KR101344997B1 - 고로 하부 코크스 입경 예측방법 - Google Patents

고로 하부 코크스 입경 예측방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고로 하부 코크스 입경 예측방법에 관한 것으로, 고로 하부 코크스 입경과 상관성이 높은 영향인자를 독립변수로 선택하고, 선택된 독립변수를 회귀분석 방법에 적용하여 고로 하부 코크스 입경을 예측하는 <수학식>을 도출한 후, 상기 <수학식>에 의해 고로 하부 코크스 입경을 예측한다.
본 발명은 고로 풍구 부위에서 채취한 장입물 시료 분석 데이터를 이용하여 고로 조업 조건 및 코크스 품질 지수에 따른 고로 하부 코크스 입경 예측이 가능한 이점이 있다.

Description

고로 하부 코크스 입경 예측방법{Method for assuming coke size in bottom part of blast furnace}
본 발명은 고로 하부 코크스 입경 예측방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고로 조업 조건과 코크스 품질 조건을 이용하여 고로 하부 코크스 입경을 예측할 수 있는 고로 하부 코크스 입경 예측방법을 제공하는 것이다.
고로 조업은 고로의 상부로 장입된 철광석이 풍구를 통해 공급된 열풍에 의해 용융되어 용융물(용선과 슬래그)을 생성하게 되고, 노하부에 축적되어 있는 용융물이 출선구를 통해 연속적으로 배출되는 공정이다.
고로 조업시 열원으로 코크스가 사용된다. 코크스는 석탄을 코크스 오븐 설비에서 가열 건류하여 제조한다.
이와 관련된 선행기술로는 국내공개특허 제1997-0042956호(1997.07.26)_"고로용 코크스 제조방법"이 있다.
본 발명의 목적은 고로의 안정조업 범위의 설정이 가능하여 저환원제비, 고출선비 조업을 달성할 수 있도록 고로 조업 조건과 코크스 품질 조건을 이용하여 고로 하부 코크스 입경을 예측할 수 있는 고로 하부 코크스 입경 예측방법을 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명은 고로 하부 코크스 입경과 상관성이 높은 영향인자를 독립변수로 선택하여 고로 하부 코크스 입경을 예측한다.
상기 독립변수는 고로의 풍구에 프로브 파이프를 삽입하여 장입물 시료를 채취하는 단계와, 상기 채취한 장입물 시료의 데이터를 분석하여 고로 하부 코크스 입경과 상관성이 있는 영향인자들을 수집하는 단계와, 상기 수집단계에서 수집한 영향인자들을 각각 회귀분석 방법에 적용하여 고로 하부 코크스 입경과 상관성이 높은 영향인자를 독립변수로 선택하는 단계를 통해 도출된다.
상기 채취한 장입물 시료는 냉각하고 입도 분리하는 과정을 거치며, 상기 입도 분리된 장입물 시료에서 코크스를 분리하여 데이터를 분석한다.
상기 독립변수는 미분탄 취입비(PCR), 송풍 선속도(Blast Velocity), 코크스 냉간강도(DI), 코크스 열간강도(CSR)이고, 상기 고로 하부 코크스 입경의 예측은 하기의 <수학식>에 의해 예측된다.
<수학식>
MS노하부 코크스=MS장입 코크스-(60.0-0.239×DI-0.374×CSR+0.0375×BV+0.0344×PCR)
[여기서, DI는 코크스 냉간강도, CSR은 코크스 열간강도, BV는 송풍 선속도, PCR은 미분탄 취입비, MS노하부 코크스는 고로 하부 코크스 입경, MS장입 코크스는 노상부로 장입되는 코크스 입경]
본 발명은 고로 하부 코크스 입경과 상관성이 있는 영향인자들을 독립변수로 도출하고, 회귀분석 방법에 적용하여 고로 하부 코크스 입경 예측 수학식을 도출한다. 도출한 수학식에 의해 산출된 고로 하부 코크스 입경변화는 고로 하부 코크스 입경변화 실측치와 상관계수가 0.875로 상관도가 높다.
