KR102100798B1 - 용융금속 처리방법 - Google Patents

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KR102100798B1 KR1020170160542A KR20170160542A KR102100798B1 KR 102100798 B1 KR102100798 B1 KR 102100798B1 KR 1020170160542 A KR1020170160542 A KR 1020170160542A KR 20170160542 A KR20170160542 A KR 20170160542A KR 102100798 B1 KR102100798 B1 KR 102100798B1
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Abstract

본 발명은 용기에 수용된 용융금속에 임펠러를 침지시키고, 상기 임펠러를 회전시키는 과정; 상기 용융금속에 탈황제를 투입하는 과정; 및 상기 임펠러의 회전이 중단되기 전에, 용융금속에 슬래그 응집원료를 투입하는 과정;을 포함하고, 용융금속에서 슬래그를 용이하게 응집시켜 배제할 수 있다.

Description

용융금속 처리방법{Method for treating molten metal}
본 발명은 용융금속 처리방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 용융금속에서 슬래그를 용이하게 응집시켜 배제할 수 있는 용융금속 처리방법에 관한 것이다.
일반적으로, 고로에서는 철광석을 환원하기 위해 코크스를 사용한다. 코크스에는 유황이 다량으로 함유되어 있기 때문에, 고로에서 생산된 용선에는 유황이 존재한다. 용선 중의 유황은 주로 환원반응에 의해 제거되는 원소로서, 산화정련을 실시하는 전로에서 낮은 농도로 제거하기가 어렵고, 2차 정련 공정에서도 낮은 농도까지 제어하기가 어렵다. 따라서, 용선 단계에서 생석회(CaO)를 주성분으로 하는 탈황제와 반응시켜 탈황처리한다.
최근에는 비교적 저가의 분생석회를 사용하여 효율적으로 탈황처리를 수행할 수 있는 기계교반식 설비인 KR(Kanvara Reactor) 설비가 많이 이용되고 있다. KR 설비는, 내화물로 제작된 임펠러를 래들에 담긴 용선에 침지하여 회전시키면서, 탈황제를 용선에 첨가한다. 이때, 임펠러의 회전으로 발생하는 와류에 탈황제가 권입되면서, 용선과 탈황제가 혼합되고, 탈황반응이 일어난다.
그러나 탈황처리가 끝난 후, 슬래그에는 다량의 유황이 포함되어 있다. 이에, 슬래그가 남아있는 상태로 전로에 용선을 장입하게 되면 용선에 함유되는 유황이 양이 다시 증가한다. 따라서, 탈황처리가 끝난 후 슬래그를 배제하는 작업을 수행한다.
슬래그 배제작업은, 래들을 경동시킨 상태에서 배제기를 사용하여 슬래그를 래들 외부로 긁어내는 작업이다. 종래에는, 슬래그 배제작업을 신속하게 수행하기 위해 천연 펄라이트를 가공하여 제조된 슬래그 응집제를 슬래그에 투입하였다. 그러나 슬래그 응집제가 매우 고가이고, 슬래그 응집제에 의해 슬래그가 흡착 고화하는데 시간이 필요하여 작업이 지연되는 문제가 있다. 또한, 탈황처리가 종료된 후 슬래그가 고상이 되기 때문에, 액상의 슬래그에 효과적으로 작용하는 슬래그 응집제를 실제로 사용하기 어려운 문제가 있다.
KR 2011-0108992 A
본 발명은 슬래그 응집원료를 효과적으로 확산시킬 수 있는 용융금속 처리방법을 제공한다.
본 발명은 용융금속에서 슬래그를 용이하게 응집시킬 수 있는 용융금속 처리방법을 제공한다.
본 발명은 용융금속에서 슬래그를 배제하는 작업을 용이하게 수행할 수 있는 용융금속 처리방법을 제공한다.
본 발명은 용기에 수용된 용융금속에 임펠러를 침지시키고, 상기 임펠러를 회전시키는 과정; 상기 용융금속에 탈황제를 투입하는 과정; 및 상기 임펠러의 회전이 중단되기 전에, 용융금속에 슬래그 응집원료를 투입하는 과정;을 포함한다.
상기 용융금속에 슬래그 응집원료를 투입하는 과정은, 상기 탈황제에 의한 탈황반응이 완료된 후에, 상기 슬래그 응집원료를 투입하는 과정을 포함한다.
상기 슬래그 응집원료를 투입하기 전에, 상기 용융금속의 황 농도를 측정하는 과정; 측정된 용융금속의 황 농도가 미리 설정된 설정 농도값 이하인지 비교하는 과정; 및 측정된 용융금속의 황 농도가 상기 설정 농도값 이하이면 탈황반응이 완료되었다고 판단하는 과정;을 더 포함한다.
상기 용융금속에 슬래그 응집원료를 투입하는 과정은, 상기 임펠러의 회전으로 상기 슬래그 응집원료를 슬래그에 확산시키는 과정; 상기 슬래그 응집원료와 상기 슬래그를 충돌시키는 과정; 및 상기 슬래그의 응집체를 형성하는 과정;을 포함한다.
