전로 제강에서 산소 분사

  전로 제강의 산소 분사

탄소(C), 규소(Si), 망간(Mn), 인(P) 등의 불순물 제거를 위해 제강 중 전로 내 용선에 산소(O2)를 불어넣는다. 수냉식 랜스 사용 강철을 생산하기 위해 액체 배스에 매우 빠른 속도로 산소를 주입하는 것. 탑 블로운 전로 공정이 상용화되고 전로의 크기가 최대 50톤으로 제한되었던 1950년대에는 전로에서 O2의 취입을 위해 단일 구멍 랜스 팁이 있는 랜스가 사용되었습니다. 시간이 지남에 따라 변환기 크기가 계속 증가했습니다. 이로 인해 변환기의 더 넓은 표면에 O2를 더 잘 분배하기 위해 랜스 팁의 구멍 수를 늘려야 했습니다.

불순물 수준이 낮은 고품질 강철을 생산하려는 요구가 증가함에 따라 전로에서 제강을 위해서는 매우 높은 순도의 O2가 필요합니다. 제강에 필요한 O2는 최소 99.5% 순도, 이상적으로는 99.7%에서 99.8% 순도입니다. 나머지 부분은 0.005% ~ 0.01% 질소(N2)이고 나머지는 아르곤(Ar)입니다.

탑 블로운 변환기에서 O2는 수냉식 랜스의 끝에 수렴 발산 노즐을 사용하여 초음속으로 분사됩니다. 강력한 가스 제트가 슬래그를 관통하고 액체 수조의 표면에 충돌하여 강철을 정제합니다. 오늘날 대부분의 변환기는 3~6개의 노즐이 포함된 랜스 팁으로 작동합니다. 8개의 노즐 랜스 팁도 사용 중입니다. 다중 구멍 랜스 팁이 있는 랜스의 각 노즐 축은 랜스 축에 대해 기울어져 있고 팁 주위에 균일한 간격을 두고 있습니다. 랜스 팁은 구리로 만들어지며 랜스 강관에 용접됩니다.

다양한 변환기 크기에 대한 랜스 파이프 크기에 따른 O2 유량 및 O2 흐름 속도는 표 1에 나와 있습니다.

탭 1 변환기 랜스의 설계 유량
컨버터 열 크기(톤)	산소 유량(N Cum/hr)	내부 파이프 직경 X 두께(mm)	산소 흐름 속도(m/sec)
250-300	58000-66000	245×8	43.5-49.5
210	48000-54000	219×8	45.8-51.5
180	39000-44000	194×6	46.3-52.2
150	30000-33000	168×6	48.4-53.3
120	26000-28000	159×6	47.3-50.9
80	18000-20000	133×5	46.8-51.9
60	14000-16000	121×5	44.7-51.0
50	11000-13000	114×5	40.0-47.3

전로 제강에서 초음속의 O2를 뜨거운 금속에 불어넣어 C, Si, Mn, P 등과 같은 불순물을 제거합니다. 블로우 동안 랜스 높이를 줄여 C를 제거하기 위해 O2를 수조에 사용할 수 있도록 합니다. 정제를 위해 O2를 불어내는 데 약 15~20분이 소요됩니다. 탭에서 탭하는 시간은 O2 유량, 고온 금속 조성, 랜스 프로파일 및 강철 화학적 성질에 따라 50분에서 60분 사이로 다양합니다. 흥미로운 점은 O2 분사 시간과 탭하여 탭하는 시간이 변환기의 용량에 크게 의존하지 않는다는 점입니다.

O2는 고압(약 11-14kg/sq cm) 및 초음속(마하수 1보다 큼)에서 수냉식 랜스(길이 약 8m ~ 10m)를 통해 변환기에서 분사됩니다. . 노즐에서 나오는 O2의 초음속 제트는 액체 수조에서 O2의 더 높은 비말동반을 돕습니다. 블로우 동안 슬래그/금속 방울/기포로 구성된 3상 분산이 형성됩니다. 랜스의 가장 중요한 부분은 노즐 팁입니다. 비응집 자유 O2 제트를 생성하도록 설계되었습니다. 노즐의 기능은 다음과 같습니다.

• 산소 공급 및 분배
• 기체 제트를 생성하기 위해
• 목욕을 자극하기 위해
• 금속 방울 생성

이전 열을 두드리고 슬래그를 배출한 후 라이닝을 검사합니다. 스크랩 및 뜨거운 금속이 충전됩니다. 변환기는 수직 위치로 기울어지고 랜스는 용기에서 내려져 O2의 송풍을 시작합니다. 시작 랜스 높이의 선택은 수조 높이에서 힘의 집중이 작은 철 입자(스파크)의 방출을 일으키지 않고 동시에 최대 수조 표면적이 O2 제트로 덮이지 않도록 해야 합니다.

