KR101602837B1 - 강의 제조 장치 및 그 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 강의 제조 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 정련 용기에 장입된 용선을 정련하여 강을 제조하는 방법으로서, 공기에 산소를 혼합하는 1차 산소부화 과정과; 상기 산소가 혼합된 공기를 열풍로에서 가열하여 열풍을 제조하는 과정과; 상기 열풍로에서 제조된 열풍을 상기 열풍로에 연결되는 열풍 공급배관으로 배출하는 과정과; 상기 열풍 공급배관에 산소를 공급하여 상기 열풍에 산소를 혼합하는 2차 산소부화 과정과; 상기 산소가 혼합된 열풍을 상기 열풍 공급배관에 연결되는 랜스를 통해 상기 정련 용기에 취입하는 과정;을 포함하여, 제강공정에서 발생하는 배가스량을 저감시키고, 원료를 용해시키는데 필요한 열원을 확보할 수 있다.

Description

강의 제조 장치 및 그 방법{Manufacturing apparatus for molten metal and method thereof}
본 발명은 강의 제조 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 제강공정에서 발생하는 배가스량을 저감시키고, 원료를 용해시키는데 필요한 열원을 확보할 수 있는 강의 제조 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 고로에서 출선되는 용선은 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 용선은 철광석을 소결시킨 소결광과, 코크스 등을 고로에 장입시켜 가열하는 제선 공정을 통해 제조된다. 즉, 고로에서 출선되는 용선은 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 스크랩을 재활용하여 용선을 제조하는 방안이 활발하게 적용되고 있다. 즉, 스크랩을 전기로에 장입하고 용해시켜 용선을 제조함으로써 고로에서 출선되는 용선과 병용하는 방식 또는 고로에서 출선되는 용선을 대체하는 방식으로 주편을 제조하는데 사용할 수 있다. 이와 같이 스크랩의 재활용은 철원의 대체재로서는 물론, 제철공정에서 발생하는 이산화탄소의 양을 저감시켜 기후변화 협약에 대응하기 위한 수단으로도 적용되고 있다.
스크랩 용해는 주로 전기로를 이용한 용강 제조 공정에서 실시하고 있었으나, 최근에는 전로를 이용한 용강 제조 공정에서도 스크랩(또는 냉선)의 일부 대체 원료로 장입하여 용해하고 있다. 즉 통상의 용강 제조는 전로 내에 고로(高爐)로부터 생산된 용선과 스크랩(또는 냉선)을 함께 넣은 후 산소를 취입하며, 산화정련에 의한 불순성분 제거와 아울러 산화열로 스크랩을 용해함으로써 이루어진다. 스크랩은 25℃ 정도의 상온 상태로 정련로에 장입되어 스크랩에 이어 장입되는 용선의 온도를 저하시키기 때문에 통상적으로 용선비(Hot Metal Ratio, HMR)를 약 80 내지 85% 정도를 유지하는 수준에서 사용되고 있다.
한편, 전로에 장입되는 용선에는 약 4.5중량% 정도의 탄소가 포함되어 있기 때문에 전로 정련 공정에서 이산화탄소, 분진 등을 포함하는 배가스가 다량 발생하게 된다. 따라서 이러한 배가스의 발생량을 저감시키기 위해서는 용선비를 낮추는 것이 바람직하다. 하지만 용선비를 낮추게 되면 스크랩의 사용량을 증대시켜야 하고, 이에 후속 공정에서 요구되는 용강의 온도를 맞추기 위해 열원의 확보가 필요하여 고가의 열원재를 투입해야 하며, 철의 과산화가 발생하기 때문에 제조원가의 상승하고 제품 품질이 악화되는 원인이 된다.
JP 1991-10010 A JP 1989-167590 A
본 발명은 고농도의 산소를 포함하는 열풍을 정련 용기에 취입하여 강을 제조하는 과정에서 발생하는 배가스의 양을 감소시킬 수 있는 강의 제조 장치 및 그 방법을 제공한다.
본 발명은 열풍 취입 설비 및 배가스를 처리하는 설비의 대형화를 억제 혹은 방지할 수 있는 강의 제조 장치 및 그 방법을 제공한다.
본 발명은 스크랩의 사용량을 증대시키고 용선비를 감소시킬 수 있는 강의 제조 장치 및 그 방법을 제공한다.
본 발명의 실시 형태에 따른 강의 제조 장치는, 정련 용기 내부에 수용되는 용융물을 정련하여 강을 제조하는 장치로서, 공기를 흡입하여 열풍을 생산하는 열풍로와; 일측이 상기 열풍로에 연결되고, 상기 열풍로에서 생산된 열풍이 이송되는 열풍 공급배관과; 상기 열풍 공급배관에 연결되어 상기 열풍 공급배관 내에 산소를 공급하는 산소 공급배관; 및 상기 열풍 공급배관의 타측에 연결되어, 상기 산소 공급배관에서 공급되는 산소가 혼합된 열풍을 상기 정련 용기 내부로 취입하는 랜스;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 정련 용기의 하부에 상기 정련 용기 내부에 산소를 공급하는 저취 노즐이 구비될 수 있다.