이는, 고로 조업 조건(미분탄 취입비, 송풍 선속도)과 코크스 품질 조건(코크스 열간강도, 코크스 냉간강도)의 4가지 독립변수만으로 고로 하부 코크스 입경을 예측하는 것이 가능하다.
고로 하부 코크스 입경 예측은 고로 조업 조건과 코크스 품질지수를 종합적으로 고려한 코크스 품질 기준 설정이 가능하고, 적절한 조업 대응이 가능하여 고로의 안정조업 범위를 설정할 수 있으므로 저환원제비 및 고출선비 조업을 달성할 수 있도록 하는 효과가 있다.
도 1은 고로의 풍구에 프로브 파이프를 삽입하여 장입물 시료를 채취하는 방법을 보인 도면.
도 2의 (a)는 미분탄 취입비(PCR)와 코크스 입경변화(△MS measured)의 상관관계를 보인 그래프이고, (b)는 송풍 선속도(Blast Velocity)와 코크스 입경변화(△MS measured)의 상관관계를 나타낸 그래프.
도 3의 (a)는 코크스 냉간강도(DI)와 코크스 입경변화(△MS measured)의 상관관계를 보인 그래프이고, (b)는 코크스 열간강도(CSR)와 코크스 입경변화(△MS measured)의 상관관계를 나타낸 그래프.
도 4는 고로 하부 코크스 입경을 예측하는 <수학식>에 의해 산출된 예측치(△MS calculated)와 코크스 입경변화(△MS measured)의 상관관계를 나타낸 그래프.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
본 발명의 고로 하부 코크스 입경 예측방법은, 고로 하부 코크스 입경과 상관성이 높은 영향인자를 독립변수로 선택하고, 선택된 독립변수를 회귀분석 방법에 적용하여 고로 하부 코크스 입경을 예측하는 <수학식>을 도출한 후, 상기 <수학식>에 의해 고로 하부 코크스 입경을 예측한다.
코크스는 고로의 열원으로 사용되는 원료인 동시에 철광석을 환원시키는 환원제의 역할을 한다. 코크스는 석탄을 코크스 오븐 설비에서 가열 건류하여 제조한다.
최근 코크스의 소비 최소화와 급변하는 원료 수급 여건하에서 저환원제비 고로 조업은 매우 중요하다. 또한, 고로 조업은 생산의 탄력성을 유지하면서 고출선비 조업을 지향한다.
소결 및 코크스 조업 측면에서 저가 원료 사용을 확대하는 기술은 용선 제조원가 절감을 위해 필수적이다. 그러나, 저환원제비, 고출선비 조업을 위해서는 적정 코크스 품질기준 설정이 중요하다.
저환원제비 조업시 코크스비(Coke rate)가 감소되면 고로 내 코크스 체류시간이 증가되고, 코크스 단위 중량당 반응량이 증가되어 코크스의 열화 및 분화가 가속화되어 고로 내 코크스 분 퇴적이 심화되어 노하부에서 노황 변화가 심하게 나타난다. 코크스비는 선철 1ton을 생산하는데 소요되는 코크스양(kg)을 의미한다.
특히, 저환원제비 조업시 노심부에서 가스 침투력이나 열공급 능력이 저하되면 노심 온도가 하락되어 코크스 분이 노심부에 체류하기가 용이해진다. 노심은 고로로 장입되는 코크스가 노 중심부에서 일종의 코크스층을 형성하고 있는 노하부 코크스 충진층을 의미한다.
그리고, 코크스 분이 노심부에 체류하기 용이해져 노하부 노황 변화가 심하게 나타나면, 노하부 통액성이 악화되면서 노하부 용융물 배출이 불량해지고 출선 속도가 저하되어 고출선비 조업이 어려워진다.
따라서, 저환원제비, 고출선비 조업을 위해서는 고로의 안정조업 범위를 설정할 수 있도록 고로 하부 코크스 입경의 예측이 요구된다.
