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호린 배
5 years ago
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1 제 18 차전기로제강기술교육 제강슬래그의열역학과응용 동아대학교신소재공학과강영조

2 강사소개 Name: Youngjo Kang Education B.S. in Metallurgical Engineering, Yonsei Univ., 2002 M.E. in Materials Engineering, The Univ. of Tokyo, Japan, 2004 Ph.D. in Materials Science and Engineering, Royal Institute of Technology, Sweden, 2004 Working Experiences Research Associate, IIS, The Univ. of Tokyo, ~ Senior Researcher in Steelmaking Research Group, Technical Research Laboratories, POSCO, ~ Assistant Professor, Dept. of Material Science and Engineering, Dong-A University, ~present

3 학교소개 부산에위치한사립종합대학교 1946 년 남조선대학 으로설립 이듬해 동아대학 으로승인및변경 2016 년이설립 70 주년 단과대학 11 개, 대학원 9 개, 독립학부 1 개 재적학생수 : 약 20,000 명

4 내용소개 슬래그의개념과기능 슬래그의특징과염기도 제철제강슬래그의역할과정련 제철제강슬래그의물리적성질 고로제철법과전기로제철법 제철제강공정별슬래그검토

5 금속제련 금속제련 : 광석으로부터금속을추출하여정련하는공정 금속제련법 건식제련 : 연료의연소열등을이용하여광석을녹는점이상으로가열, 고온에서의반응을이용하여간단한형태의금속을추출 습식제련 : 산, 알칼리등의수용액으로저온에서금속성분을추출 전해제련 : 전기에너지를이용하여금속성분추출

6 슬래그의개념 슬래그 (slag) 란? 건식제련으로광석으로부터금속분리시, 대상이되는금속이용융되면서분리되는광물성분등을포함한물질전반 금속중성분제어, 불순물제어 광석 SiO 2 고온 SiO 2 -MgO-Al 2 O 3 - 슬래그 FeO x Cr 2 O 3 MgO Fe-Cr-M- 용융금속 Al 2 O 3

7 슬래그의개념 슬래그의다른정의 Slags are formed when metals are extracted from ores which contain some gangue minerals such as SiO 2 and Al 2 O 3. Therefore, they consist of those gangues and fluxes added to improve their separation from the sought crude metals by lowering their melting points and viscosities 슬래그는규사와같은맥석을포함한광석으로부터금속을정제할때생성되며, 맥석이외에도슬래그의융점과점성을낮추어원하는금속과분리가용이하도록사용되는플럭스성분도포함된다.

8 슬래그의기능 슬래그의주요기능 용융금속중불순물을흡수제거 용융금속을대기로부터차단 용융금속의열손실감소 슬래그의요구조건 충분한불순물정련능력 용융금속상과분리용이 원료및에너지회수가능

9 슬래그의특징 슬래그의종류 광석용융환원슬래그 ( 고로슬래그, 동제련슬래그등 ) 제강슬래그 ( 탈린슬래그, 2차정련슬래그등 ) 연속주조몰드플럭스

10 슬래그의특징 슬래그의구성성분 산화물 or 규산화물 (-SiO 2 ), 황화물, 염화물 구성성분의존재상태 이온성용융체 (ionic melt) 로산화물은이온형태 Cl - Na + Cl - Cl - M+ Na + Na + Cl - Na + O - A x O 2zy+z O - A x O y+z 2z- M + M x O y xm + + y 2 O2 N x O y + zo 2 N x O y+z 2 S + xe S x 수용액 이온성융체

11 금속과비금속

12 금속과비금속 금속원소 전자를쉽게잃고양이온이되기쉬운원소 금속결합 : 자유전자가양이온사이를자유롭게이동 전기전도성 자유전자의존재때문에외력에의해변형이용이 Fe Fe Fe Fe Fe Fe Fe Fe Fe Fe

13 금속과비금속 비금속원소 전자를받아서음이온이되기쉬운원소 공유결합 : 이웃하는원자끼리부족한전자를공유하여최외곽전자를채워안정하게결합 전자가구속되어전도성이없으며취성이있음 C C C C N N Na Cl C

14 슬래그의특징 산화물의종류 슬래그내존재형태에따라분류 금속원소의산화물 전자를잃는경향이크므로 M x O y xm + + y 2 O2 : 염기성 예 ) SiO 2 준금속 / 비금속원소의산화물 전자와결합하는경향이크므로 예 ) CaO N x O y + zo 2 N x O y+z 2 : 산성 조건에따라다르게거동하는산화물 : 양쪽성 O 2- 이온에대한영향에따라구분가능

