KR100470089B1 - 금속 철의 제조방법 - Google Patents

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KR100470089B1 KR10-2002-7004565A KR20027004565A KR100470089B1 KR 100470089 B1 KR100470089 B1 KR 100470089B1 KR 20027004565 A KR20027004565 A KR 20027004565A KR 100470089 B1 KR100470089 B1 KR 100470089B1
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Abstract

본 발명은 산화철 공급원 및 탄소질 환원제를 함유하는 혼합물을 가열하여 환원시켜 금속 철을 제조하는 방법에 관한 것으로, 당해 방법은 가열 및 환원에 의해 제조된 고체 금속 철의 침탄 및 용융은 금속 철 입자가 높은 열에너지 효율하에서 제조될 수 있도록 효율적으로 수행된다. 탄소질 환원제 및 산화철 함유 물질을 함유하는 원료 물질 혼합물을 가열, 환원 및 용융시켜 금속 철을 제조하는 본 발명의 방법은 생성된 고·액 공존상의 다성분 맥석 함유 슬래그의 액상분율을 제어하여 생성된 고체 금속 철의 용융을 촉진시키는 것을 특징으로 한다.

Description

금속 철의 제조방법{METHOD FOR PRODUCING METALLIC IRON}
최근에, 산화철 공급원(예: 철광석) 및 탄소질 환원제(예: 코크스)를 함유하는 원료 혼합물을 형성하고 상기 혼합물을 가열하여 탄소질 환원제로 산화철 공급원 중의 산화철을 환원시키고 제조된 금속 철을 부산물 슬래그 성분으로부터 분리시켜 금속 철을 제조하는 직접 제철 방법에 관한 많은 연구가 진행되고 있다.
또한, 본 발명자들은 오래 전부터 상기 유형의 직접 제철 방법을 예의 연구한 결과, 다음과 같은 방법을 개발하였으며 이에 대한 연구를 계속해왔다.
이 방법은 탄소질 환원제 및 산화철을 함유한 압축체를 가열하고 환원시켜 고체 상태의 환원된 산화철을 가열하여 금속 철 쉘을 제조하여 성장시키고 산화철이 실질적으로 내부에 존재하지 않을 때까지 고체를 계속 환원시키고 추가로 계속 가열하여 금속 철 쉘로부터 생성된 슬래그를 유동시킨 후 슬래그로부터 금속 철을 분리시킴으로써 금속 철을 제조하는 것을 포함한다.
상기 방법을 수행함에 있어서, 금속 철 쉘의 일부는 용융되어 금속 철 쉘로부터 용융 상태로 유동될 수 있다. 이때, 전체 금속 철 쉘의 일부를 용융시키기 위해 금속 철 쉘의 내부에 존재하는 탄소질 환원제로부터 생성된 탄소는 금속 철에 용해(용액)되어(이러한 현상은 종종 "침탄"으로 지칭된다) 금속 철 쉘의 융점을 낮출 수 있다.
상기 방법에 의해 수득된 고순도의 금속 철 및 생성된 슬래그는 냉각시켜 응고시키고 슬래그를 분쇄하고 응고된 금속 철 입자를 자기(磁氣) 분리 또는 체를 통해 선별하거나 금속 철을 가열 및 용융시켜 슬래그로부터 분리시키고 비중차를 이용하여 95 질량% 또는 98 질량%의 과량으로 고순도를 갖는 물질을 수득할 수 있다. 더구나, 개시된 발명은 생성된 슬래그 중의 용융된 FeO의 양을 가능한 한 적어지도록 감소시켜 용융 FeO에 의해 발생되는 가공로 내화물의 침식 및/또는 부식이 발생되기 어렵고 장치 유지 측면에서 실제 용도로서 실행이 기대되는 고체 상태의 산화철의 환원을 수행하기 위한 방법을 제공한다.
상기 방법 중에서, 제조된 금속 철 및 생성된 슬래그를 냉각 및 응고시키고 생성된 슬래그를 분쇄시킨 후 자기 분리 또는 체를 통해 금속 철 입자를 수득하는 방법은 용융 후 비중차를 이용하여 분리하는 방법에 비해 공업적 규모의 적용에 적합하다. 즉, 용융 및 분리 방법에서, 용융을 위해 고온에서 가열하는 것이 필요한데 그 이유는 많은 열 에너지가 요구되기 때문이고 또한 둘 모두를 분리하는 경우 용융 철의 일부는 계면에서 용융 슬래그에 동반되어 금속 철의 수율을 저하시킬 수 있다. 반면에, 분쇄, 자기 분리 또는 체를 통해 금속 철 입자를 수득하는 방법은 열 에너지를 필요로 하지 않고, 또한 철 제조장치의 규모에 따라 연속적인 분리 시스템의 설계가 용이하고 또한 철 손실이 최소화될 수 있다.
위에 개시된 발명은 가열 및 환원 단계에서 금속 철 쉘을 제조하고 고도의 환원 분위기가 쉘 내에 형성되어 금속화가 효율적으로 진행되는 것을 강조하고 있다. 그러나 이후의 연구에 따르면, 원료 물질 압축체의 부근에서 원료 물질 압축체에 포함된 탄소질 환원 물질의 연소에 의해 발생된 다량의 CO 가스에 의해 고도의 환원 분위기가 유지되는 경우 이러한 금속 철 쉘이 언제나 필요한 것은 아니라는 것을 확인하였다.
한편, 철의 직접 제조방법이 위에 기술된 바와 같은 경우 슬래그 조성물의 제조를 제어하여 금속 철의 분리를 촉진시키는 방법으로 여러 방법이 제안되었다.
예를 들면, 산화철 공급원으로서 제철 더스트를 사용하고 상기 제철 더스트를 탄소질 물질(탄소질 환원제) 및 추가의 물질(슬래그 형성제)와 혼합하고 생성 슬래그 조성물을 1.4 내지 1.6의 범위의 CaO/SiO2비(염기도)로 제어하고 상기 조성물을 1250 내지 1350℃에서 가열하고 환원시켜 금속 철을 제조하고 FeO를 함유하는 저융점의 슬래그로부터 금속 철 입자를 분리시키는 방법이 있다.
그러나, 이 방법은 산화 철 공급원으로서 제철 더스트를 사용하는 방법이고, 이 방법에 사용되는 염기도 제어는 초기 원료 물질의 제조와 동시에 수행된다. 이 방법에서는 가열 및 환원 도중에 생성된 슬래그의 거동, 즉 생성물 슬래그가 고·액 공존 상태의 용융 상태가 되는 경우의 제조된 금속 철의 분리를 촉진시키는데 영향을 미치는 거동은 인식하지 못한다. 더구나 이 방법에서, FeO를 함유하는 저융점의 슬래그는 금속 철의 분리를 촉진시키는데 사용되나 FeO 함유 용융 슬래그를 사용하는 방법은 실제 조작 측면에서 다음과 같은 많은 문제점을 안고 있다:
1) 용융 FeO를 함유한 용융 슬래그는 노상(hearth)의 내화 벽돌을 매우 손상시키고;
2) 용융 FeO는 탄소질 물질과 접촉하여 환원 반응을 일으키고, 이 반응은 흡열 반응이므로 온도 제어를 어렵게 하고;
3) 슬래그 중의 용융 FeO와 탄소질 물질 사이의 접촉에 의해 제조된 금속 철이 슬래그 중에 미세 과립으로 분산되는 경우 회수한 후 금속 철을 슬래그와 함께 냉각 및 응고시키기 위한 작업은 매우 복잡해진다.