처음에는 뜨거운 금속이 슬래그로 덮이지 않기 때문에 슬래그 형성을 촉진하고 작은 입자의 배출을 피하기 위해 랜스 높이를 높게 유지하여 O2를 부드럽게 불어냅니다. 석회는 일반적으로 타격이 시작될 때와 타격 중에 추가됩니다. 슬래그 발포가 제어되고 산화 반응이 중단 없이 일어나도록 랜스 높이를 점진적으로 낮추어 약 15~20분 동안 O2를 불어냅니다.

자유 가스 제트 형태의 O2 공급은 탑 블로운 전로와 다양한 유형의 결합 취입 전로 모두에서 전로 제강의 중요한 특징입니다. 이러한 형태의 O2 공급에서 O2의 총 취입 시간은 전로 용량, O2 취입 속도 및 바닥 교반과 거의 무관합니다. 이는 30톤에서 400톤에 이르는 다양한 전로 용량에 대해 무차원 운동량 유량 대 분사 시간/총 분사 시간의 비율을 평가함으로써 반영됩니다.

무차원 운동량 유량은 다양한 랜스 높이에서 일정한 부피의 O2에 의해 생성된 자유 O2 제트의 작용을 설명하는 것으로 나타났습니다. 무차원 운동량 유량 수는 랜스 높이가 감소함에 따라 증가합니다. 랜스 높이를 낮추면 타격이 강해지고 랜스 높이가 증가하면 타격이 부드러워집니다. 랜스 프로파일은 처음에는 부드러운 타격을 생성하고 타격이 진행됨에 따라 점차적으로 강한 타격을 생성하는 것으로 간주할 수 있습니다.

모든 전로 제강에서 랜스 프로파일의 기본 요구 사항은 초기 단계에서 FeO(산화철)가 풍부한 슬래그를 형성한 다음 슬래그의 과도한 산화를 방지하기 위해 수조에서 O2의 가용성을 점진적으로 증가시켜 C와 P를 제거하는 것입니다. 첫 번째 요구 사항은 "부드러운 타격"에 의해 달성됩니다. (제트의 얕은 침투) 및 다른 요구 사항은 타격을 점진적으로 강화함으로써 달성됩니다. 따라서 연질 및 경질 취입은 전로 용량 및 전로 제강 방식(순수 상부 취입 또는 복합 취입)에 관계없이 O2 제트를 충돌시켜 뜨거운 금속을 정련하는 데 필수적인 요구 사항이며 결과적으로 총 O2 취입 시간은 거의 동일하게 유지됩니다. .

산소 가용성

O2는 전로에서 정제 과정에서 에너지적으로 이용 가능합니다. O2의 에너지 가용성은 노즐을 통해 특정 유량의 O2를 통과시켜 얻을 수 있습니다.

전로 제강에서 O2는 Laval 노즐을 통해 분사됩니다. 수렴-발산 노즐이라고도 하는 라발 노즐은 단면적이 흐름 방향으로 감소하고 최소 단면적에 도달한 다음 흐름 방향으로 더 증가하는 흐름 통로가 특징입니다. 유로의 최소 단면적을 노즐의 목이라고 합니다. Laval 노즐은 기체를 초음속(1보다 큰 마하 수)으로 가속할 수 있습니다. 실제로 출구에서의 가스 속도는 약 2.0 ~ 2.4의 마하 값에 해당합니다.

자유 가스 제트의 동작

공기로 이루어진 주변의 단일 라발 노즐을 빠져나갈 때 가스의 거동은 노즐을 통해 나갈 때 가스가 주변으로 퍼지는 것을 보여주며 확산이 제한되지 않기 때문에 '자유 가스 제트'라고 합니다. 주변의 자유 제트는 잠재적 코어 길이(PCL)와 초음속 코어 길이(SCL)로 특징지어집니다. 잠재적인 코어에서는 주변의 비말동반이 발생하지 않으므로 축 방향 및 반경 방향 모두에서 가스의 속도는 출구 값입니다. 잠재적인 코어를 넘어서면 반경 방향 및 축 방향 속도가 모두 주변 환경의 오락으로 인해 감소하기 시작합니다. 그러나 자유 가스 제트에서 가스 속도가 음파 값(M=1)에 도달하는 지점에 도달합니다. 초음속 코어 길이 내에서 가스 속도는 반경 방향과 축 방향 모두에서 초음속 값보다 높습니다. 초음속 코어 길이를 넘어서면 가스 속도는 아음속입니다. 따라서 잠재적인 코어를 넘어서는 반경 방향 확산과 축 방향 속도 감쇠가 자유 가스 제트의 주요 특성입니다.

