KR101504973B1 - 정련 장치 및 정련 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 쇳물을 정련하는 정련 장치 및 정련 방법에 관한 것으로서, 쇳물이 장입되는 공간을 형성하는 용기, 용기 상부에 상하 방향으로 연장 형성되는 임펠러 몸체와, 임펠러 몸체의 상부 외주면에 구비되는 블레이드를 구비하는 임펠러 및 용기의 바닥면을 관통하여 구비되며, 쇳물 내부에 기체를 취입하는 적어도 하나 이상의 저취 플러그을 포함하고, 블레이드의 상부면은 쇳물의 탕면에 인접하도록 침지되어 배치되고, 저취 플러그는 용기 바닥면에서 블레이드의 외측에 위치하도록 구비되어, 쇳물의 탕면에 인접하도록 임펠러를 침지시키고 용기의 하부에서 임펠러의 블레이드 외측에서 가스를 주입함으로써 가스에 의한 흐름이 임펠러의 회전 흐름과 혼합되어 쇳물을 교반할 수 있다.
이에, 종래에 임펠러의 회전 흐름과 임펄레로부터 취입되는 가스의 흐름간에 충돌에 의해 교반력이 상쇄되는 것을 방지할 수 있고, 쇳물의 교반율을 증가시킴으로써 쇳물에 투입되는 탈린제의 반응율을 증가시킬 수 있다. 따라서, 쇳물 중의 인 농도를 효율적으로 제어할 수 있다.

Description

정련 장치 및 정련 방법 {Refining method of molten steel and an apparatus thereof}
본 발명은 정련 장치 및 정련 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 페로망간 쇳물의 교반 효율을 증대시킬 수 있는 정련 장치 및 정련 방법에 관한 것이다.
일반적으로 인(P)은 강 중에 불순물로 존재하며 고온 취성 유발과 같이 철강 제품의 품질을 저하시키기 때문에 특별한 경우를 제외하고는 강 중의 인(P)의 함량을 낮추는 것이 좋다. 이에, 페로망간 쇳물 중의 인(P)을 인산화물(Ba3(PO4)2등) 형태로 제거하는 산화 탈린 조업이 실시된다.
이때, 페로망간 중의 인(P)은 열역학적으로 매우 안정하고, 망간(Mn)의 높은 산소 친화력으로 인하여 페로망간의 탈린 반응은 용선 대비 1000배 이상 어렵다. 때문에, 전기로에서 생산되는 고탄 페로망간 중 인(P)의 함량 0.15 ~ 0.2%에서, 0.05% 이하로 인(P)을 감소시키기 위해서는 66 ~ 75% 이상의 탈린율을 확보하여야 하므로, 페로망간 쇳물의 탈린 시 기존의 탈린제 대비 탈린 효율이 우수한 고 염기성 플럭스의 다량 투입 및 반응 계면적의 증대가 필요하다.
이에 종래에는, 페로 망간 용강을 수용한 래들 내로 임펠러를 침지시켜 용강을 교반시킨다. 여기서, 일반적인 임펠러(20)는 도 8에 도시된 바와 같이, 상하 방향으로 연장된 임펠러 몸체(21), 임펠러 몸체(21)의 하부의 외주면에 연결된 복수의 블레이드(22), 복수의 블레이드(22) 내부의 중심을 관통하도록 형성되어, 저취 플러그(23)로 가스를 공급하는 공급관(24) 및 임펠러 몸체(21)의 상단과 연결된 플렌지(25)를 포함한다. 그리고 플렌지(25)는 회전 동력을 제공하는 구동부(미도시)와 연결된다.
이러한 임펠러(20)의 동작에 의한 교반 흐름을 간략히 설명하면, 하기와 같다. 도 9에 도시된 바와 같이 블레이드(22)의 회전에 의해 발생하는 교반의 흐름(실선의 화살표) 래들(10) 내벽 방향으로 발생하여 충돌한 후, 래들(10)의 내벽을 타고 상하 방향으로 분리되어 흐른다. 또한, 저취 플러그(23)로부터 토출된 가스는 블레이드(22)와 임펠러 몸체(21)의 외주면을 타고 가스의 상승에 의해 강한 상승류가 형성되고, 슬래그/대기 계면을 강타한 후, 하강류를 형성하여 흐른다.
이때, 교반 효율을 위해 임펠러(20)에 의한 회전 교반과 임펠러(20)를 통한 가스 주입에 의한 교반을 동시에 적용하는 경우, 도 9의 A영역과 같이, 취입노즐(23)로부터 토출된 가스가 블레이드(22)와 임펠러 몸체(21)의 외주면을 타고 상승하는 흐름은 블레이드(22)의 회전에 의해 래들(10) 내벽과 충돌 후 상승되어 다시 하강하는 흐름과 충돌한다. 또한, 가스가 블레이드(22)와 임펠러 몸체(21)의 외주면을 타고 상승한 후, 다시 래들(10) 내벽을 타고 하강하는 흐름은 블레이드(22)의 회전에 의해 발생되어 래들(10) 내벽을 타고 상승하는 교반 흐름과 충돌한다. 때문에, 이러한 흐름의 충돌에 의해 용강의 교반력이 상쇄되며, 이는 용강과 탈린제 간의 반응율을 저감시켜, 탈린율을 감소시키는 요인이 된다.
따라서, 고탄 페로망간에서 저린 페로망간을 제조하기 위해 작업자가 원하는 낮은 농도로 인(P)을 제거하기가 용이하지 않아, 목표한 값으로 인(P)을 제거하는데 장시간 소요되는 문제가 있다.
KR 2011-0117264 A1
본 발명은 쇳물의 교반 효율을 향상시켜 쇳물의 교반 시간을 단축시킬 수 있는 정련 장치 및 정련 방법을 제공한다.
본 발명은 쇳물에 투입되는 탈린제의 분산능을 향상시켜, 쇳물의 탈린 효율을 증가시킬 수 있는 정련 장치 및 정련 방법을 제공한다.
본 발명은 페로망간 용강 중의 인(P)의 농도를 효율적으로 제어할 수 있는 정련 장치 및 정련 방법을 제공한다.
