KR101388063B1 - 전기로에서의 슬래그 포밍 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전로 조업 시 발생하는 가스를 재활용하여 전기로에서의 슬래그 포밍을 수행하는 방법에 관한 것으로, 전기로 조업 중 적정 슬래그 성분을 얻기 위한 부원료를 용강 내로 장입하고 산소를 취입하여 용강을 취련하는 단계 및 상기에서 취련하여 생성된 용강 상단의 슬래그 내로, 제강 공정 중 전로 조업시 발생되는 전로가스(LDG가스)를 취입하여 슬래그 포밍하는 단계를 포함하는 전기로에서의 슬래그 포밍 방법을 제공한다.

Description

전기로에서의 슬래그 포밍 방법{METHOD FOR FOAMING SLAG IN ELECTRIC FURNACE}

본 발명은 전기로에서의 슬래그 포밍방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전로 조업 시 발생하는 가스를 재활용하여 전기로에서의 슬래그 포밍을 수행하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로 전기로를 이용한 제강 공정에서는, 전기로 내에는 고철 또는 스크랩(Scrap)이 장입되고 전극봉에 전류가 인가됨에 따라 스크랩에 대한 용해가 이루어진다.

스크랩을 용해하면서, 탈산, 탈황 및 탈류를 하기 위해서, 부원료(Fe-Si, CaCO₃, CaO, MO-Oxide) 등을 전기로의 내부로 투입하여 불순물을 제거하고 있다. 전기로에서 출강되는 용강은 래들(Ladle)에 수강되어서 정련을 위한 곳으로 옮겨진다. 정련은 상기 용강을 승온한 후에 성분을 조정하는 것이다.

이와 같은 전기로 정련 시 용강의 성분 조정을 위해 용강 내로 부원료(생석회, 돌로마이트 등)을 투입하면서 랜스로 산소를 취입하여 용강 내 불순물을 산화시켜 제거하여 슬래그로 불순물을 이동시킨다. 정련 시 슬래그 성분 및 포밍 상태를 적절한 수준으로 제어하여 조업 중 노체를 보호하면서도 용강 성분이 목표하는 성분 범위로 제어될 수 있도록 한다.

이처럼 정련된 용강은 연속주조기로 옮겨져서 요구되는 형태로 주조된다. 이렇게 형성된 주조물은, 압연을 통하여 최종적으로 요구되는 형태로 제조된다.

관련 선행기술로는 한국등록특허 제0340572호(등록일: 2002. 5. 31. 명칭:직류 전기로에서의 슬래그 포밍 방법)가 있다.

본 발명은 제강 공정 중 발생하는 폐가스를 재활용할 수 있는 전기로에서의 슬래그 포밍 방법을 제공하기 위한 것이다. 또한, 본 발명은 슬래그 포밍재로 분탄을 사용하지 않아 용강 내 탄소함량을 효과적으로 제어할 수 있는 전기로에서의 슬래그 포밍 방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않는다.

상기 과제를 달성하기 위한 본 발명의 전기로에서의 슬래그 포밍 방법은, 전기로 조업 중 적정 슬래그 성분을 얻기 위한 부원료를 용강 내로 장입하고 산소를 취입하여 용강을 취련하는 단계 및 상기에서 취련하여 생성된 용강 상단의 슬래그 내로, 제강 공정 중 전로 조업시 발생되는 전로가스(LDG가스)를 취입하여 슬래그 포밍하는 단계를 포함할 수 있다.

구체적으로, 상기 전로가스는, 중량%로, 일산화탄소(CO) 50~65%, 질소(N₂) 17~30%, 이산화탄소(CO₂) 10~20%, 수소(H₂) 1.0~2.5%, 산소(O₂) 0.01~0.05% 및 기타 불가피한 불순물로 이루어질 수 있다.

