전기로 내 슬래그 발포

전기로에서 슬래그의 거품 발생

슬래그 발포는 우수한 발포 슬래그가 공정에 상당한 효율성 및 기타 이점을 제공하기 때문에 현대 전기 아크로(EAF)에서 중요하고 중요한 관행이 되었습니다. 슬래그 발포의 품질은 EAF 벽을 통해 액체 배스의 열이 손실되지 않도록 보장하기 때문에 EAF 제강 공정에서 중요한 요소입니다. 슬래그 폼은 형성되는 넓은 표면적과 용융물이 대기와 직접 접촉하는 것을 방지한다는 점에서 EAF 제강 공정에 유리합니다.

슬래그 발포는 유용할 뿐만 아니라 경제적인 기술입니다. 이것은 에너지를 절약할 수 있을 뿐만 아니라 (i) 아크의 열이 슬래그에 의해 포착되기 때문에 에너지 효율 증가, (ii) 보호를 포함하는 몇 가지 이점으로 인해 널리 사용되는 기술입니다. 물 패널과 지붕의 복사, (iii) 진동 및 소음 공해 감소, (iv) 욕조에 의한 질소 혼입 감소

거품 슬래그 형성은 3단계로 나눌 수 있습니다. (i) 액강상 산소를 주입하는 1단계, (ii) 슬래그에 탄소를 주입하는 2단계, (iii) 슬래그에 산소를 주입하는 3단계입니다. 처음에는 용탕에 산소를 주입합니다(1단계). 이 산소는 기존 탄소와 반응하여 CO(일산화탄소) 기포를 형성합니다. 산소는 또한 수조에 존재하는 철과 반응합니다. 철이 산화철의 형태로 소실되면서 슬래그에 탄소를 주입하여(2단계) 산화철 환원 반응을 수행한다. 이 단계는 CO 가스를 생성하고 철이 수조로 되돌아가도록 하여 노 성능을 개선합니다. 3단계에서는 슬래그에 산소를 주입하여 슬래그에 존재하는 탄소를 산화시킨다. 이 단계에서 탄소와 산소도 동시에 주입할 수 있어 CO 생성과 거품이 더 잘 발생합니다.

일반적으로 거품 아래에는 조밀한 슬래그 층이 있습니다. 그러나 존재하는 모든 슬래그가 발포체를 생성하는 데 필요하고 조밀한 층이 존재하지 않을 수도 있습니다. 이러한 경우, 존재하는 슬래그의 양은 슬래그와 가스가 형성할 수 있는 모든 거품을 생성하기에 충분하지 않습니다.

또한 슬래그 발포 공정은 에너지 및 내화물 소비를 각각 3~10% 및 25~63% 절약할 수 있다고 보고되었습니다. 발포에는 기본적으로 (i) 작은 기포를 생성하는 반응 또는 공정, (ii) 기포를 안정적인 거품으로 유지하기 위한 적절한 슬래그 특성이라는 두 가지 요구 사항이 있습니다. 일반적으로 화학 반응으로 인한 가스는 더 작은 거품으로 슬래그를 발포하는 경향이 있는 반면, 기상(산소, 아르곤 등) 주입은 더 큰 거품과 덜 안정적인 거품을 생성합니다.

여러 가지 이유로 EAF 공정에 사용되는 슬래그의 특정 발포성이 요구됩니다. 이 과정에서 발포 슬래그가 흑연 전극을 마모로부터 보호하고 아크를 덮습니다. 이것은 전극과 용탕 사이의 열 전달을 증가시키기 때문에 노에서 더 높은 생산성을 허용합니다. 또한 슬래그가 광선을 분리하기 때문에 방사선 손실을 줄입니다. 이것은 차례로 내화물을 마모로부터 보호하여 유지 보수 작업을 위한 가동 중지 시간을 줄입니다. 발포 슬래그는 또한 아크의 안정화에 기여하여 더 높은 효율을 보장합니다. 또한 폼은 EAF의 소음을 줄이는 데 도움이 되어 더 나은 작업 환경을 제공합니다. 발포 슬래그의 또 다른 이점은 전력 및 전압 변동의 감소입니다.