본 발명의 실시 예에 따른 정련 장치는 쇳물을 정련하는 장치로서, 상기 쇳물이 장입되는 공간을 형성하는 용기와, 상기 용기 상부에 상하 방향으로 연장 형성되는 임펠러 몸체와, 상기 임펠러 몸체의 상부 외주면에 구비되는 블레이드를 구비하는 임펠러 및 상기 용기의 바닥면을 관통하여 구비되며, 상기 쇳물 내부에 기체를 취입하는 적어도 하나 이상의 저취 플러그을 포함하고, 상기 블레이드의 상부면은 상기 쇳물의 탕면에 인접하도록 침지되어 배치되고, 상기 저취 플러그는 상기 용기 바닥면에서 상기 블레이드의 외측에 위치하도록 구비된다.
상기 블레이드의 상부면은 상기 쇳물의 전체 깊이에 대하여 상기 쇳물의 탕면으로부터 하측으로 20% 이내의 영역에 위치할 수 있다.
상기 블레이드의 상부면은 상기 쇳물의 탕면으로부터 하측으로 10% 이내의 영역에 위치할 수 있다.
상기 저취 플러그는 상기 용기의 바닥면의 반경 R을 기준으로, 중앙에서부터 1/2R 이상의 위치에 구비될 수 있다.
상기 저취 플러그는 바닥면의 반경 R을 기준으로, 중앙에서부터 3/4R 위치에 구비될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 정련 방법은 쇳물의 정련 방법으로서, 상기 쇳물이 저장된 용기를 마련하는 과정과, 상기 쇳물의 탕면에 인접하도록 임펠러를 침지시키는 과정, 상기 쇳물의 상부에 탈린제를 공급하는 과정, 상기 임펠러를 회전시키고, 상기 용기의 하부에서 상기 임펠러의 블레이드 외측에서 가스를 주입하여, 상기 가스에 의한 흐름이 상기 임펠러의 회전 흐름과 혼합되어 상기 쇳물을 교반하는 과정을 포함한다.
상기 임펠러를 침지시키는 과정 이전에 이전 공정에서 생성된 슬래그를 배재할 수 있다.
상기 임펠러를 침지시키는 과정에서, 상기 블레이드의 상부면을 상기 쇳물의 탕면으로부터 하부로 20% 이내의 영역에 침지시킬 수 있다.
상기 블레이드의 상부면을 상기 쇳물의 탕면으로부터 하부로 10% 이내의 영역에 배치시킬 수 있다.
상기 가스는 상기 용기 바닥면의 반경 R을 기준으로, 중앙에서부터 1/2R 이상 3/4R 이하의 위치에서 주입될 수 있다.
상기 가스는 상기 중앙에서부터 3/4R 위치에서 주입될 수 있다.
상기 교반과정은 상기 용기의 하부로부터 주입되는 가스에 의한 교반 흐름이 상기 용기 외부를 향하는 방향으로 상승하도록 교반시켜, 상기 임펠러의 회전 방향을 따라 이동하도록 할 수 있다.
상기 쇳물을 교반하는 과정 이후에 슬래그를 배재할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 정련 장치 및 정련 방법에 의하면, 블레이드의 침지 깊이를 쇳물 상부에 배치하고, 용기의 바닥면에 구비된 저취 플러그가 블레이드의 외측에 위치하도록 마련하여 쇳물 중에 투입되는 탈린제의 분산능을 향상시켜 쇳물의 탈린 효율을 향상시킬 수 있다.
예컨대, 래들에 마련되는 페로망간 용강에 탈린 플럭스를 투입하고 용강의 탕면 가까이에 위치하여 외부로 노출되지는 않을 정도로 블레이드를 침지시키고, 래들의 하부에서는 블레이드가 위치하는 래들의 바닥면 반경 이상의 반경에서 저취 플러그를 통해 가스를 취입함으로써, 래들의 하부로부터 주입되는 가스에 의한 교반 흐름이 임펠러의 회전 방향을 따라 이동하여, 두 흐름이 합쳐져 전체 교반력이 향상된다.
이처럼, 쇳물의 교반율을 향상시킴으로써 쇳물의 정련을 위한 탈린제와의 반응율을 증가시킬 수 있어, 쇳물 내 인을 용이하게 제어할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 정련 장치의 개략적인 구성을 나타내는 단면도이다.
도 2는 도 1의 평면도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 정련 방법을 나타내는 순서도이다.
도 4는 본 발명의 임펠러 침지 깊이에 따른 수실험 교반 형상을 나타내는 사진이다.
도 5는 본 발명의 저취 플러그 위치에 따른 수실험 교반 형상을 나타내는 사진이다.
도 6은 종래 및 실험예의 교반 방식별 유효 반응 면적 도달 시간 및 교반 방식별 교반 시간에 따른 유효 반응 면적을 나타내는 그래프이다.
도 7은 종래 및 본 발명의 실시 예에 따른 수실험 시 교반 시간에 따른 교반 형상을 나타내는 사진이다.
도 8은 종래와 본 발명의 정련 방법을 비교하는 비교도이다.
도 9는 종래기술에 따른 정련 장치의 개략적인 구성을 보여주는 단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 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. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
본 발명은 정련 방법 및 그 장치로서, 페로망간 용강 중에 함유된 인(P) 등과 같은 원소의 농도를 제어할 수 있다. 이하에서는 전기로에서 생산된 고탄 페로망간에 탈린능이 우수한 고염기성 플럭스를 투입하여 페로망간 중에 함유된 인(P)의 농도를 제어하는 장치 및 방법에 대해서 설명하나, 이에 한정되지 않고 조업 조건에 따라 쇳물(용선, 용강) 중으로 다양한 물질을 투입하여 쇳물 중에 함유된 다양한 원소의 농도를 제어할 수 있다. 즉, 본 발명의 실시 예에서는 쇳물 중의 인 농도를 제어하기 위하여, 임펠러를 쇳물의 탕면에 근접하도록 침지시키고, 래들의 바닥부로부터 취입되는 가스가 임펠러의 블레이드 위측에 구비되어 취입되어 강을 교반시킴으로써 쇳물 중에 탈린제의 분산 효율을 향상시킬 수 있다. 이에 쇳물의 인 성분과 탈린제 간의 반응 효율을 향상시켜 고품질의 쇳물을 획득할 수있다.
