KR100340581B1

KR100340581B1 - 분철광석의 유동층식 용융환원장치 및 이를 이용한용융환원방법

Info

Publication number: KR100340581B1
Application number: KR1020000049033A
Authority: KR
Inventors: 최낙준; 정선광; 김행구; 강흥원
Original assignee: 이구택; 주식회사 포스코; 신현준; 재단법인 포항산업과학연구원; 암루쉬 만프레드, 프로머 우어줄라; 뵈스트-알핀 인두스트리안라겐바우 게엠바하
Priority date: 2000-08-23
Filing date: 2000-08-23
Publication date: 2002-06-12
Also published as: KR20020015897A

Abstract

본 발명은 분철광석의 유동층식 용융환원에 의한 용선의 제조에 관한 것이며, 그 목적은 분철광석의 환원과 부원료의 소성을 각각 다른 반응기에서 수행하여 용융로로 장입하므로써 용선을 제조하는 유동층식 용융환원장치 및 이를 이용한 용융환원방법을 제공함에 있다.

본 발명의 유동층식 용융환원에 의한 용선 제조는 광석장입호퍼(101)로부터 광석장입관(102)을 통하여 장입된 분철광석을 환원가스에 의해 기포 유동층을 형성하면서 환원시키는 유동층환원로(100)와; 부원료 장입호퍼(201)로부터 부원료 장입관(202)을 통하여 장입된 부원료를 환원가스에 의해 기포 유동층을 형성하면서 소성시키는 유동층 소성로(200)와; 상기 유동층 환원로에서 환원되어 배출된 환원철과 유동층 소성로에서 소성되어 배출되는 부원료를 용융환원시키는 용융로(300)와; 용융로에서 배출되는 환원가스중 가스와 더스트를 분리하는 용융로 사이클론(301); 및 상기 부원료 배출관(203)을 통해 소성된 부원료를 용융로로 취입하기 위한 질소취입장치(N);를 포함하여 구성된 유동층식 용융환원장치를 통해 환원로와 소성로의 노내가스를 각각 최소유동화 속도의 1.2~1.5배로 유지하여 이루어진다.

Description

분철광석의 유동층식 용융환원장치 및 이를 이용한 용융환원방법{APPARATUS AND METHOD FOR PRODUCING HOT METAL USING FINE ORE AND NON-COKING COAL}

본 발명은 분철광석의 유동층식 용융환원에 의한 용선 제조에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 분철광석의 환원과 부원료의 소성을 각각 다른 반응기에서 수행하여 용융로로 장입하므로써 용선을 제조하는 유동층식 용융환원장치 및 이 장치를 이용한 용융환원방법에 관한 것이다.

용선 생산공정은 고로공정이 주류를 이루고 있으나, 고로공정에서는 석탄을가공한 코크스와 분상의 철광석과 부원료를 혼합하여 가공한 소결광을 사용하여 용선을 생산해야 함으로써 연/원료의 예비처리를 위한 설비투자비의 증가와 예비처리과정에서 발생하는 공해문제가 심각하게 대두되고 이어 이에 따른 환경적인 규제가 강화되고 있는 실정이다.

이러한 고로공정의 단점을 해결하고자 현재 펠렛과 괴광석을 사용한 샤프트형 용융환원제철공정이 상업화되어 용선을 생산하고 있다. 샤프트형 용융환원 제철공정에서는 원료로 미분의 철광석을 펠렛으로 만들어 사용하거나 제한된 입도의 괴광석을 사용하여 용선을 생산하고 있다.

그러나, 고로공정이나 샤프트형 용융환원 제철공정은 모두 괴상화된 원료만을 사용해야하는 제약이 따른다. 즉, 고로공정이나 샤프트형 용융환원 제철공정에서는 분상의 철광석을 직접 사용할 수 없고 예비처리과정을 거쳐야 되는 단점이 있다.

이에 따라 최근에는 매장량이 풍부하고 가격도 저렴한 분철광석을 예비처리과정을 거치지 않고 바로 사용하여 용선을 생산할 수 있는 유동층식의 용융환원 제철공정이 기존의 고로공정 등을 대체할 차세대 제철공정으로 주목받고 있으며, 선진 철강 생산국을 중심으로 활발한 연구가 진행되고 있는 추세이다.

