KR20100126171A

KR20100126171A - 야자 껍질탄을 이용한 아크로 제강방법

Info

Publication number: KR20100126171A
Application number: KR20097004943A
Authority: KR
Inventors: 미치오 나카야마; 요시히토 마루카와
Original assignee: 스틸플랜테크가부시키가이샤; 교에이세이코 가부시키가이샤
Priority date: 2008-03-28
Filing date: 2008-03-28
Publication date: 2010-12-01
Also published as: CN101558170B; KR101341758B1; CN101558170A; JP5042308B2; WO2009047927A1; JPWO2009047927A1

Abstract

아크로 제강방법은 코코넛 껍질 또는 기름야자 껍질의 탄화에 의해 얻어지고, 12％ 이상의 잔류 휘발분을 갖는 탄화물을 철스크랩에 혼입해서 아크로에 장입하는 스텝과, 상기 철스크랩을 용해해서 용강을 제조하는 스텝을 갖는다. 랜스로부터 아크로내에 취입하는 탄재는 잔류 휘발분이 12％ 미만의 것이 바람직하다.

탄화물, 철스크랩, 용강, 아크로, 야자 껍질탄

Description

야자 껍질탄을 이용한 아크로 제강방법{ARC FURNACE STEELMAKING METHOD USING PALM SHELL CHARCOAL}

본 발명은 철스크랩을 용해해서 용강을 제조하는 아크로 제강방법에 관한 것이다. 특히, 보조 연료 또는 가탄재를 사용해서 용강을 제조하는 아크로 제강방법에 관한 것이다.

제강용 아크로에서 원료인 철스크랩을 용해하고 정련해서 건축 재료 등에 사용되는 강재(steel product)를 제조한다. 이 아크로의 주된 에너지원은 전열(아크열)이다. 용해와 정련의 촉진과 고가인 전기 에너지 절감을 위해서, 산소 가스(철의 산화 용해용), 기체 연료 또는 액체 연료, 및 분코크스(coke breeze) 등의 보조 열원이 추가로 사용되고 있다. 근대적인 제강용 아크로에서 전열과 보조 연료의 사이의 에너지 입력량의 비는 50:50에 달하고 있다. 보조 열원의 사이에서 코크스와 코크스의 대체물로서의 무연탄, 및 오일 코크스 등의 고형 탄소분을 많이 함유하는 고체 연료가 가장 중요하다. 이들 고체 연료는 열원으로서 뿐만 아니라 환원제로서도 작용하여, 정련 공정 그 자체에 있어서 중요한 역할을 하고 있다. 현재, 코크스는 철 1톤당 20∼30㎏의 양이 사용된다.

그렇지만, 코크스와 무연탄 등의 탄재의 대량 사용에 의해, 화석 연료 유래 의 대량의 이산화탄소 가스, 즉 온실 가스가 대기 중에 배출되게 된다. 예를 들면, 연 생산 1,000,000톤인 표준적인 규모의 제강공장에서, 85 질량％의 탄소분을 갖는 분코크스를 용강 1톤당 25㎏ 사용하면, 이 제강공장만으로 년당 77,916톤의 이산화탄소 가스가 배출되게 된다.

이와 같이, 아크로 제강공정에서 화석 연료인 코크스와 무연탄 등의 탄재가 사용되고, 그 결과, 지구 온난화 가스(온실 가스)인 이산화탄소 가스가 대량으로 대기 중에 배출되게 된다. 이 화석 연료로 이루어지는 탄재를 대신해서 목탄 등의 바이오매스 탄화물을 사용하면, 이론상으로 온실 가스의 배출은 0으로 줄어든다. 또한, 바이오매스 연료로부터 발생되는 이산화탄소 가스는 "카본ㆍ뉴트럴(carbon neutral)"이라고 불리고, 온실 가스(지구 온난화 가스)의 카테고리 하에는 포함되지 않는다.

