고로의 제철 공정에 대한 알칼리의 영향

고로의 제철 공정에 대한 알칼리의 영향

고로(BF) 작동 중 주요 목표 중 하나는 최소 비용으로 원하는 화학 조성의 고온 금속(HM) 생산을 최대화하는 것입니다. 이를 위해서는 고품질의 원료 기반과 고로의 규칙적이고 원활한 작동이 필요합니다. 용광로에 들어가는 원치 않는 요소로 인해 발생하는 공정 문제를 피하기 위해 부하 재료의 품질이 매우 중요합니다. 이 영역에서 입력 전하의 원치 않는 요소의 내용에도 주의를 기울일 필요가 있습니다. 이러한 원치 않는 요소는 BF에 많은 기술적 문제를 일으킵니다. 또한 HM의 생산 비용에 큰 영향을 미칩니다. BF의 제거 및 성능과 관련하여 문제가 될 수 있는 충전물에 존재하는 주요 원치 않는 요소는 금속 칼륨(K) 및 나트륨(Na)의 알칼리 화합물입니다.

BF 공정에서 알칼리의 존재는 공정에 부정적인 영향을 미치는 것으로 알려져 있습니다. 알칼리는 코크스의 더 높은 반응성, 광석 장입물의 조기 연화, 소결 분해, 펠릿의 팽창을 유발하고 라이닝의 마모를 가속화하는 BF의 내화 라이닝에 침전물 형성에 관여합니다. 알칼리의 부정적인 영향은 코크스 가스화에 대한 촉매 효과, 알칼리 삽입으로 인한 탄소(C) 구조 파괴, 지지체 형성 및 내화 공격으로 인한 것입니다. 알칼리는 원료와 함께 도입되고 알칼리 순환(그림 1)으로 인해 알칼리는 BF의 더 높은 온도 영역으로 가는 도중에 픽업됩니다.

그림1 K 순환의 이론적 표현

알칼리의 존재는 BF에서 생산량을 낮추고 코크스 소비를 증가시키며, 이는 원료의 상부 장입물과 함께 추가된 각 kg/tHM 알칼리에 대해 각각 약 4.5% 및 2.3%입니다. 알칼리는 Boudouard 가역 반응, C(s) + CO2(g) =2CO(g), 코크스 가스 증가 및 코크스 강도 감소에 대한 임계값을 낮추기 때문에 생산량을 감소시킵니다. 코크스 분해로 인해 가스 투과성이 감소하고 벽에 비계가 발생하여 BF의 부피가 감소할 수 있습니다.

BF의 알칼리 반응

이 기사에 제공된 모든 알칼리 반응에서 K는 Na로 대체될 수 있습니다. C에 의한 알칼리 규산염의 환원은 가역 반응 K2SiO3(슬래그) + C(s) =2K(g) + SiO2(슬래그) + CO(g) 및 K2SiO3(슬래그) + 3C(s)에 따라 발생할 수 있습니다. =2K(g) + Si(HM) + 3CO(g). 이러한 반응이 일어나는 정도는 온도와 CO(일산화탄소)의 분압에 따라 다릅니다. 알칼리 산화물은 가역 반응 K2O + C(s) =2K(g) + CO(g) 및 K2O + CO(g) =2K(g)에 따라 코크스의 C 또는 CO에 의해 환원될 수 있습니다. ) + CO2(g).

알칼리는 원소로 휘발되거나 BF의 보쉬 영역에서 C 및 N2(질소)와 반응하여 가역 반응 2K(g) + N2(g) =2KCN에 따라 시안화칼륨(KCN) 또는 시안화나트륨(NaCN)의 증기를 형성합니다. (g). 증기는 노 가스와 함께 운반되며 HM이나 슬래그에 용해되지 않습니다. K의 녹는점과 끓는점은 각각 63.4°C와 759°C이고 Na의 해당 녹는점과 끓는점은 각각 97.7°C와 883°C입니다. KCN과 NaCN의 융점은 각각 622℃와 562℃이고 끓는점은 각각 1625℃와 1530℃이다. 이들 화합물의 상태는 온도에 따라 하부 샤프트에서 액체이고 궤도 및 노상 구역에서 기체입니다. 가스는 BF에서 빠르게 움직이는 가스에 의해 운반됩니다.

