유도로 및 제강

유도로 및 제강

유도로는 전기 에너지를 사용하여 작동하는 제강 용로 유형입니다. 유도로(IF) 제강은 두 가지 전기 제강 공정 중 하나입니다. 전기 제강의 다른 공정은 전기로(EAF)를 사용합니다. IF는 오래전부터 사용되고 있지만, IF에 의한 연강 생산은 비교적 오래된 현상이 아니다.

IF에서 용융의 원리는 1차 코일의 고전압 전원이 금속 또는 2차 코일에 저전압, 고전류를 유도한다는 것입니다. IF는 고주파 교류 필드에 의해 생성된 와전류에 의해 생성된 열을 사용합니다. 고주파 전류에 의해 생성된 교류 자기장은 전하에 강력한 와전류를 유도하여 매우 빠르게 가열됩니다.

기록

IF의 개발은 Michael Faraday의 전자기 유도 원리 발견과 함께 시작되었습니다. 그러나 1870년대 후반이 되어서야 유럽의 De Ferranti가 유도로에 대한 실험을 시작했습니다. 금속을 녹이는 최초의 IF는 1900년경 Edward Allen Colby에 의해 특허를 받았습니다. IF의 첫 번째 실제 사용은 1900년 스웨덴 Gysinnge의 Kjellin에 의해 이루어졌습니다. 필라델피아. 3상 적용을 위한 최초의 IF는 1906년 독일에서 Rochling-Rodenhauser에 의해 제작되었습니다.

유도로의 특성

IF에는 크게 두 가지 유형이 있습니다. (i) 채널 IF 및 (ii) 코어리스 IF입니다.

채널 IF는 용융 금속을 포함하는 내화 라이닝된 강철 쉘로 구성됩니다. 강철 셸에 부착되고 목으로 연결되어 용해로의 용융 구성 요소를 형성하는 유도 장치가 있습니다. 유도 장치는 1차 유도 코일이 권선된 링 형태의 철심으로 구성됩니다. 이 어셈블리는 용융 금속 루프가 보조 구성 요소를 구성하는 간단한 변압기를 형성합니다. 루프 내에서 생성된 열은 금속이 퍼니스의 메인 웰로 순환하도록 합니다. 용탕의 순환은 용탕에서 유용한 교반 작용을 유발합니다. 채널 IF는 일반적으로 저융점 합금을 녹이는 데 사용하거나 주철과 같은 더 높은 융점 합금을 위한 유지 및 과열 장치로 사용됩니다. 노는 코어리스 IF에서 피크에서 용융된 금속의 홀더로 사용할 수 있으므로 피크 수요 요금을 방지하여 총 용해 비용을 절감할 수 있습니다. 채널 IF는 일반적으로 제강에 사용되지 않습니다.

코어리스 IF는 상당히 간단한 구조를 가지고 있습니다. 기본적으로 내화 용기와 강철 프레임이 지탱하는 주변 코일로 구성됩니다. 교류(AC)가 코일을 통해 흐를 때 전자기장을 생성하여 차례로 충전된 물질에 와전류를 유도합니다. 이 전하 물질은 줄의 법칙에 따라 가열되고 더 열을 가하면 전하 물질이 녹습니다.

코어리스 IF의 주요 구성 요소는 도가니, 변압기, 인버터 및 커패시터 뱅크로 구성된 전원 공급 장치, 충전 장치, 전원 공급 장치 및 용광로 코일용 냉각 시스템, 공정 제어 시스템 및 흄 추출 장비로 구성됩니다. 코어리스 IF의 개략도는 그림 1에 나와 있습니다.

그림 1 코어리스 IF의 개략도

코어리스 IF의 경우, 퍼니스의 핵심은 나선형 코일 형태로 감겨 있는 중부하 작업의 중공 섹션, 높은 전도성 구리 튜브로 구성된 코일입니다. 코일 형상은 강철 쉘 내부에 포함되며 지지 쉘의 가열을 방지하기 위해 자기 차폐가 사용됩니다. 과열로부터 코일을 보호하기 위해 코일은 수냉식이며 냉각탑에서 냉각된 후 물이 재순환됩니다. 셸은 퍼니스가 쉽게 부어지도록 기울어지는 트러니언에 지지됩니다. 도가니는 코일과 소결된 라이닝을 남기는 첫 번째 열로 용해되는 속이 빈 내부 포머 사이에 입상 내화물을 부딪혀서 형성됩니다.

