고로 제철에서 슬래그와 그 역할

용광로 제철에서 슬래그와 그 역할

고로(BF)는 제철소에서 사용되는 다양한 원자로 중 가장 오래된(700년 이상 된) 원자로입니다. 그것은 액체 철(열간 금속)의 생산에 사용됩니다. 고로는 복합 고온 역류형 원자로로 상부에 철을 담지한 물질(광석, 소결/펠렛)과 코크스가 플럭스 물질(석회석, 백운석 등)과 함께 교대로 장입된 샤프트 형태이다. 용광로에 계층화 된 부담을 만듭니다. 예열된 공기는 송풍구를 통해 용광로 하부에서 불어옵니다. 이 뜨거운 공기는 코크스와 반응하여 환원 가스를 생성합니다. 하강하는 광석 부담(산화철)은 상승하는 환원 가스에 의해 환원되고 용융되어 뜨거운 금속을 생성합니다. 맥석 재료와 코크스재는 용융되어 용융 재료와 함께 슬래그를 형성합니다. 액체 제품(열탕 및 슬래그)은 탭 구멍을 통해 일정 간격으로 로에서 배출(탭)됩니다. 얻은 뜨거운 금속의 품질은 슬래그의 형성과 광물학적 변형에 따라 달라집니다. 양질의 용선을 위해서는 양질의 슬래그가 필요합니다. 슬래그는 철을 담지한 맥석과 코크스회가 장입물에 함유된 플럭스 물질과 화학 반응하여 형성된 저융점 화합물의 혼합물입니다. 규산염, 알루미노규산염, 칼슘알루미노규산염 등과 같은 모든 환원되지 않은 화합물도 슬래그에 합류합니다.

슬래그의 성분인 실리카(SiO2)와 알루미나(Al2O3)는 점도를 증가시키는 반면 산화칼슘의 존재는 점도를 감소시키는 것으로 잘 알려져 있다. 슬래그의 용융대는 고로의 응집대를 결정하므로 슬래그의 유동성과 용융특성은 고로 생산성을 결정짓는 중요한 역할을 한다. 초기에는 철이 풍부한 슬래그가 형성되고 그 이후에는 플럭스 재료로부터 산화칼슘(CaO)과 산화마그네슘(MgO)이 동화되어 슬래그의 조성이 다양합니다. 슬래그는 흘러내림에 따라 코크스의 연소로 발생하는 재의 SiO2와 Al2O3를 동화시킨다. 침하 과정은 슬래그의 유동성(낮은 점도)에 따라 달라지며, 이는 슬래그의 조성과 온도에 의해 더 영향을 받습니다.

슬래그는 용선의 품질에 영향을 미치는 다른 유해한 불순물과 함께 전하로부터 맥석과 같은 불순물을 흡수하는 친화력을 가져야 합니다. 화학적 조성, 광물학적 구성 및 소량의 불순물을 반응 및 포획하는 능력과 관련하여 슬래그의 거동을 아는 것이 필수적입니다. 또한 슬래그는 금속을 포획하지 않고 높은 슬래그-금속 분리와 함께 작동 온도에서 자유 유동해야 합니다. 따라서 최종 제품의 다양한 특성은 슬래그의 구성에 직접적인 영향을 받습니다. 따라서 슬래그의 물리화학적 특성은 용광로의 작동에 중요한 역할을 합니다.

고로 최종 슬래그는 용선 생산 과정에서 발생하며 주로 (i) SiO2, (ii) Al2O3, (iii) CaO, (iv) MgO의 4가지 산화물의 혼합물로 간주됩니다. 슬래그의 미량 성분에는 (i) 산화제1철(FeO), (ii) 산화망간(MnO), 산화티타늄(TiO2), 알칼리(K2O 및 Na2O) 및 황 함유 화합물이 포함됩니다. 고로 내부의 각기 다른 지역에서 생산되는 4가지 종류의 슬래그가 있습니다. (그림 1). 이들은 (i) 1차 슬래그, (ii) 보쉬 슬래그, (iii) 송풍구 슬래그, (iv) 최종 슬래그입니다. 이 4가지 유형의 슬래그는 (i) 응집 영역, (ii) 적하 영역, (iii) 궤도 및 (iv) 노상에서 각각 생성됩니다. 탭핑되는 최종 슬래그이므로 양호한 탭핑을 위해서는 적절한 유동성(낮은 액상선 온도 및 낮은 점도)이 있어야 합니다.

