KR970003130B1 - 고로내의 코크스 입도추정방법 - Google Patents

Abstract

내용없음.

Description

고로내의 코크스 입도추정방법

제1도는 통상적인 고로의 개요도

제2도는 본 발명에 따르는 고로내의 코크스 입도 추정순서도.

제3도는 고로내 가스조성 및 온도분포 측정결과의 일례도.

제4도는 본 발명에 의한 미분탄 취입량 변화에 따른 보쉬 코크스 입도변화의 추정결과와 실측치와를 비교한 비교도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

2 : 코크스 3 : 철광석

9 : 보쉬

본 발명은 제철소의 고로(高爐, 鎔鑛爐)내에 존재하는 코크스의 입도를 추정하는 방법에 관한 것이다.

코크스는 원료탄(原料炭)을 건류(乾溜)여 제조한 고체 덩어리로서 주성분이 탄소로 구성되어 있다. 코크스는 열원(熱源), 환원제(還元劑) 그리고 통기(通氣) 및 통액(通液)유지제의 목적으로 고로에서 사용되고 있다.

이와 같이 코크스가 담당하던 종래의 3가지의 주요한 역할 중 열원과 환원제의 공급원으로서의 기능은 보조연료(예를 들면 미분탄(黴粉炭))의 취입에 그 일부가 대체되고 있다. 즉 미분탄 등 보조연료를 풍구를 통해 직접 취입함으로써 노정(爐頂)을 통해 장입되는 크크스량이 줄어들게 되었다. 이로 인해 고로내의 가스와 용융물(슬래그 및 용선(榕銑))이 통과할 수 있는 통로를 제공하는 통기, 통액의 역할을 상대적으로 적은 량의 코크스로 감당해야 하므로 코크스의 부담이 더욱 커지게 되는 문제점이 야기되고 있다.

이러한 보조연료의 취입을 통해 경제적인 효과를 얻고, 아울러 안정적인 고로조업을 위해서는 고로내의 통기성과 통액성을 양호하게 유지시킬 수 있는 고로 조업방법이 필요하게 되었다. 이러한 코크스는 고로내에서 화학반응과 장입물간의 마찰에 의한 물리적인 원인에 의해 그 크기가 작아지고 강도가 저하된다. 이 같은 고로내 코크스의 분화(粉化)현상과 열화(劣化)현상은 전술한 통기, 통액성에 직접적인 영향을 미치게되며, 안정적인 조업과 원활한 생산에 지장을 초래하게 된다.

이와 같은 이유로 고로내 코크스의 크기 즉, 코크스 입경의 변화는 고로조업에서 중요한 인자로서 작용하며, 이로 인해 조업변화에 따른 코크스의 입경변화를 측정하거나 예측하는 것이 매우 중요하다.

종래에는 고로내 코크스의 분화현상을 조사하기 위해, 조업중이던 고로의 내용물을 그대로 둔채 송풍을 중지한 후 냉각하여 고로내의 내용물을 측정 분석하는 이른바 해체조사(解體調査) 방법이 시도된 바 있었다.(예를 들면 칠과강(鐵と鋼), vol.62, p.570(1976)). 이 방법은 고로내의 코크스의 분화현상을 종합적으로 관찰할 수 있는 이점은 있지만, 그 조사방법이 매우 복잡하고, 처리물량과 시간이 많이 소요되는 문제점이있었다. 이러한 문제점을 해결하고자 필요한 위치의 시료를 채취할 수 있는 채취장치(sampler)를 이용하여 고로 반경방향의 시료를 채취하여 분석하는 방법이 이용되고 있으나, 시료의 처리가 여전히 복잡한 단점을 가지고 있었다.(예를 들어, 일본강관기보 (日本鋼管技報) No.132, p.1(1990))