상기 전로가스는 상기 저탄소강(C: 0.1중량%이하) 생산시 사용될 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 제강 공정 중 발생하는 유독한 폐가스를 재활용할 수 있어 작업 환경을 개선하고 폐자원을 유효자원화 할 수 있다.

또한, 본 발명은 전기로에서 분탄을 사용하지 않으면서도 용강 내 탄소함량을 효과적으로 제어함으로써 품질이 우수한 저탄소강을 용이하게 제조할 수 있도록 한다.

도 1은 본 발명과 관련된 전기로 정련 과정을 개략적으로 나타낸 그림이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전기로에서의 슬래그 포밍 방법을 순서에 따라 도시한 순서도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 도면들 중 동일한 구성요소들은 가능한 어느 곳에서든지 동일한 부호로 표시한다. 또한 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.

일반적으로 전기로 조업은 전회 조업한 전기로를 보수한 후 새로 스크랩을 장입하여 용해하고 정련하고 출강하는 순서에 따라 수행된다. 스크랩의 용해에 있어 열원으로는 전기로 내로 장입되는 전극(아크봉)과 로벽에 설치된 버너이다. 이와같은 열원에 의하여 스크랩이 용해되어 용강이 되면 용강의 성분을 목표하는 범위로 제어하기 위하여 정련을 실시한다.

정련 조업은 도 1에 도시한 바와 같이, 대략 3단계로 나누어 실시될 수 있으며, 1단계로는 스크랩을 열원에 이해 용해하여 제조된 용강 내로 랜스를 삽입하고, 랜스를 통해 산소를 취입하는 산소 취련을 실시한다. 이때 용강 내로 산소를 취입하면서 용강 상단에서 부원료는 투입하여 용강 내에서 제거한 불순물을 포함하는 슬래그가 제조된다.

정련 1단계에서는 하기 반응식 1과 같이 용강 내의 탄소와 취입되는 산소가 반응하여 일산화탄소(CO) 가스가 생성된다.

반응식 1

C + 1/2O → CO(gas↑)

이처럼 슬래그 제조 이후에는 정련 2단계로 용강 상단에 형성된 슬래그 내로 랜스를 삽입하고, 랜스를 통해 산소와 분탄을 취입하여 과산화된 슬래그 내의 산화철(FeO)를 환원시켜 다시 용강 내 Fe 함량을 증가시킨다.

정련 2단계에서 슬래그 내로 산소와 분탄을 취입하면 하기 반응식 2에 의하여 FeO가 환원되어 생성된 Fe가 다시 용강 내로 흡수된다.

반응식 2

FeO + C(분탄) → Fe + CO(gas↑)

이와 같이 정련 2단계를 통해 슬래그 내 FeO 환원을 실시한 후, 마지막으로 2단계에서 슬래그 내로 취입된 분탄(C) 중 슬래그 내에서 산소와 반응하지 않고 미반응하여 잔류하는 분탄을 산화시켜 CO가스 버블을 슬래그 내에 발생시키는 슬래그 포밍을 실시하는 정련 3단계 과정을 실시한다.

정련 3단계에서도 하기 반응식 3과 같이 슬래그 내 탄소와 취입되는 산소가 반응하여 일산화탄소(CO) 가스가 생성된다.

반응식 3

C + 1/2O → CO(gas↑)

또한, 이때 계속하여 산소를 취입하므로 하기 반응식 4와 같이 일산화탄소와 산소가 반응하여 이산화탄소를 생성하는 2차 연소에 의해 전기로 내에 추가 열원이 공급될 수 있다.

