KR100431855B1 - 고로 조업방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고로 조업방법에 관한 것으로, 그 목적은 미분탄을 취입하며 용선과 함께 배출되는 슬래그의 양(volume)을 줄여나감에 따라 발생하는 노내 보쉬(bosh)부의 슬래그 점성 상승에 의한 통기성 악화를 출선 슬래그의 염기도 조정을 통해 방지하는 방법을 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 고로조업에서 '기준 슬래그 출선량', '기준 미분탄 취입량', '기준 출선슬래그의 염기도'를 사전에 정하는 단계;

출선 슬래그의 변동량에 따른 고로의 보쉬슬래그 염기도의 변화량을 계산하여 이들의 상관관계를 구하고 또한, 취입 미분탄의 변동량에 따른 보쉬슬래그의 염기도의 변화량을 계산하여 이들의 상관관계를 구하는 단계;

실조업에서 슬래그의 출선량을 '기준 슬래그 출선량'과 비교하여 그 변동량을 상기 상관식에 대입하여 보쉬슬래그의 염기도 변화량(B₁)을 구하고, 또한, 미분탄의 취입량을 상기 '기준 미분탄 취입량'과 비교하여 그 변동량을 상기 상관식에 대입하여 보쉬스래그의 염기도 변화량(B₂)을 구하는 단계;

상기 보쉬슬래그의 염기도 변화량(B₁,B₂)의 합을 기준 출선슬래그 염기도에 가감하고, 여기서 얻은 값을 출선슬래그의 염기도로 관리하는 단계를 포함하여 이루어지는 고로조업 방법에 관한 것을 그 기술적요지로 한다.

Description

고로 조업방법{Operating method of blast furnace}

본 발명은 고로 조업방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 미분탄을 취입하며 용선과 함께 배출되는 슬래그의 양(volume)을 줄여나감에 따라 발생하는 노내 보쉬(bosh)부의 슬래그 점성 상승에 의한 통기성 악화를 출선 슬래그의 염기도조정을 통해 방지하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로 고로 조업은 도 1에 나타난 바와 같이, 용선 및 슬래그의 생산을 위해 원료인 철광석(3)과 연료인 코크스(2)를 상부로 장입하고, 고로 하부에 위치한 풍구(10)를 통해서 고온의 열풍을 불어넣어 코크스를 연소시킨다. 이때, 고가인 코크스를 대체할 목적으로 풍구를 통해서 미분탄을 취입한다.

고로조업이 미분탄의 다량취입과 함께 슬래그의 양을 저하시키는 조업으로 이행됨에 따라, 노 하부에서 통기 압박을 받는 원인으로 미분탄의 미연소에 따른 분의 발생과 체류시간 증대에 따른 코크스의 분화량 증대에 의한 것으로 추정하고 있다. 그러나, 이 보다는 슬래그 양의 저하에 따른 상대적인 CaO, SiO₂및 Al₂O₃등 주요 성분의 증가로 조업관리 지표로 활용되는 염기도(CaO/SiO₂)의 상승이 원인인 것으로 예상되고 있다. 염기도의 상승은 그 영역에 따라서 고융점상의 석출에 따른 고점성화의 가능성이 있기 때문에 이를 사전에 평가하고 해소할 수 있는 조치가 필요하다. 이러한 기술의 일환으로는 일본 특허공개공보 평 10-204511호, 7-278622호, 10-219318, 4-268001, 10-219318에 개시된 기술을 들 수 있다.

일본 특허공개공보 평 10-204511에서는 미분탄을 다량 취입하는 고로 조업에서 통기성 악화에 기여하는 레이스웨이(raceway) 주변부에서 버드 네스트(bird's nest)로 생성되는 고융점 슬래그층을 성장, 억제하기 위해 인(P)함유량이 1.0wt.%이하인 염기성 슬래그를 미분탄과 동시에 취입하여 통기성을 개선시키는 방법을 사용하고 있다.

또한, 일본 특허공개공보 평7-278622에서는 동일한 목적을 위해 0.1~5wt%의 불화칼슘 또는 탄산칼슘을 함유하는 소결광을 제조하여 노벽으로부터 1m이내의 내측중심에 장입하는 방법으로 보쉬영역에서의 저 융점화를 꾀하고 있다. 이러한 물질을 투입해서 슬래그의 융점을 저하하려는 시도는 일본 특허공개공보 평4-268001에서도 언급된 바 있다.

