KR20220142077A - 전기로 투입용 조성물 및 전기로 조업 방법 - Google Patents

전기로 투입용 조성물 및 전기로 조업 방법 Download PDF

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조종오
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현대제철 주식회사
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Abstract

본 발명은 본 발명의 산화철을 함유하는 제 1 물질, 알루미늄을 함유하는 제 2 물질 및 탄산칼슘을 함유하는 제 3 물질이 혼합 성형되어 구현된 전기로 투입용 조성물을 제공한다.

Description

전기로 투입용 조성물 및 전기로 조업 방법{Composition for electric arc furnace and operating method of electric arc furnace}
본 발명은 전기로 투입용 조성물 및 전기로 조업 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전력 저감 및 회수율 향상을 위한 전기로 투입용 조성물과 이를 이용하는 전기로 조업 방법에 관한 것이다.
일반적인 전기로 제강 공정은 액상의 주원료를 공급 받아 산소를 취입/산화 정련하는 전로와는 달리 고체의 원료(스크랩)를 고전압-고전류로 인가한 전극에서 발생하는 고열의 아크로 용해하는 용해 공정과 이후 액상화된 용탕을 산소 인젝션을 통해 산화 정련함과 동시에 이 때 발생하는 화학에너지를 용강의 승온에 활용하는 복합적인 공정으로 이루어진다. 최근 CO2 발생량 저감을 위해 전기로에서는 전력 에너지를 줄이는 노력을 하고 있다.
한국공개특허 제10-2017-0075059호 한국공개특허 제10-2016-0062611호
전력 에너지를 줄이기 위해서는 전력 이외의 열원을 투입하여 스크랩을 용해하는 방법이 있으며, 구체적으로, 화학반응을 이용한 발열효과를 통해 화학에너지를 얻는 방법이 있다. 본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 기술적 과제는 화학에너지를 증가시키는 과정에서 전기로 정련능이 감소되는 문제점을 극복하고 회수율까지 보완할 수 있는 전기로 투입용 조성물과 이를 이용하는 전기로 조업 방법을 제공하는 것이다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 관점에 의하면, 전기로 투입용 조성물이 제공된다. 상기 전기로 투입용 조성물은 산화철을 함유하는 제 1 물질, 알루미늄을 함유하는 제 2 물질 및 탄산칼슘을 함유하는 제 3 물질이 혼합 성형되어 구현된다.
상기 전기로 투입용 조성물에서, 상기 제 1 물질은 밀스케일이고, 상기 제 2 물질은 알루미늄 드로스일 수 있다.
상기 전기로 투입용 조성물에서, 상기 조성물은 브리켓(briquette) 형태로 혼합 성형될 수 있다.
상기 전기로 투입용 조성물에서, 전체 조성물 중량 대비 상기 제 1 물질은 30 내지 45중량%, 상기 제 2 물질은 24 내지 35중량%, 상기 제 3 물질은 22 내지 45중량%일 수 있다.
상기 전기로 투입용 조성물에서, 전체 조성물 중량 대비 상기 제 1 물질은 40 내지 44중량%, 상기 제 2 물질은 32 내지 35중량%, 상기 제 3 물질은 24 내지 26중량%일 수 있다.
본 발명의 다른 관점에 의하면, 상기 전기로 투입용 조성물을 이용한 전기로 조업 방법이 제공된다. 상기 전기로 조업 방법은 전기로 내부에 제 1 스크랩을 장입하는 제 1 차 장입 단계; 상기 전기로에 전력을 인가하고 상기 제 1 스크랩을 용해하여 제 1 용강을 형성하는 단계; 상기 제 1 용강의 적어도 일부가 형성된 상기 전기로 내부에, 산화철을 함유하는 제 1 물질, 알루미늄을 함유하는 제 2 물질 및 탄산칼슘을 함유하는 제 3 물질이 혼합 성형된 조성물을 제 2 스크랩과 함께 장입하는 제 2 차 장입 단계; 및 상기 전기로에 전력을 인가하고 상기 조성물과 상기 제 2 스크랩을 용해하여 제 2 용강을 형성하는 단계; 를 포함한다.
상기 전기로 조업 방법에서, 상기 제 2 용강을 형성하는 단계는 상기 제 1 물질과 상기 제 2 물질의 화학발열반응으로 발생하는 열을 이용하여 상기 제 2 스크랩을 용해하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 전기로 조업 방법의 상기 제 2 차 장입 단계에서 상기 조성물 및 상기 제 2 스크랩 중 상기 조성물은 상기 제 1 용강 내에 장입될 수 있도록 하여, 상기 제 1 물질과 상기 제 2 물질의 화학발열반응은 상기 제 1 용강 내에서 일어날 수 있다.
상기 전기로 조업 방법에서 상기 조성물의 융점은 상기 제 3 물질에 의하여 상기 제 1 용강 및 상기 제 2 용강의 온도보다 낮으며, 상기 산화철로부터 환원된 철은 상기 제 1 용강 및 상기 제 2 용강의 상부로 슬래그 형태로 부상되지 않고 상기 제 1 용강 및 상기 제 2 용강 내에 존재할 수 있다.
