KR100520630B1 - 입상 금속 철 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 Fe 함유량이 94% 이상이고, C 함유량이 1.0 내지 4.5%이며, 입경이 1 내지 30㎜인 것을 특징으로 하는, 탄소질 환원제와 산화철 함유 물질을 포함하는 원료를 환원 용융시켜 제조되는 입상 금속 철에 관한 것이다.

Description

입상 금속 철{GRANULAR METALLIC IRON}
본 발명은 철광석 등의 산화철과 코크스 등의 탄소질 환원제를 포함하는 원료를 환원 용융시켜 제조되고, Fe 순도가 높고 C, S, Si 및 Mn의 함유량이 특정되고, 입경이 특정된 입상(粒狀) 금속 철에 관한 것이다.
철광석과 같은 산화철 공급원을 탄재 및 환원성 가스를 사용하여 직접 환원시켜 환원철을 수득하는 직접 제철법은 오래전부터 알려져 있었다. 구체적인 환원법 및 연속 환원 설비에 관한 연구도 광범위하게 진행되어 왔다.
예를 들어, 일본 특허 공개공보 제 99-337264 호에는, 제강 더스트 및 분광 등의 산화철 공급원과 탄재의 혼합물을 결합재를 사용하여 응고시켜 제조된 생펠렛의 가열 환원시, 미건조 상태의 생펠렛을 급속히 가열할 때 발생하는 폭렬(爆裂)을 예열대의 설치에 의해 방지하는, 환원철을 효율적으로 연속 제조할 수 있는 회전형 노상이 개시되어 있다.
상기 기술된 기술을 비롯한 산화철 공급원과 환원제를 포함하는 성형체를 가열 환원시켜 금속 철을 제조하는 기술에서는, 예를 들어 철 공급원으로서 철광석 등의 사용으로 인해 상당량의 슬래그 성분이 생성된 금속 철 중에 혼입되게 된다. 특히, 금속 철을 스펀지상으로 제조하는 방법에서는 금속 철중에 혼입되는 슬래그 성분의 분리가 어렵기 때문에 Fe 순도는 매우 낮다. 따라서, 이들 원료를 철 공급원으로서 사용할 때 상당량의 슬래그 성분을 미리 제거하기 위한 예비 처리가 요구된다. 또한, 공지된 직접 제철법으로 수득되는 금속 철의 거의 대부분은 스펀지상으로 파손되기 쉽기 때문에 철 공급원으로서의 취급이 번거롭다. 제철·제강용 또는 합금강 제조용 등의 원료로서 상기 금속 철을 실용화하기 위해서는 2차 공정과 같은 브리케트를 제조하는 공정이 요구되고, 이를 위한 부대 설비 비용이 상당하게 된다.
또한, 일본 특허 공개공보 제 97-256017 호에서는, 내부에 생성된 슬래그의 응집물을 형성시키면서, 금속 철 외피를 형성시켜 실질적으로 내부에 산화철이 존재하지 않을 때까지 산화철과 탄소질 환원제를 포함하는 성형체를 가열 환원하고, 가열을 계속하여 내부의 슬래그를 금속 철 외피의 외측으로 유출시켜 슬래그를 분리하고, 더욱 가열하여 금속 철 외피를 용융시키는 것을 포함하는, 금속화율이 높은 입상 금속 철을 제조하는 방법을 개시하고 있다.
이러한 선행 기술을 비롯한 공지된 입상 금속 철의 제조방법에는 제철, 제강용 또는 합금강 제조용 원료로서 품질 및 취급 편리성을 종합적으로 고려하면서 입경이 소정 범위내에 있는 금속 철을 효율적으로 제조할 수 있는 기술이 확립되어 있지 않다. 입상 금속 철의 순도에 있어서 낮은 불순물 함유량을 갖는 고순도의 입상 금속 철이 물론 바람직하지만, 제철 및 제강용 원료로서 사용되는 입상 금속 철에서 최적의 탄소량을 특정하는 것에 대한 구체적인 사상은 공식화되어 있지 않다. 또한, 탄소 함유량을 소정의 범위내로 제한할 수 있는 구체적인 제조 기술도 확립되어 있지 않다.
또한, 철광석 등의 산화철 공급원을 환원하여 금속 철을 제조할 때 환원제로서 일반적으로 코크스 및 석탄분이 사용된다. 그러나, 이들 환원제는 대체로 높은 S 함유량을 갖는다. 상기 환원제는 환원 용융에 의해 생성되는 금속 철 중에 혼입되기 때문에 생성된 입상 금속 철은 대체로 높은 S 함유량을 갖게 된다. 따라서, 입상 금속 철을 제철 또는 제강용 원료로서 실용화하기 이전에 탈황 처리를 실시해야 한다. 또한, 이는 입상 금속 철의 품질을 저하시키는 주요 원인 중 하나이다.
따라서, 환원 용융법에 의해 제조되는 입상 금속 철의 부가 가치를 높이기 위해서 단순히 순도를 높이려는 것만으로는 불충분하다. 원료로서의 생산 가능성 및 취급성을 고려하여 최적의 입도 구성 및 황 함유량과 같은 불순물 함유량이 특정된 금속 철의 제조를 확보할 수 있는 기술, 또한 예를 들어 전기로를 사용한 제철 또는 제강에 필요한 비용의 절감, 및 제철, 제강 또는 다양한 합금강용 원료의 선택에 있어서의 유연성 향상이라는 시장 요구를 만족시킬 수 있는 기술을 확립하는 것이 요구된다.
