KR101757895B1

KR101757895B1 - 전기로 슬래그 재화촉진 방법

Info

Publication number: KR101757895B1
Application number: KR1020140125054A
Authority: KR
Inventors: 오영미
Original assignee: 오영미
Priority date: 2014-09-19
Filing date: 2014-09-19
Publication date: 2017-07-13
Also published as: KR20160034486A

Abstract

전기로 조업과정에 재화촉진제를 사용하여 슬래그 재화를 촉진하는 방법이 소개된다. 그 방법은 환경문제를 일으키는 형석 대신에 전로슬래그를 아토마이징 처리하여 얻어진 슬래그볼을 재화촉진제로서 내에 취입하는 것을 특징으로 한다.

Description

전기로 슬래그 재화촉진 방법{METHOD FOR ACCELERATING SLAG MAKING IN ELECTRIC ARC FURNACE}

본 발명은 전기로를 이용한 제강과정에 슬래그 재화를 촉진화기 위한 방법에 관한 것이다.

전기로는 스크랩으로 다시 강을 만드는 가장 일반적인 방법으로, 전극과 스크랩 사이에 전기아크를 발생시켜 스크랩을 녹인다. 보통 전기로 전력은 로의 크기에 따라 50 ~ 120MW 범위이며, 스크랩의 용해는 스크랩 성분에 따라 1500 ~ 1550℃ 범위이다.

전기로법은 전로법에 비해 설비투자액이 적고 수요 변동에 유연히 대응할 수 있으며 전기를 에너지로 폐기고철을 철원으로 사용하므로 경제적 환경적인 면에서 장점이 있다. 때문에 국내 전기로 조업은 꾸준히 증가하여 '63년 부산제철소의 연산 5만톤 규모로 가동된 이래, 지난 2013년 생산량은 26,768천톤에 달하였다.

전기로 조업은 용해공정, 탈탄·탈인을 위한 산화정련공정, 환원슬래그에 의한 탈황 및 성분, 온도 조정을 하는 환원정련공정으로 이루어진다. 종전에는 이들 모든 공정이 전기로에서 이루어졌으나, 최근에는 제강 효율화를 위해 환원공정을 노외정련공정으로 분화시켜 행해지고 있다.

노외정련은 통상적으로 래들(LF)에서 행해진다. 래들은 아크 가열에 의한 용강온도 조절 기능이 있고 불활성 가스 버블링에 의한 용강온도와 성분을 균일화 시킬 수 있는 교반기능이 있으며 염기성 슬래그 형성에 의한 용강의 환원 정련 기능이 있다.

위와 같은 전기로 조업은 앞서 언급된 것과 같이 전기아크가 이용되는데, 특히 용해공정에서 최대전력이 소모되기에 에너지 절감 및 조업시간의 단축을 위해서는 짧은 시간내에 효율적으로 스크랩을 용해시키는 것이 필요하다. 관련하여 최근에는 초고전력(UHP)의 사용이 일반화되어 있기에 경제적인 조업을 위해 슬래그 재화 및 포밍의 촉진이 매우 중요한 이슈가 된다.

전기로 조업에서 슬래그는 제강과정에서 제거되어야 하는 불순물을 포집함과 아울러 전기아크가 대기 중에 노출되지 않도록 하여 아크의 열방출을 방지하며 용강으로의 열전달이 효율적으로 이루어지게 함을 물론 전기아크가 비산하여 노벽에 열부하를 증가시키는 문제를 방지한다.

전기아크가 통전되어 열전달될 때의 효율을 100%로 할 때 공기 중을 통해 전달된 경우 효율은 36% 정도로 상당히 낮다. 이에 대해 전기아크가 슬래그에 의해 온전히 덮힌 경우의 아크 효율은 93%(부분적으로 잠길 경우 65% 정도)에 달하므로 슬래그 재화 및 포밍의 촉진은 전기효율 향상, 노벽 손상 방지 및 조업시간 단축에 매우 중요한 문제가 된다.

