엘디 제강을 위한 개량된 랜스 document_id A220623107819

철강은 순산소 전로(basic oxygen furnace), 전기로(electric arc furnace), Kaldo 공정 등과 같은 많은 공정들을 통해 생산된다. 이들 가운데, 순산소 전로(basic oxygen furnace)나 LD 제강 공법은 공정의 효율성과 생산된 철강의 품질로 인하여 현재 전 세계적으로 널리 사용되고 있다. LD 제강 공법은 매우 높은 비율의 철과 함께 탄소, 인, 마그네슘, 망간, 알루미늄 등을 주요 불순물로써 포함하는 액상 선철(liquid pig iron)의 정련 공정이다. 상기 불순물들은 산화제로서 기상 산소(gaseous oxygen)를 사용한 산화 반응에 의해 제거된다. 상기 산소 가스는 다중 초음속 제트에 의해 구리 헤드(copper head)를 구비하는 수랭식 랜스를 통해 LD 용기에 주입된다. 또한, 아르곤 가스는 액상 금속을 완전하게 자극하기(stir) 위해 용기 바닥에 있는 파이프들(tuyres : pipes to carry air)을 통해 주입된다. 상기 랜스를 통해 용기 윗부분으로부터 산소 가스를 분사하고 용기 바닥을 통해 아르곤 가스를 주입하는 공정을 결합된 블로잉(blowing) 공정이라 한다. LD 용기 내에서의 정련 공정은 다음과 같은 방법으로 요약될 수 있다. 액상 선철은 금속 스크랩(scraps)과 함께 용기 내로 주입된다. LD 용기 내에서 일어나는 대부분의 반응들은 발열 반응이고 전체적인 LD 제강 공법은 자가생성공정(auto-generation process; 즉, 외부로부터 열 공급을 요하지 않음)이기 때문에 상기 금속 스크랩들은 쉽게 용해될 수 있다. 또한 플럭스(flux)로서 일산화 칼슘(CaO)이 일산화 칼슘 대 이산화 규소(SiO2)의 중량비로서 정의된 필요한 염기 비율에 따라 첨가되고 액상 금속 위에 산소 가스의 분사(blowing)가 시작된다. 상기 불순물들이 산화되고, 탄소 산화물 이외의 산화물들은 액상 금속 위에 부동하는 액상 슬래그(slag)를 형성한다. 탄소는 액상 슬래그를 통과하는 일산화 탄소(CO)로 산화된다. 이 때문에 상기 슬래그 층(layer)은 체적이 증가하고, 일반적으로 "슬래그 폼(slag foam)"이라 불리는 것을 형성한다. 상기 슬래그 폼은 액상 슬래그와 액상 금속으로부터 방출된 가스 및 액상 금속 표면에 산소 제트를 충돌함으로써 용기 내로 분출된 액상 금속 액적을 포함한다. 이처럼 형성된 상기 폼(foam)은 랜스 헤드를 완전히 덮고 있고 랜스 자체를 부분적으로 덮고 있어 용기의 큰 부피를 차지한다. 상기 폼은 액상 금속과 슬래그 사이에 큰 계면 영역을 만들고 이에 의해 탈인(dephosphorization)과 같은 계면 반응들을 촉진시킨다. 상기 LD 제강 공법은 매우 동적이고 상기 용기 내의 상태들이 산소분사기간 동안 지속적으로 변하기 때문에 상기 산소 랜스의 제어는 필수적이다. 따라서 상기 산소 랜스는 초음속 제트의 충돌 강도를 제어하기 위하여 랜스의 높이(heights)를 달리하여 운용된다. 상기 랜스의 높이는 분사 시작 전에 평평한 액상 금속 표면에 대한 랜스 팁(tip)의 거리로서 정의된다. 