본 발명은 전술한 배경기술에 착안하여 계발되었다. 본 발명의 목적은 철 공급원으로서의 생산 가능성 및 취급성을 종합적으로 고려하여 최적의 입도 구성을 갖고, 탄소 및 황과 같은 입상 금속 철 중의 불순물 함유량이 특정되고, 예를 들어 전기로를 사용한 제철 또는 제강에 필요한 비용의 절감, 및 금속 철 제조용 원료의 선택에 있어서의 유연성 향상이라는 시장 요구를 만족시킬 수 있는 안정된 품질의 입상 금속 철을 제공하는 것이다.
발명의 요약
전술한 문제점을 해결할 수 있는 본 발명의 입상 금속 철은 탄소질 환원제와 산화철 함유 물질을 포함하는 원료를 환원 용융시켜 수득되는, Fe 함유량이 94%(이후부터 성분의 함유량은 모두 질량%를 의미함) 이상이고, C 함유량이 1.0 내지 4.5%이며, S 함유량이 0.20% 이하이고, 입경이 1 내지 30㎜인 입상 금속 철이다.
또한, 본 발명의 입상 금속 철이란 반드시 진구상인 것을 의미하는 것은 아니며, 타원상, 난형상 또는 이들이 약간 편평화된 것을 포함하는 입상물을 총칭하는 것으로, 상기 1 내지 30mm 범위의 입경은 장경과 단경 및 최대 두께와 최소 두께의 총합을 4로 나눈 값을 의미한다.
상기 입상 금속 철은 다른 성분으로서 Si를 0.02 내지 0.50%, Mn을 0.3% 미만 함유하는 것이 바람직하다.
입상 금속 철은 원료를 가열하여 그 속에 포함된 산화철을 탄소질 환원제와 반응시키고, 이 반응에 의해 생성된 환원성 가스(CO)에 의해 산화철을 고체 상태로 가열 환원시키고, 생성된 환원철을 침탄 분위기하에 추가로 가열하여 침탄 용융시키고, 임의의 부산물 슬래그를 배척하면서 환원철을 응집시킴으로써 수득될 수 있고, 이러한 공정 동안에 CaO원을 원료에 첨가하여 상기 원료 중의 슬래그 성분의 염기도(즉, CaO/SiO2)를 0.6 내지 1.8의 범위내로 조절한다. 이러한 방법에서 원료 중에 포함된 S은 환원 용융 단계에서 생성되는 슬래그에 의해 효율적으로 포착되고, S 함유량이 0.08% 이하인 입상 금속 철을 수득할 수 있다.
또한, 입상 금속 철의 C 함유량은, 원료를 환원 용융시킬 때 상기 가열 환원후의 금속화율이 100%인 시점에서의 잔류 C 함유량이 1.5 내지 5.0%의 범위가 되도록 원료 중의 탄소질 환원제의 양을 조정함으로써 상기 규정 범위내로 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 입상 금속 철의 제조에 사용되는 환원 용융 설비를 예시하는 설명도이다.
도 2는 도 1의 A-A선을 따라 절취한 단면도이다.
도 3은 종방향으로 전개된 도 1의 설비를 나타내는 단면도이다.
도 4는 본 발명에서 2단계 가열 방식을 사용했을 때, 고체 환원 단계 및 용융 단계 동안의 분위기 온도, 원료 성형체 온도, 환원율 및 CO 및 CO2 가스 배출량의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 5는 고체 환원 단계 및 용융 단계 동안의 원료 성형체 중의 산화철의 금속화율 및 잔류 FeO 함유량의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 6은 금속화율이 100%인 시점에서의 환원철 중의 잔류 탄소량 및 최종적으로 수득되는 입상 금속 철 중의 잔류 탄소량 사이의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 7은 금속화율 및 환원율 사이의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 8은 분위기 조절제로서 석탄분을 사용했을 때와 사용하지 않았을 때의 원료 성형체의 내부 온도의 변화 및 분위기 가스의 환원율의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 9는 제조 실험에서 침탄 용융 직후의 금속 철 및 슬래그의 상태를 나타내는 사진이다.
도 10은 원료 성형체에 CaO원을 의도적으로 첨가하여 슬래그의 염기도를 조정함으로써 수득되는 입상 금속 철 중의 S 함유량 낮춤 효과를 증명하는 실험 그래프이다.
도 11은 생성된 슬래그의 염기도 및 생성된 입상 금속 철 중의 S 함유량 사이의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 12는 실시예에서 사용된 입상 금속 철의 제조에서의 원료의 배합, 및 제조된 입상 금속 철의 생성물 비율 및 조성 등을 나타내는 설명도이다.
도 13은 실시예 1에서 수득된 입상 금속 철을 나타내는 사진이다.
도 14는 다른 실시예에서 사용된 입상 금속 철 제조방법에서의 원료의 배합, 및 입상 금속 철의 비율 및 조성 등을 나타내는 설명도이다.
도 15는 실시예 2에서 수득된 입상 금속 철을 나타내는 사진이다.
도 16은 원료 성형체(건조 펠렛)의 입경과 생성된 입상 철의 평균 입경 및 단일 입상 철의 평균 중량 사이의 관계를 나타내는 그래프이다.
본 발명의 입상 금속 철은 탄소질 환원제와 산화철을 함유한 물질을 포함하는 원료를 환원 용융시켜 수득되는 입상의 금속 철이며, Fe의 함유량이 94% 이상(보다 바람직하게는 96%이상)이고, C의 함유량이 1.0 내지 4.5%(보다 바람직하게는 2.0 내지 4.0%)이고, S 함유량이 바람직하게는 0.20% 이하, 보다 바람직하게는 0.08% 이하이며, 또한 입경이 1 내지 30㎜(보다 바람직하게는 3 내지 20㎜)의 범위에 있고, 이러한 수치 범위를 정한 이유는 다음과 같다.
