KR101709137B1 - 전로 조업 방법 - Google Patents

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KR101709137B1
KR101709137B1 KR1020150114710A KR20150114710A KR101709137B1 KR 101709137 B1 KR101709137 B1 KR 101709137B1 KR 1020150114710 A KR1020150114710 A KR 1020150114710A KR 20150114710 A KR20150114710 A KR 20150114710A KR 101709137 B1 KR101709137 B1 KR 101709137B1
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김재경
신동엽
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주식회사 포스코
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Abstract

본 발명은 전로에 금속 용융물을 장입하는 과정과, 상기 금속 용융물의 상측에 랜스를 이격 위치시키는 과정과, 상기 랜스 및 상기 전로의 하부에 마련된 노즐을 이용하여 상기 전로의 내부에 산소를 취입하는 과정과, 상기 산소를 취입하는 과정 중 제1시점에서 상기 랜스의 높이를 제어하여 상기 전로에 부착된 금속 산화물을 제거하는 과정을 포함하는 전로 조업 방법으로서, 전로 내의 이차 연소율을 향상시켜 전로 내부 상측에 부착되는 금속 산화물을 취련 중에 제거할 수 있는 전로 조업 방법이 제시된다.

Description

전로 조업 방법{The converter operation method}
본 발명은 전로 조업 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전로 내의 이차 연소율을 향상시켜 전로 내부 상측에 부착되는 금속 산화물을 취련 중에 제거할 수 있는 전로 조업 방법에 관한 것이다.
제강공정은 예비처리공정과 전로정련공정과 2차정련공정의 순서로 각 공정이 진행된다. 예비처리공정에서 황 성분과 인 성분이 제거된 쇳물은 전로정련공정에서 규소 성분과 탄소 성분이 제거된다. 이후, 쇳물은 2차정련공정에서 쇳물 내에 잔존하는 가스 성분이 제거되고, 각 성분의 함량 및 온도가 제어된다.
상기의 여러 공정들 중 전로정련공정은 고철장입과 용선장입과 산소취련과 용강출강과 슬래그배제의 순서로 진행된다. 먼저, 전로 내부에 잔존하는 슬래그와 용선과의 폭발 반응을 방지하기 위하여 전로 내부에 고철을 장입하고, 이후, 용선을 장입한다. 이때, 열원의 충분한 확보를 위하여 용선의 배합비는 최소한 70% 이상을 유지하며 용선의 장입량은 목표 용강량 및 조업 실수율을 감안하여 산출한다. 다음으로, 전로 내부에 담긴 쇳물의 표면으로부터 소정의 높이까지 랜스를 내리고, 이후, 소정의 시간동안 소정의 압력으로 쇳물의 표면에 산소 제트를 분사하여 취련한다. 쇳물 표면에 고속으로 분사되는 산소 제트에 의하여 전로의 내부에서는 쇳물의 교반과 정련 반응이 격렬하게 일어난다. 쇳물이 착화되어 격렬하게 산화 반응을 시작하면 계산된 양의 부원료 조재제와 매용제를 순차적으로 분할하여 투입한다.
한편, 슬래그의 양이 충분히 확보되지 못한 취련 초기에는 쇳물 예컨대 용철의 액적(droplet)이 과다하게 전로 외부로 비산되는 스피팅(spitting) 현상이 일어난다. 이러한 스피팅 현상은 전로 내부의 슬래그 양을 초기에 확보함으로써 막을 수 있지만, 현실적으로는 취련 초기에 스피팅 현상을 완벽하게 제어하기는 어렵다.
스피팅 현상에 의하여 전로의 내부 상측 여러 위치에 철 산화물이 집중 부착되어 소정 크기로 성장한다. 이렇게 성장한 철 산화물은 전로의 입구 예컨대 노구의 크기를 작게 만들기 때문에 출강 중 슬래그가 유출되는 것을 방지하도록 전로의 내부로 투입되는 다트(dart)의 움직임에 간섭을 일으키고, 출강 시의 전로 경동을 위한 토크값을 상승시켜 조업성의 악화를 야기한다.
종래에는 전로의 내부 상측 여러 위치 예컨대 노구에 부착된 철 산화물을 제거하기 위하여, 용강출강 시에 전로의 내부에 용강을 일부 잔류시키고 랜스를 이용하여 전로 내부에 산소 제트를 분사하였다. 산소 제트에 의하여, 전로 내부의 잔존 용강이 산화되며 열을 발생하였고, 발생되는 열을 이용하여 노구에 부착된 철 산화물을 용융 제거하였다.
그러나, 잔존 용강을 산화시켜 노구에 부착된 철 산화물을 제거하는 종래의 방식은 제거 효율이 높지 않아 철 산화물의 용융 제거에 어려움이 있고, 잔존 용강을 산화시키는 과정에서 전로 내부에 더스트나 화염 등을 발생시켜 대기 환경을 악화시키는 문제점이 있다. 또한, 종래의 방식은 전로의 내부가 거의 비어 있는 상태에서 산소 제트를 분사하기 때문에 전로 내부의 내화물에 악영향을 미치게 되어 내화물 수명을 단축시키는 문제점이 있다.
따라서, 종래와는 다른 방식으로 전로의 노구에 부착되는 철 산화물을 제거하는 방안이 요구되고 있다.
KR 10-2012-0023401 A KR 10-2012-0136843 A KR 10-2010-0117228 A JP 2001-11532 A
본 발명은 조업 중인 전로의 내부에서 생성되는 가스의 이차 연소율을 향상시킬 수 있는 전로 조업 방법을 제공한다.
본 발명은 조업 중인 전로의 내부에서 생성되는 가스의 이차 연소 영역을 원하는 위치로 이동시킬 수 있는 전로 조업 방법을 제공한다.
본 발명은 조업 중인 전로의 내부에서 생성되는 가스의 이차 연소 반응을 이용하여 전로의 내부 상측에 부착되는 금속 산화물을 취련 중에 제거할 수 있는 전로 조업 방법을 제공한다.
