KR100248900B1 - 야금반응용기내의 반응증가방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 배스 표면의 상부 및 하부로 반응제가 공급되는 용융배스를 포함하는 야금반응용기 내의 반응을 증대시키는 방법에 관한 것으로, 금속 배스로부터 새어나온 가스는 이 가스공간으로 주입된 산화 가스에 의하여 용융물 상부의 공간에서 재연소되고, 그 결과 발생된 열은 용융 배스로 전달되며, 이것에 의하여 방울, 비말 또는 용융물의 커다란 입자의 형태로서 용융물의 파편은 상기 야금 반응 용기의 가스 공간으로 탄도 궤도를 따라서 이동하여, 하부배스 송풍관을 경유하여 유도된 가스양을 통하여 분수처럼 용융물로부터 분출된다 .

Description

야금반응용기내의 반응증가방법

제1도는 철광석과 선철 및 철함유 합금을 생산하기 위하여 철함유 광석을 용련 환원하는 드럼-형 반응 용기의 수직 단면도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 금속 자켓 2 : 내화성 라이닝

3 : 하부 부분 4 : 플랜지

5 : 하부배스 송풍관 6 : 공급 연결관

7 : 용융 배스 8 : 슬래그 층

9 : 돌출 풀럼 10 : 전이/혼합 영역

11 : 가스 공간 12 : 분수

13 : 비말 14 : 파이프

15 : 송풍관 16 : 재연소 기류

17 : 폐기물 가스 포트 19 : 용기 개구

20 : 탭 홀

본 발명은 배스(BATH) 표면의 상부 및 하부로 반응제(reaction agent)가 공급되는 용융 배스(molten bath)를 포함하는 야금반응 용기내의 반응을 증가시키는 방법에 관한 것으로, 금속 배스로부터 새어나온 가스는 이 가스 공간에 주입된 산화가스(oxidizing)에 의하여 용융물(the smelt) 상부의 공간에서 재연소되고, 그 결과 발생된 열은 용융 배스로 전달된다.

최근의 새로운 야금방법의 개발은 생산서의 증가와, 공급되는 연료의 에너지를 더욱 효율적으로 사용하는 것에 목적이 있다. “제철과 제강을 위한 새로운 개념과 방법(New Concepts and Methods for Inron and Steelmaking)” 이라는 제목의 1987년 하우(Howe) 기념 강연에는 철강 산업에서는 처음으로 에너지 전달도(energy transfer density)의 개념과 처리되는 가스의 재연소와 그 결과 발생된 열의 재전달에 대하여 논하였다. 이것은 재연소도의 함수로서 1톤의 파철(scrap)을 용련하기 위한 석탄 연소의 수치와, 선철과 강철을 제조하기 위해 종래의 방법에 관한 에너지 전달 밀도[MW/㎥]의 수치를 공개하고 있다.

특히 CO에서 CO₂로 반응 가스(reaction gas)를 재연소 시키고, 파철의 용련 능력을 증가시키기 위하여 재연소로 발생된 열을 사용하기 위한 시도는 오랜 동안 철강 제련업계에 알려져 있으며, 또한 재산권으로서 기술되었다. 예를 들면, 독일 특허 제 01 01 916 호는 전기 방전로와 철강 제조 변환기에서 CO를 재연소 시키는 것에 관한 것이다. 재연소 송풍관(afterburning tuyeres)은 거의 수평 고정 위치를 가지며, 이 송풍관의 산소 공급은 하부 송풍관을 통하여 용융물로 통과되는 산소의 총량과의 관계에 의하여 제어된다는 것이 이 발명에 있어서 필수적이라고 주장되어 졌다. 그러나 1971년부터 이 재산권의 기술은 실제로 적용되지 않았다.

독일 특허 제 27 55 165 호에 의한 방법에 있어서만 대규모로 평균 약 20％의 CO를 재연소 시키고 획득된 열을 약 80％내지 90％의 고효율로 용융물에 전달하는 것이 가능해졌다. 이것은 명백하게 결합-송풍 변환기(combination-blown converter)에서의 제강의 파철 비율을 증가시킨다. 이 방법의 중요한 특징은 전체 산소 총량의 약 20％ 내지 80％를 상부로부터 배스 표면을 향해 가스공간으로 흘러가는 자유로운 기류로서 작동하는 가스 기류를 통하여 공급하는 제련 방법에 관한 것이다. 제강(in steelmking)중의 파철 비율의 증가는 용융물에 탄소 함유 연료를 공급하여 달성할 수 있으며, 이러한 연료의 온도 효율은 독일 특허 제 28 38 983 호에 기술된 반응제를 재연소하여 개량할 수 있다.

예를 들어 납 또는 구리 산업에서의 비철 금속 생산에 있어서, 반응 가스의 재연소로부터 열을 이용하는 유사한 방법이 소개되었다.

철 배스의 석탄 가스에서 가스화 방법의 에너지 공급은 생산된 석탄 가스를 부분 연소하여 증가시킬 수 있다. 이 방법은 철 배스를 냉각시키는 높은 휘발성 성분을 갖는 석탄의 가스화에서 특히 중요한 것이다. 더욱이, 철 배스 반응기에서 생성된 석탄 가스의 부분적인 재연소로부터의 에너지는 또한 예를 들면, 철광석을 환원시키는데 사용될 수 있다. 영국 특허 제 20 82 624 호는 이러한 방법에 대하여 기술하고 있다.

