WO2015020262A1 - 용탕의 정련 방법 및 그 장치 - Google Patents

용탕의 정련 방법 및 그 장치 Download PDF

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blade
impeller
refining
liquid
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박정호
강수창
천진규
서윤열
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주식회사 포스코
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    • F27D3/00—Charging; Discharging; Manipulation of charge
    • F27D3/16—Introducing a fluid jet or current into the charge

Definitions

  • the present invention relates to a method and apparatus for refining molten metal, and more particularly, to a method and apparatus for refining molten metal capable of efficiently controlling phosphorus concentration in a ferromanganese molten metal.
  • phosphorus (P) is present as an impurity in the steel and deteriorates the quality of steel products, such as causing high temperature brittleness, so it is preferable to lower the content of phosphorus (P) in the steel except in special cases.
  • the Tallinn operation to remove phosphorus (P) in the ferro-manganese molten metal is carried out.
  • the general impeller 20 as shown in Figure 9, the impeller body 21 extending in the vertical direction, a plurality of blades 22, a plurality of blades 22 connected to the outer peripheral surface of the lower portion of the impeller body 21
  • a flange 25 connected to the top of the body 21. And the flange 25 is connected to the drive (not shown) for providing rotational power.
  • the flow descending again on the inner wall of the ladle 10 is generated by the rotation of the blade 22 to provide the ladle 10. It collides with the stirring stream rising up the inner wall. The agitation force is canceled by the collision of the flow, which reduces the reaction rate between the molten metal and the dephosphorization agent, thereby reducing the dephosphorization rate.
  • the present invention provides a method and apparatus for refining molten metal capable of improving the stirring efficiency of the molten metal and improving the dispersibility of the dephosphorizing agent introduced into the molten metal.
  • the present invention provides a method and apparatus for refining molten metal which can efficiently control the phosphorus (P) concentration in the molten metal.
  • the present invention provides a method and apparatus for refining molten metal that can increase the dephosphorization efficiency by suppressing the temperature drop of the molten metal.
  • an apparatus for refining molten metal comprising: an impeller extending upward and downward in an upper portion of a container in which the molten metal is charged; And a liquid dephosphorization agent supplying unit provided at an upper portion of the vessel to supply a liquid dephosphorization agent in a molten state to the upper portion of the molten state, wherein the impeller includes: an impeller body; A blade provided on an upper outer circumferential surface of the impeller body; A supply pipe provided in the impeller body along a length direction of the impeller body and supplied with a solid dephosphorizer and a conveying gas in a powder state; And a blowing nozzle passing through a portion of the lower part of the impeller body and communicating with the supply pipe.
  • the blade may be located in an upper region of a half point with respect to the total depth of the molten metal, and the blow nozzle may be located in a lower region of a half point with respect to the total depth of the molten metal.
  • the blade may be disposed in an area of 10 to 30% from the molten surface of the molten metal with respect to the total depth of the molten metal.
  • the liquid dephosphorizer supply unit may be connected to a discharge pipe having a heater for heating the liquid dephosphorizer.
  • the blade may have an upper width longer than the lower width.
  • the upper width of the blade may be formed 5 to 20% longer than the entire length of the lower width.
  • the blade may be formed to have a width of 35 to 45% with respect to the inner diameter of the ladle.
  • the blade may be provided with a plurality of spaced apart around the impeller body, the inclined surface may be formed on at least one side facing the adjacent blade.
  • One side of the blade may be formed to be inclined with an angle of 10 ⁇ 30 ° with the top surface of the blade.
  • a refining method of the molten metal the method of refining the molten metal, the process of preparing a molten metal; Immersing an impeller in the molten metal; Supplying a liquid dephosphorizer to the upper portion of the molten metal; And rotating the impeller to agitate the molten metal.
  • a solid phase dephosphorizer in a powder state may be supplied through a lower portion of the impeller.
  • the slag generated in the previous process can be excluded.
  • the blade of the impeller In the process of immersing the impeller, the blade of the impeller is disposed in the upper region of the half point of the total depth of the molten metal, and the blow nozzle of the impeller is arranged in the lower region of the half point of the total depth of the molten metal Can be.
  • the blade of the impeller may be disposed in the 10 to 30% area from the molten surface of the molten metal.
  • the stirring process may include agitation such that the stirring flow direction of the melt generated by the blade of the impeller and the stirring flow direction of the melt generated by the solid dephosphorization agent blown into the molten metal coincide with each other.
  • the stirring flow generated by the blade flows separately in the vertical direction, and the stirring flow area of the molten metal in the lower direction of the blade may be wider than the stirring flow area of the molten metal in the upper direction of the blade.
  • the liquid dephosphorization agent supplied to the molten metal may be 50 to 70% by weight based on the total weight of the liquid dephosphorization agent and the solid phase dephosphorization agent.
  • an inert gas may be supplied together with the solid dephosphorizer.
  • the molten metal may be excluded slag.
  • blades and blowing nozzles are provided so as to be separated from the upper and lower sides of the molten metal to improve the dispersibility of the dephosphorizing agent introduced into the molten metal, thereby improving the desalting efficiency.
  • the liquid dephosphorizer is introduced into the upper portion of the molten metal contained in the container, and the molten metal is stirred using an impeller having a blade disposed on the upper side of the molten metal.
  • FIG. 1 is a view showing a schematic configuration of a molten metal refining apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 2 is a cross-sectional view schematically showing the structure of the impeller.
  • FIG. 3 is a bottom view of the blade.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view showing the structure of a blow nozzle.
  • FIG. 5 is a flowchart sequentially showing a method of refining molten metal according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 6 is a graph showing the results of the experiment for the optimization of the Tallinn process by using the molten metal refining apparatus and method according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a graph showing the stirring effect of the debinding agent input method and the position of the blade.
  • FIG. 9 is a view showing a schematic configuration of a refining apparatus for molten metal according to the prior art.
  • the present invention is a refining apparatus and method of the molten metal, it is possible to control the concentration of elements such as sulfur (S), phosphorus (P) and the like contained in the molten metal by adding an additive in the molten metal.
  • S sulfur
  • P phosphorus
  • the present invention is not limited thereto, and various substances are introduced into the molten metal according to operating conditions. The concentration of various elements contained can be controlled.
  • a liquid dephosphorizing agent is added to the upper portion of the molten metal, and a solid dephosphorizing agent is added to the molten steel to stir the steel while stirring the dispersion efficiency of the liquid dephosphorizing agent and the solid phase dephosphorizing agent in the molten metal.
  • FIG. 1 is a view showing a schematic configuration of a molten metal refining apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • a refining apparatus for molten metal is disposed to be movable upward and downward on a ladle 100 in which molten metal and slag are accommodated, and a moving path of a solid dephosphorizer is disposed therein.
  • the impeller 200 is formed, and the liquid dephosphorizer supply unit 300 for injecting the liquid dephosphorization agent into the upper portion of the molten metal charged in the ladle 100 on the ladle 100.
  • the refining apparatus of the molten metal is supplied to the upper portion of the molten metal contained in the ladle 100 through the liquid dephosphorizer supplying unit 300, and while stirring the molten metal while supplying a powdered solid dephosphorizer into the molten metal through the impeller
  • the concentration of phosphorus in the molten metal can be controlled.
  • Figure 2 is a cross-sectional view schematically showing the structure of the impeller
  • Figure 3 is a bottom view of the blade
  • Figure 4 is a cross-sectional view showing the structure of the blow nozzle.
  • the impeller 200 is a stirrer for stirring the molten metal accommodated in the ladle 100 and the liquid and solid dephosphorizing agent introduced for refining the molten metal.
  • the impeller 200 is provided in the impeller body 210, the lower portion of the impeller body 210, the blowing nozzle 230 for injecting the solid dephosphorizer and the transfer gas into the molten metal, a plurality of blades mounted on the outer peripheral surface of the impeller body 210 220.
  • the flange 250 connected to the upper end of the impeller body 210 on the upper side of the plurality of blades 220, is formed to penetrate the inside of the impeller body 210 in the vertical direction, additives and gas to the blow nozzle 230 It includes a supply pipe 240 for supplying.
  • the impeller 200 may be installed outside the ladle 100 to be connected to a separate drive unit (not shown), for example, a motor that provides rotational force, and preferably through an upper portion of the flange 250 of the impeller 200. It may be connected to the impeller body 210.
  • Impeller body 210 is a rotation axis or main axis of the impeller 200, is formed extending in the longitudinal direction or vertical direction, it may be installed to extend so as to be immersed from at least the molten surface of the molten metal to the lower region of the molten metal. More specifically, the impeller body 210 is installed so that the upper end protrudes to the upper side of the slag and the lower end extends to the lower region of the molten metal, such that the lower end of the impeller body 210 is adjacent to the bottom surface of the ladle 100. Can be arranged.
  • the impeller body 210 may have a rod shape having a circular cross section, but is not limited thereto, and may have a rod shape having various cross sections that are easy to rotate.
  • a flange 250 may be connected to an upper portion of the impeller body 210, and the flange 250 may be connected to a driving unit (not shown) that provides rotational force.
  • the impeller body 210 is rotated by the operation of the drive unit, the blade 220 is also rotated by the rotation of the impeller body 210.
  • the supply pipe 240 communicates with the blow nozzle 230 provided below the impeller body 210 and is used as a moving path of the solid dephosphorizer sprayed through the blow nozzle 230.
  • the supply pipe 240 is also used as a moving path of the conveying gas for conveying and spraying the solid dephosphorizer to the blowing nozzle (230).
  • only the transfer gas may be transferred through the supply pipe 240 to be injected into the blowing nozzle 230.
  • the supply pipe 240 is formed to penetrate the inside of the flange 250 and the impeller body 210 in the vertical direction. It is formed to penetrate the inside of the body 210 in the vertical direction.
  • the supply pipe 240 according to the embodiment has a hole shape formed by processing the inside of the flange 250 and the impeller body 210, but is not limited thereto.
  • a pipe having an internal space may be the flange 250 and the impeller body 210. ) May be installed to be inserted into the inside.
  • the upper end of the supply pipe 240 may be connected to the tank in which the solid dephosphorizer and the transport gas in powder form, respectively, and the lower end is in communication with the blow nozzle 230 provided under the impeller body 210.
  • the inner cross-sectional area of the supply pipe 240 may be formed to have the same or substantially similar size as the inner cross-sectional area of the blow nozzle 230 connected to the supply pipe 240. That is, the plurality of blowing nozzles 230 may be in communication with the supply pipe 240, and when the cross-sectional area of the supply pipe 240 is too small than the cross-sectional area of the blowing nozzles 230, the solid dephosphorization agent through the supply pipe 240.
  • the amount of the solid dephosphorization agent discharged through the plurality of blowing nozzles 230 is insufficient because the conveyance of the liquid is not smooth or the amount is small, and when the amount of the solid dephosphorization agent is excessively large, the solid dephosphorization is carried out through the blowing nozzle 230. I may not discharge smoothly.
  • Blowing nozzle 230 blows solid dephosphorization agent and conveying gas into the molten metal.
  • Blowing nozzle 230 is provided in the lower portion of the impeller body 210, it is effective to be spaced apart as far as possible from the blade 220 is installed on the top.
  • the blow nozzle 230 is adjacent to the bottom surface of the ladle 100, and the blade 220 is installed to be adjacent to the molten surface of the molten metal.
