KR100402167B1 - 이동형 노상로의 조업방법 - Google Patents

Abstract

이동 노상 위에 수소를 함유하는 분상고체환원재의 층을 하층으로 하고, 분상철광석을 주로 하는 산화물분과 분상고체환원재의 혼합분을 층상으로 적층하여 환원조업을 행한다.

Description

이동형 노상로의 조업방법 {METHOD OF OPERATING MOVABLE HEARTH FURNACE}

기술분야

본 발명은 이동형 노상로 (爐床爐) 를 이용하여 철광석으로부터 환원철을 제조하는 기술에 관한 것이다.

배경기술

조강의 생산은 크게 고로-전로법과 전기로법으로 나눌 수 있다. 이 중, 전기로법은 스크랩 (scrap) 및 환원철을 철원료로 하여, 이들을 전기 에너지로 가열용해시켜, 경우에 따라서는 정련하여, 강철로 만들고 있다. 현 상황에서는 스크랩을 주요 원료로서 하고 있으나, 근년, 스크랩 수급의 핍박, 전기로법으로의 고급제품 제조의 흐름으로부터 환원철의 수요가 증가하고 있다.

환원철을 제조하는 프로세스의 하나로서, 일본 공개특허공보 소 63-108188 호에 개시되어 있듯이, 수평방향으로 회전하는 노상에 철광석과 분상고체환원재로 이루어지는 층을 적층하여, 상부로부터 복사전열에 의해 가열하여 철광석을 환원하고, 환원철을 제조하는 방법이 있다. 이와같은 방법은 설비의 건설비가 비교적 싸다는 점, 조업 트러블이 비교적 적다는 점 등의 장점이 있다. 대개의 경우, 수평으로 이동하는 노상은 도 1a 및 도 1b 의 이동형 노상로의 설명도에 나타나는 듯한 회전노상의 형태를 하고 있다. 이동 (회전) 노상 (3) 의 위에 철광석 (분상(粉狀) 철광석을 주로하는 산화물분) 과 고체환원재로 이루어지는 혼합분 (1) 의 층을 적층한다. 이동 노상 (3) 은 내화물이 부착된 노체 (4) 에 의하여 덮여있다. 노의 상부에는 버너 (5) 가 설치되어, 그것을 열원으로 하여 이동 노상 위의 철광석을 환원한다. 그리고 도 1a 에 있어서 6 은 원료 적층장치, 7 은 배출장치이다.

이 노에서의 조업에 있어서, 노내온도는 1300 ℃ 전후로 되어 있는 것이 보통이다. 또 환원조작종료후는 노외에서의 산화방지, 핸들링을 용이하게 하기 위하여 이동 노상 위에서 냉각기에 의하여 환원철을 냉각한 후, 회수하는 것이 보통이다.

이와같은 환원철 제조방법에서의 환원은 철광석과 분상고체환원재의 사이에서의 직접환원에 의하여 진행한다. 직접환원은 흡열반응이며, 그 열의 공급 및 환원속도가 생산성을 결정한다. 열의 공급은 버너를 열원으로 하여, 버너화염 또는 노내벽으로부터 철광석과 분상고체환원재로 이루어지는 층으로의 복사전열에 의하여 이루어지는데, 그것과 함께, 철광석과 분상고체환원재로 이루어지는 층내부에서의 열전도 및 반응온도와 노 온도와의 온도차에 의하여 환원속도가 정해진다.

그리고 여기서, 부원료란, 석회석, 형석, 사문석 및 돌로마이트 등의 융제를 말한다.

발명의 개시

본 발명은, 환원철의 수요증대에 따라서, 환원시간을 단축하여 그 생산성을 향상하려고 하는 것이며, 철광석과 분상고체환원재로 이루어지는 층을 수평으로 이동하는 노상에 적층하여, 노내 상방으로부터 복사전열에 의하여 철광석의 환원을 행하는데 있어서, 반응개시온도를 저하시킴으로써 전열 속도를 상승시켜, 환원시간을 단축할 수 있는 이동형 노상로의 조업방법을 제안하는 것을 목적으로 한다.

도면의 간단한 설명

도 1a 및 도 1b 는 이동형 노상로의 설명도이다.

도 2 는 실험장치의 설명도이다.

도 3 은 탄소의 H₂량과 환원개시온도와의 관계 그래프이다.

도 4 는 본 발명에 적합한 원료 적층방법의 설명도이다.

