KR20040006103A

KR20040006103A - 제선공정에서 생성되는 슬래그의 유동성 향상방법

Info

Publication number: KR20040006103A
Application number: KR1020020039628A
Authority: KR
Inventors: 이영재; 강태인
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2002-07-09
Filing date: 2002-07-09
Publication date: 2004-01-24
Also published as: KR100862086B1

Abstract

본 발명은 선철을 생산하는 제선공정의 조업방법에 관한 것이며, 특히, 용융로의 화입단계에서 HBI(Hot Briquetted Iron)를 장입할 때, 규회석을 함께 첨가하여 슬래그의 유동성이 향상되는 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명에 따르면, 광석과 부원료를 환원로에 장입하는 단계와; 상기 환원로에서 생성된 환원철과 또다른 부원료를 용융로에 장입하는 단계와; 상기 용융로에 규회석을 장입하는 단계와; 외부에서 일반탄을 상기 용융로에 장입하는 단계와; 상기 용융로에서 선철과 슬래그가 생성되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 제선공정에서 생성되는 슬래그의 유동성 향상방법이 제공된다.

Description

제선공정에서 생성되는 슬래그의 유동성 향상방법{A method of improving a movable slag at steel assortment process}

본 발명은 선철을 생산하는 제선공정의 조업방법에 관한 것이며, 특히, 용융로의 화입단계에서 첨가제를 장입하여 슬래그의 유동성이 향상되는 방법에 관한 것이다.

철강의 공정은 크게 제선, 제강, 압연의 단계로 이루어진다. 이 중에서 제선공정은 원료인 철광석을 소결시켜 얻은 소결광과, 코크스 공정을 거친 코크스를 고로에 장입한 후에 철광석을 녹여 선철을 추출하는 공정을 말한다.

이와 같은 제선공정은 최근에 코렉스 공정이라는 새로운 제선공정이 개발되어 사용되고 있다. 이런 제선공정은 기존 고로 제선방식과는 달리 소결공정과 코크스 공정이 생략되고, 철광석과 일반탄을 직접 사용함으로써 공정이 단순화되는 장점이 있다. 이런 제선공정의 조업은 다음과 같이 이루어진다.

도 1은 HBI를 이용한 제선공정을 나타낸 개략도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 이 제선공정은 크게 환원로와 용융로로 이루어져 있다. 제선공정의 환원로에서는 외부로부터 철광석과 부원료로서 석회석 또는 백운석이 공급된다. 이런 철광석은 유동 환원로를 거쳐 환원철로 제조되고, 이런 환원철은 고온 고압하에서 석회석과 반응하여 HBI(Hot Briquetted Iron)로 제조되어용융로에 장입된다. 그리고, 환원로에서 발생된 노정가스는 배출구를 통해 밖으로 배출된다.

이렇게 고온고압하에서 제조된 HBI는 매우 견고하고, 용융로에 괴성화된 상태로 장입된다. 따라서, HBI가 용융로의 내부로 장입되면, HBI는 그 외피층이 고체 금속철로 환원되어 매우 견고한 상태로 용융로의 하부에 도달하게 된다. 또한, 용융로에서는 석탄과 산소가 장입구와 풍구를 통해 공급되면서, 연소과정이 일어난다. 그러면, 용융로에서 여러 용융반응이 일어나고, 선철(용선)과 슬래그가 생성된다.

도 2는 종래의 기술에 따른 용융로에서 생성되는 슬래그의 경로를 나타낸 개략도이다.

도 1 또는 도 2에 도시된 바와 같이, 용융로에서는 HBI와 부원료가 환원로부터 장입된다. 이렇게 용융로에 HBI가 장입되면, 용융로에서의 슬래그 생성은 도 2와 같은 여러 경로를 거치면서 생성된다.

먼저, HBI의 맥석으로부터 유래되는 슬래그는 균질한 성분을 가진다. 반면, HBI의 내부에 갇혀 있는 석회석은 그 용융온도가 매우 높아서 불균질한 슬래그로 생성된다. 그래서, 불균질한 슬래그는 석회석으로부터 부분적으로 용해된 산화칼슘(CaO)이 다량 함유되어 있어 용융온도가 높다. 이런 불균질한 슬래그는 산화칼슘(CaO) 또는 산화마그네슘(MgO)과 같은 염기성 성분으로 구성되고, 용융된 애쉬(ash)에 포함된 이산화규소(SiO₂,실리카)와 산화알루미늄(Al₂O₃, 알루미나)과 같은 산성 산화물과 중화되어 균질한 슬래그로 생성된다. 이렇게 생성된 균질한 슬래그는 중성 화합물이기 때문에 일반적으로 염기도(CaO/SiO₂)가 1를 약간 상회하는 조성을 갖는다.

도 3은 염기도 1의 균질한 슬래그가 형성되는 경로를 나타낸 조성 상태도이다.