현재 널리 개발되고 있는 철강석의 용련 환원방법에서 이 방법의 생산성은, 한편으로는, 용융-다운 반응기(melt-down reactor)에 사전환원 장치(prereduction facilities)를 결합하거나, 또는 재연소 비율을 증가시킴으로서 증대시킬 수 있다. 이러한 두 가지 방향의 개발에 있어서 특히 유리한 점은 발행되지 않은 독일 특허출원 제 42 06 828 호 및 미합중국 특허 제 5,051,127 호에 설명되어 있다. 본 발명의 명세서에 따라서 철광석을 용련 환원하기 위한 조합 방법의 생산성에 있어서의 개량은 이러한 조합 방법은 적어도 세 개의 처리 유닛(process unit)을 포함하고 용융-다운 반응기는 철광석의 부분적 환원이 적어도 두 개 이상의 처리 유닛을 구성하고, 다른 폐가스가 이들 세 공정 유닛에서 각각 생성된다는 특징이 있다. 미합중국 특허에 따른 재연소의 개량은 특히 나선인 하나 또는 그 이상의 송풍관을 통하여 반응 용기의 배스 표면상에 산화 가스의 유동을 불어넣어서 획득된다.

유럽 특허 출원 90 116 879.9 호, 공보 번호 제 04 18 637 에는 배스 표면상에 적어도 2000 ㎏.㎡의 슬래그(slag)가 존재하여야 하는 특성을 가진 용련 환원용기의 작동 방법에 대하여 설명하고 있다. 이 방법은 산소 상부-송풍 랜스(top-blowing lance)와 혼합된 가스가 용융 배스로 공급되기 위하여 통과하는 하부 배스(underbath) 송풍관과 같이 작동한다. 반응 가스의 재연소는 철 배스상에 형성된 발포 슬래그 층에서 일어난다. 이 특허 명세서에서 언급된 혼합력을 계산하기 위한 공식에 따르면 이 값은 청구항 제 4 항에 나타난 바와 같이 1 과 6 KW/t 사이에 있어야 한다. 하부 배스 송풍관을 통하여 용융물에 공급되는 혼합 가스의 총량의 유속은 70 내지 450 N㎥/h 송풍관이다. 70 내지 110 t의 지정된 양과 네 개의 하부배스에 대하여서는 0.05 내지 0.3 N㎥/hㆍmin의 특정 값이 된다. 지정된 배스 표면의 하부로 유도되는 혼합 가스의 지정된 유속은 상부-송풍 산소 사이의 접촉을 초과하며 용융 철은 이 방법에서 증가된다. 이것은 차례로 배스의 산화를 초래하고, 그 결과로서 재연소가 환원된다.

또 다른 공개 유럽 특허 출원 제 03 08 925 호는 철광석을 용련하고 환원하는 방법 및 장치에 관한 것이다. 이 방법의 특징은 측면 송풍관과 하부 송풍관을 통하여 가스에서 탄소를 제거하고, 부가적으로 가스를 재연소하고 혼합하는 송풍관을 가진 상부-송풍 랜스를 통하여 용련 환원로로 산소를 불어 넣은 것이다. 불활성 혼합 가스의 공급 속도는, 1 톤의 용융 배스에 기초하여, 하부 송풍관에 대하여는 0.5 내지 3 N㎥/min이며, 측면벽 송풍관에 대하여는 0.3 내지 2 N㎥/min 사이에 있다. 슬래그 및 슬래그 발포 작용제는 또한 30 내지 100㎏/t의 금속의 속도로 방법의 시초로부터 용융 배스로 공급된다.

생산성을 향상시키고 제강, 철 배스에서 석탄 가스화 및 철광석의 용련 환원에 공급되는 에너지 사용을 개량하기 위한 상기 종래의 방법은 일반적으로 제한된 정도로만 실제 생산에 사용되고 실제의, 신뢰할만하게 획득되는 재연속 속도는 예상보다 낮아서, 예외적인 경우에만 약 70％의 높은 열전달과 동시에 30％ 이상의 값을 갖는다. 부가적으로, 반응 용기의 가스 공간의 내화성 라이닝(refractory lining)의 마모의 증가는 재연소후에 높게 나타난다.

산소 상부-송풍 랜스와 반응 매질로서 철 배스상에 발포 슬래그 층을 가진 용련 환원 방법은 그 것의 반응에 대하여 제한되며, 이것은 반응제의 공급 속도가 이러한 발포 슬래그 층을 구축하고 보수해야 하는 단점 없이는 증가할 수 없기 때문이다.

본 발명의 토대가 된 문제는 용융물이 훌륭히 농도 균형을 유지하는 동안에 야금학적 반응용기에서의 반응을 증가시키기 위하여, 용융 배스에 열을 전달하기 위한 동시에 약 70％ 이상의 높은 효율 인자를 갖는 높은 재연소를 안정적이며 재생가능하게 획득하고 따라서 방법을 위하여 높은 에너지 전달 밀도를 획득하는 제강, 철 배스에서의 석탄 가스화, 및 원광석의 용련 환원에 있어서, 형성 슬래그 층이 없이 야금 반응 용기에서 반응을 증대시키기 위한 방법을 설계하는 것이다. 이것은 또한 결과적으로 종래의 주어진 야금 반응 용기에 적용될 때 생산성을 증가시키는 것이 본 발명의 방법의 목적이다.