용융환원 제철공정은 일반적으로 예비환원공정과 최종 환원공정으로 구분이 된다. 예비환원단계에서는 환원로에서 원료광석을 고체상태로 예비환원시키고, 최종 환원단계에서는 환원된 철을 용융로로 장입하여 용융시키면서 최종 환원하여 용선을 생산하고 있다. 또한, 예비환원공정은 일반적으로 원료광석의 입도에 따라 이동층식 및 유동층식으로 분류된다. 입도가 작고 입도분포가 넓은 분철광석의 경우 원료 광석을 환원로에서 환원가스로 유동시키면서 환원하는 유동층식이 통기성이나 가스이용율 면에서 효율적인 것으로 알려져 있다.

이러한 유동층식 용융환원장치의 대표적인 예로서, 대한민국 특허 제117065호에 나타나 있다. 도1은 대한민국 특허 제117065호에 나타나 있는 3단 형태의 분철광석 유동층식 용융환원장치의 개략 구성을 보이고 있다. 도1에 도시된 바와 같이, 종래의 유동층식 용융환원장치는 철광석과 부원료가 저장된 장입호퍼(70)와, 이들 철광석과 부원료를 각 단계별로 환원시키는 3개의 제1, 제2, 제3유동층로(10)(20)(30)와, 이들 유동층로에서 환원된 분철광석과 부원료를 용융환원하는 용융로(80)를 포함하여 구성된다. 그리고, 각각의 유동층로에는 사이클론(40)(50)(60)이 연결되어 있다. 도1과 같은 종래의 유동층식 환원장치는 분철광석과 석회석이나 백운석 등 부원료를 혼합하여 유동층로(10)로 장입하기 때문에 철광석의 환원반응과 부원료의 소성반응이 같은 반응기 안에서 동시에 일어나게 된다.

그러나, 부원료의 소성반응은 흡열반응이므로 반응기 내의 온도를 감소시키게 되며, 이에 따라 철광석의 환원반응에 필요한 온도를 유지하기 위해서는 외부에서 추가로 열원을 공급해 주어야 한다. 또한, 환원가스의 주성분인 일산화탄소에 의한 철광석의 환원반응에 의해 이산화탄소가 다량 발생하게 되면 부원료의 소성반응이 저하되어 결과적으로 용융로에서의 부담이 증가하게 된다. 그리고, 환원철에 비해 밀도가 낮은 부원료를 환원철과 함께 용융로 상부로 장입하게 되면 용융로에서의 비산손실이 증가하여 사이클론에 과부하를 주게 되는 문제들이 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래의 유동층식 예비환원로에서 나타날 수 있는 유동층로에서의 열손실과 이에 따른 환원율 및 소성율의 저하, 용융로에서의 미분 부원료의 과다한 비산손실 등의 문제점을 극복하여 효율적인 유동층식 용융환원장치 및 이 장치를 이용한 용융환원방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

도1은 종래의 유동층식 용융환원장치의 구성도

도2는 본 발명의 유동층식 용융환원장치의 구성도

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

100 ... 유동층 환원로 101 ... 광석장입호퍼

200 ... 유동층 소성로 201 ... 부원료 장입호퍼

300 ... 용융로 301 ... 용융로 사이클론

N ..... 질소취입장치

상기 목적 달성을 위한 본 발명은 철광석을 용융환원하여 용선을 제조하는 유동층식 용융환원장치에 있어서,

광석장입호퍼로부터 광석장입관을 통하여 장입된 분철광석을 가스공급관으로 유입되는 환원가스에 의해 기포 유동층을 형성하면서 환원시키는 유동층환원로;

부원료 장입호퍼로부터 부원료 장입관을 통하여 장입된 부원료를 가스공급관으로 유입되는 환원가스에 의해 기포 유동층을 형성하면서 소성시키는 유동층 소성로;

상기 유동층 환원로에서 환원되어 환원철 배출관을 통해 배출된 환원철과 유동층 소성로에서 소성되어 부원료 배출관을 통해 배출되는 부원료를 용융환원시키는 용융로;

용융로에서 생산되어 용융로 가스배출관을 통해 배출된 더스트를 포함한 환원가스중 가스와 더스트를 분리하여 가스는 사이클론 배출관을 통해 배출시키고, 분리된 미분의 더스트는 더스트 순환관을 통해 용융로로 순환시키는 용융로 사이클론; 및

상기 더스트 순환관과 연통하여 설치된 부원료 배출관을 통해 소성된 부원료를 용융로로 취입하기 위한 질소취입장치;를 포함하여 구성되는 분철광석의 유동층식 용융환원장치에 관한 것이다.

