KR20000021329A - 분체탄소 취입에 의한 스테인레스강 슬래그중의 유가금속 회수방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 스테인레스 제강 슬래그중에 포함된 유가금속을 분체탄소를 이용하여 회수하는 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 스테인레스 제강 전기로 조업중 유가금속 산화물을 함유한 슬래그로부터 유가금속을 환원시키기 위해 용강톤당 적산전력이 280∼300kWh 인 시점에서, 입도가 5mm이하인 분체탄소를 슬래그중에 취입하는 것을 특징으로 하는 분체탄소 취입에 의한 스테인레스강 슬래그중의 유가금속 회수방법에 관한 것이다.
또한, 상기 분체탄소 취입은 질소 또는 아르곤 가스중 1종의 불활성가스를 이용하여 이루어지는 것을 그 특징으로 한다.

Description

분체탄소 취입에 의한 스테인레스강 슬래그중의 유가금속 회수방법
본 발명은 스테인레스 제강 슬래그중에 포함된 유가금속을 분체탄소를 이용하여 회수하는 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 스테인레스 제강공정중 전기로 슬래그에 함유된 크롬, 망간 및 철 등의 유가금속을 회수하는데 있어 분체탄소를 취입함으로써 그 회수율을 향상시킨 분체탄소 취입에 의한 스테인레스강 슬래그중 유가금속 회수방법에 관한 것이다.
일반적으로 스테인레스강의 정련과정을 포함한 제강(Steelmaking)은 전기로-AOD(Arhon Oxygen Decarburization : 아르곤-산소 가스 취입 탈탄법)-성분미세조정-연속주조의 공정으로 이루어져 있다.
또한, 스테인레스강의 시장수요에 유연하게 대처하기 위해 전기로를 시작으로 하는 생산방식이 보다 일반적으로 보급되고 있다.
전기로에 의한 용강제조는 크게 스크랩 및 합금철과 같은 냉철을 용해하는 방식과 용선과 스크랩을 혼합하여 용해하는 방식으로 나눌 수 있으나, 스테인레스강과 같은 고급강의 경우 품질 측면을 고려하여 불순물 함량이 적은 고급 스크랩과 합금철 만을 사용하여 전기로에서 용해하는 방식이 주종을 이루고 있다.
스테인레스강은 성분특성상 10% 이상의 크롬성분을 다량 함유하고 있다.
그리고, 크롬 성분은 철(Fe)보다 산소와의 친화력이 강하기 때문에 1500℃이상의 고온에서 진행되는 제강공정에서는 크롬성분의 산화가 필연적으로 일어나게 된다.
전기로의 경우 스크랩의 용해를 촉진하기 위하여 톤당 10Nm3이상의 다량의 산소를 필수적으로 사용하게 되므로 스테인레스 용강 제조시 다량의 크롬 성분이 산화되어 슬래그화 된다.
일반적으로 스크랩과 합금철이 95%이상 용해되어 용강을 형성하는 시기의 슬래그내 산화크롬함량은 약 20%의 높은 수준에 달한다.
이는 전기로의 스크랩 용해조업중에 취입되는 산소와 용강과의 접촉 또는 외부에서 유입되는 대기와의 접촉에 의해 극심한 산화가 일어나기 때문이다.
형성된 용강의 온도를 올리는 승열기에 슬래그중의 산화크롬은 용강내 성분인 실리콘 또는 탄소에 의해 일부 환원된다.
그러나, 일반적으로 용강의 온도를 올리기 위해 승열기에도 다량의 산소를 용강내로 취입함으로 용강내 실리콘 또는 탄소에 의한 크롬의 환원량은 산소에 의한 산화량에 비해 미미한 수준이다.
별도의 환원과정을 거치지 않은 슬래그는 용강과 함께 출탕되고 배재되어 제강공정외의 별도의 공정을 통하여 유가금속을 회수해야만 한다.
배재된 슬래그의 유가금속 회수를 위한 후처리는 파쇄-수선-자선-부유선광과 같은 비용과 시간을 요하는 공정을 거치게 되므로 스테인레스강 제강공정 비용을 상승시키는 요인중에 하나가 된다.
