KR102310160B1 - 전기 아크 용해로의 조업 조건 제어 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 조업 중인 전기 아크 용해로 내부의 스크랩의 용해/붕락 거동을 파악하여 투입되는 연료가스 및 산소에 의해 생성되는 화학에너지의 최적화를 통해 에너지 효율을 향상시키는 전기 아크 용해로의 조업 조건 제어 방법을 제공한다. 본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 전기 아크 용해로의 조업 조건 제어 방법은, 전기 아크 용해로의 시간에 따른 누적 비열량에 따른 상기 전기 아크 용해로의 전극 안정도 값을 획득하는 단계; 획득한 상기 전극 안정도 값을 상기 누적 비열량을 변수로 하는 함수로 도출하는 단계; 상기 함수의 미분 값을 도출하는 단계; 및 상기 미분 값으로부터 공정 변환의 기준점이 되는 누적 비열량을 설정하는 단계;를 포함한다.

Description

전기 아크 용해로의 조업 조건 제어 방법{Method of controlling process condition for electrical arc furnace}

본 발명의 기술적 사상은 전기 아크 용해로(electric arc furnace, EAF)의 제어방법에 대한 것으로서, 구체적으로 전기 아크 용해로에 투입되는 연료가스 및 산소에 의해 생성되는 화학에너지의 최적화를 통해 에너지 효율을 향상시키는 전기 아크 용해로의 제어방법에 대한 것이다.

제강 공정은 전로 방식과 전기 아크 용해로 방식으로 분류될 수 있다. 상기 전로 방식은 액상의 선철을 공급받아 산소를 취입하여 산화 정련한다. 반면, 전기 아크 용해로 방식은 고체의 원료인 스크랩을 로에 주입하고, 전기에너지와 화학에너지를 이용하여 상기 스크랩을 용해하여 액상화된 용탕을 형성하고, 상기 용탕에 산소를 주입하여 산화 정련한다. 상기 전기에너지는 전극에 고전압 및 고전류로 인가하여 아크 열을 발생시키는 방식으로 사용된다. 상기 화학에너지는 로벽 주위의 콜드 스폿에 설치된 가스 투입구를 통해 투입되는 연료가스에 의해 열을 발생시키는 방식으로 사용된다. 또한, 산화 정련 시에 발생하는 화학에너지를 용강의 승온에 활용할 수 있다.

상기 전기 아크 용해로의 용해과정에서, 상기 전기에너지는 주에너지원으로서 전체 용해공정에 걸쳐서 투입된다. 반면, 상기 화학에너지는 용해의 초기에는 연료 버너를 이용하여 필요한 열량을 상기 콜드 스폿을 위주로 투입하다가, 어느 정도 시간이 경과되면 산소 랜스를 통하여 고압의 산소를 투입하여 상기 콜드 스폿 영역의 스크랩에 대한 예열 및 절단(cutting)을 수행할 수 있다. 상기 화학에너지의 투입은 초기에는 낮은 연료량으로 시작하여 점진적으로 연료량을 증가시키고, 상기 연료 버너에서 상기 산소 랜스의 전환 시점을 지정하여 운영한다.

일본특허출원번호 제2000-335000호

이러한 화학에너지의 효율적인 적용을 위하여는, 전기 아크 용해로 내에 장입되어 쌓여있는 스크랩의 용해 거동 및 붕락 거동의 특성에 대하여 파악하여야 하며, 이와 관련되어 투입 연료나 산소의 양과 투입시점을 제어하여야 한다. 따라서, 이와 같은 전기 아크 용해로의 조업 조건을 제어할 필요가 있다.

본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 기술적 과제는 조업 중인 전기 아크 용해로 내부의 스크랩의 용해/붕락 거동을 파악하여 투입되는 연료가스 및 산소에 의해 생성되는 화학에너지의 최적화를 통해 에너지 효율을 향상시키는 전기 아크 용해로의 조업 조건 제어 방법을 제공하는 것이다.