또한, 본 발명은 유동층식 용융환원장치에 의해 철광석을 용융환원하여 용선을 제조하는 유동층식 용융환원방법에 있어서,

상기한 분철광석의 유동층식 용융환원장치를 사용하여 상기 철광석장입호퍼로부터 공급된 분철광석을 하방에서 유입되는 환원가스에 의해 기포 유동층을 형성하면서 유동층환원로에서 건조, 예열하여 환원하는 단계;

상기 부원료 장입호퍼로부터 공급된 부원료를 하방에서 유입되는 환원가스에 의해 기포 유동층을 형성하면서 상기 유동층 소성로에서 건조 예열하여 소성하는 단계; 및

상기 유동층 환원로에서 환원된 환원철과 유동층 소성로에서 소성된 부원료를 배출하여 배출된 철광석을 상기 용융로에서 용융환원하는 단계;를 포함하고,

상기 유동층 환원로과 유동층 소성로의 노내 가스유속은 노내에 체류하는 철광석과 부원료의 최소 유동화속도의 1.2~ 1.5 배의 범위를 유지하는 한편 부원료를 배출시 질소취입압력은 용융로의 노내 압력의 2~3 배의 범위를 유지하는 분철광석의 유동층식 용융환원방법에 관한 것이다.

이하, 첨부된 도면에 따라 본 발명의 유동층식 용융환원장치를 상세히 설명한다.

본 발명의 분철광석 유동층식 예비환원장치는, 도2에 나타난 바와 같이, 크게 유동층환원로(100), 유동층 소성로(200), 및 용융로(300)를 포함하여 구성되며, 여기에 용융로 사이클론(301) 및 질소취입장치(N)가 부가되어 마련된다.

상기 유동층 환원로(100)는 필요에 따라 2개 또는 3개의 유동층로를 연속으로 연결하여 2단 또는 3단의 유동층 환원로 시스템으로 구성할 수 있다.

상기 유동층환원로(100)의 측면에는 광석장입관(102)를 통해 광석장입호퍼 (101)와 연결되며, 그 하부에는 가스공급관(305)과 연결되어 있다.

또한, 상기 유동층 소성로(200)의 측면에는 부원료 장입관(202)을 통하여 부원료 장입호퍼(201)와 연결되며, 그 하부는 가스공급관(305)과 연결된다.

또한, 상기 용융로(300)의 상부 측면은 유동층 환원로(100)로부터 환원된 분철광석을 장입할 수 있도록 환원철 배출관(103)과 연결되고, 상부에는 가스배출관(302)와 연결되며, 측면에 질소취입장치(N)와 연결되도록 구성되어 있다.

나아가 본 발명의 용융환원장치는 용융로의 가스배출관(302)과 연결된 용융로 사이클론(301)이 마련되어 이 용융로 사이클론(301)의 하부에서 부원료 배출관(203)과 연결된 상기 질소취입장치(N)의 취입관과 연결된다. 도2의 미설명부호 "104", "204"는 각각 유동층 환원로와 소성로에 존재하는 더스트를 배출하기 위한 배출관이다.

이하, 이러한 구성을 갖는 본 발명의 유동층식 용융환원장치를 이용한 용융환원방법을 상세히 설명한다.

도2에 나타난 바와 같이, 우선 유동층환원로(100)에서는 광석장입호퍼(101)로부터 장입된 입도분포가 넓은 분철광석을 기포 유동층에 의해 환원시킨다. 즉, 광석장입호퍼(101)로부터 광석장입관(102)을 통하여 유동층 환원로(100)로 장입된 분철광석은 가스공급관(305)으로 유입되는 환원가스에 의해 기포 유동층을 형성하면서 예비환원된다.