이하, 첨부된 도면을 참고로 하여 본 발명을 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 쇳물의 정련 장치의 개략적인 구성을 나타내는 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 쇳물의 정련 장치는, 쇳물 및 슬래그가 장입되는 공간을 형성하는 래들(Ladle; 100)과, 래들(100) 상부에 상하방향으로 연장 형성되어 래들(100) 내로 장입 가능하도록 배치되는 임펠러(200)와, 래들(100)의 바닥면을 관통하여 구비되어 래들(100) 내 쇳물 내부에 기체를 취입 가능하게 하는 적어도 하나 이상의 저취 플러그(150)를 포함한다. 이때, 래들(100)의 외측에는 래들(100) 내에 장입된 쇳물 상부로 탈린제를 주입하는 탈린제 공급부(미도시)가 구비된다. 이에, 쇳물의 정련 장치(1)는 탈린제 공급부를 통해 래들(100) 내 쇳물 상에 탈린제를 공급하고, 임펠러(200) 및 저취 플러그(150)에 의해 쇳물을 교반하여 쇳물 중의 인(P) 농도를 제어할 수 있다.
임펠러(200)는 래들(100)에 수용된 쇳물과, 쇳물의 정련을 위해 투입되는 탈린제를 교반시키는 교반기이다. 임펠러(200)는 상하방향으로 연장 형성되는 임펠러 몸체(210)와, 임펠러 몸체(210)의 외주면에 구비되는 복수의 블레이드(220) 및 복수의 블레이드(220)의 상측에서 임펠러 몸체(210)의 상단에 연결된 플랜지(250)를 포함한다. 이러한 임펠러(200)는 래들(100)의 외부에 설치되어, 임펠러(200)에 회전력을 제공하는 별도의 구동부(미도시)로 예컨대, 모터와 연결될 수 있다. 즉, 임펠러(200)의 플랜지(250) 상부를 통해 임펠러 몸체(210)와 연결되어 임펠러(200)를 회전시킬 수 있다.
임펠러 몸체(210)는 임펠러(200)의 회전축 또는 주축으로서, 길이 방향 또는 상하 방향으로 연장 형성되며, 적어도 쇳물의 탕면에 블레이드(220)가 침지되도록 연장 설치될 수 있다. 보다 구체적으로는 임펠러 몸체(210)는 상단이 슬래그의 상측으로 돌출되고, 블레이드(220)가 구비되는 하단이 쇳물에 침지하도록 설치될 수 있다. 실시 예에 따른 임펠러 몸체(210)는 그 횡단면이 원형인 봉 형상이나, 이에 한정되지 않고 회전이 용이한 다양한 횡단면을 가지는 봉 형상이어도 무방하다.
블레이드(220)는 래들(100)에 장입된 쇳물을 기계적으로 교반하여 쇳물 중에 투입되는 액상 탈린제를 분산 또는 확산시킨다. 이러한 블레이드(220)는 임펠러 몸체(210)의 외주면에 구비되어, 블레이드(220)의 상부면이 래들(100)에 수용된 쇳물의 탕면과 인접하도록 설치될 수 있다. 이러한 블레이드(220)는 복수개로 마련되어 임펠러 몸체(210)의 외주면에서 등 간격으로 이격 설치된다. 그리고 복수의 블레이드(220)는 교반효율을 증가시키기 위해 임펠러 몸체(210)를 사이에 두고, 예컨대, 십자 형상으로 배치될 수 있으며 임펠러 몸체(210)를 중심으로 한 쌍씩 대향되도록 배치될 수도 있다.
블레이드(220)는 임펠러(200)를 래들(100) 내부에 장입된 쇳물에 침지시켰을 때, 쇳물의 탕면(탈린제 제외)으로부터 하부로 20% 이내에 배치될 수 있다. 또한, 탕면으로부터 하부로 10% 이내에 배치될 수도 있다. 이에 대해서는 쇳물의 정련 방법에서 다시 설명하기로 한다.
저취 플러그(150)는 래들(100)의 바닥면을 관통하며 형성되고, 가스 공급부(미도시)로부터 공급되는 가스가 가스라인(170)과 연결되어 가스가 래들(100) 내부로 취입될 수 있도록 구비된다. 즉, 저취 플러그(150)는 래들(100)의 바닥면에 적어도 하나 이상이 구비되고, 가스 공급부와 연결된 가스라인(170)이 각각의 저취 플러그(150)와 연결되어 쇳물으로 가스를 취입할 수 있다.
이때, 저취 플러그(150)가 구비되는 위치는 래들(100) 바닥면에서 블레이드(220)의 외측에 위치하도록 구비될 수 있다. 즉, 도 2에 도시된 r1, r2와 같이, 저취 플러그(150)는 래들(100)의 바닥면의 반경 R을 기준으로, 중앙에서부터 1/2R 이상 내지 3/4R 이하의 위치에 구비될 수 있다. 즉, r1, r2는 1/2R보다는 크거나 같은 위치에 형성되고, 반경 R보다는 작은 반경 위치에 형성된다. 이때, 저취 플러그(150)가 중앙에서부터 3/4R 이상의 위치에 형성될 경우, 래들(100)의 외벽에 근접하게 되어 저취 플러그(150)를 바닥부에 매립하기 위한 공간이 협소해질 수 있다. 따라서, 저취 플러그(150)는 상기 범위 내에 형성되는 것이 바람직하고, 더욱이 저취 플러그는 중앙에서부터 3/4R 지점에 형성될 수 있다. 저취 플러그(150)가 구비되는 위치에 대한 설명은 이하의 정련 방법에서 다시 설명하기로 한다.