일본 특허공개공보 평10-219318에서는 고융점 물질의 생성에 따른 통액성 악화를 해소하기 위해서 입도범위 0.5~3mm수준의 소결 반광을 미분탄 취입량 10%이내로 풍구를 통해 취입하여 슬래그의 저 융점화를 시도한 사례 등이 발표되고 있다.

상기한 종래 기술들에서 슬래그의 저 융점화 시도는 대부분 레이스웨이(raceway) 층(shell)부근 에서 발생되는 SiO₂-Al₂O₃계 고 융점상의 해소에 관점을 두고 있어 직접 생성층(shell)부근으로 저 융점화 할 수 있는 물질의 선정과 취입을 통해 해결하고자 하였다. 풍구를 통해서 취입되는 물질 중 소결 반광이나 CaO함유물질 등은 풍구선 온도(frame temperature)의 저하를 초래하여 오히려 온도저하에 따른 점도의 급상승을 초래할 뿐 아니라 고 융점상의 석출에 기인한 통기 악화의 가능성도 있다. 또한 소결 반광 등의 경(硬)한 물질을 풍구를 통해 취입할 경우 배관의 마모가 급속히 진행되어 설비관리에 어려움이 예상된다.

따라서, 슬래그량의 저하조업과 미분탄 취입량 변화에 따른 노하부에서의 통기압박의 문제를 생성층(shell) 부근 이전의 보쉬영역(9)에서의 슬래그의 융점변동등을 사전에 예측하여 이에 대응한 적절한 조치를 취하여 해결할 수 있겠으나, 현재의 기술에서는 그 해결방안이 제시되어 있지 않다.

본 발명에서는 슬래그량 저하 및 미분탄 취입량 증대에 따른 보쉬영역에서의 염기도 변동에 영향을 주는 인자를 추적하여 그에 따른 보쉬영역에서의 염기도 변동을 예측하고 이에 대응하는 조치방법을 통해 노 하부 통기성 향상을 꾀하고자 하는데 그 목적이 있다.

도 1은 고로의 개략도

도 2는 보쉬슬래그 계산방법의 일례도

도 3은 슬래그 출선량 변화에 따른 보쉬 슬래그 염기도 변화를 나타내는 그래프

도 4는 보쉬 슬래그 염기도 변화에 미치는 미분탄 취입비율의 변화를 나타내는 그래프

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

1..... 노정 2.....코크스

3..... 철광석 4.....연화융착대

5..... 노심 6..... 연소대

8..... 용선 9..... 보쉬부

10..... 풍구 11..... 출선구

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 고로조업 방법은, '기준 슬래그 출선량', '기준 미분탄 취입량', '기준 출선슬래그의 염기도'를 사전에 정하는 단계;

출선 슬래그의 변동량에 따른 고로의 보쉬슬래그 염기도의 변화량을 계산하여 이들의 상관관계를 구하고 또한, 취입 미분탄의 변동량에 따른 보쉬슬래그의염기도의 변화량을 계산하여 이들의 상관관계를 구하는 단계;

실제 조업에서 슬래그의 출선량을 '기준 슬래그 출선량'과 비교하여 그 변동량을 상기 상관식에 대입하여 보쉬슬래그의 염기도 변화량(B₁)을 구하고, 또한, 취입한 미분탄량을 상기 '기준 미분탄 취입량'과 비교하여 그 변동량을 상기 상관식에 대입하여 보쉬스래그의 염기도 변화량(B₂)을 구하는 단계;

상기 보쉬슬래그의 염기도 변화량(B₁,B₂)의 합을 기준 출선슬래그 염기도에 가감하고 여기서 얻은 값을 출선슬래그의 염기도로 관리하는 단계를 포함하여 구성된다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

고로에서 슬래그는 도 1의 보쉬부(9)에 형성되는 보쉬슬래그(bosh slag)를 경계로 그 상부에 1차슬래그(Primary slag), 그 하부에 최종슬래그(7, final slag)로 구분할 수 있다. 1차슬래그는 FeO-SiO₂-Al₂O₃계이고, 보쉬슬래그는 풍구 직상부에 형성된 슬래그로서 FeO-SiO₂-Al₂O₃, CaO-SiO₂-Al₂O₃계인데 보쉬 슬래그는 최종적으로 CaO-SiO₂-Al₂O₃형태를 갖는다.

