백운석 - 철강 산업에서의 가공 및 적용

백운석 – 철강 산업에서의 처리 및 적용

백운석은 무수 탄산염 광물입니다. 칼슘과 마그네슘의 이중 탄산염(CaCO3.MgCO3)입니다. 철강 생산에 사용되는 중요한 원료 중 하나입니다.

백운석은 이론적으로 CaCO3 54.35%, MgCO3 45.65% 또는 CaO 30.41%, MgO 21.86%, CO2 47.73%를 포함합니다. 그러나 자연에서 백운석은 이 정확한 비율로 제공되지 않습니다. 따라서 일반적으로 40~45% 범위의 MgCO3를 함유하는 암석을 일반적으로 백운석이라고 합니다.

철강 산업에서 백운석의 주요 용도는 (i) 융제 재료 (ii) 내화 라이닝 ​​보호 및 (iii) 내화 원료로 사용됩니다. 철강 산업에서 백운석은 일반적으로 세 가지 형태로 사용됩니다. 이들은 (i) 백운석의 천연 형태이기도 한 원시 백운석, (ii) 소성 백운석 및 (iii) 소결 백운석입니다. 백운석이 플럭싱 재료로 사용되는 경우 원시 백운석 또는 소성 백운석으로 사용됩니다. 백운석을 내화물 보호용으로 사용하는 경우에는 소성된 형태로 사용하고, 백운석을 내화물 원료로 사용하는 경우에는 소결된 백운석의 형태로 사용한다. 철강 산업에서 백운석의 용도와 형태는 그림 1에 나와 있습니다.

그림 1 철강 산업에서 백운석의 용도 및 형태

백운석 처리

채광 후 백운석은 다양한 공정에 사용되기 전에 여러 처리를 거쳐야 합니다. 백운석 생산의 기본 공정은 (i) 원시 백운석의 채석, (ii) 파쇄 및 사이징에 의한 사용을 위해 채광된 백운석 준비, (iii) 원시 백운석의 소성, (iv) 소성된 백운석을 수화하여 추가 처리하는 것입니다. 사용에 필요한 경우 수화된 백운석 생성, (v) 내화 재료로 사용하기 위한 백운석 소결 및 (vi) 기타 이동, 저장 및 취급 작업. 이러한 모든 과정이 모든 공장에 반드시 필요한 것은 아닙니다.

기본적으로 세 가지 유형의 백운석 제품이 제철 및 제강 공정에 사용됩니다. (i) 백운석 원료 제품, (ii) 소성 백운석 제품, (iii) 백운석 소결 제품입니다. 이러한 제품에 대한 백운석 처리는 아래에 설명되어 있습니다.

첫 번째 공정은 채광된 광석이 다양한 크기의 광석을 분리하기 위해 분쇄 및 스크리닝을 받는 백운석 광산에서 발생합니다. 철강 공장에서는 일부 장소에서 원시 백운석을 추가로 가공합니다. 예는 원시 백운석이 해머 밀에서 -3mm 크기(일반적으로 85% ~ 90% 범위)로 분쇄되는 소결 공장입니다.

백운석의 소성은 원료 백운석의 열분해를 수행하고 그 조성의 LOI(점화 손실) 또는 이산화탄소(CO2) 부분을 제거하기 위한 열처리 공정입니다. 소성 과정은 흡열 반응이며 고체 상태에서 수행됩니다. 고품질 백운석은 일반적으로 약 40~43%의 MgCO3와 약 57~60%의 CaCO3를 포함합니다. 소성 백운석 1톤을 생산하려면 약 2톤의 원시 백운석이 필요합니다. 하소하는 동안 원시 백운석에서 CO2가 제거되기 때문에, 하소된 백운석은 다공성(ii) 표면적이 더 크고, (iii) 반응성이 높으며, (iv) 흡습성이 있습니다.

원시 백운석을 가열하면 백운석에 존재하는 탄산염이 다음 식과 같이 분해됩니다.

