수중 아크로

수중 아크로

전기 에너지의 산업적 활용은 Werner von Siemens의 발전기 기계 개발과 함께 시작되었습니다. 전기로는 고철의 용해(개방형 아크로)와 환원 공정(수중 아크로) 모두에 오랫동안 사용되어 왔습니다. 수중아크로(SAF)의 경우, 광석과 환원제를 상부에서 연속적으로 로로 공급하여 전극이 혼합물에 묻히고 아크가 잠기도록 한다. 용광로는 아크가 물에 잠겨 있기 때문에 수중 아크로라고합니다. 가장 일반적인 물리적 배열은 삼각형으로 배열된 3개의 수직 전극이 있는 원형 욕조로 구성됩니다. 원형 또는 직사각형 욕조가 있는 6개의 전극로도 사용되지만 덜 일반적입니다.

서브머지드 아크로는 합금철, 화학공업, 납, 아연, 구리, 내화물, 산화티타늄, 재활용, 인 등과 같은 20개 이상의 다양한 주요 산업 분야에서 응용되고 있습니다. 페로용 서브머지드 아크로의 일반적인 개략도 재료 균형과 함께 크롬 생산은 그림 1에 나와 있습니다.

그림 1 재료 균형과 함께 페로크롬 생산을 위한 침지 아크로의 일반적인 개략도입니다.

  기록

  20세기 초 철강 제조에서 철 합금 및 탈산제에 대한 수요가 증가함에 따라 최초의 수중 아크로가 개발되었습니다. 최초의 SAF 건설은 1905년에 시작되었습니다. 이 1.5 MVA 장치는 탄화칼슘 생산을 위해 독일 Essen의 Horst Ruhr에 설치되었습니다. 1906년에 성공적으로 시운전되었으며 DC(직류) 기술을 기반으로 했습니다.

그 이후로 많은 수의 SAF(DC 및 AC 기반 용광로 포함)가 다양한 용도로 시운전되었습니다. 오늘날 대부분의 수중 아크로는 AC(교류) 기반 개념을 기반으로 합니다.

SAF의 원리와 특징

  기존 SAF의 원리는 전기 저항 가열입니다. 전기에너지는 부하 또는 용융슬래그의 저항(R)을 이용하여 열과 환원에너지로 변환되며, 때로는 슬래그와 전극 사이의 아크의 전기저항에 의해 강화된다. 에너지는 탄소 전극에 의해 퍼니스 노로로 전달됩니다. 퍼니스의 전력은 노상 저항과 전극 전류의 제곱의 곱입니다. 따라서 제한된 증가 전극 전류는 상대적으로 큰 부하 증가를 초래할 수 있습니다.

SAF 공정의 특징은 전극이 금속 풀 위의 난로에서 아래로 원료를 통해 침투한다는 것입니다. 일반적으로 슬래그는 이 코크스 베드에 침투하지만 전극의 끝 부분과 접촉할 정도까지는 아닙니다. 제련을 위한 전기열은 전압 강하의 대부분이 집중되는 전극 팁의 바로 근처에서 발생합니다. 가열된 코크스 베드는 냉간 장입물에 비해 전기 및 열전도율이 매우 높습니다. 결과적으로 전류의 극소량만이 전극 측면에서 나옵니다. 코크스 베드는 또한 전극에서 떨어져 있는 제련 구역으로 열을 전도합니다. 제련 구역의 반응 가스, 주로 CO(일산화탄소) 가스는 하강하는 원료를 통해 위쪽으로 통과하여 부분적으로 예열되어 현열을 발산하고 부분적으로 고급 산화철의 고체 상태 환원을 유발합니다.

그러나 물질이 반응 온도까지 가열되는 영역의 두께는 너무 작아서 가스가 광범위한 환원을 제공하기에 충분한 체류 시간을 갖지 못합니다. 콜드 차지 작동 시 10% ~ 20% 사전 환원은 정상입니다.

