아르곤 산소 탈탄 공정

아르곤 산소 탈탄 공정

아르곤 산소 탈탄(AOD)은 주로 스테인리스강 및 규소강, 공구강, 니켈계 합금 및 크롬 및 알루미늄과 같은 산화성 원소가 포함된 코발트계 합금과 같은 기타 고급 합금의 생산에 사용되는 공정입니다. AOD는 1954년 Union Carbide Corporation의 Lindé 부서에서 발명했으며 1992년 Praxair가 되었습니다. AOD 변환기는 그림 1에 나와 있습니다.

그림 1 AOD 변환기

오늘날 전 세계 스테인리스 스틸의 75% 이상이 AOD 공정을 사용하여 만들어집니다. 이 공정은 더 높은 금속 수율과 더 낮은 재료 비용을 결합하기 때문에 매우 인기가 있습니다. 귀중한 원소의 손실을 최소화하면서 스테인리스 스틸을 생산하는 경제적인 방법을 제공합니다. 스크랩 또는 미가공 원료를 전기로(EAF) 또는 유도로(IF)에서 먼저 녹이는 이중 공정의 일부입니다. 그런 다음 용융 금속은 탈탄되고 AOD 변환기에서 0.05% 미만의 탄소로 정제됩니다. AOD 변환기의 주요 특징은 탈탄용 산소가 아르곤이나 질소와 같은 불활성 가스와 혼합되어 잠긴 송풍구를 통해 주입된다는 것입니다. 산소의 아르곤 희석은 크롬과 같은 특수강에 포함된 귀중한 원소의 원치 않는 산화를 최소화합니다. AOD 공정의 다른 이점으로는 0.01% 이하의 탄소 이하, 0.001% 이하의 급속 탈황 및 0.001% 이하의 납 제거까지 화학 제어의 정확한 정확도를 들 수 있습니다. 최종 결과는 향상된 생산성과 결합된 깨끗한 금속입니다.

AOD 공정은 강욕의 탈탄을 위해 희석 기술을 사용합니다. 불활성 가스(아르곤 또는 질소)를 주입하면 수조의 CO 분압이 낮아져 더 높은 크롬 함량이 더 낮은 탄소 함량과 평형을 이룰 수 있습니다. 지하 송풍구를 통해 불어오는 가스로부터의 교반 에너지의 양과 금속 수조 내 깊은 곳에서 일산화탄소의 형성으로 인해 전로 공정이 가장 격렬하게 교반되는 야금 반응기 중 하나가 됩니다. 친밀한 가스 – 금속 접촉 및 우수한 슬래그 – 금속 혼합은 정제 반응을 촉진합니다.

AOD 공정 정제는 크게 3단계로 이루어진다. 이는 (i) 탈탄, (ii) 환원, (iii) 최종 화학 및 온도 트리밍입니다.

AOD 프로세스의 입력은 EAF 또는 IF 프로세스의 출력입니다. 최종 열 구성을 충족시키는 데 필요한 대부분의 크롬과 니켈을 포함하는 액강은 1500~1600℃의 온도에서 EAF 또는 IF에서 이송 레이들로 두드려집니다. 액체 금속은 이송 국자에서 AOD 변환기로 이송됩니다. AOD 변환기는 액체강을 충전하는 동안 측면 장착 송풍구가 수조 높이보다 높도록 아래쪽으로 회전할 수 있습니다.

철, 크롬, 탄소 및 니켈을 포함하는 액체강을 EAF 또는 IF에서 AOD 변환기로 이송한 후 고탄소 페로크롬이 추가되고 불활성 가스(아르곤, 질소) 및 산소 혼합물의 분사로 블로우가 시작됩니다. 초기 단계에서 5:1에서 3:1 범위의 비율로 산소 대 아르곤이 측면 송풍구를 통해 불어옵니다. 이 비율은 탈탄이 진행됨에 따라 낮아집니다. 취입은 아르곤과 함께 이루어지기 때문에 더 낮은 온도에서 탈탄을 수행하는 것이 가능합니다. 탄소가 원래 값의 30%로 감소하면 산소와 아르곤의 비율이 2:1로 변경됩니다. 희석 과정과 관련된 주요 이점은 산소 대 불활성 기체 비율이 1:1일 때 작동합니다. 탄소의 산화는 계속되지만 크롬의 산화는 제한적입니다. 이것은 크롬 산화를 최소화하는 가스 혼합물의 매우 낮은 산소 포텐셜 때문입니다. 타격은 0.09 % ~ 0.012 % C에 도달하도록 계속됩니다.