한편, 저취 플러그(150)를 통해 취입되는 가스는 쇳물을 교반하기 위한 것으로서, 쇳물 및 탈린제와 반응하지 않는 가스가 취입되는 것이 바람직하다. 예컨대, 비활성 가스로서, 아르곤(Ar), 질소(N2) 등과 같은 불활성 가스일 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 쇳물의 정련 장치는 쇳물 상부에 액상의 탈린제를 공급하고, 블레이드 상부면이 쇳물의 탕면에 근접하도록 배치하고, 래들의 하부에서 블레이드의 외측에서 교반 가스를 취입하여 쇳물을 교반시킴으로써 탈린제를 쇳물 중에 신속하고 균일하게 분산시키고 임펠러 회전 흐름과 취입 가스의 흐름을 혼합시켜 교반율을 증가시킬 수 있다. 이에, 쇳물 중에 함유된 인 성분을 용이하게 제어하여 고품질의 쇳물을 제조할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 실시 예에 따른 쇳물의 정련 방법에 대하여 설명한다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 쇳물의 정련 방법을 순차적으로 보여주는 순서도이다.
먼저, 전기로에서 생산된 페로망간 쇳물을 래들(100)로 출탕한 후, 래들 퍼니스(Ladle Furnance) 설비에서 승온시킨 다음, 탈린을 위한 조업 장소로 이동시킨다. 탈린을 위한 조업 장소에는 쇳물을 교반하기 위한 임펠러(200)와, 쇳물에 탈린제를 투입하기 위한 탈린제 공급부가 마련되어 있다. 이때, 쇳물이 수용되는 래들(100)에는 바닥부로부터 교반 가스가 취입될 수 있도록 저취 플러그(150)가 적어도 하나 이상 구비된다.
쇳물이 마련되면(S100), 쇳물을 승온시키는 과정에서 발생한 슬래그(LF 슬래그)를 배재(S110)한다.
슬래그 배재 후, 래들(100) 상부에 구비되는 임펠러(200)를 하강시켜 쇳물에 침지(S120)시킨다. 이때, 임펠러의 블레이드(220)의 상부면은 침지되는 쇳물의 탕면에 근접하도록 침지된다. 즉, 침지되는 블레이드(220)가 가능한 쇳물의 탕면 가까이에 위치하고 탕면 외부로 노출되지는 않을 정도로 침지될 수 있다. 이에, 블레이드(220)의 상부면은 쇳물의 탕면을 기준으로 하부로 20% 이내의 영역에 배치되도록 침지될 수 있다. 또한, 블레이드(220)의 상부면은 쇳물의 탕면을 기준으로 하부로 10% 이내의 영역에 배치되도록 침지될 수도 있다.
다음, 탈린제 공급부를 이용하여 용융로 내의 탈린제를 일정하게 배출시켜 쇳물 상부에 탈린제를 투입(S130)한다. 이때, 탈린제가 쇳물에 투입되기 시작하면 임펠러를 회전시켜 쇳물을 교반(S140)한다. 또한, 동시에 래들(100) 하부의 저취 플러그(150)를 통해 가스를 취입하여 쇳물을 교반(S140)한다.
이때, 쇳물에 교반 가스를 취입하기 위해 구비되는 저취 플러그(150)는 래들(100)의 바닥면에서 래들(100)의 바닥면에서 블레이드(220)의 외측에서 주입될 수 있다. 즉, 본 발명의 실시 예에 따른 쇳물의 정련 장치(1)를 평면도로 살펴 볼 경우, 블레이드(220)와 이격된 래들(100)의 바닥에 저취 플러그(150)가 구비되어 가스가 취입될 수 있다. 이때, 취입 가스는 래들(100)의 바닥면의 중앙, 바닥면의 반경을 R로 기준으로 하였을 때, 중앙에서부터 1/2R 이상 3/4R 이하의 위치에 적어도 하나 이상 구비되는 저취 플러그(150)를 통해 취입될 수 있다. 또한, 취입 가스는 중앙에서부터 3/4R 지점에서 취입될 수도 있다.
이후, 일정 시간 동안 임펠러의 회전 및 저취 가스 취입을 이용한 쇳물의 교반이 완료되면, 임펠러의 회전 및 가스의 공급을 중지(S150)시키고, 임펠러를 상승시켜 쇳물으로부터 인출한 다음, 탈린 과정에서 발생한 슬래그를 배재(S160)한다. 이때, 쇳물의 교반은 5 내지 20분 정도 수행될 수 있는데, 제시된 시간보다 짧은 시간동안 쇳물을 교반하면 쇳물의 탈린 효과가 저하되고, 제시된 시간보다 긴 시간동안 쇳물을 교반하면 탈린 효율의 증가가 미미하여 쇳물의 온도 저하되어 탈린 효율이 저하됨은 물론, 후속 공정에서 탈린 처리된 용강의 온도를 승온시키기 위한 별도의 공정이 수행되어야 하는 문제점이 있다.
이와 같이 쇳물의 상부를 통해서는 탈린제를 투입하는 동시에 임펠러(200)를 회전시키고 저취 가스를 취입하면, 탈린제는 임펠러(200)의 회전 및 가스의 교반에 의해 미세한 액적으로 분해되면서 쇳물 상부에서 하부측으로 이동하면서 분산될 수 있다. 더욱 상세하게는, 임펠러의 블레이드(220)를 쇳물의 탕면에 인접한 부분에 설치, 즉, 블레이드의 상부면이 탕면을 기준으로 하부로 20% 이내의 영역이나, 10% 이내의 영역에 배치되어 쇳물 상부에서 쇳물의 흐름을 형성하고, 저취 플러그(150)를 래들(100)의 바닥부에 형성하여, 가스의 취입에 의해 쇳물 하부에서 쇳물의 흐름을 형성함으로써 쇳물에 투입된 탈린제의 분산 효율을 향상시킬 수 있다.
쇳물의 교반시 쇳물 중에 형성되는 쇳물의 흐름을 살펴보면 다음과 같다.