고로 하부 코크스 입경의 예측을 위한 독립변수는 고로의 풍구에 프로브 파이프를 삽입하여 장입물 시료를 채취하는 단계와, 채취한 장입물 시료의 데이터를 분석하여 고로 하부 코크스 입경과 상관성이 있는 영향인자들을 수집하는 단계와, 수집단계에서 수집한 영향인자들을 각각 회귀분석 방법에 적용하여 고로 하부 코크스 입경과 상관성이 높은 영향인자를 독립변수로 선택하는 단계를 통해 도출된다.
장입물 시료를 채취하는 단계는 고로 풍구 부위에서 장입물 시료를 채취하는 단계이다.
장입물 시료의 채취는 도 1에 도시된 바와 같이, 긴 원통형상의 프로브 파이프(probe pipe)(5)를 이용한다. 프로브 파이프(5)는 속이 빈 중공 원통형상으로 선단이 톱니형상으로 되어 고로(1)의 풍구(3)에 삽입이 용이하다. 프로브 파이프(5)는 고로(1)의 풍구(3)에 삽입되는 추진력이 일정하도록 회전을 통해 고로(1)의 풍구(3)에 삽입된다.
고로(1)의 풍구(3)에 삽입된 프로브 파이프(5)는 고로(1)의 풍구(3) 선단에서부터 노심까지 관통한 코크스층의 장입물 시료(7)를 채취한다.
장입물 시료의 채취는 코크스를 노상부로 장입하고 대략 5시간 경과 후에 채취하는 것이 바람직하다. 노상부로 장입된 코크스는 최소 5시간이 경과해야 노심에서 코크스층을 형성하기 때문이다.
채취한 장입물 시료(7)는 냉각한 후 입도 분리하는 과정을 거치며, 입도 분리된 장입물 시료는 수작업을 통해 용선과 슬래그, 코크스로 분리한다. 입도 분리는 스크린을 통해 수행되며 15mm 이상과 15mm 미만으로 분리한다.
이 중 입도 15mm 이상의 장입물 시료에서 코크스를 분리한다. 입도 15mm 이상의 장입물 시료는 수작업으로 코크스의 분리가 용이하나, 15mm 미만은 전자적 분리, 중액 분리 등 별도의 기계적 분리과정을 거쳐야 하므로 시료 분석이 용이하지 않다.
장입물 시료의 채취는 복수회 실시하여 코크스의 데이터 분석결과의 신뢰성을 높인다.
수집 단계는 분리한 코크스의 데이터 즉, 입경을 분석하여 고로 하부 코크스 입경과 상관성이 있는 영향인자들을 수집하는 단계이다.
수집한 영향인자들은 고로 조업 조건과 코크스 품질 조건이다.
고로 하부 코크스 입경은 아래의 식과 같이 산출된다..
MS노하부 코크스=MS장입 코크스-△MS
MS노하부 코크스는 고로 하부 코크스 입경이고, MS장입 코크스는 노상부로 장입되는 코크스 입경이고, △MS는 노심 부근 코크스 입경변화이다.
고로 하부 코크스 입경은 노황 변화에 영향을 미치는 공극율과 관련되고, 노심 부근 코크스 입경변화는 고로 조업 조건 및 코크스 품질 조건과 상관성이 있다.
여기서, 노심 부근과 고로 하부는 동일한 의미로 사용된다.
고로 하부 코크스 입경 및 공극율은 노하부 통액성이 영향을 미치는 직접적인 요인이다. 고로 하부 코크스 입경이 증가하면 노하부 통액성이 양호해지고 통기성이 양호해져 고로 안정조업 범위가 확대되므로 고출선비 조업이 가능해진다.
영향인자들중 고로 조업 조건은 미분탄 취입비, 송풍 선속도, 코크스 체류시간, 송풍 온도, 송풍 열량, 이론연소온도가 포함되고, 코크스 품질 조건은 코크스 냉간강도, 코크스 열간강도가 포합된다.
독립변수는 상기 영향인자들 중 고로 하부 코크스 입경과 상관성이 높은 영향인자를 선택하는 단계이다. 독립변수는 회귀분석 방법을 적용하여 고로 하부 코크스 입경과 상관성이 높은 영향인자를 선택된다.