또한 코크스의 품질을 나타내는 지수로서 저온구역, 즉 고로상부에서의 코크스의 기계적인 분화특성을 나타내기 위해 회전강도(回轉强度) 특성치를 사용하고 있다. 이것은 일정 크기의 회전통(回轉筒. drum. 보통 직경 1.5m, 길이 1.5m)내에 일정량(보통 10kg), 일정입도(보통 50mm이상)의 코크스를 장입한 후 일정시간 회전(보통 15rpm, 10분)시킨 후 체질하여 일정입도(보통 15mm)이상의 분률을 수치화한 것으로, 고로내 저온 구역에서의 기계적인 마모에 의한 코크스 분화특성을 예상하는 방법이 사용되고 있다. 또한 고로내 고온구역에서의 코크스 품질을 평가하는 지수로서 고온분화지수(CSR, Coke Strength after Reaction)를 사용하기도 하는데, 이 방법은 반응관내에서 CO₂100%인 반응가스를 이용하여 200g, 20mm 크기의 코크스와 1100℃, 2시간 반응시킨 후 코크스의 무게 감량을 기준하여 코크스의 반응성으로 삼고, 반응한 시료를 회전통에 넣고 20rpm 30분 회전시킨 후 10mm이상 코크스의 분률을 고온분화지수로 삼는 방법이다. 그러나 이같은 코크스의 품질에 대한 관리방법은 그 평가기준이 일정한 조건에 한정되어 있기 때문에 고로조업 변화에 따른 코크스의 분화특성을 정확하게 추정하는 데는 제약이 있었다.

이에, 본 발명은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 연구와 실험을 행하고, 그 결과에 근거하여 본 발명을 제안하게 된 것으로서, 본 발명은 고로조업변화에 따른 고로내의 코크스의 입도변화를 보다 간편하고 정확하게 추정할 수 있는 방법을 제공하고자 하는데, 그 목적이 있다.

이하, 본 발명에 대하여 설명한다.

본 발명은 고로조업조건을 설정하는 단계; 상기와 같이 설정된 고로조업조건에 따라 고로조업시의 고로높이 방향으로의 가스조성 및 온도(T) 분포를 측정하는 단계; 코크스의 강하속도를 측정 코크스가 일정구간에 체류하는 시간(Δt)을 구하는 단계; 일정구간에서의 코크스의 화학반응속도(Rste)를 하기 식(2)에 의해 구하는 단계; 코크스의 화학반응속도

‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥ (2)

(여기서, Pco₂및 Pco는 각각 CO₂및 CO의 분압이고, k₁,k₂,k₃는 반응속도상수)

화학반응에 의해 소모된 후의 코크스 입자크기(입경)(D₂)를 구하기 위하여 고로내에 존재하는 코크스는 구형이고, 코크스 입자내에서는 그 조성과 밀도가 균일하고, 또한 코크스는 그 표면에서부터 균일하게 소모된다고 가정하여 하기식(3)을 설정하는 단계;

D₂=D₁(1-Rate×Δt)^⅓‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥ (3)

물리적인 마찰에 의해 소모된 후의 코크스 입자크기(입경)(D₃)를 구하기 위하여 상기와 같이 구한 화학반응에 의해 소모된 후의 코크스 입자크기(D₂), 코크스 분화지수(CSR)및 코크스 분화 지수를 구하기 위한 시료회전시간(RT)을 이용하여, 코크스는 구형이고, 코크스 입자 내에서는 그 조성과 밀도가 균일하고, 또한 코크스는 그 표면에서부터 균일하게 소모된다고 가정하여, 하기 식(3a)를 설정하는 단계;

D₃=D₂[1-{(1-코크스분화지수(CSR)/100)시료회전시간(RT)}×Δt]^⅓‥‥‥(3a)

고로조업시 조업변화에 따른 노내온도분포와 가스조성변화 및 장입물의 강하속도를 이용하여 상기 식(3a)에 의해 고로내 각 위치에서의 코크스 입자크기를 추정하는 단계를 포함하여 구성되는 고로내의 코크스 입도추정방법에 관한 것이다.