본 발명의 실시 형태에 따른 전로 조업 방법은, 전로에 금속 용융물을 장입하는 과정; 상기 금속 용융물의 상측에 랜스를 이격 위치시키는 과정; 상기 랜스 및 상기 전로의 하부에 마련된 노즐을 이용하여 상기 전로의 내부에 산소를 취입하는 과정; 및 상기 산소를 취입하는 과정 중 제1시점에서 상기 랜스의 높이를 제어하여 상기 전로에 부착된 금속 산화물을 제거하는 과정;을 포함한다.
상기 전로에 부착된 금속 산화물을 제거하는 과정은, 상기 랜스의 초기 높이보다 높은 제2높이로 상기 랜스의 높이를 제어하여 상기 전로에 부착된 금속 산화물을 제거하는 과정;을 포함할 수 있다.
상기 전로에 부착된 금속 산화물을 제거하는 과정은, 상기 노즐에서 분사되는 산소에 의하여, 상기 금속 용융물에서 발생되는 일산화탄소 가스와 상기 랜스에서 분사되는 산소를 반응시켜 이차 연소시키는 과정; 상기 이차 연소 반응의 반응열을 이용하여 상기 전로의 상부에 부착되는 금속 산화물을 용융시켜 제거하는 과정;을 포함할 수 있다.
상기 랜스의 초기 높이는 상기 금속 용융물의 탕면으로부터 상측으로 3500㎜ 내지 4000㎜ 이격된 높이이고, 상기 랜스의 제2높이는 상기 금속 용융물의 탕면으로부터 상측으로 4500㎜ 내지 5000㎜ 이격된 높이일 수 있다.
상기 랜스의 초기 높이는 상기 전로의 이차 연소율을 15% 이하로 제어 가능한 높이이고, 상기 랜스의 제2높이는 상기 전로의 이차 연소율을 15% 초과로 제어 가능한 높이일 수 있다.
상기 랜스의 초기 높이는 하기 관계식 1에 의하여 산출하고, 상기 랜스의 제2 높이는 하기 관계식 2에 의하여 산출할 수 있다.
[관계식 1]
초기 높이 (㎜) ＝ (k × C ＋ kh) ＋ A
[관계식 2]
제2 높이 (㎜) ＝ (k × C ＋ kh) ＋ B
k : 양의 실수 값을 가지는 전로 바닥부 내화물 침식속도 반영 계수 (㎜)
C : 자연수 값을 가지는 전로 사용 횟수
kh : 금속 용융물 탕면의 기준 높이
3500㎜ ≤ A ≤ 4000㎜
4500㎜ ≤ B ≤ 5000㎜
상기 제1시점은 상기 전로의 내부에 산소를 취입하는 전체 과정의 10% 내지 50%가 진행된 시점일 수 있다. 또한, 상기 제1시점은 상기 전로의 내부에 담긴 금속 용융물이 탈탄 반응되어 일산화탄소 가스가 발생되는 동안의 어느 한 시점일 수 있다.
상기 산소를 취입하는 과정 중 상기 제1시점 이후 제2시점에서, 상기 랜스에서 전로의 내부로 취입되는 산소의 유량을 증가시키는 과정;을 포함할 수 있다.
상기 제2시점은 상기 전로의 내부에 산소를 취입하는 전체 과정의 30% 내지 80%가 진행된 시점일 수 있다. 또한, 상기 제2시점은 상기 전로의 내부에 산소를 취입하는 전체 과정을 기준으로 하여 상기 전로의 내부에 담긴 금속 용융물이 탈탄 반응되는 속도가 전성기를 이루는 동안의 어느 한 시점일 수 있다.
상기 산소를 취입하는 과정 중 상기 제2시점 이후 제3시점에서, 상기 랜스의 높이를 상기 랜스의 초기 높이로 제어하는 과정;을 포함할 수 있다. 또한, 상기 산소를 취입하는 과정 중 상기 제2시점 이후 제3시점에서, 상기 랜스에서 상기 전로의 내부로 취입되는 산소의 유량을 감소시키는 과정;을 포함할 수 있다.
상기 제3시점은 상기 전로의 내부에 산소를 취입하는 전체 과정의 60% 내지 80%가 진행된 시점일 수 있다. 또한, 상기 제3시점은 상기 전로의 내부에 담긴 금속 용융물이 탈탄 반응되는 속도가 천이되어 감소하는 동안의 어느 한 시점인 전로 조업 방법.
본 발명의 실시 형태에 따르면 조업 중인 전로의 내부에서 생성되는 가스의 이차 연소율을 향상시킬 수 있고, 조업 중인 전로의 내부에서 생성되는 가스의 이차 연소 영역을 전로의 내부 상측으로 이동시킬 수 있다. 즉, 전로 내부에서 생성되는 가스를 전로 내부 상측에서 고효율로 이차 연소시킬 수 있다. 이를 이용하여, 조업 중인 전로의 내부 상측에 부착되는 금속 산화물을 별도의 추가 작업 없이 취련 중에 쉽게 제거할 수 있다.
예컨대 쇳물을 강으로 정련하는 전로정련공정에 적용되는 경우, 전로의 하부에 구비되는 노즐을 이용하여 쇳물의 내부에 산소를 공급하고 전로의 상부에 구비되는 랜스를 이용하여 쇳물의 탕면에 산소를 공급하는 취련 과정 중에, 랜스의 높이를 제어하여 이차 연소율을 증가시킬 수 있고, 이차 연소가 이루어지는 영역의 위치를 전로 내부의 상측으로 이동시킬 수 있다. 이로부터 쇳물을 강으로 정련하는 동안 이차 연소 반응의 반응열을 활용하여 금속 산화물이 취련 중인 전로의 상측에 부착되더라도 이를 쉽게 용융시켜 제거할 수 있다. 이처럼, 이차 연소 반응의 발생 위치 및 이차 연소율이 랜스 높이에 따라 변하는 것을 활용하여 전체 취련 구간 내의 일부 구간에서 랜스의 높이를 최적화된 높이로 변화시켜 전로 내의 이차 연소율 및 이차 연소 반응의 발생 위치를 제어할 수 있다. 이로부터 전로의 내부 상측 예컨대 노구에 부착되는 철 산화물을 취련 중에 쉽게 제거할 수 있다.