반응식 4

C + 1/2O₂ → CO₂(gas↑,발열)

이와 같이 3단계에 걸친 정련 과정에서 생성된 일산화탄소 가스 버블은 슬래그 내에 형성되는데 이를 슬래그 포밍이라 한다.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전기로에서의 슬래그 포밍 방법을 순서에 따라 나타낸 순서도이다. 이를 참조하면, 본 발명에서는 먼저 스크랩을 용해하여 용강으로 제조하는 전기로 조업 중 적정 슬래그 성분을 얻기 위해 상술한 정련 1단계에서 부원료를 용강으로 투입하면서 랜스를 통해 용강 내로 산소를 취입한다(S10). 물론 이때 전극봉에 의해 아크에 의해 스크랩의 승온을 계속할 수 있다. 이처럼 용강 내 부원료와 산소취입을 통해 취련을 실시하면 용강 내 불순물(예를 들어, P, S, Si 등)은 산소에 의해 산화되어 슬래그로 이동한다.

이같이 전기로 정련 시 슬래그 포밍을 발생시켜 슬래그층의 제어를 실시하게 되는데, 슬래그 포밍의 목적은 전기로 내의 전극봉에서 발생되는 아크 전압을 증대시켜 전극봉에서 용강으로 전달되는 전력 효율을 향상시키고, 슬래그 포밍에 의해 두꺼워진 슬래그층은 노벽으로 향하는 아크 복사열을 효과적으로 포집하여 용강에 전달하여 전기로 내 열효율을 향상시키기 위해 실시된다. 또한, 형성된 슬래그층에 의하여 전극봉에서 발생하는 복사열과 화염으로부터 노벽을 보호하고, 슬래그 포밍에 의해 아크 발생으로 인한 질소의 분해를 억제함과 동시에 용강이 대기 중에 노출되는 것을 방지하기 위하여 실시되는 것이다.

정련 1단계를 통하여 용강 성분을 일정 수준 제어한 후, 용강 상단에 발생된 슬래그 내로 랜스를 삽입하여 산소와 가스형 슬래그 포밍재를 동시 취입한다(S20).

도 1에 도시한 일반적인 전기로 정련 2단계에서는 슬래그 포밍재로 탄소 성분의 분탄을 슬래그 내로 취입하여 슬래그 포밍을 발생시키면서 슬래그내 산화철(FeO)를 환원하여 용강 내 Fe 함량을 증가시킨다. 그러나, 이때 취입되는 분탄은 분코크스, 흑연, 코크스, 무연탄분 등이 사용될 수 있는데, 조업 시 분탄이 날려 분산되면서 용강 내 투입 효율이 떨어질 수 있다. 뿐만 아니라, 분탄 사용 시 가장 큰 문제점은 특히 저탄소강을 생산 시, 분탄 취입량이 과다하면 슬래그 내에서 분탄의 탄소(C) 성분이 FeO와 모두 반응하지 않고 미반응되어 잔류하다가 용강 내로 다시 흡수되어 용강 내 탄소 함량을 상승시키는 것이다.

이같은 미반응 분탄으로 인해 저탄소강 생산이 불가능해지는 경우가 발생하거나 용강 내 탄소 함량을 일정 수준으로 저감시키기 위해 별도의 탈가스 공정이 수행되어야 하는 문제점이 발생하기 때문에, 본 발명에서는 가스형 슬래그 포밍재를 취입하여 이러한 문제를 해결하고자 한다.

본 발명에 사용되는 가스형 슬래그 포밍재는 중량%로, 일산화탄소(CO) 50~65%, 질소(N₂) 17~30%, 이산화탄소(CO₂) 10~20%, 수소(H₂) 1.0~2.5%, 산소(O₂) 0.01~0.05% 및 기타 불가피한 불순물로 이루어진다.

본 발명의 가스형 슬래그 포밍재 내의 일산화탄소가 50중량% 미만이면 슬래그 포밍 효과 및 슬래그내 FeO 환원 효율이 떨어지고, 65중량%를 초과하면 슬래그 포밍재 자체가 과다하게 유독하여 조업 중 사용자의 위험이 발생율이 올라갈 수 있다.

이를 제외한 성분은 상기 범위에서 함유될 수 있으나, 이를 어느 정도 벗어나는 경우라 하더라도 큰 문제를 발생시키지는 않으므로 적정 범위 내에서 조절이 가능하다.