상기 전기로 조업 방법에서, 상기 제 1 물질은 밀스케일이고, 상기 제 2 물질은 알루미늄 드로스일 수 있다.
상기 전기로 조업 방법에서, 상기 조성물은 브리켓(briquette) 형태로 혼합 성형될 수 있다.
상기 전기로 조업 방법에서, 전체 조성물 중량 대비 상기 제 1 물질은 30 내지 45중량%, 상기 제 2 물질은 24 내지 35중량%, 상기 제 3 물질은 22 내지 45중량%일 수 있다.
상기 전기로 조업 방법에서, 전체 조성물 중량 대비 상기 제 1 물질은 40 내지 44중량%, 상기 제 2 물질은 32 내지 35중량%, 상기 제 3 물질은 24 내지 26중량%일 수 있다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일부 실시예들에 따르면, 화학에너지를 증가시키는 과정에서 전기로 정련능이 감소되는 문제점을 극복하고 회수율까지 보완할 수 있는 전기로 투입용 조성물과 이를 이용하는 전기로 조업 방법을 구현할 수 있다. 상술한 본 발명의 효과들은 예시적으로 기재되었고, 이러한 효과들에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기로 조업 방법을 도해하는 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기로 조업 방법 중 일부 구성을 도해하는 모식도이다.
도 3은 본 발명의 실험예1의 시편에 대한 주사전자현미경(SEM) 사진(a)과 Fe 환원율과 입자 크기를 평가하기 위하여 이미지 처리한 사진(b)이다.
도 4는 본 발명의 실험예2의 시편에 대한 주사전자현미경(SEM) 사진(a)과 Fe 환원율과 입자 크기를 평가하기 위하여 이미지 처리한 사진(b)이다.
도 5는 본 발명의 실험예3의 시편에 대한 주사전자현미경(SEM) 사진(a)과 Fe 환원율과 입자 크기를 평가하기 위하여 이미지 처리한 사진(b)이다.
도 6은 본 발명의 실험예4의 시편에 대한 주사전자현미경(SEM) 사진(a)과 Fe 환원율과 입자 크기를 평가하기 위하여 이미지 처리한 사진(b)이다.
도 7은 본 발명의 실험예1 및 실험예3에 따른 시편에서 환원된 Fe 입자 사이즈와 분포를 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 실험예2에서 Fe 환원율을 평가하기 위하여 X선 회절(XRD) 분석 결과를 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 실험예3에서 Fe 환원율을 평가하기 위하여 X선 회절(XRD) 분석 결과를 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명의 실험예4에서 Fe 환원율을 평가하기 위하여 X선 회절(XRD) 분석 결과를 나타낸 도면이다.
도 11은 본 발명의 실험예에서 주사전자현미경(SEM) 이미지 분석과 X선 회절(XRD) 분석을 통하여 평가한 Fe 환원율을 나타낸 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 실시예들은 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 기술적 사상을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 기술적 사상의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 기술적 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. 본 명세서에서 동일한 부호는 시종 동일한 요소를 의미한다. 나아가, 도면에서의 다양한 요소와 영역은 개략적으로 그려진 것이다. 따라서 본 발명의 기술적 사상은 첨부한 도면에 그려진 상대적인 크기나 간격에 의해 제한되지 않는다.
최근 지구 온난화 문제를 해결을 위해 CO2 저감이 화두가 되고 있다. 제강 공정의 전기로에서도 CO2 저감을 위한 노력으로 전력 사용량 저감을 하고자 노력하고 있다. 전력 사용량 저감을 위해서는 전력에너지 외의 다른 화학에너지를 투입하는 방법이 가장 효과적이다. 이때 화학에너지 종류는 알루미늄(Al)과 규소(Si)의 발열 반응을 이용할 수 있다. 하지만 전기로에서 용강 중의 인(P)과 같은 불순물을 제어하는데 있어서 알루미늄과 규소의 투입은 역효과를 나타낼 수 있다. 또한, 알루미늄(Al)과 규소(Si)는 비중이 낮아서 전기로 내 장입시 용강에 부유하는 슬래그층에서 발열 반응을 일으키게 된다. 이는 대부분의 발열 에너지가 용강 온도 상승의 기여 보다는 대기 중에서 방산되고 전력에너지 저감에는 크게 기여하지 못함을 의미한다.
본 발명의 사상은 알루미늄(Al)을 투입하여도 인(P) 제어능을 기존 수준으로 유지하고, 또한 알루미늄(Al)의 발열이 용강 내에서 이루어지도록 하며, 기존 전기로 공정에서 활용하지 못하는 함철 부산물(밀스케일)을 사용하여 회수율 향상을 확보할 수 있는 전기로 투입용 조성물과 이를 이용한 전기로 조업 방법을 제공하는 것이다.
전기로 투입용 조성물
본 발명의 일 실시예에 의한 전기로 투입용 조성물은 산화철을 함유하는 제 1 물질, 알루미늄을 함유하는 제 2 물질 및 탄산칼슘을 함유하는 제 3 물질이 혼합 성형되어 구현된다. 상기 전기로 투입용 조성물은 브리켓(briquette) 형태로 혼합 성형될 수 있다.