본 발명의 목적은 아크로에서 철스크랩 등과 같은 냉철원(cold iron source)의 용해와 정련에 의해 용강을 제조하는 공정에서, 코크스의 물성에 가까운 바이오매스 탄화물을 코크스의 대체로서 사용하는 것으로, 대량의 온실 가스의 발생을 삭감할 수 있는 아크로 제강방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위해서 본 발명은,

코코넛 껍질 또는 기름야자 껍질의 탄화에 의해 얻어지고, 12％ 이상의 잔류 휘발분을 갖는 탄화물을 철스크랩에 혼입해서 아크로내에 장입하는 스텝과,

상기 철스크랩을 용해해서 용강을 제조하는 스텝을 포함하는 아크로 제강방법을 제공한다.

상기 장입하는 스텝은,

코코넛 껍질 또는 기름야자 껍질의 탄화에 의해 얻어지고, 12％ 이상의 잔류 휘발분을 갖는 탄화물을 화석 연료 유래의 탄재와 함께 철스크랩에 혼입해서 아크로내에 장입하는 것을 포함한다.

본 발명에 따른 아크로 제강방법은, 코코넛 껍질 또는 기름야자 껍질의 탄화에 의해 얻어지고, 12％ 미만의 잔류 휘발분을 갖는 탄화물을 랜스로부터 아크로내에 취입하는 스텝을 추가로 포함하는 것이 바람직하다.

도 1은 야자 껍질탄의 탄화온도/시간과 수율의 사이의 관계를 나타내는 그래프이다.

도 2는 수율과 잔류 휘발분의 사이의 관계를 나타내는 그래프이다.

도 3은 아크로에 있어서 본 발명을 실시하고 있는 상태를 나타내고, 스크랩의 용해 초기의 상태를 나타내는 개략도이다.

도 4는 아크로에 있어서 본 발명을 실시하고 있는 상태를 나타내고, 스크랩이 용해된 직후의 상태를 나타내는 개략도이다.

도 5는 아크로에 있어서 본 발명을 실시하고 있는 상태를 나타내고, 승온 완료 후의 용강의 정련기를 나타내는 개략도이다.

※도면의 주요부에 대한 부호 설명

1: 아크로 2: 로 본체

3: 로 측벽 4: 덮개

5: 그래파이트 전극 6: 산소가스 취입용 랜스

7: 탄재 취입용 랜스 8: 덕트

9: 스크랩 10: 용강

11: 용융 슬래그 12: 아크

20: 탄화물

아크로 제강공정에 있어서, 탄소를 포함하는 고체 연료가 사용되고, 화석 연료 유래의 대량의 이산화탄소가 대기 중에 배출되어 있다. 배출된 이산화탄소는 온실 가스를 구성하게 된다. 코크스를 대신해서 바이오매스 탄화물을 사용하면, 이론상으로 온실 가스의 배출은 0으로 줄어든다. 그러나, 많은 경우에서 바이오매스 탄화물의 고형 탄소분은 코크스에 비해 적고, 바이오매스 탄화물은 그 부피밀도 (bulk density)가 극히 작기 때문에 비산되기 쉬운 문제들이 있다. 따라서, 아크로 제강공정에서 바이오매스 탄화물은 고체 연료로서 사용되고 있지 않다.

말레이시아와 인도네시아에서는 코코넛 또는 기름야자 산업이 주요 산업 중 하나이다. 대량으로 발생되는 야자껍질은 탄화되어 탄화물(Cahrcoal)로 제조된다. 이하, 코코넛 껍질 또는 기름야자 껍질의 탄화에 의해 얻어지는 탄화물을 "야자 껍질탄"이라고 부른다. 이 코코넛 껍질탄은 부피 밀도가 코크스보다 약간 작고, 높은 고형 탄소분을 갖고 있어서, 야자 껍질탄을 코크스 등 화석 연료의 대체물로서 충분히 사용 가능하다. 표 1에 기름야자 껍질탄과 코크스의 사이의 물성의 비교를 나타낸다.