공정 가스는 전로의 측벽이나 바닥에 설치된 잠긴 송풍구를 통해 주입됩니다. 측벽 주입은 일반적으로 혼합 효율을 최대화하기 위해 수조에 최대 교반 에너지를 부여합니다. 하단 주입은 일반적으로 컨버터의 배럴 섹션에서 마모 특성을 개선합니다. 송풍구의 수와 상대적인 위치는 변환기 크기, 열 크기 범위, 공정 가스 유량 및 정제된 합금 유형에 따라 부분적으로 결정됩니다.

가스 제어 시스템은 1.0–3.0 N cum/min/ton의 공칭 비율로 공정 가스를 공급합니다. 시스템은 유량을 정확하게 제어하고 수조에 주입되는 가스의 양을 모니터링하여 작업자가 프로세스를 제어하고 주입된 총 산소를 측정할 수 있도록 합니다.

탈탄은 용해된 탄소가 형성되는 크롬 및 산화철을 감소시킬 때 발생합니다. 탈탄 반응은 다음과 같습니다.

3오? (g) + 4Cr =2Cr?O?

크?오? + 3C =2 Cr + 3CO (g)

탈탄은 주입되는 불활성 가스에서 형성되는 기포의 표면이나 환원되어 일산화탄소(CO)를 생성하는 산화크롬 입자의 표면에서 발생합니다.

탈탄 과정에서 적절한 최종 화학 조성을 얻기 위해 첨가됩니다. 이러한 첨가는 일반적으로 원하는 양의 고탄소 페로크롬, 스테인리스강 스크랩, 탄소강 스크랩, 니켈, 철, 고탄소 페로망간 및 산화 몰리브덴으로 구성됩니다. 탄소 및 크롬 산화는 발열성이므로 이러한 첨가는 또한 수조 온도를 낮추는 역할을 합니다. 일반적으로 수조 온도는 1720℃ 미만으로 제어됩니다. 합금 첨가의 총 중량은 탭 중량의 5% ~ 30% 범위입니다. 취입의 마지막 단계에서 탄소를 원하는 값(0.03% 미만일 수 있음)으로 만들기 위해 산소 대 아르곤의 비율을 1:3에서 1:2로 변경합니다.

다음 단계는 환원 단계로, 환원 첨가물을 원하는 시간 동안 불활성 기체와 함께 채우고 교반합니다. 환원 혼합물은 페로실리콘 또는 크롬-실리콘과 같은 규소 합금 및/또는 알루미늄으로 구성되며, 이는 슬래그에서 금속 산화물의 환원을 위해 추가되고 석회, 백운석 석회 및 형석과 같은 융제제입니다. 그런 다음 일반적으로 약 5~8분 동안 비활성 기체와 함께 수조를 저어줍니다.

크?오? + 2Si =3Cr + 2 SiO?

일부 스테인리스 스틸의 실리콘 사양을 충족하기 위해 실리콘 요구 사항이 있는 경우 추가 실리콘 추가가 필요합니다.

슬래그는 반응에서 침전되므로 주의해서 조작하는 것이 중요합니다. 탄소에 의해 환원되지 않은 산화크롬은 결국 슬래그에 들어가 복잡한 스피넬을 형성할 수 있습니다. 환원 단계의 효율성은 슬래그 염기도 및 조성, 온도, 전로의 혼합 조건 및 고체 첨가 용해 역학을 포함한 많은 요인에 따라 달라집니다.

석회 및/또는 백운석 석회는 일반적으로 금속 내 이동 슬래그 및 규소를 플럭스하기 위해 산소 분사 직전에 추가됩니다. 산소 분사 중에 실리콘은 탄소보다 먼저 산화됩니다. 석회와 백운석 석회는 때때로 수조를 냉각시키고 환원 첨가량을 줄이기 위해 블로우가 끝나기 전에 첨가됩니다. 석회, 백운석 석회 및 스파와 같은 슬래그 플럭싱 추가는 일반적으로 총 수조 중량의 3% ~ 7% 범위입니다.

높은 염기도 슬래그의 형성과 금속 수조의 산소 포텐셜 감소는 황 제거에 좋은 조건입니다. 예를 들어, 출발 황 0.03%, 2-3kg 알루미늄/톤, 2-3kg 스파/톤, 최종 슬래그 염기도 약 1.7, 온도 1700℃, 최종 황 함량 0.003의 환원 처리 – 0.005% 획득 가능.

블로우 기간의 길이는 AOD 변환기에 충전된 뜨거운 금속의 시작 탄소 및 실리콘 수준에 의해 결정됩니다. 탈탄 시간은 최신 변환기에서 20분에서 35분 범위입니다(1.5%에서 2.5%로 시작하고 탄소 0.04%를 목표로 함). 일반적으로 변환기를 수평 위치로 낮추고 약 0.1%의 탄소 수준에서 분석을 위해 액체강 샘플을 채취합니다.

