공업로기술/ NKK식 직류아크로(Arc Furance)
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서울국제야금&주.단조&열처리산업전
NKK식 직류아크로(Arc Furance)
牧 敏道 / 久 保 博 嗣 / 細 川 隆 弘
1. 서 론
요 10년동안의 arc로 제강설비 및 arc로 제강법의 진보에는, DC arc로의 대부, 샤프트로의 등장, 연속장입로의 출현, arc로강의 얇은 판 분야로의 진출 등, 눈에 띄는 것이 있다. 20년∼30년전에 UHP조업의 채용, 용광로벽·뚜껑의 수랭화 등의 실시를 arc로 변혁기의 제1기로 하면, 요수년 이들 변혁은 제2기 arc로 변혁기라고 불릴 수 있는 것으로, 제1기 변혁기의 내용을 능가하고 있다고 말해도 좋다.
특히, 최근의 경향으로서는, 유럽, 미국, 일본을 중심으로 지구환경(성에너지), 및 쾌적한 조업환경 (성인화, 깨끗한 환경)에 고려된 「지구」와 「사람」에 알맞은 생산설비가 구해지고 있다.
NKK는 세계적인 arc로의 leading supplier로서, 세계에 선구를 달리는 대형 DC로의 공급, DC로를 중심으로 한 제강 일관설비 건설을 비롯하여, 업계에서 선구자로서의 지위를 차지해왔다.
특히, 이 5월에 가동을 개시한 토어스틸 (주)가시마 제조소용 1회장입식 샤프트형 150ton DC arc로 (twin로)는, 이같은 시대의 흐름에 따른 새로운 arc로 양식의 하나가 된 것이고, 앞으로 NKK의 중핵상품의 하나로서 위치지워진 것이다.
이번을 빌려 여기서는, 이 1회 장입식 샤프트형 DC arc로의 기본 개념, 및 특징을 중심으로 간단한 소개를 하겠다.



2. 1회 장입식 샤프트형로의 특징·개념
2.1) 1회 장입식 샤프트형로 프로필
1회 장입식 샤프트형로(이하, 1회 장입로라고 불린다)는, 종래의 용광로처럼 추가 장입을 하지않고, 그 이름대로, 처음에 100%의 스크랩을 장입하는 것을 큰 특징으로 한 것이다. 이 때문에, 용광로의 높이는, 2회 장입로와 비교하여, 50%정도 높아졌다. 그림1에서, 1회 장입로와 종래의 용광로 프로필이 다름을 나타냈다.

2.2) 용광로 내의 연소 착열효과의 개선
1회 장입로에는, 그 용광로 높이를 높힘으로써, 용해기의 입열에 대한 스크랩과 용강으로의 착열배율(이하, 착열효율이라고 칭한다) 향상을 꾀할 수 있다.
일반적으로 arc로의 입열은, 크게 다음과 같이 분류된다.
①투입 전력량
②화석연료의 연소열량(주로 석탄계)
③금속산화 열량
arc로의 total energy효율을 개선하는데는, 이들 착열효율을 향상시킬 필요가 있다.
일반적인 종래형의 arc로에서의 조업data, 배가스 데이터 등의 분석에서 얻은 결과에 의하면, 이들 입열효율은, 투입전력 착열효율에서는 0.7∼0.8정도, 카본 등의 화석연료 연소열 착열효율에서는 0.4∼0.6, 금속산화열 착열효율은 0.9정도가 되고 있다.
이처럼 전력 착열효율, 금속산화열의 착열효율은 비교적 높은 수치를 나타내고 있어, 개선의 여지는 없지만, 카본 등의 용광로 내의 연소에 대한 착열효율은 다른 효율과 비교해도 작고, 개선의 여지를 크게 남기고 있다.
그런데, 일반적으로 용광로 내에서의 카본 등 연소는, 아래처럼 크게 나누어진다.
①욕내에서의 탈탄과 동반한 욕내 연소
②장입 카본을 중심으로 한 용광로 공간에서의 연소
①의 연소형태에서는, 그 착열효율은 용광로의 형상에 영향을 받지 않는다.
한편, ②의 연소형태는, 용광로 공간에서의 연소에 의한 스크랩으로의 착열을 위해, 그 효율은 연소 가스와 스크랩의 수열변적의 대소에 의한 영향을 받는다.
결국, 수열면적이 클수록 그 착열효율은 향상한다. 1회 장입로는 그 용광로의 높이를 높힘으로써, 스크랩과 연소 가스의 열전달 면적을 증대시키고, ②에 표시한 용광로 공간에서의 카본 등의 연소에 의한 스크랩으로의 열전달을 향상시킴으로써, 종래의 용광로에 있어서 비교적 작은 수치를 나타내고 있는 용광로 내의 연소 착열효율 향상을 노린 것이다.
1회 장입로에서는, 용광로 높이를 종래의 용광로보다 50% 높힘으로써, 용광로 내의 연소 착열효율이 향상되고, 전력원 단위가 40kWh/ton정도 개선되어 있다.

