KR101848263B1 - 함철 더스트를 이용한 제강 정련방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 함철 더스트를 이용한 제강정련 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 함철 부산물로 나오는 함철더스트를 별도로 펠렛, 브리켓을 제조하지 않은 상태에서 바로 전로공정에 사용함으로써 점결제, 필러 등 재료비의 획기적 절감, 슬래그 절감, 용강 생산량 증대, 캔 생산용 철강 판매, 고품위 고철(캔) 사용으로 용강 품질 향상, 수입 스크랩, 스틸캔 압축 블록 구입비용 절감 등의 효과가 있는 함철 더스트를 이용한 제강정련 방법에 관한 것이다. 본 발명은 함철 더스트를 이용한 제강정련 방법에 관한 것으로, 제철 공정 중 부산물로 나오는 함철 더스트를 함철용기 내에 투입하는 단계; 상기 함철 더스트가 담긴 함철용기를 전로 내에 투입하는 단계; 및 상기 전로에 용선을 투입하여 용강 공정을 진행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 함철 더스트를 이용한 제강정련 방법을 제공한다.

Description

함철 더스트를 이용한 제강 정련방법 {Method for Steelmaking Refining Process using Iron Cast Dust}

본 발명은 함철 더스트를 이용한 제강정련 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 함철 부산물로 나오는 함철 더스트를 별도로 펠렛, 브리켓을 제조하지 않은 상태에서 캔 등의 형태를 가진 스틸소재 케이스에 장입하여 바로 전로공정에 사용함으로써 점결제, 필러 등 재료비의 획기적 절감, 슬래그 절감, 용강생산량 증대, 캔 생산용 철강 판매, 고품위 고철(캔) 사용으로 용강 품질 향상, 수입 스크랩, 스틸캔 압축 블록 구입비용 절감 등의 효과가 있는 함철 더스트를 이용한 제강정련 방법에 관한 것이다.

최근 철강제조공정은 에너지 효율을 극대화하기 위하여 일관 제조 공정을 사용하고 있다(도 1). 이 일관 제조 공정 중 제강공정은 고로에서 생성된 용선의 탄소함량을 조절하여 원하는 성분비로 바꾸는 공정으로 일반적으로 전로(轉爐)를 사용하게 된다.

또한, 일반적인 전로(轉爐)에서의 진행 순서는 도 2에 나타난 바와 같이 장입(Charging), 취련(Blowing), 측온/측산(Temp. Measurement), 출강(Tapping), 배재(Discharging)의 단계를 거치게 된다. 이때 사용되는 일반적인 전로는, 도 4에 도시된 바와 같이, 전로의 본체 상부에 위치한 산소랜스를 통하여 산소가 공급되며, 용선이 전로 내부에 장입되면, 산소공급에 의해 탈탄, 탈린 등 산화반응이 일어나며 이로 인해 용선은 용강으로 변하게 된다.

전기로(電氣爐)는 전기로의 본체 상부에 위치한 루프(Roof)의 중앙으로 전기양도체인 삼상 전극봉이 삽입되고, 고철 등 주원료가 전기로 내부에 장입되면, 전기에 의한 아크열로써 고철을 용해시킨다. 또한, 전기로 측면에 위치한 슬래그 도어를 통하여 산소와 환원재를 전로 내부로 투입시키는 랜스가 구비된다. 랜스는 전기로의 내측으로 산소와 환원재 등을 송풍시키기 위해 제작된 것으로서, 내측으로 산소투입관 및 환원재투입관을 가지며, 이 투입관들에 의해 용강이 손상되지 않도록 외측에 부정형 내화물이 둘러싸여 이루어진다. 상기 환원재로는 일반적으로 카본이 사용된다.