이 문제는 방울, 비말 및 용융물의 큰 입자의 형태로 용융물의 파편들이 야금 반응 용기의 가스 공간으로 탄도 궤적을 그리면서 이동하며, 하부 송풍관을 경유하여 유도된 가스의 총량을 통하여 분수처럼 용융물로부터 분출되는 방법에 의하여 해결된다. 본 발명의 더욱 바람직한 특성과 구체예는 종속항 제 2 항 내지 14 항에서 설명된다.

본 발명의 목적은 반응제들이 배스 표면의 상부 및 하부에서 공급되고, 상기 금속 배스로부터 방출되는 가스들이 용융물 상에서, 금속 및/또는 슬래그로 구성되는 방울 또는 비말이 발견되는, 상기 가스공간 내로 주입되어지는 산화가스들에 의하여 공간 내에서 재연소 되고, 그리고 그 결과 발생된 열이 높은 효율을 가지고 상기 용융배스로 전도되어지는 용융배스를 포함하는 야금 반응용기내의 반응을 증가시키는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 목적은 또한 제강, 철함유 합금의 생산, 철 배스에서 석탄 가스화 및 원광석의 용련 환원에 상기 방법을 사용하는 것이다.

본 발명은 배스 표면 하에서 반응용기의 요융물에 대규모의 가스를 주입하여 반응이 증가한다는 발견에 기초하고 있다.

본 발명은 또한 용융물의 파편이 배스로부터 하부 송풍관을 경유하여 유입된 가스량에 의하여 분수처럼 분출되고 이러한 용융물의 파편이 용융물 파편이 용기벽이나 용융물 그 자체를 때리거나, 다른 용융물 파편과 부딪히거나 또는 자유 기류의 형태로 배스에 불어오는 산화 가스에 의하여 유도될 때 탄도궤도를 따라 용융물의 방울, 비말 및 큰 입자의 형태로 가스공간 내를 움직인다면 야금 반응 용기에서의 반응이 증가된다는 발견에 기초하고 있다.

본 발명의 방법에 의하여 예측할 수 없는 방법으로 3％ 이상의 높은 재연소율을 가진 야금 반응 용기에서의 반응 증가와 70％ 이상의 효율로 용융 배스에 뛰어난 열전달성을 갖도록 한다. 본 발명의 방법은, 1톤의 용융 배스에 기초하여, 하부 송풍관 상부 약 0.5m의 최소 배스 깊이에서 0.2 N㎥/min 내지 30 N㎥/min 의 가스양을 유도하는 것을 가능하게 하며, 그렇게 하여 방울, 비말, 또는 용융물의 커다란 입자로 용융물의 파편을 발포 슬래그로부터 야금학적 반응기의 자유로운 가스 공간으로 분수처럼 분출시킨다. 이 가스 공간에서 용융물 파편은 탄도 궤도를 따라서 이동하여 용융물들의 큰 표면적으로 통해 증가된 열을 가스공간에서 용융물로 전달한다. 이렇게 증가된 에너지의 전달은 본 발명의 중요한 특징이고 배스 표면의 상부 및 하부의 가스 및 고체의 유도속도와 그 결과 발생된 야금반응 용기내의 증가된 반응에 기초가 된다.

본 발명의 방법이 야금 용기에서 어떻게 발생하는 가에 대한 개념은 현재의 지식 수준에 의하여 다음과 같이 설명할 수 있다. 배스 표면의 하부에 투입되거나 발생된 가스는 금속 용융물의 파편과 슬래그를 용융물 또는 전이 영역(transtion zone)으로부터 상방을 향한 속도로 분수처럼 용기의 가스 공간으로 분출시킨다. 이러한 방울 또는 용융물의 유사한 형상은 뉴튼의 원리에 따라서 탄도 궤적으로 움직인다. 용융물 파편은 다른 방울이나 버스트(burst) 또는 용융물과 충돌하며, 따라서 용기의 가스 공간의 내화성 라이닝에 결국 충돌하거나 또는 용융물로 떨어질 때까지 그들의 궤적은 변경된다. 이러한 고온의 가스 공간에서 방울의 운동은 임의의 본질적인 유체 저항을 극복할 수 없으며, 이러한 환경에 존재하는 유사한 장애 또는 발포 슬래그가 없으므로 주로 그들의 외부 속도와 중력에 의하여 결정된다. 방울은 오직 높은 속도로 재연소 가스 기류의 상부-공급 영역에서만 연속적이거나 또는 그들의 궤적이 영향을 받으며, 50/sec 이상의 가스 속도에서는 방울의 크기에 의존한다. 또한 방울이 작은 조각 입자로 분열되고, 특정 표면 영역에서의 이러한 증가는 열과 질량의 전달을 증가시킨다.