상기 임펠러의 회전으로 상기 슬래그 응집원료를 슬래그에 확산시키는 과정은, 상기 임펠러를 상측으로 이동시켜, 상기 임펠러의 적어도 일부를 상기 용융금속의 탕면에 위치시키는 과정; 및 상기 임펠러로 상기 용융금속의 탕면에서 와류를 발생시키는 과정;을 포함한다.
상기 슬래그의 응집체의 평균입도는 3mm 이상이다.
상기 슬래그의 응집체를 형성한 후, 상기 용기의 외측으로 상기 슬래그의 응집체를 배제하는 과정을 더 포함한다.
상기 용융금속에 슬래그 응집원료를 투입하는 과정은, 상기 슬래그의 염기도 3.0 이상 내지 4.0 이하로 조절하는 과정을 포함한다.
상기 슬래그 응집원료는, 상기 슬래그가 부착될 수 있는 고점도 물질을 포함한다.
상기 고점도 물질은 규소 산화물을 포함하고, 상기 슬래그의 염기도 3.0 이상 내지 4.0 이하로 조절하는 과정은, 상기 규소 산화물의 투입량을 조절하는 과정을 포함한다.
상기 슬래그 응집원료는, 규사, 장석, 네펠린, 및 니켈 제련 슬래그 중 적어도 어느 하나를 포함한다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 슬래그에 슬래그 응집원료를 효과적으로 확산시킬 수 있다. 이에, 슬래그 전체로 슬래그 응집원료가 균일하게 공급될 수 있고, 슬래그 응집원료에 의해 슬래그가 용이하게 응집될 수 있다. 또한, 액상의 슬래그가 고상이 되기 전에 슬래그 응집원료를 투입하여, 슬래그 응집원료가 액상의 슬래그를 효과적으로 포집할 수 있다. 따라서, 커다란 슬래그의 응집체를 배제할 수 있어, 슬래그를 배제하는 작업이 용이해지고, 신속하게 슬래그 배제작업을 수행할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 용융금속 처리장치의 구조를 나타내는 도면.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 슬래그 배제기의 작동 구조를 나타내는 도면.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 용융금속 처리방법을 나타내는 플로우 차트.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 시간에 따른 용선 내 황의 농도 변화를 나타내는 그래프.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 슬래그의 입자 크기와 종래 예에 따른 슬래그의 입자 크기를 비교한 그래프.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 슬래그의 염기도에 따른 슬래그의 5mm 이상의 입자 비율을 나타내는 그래프.
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. 발명을 상세하게 설명하기 위해 도면은 과장될 수 있고, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 용융금속 처리장치의 구조를 나타내는 도면이고, 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 슬래그 배제기의 작동 구조를 나타내는 도면이다. 본 발명을 이해하기 위해 하기에서는 용융금속 처리장치에 대해 설명하기로 한다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 용융금속 처리장치(100)는, 용기(110), 임펠러(120), 탈황제 공급기(130), 및 응집원료 공급기(140)를 포함한다. 용융금속 처리장치(100)는 슬래그 배제기(150)를 더 포함할 수 있다. 이때, 용융금속(Molten iron)은 용선일 수 있다.
용기(110)는 원통형으로 형성될 수 있다. 용기(110)는 내부공간을 가지고, 상부가 개방될 수 있다. 철피가 용기(110)의 외형은 형성하고, 철피의 내측으로 복수의 내화물층이 구비될 수 있다. 이에, 용기(110)는 내부공간에 고로나 전기로 등과 같은 용해로에서 제조된 용선 등과 용융금속을 수용할 수 있다. 용기(110)는 기울기 조절이 가능하게 지지될 수 있다. 이때, 용기(110)는 래들일 수 있다. 그러나 용기(110)의 형상 및 구조는 이에 한정되지 않고 다양할 수 있다.
임펠러(120)는 용기(110)의 상측에서 상하로 이동 가능하게 설치된다. 임펠러(120)는 상하로 연장되는 회전축(122)과, 회전축의 하단부에 설치되는 복수개의 블레이드(121)를 포함한다. 블레이드(121)들은 용기(110) 내 용융금속에 침지될 수 있다. 이에, 회전축(122)이 회전하면 블레이드(121)들도 회전하면서, 용융금속을 교반시킬 수 있다.
탈황제 공급기(130)는 용기(110) 내부에 수용된 용융금속으로 탈황제를 공급하는 역할을 한다. 탈황제 공급기(130)는 용기(110)의 상측에 설치될 수 있다. 탈황제 공급기(130)는, 탈황제가 저장되는 탈황제 저장호퍼(131)와, 탈황제 저장호퍼(131)에 연결되어 탈황제가 용기(110) 내부로 이동하는 경로를 형성하는 탈황제 장입슈트(132)를 포함할 수 있다. 이에, 임펠러(120)로 용융금속을 교반시키면서, 탈황제 공급기(130)로 용융금속에 탈황제를 공급하면, 임펠러(120)의 교반력에 의해 탈황제가 용융금속 전체로 용이하게 확산될 수 있다. 따라서, 탈황제가 용융금속과 신속하게 혼합되어 반응할 수 있다.
