전로 제강에서 슬래그의 역할

전로 제강에서 슬래그의 역할

산소 전환 공정은 탄소강 및 저합금강 생산을 위한 주요 제강 공정입니다. 이 공정은 본질적으로 고탄소 고온 금속(HM)을 저탄소 액체강으로 정제하는 산화 공정입니다. 산화 공정은 변환기에 산소를 불어 넣어 수행됩니다. 이로 인해 액체 철 및 액체에 존재하는 기타 금속 및 비금속 불순물이 전로 수조에서 용융되어 액체 강철보다 가벼운 산화물을 형성하고 수조 표면으로 떠오릅니다. 이 산화물의 총칭은 '슬래그'입니다. 일부 산화물은 본질적으로 산성이어서 전로의 기본 내화물과 반응할 수 있으므로 석회와 소성 백운석을 사용하는 기본 슬래그는 일반적으로 전로 내화물을 보호하기 위해 만들어집니다. 산소는 또한 탄소와 반응하여 액체 슬래그를 형성하고 제강 중에 필요한 화학 에너지를 제공하기 위해 거품을 제공하는 가스를 생성할 수 있습니다.

제강 공정에서 슬래그는 주로 산화물과 소량의 황화물 및 인화물의 혼합물입니다. 산화물은 본질적으로 산성이거나 염기성입니다. Slag는 Si가 SiO2로, Mn이 MnO로, Fe에서 FeO, P에서 P2O5 등으로 산화되는 뜨거운 금속을 정제하고 CaO(석회), MgO(소성돌로마이트), 산화철, 다른 사람. 녹는점, 염기도, 점도 등과 같은 슬래그의 원하는 물리화학적 특성을 얻기 위해 산화물을 첨가합니다.

전로에서 제강 공정 중 슬래그의 4가지 주요 소스가 있습니다. 이것은 (i) 액체강의 금속 원소(예:규소, 망간, 알루미늄, 티타늄, 크롬, 바나듐 등)의 산화, (ii) 액체 수조(예:황)의 비금속 존재로 인한 산화입니다. 인), (iii) 플럭스 첨가(예:석회, 하소된 백운석 및 형석), 용해된 내화물(예:MgO 및 CaO + MgO)

라이닝 벽돌은 기본이기 때문에 산성 슬래그는 전로 라이닝을 부식시킵니다. 산성 슬래그는 슬래그를 더 얇게 만들 수 있는 다량의 SiO2, Al2O3를 포함합니다. 염기성 슬래그는 MgO 및 CaO와 같은 산화물을 포함하여 슬래그를 더 두껍게 만듭니다. FeO는 '플럭싱(fluxing)'이라고 하는 낮은 온도에서 석회를 용해시킨다는 점에서 슬래그의 가장 중요한 부분입니다. CaO의 용융 온도는 2570 deg C이고 MgO는 2800 deg C입니다. FeO 없이 녹는 점을 낮추어 철강 태핑 온도가 일반적으로 1650 deg C 미만인 곳에서 석회 또는 마그네시아를 용액으로 만드는 것이 어렵다는 것을 알 수 있습니다.

산소 전환기 제강 공정에서 슬래그의 역할은 매우 중요합니다. 석회는 제강에 매우 중요합니다. 석회가 제강 중에 형성된 다양한 구성 요소와 상호 작용하는 방식에 대한 과학은 '슬래그를 만들면 철강이 저절로 만들어집니다'라는 오래된 문구를 이해하는 데 기초가 됩니다. 슬래그는 총칭이며 제강에서는 주로 액체 상태의 산화물과 황화물의 용액과 고체 상태의 다결정상의 용액입니다. 슬래그는 (i) 액체 강철보다 가볍고 (ii) 액체 강철과 섞이지 않기 때문에 액체 강철과 별도의 상입니다. 제강시 슬래그가 하는 중요한 역할은 다음과 같습니다.

