고로(BF)는 제철소에서 사용되는 다양한 반응로 중 가장 오래된(700년 이상) 설비입니다. 선철(용선) 생산에 사용됩니다. 고로는 복잡한 고온 역류 반응로로, 샤프트 모양이며 철광석(광석, 소결광/펠릿)과 코크를 상부에서 번갈아 장입하고 플럭스 재료(석회석, 돌로마이트 등)와 함께 로 내에 층상 부담을 형성합니다. 예열된 공기가 하부의 풍구를 통해 불어넣어집니다. 이 뜨거운 공기는 코크와 반응하여 환원 가스를 생성합니다. 하강하는 광석 부담(산화철)은 상승하는 환원 가스에 의해 환원되어 용융, 선철을 생성합니다. 광물 찌꺼기와 코크 재는 플럭스 재료와 함께 용융되어 슬래그를 형성합니다. 액체 제품(선철과 슬래그)은 일정한 간격으로 출선구(tap hole)를 통해 로 밖으로 배출됩니다. 얻어진 선철의 품질은 슬래그 형성과 그 광물학적 변환에 의존합니다. 좋은 품질의 슬래그는 양질의 선철을 위해 필요합니다. 슬래그는 철광석 부담의 광물 찌꺼기와 코크 재가 장입된 플럭스 재료와 화학 반응하여 형성된 저융점 화합물의 혼합물입니다. 규산염, 알루미노규산염, 칼슘 알루미노 규산염 등 모든 미환원 화합물도 슬래그에 합류합니다.
슬래그 성분인 실리카(SiO2)와 알루미나(Al2O3)는 점도를 증가시키는 반면, 산화칼슘(CaO)의 존재는 점도를 감소시킨다는 것은 잘 알려져 있습니다. 슬래그의 용융대는 고로의 응집대(cohesive zone)를 결정하므로, 슬래그의 유동성과 용융 특성은 고로 생산성 결정에 주요 역할을 합니다. 초기에는 철분이 풍부한 슬래그가 형성되고, 이후 플럭스 재료로부터 산화칼슘(CaO)과 산화마그네슘(MgO)이 동화되면서 슬래그 조성이 변합니다. 슬래그가 아래로 흘러내리면서 코크 연소로 생성된 재의 SiO2와 Al2O3를 동화시킵니다. 아래로 흘러내리는 과정은 슬래그의 유동성(낮은 점도)에 의존하며, 이는 다시 조성과 온도에 의해 좌우됩니다.
슬래그는 장입물의 광물 찌꺼기 등 불순물을 흡수하는 친화력을 가져야 하며, 선철 품질에 영향을 미치는 기타 유해 불순물도 포집할 수 있어야 합니다. 화학 조성, 광물학적 구성, 미량 불순물과 반응하여 포집하는 능력 측면에서 슬래그의 거동을 아는 것이 필수적입니다. 또한 슬래그는 운전 온도에서 자유롭게 흐르며 금속을 포집하지 않고 선철-슬래그 분리가 잘 이루어져야 합니다. 따라서 최종 제품의 다양한 특성은 슬래그 조성에 의해 직접 영향을 받습니다. 이렇게 슬래그의 물리화학적 특성은 고로 조업에 중요한 역할을 합니다.
고로 최종 슬래그는 선철 생산 중에 생성되며 주로 4가지 산화물 즉 (1) SiO2, (2) Al2O3, (3) CaO, (4) MgO의 혼합물로 간주됩니다. 슬래그의 미량 성분에는 (1) 제1산화철(FeO), (2) 산화망간(MnO), 이산화티타늄(TiO2), 알칼리(K2O, Na2O), 황 함유 화합물 등이 포함됩니다. 고로 내 서로 다른 영역에서 독특한 조성을 가진 4종의 슬래그가 생성됩니다(그림 1). 이들은 (1) 1차 슬래그, (2) 보시 슬래그(bosh slag), (3) 풍구 슬래그(tuyere slag), (4) 최종 슬래그입니다. 이 4종류의 슬래그는 각각 (1) 응집대, (2) 적하대(dripping zone), (3) 레이스웨이(raceway), (4) 하스(hearth)에서 생성됩니다. 최종 슬래그가 출선되므로, 원활한 출선을 위해 적절한 유동성(낮은 액상선 온도와 낮은 점도)을 가져야 합니다.
