KR101365413B1 - 합금철의 제조 - Google Patents

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Abstract

전기 아크로에서 합금철을 제조하는 방법이 개시된다. 이 방법은 덩어리지지 않은 탄소함유 폴리머를 노에 충전하여, 이 폴리머가 슬래그 발포제로서 기능하도록 하는 단계를 포함한다.
철합금, 제조방법, 슬래그 발포

Description

합금철의 제조{PRODUCTION OF FERRO-ALLOYS}
본 발명은 신규 첨가제를 사용하여 전기 아크로(electric arc furnace; EAF)에서 합금철(가령, 스틸)을 제조하는 방법에 관한 것이다. 첨가제의 주요 기능에 있어서, 신규 첨가제는 슬래그 발포제로서, 환원제로서 기능을 한다. 그러나, 첨가제는 추가적으로 연료로서 및/또는 가탄제로서 기능할 수도 있다.
최근 50년간, 플라스틱 산업의 비약적인 성장으로 플라스틱 물질 및 제품은 이제 사회에서 필수적인 것으로 되었다. 일본과 같은 국가에서 플라스틱의 생산은 연간 약 1500만톤에 이르렀으며, 이것은 연간 약 900만톤으로 국내 고체 폐기물과 관련하여 50%의 관련 폐기물을 가져온다.
플라스틱 처리와 관련하여 증가되는 문제가 있으며, 국제적으로 플라스틱을 재활용 측면에서 나머지는 땅속에 매립하거나 소각로에서 소각하므로, 물질 회수율이 낮은 원인이 된다. 통상적인 소각은 다이옥신 같은 유해한 배기물질을 생성하는 한편으로, 플라스틱 물질은 쉽게 분해되지 않으며, 매립지에 독성 요소를 침출시킬 수 있다.
세계적인 철강 산업은 에너지의 효율 및 자원의 이용을 개선함으로써 환경에 미치는 이것의 충격을 최소화해야 하는 압력에 직면해 있다. 예를 들면, 용광로의 탄소 강도를 줄이기 위한 특정한 노력이 이루어지고 있다. 용광로의 에너지 관리와 관련한 하나의 계획은 연료 또는 코크스 소비의 감소와 연관된다. 플라스틱은 분쇄된 연료가 적어도 가능한 한 많이 정상적으로 주입되는 연소 에너지를 갖고, 그들은 보다 높은 탄소 대 수소의 비율을 가져, 연소 생성물로서 보다 적은 CO2를 발생하는 결과를 가져오기 때문에, CO2 방출을 감소시키기 위해서, 대체연료로서 용광로의 송풍구 내에 플라스틱을 주입하는 것이 제안되어 있다.
전기 아크로(EAF)를 포함하여, 다른 형태의 제강로에 추가되는 플라스틱이 알려져 있다. 예를 들면, 미국특허 US5,554,207호는 EAF 폐기분말이 폐플라스틱과 결합하여 고체를 형성한 다음, EAF에 첨가되는 공정을 개시한다. 마찬가지로, 일본특허 JP2004-052002호는 폐플라스틱이 철분과 함께 반죽되어 EAF에 첨가되는 유연한 고체를 형성하는 공정을 개시한다. 상기 어떤 특허문헌도 슬래그 발포를 촉진하는 첨가제의 첨가와 관련되어 있지 않다.
하나의 양상에 있어서, 전기로에서 합금철을 제조하는 방법에 있어서, 덩어리지지 않은 탄소함유 폴리머를 노에 충전하여, 이 폴리머가 슬래그 발포제로서 기능하도록 하는 단계를 포함한다.
"덩어리지지 않은 탄소함유 폴리머"란 용어는 미세한 입자 및 거친 입자 모두 및 특정 폴리머까지 포함하며, EAF 폐분말이나 철분과 함께 형성된 그러한 폴리머는 배제하는 것을 의미한다. 그러한 덩어리진 고체는 슬래그 발포제로서 기능하지 못한다.
이전에 생각하지 않았던 것으로, 전기 아크로에서, 덩어리지지 않은 탄소함유 폴리머는 슬래그 발포를 가져오도록 하는데 사용할 수 있다. 전기 아크로에서, 증가된 슬래그 발포는 용융금속 모두를 보다 잘 블랭크시키고, 모든 열에 보다 잘 유지되며(즉, 단열되며), 이것은 EAF에서 전기 소비를 크게 감소시키는 결과를 가져온다.
합금철의 제조방법에서, 덩어리지지 않은 탄소함유 폴리머는 환원제로서, 연료로서 및/또는 가탄제로서 추가적으로 기능할 수 있다. 다음에, 폴리머는 노 공급장치에 존재하고/하거나 금속 공정 동안에 생성된 산화철(들)의 환원이 일어나도록 하고; 및/또는 연료원으로서 작용하고; 및/또는 가탄제로서 작용하여 생산된 최종 합금철에 철과 함께 존재하는 탄소의 양을 증가시킬 수 있다. 예를 들면, 전기 아크로에서, 주요 연료원으로 전기를 사용하고 있다.
폐플라스틱은 따라서, 에너지 효율을 향상시킬 수 있고(즉, 손실 전기의 사용에 의함), 코크스나 석탄 같은 전통적인 탄소원의 소비( 및 그로 인한 비용)를 줄일 수 있다. 또한, 폐플라스틱은 무연탄 및 흑연 같은 값비싼 가탄제의 사용을 대체하거나 줄일 수 있다.
"철합금"이란 용어가 본 명세서에 사용되면, 넓은 의미로 (스틸을 포함하여)철탄소합금 및 그밖의 탄소철 및/또는 크롬철, 규소크롬철, 망간철, 규소망간철, 규소철, 마그네슘 규소철, 몰리브덴철, 니켈철, 티타늄철, 페로포스포러스(ferrophosphorous), 텅스텐철, 바나듐철, 지르코늄철 등을 포함하는 철계 합금을 포함하는 것을 의미한다.
특히, 덩어리지지 않은 탄소함유 폴리머는 노 내에 충전되어, 적어도 부분적으로 연소되고, 이것이 연소됨에 따라서, 탄소질 잔류물을 생성한다. 폴리머는 연료로서 작용한다. 다음에, 탄소질 잔류물은 슬래그 발포가 일어나도록 산화시킬 수 있다. 잔류물은 환원제나 가탄제로서 추가적으로 기능할 수 있다. 따라서, 특히 노 내에 충전된 덩어리지지 않은 탄소함유 폴리머는 슬래그 발포 전구체로서 기능할 수 있다. 또한, 이것은 가탄제 전구체 또는 환원제 전구체로서 기능할 수도 있다.
덩어리지지 않은 탄소함유 폴리머가 노 내에 충전된 하나의 첨가제를 포함할 수 있는 한편, 전형적인 실시예에 있어서, 덩어리지지 않은 탄소함유 폴리머는 기타 탄소원과 함께 노 내에 충전된다. 이 기타 탄소원은 연료를 연소시키는 작용을 할 수 있다. 이것 역시 슬래그 발포에 도움을 줄 수 있으며, 환원제나 가탄제로서 기능한다. 기타 탄소원은 석탄, 코크스, 탄소 숯, 목탄 또는 흑연일 수 있다.