• 철강을 제련할 때 불순물을 가라앉히는 역할을 합니다.
• FeO 함량을 통해 정제 중 Bath의 산화 및 환원 전위를 제어합니다. 슬래그의 FeO 함량이 높으면 슬래그가 산화되고 FeO 함량이 낮으면 슬래그가 환원됩니다.
• 탈인을 돕고 약간의 유황을 흡수합니다.
• 질소와 수소가 대기에서 수조의 액강으로 전달되는 것을 방지합니다.
• 산화물/황화물 함유물을 흡수합니다.
• 액조를 단열하고 열 손실을 줄입니다. 열 장벽을 제공하여 액체 강철에서 주변으로 열이 전달되는 것을 방지합니다.
• 재산화로부터 액강을 보호합니다.
• 뜨거운 금속을 유화시키고 탄소 산화를 촉진합니다.

위와 같은 슬래그의 기능은 슬래그가 특정 화학적 특성(염기성, 산화 전위)과 물리적 특성(밀도, 융점, 점도)을 갖추어야 합니다. 이러한 특성은 모두 슬래그의 구성과 구조에 의해 제어됩니다.

슬래그 형성의 관점에서 볼 때, 두 가지 제한적인 취입 방식이 있습니다. 즉 (i) 불활성 가스 바닥 교반 없이 높은 랜스 위치로 소프트 블로잉하고 낮은 철조 혼합 강도를 특징으로 하고, (ii) 낮은 랜스 위치로 강한 블로잉 더 집중적인 철조 혼합과 액체조와 산소 제트의 더 깊은 상호작용을 특징으로 하는 바닥 교반(결합된 취입 전로에서). 소프트 블로잉의 경우 산소 제트와 철욕의 상호작용이 표면적이며 약한 혼합으로 인해 욕조 내부로부터의 물질 전달이 느리고 철이 먼저 산화되고 슬래그가 발생합니다. 산소 제트와 욕 사이의 강한 블로잉 상호작용과 욕 내부에서 표면층으로의 물질 전달은 더 강력하고 욕의 불순물 요소가 먼저 산화됩니다. 소프트 블로잉 연습의 주요 효과는 다음과 같습니다.

• 슬래그 형성 속도가 증가합니다.
• 슬래그의 FeO 함량 증가
• 액체강의 산소 과포화를 초래합니다.
• 슬래그 발포에 유리함
• 적어도 높은 탄소 수준에서 탈인을 촉진합니다.
• Mn 및 기타 불순물의 산화율을 증가시킵니다.
• 내화물의 마모를 증가시킵니다.
• 슬래그 슬로핑 확률 증가

제강에서 슬래그 제어에는 4가지 원칙이 있습니다. 이들은 (i) 염기성 산화물과 산성 산화물의 비율인 슬래그 염기도의 제어, (ii) MgO를 사용한 슬래그의 포화, (iii) 슬래그 점도 제어라고도 하는 슬래그 발포 제어 및 (iv) 다음의 균형입니다. '평형 상태'에 도달하기 위한 제강 공정의 철강 및 슬래그.

슬래그 염기도라는 용어는 전로에 사용되는 기본 내화물과 관련하여 슬래그가 얼마나 산성 또는 염기성인지를 결정하는 수단입니다. 슬래그가 더 산성이면 벽돌을 부식시키고, 더 염기성이면 벽돌을 보호합니다. 슬래그의 염기도는 일반적으로 첨가된 석회 및 소성된 백운석의 양, 철 합금뿐만 아니라 장입된 고온 금속 및 철 스크랩의 규소 및 알루미늄 수준에 의해 고정됩니다. 비율의 낮은 값은 슬래그가 산성임을 나타내며 비율이 증가함에 따라 슬래그는 점점 더 염기성으로 변합니다.

염기성 외에도 슬래그의 MgO 함량도 중요합니다. 슬래그는 용해된 칼슘 화합물과 MgO가 라이닝의 내화 벽돌에서 슬래그로 용해되도록 하는 산성 화합물을 포함합니다. MgO는 FeO 함량, 염기도 및 온도의 관계에 따라 슬래그에 용해됩니다. 슬래그 염기도가 낮을수록 슬래그에 대한 MgO 요구량이 높아집니다. FeO 및 온도의 증가는 또한 슬래그의 MgO 요구량을 증가시킵니다. MgO에 대한 영향은 그림 1에서 볼 수 있습니다.