본 발명자는 슬래그량을 저감하며 미분을 다량 취입하는 현재의 고로조업에서 통기성이 점차 악화되어 연료소모량이 높아지는 원인이 보쉬슬래그의 염기도가상승되기 때문이라는 데 주목하여, 그 상관성을 면밀하게 추적한 결과 다음과 같은 결론에 도달하였다. 즉, 고로조업에서 슬래그량 및 미분탄 취입량 변화에 대응한 보쉬슬래그의 염기도 변동을 예측한 다음에, 이에 대응하여 기준조업조건과 유사한 조업조건을 유지할 수 있도록 출선슬래그의 염기도를 조정하면 노하부 통기성을 유지할 수 있다는 것이다.

이를 위해서는 먼저, 고로조업에서 장입조건변동에 따른 보쉬슬래그의 염기도를 알아야 한다. 보쉬슬래그의 염기도는 철 장입물중 규사(SiO₂)의 성분합을 구하고 이어서 출선염기도에 대응하는 CaO성분량을 구한 다음 코크스로부터 유래되는 규사(SiO₂)량 만을 구분해내어 보쉬부에서 슬래그 염기도를 구한다.

다음으로, 출선 슬래그의 변동량에 따른 고로의 보쉬슬래그 염기도의 변화량을 계산하여 이들의 상관관계를 구한다. 도 3에는 용선톤당 슬래그량의 변화에 따른 보쉬슬래그의 염기도 변화의 일례가 제시되어 있다. 도 3에서 보면, 슬래그의 양을 용선톤당 10kg 감소시킴에 따라 0.02만큼씩 보쉬슬래그의 염기도가 상승됨을 알 수 있다. 즉, 출선 슬래그의 변동량(S)과 고로의 보쉬슬래그의 염기도(B₁)의 변화량의 상관관계는, B₁=k₁S로서, k₁는 0.002의 값을 갖게 되는 것이다.

또한, 취입 미분탄의 변동량에 따른 보쉬슬래그의 염기도의 변화량을 계산하여 이들의 상관관계를 구한다. 도 4에는 미분탄 취입량에 따른 보쉬슬래그의 염기도 변화의 일례가 제시되어 있다. 도 4에서 보면, 미분탄 취입량의 증가는 매 30kg/Ton-pig 증가에 따라 보쉬슬래그의 염기도를 0.01씩 증가시킴을 알 수 있다. 즉, 상기 취입미분탄의 변동량(C)과 보쉬슬래그의 염기도의 변화량(B₂)의 상관관계는 B₂=-k₂C로서, k₂는 0.0003의 값을 갖게 되는 것이다.

상기한 상관식을 가지고, 실제 조업에서 슬래그의 출선량을 측정한 다음에 이를 '기준 슬래그 출선량'과 비교하여 그 변동량을 상기 상관식에 대입하여 보쉬슬래그의 염기도 변화량(B₁)을 구한다. 또한, 취입한 미분탄량을 상기 '기준 미분탄 취입량'과 비교하여 그 변동량을 상기 상관식에 대입하여 보쉬스래그의 염기도 변화량(B₂)을 구한다. 이어, 상기 보쉬슬래그의 염기도 변화량(B₁,B₂)의 합을 기준 출선슬래그 염기도에 반영하여 즉, B₁,B₂의 합을 기준 출선슬래그의 염기도에 가감하고, 여기서 얻은 값을 출선슬래그의 염기도로 관리하면 되는 것이다. 이와 같이 하면 기준조업과 유사한 조업조건을 유지할 수 있는 것이다. 미분탄 취입량이 높아지고 슬래그 출선량이 줄어들어 보쉬슬래그의 융점이 상승되더라도 이를 반영하여 곧 바로 출선 슬래그의 염기도를 조정하게 되며, 이에 따라 장입조건이 변동되게 되어 보쉬슬래그의 융점상승에 대응할 수 있다.