따라서, 부산물 슬래그에서 용융 FeO의 생성을 억제시키면서 금속 철을 효율적으로 회수하는 것이 바람직하다.
미리 미세 고체 환원제를 노상 위에 놓아두고 미세 철광석 및 고체 환원제를 함유한 원료 물질 혼합물을 이동 노상에 넣고 상기 혼합물을 가열 및 환원시켜 금속 철을 제조하고 원료 물질 철광석이 노상에 직접 접촉하지 않도록 소구역으로 그 위에 위치시킨 상태로 가열 및 환원을 진행시키고 환원된 철을 1회 이상 노상에서 용융시키는 또다른 방법이 있다. 이 방법에 따르면, 본원에 지칭된 "소구역으로위치시키는" 이유는 가열 및 환원에 의해 제조된 금속 철 및 부산물 슬래그를 함유한 용융 물질이 노상 표면에 융해되거나 점착되어 노상을 부식시키는 것을 방지하기 위함이다. 그러나, 위에서 기술된 방법을 수행하기 위해서는 소구역을 형성하거나 원료 물질을 소구역에 위치시키기 위해 복잡한 장치가 필요할 뿐만 아니라 다량의 미세 고체 환원 물질이 필요하므로, 이 방법은 원료 물질의 효율성 측면에서 실용적이지 못한 방법으로 생각된다. 더구나, 상기 방법은 소구역의 형성으로 노상 표면에서 용융 물질의 융해 및 점착을 촉진시켜 생성된 물질의 배출을 방해하기도 한다.
더구나, 상기 발명은 가열 및 환원에 의해 제조된 용융 물질이 노상 내화물에 대해 손상을 줄 수 있다는 전제 하에 그러한 손상을 방지할 목적으로 의도된 것이다. 그러나, 실제 조작에 있어서 다량의 미세 고체 환원제를 환원시키는 것 또한 중요하다. 더구나, 장치의 경제성 및 설계 용이성 측면에서도 슬래그 자체에 의한 노상 내화물의 손상을 감소시키는 기술이 바람직하고 냉각 및 응고 후에도 슬래그 또는 금속 철이 노상 표면에 점착되지 않는 것이 또한 바람직하다.
원료 물질 중의 슬래그 성분의 염기도를 0.4 내지 1.3의 범위로 제어하고 1200 내지 1350℃의 온도 범위로 노상에서 가열 및 환원에 요구되는 시간의 1/3 이상으로 제어하여 산화철의 환원도를 40 내지 80%로 만든 후 환원된 물질을 용융시키는 다른 방법이 있다.
이 방법에 사용되는 염기도는 원료 물질 제조시 컴퓨터를 이용하여 제어하고, 염기도는 원료 물질 중의 모든 슬래그 성분이 용융된다는 전제하에 결정된다. 그러나, 모든 슬래그 성분의 용융 여부는 조작 조건(특히, 온도)에 따라 변한다. 더구나, 고·액 공존 상태를 통해 슬래그 용융의 개시로부터 전체 용융으로의 동적 거동이 제조된 금속 철의 분리 조건 및 노상 내화물의 침식 및/또는 부식에 어떻게 영향을 미치는지에 대해서는 연구된 바 없다. 또한, 고·액 공존상의 액상분율이 제어되거나 이에 의해 금속 철의 용융이 촉진되는지에 대해 전혀 인식하지 못한다.
위에서 기술한 바와 같이 산화철 공급원 및 탄소질 환원제를 함유한 혼합물을 가열, 환원 및 용융시켜 금속 철을 제조하는 기술에 관하여, 많은 제안이 있어왔다. 상기 문제를 포함하는 관련 분야에 관해서 지적된 최근의 문제점은 다음과 같이 나열되고 요약된다:
1) 산화철 공급원 및 탄소질 환원제를 함유한 혼합물을 가열, 환원 및 용융시켜 금속 철을 제조하는 것에 있어서, 저온에서 효율적으로 환원시켜 제조된 고체 철을 용융시키고 고체 철을 부산물 슬래그로부터 연속적으로 분리시키고 저온에서 고효율로 고순도의 금속 철을 분리 및 회수할 수 있는 기술이 필요하다.
2) 상술한 기술을 달성하기 위해, 가열 및 환원에 의해 제조된 고체 금속 철의 침탄을 촉진시켜 저온에서 효율적으로 금속 철을 용융시키고 부산물 슬래그로부터 연속적으로 분리시켜 효율적으로 고순도 Fe의 금속 철을 제조할 수 있는 것이 바람직하다. 여기서, 실제 사용시 생성물 금속 철에 중요한 인자인 탄소 농도의 제어능은 전기로 등을 위한 제강 물질로서 실제적으로 사용하는데 매우 유리하다.
3) 관련 분야에서, 상술한 바와 같이 염기도 등에 의해 원료 물질 중의 슬래그 성분을 제어하는 몇몇 방법이 제안되었다. 이들은 최종 생성물 슬래그에 대해 제안되었다. 그러나, 금속 철이 가열 및 환원 단계에서 부산되는 전체 슬래그를 용융시키지 않으면서 요구되는 최소의 슬래그 양으로 효율적으로 용융되고 분리될 수 있는 경우 노상의 내화물에 대한 악영향은 추가로 감소될 수 있고 또한 열효율 및 장치의 유지에 있어서 유리하다.
4) 슬래그 중의 용융 FeO가 노상 내화물의 손상에 큰 영향을 미친다는 것은 잘 알려져 있다. 이러한 손상을 억제시키기 위해, 생성된 슬래그 중의 용융 FeO의 양을 가능한 한 적어지도록 감소시키는 것이 바람직하다. 용융 FeO 양의 감소가 실현되는 경우 노상의 손상은 상당히 감소되고 이에 따라 노상의 보호를 위해 요구되는 특정한 기계적 또는 조작상의 부하를 감소시킬 수 있다.
본 발명은 철광석과 같은 산화철 공급원을 코크스와 같은 탄소질 환원제로 가열 환원시킴으로써 금속 철을 수득하기 위한 개선된 방법, 및 단순한 처리를 통해 산화철을 금속 철로 효율적으로 환원시키고 맥석 성분과 같은 철광석 등에 혼합된 슬래그 형성 성분으로부터 제조된 금속 철을 효율적으로 분리시켜 고순도의 금속 철 입자를 고수율로 제조하기 위한 개선된 방법에 관한 것이다.
도 1은 전해 이온과 여러 탄소질 물질의 혼합물이 가열되고 Fe-C 열역학적 평형 상 다이아그램에 대한 고온 레이저 현미경에 의해 관찰시 용융 온도를 플롯팅하는 경우 용융 온도와 탄소 함량 사이의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 2는 전해 이온과 시판되고 있는 탄소질 물질의 혼합물이 혼합물에 대한 CaO 첨가량(탄소질 물질로부터 생성된 회분 중의 CaO 양)을 변화시키기 위해 사용되는 경우 원료 물질과 액상분율의 멜트다운 온도 사이의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 3은 전해 이온과 시판되고 있는 기타 탄소질 물질의 혼합물이 혼합물에 대한 CaO 첨가량(탄소질 물질로부터 생성된 회분 중의 CaO 양)을 변화시키기 위해 사용되는 경우 원료 물질과 액상분율의 멜트다운 온도 사이의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 4는 전해 이온과 시판되고 있는 또다른 탄소질 물질의 혼합물이 혼합물에 대한 CaO 첨가량(탄소질 물질로부터 생성된 회분 중의 CaO 양)을 변화시키기 위해 사용되는 경우 원료 물질과 액상분율의 멜트다운 온도 사이의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 5는 맥석 성분량이 일정한 산화철과 탄소질 물질의 혼합물이 가열되고 환원될 때 가열 속도가 변화되는 경우 제조되는 슬래그의 액상분율 및 슬래그에 대한 FeO 함량에 대한 영향을 나타낸 그래프이다.
