KR100364934B1 - 제철 및 제강 방법 - Google Patents

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Abstract

용선은 (1) 산화철 및 탄소질 환원제를 제공하고; (2) 탄소질 환원제 및 산화철로부터 성형체를 제조하고; (3) 성형체로부터 60% 이상의 금속화도, 1.7 이상의 비중, 및 고체 환원철에 잔류하는 산화철을 환원하는데 요구되는 이론적 양의 50% 이상의 탄소 함량을 갖는 고체 환원철을 제조하고; 및 (4) 실질적인 냉각이 일어나기 전에, 아크 가열식 용융로에서 고온으로 고체 환원철을 가열하여 제조된다. 상기 용선은 고에너지 및 고도의 환원 효율로 간단한 설비에서 간단한 작동에 의해 내화물의 부식을 유발함 없이 철 함량이 비교적 낮은 철광석으로부터 효과적으로 제조될 수 있다.

Description

제철 및 제강 방법{METHOD OF MAKING IRON AND STEEL}
탄소 물질 또는 환원성 가스를 사용하여 철광석 또는 산화철 펠렛과 같은 산화철을 환원시킴으로써 환원철을 제조하는 직접 환원 방법으로서, MIDREX 공정에 의해 전형적으로 대표되는 고로(shaft furnace)법이 공지되어 왔다. 상기 유형의 직접 제철 공정에서, 환원철은 천연 가스 등으로부터 고로의 하단부에 있는 송풍구를 통해 생성되는 환원성 가스의 취입, 및 상기 환원성 가스의 환원력을 이용하여 산화철을 환원시키는 공정에 의해 수득된다. 추가로, 환원제로서 천연 가스 대신에 석탄과 같은 탄소 물질을 사용하는 환원 철 생산 공정이 최근에 공지되었고, 특히 회전식 가마에서 미분 석탄과 함께 철광석의 소결 펠렛을 가열 환원시키는 소위 SL/RN 방법은 이미 실용화되고 왔다.
추가로, 다른 제철방법으로서 미국 특허 제 3,443,931 호는 탄소 물질 및 산화철 미립자를 덩어리로 혼합하고, 이들을 회전식 노상(rotary hearth)에서 가열-환원시키는 것을 포함하는 환원철의 제조 공정을 개시한다. 상기 공정에서, 미분 광석 및 미분 석탄은 덩어리로 혼합한 다음 고온 분위기 하에서 가열-환원시킨다.
상기 방법에 의해 제조되는 환원철은 자체로서 또는 대기 온도에서 브리켓 배향으로 성형시킨 후 전기 아크로에 삽입함으로써 철 공급원으로서 이용된다. 상기 환원철은 트램프 원소와 같은 불순물 금속 성분을 적게 함유하므로, 고선(iron scrap)의 재생이 활발해지고 있는 최근의 추세에 비추어 상기 환원철은 고선속에 함유되어 있는 트램프 원소에 대한 희석재로서 주목받고 있다.
그러나, 산화철(철광석 등) 및 탄소 물질(석탄 등)에는 맥석 성분으로서 SiO2, Al2O3및 CaO와 같은 슬래그 성분이 함유되어 있으므로 생성된 철의 품질(금속철로서 순도)이 저하된다. 실제 사용에서 슬래그 성분은 연속적인 정련단계를 통해 분리되고 제거되지만, 슬래그량이 증가함에 따라 제련된 용선의 수율을 저하시킬 뿐만 아니라 전기 아크로의 작동 비용 측면에서 바람직하지 않은 영향을 나타낸다.
철 함량이 높고 슬래그 함량이 낮은 환원철이 요구되어 왔다. 그러나, 환원철에 대한 종래의 제조 공정은 상기 요구를 충족시키기 위해서, 환원 철 제조용 원료 물질로서 철 함량이 높은 철광석을 사용하는 것을 요구하므로 실제 사용될 수 있는 제철용 원료 물질의 선택 범위를 현저히 제한하는 단점이 있다.
추가로, 상기 당해 분야 공지의 방법은 최종적으로 중간 제품으로서 환원된 고체 생성물을 수득하도록 의도된 것으로, 다에너지 소모적이거나 브리켓화를 위한 추가의 설비 또는 에너지가 요구되며, 실제 사용시 상기 생성물을 후속 단계인 환원 용융 단계로 분배시킬 때까지 브리켓화, 냉각, 수송 및 저장과 같은 단계를 요구한다.
한편, 산화철의 직접 환원법에 의해 예비 환원철을 수득하는 방법으로서, DIOS법과 같은 정련환원법이 또한 공지되어 있다. 상기 방법은 철산화물을 30 내지 50%의 예비-환원율로서 예비적으로 환원시키고, 이들을 철욕 및 슬래그에서 고체 탄소 및/또는 일산화탄소와의 직접 환원 반응에 의해 금속철로 환원시킨 다음, 용융시키는 것을 포함한다. 그러나, 제련용 환원 용기에서 예비 환원 단계에 대해 요구되는 환원성 가스를 생성하고 상기 가스를 예비 환원로에 도입시키는 재순환 시스템은 상기 방법으로 이루어지므로, 상기 공정의 밸런스를 이루는데 장애 요소가 있거나 극히 어렵게 된다. 추가로, 액체 산화철(FeO) 및 내화물은 용융 상태에서 서로 직접 접촉되기 때문에, 내화물의 대규모 부식 문제를 안고 있다.
추가로, 일본 특허공개공보 제 (평) 3-60883 호에는 미분 광석 및 탄소 물질을 혼합하고, 이들을 집괴로 성형시키고, 이들을 회전식 노상 가열로를 이용하여 예비 환원시키고, 이로부터 수득된 예비 환원 생성물을 냉각 없이 용융로에 장입시키고, 이들을 용융시키고, 탄소 물질을 첨가하면서 환원을 수행하고 추가로 산소를 취입시켜 제련을 수행하는 또다른 방법이 개시되어 있다. 상기 예비 환원 생성물은 냉각없이 용융로에 이송된 후 상기 방법을 통해 환원 및 제련되기 때문에, 이러한 방법에서는 가열 에너지 소모량이 적고 연속 작동을 가능하게 하며 생산성의 측면에서도 효과적인 것으로 고려된다.
상기 제철 방법에서는 산소(또는 공기)를 다량의 탄소 물질과 함께 가열 및 정련용 용융로내로 취입시킨다. 따라서, 용융로로 이송된 예비 환원 생성물에 철광석 및 탄소 물질중의 맥석 성분이 전술한 바와 같이 다량 함유되어 있으므로, 용융로내에서 다량의 슬래그를 용선의 격렬한 교반에 노출시킨다. 다량의 산화철(FeO)은 슬래그에 주입되므로, 라이닝된 내화물의 현저한 부식을 초래하므로, 공업적 규모의 방법에 사용하는 것을 곤란하게 한다.
어쨌든, 용융로에서 업스트림으로 예비 환원로에서 요구되는 충분한 환원 포텐셜을 갖는 환원성 가스를 확보하기 위해서는, 다량의 산소 및 탄소 물질(수 백kg/tmi(mi: 제조되는 용선))을 용융로에 공급하여 연소시키는 것이 요구되며, 따라서 용융로상의 열 부하가 극도로 커지고 용선 및 슬래그의 격렬한 교반에 의해 라이닝된 내화물이 심하게 부식된다. 추가로, 예비 환원로에서 요구되는 적당한 조성 및 양으로 환원성 가스를 안정하게 공급하기 위해, 전체 설비의 밸런스를 이루는 것이 극도로 어려워 고수준의 조절 시스템이 요구된다.
발명의 요약
본 발명은 전술한 배경하에서 완성되었다. 본 발명의 목적은 내화물의 부식을 유발하지 않으면서 철 함량이 높은 산화철 공급원을 이용하거나 비교적 철 함량이 낮은 철광석을 이용하는 제철방법을 제공하는 것이다. 더욱이, 상기 제철방법은 간단한 설비 및 작동으로 용선을 수득할 수 있고, 또한 상기 방법에 의해 수득된 용선을 사용하는 제강방법을 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 해결할 수 있는 본 발명에 따른 제철방법은, 실질적인 냉각없이 고온에서 환원 철 생산설비에서 주요 물질로서 탄소질 환원제를 혼입한 성형체를 함유하는 산화철로부터 제조된 고체 환원철을 아크 가열식 용융로로 공급하고, 상기 용융로에서 환원철을 가열하는(여기서, 상기 방법은 60% 이상의 고체 환원철의 금속화를 수행하고, 고체 환원철중의 탄소 함량을 고체 환원철에 잔류하는 산화철을 환원시키는데 요구되는 이론적 당량의 50% 이상 및 고체 환원철의 비중을 1.7 이상으로 조절하며, 아크 가열식 용융로에 의해 고체 환원철을 가열하여 탄소 함량이 1.5 내지 4.5%인 용선을 수득한다) 것을 포함한다.
본 발명의 실시에 있어서, 아크 가열식 용융로의 라이닝된 내화물의 부식을 최소화하면서 용융-환원을 효과적으로 수행하기 위해서, 고체 환원철은 아크 가열식 용융로에서 용융된 슬래그에서 배출되고 용융된 슬래그의 염기도는 바람직하게는 1.0 내지 1.8의 범위내로 조절되고 용융된 슬래그에서 산화철의 함량은 바람직하게는 9% 이하, 더욱 바람직하게는 5%이하(Fe 함량기준)로 조절된다.
