전기로 제강 공정 이해

전기로 제강 작업 이해

전기로(EAF) 제강 기술은 백년이 넘었습니다. De Laval은 1892년에 철의 용융 및 정련을 위한 전기로 특허를 받았고 Heroult는 1888년과 1892년 사이에 철 합금의 전기 아크 용융을 시연했지만 제강을 위한 최초의 산업용 EAF는 1900년에만 가동되었습니다. 1910년에서 1920년 사이에 생산량이 10배 증가하여 1920년에는 500,000톤 이상이 생산되었습니다. 하지만 이는 당시 전 세계 철강 생산량의 극히 작은 비율에 불과했습니다. 처음에 EAF 제강은 스크랩 및 철 합금과 같은 고체 형태의 사료를 사용하여 특수 등급의 강을 생산하기 위해 개발되었습니다. 고체 재료는 먼저 직접 아크 용융을 통해 용융되고 적절한 플럭스를 추가하여 정제되고 추가 처리를 위해 탭핑됩니다. 그림 1은 EAF의 일반적인 평면도 및 단면도를 보여줍니다.

그림 1 EAF의 일반적인 평면도 및 단면도

전기로의 용량 범위는 몇 톤에서 많게는 400톤까지 다양하며 철강 용해 공장에는 단일 용해로 또는 최대 3개 또는 4개의 용해로가 있을 수 있습니다. 간단히 말해서, 이 용광로는 흑연 전극을 통해 철 스크랩 장입물에 AC 전류를 인가하여 강철을 녹입니다. 엄청난 양의 전기가 필요합니다. 용해 과정은 짧은 시간에 많은 양의 에너지를 사용하는 것을 포함하며 경우에 따라 이 과정으로 인해 전력망이 교란됩니다. 이러한 교란은 일반적으로 '플리커'(50-60Hz 주기 길이의 일부인 전압의 짧은 불규칙성) 및 '고조파'(50-60Hz 주기에 반복되는 패턴에서 발생하는 경향이 있는 불규칙성)로 특징지어집니다. . 약 30~35년 전까지만 해도 탭하여 탭하는 시간이 3시간을 넘는 것이 매우 일반적이었고 특정 전력 사용량은 종종 700kWh/톤을 훨씬 넘어 열역학적 요구 사항(350-370kWh/톤)의 거의 두 배였습니다.

EAF는 액체 강철의 배치를 생산하는 배치 용융 공정으로 작동합니다. EAF 작동 주기는 탭 투 탭 주기 또는 열이라고 하며 (i) 용광로 장입, (ii) 용융 단계, (iii) 정제 단계, (iv) 슬래깅 제거 작업, (v) 태핑으로 구성됩니다. 액강 및 용광로 턴어라운드.

탭하여 탭하는 시간은 일반적으로 최신 EAF에서 60분 미만입니다. 일부 트윈 쉘 용광로 작업은 탭에서 탭까지 35분에서 40분의 시간을 달성하고 있습니다.

퍼니스 충전

EAF에서 열 생산의 초기 단계는 만들 강철의 등급을 선택하는 것입니다. 스크랩 야드의 스크랩 버킷은 이 등급 사양의 요구 사항을 충족하도록 준비되어 있습니다. 장입을 위한 스크랩 버킷 준비는 화학 물질의 적절한 용융을 보장할 뿐만 아니라 양호한 용융 조건을 보장하는 중요한 작업입니다. 스크랩은 전기 아크의 복사로부터 측벽과 지붕을 보호하면서 난로에서 강철의 액체 풀의 신속한 형성을 촉진하기 위해 크기와 밀도에 따라 버킷에 층을 이루어야 합니다. 기타 고려 사항으로는 전극을 파손할 수 있는 스크랩 동굴을 최소화하고 크고 무거운 스크랩 조각이 버너 포트 바로 앞에 놓이지 않도록 하여 화염이 수냉식 패널로 역류하지 않도록 하는 것이 포함됩니다.

장입물에는 석회와 탄소가 포함될 수 있으며 가열 중에 용해로에 주입될 수 있습니다. 많은 곳에서 스크랩 버킷에 약간의 석회와 탄소를 추가하고 이러한 재료를 주입하여 보충하는 것이 관행입니다.