상기 산소 공급배관은 산소가 배출되는 끝단이 상기 열풍 공급배관에서 상기 열풍의 이동 방향으로 산소를 공급하도록 상기 열풍 공급배관에 연결될 수 있다.
상기 산소 공급배관은 산소가 배출되는 끝단이 상기 열풍 공급배관의 폭방향에서 중심에 산소를 공급하도록 상기 열풍 공급배관에 연결될 수 있다.
상기 열풍 공급배관은 상기 산소 공급배관과 상기 랜스 사이에 폭이 좁아졌다 넓어지는 병목 구간이 형성될 수 있다.
상기 열풍 공급배관에서 상기 병목 구간의 단면적은 상기 산소 공급배관이 연결되는 상기 열풍 공급배관의 단면적의 30 내지 70%일 수 있다.
본 발명의 실시 형태에 따른 강의 제조방법은, 정련 용기에 장입된 용선을 정련하여 강을 제조하는 방법으로서, 공기에 산소를 혼합하는 1차 산소부화 과정과; 상기 산소가 혼합된 공기를 열풍로에서 가열하여 열풍을 제조하는 과정과; 상기 열풍로에서 제조된 열풍을 상기 열풍로에 연결되는 열풍 공급배관으로 배출하는 과정과; 상기 열풍 공급배관에 산소를 공급하여 상기 열풍에 산소를 혼합하는 2차 산소부화 과정과; 상기 산소가 혼합된 열풍을 상기 열풍 공급배관에 연결되는 랜스를 통해 상기 정련 용기에 취입하는 과정;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 산소가 혼합된 열풍을 상기 정련 용기에 취입하는 과정 이전에, 상기 정련 용기에 스크랩을 장입하는 과정을 포함할 수 있다.
상기 산소가 혼합된 열풍을 상기 열풍 공급배관에 연결되는 랜스를 통해 상기 정련 용기에 취입하는 과정에서, 상기 정련 용기의 하부에 구비되는 저취 노즐을 통해 산소를 취입하는 것이 바람직하다.
상기 1차 산소부화 과정에서 상기 산소가 혼합된 공기 중의 산소 농도를 30% 이하로 조절할 수 있다.
상기 1차 산소부화 과정에서 상기 산소와 공기는 상온, 예컨대 18 내지 25℃일 수 있다.
상기 열풍로에서 제조되는 열풍의 온도는 1000 내지 1200℃일 수 있다.
상기 2차 산소부화 과정에서 상기 열풍 공급배관으로 공급되는 산소는 상온일 수 있다.
상기 2차 산소부화 과정에서 상기 산소가 혼합된 열풍 중의 산소 농도를 30 내지 50%로 조절할 수 있다.
상기 2차 산소부화 과정 이후에 상기 열풍 공급배관 내에서 상기 산소가 혼합된 열풍을 수축 및 팽창시켜 상기 산소와 열풍을 혼합하는 과정을 포함할 수 있다.
상기 2차 산소부화 과정에서 상기 산소가 혼합된 열풍의 온도를 900 내지 1150℃로 조절할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 강의 제조 장치 및 그 방법은, 전로 정련 시 전로에 취입되는 열풍 내의 산소 농도를 증가시켜 용선 중의 탄소가 제거되면서 발생하는 대부분의 일산화탄소를 연소시켜 스크랩을 용해하기 위한 열원을 확보할 수 있다. 이때, 고농도의 산소를 포함하는 열풍을 취입하기 때문에 정련 용기에 취입하는 열풍량을 감소시킬 수 있고, 이에 따라 배가스의 발생량을 감소시킬 수 있어 열풍을 취입하는 설비와 배가스를 처리하는 설비의 대형화를 방지할 수 있어 설비 구축에 소요되는 비용을 절감할 수 있다. 또한, 스크랩을 용해하는데 필요한 열원의 확보가 용이하여 스크랩의 재활용율을 높일 수 있어 고가의 철광석을 이용하여 제조되는 용선의 사용량을 줄일 수 있어 배가스 발생률을 감소시킬 수 있고, 생산 비용을 절감할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 강의 제조 장치를 개략적으로 보여주는 도면.
도 2는 전로에 열풍을 취입하기 위한 배관 구조를 개략적으로 보여주는 도면.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 강의 제조방법을 순차적으로 보여주는 순서도.
도 4는 도 2에 도시된 선A-A' 위치에서 열풍 내 산소 농도 분포를 보여주는 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면.
도 5는 도 2에 도시된 선B-B' 위치에서 열풍 내 산소 농도 분포를 보여주는 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면.
