KR101237487B1 - 제강 부산물을 활용한 예비처리 탈린 향상방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 제강 부산물을 활용한 예비처리 탈린 향상방법에 관한 것이다.
본 발명은 제강 부산물을 활용한 예비처리 탈린 향상방법에 있어서, 환경문제를 발생시키는 형석을 사용하지 않기 위하여 제강부산물의 전로 슬래그를 가공한 PS Ball(Precise Slag Ball)에 CaO, SiO₂ 및 FeO를 중량%로 CaO 35~50 wt%, SIO₂ 40%~60 wt%, FeO 5~10wt%를 포함하도록 하고, 상기 PS Ball을 하기의 식을 통해 계산하여 투입량 및 배합비를 결정한 후, 형석을 배제한 채 용선 예비처리 탈린 시 용선에 투입하는 것을 특징으로 하는 제강 부산물을 활용한 예비처리 탈린 향상방법을 제공한다.
[식]

(W_CaO : 생석회 투입 중량 (kg), W_HM : 용선량 (톤), V_ratio : 목표 염기도 (CaO/SiO₂), wt%(i)_PS : PS Ball 내 i 성분의 함량, W_PS : PS Ball 투입 중량 (kg))

Description

제강 부산물을 활용한 예비처리 탈린 향상방법{METHOD FOR DEPHOSPHORSING DURING PRE-TREATING PIG IRON USING WASTE MATERIALS OF STEEL MAKING PROCESS}

본 발명은 고로에서 출선된 용선을 이용하여 불순원소인 규소, 인, 황을 제거하는 용선예비처리 공정에서 인(燐, Phosphorus)을 제거하기 위해 제강 부산물을 이용하는 기술을 제공함을 목적으로 하며 보다 자세하게는 제강 공정 중 전로에서 발생된 슬래그를 사전 처리하여 용선예비처리 탈린 공정에서 재활용할 수 있는 형태로 가공하는 기술을 제공함과 동시에 가공된 부산물을 용선 예비처리 탈린을 촉진할 수 있는 제강 부산물을 활용한 예비처리 탈린 향상방법에 관한 것이다.

종래 제강부산물을 제강공정에서 다시 사용하는 기술은 대상공정이 전로정련 및 이차정련에 국한되어 있다. 종래 공지된 기술로는 용강제조방법(출원번호 10-2003-0062234)가 있으나, 상기 기술은 열간 상태의 래이들 슬래그를 LF에 직접 투입함으로써 열손실을 보상하고 CaO 함량에 의한 슬래그 처리비용을 줄이는 것을 특징으로 하거나 래이들 슬래그를 남겨둔 상태에서 전로에서 용강을 출강함으로써 래이들 슬래그 내에 함유된 유가성분을 재활용하는 것을 요지로 하는 발명이며 용선예비처리방법(출원번호 2002-0061709)은 예비처리 탈린을 수행함에 있어 전로 슬래그를 직접적인 탈린제로 사용하여 유가금속을 회수하는 것을 주 목적으로 하고 있다.

또한, 용선예비처리 탈린 조업시 슬래그 조성과 온도를 적정 범위로 제어함과 동시에 슬래그 발생량을 줄이기 위해 알루미나 혹은 이산화티탄을 첨가하는 것을 요지로 하는 발명(출원번호 10-2008-7020316)이 기 공지되어 있으며 전로 정련용 슬래그 진정효과 및 탈린능력을 가진 저융점 매용제 조성물(출원번호 10-2001-0047900)은 전로 정련공정에서 취련 중 슬래그 진정효과를 보유함과 동시에 탈린능이 우수한 저융점 매용제를 구성함에 있어, 슬래그 진정효과를 제공하기 위한 입자크기가 0.1-1.0mm의 석회석과 탈린 능력 및 저융점 제공을 위한 입자크기 0.1-1.0mm의 철산화물을 혼합하여 펠렛(pellet)으로 제조하되, 융점을 1100-1300로 구성하는 것을 특징으로 한다.

이와 같은 종래 방법에 의해 용선예비처리 공정은 상기와 같은 공정을 통해 수행되는 경우, 고로에서 출선된 용선이 예비처리 공정에 도착하면 우선적으로 소결광과 생석회를 상부에 투입하여 소결광이 용선중의 규소와 반응하여 규산화물(SiO₂, 이하 실리카)을 형성한 후 생석회와 재반응하여 복합 저융점 산화물을 형성하기 때문에 초기 생석회의 용해 속도가 느려 반응시간이 증가한다는 문제점이 있었다.