아크 가열식 용융로에서 부족함을 보충하기 위해 탄소질 환원제가 추가로 장입되는 경우, 이는 환원 용융을 더욱 효과적으로 수행할 수 있으므로 상기 탄소질 환원제를 고체 환원철의 장입 위치로 첨가하는 것이 바람직하다.
추가로, 아크 가열식 용융로에 추가로 장입되는 탄소질 환원제의 양은 용융 환원에 의해 수득된 용선에서 탄소 함량을 본 발명에서 특정된 1.5 내지 4.5%의 범위내로 조정하는 것이 중요하다. 추가로 장입된 탄소질 환원제의 양을 조절하는 방법 중에서, 하기 방법이 권고된다:
1) 아크 가열식 용융로에서 용선을 샘플링하고, 상기 용선을 직접 분석하고 탄소질 환원제의 첨가량을, 탄소 함량이 상기 기술된 범위내에 있도록 조절하는 방법, 또는
2) 아크 가열식 용융로로부터 배출된 배기가스의 조성 및 양을 측정하고, 상기 측정된 값으로부터 계산된 배기 가스에서의 산소 당량을 기초로 계산하여 용선에서의 탄소 함량을 결정함으로써, 탄소질 환원제의 첨가량을 조절하는 방법.
추가로, 본 발명은 상기 용선에서의 탄소 함량이 상기 기술된 범위 이내이고 Si 0.05% 이하, Mn 0.1% 이하, P 0.1% 이하, 및 S 0.20% 이하를 포함하는 용선이 수득될 수 있도록 조절하는 다수의 기술적 양태를 갖는다. 용선은 하기 기술된 방법에 의해 탈황 및 탈인된다. 황 함량은 약 0.050% 이하로 감소되며 인 함량은 약 0.040% 이하로 감소되고, 전기 아크로(EAF) 또는 염기성 산소로(BOF; basic oxygen furnace)에서 제강용 원료로서 유용한 저불순물 함량의 용선이 수득될 수 있다.
본 발명에 적용되는 탈황 및/또는 탈인 방법으로서 하기 방법이 바람직하다: 아크 가열식 용융로에서 생성된 용선을 독립적인 용기로 이동시키고, 석회질 탈황 융제(가스와 함께 주입)를 첨가하여 용선을 탈황시키고/시키거나 고체 산소 공급원(산화철 등) 및 가스상 산화물을 함유한 석회질 융제를 취입함으로써 탈인시키는 방법.
본 발명의 방법에서, 철광석과 같은 산화철 공급원의 환원시 환원 포텐셜은 용광로 제철방법에서의 포텐셜에 비해 낮고, 맥석 성분에서 SiO2는 환원없이 SiO2로서 슬래그내에서 형성된다. 따라서, 수득된 용선에서 규소 함량이 낮으므로(0.05% 이하), 별도의 탈규소화는 요구되지 않는다. 추가로, 용선중의 규소 함량이 낮으므로 인 함량이 낮은 용선은 모두 예비 탈규소화에 대한 필요없이 상기 기술된 바와 같은 탈인에 의해 용이하게 수득될 수 있다.
따라서, 수득된 저불순물 함량의 용선은 용융 상태에서 제강 물질로서 이에 인접하게 배열된 EAF 또는 BOF에 공급될 수 있으므로, 이러한 시스템은 제철 및 제강용 연속 공정으로서 실제 사용될 수 있거나 생성된 용선은 한번에 노밖으로 배출될 수 있으며, 고체로 냉각된 금속철은 제강 물질로서 EAF 또는 BOF에 공급될 수 있다. 특히 제강 물질로서, 고온에서 상기 방법에 의해 용융 상태에서 생성된 저불순물 함량의 용선을 자체로서 EAF 또는 BOF에 공급하는 제강 방법을 사용하는 경우 용선에 보유된 열에너지가 정제를 위한 효과적인 열원으로서 이용될 수 있으므로, 경제적 관점에서도 매우 효과적인 방법으로 권고될 수 있다.
본 발명은 탄소질 환원제(예: 탄소 물질)와 함께 산화철(예: 철광석)을 가열-환원시킴으로써 금속철을 생산하기 위한 제철방법 및 제강방법의 개선에 관한 것이다. 더욱 특히, 본 발명은 개선된 제철방법 및 제강방법에 관한 것으로, 여기서 용선(molten iron)은 탄소질 환원제(펠렛 또는 브리켓)를 고체 상태에서 혼입하여 산화철 함유 성형체를 가열-환원시키고, 이로부터의 생성물을 추가로 환원 및 용융시킴으로써 생성된다. 상기 방법은 가열-환원으로부터 환원 용융에 이르는 일련의 단계에서 가열-효율을 개선시키고, 맥석 성분을 효과적으로 분리시킬 수 있다.
도 1은 본 발명에 따라 탄소 물질이 혼입된 성형체를 함유한 산화철의 환원, 아크 가열형 용융 및 제강의 연속 공정의 전형적인 예를 도시한 것이다;
도 2는 아크 가열식 용융로에서 용융된 슬래그에 장입된 고체 환원철의 환원 용융 거동을 도시한 것이다;
도 3은 상기 실험에서 수득된 고체 환원철의 환원율과 환원시간 사이의 관계의 예를 그래프로 도시한 것이다;
도 4는 고체 환원철의 아크 용융로에서 환원율과 전력소비량과의 관계의 예를 그래프로 도시한 것이다;
도 5는 고체 환원철의 금속화 및 분산의 예를 그래프로 도시한 것이다;
도 6은 고체 환원철에서 탄소 함량과 용융된 슬래그에서 산화철(T, Fe)과의 관계를 그래프로 도시한 것이다;
도 7은 고체 환원 철파편 각각의 용융 속도 및 연속 장입시 제한 용융 속도와의 관계를 그래프로 도시한 것이다;
도 8은 용선에서 탄소 함량 및 탈황률 사이의 관계를 그래프로 도시한 것이다;
도 9는 슬래그의 염기도과 융점 사이의 관계를 그래프로 도시한 것이다;
도 10은 고체 환원 철파편 각각의 중량과 고체 환원철의 비중의 관계를 그래프로 도시한 것이다.
본 발명의 전체적인 구성은 바람직한 양태를 예시하는 전체 공정도에 통해 개략적으로 도시되었으며, 모든 단계에서 조건을 한정한 이유가 구체적으로 설명될 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 제철방법 및 제철/제강을 위한 연속 공정을 예시하는 개략적인 공정도로서, 물질 성형체 제조구역(1), 환원 철 생산설비(2), 아크 가열식 용융로(3), 및 제강로(4)가 각각 도시되어 있다. 화살표(A)로 나타낸 일련의 단계들은 제철방법(환원철의 제조방법)과 일치하나, 화살표(B)에 의해 도시된 단계들은 제강방법과 일치한다.
우선, 제철방법에서, 탄소 물질(펠렛 또는 브리켓)을 혼입시킨 산화철-함유 성형체은 철광석과 같은 산화철 공급원 및 석탄분과 같은 탄소질 환원제의 분말, 또는 물질 성형체 제조 구역(1)에서의 원료로서 미분 코크스를 사용하여 제조되고, 이로부터 제조된 성형체은 환원 철 생산설비(2)로 연속적으로 보내진다. 환원 철 생산설비(2)로서, 상기 설비를 통해 탄소 물질을 혼입시킨 산화철 함유 성형체(이하에서 "성형체"로도 언급된)을 가열하고, 실질적으로 고체 상태를 유지시키면서 혼입 탄소 물질의 환원력 및 연소에 의해 형성된 CO 가스의 환원력에 의한 성형체중의 산화철 성분의 환원을 우선적으로 수행하는 기능을 갖는 임의의 설비가 채택될 수 있다. 예컨대, 회전식 가마 또는 회전식 노상로와 같은 임의의 구조의 설비가 사용될 수 있다. 설비(2)에는 성형체의 수송 수단 뿐만 아니라, 연소기와 같은 가열원, 연소용 산소 공급구역 및, 선택적으로 환원성 가스 공급구역이 제공되고, 추가로 환원 공정의 우선적인 수행을 적절히 조절할 수 있는 온도계 또는 온도 조절수단이 도입될 수 있다. 도 1은 회전식 노상의 이동 방향에 따라 장입 구역(2a)로부터 장입된 성형체를 이동시키면서 가열-환원시키는 구성요소를 가지며, 상기 생성물이 예비결정된 환원율에 도달하는 시점에서 후속적인 배출구역(2b)로부터 생성물을 고체 상태로 배출시키는 회전식 노상 형태의 장치를 도시하고 있다.
환원 철 생산설비(2)중에서 환원되어 이로부터 배출되는 고체 환원철은 실질적인 냉각없이 후속적으로 아크 가열식 용융로(3)으로 급송되며, 상기 용융로(3)에서는 성형체중에서 미환원 상태로 잔류하는 산화철을 우선적으로 가열-환원시키게 되며 이와 동시에 환원 철을 용융시키게 된다. 환원 철 생산설비(2)로부터 배출된 고체 환원철은 보통 약 700 내지 1,300℃의 열을 보유하고, 이 열이 실질적으로 아크 가열식 용융로(3)을 위한 가열원으로서 사용되므로 아크 가열시의 에너지 소비량을 낮출 수 있다.
