제강공정발생 EP-Dust의 탈규반응성

주선혜, 김동수, 반봉찬*

이화여자대학교 환경공학과

순천대학교 재료·금속공학과*

Desiliconizing Reactivity of EP-Dust from LD-Converter

Sun-Hye Joo, Dong-Su Kim, Bong-Chan Ban*

Dept. of Environmental Sci. & Eng., Ewha Womans University

Dept. of Materials Sci. & Eng., Sunchon National University*

서론

제철소에서 대량으로 발생되고 있는 산업 폐기물인 분진은 현재 막대한 비용을 들여 대부분 해안에 매립 폐기되고 있다.  또한, 국내 일관 제철소에서 건식집진법인 LT-건식법을 채용한 전로배가스 처리 방식의 도입으로 인해 철산화물 함량이 90% 이상인 건조 분진이 부산물로 발생(연간 11만톤 가량)하고 있는 실정을 감안하여 볼 때, 자원의 재활용 및 오염 방지 측면에서 이들 산업 폐기물의 유효 이용 및 용도 개발이 시급한 실정이다.

전로 분진과 슬러지는 건식 전로가스 회수 시스템에서 회수시 대략 55∼85% 의 Fe 를 함유하고 있다.  따라서, 고가의 Fe 를 다량 함유한 이들 산업 폐기물의 재활용에 대해 많은 연구가 이루어져 왔는데, 현재 채택되고 있는 분진의 건식 재활용 공법으로서는 분진을 회수하여 전로 냉각제로 활용하는 Hot Briquetting 법이 가장 보편적이다.  이 방법은 다량의 원료를 저렴하게 처리할 수 있는 장점을 가지지만 여러 가지 문제점으로 인해 분진의 재활용도가 저하되며, 특히 우리나라의 경우 선진국에 비하여 그 응용 및 활용 연구가 미진한 실정이다.

한편, 용철 중의 규소는 제강 정련과정에서 열원으로서 중요한 성분이나, 다량으로 함유되어 있으면 탈탄, 탈인반응 등을 저해하고 슬래그 부피를 증가시키는 등 유해 원소로 작용한다.  따라서, 고청정강의 제조 및 전로의 기능 단순화에 따른 슬래그 발생 최소화 공정 (Slag Minimum Process) 의 실현을 위해서는 용선의 탈규 처리가 필요하다.

제철공정에서 다량으로 발생하는 분진에는 FeO 및 Fe2O3 등의 산소함유화합물이 상당량 포함되어 있는데, 이들이 용철중의 규소를 산화시키는데 필요한 산소공급원으로서 작용함으로써 분진이 용선 탈규제로 사용될 수 있게 된다.  또한, 전로 분진은 현재 용선탈규제 및 탈인제로서 쓰이는 고순도의 Mill Scale에 비하여 저가인 장점을 지니고 있다.  따라서, 본 논문에서는 제철□제련소 내부에서 분진을 자체 회수하여 사용하는 것이 바람직하다는 전제하에, 용선중에서 전로 분진의 탈규 반응 특성을 검토해 보았다.

실험방법

1. 시료준비

탈규 실험에 사용된 시료로는 제강용 선철이 사용되었으며, 탈규제로서는 건식집진법을 채택한 광양제철소의 배가스 청정설비 가운데 EP (Electrostatic Precipitator) 에서 회수된 전로 집진 분진인 EP 분진을 발생 형태 그대로 이용하였다.  이 때, 분진은 회수한 후 200℃ 의 건조오븐에서 8 시간 건조시켜 실험에 사용하였다.  또한, 탈규 반응시 염기도 조정을 위해 첨가한 생석회는 시약급 생석회를 0.5mm 이하의 크기로 파쇄하여 사용하였다.

2. 탈규실험

전로분진을 이용한 탈규반응 실험을 위하여 용해 설비로서 유도용해로 (125kW, 3kHz) 를 사용하였다.

탈규실험시에는 우선 선철 16kg 을 도가니에서 용해한 후 1450□20℃ 의 범위로 온도를 조절하여 실험 시료로 준비하였다.  용선의 탈규에 미치는 탈규제 양의 영향을 알아보기 위해 EP 분진의 첨가량을 변화시켜 규소 제거 효과를 조사해 보았다.  또한, 전로 분진만을 투입한 경우에는 격렬한 거품현상이 일어나므로 거품현상을 억제시키는 플럭스 성분으로서 CaO 를 첨가시켰으며, 그 첨가량의 변화에 따른 탈규능의 변화를 조사하기 위하여 CaO 첨가량 역시 변화시켜 실험해 보았다.  탈규반응이 비교적 초기에 일어나는 것을 고려해 석영관을 이용하여 처음 10분간은 약 2분마다, 그 후는 약 5분 간격으로 용선 시료채취를 수회 이상 실시하였고, 총 반응시간은 상황에 따라서 30∼35분 정도로 하였다.

