유도로의 제강

유도로의 제강

코어리스 유도로는 50년 이상 철 산업에서 사용되어 왔으며 현재는 철 재료를 녹이고 유지하는 가장 인기 있는 수단 중 하나입니다. 유도 용해는 라인 주파수 기술을 기반으로 하는 1960년대에 극적인 성장을 이루었고, 이후 1980년대에 중간 주파수 전원 공급 장치가 대규모로 도입되었습니다. 유도로에서 연강을 만드는 것은 1980년대 초에 처음으로 실험되었으며, 석탄 기반 회전 가마 공정을 활용한 해면철 생산이 대중화되면서 인기를 얻었습니다.

유도로는 전류를 사용하여 금속을 녹이는 일종의 전기 용해로입니다. 유도 용해의 원리는 1차 코일의 고전압 전원이 금속(2차 코일)에 저전압, 고전류를 유도하는 것입니다. 유도 가열은 단순히 열 에너지를 전달하는 방법입니다. 유도 가열을 제어하는 ​​두 가지 법칙은 (i) 전자기 유도 및 (ii) 줄 효과입니다.

코어리스 유도로는 단일 AC 전원에서 여기된 수냉식 구리 코일로 둘러싸인 비교적 얇은 내화 도가니로 구성됩니다. 코일에 에너지가 공급되면 변동하는 축방향 자기장으로 인해 도가니 내에서 전기 전도성 충전재 조각에 전류가 흐릅니다. 전하에서 유도되는 전력은 재료의 물리적 특성, 재료를 연결하는 플럭스 및 기하학적 모양에 따라 다릅니다. 용해되는 재료의 저항에 따라 코어리스 유도로는 전기 에너지를 변환하여 50%에서 85% 사이의 효율로 장입물을 가열하지만 용해로 효율은 용융 표면으로부터의 복사열 손실로 인해 더 감소합니다. 용광로 안감.

일반적으로 제강에 사용되는 중주파 유도로는 고주파 교류장에서 발생하는 와전류에 의해 발생하는 열을 사용합니다. 인덕터는 일반적으로 전기 손실을 제한하기 위해 구리로 만들어집니다. 인덕터는 수냉식입니다. 퍼니스는 수냉식 구리 코일로 둘러싸인 적절한 내화 재료로 만들어진 도가니로 구성됩니다. 이 퍼니스 유형에서 장입물은 전기 아크에서 발생하는 열에 의해 녹습니다. 코일은 고주파 전류를 전달합니다. 고주파 전류에 의해 생성된 교류 자기장은 전하에 강력한 와전류를 유도하여 매우 빠르게 가열됩니다.

철 1톤을 섭씨 1500도까지 가열하는 데 필요한 전기 에너지는 396kWh입니다. 용광로에서는 특정 에너지 소비를 증가시키는 몇 가지 손실이 발생합니다. 손실은 (i) 열 손실, (ii) 용광로 코일 손실, (iii) 커패시터 뱅크 손실, (iv) 컨버터 손실, (v) 메인 측 변압기 손실로 구성됩니다. 손실이 클수록 퍼니스 효율이 낮아집니다. 열 손실은 에너지 손실에 최대 기여합니다. 주요 열 손실은 (i) 용광로 상단의 복사 손실, (ii) 내화 라이닝의 전도 손실, (iii) 코일 냉각수의 열 손실, (iv) 제거된 슬래그에 의해 전달되는 열입니다.

가열하는 동안 용광로는 냉각수와 쉘 및 노출된 금속 표면의 복사에 의해 지속적으로 열을 잃습니다. 이 열 손실을 대체하려면 전기 에너지를 사용해야 합니다. 따라서 가열 시간이 길수록 노의 비효율이 커집니다.

원재료

코어리스 유도로는 일반적으로 공정 중에 최소한의 변화만 발생하는 '데드 멜팅' 장치로 간주됩니다. 따라서 원료는 제강 과정에서 중요한 역할을 합니다.