본 발명은 상기 문제점에 대해 예의검토한 결과 성취되었다. 본 발명의 목적은 노상의 내화물 손상을 가능한 한 적어지도록 억제시키면서 안정한 조작하에서 고순도 Fe의 금속 철을 효율적으로 제조하기 위해 상기 1) 내지 4)에서 언급한 문제점을 완전하게 극복할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 금속 철의 제조방법은 다성분 시스템 맥석 성분을 함유하는 생성된 고·액 공존상의 슬래그의 액상분율을 제어하여 제조된 고체 금속 철의 용융을 촉진시키는 단계; 및 낮은 조작 온도에서 적은 시간동안 부산물 슬래그로부터 금속 철을 효율적으로 분리시켜 고순도의 금속 철을 제조하는 단계를 포함하는, 탄소질 환원제 및 산화철 함유 물질을 함유하는 원료 물질 혼합물을 가열, 환원 및 용융시켜 금속 철을 제조하는 방법이다.
이 방법을 수행함에 있어서, 생성된 고·액 공존상의 다성분 시스템 맥석 성분 함유 슬래그의 액상분율이 제어되고, 탄소질 환원제는 액체 및 고체 상태로 슬래그에 도입되어 고체 금속 철에 대해 침탄을 촉진시킴으로써 환원 철의 용융 온도를 낮추어서 환원 철의 용융을 진행시킨다. 위에서 기술한 바와 같은 조작을 효과적으로 실현하기 위해서는 원료 물질 혼합물에 배합된 탄소질 환원제의 양을 금속 철 중의 탄소 농도가 0.5 내지 4.3질량%가 되도록 제어하고 침탄되는 금속 철의 용융 온도가 1147 내지 1500℃가 되도록 제어하는 것이 바람직하다.
더구나, 원료 물질이 제조되는 경우 생성물 슬래그의 액상분율은 원료 물질을 혼합하여 조절될 수 있다. 보다 구체적으로, 원료 물질 혼합물의 제조시 원료 물질 혼합물의 조성으로부터 생성된 슬래그의 온도와 액상분율 사이의 관계는 미리 수득되고 다른 슬래그 성분이 원료 물질 성분에 첨가되어 최적의 슬래그 액상분율이 예비결정된 조작 온도 수준에서 얻어지는 방법, 또는 액상분율이 원료 물질의 환원 후 표적 용융 개시 온도에 의해 제어되는 추가의 방법이 있다.
보다 효과적으로 본 발명의 목적을 달성하기 위해, 침탄 및 용융시 슬래그의 액상분율은 50 내지 100질량%, 보다 바람직하게는 70 내지 100%의 범위로 제어되는 것이 바람직하다. 원료 물질 혼합물로서, 원료 물질 혼합물은 개질 없이 사용되거나 적합하게 가압된 상태로 사용될 수 있다. 그러나, 보다 바람직하게는 혼합물이 가열 및 환원을 위해 일반적으로 구형, 브리켓 또는 펠릿 형태로 응집되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 생성물 슬래그의 액상분율은 조절되어 제조되는 고체 금속 철에 대한 침탄량을 적합하게 제어할 수 있어서 결과로서 생성물 금속 철의 탄소 농도가 또한 제어될 수 있다. 더구나, 본 발명에 따르면 침탄 및 용융에 의해 응축된 금속 철은 냉각되고 응고되어 금속 철 입자를 수득할 수 있다. 금속 철 입자는 체 또는 자기 분리에 의해 냉각되고 응고된 연한 부산물 슬래그로부터 분리될 수 있고, 금속 철 입자는 용이하게 회수될 수 있다.
더구나, 본 발명은 금속 철이 바람직하게는 입자 형태로 효율적으로 제조되는 것을 특징으로 한다. 제조방법에서 사용된 생성된 슬래그의 액상분율의 제어로부터 발생되는 2차 효과로서, 부산물 슬래그는 비교적 균일한 크기 분포를 가지면서 과립 또는 입자 형태로 분리되고 회수될 수 있다. 보다 구체적으로, 원료 물질 중의 맥석 무기물로부터의 슬래그는 가열, 환원 및 용융 후 냉각되고, 이것은 분리 및 회수를 위해 고·액 공존상의 액상으로부터 생성된 유리형태의 과립 슬래그 및 고·액 공존상의 고상으로부터 생성된 과립 분말 슬래그로 선별된다. 이어서, 균일한 크기의 과립 슬래그 및 과립 분말 슬래그는 간단하게 수득될 수 있다.
더구나, 본 발명에 따르면 생성물 슬래그 중의 용융 FeO 양은 50질량% 이하, 바람직하게는 실질적으로 0%로 감소되어 다량의 용융 FeO을 슬래그로 혼합함으로써 발생되는 노상 내화물의 침식/부식을 가능한 한 적어지도록 억제시킬 수 있다. 특히, 원료 물질 혼합물이 가열되고 환원되는 경우 원료 물질 혼합물의 가열 속도가 300℃/분 이상으로 올라가면 생성된 슬래그 중의 용융 FeO 양은 효과적으로 감소될 수 있고 이것이 바람직하다.
위에서 기술한 바와 같이, 본 발명은 철광석 및 산화철 또는 그의 부분 환원된 물질과 같은 산화철 함유 물질(이후 종종 철광석 등으로 지칭된다), 및 코크스 또는 석탄과 같은 탄소질 환원제(이후 종종 탄소질 물질로 지칭된다)를 함유하는 원료 물질 압축체를 가열, 환원 및 용융시켜 금속 철을 제조함에 있어서 철광석 등으로부터 생성된 고·액 공존상 중의 다성분 시스템 맥석 성분을 함유하는 부산물 슬래그의 액상분율이 제어되어 제조된 금속 철의 침탄을 효율적으로 진행시킴으로써 금속 철의 융점이 신속하게 낮추어져 용융을 촉진시키는 것(이후 종종 "멜트다운(melt-down)")을 최대의 특징으로 한다.
위에서 기술한 바와 같이 관련 분야에서, 철광석 등으로부터 생성된 맥석 성분이 전체적으로 용융되는 경우 융점 측면에서 볼 때 부산물 슬래그의 염기도 등을 조절하기 위한 방법이 제안되었다. 반면 본 발명에서, 부산물 슬래그는 언제나 전체적으로 용융되지 않으나 고·액 공존상의 부산물 슬래그의 액상분율이라는 새로운 개념이 도입되어 제어를 수행하고, 본 발명은 액상분율이 금속 철의 멜트다운과 밀접한 관계에 있다는 새로운 지식을 기초로 하여 달성되었다. 즉, 본 발명에서 액상분율은 특성이 제어되어 가열 및 환원에 의해 제조된 고체 금속 철의 융점이 낮은 조작 온도에서 침탄을 진행하여 낮아져서 저온에서 금속 철을 멜트다운할 수 있다. 이에 의해, 부산물 슬래그로부터의 분리는 저온에서 효율적으로 진행될 수 있고, 생성물 금속 철의 품질에 큰 영향을 미치는 탄소의 농도는 또한 제어될 수 있다.
본 발명은 실험의 상세한 내용을 참고로 하여 상세하게 설명될 것이다.
