KR20160048409A - 전기로의 산소 및 가탄재 공급방법 - Google Patents

전기로의 산소 및 가탄재 공급방법 Download PDF

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KR20160048409A
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유정민
김영환
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동국제강주식회사
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Abstract

본 발명은 전기로의 산소 및 가탄재 공급방법으로서, 더욱 상세하게는 전기로 제강공정에서 산소 및 가탄재의 공급비 설정을 통해 승열기 전력원단위를 절감하는 전기로의 산소 및 가탄재 공급방법에 관한 것이다. 본 발명의 일실시예는 전기로의 산소 및 가탄재 공급방법으로서, 상기 전기로에 스크랩이 장입되어 아크(arc)로 용해하는 용해단계 및 상기 용해기에 의한 용강을 산화시키며 슬래그가 포밍(foaming)되도록 산소 및 가탄재를 공급하는 승열단계를 포함하고, 상기 승열단계에 공급되는 산소 및 가탄재 공급비는 0.8~1.2인 것을 특징으로 하는 전기로의 산소 및 가탄재 공급방법을 제공한다.

Description

전기로의 산소 및 가탄재 공급방법{METHOD FOR SUPPLYING THE OXYGEN AND CARBON MATERIAL IN ELECTRIC FURNACE}
본 발명은 전기로의 산소 및 가탄재 공급방법으로서, 더욱 상세하게는 전기로 제강공정에서 산소 및 가탄재의 공급비 설정을 통해 승열기 전력원단위를 절감하는 전기로의 산소 및 가탄재 공급방법에 관한 것이다.
일반적으로 전기로(電氣爐, Electric Arc Furnace)는 열을 발생시켜 쇠를 녹이는 가열로를 뜻하며, 이 녹이는 과정을 제강(製鋼)이라 하고, 제강의 공정에 있어서 용융된 형태의 강을 용강(Molten Steel)이라 한다.
전기로는 전열(電熱)을 이용하여 피용융재인 스크랩을 가열하는 노설비로, 전극부로부터 스크랩에 아크(arc) 형태로 전류를 흘려보내 스크랩을 가열시킨다.
이때, 전극부의 전원은 3상의 교류로 이루어질 수 있으며, 용량은 수백 내지 수천 kW로 공급되어 스크랩을 용융시켜 용강으로 형성한다.
전기로는 통상적으로 노체부, 덮개부, 환원제공급부, 산소공급부로 이루어진다.
노체부의 일측에는 노체부의 내부에 수용되는 슬래그(slag)를 배출시키는 배재부가 형성되고, 노체부의 하부에는 노체부의 내부에 수용되는 용강을 래들(ladle)로 배출시키는 출강부가 형성된다.
노체부의 상부에는 노체부와 선택적으로 결합되는 덮개부가 구비되며, 덮개부에는 철계 스크랩(이하 스크랩, scrap)을 용융시키기 위한 전극부가 구비된다.
환원제공급부에는 작업구인 탄소랜스부재 및 카부젯부재가 포함되고, 산소공급부에는 작업구인 산소랜스부재 및 버너가 포함된다.
일반적으로 전기로는 스크랩을 원료로 용강을 제조하는데, 스크랩을 전기로에 장입 후, 전극부에 고전류를 통전하면 고열의 아크열이 발생되면서 고철을 용해한다.
용해된 용강에는 산소랜스부재를 통해 산소가 취입된다.
이후에는 용강 상부에서의 부원료, 예컨대, 생석회, 돌로마이트, 플럭스, 형석 등의 투입으로 인해 용강의 상부에 불순물을 포함하는 슬래그가 발생된다.
이러한 슬래그는 용강의 상부로 부상(浮上)하여, 용해된 용강과는 별도의 독립된 층을 이루게 된다.
그리고, 용강 내로 산소 및 탄소를 슬래그 경계면에 취입시 산소와 탄소의 관계식 (1) 및 슬래그 중 산화철(FeO)의 환원 관계식 (2)를 통해 일산화탄소(CO)가 생성된다.
관계식 (1) C + 1/2O = CO (gas)
관계식 (2) FeO + C = Fe + CO (gas)
전술한 것과 같은 관계식에서 생성된 일산화탄소 가스는 슬래그 내에 형성되어 슬래그가 부풀어 오르는 현상, 즉 슬래그 포밍(foaming)을 발생시키는 원인이 된다.