또한, 유동층 소성로(200)에서는 부원료 장입호퍼(201)로부터 장입되는 분상의 부원료를 소성한다. 즉, 부원료는 부원료 장입호퍼(201)에서 부원료 장입관(202)을 따라 유동층 소성로(200)로 공급되어 가스공급관(305)으로 유입되는 환원가스에 의해 기포 유동층을 형성하며 소성된다.

그리고, 용융로(300)에서는 상기 유동층 환원로에서 환원된 환원철과 유동층 소성로에서 소성된 부원료를 용융환원시켜 용선이 생산된다. 즉, 상기 유동층 환원로에서 예비환원된 분환원철은 환원철 배출관(103)을 통해 용융로(300) 상부로 장입되며, 상기 유동층 소성로에서 소성된 부원료는 부원료 배출관(203)을 통해 배출되어 고압의 질소취입장치(N)에 의해 더스트 순환관(303)을 따라 순환되는 더스트와 함께 용융로 하부로 장입되어 용선이 제조된다. 이때, 용융로(300)에서 발생하는 고온의 환원가스는 용융로 가스배출관(302)으로 배출되어 용융로 사이클론(301)에서 더스트가 분리되어 사이클론 가스배출관(304)을 통해 가스공급관(305)을 거쳐 상기 유동층 환원로와 유동층 소성로로 공급된다. 그리고, 용융로 사이클론에서 분리된 더스트는 더스트 순환관(303)을 통해 용융로로 순환된다.

본 발명에서 유동층 환원로(100) 및 유동층 소성로(200)의 노내 가스유속은기포 유동층의 적정 유속인 노내에 체류하는 철광석이나 부원료의 최소 유동화속도의 1.2~1.5 배의 범위를 유지하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에서 상기 질소취입장치(N)의 질소취입압력은 상기 용융로의 노내 압력의 2~3배의 범위를 유지함이 바람직하다.

이하, 본 발명을 실시예를 통하여 상세히 설명한다.

[실시예]

하기 표1과 표2에 나타난 화학조성과 표3에 나타난 입도분포를 갖는 분철광석과 부원료를 사용하여 환원 실험과 소성 실험을 수행하였다. 이때, 발명예의 경우에는 철광석과 부원료를 각각 별도의 반응기로부터 처리하여 용융로에 장입하였고, 비교예의 경우에는 철광석과 부원료를 같은 반응기에서 일정 비율로 혼합하여 용융로에 장입하였다.

각각의 경우 환원가스는 CO: 65%, CO₂: 5%, H₂: 25%, N₂: 5%로 조성되었으며, 가스압력은 2.0~3.0bar,g의 범위를 갖고, 그 온도는 750~850℃의 범위에서 유지하였다.

또한, 유동층환원로 및 유동층 소성로의 노내 가스유속은 각각 1.5m/s와 1.0m/s로 한 상태에서 최소화 유동화속도의 1.2~1.5배로 유지하였다.

또한, 발명예의 경우 질소 가스 압력은 5.0~7.0bar,g의 범위로 하였다.

구분	철광석의 화학조성(wt%)
성분	T. Fe	FeO	SiO₂	Al₂O₃	Mn	S	P	수분
조성	63.49	0.37	4.32	2.33	0.05	0.007	0.063	5.41

구분	화학조성(wt%)
구분	T. Fe	CaCO₃	MgCO₃
석회석	0.35	90.8	6.8
백운석	0.2	53.6	45.1

구분	철광석의 입도분포
입도(mm)	0.125이하	0.125~0.25	0.25~0.5	0.5~1	1~3	3~5	5~8	8~10
분포(wt%)	15.5	10.0	9.1	9.2	22.2	19.5	13.7	0.8

상기 조건에서 환원 및 소성 실험을 실시한 결과를 표4에 나타내었다.