상기 입상 금속 철의 Fe 함유량은 그 품질을 지배하는 중요한 인자이고, Fe 순도가 높은 것, 즉 불순물 함유량이 낮은 것일수록 당연히 바람직하지만, 본 발명에서 요구되는 Fe 순도는 94% 이상, 보다 바람직하게는 96% 이상이다. 그 이유는 5%를 초과하는 불순물 함유량을 갖는 입상 금속 철을 제철 및 제강용 원료로서 사용할 때 원료에 포함된 불순물이 욕 면상에 표류하여 슬래그를 형성하는데, 이의 제거 작업이 번잡하기 때문이다. 또한, S, Mn, Si 및 P와 같은 용융 강철 중에 용해된 원소는 상기 생성된 금속 철을 사용하여 수득되는 최종 제품의 물성에 악영향을 미치기 때문에, 정련 단계 동안에 탈황, 탈인 및 탈규소 등의 처리가 필요하고, 이러한 예비 처리에 상당한 시간과 노력이 요구된다. 이러한 점에서 본 발명의 입상 금속 철의 Fe 함유량은 94% 이상, 보다 바람직하게는 96% 이상이어야 한다.
또한, 상기 입상 금속 철 중의 C 함유량은 상기 금속 철을 제강용 원료로서 사용할 때 강철의 등급에 맞는 C의 필요량을 확보하고, 원료 철로서의 범용성을 높이는데 중요한 인자로, 바람직하게는 1.0% 이상, 보다 바람직하게는 2.0% 이상이다. 그러나, C 함유량이 과도한 경우, 상기 금속 철을 원료로서 사용한 강철 및 합금강은 약해져서 인성 및 내충격성에 현저한 악영향을 미치게 된다. 따라서 이러한 문제를 미연에 방지하기 위해서는 정련 단계 동안에 취련 등의 탈탄 처리가 필요하게 된다. 이러한 부가 처리의 부담을 가중하지 않고 제철 및 제강용 원료로서 지장없이 사용하기 위해서는 C 함유량은 4.5% 이하, 보다 바람직하게는 4.0% 이하여야 한다.
또한, 황은 일부 강철 종류에 따라 피절삭성 향상 원소 등으로서 효과적으로 작용할 수도 있지만, 대체로 유해 원소로서 강철의 물성에 악영향을 미치기 때문에 바람직하지 못하므로, 원료로서 사용된 본 발명의 입상 금속 철은 0.20% 이하, 더욱 바람직하게는 0.08% 이하의 S 함유량을 갖는 것이 바람직하다. 또한, 입상 금속 철을 다양한 제강 처리에 폭넓게 사용할 수 있도록 철 공급원으로서 적용 범위를 넓히기 위해서 Si 함유량은 0.02 내지 0.5%의 범위로 하고, Mn 함유량은 0.3% 미만으로 하는 것이 바람직하다.
전술한 C, S, Si 및 Mn 함유량을 갖는 본 발명의 입상 금속 철은, 현재 가장 널리 사용되고 있는 용광로를 사용하여 제조된 선철과 비교해보면 특히 유리하다. 즉, 용광로를 사용하여 제조된 선철 중의 C, S, Mn 및 Si 함유량은 사용되는 산화 철 공급원 및 코크스의 종류 및 조업 조건 등에 따라 다르지만, 대체로 C 함유량은 4.3 내지 4.8%이고, Si 함유량은 0.2 내지 0.6%이고, Mn 함유량은 0.3 내지 0.6%이다. 특히 용광로 제철법에서, 생성된 용융 금속 철은 용광로 하부에서 다량의 코크스의 존재하에 높은 환원성 분위기에서 침탄되기 때문에 C 함유량은 거의 포화 상태에 이르게 된다. 또한, 특히 맥석 성분으로서 혼입되는 SiO2는 고온 분위기에서 다량의 코크스의 존재하에 비교적 쉽게 환원되기 때문에, 용융 금속 철 중에 0.2 내지 0.6%의 Si가 포함되어 있고, Si 함유량이 0.20% 미만인 용융 금속 철을 수득하는 것은 어렵다. 또한, MnO는 SiO2보다 쉽게 환원되기 때문에, 원료 철광석 중에 다량의 MnO가 포함되어 있는 경우 높은 환원성 분위기하에 용이하게 환원되고, 용융 금속 철 중의 Mn 함유량은 필연적으로 높아지게 된다.
이에 반해, 본 발명에서 사용되는 후술한 방법에 의해 제조된 본 발명의 입상 금속 철은 그 제법의 특징상 C 함유량이 1.0 내지 4.5%이고, Si 함유량이 0.02%이상 0.5% 이하, 바람직하게는 0.2% 미만이고, Mn 함유량이 0.3% 미만이라는 점에서, 전술한 통상의 금속 철과는 상기 원소 함유량에서 차이가 있다. 또한, 후술한 바와 같이 본 발명의 입상 금속 철은 원료 성형체의 제조 단계에서 CaO원을 첨가하여 슬래그 형성 성분의 염기도를 높힘으로써 S 함유량을 감소시켜 S 함유량이 0.08% 이하인 점에서 통상의 방법에 의해 제조된 금속 철과도 구별될 수 있다.
또한, 본 발명의 입상 금속 철이 1 내지 30㎜ 범위의 입경을 갖는 것이 중요하다. 1㎜ 미만의 입경을 갖는 미립물은 분별 회수시 미세한 슬래그 성분이 쉽게 혼입되어 Fe 순도가 저하되거나 흩날리기 쉽기 때문에 입상 제품으로서의 품질 및 취급에 문제가 발생하게 된다.
