KR101462168B1 - 용철 처리장치 및 그 처리방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 용철 처리 장치 및 그 처리방법에 관한 것으로서, 용철 내부에 함유된 불순물을 처리하는 방법으로서, 구리를 함유하는 철원을 용융시켜 용철을 제조하는 과정과; 상기 용철을 제1용기에 장입하는 과정과; 상기 제1용기의 하부에 구비되는 제2용기에 플럭스를 마련하는 과정과; 상기 제1용기에 마련된 용철을 상기 제2용기에 액적 상태로 분사하여 상기 플럭스와 반응시켜 상기 용철 중에 함유된 구리를 제거하는 과정;을 포함하여, 용철 중에 함유된 구리(Cu)를 용이하게 제거할 수 있어, 저가의 철원의 사용이 가능하다.

Description

용철 처리장치 및 그 처리방법{Treatment apparatus for molten metal and the method thereof}
본 발명은 용철 처리장치 및 그 처리방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 용철 중에 함유된 구리(Cu) 성분을 용이하게 제거할 수 있는 용철 처리장치 및 그 처리방법에 관한 것이다.
일반적으로, 고로에서 출선되는 용철(溶鐵)은 예비처리 공정, 전로 공정, 2차 정련 공정 등의 제강 공정을 거쳐 용강(鎔鋼)으로 제조되고, 이러한 용강은 연속주조 공정을 거쳐 슬라브, 블룸, 빌릿, 빔 블랭크 등의 주편으로 제조된다.
고로에서 출선되는 용철은 철광석을 소결시킨 소결광과 코크스 등을 고로에 장입시켜 가열하는 제선 공정을 통해 제조된다. 즉, 고로에서 출선되는 용철은 철원(鐵源)으로서 철광석을 사용하는데, 국내 및 국외의 제강 시장에서 철광석의 원가가 상승되고, 이로 인해 철광석의 원활한 수급이 이루어지지 않아 철광석 이외의 철원을 확보하기 위한 방안들이 강구되어 왔다.
최근에는 철원을 확보하기 위한 방안들 중에서 고철 등의 철스크랩을 용철로 재활용하는 방안이 활발하게 적용되고 있다. 즉, 철스크랩을 전기로에 장입하고 용해시켜 용철을 제조함으로써 고로에서 출선되는 용철과 병용하는 방식 또는 고로에서 출선되는 용철을 대체하는 방식으로 주편을 제조하는데 사용할 수 있다.
철스크랩은 철광석(또는 소결광)과 달리 사용 용도에 따라 다양한 성분이 포함되어 있으며, 이로 인해 철스크랩을 철원으로 하는 용철에는 다양한 성분이 함유된다. 용철에 함유되는 다양한 성분 중 구리 성분은 연속주조 공정시 주편에 표면 크랙 등의 결함을 발생시키고, 열간 가공시 고온 취성과 같은 열간 취성을 유발하여 주편의 품질을 저하시키는 원인으로 작용하였다.
종래에는 구리 코팅과 같이 철스크랩의 표면에 구리 성분이 노출되면 슈레더 가공과 자선 분리를 통해 철스크랩을 선별하여 사용하였다. 그런데, 철스크랩의 내부에 구리 성분이 포함된 경우에는 선별을 통해서도 분리하지 못하여 용철에 구리 성분이 포함되게 되었다.
용철에 함유되는 구리 성분은 철 성분보다 산화력이 약한 특성으로 인해 종래의 제강 공정에는 용철에 함유되는 구리 성분을 쉽게 산화 제거하지 못하는 문제점이 있었다. 따라서, 철스크랩 등과 같이 저급 원료를 용철의 철원으로 사용하는 경우 주편의 품질의 품질이 크게 저하될 수 있는 문제점이 있었다.
KR 2010-7019379 A
본 발명은 용철 중의 구리를 안정적으로 제거할 수 있는 용철 처리장치 및 그 처리방법을 제공한다.
본 발명은 용강의 품질을 향상시킬 수 있는 용철 처리장치 및 그 처리방법을 제공한다.
본 발명은 자원을 재활용하여 제조 비용을 절감할 수 있는 용철 처리장치 및 그 처리방법을 제공한다.
본 발명의 실시 형태에 따른 용철 처리장치는, 철원을 용융시켜 용철을 제조하는 용해로와; 상기 용해로에서 제조된 용철을 액적 상태로 분사하여 상기 용철 중에 함유된 구리 성분을 제거하는 탈구리 장치;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 용해로는 전기로, SAF(submerged arc furnace) 및 LF(Ladle Furnace) 중 적어도 어느 하나일 수 있다.
상기 탈구리 장치는, 용철이 수용되는 제1용기; 및 내부에 플럭스가 수용되고 상기 제1용기 하부에 구비되는 제2용기;를 포함하며, 상기 제1용기는 상기 용철을 상기 제2용기에 액적으로 분사하도록 형성될 수 있다.
상기 제2용기의 하부에 용철을 배출시키는 유출구가 형성되고, 상기 제2용기의 하부에 상기 제2용기에서 배출되는 용철을 수용하는 제3용기를 더 구비할 수도 있다.