그림 1 고로 슬래그 종류와 생성 영역
고로의 원활한 조업을 위해 슬래그는 다음 조건을 충족해야 합니다.
철광석 층은 응집대에서 플럭스제의 영향으로 당시 온도에서 연화 및 용융되기 시작하며, 이는 로 내 물질(가스/고체) 흐름을 조절하는 층 투과성을 크게 감소시킵니다. 이 구역은 상부에서 철광석의 연화와 하부에서 용융 및 유동으로 경계 지어집니다. 높은 연화 온도와 상대적으로 낮은 유동 온도는 고로 하부에 좁은 응집대를 형성합니다. 이는 로 내 액체 이동 거리를 감소시켜 실리콘 흡수를 줄입니다. 반면 보시 영역에서 하스로 흘러내리는 최종 슬래그는 연화되자마자 흐르기 시작하는 '짧은 슬래그(short slag)'여야 합니다. 따라서 융해 거동은 고로 슬래그 효과를 평가하는 중요한 매개변수입니다.
고로 내 슬래그 유동성은 응집대에서의 연화-용융 거동, 적하대의 액체 체류로 인한 하부 투과성, 하스 내 액체 흐름, 출선구를 통한 슬래그 배수 능력에 영향을 미칩니다. 또한 탈황 능력에도 영향을 줍니다. 슬래그 유동성은 온도와 조성에 의해 영향을 받으며, 후자는 광석 광물 찌꺼기, 코크 및 분탄 재료에 의해 영향을 받습니다.
고로 슬래그는 주로 세 가지 슬래그 시스템에 속합니다: (1) CaO–Al2O3–SiO2 3성계, (2) CaO–Al2O3–SiO2–MgO 4성계, (3) CaO–Al2O3–SiO2–MgO–TiO2 5성계. 일반적으로 좋은 유동성을 위한 고로 슬래그의 주요 운전 영역은 5성계(SiO2-Al2O3-CaO-MgO-TiO2) 액상선도에서 멜릴라이트 상(아커마나이트 Ca2MgSi2O7과 겔레나이트 Ca2Al2SiO7의 고용체)입니다.
고로 슬래그 조성은 물리화학적 특성에 매우 중요한 영향을 미치며, 이는 탈황도, 조업 원활성, 슬래그 처리, 코크 소비, 가스 투과성, 열전달, 선철 생산성 및 품질 등에 영향을 줍니다. 가장 큰 영향을 미치는 슬래그 특성은 점도, 황화물 용량, 알칼리 용량, 액상선 온도입니다. 이 특성들은 전반적인 고로 공정에 큰 영향을 미칩니다. 슬래그 점도는 화학 조성, 구조, 온도에 의해 강하게 영향을 받습니다.
슬래그 점도는 반응 속도론과 최종 슬래그 환원 정도에 관련된 수송 특성입니다. 슬래그 점도는 슬래그-금속 분리 효율을 결정하며, 결과적으로 금속 수율과 불순물 제거 능력에 영향을 줍니다. 조업에서 슬래그 점도는 슬래그가 로에서 얼마나 쉽게 출선될 수 있는지를 나타내며, 따라서 공정의 에너지 요구량과 수익성과 관련됩니다.
로 제어 시스템이 슬래그 점도와 액상선 온도를 예측할 수 있다면, 고로 조업 중 분석과 의사결정 제어를 최적화할 잠재력을 가집니다. 이 경우 슬래그 조성에 관한 경험적 규칙을 대체할 수 있습니다. 이를 위해 과거에 다양한 슬래그 시스템에 대한 점도 측정 및 모델링 노력이 있었습니다.
액체 슬래그는 전단 점도가 전단 속도에 독립적인 뉴턴 유체로 분류될 수 있으며, 따라서 동적 점도라 불립니다. 점도는 주로 결합과 중합도에 의해 영향을 받으며, SiO2와 Al2O3는 높은 공유 결합으로 점도를 높입니다. 반면 CaO, MgO 같은 단산화물은 이온적 거동을 보여 규산염 사슬을 파괴하고 점도를 낮춥니다. 이는 액체 슬래그 상 시스템에만 해당되며, 다상 시스템에서는 단산화물 증가가 고체 상 활성도를 높이고 고체 침전을 유발하여 유효(관찰된) 점도를 증가시킬 수 있습니다.