본원에서 사용되는 아크 가열식 용융로(3)은 강제 가열없이 아크를 이용함으로써 용선을 가열하고, 수 라이닝된 내화물의 부식을 가능한한 많이 억제하면서 환원 및 용융을 효과적으로 우선적으로 수행하는 기능을 하고, 상기 아크는 용융로(3)에서 용선에 떠있는 슬래그속에 전극(3a)를 삽입하고 전류를 공급함으로써 유발되는 침지 아크를 포함한다. 따라서, 구역(3b)에 장입되는 물질(고체 환원철)은 아크 가열식 용융로(3)에 장입된 고체 환원철이 아크의 가열 수행시 신속히 환원되고 용융되도록 아크 가열 구역 근처에 배치된다. 추가로, 탄소질 환원제에 대한 추가의 충전 구역(3c)는 고체 환원 철의 충전 위치에 대향하여 배치된다.
이어서, 아크 가열식 용융로(3)에 장입된 고체 환원 철(A)을 환원 및 용융시킴으로써 용선(이하, "용융된 금속' 또는 "용선"으로도 언급됨)을 형성하고, 상기 용선을 예비 형성되고 축적된 용선속에 혼입시키고, 상기 고체 환원 철(A)에 함께 존재하는 맥석 성분을 용융된 슬래그로서 형성된 용선상에 떠있는 용융된 슬래그와 결합시킨다. 따라서, 용선 및 용융된 슬래그가 아크 가열식 용융로(3)에서 예비결정된 양으로 축적되는 시점에서 용선은 용융로(3)의 측벽 보다 낮은 위치에서 후속적으로 적절히 배출될 수 있거나 용융된 슬래그는 용융된 슬래그 및 용선 사이의 경계보다 다소 높은 위치에서 적절히 배출될 수 있다.
이와 같이, 수득된 용선은 요구되는 탈황 및 탈인 처리 등의 정제 처리후, 제강 물질로서 제강로(4)로 급송된다. 제강로(4)에 있어서는 고선 또는 선철과의 부가 혼합시 정련을 수행하는 EAF(4a) 또는 BOF(4b)가 사용된다. 이와 같은 경우 제강로(4)가 아크 가열식 용융로(3)과 인접하게 배열되는 경우 고온 상태의 용선이 실질적인 온도강하없이 제강로(4)에 대한 물질로서 공급됨으로써 용선 내부의 열 자체가 정련을 위한 열적 공급원으로 이용될 수 있으므로 열효율 측면에서 가장 바람직하다. 경우에 따라, 아크 가열식 용융로(3)에서 수득된 용선은 주형(casting mold) 등에 한꺼번에 장입시키고, 이를 냉각 고형화시켜 제강 원료 중간재와 같은 시제품으로 제조하거나 제강의 원료물질로서 원거리의 제강로로 보낼 수 있다.
본 발명에 따라 수득된 용선은 위에서 언급한 고선과 비교하여 소량의 불순물 금속 성분을 함유하므로 고선과 적당히 혼합 사용함으로써 고선 중의 불순물 금속 성분 희석재로서 효과적으로 사용될 수 있다.
본 발명에 있어서 기본적인 단계는 전술한 바와 같으며, 이러한 단계들을 공업적인 규모에서 효과적으로 실시하기 위해서는 고체 환원철의 금속화도, 고체 환원철 중의 탄소함량 및 고체 환원철 생산설비에서 고체 환원철의 비중을 조절하는 것이 극히 중요할뿐만 아니라 아크 가열식 용융로(3)에서 환원 용융시킴으로써 생성된 용선 중의 탄소함량을 적절히 조절하는 것 또한 매우 중요하다. 하기에서 보다 상세히 기술된다.
첫째, 환원철 생산설비(2)로 공급되는 산화철 함유 성형체이 성형되는 경우 산화철 공급원 예를 들어 철광석, 및 각각의 탄소질 환원제 분말 예를 들어 성형 물질인 석탄 또는 코크스를 적당량의 결합제와 선택적으로 혼합시키며, 이로부터 혼합된 생성물을 임의의 펠렛화 장치 또는 펠렛화기를 사용함으로써 임의의 배향으로 성형시킨 다음, 이로부터 성형체를 필요에 따라 용도에 따라 예비 소결시킨다. 성형체의 제조에 있어서, 환원철 생산설비(2)에서의 환원을 효과적으로 우선적으로 수행하여 목적하는 잔여 탄소량을 수득하는데 필요한 탄소질 환원제를, 산화철의 환원에 요구되는 이론적 당량 및 환원철 생산설비의 환원반응특성을 고려하면서 산화철 공급원과 함께 혼합하는 것이 바람직하다. 본 발명의 방법에 따른 안정한 조작을 수행하는데 중요한 60% 이상의 금속화도를 갖는 고체 환원철을 수득하기 위해서 예비 결정되고 목적하는 금속화도를 수득하는데 요구되는 탄소 물질을 배합시키고 환원로에서의 분위기 온도 및 반응시간을 적절히 조절할 수 있다.
본 발명에 있어서, 환원철 생산설비(2)의 예비 환원단계에서 수득된 고체 환원철에 대한 금속화도를 60% 이상으로 우선적으로 수행하는 것 또한 중요한 인자이다. 즉, 환원철 생산설비(2)에 의한 기초적인 환원을 안정하고 효율적인 연속 공정인 후속 단계에서 아크 가열식 용융로(3)에 의해 용융 환원법으로 수행함에 있어서는 상기 환원철 생산설비(2)로부터 아크 가열식 용융로(3)으로 공급되는 고체 환원철의 금속화의 스캐터링(scattering)을 최소화시키는 것이 필수적이다. 금속화가 크게 변동하는 경우에는 용융로(3) 중에 추가로 장입되는 탄소질 환원제 및 가열 조건 등의 조작 조건을 조절하는 것이 곤란하고, 따라서 고체 환원철에 대한 신속한 환원 용융뿐만 아니라 용선 중의 탄소함량의 조절 또한 곤란하게 한다.
즉, 아크 가열식 용융로(3)에 공급된 고체 환원철의 금속화도가 60% 이하인 경우, 고체 환원철 중에 잔류하는 미환원 상태의 산화철을 환원(흡열반응)시키는데 필요한 열을 보충하기 위해 다량의 열이 용융로(3)에 공급되어야 한다. 특히 아크 가열용 전극에 다량의 전력이 공급되어야 하며, 이것은 용융로의 환원 부하를 현저히 증가시킬 뿐만 아니라 용융로(3)의 라이닝된 내화물의 부식을 야기하여 용융로(3)의 수명을 극도로 단축시키는 결과를 초래하게 되며, 따라서 공업적인 규모에서의 실제 사용을 곤란하게 한다. 이에 비해, 고체 환원철의 금속화도가 60% 이상, 바람직하게는 70% 이상인 경우에는 아크 가열식 용융로(3)에서 과도한 환원 부하를 발생시키지 않으며, 따라서 전술한 문제점을 피할 수 있으므로 환원 용융 공정을 원활하게 수행할 수 있다.
환원철 생산설비(2)에서 수득되는 고체 환원철에 대한 금속화도로 60% 이상으로 증가시키는 구체적인 수단과 관련하여서는 특별한 제한이 존재하지 않으며, 성형체의 제조시 탄소질 환원제의 배합량(산화철 성분에 대한 상대적인 당량비) 및 환원철 생산설비(2) 중의 기초적인 환원조건(온도, 환원 포텐셜, 처리시간 등)을 적절히 조절함으로써 상기 금속화도를 성취할 수 있다. 상기 조건과 관련하여 그들 조건과 금속화도 사이의 관계가 기초적인 실험을 통해 미리 조사되고 그 결과치를 실제 조작에 적용하는 경우 현저한 스캐터링의 피복없이도 예비결정된 금속화도가 용이하게 확보될 수 있다.
아크 가열식 용융로(3)에 공급되는 고체 환원철은 그 비중을 1.7 이상으로 조절하며 고체 환원철 중의 탄소 함량을 고체 환원철 중에 잔류하는 산화철을 환원시키는데 요구되는 이론적 당량의 50% 이상이 되도록 하는 것이 중요하다.
상기 인자들을 특정 수치 범위로 정의한 이유는 하기에서 기술된다. 즉, 아크 가열식 용융로(3) 속으로 장입되는 고체 환원철(A)는 예를 들어 도 3(개략도)에서 도시하는 바와 같이 용융로(3) 속에서 예비 형성되어 용선 상에 떠있는 용융 슬래그(S) 위에 장입된다. 아크 열을 이용하여 고체 환원철을 효율적으로 가열시킴으로써 환원을 우선적으로 신속하게 수행하기 위해서는 고체 환원철(A)를 용융 슬래그(S) 속에 침지시키고 상기 환원철이 모든 표면으로부터의 열을 수행하게 하는 것이 필요하다. 이어서, 각종 실험 결과를 통해 고체 환원철(A)이 용융 슬래그 속에 신속하게 침지되었는지, 고체 환원철(A)의 비중을 1.7 이상으로 함으로써 환원이 우선적으로 신속하게 수행될 수 있는지 및 고체 환원철(A) 중의 탄소 함량이 고체 환원철(A) 중에 잔류하게 되는 산화철을 환원시키는데 요구되는 이론적인 당량의 50% 이상으로 되는지를 확인하였다.
