KR20030042748A - 전로용강 승열제와 이를 이용한 전로정련방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 제강공정의 전로취련중에 사용되는 용강승열제에 관한 것으로, 그 목적은 승열제를 분체로 취입하면서도 본래의 탈인능력을 유지하거나 향상시키면서 용탕을 가열하여 용강의 제조원가를 절감시키는 승열제와 이를 이용한 전로정련방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은,

크크스분: 25~70중량%와 생석회분: 30~75중량%로 조성되는 전로 승열제와

전로에서 취련중 승열제의 투입이 요구되는 경우에 상기 승열제를 용강 톤당 1kg/min 이하의 속도로 산소취입가스로 취입하여 이루어지는 전로정련방법에 관한 것을 그 기술적요지로 한다.

Description

전로용강 승열제와 이를 이용한 전로정련방법{A heating agent for molten steel in BOF and the BOF refining method using it}

본 발명은 제강공정의 전로취련중에 사용되는 용강승열제에 관한 것으로, 보다 상세하게는 탈인반응에 영향을 미치지 않으면서 용강을 승열할 수 있는 승열제와 이를 이용한 용강의 정련방법에 관한 것이다.

일반적으로 제강공정은 용선과 고철을 적절히 배합하여 전로에 장입하고 용선탕면의 상부 일정한 높이에 위치되어 있는 산소노즐을 통하여 순수한 기체산소를 초음속으로 취입함으로써 용선중에 함유되어 있는 규소, 탄소, 망간, 인, 철 등과 산화반응을 일으켜 제거하여 용강을 만드는 일련의 과정으로 이루어진다. 전로정련작업에서는 이러한 산화반응에서 발생하는 산화열을 이용하여 전로내의 온도를 유지하게 된다. 취련이 완료된 용강은 전로를 경동하여 수강레이들에 출강하게 된다.

전로에서 출강되는 용강은 제철소에서 목표로 하는 조강생산량을 일정하게 유지하기 위해 일정하게 관리되고 있으며, 이를 위해서는 고철과 용선량을 합한 전장입량을 일정하게 유지하는 것이 필요하다. 따라서, 용선량이 부족하게 되면 고철량을 늘리게 되는데, 이 경우에는 전로조업시 열원확보에 어려움이 생긴다. 또한, 용선량이 적정하다 하더라도 용선 중에 규소 등의 함량이 부족하게 되면 산화열이 부족하게 되어 이 경우에도 열원확보에 어려움이 있다.

전로정련과정에서 열원이 부족한 경우에는 승열제를 투입한다. 주로 사용하는 승열제로는 페로실리콘(FeSi)의 합금철계가 있다. 합금철계 승열제는 발생 열량이 큰 반면에 가격이 매우 비싸고 산화시에 실리카(silica, SiO₂)가 발생하여 슬래그의 염기도를 감소시켜 탈인반응을 나쁘게 하는 단점이 있다. 이를 보정하기 위해서 추가로 생석회를 투입하게 되므로 슬래그의 발생량이 증가하여 원가상승 및 환경오염의 원인이 되고 있다.

따라서, 한국 공개특허공보 1999-24664호에는 코크스를 승열제로 사용하는 기술이 제안된 바 있다. 코크스와 같은 탄소계 승열제는 입도가 작을 경우 전로 내에서 취련중 발생하는 가스에 휩쓸려 전로 외로 배출되어 실수율이 극히 작기 때문에 일정한 입도를 갖는 괴상(약 25~100mm)으로 전로 내에 투입하고 있다. 그런데, 괴상으로 투입되는 탄소계 승열제는 용철 중으로 용해되는 속도가 매우 느려서 취련이 종료된 후까지 반응되지 않고 잔류 됨으로써 그 효율이 일정하지 않아 용강의 온도를 정확하게 조절할 수 없는 문제점이 있다. 따라서, 용해속도를 빠르게 하여 온도조절을 정확히 하기 위해서는 입도가 작은 분체 상태로 첨가하는 것이 좋은데, 이 경우에는 첨가되는 분체가 배가스에 의해 노외로 배출되지 않는 방법이 강구되어야 한다.

분체 승열제를 전로에 취입하는 방법으로, (1) 전로바닥부의 취입공을 통해 취입하는 방법과 (2) 용탕상부의 산소노즐을 통해 취입하는 방법을 강구할 수 있다.

