용광로는 어떻게 작동하나요?

소개

용광로는 철광석을 고온 환원 제련 과정을 통해 철로 환원하는 철강 생산에서 중요한 역할을 합니다. 이 글에서는 용광로의 작동 방식, 부품 및 기능, 다른 분야에서의 용도에 대해 자세히 살펴봅니다.

용광로란 무엇인가요?

기본적으로 용광로는 열과 화학 반응을 이용해 철광석을 쇳물로 변환하는 높이가 긴 수직 축입니다. 기본적으로 고압과 열을 가해 철광석을 제철의 주요 투입물인 금속으로 변환하는 거대한 강철 상자입니다. '용광로'라는 단어는 실제로 공정을 유지하기 위해 용광로 내부로 유입되는 고압의 공기를 의미합니다. 기본 산소로(BOF)는 주로 철과 강철 제조에 사용되며 수세기에 걸쳐 그 용도가 발전해 왔습니다.

용광로의 주요 재료

철광석

철광석은 용광로의 주요 철 공급원이며, 일반적으로 적철광(Fe2O3) 또는 마그네타이트(Fe3O4)와 같은 산화물입니다. 이러한 광석은 철 함량이 높지만 금속은 산소 및 기타 원소와 화학적으로 결합되어 있습니다. 철광석은 화학 반응을 통해 철로 전환됩니다.

Coke

콜라는 산소가 없는 상태에서 석탄을 가열하여 생산되는 탄소 집약적인 물질입니다.

석회암

용광로에서 실리카와 같은 철광석의 불순물을 제거하기 위해 석회석을 사용하는데, 석회석이 될 때 이러한 불순물이 섞여 용광로에서 나오는 부산물을 슬래그라고 합니다.

철 생산을 위한 용광로의 배합은 이러한 재료가 정해진 조건에서 용광로에 충전된다는 것을 의미합니다.

용광로는 어떻게 작동하나요?

용광로에는 철광석, 코크스, 석회석이 충전되어 들어갑니다. 파편과 섬유질 재료는 용광로 상단에 교대로 층층이 쌓인 방식으로 투입됩니다. 이제 용광로는 약 2000°C(3632°F)의 매우 높은 온도에서 작동합니다. 바닥에서 용광로에 뜨거운 공기를 불어넣어 코크스를 점화시키고 광석을 분해하는 화학 반응을 일으킵니다.

재료는 용광로 상단에서 하단까지 여러 공정을 거쳐 용광로 하단에서 액화 철을 생산합니다. 가열, 화학 반응, 불순물 분리 등 각 단계를 자세히 살펴보면 용광로가 어떻게 작동하는지 알 수 있습니다.

용광로에서 공기의 역할

용광로 바닥에 있는 튜예레 또는 특수 노즐이 용광로에 공기를 주입합니다. 불어넣은 공기는 코크스가 계속 연소할 수 있도록 산소를 공급하고 반응의 산물인 이산화탄소와 일산화탄소를 생성합니다. 이 CO는 철광석과 반응하여 철을 얻는 환원제이기 때문에 매우 중요합니다.

초고압 공기는 용광로의 적정 온도를 유지하여 화학 반응을 촉진하는 데 필요합니다. 이 공기가 분사되지 않으면 화학 반응이 효율적으로 일어나지 않고 용광로에서 쇳물을 생산할 수 없습니다.

용광로 반응

철광석 감소

코크스는 일산화탄소(CO)를 생성하며, 일산화탄소는 산화철(III)과 반응하여 산화철(Fe2O3)을 생성합니다:

Fe2O3+3CO→ 2Fe+3CO2

이 반응은 철광석에서 산소를 제거하여 용광로 바닥에 가라앉는 액체 철이 되는 순수 철(Fe)을 생성합니다.

슬래그의 형성

석회석(CaCO3)을 도입하여 실리카(SiO2)와 같은 철광석의 불순물과 결합하여 슬래그를 형성합니다:

CaCO3→ CaO+3CO2

그런 다음 산화 칼슘(CaO)이 불순물과 결합하여 규산 칼슘(슬래그)을 형성하고 용융 철의 상단으로 올라갑니다.

이러한 반응은 용광로 반응 원료를 사용 가능한 용철로 변환하는 장치입니다.

용철과 슬래그

반응이 끝나면 용철은 용광로 바닥으로 가라앉고 슬래그는 위로 떠오릅니다. 원료로 알려진 산화철은 용광로 바닥으로 떨어져 녹고 용융된 철은 특수 밸브를 통해 배출됩니다. '슬래그'로 알려진 불순물은 용광로에서 별도로 제거됩니다.

녹은 철 두드리기

용광로 바닥에 쇳물이 충분히 형성되면 주둥이를 통해 주형이나 용기로 "두드려서" 쇳물을 빼냅니다. 선철이라고 불리는 이 철은 추가 철강 생산의 원료입니다. 이 선철은 제강 용광로에서 탄소로 환원되어 강철을 만드는 데 사용됩니다. 용광로에서 생산된 철은 중요한 역할을 합니다.

슬래그는 어떻게 되나요?

용광로에서 나오는 폐기물은 버려지지 않습니다. 건설 작업에 재활용되거나 포장 도로에 사용되거나 시멘트 원료로 가공되는 경우가 많습니다. 슬래그는 경우에 따라 철분 함량을 회수할 수 있도록 처리할 수도 있으므로 귀중한 부산물입니다.

온도 및 제어

용광로 작동을 최적화하려면 온도를 세심하게 제어해야 합니다. 너무 차가우면 반응이 효율적이지 않습니다. 너무 높으면 용광로가 손상될 수 있습니다. 온도 제어 코크스 또는 공기 흐름량 조정. 이러한 요소는 나중에 고로 제어 시스템에 내장되어 그에 따라 조정되고 고로의 원활한 작동을 제어합니다.

철강 생산에서 용광로의 역할

용광로는 철강 생산 공정의 핵심 부분인 대형 용해로입니다. 용광로의 주요 기능은 철광석을 뜨거운 금속으로 변환하여 제강.
이 과정은 용광로 상단에서 철광석과 코크스가 공급되고 하단의 환원 가스가 위로 이동하는 방식입니다. 마지막으로 산화철이 뜨거운 금속으로 변환됩니다.
따라서 용광로에서는 선철을 생산하고 두 번째 단계에서 강철로 변환합니다.

최신 개선 사항

용광로를 더욱 에너지 효율적이고 친환경적인 옵션으로 만들기 위한 최신 기술이 개발되었습니다. 최신 용광로는 온도, 공기 흐름, 재료 투입을 최적화하는 정교한 제어 메커니즘을 갖추고 있습니다. 용광로는 바이오매스와 같은 대체 재료를 사용하여 탄소 배출을 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 점점 더 많은 용광로를 설계하고 있습니다. 하지만 최소한 다음과 같은 탄소 배출을 줄이기 위해 대체 재료를 사용하도록 설계되는 용광로도 점점 더 많아지고 있습니다. 탄소 배출량을 줄입니다. 따라서 업계가 지속 가능한 관행으로 전환하도록 돕고 있습니다.

결론

용광로는 제철 및 기타 산업에서 필수적인 요소입니다. 그렇기 때문에 용광로 공정과 그 안에서 일어나는 일을 이해하면 산업 제조가 얼마나 복잡한지 이해할 수 있습니다. 용광로 운영의 원칙은 수세기 동안 산업을 이끌어 왔으며 현대의 제조업에서도 여전히 중요한 역할을 담당하고 있습니다.