표 1에 나타내는 바와 같이, 야자 껍질탄은 코크스와 비교해서 높은 발열량, 낮은 회분 및 낮은 유황분을 갖기 때문에, 우수한 연료이다. 그러나, 야자 껍질탄의 용도는 현상에서는 대체로 활성탄용 원료로서 한정되어 사용되며, 그 생산 규모가 작다. 또, 근래의 화석 연료 가격의 급격한 상승에 따라서, 야자껍질이 석탄보다 더욱 고액의 연료로서 거래되기 시작하였다. 그 결과, 전기로 제강사가 계속적으로 야자껍질을 사용하는 상황은 아니다. 인도네시아와 말레이시아에서 코크스 또는 대체 화석 연료의 가격은 180∼200US$/ton, 야자껍질 가격은 40US$/ton, 야자 껍질탄 가격은 250∼270US$/ton이다. 따라서, 전기로 제강사가 야자 껍질탄을 계속적으로 사용하는 것은 아니다.

현재, 아크로 제강공정에서 폭 넓게 사용되고 있는 코크스, 무연탄, 오일 코크스 등의 고형 탄소분은 85％ 이상이고, 휘발분은 8％ 이하이다. 야자 껍질탄의 고형 탄소분을 85％ 이상으로 올리고, 야자 껍질탄의 휘발분을 8％ 이하로 내리기 위해서, 야자 껍질탄의 제조하는 동안 탄화온도를 높이고, 탄화시간을 연장할 필요가 있으며, 수율은 작아진다. 이 수율은 그로 인해 얻어진 야자 껍질탄의 중량을 구해진 야자껍질의 중량으로 나눔으로써 얻어진 값이다. 현재, 활성탄용 원료로서 제조되고 있는 야자 껍질탄의 경우에서 수율은 약 22％∼25％이다. 이 야자 껍질탄의 현재의 가격은 전술한 바와 같이 250∼270US$/ton이며, 야자껍질 가격에 크게 좌우된다. 표 2는 야자 껍질탄의 1톤의 제조와 선적에 대한 가격 구성의 예를 나타낸다.

이와 같이, 현재 상품으로서 유통되고 있는 야자 껍질탄의 레벨까지 휘발분을 내림으로써 수율을 작게 하면, 원료 비용의 비율이 61.5％로 커지고, 화석 연료에 대해 경제적인 경쟁력을 잃는다. 화석 연료 가격은 전술한 바와 같이, 현재 180∼200US$/ton이다.

본 발명은 제강용 전기로에서 사용 가능한 레벨까지 야자 껍질탄 중의 휘발분을 남기고, 수율(Yield)을 높임으로써 대체 야자 껍질탄의 경제성을 높이는 것이다. 예를 들면, 35％의 수율에서 원료 비용은 114US$이고, 야자 껍질탄 가격은 214US$/ton이다. 45％의 수율에서 원료 비용은 89US$이고, 야자 껍질탄 가격은 189US$/ton이다. 따라서, 화석 연료에 대해 경쟁력을 확보할 수 있다.

수율을 높이기 위해서는 야자 껍질탄의 제조 공정에서 탄화온도를 낮추고, 탄화시간을 짧게 한다. 도 1은 야자 껍질탄의 탄화온도/시간과 수율의 사이의 관계를 나타낸다. 도 2는 수율과 잔류 휘발분의 사이의 관계를 나타낸다.