산소(O2) 전위가 증가하는 샤프트(약 1100℃)에서 K와 KCN은 더 이상 안정하지 않고 반응 2K에 따라 이산화탄소(CO2)에 의해 알칼리 탄산염(K2CO3, Na2CO3)으로 산화 g) + 2CO2(g) =K2CO3 + CO(g), 2KCN(g) + 4CO2(g) =K2CO3(s) + N2(g) + 5CO(g)에 따른 CO와 알칼리 산화물 가역 반응 2KCN(g) + CO(g) =K2O + 3C + N2(g). 생성된 알칼리 탄산염은 백색 미세 입자 형태로 남는데, 이는 하중 물질의 표면에 분포하거나 벽돌 라이닝에 위치합니다.

부담 물질과 코크스에 흡착된 알칼리 성분은 상대적 안정성에 따라 새로운 화합물을 형성합니다. 탄산칼륨(K2CO3)과 탄산나트륨(Na2CO3)은 각각 891℃ 이하 및 851℃ 이하의 온도에서 고체입니다. 알칼리 함유 화합물은 가역 반응 K2CO3(l) + 2C =2K(g) =3CO(g)에 따라 부하 물질과 함께 하강하고 환원되고 다시 고온 영역에 도달하여 기화됩니다.

알칼리의 대부분은 슬래그와 함께 BF에서 배출됩니다. 그러나 슬래그 내 알칼리의 일부가 환원되어 알칼리 증기를 생성하여 주변 가스와 함께 상승합니다. 알칼리 증기는 일부가 상부 가스와 함께 떠나는 BF 상부에서 응축되고 나머지는 내벽 또는 공급 재료에 응축됩니다. 다른 열 영역에서 알칼리의 휘발 및 응축으로 인해 알칼리는 BF 내에서 순환하는 경향이 있어 축적 및 다른 공급 재료와의 상호 작용을 초래합니다. 이는 알칼리가 소량, 일반적으로 고온 금속 톤당 5kg 미만(kg/tHM)으로 충전된 경우에도 공정에 상당한 영향을 미칠 수 있습니다. BF의 알칼리 순환에 대한 간략한 보기가 그림 2에 나와 있습니다. 굴착된 BF에 대한 연구에 따르면 온도가 1000℃ 이상일 때 알칼리 수준이 가장 높은 것으로 나타났습니다. BF.

그림 2 BF의 알칼리 순환에 대한 단순화된 보기

BF의 알칼리 순환

알칼리는 일반적으로 철 물질 및 규산염 형태의 코크스와 함께 BF에 들어갑니다. 원활하고 효율적인 BF 작동을 위해 알칼리 양을 약 1.5kg/tHM ~ 5kg/tHM으로 제한하는 것이 바람직하지만 일반적으로 다른 플랜트에서는 2.5kg/tHM ~ 7.5kg/tHM 범위입니다. 두 알칼리 물질 Na와 K 중에서 K는 일반적으로 BF에 들어가는 주요 화합물입니다. 대부분의 알칼리는 슬래그와 함께 남고 일부는 탑 가스의 일부가 되어 탑 가스와 함께 노를 떠납니다. 순환하는 알칼리는 슬래그나 가스로 제거할 수 있습니다. K는 슬래그와 함께 더 많이 나가는 Na에 비해 휘발성이 더 높기 때문에 상위 가스로 더 많이 이동합니다.