그림 1 BF 슬래그의 종류와 발생 지역

고로의 원활한 운전을 위해서는 다음과 같은 조건을 만족하는 슬래그가 필요합니다.

• 슬래그의 부피는 가능한 한 작아야 합니다.
• 슬래그는 알칼리 제거 능력이 있어야 합니다.
• 탈황 요건을 충족하기 위한 것입니다.
• 1차 슬래그의 조성은 균일해야 합니다.
• 슬래그 형성은 고로의 제한된 높이로 제한되어야 하며 슬래그는 안정적이어야 합니다.
• 슬래그는 슬래그 형성 영역에서 우수한 투과성을 제공해야 합니다.
• 슬래그의 융점은 너무 높거나 낮지 않아야 합니다.
• 최종 슬래그는 탭 구멍을 통해 배출될 수 있을 만큼 충분히 유동적이어야 합니다.

철 함유 재료 층은 용광로에서 재료(기체/고체)의 흐름을 조절하는 층 투과성을 크게 감소시키는 지배적인 온도에서 융제의 영향으로 응집 영역에서 연화되고 녹기 시작합니다. 상부의 철 함유 재료가 연화되고 하부의 철 함유 물질이 용융 및 유동하여 결합되는 로 내의 구역입니다. 상대적으로 낮은 유동 온도와 결합된 높은 연화 온도는 고로 아래에 좁은 응집 영역을 형성합니다. 이것은 실리콘 픽업을 감소시켜 노에서 액체가 이동하는 거리를 감소시킬 것입니다. 반면에 bosh 지역을 노의 노로로 흘러내리는 최종 슬래그는 연화되자마자 흐르기 시작하는 짧은 슬래그여야 합니다. 따라서 융합 거동은 BF 슬래그의 효율성을 평가하는 중요한 매개변수입니다.

고로 내 슬래그 유동성은 응집대에서 연화-용융 거동, 적하대에서 액체 정체로 인한 용광로 하부의 투과성, 노로 노로에서의 액체 흐름 및 배수 능력에 영향을 미칩니다. 탭 구멍을 통해 슬래그. 또한 탈황 능력에도 영향을 미칩니다. 슬래그 유동성은 온도와 조성의 영향을 받으며 후자는 코크스 및 미분탄의 광석 맥석 광물 및 회분의 영향을 받습니다.

고로 슬래그는 주로 3개의 슬래그 시스템, 즉 (i) CaO의 3차 시스템에 속합니다.– Al2O3–SiO2, (ii) CaO의 4차 시스템– Al2O3–SiO2– MgO, 및 (iii) CaO의 2차 시스템– Al2O3–SiO2– MgO– TiO2. 일반적으로 2차 계통(SiO2-Al2O3-CaO-MgO-TiO2) 액상선도에서 우수한 유동성을 위한 고로 슬래그의 주요 작동 영역은 멜릴라이트 상(Akermanite, Ca2MgSi2O7 및 gehlenite, Ca2Al2SiO7의 고용체)입니다.

고로 슬래그 조성은 탈황 정도, 작업의 평활도, 슬래그 처리, 코크스 소비, 가스 투과성, 열 전달, 용선 생산성 및 품질 등에 영향을 미치는 물리화학적 특성과 매우 중요한 관련이 있습니다. 가장 큰 영향을 미치는 슬래그 특성은 다음과 같습니다. 점도, 황화물 용량, 알칼리 용량 및 액상 온도. 이러한 특성은 전체 고로 공정에 큰 영향을 미칩니다. 슬래그의 점도는 화학 조성, 구조 및 온도에 의해 크게 영향을 받습니다.

슬래그 점도는 반응 역학 및 최종 슬래그의 환원 정도와 관련된 수송 특성입니다. 슬래그 점도는 또한 슬래그-금속 분리 효율을 결정하고, 결과적으로 금속 수율 및 불순물 제거 능력을 결정합니다. 작동 중 슬래그 점도는 용해로에서 슬래그를 추출할 수 있는 용이성을 나타내며 따라서 에너지 요구 사항 및 공정 수익성과 관련됩니다.

용광로 제어 장치에 슬래그 점도 및 액상선 온도를 예측할 수 있는 기능이 있으면 고로 작동 중에 분석 및 의사 결정 제어를 최적화할 수 있는 잠재력이 있습니다. 그러한 경우 슬래그 조성과 관련된 경험 법칙의 사용을 대체합니다. 이를 위해 과거에는 다양한 슬래그 시스템의 점도를 측정하고 모델링하기 위한 여러 노력이 있었습니다.