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 전로 공정에서 발생하는 배가스의 양을 저감시키면서 스크랩을 용융시키는데 필요한 열원을 확보할 수 있는 강의 제조 장치 및 그 방법에 관한 것이다. 즉, 강의 제조 시 정련 용기, 즉 전로에 스크랩을 투입하여 용융시키는 경우 전로에 고농도의 산소를 포함하는 열풍을 취입하여 일산화탄소를 연소시킴으로써 배가스의 발생량을 저감시킬 수 있다. 또한, 일산화탄소가 연소되면서 발생하는 연소열을 스크랩을 용융시키기 위한 열원으로 사용할 수 있다. 따라서 열풍 취입 설비와 배가스 처리를 위한 설비의 대형화를 억제하고, 스크랩을 용해시키는데 필요한 열원을 용이하게 확보할 수 있으므로 설비 구축이나 에너지 확보를 위한 비용을 절감하여 생산비를 절감할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 강의 제조 장치를 개략적으로 보여주는 도면이고, 도 2는 전로에 열풍을 취입하기 위한 배관 구조를 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 1을 참조하면, 강의 제조 장치는, 상부가 개방되고 내부에 용융물이 수용되는 공간이 형성되는 정련 용기(100)와, 공기를 흡입하여 열풍을 생산하는 열풍로(300)와, 일측이 열풍로(300)에 연결되고 열풍로(300)에서 생산되는 열풍이 이송되는 열풍 공급배관(210)과, 열풍 공급배관(210)에 연결되어 열풍 공급배관(210) 내에 산소를 공급하는 산소 공급배관(232) 및 열풍 공급배관(210)의 타측에 연결되어 산소 공급배관(232)에서 공급되는 산소가 혼합된 열풍을 정련 용기(100)의 상부를 통해 취입하는 랜스(200)를 포함한다. 여기에서 정련 용기(100)는 전로일 수 있으며, 전로의 상부에는 전로 내부에서 발생하는 배가스를 흡입하여 배출시키는 배기덕트(미도시)와, 배기덕트와 연통되어 배기덕트로 배출되는 배가스 내의 분진 등을 처리하는 배가스 처리장치(미도시)가 구비될 수 있다.
정련 용기(100)는 내부에 용융물(10), 예컨대 용선(10)이 수용되는 공간이 형성되고, 상부에는 용선을 장입할 수 있는 노구(110)가 형성된다(도 1에서 20은 슬래그, 30은 스크랩임). 그리고 정련 용기(100)의 상부 일측에는 용선(10)을 정련하여 제조된 용강을 출강하는 출강구(120)가 형성되고, 정련 용기(100)의 저부에는 용선을 교반하기 위한 교반 가스, 예컨대 불활성 가스와 산소를 취입할 수 있는 저취 노즐(102)이 형성될 수 있다. 저취 노즐(102)에는 산소를 저장하는 저장기(미도시), 아르곤, 질소 등과 같은 불활성 가스를 저장하는 저장기(미도시)와 연통되는 배관(410, 420)이 연결될 수 있으며, 이 배관(410, 420)은 생석회 등의 첨가제를 저장하는 저장기(430)와 연결되어, 불활성 가스, 산소와 함께 첨가제를 저취 노즐(102)을 통해 취입할 수도 있다.
정련 용기(100)의 상부에는 정련 용기(100)의 노구(110)를 둘러싸도록 구비되어 정련 용기(100) 내부에서 발생하는 배가스를 흡입하여 배출시키는 배기덕트가 구비될 수 있다. 배가스 중에는 일산화탄소, 이산화탄소, 분진 등이 포함되고, 배기덕트에는 배가스 처리장치가 연결되어 배가스 중 분진 등이 외부로 배출되는 것을 방지할 수 있다.
열풍로(300)는 외부로부터 공기를 흡인하여 가열함으로써 열풍을 생산할 수 있다. 이때, 열풍 중에 산소의 함량을 높이기 위하여 공기를 흡인하기 전 공기에 산소를 공급(1차 부화)할 수 있다. 공기와 산소는 상온 상태이고, 산소는 순산소일 수 있으며, 별도의 저장기(미도시)에 저장되어 열풍로(300)에 공급될 수 있다. 여기에서 상온은 공정이 이루어지는 주변의 온도를 의미하고, 계절에 따라 변경될 수 있으며, 예컨대 18 내지 25℃ 정도일 수 있다. 이렇게 열풍로(300)에서 생산되는 열풍에는 공기에 비하여 높은 산소 함량을 가질 수 있으며, 부화되는 산소의 양을 조절하여 열풍 내 산소 농도를 조절할 수 있다. 예컨대 열풍 내 산소 농도를 30%로 조절하기 위해서는 공기와 산소의 비율을 100 : 13으로 조절할 수 있다.
열풍 공급배관(210)은 일측이 열풍로(300)에 연결되고, 타측은 정련 용기(100) 주변까지 연장되어 구비되고 정련 용기(100) 상부를 통해 열풍을 공급하는 랜스(200)가 연결될 수 있다. 열풍 공급배관(210)의 내부에는 열풍이 이동하는 공간이 형성될 수 있으며, 고온의 열풍에 의한 손상을 억제하기 위하여 내벽에는 내화물이 구비될 수 있다.
