KR20030046946A - 제강용 레이들에서 분진 발생 억제 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전로에 용선을 장입하고 난 다음 또는 연속주조가 끝난 레이들에서 분진 발생을 억제하는 방법에 관한 것으로써, 빈 레이들에 파이프 또는 다수개의 가지가 달린 파이프 형상의 랜스를 이용하여 물을 액적상태 또는 공기, 질소, 아르곤 등의 가스와 혼합하여 분사시키며, 이때 물의 분사유량이 레이들 내용적당 0.5~3ℓ/min-m³인 것을 특징으로 하는 제강용 레이들에서 분진 억제방법을 제공하는 것을 요지로 한다.

Description

제강용 레이들에서 분진 발생 억제 방법{A method of dust suppression in steelmaking ladle}

본 발명은 제강용 레이들에서 분진 발생을 억제하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 제강공정에서 용선을 전로에 장입한 다음 이 레이들에서 발생하는 분진 또는 연속주조가 끝난 다음 이 레이들에서 발생하는 분진을 차단할 수 있는 제강용 레이들에서 분진 발생을 억제하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로 예비처리된 용선을 전로에 장입할 때 사용하는 레이들(이하 장입레이들 이라고 함)에서는 용선을 장입하고 난 다음 다량의 가시분진이 대기중에 방산됨으로써 조업환경을 대단히 열악하게 하고 환경공해를 유발하게 된다. 이 가시분진의 주성분은 적갈색의 철산화물(iron oxide)이며, 발생원인은 도 1에 도시된 바와 같이 레이들 바닥에 남아있는 용선이나 레이들 내화물 벽체에 붙은 용선이 다음과 같이 대기중의 산소와 반응하여 생성되는 것이다.

Fe(ℓ) + 1/2O₂-> FeO(s)

3FeO(s) + 1/2O₂-> Fe₃O₄(s)

2Fe₃O₄(s) + 1/2O₂-> 3Fe₂O₃(s)

그러므로 가시분진은 Fe₃O₄와 Fe₂O₃및 용선으로부터 석출된 탄소(kish graphite)로 구성되어 있으며, 평균크기는 30㎛ 정도로 매우 미세하고, 형상은 대부분이 구형이다.

이와 같이 용선을 전로에 장입하고 난 다음 빈 레이들에서 발생하는 가시분진의 지속시간은 용선온도가 높을수록, 용선을 레이들에 담고있는 체류시간이 길수록 증가하며, 도 2도에서 보는 바와 같이 평균 4분 정도 지속되는 것으로 측정되었다. 이때 레이들은 계속작업을 위하여 천정 크레인에 의해 원래 작업위치로 이동하게 되는데, 이와 같이 이동되는 상황에서 분진이 발생되기 때문에 별도의 집진설비로 분진을 포집하는 것은 거의 불가능하다. 그러므로 레이들에서 발생하는 가시분진은 전부 대기 중으로 방산되며, 입자가 미세하여 공기 중을 부유하면서 작업환경을 오염시키는 주요인으로 작용한다. 이와 같은 가시분진 발생을 억제하기 위하여 액화질소가스나 액화 아르곤가스를 레이들 내부에 분사시키는 방법이 대한민국 공개특허공보 특2000-32277호로 본 발명자들이 출원한 바 있으나 액화 질소가스나 액화 아르곤가스의 경우 공급과 유지, 관리 측면에서 매우 어려운 점이 많은 실정이다.

또한, 전로나 정련로에서 정련된 용강은 주조작업을 위하여 연속주조기로 이송되게 되는데, 이 과정에서 전로나 정련로로 부터 용강을 받아내는 레이들을 수강레이들이라 한다. 용강을 담은 이 수강레이들은 크레인에 의해 연속주조 공정으로 이송되어 연속주조기에 용강을 장입한 다음 계속작업을 위하여 천정 크레인을 이용하여 원래의 작업위치로 이동되게 되는데, 이때 상술한 장입레이들과 같은 상태의빈 레이들로 부터 다량의 분진이 발생되는 문제점이 있다.

상기의 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 액체질소 분사와 동등 이상의 효과를 가지며, 경제적이고 공급 및 유지,관리가 보다 용이한 물을 액적상태 또는 기체와 같이 분사함으로써 효과적으로 레이들에서 가시분진 발생을 억제하여 작업환경을 개선하고 환경오염을 방지하는 제강용 레이들에서 분진 발생 억제 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 통상의 장입 레이들에서 가시분진 발생상태를 나타낸 모식도.

도 2는 통상의 장입 레이들에서 가시분진 발생 지속시간을 나타낸 그래프.

도 3은 레이들 내부온도와 가시분진 발생과의 상관관계를 나타낸 그래프.