독립변수는 미분탄 취입비(PCR), 송풍 선속도(Blast Velocity), 코크스 냉간강도(DI), 코크스 열간강도(CSR)이다.
회구분석 결과, 미분탄 취입비는 고로 하부 코크스 입경변화와 상관관계(R2)가 0.62이고, 송풍 선속도는 고로 하부 코크스 입경변화와 상관관계(R2)가 0.04이고, 코크스 냉간강도는 고로 하부 코크스 입경변화와 상관관계(R2)가 0.12이고, 코크스 냉간강도는 고로 하부 코크스 입경변화와 상관관계(R2)가 0.28로 높다.
고로 하부 코크스 입경 및 코크스 분 발생율은 미분탄 취입비, 송풍 선속도의 고로 조업 조건과, 코크스 냉간강도, 코크스 열간강도의 코크스 품질 조건에 크게 영향을 받는다.
이는 노심이 풍구로부터 반응가스가 상승하는 길목에 위치에 있어 노심 상태에 따라 상승하는 가스의 흐름 즉, 통기성에 영향을 미치게 되며, 고로 하부 코크스 입경 및 코크스 분발생율이 통액성에 영향을 미치기 때문이다.
고로 하부 코크스 입경을 예측하는 수학식은 아래와 같다.
<수학식>
MS노하부 코크스=MS장입 코크스-(60.0-0.239×DI-0.374×CSR+0.0375×BV+0.0344×PCR)
[여기서, DI는 코크스 냉간강도, CSR은 코크스 열간강도, BV는 송풍 선속도, PCR은 미분탄 취입비, MS노하부 코크스는 고로 하부 코크스 입경, MS장입 코크스는 노상부로 장입되는 코크스 입경]
△MS(노심 부근 코크스 입경변화)가 60.0-0.239×DI-0.374×CSR+0.0375×BV+0.0344×PCR에 의해 산출되고, 노상부로 장입되는 코크스 입경과 산출된 값의 차가 고로 하부 코크스 입경이 되는 것이다.
상기 수학식은 선택된 독립변수를 회귀분석 방법에 적용하여 도출하였으며, 고로 하부 코크스 입경변화 실측치와 상관계수가 0.875로 상관도가 높다.
회귀분석(regression analysis) 방법은 둘 또는 그 이상의 변수들간의 관계를 파악함으로써 어떤 특정한 변수(종속변수)의 값을 다른 한 개 또는 그 이상의 변수(독립변수)들로부터 설명하고 예측하는 통계적 기법이다.
도출한 수학식은 고로 조업 조건 및 코크스 품질 변화에 따른 고로 하부 코크스 입경 예측이 가능하고, 코크스 입경 예측은 고로 안정조업 범위 설정이 가능하여 고출선비 및 저환원제비 조업을 위한 코크스 품질 기준 설정이 가능하도록 한다.
이하, 본 발명의 고로 하부 코크스 입경 예측방법을 실시예를 통해 설명한다.
<실시예>
1. 장입물 시료를 채취
도 1에 도시된 바와 같이, 고로 하부 풍구에 프로브 파이프를 삽입하여 장입물 시료를 채취한다. 장입물 시료는 풍구 선단에서부터 노심까지의 구역별로 채취한다.
채취한 장입물 시료는 노심 구역만 분리하여 입도분리 후, 수작업을 통해 코크스만 분리하고, 분리한 코크스의 데이터(입경)를 분석한다. 고로 조업 영향도를 고려하여 채취는 총9회 수행하여 데이터의 신뢰도를 높인다.
2. 영향인자 수집
분석한 고로 하부 코크스 입경변화와 상관성이 있는 영향인자들을 수집한다.
3. 독립변수 선택
영향인자를 회귀분석 방법에 적용하여 고로 하부 코크스 입경변화와 상관성이 있는 영향인자를 독립변수로 선택한다.