상기 제1용기는 하부에 용철을 액적 상태로 분사하는 분사부가 형성될 수도 있고, 상기 분사부는 복수의 분사공 또는 다공성 부재로 형성될 수도 있다.
상기 분사공은 2 ~ 5㎜의 크기로 형성될 수도 있다.
상기 분사부를 개폐하는 개폐수단을 포함할 수도 있다.
본 발명의 실시 형태에 따른 용철 처리 방법은, 용철 내부에 함유된 불순물을 처리하는 방법으로서, 구리를 함유하는 철원을 용융시켜 용철을 제조하는 과정과; 상기 용철을 제1용기에 장입하는 과정과; 상기 제1용기의 하부에 구비되는 제2용기에 상기 용철 중 구리 성분을 제거하기 위한 플럭스를 마련하는 과정과; 상기 제1용기에 마련된 용철을 상기 제2용기에 액적 상태로 분사하여 상기 용철의 액적을 상기 제2용기에 마련된 상기 플럭스에 접촉시켜 상기 용철 중 함유된 구리와 상기 플럭스를 반응시켜 부산물을 생성하고, 상기 부산물을 상기 플럭스 중에 잔류시킴으로써 상기 용철 중에 함유된 구리를 제거하는 과정;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 용철을 제조하는 과정에서 철스크랩, 철근, 파이넥(FINEX) 슬러지, 동제련 슬래그, 폐타이어(타이어코드) 및 사철 중 적어도 어느 하나를 철원으로 사용할 수 있다.
상기 플럭스는 적어도 Na2CO3를 함유하는 물질과, S를 함유하는 물질을 포함할 수도 있다.
상기 Na2CO3를 함유하는 물질과 상기 S를 함유하는 물질의 조성비는 20 ~ 60wt% : 40 ~ 80wt%일 수도 있다.
상기 Na2CO3를 함유하는 물질은 Na2CO3 또는 트로나((Na2CO3·NaHCO3·2H2O)이고, 상기 S를 함유하는 물질은 Na2S, Na2SO4 및 FeS 중 적어도 어느 하나일 수도 있다.
상기 플럭스는 상기 용철 1톤(ton) 당 150kg 내지 4000kg 마련될 수도 있다.
상기 플럭스는 상기 용철보다 비중이 작고, 상기 용철은 상기 플럭스를 통과하여 상기 플럭스 하부에 가라앉는 것을 특징으로 한다.
상기 제1용기에 마련된 용철을 상기 제2용기에 액적 상태로 분사할 때, 상기 제2용기 내부에 진공을 형성하여 상기 제1용기에서 유입되는 용철을 확산시킬 수도 있다.
상기 제1용기에 마련된 용철을 상기 제2용기에 액적 상태로 분사할 때, 상기 제1용기의 내부에 압력을 인가하여 상기 제1용기 내의 용철을 상기 제2용기에 액적 상태로 분사되도록 할 수도 있다.
상기 용철 중에 함유된 구리를 제거하는 과정 이후에 탈황처리를 수행할 수도 있다.
상기 탈황처리는, 상기 제2용기의 하부에 제3용기를 마련하는 과정과; 상기 제3용기에 탈황 플럭스를 마련하는 과정과; 상기 제2용기에 수용된 용철을 상기 제3용기에 용철류를 형성하여 공급하여 상기 플럭스와 반응시켜 용철 중에 함유된 황을 제거하는 과정;을 포함하고, 상기 구리를 제거하는 과정과 연속적으로 수행될 수도 있다.
상기 탈황 플럭스는 트로나를 포함할 수도 있다.
본 발명의 실시 형태에 따른 용철 처리장치 및 그 처리방법에 의하면, 용철 중에 함유된 구리 성분을 용이하게 제거할 수 있다. 즉, 용철을 액적(液滴) 상태로 만들어 플럭스와의 반응 효율을 향상시켜 용철 내 함유된 구리 성분을 효과적으로 제거할 수 있다. 이에 따라 폐스크랩, 타이어코드, 철근, 파이넥스 슬러지, 동제련 슬래그 등과 같이 구리를 함유하는 저가의 철원을 활용할 수 있다. 따라서 불필요하게 버려지는 자원을 재활용할 수 있으므로 환경 오염을 억제할 수 있고, 용철을 제조하는데 소요되는 비용을 절감할 수 있다.
또한, 용철 중의 구리 성분과 황 성분을 연속적으로 제거할 수 있어 용철의 정련에 소요되는 시간을 단축시킬 수 있다. 그리고 용철 중으로 황 성분의 픽업이 억제되는 플럭스를 이용하여 탈황조업에 부하가 발생하는 것도 억제할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 용철 처리 장치의 구성을 개략적으로 보여주는 도면.
도 2는 분사부의 구조를 보여주는 도면.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따라 제철공정이 이루어지는 과정을 보여주는 도면.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 용철 처리 방법으로 용철을 실험하기 위한 실험장치의 도면.
