KR101412546B1 - 용선의 탈황방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 폐기물을 재활용하여 제강 공정 시 용선 내 황 성분을 제거하는 용선의 탈황방법에 관한 것으로, 탈황전로에 용선을 투입하는 단계와, 상기에서 투입된 용선 내로 용접슬래그를 포함하는 탈황제를 투입하는 단계 및 상기에서 투입된 탈황제와 상기 용선을 교반하여 상기 용선 내 황 성분을 제거하는 단계를 포함하는 용선의 탈황방법을 제공한다.

Description

용선의 탈황방법{DESURFURIZATION METHOD FOR HOT METAL}

본 발명은 용선의 탈황방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 폐기물을 재활용하여 제강 공정 시 용선 내 황 성분을 제거하는 용선의 탈황방법에 관한 것이다.

철광석을 원재료로 하여 최종 제품으로 강을 제조하는 제강 공정은 철광석을 고로에서 용해하는 제선 공정으로부터 시작된다. 철광석을 용해한 형태인 용선에 탈황 등의 예비처리 공정을 수행하여 용강을 제조한다. 이와 같이 제조된 용강은 불순물을 제거하는 1차 정련 공정과 1차 정련된 용강 내 성분을 다시 미세하게 조정하는 2차 정련 과정을 거쳐 성분 조정이 완료된다. 2차 정련이 완료된 용강은 연속주조 공정으로 이동되고, 연속주조 공정을 거쳐 슬라브, 블룸, 빌릿 등의 반제품이 성형된다. 이와 같이 성형된 반제품은 압연 등의 최종 성형과정을 거쳐 압연 코일, 후판 등 목표하는 최종 제품으로 제조된다.

용선은 1차 정련, 즉 전로에서 탈탄, 탈산 처리 전에 예비처리 과정을 거치게 되는데 용선 예비처리는 필요에 따라 용선의 황 성분을 목표치까지 제거하는 탈황 공정을 포함한다. 이와 같은 탈황 공정은 KR이라고 불리는 기계식교반기에서 이루어질 수 있다. 탈황 시에는 용선 내로 탈황제를 투입하고 임펠라로 용선을 교반하여 탈황제와 용선의 반응을 촉진하게 된다. 탈황 공정을 거쳐 전로 정련 전 목표치까지 황 성분 제거가 완료된 용선은 후속 공정인 1차정련을 위해 전로로 옮겨지게 된다.

관련 선행기술로는 한국공개특허 제2001-0010721호(공개일: 2001.2.15. 발명의 명칭: 탈산슬래그를 이용한 탈황제 및 이 탈황제를 이용한 탈황방법)가 있다.

본 발명은 용접 공정에서 발생하는 부산물을 유효 자원화하여 제강 공정에 도입할 수 있으며, 이러한 부산물을 사용해서 효과적으로 용선 내 황 성분을 제거할 수 있는 용선의 탈황방법을 제공하기 위한 것이다.

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

상기 과제를 달성하기 위한 본 발명의 용선의 탈황방법은, 탈황전로에 용선을 투입하는 단계와, 상기에서 투입된 용선 내로 용접슬래그를 포함하는 탈황제를 투입하는 단계 및 상기에서 투입된 탈황제와 상기 용선을 교반하여 상기 용선 내 황 성분을 제거하는 단계을 포함할 수 있다.

구체적으로, 상기 탈황제는, 금속 판재 용접 시 발생되는 부산물인 용접슬래그와 생석회(CaO)가 설정된 비율로 혼합된 형태일 수 있다.

상기 용접슬래그는 중량%로, Al₂O₃ 45~55%, MgO 15~25%, CaO 25~35% 및 나머지 기타 불가피한 불순물로 이루어질 수 있다.