상기 (1)의 방법은 용탕의 바닥으로부터 분체를 취입하기 때문에 용탕이 갖는 정압과 분체의 냉각작용에 의해 자주 취입공이 폐쇄되어 분체를 성공적으로 취입하지 못하는 경우가 발생하는 문제점이 있다. 또한, 상기 (2)의 방법은 전로에서 가장 중요한 반응인 탈인반응을 현저히 나쁘게 함으로써 전로 본연의 정련반응의 균형을 깨뜨리는 문제점이 있다.이와 같이 승열제를 분체로 취입하는 것이 승열효과측면에서는 바람직하지만, 이러한 단점을 극복한 승열제와 그 취입기술은 알려져 있지 않다.

본 발명은 분체로 취입하면서도 본래의 탈인능력을 유지하거나 향상시키면서 용탕을 가열하여 용강의 제조원가를 절감시키는 승열제와 이를 이용한 전로정련방법을 제공하는데, 그 목적이 있다.

도 1은 전로취련상황을 나타내는 개략도로서

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

1..... 전로 2..... 용탕

3..... 산소랜스 4..... 산소노즐

5..... 산소가스 6..... 용탕면

7..... 화점 8..... 승열제 입자

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 승열제는, 코크스분: 25~70중량%와 생석회분: 30~75중량%로 조성된다.

나아가 본 발명의 승열제를 이용한 용강의 전로정련방법은, 상기 취련중 승열제의 투입이 요구되는 경우에 상기 승열제를 용강 톤당 1kg/min 이하의 속도로 산소취입가스로 취입하는 것을 포함하여 구성된다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

일반적인 전로 조업은 도 1의 전로(1) 내에 용선과 고철을 장입하여 직립 시킨 다음 용탕(2) 상부의 일정 높이로 산소랜스(3)를 위치시킨 다음, 산소랜스(3)의 끝에 부착된 산소노즐(4)을 통하여 산소가스(5)를 용탕면(6)에 분사하여 산소와 용탕 중의 성분들과 산화반응을 진행시키는 방법으로 조업이 진행된다. 이 때, 산소가스(5)와 용탕면이 충돌하는 곳에는 화점(fire spot)(7)이 형성되며, 이 곳에서 산화반응이 격렬하게 일어나기 때문에 산화열에 의해 국부적으로 2000℃이상의고온 영역을 형성한다. 이 화점에서는 철의 산화에 의해 산화철이 생성되어 슬래그 중의 산소포텐셜을 증가시킬 뿐 만 아니라, 이 산화철은 취련 개시 직후에 후락스(flux)로서 첨가되는 괴상의 생석회를 용해 시킴으로써 슬래그 중의 염기도를 상승시켜 용선 중에 함유되어 있는 불순원소인 인을 제거 시키는 탈인반응을 용이하게 한다. 이때, 탄소계 승열제를 산소가스에 편승시켜 취입하면 승열제 입자(8)가 화점에서 산화되거나 용철 중으로 신속히 용해된다. 또한, 화점(7)에 형성된 산화철을 환원시킴으로써 괴상 생석회의 용해를 방해할 뿐만 아니라 산소포텐셜을 저하시킴으로써 탈인반응을 방해하는 역할을 하는 것이다.

본 발명자는 이러한 현상을 예의 주시하면서 연구를 거듭한 결과, 코크스의 입도를 조절하면서 일정량의 생석회를 혼합하여 함께 취입하면, 탈인반응을 억제하지 않으면서 충분한 승열효과를 나타내는 것을 발견하였다. 즉, 화점(7)에서 철은 공급되는 산소와 아래 반응에 의해 산화되어 철산화물인 FeO를 형성한다.

[반응식 1]

Fe + 1/2O₂= FeO

이곳에서 생성된 철산화물은 다시 용철 중의 탄소와 인과 반응하여 탈탄과 탈인을 시키는 주요한 역할을 한다.

[반응식 2]

FeO + C = CO + Fe

5FeO + 2P= P₂O₅

보통 코크스는 95%이상의 탄소를 함유하며, 화점에 코크스 분체를 취입하면 화점(7)에서 코크스가 철산화물과 직접 반응함으로써 철산화물의 생성량을 감소시키게 되며, 이에 따라 탈인정련능이 저하하는 것이다. 이 때, 코크스의 입자가 작으면 화점(7)에서의 산소와의 반응속도가 빨라지기 때문에 탈인반응은 더욱 억제되는 것이다.