도 5 및 도 6은 본 발명의 실시 예에 따라 용철을 처리한 실험 결과를 보여주는 그래프.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부도면에 의거하여 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라, 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.
본 발명은 철스크랩, 철근, 파이넥스(FINEX) 슬러지, 동제련 슬래그, 폐타이어, 사철 등 다양한 저가의 철원을 이용하여 용철을 제조하는 과정에서 용철 중에 함유된 불순물, 특히 구리(Cu)를 제거하는데 적용되는 기술이다. 여기에서 파이넥스 슬러지는 철 성분(T.Fe)이 약 50wt% 이상 함유되어 있고, 동제련 슬래그는 철 성분이 약 40wt% 정도 함유되어 있어 용철을 제조하는데 철원으로 유용하게 사용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 용철 처리 장치의 구성을 개략적으로 보여주는 도면이고, 도 2는 분사부의 구조를 보여주는 도면이다.
철스크랩, 철근, 파이넥스 슬러지, 동제련 슬래그, 폐타이어, 사철 등과 같은 저가의 철원을 전기로, SAF(Submerged Arc Furnace) 및 LF(Ladle Furnace) 등의 용해로에서 용융시켜 제조된 용철에는 인(P), 황(S), 구리(Cu) 등 다양한 종류의 불순물이 다량 함유되어 있다. 이와 같은 불순물들 중 구리(Cu)를 제거하는 기술은 그리 많이 개발되어 있지 않다. 이에 본 발명의 실시 예에서는 용철 중에 함유된 구리(Cu)를 제거하는 탈구리 장치를 구비하여, 용철을 액적 상태로 만들어 플럭스(P1)와 접촉시킴으로써 용철 중의 구리의 제거 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1을 참조하면, 용철 처리장치, 즉 탈구리 장치는 용철(M)이 장입되는 제1용기(210)와, 제1용기(210) 하부에 구비되어 제1용기(210)에서 분사되는 용철(M)의 정련이 이루어지는 제2용기(220)를 포함한다.
제1용기(210)는 내부에 용철(M)을 수용할 수 있는 레이들 등과 같은 용기일 수 있으며, 내부를 진공으로 형성하도록 상부를 개폐 가능하도록 형성할 수도 있다. 그리고 제1용기(210)의 하부에는 내부에 수용된 용철(M)을 제2용기(220)로 분사하기 위한 분사부(214)가 형성될 수 있다.
분사부(214)는 제1용기(210)에 수용된 용철(M)을 제2용기(220)로 액적 상태로 분사할 수 있는 다양한 형태로 형성될 수 있다.
예컨대 분사부(214)는 제1용기(210) 바닥에 복수의 분사부(214a)로 형성될 수도 있다. 이때, 분사부(214a)는 2 내지 5㎜ 정도의 크기로 형성될 수 있으며, 분사부(214a)의 크기가 제시된 범위보다 작은 경우에는 용철(M)의 분사가 어렵고, 제시된 크기보다 큰 경우에는 액적의 크기가 커서 플럭스(P1)와의 반응 효율이 저하될 수 있다.
분사부(214a)는 제1용기(210)의 바닥 전체에 걸쳐 형성될 수도 있고, 제1용기(210)의 중심부의 일정 영역에만 형성될 수도 있다. 후자의 경우에는 액적이 제2용기(220) 내에서 방사상으로 확산되면서 분사될 수 있도록 분사부(214a)가 기울기를 가지며 형성될 수도 있다.
또한, 분사부(214)는 상부 용기 바닥에 설치되는 다공성 부재(214b)일 수도 있다. 제1용기(210) 내에 수용된 용철(M)은 다공성 부재(214b)에 형성된 구멍(pore)을 통해 제2용기(220)로 액적을 형성하며 분사될 수 있다.
제1용기(210) 내에 수용된 용철(M)의 분사를 개시 또는 정지시키기 위해서 분사부(214)를 개폐하는 개폐수단(215)이 구비될 수도 있다. 개폐수단(215)은 제1용기(210) 내부에서 상하방향으로 이동하도록 설치되는 스토퍼일 수도 있고, 제1용기(210) 하부에서 좌우방향으로 이동하도록 설치되는 슬라이딩 플레이트일 수도 있다.
제2용기(220)는 용철(M)의 정련이 수행되는 정련로로서, 내부에 제2용기(220)로부터 분사되는 용철(M)을 수용하고, 용철(M) 중에 함유된 불순물, 예컨대 구리를 제거하기 위한 플럭스(P1)가 수용되는 공간이 형성된다. 그리고 제2용기(220)에는 내부에 진공을 형성하기 위한 배기구, 내부에 소정의 분위기를 형성하기 위해 가스를 도입하기 위한 주입구, 용철(M)과 플럭스(P1)가 반응하면서 발생하는 반응 가스를 배출하기 위한 배출구 등이 형성될 수 있다. 또한, 제2용기(220)의 상부에는 제1용기(210)의 분사부(214)와 연통하는 개구부(221)가 형성될 수 있다. 개구부(221)는 제1용기(210)의 바닥에 형성된 분사부(214)에 대응하는 크기로 형성되거나, 분사부(214)보다 크게 형성되어 용철(M)이 원활하게 분사될 수 있도록 하는 것이 좋다.