본 발명에 있어서는 야자 껍질탄의 제조공정에서 수율을 높이고, 높은 휘발분(12％ 이상)을 갖는 야자 껍질탄을 제조한다. 이 야자 껍질탄을 전기로에서 사용할 때에는 야자 껍질탄의 조립자(coarse particles)를 용해 전의 스크랩에 혼입해서 로(furnace)내에 장입한다. 휘발분은 스크랩 용해 시에 연소하고, 열원으로서 작용하며, 남은 고형 탄소분은 가탄재로서 작용한다. 스크랩과 혼입된 탄재는 완전히 야자 껍질탄으로 이루어져도 좋고, 또는 야자 껍질탄의 일부와 종래에 사용되던 저(low)휘발분 및 고(high)고형 탄소분의 일부로 이루어져도 좋다. 고휘발분의 탄재를 용강 또는 슬래그 내에 취입하면, 슬래그 포밍(slag forming) 또는 슬래그 중의 산화철의 환원에 악영항이 있다고 하는 보고서가 있다(세이코 덴키(Denki-Seiko), 「전기로강」 제56권 제1호(1985년 1월호) "고형 탄소에 의한 용융 슬래그 중, FeO의 환원"). 따라서, 로내에 취입한 탄재는 종래의 경우와 같이 저휘발분과 고고형 탄소분을 사용하는 것이 바람직하다.

다음에, 철스크랩을 용해하고 정련해서 용강을 제조하는 아크로 제강방법에 있어서의 코크스의 대체로서 야자 껍질탄을 이용한 구체적인 세부 공정에 대해 설명한다. 도 3∼도 5는 아크로에 있어서 냉철원을 용해할 때에 본 발명을 실시하고 있는 상태를 나타내는 개략도이다. 도 3은 냉철원의 용해 초기의 상태를 나타내고, 도 4는 냉철원의 용해 직후의 상태를 나타내며, 도 5는 아크로 제강공정 말기에서 승온의 완료 후 용강 정련기를 나타내고 있다.

도 3∼도 5에 있어서, 외부의 철껍질과 내부의 내화물을 포함하는 로 본체 (2)의 주변에서 상부측에 금속으로 이루어진 수냉식의 로 측벽(3)이 배치되고, 상기 로 측벽(3)의 상부 개구부는 개폐가 자유롭고, 또한 금속으로 된 수냉식의 덮개 (4)로 덮여져 있다. 상기 덮개(4)를 관통하고, 로 본체(2)내에서 상하로 움직이는 3개의 그래파이트 전극(5)이 설치되어 있다. 각 그래파이트 전극(5)은 3상의 교류 전원(도면 없음)에 연결되어 있고, 전극(5)간의 사이와, 각 전극(5)과 냉철원(9) 및 용강(10) 등의 로내 장입물과의 사이에서 아크(12)를 발생시키도록 되어 있다.

또, 로 측벽(3)을 관통하고, 로 본체(2)내에서 상하로 움직이는 산소가스 취입용 랜스(6)와 탄재 취입용 랜스(7)가 설치된다. 산소가스 취입용 랜스(6)로부터 산소 가스가 로 본체(2)내에 취입하고, 탄재 취입용 랜스(7)로부터 반송용 가스로서 사용되는 공기, 질소 가스 등과 함께, 탄재가 로 본체(2)내에 취입한다. 덮개(4)에는 덕트(8)가 설치되고, 로내에서 발생하는 고온의 배기 가스는 집진기(도면 없음)를 이용해서 덕트(8)를 통해 흡인된다. 또, 로 본체(2)에는 출강구(tap hole)(도면 없음)가 설치되어 있다.