EAF의 새로운 열은 스크랩의 장입으로 시작됩니다. 지붕과 전극이 올라가고 용광로 측면으로 스윙되어 장입 크레인이 이동하고 용광로 위로 스크랩 전체 버킷을 놓을 수 있습니다. 버킷 바닥은 일반적으로 조개 껍질 디자인입니다. 버킷은 버킷 바닥에 있는 2개의 세그먼트를 수축하여 열리며 스크랩은 용광로로 떨어집니다. 차징 크레인이 스크랩 버킷을 제거하고 지붕과 전극을 용광로 위의 제자리로 돌려 놓습니다.

강철 열을 생성하는 데 필요한 스크랩 충전 버킷의 수는 주로 스크랩 밀도와 용광로의 부피에 따라 다릅니다. 최신 용광로는 최소한의 역충전으로 작동하도록 설계되었습니다. 이는 충전 시간이 데드 타임(전원이 켜지지 않아 용해되지 않는 노)이기 때문에 유리합니다. 데드 타임을 최소화하면 EAF의 생산성을 극대화할 수 있습니다. 또한 용광로 지붕이 열릴 때마다 약 10-20kWh/톤의 에너지가 손실됩니다. 많은 용광로에서 열당 2~3개의 스크랩 버킷은 이 요구 사항을 충족하기 위해 스크랩을 혼합하는 것을 목표로 합니다. 일부 작업은 단일 버킷 요금을 달성합니다. DRI(직접환원철)나 HBI(열간연탄)의 경우 일반적으로 호퍼를 이용한 연속 장입이 이루어진다. 스크랩을 이용한 연속 장입 작업은 '콘스틸'이나 화로를 통해서도 가능합니다.

용해 단계

EAF를 충전한 후 지붕과 전극을 하강하여 스크랩에 아크를 칩니다. 이것은 열의 녹는 단계를 시작합니다. 용융 단계는 EAF 작동의 핵심입니다.

EAF는 고효율 용융 장비이며 현대적인 디자인은 용융 용량의 최대화를 기반으로 합니다. 용해는 로 내부에 에너지를 공급하여 수행됩니다. 이 에너지는 전기적 또는 화학적일 수 있습니다. 전기 에너지는 흑연 전극을 통해 공급되며 일반적으로 용융 단계에서 매우 큰 기여를 합니다. 처음에는 전극이 스크랩에 구멍을 뚫을 때까지 중간 전압 탭이 선택됩니다. 일반적으로 보어인을 가속화하기 위해 충전재 위에 가벼운 스크랩을 놓습니다. 스크랩의 약 15%는 몇 분으로 구성된 초기 보어 인 기간 동안 용융됩니다. 그 후 전극이 스크랩을 충분히 관통한 다음 지붕에 대한 방사선 손상을 두려워하지 않고 긴 아크(고전압) 탭을 사용합니다. 긴 호는 스크랩으로의 전력 전달을 최대화하고 용광로에 강철 액체 풀이 형성됩니다.

이 단계가 시작될 때 호는 불규칙하고 불안정합니다. 전극의 빠른 움직임을 동반하는 전류의 넓은 스윙이 관찰됩니다. 퍼니스 환경이 가열됨에 따라 아크가 안정화됩니다. 용융 웅덩이가 형성되면 아크가 상당히 안정되고 평균 전력 입력이 증가합니다.

화학 에너지는 산소 연료 버너 및 산소 랜스를 포함한 많은 소스를 통해 공급됩니다. 순산소 버너는 산소(O2) 또는 산소가 풍부한 공기를 사용하여 연료 가스를 연소합니다. 열은 화염 복사 및 연소의 뜨거운 생성물에 의한 대류에 의해 스크랩으로 전달됩니다. 열은 전도에 의해 스크랩 내에서 전달됩니다. 큰 조각의 스크랩은 작은 조각보다 욕조에 녹는 데 시간이 오래 걸립니다. 어떤 경우에는 소모성 파이프 랜스를 통해 O2를 주입하여 스크랩의 더 큰 조각을 절단합니다.

용해로에서 용융 풀이 생성되면 일반적으로 O2가 용융 수조에 직접 랜싱됩니다. 이 O2는 알루미늄(Al), 규소(Si), 망간(Mn), 인(P), 탄소(C) 및 철(Fe) 등과 같은 배스의 여러 원소와 반응합니다. 이러한 반응은 본질적으로 발열성이며 추가 에너지를 공급하여 스크랩 용해를 돕습니다. 형성된 금속 산화물은 슬래그로 들어갑니다. 수조에서 O2와 C의 반응은 일산화탄소(CO)를 생성하며, 이는 O2가 충분할 경우 노에서 연소되거나 직접 배출 시스템을 통해 배출되어 연소되어 오염 제어 시스템으로 전달됩니다. 멜트다운이 끝날 때 O2 랜싱도 수행하여 탭핑 시 Bath C 레벨을 원하는 레벨로 낮춥니다.

