KR100431865B1 - 용선을 사용하는 전기로 조업방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 미니밀(mini-mill) 공정에서 전기로 조업에 관한 것이며; 그 목적은 수평형 수냉랜스가 구비된 전기로에서 스크랩(scrap) 대신 일부를 용선을 사용하는 사용한 조업에 있어 용선 사용량에 따라 산소공급과 전력 패턴의 균형을 이루므로써 종점탄소와 종점온도 적중율을 높이는데 있다.

상기 목적달성을 위한 본 발명은 수평형 수냉랜스를 구비한 전기로에서 용선과 스크랩을 사용하여 조업하는 방법에 있어서, 목표 종점탄소농도와 온도를 설정한 후, 상기 전기로에 스크랩을 장입하여 스크랩의 일부를 용해한 다음, 상기 스크랩의 일부가 용해된 상태에서 전기로에 용선을 장입한 후, 상기 종점탄소농도와 원료(스크랩+ 용선)중의 탄소 농도와의 관계로부터 총 산소유량을 결정하고, 상기 결정된 총 산소유량을 취입하면서 전기로에 전력을 투입하여 용선과 스크랩을 완전 용해하는 전기로 조업방법에 관한 것을 그 기술적 요지로 한다.

Description

용선을 사용하는 전기로 조업방법{A METHOD FOR OPERATING ELECTRIC ARC FURNACE USING HOT MELT}

본 발명은 미니밀(mini-mill) 공정에서 전기로 조업에 관한 것으로, 보다 상세하게는 수평형 수냉랜스가 구비된 전기로에서 스크랩(scrap) 대신 일부를 용선을 사용하는 전기로 조업방법에 관한 것이다.

저탄소 열연코일을 생산하는 미니밀 공정에서의 전기로 조업은 보통 스크랩을 전량 사용하여 왔는데, 최근 스크랩 대신 일부를 용선으로 대체하는 전기로 조업이 개발되고 있다. 전기로 조업에 있어 스크랩의 일부를 용선으로 대체하는 경우용선 자체의 헌열을 이용할 수 있고 전력 원단위가 감소되는 등 많은 장점이 있다.

전기로에서 용선을 이용한 대표적인 종래기술로 대한민국 공개특허 제98-83686호에 개시된 고품질 용강의 제조방법이 있다. 이 방법은 먼저, 용선을 용선용 래들카에 수선 및 운반하여 용선 장입래들에 40∼ 50중량%의 용선을 수선하여 배재작업을 실시한 후, 용선장입 이전에 1차 장입에 필요한 총중량%의 50∼ 60%의 스크랩을 전기로에 장입한 다음, 전력을 투입하여 용해작업을 실시하고, 보오정홀(boring hole)에 분당 15 ∼ 20ton의 속도로 래들을 서서히 경동시켜 용선을 장입한다. 스크랩을 2회에 걸쳐 장입하는 전기로 조업패턴과는 달리, 스크랩 대신 용선이 사용될 경우 전기로의 내화물이 용선주입시 상부로부터 낙하되는 용선류로 인하여 손상받지 않도록 스크랩은 1차에, 용선은 2차에 장입된다. 또한, 용선은 성분 측면에서 탄소이외 규소, 망간, 인과 같은 산화성 원소를 함유하고 있기 때문에 부원료량, 산소 취련 및 전력 투입방법이 스크랩을 전량 사용할 때와는 조업조건이 상이하다. 즉, 부원료 투입량은 용선중 인의 농도가 스크랩에 비하여 높기 때문에 전량 스크랩을 사용하는 전기로 조업에 비하여 약 1.5배 많이 들어간다. 상기 방법에서는 용선장입 완료후 16∼ 17㎏/t·s의 생석회와 형석, 그리고 산소와 분코크스를 투입하여 정련을 하여 용강을 제조한다.

그러나, 일부 용선을 사용하는 전기로 조업에 있어서는 조업패턴, 즉 산소취련패턴과 전력패턴이 크게 다를 수밖에 없다. 즉, 산소취련 조건은 탄소, 규소, 인, 망간 등의 산화성 원소가 용선 중에는 많기 때문에 스크랩 조업 조건과 동일한 취련패턴을 유지할 수 없고, 전력패턴의 경우 용선 장입후 스크랩이 용락되는 시간이 매우 짧고 전량 스크랩 조업에 비하여 슬래그 포밍(foaming) 현상이 활발하므로 전량 스크랩의 전력패턴에 비하여 단순한 패턴으로 제어할 필요가 있다.