이로부터 종래에 별도로 실시되었던 철 산화물의 제거 작업이 생략될 수 있어 전로 내부 내화물의 손상이 방지될 수 있고, 전로정련공정의 작업시간이 단축될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 전로를 설명하기 위한 도면.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 전로 조업 방법을 설명하기 위한 도면.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 전로 조업 과정을 설명하기 위한 도면.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 전로 조업에서의 랜스 높이에 따른 이차 연소율의 변화를 설명하기 위한 도면.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 전로 조업에서의 이차 연소율 극대화를 위한 취련 구간별 랜스 높이와 상취 유량의 변화를 설명하기 위한 도면.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 더욱 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니며, 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이다. 단지 본 발명의 실시 예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하고 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다. 본 발명의 실시 예를 설명하기 위하여 도면은 과장되거나 확대될 수 있으며, 도면상에서 동일한 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
본 발명의 실시 예를 설명함에 있어서, 후술하는 "구간"은 시계열적인 구간을 의미한다. 예컨대 본 발명의 실시 예가 적용되는 전로정련공정은 고철장입구간과, 용선장입구간과, 산소취련구간(이하, 취련구간)과 용강출강구간과 슬래그배재구간의 순서로 공정이 진행될 수 있으며, 각 구간은 전로 조업 방법의 세부 과정들에 각각 대응될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 전로의 모식도이다.
전로(10)는 고로 설비에서 제조되어 예비처리된 쇳물을 공급받아 정련시키는 설비로서 예컨대 전로정련공정에 적용되는 순산소 상저취 전로일 수 있다. 여기서, 순산소 상저취 전로는 상부에 상취 랜스(이하, 랜스(20))를 구비하고, 하부에 저취 노즐(이하, 노즐(30))을 구비하는 구조의 전로이다. 순산소 상저취 전로는 상부의 랜스(20)로 쇳물 표면에 전로 내부의 이차 연소 반응을 위한 산소 예컨대 순산소를 공급할 수 있고, 하부의 노즐(30)로 쇳물 내부에 정련을 위한 산소 예컨대 순산소를 공급할 수 있다. 이로부터 추가 열원을 연속적으로 전로 내의 쇳물에 공급 가능함과 함께, 추가 열원으로부터 쇳물로 공급되는 열의 일부를 활용하여 취련 중에 전로의 내부 상측에 부착되는 금속 산화물 예컨대 철 산화물을 용융시켜 제거할 수 있다.
특히, 본 발명의 실시 예에서는 취련 중에 랜스의 위치를 제어하는 방식으로 전로 내부의 원하는 위치 예컨대 전로 내부의 상측에 이차 연소 반응열을 제공할 수 있어 취련 중인 전로 내부 상측에 부착되는 금속 산화물을 쉽게 용융시켜 제거할 수 있다.
전로(10)는 도 1에 도시된 바와 같이, 내부에 쇳물이 담기는 공간을 가지는 용기의 형상이다. 전로(10)는 상측이 개방되어 노구(11)가 형성되고, 전로(10)의 상부 측면에는 출강구(12)가 연장 형성된다. 전로(10)의 노구(11)에는 랜스(20)가 구비되어 금속 용융물(1) 예컨대 쇳물의 정련을 위한 순산소를 전로(10)의 내부에 취입할 수 있다. 전로(10)의 하부 복수 위치에는 노즐(30)이 관통 장착되어 금속 용융물(1)의 정련을 위한 순산소를 전로(10) 내부에 취입할 수 있다.
랜스(20)는 상하로 연장되어 전로(10)의 상측에 승강 가능하게 배치될 수 있다. 랜스(20)에서 분사되는 순산소의 일부는 금속 용융물(1)의 탕면에 강하게 충돌하며 금속 용융물(1)의 정련에 기여한다.
한편, 랜스(20)에서 분사되는 순산소의 나머지는 금속 용융물(1)의 상측으로 분리 제거되는 일산화탄소가스와 넓은 면적으로 충돌하며 전로(10) 내부의 이차 연소 반응에 기여한다. 예컨대 랜스(20)를 통하여 전로(10)의 내부로 분사되는 순산소는 금속 용융물(1)로부터 발생되는 일산화탄소 가스와 반응하여 일산화탄소 가스를 이차 연소시킨다. 이의 반응은 발열반응이며, 따라서 열이 발생한다. 이 열을 랜스(20)에서 분사되는 순산소 제트를 매개체로 전로(10) 내부의 필요한 위치에 전달하여, 필요한 위치에 열을 원활하게 공급할 수 있다. 특히, 취련 중 랜스(20)의 높이를 제어하여 이차 연소율을 증가시킬 수 있고, 이에 따라 이차 연소 반응열을 전로(10)의 노구(11)로 유도할 수 있다. 따라서, 노구(11)에 부착되는 철 산화물을 용융시켜 제거할 수 있다. 이와 같은 방식으로 전로(10) 내부 여러 위치에 부착되는 철 산화물을 취련 중에 제거 가능하여 전로에 철 산화물이 부착되어 성장하는 것을 용이하게 방지할 수 있다.
노즐(30)은 이중관으로 되어 있으며, 예컨대 금속 용융물(1)의 정련을 위한 순산소를 취입하는 내부관과, 내부관을 감싸도록 형성되며 내부관의 국부적인 온도 상승을 방지하기 위한 탄화수소계 가스 예컨대 액화천연가스 또는 액화석유가스를 공급하는 외부관을 가지는 구조일 수 있다. 한편, 취련 구간을 제외한 나머지 비취련구간 예컨대 고철장입구간, 용선장입구간, 용강출강구간, 슬래그배제구간 등의 구간에서는 노즐(30)에 불활성가스 예컨대 아르곤가스 또는 질소가스를 공급하여, 노즐(30) 내로 이물질이 유입되는 것을 방지한다. 또한, 노즐(30)에는 분체 취입설비가 연결되어 전로(10)의 내부로 첨가물 예컨대 생석회를 공급할 수 있고, 생석회는 쇳물에 함유되어 있는 불순물 예컨대 인(P) 및 황(S)을 제거하는 역할을 한다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 전로 조업 방법의 순서도이고, 도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 전로 조업 과정을 도시한 공정도이다.