두 번째 장입을 수용할 수 있을 만큼 스크랩이 충분히 녹은 후 장입 과정을 반복합니다. 최종 스크랩 장입물이 녹으면 노 측벽이 전기 아크의 강렬한 복사에 노출됩니다. 결과적으로 전압이 감소해야 합니다. 대안적으로, 거품 슬래그의 생성은 아크가 묻힐 수 있게 하고 이는 용광로 쉘을 보호합니다. 또한, 많은 양의 에너지가 슬래그에 잔류되어 욕으로 전달되어 EAF의 에너지 효율이 향상됩니다.

최종 스크랩 장입물이 완전히 녹으면 평조 상태에 도달합니다. 이 시점에서 일반적으로 수조 온도와 수조 샘플을 취합니다. 수조 화학물질의 분석을 통해 노 운영자는 정제 중에 취입해야 하는 O2의 양을 결정할 수 있습니다. 이 시점에서 작업자는 태핑 시 철 합금 추가를 위한 준비도 시작합니다. 정제 기간을 거쳐 수량을 확정합니다.

정제 단계

정련 단계에서 철강에서 Al, Si, Mn, C, P 및 황(S)의 제거가 수행됩니다. 정제 작업은 평판 수조 조건이 달성된 후 용융 단계에 따라 수행됩니다.

정제 반응은 O2의 가용성에 따라 달라집니다. 정제 중에 제거되는 원소는 O2에 대한 C의 친화도보다 O2에 대한 친화도가 더 높습니다. 따라서 O2는 이러한 원소와 우선적으로 반응하여 산화물을 형성하여 슬래그로 흘러들어갑니다. 액체 강철의 뜨거운 힐과 이전 열에서 유지된 슬래그로 작동하는 최신 EAF에서 O2는 열의 거의 전체 기간 동안 수조로 불어넣어집니다. 그 결과 일부 용융 및 정제 작업이 동시에 발생합니다.

사양에 따라 강에 요구되는 것보다 더 높은 수준의 용광로 장입물에서 P 및 S를 제거해야 합니다. 일반적으로 P 제거에 유리한 조건은 S 제거에 필요한 조건과 반대입니다. 따라서 이러한 요소가 슬래그 단계로 들어가면 다시 강철로 되돌아갈 수 있습니다.

슬래그의 인 보유는 수조 온도, 슬래그 염기도 및 슬래그의 FeO 수준에 따라 달라집니다. 더 높은 온도 또는 낮은 FeO 수준에서 P는 슬래그에서 수조로 되돌아갑니다. P 제거는 일반적으로 가능한 한 빨리 열에서 수행됩니다. 뜨거운 발뒤꿈치 연습은 온도가 상당히 낮은 동안 O2가 수조에 들어갈 수 있기 때문에 인 제거에 매우 유용합니다. 가열 초기에 슬래그는 이전 열에서 이월된 높은 FeO 수준을 포함하므로 P 제거에 도움이 됩니다. 높은 슬래그 염기도(CaO/SiO2 비율)도 P 제거에 유리하지만 주의가 필요합니다. 슬래그를 석회로 포화시키지 마십시오. 이는 슬래그 점도를 증가시켜 슬래그의 효율성을 떨어뜨릴 수 있습니다. 때때로 형석(CaF2)이 슬래그의 유동화를 돕기 위해 추가됩니다. 불활성 가스로 욕을 교반하는 것도 슬래그/금속 계면을 재생하여 반응 속도를 개선하기 때문에 유익합니다. 일반적으로 특정 강종에 대해 낮은 P 수준이 요구되는 경우 스크랩은 용융 시 낮은 수준을 제공하도록 선택됩니다. 슬래그의 P에서 수조의 P로의 분배 범위는 일반적으로 5~15입니다. 일반적으로 P는 EAF에서 20%~50% 감소합니다.

황은 주로 슬래그에 용해된 황화물로 제거됩니다. 슬래그와 금속 사이의 S 분할은 슬래그 화학 반응에 따라 달라지며 낮은 철강 산화 수준에서 유리합니다. EAF에서 S를 제거하는 것은 특히 욕의 산화 수준이 상당히 높은 현대 관행에서 어렵습니다. 일반적으로 EAF 작업에서 파티션 비율은 3에서 5 사이입니다. 일반적으로 제강의 환원 단계에서 탈황을 수행하는 것이 더 효과적입니다. 이는 탈황이 태핑 직전(칼슘 알루미네이트 슬래그가 생성되는 곳)과 국자로 작동 중에 수행됨을 의미합니다. 수조의 O2 활성이 훨씬 낮은 환원 조건의 경우 S에 대한 분포 비율은 20에서 100 사이를 달성할 수 있습니다.