이와 같은 구성을 통해 용철(M)을 액적 상태로 분사하여 플럭스(P1)와 신속하게 반응할 수 있도록 함으로써 용철(M) 중에 함유된 구리를 효과적으로 제거할 수 있다.
한편, 용철(M) 중에 함유된 구리를 제거하는 과정에서 플럭스(P1)에 함유된 다른 불순물, 예컨대 황(S) 성분이 용철(M1) 중으로 픽업될 수 있다. 즉, 용철(M1) 중에 함유된 구리는 황(S)과 반응효율이 높기 때문에 구리를 제거하는데 사용되는 플럭스(P1)에는 황(S) 성분이 다량 함유되어 있다. 따라서 용철(M1) 중의 구리를 제거하는 탈구리 처리과정에서 구리와 반응하지 못한 황이 용철 중에 픽업되는 현상이 발생할 수 있다.
이에 제2용기(220)의 하부에 탈구리 처리된 용철(M1)을 장입하여 탈황처리를 할 수 있는 제3용기(230)를 구비할 수도 있다. 제3용기(230)는 내부에 용철(M2) 및 플럭스(P2) 등을 수용할 수 있는 공간이 형성되는 레이들, 정련로 등의 용기일 수 있다. 제3용기(230)는 제2용기(220)의 하부에 구비되어 제2용기(220)에서 배출되는 용철(M1), 즉 탈구리 처리된 용철(M1)을 공급받아 탈황처리하여 목표하는 성분의 용철(M2)을 얻는다.
이에 제2용기(220)에는 용철(M1)을 제3용기(230)로 공급하기 위한 유출구(223)가 형성될 수 있다. 유출구(223)는 제2용기(220)의 바닥이나 하부 측벽에 형성될 수 있다. 유출구(223)는 용철(M1)을 액적 상태로 제3용기(230)로 공급할 수 있도록 제1용기(210)에 형성된 분사부(214)와 유사한 형태로 형성할 수도 있다. 또는, 용철(M1)을 액적 상태로 분사하지 않고 탈구리 처리된 용철(M1)을 용철류를 형성시키면서 제3용기(230)에 공급할 수도 있다.
이와 같은 구성을 통해 용철 중에 함유된 구리 및 황을 효과적으로 제거할 수 있으며, 필요에 따라서는 탈구리 처리와 탈황 처리를 연속적으로 수행하여 공정 효율을 향상시킬 수 있다.
이하에서는 용철 처리 장치를 이용하여 용철 중에 함유된 구리 성분을 제거하는 방법에 대해서 설명한다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따라 제철공정이 이루어지는 과정을 보여주는 도면이다.
먼저, 용철(M), 예컨대 용철을 마련한다. 용철(M)은 철스크랩, 철근, 파이넥스(FINEX) 슬러지, 동제련 슬래그, 폐타이어(타이어코드), 사철 등 다양한 저가의 철원을 용해로(100)에서 용융 및 환원시켜 제조될 수 있다. 용해로(100)는 전기로, SAF(submerged arc furnace) 또는 LF(Ladle Furnace)일 수 있으며, 용철(M)을 제조하는 과정에서 코크스(혹은 석탄), 생석회, SiO2 등을 투입하여 환원시킬 수 있으며, 인(P) 성분을 제거할 수도 있다. 이와 같이 저가의 철원을 이용하여 제조된 용철(M)에는 구리가 다량 함유되어 있다.
제조된 용철(M)은 용해로에서 레이들(110)로 출탕되어 탈구리 처리를 위한 장소로 이송된다.
레이들(110) 내에 수용된 용철(M)은 제1용기(210)로 장입된다. 이때, 레이들(110)이 제1용기(210)로 사용될 수도 있다.
그리고 용철(M)의 탈구리 처리가 이루어지는 제2용기(220) 내부에 구리를 제거하기 위한 플럭스(P1)를 마련한다. 플럭스(P1)는 용철(M)을 제2용기(220) 내로 분사하기 이전에 제2용기(220) 내에 투입하는 것이 바람직하다. 플럭스(P1)는 용철(M1)보다 비중이 작은 물질로서, 구리와 반응이 활발하게 이루어지는 황(S) 성분을 포함하는 물질이 사용될 수 있다. 예컨대 플럭스(P1)는 Na2CO3를 함유하는 물질과, 황(S)을 함유하는 물질을 포함할 수 있다. 이때, Na2CO3를 함유하는 물질은 Na2CO3 또는 트로나(Na2CO3·NaHCO32H2O)일 수 있고, 황을 함유하는 물질은 FeS, Na2S, 및 Na2SO4 중 적어도 어느 하나일 수 있다. 트로나는 약 30wt% 정도의 나트륨(Na)을 포함하고 있으며, 원산지에 따라 다르지만 황(S)을 포함하고 있으며, 황은 Na2SO4, Na2CO3·2Na2SO4 등과 같은 산화물 형태로 존재한다. 여기에서 황을 함유하는 물질로는 FeS, Na2S 또는 Na2SO4가 사용될 수 있으나, FeS 및 Na2SO4의 경우 탈구리 처리 후 용철(M1) 중에 황 성분이 다량 픽업되고, Na2S의 경우에는 용철(M1) 중에 황 성분의 픽업이 거의 발생하지 않으므로 Na2S를 사용하는 것이 더 좋다. 이는 플럭스(P1)에 함유된 나트륨(Na) 성분이 구리와 황의 반응물을 안정된 상으로 만들기 때문으로 파악되며, 이는 나중에 설명하는 실험 결과를 통해 다시 살펴보기로 한다.
