KR101504280B1 - 전기로 용융 슬래그 중 산화철 함량 예측방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전기로 공정에서 용융 슬래그 중 산화철 함량 예측방법로서, 더욱 상세하게는 용융 슬래그에서 산화철 함량의 예측을 제어하는 전기로 용융 슬래그 중 산화철 함량 예측방법에 관한 것이다. 본 발명의 일실시예는 전기로 조업에서 용융 슬래그 중 산화철의 함량 예측방법으로서, 상기 전기로 출강 전 용융 슬래그의 탄소 함량 C(%)와 용강 온도 T(℃)를 측정하는 단계와, 상기 탄소 함량 및 용강 온도를 이용한 하기 관계식을 통해 용융 슬래그 중 산화철 함량을 예측하는 단계, 를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기로 조업에서 용융 슬래그 중 산화철의 함량 예측방법을 제공한다.
(관계식)
산화철 함량(wt%)=231-(0.129×T)-(0.702×C)

Description

전기로 용융 슬래그 중 산화철 함량 예측방법{METHODE OF FeO PREDICTION FOR MOLTEN SLAG IN ELECTRIC ARC FURNACE}

본 발명은 전기로 공정에서 용융 슬래그 중 산화철 함량 예측방법으로서, 더욱 상세하게는 용융 슬래그에서 산화철 함량의 예측을 제어하는 전기로 용융 슬래그 중 산화철 함량 예측방법에 관한 것이다.

일반적으로 전기로(電氣爐, electric furnace)는 열을 발생시켜 쇠를 녹이는 가열로를 뜻하며, 이 녹이는 과정을 제강(製鋼)이라 하고, 제강의 공정에 있어서 한 번 용융한 후 형에 넣어 응고시킨 것을 용강이라 한다.

도 1에서 도시한 것과 같이, 전기로(10)는 노체(11), 덮개(14), 환원제공급부(16), 산소공급부(17)가 포함되어 이루어진다.

전기로(10)는 전열(電熱)을 이용하여 피용융재인 철 스크랩을 가열하는 노로, 전극부(15)로부터 철 스크랩에 아크 형태로 전류를 흘려보내 철 스크랩을 가열시킨다.

노체(11)의 일측에는 노체(11)의 내부에 수용되는 슬래그를 배출시키는 배재구(12)가 형성되고, 노체(11)의 하부에는 노체(11)의 내부에 수용되는 용강을 래들로 배출시키는 출강구(13)가 형성된다.

노체(11)의 상부에는 노체(11)와 선택적으로 결합되는 덮개(14)가 구비되며, 덮개(14)에는 철 스크랩을 용융시키기 위한 전극부(15)가 구비된다.

산소공급부(17)는 작업구인 산소랜스(17a)와 버너(17b)가 포함되고, 환원제공급부(16)는 작업구인 탄소랜스(16a)와 카부젯(16b)이 포함되어 이루어진다.

한편, 전기로 공정에서 슬래그에는 산화규소(SiO₂), 산화알루미늄(Al₂O₃), 산화마그네슘(MgO), 산화망간(MnO), 산화철(FeO)이 포함된다.

그런데, 산화규소, 산화알루미늄, 산화마그네슘, 및 산화망간의 함유량을 결정하는 원료인 생석회와 돌로마이트(dolomite)는 매 히트별로 거의 동일하게 투입되기 때문에, 이들 성분의 함유량이 조업 중 크게 변화하지 않는다.

그러나, 슬래그 중 산화철의 함유량을 결정하는 탄소의 산소의 투입량은 슬래그의 상태에 따라 가변 범위가 크기 때문에, 산화철의 함유량은 조업 중 크게 변화하는 경우가 많다.

슬래그 중 산화철의 함유량은 슬래그의 과산화 정도를 파악하는 기준으로서, 제강 회수율, 슬래그 포밍 제어 등에도 큰 영향을 끼치기 때문에, 산화철의 함유량 변화를 정확히 측정하거나 계산하는 것은 전기로 조업시 중요하다.

이러한 슬래그 중 산화철 함량을 예측하기 위한 방법으로 종래에는 육안관찰이 사용되었다. 육안관찰은 작업자가 슬래그의 겉보기 높이를 육안으로 관찰하는 방법으로서, 작업자는 이러한 방법으로 산화철의 함량을 예측하여 환원제의 투입량을 결정하게 된다.