일 예로서, 덩어리지지 않은 탄소함유 폴리머 및 기타 탄소원은, 비록 노에 따라서 비율이 달라질 수 있으나, 약 1:1의 중량비로 노 내에 충전할 수 있다.
본 발명의 전형적인 적용에 있어서, 탄소함유 폴리머는 폐플라스틱이다. 노 내로의 폐플라스틱의 충전은, 그렇지 않을 경우에 환경을 오염시킬 수도 있는 폐플라스틱에 대해, 유효한 폐기 수단을 제공한다.
전형적으로 탄소함유 폴리머는 원자 C, H 및 선택적으로 O만을 포함한다. 다른 원소(가령, N, S, P, Si, 할로겐 등)들이 폴리머에 존재할 수 있으나, 이들 다른 원소들은 철합금 제조를 방해할 있고/있거나, 오염물, 오염원, 질소가스 등을 생성할 수 있다. 따라서, 탄소함유 폴리머를 사려 깊게 선택함으로써, 독성 가스 및 다른 해롭거나 유해한 생성물의 형성을 피할 수 있다. 하나의 적절한 플라스틱으로는 폴리에틸렌이 있으나, 폴리프로필렌, 폴리스티렌, 폴리부타디엔스티렌, ABS, 등과 같은 다른 플라스틱 및 비록 재생하는 것이 힘들지만 베이클라이트 등과 같은 플라스틱까지도 사용할 수 있다.
전형적으로 노 내에 충전되는 덩어리지지 않은 탄소함유 폴리머는 특히 100㎛ 이하의 입경을 갖는 폴리머 입자의 형태이다.
제조된 전형적인 철합금이 스틸인 한편, (상술한 바와 같은)다른 철합금의 제조에서는 덩어리지지 않은 탄소함유 폴리머를 이용할 수 있다.
제 2양상에 있어서, 전기 아크로 내의 철합금 제조에 있어서 슬래그 발포제로서 덩어리지지 않은 탄소함유 폴리머의 용도가 제공된다.
특히 덩어리지지 않은 탄소함유 폴리머의 용도는 제 1양상의 방법에 의해서 달성된 철합금의 제조에 있다.
제 3양상에 있어서, 전기 아크로에서 철합금의 제조방법이 제공되며, 이 방법은:
- 철합금용 공급원료를 노에 충전하는 단계;
- 노 내의 공급원료를 가열하여 용융상태로 만들고 합금/공급원료의 용융면 상에 슬래그를 형성하는 단계;
- 슬래그 발포제로서 기능하는 덩어리지지 않은 탄소함유 폴리머를 노에 충전하는 단계를 포함한다.
전형적으로, 덩어리지지 않은 탄소함유 폴리머가 충전되어, 노 내에서 연소되고 용융 합금/공급원료에 열에너지를 방출하여 슬래그를 발포시키는 물질을 생성하게 된다.
선택적으로, 상기 물질은 슬래그의 발포에 추가해서:
- 슬래그 내에 각 산화철의 화학적 환원을 일으켜서 철합금을 생성할 수 있고;
- 결과로 얻은 철 및 탄소의 합금을 탄소로 처리할 수 있다.
덩어리지지 않은 탄소함유 폴리머를 첨가제와 함께 충전할 수 있다. 이 첨가제는 제 1양상에서 규정된 바와 같은 기타 탄소원일 수 있다.
또한, 덩어리지지 않은 탄소함유 폴리머를 공급원료와 함께 노에 충전할 수 있다. 예를 들면, 노는 그안에 공급원료와 탄소함유 폴리머가 충전될 때는 이미 가열되어 있을 수 있다(즉, 연속 노 작동모드에서).
전형적으로 제 3양상의 방법은 제 1양상에서 규정된 바와는 상이한 방법이다.
본 발명자들은 또한 덩어리지지 않은 탄소함유 폴리머는 일반적으로 재연소로에서 연료로서 사용될 수 있으리라고 추측했다.
따라서, 제 4양상에 있어서, 연료로서 작용하도록 덩어리지지 않은 탄소함유 폴리머를 노에 충전하는 단계를 포함하는 재연소로의 작동방법이 제공된다.
전형적으로 재연소로는 탄소함유 폴리머를 연소하는데 충분한 온도, 특히 1000℃ 이상인 온도에서 작동한다.
또한, 덩어리지지 않은 탄소함유 폴리머는 특정한 형태로, 선택적으로 천연가스와 같은 다른 연료와 함께 노 내에 충전할 수 있다.
제 5양상에 있어서, 탄소함유 공급원료를 사용하는 철합금 제조로에서 탄소함유 폴리머의 재이용성을 결정하기 위한 시스템이 제공된다. 이 시스템은:
- 플리머의 슬래그 발포 능력을 반영하는 주어진 폴리머의 파라미터 값을 유도하는 단계와;
- 상기 파라미터를 하나 이상의 다른 폴리머로부터 유도된 하나 이상의 파라미터 값과 비교하는 단계와;
- 그들 파라미터 값으로부터 범위나 비율을 전개하는 단계를 포함한다.
파라미터는 발포 슬래그의 높이 및/또는 발포 슬래그의 수명일 수 있다.
도 1은 실시예 1에 기술한 바와 같이, 액적 접근을 위한 수평 튜브 저항로 구성의 개략도를 나타낸다.
도 2a 내지 2f는 각각, 도 1의 수평 튜브 저항로 구성을 이용하여, 시간의 함수로서 흑연/슬래그 시스템에 대한 슬래그의 드롭을 나타내고 차례대로 슬래그 발포를 보인다.
도 3a 내지 3f는 각각, 도 1의 수평 튜브 저항로를 이용하여, 시간의 함수로서 코크스/슬래그 시스템에 대한 슬래그의 드롭을 나타내고 차례대로 슬래그 발포 를 보인다.
도 4a 내지 4c는 각각, 도 1의 수평 튜브 저항로를 이용하고, 슬래그 시스템과 함께, 흑연, 흑연/플라스틱 및 코크스에 대한 슬래그의 드롭을 나타낸다.
도 5는 실시예 4에 기술한 바와 같이, 드롭 튜브로(액적로)의 개략도를 보인다.
도 6은 실시예 5에 기술한 바와 같이, 드롭 튜브로에서 반응한 후에 50% 플라스틱 및 50% 흑연 혼합물로부터 탄소질 잔류물의 XRD 스펙트럼을 보인 그래프이다.
도 7은 실시예 5에 기술한 바와 같이, 다양한 탄소질 물질에 의해서 생성된 슬래그 발포의 CCD 화상을 보인다.
도 8은 실시예 5에 기술한 바와 같이, 흑연 기판과 공업용 슬래그 간의 반응에 대한 IR 결과를 보인 그래프이다.
도 9는 실시예 5에 기술한 바와 같이, 50% 플라스틱 및 50% 흑연 기판과 공업용 슬래그 간의 반응에 대한 IR 결과를 보인 그래프이다.
도 10은 실시예 5에 기술한 바와 같이, 코크스 기재와 공업용 슬래그 간의 반응에 대한 IR 결과를 보인 그래프이다.
도 11은 실시예 7에 기술한 바와 같이, 유도(탄소 용해)로의 개략도를 나타낸다.
도 12는 실시예 7에 기술한 바와 같이, 도 11의 유도로에 관한 시간에 대한 용융 철합금 내의 탄소 용해의 %를 나타낸 그래프이다.
