KR100431864B1

KR100431864B1 - 코렉스 공정에 의한 용철의 제조방법

Info

Publication number: KR100431864B1
Application number: KR10-2000-0070737A
Authority: KR
Inventors: 이상득; 신세광
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2000-11-25
Filing date: 2000-11-25
Publication date: 2004-05-20
Also published as: KR20020041019A

Abstract

본 발명은 코렉스 공정에 의해 용철을 제조하는 방법에 관한 것으로써, 용융로의 고정층위의 적절한 위치에서 공기를 적절한 조건으로 취입하므로써 환원가스 발생량을 증가시키고, 돔온도 저하시 돔온도를 상승시키고, 시스템 압력제어에 필요한 발생 가스(generator gas)유량을 확보하여 환원가스 부족을 해소하고, 돔온도 제어 기능을 향상시킬 수 있는 코렉스 공정에 의한 용선의 제조방법을 제공하고자 하는데, 그 목적이 있는 것이다.

본 발명은 환원로와 그 내부에 고정층 및 이 고정층위에 형성되는 돔부를 갖는 용융로를 포함하는 코렉스 설비를 이용하여 용철을 제조하는 방법에 있어서, 상기 용융로의 돔부에 공기를 취입하기 위한 공기취입노즐을 하나 또는 두 개 이상 용융로에 구비시켜 이 공기취입노즐을 통해 용융로의 돔부에 공기를 취입하고;

그리고 상기 공기의 취입량은 상기 용융로 돔부의 가스중의 질소 농도가 최대 12%를 초과하지 않는 범위내에서 결정되는 것을 특징으로 하는 코렉스 공정에 의한 용철제조방법을 그 요지로 한다.

Description

코렉스 공정에 의한 용철의 제조방법{Method For Manufacturing Molten Iron By COREX Process}

본 발명은 코렉스 공정에 의해 용철을 제조하는 방법에 관한 것으로써, 보다 상세하게는 코렉스 공정에서 용융로의 고정층위의 돔부에 공기를 취입하여 적절한 양의 잉여가스를 확보하여 시스템 압력을 안정시킬 수 있는 코렉스 공정에 의한 용철제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 용철생산설비의 대종을 이루고 있는 고로법에서는 그 반응기 특성상 일정 수준이상의 강도를 보유하고 또한 로내 통기성 확보를 보장할 수 있는 입도를 보유한 원료를 요구하는 바, 연료및 환원제로 사용하는 탄소원으로서는 특정 원료탄을 가공처리한 코우크스에 의존하고 있으며, 철원으로서는 일련의 괴상화공정을 거친 소결광에 주로 의존하고 있다.

이에 따라 현행 고로법은 코크스제조설비 및 소결설비등의 원료예비처리설비가 반드시 수반되는 바, 상기한 부대설비 구축에 필요한 제비용 및 상기 부대설비에서 발생하는 제반 환경오염물질에 대한 전세계적인 규제를 극복하기 위해서는 막대한 환경오염방지설비가 요구되고 이에 대한 막대한 투자비용등에 의해 현행 고로법의 경쟁력은 급속히 잠식되고 있는 상황이다.

상기한 상황에 대처하기 위하여 세계각국은 연료 및 환원제로서 일반탄을 직접 사용하며, 철원으로서는 제조과정중 환경오염물질의 배출이 비교적 적은 펠레트와 괴광석등을 사용하거나 더나아가서는 분철광석을 직접 사용하여 용철을 제조하는 신 제철공법의 개발에 박차를 가하고 있다.

상기한 신 제철공법의 대표적인 것으로서 코렉스공정을 들 수 있다.

코렉스 설비는 도 1에 나타난 바와 같이 크게 환원로(1)와 용융로(2)로 이루어져 있다.

코렉스 공정에서는 상기 환원로(1)에 철광석 또는 펠렛(pellet)과 부원료(석회석, 백운석)를 함께 장입하고 융융로(2)에 장입된 석탄을 용융로 하부의 풍구(3)로 취입된 산소에 의해 연소시켜 연소과정에서 발생되는 일산화탄소와 더스트 버너로 취입된 산소에 의한 탄소의 연소, 석탄의 휘발분에서 방출된 수소가스가 주성분인 환원가스를 환원로에 취입하여 장입물 사이를 통과시켜 직접환원철을 제조한다.

상기와 같이 제조된 직접환원철(DRI)은 스크류(23)에 의해 용융로(2)로 장입되어 석탄과 함께 고정층(Fixed Bed)(30)을 형성한다.