알칼리는 규산염(K2SiO3)의 형태로 BF에 들어갑니다. 알칼리 순환에 대한 연구에 따르면 규산염은 부담과 함께 하강하고 순환은 알칼리 규산염이 식 K2SiO3 + C(s) =2K(g) +에 따라 용융 영역에서 코크스의 C에 의해 환원되는 것으로 시작됩니다. SiO2 + CO (g). 반응은 반응에 대한 열역학 데이터에 따라 약 1550℃에서 발생합니다. BF에 들어가거나 형성되는 모든 알칼리 산화물은 안정하지 않기 때문에 K2O + CO(g) =2K(g) + CO2(g) 방정식에 따라 더 낮은 온도에서 BF에서 추가로 반응합니다. K2O는 또한 1차 슬래그에 용해될 수 있습니다.

또한 BF의 노상 수준에서 생성된 K 증기는 방정식 2K(g) + 2C(s) + N2(g) =2KCN(g)에 따라 주입된 미분탄 및 열풍 폭발의 N2와 반응합니다. , 나). KCN의 끓는점은 1625℃이므로 시안화칼륨(KCN)은 송풍구에서 불어오는 열풍으로부터 상승하면서 온도가 떨어지면 액상으로 변합니다. 풍구 구역에서의 시간은 높은 가스 흐름으로 인해 매우 짧기 때문에 알칼리 시안화물은 액상으로 전환되기 전에 BF 위로 이동할 시간이 있습니다. 더 위로 BF에서 알칼리 시안화물은 CO2(이산화탄소)와 반응하여 방정식 2KCN(l) + 4CO2(g) =K2CO3 + N2(g) + 5CO( g). 탄산염은 가스로 탑 가스를 따라 나오거나 900℃ 이하에서 응축되기 시작하면서 짐에 침착됩니다.

알칼리 규산염과 비교하여 알칼리 시안화물은 불안정하므로 BF의 노상 부분에 존재하는 SiO2는 알칼리 시안화물과 반응하여 다시 알칼리 규산염을 형성할 수 있습니다. 알칼리 규산염이 알칼리 증기로 환원되는 과정은 BF로 상승하여 상부 기체와 함께 남거나 CO2와 반응하여 탄산염을 형성하는 과정을 알칼리 순환이라고 합니다. 정확히 어떤 반응이 일어나는가에 따라 프로세스를 요약하는 방식이 약간 다른 여러 견해가 있습니다. BF의 굴착시에는 탄산염이 발견되지 않기 때문에 실제로 BF의 상부에 탄산염이 전혀 형성되어 있는지에 대한 의문이 있다. 그러나 알칼리 시안화물이 형성되고 알칼리가 BF에서 순환하는 주요 과정은 모든 견해에서 동의합니다.

그림 3은 BF에서 알칼리의 순환을 보여줍니다. 충전된 물질은 알칼리 규산염이 알칼리 증기로 분해되거나 K2O 또는 Na2O 형태의 1차 슬래그 상에 흡수되기 전에 고온 영역으로 내려갑니다. 주기는 또한 알칼리 증기가 규산염과 반응하여 다시 규산염을 형성하는 시점을 나타냅니다. BF를 통한 알칼리 증기의 분포는 가스 흐름 경로와 중앙 가스 흐름의 범위에 따라 달라집니다. 가스 흐름은 BF에서 열이 분산되는 방식에 큰 영향을 미칩니다. 더 중심적인 흐름은 BF의 중간에서 더 많이 녹고 주변에서 덜 녹는 것을 의미합니다.

그림 3 BF의 알칼리 순환

BF에서 암모니아와 시안화수소 형성

암모니아(NH3)는 BF에서 형성되는 것으로 믿어집니다. BF에서 NH3와 시안화수소(HCN) 형성 이면의 기본 반응은 2KCN + 3H2O =K2CO3 + 2NH3 + C 및 NH3 + CO =HCN + H2O입니다. 이러한 반응 사이의 비율은 (i) 사용 가능한 수분의 양, (ii) 상단에서 사용 가능한 KCN의 양, (ii) 반응 중 온도와 같은 여러 매개변수에 따라 달라집니다. NH3에 대한 온도 임계값은 약 600°C이고 NH3 형성은 500°C까지 기하급수적으로 지속적으로 감소한 후 감지되지 않습니다. 추가로 형성된 NH3는 Fe2O3 또는 CO2에 의해 산화되고 형성된 NH3의 양이 감소합니다. Fe2O3 또는 MnO2에 의한 NH3의 산화는 온도에 따라 다릅니다. 낮은 온도에서 MnO2는 더 강한 산화제이고 더 높은 온도에서는 Fe2O3가 더 강한 산화제입니다.