산소 공급배관(232)은 열풍 공급배관(210)에 연결되어 열풍 공급배관(210) 내부로 산소를 공급(2차 부화)한다. 산소 공급배관(232)은 일측이 산소를 저장하는 저장기(230)에 연결되고, 타측은 열풍 공급배관(210) 내부로 삽입되어 열풍 공급배관(210) 내부로 산소를 공급한다. 이때, 열풍 공급배관(210) 내부로 삽입되는 산소 공급배관(232)의 타측은 산소가 배출되는 끝단이 산소를 열풍 공급배관(210)에 직접 분사되지 않도록 배치되는 것이 좋다. 이는 산소 공급배관(232)을 통해 열풍 공급배관(210)으로 공급되는 산소는 상온 상태인데, 열풍 공급배관(210)은 열풍로(300)에서 약 1200℃ 정도로 가열된 열풍이 이동하고 있기 때문에 매우 고온을 유지하고 있어, 산소 공급배관(232)을 통해 공급되는 상온의 산소가 열풍 공급배관(210)의 내벽에 직접 접촉되면 열풍 공급배관(210)을 형성하고 있는 내화물 등이 열충격에 의해 손상될 수 있기 때문이다. 따라서 산소 공급배관(232)에서 산소가 배출되는 끝단을 열풍이 이동하는 방향을 따라 산소를 공급하도록 배치하는 것이 좋다. 또는 산소 공급배관(232)에서 산소가 배출되는 끝단을 열풍 공급배관(210)의 폭방향에서 중심에 배치하여 열풍 공급배관(210)의 중심에 열풍이 이동하는 방향과 동일한 방향으로 산소를 공급하도록 배치할 수도 있다.
이와 같은 구성을 통해 열풍 공급배관(210)에 산소 공급배관(232)을 연통시켜 열풍로(300)에서 생산된 열풍이 이동하는 과정에서 산소를 혼합하여 열풍 중 산소 농도를 증가시킬 수 있다.
한편, 산소 공급배관(232)을 통해 산소가 공급된 열풍은 열풍 공급배관(210)을 따라 이동하여 열풍 공급배관(210)의 타측에 연결되는 랜스(200)를 통해 정련 용기(100) 내부로 취입된다. 이때, 산소를 공급하기 전 열풍 공급배관(210)을 따라 이동하는 열풍은 약 1200℃ 정도이고, 열풍 공급배관(210)으로 공급되는 산소는 상온, 예컨대 약 25℃ 정도이다. 열풍 공급배관(210)에서 산소와 열풍은 열풍 공급배관(210)을 따라 이동하면서 상호 혼합되는데, 열풍 공급배관(210) 내를 고속으로 이동하기 때문에 고온의 열풍과 저온의 산소가 균일하게 혼합되지 않을 수 있다. 따라서 본 발명의 실시 예에서는 산소와 열풍이 이동하는 열풍 공급배관(210)의 적어도 일부에 폭이 좁아졌다 다시 넓어지는 병목 구간(212)을 형성하여 열풍과 산소를 균일하게 혼합되도록 하였다. 병목 구간(212)은 열풍 공급배관(210)에서 산소 공급배관(232)이 연결되는 영역 이후, 즉 산소 공급배관(232)과 랜스(200) 사이에 형성될 수 있다. 병목 구간(212)은 열풍 공급배관(210)을 따라 이동하는 열풍과 산소를 수축시켰다가 다시 팽창시키는 역할을 함으로써 열풍과 산소를 균일하게 혼합시킬 수 있다. 병목 구간(212)은 열풍 공급배관(210)에서 산소 공급배관(232)이 연결되는 부분의 단면적의 30 내지 70% 정도의 단면적을 갖도록 형성될 수 있다. 병목 구간(212)의 단면적이 제시된 범위보다 작은 경우에는 산소와 열풍을 비교적 좁은 병목 구간(212)을 통과시키기 위해서 송풍장치, 예컨대 블로워가 대형화되는 문제점이 있고, 제시된 범위보다 큰 경우에는 산소와 열풍이 효과적으로 혼합되지 않아 열풍 공급배관(210) 내 온도 편차가 발생하는 문제점이 있다.
이와 같은 병목 구간(212)은 열풍 공급배관(210)에 적어도 하나가 구비될 수 있으며, 필요에 따라서는 복수개 구비함으로써 산소와 열풍을 효과적으로 혼합시켜 열풍 공급배관(210)을 따라 이동하는 열풍(산소를 포함)의 산소 농도 구배를 균일하게 할 수 있다. 또한, 고온의 열풍과 상대적으로 저온인 산소를 균일하게 혼합하여 온도 구배도 균일하게 할 수 있다.
랜스(200)는 정련 용기(100) 내에서 용선의 탈탄과정에서 발생하는 일산화탄소를 2차 연소시켜 반응열을 발생시키기 위하여 정련 용기(100) 내부에 고농도의 산소를 포함하는 열풍을 취입하기 위한 구성이다.