15 슬래그의염기도 슬래그의염기도 산성산화물에대한염기성산화물의비 구성산화물의종류에따라슬래그중금속의양이온와준금속의착음이온의양이변화 용융슬래그내이온들의존재상태및산소음이온의양 ( 활동도 ) 에따라슬래그의열역학적성질, 고온물성이변화 염기도 = 염기성산화물 산성산화물 B = wt%cao wt%sio 2

16 슬래그의염기도 Modified 염기도정의 Ladle 슬래그의염기도 B LF = wt%cao wt%sio 2 + wt%al 2 O 3

17 슬래그의미세구조 SiO 4 4- 사면체 (tetrahedron) 을기본으로하는네트워크구조 염기성산화물 : Si-O-Si 결합해리로구조변화

18 슬래그의역할 금속의정제련 금속중불필요한불순물의제거하고원하는순도의금속을얻는과정 주로산화, 환원반응으로통하여불순물원소를슬래그층으로분리시킴 산화정련 : 산소와친화도가높은불순물원소를산소와결합시키거나산화경향이있는원소를양이온화시킴 환원정련 : 환원경향이있는원소를음이온상태로만듬 슬래그 M x O y M A x- A 용융금속

19 슬래그에의한정련 용선의탈 P 반응 P: 용강중대표적인불순물로정련이용이하지않고잔류할경우결정입경계에석출하여제품의강도및가공성을열화시킴 준금속이기때문에산화정련, 환원정련모두가능 산화정련반응식 5 2P O2 P2O 5 2 H 0 2P 5FeO P O5 2 엔탈피증가, 발열 온도가낮을수록유리 산소이온이필요하므로고염기도일수록유리 산소이온와결합하여착이온생성 5Fe

20 슬래그에의한정련 실제탈린반응 탈린능향상조건 온도가높을수록유리 염기도가높을수록유리즉, %CaO를높게한다. (%T.Fe) 가높을수록유리 노체수명고려 슬래그유동성이좋을수록유리 CaF2등이용 P2O5의활동도계수가낮을수록유리

21 슬래그에의한정련 용선의탈 S 반응 S: 탄소계환원제등의원료로부터용이하게혼입되며강제품의열간가공성을열화시키는대표적인불순물원소임. 표면및계면에농축되는성질을지님. 비금속이기때문에환원정련 환원정련반응식 S O 2- S 2- O 산소이온이필요 H 0 S CaO CaS O 산소이온이필요하므로고염기도일수록유리 엔탈피감소, 흡열 온도가높을수록유리

22 슬래그에의한정련 실제탈황반응 탈황능향상조건 슬래그중산소이온의활동도증가 염기도증가 황화물의활동도및활동도계수감소 CaS 고정 용선중산소농도감소 온도가높을수록유리

23 슬래그에의한정련 염기성슬래그의특징 P, Si, Ti, Cr, Al의산화촉진 S의환원정련촉진 C, Mn 산화억제 Fe 산화촉진 (Fe 실수율저하 ) 산성산화물계개재물 (SiO 2, Al 2 O 3 등 ) 포집능우수 낮은점성도로유동성우수

24 Sulfide capacity 슬래그 capacity

25 Sulfide capacity 슬래그 capacity

26 슬래그 capacity Phosphate capacity : 탈린반응 (ionic slag model) K 1 = = a PO p 2 P2 p 4 O2 a O 2 f PO4 3 %PO p P 2 p 2 O 4 a 2 O L P = wt%po 4 3 wt%p = C PO4 3 f P p O2 5 4 K 1 2 P 2 P PO 4 3- 활동도계수, 산소이온활동도 유리 Capacity: 슬래그의고유성질, 조성과온도만의함수 분배비 : 상황과조건에따라변화

27 슬래그 capacity Phosphate capacity 슬래그조성과온도가 P 2 O 5 활동도계수에미치는영향 FeO 농도가 P 분배비에미치는영향

28 슬래그의성질 슬래그의기본적성질 ( 화학적 ) 평형상, 생성에너지, 활동도등 ( 물리적 ) 융점, 밀도, 열용량등 측정데이터가풍부 슬래그의고온물성 (physical properties) 점성, 전기전도도, 표면 / 계면장력, 열전도도등 금속제련공정에중요한 Factor 액상에있어서의데이터가중요 측정치가불충분

제조공정 F A dv dy Advanced Water Distribution Modeling

29 슬래그의물리적성질 점성 ( 점도, viscosity) 이란 유체 ( 주로액체 ) 의흐르기어려운정도, 혹은끈적이는정도를나타내는물질정수 슬래그를수반한용융금속프로세스, glass 제조공정 F A dv dy Advanced Water Distribution Modeling and Man agement 1st Ed. Haestad Press

Ji: Doctoral Thesis, KTH, Sweden, 1998 K. C.