플럭스(P1) 중 Na2CO3를 함유하는 물질과, 황(S)을 함유하는 물질의 비율은 20 ~ 60wt% : 40 ~ 80wt% 정도가 좋다. 플럭스(P1) 내에 Na2CO3를 함유하는 물질보다 황(S)을 함유하는 물질이 비율이 더 높은 것은 탈구리 효율을 더 높일 수 있기 때문이고, 이들 비율이 제시된 범위보다 작거나 큰 경우 목표하는 탈구리 효율을 얻을 수 없으므로 제시된 범위 내에서 적절하게 조절하여 이용하는 것이 좋다.
제1용기(210)로 장입된 용철(M)은 제1용기(210) 바닥에 형성된 분사부(214)를 통해 제2용기(220) 내로 액적을 형성하며 분사된다.
용철(M)은 다양한 방법을 이용하여 액적 상태로 분사할 수 있다.
제1용기(210)에 장입된 용철(M)은 제1용기(210)의 바닥에 형성된 분사부(214)를 통해 제2용기(220)로 분사되는데, 제1용기(210)에 형성된 분사부(214)가 분사부(214a)이나 다공성 부재(214b)로 형성되기 때문에 용철(M) 자체의 하중에 의해 분사부(214)를 통해 제2용기(220)로 분사될 수 있다. 이때, 제1용기(210) 내부에 아르곤 가스 등과 같은 불활성 가스를 공급하여 제1용기(210)에 수용된 용철(M)에 압력을 가해주면 용철(M)은 제2용기(220)로 액적을 형성하면서 빠르게 분사될 수 있다. 이렇게 용철(M)이 액적 상태로 제2용기(220)로 분사될 때 제2용기(220) 내부에 진공을 형성해주면 압력차이에 의해 제2용기(220)로 분사되는 용철(M)을 제2용기(220) 내에 고르게 확산시켜 줄 수도 있다.
제2용기(220)에 액적 상태로 분사되는 용철(M)은 플럭스(P1)를 통과하면서 격렬하게 반응하게 되고, 이때 용철(M) 중의 구리와 플럭스(P1)는 반응하여 부산물을 생성하고, 생성된 부산물은 플럭스(P1) 중에 잔류하며, 구리가 제거된 용철(M1)은 플럭스(P1)와의 비중 차이에 의해 플럭스(P1) 하부로 떨어지게 된다.
제1용기(210) 내에 장입된 대부분의 용철(M)이 제2용기(220)로 분사되어 제2용기(220) 내의 플럭스(P1)와의 반응을 통해 탈구리 처리가 되면, 제2용기(220) 내에 수용된 용철(M1), 즉 탈구리 처리된 용철(M1)을 샘플링하여 성분을 분석한다. 분석 결과 용철(M1)의 성분이 목표하는 성분으로 제조된 경우, 제2용기(220) 내의 용철(M1)을 레이들 등과 같은 용기로 출탕하여 후속 제강공정, 예컨대 탈린처리 공정을 수행한다.
한편, 제2용기(220) 내의 용철(M1)이 목표하는 성분으로 제조되지 않은 경우, 예컨대 탈구리 처리 과정에서 플럭스(P1) 내의 황 성분이 용철(M1) 중으로 픽업되어 황 농도가 증가한 경우에는 용철(M1)의 탈황처리를 수행할 수도 있다.
탈황처리는 제2용기(220)에 설치된 개폐수단(222)을 작동시켜 제2용기(220)에 형성된 유출구(223)를 개방하여 제2용기(220) 내의 용철(M1)을 제3용기(230)로 배출시킨다. 용철(M1)은 용철류를 형성하며 제3용기(230)로 배출되어 제3용기(230) 내에 투입되어 있는 탈황 플럭스(P2)로 낙하하게 된다. 용철 중의 황은 탈황 플럭스(P2)와 반응하여 부산물을 생성하고, 부산물은 탈황 플럭스(P2) 중에 잔류하고 용철(M2)은 탈황 플럭스(P2) 하부로 떨어지게 된다. 이때, 탈황 플럭스(P2)로는 트로나를 포함하는 물질이 사용될 수 있다.
