전기로에서 제강을 위한 열간 금속의 사용

  전기로의 제강용 열간 금속 사용

전기로(EAF)에 의한 제강은 장입재 선택과 관련하여 유연성이 매우 뛰어납니다. EAF 공정의 기존 장입재는 100% 냉스크랩이었지만 가용성 및 품질, 시장 가격 변동, 잔류 원소 및 질소 수준 등으로 인해 일부 강종을 제조할 때 스크랩에 의해 부과되는 제한과 같은 스크랩에 관한 문제였습니다. 대체 충전 재료는 EAF 운영자에 의해 다양한 비율로 성공적으로 사용되었습니다. 대체 충전 재료는 직접 환원철(DRI), 열간 연탄(HBI), 선철 또는 고온 금속입니다.

고온 금속의 사용은 스크랩 및/또는 전력이 부족하거나 전력 비용이 높은 지역에서 더 많이 사용됩니다. 뜨거운 금속의 인기 있는 소스는 고로입니다. 따라서 뜨거운 금속은 고로에 근접한 EAF에서 사용할 수 있습니다. 그렇지 않으면 EAF 운영자는 선철을 사용해야 합니다. 선철은 녹는 데 추가 에너지가 필요합니다. EAF 제강에서는 열간 금속과 스크랩의 비율이 다양하게 변할 수 있습니다. 저울의 한쪽 끝에서 100% 스크랩 작업으로; FAF는 20%의 스크랩과 80%의 뜨거운 금속만 충전하여 작동할 수도 있습니다. 현재 차지에서 뜨거운 금속의 80%를 사용하도록 설계된 많은 EAF가 있습니다.

EAF에 뜨거운 금속과 스크랩의 장입을 결합하면 공정의 운영 성능을 개선하는 데 도움이 됩니다. 뜨거운 금속에는 산화와 함께 사용할 수 있는 중요한 열원인 탄소와 규소가 용해되어 있습니다. 이들 원소의 산화열은 열선에서 이용 가능한 현열과 함께 EAF에서 제강 중 전력 소비를 실질적으로 줄이는 데 도움이 됩니다. 또한, 열간 금속은 제철 과정에서 슬래그로 제거된 외부 비금속 물질이 없습니다. 그러나 EAF 작업자는 용선의 탄소로 인해 로에서 발생하는 강한 반응에 주의해야 합니다. 뜨거운 금속은 용광로의 액체 금속 욕조에서 탄소 함량을 관리하기 위해 제어된 방식으로 충전될 수 있습니다.

EAF에서 열간 금속 장입과 관련된 주요 이점은 생산성 향상, 슬래그 발포 개선 및 장입물의 탄소 함량 증가입니다. 고온 금속의 고순도, 낮은 맥석 함량은 낮은 잔류 함량이 필요한 철강 제품의 생산을 가능하게 합니다. 또한, 뜨거운 금속은 분석을 통해 확인된 일관된 화학적 성질을 갖고 있으며, 이는 사용되지 않는 스크랩의 사용으로 흔히 발생하는 광범위한 화학적 변동을 상쇄합니다.

뜨거운 금속에 포함된 화학 에너지는 포함된 탄소에 의해 효율적으로 전달되어 더 빠른 용해와 생산성 증가를 촉진합니다. 용광로 설계가 탈탄 속도를 제한하지 않는다면 열간 금속은 EAF 생산성을 높이고 짧은 탭-투-탭 시간을 달성하는 데 매우 유용합니다. 또한 고온 금속은 스크랩 선택에 상당한 유연성을 제공합니다. 용선의 잔존량이 적기 때문에 EAF에서 용선의 비율이 높을 때 저품종 스크랩 활용이 가능합니다.

뜨거운 금속은 선철과 유사한 이점을 제공하며 재료가 이미 약 1,300℃ 이상의 온도에 있다는 추가 이점이 있습니다. 따라서 EAF(Fe 용해에 필요한) 에너지 요구량의 대부분이 이미 제공됩니다. 1,430℃의 뜨거운 금속 1톤은 Fe 함량만을 기준으로 현열의 형태로 약 250kWh를 공급합니다. EAF에서 선철을 사용하는 경우 일반적인 에너지 절약은 일반적으로 3.1kWh/% 선철에서 3.6kWh/% 선철 범위입니다. 고온 금속을 사용하면 절감 효과가 4.8kWh/% 고온 금속으로 증가합니다. 다량의 고온 금속을 사용하면 전력 소비를 고온 금속 1톤당 200kWh 이하 수준으로 줄일 수 있으므로 전력망이 약한 위치에 매우 유용할 수 있습니다.