상기 용접슬래그와 생석회의 혼합비는, 1:0.538~0.666으로 설정될 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 용접 공정에서 발생하는 부산물을 유효 자원화하여 제강 공정에 도입하므로 폐자원의 유효자원화를 실현하는 효과가 있다. 또한, 탈황 공정 시 기존에 사용되던 유해한 탈황제의 사용을 억제할 수 있으므로 환경적 오염을 발생시키지 않는 효과가 있다. 뿐만 아니라, 친환경적인 탈황물질을 사용하여 공정을 수행하면서도 탈황 효율을 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명과 관련된 용선의 탈황 방식 중 기계식 교반법을 간략하게 나타낸 개념도이다.
도 2는 본 발명과 관련된 용선의 탈황 방식 중 가스주입 방식을 간략하게 나타낸 개념도이다.
도 3은 본 발명의 실시예 따른 용선의 탈황방법을 순서에 따라 도시한 순서도이다.
도 4는 본 발명과 관련된 일반적인 용선의 탈황 매커니즘을 개략적으로 도시한 그림이다.
도 5는 본 발명과 관련된 탈황제 종류에 따른 액상율의 차이를 측정하여 나타낸 그래프이다.

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.

도 1은 용선의 탈황 방식 중 기계식 교반법을 간략하게 나타낸 개념도이고, 도 2는 용선의 탈황 방식 중 가스주입 방식을 간략하게 나타낸 개념도이다. 도면을 참조하면, 용선의 탈황 공정은 철광석이 용해된 형태의 용선(M)을 받아 수용하여 탈황을 수행하여 출탕하는 순서로 이루어진다. 출탕된 탈황 용선(M)은 탈탄 전로로 이동하여 본 취련에 들어가게 된다.

용선의 탈황 공정은 주로 기계식 교반법인 KR(Kanvara Reactor) 방식과 가스주입 방식을 사용한다. 기계식 교반법은 탈황을 하고자 하는 용선을 탈황 래들에 장입하고, 래들 상부에서 호퍼(1)를 통해 주로 괴상의 탈황제(2)를 용선으로 투입하고 표면에 내화물을 입힌 임펠러(3)를 용선에 침지하여 회전시키면서 용선을 교반하며, 이때 발생하는 교반력에 의해 용선의 유황과 탈황제가 반응하도록 한 방법이다.

또한, 가스 주입 방식은 탈황 래들의 상부에 별도로 설치된 호퍼(10)에서 탈황제(20)를 전로 내부로 넣어주고, 탈황 전로 상부에서 가스를 취입할 수 있는 랜스(30)를 탈린 전로 내부로 삽입하여 장입된 용선의 상부로 가스를 불어넣게 된다. 즉, 탈황 래들의 상부에서 랜스(20)를 통해 가스를 용선의 내부에 불어넣어 용선을 교반하여 탈황 반응을 촉진하는 것일 수 있다.

이와 같이 탈황제를 투입하여 용선을 교반하면, 탈황된 용선(M) 상부에 슬래그가 형성된다. 탈황이 완료된 후 출탕 되어 후속 공정을 위해 옮겨지게 된다.

도 3은 본 발명의 실시예 따른 용선의 탈황방법을 순서에 따라 도시한 순서도로서, 이를 참조하면 먼저 제강 공정의 최초 공정을 통해 제조된 용선을 전로에 투입한다(S10). 이때 전로는 탈황만을 수행하는 탈황전로일 수 있으며, 상술한 바와 같이 탈황전로는 기계적 교반에 의해 탈황을 실시하는 KR 혹은 가스 교반에 의해 탈황을 실시하는 탈황전로 중 어떠한 것이든 선택적으로 사용이 가능하다.

이처럼 전로 내에 투입된 용선에는 철광석으로부터 기인한 다량의 황 성분이 포함되어 있을 수 있으며, 이를 제거하기 위하여 용선 내로 탈황제를 투입하게 된다. 본 발명에 사용되는 탈황제는 용접슬래그를 포함하는 탈황제로서, 용접슬래그는 조선용 등으로 사용되는 금속 판재의 용접 시 발생되는 용접 부산물로서 알루미나(Al₂O₃), 산화마그네슘(MgO) 및 산화칼슘(CaO) 등을 포함하는 것일 수 있다. 예를 들어, 용접슬래그는 조선용 판재 용접 시 발생되는 슬래그일 수 있으며 이 경우 용접 1m 당 약 70g의 슬래그가 발생된다. 이때 발생되는 용접슬래그는 폐기물로 분류되고 있으므로 본 발명에서 이러한 용접슬래그를 제강 공저에 도입하여 탈황제로 사용함으로서 폐자원을 유효자원화하여 친환경적인 역할을 수행할 수 있는 것이다.