퍼니스에는 냉각 시스템, 퍼니스 틸팅 및 계측용, 그리고 유도 코일 전원용의 두 가지 별도의 전기 시스템이 있습니다. 유도 코일의 전원은 3상 고전압 고암페어 전선에서 공급됩니다. 전원 장치는 주 전원의 전압과 주파수를 전기 용해에 필요한 전압과 주파수로 변환합니다. 유도 용해에 사용되는 주파수는 초당 50사이클(주전원 주파수)에서 초당 10,000사이클(고주파)까지 다양합니다. 작동 주파수가 높을수록 주어진 용량의 용광로에 가해질 수 있는 최대 전력량이 커지고 유도된 난류의 양이 낮아집니다.

충전 물질이 용융될 때 자기장과 유도 코일에 흐르는 전류의 상호 작용은 용융 금속 내에서 교반 작용을 생성합니다(그림 2). 이 교반 작용으로 인해 용융 금속이 중앙에서 위쪽으로 상승하여 금속 표면에 특징적인 메니스커스가 발생합니다. 교반 작용의 정도는 인가되는 힘과 주파수뿐만 아니라 코일의 크기와 모양, 용탕의 밀도와 점도에 영향을 받습니다. 욕 내의 교반 작용은 합금의 혼합 및 회전의 용융 뿐만 아니라 노 전체의 온도 균질화에 도움이 되기 때문에 중요합니다. 과도한 교반은 가스 픽업, 라이닝 마모 및 합금 산화를 증가시킬 수 있습니다.

그림 2 자기장에 의한 교반 작용

코어리스 IF는 일반적으로 모든 등급의 철 및 강철과 많은 비철 합금을 용융하는 데 사용됩니다. 퍼니스는 온도 및 화학에 대한 높은 제어 수준 때문에 재용융 및 합금화에 이상적이며 유도 전류는 용융물의 양호한 순환을 제공합니다. 이 용광로는 발생하는 열에 의해 장입재가 스스로 녹기 때문에 다른 제강로에서 발생하는 배출량은 발견되지 않습니다. 유도 용해로의 일반적인 설치 다이어그램은 그림 3에 나와 있습니다.

그림 3 유도 용해로의 일반적인 설치 다이어그램  

욕조 교반 메커니즘

용광로 장입물에 유도된 와전류 및 자기 유도는 전자기력을 생성합니다. 이러한 힘은 기본적으로 용광로 축에 대해 반경 방향으로 진행되고 용탕을 용광로 벽에서 안쪽으로 밀어냅니다. 중력은 이러한 힘에 대항하여 작용하므로 욕조 표면에 돔(메니스커스)이 형성됩니다. 또한 수조 흐름은 회전 방향이 반대인 두 개의 소용돌이 토로이드 형태로 생성됩니다. 이는 코일 끝단의 자기장 누설로 인해 코일의 중간쯤에서 반경 방향 압력이 최대에 도달하기 때문입니다. 전력 분포 및 흐름 패턴은 그림 4에 나와 있습니다.

그림 4 중주파 도가니에서 코일 전류에 의한 자속 발생

유도 욕 교반은 먼저 온도 및 화학적 조성과 관련하여 용융 금속의 우수한 균질화를 유도합니다. 또한 충전 물질을 교반하고 충전 물질의 용융을 위한 최적의 열 전달 조건을 생성합니다.

변압기, 주파수 인버터 및 커패시터 뱅크를 통해 유도 코일에 전원이 공급됩니다. 커패시터 뱅크는 무효 전력을 보상하기 위한 것입니다. 또한 유도로가 시간 램프를 통해 켜지기 때문에 모든 유형의 깜박임 및 돌입 전류를 통한 그리드 부하가 방지됩니다. 인버터에 의해 공급되는 전류는 공진 주파수(공칭 주파수의 60% ~ 110% 이내)로 진동하며 간단한 방식으로 일정한 부하 조정을 돕습니다.

에너지 손실

강철 1톤을 섭씨 1500도까지 가열하는 데 필요한 전기 에너지는 약 396kWh입니다. 용광로에서는 일반적으로 특정 에너지 소비를 톤당 500kWh(kWh/t) 이상으로 증가시키는 많은 손실이 발생합니다. 손실은 주로 열로 손실, 노 코일 손실, 커패시터 뱅크 손실, 변환기 손실 및 메인 측 변압기의 손실입니다. 에너지 손실의 약 20~33%는 냉각수가 흡수합니다.