이후 탈황 처리가 종료되면 제3용기(230) 내의 탈황 플럭스(P2)(부산물 포함)를 제거하고 용철(M1)을 레이들 등과 같은 용기로 출탕하여 후속 제강공정(300)을 수행한다. 여기에서 탈황 처리 과정에서 용철 중의 황은 트로나와 반응하여 Na2S을 포함하는 부산물을 생성하는데, 탈황 처리 다음 제거되는 탈황 플럭스(P2)(부산물 포함)은 이후 탈구리 처리공정에서 플럭스로 재활용될 수도 있다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 용철 처리 방법으로 용철을 실험하기 위한 실험장치의 도면이고, 도 5 및 도 6은 본 발명의 실시 예에 따라 용철을 처리한 실험 결과를 보여주는 그래프이다.
하기의 표1은 탈구리 효율을 살펴보기 위하여 탈구리 처리 시 사용된 플럭스의 조성과, 탈구리 처리 시 용철의 온도를 나타낸다.
플럭스 조성 온도(℃)
실시예1 트로나 91g, Na2S 15g 1335
실시예2 트로나 67g, Na2S 53g 1368
실시예3 트로나 50g, Na2S 80g 1338
실시예4 트로나 25g, Na2S 80g 1320
실시예5 Na2S 140g 1460
실시예6 트로나 50g, Na2S 80g 1355
실시예7 Na2S 140g 1349
비교예1 Na2CO3 47g, FeS 93g 1450
비교예2 Na2CO3 67g, FeS 33g 1330
비교예3 Na2CO3 91g, FeS 9g 1396
여기에서 실시예1 내지 7과 비교예1 내지 3은 도 4에 도시된 바와 같은 실험 장치를 이용하여 용철을 액적 상태로 분사하여 플럭스를 통과시켜 탈구리 처리되도록 실험하였다.
도 4에 도시된 실험 장치(400)는 밀폐된 챔버(여기서는 유도가열코일이 구비된 고주파 유도 용해로가 사용됨)(410) 내부에 하부 도가니(420)를 설치하고, 상부에는 용철(M)이 수용되는 상부 도가니(430)를 설치한다. 상부 도가니(430)에는 직경 3㎜의 2개의 분사공(432)이 형성되어 상부 도가니(430) 내에 수용되는 용철(M)이 액적을 형성하며 하부 도가니(420)로 낙하하도록 하였다. 이때, 상부 도가니(430)에 수용된 용철(M)은 60g이고, 상부 도가니(430)에 30g 정도의 용철(M)이 잔류할 때까지 실험을 실시하였다. 그리고 하부 도가니(420)에는 플럭스(P)의 조성을 변경하면서 투입하여 실험을 반복하였다.
실험이 거의 완료되는 시점에서 상부 도가니(430)에 잔류하는 용철(M)을 채취하고, 하부 도가니(420) 내의 플럭스(P)와 용철(M1)을 채취하여 각각의 시편을 제작한 다음, 각각의 시편을 분석하여 하기의 표 2 및 3과 같은 결과를 획득하였다. 여기서 표 2는 플럭스에 Na2S를 함유시켜 용철을 탈구리 처리한 결과를 나타내고, 표 3은 플럭스에 FeS를 함유시켜 용철을 탈구리 처리한 결과를 나타낸다. 그리고 도 5 및 도 6은 표2 및 표 3에 나타난 탈구리 효율을 도식화한 그래프이다.

용탕 조성(wt%) 플러스 조성(wt%)
Cu S C Cu S Na Mg C
실시예1
 초기 0.60 0.028 4.42 - - - - -
반응후 0.59 0.0074 2.38 0.0062 0.69 40.85 0.032 9.70
실시예2
 초기 0.61 0.053 4.55 - - - - -
반응후 0.24 0.061 2.61 0.15 11.6 43.65 0.034 6.99
실시예3
 초기 1.40 12.6 17.4 - - - - -
반응후 0.20 0.39 2.67 0.30 17.7 45.25 0.064 4.84
실시예4
 초기 0.61 0.71 4.51 - - - - -
반응후 0.16 0.15 2.40 0.32 21.6 46.95 0.044 3.20
실시예5
 초기 0.56 0.48 7.86 - - - - -
반응후 0.069 0.017 2.98 0.61 20.9 43.20 0.071 0.52
실시예6
 초기 0.61 0.022 2.55 - - - - -
반응후 0.15 0.008 2.40 0.18 18.2 44.85 0.059 4.47
실시예7
 초기 0.6 0.024 4.05 - - - - -
반응후 0.13 0.0096 3.15 0.97 18.5 49.75 0.060 0.17

용탕 조성(wt%) 플럭스 조성(wt%)
Cu S C Cu S Na Mg C
비교예1
 초기 0.06 - - - - - - -
반응후 0.01 4.65 0.075 0.31 22.2 16.20 0.39 0.11
비교예2
 초기 0.62 0.021 2.33 - - - - -
반응후 0.23 0.98 2.34 0.30 26.1 44.90 0.031 3.14
비교예3
 초기 0.65 0.027 5.35 - - - - -
반응후 0.48 0.48 2.06 0.14 3.93 40.35 0.045 8.28
먼저, 표2를 살펴보면, 실시예1 내지 7 전체에 걸쳐 탈구리 처리 후 구리의 함량이 감소한 것을 알 수 있다. 그런데 15g의 Na2S를 사용한 실시예1에서는 탈구리 효율이 약 1.7% 정도로 매우 낮게 나타나는데 비하여, 실시예1보다 Na2S의 양을 증가시킨 나머지 실시예들에서의 탈구리 효율은 약 60% 이상으로 매우 높게 나타나는 것을 확인할 수 있다. 이에 Na2S의 양을 증가시킬수록 탈구리 효율이 증가하는 것을 알 수 있다. 그리고 실시예2와 실시예3 내지 7의 탈구리 효율을 살펴보면, 트로나보다 Na2S의 함량이 높은 경우 탈구리 효율이 증가함도 알 수 있다. 이에 따라 트로나(또는 Na2CO3)와 Na2S의 비율을 앞에서 제시한 범위에서 적절하게 혼합하여 사용함으로써 목표하는 탈구리 효율을 구현할 수 있다.