  • the blow nozzle 230 is configured separately from the blade 220, it is located in the lower region of the molten metal accommodated in the ladle (100).
  • blowing nozzle 230 is preferably formed in a direction intersecting the direction in which the impeller body 210 is extended (extending in the vertical direction).
  • Blowing nozzle 230 according to the embodiment is formed to extend in the left and right direction of the impeller body 210, branched in a plurality of directions around the supply pipe 240 penetrating the center of the impeller body 210 in the vertical direction It is formed to be.
  • the number of blown nozzles 230 branched may be provided in a number corresponding to the number of the plurality of blades 220, or may be provided in a number less than or more than the number of blades 220.
  • Blowing nozzle 230 is a hole shape (branch) branched in the left and right direction around the supply pipe 240 by processing the interior of the impeller body 210, but not limited to this, having a thin inner space
  • the pipe may be inserted into the lower part of the impeller body 210.
  • the blow nozzle 230a may be formed in a direction intersecting with the supply pipe 240, for example, a direction orthogonal to each other, to spray the solid dephosphorizer into the molten metal in a horizontal direction.
  • the blow nozzle 230b is formed to be inclined downward, it is possible to discharge the solid dephosphorization agent transferred through the supply pipe 240 to be inclined downward in the molten metal. Accordingly, the solid dephosphorization agent discharged from the blow nozzle 230b may be easily diffused to the lower portion of the molten metal.
  • the solid dephosphorizer which is transferred through the supply pipe 240 and sprayed to the blow nozzle 230 is an additive for removing phosphorus (P) component in the molten metal, and is BaCO 3 , BaO, BaF 2 , BaCl 2 in powder form. It may include at least one of, CaO, CaF 2 , Na 2 CO 3 , Li 2 CO and NaF.
  • the solid phase dephosphorizing agent may be BaCO 3 -NaF system.
  • the conveying gas which is conveyed through the supply pipe 240 and injected through the blow nozzle 230 is used to suppress or prevent the blockage of the blow nozzle 230 and to stir the melt, and does not react with the melt and the solid phase dephosphorizer. May be an inert gas such as argon (Ar), nitrogen (N 2 ), or the like.
  • the blade 220 mechanically stirs the molten metal charged into the ladle 100 to disperse or diffuse the liquid dephosphorization agent and the solid phase dephosphorization agent introduced into the molten metal.
  • the blade 220 is installed to be spaced apart from the blow nozzle 230 in the upper portion of the impeller body (210). That is, the blade 220 is located in the upper region of the molten metal accommodated in the ladle 100, and is separately configured to the blow nozzle 230.
  • the upper surface of the blade 220 may be installed to be adjacent to the molten metal of the molten metal.
  • the blade 220 is provided in plural and connected to the outer circumferential surface of the upper portion of the impeller body 210, the plurality of blades 220 are spaced apart at equal intervals from the outer circumferential surface of the impeller body 210.
  • the plurality of blades 220 may be disposed, for example, in a cross shape, with the impeller body 210 interposed therebetween to maximize agitation efficiency, and may be disposed to face each other with respect to the impeller body 210.
  • the blade 220 may have an upper width Wu greater than the lower width Wb to form a flow of the molten metal from the upper portion of the molten metal to the lower portion of the molten metal (Wu> Wb).
  • the upper width (Wu) means the length from one side to the other side from the upper surface of the blade
  • the lower width (Wb) means the length from one side to the other side from the lower surface of the blade
  • the blade 220 rotates the blade ( It is equal to the diameter of the circle formed on the top and bottom of 220.
  • the blade 220 may form the upper width (Wu) of about 5 to 20% of the upper width than the lower width (Wb), wherein the lower width (Wb) is larger than the diameter (D) of the impeller body (210) .
  • the surface 220a facing the side of the blade 220 connected to the impeller body 210 may be formed to be inclined downward.
  • the side surface 220b facing the adjacent blade in the blade 220 may be formed as a slope inclined downward. This may implement the effect of pushing the molten metal downward when the blade 220 is rotated to allow the molten metal to flow downward.
  • the inclined surface formed on the side of the blade 220 may be formed on both sides of the blade 220, but may also be formed only on the side disposed in the rotation direction of the impeller 200.
  • the side of the blade 220 may form an angle of about 10 to 30 degrees with the upper surface of the blade 220.
  • the width of the blade 220 may occupy about 35 to 45% of the inner diameter of the ladle 100.
  • the height of the blade 220 may be formed in a length of about 25 to 35% with respect to the upper width of the blade 220. If the height of the blade 220 is longer than the range presented, the contact area between the blade and the melt is increased to increase the power required to rotate the impeller 200 compared to the stirring effect, and if it is shorter than the presented range, the stirring efficiency of the melt is lowered. There is a problem that can be.
  • the blade 220 is formed to be located within 50%, more preferably within a range of 10 to 30% of the molten metal (excluding liquid dephosphorization agent) when the impeller 200 is immersed in the molten metal charged into the ladle 100. It is good to be. This will be described again in the molten metal treatment method.
  • the blow nozzle 230 is disposed in the lower region of the molten metal, and the blade 220 is separately installed so as to be located in the upper region of the molten metal, and the blade 220 and the blow nozzle 230 are spaced apart as far as possible. It is effective to be located.
  • the installation position of the blow nozzle 230 and the blade 220 according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the following.
  • H the depth of the molten metal accommodated in the ladle 100 as shown in FIG. 2
  • H distance from the bottom surface of the ladle 100 to the upper surface (hot surface) of the molten metal
  • the blowing nozzle 230 is located in the lower region of the 1/2 point (1 / 2H) of the depth H of the molten metal relative to the bottom surface of the ladle 100, the blade 220 of the depth H of the molten metal It is installed so as to be located in the upper region of the 1/2 point (1 / 2H). More preferably, the blow nozzle 230 is located in the lower region of 3/10 of the depth H of the melt relative to the bottom surface of the ladle 100, and the blade 220 is 7/10 of the depth H of the melt.
  • the blade 220 is located in an area (direction adjacent to the molten surface) within 3/10 of the molten surface, and exceeds 7/10.
  • Blowing nozzle 230 is located in the region (direction adjacent to the bottom surface of the ladle 100).
  • the liquid dephosphorizer supplying unit 300 is provided on the ladle 100 to supply a high temperature liquid dephosphorizer to the upper portion of the molten metal in the ladle 100.
  • the liquid dephosphorizer supply unit 300 includes a melting furnace to melt the solid dephosphorizer.
  • the liquid dephosphorizer supplying unit 300 may be provided with a switch for supplying and blocking a liquid dephosphorization agent in a molten state and controlling a supply amount.
  • the switch may be implemented in various forms such as a valve, a stopper, a sliding gate, and the like.
  • the liquid dephosphorizer supply unit 300 may be connected to the discharge pipe 400 for supplying the liquid dephosphor agent discharged from the melting furnace to the molten state at a high temperature.
  • the discharge pipe 400 may be provided with a heater (not shown) for heating the liquid dephosphorization agent transported along the inside of the discharge pipe 400, the heat discharge material (not shown) in the discharge pipe 400 to suppress the temperature drop of the liquid dephosphorization agent ) May be provided.
  • the molten metal refining apparatus by supplying a high temperature liquid dephosphorization agent to the upper portion of the molten metal, stirring the molten metal while discharging the solid dephosphorization agent in the molten metal, the temperature of the molten metal is suppressed and the dephosphorization agent is removed. Can be dispersed quickly and uniformly in the melt.
  • the phosphorus component contained in the molten metal can be easily controlled to produce a molten metal of high quality.
  • FIG. 5 is a flowchart sequentially showing a method of refining molten metal according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • the molten ferromangan molten metal produced in the electric furnace is tapped with the ladle 100 and then heated in a ladle furnace facility, and then moved to an operation place for Tallinn.
  • the operation place for Tallinn is provided with an impeller for stirring the molten metal and a liquid dephosphorizing agent supply unit 300 for injecting the dephosphorizing agent into the molten metal.
  • the liquid dephosphorizer supply unit 300 may add a liquid dephosphorization agent in which the solid dephosphorization agent is melted.
  • the liquid dephosphorizer in the melting furnace is constantly discharged by using the switch of the liquid dephosphorizer supply unit 300 to be injected into the upper portion of the molten metal through the discharge pipe 400 (S130).
  • the impeller is rotated to stir the melt (S140).
  • the supply gas and the solid dephosphorization agent are supplied through the supply pipe 240 of the impeller and discharged in the molten metal by the blowing nozzle (S150).
  • the liquid dephosphorization agent may add about 50 to 70% of the total weight of the dephosphorization agent (solid dephosphorization agent and liquid dephosphorization agent) which is added for dephosphorization of the molten metal.
  • the amount of liquid dephosphorization agent is less than the indicated range, the temperature of the molten metal decreases due to the increase of the amount of solid phase dephosphorizer, and if the amount of the liquid dephosphorization agent is more than the indicated range, the temperature decrease of the melt can be suppressed, but the dephosphorization efficiency is further increased There is a problem that they do not or are insignificant.
  • the rotation of the impeller is stopped and raised to take out the impeller from the molten metal (S160), and then the slag generated during the delineation process (S170).
  • the stirring of the molten metal may be performed for about 5 to 20 minutes. If the molten metal is stirred for a shorter time than the suggested time, the dephosphorization effect of the molten metal is lowered. In addition, the temperature of the molten metal is lowered and the dephosphorization efficiency is lowered, as well as a separate process for raising the temperature of the dephosphorized molten steel in a subsequent process has to be performed.
  • the liquid dephosphorizer is introduced through the upper part of the molten metal, the solid dephosphorizer is introduced into the molten metal, and when the impeller is rotated, the liquid dephosphorizer is decomposed into fine droplets by the rotation of the impeller and moved from the upper part to the lower part. It is dispersed while, and the solid dephosphorizer is dispersed while moving from the lower side of the molten metal to the upper side.
  • the blowing nozzle is formed in the lower portion of the molten metal to form a flow of the molten metal from the lower portion of the molten metal and The dispersion efficiency of a solid phase dephosphorization agent can be improved.
  • the blade 220 rotates together with the impeller body 210. And, as shown in Figure 1, the flow of agitation (solid arrow) caused by the rotation of the blade 220 is generated in the direction of the inner wall of the ladle 100 from the blade 220 and collided, ladle 100 ) The inner wall flows in a vertical direction. At this time, since the blade 220 is located adjacent to the hot water surface, the area of the stirring flow of the molten metal in the lower direction of the blade 220 is larger than the area of the stirring flow of the molten metal in the upper direction of the blade 220.
  • a part of the ladle 100 moves upward in the inner wall, and then the outer peripheral surface of the impeller body 210 and the blade 220 through the liquid dephosphorization agent on the upper side of the hot water surface. Descend and climb again. And the other part is moved to the lower side of the inner wall of the ladle 100 to descend to the lower end of the inside of the ladle 100, and rises again on the outer circumferential surface of the impeller body 210 located under the blade 220.
  • the liquid dephosphorization agent in the upper portion of the molten metal is dispersed while moving downward along the flow of the molten metal.
  • both sides of the blade 220 that is, the surface adjacent to the blade 220 is formed to be inclined downward to press the molten metal during rotation to further accelerate the flow of the molten metal in the downward direction to promote the dispersion of the liquid dephosphorization agent You can.
