KR101507398B1 - 전로에서 스테인리스 용융물의 거품 슬래그 생성 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 목적은, 포밍 재료를 첨가함으로써 스테인리스 강을 위한 AOD(산소 아르곤 탈탄) 전로 또는 MRP(금속 정련 공정) 전로 내지 CONARC SSt에서 종종 스테인리스 용융물 중에서 20%를 상회하는 값을 갖는 높은 비율의 산화 크롬을 함유하는 슬래그의 포밍을 실행하는 것에 있다. 상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따라, 금속 산화물, 철 담체, 탄소 및 결합 재료로 이루어진 사전에 정의된 혼합물(5)이 팰릿 내지 브리케트(4)의 형태로 전로 내로 투입되며, 상기 혼합물은 슬래그 층(2) 아래에서 높은 주변 온도를 바탕으로 화학 환원 방식으로 반응하며, 특히 팰릿 내지 브리케트(4) 내부에서 탄소와 금속 산화물의 환원 과정에 의해 형성되는 기상 일산화탄소가 자체의 가스 기포(7)와 함께 슬래그 포밍을 유발하며, 그리고 팰릿 내지 브리케트(4)의 비밀도와 환원 과정의 분해 시간은 크기 및 기간과 관련하여 최적의 기포 형성이 달성되도록 선택되는 점이 제안된다.

Description

전로에서 스테인리스 용융물의 거품 슬래그 생성 방법{METHOD FOR FOAMED SLAG GENERATION OF A NON-CORROSIVE MELT IN A CONVERTER}

본 발명은 포밍 재료를 첨가함으로써 스테인리스 강을 위한 AOD(산소 아르곤 탈탄) 전로 또는 MRP(금속 정련 공정) 전로 내지 CONARC SSt에서 스테인리스 용융물(Rostfreischmelze)의 거품 슬래그를 생성하기 위한 방법에 관한 것이다.

스테인리스 강을 제조하기 위한 전로에서의 정련 공정 동안, 높은 비율의 금속 산화물, 특히 산화 크롬을 함유하는 슬래그가 형성된다. 정련 단계 동안 산화 크롬의 농도는 종종 20%를 초과하는 값에 도달하며, 이런 점은 슬래그의 점도를 강하게 상승시킨다. 슬래그는 대부분 환원 반응 직전에는 매우 경질이다.

상기 유형의 슬래그의 야금 공정은 하기와 같은 연속해서 진행되는 부분 반응들을 형성한다:

산소의 열 해리 반응 (1)

용융물 내 크롬 산화 반응 (2)

슬래그/금속의 상 경계면에서 크롬 산화물 환원 반응 (3).

반응 (3)은 스테인리스 강의 제조를 위해 기본적으로 중요한데, 그 이유는 산화 크롬이 거품 슬래그 형성 시에 가장 중요한 성분이기 때문이다. 그러나 상기 반응은 종래의 공정에서 매우 사소한 범위에서 개시된다. 이에 대한 이유는 슬래그의 점도가 높다는 점에 있다. 지금까지 통상적인 모든 전로 방법은 후속 단계에서, 이른바 환원 반응에서 비로소 슬래그를 환원시키며, 이를 위한 공정은 일반적으로 페로 규소 형태의 규소로 실행된다.

그러나 슬래그 점도가 포밍에 적합하다면, 환원 과정(반응식 3)은 정련 공정 자체에 의해 형성되는 기상 CO에 의해서뿐 아니라 포밍 재료의 산화철 환원에 의해 가능해진다. 상기 포밍 재료는 소정의 시점에 팰릿(pallet) 또는 브리케트(briquette)의 형태로 용융물 내로 첨가된다. 재료의 주요 성분은 예컨대 스케일과 같은 산화철 담체이며, 그런 다음 탄소이고, 용융물 내에서 브리케트의 목표하는 포지셔닝을 정의하는 밸러스트 재료(ballast material)이다.

그럼 다음 상기 브리케트 내에서 환원 공정은 하기 원리에 따라 진행된다:

용융물 내에서 크롬 산화 반응 (4).