EAF의 우수한 발포 슬래그와 적절한 제어의 결과에는 (i) 전극이 슬래그에 침지되어 고조파가 감소하면 동일한 변압기 설정에서 전력이 6%에서 9%까지 증가할 수 있습니다. (ii) 전극 팁 주변의 더 뜨거운 아크 플라즈마로 인해 전극 팁이 슬래그에서 300mm ~ 600mm 깊이일 때 전력이 15% 증가하고 (iii) 거품이 잘 나는 슬래그는 산소 연료 버너(사용 시)가 슬래그, 버너의 에너지 효율을 40%에서 70%로 증가시킵니다. 그러나 발포 슬래그에서 최대한의 이점을 얻으려면 슬래그를 열 초기에 건설해야 하며 슬래그 플러싱을 제한하고 첫 번째 장입물의 바닥에 석회 또는 밀스케일을 넣어 슬래그 화학적 성질을 엄격하게 제어해야 합니다. 버킷. 우수한 발포 슬래그의 열적 이점은 열 전달 경로가 수조로 이동하고 측벽에서 멀어지기 때문입니다. 연구에 따르면 발포 슬래그 품질의 변화는 전기 에너지 수요에서 + /- 0kWh/t를 설명할 수 있습니다.

슬래그 발포가 무엇을 의미하는지 아는 것이 유용합니다. 발포 슬래그의 성공을 위해서는 가스 발생이 필수 불가결합니다. 가스는 주로 CO 가스를 형성하는 탄소와 함께 산화철(FeO)의 환원에 의해 생성됩니다. 가스는 조밀한 슬래그 층 위에 거품 거품이 형성되도록 합니다. 거품은 맥주의 거품과 같이 상대적으로 작은 거품 거품일 수도 있고 물 위의 비누 거품 거품과 같은 더 큰 거품일 수도 있습니다. 작은 거품은 화학 반응의 결과이며 생성된 거품은 상당히 안정적입니다. 그러나 가스 주입은 더 큰 거품과 덜 안정적인 거품을 생성합니다. 진정한 발포는 액체에서 기포의 단순한 기체 정체와 혼동되어서는 안 됩니다. 기체 정체의 경우 기체 기포가 액체 전체에 분포하고 슬래그의 팽창은 액체 내의 기체 기포로 인한 것입니다. 가스 정체의 경우 가스가 멈춘 후 팽창이 빠르게 감소합니다. 진정한 거품은 상당히 안정적일 수 있으며 가스 생성이 멈춘 후에도 몇 분 동안 그대로 유지됩니다.

기포 발생 반응, 금속에 용해된 탄소와 탄소를 첨가하여 슬래그 내 FeO 환원. 슬래그 발포 공정에서 탄소는 슬래그에 주입되고 슬래그 내 산화철과 반응하여 CO 가스를 생성하여 슬래그를 발포합니다. 반응은 C(주입) + (FeO) =Fe + CO에 의해 주어집니다. 발포용 CO 가스는 또한 반응 C(금속 내) + 1/2 O2 =CO에 의해 주어진 금속의 탈탄에 의해 생성됩니다. FeO는 산소 분출의 주요 산화 생성물로 현장에서 생성되며 따라서 슬래그의 주요 성분입니다(20% 이상). 슬래그의 농도가 거품을 유지하는 데 적합하면 슬래그에 탄소를 간단히 주입하면 슬래그가 거품이 발생합니다. 상대적으로 높은 환원율은 FeO가 폼 내부에 다량의 가스를 생성할 가능성을 제공합니다. 탄소에 의한 FeO의 환원 속도는 상당히 빠릅니다. 또한 환원 반응도 열을 소모하여 슬래그의 점도를 국부적으로 증가시킵니다.

발포에 영향을 미치는 공정 변수는 슬래그 조성, 표면 가스 속도, 수조 온도, 기포 크기, 슬래그 염기도, 슬래그 밀도, 슬래그 점도 및 슬래그 표면 장력입니다. 표면 가스 속도는 일반적으로 초당 미터(m/s)로 측정되며 실제 가스 속도에 가스의 부피 비율을 곱한 값입니다.