EAF 프로세스의 주요 매개변수에 대한 HM의 영향

최근 EAF 제강의 주요 강조점은 최대 에너지 효율 달성과 관련되어 있습니다. 또한 사료 충전 재료는 EAF의 설계와 작동 방식에 영향을 미치고 있습니다. 제강의 EAF 공정의 다양한 주요 매개변수에 대한 충전 재료로서의 HM의 영향은 아래에 자세히 설명되어 있습니다.

잔여 요소 – 트램프 요소라고도 하는 잔류 요소는 가공 중에 강에서 제거할 수 없습니다. 따라서 제품 내 이러한 원소의 양은 장입재를 통해 제강 공정에 장입되는 이러한 원소의 양과 직접적인 관련이 있습니다. 높은 수준의 잔류 요소는 제품 품질에 영향을 미치는 것 외에도 주조 및 압연 작업에 영향을 줄 수 있습니다. 깨끗한 철제 단위인 HM을 장입혼합물에 첨가함으로써 액강의 잔류 원소 수준을 희석 과정을 통해 허용 가능한 수준으로 감소시킬 수 있습니다.

강철의 질소 수준 – 질소는 일반적으로 강의 취성을 유발하고 변형 노화에 영향을 미치는 바람직하지 않은 불순물로 간주됩니다. 액강의 질소는 용액의 형태로 존재합니다. 연속 주조에서 강이 응고되는 동안 질소는 블로우 홀을 형성하는 주요 원인입니다. 낮은 질소 수준으로 인해 뜨거운 금속은 희석 효과를 제공하고 C 비등을 통해 강철 욕조 내에서 일산화탄소(CO) 가스를 생성하여 강철의 질소 함량을 더욱 낮춥니다.

수소 제거 – 탈탄 과정에서 발생하는 CO 가스는 수소 제거에 도움이 됩니다. 시간당 1%의 속도로 탈탄하면 강철의 수소 수준을 10분 내에 8ppm에서 2ppm으로 낮출 수 있음이 입증되었습니다.

생산성 및 기타 운영 매개변수에 대한 영향 – 차지 믹스에 HM을 사용하면 더 많은 산소 소비가 발생하여 EAF의 생산성 향상, 탭 간 탭 시간 단축, Fe 수율 개선 및 특정 전력 소비 감소에 도움이 됩니다. 장입물 혼합에 HM을 사용하면 장입물에서 열금속 퍼센트당 4kWh에서 8kWh까지 절약됩니다. 그림 1은 EAF 충전에서 고온 금속의 비율에 따른 생산성과 특정 전력 소비의 관계를 보여줍니다.

그림 1 소비전력과 생산성을 담당하는 핫메탈의 관계

탄소의 역할 – EAF에서 제강하는 동안 산소 및 산화철과 반응하여 슬래그 발포를 돕기 위해 탄소가 필요합니다. 제품 요구 사항을 충족시키기 위해 약간의 탄소도 필요합니다. 탄소는 또한 EAF에 충전되어 주입된 산소와 함께 수조에서 반응하여 CO 가스를 생성할 뿐만 아니라 전기 에너지 소비를 절약하기 위한 충분한 화학 에너지 입력을 제공합니다. 수조 내 CO 가스의 생성은 강철의 용존 가스 농도를 낮추는 데 도움이 됩니다. CO 가스 기포는 또한 전기 아크를 포함하는 데 도움이 되는 슬래그 발포(에멀젼 생성)에 도움이 되며, 퍼니스 쉘 대신 강철 욕조로의 에너지 전달을 개선하고 복사 에너지에 의해 욕조로 전달됩니다. 다양한 슬래그 조건에서 전달 효율은 표 1에 나와 있습니다.

Tab1  전기 에너지의 아크 유형 및 전달 효율
SL 번호	호 유형	전기 에너지 효율 %
1	무료 굽기	26
2	기포 슬래그에 의해 부분적으로 둘러싸여 있음	65
3	포밍 슬래그로 완전히 둘러싸여 있음	93
4	부분 저항 가열	97
5	총 저항 가열	100

전기아크를 발포 슬래그에 완전히 담그는 것은 에너지 전달에 큰 긍정적인 영향을 미친다는 것을 알 수 있습니다. 따라서 복사를 통한 열 손실을 줄일 수 있습니다. EAF 운영에 필요한 탄소 첨가 총량은 다음과 같은 몇 가지 요인에 따라 달라집니다. (i) 공급 재료의 탄소 함량 (ii) 계획된 산소 소비 수준 (iii) 원하는 탭 탄소 수준 (iv) 탄소 비용 및 (v) 배기 가스 시스템의 용량. 탄소는 일반적으로 제강에서 원하지 않는 재료인 회분을 함유한 석탄 또는 코크스의 형태로 EAF에 추가됩니다. 뜨거운 금속에는 3.8%에서 4.5% 범위의 탄소가 있습니다. 따라서 뜨거운 금속을 사용하면 외부 소스에서 욕조에 탄소를 추가하는 것과 비교할 때 많은 비용을 절약할 수 있습니다.