그러나, 위와 같은 방법은 작업자의 주관적인 판단이 개입되기 때문에, 작업자에 따라 배출 슬래그 중 산화철의 함량이 상이하게 되는 문제가 있었다.

다른 방법으로서, 출강 직전의 용강에 대해 용존 산소를 측정하여 산화철의 함량을 예측하는 방법도 개발되었다.　 용존 산소는 용강과 슬래그의 평형에 의해 산화철의 함량과 비례관계에 있기 때문이다.

그러나, 용강 성분이 일정한 전로 공정과는 달리, 전기로에서는 용강 성분 변동이 크기 때문에 용존 산소만으로 산화철의 함량을 충분히 정확하게 예측하는 것은 곤란하였다.

본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명은 전기로 제강공정의 출강 전 산화철 함량을 예측할 수 있는 전기로 용융 슬래그 중 산화철 함량 예측방법을 제공하는 것이다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시예는 전기로 조업에서 용융 슬래그 중 산화철의 함량 예측방법으로서, 상기 전기로 출강 전 용융 슬래그의 탄소 함량 C(%)와 용강 온도 T(℃)를 측정하는 단계와, 상기 탄소 함량 및 용강 온도를 이용한 관계식인 “산화철 함량(wt%)=231-(0.129×T)-(0.702×C)”을 통해 용융 슬래그 중 산화철 함량을 예측하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기로 조업에서 용융 슬래그 중 산화철의 함량 예측방법을 제공한다.

본 발명의 일실시예에 따르면, 전기로 출강 전에 측정하는 용강 탄소와 용강 온도를 변수로 하여 산화철 함량을 예측할 수 있는 식이 구해지므로, 측정장비의 원가를 절감하여 제강공정의 효율성이 극대화되는 효과가 있다.

또한, 슬래그 성분관리를 효과적으로 진행할 수 있기 때문에 용강의 품질 향상으로 인한 경제적인 전기로의 공정을 구현할 수 있다.

본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

도 1은 종래의 전기로를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2(a)는 용강 탄소와 출강 전 산화철 함량과의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 2(b)는 용강 온도와 출강 전 산화철 함량과의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 3(a)는 본 발명에 따라 도출된 1차 관계식인 “산화철 함량(wt%)=200-(0.108×T)-(0.923×C)”를 통한 산화철 함량 계산값과 분석값의 비교를 나타낸 그래프이다.
도 3(b)는 도 3(a)를 분포 히스트그램으로 나타낸 그래프이다.
도 4(a)는 본 발명에 따라 도출된 최종 관계식인 “산화철 함량(wt%)=231-(0.129×T)-(0.702×C)”를 통한 산화철 함량 계산값과 분석값의 비교를 나타낸 그래프이다.
도 4(b)는 도 4(a)를 계산-분석 히스토그램으로 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명에 따른 최종 관계식인 “산화철 함량(wt%)=231-(0.129×T)-(0.702×C)”의 도출에 사용되지 않은 산화철 함량 계산값과 분석값의 비교를 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명에 따른 전기로 용융 슬래그 중 산화철 함량 예측방법이 적용된 일실시예를 나타낸 도면이다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.

본 실시예는 전기로 용융 슬래그 중 산화철 함량 예측방법의 목적을 달성하기 위함이다.

이를 위해, 본 실시예에서는 제 1단계로 전기로 출강 전 용융 슬래그에서 용강 온도 T(℃)와 탄소 함량 C(%)를 측정한다. 여기서, 용강 온도와 탄소 함량은 예컨데 출강 직전의 용강에 프로브를 삽입하여 측정할 수 있다.

제 2단계로 측정된 용강 온도와 탄소 함량을 이용하여 하기 관계식을 통해 용융 슬래그 중 산화철 함량을 예측한다.

(관계식)

산화철 함량(wt%)=231-(0.129×T)-(0.702×C)

위와 같은 방법으로 측정된 산화철 함량을 이용하여 환원제 투입량을 조절하는 등 조업 조건을 제어할 수 있다.

이하에서는 상기 관계식을 도출하게 된 경위를 상술하기로 한다.