비교예1 내지 3에서는 플럭스에 Na2S 대신 FeS를 사용하여 용철을 탈구리 처리하였다. 표 3 및 도 6을 살펴보면, 비교예 1 내지 3에서는 25 내지 80% 정도의 높은 탈구리 효율을 나타내고 있다. 그런데 이와 같은 탈구리 효율은 앞서 설명한 실시예들(실시예1 제외)에 의한 탈구리 효율 내에 포함되어 비교적 높은 탈구리 효율을 나타내고 있으나, 탈구리 처리 후 용탕 중에 4 내지 50wt% 정도의 황(S)이 다량 픽업된 것을 알 수 있다. 특히, FeS의 양이 많을 수록 황의 픽업량이 증가하는 것도 알 수 있다. 이에 비해 실시예1 내지 실시예7에서는 1wt% 미만의 황이 용탕 내에 존재하는 것을 알 수 있다. 특히, FeS의 양이 많을수록 황의 픽업량이 증가하는 것을 알 수 있다. 이에 비해 실시예1 내지 실시예7에서는 반응 후 용철 내에 황이 거의 픽업되지 않은 것도 확인할 수 있다.
따라서 용철 중에 구리 성분을 제거하기 위한 탈구리 플럭스로서 Na2S를 사용하는 경우 탈구리 효과는 물론, 황의 픽업을 억제할 수 있는 효과가 높은 것을 알 수 있다.
또한, 용철을 액적 상태로 분사함으로써 얻어지는 탈구리 효율을 확인하기 위하여 평형반응 실험을 실시하였다.
평형반응 실험은 밀폐된 챔버 내에 도가니를 설치하고 도가니 내에 구리를 함유하는 용철 120g을 넣고 아르곤 분위기에서 1550℃까지 승온시켜 용철을 용해시켜 용철을 획득한 후 1400℃로 온도를 낮췄다. 이때, 도가니 내에서 용철을 채취하여 초기 시편을 제작하였다. 그 후 Na2CO3-FeS계 플럭스 30g(비교예4) 혹은(Na2CO3-Na2S계 플럭스 30g(비교예5))을 용철에 투입하고 30분간 유지시킨 다음 다시 용철을 채취하여 반응 후 시편을 제조하여 성분을 분석하였다. (평형반응)
도5를 참조하면, 시편의 성분을 분석한 결과, 비교예4와 비교예5의 탈구리 효율은 거의 90% 정도로 유사하게 나타나고 있다. 그러나 Na2CO3-FeS계 플럭스를 사용한 비교예4의 경우 Na2CO3-Na2S계 플럭스를 사용한 비교예5에 비해 반응 후 용철 중 황 성분이 매우 높게 나타나고 있으며, 비교예5는 거의 황의 픽업되는 현상이 나타나지 않고 있다.
그리고 이 실험에서 얻어진 결과는 액적 상태로 분사한 경우의 실시예1 내지 실시예7, 비교예1 내지 비교예3에서 얻어진 탈구리 효율과 황 픽업 현상과 유사하지만 이 실험에서는 용탕에 플럭스를 투입하고 약 5분 정도 경과한 다음 용탕과 플럭스간의 반응이 본격적으로 발생하였다.
그러나 용철을 액적 상태로 만들어 탈구리 처리를 하는 경우(실시예1 내지 7, 비교예1 내지 3), 용철의 액적이 플럭스와 만나는 직후 수초, 예컨대 3초 이내에 용철과 플럭스 간의 반응이 격렬하게 일어났다.
이와 같은 실험 결과에 따르면 본 발명에서와 같이 용철을 액적 상태로 만들어 탈구리 처리를 하면, 용철 중의 구리를 신속하게 제거할 수 있는 동시에, Na2S와 같은 S함유 플럭스를 적용하면 플럭스에 함유된 황이 용탕 중으로 픽업되는 현상을 동시에 억제할 수 있어, 원하는 성분의 용탕을 제조할 수 있음을 확인할 수 있었다.