도 13a 및 13b는 도 11의 수평 튜브 저항로 구성을 이용하여, 시간에 따른 코크스/슬래그의 드롭(상부열) 및 코크스/HDPE 플라스틱/슬래그(하부열)의 드롭을 나타낸다.
도 14는 실시예 9에 기술한 바와 같이, 1200℃에서 코크스, 및 코크스와 플라스틱 혼합물의 연소 효율η을 나타내는 그래프이다.
도 15는 실시예 10에 기술한 바와 같이, 1550℃에서 70% 코크스-30% 플라스틱 잔류물/슬래그 시스템에 대한 시간의 함수로서 슬래그 발포의 CCD 화상을 보인다.
도 16은 실시예 10에 기술한 바와 같이, 시간의 함수로서 CO 및 CO2가스 발생을 나타낸 그래프이다.
도 17은 실시예 10에 기술한 바와 같이, 코크스 및 30% 프라스틱+70% 코크스 혼합물을 갖는 슬래그의 상호작용 동안에 제거된 산소의 몰수를 나타낸 그래프이다.
도 18은 실시예 10에 기술한 바와 같이, 1550℃에서 코크스와 30% 프라스틱+70% 코크스 혼합물에 대한 Vt/Vo를 나타내는 그래프이다.
이하, 발명의 요약에서 규정한 바와 같은 철합금의 제조방법 내에 포함될 수 있는 다른 실시예, 상기 방법의 특정 실시예에 대하여, 첨부한 도면을 참조하여 단지 예시로서 설명한다.
EAF 스틸 제조의 광범위한 연구 중에, 용질 탄소/고체 탄소와 슬래그 간의 화학적 반응이 슬래그 발포 공정의 원인이 되는 점을 주목하였다. 발생한 슬래그 발포는 탄소에 의한 슬래그 내에서의 산화철의 환원 결과에 따른 CO 가스 발생 때문이며, 탄소의 산화 때문이기도 하다. 슬래그 발포는 슬래그 발포 현상을 지배하는 고온에서의 물질의 특성과 함께, 탄소 공급물질의 본질에 크게 좌우되는 것을 주목하였다.
또한, 전기 아크의 차폐뿐만 아니라, 금속욕(metal bath)에 뒤덮히고 고온으로 유지된 발포 슬래그는 상당한 에너지 절감(즉, 감소된 전기 소비)을 가져오는 것을 주목하였다. 슬래그 발포의 지속 수준은 효율적인 EAF 스틸 제조에 중요하였다는 점을 주목하였다.
놀라운 발전에 있어서, (가령, 폐플라스틱, 특히 입자형태로)덩어리지지 않은 탄소함유 폴리머를 EAF 스틸 제조에 도입할 수 있다고 가정하였다. EAF 스틸 제조에서 이용한 고온에서, 폐플라스틱이 일단 노 내에 도입되면, 연소되어(따라서 연료로서 작용함) 탄소질 잔류물을 생성하는 것으로 추측하였다. 따라서, 탄소함유 폴리머는 다른 철합금의 제조 및 탄소질 잔류물의 생성에 도입할 수 있는 것으로 가정하였다.
다음에, 탄소질 잔류물은 EAF 스틸 제조에서 슬래그 발포를 일으키고, (가령, 다른 철합금의 제조에서)환원제로서 선택적으로 기능하며, 가탄제로서도 선택적으로 기능할 수 있음이 관측되었다.
시험 동안에, 화학적 연소, 원래 플라스틱 내의 구조 및 결합망은 탄소질 잔 류물의 속성을 결정하는 것으로 가정하였다. 또한, 주어진 플라스틱으로부터 탄소 용해의 반응속도는 탄소질 잔류물이 액체 스틸에 용해된 비율에 의해 좌우되는 점을 주목하였다. (가령, 코크스 내의 탄소와 비교하여)비교적 높게 배열된 플라스틱 내의 탄소가 액체 스틸 내에 향상된 탄소 용해를 가져올 수 있는 것으로 가정하였다.
탄소질 잔류물의 구조적인 특성은 도입된 플라스틱-흑연 혼합물로부터 드롭 튜브 내로(EAF에서 격을 수 있는 모의 작동상태) 도입되고, 이후 EAF에서 액체 슬래그의 발포를 가져올 수 있는 그러한 탄소질 잔류물을 관찰하였고, 그러한 탄소질 잔류물이 용융된 철합금에서 환원 능력 및/또는 향상된 탄소 용해를 가질 수 있음을 확인하였다. 구조적인 특성 결과는 아래의 실시예 5에서 설명한다.
다른 철합금의 제조에 있어서, 다양한 탄소질 환원물질이 사용된 점을 주목하였다. 코크스, 석탄 및 숯, 및 목탄 같은 탄소에 포함된 알려진 환원제 물질이 여러가지 형태의 목재로부터 생성되었다. 이들 탄소질 물질의 물질 특성 및 반응은 상술한 환원제 성능에 있어서 중요한 역할을 하는 점을 다시 주목하였다.
따라서, 주요 실험적인 고찰은 여러 가지 중에서도, 환원제의 기체화에 대한 조사, 용융 금속에 대한 탄소의 용해, 및 고체 탄소에 의한 슬래그의 직접적인 환원을 포함하였다.
또한, 스틸보다는 철합금의 제조에서 슬래그의 형성이 전형적이었음을 주목하였다. 마그네슘과 칼슘은 모두 고체 및 액체 상태에서 환원되었다. 액체 금속에 용해된 고체 탄소나 탄소에 의한 슬래그로부터의 환원에 이어지는 슬래그 내에서의 MnO의 용해는 MnO의 주요 메카니즘으로서 고려되었다. 마찬가지로, Fe-Cr 금속에 용해된 탄소에 의한 액체 슬래그에서의 크롬철광의 환원은 크롬철의 제조를 위해서 중요하다는 점을 주목하였다. 용해된 광석(크롬, 산화 망간)을 포함하는 크롬과 액체 슬래그 간의 반응은 환원 공정에서 매우 중요한 역할을 하였다. 그러므로, 폐플라스틱으로부터의 탄소질 잔류물 역시 다른 철합금의 제조에서 환원제(그리고, 필요에 따라서 슬래그 발포제)로서 사용할 수 있다는 것을 가정하였다.
실시예
이제, 철합금의 제조방법에 대한 비제한적인 실시예를 제공한다.
실시예 1
슬래그 발포를 조사하기 위해서, 액적 접근을 이용하여 실험실 규모의 수평 튜브 저항로에서 슬래그/탄소의 상호작용을 먼저 조사하였다. 실험 구성의 개략도가 도 1에 도시되어 있다. 사용한 슬래그의 중량은 ~0.20g이었다. 처음에, 시료를 표본 홀더 상에 유지하였는데, 이것을 스테인리스 스틸봉의 도움으로 노 내의 고온영역의 중앙으로 밀어넣을 수 있었다.
노의 고온영역 내에서 원하는 온도(1550℃)에 도달하고 평형이 유지될 때까지 슬래그/탄소 조립체를 노의 저온영역에서 유지하였다. 조립체를 원하는 연구 온도로 유지되는 고온영역 내로 삽입하였다. 그로 인해 저온영역에서 일어날 수 있는 임의의 반응 및 관심있는 온도에서 연구되는 현상에 대한 있을 수 있는 영향력을 제거하였다. 노의 튜브는 실험이 지속되는 동안에 아르곤으로 세정하였다. 아르곤 의 유량은 매스 플로우 미터로 제어하였다.