그러나, 본 발명방법과 같이 코크스에 일정량의 생석회를 혼합하여 화점(7)에 함께 취입하면 두 가지의 작용에 의해 탈인반응을 감소시키지 않고 본래의 탈인능을 유지시킨다. 먼저 생석회가 철산화물에 용해되어 혼합용융물(슬래그)을 형성하게 되고 생석회는 철산화물의 활동도(activity)를 감소시킴으로써 철산화물의 반응성을 억제하여 코크스 및 용철 중에 함유되어 있는 탄소와의 반응을 억제시켜 철산화물의 농도를 높게 유지시켜 탈인반응을 유지시키는 작용을 한다. 이 때 반응하지 못한 코크스는 용철중에 신속히 용해되어 화점(7) 밖에서 산화되어 승열기능을 하게 된다. 탈인능이 감소되지 않는 또 다른 작용은, 생석회가 직접 탈인생성물인 인산화물(P₂O₅)과 반응하여 인산염(4CaO^.P₂O₅)을 형성하여 인산화물의 활동도를 감소시킴으로써 탈인반응을 촉진시키는 역할을 하는 것이다. 생석회의 입자는 작을수록 화점에서의 반응성이 빠르지만 입자가 갖는 운동량(momentum)이 매우 작아 용철 중으로의 파고드는 힘이 작기 때문에 용철 중에 포집되는 실수율이 작아지므로 적정한입도범위가 필요하다.

이하 본 발명에 있어서 수치한정 이유에 대하여 설명한다.

본 발명의 승열제는 코크스와 생석회로 조성된다.

생석회는 승열제중의30중%이하(즉 코크스의 함량이 70중량% 초과)가 되면 탈인능의 보존효과가 충분하게 이루어지지 않으며, 75% 이상(즉, 코크스의 함량이 25중량% 미만)이 되면 승열제가 기본적으로 가져야 할 승열효과가 없어지기 때문에 생석회의 함량을 30-75%의 범위로 제한하여야 한다.

승열제 중의 코크스의 입자크기가 너무 작게 되면 화점(7)에서의 철산화물과의 반응속도가 너무 빨라지기 때문에 탈인반응이 악화될 수 있으므로 너무 미분이면 좋지 않으며 바람직하게는 0.1mm이상인 것으로 판단된다. 그 대신 입자가 너무 크면 분체를 가스에 편승하여 운송하기에는 너무 커서 분체취입 공급설비의 막힘현상이 발생할 수 있는데 바람직하게는 1mm이하이다.

본 발명에 따라 상기한 승열제를 전로에 취입하는데, 이때에는 취입속도가 중요하다. 본 발명의 승열제가 괴상이 아니라 분체여서 용해속도가 빨라 취입시점은 크게 제한되지 않으므로 필요한 시기에 적절히 투입하는 것이 가능하다. 그 대신 취입속도는 용철 톤당 1kg/분 보다 빠르면 코크스의 반응효율이 낮아지면서 충분한 승열효과를 나타내지 못하기 때문에 승열제 혼합물의 취입속도를 용철 톤당 1kg/분 이하로 제한하는 것이 적절하다. 취입가스로는 산소가 가장 적합하다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

[실시예 1]

먼저 승열제 혼합물의 적정 배합비를 도출하기 위해서 50kg 용량의 대기유도로를 사용하여 실제 전로 조업을 모사하여 코크스실수율 및 탈인능을 측정 비교하는 실험을 행하였다. 대기유도로에 탄소가 1.4∼1.6중량%, 실리콘이 0.05∼0.15중량%, 망간이 0.2∼0.3중량%, 인이 0.11∼0.13중량% 함유된 철을 30kg을 마그네시아 도가니에 용해 시킨 후 1550℃의 온도를 유지하면서, 용탕면 중앙으로부터 직상방향으로 50mm 떨어진 곳에 내경이 6mm인 스테인레스강 튜브 노즐을 위치시켰다. 이 노즐을 통하여 산소가스를 운송가스로 하여 승열제 혼합물을 취입하는데 산소가스를 분당50리터, 승열제 혼합물을 용철 톤당 0.5kg의 속도로 5분간 분사한 다음, 용탕시료를 채취하여 탄소, 인 성분을 화학분석하였다. 이 때, 승열제 혼합물에 함유된 코크스와 생석회의 입도는 0.3∼0.5mm 이며, 승열제 혼합물의 조성에 따른 코크스실수율 및 인정련능을 파악하기 위해서 표1과 같은 배합비로 조성을 변화시켰다.