배스 표면의 하부로 유도되는 반응제는 방울 및 용융물의 비말을 가스 공간으로 연속적으로 주입시키며 일종의 분산 금속-방울 상을 형성한다, 이러한 분산 금속-방울 위상은 거대하게 증가된 표면 영역을 가지므로 따라서 금속 배스에 재연소열의 증가된 직접적인 에너지 전달에 기여할 수 있다. 본 발명의 방법에 따라서 반응을 증가시키기 위한 가스 공간으로의 다수의 방울에 의한 표면 영역의 이러한 증가는 가스 공간과 용융물 사이에 높은 열교환을 유발하기 때문에 바람직하며, 이것은 차례로 배스 표면의 상부 및 하부에서 높은 유입 속도를 가능케 한다. 가스 공간에서 발견되는 금속 방울의 총량을 대략 계산하면 약 0.1 내지 25mm의 방울 직경에서 용융물 1톤당 적어도 10㎏의 기준 값이 산출된다. 이러한 측정의 특성에서 상기 값은 작동 조건에 의존하는 종합 요인에 의하여 변화할 수 있다.

이러한 상대적으로 높은 금속 배스 표면 하부에서의 가스 주입 속도와 그 결과 발생된 용융물의 유동 패턴의 더욱 유리한 특징은 배스 표면은 거의 각각의 하부 송풍관의 주입 플럼(plume) 상부의 슬래그로부터 자유스러우므로 금속 방울은 주로 가스 공간으로 불어간다는 것이다.더욱이, 거의 슬래그-자유 영역이 반응 가스 재연소로부터 금속 배스까지 높은 열전달을 야기하는 것이다. 이것은 아마 본 발명의 방법의 작동에서 슬래그의 총량의 영향이 거의 없다는 것으로 설명할 수 있다. 방법은 또한 어떤 인식 가능한 단점 없이 배스 표면사에 슬래그가 없이 수행될 수 있다.

본 발명의 특히 중요한 특징은 반응기 용기의 가스 공간에서의 금속 방울의 분산 분배로서, 이것은 금속 배스 표면에서 현저한 증가를 초래하기 때문에 배스 표면의 하부 및 상부에서 증가된 투입 속도에 의해 에너지 및 질량 전달을 증가시키는 것이 요구된다. 본 발명의 방법에서 배스 표면 하부의 높은 가스 투입 속도의 이러한 유익한 특징들을 비교하면, 소위 딥 슬래그 방법(deep slag process)이라 불리는 금속 배스 상의 발포 슬래그와 작동하는 종래의 방법으로 배스 표면의 하부로 공급되는 혼합 가스의 총량은 방법에 대하여 반대의 효과를 갖는다. 급속 배스로부터의 반응 가스의 재연소는 발포 슬래그 층에서 발생하므로 슬래그와 금속 배스의 밀접한 혼합은 발포 슬래그 층으로부터 금속 배스까지의 재연소 에너지를 전달하기 위하여 필요하다. 그렇지 않으면 거품 슬래그가 과열되고, 슬래그의 재산화가 진행되며, 이것은 다른 부품 사이에서 변환기의 라이닝을 마모시키는 결과를 초래한다.

발포 슬래그의 금속 방울의 이동과 그에 수반되는 반응 및 열교환은 불규칙적인 속도와 슬래그 밀도 및 그의 점성에 의하여 제한된다. 따라서 반응 가스의 재연소 및 금속 배스의 높은 열전달을 포함하는 반응을 증가시키기 위한 본 발명의 방법의 기술은 종래의 딥 슬래그 방법에는 적용될 수 없다.

본 발명에 따르면 “반응 가스(reaction gas)”는 가스, 용융 금속 및 용융 슬래그 및 고체 또는 고체를 형성하는 열분해된 물질을 포함하는 배스 온도에서 고체로부터 분리된 것 사이에서 반응 용기에서 발생되는 반응에 참여하는 모든 종류의 가스를 의미한다. 따라서 이것들은 일반적으로, 불활성 작동 또는 불활성 가스로부터 분리된 니트로겐(nitrogen) 또는 아르곤(argon)과 같은 주로 고체의 전달 가스로서 사용되고 공급되는 모든 가스를 포함한다. 반응 가스군은 예를 들어, 산소, 공기, 산소-강화 공기, 이산화탄소 및 메탄, 천연 가스, 프로판과 부탄 등의 탄화수소를 포함한다. 이러한 가스는 임의의 혼합물, 또는 존재하는 생성 가스, 또는 본 발명의 방법에 의하여 정화된 가스를 통하여 용융물에 공급되거나 또는 다른 야금학적 방법에 사용될 수 있다.

하부배스 송풍관 위의 상기 배스 수준은 아직까지 이론적으로 가정된 배스 표면에 기초하고 있다. 본 발명의 방법의 작동 상태에서 배스 표면은 하나의 평면으로서 존재하지 않는다. 즉, 용융 금속, 용융 슬래그 및 가스 발포 또는 더욱 커다란 가스 플럼(plumes)으로 구성되는 정이 영역이 존재하며, 이 영역에서는 용융 금속/슬래그는 방울, 비말 및 분출하여 상승하고 투입되는 용융물 파편으로 분해된다. 또한 파형과 용융물의 튀어 흩어지는 운동에 의한 오버래핑(overlaping)이 발생한다. 이 혼합 또는 전이 영역은 하부배스 송풍관 위의 금속/슬래그 배스 사이에서 전이층(transition layer)으로서 나타난다.