도 3에 도시된 바와 같이, HBI 내의 석회석으로부터 유래되는 플럭스(Flux)는 산화칼슘(CaO)이 다량 포함되어 있고, 석탄이 연소된 후에 유래되는 애쉬(ash) 는 이산화규소(SiO₂)가 다량 함유되어 있다. 그러므로, 애쉬(Ash)와 플럭스(Flux)가 잘 중화되어야만 염기도(CaO/SiO₂) 1 정도의 유동성이 양호한 슬래그가 생성된다.

하지만, 용융로에서 이런 정상적인 용융반응이 일어나기 전에는 화입단계(가동한 후 초기 조업단계)에서 불균질한 슬래그가 다량 존재하기 때문에, 조기에 선철을 생산할 수 없는 단점이 있다.

그래서 화입단계에서 유동성이 양호한 슬래그를 생성하기 위한 종래의 기술로는 HBI가 용융로에 장입될 때 전로 슬래그를 HBI제조시에 미리 혼합하여 제조하는 방법이 제시되고 있다. 이런 전로 슬래그는 제선공정을 거친 선철을 다시 정련하는 제강공정에서 불순물과 결합하여 생성되는 슬래그를 말한다.

그러나, 이와 같은 전로 슬래그를 이용한 방법은 경우에 따라 전로 슬래그의 조성이 일정하지 않기 때문에, 용융로에서 생성되는 슬래그의 염기도(CaO/SiO₂=1)조성을 맞추기가 어렵다. 그래서, 이런 방법에 의해 생성된 슬래그는 화입단계에서 경우에 따라 유동성이 불량한 슬래그가 생성되는 단점이 있다.

또한, 전로 슬래그를 HBI제조시 미리 혼합하여 제조하는 방법은 광석으로부터 제거한 불순물 중에서 인(P)이 전로 슬래그에 다량 함유되어 있어 반복적으로 출선작업을 하게 되면, 선철의 품질에 악영향을 주게 된다.

본 발명은 앞서 설명한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 제공된 것으로서, 용융로의 화입단계에서 HBI(Hot Briquetted Iron)를 장입할 때 규회석을 함께 첨가하여 슬래그의 유동성이 향상되는 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

도 1은 HBI(Hot Briquetted Iron)를 이용한 제선공정을 나타낸 개략도이고,

도 2는 종래의 기술에 따른 용융로에서 생성되는 슬래그의 경로를 나타낸 개략도이고,

도 3은 염기도 1의 균질 슬래그가 형성되는 경로를 나타낸 조성 상태도이고,

도 4는 용융로에서 배출된 슬래그로부터 측정된 염기도와 용융온도의 관계를 도시한 그래프이고,

도 5는 용융로에서 배출된 슬래그에 대해 측정한 온도 변화에 따른 염기도와 점도의 관계를 도시한 그래프이고,

도 6은 본 발명의 한 실시예에 따른 제선공정에서 생성되는 슬래그의 유동성 향상방법을 나타낸 흐름도이고,

도 7은 용융로에서 슬래그가 생성되는 단계에 따른 염기도의 변화를 나타낸 그래프이고,

도 8은 규회석의 첨가에 따른 슬래그의 점도변화를 나타낸 그래프이고,

도 9는 규회석의 첨가에 따른 슬래그의 염기도변화를 나타낸 조성 상태도이고,

도 10은 규회석의 첨가에 따른 슬래그의 점도분포를 나타낸 조성 상태도이다.

앞서 설명한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따르면, 광석과 부원료를 환원로에 장입하는 단계와; 상기 환원로에서 생성된 환원철과 또다른 부원료를 용융로에 장입하는 단계와; 상기 용융로에 규회석을 장입하는 단계와; 외부에서 일반탄을 상기 용융로에 장입하는 단계와; 상기 용융로에서 선철과 슬래그가 생성되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 제선공정에서 생성되는 슬래그의 유동성 향상방법이 제공된다.

또한, 상기 규회석의 중량은 상기 용융로에 장입하는 상기 부원료의 중량에대해 그 중량이 10%에서 30%까지 비율인 것이 바람직하다.

아래에서는, 유동성이 양호한 슬래그가 생성되기 위한 염기도와 점도의 조건에 대해 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명하겠다.

일반적으로 유동성이 양호한 슬래그는 점도가 10poise 이하이고, 염기도가 1정도인 상태를 의미한다. 또한, 이런 슬래그는 용융온도가 낮아서 용융로 내에서 쉽게 반응하고, 필요로 하는 선철보다 비중이 가벼워서 선철 위로 떠올라 분리가 용이하다. 그러나, 이런 슬래그는 점도, 염기도 및 용융온도에 따라 그 성질이 달라진다.