전로 및 전기로 함철 더스트(EAFD(Electric Arc Furnace Dust))은 고철 스크랩을 주원료로 하는 전로 또는 전기로의 용해과정에서 발생하는 비산먼지나 고온의 배가스가 냉각과정을 거치면서 포집된 미립자상의 분말을 말한다. 전로 또는 전기로를 이용한 용강 제조시 노내로 투입되는 고철등의 장입물에 포함된 미립의 철산화물들은, 전기로에 설치된 집진장치를 통해 외부로 배출(도 3)되며, 이와 같이 전로 또는 전기로 외부로 배출된 철산화물들로 이루어지는 더스트는, 납이나 수은 등의 유해한 금속을 함유하고 있기 때문에 일정장소에 수집되어 매립되거나, 제강공정에 재사용되는 것이 일반적이다.

일반적으로 고철을 원료로 철강을 생산하는 전로 제강법에서, 용융공정 중에 발생하는 함철 더스트는 투입하는 고철량 대비 대략 1 ~ 2 중량% 정도이며, 이러한 제강 더스트 중에는 납, 아연, 철 등과 같은 유가금속이 다량 함유되어 있다. 회수대상인 유가금속의 함량은 제강회사와 제강원료인 고철의 품위에 따라 달라지지만, 대략적으로 납이 1 ~ 7중량%, 아연이 1 ~ 35중량%이며, 철은 10 ~ 40중량% 정도 함유되어 있다. 국내 제강 더스트의 발생량은 현재 약 4000천톤/년이며, 원가절감과 자원보존 측면에서 뿐만 아니라, 환경보호 측면에서 전 세계적으로 철광석 대신 고철을 원료로 강을 생산하는 경향이 증대되고 있으므로 제강 더스트 발생량도 매년 증가 추세이다.

그러나, 더스트를 제강공정에서 재사용하기 위해서는, 더스트에 결합재를 첨가하여 고형화시킨 후 전로에 투입하여야 하는데, 이러한 재활용 방법은 다음과 같은 문제점을 가진다.

첫째로, 더스트를 고형화하여 전로 상부에 있는 호퍼로 전로 내에 투입할 때, 전로에 투입된 고형화된 더스트가 장입물의 한쪽에 집중되어 누적됨으로써 장입물의 용해성이 취약해지는 문제가 있다. 이 경우, 용강보다 비중이 낮은 더스트가 전로 상부의 슬래그 집중되고, 슬래그와 함께 코팅되어 슬래그층에서 성장하는 아이스버그(Iceberg) 현상을 야기시킨다. 따라서, 더스트는 용강과의 접촉면적이 줄어들어 용해성이 취약해지는 동시에, 이를 용해시키기 위하여 전력사용이 늘어나며 생산시간이 지연되게 된다.

둘째로, 전로 내에 투입되는 더스트는, 바스켓이나 호퍼를 이용하여 일시에 다량이 투입되는데, 이에 따른 아이스버그의 현상 심화, 용강의 실수율 감소등의 문제가 있다. 즉, 전로 상부에 더스트 고형물을 15톤 내지 20톤 정도의 호퍼에 저장시켜 놓고, 조업중 1톤 내지 1.5톤 정도의 양을 부원료 투입 슈트를 통하여 전로 내로 투입하게 된다. 이와 같이, 일시에 많은 양의 더스트들이 전로 내로 투입되면, 더스트의 용해상태가 불균일해지면서 아이스버그 형태로 성장하며, 이 더스트들이 내화물에 고착, 성장하여 조업말기 자중에 의해 일시적으로 붕괴되어 떨어지면서 상부전극을 손상시키거나 용강이 외부로 유실되는 현상이 발생하게 되므로 용강의 실수율이 감소된다.

세째로, 더스트를 고형물로 가공하기 위해서는 운송, 성형 등의 추가적인 가공비용이 발생하므로 제조비용이 증가되는 문제점이 있다.