본 발명의 본질적인 특징은 하부배스 송풍관을 통과하는 가스 유속을 용융물이 가스 공간과 그 곳으로부터 부분적으로 반응 용기의 라이닝 표면까지 회전하도록 하는 값까지 증가시킨다. 혼합 영역과 그 위의 가스 공간에서 용융물의 이러한 운동의 상태는 하부배스 송풍관을 통하여 용율물로 유도되는 가스량에 의하여 획득된다. 용융 배스 1톤 당 0.2 N㎥/min과 30 N㎥/min 사이의 유속은 만족할 만한 정도라는 것이 증명되었다. 그러나 본 발명의 방법은 0.5 N㎥/minㆍt의 용융 배스의 범위내에서 철 용융물에 특히 유리하게 작동한다. 반응 가스 흐름 속도의 최저 제한치는 용융물의 불충분한 배스 운동의 결과로서 고 에너지 전달 밀도를 포함하는 발명의 높은 반응은 불가능하다.

최대 반응 가스 흐름 속도는 본질적으로 소위 블로우-스루(blow-through)가 본 발명의 방법에서는 금지되어야 한다는 사실에 의하여 제한된다. “블로우-스루”는 용융물에 공급되는 가스 및/또는 고체가 완전히 반응하지 않고서 다시 배스를 떠나는 상태를 의미한다. 이러한 블로우-스루는 배스 수준을 최소로 하거나 노즐의 직경을 작게하여 피할 수 있다.

본 발명에 따르면 송풍관 상부의 배스 깊이는 하부 배스 송풍관의 내부 직경에 의하여 분할되면 충분하다고 증명되었으며, 이것에 의하여 배스 깊이 및 코스의 직경은 예를 들면 [M]인 동일한 차원을 가지며, 20보다 크거나 동일한 값에 도달한다. 이러한 관계에 의라여 동일한 배스 수준에서는 작은 직경을 가진 다수의 송풍관과 커다란 직경을 가진 소수의 송풍관보다 더욱 적은 블로우-스루를 야기한다는 것을 알 수 있다. 본 발명에 따라 저에 정의된 높은 가스 투입 속도로 혼합 영역을 가진 용융물의 발명의 작동 상태와 야금학적 반응용기에서 분수처럼 분출되는 부분적인 양을 조정하기 위하여 하부배스 송풍관 마우스 위에서 약 0.5m로 최소 배스 수준을 유지하는 것이 유리하다.

본 발명에 따르면 용융물의 온도에서 분리된 고체에 화학적으로 결합한 가스 파편은 배스 표면 하부의 용융 배스로 공급되는 작용 가스의 총량을 조정할 때 반드시 고려해야 해야 한다. 매우 다른 기스량이 배스 표면의 하부로 투입되는 고체에 대하여 발생할 수 있으며, 예를 들어 석탄은 사용하여, 가스 불꽃 석탄과 무연탄의 분석을 보여준다.

가스 불꽃 석탄 무연탄

C [％] 68.8 84.5

H₂[％] 4.4 3.6

O₂[％] 6.4 2.25

N₂[％] 1.1 1.35

H₂O [％] 1.6 2.0

S [％] 0.6 0.9

재(ash) [％] 6.9 5.4

휘발성 성분 [％] 26.4 9.7

배스 표면 합로 공급되는 원광석의 산소량은 또한 작용 가스의 양에 포함되어야 한다.

본 발명의 방법의 또 다른 유리한 특징은 종래의 방법에 비하여 높은 교반력(stirring power)이다. 이 교반력은 본질적으로 반응 가스 흐름 속도에 의하여 결정된다. 높은 교반력은 더욱 본 방법에서는 증가 반응을 위한 미리 정해지는 조건이다. 교반력 E[W]는 유럽 특허 출원 제 04 18 627 호에 설명된 것에 기초하여 개발된 공식에 의하여 계산될 수 있다.

E = QㆍRㆍT₁((p₁ㆍg ㆍh_b)/p₂) [W]

Q = 가스 흐름 속도 [Nm³/s]

R = 가스 상수

T = 배스 온도 [℃]

p₁= 용융물 밀도 [kg/Nm³]

g = 중력에 의한 가속도 [m/s²]

h_b= 배스 깊이 [m]

P₂= 배스 표면 압력 [Pa]

이 공식에 의하여 결정되고 용융 배스의 톤에 기초한 회전력은 본 발명의 방법에서는 6 KW/t 이상이 되어야 하다. 비록 본 발명의 방법의 교반력이 6KW/t에서 40KW/t의 범위에 걸쳐 있지만, 바람지간 범위는 약 10KW/t과 25KW/t 사이에서 일어난다.