용광로에 입력되는 전원에 대한 기본 방정식은 P =3E Cos ?I =3RI² 방정식으로 주어집니다. 여기서 P는 전력, E는 변압기와 노로 사이의 면전압, I는 전극 전류, R은 저항성 노로 저항. 역률에 관해서는 방정식은 PF =Cos ? – V [R/(R²+X²)], 여기서 R 및 X는 각각 시스템의 저항 및 리액턴스입니다. 퍼니스 리액턴스 X는 주로 퍼니스 치수 및 전기 배열에 의해 결정되며 동일한 일반 작동 조건이 유지되는 한 거의 일정합니다. 전기 그리드의 역률을 고려하지 않고 난로의 옴 저항과 전극의 허용 전류량이 화로의 부하를 결정하는 매개변수입니다.

그러나 낮은 역률의 영향은 그리드의 역률을 보정하기 위해 커패시터 뱅크를 설치하여 쉽게 보상할 수 있습니다.

원자재, 특히 입자 크기 및 탄소 재료의 품질을 선택하여 옴 저항을 조절하는 다양한 방법이 있습니다. 그러나 특별한 고려가 필요한 다음과 같은 몇 가지 주요 요소가 있습니다.

• 큰 코크스 베드를 축적하려는 경향은 일반적으로 옴 저항을 감소시킵니다.
• 전하 물질의 전도성 물질은 전극 측면에서 전류를 흐르게 하여 다시 저항을 감소시키는 경향이 있습니다.
• 전극 측면의 온도가 증가하면 측면에서 전류가 흐를 가능성이 높아져 전체 저항이 감소합니다.

기존 SAF의 경험은 경제성이 저렴한 전력의 가용성에 달려 있다는 것입니다. 또한 노의 전기 저항을 제어하기 위한 특정 유형의 환원제의 요구 사항이 중요합니다. 용광로에 비해 용광로의 체류 시간이 짧기 때문에 용광로 내부의 고형물 환원 및 가스 이용률을 낮출 수 있습니다. 따라서 오프 가스는 공정에서 입력되는 열의 많은 부분을 차지하며 가스의 의미 있는 활용은 공정 경제의 주요 요소입니다.

원료의 품질이 공정에 가장 큰 영향을 미칩니다. 한편으로는 슬래그 조성에 영향을 미치고 다른 한편으로는 용광로 내부의 제련 패턴에 영향을 미칩니다(물리적 특성 및 에너지 투입량 기준).

물리적 특성은 제련소가 (i) 슬래그의 전기 저항을 사용하는 기존 저항 모드, 또는 (ii) 슬래그 및 아크의 전기 저항을 사용하거나 공급 혼합물의 전기 저항을 사용하는 차폐 아크 모드에서 작동할 수 있는지 여부를 결정합니다.

SAF의 기능

슬래그 작업이 있는 일반적인 SAF는 슬래그와 금속을 위한 분리된 탭 구멍이 있는 원형 또는 직사각형 모양의 용광로 쉘로 구성됩니다. 일부 공정의 경우 슬래그와 금속이 하나의 탭 구멍을 통해 탭핑되고 캐스케이드 주조 또는 스키머를 통해 하류에서 분리됩니다. 용광로 쉘은 내화 라이닝 ​​처리되어 있으며 – 공정에 따라 추가적인 쉘 냉각이 필요한 경우 – 특수 측벽 냉각 시스템으로 수냉됩니다. 쉘 바닥은 일반적으로 강제 환기로 냉각됩니다. 전극은 노 욕조에서 소모됩니다. 케이싱 또는 미리 구운 전극이 있는 자체 베이킹 전극은 주기적으로 새 조각으로 확장됩니다. 전극은 최대 전기 부하에서 퍼니스 작동을 중단하지 않고 퍼니스가 있는 수조에 반자동으로 미끄러집니다.

전극 기둥 어셈블리에는 욕조로의 침투를 유지, 미끄러짐 및 조절하는 모든 기능이 포함되어 있습니다. 모든 전극 작업은 유압으로 수행됩니다.