하지만, 상기 공개특허와 같이, 종래의 전기로 조업은 대부분 단일 패턴을 사용하여 국한적으로 운용하기 때문에 용강의 종점 탄소와 종점온도 관리가 매우 어렵다는 문제가 있다. 구체적으로 용선을 사용할 때 단일 산소 취련 패턴을 적용하면, 산소가스와 투입 전력간의 불균형 현상을 초래하여 용강온도와 종점탄소를 동시에 적중하기가 매우 어렵다. 전기로 조업에서 종점산소를 적중하지 못하는 경우 전원 공급을 중단한 채 산소가스만 취입해야 하므로 슬래그 산화도가 증가되어 수강래들로 유출 슬래그가 증가하게 된다. 또한, 종점 온도를 적중하지 못하는 경우 전원 및 산소가스를 동시에 공급해야 하므로 용강중 용존산소가 증가되고 슬래그 과산화 현상이 발생되어 알루미늄 원단위를 증가시키는 주 원인이 될 수 있다. 뿐만 아니라 용강중 탄소 농도를 고려하지 않고 산소 유량을 크게 하면 산소가스와 용강 탄소간에 과대한 반응으로 용강 끓음 현상이 발생하고, 슬래그 비산 등이 수반됨에 따라 연소로 및 배가스 유로 단면적이 감소하여 배가스를 제어하는데 많은 부하가 가중되며, 탈탄시간이 길어져 제강시간이 증가되어 생산성이 감소되는 결과를 초래하는 문제점을 안고 있다.

본 발명은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하고자 제안된 것으로서 그 목적은 용선을 사용한 전기로 조업에 있어 용선 사용량에 따라 산소공급과 전력 패턴의 균형을 이루므로써 종점탄소와 종점온도 적중율을 높여 후공정의 부하를 감소시킬수 있는 전기로 조업방법을 제공하는데 있다.

도1은 전기로 조업에서 용강중 탄소농도에 따른 탈탄속도와 산소 유량과의 일례를 보이는 그래프.

도2는 종래 및 본 발명에 따른 전력패턴과 산소 취련 패턴의 일례를 보이는 그래프.

도3은 종래 및 본 발명의 전기로 조업시 용선비에 따른 전력 원단위를 비교한 분포도.

상기 목적달성을 위한 본 발명은 수평형 수냉랜스를 구비한 전기로에서 용선과 스크랩을 사용하여 조업하는 방법에 있어서,

목표 종점탄소농도와 온도를 설정한 후, 상기 전기로에 스크랩을 장입하여 스크랩의 일부를 용해하는 단계; 및

스크랩의 일부가 용해된 상태에서 전기로에 용선을 장입한 후, 상기 종점탄소농도([C]_f)와 원료(스크랩+ 용선)중의 탄소 농도([C]_i)와의 관계로부터 총 산소유량을 결정하고, 상기 결정된 총 산소유량을 취입하면서 전기로에 전력을 투입하여 용선과 스크랩을 완전 용해하는 단계;를 포함하여 구성되는 용선을 사용한 전기로 조업방법에 관한 것이다.

이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

통상 수평형 수냉랜스를 구비한 전기로에서 용선과 스크랩을 사용하여 조업하는 방법은, 우선 전기로에 적정한 양의 스크랩을 장입하여 스크랩의 일부를 용해한 후, 스크랩의 일부가 용해된 상태에서 전기로에 용선(보통 용선의 양은 총 장입중량에 대하여 35~50% 정도로 사용될 수 있다)을 장입하여 용해 정련을 행하게 된다. 본 발명은 전기로 내에 용선을 장입한 후 이러한 용해 정련 거동을 제어함에 특징이 있다.