액체 슬래그는 전단 점도가 전단 속도와 무관한 뉴턴 유체로 분류할 수 있으므로 동적 점도라고 합니다. 점도는 결합 및 중합 정도에 크게 영향을 받으며 SiO2 및 Al2O3는 높은 공유 결합으로 점도를 높이는 데 기여합니다. 대조적으로, CaO 및 MgO와 같은 일산화물은 이온 거동을 나타내어 규산염 사슬을 파괴하고 점도를 낮춥니다. 이는 액체 슬래그상 시스템에만 해당되며, 다상 시스템에서 일산화탄소의 증가는 고체상의 더 높은 활성과 가능한 고체 침전으로 이어져 유효(관찰된) 점도를 증가시킵니다.

슬래그 조성을 변경할 수 있는 일반적인 작업에서 조성 변경은 일반적으로 반대 효과를 가집니다. 예를 들어, 더 높은 염기도에서 더 낮은 점도의 달성은 증가된 액상선 온도의 역효과와 관련될 가능성이 높습니다. 물리화학적 특성에 대한 영향 외에도 슬래그 염기도는 슬래그의 황(및 어느 정도 인) 제거 능력과 뜨거운 금속의 규소 함량에도 영향을 미칩니다. 염기도가 높을수록 슬래그의 황 값이 높아지고 금속의 규소 값이 낮아집니다.

저 Al2O3 슬래그는 일반적으로 Al2O3가 15% 이상인 고 Al2O3 슬래그보다 일반적으로 낮은 점도, 높은 황화물 용량, 낮은 액상선 온도 및 낮은 슬래그 부피를 갖는다. 높은 Al2O3 슬래그는 주로 철광석의 Al2O3/SiO2 비율과 소결 및 코크스의 높은 회분 함량으로 인해 인도 고로에서 발생합니다. 이 슬래그는 점도가 높습니다.

액체 슬래그의 점도는 주로 온도와 화학 성분에 의해 결정됩니다. 주어진 온도 범위에 대한 점도의 온도 의존성은 일반적으로 아래와 같이 Arrhenius 방정식으로 설명됩니다.

N =경험치(E/RT)

어디에

N =슬래그 점도

A =지수 전항

E =점성 흐름의 활성화 에너지

R =기체 상수

T =절대 온도

규산염 슬래그는 정사면체 형태로 배열된 4개의 산소 음이온으로 둘러싸인 Si4+ 양이온으로 구성됩니다. 이러한 SiO4 4-사면체는 산소를 연결하여 사슬 또는 고리로 함께 연결됩니다. 슬래그의 점성 흐름은 시스템에서 이온 종의 이동성에 따라 달라지며, 이는 차례로 화학 결합의 특성과 이온 종의 구성에 따라 달라집니다. 슬래그의 경우 이온간 힘은 관련된 이온의 크기와 전하에 따라 달라집니다. 따라서 더 강한 내부이온력이 점도를 증가시킬 것으로 예상하는 것은 당연합니다. 실리카 함량이 높은 규산염 용융물의 경우 고분자 음이온이 높은 점도를 유발합니다. 금속 산화물 농도가 증가함에 따라 Si-O 결합이 점진적으로 파괴되고 네트워크의 크기가 감소하고 슬래그의 점도가 낮아집니다. 알칼리 산화물을 10-20 mole%까지 추가하면 해중합으로 인해 점도가 급격히 떨어지는 것으로 나타났습니다.

고로 슬래그의 경우 알루미나가 항상 존재하고 AlO4 5- 그룹은 SiO4 4-와 함께 폴리머 단위를 형성합니다. CaO-MgO-SiO2-Al2O3를 포함하는 슬래그에서 알루미나는 실리카와 마찬가지로 점도를 증가시킵니다. 반면에 산소를 공급하는 석회와 마그네시아는 점도에 반대 효과가 있습니다.