일반적인 IF에서 장비의 에너지 손실은 100kWh/t에서 130kWh/t 사이입니다. 퍼니스 효율은 약 62% ~ 75%입니다. 에너지 효율적인 코일의 새로운 개발, 새로운 내화 재료, 변환기 및 변압기 손실 감소, 최신 용광로 장비로 에너지 손실은 60kWh/t에서 90kWh/t 수준으로 감소됩니다. 새로운 용해로는 81%에서 87% 범위의 효율성을 가지고 있습니다. 코어리스 IF의 일반적인 에너지 손실은 그림 5의 일반적인 Sankey 다이어그램에 나와 있습니다.

그림 5 코어리스 유도로의 일반적인 Sankey 다이어그램

유도로 가동

코어리스 유도로의 효율적인 작동은 주로 우수한 작동 방식의 구현에 달려 있습니다. IF에서 가열하는 단계는 그림 6에 나와 있습니다.

그림 6 IF에서 가열하는 단계

충전 준비 및 충전 – 원료의 무게를 측정하고 용해를 시작하기 전에 퍼니스 장입 바닥의 퍼니스 근처에 보관합니다. 요금은 모래, 먼지 및 기름/그리스를 포함한 모든 이물질이 없어야 합니다. 녹슨 스크랩은 녹는 데 더 많은 시간이 걸릴 뿐만 아니라 충전당 금속이 적게 포함됩니다. 1500℃에서 형성된 슬래그 1%마다 에너지 손실은 10kWh/t입니다. 스크랩은 깨끗해야합니다. 합금철의 정확한 중량은 준비된 상태로 유지되어야 합니다. 합금철은 매우 비싸고 적절한 취급은 낭비를 줄일 뿐만 아니라 추가 시간 손실을 줄이기 때문입니다.

단일 금속 조각/스크랩의 최대 크기는 로 도가니 직경의 1/3을 초과해서는 안 됩니다. 브리징 문제를 방지합니다. 또한 각 충전량은 도가니 부피의 약 10%이어야 합니다. 또한, 특히 무겁고 부피가 큰 스크랩의 경우 날카로운 모서리가 없어야 합니다. 이는 노의 내화 라이닝을 손상시킬 수 있기 때문입니다. 또한, 퍼니스는 코일 레벨 이상으로 장입되어서는 안 됩니다. 퍼니스 라이닝이 마모됨에 따라 장입량이 약간 증가할 수 있음을 이해해야 합니다.

적절한 충전 순서를 따라야 합니다. 더 큰 크기의 금속을 먼저 ​​장입한 다음 더 작은 크기를 장입하고 틈은 터닝 및 보링으로 채워야 합니다. 베일을 벗긴 철 스크랩 및 헐거운 보링(가공 칩)의 사용을 통제해야 합니다. 충전 건조기와 예열기는 수분을 제거하고 충전물을 예열하고 오일이나 그리스를 제거하는 데 사용됩니다. 용융물에 젖거나 축축한 스크랩이 유입되면 폭발을 일으킬 수 있으므로 피해야 합니다.

열을 녹이고 준비하기 – 퍼니스는 항상 최대 전력으로 가동되는 것이 중요합니다. 이렇게 하면 배치 기간이 단축될 뿐만 아니라 에너지 효율성도 향상됩니다. 퍼니스 커버를 사용하면 복사열 손실을 크게 줄일 수 있습니다. 용광로 벽(그림 7)에 슬래그가 축적되는 것을 방지해야 합니다. 전형적인 슬래그 축적은 교반 효과가 적은 코일 레벨 위의 목 근처에서 발생합니다. 슬래그 제거에 사용되는 플럭스의 양이 중요합니다. 일반적으로 플럭스 소비량은 철강 톤당 1kg 미만입니다. 슬래그를 제거하려면 적절한 도구를 사용해야 합니다. 슬래그 제거를 위해 막대나 막대 대신 납작한 머리가 있는 도구를 사용해야 합니다. 더 효율적이고 시간이 훨씬 적게 걸립니다.