확산으로 인해 제트의 질량이 증가하는데, 이는 평면 P=0에서의 기체 농도가 주변의 동반으로 인해 감소한다는 것을 의미합니다. O2가 노즐을 통해 흐르는 경우 평면 P2의 O2 농도는 P1 및 P=0보다 낮습니다. 그러나 P2의 제트(주유체 + 주변으로 구성된 제트)의 질량은 P1의 질량보다 큽니다. 제트의 축 방향 속도는 노즐 출구에서 측정된 축 방향 거리의 함수입니다.

자유 제트의 중요한 특성 중 하나는 액체와 충돌할 때 힘으로 변환되어 액체 속으로 침투하는 운동량 유량을 수반한다는 것입니다. 제트 내의 운동량 유속은 보존됩니다. 이것은 노즐의 압력, 수 및 직경과 같은 업스트림 변수에만 의존하기 때문에 제트의 중요한 특성입니다. 다운스트림 조건에 의존하지 않습니다.

다중 노즐 팁에 의해 생성되는 제트의 거동은 노즐 수와 랜스의 축에 대한 각 노즐의 경사각에 따라 다릅니다. 전로 제강의 노즐 수는 전로 용량에 따라 다르지만 일반적으로 3~6개입니다. 3홀 랜스 팁의 경우 각 노즐의 경사각은 일반적으로 10~12도이고 5~6홀 랜스 팁의 경우 일반적으로 15도입니다. 랜스의 축으로 16도까지.

노즐 하류의 다중 자유 가스 제트는 합체할 수 있는지 여부는 주어진 상류 압력 및 가스 유량에 대한 경사 각도 및 노즐 수에 따라 달라집니다. 합체 제트는 단일 제트의 제트와 유사합니다. 3개의 구멍이 있는 랜스에 대해 경사각이 10°~12°일 때 다중 제트는 노즐 하류의 특정 거리까지 합쳐지지 않습니다. 비응집 제트는 액체와 충돌할 때 제트의 수와 동일한 침투를 생성합니다.

축 방향 속도 감쇠와 반경 방향 퍼짐은 주변 밀도/O2 제트 밀도의 비율에 따라 달라집니다. O2 제트의 밀도가 주변의 밀도보다 크면 그러한 제트는 주변으로 천천히 퍼집니다. 퍼짐 속도는 비율 값에 따라 다릅니다. 따라서 제트의 속도는 주변 하류의 모든 거리에서 더 느리게 감쇠합니다. 이러한 상황에서 차가운 제트는 뜨거운 금속 주변으로 방출되고 포텐셜 코어, PCL의 길이와 초음속 코어 SCL의 길이는 주변 밀도/O2 제트 밀도의 비율이 1일 때보다 더 깁니다. O2 제트의 주변 밀도/밀도의 비율이 1보다 작으면 O2 제트는 주변보다 가볍고 O2 제트가 더 빨리 퍼지므로 잠재적인 코어 PCL의 길이와 초음속 코어 SCL의 길이가 줄어듭니다. . 이러한 경우 차가운 산소 제트가 슬래그로 배출됩니다.

자유 산소 제트의 작용

자유 O2 제트의 속도가 중요합니다. 노즐 하류의 거리가 주변의 비말동반으로 인해 증가함에 따라 축 방향 속도는 감소합니다. 블로우가 시작되면서 변환기에서 O2 제트의 주변은 뜨거운 대기입니다. 타격이 계속됨에 따라 제트 주변은 일산화탄소(CO)에서 슬래그로 변합니다. 대부분의 기간 동안 제트는 슬래그에 잠겨 있습니다. 변환기의 주변은 동적입니다. 제트의 속도는 상류 압력, 하류 축 방향 거리 및 주변 환경에 따라 달라집니다. 주변이 변할 때 제트 속도를 계산하는 것은 어렵지만 제트 내의 운동량 유속은 노즐 하류의 거리와 무관하며 계산할 수 있습니다.

제트는 수조에 부딪힐 때 힘으로 변환되는 운동량 유량을 수반합니다. 따라서 자유 제트의 작용은 무차원 유량 수의 관점에서 설명될 수 있습니다. 무차원 유량 수는 랜스 높이가 감소함에 따라 증가합니다. 따라서 무차원 유량 수는 랜스 높이의 동적 변화를 설명하는 데 사용됩니다. 무차원 운동량 유량 숫자는 중력에 대한 랜스 높이에서 수조에 대한 O2 제트의 작용을 나타냅니다.

제트 침투성

무차원 유량 숫자는 제트의 침투성에 대한 랜스 높이의 영향을 설명합니다. 더 높은 랜스 높이에서 얻은 얕은 제트 침투는 ?소프트 제트? 낮은 랜스 높이에서 얻은 깊은 관통 제트와 비교하여 '하드 제트'라고 합니다.