또한, 생석회 용해 속도 향상을 위해 부가적으로 형석을 투입하는 것이 일반적인 방법이나 형석은 불소기체를 대기중에 방산하거나 냉각수 계통에 불소 성분을 증가시켜 환경오염을 유발하는 문제점이 있었다.

더불어, 각종 매용제를 활용하여 생석회 용해를 촉진하거나 혹은 불소성분이 함유되지 않은 별도 플럭스(flux)를 개발하고자 하였으나 현재까지 상용화된 기술은 일반 작업에 국한되어 있으며 예비처리 탈린작업에서는 형석을 기본으로 하는 매용제를 투입해야만 하였다. 과거 대비 고급강 수요 증가와 친환경 작업을 위해 슬래그 발생량 저감을 목적으로 하는 예비처리 탈린 공정 도입이 확대되고 있는 상황에서 이러한 형석을 대체 할 수 있는 매용제 개발은 우선적으로 요구되는 실정이다.

이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 제강공정에서 부산물로 발생된 전로 슬래그를 예비처리 탈린 공정에서 사용이 가능 하도록 재가공한 후 투입하여 예비처리 탈린시 슬래그를 용해를 촉진함과 동시에 부산물에 포함된 유가 금속을 회수함으로써 환경오염을 방지하며 탈린제로 투입되는 부원료 절대량을 저감하여 친환경 조업이 가능하도록 하는데 그 목적이 있다.

제강 공정 중 전로에서 발생된 슬래그를 사전 처리하여 용선예비처리 탈린 공정에서 재활용할 수 있는 형태로 가공하는 기술을 제공함과 동시에 가공된 부산물을 용선 예비처리 탈린을 촉진시키는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 제강부산물의 일종인 전로 슬래그를 가공한 Precise Slag Ball (이하 PS Ball)을 통해서 고온의 액상 전로 슬래그를 고압 고속의 기체 분사를 통해 급냉 시킴으로 인해 슬래그 성상을 Free CaO가 존재하지 않도록 처리된 것으로 대기중 장기간 보관하더라도 대기중의 수분과 반응하지 않아 수화되지 않으며 일정한 크기를 유지하는데 그 목적이 있다.

이와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 제강 부산물을 활용한 예비처리 탈린 향상방법에 있어서, 환경문제를 발생시키는 형석을 사용하지 않기 위하여 제강부산물의 전로 슬래그를 가공한 PS Ball(Precise Slag Ball)에 CaO, SiO₂ 및 FeO를 중량%로 CaO 35~50 wt%, SIO₂ 40%~60 wt%, FeO 5~10wt%를 포함하도록 하고, 상기 PS Ball을 하기의 식을 통해 계산하여 투입량 및 배합비를 결정한 후, 형석을 배제한 채 용선 예비처리 탈린 시 용선에 투입하는 것을 특징으로 하는 제강 부산물을 활용한 예비처리 탈린 향상방법을 제공한다.

[식]

(W_CaO : 생석회 투입 중량 (kg), W_HM : 용선량 (톤), V_ratio : 목표 염기도 (CaO/SiO₂), wt%(i)_PS : PS Ball 내 i 성분의 함량, W_PS : PS Ball 투입 중량 (kg))

또한, 본 발명에 있어서, 상기 PS Ball의 투입량은 용선성분과 용선량에 따라 투입될 때, 슬래그 조성을 제어하기 위하여 CaO와 SiO₂의 값이 2.5~4.5가 되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 제강 부산물을 활용한 예비처리 탈린 향상방법을 제공한다.

또한, 본 발명에 있어서, PS Ball은 고온의 액상 전로 슬래그를 고압 고속의 기체 분사를 통해 급냉시킴으로 인해 슬래그 성상을 Free CaO가 존재하지 않도록 슬래그의 조성을 제어하는 것을 특징으로 하는 제강 부산물을 활용한 예비처리 탈린 향상방법을 제공한다.

또한, 본 발명에 있어서, 상기 PS Ball 대신 대기중에 장기간 보관하여 수화반응을 종료시킨 전로 슬래그를 재활용하여 직경 1mm ~ 100mm 크기를 선별하여 사용하는 것을 특징으로 하는 제강 부산물을 활용한 예비처리 탈린 향상방법을 제공한다.