CaCO3.MgCO3 + 약 725kcal의 열 =CaO.MgO +2 CO2

원시 백운석의 하소는 샤프트 가마 또는 회전 가마에서 수행되는 간단한 단일 단계 소성 공정입니다. 원시 백운석은 가마에 장입되고 가마를 통과하는 동안 2단계로 분해되거나 소성됩니다. 첫 번째 단계에서 CO2는 백운석의 MgCO3 성분에서 방출되기 시작하고 두 번째 단계에서는 CO2가 백운석의 CaCO3 성분에서 방출되기 시작합니다. 분해 온도는 공정 대기에 존재하는 CO2의 분압에 따라 달라집니다.

백운석 분해는 두 단계로 진행됩니다. 첫 번째 단계는 MgCO3의 분해가 시작될 때 약 550 deg C에서 시작되고 두 번째 단계는 CaCO3의 분해가 시작될 때 약 810 deg C에서 발생합니다. 소성 과정의 두 단계는 다음 방정식으로 표시됩니다.

1단계 – CaCO3.MgCO3 =CaCO3. MgO + CO2 (550 deg C ~ 700 deg C의 온도 범위에서)

2단계 – CaCO3.MgO =CaO.MgO + CO2(810 deg C ~ 900 deg C의 온도 범위에서)

소성 과정은 부분적으로 분해된 백운석 조각을 사용하여 설명할 수 있습니다. 이 조각의 CO2 분압 및 온도 프로파일은 그림 2에 나와 있습니다. 샘플은 다공성 층으로 둘러싸인 조밀한 탄산염 코어를 포함합니다. 온도 T의 소성 가마에서 T 가스 열은 복사와 대류('h'로 표시)에 의해 T표면의 온도에서 고체 표면으로 전달됩니다. 열 전도(A)를 통해 열은 산화물 층을 통해 침투하여 온도가 Trc인 반응 전선에 도달합니다. 반응 엔탈피가 내부 에너지보다 몇 배나 크기 때문에 반응 중에 코어로 더 흐르는 열은 무시할 수 있습니다. 따라서 중심 온도는 전면 온도보다 약간 낮습니다. 열이 공급되면 평형(p-eq – p-f)에서 CO2 분압의 편차가 원동력인 화학 반응 상수(k)가 발생합니다. 방출된 CO2는 다공성 산화물 층을 통해 표면으로 확산(Dp)되고 최종적으로 대류(B)에 의해 CO2 분압 p-표면이 존재하는 주변으로 전달됩니다. 하소된 백운석의 화학적 및 물리적 특성은 하소에 의해 영향을 받고 전도도, 물질 전달 계수 및 하소된 백운석 층의 확산도에 의해 영향을 받습니다.

그림 2 하소 중 백운석 샘플의 프로필

백운석의 완전한 소성 및 미소성 백운석의 잔류 코어가 없도록 하기 위해서는 원시 백운석의 표면에 공급된 열이 코어로의 전도성 열 전달을 통해 침투해야 합니다. 재료 내부의 대기가 순수한 CO2이기 때문에 최소한 짧은 시간 동안 코어에서 900℃의 온도에 도달해야 합니다. 원시 백운석 표면은 필요한 온도 구배를 유지하고 백운석 표면에서 하소된 재료의 절연 효과를 극복하기 위해 900℃ 이상으로 가열되어야 합니다. 그러나 하소된 백운석을 생산할 때 표면 온도는 1,100℃ ~ 1,150℃를 초과해서는 안 됩니다. 그렇지 않으면 CaO의 재결정화가 일어나 반응성이 낮아져 하소된 제품의 슬레이킹 특성이 감소하기 때문입니다.

연소 가스에서 원시 백운석의 표면으로 열을 전달한 다음 표면에서 원시 백운석의 코어로 열을 전달하는 데 일정한 체류 또는 체류 시간이 필요합니다. 원시 백운석의 큰 조각은 작은 조각보다 하소하는 데 더 오랜 시간이 필요합니다. 원칙적으로 더 높은 온도에서 하소하면 필요한 머무름 시간이 줄어듭니다. 그러나 너무 높은 온도는 제품의 반응성에 부정적인 영향을 미칩니다. 다양한 크기의 원시 백운석에 필요한 소성 온도와 체류 시간 사이의 관계는 표 1에 나와 있습니다.