정밀한 제어 및 시각적으로 모니터하는 액적 기술을 이용하여 슬래그/탄소의 발포 속성을 연구하였다. IRIS 렌즈가 장착된 고품질, 고해상도의 전하결합소자(CCD) 카메라를 사용하여 노 내에서의 생생한 인슈트 현상을 포착하였다. 전체 공정을 시간의 함수로 기록하기 위해서 카메라로부터의 출력을 비디오 카세트 레코더(VCR) 및 텔레비전(TV)에 전송하였다. 이것은 프레임 그레버를 이용하여 비디오테이프로부터 컴퓨터로 시간의 함수로서 포착되는 슬래그와 탄소질 물질 간의 접촉을 특수 화상으로 디스플레이하는 것을 가능케 하였다. 시스템에서 시간 날짜 발생기를 사용하여 공정의 지속시간을 디스플레이하였다. 곡선 적합 실행을 토대로, 특수하게 설계된 컴퓨터 소프트웨어를 사용하여 포착한 화상으로부터 체적을 결정하였다. 반응속도에 대한 보다 나은 이해를 위해서, 대부분의 경우에 2시간까지 화상을 기록하였다.
슬래그의 조성은 다음과 같았다: CaO 30.48%, MgO 11.72%, SiO2 13.34%, Al2O3 5.24%, Fe2O3 33.33%, MnO 5.24%.
흑연 및 코크스에 대한 슬래그 발포 조사를 먼저 실행하였다. 플라스틱에 대한 슬래그 발포 조사는 나중에 실행하였다.
결과 및 논의
흑연/ 슬래그 시스템: 흑연/슬래그 시스템에서 슬래그 발포에 대한 주요 결과가 도 2a 내지 2f에 시간의 함수로서 도시되어 있다.
흑연은 스틸 제조 슬래그로 우수한 발포 특성을 보였다. 도 2a에서 T=13초에, 슬래그 분말이 막 용융되기 시작하였음을 나타낸다. 도 2b에서 액체방울은 도 2c에서 T=47초에 모습을 보이는 것이 나타나 있고, 도 2c에서는 T=57초에 완전히 형성된 것이 나타나 있다. 다음에, 드롭은 도 2d에서 T=1분 7초 및 도 2e에서 T=1분 22초에 관찰되는 점점 더 커진 방울과 함께, 크기가 증가하기 시작하였으며, 이는 슬래그 발포가 일어나고 있을 나타낸다. 도 2f에서 T=1분 57초에, 드롭은 조금 파열되어 약간 기상의 생성물이 부분적으로 누출되었음을 나타낸다. 그러므로, 흑연/슬래그 시스템에서 슬래그의 발포는 상당히 빠르고 강력하게 이루어지는 것을 알았다.
코크스/ 슬래그 시스템: 코크스/슬래그 시스템에서 슬래그 발포에 대한 주요 결과를 도 3a 내지 3f에 시간의 함수로서 도시되어 있다.
코크스는 스틸 제조 슬래그에서 덜 확실한 발포 특성을 보였다. 도 3a에서 T=9초에, 슬래그 분말이 막 용융되기 시작하였음을 나타낸다. 도 3b에서 액체방울은 T=1분 20초에 모습을 보이는 것이 나타나 있다. 도 3c 내지 3f에서, T=2분 15초로부터 T=21분 37초까지의 범위에 있는 화상이 도시되어 있다. 이 시간 동안에 액체방울은 완전히 형성된다. 4개의 방울은 크기와 체적이 작은 변동을 보이는데, 이는 코크스/슬래그 시스템에서의 슬래그 발포가 보다 작은 수준임을 나타낸다. 코크스/슬래그 시스템에서 슬래그 발포의 속도는 흑연/슬래그 시스템보다 느렸다.
탄소 용해는 코크스에 대한 용해속도 상수가 흑연에 대한 것보다 작았음이 탄소 용해 연구에서 밝혀졌다. 흑연/슬래그 시스템에서 슬래그 발포의 속도 및 규 모는 코크스/슬래그 시스템보다 더 커지는 것을 포함하여, 이들 2개의 탄소 형태에 대한 슬래그 발포 속성은 크게 달랐다. 따라서, 탄소 용해속도와 슬래그 발포 간의 상관성이 전제조건으로 가정되었다.
실시예 2
작동 EAF로부터 플랜트 조업의 분석은, 비록 증가되는 수준이 충전되는 스틸의 톤당 전력 소비에서 임의의 잘 규정된 패턴을 보이지 않지만, 코크스 주입 수준의 증가가 산소 소비의 증가를 가져오는 것을 보였다.
작동 EAF는 그의 작동에서 2개의 상이한 형태의 탄소를 사용하였다. 코크스가 ~90% C를 함유함에 따라, 4% C를 함유하는 수 톤의 평철(flat iron)을 사용하였다. 평철에 존재하는 탄소는 이미 평철의 용융시에 용해된 한편, 코크스에 존재하는 탄소는 고체 상태로 존재하고 있다.
탄소의 형태(용질 또는 고체 탄소)에 따라 스틸의 톤당 평균 전력 소비에 커다란 영향을 주는 것이 관찰되었다. 충전된 평철의 양(용질 탄소의 높은 수준과 동등)이 증가함에 따라서, 전력 소비의 감소가 두드러졌다. 이 경향은 탄소질 물질에 의한 역할의 관점에서 해석하였으며, 슬래그 발포의 증가는 충전된 스틸의 톤당 전력소비의 감소를 가져오는 것을 나타내었다. EAF 스틸 제조에서 평철 탄소의 효력이 상응하는 코크스의 효력보다 더 높아지는 것을 알았다.
본 발명자들은 다음의 점을 주목하였다.
1. 액체 철 내에서의 탄소 용해의 반응속도는 탄소질 물질의 본질에 크게 의 존하였다. 예를 들면, 코크스에 대한 용해속도 상수는 흑연에 대한 것보다 작았다.
2. 실시예 1의 흑연/슬래그 및 코크스/슬래그 시스템의 결과는, 흑연에 의한 슬래그 발포의 속도와 범위가 코크스 보다 더 높았음을 보였다.
3. 탄소/슬래그 상호작용의 반응속도는 용질 탄소 및 코크스에 대해서는 상당히 다를 것으로 기대되었으며, 이것은 그들의 슬래그 발포 속성에 폭넓은 변화를 가져왔다.
이들 결과는 탄소질 물질의 적절한 선택이 슬래그 발포에, 따라서 EAF 작동의 에너지 효율에 있어서 중요한 기능할 수 있었음을 나타냈다. 또한, 상기 결과를 통해서 본 발명자들은 탄소함유 폴리머가 EAF에 첨가될 수 있고, 연료로서 일부 연소되어 탄소질 물질의 잔류물을 생성하며, 이는 슬래그 발포 및/또는 산화철 환원 및/또는 가탄을 일으킬 수 있다는 것을 추측하였다.
