KR100435563B1 - 전기로에서 탈탄속도 향상을 통한 용강제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고로에서 생산되는 고로용선과 고철 또는 스크랩을 전기로에 장입하여 전기로 용강을 생산하는 방법에 관한 것으로서, 상기 고로용선과 고철 또는 스크랩을 상기 전기로에 장입한 후 상기 전기로 용강을 출강하기 전에 상기 전기로 내부의 분위기를 산소 분위기로 유지하는 것을 특징으로 하므로, 고로용선을 사용하는 전기로 프로세스에 의하여 용강을 생산할 때, 이차연소버너를 통해서 잉여산소를 공급함으로써 용강에 함유되어 있는 카본을 효과적으로 탈탄시킬 수 있고 또한 전기로 내부에 존재하는 배가스를 효과적으로 연소시킴으로써 전력사용량을 감소시키고 용강의 생산효율을 향상시키며 전기로 설비의 고장발생빈도를 감소시킬 수 있다.

Description

전기로에서 탈탄속도 향상을 통한 용강제조방법{Method for manufacturing the melting steel with increasing the decarburizing velocity in the electrical arc furnace}

본 발명은 전기로를 이용한 용강 제조시 과잉산소를 공급하여 용강의 생산량을 향상시킬 수 있는 용강제조방법에 관한 것이고, 더 상세하게는 스크랩과 고로용선을 주원료로 사용하는 전기로 프로세스에서 용선의 탈탄속도를 증대시켜 노내 발생가스의 발열효율을 향상시킴으로써 단위시간당 용강의 생산량을 증대시킬 수 있고 또한 반응시간을 단축함으로써 외부로의 열손실을 감소시킬 수 있는 전기로에서 용강제조방법에 관한 것이다.

일반적으로, 전기로 조업은 고철 또는 스크랩 등과 같은 원료를 바스켓(Bascket) 또는 호퍼(Hopper)와 같은 장입설비를 이용하여 전기로 내에 투입한 후 전기장치를 이용한 아크 발생열과 도시가스의 연소에 의한 연소열을 이용하여 용강을 제조하는 조업이다.

최근에는 고로와 전기로가 결합된 전기로 프로세스가 등장하면서, 고로에서 생산하는 반제품인 용선을 바로 전기로에서 사용하는 것이 가능하게 되었다.

그러나, 용선은 스크랩과는 달리 고온의 액상철원으로써, 내부에 다량의 카본을 함유하고 있다. 따라서, 용선으로부터 카본을 제거하기 위한 별도의 탈탄시간이 필요하게 되었다.

표 1에는 용선과 스크랩의 조성차이를 나타내었다.

[표 1]

항 목	용 선	스크랩
상 태	액 체	고 체
온 도	1200~1300℃	상 온
카본함유량	4 ~ 5 wt%	0.02~1.0wt%

이와 같이 용선을 사용하는 전기로 프로세스는 고로로부터 공급되는 1200 ~ 1300℃의 용선이 갖는 고에너지의 열량을 이용하므로 상온에 유지되어 있는 고철만을 사용하는 전기로 조업에 비해 용강의 생산성이 높은 것이 일반적이다.

그러나, 고로에서 공급되는 용선에는 높은 함량의 카본이 함유되어 있으므로 이를 전기로 프로세스 중에 제거하기 위하여 디슬래깅도어(De-slagging Door)를 통한 랜스를 이용하여 전기로에 산소를 투입하였으며, 그 결과 투입되는 산소와 카본의 결합에 의해서 일정량의 카본을 제거할 수 있었다.

그러나, 상술된 바와 같이 전기로내의 산소투입이 랜스를 이용하여 이루어져서 산소투입량이 제한되므로, 투입되는 산소에 의한 탈탄시간의 지연을 초래하였으며, 그 결과 완전탈탄에 소요되는 시간동안 전기로에서의 용강 생산시간이 증가하였다. 그리고, 용강 생산시간이 증가함에 따라 에너지 손실량이 증가하여 전력투입량이 증가하였다.