출선 슬래그의 염기도 조정은 고로의 노내 탈황능력(sulfide capacity, Cs)의 유지와 출선슬래그의 점도 유지가 확보되는 범위에서 가능하다. 대상이 되는 고로 조업은 강력한 환원성 분위기에서 조업이 이루어지기 때문에 노내 탈황이 충분할 뿐 아니라 고로 조업 이후에 노외 탈황이 이루어지기 때문에 약간의 노내 탈황능력의 저하는 전후공정에 아무런 영향을 주지 않을 것으로 예상된다. 또한, 염기도를 1.0 이상으로 유지시키면 고로 출선 온도인 1500℃ 전후에서는 점도가 7poise이하로 유지되기 때문에 출선염기도 하향으로 고로 조업에 영향을 주지 않는다. 이상의 고로조업방법을 실조업에 적용시켜 확인하였다.

이하, 본 발명을 실시예를 통하여 보다 구체적으로 설명한다.

[실시예 1]

고로의 장입 조건 변동에 따른 보쉬 슬래그의 염기도 변동량을 아래의 계산 전제조건과 도 2에 나타낸 계산과정을 거쳐서 추정한다.

계산전제조건:

o 고로 조업시 장입원료 구성 기준(기준조건-소결광:펠릿:정립광=76:13:11)

o 미분탄 :140kg/t-pig기준

o 용선 중 Fe가 92%로 가정

o 코크스(혹은 석탄) 재(ash) :10.8%, (SiO₂) ash = 56.6%

o 출선 슬래그 염기도(C/S) = 1.22

o 석탄재(coke ash)는 풍구 위에서 30%가 소비 된다고 가정

o 맥석 및 석탄재(coke ash)중 규사(silica)는 환원되지 않는다고 가정

도 2에 나타낸 바와 같이, 철 장입물중 규사(silica)의 성분 합을 구하고 이어서 출선 염기도에 대응하는 CaO성분량을 구한 다음 코크스로부터 유래되는 규사(silica)량 만을 구분해 내어 보쉬부에서의 염기도를 구한다.

계산에 필요한 항목별 계산 방법은 아래의 상세한 설명에 의한다.

(1) 겉보기 Total Fe의 계산 : 사용원료의 비율에 의한 평균 값으로 구한다.

소결광(I)을 사용할 때를 예를 들어 설명하면 다음과 같다.

= [46.86 + 15.68] = 62.54%, 따라서 철광석으로는 1472 ton/T-pig필요

(2) 겉보기 (SiO₂) 의 계산: 1)과 같은 방법으로 구성원료의 비율로 구한다.

소결광I 을 사용할 때

= [3.42 + 0.648] = 4.06, 따라서 광석중 규사 59.76kg 유입

(2-1)코크스 및 석탄 중에 있는 재(ash)량 계산

= 499kg/T-pig x 0.108 = 53.9kg

(2-2) 재(ash)중에 있는 규사량 계산

= 53.9kg x 0.56 = 30.17kg/T-pig

(3) 광석과 석탄재(ash) 중 전체 SiO₂계산

= 59.76kg(광석에서 기인된 량) + 30.17(ash에서 유입된량)=89.9 kg

(4) 최종 염기도를 위한 전체 투입 석회(lime)량 계산 :

= 출선염기도 1.22경우:1.22 x 89.9 kg=109.6

(5) 풍구 위에서 발생되는 석탄재(ash) 중 규사(silica) 발생량 계산:

전제조건인 장입 코크스중 30%만이 소모된다고 가정함에 의해

= 0.3x(360kg x 0.108 x 0.56) = 6.53kg

따라서 보쉬부에서의 규사량은

= 광석 중 규사량 59.76kg +6.53kg=66.29 kg

이상의 계산방법을 이용하여 상기에서 설정한 고로 조업을 기준으로 목표

슬래그 량이 각각 250에서 280kg/T-pig 까지 변할 때 보쉬슬래그의 염기도는 목표출선 염기도를 달리할 때 도 3과 같이 계산된다. 이때 목표 슬래그량의 변화는 아래 표2에서 제시된 성분을 갖는 소결광을 사용함으로써 가능하다.