이때, 탈황제는 생석회(CaO)를 함유하고, 매용제로서 알루미늄 드로스(Al-dross) 등이 혼합될 수 있다. 그러나 탈황제 공급기(130)의 구조, 및 탈황제에 함유되는 성분은 이에 한정되지 않고 다양할 수 있다.
응집원료 공급기(140)는 용기(110) 내부에 수용된 용융금속으로 슬래그 응집원료를 공급하는 역할을 한다. 응집원료 공급기(140)는 용기(110)의 상측에 설치될 수 있다. 응집원료 공급기(140)는, 슬래그 응집원료가 저장되는 응집원료 저장호퍼(141)와, 응집원료 저장호퍼(141)와 연결되어 슬래그 응집원료가 용기(110) 내부로 이동하는 경로를 형성하는 응집원료 장입슈트(142)를 포함할 수 있다. 이에, 임펠러(120)가 용융금속을 교반시킬 때 응집원료 공급기(140)로 용융금속에 슬래그 응집원료를 공급하면, 임펠러(120)의 교반력에 의해 슬래그 응집원료가 슬래그 전체로 용이하게 확산될 수 있다. 따라서, 슬래그 응집원료가 슬래그들을 용이하게 응집시킬 수 있다.
또한, 응집원료 장입슈트(142)는 길이 조절이 가능하게 설치될 수 있다. 따라서, 응집원료 장입슈트(142)의 길이를 조절하면서, 용융금속이나 슬래그 상부의 여러 위치로 응집원료를 공급할 수 있다. 이에, 응집원료가 슬래그 전체로 신속하게 공급될 수 있다. 그러나 응집원료 공급기(140)의 구조는 이에 한정되지 않고 다양할 수 있다.
또는, 응집원료 공급기(140)가 가스를 분사하는 랜스 형태로 형성될 수도 있다. 응집원료 공급기(140)가 슬래그 응집원료와 함께, 불활성 가스를 분사할 수 있다. 응집원료 공급기(140)는 임펠러(120)와 용기(110)의 내벽 사이에 위치할 수 있다. 따라서, 응집원료 공급기(140)에서 분사하는 불활성 가스에 의해, 응집원료 공급기(140)의 하측에 위치한 용융금속의 탕면과, 응집원료 공급기(140)가 위치하지 않은 용융금속의 탕면 사이에 탕면 높이가 달라질 수 있다. 이에, 임펠러(120)가 용융금속에 발생시키는 와류가 비대칭 형태로 형성되어, 슬래그 응집원료가 슬래그에 원활하게 확산될 수 있다.
도 2를 참조하면, 슬래그 배제기(150)는 용융금속을 탈황처리하면서 발생한 슬래그와 슬래그 응집체를 제거하는 역할을 한다. 슬래그 배제기(150)는 용기(110)의 외측에 배치될 수 있다. 용융금속에 대한 탈황처리가 종료되고, 임펠러(120)를 용기(110)의 상측으로 이격시킨 후, 용기(110)의 개방된 상부를 슬래그 배제기(150)를 향하여 경동시킬 수 있다. 슬래그 배제기(150)에 구비되는 스키머가 용기(110) 내부로 삽입될 수 있고, 스키머가 전후진하면서 용융금속 상부에 부유한 슬래그와 슬래그 응집체를 용기(110) 외부의 슬래그 포트(160)로 긁어내어 제거할 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 용융금속 처리방법을 나타내는 플로우 차트이다. 하기에서는 도 3을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 용융금속 처리방법에 대해 설명하기로 한다.
우선, 용기에 수용된 용융금속에 임펠러를 침지시키고, 임펠러를 회전시킨다(S100). 즉, 용기를 임펠러의 하측에 위치시키고, 임펠러를 하측으로 이동시켜 용융금속 내에 침지시킬 수 있다. 용융금속에 침지된 임펠러를 회전시키면, 용융금속이 교반되면서 와류가 발생한다. 이때, 용기는 래들일 수 있고, 용융금속은 용선일 수 있다.
그 다음, 용융금속에 탈황제를 투입한다(S200). 탈황제는 용기의 상측에 위치하는 탈황제 공급기에 의해 용융금속으로 공급될 수 있다. 따라서, 탈황제가 용융금속과 혼합되면서 탈황반응이 일어난다. 임펠러가 용융금속을 교반하고 있기 때문에, 탈황제가 용융금속 전체로 용이하게 확산되어 반응할 수 있다. 이때, 탈황제는 생석회(CaO)와 알루미늄 드로스(Al-dross) 등을 함유할 수 있다.
예를 들어, 탈황제에 함유된 생석회는 용융금속 중의 황(S)과 반응할 수 있다. 생석회와 황의 반응식은 아래의 식(1)과 같다.
식(1): CaO + S → CaS + CO(CO2)
생석회와 황의 반응생성물인 황화칼슘(CaS)은 슬래그가 된다. 슬래그의 비중이 용융금속보다 작기 때문에, 탈황반응으로 생성된 슬래그는 용융금속의 상부로 부유한다. 따라서, 용융금속에 함유되었던 황이 제거될 수 있다. 그러나 탈황제에 함유되어 황과 반응하는 물질로, 생석회 외에 칼슘카바이드, 마그네슘 등이 사용될 수도 있다.