화로 도가니 목 부근에 축적된 Fig 7 슬래그

용융 처리기를 통한 공정 제어로 중단이 줄어듭니다. 일반적으로 공정 제어는 중단을 2분에서 4분으로 줄입니다. 스펙트럼 시험실은 열 및 슬래그 시료의 화학적 분석을 위한 대기 시간을 피하기 위해 철강 용해 작업장 근처에 위치해야 합니다. 액체강의 불필요한 과열은 피해야 합니다. 50°C의 과열은 로 특정 에너지 소비를 25kWh/t까지 증가시킬 수 있습니다.

더위의 도청 – 플랜트 레이아웃은 레이들에서 액강이 이동한 거리와 온도 강하를 결정하는 데 중요한 역할을 합니다. 국자 크기는 열 손실을 최소화하고 가능한 한 최단 시간에 퍼니스를 비울 수 있도록 최적화되어야 합니다. 용융은 액강의 주조와 동기화되어야 합니다. 액강은 용광로에서 기다리지 않습니다. 국자 예열기는 온도 저하를 방지하기 위해 사용됩니다. 국자를 예열하기 위해 액체강을 사용하는 것은 에너지 집약적이며 비용이 많이 듭니다. 국자에 남아 있는 액강의 양은 가능한 한 적어야 합니다. 국자 덮개 컴파운드는 국자 상단의 복사 손실로 인한 온도 강하를 최소화하는 데 사용됩니다.

유도로에 의한 연강 생산

IF 루트를 통해 전 세계적으로 많은 양의 연강이 생산됩니다. 이 강철을 생산하는 동안 최종 제품의 화학적 성질이 제어됩니다. 모든 투입 재료의 화학적 분석은 전하 혼합에 대한 결정을 내리기 위해 수행되어야 합니다. 투입 재료의 50% 충전을 완료한 후, 욕조 샘플의 화학 조성을 분석합니다. 이 단계에서 수조 샘플의 화학적 분석을 기반으로 금속의 추가 추가에 대한 계산이 이루어집니다. 이 단계의 조 샘플에서 탄소, 황 및 인의 비율이 높으면 충전물의 해면철 함량이 증가해야 합니다. 80% 용융이 완료되면 최종 수조 샘플을 채취합니다. 이 샘플의 분석을 기반으로 요금에 또 다른 조정이 있습니다. 샘플의 더 낮은 탄소 함량은 장입물에서 선철/충전 철의 양을 증가시켜 수정됩니다. 금속의 규소와 망간은 해면철의 산화철에 의해 산화된다. 유황과 인도 해면철에 의해 희석됩니다. 해면철을 사용하기 때문에 IF에서 만든 강철의 미량 원소는 계속해서 통제됩니다.

매개변수 모니터링 및 데이터 분석

에너지 모니터링은 에너지 절약을 위한 첫 번째 단계입니다. 용광로에 별도의 에너지 미터를 설치하는 것이 바람직합니다. 에너지 소비는 열 대 열 기준으로 모니터링되어 에너지 소비가 생산 데이터와 상관관계로 분석되어 일일 기준으로 노의 특정 에너지 소비에 도달할 수 있습니다. 데이터의 모든 피크 또는 밸리는 탭핑 온도 및 탭핑된 금속의 양과 함께 연구 및 조사되어야 합니다. 코일 냉각 및 패널 냉각을 위한 수온 및 유량을 모니터링해야 합니다. 패널은 매주 점검해야 하며 청소는 매월 수행해야 합니다. 효과적인 원료 저장은 퍼니스의 최적 성능을 위해 중요합니다. 예를 들어, 스크랩을 진흙 바닥에 보관하면 먼지와 습기가 찰 수 있습니다.

유도로 라이닝

라이닝은 유도로의 중요한 부분입니다. 퍼니스 성능은 라이닝 성능과 직접적인 관련이 있습니다. 잘 놓여지고 안정된 라이닝은 노의 원활한 작동, 최적의 출력 및 야금 반응의 우수한 제어를 가져옵니다. 특정 용광로에 가장 적합한 라이닝 방식은 용광로의 용량과 디자인, 열을 만드는 동안 채택된 작동 방식, 용광로 출력에 따라 다릅니다. 안감의 성공적이고 일관된 성능을 위해 중요한 측면은 (i) 안감 재료의 적절한 등급과 품질, (ii) 세심하고 체계적인 안감 사용, (iii) 작업 조건의 일관성입니다.