도 4는 용융로에서 배출된 슬래그로부터 측정된 염기도와 용융온도의 관계를 도시한 그래프이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 저염기도 슬래그의 용융온도는 고염기도 슬래그의 용융온도보다 낮게 나타난다. 그리고, 슬래그의 염기도가 0.7에서 1.5 부근까지는 염기도가 높아질수록 용융온도가 비례하면서 상승하고, 슬래그의 염기도가 1.5 이상에서는 용융온도에 큰 변화가 없다. 즉, 저염기도 슬래그는 고염기도 슬래그보다 용융온도가 낮게 나타난다.

도 5는 용융로에서 배출된 슬래그로부터 측정된 온도에 따른 염기도와 점도의 관계를 도시한 그래프이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 슬래그의 염기도(CaO/SiO₂)가 0.7미만에서는 그 점도 변동폭은 매우 크게 나타난다. 특히, 슬래그의 용융온도가 낮을수록 그 점도는 높아 유동성이 불량해진다. 즉, 슬래그의 염기도가 높을수록 그 점도는 낮게 나타난다.

도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 유동성이 양호한 슬래그를 생성하기 위해서는 염기도가 0.7 이상이어야 한다. 즉, 슬래그의 염기도 0.7 미만에서는 슬래그의 점도가 높기 때문에, 용융로의 초기 조업이 매우 불리하게 된다.

따라서, 용융로의 화입단계에서 동화 불충분으로 슬래그의 염기도가 낮아서 유동성이 매우 불량하게 되는 현상을 방지하기 위하여, 본 발명은 산화칼슘(CaO)와 이산화규소(SiO₂)가 적당한 비율로(CaO/SiO₂염기도가 1정도) 분포하는 규회석을 첨가하여 슬래그의 염기도를 상승시킴으로써 용융로에서 유동성이 양호한 슬래그를 조기에 생성시킨다.

이하에서는 제선공정에서 생성되는 슬래그의 유동성 향상방법에 대하여 상세히 설명하겠다.

도 6은 본 발명의 한 실시예에 따른 제선공정에서 생성되는 슬래그의 유동성 향상방법을 나타낸 흐름도이다.

제 1단계는 광석과 부원료가 환원로에 장입된다(S1). 여기에서 주로 광석으로는 철광석이 사용되고, 부원료로는 석회석 또는 백운석이 환원로에 장입되어 환원철(HBI)로 제조된다.

제 2단계는 환원로에서 생성된 환원철(HBI)이 용융로에 장입된다(S2).

이때, 제 3단계로서, 규회석이 환원철(HBI)과 함께 화입단계에 첨가되어 용융로에 장입된다(S3).

제 4단계는 외부에서 일반탄이 용융로에 공급된다(S4). 용융로에 공급된 일반탄은 용융로 내부에서 연소되고, 환원철과 반응하면서 점도가 낮은 유동성을 갖는 슬래그를 생성시킨다.

제 5단계는 용융로로부터 선철과 슬래그가 생성된다(S5). 이렇게 생성된 선철은 추출되어 다음 단계인 제강공정이 이루어진다.

아래의 표 1은 본 발명에 사용된 첨가제인 규회석의 화학성분 및 용융온도를 나타낸 것이다.

규회석의 염기도(CaO/SiO₂)는 1보다 약간 높고, 일반적으로 출선되는 슬래그의 염기도 1과 비슷하며 그 융점도 매우 낮다. 따라서, 규회석이 용융로의 화입단계에서 함께 장입되면, 용융로 내에서의 반응은 촉진된다. 또한, 슬래그의 염기도는 상승하고, 생성된 슬래그의 용융온도는 낮아지면서 유동성이 양호한 슬래그가 생성된다.

도 7은 용융로에서 슬래그가 생성되는 단계에 따른 염기도의 변화를 나타낸 그래프이다. 여기에서 슬래그는 용융로의 선철과 슬래그가 일정한 높이에 도달할 경우에 순서대로 추출되고, 그 기준을 탭(Tap)이라 한다.

도 7에 도시된 바와 같이, 화입단계(도 7에 표시된 탭 15단계 부근)에 추출되는 슬래그는 용선온도가 저하된 상태에서 생성되어 균질하지 못하고, 슬래그의 염기도는 매우 낮다. 이는 애쉬(ash)에서 유래되는 슬래그가 높은 온도에서 용융되는 부원료(석회석)와 충분하게 동화되지 않았기 때문에, 저염기도의 슬래그가 생성된 것이다.

그 이후, 추출되는 슬래그는 염기도가 0.7이하에서 큰 변화가 없이 나타난다. 그러나, 규회석이 장입된 단계(도 7에 표시된 탭 24단계) 이후에 추출된 슬래그는 염기도가 0.7에서 1.0부근으로 근접함을 알 수 있다. 이는 규회석이 불균질한 슬래그와 동화되어 슬래그의 염기도가 상승하기 때문이다.