우선, 스크랩(9)과, 코코넛 껍질 또는 기름야자 껍질의 탄화에 의해 얻어지며, 12％ 이상의 잔류 휘발분을 갖는 탄화물(20)이 크레인 등에 매달린 공급 버킷(도면 없음)으로부터 덮개(4)가 개방된 아크로(1)내에 장입된다(이 시기를 "원료 장입기"라고 부름). 이어서, 덮개(4)를 덮고, 전극(5)을 로내에 삽입하며, 각 전극(5)과 스크랩(9)의 사이에서 아크(12)를 발생시키고, 그로 인해 발생하는 아크열에 의해 스크랩(9)을 용해해서 용강(10)을 제조한다(이 시기를 "스크랩 용해기"라고 부름). 스크랩과 함께 로내에 장입된 탄화물 중의 잔류 휘발분은 용해하는 동안에 연소하고, 열원으로서 작용하며, 남은 고형 탄소는 가탄재로서 작용한다. 통상, 용강(10)이 제조되면, 생석회 또는 형석 등의 용매제를 로내에 장입하고, 용융 슬래그(11)를 용강(10) 위에 형성시켜서, 용강(10)을 산화로부터 방지하며, 용강 (10)을 따뜻하게 유지한다. 그리고, 로내에 장입된 모든 스크랩(9)이 용해되면, 그로 인해 생성된 용강(10)을 아크열에 의해서 소정의 온도로 가열시킨다(이 시기를 "승온기"라고 부름). 온도가 소정 레벨로 올라간 후에 용강(10)의 성분 조정을 실행한다(이 시기를 "정련기"라고 부름). 그 후, 용강(10)을 출강구를 통해 용강 유지 용기로 출강하고, 출강한 후에는 필요에 따라서 용융 슬래그(11)를 슬래그 포트 등으로 배출한다(이 시기를 "출강/슬래그 제거기"라고 부름). 즉, 원료 장입기, 냉철원 용해기, 승온기, 정련기, 및 출강/슬래그 제거기를 1 사이클로 구성한다. 따라서, 스크랩(9)로부터 용강(10)이 제조된다.

본 발명에 있어서는 스크랩 용해기, 승온기, 및 정련기에서 코크스의 대체로서, 야자 껍질탄을 보조 연료 또는 가탄재로서 사용할 수 있다.

스크랩 용해기에서는 각 전극(5)과 스크랩(9)의 사이에서 아크(12)를 발생시키고, 그로 인해 발생하는 아크열로 스크랩(9)을 용해해서 용강(10)을 제조한다. 탄화물(20) 중의 잔류 휘발분은 용해하는 동안에 연소하고, 열원으로서 작용하며, 남은 고형 탄소는 열원과 가탄재로서 작용한다. 도 3에 나타내는 바와 같이 스크랩(9)이 원만하게 용해되게 하기 위해서, 로내에 퇴적되는 스크랩(9)을 향해, 산소가스 취입용 랜스(6)로부터 산소 가스를 취입하고, 탄재 취입용 랜스(7)로부터 저휘발분과 고고형 탄소분의 탄재를 취입한다. 스크랩(9)은 취입하는 산소 가스에 의해 일부 산화되고, 산화열에 의해 가열되며 용해된다.

승온기에서는 퇴적되는 스크랩(9)이 완전히 용해된 후로부터, 고온의 아크 (12)가 노출되어 큰 열손실과 로 본체(2)의 측벽 내화물의 손상을 초래할 수 있다. 따라서, 본 발명에서는 냉철원 용해기에 있어서 용강(10)이 제조될 때에, 생석탄 또는 형석 등의 용매제를 로내에 장입하고, 용융 슬래그(11)를 형성시켜서 용강 (10)을 산화로부터 방지하며, 용강(10)을 따뜻하게 유지한다. 승온기에는 도 4에 나타내는 바와 같이, 산소가스 취입용 랜스(6)와 탄재 취입용 랜스(7)의 각 선단을 용융 슬래그(11)에 침지시키고, 용융 슬래그(11)내에, 산소가스 취입용 랜스(6)로부터 산소 가스를 취입하고, 탄재 취입용 랜스(7)로부터는 탄재를 취입한다. 취입하고, 용융 슬래그(11)에 매달린 탄재는 취입된 산소 가스와 반응해서 연소열을 발생하고, 보조 열원으로서 작용해서 전력 사용량을 절약한다. 그와 동시에, 반응 생성물인 CO 가스가 용융 슬래그(11)를 거품이 일게 하므로, 아크(12)가 거품이 일어난 용융 슬래그(11)에 의해 싸여서, 아크(12)의 열전달율이 향상된다. 용융 슬래그(11)가 거품이 이는 현상을 "슬래그의 포밍"이라고 부르고 있다.