본 발명의 방법이 예를 들어, 하부에 산소 공급 송풍관과 산소 상부-송풍 수단을 가지며 하부 송풍관을 통하여 고체가 공급되도록 하는 제강 변환기의 현재의 야금 반응용기에 사용되면, 반응은 종래의 방법보다 명백하게 증가될 수 있다. 반응가스의 흐름 속도는 선철에서 1과 8N㎥/minㆍt의 범위에 존재하다. 변환기의 하부 송풍관을 통하여 철 용유물에 공급될 수 있는 것은 주로 반응 가스로서 산소, 송풍관 보호 매질로서 자연 가스 및 유도되는 무연탄과 화학적으로 결합되는 가스, 특히 O₂와 H₂가 있다. 전이 영역을 통하여 용융물로부터 나오는 주로 CO와 H₂인 가스는 변환기의 가스 공간에서 상부-송풍 산소에 의하여 CO₂와 H₂O로 재연소 된다. 재연소 속도는 약 32％로서, 종래의 철강 제련 방법에 의하여 얻어지는 약 20％보다 명백하게 높다. 용융물의 재연소 기간동안에 발생되는 열의 재전달을 위한 효율 인자는 본질적으로 매우 불규칙한 전이 영역과 비말 및 이 전이 영역으로부터 분수처럼 돌출되는 용융물의 서로 다른 크기를 가진 파편에 의하여 촉진된다. 본 발명의 방법은 종래의 방법으로 배스를 팽창시키고 거품을 남기는 것과 비교하여 보면, 불규칙적으로 비말되는 혼합물과 분수처럼 돌출되는 용융물 파편에 의하여 특성 지워지는 전이영역을 겨냥한 것이다. 제강 변환기에서 형성된 발포 슬래그의 신호가 발생하면, 이러한 바람직하지 않은 발포 슬래그는 즉시 하부 송풍관을 통하여 정련-그레인, 탄수화물, 고체 연료 및/또는 예를 들면, 석탄이나 CaO인 슬래그 형성제를 첨가하여 제거할 수 있다.

제강 및 철함유 합금 생산을 위한 본 발명의 방법의 또 다른 유리한 적용예는 약 1300℃의 온도를 가진 고온의 공기가 변환기 가스 공간에서 반응 가스를 재연소시키는데 사용된다.약 50％의 높은 재연소 속도가 얻어지며 예를 들어, 독일 특허 제 39 03 705 호에 기술된 것과 같은 특별히 개발된 상부-송풍 송풍관이 사용되면 60％ 이상이 된다. 이 고율의 재연소 레벨은 신뢰하고 재생할 수 있게 조정될 수 있으며, 적어도 80％의 용융 배스의 우수한 열전달은 강철과 철함유 합금을 경제적으로 생산하는데 새로운 가능성을 열었다. 예를 들어, 변화하는 질량의 파철과 덩어리, 오직 약 30％의 낮은 정도의 금속 또는 특히 90 재지 100％의 높은 정도의 금속을 가진 미리 환원된 원광석 및 변화하는 성분의 고체 선철은 예를 들어 탄화연료등의 외부 에너지를 적게 사용하여 저렴하게 용련될 수 있다. 100kg/t 이하의 계수로 소비치가 달성될 수 있으며, 이것은 사용되는 석탄의 질에 의존한다. 충진 물질은 통상 부분적으로 변환기내로 유도되거나, 또는 배스 표면의 하부 및/또는 상부로 연속적으로 금속 배스로 공급된다. 예를 들어, 알갱이로 만들어진 고체 선철은 연속적으로 배스 표면의 하부로 투입되고, 예를 들어 미소한 파철 등의 적절한 크기의 파쇠는 적당한 공급 수단을 경유하여 상부로부터 연속적으로 변환기의 용유물로 공급될 수 있다.

본 발명의 더욱 유리한 적용예는 선철과 철합금을 생산하기 위하여 금속원석 특히, 철광석과 철함유 광석의 용련 환원을 유도한다. 수평의 원통형 반응용기는 예를 들면 이러한 적용예에 유리하다는 것이 판명되었다. 이러한 형태의 용기로서 본 발명의 방법의 중요한 특성이 매우 순조롭게 실현되었다. 전이 및 혼합 영역의 요구되는 강한 혼란과 분수처럼 분출되고 탄도궤적을 따라서 가스 공간으로 이동 하는 비말 및 용융 파편은 송풍관 입구 위로 자유로운 투입 기류에 의하여 형성된 투입 풀럼(plumes)을 다수화 하여 획득할 수 있다. 이 작동 상태는 직경이 작으며 상대적으로 낮은 깊이의 배스이지만, 0.5m보다 큰 다수의 송풍기를 송풍기 위에 설치하여 달성할 수 있다. 이 용련 환원 용기에서 약 1.5m의 용기 높이는 또한 본 발병의 방법에 적당히 요구되는 용기 형상에 기여한다. 이 반응 용기에서 1 내지 10 N㎥/minㆍt의 용융 배스의 반응 가스의 흐름 속도는 문제없이 조정된다. 주로 반응 가스로서 산소가, 송풍관 보호 매질과 철광석의 화학적 결합 가스로서 메탄과 높은 휘발성 성분을 가진 공급되는 석탄이 용융 배스로 공급된다. 용련 환원 방법은 금속 배스상에 슬래그 층없이 개시되다; 처리 시간 동안에 용융 슬래그는 하부 송풍관을 통한 석회석의 증가에 의하여 이 경우에 약 1.4의 알카리성을 조성한다.