슬래그 조성을 변경할 수 있는 일반적인 조업에서 조성 변경은 보통 상반된 효과를 가집니다. 예를 들어, 높은 염기도에서 낮은 점도 달성은 액상선 온도 증가라는 역효과와 연관될 가능성이 높습니다. 물리화학적 특성에 대한 효과 외에도 슬래그 염기도는 황(및 일부 인) 제거 능력과 선철의 실리콘 함량에도 영향을 줍니다. 높은 염기도는 슬래그 내 황 함량 증가와 금속 내 실리콘 감소를 가져옵니다.
저알루미나 슬래그는 일반적으로 낮은 점도, 높은 황화물 용량, 낮은 액상선 온도, 그리고 Al2O3가 보통 15% 이상인 고알루미나 슬래그보다 낮은 슬래그 양을 가집니다. 고알루미나 슬래그는 주로 인도 고로에서 철광석과 소결광의 Al2O3/SiO2 비율이 높고 코크 회분 함량이 높기 때문에 발생합니다. 이러한 슬래그는 높은 점도를 가집니다.
액체 슬래그 점도는 주로 온도와 화학 조성에 의해 결정됩니다. 주어진 온도 범위에서 점도의 온도 의존성은 일반적으로 아레니우스(Arrhenius) 식으로 설명됩니다.
N = A exp (E/RT)
여기서
N = 슬래그 점도
A = 지수 앞 항
E = 점성 흐름 활성화 에너지
R = 기체 상수
T = 절대 온도
규산염 슬래그는 4개의 산소 음이온이 정사면체 형태로 둘러싼 Si4+ 양이온으로 구성됩니다. 이 SiO4 4- 사면체는 가교 산소에 의해 사슬이나 고리 형태로 연결됩니다. 슬래그 내 점성 흐름은 시스템 내 이온 종의 이동도에 의존하며, 이는 다시 화학 결합의 본질과 이온 종의 구성에 의존합니다. 슬래그 내 이온 간 힘은 관여하는 이온의 크기와 전하에 의존합니다. 따라서 더 강한 이온 간 힘이 점도 증가를 초래하는 것은 자연스럽습니다. 높은 실리카 함량의 규산염 용융물에서 중합 음이온은 높은 점도를 유발합니다. 금속 산화물 농도 증가에 따라 Si-O 결합이 점진적으로 파괴되고 네트워크 크기가 감소하며 슬래그 점도가 낮아집니다. 알칼리 산화물을 10-20몰%까지 첨가하면 탈중합으로 인해 점도가 급격히 떨어진다는 것이 밝혀졌습니다.
고로 슬래그의 경우 알루미나가 항상 존재하며 AlO4 5- 그룹이 SiO4 4-와 중합 단위를 형성합니다. CaO-MgO-SiO2-Al2O3 함유 슬래그에서 알루미나는 실리카와 마찬가지로 점도를 증가시킵니다. 반면 산소 공급원인 석회와 마그네시아는 점도에 반대 효과를 가집니다.
슬래그 점도는 조성과 온도에 의존합니다. 낮은 점도는 액체 슬래그 내 이온 수송에 대한 효과로 반응 속도를 제어하는 데 도움이 될 뿐만 아니라 고로의 원활한 운전도 보장합니다. 염기성 산화물 증가와 슬래그 액상선 온도 이상의 온도 상승 모두 점도를 감소시킵니다. CaO-MgO-SiO2-Al2O3 시스템에서 알루미나와 실리카는 몰 기준으로 점도 증가 효과가 동등하지 않습니다. 알루미나의 점도 효과는 슬래그 석회 함량에 의존합니다. 이는 Al3+가 전기 중성을 유지하기 위해 1/2 Ca2+와 결합할 때만 규산염 네트워크에서 Si4+를 대체할 수 있기 때문입니다.