그에 따라 거품 슬래그 형성을 위해 결정적인 사항은 첨가된 포밍 재료의 성분일 뿐 아니라, 재차 용융된 슬래그의 조성 및 온도에 따라 결정되는 슬래그 점도이다. 특히 점도에 의해서는 거품 형성이 가능한 용융된 슬래그의 상태 범위가 정의된다. 그러므로 점도를 결정하는 슬래그 염기도의 제어가 중요하며, 그럼으로써 발생하는 가스 기포는 슬래그 층 내에 강제로 일시적으로 체류하게 된다. 이 경우 슬래그 염기도의 제어를 위해 첨가되는 석회석은 추가의 가스원을 나타내는데, 그 이유는 상기 재료의 열 해리가 하기 반응식에 따라 CO를 방출하기 때문이다:

(5).

기포 형성의 현상은 슬래그 내에서 새로운 표면 영역을 생성하기 위해 반응하는 가스 기포의 기계적 힘을 이용하는 공정이다. 가스 기포에서의 부유력은 슬래그 표면을 일시적으로 분리하고 거품을 생성하기 위해 완전한 슬래그 층을 포화시킨다. 반응하는 물질들로부터 지속적으로 가스 흐름이 발생하는 경우 증가하는 거품과 함께 축적되는 기포의 개수도 증가한다. 결과적으로 가스량이 증가함에 따라 거품 층의 높이도 상승하는데, 다시 말하면 상기 높이는 포밍 재료의 양에 정비례한다.

상기 유형의 메커니즘에서 중요한 점은 결과적으로 최대의 포밍 작용을 확보하기 위해 반응 물질들의 최적의 포지셔닝에 있다. 최적의 포지셔닝은 슬래그 층과 액상 금속 사이의 경계 영역에서 이루어진다.
인용예 JP 1 116018 A는 슬래그 형성 내지 포밍이 방지되는 혼합물을 첨가함으로써 전로 내에서 제강 시 취입 공정의 효율성을 증가하는 방법을 기재하고 있다.
DE 195 18 343 A1에는 산화 금속 담체의 용융 환원 시 효과를 증가시키고 용융 제조 공정에서 이용되는 연료의 열 효율을 향상시키기 위한 방법이 기재되어 있다.
DE 10 2008 032975 A1은 전기 아크로에서 스테인리스 강 용융물에서 거품 슬래그를 생성하기 위한 방법을 기재하고 있다.

스테인리스 강의 제조 시에 슬래그 포밍은 지금까지 운영되지 않았다. 오늘날에는 분진(dust)만이 냉각 효과를 달성하는 기능을 갖는 압축된 팰릿 내지 브리케트로서 첨가된다. 환원 원소, 다시 말해 탄소와 밸러스트 재료가 브리케트 내에 존재하지 않기 때문에, 상기 브리케트는 슬래그 영역에서만 환원되지 않는 방식으로 활성 상태로 유지된다.

DE 10 2007 006 529 A1에서는, 크롬 함량이 높은 용강에서 거품 슬래그의 제조 시에 추가로 슬래그 내에 존재하는 금속 산화물, 바람직하게는 산화 크롬이 용융물/슬래그의 상 경계면 근처에서 부유하는 브리케트 및/또는 팰릿에 의해 환원되며, 발생하는 반응 가스는 슬래그 포밍을 보조한다. 이를 위해 전기 아크로 내로 장입되는 브리케트 내지 팰릿은, 밸러스트 재료로서의 철 담체, 탄소 내지 환원제로서의 탄소뿐 아니라 결합제로 이루어지는 정의된 혼합물로 구성된다.

전로 내에서 정련 공정 동안 높은 비율의 산화 크롬을 함유하는 슬래그가 형성된다. 이 경우 산화 크롬 농도는 종종 앞서 언급한 것처럼 20%를 상회하는 값에 도달하며, 그로 인해 상기 유형의 슬래그는 자체의 조성으로 인해 바람직한 정도로 액화 및 포밍될 수 없게 된다.

따라서 본 발명의 목적은, 전기로 내에서 슬래그 포밍을 위한 공지된 효과적인 방법이 전로에서도 적용될 수 있게 하는 방법을 개발하는 것에 있다.