그 다음, 임펠러의 회전이 중단되기 전에, 슬래그에 슬래그 응집원료를 투입한다(S300). 슬래그 응집원료는 용기의 상측에 위치하는 응집원료 공급기에 의해 용융금속으로 공급될 수 있다. 슬래그 응집원료는 슬래그에 끈적끈적한 유리질 특성을 부여하고, 슬래그를 뭉쳐 응집체를 형성할 수 있다. 이에, 배제기에 구비되는 스키머로 슬래그를 배제한 작업을 수행할 때, 슬래그를 용이하게 용기 외측으로 제거할 수 있다.
슬래그 응집원료는, 슬래그가 부착될 수 있는 고점도 물질을 포함한다. 고점도 물질은 규소 산화물일 수 있고, 규소 산화물로 SiO2가 사용될 수 있다. SiO2는 융점이 낮기 때문에 용융금속의 온도에 의해 쉽게 액상화될 수 있고, 점도가 높기 때문에 슬래그를 용이하게 응집시킬 수 있다. 예를 들어, 슬래그 응집원료로, 규사, 장석, 네펠린(Nepheline)(또는, 하석), 니켈(Ni) 제련 슬래그, 슬래그 응집제 중 적어도 어느 하나를 사용할 수 있다. 이러한 원료들의 조성이 아래의 표 1과 같을 수 있다.
SiO2 Al2O3 MgO CaO Na2O K2O
규사 85.3중량% 6.5중량% 0.64중량% 0.4중량% 0.63중량% 3.30중량%
장석 74.5중량% 15.0중량% 0.39중량% 1.0중량% 4.18중량% 4.62중량%
네펠린 61.3중량% 22.0중량% - 0.4중량% 6.32중량% 5.24중량%
니켈 제련 슬래그 56.2중량% 2.3중량% 31.3중량% 1.0중량% - -
슬래그 응집제 68~74중량% 12~16중량% - - 2.5~4.0중량% 1~4중량%
표 1을 참조하면, 슬래그 응집원료로 사용되는 원료들은, 원료의 전체 중량에 대하여, SiO2가 50중량% 이상 함유된다. 슬래그 응집원료에 함유되는 SiO2의 양이 50중량% 미만이면, 슬래그 응집원료가 슬래그를 응집할 수 있는 충분한 점도를 가지지 못할 수 있다. 이에, 슬래그를 용이하게 응집시킬 수 있도록 SiO2의 함량이 50중량% 이상인 원료를 슬래그 응집원료로 사용할 수 있다.
임펠러의 회전이 중단되기 전에 슬래그 응집원료를 투입되기 때문에, 슬래그 응집원료가 탈황반응으로 생성된 슬래그 전체로 용이하게 확산될 수 있다. 즉, 임펠러가 회전으로 슬래그 응집원료를 확산시킬 수 있다. 이에, 슬래그 응집원료가 슬래그와 용이하게 충돌할 수 있다. 따라서, 슬래그들이 슬래그 응집원료에 응집되면서, 슬래그의 응집체를 형성할 수 있다. 또한, 슬래그가 대기와 접촉하여 고상화되기 전에 슬래그 응집원료가 확산되기 때문에, 슬래그 응집원료가 용이하게 확산되어 액상의 슬래그들을 응집시킬 수 있다.
이때, 임펠러의 위치를 조절한 후, 임펠러의 회전시켜 슬래그 응집원료를 슬래그에 확산시킬 수 있다. 즉, 임펠러를 상측으로 이동시켜, 임펠러의 적어도 일부를 용융금속의 탕면에 위치시킬 수 있다. 탈황반응으로 생성된 슬래그가 용융금속 위로 부유하기 때문에, 임펠러를 상측으로 이동시키면 슬래그 접촉하거나 근접해질 수 있다. 따라서, 임펠러로 용융금속의 탕면 또는 슬래그에서 와류를 발생시킬 수 있고, 슬래그 응집제가 슬래그 전체로 용이하게 확산되어 슬래그 응집체를 형성할 수 있다.
또한, 응집원료 공급기 구비되는 응집원료 장입슈트는 길이 조절이 가능하게 설치될 수 있다. 따라서, 응집원료 장입슈트의 길이를 조절하면서, 용융금속이나 슬래그 상부의 여러 위치로 응집원료를 공급할 수 있다. 이에, 응집원료가 슬래그 전체로 신속하게 공급될 수 있다.
또는, 응집원료 공급기가 가스를 분사하는 랜스 형태로 형성될 수도 있다. 응집원료 공급기가 슬래그 응집원료와 함께, 불활성 가스를 분사할 수 있다. 응집원료 공급기는 임펠러와 용기의 내벽 사이에 위치할 수 있다. 따라서, 응집원료 공급기에서 분사하는 불활성 가스에 의해, 응집원료 공급기의 하측에 위치한 용융금속의 탕면과, 응집원료 공급기가 위치하지 않은 용융금속의 탕면 사이에 탕면 높이가 달라질 수 있다. 이에, 임펠러가 용융금속에 발생시키는 와류가 비대칭 형태로 형성되어, 슬래그 응집원료가 슬래그에 원활하게 확산될 수 있다.