전력은 일반적으로 고전류 라인, 전극에 있는 수냉식 유연한 버스 튜브 및 전극에 대한 접촉 클램프를 통해 용광로 변압기에서 공급됩니다. 공정에서 일정량의 CO를 포함하는 오프 가스가 발생하면 일반적으로 노는 폐쇄 로 유형으로 설계되고 오프 가스는 수집되어 발전, 가열, 펌핑, 증기 발생 등과 같은 추가 응용 분야에 활용됩니다.

AC 기반 퍼니스의 주요 일반 기능은 다음과 같습니다.

• 다양한 전극 유형을 위한 낮은 유지보수 전극 컬럼
• 고장 안전하고 견고하게 설계된 전극 고정 및 미끄러짐 장치
• 강력한 용광로 설계로 팽창/움직이지 않음
• 중공 전극 충전 시스템
• 고품질 CO가 풍부한 가스를 제공하는 기밀 수냉식 지붕 설계
• 에너지 회수 시스템 적용 가능

기존 DC 용광로

DC 용광로는 일반적으로 원형이며 전기 에너지는 주로 전극 팁과 슬래그 수조 사이에 설정되는 아크에 의해 열로 변환됩니다. 상단 전극은 음극으로 연결되고 전도성 하단 시스템은 양극으로 연결됩니다. 노천 슬래그 수조 작업이 있는 일반적인 용광로는 일반적으로 낮은 높이에 1~3개의 슬래그 탭 구멍과 1~2개의 금속 탭 구멍으로 구성됩니다. 용광로는 액체 슬래그 온도가 내화 재료와 직접 접촉하고 있고 아크의 복사열 때문에 지붕과 측벽 영역에 고급 냉각 장치가 필요합니다. 내화 개념은 일반적으로 이러한 공격적인 조건을 수용하도록 신중하게 설계됩니다. 전극은 노 공정에서 소모됩니다. 미리 구워진 전극은 주기적으로 새로운 조각으로 확장됩니다. 기존의 개념은 전극 암을 적용하여 전극을 조절합니다. 기계적 기능과 전력 전달 원리는 기존의 AC 기반 전극 기둥과 유사합니다.

  또한 DC 용광로는 폐쇄형 용광로로 설계할 수 있으며 CO를 포집할 수 있습니다. 사이리스터 점화 컨트롤러 및 높은 전극 속도와 결합된 전극 이동 조절기로 인해 에너지 소비를 최적화할 수 있습니다. DC 전극 컬럼 시스템은 일반적으로 최대 전력에서 미끄러짐 및 니플링을 허용합니다(최대화된 전원 켜기 시간 제공). 최대 작동 시간을 위해서는 신속하게 교체 가능한 센터 피스 장치가 필수적입니다. DC 용광로는 일반적으로 처리량과 내화물 수명을 최대화하기 위해 지능형 공급 장치가 필요합니다. DC 퍼니스의 다른 기능은 다음과 같습니다.

• 견고한 쉘 디자인
• 중공 전극 충전 시스템
• 중간 에너지 소비 수준에서 충분한 보호를 지원하는 지붕 및 측벽 냉각 시스템 설계

DC 퍼니스는 일반적으로 매우 짧은 시간 내에 재료를 제련하는 개방형 아크로 작동합니다. 재료는 중공 전극 시스템을 통해 직접 아크로 충전될 수 있습니다. 일반적으로 아크는 전극 끝에서 춤을 추고 있습니다. 따라서 전극 팁 주위에 직접 재료를 충전하는 것도 실용적입니다. 일부 용광로에서는 충전된 재료로 측벽 보호 층을 쌓는 것이 가능합니다. 슬래그가 과열되는 대부분의 공정에서는 이러한 종류의 측벽 보호가 허용되지 않습니다. 일반적으로 DC로의 전체 에너지 소비는 다음과 같은 이유로 AC로에 비해 높다고 말할 수 있습니다.