이하에서는 본 발명의 실시 예에 따른 강의 제조방법에 대해서 설명한다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 강의 제조방법을 순차적으로 보여주는 순서도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 강의 제조방법은 1차 산소부화과정(S100)과, 열풍 제조과정(S102)과, 열풍에 산소를 공급하는 2차 산소부화과정(S104)과, 산소가 공급된 열풍을 이송하여 정련 용기(100)에 취입하는 과정(S108)을 포함한다. 이와 같이 열풍을 정련 용기(100)에 취입하기 이전에 정련 용기(100) 내에 스크랩과, 용선을 장입할 수 있다.
1차 산소부화과정은 공기에 산소를 혼합하여 공기 중의 산소 농도를 높이는 과정이다. 이때, 공기와 산소는 상온, 예컨대 약 25℃ 정도이고, 공기 중에 포함되는 산소는 약 30% 정도의 농도를 갖도록 조절할 수 있다. 공기 중의 산소 농도를 30%로 조절하는 경우 공기와 산소가 100 : 13의 비율로 혼합될 수 있다. 이때, 산소 농도를 30% 이상으로 급격하게 높이면 열풍로(300) 설비가 손상될 수 있는 문제점이 있다.
공기에 산소를 혼합한 이후, 산소가 혼합된 공기를 열풍로(300) 내부로 흡인하여 가열함으로써 열풍을 제조한다. 이때, 열풍은 약 1200℃정도로 가열될 수 있으며, 열풍 중의 산소 농도는 약 30% 정도이다.
열풍로(300)에서 제조된 열풍은 열풍 공급배관(210)을 따라 이동하여 랜스(200)를 통해 정련 용기(100) 내부로 취입된다. 이때, 열풍 공급배관(210)을 따라 이동하는 열풍에 산소를 공급하여 열풍 중의 산소 농도를 높이는 2차 산소부화과정을 실시한다. 2차 산소부화과정은 열풍 공급배관(210)에 연결되는 산소 공급배관(232)에 상온의 산소를 공급하여 열풍 공급배관(210)을 따라 이동하는 열풍 중의 산소 농도를 높인다. 2차 산소부화과정을 통해 열풍 공급배관(210)을 따라 이동하는 열풍 중의 산소 농도를 30 내지 50% 정도로 높일 수 있으며, 예컨대 열풍 중의 산소 농도를 35%로 조절하는 경우에는 열풍(산소 농도 30%)과 산소를 100 : 8의 비율로 혼합할 수 있다. 이와 같이 열풍에 공급되는 산소의 온도는 상온, 예컨대 25℃ 정도이며 1200℃ 정도의 열풍에 상온의 산소를 공급하면 열풍의 온도는 900 내지 1150℃ 정도로 낮아지게 된다. 열풍, 즉 고농도의 산소를 포함하는 열풍은 후술하는 일산화탄소와의 반응, 다시 말해서 2차 연소를 일으키기 위해 적어도 900℃ 이상의 온도를 유지하는 것이 바람직하다. 이와 같이 열풍의 온도를 일정 온도 이상으로 유지해야하므로 열풍에 혼합할 수 있는 산소의 양이 50% 정도로 제한된다.
이와 같이 산소가 혼합된 열풍은 열풍 공급배관(210)을 따라 이동하면서 병목 구간(212), 즉 열풍 공급배관(210)의 폭이 부분적으로 좁아지는 영역을 통과하게 되는데, 이때 열풍은 병목 구간(212)에서 일시적으로 수축되었다가 병목 구간(212)을 통과한 이후 팽창되면서 열풍과 산소가 효율적으로 혼합(S106)될 수 있다.
이후, 산소가 혼합된 열풍은 열풍 공급배관(210)을 따라 이동하여 랜스(200)를 통해 정련 용기(100) 내부로 취입된다.
정련 용기(100) 내부로 산소가 혼합된 열풍을 취입할 때 정련 용기(100) 하부의 저취 노즐(102)을 통해 용선 중의 탄소를 제거하여 용선을 제조하기 위한 산소를 취입할 수 있다.
정련 용기(100) 내부로 산소가 혼합된 열풍 및 산소가 취입되면, 정련 용기(100) 내에 장입된 용선은 정련 용기(100) 하부로부터 취입되는 산소에 의해 탈탄 및 교반되고, 상부로부터 취입되는 열풍, 즉 산소가 혼합된 열풍에 의해 하부에서 취입되는 산소와 용선 중 탄소 성분이 반응하여 발생되는 일산화탄소를 이산화탄소로 연소시켜 추가로 발열반응을 유도할 수 있다. 이때, 상부에서 취입되는 열풍에 포함된 산소 중의 일부는 용선 중 탄소 성분과 반응하여 탈탄 반응에 기여할 수 있다. 이와 같이 정련 용기(100) 하부에서 산소를 취입하고, 상부에서 랜스(200)를 통하여 열풍을 취입하는 이유는 용선(10) 중의 탄소가 산화되어 발생하는 일산화탄소를 정련 용기(100) 내부에서 2차 연소시키기 위함이다.