도 5 는 적합예 및 비교예의 금속화율 및 산화물분과 탄재의 혼합층 중의 수소농도의 경시변화의 그래프이다.

(부호의 설명)

1: 철광석 (산화물분) 과 고체환원재의 혼합분

2: 수소를 함유하는 분상고체환원재

3: 이동 (회전) 노상

4: 노체

5: 버너

6: 원료적층장치

7: 배출장치

8: 환상로

9: 가스 시일 (seal) 용 노심관

10: 수소도입용 눈금

11: 발열체

12; 수소도입

13: 배출가스

발명을 실시하기 위한 최량의 형태

분상철광석을 주로하는 산화물분과 분상고체환원재의 혼합분을 외부에서 가열하면 하기식 (1),(2) 의 반응이 연속적으로 일어나, 환원반응이 진행된다.

CO+FeO→Fe+CO₂(산화물 입자 근방) (1)

CO₂+C→2CO (환원재 표면) (2)

환원반응의 식 (1) 은 일반적으로 600 ℃ 이상의 온도에서 진행되는데, 식 (2) 의 반응은 더욱 고온이 아니면 진행되지 않는다. 또, 반응이 연속적으로 진행하려면, 식 (1) 의 생성 CO₂의 분상고체환원재 입자로의 확산 및 식 (2) 의 생성 CO 의 산화물 입자로의 확산이 원활하게 일어날 필요가 있다. 통상의 철광석과 분상고체환원재의 경우에는, 실용적인 반응속도를 기대할 수 있는 반응개시온도는 약 1100 ℃ 로 되어있다.

본 이동형 노상로에서는, 열의 공급은 버너를 열원으로 하여, 버너화염 또는 노내벽으로부터 철광석과 분상고체환원제로 이루어지는 층으로의 복사전열에 의하여 이루어지는데, 그와 함께 철광석과 분상고체환원재로 이루어지는 층내부에서의 열전도 및 반응온도와 노 온도와의 온도차에 의하여 열전도 속도가 정해진다. 따라서, 반응온도 1100 ℃ 와 노 온도 1300 ℃ 의 온도차가 전열의 구동력이 되어, 반응이 진행된다.

한편, 수소가 반응속도에 관여한다. 하기식 (3),(4) 의 반응은 식 (1),(2) 의 반응에 비하여 반응속도가 큰 것에 착안하여, 도 2 의 실험장치의 설명도에 나타낸 실험장치를 이용하여 실험을 행한다.

H₂+FeO→Fe+H₂O (산화물 입자 근방) (3)

H₂O+C→CO+H₂(환원재 표면) (4)

여기서 도 2 에 있어서, 1 은 분상철광석을 주로하는 산화물분과 분상고체환원재의 혼합분, 8 은 환상로, 9 는 가스 시일용 노심관, 10 은 수소도입용 눈금접시, 11 은 발열체, 12 는 수소도입 및 13 은 배출가스를 나타낸다. 소정온도로 유지한 환상노내에, 산화물분과 분상고체환원재의 혼합분을 장입하고, 노의 하부로부터는 소량의 수소를 흘려보낸다. 수소의 양은, 생성하는 철 1000 ㎏ 당의 분상고체환원재 혼합량을 600 ㎏ 으로 상정하고, 그 분상고체환원재, 즉 탄재에서 발생하는 수소량에 상당하는 양을 노의 하부에서 도입하여 환원개시온도를 조사한다. 이들의 조사결과를 도 3 의 탄재의 H₂양과 환원개시온도의 관계 그래프로 나타낸다.

도 3 에서 명백하듯이, 탄재중의 수소량을 증가시키면, 실용적인 환원속도를 얻을 수 있는 환원개시온도가 저하하며, 약 0.5 wt% 의 수소로 약 100 ℃ 의 환원개시온도의 저하를 기대할 수 있다. 따라서 반응온도 (환원개시온도) 와 노 온도의 차를 종래의 200 ℃ 에서 300 ℃ 로 증가시킬 수 있고, 평균적으로는 반응속도 및 열전도 속도를 1.5 배로 할 수 있게 된다. 이들은,

·수소자체가 식 (3),(4), 특히 식 (4) 의 반응속도를 향상시킨다.

·H₂, H₂O 의 확산속도가 CO, CO₂의 확산속도에 비하여, 각각 3.7 배, 1.6 배 이며, 탄재표면에서의 H₂O 농도가 증가하여, 식 (4) 의 반응속도가 커진다. 등의 이유에 의한 것이라고 생각된다.