슬래그 융해 거동은 4가지 특징 온도로 설명됩니다: (1) 초기 변형 온도(IDT) - 표면 끈적임을 상징, 고체 상태 물질 이동에 중요, (2) 연화 온도(ST) - 소성 변형 시작 표시, (3) 반구 온도(HT) - 융해 또는 액상선 온도, 느린 흐름 상징, 로 공기역학과 열 및 물질 전달에 중요한 역할, (4) 유동 온도(FT) - 액체 이동성 상징.
응집대에서 형성되는 슬래그는 1차 슬래그로, FeO를 주 플럭스 성분으로 형성됩니다. 고체선 온도, 융해 온도, 고체선-융해 간격은 FeO에 의해 크게 영향을 받습니다. 이 슬래그는 플럭싱이 주로 CaO나 MgO 같은 염기성 성분 존재로 인해 발생하는 최종 슬래그와 완전히 다릅니다. 고로에서 1차 슬래그를 얻는 것은 불가능하지만, 실험실에서 1차 슬래그와 유사한 합성 슬래그를 제조하여 유동 특성을 연구하는 것은 항상 가능합니다. 최종 슬래그는 ST와 FT의 차이가 작은 슬래그입니다. 이러한 슬래그는 소성 변형이 시작되는 지점에서 가능한 한 빨리 액체 이동성을 얻어 로 하스로 흘러내립니다. 이 행동은 추가 반응을 위한 새로운 부위를 노출시키며, 고로 조업과 금속 품질에 영향을 미치는 슬래그-금속 반응 속도 향상의 원인이 되는 것으로 추정됩니다.
고로 슬래그의 유동 특성은 저온(입자대)에서 산화철 환원 정도뿐만 아니라 조성, 철광석의 광물 찌꺼기 품질과 양에 의해 강하게 영향을 받습니다. 고로 슬래그의 CaO/SiO2 비율과 MgO 함량은 연화-용융 특성에 큰 영향을 미칩니다. 공정 후반에 MgO가 사용 가능해지면 응집대 온도 범위가 작아져 층 투과성이 좋아지고, 이는 코크 소비와 생산되는 선철 품질에 영향을 미칩니다.
철광석 내 Al2O3 증가는 소결광 강도뿐만 아니라 응집대에서의 고온 특성에도 영향을 미칩니다. 슬래그 내 Al2O3 농도는 슬래그 유동성을 저하시키고 액상선 온도를 증가시키는 요인으로 간주됩니다. 슬래그 내 고알루미나의 영향은 다음과 같습니다.
슬래그 내 고알루미나의 악영향은 MgO 함량 증가로 상쇄됩니다. 많은 국가에서 슬래그 알루미나 농도는 철 슬래그 축적과 고로 하부 투과성 악화를 피하기 위해 경험적으로 약 16% 상한으로 설정합니다.
제조공정
고로(BF) 부담 제조 및 장입 개요 고로(BF)는 노 바닥(hearth)을 제외하면 기본적으로 가스와 부담 입자가 반대 방향으로 흐르는 통로입니다. 안정적인 고로 조업의 기본 요건은 변동이 적은 이동 부담층을 노 내에 유지하는 것입니다. 구체적으로 안정된 가스 흐름과 혼합 부담층이 없는 부담층 구조를 형성해야 하며, 이 둘은 밀접하게 연관됩니다. 가스 흐름 안정성은 거의 전적으로 부담 투과성(permeability)에 의존하는데, 이는 부담 충전 구조(입자 크기, 입도 분포, 미분 비율 등)와 부담 하강 거동(고체 흐름)에 의해
고로 제철 공정과 일본 해부 연구 개요 고로(BF) 제철은 검증된 성능, 유연한 원료 사용, 높은 열에너지 보존 능력 덕분에 선철(hot metal, HM) 생산의 가장 실행 가능한 수단입니다. 고로 제철의 시작 시기는 명확하지 않지만, 14세기 유럽에서 제철로에 중요 공정 설계와 재엔지니어링이 도입되기 시작했습니다. 이후 고로 공정은 다른 대체 제철법 대비 선호 공정으로 자리잡았습니다. 고로 제철 공정은 시작 이래 지속가능성과 생존을 위해 지속적인 진화적 발전을 거쳐 고효율 공정이 되었습니다. 주요 발전 사항은 (i) 설비 현대