이것은 노즐을 통해 토출될 때 일정한 압력으로 공급되는 일정한 체적 유량의 O2가 욕에 닿도록 만들 수 있음을 의미합니다. 점진적으로 더 어렵게 만들 수 있습니다. 따라서 전로제강실에서 O2를 공급하는 방법은 '자유제트? 물리화학적 반응에 매우 효과적입니다.

액체 금속 수조에 부딪힐 때 반응성 연성 충돌 O2 제트에 의해 유도되는 효과는 (i) 철(Fe)의 산화, (ii) 얕은 침투, (iii) 슬래그/금속 반응 및 (iv) 슬래그 형성 향상입니다. 따라서 P의 제거가 용이합니다. 연질 O2 제트의 너무 긴 지속 시간은 과도한 산화로 인해 슬래그의 슬로핑을 초래합니다.

반응성 하드 충돌 O2 제트가 액체 금속 수조에 부딪힐 때 유도되는 효과는 (i) 수조 깊은 곳에서 O2의 이용 가능성, (ii) C 산화의 향상 및 P 제거의 손상, (iii) 수조 및 수조를 통한 배출은 수조를 교반하고 (iv) 액적을 생성하여 슬래그에 유화됩니다.

O2 제트의 종류와 그 효과는 그림 1에 나와 있습니다.

그림 1 산소 제트의 종류와 그 효과

변환기의 반응

O2 제강에서 C 포화 뜨거운 금속은 초음속으로 순수한 O2로 취입됩니다. 반응과 혼합이 강렬합니다. O2는 용해된 Si, 용해된 Mn 및 Fe 자체와 반응하여 액체 FeO 함유 슬래그를 생성합니다. O2는 또한 용해된 C와 반응하여 CO 가스를 방출하여 철을 탈탄시킵니다. 제강 중 이러한 원소(C, Si 등)의 산화 경로는 액체 배스의 농도가 특정 불순물 원소가 허용하는 평형 수준을 초과하는 지점까지 철 용액에 O2를 불어넣는 것입니다. 용해된 O2와 용해된 불순물 원소는 결합하여 CO 가스(C의 경우) 또는 액체 실리카(SiO2, Si의 경우)를 형성합니다. 이 두 제품[CO(기체) 및 SiO2(액체)]의 용해도는 액체 철에서 매우 제한적이기 때문에 빠르게 분리된 상의 핵을 생성하고, 응고하고, 강화하며, 공정의 격렬한 교반 작용에 의해 떠오릅니다. .

또한, 제강의 강렬한 O2 타격 동안 액체 철의 일부는 자체적으로 FeO로 산화되어 액체 금속 욕과 강하게 혼합되어 에멀젼이 되고 다음 반응에 따라 직접 용선에 용해된 불순물과 반응할 수 있습니다. .

2Fe(용융) + O2(가스) =2FeO(액체 슬래그)

FeO(액체 슬래그) + C(액체 철 용액에 용해됨) =CO(기체) + Fe(용융)

2FeO(액체 슬래그) + Si(액체 철 용액에 용해됨) =SiO2(액체) + Fe(용융)

이러한 산화 반응은 발열성이 높습니다. 철 자체의 산화로 인한 엔탈피와 함께 Si 및 기타 불순물의 산화에서 방출된 열은 냉간 스크랩을 용해하여 전로 열 크기를 늘리고 다운스트림 작업을 위한 액강의 온도를 높이는 데 사용됩니다. CO2는 미량을 제외하고는 제강 전로의 수조 내에서 생성되지 않습니다. CO2(생성된 경우)는 남아 있는 용해된 C와 반응하여 빠르게 CO로 전환됩니다. 액체 배스의 산화 후 남아 있는 용해된 C가 없는 경우 CO2는 Fe 자체의 산화에 의해 CO로 환원됩니다. 따라서 CO2는 제강 온도에서 산화제입니다. CO2에 의한 Fe 또는 철에 용해된 C의 산화 반응의 평형 생성물은 Gibbs 자유 에너지 계산에 따른 미량의 CO2와 함께 CO에 대해 강하게 작용합니다. C는 위의 식에 따라 FeO에 대한 환원제 역할을 하며 철 산화를 늦추거나 방해할 수 있는 또 다른 요소입니다.

제강 과정에서 철의 일부는 전로에서 금속과 공존하는 액체 슬래그 상의 액체 FeO 비율에 추가되는 지점까지 산화됩니다. 불순물 산화의 종점을 넘어 O2를 불어넣으면 Fe의 산화가 과도하게 된다. 이것은 슬래그에 대한 Fe의 측정 가능한 수율 손실로 나타나 예측 가능하고 계산 가능하며 슬래그에 액체 산화철(Fe2O)의 농도가 더 높아집니다. C가 CO로 산화되면 추가 O2가 Fe와 결합하여 FeO를 슬래그로 생성합니다.