용광로에서 가열하기 위한 원료는 제조된 액강이 연속 주조기에서 주조된 후 목표로 하는 기계적 특성 및 화학적 조성을 가지며 결함이 없도록 선택 및 관리되어야 합니다. 철강 생산 원료의 품질 외에도 (i) 생산된 슬래그의 양, (ii) 내화 라이닝 ​​수명, (iii) 공장과 작업자 모두의 안전에 영향을 미칩니다. 또한, 장입 방식과 함께 원료는 전기 에너지의 특정 소비량과 노 생산성에 상당한 영향을 미칩니다.

원료에서 제어해야 하는 중요한 매개변수는 (i) 크기, (ii) 부피 밀도, (iii) 화학 성분, (iv) 청결도, 오염 정도, 녹, 스케일, 모래, 흙, 오일/그리스가 없는 것입니다. , 그리고 (v) 비금속 코팅. 벌크 밀도가 1ton/cum보다 큰 원료 장입물은 약 0.5ton/cum의 낮은 벌크 밀도를 가진 장입물보다 에너지 소비가 적습니다.

열을 만드는 데 사용되는 다양한 원료 중에서 금속은 기술과 경제성 모두에서 가장 큰 비중을 차지합니다. 유도로에서 제강을 위한 주요 원료는 (i) 철 스크랩, (ii) 철 스크랩 또는/및 선철, (iii) 해면철, (iv) 침탄기 및 (v) 첨가제입니다. 이 중 처음 세 가지는 금속입니다.

더럽거나 오염된 스크랩은 용광로 내화물에 슬래그 층을 침착시키는 경향이 있습니다. 이것은 도가니의 액체 레벨 또는 바로 아래에서 발생하고 퍼니스에서 끌어오는 전력의 양을 제한합니다. 퍼니스의 내부 직경이 효과적으로 감소하면 장입이 더 어렵고 오래 걸릴 수 있습니다. 이것은 다시 퍼니스의 에너지 효율에 영향을 미칩니다.

녹슨 스크랩은 녹는 데 더 많은 시간이 걸릴 뿐만 아니라 충전당 금속이 적게 포함됩니다. 주석 도금 및 아연 도금과 같은 사전 코팅된 강철은 과도한 양의 야금 흄과 슬래그를 생성하므로 스크랩은 포함되지 않았는지 확인해야 합니다. 1500℃에서 형성된 슬래그 1%마다 에너지 손실은 톤당 10kWh입니다.

철스크랩, 철스크랩, 선철과 달리 해면철은 (i) 높은 다공성, (ii) 낮은 밀도, (iii) 낮은 열전도율, (iv) 높은 비표면적, (v) 높은 산소 함량을 특징으로 합니다. , 그리고 (vi) 중간 탄소 함량. 해면철은 화학적, 물리적 특성이 균일합니다. 트램프 금속 원소의 비율이 낮고(약 0.02%) 황 함량이 낮습니다.

유도로에서 강철을 만드는 데 사용되는 첨가제는 일반적으로 철 합금입니다. 철 합금은 크기, 등급 및 구성에 대한 사양을 준수하는지 확인해야 합니다. 특히, 이는 높은 손실의 원인이 되며 열에서 만들어진 강철의 예상되는 화학적 성질의 변화의 원인이 되기 때문에 벌금이 있는지 확인해야 합니다.

유도로에서 제강 중 침탄기의 역할은 Fe2O의 형태로 존재하는 해면철에서 산소를 제거하고 액체강에서 원하는 수준으로 탄소 픽업을 제공하는 것입니다. 석유 코크스와 무연탄은 유도로에서 제강 중에 사용되는 두 가지 인기 있는 침탄기입니다. 그러나 더 나은 탄소 회수를 위해서는 선철 또는 주철 스크랩을 통한 수조의 탄소 투입이 더 바람직합니다. 과도한 손실로 인해 침탄기의 매우 미세한 입자 크기의 사용은 피해야 합니다. 사용할 수 있는 다른 침탄제는 야금 코크스, 철 탄화물 및 야금 탄화규소(63% 실리콘 및 31% 탄소)입니다. 탄화규소는 일반적으로 스크랩으로 충전되며 (i) 더 빠른 흡수, (ii) 탈산제 역할, (iii) 라이닝 수명 향상의 이점이 있습니다.