탭 1 하소 온도와 체류 시간의 관계
번호	원시 백운석 크기	하소 온도	체류 시간(대략)
단위	mm	도 C	시간
1	50	1000	2.2
		1200	0.75
2	100	1000	8.5
		1200	3

소성 공정에는 여러 유형의 가마가 사용됩니다. 이러한 가마는 회전식 가마 또는 샤프트 가마일 수 있습니다. 선택할 가마의 유형은 원시 백운석의 특성, 예상 생산량, 연료 비용, 투자 비용, 사용 가능한 연료, 현지 조건, 기반 시설 및 기타 사항에 따라 크게 달라집니다. 일반적으로 실험실 테스트를 포함한 모든 데이터는 소성로를 선택하기 전에 평가되어야 합니다.

예열기가 있거나 없는 회전 가마는 일반적으로 재료 크기가 10mm에서 50mm 사이인 원시 백운석을 처리합니다. 이러한 유형의 가마의 열 균형은 배가스와 가마 외피를 통한 다소 높은 손실로 분류됩니다. 배출 가스 손실의 일반적인 값은 약 25% 범위이고 소성로 외피 손실의 경우 총 열 요구 사항의 약 20% 범위입니다. 예열기가 있는 가마로 유입되는 연료 에너지의 약 60%만이 하소 공정에 사용됩니다.

단일 수직 샤프트 가마의 경우 하소 영역에서 사용할 수 있는 열과 예열 영역에서 필요한 열 사이에 불균형이 존재합니다. 이상적인 하소 공정에서도 폐가스의 온도는 100℃보다 높을 수 있습니다. 병렬 흐름 재생(PFR) 유형의 가마의 경우 소성 구역의 열을 더 잘 활용하고 손실을 최소화합니다. 폐가스의 열로 인해 소성된 백운석 톤당 열 소비량이 감소합니다.

백운석 하소에 일반적으로 사용되는 가마에 관한 데이터와 중요한 소비 수치 및 일반적인 원료 크기를 비교한 데이터는 표 2에 나와 있습니다.

탭 2 다양한 유형의 소성로 비교
하소 가마의 유형	가마 용량	석회암 크기	특정 연료 소비량	특정 전력 소비
	tpd	mm	kcal/kg	kWh/t
직사각형 PFR 가마	100-400	30-120	810-870	약 20명
원형 PFR 가마	300-800	30-160	810-870	약 20명
환형 샤프트 가마	200-600	15-200	910-980	약 30
단축 가마	50-300	10-100	980-1100	약 35
예열기가 있는 회전식 가마	300-1200	10-50	1150-1350	약 30
예열기가 없는 긴 회전 가마	300-1000	10-50	1600-1700	약 20명

세 번째 유형의 백운석 처리는 백운석의 소결로 구성됩니다. 이 과정을 원시 백운석의 로스팅이라고도 합니다. 소결 백운석은 내화 제품을 만드는 데 사용됩니다. 소결 백운석은 1650℃보다 높고 바람직하게는 1800℃를 초과하는 온도에서 원시 백운석을 가열하여 만든 죽은 연소 백운석으로도 알려져 있습니다. 원시 백운석의 소결은 최대 벌크 비를 달성하기 위해 수행됩니다 밀도 및 높은 수화 저항성.

소결 백운석 생산을 위한 가장 일반적인 공정은 샤프트 가마 또는 회전 가마에서 단일 단계 소성 공정입니다. 원시 백운석은 가마에 장입되고 가마를 통과하면서 2단계로 분해됩니다. 첫 번째 단계에서는 백운석의 MgCO3 성분에서 CO2가 방출되며 약 550℃에서 시작하여 CaCO3 성분이 분해됩니다. . 이 온도에서 이미 하소된 재료의 다공성이 감소하여 내화 응용 분야에 필수적인 제품의 벌크 비밀도가 증가합니다. 일반적인 소비량 수치와 일부 기본 가마 사료 원료 백운석 크기는 표 3에 나와 있습니다.