이상과 같은 시험의 결과를 비교하기 위해서 승열제 혼합물의 조성에 따른 코크스 실수율 및 탈인능보존율을 표1에 다시 나타내었다. 여기에서, 코크스실수율은 코크스형태로 취입된 총탄소량에 대한 용철 중으로 용해된 탄소량의 비를 나타내는것으로서 다음 식으로 계산할 수 있다. [%C]_O,i와 [%C]_O,f가 각각 산소만 취입하는 경우의 취입전과 취입후의 용철의 탄소농도의 중량%이고, [%C]_O+P,i와 [%C]_O+P,f가 각각 산소와 승열제를 동시에 취입하는 경우의 취입전과 취입후의 용철의 탄소농도의 중량%이고, W_S는 용철의 양(kg), W_H는 취입된 총승열제의 양(kg), [%C]_H는 승열제 중의 탄소함량의 중량%를 나타낸다.

코크스실수율은 그 절대값이 클수록 코크스가 갖는 용강의 승열효과가 크다는 것을 의미한다. 탈인능보존율은 산소로만 취입한 경우의 탈인량에 대한 산소와 승열제를 동시에 취입한 경우의 탈인량의 비로서 다음과 같은 식으로 나타내어 지며, 그 값이 100에 가까울수록 승열제 취입에 의한 탈인능 저하효과가 작다는 것을 의미하며, 100보다 클수록 승열제 취입에 의해 오히려 탈인능이 개선되는 것을 의미한다. 이 식에서 [%P]_O,i와 [%P]_O,f가 각각 산소만 취입하는 경우의 취입전과 취입후의 용철의 인농도의 중량%이고, [%P]_O+P,i와 [%P]_O+P,f가 각각 산소와 승열제를 동시에 취입하는 경우의 취입전과 취입후의 용철의 인농도의 중량%를 나타낸다.

	승열제 조성 (중량%)	코크스실수율(%)	탈인능보존율(%)
	코크스			생석회
종래예	100	0	85	60
비교예A	80	20	93	85
발명예A	70	30	95	100
발명예B	60	40	95	102
발명예C	40	60	95	108
발명예D	25	75	95	120
발명예E	20	80	95	125
발명예F	10	90	95	130

상기 표 1과 같이, 생석회가 30중량%이상 함유된 승열제 조성물을 사용하는 발명예 A∼F가 종래예나 비교예에 비해 코크스실수율이 향상되어 최대값을 나타낼 뿐만 아니라 탈인능보존율이 100%이상이 되어 승열제를 취입하지 않는 경우 보다 동등 이상으로 탈인능이 개선되는 알 수 있다. 따라서 승열제 조성물 중의 생석회 함량을 30%이상으로 제한하는 것이 적절하다. 그러나, 생석회 함량이 75중량%이상이 되면 코크스에 의한 승열효과와 생석회에 의한 냉각효과가 같아짐으로써 승열제로서의 본래의 기능을 잃어버리기 때문에 75%이하로 제한하는 것이 바람직하기 때문에 생석회 함량을 30∼75중량%로 제한하여야 할 것이다. 이와 같이 본 발명의 승열제는 종래 및 비교예의 승열제 보다 코크스의 반응기구를 개선하여 승열효과를 향상시킬 뿐만 아니라 탈인능을 보존하거나 오히려 개선시킬 수 있는 우수한 방법인 것이다.

[실시예 2]

본 실시예에서는 승열제 혼합물 중 코크스의 적정한 입도 조건을 도출하기 위해서, 실시예 1과 동일한 방법으로 하고, 승열제 중의 생석회의 함량을 40중량%로 하면서 표 2와 같이 코크스의 입자크기를 변화시키면서 승열제 혼합물을 취입할 때의 탈인능보존율을 표2에 다시 나타내었다.