그리고 산화물분, 분상고체환원재의 혼합분층 내에서는 식 (1)∼(4) 의 반응 외에 하기식 (5) 의 수소가스시프트의 반응이 일어나기 때문에, 소량의 수소가 있으면 전체의 반응속도가 향상된다.

H₂O+CO→H₂+CO₂(5)

이와같이 수소의 존재에 의하여 반응속도는 향상되는데, 앞에서 제시한 도 3 에 나타나듯이, 탄재중의 수소농도 0.5 wt% 이상으로 그 효과가 포화된다. 따라서, 환원재중의 수소농도는 0.5 wt% 이상인 것을 이용하면 된다.

이와 같은 기초실험결과로부터 이동 상로에서의 원료적층방법에 대하여 다양한 검토를 행하여, 매우 유효한 방법을 발견하였다. 즉 도 4 의 본 발명에 적합한 원료적층방법의 설명도에 나타나듯이 내화성의 이동 노상상에 가장 먼저 수소를 함유하는 분상고체환원재 (2) 를 소정의 두께로 적층하고, 그 위에 분상철광석을 주로 하는 산화물분과 분상고체환원재와의 혼합분 (1) 을 장입하여 층상으로 적층하고, 상방으로부터의 복사전열로 환원을 진행시키도록 하는 것이다. 이와 같은 적층에 있어서의 환원조업에 있어서는, 흡열반응이 개시하는 온도까지는 비교적 단시간으로 승온하며, 흡열반응의 개시와 함께 승온이 일시정지한다. 그리고 환원재중에 포함되는 H 는 C 원자와 공유결합을 하는 경우가 많고, 그 이탈반응이 일어나는 온도는 800 ℃ 에서 900 ℃ 이상이다. 분상철광석을 주로하는 산화물분과 분상고체환원재 혼합분의 하부에 수소를 함유하는 분상고체환원재를 퇴적시키면, 상부온도가 1000 ℃ 에서 1100 ℃ 가 된 단계에서 하부온도가 800℃ 에서 900℃ 에 도달하여, 탈수소반응을 개시한다. 하층에서 발생한 수소는 상층을 향하여 이동, 식 (3) 및 (4) 의 반응에 의하여 반응속도를 향상시키게 된다.

한편, 동량의 수소를 함유하는 분상고체환원재를 산화물분에 혼합하는 방법에서는, 승온과정의 맨처음에 수소를 발생시켜버린다. 산화물분의 환원이 발생하는 온도에 도달한 단계에서는 대부분의 수소는 이미 계외로 나가있기 때문에, 환원을 촉진하는 효과는 기대할 수 없다. 따라서, 수소를 함유하는 분상고체환원재를 이용하여 반응속도를 증가시키는 수단으로서, 분상철광석을 주로 하는 산화물분과 분상고체환원재로 이루어지는 층을 수평으로 이동하는 노상에 적층시킬 때, 수평으로 이동하는 노상 위에 수소를 함유하는 분상고체환원재의 층을 하층에 적층하고, 그 상부에 철광석과 분상고체환원재와의 혼합분 또는 철광석 및 부원료와 분상고체환원재와의 혼합분을 존재시키는 이동형 노상로의 조업방법이 산화물분의 환원에 매우 유효하다는 것을 알 수 있다. 또 하층의 환원재로서는 수소를 0.5 wt% 이상 함유하는 것이 좋다.

한편 여기서, 부원료란 석회석, 형석(螢石), 사문석 및 돌로마이트 등의 융제를 말한다.

실시예

회전하는 직경 2.2m 의 노상과 노상 상방에 버너가 있고, 그들 전체를 노체로 덮은 앞에서 제시한 도 1a 및 도 1b 에 나타내는 이동형 노상로를 이용하여, 이하의 조업을 시험적으로 행한다. 그리고, 이 이동형 노상로의 이동 노상 (3) 의 상면에는 알루미늄계의 내화물을 부착하며, 제품을 배출하기 전에 냉각기가 설치되어 제품이 냉각되도록 되어 있다. 그리고 제품은 스크류형의 배출장치로 배출한다. 공급구에 있어서 철광석과 분상고체환원재를 앞에서 제시한 도 4 와 같이 분상고체환원재 (2) 의 층과 철광석과 분상고체환원재의 혼합물 (1) 의 층의 2 층으로 적층하여 노내에서 환원시킨다. 여기서 철광석과 분상고체환원재는 체의 눈을 3 ㎜ 이하로 조정하여 이용한다. 또 환원재에서의 노 온도는 버너의 연소조정에 의하여 1300 ℃ 의 온도로 제어한다.