도 2(a)는 용강 탄소와 출강 전 산화철 함량과의 관계를 나타낸 그래프이고, 도 2(b)는 용강 온도와 출강 전 산화철 함량과의 관계를 나타낸 그래프인 바, 이를 바탕으로 설명한다.

먼저, 도 2(a)에서 도시한 것과 같이, 용강 탄소 함량은 출강 전 산화철 함량과 일정한 비례관계에 있다.

그리고, 도 2(a)의 A에 나타낸 샘플에 대해 산화철 함량과 용강 온도의 관계를 살펴보면, 도 2(b)와 같이, 비례관계에 있음을 알 수 있다.

즉, 도 2의 용강 탄소 함량, 용강 온도와 출강 전 산화철 함량과의 관계 그래프로 인해 용강 탄소 함량과 산화철 함량이 비례 관계이고, 같은 값의 용강 탄소 함량에서 산화철 함량은 용강 온도와 비례 관계에 있음을 알 수 있다.

도 3(a)는 1차 관계식인 "산화철 함량(wt%)=200-(0.108×T)-(0.923×C)"를 통한 산화철 함량 계산값과 분석값의 비교를 나타낸 그래프이고, 도 3(b)는 도 3(a)를 분포 히스트그램으로 나타낸 그래프인 바, 이를 바탕으로 설명한다.

산화철 함량이 용강 탄소 함량과 용강 온도와 일정한 비례관계를 성립하므로, 본 실시예에서는 산화철 함량에 대해 용강 탄소 함량과 용강 온도와의 회귀분석을 실시하여 1차 관계식인 "산화철의 함량(wt%)=200-(0.108×T)-(0.923×C)"을 도출하였다.

여기서, 용강 탄소 함량과 용강 온도가 변수로 적용되고, 전술된 1차 관계식의 T(℃)는 용강 온도, C(%)는 용강 탄소 함량을 나타낸다.

도 3(a)에서는 1차 계산식에 의한 출강 슬래그 중 산화철의 함량을 실선으로 나타냈고, 실제 출강 슬래그로부터의 분석값을 복수의 원으로 나타냈는데, 이를 통해 산화철 함량 계산값과 분석값은 큰 차이가 없음을 알 수 있다.

그리고, 작업자는 출강 슬래그 중 산화철의 함량을 계산하는 계산식을 통해 원하는 출강 슬래그 중 산화철의 함량을 조절할 수 있다.

또한, 도 3(a)에서 나타낸 빈도분포의 자료를 분포 히스토그램의 막대그래프로 나타낼 수 있는데, 도 3(b)에서와 같이, 평균 0.6748, 표준편차 2.785, 빈도(N) 21의 값을 갖는 정규분포도로 올바르게 형성됨을 알 수 있다.

도 4(a)는 본 발명에 따라 도출된 최종 관계식 “산화철 함량(wt%)=231-(0.129×T)-(0.702×C)”를 통한 산화철 함량 계산값과 분석값의 비교를 나타낸 그래프이고, 도 4(b)는 도 4(a)를 계산-분석 히스토그램으로 나타낸 그래프인 바, 이를 바탕으로 설명한다.

전술된 도 3을 바탕으로, 도출된 1차 관계식의 오차범위를 줄여 최종 관계식을 도출하도록 오차범위 ±2(wt%)의 산화철 함량 데이터값을 다시 회귀분석한다.

이를 위해, 1차 관계식이 적용되지 않은 슬래그를 다시 채취하고, 슬래그의 탄소 함량 C(%)와 용강 온도 T(℃)를 측정하여 1차 관계식의 정확도를 분석한다.

그리고, 1차 관계식의 오차범위를 줄이도록 탄소 함량 및 용강 온도를 이용한 최종 관계식인 "산화철의 함량(wt%) = 231-(0.129×T)-(0.702×C)"를 통해 용융 슬래그 중 산화철 함량을 예측한다.

이때, 도출된 최종 관계식 "산화철의 함량(wt%)=231-(0.129×T)-(0.702×C)"는 "결정계수(R²)= 94.8%"로 올바르게 설명됨을 알 수 있다.

그리고, 도 4(a)에서 도시한 빈도분포 그래프와 같이, 실선으로 나타낸 산화철 함량 계산값과 복수의 원으로 나타낸 산화철 함량 분석값은 1차 관계식이 적용된 도 3(a)에서의 결과보다도 더 작은 오차 범위를 형성하고 있음을 알 수 있다.