본 발명자들은 원료 혼합물을 가열, 환원 및 용융시켜 금속 철을 제조하는 방법, 탄소질 환원제가 존재하는 시스템에서 부산물 슬래그의 거동, 및 생성된 금속 철의 침탄 및 용융 거동에 대해 상세하게 연구한 결과, 다음과 같은 사실을 확인하였다.
즉, 가열 및 환원에 의해 금속 철을 생성하여 침탄하는데 있어서, 탄소질 환원제가 시스템내에 존재하는 것이 필수적이다. 그러나, 본 발명자들이 실험으로부터 확인한 바에 따르면, 탄소질 환원제가 존재하더라도, 고체 형태의 탄소질 환원제가 단지 고체 금속 철에 근접한 상태로 존재하는 경우, 침탄은 거의 진행되지 못하며, 고체 환원 철의 융점을 낮춤으로써 유발되는 용융의 촉진도 그다지 기대할 수 없다.
그러나, 탄소질 환원제가 용융된 상태로 슬래그와 함께 공존하는 경우 고체 금속 철의 침탄이 매우 효과적으로 진행될 수 있음을 확인하였다. 이는, 유동성을 갖는 용융 슬래그가 고체 환원제와 함께 고체 금속 철 주위에 즉시 접촉하여 침탄을 촉진시키는 담체와 같은 작용을 나타내기 때문이다. 용융 슬래그의 공존에 의해 유발되는 침탄의 촉진 작용은 전체 슬래그가 용융 상태로 존재하는 경우에만 효과적으로 나타나는 것이 아니라, 고·액 공존 상태에서 슬래그의 액상분율에 따라 달라짐을 확인하였다.
따라서, 부산물 슬래그의 액상분율이 금속 철의 침탄에 미치는 영향을 확인하기 위해, 산화철 분말을 혼합하고 탄소질 물질 분말을 환원시킴으로써 압축체 물질(브리켓)을 사용하고, 가열, 환원 및 용융 도중의 거동은 고온 레이저 현미경에 의해 관찰하며, 용융 물질의 생성 거동은 이미지 분석에 의해 정량 분석하였다. 즉, 관찰에서, 가열 및 온도 상승 도중 원료 압축체의 액상분율은 이미지 분석에 의해 수득되어 용융 물질의 비율로서 역할을 한다. 또한, 액상분율이 가열 도중 100%일 때의 온도를 멜트다운(melt-down) 온도로서 정의하였다.
본원에서 사용되는 액상분율이라는 용어는 고상선과 액상선 사이에 위치하며, 고체 + 액체(즉, 고상 + 액상)중에 차지하는 액체의 질량비로서 정의된다. 전술한 고온 레이저 현미경을 이용한 관찰에서, 질량비를 이미지 분석의 면적비로 대체하였다. 또한, 후술되는 예상 액상분율은 다중-시스템 상 다이아그램에 의한 온도 및 맥석 성분 조성물로부터 예상한 값을 의미한다.
우선, 금속 철 중의 C%(침탄량) 및 금속 철의 멜트다운 온도(즉, 융점)를 조사하였다. 전해 철 분말은 금속 철로서 사용되고, 흑연 및 하기 표 1에 나타낸 4종의 석탄 분말은 탄소질 물질로서 사용되며, 전해 철 분말에 대한 고정 탄소의 농도가 1%(질량%를 의미한다, 이하 동일), 2%, 3% 및 4.3%가 되도록 혼합하였다. 측정된 용융 온도는 도 1의 Fe-C 상 다이아그램에 나타낸다.
탄소질 물질의 종류 분석값(질량%)
고정 탄소량 휘발성 물질의 양 회분의 양 황 함량
A 69.39 21.25 9.36 0.334
B 71.6 19.6 8.8 0.53
C 53.63 36.41 9.95 0.32
D 77.1 5.9 17 0.21
도 1로부터 명백한 바와 같이, 흑연이 탄소질 물질로서 사용되는 경우, 흑연은 상 다이아그램 중의 액상을 따라 실질적으로 멜트다운하고, 멜트다운 온도는 침탄되는 금속 철 중의 탄소 농도에 따라 실질적으로 결정된다. 한편, 석탄 함유 회분이 탄소질 물질로서 사용되는 경우, 멜트다운 온도는 상 다이아그램 중의 액상선으로부터 고온측이며, 이는 석탄 중의 회분이 금속 철의 멜트다운 온도(즉, 침탄)에 영향을 미침을 의미한다.
이어서, 전해 철 분말 및 표 1에 나타낸 조성을 갖는 탄소질 물질을 조합하고, 석탄 중의 회분으로부터 생성된 슬래그의 액상분율을 변화시키기 위해 CaO(시약)를 석탄 분말에 첨가함으로써 생성된 슬래그의 CaO%를 변화시킨다. 탄소질 물질의 혼합량을 조절하여 전해 철 중의 탄소 농도가 4.3%가 되도록 하였다.
전해 철과 탄소질 물질의 혼합물의 멜트다운 온도를 각각 측정하기 위해 전술한 바와 동일한 방식으로 고온 레이저 현미경을 사용하여 샘플을 관찰하였다. 각각의 슬래그 성분 조성물 중의 1300℃ 액상분율을 상 다이아그램으로부터 계산하였다. 액상분율은 전술한 바와 같이 액상과 고상 사이의 질량비로서 정의되므로, 슬래그 각각의 액상분율은 다성분 시스템 상 다이아그램을 이용하여 온도 및 슬래그 성분의 조성물로부터 계산될 수 있다.
그 결과는 도 2 내지 4에 나타낸 바와 같으며, 다음과 같이 분석될 수 있다:
1) 임의의 탄소질 물질이 사용되더라도, 멜트다운 온도는 슬래그 형성 성분(회분 및 첨가된 CaO) 중의 CaO 농도가 증가할수록 저하되며, 1300℃에서 생성된 슬래그의 액상분율은 CaO 농도가 증가할수록 증가한다.
2) 금속 철의 멜트다운 온도는 생성된 슬래그의 액상분율이 증가할수록 저하된다. 금속 철의 멜트다운 온도가 침탄량에 따라 달라진다는 사실은 도 1에서 이미 확인하였으므로, 금속 철에 대한 침탄량은 슬래그의 액상분율이 증가할수록 증가하며, 멜트다운 온도는 금속 철 중의 탄소 농도가 증가할수록 저하된다는 사실을 확인할 수 있다.
즉, 이러한 실험 결과로부터 명백한 바와 같이, 회분 함유 탄소질 물질을 탄소질 환원제로서 사용하여 상기 탄소질 환원제와 산화철의 원료 혼합물을 가열, 환원 및 용융시키는 경우, 생성된 금속 철의 멜트다운 온도는 원료 혼합물에 첨가되는 CaO의 양에 따라 상당히 변하며, 상기 멜트다운 온도는 CaO 양이 증가할수록 신속하게 저하된다. 반대로, 생성된 슬래그의 액상분율은 CaO 양이 증가할수록 신속하게 증가한다. 전술한 바와 같은 경향으로부터, 생성된 슬래그의 액상분율이 CaO의 첨가에 의해 증가하는 경우, 생성된 금속 철의 멜트다운 온도가 신속하게 저하된다는 경향을 알 수 있다. 즉, 생성된 슬래그의 액상분율이 증가하는 경우, 원료에 잔류하는 탄소질 물질의 고체 환원 철에 대한 침탄이 촉진됨을 확인할 수 있다. 전술한 바와 같은 경향으로부터 알 수 있듯이, 고체 환원 후 원료에 잔류하는 탄소질 물질은 용융 슬래그를 동반하고, 고체 환원 철과 효과적으로 접촉하여, 고체 환원 철에 대한 침탄을 촉진시키는 결과를 초래하며, 멜트다운 온도는 고체 환원 철의 신속한 융점 저하로 인해 저하될 수 있음을 이해할 것이다.