황 제거는 공정의 환원 단계에서 발생하는 슬래그 – 금속 반응입니다. 산화 조건이 필요한 인은 전로 공정에서 제거할 수 없습니다.

질소 제어는 기체-금속 반응입니다. 스테인리스 강 등급의 최종 질소 사양에 따라 탈탄 초기 단계의 불활성 가스는 질소가 될 수 있습니다. 특정 탄소 수준에 도달하면 질소 가스가 아르곤으로 대체됩니다. 이러한 접근 방식은 일반적으로 철강 제조업체에서 아르곤 사용량과 비용을 줄이고 원하는 질소 사양을 달성하기 위해 실행합니다. 질소에서 아르곤으로 변경된 후, 질소는 방출된 일산화탄소와 아르곤 모두에 의해 수조에서 제거됩니다. 납, 아연, 비스무트와 같이 증기압이 높은 휘발성 원소는 탈탄 기간 동안 제거됩니다.

높은 염기성 슬래그의 형성과 액체 강조의 산소 포텐셜 감소는 황 제거에 좋은 조건입니다. 이는 슬래그의 석회 농도가 높고 금속 수조의 산소 활성이 낮기 때문에 달성됩니다. 유황이 슬래그로 이동하는 과정은 다음과 같습니다.

S(욕) + CaO(슬래그) =CaS(슬래그) + O(욕)

석회를 첨가하여 액체 강조에서 황을 희석합니다. 또한, 알루미늄이나 실리콘을 첨가하여 산소를 제거할 수도 있다. 예를 들어, 시작 황이 0.03%인 경우 2~3kg 알루미늄/톤, 2~3kg 스파/톤, 최종 슬래그 염기도 약 1.7 및 1700℃의 온도에서 환원 처리하면 황 함량이 낮아집니다. 0.003~0.005%까지. 생산할 등급이 매우 낮은 수준의 황 수준을 필요로 하는 경우 환원 단계 후에 욕에서 슬래그를 제거하고 또 다른 기본 슬래그를 추가합니다. 그런 다음 용강과 플럭스를 혼합하여 탈황 반응을 완료합니다. 현대적인 관행에서 이 이중 슬래그 관행으로 0.001% 이하의 황 수준을 쉽게 달성할 수 있습니다. 다른 트리밍 합금 추가는 단계가 끝날 때 추가될 수 있습니다. 황 수준에 도달하면 AOD 용기에서 슬래그를 제거하고 금속 수조를 태핑할 준비가 됩니다.

이상적으로는 공정의 이 단계에서 열을 가할 수 있도록 액강의 화학적 성질이 최종 사양을 충족해야 합니다. 필요한 경우 태핑하기 전에 약간의 화학 조정을 위해 추가 원료를 청구할 수 있습니다. 태핑 후, 국자는 함유물의 부상과 함께 조성 균질화 및 온도 균일성을 위해 종종 교반됩니다. 이것은 국자 용광로를 사용하거나 사용하지 않고 교반 시설이 장착된 국자에서 수행됩니다. 국자 처리 후 강철은 주조할 준비가 됩니다. AOD 공정 초기에는 시료를 채취하고 침지 열전대를 사용하여 온도를 측정할 뿐만 아니라 원료를 추가하기 위해 변환기가 기울어졌습니다. 생산성을 높이고자 하는 열망으로 인해 블로우 기간 및 감소 기간 동안 원료의 지속적인 장입이 이루어졌습니다. 변환기가 수직 위치에 있는 특수 설계된 서브 랜스를 사용하여 용융 샘플과 강철 온도를 측정할 수 있는 최신 기기가 개발되었습니다.

AOD 변환기

AOD 변환기는 일반적으로 기본 내화 라이닝으로 라이닝된 배 모양의 용기입니다. 제거 가능한 원뿔형 덮개가 있습니다. AOD 변환기의 중요한 특징은 일반적으로 옆으로 불어넣는다는 것입니다. 질소를 견딜 수 있는 강철 등급의 경우 산소와 질소 혼합물도 불어날 수 있습니다. 용융 스테인리스강은 거품을 생성하지 않고 대부분의 스테인리스강 정련 공정은 측면 또는 바닥 취입 방식이므로 스테인리스 정련 전로의 치수는 유사한 BOF(기본 산소로) 전로보다 작습니다. AOD 변환기의 일반적인 내부 부피는 0.4 – 0.8 cum/metric ton bath weight 범위입니다.

크레인으로 고정된 국자를 두드리는 변환기의 경우 슬라이스 콘 상단 섹션이 자주 사용됩니다. 슬라이스 부분을 통해 크레인이 변환기 입구에 가까이 올 수 있습니다. 국자차를 이용하는 컨버터는 일반적으로 BOF 유형의 동심원뿔 상단 섹션을 가지고 있습니다.