임펠러 몸체(210)가 회전하면, 임펠러 몸체(210)와 함께 블레이드(220)가 회전한다. 그리고, 도 1에 도시된 바와 같이, 블레이드(220)의 회전에 의해 발생하는 교반의 흐름(실선의 화살표)은 블레이드(220)로부터 래들(100) 내벽 방향으로 발생하여 충돌한 후, 래들(100) 내벽을 타고 상하 방향으로 분리되어 흐른다. 이때, 블레이드(220)는 탕면과 인접하도록 위치하고 있기 때문에 블레이드(220)의 상측 방향에서의 쇳물의 교반 흐름의 면적에 비해 블레이드(220) 하측 방향에서의 쇳물의 교반 흐름의 면적이 크다. 보다 상세히 설명하면, 래들(100) 내벽과 충돌 후, 일부는 래들(100) 내벽을 타고 상측 방향으로 이동하고, 이후 탕면 상측의 탈린제를 거쳐 임펠러 몸체(210) 및 블레이드(220)의 외부면을 타고 하강하며, 다시 상승한다. 이에 쇳물 상부의 탈린제가 쇳물의 흐름을 따라 하부 방향으로 이동하며 분산된다. 또한, 저취 플러그(150)를 통해 취입되는 교반 가스는 블레이드(220)의 외측의 위치에서 쇳물으로 취입되기 때문에 래들(100)의 벽체를 향하는 방향으로 상승함과 동시에 블레이드(220)의 회전에 의한 흐름을 따라 이동한다. 즉, 블레이드(220)의 회전에 의한 흐름과 저취 가스의 흐름이 혼합되어 교반력을 향상시킨다.
한편, 종래의 임펠러(20)는 배경기술에 설명한 바와 같이 블레이드(22)가 쇳물에 깊이 침지되고, 블레이드(220)에 취입 노즐(23)이 마련된다. 이에, 도 8에 도시된 바와 같이, 블레이드(22)의 회전에 의해 발생하는 쇳물의 교반 흐름은(실선의 화살표) 래들(10) 내벽 방향으로 발생하여 충돌한 후, 상기 래들(100) 내벽을 타고 상하 방향으로 분리되어 흐른다. 보다 상세히 설명하면, 블레이드(200)의 회전에 의해 발생하는 쇳물의 교반 흐름은 래들(10) 내벽과 충돌 후, 일부는 래들(10) 내벽의 상측 방향으로 이동하고 탕면 상측의 탈린제를 거쳐 임펠러 몸체(21) 및 블레이드(22)의 외주면을 타고 하강하고, 다시 상승한다. 다른 일부는 래들(10) 내벽의 하측 방향으로 이동하여 상기 래들(10) 내부의 하단부까지 하강하고, 다시 상승한다. 또한, 블레이드(22)에 마련된 취입 노즐(23)을 통해 취입되는 가스의 흐름에 의한 쇳물의 흐름은 블레이드(22) 및 임펠러 몸체(21)의 외주면을 타고 직 상승한 후, 탕면 상측의 슬래그를 거쳐 래들(10) 내벽을 타고 하강한다(점선화살표). 그런데, 취입 노즐(23)로부터 취입된 가스에 의해 발생되어, 블레이드(22)와 임펠러 몸체(21)의 외주면을 타고 상승하는 교반 흐름은 블레이드(22)의 회전에 의해 래들(10) 내벽과 충돌 후 상승되어 다시 하강하는 흐름과 충돌한다(도 9의 A영역 확대 부분). 또한, 가스에 의한 교반 흐름은 임펠러 몸체(21)의 외주면을 타고 상승한 후, 다시 래들 내벽을 타고 하강하는 흐름은 블레이드의 회전에 의해 발생되어 상기 래들(10) 내벽을 타고 상승하는 교반흐름과 충돌한다. 이처럼 블레이드(22)에 취입 노즐(23)이 마련되는 종래의 임펠러(20)에서는 상기와 같은 충돌이 블레이드(22)의 상측 또는 블레이드(22)와 대응하는 위치에서 발생 된다. 취입 가스에 의한 교반 흐름과 블레이드(22)의 회전에 의한 교반 흐름이 충돌하면, 그 두 흐름이 상호 작용에 의해 상쇄되며, 결과적으로 전체적인 쇳물 교반력이 저하되고, 이는 래들(10)의 쇳물과 탈린제 간의 반응율 및 탈린율을 저감시키는 요인이 된다.
이하에서는 종래의 쇳물의 정련 장치를 이용하여 쇳물을 정련했을 때와, 본 발명의 실시 예에 따른 쇳물의 정련 장치를 이용하여 쇳물을 정련했을 때의 교반 현상 및 효과를 증명하기 위해 수모델을 이용하여 실험을 진행하였다. 수모델 실험은 실제 탈린 조업에서 쇳물과 탈린제 사이의 물질 전달 현상을 모사한다.
먼저, 수모델 실험은 다음과 같이 수행되었다.
실험을 위하여 동일한 크기의 다수의 용기에 동일한 양의 물을 투입하고, 각각의 용기에 물과 오일에의 평형 분배비 값이 350 이상 되는 티몰(thymol, C10H14O)을 투입하여 용해시킴으로써 쇳물 중의 인 성분을 모사하였다. 그리고, 물 상부에 탈린제와 대응하는 파라핀 오일을 투입시킨 후, 임펠러를 물에 침지시켜 일정 속도로 회전 교반을 실시한다. 이때, 파라인 오일을 공급하는 공급 속도 및 위치는 한정하지 않으나, 실 공정의 탈린제 배출 위치를 고려하여 적용할 수 있다. 또한, 용기의 하부에는 저취 플러그(150)와 대응되는 가스 분사 노즐을 설치하여 물 내부로 가스가 분사되도록 한다.
파라핀 오일은 탈린제 원단위 100kg/ton.FeMn을 모사하기 위하여 10분간 10.8리터(liter)를 공급하였다. 그리고 임펠러의 회전 속도는 120rpm으로 하고, 취입 가스는 불활성 가스인 질소 가스를 사용하였으며, 질소 가스의 유량은 120liter/min 또는 42liter/min으로 적용하였다.
물과 파라핀 오일의 흐름, 즉 교반 형상을 확인하기 위하여 비디오 카메라를 이용하여 촬영하고, 교반은 20분간 진행하였으며, 교반 중 물 시편을 각각의 용기의 바닥에서 10mm 지점에서 2분당 1회씩 채취하고, 교반이 완료하여 실험을 종료하였다.
실험은 아래의 표 1에 기재된 바와 같은 조건으로 복수 회 수행되었다.
탈린제 투입 가스 취입 블레이드 위치
(탕면으로부터 하부로의 위치 = H)
종래기술 X 70%
실험예1 X 50%
실험예2 X 40%
실험예3 X 30%
실험예4 X ≤20%
액상 탈린제가 투입된 물에 침지된 블레이드(220) 상부면의 위치에 따른 교반 효과를 살펴보기 위하여 상기 표1에 나타난 바와 같이 실험 조건을 변경하며 실험을 수행하였다.