  • the solid dephosphorizing agent and the conveying gas discharged through the blowing nozzle 230 have a small specific gravity, the solid dephosphorizing agent and the conveying gas are directly raised on the outer circumferential surface of the impeller body 210, and then the upper portion of the molten metal is rotated by the rotation of the blade 220 positioned above.
  • the area descends while flowing in the direction of the inner wall of the ladle 100, and ascends on the outer circumferential surface of the impeller body 210 again (dashed arrow). And the molten metal also stirs and flows by the stirring flow of such a liquid dephosphorization agent, a solid phase dephosphorization agent, and gas.
  • a liquid dephosphorization agent such as a liquid dephosphorization agent, a solid phase dephosphorization agent, and gas.
  • the flow by the solid dephosphorization agent and the gas and the flow by the blade 220 described above are flows in the same direction or in the same direction, they are joined together to improve the stirring force.
  • the blade 22 is installed under the impeller body 21, and the blowing nozzle 23 is provided on the blade 22. That is, in the conventional impeller 20, the blade 22 and the blowing nozzle 23 are not separated.
  • the stirring flow of the molten metal generated by the rotation of the blade 22 occurs in the direction of the inner wall of the ladle 10 and collides with the inner wall of the ladle 10. The ride flows in a vertical direction.
  • Figure 6 is a graph showing the results of the experiment for the optimization of the delineation process using the molten metal refining apparatus and method according to an embodiment of the present invention.
  • a delineation process was performed using a decoating agent of BaCO 3 -NaF system. After the dephosphorization process, the temperature of the FeMn molten metal, the input unit of dephosphorization agent (liquid dephosphorization agent and solid dephosphorization agent), the input ratio of the liquid dephosphorization agent, and the dephosphorization efficiency factor of the ferromangan melt were analyzed.
  • Solid phase dephosphorization agent was introduced into the molten metal by argon gas as a transfer gas, and the liquid dephosphorization agent was melted by using an indirect heating method using a silicon carbide (SiC) heating element and then melted to the upper portion of the molten metal. Input.
  • SiC silicon carbide
  • the ladle 100 containing the delineated molten steel was moved to a sampling site, and then the temperature of the molten steel was measured after desalination, and a specimen (second specimen) was collected. After that, the ladle 100 was transferred to the main processing plant, and the Tallinn experiment was terminated by performing the main processing using the arranging apparatus.
  • ICP Inductively Coupled Plasma Spectrometry
  • Figure 6a is a graph showing the relationship between the real ratio and the temperature of the melt according to the input ratio of the liquid dephosphorization agent. It can be seen that the temperature of the molten metal decreases with the temperature of the molten metal measured before the treatment of delineation as the ratio of the liquid dephosphorizing agent increases. That is, it can be seen that the temperature of the molten metal is measured as the ratio of the liquid dephosphorizing agent increases. In addition, the error rate of the molten metal increases as the ratio of the liquid dephosphorizing agent increases.
  • the melt error rate (approximately 90%) when only the liquid dephosphorization agent is added is about 10 compared to the melt error rate (approximately 80%) when the solid dephosphorization agent is added only. It can be seen that the percentage is high.
  • the melt error rate is very sensitive to the temperature of the melt after the Tallinn process.
  • the error rate of the molten metal when the temperature of the molten metal after the Tallinn was 1280 ° C. was found to be 80 to 90%.
  • the error rate of molten metal at a low temperature of about 1270 ° C. after the dephosphorization was about 10 ° C. was 65-75%, and the melting error rate decreased as the temperature of the melt decreased. Therefore, in order to improve the melt error rate, it is necessary to thoroughly manage the temperature of the molten metal before and after the Tallinn process.
  • FIG. 6B is a graph showing the raw unit of dephosphorization efficiency and dephosphorization agents (liquid dephosphorization agent and solid dephosphorization agent) according to the dephosphorization ratio of the liquid dephosphorization agent.
  • the Tallinn efficiency represents the difference between the phosphorus component (P i ) in the initial molten metal and the phosphorus component (P f ) in the molten metal after the Tallinn treatment.
  • the amount of the liquid dephosphorization agent is in the range of 0.5 to 0.7, that is, about 50 to 70% of the liquid dephosphorization agent is added to the total weight of the dephosphorization agent, the dephosphorization efficiency is best exhibited.
  • the Tallinn efficiency is lowered.
  • the input unit of the dephosphorizing agent is 119.8kg / 1 ton (mold) and the same amount of dephosphorizing agent is added (119.7kg / 1 ton (molten metal))
  • the Tallinn efficiency is the best.
  • the same amount of water is added to the first to sixth containers of the same size, and thymol (C 10 H 14 O) having an equilibrium distribution ratio of water and oil of 350 or more is added to each container.
  • the solution was dissolved to simulate the phosphorus component in the molten metal.
  • the impeller is immersed in water and subjected to rotary stirring at a constant speed.
  • the paraffin oil corresponding to the liquid dephosphorizer was fed over the water.
  • a valve for turning on / off the discharge of the paraffin oil and a valve for controlling the supply speed were used.
  • the position for supplying paraffin oil was composed of about 25% of the outside of the upper radius of the vessel in consideration of the position of the dephosphorizer discharge pipe of the actual process.
  • Paraffin oil and nitrogen gas were blown through the blowing nozzle of the impeller instead of powder. This experiment is to investigate the stirring effect of water and paraffin oil. It is also possible to spray liquid paraffin oil through the blowing nozzle. Paraffin oil was supplied with 10.8 liters of water for 10 minutes to simulate 100 kg / ton.FeMn of raw agent delineating agent. And the rotational speed of the impeller was set to 120rpm, the flow rate of nitrogen gas as the transport gas was applied at 120liter / min.
  • Table 1 Liquid dephosphorization Solid phase dephosphorization Blade position (located from the floor) Experimental Example 1 input input 70% Experimental Example 2 input input 20% Experimental Example 3 Not input input 70% Experimental Example 4 Not input input 20% Experimental Example 5 input Not input 70% Experimental Example 6 input Not input 20%
  • the experiment was performed by changing the experimental conditions as shown in the above table to see the stirring effect according to whether the liquid dephosphorizer and the solid dephosphorizer were added and the position of the blade.
  • the thymol analysis in water was performed and analyzed using the mass transfer equation as follows.
  • the overall reaction rate is the flow rate due to the thymol diffusion rate in the mass transfer resistant layer present on the water phase side. This mass transfer equation is shown in Equation 1.
  • Equation 1 Equation 1
  • Equation 3 can be derived.
  • Cw 0 is the initial concentration of thymol on the water side
  • C o , C w are the oil-side thymol concentration and the water-side thymol concentration at some time (t), respectively.
  • Equation 4 Equation 4
  • Equation 5 is derived by integrating Equation 4.
  • the value of the mass transfer variable K w A can be obtained from Equation 5, and it can be seen that the mass transfer rate is increased when the mass transfer variable has a high value. That is, the larger the K w A, the wider the reaction interface between the molten metal and the dephosphorizing agent, and the higher the reactivity due to stirring.
  • Figure 7 is a graph showing the stirring effect of the debinding agent input method and the position of the blade.
  • the reaction efficiency of the solid dephosphorization agent supply method through the blowing nozzle is better than the liquid dephosphorization agent supply method when the blade is disposed in a deep position, and the liquid dephosphorization agent supply method is used when the blade deposition position is shallow. It can be said that the reaction efficiency is better than the method.
  • the reaction efficiency is superior to that of using the solid phase dephosphorization agent or the liquid dephosphorization agent supply method alone regardless of the position of the blade.
  • the shallower the immersion depth of the blade is, the more advantageous.
  • the deeper the immersion depth of the blow nozzle is advantageous in order to secure the opportunity and time for the dephosphorization agent to react with the phosphorus component contained in the molten metal.
  • Table 4 shows the results of the delineation process of the molten metal when only the solid dephosphorizer is added, when only the liquid dephosphorizer is added, and when the solid dephosphorizer and the liquid dephosphorizer are added together.
  • the method and apparatus for refining the molten metal according to the present invention are provided so that the blades and the blowing nozzles are separated on the upper and lower sides of the molten metal, respectively, to improve the dispersibility of the dephosphorizing agent introduced into the molten metal, thereby improving the dephosphorization efficiency, It can produce molten metal, and can improve the reliability of the produced product using it.

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Abstract

본 발명은 용탕의 정련 장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 용탕의 정련 방법으로서, 용탕을 마련하는 과정과; 상기 용탕에 임펠러를 침지시키는 과정과; 상기 용탕의 상부에 액상 탈린제를 공급하는 과정과; 상기 임펠러를 회전시켜 상기 용탕을 교반하는 과정;을 포함하고, 상기 용탕을 교반하는 과정에서 상기 임펠러의 하부를 통해 파우더 상태의 고상 탈린제를 공급하여, 용탕의 교반 효율을 향상시켜 용탕 중의 인 농도를 효율적으로 제어할 수 있다.

Description

용탕의 정련 방법 및 그 장치
본 발명은 용탕의 정련 방법 및 그 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 페로망간 용탕 중의 인 농도를 효율적으로 제어할 수 있는 용탕의 정련 방법 및 그 장치에 관한 것이다.
일반적으로 인(P)은 강 중에 불순물로 존재하며 고온 취성 유발과 같이 철강 제품의 품질을 저하시키기 때문에 특별한 경우를 제외하고는 강 중의 인(P)의 함량을 낮추는 것이 좋다. 이에, 페로 망간 용탕 중 인(P)을 제거하는 탈린 조업이 실시된다.
페로 망간 제조를 위한 통상적인 탈린 조업은 래들(ladle) 내로 용탕을 장입하고, 상기 용탕으로 임펠러를 침지시켜 용탕을 교반 시킨다. 여기서, 일반적인 임펠러(20)는 도 9에 도시된 바와 같이, 상하 방향으로 연장된 임펠러 몸체(21), 임펠러 몸체(21)의 하부의 외주면에 연결된 복수의 블레이드(22), 복수의 블레이드(22) 각각을 관통하도록 형성된 취입 노즐(23), 임펠러 몸체(21) 및 블레이드(22) 내부의 중심을 관통하도록 형성되어, 취입 노즐(23)로 탈린제 및 가스를 공급하는 공급관(24) 및 임펠러 몸체(21)의 상단과 연결된 플랜지(25)를 포함한다. 그리고 플랜지(25)는 회전 동력을 제공하는 구동부(미도시)와 연결된다.
이러한 임펠러(20)의 동작에 의한 교반 흐름을 간략히 설명하면, 하기와 같다. 도 9에 도시된 바와 같이 블레이드(22)의 회전에 의해 발생하는 교반의 흐름은(실선의 화살표) 래들(10) 내벽 방향으로 발생하여 충돌한 후, 상기 래들(10) 내벽을 타고 상하 방향으로 분리되어 흐른다. 그런데, 취입 노즐(23)로부터 토출된 탈린제 및 가스가 블레이드(22)와 임펠러 몸체(21)의 외주면을 타고 상승하는 흐름은 블레이드(22)의 회전에 의해 래들(10) 내벽과 충돌 후 상승되어 다시 하강하는 흐름과 충돌한다. 또한, 탈린제 및 가스 블레이드(22)와 임펠러 몸체(21)의 외주면을 타고 상승한 후, 다시 래들(10) 내벽을 타고 하강하는 흐름은 블레이드(22)의 회전에 의해 발생되어 상기 래들(10) 내벽을 타고 상승하는 교반 흐름과 충돌한다. 이러한 흐름의 충돌에 의해 교반력이 상쇄되며, 이는 용탕과 탈린제 간의 반응율을 저감시켜, 탈린율을 감소시키는 요인이 된다.