이를 통해, 작업자는 최종 계산식을 통해 원하는 출강 슬래그 중 산화철의 함량을 예측할 수 있다.

이때, 도 4(b)에서 도시한 것과 같이, 전술된 도 4(a)를 바탕으로 계산-분석 히스토그램을 나타낼 수 있고, 이를 통해 평균 -0.722, 표준편차 0.8293, 빈도(N) 15의 값을 갖는 정규분포도가 올바르게 형성된다.

한편, 도 5는 본 발명에 따른 최종 관계식인 산화철 함량(wt%)=231-(0.129×T)-(0.702×C)의 도출에 사용되지 않은 산화철 함량 계산값과 분석값의 비교를 나타낸 그래프이다.

도 5는 최종 관계식인 "산화철 함량(wt%)=231-(0.129×T)-(0.702×C)"의 도출에 사용되지 않은 전기로 슬래그의 분석값을 통해 최종 관계식의 적용가능성 여부를 판단한 빈도분포 그래프로써, 70%의 확률로 오차범위 ±2(wt%) 내의 정확도로 구현되었다.

여기서, 최종 계산식인 "산화철의 함량(wt%)=231-(0.129×T)-(0.702×C)"에 사용되지 않은 슬래그 분석값은 최종 계산식으로 인한 산화철의 함량 계산값과 서로 대응하는 범위의 결과값을 나타내고 있음을 알 수 있다.

도 6은 본 발명에 따른 전기로 용융 슬래그 중 산화철 함량 예측방법이 적용된 일실시예를 나타낸 도면이다.

본 실시예에 따라 최종 도출된 관계식 "산화철의 함량(wt%)=231-(0.129×T)-(0.702×C)"은 전기로 공정에 이용되는 제어시스템에 적용되어 구현될 수 있다.

따라서, 도 6에서 도시한 것과 같이, 전술된 최종 관계식의 변수 T에는 용강 온도를 입력하고, 변수 C에는 탄소 함량을 입력하게 되면 최종 관계식 ""산화철의 함량(wt%)=231-(0.129×T)-(0.702×C)"의 연산에 의해 산화철의 함량이 제어시스템 화면부에 구현됨을 알 수 있다.

또한, 작업자가 결과값을 명확하게 인지하고 구분할 수 있도록, 산화철 함량의 결과값 하측으로는 %단위로 구현되는 용강 탄소 함량과 ℃단위로 구현되는 용강 온도가 표시창으로 구현되어 이루어질 수 있다.

이때, 제어시스템 화면상에서 구현되는 산화철 함량, 용강 탄소 함량, 용강 온도 표시창의 배치는 전술된 구성으로 한정하는 것은 아니며, 작업현장에서 작업자가 전기로 공정의 흐름을 이해하여 다음 생산라인으로의 진행에 착오가 없도록 하는 구성이라면 공보기술로도 다양하게 위치조절되어 적용가능하다.

또한, 공정 중인 전기로의 상태를 작업자가 쉽게 인지하도록 제어시스템의 화면 일측에는 전기로 내의 온도, 자동 출강의 유무, 용강 중량 등의 표시창을 추가 배치시킬 수도 있다.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.

본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

10: 전기로 11: 노체
12: 배재구 13: 출강구
14: 덮개 15: 전극부
16: 환원제공급부 16a: 탄소랜스
16b: 카부젯 17: 산소공급부
17a: 산소랜스

Claims (1)

1. 전기로 조업에서 용융 슬래그 중 산화철의 함량 예측방법으로서,
   상기 전기로 출강 전 프로브(probe)를 통해 용융 슬래그의 탄소 함량 C(%)와 용강 온도 T(℃)를 측정하는 단계와,
   상기 탄소 함량 및 용강 온도를 변수로 이용한 하기 관계식을 통해 용융 슬래그 중 산화철 함량을 예측하여 환원제 투입량을 포함한 조업조건을 제어하는 단계,
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기로 조업에서 용융 슬래그 중 산화철의 함량 예측방법.
   (관계식)
   산화철 함량(wt%)=231-(0.129×T)-(0.702×C)

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