그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 일 관점에 의하면, 전기 아크 용해로의 조업 조건 제어 방법을 제공한다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 전기 아크 용해로의 시간에 따른 누적 비열량에 따른 상기 전기 아크 용해로의 전극 안정도 값을 획득하는 단계; 획득한 상기 전극 안정도 값을 상기 누적 비열량을 변수로 하는 함수로 도출하는 단계; 상기 함수의 미분 값을 도출하는 단계; 및 상기 미분 값으로부터 공정 변환의 기준점이 되는 누적 비열량을 설정하는 단계;를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 공정 변환의 기준점은, 상기 전기 아크 용해로의 콜드 스폿으로 연료가스를 투입하여 연소를 시작하는 제 1 기준점; 상기 연료가스의 연소를 종료하고 상기 콜드 스폿으로 고압의 산소를 투입하는 제 2 기준점; 및 상기 고압의 산소 투입을 종료하는 제 3 기준점;을 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 제1 기준점은 상기 함수의 미분 값이 양의 값에서 음의 값으로 변화되는 지점일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 제2 기준점은 상기 함수의 극소값과 극대값의 중간 값일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 제 1 기준점과 상기 제 2 기준점 사이 구간에는 투입되는 연료가스의 유량을 증가시키는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 제 2 기준점과 상기 제 3 기준점 사이 구간에는 투입되는 산소의 유량을 증가시키는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 기술적 사상에 의한 전기 아크 용해로의 조업 조건 제어 방법은 전극 안정도 정보를 활용한 스크랩 용해 거동 정량적 측정하여, 조업 개선을 위한 공정 변수 테스트 시 정량적 변수가 산출가능하다. 또한, 전기 아크 용해로의 조업에서 스크랩의 붕락을 활성화시키고, 아크 안정기에 조기 진입함으로써 아크 효율이 향상시킬 수 있으며, 화학 에너지 투입 패턴을 최적화할 수 있다. 본 발명의 기술적 사상에 따른 전기 아크 용해로의 조업 조건 제어 방법은 로벽 패턴 최적화를 통한 조업 지표를 개선할 수 있고 에너지 비용을 절감하고 생산성을 향상하는 효과를 제공할 수 있다.

상술한 본 발명의 효과들은 예시적으로 기재되었고, 이러한 효과들에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 전기 아크 용해로의 조업 조건 제어 방법이 적용된 전기 아크 용해로 내의 용해를 설명하는 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 전기 아크 용해로의 조업 조건 제어 방법을 도시하는 흐름도이다.
도 3는 본 발명의 일실시예에 따른 전기 아크 용해로의 조업 조건 제어 방법을 설명하기 위한 누적 비열량에 따른 전극 안정도 함수를 도시하는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 전기 아크 용해로의 조업 조건 제어 방법을 이용한 실시예와 비교예의 전극 위치에 따른 누적 비열량을 도시하는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 전기 아크 용해로의 조업 조건 제어 방법을 이용한 실시예와 비교예의 누적 비열량에 따른 전극 안정도 함수를 도시하는 그래프이다.
도 6는 본 발명의 일실시예에 따른 전기 아크 용해로의 조업 조건 제어 방법을 이용한 실시예와 비교예의 스파이크 발생율을 도시하는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 전기 아크 용해로의 조업 조건 제어 방법을 이용한 실시예와 비교예의 아크 효율을 도시하는 그래프이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 기술적 사상을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 기술적 사상의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 기술적 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. 본 명세서에서 동일한 부호는 시종 동일한 요소를 의미한다. 나아가, 도면에서의 다양한 요소와 영역은 개략적으로 그려진 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 사상은 첨부한 도면에 그려진 상대적인 크기나 간격에 의해 제한되지 않는다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 전기 아크 용해로의 조업 조건 제어 방법이 적용된 전기 아크 용해로 내의 용해를 설명하는 개략도이다.

도 1을 참조하면, 아크 전극으로 3상 AC 전극들이 소정의 각도로 이격되어 배치되고, 상기 전극에 전기에너지가 인가되면, 전기 아크 용해로 내에 상기 전극에 의하여 가열되는 가열 영역(Hot)이 형성된다. 그러나, 상기 전극 사이의 공간에는 온도가 상대적으로 낮은 콜드 스폿(cold spot)이 형성된다. 이러한 상기 콜드 스폿에는 천연가스(LNG)와 같은 연료가스를 주입하여 연소시킴으로써 화학에너지를 생성하게 하여, 상기 콜드 스폿에서의 부족한 열량을 보완할 수 있다. 또한, 후속하여 산소 랜스를 통하여 산소를 주입하여 화학 반응에 의한 화학에너지를 생성하게 하여, 상기 콜드 스폿에서의 부족한 열량을 보완할 수 있다. 전기 아크 용해로에 투입되는 에너지 중에 연료가스와 산소에 기인하는 화학에너지는 전기 에너지에 필적하는 수준으로 사용된다. 이에 따라, 전기 아크 용해로 내의 온도를 일정 정도 균일하게 유지할 수 있다. 이러한 화학에너지의 열량 보완에 의하여, 상기 전기 아크 용해로 내에 장입된 스크랩들이 전체적으로 균일하게 붕락되도록 유도할 수 있다.