본 발명의 방법은 독일 특허 제 37 07 774 호와 제 36 07 776 호에 기술된 본 분야의 방법과 마찬가지로 최근에 출원되고 아직 공개되지 않은 독일 특허 제 42 06 828 호에 따라서 개발된 방법의 용련환원 용기에 성공적으로 적용될 수 있다. 이러한 용련환원 방법에서 본 발명의 방법은 반응의 증가를 더욱 초래하고, 금속 배스 표면의 하부 및 상부로 더 높은 투입 속도를 유도하며, 이러한 방법의 생산성은 더욱 증가하도록 반영된다.

이러한 유리한 효과는 또한 가스 공간의 발포 슬래그 없이 작동하는 여기에 지정되지 않은 유사한 용련 환원 방법으로 귀착되며, 종래의 방법을 개량하는데 사용되고 원한다면 이에 따라서 채택 가능한 기술은 본 발명의 범위에 속한다. 특히, 본 발명의 방법은 반응을 증가시키는데 성공적으로 적용할 수 있으며, 예를 들어 해면철(sponge iron) 또는 철 펠릿(iron pellet) 등의 완전히 금속화된 광석까지 용련환원에 사용되는 임의의 미리 환원된 상태의 금속 광석의 생사성을 증가시킨다. 예를 들어, 30 내지 50％ 및 그 이상, 90 내지 100％ 금속화된 고도로 금속화된 생산물까지 증가된 금속화율을 가진 철광석 또는 금속 광석을 위한 상태로서 미리 환원하지 않거나 또는 약간 환원된 금속 광석을 사용할 수 있다.

본 발명은 첨부한 도면과 예를 참고하여 상세히 설명되어 질 것이다.

제1도는 철광석과 선철 및 철함유 합금을 생사하기 위한 철함유 광석을 용련환원하기 위한 드럼-형 반응 용기를 통과하는 수직 단면도이다.

원통형 반응 용기는 내화성 라이닝(2)과 정렬된 금속 자켓(1)을 포함한다. 내화성 라이닝(2) 내에는 변경 가능한 하부 부분(3)이 플랜지(4)에 의하여 반응 용기에 결합되어 있다. 하부 부분(3)은 공굽 연결관(6)을 가진 하부배스 송풍관(5)을 포함한다. 반응 용기는 슬래그 층(8)을 가진 용융 배스(7)를 포함한다. 송풍관(5)의 마우스 위에는 돌출 풀럼(9)이 위치한다. 송풍관 상부의 용융물을 전이/혼합 영역(10)과 그 위로 용융물이 방울 또는 비말(13)의 형태로 분수(12)처럼 분출되는 가스 공간(11)으로 분리된다. 고온 공기 송풍관(15)에는 1100 및 1500℃ 사이의 온도로 예열된 공기가 고온 블라스트 파이프(14)를 통하여 공급되며, 재연소 기류(16)가 용융물로 부터 돌출된 가스, CO 및 H₂를 CO₂및 H₂O로 연소시킨다. 그 결과 발생된 열은 분수와 방울과 비말(13) 상태로 분출되는 용융물(12)의 도움으로 용융물(7)에 다시 전달된다. 먼지가 포함된, 재연소 폐기물 가스는 화살표 18로 표시된 폐기물-가스 포트(17)를 통하여 반응 요기를 떠난다. 도면에는 또한 고온의 미리 환원된 광석이 반응 용기로 경유하여 통과하는 용기 개구(19)가 도시되어 있다. 탭홀(20)은 용련 환원 용기로부터 금속 및 슬래그를 털어 내기 위한 것이다. 화살표 21은 용융물에 의하여 젖은 내화성 벽 표면을 가리킨다. 비제한적인 예에서는 야금학적 반응용기의 반응을 증가시키기 위한 방법은 제1도에 도시된 것과 유사한 수평 드럼-형 변환기에서 철광석을 용련 환원하기 위하여 더욱 상세히 설명될 수 있을 것이다.

제1도에 상응하는 파이럿 변환기(pilot converter)는 8톤의 철 용융물을 포함하며, 3％의 탄소를 갖는다. 고 농도의 반응을 가진 방법에서 악 98kg/min의 해머슬레이(Hamersley) 제련광석, 46kg/min의 갈탄 코우크스 및 송풍관을 보호하기 위한 약 60Nm³/h의 메탄이 하부배스 송풍관을 통하여 용융물로 투입된다. 이러하 값은 약 8Nm³/minㆍt의 용융배스의 반응 가스 투입 속도가 된다.

초기 용융환원에는 철 배스위에 슬래그가 없다. 산성 석탄재에 의하여, 석회석이 슬래그의 알칼리성을 개선하기 위하여 약 3.5kg/min의 송풍 속도로 하부 송풍관을 통하여 용융물로 공급되어 약 1.4로 슬래그의 알칼리성을 조정한다. 송풍관 입구 상부의 배스수준(h_b)은, 배스 표면으로부터, 0.47m이며, 동일한 표면에서 측정된 용기 높이(h_r)는 1.4m이다. 하부배스 송풍관은 12mm의 내부 직경을 가지며 그것들 중의 5개는 이 파일럿 변환기에 배치된다. 용융 배스에서 측정된 회전력은 23KW/t이다. 하부 송풍관 영역 위의 상부 송풍 송풍관을 통하여 약 1200℃의 온도를 가진 고온의 공기가 6000Nm³/h에 용융물로부터 반응 가스를 재연소하기 위하여 O₂를 강화물 1200Nm³/h을 추가하여 용융물 상에 빙빙 돌며 불어 넣는다. 이 결과 재연소율은 85％의 효율에서 용융 배스에 58％의 높은 열전달율을 갖는다.