재료 분석을 기반으로 필요한 장입혼합물의 정확한 계산, 장입재 및 첨가제(침탄화제 및 첨가제)의 정확한 중량 측정 및 계량은 용강의 적절한 조성을 보장하는 것 외에도 용융 시간 및 요구 전력을 최소화하기 위한 기본 전제 조건입니다. 더 나은 결과를 위해서는 깨끗하고 건조한 충전재를 사용해야 합니다.

유도로의 효율적인 작동은 주로 작동 방식의 구현에 달려 있습니다. 유도로의 작동과 관련된 단계는 그림 1에 나와 있습니다.

그림 1 유도로에서 제강 중 작업 단계

충전 준비 및 충전

잘못된 충전 방식으로 인해 에너지 소비가 크게 증가합니다. 최악의 방법은 재료를 더 추가하기 전에 소량을 충전하고 용융이 일어날 때까지 기다리는 것입니다. 가장 좋은 방법은 전력 코일의 상단 레벨에 전하를 추가하고 전하가 감소할 때 충전하는 것입니다.

가열을 시작하기 전에 원자재의 무게를 측정하고 노 근처의 작업장에 배치해야 합니다. 장입할 원자재는 적절한 용기에 보관하고 선택한 방법으로 장입할 준비가 되어 있어야 합니다. 탄화제 및 첨가제는 취급 중 낭비를 피하기 위해 정확하게 계량하고 적절하게 취급해야 합니다.

단일 조각의 금속/스크랩의 최대 크기는 로 도가니 직경의 0.4배 미만이어야 합니다. 브리징 문제를 방지합니다. 또한 금속/스크랩의 각 장입량은 로 도가니 부피의 약 10%이어야 합니다. 또한 내화물을 손상시킬 수 있으므로 날카로운 모서리가 거의 없는지 확인해야 합니다.

중간 주파수 코어리스 퍼니스는 섬프(힐) 없이 작동됩니다. 이러한 용광로의 장입 방법은 (i) 용광로 크기, (ii) 용광로 처리량, (iii) 사용된 장입 재료를 포함한 여러 요인에 따라 달라집니다.

기계적 또는 수동 방법을 모두 사용할 수 있지만 일반적으로 위에 제공된 세 가지 요소가 방법을 결정합니다. 철스크랩, 주철, 선철 및 압연기 회수와 같은 자성 재료의 경우 전자석이 장착된 오버헤드 크레인이 용광로의 직접 장입에 사용됩니다. 스폰지 다리미는 전자석이 장착된 오버헤드 크레인 또는 수동 방법으로 충전할 수 있습니다.

수동 장입 방식은 더 작은 용광로에만 적합합니다. 처리량이 높거나 작동 조건이 어려운 경우, 장입물은 종종 정확한 장입량을 보장하기 위해 계량 장치를 통합하는 드롭 바텀 버킷 또는 진동식 차저를 통해 퍼니스에 추가됩니다.

퍼니스는 코일 레벨 이상으로 충전되어서는 안 됩니다. 즉, 퍼니스를 용량까지 충전하는 것입니다. 또한, 노 라이닝이 마모됨에 따라 충전 재료의 양이 그에 따라 증가해야 함을 이해해야 합니다. 적절한 충전 순서를 따라야 합니다. 하단에 가벼운 스크랩을 충전하고 상단에 더 무거운 스크랩을 충전하면 충전 중 바닥 라이닝이 손상되는 것을 방지할 수 있습니다. 용융물에 젖거나 축축한 재료를 충전하면 폭발을 일으킬 수 있으므로 피해야 합니다.