HCN과 NH3가 상부 가스에서 발견될 수 있기 때문에 NH3의 산화 동역학은 이를 완전히 제거할 만큼 충분히 빠르지 않습니다. 상부 가스에서 발견되는 더 높은 물은 위의 반응에 따라 발생할 수 있는 NH3의 더 많은 형성이 있음을 의미합니다. BF에서 NH3의 형성은 다음과 같은 몇 가지 매개변수가 형성에 영향을 미치기 때문에 복잡합니다.

최고 가스 온도 – 최고 가스 온도는 BF의 흡열/발열 반응 비율에 따라 다릅니다. 온도는 수분 함량에 영향을 미칩니다. 낮은 온도는 또한 물에서 NH3의 용해도를 증가시킬 수 있고 HCN은 물에 섞일 수 있으므로 물의 존재는 상부 가스에서의 존재를 감소시킬 수 있습니다.

화염 온도 – 화염 온도는 생성된 알칼리 증기의 양과 총 알칼리 부하에 약간의 영향을 미칩니다. 알칼리 규산염을 알칼리 순환을 시작하는 알칼리 가스로 환원시키기 위해서는 고온이 필요합니다. 화염 온도가 낮아지면 더 많은 알칼리가 슬래그를 통해 BF를 떠나게 됩니다.

기초성 – 염기도가 낮을수록 슬래그의 알칼리 흡수가 높아져 BF의 순환 알칼리가 낮아지고 NH3가 더 적게 생성됩니다.

수분 함량 – 전하와 함께 또는 BF의 다른 방법을 통해 도입된 수분이 적으면 NH3 형성 반응이 일어나기 위한 수분이 줄어듭니다.

알칼리 및 제거 효과

원료의 알칼리 농도는 고품질 점결탄의 가용성 감소로 인해 최근 몇 년 동안 증가했습니다. 알칼리는 용액 손실 반응(Boudouard 반응)에 대한 촉매 효과로 인해 코크스의 반응성을 증가시키므로 BF 작동에 유해합니다.

알칼리의 주요 부정적인 영향 중 하나는 부두아르 가역 반응을 촉매하여 반응 온도를 900℃에서 950℃로 낮추고 약 750℃에서 850℃로 낮추고 코크스 반응성을 증가시킨다는 것입니다. 콜라 품질. 또한 코크스 구조에 부정적인 영향을 미칩니다. Boudouard 반응에 대한 낮은 임계값은 강한 흡열 반응에서 더 많은 C가 BF에서 소모된다는 것을 의미합니다. 따라서 알칼리 kg당 2kg에서 10kg의 코크스 또는 사용되는 소스에 따라 6kg에서 11kg의 코크스로 안정적인 작동을 유지하려면 BF에 코크스 첨가량을 늘려야 합니다.

코크스 구조에 들어간 알칼리는 코크스의 반응성 증가로 인해 BF 하부의 코크스 강도를 감소시켜 분해를 증가시킨다. 송풍구 수준에서 코크스의 겉보기 반응 속도는 공급 코크스 반응 속도의 10배인 것으로 나타났으며, 이는 K의 총 존재량과 관련이 있습니다. K는 코크스와 CO2의 반응성을 증가시키는 것으로 알려져 있으며 K의 삽입에 의한 코크스 입자의 팽윤 때문에 코크스 파괴에서. 반응성의 증가는 BF 작동 온도, 열예비 구역의 온도를 낮추고 이에 따라 산화철의 환원 온도를 낮추기 때문에 유리할 수 있다. 그러나 코크스의 목적도 화로 내에서 지지체 역할을 하기 때문에 코크스 파단을 최소화할 필요가 있다.