편의상, 본 발명에서는 용선을 장입한 후의 용해 정련 거동을 3단계로 구분하였다. 1단계는 "스크랩 용해기"로서, 용선중 Si의 산화로 슬래그 염기도가 감소되고 고온의 아크열과 미용해된 고철 스크랩이 전기로 하부에 잔존하게 된다. 제2단계는 "탈탄기"로서, 평면욕(flat bath)이 형성되어 용강 탈탄이 대부분 발생된다. 그리고, 마지막 단계는 종점 성분에 따라 산소가스 유량을 조정하여 성분을 조정하는 "성분조정기"이다.

상기한 용해 정련에 있어서, 본 발명은 목표로 하는 종점탄소와 종점온도의 적중율을 높이기 위해 용강중의 탄소 함량과 용선량에 대응하여 적절한 전력패턴과 산소취련 패턴을 설정함이 중요하다.

전기로 조업에 있어 용선을 사용하는 경우 용선에는 용선 자체의 헌열과 산소취련시 산화성 원소의 산화열로 인하여 전력 원단위가 용선 장입량에 비례하여 감소된다. 따라서, 산소취련패턴은 전력 원단위의 저감에 상응하는, 즉 처리시간 감소에 상응하는 취련패턴을 확보하는 것이 종점온도와 종점탄소를 적중하는데 필수적이다. 이러한 종점온도와 종점탄소는 생산강종에 따라 달라지는데, 종점탄소 농도에 따라 종점산소 농도도 탄소농도에 반비례하여 달라진다. 즉, 탄소농도가 높을수록 종점산소농도가 낮으므로 탄소농도가 높은 강종에서는 산소사용량을 적게 가져갈 필요가 있다. 예를들면, 탄소농도가 0.03%인 경우 종점산소농도는 900ppm을, 0.08%인 경우는 400ppm을 적중하여야 하므로 동일한 용선량에서도 강종에 따라 취련 산소 사용량이 달라지게 된다. 결국, 종점탄소 적중은 종점산소농도의 적중과 같은 의미로 볼 수 있다.

전기로 산소 취련 패턴을 설정하기 위해서는 상기 용해 정련 거동 단계별로 허용 가능한 최대 산소 가스 유량이 우선 설정되어야 한다. 산소 유량은 용선량에따라 다소 차이가 있지만, 탈탄속도와 용강의 승온을 동시에 만족할 수 있도록 최대 산소 유량을 유지해야 한다.

도1은 수평형 수냉랜스를 이용하는 전기로 조업에서 용강중 탄소농도에 따른 탈탄속도와 산소 유량과의 일례를 보인 것이다. 즉, 도1에 도시된 바와 같이, 산소유량에 따른 탈탄속도는 용강 탄소농도에 따라 차이가 발생되고 있다. 탈탄속도는 용강중의 탄소가 0.28% 이상에서는 산소 유량이 높을수록 증가하고 있으나, 0.16% 이하에서는 산소유량에 영향이 미소하게 나타나고 있다. 이에 따라 탈탄속도는 0.28% 탄소농도 이상에서는 산소 유량을 최대로 해야 하며, 0.16% 이하에서는 산소 유량을 가능한 낮게 조정되어야 함을 알 수가 있다. 이와 같은 탈탄속도에서 산소 유량과 정련 처리후 탄소 농도의 상관성은 수학식1과 같이 나타낼 수 있다.

[C]_i,f: 처리전후 탄소농도(wt%), OX: 산소량(N㎥) α: 계수(0.526)

수학식1에서 용강중의 탄소 농도는 초기 탄소농도, 즉 스크랩과 용선 등 원료중의 탄소농도와 산소 유량의 일정계수(α)에 비례하므로 처리시간에 따른 송산 속도를 추정할 수 있게 된다. 따라서, 본 발명에서는 수학식1에 의해 상기 종점탄소농도([C]_f)와 원료(스크랩+ 용선)중의 탄소 농도([C]_i)와의 관계로부터 총 산소유량(OX)을 결정할 수 있다.

한편, 상기 결정된 총 산소유량을 취입할 때 본 발명에서의 산소 취련 패턴은 전력패턴과의 관계를 고려하여 설정된다.