상기 목적은, 청구항 제1항의 특징부의 특징들에 따라, 금속 산화물, 철 담체, 탄소 및 결합 재료로 이루어진 사전에 정의된 혼합물이 팰릿 내지 브리케트의 형태로 전로 내로 투입되어 슬래그 층 아래에서 높은 주변 온도를 바탕으로 화학 환원 방식으로 반응하며, 특히 탄소와 금속 산화물의 환원 과정에 의해 형성되는 기상 일산화탄소가 자체의 가스 기포와 함께 슬래그 포밍을 유발하고, 재료의 비밀도(specific density)와 환원 과정의 분해 시간은 크기 및 기간과 관련하여 최적의 기포 형성이 달성되도록 선택됨으로써 달성된다.

거품 슬래그는 팰릿 내지 브리케트 형태로 금속 산화물, 철 담체, 탄소 및 결합 재료로 구성되는 혼합물의 구성에 상응하게 거의 기하급수적으로 발생한다. 혼합물은 슬래그 층과 금속 용융물 사이의 구역 내로 삽입되면서 지배적인 높은 주변 온도를 바탕으로 용해 공정으로 처리되며, 이와 병행하여 산화철의 환원이 이루어진다. 팰릿 내지 브리케트는 상기 구역 내로 유입될 시에 즉시 자체의 더욱 낮은 온도로 인해 응고된 금속으로 이루어진 외피부(shell)로 둘러싸인다. 팰릿 내지 브리케트의 평균 용융 온도는 금속의 용융 온도보다 더욱 낮기 때문에, 외피부의 내부에서는 혼합물의 용융 공정이 개시된다. 온도 차이에 따라 외피부 내부의 환원 과정은 외피부의 용융보다 더욱 이른 시점에 종결되거나, 또는 더욱 늦은 시점에 종결된다. 첫 번째의 경우에, 상기 환원 과정에 의해서 과립상이 파열되고 CO 가스 기포가 폭발 방출될 수 있으며, 이런 점은 금속/슬래그의 더욱 강력한 혼합을 유발한다. 또 다른 경우에는 CO 가스 기포가 슬래그와 금속 용융물 사이의 구역에서 자유롭게 발생한다.

본 발명에 따라서 포밍 재료의 첨가는, 정의된 거품 슬래그 높이가 확보되고 사전에 정의된 시간에 걸쳐서도 확보된 상태로 유지되도록 2 ~ 30㎏의 팰릿 내지 브리케트/액상 금속의 톤/min의 값을 이용한 특정한 제어에 의해서 실행된다. 포밍 재료의 상기 첨가의 분배는 층마다 면적 전체에 걸쳐서 정의된 면적 밀도로 이루어지며 그 분배량은 최적의 포밍 효과에 대해 1 ~ 5㎏/㎡/min이다.

목표하는 슬래그 포밍에 대해 중요한 사항은 정의된 슬래그 점도의 준수이며, 그로 인해 대응하는 슬래그 제어가 요구된다.

전로의 작동 시에는 장입물, 다시 말하면 특히 산소를 함유하는 블론 메탈(blown metal)이 정련된다. 이런 경우 슬래그는 용융물로부터 바람직하지 못한 성분들을 포착함으로써 자체의 일차 기능을 달성한다. 포밍된 슬래그의 약한 열 전도성을 바탕으로 열 손실은 강하게 감소되고 그에 따라 금속 용융물 내로의 에너지 공급이 향상된다.

또한, 거품 슬래그는 강력한 흡음을 의미하기도 한다. 거품 슬래그로 둘러싸인 상단 취입 랜스(top blowing lance)는 주변 환경으로 사소한 정도로 소음을 방출하며 그에 따라 전로의 영역 내 환경 조건을 향상시킨다.

전로 내에서 양호하게 포밍하는 슬래그의 추가적인 장점은 하기와 같다:

● 거품 슬래그의 절연 층을 바탕으로 용융물의 에너지 밸런스 향상;

● 슬래그 내 포화된 산소에 의해, 그리고 분산 금속 액적과 상기 포화된 산소의 반응에 의해 탈탄소화의 촉진;

● 전로의 내부 챔버에서 튀김(splash) 및 스컬(skull) 형성의 최소화;

● 예컨대, 금속 산화물 내지 철 담체로서 팰릿 내지 브리케트 내에 혼합될 수 있는, 전기로 및 전로 분진과 슬러지뿐 아니라 그 외 재사용이 가능한 제강소 잔류 생성물과 같은 잔류 물질로부터 금속을 추출하는 것을 통한 공정 효율성 증대;

● 브리케트 첨가의 냉각 효과.