실시예 3
본 발명자들은 이제 적어도 일부의 전통적인 탄소원(예, 코크스) 대신에 EAF 공정에 폐플라스틱을 추가하는 것에 대해 시험하였다. EAF에 대한 원료의 공급을 촉진하기 위해서, 다음의 원료들을 수집하였다.
원료
다음의 탄소질 물질, 플라스틱 및 슬래그를 사용하여 슬래그 발포의 비교 실험을 실시하였다.
탄소질 물질: 흑연; 코크스; 흑연 및 플라스틱 혼합물(1:1)에서 생성된 잔류 물(이 잔류물의 XRD 스펙트럼이 도 6에 제공된다). 1:1의 비율은 노에 따라서 달라질 수 있다.
플라스틱 물질: 플라스틱 폐기물로 대부분 구성되는 것으로 보여지는 선형 저밀도 폴리에틸렌(LLDPE)이 얻어졌다. 사용한 폴리에틸렌 시료의 입경은 100㎛ 이하였다.
슬래그 : 다음의 슬래그 조성(wt%)이 만들어졌다: 30.48% CaO; 11.72% MgO; 13.34 SiO2; 5.24% Al2O3; 33.33% Fe2O3; 5.24% MnO.
2.2x108Pa의 압력 하에 유압 가압에 의해서 탄소질 물질 분말의 기판을 만들었다. 공급되는 흑연 및 코크스 분말이 사용되었다. 흑연 및 플라스틱 혼합물의 제조 공정은 실시예 4에서 기술한다.
1650℃ 이상에서 보인 혼합비로 균질한 산화물 재료의 혼합물을 가열하고, 다음에 용융이 완료되고 약 30분 후에 용융물을 동(銅)금형에서 주조하여 슬래그를 만들었다.
장치
도 1의 수평 튜브로를 사용하여 액적 실험을 실시하였다. 세라믹 노 튜브의 치수는 내경이 Φ50mm이고 길이가 1000mm이었다. 알루미나 또는 흑연으로 만든 표본 홀더를 노의 커버를 통해서 튜브 내로 삽입하였다. 장치에 의해 샘플은, 특히 본 실시예에서는 1550℃의 원하는 온도까지 노가 가열되기 전에 노의 저온영역에서 유지되었다.
실험 절차
슬래그 발포를 조사하기 위해서, 수평 튜브 저항로에서 슬래그/탄소의 상호작용을 먼저 조사하였다. 원하는 온도(1550℃)가 얻어지고, 노의 고온영역에서 평형이 유지될 때까지, 슬래그/탄소 조립체를 노의 저온영역에서 유지하였다. 다음에, 조립체를 원하는 온도로 유지되는 고온영역 내로 삽입하였다. 이 절차는 저온영역에서 일어날 수 있는 임의의 반응 및 관심있는 온도에서 연구되는 현상에 대한 있을 수 있는 영향을 제거하였다. 노의 튜브는 실험이 지속되는 동안에 아르곤으로 세정하였다.
정밀한 제어 및 시각적으로 모니터하는 액적 기술을 이용하여 슬래그/탄소의 발포 속성을 연구하였다. 다시 IRIS 렌즈가 장착된 CCD 카메라를 사용하여 노 내에서의 생생한 인슈트 현상을 포착하였다. 다시 전체 공정을 시간의 함수로 기록하기 위해서 카메라로부터의 출력을 VCR 및 TV에 전송하였다. 시간의 경과에 따라서 슬래그와 탄소질 물질 간의 접촉을 디스플레이하는 화상이, 프레임 그레버를 이용하여 비디오테이프로부터 컴퓨터로 시간의 함수로서 포착되었다. 다시 시간 날짜 발생기를 사용하여 공정의 지속시간을 디스플레이하였다. 컴퓨터 소프트웨어는 곡선적합 실행을 토대로, 포착한 화상으로부터 체적을 결정하였다.
슬래그 분말(약 0.20g)을 표본 홀더 상에 유지된 탄소질 물질의 기판 상에 놓았다. 일단 원하는 노의 온도에 도달하자, 표본 홀더를 노의 저온영역에서 고온영역으로 밀어 실험을 개시하였다. 전체 반응 공정은 CCD 카메라로 모니터하고 비디오 테이프를 이용하여 기록하였다. 시료 체적을 계산하고 위해 추가로 화상을 분 석하였다. 실험을 통해서, 불활성기체인 아르곤이 1 l/min의 유량으로 흘러들어갔다. 반응속도를 평가하는데 사용할 수 있는 CO 및 CO2 함량을 얻기 위해서 배출가스(off-gas)를 IR 분석기에 통과시켰다.
실험 결과
슬래그 내의 산화철과; 흑연, 흑연/플라스틱 잔류물 혼합체, 및 코크스 같은 탄소질 물질 간의 반응에 의해 야기된 슬래그 발포 속성을 조사하기 위해 실험을 실시하였다. 대표적인 화상이 도 4a 내지 도 4c에 도시되어 있다.
가장 활발한 슬래그 발포를 만들기 위해 흑연과 슬래그 간의 반응을 관찰하였다. 형성된 슬래그의 드롭 체적은 도 4a에 명확히 도시한 바와 같이 가장 컸다.
50% 흑연/50% 플라스틱 혼합물의 반응 동안에, 슬래그 드롭으로부터 거품이 방출되었다. 흑연/플라스틱 혼합물의 경우에 슬래그 발포 현상의 발생은, 도 4b에 도시한 바와 같은 고온 시각화 화상을 토대로, 그리고 산화철의 환원을 나타내는 배출가스 내에서 CO의 생성을 토대로 확립되었다. 이것은 플라스틱이 EAF에 첨가되어, 연료로서 연소될 수 있고, 탄소질 잔류물이 슬래그 발포 및/또는 산화철 환원 및/또는 가탄 효과를 가져올 수 있음을 나타내었다.
실시예 4
흑연/플라스틱 혼합물의 제조 공정
드롭 튜브로(drop tube furnace, DTF)를 이용하여 플라스틱 흑연 혼합물의 고온 기상 반응을 실시하였다. 드롭 튜브로는 도 5에 대략적으로 도시되어 있다.
DTF에서 실시된 각 시험은 1200℃에서 끝났고, 일단 노가 이 작동온도에 도달하자, 산소 및 질소기체를 원하는 유량으로 노 내에 도입하였다. 기체의 유량 및 조성은 자동 유량 컨트롤러를 이용하여 이들 실험 동안에 제어하였다. 과열 및 노의 반응 영역에서 산소 및 주입한 연료 물질의 상호작용 전에 반응의 발생을 막기 위해서, 각 테스트 동안에 노 주입기를 통해서 냉각수를 순환시켰다. 또한, 각 실험 동안에 생성된 미연소탄을 유지하기 위해서 수집기를 사용하였다.
건조물질 공급기를 이용하여 수냉식 공급기 프로브를 통해서 실험 반응기 내로 플라스틱 흑연 혼합물을 도입하였다. 반응 영역 내로 플라스틱 및 흑연 고체 반응물을 운반하기 위해서 산소 및 질소의 혼합물을 사용하였다. 실험의 상세는 다음의 표 1과 같다.