Tab 3 백운석 소결을 위한 일반적인 매개변수
SL 번호	매개변수	단위	고온 수직 가마	로터리 가마
1	열 에너지	kcal/kg	약 1200	약 2400
2	전기 에너지	kWh/톤	약 65	약 65
3	원료 공급 크기	mm	10-50	5-50

소결 공정의 성능은 원료 백운석의 소결성에 크게 의존하며, 이는 차례로 화학 조성, 순도, 균질성, 기원, 기원, 다공성 및 결정 구조와 같은 특정 조직 특성의 특성에 영향을 받습니다. 또한 연소 공정을 위한 연료(예:고체 연료 재)는 최종 제품 품질에 상당한 영향을 미칠 수 있습니다. 고순도의 원시 백운석의 경우 만족스러운 제품 품질은 종종 '소결 보조제' 역할을 하는 연료 불순물과 함께 고체 연료와 조합되어야만 달성될 수 있습니다. 미가공 백운석 특성은 제품 품질에 부정적인 영향을 주어 부피 비중이 낮고 불균일하거나 수화 저항성이 낮을 수 있습니다. 이러한 매개변수 중 하나는 특히 최고 품질의 내화 벽돌을 생산해야 하는 경우 내화물 산업의 적용을 제한할 수 있습니다. 수정된 가마 작동으로 이러한 효과를 수정하는 것은 거의 불가능합니다.

백운석 소결에 사용되는 수직 샤프트 가마는 소성 백운석 연탄을 원료로 사용합니다. 역류 기술로 작동하며 높이가 10m이고 기본 내화물이 늘어서 있는 원통형 강철 쉘로 구성됩니다. 하소된 백운석 연탄은 가마 상단에 위치한 공급 호퍼를 통해 가마로 들어갑니다. 상부 가마 섹션의 예열 영역을 통과하는 동안 백운석 연탄은 뜨거운 상류 가마 가스와의 집중적인 접촉으로 인해 주변 온도에서 소결 온도에 가깝게 가열됩니다.

단일 샤프트 가마는 기본 내화물 생산을 위한 백운석 소결을 위한 가장 낮은 비열 소비에서 2000℃를 훨씬 초과하는 가마 온도를 달성하도록 설계할 수 있습니다. 이것은 (i) 역류 흐름 원리, (ii) 특정 방사형 다중 버너 시스템, (iii) 연속 작동 배출 테이블 및 (iv) 가마 배출 구역의 통합 제품 냉각 시스템을 사용하여 달성됩니다. .

고온 수직 샤프트 가마는 낮은 생산 비용과 관련된 까다로운 요구 사항을 충족하면서 품질 기준을 완전히 충족할 수 있습니다. 또한 소성로 개념은 감소된 용량에서도 안정적인 작동이 가능합니다. 킬른은 일반적으로 원하는 신뢰할 수 있는 성능을 제공하고 연속적이고 원활한 킬른 작동을 보장하는 컴팩트한 디자인입니다. 가마 대기에 대한 최적의 노출과 결합된 제품의 다소 짧은 체류 시간은 높은 비생산율과 비교하여 가마 크기가 작은 이유를 설명합니다. 다양한 작동 매개변수와 정의된 온도 프로파일을 쉽게 조정할 수 있어 가마 작동에서 높은 유연성을 제공합니다. 이러한 특성은 낮은 비열 소비뿐만 아니라 낮은 운영 및 투자 비용과 결합됩니다.

제철 및 제강 공정에서 백운석의 적용

고로(BF) 경로로 철을 생산하는 동안 백운석은 소결 과정에서 추가되거나 고로에서 직접 공급됩니다. 이 첨가에는 일반적으로 원시 백운석이 사용됩니다. 백운석은 BF 슬래그에서 원하는 비율의 MgO를 얻기 위해 제철 중에 첨가됩니다. 백운석의 CO2는 소결 과정에서 제거되기 때문에 소결을 통한 백운석의 첨가가 더 선호되는 경로입니다. 소결의 경우 백운석은 소결 혼합물에 혼합되기 전에 해머 크러셔에서 -3mm(85% ~ 90% 범위)로 분쇄됩니다. 고로에 직접 투입하는 경우에는 덩어리 백운석(10mm~30mm 크기)을 사용한다.