따라서, 작업자가 원하는 낮은 농도로 인(P)을 제거하기가 용이하지 않으며, 목표한 값으로 인(P)을 제거하는데 장시간 소요되는 문제가 있다.
또한, 탈린을 위해 상온의 고상 탈린제를 용탕에 투입하기 때문에 용탕의 온도가 낮아져 탈린 효과가 저하되고, 후속 공정에서 용탕의 온도를 상승시키 위한 승온 공정이 요구되는 문제점이 있다.
본 발명은 용탕의 교반 효율을 향상시켜 용탕에 투입되는 탈린제의 분산능을 향상킬 수 있는 용탕의 정련 방법 및 그 장치를 제공한다.
본 발명은 용탕 중의 인(P) 농도를 효율적으로 제어할 수 있는 용탕의 정련 방법 및 그 장치를 제공한다.
본 발명은 용탕의 온도 저하를 억제하여 탈린 효율을 증대시킬 수 있는 용탕의 정련 방법 및 그 장치를 제공한다.
본 발명의 실시 형태에 따른 용탕의 정련 장치는, 용탕을 정련하는 장치로서, 용탕이 장입된 용기 상부에 상하 방향으로 연장 형성되는 임펠러; 및 상기 용기의 상부에 구비되어 상기 용탕 상부에 용융 상태의 액상 탈린제를 공급하는 액상 탈린제 공급부;를 포함하고, 상기 임펠러는, 임펠러 몸체와; 상기 임펠러 몸체의 상부 외주면에 구비되는 블레이드와; 상기 임펠러 몸체의 내부에 상기 임펠러 몸체의 길이 방향을 따라 구비되어, 파우더 상태의 고상 탈린제 및 이송 가스가 공급되는 공급관; 및 상기 임펠러 몸체의 하부의 일부를 관통하며 상기 공급관과 연통되는 취입 노즐;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 블레이드는 상기 용탕의 전체 깊이에 대하여 1/2 지점의 상측 영역에 위치하고, 상기 취입 노즐은 상기 용탕의 전체 깊이에 대하여 1/2 지점의 하측 영역에 위치할 수 있다.
상기 블레이드는 상기 용탕의 전체 깊이에 대하여 상기 용탕의 탕면으로부터 10 내지 30% 영역에 배치될 수 있다.
상기 액상 탈린제 공급부에는 상기 액상 탈린제를 가열하는 가열기가 구비된 배출관이 연결될 수 있다.
상기 블레이드는 상부폭이 하부폭보다 길게 형성될 수 있다.
상기 블레이드의 상부폭은 상기 하부폭보다 상기 상부폭 전체 길이의 5 ~ 20% 길게 형성될 수 있다.
상기 블레이드는 상기 래들의 내부 직경에 대하여 35 ~ 45%의 폭을 갖도록 형성될 수 있다.
상기 블레이드는 상기 임펠러 몸체를 중심으로 복수개가 이격되어 구비되고, 인접하는 블레이드와 대향하는 적어도 일측면에는 경사면이 형성될 수 있다.
상기 블레이드의 일측면은 상기 블레이드의 상부면과 10 ~ 30°의 각도를 가지며 경사지도록 형성될 수 있다.
본 발명의 실시 형태에 따른 용탕의 정련 방법은, 용탕의 정련 방법으로서, 용탕을 마련하는 과정과; 상기 용탕에 임펠러를 침지시키는 과정과; 상기 용탕의 상부에 액상 탈린제를 공급하는 과정과; 상기 임펠러를 회전시켜 상기 용탕을 교반하는 과정;을 포함하고, 상기 용탕을 교반하는 과정에서 상기 임펠러의 하부를 통해 파우더 상태의 고상 탈린제를 공급할 수 있다.
상기 임펠러를 침지시키는 과정 이전에, 이전 공정에서 생성된 슬래그를 배재할 수 있다.
상기 임펠러를 침지시키는 과정에서, 상기 임펠러의 블레이드를 상기 용탕 전체 깊이의 1/2 지점의 상측 영역에 배치시키고, 상기 임펠러의 취입 노즐을 상기 용탕 전체 깊이의 1/2 지점의 하측 영역에 배치시킬 수 있다.
상기 임펠러의 블레이드를 상기 용탕의 탕면으로부터 10 내지 30% 영역에 배치시킬 수 있다.
상기 교반 과정은 상기 임펠러의 블레이드에 의해 발생되는 용탕의 교반 흐름 방향과 상기 용탕으로 취입되는 고상 탈린제에 의해 발생되는 용탕의 교반 흐름 방향이 일치하도록 교반시키는 과정을 포함할 수 있다.
상기 블레이드에 의해 발생된 교반 흐름은 상하 방향으로 분리되어 흐르고, 상기 블레이드의 하측 방향에서 용탕의 교반 흐름 면적이 상기 블레이드의 상측 방향에서 용탕의 교반 흐름 면적에 비해 넓을 수 있다.
상기 용탕에 공급되는 액상 탈린제는 상기 액상 탈린제와 고상 탈린제의 총중량에 대하여 50 내지 70중량%일 수 있다.
상기 고상 탈린제를 공급하는 과정에서 상기 고상 탈린제와 함께 불활성 가스를 함께 공급할 수 있다.
상기 용탕을 교반하는 과정 이후에 슬래그를 배재할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 용탕의 정련 방법 및 그 장치에 의하면, 블레이드와 취입 노즐을 용탕의 상부와 하부측에 각각 분리되도록 마련하여 용탕 중에 투입되는 탈린제의 분산능을 향상시켜 탈린 효율을 향상시킬 수 있다. 즉, 용기에 수용된 용탕의 상부에 액상의 탈린제를 투입하고 용탕의 상부측에 배치되는 블레이드를 구비하는 임펠러를 이용하여 용탕을 교반하고, 임펠러의 하부에서는 취입 노즐을 통해 파우더 상태의 고상 탈린제와 이송 가스를 분사함으로써 블레이드에 의해 발생되는 교반 흐름과 취입 노즐을 통해 용탕으로 취입되는 물질에 의한 교반 흐름이 상호 일치하며, 두 흐름이 합쳐져 전체 교반력이 향상된다. 따라서, 종래에 비해 임펠러에 의한 교반 효율이 향상되며, 이로 인해 정련 단계에서 용탕과 탈린제 간의 반응율이 상승되어, 정련 효율이 향상된다.
또한, 액상 탈린제의 투입으로 용탕의 온도 저하를 억제하여 탈린 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 용탕의 정련 장치의 개략적인 구성을 보여주는 도면.
도 2는 임펠러의 구조를 개략적으로 보여주는 단면도.
도 3은 블레이드의 저면도.
도 4는 취입 노즐의 구조를 보여주는 단면도.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 용탕의 정련 방법을 순차적으로 보여주는 순서도.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 용탕의 정련 장치 및 방법을 이용하여 탈린 공정의 적정화를 위한 실험 결과를 보여주는 그래프.
도 7은 탈린제의 투입 방식과 블레이드의 위치에 따른 교반 효과를 보여주는 그래프.
도 8은 교반 방식별 시간에 따른 반응 효율의 변화를 보여주는 그래프.
도 9는 종래기술에 따른 용탕의 정련 장치의 개략적인 구성를 보여주는 도면.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
먼저, 본 발명은 용탕의 정련 장치 및 그 방법으로서, 용탕 중에 첨가제를 투입하여 용탕 중에 함유된 황(S), 인(P) 등과 같은 원소의 농도를 제어할 수 있다. 이하에서는 전기로에서 생산된 용탕에 탈린제를 투입하여 용탕 중에 함유된 인(P) 농도를 제어하는 장치 및 방법에 대해서 설명하나, 이에 한정되지 않고 조업 조건에 따라 용탕 중으로 다양한 물질을 투입하여 용탕 중에 함유된 다양한 원소의 농도를 제어할 수 있다. 즉, 본 발명의 실시 예에서는 용탕 중의 인 농도를 제어하기 위하여 용탕 상부에는 액상 탈린제를 투입하고 용탕 중에는 고상 탈린제를 투입하면서 강을 교반시킴으로써 용탕 중에 액상 탈린제 및 고상 탈린제의 분산 효율을 향상시킬 수 있다. 이에 용탕의 온도 저하를 억제하여 인 성분과 탈린제 간의 반응 효율을 향상시켜 고품질의 용탕을 획득할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참고로 하여 본 발명을 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 용탕의 정련 장치의 개략적인 구성을 보여주는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 용탕의 정련 장치는, 용탕 및 슬래그가 수용된 래들(Ladle, 100) 상부에 상하방향으로 이동 가능하도록 배치되고, 내부에 고상 탈린제의 이동 경로가 형성되는 임펠러(200)와, 래들(100) 상부에 래들(100) 내에 장입된 용탕 상부로 액상 탈린제를 주입하는 액상 탈린제 공급부(300)를 포함한다. 용탕의 정련 장치는 액상 탈린제 공급부(300)를 통해 래들(100) 내에 수용된 용탕의 상부로 액상 탈린제를 공급하고, 임펠러를 통해 용탕 내부에 파우더 상태의 고상 탈린제를 공급하면서 용탕을 교반하여 용탕 중의 인 농도를 제어할 수 있다.
도 2는 임펠러의 구조를 개략적으로 보여주는 단면도이고, 도 3은 블레이드의 저면도이고, 도 4는 취입 노즐의 구조를 보여주는 단면도이다.
도 2를 참조하면, 임펠러(200)는 래들(100)에 수용된 용탕과, 용탕의 정련을 위해 투입되는 액상 및 고상 탈린제를 교반시키는 교반기이다. 임펠러(200)는 임펠러 몸체(210), 임펠러 몸체(210)의 하부에 마련되어 용탕으로 고상 탈린제 및 이송가스를 취입하는 취입 노즐(230), 임펠러 몸체(210)의 외주면에 장착된 복수의 블레이드(220)를 포함한다. 또한, 복수의 블레이드(220)의 상측에서 임펠러 몸체(210)의 상단에 연결된 플랜지(250), 임펠러 몸체(210)의 내부를 상하 방향으로 관통하도록 형성되어, 취입 노즐(230)로 첨가제 및 가스를 공급하는 공급관(240)을 포함한다. 이러한 임펠러(200)는 래들(100)의 외부에 설치되어, 회전력을 제공하는 별도의 구동부(미도시) 예컨대, 모터와 연결될 수 있으며, 바람직하게는 임펠러(200)의 플랜지(250) 상부를 통해 임펠러 몸체(210)와 연결될 수 있다.