이러한 전기로 조업과정에 슬래그의 생성 촉진을 위해 부원료로 생석회(CaO)와 더불어 돌로마이트(CaO·MgO), 형석(CaF₂)과 같은 재화촉진제 또는 매용제를 첨가된다.

생석회는 슬래그의 염기도 조절을 위해 필수적으로 첨가되는 부원료인 생석회가 용강과 반응하고 포밍이 되기 위해서는 우선적으로 재화되어 액상이 되어야 한다. 그러나 생석회는 녹는점 2572℃에 이르는 고융점 물질로 철산화물이 발생되기 전까지는 거의 재화가 진행되지 않으며 그 재화율이 매우 낮다.

이러한 생석회의 재화 촉진을 위한 돌로마이트의 사용은, 최초에는, MgO-C계 내화벽돌로부터 MgO가 용출되는 것을 억제하기 위하여 인위적으로 MgO계 물질을 첨가하는 것이 좋겠다는 단순한 착상에서 시작되었다. 돌로마이트(MgO 성분)는 생석회가 재화될 때에 표면에 생성되는 고융점의 치밀한 2CaO·SiO₂ 피막을 이 억제하여 생석회의 재화를 촉진한다고 알려져 있다.

돌로마이트는 전기로 조업 전에 미리 노내에 상온 상태로 장입되는데 이러한 돌로마이트 첨가는 스크랩 용해공정에서의 전력 사용량 증가를 야기한다. 돌로마이트의 사용량을 줄일 수 있다면 에너지 측면에서 유리하나, 슬래그 중의 MgO 포화농도를 낮추기 위해서는 염기도를 증가(값이 더 비싼 CaO 사용량 증가)시켜야 하는 문제가 따른다.

형석(CaF₂)은 생석회의 재화율을 증대시키기 위해 종래 사용되었던 대표적인 재화촉진제이다. 그러나 형석은 공해물질인 불소를 함유하고있어 환경을 오염시켜 세계적으로 규제하고 있는 물질이다. 따라서 생석회의 재화를 촉진할 수 있는 형석 대체제 개발이 요구되고 있다.

한편 한국등록특허 제0890138호에서는 재화 촉진을 위해 알루미늄 드로스를 사용할 것을 제안하였다. 알루미늄 드로스는 산소와 반응하여 카본(C)보다 높은 산화열을 발생시키므로, 그 산화열을 부가적으로 이용함으로써 생석회의 재화를 촉진하여 액상의 슬래그를 보다 조기에 액상화할 수 있다는 것이다.

그러나 알루미늄 드로스는 처리과정에 따라 알루미늄 함량이 크게 다르고, 물과 접촉하면 화학반응을 일으켜 높은 발열과 함께 화재 또는 폭발의 위험성이 있고 유독가스를 발생시키기에 취급이 용이하지 않다. 또한 위 특허는 알루미늄 드로스의 산화열을 추가적인 열원으로 활용하자는 것일 뿐 형석의 사용을 대체하는 실질적인 재화촉진 방법과는 거리가 멀다.

한국특허출원번호 제2007-0123171호

본 발명은 위와 같은 종래 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 환경문제를 일으키는 형석을 대체 사용할 수 있는 전기로 슬래그 재화촉진 방법을 제공하고자 한다.

또한 본 발명은 재화율이 낮은 생석회의 재화를 촉진하여 슬래그 중의 액상 비율을 보다 높일 수 있는 방안을 제공하고자 한다.

위 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전기로 슬래그 재화촉진 방법은, 스크랩의 용락 전 단계에, 전로슬래그를 아토마이징 처리하여 얻어진 슬래그볼을 노내에 취입하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면 슬래그볼은 바람직하게는 제강 톤당 6~25kg, 더 바람직하게는 5~16kg의 비율로 투입할 수 있다.

위와 같이 본 발명에 따라 슬래그볼을 재화촉진제로 사용함에 의해 슬래그 재화가 촉진되어 슬래그풀의 형성시점 및 조업시간을 단축할 수 있게 된다.