이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

제1도에는 고로의 개요도를 나타내는데, 제1도에 나타난 바와 같이, 용선의 원, 연료가 되는 철광석(3)과 코크스(2)는 노정(1)에서 층상(層狀)으로 장입되고, 고로 하부에 위치한 풍구(10)를 통해 고온의 열풍을 불어넣어 코크스를 연소시킨다. 이때 보조연료인 미분탄을 풍구를 통해 송풍과 함께 취입하기도 한다. 이 연소반응으로 열과 환원가스가 발생하며, 이것에 의해 철광석은 환원 및 용해된다. 생성된 용융물인 용선(8)과 슬래그(7)는 노저(爐低)에 고이게 되며, 출선구(出詵口)(11)를 통해 주기적으로 고로밖으로 배출된다. 노정으로 장입된 고체 상태인 철광석은 노하부로 강하하는 과정에서 환원되고 연화융착(軟化融着)되어 최종적으로 연화융착대(4)이하에서는 용융물로 존재하게 된다. 그러나 코크스는 연화융착대 윗부분인 괴상대(槐狀帶0뿐 아니라 노저부에서도 노심(爐心)(5)을 형성한다. 즉, 코크스는 괴상대뿐 아니라 노저부에서도 고체상태로 존재하며, 이러한 이유로 코크스는 고로내 통기성과 통액성을 담당하는 중요한 역할을 한다.

보쉬 코크스는 고로내 보쉬(9)부에 존재하는 코크스로써 연소대(6)로 유입되는 코크스이다. 이 코크스의 입도는 연소대의 특성과 코크스의 고온 분화특성과 밀접한 관련이 있다.

제2도에는 본 발명에 의한 고로내 코크스의 입도변화를 추정하는 순서도가 나타나 있는데, 이하에서는 제2도를 통해 본 발명의 코크스 입도추정방법을 설명한다.

본 발명에 따라 고로내의 코크스입도를 추정하기 위해서는,. 우선, 추정하려는 대상고로를 고려하여, 코크스 분화에 영향을 줄 수 있는 조업조건을 설정한다. 즉, 미분탄 취입량 또는 생산량 등 조업조건을 설정한다.

다음에, 상기와 같이 설정된 고로조업조건에 따라 고로조업시의 고로높이방향으로의 가스조성 및 온도분포를 측정하다.

가스조성 및 온도분포는 수직존데(vertical sonde)등의 계측장비를 이용하여 실제측정하는 것이 바람직하여, 이론적으로도 얻을 수 있다.

다음에, 코크스가 일정구간에 체류하는 시간(Δt)를 구하기 위하여 코크스의 강하속도를 측정한다.

코크스(장입물)의 고로내 강하속도는 고로의 조업조건에 의해 변화한다. 즉 생산량이 클 경우에는 이에따라 장입되는 속도도 증가하며 따라서 고로내에서 장입물의 강하속도도 증가하다. 그리고 미분탄 취입량이 증가할 경우에는 같은 생산량의 경우에도 장입물의 강하속도는 감소한다. 이와 같은 장입물 강하속도는 통상의 계측장비를 이용하여 측정한다.

이러한 장입물의 강하속도 변화에 의해 고로내에서 코크스가 체류하는 시간(Δt)을 구할 수 있다.

다음에, 일정구간에서의 코크스의 화학반응속도(Rate)를 구한다.

고로내에서 코크스는 솔루션로스(solution loss)반응에 의해 화학적으로 분화된다. 이 화학반응은 다음과 같이 코크스중의 탄소와 이산화탄소와의 반응이다.

C＋CO₂= 2CO ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥ (1)

위의 반응속도는 반응온도와 반응가스의 조성(즉 반응가스의 분압)에 영향을 받으며 아래의 관계식으로 표현하는 것이 일반적이다.

‥‥‥‥‥‥‥‥‥ (2)

여기서 Rate는 코크스의 화학반응속도(g/g-min)이고, k₁(min^-1), k₂(-), k₃(-)는 반응속도 상수이며 반응온도에 의존한다. 그리고 Pco₂와 Pco는 각각 반응가스중 CO₂와 CO의 분압(atm)이다.

노내 각 위치에서의 반응온도와 반응가스의 조성이 주어지면 상기식을 이용하여 코크스의 소모 속도를 계산할 수 있다. 위의 반응속도상수는 문헌을 통해 그 값을 인용하거나 직접 실험을 통해 측정하여야 하는 값이다.