2.3) TAP TO TAP 시간의 단축
1회 장입로에서는 그 이름대로, 1heat분 전량의 스크랩을 처음 장입한다. 이 때문에, 장입에 필요한 시간은 2∼3회 장입로에 대해, 적은 면적으로써 추가 장입한 용광로 덮개 선회에 필요한 시간분 (약1분정도×추가장입 회수)의 단축을 꾀할 수 있다.
이로써 TAP TO TAP시간을 단축할 수 있고, 결과적으로 생산성 향상에 기여한다. 또, 이 시간단축은, 그대로 비통전 시간 단축이 된다.

2.4) 비산분진의 절감
건물내 비산분진 발생은, 스크랩 장입, 특히 스크랩 추가 장입시 분진이 그 큰 요인이 되고 있다. 1회 장입로에서는, 장입은 처음 장입하는데 한정되어 있기 때문에, 비산분진량을 감소시킬 수 있고, 건물내의 분진환경을 크게 개선하게 된다.

2.5) 용광로 덮개 해방·장입에 의한 열손실의 절감
추가 장입에 의한 열손실은 일반적으로 3∼5kWh/ton이라고 한다. 1회 장입을 함으로써, 추가장 입시의 용광로 덮개 해방, 추가장입에 동반하는 열손실을 절감시킬 수 있다.

2.6) 흰연기·악취대책
종래의 별치식 스크랩 프레히터의 경우, 통과하는 배기가스 온도 변화가 극심하고, 흰연기·악취 등의 2차공해 발생이 문제였다.
그러나, 1회 장입로에서는, 용광로 내의 연소 착열효율 향상을 도모하면서도, 용해 개시 몇분후에는 용광로 출구의 배기가스 온도는 700∼800℃까지 상승하기 때문에, 흰연기· 악취의 근원이 되는 성분은 충분히 연소분해된다.

2.7) 1전원 2용광로 방식에서 예열효율의 향상
1전원 2용광로 방식의 용광로에 있어서, 반조업측의 용광로를 이용하여 예열을 시행할 경우, 종래의 용광로의 경우에서는, 최초 장입분의 스크랩밖에 예열할 수 없다.
한편, 1회 장입로에서는, 용광로 내에 1heat분 전량이 장입되어 있기 때문에, 1heat분 전량의 예열이 가능해진다. 이로써, 예열효율 향상이 꾀해진다.

3. 1회 장입로의 성능평가
이어서, 1회 장입로의 전력원 단위를 중심으로 그 성능평가를 시행한다.

3.1 용해기 용해열 balance식
arc로의 용해기에서 열 balance식을 간단히 기술하면 아래의 식으로 나타난다.
ηe·Qe+ηc·Qc+ηm·Qm+Qpr=Qs (1)
여기서,
ηe : 투입전력 평균 착열효율
ηc : 용광로 내 연소(주로 카본) 평균 착열효율
ηm : 금속 산화열 평균 착열효율
Qe : 투입 전력량
Qc : 용광로 내 연소 발열량
Qm : 금속 산화열량
Qpr : 스크랩 예열량
Qs : 스크랩 용해 필요 착열량