상기 고정층(30)은 일반탄이 용융로(2)내에서 1000℃내외의 노내 온도에 의해 휘발분이 방출분해되고 챠의 형태로 용융로 중간부위까지 채워지는데 이렇게 챠로 이루어진 영역을 말한다.

한편, 용융로에 장입된 석탄은 고정층상부에서 휘발분이 방출되고 고정탄소와 에쉬(ASH)로 구성된 챠(CHAR)가 된다.

풍구선단에서 챠는 산소와 반응하여 탄소를 연소시키고 그 반응열에 의해서 고정층에 존재하는 직접환원철을 녹여 용철을 제조하게 된다.

도 1에서 미설명 부호 20 및 21은 습진제진 스크러버(SCRUBBER)를, 22는 싸이클론을, 24는 직접환원철 강하 파이프를, 40은 돔부(고정층상부의 가스 체류층)를 나타낸다.

종래의 코렉스 공정에 있어서 용융로의 가스 발생유량은 풍구 산소취입량, 석탄(Coal)장입량 및 휘발분 함량, 더스트 버너 산소취입량에 의해 결정되는데, 상기 풍구산소 취입량은 노열의 고저에 의해 제한되고 석탄 장입량은 고정층레벨, 연료비 등에 영향을 받고, 더스트 버너 산소는 최고 사용량이 12000Nm³/Hr 정도로 되어 있다.

따라서, 종래의 코렉스 공정의 경우에는 노열상승시 생산량을 증가시키려 해도 환원가스의 소요량에 제약을 받고, 돔온도 저하시 제어할 수단이 없고,잉여가스(excess gas)부족으로 인한 시스템 압력의 안정제어가 어려운 문제점이 있다.

이에, 본 발명자는 상기한 종래기술의 제반 문제점을 해결하기 위하여 연구 및 실험을 행하고, 그 결과에 근거하여 본 발명을 제안하게 된 것으로써, 본 발명은 용융로의 고정층위의 적절한 위치에서 공기를 적절한 조건으로 취입하므로써 환원가스 발생량을 증가시키고, 돔온도 저하시 돔온도를 상승시키고, 시스템 압력제어에 필요한 발생 가스(generator gas)유량을 확보하여 환원가스 부족을 해소하고, 돔온도 제어 기능을 향상시킬 수 있는 코렉스 공정에 의한 용선의 제조방법을 제공하고자 하는데, 그 목적이 있는 것이다.

도 1은 통상적인 코렉스 설비를 나타내는 개략도

도 2는 본 발명에 부합되는 공기취입장치의 일례를 나타내는 개략도

도 3은 본 발명에 따라 공기를 취입할 시 공기취입량에 따른 용융로의 돔온도 및 총가스량의 변화를 나타내는 그래프

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

1 . . . 환원로 2 . . . 용융로 9 . . . 공기취입노즐

14 . . . 공기공급관

이하, 본 발명에 대하여 설명한다.

본 발명은 환원로와 그 내부에 고정층 및 이 고정층위에 형성되는 돔부를 갖는 용융로를 포함하는 코렉스 설비를 이용하여 용철을 제조하는 방법에 있어서,

상기 용융로의 돔부에 공기를 취입하기 위한 공기취입노즐을 하나 또는 두 개 이상 용융로에 구비시켜 이 공기취입노즐을 통해 용융로의 돔부에 공기를 취입하고;

그리고 상기 공기의 취입량은 상기 용융로 돔부의 가스중의 질소 농도가 최대 12%를 초과하지 않는 범위내에서 결정되는 것을 특징으로 하는 코렉스 공정에 의한 용철제조방법에 관한 것이다.

이하, 본 발명에 대하여 설명한다

코렉스 공정의 용융로 조업에 있어서는 풍구로부터 취입된 산소에 의한 챠(CHAR)의 연소반응, 돔(DOME)부로 취입되는 더스트 버너(DUST BURNER)에 취입되는 산소에 의한 탄소의 연소, 석탄 장입에 의한 휘발분발생 등이 가스 발생원이 되고 있다.

상기한 풍구로 취입된 산소에 의한 챠의 연소로 발생되는 가스는 전체가스 발생량의 약 50%를 차지하고 있는데 이 가스는 고정층을 통과해서 돔부로 상승하면서 고정층에 열교환을 하게된다.