30 슬래그의물리적성질 점성의측정방법 Capillary method Falling-body method F. Ji: Doctoral Thesis, KTH, Sweden, 1998 Oscillating method F. Ji: Doctoral Thesis, KTH, Sweden, 1998 K. C. Mills: Slag Atlas, 2nd Ed. Verlag Sthleise n GmbH, 1995 Rotating-cylinder method M nh r r 2 i 0

31 슬래그의물리적성질 점성의미세구조적해석 Aexp G RT : Arrenius 관계식 N. P. Bansal et al.: Handbook of Glass Pr operties, Academic Press, 1986

32 슬래그의물리적성질 표면 / 계면장력 : 자발적인현상 ( 모세관현상 ) T. Tanaka: Ferrum, 8(2003), no.3, 31 표면 / 계면장력의단위 N/m: 단위길이당힘 J/m 2 : 단위면적당에너지 T. Tanaka: Ferrum, 8(2003), no.2, 80

33 슬래그의물리적성질 표면 / 계면장력측정 : 정적법 (sessile drop) T. Tanaka: Ferrum, 8(2003), no.3, 31 기타측정방법 최대기포법 링견인법 콘견인법

34 슬래그의물리적성질 열전도도 열전도기구 : 전도 (conduction), 대류 (convection), 복사 (radiation) Fourier의식 Q dt q A dx 열확산계수와의관계 제철제강공정중슬래그열전도도 연속주조중용강 - 몰드간열전달 용융슬래그의냉각과정제어 ac p Heat

35 슬래그의물리적성질 용융슬래그의측정방법 정상상태측정 비정상상태측정 : laser flash method, hot-wire method 측정시간이짧고발열면적이작아대류와복사의영향제어 Radial heat flow method Laser flash method Hot-wire method

36 제철제강공정소개

37 제철제강공정소개

38 고로제철법과전기로제철법 고로제철법 전기로제철법 주원료철광석 + 코크스 + 석회석고철 ( 스크랩 ), 직접환원철 용량대용량중 소용량 조업방법철광석으로부터철을환원철스크랩을용해하여제조 장점 1. 철강의성분을조정해여러가지용도의철강을생산 2. 고품질의철강생산가능 단점 1. 초기투자비용과다 (~3 조원 ) 2. 환경오염부담 1. 적은건설비부담 (~1 조원 ) 2. 조업의유연성으로경제적생산가능 3. CO 2 미배출친환경조업 주요제품판재류 ( 후판, 냉연 열연강판 ) 봉형강류, 철근 사업적특징 초기투자비가크나우수한품질로마진율이높음 1. 전기료부담 (1~4 천억 / 년 ) 2. 고로방식대비철강반제품의품질열위 조업상유연성은있으나제품의이익율은낮은편

39 제선공정

40 고로슬래그 용선 슬래그 Fe 95% CaO 42% C 4.5% SiO 2 34% Si 0.5% Al 2 O 3 14% P 0.1% MgO 8% S 0.03% S 1.3% N 0.004% MnO 0.7%

41 고로슬래그의점성 고 Al 2 O 3 철광석사용시변화

42 용선예비처리공정

43 용선예비처리슬래그 탈린슬래그 고체산소, 기체산소로산화정련 2CaO SiO 2-3CaO P 2 O 5 multi-phase 슬래그

44 전로공정

45 전로슬래그 산소취련에따른슬래그성분변화 메탈 - 슬래그 emulsion 생성 탈탄촉진

46 STS 정련로슬래그 고 Cr 용강의탈탄과슬래그

전기로조업 전기로의기술개발방향 Issue 1 : 원료실수율증대 - 유가금속산화최소화및환원회수증대기술 (B/B, 산소취입최적화, 환원제취입등 ) - Dust, 밀스케일등의전기로내용융환원 Issue 2 : 에너지절감및조업시간단축 - 전력에너지저감기술 ( 조연버너 / 산소, 슬래그포밍, 스크랩예열등 ) -

47 전기로조업 전기로의기술개발방향 Issue 1 : 원료실수율증대 - 유가금속산화최소화및환원회수증대기술 (B/B, 산소취입최적화, 환원제취입등 ) - Dust, 밀스케일등의전기로내용융환원 Issue 2 : 에너지절감및조업시간단축 - 전력에너지저감기술 ( 조연버너 / 산소, 슬래그포밍, 스크랩예열등 ) - 고속용해기술 ( 통전패턴최적화, B/B 등 ) Issue 3 : 전기로용탕정련효율향상 - 전로대비열위한정련능극대화 - 후속 2 차정련및최종제품규격에적합한용탕제조 ( 탈황, 탈산등 ) Issue 4 : 친환경조업 - 전기로슬래그처리후부산물의재활용 - Dust 의유가금속회수 - CO 2 저감, 형석저감등