따라서, 가능한 많은 량의 유가금속을 배재전의 용융슬래그에서 회수하는 것이 경제적인 면에서 매우 유리하다.
상기와 같은 경제적인 측면을 고려하여 스테인레스 전기로에서는 슬래그에 함유된 크롬, 망간, 철과 같은 유가금속을 조업중에 환원하는 과정을 필수적으로 두고 있다.
일반적으로 전기로에서 만들어진 용강을 출탕하기 직전에 용강 톤당 3Kg정도의 페로실리콘(Fe-Si) 합금을 투입하여 다음과 같은 반응에 의해 유가금속을 일부 회수하고 있다.
Cr2O3+ Si = SiO2+ Cr
MnO + Si = SiO2+ Mn
FeO + Si = SiO2+ Fe
전기로 용강에 투입된 페로실리콘 합금은 용강에 용해하여 실리콘 함량을 높이며 이는 용강 및 슬래그의 계면반응에 의해 슬래그속의 유가금속을 환원한다.
그러나, 페로실리콘을 환원제로 사용할 경우 용강중에 취입되는 산소에 의해 대부분의 실리콘이 산화되기 때문에 유가금속 환원에 이용되는 실리콘은 투입량의 50%에도 미치지 못한다.
그리고, 용강내 실리콘에 의한 슬래그내의 산화 유가금속의 환원반응은 용강 및 슬래그의 접촉면에서 이루어지므로 환원율 또는 반응속도면에서 매우 불리하다.
또한 슬래그내의 유가금속 회수량을 높이기 위해 실리콘을 다량 첨가할 경우 산화실리콘(SiO2)의 다량발생으로 슬래그의 염기도(CaO/SiO2)를 저하시켜 슬래그 유동성을 악화시킴으로써 작업성이 나빠지고 슬래그내 유가금속 산화물의 환원에도 불리한 조건이 된다.
일반적으로 환원제로써 실리콘을 투입할 경우 크롬의 회수율은 90±5% 정도로 낮은 회수율을 보이며 그 편차도 매우 크다.
따라서 스테인레스강의 제조원가 절감측면에서 고가의 크롬을 포함한 유가금속의 높은 회수율을 얻기 위해서는 기존의 페로실리콘보다 효율이 우수한 환원제의 사용이 필요한 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 요구에 부응하기 위하여 안출된 것으로서, 유가금속의 회수율을 향상시킬 수 있으며, 제강공정의 원가를 경감할 수 있는 분체탄소 취입에 의한 스테인레스강 슬래그중의 유가금속 회수방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
도 1은 분체탄소를 취입하는 위치를 나타내기 위한 전기로의 개략적인 평면도,
도 2는 종래방법과 본 발명에 의한 방법으로 환원시 잔류 크롬산화물의 함량을 비교한 그래프도이다.
<도면의 주요부분에 사용된 부호의 설명>
1 : 전기로, 2 : 전극, 3 : 산소 취입관, 4 : 분체탄소 취입용 연강관
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 스테인레스 제강 전기로 조업중 유가금속 산화물을 함유한 슬래그로부터 유가금속을 환원시키기 위해 용강톤당 적산전력이 280∼300kWh인 시점에서, 입도가 5mm이하인 분체탄소를 슬래그중에 취입하는 것을 특징으로 하는 분체탄소 취입에 의한 스테인레스강 슬래그중의 유가금속 회수방법을 제공한다.
또한, 상기 분체탄소 취입은 질소 또는 아르곤 가스중 1종의 불활성가스를 이용하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
본 발명의 원리는 다음과 같다.
즉, 슬래그중에 포함되어 있는 유가금속의 산화물은 고체탄소에 의해 열역학적으로 환원이 가능하다.
(Cr2O3) + 3C(s) = 2Cr + 3CO(g)
(MnO) + C(s) = Mn + CO(g)
(FeO) + C(s) = Fe + CO(g)
따라서 스테인레스 전기로에서 용강 및 슬래그가 형성된 온도(약 1600℃)에서 슬래그에 함유되어 있는 유가금속의 산화물은 고체탄소와 접촉시 위의 반응을 일으켜 환원될 수 있다.
그러나, 스테인레스 전기로의 제강 실조업에서는 생산성을 고려하여 용해시간을 가능한 한 단축하고 있으므로 위의 반응들의 속도가 매우 느리다면 실제로 이용할 수 없다.