용해 및 슬래그 제거

재료는 퍼니스 코일의 상단 가장자리까지 빈 퍼니스에 채워집니다. 전원을 켜면 대전 물질에 전압이 유도되어 강한 와전류가 발생합니다. 재료의 높은 전류와 저항으로 인해 재료가 녹는 지점까지 가열됩니다.

녹는 물질은 함께 가라앉고 용광로는 더 많은 물질로 재충전할 수 있습니다. 중간 주파수 용광로에서 재료는 액체 수조에 채워지지 않고 여전히 고체 재료에 채워집니다.

충전물에 해면철이 있는 경우 해면철에 존재하는 산소는 FeO의 형태로 액체 수조에서 탄소와 격렬하게 반응하여 열 전달, 슬래그 금속 접촉 및 수조의 균질성을 향상시킵니다.

용융 작업을 원활하게 하기 위해 슬래그는 액조 상부에서 응고되어 해면철의 추가 용융을 방해하므로 주기적인 제거가 필요합니다. 교반 작용이 열 전달을 가속화하고 용융을 촉진할 때 해면철을 액체 금속에 직접 추가할 수 있습니다. 스폰지 다리미를 추가하기 전에 충분한 액체 풀이 있는지 확인해야 합니다.

장입 모드에 관계없이 스폰지 철은 철 스크랩의 용융에 의해 용융 풀(즉, 핫 힐)이 처음 형성된 후에 항상 장입됩니다. 해면철의 ​​용융은 액체 수조의 탄소 함량 및 해면철의 금속화 정도와 같은 요인에 크게 영향을 받습니다. 액체 수조의 탄소 함량은 해면철의 환원되지 않은 산화철 함량과 반응하여 액체 수조에서 CO 및 CO2 가스를 방출합니다. 즉, 탄소 끓음이 발생하여 수소 및 질소 가스가 후속적으로 제거되어 궁극적으로 깨끗한 강을 생성합니다. 탄소 비등은 3 FeO + 2C =3 Fe + CO + CO2 반응에 의해 슬래그 금속 계면에서 발생합니다.

액체조의 탄소 함량은 용융 기간 동안 적절한 탄소 비등을 유지하기 위해 적절한 수준으로 유지되어야 합니다. 해면철의 ​​FeO 함량을 줄이는 데 필요한 탄소의 양(C, kg)은 방정식 C =1.67[100 – % M–{(% Slag /100) x % Fe}]로 표시됩니다. 여기서 M은 금속화 정도이고 Fe는 슬래그 내 철의 양이다.

무연탄 또는 석유 코크스 형태의 탄소는 일반적으로 혼합을 개선하고 완전히 용융된 수조에 추가되는 트림의 양을 줄이기 위해 금속 장입 기간 동안 첨가됩니다. 중간 주파수 용광로는 작동 주파수가 증가함에 따라 덜 격렬한 교반 작용을 나타냅니다. 이것은 차례로 완전히 용융된 수조에 탄소를 추가하는 것을 더 어렵게 만듭니다.

일반적으로 중주파 코어리스 노에서 개발된 슬래그는 유체가 아니며 상당히 무겁고 끈적거리며 종종 건조하고 찌꺼기 형태입니다. 따라서 슬래그 제거는 일반적으로 긴 강철 막대가 장착된 슬래그 제거 스푼을 사용하여 촉진됩니다. 이 스푼은 특별히 제작되었습니다.

슬래그의 제거를 돕기 위해 슬래그 응고제를 사용하는 경우, 용해로 라이닝 재료에 대한 화학적 공격을 방지하기 위해 사용을 엄격하게 통제해야 합니다. 깨끗하고 적절한 장입재를 선택하고 전체 철의 비율이 높은 스폰지 철을 사용하면 슬래그 부피를 줄일 수 있습니다.

금속 충전재에 대한 금속 손실은 구성 요소의 물리적 크기와 품질에 따라 다르지만 일반적으로 5% 미만이며 이 손실의 상당 부분은 슬래그 제거 및 주입 작업 중 유출 및 튀김으로 인한 것입니다. 탄소 회수는 침탄기의 크기와 품질, 첨가 방법, 첨가 시간에 따라 다릅니다. 85% ~ 95% 범위 내일 것으로 예상할 수 있습니다.