상기 산화철을 함유하는 제 1 물질은, 예를 들어, 밀스케일(mill scale)일 수 있다. 밀스케일은 철강을 열간압연 또는 열처리할 때 철강 표면이 공기 중의 산소와 반응하여 산화하면서 발생되는 산화물층을 말한다. 본 발명의 사상을 제한하지 않는 비제한적인 예로서, 밀스케일은 FeO, Fe3O4, Fe2O3 를 포함하고 있을 수 있으며, 이러한 산화철 성분이 90% 이상을 구성하고 나머지 불가피한 불순물로 이루어지는 물질일 수 있다.
상기 알루미늄을 함유하는 제 2 물질은, 예를 들어, 알루미늄 드로스(Al dross)일 수 있다. 알루미늄 드로스는, 예컨대, 알루미늄 제련소에서 알루미늄을 제련하고 배출되는 슬래그이다. 알루미늄은 산화가 잘 일어나는 대표적인 양성금속이기 때문에, 알루미늄을 용해하는 경우에는 용탕의 표면이나 용탕의 유로 등에서 공기 중의 산소와 접촉되어 산화된 물질인 금속성 알루미늄 드로스가 그 양에 관계없이 반드시 발생하게 된다. 본 발명의 사상을 제한하지 않는 비제한적인 예로서, 알루미늄 드로스의 성분은 금속 알루미늄(metal Al)이 30 내지 40중량%, 알루미늄 산화물 60 내지 70중량%, 기타 불순물이 3중량%이하로 구성될 수 있다.
상기 제 3 물질은 탄산칼슘(CaCO3)을 함유할 수 있다. 탄산칼슘은 고온(900~950℃) 영역에서 생석회(CaO)와 이산화탄소로 분해되면서 열을 흡수하는 흡열반응이 발생할 수 있다. 탄산칼슘(CaCO3)은 생석회(CaO)를 만드는 원료로 저렴하고 구입이 용이한 광물이다. 본 발명의 변형된 실시예에서, 브리켓 형태로 혼합 성형된 전기로 투입용 조성물을 구성하는 상기 제 3 물질은 탄산칼슘(CaCO3)의 적어도 일부를 대신하여 생석회(CaO)를 함유할 수도 있다.
상기 전기로 투입용 조성물에서, 전체 조성물 중량 대비 상기 산화철을 함유하는 제 1 물질은 30 내지 45중량%, 상기 알루미늄을 함유하는 제 2 물질은 24 내지 35중량%, 상기 탄산칼슘을 함유하는 제 3 물질은 22 내지 45중량%일 수 있다.
상기 전기로 투입용 조성물에서 상기 산화철을 함유하는 제 1 물질은 브리켓 형태의 조성물의 비중을 증가시키고 회수율을 증가시키기 위한 목적으로 제공되는 물질이다. 상기 산화철을 함유하는 제 1 물질이 전체 조성물 중량 대비 30% 미만일 경우, 브리켓 형태의 전기로 투입용 조성물의 비중이 낮아 용강의 상부로 부유하게 되어 발열 효율이 슬래그층에서 주로 발생되는 문제점이 있으며 회수율이 낮아지는 문제점이 있다. 한편, 상기 산화철을 함유하는 제 1 물질이 전체 조성물 중량 대비 45중량%를 초과하는 경우, 상기 알루미늄을 함유하는 제 2 물질의 함유량이 상대적으로 낮아지므로 전기로 투입용 조성물로부터 기인하는 발열량이 낮아지는 문제점이 있으며, 상기 탄산칼슘을 함유하는 제 3 물질의 함유량이 상대적으로 낮아지므로 전기로 투입용 조성물의 융점이 높아져 환원된 Fe 입자가 고융점 화합물(FeO-Al2O3) 내 트랩되어 슬래그로 부상되므로 회수율이 낮아지는 문제점이 있다.
상기 전기로 투입용 조성물에서 상기 알루미늄을 함유하는 제 2 물질은 발열반응의 원료로 제공되는 물질이다. 나아가 상기 알루미늄은 제 1 물질의 산화철을 환원할 수 있는 환원제의 역할을 담당하는 원소이다. 상기 조성에서 알루미늄을 함유하는 제 2 물질의 함량은 산화철을 함유하는 제 1 물질에서 산화철을 전량 환원할 수 있도록 설정한 것이다. 상기 알루미늄을 함유하는 제 2 물질이 전체 조성물 중량 대비 24% 미만일 경우, 산화철을 함유하는 제 1 물질에서 산화철을 전량 환원할 수 없어 회수율이 낮아지는 문제점이 있으며, 전기로 투입용 조성물로부터 기인하는 발열량이 낮아지는 문제점이 있다. 한편, 알루미늄을 함유하는 제 2 물질이 전체 조성물 중량 대비 35중량%를 초과하는 경우, 산화철을 함유하는 제 1 물질의 함유량이 상대적으로 낮아지므로 실질적으로 조성물을 전기로에 투입하였을 때 회수율이 향상되는 부분을 가시적으로 보기 어려운 문제점이 있다.