	T.Fe	SiO2	Al2O3	CaO	MgO	목표Slag vol.(kg/t-pig)
소결광 (I)	61.66	4.50	1.36	7.94	1.10	250
소결광 (II)	60.85	4.78	1.48	8.28	1.14	260
소결광 (III)	59.94	5.05	1.59	8.60	1.19	270
소결광 (IV)	59.06	5.35	1.72	8.95	1.24	280
펠릿	65.9	2.10	0.43	8.61	1.78
정립광	64.68	3.41	2.04	-	-

도 3을 통해서 알 수 있는 것은, 슬래그 량이 감소함에 따라 기준조업에 비해서 보쉬부의 염기도가 높아지며, CaO-SiO₂-Al₂O₃계 상태도에서 점차 다이칼슘 실리케이트(dicalcium silicate)영역으로 접근하여 슬래그의 고융점화가 예상된다. 실 조업에서 이를 그대로 방치할 경우 기준조업에 비교해서 융점상승에 의한 점도 상승으로 노내 가스류의 통기성 악화와 적하 되는 슬래그와 메탈의 배출성이 나빠져 노 하부의 통기성 불량을 초래하게 된다. 따라서 이를 해소하기 위해서는 송풍온도를 올려서 슬래그의 점도 저하를 유도하는 것이 효과적이지만 이는 설비상의 한계와 사용에너지의 증가를 초래하므로 바람직하지 않다. 도 1에서 고로슬래그 량을 용선톤당 10kg감소시킴에 따라 0.02만큼씩 보쉬슬래그의 염기도를 상승시킴을 알 수 있다.

같은 방법으로 고로 조업에서 미분탄 취입량을 증가시킬 경우 미분탄 취입량 증대에 따른 보쉬 슬래그 염기도 변동을 조사하기 위해서 미분탄을 전혀 취입하지 않는 조건(All coke 조업)으로부터 180kg/t-pig까지 변화 시켰을 때의 염기도 변동을 계산하여 도 4와 같이 나타내었다.

도 4에 나타난 바와 같이, 코크스만을 사용하는 조업에 비해서 미분탄 취입량 증대로 보쉬슬래그 염기도는 150kg/T-pig기준으로 0.1 수준이 상승되는 것으로 추정된다. 이를 계수화 하면 미분탄 취입량의 증가는 매30kg/T-pig증가에 따라 보쉬 슬래그의 염기도를 0.01씩 증가 시킴을 알 수 있다. 따라서 고로의 슬래그량과 미분탄 취입량을 동시에 변동시킬 때는 이에 상응하는 만큼의 염기도 변화를 고려 할 필요가 있다.

한편, 보쉬 슬래그의 염기도가 조업조건의 변동에 따라 상승할 때 이를 해소할 수 있는 방법은 기존의 기술에서 언급한 바와 같이 풍구쪽으로 부원료 중 CaO에 관계된 물질을 취입하거나 저 융점화를 이끌 철 산화물을 취입사용 하는 기술이 사용되고 있다. 하지만 이런 방법을 사용할 경우 풍구선 온도(연소점 온도, frame temperature)의 저하를 초래해 노심에서의 급격한 온도저하가 초래되고 이를 보상키 위한 추가의 에너지 등이 필요하여 고로 연료비의 상승이 예상된다. 따라서 본 발명에서는 도 1과 2에서 각각 나타낸 바와 같이, 보쉬 슬래그의 염기도 상승 시 출선 슬래그의 목표염기도를 하향 시켜 보쉬 슬래그의 융점상승에 대응할 수 있다.

[실시예 2]

노상 경(hearth diameter) 13.2 m 와 노 내용적 3800㎥ 인 고로 조업에 있어서 미분탄 취입량이 150kg/T-pig를 일상적으로 취입하는 조업에 있어서 앞서 보쉬 슬래그의 계산전제에서 나타낸 장입물 구성으로 조업을 하고 있는 고로를 대상으로 본 발명에서 제안하는 보쉬 슬래그의 염기도 계산과 이에 대응한 출선 슬래그의 염기도를 조정한 조업결과를 표 2에 나타내었다.