[표 1]
온도(℃) 1200
총 기체 유량(L/min) 1.0
공급률(g/hr) 10.0
입자 잔류시간(초) ~1-2
기체 순도(%) N2=99.5
O2=99.0
기체 조성 24% O2, 나머지
흑연 입경 <100μm
플라스틱 입경 <100μm
이 실험은 EAF에서 실험을 행할 수 있는 작동 조건하에서, 플라스틱은 EAF로 방출되어, 연료로서 연소되고, 슬래그 발포, 산화철 환원 및 용융철의 가탄을 가져오는데 유용한 탄소질 잔류물을 생성할 수 있음을 나타내었다.
실시예 5
슬래그와 탄소질 금속 간의 반응을 수반하는 EAF 슬래그 발포 현상
실제 EAF 슬래그 시료, 보다 상세하게는 불활성 아르곤 분위기 하에서 슬래그와 탄소질 기판 간의 반응 동안 슬래그 발포 현상을 연구하기 위한 실험을 실시하였다. 슬래그 조성은 다음과 같았다: 27.0% CaO; 40.3% FeO; 7.9% Al2O3; 8.8% MgO; 10.9% SiO2; 4.8% MnO. 슬래그의 염기도는 2.5(% CaO/% SiO2)이었다. 실험을 위해서 3개의 탄소질 물질을 선택하였다. 이들 물질은 순수 흑연; 1:1의 혼합비를 갖는 흑연 및 플라스틱 혼합물로부터의 탄소질 잔류물; 및 공업용 코크스였다. 1:1의 비율은 다른 EAF에 대해서는 달라질 수 있다. 약 0.075g의 슬래그를 각 실험에서 사용하였다. 온도는 1550℃로 설정하였다.
도 6은 드롭 튜브로(DTF)에서 반응한 후에 50% 플라스틱과 50% 흑연 혼합물에서 생성된 잔류물의 XRD 스펙트럼을 나타낸다. 플라스틱 및 흑연의 피크를 분명히 볼 수 있다.
슬래그/탄소 발포 현상은 CCD 카메라를 이용하여 기록하였다. 도 7은 약 200초의 시간에 다양한 탄소질 기판과 반응하여 발포된 슬래그 드롭의 대표적인 화상을 나타낸다. 슬래그 발포는 흑연 기판과 반응하는 경우에 가장 활발하였다. 비록 슬래그와 코크스 간의 반응 및 플라스틱과 흑연 혼합물의 반응이 활발하지는 않았으나, 결과는 플라스틱이 슬래그 발포제 및 EAF 슬래그와의 환원제 모두로서 작용할 수 있음을 나타냈다.
IR 분석기를 이용하여 DTF 배출가스 내의 CO 및 CO2 함량을 분석하였다. 결과는 다음의 도 8, 9 및 10에 도시되어 있다. 흑연 기판의 경우, CO 및 CO2 배출가스 함량은 다른 경우보다 단지 약간 컸다. 이것은 산화철의 환원이 3개의 모든 탄소질 물질에서 일어나고, 3개는 모두 슬래그 발포에 기여하였다는 것을 의미한다.
또한, 실시예 5의 결과는, 공업용 슬래그와 연구실 제조 슬래그 간의 조성 차이에도 불구하고, 상술한 실시예의 결과와 일치한다.
실시예 6
EAF 또는 다른 비송풍식(non-blast type) 노에서 연료로서 폐플라스틱의 적합성을 조사하기 위해 폐플라스틱의 연소효율을 조사하였다. 연소효율은 실시예 4에서와 동일한 조건을 이용하고, 도 5의 드롭 튜브로(DTF)를 사용해서 평가하였다. 시료 내의 %C는 각 시험 실행 전 및 후(즉, 각 시료가 DTF를 통과한 후)에 결정하였다. 탄소 함량의 결정을 위해서 LECO 탄소 함량 분석기를 사용하였다.
각 시료는 0 wt%에서 시작하여 50 wt%까지 이르는, 분말화된 코크스와 혼합된 분말화된 다양한 폐플라스틱의 수준을 포함하였다. 결과는 다음의 표 2에 나타낸다.
[표 2]
코크스를 갖는 플라스틱 wt% 시험 전의 C wt% 시험 후의 C wt% 연소효율(%)
0 80.43 80.39 0.25
20 82.376 80.921 9.26
30 82.79 81.736 6.97
40 83.723 82.27 9.79
50 84.372 83.145 8.63
표 2는 결과로 얻은 연소효율(마지막 열)을 나타내고, 원료 C wt%분석도 나타낸다. C wt%에서의 감소는 일산화탄소 및 이산화가스를 생성하는 탄소 반응(연소)의 결과에 따른 것이다.
결과는 코크스의 연소효율이 매우 빈약하였으나, 폐플라스틱이 코크스와 혼합된 경우에 연소효율이 증가되었음을 보인다. 또한, 연소 후에 남겨진 잔류물은 EAF 또는 다른 비송풍식 노에서 다른 반응에 관여한다.
실시예 7
철합금 제조에서 가탄제로서 폐플라스틱의 역할을 조사하기 위해서, 도 11에 개략적으로 도시한 바와 같은 실험실 규모 환원로에서 탄소질 잔류물의 탄소 용해를 조사하였다.
1550℃의 융융철욕 온도를 달성하기 위해서(EAF 작동 온도를 실험하기 위해서), 노의 온도를 제어하였다. 이와 관련해서, 과열을 막고 대체로 일정한 욕온도를 유지하기 위해서, 절차의 진행동안 노 둘레로 "재킷" 열교환기를 통해서 냉각수를 순환시켰다. N2가스 주입을 통해서 용융욕 상에 질소 분위기가 생성되었다.
폐플라스틱의 분말이 노 내로 직접 공급되었고, 분말은 용융철욕 상에 공급되었다. 이 플라스틱은 연소되어 탄소질 잔류물을 생성하였고, 잔류물은 가탄제로 서 기능할 수 있었다. 다른 예로서, 가령 도 5의 드롭 튜브로로부터의 폐플라스틱은 용융철욕 상에 도입할 수 있다.
침탄제 커버 방법은 탄소 용해를 연구하는데 사용한 표준 접근이었다. 이점에 관해서, 탄소질 물질은 실제로 금속욕의 상부에 안착되어 침탄제 커버를 형성하였다. 이것은 실험 절차에 있어서, 폐플라스틱 물질이 금속욕의 상부로 공급되기 때문이다. 금속 시료의 제거 동안 석영 시료 튜브와 함께 욕의 온도를 측정하여 시간의 경과에 따라서 탄소 용해를 점진적으로 측정하기 위한 열전대는 침탄제 커버를 통해 연장되었다. 다음에 LECO 탄소 함량 분석기를 사용하여 추출한 금속 시료의 탄소함량을 분석하였다.
탄소 용해의 결과는 도 12에 나타나 있다. 도 12에서, 초기에(시간=0) 욕은 1.67 중량%로 탄소 함량을 용해하였음을 알 수 있다. 다음에, 플라스틱을 첨가하였고 용해된 탄소 함량은 2.97%까지 증가하였으며, 약 3% 수준에서 평등하게 되었다. 시간=25분에서, 추가로 플라스틱 잔류물을 욕에 첨가하여, T=30분에 용해된 탄소 함량이 3.89%로 증가했다.