탄소질 환원제를 이용하여 침탄의 촉진 작용을 효과적으로 나타내기 위해, 생성된 슬래그의 액상분율이 매우 중요하다. 액체 슬래그의 점도(유동성)에는 다소 차이가 있지만, 고·액 공존 상태에서 생성된 슬래그 중에 차지하는 용융 슬래그의 비율, 즉 액상분율이 50% 이상, 보다 바람직하게는 70% 이상인 경우, 침탄에 의해 유발되는 고체 환원 철의 융점 저하가 신속하게 진행되고, 비교적 저온에서 신속한 멜트다운을 실현할 수 있다.
원료 혼합물을 목적하는 조작 온도(특히, 목적하는 멜트다운 온도)에 따라 적합한 슬래그 조성물을 갖도록 제조하는 경우, 생성된 슬래그의 액상분율은 원료 혼합에 의해(산화철 중의 슬래그 성분 및 탄소질 물질 중의 회분의 함량 및 조성) 조절될 수 있다. 보다 바람직하게는, 원료 혼합물 중의 슬래그 성분의 조성물로부터의 액상분율과 생성된 슬래그 온도 사이의 관계를 미리 획득하고, 경우에 따라 다른 슬래그 형성 성분을 첨가 및 조절함으로써, 적합한 슬래그 액상분율을 목적하는 멜트다운 온도 영역에 고정시킬 수 있다.
즉, 본 발명에 따르면, 멜트다운 온도는 원료 중의 슬래그 조성물에 따라 제어될 수 있거나, 슬래그 조성물은 미리 멜트다운 온도를 세팅함으로써 주어진 멜트다운 온도하에서 예비결정된 액상분율이 되도록 조절될 수 있다.
전술한 바와 같은 현상은 철광석이 산화철 공급원으로서 상당한 양의 맥석 성분을 함유하는 경우에도 유사하게 나타난다. 맥석 성분 및 탄소질 물질 중의 회분으로부터 형성된 다성분 슬래그의 액상분율이 조작 온도하에서 그 특성이 제어되는 경우, 고체 생성된 금속 철의 침탄은 효과적으로 수행될 수 있고, 고체 금속 철의 멜트다운 온도는 상당히 저하될 수 있다.
본 발명을 수행함에 있어 생성된 슬래그의 액상분율은 산화철 공급원으로서 사용된 철광석 중에 함유된 맥석 성분에 따라 적절한 슬래그 조성을 갖도록 각종 철광석을 혼합함으로써 제어될 수 있다. 바람직하게는, 원료 광석 중에 함유된 맥석 성분에 따라 액상분율을 변화시킬 수 있는 첨가제로서, 석회(CaO), 석회암(CaCO3), 실리카(SiO2), 사문석(MgO), 망간광석(MnO), 보크사이트(Al2O3) 등을 1종 또는 2종 이상 첨가하는 방법이 있다. 보다 구체적으로는, 산화철 공급원 및 탄소질 환원제, 및 경우에 따라 결합제 성분을 혼합하여 원료 혼합물을 제조하는 경우, 온도와 액상분율 사이의 관계는 원료 중에 함유된 맥석 성분으로부터 다성분 시스템 상 다이아그램에 근거하여 얻을 수 있으며, 목적하는 멜트다운 온도에서 전술한 바와 같은 적합한 액상분율을 갖도록 전술한 바와 같이 적합한 양의 산화물을 첨가제로서 혼합한다.
용융 슬래그를 동반하고 전술한 바와 같이 멜트다운 온도를 저하시키는 작용에 의해 침탄의 촉진을 효과적으로 나타내기 위해, 침탄에 의해 고체 금속의 융점을 충분히 저하시킬 필요가 있다. 침탄 후 금속 철의 탄소 농도를 0.5 내지 4.3%, 보다 바람직하게는 1.5 내지 3.5%로 제어하고, 멜트다운 온도를 1147 내지 1500℃, 보다 바람직하게는 1200 내지 1450℃로 제어하는 것이 가장 효과적임을 확인하였다. 침탄 후 금속 철 중의 바람직한 탄소 농도는 원료 제조 단계에서 혼합된 탄소질 환원제의 양에 따라 조절될 수 있다. 구체적으로, 침탄에 필요한 탄소질 환원제는 산화철 공급원의 환원을 위해 이론적으로 요구되는 양으로 첨가된다. 그러나, 통상의 조작 조건하에서, 일부의 탄소질 환원제는 가열 및 환원 도중 연소기 연소에 의해 생성된 가스를 산화시킴으로써 소비되므로, 실제로는 탄소질 물질 혼합량을 결정하기 위해, 상기 혼합량은 전술한 바와 같은 소비량을 고려하여 조절되어야 한다.
또한, 탄소질 환원제의 혼합량이 원료 제조에서 전술한 바와 같이 조절되는 경우, 금속 철에 대한 침탄량을 제어할 수 있어서, 금속 철의 최종 탄소 함량이 목적한 바와 같이 조절될 수 있다.
본 발명에 사용된 원료 혼합물에 있어서, 산화철 공급원 및 탄소질 환원제가 모두 분말 상태로 사용되는 것이 바람직하다. 원료 혼합물은 노상에 약하게 가압되는 상태로 공급될 수 있지만, 혼합물이 구형, 브리켓 또는 펠렛형의 적합한 형태로 응집되는 압축체로서 공급되는 경우, 고체 환원 철의 금속 쉘이 가열에 의해 고체를 환원시키는 도중 압축체의 표면상에 형성되어 내측을 높은 환원 포텐셜로 유지시킬 수 있으며, 바람직하게는 금속화 비율을 보다 효과적으로 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에서 사용되는 노(furnace)는 바람직하게는 이동식 노상로(hearth type furnace)이고, 회전식 노상로가 특히 바람직하다. 이 경우, 목적하는 액상분율을 갖도록 미리 조절된 원료는 도관형 또는 트레이형 공급 장치에 의해 노상에 적재되어 보다 넓고 큰 직경의 압축체의 경우에서 2층 이하로 된다. 연소기 등에 의해 상부로부터 물질을 가열하여 환원시키고, 용융시키고, 냉각시킨 후 스크레이퍼 또는 나사형 배출 장치에 의해 배출시킨다. 원료를 공급하기 전에, 분말 탄소 함유 물질층이 형성되거나 알루미나와 같은 분말 내화성 물질층이 형성되는 경우, 노상 보호, 보다 원활한 생성물 배출, 및 환원의 종료로부터 용융으로의 재산화 방지 측면에서 바람직하다.
가열 및 환원 후 침탄되고 용융되고 응고되는 금속 철을 냉각시키고 응고시키는 경우 금속 철 입자가 수득될 수 있으며, 동시에 체 또는 자기 분리에 의해 생성된 슬래그로부터 분리될 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명은 부산물 슬래그의 액상분율을 제어함으로써, 침탄을 촉진시키고 저온에서 효과적으로 금속 철의 멜트다운을 진행시키며, 최종적으로 금속화도가 높은 금속 철 입자, 즉 고순도 Fe가 효과적으로 제조될 수 있음을 특징으로 한다. 후술되는 제 2 효과도 부산물 슬래그의 액상분율의 제어에 의해 수득될 수 있음을 확인하였다.