한편, 더스트를 제강공정에서 재사용하기 위한 다른 방법으로는, 전기로 내측으로 환원재인 카본과 더스트를 함께 분체 분사하는 방법이 있다. 그러나, 상기의 방법은, 더스트를 고형물로 가공하지 않고 직접 전기로 내부로 환원재들을 분사함으로서, 고형물로 제작하는 과정에서 발생하는 운송, 성형, 및 추가비용 등을 절감할 수 있다는 장점은 있으나, 분사과정에서 미립의 더스트와 카본의 일부가, 전기로에 설치된 집진장치의 덕트측으로 흡인되거나, 더스트 중에 함유된 철산화물의 환원에 기여하지 못하고, 전기로 내에 투입되는 산소와 반응하여 CO, CO₂가스형성에만 기여하므로, 철 회수율 상승이나 더스트의 용해촉진에 기여하지 못하는 문제점이 있다.

대한민국 등록특허 제10-1244267호에서는 제강 더스트 고형화물 및 그 제조방법에 관하여 개시하고 있다. 이 발명에서는 철강생성과정에서 발생하는 철을 주성분으로 하는 더스트를 가압 성형하여 고형화물로 제조하고 있지만, 가압 성형시 사용되는 제조비용이 많이 소모되며 추가적인 가압성형설비가 필요로 하여 제조비용이 상승할 가능성을 가지고 있다.

따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 함철 더스트를 브리켓 또는 펠렛 형상으로 제조하지 않고 함철용기에 투입된 상태로 전로에 공급할 수 있는 함철 더스트를 이용한 제강정련 방법을 제공하는 것이다.

상술한 문제를 해결하기 위해, 본 발명은 함철 더스트를 이용한 제강정련방법에 관한 것으로, 제철 공정 중 부산물로 나오는 함철 더스트를 함철용기 내에 투입하는 단계; 상기 함철 더스트가 담긴 함철용기를 전로 내에 투입하는 단계; 및 상기 전로에 용강을 투입하여 용강 공정을 진행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 함철 더스트를 이용한 제강정련 방법을 제공한다.

상기 함철용기는 고철 스크랩 용기이며, 상기 함철 더스트는 분말 형태로 상기 함철용기 내에 투입될 수 있다.

상기 함철용기는 단독으로 또는 복수 개가 연결되어 사용되며, 상기 용기 각각에는 상기 함철 더스트가 충격 또는 온도 상승에 따라 비산하는 경우, 상기 함철 더스트가 배출할 수 있는 개방부가 구비될 수 있다.

상기 함철 더스트는 상기 함철용기 부피의 50 내지 80% 수준으로 상기 함철용기에 투입될 수 있다.

상기 함철 더스트는 총 산화철 함량이 40중량% 미만일 수 있다.

본 발명에 의한 함철 더스트를 이용한 제강정련 방법은 함철 더스트를 브리켓 또는 펠렛 형상으로 제조하지 않고 함철용기에 투입된 상태로 전로에 공급하므로, 점결제, 필러 등 재료비의 획기적 절감, 슬래그 절감, 용강생산량 증대, 캔 생산용 철강 판매, 고품위 고철(캔) 사용으로 용강 품질 향상, 수입 스크랩, 스틸캔 압축 블록 구입비용 절감 등의 효과를 가짐에 따라, 기존의 전로 제강공정에 비하여 저렴한 가격으로 제강 생산품을 공급가능하다.

도 1은 일반적인 일관 제조공정을 흐름도를 나타낸 것이다.
도 2는 전로공정의 진행 순서를 도시한 것이다.
도 3은 전로의 폐가스 처리 설비를 도시한 것이다.
도 4는 일반적으로 사용되는 전로 및 그 내부를 나타낸 모식도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에서 사용되는 함철용기를 나타낸 사진이다.

이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다.

본 발명은 함철 더스트를 이용한 제강정련방법에 관한 것으로, 제철 공정 중 부산물로 나오는 함철 더스트를 함철용기 내에 투입하는 단계; 상기 함철 더스트가 담긴 함철용기를 전로 내에 투입하는 단계; 및 상기 전로에 용선을 투입하여 용강 공정을 진행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 함철 더스트를 이용한 제강정련 방법을 제공한다.