한편, 전기로 조업시 승열기에서 산소 및 탄소를 슬래그층에 효과적으로 취입됨으로써, 공급된 탄소원의 산화 반응으로 발생된 슬래그(포밍 상태)는 아크열이 대기에 노출되지 않도록 보호하여 전력원단위를 저감할 수 있기 때문에 전기로 조업에서 매우 중요한 조업기술이다.
이를 위해, 종래에는 등록실용신안 제 20-0255774호를 제시하였지만, 작업자가 랜스부재를 조작하여 산소 및 가탄대(탄소원) 취입하는 과정이 수동 조작에 의해 이루어지기 때문에, 작업자의 숙련도 및 주관적인 판단이 주요했으며, 이로 인해, 정량적이지 못한 산소 및 가탄재의 취입범위가 설정되어 작업 효율성에 문제가 발생하였다.
본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명은 전기로 제강공정에서 산소 및 가탄재의 공급비 설정을 통해 승열기 전력원단위를 효과적으로 절감하는 전기로의 산소 및 가탄재 공급방법을 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시예는 전기로의 산소 및 가탄재 공급방법으로서, 상기 전기로에 스크랩이 장입되어 아크(arc)로 용해하는 용해단계 및 상기 용해기에 의한 용강을 산화시키며 슬래그가 포밍(foaming)되도록 산소 및 가탄재를 공급하는 승열단계를 포함하고, 상기 승열단계에 공급되는 산소 및 가탄재 공급비는 0.8~1.2인 것을 특징으로 하는 전기로의 산소 및 가탄재 공급방법을 제공한다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 승열단계는, (a) 공급된 산소 및 가탄재 비율과 전력원단위와의 상관관계를 분석하는 단계와, (b) 상기 상관관계 분석을 통해 산소 및 가탄재 공급비를 설정하는 단계 및 (c) 상기 산소 및 가탄재 공급비를 이용하여 슬래그에 산소 및 가탄재를 공급하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 가탄재는, 탄소분말, 괴코크스 및 가공분탄 중 어느 하나일 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 전기로 제강공정에서 승열기 조업시 산소 및 가탄재의 비율과 전력원단위와의 상관관계를 분석함으로써, 승열기 조업시 0.8~1.2의 산소 및 가탄재 공급비가 전력원단위를 절감하는 최적의 범위임을 예측할 수 있다.
또한, 산소 및 가탄재의 정량적인 공급범위의 설정을 이용하여 슬래그의 포밍현상을 향상시킴으로써, 전기로의 전극부에서 발생한 아크가 대기에 노출되지 않게 보호하여 열방산의 손실을 절감할 수 있다.
더욱이, 향상된 슬래그의 포밍현상으로 인해 전극부상의 아크가 대기에 노출되지 않기 때문에, 아크에 의한 노체 측벽부의 손상을 방지할 수 있고, 용강에서 아크의 열전달 효율이 향상되며, 대기로부터의 질소 흡입을 방지할 수 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명에 따른 전기로의 산소 및 가탄재 공급방법의 전체과정을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 전기로에서의 승열기 조업시 산소 및 가탄재 공급비와 전력원단위의 상관관계를 나타내는 그래프이다.
도 3(a)는 본 발명에 따른 전기로에서의 승열기 조업시 산소 및 가탄재 공급비가 0.4~0.8인 비교예의 전력원단위 변화를 나타내는 그래프이다.
도 3(b)는 본 발명에 따른 전기로에서의 승열기 조업시 산소 및 가탄재 공급비가 0.8~1.2인 실험예의 전력원단위 변화를 나타내는 도면이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 전기로의 산소 및 가탄재 공급방법의 전체과정을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 1에서 도시한 것과 같이, 본 실시예에 따른 전기로의 산소 및 가탄재 공급방법을 도출하게 된 경위를 설명하기 전에 전기로의 전체과정을 개략적으로 설명하겠고, 하기의 전기로 공정과정으로 한정하는 것은 아니다.
전기로에서의 전체 조업과정은 스크랩 장입 횟수에 따라 1차 장입, 1차 용해, 2차 장입, 2차 용해, 승열, 출강의 순서로 이루어진다.
전기로 공정에서는 용해된 용강을 적절한 온도 및 성분으로 조성하기 위해서 산소 및 탄소원(이하 가탄재)을 슬래그 중에 취입시켜 공급된 가탄재를 산화 반응시킨다.