즉, 생성된 슬래그의 액상분율을 제어하여 금속 철의 멜트다운 온도를 제어하는 본 발명의 방법을 수행함에 있어서, 멜트다운 온도 조건하에서 생성된 슬래그가 고·액 공존 상태를 나타내고, 냉각되고 응고되는 경우, 고·액 공존 상태의 액상으로부터 생성된 응고된 슬래그가 표면 장력에 의해 유리형태의 과립 물질로 응축되는 반면, 고·액 공존 상태의 고상으로부터 생성된 응고된 슬래그는 미세 과립 슬래그로 변한다. 따라서, 이러한 슬래그가 적합한 체를 통해 선별되는 경우, 이들은 유리모양의 과립 슬래그와 미세 과립 슬래그로 분리될 수 있다. 이렇게 분리된 슬래그는 크기 분포가 좁고 균일한 크기인 슬래그로서 회수될 수 있으므로, 상기 분리된 슬래그는 노반(roadbed) 물질과 같은 제 2 공급원으로서, 또는 미세 응집체 또는 거친 응집체로서 콘크리트(concrete)를 위한 응집체로서도 매우 유리하다.
또한, 본 발명자들은 환원 및 용융에서 부산물인 슬래그 중의 용융 FeO에 의해 유발되는 내화물 손상을 억제시키기 위해 가열 및 환원 도중 생성된 용융 우스타이트(FeO)를 연구하였으며, 그 결과를 설명한다.
실험에서는, FeO가 SiO2:Al2O3:CaO = 70:2:5(질량비)의 기본 슬래그에 첨가된 합성 슬래그를 사용하여 산화철 공급원 및 탄소질 물질로부터 슬래그 조성물을 예측하는 경우, 가열 속도와 가열 도중 액상분율 사이의 관계를 조사하였다.
그 결과를 도 5에 나타낸다. 도 5는 파라미터로서 가열 온도가 1156℃로 일정하고, 가열 속도가 100℃/분, 300℃/분, 500℃/분으로 변하는 경우 FeO 농도 및 액체 비율(즉, 액상분율)의 변화를 나타낸다. 도 5로부터 명백한 바와 같이, 액상분율은 FeO 농도가 증가함에 따라 증가하지만, 가열 속도에 의해 현저하게 변하는데 가열 속도가 느려질수록 급격히 증가한다.
이는, 원료 혼합물의 가열, 환원 및 용융시, 가열 속도가 환원 도중 FeO의 단계에서 느려지는 경우, FeO는 맥석 성분과 결합하고, 용융하고, 액체를 생성하며, 다량의 FeO 함유 용융 슬래그가 용이하게 생성됨을 의미한다.
반대로, 가열 속도가 증가하는 경우, FeO가 슬래그에 용융되는 시간을 상실하고 용융 FeO가 슬래그에 혼합되는 것이 억제되어 산화철이 고속 가열 조건하에서 금속 철로 신속하게 환원되는 결과를 초래한다.
전술한 바와 같은 가열 속도에 의해 유발되는 슬래그 중의 용융 FeO 함량을 감소시키는 효과는 가열 및 환원 도중 속도를 300℃/분 이상, 바람직하게는 400℃/분 이상, 보다 바람직하게는 500℃/분 이상으로 증가시킴으로써 효과적으로 나타남을 확인하였다.
본 발명자들이 개별적으로 연구한 결과, 용융 FeO를 슬래그에 혼합시킴으로써 유발되는 내화물 손상은 슬래그 중의 용융 FeO 양이 대략 50%가 되는 경계에서 현저하게 변하고, 가열 속도가 용융 FeO 양이 약 50% 이하, 바람직하게는 약 20% 이하, 보다 바람직하게는 실질적으로 0%가 되도록 제어되는 경우, 용융 슬래그에 의해 유발되는 노상 내화물 손상이 가능한 한 적어지도록 억제될 수 있어, 당해 분야에 사용되는 내화물 손상을 방지하는 특정한 대책을 단순화시킬 수 있음을 또한 확인하였다.
또한, 용융 슬래그 중의 FeO 양이 바람직하게는 약 20% 이하, 실질적으로 0이 되는 바람직한 조건은, 가열 및 환원 도중 600 내지 1350℃, 바람직하게는 500 내지 1250℃의 온도 영역을 300℃/분 이상, 바람직하게는 500℃/분 이상의 속도에서 상승시키는 것이다.
전술한 바와 같이 용융 슬래그 중의 FeO 함량을 감소시키면 실제 조작에서 매우 중요한 노상 내화물 손상이 효과적으로 방지될 뿐만 아니라, 금속 철로서의 수율이 향상되며, 또한 가열 속도를 증가시키면 가열 및 환원 시간이 단축되고 이로부터 생성되는 생산성이 향상된다.
또한, 생성된 슬래그의 액상분율이 고체 환원 단계에서 매우 높은 경우, 미환원된 FeO가 용융 슬래그내로 용융되도록 원료 압축체의 멜트다운이 개시된 후 고체 환원이 충분히 수행되지만, 상기의 경우, 슬래그 조성물을 조절하기 위한 플럭스 물질(전술한 바와 같은 산화물)을 원료 제조 단계에서 적합한 양으로 첨가하고, 저온 영역에서의 용융 발생을 억제시켜 환원 온도를 상승시킴으로써, 고체 환원 속도를 증가시키는 것이 또한 효과적이다. 즉, 본 발명이 수행되는 경우, 생성된 슬래그 중의 액상분율의 조절은 액체 생성 온도(즉, 침탄 개시 온도)를 증가시키고, 환원 온도를 증가시켜 고체 환원 속도를 증가시킴으로써 생산성을 확실하게 향상시키는 수단으로서 효율적으로 사용될 수 있을 뿐만 아니라, 용융 온도에 상응하는 침탄 온도를 감소시킴으로써 조작 온도를 낮추는 경우에도 효율적으로 사용될 수 있다.
본 발명의 구성, 조작 및 효과는 실시예를 참고로 하여 보다 상세하게 설명된다. 본 발명은 하기 실시예로 제한되지 않으며, 본 발명의 기술적 범위내에 속하는 전술 및 후술되는 목적에 적합할 수 있는 범위 내에서 적합한 변형이 이루어질 수 있다.
하기 표 2에 나타낸 성분 조성의 광석 및 표 3에 나타낸 성분 조성의 탄소질 물질을 하기 실험을 수행하는데 사용하였다.
광석의 종류 성분 조성(질량%)
T.Fe FeO SiO2 Al2O3 CaO
A 68.06 1.36 0.52
B 69.2 30.56 1.81 0.51 0.45
탄소질 물질의 종류 성분 조성(질량%)
회분 휘발성 물질 고정 탄소
A 8.80 19.60 71.60
B 9.36 21.25 69.39
C 12.36 17.77 69.87
D 17.0 5.90 77.1
실시예 1(동일 혼합에서 조작 온도가 변화된 실험예)
표 2에 나타낸 광석 B(평균 입자 직경: 21㎛) 83.5질량%, 표 3에 나타낸 탄소질 물질 C(평균 입자 직경: 45㎛) 18.5질량% 및 결합제로서 벤토나이트(평균 입자 직경: 9㎛) 1.0질량%을 균일하게 혼합하여 사용되는 원료를 제조하고, 이를 약 17㎜ 직경의 실질적으로 구형(이하 압축체로 지칭됨)으로 응집한 후, 120℃에서 예비 건조시켰다.