열 준비, 용광로 두드리고 비우기

액체 충전 레벨이 코일의 상단 가장자리 주위에 도달하면 샘플이 채취되고 최종 분석을 위한 재료가 퍼니스에 추가됩니다. 이제 이 재료가 녹고 용융물은 태핑 온도보다 80°C ~ 100°C 낮은 온도까지 올라갑니다.

태핑 국자가 준비되면 퍼니스를 걷어내고 태핑 온도까지 올립니다. 중간 주파수 용광로의 경우 이 활동에 2~5분이 필요합니다. 액체 온도는 딥 열전대로 측정됩니다. 태핑하기 전에 소량의 합금철을 퍼니스에 장입하여 태핑 중 끓는 현상을 방지합니다.

가득찬 국자에서 필요한 양의 합금철과 탄화제(필요한 경우)를 국자 바닥에 넣고 금속을 두드립니다.

공정 제어 및 자동화

제철소의 현대적 개념은 액강의 품질과 비용에 대한 자세한 지식을 수집할 수 있도록 발생하는 모든 기능을 제어하는 ​​것을 포함합니다. 이전에는 대규모 제강소에서만 용광로 제어 방식이 있었습니다. 그러나 저렴한 비용의 컴퓨터와 PLC(Programmable Logic Control) 장치는 이제 다양한 수준의 복잡성을 갖는 제어 시스템을 소규모 설비에 경제적으로 설치할 수 있도록 합니다. 이러한 시스템은 (i) 공정 자동화, (ii) 공정 모니터링, (iii) 정보 표시 및 기록, (iv) 다른 용광로 및 제어 시스템과의 인터페이스라는 제목으로 분류될 수 있는 여러 기능을 수행합니다.

프로세스 자동화 – 가장 진보된 자동화 시스템은 장입재 선택에서 액강 태핑까지 제강 주기를 제어할 수 있으며 다른 관리 시스템과도 인터페이스할 수 있습니다. 더 간단한 시스템은 제강 작업만 제어합니다. 이러한 시스템이 작동하려면 충전 무게, 시간 및 전원 입력에 대한 정보가 필요합니다. 충전 무게는 로드 셀에서 얻거나 작업자로부터 입력되는 반면 시간은 각 가열이 시작될 때 재설정되는 장치의 내부 시계에서 알 수 있습니다. 전력은 용광로 코일에 대한 전압 및 전류 측정값에서 파생됩니다. 그런 다음 에너지 입력이 계산되고 유사한 용광로를 사용하는 제조업체의 경험에서 결정된 설정 값과 비교되며 작업자가 개별 사례에 맞게 변경할 수 있습니다. 설정 값에 도달하면 퍼니스가 자동으로 꺼지고 장입물이 목표 온도 부근에서 용융됩니다. 이러한 매개변수의 측정은 합리적으로 정확하지만 장입물의 변화와 용광로에 있는 방법으로 인해 유도 에너지가 변하여 얻은 온도가 가열 사이에서 변하도록 합니다. 다음 단계는 시작 온도를 알고 있는 경우에만 달성할 수 있는 설정된 태핑 온도로 금속을 과열시키는 것입니다. 이는 액체 금속의 정확한 딥 측정을 수행하여 결과를 제어 시스템에 직접 공급하거나 작업자가 입력하도록 함으로써 제공됩니다.

용융과 과열 사이에서 금속은 일반적으로 슬래그가 제거되고 샘플링되며 구성이 사양에 맞게 변경됩니다. 필요한 경우 제어 시스템은 온도를 설정 값으로 유지하고 이를 수행하기 위한 최적의 전력 수준을 계산합니다. 이러한 방식으로 공급되는 에너지에 대한 정확한 제어가 유지되어 높은 에너지 비용과 과도한 온도를 방지합니다.