구분	조성비(wt%)	실험결과	비고
구분	철광석	석회석	비고	백운석	광석환원율(%)	부원료 소성율(%)
발명예1	80	20	-	90~95	50~60	부원료를 별로 처리
발명예2	80	-	100	90~95	90~100	부원료를 별로 처리
비교예1	80	20	-	85~90	30~40	부원료를 철광석과 혼합해서 처리
비교예2	80	-	20	85~90	80~90
비교예3	80	10	10	85~90	40~50

상기 표4에서 알 수 있는 바와 같이, 철광석과 부원료를 혼합하지 않고 별도로 처리한 발명예(1)(2)의 경우 철광석과 부원료를 혼합하여 처리한 비교예(1-3)의 경우에 비하여 철광석의 환원율 뿐만 아니라 부원료의 소성율도 높게 나타났다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 유동층식 용융환원장치는 철광석과 부원료를 혼합하지 않고 각각 별도의 반응기에서 처리함으로써, 종래의 유동층식 용융환원공정에서 철광석과 부원료를 혼합하여 같은 반응기에서 처리할 경우 나타날 수 있는 반응기 내의 열손실을 줄이고 철광석의 환원율과 부원료의 소성율을 높여 용융로 조업을 안정화시킬 수 있다.

따라서, 본 발명은 유동층 환원로 및 용융로의 추가 공급되는 열원을 최소화하여 전체 공정의 연료비를 줄일 수 있으며, 또한 부원료를 용융로 하부로 장입하므로써 철광석에 비하여 상대적으로 입자의 밀도나 낮은 부원료의 비산손실을 억제할 수 있는 효과가 있다.

Claims

철광석을 용융환원하여 용선을 제조하는 유동층식 용융환원장치에 있어서,

광석장입호퍼(101)로부터 광석장입관(102)을 통하여 장입된 분철광석을 가스공급관(305)으로 유입되는 환원가스에 의해 기포 유동층을 형성하면서 환원시키는 유동층환원로(100);

부원료 장입호퍼(201)로부터 부원료 장입관(202)을 통하여 장입된 부원료를 가스공급관(305)으로 유입되는 환원가스에 의해 기포 유동층을 형성하면서 소성시키는 유동층 소성로(200);

상기 유동층 환원로에서 환원되어 환원철 배출관(103)을 통해 배출된 환원철과 유동층 소성로에서 소성되어 부원료 배출관(203)을 통해 배출되는 부원료를 용융환원시키는 용융로(300);

용융로에서 생산되어 용융로 가스배출관(302)을 통해 배출된 더스트를 포함한 환원가스중 가스와 더스트를 분리하여 가스는 사이클론 배출관(304)을 통해 배출시키고, 분리된 미분의 더스트는 더스트 순환관(303)을 통해 용융로로 순환시키는 용융로 사이클론(301); 및

상기 더스트 순환관과 연통하여 설치된 부원료 배출관(203)을 통해 소성된 부원료를 용융로로 취입하기 위한 질소취입장치(N);를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 분철광석의 유동층식 용융환원장치
제1항에 있어서, 상기 유동층 환원로(100)는 적어도 2개 이상의 반응기를 연속해서 연결하여 구성됨을 특징으로 하는 분철광석의 유동층식 용융환원장치
유동층식 용융환원장치에 의해 철광석을 용융환원하여 용선을 제조하는 유동층식 용융환원방법에 있어서,

제1항의 분철광석의 유동층식 용융환원장치를 사용하여 철광석장입호퍼(101)로부터 공급된 분철광석을 하방에서 유입되는 환원가스에 의해 기포 유동층을 형성하면서 유동층환원로(100)에서 건조, 예열하여 환원하는 단계;

부원료 장입호퍼(201)로부터 공급된 부원료를 하방에서 유입되는 환원가스에 의해 기포 유동층을 형성하면서 유동층 소성로(200)에서 건조 예열하여 소성하는 단계; 및

상기 유동층 환원로에서 환원된 환원철과 유동층 소성로에서 소성된 부원료를 배출하여 배출된 철광석을 용융로(300)에서 용융환원하는 단계;를 포함하고,

상기 유동층 환원로(100)과 유동층 소성로(200)의 노내 가스유속은 노내에 체류하는 철광석과 부원료의 최소 유동화속도의 1.2~ 1.5 배의 범위를 유지하는 한편 부원료를 배출시 질소취입압력은 용융로의 노내 압력의 2~3 배의 범위를 유지함을 특징으로 하는 분철광석의 유동층식 용융환원방법
제3항에 있어서, 상기 예비환원단계는 철광석장입호퍼(101)로부터 공급된 분철광석을 적어도 2개 이상의 유동층 환원로를 거쳐 건조, 예열하여 예비환원함을특징으로 하는 분철광석의 유동층식 용융환원방법