상기 함철용기는 고철 스크랩 용기일 수 있다. 상기 함철용기는 상기 함철 더스트를 수용할 수 있는 용기라면 크기, 재질 및 모양에 관계없이 사용가능하다. 다만 상기 함철용기는 제작의 편의 및 기존 제작시설의 활용을 위하여 육면체 또는

원기둥형으로 제작될 수 있다. 또한 상기 함철용기는 제강정련공정에 투입되어 용해될 수 있는 재질이면 제한 없이 사용하여 제작될 수 있지만, 제강장련공정의 불순물을 낮추기 위하여 바람직하게는 철로 제작될 수 있다.

따라서 상기 함철용기는 제강정련 공정의 주변에서 가장 손쉽게 구할 수 있는 고철스크랩용기를 그대로 사용하는 것이 바람직하다. 상기 함철용기는 0.5~2mm의 두께를 가지면 바람직하게는 1mm의 두께를 가질 수 있다.

상기 함철 더스트는 분말 형태로 상기 함철용기 내에 투입될 수 있다. 기존의 함철 더스트의 처리방법은 응집제를 이용하거나 압력을 이용하여 펠렛 또는 브리켓 형상으로 제조하여 제강정련공정에 재투입하였다. 하지만 본 발명에서는 분말상의 함철 더스트를 함철용기에 투입한 다음, 함철용기를 그대로 전로에 투입하여 추가적인 공정 없이 함철 더스트를 재활용하는 것이 바람직하다.

또한 상기 함철 더스트의 경우, 소결 더스트, 제강 더스트 또는 후판제강 더스트를 포함한다. 이러한 주요 함철 더스트의 성분을 비교하면 하기의 표1과 같다.

품명	총 철 함량(중량%)	금속 철 함량(중량%)	산화철 함량(중량%)
소결 더스트	44.34	0.15	44.19
제강 더스트	72.26	60.75	11.51
후판 제강 더스트	68.49	46.37	22.12

표 1에 나타난 바와 같이 소결 더스트의 경우 대부분이 산화철로 구성되어 있어 분자내 산소의 함유량이 높다. 이론적으로 상기 소결더스트의 산화철(FeO)에 포함된 산소의 양은 97kg이며 상기 산화철이 Fe2O3인 경우 132kg일 수 있다. 이러한 산화철이 용선공정에 공급되는 경우 전로내에 존재하는 탄소와 반응하여 일산화탄소 또는 이산화탄소를 발생시키며, 이는 전로 배의 급격한 화염과 포밍(Forming)을 발생시킬 수 있다. 따라서 상기 함철 더스트는 총 산화철 함량이 40중량% 미만, 바람직하게는 30중량%미만, 가장 바람직하게는 15중량% 미만을 포함할 수 있다.

상기 함철용기는 단독으로 또는 복수 개가 연결되어 사용될 수 있다. 상기 함철 용기는 육면체 또는 원기둥형으로 제작되어 있으므로, 개별적으로 전로 내부로 투입하는 것도 가능하지만, 전로내부에 적절한 분포를 이루는 것이 전로의 효율면에서 유리하며, 아이스버그의 생성을 억제할 수 있으므로, 적절한 분포를 가지는 형상으로 복수개가 연결되어 투입되는 것이 바람직하다. 또한 상기 함철용기는 전로내 장입시 간섭을 최소화 하기 위하여 1.5m이하, 바람직하게는 1m 이하의 높이를 가질 수 있다. 또한 상기 함철용기는 직선, 사각형, 삼각형 또는 원형을 이루도록 배열될 수 있으며, 1단 내지 10단으로 적층되어 연결될 수도 있다. 또한 상기 함철용기는 전로의 크기 및 함철용기의 크기를 고려하여 적절한 개수가 연결되어 투입될 수 있지만, 바람직하게는 단독으로 투입되거나, 2~100개가 연결되어 투입될 수 있다.

