KR100325652B1 - 금속철의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
탄소질 환원제 및 산화철을 함유하는 압축성형체로부터 용융철을 제조하기 위한 방법을 간단한 작업에 의해 극히 효과적으로 수행한다. 압축성형체를 용융철욕 또는 용융철욕 상의 용융슬래그에 공급하여 용융철욕 및/또는 용융슬래그 상에서 부유하도록 하여 압축성형체 표면의 일부 또는 대부분을 노 내의 고온가스 분위기에 실질적으로 노출시켜 압축성형체 내의 산화철의 환원에 의해 생성된 환원철을 얻는다.
Description
탄소질 재료 또는 환원성 가스로 철광석 또는 산화철 펠렛과 같은 산화철을 직접 환원시킴으로써 환원철을 얻는 직접 제철방법으로서, Midrex방법으로 대표되는 수직로법은 통상적으로 공지되어 있다. 직접 제철방법은 산화철을 환원시키기 위한 환원력을 이용하기 위해 천연가스 등으로부터 제조된 환원성 가스를 수직로의 바닥부에 구비되어 있는 송풍구로부터 수직로 내에 취입함으로써 환원철을 얻는 방법이다. 근년에, 천연가스를 대신할 환원제로서 석탄과 같은 탄소질 재료를 사용하는 환원철 제조방법이 관심의 대상이 되고 있다. 특히, 철광석으로부터 제조된 소결된 펠렛을 회전가마 내에서 열을 가함으로써 석탄 분말에 의해 환원시키는 소위 SL/RN법은 이미 실용화되어 있다.
다른 환원철 제조방법은 미국 특허 공보 제 3,443,931 호에 개시되어 있는 방법으로서, 탄소질 재료 및 분말상 산화철을 혼합하여 응집체를 형성하고 환원을 위해 회전 노상에서 가열하는 방법이다. 이 방법은 분말상 철광석과 분말상 탄소를 혼합하여 응집체를 형성하는 단계 및 응집체를 열에 의해 고온 분위기 내에서 환원시키는 단계를 포함한다.
상기 방법에서 제조된 환원철을 전기로에 직접 충전시키거나 또는 철 공급원으로서 사용하기 위해 브리켓으로서 제조한 후 충전시킨다. 철 스크랩을 재활용하려는 최근의 움직임 때문에, 상기 방법에서 얻어진 환원철은 스크랩 내에 함유된 불순물의 희석제로서 관심의 대상이 되었다.
그러나, 철광석과 같은 산화철 내에 함유된 또는 재료로서 사용된 석탄과 같은 석탄 재료 내에 함유된 SiO2, Al2O3, CaO와 같은 슬래그 성분을 종래의 환원철 제조방법에서 얻어진 산화철 내에 도입하기 때문에, 제품의 철함량(금속철의 철순도)가 낮다. 실제로는, 슬래그 성분을 후속 제련공정에서 분리 및 제거한다. 그러나, 슬래그의 양이 증가함으로 인해 정련된 용융철의 수율이 감소될 뿐만 아니라, 전기로의 가동 비용에 큰 영향을 미치기 때문에, 슬래그 성분의 함량이 낮고 철이 풍부한 환원철이 필요하다. 이러한 필요조건을 만족시키기 위해서, 상기 종래의 환원철 제조방법에서는 환원철을 제조하기 위해 철이 풍부한 철광석을 재료로서 사용하는 것이 필요하고, 이로 인해 철을 제조하기 위한 재료의 선택의 폭이 좁아지게 된다.
또한, 상기 종래의 방법의 목적은 중간 생성물로서 환원된 고체 생성물을 얻는 것이어서, 후속 정련 공정 이전에 운반, 저장, 브리켓 형성 및 냉각을 포함하는 추가적인 단계들이 필요하다. 이것은 이들 단계 도중에 큰 에너지 손실이 발생하고 브리켓을 형성하는데 여분의 에너지와 특수한 장치가 필요하기 때문에 불리하다.
한편, DIOS 방법과 같이 산화철을 직접 환원시켜 환원철을 얻는 용융환원방법이 공지되어 있다. 이 방법에서는, 산화철을 철순도가 30 내지 50%가 되도록 예비환원시키고나서, 철욕 내에서 탄소와의 직접적인 환원반응에 의해 금속철로 환원시킨다. 그러나, 이 방법은 철욕 내에서의 예비환원 및 최종환원을 포함하는 2개의 단계가 필요하여 작업을 복잡하게 하고, 철욕 내에서 용융산화철(FeO)과 내화물질이 직접 접촉하여 노 내의 내화물질에 심각한 손상을 야기한다는 문제점을 내포한다.
또한, 일본 특허 공보 제 56-19366 호에는 금속산화물, 고체 탄소질 재료 및 슬래그형성 재료를 함유하는 덩어리를 열에 의해 환원시키고, 환원에 의해 생성된 금속을 슬래그 쉘에 의해 함유시키고나서, 슬래그 쉘을 용융시킴으로써 금속과 슬래그를 분리하는 방법이 개시되어 있다. 그러나, 이 방법을 완전하게 포함하기에 충분한 슬래그가 이 방법에서 환원에 의해 생성된 철의 재산화를 방지하기 위해 생성될 필요가 있다. 그렇지 않으면, 슬래그형성 재료의 불충분한 함량으로 인해, 결과적으로 금속 함유량이 부족하게 되어 금속의 재산화를 피할 수 없게 된다. 그외에도, 실제로 열-환원 조건에 따라서 FeO의 농도가 높은 슬래그가 제조되어 설비의 내부 내화물질이 심각하게 손상된다는 큰 문제점이 내포되어 있다.