여기서, 블레이드 위치(H)는 탕면으로부터 하부로의 위치를 퍼센트로 나타낸 값이다. 즉, 탕면의 총 길이가 100일 경우, H의 값이 작아질수록 물에 침지된 블레이드의 깊이는 탕면과 가까워지는 침지 깊이이다.
물 중의 티몰 분석을 실시하고 하기와 같은 물질 전달 방정식을 이용하여 해석하였다. 여기에서 물 상(water phase) 측에 존재하는 물질 전달 저항층 내에서의 티몰 확산 속도에 의해 전체 반응 속도가 유속이 된다. 이러한 물질 전달 방정식은 수학식1과 같다.
Figure 112013079046138-pat00001
여기에서, Cw는 물 상에서의 티몰의 농도이고, Cw'는 물 상측 물질전달 저항층 내에서의 티몰의 농도이다. Kw는 물상에서의 물질전달 계수이고, Vw는 물의 부피, A는 물과 기름 사이의 계면적을 나타낸다. 수학식 1에서는 각 상에서 부피 변화가 없고, 일정한 계면적을 가지며 계면 저항은 없다고 가정하였다.
계면에서의 평형 분배비(β)는 수학식 2와 같다.
Figure 112013079046138-pat00002
여기에서 CO'=CO인 것은 티몰의 사용으로 기름 상측에 존재하는 물질 전달 저항층을 고려할 필요가 없어졌기 때문이다. 즉, 기름 상의 농도는 균일하다고 가정한다.
몰의 물질 균형을 생각하면 수학식 3을 도출할 수 있다.
Figure 112013079046138-pat00003
여기서 Cw 0는 물 상측에서 티몰의 초기 농도이고, C0, Cw는 각각 어떤 시각(t)에서의 기름 상측 티몰 농도와 물 상측 티몰 농도이다.
계면에서의 평형을 고려하여 위 식들을 조합하면 Cw항에 의해 모든 농도 항들을 표현할 수 있으며, 아래의 수학식 4와 같이 표현될 수 있다.
Figure 112013079046138-pat00004
본 실험에서의 티몰의 농도 변화 범위 안에서 평형 분배비(β)는 일정한 값을 가지므로, 수학식4를 적분하면 하기의 수학식5이 도출된다.
Figure 112013079046138-pat00005
상기 수학식 5으로부터 물질 전달 변수 (KwA)의 값을 구할 수 있으며, 이때 물질 전달 변수가 높은 값을 갖는 경우 물질 전달 속도가 빨라짐을 알 수있다. 즉, KwA가 클수록 쇳물과 탈린제 사이의 반응 계면이 넓고 교반에 의한 반응성이 높음을 의미한다.
도 4는 탈린제 투입 후 블레이드의 침지 위치에 따른 교반 형상을 보여주는 사진이다. 즉, 상기 표1의 조건에서 교반 60초 후의 형상을 나타내었다.
먼저, 종래기술과 실험예1 ~ 실험예4에서와 같이 블레이드의 침지 깊이를 물의 탕면(수면)으로부터 각각 70%, 50%, 40%, 30%의 위치에 배치하고, 실험예4의 경우 침지 깊이를 20% 이내의 위치에 배치하였다. 이때, 도 4에 도시된 것처럼, 종래기술은 임펠러의 회전에도 오일층이 분산되지 못하는 것을 확인할 수 있었다. 한편, 본발명의 실험예1 내지 실험예4로 갈수록, 즉, 침지 깊이를 감소시킬수록 물의 상부의 오일이 물 속으로 분산되어 혼합되는 것을 확인할 수 있었다.
이와 같이 블레이드의 침지깊이는 물과의 계면에서 층을 이루고 있는 오일 층을 파괴하여 물속으로 분산시키는 것에 영향을 미친다. 즉, 침지깊이 40% 지점(OH)에서, 블레이드가 회전할 때에 블레이드의 상부면이 오일층과 접촉하며 교반시킴으로써 오일층이 분산을 촉진시킬 수 있다. 이때, 침지 깊이가 실험예 4와 같이 본 발명의 블레이드 침지 깊이 영역 내에 침지되는 경우, 즉, 수면과 거의 동일한 위치에 블레이드 상부면을 배치시킬 경우, 오일층과 충돌하게 되는 블레이드의 면적이 넓어지기 때문에 다른 실험예들보다 오일과 물의 혼합시간을 단축시킬 수 있다.
때문에 본 발명의 실시 예에 따른 쇳물 정련 장치는 블레이드(220)의 침지 깊이를 탕면의 전체 길이를 기준으로 탕면으로부터 하부로 20% 이내에 블레이드(220)의 상부면이 배치되도록 침지하거나, 더욱 바람직하게는 하부로 10% 이내에 블레이드(220)의 상부면이 배치되도록 침지할 수 있다. 즉, 20% 이내의 영역에 블레이드(220)의 상부면이 배치될 경우, 전술한 이유와 같이 오일층이 용이하게 분산되어 물과 혼합될 수 있다. 한편, 블레이드(220)의 상부면이 전술한 영역을 벗어나는 경우에는, 오일층의 분산이 원활하지 않고, 더욱이 OH영역보다 깊이 침지되는 경우, 오일과 물이 혼합되는 정도가 매우 미미하기 때문에 물 상부에 공급되는 오일의 혼입을 원활하게 하기 위해서는 블레이드의 침지 깊이를 얕게 침지시킬 수 있다.
이처럼, 표 1 및 도 4을 통해 블레이드의 침지 깊이에 따른 교반 형상을 확인할 수 있고, 본 발명의 실시 예에 따른 영역 내에 블레이드를 배치하는 경우, 파라핀 오일층이 물과 용이하게 혼합되는 것을 확인할 수 있다. 이를 쇳물에 적용할 경우, 쇳물 상의 탈린제가 쇳물 내로 용이하게 혼합될 수 있기 때문에, 쇳물과 탈린제의 혼합 교반을 단축시킬 수 있고 탈린 시간을 단축시킬 수 있다.