도 2 및 도 3를 참조하여, 본 발명의 실시 예에 따른 전로 조업 방법을 설명한다. 전로 조업 방법은, 전로에 금속 용융물을 장입하는 과정, 금속 용융물 상측에 랜스를 이격 위치시키는 과정, 전로의 상부에 마련된 랜스 및 전로의 하부에 마련된 노즐을 이용하여 전로의 내부에 산소를 취입하는 과정, 산소를 취입하는 과정 중 제1시점에서 랜스의 높이를 제어하여 전로에 부착된 금속 산화물을 제거하는 과정을 포함한다.
상기와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 전로 조업 방법에서는 전로(10)에 산소를 취입하여 금속 용융물(1)을 취련하는 중에 제1시점에서 랜스(20)의 높이를 이차 연소 반응열 확보를 위한 최적화된 높이로 제어한다. 이로부터 이차 연소 반응열을 전로 내부의 원하는 위치 예컨대 전로 상부까지 원활하게 유도할 수 있고, 이에 전로 내부의 상측 여러 위치에 부착된 금속 산화물 예컨대 철 산화물을 용이하게 제거할 수 있다. 따라서, 전로 내에 금속 산화물이 부착되어 성장하는 것을 추가적인 과정 없이 효과적으로 방지할 수 있다.
우선, 전로에 금속 용융물을 장입(S100)한다. 전로를 경동시켜 고철을 장입하고, 고로설비에서 제조되어 예비처리된 금속 용융물(1) 예컨대 용선을 장입한다. 이의 과정 중에 노즐(30)에서 불활성 가스가 분사되며 노즐(30)로의 이물질 혼입이 방지될 수 있다.
이후, 전로(10) 내부에 담긴 금속 용융물(1)의 상측으로 랜스(20)를 이격 위치시키고, 이를 하강시켜 랜스(20)를 초기 높이(H0)에 위치시킨다. 이때, 랜스(20)의 초기 높이(H0)는 후술하는 취련과정에서 전로(10) 내의 이차 연소율을 15% 이하로 제어 가능한 높이일 수 있고, 예컨대 초기 높이(H0)는 금속 용융물(1)의 탕면으로부터 상측으로 3500㎜ 내지 4000㎜ 이격된 높이일 수 있다. 취련과정의 초기에는 탈규 반응이 우세하기 때문에, 금속 용융물(1)로부터 발생되는 일산화탄소가스의 양이 작을 수 있다. 따라서, 취련과정 초기에는 랜스(20)를 상술한 초기 높이(H0)로 위치시킨다.
랜스(20)의 초기 높이(H0)가 3500㎜ 미만으로 금속 용융물(1)의 탕면에 지나치게 근접하면, 금속 용융물(1)의 탕면에서의 상취 산소(랜스를 통하여 전로의 내부에 취입되는 산소)의 모멘텀이 원하는 값보다 커지게 되어, 취련과정 초기에 금속 용융물(1)의 탕면과 상취 산소와의 충돌 빈도가 원하는 값보다 커지게 된다. 이에, 상취 산소가 금속 용융물(1) 정련에 기여하는 정도(정련 기여율)가 필요 이상으로 커지게 되어 열원 확보가 어렵고, 취련과정 초기에 전로(10)의 내부 온도가 원하는 값보다 낮아지게 된다.
또한, 랜스(20)의 초기 높이(H0)가 4000㎜를 초과하여 금속 용융물(1)의 탕면에 지나치게 멀어지면, 금속 용융물(1)의 탕면에서의 상취 산소의 모멘텀이 원하는 값보다 작아지게 되어, 취련과정 초기에 금속 용융물(1)의 탕면에 대한 상취 산소의 충돌 빈도가 원하는 값보다 작아지게 된다. 따라서, 상취 산소의 정련 기여율이 필요 이상으로 작아지게 되어, 취련과정 초기의 효율이 원하는 값보다 작아지게 된다.
한편, 랜스(20)의 초기 높이(H0)는 하기 관계식 1에 의하여 산출할 수 있다.
관계식 1) 초기 높이 [㎜] ＝ (k × C ＋ kh) ＋ A
상기 관계식 1에서, k 는 전로 바닥부 내화물 침식속도 반영 계수로서, 양의 실수 값을 가지고, 단위는 ㎜ 이다. 상기 계수는 전로정련공정의 누적 횟수에 따른 전로의 바닥부 내화물 침식속도를 측정하고, 이들 간의 관련성을 회귀 분석한 회귀식으로부터 그 값을 추정할 수 있다. 본 발명의 실시 예에서는 k 의 값으로 1.02㎜를 예시한다. 또한, C 는 전로 사용 횟수로서 자연수 값을 가지는 무차원 수이다. 예컨대 전로(10)의 이전 차지(charge) 누적 횟수가 1회인 경우, C 의 값은 1일 수 있고, 전로(10)의 이전 차지 누적 횟수가 2회인 경우, C 의 값은 2일 수 있다. 또한, kh 는 금속 용융물 탕면의 기준 높이로서, 예컨대 수천㎜ 정도의 소정 값을 가지는 상수이며, 전로 조업 방법이 적용되는 설비가 높인 기준면 예컨대 지면을 기준으로 하는 쇳물 탕면의 절대 높이일 수 있다. 또한, A 는 초기 높이 설정 값으로서, 3500㎜ 내지 4000㎜ 범위의 값일 수 있다.
예컨대 순산소 상저취 전로는 저취 산소에 의한 강한 교반력으로 전로 바닥부 내화물의 침식속도가 약 1.0㎜/ch 수준으로 유지될 수 있다. 따라서, 공정을 반복 실시할수록 전로(10) 내부에 담기는 금속 용융물(1)의 탕면 높이가 지속적으로 하락하게 된다. 이에 따라, 랜스(20)의 초기 높이(H0) 또한 공정이 반복될수록 전로(10)의 바닥부를 기준으로 점차 하향 위치하게 된다.
이러한 경우, 금속 용융물(1)의 탕면을 기준으로 하는 랜스(20) 높이 예컨대 상대 높이는 일정하지만, 전로(10)의 설치 높이를 기준으로 하는 랜스(20)의 높이 예컨대 절대 높이가 점차 낮아진다.