한편, 탈탄시간을 감소시키기 위하여 산소유량을 높여 사용할 경우에는, 고온분위기 하에서 산소의 운동 에너지가 증가하여 슬래그와 용강의 스플래쉬 현상이발생하며 그 결과 전기로 주변의 냉각판넬에 지금이 부착되어 지금의 부착량이 증가한다. 또한 슬라그중 철(Fe) 함유량을 증가시켜 용강의 실수율을 감소시키며, 설비의 잦은 고장을 발생시킨다.

그리고, 전기로 내에서 미연소된 CO 가스가 노체 외부의 유로를 통하여 배출될 때, 이러한 배가스가 배관 내부로 유입되는 공기에 의해서 2차연소되는 경우에 배관의 내부온도가 상승하여 설비의 형상 변형(열화) 및 손상 등의 문제점을 야기시킨다.

본 발명은 상기된 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 고로에서 생산되는 용선과 고철 또는 스크랩을 용해시켜 용강을 제조하는 전기로 프로세스에서 전기로에 장입된 용선에 함유되어 있는 카본을 조기에 탈탄시키기 위하여 전기로 내에 잉여산소를 공급하여 전기로 내에서의 카본과 산소의 반응효율을 증대시킴으로써 용강의 생산성을 증대시키고, 탈탄시간 감소에 따른 용강제조시간을 감소시켜 에너지 손실을 감소시킴으로써 전력사용량을 감소시키며 또한 고온의 배가스의 2차연소에 의한 설비의 손상을 감소시킬 수 있는 전기로에서의 용선제조방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

도 1은 일반적인 전기로의 구조를 도시한 도면;

도 2a 내지 도 2e는 일반적인 전기로 조업을 순차적으로 나타낸 도면;

도 3은 전기로에서 산소유량에 따른 스플래쉬 발생량과 슬라그중 Fe 함유량의 관계를 나타낸 그래프;

도 4는 본 발명에 따라서 과잉공급된 산소가 전기로 내에서 카본 및 일산화탄소와 반응하는 상태를 도시한 개념도;

도 5는 본 발명의 일실시예에 따라서 전기로 벽부에 이차연소버너가 설치된 상태를 도시한 도면;

도 6은 본 발명에 따른 조업진행에 의해 전기로에 투입된 카본의 변화를 종래 전기로 조업과 비교하여 나타낸 그래프.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >

1 : 전기로

2 : 지붕

3 : 전극봉

7 : 랜스

10 : 이차연소버너

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따르면, 고로에서 생산되는 고로용선과 고철 또는 스크랩을 전기로에 장입하여 전기로 용강을 생산하는 방법은 상기 고로용선과 고철 또는 스크랩을 상기 전기로에 장입한 후 상기 전기로 용강을 출강하기 전에 상기 전기로 내부의 분위기를 산소 분위기로 유지하는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.

도 1을 참조하면, 전기로(electrical arc furnace)는 노체상부의 지붕(roof; 4)의 중앙에 형성된 구멍을 관통하여 설치된 1개 이상의 전기양도체인 전극봉(3)을 갖는다. 전기로(1)의 내부에 장입설비(A; 도 2 참조)를 통해서 고로용선과 고철 또는 스크랩의 원료를 투입한 후 전극봉(3)과 원료 사이에 아크를 발생시켜 야기되는 아크열에 의해서 원료를 용해한다. 또한, 슬래그 도어(slag door; 6)를 통해서 산소와 카본을 취입하여 고철의 컷팅(용해기)과 슬래그 포밍조업(승열기)을 수행할 수 있도록 한다.

이러한 전기로에서의 전기로 공정은 도 2에 나타난 바와 같이 제1원료장입단계와, 제1원료용해단계와, 제2원료장입단계와, 제2원료용해단계와, 승열단계와, 출강단계의 조업순서로 이루어진다. 고로용선은 상기 제2원료장입단계에 투입된다. 전기로(1)에 장입된 고로용선에 함유되어 있는 카본은 상기 제2원료용해단계와 승열단계에서 랜스(7)를 통해 투입되는 산소에 의해 제거된다.