슬래그의 비중은 일반적으로는 약 2.4 내지 2.7이며 약 1.8의 비중을 갖는 고체 환원철(A)가 용융 슬래그(S) 속으로 침지되는 이유는 다음과 같다: 즉, 용융로(3)에서 용융 슬래그(S)에 장입된 고체 환원철(A)는 용융 슬래그(S)의 표면으로부터 열을 수용하고, 내부에 잔류하는 탄소질 환원제에 의해 일어나는 환원반응에 의해 고체 환원철 주변에서 주요량의 CO 가스 및 소량의 CO2가스가 방출되며, 이어서 상기 가스들은 용융 슬래그(S) 중에서 폼 형태로 혼합되어 기포를 발생시킴으로써(참조: 도 2a) 용융 슬래그(S)의 비중을 강하시키게 된다. 이어서, 고체 환원철(A)가 추가로 용융 슬래그(S) 속으로 침지됨(참조: 도 2b)에 따라 고체 환원철(A)로부터 생성된 가스의 양이 더욱 증가하게 되고, 고체 환원철(A)로부터 방출된 가스의 양은 추가로 증가되어 더욱 격렬하게 용융 슬래그(S)중에서 기포를 발생시키게 되므로 기포 발생이 더욱 격렬해진다. 비중은 추가로 낮아지고 고체 환원철(A)은 추가로 용융 슬래그(S) 속으로 스며들게(sinking) 되며, 고체 환원철(A)이 전부 슬래그 속으로 스며드는 시점에서 환원철(A)의 전체 표면 상의 용융 슬래그(S)로부터 열을 수용하며(참조: 도 2c), 고체 환원철(A)은 신속하게 환원 및 용융된다.
상기 경우 고체 환원철의 비중이 1.7 미만이면 용융로(3)에서의 아크 가열도중 용융 슬래그(S) 상에 장입된 고체 환원철(A)은 용융 슬래그(S) 속에 더 이상 스며들지 않고, 도 2a에 도시된 바와 같이 용융 슬래그(S) 위에서 부유함으로써 상기 용융 슬래그(S)와의 접촉 면적이 감소되어 가열 효율을 저하시키게 되고 환원 반응 속도를 느리게 하여 보다 긴 처리시간을 요구하게 된다. 결과적으로, 현저한 생산성 저하를 나타내므로 공업적이고 경제적인 견지에서 실용화가 곤란하다.
이와 반대로, 고체 환원철(A)의 비중이 1.7 이상, 바람직하게는 1.8 이상, 보다 바람직하게는 1.9 이상인 경우 용융 슬래그(S) 상에 장입된 고체 환원철(A)은 도 2b 및 2c에 도시된 바와 같이 비중차로 인해 극히 짧은 시간 내에 용융 슬래그(S) 속에 스며들게 되며, 전체 표면 상에서 우선적으로 신속하게 환원을 수행하며, 이로써 환원 효율이 현저히 개선되어 환원 반응을 신속하게 완료할 수 있다. 한편, 용융 슬래그(S)로 용융되는 산화철의 양 또한 최소화되며 라이닝된 내화물의 부식 또한 최소화될 수 있다.
고체 환원철(A)의 환원 효율에 있어서, 전술한 바와 같이 용융 슬래그(S)에 의해 전달된 아크열의 열전도 효율이 극히 중요하다. 적당한 비중의 경우에도 고체 환원철(A) 중에 함유된 탄소질 환원제의 양이 불충분한 경우에는 만족스런 환원 효율을 성취할 수 없다. 용융로(3)에서는 고체 환원철(A)와는 별도로 환원에 요구되는 탄소질 환원제를 추가로 장입하는 것 또한 가능하지만 추가로 장입된 환원제는 본질적으로 고체 환원철(A)의 주변에 공급되고, 고체 환원철의 내부로는 공급되지 않으며, 따라서 고체 환원철(A)이 용융되지 않는 경우에는 환원력을 효과적으로 성취할 수 없으며 고체 환원철(A)에서 환원속도는 고체 환원철(A) 중에 존재하는 탄소질 환원제의 양에 좌우된다.
이상과 같은 관점에서, 고체 환원철(A) 중에 함유된 탄소질 환원제의 양과 짧은 시간 내에 용융로(3) 에 장입된 고체 환원철(A)의 가열 환원을 효과적으로 우선적으로 수행하기 위한 다른 인자를 비교 연구한 결과, 고체 환원철(A) 중의 탄소함량이 당해 고체 환원철(A)에 잔류하는 산화철을 환원시키는데 요구되는 이론적인 당량에 비해 50% 이상, 바람직하게는 70% 이상의 양으로 정의되는 경우 외부로부터 열을 가하여 고체 환원철(A) 중의 산화철에 대한 환원을 우선적으로 신속하게 수행함으로써 높은 용융 및 환원 효율을 성취할 수 있는 것으로 밝혀졌다.
탄소 함량을 100% 이상으로 정의하는 것은 선택사항이다. 그러나, 탄소 함량이 약 50%로 불충분한 경우에도 고체 환원철(A)의 용융에 의해 유출되는 미환원 상태의 산화철이 상기 탄소 성분의 불충분성과는 별도로 탄소질 환원제를 추가로 장입시킴으로써 신속하게 환원되므로 실제적인 문제점은 거의 없는 것으로 확인되었다. 따라서, 아크 가열식 용융로(3)에 공급되는 고체 환원철(A) 중의 탄소 함량이 미환원 상태로 잔류하는 산화철의 환원에 필요한 이론적인 당량에 대해 100% 미만인 경우 그 불충분한 부분에 대한 탄소 함량이 고체 환원철(A)의 장입 부분 근처에서와는 별도로 탄소질 환원제로서 추가로 장입될 수 있다.
환원철 생산설비에 의해 제조된 고체 환원철의 비중은 상기 생산설비에 공급되는 원료 물질의 특성 및 배합비율에 따라 변하므로, 환원철 생산설비에서의 환원조건(특히 분위기 온도 또는 시간), 상기 조건과 비중간의 관계는 예비 실험을 통해 미리 확인되며 이에 따라 적절한 조건이 설정될 수 있다.
추가로, 고체 환원철 중의 잔류 탄소량은 환원철 생산설비에서 환원 특성을 완전히 인지하고, 배합 물질의 종류 및 조성을 기초로 환원반응특성을 고려하여 환원반응특성을 결정하고 환원조건(온도, 시간 및 분위기 가스의 조성)을 적절히 조절함으로써 조정할 수 있다.
아크 가열식 용융로(3)에 의해 수득된 용선(A) 중의 탄소 함량을 1.5 내지 4.5%로 조정하는 이유가 하기에서 설명된다.
탄소질 환원제가 혼입된 산화철 함유 성형체로부터 제조된 환원철의 경우 탄소질 환원제 예를 들어 석탄 속에 함유된 탄소함량 약 70%는 통상 환원철 속에서 유지된다. 환원철이 용융로 속에서 용융되는 경우, 특히 저금속화도의 환원철이 용융되는 경우 용융로 속에 황의 대부분이 용선으로 전환되어 고 S 함량의 용선을 생성하도록 용융로 속에서의 탈황은 거의 기대되지 않는다.
주로 석회질 융제를 사용하여 래들(ladle)에서 용융로로부터 출탕시킨 후 용선 중의 황성분이 제거될 수 있다. 그러나, 용선 중의 탄소함량[C]이 1.5% 미만인 경우에는 용선 중에서 평형상태로 존재하는 산소함량[O] 수준이 증가하므로 후속적인 탈황 효율이 현저하게 저하된다. 따라서, 탈황효율을 증가시키고 저함량 용선의 생성을 촉진시키기 위해서는 아크 가열식 용융로에 의해 생성된 용선 중의 [C]를 3 내지 1.5 또는 그 이상으로 증가시키는 것이 필요하다. 용선 중의 [C]는 4.5% 근처에서 실질적으로 포화상태로 되며 포화상태의 [C]를 갖는 용선을 안정하게 수득하기 위해서는 탄소질 환원제가 용융로의 슬래그 중에서 항상 약 10% 이상으로 존재하도록 상당히 과량의 탄소질 환원제를 용융로 속에 장입시키는 것이 요구되며, 이 경우 탄소질 환원제에 대한 단가 상승을 수반하며 후속 정련단계에서 탈탄소 부하를 증가시키므로 바람직하지 않다. 조작 안정성을 증진시키기 위하여 특히 바람직한 용선 중의 탄소함량의 하한은 2.0%이며 상한은 3.5%이다.
아크 가열식 용융로(9)에 의해 생성된 용선 중의 탄소량을 전술한 바와 같이 1.5 내지 4.5%로 조절하기 위한 구체적인 방법에 대한 특별한 제한은 없다. (성형체 제조시 혼입된 탄소물질의 양, 환원철 생산설비 중의 기초적인 환원조건, 탄소질 환원제의 추가적인 장입량 및 아크 가열식 용융로에서의 조작조건 등의) 기초적인 실험을 통해 상기 탄소량을 보장하기 위한 최적 조건을 예비 결정하고 이와 같이 결정된 조건하에서 조작을 수행할 수 있다. 그러나, 성형체에 대한 원료 물질인 산화철 공급원 및 탄소질 환원제의 품질은 항상 안정적인 것은 아니며 통상적으로 상당히 가변적이므로 예를 들어 상기 가변 인자와 관계없이 적당한 범위의 안정한 탄소함량의 용선을 수득하기 위해서는 하기 방법을 채택하는 것이 바람직하다.