한편, 입경의 상한은 이후에 설명하는 바와 같이 제조상의 제약내에서 소정의 Fe 순도를 확보할 수 있는 한계의 입경으로서 정한 것으로, 상기 입경이 30㎜를 초과하는 큰 입경의 금속 철을 얻기 위해서는 원료로서 큰 성형체를 사용해야 한다. 이러한 큰 원료 성형체를 사용하면, 입상 금속 철을 제조하기 위해 고체 환원, 침탄 및 용융을 수행할 때, 특히 고체 환원 단계에서 원료 성형체의 내부까지 열이 전달되는데 시간이 오래 걸려 고체 환원의 효율이 저하될 뿐만 아니라 침탄 용융 후의 용융철의 합체가 응집으로 인해 균질하게 진행되지 않고, 그 결과 수득되는 입상 금속 철의 형상이 복잡하고 불규칙해져 균질한 입경 및 품질을 갖는 입상 금속 철을 수득할 수 없다.
또한, 입상 철의 형상 및 크기는 상기 원료 성형체의 크기를 비롯한 다양한 인자, 예를 들면 배합 원료(산화철 공급원의 종류 및 슬래그 형성 성분의 조성), 고체 환원 후의 침탄량, 노내 분위기 온도(특히, 침탄, 용융 및 응집이 진행되는 구획의 분위기 온도) 및 원료 성형체가 환원 융해로로 공급되는 공급 밀도에 따라 변한다. 공급 밀도 및 원료 성형체의 크기는 동일한 영향을 미치고, 공급 밀도가 높을수록 침탄 용융에 의해 생성되는 용융 금속 철이 노상에서 응집되고 합체되어 큰 크기로 형성되기 쉽다. 원료 성형체의 공급 밀도를 점차로 증가시켜 다층 적층 상태로 노상으로 공급하면 용융 금속 철이 합체되어 대괴화될 가능성이 높아질 수 있다. 그러나, 공급 밀도를 과도하게 높일 경우, 노내 전열 속도가 저하되어 고체 환원율의 상승이 저해되는 등, 응집 및 합체가 균질하게 진행되기 어려워지고, 생성되는 입상 금속 철의 형상이 복잡하고 불규칙해져 균질한 입경 및 형상을 갖는 입상 금속 철을 수득할 수 없다.
원료 성형체의 크기 등으로부터 비롯된 문제는, 제품으로서 입경이 30㎜ 이상인 입상 금속 철을 수득하고자 한다면 현저히 나타나지만, 입경이 30㎜ 이하인 입상 금속 철을 제조할 때에는 발생하지 않고, 30㎜ 이하의 비교적 균질한 입경 및 비교적 균질한 형상을 갖는 입상물을 수득할 수 있다. 이러한 이유로 본 발명에서는 입경의 상한을 30㎜ 이하로 정하고 있다. 보다 균질한 입경 및 겉보기의 형상을 갖는 입상 금속 철은 3 내지 15㎜의 입경에서 수득할 수 있음을 주지해야 한다.
또한, 원료 성형체에 배합되는 철광석의 종류 및 특성에 따라 생성되는 입상 금속 철의 크기는 다르고, 일반적으로는 산화철 공급원으로서 마그네타이트계 철광석을 사용한 경우 응집성은 양호하지만, 원료 성형체 1개 중에 포함된 철 함유량 전부가 1개의 입상 금속 철로 응집되는 것으로 한정할 수는 없고, 2 내지 3개로 분할되어 응집되는 것도 종종 관찰된다. 이러한 현상이 발생하는 원인은 명확하게 밝혀지진 않았지만 산화철 공급원으로서의 산소 함유량의 차이, 철광석의 결정 구조의 차이 및 맥석 성분으로부터 유래된 슬래그 형성 성분의 차이 등의 복합적인 조합이 가능한 원인으로 생각된다. 그러나, 비교적 균질한 입경 및 형상을 갖는 입상 금속 철은 제품의 입경이 30㎜ 이하일 때 안정하게 수득될 수 있는 것으로 확인되었다.
전술한 모든 요건을 만족시키는 본 발명의 입상 금속 철은 전기로 등을 비롯한 각종 제철·제강 설비 또는 합금강 제조 설비에서 철·강철 및 합금강을 제조하기 위한 철 공급원으로서 효과적으로 사용될 수 있다.
지금부터는 상기 요건을 만족시키는 입상 금속 철 제법의 실시태양을 도면을 참고로 하여 상세히 기술할 것이다.
도 1 내지 3은, 본 발명의 입상 금속 철을 제조하는데 사용되는 발명자들에 의해 개발된 회전식 노상형 환원 융해로의 예를 나타내는 설명도이다. 상기 환원 융해로는 고리형 이동식 노상을 갖는 돔형 구조이다. 도 1은 개략도이고; 도 2는 도 1에서 선 A-A를 따라 절취한 단면도이고; 도 3은 상기 구조의 이해를 돕기 위해 도시한 이동 방향으로 진행하는 이동식 노상의 단면도이다. 이들 도면에서, 참고번호(1)는 회전식 노상을 나타내고, 참고번호(2)는 회전식 노상(1)을 덮는 노 본체를 나타내며, 회전식 노상(1)은 도시되지 않은 구동장치에 의해 적당한 속도로 회전 구동할 수 있도록 구성되어 있다.