코크스로의 K 증기 침투에 대한 연구는 알칼리화 광물, 특히 칼실라이트의 부피 팽창으로 인해 코크스 광물의 구조가 파손될 수 있음을 확인했습니다. 미네랄과 C 매트릭스 사이의 표면적은 코크스의 미네랄이 부서지기 때문에 증가합니다. 이것은 코크스 가스화를 가속화하는 C 및 BF 가스와 미네랄 물질의 상호 작용을 촉진합니다. 코크스의 팽창은 알칼리 증기가 코크스의 결정층으로 침투하여 층간 화합물을 형성할 때도 발생할 수 있습니다. 코크스 강도와 BF 작업 중 부담의 지지는 부담의 붕괴가 가스 및 액체 투과성을 감소시켜 HM 생산과 CO2 배출량 증가에 관한 효율성을 감소시키기 때문에 중요합니다.

크기가 다른 작은 코크스 입자는 습윤 구역의 코크스 베드에서 공극을 감소시키고 코크스의 표면적은 증가합니다. 코크스의 파손은 또한 범람, 난로의 질식, 송풍구 및 슬래그 노치의 연소 증가를 촉진하며, 이 모두는 용광로 생산량을 제한합니다. 투과율이 낮아지면 상승하는 기체가 벽 근처로 이동하는 경향이 증가하여 기체의 이용률이 감소하여 코크스 비율이 증가합니다.

알칼리의 또 다른 효과는 알칼리가 안감에 응축되어 미세한 재료를 안감에 묶을 수 있기 때문에 샤프트에 스캐폴드가 형성될 가능성이 증가한다는 것입니다. 비계는 용광로 벽에 고형 물질이 쌓여 있으며 용광로 중심을 향해 돌출되어 있습니다. 비계는 샤프트의 중간에서 상부까지 어느 곳에서나 발생할 수 있습니다. 비계 형성의 효과는 하중 하강이 느려지거나 중단되며, 극단적인 경우 매달림, 미끄러짐 및 통제되지 않은 충전으로 이어집니다. 비계는 또한 BF의 작업량을 줄입니다. 샤프트의 영향을 받지 않는 부분에서 가스 속도가 증가하여 상부 가스 온도가 증가하고 CO 활용이 감소합니다. 비계가 노 벽에서 떨어져 나갈 때 종종 냉각 노로가 발생합니다. 스캐폴드는 일시적으로 노의 온도를 높여 제거하거나 고온의 가스 흐름이 해당 영역에 도달하면 제거됩니다.

하중 물질은 또한 베드 투과성을 감소시키는 응축된 액체 시안화물 및 탄산염에 의해 함께 접착될 수 있습니다. 더욱이, 알칼리는 내화물, 특히 일반적으로 노의 하부에 사용되는 C 기반 내화물을 공격할 수 있습니다. 알칼리 화합물은 C 블록을 관통하여 소모되어 알칼리 증기를 형성합니다. 그 결과 내화 라이닝의 수명이 단축되고 더 자주 재라이닝이 필요합니다.

알칼리 제거는 주로 슬래그로 수행되며 낮은 염기도 값에서 가장 잘 수행됩니다. 제거된 알칼리 중 90% 이상은 슬래그를 통해 제거됩니다. 여기서 염기도는 CaO/SiO2로 간주됩니다. 여러 연구 결과에 따르면 슬래그 염기도가 낮을수록 슬래그의 알칼리 양이 증가합니다. 그러나 너무 낮은 염기도의 문제는 S가 BF 슬래그에 존재하는 CaO에 의해 상쇄될 수 있고 염기도가 낮을 ​​때 CaO가 더 낮기 때문에 HM에 더 높은 수준의 황(S)이 남아 있다는 것입니다. HM 품질을 관리하기 위한 염기도의 하한은 공장마다 다릅니다. 한계는 BF 매개변수와 사용된 원료의 품질에 따라 다릅니다. 알칼리를 제거하고 HM 품질을 유지하려면 염기도 값이 1 바로 위 또는 그 부근에서 한계로 볼 수 있습니다.