한편, 블레이드의 회전 흐름과 혼합될 수 있는 저취 플러그(150)의 가스 취입 위치에 대한 내용을 하기의 표2 및 도 5를 통해 살펴보기로 한다. 표2는 전술한 표1의 실험과 동일한 실험에서 블레이드의 침지위치를 전술한 실험예4와 같이 20% 이내의 영역에 블레이드를 배치시킨 상태에서 용기 하부에 설치된 저취 플러그의 위치에 따른 교반류 형성을 살펴보기로 한다.
실험은 아래의 표에 기재된 바와 같은 조건으로 복수 회 수행되었다.
탈린제 투입 가스 취입 블레이드 위치
(탕면으로부터 하부로의 위치 = H)
저취 플러그 위치
(용기 중앙, 바닥부 반경 R 기준으로 중앙으로부터 반경 위치)
실험예4-1 ≤20% 중앙
실험예4-2 ≤20% 1/4R
실험예4-3 ≤20% 1/2R
실험예4-4 ≤20% 3/4R
상기 표 2에서 저취 플러그의 위치는 용기의 바닥면의 중앙, 바닥면 전체 반경 1을 기준으로, 중앙에서부터의 반경 위치를 나타낸다.
[실험예4-1]
실험예4-1의 가스 취입 위치는, 용기의 중앙에 형성된 저취 플러그를 통해 가스를 취입하였다. 즉, 가스가 취입되는 직 상부에는 임펠러 몸체의 단부가 위치된다. 이때, 도 5에 도시된 바와 같이, 실험예4-1의 취입 위치에서 가스가 취입되면, 가스에 의한 상승류가 용기의 중심방향(중앙방향)으로 생성되어 임펠러 하단으로 수직 상승하게 된다. 이에, 수직 상승한 운동량이 블레이드와 충돌하여 미세 기포가 다량 생성 후 소멸하게 된다. 이처럼 미세 기포가 다량 생성되면 물과 오일 계면에 다량의 기포 발생으로 인해서 초기에 오일의 혼합 속도를 저감시키는 현상이 발생하게 된다. 이의 현상을 살펴보면 실험예4-1의 상부의 오일은 미미한 양으로 물에 혼합된 것을 확인할 수 있다.
[실험예4-2]
실험예4-2의 가스 취입 위치는, 용기의 중앙에서 1/4 이격된 위치의 저취 플러그를 통해 가스를 취입하였다. 이의 위치는 용기에서 블레이드가 위치하는 지점이다. 이때, 실험예4-2의 지점에서 가스가 취입되면, 실험예4-1과 동일한 현상에 의해 오일의 미미한 양으로 물에 혼합된다.
[실험예4-3]
실험예4-2의 가스 취입 위치는, 용기의 중앙에서 1/2 이격된 위치의 저취 플러그를 통해 가스를 취입할 수 있다. 즉, 이 위치는 용기에서 블레이드가 위치하는 지점의 외측의 위치로서, 실험예4-3을 통해 취입되는 가스는 블레이드와 충돌하지 않을 수 있다. 더욱 자세하게는, 가스에 의한 상승류가 용기 외부를 향하는 방향으로 상승함과 동시에, 블레이드 회전에 의한 회전 방향을 따라 이동하게 된다. 이에, 가스에 의한 교반 흐름과 블레이드 회전에 의한 교반 흐름이 혼합되어 전체 교반류가 상하 이동을 병행할 수 있어 오일의 수중 유입에 용이하다.
[실험예4-4]
실험예4-4의 가스 취입 위치는, 용기의 중앙에서 3/4 이격된 반경 위치에 형성된 저취 플러그를 통해 가스를 취입한다. 즉, 용기에 형성된 취입 노즐의 위치 중 가장 용기의 외측에 근접한 반경의 위치에서 가스를 취입한다. 이때, 실험예4-4에서 취입되는 가스 또한 실험예4-3과 같이 상승류가 래들 외부를 향하는 방향으로 상승함으로써 블레이드의 회전 흐름과 혼합되어 교반율을 향상시킬 수 있다.
이처럼, 본 발명의 저취 플러그의 형성 범위 내에서 가스를 취입하는 실험예 4-3 및 4-4의 경우, 물과 오일의 혼합율 및 교반율을 증가시킬 수 있다. 즉, 용기의 바닥에서 취입되는 저취 플러그의 위치는 용기의 중앙, 바닥면 전체 반경(R)을 기준으로 1/2R 이상 3/4R 이하 내에 형성되며, 이는 평면상으로 임펠러의 블레이드의 외측에 구비되어, 저취 플러그의 위치가 육안으로 확인될 수 있다. 이처럼, 블레이드의 외측 반경에서 가스가 취입함으로써 블레이드의 회전 흐름과 취입된 가스의 흐름이 원활하게 혼합되어 물과 오일의 교반율을 향상시킬 수 있다. 이는, 쇳물에 적용 시, 결과적으로 쇳물과 탈린제의 혼합율을 증가시켜 탈린제에 의한 쇳물의 탈린율을 증가시키고 탈린 시간을 감소시킬 수 있다.
또한, 아래의 표 3 및 도 6에 나타난 바와 같이, 실험예 4-1 내지 4-4 조건의 쇳물 정련 장치와, 종래기술에 따른 쇳물 정련 장치를 사용하여 유효 반응 면적 도달 시간에 대한 실험을 진행하였을 때, 본 발명의 조건에 따른 실험예 4-3 및 4-4가 다른 실험예들과 종래의 쇳물 정련 장치를 사용하였을 때보다 빠른 시간 내 최대 유효 반응 면적에 도달하는 것을 확인할 수 있다.
즉, 블레이드(220)의 상부면이 탕면을 기준으로 하부로 20% 이내에 배치되고, 래들(100) 하부로 취입되는 가스가 블레이드(220)의 외측에 형성됨으로써 임펠러(200)의 회전에 따른 흐름과, 저취 플러그(150)를 통해 취입된 가스의 흐름을 혼합시킬 수 있기 때문에 교반 효율이 증가하여 유효 반응 면적에 짧은 시간 내에 도달할 수 있음을 알 수 있다. 이때, 저취 플러그(150)의 위치가 블레이드(220)의 외측에 배치되는 실험예 4-4의 경우에는 교반에 사용된 가스의 유량에 관계없이 교반효율이 개선되도록 함으로써 짧은 시간 내에 탈린이 가능하며 이를 통한 탈린 효율 증대가 가능함을 보여준다.