분사 시작 시점에, 제강업자의 주요 관심은 액상 슬래그를 빨리 형성하고 용기에 가득 찬(charged) 일산화 칼슘(CaO)을 완전히 용해하는 것이다. 이 단계에서 탄소의 산화는 바람직하지 않기 때문에 강한 분사나 낮은 랜스 높이는 불리할 것이라는 것을 알 수 있다. 따라서, 상기 랜스는 더 높은 높이 예를 들면 초기 랜스 높이는 2.2m에서 운용된다. 초기 기간 동안, 상기 슬래그는 필요한 화학적,물리적 특징들을 가지고 포밍(forming)을 시작한다. 현재, 거품 형태의 슬래그만이 상기 슬래그와 금속 사이의 계면 영역을 증가시킴으로써 중요한 탈인(dephosphorization) 반응을 촉진시키기 때문에 탄소를 산화하여 더 많은 일산화 탄소(CO) 가스를 생성함으로써 거품형태의 슬래그를 만드는 것이 필요하다. 따라서, 상기 랜스 높이는 강한 분사를 제공하기 위해서 감소 된다. 상기 감소된 높이는 약 1.5m 이다. 이 단계에서 탈인 반응이 관여하는 한, 금속 액적의 생성 역시 매우 중요하다. 주로, 대부분의 분사가 탄소의 산화를 촉진시킬수 있도록 상기 랜스는 이와 같이 짧은 높이에서 운용된다. 최종 분사 단계 동안, 철강 내 탄소 함유율이 매우 낮고 일산화 탄소(CO) 가스의 발생이 많이 감소 된다. 상기 슬래그는 일산화 탄소 가스가 발생하지 않기 때문에 더 이상 거품 형태가 아니고 두꺼운 액상 슬래그 층이 금속 표면 상부에 형성되는 것으로 이해할 수 있다. 이 단계에서 강한 분사와 액상 금속 액적의 생성은 분사 이전 단계에서 언급한 이유와 동일한 이유로 인해 바람직하지 않다. 따라서, 상기 랜스의 높이는 좀 더 약한 분사를 제공하기 위해서 초기 랜스의 높이로 다시 증가 된다. 상기 설명을 통하여, LD 용기 내로 분사가 이루어지는 동안 상기 랜스의 물리적인 요구사항들이 완전히 변한다는 점은 분명하다. 분사의 몇몇 단계에서, 액적의 생성은 매우 중요하지만, 몇몇 다른 단계에서는 상기 액상 금속 액적의 생성은 상기 LD 용기의 운용을 불리하게 하거나 해롭게 할 수 있다. 상기 랜스가 용기 내로 산소 가스를 단순히 제공하는 것 이상의 훨씬 큰 역할을 한다는 점은 분명하다. 상기 랜스의 적절한 구조(design) 및 분사가 이루어지는 동안의 제어는 제강 공정의 효율성을 크게 향상시킬 수 있고 그에 따라 생산된 철강의 품질을 강화할 수 있다. 상기 랜스는 구리로 만들어지고 노즐들이 고정되어 있는 분리 가능한 헤드(head)를 구비하고 있다. 노즐들을 통해 용기 내로 마하 2.0-2.4 범위의 초음속으로 산소가 분사된다. 상기 랜스 내의 초음속 노즐들의 수는 용기의 크기, 투입량, 다른 운용 조건들을 기초로 결정된다. 전형적인 랜스는 제트 응집을 최소화하기 위하여 종축으로부터 17.5o 경사진 6개의 초음속 노즐을 구비할 수 있다. 상기 노즐들은 마하 2.2의 방출 속도를 가진 초음속 제트를 생성할 수 있도록 설계된다. 모든 노즐들은 압력이 13.5 바(bar)인 하나의 산소 공급기를 구비한다. 상기 사용된 랜스는 LD 용기 내의 고온으로부터 손상되는 것을 방지하기 위해 수랭식이다. 상기 LD 용기 내에서 탈인 반응을 향상시킬 필요성이 존재한다. 이미 언급한 바와 같이 분사(blow)하는 동안 상기 랜스 구조와 제어는 제강 공정과 생산된 철강의 품질 향상에 상당한 영향을 가질 것이다.