상기 전기로 투입용 조성물에서 상기 탄산칼슘을 함유하는 제 3 물질은 조성물에 함유된 알루미늄에 기인하는 인(P) 제어능 감소를 보완하기 위하여 제공되며, 브리켓 형태의 상기 조성물의 융점을 낮추기 위하여 제공되는 물질이다. 상기 탄산칼슘을 함유하는 제 3 물질이 전체 조성물 중량 대비 22% 미만일 경우, 전기로에서 용강 중의 인(P)과 같은 불순물을 제어하기 어려운 문제점이 있으며, 브리켓 형태의 전기로 투입용 조성물의 융점이 높아져 환원된 Fe 입자가 고융점 화합물(FeO-Al2O3) 내 트랩되어 슬래그로 부상되므로 회수율이 낮아지는 문제점이 있다. 한편, 탄산칼슘을 함유하는 제 3 물질이 전체 조성물 중량 대비 45중량%를 초과하는 경우, 산화철을 함유하는 제 1 물질의 함유량이 상대적으로 낮아지므로 실질적으로 조성물을 전기로에 투입하였을 때 회수율이 향상되는 부분을 가시적으로 보기 어려운 문제점이 있다.
한편, 엄격하게는 상기 전기로 투입용 조성물에서, 전체 조성물 중량 대비 상기 산화철을 함유하는 제 1 물질은 40 내지 44중량%, 상기 알루미늄을 함유하는 제 2 물질은 32 내지 35중량%, 상기 탄산칼슘을 함유하는 제 3 물질은 24 내지 26중량%일 수 있다. 상기 조성 범위를 가지는 조성물을 전기로에 투입하는 경우, 회수율 측면에서 가시적인 결과를 확보할 수 있다. 알루미늄을 함유하는 제 2 물질이 35중량%를 초과하거나 탄산칼슘을 함유하는 제 3 물질이 26중량%를 초과하는 경우, 산화철을 함유하는 제 1 물질의 함량이 상대적으로 많이 감소하게 되어 실질적으로 조성물을 전기로에 투입하였을 때 회수율이 향상되는 것을 가시적으로 구현하기 어려울 수 있고, 알루미늄을 함유하는 제 2 물질이 32중량% 미만이거나 탄산칼슘을 함유하는 제 3 물질이 24중량% 미만인 경우, 산화철을 환원하고 발열 효과를 낼 수 있는 원료가 너무 적은 문제점이 있을 수 있다. 반대로, 산화철을 함유하는 제 1 물질이 44중량%를 초과하는 경우, 산화철을 환원하고 발열 효과를 낼 수 있는 원료가 너무 적은 문제점이 있을 수 있으며, 산화철을 함유하는 제 1 물질이 40중량% 미만인 경우, 실제 150톤 전기로에서 환원되어 생산량이 증대되는 것이 미비하다는 문제점이 있을 수 있다.
전기로 조업 방법
전기로에서 함철 부산물인 밀스케일을 투입하는 다양한 방법들이 시도되었으나 양호한 결과를 얻지 못하였다. 예를 들어, 전기로에 밀스케일을 단독으로 투입하는 경우, 일반적으로 전기로는 과산화 분위기이므로 밀스케일을 구성하는 산화철은 환원이 되지 않으며 이 상태에서 밀스케일은 1600℃의 용강에서 용해된 후 슬래그로 부상하므로 회수율이 낮은 문제점이 나타난다. 또한, 전기로에 밀스케일을 알루미늄과 같은 환원제와 함께 혼합하여 투입하는 경우, 환원된 Fe 입자가 고융점 화합물(FeO-Al2O3) 내 트랩되어 슬래그로 부상되므로 역시 회수율이 낮아지는 문제점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기로 조업 방법을 도해하는 순서도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기로 조업 방법 중 일부 구성을 도해하는 모식도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전기로 조업 방법은 제 1 버켓을 이용하여 전기로(11) 내부에 제 1 스크랩을 장입하는 제 1 차 장입 단계(S10); 상기 전기로(11)의 전극(12)에 전력을 인가하고 상기 제 1 스크랩을 용해하여 제 1 용강(25)을 형성하는 단계(S20); 제 2 버켓을 이용하여, 상기 제 1 용강(25)의 적어도 일부가 형성된 상기 전기로(11) 내부에, 산화철을 함유하는 제 1 물질, 알루미늄을 함유하는 제 2 물질 및 탄산칼슘을 함유하는 제 3 물질이 혼합 성형된 조성물(32)을 제 2 스크랩(31)과 함께 장입하는 제 2 차 장입 단계(S30); 및 상기 전기로(11)의 전극(12)에 전력을 인가하고 상기 조성물(32) 및 제 2 스크랩(31)을 용해하여 제 2 용강(45)을 형성하는 단계(S40); 를 포함한다.