위와같은 슬래그내 환원반응의 속도는 슬래그내 유가금속 산화물의 물질 이동속도와 고체탄소와의 접촉면적에 비례한다.
따라서 슬래그의 교반에 의한 물질 이동속도의 증가, 또는 탄소 표면적 증가에 의한 반응면적의 증가가 유가금속 환원속도 증가에 중요한 요소로 작용한다.
반응면적의 증가를 위해서는 취입되는 탄소의 표면적을 넓혀주는 것이 좋은 수단이 되며 이를 위해서는 입도가 작은 분체탄소를 사용해야 한다.
이러한 측면에서 탄소 입도가 5mm 이상이면 반응속도면에서 그 보다 작은 입도의 탄소보다 불리할 뿐 아니라 슬래그내에서 탄소입자의 부상속도가 커지기 때문에 대부분의 탄소입자가 슬래그 표면에 부상되어 반응 효율이 떨어지게 된다.
또한, 분체탄소의 종류에 따라 산화물(SiO2, MgO 등)과 혼합되어 탄소성분이 떨어지는 경우가 있다. 크롬산화물의 환원에 반드시 필요한 것은 탄소 성분이므로 분체 탄소성분이 작아지면 그만큼 환원반응에는 불리하다.
본 발명의 실시예에서는 탄소성분이 95% 이상인 분체를 사용하였다.
따라서 본 발명에서는 입도 5mm이하의 분체탄소를 이용하여 환원반응면적을 증대시키는 효과를 얻도록 하였다.
또한, 위의 반응에서와 같이 탄소에 의해 유가금속 산화물이 환원될 경우 발생하는 일산화탄소(CO) 가스는 슬래그내에서 기포를 형성하여 슬래그층을 교반시키는 역할을 한다.
이에 따라 산화물의 물질이동 속도가 증가함으로써 더욱 증가된 환원반응 속도를 얻을 수 있다.
한편, 분체 탄소를 슬래그층내에 취입하여 산화물과 접촉시키기 위해서는 발화성이 없는 불활성기체(질소 또는 아르곤)를 이용해야 하며 슬래그 깊이에 따른 압력을 이기기 위해서는 일정 수준이상의 기체압력을 요한다.
본 발명에서는 3∼4bar 의 질소 가스를 이용하여 분체를 2인치(inch)의 연강관을 통하여 슬래그내로 취입하였다.
분체탄소와 함께 취입된 질소가스는 슬래그 교반을 조장하게 되므로 환원반응속도 증가에 기여하게 된다.
한편 일반적으로 전기로에서 스크랩을 용해하여 일정한 온도의 용강을 얻기 위해서는 스테인레스강의 경우 약 420kWh/ton의 투입전력이 필요하며, 일예로서 90톤 용량의 전기로에서 스크랩과 합금철의 용해를 실시하는 경우 300kWh/ton까지의 투입전력은 스크랩 및 합금철의 용해에 사용되고 300∼420kWh/ton의 전력은 용강과 슬래그의 온도를 1600℃까지 올리는데 사용된다.
따라서, 스크랩과 합금철이 완전히 용강화하는 시점은 스테인레스강 전기로 조업의 경우 280∼300kWh/ton의 전력이 투입된 시점부터이다.
그리고, 앞에서도 언급하였듯이 탄소에 의한 크롬 환원반응은 속도면에서 느리게 일어나기 때문에 슬래그내에 함유된 크롬산화물 전량을 환원하기 위해서는 충분한 반응시간이 필요하다.
이를 위해서는 분체탄소의 취입시기를 앞당겨 슬래그와 탄소가 접촉하고 있는 시간을 길게 부여할 필요가 있다.
따라서 분체탄소는 스크랩 용락시기 이전, 280∼300kWh/ton 의 전력이 투입된 시점 이전에 투입되어야 환원반응에 충분한 시간을 부여할 수 있다.
한편, 산소사용량이 1Nm3/ton을 넘지 않는 시점에 취입을 개시함으로써 산소사용에 따른 용강내 유가금속성분의 연속적인 산화를 저감할 수 있다.