따라서 노열이 높을 시에는 일정생산량 상태에서 풍구산소를 감소 시키거나 또는 풍구산소를 고정시킨 상태에서 생산량을 증가시키는 조치를 취해야 한다. 이 경우 풍구산소를 감소시키면 가스 발생량 감소로 시스템 압력제어에 필요한 잉여가스의 확보가 어려워 시스템 압력 불안정의 요인이 되고, 생산량을 증가시킬 경우 환원 가스 부족을 초래하게 된다.

또한, 풍구 앞에서 발생된 가스는 고정층을 통과할 시 고정층의 통기성 통액성이 불량할 시 돔부로 올라오는 가스량의 순간 변화폭이 커지게 되어 시스템 압력이 불안정 하게 된다.

이러한 여러가지 요인으로 인해 총(TOTAL) 가스발생량의 부족 또는 고정층의 가스흐름의 변화가 심하면 잉여가스량이 적어져 압력제어가 불량하게 된다.

압력제어가 불량해지는 잉여가스량은 설비 및 조업조건등에 의해 변화될 수 있는데, 일반적으로 10000 N㎥/h 이하이다.

본 발명은 잉여가스량의 부족으로 인한 문제점을 해결하기 위하여 용융로의 고정층의 위 즉, 돔부로 공기 취입을 개시하여 잉여가스량을 확보하여 잉여가스량의 부족으로 인한 문제점을 해결한 것이다.

본 발명에 따라 용철을 제조하기 위해서는 상기 용융로의 돔부에 공기를 취입하기 위한 공기취입노즐을 용융로 돔부의 적절한 위치에 설치하여야 한다.

상기 공기취입노즐은 상기 고정층 최상부에서 1m 이상 위를 향해 떨어진 위치에 설치되는 것이 바람직하고, 보다 바람직한 공기취입노즐의 설치위치는 상기 고정층 최상부로부터 위를 향해 1-1.5m 떨어진 위치이다.

상기 공기취입노즐이 너무 낮은 위치에 설치되는 경우에는 고정층의 더스트를 브로잉(BLOWING)시킬 우려가 있고 노즐 손상 발생이 증가 될 수가 있고, 너무 높으면 돔부에서의 연소반응 시간부족으로 돔부의 열공급이 되지 않을 가능성이 있으므로, 상기 공기취입노즐은 상기 고정층 최상부로부터 위를 향해 1-1.5m 떨어진 위치에 설치하는 것이 바람직하다.

상기와 같이 공기취입노즐을 설치하는 경우에는 용융로 돔부의 가스유속이 0.3m/s 정도인 것을 감안하여 돔부 높이를 고려할 때 약 40초 정도의 체류시간 확보가 될 수 있다.

상기 공기취입노즐은 용융로의 내측을 낮게 하여 하방으로 10-12°정도 경사지게 설치하는 것이 바람직하다.

상기 경사도가 너무 적은 경우에는 취입되는 공기와 발생가스와의 불균일한 혼합이 달성될 우려가 크고, 상기 경사도가 너무 큰 경우에는 고정층의 베드층을 부상시킬 우려가 있으므로 상기 공기취입노즐의 경사도는 하방으로 10-12도(°)정도가 바람직하다.

상기 공기취입노즐은 원주방향으로 일정한 간격을 두고 복수개를 설치하는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 4개정도 설치하는 것이다.

또한, 상기 공기취입노즐를 통한 공기의 취입량은 상기 용융로 돔부의 잉여가스량이 10000Nm³/h이상이 되고 돔부의 가스중의 질소 농도가 최대 12%를 초과하지 않는 범위내에서 결정되는 것이 바람직하다.

상기 공기취입노즐를 통해 취입되는 공기의 총취입유량은 상기 용융로 돔부의 잉여가스량이 10000-20000Nm³/h정도가 되고 돔부의 가스중의 질소 농도가 최대 12%를 초과하지 않는 범위내에서 결정하는 것이 보다 바람직하다.

본 발명에 있어서 공기 취입압력은 6bar 이상 확보 되도록 하며, 6bar 미만시 노내가스의 역류 가능성을 방지하기 위해 공기 취입이 중지되고 질소가 퍼지(PURGE)되도록 설비를 구성하는 것이 바람직하다.

즉, 공기는 용융로내 압력(max 4.8bar)보다 높은 압력인 6∼9.5kg/cm²으로 공급하는 것이 바람직하다.