한편, 용융금속에 슬래그 응집원료를 투입하는 작업은, 탈황제에 의한 탈황반응이 완료된 후에 수행된다. 즉, 탈황반응 중에 슬래그 응집원료가 용융금속으로 투입되면, 탈황반응을 방해할 수 있다. 또한, 탈황반응 중에는 슬래그가 완전히 생성되지 않았기 때문에, 탈황반응이 완료되기 전에 슬래그 응집원료를 공급하면 슬래그 응집원료가 슬래그 전체를 응집시키지 못할 수 있다. 이에, 탈황반응이 완료된 후부터 임펠러의 회전이 중단되기 전까지 시간 사이에, 슬래그 응집원료를 투입하여 슬래그 전체로 확산시킬 수 있다.
탈황반응이 완료되었는지 확인하기 위해, 용융금속의 황 농도를 모니터링할 수 있다. 예를 들어, 정해진 시간마다 용융금속의 일부를 채취하여, 황 농도를 측정할 수 있는 측정기를 이용하여 용융금속 내 황의 농도를 측정할 수 있다.
그 다음, 측정된 용융금속의 황 농도가 미리 설정된 설정 농도값 이하인지 비교할 수 있다. 설정 농도값으로 0% 내지 0.03% 이하의 값 중 어느 하나의 값이 선택될 수 있다. 이에, 측정된 용융금속의 황 농도가 설정 농도값을 초과하면, 탈황반응이 완료되지 않아 용융금속 내 황의 농도가 높게 측정되는 것이라고 판단할 수 있다.
측정된 용융금속의 황 농도가 상기 설정 농도값 이하이면 탈황반응이 완료되었다고 판단할 수 있다. 즉, 탈황반응이 완료되어 용융금속 내 황이 제거되었기 때문에, 용융금속의 황 농도가 설정 농도값 이하로 감소했다고 판단할 수 있다. 따라서, 탈황반응이 완료되었다고 판단되면, 용융금속 또는 슬래그에 슬래그 응집원료를 투입할 수 있다.
또는, 탈황반응이 완료되었는지 확인하기 위해, 용융금속의 온도를 모니터링할 수도 있다. 예를 들어, 용융금속의 온도를 측정할 수 있는 온도 측정기로 용융금속의 온도를 측정할 수 있다. 측정되는 온도와 미리 설정된 설정 온도값을 비교할 수 있다. 탈황반응은 흡열반응이기 때문에, 탈황반응이 진행되면서 용융금속의 온도가 저하될 수 있다. 따라서, 용융금속의 온도가 설정 온도값을 초과하면 탈황반응이 진행 중이라고 판단하고, 용융금속의 온도가 설정 온도값 이하이면 탈황반응이 완료되었다고 판단할 수 있다. 이에, 탈황반응이 완료되었다고 판단되면, 용융금속 또는 슬래그에 슬래그 응집원료를 투입할 수 있다.
이때, 탈황반응이 완료된 이후에도, 임펠러가 일정시간 동안 더 회전한다. 따라서, 임펠러의 회전이 중단되기 전에, 슬래그 응집원료를 용융금속에 투입할 수 있다. 즉, 임펠러로 용융금속을 교반하는 작업이 포함된 탈황공정 중에 슬래그 응집원료를 용융금속에 투입할 수 있다. 따라서, 슬래그 응집원료를 교반하기 위한 별도의 작업을 별도의 다른 시간 동안 수행하지 않기 때문에, 용융금속을 처리하는 시간이 지연되는 것을 방지할 수 있다.
한편, 용융금속에 슬래그 응집원료를 투입하는 할 때, 슬래그의 염기도 3.0 이상 내지 4.0이하로 조절할 수 있다. 슬래그 응집원료의 투입량이 너무 많아지면, 슬래그 자체가 액상화되면서 슬래그 배제기로 배제작업을 수행하기 오히려 어려워질 수 있다. 즉, 슬래그 응집원료에 함유된 SiO2가, 탈황제의 주성분이 생석회와 반응하여 다량의 액상을 형성할 수 있다. 이에, 슬래그의 염기도가 3.0 미만일 때 슬래그 전체가 쉽게 액상화될 수 있다. 따라서, 슬래그의 염기도가 3.0 이상이 되도록 제어할 수 있다.
이에 대해 살펴보면, SiO2가 다량 투입하면 슬래그 전체의 융점이 지나치게 낮아져서 액상의 비율이 급속히 늘어난다. 특히, SiO2가 첨가되어 슬래그 전체의 염기도가 2.5 이하인 경우 슬래그 전체가 액상으로 변하는 현상이 나타난다. 따라서, SiO2를 포함하는 슬래그 응집원료의 투입량은, 슬래그 응집원료에 포함된 다른 불순성분에 의한 융점저하를 감안하여 슬래그의 염기도를 3.0 이상으로 조절할 수 있다.