노 본체(2)의 벽면 적소에는 다수의 연소 버너(3)가 설치되어 있고, 상기 연소 버너(3)의 연소열 및 그의 복사열을 회전식 노상(1)의 원료 성형체에 전함으로써 상기 원료 성형체의 가열 환원이 이루어진다. 바람직한 예로서 도시한 노 본체(2)는 3개의 격벽(K1, K2 및 K3)에 의해 제 1 영역(Z1), 제 2 영역(Z2), 제 3 영역(Z3) 및 제 4 영역(Z4)으로 분할된다. 회전식 노상(1)을 향하는 원료 및 보조 원료 공급 수단(4)은 노 본체(2)의 회전 방향을 기준으로 가장 업스트림측에 놓여 있고, 배출기(6)는 회전식 구조이기 때문에 회전 방향으로 가장 다운스트림측, 즉 공급 수단(4)의 업스트림측에 구비되어 있다.
환원 융해로의 작동시, 소정의 속도로 회전식 노상(1)을 회전시키면서 철광석 등 및 탄재를 포함하는 원료 성형체를 적합한 두께에 도달할 때까지 공급 수단(4)으로부터 공급한다. 회전식 노상(1) 위에 있는 원료 성형체는 제 1 영역(Z1)을 통해 통과하는 동안 연소 버너(3)에 의해 발생하는 연소열 및 그의 복사열을 받게 되어, 그 결과 성형체 중의 산화철은 성형체 중의 탄재와 탄재의 연소에 의해 생성된 일산화탄소로 인해 고체 상태를 유지하면서 환원된다. 계속해서, 원료 성형체는 제 2 영역(Z2)에서의 가열에 의해 추가 환원되고, 실질적으로 완전히 환원된 철은 제 3 영역(Z3)에서 환원성 분위기에서 추가 가열되어 침탄 및 용융되고, 부산물로서 생성된 슬래그로부터 환원철을 분리하면서 응집시켜 입상 금속 철을 생성시킨다. 계속해서, 생성된 입상 금속 철을 제 4 영역(Z4)에서 적합한 냉각 수단(C)에 의해 냉각하여 응고시킨 후, 냉각 수단(C)의 다운스트림에 위치한 배출기(6)에 의해 순차적으로 배출시킨다. 이때, 철광석 중 맥석 성분으로부터 유래된 부산물 슬래그도 배출된다. 슬래그 및 금속 철은 호퍼(H)로 공급된 후 바람직한 분리 수단(체망 또는 자기 선별기)에 의해 각각 분리된다. 최종적으로, 철 순도가 약 94% 이상, 보다 바람직하게는 약 96% 이상이고, 슬래그 성분 함유량이 극히 적은 입상 금속 철을 얻을 수 있다.
도면에서 제 4 영역(Z4)은 대기 개방형이지만, 실제 조업시 열 손실을 가능한 방지하고 노 내부의 분위기를 적절히 조절하도록 커버로 덮힌 밀폐 구조인 것이 바람직하다. 또한, 예를 들어 회전식 노는 3개의 격벽(K1, K2 및 K3)을 사용하여 제 1 영역(Z1), 제 2 영역(Z2), 제 3 영역(Z3) 및 제 4 영역(Z4)으로 분할되어 있지만 이러한 분할 구조로 한정되지 않고, 노의 크기, 목표 생산 능력, 조업 형태 등에 따라 적합하게 변형시킬 수 있다. 그러나, 본 발명의 입상 금속 철을 효율적으로 제조하기 위해서, 적어도 가열 환원의 전반 단계인 고체 환원 영역과 가열 환원의 후반 단계인 침탄-용융-응집 영역 사이에 격벽을 제공하여 노의 온도 및 분위기 가스를 개별적으로 조절할 수 있는 구조가 바람직하다.
상기 환원 용융 방법에서 환원 단계(고체 환원 단계)의 분위기 온도가 매우 높은 경우, 구체적으로 분위기 온도가 환원 과정의 특정 기간에 맥석 성분, 환원되지 않은 산화철 등을 포함하는 슬래그 성분의 융점 보다 높은 경우, 원료 중 산화철(FeO)은 환원되기 전에 용융되어, 용융된 산화철이 탄재에 함유된 탄소(C)와의 반응으로 인해 "용련 환원(smelting reduction)"(용융 상태로 환원이 진행되는 현상으로 고체 환원과는 다름)이 급속히 진행된다. 용련 환원으로도 금속 철이 제조될 수 있지만, 용융 상태로 환원이 일어나면 환원철과 부산물 슬래그의 분리가 어렵게 되고, 환원철이 스펀지상으로 수득되어 입상화가 어렵게 될 뿐만 아니라 환원철 중의 슬래그 혼입량도 많아져 본 발명에서 지정한 Fe 함유량의 범위를 달성하기 어렵게 된다. 또한, 응집으로 인해 합체되어 형성된 용융 금속 철은 노상에 넓게 퍼져 단일 입상물이 되기 보다는 편평하게 될 수 있다.
도 4는 산화철 공급원으로서 철광석을 탄소질 환원제로서 석탄을 포함하는 원료 성형체(16 내지 19㎜의 입경을 갖는 펠렛)를 분위기 온도가 약 1300℃(그래프에서 직선 ①)로 조절된 노에 장입시켜 환원율(원료 성형체에 함유된 산화철로부터 제거되는 산소의 비율)이 약 100%에 도달할 때까지 고체 환원을 실시하고, 생성된 환원철을 그래프에서 직선 ③으로 표시된 시점에서 분위기 온도가 약 1425℃(직선 ②)로 조절된 용융 영역으로 장입시켜 용융시키는 반응 상태를 나타낸 것으로, 도면에서 미리 원료 성형체로 장입된 열전대에 의해 연속적으로 측정한 성형체의 내부 온도, 노의 분위기 온도, 및 환원 과정에서 생성된 이산화탄소 및 일산화탄소의 시간에 따른 농도의 변화를 나타낸다.