⑴ 용광로 내 연소 발열량
용광로 내 연소 발열량 Qc는, 그 연료를 모두 카본으로 하고, 버너 등의 보조 에너지는 사용하지 않는다고 생각하면, 용강 단위 중량 당으로는 아래의 식으로 표현된다.
Qc=(Qco+Qco2×PCD)Wc/860 (2)
여기서,
Qco : 카본 일차연소 열량(2,450kcal/kg-C)
Qco2 : 카본 이차연소 열량(5,630kcal/kg-C)
PCD : 이차연소율(POST COMBUSTION DEGREE : =[CO2]/([CO]+[CO2]))
Wc : 용해기 용강 단위 중량연소 카본량(kg/ton)
860 : 환산계수(kcal=1kWh)
용해기에서의 용강 단위 중량당 용광로 내 연소카본량은, 스크랩의 품질, 조업형태에 따라 다르지만, 여기서는, 23kg/ton으로 평가한다. 또, 이차연소율 PCD는, 일반적인 조업시의 수치로서 0.4로 한다.
⑵ 금속산화 열량
금속계 산화열량(Qm)은, 주로 Fe, Mn, Si, Al의 산화열이다. 이 산화열량은 제품의 비율에 따라 영향을 받는다. 93∼94%정도의 제품의 비율에서는, 금속 산화열량은 물질수지에 의한 평가로부터, 대략 80∼90kWh/ton정도로 추정된다.
⑶ 스크랩 용해에 필요한 착열량
스크랩 용해에 필요한 착열량(Qs)은, 여기서는 380kWh/ton으로 취급한다.
이상, ⑴ 및 ⑵식에서, 카본 연소량, 이차연소율, 카본 연소 착열효율, 금속산화 착열효율, 투입전력 착열효율을 알 수 있으면, 용해기에서의 필요투입 전력량을 얻을 수 있다.
3.2 효율의 평가
⑴ 투입전력 효율(ηe)
종래 용광로 2회 장입로(DC로)에서의 배기가스, 냉각수, 조업데이터 등의 분석을 시행하여, 투입전력효율 0.7∼0.8을 얻었다. 여기서는 그 평균으로서 0.75를 이용한다. 이어서, 이 투입전력 효율을,
⒜강욕면으로의 arc의 실질 착열분
⒝용광로 공간 스크랩에의 착열분
으로 나뉜다. ⒜의 강욕부분에의 착열분은 용광로 높이에 의한 영향을 받지 않지만, ⒝의 용광로 공간부분의 착열에 대해서는, 용광로 높이의 영향을 받게 된다.
거기서, 종래의 용광로에서의 계측에서 얻은 데이터 및 간단한 수치계산에서의 평가를 기초로 용광로 높이와 투입전력 효율의 관계를 구했다. 이 관계를 그림2에서 나타냈다.
이로써, 1회 장입로에서는 그 효율은, 0.8전후로 추정된다.
⑵ 카본 연소 착열효율(ηc)
카본 연소 착열효율은, 욕내 연소에서 착열과, 공간연소에서의 착열 두가지로 나누어 생각한다. 욕내 연소에 대해서는, 용광로 높이의 영향을 받지 않지만, 공간연소에 대해서는, 용광로 높이의 영향을 받는다. 종래의 용광로의 용광로 높이가 다른 것에 대해, 배기가스 등의 계측결과에서 그 효율의 평가를 시행하고, 용광로 높이와 카본 연소 착열효율의 관계를 구했다.
그 결과를 그림3에서 나타냈다.
게다가, 이 관계는 어디까지나, 용광로 내의 공탑속도, 연소가스 온도가, 용광로 높이에 의하지 않고 동일하다는 경우의 것이다. 이로써, 카본 연소 착열효율은 3회 장입로에서는 0.4정도, 2회 장입로에서는 0.55∼0.6에 대해, 1회 장입로에서는 0.7∼0.75가 된다.

3.3 heat balance
이상의 각 효율의 평가에서, 종래의 용광로 및 1회 장입로에 있어서 heat balance를 산정해 보았다 (그림4, 그림5). 여기서 산정 기준으로서, 종래의 용광로 및 1회 장입로 모두 아래의 조건을 일정하게 생각한다.
①연소 카본원단위 23kg/ton
②이차연소율 0.4
③금속산화열 90kWh/ton
그림에서 1회 장입로는 종래 용광로에 비해, 용광로 효율이 향상하고, 전력원 단위를 약 40kWh/ton 저감할 수 있다. 또, 손실열 중의 큰 비율을 차지하는 배기가스 원단위가, 큰폭으로 감소한다.

4. 1회 장입로와 이차연소
전술한 것처럼, 1회 장입로에서는 용광로 내 연소의 착열효율이 향상되고 있다. 이 때문에, 1회 장입로에서의 이차연소 촉진에 의한 효과는, 종래의 용광로에서의 이차 연소효과보다도 큰 효과를 얻을 수 있다.