도 8은 규회석의 첨가에 따른 슬래그의 점도변화를 나타낸 그래프이다.

도 8에 도시된 바와 같이, 화입단계에 추출된 저염기도의 슬래그가 규회석을 첨가함에 따라 점도가 낮게 변화한다. 특히, 추출된 슬래그의 용융온도에 상관없이 규회석이 첨가된 경우에는 유동성이 양호한 슬래그(점도가 10poise 이하)가 생성된다.

도 9는 규회석의 첨가에 따른 슬래그의 염기도변화를 나타낸 조성 상태도이다.

도 9에 도시된 바와 같이, 화입단계에서 슬래그 조성의 경시 변화를 산화칼슘, 이산화규소, 산화알루미늄, 산화마그네슘 상태도에 명시한 것이다. 원으로 나타낸 조성상태(a)는 유동성이 불량한 저염기도의 슬래그를 나타낸 것이다. 그리고, 네모로 나타낸 조성상태(b)는 규회석이 첨가된 슬래그의 조성을 나타낸 것이고, 염기도 1(CaO/SiO₂)은 선으로 나타난다. 이것은 슬래그의 조성이 규회석이 첨가됨에 따라 이산화규소(SiO₂)가 다량 함유된 저염기도의 슬래그 상태(a)에서 염기도 1부근에 가까운 고염기도의 슬래그 상태(b) 영역으로 이동한다. 즉, 규회석이 첨가됨에 따라 슬래그 염기도가 상승하는 것이다.

용융온도가 1500℃인 슬래그의 조성상태에서 점도분포는 도 10에 도시된 바와 같다. 규회석이 첨가되기 전의 상태(a')는 점도가 18poise를 나타내고 있지만, 규회석이 첨가된 후에는 슬래그의 조성상태(b')가 점도 5poise를 나타내는 영역으로 이동한다. 즉, 규회석이 첨가됨에 따라 슬래그 점도가 낮아진다.

상기와 같이, 용융로에 첨가되는 규회석의 양에 따라 슬래그의 염기도 및 점도는 아래의 표 2와 같이 변화한다.

표 2에 따르면, 규회석 첨가에 따라 슬래그의 염기도는 상승하고, 점도는 낮아진다. 이는 규회석의 첨가량이 증가할수록 출선되는 슬래그는 낮은 점도를 가진다. 특히, 규회석의 첨가량이 용융로에 장입되는 부원료의 중량의 10%인 경우에는 출선작업을 하기에 적합한 점도 10poise인 슬래그가 생성된다. 또한, 규회석의 첨가량이 부원료 중량의 30%인 경우에는 슬래그의 점도가 더욱 낮아지고, 염기도(CaO/SiO₂)가 1정도에 가까워진다.

즉, 규회석 첨가량이 증가할수록 슬래그의 점도는 더욱 낮아지고 슬래그의 염기도는 높아진다. 하지만, 규회석의 첨가량이 부원료 중량의 30%을 초과하면, 출선작업에 적합한 염기도(CaO/SiO₂) 1을 상회하는 슬래그가 생성되나 그 효과적인 면에 비해 규회석의 첨가비용이 증가하기 때문에 부적합하다.

이와 같은 결과에 따라 규회석의 첨가량이 부원료 중량의 10% ~ 30%일 경우에 용융로의 화입단계에서 유동성이 양호한 슬래그가 생성된다.

앞서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명의 제선공정에서 생성되는 슬래그의 유동성 향상방법은 HBI가 용융로에 장입되는 화입단계에 규회석이 장입되어 슬래그의 점도는 낮고, 슬래그의 염기도는 높은 유동성이 양호한 슬래그가 생성되는 장점이 있다.

또한, 본 발명은 용융로의 화입단계에 유동성을 갖는 슬래그가 생성되어 조속하게 원활한 출선작업을 할 수 있는 장점이 있다.

이상에서 본 발명의 제선공정에서 생성되는 슬래그의 유동성 향상방법에 대한 기술사상을 첨부도면과 함께 서술하였지만, 이는 본 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자이면 누구나 본 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

Claims

광석과 부원료를 환원로에 장입하는 단계와; 상기 환원로에서 생성된 환원철과 또다른 부원료를 용융로에 장입하는 단계와; 상기 용융로에 규회석을 장입하는 단계와; 외부에서 일반탄을 상기 용융로에 장입하는 단계와; 상기 용융로에서 선철과 슬래그가 생성되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 제선공정에서 생성되는 슬래그의 유동성 향상방법.
제 1항에 있어서,

상기 규회석의 중량은 상기 용융로에 장입하는 상기 부원료의 중량에 대해 그 중량이 10%에서 30%까지 비율인 것을 특징으로 하는 제선공정에서 생성되는 슬래그의 유동성 향상방법.