그림 1 슬래그의 MgO 용해에 대한 다양한 매개변수의 효과

변환기의 거품 높이는 분사 시간의 함수입니다. 거품의 최대 높이는 슬래그 질량이 최종 슬래그 양의 70%에 도달할 때 도달합니다. 반응성 변환기 먼지는 산화철의 공급원이며 타격이 낮은 랜스(예:강한 타격 연습)로 시작된 경우에도 발포 슬래그의 빠른 형성을 돕습니다. 발포 슬래그는 연소 후 비율을 감소시키고 수조로의 열 전달 효율을 증가시킵니다.

몇 가지 요인이 액체 슬래그의 발포 경향에 영향을 미칩니다. 아래에 나와 있습니다.

• 슬래그의 FeO 함량. 슬래그는 FeO를 포함해야 하며 탄소와 반응하여 CO 거품을 만들기에 충분한 양이어야 합니다.
• 기포를 최대한 오래 유지하기 위해 점도 또는 일관성을 수정합니다.
• 내화 마모를 최소화하고 거품 발생을 촉진하기에 충분한 MgO.

수조에 있는 액체 철의 탄소는 CO 거품을 생성하여 슬래그를 발포시킵니다. 슬래그 점도는 슬래그 성분의 비율과 이러한 성분이 슬래그를 얇거나 두껍게 만드는 방법에 의해 결정됩니다. 거품을 더 오래 유지하기 위해 올바른 슬래그 점도를 만드는 것은 이러한 구성 요소의 균형입니다. SiO2, FeO, Al2O3는 슬래그를 얇게 만들고 CaO와 MgO는 슬래그를 두껍게 만듭니다.

산소 전로 공정의 일반적인 조성과 온도 범위 내에서 CaO, SiO2, FeO, MnO 등으로 구성된 전로 슬래그 밀도에 대한 대략적인 추정치는 2.8 ~ 3ton/cum입니다. 전로 취입 종료 시 슬래그 대 강철 질량비가 0.08에서 0.1 범위 내에서 변하는 경우 슬래그 대 철강 부피 비율은 타격 시작 시 거의 0에서 타격 종료 시 0.20/0.25로 상승합니다.

일반적으로 슬래그는 블로우 동안 전로에서 발생하는 금속 분출(침)과 먼지 형성을 억제하는 것으로 간주됩니다. 매우 적은 양의 슬래그로 전로를 작동하면 중금속 배출 및 두개골 형성이 발생할 수 있습니다. 그러나 슬래그의 특성이 가장 중요합니다. 강력하게 산화되는 유체 슬래그는 산화 반응에 유리하지만 전로에서 슬래그가 흘러나올 수 있습니다. 어떤 이유로 슬래그 형성이 지연되고 소프트 블로우, 광석/먼지 첨가 등에 의해 많은 양의 산소가 슬래그에 '부하'되면 슬로핑이 자주 발생합니다. 어쨌든 집중적인 CO 형성은 슬래그-금속 에멀젼의 형성을 초래합니다. 슬래그 형성이 시작되고 2차 및 3차 산화 반응이 활발하게 일어나며 가스 형성이 증가하면 슬로핑이 심해집니다. 슬래그 형성 및 거품 발생을 적절히 제어하는 ​​것은 슬로핑 방지의 핵심 조치입니다.

슬래그의 Fe2O는 강철에 용해된 산소에 비례합니다. 모든 슬래그/금속 반응에는 강철에 있는 것과 슬래그에 있는 것 사이의 비율이 있습니다. 이것을 '분할 비율'이라고 합니다. 전로의 강과 슬래그는 평형 상태가 되도록 균형을 맞춰야 합니다. 강철의 산소 함량을 제어하는 ​​강철의 탄소 함량 관계도 있습니다. 탄소는 강철의 산소 수준에 영향을 미칩니다. 낮은 탄소 수준에서 산소는 철과 반응하여 FeO를 형성하여 슬래그를 더 얇게 만들고 수율 손실에 영향을 줍니다.