한편, 상술된 바와 같이 랜스(7)를 통해 투입되는 산소의 투입량은 고로용선에 함유되어 있는 카본을 정해진 시간 안에 제거하기에는 상대적으로 작다. 그리고, 고로용선에 함유되어 있는 카본을 조기에 제거하기 위하여 랜스(7)를 통한 산소의 유속을 증가시키면 유속상승에 의하여 산소의 운동에너지가 증가하고 이와 같이 운동에너지가 증가된 산소가 액상의 용강 및 슬라그와 충돌함으로써 스플래쉬 현상이 야기된다.

이와 같은 전기로 내에서의 스플래쉬 현상에 의하여 전기로(1)를 구성하고 있는 냉각판넬 또는 지붕에 지금이 부착되어 전기로 설비의 열화를 촉진시키고 전기로 설비의 수명을 단축시킨다.

또한, 고유량의 산소는 용강 및 슬라그와의 교반현상을 야기시켜 접촉면적을 향상시키므로, 용강의 산화를 촉진시키거나 또는 슬라그로의 철(Fe) 이동을 조장하여 용강의 실수율을 감소시킨다.

즉, 전기로에서 산소유량에 따른 스플래쉬 발생량과 슬라그중 Fe 함유량의 관계를 도 3을 참조하면, 산소유량이 감소하면 스플래쉬 발생량은 감소하게 되고, 산소유량이 너무 낮은 경우에는 슬라그층에 집중적으로 산소가 취입되어 슬래그로 이동하는 전체 철(Fe)의 이동량 증가하였으며 그 결과 용강의 실수율이 감소하였음을 알 수 있다. 그리고, 슬래그에 함유되어 있는 철(Fe) 성분의 함유량을 저하시킬 수 있는 적정 산소유량은 6,000~8,000N㎥/H 정도임을 알 수 있다.

그러나, 이와 같이 산소유량을 제한시키는 경우에는 고로용선에 함유되어 있는 카본을 모두 제거하기 위해서는 별도의 추가시간이 요구되므로 용강의 제조시간을 지연시켰으며, 그 결과 에너지 손실량이 증가함에 따라 전력투입량이 증가하였다.

따라서, 본 발명에 따르면, 전력투입량을 감소시키기 위하여 전기로 노체에서의 탈탄작용과 승온작용을 유도하기 위해 전기로의 측벽에 설치되어 있는 이차연소버너(10)를 통하여 과잉의 산소를 전기로(1) 내부에 공급한다.

이와 같이 전기로(1) 내부에 공급된 과잉의 산소는 하기 식 1 및 식 2에 나타난 바와 같이 용강에 함유되어 있는 카본(C)을 1차 연소(탈탄)시키고 또한 전기로 내부에 폐가스로 존재하는 일산화탄소(CO)를 2차 연소시킨다. 카본과 일산화탄소의 연소에 의해서 용강을 탈탄시킴과 동시에 이때 발생되는 연소열을 이용하여 고철 또는 스크랩을 예열시키고 또한 용강을 승온시킨다.

[C] + 1/2O₂→CO(g) + 2,230 kcal/kg-c ‥‥‥‥‥ (1)

CO(g) + 1/2O₂→CO₂(g) + 7,850 kcal/kg-c ‥‥‥‥ (2)

상술된 바와 같이 과잉산소를 전기로(1)에 투입하는 이차연소버너(10)는 일반 버너와 하기 표 2에 나타난 바와 같은 차이점을 갖는다.

[표 2]

구 분	이차연소버너	일반 버너
설치위치	슬래그 포밍층 내부	슬래그 포밍층 상부
주요기능	고철 또는 스크랩 예열용강탈탄 및 용강 승온	고철 또는 스크랩 예열

상기 식 2에 나타난 바와 같이 일산화탄소를 연소시킬 때 발생되는 연소열은 카본을 연소시킬 때 발생되는 연소열에 비하여 약 3.5배 정도로 높으므로 용강에 대한 승열작용이 훨씬 우수하다.