보다 바람직하게는 노즐전단은 질소를 퍼지할 수 있도록 하고 공기 유량이 초기치인 1000 N㎥/h(1개당) 의 60%인 600 N㎥/h로 증가되면 질소 퍼지가 중지되도록 하며, 퍼지 질소는 50 N㎥/h 유량이 되도록 설비를 구성하는 것이다.

상기 공기취입노즐을 통한 공기의 취입 방법의 일례를 설명하면 다음과 같다.

용융로 조업시 잉여가스량이 10000 N㎥/h 이하가 예상되면 조업자가 일정한 간격을 두고 설치되어 있는 4개의 공기취입노즐을 통해 공기취입을 개시하여 최초유량을각 개소당 1000 N㎥/h 로 시작하여 4개소로 4000 N㎥/h 의 공기를 취입하면 약 4800 N㎥/h 잉여가스량이 증가하게 되어 시스템 압력 제어를 안정되게 할 수 있게 된다.

특히, 풍구 산소가 일정한 상태에서의 잉여가스량의 변화가 심한 경우에는 시스템 압력 변화도 불안정하고 환원가스 공급량도 일정하지 못하게 되어 조업불안정을 초래하게 된다.

본 발명에 따라 돔부분의 가스량을 증가시키는 경우에는 이러한 요인을 완화시킬 수 있다.

돔온도 저하시에도 온도 저하에 의한 메탄화반응을 억제하기 위하여 돔온도가 980℃ 이하로 저하되면 공기 취입을 개시하여 최초유량 1000 N㎥/h ×4개소 취입을 개시하면 약 13℃의 돔온도 상승효과를 가져오게 되고 8000 N㎥/h 취입시에는 약 25℃의 온도 상승으로 메탄의 열분해 반응을 유도할수 있는 1000℃ 이상으로 돔온도를 확보하게 되어 메탄 발생에 의한 타르생성을 방지할 수 있게 된다.

본 발명에 있어서 공기취입시 바람직하게는 공기취입시작시 1000 N㎥/h 부터 시작하여 최대 취입량은 환원 가스중의 질소농도가 12%이하가 될 수 있도록 한다.

현재 C-2000 용융로(일 생산량 2000t)규모에서는 총 유량이 12000 N㎥/h 되도록 하고 생산 규모에 따라 취입량을 증감할 수 있다.

도 2에는 본 발명에 바람직하게 적용될 수 있는 공기취입장치가 제시되어 있다.

도 2에 나타난 바와 같이, 공기취입장치는 에어라인헤더(Air Line Header)관(13)에 연결되어 있는 공기공급관(14), 상기 에어라인헤더(Air Line Header)관(13)측으로부터 차례로 공기공급관(14)에 구비되는 수동 차단변(4), 자동 차단변(5), 유량제어밸브(6) 및 수동차단변(7), 상기 공기공급관(14)으로부터 공기를 공급받아 용융로(2)의 돔부로 공기를 취입하도록 구성되는 공기취입노즐(9), 용융로(2)의 돔부에 구비되고 취입노즐(9)이 설치되는 프랜지(8), 공기취입노즐(9)을 보호하기 위한 N₂라인자동 차단변(10)과 N₂수동 차단변(12), 이 N₂라인자동 차단변(10)과 N₂수동 차단변(12)사이에 위치되는 유량조절계(11)를 포함하여 구성된다.

도 2에는 공기를 취입할 수 있는 개소가 4개인 경우즉, 취입노즐이 4개인 공기취입장치가 제시되어 있으나, 본 발명은 이에 한정되지 않는다.

용융로 돔부의 공기 취입조업이 요구될 시 조정자는 수동 차단변(4), 수동차단변(7)의 오픈을 확인 한 후, 운전실에서 자동 차단변(5)의 자동SOV를 오픈하고, 유량제어밸브(6)의 유량조절변으로 100-3000Nm³/Hr의 유량을 조절하여 조업제어 보조수단으로 활용할 수 있다.

상기 공기공급관(14)은 50A SUS 304재질을 사용하고 공기취입노즐(9)은 세라믹 재질을 채택하여 고온부에서 기능이 유지되도록 하는 것이 바람직하다.

상기 공기공급관(14)은 공기 취입중지시 자동으로 전자변이 오픈되어 N₂를 소량(대략 20Nm³/Hr)퍼지(Purge)한다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다.

실시예

하기 표 1의 조성 및 비열을 가지는 환원가스가 발생되는 용융로에 하기 표 2에서와 같이 공기의 취입량을 증가시키면서 총가스발생량 및 돔부온도상승정도를 조사하고 그 결과를 하기 표 2에 나타내고, 이들 결과를 도 3에 도식화하였다.