용련환원하기 위하여 상기 파일럿 설비에서 2시간동안 작동시킨후 3％의 탄소 함유량과 1450℃의 온도를 갖는 선철 7.2t이 채취되었다. 결과적으로 채취된 슬래그의 양은 1600kg이다.

본 발명에 의한 방법은, 특히 구리 및 납의 생산에서 비철광석을 생산하고 제련하는 것뿐만 아니라, 제강 및 결합-송풍 산소 변화기, 철 배스에서의 석탄 가스화, 및 철광석의 용련 환원에서 철함유 합금을 생산하는데 유용하다는 것이 증명되었다.

Claims (14)

1. 반응제들이 배스 표면의 상부 및 하부에서 공급되고, 상기 금속 배스로부터 방출되는 가스들이 용융물 상부 공간에서 상기 가스공간 내로 주입되어지는 산화가스들에 의하여 재연소 되어지고, 그리고 그 결과 발생된 열이 상기 용융배스에서 전도되어 지는 용융배스를 포함하는 야금 반응용기에 있어서, 용융물의 분수는 용융물의 방울, 비말 및 큰 방울들 형태로 1톤의 용융된 배스를 기준하여 하부배스 송풍관을 통하여 유입된 0.2Nm³/min 내지 30Nm³/min 사이의 유속의 가스 유동량에 의해 용융물로부터 발출되고 탄도궤도로 움직이며 가스공간내에 분사 금속-방울 상을 생성함을 특징으로 하는 야금 반응용기내의 반응증가 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 야금반응 용기의 가스공간내의 용융물 부분의 탄도 궤도들이 이들이 반응용기의 벽 또는 용융물 자체를 타격하고, 다른 용융물 부분들과 충돌하고, 그리고 상기 배스 상으로 송풍된 산화가스들에 의하여 밀어 올려질 때 변화되어지거나 또는 정지함을 특징으로 하는 방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 반응가스들 및/또는 비활성 가스들이 하부배스 송풍관을 통하여 상기 용융물 내로 도입되어짐을 특징으로 하는 방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 하부배스 송풍관을 통하여 도입되는 가스량은 또한 상기 주입된 고체들과 화학적으로 결합하여 배스 온도로 방출되는 가스들을 포함함을 특징으로 하는 방법.
5. 제1항에 있어서, 하부배스 송풍관을 통해 공급되는 가스의 양은 슬래그 층이 존재하는 경우 용융배스에 있는 슬래그 층과 슬래그의 양에 관계없이 유입됨을 특징으로 하는 방법.
6. 제1항에 있어서, 상기 가스를 상기 배스 아래로 유입시킬 때 미세하게 분쇄된 슬래그 거품제 및/또는 고체의 탄소질의 연료들을 상기 배스 표면 아래로 주입시킴으로써 상기 금속 배스 상에 바람직하지 못한 발포된 슬래그의 형성을 피함을 특징으로 하는 방법.
7. 제1항에 있어서, 상기 1톤의 용융된 배스를 기준으로 한 가스 유동량은 0.5Nm³/min 내지 10Nm³/min사이의 유속으로 상기 반응용기내의 용융된 배스에 공급되어짐을 특징으로 하는 방법.
8. 제1항에 있어서, 상기 하부배스 송풍관을 통하여 유입되는 가스의 유속이 상기 송풍관 상의 용융된 배스의 배스 깊이에 따라 조절되어짐을 특징으로 하는 방법.
9. 제8항에 있어서, 상기 유입되는 가스의 유속은 상기 하부배스 송풍관 하의 배스의 깊이가 증가함에 따라 증가함을 특징으로 하는 방법.
10. 제1항에 있어서, 그를 통하여 상기 용융된 배스내로 가스들을 주입하는 상기 배스하의 소풍관이 재부 작경 d를 가지며, 배스 깊이 h_b에 대한 관계식h_b/d의 값이 20 보다 큰 값을 만족하도록 설계됨을 특징으로 하는 방법.
11. 제1항에 있어서, 교반력E[W/t]이 6KW/t 내지 40KW/t 사이의 값으로 조절됨을 특징으로 하는 방법.
12. 제11항에 있어서, 교반력E이 10KW/t 내지 25KW/t 사이의 값으로 조절됨을 특징으로 하는 방법.
13. 제1항에 있어서, 상기 야금반응 용기 내에서 금속을 생산하기 위하여 적절한 원료물질들이 조금씩 및/또는 연속적으로 상기 배스 표면의 위 및/또는 아래로 상기 용융된 배스로 공급되어짐을 특징으로 하는 방법.
14. 제13항에 있어서, 사용된 원료물질들은 금속질로 충전된 물질(metallic charging material), 적절한 금속 부스러기(scrap metal) 및 높은 정도로 금속화되거나 또는 완전하게 금속화된 사전환원된 광석들임을 특징으로 하는 방법.