주 에너지원인 전력 투입에 의해 결정되는 스크랩의 용해/붕락 거동의 정량적 분석이 필요하며, 이를 토대로 화학에너지의 투입이 결정되어져야 한다. 전력 투입에 의하여 발생된 아크가 용해 대상체인 스크랩에 의해 둘러싸여진 형태가 가장 효율적인 상태이며, 이를 제어하기 위해 용해 공정이 진행됨에 따라 전압/전류를 제어하여 발생되는 아크의 길이를 적절히 조정하여야 한다. 상기 전기 아크 용해로 내에 장입된 스크랩들을 로벽 방향으로 균일하기 붕락(melt down)시켜야, 용해 효율이 향상된다. 따라서, 스크랩의 용해 거동 및 붕락 거동 변화에 대한 정확한 측정이 선행될 필요가 있으나, 현실적으로는 전기 아크 용해로의 폐쇄적 구조와 아킹(arcing) 온도가 4000℃ 이상의 높은 극한의 환경으로 인해서 조업 중에 스크랩의 붕락을 직접적으로 관찰하는 것을 실질적으로 불가능하다. 효율 향상을 위해서는 전기 아크 용해로 내 스크랩의 거동 변화에 대한 정량적 분석 기법이 요구된다. 또한, 화학에너지의 효율적인 적용을 위해서는, 전기 아크 용해로 내에 장입되어 쌓여있는 스크랩의 용해/붕락 거동의 특성에 맞추어 투입 가스(LNG 혹은 산소)의 양과 투입 시점이 명확히 구분되어 사용되어야 한다.

로벽의 온도변화 또는 아크 발생에 따른 전기적 신호의 변화와 같은 정보는 상술한 스크랩 용해 거동의 대용 지표로서 활용될 수 있다. 스크랩 표면, 적층 구조, 붕락시 움직임, 스크립에 전극을 감싸는 형태 및 용강과의 거리, 슬래그 포밍 상태 등과 같은 주위 환경적 요인에 대하여 상기 전기적 신호는 민감하게 변화할 수 있고, 또한 정밀하게 측정될 수 있다.

본 발명에서는 상기 전기적 신호 중 스크랩 용해 거동을 대변할 수 있는 정보를 찾기 위해 데이터 마이닝(data mining)을 수행하였다. 다양한 전기적 신호 중 전극 안정도(Electrode Stability) 데이터를 활용하여 다수의 조업 실적 데이터의 시계열적 누적 투입열량의 평균값을 비교 분석한 결과 전기 아크 용해로의 용해공정 진행단계를 정량적으로 구분할 수 있음을 확인하였다.

상기 전극 안정도는 다음과 같이 정의될 수 있다. 전기 아크 용해로에서 용해를 위한 전기에너지는 고열의 아크를 사용한다. 상기 아크는 연결되지 않은 두 전극 중 하나에 고전압 및 고전류를 인가하여, 일정한 조건을 충족하게 되면 전하가 방출되어 다른 전극으로 이동하는 현상이고, 이때 고열을 발생시킨다. 상기 일정한 조건은 인가된 고전압 및 고전류의 크기에 따라 두 전극들의 거리 및 전극과 스크랩 사이의 거리에 의해 결정될 수 있다. 상기 아크의 안정적 유지를 위해서는 해당 거리를 일정하게 유지할 필요가 있다. 실제 조업에서는 스크랩의 형상의 불규칙성 및 용해가 진행됨에 따른 스크랩 붕락 등과 같은 변화에 의해 아크의 안정적 유지가 어려우며, 이러한 변동은 전압, 전류, 유효 전력 등과 같은 전기적 측정치의 변동으로 나타난다. 상기 전기적 측정치의 변동은 매우 정밀한 수준으로 측정이 가능하다. 이와 같이 관련된 다수의 전압, 전류, 유효 전력 등과 같은 전기적 측정치를 조합하여 하나의 지표로 나타낸 것이 전극 안정도이다. 이러한 전기 안정도에 관련한 지표는 장치 설비사에 따라 진동과 소음 등과 같은 추가적인 파라미터를 더 포함시켜 구성하는 경우도 있다. 따라서, 상기 전기 안정도는 본 발명이 속하는 해당 철강제조 기술분야에서 당업자에게 알려진 용어이다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 전기 아크 용해로의 조업 조건 제어 방법(S100)을 도시하는 흐름도이다.