슬래그풀의 형성시점 및 조업시간의 단축은 결국 전력량 사용의 절감이 가능하다는 것인데, 구체적으로는 제강 톤당 17kWh의 절감이 가능하다는 결과를 얻을 수 있었다. 2013년 전기로 생산량이 26,768천톤이었음을 감안하면 에너지 절감 효과는 매우 크다.

또한 본 발명에 의하면 슬래그 중의 액상 비율이 종래에 비해 약 12.5% 증가한다. 생석회가 보다 조기에 활발하게 액상화됨으로써 용강 중의 불순물을 슬래그로 포집할 수 있으므로 보다 청정한 강을 얻을 수 있다.

또한 슬래그 중의 액상 비율이 높아지면 슬래그 포밍 또한 보다 활발하게 진행될 수 있기에, 용강으로의 아크 열전달 효율이 향상될 뿐만 아니라 용강의 대기 접촉을 효과적으로 차단하여 청정강을 얻는데 도움이 되며 아크의 노출로 인한 노벽 손상을 방지할 수 있다.

또한 본 발명에 따른 슬래그볼은 통상의 전기로 슬래그보다 염기도가 높기에(슬래그 내 MgO 포화농도 감소), 이를 재화촉진제로 사용하면 돌로마이트의 사용량을 줄여 전력 소모를 추가적으로 절감할 수 있으며 조업 과정에 슬래그의 유동도가 높아져 정련 및 슬래그 포밍이 촉진된다.

전기로 조업의 최대 목적은 톤당 생산원가를 최소화하고 생산성을 최대화하는 것이며 본 발명은 이러한 요구에 부합한다. 더욱이 전로조업 과정에 상당량 발생하는 슬래그의 새로운 용도를 발견한 것이어서 경제적 환경적인 면에서 그 의의가 크다.

도 1은 슬래그 중의 액상비율을 본 발명의 예와 종래의 예를 비교한 그래프이다.

이하 본 발명에 대하여 실시예를 참조하여 구체적으로 살펴본다.

통상적으로 전기로 조업은 원료 장입, 용해기, 산화정련기, 출강의 순서로 진행된다.

먼저 스크랩은 전기로 생산지표의 70% 이상을 좌우할 정도로 매우 중요한 관리항목이다. 생산강종, 품질, 생산성, 원가 등을 고려하여 표준 배화비를 산출하여 필요한 스크랩을 종류별로 배합한다.

이러한 스크랩 장입 전 전기로 보수 단계에 돌로마이트를 투입할 수 있다. 앞서 살펴본 바와 같이 투입된 돌로마이트는 내화벽돌로부터 MgO가 용출되는 것을 억제하며 생석회의 재화를 촉진하는 기능을 한다.

용해기는 전극을 스크랩 속으로 진입시켜 통전시키는 점호기, 전력 투입량을 증가시켜 전극 주변을 넓게 용해시키는 보링기, 긴 아크를 발생시켜 넓은 구역을 용해시키는 용탕 형성기, 최대 전력을 투입하는 주용해기, 그리고 스크랩의 90% 이상이 녹은 용락(Meltdown) 단계로 구분될 수 있다.

통상적으로 위와 같은 용해기의 중간에 스크랩과 생석회가 추가 투입된다. 따라서 전기로 조업과정은 스크랩의 장입 횟수에 따라 1차 장입 → 1차 용해 → 2차 장입 → 2차 용해 → 산화정련기 → 출강 순서로 진행된다고 말해질 수 있다.

슬래그는 주성분이 생석회로, 아크열에 의해 생석회가 우선적으로 액상으로 재화되어 슬래그풀을 형성할 수 있어야 한다. 포밍은 슬래그가 액상으로 된 이후에 본격적으로 진행될 수 있기에 슬래그풀의 조기 형성은 슬래그폼의 원활한 형성, 조업시간의 단축, 전력 소모량의 감소 등에 도움이 된다.

본 발명에 따르면 슬래그, 특히 생석회의 재화 촉진 및 슬래그풀의 조기 형성을 위한 재화촉진제 또는 매용제로서 슬래그볼을 노내에 투입한다. 예로서 위의 2차 장입 단계에서 부원료인 생석회와 함께 전로슬래그를 아토마이징 처리하여 얻어진 슬래그볼을 노내에 투입할 수 있다.