EAF의 불규칙한 전하 탄소 회수로 인해 많은 EAF 운영자는 제강 작업의 변동을 줄이는 방법으로 선철 또는 고온 금속 등과 같은 고탄소 공급 재료로 전환했습니다. 많은 양의 선철이나 용선을 사용하는 경우에는 전하탄소를 첨가할 필요가 전혀 없습니다. 장입물에 포함된 뜨거운 금속의 1%마다 충전 탄소 톤당 0.435kg이 공급됩니다(열간 금속에서 4% C, 스크랩 수율 92%로 가정). 따라서 장입물에 포함된 20% 뜨거운 금속은 장입 탄소 톤당 거의 9kg에 해당하는 양을 공급합니다. 금속 공급 재료에 포함된 탄소 회수율은 매우 높습니다(일반적으로 90% ~ 100%). 개선된 탄소 회수를 고려할 때 이 양의 뜨거운 금속은 충전 탄소 톤당 10kg을 충전 탄소 톤당 60kg으로 대체할 수 있습니다. 

디자인 기능 – EAF의 핵심 문제는 탈탄 능력입니다. 장입물의 탄소 함량이 높으면 탈탄에 추가 시간이 필요합니다. EAF는 BOF 제강 관행에 일반적인 산소 주입 속도를 사용할 수 없습니다. 40%를 초과하는 용선 비율은 산소 주입 용량이 충분하지 않아 EAF 생산성이 감소하는 최대 한계로 간주되었습니다. 그러나 현재 최대 80%의 고온 금속을 사용하도록 설계된 EAF를 사용할 수 있습니다.

정상적으로 설계된 EAF의 산소 주입 한계는 일반적으로 광범위한 튀는 현상, 역화, 전극 소모 증가 및 내화 라이닝의 침식뿐만 아니라 지붕 패널 및 내화 델타 센터 피스의 수명 감소와 관련된 문제와 관련이 있습니다. 일반적으로 설계된 EAF의 일반적인 탈탄율은 0.06%에서 0.1% 사이입니다. 이러한 EAF에서 공급 충전재의 탄소 수준이 너무 높으면 이러한 제한으로 인해 탭 간 시간이 증가할 수 있습니다. EAF 충전재에서 탈탄율과 열간 금속 충전 사이의 일반적인 관계는 그림 2에 나와 있습니다.

그림 2 전기로의 뜨거운 금속 장입

DRI 및/또는 HBI의 탄소 함량 비교 – 또한 DRI/HBI(EAF 공급 재료)의 경우 DRI 및/또는 HBI에 존재하는 산화철을 줄이기 위해 탄소도 필요합니다. 이것은 전하 탄소 요구량을 증가시킵니다. 고온 금속의 경우 고온 금속이 100% 금속화되기 때문에 이러한 요구 사항이 존재하지 않습니다.

열간 금속의 규소 및 망간 함량 – 뜨거운 금속에는 상당한 양의 규소와 망간이 포함되어 있습니다. 이러한 원소는 산화될 때 화학 에너지를 제공하여 전기 에너지 소비를 더욱 감소시킵니다. 또한 이러한 산화물은 본질적으로 산성이기 때문에 플럭스(CaO 및 MgO) 소비를 증가시켜 노욕에서 필요한 수준의 슬래그 염기도를 유지합니다.

뜨거운 금속 충전

EAF에 뜨거운 금속을 충전하는 것은 사실 매우 복잡하지만 간단한 제안처럼 들립니다. EAF에서 뜨거운 금속을 장입하는 것은 고도로 산화된 노 슬래그 또는 냉 스크랩과의 접촉이 격렬한 반응을 유발할 수 있으므로 각별한 주의가 필요합니다. 고온 금속 장입 중 제어력 상실로 인해 EAF에서 슬래그와 금속이 넘칠 수 있습니다. 유사한 격렬한 반응은 일반적으로 과열 단계 동안 액체 수조에서 큰 탄소 농도 구배가 발생할 때 발생합니다. 뜨거운 금속 장입 중 제어력 상실은 노에서 슬래그와 강철의 범람으로 끝납니다. 극단적인 경우 용광로에서 격렬한 분출이 발생하는 동안 전극 암의 손상도 관찰됩니다.