① 아크 가열식 용융로에서 용선을 샘플링하고, 상기 용선을 분석하면서 탄소질 환원제의 첨가량을 조절하고 용선 중의 탄소량을 실제로 측정하는 방법.
② 아크 가열식 용융로로부터 배출되는 배기가스의 조성 및 양을 측정하고, 상기 측정된 값을 기초로 하여 계산된 배기가스 중의 산소당량을 기초로 한 용선 중의 탄소량을 결정하고 상기 탄소함량에 따라 추가로 장입되는 탄소질 환원제의 양을 조절하는 방법.
그런데, 아크 가열식 용융로에서 고체 환원철이 환원되는 동시에 용융되는 경우 고체 환원철 중의 맥석 복합물로부터 형성된 용융 슬래그는 용선 위에 부유한다. 실제로, 용융로 중의 용융 슬래그의 환원효율 및 분리효율을 증가시키기 위해서는 용융 슬래그의 염기도 및 산화철 함량을 적절히 조절하고 용융로 내부의 라이닝된 내화물의 부식을 억제하는데 매우 효율적이다. 본 발명의 실시에 있어서, 용융 슬래그의 염기도는 1.0 내지 1.8(보다 바람직한 하한치는 1.1이며 보다 바람직한 상한치는 1.5이다)의 범위로 조절되며, 용융 슬래그 중의 철의 총함량(T.Fe)(산화철로서 존재하는 철의 총량)은 9% 이하, 보다 바람직하게는 5% 이하로 조절된다.
슬래그 염기도는 슬래그 특성을 특징짓는 기본적이고 전형적인 특성 중의 하나로서, 이것은 용융 슬래그 중에 함유되어 있는 전형적인 성분인 CaO 및 SiO2의 비[즉, (CaO)/(SiO2)]로서 나타낸다. 용융 슬래그의 염기도가 1.8을 초과하는 경우 슬래그의 융점이 갑자기 상승하여 유동성 및 평활도를 저하시키며, 용융철의 온도를 의도적으로 상승시키지 않는 한 용융로에서의 환원 및 용융을 우선적으로 수행하기가 곤란하다. 추가로, 염기도가 1.0 미만인 경우에는 라이닝된 내화물에 대한 부식이 증가한다. 또한, 상기 라이닝된 내화물의 부식은 슬래그 중에서 산화철의 양이 증가함에 따라 증가하게 된다. 이러한 경향은 용융 슬래그의 (T.Fe)가 9%를 초과하는 경우 두드러지게 진전된다. 따라서, 용융로에서 단시간 이내에 고체 환원철에 대한 환원 및 용융을 효과적으로 수행하고 용융로 내부의 라이닝된 내화물의 부식을 최소화함으로써 용융로의 작업 수명을 연장시키기 위해서는 아크 가열식 용융로의 고체 환원철의 환원 용융단계에서 용융 슬래그를 적절히 샘플링하고, 염기도 및 (T.Fe)의 양을 측정하고, 슬래그 염기도 조절제(CaO 또는 SiO2)를 가하여 슬래그 염기도를 적절한 범위로 조절하거나 추가의 탄소질 환원제의 양을 조절하여 용융 슬래그 중의 (T.Fe)의 양을 억제하는 것이 바람직하다.
상기한 바와 같이 아크 가열식 용융로(3)에서 환원 및 용융시킴으로써, 탄소 함량이 1.5 내지 4.5%이고 규소 함량이 약 0.05% 이하인 용선이 수득될 수 있다. 용선에서 [C]에 따라 다소 상이하기는 하지만, 용선은 약 1350℃ 이상의 열을 보유하면서 용융된 상태로 EAF 또는 BOF와 같은 제강로에 공급되거나 주형에서 한번에 꺼내어 냉각 고화시켜, 도 1을 참조하여 설명되는 바와 같이, 제강용 중간 제품로서 이용될 수 있다. 그러나, 다수의 황 및 인이 상기와 같이 수득된 용융된 철에 함유되기 때문에, 이러한 황 및 인을 제강 단계로 이동하기 전에 미리 제거하는 것이 바람직하다.
상기 목적에 적합한 바람직한 탈황 방법으로서, 예를 들어 용융로(3)에서 생성된 용선을 래들 등으로 출탕하고 탈황을 위해 여기에 석회질 융제를 첨가하고, 바람직하게는 석회질 융제를 불활성 가스와 함께 상기 융제에 의해 황을 포획하여 침지시킨 취입 창을 사용하여 용선내로 주입하여 융제를 용선에서 슬래그로서 제거하는 방법이 있을 수 있다. 추가로, 바람직한 탈인 방법으로서, 예를 들어 고체 산소 공급원(산화철 등) 또는 가스상 산소 공급원(산소, 공기 등)을 석회질 융제와 함께 래들 등으로 출탕시킨 용선에 공급하고, 선택적으로 인 성분을 산화시키고 융제와 함께 포획시킨 다음, 용선에서 부유시켜 분리하는 방법이 거론될 수 있다. 상기 탈황 및 탈인 방법에 대한 특별한 제한은 없지만 공지된 다른 탈황 및 탈인 방법을 채택하는 것이 가능하다. 그러나, 후자의 탈인 방법의 사용은 용융로에서 생성된 용선에서 [Si]가 0.05% 이하이고 공지된 폭발 선철과는 상이하기 때문에 바람직하고, 높은 탈인율은 특정한 탈규소화 없이도 보장될 수 있다.
상기 기술된 탈황 및 탈인 조건은 [C] 1.5 내지 4.5%, [Si] 약 0.05% 이하, [Mn] 약 0.1% 이하, [S] 약 0.05% 이하, [P] 약 0.04% 이하 및 잔여량의 Fe를 포함하는 불순물이 많은 용선을 제공할 수 있고, 이는 제강 원료로서 매우 효과적으로 이용될 수 있다. 특히, 상기 방법에 의해 수득된 용선은 다른 불순물 금속 성분 함량이 극도로 낮은 높은 철 순도를 갖기 때문에, 이것이 예를 들어 다른 철 공급원(파편 또는 선철)과 함께 약 20 내지 50%으로 제강 물질로서 사용되는 경우, 파편으로부터 삽입된 불순물 금속 성분에 대한 희석제로서 역할을 하여 불순물 금속 성분의 함량이 적은 강을 수득하게 한다. 물론, 조합물에서 사용되는 환원철의 비율은 함께 사용되는 파편에서 불순물 금속 성분의 함량에 따라 상기 기술된 범위에서 선택될 수 있고, 또는 환원철은 높은 철 순도에서 강을 효과적으로 생산하기 위해 100%까지 사용될 수 있으며, 추가로 다른 금속 성분도 합금강을 생산하기 위해 EAF 또는 BOF를 사용하는 제강 단계의 최종 단계에서 긍정적으로 첨가된다.
어쨌든, 본 발명에 따른 방법에 의해 수득된 환원철은 불순물 금속 함량이 극도로 작은 두드러진 특성을 가지기 때문에, 이는 일반적으로 상기 특성을 이용함으로써 합금강의 생산 또는 다양한 종류에 사용될 수 있다.
따라서, 설명은 "고체 환원철의 금속화: 60% 이상", "고체 환원철에서 탄소 함량: 고체 환원철에 남아있는 산화철을 환원하는데 요구되는 이론적 당량의 50% 이상(하기 때때로 FeO 환원 당량에 대한 탄소량으로 지칭됨), "고체 환원철의 비중: 1.7 이상" 및 "아크 가열식 용융로에서 생성된 용선에서 탄소 함량: 1.5% 내지 4.5%" 각각을 결정하기 위한 기초로 더욱 구체적으로 기술될 것이다.
"고체 환원철의 금속화: 60% 이상"을 결정하기 위한 기준
환원 철 생산설비에서 제조된 고체 환원철의 금속화에 대한 곡선은 철산화물 원료의 조성물 및 블렌딩률 및 블렌딩된 탄소질 환원제 및 추가로 환원 조건에 따라 다양하다. 금속화에 대한 곡선은 예를 들어 도 3에 도시된 바와 같은 경향을 나타낸다.
도 3의 곡선 ①에서, 지점 A는 76%의 금속화 및 4.8%의 잔여 탄소량에 대한 지점을 나타내고, 지점 B는 85%의 금속화 및 1.6%의 잔여 탄소량에 대한 지점을 나타낸다. 잔여 탄소량은 FeO 환원 당량의 탄소량에 비해 지점 A에서 142%이고 지점 B에서 63.5%이며, 잔여 탄소량은 환원 시간이 경과함에 따라 감소한다. 도 3에서 곡선 ②는 원료의 블렌딩률을 다양화함으로써 줄어든 고체 환원철의 금속화를 제한하는 예이다. 임의의 경우에, 상기 금속화는 우선 환원 시간이 경과함에 따라 갑자기 상승하고 상승 곡선은 금속화의 시간이 경과함에 따라 증가되는 경우 억제된다.