본 발명에 의하면, 전기로 내에서 슬래그 포밍을 위한 공지된 효과적인 방법이 전로에서도 적용될 수 있게 하는 방법이 제공된다.

도 1은 본 발명에 따른 슬래그 포밍 방법의 실시예를 도시한 개략도이다.

다음에서는 개략적으로 도시된 도 1에 따라 본 발명에 따른 슬래그 포밍 방법이 설명된다. 전로(전로는 미도시) 내에 존재하는 금속 용융물(1)의 상부에는 금속 용융물(1) 상에 부유하는 방식으로 팰릿(4)을 내포한 슬래그 층(2)이 위치한다. 상기 팰릿(4)은 사전에 전로 내에 충전되었으며, 전로 내에서 상기 팰릿은, 사전에 설정된 자체의 단위 중량을 바탕으로, 그리고 팰릿 자체가 응고된 금속으로 이루어진 외피부(6)를 포함하여 형성되는 것으로 인해, 우선 슬래그 층(2)과 금속 용융물(1) 사이의 구역(3)에 정렬된다. 팰릿(4) 내에 존재하는 산화철 담체와 존재하는 석회석(CaCO₃)의 환원 반응에 의해 발생한 CO/CO₂ 가스 기포(7)는 거품 슬래그 층(8)을 형성하였으며, 상기 거품 슬래그 층 내에는 CO/CO₂ 가스 기포(7)가 확대되어 도시되어 있다.

보다 나은 도해를 위해, 도 1에는 별도로 예시에 따른 구성 성분(CO, CO₂, Fe, Cr, CaO)들을 함유하는 혼합물(5)로 이루어지고 구역(3)에 응고된 금속으로 형성된 외피부(6)를 포함하는 팰릿(4)이 마찬가지로 확대되어 도시되어 있다.

1: 금속 용융물
2: 슬래그 층
3: 슬래그 층과 금속 용융물 사이의 구역
4: 팰릿
5: 팰릿의 정의된 혼합물
6: 응고된 금속으로 형성된 외피부(shell)
7: 가스 기포
8: 거품 슬래그 층

Claims (5)

1. 포밍 재료를 첨가함으로써 스테인리스 강을 위한 AOD(산소 아르곤 탈탄) 전로 또는 MRP(금속 정련 공정) 전로에서 스테인리스 강 용융물의 거품 슬래그 생성 방법으로서, 금속 산화물, 철 담체, 탄소 및 결합 재료로 이루어지는 소정의 혼합물(5)이 팰릿 내지 브리케트(4)의 형태로 전로 내로 투입되어 슬래그 층(2) 아래에서 소정의 주변 온도를 바탕으로 화학 환원 방식으로 반응하는, 상기 거품 슬래그 생성 방법에 있어서,
   상기 팰릿 내지 브리케트(4) 내부에서 탄소와 금속 산화물의 환원 과정에 의해 형성되는 기상 일산화탄소가 자체의 가스 기포(7)와 함께 슬래그 포밍을 유발하고,
   포밍 재료의 첨가는, 소정의 거품 슬래그 높이가 확보되고 소정의 시간에 걸쳐서도 확보된 상태로 유지되도록 분당 금속 용융물(1) 톤당 2 ~ 30kg의 팰릿 내지 브리케트(4)의 값을 이용한 특정한 제어에 의해 실행되며, 그리고
   첨가된 포밍 재료의 분배는 슬래그 층(2)과 금속 용융물(1) 사이의 층(3)에서 면적 전체에 걸쳐서 소정의 면적 밀도로 실행되고, 상기 분배의 양은 최적의 포밍 효과에 대해 1 ~ 5㎏/㎡/min의 범위 이내이며,
   목표하는 슬래그 포밍을 위해 요구되는 소정의 슬래그 점도의 유지를 위해 대응하는 슬래그 제어가 실행되고,
   금속 산화물 내지 철 담체로서 팰릿 내지 브리케트의 소정의 혼합물(5) 내에서는 전기로 및 전로 분진과 슬러지뿐 아니라 그 외 재사용이 가능한 제강소 잔류 생성물과 같은 존재하는 잔류 물질들이 이용되는 것을 특징으로 하는 거품 슬래그 생성 방법.
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