임펠러 몸체(210)는 임펠러(200)의 회전축 또는 주축으로서, 길이 방향 또는 상하 방향으로 연장 형성되며, 적어도 용탕의 탕면에서부터 용탕의 하부 영역까지 침지되도록 연장 설치될 수 있다. 보다 구체적으로는 임펠러 몸체(210)는 상단이 슬래그의 상측으로 돌출되고, 하단이 용탕의 하부 영역까지 연장되도록 설치되어, 임펠러 몸체(210)의 하부 끝단이 래들(100) 내 바닥면과 인접하도록 배치될 수 있다. 실시 예에 따른 임펠러 몸체(210)는 그 횡단면이 원형인 봉 형상이나, 이에 한정되지 않고 회전이 용이한 다양한 횡단면을 가지는 봉 형상이어도 무방하다. 임펠러 몸체(210)의 상부에는 플랜지(250)가 연결될 수 있으며, 플랜지(250)는 회전력을 제공하는 구동부(미도시)와 연결될 수 있다. 이에, 구동부의 동작에 의해 임펠러 몸체(210)가 회전하며, 임펠러 몸체(210)의 회전에 의해 블레이드(220)도 함께 회전한다.
공급관(240)은 임펠러 몸체(210)의 하부에 마련된 취입 노즐(230)과 연통되어, 취입 노즐(230)을 통해 분사되는 고상 탈린제의 이동 경로로 사용된다. 또한, 공급관(240)은 고상 탈린제를 취입 노즐(230)로 이송 및 분사시키기 위한 이송가스의 이동 경로로도 사용된다. 또한, 공급관(240)을 통해 이송 가스만 이송시켜 취입 노즐(230)로 분사시킬 수도 있다.
공급관(240)은 플랜지(250) 및 임펠러 몸체(210) 내부를 상하 방향으로 관통하도록 형성된다. 몸체(210) 내부를 상하 방향으로 관통하도록 형성된다. 실시예에 따른 공급관(240)은 플랜지(250) 및 임펠러 몸체(210) 내부를 가공하여 형성된 홀(hole) 형상이나, 이에 한정되지 않고 내부 공간을 가지는 파이프를 플랜지(250) 및 임펠러 몸체(210) 내부로 삽입되도록 설치하는 구조일 수도 있다. 이러한 공급관(240)의 상단은 파우더 상태의 고상 탈린제 및 이송 가스가 각기 저장된 탱크와 연결될 수 있으며, 하단은 임펠러 몸체(210) 하부에 마련된 취입 노즐(230)과 연통 된다. 이때, 공급관(240)의 내부 단면 면적은 공급관(240)에 연결되는 취입 노즐(230)의 내부 단면 면적과 동일하거나 거의 유사한 크기로 형성될 수 있다. 즉, 공급관(240)에는 복수의 취입 노즐(230)이 연통될 수 있는데, 공급관(240)의 단면 면적이 취입 노즐(230)들의 단면 면적보다 지나치게 작은 경우, 공급관(240)을 통한 고상 탈린제의 이송이 원활하지 않거나 이송량이 적어 복수의 취입 노즐(230)을 통해 배출되는 고상 탈린제의 양이 부족하게 되고, 지나치게 큰 경우에는 고상 탈린제가 과다하게 이송되어 취입 노즐(230)을 통해 고상 탈린제가 원활하게 배출되지 않을 수 있다.
취입 노즐(230)은 용탕 중으로 고상 탈린제 및 이송 가스를 취입한다. 취입 노즐(230)은 임펠러 몸체(210)의 하부에 마련되는데, 상부에 설치되는 블레이드(220)와 최대한 멀리 이격되는 것이 효과적이다. 이에, 실시 예에서는 취입 노즐(230)이 래들(100) 내부의 바닥면과 인접하도록 하고, 블레이드(220)가 용탕의 탕면과 인접하도록 설치한다. 다시 말해서 취입 노즐(230)은 블레이드(220)와 개별적으로 분리 구성되며, 래들(100)에 수용된 용탕의 하부 영역에 위치한다.
또한, 취입 노즐(230)은 임펠러 몸체(210)가 연장된 방향(상하 방향 연장)과 교차되는 방향으로 형성되는 것이 바람직하다. 실시 예에 따른 취입 노즐(230)은 임펠러 몸체(210)의 좌우 방향으로 연장되도록 형성되며, 임펠러 몸체(210) 내부의 중심부를 상하 방향으로 관통하는 공급관(240)을 중심으로 복수의 방향으로 분기 되도록 형성된다. 분기되는 취입 노즐(230)의 개수는 복수의 블레이드(220)의 개수와 대응하는 개수로 마련되거나, 블레이드(220)의 개수 이하 또는 이상으로 마련될 수도 있다. 실시 예에 따른 취입 노즐(230)은 임펠러 몸체(210)의 내부를 가공하여 공급관(240)을 중심으로 하여 좌우 방향으로 분기되는 홀(hole) 형상이나, 이에 한정되지 않고, 내부 공간을 가지는 얇은 파이프를 임펠러 몸체(210) 하부에 삽입된 구조일 수도 있다.
도 4의 a)에 도시된 바와 같이 취입 노즐(230a)은 공급관(240)에 대하여 교차하는 방향, 예컨대 직교하는 방향으로 형성되어, 고상 탈린제를 용탕에 수평 방향으로 분사할 수도 있다. 또한, 도 4의 b)에 도시된 바와 같이, 취입 노즐(230b)은 하향 경사지도록 형성되어, 공급관(240)을 통해 이송된 고상 탈린제를 용탕 중에 하향 경사지도록 배출시킬 수 있다. 이에 취입 노즐(230b)에서 배출되는 고상 탈린제를 용탕의 하부까지 용이하게 확산시킬 수도 있다.
여기에서, 공급관(240)을 통해 이송되어 취입 노즐(230)로 분사되는 고상 탈린제는 용탕 중 인(P) 성분을 제거하기 위한 첨가제로서, 파우더 형태의 BaCO3, BaO, BaF2, BaCl2, CaO, CaF2, Na2CO3, Li2CO 및 NaF 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 예컨대 고상 탈린제는 BaCO3-NaF계일 수 있다. 또한, 공급관(240)을 통해 이송되어 취입 노즐(230)을 통해 분사되는 이송 가스는 취입 노즐(230)의 폐색을 억제 혹은 방지하고, 용탕을 교반하기 위한 것으로서, 용탕 및 고상 탈린제와 반응하지 않는 아르곤(Ar), 질소(N2) 등과 같은 불활성 가스일 수 있다.
블레이드(220)는 래들(100)에 장입된 용탕을 기계적으로 교반하여 용탕 중에 투입되는 액상 탈린제와 고상 탈린제를 분산 또는 확산시킨다. 이러한 블레이드(220)는 임펠러 몸체(210)의 상부에 취입 노즐(230)과 이격되도록 설치된다. 즉, 블레이드(220)는 래들(100)에 수용된 용탕의 상부 영역에 대응 위치하며, 취입 노즐(230)과 개별적으로 분리 구성된다. 예컨대 블레이드(220)의 상부면이 용탕의 탕면과 인접하도록 설치될 수 있다. 이러한 블레이드(220)는 복수개로 마련되어 임펠러 몸체(210)의 상부의 외주면과 연결되며, 복수의 블레이드(220)는 임펠러 몸체(210)의 외주면에서 등 간격으로 이격 설치된다. 그리고 복수의 블레이드(220)는 교반 효율을 극대화시키기 위해 임펠러 몸체(210)를 사이에 두고 예컨대, 십자 형상으로 배치될 수 있으며 임펠러 몸체(210)를 중심으로 한 쌍씩 대향되도록 배치될 수 있다.
도 3을 참조하면, 블레이드(220)는 용탕의 상부에서 용탕의 흐름을 용탕 하부로 형성하기 위하여 상부폭(Wu)을 하부폭(Wb)보다 크게 형성(Wu>Wb)할 수 있다. 이때, 상부폭(Wu)은 블레이드의 상부면에서 일측에서 타측까지의 길이, 하부폭(Wb)은 블레이드의 하부면에서 일측에서 타측까지의 길이를 의미하고, 블레이드(220)가 회전하면서 블레이드(220)의 상부 및 하부에 형성되는 원의 직경과 동일하다. 블레이드(220)는 상부폭(Wu)을 하부폭(Wb)보다 상부폭의 5 ~ 20% 정도 크게 형성할 수 있으며, 이때 하부폭(Wb)은 임펠러 몸체(210)의 직경(D)보다 크다. 그리고 블레이드(220)에서 임펠러 몸체(210)에 연결되는 쪽에 대향하는 면(220a)은 하향 경사지게 형성될 수 있다. 또한, 블레이드(220)에서 인접한 블레이드와 대향하는 측면(220b)은 하향 경사지는 경사면으로 형성될 수 있다. 이는 블레이드(220)가 회전할 때 용탕을 하부로 밀어내는 효과를 구현하여 용탕을 하부로 유동하도록 할 수 있다. 이때, 블레이드(220)의 측면에 형성되는 경사면은 블레이드(220)의 양측면에 모두 형성될 수도 있으나, 임펠러(200)의 회전방향에 배치된 측면에만 형성될 수도 있다. 블레이드(220)의 측면은 블레이드(220)의 상부면과 약 10 ~ 30°정도의 각도를 이룰 수 있다. 또한, 블레이드(220)는 래들(100) 내의 용탕에 침지되었을 때 블레이드(220)의 폭은 래들(100)의 내부 직경에 대하여 35 ~ 45% 정도 차지할 수 있다.
또한, 블레이드(220)의 높이는 블레이드(220)의 상부폭에 대해서 25 ~ 35% 정도의 길이로 형성될 수 있다. 블레이드(220)의 높이가 제시된 범위보다 길면 블레이드와 용탕 간의 접촉 면적이 증가하여 교반 효과에 비해 임펠러(200)를 회전시키는데 소요되는 전력이 증가할 수 있고, 제시된 범위보다 짧으면 용탕의 교반 효율이 저하될 수 있는 문제점이 있다.
블레이드(220)는 임펠러(200)를 래들(100) 내부에 장입된 용탕에 침지시켰을 때 용탕의 탕면(액상 탈린제 제외)으로부터 50% 이내, 보다 바람직하게는 10 내지 30% 범위 내에 위치되도록 형성되는 것이 좋다. 이에 대해서는 용탕의 처리 방법에서 다시 설명하기로 한다.
상술한 바와 같이 본 발명에서는 취입 노즐(230)은 용탕의 하부 영역에 위치하고, 블레이드(220)는 용탕의 상부 영역에 위치하도록 분리 설치되며, 블레이드(220)와 취입 노즐(230)이 최대한 멀리 이격되어 위치하는 것이 효과적이다. 본 발명의 실시예에 따른 취입 노즐(230) 및 블레이드(220)의 설치 위치를 구체적으로 예를 들어 설명하면 하기와 같다. 먼저, 설명의 편의를 위해 도 2에 도시된 것처럼 래들(100)에 수용되는 용탕의 깊이를 H라 한다(래들(100) 내부의 바닥면으로부터 용탕의 상면(탕면)까지의 거리). 이때, 취입 노즐(230)은 래들(100) 내부의 바닥면을 기준으로 상기 용탕의 깊이 H의 1/2 지점(1/2H)의 하측 영역에 위치하고, 블레이드(220)는 용탕의 깊이 H의 1/2 지점(1/2H)의 상측 영역에 위치하도록 설치한다. 보다 바람직하게, 취입 노즐(230)은 래들(100) 내부의 바닥면을 기준으로 용탕의 깊이 H의 3/10 지점의 하측 영역에 위치하고, 블레이드(220)는 용탕의 깊이 H의 7/10 지점의 상측 영역에 위치하도록 설치한다. 이를 래들(100) 내부에 수용되는 용탕의 탕면을 기준으로 설명하면, 상기 탕면을 기준으로 3/10 지점 이내의 영역(탕면과 인접한 방향)에 블레이드(220)가 위치하고, 7/10 지점을 초과하는 영역(래들(100) 바닥면과 인접한 방향)에 취입 노즐(230)이 위치한다.