그런데, 본 발명에서 채택된 고체 환원철의 제조 및 이의 환원 용융을 위한 연속 공정에서, 환원 철 생산설비에서 제조된 고체 환원철에 대한 금속화는 아크 가열식 용융로(하기 아크 용융로라 지칭됨)의 작동능에 상당한 영향을 준다. 예컨대, 도 4는 아크 용융로에서 산화철의 환원 용융에서 고체 환원철의 금속화 및 전력 소비 사이의 관계를 나타내는 그래프이다. 환원 철 생산설비 및 아크 용융로에 대한 연속 작동을 수행할때, 아크 용융로에 대한 안정한 작동을 확인하는 것이 중요하다. 아크 용융로에 공급되는 전력이 증가되는 경우, 전극에 의한 열공급 부하는 반드시 증가되어 용융로의 라이닝된 내화물에 주어진 열충격을 증가시킨다. 따라서, 노체의 크기가 증가되어야만 실제적 경제적 관점에서 모두 불량한 전극 장치 및 노벽에 대한 열충격을 조절한다.
보통의 아크 가열식 노에서, 전력 소비가 800kWh/tmi를 초과하는 경우 상기 문제는 확실히 나타난다. 따라서, 상기 문제를 피하기 위해, 아크 가열형 노에 공급된 고체 환원철의 금속화는 60% 이상, 더욱 바람직하게는 70% 이상으로 조절된다.
추가로, 환원 철 생산설비에서 제조된 고체 환원철의 금속화의 산란은 금속화의 절대값에 의해 영향을 현저히 받고 상기 산란은 금속화가 줄어드는 경우 증가된다. 그런데, 도 5는 상기 금속화의 평균값이 62.8% 및 80.2%인 고체 환원철에 대한 금속화의 시험 산란의 결과를 나타내는 그래프이다. 금속화가 줄어드는 경우 상기 산란이 두드러짐을 확인할 수 있다. 실제 작동에서, 상기 금속화의 산란이 증가되는 경우 의도된 금속화 자체는 불안정하게 되므로, 안정한 의도된 금속화를 보장하기 위해 보다 높은 금속화를 수행할 필요가 있다. 다양한 실험 결과, 상기 금속화의 평균값이 60% 이상, 보다 바람직하게는 70% 이상이 되어야만 금속화에서 산란을 실제 작동가능한 수준내로 한정함이 확인되었다.
"고체 환원철중의 탄소 함량: FeO 환원 당량에 대한 탄소량의 50% 이상"을 결정하는 기준
도 6은 다양한 조건하에서 제조된 고체 환원철에 대하여, 상기 고체 환원철에서 FeO 환원 당량에 대한 탄소량 및 용융된 슬래그에서 산화철 함량 사이의 관계의 시험 결과를 도시하는 그래프이다. 상기 실험에서, 78 내지 82%의 금속화를 갖고 FeO 환원 당량과 상이한 탄소량을 갖는 고체 환원 철 및 20톤 EAF를 사용함으로써 용융되는 경우 용융된 슬래그에서 산화철(T, Fe)의 함량이 사용된다. 또한 도면으로부터, FeO 환원 당량에 대한 탄소량(환원되지 않은 산화철을 환원하는데 요구되는 탄소의 이론적 당량)이 고체 환원철에 함유되는 경우, 상기 용융된 슬래그에서 (T, Fe)는 낮은 수준으로 제한되지만 탄소 함량은 FeO 환원 당량에 대한 탄소량의 50% 미만이고(FeO 환원 당량에 대한 탄소량×0.5), 상기 용융된 슬래그에서 (T,Fe)는 갑자기 증가되어 라이닝된 내화물의 부식이 두드러진다. 따라서, 상기 라이닝된 내화물의 부식을 최소화 하여 안정한 조작을 보장하기 위해, 고체 환원철에서 탄소 함량은 FeO 환원 당량에 대한 탄소함량이 50% 이상이어야 한다.
상기 실험에서, 아크 가열식 용융로에서 생성된 용선에서 탄소 함량을 2.1 내지 2.4 이내의 범위로 조절하기 위해, 부족함을 보충하기 위한 탄소 물질이 아크 용융로에 추가로 장입되지만, 고체 환원 철 자체에서 잔여 탄소량은 실질적으로 추가의 탄소 물질량에 상관없이 FeO 환원 당량에 대한 탄소량의 50% 이상으로 제조되지 않는 경우 용융된 슬래그에서 (T, Fe)는 충분히 환원될 수 없다. 물론, 추가로 환원된 용선에서 당량을 환원하는 탄소 함량 및 의도된 탄소 함량을 보장하기에 충분한 양으로 탄소 물질을 고체 환원철에 남아있는 산화철로 장입함으로써 상기 용융된 슬래그에서 (T, Fe)을 환원시키는 것이 가능하다고 볼 수 있다. 그러나, 실제적으로 포화 탄소량 미만의 탄소값으로 용선에서 탄소 함량을 유지하는 것은 극도로 어렵지만, 용선에서 탄소 함량은 공정 시간이 경과함에 따라 점차적으로 증가되고 의도된 탄소 함량의 용선을 수득하는데 실패하여, 이는 바람직하지 못하다.
"고체 환원철의 비중: 1.7 이상"을 결정하는 기준
고체 상태의 탄소 물질이 혼입된 산화철 성형체를 예비 환원시킴으로써 고체 환원철을 수득하는 본 발명의 방법을 채택하는 경우, 성형체 각각의 내부에 탄소 물질 등과 같은 양으로 공동이 형성되며 예비 환원이 우선적으로 진행되면서 블렌딩되므로 고체 환원철의 비중은 예를 들어 MIDREX 공정에 의해 생성된 예비 환원철의 비중과 비교하여 상당히 감소한다.
그러나, 도 2에 도시된 바와 같이, 아크 용융로에서의 환원 효율 및 상기 환원에 대한 고체 환원철의 용융 및 상기 고체 환원철의 용융을 증가시키기 위해, 상기 아크 용융로에서 장입된 고체 환원철은 신속하게 용선에 용융된 슬래그내로 스며들고 효과적으로 전체 표면에서 아크 가열을 수용하도록 적용시켜야 한다. 상기 목적을 위해, 고체 환원철의 비중의 영향이 크다. 그런데, 도 7은 비중이 1.60 내지 1.75(평균 비중: 1.65), 및 1.8 내지 2.3(평균 비중: 2.1)인 고체 환원철의 사용에 의해 아크 용융로에서 환원에 대한 고체 환원철의 비중의 영향 및 환원 수행시 용융률 및 용융을 시험한 결과를 도시하는 그래프로, 여기서 각각의 고체 환원철이 용융된 슬래그에서 단독으로 장입되는 경우 횡좌표는 상기 용융률을 나타내고 종좌표는 각각의 고체 환원 철이 연속적으로 환원 용융에 대해 장입될 수 있는 한계 용융률을 나타낸다.
도면으로부터, 평균 비중 1.65에서 고체 환원철의 경우에, 고체 환원철이 연속적으로 용융된 슬래그에 장입되는 경우, 용융된 슬래그내로 침지하는 고체 환원철은 관찰되지 않지만 고체 환원 철 대부분은 용융된 슬래그의 표면에서 환원 및 용융한다. 따라서, 고체 환원철의 연속적 배출시 고체 환원철의 용융률은 고체 환원철 단독으로 장입되는 경우의 약 100배이다. 상기 수준에서의 용융률을 이용하여, 연속적 장입에 의한 환원 및 용융은 실제 규모에서 사용될 수 없다. 반대로, 평균 비중이 2.1인 고체 환원철을 위해, 용융된 슬래그에 장입된 고체 환원철은 신속하게 상기 슬래그 및 환원내에 침지하고 용융이 효과적으로 수행되어, 고체 환원철이 연속적으로 장입되는 경우 상기 용융 속도는 단독으로 장입하는 경우에 비해 현저히 증가되고, 약 300배의 연속 용융률이 수득될 수 있다. 상기 수준에서 용융률을 이용하여 연속 환원 용융은 공업적 규모에서 효과적으로 실제 사용될 수 있다.
상기 고체 환원철의 비중의 효과에 따라, 용융 상황은 연속 용융률이 갑자기 변하는 경계로서 평균 비중 1.7로 현저히 변한다. 따라서, 평균 비중이 1.7 미만인 경우, 공업적 규모로 연속 작동을 충족시킬 수 있는 용융률은 수득될 수 없고 상기 연속 작동을 수행하기에 충분한 용융률은 평균 비중이 1.7 이상 또는 보다 바람직하게는 1.9 이상인 경우 보장될 수 있다.
"아크 가열식 용융로에서 제조된 용선중의 탄소 함량: 1.5%-4.5%"을 결정하는 기준
일반적으로, 용선중의 탄소량과 용해되는 산소량은 용선 중의 탄소 함량이 감소함에 따라 용선중에 용해되는 산소량이 증가하는 밀접한 관계가 있다. 따라서, 용해된 산소량이 보다 큰 경우, 용선의 산소 포텐셜이 보다 높아져 탈황에 불이익을 준다. 상기에 따라, 용선과 조화된 용융된 슬래그의 산소 포텐셜 또한 높아져, 용융된 슬래그에서 FeO 함량이 증가되어 용융로의 라이닝된 내화물의 부식을 증가시키는 내화물과의 반응성을 증가시킨다. 따라서, 용선에서의 탄소 함량을 다소 높게 결정하여 탈황시 탈황률을 증가시키고 용융로의 라이닝된 내화물의 부식을 억제시켜 작동 수명을 연장할 필요가 있다.