도 2를 참조하면, 전기 아크 용해로의 조업 조건 제어 방법(S100)은, 전기 아크 용해로의 시간에 따른 누적 비열량(Specific Energy)에 따른 상기 전기 아크 용해로의 전극 안정도(Electrode Stability) 값을 획득하는 단계(S110); 획득한 상기 전극 안정도 값을 상기 누적 비열량을 변수로 하는 함수로 도출하는 단계(S120); 상기 함수의 미분 값를 도출하는 단계(S130); 및 상기 미분 함수값으로부터 공정 변환의 기준점이 되는 누적 비열량을 설정하는 단계(S140);를 포함한다.

도 3는 본 발명의 일실시예에 따른 전기 아크 용해로의 조업 조건 제어 방법을 설명하기 위한 누적 비열량에 따른 전극 안정도 함수를 도시하는 그래프이다.

도 3은 참조하면, 누적 비열량에 대하여 전극 안정도의 실측값(점선으로 표시됨)을 획득한다. 이어서, 상기 실측값에 대한 경향 곡선(Polynomial Graph)을 도출한다. 상기 경향 곡선은 상기 전극 안정도 값을 상기 누적 비열량을 변수로 하는 함수(흑색 실선으로 표시됨)가 될 수 있다. 상기 함수를 기준으로 상기 전기 아크 용해로의 내부 상태를 추정할 수 있다. 상기 내부 상태는, 적층된 스크랩의 상층부에 아크가 착화되어 상기 스크랩의 표면 천공부가 형성되는 아크 착화기, 상기 적층된 스크랩의 하부 용강면 까지 청공되는 스크랩 천공기, 하부 아크의 열점에 의하여 상기 스크랩이 용해되어 청공이 확대되는 천공 확대기, 확대된 청공의 상부에 위치한 스크랩이 급격하게 붕괴되는 스크랩 붕락 활성기, 붕락이 안정화되는 스크랩 붕락 안정기, 탕면이 형성되어 불규칙성이 제거되고 슬래그 포밍으로 인한 아크가 보호되는 탕면 및 슬래그 형성기 등으로 구분될 수 있다.

이어서, 상기 함수의 미분 값(청색 실선으로 표시됨)을 도출한다. 상기 미분 값은 공정 변환의 기준점이 될 수 있다.

상기 공정 변환의 기준점은, 상기 전기 아크 용해로의 콜드 스폿으로 연료가스를 투입하여 연소를 시작하는 제 1 기준점, 상기 연료가스의 연소를 종료하고 상기 콜드 스폿으로 고압의 산소를 투입하는 제 2 기준점, 및 상기 고압의 산소 투입을 종료하는 제 3 기준점을 포함할 수 있다.

상기 제1 기준점은 전극 안정화가 시작되는 지점일 수 있고, 예를 들어 상기 함수의 미분 값이 양의 값에서 음의 값으로 변화되는 지점일 수 있다. 즉, 전극 안정화 값의 제1 극대값(21.4 kwh/ton의 지점)에서 상기 제1 기준점을 설정할 수 있다. 도 3에서는 "a"로 표시되어 있다.

상기 제2 기준점은 스크랩의 붕락의 활성화의 시작과 종점의 중간 지점일 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 기준점은 상기 함수의 극소값(140 kwh/ton의 지점)과 제2 극대값(196.2 kwh/ton의 지점)의 중간 값일 수 있다. 상기 제2 기준점에 의하여 상기 연료가스의 효율을 이론적으로 확보할 수 있다. 도 3에서는 "c"로 표시되어 있다.

상기 제3 기준점은 잔여 스크랩의 붕락 영향성이 약해지는 시점으로서, 스크랩과 산소 랜스가 소정의 거리 이상으로 멀어진 시점을 나타낸다. 전극 안정화 값의 제2 극대값(196.2 kwh/ton의 지점)에서 상기 제1 기준점을 설정할 수 있다. 도 3에서는 "d"로 표시되어 있다.

상기 제 1 기준점과 상기 제 2 기준점 사이 구간(a에서 c 사이의 구간)에는 투입되는 연료가스의 유량을 증가시키는 단계를 포함할 수 있다.

또한, 상기 제 2 기준점과 상기 제 3 기준점 사이 구간(c에서 d 사이의 구간)에는 투입되는 산소의 유량을 증가시키는 단계를 포함할 수 있다.

실험예

이하에서는 본 발명의 이해를 돕기 위한 실험예에 대해서 설명한다. 하기의 실험예는 발명의 이해를 돕기 위해 제시되는 것이며, 본 발명의 하기 실험예로 한정되는 것은 아니다.

