬래그의 점성이 클수록, 표면장력이 작을수록, 밀도가 작을수록 더 커지게 된다.

도3은 본 발명을 위해 실시한 실험 결과로 슬래그의 염기도에 따른 슬래그 폼의 높이 변화를 나타내고 있다. 이 결과는 흑연도가니에 20 %의 Cr₂O₃를 함유한 CaO-SiO₂-Cr₂O₃-FeO-Al₂O₃-MgO계 슬래그를 담고 1600 ℃의 온도에서 30분간 유지시킨 후 슬래그 폼의 최고 상승 높이를 측정한 것이다.

슬래그 폼의 높이는 염기도가 감소할수록 증가한다. 또한, 슬래그 포밍이 일어나지 않은 동일한 중량의 용융 슬래그의 높이가 10 mm임을 감안 할 때, 염기도 1.3 전후에서 슬래그 폼의 높이는 2 내지 2.5배까지 상승함을 알 수 있다.

따라서, 슬래그 내의 크롬 산화물을 탄소로 환원하여 가스를 발생시킬 때, 가스 발생 속도를 가장 빠르게 유지할 수 있는 슬래그의 염기도 조건은 1.3 내지 1.4이며, 이 때의 폼의 최대 높이는 포밍이 일어나지 않을 때의 슬래그 높이의 약 2 내지 2.5배에 달함을 알 수 있다.

결과적으로, 크롬 산화물의 함량이 높은 스테인레스 제강 슬래그에 분체 탄소를 취입하여 슬래그 포밍을 유도하는 경우, 원래의 목적, 즉 아크를 충분히 차단할 수 있는 정도의 슬래그 포밍을 얻기 위해서는 슬래그의 염기도를 1.3 내지 1.4로 유지해야만 한다.

도4는 전기로 상면에서 본 분체 탄소 취입 위치로 작업구로부터 중심을 향하여 직경 2 인치(inch)의 연강관을 통하여 3 내지 4 bar의 질소가스로 용강톤당 3kg이상의 분탄을 취입한다.

도5는 실험실적으로 도출된 최적 조건을 현장시험에 적용한 결과로 크롬 산화물 함량이 높은 스테인레스 제강 슬래그에서도 분체 탄소 취입에 의해 포밍 유도가 가능함을 확인하였고, 도시된 바와 같이, 통상 조업에 비해 슬래그 포밍을 실시한 장입물에서 아크유효전력이 7%증가되는 효과를 얻을 수 있었다. 이는 슬래그와 아크의 상호 작용에 의해 아크 노출이 차단되고 전력투입이 안정화된 결과이다.

이하, 본 발명이 실시예를 통하여 구체적으로 설명한다.

스테인레스 슬래그 포밍을 유도하기 위한 분체 탄소 취입을 90 톤 용량의 스테인레스 용강 생산용 전기로에 적용하여 실시함으로써 슬래그 포밍의 발생 정도 및 전기로 아크 전력 지수에 미치는 영향 등을 확인, 분석하였다.

분체 탄소는 평균 입도 3mm의 부정형 코크스(cokes)로서 탄소함량이 99 %에 달한다. 이 분체 탄소를, 도4에 도시된 바와 같이, 분체탄소 취입관(3)을 통하여 질소가스와 함께 슬래그 중으로 취입하였다. 이때, 취입속도는 분당 40 kg으로 약 15분동안 취입하여 총 550 내지 660 kg의 분체 탄소가 슬래그 중으로 취입되었다.

취입 개시 시기는 전기로내에서 스크랩이 용락되고 평활한 용강과 슬래그가 형성되기 시작하는 시점, 즉 일반적으로 승열기라고 불리우는 단계의 초기 시점에 분체 탄소의 취입을 개시하였다.

분체 탄소 취입 개시후, 스테인레스 제강 슬래그 내에 풍부하게 포함되어 있는 크롬 산화물의 환원이 시작되고, 이에 따라 CO가스의 기포 발생에 의한 슬래그 포밍이 시작되었다. 시간 경과에 따른 분체 탄소의 절대 취입량의 증가에 따라 환원반응 및 슬래그 포밍이 본격적으로 활발히 진행되었다.

슬래그 포밍이 발생함에 따라 전기로 내의 슬래그의 높이는 급속도로 증가하며, 이렇게 높아진 슬래그는 전극봉(1)에서 발생하는 아크 노출을 차단한다. 따라서, 노출열의 차단, 내화물 보호 등등의 슬래그 포밍에 의한 소기의 목적을 달성하게 되었다.

슬래그의 포밍에 의해 높아진 슬래그 높이와 아크와의 상호작용은 육안관찰로 충분히 확인이 가능하며, 특히 아크 폭음의 현저한 감소를 관찰할 수 있었다.슬래그와 아크의 상호작용에 대한 보다 구체적인 증거는 도5에 나타나 있는 전기로 유효전력 변화를 들 수 있다. 즉, 슬래그 포밍을 실시한 조업에서는 통상조업에 비해 아크유효전력이 7 %정도 증가되는 효과를 얻을 수 있었다. 이는 슬래그와 아크의 상호 작용에 의해 아크 노출이 차단되고 전력투입이 안정화된 결과이다.

따라서, 본 발명에 따르면, 스테인레스 제강 슬래그 내에 분체 탄소를 취입하여 슬래그 포밍을 수행함으로써 전기로의 열효율을 높이고 내화물의 손상을 저감시킬 수 있다.

이상, 상기 내용은 본 발명의 바람직한 실시예를 단지 예시한 것으로, 본 발명이 속하는 분야의 당업자는 첨부된 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 요지로부터 벗어나지 않고 본 발명에 대한 수정 및 변경을 가할 수 있다.

Claims (3)

1. 스테인레스 제강 전기로 조업에서 전력의 이용 효율을 증대시키기 위한 방법에서,

   스테인레스 제강 슬래그 내에 분체 탄소를 취입하여 슬래그 포밍을 수행하는 것을 특징으로 하는 전기로의 전력 효율을 증대시키기 위한 스테인레스 제강 슬래그의 포밍방법.
2. 제1항에 있어서, 스테인레스 제강 슬래그의 염기도는 1.3 내지 1.4의 범위 내에서 유지되는 것을 특징으로 하는 전기로의 전력 효율을 증대시키기 위한 스테인레스 제강 슬래그의 포밍방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 스테인레스 제강 슬래그 내로 분체 탄소를 취입하는 개시 시기는 전기로 내에서 스크랩이 용락되고 평활한 용강과 슬래그가 형성되기 시작하는 시점인 것을 특징으로 하는 전기로의 전력 효율을 증대시키기 위한 스테인레스 제강 슬래그의 포밍방법.