그런데, 도 8은 다양한 실험에 의해 수득된 용선에서의 탄소 함량 및 탈황률 사이의 관계를 총괄하여 도시하는 그래프이다. 상기 실험에서, CaO계 탈황제를 래들에서 용선에 주입하는 방법이 채택되고 상기 탈황제를 소비하는 경우의 데이터는 상수로 라이닝된다. 상기 도면에서, 용선중의 탄소 함량이 1.5% 미만인 경우, 목적하는 탈황률을 성취하기 위해 별도의 탈황제를 주입시켜야 하고, 그결과로 상당한 양의 금속철이 생성된 상당한 양의 슬래그로 도입되므로 철 손실분을 증가시킨다. 즉, 실제 규모에서 본 발명을 사용하기 위해, 또한 1.5% 이상, 바람직하게는 2.0% 이상이여야 하는 용선에서 탈황 및 탄소 함량에 의해 유발된 슬래그의 공정과 같이 추가의 문제를 고려하여 보다 적은 탈황기 소비로 래들에서 탈황을 충분히 수행할 필요가 있다.
그러나, 용선에서의 탄소 함량은 약 4.5%에서 포화를 이루고 과량의 탄소질환원제는 경제적이지 못한 포화 탄소 함량으로 용선을 수득하기 위해 사용되어야만 한다. 추가로, 이후의 제련시 탈산 부하가 또한 증가되기 때문에, 탄소 함량은 바람직하게는 4.5% 이하, 보다 바람직하게는 3.5% 이하로 제한된다.
"용융된 슬래그의 염기도: 1.0-1.8"
상기 염기도(CaO/SiO2비)이 본 발명에서 본질적 조건은 아니지만, 아크 용융로에서 고체 환원철의 환원 용융의 효율에 대해 약간의 영향을 줄 뿐 아니라 상기 용융로의 라이닝된 내화물의 부식에 대해 상당한 영향을 준다.
즉, 용선의 염기도는 유동성에 상당한 영향을 주고 예를 들어 도 9에 도시된 바와 같이 염기도가 감소되는 경우 슬래그의 융점이 감소되어 상기 유동성을 증가시키고 고체 환원철의 환원 용융 효율에 바람직한 영향을 주지만, 내화물과의 반응성은 감소되어 라이닝된 내화물의 부식을 증가시킨다. 반면에, 염기도가 증가하는 경우, 슬래그의 융점이 상승하며, 이에 따라 슬래그를 용융시키기 위해서는 노의 온도를 과도하게 증가시켜야 하므로 상기 소비되는 열에너지의 측면에서 불리하고, 또한 노 본체의 고온에 기인한 열효과가 증가한다. 도 9에 도시된 상기 경향은 상기 슬래그 염기도가 1.0 미만 또는 1.8 초과인 경우 두드러져, 바람직하게는 아크 용융로에서 용융된 슬래그의 염기도는 1.0내지 1.8, 보다 바람직하게는 1.3 내자 1.6의 범위 내로 조절된다.
본 발명의 실시예는 하기에 기술된다. 본 발명은 하기 실시예로 제한되지않지만 하기 실시예가 본 발명의 범위내에 있고 본 발명의 기술 범주내로 함유되는 한 적당한 변형이 실행될 수 있다.
철광석, 석탄 및 소량의 결합제(벤토나이트)의 분쇄물 각각이 사용되고 블렌딩되어 석탄내 탄소는 철광석내 산화철과 이론적 당량으로 존재한다. 상기 분쇄물은 실질적으로 미세화 장치에서 약 13 내지 20mm의 직경의 구형으로 성형되고 탄소 물질과 혼합된 성형체를 함유하는 산화철은 녹색 성형된 물질로서 사용된다. 사용된 철광석 및 석탄의 조성물의 예가 하기에 제시된다.
철광석의 조성물:
T, Fe=65%, FeO=0.7%, SiO2=2.5%
Al2O3=2.10%, CaO=0.04%
석탄의 조성물:
총 탄소량=77.6%, 고정된 탄소=71.2%
휘발성 성분=17.0%, 재=11.8%
성형체(녹색 펠렛)은 회전식 노상형 환원 철 생산설비에 공급되고 환원은 상기 회전식 노에서 7 내지 9분의 평균 지속 시간으로 1250 내지 1350℃의 온도에서 수행되어 환원철을 생성한다. 결과로 생성되는 고체 환원철에서 환원되지 않은 산화철량 및 잔여 탄소량은 가열-환원 조건에 따라 상이한다. 상기 실시예에서, 가열-환원 조건이 조절되어 고체 환원철에서의 산화철에 대한 금속화는 각각의 경우 60% 이상이었다. 표 1은 고체 환원철의 금속화 및 조성물에 대한 실시예를 나타낸다. 추가로, 동일한 실험에 의해 수득된 고체 환원철의 중량 및 비중은, 예를 들어 평균 비중이 파편당 중량의 부족하지 않은 관계를 사용하여 1.7 내지 2.5의 범위내로 함유되는 도 10에 도시된 바와 같다.
번호 금속화도 T, Fe M, Fe FeO Ceq Ceq/2
1 92 85.1 78.3 8.9 1.5 0.7
2 90 84.4 76.0 11.0 1.8 0.9
3 80 80.8 64.7 21.1 3.5 1.8
4 70 77.5 54.3 30.3 5.1 2.5
5 60 74.5 44.7 38.8 6.5 3.2
6 50 71.7 35.9 46.7 7.8 3.9
7 40 69.1 27.6 54.0 9.0 4.5
(주석) Ceq: FeO 환원 당량에 대한 탄소량
Ceq/2: FeO 환원 당량 화합물에 대한 탄소량에 따른 1/2 양
환원 철 생산설비에 의해 수득된 고체 환원철은 연속적으로 상태에서 변화되어 가능한 대기중의 공기와 접촉되지 않고 고온에서(상기 실험에서 1000℃) 환원 철 생산설비에 인접하게 배열된 아크 가열 용융로에서 유지되어 추가의 환원 및 용융이 수행된다. 상기 경우, 용선의 예비결정된 양은 용융로에서 유지되고 용선에 떠있는 용융된 슬래그의 염기도는 1.0 내지 1.8의 범위로 조정되어 전류가 아크 가열을 위한 내수성 전극의 상태에서 용융된 슬래그내로 공급되고 내수성 아크 가열 시스템이 사용된다. 따라서, 고체 환원철은 아크 가열 부분 근처에서 장입되고, 석탄은 추가로 고체 환원철을 장입하는 부분에서 장입되고, 아크 가열에 의한 환원 용융은 앞서게 되었다.
환원된 용융 단계에서 고체 환원철은 슬래그-형성제로서 다른 산화물보다 SiO2를 더욱 많이 함유한다. 염기도으로서, 용융로에서 환원철의 용융의 선행을 따라 감소되므로, 하소된 석회 및 선택적으로 하소된 백운석을 주로 포함하는 융제는 용융된 슬래그의 염기도를 1.0 내지 1.8 범위로 조절하기 위해 염기도 조절제로서 첨가되었다. 그런데, 용융된 슬래그의 염기도가 상기와 같이 1.8%를 초과하는 경우, 용융된 슬래그는 점착성이고 고체 환원철은 상기 용융된 슬래그내로 보다 적게 가라앉아 열 환원 효율을 감소시키며, 반면에 염기도가 1.0 미만인 경우 라이닝된 내화물이 두드러지게 된다.
가열-환원 용융 단계에서, 상기 용융된 슬래그에 장입된 고체 환원철은 용융된 슬래그와 접촉하면서 광의 가열을 수용하고, 내부에 남아있는 탄소 함량에 의해 선행된 환원된 산화철에 대한 환원에서 CO가스는 고체 환원철의 표면 및 활발히 주위에 이동되는 고체 환원철로 유입되어 용융된 슬래그는 상기 CO가스에 의해 폭음소리가 났다. 따라서, 고체 환원철은 취입에 의해 유발된 비중의 감소로 용융된 슬래그내로 가라앉고 추가로 가열 환원을 감소시키며, 환원되지 않은 철은 실질적으로 이들의 주변에서 추가로 배출된 탄소질 환원제의 영향하에서 환원되고 용융되어 보다 적게 용선내로 혼합된다.
상기 경우에서, 용융된 슬래그로부터 장입된후 장입된 고체 환원철은 신속하게 용융된 슬래그내로 가라앉고 가열-환원은 효과적으로 상기 고체 환원철의 비중이 1.7 이상, 바람직하게는 1.8 이상 및 보다 바람직하게는 1.9 이상으로 장입되는 경우 단시간내에 선행되지만, 비중이 1.7 미만인 경우 장입된 고체 환원철은 용융된 슬래그내로 파묻혀 상기 용융된 슬래그로부터 가열 조건이 불충분하고 취입이 감소되어 가열-환원에 요구되는 시간에서의 현저한 지연을 일으키고 이에 대하여 용융된 슬래그내 산화철의 용융량 또한 증가하여 용융로의 라이닝된 내화물의 부식을 유발하는 경향이 있다.