정련기에서는 도 5에 나타내는 바와 같이, 탄재를 탄재 취입용 랜스(7)로부터 용융 슬래그(11)내에 취입한다. 이에 따라, 용융 슬래그 중의 산화철이 환원되고, 철분으로서 용강(10)에 첨가된다. 또, 용융 슬래그에서 산화철의 환원 반응으로 생성되는 CO 가스에 의해서 용융 슬래그(11)가 거품이 일어나게 되므로, 전술했던 승온기와 마찬가지로 아크(12)가 거품이 일어난 용융 슬래그(11)에 의해 싸여서, 아크(12)의 열전달율이 향상된다. 또한, 탄재를 성분 조정용의 가탄재로서 사용할 때에는 탄재 취입용 랜스(7)의 선단을 용강(10)에 침지시키고, 탄재를 용강내에 취입한다.

[실시예]

인도네시아의 전기로 제강공장에서 고휘발분 야자 껍질탄의 사용을 시험했다. 이 시험에 있어서 사용된 야자 껍질탄의 물성을 표 3에 나타낸다. 이 야자 껍질탄의 휘발분은 48.1％로 매우 높으므로, 안전을 고려하여 스크랩과 혼입된 탄재 전체의 50％의 양을 사용하고, 남은 50％는 무연탄(휘발분 2％)을 사용했다. 따라서, 스크랩과 혼입된 탄재의 휘발분은 25％로 계산된다. 표 4에 시험 결과의 개요를 나타낸다.

표 4 중의 탄화물 A(Charcoal A)는 표 1에서 야자 껍질탄에 상응하고, 표 4 중의 탄화물 B(Charcoal B)는 표 3에서 고휘발분의 야자 껍질탄에 상응한다. 탄화물 B(Charcoal B)는 Heat No. 7, No. 8에서 무연탄과 혼합하여 사용된다. 전기로의 성능의 평가에 근거하여, Tap to Tap 시간(1 heat 소요시간:분)과 전력 소비율은 코크스를 사용할 경우보다 좋은 수치를 나타내고 있다. 이것은 고휘발분이 효과적인 열원으로서 작용됐기 때문이다. 출강 시의 용강 중의 탄소분(％)은 가탄 효과에 악영향은 없다.

본 발명에 따르면, 대량의 온실 가스의 발생을 삭감할 수 있다.

Claims

코코넛 껍질 또는 기름야자 껍질의 탄화에 의해 얻어지고, 12％ 이상의 잔류 휘발분을 갖는 탄화물을 철스크랩에 혼입해서 아크로에 장입하는 스텝과,

상기 철스크랩을 용해해서 용강을 제조하는 스텝을 포함하는 야자 껍질탄을 이용한 아크로 제강방법.
제 1 항에 있어서,

상기 탄화물을 철스크랩에 혼입해서 아크로에 장입하는 스텝은,

코코넛 껍질 또는 기름야자 껍질의 탄화에 의해 얻어지고, 12％ 이상의 잔류 휘발분을 갖는 탄화물을 화석 연료 유래의 탄재와 함께 철스크랩에 혼입해서 장입하는 것을 포함하는 야자 껍질탄을 이용한 아크로 제강방법.
제 1 항에 있어서,

코코넛 껍질 또는 기름야자 껍질의 탄화에 의해 얻어지고, 12％ 미만의 잔류 휘발분을 갖는 탄화물을 랜스로부터 아크로내에 취입하는 스텝을 추가로 포함하는 야자 껍질탄을 이용한 아크로 제강방법.
제 1 항에 있어서,

저휘발분의 탄재를 랜스로부터 아크로내에 취입하는 스텝을 추가로 포함하는 야자 껍질탄을 이용한 아크로 제강방법.