슬래그 응집원료가 슬래그의 염기도를 낮추기 때문에, 슬래그의 염기도가 4.0을 초과하도록 하기 위해서는 슬래그 응집원료가 거의 투입되어서는 안 된다. 이에, 슬래그 응집원료를 이용하여 슬래그의 응집체를 형성하지 못할 수 있다. 이에, 슬래그의 응집체를 형성할 수 있는 최소한의 슬래그 응집원료가 투입되도록, 슬래그의 염기도를 4.0 이하로 조절할 수 있다.
또한, 슬래그 응집원료를 투입하는 시점이 용융금속 중 황의 농도가 이미 목표로 하는 농도 이하로 낮아진 상태이기 때문에, 액상의 슬래그가 형성되면 고상의 CaO 중에 고정되어 있던 황이 다시 용융금속으로 복황될 수 있다. 이에, 슬래그의 배제시간을 단축하기 위해서뿐만 아니라, 용융금속의 안정적인 성분제어를 위해서도 슬래그의 염기도를 제어해야 한다.
반대로, 슬래그 응집원료를 소량 투입하면, 반응시간이 짧더라도 SiO2에 의해 고점도 융액이 생겨나서 슬래그의 응집이 촉진될 수 있다. 또한, 반응시간이 길어져 슬래그 응집원료가 슬래그와 완전히 반응한 경우에도 고융점 조성이 되어 슬래그 입자끼리 단단한 응집체로 남을 수 있다. 이에, 슬래그를 용기 외측으로 배제하기가 용이해질 수 있다.
슬래그의 염기도는 염기성 성분의 중량%의 총합을, 산성 성분의 중량%의 총합으로 나눠 계산할 수 있다. 예를 들어, 탈황제와 슬래그 응집원료에 포함되는 생석회(CaO)는 염기성 성분이고, 슬래그 응집원료에 포함되는 규소 산화물인 SiO2는 산성 성분이다. 따라서, 슬래그의 염기도는 아래의 식(2)에 의해 산출될 수 있다. 이때, 염기성 성분과 산성 성분에 다른 물질이 더 포함될 수 있고, 포함되는 물질에 따라 식(2)는 다양하게 변경될 수 있다.
식(2): CaO의 투입량(중량%) ÷ SiO2의 투입량(중량%)
슬래그의 염기도는 CaO의 투입량과 비례하고, SiO2의 투입량과 반비례한다. 이에, 용융금속에 투입되는 CaO의 양에 맞춰, 규소 산화물인 SiO2의 투입량을 조절해야 한다. 용융금속에 투입되는 탈황제의 양과, 탈황제에 CaO가 함유되는 양을 알기 때문에, 용융금속에 투입되는 CaO 양을 미리 알 수 있다. 따라서, 용융금속에 투입되는 CaO 양에 맞춰 슬래그의 염기도가 3.0 이상이 되도록, SiO2의 투입량이 정해질 수 있고, 정해진 SiO2의 투입량에 맞춰 용융금속으로 투입될 슬래그 응집원료의 양이 결정될 수 있다. 즉, 용융금속에 투입된 탈황제의 양에 맞추어 슬래그 응집 원료의 투입량이 조절될 수 있다.
이후, 슬래그 응집원료와 슬래그가 반응하여 슬래그의 응집체가 형성될 수 있다. 슬래그의 응집체의 평균입도는 3mm 이상 내지 6mm 이하일 수 있다. 슬래그의 평균입도가 3mm 미만이면, 슬래그의 응집체의 크기가 너무 작아 슬래그 배제기로 배제 작업을 수행하기 어려워진다. 슬래그의 평균입도가 6mm를 초과시키려면 투입되는 슬래그 응집원료의 양이 증가해야 한다. 그러나 슬래그 응집원료가 너무 많이 투입되면 슬래그의 염기도를 낮추어 슬래그 전체가 액상화되기 때문에, 슬래그를 제거하기 어려워질 수 있다. 따라서, 슬래그 응집체의 배제가 용이해질 수 있는 입도를 가지도록 슬래그 응집체의 크기를 증가시키면서, 슬래그 전체가 액상화되는 것을 방지하기 위해, 슬래그의 응집체의 평균 입도를 조절할 수 있다. 이에, 용기 외측으로 슬래그와 슬래그의 응집체를 배제하는 작업을 수행하기가 용이해질 수 있다.
임펠러의 회전이 중단되면, 임펠러를 상측으로 이동시켜 용기의 외측에 위치시킨다. 그 다음, 용기의 개구부를 슬래그 배제기 측으로 경동시키고, 슬래그 배제기에 구비되는 스키머를 용기 내측으로 이동시킬 수 있다. 스키머는 용융금속 상에 부유한 슬래그와 슬래그의 응집체를 용기의 외측으로 긁어낼 수 있다. 이에, 슬래그와 슬래그의 응집체가 용기의 외측으로 상기 슬래그의 응집체를 배제되어 제거될 수 있다. 슬래그의 응집체의 사이즈가 크기 때문에 스키머가 슬래그를 용이하게 긁어낼 수 있고, 슬래그를 배제하는 시간이 단축될 수 있다.