슬래그의 SiO2 함량은 제강 중에 필요한 석회의 양을 결정합니다. 또한 수확량을 낮춥니다. 산화 조건에서 전로 수조에 들어가는 모든 재료는 슬래그에 필요한 요구 사항과 이러한 추가 비용 및 수율 손실에 영향을 미칩니다. 뜨거운 금속과 스크랩은 함께 슬래그의 SiO2 함량에 영향을 미칩니다. 실리콘 1kg이 산소와 반응하면 2.17kg의 SiO2가 생성됩니다. 이 SiO2는 기본 슬래그를 형성하기 위해 석회와 소성된 백운석으로 중화되어야 합니다. 이 기본 슬래그는 5kg의 철을 FeO로 슬래그로 손실시킵니다. 그 이유는 석회와 같은 염기성 물질과 균형을 이루어야 하는 산성 물질의 양이 증가하여 슬래그 부피가 증가하기 때문입니다.

내화 라이닝의 화학적 마모는 무엇보다도 슬래그/에멀젼, 액체 금속 및 O2 블로우를 포함한 기체 상과의 상호 작용에 따라 달라집니다. 가장 중요한 메커니즘은 라이닝이 슬래그로 용해되는 것입니다. 블로우 초기에 형성되는 산성 SiO2를 결합 및 중화하기 위한 신속한 슬래그 형성이 핵심입니다. 산화성이 높은 고온 슬래그는 마그네시아 또는 백운석 라이닝을 쉽게 용해시킵니다. 소성된 백운석을 사용하면 라이닝 수명을 크게 향상시킬 수 있습니다. 최근에 슬래그 비산은 변환기 수명을 연장하기 위해 확립된 관행이 되었습니다. 전로의 잔류 슬래그는 태핑 후 화학적 조성 및 온도에 따라 조절되며 전로 벽 주위의 격렬한 질소 흐름에 의해 튀게 됩니다. 절차 자체와 전로 공정에 대한 결과는 상당히 복잡하며 처리를 위해 슬래그를 엄격하게 조정해야 합니다.

슬래그는 산소 전환기에서 제강 과정에서 여러 작업을 수행하는 것입니다. 주로 철과 뜨거운 금속의 미량 성분(SiO2, MnO, P2O5, FeO)을 산화시키는 비휘발성 산화물에 의해 자발적으로 형성됩니다. 불순물 산화물을 용해하고 저융점을 형성하기 위해 유체 슬래그, 석회 및 소성 백운석(CaO와 MgO의 혼합물) 및 필요한 경우 형석(CaF2)이 전로에 충전됩니다. 둘째, 액체 슬래그는 탈황 및 탈인 공정을 통해 황과 인을 제거하기 위한 반응 환경을 제공하지만, 2차 야금의 발달로 산소 전환기에서 이러한 반응의 중요성은 더 이상 존재하지 않습니다. 슬래그는 일산화탄소(CO)와 액체 강철 방울(슬래그 발포)로 에멀젼을 형성할 때 분명히 CO에서 이산화탄소(CO2)로의 연소 후 일부 역할을 하고 형성된 '열점'으로부터 복사 열 전달에 영향을 미칩니다. 산소 제트 액체 철 충돌 공동에서 변환기의 온도 분포를 균일하게 합니다. 또한 발포슬래그는 일부 분진을 흡수하여 분진 발생률을 현저히 감소시킵니다.

슬래그 형성은 액체 철에 산소가 용해되고 산소 제트 충격 영역에서 철 및 기타 수조 성분이 동시에 산화되면서 시작됩니다. 산소 제트 충돌 구역의 액체 배스 온도가 매우 높기 때문에(2000℃ 이상), 다량의 산소(최대 1%)가 철에 의해 용해될 수 있습니다. 이 1차 산화 구역에서 산화철이 형성되고 산소 함량이 높은 액체 철이 욕을 관통하고 탄소 함량이 높은 새로운 욕 액체 철과 접촉하여 이를 산화시킵니다. 1차 반응 생성물의 일부가 슬래그 및 노 분위기로 튀겨집니다.

산화철 및 SiO2, MnO 및 P2O5 등과 같은 기타 비휘발성 산화 생성물은 기존 슬래그와 혼합되고 더 많은 석회 및 소성 백운석이 액체 슬래그에 용해됩니다. 따라서 슬래그는 복잡한 반응 사슬에 의해 형성됩니다. 슬래그 형성 반응은 아래와 같습니다.