다음에, 화학반응에 의해 소모된 후의 코크스 입자크기(입경)(D₂)를 구한다.

고로내에 존재하는 코크스는 구형(球形)이고, 코크스 입자내에서는 그 조성과 밀도가 균일하며 또한 상기식(1)의 화학반응에 의해 코크스는 그 표면에서부터 균일하게 소모된다고 가정하면, 다음과 같은 관계식으로 나타낼 수 있다.

[유입된 코크스 중량=유출시 코크스 중량＋화학반응에 의해 소모된 코크스 중량]

이때 중량은 (부피×밀도)이기 때문에 다음과 같이 표기된다.

(π×D₁ ³/6)×밀도=(π×D₂ ³/6)×밀도＋(π×D₁ ³/6)×밀도×R_ate×Δt

또한, 상기 식을 간단히 정리하면 다음과 같은 식을 얻을 수 있다.

D₂=D₁(1-Rate×Δt)^⅓‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥ (3)

상기 식(3)에 의하면 화학반응에 의해 소요된 후의 코크스 입경을 계산할 수 있다. 상기 식(3)에서 D₁는 원래의 코크스 입자의 직경(mm)이며, D₂는 화학반응에 의해 그 표면이 소모된 후의 코크스의 직경(mm)이다. 이때 Δt는 계산을 위해 고로내를 일정구간 수직방향으로 나눈 구간사이를 코크스가 체류하는 시간(min)이다.

다음에, 물리적인 마찰에 의해 소모된 후의 코크스 입자크기(입경)(D₃)를 구한다.

전술한 바와 같이 고로내를 강하하는 동안 코크스는 화학반응에 의해 입자의 크기가 감소하는 반면, 장입물사이의 마찰에 의해서도 물리적으로 마모된다. 그러나 이러한 물리적인 마모량은 코크스의 반응성에 따라 변화하며, 일반적으로 많이 반응한 코크스는 그 조직이 열화되어 물리적으로도 많이 마모된다.

본 발명자들은 코크스의 물리적인 분화특성을 도출하기 위한 실험을 행한 결과, 코크스의 반응성과 물리적인 분화지수(CSR)는 코크스의 품질과 무관하게 다음과 같은 관계식을 만족함을 확인하였다.

코크스 분화지수(CSR)=a× 코크스반응율(CRI)+b ‥‥‥‥‥‥ (3b)

(여기서, a,b : 상수)

코크스 분화지수는 분화실험을 위한 반응후 시료를 회전통에 장입하여 일정시간 동안 (RT)회전시킨 후 일정입도 이상의 입도의 무게 백분률로서 나타낸다.

통상, 코크스 분화지수는 30분 동안 회전시켜 측정한다.

본 발명에서는 상기와 같이 얻어진 화학반응에 의해 소모된 후의 코크스 입자크기(D₂), 코크스 분화지수(CSR) 및 시료회전시간(RT)을 이용하여 다음과 같이 하기식(3a)을 유도한다.

물리적 반응에 의해 소모되는 코크스에 대하여 그 중량을 이용하면 다음과 같은 관계식이 성립한다.

즉, [유입된 코크스 중량=유출시 코크스 중량＋물리적 마찰에 의해 소모된 코크스 중량]이라고 나타낼수 있으며, 이때 중량은 [부피×밀도]이기 때문에 다음과 같이 표기할 수 있다.

(π×D₂ ³/6)×밀도=(π×D₃ ³/6)×밀도＋(π×D₂ ³/6)×밀도×(1-CSR/100)×Δt시료처리전시간(RT)

또한, 상기 식을 정리하면 다음과 같은 산출식을 얻을 수 있다.

D₃=D₂[1-{(1-코크스분화지수(CSR)/100)시료회전시간(RT)}×Δt]^⅓‥‥‥(3a)

상기 식(3a)에서 유입되는 코크스의 입도를 D₂로 표시한 것은 "코크스의 고로내 입도감소는 화학반응에 의해 행해진 다음, 다시 물리적인 마찰에 의해 D₃로 감소하다"라고 가정하였기 때문이다.