즉, 출강온도가 강종에 관계없이 동일한 경우 전기로에 투입되는 입열량도 동일해야 하므로 탄소농도가 높은 강종에서는 산소가스에 의해 기여되는 열량이 상대적으로 감소되므로 투입 전력량은 증가된다. 결국, 용선사용시 생산강종에 따라 전력소모량 및 산소 소모량의 유기적인 관계를 설정하지 않고서는 종점온도와 종점탄소를 동시에 적중하는 것이 곤란하게 된다.

용선을 사용한 전기로 조업에 있어서, 용선 장입후 스크랩이 용락되는 시간은 매우 짧고 전량 스크랩 조업에 비하여 슬래그 포밍 현상이 활발하므로 전량 스크랩의 전력패턴에 비하여 단순한 패턴으로 제어할 수가 있다. 이는 용선을 사용하는 조업에서 전력패턴은 산소취련패턴에 비하여 전기로의 총처리시간에 크게 영향을 미치지 않는다고 할 수 있다. 즉, 용선을 사용하는 조업에서 전기로 처리시간은 에너지 투입시간과 성분제어시간에 따라 좌우되는데, 이중에서 성분제어시간에 큰 영향을 받는다고 할 수 있다. 이러한 성분제어시간은 용선중 탄소가 높기 때문에 탈탄시간에 의하여 결정된다고 할 수 있다.

상기한 용해 정련 거동을 기준으로 할 때 본 발명에 부합하는 전기로의 전력 패턴은 상기 스크랩 용해기에서는 누적 전력량을 용강 톤당 약 170kwh 이내가 되도록 하고, 상기 탈탄기에서는 누적 전력량이 용강 톤당 약 170~270kwh 이내인 범위로 유지하며, 그리고 상기 성분조정기는 누적 전력량이 용강 톤당 270kwh 이상이 되도록 하는 것이다. 전기로의 내용적이 약 130톤급인 전기로의 경우를 예를 들어, 상기 스크랩 용해기에서는 누적 전력량을 약 22Mwh 이내가 되도록 하고, 상기 탈탄기는 누적 전력량이 약 22~ 35Mwh 이내인 범위로 유지하며, 상기 성분조정기는 누적 전력량이 약 35Mwh 이상이 되도록 하는 것이다.

본 발명은 이러한 전력패턴에 맞추어 수학식1에 의해 결정된 총 산소유량을 취입하여 용선과 스크랩을 완전히 용해 정련을 행한다. 본 발명에 따른 바람직한 산소취련 패턴은, 투입된 누적전력이 용강 톤당 170kwh까지는 약취하고, 전력 누적치가 용강 톤당 170~270kwh의 범위에서 강취하고, 전력 누적치가 용강 톤당 270kwh 이상일 때는 다시 약취하는 패턴으로 상기 총 산소 유량을 나누어 취입하는 것이다.

즉, 본 발명에서 정의하는 스크랩 용해기에서는 산소 유량이 크면 용강 끓음 현상이 크게 발생되어 낮은 산소 유량을 유지하는 것이 바람직하다. 그러나, 탈탄기에서는 효율적인 탈탄반응을 위해서 강취를 하는데, 이 단계에서는 슬래그 포밍이 매우 활성화되므로 가능한 한 산소랜스를 슬래그에 깊게 침적시켜 취련할 필요가 있다.

보다 바람직하게는, 전력 누적치가 170kwh/T-S까지는 용강 톤당 4,000~ 8,000N㎥/h로 취입하고, 누적 전력치가 170~270kwh/T-S의 범위에서는 6,000~ 10,000N㎥/h로 취입하고, 그리고 누적 전력치가 270kwh/T-S 이상에서는 4,000~ 6,000N㎥/h로 취입하는 것이다.

이와 같이 본 발명의 전기로 조업방법에 의하면, 용선 장입후의 용해 정련과정에서 적정한 전력패턴과 산소취련패턴을 운용하므로써, 스크랩의 용해 효율을 증가시키고 온도와 성분 제어가 용이해지며, 무엇보다도 정련후 종점탄소와 종점온도적중율을 높여 후공정의 부하를 크게 감소시킬 수 있게 된다.

이하, 본 발명을 실시예를 통하여 구체적으로 설명하지만, 본 발명은 하기 실시예로 국한되지 아니한다.

[실시예1]

130톤급 전기로에서 용강의 목표 종점온도를 1640℃로, 종점탄소를 0.03%로 하여 도2와 같은 패턴으로 용해 작업을 실시하였다.