도 4는 본 발명의 물 분사량에 따른 이론적인 레이들 내부온도를 나타낸 그래프.

도 5는 본 발명의 액적분사 장치에 의한 장입레이들에 액적분사 상태를 나타낸 모식도.

도 6은 본 발명과 비교예의 액적분사 종료후 레이들 내부온도를 비교한 그래프.

상기의 목적 달성을 위한 본 발명은 제강공정에 사용되는 레이들에서 용선장입 완료 후 또는 연속주조기에 장입한 다음 빈 레이들에서 발생하는 가시분진 발생을 억제하는 방법에 있어서,

빈 레이들에 파이프 또는 다수개의 가지가 달린 파이프 형상의 랜스를 이용하여 물을 액적상태 또는 공기, 질소, 아르곤 등의 가스와 혼합하여 분사시키며, 이때 물의 분사유량이 레이들 내용적당 0.5~3ℓ/min-m³인 것을 특징으로 하는 제강용 레이들에서 분진 억제방법을 제공한다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

일반적인 경우 용선을 전로에 장입하고 난 다음 레이들 내부의 온도는 1200~1300℃의 범위이며, 가시분진 발생 임계온도인 760℃ 까지 자연 냉각되는데 4-5분 소요되며, 냉각되는 도중에 지속적으로 분진이 발생되나, 본 발명에서는 도 3에 나타낸 것처럼 가시분진 발생 경과시간에 따른 레이들 내부온도를 계측한 결과 내부온도가 760℃ 이하로 내려가면 가시분진은 더 이상 발생하지 않았다.

따라서 레이들 내부의 온도 1200~1300℃ 범위에서 가시분진 발생 임계온도인 760℃ 까지 냉각 효과를 극대화 하기위해 도 5에 나타낸 것처럽 액적 분사장치를제작하였다. 분사된 액적이 레이들 벽체 전면에 도달하기 쉽도록 파이프형 액적 분사랜스에 길이방향으로 다수개의 노즐을 부착하거나 상기 액적 분사랜스에 길이방향으로 다수개의 가지형태의 파이프를 장착하고, 그 파이프 끝부위에 분사노즐을 부착하였다. 액적 분사방법은 도 5에 보이듯이 전로 경동장치 일부 벽체에 분사 랜스를 설치하고 천정 크레인에 의해 이동한 레이들을 분사 랜스가 레이들내에 장입이 용이하도록 경동되게 한 다음 분사 랜스를 장입하여 액적을 분사시킨다.

그러므로 본 발명에서는 기화잠열이 546cal/g으로 매우 큰 물을 상기 액적 분사장치의 노즐을 통해 레이들 내부로 물을 액적상태(water mist)로 분무하거나 공기 또는 질소등의 불활성가스와 혼합하여 분무시킴으로써 레이들을 분진발생 임계온도 이하로 강제 냉각시키는 것이다. 레이들 내부로 분사된 액적은 분위기온도가 고온이므로 급격히 기화하며 이때 기화잠열로 인해 레이들 내부온도는 떨어지게 된다. 이때 액적 분무를 중지시키더라도 레이들 내부의 온도가 760℃ 이상으로 상승되지 않도록 해야된다. 직경 3.5m, 높이 4.8m인 원통형이고, 초기 온도가 1300℃인 레이들의 내부온도를 일정온도까지 떨어뜨리는데 필요한 물의 양은 이론적으로 다음과 같이 구할 수 있다.

첫째, 20℃의 물을 T₁℃까지 올리는데 필요한 열량 (Q_water)

- 20℃에서 100℃까지 소모되는 열량 : 80cal/g

- 100℃에서의 기화잠열 : 546cal/g

- 100℃에서 T₁까지 올리는데 소모되는 열량:C_pdt

열대류에 의해 레이들 밖으로 공기가 매우 급속하게 빠져 나오므로 수증기가 레이들내에 체류하지 않는다고 가정하면 세번째 항은 무시할 수 있다.

∴Q_water= 626cal/g

둘째, 레이들내의 공기가 1300℃에서 T₁℃까지 냉각되는데 빼앗기는 열량

- 레이들 내용적 : π(3.5/2)²×4.8=46.158m³=46158ℓ

- 이상기체로 가정하여 mol수를 구하면

n=PV/RT = (1 ×46158/(0.0821 ×1573) = 357.4mol

- 공기의 정압비열(Cp) = 6.713+0.047 ×10^-2T (cal/mol K)

- Q_air= 357.4 {6.713+0.047 ×10^-2T dt (1573K~T₁K)

∴Q_air= 357.4 {6.713(1573- T₁)+0.047 ×10^-2/2 (1573²- T₁ ²)} cal

그러므로 Q_water=Q_air로 놓고, 레이들 내부의 온도를 T₁℃까지 냉각시키는데 필요한 물의 양을 구할 수 있으며, 도 4는 상기와 같은 방법으로 물 분사량에 따른 레이들 내부 온도의 변화를 나타낸 것이다. 이 양은 분사된 물이 전부 레이들 내부에서 기화된다고 가정하였을 경우에 해당되며, 실제적으로는 열대류에 의해 분사된 액적이 레이들 내부에 체류하는 시간이 매우 짧기 때문에 이론치 보다는 훨씬 많은 양의 물이 필요하다.