도 2의 (a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기로 조업 방법 중 제 2 차 장입 단계(S30)의 일부를 도해하며, 도 2의 (b)는 제 2 용강(45)을 형성하는 단계(S40)를 수행함으로써 전기로(11) 내에 제 1 용강(25) 및 제 2 용강(45)이 형성된 상태를 도해한다. 제 1 용강(25) 및 제 2 용강(45)은 결국 서로 혼합되므로 실제 조업 상에서는 하나의 용강으로 이해할 수 있다.
산화철을 함유하는 제 1 물질, 알루미늄을 함유하는 제 2 물질 및 탄산칼슘을 함유하는 제 3 물질이 혼합 성형된 조성물(32)은 앞에서 상술한 전기로 투입용 조성물에 해당한다.
상기 제 2 용강을 형성하는 단계(S40)는 전기로(11)의 전극(12)에 전력을 인가하여 발생한 고열의 아크와 노벽 버너(14)를 이용하여 상기 제 2 스크랩(31)을 용해하는 단계 및 상기 산화철을 함유하는 제 1 물질과 상기 알루미늄을 함유하는 제 2 물질의 화학 발열반응으로 발생하는 열을 이용하여 상기 제 2 스크랩(31)을 용해하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 제 2 차 장입 단계(S30)에서 상기 조성물(32) 및 상기 제 2 스크랩(31) 중 상기 조성물(32)의 적어도 일부는 상기 제 1 용강(25) 내에 장입될 수 있도록 하여, 상기 산화철을 함유하는 제 1 물질과 상기 알루미늄을 함유하는 제 2 물질의 화학 발열반응은 상기 제 1 용강(25) 내에서 일어날 수 있다.
한편, 상기 조성물(32)의 융점은 상기 탄산칼슘을 함유하는 제 3 물질에 의하여 상기 제 1 용강(25) 및 상기 제 2 용강(45)의 온도보다 낮으므로, 상기 산화철로부터 환원된 철은 상기 제 1 용강(25) 및 상기 제 2 용강(45)의 상부로 슬래그 형태로 부상되지 않고 상기 제 1 용강(25) 및 상기 제 2 용강(45) 내에 존재할 수 있다.
본 발명에서는 밀스케일의 산소 분압(PO2)은 약 10-7atm이고, 대기의 산소 분압은 0.21atm이며, 용강 내 산소 분압은 약 10-13atm인 점을 고려하여, 밀스케일이 대기 내에 노출되는 경우 밀스케일의 환원이 불리하지만, 밀스케일이 용강 내에 배치되는 경우 밀스케일의 환원이 유리하다는 점을 활용하였다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 전기로 조업 방법 중 제 2 차 장입 단계(S30)에서 산화철을 함유하는 제 1 물질, 알루미늄을 함유하는 제 2 물질 및 탄산칼슘을 함유하는 제 3 물질이 혼합 성형된 조성물(32)의 적어도 일부는 제 2 스크랩(31)의 하중을 이용하여 제 1 용강(25) 내 배치되도록 구성하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 제 2 버켓을 이용하여, 상기 제 1 용강(25)의 적어도 일부가 형성된 상기 전기로(11) 내부에, 조성물(32)을 제 2 스크랩(31)과 함께 장입할 때, 상기 제 2 버켓에 수용된 조성물(32) 및 제 2 스크랩(31) 중에서 조성물(32)은 상대적으로 제 2 버켓의 하부에 집중적으로 배치되는 것이 바람직하다. 버켓에 수용된 원료의 장입은 통상적으로 버켓의 하단부가 열리면서 수행되기 때문이다.
한편, 상기 전기로 투입용 조성물(32)은 탄산칼슘을 함유하는 제 3 물질을 포함하므로, 상기 제 1 물질과 상기 제 2 물질만으로 구성된 경우 보다 융점이 낮아진다. 예를 들어, CaO-Al2O3-FeO 물질은 1atm에서 융점이 약 1350℃이며 이는 용강 온도 1600℃ 보다 낮은 온도이다. 따라서, 산화철을 함유하는 제 1 물질, 알루미늄을 함유하는 제 2 물질 및 탄산칼슘을 함유하는 제 3 물질이 혼합 성형된 조성물(32)에서는, 환원된 Fe 입자가 고융점 화합물(FeO-Al2O3) 내 트랩되어 슬래그로 부상되는 현상을 방지하면서, 저온 슬래그가 발생하여 유동성이 증가하며 산화철과 알루미늄의 반응성이 향상되는 효과를 기대할 수 있다.
앞에서 설명한 바와 같이, 제강 공정의 전기로에서 CO2 저감을 위한 노력으로 전력 사용량 저감을 위해서는 전력에너지 외의 다른 화학에너지를 투입하는 방법이 가장 효과적이다. 이때 화학에너지 종류는 알루미늄(Al)과 규소(Si)의 발열 반응을 이용할 수 있지만 전기로에서 용강 중의 인(P)과 같은 불순물을 제어하는데 있어서 알루미늄과 규소의 투입은 역효과를 발생시킬 수 있다. 또한, 알루미늄(Al)과 규소(Si)는 비중이 낮아서 전기로 내 장입시 용강에 부유하는 슬래그층에서 발열 반응을 일으키게 된다. 이는 대부분의 발열 에너지가 용강 온도 상승의 기여 보다는 대기 중에서 방산되고 전력에너지 저감에는 크게 기여하지 못함을 의미한다.