즉, 용선 중에 함유된 탄소 성분은 하부로부터 취입되는 산소와 상부로부터 취입되는 열풍 중의 산소의 일부와 반응하여 일산화탄소를 생성(1차 연소)하면서 제거된다. 용선 중 탄소 성분과 산소가 반응하여 생성되는 일산화탄소는 용선 상부로 부상하여 배가스로를 생성하는데, 이때, 랜스(200)를 통해 취입되는 열풍 중의 산소와 다시 반응하여 이산화탄소를 생성(2차 연소)하게 된다. 이와 같이 탄소 및 일산화탄소가 제거되면서 반응열(산화열)을 발생시키게 되는데, 이렇게 발생하는 반응열은 용선의 온도 저하를 억제하는 동시에, 스크랩을 용해시키는 열원으로 사용될 수 있다. 특히, 일산화탄소와 산소가 반응하는 2차 연소에서 발생하는 반응열은 통상 1차 연소에서 반응하는 반응열보다 약 2배가량 높은 것으로 알려져 있어, 2차 연소를 조장하는 것이 용선의 온도 저하를 억제하고, 스크랩을 용해시키는 열원을 확보하는데 유효하다.
이와 같은 반응을 통해 용선을 정련하기 위해서는 정련 용기(100)로 충분한 양의 산소가 취입되는 것이 바람직하다. 종래에는 단순히 열풍을 취입하여 용선을 정련하기 때문에 1차 연소 및 2차 연소를 효율적으로 실시하기 위해서는 정련 용기(100)로 대량의 열풍을 취입해야 하므로 열풍 취입을 위한 송풍 장치의 대형화가 불가피하였다. 그러나 본원발명에서는 열풍 중에 산소 농도를 높여, 즉 고농도의 산소를 포함하는 열풍을 정련 용기(100)에 취입하여 용선의 정련 공정을 실시하기 때문에 종래에 비해 적은 양의 열풍으로도 1차 연소 및 2차 연소를 효율적으로 실시할 수 있고, 이로 인해 열풍을 취입하기 위한 송풍 장치의 규모도 줄일 수 있는 효과가 있다. 또한, 열풍 중 산소 농도가 높기 때문에 정련 용기(100) 하부에서 취입되는 산소와 용선 중 탄소 성분이 반응하여 발생되는 이산화탄소를 2차 연소시키기 위해 취입되는 열풍량을 감소시킬 수 있으므로 용선의 탈탄 및 2차 연소 과정에서 발생하는 총 배가스량이 감소하게 된다. 총 배가스량은 탈탄반응에서 생성되는 일산화탄소, 일산화탄소의 2차 연소에 의하여 생성되는 이산화탄소, 열풍 중의 질소가 주성분이며, 산소 농도가 높은 열풍을 취입하면 열풍량이 감소하게 되고, 이에 따라 열풍 중의 질소량이 감소하여 전체적으로 발생하는 배가스량이 감소하게 된다. 따라서 배가스를 흡인하여 처리하기 위한 배가스 처리장치의 규모도 줄일 수 있는 이점이 있다.
이하에서는 본 발명의 실시 예에 따른 강의 제조장치 및 제조방법에 의한 효과를 살펴본다.
먼저, 용선의 정련과정에서 열풍 중 산소 농도에 따라 사용되는 열풍량과, 정련과정에서 발생하는 배가스량의 상관 관계에 대해서 살펴본다.
하기의 표 1은 100톤 전로를 이용하여 용선을 정련할 때 랜스(200)를 통해 정련 용기(100), 즉 전로 상부로 취입되는 열풍 중 산소의 반응 효율을 80%로 가정(랜스(200)를 통해 공급되는 열풍 중 80%의 산소는 저취 노즐(102)을 통해 공급되는 산소와 용선 중의 탄소 성분이 반응하여 발생하는 일산화탄소와 반응하고, 20%의 산소는 용선 중 탄소 성분과 반응하는 경우)하고, 용선 중의 탄소가 반응하여 발생되는 일산화탄소의 60%가 열풍 중의 산소와 반응하여 이산화탄소가 된다는 것(일산화탄소 중 나머지 40%는 일산화탄소 형태의 배가스로 빠져나감)을 가정한 경우 열풍 중 산소 농도에 따른 열풍량 및 배가스 처리장치의 용량을 나타낸다. 이때, 열풍 중 산소의 반응 효율은 용선 중 탄소 성분과 산소가 반응하여 발생하는 일산화탄소와의 반응 정도를 나타내며, 전로 상부로 취입되는 열풍 중 80%의 산소가 용선 중의 탄소 성분이 산화되어 발생하는 일산화탄소와 반응한다는 의미이다. 또한, 전로에서 발생하는 배가스(일산화탄소, 이산화탄소, 질소) 중의 나머지 일산화탄소 모두를 전로 상부의 배기덕트에서 외부 공기를 흡인하여 (배가스 중의 일산화탄소와 외부에서 흡입되는 공기 중의 산소가 반응하여 이산화탄소로 변경)반응시킨다고 가정하여 배가스 처리장치의 용량을 계산하였다. 즉, 최종적으로 공장 외부로 배출되는 배가스는 분진이 제거된 이산화탄소와 질소가 주요 구성성분이 된다.