상기 도면으로부터 자명한 바와 같이, 노로 장입된 원료 성형체의 고체 상태를 유지하고, 환원율(산소 제거율)이 80%(도 4에서 지점(A)로 표시됨) 이상, 바람직하게는 94%(도 4에서 지점(B)로 표시됨) 이상이 될 때까지 원료 성형체의 환원을 진행시키기 위해 노의 내부 온도를 1200 내지 1500℃ 범위, 보다 바람직하게는 1200 내지 1400℃로 유지하면서 고체 환원을 진행시키고, 계속해서 노의 내부 온도를 1350 내지 1500℃로 올려, 일부 남아있는 산화철을 환원시키고 생성된 금속 철을 침탄 용융에 의해 응집시키는 2단계 가열 방식을 적용하여 Fe 순도가 높은 입상의 금속 철을 안정하고 효율적으로 제조할 수 있다.
도 4에서 가로좌표로서 표시된 시간은 원료 성형체를 구성하는 철광석 및 탄재의 조성에 따라 약간의 차이는 있지만, 산화철의 고체 환원과 용융, 응집 및 합체는 통상적으로 약 10 내지 13 분후에 완료되어 입상의 금속 철을 수득할 수 있다.
원료 성형체의 고체 환원을 80% 미만의 환원율에서 멈추고 가열 용융을 실시하면, 전술한 바와 같이 생성되는 환원철이 스펀지상이 되어 입상화가 어려워질 뿐만 아니라, 최종적으로 수득되는 금속 철 중의 Fe 함유량을 94% 이상 달성하기가 어려워진다. 반대로, 고체 환원의 최종 단계에서 환원율이 80% 이상, 보다 바람직하게는 94% 이상에 도달할 때까지 고체 환원을 실시하고, 후속 과정인 침탄·용융·응집을 수행하면, 원료 성형체 중의 철광석의 종류 및 조성에 무관하게, 원료 성형체에 남아있는 일부의 FeO도 원료 성형체의 내부에서 효율적으로 환원되고, 침탄·용융 과정에서 부산물인 슬래그를 배척하면서 성장하고 입상화되어, Fe 함유량이 높고, 입경이 비교적 균질한 입상 금속 철을 얻을 수 있다.
도 4의 전단계인 고체 환원 영역에서 높은 환원율을 확보할 수 있는 바람직한 노의 내부 온도는 1200 내지 1500℃, 보다 바람직하게는 1200 내지 1400℃의 범위이며, 1200℃ 미만의 온도에서는 고체 환원 반응이 느리게 진행되어 노에서의 체류 시간이 길어지기 때문에 생산성이 떨어지고, 노의 내부 온도가 1400℃ 이상, 특히 1500℃를 초과하면, 입상 금속 철이 서로 합체되고 대형화되어 불규칙한 형상으로 형성되어 제품으로서 바람직하지 못하게 된다.
또한, 원료 중 철광석의 조성 및 배합량에 따라 1400 내지 1500℃의 온도 범위에서 입상 금속 철이 서로 합체되어 대형화되지 않는 경우도 있을 수 있지만, 그 빈도 및 가능성은 비교적 낮으므로 고체 환원 단계의 바람직한 온도는 1200 내지 1500℃이고, 보다 바람직한 온도는 1200 내지 1400℃이다. 또한, 실제 조업에서 고체 환원의 초기 단계에서는 노의 내부 온도를 1200℃ 이하로 설정하고, 고체 환원의 후반부에서는 온도를 1200 내지 1500℃로 올려 고체 환원을 진행시킬 수 있다.
고체 환원 영역에서 목표로 하는 고체 환원을 마친 성형체를 노의 내부 온도를 1425℃로 높인 용융 영역으로 이송한다. 도 4에 나타낸 바와 같이 성형체의 내부 온도를 올리고, C점에 도달한 후 내리고, 다시 올려 1425℃의 설정 온도에 이르게 한다. C점에서의 온도 강하는 환원철의 용융에 수반되는 용해 잠열로 인한 것으로 생각되는데, 즉 상기 C점을 용융 개시점으로 볼 수 있다. 이 용융 개시점은 실질적으로 환원철 입자내의 잔류 탄소량에 의해 결정되고, 환원철의 융점은 잔류 탄소 및 CO 가스에 의한 침탄으로 인해 낮아지기 때문에 환원철은 급속히 용융된다.
환원철을 급속히 용융시키기 위해서는 고체 환원 후에 침탄시키기에 충분한 양의 탄소가 환원철에 남아 있어야 한다. 잔류 탄소량은 원료 성형체의 제조시 사용된 철광석 및 탄재의 양에 의해 결정된다. 본 발명자는, 고체 환원 단계에서의 최종 환원율이 실질적으로 100%에 이른 상태, 즉 금속화율이 100%에 이른 상태에서, 상기 고체 환원물 중의 잔류 탄소량(즉, 잉여 탄소량)이 1.5% 이상이 되도록 탄재 배합량을 초기에 조정하면, 환원철을 급속히 침탄시켜 그의 융점을 강하할 수 있고, 1300 내지 1500℃의 온도 범위에서 급속히 응집시켜 적합한 입경으로 합체시킬 수 있다. 환원철 중의 잔류 탄소량이 1.5% 미만이면 탄소량이 침탄에 부족하기 때문에 환원철의 융점은 충분히 강하되지 않고, 가열 용융을 위한 온도를 1500℃ 이상 올려야 한다.