이처럼 랜스(20)의 절대 높이가 낮아지게 되면 전로(10)의 이차 연소율 값이 하락하기 때문에, 본 발명의 실시 예에서는 전로(10)의 바닥부 내화물 침식속도를 고려하여, 랜스(20)의 높이를 상기 관계식 1에 의하여 산출할 수 있다. 이로부터 전로(10)의 조업 횟수가 많아질수록 랜스(20)의 초기 높이(H0)의 위치가 높아질 수 있고, 이에 이차 연소율의 하락을 방지할 수 있다.
이후, 랜스(20) 및 노즐(30)을 이용하여 전로(10) 내부에 산소 예컨대 순산소를 취입(S200)하여 금속 용융물(1)을 취련한다.
노즐(30)을 통하여 금속 용융물(1)의 내부로 취입되는 저취 산소는 금속 용융물(1)에 함유된 불순 성분의 제거에 사용된다. 취련과정 초기에는 불순 성분 중 규소(Si) 성분과 같은 산소와의 친화력이 높은 원소들이 먼저 제거된다. 이러한 탈규 반응이 진행된 이후에 탄소(C) 성분이 제거된다. 금속 용융물(1) 중의 탄소(C) 성분과 노즐(30)로부터 저취로 취입된 저취 산소는 일차 산화 반응(하기 화학식 1 참조)되고, 일차 산화 반응에 의하여 발생되는 일산화탄소 가스는 랜스(20)로부터 상취로 취입된 상취 산소와 이차 연소 반응(하기 화학식 2 참조)을 일으킨다. 이차 연소 반응의 반응열 예컨대 연소열은 상취 산소 제트(jet)에 의하여 전로의 내부로 전달된다.
화학식 1) <C> ＋
Figure 112015078744707-pat00001
O → CO ＋ 2.65 ㎾h/㎏-C
화학식 2) CO ＋
Figure 112015078744707-pat00002
O2 → CO2 ＋ 5.89 ㎾h/㎏-C
이처럼 일차 산화 반응으로 금속 용융물(1)에 혼입된 불순 성분들이 제거될 수 있고, 불순 성분들이 제거되는 동안 이차 연소 반응으로 일차 산화 반응에 필요한 열을 확보할 수 있다.
한편, 전로(10)로 취입되는 순산소는 예컨대 800℃ 내지 1300℃의 고온으로 공급될 수 있다. 이는 순산소의 운동량을 증가시키게 되어, 동일한 양의 순산소를 공급하는 것을 기준으로, 순산소를 상온으로 취입할 때 보다 순산소의 유속을 상대적으로 증가시키는 효과를 가질 수 있다. 이에, 전로(10) 내 복수 위치로의 순산소의 유입 및 금속 용융물(1)로의 순산소의 침투가 광범위하게 이루어질 수 있다.
한편, 랜스(20)로부터 전로(10)의 내부로 취입되는 산소 예컨대 상취 산소는 예컨대 0.6㎫ 내지 1.2㎫의 압력 범위 내에서 2000Nm3/hr 내지 17000Nm3/hr의 유량으로 제어될 수 있으며, 노즐(30)을 이용하여 전로(10) 내부로 취입되는 산소 예컨대 저취 산소는 예컨대 0.6㎫ 내지 1.2㎫의 압력 범위 내에서 4000Nm3/hr 내지 13000Nm3/hr의 유량으로 제어될 수 있다. 여기서, 상취 산소와 저취 산소의 상기와 같은 유량값은 취련과정에서의 저취 산소에 의하여 금속 용융물(1)로부터 발생하는 일산화탄소에 대한 상취 산소에 의한 이차 연소율을 최적화 가능한 유량비이며, 조업 여건에 따라 탄력적으로 조절될 수 있다.
이때, 상취 산소 유량이 2000Nm3/hr 미만이고 저취 산소 유량이 4000Nm3/hr 미만인 경우, 전체 산소 유량이 6000Nm3/hr 미만이 되어, 용선비(Hot Metal Ratio)를 원하는 값 이하로 감소시키기 어렵다. 또한, 상취 산소 유량이 17000Nm3/hr 초과이고 저취 산소 유량이 13000Nm3/hr 초과인 경우, 전체 산소 유량이 30000Nm3/hr초과가 되어, 순산소에 의해 금속 용융물(1)이 외부로 유출되거나 전로(10)의 내화물이 손상될 수 있다.
이후, 산소를 취입하는 과정 중 제1시점에서 랜스의 높이를 제어하여 전로의 내부 상측에 부착되는 금속 산화물을 제거(S300)한다. 이의 과정은, 랜스(20) 초기 높이(H0)보다 높은 제2높이(H)로 랜스(20)의 높이를 제어하는 과정과, 노즐(30)에서 분사되는 산소에 의하여 금속 용융물(1)에서 발생되는 일산화탄소 가스에 랜스(20)에서 분사되는 산소를 반응시켜 이차 연소시키는 과정과, 이차 연소 반응의 반응열을 이용하여 전로(10)의 상부에 부착되는 금속 산화물을 용융시켜 제거하는 과정을 포함할 수 있다.
먼저, 취련과정 중의 제1시점에서 랜스(20)를 상승시켜 제2높이(H)로 위치시킨다. 이때, 제1시점은 전로(10)의 내부에 산소를 취입하는 전체 취련 과정의 10% 내지 50%가 진행된 시점일 수 있다. 이는 또한, 전로(10)의 내부에 담긴 금속 용융물(1)이 탈탄 반응되며, 일산화탄소 가스가 발생되는 동안의 어느 하나의 시점일 수 있다. 전체 취련과정이 진행되는 취련구간에서 제1시점이 지난 이후를 취련과정의 중기라 하고, 이의 이전을 상술한 취련과정의 초기라 한다. 즉, 탈탄 반응이 일어나기 시작한 이후 예컨대 취련과정의 초기가 지난 어느 한 시점에서 랜스(20)의 높이를 제2높이(H)로 제어하여 이차 연소율을 효과적으로 증가시킬 수 있다.
한편, 랜스(20)의 제2높이(H)는 취련과정에서 전로(10)의 이차 연소율을 15% 초과로 제어 가능한 높이일 수 있고, 예컨대 제2높이(H)는 금속 용융물(1)의 탕면으로부터 상측으로 4500㎜ 내지 5000㎜ 이격된 높이일 수 있다.