이때, 발생되는 산화 반응열을 이용하여 용강을 목표 온도까지 승온하며, 용강 중의 불순물을 산화 및 정련한 후 출강하는 과정을 거친다.
전술한 가탄재가 슬래그 중에 투입됨으로써, 슬래그 포밍이 조성되어 전력사용량 절감, 아크에 의한 전기로 벽체 파손, 및 산소 및 가탄재를 공급하는 랜스의 취입시 발생하는 스플래쉬(splash)에 의한 전기로 벽체 용손 등을 방지할 수 있다.
슬래그 포밍(slag foaming)현상은 용강 상부 표면과 슬래그와의 경계면에서 산소와 탄소가 반응하여 일산화탄소 등 가스를 발생시키며, 이로 인해, 슬래그가 부풀어 올라 아크를 감싸주는 현상이다.
따라서, 슬래그 포밍은 전기로의 전극부에서 발생된 아크의 대기노출을 방지하여 용강으로의 아크열 전달 효율을 향상시키며, 대기에 의한 용강으로의 질소 흡입을 방지하여 품질향상에 기여할 수 있다.
더욱이, 고온의 아크로부터 냉각설비를 보호하여 누수를 방지하는 등의 역할을 하며, 특히, 전극부의 산화에 의한 전극 소모를 줄일 수 있다.
이를 위해, 본 실시예에 따른 전기로의 산소 및 가탄재 공급방법에서는, 먼저, 전기로에 1차 스크랩이 투입되고, 탄소전극을 이용한 높은 에너지의 아크열에 의해서 고체의 스크랩을 용해하는 1차 용해기가 진행될 수 있다.
그 사이에 슬래그 형성제의 1차 부원료 투입이 이루어지고, 이후 스크랩의 용해 상황에 맞춰 2차 스크랩이 투입될 수 있다.
이후에는 다시 아크로 2차 용해를 실시하면서 추가 부원료를 투입하는 2차 용해기가 진행되는데, 여기까지의 과정을 용해기라고 한다.
그리고, 이후 스크랩이 대부분 녹아 용융(melt down)된 용강의 온도를 높이고, 출강의 탄소 성분을 맞추기 위해 추가적으로 산소와 가탄재를 이용하여 용강을 산화시키며 슬래그를 포밍시키는 작업을 하는데, 여기까지의 과정을 승열기라 한다.
이후 출강온도를 측정하며, 대기하고 있는 래들로의 용강 출강이 구현될 수 있다.
이때, 전기로의 공정에서는 작업자의 숙련도 및 주관적인 판단이 주요하며, 비정량적인 산소 및 가탄재의 취입범위가 설정됨에 따라 발생하는 작업 효율의 편차를 해소하고자, 본 실시예에서는 승열기 조업시에 정량적으로 제어된 산소 및 가탄재 공급방법을 제시한다.
따라서, 승열기에 슬래그 포밍을 향상시키기 위해 공급비가 0.8~1.2로 설정된 산소 및 가탄재를 올바르게 공급함으로써, 발생되는 조업상의 불필요한 전력원단위의 상승을 절감할 수 있다.
한편, 본 실시예에 따른 전기로의 산소 및 가탄재 공급방법은 전기로에 스크랩이 장입되어 아크(arc)로 용해하는 용해단계 및 용해기에 의한 용강을 산화시키며 슬래그가 포밍(foaming)되도록 산소 및 가탄재 공급비를 0.8~1.2로 공급하는 승열단계를 포함한다.
이하에서는 본 실시예에 따른 전기로의 산소 및 가탄재 공급방법을 도출하게 된 경위를 실시예를 통해 구체적으로 설명하겠다.
<실시예>
도 2는 본 발명에 따른 전기로에서의 승열기 조업시 산소 및 가탄재 공급비와 전력원단위의 상관관계를 나타내는 그래프이고, 도 3(a)는 본 발명에 따른 전기로에서의 승열기 조업시 산소 및 가탄재 공급비가 0.4~0.8인 비교예의 전력원단위 변화를 나타내는 그래프이며, 도 3(b)는 본 발명에 따른 전기로에서의 승열기 조업시 산소 및 가탄재 공급비가 0.8~1.2인 실험예의 전력원단위 변화를 나타내는 그래프이다.