지금까지 언급한 바와 같이, 슬래그 성분 함량이 낮은 금속철의 제조방법을 구현하는 것은 제품으로서의 금속철의 가치를 높인다는 점 뿐만이 아니라, 전기로를 사용하는 제철 비용을 감소시키고 금속철의 제조에 있어서 재료의 선택에 융통성을 가질 수 있다는 점에서 극히 중요하다. 또한, 부산물로서 가열 및 환원 공정에서 생성된 슬래그 내의 산화철 함량을 최소화하여 산업적으로 제철방법을 구현하기 위해 내화물의 손상을 억제하는 것도 역시 상당히 중요하다.
일본 공개 공보 제 7-54030 호에는, 비록 본 발명의 분야와는 다른 분야에 속하는 방법이지만, 용광로-전로 방법을 대신할 통합된 제강방법으로서, 해면철, 부분환원된 철, 자체환원성 펠렛 또는 미세한 철광석을 철 공급원으로서 사용하는 제강방법이 개시되어 있다. 이 방법은 상기 철 공급원, 특히 철함량이 높은 재료를 채널타입의 유도 전기로 내에 도입하고, 노에 공급되는 열량 및 철 공급원의 도입속도를 제어하여 노 내의 온도를 생성물의 액상선 곡선 온도 이상으로 유지함으로써 강을 제조하는 방법이다. 이 방법에 따르면, 용광로와 전로를 모두 사용하는 종래의 제철 및 제강 방법 대신에 유도 전기로 내에서 약 0.1중량%의 탄소 함량을 갖는 강을 연속적으로 제조할 수 있고, 이로 인해 설비 및 공정을 단순화하고, 에너지 효율을 향상시킬 수 있다는 효과가 있다.
그러나, 환원되지 않은 철 공급원 내에 존재하는 산화철의 탄소에 의한 환원과, 환원에 의해 용융철 내로 들어간 탄소의 제거(산화)를 동일한 노 내에서 수행해야 하기 때문에, 탄소질 재료 또는 산소의 공급량 및 처리 온도를 제어하는 것이 극히 어렵다. 또한, 노 내부에서 내화벽에 대한 손상이 다량으로 생성된 용융슬래그 내에 산화철이 다량으로 존재하는 것에 상당히 기인하여, 이 방법을 산업적으로 사용하는 데에 있어서 설비 및 작업의 면에서 모두 많은 문제점이 생길 것이라는 것을 예측할 수 있다.
본 발명자들은 이러한 상황에 주의를 기울여 내화물을 손상시킬 위험이 없으면서, 비교적 철 성분의 함량이 낮은 철광석으로부터도, 간단한 처리에 의해 극히 높은 철순도를 갖는 금속철을 용융철로서 효과적으로 얻을 수 있는 기술을 개발하기 위해 연구하였다. 그 결과로서, 다음의 방법을 개발하였고, 이 방법은 일본 공개 공보 제 8-59801 호에 개시되어 있다.
열에 의해 탄소질 환원제로 압축성형된 산화철을 환원시킴으로써 금속철을 제조하는 선행 기술은 다음의 태양을 갖는다:
(1) 금속철을 함유하는 쉘을 열에 의한 환원에 의해 생성 및 성장시킨다. 쉘 내에 실질적으로 산화철이 남아 있지 않을 때까지 환원을 계속하고, 생성된 슬래그의 응집체를 쉘 내에서 생성시킨다.
(2) 금속철을 함유하는 쉘을 열에 의한 환원에 의해 생성 및 성장시킨다. 쉘 내에 실질적으로 산화철이 남아 있지 않을 때까지 환원을 계속한다. 그리고 가열을 계속하여 쉘 내에서 생성된 슬래그를 금속철 쉘 밖으로 방출시킨다.
(3) 금속철을 함유하는 쉘을 열에 의한 환원에 의해 생성 및 성장시킨다. 쉘 내에 실질적으로 산화철이 남아 있지 않을 때까지 환원을 계속한다. 가열을 계속하여 용융금속철과 용융슬래그를 분리한다.
(4) 금속철을 함유하는 쉘을 열에 의한 환원에 의해 생성 및 성장시킨다. 쉘 내에 실질적으로 산화철이 남아 있지 않고 생성된 슬래그가 쉘 내에서 응집될 때까지 환원을 계속한 후, 생성된 슬래그를 금속철로부터 분리하는 공정을 수행한다.
상기 방법 (2)를 구현하기 위하여, 금속철 쉘을 부분적으로 용융함으로써 쉘 내의 용융슬래그를 금속철 쉘 밖으로 방출시킬 수 있다. 이러한 경우에 또는 상기 방법 (3)을 구현하기 위하여, 금속철 쉘의 융점을 낮추기 위해 금속철 쉘 내에 존재하는 탄소질 환원제로 가탄을 계속하여 금속철 쉘의 일부 또는 전체를 용융시킬 수 있다.