열풍 중 산소 농도
(%)		 저취 송산량
(N㎥/hr)		 열풍량
(N㎥/hr)		 배가스처리장치용량
(N㎥/hr)
21 12,000 42,857 82,771
30 12,000 30,000 69,914
40 12,000 22,500 62,414
50 12,000 18,000 57,914
상기 표1을 살펴보면, 열풍 중 산소 농도가 증가할수록 전로 상부로 취입되는 열풍량이 감소하는 것을 알 수 있다. 또한, 배가스 처리장치의 용량도 감소하는 것을 알 수 있다. 이는 열풍 중 산소 농도가 증가하면 용선 중 열풍 내에 일산화탄소와 반응하기 위한 산소량이 충분하기 때문에 전로에 취입하는 열풍량을 감소시켜도 일산화탄소와 충분히 반응하여 2차 연소반응을 일으킬 수 있다. 즉, 일산화탄소를 2차 연소시키는데 필요한 열풍의 양이 감소함으로써 열풍 중의 질소량이 감소하여 결과적으로 배가스량이 감소하는 효과를 나타낼 수 있으며, 이에 따라 배가스를 처리하는 장치의 용량을 감소시킬 수 있다.
하기의 표 2는 250톤 전로를 가정하고, 저취 송산량을 35,000N㎥/hr로 하여 표1을 도출하기 위한 방법과 동일한 방법으로 열풍량과 배가스 처리장치의 용량을 계산한 결과이다.
열풍 중 산소 농도
(%)		 하취 송산량
(N㎥/hr)		 열풍량
(N㎥/hr)		 배가스처리장치용량
(N㎥/hr)
21 35,000 125,000 241,417
30 35,000 87,500 203,917
40 35,000 65,625 182,042
50 35,000 52,500 168,917
상기 표2를 살펴보면, 표1에서와 마찬가지로 열풍 중 산소 농도가 높을수록 전로 상부로 취입되는 열풍량과 배가스 처리장치의 용량이 감소하는 것을 알 수 있다.
즉, 열풍 중 산소 농도가 증가할수록 용선 중에서 발생되는 일산화탄소를 2차 연소시키는데 소요되는 열풍량이 감소하게 되며, 이에 따라 열풍 중의 질소량이 감소하여 2차 연소과정에서 발생하는 배가스량이 감소하므로, 열풍 취입을 위한 송풍 설비와 배가스를 처리하기 위한 설비의 규모를 감소시킴으로써 설비 투자비나 이들의 운영비용을 절감할 수 있게 된다.
다음으로는 열풍 공급배관(210) 내에서 열풍 중 산소 농도 분포에 대해서 살펴본다.
도 4는 도 2에 도시된 선A-A' 위치에서 열풍 내 산소 농도 분포를 보여주는 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이고, 도 5는 도 2에 도시된 선B-B' 위치에서 열풍 내 산소 농도 분포를 보여주는 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다.
여기에서는 열풍로(300)에서 제조되어 열풍 공급배관(210)을 따라 이동하는 산소 농도 30%의 열풍에 산소 공급배관(232)을 통해 산소를 공급하여 산소 농도 35%의 열풍을 제조한 경우에 대해서 설명한다. 이때, 산소 농도 30%의 열풍과 산소 공급배관(232)을 통해 공급되는 산소는 100 : 8의 비율로 혼합된다. 이때, 산소 농도 30%의 열풍의 온도는 1200℃이고, 산소 공급배관(232)을 통해 열풍 공급배관(210)으로 공급되는 산소의 온도는 25℃이며, 산소 농도 30%의 열풍과 산소를 혼합한 열풍의 온도는 1112℃이다. 그리고 열풍 공급배관(210)의 병목 구간(212)에서의 단면적은 열풍 공급배관(210)에서 산소 공급배관(232)에 의해 산소가 취입되는 영역의 단면적의 40%로 조절되었다.
도 4는 열풍로(300)에서 제조된 열풍에 산소를 공급한 지점에서 일정 거리 떨어진 열풍 공급배관(210) 내에서의 열풍 내 산소 농도 분포를 보여주고 있다. 도 4를 참조하면 열풍에 산소가 공급된 후에는 아직까지 열풍과 산소가 균일하게 혼합되지 않은 것으로 나타나있다. 즉, 산소는 열풍 공급배관(210)의 중심부측에 공급되는데, 산소가 직접 공급되는 열풍 공급배관(210)의 중심부측에서는 산소 농도가 44.7433으로 높게 나타나고, 열풍 공급배관(210)의 가장자리측에서는 산소 농도가 30.2470으로 나타나 그 차이가 약 14 정도로 크게 나타나고 있다.