도2a 및 도2b는 각각 종래 및 본 발명에 따른 대표적인 전력패턴과 산소 취련 패턴의 일례로서, 우선 스크랩을 90톤 장입후 2단의 전력 패턴으로 스크랩의 1/5 정도를 용해하여 노내에 스크랩이 하강한 상태에서, 용선을 장입하고, 전력 패턴을 4단으로 투입하여 완전 용해작업을 실시하였다. 이때, 용선의 장입량은 45~60톤으로 변화시키면서 실험을 행하였다.

종래 및 본 발명에 의해 용해방법으로 약 100회 정도 실시하고, 각각의 정련된 용강의 종점온도 및 종점 탄소량을 분석하여 상기 목표치와 비교한 결과, 본 발명에 의한 조업에 있어서는 종점탄소 적중율은 약 80±5%, 종점온도 적중율은 약 70±8%인 반면, 종래의 경우 각각 70±8%과 50±12%의 적중율을 보였다. 또한, 종점온도와 종점 탄소가 동시에 적중되는 확률이 본 발명의 경우 약 56±7%으로 매우 높은 반하여 종래의 경우 약 35±11%로서 적중율이 매우 낮을 뿐만 아니라 각각의 편차도 낮게 나타나고 있음을 알 수 있었다.

[실시예2]

용선의 양을 총 장입량에 따라 변화시킨 것을 제외하고는 실시예1과 동일한방법으로 전기로 조업을 행한 후, 그 용선비에 따른 전력 투입량을 비교하여 그 결과를 도3에 나타내었다.

도3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 경우 종래방법에 비하여 전력량이 낮게 분포되어 있음을 알 수 있다. 즉, 본 발명의 경우 종점 탄소와 종점 온도 적중율이 향상됨에 따라 전기로 조업 종점에서 용강온도와 종점탄소 농도를 확보하기 위한 별도의 조업이 사전에 차단되어 전력 투입시간이 감소되어 전력 소모량이 크게 감소됨을 알 수 있었다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 용선을 사용한 전기로 조업에 있어 용선 사용량에 따라 산소공급과 전력 패턴의 균형을 이루므로써, 용해 정련후 종점탄소와 종점온도 적중율을 높여 후공정의 부하를 감소시킬 수 있는 매우 유용한 효과가 있다.

Claims (4)

1. 수평형 수냉랜스를 구비한 전기로에서 용선과 스크랩을 사용하여 조업하는 방법에 있어서,

   목표 종점탄소농도와 온도를 설정한 후, 상기 전기로에 스크랩을 장입하여 스크랩의 일부를 용해하는 단계 및

   스크랩의 일부가 용해된 상태에서 전기로에 용선을 장입한 후, 상기 종점탄소농도와 원료(스크랩+ 용선)중의 탄소 농도와의 관계로부터 총 산소유량을 결정하고, 상기 결정된 총 산소유량을 취입하면서 전기로에 전력을 투입하여 용선과 스크랩을 완전 용해하는 단계를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 용선을 사용한 전기로 조업방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 총 산소유량은

   [단, [C]_i,f: 처리전후 탄소농도(wt%), OX: 산소량(N㎥) α: 계수(0.526)]에 의해 결정함을 특징으로 하는 용선을 사용한 전기로 조업방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 총 산소유량은 투입된 누적전력이 용강 톤당 170kwh까지는 약취하고, 전력 누적치가 용강 톤당 170~270kwh의 범위에서 강취하고, 전력 누적치가 용강 톤당 270kwh 이상일 때는 약취하는 패턴으로 구분하여산소를 취입함을 특징으로 하는 용선을 사용한 전기로 조업방법.
4. 제3항에 있어서, 상기 산소 취입은 전력 누적치가 170kwh/T-S까지는 용강 톤당 4,000~ 8,000N㎥/h로 취입하고, 누적 전력치가 170~270kwh/T-S의 범위에서는 6,000~ 10,000N㎥/h로 취입하고, 누적 전력치가 270kwh/T-S 이상에서는 4,000~ 6,000N㎥/h로 취입함을 특징으로 하는 용선을 사용한 전기로 조업방법.