상기 방법 (1) 내지 (4) 중 어느 한 방법을 구현하는데 있어서, 가열환원 공정에서의 최대가열온도를 생성된 슬래그의 융점 이상 그리고 금속철 쉘의 융점 이하로 제어함으로써 금속철의 생성 반응을 좀더 효과적으로 수행할 수 있다. 이러한 환원 공정에서, 고상 환원에 의해 산화철을 환원시킴으로써, 그리고 주로 FeO로 구성된 산화철이 실질적으로 존재하지 않을 때까지 액상 환원에 의해 산화철을 추가적으로 환원시킴으로써 얻어지는 금속철의 순도를 효과적으로 향상시킬 수 있다.
고상 산화철 환원을 효과적으로 수행하기 위하여, 환원 공정에서 생성된 슬래그를 환원에 의해 생성된 금속철에 대해 낮은 온도에서 용융시키는 것이 필요하다. 그러므로, 필요한 압축성형 공정에서 Al2O3, SiO3또는 CaO를 첨가함으로써 생성된 슬래그의 융점을 환원철의 융점 보다 낮출 수 있도록 산화철 또는 탄소질 환원제 내에 함유된 슬래그 성분의 함량 조성물을 예비압축성형하는 것이 바람직하다.
상기 선행 기술에서, 용어 '금속철 쉘 내에 실질적으로 산화철이 남아 있지 않을 때까지 환원을 계속한다.'는 정량적인 기준으로 가열환원 공정에서 'FeO로 주로 구성된 산화철의 함량이 5중량% 이하, 바람직하게는 2중량% 이하가 될 때까지 환원을 계속한다.'라는 의미이다. 다른 관점에서 보자면, 환원 반응에서 생성된 금속철로부터 분리된 슬래그 내에서 FeO로 주로 구성된 산화철의 함량이 바람직하게는 5중량% 이하, 더욱 바람직하게는 2중량% 이하가 될 때까지 열에 의한 환원을 계속한다는 것을 의미한다.
고순도의 금속철과 이 방법에서 얻어진 생성된 슬래그를 용융하여 비중 차이에 의해 분리함으로써 금속화 비율이 약 95% 이상, 또는 약 98% 이상인 초고순도의 금속철을 얻을 수 있다. 또한, 선행 발명에 따르면, 산화철로부터 유래된 노 내의 내화물의 손상을 방지할 수 있도록 생성된 슬래그 내의 산화철 함량을 최소화할 수 있고, 이 기술의 실시는 설비 유지보수의 관점에서 실용적이다.
본 발명은 열에 의해 탄소질 재료와 같은 탄소질 환원제에 의해 철광석과 같은 산화철을 환원시킴으로써 금속철을 얻기 위한 기술의 개선에 관한 것이다. 더욱 구체적으로는, 본 발명은 열에 의해 탄소질 재료와 같은 탄소질 환원제에 의해 철광석과 같은 산화철을 환원시켜 금속철을 얻을 때 산화철을 금속철로 효과적으로 환원시켜 금속철을 얻음으로써 그리고 맥석 성분으로서의 철광석과 같은 산화철 내에 함유된 슬래그 성분을 용융 및 분리함으로써 고순도 금속철을 용융철로서 효과적으로 제조하는 방법에 관한 것이다.
도 1은 본 발명의 기본적인 구성을 나타내는 개략적인 단면도이고;
도 2는 본 발명의 다른 실시예를 나타내는 부분적인 분해조립 평면도이고;
도 3은 도 2의 선 III-III 상에서 취한 단면도이고;
도 4는 측면으로부터 본 발명의 또다른 실시예를 나타내는 개략적인 단면도이고;
도 5는 도 4의 선 V-V 상에서 취한 단면도이고;
도 6은 측면으로부터 본 본 발명의 또다른 실시예를 나타내는 개략적인 단면도이고;
도 7은 도 6의 선 VII-VII 상에서 취한 단면도이고;
도 8은 본 발명에서 바람직하게 변형된 배기가스를 효과적으로 이용하는 시스템을 나타내는 개략적인 흐름도이다.
본 발명의 목적은 열에 의한 환원에 의해 금속을 생성시킬 수 있는지의 여부에 관계없이, 간단한 작업에 의해 탄소질 환원제 및 산화철을 함유하는 압축성형체로부터 극히 효과적으로 용융철을 생성시킬 수 있는 방법을 산업적으로 개발하기 위하여 상기 선행 발명의 기본적인 기술적 개념을 효과적으로 수행하기 위한 제조방법 및 장치를 제공하는 것이다.
상기 문제점들을 해결할 수 있는 본 발명에 따르는 금속철의 제조방법은 열에 의해 탄소질 환원제 및 산화철을 함유하는 압축성형체를 환원시킴으로써 금속철을 제조하는 방법을 포함하는 금속철의 제조방법으로서, 압축성형체를 용융철욕 또는 용융철욕 상의 용융슬래그에 공급하여 용융철욕 및/또는 용융슬래그 상에 부유하도록 하여 압축성형체 중의 산화철을 환원시키기 위해 압축성형체 표면의 일부 또는 대부분을 노 내의 고온가스 분위기에 실질적으로 노출시킨다.