이 실험은 플라스틱 잔류물을 유효 가탄제로서 사용할 수 있고, 용해된 탄소의 점진적인 증가 수준이 플라스틱 잔류물의 점진적인 도입으로 달성될 수 있음을 보였다. EAF 또는 다른 비송풍식 노에서, 가탄을 위한 잔류물은 전형적으로 폐플라스틱 자체의 노 내로의 도입에 의해서 생성되고, 연소되어 탄소질 잔류물의 생성을 허용하며, 이어서 용융 금속욕으로의 그의 혼합을 촉진하고 이것이 시간의 경과에 따라 원하는 수준까지 탄소 함량을 증가시키도록 허용한다. 폐플라스틱은 무연탄 및 흑연 같은 보다 고가의 가탄제로 대체할 수 있다.
실시예 9
코크스/플라스틱 혼합물의 연소효율
코크스 및 플라스틱과의 이것의 혼합물(50 wt%까지)은 20% O2를 함유하는 산화 분위기 하에 1200℃의 온도로 DTF에서 연소되었다. 공급률은 약 0.0278 g/s였다. 탄소질 잔류물이 집적되었고 그들의 탄소 함량을 측정하였다. DTF에서의 연소 동안 그을음의 손실은 무시할 수 있는 것으로 가정하였고, 연소효율 η는 수학식 1로 계산하였다.
[수학식 1]
Figure 112007022612431-pct00001
여기서, A0 및 Ai는 연소 전후의 그을음 함량이고, C0 및 Ci는 각각 DTF 내에서의 연소 전후의 탄소함량을 각각 나타낸다. 코크스/플라스틱 혼합물의 연소효율에 대한 실험 결과는 도 14에 도시되어 있다. 연소효율의 큰 변화로 인해 y축을 따라서 대수자(logarithmic scale)를 사용하였다.
코크스/플라스틱 혼합물에 대한 본 실시예의 전체 연소효율은 코크스 단독의 연소효율의 거의 40배, 즉 코크스 0.25에 대해 코크스 플라스틱 혼합물 ~10으로 관찰하였다. 코크스/플라스틱 혼합물의 보다 높은 연소효율은 어느 정도까지, 플라스틱의 연소 동안 휘발성 물질의 많은 방출을 가져올 수 있다. 코크스 및 플라스틱의 혼합물이 일반적으로 코크스 보다는 더 높은 연소효율을 갖지만, 혼합비의 효과에 대해 잘 규정된 경향을 관찰하지는 못했다. 그러나, 연소효율에서의 퇴화는 플라스틱 성분의 증가에 따라 관찰되었다.
실시예 10
탄소질 잔류물 상에 슬래그 발포
DTF에서의 연소 후에 코크스 및 플라스틱 혼합물로부터의 탄소질 잔류물은 9톤/㎠ 하중 하에 다이를 통과하였고 슬래그 발포 실험을 위한 기판으로 사용하였다. 원하는 온도에 도달한 후, 슬래그는 융융되기 시작하였고, 플래그 내에 존재하는 산화철은 탄소질 기판과 반응을 시작하여 CO 및 CO2 가스 및 철합금을 방출하였다. 슬래그 상을 통한 CO 및 CO2 가스의 방출은 슬래그 발포를 가져온다. 반응 공정은 CCD 카메라를 이용하여 모니터하였고, 추가적인 화상분석을 위해서 DVD 디스크에 기록하였다. 도 15는 30% 플라스틱+70% 코크스의 슬래그 및 플라스틱 혼합물 간의 반응에 대한 대표적인 화상을 나타낸다. 슬래그가 용융된 후에, 슬래그 위에서 기체 거품이 곧바로 관찰되었다. 슬래그 방울이 기판 둘레에 활발하게 감기는 것은 슬래그 거품의 생성 및 파열로 인한 것이다. 약 600초 후에, 슬래그 방울은 가스 발생의 큰 감소에 따라 점차로 가라앉았다.
또한, 슬래그와 코크스/플라스틱 기판 간의 반응 동안에, 슬래그 내의 FeO와 기판 내의 C가 반응하여 CO 및 CO2 가스를 생성하였다. 이들 가스의 농도는 IR 분광 계를 이용하여 배출가스 혼합물 내에서 측정된다.
결과로 얻은 대표적인 CO 및 CO2 가스 함량은 도 16에 도시되어 있다. CO 및 CO2 가스 함량 모두는 최대값까지 가파르게 증가되고, 거의 300초 동안에 안정화된 다음, 반응시간에 따라서 감소되었음을 알 수 있다. CO에 비해 훨씬 적은 CO2 가스가 배출가스 중에서 검출되었다. 배출가스 분석으로부터 얻은 방출된 CO 및 CO2 가스의 체적은 다음에, 표준 기체방정식을 이용하여 몰(mole)수로 변환하였다. 제거된 산소의 몰수는 도 17에 도시한 바와 같이 슬래그와 탄소질 혼합물 간의 환원반응의 반응속도를 반영하였다.
결과는 코크스와 슬래그의 환원반응이 플라스틱-코크스 혼합물과의 상응하는 반응보다 더 빨랐고, 이는 방출된 가스의 체적이 더 컸음을 나타낸다. 이들 가스는 슬래그 발포를 일으키도록 하여 슬래그 방울의 체적 변화를 가져오도록 한다.
슬래그 방울에 유지된 가스는 다음에, Vt/to식으로 측정되며, 여기서 Vt는 시간 t에서 슬래그 방울의 체적이고 Vo는 초기 체적이다. 도 18은 코크스와 30% 플라스틱+70% 코크스 혼합물에 대한 Vt/to를 시간의 함수로 나타낸 그래프이다. 결과는 코크스와 비교해서 30% 플라스틱+70% 코크스 혼합물에 대해서 보다 높은 수준의 슬래그 발포가 관찰되었음을 보여준다. 방울은 코크스/플라스틱 혼합물의 경우에 크기가 보다 크게 성장하였고, 이 크기의 증가는 코크스와 비교해서 상기 플라스틱 혼합물에 대해 보다 오랜 기간 동안 지속되었다. 대개, 이것은 플라스틱 혼합물과 슬래그 (도 17) 간의 오히려 느린 반응속도로 인해서 가스 방출의 속도 저하를 가져오고, 따라서 보다 작은 방울 및 보다 오랜 기간에 걸친 거품의 지속을 가져올 수 있다. 코크스에 대해서, 거품 성장은 슬래그 방울에서 방출되는 가스 수준이 높아짐에 따라 빨라졌다.
코크스와 코크스/플라스틱 혼합물의 범위에 대한 실시예 9와 10의 조사는 추가로, EAF 스틸제조에서 폐플라스틱의 활용에 대한 이용가능성을 보여주였다. 코크스/플라스틱 혼합물은 순수한 코크스보다 더 우수한 연소를 보였다. 코크스/플라스틱 혼합물의 슬래그 발포 특성은 순수한 코크스보다 우수한 것을 알아냈다. 슬래그 방울은 체적이 더욱 크게 증가하였고, 체적 변화는 보다 오랜 시간 동안 지속되었다. 이 결과 역시, 코크스를 코크스/플라스틱 혼합물로 부분적으로 대체하면 탄소 연소를 향상시킬 수 있음을 나타낸다.