이처럼 슬래그에 슬래그 응집원료를 효과적으로 확산시킬 수 있기 때문에, 슬래그 전체로 슬래그 응집원료가 균일하게 공급될 수 있고, 슬래그 응집원료에 의해 슬래그가 용이하게 응집될 수 있다. 또한, 액상의 슬래그가 고상이 되기 전에 슬래그 응집원료를 투입하여, 슬래그 응집원료가 액상의 슬래그를 효과적으로 포집할 수 있다. 따라서, 커다란 슬래그의 응집체를 배제할 수 있어, 슬래그를 배제하는 작업이 용이해지고, 신속하게 슬래그 배제작업을 수행할 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 시간에 따른 용선 내 황의 농도 변화를 나타내는 그래프이고, 도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 슬래그의 입자 크기와 종래 예에 따른 슬래그의 입자 크기를 비교한 그래프이고, 도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 슬래그의 염기도에 따른 슬래그의 5mm 이상의 입자 비율을 나타내는 그래프이다. 하기에서는 본 발명의 실시 예들에 따른 용융금속 처리방법과, 종래 예에 따른 용융금속 처리방법을 비교하는 실험에 대해 설명하기로 한다.
200kg급 대기 유도로를 이용하여 전해철 150kg을 용해하고 가탄제를 첨가하여 용융금속인 용선의 카본 농도([%C]=4.5%)를 조절하였다. 용선의 온도는 1350℃로 유지한 상태에서 임펠러를 용선 중에 침지시켰다. 임펠러를 500rpm으로 회전시키면서 분생석회와 Al-dross가 혼합된 탈황제를 1350g 투입하고 교반하였다.
이때, 정해진 시간에 맞춰 용선에서 시료를 채취하여 황의 농도를 측정하였다. 이를 통해 용융금속의 황 농도가, 목표로 하는 황 농도까지 어느 시점에 도달하였는지 계산하여 도 4와 같은 결과를 수 있다. 즉, 탈황반응이 완료되는 시점을 계산할 수 있다. 본 발명의 실시 예들에서는 탈황제를 투입한 후 14분 동안 탈황반응이 이루어지는 것으로 한정하여, 이 시간이 지난 후 임펠러가 회전하는 동안 슬래그 응집원료를 투입하였다. 임펠러의 회전은 슬래그 응집원료의 투입 후 1분간 유지하였다.
또한, 본 발명의 실시 예들에서는 동일한 조건에서 슬래그 응집원료로 사용되는 물질들을 변경하였다. 즉, 슬래그 응집원료로, 슬래그 응집제(종래에 사용되던 슬래그 응집제로, 전체 중량에 대하여 SiO2가 68~74중량%, Al2O3가 12~16중량%, Na2O가 2.5~4.0중량%, K2O가 1~4중량% 함유된 물질임), 규사, 장석, 네펠린, 니켈 제련 슬래그(또는, 니켈 제련할 때 발생하는 슬래그)를 순서대로 사용하였다.
한편, 종래 예의 경우 본 발명의 실시 예와 동일한 조건에서, 슬래그 응집제가 투입되는 시점만 다르게 하였다. 즉, 종래 예에서는 임펠러의 회전이 모두 종료되어 임펠러를 용선 상측으로 빼낸 후, 용선 상부로 부유한 슬래그에 슬래그 응집원료를 투입하고, 1분간 대기하였다. 이때, 본 발명의 실시 예와 종래 예에서 사용된 슬래그 응집원료는, 탈황제 원료와 마찬가지로 입자크기를 3mm 이하인 것을 사용하였고, 투입량도 동일게 300g을 투입하였다.
그 다음, 슬래그 응집 여부를 판단하기 위해 본 발명의 실시 예들과 종래 예에서 생성된 슬래그를 채취하여 체가름을 하였다. 도 5와 같이 종래 예의 경우 슬래그 중에 5mm 이상의 입자가 거의 없기 때문에 슬래그의 응집효과 평가는 3mm 이상 입자의 비율을 측정하여 비교하는 것으로 정했다. 이에, 아래의 표 2와 같은 결과를 얻었다.
슬래그 응집물질의 종류 슬래그 응집물질의 투입량(g) 슬래그 응집물질의 투입시점 슬래그 중 3mm 이상 입자 비율(%)
종래 예 슬래그 응집제 300 임펠러 회전 종료 후 43
실시 예1 슬래그 응집제 300 탈황제 투입 14분 후 100
실시 예2 규사 300 탈황제 투입 14분 후 100
실시 예3 장석 300 탈황제 투입 14분 후 100
실시 예4 네펠린 300 탈황제 투입 14분 후 100
실시 예5 니켈 제련 슬래그 300 탈황제 투입 14분 후 100
표 2를 참조하면, 종래 예의 경우 슬래그 응집제로 인해 응집되어 3mm 이상으로 입자가 커진 비율이 43% 수준이었다. 반면, 동일한 슬래그 응집제를 사용한 본 발명의 실시 예 1의 경우, 슬래그가 전량 3mm 이상으로 입자의 크기가 증가하였다. 또한, 슬래그 응집제 외에, 슬래그 응집원료로 규사, 장석, 네펠린, 니켈 제련 슬래그를 슬래그 응집원료를 사용한 경우에도, 슬래그가 모두 3mm 이상으로 입자의 크기가 증가하였다. 따라서, SiO2가 주성분인 다른 원료들도 슬래그 응집제와 동일하게 응집효과를 나타낸다는 것을 알 수 있다.