본 발명을 수행하는데 있어서, 용융철욕 및 용융슬래그로부터의 열전달, 그리고 노의 상부의 공간으로부터의 복사열에 의해 압축성형체를 가열한다. 용융철욕 상에서 또는 용융슬래그 상에서 부유하는 압축성형체를 위로부터 그리고 아래로부터 효과적으로 가열함으로써 환원을 효과적으로 수행하기 위해서는, 용융철욕 상의 용융슬래그 두께를 얇게 제어하는 것이 바람직하다.
위로부터 가열하기 위해서, 바람직한 방법의 실시예에는 산소함유 가스를 용융철욕 위의 공간으로 공급하고, 압축성형체로부터 생성된 연소가스를 연소시키고, 얻어진 연소열을 압축성형체를 가열하는데 이용하는 방법, 그리고 연료 및 산소함유 가스를 연소를 위해 용융철욕 위에서 공급하고, 얻어진 연소열을 압축성형체를 가열하기 위해 이용하는 방법을 포함한다. 이 때에는, 노 내로 압축성형체와 함께 탄소질 환원제를 추가적으로 도입함으로써 환원효율을 더 향상시키는 것도 또한 효과적이다.
한편, 전기 아크 가열, 고주파 가열 및 유도 가열과 같은 전기적 에너지를이용하여 용융철욕을 가열할 수 있다. 가열방법에 의해 용융철욕 및 용융슬래그로부터 압축성형체로 효과적으로 열전달을 수행하기 위해서는, 용융철욕 내로 불활성 가스를 취입함으로써 또는 전자기적 교반에 의해 용융철욕 및 용융슬래그를 교반하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명을 수행하는데 있어서, 용융철 흐름이 적어도 용융철욕의 표면부분에 형성되고, 압축성형체를 흐름의 상류측에 공급하여 압축성형체의 환원이 용융철의 흐름방향을 따라서 진행되는 구성이 본 발명을 연속적으로 수행하기 위한 바람직한 실시예로서 추천된다. 생성된 슬래그가 재료로서 공급된 압축성형체 내에 함유된 맥석 성분에 따라서 높은 융점 또는 높은 점도를 가져서 용융철욕으로부터 압축성형체로의 열전달이 방해를 받는 경우에는, 바람직한 실시예로서 플럭스를 가하여 용융슬래그의 점도를 낮추는 것도 또한 추천된다.
재료로서 공급되는 압축성형체는 건조되지 않은 상태 또는 환원되지 않은 상태일 수 있지만, 예비건조 또는 예비환원 이후에 공급되어야 한다. 이 경우에, 환원 공정에서 생성된 고온배기가스를 건조 또는 예비환원에서 효과적으로 이용할 수 있다. 또한, 고온배기가스의 현열을 사용함으로써 또는 가연성을 갖는 가스 연료로서 고온배기가스를 효과적으로 이용할 수 있기 때문에, 용융철욕을 가열하기 위한 고온배기가스를 사용하는 동력생성에 의해 얻어진 전력을 이용하는 것도 또한 효과적이다.
이후로, 실시예를 나타내는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 구체적으로 설명할 것이다. 그러나, 본 발명의 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이고 제한적인 것이 아니라는 것을 고려해야하고, 본 명세서의 내용과 동등한 의미 및 범위 내에 있는 모든 변화는 본 발명에 포함되는 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예로서 금속철의 제조방법 및 제조설비를 설명하기 위한 가장 단순화된 개략적인 수직단면도이다. 탄소질 환원제와 재료로서의 산화철을 함유하는 압축성형체(펠렛과 같은)(A)를 재료도입개구(B)로부터 환원용융로(1) 내의 용융슬래그(S) 또는 용융철(Fe)의 표면으로 공급한다. 열 공급원(예시하지 않음)에 의해 아래로부터 그리고 상부측벽에 구비된 버너(3)에 의해 위로부터 환원용융로(1)를 가열한다.
노(1) 내에 공급된 압축성형체(A)를 용융철(Fe) 표면 또는 용융슬래그(S) 상에서 부유하는 동안에 용융철(Fe) 또는 용융슬래그(S)로부터의 열전달, 용융철욕 위의 공간으로부터의 복사열, 및 상부 공간 내의 버너로부터의 열에 의해 가열한다. 압축성형체(A) 내의 산화철을 내부에 함유된 탄소질 환원제(이후, 탄소질 재료로 칭함)에 의해 환원시킨다. 열에 의해 용융된 환원철은 비중 차이로 인해 떨어지고, 용융철(Fe) 내로 들어간다. 부산물로서 생성된 슬래그 성분은 용융슬래그(S) 내로 들어간다. 그 결과로서, 연속적으로 공급된 재료 압축성형체(A)의 환원 및 용융이 진행됨에 따라서 노(1) 내의 용융철(Fe) 및 용융슬래그(S)가 증가하기 때문에, 용융철방출개구(9) 및 용융슬래그방출개구(10)로부터 연속적으로 나온다.