알칼리 규산염의 가스화를 방해하기 위해서는 CO의 분압을 높게 유지해야 합니다. 1550℃에서의 반응 온도가 높다는 것은 낮은 화염 온도가 환원 및 가스화를 늦추고 따라서 알칼리 순환을 낮추는 데에도 사용될 수 있다는 것을 의미합니다. 알칼리를 제거하려면 알칼리가 BF로 재도입되기 때문에 알칼리 함유 물질이 BF로의 재순환 감소가 필요합니다.

코크스 가스화에 대한 알칼리의 촉매 효과를 낮추는 것은 기존 알칼리를 보다 안정적인 형태로 결합할 수 있는 코크스회를 첨가하여 수행할 수 있습니다. 이전에 특정 미네랄을 첨가하여 시도한 적이 있습니다. 알칼리가 코크스를 통해 확산됨에 따라 추가 미네랄 코팅은 코크스 표면의 알칼리를 안정화시켜 코크스 내부의 열화를 방지할 수 있습니다.

알칼리 부하 제어

BF의 알칼리 부하를 제어하기 위해 알칼리 투입량은 가능한 한 낮게 유지되어야 합니다. 유입되는 재료에 변동이 있는 경우 광석 혼합물을 잘 혼합하여 BF에서 고알칼리 부분의 위험을 최소화해야 합니다. 또 다른 예방 조치는 알칼리 농도가 높은 연도 먼지의 재순환을 방지하는 것입니다. 스캐폴드 형성의 위험을 최소화하는 방법은 미분 형성을 피하기 위해 철 부하와 코크스의 강도를 높이는 것입니다.

BF는 중앙 가스 흐름으로 작동할 수 있습니다. 그 때문에 중앙의 상부 가스 온도는 알칼리의 일부가 상부 가스와 함께 증기로 퍼니스를 떠나는 수준으로 증가합니다. 그러나 상부 가스 온도가 높을수록 열 손실이 증가합니다.

재순환된 알칼리는 감소될 수 있고 대신에 산 슬래그로 BF를 작동함으로써 슬래그를 통해 BF를 떠날 수 있습니다. 석회(CaO)와 마그네시아(MgO)가 실리카 네트워크에서 알칼리 산화물과 동일한 위치를 차지하기 때문에 슬래그 염기도가 낮을수록 염기성 K와 Na가 슬래그에 더 쉽게 흡수됩니다. 철 부하 및 플럭스 첨가의 염기도를 감소시켜 염기도를 감소시킬 수 있습니다. 그러나 염기도가 낮으면 S가 슬래그의 Ca에 결합하므로 HM의 S(황) 함량이 증가합니다.

알칼리 부하를 감소시킬 수 있는 또 다른 가능성은 슬래그 부피를 증가시키는 것인데, 이는 슬래그에서 알칼리 산화물의 활성을 감소시켜 알칼리의 흡수와 슬래그를 통한 산출을 증가시키지만 증가된 슬래그 부피는 또한 코크스 비율을 증가시킵니다. 피>

BF의 온도가 낮을수록 알칼리의 환원 및 증발이 감소합니다. 더 낮은 화염 온도로 BF를 작동하면 알칼리 부하가 감소하지만 생산성이 감소하고 코크스 비율이 높아집니다. 알칼리 가스화 반응에 반대하기 때문에 높은 CO 분압으로 BF를 작동시켜 알칼리 부하를 줄일 수도 있습니다. 이것은 폭발의 O2 농축 또는 높은 상부 압력에 의해 달성될 수 있습니다.