그리고 스테인레스 전기로에서는 용강 톤당 약 100kg의 슬래그가 형성되며 조업중 발생된 유가금속 산화물은 용강 톤당 25kg에 달한다.
따라서 이러한 슬래그량과 조업중 발생된 유가금속 산화물은 용강 톤당 3kg이상으로 해야만 생성된 유가금속 산화물을 효과적으로 환원할 수 있다.
도 1은 슬래그중의 유가금속 산화물을 환원시켜 유가금속을 회수하기 위해 분체탄소를 취입하는 위치를 보이기 위해 개략적으로 도시한 전기로의 도면인데, 작업구로부터 전극(2)이 설치된 로 중심을 향하여 분체탄소 취입용 연강관(4)을 삽입하고, 3∼4bar 압력의 질소가스로 용강통당 3kg이상의 분체탄소를 취입한다.
이하, 실시예를 통해 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
<실시예>
스테인레스 제강 전기로에서 일반적으로 사용하고 있는 페로실리콘 사용에 의한 슬래그내 크롬산화물의 환원과 본발명에서 제시하는 분체 탄소 취입에 의한 환원을 실조업에서 비교하였다.
일반적으로 스테인레스 제강 전기로에서는 스크랩 용락 조업 직후 환원전 슬래그내의 크롬함량이 20∼25%에 달한다.
이는 앞서 설명한 바와 같이 조업중의 용강과 대기 접촉 또는 산소 취입에 의해 용강내 크롬성분이 산화된 것으로 본 발명의 실시예에서는 이러한 크롬 성분을 종래방법인 페로실리콘으로 환원하는 경우와 분체탄소로 환원하는 경우를 비교함으로써 본 발명의 효과를 검증하고자 하였다.
우선 일반적인 유가금속 환원방법인 페로실리콘(용강 톤당 3kg)을 사용하는 경우 출탕후의 슬래그내 잔류 크롬산화물의 함량을 분석해보면 도 2에 나타낸 바와 같이 7∼10%에 달하고 있다.
이 경우 페로실리콘의 투입시기는 산소취입말기, 즉 산화물형성이 심하게 일어나는 시기를 피한 시점으로 조정한 것으로 페로실리콘의 환원효과를 최대화하는 투입시기라고 할 수 있으나, 잔류 크롬산화물의 함량은 상당히 높은 수준으로 보이고 있다.
다음으로 본 발명에서 제시한 분체탄소 취입법을 실시한 경우를 설명한다.
분체탄소 취입량은 용강톤당 3∼5kg이며, 취입에 걸리는 시간은 질소압력에 따라 다르나 질소압 3∼4bar의 범위에서는 약 10∼15분이 소요된다.
취입개시 시기는 스크랩 용락이 이루어지기 전 단계, 즉 용강톤당 300kWh의 적산전력이 투입된 시점부터 분체탄소를 취입하였다.
분체탄소 취입 결과 전기로 스테인레스 용강 출탕후의 슬래그내 잔류 크롬산화물의 함량은 2∼5%를 보이고 있어 기존의 페로실리콘을 이용한 환원방법보다 2∼8%의 크롬산화물이 추가로 환원됨을 알 수 있다.
실시결과를 기존방법과 비교하여 정리하면 하기 표 1 및 도 2와 같다.
표 1.
상기와 같은 본 발명에 의해 스테인레스 제강 전기로 조업중에 형성되는 유가금속 산화물의 환원, 회수율을 증대시킬 수 있을 뿐만 아니라, 종래의 환원제보다 저렴한 분체탄소를 사용함으로써 스테인레스 제강공정원가를 절감할 수 있다.

Claims (2)

  1. 스테인레스 제강 전기로 조업중 유가금속 산화물을 함유한 슬래그로부터 유가금속을 환원시키기 위해 용강톤당 적산전력이 280∼300kWh 인 시점에서, 입도가 5mm이하인 분체탄소를 슬래그중에 취입하는 것을 특징으로 하는 분체탄소 취입에 의한 스테인레스강 슬래그중의 유가금속 회수방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 분체탄소 취입은 질소 또는 아르곤 가스중 1종의 불활성가스를 이용하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 분체탄소 취입에 의한 스테인레스강 슬래그중의 유가금속 회수방법.
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