또한 침탄량이 0인 경우, 즉 순수한 철인 경우, 용융 온도는 1537℃이고, 이 온도를 초과하는 온도로 가열하면 환원철을 용융시킬 수 있지만, 실제 노에서 조업 온도를 낮춰 노상 내화물에 부과된 열 부하를 경감시키는 것이 바람직하기 때문에 조업 온도는 약 1500℃ 이하로 하는 것이 바람직하다. 보다 구체적으로는 도 4에서 용융·응집 단계에서 용융 개시점(C점)으로부터 약 50 내지 200℃까지 올릴 수 있도록 조업 조건을 조절하는 것이 바람직하다. 이러한 고체 환원, 침탄 및 용융을 보다 원활하고 효율적으로 진행시키기 위해 상기 침탄·용융 단계의 온도를 고체 환원 단계의 온도보다 50 내지 200℃, 보다 바람직하게는 50 내지 150℃ 높게 설정하는 것이 바람직하다.
본 발명에서 최종적으로 수득되는 입상 금속 철 중의 탄소량은 1.0 내지 4.5%, 더욱 바람직하게는 2.0 내지 4.0%의 범위에 있어야 하고, 상기 탄소량은 원료 성형체를 제조할 때 사용된 탄재 배합량 및 고체 환원 단계의 분위기 조절제에 의해 대체로 결정된다. 특히, 탄소량의 하한치는 고체 환원의 최종 단계에서 환원철 중의 잔류 탄소량 및 고체 환원 단계 이후의 단계에서의 체류 시간(침탄량)에 의해 결정되지만, 전술한 바와 같이 고체 환원의 최종 단계에서 거의 100%에 이르는 환원율을 달성하고, 1.5%의 잔류 탄소량을 확보하면, 최종적으로 수득되는 입상 금속 철은 1.0% 이상의 탄소량을 가질 수 있다. 또한, 고체 환원의 완료 시점에서 환원철 중의 잔류 탄소량이 5.0%이고, 계속해서 용융·응집 단계에서 상기 환원철의 침탄·용융 및 응집을 수행하면, 수득되는 입상 금속 철 중의 탄소량을 4.5%까지 높일 수 있다는 것을 확인했다. 그러나, 2.0 내지 4.0%의 최종 탄소량을 갖는 입상 금속 철을 확실히 수득하기 위해서는 고체 환원의 완료 후 환원철 중의 잔류 탄소량을 1.5 내지 4.5%의 범위로 조절하는 것이 바람직하다.
분위기 가스에 대해서, 고체 환원이 급속히 진행되고 있는 단계에서는 원료 성형체의 산화철과 탄재의 반응에 의해 다량의 CO가 생성되어 자기-차폐 작용에 의해 성형체 근방 영역은 높은 환원성 분위기가 유지되지만, 고체 환원 단계의 후반부 및 후속적인 침탄·용융 단계에서 CO 가스의 발생량은 격감하여 자기-차폐 작용에 의한 재산화 방지 효과는 기대할 수 없다.
도 5는 고체 환원 생성물의 금속화율, 잔류 FeO 및 잔류 탄소량 사이의 관계를 측정한 결과를 나타낸 것으로, 도시한 바와 같이 잔류 FeO는 고체 환원이 진행됨에 따라, 즉 금속화율이 상승함에 따라 감소한다. 도면중의 직선 ①까지는 상기 도 4에 나타낸 바와 같이 1200 내지 1500℃의 온도로 조절된 노 내부에서 원료 성형체의 고체 환원이 진행된다. 그 후 계속해서 높은 환원성 분위기에서 1350 내지 1500℃의 온도로 조절된 용융 단계에서 환원철의 침탄·용융·응집이 진행되고, 상기 단계에서의 금속화율, 잔류 FeO 및 잔류 탄소 사이의 관계는 도 5에서 직선 ①의 우측에 나타낸 곡선에 상응해서 변한다.
도 5에서 곡선(1) 및 (2)는 금속화율 및 잔류 탄소량 사이의 관계를 나타내며, 구체적으로 곡선(1)은 100%의 금속화율에 도달한 시점에서의 잔류 탄소량이 1.5%인 경우를 나타내고, 곡선(2)는 100%의 금속화율에 도달한 시점에서의 잔류 탄소량이 3.0%인 경우를 나타낸다. 본 발명의 입상 금속 철을 수득하기 위해서 잔류 탄소량이 곡선(1) 이상이 되도록 원료 성형체의 제조 단계에서 탄재의 배합량을 조정하는 것이 바람직하다.
또한, 원료 성형체를 제조할 때 탄재 배합량을 일정하게 해도, 노 내부의 분위기 가스의 환원력에 따라 금속화율이 100%인 시점에서의 잔류 탄소량은 약간 변하기 때문에 조업시 사용된 분위기 가스의 환원력에 따라 탄재의 배합량을 적절히 조정해야 하지만, 금속화율이 100%인 시점에서의 최종 잔류 탄소량이 1.5% 이상이 되도록 초기 탄재 배합량을 조정하는 것이 바람직하다.
즉, 도 6은 금속화율이 100%인 시점에서의 최종 잔류 탄소량과 수득되는 입상 금속 철의 C 함유량 사이의 관계를 조사한 결과를 나타낸 것으로, 상기 잔류 탄소량이 1.5 내지 5.0%이면 수득되는 입상 금속 철은 1.0 내지 4.5%의 C 함유량을 확실히 가질 수 있고, 잔류 탄소량이 2.5 내지 4.5%이면 수득되는 입상 금속 철은 2.0 내지 4.0%의 C 함유량을 확실히 가질 수 있다.