48 슬래그액상선변화 전기로슬래그

49 전기로슬래그 슬래그포밍 (foaming) Σ = k μ ρσ Σ: μ: ρ: σ: foam index viscosity density surface tension 슬래그열물성

50 슬래그포밍효과 전기로슬래그

51 2 차정련공정

52 탈산반응과개재물 용강의탈 O 반응 O 는용강중 C 제거를위하여전로의산소취련시혼입 용강중에잔류하게되면응고중용해도감소에따라최종제품의품질을저하시키는비금속개재물을형성 비금속개재물은압연등의후공정중표면결함유발 탈산 : 용존산소또는산화물의산소제거및무해화 산소친화도가높은금속원소를투입, 반응시켜분리 Al 탈산반응식 : 3O 2Al Al O 2 3 슬래그층으로분리필요

53 탈산반응과개재물 개재물의생성과공정별변화 탈산제 (Si, Al, Ti) Al O Mg Spinel(MgO Al 2 O 3 ) Slag CaO, SiO 2, Al 2 O 3, MgO, FeO x, MnO 탈산생성물 (SiO 2, Al 2 O 3, TiO 2 ) MgO Al 2 O 3 Molten steel O, Mn, Si, Al Ti

54 탈산반응과개재물 용강개재물제거모델 래들에부착 용강교반에의한충돌및합체, 부상 부상속도차에의한충돌및합체, 부상 가스기포에부착, 부상 합체 / 성장충돌, 응집, 반응 용강중부상밀도차기포에부착 용강으로부터분리슬래그및내화물부착

55 탈산반응과개재물 압연공정중개재물의변화

56 개재물조성제어 고융점개재물제어를위한조건최적화 정련로 (AOD) 슬래그염기도 래들내화물재질, 교반조건등

57 개재물조성제어 슬래그염기도와개재물조성간관계 Spinel 계개재물생성 mechanism

58 개재물흡수제거 개재물의슬래그용해과정

59 연속주조공정 Tundish Ladle 주요요소기술 용강유동제어 Dam & weir Impact pad 대표적용기술 Tundish Dam & weir 용강온도제어 용강재산화방지 Plasma 가열, 유도가열 Heat Exchanger Flux / Inert gas Mold Mold 주형진동 1 차냉각 SEN Mold powder Mold Taper 주요요소기술 용강유동제어 1 차냉각 동판 (Cu) 설계 대표적용기술 침지노즐 전자기활용 (EMBR, EMLS/EMLA) EMS 주형진동 High cycle-short stroke, Inverse / Non-sine Strand 2 차냉각 Soft reduction Mold powder Strand 강종별물성최적화 주요요소기술 대표적용기술 2 차냉각 Water Spray/Air mist Spray Dynamic 제어 주조조직제어 EMS Soft reduction

60 개재물과노즐막힘 침지노즐막힘현상 (Nozzle clogging)

61 개재물과노즐막힘 노즐막힘부관찰결과 liquid MA Spinel TiN TiO 2 CaTiO 3 TiN MA Spinel liquid

62 개재물의응집

63 연속주조중슬래그 몰드플럭스 (mold flux) Mold 내용강면위에공급하는인공 Slag 용강면과응고 Shell 과 Mold 간에혼입 Mold Flux 의주요기능 용강표면에대한보온 (Thermal Insulator) 대기에의한재산화방지 (Prevention of Reoxidation) 개재물의흡수 (Absorption of Inclusion) 응고 Shell 과 Mold 간의윤활작용 (Lubrication) 응고 Shell 과 Mold 간의열전달제어 (Heat Transfer)

64 용강과몰드플럭스간반응 4Al in steel + 3SiO 2 in flux = 3Si in steel + 2Al 2O 3 in flux 고 Al 용강 ( 경량강판용 )

65 맺음말 철강제련공정의성공적인제어를위해서 개재물 내화물 용강 Slag 슬래그 Inclusions 열역학적성질 염기도, basicity 물리적성질 Molten metal Refractories

- Content -

내화물의 일반적인특성 포스렉 R&D CENTER 1 - Content - 1. 내화물의종류 2. 내화물제조공정도 3. 각설비별내화물적용사례 2 1. 내화물의분류 1-1. 화학성질상분류 [ 산성내화물 : R(R:Metal ion) O 2 ex: SiO 2 ] [ 중성내화물 : R 2 O 3 ex: Al 2 O 3 ] [ 염기성내화물 :RO ex :MgO 등과같은화학성분을주성분으로하는내화물