발포지수(FI)는 슬래그 발포에 중요한 매개변수입니다. 가스가 슬래그를 통과하는 시간으로 볼 수 있습니다. 이것은 거품의 정도를 나타내는 지표이며 거품 높이와 표면 가스 속도 사이의 비율입니다. 따라서 FI의 단위는 일반적으로 초 단위인 시간입니다. 따라서 FI는 공정 가스가 발포체를 수직으로 통과하는 데 걸리는 시간의 척도로 해석될 수 있습니다. FI는 점도와 같은 슬래그 특성과 관련이 있습니다. 점도가 높을수록 FI가 높아집니다. 명백한 결과는 증가된 점도가 자동으로 증가된 거품 높이로 이어진다는 것입니다.

FI는 거품 크기가 증가함에 따라 감소합니다. 일반적으로 위에서 주어진 첫 번째 반응에 의해 작은 기포가 형성되고 비교적 안정적인 기포가 생성되는 것을 알 수 있습니다. EAF 제강에서 공정의 끝으로 갈수록 발포체가 덜 안정되고 발포체 높이가 감소하는 것으로 밝혀졌습니다. 이것은 초기에 FeO 함량이 증가함에 따라 첫 번째 반응 및 CO 생성 속도가 증가하여 발포가 증가하기 때문에 발생합니다. 그러나 FeO 함량이 증가함에 따라 슬래그 점도가 감소하고 밀도가 증가하여 거품 기포가 더 빨리 배출되어 감소하고 거품이 붕괴됩니다. 따라서 FeO 함량에 따라 발포가 증가하는 임계 FeO 함량이 있고 그 이상에서는 발포체가 덜 안정적입니다. 이것은 다른 조건에 따라 약 20% ~ 40% FeO에서 발생합니다.

슬래그 발포가 도입되었을 때 전극으로 만든 흑연 분말(-200 메쉬 크기의 80%)을 운반 가스로 공기를 포함하는 적절한 주입 장비를 사용하여 금속-슬래그 계면에 주입함으로써 슬래그 발포를 지원했습니다. 이전의 계산과 시행착오 절차를 통해 25kg/min에 해당하는 흑연의 질량 유량이 안정적인 거품을 생성하기에 충분하다는 것을 발견했습니다. 이보다 높은 값은 발열 초기에 심한 슬래그 슬로핑을 촉진하여 작업장에서의 작업에 영향을 미치고 불안정한 전기 아크를 만들어 고전압 및 저전류의 긴 아크로 작업을 방해합니다.

EAF 제강 공정에서 긴 아크 작동은 거품 슬래그 작업과 함께 발생합니다. 탄소 주입을 통해 슬래그를 발포함으로써 슬래그 층의 높이가 아크를 완전히 덮을 때까지 올릴 수 있으며, 아크 복사와 플레어를 차단하고 열을 욕조로 전달하고 측벽의 열 부하를 줄일 수 있습니다. 그러나 양호한 발포 슬래그를 유지할 수 없는 경우 로 구조에 대한 손상 위험을 피하기 위해 2차 전압과 따라서 아크 길이를 줄이는 것이 바람직합니다.

슬래그 발포 현상은 슬래그의 반응으로 인한 슬래그의 특성과 가스 발생률에 따라 달라집니다. 따라서 슬래그에서 거품을 얻으려면 가스 흐름이 필요합니다. 탄소(C)와 기체 산소(O2)가 슬래그와 금속 수조에 각각 첨가될 때 가스 흐름이 생성됩니다. 안정적인 작동을 위해서는 발포 높이 조절이 필요합니다.

슬래그의 물리적 특성(구성 및 온도의 영향)에 따라 발포가 다양한 정도로 발생합니다. EAF 제강에서 탄소(코크스 또는 석탄 형태)가 슬래그 층에 추가되는 것은 매우 일반적입니다. 탄소 소비는 Boudouard 반응을 통해 일어나므로 CO 생성 속도는 반응이 정상 상태에 도달하면 EAF 슬래그에 탄소가 추가되는 속도에 비례합니다.