슬래그의 점도는 조성과 온도에 따라 달라집니다. 낮은 점도는 액체 슬래그에서 슬래그/금속 반응 계면으로/로부터 이온 이동에 미치는 영향에 의해 반응 속도를 제어하는 ​​데 도움이 될 뿐만 아니라. 또한 고로의 원활한 작동을 보장합니다. 염기성 산화물의 증가와 슬래그의 액상선 온도 이상의 온도 증가는 모두 점도를 감소시킵니다. CaO-MgO-SiO2-Al2O3 시스템의 경우, 알루미나와 실리카는 둘 다 용융물의 점도를 증가시키지만 그 효과는 몰 기준으로 동등하지 않습니다. 점도에 대한 알루미나의 영향은 슬래그의 석회 함량에 따라 다릅니다. 이는 Al3+가 전기적 중성을 유지하기 위해 1/2 Ca2+와 결합된 경우에만 규산염 네트워크에서 Si4+를 대체할 수 있기 때문입니다.

슬래그의 융합 거동은 (i) 고체 상태에서 재료의 이동에 중요한 표면 점착성을 상징하는 초기 변형 온도(IDT), (ii) 플라스틱을 상징하는 고체 상태(ST)의 네 가지 특성 온도로 설명됩니다. 소성 변형의 시작을 나타내는 변형, (iii) 용융 또는 액상선 온도이기도 한 반구형 온도(HT), 느린 흐름을 상징하며, 노의 공기역학과 열 및 물질 전달에 중요한 역할을 하며, (iv) ) 액체 이동성을 상징하는 유동 온도(FT).

응집대에서 형성된 슬래그는 FeO를 1차 플럭싱 성분으로 하여 형성되는 1차 슬래그이다. 고상선 온도, 융합 온도, 고상선 융합 간격은 FeO2에 의해 크게 영향을 받습니다. 이 슬래그는 CaO 또는 MgO와 같은 기본 성분의 존재로 인해 플럭싱이 주로 발생하는 최종 슬래그와 완전히 다릅니다. 고로에서 1차 슬래그를 얻는 것은 불가능하지만 실험실에서 1차 슬래그와 유사한 합성 슬래그를 준비하고 유동 특성을 연구하는 것은 항상 가능합니다. 최종 슬래그는 ST와 FT의 차이가 작은 슬래그이다. 이러한 슬래그는 액체 이동성을 획득하고 가능한 한 빨리 소성 변형을 시작하는 현장에서 용광로로 흘러내립니다. 이 작업은 추가 반응을 위한 새로운 사이트를 노출시키고 용광로 작동 및 금속 품질에 영향을 미치는 향상된 슬래그-금속 반응 속도에 대한 책임이 있는 것으로 추정됩니다.

고로슬래그의 유동특성은 조성에 영향을 받는 것 외에 저온(과립대)에서 산화철의 환원 정도, 철 담지재 내 맥석의 질과 양에 의해 크게 영향을 받는다. 고로 슬래그의 CaO/SiO2 비율과 MgO 함량은 연화-용융 특성에 큰 영향을 미칩니다. 공정 후반에 MgO를 사용할 수 있기 때문에 종종 응집 영역의 온도 범위가 작아지므로 베드의 투과성이 향상되어 코크스 소비량과 생산된 뜨거운 금속의 품질에 영향을 줍니다.

철광석에서 Al2O3의 증가는 소결 강도뿐만 아니라 응집대 고온에서의 특성에도 영향을 미친다. 슬래그 내 Al2O3 농도는 슬래그 유동성을 저하시키고 액상선 온도를 높이는 요인으로 생각된다. 슬래그 내 고알루미나의 영향은 다음과 같습니다.

• 고알루미나 슬래그는 일정한 염기도(CaO/SiO2)를 위해 점도가 높습니다. 그러나 염기성 산화물의 증가와 슬래그의 액상선 온도 이상의 온도가 증가함에 따라 고알루미나 슬래그의 점도는 어느 정도 감소합니다.
• 알루미나 슬래그가 높을수록 규소 환원 경향이 더 크며 고온 금속 규소 수준이 증가하는 경향이 있습니다.
• 용융 금속의 황 함량은 슬래그의 알루미나 함량이 증가함에 따라 증가하는 경향이 있습니다. 따라서 높은 알루미나 슬래그는 덜 효율적인 탈황에 기여합니다.
• 슬래그의 Al2O3 농도가 증가함에 따라 적하 영역의 압력 강하는 증가합니다. CaO/SiO2의 비율이 증가하더라도 적하 영역의 압력 강하가 증가합니다.

슬래그의 고 알루미나의 악화 효과는 MgO 함량을 증가시켜 상쇄됩니다. 슬래그의 알루미나 농도는 많은 국가에서 반경험적으로 약 16%의 상한선으로 설정되어 있어 철 슬래그의 축적과 고로 하부의 투수성 저하를 방지합니다.