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초록·키워드
국제적으로 온실가스 배출량 저감을 위해 산업적으로 CO2 가스 배출량 규제가 진행되고 있으며, 국내에서도 철강 산업 분야에서 CO2 가스 배출량 저감을 위한 기술 개발이 활발히 진행되고 있다. 철강 산업에서 온실가스 배출량이 가장 높은 공정은 제선 공정으로 철광석의 환원 반응 중에 다량의 CO2 가스가 배출된다. CO2 가스의 발생량을 줄이기 위해서 일관제철에서는 철광석을 코크스로 환원하는 방법을 코크스 대신 수소로 환원하는 기술과 전공정에서 수소에 의해 직접환원된 철(DRI)을 사용하는 신 전기로 설비에 관한 기술이 개발 중이고, 제강 공정에서는 전로 공정에서 전기로 공정으로의 전환이 검토되고 있다. 따라서 국내의 전기로 설비의 증가로 인해 전기 수급에 문제가 발생할 수 있고, 철 스크랩에 대한 수요 증가로 인해 고품질의 철 스크랩에 대한 공급 부족이 예상된다.
전기로 조업은 과거부터 전력 에너지 저감을 위한 기술이 지속해서 연구되었다. 하지만 온실가스 저감과 전력 에너지를 낮추기 위해서는 전기로 조업에 가장 큰 영향을 미치는 철 스크랩에 대한 자료가 필요하고 철 스크랩에 대한 정보를 활용하여 실시간 조업을 예측하여 열에너지 효율 향상을 위한 방안이 필요하다. 이와 같은 배경에 따라 철 스크랩의 종류에 관한 특성을 자료화하여 전기로 조업에 활용하고 철 스크랩의 용해성을 향상하여 전기로 조업에서 전력 에너지를 줄이기 위해 다음과 같은 연구를 수행하였다.
철 스크랩의 생철, 경량 A, 경량 B, 중량 A와 중량 B로 구분하여 용해 실험을 통해 회수율과 성분에 대해서 정리하였고, 철 스크랩 데이터를 통해 전기로 공정에서 철 스크랩 장입, 산소, 부원료와 가탄 조건에 대해서 mass balance 분석을 진행하여 용해기에 산화 반응을 통해 발생한 FeO량을 계산하였고, 용강과 슬래그 탈산에 사용하는 코크스 사용량에 대한 상관성 분석을 통해 적정 투입량을 도출하였다.
Mass balance의 화학반응에 대한 열량 계산으로 heat balance를 분석하고, 철 스크랩의 용해에 필요한 전력량을 계산하여 철 스크랩 배합 조건에 대한 적정 전력 투입량을 확인하였다. Mass/heat balance를 통해 실시간 철 스크랩 투입 조건에 따른 전기로 조업성 예측이 가능하였고, 이를 통해 코크스 사용량과 전력 에너지를 줄일 수 있을 것으로 판단된다.
철 스크랩의 용해성 증가를 위해 전기로 철 스크랩 장입 준비 단계에서 버킷에 철 스크랩과 카본의 혼합 장입하여 용해기 초반 철 스크랩의 용해성을 증가와 예열효과를 통해 전력 에너지를 줄이고자 하였다. 철 스크랩 용해 이후 전기로 로체에 설치되어 있는 산소 버너의 유량, 위치와 각도를 변경하여 용강 유속 변화 대한 수치해석을 진행하였고, 승열기 조업에서 용강의 온도 편차를 줄이는 조건을 도출하였다. 철 스크랩과 카본 혼합 장입 테스트 결과 전력 에너지는 4.3kWh/ton 감소되었고, 산소 버너의 유량, 위치와 각도 변경 테스트에서는 전력 에너지가 9.6kWh/ton 낮아지는 결과를 얻었다.
전기로 조업은 과거부터 전력 에너지 저감을 위한 기술이 지속해서 연구되었다. 하지만 온실가스 저감과 전력 에너지를 낮추기 위해서는 전기로 조업에 가장 큰 영향을 미치는 철 스크랩에 대한 자료가 필요하고 철 스크랩에 대한 정보를 활용하여 실시간 조업을 예측하여 열에너지 효율 향상을 위한 방안이 필요하다. 이와 같은 배경에 따라 철 스크랩의 종류에 관한 특성을 자료화하여 전기로 조업에 활용하고 철 스크랩의 용해성을 향상하여 전기로 조업에서 전력 에너지를 줄이기 위해 다음과 같은 연구를 수행하였다.