원료 압축체를 실험 로에 충전하여 가열 및 온도 상승시키고, 주어진 온도에서 원료 압축체의 멜트다운 거동을 관찰하여 원료 성분으로부터 평가되는 생성된 슬래그의 액상분율과의 관계를 조사하였다. 멜트다운이 발생하지 않는 경우, 표면 상태 및 내부 단면을 관찰하였다. 하기 표 4에 나타낸 결과를 수득하였다.
샘플 온도(℃) 평가된액상분율(%) 압축체의 멜트다운 거동
1280 0 환원 철 내부에 용융 물질이 없음
1330 24.7 표면 형태 유지, 내부에서 미량의 액체 생성
1370 55.3 표면 형태 유지, 내부는 용융 상태
1400 77.0 완전 멜트다운
1450 100 완전 멜트다운
표 4로부터 명백한 바와 같이, 평가된 액상분율이 0%인 경우 압축체에서는 미량의 용융 물질도 발견되지 않으며; 평가된 액상분율이 약 25%인 경우 내부에 미량의 용융 물질이 발견되나 압축체는 그의 본래 형태를 유지하고, 멜트다운이 발견되지 않는다. 또한, 평가된 액상분율이 55% 수준으로 상승하는 경우, 상당한 양의 용융 물질의 생성이 발견되나, 압축체는 그의 본래 형태를 유지하고, 멜트다운이 발견되지 않는다(금속 철의 침탄 및 용융, 및 플로우다운(flow-down)).
한편, 평가된 액상분율이 100%에 도달하는 경우 압축체가 용융되어 멜트다운을 생성시키지만, 액상분율이 77%에 도달하는 경우에서도, 압축체 중의 고체 환원 철은 용융하기 시작하여 완전 멜트다운된다. 즉, 압축체의 가열 및 환원은 가열 온도가 상승함에 따라 진행되고, 동시에 평가된 액상분율도 상승하지만, 액상분율이 약 70%를 초과하는 경우, 멜트다운이 신속하게 진행됨을 확인하였다.
실험 결과로부터 명백한 바와 같이, 온도를 제어하여 70% 수준의 액상분율을 수득하는 경우, 충분한 멜트다운이 발생할 수 있고, 1400℃에서 가열 온도를 설정함으로써 조작 온도가 약 50℃ 떨어질 수 있으며, 가열 온도를 1450℃로 상승시킴으로써 액상분율을 100%로 증가시키지 않고서도 액상분율을 70 내지 80% 수준으로 유지시킬 수 있음을 이해할 것이다.
실시예 2(실리카를 첨가하여 액상분율을 변화시키는 경우)
표 2에 나타낸 광석 A(평균 입자 직경: 38㎛) 74.6질량%, 표 3에 나타낸 탄소질 물질 A(평균 입자 직경: 37㎛) 23.4질량% 및 결합제로서 벤토나이트(평균 입자 직경: 9㎛) 2.0질량%를 기재 조성물로서 적합한 양의 실리카(SiO2함량: 92.7질량%)와 혼합하여 슬래그의 멜트다운 온도를 조절하였다. 혼합된 원료 중의 슬래그 조성물을 근거로 한 상 다이아그램으로부터 평가된 1200℃에서의 액상분율은 표 5에 나타낸 바와 같다. 원료 압축체는 균일하게 혼합하여 17㎜의 입자 직경을 갖는 구형으로 응집하여 120℃에서 건조시킨 후 사용하였다.
원료 압축체를 가열 및 환원 실험 로에 충전하고, 원료 압축체가 멜트다운할 때의 분위기 온도를 측정하여, 표 5에 기술된 결과를 수득하였다.
실리카 혼합에 의해 유발되는 액상분율의 변화 및 멜트다운시 분위기 온도
실리카 혼합비(질량%) 0 0.8 2.4
1200℃에서의 액상분율(%) 77 85 96
멜트다운시 분위기 온도 1435 1425 1405
표 5로부터 명백한 바와 같이, 실리카 혼합비를 상승시킴으로써, 생성된 슬래그의 1200℃에서의 액상분율이 증가하고, 따라서 원료 압축체의 멜트다운 온도가 저하된다. 즉, 결과로부터, 적합한 양의 SiO2공급원(또는 다른 산화물)을 원료 성분에 혼합하여 조작 온도에서 액상분율을 제어하는 경우, 가열 및 환원된 압축체의 멜트다운 온도, 즉 조작 온도가 저하될 수 있다. 또한, 목적하는 조작 온도가 결정되는 경우, 조작 온도에서 멜트다운하기에 충분한 액상분율을 수득하여 실질적으로 멜트다운 온도가 조작 온도에 맞도록, 플럭스 물질(예: SiO2공급원)의 추가량이 조절된다.
실시예 3(액상 생성 온도를 상승시켜 고체 환원을 촉진시키는 경우)
전술한 바와 같이, 생성된 슬래그의 액상이 저온에서 생성되는 경우, 압축체의 멜트다운이 일어난 후 고상 중에 함유된 산화철의 환원이 충분히 진행되고, 미환원 FeO가 슬래그내로 용융 및 혼합되어 실질적으로 노상 내화 침식 및/또는 부식을 촉진시킨다. 따라서, 노상 내화물 손상을 방지한다는 관점에서, 본 발명이 실제 사용되는 경우의 실험을 수행하였다.
즉, 하기 표 6에 나타낸 케이스 A 및 B의 비율로 혼합하여 원료를 제조하고, 전술한 바와 유사하게 구형으로 형성시키고, 가열, 환원 및 용융 실험을 수행하여 압축체를 건조한 후 표 6에 나타낸 결과를 수득하였다.
원료의 혼합, 액상 생성 온도 등
광석 C 탄소질 물질 B 결합제 첨가된 CaO 액상 생성온도(℃) 환원온도(℃) 용융 온도(℃)
케이스 A 76.54 21.81 1.65 - 1177 1320 1430
케이스 B 72.51 20.99 1.5 5 1332 1340 1430
표 6에서, 케이스 A의 혼합시, 액상 생성 온도는 1177℃로 낮으며, 액체가 생성된 후 고체 환원이 충분히 진행되고, 미환원된 FeO의 생성된 슬래그 내로의 혼합으로 인해 노상 내화성이 손상된다. 따라서, 가열 및 환원 온도를 1320℃로 다소 저하시키면, 고체 환원 속도가 저하되고 생산 속도가 상당히 저하된다. 따라서, 혼합비를 케이스 B로서 변화시키고(석회암의 추가 혼합), 액상 생성 온도를 1332℃로 상승시켰다. 따라서, 가열 및 환원 온도 및 멜트다운 온도를 각각 1340℃ 및 1430℃로 설정하는 경우, 노상 내화성을 손상시키지 않으면서 원활한 조작을 유지할 수 있음을 확인하였다.
또한, 상기 케이스 B에서 수득한 생성된 물질을 냉각시킨 후 자기 분리시켜, 금속과 슬래그로 실질적으로 완전 분리시킬 수 있다. 수득된 금속 및 슬래그의 입자 직경 분포를 표 7에 나타낸다. 3.35㎜ 이상의 직경을 갖는 금속 입자(실질적으로 원형은 직경에 의해 나타내고, 타원형 또는 달갈형은 장직경과 단직경 사이의 평균 값으로 나타낸다)가 94.3%의 수율로 회수될 수 있음을 이해할 것이다. 한편, 슬래그를 일반적으로, 3.35㎜ 이상의 입자 직경을 갖는 유리형 과립 슬래그와 3.35㎜ 미만의 입자 직경을 갖는 과립 분말 슬래그의 2개로 나눈다. 과립 분말 슬래그를 원료 가공 시스템에 재순환시켜 잔류 탄소질 물질 및 철을 회수 및 사용할 수 있고, 상기 유리 과립 슬래그가 철을 함유하지 않고서도 미세 응집체로 효과적으로 사용될 수 있음을 확인하였다.