슬래그의 발포는 용해로로 들어가는 가스 흐름에 의해 크게 영향을 받지만 슬래그 특성에 의해서도 영향을 받으며, 슬래그 특성은 점도, 밀도 및 표면 장력에 의해 제어됩니다. 이러한 물리적 특성은 시스템의 온도와 슬래그 조성에 따라 달라집니다.

EAF 공정의 경우 슬래그의 조성은 강종과 사용되는 정제 방법에 따라 다릅니다. 슬래그의 구성을 선택할 때 여러 가지 사항을 고려해야 합니다. 슬래그는 (i) 염기성 산화물(예:CaO, MgO 및 FeO), 산성 산화물(예:SiO2) 및 양쪽성 산화물(예:Al2O3)의 세 가지 범주로 나눌 수 있는 다양한 산화물로 구성됩니다. 염기성 슬래그의 경우 FeO의 함량은 일반적으로 15%~25% 범위의 최적 수준으로 간주됩니다. 슬래그에 거품을 형성하려면 거품이 상승하는 데 방해가 될 정도로 점도가 높아야 합니다. 적절한 점도를 얻으려면 슬래그의 적절한 염기도를 갖는 것이 중요합니다. 염기도는 일반적으로 산 성분에 대한 슬래그의 염기성 성분의 비율로 지칭된다. 기본 성분은 용융물에 O2 이온을 제공하고 산 성분은 이들을 결합합니다. 조성의 변화를 통해 점도를 변화시킬 수 있으며, 이는 CaO/SiO2의 비율을 변화시켜 슬래그의 염기도를 낮추거나 증가시킵니다.

점도 변화는 FeO 함량의 변화를 통해서도 달성될 수 있다. FeO의 양을 증가시키면 점도가 감소한다. 슬래그 점도를 수정하는 또 다른 방법은 석회를 첨가하는 것과 같이 슬래그에 있는 고체 입자의 양을 늘리는 것입니다. 슬래그 점도는 염기도가 증가함에 따라 감소하는 것으로 관찰되었으나 임계값을 초과하여 고상이 석출되면 다시 한번 증가한다. 따라서 고체 입자의 존재는 겉보기 점도의 증가에 기여합니다. 고체 입자는 또한 기포의 핵 생성 사이트 역할을 합니다. 그러나 과도한 양의 고체 입자는 기포가 슬래그를 통해 상승하는 것을 방지합니다.

액체 시스템에서 표면 또는 계면 장력의 기울기가 운동을 유발할 수 있습니다. 이를 마랑고니 효과라고 합니다. 슬래그와 액체 금속 사이의 계면에는 일반적으로 계면 장력의 큰 기울기가 있습니다. FeO의 농도는 CO를 형성하는 반응이 일어나는 슬래그와 금속 사이의 계면에서 나머지 슬래그보다 낮은 것으로 간주됩니다. FeO 함량이 적으면 표면 장력이 낮아져 마랑고니 효과가 발생하기 때문에 기포가 형성될 수 있습니다. 따라서 슬래그에 기포가 형성될 때 발생하는 새로운 표면을 생성하는 능력은 표면장력이 낮을 때 촉진됩니다.

표면 장력은 기포의 안정성과 관련하여 기포의 분해에도 영향을 미칩니다. 다양한 연구에 따르면 표면 활성 성분을 추가하면 안정성이 향상될 수 있습니다. 제강 공정에서 표면 활성 성분의 존재가 발포를 촉진하는 것으로 관찰되었습니다. 그러나 계면에서 CO 기포를 제거하는 데 도움이 되는 Marangoni 흐름은 표면 활성 요소 없이 생성될 수 있습니다. 슬래그의 밀도는 거품 높이에 영향을 미칩니다. 밀도가 낮다는 것은 밀도가 높은 슬래그에 비해 지지할 무게가 적어서 발포체의 높이가 더 높다는 것을 의미합니다. 하중을 견디기 위해서는 표면에 탄성이 있어야 합니다. 이는 다양한 표면 장력을 유발하는 표면 활성 요소를 추가하여 달성할 수 있습니다.