철 스크랩의 생철, 경량 A, 경량 B, 중량 A와 중량 B로 구분하여 용해 실험을 통해 회수율과 성분에 대해서 정리하였고, 철 스크랩 데이터를 통해 전기로 공정에서 철 스크랩 장입, 산소, 부원료와 가탄 조건에 대해서 mass balance 분석을 진행하여 용해기에 산화 반응을 통해 발생한 FeO량을 계산하였고, 용강과 슬래그 탈산에 사용하는 코크스 사용량에 대한 상관성 분석을 통해 적정 투입량을 도출하였다.
Mass balance의 화학반응에 대한 열량 계산으로 heat balance를 분석하고, 철 스크랩의 용해에 필요한 전력량을 계산하여 철 스크랩 배합 조건에 대한 적정 전력 투입량을 확인하였다. Mass/heat balance를 통해 실시간 철 스크랩 투입 조건에 따른 전기로 조업성 예측이 가능하였고, 이를 통해 코크스 사용량과 전력 에너지를 줄일 수 있을 것으로 판단된다.
철 스크랩의 용해성 증가를 위해 전기로 철 스크랩 장입 준비 단계에서 버킷에 철 스크랩과 카본의 혼합 장입하여 용해기 초반 철 스크랩의 용해성을 증가와 예열효과를 통해 전력 에너지를 줄이고자 하였다. 철 스크랩 용해 이후 전기로 로체에 설치되어 있는 산소 버너의 유량, 위치와 각도를 변경하여 용강 유속 변화 대한 수치해석을 진행하였고, 승열기 조업에서 용강의 온도 편차를 줄이는 조건을 도출하였다. 철 스크랩과 카본 혼합 장입 테스트 결과 전력 에너지는 4.3kWh/ton 감소되었고, 산소 버너의 유량, 위치와 각도 변경 테스트에서는 전력 에너지가 9.6kWh/ton 낮아지는 결과를 얻었다.
목차
- 제 1 장 서 론 11.1 연구배경 21.2 연구 목적 및 내용 61.2.1 연구 목적 61.2.2 연구 내용 7제 2 장 철 스크랩 용해 분석에 관한 연구 122.1 서 론 132.2 실험 및 분석 방법 192.2.1 실험 장비 192.2.2 실험 방법 202.3 결과 및 고찰 242.3.1 스크랩 화학적 성분의 산화반응 에너지 242.3.2 생철 용해 분석 결과 272.3.3 경량 스크랩 용해 분석 결과 312.3.4 중량 스크랩 용해 분석 결과 382.4 결 론 44제 3 장 Mass/heat balance를 통한 전기로 조업 예측 493.1 서 론 503.2 Mass/heat balance 계산 방법 543.2.1 철 스크랩 용해에 따른 산화, 환원 반응 모델 543.2.2 용해기 산소 투입에 따른 반응 거동 계산 603.2.3 승열기 카본, 산소 투입에 따른 반응 거동 계산 633.2.4 전기로 조업에 활용할 수 있는 heat balance 계산 653.3 결과 및 고찰 683.3.1 Mass balance를 활용한 코크스 투입량 수식 개발 683.3.2 철 스크랩 배합비에 따른 조업성 예측 및 테스트 733.3.3 전기로 조업 시뮬레이터 시스템 개발 763.4 결 론 82제 4 장 스크랩 용해 촉진 향상에 관한 연구 854.1 서 론 864.2 철 스크랩과 카본의 혼합 장입에 관한 반응성 연구 944.2.1 예비적 고찰 및 실험 방법 944.2.2 전해철과 코크스 혼합에 대한 반응성 실험 결과 및 고찰 984.2.3 철 스크랩과 카본 혼합 장입 테스트 결과 및 고찰 1064.2.4 고분자 활용 기술 및 테스트 결과 및 고찰 1104.3 전기로 용강 유동성 향상 연구 1134.3.1 예비적 고찰 1134.3.2 VLB 산소 유량에 따른 수치해석 결과 및 고찰 1184.3.3 VLB 위치, 각도에 따른 수치해석 결과 및 고찰 1234.4 결 론 130제 5 장 총괄결론 133참고문헌 139
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