가스형 슬래그 포밍재는 전기로 정련 시(구체적으로 정련 2단계) 랜스를 통해 슬래그 내로 투입되는 것으로서, 일반적인 전기로 정련 2단계 및 정련 3단계에서 산소와 분탄(C)의 동시 투입에 의한 반응식 2와 같은 FeO의 환원 및 반응식 4와 같은 슬래그 내 2차 연소작용을 동시에 가능하도록 한다.

구체적으로, 본 발명의 가스형 슬래그 포밍재는 일산화탄소를 50~65중량% 함유하고 있기 때문에 전기로 정련 2~3단계에서 취입되는 C성분과 O성분을 동시 취입하는 효과를 나타낼 수 있다. 가스형 슬래그 포밍재에 함유된 일산화탄소(CO)는 슬래그 내로 취입되면서 FeO와 반응하여 FeO를 Fe로 환원시키고 이산화탄소를 생성하여 2차 연소에 의한 추가발열을 동시에 수행하게 되는 것이다.

특히 본 발명에 사용되는 가스형 슬래그 포밍재는 제강 공정 중 전로 조업 시 발생되는 전로 가스(LDG가스)일 수 있다. LDG가스는 전로 제강 중 발생하며 이 중 일부는 COG 가스와 혼합하여 화력발전에 사용하기도 한다. 그러나 많은 양의 LDG 가스는 유독 물질로 분류되어 연소시켜 폐기하게 된다. 따라서, 환경적으로도 좋지 않은 영향을 미칠 수 있는 이러한 폐가스를 본 발명에 의해 전기로 조업에 재활용함으로써 폐자원을 유효자원화 할 수 있는 장점이 있다.

특히 본 발명에서 가스형 슬래그 포밍재를 사용하여 얻을 수 있는 장점은 용강 내 탄소(C) 함량의 증가를 방지할 수 있는 것이다. 상세하게 설명하면, 가스형 슬래그 포밍재 내의 일산화탄소 등의 가스 성분 농도가 어느 정도 균일하기 때문에 슬래그 내의 FeO와 모두 반응할 수 있는 정도의 일산화탄소(CO)량을 가지는 가스형 슬래그 포밍재의 양을 계산하여 취입하게 되면, 분탄 취입 시 미반응된 분탄에 의한 용강 내 탄소 함량 증가를 최소화할 수 있게 되는 것이다.

따라서, 저탄소강(탄소함량 0.1중량% 이하)의 생산 시 특히 용강 내 탄소 농도 증가를 방지하여 품질 좋은 용강을 생산할 수 있도록 한다. 이를 통하여 고품질의 저탄소강을 용이하게 생산할 수 있는 효과가 있다.

상기와 같은 전기로에서의 슬래그 포밍 방법은 위에서 설명된 실시예들의 구성과 작동 방식에 한정되는 것이 아니다. 상기 실시예들은 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 구성될 수도 있다.

Claims (3)

1. 전기로 조업 중 적정 슬래그 성분을 얻기 위한 부원료를 용강 내로 장입하고 산소를 취입하여 용강을 취련하는 단계; 및
   상기에서 취련하여 생성된 용강 상단의 슬래그 내로, 제강 공정 중 전로 조업시 발생되는 전로가스(LDG가스)를 취입하여 슬래그 포밍하는 단계;를 포함하고,
   상기 전로가스는, 중량%로, 일산화탄소(CO) 50~65%, 질소(N₂) 17~30%, 이산화탄소(CO₂) 10~20%, 수소(H₂) 1.0~2.5%, 산소(O₂) 0.01~0.05% 및 기타 불가피한 불순물로 이루어지는 전기로에서의 슬래그 포밍 방법.
   
2. 삭제
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 전로가스는 저탄소강(C: 0.1중량%이하) 생산시 사용되는 전기로에서의 슬래그 포밍 방법.

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