수조의 금속 성분을 제어하는 ​​것은 강철의 사양 요구 사항을 충족하는 데 중요합니다. 일반적으로 EAF 작업자는 최종 제품에 대해 지정된 것보다 수조에서 더 낮은 수준으로 이러한 구성 요소를 목표로 합니다. O2는 Al, Si 및 Mn과 반응하여 슬래그의 구성성분인 금속 산화물을 형성합니다. 이러한 금속은 C보다 먼저 O2와 반응하는 경향이 있습니다. 또한 FeO와 반응하여 수조에서 Fe 단위를 회수합니다. 다음 방정식에 예가 나와 있습니다.

Mn + FeO =MnO + Fe

Mn은 일반적으로 수조에서 약 0.06% 수준으로 감소합니다.

CO를 생성하기 위한 조에서 C와 O2의 반응은 그것이 조에 보다 저렴한 형태의 에너지를 공급하고 몇 가지 중요한 정제 반응을 수행하기 때문에 중요합니다. 최신 EAF에서 O2와 C의 조합은 용해로에 유입되는 순 열의 약 30%에서 40%를 공급할 수 있습니다. CO의 발생은 슬래그 발포에 매우 중요합니다. 기본 슬래그와 결합된 CO 기포는 슬래그에 갇혀 거품을 일으키고 전기 아크를 묻히는 데 도움이 됩니다. 이는 열 효율을 크게 향상시키고 평평한 수조가 달성된 후에도 높은 아크 전압에서 퍼니스를 작동할 수 있게 합니다.

용존 가스, 특히 수소(H2)와 질소(N2)는 철강 제조업체의 관심사입니다. 아크를 묻으면 N2가 해리되어 강철 속으로 들어갈 수 있는 아크에 노출되는 것을 방지하는 데 도움이 됩니다. CO가 강조 내에서 발생하면 강에서 N2와 H2를 제거하는 데 도움이 됩니다. 태핑 전에 용광로에서 50ppm만큼 낮은 강철의 N2 수준을 달성할 수 있습니다. 하단 탭핑은 탭핑이 빠르고 타이트한 탭 흐름이 유지되기 때문에 낮은 N2 수준을 유지하는 데 유용합니다. 강철의 높은 O2 포텐셜은 낮은 N2 수준에 유리하며 열을 죽이는 것과 반대로 열을 열어야 합니다. 1600℃에서 순수한 Fe에 대한 N2의 최대 용해도는 450ppm입니다. 일반적으로 태핑 시 강의 N2 수준은 약 80~100ppm 범위입니다. 탈탄은 또한 H2 제거에 유리합니다. 시간당 1%의 속도로 탈탄하면 강철의 H2 수준을 10분 만에 8ppm에서 2ppm으로 낮출 수 있는 것으로 나타났습니다.

정제가 끝나면 욕 온도 측정 및 욕 샘플을 채취합니다. 온도가 너무 낮으면 욕조에 전원이 공급될 수 있습니다. 국자로 온도를 조절하는 현대식 철강 용해 공장에서는 낮은 온도가 큰 문제가 되지 않습니다.

  디슬래깅 작업

  슬래그 제거 작업은 용광로에서 슬래그 형태의 불순물을 제거하기 위해 수행됩니다. 용융 및 정제 작업 중에 욕조의 일부 바람직하지 않은 요소가 산화되어 슬래그로 들어갑니다. 열이 발생하는 초기에 가능한 한 많은 인을 슬래그로 제거하는 것이 유리합니다. 용광로가 뒤로 기울어지고 슬래그 도어를 통해 용광로에서 슬래그가 쏟아집니다. 슬래그를 제거하면 P 복귀 가능성이 제거됩니다.

슬래그 발포 작업 중에 C가 슬래그에 주입되어 FeO를 금속 Fe로 환원하고 그 과정에서 슬래그 발포를 돕는 CO를 생성합니다. 이 작업 단계 이전에 높은 P 슬래그가 제거되지 않은 경우 일반적으로 P 복귀가 발생합니다. 슬래그 발포 중 슬래그는 EAF의 문턱 높이를 넘고 슬래그 도어 밖으로 흐를 수 있습니다.

