전로 제강용 석회 품질 최적화

전로 제강용 석회의 품질

석회는 융점이 2,572℃인 백색 결정성 고체입니다. 염기성 산화물로서 산성 산화물(예: 실리카)과 반응합니다. 석회는 석회석(CaCO₃)을 900℃ 이상(일반적으로 1,100℃)으로 가열(소성)하여 생산되는 산화칼슘(CaO)입니다.

CaCO₃(s) + 열 → CaO(s) + CO₂(g)

이 반응은 가역적입니다. 산화칼슘은 이산화탄소와 반응하여 탄산칼슘을 생성합니다. 생성되는 이산화탄소가 혼합물에서 배출됨에 따라 반응은 오른쪽으로 진행됩니다.

수산화칼슘 Ca(OH)₂은 석회가 물과 반응(소석)하여 생성됩니다. 수산화칼슘은 소석회로도 알려져 있습니다.

CaO + H₂O → Ca(OH)₂ + 열

석회는 제강 공정에서 염기성 플럭스로서 전로에서 일어나는 일련의 야금 반응에서 중요한 역할을 합니다. 강철은 용선에서 황(S), 인(P), 탄소(C), 규소(Si), 망간(Mn) 및 기타 불순물을 산화시켜 슬래그나 기체 상으로 들어가게 함으로써 금속 상에서 분리하여 생산합니다. 제강용 석회는 주로 액체 욕에서 이러한 유해 원소를 제거하기 위한 슬래그를 생성하고 용강의 품질을 최적화하는 데 사용됩니다.

기본 산소 공정과 석회의 역할

기본 산소 공정은 기본 산소로(BOF)라고도 하는 산소 전로에서 용선이 산소와 접촉하여 불순물을 산화시키는 공정입니다. 용선의 산화된 불순물은 소성 석회의 도움으로 형성된 슬래그에 흡수됩니다.

1950년대 야금용 석회는 매우 조립부터 매우 미립까지 모든 크기의 입자가 혼합된 상태였으며, 이산화규소와 황 같은 추가 성분이 미세 입자에 집중되어 있었습니다. 당시에는 개방 노 공정의 제련 시간이 6~8시간이었기 때문에 석회 품질은 상대적으로 덜 중요했습니다. 그러나 기본 산소 전로(BOF)가 도입되면서 산소 취입 시간이 18~20분으로 단축되어 제강 공정이 빨라졌습니다. BOF에서 일어나는 반응 속도는 매우 빠릅니다. 대량의 소성 석회가 짧은 시간 내에 전로에 투입되므로, 슬래그에서의 용해도를 높이고 빠른 반응 속도에 대응하기 위해 석회 품질을 신중하게 선정하는 것이 매우 중요합니다. 석회의 화학적, 물리적 특성에 주의를 기울이는 것이 필수적입니다.

석회의 화학적 특성

CaO 함량

석회의 CaO 함량은 매우 중요하며 가능한 한 높아야 하지만 어떤 경우에도 90% 미만이어서는 안 됩니다.

이산화탄소(CO₂) 함량

이산화탄소 함량은 가능한 한 낮아야 하며, 이는 열 균형과 전로 내 조용한 산소 취입 조건에 중요합니다. CO₂는 석회 생산 시 소성 정도에 따라 달라지며, 연소 석회(전로급)의 상한은 일반적으로 1.5% CO₂입니다.

실리카(SiO₂) 함량

석회의 실리카 함량은 매우 중요합니다. SiO₂는 산성 산화물로 전로의 염기성 마그네시아-탄소 내화물 라이닝에 큰 부식 영향을 미칩니다. 전로에 석회를 첨가하는 주요 목적 중 하나는 용선과 스크랩에 존재하는 Si의 산화로 생성된 SiO₂를 중화하는 것입니다. 석회를 통해 SiO₂가 전로로 유입되는 것은 역효과를 냅니다. 따라서 석회의 SiO₂ 함량은 가능한 한 낮아야 하며, 이상적으로는 1.0% 미만이어야 합니다.

산화마그네슘(MgO) 함량

석회의 MgO 함량 중요성이 증가하고 있습니다. MgO를 함유한 석회는 전로 내화물 라이닝 수명에 유리한 영향을 미칩니다. 전로 공정에 사용되는 일부 야금용 석회는 약 2%의 MgO를 함유하고 있습니다.

황(S) 함량

전로에서 탈황을 제한하는 석회의 황 함량은 중요합니다. 특정 조건에서 석회의 황 함량은 강철의 재황을 초래할 수 있습니다. 황 함량은 연질 및 저망간 강철에 매우 중요합니다. 낮은 황 함량은 강철의 황 함량 제어에 도움이 됩니다. 석회의 황 함량은 석회 소성용 연료 종류, 석회석 품질, 소성 조건에 따라 달라집니다. 일반적으로 소성 석회의 황은 0.05%로 제한되며, 일반적인 분석치는 0.025%입니다.

인(P) 함량

적절히 소성된 석회는 전로에서 액체 욕의 탈인을 돕습니다. 석회를 통해 인이 전로로 유입되는 것은 역효과를 냅니다. 따라서 석회의 P 함량은 가능한 한 낮아야 하며, 일반적으로 0.03% 미만이어야 합니다.

소성 석회의 물리적 특성

입도

BOF 제강 공정용 소성 석회의 크기는 매우 중요합니다. 일반적으로 8mm~40mm 사이의 입도 분율이 전로에서 사용되며, 이는 전로 욕에서의 용해와 슬래그 형성을 돕습니다. 석회 크기가 8mm 미만이면 미세 분율의 대부분(8mm 미만)이 전로 배기가스와 함께 날아가 후드에서 부착물 형성에 유리한 조건을 만듭니다. 전로에 투입되는 미세 석회 분율의 허용 한도는 일반적으로 5% 정도입니다.