랜스(20)의 제2높이(H)가 4500㎜ 미만이면, 금속 용융물(1)의 탕면에서의 상취 산소의 모멘텀이 원하는 값보다 커지게 되어, 제1시점 이후 예컨대 취련과정의 중기에 금속 용융물(1)의 탕면과 상취 산소와의 충돌 빈도가 원하는 값보다 커지게 된다. 이에, 상취 산소의 정련 기여율이 필요 이상으로 커지게 되어 이차 연소율이 15% 미만으로 낮아지게 된다.
또한, 랜스(20)의 제2높이(H)가 5000㎜를 초과하여 금속 용융물(1)의 탕면에 지나치게 멀어지면, 금속 용융물(1)의 탕면에서의 상취 산소의 모멘텀이 원하는 값보다 작아지게 되어, 취련과정 중기에 금속 용융물(1)의 탕면에 대한 상취 산소의 충돌 빈도가 원하는 값보다 작아지게 된다. 따라서, 상취 산소의 정련 기여율이 필요 이상으로 작아지게 되어, 취련과정 중기의 취련 효율이 원하는 값보다 작아지게 된다.
이의 과정으로, 취련과정의 중기에 이차 연소율이 15%를 초과하게 되고, 이에 이차 연소 반응의 반응열이 커지게 됨은 물론, 랜스(20)의 상승에 의하여 이차 연소 반응의 발생 영역이 전로 내부의 상측으로 옮겨지게 되어 전로의 내부 상측에 부착되는 금속 산화물을 쉽게 용융시켜 제거할 수 있다.
한편, 랜스(20)의 제2높이(H)는 하기 관계식 2에 의하여 산출할 수 있다.
관계식 2) 제2높이 [㎜] ＝ (k × C ＋ kh) ＋ B
상기 관계식 2에서, k 는 전로 바닥부 내화물 침식속도 반영 계수로서, 양의 실수 값을 가지고, 단위는 ㎜ 이다. 상기 계수는 전로정련공정의 누적 횟수와 전로의 바닥부 내화물 침식속도 간의 관련성을 회귀 분석하여 값을 추정할 수 있다. 본 발명의 실시 예에서는 k 의 값으로 1.02㎜를 예시한다. 또한, C 는 전로 사용 횟수로서 자연수 값을 가지는 무차원 수이다. kh 는 금속 용융물 탕면의 기준 높이로서, 예컨대 수천㎜ 정도의 소정 값을 가지는 상수이며, 전로 조업 방법이 적용되는 설비가 높인 기준면 예컨대 지면을 기준으로 하는 쇳물 탕면의 절대 높이일 수 있다. 또한, B 는 제2높이 설정 값으로서, 4500㎜ 내지 5000㎜ 범위의 값일 수 있다.
본 발명의 실시 예에서는 전로(10)의 바닥부 내화물 침식속도를 고려하여, 랜스(20)의 제2높이를 상기 관계식 2에 의하여 산출할 수 있다. 이로부터 전로(10)의 조업 횟수가 많아질수록 랜스(20)의 제2높이(H)의 위치가 높아질 수 있고, 이에 이차 연소율의 하락을 방지할 수 있다.
이후, 산소를 취입하는 전체 과정 중 제2시점에서, 랜스(20)에서 전로(10) 내부로 취입되는 산소의 유량을 증가(S400)시킨다. 여기서, 제2시점은 취련 개시로부터 전로(10)의 내부에 산소를 취입하는 전체 과정의 30% 내지 80%가 진행된 시점일 수 있고, 이는 또한, 전로(10)의 내부에 산소를 취입하는 전체 과정을 기준으로 하여 전로(10)의 내부에 담긴 금속 용융물(1)이 탈탄 반응되는 속도가 전성기를 이루는 동안의 어느 한 시점일 수 있다. 즉, 금속 용융물(1)의 탈탄 반응이 상대적으로 우세하게 일어나는 탈탄 반응의 전성기 구간 동안의 어느 한 시점일 수 있다. 예를 들어 전로(10)에 구비되는 서브 랜스(미도시) 및 프로브(미도시)를 이용하여, 취련과정 중에 금속 용융물(1)의 온도, 성분 함량 및 탄소농도를 측정하고 이로부터 탈탄 반응의 반응 속도를 예측하여, 탈탄 반응이 상대적으로 우세하게 일어나는 구간 즉, 탈탄 반응의 평균 반응 속도보다 반응 속도가 빠른 구간을 전성기 구간으로 예측할 수 있고, 이의 어느 한 시점을 제2시점으로 선택할 수 있다.
이에 의하여, 제2시점 이후부터 상취 산소의 모멘텀을 증가시킬 수 있고, 이에 랜스(20)의 높이를 별도로 제어하지 않고도 이차 연소율을 더욱 증가시킴과 함께 상취 산소의 정련 기여율 또한 높일 수 있다. 이로부터, 금속 산화물의 제거 효율 및 전체 취련과정에서의 취련 효율을 더욱 증가시킬 수 있다.
이후, 산소를 취입하는 전체 과정 중 제3시점에서, 랜스(20)의 높이를 초기 높이로 제어하고, 랜스(20)에서 전로(10) 내부로 취입되는 산소 유량을 감소(S500)시킨다. 여기서, 제3시점은 취련을 개시하여 전로(10)의 내부에 산소를 취입하는 전체 과정의 60% 내지 80%가 진행된 시점일 수 있고, 이는 또한, 전로(10)의 내부에 담긴 금속 용융물(1)이 탈탄 반응되는 속도가 천이되어, 반응 속도가 감소하는 동안의 어느 한 시점일 수 있다. 즉, 금속 용융물(1)의 탈탄 반응이 상대적으로 둔화되는 동안의 어느 한 시점일 수 있다. 예를 들어, 전로(10)에 구비되는 서브 랜스의 프로브(미도시) 등을 이용하여, 취련과정 중에 금속 용융물(1)의 온도, 성분 함량 및 탄소농도를 측정하고 이로부터 탈탄 반응의 반응 속도를 예측하여 탈탄 반응이 둔화되는 구간을 예측할 수 있고, 이의 어느 한 시점을 제3시점으로 선택할 수 있다.