대량 생산 공장에는 일반적으로 프로세스의 100% 가용성을 위해 3개의 교환 가능한 변환기가 있습니다. 주어진 시간에 변환기 중 하나는 틸팅 가능한 트러니언 링 정련 강재에 있고, 새로 배치된 두 번째 변환기는 예열 스테이션에, 세 번째 변환기는 재라인 스테이션에 있습니다. 트러니언 링의 변환기는 일반적으로 1시간 이내에 예열된 변환기로 교체할 수 있습니다.

AOD 변환기에는 측벽 또는 바닥에 장착된 송풍구가 있습니다. 이러한 송풍구는 일반적으로 스테인리스 스틸 외부 튜브가 있는 구리 튜브로 구성됩니다. 구리와 스테인리스 튜브 사이에 고리가 형성됩니다. 외부 고리(슈라우드)를 통해 불어오는 냉각 가스는 풍구 팁에서 금속 또는 산화물 부착물(버섯이라고 함)을 형성합니다. 이 부착물은 풍구와 주변 내화물을 보호합니다. 산소/비활성 혼합물의 공정 가스는 내부 고리를 통해 분출됩니다. 환형 간격의 흐름을 정규화하기 위한 특수 설계가 있습니다. 송풍구 크기와 수는 특정 공정 매개변수에 따라 다릅니다. AOD 선박에는 일반적으로 2~9개의 송풍구가 있습니다.

측벽에 장착된 송풍구는 처리하는 동안 물에 잠깁니다. 선박이 회전할 때 풍구는 수조 위에 있습니다. 이 시점에서 공정 가스를 차단할 수 있고 작은 냉각 흐름이 송풍구를 보호합니다.

바텀 블로운 컨버터는 필요한 유량에 따라 다양한 송풍구 구성을 가지고 있습니다. 일반적으로 바닥에 2~4개의 송풍구가 있습니다.

AOD 공정의 주요 수정은 측면 송풍구 외에 상부 송풍 랜스의 사용을 포함합니다. 랜스는 탈탄 및/또는 연소 후를 증가시키기 위해 원하는 블로우 속도로 산소를 주입하는 데 사용할 수 있습니다. 상부 랜스는 불활성 가스 – 산소 혼합물과 같은 혼합 가스를 분사하도록 설계할 수도 있습니다. 탈탄 초기에 랜스 설치와 산소 도입으로 가열시간을 단축할 수 있다. 이 기술은 철강 용해 공장의 생산성(톤/시간)을 높이는 데 사용할 수 있습니다. 최근에 설치된 대부분의 변환기에는 산소를 불어내기 위한 탑 랜스의 사용이 포함됩니다.

AOD 공정의 또 다른 수정은 변환기에 진공을 적용하여 저탄소 등급을 만들 때 공정 시간은 물론 아르곤과 실리콘의 소비를 줄이는 것입니다. 수정은 AOD-VCR로 알려져 있습니다.

AOD 변환기 내화물

송풍구 팁의 고온과 높은 수조 교반은 전로 내화물에 대한 요구 사항이 높습니다. 일반적인 BOF 내화 캠페인은 몇 개월 또는 몇 년 동안 진행되지만 스테인리스 전환기 캠페인은 며칠 또는 몇 주가 소요됩니다. 내화물 비용은 총 운영 비용에서 상당한 부분을 차지합니다.

내화 유형, 마그네사이트-크로마이트 및 백운석의 두 가지 기본 선택이 있습니다. 내화물의 선택은 선박 운영 패턴, 최종 제품 사양 및 경제성에 따라 달라집니다.

마그네사이트 크로마이트 내화물은 내마모성이 높지만 백운석 내화물보다 단가가 높습니다. 브릭에서 크롬 픽업이 가능합니다. 마그네사이트 크로마이트 벽돌은 산성이면서 동시에 염기성이며 빠른 마모를 방지하기 위해 엄격한 슬래그 조성을 유지해야 합니다.

백운석 내화물은 일반적으로 마그네사이트 크로마이트 내화물보다 저렴하며 크롬 픽업은 요인이 아닙니다. 매우 낮은 수준으로의 탈황은 일반적으로 백운암 내화물에서 더 쉽습니다. 매우 기본적인 슬래그는 벽돌에 해로운 영향 없이 사용할 수 있기 때문입니다.

변환기는 일반적으로 라이닝 수명을 최대화하고 비용을 최소화하기 위해 두께와 벽돌 품질에 따라 구분됩니다. 변환기의 마모가 심한 영역, 일반적으로 송풍구 벽, 슬래그 라인 및 전달 패드는 변환기의 다른 부품보다 더 두껍고 고품질 내화물로 구역화됩니다.