제어 시스템은 (i) 냉간 시동로, (ii) 새 라이닝 소결과 같은 다른 자동 작업에 사용할 수 있습니다. 이러한 경우 온도 데이터는 열전쌍에 의해 제공되고 시스템은 전원 입력을 변경하여 온도를 제어합니다.

프로세스 모니터링 – 제강 작업을 제어하는 ​​동안 시스템은 물, 유압, 전원 공급 장치 및 연기 추출 시스템과 같은 보조 장치도 모니터링할 수 있습니다. 문제가 발생하면 경보 표시가 작업자에게 경고합니다. 증가하면 라이닝 마모를 나타낼 수 있으므로 특정 전압에서 코일 전류와 그 경향을 장기간 기록할 수 있습니다. 따라서 시스템은 내화물 교체가 필요한 시점을 작업자에게 알려줄 수 있습니다.

정보 표시 및 녹음 – 제어 시스템은 정보를 제공하고 더 복잡한 시스템은 운영자에서 관리에 이르기까지 모든 수준에서 정보를 제공합니다. 시각적 표시 장치(VDU)는 용해, 유지 및 과열 중 용해로의 에너지 소비, 전력, 온도 및 금속 중량에 대한 정보를 제공합니다. 데이터는 정보를 읽는 데 도움이 되도록 그래픽 형식으로 자주 표시됩니다. (i) 알람 표시, (ii) 안감 맞추기 또는 (iii) 탭과 같은 다양한 기능을 위한 다양한 메뉴 화면이 있습니다. 슬레이브 모니터는 퍼니스 플랫폼에서 디스플레이를 복제할 수 있습니다. 더 간단한 시스템은 동일한 일반 데이터를 제공할 수 있지만 그래픽으로 제공할 수 없는 LCD(액정 디스플레이)를 가질 수 있습니다.

작업자는 제조업체의 선호도와 시스템의 정교함에 따라 키패드, 라이트 펜 또는 터치스크린을 사용하여 시스템과 통신하여 정보를 입력하거나 설정을 변경할 수 있습니다. 열, 교대 또는 한 달에 대한 기록도 제공될 수 있습니다.

다른 용광로 및 제어 시스템과의 인터페이스 – 시스템은 또한 하나 이상의 용광로로 제강 작업을 제어하도록 설계되었습니다. 그런 다음 시스템은 모든 용광로를 제어하고 용해를 최적화하여 전체 제강 설비에서 필요한 금속 출력을 제공합니다. 전력 공급업체와의 계약에 따라 하루 중 일정 시간 동안 부과되는 전력 제한을 고려하고 최적의 용융 속도를 제공하도록 제강을 최적화합니다.

시스템은 또한 상위 수준에서 작동하는 제어 네트워크에 보고하고 정보를 수신하도록 개발되었습니다. 금속 주입 온도의 변화, 합금 조성의 변화, 원료 가용성 및 장입 중량과 같은 네트워크의 정보에 따라 작동하고 그에 따라 용광로를 작동할 수 있습니다.

위에서 설명한 제어 시스템은 용융, 유지 및 태핑의 자동 제어를 제공하는 방법입니다. 그들은 퍼니스를 저온에서 시작하고 라이닝 소결 주기를 제어하며 전원 공급 장치, 퍼니스 구성 요소, 보조 시스템 및 퍼니스 라이닝에 대한 지속적인 진단 검사를 수행할 수 있습니다. 모든 결함이나 오류를 식별하고 작업자의 주의를 끌 수 있습니다. 관리 제어를 위해 모니터링되는 모든 데이터에 대한 종합적인 기록을 유지할 수 있습니다. 시스템은 용해로의 모든 기능을 제어하는 ​​더 큰 네트워크의 일부와 둘 이상의 용해로를 제어할 수 있습니다. 가장 정교한 시스템은 소규모 제철소에 비용 효율적이지 않습니다. 일부 시스템은 기존 장비에 다시 장착할 수 있습니다.