제강 작업에서 발포 슬래그는 환원 반응, (i) CO2 + C(s) =2CO(Boudouard 반응), (ii) CO + Fe2O3 =CO2 + 2FeO, (iii) CO를 통한 CO 기포 생성으로 인해 발생합니다. + FeO =CO2 + Fe, (iv) C(s) + FeO =CO + Fe. Boudouard 반응과 고체 탄소에 의한 FeO의 환원은 고도의 흡열 반응인 반면, CO에 의한 Fe2O3의 환원은 에너지 중립적이며 CO에 의한 FeO의 환원은 약간만 발열 반응입니다. 산화철은 기체 산소가 아니라 탄소 연소에 필요한 산소 성분의 공급원이므로 슬래그 발포를 위해서는 강조의 일부 산화가 필요하다는 점에 유의하는 것이 중요합니다.

슬래그 발포의 원동력은 EAF의 용융 정제 과정에서 발생하는 CO에 의해 제공되는 공압 에너지입니다. 슬래그 발포 공정에서는 탄소를 슬래그에 주입하고, 슬래그 내의 산화철(FeO)과 반응하여 일산화탄소(CO)를 생성하여 슬래그를 발포합니다. 반응은 C(주입) + (FeO) =Fe + CO에 의해 주어집니다. 발포를 위한 CO는 또한 반응 C(금속 내) + 1/2 O2 =CO에 의해 주어진 금속의 탈탄에 의해 생성됩니다. 이러한 반응이 원인입니다 CO 형성을 위해. 두 번째 반응은 기체상 산소와 수조 내의 탄소 사이의 직접적인 반응을 나타내는 반면, 첫 번째 반응은 슬래그 내의 탄소에 의한 직접적인 산화철 환원 반응이다. 이러한 모든 반응은 금속 슬래그, 탄소 및 기체상 사이의 물질 이동을 위한 교반 에너지를 제공하는 CO 형성제로서 슬래그 발포의 필요 조건으로 간주할 수 있습니다. 일부 반응은 (i) CO + Fe2O3 =CO2 + 2FeO 및 (ii) CO + FeO =CO2 + Fe와 같은 CO 소비자이며, 이는 Boudouard 반응 CO2 + C(s) =2CO로 제어할 수 있습니다.

이러한 반응의 사이트는 (i) 슬래그-금속 계면, (ii) 가스-금속 계면, (iii) 탄소 슬래그 계면, (iv) 슬래그-가스 및 탄소-가스 계면에서와 같이 위치할 수 있습니다. . 그림 1은 EAF에서 슬래그 발포에 대한 화학 반응의 개략도를 보여줍니다. 다이어그램은 EAF에서 철강 용융 정련 과정에서 탄소 주입 시 반응 사이트를 보여줍니다. 다이어그램에서 CO 형성은 탄소질 물질의 크기, 유형 및 질량 유량, 운반 가스의 유량, 수조의 탄소 함량, 슬래그 화학 및 슬래그-금속으로 구성된 여러 공정 변수의 매우 복잡한 기능임을 알 수 있습니다. 계면 영역 등

그림 1 EAF에서 슬래그 발포에 대한 화학 반응의 개략도

한편, 슬래그의 발포를 위해서는 또 다른 조건이 충족되어야 한다. 이 조건은 정련 온도에서 제강 슬래그의 수송 특성(거품 안정성에 영향을 미침)과 직접 관련이 있습니다. 슬래그의 FI는 이러한 특성을 결정합니다. FI는 시간 단위, 즉 초로 측정되며 슬래그 화학의 함수입니다. 슬래그의 FI에 대한 안정성 곡선은 그림 2에 나와 있습니다. 곡선에서 추론한 내용은 다음과 같습니다.

• 산슬래그는 균질 발포라고 할 수 있는 가장 높은 발포 지수 형성 능력을 가지고 있습니다.
• 산화철 함량이 낮은(10% 미만) 슬래그는 고도로 산화된 슬래그(모든 염기도에서 FeO 40% 이상)보다 더 안정적인 거품을 형성하므로 비발포 슬래그라고 할 수 있습니다.
• 낮은 산화철 함량에서 슬래그 염기도는 발포 안정성에 강한 영향을 미칩니다. 더 높은 염기도에서 주어진 산화철 함량에서 FI는 감소합니다. 높은 산화철 함량에서 슬래그 염기도는 아무런 역할을 하지 않습니다.
• 석회 포화 구역 근처에서 중간 산화철 함량과 높은 염기도를 갖는 슬래그도 중간 FI를 가지며 석회 용액의 고체 입자의 존재는 거품 형성을 안정화하는 데 도움이 될 수 있습니다. 이러한 이유로 이 영역을 불균일 발포라고 할 수 있습니다.