이하 실시예를 통하여 본 발명을 구체적으로 설명한다.

본 발명에 사용된 액적분사 장치의 모식도는 도 5와 같다. 분사랜스의 길이는 5m이며, 분사된 액적이 레이들 벽체에 도달하기 쉽도록 직경 6mm~10mm의 가지(branch)를 52개 만들었으며, 가지 끝에는 오리피스 직경이 1.9mm인 액적분사 노즐을 부착하였다. 액적분사 유량은 유량계로 제어하였으며, 레이들 내부의 온도는 랜스 끝에 열전대를 부착하여 측정하였다. 액적분사 시험은 250톤 용량의 용선 장입레이들 (직경 3.5m, 높이 4.8m, 내용적 46.2m³)에서 실시하였으며, 가시분진 발생 상황은 육안으로 관찰하였다. 표 1은 본 발명에서의 시험조건과 가시분진 발생상황을 나타낸 것이다.

구 분	액적 분사 유량(ℓ/min-㎥)	분사시간	가시분진발생 여부
비교예1	0.10	2.5	발생
비교예2	0.40	2.5	발생
발명예1	0.65	2.0	미발생
발명예2	1.10	2.0	미발생
발명예3	2.30	1.5	미발생
비교예3	3.30	1.0	미발생

상기 표 1에서 액적분사 유량은 단위시간 당 분사되는 물의 양을 레이들의 내용적으로 나눈 값으로 나타내었다. 비교예1은 액적 분사 중에도 가시분진이 발생되었으며, 비교예 2는 분사 중에는 가시분진이 발생하지 않았으나 분사 중지후 간헐적으로 가시분진이 발생하였다. 발명예 1, 2,3의 경우에는 액적 분사 중은 물론 분사 종료 후에도 가시분진이 전혀 발생하지 않았다. 다만 비교예 3은 분사유량이 많아 짧은 시간 분사하였음에도 불구하고 가시분진이 발생하지 않았다. 그러나 분사되는 물의 양이 많아 레이들 내부 온도가 급격하게 냉각되면 레이들 내화물의 열적 박리(thermal spalling) 현상이 일어나 내화물에 치명적인 손상을 가져올 우려가 있다. 그러므로 분사유량은 가시분진이 발생되지 않음은 물론 열적 박리에 의한 내화물의 손상이 일어나지 않는 범위 내에서 제어하는 것이 좋다.

도 6은 표 1과 같은 조건하에서 액적분사 유량에 따른 액적분사 종료 후 레이들 내부온도 변화를 나타낸 것이다. 비교예 1과 2는 분사 종료후 가시분진 발생 임계온도 보다 높음을 알 수 있고, 발명예 1,2,3 과 비교예 3의 경우는 임계온도 보다 낮게 유지되고 있다. 비교예 3은 냉각효과가 커 가시분진 저감에는 효과적이나 온도가 너무 낮아 내화물의 손상을 가져올 우려가 있다.

한편 가시분진 저감효과를 높이기 위해서는 물을 단독으로 액적상태로 분무(water mist)하기 보다는 공기 또는 질소나 아르곤 등의 불활성가스를 물과 함께 분사하는 에어미스트(air mist) 또는 아토마이징(atomizing)방법도 효과적이다.

상술한 본 발명에 의하면 용선을 전로에 장입하고 난 다음 또는 연속주조기에 장입이 끝난 빈 레이들에 물을 액적상태 또는 공기, 질소, 아르곤 등의 기체와 같이 분무함으로써 빈 레이들에서 발생하는 가시분진을 원천적으로 차단하여 가시분진 발생에 의한 환경오염을 방지하고 조업환경을 개선하는 것이다.

Claims (1)

1. 제강공정에 사용되는 레이들에서 용선장입 완료 후 또는 연속주조기에 장입한 다음 빈 레이들에서 발생하는 가시분진 발생을 억제하는 방법에 있어서,

   빈 레이들에 파이프 또는 다수개의 가지가 달린 파이프 형상의 랜스를 이용하여 물을 액적상태 또는 공기, 질소, 아르곤 등의 가스와 혼합하여 분사시키며, 이때 물의 분사유량이 레이들 내용적당 0.5~3ℓ/min-m³인 것을 특징으로 하는 제강용 레이들에서 분진 억제방법.