이에 비해 산소가 공급된 열풍이 열풍 공급배관(210)에 형성된 병목 구간(212)을 통과한 이후에는 도 5에 도시된 바와 같이 열풍과 산소가 균일하게 혼합되어 그 차이가 0.00471로 미미한 것을 알 수 있다. 이는 열풍과 산소가 병목 구간(212)을 통과할 때 수축하였다가 병목 구간(212)을 통과한 이후에는 다시 팽창하여 열풍 공급배관(210)의 중심부와 가장자리에 걸쳐 열풍과 산소가 균일하게 혼합된 것으로 판단할 수 있다. 이와 같이 열풍 내의 산소 농도 구배를 균일하게 형성하여 정련 용기(100)로 취입함으로써 정련 효율을 더욱 향상시킬 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.
10: 용선 20: 슬래그
30: 스크랩 100: 정련 용기
110: 노구 120: 출강구
200: 랜스 210: 열풍 공급배관
212: 병목 구간 232: 산소 공급배관
300: 열풍로

Claims (16)

  1. 정련 용기 내부에 수용되는 용융물을 정련하여 강을 제조하는 장치로서,
    공기를 흡입하여 열풍을 생산하는 열풍로와;
    일측이 상기 열풍로에 연결되고, 상기 열풍로에서 생산된 열풍이 이송되는 열풍 공급배관과;
    상기 열풍 공급배관에 연결되어 상기 열풍 공급배관 내에 산소를 공급하는 산소 공급배관; 및
    상기 열풍 공급배관의 타측에 연결되어, 상기 산소 공급배관에서 공급되는 산소가 혼합된 열풍을 상기 정련 용기 내부로 취입하는 랜스;
    를 포함하고,
    상기 열풍 공급배관에는 상기 산소 공급배관과 상기 랜스 사이에 폭이 좁아졌다 넓어지는 병목구간이 복수개 구비되되,
    상기 열풍 공급배관에서 상기 병목 구간의 단면적은 상기 산소 공급배관이 연결되는 상기 열풍 공급배관의 단면적의 30 내지 70%인 강의 제조장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 정련 용기의 하부에 상기 정련 용기 내부에 산소를 공급하는 저취 노즐이 구비되는 강의 제조장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 산소 공급배관은 산소가 배출되는 끝단이 상기 열풍 공급배관에서 상기 열풍의 이동 방향으로 산소를 공급하도록 상기 열풍 공급배관에 연결되는 강의 제조장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 산소 공급배관은 산소가 배출되는 끝단이 상기 열풍 공급배관의 폭방향에서 중심에 산소를 공급하도록 상기 열풍 공급배관에 연결되는 강의 제조장치.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 정련 용기에 장입된 용선을 정련하여 강을 제조하는 방법으로서,
    공기에 산소를 혼합하는 1차 산소부화 과정과;
    상기 산소가 혼합된 공기를 열풍로에서 가열하여 열풍을 제조하는 과정과;
    상기 열풍로에서 제조된 열풍을 상기 열풍로에 연결되는 열풍 공급배관으로 배출하는 과정과;
    상기 열풍 공급배관에 상온의 산소를 공급하여 상기 열풍에 산소를 혼합하는 2차 산소부화 과정과;
    상기 산소가 혼합된 열풍을 상기 열풍 공급배관에 연결되는 랜스를 통해 상기 정련 용기에 취입하는 과정;을 포함하고,
    상기 2차 산소부화 과정 이후에 상기 열풍 공급배관 내에서 상기 산소가 혼합된 열풍을 수축 및 팽창시켜 상기 산소와 열풍을 혼합하는 과정을 포함하는 강의 제조방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 산소가 혼합된 열풍을 상기 정련 용기에 취입하는 과정 이전에, 상기 정련 용기에 스크랩을 장입하는 과정을 포함하는 강의 제조방법.
  9. 청구항 7 또는 청구항 8에 있어서,
    상기 산소가 혼합된 열풍을 상기 열풍 공급배관에 연결되는 랜스를 통해 상기 정련 용기에 취입하는 과정에서, 상기 정련 용기의 하부에 구비되는 저취 노즐을 통해 산소를 취입하는 강의 제조방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 1차 산소부화 과정에서 상기 산소가 혼합된 공기 중의 산소 농도를 30% 이하로 조절하는 강의 제조방법.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 1차 산소부화 과정에서 상기 산소와 공기는 상온인 강의 제조방법.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 열풍로에서 제조되는 열풍의 온도는 1000 내지 1200℃인 강의 제조방법.
  13. 삭제
  14. 청구항 12에 있어서,
    상기 2차 산소부화 과정에서 상기 산소가 혼합된 열풍 중의 산소 농도를 30 내지 50%로 조절하는 강의 제조방법.
  15. 삭제
  16. 청구항 14에 있어서,
    상기 2차 산소부화 과정에서 상기 산소가 혼합된 열풍의 온도를 900 내지 1150℃로 조절하는 강의 제조방법.
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