용해는 전장입량의 약 70%가 용해된 용해 1기와 나머지 약 30%가 용해된 용해 2기 및 정련기로 분류하여 수행되었다. 비교예는 종래의 경험적이고 수동적인 방법으로 전기 아크 용해로의 조업 조건 제어한 경우로서, 총 49 Ht 중에서 분석 대상은 47 Ht이었다. 본 발명의 실시예는 총 55 Ht 중에서 분석 대상은 52 Ht 이었다.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 전기 아크 용해로의 조업 조건 제어 방법을 이용한 실시예와 비교예의 전극 위치에 따른 누적 비열량을 도시하는 그래프이다.

도 4를 참조하면, 색상의 분포를 분석하면, 비교예에 비하여 실시예가 전기 아크 용해로 내의 투입 에너지가 균일하게 분포됨을 알 수 있다.

도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 전기 아크 용해로의 조업 조건 제어 방법을 이용한 실시예와 비교예의 누적 비열량에 따른 전극 안정도 함수를 도시하는 그래프이다.

도 5를 참조하면, 용해 1기에서, 스크랩의 붕락이 약 2분 정도 단축되었고, 따라서 스크랩의 붕락이 활성화됨을 알 수 있다. 또한, 아크 안정기에 조기 진입함을 확인할 수 있으므로, 아크 효율이 향상됨을 알 수 있다. 용해 2기에서는 거의 비슷한 경향을 나타냈다. 종점 제어 구간에서는 전원의 온-오프가 여러번 반복되는 구간으로서, 로벽 설비가 사용되지 않으며, 전극 안정도 패턴에 영향이 거의 없다.

도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 전기 아크 용해로의 조업 조건 제어 방법을 이용한 실시예와 비교예의 스파이크 발생율을 도시하는 그래프이다.

도 6에서, 스파이크(spike)는 도 4의 그래프를 정성 분석한 결과 불균일 용해에 따른 이상 거동을 지칭한다.

도 6을 참조하면, 스파이크 발생율은 용해 1기에서 비교예는 31.3%이고 실시예는 7.7% 이었고, 용해 2기 및 정련기에서 비교예는 15.6%이고 실시예는 2.6% 이었다. 따라서, 비교예에 비하여 실시예가 스파이크 발생율이 낮게 나타났으며, 이는 스크랩의 붕락이 균일화된 것으로 분석된다.

도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 전기 아크 용해로의 조업 조건 제어 방법을 이용한 실시예와 비교예의 아크 효율을 도시하는 그래프이다.

도 7을 참조하면, 아크 효율은 비교예는 97.6% 실시예는 98.2%로서 실시예가 비교예에 비하여 0.565 아크 효율이 높게 나타났다. 아크 효율이 높을수록 스크랩 용해에 소비되는 전력이 낮아지므로, 실시예가 전력 소비를 저감시킬 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명의 기술적 사상이 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은, 본 발명의 기술적 사상이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

Claims (6)

1. 전기 아크 용해로의 시간에 따른 누적 비열량에 따른 상기 전기 아크 용해로의 전극 안정도 값을 획득하는 단계;
   획득한 상기 전극 안정도 값을 상기 누적 비열량을 변수로 하는 함수로 도출하는 단계;
   상기 함수의 미분 값을 도출하는 단계; 및
   상기 미분 값으로부터 공정 변환의 기준점이 되는 누적 비열량을 설정하는 단계;를 포함하는,
   전기 아크 용해로의 조업 조건 제어 방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 공정 변환의 기준점은,
   상기 전기 아크 용해로의 콜드 스폿으로 연료가스를 투입하여 연소를 시작하는 제 1 기준점;
   상기 연료가스의 연소를 종료하고 상기 콜드 스폿으로 고압의 산소를 투입하는 제 2 기준점; 및
   상기 고압의 산소 투입을 종료하는 제 3 기준점;을 포함하는,
   전기 아크 용해로의 조업 조건 제어 방법.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 제1 기준점은 상기 함수의 미분 값이 양의 값에서 음의 값으로 변화되는 지점인,
   전기 아크 용해로의 조업 조건 제어 방법.
4. 제 2 항에 있어서,
   상기 제2 기준점은 상기 함수의 극소값과 극대값의 중간 값인,
   전기 아크 용해로의 조업 조건 제어 방법.
5. 제 2 항에 있어서,
   상기 제 1 기준점과 상기 제 2 기준점 사이 구간에는 투입되는 연료가스의 유량을 증가시키는 단계를 포함하는,
   전기 아크 용해로의 조업 조건 제어 방법.
6. 제 2 항에 있어서,
   상기 제 2 기준점과 상기 제 3 기준점 사이 구간에는 투입되는 산소의 유량을 증가시키는 단계를 포함하는,
   전기 아크 용해로의 조업 조건 제어 방법.

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