하기 표 2 및 도 3에 나타난 바와 같이, 용융로의 돔부에 본 발명에 따라 공기를 취입하는 경우에는 총 가스발생량 및 돔부의 온도의 제어가 가능하세 됨을 알 수 있다.

구분	CO	CO₂	H₂	CH₄	N₂	비고
비열(kcal/Nm³℃)	0.312	0.420	0.308	0.396	0.310	평균비열: 0.31898
성분조성(%)	65	5	20	3	7	-

공기취입량(Nm³/Hr)	N₂/O₂량(Nm³/Hr)	가스증가량(Nm³/Hr)	총가스량(Nm³/Hr)	O₂량증가에 의한 영향
공기취입량(Nm³/Hr)	N₂/O₂량(Nm³/Hr)	가스증가량(Nm³/Hr)	총가스량(Nm³/Hr)	발열량(kcal)	출열량(kcal)	D/T상승(℃)
0.0	0	0.0	140,000.0	0.0	0.0	0.0
1,000.0	780/210	1,200.0	141,200.0	495,937.5	354,198.0	3.2
2,000.0	1560/420	2,400.0	142.400.0	991,875.0	708,396.0	6.3
3,000.0	2340/630	3,600.0	143,600.0	1,487,812.5	1,062,594.0	9.5
4,000.0	3120/840	4,800.0	144.800.0	1,983,750.0	1,416,792.0	12.6
5,000.0	3900/1050	6,000.0	146.000.0	2,479,687.5	1,770,990.0	15.8
6,000.0	4680/1260	7,200.0	147,200.0	2,975,625.0	2,125,188.0	19.0
7,000.0	5460/1470	8,400.0	148,400.0	3,471,562.5	2,479,386.0	22.1
8,000.0	6240/1680	9,600.0	149.600.0	3,967,500.0	2,833,584.0	25.3
9,000.0	7020/1890	10,800.0	150.800.0	4,463,437.5	3,187,782.0	28.4
10,000.0	7800/2100	12,000.0	152,000.0	4,959,375.0	3,541,980.0	31.6
11,000.0	8580/2310	13,200.0	153,200.0	5,455,312.5	3,896,178.0	34.8
12,000.0	9360/2520	14,400.0	154,400.0	5,951,250.0	4,250,376.0	37.9

상술한 바와 같이, 본 발명은 돔부에 에어를 취입함으로써 환원가스 유량증대 및시스템 압력제어에 필요한 가스유량을 확보하고 돔온도 저하시에 석탄 장입량 및 용융로 O₂취입량을 변동시키지 않고 돔온도를 상승시킬 수 있으므로 조업제어가 용이하게 되는 효과가 있는 것이다.

Claims

환원로와 그 내부에 고정층 및 이 고정층위에 형성되는 돔부를 갖는 용융로를 포함하는 코렉스 설비를 이용하여 용철을 제조하는 방법에 있어서,

상기 용융로의 돔부에 공기를 취입하기 위한 공기취입노즐을 하나 또는 두 개이상 용융로에 구비시켜 이 공기취입노즐을 통해 용융로의 돔부에 공기를 취입하고;

그리고 상기 공기의 취입유량은 상기 용융로 돔부의 잉여가스량이 10000Nm³/h이상이 되고 돔부의 가스중의 질소 농도가 최대 12%를 초과하지 않는 범위내에서 결정되는 것을 특징으로 하는 코렉스 공정에 의한 용철제조방법
제1항에 있어서, 공기취입노즐은 상기 고정층 최상부로부터 위를 향해 1-1.5m 떨어진 위치에 설치되고, 그리고 하방으로 10-12°정도 경사지게 설치되는 것을 특징으로 하는 코렉스 공정에 의한 용철제조방법
제2항에 있어서, 공기취입노즐은 용융로의 원주방향으로 일정한 간격을 두고 4개가 설치되는 것을 특징으로 하는 코렉스 공정에 의한 용철제조방법
제1항에서 제3항중의 어느 한 항에 있어서, 공기의 총취입유량은 10000-20000Nm³/h이고, 그리고 공기취입시 최초유량을 각 취입노즐당 1000 N㎥/h 로 시작하여 최대유입량 4000 N㎥/h로 공기를 취입하는 것을 특징으로 하는 코렉스 공정에 의한 용철제조방법