본 발명에 의하면, 형석을 사용하지 않으면서도 탈린 시 반응 효율이 향상되고, 생석회 사용량을 절감할 수 있어 슬래그 발생량을 감소시켜 환경보호에 탁월한 효과가 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 제강 공정 중 전로에서 발생된 슬래그를 사전 처리하여 용선예비처리 탈린 공정에서 재활용할 수 있는 형태로 가공하는 기술을 제공함과 동시에 가공된 부산물을 용선 예비처리 탈린을 촉진할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 제강부산물의 일종인 전로 슬래그를 가공한 이하 PS Ball을 통해서 고온의 액상 전로 슬래그를 고압 고속의 기체 분사를 통해 급냉 시킴으로 인해 슬래그 성상을 Free CaO가 존재하지 않도록 처리함으로써, 대기 중 장기간 보관하더라도 대기 중의 수분과 반응하지 않아 수화되지 않으며 일정한 크기의 유지가 가능한 효과가 있다.

도 1은 슬래그 성분에 따른 액상영역 상태도,
도 2는 예비처리 탈린 조업 모사도이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

본 발명은 용선예비처리 탈린공정에서 제강부산물을 이용하여 인 제거를 용이하게 할 수 있는 기술로써 예비처리 탈린 설비, 소결광으로 대표되는 탈린제, 생석회(Burnt Lime)로 대표되는 탈린용 부원료, 기타 부대설비로 구성되어 있다.

이와 같은 본 발명은 도 1 및 도2에 도시된 바와 같이, 예비처리 탈린은 고로에서 출선된 용선이 수송용기인 혼선차(Torpedo Car)에 담겨 운송되며, 제강공장에서 예비처리 탈린을 위해 반응용기인 장입 레이들(Ladle)에 재출선 되어 탈린전로로 대표되는 예비처리 탈린 설비에 장입된다. 예비처리 탈린을 위해 용선 상부에 생석회(1), 소결광 및 플럭스(flux)를 투입하여 기계적 교반(3) 혹은 기체취입(Gas Injection) 등의 방법으로 탈린을 수행하는 공정이다.

이러한 본 발명은 도 2에 도시된 바와 같이, 슬래그를 조성하기 위하여 먼저, 1차 및 2차 산화반응을 통해 탈규 (Si + O₂ = SiO₂) 및 탈린 (C + ½O₂ = CO, 2P + 5/2O₂ = P₂O₅)이 수행되도록 하고, 또한 교반(3) 혹은 기체 취임 등의 방법을 통해 생석회, 소결광 및 플럭스의 화학반응을 통해 슬래그가 조성되도록 한다.

그리고, 슬래그의 조성이 완료되면, CO + C+½O₂ = CO₂ 의 식을 통해 이차연소를 발생시켜 탈린이 수행되도록 하는 것이다.

이러한 탈린 반응의 반응식은 5Fe₂O₃ + 6P = 10Fe+3P₂O₅와, P₂O₅ + 3CaO + Ca₃(PO₄)₂와 같다.

이때, 생석회 용해 속도 향상을 위해 부가적으로 형석을 투입하는 것이 일반적인 방법이나 형석은 불소기체를 대기 중에 방산하거나 냉각수 계통에 불소 성분을 증가시켜 환경오염을 유발하므로 가능한 억제하는 것이 바람직하다.

한편, 본 발명에서는 이러한 슬래그-용선간 반응효율 문제를 해결하기 위하여 작업중 형성되는 슬래그의 용융점을 제어하기 위한 별도의 방법을 창안하여 적용하였다.

즉, 종래 기술에서는 탈린 작업시 투입되는 탈린용 부원료로 생석회 및 형석, 그리고 소결광을 사용한 것에 반하여 본 발명에서는 전로에서 발생된 부산물을 별도 사전처리를 하여 예비처리 탈린공정에 적용한 것이다.

여기서, 본 발명에 사용되는 플럭스는 제강부산물의 일종인 전로 슬래그를 가공한 정밀 슬래그 볼(2)이며, 이 PS Ball은 전로정련 공정에서 발생되며 주 성분은 CaO와 FeO, Fe₂O₃ 및 SiO₂ 이다. 이러한 제강부산물인 PS Ball을 예비처리 공정에서 탈린제로 사용하고자 하는 것이며, 슬래그층의 용융성을 낮추어 생석회의 용해속도를 증가함과 동시에 PS Ball에 포함된 FeO 및 Fe₂O₃ 성분을 환원시킴으로써 유가금속을 회수할 수 있게 된다.