재료 압축성형체(A) 내에 함유된 산화철 공급원으로서, 평범한 철광석 또는 그것의 예비환원된 생성물을 사용할 수 있다. 탄소질 환원제로서, 코크스, 석탄 또는 숯을 사용할 수 있다. 산화철 공급원 및 탄소질 환원제의 입자를 임의의 비율의 적절한 바인더와 혼합함으로써 얻어지는 펠렛과 같은 임의의 형태의 압축성형체, 또는 그것의 소성된 생성물을 사용할 수 있다.
압축성형체(A) 내의 탄소질 환원제를 가열 조건 하에 산화철의 환원을 위해 사용하고, 환원에 의해 생성된 철의 가탄을 위해 사용한다. 용융 이전의 고체 환원철은 다공성이어서, 재산화되기가 쉽다. 그러나, 환원용융로(1)의 내부를 비산화 분위기로 유지하고, 압축성형 단계에서 여분의 탄소질 재료를 도입하거나, 또는환원성 분위기를 강화시키기 위해 압축성형체 외의 탄소질 재료를 도입함으로써, 환원철의 재산화를 방지할 수 있다. 또한, 열에 의해 용융된 환원철은 연속적으로 비중차이로 인해 떨어져서 용융철(Fe) 내에 들어간다.
압축성형체(A)에 탄소질 재료를 도입함으로써 환원철의 재산화를 방지하기 위해서는, 탄소질 재료의 도입량이 (산화철을 환원시키는데 필요한 탄소의 양 + 환원철을 가탄하는데 필요한 탄소의 양 + 산화손실량) 이상이어야 한다. 산화철 또는 탄소질 재료의 종류에 따라서 필요한 탄소의 양이 변하지만, 환원철의 재산화를 확실하게 방지하기 위해서는 사용되는 산화철 공급원 내의 100중량부의 철함량에 대해 탄소 함량을 기준으로 하여 약 20중량부 이상의 탄소질 환원제를 도입하는 것이 바람직하다. 탄소질 재료 도입량의 상한선은 특별히 제한되지는 않지만, 과도한 도입량으로 인해 압축성형체의 기계적 강도가 저하되어 재료 압축성형체의 취급단계 또는 도입단계에서의 파쇄가 일어나기 쉽기 때문에, 탄소 함량을 기준으로 하여 45중량부 이하의 양이 바람직하다. 더 많은 양의 탄소질 재료가 사용되는 경우에는, 압축성형체와 함께 임의의 양의 추가적인 탄소질 재료를 도입하는 것이 바람직하다. 도입되는 탄소질 재료의 더 바람직한 함량은 환원철의 재산화 방지와 압축성형체 강도의 유지의 관점에서 모두 산화철 공급원 내의 100중량부의 철 함량에 대해 25 내지 40중량부인 것이 좋다.
상기한 바와 같이, 본 발명에서는, 전기 아크 가열, 용융철(Fe)을 가열하기 위해 변형된 고주파 가열 또는 유도 가열에 의한 용융철(Fe)로부터의 열전달, 위로부터의 복사열 및 버너로부터의 열에 의해 재료 압축성형체(A)를 가열한다. 이 경우에, 질소 가스와 같은 불활성 가스를 용융철 쪽으로 취입하기 위해 환원용융로(1) 아래에 가스취입수단이 구비되거나, 또는 용융철 표면으로의 열전달이 좀더 효과적으로 수행될 수 있기 때문에 대류를 형성하기 위해 전자기적 교반에 의해 용융철(Fe)욕을 교반하는 것이 바람직하다.
버너에 의한 가열을 위해, 탄화수소 가스와 같은 가스 연료, 중질유와 같은 액체 연료, 또는 석탄과 같은 고체 연료를 사용할 수 있다. 또한, 재료 압축성형체(A) 내에 함유된 과량의 탄소질 재료와 함께 연소시키기 위해 버너(3)로부터 공기와 같은 산소-함유 가스 만을 취입하거나, 또는 압축성형체와 함께 추가적인 탄소질 재료를 도입하여 CO와 같은 환원 공정에서 생성되는 환원성 가스를 이용하는 것도 가능하다.
상기 환원 및 용융 공정을 효과적으로 수행하기 위해서는, 압축성형체(A)를 좀더 효과적으로 가열하는 것이 필요하다. 그러므로, 압축성형체(A)가 용융철욕 및/또는 용융슬래그 상에서 부유하여 그 표면의 상당한 부분 또는 대부분이 노 내의 고온가스 분위기에 노출되는 것이 필요하다. 바람직하게는, 압축성형체가 덩어리를 형성하지 않으면서 용융철(Fe) 및 용융슬래그(S)와 접촉하면서 부유하는 동안에 위로부터 그리고 아래로부터 압축성형체를 가열하는 것이 좋다. 그 이유로는, 용융철(Fe) 표면에 부유하는 용융슬래그(S)를 얇게 제어하는 것이 바람직하기 때문이다.