그림 2 제강 슬래그의 기포성

그림 2는 또한 슬래그 조성과 발포를 보여줍니다. 액체 슬래그에 부유하는 고체 입자는 점도에 영향을 미칩니다. 일반적으로 액체 슬래그에서 고형 입자의 부피 분율이 20%에 불과하면 슬래그 점도가 2배 증가하고 불균일 발포 영역은 그림과 같이 부분적으로 비발포 영역을 포함하여 상당히 확대될 수 있습니다. 그림 2의 점선으로.

탄소 주입 중 슬래그 발포를 보다 완벽하게 보기 위해 복합 슬래그에서 산화철 활동이 여러 연구의 주제였습니다. 이 연구는 다음을 보여줍니다.

• 산화철 활성도가 10% 미만인 균일한 발포 영역은 산화철 활성도가 낮을 ​​뿐만 아니라 주로 슬래그 내 실리카의 표면 활성 특성으로 인해 탄소에 의한 철 환원에 대한 강한 저항을 나타냅니다. 이 구역의 철 환원은 물질 전달 및 화학 반응 메커니즘에 의해 혼합 제어됩니다.
• 고산화 슬래그는 산화철 활성이 충분히 높지만 안정적인 거품을 형성하지 않기 때문에 탄소에 의해 쉽게 환원됩니다.
• 제강 슬래그의 정상적인 조성은 중간 거동을 관찰합니다. 그러나 최종 슬래그는 매우 산화되는 경향이 있습니다.

발포 슬래그를 유지하는 데 중요한 것은 슬래그의 상태를 모니터링하는 것입니다. 슬래그 발포가 처음 도입되었을 때 슬래그 발포가 수동으로 모니터링되었으며, 노 운영자는 눈과 귀를 사용하여 경험과 결합하여 슬래그가 올바른지 여부와 이를 수정하는 데 필요한 단계를 판단했습니다. 1980년대 중반부터 전자 모니터링 및 슬래그 발포의 컴퓨터 제어가 도입되었으며 아크 왜곡, 아크 노이즈 및 발광과 같은 몇 가지 가능한 신호가 연구되었습니다. 현재, 아크 왜곡은 필요한 센서와 프로그램이 정교한 전극 조절기와 통합되는 경우가 많기 때문에 거품 상태를 모니터링하기 위해 AC 퍼니스 작동에서 가장 널리 사용되는 신호인 것으로 보입니다. 많은 EAF는 더 나은 발포 슬래그가 더 안정적인 아크와 더 적은 고조파로 이어지기 때문에 아크에 의해 전기 공급에서 생성된 고조파를 발포 슬래그 모니터로 사용합니다. 거품 모니터링 방법으로 EAF에서 나오는 소리와 빛을 통한 모니터링도 시도되고 있다.

그러나 EAF의 발포는 특히 열의 정제 단계에서 제강 공정의 필수 요소가 되었습니다. 현재의 긴 아크 공정은 전극과 아크를 둘러싸고 있는 스크랩으로의 에너지 전달을 최대화합니다. 따라서 스크랩은 대부분의 아크 복사를 차단하고 측벽으로 거의 통과하지 않습니다.

그러나 스크랩이 녹으면 모든 아크 복사가 측벽에 충돌할 수 있습니다. 노출된 아크를 가능한 한 많이 덮음으로써 발포 슬래그는 이 에너지를 가로채서 벽에 도달하는 것을 방지하고 대신 강철 욕조로 전달합니다. 포밍 슬래그는 스크랩이 녹고 노 측벽과 지붕이 아크에서 방출되는 열에 점진적으로 노출되어 열의 정제 단계에서 최대 높이에 도달함에 따라 천천히 형성될 수 있습니다. 주입된 탄소와 CO는 또한 슬래그의 산화철을 금속성 철로 환원시키는 데 도움이 됩니다.