본 발명의 실시예에 의한 전기로 투입용 조성물 및 이를 이용한 전기로 조업 방법에서는 알루미늄(Al)을 투입하여도 인(P) 제어능을 기존 수준으로 유지하고, 또한 알루미늄(Al)의 발열이 용강 내에서 이루어지도록 하며, 기존 전기로 공정에서 활용하지 못하는 함철 부산물을 사용하여 회수율 향상을 확보할 수 있다.
즉, 상기 전기로 투입용 조성물은 함철 부산물을 내장하므로 전기로 투입용 조성물의 비중은 슬래그 비중인 2.8g/cm3 보다 크므로 알루미늄(Al)의 발열이 용강 내에서 이루어질 수 있다. 비교예로서, 알루미늄 드로스만을 투입하는 경우, 알루미늄의 비중은 슬래그 비중 보다 낮으므로 알루미늄(Al)의 발열이 용강 내 이루어지지 못하고 용강에 부유하는 슬래그층에서 발열 반응을 일으키게 된다.
한편, 본 발명의 사상에서, 알루미늄(Al) 투입에 따른 P 제어능의 감소는 탄산칼슘(CaCO3) 투입을 통해서 보완하고자 하였다. 한편, 탄산칼슘이 첨가되지 않는 경우, 환원된 Fe 입자가 고융점 화합물(FeO-Al2O3) 내 트랩되어 슬래그로 부상되어 회수율 향상 효과가 없으나, 탄산칼슘(CaCO3)의 투입으로 저융점 화합물화가 진행되어 환원된 Fe 입자의 용강 내 흡수가 가능하게 되므로 회수율 향상 효과를 기대할 수 있다.
또한 기존의 알루미늄(Al) 투입은 알루미늄의 발열 효율이 슬래그층에서 발생되어 대기 중으로 방산되는 에너지가 많았으나, 산화철을 함유하는 제 1 물질 및 탄산칼슘을 함유하는 제 3 물질과 함께 브리켓화 할 경우 일반 알루미늄 대비 비중 증가로 인해 용강 레벨까지 브리켓이 침투하여 알루미늄의 발열이 발생되므로 추가적인 화학 에너지 반응 효율 증가를 볼 수 있다.
실험예
이하 본 발명의 이해를 돕기 위해 바람직한 실험예를 제시한다. 다만, 하기의 실험예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 하기의 실험예에 의해 한정되는 것은 아니다.
1. 브리켓 시편의 조성
본 실험예에서는 표 1의 1 단위 브리켓 당 구성비(단위: 중량%)를 가지는 전기로 투입용 조성물로서 브리켓 시편들을 제공한다.
밀스케일 알루미늄 드로스 CaCO3
실험예1 55.6 44.4 -
실험예2 41.7 33.3 25.0
실험예3 33.3 26.7 40.0
실험예4 27.8 22.2 50.0
표 1을 참조하면, 실험예1은 밀스케일: 55.6중량%, 알루미늄 드로스: 44.4중량%로 이루어진 전기로 투입용 조성물로서 브리켓 시편을 개시하며, 실험예2는 밀스케일: 41.7중량%, 알루미늄 드로스: 33.3중량%, CaCO3: 25.0중량%로 이루어진 전기로 투입용 조성물로서 브리켓 시편을 개시하며, 실험예3은 밀스케일: 33.3중량%, 알루미늄 드로스: 26.7중량%, CaCO3: 40.0중량%로 이루어진 전기로 투입용 조성물로서 브리켓 시편을 개시하며, 실험예4는 밀스케일: 27.8중량%, 알루미늄 드로스: 22.2중량%, CaCO3: 50.0중량%로 이루어진 전기로 투입용 조성물로서 브리켓 시편을 개시한다. 실험예1 내지 4에서 알루미늄 드로스와 밀스케일의 중량비는 0.8로 일정하게 고정하면서 CaCO3의 중량비를 0%, 25%, 40%, 50%로 변동하였다.
2. 분석결과
도 3은 본 발명의 실험예1의 시편에 대한 주사전자현미경(SEM) 사진(a)과 Fe 환원율과 입자 크기를 평가하기 위하여 이미지 처리한 사진(b)이고, 도 4는 본 발명의 실험예2의 시편에 대한 주사전자현미경(SEM) 사진(a)과 Fe 환원율과 입자 크기를 평가하기 위하여 이미지 처리한 사진(b)이고, 도 5는 본 발명의 실험예3의 시편에 대한 주사전자현미경(SEM) 사진(a)과 Fe 환원율과 입자 크기를 평가하기 위하여 이미지 처리한 사진(b)이고, 도 6은 본 발명의 실험예4의 시편에 대한 주사전자현미경(SEM) 사진(a)과 Fe 환원율과 입자 크기를 평가하기 위하여 이미지 처리한 사진(b)이다. 도 3 내지 도 6에서 (b)의 이미지 처리 사진에 나타난 붉은색 부분은 환원된 금속성 Fe를 나타낸 것이다.