이때, 투입되는 PS Ball의 양은 용선성분과 용선량에 의해 결정되며 투입량 결정방법은 CaO/SiO₂의 값을 2.2 이상 5.5 이하로 제한하기 위해 필요한 양을 투입하는 것이며, 보다 바람직하게는 CaO/SiO₂ 를 2.5 이상 4.0 이하로 제어하는 것이 최상의 조건이다.

특히, CaO/SiO₂값이 1.5 이하로 낮을 때에는 생석회 용해속도는 증가하지만 탈린 효율이 낮아지기 때문이며 5.5 이상의 값을 가질 때에는 슬래그 용융점이 지나치게 높아 본 발명의 원천 목표를 달성할 수 없기 때문이다.

여기서, PS Ball의 투입량의 계산은 다음 의 식을 통해 계산될 수 있다.

여기서 W_CaO : 생석회 투입 중량 (kg)

W_HM : 용선량 (톤)

V_ratio : 목표 염기도 (CaO/SiO₂)

wt%(i)_PS : PS Ball 내 i 성분의 함량

W_PS : PS Ball 투입 중량 (kg)이다.

이하, 실시예에 대하여 설명하도록 한다.

본 발명에 따른 탈린을 수행하는 예비처리 공정에서 표 1에 나타난 성분의 PS Ball을 상기의 식과 같은 방법으로 계산한 후, 일정량 투입하여 실시한 결과 탈린효율이 향상된 결과를 얻었으며 그 결과를 표 2에 나타내었다.

이와 같은 실험을 통해, 탈린 효율을 향상시킬 수 있는 적정한 목표 슬래그 조성을 상태도를 통하여 확인하였다.

이는, 도 1에 CaO-SiO₂-FeO 상태도에서 나타난 바와 같이 슬래그 조성에 따라 용융온도가 변하게 되는데 조업온도에서 액상으로 존재하는 영역은 그림에 영역으로 표시된 것과 같이 CaO 35~50 wt%, SiO₂ 40%~60 wt%, 그리고 FeO 5~10 wt% 범위임을 확인할 수 있다.

이와 같은 본 발명에 의하면, 종래 기술에 있어서 부원료로 사용되는 생석회와 소결광이 별개로 투입되었으며 용선 중 규소가 산화하여 발생하는 SiO₂ 발생속도에 따라 탈린 중 슬래그 용해가 용이하지 않는 문제점이 있었지만, 상기 영역에 해당되는 슬래그 조성을 제어할 경우 예비처리 탈린 작업시 슬래그가 용해되어 반응속도가 상승하기 때문에 반응효율 향상을 기대할 수 있게 된다.

본 기술에서 제시한 기술은 상기 슬래그 용해 문제를 해결하여 예비처리 탈린반응 효율을 향상시키기 위해 작업 중 슬래그가 용해된 상태를 유지할 수 있도록 전로 부산물을 활용하여 슬래그 조성을 제어가 가능하며 보다 자세하게는 탈린 시 투입하는 생석회량과 PS Ball에 함유된 생석회, Fe₂O₃ 및 SiO₂ 량을 고려하여 부가적으로 투입되는 PS Ball의 배합비를 제공하는 것이다. 따라서 본 발명에서 고려되는 PS Ball의 배합비는 조업 중 투입하는 부원료의 양을 고려하여 상기 액상영역을 만족시킬 수 있는 배합비가 되어야 한다. 이러한 조건에 부합되는 배합비는 전술한 상기의 식을 통해 해결할 수 있다.

한편, 기존 전로 부산물인 전로 슬래그를 예비처리 탈린용 슬래그 매용제로 직접 활용하고자 하는 기술들이 다수 시도되었으나 전로 슬래그의 특성상 자연냉각 혹은 수냉후 건조될 경우 슬래그에 함유된 산화칼슘 (CaO) 성분이 대기 중에 포함된 수분 혹은 냉각수와 반응하여 Ca(OH)₂를 형성하게 되고, 이러한 복합 수산화물을 형성할 때 동반되는 부피팽창으로 인하여 분화되는 현상이 발생하는 바, 이를 수화반응이라 한다. 따라서 종래 처리방법에 의해 냉각 및 건조된 전로 슬래그는 그 동안 예비처리 탈린 조업에 직접 활용한다는 것은 용이하지 않았다.