이의 과정을 통하여, 금속 용융물(1)의 온도와 탄소 함량 및 산소 농도 등을 원하는 값으로 조절 가능함과 함께, 일산화탄소의 발생이 둔화됨에 대응하여, 상취 산소의 정련 기여율 및 전로의 이차 연소율을 안정적으로 제어할 수 있어, 산소가 금속 용융물(1)에 과다하게 취입되는 것을 방지할 수 있다.
상기한 전체 취련과정은 약 20분 미만으로 이루어질 수 있다. 취련과정이 상기한 조업 조건으로 진행되어 20분을 지나게 되면, 금속 용융물(1) 내의 탄소(C) 성분이 충분히 제거되므로, 그 이상으로 취련과정을 진행하는 것은 무의미하다.
이후, 산소 취입을 종료하고, 전로(10)를 경동시켜 출강구(12)로 정련된 용강을 출강한다. 출강되는 용강은 래들에 수강되어 후속공정으로 이송된다.
한편, 전로(10)의 내부에서 산소취련이 진행되는 동안 전로(10) 내부에 금속 산화물이 부착되는 것이 억제 또는 방지됨에 따라, 전로(10)를 경동시키는데 필요한 토크값이 값이 이전 차지(charge)에서 전로(10)를 경동시키는데 필요한 소정의 토크값의 범위 내에서 일정하게 유지될 수 있다. 이로부터 설비의 구조적인 부하를 줄일 수 있다. 또한, 전로(10)의 내부 특히 노구(11)에 금속 산화물이 부착되는 것이 억제 또는 방지됨에 따라 슬래그 유출을 방지하기 위하여 전로(10) 내에 투입되는 다트(dart)가 보다 안정적으로 투입될 수 있다.
이후, 용강의 출강이 완료되면 전로(10)를 경동시켜 노구(11)로 전로(10)의 내부에 잔존하는 슬래그를 배제한다. 배제되는 슬래그는 슬래그포트에 담겨 슬래그 처리장으로 이송된다.
상기한 과정으로 실시되는 전로 조업 방법에 의하여, 전로 내부 상측에 부착되는 철 산화물을 취련 중에 제거할 수 있으며, 이때, 상취 산소와 일산화탄소와의 이차 연소 반응열을 이용하므로 효과가 증대될 수 있다. 또한, 취련과정 중 랜스의 최적 높이를 제공함에 따라, 이차 연소율이 증대될 수 있고, 이에, 전로 내의 열원을 효과적으로 확보할 수 있어 정련의 효율이 증대될 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 전로 조업 과정에서의 랜스 높이에 따른 이차 연소율의 변화를 도시한 그래프이고, 도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 전로 조업 과정이 적용되는 전로정련공정에서의 이차 연소 극대화를 위한 취련 구간별 랜스 높이와 상취 유량의 변화의 일 실시 예를 도시한 그래프이다.
순산소 상저취 전로를 사용하여 이차 연소율을 극대화 하기 위해서는 상취 산소를 전로 내로 안내하는 랜스의 높이 선택이 필요하다. 예컨대 저취 산소에 의해 쇳물 내에서 생성되어 전로 내로 유입되는 일산화탄소가스는 상취 산소와 충돌하여 이차 연소 반응한다. 이때, 상호간의 반응 정도를 극대화 하기 위해서는 일산화탄소가스에 상취 산소를 최대한 많이 충돌시켜 이차 연소시키는 것이 중요하다.
따라서, 본 발명의 실시 예에서는 도 4에 도시된 바와 같이, 랜스의 높이 변화에 따른 이차 연소율의 변화를 관찰하였다. 이때, 가로 축의 랜스 높이는 쇳물 탕면을 기준으로 하는 높이이다. 이차 연소율은 랜스 높이를 변화시켜가며 전로 조업을 실시하면서, 전로 내의 가스 중 금속 용융물로부터 발생하는 여러 가스 성분 예컨대 일산화탄소, 이산화탄소, 수소 및 수증기 등의 분율의 합을 분모로 하고, 전로 내의 가스 중 이차 연소 반응에 의하여 생성되는 연소 생성물 예컨대 이산화탄소 및 수증기의 분율의 합을 분자로 하여 백분율로 나타낸 값이다. 도 4에 도시된 바와 같이 랜스의 높이가 증가할수록 전로 내부 이차 연소율이 증가하는 현상을 확인할 수 있다. 이는 랜스 높이가 높아질수록 상취 산소가 이차 연소 반응에 기여하는 기회가 증대되기 때문이다. 이러한 원리로 랜스의 높이를 조절하여 이차 연소율을 조절할 수 있고, 이에, 본 발명의 실시 예에서는 랜스의 높이를 조절하는 방식으로 일산화탄소 가스의 이차 연소율을 조절한다.
본 발명의 실시 예에 따른 전로 조업 방법을 적용하여 전로정련공정을 실시하고 이 때의 상취 산소 유량과, 저취 산소 유량과, 랜스 높이를 도 5에 도시하였다. 취련구간에서 보면, 취련과정의 초기에는 탈규 반응이 우세하여, 전로 내에 발생하는 일산화탄소가스의 양이 작기 때문에, 제1시점(T1) 이전까지 랜스 높이를 4000㎜로 제어하여 취련을 진행하였다. 제1시점(T1) 예컨대 전체 취련구간의 15%가 진행된 시점이 지난 취련과정의 중기에는 랜스 높이를 4500㎜로 제어하여 취련과정을 진행하였고, 이에, 이차 연소율을 최대화시켜 전로 내부에서 발생되는 열의 일부를 이용하여 전로 내부 상측에 부착된 철 산화물을 용융 제거한다. 이때, 제2시점(T2) 예컨대 전체 취련구간의 40%가 진행된 시점에서 이차 연소율이 더욱 증대되도록 상취 산소 유속을 증가시켜 취입 유량을 8000Nm3/hr에서 9000Nm3/hr으로 증가시킨다. 이에 탈탄 반응의 전성기 구간에서 쇳물의 취련에 필요한 열을 효과적으로 확보할 수 있다. 이후, 탈탄 반응의 반응 속도가 천이되는 취련과정의 말기의 제3시점(T3) 예컨대 전체 취련구간의 70%가 진행된 시점에서 랜스의 높이를 초기 높이로 하강시키고, 상취 산소의 취입량을 초기 취입량 이하로 단계적으로 감소시킨다. 이에, 적정한 량의 산소가 쇳물에 취입되어 산소의 과취가 방지된다.