도 3과 도 5를 함께 참조하면, 산화철(FeO) 환원 거동에 미치는 탄산칼슘(CaCO3)의 영향을 확인할 수 있다. 즉, 브리켓 형태의 전기로 투입용 조성물이 탄산칼슘을 포함하는 경우 슬래그 저융점화에 의해 유동성이 증가하고 Fe 환원율이 증가하고 Fe 입자 크기가 증가함을 확인할 수 있다.
도 7 및 표 2는 본 발명의 실험예1 및 실험예3에 따른 시편에서 환원된 Fe 입자 사이즈와 분포를 나타낸 것이다.
평균크기(Fe) 최대크기(Fe) 픽셀수(Fe) 전체픽셀
(345*307)
실험예1 8.64 119 5237 105915
실험예3 37.3 535 11563 105915
도 7 및 표 2를 참조하면, 탄산칼슘을 첨가하지 않은 실험예1보다 탄산칼슘을 첨가한 실험예3에서 환원된 Fe 입자 크기가 증가하고 환원율이 증가함을 확인할 수 있다. 구체적으로, 탄산칼슘(CaCO3)을 포함하지 않고 밀스케일: 55.6중량%, 알루미늄 드로스: 44.4중량%로 이루어진 전기로 투입용 조성물로서 브리켓 시편을 개시하는 실험예1에서는 환원된 Fe 입자의 평균크기는 8.64이고 최대크기는 119임에 반하여, 밀스케일: 33.3중량%, 알루미늄 드로스: 26.7중량%, CaCO3: 40.0중량%로 이루어진 전기로 투입용 조성물로서 브리켓 시편을 개시하는 실험예3에서는 환원된 Fe 입자의 평균크기는 37.3이고 최대크기는 535임을 확인할 수 있다.
도 8은 본 발명의 실험예2에서 Fe 환원율을 평가하기 위하여 X선 회절(XRD) 분석 결과를 나타낸 도면이고, 도 9는 본 발명의 실험예3에서 Fe 환원율을 평가하기 위하여 X선 회절(XRD) 분석 결과를 나타낸 도면이고, 도 10은 본 발명의 실험예4에서 Fe 환원율을 평가하기 위하여 X선 회절(XRD) 분석 결과를 나타낸 도면이다. X선 회절(XRD) 분석 결과에서 Fe 환원율은 Fe%/(FeO% + Fe%)로 산출된다. 또한, 도 11 및 표 3은 본 발명의 실험예에서 주사전자현미경(SEM) 이미지 분석과 X선 회절(XRD) 분석을 통하여 평가한 Fe 환원율을 함께 나타낸 것이다.
실험예1 실험예2 실험예3 실험예4
SEM 이미지 분석(%) 10.6 14.4 51.4 41.3
XRD 분석(%) - 69.6 77.0 76.6
도 8, 도 11과 표 3을 참조하면, 실험예2에서 Fe 환원율은 69.6%(= 4.6/(2.0 + 4.6))이며, 도 9, 도 11과 표 3을 참조하면, 실험예3에서 Fe 환원율은 77.0%(= 10.4/(3.1 + 10.4))이며, 도 10, 도 11과 표 3을 참조하면, 실험예4에서 Fe 환원율은 76.6%(= 9.5/(2.9 + 9.5))임을 확인할 수 있다. 즉, 브리켓 형태의 전기로 투입용 조성물에 함유된 탄산칼슘이 25.0중량%(실험예2)에서 40.0중량%(실험예3)까지는 Fe 환원율이 증가하지만 50.0중량%(실험예4)에서는 Fe 환원율이 다소 감소하므로 실험예3의 조성범위 이후 Fe 환원율이 수렴하는 경향을 X선 회절(XRD) 분석 결과로부터 확인할 수 있다.
한편, 도 3 내지 도 6에서 주사전자현미경(SEM) 이미지 분석을 통하여 평가된 Fe 환원율은 관찰 영역 내 환원된 금속 Fe 면적을 환원되기 전의 산화철(FeO) 면적으로 나눈 값으로 산출될 수 있다. 도 3 및 도 11과 표 3을 참조하면, 실험예1에서 Fe 환원율은 10.6%이며, 실험예2에서 Fe 환원율은 14.4%이며, 실험예3에서 Fe 환원율은 51.4%이며, 실험예4에서 Fe 환원율은 41.3%임을 확인할 수 있다. 즉, 브리켓 형태의 전기로 투입용 조성물에 함유된 탄산칼슘이 0중량%(실험예1), 25.0중량%(실험예2)에서 40.0중량%(실험예3)까지는 Fe 환원율이 증가하지만 50.0중량%(실험예4)에서는 Fe 환원율이 감소하므로 실험예3의 조성범위 이후 Fe 환원율이 수렴하는 경향을 주사전자현미경(SEM) 이미지 분석 결과로부터 확인할 수 있다.