그러나, 도입된 압축성형체(A)가 덩어리화하거나 또는 용융슬래그(S)가 두꺼워지면, 덩어리 내부에 존재하는 압축성형체(A)로 향하는 용융철(Fe)욕으로부터의열전달 또는 상부 방향으로부터의 복사열이 감소되고, 이로써 가열 효율을 저하시키게 된다. 또한, 용융슬래그(S)가 두꺼워지면, 용융철욕으로부터의 열전달 효율이 저하될 뿐만 아니라 재료 압축성형체(A)가 용융슬래그(S) 내에 가라앉게 되어, 위로부터의 복사열을 효과적으로 이용할 수 없게되고, 이로써 또한 가열 효율 및 환원 효율을 저하시키게 된다. 그러한 관점에서, 노 내로 도입되는 재료 압축성형체(A)가 용융철욕 또는 용융슬래그와 직접 접촉하고, 용융압축성형체(A)의 일부 또는 대부분이 노 내의 고온가스 분위기에 실질적으로 노출되는 것이 바람직하고, 서로 독립적인 상태에 있는 것이 더욱 바람직하다.
용융슬래그(S)의 두께를 얇게 제어하여 용융철(Fe)로부터의 열전달, 위로부터의 복사열, 및 버너로부터의 열이 효과적으로 전달되도록 하는 것이 또한 바람직하다. 용융슬래그(S)의 두께가 재료 압축성형체(A)의 입자크기와 같거나 또는 그 2배 또는 3배 내에 있는 것이 바람직하다. 방출개구(10)로부터의 용융슬래그(S)의 방출속도를 제어함으로써 용융슬래그(S)의 두께를 용이하게 조절할 수 있다.
재료 압축성형체(A)가 용융슬래그(S) 상에서 부유하는 동안에 비중 차이에 의해 압축성형체(A)로부터 방출되는 CO 가스 및 열환원 공정에 의해 위로부터의 열을 효과적으로 수용할 수 있도록 하여 재료 압축성형체(A)를 환원시킬 수 있고, 환원철의 재산화를 CO 가스의 생성으로 인해 최소 수준으로 제한할 수 있다.
용융철(Fe)의 표면 상에서 부유하는 용융슬래그(S)의 융점 또는 용융점도가 너무 높은 경우에는, 용융철(Fe)욕 표면 상의 용융슬래그(S) 표면이 용융철(Fe)욕으로부터 압축성형체(A)로의 열전달 효율을 저하시키고 용융슬래그(S)를 연속적으로 방출시키기 때문에, 용융슬래그(S)의 융점을 낮추고 유동성을 향상시키기 위해 선택적으로 플럭스(CaO 및 MgO와 같은)를 가하는 것이 바람직하다.
용융슬래그(S)가 상기한 바와 같이 낮은 융점 및 높은 유동성을 갖도록 조절함으로써, 용융철(Fe)로부터의 열전달 효율이 입증되고 압축성형체(A)의 환원 공정에서 부산물로서 생성된 슬래그 내에 함유된 FeO를 환원시킬 수 있게되어, FeO로 인한 내화벽에 대한 손상을 효과적으로 방지할 수 있다.
도 1에 나타낸 실시예의 환원용융로(1)의 상부에 구비되어 있는 방출개구(11)로부터 방출된 배기가스는 고온에서도 상당한 환원력을 갖는다. 나중에 기술하는 바와 같이 재료 압축성형체(A)를 건조 또는 예비환원시키기 위해 배기가스를 이용하고, 현열을 이용하기 위해 인접하여 구비된 열전력생성설비로 운반하거나, 또는 이 방법의 바람직한 실시예로서의 환원용융로(1)를 가열하기 위한 전력을 위한 연료로서 이용하는 것이 권장된다.
도 2는 본 발명의 다른 방법 및 장치를 나타내는 부분적인 분해조립 평면도이다. 도 3은 도 2의 선 III-III 상에서 취한 단면도이다. 이 실시예는 환원용융로(1)가 환원 및 용융을 위한 용융철(Fe)욕의 확대된 표면을 갖는 수평면의 형태를 갖고, 복수의 재료도입개구(8)가 구비되어 있고, 전체적으로 균일하게 가열하기 위해 복수의 버너(3)가 구비되어 있다는 것을 제외하고는 도 1에 나타낸 실시예와 실질적으로 동일하다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 또다른 실시예를 나타내는 단면도이다. 도 4는 측면으로부터 본 단면도이고, 도 5는 평면 방향으로부터 본 단면도이다. 이 실시예에서, 용융철(Fe)은 수평환원용융로(1) 내에 수용되고, 용융철(Fe)욕을 가열수단(예시되어 있지 않음)에 의해 가열한다. 복수의 버너(3)가 길이방향을 따라서 용융철(Fe)욕 위의 공간 내에 구비되어 있다. 또한, 재료 압축성형체(A)를 위한 공급부(4) 그리고 슬래그 내의 FeO의 환원을 촉진하고 재산화를 방지하기 위한 탄소질 재료(C)를 위한 공급부(5)가 상류측에 구비되어 있어서, 재료 압축성형체(A) 및 탄소질 재료(C)를 용융철(Fe)욕으로 연속적으로 공급한다.
