VOD장치 효율화를 위한 수치해석연구

* VOD(Vacuum Oxygen Decarburization)공정

 VOD(Vacuum Oxygen Decarburization)법은 1967년 독일의 Witten사와 Stabdar Messo사가 공동 개발하였던 고Cr 용강 탈탄법이다.
 0.3 - 0.6C%역에서 적용되기 때문에 전공정의 전로나 전기로에서 예비 탈탄이 필요하다. 또 일반적으로 진공탈가스법에 비하여 탈질도 일어나기 쉽다.
 VOD법은 래이들 탈가스법과 비슷하나 진공실 상부에 산소를 취입하는 랜스가 있는 점과 산소를 탈탄에 사용하기 때문에 많은 CO가스가 발생하므로 배기 능력이 증가된 점이 다르다. 산소취입용 랜스는 수냉식의 비소모형과 보통의 파이프에 칼로라이징(calorzing)을 처리한 것 또는 세라믹 코팅한 소모형의 두 가지가 있다.
 조업은 우선 전로 또는 전기로에서 0.4-0.5C%까지 산화정련한 것을 VOD용 래이들에 받는다. 이때에 슬래그가 혼입하지 않도록 출강 전에 개제하거나 또는 슬래그와 같이 출강하여 래이들에서 다른 래이들로 용강을 옮길 때에 개제하기도 한다. 수강한 래이들은 진공실내에 넣고 Ar가스를 래이들 저부에서 취입하면서 감압을 시작한다. 그리고 산소취련 때의 진공압은 용강의 CO가스 발생에 의하여 보일링(boiling) 현상에 따라서 10-100mmHg로 조절된다. 특히 보일링이 왕성한 탈탄초기에 너무 감압하면 용강이 래이들 밖으로 넘쳐 흐르게 되므로 주의하여야 한다. 이때는 랜스높이를 높게, 진공도를 상승시켜 탈탄말기에서는 탈탄반응이 산소공급율속으로부터 강중탄소의 이동율속으로되기 때문에 송산속도를 적게 하여 Ar가스에 의한 교반으로 강중 C와 O를 반응시키는 방법이 실시되고 있다.

* 연구배경

 VOD(Vacuum Oxygen Decarburization)공정은 스테인레스강과 같은 고 합금강에서 Cr과 같은 쉽게 산화되는 합금원소의 존재하에서 탈탄작업을 하는 공정이다. 이는 주로 진공반응기 내에 용강이 담긴 래이들 내에서 탈탄반응이 일어난다. 고품질의 합금강 생산을 위해 래이들에서 상부의 슬래그상(phase)으로 크롬과 다른 합금원소들의 손실을 억제하는 것이 중요하여 이를 위해 래이들 하부로부터 상부로의 멜트(melt)의 강제순환이 필수적이다. 이 공정은 하취porous plug로부터 Ar가스의 취입에 의해 행해지는데 이는 래이들 내부의 혼합거동이 중요하다는 것을 암시한다. 따라서 공정의 생산성과 효율성의 극대화를 위해서는 반응기 내부의 유체 유동현상에 대한 정량적인 이해가 매우 중요하다. 또한 상부에서 취입되는 제트산소와 나탕(Plume eye)가 일치하여야 함으로 Plume eye 형상 및 위치 예측도 중요하다.

* 연구내용

래이들에서 아르곤 가스 취입시 Porous Plug의 위치 및 유량에 따른 이상유동 해석

- 이상유동에 관한 모델 개발 -

- 래이들 내의 유동장 해석 -

- Plume eye 형상 예측 -

* 1차 결과(래이들 하부 중앙에서 아르곤 가입 취입)

래이들에서 아르곤 가스 취입시 bubble들에 의해 슬래그가 밀려나고 나탕(Plume eye)이 형성되는 것을 시뮬레이션 한 결과

A Numerical Analysis of Ar Gas Bubbling in VOD Ladle