• 로 건현에 더 높은 복사열 부하가 있음
• 더 높은 공정 온도로 인해 추가로 냉각 요구 사항이 있음
• 추가 에너지를 소모하는 높은 수준의 금속 발연

DC 퍼니스의 이점은 퍼니스 업스트림에 필요한 집약적인 응집 공정에 대한 투자의 필요성을 제거하는 미세 재료를 직접 사용한다는 것입니다. 또한 고급 소재의 낮은 가격 수준은 전체 운영 비용을 줄이는 데 도움이 됩니다.

SAF 적용

  SAF의 응용 분야에는 페로 크롬, 페로 니켈, 페로 망간, 규소 망간, 페로 니오븀, Ilemenite(TiO2 슬래그)의 생산과 폐기물 재활용 가능성이 포함됩니다.

원래 철 합금은 특수 용광로에서 독점적으로 생산되어 중소 함량의 규소, 크롬 및 망간으로 구성된 선철을 만듭니다. 용융 및 야금학적 평형의 유형은 이러한 합금의 탄소 함량을 결정합니다. 서브머지드 아크로는 온도 제어 및 다양한 환원 전위에 대한 조정과 관련하여 철 합금을 생산하는 데 훨씬 더 적합한 장치입니다. 시간이 지남에 따라 철강 산업에 대한 오늘날의 영구적으로 증가하는 요구 사항을 충족하는 독립적인 철 합금 산업이 설립되었습니다. 철 합금의 대부분은 잠긴 아크 용광로에서 발생하는 건식 제련에 의해 생산됩니다. 이 부문에서 수중 아크로의 강력한 경쟁력은 주로 첨단 고출력 제련 장치의 설치에 의해 달성되었습니다.

현재 철 합금 및 TiO2 생산의 99% 이상이 AC 잠수 아크로에서 수행됩니다. AC 용광로에서 수행할 수 없는 DC 용광로의 건식 야금에는 적용할 수 없습니다.

대형 전극 시스템, 고급 변압기 기술 및 새로운 용광로 구성 원리의 개발로 길이가 최대 36m, 너비가 17m인 대용량 직사각형 SAF를 설계할 수 있었습니다. 기술적인 면에서는 더 큰 단위도 가능하지만 경제적 타당성을 신중히 검토해야 합니다.

현재 사이리스터와 구리 냉각 시스템이 있는 고용량 120MVA 직사각형 로의 SAF와 페로크롬용 70MW DC 로가 설치되었습니다.

전력 밀도가 높은 고효율 장치의 건설에 증가된 슬래그 수조 작업을 적용하는 공정에 대한 새로운 개발이 인정됩니다. 용광로의 더 높은 전력 밀도는 측벽을 통한 더 높은 열유속을 유발하므로 새로운 냉각 개념의 적용이 필요합니다.

제어 시스템은 또한 아래와 같이 지난 수십 년 동안 상당한 발전을 거쳤습니다.

• 1906 – 수동 제어
• 1955년 – 전기 평형 빔 컨트롤러
• 1960 – 움직이는 코일 컨트롤러
• 1965년 – 변환기 컨트롤러
• 1975 – 트랜지스터 컨트롤러
• 1985 – H&B 컨트롤러
• 1995 – 소프트웨어 컨트롤러

1950년대 말부터 모든 SAF에는 전극 컨트롤러가 장착되어 있습니다. 오늘날의 고급 수중 아크로는 소프트웨어 컨트롤러를 사용합니다. 서브머지드 아크로 기술에 대한 DC 적용은 특히 일부 합금철, 슬래그 세척 및 TiO2 생산 장치에서 틈새 영역에서 전 세계적으로 증가하는 점유율을 보여줍니다. 그럼에도 불구하고 대부분의 수중 아크로는 AC 기술을 기반으로 하고 있으며 앞으로도 계속 그럴 것입니다.