	코크스 입자크기(mm)	탈인능보존율(%)
비교예B	0.1미만	20
발명예 G	0.1∼0.3	100
발명예 B	0.3∼0.5	102
발명예 H	0.5∼1	108
발명예 I	1∼1.5	105
발명예 J	1.6∼2	105

표2와 같이, 승열제 혼합물중의 코크스의 입자크기가 0.1mm이상인 발명예 B, G∼J가 탈인능보존율이 100%이상으로 유지되는 것을 알 수 있다. 따라서, 코크스의 입자크기를 0.1mm이상으로 제한하는 것이 바람직하다. 그러나, 코크스입자가 1mm이상이 되면 분체를 가스에 편승하여 운송하기에는 너무 커서 분체취입 공급설비의 막힘 현상이 발생할 수 있기 때문에 코크스의 입자크기는 0.1-1mm로 제한하는 것이 바람직한 것이다

[실시예 3]

본 실시예에서는 승열제 혼합물 중 생석회의 적정한 입도 조건을 도출하기 위해서, 실시예 1과 동일한 방법으로 하고, 승열제 중의 생석회의 함량을 40중량%로 하면서 표 3과 같이 생석회의 입자크기를 변화시키면서 승열제 혼합물을 취입할 때의 탈인능보존율을 표3에 다시 나타내었다.

	생석회 입자크기(mm)	탈인능보존율(%)
비교예C	0.1미만	85
발명예 K	0.1∼0.3	101
발명예 B	0.3∼0.5	102
발명예 L	0.5∼1	105
발명예 M	1∼1.5	107

표3과 같이, 승열제 혼합물중의 생석회의 입자크기가 0.1mm이상인 본 발명의 승열제 B, K∼N는 탈인능보존율이 100%이상으로 유지되는 것을 알 수 있다. 따라서, 생석회의 입자크기를 0.1mm이상으로 제한하는 것이 바람직하나, 실시예 2의 코크스의 경우와 마찬가지로 생석회 입자가 1mm이상이 되면 분체취입 공급설비의 막힘 현상이 발생할 수 있기 때문에 생석회의 입자크기를 0.1-1mm로 제한하는 것이 바람직하다.

[실시예 4]

본 실시예에서는 승열제 혼합물의 적정한 취입속도 조건을 도출하기 위해서, 실시예 1과 동일한 방법으로 하고, 승열제 중의 생석회의 함량을 40중량%로 하면서 표 4와 같이 승열제의 취입속도를 변화시키면서 승열제 혼합물을 취입할 때의 코크스실수율을 표4에 다시 나타내었다.

	승열제 취입속도(용강1톤당 kg/분)	코크스실수율(%)
발명예 N	0.3	95
발명예 B	0.5	95
발명예 O	1	95
비교예 D	1.1	89
비교예 E	1.3	59

표4와 같이, 승열제 취입속도가 증가함에도 일정한 코크스실수율을 나타내다가 취입량이 용강 톤당1kg/분 이상이 되면(비교방법 D, E) 코크스실수율이 급격히 나빠짐을 알 수 있다. 따라서 승열제 혼합물의 취입속도는 용강 톤당 1Kg/분 이하로 제한하는 것이 바람직하다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 전로 취련 시 전로 내에 코크스계 승열제 혼합물을 산소와 함께 분사 시켜 간단하고 효율적으로 전로가 갖는 본래의 탈인 능력을 유지하거나 향상시키면서 용탕을 가열시킴으로써 용강의 제조원가를 절감시키는 방법을 제공하는 등의 우수한 효과가 있는 것이다.

Claims (4)

1. 크크스분: 25~70중량%와 생석회분: 30~75중량%로 조성되는 전로 승열제.
2. 제 1항에 있어서, 상기 코크스분과 생석회분은 0.1~1mm의 크기임을 특징으로 하는 전로 승열제
3. 전로정련방법에 있어서,

   상기 취련중 청구항 1의 승열제를 용강 톤당 1kg/min 이하의 속도로 산소취입가스로 취입하는 것을 특징으로 하는 전로정련방법.
4. 제 3항에 있어서, 상기 승열제는 0.1~1mm의 크기임을 특징으로 하는 전로정련방법.