일반적으로 용광로 라이닝용 내화물의 선택은 (i) 용광로의 유형 및 크기, (ii) 용융되는 강의 유형, (ii) 용강의 온도 및 (iv) 용융 중에 생성되는 슬래그의 유형 및 조성. 라이닝에 사용되는 래밍 매스에는 세 가지 유형이 있습니다. 이들은 (i) 산성, (ii) 염기성 및 (iii) 중성입니다. 슬래그에 산성 성분이 많이 포함되어 있으면 실리카(SiO2) 라이닝이 사용됩니다. 염기도 지수가 높은 슬래그의 경우 마그네사이트(MgO) 라이닝이 선택됩니다. 중성 내화물은 IF 안감의 새로운 트렌드가 되었습니다. IF의 중성 라이닝에 사용되는 래밍 내화 매스는 특정 입도 측정법에 따라 혼합된 알루미나(Al2O3)와 소결된 MgO의 혼합물로 구성됩니다.

IF 안감의 경우 올바른 안감 재료를 선택해야 합니다. 라이닝 두께의 증가는 로의 용량 감소 및 소비 전력 증가를 의미하므로 바닥 또는 측벽의 라이닝 두께를 증가시키지 마십시오. 퍼니스는 매우 천천히 냉각되어서는 안 됩니다. 강제 공기 냉각은 더 낮은 깊이의 균열을 개발하는 데 도움이 되며, 이는 더 빠른 콜드 스타트 ​​사이클에 도움이 됩니다. 냉간 시동 주기 시간은 이상적으로는 정상 주기 시간의 120%를 넘지 않아야 합니다. 코일시멘트는 평활하고 직선이어야 하며 두께는 3~5mm로 한다. 퍼니스 라이닝 작업을 수행하는 동안 각 층이 50mm 이하인지 확인해야 합니다. 압축은 레이어가 작을수록 좋습니다.

EAF 제강 공정과의 비교

EAF와 비교하여 유도로는 (i) 높고 상대적으로 좁은 용융 용기(큰 h/d 비율), (ii) 낮은 도가니 벽 두께, (iii) 낮은 슬래그 온도 및 (iv) 강력한 수조 교반 특성을 가지고 있습니다. 제강 공정 중 IF의 작동 매개변수와 EAF의 작동 매개변수를 비교한 내용은 표 1에 나와 있습니다.

탭 1  IF와 EAF의 작동 매개변수 비교
SL 번호	매개변수	단위	만약	EAF
1	전기 에너지	kWh/t	540-550	490-510
2	내화물	kg/t	3.4-3.6	4.1-4.2
3	전극	kg/t	무	2.4-2.6
4	산소	N cum/t	무	15-25
5	플럭스	kg/t	무	25-28
6	먼지 발생	kg/t	1-2	5-10
7	소음 수준	dB(A)	82-86	90-100
8	슬래그 생성	kg/t	11-15	60-70
9	용해 손실	%	1-2	7-10
10	탈탄		내화 마모로 인한 제한	O2 분사 및 슬래그 반응에 의해 가능
11	탈황
12	탈인
13	전기 공급		낮은 부하	높은 부하
			플리커 장애	깜박임 장애 없음
14	로 용량		낮음	높음

유도로는 (i) 전력망에 대한 낮은 요구 사항, (ii) 상대적으로 깨끗한 공정 및 더 적은 환경 관련 지출, (ii) 더 높은 수율, (iv) 철 합금의 더 낮은 소비, (v) 전극 비용이 들지 않음, (vi) 더 적은 자본 지출, (vii) 더 적은 공간 요구 사항, (viii) 욕 교반의 특성으로 인해 언제든지 첨가제를 충전하기에 적합, (ix) 부하가 낮고 깜박임이 없음 방해, (x) 간단한 방법으로 자동 적용.

EAF에 비해 IF의 단점은 (i) 내화 라이닝의 최소 벽 두께 요구 사항으로 인해 작동 중단으로 인한 균열 형성 위험이 있다는 것, (ii) 유도로가 스크랩 품질에 대해 더 엄격한 요구 사항을 적용한다는 것, (iii) 탈탄, 탈황 및 탈인은 내화 마모로 인해 제한됩니다. (iv) 장입재의 비금속 성분은 슬래그의 부피가 한계 이하로 유지되고 악영향을 미치지 않도록 제어되어야 합니다. (v) EAF와 비교하여 매우 높은 용량의 IF는 현재 사용할 수 없습니다.