상기 함철 용기 각각에는 상기 함철 더스트가 충격 또는 온도 상승에 따라 비산하는 경우, 상기 함철 더스트가 배출될 수 있는 개방부가 구비될 수 있다. 상기 함철용기는 운반중 충격을 받는 경우 내부의 함철 더스트가 용기의 빈공간으로 비산될 수 있다. 또한 상기 함철용기를 전로 안에 배열한 다음, 용선을 투입하는 경우에는 용선 투입에 따른 충격 또는 열 변화 등에 의하여 내부의 함철 더스트가 함철용기의 빈 공간으로 비산될 수 있다. 이 경우 상기 빈 공간 비산된 더스트로 인하여 분진 폭발이 일어나거나, 비산된 더스트가 함철용기 분해시 일시적으로 외부로 발산되어 용선의 비산을 일으킬 수 있다. 따라서 비산되는 함철 더스트를 배출하기 위하여 상기 함철용기의 상부에는 상기 함철 더스트가 배출될 수 있는 개방부가 구비될 수 있다. 상기 개방부는 상기 함철용기의 상부에 위치하며, 용기의 형상 작업자의 편의성에 따라 원형, 사각형, 마름모형, 삼각형 등 다양한 형상을 가질 수 있으며, 2~10개가 배열되어 있을 수도 있다.

상기 함철 더스트는 상기 함철용기 부피의 50 내지 80% 수준으로 상기 함철용기에 투입될 수 있다. 상기 함철 더스트를 용기부피의 80%를 초과하여 투입하는 경우 함철용기에 함철 더스트를 충전하기 어려우며, 함철용기가 용선에 의하여 용해될 때 함철 더스트가 직접 압력을 받아 용선과 함께 비산되어 사고를 유발할 수 있다. 또한 50% 미만으로 투입되는 경우, 함철용기의 사용량이 늘어나 경제성이 떨어질 수 있다.

이하 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명한다.

실시예 1

도 3에 나타난 바와 같이, 전로에서 생성된 함철 더스트는, 배기 가스와 함께 배기 덕트로부터 집진기에 도입되어, 배기 가스 중의 함철 더스트가 집진기에서 집진되어 분말상으로 배출되었다. 이 함철 더스트는, 철 및 그 산화물이 주성분이다. 집진기에서 배출된 함철 더스트는, 반송 수단에 의해 호퍼에 투입된 다음, 함철용기에 일정량 투입되었다.

상기 함철용기(도 5)는 원기둥형의 1mm의 두께를 가지며, 200L의 용적을 가진 철드럼을 이용하였으며, 전체 부피의 70%에 함철 더스트가 충전(약 378kg)되었다. 상기 함철용기의 상부에는 직경 10cm의 개방부를 2개 설치하였다.

충전된 함철 더스트는 제강 더스트로서, 총 철 함유량이 72.26중량%, 금속철 함유량이 60.75중량% 및 산화철 함유량이 11.51중량%인 제품을 사용하였다.

상기 함철 더스트가 충전된 함철용기를 2개씩 밴딩한 다음, 4조(8개)를 전로에 투입(약 3024kg)하였다. 이후 상기 전로를 가동하여 제강공정을 수행하였다.

비교예 1

상기 실시예 1에서 함철 더스트를 기존의 방법과 같이 펠렛상으로 가공한 다음, 동일한 양을 투입한 것을 제외하고 동일하게 실시하였다.

비교예 2

상기 실시예 1에서 함철 더스트를 직접 전로에 동일한 양을 투입한 것을 제외하고 동일하게 실시하였다.

비교예 3

상기 실시예 1에서 철드럼 부피의 90%에 함철 더스트를 충전 한 것을 제외하고 동일하게 실시하였다.