일반적으로 제강공정에서는 철광석으로 제조된 용선(Hot Metal)을 1차 정련하기 전에 용선 내 황 혹은 인 성분을 먼저 제거하는 용선 예비처리 공정을 수행하게 된다. 이러한 용선 예비처리 공정 중 탈황 공정에서는 용선 내로 소정의 탈황제를 투입하여 용선 내 다량 함유된 황 성분을 전로 정련 전에 설정된 목표치로 제거하게 된다. 이를 위하여 용선의 탈황만을 수행하는 탈황전로를 탈탄전로(1차 정련용)와 별도로 사용하게 되며, 탈황전로에서 사용되는 일반적인 탈황제는 생석회(CaO)를 기본으로 하여 이에 형석(CaF₂)을 추가로 혼합하여 사용하고 있다. 이때 사용되는 형석은 생석회의 융점 저하 및 황 제거 캐퍼시티 향상을 목적으로 사용되는 것이나, 환경 유해 물질로 분류되어 그 사용이 매우 제한적인 문제점이 있었다. 따라서, 본 발명에서는 형석을 사용하지 않으면서도 탈황제로 사용되는 생석회의 융점을 저하시킬 수 있을 뿐 아니라, 폐기물을 유효 자원화할 수 있도록 용접슬래그를 생석회와 혼합한 형태의 탈황제를 사용한다.

본 발명의 용접슬래그는 하기 표 1과 같은 조성을 갖는 것으로서, 용접슬래그 내에는 알루미나(Al₂O₃)), 산화마그네슘(MgO) 및 일정량의 산화칼슘(CaO), 즉 생석회와 동일한 성분이 포함되어 있다.

성분	Al2O3	MgO	CaO
함량(중량%)	45~55	15~25	25`35

표 1에 도시한 용접슬래그의 조성은 이외에 기타 불가피하게 첨가되는 불순물 성분을 더 포함할 수 있다.

이와 같이 용접슬래그에 포함된 알루미나 성분은 용접슬래그와 함께 탈황제로 사용되는 생석회의 융점을 저하시켜 동일 온도에서 용선과의 반응을 촉진시키기 때문에 용선의 탈황 효율을 향상시킬 수 있다.

도 4는 일반적인 용선의 탈황 매커니즘을 개략적으로 도시한 그림으로서, 이를 참조하면 생석회가 용선 내로 투입되었을 때 탈황반응은 생석회의 표면이 용융하면서 용선과 접촉하는 부분에서 발생하게 된다. 즉, 생석회의 융점이 높기 때문에 용선 내 투입되어도 전체가 다 용융되어 반응하는 것이 아니라, 먼저 용융되는 생석회 표면부분에서 하기 반응식 1과 같은 반응에 의하여 용선 내 탈황이 수행된다.

반응식 1

CaO + S = CaS + O

이처럼 생석회가 용선 내 황(S)과 결합하는 반응을 통해 탈황이 수행되며, 형석은 활동도가 낮은 생석회(CaO)를 용선과 효과적으로 반응하도록 하는 역할을 한다. 즉, 형석은 슬래그/용선의 계면적 증대와 탈황생성물의 슬래그내 안정적 포집역할 등을 수행하여 C_S(황의 캐퍼시티)를 증가시키게 된다.

본 발명에서는 특히 기존의 형석이 수행하던 생석회의 융점저하의 역할을 액상율 즉 생석회(CaO)의 융점저하로 인하여 용이하게 액상화될 수 있도록 하는 효율을 의미하는 액상율(%)이라 정의하여, 탈황제의 종류에 따른 액상율을 비교하였다. 이러한 탈황제 종류에 따른 액상율의 차이는 도 5에 도시한 바와 같으며, 이를 참조하면 탈황제 중 액상율, 즉 함께 투입되는 생석회의 융점을 저하시켜 탈황의 반응 계면의 면적을 넓혀 황 제거 캐퍼시티를 향상시킬 수 있는 것은 생석회와 알루미나(Al₂O₃)가 혼합된 형태가 가장 높은 것을 알 수 있다.