채취한 용선과 중간 및 최종슬래그 (실험시작 15분 및 30분후 채취) 는 분쇄하여 금속 Fe 입자를 자력선별한 후 나머지 슬래그는 습식분석을 하였다.

결과 및 토론

Fig. 1은 EP 분진량과 CaO 첨가량에 따른 탈규 반응 후 용선내 Si 의 함량을 나타낸 것이다.  이로부터 탈규제의 투입량이 많은 경우는 산소공여제 양의 증가로 인해 상당한 탈규 효과를 보여주고 있으나, CaO 의 첨가량을 변화시켜 EP 분진과 함께 투입한 경우에는, 탈규 반응에의 영향에 있어서 첨가량에 따른 큰 차이는 없다는 것을 알 수 있다.  이는 CaO 첨가량의 증대에 따라 상대적으로 탈규제의 산소 원량은 감소했기 때문으로 생각된다.  하지만, 그 첨가량이 증가할수록 플럭스의 유동성이 향상되었고, 그에 따라 거품현상(Foaming) 역시 매우 양호해 짐을 관찰하였으며, 일반적으로 CaO 가 탈규 산물인 SiO2 와 안정한 결합을 형성하여 탈규 효과를 증진시킨다고 보여지므로 미반응상태로 CaO 가 잔류하지 않을 적정량을 탈규처리시 첨가해 주는 것이 효과적이라고 판단된다.

탈규플럭스 조성에 따른 용선내 Si 이외 성분들의 함량 변화 또한 검토해 보았는데, Mn의 경우 EP 분진에 CaO 를 첨가한 경우와 그렇지 않은 경우의 양상이 확연히 다름을 파악할 수 있었다(Fig. 2).  EP 분진만을 투입했을 때 65∼70% 이상의 탈망간 반응이 일어난 것과 달리, CaO 를 첨가시에는 반응개시 약 10분 후부터 소량이나마 산화된 망간이 재환원되어 용선내 망간의 함량이 오히려 증가하였다.  이는 산소원이 많은 경우에는 탈규와 함께 탈망간 역시 비교적 용이하나, 산소원이 적어지면서 CaO 의 첨가량이 증가하는 경우에는 Mn 의 재환원이 일어나게 됨으로 인한 현상인 것으로 사료된다.

탈황 반응은 염기도가 높고 산소포텐셜이 낮을수록 잘 진행한다.  그러나, Fig. 3에서 보는 바와 같이 초기 EP 분진 플럭스를 투입했을 때에는 플럭스 내에 존재하는 황의 유입으로 인하여 오히려 약간의 증가를 가져오는 것이 관찰되나 전체적으로 볼 때 용선중 황의 함량 변화는 뚜렷이 나타나지 않았다.  또한, CaO 의 첨가 역시 탈황 반응에는 거의 영향을 미치지 않는 것으로 보여진다.

Fig. 4는 탈규 플럭스 조성에 따른 최종 슬래그 성분의 함량을 최종 슬래그 염기도 (=CaO/SiO2) 에 따라 나타낸 것이다.  플럭스 중의 CaO 는 SiO2 의 활량을 낮춤과 동시에 슬래그 중의 MnO 및 FeO 의 활량을 증대시키기 때문에 염기도가 증가하면 탈규율과 Mn 환원율이 증가함을 볼 수 있다.

참고문헌

1. 이일옥 등:□Flux 조건 설정 및 슬래그 foaming 억제 연구□, 산업과학기    술연구소 연구과제 보고서 (1987).

2. 이상호, 이일옥:□각종 산화철을 함유한 탈규제의 적정조건에 관한 연      구□, 대한금속학회지, Vol. 26, No. 9, p.855 (1988).

3. 최인섭, 송규섭:□CaO와 CaF2를 함유한 Fe2O3-MnO2 플럭스에 의한 용선    의 탈규소처리□, 대한금속학회지, Vol. 25, No. 1, p.3 (1987).

4. 허완욱 등:□극저P강 제조를 위한 flux류 개발 및 현장 적용□, 산업과학     기술연구소 연구과제 보고서 (1988).

5. Kubaschewski, O., and Alcock, C. B.: Metallurgical Thermochemistry,    5th ed., Pergamon Press (1977).