뜨거운 금속의 충전은 지붕 또는 슬래그 도어의 두 가지 위치에서 수행할 수 있습니다. 일부 공장은 지붕을 흔들고 용광로에 붓는 방식으로 뜨거운 금속을 EAF에 충전합니다. 이것은 EAF에서 고온 금속과 고도로 산화된 슬래그의 매우 빠른 혼합을 유발하며 때때로 이 폭발로 인해 발생합니다. 따라서 이 작동 모드의 경우 뜨거운 금속을 추가하기 전에 슬래그 탈산제를 추가하는 것이 좋습니다. 전형적인 탈산제는 실리콘 미분, 알루미늄 미분 및 칼슘 카바이드입니다.

EAF에서 용선 장입 시 중요한 점은 (i) 용선 장입은 전원을 켠 상태에서 수행하여 생산성 손실을 방지하고, (ii) 용선 레이들 기울기 제어는 안정적인 주입 속도를 보장할 수 있을 만큼 정밀해야 한다는 것입니다. , (iii) 고온 금속 러너는 고온 금속 동결을 방지하기 위해 가능한 한 짧아야 하며, (iv) 러너는 주입 작업 사이에 예열되어야 합니다.

뜨거운 금속 온도의 이점을 활용하기 위해 용광로로의 장입은 지붕이 닫힌 상태에서 이루어져야 합니다. EAF에 뜨거운 금속을 충전하는 다른 방법은 EAF 측면에 삽입되는 세탁소에 뜨거운 금속을 붓는 것입니다. 이 방법은 뜨거운 금속을 충전하는 데 더 많은 시간이 필요하지만 훨씬 더 안전하게 작동합니다.

일반적으로 물류 및 레이아웃 제한 문제로 인해 뜨거운 금속 국자를 EAF 작업장으로 전달할 수 있는 장소, 즉 용광로의 장입 또는 태핑 측을 선택하는 데 너무 많은 자유가 주어지지 않습니다. EAF 디자인 자체는 추가적인 제한을 부과합니다. 변압기의 위치, 배기 가스 등은 사용 가능한 공간을 심각하게 제한합니다. 여기에서 뜨거운 금속 러너를 퍼니스에 삽입할 수 있고 실제 러너 위치는 다양한 고려 사항 중에서 절충안입니다. 일반적인 솔루션은 그림 2에 나와 있습니다. 슬래그 도어를 통해 삽입된 러너는 움직일 수 있어야 합니다(전용 핫메탈 차징카 사용). 다른 위치에서 러너는 용광로 쉘이나 차징 차량에 고정될 수 있습니다.

슬래그 도어 장입의 가장 심각한 단점은 슬래그의 흐름에 대해 뜨거운 금속을 붓는 것입니다. 어떤 경우에는 수조에서 인이 제대로 제거되지 않을 수 있습니다. 또한, 주입은 슬래그 도어 뒤 영역에 슬래그가 없어야 시작할 수 있습니다. 러너의 측벽 위치는 뜨거운 금속 오버플로의 경우 문제가 됩니다. 그 곳에서는 유출된 금속을 수거하기가 어렵습니다. 또한 오버플로가 발생하면 인접 지역에 설치된 모든 배관에 위험이 발생합니다. EBT 발코니에 위치한 러너가 가장 유리한 것 같습니다. 해당 지역의 스크랩이 제한되어 있기 때문에 용선 장입을 매우 일찍 시작할 수 있습니다. 넘칠 경우 용광로 아래 탭핑 피트에 뜨거운 금속이 수집될 수 있습니다.

대부분의 현대식 작업은 단일 슬래그 도어 랜스를 사용하는 대신 여러 위치에 산소를 주입합니다. 이 조건에서 30% ~ 40%의 뜨거운 금속 충전량이 EAF에 더 적합하다는 것이 확인되었습니다. 일부 EAF에서는 최대 50%의 뜨거운 금속 충전이 성공적으로 사용되었습니다. 그러나 50% 이상의 용선 장입은 탄소, 망간, 규소 등의 원소의 산화를 통해 과도한 열이 발생하여 용광로 과열로 이어질 수 있어 작동상의 문제가 발생합니다.

EAF 및 공정 기술의 새로운 발전으로 수율 손실이나 오프 가스 시스템 과부하 없이 EAF에서 고온 금속에서 탄소를 고속으로 제거할 수 있습니다. EAF 기술이 발전함에 따라 EAF에서 열간 금속의 경제적 활용도는 최대 50%에서 최대 80%로 증가했습니다. 이제 뜨거운 금속 에너지 함량을 최대한 활용할 수 있습니다.