상술한 실험예들로부터 Fe 환원율 측면에서는 실험예3이 가장 유리함을 확인할 수 있다. 하지만, 조업 생산성 측면에서는 밀스케일의 비중이 가장 높으면서 Fe 환원율도 대등한 수준으로 확보할 수 있는 실험예2의 조성물 범위도 적절하게 고려할 수 있음을 이해할 수 있다.
실험예2의 조성을 가지는 전기로 투입용 조성물을 실제 조업에 적용한 경우, 알루미늄 투입에 의한 발열 반응은 알루미늄과 산화철의 화학 반응(thermit 반응)을 포함하고, 탄산칼슘 투입에 의한 흡열 반응은 탄산칼슘 분해 반응을 포함하되, 상기 발열 반응에 해당하는 에너지는 1575 KWh이며, 상기 흡열 반응에 해당하는 에너지는 300 KWh임을 확인하였는 바, 탄산칼슘 분해열 대비 알루미늄 thermit 반응이 우세하여 발열이 이루어짐을 확인하였다.
이상에서 설명한 본 발명의 기술적 사상이 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은, 본 발명의 기술적 사상이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
11: 전기로
12: 전극
14: 노벽 버너
25: 제 1 용강
31: 제 2 스크랩
32: 전기로 투입용 조성물
45: 제 2 용강

Claims (13)

  1. 산화철을 함유하는 제 1 물질, 알루미늄을 함유하는 제 2 물질 및 탄산칼슘을 함유하는 제 3 물질이 혼합 성형된,
    전기로 투입용 조성물.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 물질은 밀스케일이고, 상기 제 2 물질은 알루미늄 드로스인 것을 특징으로 하는,
    전기로 투입용 조성물.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 조성물은 브리켓(briquette) 형태로 혼합 성형된,
    전기로 투입용 조성물.
  4. 제 1 항에 있어서,
    전체 조성물 중량 대비 상기 제 1 물질은 30 내지 45중량%, 상기 제 2 물질은 24 내지 35중량%, 상기 제 3 물질은 22 내지 45중량%인 것을 특징으로 하는,
    전기로 투입용 조성물.
  5. 제 4 항에 있어서,
    전체 조성물 중량 대비 상기 제 1 물질은 40 내지 44중량%, 상기 제 2 물질은 32 내지 35중량%, 상기 제 3 물질은 24 내지 26중량%인 것을 특징으로 하는,
    전기로 투입용 조성물.
  6. 전기로 내부에 제 1 스크랩을 장입하는 제 1 차 장입 단계;
    상기 전기로에 전력을 인가하고 상기 제 1 스크랩을 용해하여 제 1 용강을 형성하는 단계;
    상기 제 1 용강의 적어도 일부가 형성된 상기 전기로 내부에, 산화철을 함유하는 제 1 물질, 알루미늄을 함유하는 제 2 물질 및 탄산칼슘을 함유하는 제 3 물질이 혼합 성형된 조성물을 제 2 스크랩과 함께 장입하는 제 2 차 장입 단계; 및
    상기 전기로에 전력을 인가하고 상기 조성물과 상기 제 2 스크랩을 용해하여 제 2 용강을 형성하는 단계; 를 포함하는,
    전기로 조업 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 2 용강을 형성하는 단계는 상기 제 1 물질과 상기 제 2 물질의 화학발열반응으로 발생하는 열을 이용하여 상기 제 2 스크랩을 용해하는 단계를 더 포함하는,
    전기로 조업 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 2 차 장입 단계에서 상기 조성물 및 상기 제 2 스크랩 중 상기 조성물은 상기 제 1 용강 내에 장입될 수 있도록 하여, 상기 제 1 물질과 상기 제 2 물질의 화학발열반응은 상기 제 1 용강 내에서 일어나는 것을 특징으로 하는,
    전기로 조업 방법.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 조성물의 융점은 상기 제 3 물질에 의하여 상기 제 1 용강 및 상기 제 2 용강의 온도보다 낮으며, 상기 산화철로부터 환원된 철은 상기 제 1 용강 및 상기 제 2 용강의 상부로 슬래그 형태로 부상되지 않고 상기 제 1 용강 및 상기 제 2 용강 내에 존재하는 것을 특징으로 하는,
    전기로 조업 방법.
  10. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 1 물질은 밀스케일이고, 상기 제 2 물질은 알루미늄 드로스인 것을 특징으로 하는,
    전기로 조업 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 조성물은 브리켓(briquette) 형태로 혼합 성형된,
    전기로 조업 방법.
  12. 제 6 항에 있어서,
    전체 조성물 중량 대비 상기 제 1 물질은 30 내지 45중량%, 상기 제 2 물질은 24 내지 35중량%, 상기 제 3 물질은 22 내지 45중량%인 것을 특징으로 하는,
    전기로 조업 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    전체 조성물 중량 대비 상기 제 1 물질은 40 내지 44중량%, 상기 제 2 물질은 32 내지 35중량%, 상기 제 3 물질은 24 내지 26중량%인 것을 특징으로 하는,
    전기로 조업 방법.



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