소결을 통한 백운석 첨가의 경우, 최근에는 소성 백운석도 직접 사용하고 있다. 소결 공정에 소성 백운석을 사용하면 (i) 소결 혼합물의 결합 특성 향상, (ii) 소결기 생산성 향상, (iii) 소결 강도 향상 및 (iv) 소결 강도 감소의 이점이 있습니다. 관련 이점이 있는 배기 가스의 양.

소결 목적으로 사용되는 백운석의 높은 실리카(SiO2) 함량은 SiO2가 고로에서 알루미나(Al2O3)의 영향을 상쇄하기 때문에 선호됩니다.

회전 소성로 공정에 의한 직접환원철(DRI) 생산에서 백운석은 탈황제로 사용됩니다. 원시 백운석은 4mm에서 8mm의 크기 범위에서 사용됩니다.

백운석의 두 번째 주요 용도는 제강입니다. 제강에서 백운석은 융제 재료와 내화 재료 모두로 사용됩니다. 제강용으로 백운석의 SiO2(산성으로 인해) 함량은 매우 낮아야 하며 바람직하게는 1% 미만입니다. 플럭싱재로 사용하는 경우 소성된 형태로 사용한다. 플럭싱 재료로서 이중 역할을 합니다. 첫 번째 역할은 약간의 석회(CaO) 공급원이므로 소석회 소비를 줄입니다. 그러나 소성된 백운석의 두 번째 역할은 더 중요한 역할입니다. 이 역할에서 제강 용기의 마그네시아-탄소 라이닝을 보호하는 데 사용됩니다. 이것은 제강 온도에서 MgO가 과포화되는 제강 슬래그를 만들어 수행됩니다.

최근에는 BOF(Basic Oxygen Furnace) 용기의 라이닝 수명 연장을 위해 슬래그 살포 기술이 광범위하게 사용되고 있습니다. 이 기술에서 소성된 백운석은 BOF 용기에 튀기게 될 보유 액체 슬래그에 추가됩니다. 이는 슬래그의 점도를 높여 점착성을 좋게 하고 슬래그의 내화성을 향상시키기 위함입니다.

소성된 백운석은 일반적으로 국자 야금 중에 첨가되는 합성 슬래그의 일부로 점점 더 많이 사용되고 있습니다. 이는 특히 슬래그 라인에서 국자 라이닝을 보호하기 위해 수행됩니다.

백운석이 내화물로 사용되는 경우에는 소결된 백운석의 형태로 사용됩니다. 소결된 백운석은 타르 백운석 벽돌, 피치 함침 백운석 벽돌 또는 BOF 용기, AOD(아르곤 산소 탈탄) 용기 및 전기 아크로의 라이닝을 위한 수지 결합 백운석 벽돌의 생산을 위한 제강에 사용됩니다. 이 벽돌은 강철 국자의 안감에도 사용됩니다.

화합 혼합물과 같은 백운석 기반 단일체 내화물은 제강로의 내화물 유지 관리에도 사용됩니다. Gunniting은 일반적으로 마모가 심한 내화 라이닝 ​​영역에서 수행됩니다. 이러한 내화물은 또한 EAF에서 난로와 제방을 형성하고 정기적으로 유지 관리하는 데 사용됩니다. 이러한 영역의 유지 관리는 종종 방적기를 사용하여 가열 사이에 자주 적용되는 고철분 소결 백운석을 사용하여 수행됩니다. 기계가 용광로로 내려가 가열 사이에 몇 분 안에 몇 톤의 페틀링 재료를 적용합니다. 이 빠르고 저렴한 솔루션은 특히 내화물이 빨리 마모되는 용광로 부분에 사용됩니다.