구체적으로, 생석회와 알루미나가 혼합된 형태의 탈황제는 액상율이 약 12%로, 일반적으로 사용되는 생석회와 형석(CaF₂)이 혼합사용되는 탈황제의 액상율인 10.5%보다 높음을 알 수 있다. 따라서, 본 발명에서 탈황제로 사용되는 용접슬래그 내에 함유된 알루미나 성분이 함께 사용되는 생석회 및 용접슬래그 자체에 포함되어 있는 산화칼슘(CaO) 성분의 융점 저하를 촉진하여 탈황 반응 시 용선과의 반응 표면적이 확대될 수 있도록 하는 역할을 하여 줌으로써 효과적인 탈황을 가능케 한다.

또한, 본 발명에서 사용되는 탈황제는 금속 판재 용접 시 발생되는 부산물인 용접슬래그와 생석회(CaO)가 설정된 비율로 혼합된 형태로서, 구체적으로 용접슬래그 60~65중량%와 생석회는 35~40중량%로 혼합되는 것이다. 따라서, 용접슬래그와 생석회의 혼합비는, 1:0.538~0.666으로 설정되는 것이 바람직하다.

일반적으로 탈황 시 생석회와 형석을 탈황제로 사용하는 경우 생석회 중량 대비 약 10%가량의 형석이 사용되었다. 그러나, 본 발명에 의한 용접슬래그와 생석회를 탈황제로 사용하게 되면 표1에 도시한 바와 같이, 용접슬래그 내에 이미 생석회 성분인 산화칼슘(CaO)이 포함되어 있기 때문에 생석회 투입량이 기존대비 줄어들게 되므로 생석회 구입에 사용되는 비용의 절감을 통해 제강 공정의 원가 절감에도 기여할 수 있다.

본 발명에서 용접슬래그와 생석회의 혼합을 상기와 같은 비율로 한정하는 이유는 용접슬래그 내의 알루미나와 산화칼슘 등 성분의 양과 별도로 투입되는 생석회의 산화칼슘 성분량을 고려하여 탈황 효율을 향상시키면서 용선 내 탈황 이외의 영향을 미치지 않는 적절한 성분비가 유지될 수 있도록 하기 위함이다.

또한, 용접슬래그에 포함되어 있는 산화마그네슘(MgO) 역시 용선의 탈황에 참여할 수 있는 성분이며, 탈황 이외의 용선의 품질 등에 영향을 미치지 않는 성분이므로 용접슬래그는 제강 공정 시 탈황에 사용하기에 매우 적합한 물질이다.

마지막으로 탈황 전로에 투입된 탈황제와 용선을 교반하여 상기 용선 내 황 성분을 제거하여 용선의 탈황을 수행한다(S30). 본 발명에서는 상술한 비율에 따라 용접슬래그와 생석회를 혼합하여 용선 내로 투입한 후 KR을 이용하는 경우 설치된 임펠러를 회전시켜 용선과 탈황제를 교반함으로써 용선 내 탈황을 촉진할 수 있다. 또한, 가스 주입법을 통해 탈황을 실시하는 경우 탈황제 투입 후 용선 내로 가스를 취입하여 용선과 탈황제의 반응을 촉진하여 탈황을 수행한다.

상기와 같은 용선의 탈황방법은 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.

1, 10: 호퍼 2, 20: 탈황제
3: 임펠러 30: 랜스

Claims (4)

1. 탈황전로에 용선을 투입하는 단계;
   상기에서 투입된 용선 내로 용접슬래그를 포함하는 탈황제를 투입하는 단계; 및
   상기에서 투입된 탈황제와 상기 용선을 교반하여 상기 용선 내 황 성분을 제거하는 단계;를 포함하며,
   상기 용접슬래그는 중량%로,
   Al₂O₃ 45~55%, MgO 15~25%, CaO 25~35% 및 나머지 기타 불가피한 불순물로 이루어지는 용선의 탈황방법.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 탈황제는,
   금속 판재 용접 시 발생되는 부산물인 용접슬래그와 생석회(CaO)가 설정된 비율로 혼합된 형태인 용선의 탈황방법.
   
3. 삭제
4. 청구항 2에 있어서,
   상기 용접슬래그와 생석회의 혼합비는, 1:0.538~0.666으로 설정되는 용선의 탈황방법.

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