선택된 독립변수는 미분탄 취입비, 송풍 선속도, 코크스 냉간강도, 코크스 열간강도이다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 미분탄 취입비는 고로 하부 코크스 입경변화와 상관관계(R2)가 0.62이고, 송풍 선속도는 고로 하부 코크스 입경변화와 상관관계(R2)가 0.04이고, 코크스 냉간강도는 고로 하부 코크스 입경변화와 상관관계(R2)가 0.12이고, 코크스 냉간강도는 고로 하부 코크스 입경변화와 상관관계(R2)가 0.28로 높다.
또한, 미분탄 취입비에 따른 고로 하부 코크스 입경변화가 가장 크게 나타나며, 코크스 냉간강도 및 열간강도가 높을수록 고로 하부 코크스 입경변화가 적게 나타났다.
4. 수학식 도출
선택된 독립변수를 회귀분석 방법에 적용하여 고로 하부 코크스 입경변화를 예측하는 수학식을 도출한다.
도출한 수학식은
MS노하부 코크스=MS장입 코크스-(60.0-0.239×DI-0.374×CSR+0.0375×BV+0.0344×PCR)이다.
[여기서, DI는 코크스 냉간강도, CSR은 코크스 열간강도, BV는 송풍 선속도, PCR은 미분탄 취입비, MS노하부 코크스는 고로 하부 코크스 입경, MS장입 코크스는 노상부로 장입되는 코크스 입경]
도 4에 도시된 바에 의하면, 도출한 수학식에 의해 산출된 고로 하부 코크스 입경변화는 고로 하부 코크스 입경변화 실측치와 상관계수가 0.875로 상관도가 높다.
이와 같이, 고로 하부 코크스 입경을 예측하면 공극률 측정이 가능하고 노황 상황을 판단할 수 있다. 노황 상황을 판단하여 노황이 불안정한 경우에는 코크스 품질을 향상시켜 노열을 상승시키거나 노열 보상을 위한 브랜크 코크스(blank coke)(코크스만 단독으로 장입하는 경우) 장입으로 적절한 고로 조업 대응이 가능하다.
본 발명의 권리범위는 위에서 설명된 실시예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.
1:고로 3:풍구
5:프로브 파이프 7:장입물 시료

Claims (3)

  1. 고로 하부 코크스 입경과 상관성이 높은 영향인자를 독립변수로 선택하여 고로 하부 코크스 입경을 예측하며,
    상기 독립변수는
    고로의 풍구에 프로브 파이프를 삽입하여 장입물 시료를 채취하는 단계와,
    상기 채취한 장입물 시료의 데이터를 분석하여 고로 하부 코크스 입경과 상관성이 있는 영향인자들을 수집하는 단계와,
    상기 수집단계에서 수집한 영향인자들을 각각 회귀분석 방법에 적용하여 고로 하부 코크스 입경과 상관성이 높은 영향인자를 독립변수로 선택하는 단계를 통해 도출되는 것을 특징으로 하는 고로 하부 코크스 입경 예측방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 채취한 장입물 시료는 냉각하고 입도 분리하는 과정을 거치며,
    상기 입도 분리된 장입물 시료에서 코크스를 분리하여 데이터를 분석하는 것을 특징으로 하는 고로 하부 코크스 입경 예측방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 독립변수는
    미분탄 취입비(PCR), 송풍 선속도(Blast Velocity), 코크스 냉간강도(DI), 코크스 열간강도(CSR)이고,
    상기 고로 하부 코크스 입경의 예측은 하기의 <수학식>에 의해 예측되는 것을 특징으로 하는 고로 하부 코크스 입경 예측방법.
    <수학식>
    MS노하부 코크스=MS장입 코크스-(60.0-0.239×DI-0.374×CSR+0.0375×BV+0.0344×PCR)
    [여기서, DI는 코크스 냉간강도, CSR은 코크스 열간강도, BV는 송풍 선속도, PCR은 미분탄 취입비, MS노하부 코크스는 고로 하부 코크스 입경, MS장입 코크스는 노상부로 장입되는 코크스 입경]
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