실시예 11
실시예 3에서 기술한 바 및 도 4에 도시한 바와 유사한 실험절차에 있어서, 50% 코크스/50% 플라스틱/슬래그 시스템의 발포특성을 조사하였다. 이 경우에, 플라스틱은 100㎛ 이하의 입경을 갖는 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)이었다. 슬래그는 실시예 5에서 사용한 것과 유사하였고, 0.078그램 및 0.092그램의 슬래그를 2개의 시스템에서 각각 사용하였다. 실험은 상이한 시간에 실행하였으며, 따라서 슬래그의 중량은 정확하게 동일하지 않다. 그러나, 이 중량의 차이는 실험 결과에 영향을 주지 않는다.
도 13a 및 13b는 0, 30, 45, 60, 90, 150, 210 및 300초의 시간 주기로 2개의 시스템에 대한 방울 발포 속성을 대등하게 비교한 것을 도시한다. 코크스/플라스틱/슬래그 시스템은 코크스/슬래그 시스템에 비해서 상대적으로 더욱 빠른 발포 특성을 가진다는 것을 알 수 있다.
다시 말해서, HDPE 같은 플라스틱 역시 EAF나 다른 비송풍식 노에 대해서 향상된 슬래그 발포 특성을 제공할 수 있으며, 많은 다른 플라스틱은 유사한 향상된 성능을 제공할 수 있음을 가리킨다.
실시예 12
본 발명자는 합금철의 제조에서, 및 비송풍식 노에서 가연성 연료로서의 플라스틱의 재사용을 위한 상기 플라스틱의 적합성을 나타내는 지표를 생각해내고 이를 제안하였다. 이 지표는 플라스틱에 대한 그린 인덱스(Green Index)(또는 "GIP" 인덱스)라고 부른다. 본 발명자는 상기 지표 역시 플라스틱의 재이용성과 관련하여 일반적인 의미로서 사용하면서도, 여전히 GIP 인덱스로 알려질 수 있으리라고 생각한다.
이러한 방식에 있어서, 메카니즘은 일반 대중들이 가령, 스틸제조와 같은 철합금의 제조에서 플라스틱이 재생되는 능력의 인식을 통해서 확립할 수 있다. 본 발명자는 플라스틱 유형의 식별에 사용된 현재의 시스템이 플라스틱의 재이용성에 관한 정보를 제공하고 있지 않음을 주목하였다. 현재의 시스템은 단순히 플라스틱의 유형(가령, PET에 대해서는 번호 1 등)에 과한 정보를 제공한다.
마지막으로, 본 발명자는 다음에 GIP 인덱스가 연관된 GIPS 인덱스의 발전에 의해서 확립될 수 있을 것이라고 추측하였다. 여기서, "S"는 스틸제조에서 사용하기 위한 플라스틱의 적합성을 나타낸다.
일반적으로, 실험들은 또한, 스틸보다는 철합금의 제조를 위해서, 그리고, EAF를 이용함으로써, 덩어리지지 않은 플라스틱을 노 내에 충전할 수 있고, 연료로서 연소될 수 있고, 슬래그 발포에 유용한 탄소질 잔류물을 형성할 수 있으며, 산화철의 환원 및 용융금속(예를 들어 철)의 가탄을 가져올 수 있음을 보였다.
또한, 실험들은 재연소로 등을 위해서, 가령, 천연가스 같은 다른 연료에 대한 보충재로서 덩어리지지 않은 플라스틱을 노 내에 충전할 수 있으며, 여전히 연료로서 연소될 수 있음을 보였다. 이것은 특히, 스틸 형성 동작에서 재연소로 같은 노에서 사용된 높은 온도(1000℃ 이상)에서 그러하다.
따라서, 사회에서 폐플라스틱의 상당량을 사용 및 연소하기 위한 유효한 수단이 제공된다.
다수의 특정한 실시예들을 기술하였으나, 철합금을 제조하는 방법은 많은 형태로 실시할 수 있음을 이해하여야 한다.
본 발명의 방법에 의하면, 신규 첨가제를 사용하여 전기 아크로(EAF)에서 합금철(가령, 스틸)을 제조할 수 있다.

Claims (26)

  1. 철합금용 공급원료를 노에 충전하고;
    노 내의 공급원료를 가열하여 용융상태로 만들어 합금/공급원료의 용융면 상에 용융 슬래그를 형성하고; 그리고
    폐폴리머 형태인 덩어리지지않은 탄소 함유 폴리머를 상기 용융 슬래그에 주입시켜 슬래그가 발포하도록 하여 상기 덩어리지지않은 탄소 함유 폴리머가 슬래그 발포 전구체로 기능하여
    (i) 탄소에 의해 상기 슬래그 내에서의 산화철을 환원시키고, (ii) 상기 탄소 함유 폴리머로부터 탄소를 산화시켜 CO 가스를 발생시킴으로서 초기 슬래그의 체적은 증가하고, 상기 증가된 체적은 지속되는 것을 특징으로 하는,
    전기 아크로에서 철합금의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 덩어리지지 않은 탄소함유 폴리머가 주입되어, 노 내에서 연소되고 용융 합금/공급원료에 열에너지를 방출하여 슬래그를 발포시키는 물질을 생성하는, 전기 아크로에서 철합금의 제조방법.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 슬래그의 발포에 추가해서:
    상기 덩어리지지 않은 탄소함유 폴리머가 슬래그 내에 각 산화철의 화학적 환원을 일으켜서 철합금을 생성하고; 또는
    결과로 얻은 철 및 탄소의 합금을 가탄하는, 전기 아크로에서 철합금의 제조방법.
  4. 제 1항 내지 제 3항중 어느 한 항에 있어서, 추가적인 탄소원을 아크로에 주입하는 단계를 더 포함하는, 전기 아크로에서 철합금의 제조방법.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 추가적인 탄소원은 석탄, 코크스, 탄소 숯, 목탄 또는 흑연인, 전기 아크로에서 철합금의 제조방법.
  6. 제 4항에 있어서, 상기 덩어리지지 않은 탄소 함유 폴리머와 추가적인 탄소원은 1:1의 중량비로 아크로 내에 충전되는, 전기 아크로에서 철합금의 제조방법.
  7. 제 1항 내지 제 3항중 어느 한 항에 있어서, 상기 덩어리지지 않은 탄소함유 폴리머는 폐플라스틱인, 전기 아크로에서 철합금의 제조방법.
  8. 제 1항 내지 제 3항중 어느 한 항에 있어서, 상기 탄소함유 폴리머는 원자 C, H 및 선택적으로 O만을 포함하는, 전기 아크로에서 철합금의 제조방법.
  9. 제 1항 내지 제 3항중 어느 한 항에 있어서, 상기 덩어리지지 않은 탄소함유 폴리머는 폴리머 입자의 형태로 노 내에 충전되는, 전기 아크로에서 철합금의 제조방법.
  10. 제 1항 내지 제 3항중 어느 한 항에 있어서, 상기 제조된 철합금은 스틸인, 전기 아크로에서 철합금의 제조방법.
  11. 전기 아크로 내의 철합금 제조에 있어서, 폐폴리머 형태인 덩어리지지않은 탄소 함유 폴리머를 전기 아크로에 주입하여 슬래그 발포제로서 이용하는 것을 특징으로 하는 덩어리지지 않은 탄소함유 폴리머의 이용방법.
  12. 제 11항에 있어서, 철합금의 제조는 제 1항 내지 제 3항의 어느 한 항에 기재된 방법에 의해서 이루어지는, 덩어리지지 않은 탄소함유 폴리머의 이용방법.
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