이와 같이, 임펠러(200)의 취입 노즐(230)이 용탕의 하부 영역에 위치하고, 블레이드(220)가 취입 노즐(230)의 상측에 위치함에 따라, 교반 효율을 종래에 비해 향상시킬 수 있다.
액상 탈린제 공급부(300)는 래들(100) 상부에 구비되어 고온의 액상 탈린제를 래들(100) 내의 용탕 상부로 공급한다. 액상 탈린제 공급부(300)는 용융로를 구비하여 고상의 탈린제를 용융시킨다. 액상 탈린제 공급부(300)에는 용융 상태의 액상 탈린제의 공급 및 차단과, 공급량을 조절하기 위한 개폐기가 구비될 수 있다. 개폐기는 밸브, 스토퍼, 슬라이딩 게이트 등 다양한 형태로 구현될 수 있다.
그리고 액상 탈린제 공급부(300)에는 용융로에서 배출되는 액상 탈린제를 고온 상태로 용탕에 공급하기 위한 배출관(400)이 연결될 수 있다. 배출관(400)에는 배출관(400) 내부를 따라 이송되는 액상 탈린제를 가열하기 위한 가열기(미도시)가 구비될 수 있으며, 배출관(400)에는 액상 탈린제의 온도 저하를 억제하는 단열재(미도시)가 구비될 수도 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 용탕의 정련장치는 용탕 상부에 고온의 액상 탈린제를 공급하고, 용탕 중에 고상 탈린제를 토출시키면서 용탕을 교반시킴으로써 용탕의 온도 저하를 억제하고 탈린제를 용탕 중에 신속하고 균일하게 분산시킬 수 있다. 이에 용탕 중에 함유된 인 성분을 용이하게 제어하여 고품질의 용탕을 제조할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 실시 예에 따른 용탕의 정련 방법에 대하여 설명한다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 용탕의 정련 방법을 순차적으로 보여주는 순서도이다.
먼저, 전기로에서 생산된 페로망간 용탕을 래들(100)로 출탕한 후 래들 퍼니스(Ladle Furnace) 설비에서 승온시킨 다음, 탈린을 위한 조업 장소로 이동시킨다. 탈린을 위한 조업 장소에는 용탕을 교반하기 위한 임펠러와, 용탕에 탈린제를 투입하기 위한 액상 탈린제 공급부(300)가 마련되어 있다. 이때, 액상 탈린제 공급부(300)에서는 고상 탈린제를 용융시킨 액상 탈린제를 투입할 수 있다.
용탕이 마련(S100)되면, 용탕을 승온시키는 과정에서 발생한 슬래그(LF 슬래그)를 배재(S110)한다.
슬래그 배재 후 래들(100) 상부에 구비되는 임펠러를 하강시켜 용탕에 침적(S120)시킨다. 이때, 임펠러의 하부에 형성된 취입 노즐이 폐쇄되는 것을 방지하기 위하여 임펠러 내부의 공급관을 통해 이송 가스를 공급하여 취입 노즐(230)을 통해 배출시킨다.
다음, 액상 탈린제 공급부(300)의 개폐기를 이용하여 용융로 내의 액상 탈린제를 일정하게 배출시켜 배출관(400)을 통해 용탕 상부에 투입(S130)한다. 이때, 액상 탈린제가 용탕에 투입되기 시작하면 임펠러를 회전시켜 용탕을 교반(S140)한다. 동시에 임펠러의 공급관(240)을 통해 이송 가스와 고상 탈린제를 공급하여 취입 노즐에 의해 용탕 중에 토출(S150)시킨다.
액상 탈린제의 투입 시 배출관(400)을 따라 이송되는 액상 탈린제를 가열함으로써 액상 탈린제의 온도 저하를 억제할 수 있다. 이에 용탕의 온도 저하를 억제하여 탈린 효율을 향상시킬 수 있다. 여기에서 액상 탈린제는 용탕의 탈린을 위해 투입되는 탈린제(고상 탈린제와 액상 탈린제)의 총중량에 대해서 50 내지 70%정도를 투입할 수 있다. 액상 탈린제의 투입량이 제시된 범위보다 적은 경우 고상 탈린제의 투입량 증가로 인한 용탕의 온도 저하가 발생하고, 제시된 범위보다 많이 투입되는 경우에는 용탕의 온도 저하는 억제할 수 있지만 탈린 효율이 더 이상 증가하지 않거나 미미하다는 문제점이 있다.
이후 일정 시간 동안 임펠러의 회전을 이용한 용탕의 교반이 완료되면 임펠러의 회전을 중지시키고, 상승시켜 임펠러를 용탕으로부터 인출(S160)한 다음, 탈린 과정에서 발생한 슬래그를 배재(S170)한다. 이때, 용탕의 교반은 5 내지 20분 정도 수행될 수 있는데, 제시된 시간보다 짧은 시간동안 용탕을 교반하면 용탕의 탈린 효과가 저하되고, 제시된 시간보다 긴 시간동안 용탕을 교반하면 탈린 효율의 증가가 미미하며 용탕의 온도 저하되어 탈린 효율이 저하됨은 물론, 후속 공정에서 탈린 처리된 용강의 온도를 승온시키기 위한 별도의 공정이 수행되어야 하는 문제점이 있다.
이와 같이 용탕의 상부를 통해서는 액상 탈린제를 투입하고, 용탕 내부에는 고상 탈린제를 투입하는 동시에, 임펠러를 회전시키면 액상 탈린제는 임펠러의 회전에 의해 미세한 액적으로 분해되면서 용탕 상부에서 하부측으로 이동하면서 분산되고, 고상 탈린제는 용탕 하부에서 상부측으로 이동하면서 분산된다. 또한, 임펠러의 블레이드를 용탕의 탕면에 인접한 부분에 설치하여 용탕 상부에서 용탕의 흐름을 형성하고, 취입 노즐을 용탕의 하부에 형성하여 용탕 하부에서 용탕의 흐름을 형성함으로써 용탕에 투입된 액상 탈린제 및 고상 탈린제의 분산 효율을 향상시킬 수 있다.
용탕의 교반시 용탕 중에 형성되는 용탕의 흐름을 살펴보면 다음과 같다.
임펠러 몸체(210)가 회전하면, 상기 임펠러 몸체(210)와 함께 블레이드(220)가 회전한다. 그리고, 도 1에 도시된 바와 같이, 블레이드(220)의 회전에 의해 발생하는 교반의 흐름(실선의 화살표)은 블레이드(220)로부터 래들(100) 내벽 방향으로 발생하여 충돌한 후, 래들(100) 내벽을 타고 상하 방향으로 분리되어 흐른다. 이때, 블레이드(220)는 탕면과 인접하도록 위치하고 있기 때문에, 블레이드(220)의 상측 방향에서의 용탕의 교반 흐름의 면적에 비해 블레이드(220)의 하측 방향에서의 용탕의 교반 흐름의 면적이 크다. 보다 상세히 설명하면, 래들(100) 내벽과 충돌 후, 일부는 래들(100) 내벽을 타고 상측 방향으로 이동하고, 이후 탕면 상측의 액상 탈린제를 거쳐 임펠러 몸체(210) 및 블레이드(220)의 외주면을 타고 하강하며, 다시 상승한다. 그리고 다른 일부는 래들(100) 내벽의 하측 방향으로 이동하여 상기 래들(100) 내부의 하단부까지 하강하고, 블레이드(220) 하측에 위치하는 임펠러 몸체(210)의 외주면을 타고 다시 상승한다. 이에 용탕 상부의 액상 탈린제가 용탕의 흐름을 따라 하부 방향으로 이동하며 분산된다. 이때, 블레이드(220)의 양쪽 측면, 즉 블레이드(220)와 인접한 면이 하향 경사지도록 형성되어 회전 시 용탕을 누르는 역할을 하므로 하측 방향으로의 용탕의 흐름을 더욱 가속시켜 액상 탈린제의 분산을 촉진시킬 수 있다. 또한, 취입 노즐(230)을 통해 토출되는 고상 탈린제 및 이송 가스는 비중이 작기 때문에 임펠러 몸체(210)의 외주면을 타고 직 상승한 후, 상부에 위치하는 블레이드(220)의 회전에 의하여 용탕의 상부 영역에서 래들(100) 내벽 방향으로 흐르면서 하강하고, 다시 임펠러 몸체(210)의 외주면을 타고 상승한다(점선 화살표). 그리고 이러한 액상 탈린제, 고상 탈린제 및 가스의 교반 흐름에 의해 용탕도 함께 교반되어 흐른다. 여기서, 고상 탈린제 및 가스에 의한 흐름과 상술한 블레이드(220)에 의한 흐름은 상호 일치하는 방향 또는 동일한 방향의 흐름이기 때문에, 상호 합쳐져 교반력을 향상시킨다.
한편, 종래의 임펠러(20)는 배경기술에서 설명한 바와 같이 임펠러 몸체(21)의 하부에 블레이드(22)가 설치되며, 상기 블레이드(22)에 취입 노즐(23)이 마련된다. 즉, 종래의 임펠러(20)에서는 블레이드(22)와 취입 노즐(23)이 분리되어 있지 않다. 이때, 도 9에 도시된 바와 같이 블레이드(22)의 회전에 의해 발생하는 용탕의 교반의 흐름은(실선의 화살표) 래들(10) 내벽 방향으로 발생하여 충돌한 후, 상기 래들(10) 내벽을 타고 상하 방향으로 분리되어 흐른다. 보다 상세히 설명하면, 래들(10) 내벽과 충돌 후, 일부는 래들(10) 내벽의 상측 방향으로 이동하고 탕면 상측의 슬래그를 거쳐 임펠러 몸체(21) 및 블레이드(22)의 외주면을 타고 하강하고, 다시 상승한다. 다른 일부는 래들(10) 내벽의 하측 방향으로 이동하여 상기 래들(10) 내부의 하단부까지 하강하고, 다시 상승한다. 또한, 블레이드(22)에 마련된 취입 노즐(23)을 통해 취입되는 탈린제 및 가스의 흐름, 상기 탈린제 및 가스에 의한 용탕의 흐름은 블레이드(22) 및 임펠러 몸체(21)의 외주면을 타고 직 상승한 후, 탕면 상측의 슬래그를 거쳐 래들(10) 내벽을 타고 하강한다(점선 화살표). 그런데, 취입 노즐(23)로부터 토출된 첨가제 및 가스에 의해 발생되어, 블레이드(22)와 임펠러 몸체(21)의 외주면을 타고 상승하는 교반 흐름은 블레이드(22)의 회전에 의해 래들(10) 내벽과 충돌 후 상승되어 다시 하강하는 흐름과 충돌한다(도 9의 점선 원으로 표시된 부분). 또한, 탈린제 및 가스에 의한 교반 흐름은 임펠러 몸체(21)의 외주면을 타고 상승한 후, 다시 래들 내벽을 타고 하강하는 흐름은 블레이드의 회전에 의해 발생되어 상기 래들(10) 내벽을 타고 상승하는 교반 흐름과 충돌한다(도 9의 점선 원으로 표시된 부분). 그리고 도 9와 같이 블레이드(22)에 취입 노즐(23)이 마련되는 종래의 임펠러(20)에서는 상기와 같은 충돌이 블레이드(22)의 상측 또는 블레이드(22)와 대응하는 위치에서 발생 된다. 첨가제 및 가스에 의한 교반 흐름과 블레이드(22)의 회전에 의한 교반 흐름이 충돌하면, 그 두 흐름이 상호 작용에 의해 상쇄되며, 결과적으로 전체적인 교반력이 저하된다. 이는 래들(10) 용탕과 탈린제 간의 반응율 및 탈린율을 저감시키는 요인이 된다.