또한, 여기서 물리적 마찰에 의해 소모된 코크스의 중량을 설명하는 CSR은 백분율로 표기되기 때문에 100으로 나누어 나타낸 것으로 CSR/100으로 표기하였으며, 상기 CSR/100은 회전 후에도 입자의 형태를 유지하고 있는 몫이 되기 때문에 회전에 의한 물리적 마찰로 발생되는 분(粉)의 몫은(1-CSR/100)으로 나타낼 수 있다.

또한, CSR은 일정시간(보통 30분)동안 회전에 의해 얻어진 값이므로 코크스 입도를 추정하려는 구간에서의 코크스 체류시간을 보정하는 항목인 [체류시간/회전시간]을 적용한 것이다.

다음에, 고로조업시 조업변화에 따른 노내온도분포와 가스조성변화 및 장입물의 강하속도를 이용하여 상기 식(3a)에 의해 고로내 각위치에서의 코크스 입자크기를 추정하게 된다.

조업변화에 따른 노내 온도분포와 가스조성변화 장입물 강하속도의 변화 및 코크스의 화학적 분화와 물리적 분화 특성을 조업데이타 등을 통해 미리 설정해 놓으면 코크스의 고로내 각 위치에서의 입도 변화는 보다 용이하게 추정될 수 있다.

본 발명이 적용될 수 있는 고로내 위치는 보쉬부 및 그 상부이며, 보쉬부의 코크스 입도추정에 보다 바람직하게 적용될 수 있다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다.

실시예

본 실시예를 통해서는 내용적(內容的)이 3800㎥인 고로를 대상으로 하였다.

조업의 변화로는 미분탄 취입량의 변화에 대한 것을 고려하였다. 수직존데를 이용하여 미분탄 취입량이 변화함에 따라 노내 상황의 변화경향을 여러번 측정하여 그 변화경향을 정량화 하였다. 특정결과 미분탄 취입량이 변화함에 따라서는 노내 가스조성과 온도분포의 변화는 뚜렷하게 나타나지 않았으며, 그 결과를 계산에 편리하도록 단순화시켜 제3도에 나타내었다.

한편, 미분탄 취입량이 증대됨에 따라, 전술한 바와 같이 장입물의 강하속도는 감소하였으며, 미분탄 취입량의 변화에 따라 강하속도의 변화량은 다음과 같은 관계식을 만족하였다.

Δ_Vd=-0.003069 ΔPCR ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥ (4)

여기서 Δ_Vd는 장입물 강하속도의 변화(m/min)이고, ΔPCR은 미분탄 취입량의 변화량(㎏/ton-용선)이다.

이상과 같이 본 실시예에서는 조업변화에 따른 노내 상황변화를 계측장치를 이용하여 측정하였으며, 그 결과를 이용하여 조업변화에 따라 정량화하였다.

그리고 코크스의 반응속도 상수인 k₁, k₂, k₃는 실험을 통해 구하였으며, 그 결과는 다음의 3식으로 나타낼 수 있는 방응온도 T(K)에 의존하는 값이다.

k₁=0.78×10²Exp( -44550/T) ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥ (5)

k₂=0.23×10^-3Exp(49180/T) ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥ (6)

k₃=0.35×10^-8Exp(105950/T) ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥ (7)

즉, 이 반응 속도상수를 상기 식(2)에 대입하면, 전술한 제3도를 이용하여 노내 임의의 위치에서의 가스조성(식(2)에서 Pco2와 Pco)과 반응온도로부터 코크스의 반응속도를 구할 수 있다. 이때의 장입물 강하속도는 식(4)로부터 계산가능하며 이로부터 코크스의 체류시간 Δt를 계산할 수 있다. 그러므로 화학반응에 의한 코크스 입경변화는 식(2)와 식(5)-(7)로부터 계산가능하다.