이와 같이, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
100 : 용해로 110 : 레이들
200 : 용철 처리장치 210 : 제1용기
214 : 분사부 220 : 제2용기
230 : 제3용기

Claims (20)

  1. 철원을 용융시켜 용철을 제조하는 용해로와;
    상기 용해로에서 제조된 용철을 액적 상태로 분사하여 상기 용철 중에 함유된 구리 성분을 제거하는 탈구리 장치;
    를 포함하고,
    상기 용해로는 전기로, SAF(submerged arc furnace) 및 LF(Ladle Furnace) 중 적어도 어느 하나이고,
    상기 탈구리 장치는
    용철이 수용되고, 상기 용철을 액적으로 분사하도록 형성되는 제1용기와;
    상기 제1용기 하부에 구비되어 상기 제1용기에서 분사되는 용철을 수용하고, 하부에 용철을 배출시키는 유출구가 형성되는 제2용기;를 포함하며,
    상기 제2용기의 하부에 구비되어 상기 제2용기에서 배출되는 용철을 수용하고, 상기 제2용기에서 배출되는 용철을 탈황처리하는 제3용기를 포함하는 용철 처리 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1용기는 하부에 용철을 액적 상태로 분사하는 분사부가 형성되는 용철 처리 장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 분사부는 복수의 분사공 또는 다공성 부재로 형성되는 용철 처리 장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 분사공은 2 ~ 5㎜의 크기로 형성되는 용철 처리 장치.
  8. 청구항 5에 있어서,
    상기 분사부를 개폐하는 개폐수단을 포함하는 용철 처리 장치.
  9. 용철 내부에 함유된 불순물을 처리하는 방법으로서,
    구리를 함유하는 철원을 용융시켜 용철을 제조하는 과정과;
    상기 용철을 제1용기에 장입하는 과정과;
    상기 제1용기의 하부에 구비되는 제2용기에 상기 용철 중 구리 성분을 제거하기 위한 플럭스를 마련하는 과정과;
    상기 제2용기의 하부에 구비되는 제3용기에 탈황 플럭스를 마련하는 과정과;
    상기 제1용기에 마련된 용철을 상기 제2용기에 액적 상태로 분사하여 상기 용철의 액적을 상기 제2용기에 마련된 상기 플럭스에 접촉시켜 상기 용철 중 함유된 구리와 상기 플럭스를 반응시켜 부산물을 생성하고, 상기 부산물을 상기 플럭스 중에 잔류시킴으로써 상기 용철 중에 함유된 구리를 제거하는 과정; 및
    상기 제2용기에 수용된 용철을 상기 제3용기에 용철류를 형성하여 공급하여 상기 탈황 플럭스와 반응시켜 용철 중에 함유된 황을 제거하는 과정;을 포함하고,
    상기 용철 중에 함유된 황을 제거하는 과정은 상기 구리를 제거하는 과정과 연속적으로 수행되는 용철 처리 방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 용철을 제조하는 과정에서 철스크랩, 철근, 파이넥(FINEX) 슬러지, 동제련 슬래그, 폐타이어(타이어코드) 및 사철 중 적어도 어느 하나를 철원으로 사용하는 용철 처리 방법.
  11. 청구항 9에 있어서,
    상기 플럭스는 적어도 Na2CO3를 함유하는 물질과, S를 함유하는 물질을 포함하는 용철 처리 방법.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 Na2CO3를 함유하는 물질과 상기 S를 함유하는 물질의 조성비는 20 ~ 60wt% : 40 ~ 80wt%인 용철 처리 방법.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 Na2CO3를 함유하는 물질은 Na2CO3 또는 트로나((Na2CO3·NaHCO3·2H2O)이고, 상기 S를 함유하는 물질은 Na2S, FeS 및 Na2SO4 중 적어도 어느 하나인 용철 처리 방법.
  14. 청구항 9에 있어서,
    상기 플럭스는 상기 용철 1톤(ton) 당 150kg 내지 4000kg 마련되는 용철 처리 방법.
  15. 청구항 9 내지 청구항 14 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 플럭스는 상기 용철보다 비중이 작고,
    상기 용철은 상기 플럭스를 통과하여 상기 플럭스 하부에 가라앉는 용철 처리 방법.
  16. 청구항 9에 있어서,
    상기 제1용기에 마련된 용철을 상기 제2용기에 액적 상태로 분사할 때, 상기 제2용기 내부에 진공을 형성하여 상기 제1용기에서 유입되는 용철을 확산시키는 용철 처리 방법.
  17. 청구항 9에 있어서,
    상기 제1용기에 마련된 용철을 상기 제2용기에 액적 상태로 분사할 때, 상기 제1용기의 내부에 압력을 인가하여 상기 제1용기 내의 용철을 상기 제2용기에 액적 상태로 분사되도록 하는 용철 처리 방법.
  18. 삭제
  19. 삭제
  20. 청구항 9에 있어서,
    상기 탈황 플럭스는 트로나를 포함하는 용철 처리 방법.
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