이하에서는 본 발명의 실시 예에 따른 용탕의 정련 장치 및 방법을 실제 조업에 적용하여 위하여 탈린 공정의 적정화를 위한 실험에 대하여 설명한다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 용탕의 정련 장치 및 방법을 이용하여 탈린 공정의 적정화를 위한 실험 결과를 보여주는 그래프이다.
용탕, 예컨대 페로망간(FeMn)의 탈린 효율을 향상시키기 위하여 BaCO3-NaF계의 탈린제를 사용하여 탈린 공정을 수행하였다. 그리고 탈린 공정 후 FeMn 용탕의 온도, 탈린제(액상 탈린제 및 고상 탈린제)의 투입 원단위, 액상 탈린제의 투입 비율 및 페로망간 용탕의 탈린 효율 인자를 비교 분석하였다.
탈린 공정은 2.0ton급 유도로를 이용하여 페로망간 금속 약 1.7ton을 용해하여 페로망간 용탕을 제조하였다. 제조된 용해된 페로망간 용탕을 예열된 래들(100)로 출탕하고, 탈린 처리 이전의 용탕 온도를 측정한 다음 시편(제1시편)을 채취하였다. 이때, 탈린 처리 이전의 용탕의 온도는 1340℃로 측정되었다.
그 후 분체 형태의 고상 탈린제와 액상 탈린제를 용탕에 투입하면서 임펠러를 이용하여 용탕을 교반하였다. 고상 탈린제는 아르곤 가스를 이송 가스로 이용하여 임펠러의 취입 노즐을 통해 용탕 내부로 투입하였고, 액상 탈린제는 실리콘 카바이드(SiC) 발열체를 이용한 간접 가열 방식의 용융로를 이용하여 용융시킨 후 용탕 상부로 투입하였다.
탈린 처리된 용강이 수용된 래들(100)을 샘플링 장소로 이동시켜 탈린 후 용강의 온도를 측정하고 시편(제2시편)을 채취하였다. 이후 래들(100)을 주선처리장으로 이송하고 주선장치를 이용하여 주선처리를 함으로써 탈린 실험을 종료하였다.
이후, ICP(Inductively Coupled Plasma Spectrometry) 분석법을 이용한 습식 분석을 통해 채취한 시편들의 성분을 확인하였다.
도 6의 a)는 액상 탈린제의 투입 비율에 따른 실수율과 용탕의 온도 관계를 보여주는 그래프이다. 액상 탈린제의 투입 비율이 증가할수록 용탕의 온도는 탈린 처리 전 측정된 용탕의 온도와의 차이가 줄어드는 것을 알 수 있다. 즉, 액상 탈린제의 투입 비율이 증가할수록 용탕의 온도가 높게 측정됨을 알 수 있다. 또한, 액상 탈린제의 투입 비율이 증가할수록 용탕 실수율이 증가하는 경향을 보여주고 있다.
예컨대 탈린 공정 이후 용탕의 온도가 약 1280℃ 정도인 경우, 액상 탈린제만 투입했을 때의 용탕 실수율(약 90%)이 고상 탈린제만 투입했을 때의 용탕 실수율(약 80%)에 비해 약 10% 정도 높게 나타나는 것을 알 수 있다.
또한, 용탕 실수율은 탈린 공정 이후 용탕의 온도에 상당히 민감하게 거동한다. 탈린 후 용탕의 온도가 1280℃ 초반일 때의 용탕 실수율은 80~90%의 수준으로 확인되었다. 그러나 도시되지는 않았지만 탈린 후 용탕 온도가 약 10℃ 낮은 1270℃ 초반일 때의 용탕 실수율은 65~75%의 수준으로 용탕의 온도가 낮아질수록 용탕 실수율이 저하되는 것을 확인하였다. 이에 용탕 실수율을 향상시키기 위해서는 탈린 공정 전, 후 용탕의 온도를 철저히 관리할 필요가 있다.
도 6의 b)는 액상 탈린제의 투입 비율에 따른 탈린 효율과 투입되는 탈린제(액상 탈린제 및 고상 탈린제)의 원단위를 나타내는 그래프이다. 여기에서 탈린 효율은 초기 용탕 중의 인 성분의 함량(Pi)에서 탈린 처리 후 용탕 중의 인 성분의 함량(Pf) 간의 차이를 나타낸다. 그래프를 살펴보면 액상 탈린제의 투입 비율이 0.5 내지 0.7인 범위, 즉 탈린제 전체 중량에 대하여 50 내지 70% 정도의 액상 탈린제를 투입한 경우, 탈린 효율이 가장 좋게 나타나고 있으며, 액상 탈린제의 투입 비율이 증가하는 경우 탈린 효율이 저하되는 것을 알 수 있다. 특히, 탈린제의 투입 원단위가 119.8kg/1톤(용탕)인 경우와, 이와 비슷한 양의 탈린제를 투입한 경우(119.7kg/1톤(용탕))를 비교해보면, 액상 탈린제의 투입 비율이 50 내지 55% 정도일 때 탈린 효율이 가장 우수한 것을 알 수 있다.
이하에서는 블레이드와 취입 노즐이 임펠러 몸체의 하부에 형성되는 종래의 용탕의 정련 장치를 이용하여 용탕을 정련했을 때 교반 효과를 증명하기 위하여 수모델을 이용하여 실험을 하였다. 수모델 실험은 실제 탈린 조업에서 용탕과 탈린제 사이의 물질 전달 현상을 모사한다.
먼저, 수모델 실험은 다음과 같이 수행되었다.
실험을 위하여 동일한 크기의 제1용기 내지 제6용기에 동일한 양의 물을 투입하고, 각각의 용기에 물과 오일에의 평형 분배비 값이 350 이상 되는 티몰(thymol, C10H14O)을 투입하여 용해시킴으로써 용탕 중의 인 성분을 모사하였다. 이후, 임펠러를 물에 침지시키고 일정 속도로 회전 교반을 실시한다. 교반 중에 액상 탈린제에 대응하는 파라핀 오일을 물 상부에 공급하였다. 이때, 파라핀 오일의 공급 속도를 제어하기 위하여 파라핀 오일의 배출을 온/오프하는 밸브와, 공급 속도를 조절하는 밸브를 사용하였다. 파라핀 오일을 공급하는 위치는 실 공정의 탈린제 배출관의 위치를 고려하여 용기 상부 반경의 바깥쪽 약 25% 지점으로 구성하였다.
임펠러의 취입 노즐을 통해서는 분체가 아닌 파라핀 오일과 질소 가스를 취입하였다. 이 실험은 물과 파라핀 오일의 교반 효과를 살펴보기 위한 것으로 액상의 파라핀 오일을 취입 노즐을 통해 분사해도 무방하다. 파라핀 오일은 탈린제 원단위 100kg/ton.FeMn을 모사하기 위하여 10분간 10.8리터(liter)를 공급하였다. 그리고 임펠러의 회전 속도는 120rpm으로 하고, 이송 가스인 질소 가스의 유량은 120liter/min으로 적용하였다.
물과 파라핀 오일의 흐름, 즉 교반 형상을 확인하기 위하여 비디오 카메라를 이용하여 촬영하고, 물 시편을 제1용기 내지 제6용기의 바닥에서 10mm 지점에서 2분당 1회씩 채취하였다. 20분간 교반을 실시하고 실험을 종료하였다.
실험은 아래의 표1에 기재된 바와 같은 조건으로 복수 회 수행되었다.
표 1
액상 탈린제 투입 고상 탈린제 투입 블레이드 위치(탕면으로부터 위치)
실험 예 1 투입 투입 70%
실험 예 2 투입 투입 20%
실험 예 3 미투입 투입 70%
실험 예 4 미투입 투입 20%
실험 예 5 투입 미투입 70%
실험 예 6 투입 미투입 20%
액상 탈린제와 고상 탈린제의 투입 여부와 블레이드의 위치에 따른 교반 효과를 살펴보기 위하여 상기 표에 나타난 바와 같이 실험 조건을 변경하며 실험을 수행하였다.
물 중의 티몰 분석을 실시하고 하기와 같은 물질 전달 방정식을 이용하여 해석하였다. 여기에서 물 상(water phase) 측에 존재하는 물질 전달 저항층 내에서의 티몰 확산 속도에 의해 전체 반응 속도가 유속이 된다. 이러한 물질 전달 방정식은 수학식1과 같다.
수학식 1
Figure PCTKR2013008535-appb-M000001
여기에서 Cw는 물 상에서의 티몰의 농도이고, Cw'는 물 상측 물질전달 저항층 내에서의 티몰의 농도이다. Kw는 물상에서의 물질전달 계수이고, Vw는 물의 부피, A는 물과 기름 사이의 계면적을 나타낸다. 수학식 1에서는 각 상에서 부피 변화가 없고, 일정한 계면적을 가지며 계면 저항은 없다고 가정하였다.
계면에서의 평형 분배비(β)는 수학식 2와 같다.
수학식 2
Figure PCTKR2013008535-appb-M000002
여기에서 C0'=C0인 것은 티몰의 사용으로 기름 상측에 존재하는 물질 전달 저항층을 고려할 필요가 없어졌기 때문이다. 즉, 기름 상의 농도는 균일하다고 가정한다.
몰의 물질 균형을 생각하면 수학식 3을 도출할 수 있다.
수학식 3
Figure PCTKR2013008535-appb-M000003
여기서 Cw0는 물 상측에서 티몰의 초기 농도이고, Co, Cw는 각각 어떤 시각(t)에서의 기름 상측 티몰 농도와 물 상측 티몰 농도이다.
계면에서의 평형을 고려하여 위 식들을 조합하면 Cw항에 의해 모든 농도 항들을 표현할 수 있으며, 아래의 수학식 4와 같이 표현될 수 있다.
수학식 4
Figure PCTKR2013008535-appb-M000004
본 실험에서의 티몰의 농도 변화 범위 안에서 평형 분배비(β)는 일정한 값을 가지므로, 수학식4를 적분하면 하기의 수학식5이 도출된다.
수학식 5
Figure PCTKR2013008535-appb-M000005
상기 수학식 5으로부터 물질 전달 변수 (KwA)의 값을 구할 수 있으며, 이때 물질 전달 변수가 높은 값을 갖는 경우 물질 전달 속도가 빨라짐을 알 수 있다. 즉, KwA가 클수록 용탕과 탈린제 사이의 반응 계면이 넓고 교반에 의한 반응성이 높음을 의미한다.
도 7은 탈린제의 투입 방식과 블레이드의 위치에 따른 교반 효과를 보여주는 그래프이다.