환원용융로(1)의 하류측의 용융철(Fe)의 표면에 잠긴 둑(6)이 구비되어 있다. 용융슬래그 방출개구(10)가 잠긴 둑(6)의 상류측에 인접하여 개방되어 있다. 용융철 방출개구(9)가 최하류측의 하부에 구비되어 있다. 그러므로, 재료 압축성형체(A) 및 탄소질 재료(C)를 연속적으로 도입함으로써 그리고 개별적인 방출개구로부터의 도입량에 따라서 생성된 용융철(Fe) 및 용융슬래그(S)를 방출함으로써, 노(1) 내의 용융철(Fe) 및 용융슬래그(S)의 흐름이 도입측으로부터 방출측까지 형성된다. 이 실시예에서, 흐름이 좀더 원활하게 발생하도록 하기 위해서, 불활성 가스 취입개구(12) 및 칸막이벽(7)이 용융철(Fe)욕의 최상류측의 하부에 구비되어, 노(1)의 칸막이벽(7)과 상류측벽 사이에서 불활성 가스의 기포의 상승흐름을 형성함으로써 하류측으로 향하는 용융철(Fe)의 표면 흐름을 촉진한다.
공급부(4)로부터 도입되는 재료 압축성형체(A)를 용융철(Fe)욕으로부터의 열전달, 상부공간으로부터의 복사열 및 버너로부터의 열에 의해 가열하여 압축성형체(A)가 용융철(Fe)욕 상의 하류에 부유하는 동안에 가열 및 환원을 수행한다. 생성된 환원철은 추가적으로 가열되어 용융되어 용융철(Fe)욕 내에 들어가고, 방출개구(9)로부터 연속적으로 방출된다. 한편, 부산물로서 생성된 슬래그는 용융철 표면에 존재하는 용융슬래그(S) 내에 들어가고, 잠긴 둑(6)에 의해 가로막히고, 방출개구(10)로부터 연속적으로 방출된다. 위로부터 그리고 아래로부터의 압축성형체의 가열효율을 상기한 바와 같이 추가적으로 향상시킬 수 있기 때문에, 압축성형체(A)에 플럭스를 공급하거나 또는 다른 공급부로부터 용융철(Fe) 표면 상의 용융슬래그(S)의 융점을 낮추기 위해 공급하는 것이 바람직하다. 또한, 이것은 최하류측의 용융철 표면 위치로부터의 용융슬래그(S)의 방출을 용이하게 할 수 있고, 더욱이, 플럭스를 가하여 용융슬래그(S)의 점도를 낮춤으로써 용융철(Fe)욕 상에서의 용융슬래그(S) 두께의 제어를 용이하게 할 수 있기 때문에 바람직하다.
이 방법에 따르면, 재료 압축성형체(A)가 용융철 표면 상에서 하류측으로 유동하는 동안에 환원 및 용융이 연속적으로 수행되어 용융철(Fe) 및 용융슬래그(S) 내에 각각 들어가서 연속적으로 방출될 수 있기 때문에, 연속적인 작업이 극히 효과적으로 수행될 수 있다. 환원용융로(1)의 최하류측의 상부벽에 구비되어 있는 방출개구(11)로부터 방출되는 배기가스가 상기한 바와 같이 고온에서 환원력을 갖기 때문에, 재료 압축성형체(A)를 건조 또는 예비환원시키기 위해 사용되거나, 또는 현열에 의해 보일러를 구동하기 위해 열전력생성설비에 공급됨으로써 환원용융로(1)의 가열용 전력 공급원으로서 이용되거나, 또는 가스 연료로서 이용될 수 있다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 또다른 실시예를 측면 및 평면 방향으로부터 본 개략적인 단면도를 나타낸다. 이 실시예는 환원용융로(1)의 내부가 수직칸막이벽(13)에 의해 2부분으로 분할되어 칸막이벽(13)의 반대편에서 반대 방향으로의 용융철(Fe) 흐름을 형성하고 재료 압축성형체 공급부(4a, 4b) 및 탄소질 재료 공급부(5a, 5b)가 각각의 상류측에 구비되어 있고 용융철(Fe)을 위한 방출개구(9a, 9b) 및 용융슬래그를 위한 방출개구(10a, 10b)가 각각의 하류측에 구비되어 있고 복수의 가열용 버너(3)가 노(1)의 상부에 구비되어 있는 것을 제외하고는 도 4 및 도 5에 나타낸 실시예와 실질적으로 동일하다. 이 실시예에서, 칸막이벽(13)으로부터의 열확산이 방지되어 열효율을 전체적으로 향상시킬 수 있고, 또한, 환원 및 용융을 안정한 용융철(Fe) 흐름을 형성하면서 비교적 좁은 채널에서 수행할 수 있기 때문에, 작업을 더욱 안정하게 수행할 수 있고, 따라서 바람직하다.
도 8은 환원용융로(1)로부터 방출되는 고온의 배기가스를 장치의 가열용 전력 공급원으로서 효과적으로 이용할 수 있는 설비를 나타내는 흐름도이다. 환원용융로(1)의 배기가스 방출개구(11)로부터 방출된 배기가스를 보일러(B)에 공급함으로써, 증기를 생성하기 위해 보일러(B)에 공급되는 물을 가열하고, 전력을 생성하기 위해 증기에 의해 발전기(E)를 구동한다. 환원용융로(1)의 가열용 전력 공급원으로서 전력을 이용한다. 보일러(B)로부터 방출된 열에너지를 갖는 배기가스를 효과적으로 열에너지를 더 이용하기 위해 환원용융로(1)의 연소버너(3)에 공급되는 연소용 공기와 열교환하기 위한 열교환기(H)에 공급한다.