하지만, 본 실시예에 있어서 적용된 PS Ball은 고온의 액상 전로 슬래그를 고압 고속의 기체 분사를 통해 급냉 시킴으로 인해 슬래그 성상을 Free CaO가 존재하지 않도록 적절히 고안된 방법에 의해 처리된 것으로 대기 중 장기간 보관하더라도 대기 중의 수분과 반응하지 않아 수화되지 않으며 일정한 크기를 유지할 수 있다. 이는 종래 슬래그 재활용 방법에서 해결되지 않았던 난제인 부산물의 자연 분화를 해결하는 획기적인 방법이다.

이와 유사한 실시예로써 대기 중에 장기간 보관하여 수화반응을 종료시킨 전로 슬래그를 활용한 방법이 있다. 이 방법의 경우 재활용을 하기 위해 장기간 보관하여 완전한 수화반응을 진행시켜야 한다는 단점은 있으나 반응이 종료된 후 직경 1mm 이상 100mm 이하 크기를 선별하여 사용할 경우 예비처리 탈린에 미치는 영향은 본 발명에서 제시한 PS Ball 사용 시와 동등수준을 나타내고 있다.

본 발명에서 제시된 기술을 적용한 결과, 표 2에 나타난 바와 같이 동일 조건에서 예비처리 탈린시 반응효율이 향상되었으며 종래 기술의 경우 탈린반응 효율이 69.6% 인 것에 비해 본 발명 기술 적용 시 반응효율이 76.8%로 약 7.2% 향상된 결과를 보여 주었다. 또한 생석회 사용량도 평균 7.5톤 대비 43% 절감된 4.25톤이 사용되었으며 이를 통해 슬래그 발생량도 크게 감소하였다.

이에 부가하여 본 발명에서 가장 핵심적인 주제라 할 수 있는 형석 사용량의 경우 종래 기술에서는 약 1Ton씩 사용하였으나 본 발명에서는 형석을 전혀 사용하지 않은 상태에서 종래 기술보다 양호한 탈린반응 효율을 확보함으로써 환경문제를 야기하지 않는 예비처리 탈린 기술을 확립하였다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (4)

1. 제강 부산물을 활용한 예비처리 탈린 향상방법에 있어서,
   환경문제를 발생시키는 형석을 사용하지 않기 위하여 제강부산물의 전로 슬래그를 가공한 PS Ball(Precise Slag Ball)에 CaO, SiO₂ 및 FeO를 중량%로 CaO 35~50 wt%, SIO₂ 40%~60 wt%, FeO 5~10wt%를 포함하도록 하고, 상기 PS Ball을 하기의 식을 통해 계산하여 투입량 및 배합비를 결정한 후, 형석을 배제한 채 용선 예비처리 탈린 시 용선에 투입하는 것을 특징으로 하는 제강 부산물을 활용한 예비처리 탈린 향상방법.
   
   

   

   
   W_CaO : 생석회 투입 중량 (kg),
   W_HM : 용선량 (톤),
   V_ratio : 목표 염기도 (CaO/SiO₂),
   wt%(i)_PS : PS Ball 내 i 성분의 함량,
   W_PS : PS Ball 투입 중량 (kg)
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 PS Ball의 투입량은 용선성분과 용선량에 따라 투입될 때, 슬래그 조성을 제어하기 위하여 CaO와 SiO₂의 값이 2.5~4.5가 되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 제강 부산물을 활용한 예비처리 탈린 향상방법.
   
3. 제 1 항에 있어서,
   PS Ball은 고온의 액상 전로 슬래그를 고압 고속의 기체 분사를 통해 급냉시킴으로 인해 슬래그 성상을 Free CaO가 존재하지 않도록 슬래그의 조성을 제어하는 것을 특징으로 하는 제강 부산물을 활용한 예비처리 탈린 향상방법.
   
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 PS Ball 대신 대기중에 장기간 보관하여 수화반응을 종료시킨 전로 슬래그를 재활용하여 직경 1mm ~ 100mm 크기를 선별하여 사용하는 것을 특징으로 하는 제강 부산물을 활용한 예비처리 탈린 향상방법.
   

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