	발명예 1	발명예 2	기준조업	종래예
슬래그량(slag volume, kg/t-pig)	260(B1=-0.04)	270(B1=-0.02)	280	270
미분탄 취입량(PCR ratio, ton/t-pig)	150( B2=-0.0045)	170(B2=-0.021)	100	160
보쉬슬래그염기도	1.63	1.64	1.58	1.64
출선슬래그 염기도	1.17(B1+B2=-0.0445, 1.22-0.0445=1.175)	1.18(B1+B2=-0.041, 1.22-0.041=1.18)	1.22	1.22
평균 출선량(t/day)	8270	8420	8300	8200
연료비(fuel ratio, kg/t-pig)	495	498	499	507

표 3에 나타낸 바와 같이, 미분탄이 다량 취입되고 고로슬래그 량(volume)이 감소되는 조업에서 보쉬슬래그의 염기도가 1.6이상으로 유지되어 노 하부 통기성 악화가 예상되나 이를 출선 슬래그의 염기도를 조정함으로써 하부 통기성이 개선되어 고로 조업에서 목표로 하는 평균 출선량과 연료비등 정상조업을 유지하는 것이 확인 되었다. 하지만 종래 법에 의해 보쉬슬래그의 염기도 상승에도 불구하고 출선슬래그의 염기도 조정 등 조치를 취하지 않은 종래법의 사례에 의하면 출선량은 유지되었으나 작은 통기 장애로 감풍등의 조업 장애가 발생되어 결과적으로 연료비의 상승을 유도 시킨 것으로 확인 되었다.

본 발명에 의하면 고로슬래그 량을 줄이고 미분탄 취입량을 증가시키는 고로 조업에서 보쉬부의 슬래그 염기도가 상승되어 노 하부의 통기성 악화에 기여하는 것을 계산하여 적절한 출선 염기도 조정으로 대응하여 고로 조업 안정화를 얻을 수 있다. 구체적으로는 보쉬 슬래그의 염기도상승분 만큼의 출선 슬래그 염기도를 낮추어 조업을 실시하여 슬래그의 고 융점화를 방지하며 이 때 보쉬 슬래그의 염기도는 본 발명에서 제안한 계산과정을 통해 추정하여 이에 대응한 목표 출선 슬래그 염기도를 제시함으로써 노 하부의 통기, 통액성 악화를 사전에 방지하여 노황의 건전성 유지 및 안정조업 유지로 연료비의 저하를 가져와 미분탄 취입량의 증대와 슬래그 량 감소에 따른 경제적 이익 및 고로 통기성 유지를 통해 안정적인 조업유지와 연료비의 상승을 억제 시키는 경제적 효과를 기대 할 수 있다.

Claims (3)

1. 고로조업에서 '기준 슬래그 출선량', '기준 미분탄 취입량', '기준 출선슬래그의 염기도'를 사전에 정하는 단계;

   출선 슬래그의 변동량에 따른 고로의 보쉬슬래그 염기도의 변화량을 계산하여 이들의 상관관계를 구하고 또한, 취입 미분탄의 변동량에 따른 보쉬슬래그의 염기도의 변화량을 계산하여 이들의 상관관계를 구하는 단계;

   실제 조업에서 슬래그의 출선량을 상기 '기준 슬래그 출선량'과 비교하여 그 변동량을 상기 상관식에 대입하여 보쉬슬래그의 염기도 변화량(B₁)을 구하고, 또한, 미분탄의 취입량을 상기 '기준 미분탄 취입량'과 비교하여 그 변동량을 상기 상관식에 대입하여 보쉬스래그의 염기도 변화량(B₂)을 구하는 단계;

   상기 보쉬슬래그의 염기도 변화량(B₁,B₂)의 합을 기준 출선슬래그 염기도에 가감하고 여기서 얻은 값을 출선슬래그의 염기도로 관리하는 단계를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 고로조업방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 출선 슬래그의 변동량(S)과 고로의 보쉬슬래그의 염기도(B₁)의 변화량의 상관관계는, B₁=k₁S로서, k₁는 0.002임을 특징으로 하는 고로조업방법.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 취입미분탄의 변동량(C)과 보쉬슬래그의 염기도의 변화량(B₂)의 상관관계는 B₂=-k₂C로서, k₂는 0.0003임을 특징으로 하는 고로조업방법.