배기가스가 여전히 약간의 환원력을 갖기 때문에, 전력생성을 위한 보조연료로서 이용할 수 있다.
따라서, 본 발명의 환원 및 용융 설비에 환원성 가스를 효과적으로 이용하기위한 이러한 설비를 제공함으로써, 설비의 에너지 소비를 전체적으로 최소 수준으로 유지할 수 있다.
상기 구성을 갖는 본 발명에 따르면, 선행 발명에서 제안된 신규 금속철 제조기술과 조합하여, 예비환원된 철광석뿐만 아니라 환원되지 않은 철광석을 포함하는 산화철 공급원을 비교적 간단한 설비 및 작업에 의해 고순도의 용융철로 효과적으로 환원시켜 실제사용에 있어서 직접환원 제철방법의 연속작업을 구현할 수 있다. 더욱이, 본 발명에 따르면, 압축성형체가 용융철욕 및/또는 용융슬래그 상에서 부유하는 동안에 재료 압축성형체의 표면의 일부 또는 대부분이 노 내의 고온가스 분위기에 실질적으로 노출된 상태에서 용융철로부터의 열전달, 상부 공간으로부터의 복사열 및 버너로부터의 열에 의해 압축 성형체를 환원 및 용융할 수 있다. 생성된 환원철이 용융철 내로 들어가고 생성된 슬래그가 용융슬래그 내로 들어가기 때문에, 자동적으로 그리고 효과적으로 분리할 수 있다. 환원 공정에서 부산물로서 생성된 슬래그 내에 함유될 수 있는 FeO를 포화된 상태의 용융철 내에 함유된 탄소에 의해 신속하게 환원시킬 수 있기 때문에, FeO에 의한 노 내의 내화벽의 손상을 방지할 수 있다. 결과적으로, 분리 및 방출된 용융슬래그 내의 철성분의 함량을 상당히 억제할 있기 때문에, 재료 도입량에 대한 철성분의 수율을 현저히 향상시킬 수 있도록 철함량 손실을 억제할 수 있다. 이제까지 언급한 바와 같이, 본 발명에 의해 다양한 효과를 얻을 수 있다.
Claims (15)
- 고온 분위기를 갖는 노 내에서 용융철욕 또는 용융철욕 상의 용융슬래그에 압축성형체를 직접 공급하는 단계;노의 위 아래 양쪽으로부터 공급된 압축성형체를 가열하는 단계; 그리고압축성형체 내의 산화철이 실질적으로 환원될 때까지, 공급된 압축성형체를 용융철욕 또는 용융슬래그 또는 용융철욕 및 용융슬래그 상에서 부유하도록 하여 압축성형체의 표면의 적어도 일부를 노 내의 고온가스 분위기에 노출시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소질 환원제 및 산화철을 함유하는 압축성형체를 열에 의해 환원시킴으로써 노에서 금속철을 제조하는 방법.
- 제 1 항에 있어서, 용융철욕 상의 용융슬래그의 두께를 부유하는 압축성형체의 상당한 부분이 고온가스 분위기에 노출되기에 충분할 만큼 얇게 제어하는 것을 특징으로 하는 금속철의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 부유하는 압축성형체를 용융철욕으로부터의 또는 용융철욕 및 용융슬래그로부터의 열전달에 의해 그리고 노 내의 상부 공간으로부터의 복사열에 의해 가열하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속철의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 연소를 위해 용융철욕 위에서 산소함유 가스 및 연료를공급하여 압축성형체를 가열하기 위한 연소열을 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속철의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 용융철욕 위에서 산소함유 가스를 공급하는 단계 및 압축성형체로부터 생성된 연소가스를 연소하여 압축성형체를 가열하기 위한 연소열을 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속철의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 압축성형체를 노에 공급하기 전에 압축성형체를 건조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속철의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 탄소질 환원제를 용융철욕 또는 용융철욕 상의 용융슬래그에 공급하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속철의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 용융철욕을 교반함으로써 부유하는 압축성형체를 균일하게 가열하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속철의 제조방법.
- 제 8 항에 있어서, 불활성 가스를 용융철욕 내에 취입함으로써 용융철욕을 교반하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속철의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 용융철욕의 적어도 표면 부분에서 용융철의 흐름을 일으키고 압축성형체를 흐름의 상류측에서 공급하고 압축성형체가 용융철의 흐름방향을 따라서 이동하는 동안에 압축성형체를 환원시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속철의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 용융슬래그의 용융점도를 낮추기 위해 플럭스를 압축성형체에 가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속철의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 압축성형체를 노에 공급하기 전에 압축성형체를 예비환원시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속철의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 환원 공정에서 생성된 고온배기가스를 사용하여 전력을 생성하는 단계 및 얻어진 전력을 용융철욕을 가열하기 위해 사용하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속철의 제조방법.
- 제 6 항에 있어서, 압축성형체를 건조하기 위해 환원 공정에서 생성된 고온배기가스를 사용하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속철의 제조방법.
- 제 12 항에 있어서, 압축성형체를 예비환원시키기 위해 환원 공정에서 생성된 고온배기가스를 사용하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속철의 제조방법.
Applications Claiming Priority (2)
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