석회 반응성

BOF 공정 중 슬래그 형성에 큰 영향을 미치는 소성 석회의 두 번째 물리적 특성은 석회 반응성입니다. 석회 반응성은 유해 원소를 전로 욕에서 제거하기 위한 더 빠른 용해도와 높은 반응 능력을 결정하는 석회의 특성입니다. 액체 강철에서 석회의 반응성을 직접 측정할 수 없으므로, 재현 가능한 시험 결과를 얻기 위해 표준화된 시험 절차를 사용하여 물에서 측정합니다.

소성 석회는 좋은 다공성으로 인한 큰 비표면적 때문에 반응성을 가집니다. 큰 비표면적은 야금 반응에 유리한 영향을 미칩니다.

석회가 가마에서 생산 중 과소성되면 기공이 닫히고 비표면적이 감소하여 반응성이 손실됩니다. 마찬가지로 미소성 석회의 경우 석회 핵심이 소성되지 않아 잔류 이산화탄소(CO₂)를 함유하므로 반응성이 낮습니다. 미소성 석회는 취급 중 더 많은 미분을 생성합니다. 석회의 반응성은 균질성, 열분해 정도, 비표면적에 의존합니다.

높은 다공성 때문에 소성 석회는 흡습성이 강합니다. 석회 덩어리 표면이 공기 중 수분을 흡수하여 수화됩니다. 석회 취급 중 수화된 표면이 분말 형태로 떨어져 나가 신선한 석회 표면이 수분을 만나 수화됩니다. 수분 흡수로 석회는 반응성을 잃습니다. 수화 석회는 전로에서 고속으로 일어나는 반응에 참여하지 않습니다. 따라서 소성 석회는 생산 후 가능한 한 최단 시간 내에 전로에서 소비되는 것이 필수적입니다.

석회 반응성 측정 방법

석회 반응성 측정의 일반적인 방법은 4N 염산(HCl)으로 적정하는 것입니다. 이 시험에서 1mm~3mm 크기 범위의 석회 시료 12.5g을 취해 60℃의 물 100ml로 포화 용액을 만듭니다. 메틸 오렌지 시약 2방울을 첨가한 후 4N(몰) 농도의 HCl을 방울방울 떨어뜨려 완전히 중화시킵니다. 종점은 주황색에서 분홍색으로의 색 변화로 확인합니다. 중화에 사용된 HCl 부피에 4를 곱한 값을 일반적으로 반응성 값으로 부릅니다. 중화에 필요한 HCl 부피가 클수록 석회의 반응성이 높습니다.

양질의 소성 석회 물리적 특성

석회 가마에서 적절히 소성된 석회의 주요 물리적 특성(그림 1)은 다음과 같습니다.

• 낮은 겉보기 밀도: 1.5~1.7 ton/m³ 범위
• 높은 다공도: 일반적으로 약 50%
• 큰 비표면적: 1.5~2.0 m²/kg 범위
• 작은 광물 결정
• 매우 높은 반응성: 일반적으로 4N HCl 300ml 이상
• 낮은 잔류 CO₂: 일반적으로 2% 미만
• 낮은 미분 함량: 일반적으로 5% 미만

그림 1 전로용 석회의 특성

석회와 제강 슬래그

석회는 제강에 필수적입니다. 취입 초기에 소성 석회와 소성 돌로마이트가 첨가되며, 때로는 전 공정에 걸쳐 점진적으로 첨가되기도 합니다. 소성 석회의 CaO와 소성 돌로마이트의 CaO+MgO는 산화된 불순물 및 산화철과 반응하여 슬래그를 형성합니다. 슬래그는 복합 칼슘 및 마그네슘 실리케이트, 알루미노실리케이트, 페라이트, 인산염 등으로 구성됩니다. 양질의 염기성 슬래그 형성은 강철 품질을 보장하는 데 필수적입니다. 염기도(CaO/SiO₂) 수준은 일반적으로 2.8~3.5 범위로 유지됩니다.

슬래그 염기도는 슬래그가 전로에 사용되는 염기성 내화물과 관련하여 얼마나 산성이거나 염기적인지를 판단하는 수단입니다. 슬래그가 더 산성이면 벽돌을 침식하고, 더 염기적이면 벽돌을 보호합니다. 슬래그 염기는 일반적으로 첨가된 석회와 소성 돌로마이트의 양으로 결정됩니다. 비율 값이 낮으면 슬래그가 산성이고, 비율이 증가할수록 슬래그는 더 염기성이 됩니다.

양호한 염기도를 가진 적절히 소성된 석회는 탈인 및 탈황을 촉진하고, 스피팅을 줄여 제강 공정을 원활하게 합니다. 적절히 소성된 석회를 사용하면 과소성 석회보다 동일한 염기도의 슬래그에서도 욕과 슬래그 사이의 황 분포가 더 좋습니다. 이는 탈인에도 어느 정도 적용되며, 특히 슬래그 내 산화철 함량이 낮을 때 적절히 소성된 석회 사용으로 강철의 인 함량이 감소합니다.

적절히 소성된 석회를 사용하면 전로에서 석회 첨가량을 줄일 수 있어 슬래그와 온도 제어가 용이해지며, 전로에서 액체 강철의 수율을 높이는 데 도움이 됩니다.