구분 종래기술 본발명
실험예
4-1
실험예
4-2
실험예
4-3
실험예
4-4
120
(ℓ/분)
최대 유효면적 도달 시간
(분)
6 5 4 4 3
개선율(%) 0 (기준) 16% 33% 33% 50%
42
(ℓ/분)
최대 유효면적 도달 시간
(분)
9 - 8 - 3
개선율(%) 0(기준) - 11% - 67%
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 쇳물의 처리 방법 및 그 장치는 종래에 비하여 쇳물과 탈린제의 교반율을 상승시킬 수 있어 탈린제에 의한 쇳물의 탈린율을 증가시킬 수 있다. 즉, 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 종래 기술은 임펠러를 쇳물에 깊이 침지시키고 임펠러를 통한 교반가스를 주입한다. 이때, 도 7의 (a), (b)에 나타난 교반 형상과 같이, 종래에는 임펠러가 쇳물에 깊이 배치되므로써 쇳물 상에 있는 탈린제를 용이하게 쇳물 내로 분산시키는 것이 용이하지 않고, 분산이 되더라도, 임펠러의 회전 흐름과 교반 가스 흐름간의 충돌에 의해서 교반 상쇄 작용이 발생하여 교반 저감 구역이 형성된다. 이에, 단시간에 쇳물과 탈린제를 혼합시킬 수 없어 쇳물의 탈린율을 감소시키게 된다.
한편, 본 발명의 실시 예와 같이, 임펠러를 쇳물의 탕면에 근접하도록 배치하여 임펠러의 회전에 의해 탕면상의 탈린제와 블레이드의 충돌에 의해 탈린제가 용이하게 쇳물으로 혼합될 수 있도록 하고, 래들 바닥면에서 중앙부와 멀어지는 반경에서 교반 가스를 취입함으로써 교반가스가 블레이드의 회전 흐름과 혼합되어 교반력을 상승시킴으로써 도 7의 (c), (d)와 같이 종래와 동일한 시간 공정을 진행하여도 쇳물과 탈린제의 혼합율을 상승시킬 수 있다. 이에, 본 발명의 실시 예에 따른 쇳물 정련 장치 및 그 방법에 의해 공정을 진행하는 경우, 쇳물의 탈린율을 증가시킬 수 있어, 조업의 효율성을 증가시킬 수 있다.
본 발명을 첨부 도면과 전술된 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였으나, 본 발명은 그에 한정되지 않으며, 후술 되는 특허청구범위에 의해 한정된다. 따라서, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 후술 되는 특허청구범위의 기술적 사상에서 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 변형 및 수정할 수 있다.
100 : 래들 150 : 저취 플러그
200 : 임펠러 210 : 임펠러 몸체
220 : 블레이드

Claims (13)

  1. 쇳물을 정련하는 장치로서,
    상기 쇳물이 장입되는 공간을 형성하는 용기;
    상기 용기 상부에 상하 방향으로 연장 형성되는 임펠러 몸체와, 상기 임펠러 몸체의 상부 외주면에 구비되어 상부면이 상기 쇳물의 전체 깊이에 대하여 상기 쇳물의 탕면으로부터 하측으로 20% 이내의 영역에 위치하는 블레이드를 구비하여, 상기 쇳물 상부에서 상기 쇳물의 흐름을 형성하는 임펠러; 및
    상기 용기의 바닥면에서 상기 용기의 바닥면의 반경 R을 기준으로 중앙에서부터 1/2R 이상 3/4R 이하의 상기 블레이드의 외측에 위치하도록 상기 바닥면을 관통하여 구비되며, 상기 쇳물 내부에 기체를 취입하여 상기 쇳물 하부에서 상기 용기 외부를 향하는 방향으로 상승하도록 상기 쇳물의 흐름을 형성하여 상기 블레이드의 회전에 의한 상기 쇳물의 흐름과 혼합시키는 적어도 하나 이상의 저취 플러그;을 포함하는 정련 장치.
  2. 삭제
  3. 청구항 1 에 있어서,
    상기 블레이드의 상부면은 상기 쇳물의 탕면으로부터 하측으로 10% 이내의 영역에 위치하는 쇳물의 정련 장치.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 쇳물의 정련 방법으로서,
    상기 쇳물이 저장된 용기를 마련하는 과정과;,
    블레이드의 상부면을 상기 쇳물의 탕면으로부터 하부로 20% 이내의 영역에 위치하도록 임펠러를 침지시키는 과정;
    상기 쇳물의 상부에 탈린제를 공급하는 과정;
    상기 임펠러를 회전시키고, 상기 용기의 하부에서 상기 용기의 바닥면의 반경 R을 기준으로 중앙에서부터 1/2R 이상 3/4R 이하의 상기 임펠러의 블레이드 외측 위치에서 가스를 주입하여, 상기 가스에 의한 쇳물 교반 흐름이 상기 용기 외부를 향하는 방향으로 상승하도록 교반시켜, 상기 용기 외부를 향하는 방향으로 상승하는 상기 가스에 의한 쇳물의 교반 흐름이 상기 임펠러의 회전 흐름과 혼합되어 상기 임펠러의 회전 방향을 따라 이동하도록 하여 상기 쇳물을 교반하는 과정;을 포함하는 정련 방법.
  7. 청구항 6 에 있어서,
    상기 임펠러를 침지시키는 과정 이전에 이전 공정에서 생성된 슬래그를 배재하는 정련 방법.
  8. 삭제
  9. 청구항 6 에 있어서,
    상기 블레이드의 상부면을 상기 쇳물의 탕면으로부터 하부로 10% 이내의 영역에 배치시키는 정련 방법.
  10. 삭제
  11. 청구항 6 또는 청구항 9 에 있어서,
    상기 가스는 상기 중앙에서부터 3/4R 위치에서 주입되는 정련 방법.
  12. 삭제
  13. 청구항 6 에 있어서,
    상기 쇳물을 교반하는 과정 이후에 슬래그를 배재하는 정련 방법.
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