전로슬래그의 아토마이징 처리는, 일례로 용융 상태의 전로슬래그를 낙하시키면서 여기에 고압의 가스를 분사하여 용융 슬래그를 미세한 액적 분리시킴과 아울러 주위분위기 하에서 액적을 급냉시키는 것을 말한다.

이러한 급냉 과정에 전로슬래그는 스피넬(spinel)구조의 매우 안정한 AB2O4 복합산화물(CaO·Fe₂O₃, SiO₂Fe₂O₃, MgFe₂O₃)을 형성하게 되는데, 이 스피넬 구조로 인하여 아토마이징된 전로슬래그는 경도가 우수하며 화학적, 물리적 요인에 대해 매우 강한 저항성을 갖는다.

아토마이징 처리된 전로 슬래그볼은 동글동글한 구슬 형상으로 약 0.1~25mm의 입경을 가지며, 일례로서 대략 아래 표 1에서와 같은 조성을 갖는다.

성분	T-Fe	CaO	SiO₂	Al₂O₃	MgO
함량(wt%)	15~30	38~48	8~14	1~3	6~9

위와 같이 아토마이징 처리된 전로 슬래그볼은 용융상태에서 급냉이 되기 때문에 고융점의 상이 생성되지 않고 비정질화되며, 이에 따라 견고한 반면 연화점이 낮다. 따라서 슬래그볼은 용해기의 용탕에 투입되어 쉽게 연화 및 용해될 수 있으며, 용해된 슬래그볼이 생석회의 재화를 촉진하여 슬래그풀의 조기 형성을 유도한다.

한편 전로 슬래그볼은 염기도(CaO/SiO₂)가 비교적 높다. 아래 표 2를 살펴보면 알기 쉬운데, 표 2에는 전기로와 전로 슬래그의 조성 및 염기도를 비교한 일례가 기재되어 있다. 기재되지 않은 잔부는 기타 불순물이다.

구분	T-Fe	CaO	SiO₂	Al₂O₃	MgO	염기도
전기로	30%	30%	20%	7%	10%	1.5
전로	25%	42%	10%	2%	8%	4.2

도 1에는 본 발명에 따라 아토마이징 처리된 전로 슬래그볼을 재화촉진제로 사용한 경우와 그렇지 않은 경우에 대하여, 가열온도에 따른 슬래그(출강시, 용해시) 중 액상비율의 변화가 도시되어 있다.

도 1에서 알 수 있듯이, 종래 슬래그보다 재화촉진제로 슬래그볼을 사용한 본 발명의 슬래그는 최종 출강 시점에서의 슬래그 중 액상 비율이 약 12.5% 증가(종래 슬래그의 경우 1208℃ 부근에서 액상비율이 80%인 것에 비해, 본 발명에 따른 슬래그는 해당 온도에서 액상비율이 약 90%이다)한다.

이렇게 본 발명에 따라 재화촉진제로 사용된 슬래그볼은 연화점이 낮고 높은 염기도를 가지며 전기로 슬래그와는 다소간 상이한 조성을 갖는데, 생석회보다 먼저 용해되어 생석회의 재화를 촉진시키고 슬래그의 유동도 및 액상 비율을 증가시킨다.

본 발명에 의하면 슬래그볼은 바람직하게는 제강 톤당 3~25kg의 비율, 보다 바람직하게는 제강 톤당 5~16kg의 비율로 투입한다.

이하에서는 본 발명에 따른 전기로 슬래그 재화촉진방법의 실험예와 슬래그볼 투입량의 한정 이유를 살펴본다.

150톤 직류 전기로에 스크랩 135톤을 2회에 걸쳐 장입하고 통상적인 방식에 따라 조업을 수행하되, 아토마이징 처리된 전로 슬래그볼의 투입량을 변화시키면서 투입량에 따라 슬래그풀 형성시점, 전력원단위 및 용해 시간이 각각 어떻게 변하는지 추적하였다. 아래 표 3은 그 결과를 나타낸 것이다.