분상고체환원재, 즉 탄재의 종류 및 사용량, 원료의 적층방법 등을 바꾸어 환원했을 때의 환원시간과 금속화율의 조사결과를 표 1 에 정리하여 나타낸다. 표 1 에 나타내듯이, 탄재로는 수소함유량이 상이한 석탄 (수소 4%), 마일드 챠 (mild char) (수소 2%), 코크스 (수소 0.3%) 의 3 종류를 이용하여, 산화물분과 혼합하는 탄재는 환원에 필요한 500∼600 ㎏ 으로 하고, 하층에 사용하는 탄재량을 변경하여 환원조업을 행한다.

표 1 로부터 명백하듯이, 석탄을 균일하게 혼합한 비교예 1, 수소를 포함하지 않는 코크스를 하층에 이용한 비교예 2 에서는 환원시간이 각각 25 분과 28 분 간으로 환원율 92 % 이상이 되었다. 한편, 석탄을 하층에 이용한 이 발명의 적합예 1∼3 에서는 환원시간이 18 분에서 16 분간으로 금속화율 92 % 이상을 얻을 수 있다. 또, 하층탄재량이 증가하면, 약간 환원시간은 단축되며, 마일드 챠를 이용한 경우에는, 석탄의 분해에 필요한 열량이 필요하지 않기 때문에, 수소의 효과는 더욱 현저해진다.

이어서 대표적인 조업조건 2 예에서의 금속화율, 및 산화물분과 탄재와의 혼합층 중의 수소농도의 경시변화 그래프를 도 5 에 나타낸다. 비교예 1 에 있어서는 수소농도가 반응의 극히 초기에 방출되며, 최대농도는 18 % 까지 달하고 있으나, 환원반응을 일으키기 전에 수소의 방출을 완료해버린다. 그 결과, 금속화율 92 % 이상을 얻으려면 약 25 분간의 환원시간을 요한다. 한편, 적합예 2 에서는 수소의 방출시기가 후반에 완만하게 되어 있다. 그리하여 수소에 의한 환원촉진, 환원개시온도의 저하, 실질적인 전열량의 증가 등으로부터 결과적으로 약 17 분간의 환원시간으로 금속화율 92 % 이상을 얻을 수 있다.

실험번호	사용탄재종	사용탄재량(산화물분혼합량)(㎏/t)	사용탄재량(하층탄재)(㎏/t)	원료적층방법	환원시간(분)	금속화율(%)	비 고
1	석탄 (H=4%)	600	100	하층탄재	18	92.5	적합예1
2	석탄 (H=4%)	600	200	하층탄재	17	92.6	적합예2
3	석탄 (H=4%)	600	300	하층탄재	16	92.8	적합예3
4	마일드 챠(H=2%)	550	200	하층탄재	16	92.7	적합예4
5	석탄 (H=4%)	600	0	균일혼합	25	92.1	비교예1
6	코크스 (H=0.3%)	500	300	하층탄재	28	92.3	비교예2

산업상이용가능성

본 발명은, 이동형 노상로에서의 철광석의 환원에 있어서, 분상철광석을 주로하는 산화물분과 분상고체환원재의 혼합분의 층 아래에 수소를 함유하는 분상고체환원재 층을 이동 노상 위에 적층시키도록 하는 것이며, 본 발명에 의하면 환원시간의 대폭적인 단축을 도모할 수 있고, 생산성향상 또는 환원로의 설비비의 저감에 크게 공헌할 수 있다.

Claims (3)

1. 수평으로 이동하는 노상 위에, 분상철광석을 주로하는 산화물분과 분상고체환원재를 공급하여, 노상 위에 층상으로 적층하여, 노 내부 상방으로부터의 복사전열에 의하여 산화물분을 환원하는데 있어서,

   수소를 함유하는 분상고체환원재의 층 위에, 철광석과 분상고체환원재의 혼합분 또는 철광석 및 부원료분과 분상고체환원재의 혼합분을 층상으로 적층하는 것을 특징으로 하는 이동형 노상로의 조업방법.
2. 제 1 항에 있어서, 수평으로 이동하는 노상은 회전형 노상인 것을 특징으로 하는 이동형 노상로의 조업방법.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 수소를 함유하는 분상고체환원재의 수소 함유량이, 0.5 wt% 이상인 것을 특징으로 하는 이동형 노상로의 조업방법.