비교예 4

상기 실시예 1에서 상부에 개방부가 없는 함철용기를 사용한 것을 제외하고 동일하게 실시하였다.

비교예 5

상기 실시예 1에서 제강 더스트 대신 소결 더스트로서, 총 철 함유량 44.34중량%, 금속 철 함유량 0.15 및 산화철 함유량 44.19중량%인 함철 더스트를 사용한 것을 제외하고 동일하게 실시하였다.

실험예

상기 실시예 1 및 비교예 1~4의 제강공정을 수행하며, 각 제강공정의 완료시점까지 용강의 비산횟수, 아이스버그의 크기 등을 측정하여 효율성을 측정하였다. 상기 실험의 결과를 하기의 표2에 나타내었다.

	용강의 비산회수	아이스버그의 크기(직경)
실시예 1	3회	1.1m
비교예 1	4회	1.2m
비교예 2	4회	2.5m
비교예 3	6회	1.9m
비교예 4	7회	1.8m
비교예 5	12회	1.8m

표2에 나타난 바와 같이, 본 발명에 의한 제강정련방법은 기존의 펠렛을 이용한 제강정련방법(비교예 1)과 동일한 효율을 나타내고 있었으며, 펠렛 가공공정을 생략하였기 때문에 더욱 경제적으로 제강정련이 가능한 것을 확인할 수 있었다. 또한 함철 더스트를 전로에 직접 투입하는 경우(비교예2) 용선의 비산은 그리 많지 않았지만 용선보다 비중이 낮은 더스트가 전로 상부의 슬래그 집중되고, 슬래그와 함께 코팅되어 슬래그층에서 성장하는 아이스버그(Iceberg) 현상이 늘어나는 것을 확인할 수 있었다.

또한 상기 함철용기에 함철 더스트를 과량으로 충전한 비교예 3 및 상부 개방부를 가지지 않는 함철용기를 사용한 비교예 4의 경우 아이스 버그 현상이 늘어나는 것을 확인할 수 있었으며, 더스트의 완전용해가 일어나지 않아 더스트의 비산과 더불어 용선의 비산 회수도 늘어나 전체적인 작업효율이 떨어지는 것을 확인할 수 있었다.

또한 산화철의 함량이 높은 소결더스트를 사용한 비교예 5의 경우, 산화철 내의 산소와 전로내의 탄소가 반응하여 일산화탄소 또는 이산화탄소가 생성되므로 용선의 비산회수가 대폭 늘어나는 것을 확인할 수 있었다.

이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시 양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.

Claims (5)

1. 함철 더스트를 이용한 제강정련 방법에 관한 것으로,
   제철 공정 중 부산물로 나오는 함철 더스트를 함철용기 내에 투입하는 단계;
   상기 함철 더스트가 담긴 함철용기를 전로 내에 투입하는 단계; 및
   상기 전로에 용선을 투입하여 용강 제조 공정을 진행하는 단계를 포함하고, 상기 함철 더스트는 상기 함철용기 부피의 50 내지 80% 수준으로 상기 함철용기에 투입되는 것을 특징으로 하는 함철 더스트를 이용한 제강정련 방법.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 함철용기는 고철 스크랩 용기이며, 상기 함철 더스트는 분말 형태로 상기 함철용기 내에 투입되는 것을 특징으로 하는 함철 더스트를 이용한 제강정련 방법.
3. 제 2항에 있어서,
   상기 함철용기는 단독으로 또는 복수 개가 연결되어 사용되며, 상기 용기 각각에는 상기 함철 더스트가 충격 또는 온도 상승에 따라 비산하는 경우, 상기 함철 더스트가 배출할 수 있는 개방부가 구비된 것을 특징으로 하는 함철 더스트를 이용한 제강정련 방법.
4. 삭제
5. 제1항에 있어서,
   상기 함철 더스트는 총 산화철 함량이 40중량% 미만인 것을 특징으로 하는 함철 더스트를 이용한 제강정련 방법.

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