한편 코크스의 물리적인 분화특성을 도출하기 위해 필요한 실험을 실시하였으며, 그 결과 코크스의 반응성과 물리적인 분화지수는 코크스의 품질과 무관하게 다음의 관계식을 만족하였다.

코크스분화지수(csr)(%)=0.938×코크스의 반응률+88.8 ‥‥‥‥‥ (8)

이때, 분화지수는 앞서 상술한 바와 같이 분화실험을 위한 반응후 시료를 회전통에 장입하여 600 회전시킨 후 10mm이상의 입도의 무게백분률로서 나타낸 것이다. 위의 관계를 이용하여 고로내를 Δt시간동안 강하하는 동안 물리적인 마찰에 의해 줄어드는 코크스의 입자크기 D₃는 다음과 같은 관계식에 의해 계산할수 있다.

D₃=D₂[1-(0.112+0.938×Rate)×Δt/30]^⅓‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥ (9)

식(9)에서 30은 분화실험에서 30분동안 회전시킨 후 분화특성을 측정한 것이기 때문에, 계산구간동안 체류하는 시간간격 Δt을 고려한 것이다.

이상과 같은 측정결과와 실험결과를 이용한 본 실시예의 계산방법을 이용하여 미분탄 취입량이 변화함에 따라 코크스의 고로내 분화거동을 "보쉬코크스의 입경/노정을 통해 장입되는 코크스의 입경"의 항으로 계산한 결과와 노내 시료를 채취할 수 있는 장치인 코크스 셈플러(coke sampler)를 이용하여 채취된 시료를 분석한 결과를 제4도에 비교하여 나타냈다. 이때 계산한 기준은 장입코크스의 직경이 50mm인 경우로 고정하였다.

제4도에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따라 실시한 경우, 계산한 결과와 측정된 결과는 잘 일치하는 것을 알 수 있다. 이를 통해 본 발명에 의해 제공되는 방법에 의해 추정된 보쉬 코크스의 입경이 타당함을 알 수 있다.

상술한 바와같이, 본 발명에 따르는 미리 설정된 기준에 의해 조업변화에 따라 고로내 코크스의 입경을 쉽게 추정할 수 있는 효과가 있다.

Claims (1)

1. 고로조업조건을 설정하는 단계; 상기와 같이 설정된 고로조업조건에 따라 고로조업시의 고로높이 방향으로의 가스조성 및 온도(T) 분포를 측정하는 단계; 코크스의 강하속도를 측정하여 이를 통해 코크스가 일정구간에 체류하는 시간(Δt)을 구하는 단계; 일정구간에서의 코크스의 화학반응속도(Rste)를 하기 식(2)에 의해 구하는 단계;

   코크스의 화학반응속도‥‥‥ (2)

   (여기서, Pco₂및 Pco는 각각 CO₂및 CO의 분압이고, k₁,k₂,k|₃는 반응속도상수)

   화학반응에 의해 소모된 후의 코크스 입자크기(입경)(D₂)를 구하기 위하여 고로내에 존재하는 코크스는 구형이고, 코크스 입자내에서는 그 조성과 밀도가 균일하고, 또한 코크스는 그 표면에서부터 균일하게 소모된다고 가정하여 하기식(3)을 설정하는 단계;

   D₂=D₁(1-Rate×Δt)^⅓‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥ (3)

   물리적인 마찰에 의해 소모된 후의 코크스 입자크기(입경)(D₃)를 구하기 위하여 상기와 같이 구한 화학반응에 의해 소모된 후의 코크스 입자크기(D₂), 코크스 분화지수(CSR)및 코크스 분화 지수를 구하기 위한 시료회전시간(RT)을 이용하여 하기 식(3a)를 설정하는 단계;

   D₃=D₂[1-{(1-코크스분화지수(CSR)/100)시료회전시간(RT)}×Δt]^⅓‥‥‥(3a)

   고로조업시 조업변화에 따른 노내온도분포와 가스조성변화 및 장입물의 강하속도를 이용하여 상기 식(3a)에 의해 고로내 각 위치에서의 코크스 입자크기를 추정하는 단계를 포함하여 구성되는 고로내의 코크스 입도추정방법.