[Si] + 2[O] =SiO2       |

[Mn] + [O] =MnO      |

[Fe] + [O] =FeO         |

[P] + 5[O] =P2O5       | + CaO + (CaO + MgO) => 슬래그

이러한 반응은 특히 슬래그에서 순환하는 액체 철 방울의 표면에서 일어나는 탈탄에 의해 2차 산화-환원 반응이 뒤따릅니다.

[FexOy] + y C =x Fe + y CO (g)

전로 취입 개시 기간에 수조 온도가 낮을 ​​때 슬래그는 일반적으로 규산이칼슘(2CaO·SiO2)에 의해 포화되지만 뜨거운 금속 산화가 진행됨에 따라 슬래그 조성이 이칼슘으로부터 이탈한다. 규산염 '코'는 블로우의 후기 단계에서 다시 그것으로 돌아가서 삼칼슘 규산염(3CaO.SiO2) 포화 또는 심지어 석회 포화 범위로 전달합니다. 2CaO.SiO2 노즈 또는 3CaO.SiO2 또는 석회의 액상 표면과 같은 고온 액상 표면을 통과하는 슬래그 경로의 평가 및 이에 상응하는 액체 배스로부터의 고체상의 침전은 슬래그가 다성분이라는 사실에 의해 다소 모호합니다. 상과 슬래그 온도는 액체 철 수조의 평균 온도를 수백 도 이상 초과하는 것으로 보고되었습니다.

상 경계(슬래그/수조, 슬래그/액적, 수조/가스 슬래그/가스 등)에서의 국소 친화도는 동일한 용액 상(철 용융 또는 슬래그)에서 구성요소의 유사한 반응의 진행을 제어합니다. 반응 친화도의 크기는 표준 친화도와 용액상에서 반응 성분의 활성(화학적 전위)에 따라 달라집니다. 철욕에서 미량 원소의 산화 반응과 철 사이의 산소 분포를 제어하는 ​​국부적 반응 친화도, 즉 산화 반응의 상호 진행은 공정의 시간 및 온도 변화에 따라 변합니다. 같은 방식으로 철(및 산화망간과 같은 슬래그의 다른 산화물)에 의한 2차 산화 반응의 국부적 친화성은 슬래그 환경에서 철 방울의 다른 미량 성분의 산화 대 탈탄의 진행을 제어합니다. 산화 반응의 이러한 열역학적 제어는 철이 소프트 블로우에서 산화되고 슬래그되는 이유를 설명합니다. 철조에서 약한 혼합은 조 내부에서 산화가 일어나고 철 방울이 튀거나 슬래그로 파열되는 표면층으로 소량의 조 성분(Si, Mn, C 등)의 느린 이동을 초래합니다. 이들 층은 미량원소가 떨어져 나갔고, 금속상에서의 활성을 나타내므로 철에 비해 반응 친화도가 감소한다. 따라서 철 산화는 열역학적으로 유리합니다.

탈인을 위해 슬래그는 산소 변환기 제강에서 중요한 역할을 합니다. 철강과 슬래그의 산소 활성 균형은 탈인에 사용되는 재료뿐만 아니라 산화 단계와 관련될 수 있습니다. 강철에서 인을 제거하는 방정식은 간단하게 다음과 같습니다.

2P + CaO + 5FeO => P2O5.CaO + 5Fe    Temp <1640 deg C

2P + CaO + 5FeO <=​​P2O5.CaO + 5Fe    온도> 1640℃

이 모든 것은 강철 석회(CaO)에서 인을 제거하고 슬래그에 가두는 P2O5·CaO 생성물을 생성하기 위해 산소(FeO)가 필요하다는 것을 보여줍니다. 그러나 온도가 1640℃를 넘으면 반응이 역전되어 재인산화가 일어난다. 따라서 인의 제거를 위해 P2O5.CaO를 포함하는 슬래그는 블로우 도중 전로의 슬래그 제거에 의해 제거되거나 더 많은 석회를 추가하거나 열을 더 많이 방출(산소 활성)하거나 유지하기 위해 더 많은 석회를 추가해야 합니다. 쿨러.