4.1 이차연소 기술
⑴ 보통 조업에서의 상황
일반적인 arc로에서 용광로 내 이차연소율은 적극적인 이차연소가 없는 상태에서도 0.4∼0.8정도이다. 이 보통 조업에서의 이차연소율은, 스크랩의 품질, 장입 카본량, 침입공기량, 버너사용의 유무, 스크랩 예열의 유무에 따라 다르다. 일반적으로는 침입공기량이 많고, 가연분이 적고, 버너·예열 등에 의해 스크랩 온도가 높을수록 용광로 내 이차 연소율이 높은 것 같다.
이 경우, 용광로 내에서의 이차연소는, 불어넣는 산소가 아니고, 용광로 내로 침입한 공기가 이차연소 산소의 보급원이 되고 있다.
보통, 시행되고 있는 용광로 내로 산소를 불어넣는 것은, 그 대부분은 금속산화와 욕내연소에 기여하고 있다. 이 때문에, 욕내 탄소량과의 균형을 잃은 과도한 욕내에 불어넣는 산소의 증량은, 제품의 비율 악화를 초래하는 것만으로 이차연소의 촉진에 연결되는 것이 아니고, 제품의 비율을 고려하면 열적으로는 아무런 기여도 하지 않게 된다.

⑵ 이차연소기술의 적용
이같은 상태에서, 보다 적극적으로 용광로내의 이차연소를 시행하기 때문에, 욕면에서 발생하는 일산화탄소의 적극적인 연소를 목적으로, 그것에 가장 적합한 산소 불어넣기를 시행하고, 전력원 단위의 저감을 노린 것이, 현재 주목을 모으고 있는 이차연소 기술이다. 결국, 이차연소 기술이라는 것은, 지금까지 이상에서 적극적으로 산소를 용광로내로 도입함으로써, 이차연소율이 낮은 경우에는, 그것을 높은 용광로내에서의 연소열량의 증가를 노림과 동시에, 이차연소율이 높은 상태더라도, 용광로 내의 침입공기에 의해 시행되고 있던 용광로 내의 이차연소를 이 도입산소에 의해 대체하고, 침입공기량을 억제하여, 이로써 연소가스 온도를 높이고, 착열효율 향상을 노린 것이다.
이차연소를 적절히 시행하는데는, 최적의 산소 불어넣기 위치 선정에 한정되지 않고, 용광로 내의 침입공기 억제, 및 산소 공급량 제어가 필요해진다.

즉, 적어도 배기가스 중의 산소농도 및 이차연소율을 연속적으로 계측하고, 산소 불어넣는 량, 배기가스 흡인량 등을 제어할 필요가 있다.
또, 이차연소를 시행하기 쉽기 때문에, 이차연소용 버너와의 병설이 바람직하다고 생각된다.

4.2 1회 장입로와 이차연소
3.3에서 나타난 이차연소가 없는 경우의 heat balance와 같은 조건에 있어서, 이차연소를 시행한 경우의 PCD와 전력원 단위의 관계를 그림6에서 나타냈다. 또, 실용적으로 가능하다고 생각할 수 있는 PCD=0.85에서의 1회 장입로의 heat balance를 그림7에서 나타냈다. 그림4 및 5와 비교하면, 출열 loss 중의 CO잠열분이 감소하고, 전력원 단위가 대폭으로 저감되고 있음을 알 수 있다. 또, 종래 용광로의 이차연소가 없는 것에서 전력원 단위 370kWh/ton에 대해, 100kWh/ton 이상의 저감효과를 얻을 수 있다.

4. 1회 장입로와 이차연소
최근 DC로의 흐름으로서, 성에너지, 성력, 환경대책 등의 필요가 점점 강해지고, 용광로의 형태도 twin type이나 연속 장입로 등의 새로운 타입이 용광로가 점차 채용되고 있다.
그 중에서, 프릿커 대책, 트랜스 용량의 소형화 등의 점에서 뛰어난 연속장입로는, 공영제강(주)나고야 사업소에서 constil type이나 동경제철(주) 우츠노미야 공장에서 샤프트로 타입이 이미 가동 혹은 가까운 시일내에 가동할 예정이고, 앞으로도 주목받는 기술이다.

당사로서도, 본 시스템의 기술개발을 진행하고, 현재, 회전 드럼 샤프트 용광로의 조합에서의 pilot plant를 건설하여 실증시험중이다.
앞에서 이야기한 제2 arc로 변혁기에 있어서, 우리 설비 메이커로서도 기술 개량, 혹은 새로운 개념을 갖고, 앞으로도 고객의 필요에 부응해 갈 생각이다.
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