한편, SiO2의 투입량이 슬래그의 응집효과에 미치는 영향을 알아보기 위해 SiO2를 포함하는 슬래그 응집원료를 용융금속에 다량으로 투입하는 실험도 진행하였다. 슬래그 응집원료가 많이 투입되면, 슬래그의 응집이 촉진될 것으로 생각하였으나, 예상과는 달리 일정량 이상으로 슬래그 응집원료가 투입되면, 슬래그 자체가 액상화하면서 오히려 슬래그를 배제하기 어려워진다는 결과를 얻었다.
이를 명확히 하기 위해 SiO2 이외에 기타 성분을 별로 포함하고 있지 않은 규사를 슬래그 응집원료로 사용하여, 투입량에 따른 슬래그의 응집정도를 조사하였다. 그 결과 도 6과 같이 슬래그의 염기도가 2.5이하인 경우에는 급속하게 액상이 생성되는 것이 확인되었다. 따라서 SiO2를 50중량% 이상 함유하는 원료를 슬래그 응집원료로 사용하는 경우, 사용하는 원료에 포함된 다른 불순성분에 의한 융점저하를 감안하여 슬래그의 염기도가 3.0 이상으로 유지되도록, 슬래그 응집원료의 투입량을 조절할 필요가 있다.
이와 같이, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능하다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며, 아래에 기재될 특허청구범위뿐만 아니라 이 청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
100: 용융금속 처리장치 110: 용기
120: 임펠러 130: 탈황제 공급기
140: 응집원료 공급기 150: 슬래그 배제기
160: 슬래그 포트

Claims (11)

  1. 용기에 수용된 용융금속에 임펠러를 침지시키고, 상기 임펠러를 회전시키는 과정;
    상기 용융금속에 탈황제를 투입하는 과정; 및
    상기 임펠러의 회전이 중단되기 전에, 용융금속에 슬래그 응집원료를 투입하는 과정;을 포함하고,
    상기 용융금속에 슬래그 응집원료를 투입하는 과정은,
    상기 임펠러의 회전으로 상기 용융금속에 와류를 발생시켜 상기 슬래그 응집원료를 슬래그에 확산시키는 과정, 및
    상기 용융금속의 일측과 타측 사이의 탕면 높이가 달라지도록, 상기 용융금속의 일측 탕면으로 불활성 가스를 공급하여, 상기 임펠러가 발생시키는 와류를 비대칭 형태로 형성시키는 용융금속 처리방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 용융금속에 슬래그 응집원료를 투입하는 과정은,
    상기 탈황제에 의한 탈황반응이 완료된 후에, 상기 슬래그 응집원료를 투입하는 과정을 포함하는 용융금속 처리방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 슬래그 응집원료를 투입하기 전에,
    상기 용융금속의 황 농도를 측정하는 과정;
    측정된 용융금속의 황 농도가 미리 설정된 설정 농도값 이하인지 비교하는 과정; 및
    측정된 용융금속의 황 농도가 상기 설정 농도값 이하이면 탈황반응이 완료되었다고 판단하는 과정;을 더 포함하는 용융금속 처리방법.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 용융금속에 슬래그 응집원료를 투입하는 과정은,
    상기 슬래그 응집원료와 상기 슬래그를 충돌시키는 과정; 및
    상기 슬래그의 응집체를 형성하는 과정;을 더 포함하는 용융금속 처리방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 임펠러의 회전으로 상기 슬래그 응집원료를 슬래그에 확산시키는 과정은,
    상기 임펠러를 상측으로 이동시켜, 상기 임펠러의 적어도 일부를 상기 용융금속의 탕면에 위치시키는 과정; 및
    상기 임펠러로 상기 용융금속의 탕면에서 와류를 발생시키는 과정;을 포함하는 용융금속 처리방법.
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 슬래그의 응집체의 평균입도는 3mm 이상인 용융금속 처리방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 슬래그의 응집체를 형성한 후,
    상기 용기의 외측으로 상기 슬래그의 응집체를 배제하는 과정을 더 포함하는 용융금속 처리방법.
  8. 청구항 2에 있어서,
    상기 용융금속에 슬래그 응집원료를 투입하는 과정은,
    상기 슬래그의 염기도 3.0 이상 내지 4.0 이하로 조절하는 과정을 포함하는 용융금속 처리방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 슬래그 응집원료는, 상기 슬래그가 부착될 수 있는 고점도 물질을 포함하는 용융금속 처리방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 고점도 물질은 규소 산화물을 포함하고,
    상기 슬래그의 염기도 3.0 이상 내지 4.0 이하로 조절하는 과정은, 상기 규소 산화물의 투입량을 조절하는 과정을 포함하는 용융금속 처리방법.
  11. 청구항 1 내지 청구항 10 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 슬래그 응집원료는, 규사, 장석, 네펠린, 및 니켈 제련 슬래그 중 적어도 어느 하나를 포함하는 용융금속 처리방법.
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