EAF 슬래그의 전형적인 조성은 CaO -45 % ~ 58 %, SiO2 - 5 % ~ 15 %, FeO - 10 % ~ 28 %, MgO 5 % ~ 8 % 및 MnO - 2 % ~ 5 %입니다. CaF2, S 및 P를 포함합니다.

  액강 태핑

용광로에서 원하는 강 성분과 온도에 도달하면 탭 구멍이 열리고 용광로가 기울어지며 강은 2차 제강 장치로 이송하기 위해 가득찬 국자에 부어집니다. 태핑 공정 중에 도금욕 분석 및 원하는 강종을 기반으로 철 합금이 추가됩니다. 추가 처리 전에 O2 함량을 낮추기 위해 강철에 탈산제가 첨가됩니다. 일반적인 탈산제는 Al, 페로실리콘 및 규소 망간입니다. C강을 가열하면서 슬래그 이월을 최소화하는 것이 목표입니다. 탭핑하는 동안 새로운 슬래그 커버가 만들어집니다. 레이들 노 작업의 경우 칼슘 알루미네이트 슬래그가 S의 제어를 위한 좋은 선택입니다. 슬래그 형성 화합물은 태핑 시 레이들에 추가되어 슬래그 커버가 레이들로 이송되기 전에 형성됩니다.

로 회전

퍼니스 턴어라운드는 태핑 완료와 퍼니스가 다음 가열을 위해 장입할 준비가 된 사이의 기간입니다. 이 기간 동안 전극과 지붕이 올라가고 용광로 라이닝에 내화성 손상이 있는지 검사합니다. 필요한 경우 난로, 슬래그 라인, 탭 구멍 및 주둥이를 수리합니다. 바닥 태핑이 있는 용광로의 경우 탭 구멍은 모래로 채워져 있습니다. 용광로에 대한 수리는 총잡이 혼합물의 모 놀리 식 내화물을 사용하여 이루어집니다. EAF에서 수냉식 패널의 사용이 증가함에 따라 히트 사이의 패치 또는 페틀링 요구 사항이 감소했습니다. 많은 철강 용해 공장에서 노 바닥은 정기적으로 예비 바닥으로 교체됩니다(2~6주). 교체된 바닥의 난로 유지 보수는 오프라인으로 수행됩니다. 이것은 EAF의 전원 끄기 시간을 줄이고 노 생산성을 최대화합니다. 퍼니스 전환 시간은 일반적으로 탭 투 탭 주기에서 가장 큰 데드 타임(전원 끄기) 기간입니다. 용광로 관행의 발전으로 최근에 설치된 일부 용광로에서는 이 시간이 20분에서 5분 미만으로 단축되었습니다.

EAF의 열 균형

철스크랩의 용융에는 이론상 최소 300kWh/ton이 필요합니다. 1520℃ 이상의 융점을 초과하는 과열도를 제공하려면 추가 에너지가 필요하며 일반적인 탭 온도 요구 사항의 경우 필요한 총 이론 에너지는 일반적으로 350~370kWh/ton 범위에 있습니다. 그러나 EAF 제강 효율은 51%에서 64% 사이이며 결과적으로 총 등가 에너지 입력은 현대 용광로에서 일반적으로 550에서 700kWh/톤 범위입니다. 이 에너지는 다양한 연료 소스의 순산소 버너와 화학 반응을 통해 전기 에너지로 공급될 수 있습니다. 에너지 분배는 현지 재료 및 소모품 비용에 크게 의존하며 특정 용해 작업장 운영에 고유합니다. EAF의 일반적인 열 균형 다이어그램은 그림 2에 나와 있습니다.

그림 2 EAF의 일반적인 열 균형 다이어그램

에너지 소비는 개별 작업에 크게 의존하며 상점마다 상당히 다릅니다. 원자재 구성, 전력 입력 비율 및 작동 방식(예:연소 후, 스크랩 예열)과 같은 요소는 에너지 균형에 큰 영향을 미칠 수 있습니다. 다량의 전하 탄소 또는 고탄소 공급 물질을 사용하는 EAF 작동에서 오프 가스에 포함된 에너지의 최대 60%는 다량의 미연소 일산화탄소로 인해 발열할 수 있습니다. EAF에서 이 에너지를 회수하면 에너지 입력이 8~10% 증가할 수 있습니다. 따라서 주어진 용광로 작동에 대한 에너지 균형을 평가할 때 이러한 요소를 고려하는 것이 중요합니다.