그리고, 이와 같이 과잉으로 투입되는 산소의 투입량은 카본과의 반응을 고려하여 카본 1kg당 0.93N㎥ 정도 소요된다.

한편, 고로용선을 고철 또는 스크랩과 함께 투입하는 전기로 프로세스와 고철 또는 스크랩만을 투입하는 전기로 조업에 있어서 카본의 함유량은 하기 표 3에 비교하였다. 여기에서, 고로용선의 카본 함유량은 4.3wt%로 계산하였다.

[표 3]

항 목	전기로 프로세스	전기로 조업	비고
추가카본량(kg/Ch)	2,500	-	전기로 장입량 중 용선 40% 사용

즉, 상기 표 3에 나타난 바와 같이 고로용선이 전기로에 장입됨에 따라 증가하는 카본을 제거하기 위하여 약 2,300N㎥(2500kg/Ch X 0.93N㎥) 정도의 산소가 요구된다. 이와 같이 요구되는 산소량이 랜스(7)를 통하여 투입되는 경우에는 슬래그에 함유되는 철의 함유량을 증가시켰다. 따라서, 본 발명에 따라서 전기로의 벽부에 설치된 이차연소버너를 통하여 과잉산소를 공급함으로써 슬래그에 함유되는 철의 함유량을 감소시키면서 탈탄반응을 효과적으로 수행할 수 있다.

한편, 전기로(1) 내부에 산소를 과잉으로 공급함으로써 불완전하게 연소한 CO 가스가 전기로 내부에서 산소와 반응하여 완전연소되며, 그 결과 집진에 의해 유도되어 배관으로 유출되는 배가스가 공기와 반응하여 배관의 온도를 상승시키는 문제점을 방지할 수 있다.

도 5에 도시된 바와 같이, 과잉산소 공급효율을 향상시키기 위하여 이차연소버너(10a ~ 10d)는 전기로 벽부를 따라서 설치된다. 즉, 전기로 벽부에는 1개 이상의 이차연소버너(10)가 설치함으로써 고로용선을 전기로에 투입함으로써 추가로 공급된 카본을 효과적으로 제거할 수 있고 또한 산소유량을 적절하게 제어할 수 있다.

도 6을 참조하면, 전기로(1)에 고로용선을 투입한 후 전기로 내에서 카본의 함유량은 약 1.3wt% ~ 1.5wt%로 유지된다. 그리고, 전기로 조업의 출강시 용강에 함유되어 있는 카본의 함유량은 0.030wt% ~ 0.040wt%로 저하된다. 이때, 공급되는 산소에 의해 야기되는 탈탄작용은 ⓐ구간에서 가장 활발하게 이루어진다. 따라서, ⓐ구간에서는 CO(g)가 본격적으로 발생되고 또한 전기로 내의 분위기 온도도 상승한다.

종래 실시예에 따라서 투입된 고로용선에 함유되어 있는 카본을 제거하기 위하여 랜스(7)를 통해서 산소를 공급하는 경우에는 목표로 하는 카본 함유량(약 0.030wt% ~ 0.040wt%)에 도달하는 시간이 상대적으로 길어져 있음을 알 수 있다.

본 발명에 따라서 전기로 벽부에 설치되어 있는 이차연소버너를 통하여 투입되는 산소에 의해서 용강에 잔류하고 있는 카본을 연소(탈탄)시키고 또한 전기로 내부에 잔류하는 미연소가스, 즉 일산화탄소[CO(g)]를 슬라그층 또는 이의 상부층에서 재연소(CO₂생성)시키는 경우에 이때 발생하는 고열을 용강으로 전열하여 용강의 온도를 상승시킨다. 그 결과, 용강의 온도를 조기에 상승시킬 수 있고 또한 용강 중 카본도 효과적으로 조기에 제거할 수 있다.

하기 표 4는 종래의 전기로 조업과 발명에 따른 전기로 프로세스에 있어서 측정된 배가스의 온도를 비교하여 나타낸다.