또한, 표 1은 본 실시예에 따른 전기로 승열기 조업시 공급된 산소 및 가탄재 공급비를 나타낸 것이다. 단, 산소 및 가탄재의 용강톤당 공급량은 적량적으로 정해진 범위가 적용될 수 있으며, 특정 공급량의 범위로 한정하는 것은 아니다.
Figure pat00001
본 실시예에 따른 전기로의 산소 및 가탄재 공급방법은 용해단계 및 승열단계를 포함한다.
용해단계는 전기로에 스크랩이 장입되어 아크(arc)로 용해하고, 승열단계는 용해기에 의한 용강을 산화시키며 슬래그가 포밍(foaming)되도록 산소 및 가탄재를 공급한다.
이때, 가탄재는, 탄소분말, 괴코크스 및 가공분탄 중 어느 하나의 소재로 마련되어 산소와 함께 슬래그에 공급될 수 있으며, 이러한 종류로 한정하는 것이 아니라, 슬래그 중에 산화철(FeO)의 환원으로 인한 일산화탄소(CO)의 발생 속도를 증가시키는 탄소계물질이라면 다양하게 적용할 수 있다.
다만, 너무 과도한 탄소계물질이 공급되면 뜻하지 않은 전체 제조원가 상승의 위험이 있기 때문에, 여러 번의 실험작업을 거친 정량범위의 탄소계물질을 공급함이 바람직하다.
용해단계에는 전기로에 1차 스크랩이 장입되어 아크로 1차 스크랩을 용해하는 1차 용해단계 및 다시 2차 스크랩이 장입되어 아크로 2차 스크랩을 용해하는 2차 용해단계가 포함될 수 있다.
승열단계에서는 전술한 2차 용해기에 의한 용강을 산화시킨 후, 슬래그가 포밍되도록 산소 및 가탄재가 공급될 수 있다.
이러한 승열단계는, 공급된 산소 및 가탄재 비율과 전력원단위와의 상관관계를 분석하는 단계와, 상관관계 분석을 통해 산소 및 가탄재 공급비를 설정하는 단계 및 상기 산소 및 가탄재 공급비를 이용하여 슬래그에 산소 및 가탄재를 공급하는 단계를 포함할 수 있다.
도 2 및 표 1에서와 같이, 전술한 승열기 조업시 공급된 산소 및 가탄재 비율과 전력원단위와의 상관관계를 분석하는 단계에서는, 공급된 산소 및 가탄재 공급비가 0.3~0.7인 비교예와 공급된 산소 및 가탄재 공급비가 0.8~1.2인 실험예의 비교분석을 토대로 산소 및 가탄재 공급비에 따른 전력원단위의 흐름을 파악할 수 있다.
한편, 도 2를 참조하여 도시한 도 3(a)에서와 같이, 공급된 산소 및 가탄재 비율과 전력원단위와의 상관관계를 분석하는 단계에서, 공급된 산소 및 가탄재 비율이 0.8 이하인 경우, 산소 및 가탄재 비율이 증가할수록 전력원단위가 증가하는 비례적인 경향을 나타낼 수 있다.
예컨대, 승열기에서 조업 Heat수가 5~20(Heat)인 경우, 산소 및 가탄재 비율이 0.3~0.7인 비교예에서는 산소 및 가탄재 비율의 파형이 상승함에 따라, 이에 대응되는 전력원단위가 상승하며, 산소 및 가탄재 비율의 파형이 하강함에 따라, 이에 대응되는 전력원단위가 하강하는 경향을 알 수 있다.
이를 통해, 산소 및 가탄재 비율이 0.3~0.7인 비교예에서는 산소 및 가탄재 비율의 증가와 전력원단위의 상관관계가 비례적인 경향을 나타내고 있음을 알 수 있다.
반면에, 도 2를 참조하여 도시한 도 3(b)에서와 같이, 공급된 산소 및 가탄재 비율이 1.2(보다 바람직하게는 0.8~1.2의 공급비율) 이하인 경우, 산소 및 가탄재 비율이 증가할수록 전력원단위가 감소하는 반비례적인 경향을 알 수 있다.
예컨대, 승열기에서 조업 Heat수가 20~35(Heat)인 경우, 산소 및 가탄재 비율이 0.8~1.2인 실험예에서는 산소 및 가탄재 비율의 파형이 상승함에 따라, 이에 대응되는 전력원단위가 하강하며, 산소 및 가탄재 비율의 파형이 하강함에 따라, 이에 대응되는 전력원단위가 상승하는 경향을 알 수 있다.