먼저, 실험 예 1, 실험 예 3 및 실험 예 5에서와 같이 블레이드의 침지 깊이를 물의 탕면(수면)으로부터 70%의 위치에 배치한 경우, 티몰 분석 값을 이용하여 도출한 KwA/Vw값(반응효율)이 도 7의 (a)에 도시된 바와 같이 실험 예1> 실험 예 3> 실험 예5의 순으로 나타났다. 즉, 임펠러의 교반과 함께 액상 탈린제 및 고상 탈린제를 사용한 경우 교반 효과가 가장 우수하게 나타났다.
반면에 실험 예 2, 실험 예4 및 실험 예 6에서와 같이 블레이드의 침지 깊이를 물의 탕면(수면)으로부터 20%의 위치에 배치한 경우에는 티몰 분석 값을 이용하여 도출한 KwA/Vw값(반응효율)이 도 7의 b)에 도시된 바와 같이 실험 예2> 실험 예 6> 실험 예4의 순으로 나타났다. 즉, 임펠러의 교반과 함께 액상 탈린제 및 고상 탈린제를 사용한 경우에는 교반 효과가 우수하게 나타났으나, 고상 탈린제만 투입하고 액상 탈린제를 투입하지 않은 경우 교반 효과가 가장 낮게 나타났다.
결과적으로 블레이드의 배치 위치가 깊은 경우에는 액상 탈린제 공급 방식보다는 취입 노즐을 통한 고상 탈린제 공급 방식의 반응 효율이 우수하며, 블레이드의 배치 위치가 얕은 경우에는 액상 탈린제 공급 방식이 고상 탈린제 공급 방식에 비해 반응 효율이 좋다고 할 수 있다. 액상 탈린제 및 고상 탈린제를 동시에 공급하는 방식에서는 블레이드의 배치 위치와는 관계없이 고상 탈린제나 액상 탈린제 공급 방식을 단독으로 사용하는 경우보다 우수한 반응 효율을 보이는 것을 알 수 있다.
수모델 실험의 결과에서 확인할 수 있듯이 용탕 상부에 공급되는 액상 탈린제의 혼입을 원활하게 하기 위해서는 블레이드의 침지 깊이가 얕을수록 유리하고, 취입 노즐을 통한 고상 탈린제 공급 방식에서는 용탕 중으로 취입되는 고상 탈린제가 용탕 중에 함유된 인 성분과 반응하기 위한 기회와 시간을 확보하기 위하여 취입 노즐의 침지 깊이는 깊을수록 유리하다.
도 8은 교반 방식별 시간에 따른 반응 효율의 변화를 보여주는 그래프이다.
여기에서는 본 발명의 실시 예에 따른 용탕 정련 장치와 종래기술에 따른 용탕 정련 장치를 이용한 경우 탈린 반응 효율을 서로 비교하였다. 종래기술에 따른 용탕 정련 장치를 이용한 예는 전술한 실험 예1, 실험 예3 및 실험 예5와 같다. 도 8을 참조하면, 본 발명의 실시 예에와 거의 동일한 구성 및 방법으로 실시된 실험에서 용탕의 탈린 반응 효율이 가장 우수하게 나타났다.
또한, 아래의 표2에 나타난 바와 같이 교반에 사용된 용탕의 유량에 관계없이 개선된 본 발명의 실시 예에 따른 용탕 정련 장치를 사용한 경우 종래기술에 따른 용탕 정련 장치를 사용한 경우보다 빠른 시간 내에 최대 유효 반응 면적에 도달하였다. 이는 본 발명의 실시 예에 따른 용탕 정련 장치를 사용한 경우 짧은 시간 내에 탈린이 가능하며 이를 통한 탈린 효율 증대가 가능함을 보여준다.
표 2
구분 종래기술 본 발명
120(ℓ/분) 최대 유효면적 도달 시간(분) 6 3
개선율(%) 0(기준) 50%
42(ℓ/분) 최대 유효면적 도달 시간(분) 9 5
개선율(%) 0(기준) 44%
한편, 수모델 실험의 결과를 바탕으로 실제 조업과 유사한 조건으로 용탕을 정련하는 실험을 진행하였다.
실험은 본 발명이 적용된 임펠러와 종래기술에 따른 임펠러를 이용하여 수행되었다. 실험은 본 발명이 적용된 임펠러와 종래기술에 따른 임펠러를 이용하였으며, 유사한 탈린제 원단위를 적용하여 수행되었다
표 3
고상탈린제투입 비율(%) 액상탈린제 투입 비율(%) 시작온도(℃) 종료온도(℃) 탈린율(%) 주선실수율(%)
종래기술 45.0 55.0 1379 1274 66 55.7
본 발명 42.4 57.6 1376 1306 73 81.9
표 3을 참조하면, 거의 비슷한 양의 탈린 플럭스를 공급한 경우, 본 발명의 경우 탈린 종료 온도, 탈린율 및 주선 실수율이 종래기술에 비해 향상된 것을 알 수 있다.
또한, 탈린제의 투입 방식에 따른 탈린 반응 효율을 대해서 비교해보았다. 표 4는 고상 탈린제만 투입한 경우, 액상 탈린제만 투입한 경우 그리고 고상 탈린제와 액상 탈린제를 함께 투입한 경우 용탕의 탈린 공정 결과를 보여준다.
표 4
탈린 전 인(P) 농도(%) 탈린 후 인(P) 농도(%) ΔT(초기온도-종료온도)(℃) 탈린율(%)
고상 탈린제 0.134 0.049 248 65
액상 탈린제 0.126 0.063 76 52
고상 탈린제+액상 탈린제 0.140 0.037 198 78
표 4에 나타난 바와 같이, 고상 탈린제와 액상 탈린제를 함께 사용하여 용탕을 탈린한 경우, 고상 탈린제나 액상 탈린제를 단독으로 사용한 경우보다 탈린 반응 효율이 현저하게 높게 나타난 것을 알 수 있다. 또한, 가용 온도 범위의 측면에서 액상 탈린제를 단독으로 사용한 경우보다 못하지만 고상 탈린제를 단독으로 사용한 경우에 비해 50℃ 이상의 온도 확보가 가능하여 용탕 실수율 향상에도 크게 기여할 것으로 예측된다.
본 발명을 첨부 도면과 전술된 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였으나, 본 발명은 그에 한정되지 않으며, 후술 되는 특허청구범위에 의해 한정된다. 따라서, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 후술 되는 특허청구범위의 기술적 사상에서 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 변형 및 수정할 수 있다.
본 발명에 따른 용탕의 정련 방법 및 그 장치는 블레이드와 취입 노즐을 용탕의 상부와 하부측에 각각 분리되도록 마련하여 용탕 중에 투입되는 탈린제의 분산능을 향상시켜 탈린 효율을 향상시킬 수 있어, 고품질의 용탕을 생산할 수 있고, 이를 이용하여 생산되는 제품의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

Claims (18)

  1. 용탕을 정련하는 장치로서,
    용탕이 장입된 용기 상부에 상하 방향으로 연장 형성되는 임펠러; 및
    상기 용기의 상부에 구비되어 상기 용탕 상부에 용융 상태의 액상 탈린제를 공급하는 액상 탈린제 공급부;
    를 포함하고,
    상기 임펠러는,
    임펠러 몸체와;
    상기 임펠러 몸체의 상부 외주면에 구비되는 블레이드와;
    상기 임펠러 몸체의 내부에 상기 임펠러 몸체의 길이 방향을 따라 구비되어, 파우더 상태의 고상 탈린제 및 이송 가스가 공급되는 공급관; 및
    상기 임펠러 몸체의 하부의 일부를 관통하며 상기 공급관과 연통되는 취입 노즐;
    을 포함하는 용탕의 정련 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 블레이드는 상기 용탕의 전체 깊이에 대하여 1/2 지점의 상측 영역에 위치하고,
    상기 취입 노즐은 상기 용탕의 전체 깊이에 대하여 1/2 지점의 하측 영역에 위치하는 용탕의 정련 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 블레이드는 상기 용탕의 전체 깊이에 대하여 상기 용탕의 탕면으로부터 10 내지 30% 영역에 배치되는 용탕의 정련 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 액상 탈린제 공급부에는 상기 액상 탈린제를 가열하는 가열기가 구비된 배출관이 연결되는 용탕의 정련 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 블레이드는 상부폭이 하부폭보다 길게 형성되는 용탕의 정련 장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 블레이드의 상부폭은 상기 하부폭보다 상기 상부폭 전체 길이의 5 ~ 20% 길게 형성되는 용탕의 정련 장치.
  7. 청구항 5 또는 청구항 6에 있어서,
    상기 블레이드는 상기 래들의 내부 직경에 대하여 35 ~ 45%의 폭을 갖도록 형성되는 용탕의 정련 장치.
  8. 청구항 5 또는 청구항 6에 있어서,
    상기 블레이드는 상기 임펠러 몸체를 중심으로 복수개가 이격되어 구비되고, 인접하는 블레이드와 대향하는 적어도 일측면에는 경사면이 형성되는 용탕의 정련 장치.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 블레이드의 일측면은 상기 블레이드의 상부면과 10 ~ 30°의 각도를 가지며 경사지도록 형성되는 용탕의 정련 장치.
  10. 용탕의 정련 방법으로서,
    용탕을 마련하는 과정과;
    상기 용탕에 임펠러를 침지시키는 과정과;
    상기 용탕의 상부에 액상 탈린제를 공급하는 과정과;
    상기 임펠러를 회전시켜 상기 용탕을 교반하는 과정;을 포함하고,
    상기 용탕을 교반하는 과정에서 상기 임펠러의 하부를 통해 분말 상태의 고상 탈린제를 공급하는 용탕의 정련 방법.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 임펠러를 침지시키는 과정 이전에,
    이전 공정에서 생성된 슬래그를 배재하는 용탕의 정련 방법.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 임펠러를 침지시키는 과정에서,
    상기 임펠러의 블레이드를 상기 용탕 전체 깊이의 1/2 지점의 상측 영역에 배치시키고,
    상기 임펠러의 취입 노즐을 상기 용탕 전체 깊이의 1/2 지점의 하측 영역에 배치시키는 용탕의 정련 방법.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 임펠러의 블레이드를 상기 용탕의 탕면으로부터 10 내지 30% 영역에 배치시키는 용탕의 정련 방법.
  14. 청구항 10에 있어서,
    상기 교반 과정은 상기 임펠러의 블레이드에 의해 발생되는 용탕의 교반 흐름 방향과 상기 용탕으로 취입되는 고상 탈린제에 의해 발생되는 용탕의 교반 흐름 방향이 일치하도록 교반시키는 과정을 포함하는 용탕의 정련 방법.
  15. 청구항 10에 있어서,
    상기 블레이드에 의해 발생된 교반 흐름은 상하 방향으로 분리되어 흐르고,
    상기 블레이드의 하측 방향에서 용탕의 교반 흐름 면적이 상기 블레이드의 상측 방향에서 용탕의 교반 흐름 면적에 비해 넓은 용탕의 정련 방법.
  16. 청구항 10 내지 청구항 15 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 용탕에 공급되는 액상 탈린제는 상기 액상 탈린제와 고상 탈린제의 총중량에 대하여 50 내지 70중량%인 용탕의 정련 방법.
  17. 청구항 16에 있어서,
    상기 고상 탈린제를 공급하는 과정에서 상기 고상 탈린제와 함께 불활성 가스를 함께 공급하는 용탕의 정련 방법.
  18. 청구항 17에 있어서,
    상기 용탕을 교반하는 과정 이후에 슬래그를 배재하는 용탕의 정련 방법.
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