구분	슬래그볼 투입량 (kg/Ton steel)	슬래그풀 형성시점(MWh)	전력원단위 (kWh/ton)	조업시간(분)
비교예	-	50	398	54.5
실시예 1	3.3	50	398	54.0
실시예 2	6.6	48	389	51.4
실시예 3	8	45	385	50.8
실시예 4	10	44	382	50.1
실시예 5	13.3	42	381	50.3
실시예 6	20	42	384	51.6
실시예 7	23.3	41	385	52.1

참고로 슬래그볼은 스크랩 2차 장입 단계에서 생석회 2톤과 함께 투입하였는데, 비교예는 생석회만 2톤 투입하고 슬래그볼은 투입하지 않은 것이다.

표 3에서 확인할 수 있듯이 제조되는 스틸 톤당 슬래그볼을 6.6kg 투입하는 경우, 슬래그풀 형성시점, 전력원단위 및 조업시간에 유의미한 변화가 나타났고, 슬래그볼의 투입량이 증가할수록 각 측정값이 감소되다가 제강 톤당 슬래그볼 투입량 13.3kg에서 오히려 각 측정값이 증가하는 결과로 나타났다.

따라서 슬래그볼은 바람직하게는 제강 톤당 3~25kg, 보다 바람직하게는 제강 톤당 5~16kg, 더 바람직하게는 제강 톤당 6~14kg의 비율로 투입하는 것이 좋은 것으로 판단된다.

이와 같이 본 발명에 의하면 전력원단위를 고려할 경우 비교예에 비해 제강 톤당 17kWh(발명예 5)의 에너지 절감이 가능하며, 슬래그풀의 형성시점은 41~42Mwh, 조업시간은 50.1분까지 단축시킬 수 있다.

한편 이상에서는 전로 슬래그볼을 재화촉진제로 사용하는 것에 대해서만 검토하였으나, 전기로 슬래그를 아토마이칭 처리하여 얻어지는 슬래그볼을 다시 전기로 조업에 사용하는 방안도 검토될 필요가 있다. 제조되는 전기로 슬래그의 출강 시 조성과 유사하며 슬래그볼의 특성상 연화점이 낮아 전기로 슬래그의 재화촉진제로 사용될 가능성이 있다.

Claims

삭제
삭제
삭제
삭제
전기로 조업과정에 재화촉진제를 사용하여 슬래그 재화를 촉진하는 방법에 있어서,
스크랩을 노에 장입한 후 용해기 단계에, 전기로슬래그를 아토마이징 처리하여 얻어진 슬래그볼을 노내에 취입하도록 하며,
상기 슬래그볼은 제강 톤당 6 ~ 14kg의 비율로 투입되며,
상기 슬래그볼은 입경이 0.1 ~ 25mm이며,
상기 전기로 조업과정은 1차 장입, 1차 용해, 2차 장입, 2차 용해, 산화정련기 및 출강의 순서로 진행되며,
상기 슬래그볼은 생석회의 재화 촉진 및 슬래그풀의 조기 형성을 위한 재화촉진재 또는 매용제로서 전기로 내에 투입되되, 상기 2차 장입 단계에서 부원료인 생석회와 함께 투입되며,
용해된 상기 슬래그볼은 생석회의 재화를 촉진하여 슬래그풀의 조기 형성을 유도하며,
상기 슬래그볼의 염기도(CaO/SiO₂)는 4.2로서 전기로 슬래그볼의 염기도 1.5에 비해 상대적으로 높으며,
1208℃에서의 최종 출강 시점에서의 슬래그 액상 비율은 90%로 이루어져 슬래그 중의 액상 비율이 향상되고, 액상 비율의 향상에 따라 아크 열전달 효율이 향상됨과 함께 아크의 노출로 인한 노벽 손상이 방지되며, 슬래그풀의 형성시점 및 조업시간이 단축되고, 에너지 절감효과가 향상되는 것을 특징으로 하는 전기로 슬래그 재화촉진 방법.