이를 통해, 산소 및 가탄재 비율이 0.8~1.2인 실험예에서는 산소 및 가탄재 비율의 증가와 전력원단위의 상관관계가 반비례적인 경향을 나타내고 있음을 알 수 있다.
즉, 도 3(a)의 비교예 및 도 3(b)의 실험예의 상호 비교를 토대로 하여, 전기로의 승열기 조업시 산소 및 가탄제가 정량적으로 제어되어 공급됨으로써, 제강공정 중에 발생하는 전력원단위에 어떠한 영향을 미치는지 알 수 있으며, 이를 통해, 산소 및 가탄재가 0.8~1.2의 공급범위로 적용될 경우를 최적화된 산소 및 가탄재 공급비로 설정할 수 있다.
전술한 것과 같이, 전기로의 승열기 조업시 산소 및 가탄재 공급비 0.8~1.2의 공급범위에서 전력원단위(kwh)가 낮아지는 경향을 보였으며, 승열기 조업 시 0.8~1.2의 산소 및 가탄재 공급범위가 슬래그 포밍을 향상시키는 조건임과 동시에 전력원단위를 절감할 수 있는 최적화된 정략적 공급범위로 설정할 수 있다.
여기서, 하기 반응식에서와 같이, 공급된 산소 및 가탄재 공급비 중에서 탄소원인 가탄재의 증가에 따라, 슬래그 내에 존재하는 산화철의 환원반응으로 인한 일산화탄소 발생 속도의 증가로 슬래그 포밍이 활성화되며, 이로 인해, 결국 전력원단위가 감소되는 효과를 발휘할 수 있다.
<반응식>
(FeO) + C(S) = CO(g) + Fe(l)
결과적으로, 전술한 도 1 내지 도 3에서 도시한 것과 같이, 본 실시예에 따르면, 전기로 제강공정에서 승열기 조업시 산소 및 가탄재의 비율과 전력원단위와의 상관관계를 분석함으로써, 승열기 조업시 0.8~1.2의 산소 및 가탄재 공급비가 전력원단위를 절감하는 최적의 범위임을 예측할 수 있다.
또한, 산소 및 가탄재의 정량적인 공급범위의 설정을 이용하여 슬래그의 포밍현상을 향상시킴으로써, 전기로의 전극부에서 발생한 아크가 대기에 노출되지 않게 보호하여 열방산의 손실을 절감할 수 있다.
더욱이, 향상된 슬래그의 포밍현상으로 인해 전극부상의 아크가 대기에 노출되지 않기 때문에, 아크에 의한 노체 측벽부의 손상을 방지할 수 있고, 용강에서 아크의 열전달 효율이 향상되며, 대기로부터의 질소 흡입을 방지할 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (3)

  1. 전기로의 산소 및 가탄재 공급방법으로서,
    상기 전기로에 스크랩이 장입되어 아크(arc)로 용해하는 용해단계; 및
    상기 용해에 의한 용강을 산화시키며 슬래그가 포밍(foaming)되도록 산소 및 가탄재를 공급하는 승열단계;
    를 포함하고,
    상기 승열단계에 공급되는 산소 및 가탄재 공급비는 0.8~1.2인 것을 특징으로 하는 전기로의 산소 및 가탄재 공급방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 승열단계는,
    (a) 공급된 산소 및 가탄재 비율과 전력원단위와의 상관관계를 분석하는 단계;
    (b) 상기 상관관계 분석을 통해 산소 및 가탄재 공급비를 설정하는 단계; 및
    (c) 상기 산소 및 가탄재 공급비를 이용하여 슬래그에 산소 및 가탄재를 공급하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기로의 산소 및 가탄재 공급방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 가탄재는, 탄소분말, 괴코크스 및 가공분탄 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 전기로의 산소 및 가탄재 공급방법.
KR1020140144998A 2014-10-24 2014-10-24 전기로의 산소 및 가탄재 공급방법 KR20160048409A (ko)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2019029136A1 (zh) * 2017-08-10 2019-02-14 北京科技大学 一种全废钢电弧炉洁净化快速冶炼方法
KR20190110179A (ko) * 2018-03-20 2019-09-30 동국제강주식회사 스크랩 용해율 판단장치, 이를 구비한 전기로 제강 조업 장치, 스크랩 용해율 판단방법 및 이를 이용한 제강 조업 방법

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