본 발명의 상기 실시 예는 본 발명의 설명을 위한 것이며, 본 발명의 제한을 위한 것이 아님을 주지해야 한다. 본 발명은 청구범위 및 이와 균등한 기술적 사상의 범위 내에서 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 본 발명이 해당하는 기술 분야에서의 업자는 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시 예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
10: 전로 20: 랜스
30: 노즐

Claims (15)

  1. 전로에 금속 용융물을 장입하는 과정;
    상기 금속 용융물의 상측에 랜스를 이격 위치시키는 과정;
    상기 랜스 및 상기 전로의 하부에 마련된 노즐을 이용하여 상기 전로의 내부에 산소를 취입하여 상기 금속 용융물을 취련하는 과정;
    상기 산소를 취입하여 상기 금속 용융물을 취련하는 과정 중에 제1시점에서 상기 랜스의 높이를 제어하여 상기 전로에 부착된 금속 산화물을 제거하는 과정;
    상기 산소를 취입하여 상기 금속 용융물을 취련하는 과정 중에 상기 제1시점 이후 제2시점에서, 상기 랜스에서 상기 전로의 내부로 취입되는 산소의 유량을 증가시키는 과정; 및
    상기 산소를 취입하여 상기 금속 용융물을 취련하는 과정 중에 상기 제2시점 이후 제3시점에서, 상기 랜스의 높이를 상기 랜스의 초기 높이로 제어하는 과정;을 포함하는 전로 조업 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 전로에 부착된 금속 산화물을 제거하는 과정은,
    상기 랜스의 초기 높이보다 높은 제2높이로 상기 랜스의 높이를 제어하여 상기 전로에 부착된 금속 산화물을 제거하는 과정;을 포함하는 전로 조업 방법.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 전로에 부착된 금속 산화물을 제거하는 과정은,
    상기 노즐에서 분사되는 산소에 의하여, 상기 금속 용융물에서 발생되는 일산화탄소 가스와 상기 랜스에서 분사되는 산소를 반응시켜 이차 연소시키는 과정;
    상기 이차 연소 반응의 반응열을 이용하여 상기 전로의 상부에 부착되는 금속 산화물을 용융시켜 제거하는 과정;을 포함하는 전로 조업 방법.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 랜스의 초기 높이는 상기 금속 용융물의 탕면으로부터 상측으로 3500㎜ 내지 4000㎜ 이격된 높이이고,
    상기 랜스의 제2높이는 상기 금속 용융물의 탕면으로부터 상측으로 4500㎜ 내지 5000㎜ 이격된 높이인 전로 조업 방법.
  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 랜스의 초기 높이는 상기 전로의 이차 연소율을 15% 이하로 제어 가능한 높이이고,
    상기 랜스의 제2높이는 상기 전로의 이차 연소율을 15% 초과로 제어 가능한 높이인 전로 조업 방법.
  6. 청구항 2에 있어서,
    상기 랜스의 초기 높이는 하기 관계식 1에 의하여 산출하고,
    상기 랜스의 제2 높이는 하기 관계식 2에 의하여 산출하는 전로 조업 방법.
    [관계식 1]
    초기 높이 (㎜) ＝ (k × C ＋ kh) ＋ A
    [관계식 2]
    제2 높이 (㎜) ＝ (k × C ＋ kh) ＋ B
    k : 양의 실수 값을 가지는 전로 바닥부 내화물 침식속도 반영 계수 (㎜)
    C : 자연수 값을 가지는 전로 사용 횟수
    kh : 금속 용융물 탕면의 기준 높이
    3500㎜ ≤ A ≤ 4000㎜
    4500㎜ ≤ B ≤ 5000㎜
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1시점은 상기 전로의 내부에 산소를 취입하는 전체 과정의 10% 내지 50%가 진행된 시점인 전로 조업 방법.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1시점은 상기 전로의 내부에 담긴 금속 용융물이 탈탄 반응되어 일산화탄소 가스가 발생되는 동안의 어느 한 시점인 전로 조업 방법.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 산소를 취입하여 상기 금속 용융물을 취련하는 과정 중에, 상기 전로의 내부에 취입되는 산소는 800℃ 내지 1300℃의 온도로 공급되는 전로 조업 방법.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2시점은 상기 전로의 내부에 산소를 취입하는 전체 과정의 30% 내지 80%가 진행된 시점인 전로 조업 방법.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2시점은 상기 전로의 내부에 산소를 취입하는 전체 과정을 기준으로 하여 상기 전로의 내부에 담긴 금속 용융물이 탈탄 반응되는 속도가 탈탄 반응의 평균 반응 속도보다 빠른 구간인 전성기 동안의 어느 한 시점인 전로 조업 방법.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 산소를 취입하여 상기 금속 용융물을 취련하는 과정 중에, 상기 전로의 내부에 취입되는 산소를 0.6㎫ 내지 1.2㎫의 압력으로 제어하는 전로 조업 방법.
  13. 청구항 1에 있어서,
    상기 산소를 취입하여 상기 금속 용융물을 취련하는 과정 중에 상기 제2시점 이후 상기 제3시점에서, 상기 랜스에서 상기 전로의 내부로 취입되는 산소의 유량을 감소시키는 과정;을 포함하는 전로 조업 방법.
  14. 청구항 1 또는 청구항 13에 있어서,
    상기 제3시점은 상기 전로의 내부에 산소를 취입하는 전체 과정의 60% 내지 80%가 진행된 시점인 전로 조업 방법.
  15. 청구항 1 또는 청구항 13에 있어서,
    상기 제3시점은 상기 전로의 내부에 담긴 금속 용융물이 탈탄 반응되는 속도가 감소하는 동안의 어느 한 시점인 전로 조업 방법.
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