추가로, 또한 고체 환원철에서 탄소 함량이 고체 환원철에서 환원되지 않은 산화철을 산화시키는데 요구되는 이론적 탄소량에 대해 50% 미만인 경우, 환원 효율은 불충분하고 탄소질 환원제가 추가로 용융로에 장입되는 되는 경우 환원 속도도 느리고, 용융된 슬래그에서 산화철의 함량이 증가되어 라이닝된 내화물의 부식을 현저히 유발시켰다.
추가로, 가열-환원 단계에서, 용선은 주기적으로 탄소량을 측정하기 위해 샘플로 되고, 추가로 장입된 탄소질 환원제량은 탄소량이 1.5 내지 4.5% 범위 이내로 존재하도록 조절되었다.
가열-환원 용융 단계는 연속적으로 수행되었고, 용융로에서 부진한 용선의 예비결정된 양의 예로, 용선은 출탕 포트(port)로부터 배출되었고 래들에서 노의 바닥에 정렬되었고, 동시에 용융된 슬래그의 적절량이 용융로의 측부벽에 라이닝된 슬래그 배출 포트를 통해 배출되어 상기 노에 남아있는 슬래그의 양을 조절하였다.
상기 가열-환원 용융을 수행하기 위한 조건 및 그 결과가 하기로서 예시된다.
(환원철의 특성)
고체 환원 철등의 조성물: 표 1에서 번호 3(금속화도: 80%)
아크 가열식 용융로에서 장입 온도: 1000℃
장입 방법: 연속 장입
(아트 가열식 용융로의 작동 조건)
아크 가열 전극에서 전력 소비: 약 565KWh/tmi(mi: 생성되는 용선)
(장입 물질의 종류 및 양)
생석회: 92.2kg/tmi, 하소된 백운석: 21.5kg/tmi
석탄의 추가 장입량: 약 20kg/tmi
환원철의 단위 소비: 1227kg/tmi
(수득된 용선 및 형성된 슬래그 조성물)
용선:
C: 2.0%, Si: 0.03% 이하, Mn: 0.05% 이하,
P: 0.043%, S: 0.137%, 온도: 1550℃
형성된 슬래그:
CaO: 36.5%, SiO2: 26.1%, Al2O3: 18.2%, MgO: 10.0%
T, Fe: 6.3%, 염기도: 1.4
상기로부터, 용선의 규소 함량은 환원 용융 단계에서 충분히 감소되었고, 황 및 인 함량이 제강용 원료로서 상당히 높기 때문에 탈황 및 탈인은 래들에서 수행되어 하기 조성물의 용선을 수득할 수 있었다.
탈황용 물질: 석회질 융제
조성물: CaO: 83 내지 90%, CaF2: 6 내지 10%, C: 4.0%,
소비: 약 12kg/tmi
탈황용 물질: 석회질 융제 + Fe 2 O 3
조성물: CaO: 44 내지 45%, CaF2: 7 내지 8%, Fe2O3: 47 내지 48%,
소비: 약 20kg/tmi
탈황 및 탈인 후 용선의 조성
C: 1.8 내지 2.0%, Si: 미량, Mn: 0.02%, P: 0.032%, S: 0.038%
상기 탈황 및 탈인 후 용선(1450℃)은 하기 블렌드를 사용하여 철 파편 및 선철과 함께 EAF내로 장입되었고 전기로 제강방법은 하기 부물질을 첨가하고 소량의 산소를 주입하면서 수행되어 하기 조성물의 용융된 강을 생성하였다.
(전기 아크로에서 장입된 물질)
탈황 및 탈인 용선: 40%
파쇠: 50%, 선철: 10%
(부물질)
생석회: 50.2kg/tmi, 하소된 백운석: 10kg/tmi
규산석: 15.1kg/tmi
산소의 취입량: 약 18Nm3/tmi
(수득된 용융 강의 조성)
C: 0.10%, Mn: 0.06%, Si: 미량, S: 0.022%, P: 0.018%
상기 실험은 아크 가열식 용융로에서 제조된 용선의 공급의 예를 나타내고 탈황 및 탈인을 용융된 상태 즉, 고온에서 유지되고 철제조 물질로서 사용하는 상태로 EAF내에 놓지만, 또한 용선은 제강 물질로서 BOF에 공급될 수 있고 상기 용선은 캐스팅 주형에서 한번 꺼내어 냉각되어 응고될 수 있으며 제강용 중간 물질로서 효과적으로 사용될 수 있다.
최종적으로, 본 발명의 다수의 변경 및 변화는 상기 교시의 관점에서 가능함을 주목해야 한다. 따라서, 첨부된 청구항의 범위내에서 본 발명은 구체적으로 본원에 기술된 것과는 달리 실행될 수 있다.
본 출원은 1997년 9월 1일자로 일본 특허청에 출원된 일본 특허 제 Hei 9-236214 호에 근거되고, 전체 내용이 본원에 참고로 인용된다.
본 발명은 상기 기술된 바와 같이 구성되어 가열 환원 효율을 안정하게 유지하고 가공의 라이닝된 내화물의 부식을 최소화시켜 노의 작동 수명을 안정시킬 수 있으며, 상기 기술된 효과에 따라 주된 물질로서 탄소질 환원제와 혼합된 산화물 함유 성형체를 사용하는 환원철의 생산 및 에너지 손실이 적은 산업상 범주로 수득된 고체 환원철의 추가의 환원 및 용융에 의해 고순도의 용선의 생산을 효과적으로 달성할 수 있다. 추가로, 상기 방법에 의해 수득된 환원철이 금속 성분의 불순물 함량이 적기 때문에, 제강 물질로서 환원철의 사용은 고순도의 강 물질의 생산을 가능하게할 뿐만 아니라 합금강 생산시 성분의 조정을 용이하게 할 수 있다. 추가로, 제강로가 아크 가열식 용융로에 인접하게 배열되고 용융로 또는 용융된 탈황 및 탈인된 철에 의해 생성된 용선이 고온 가열의 용융된 상태로 제강 원료로서 제강로에 공급되는 경우 용선에서 포함된 열은 제강용 열원으로 효과적으로 이용될 수 있고 상기 열에너지는 추가로 환원될 수 있고 실제 사용면에서 보다 효율적인 방법이 환원철의 생산에서 제강까지의 시스템을 통해서 수행될 수 있다.

Claims (21)

  1. (a) 산화철 및 탄소질 환원제를 제공하는 단계;
    (b) 상기 탄소질 환원제 및 산화철로부터 성형체를 제조하는 단계;
    (c) 상기 성형체로부터 60% 이상의 금속화도, 1.7 이상의 비중, 및 고체 환원철에 잔류하는 산화철을 환원시키는데 요구되는 이론적 양의 50% 이상의 탄소 함량을 갖는 고체 환원철을 제조하는 단계; 및
    (d) 실질적인 냉각이 일어나기 전에, 고체 환원철을 아크 가열식 용융로에서 1.0 내지 1.8의 염기도를 갖는 용융된 슬래그의 폼(foam)에 완전히 함침시킨 후 고체 환원철을 가열하여 1.5 내지 4.5%의 탄소 함유 용선(molten iron)을 제조하는 단계를 포함하는, 1.5 내지 4.5%의 탄소 함유 용선을 제조하기 위한 제철방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    700 내지 1300℃의 온도의 환원철을 아크 가열식 용융로에서 가열하는 제철방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    탄소질 환원제를 아크 가열식 용융로에서 고체 환원철의 장입 위치에 첨가하는 제철방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    고체 환원철을 아크 가열식 용융로에서 용융 슬래그에 장입시키는 제철방법.
  5. 삭제
  6. 제 4 항에 있어서,
    용융 슬래그가 9% 이하의 산화철을 함유하는 제철방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    용융 슬래그가 5% 이하의 산화철을 함유하는 제철방법.
  8. 제 4 항에 있어서,
    아크 가열식 용융로에서 용선을 샘플링하고 상기 용선을 분석하여 탄소질 환원제의 장입량을 조절하며 용선에서 탄성 함량을 조절하는 제철방법.
  9. 제 4 항에 있어서,
    아크 가열식 용융로로부터 배출된 가스의 조성 및 양을 측정함으로써 용선중의 탄소 함량을 조절하고, 상기 측정 값으로부터 계산한 배기 가스의 산소 당량을 기준으로 요구되는 양의 탄소질 환원제를 첨가하는 제철방법.
  10. 삭제
  11. 제 1 항에 있어서,
    아크 가열식 용융로중의 용선을 다른 용기로 이동시켜 탈황시키는 제철방법.
  12. 제 1 항에 있어서,
    아크 가열식 용융로중의 용선을 다른 용기로 이동시켜 탈인시키는 제철방법.
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 삭제
  17. 제 1 항에 따라 제조된 용선을 제강로에 첨가하여 강을 제조하는 것을 포함하는 제강방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    제강로가 전기 아크로(EAF) 또는 염기성 산소로(BOF)인 제강방법.
  19. (a) 제 1 항에 따라 제조된 용선을 냉각하여 응집된 철을 제조하고;
    (b) 상기 응집된 철을 제강로에 첨가하여 강을 제조하는 것을 포함하는 제강방법.
  20. 제 19 항에 있어서,
    제강로가 전기 아크로(EAF) 또는 염기성 산소로(BOF)인 제강방법.
  21. 제 1 항에 있어서,
    용선이 Si 0.05% 이하, Mn 0.1% 이하, P 0.1% 이하 및 S 0.20% 이하를 함유하는 제철방법.
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