생성물의 자기 분리 후 금속 및 슬래그의 입자 직경 분포
입자 직경(㎜) 6.7 초과 3.35 내지 6.7 3.35 미만
금속(질량%) 84.3 10.0 5.7
슬래그(질량%) 34.4 17.5 48.1
본 발명은 산화철 공급원 및 탄소질 환원제를 함유하는 혼합물을 가열, 환원 및 용융시켜 금속 철을 제조하는 경우 전술한 바와 같이 구성되며, 생성된 슬래그의 고·액 공존 상태 중에 차지한 액상분율을 적절히 조절함으로써 고체 금속 철의 침탄 개시 온도를 적절히 조절할 수 있으며, 이에 따른 다양한 조작 및 효과는 하기 기술되는 바와 같다:
1) 생성된 슬래그의 액상분율과 온도 사이의 관계는, 원료 중의 슬래그 형성 성분 및 이에 첨가된 플럭스 물질의 양에 의해 수득되고, 액상분율을 조절하여 침탄 개시 온도, 즉 원료의 멜트다운 온도를 제어할 수 있으며, 멜트다운 온도를 저하시켜 조작 온도를 저하시킴으로써 열 에너지 효율을 향상시키고 내열성 구조체의 열적 열화를 억제시킬 수 있다.
2) 예비결정된 온도 영역에서 생성된 슬래그의 액상분율이 원료 혼합 단계에서 수득되는 경우, 실질적으로 목적이 되는 멜트다운 온도가 제공될 수 있고, 온도를 조작 장치의 열 효율 및 장치의 내열성에 따라 적합한 멜트다운 온도로 조절하여, 다양한 조작 장치에 상응하게 할 수 있다.
3) 침탄 개시 온도, 즉 멜트다운 온도를 생성된 슬래그의 총량을 용융시키지 않고서 액상분율의 조절에 의해 조절함으로써 조작 온도를 저하시킬 수 있고, 필요한 에너지를 절감할 수 있으며, 열 효율을 향상시킬 수 있다.
4) 탄소질 환원제의 혼합량이 원료 제조 단계에서 조절되는 경우, 수득된 금속 철의 탄소 함량을 목적한 바와 같이 실질적으로 제어할 수 있으며, 용도에 따라 금속 철을 적합한 탄소 함량으로 제어할 수 있다.
5) 생성된 슬래그의 액상분율을 제어함으로써, 최적의 멜트다운 온도를 가열 및 환원 완료 온도에 맞게 설정할 수 있으므로, 결과적으로 용융 슬래그내에 혼합되는 용융 FeO의 혼합량을 가능한 한 적어지도록 억제시킬 수 있다. 특히, 가열 및 환원 도중 가열 속도가 적절히 제어되는 경우, 용융 슬래그의 생산을 가능한 한 적어지도록 억제시켜 용융 FeO를 함유하는 저융점 슬래그의 생산에 의해 유발되는 생성된 물질의 노상에 대한 융합 또는 점착을 방지할 수 있고, 노상 내화 침식 및/또는 부식을 효과적으로 억제시킬 수 있다.
6) 본 발명의 제 2 효과로서, 슬래그 부산물을 액상으로부터 수득된 유리형 과립 슬래그와 고상으로부터 수득된 과립 슬래그로 분리하여 좁은 입자 크기 분포를 갖는 부산물로서 수득할 수 있으며, 이는 미세 응집체 또는 거친 응집체로서의 다양한 용도로 효과적으로 사용될 수 있다.
본 발명은 노상 내화물 손상을 가능한 한 적어지도록 억제시키면서 안정한 조작하에 슬래그로부터 금속 철의 효과적인 환원 및 분리에 의해 고수율로 고순도의 금속 철 및 금속 철 입자를 생성시키는데 유리하게 이용할 수 있다.

Claims (15)

  1. 탄소질 환원제 및 산화철 함유 물질을 함유하는 원료 물질 혼합물을 가열, 환원 및 용융시켜 금속 철을 제조하는 방법에 있어서,
    생성된 고·액 공존상의 다성분 맥석 함유 슬래그 중의 액상분율을 제어하여 생성된 고체 금속 철의 용융을 촉진시키는 것을 특징으로 하는 금속 철의 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    생성된 고·액 공존상의 다성분 맥석 함유 슬래그 중의 액상분율을 제어하고, 상기 액체 슬래그가 탄소질 환원제와 동반하여 고체 금속 철의 침탄을 촉진시킴으로써 고체 환원 철의 융점을 강하시키는 것을 포함하는 금속 철의 제조방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    침탄에 의해 금속 탄소 중의 탄소 농도가 0.5 내지 4.3질량%이고 침탄된 금속 철의 용융 온도가 1147 내지 1500℃인 금속 철의 제조방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    원료 물질 혼합물에 혼합되는 원료 물질을 조절함으로써 액상분율을 제어하는 것을 포함하는 금속 철의 제조방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    원료 물질 혼합물의 제조시 상기 원료 물질 혼합물 중의 슬래그 형성 성분의 조성으로부터 생성된 슬래그의 온도 및 액상분율을 미리 수득하고, 다른 슬래그 형성 성분을 원료 물질 성분에 첨가하여 예비결정된 조작 온도 영역에서 슬래그의 액상분율을 제어하는 것을 포함하는 금속 철의 제조방법.
  6. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    원료 물질 혼합물의 가열 온도를 조절하여 액상분율을 제어하는 것을 포함하는 금속 철의 제조방법.
  7. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    침탄 및 용융시 슬래그의 액상분율을 50 내지 100질량%의 범위로 제어하는 것을 포함하는 금속 철의 제조방법.
  8. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    원료 물질 혼합물을 가열 및 환원을 위해 응집시키는 것을 포함하는 금속 철의 제조방법.
  9. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    생성된 슬래그의 액상분율을 조절하여 생성된 고체 철에 대한 침탄량을 제어하는 것을 포함하는 금속 철의 제조방법.
  10. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    생성된 슬래그의 액상분율을 조절하여 생성물 금속 철 중의 탄소 농도를 제어하는 것을 포함하는 금속 철의 제조방법.
  11. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    침탄 및 용융에 의해 응축된 금속 철을 냉각시키고 응고시켜 금속 철 입자로서 금속 철을 수득하는 것을 포함하는 금속 철의 제조방법.
  12. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    원료 물질 중의 슬래그 형성 성분으로부터 생성된 슬래그를 냉각시킨 후 고·액 공존상의 액상으로부터 생성된 과립 슬래그 및 고·액 공존상의 고상으로부터 생성된 과립 슬래그를 서로 분리하여 이들을 회수하는 것을 포함하는 금속 철의 제조방법.
  13. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    생성된 슬래그 중의 용융 FeO 양을 50질량% 이하로 제어하는 것을 포함하는 금속 철의 제조방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    생성된 슬래그 중의 용융 FeO 양이 실질적으로 0%인 금속 철의 제조방법.
  15. 제 13 항에 있어서,
    생성된 슬래그를 가열하여 환원시키고, 원료 물질 혼합물을 300℃/분 이상의 가열 속도로 가열하여 슬래그 중의 용융 FeO 양을 감소시키는 것을 포함하는 금속 철의 제조방법.
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