[표 4]

구 분	전기로 조업	전기로 프로세스	비 고
온도(℃)	1100 ~ 1200	800 ~ 900	최고온도

상기 표 4에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따라서 미연소된 가스가 배관을통해서 배출되기 전에 전기로 내부에서 완전 연소되므로 상기 배관을 통해서 배출되는 배가스의 온도가 종래의 전기로 조업에 비하여 상대적으로 낮게 측정되었음을 알 수 있다.

하기 표 5는 본 발명에 따라서 이차연소버너를 통해 공급되는 총산소량이 전기로에 투입된 용선에 함유되어 있는 카본을 제거하기 위해 요구되는 탈탄요구량에 따라 변할 수 있음을 나타낸다.

[표 5]

구 분	카본 제거량	산소 공급량	반응비율
용해2기 ~ 승열기	65kg/분	60N㎥/분	카본 1kg당 산소 0.93N㎥

즉, 상기 표 5는 본 발명에 따르면 카본 1kg당 산소 0.93N㎥이 소요되므로, 65kg의 카본을 제거하기 위하여 산소는 60N㎥이 요구되는 것을 의미한다.

본 발명에 따라서, 고로용선을 사용하는 전기로 프로세스에서 용강에 함유되어 있는 카본을 탈탄시키고 또한 전기로 내에 발생하는 배가스를 효율적으로 연소시킴으로써 목표로 하는 용강 내 카본의 함유량을 조기에 얻을 수 있다. 또한, 배가스의 2차연소에 의해 발생하는 고에너지의 반응열을 이용하여 용강을 승온시킴으로써 용강의 온도를 고속으로 승온시킬 수 있다.

전기로에서 고로용선을 사용할 때 이차연소버너를 사용함으로써 하기 표 6에 나타난 바와 같은 조업결과를 얻을 수 있다.

[표 6]

항 목	전기로 조업	전기로 프로세스
조업시간	55분/Ch	50분/Ch
전력사용량	250 kwh/ts	210kwh/ts
용강승온속도	10℃/분	13℃/분
고장발생율	1.5건/일	0.2건/분

상기 표 6은 전체 장입량에 대한 40%의 용선을 사용하는 조업에서의 실시결과를 나타낸다. 본 발명에 따른 전기로 프로세스에서는 종래의 전기로 조업에 비하여 노내에서 발생하는 배가스를 효율적으로 사용함으로써 에너지 사용량이 상대적으로 감소하였고 또한 전기로 설비의 고장발생빈도가 감소하였음을 알 수 있다. 그리고, 단위시간당 용강의 생산량이 증가하였음을 알 수 있다.

본 발명에 따르면, 고로용선을 사용하는 전기로 프로세스에 의하여 용강을 생산할 때, 이차연소버너를 통해서 잉여산소를 공급함으로써 용강에 함유되어 있는 카본을 효과적으로 탈탄시킬 수 있고 또한 전기로 내부에 존재하는 배가스를 효과적으로 연소시킴으로써 전력사용량을 감소시키고 용강의 생산효율을 향상시키며 전기로 설비의 고장발생빈도를 감소시킬 수 있다.

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 있다는 것을 인식하여야 한다.

Claims (3)

1. 고로에서 생산되는 고로용선과 고철 또는 스크랩을 전기로에 장입하여 전기로 용강을 생산하는 방법에 있어서,

   상기 고로용선과 고철 또는 스크랩을 상기 전기로에 장입한 후 상기 전기로 용강을 출강하기 전에 슬래그 포밍층 내부에 위치하도록 상기 전기로의 측벽에 설치된 복수개의 이차연소버너를 통하여 상기 고로용선에 함유되어 있는 카본 1kg당 0.93N㎥의 산소를 공급하여 상기 전기로 내부의 분위기를 산소 분위기로 형성하는 것을 특징으로 하는 전기로에서의 탈탄속도 향상을 통한 용강제조방법.
2. 삭제
3. 삭제