상기 설명에서는 2가지 표시인자, 즉 금속화율 및 환원율을 사용하여 FeO의 환원 상태를 나타낸다. 금속화율 및 환원율의 정의는 하기 수학식 1 및 2로 기술된다. 이 둘 사이의 관계는 예를 들어 도 7에서 나타낼 수 있다. 이 둘 사이의 관계는 산화철 공급원으로서 사용된 철광석의 종류에 따라 변하고, 도 7은 산화철 공급원으로서 마그네타이트(Fe3O4)를 사용한 경우의 금속화율 및 환원율 사이의 관계를 나타낸다.
본 발명의 입상 금속 철을 제조할 때 사용된 환원 융해로에서 전술한 바와 같이 원료 성형체를 가열하는데 버너를 사용한다. 고체 환원 단계는 상기 도 4에서 설명한 바와 같이 노에 장입된 원료 성형체에 함유된 산화철 공급원 및 탄재 사이의 반응에 의해 다량의 CO 가스 및 소량의 CO2가 발생하기 때문에, 원료 성형체 근방은 원료 성형체로부터 방출된 CO 가스의 차폐 작용으로 인해 충분한 환원성 분위기로 유지된다.
그러나, 이러한 자기-차폐 작용은 고체 환원의 후반부에서 최종 단계 동안에 CO 가스 발생량의 급격한 감소로 약화되므로 환원철은 버너 가열에 의해 발생되는 연소 배기 가스(CO2, H2O 등을 포함하는 산화 가스)의 영향을 받기 쉽고, 환원되었던 금속 철의 재산화가 쉽게 일어난다. 고체 환원의 완료 후의 단계에서 미세한 입자인 환원철의 용융 및 응집은 성형체 중의 잔류 탄소에 의한 환원철의 침탄으로 인한 융점 강하에 의해 진행되지만, 상기 단계에서도 상기 자기 차폐 작용은 부족하기 때문에 환원철의 재산화가 쉽게 일어날 수 있다.
따라서, 이러한 재산화에 의한 Fe 순도의 저하를 가능한 억제하면서 고체 환원 후의 침탄·용융·응집을 효율적으로 진행시켜 Fe 순도를 94% 이상 확보하고 동시에 적절한 입경의 입상 금속 철을 수득하기 위해서는 침탄 및 용융 영역의 분위기 가스의 조성을 적절하게 조절하는 것이 바람직하다.
이어서, 고체 환원 완료 후 침탄·용융 단계에서 환원철의 재산화를 방지하면서 침탄 및 용융을 효율적으로 진행하기 위한 분위기 조건에 관한 검토를 수행하였다. 그 결과를 도 8을 참조하여 설명할 것이다. 이 실험에서는 박스형 전기로를 사용하고, 침탄·용융 단계에서 분위기 조절제로서 석탄립을 사용하고, 이를 노상 위에 도포하여 적합한 두께의 층을 형성함으로써 침탄·용융 단계에서 높은 환원성 분위기를 유지하는 방법을 적용시켰다.
더욱 구체적으로, 입경이 상이한 다른 석탄립을 분위기 조절제로서 사용하고, 이를 알루미나 트레이 위에 약 3㎜ 두께로 깔아 도포하고, 약 19㎜의 입경을 갖는 원료 성형체 50 내지 60개를 그 위에 일렬로 놓고, 그 중 하나에 열전대를 구비하고, 원료 성형체를 박스형 전기로에 장입시켜 가열하는 동안 원료 성형체의 온도를 측정하고, 발생하는 가스 조성을 측정하여 생성된 금속 철의 재산화 가능성을 조사했다. 또한, 전기로의 내부 온도를 최고 약 1450℃에 도달하도록 설정하였다. 전기로 내부의 분위기 가스의 최초 조성은 CO2가 20%이고 N2가 80%였다.
도 8은, 전기로의 내부 온도를 점차로 상승시켰을 때 상기 열전대에 의해 검출된 원료 성형체의 온도 및 분위기 가스의 조성을 시간의 경과에 따라 측정한 결과를 나타낸 것으로, 가로축은 온도 변화를 나타내고 세로축은 분위기 가스의 간단한 환원력[(CO)/(CO+CO2)]을 나타낸다. 상기 도면에서 4가지의 실험 결과를 도시하였다. 도면에서 곡선(3)은 분위기 조절제를 사용하지 않은 실험 결과를 나타내고, 곡선(4)는 평균 입경이 3.0㎜를 초과하는 조립의 석탄을 분위기 조절제로서 사용한 실험 결과를 나타내고, 곡선(1) 및 (2)는 입경을 2.0㎜ 이하로 조정한 미립 석탄분 A 및 B를 사용한 실험 결과를 나타내고, 이 도면에서 재산화 가능성을 나타내는 기준으로서 FeO-Fe 평형 곡선 및 Fe3O4-FeO 평형 곡선도 병기하고 있다. 또한, 도면에서 원으로 둘러싸인 영역은 각각의 실험에서 고체 환원이 거의 완료되어 환원철의 침탄·용융·응집이 시작되는 시점을 나타내고, 이 시점에서의 분위기 가스의 조절은 산화철의 재산화를 억제하여 Fe 순도가 높은 입상 금속 철을 수득하는데 있어서 특히 중요하다.
상기 도면으로부터 자명한 바와 같이, 분위기 조절제를 사용하지 않은 곡선(3)의 경우 환원철의 침탄·용융·응집이 시작되는 영역(C)은 FeO-Fe 평형 곡선보다 훨씬 아래에 있는데, 이는 환원철 중 일부가 용융 환원을 일으키면서 환원철 전부가 용융되는 것을 의미한다. 이 경우에서도 금속 철은 생성되지만, 전술한 바와 같이 용융 환원이 일어나면 생성된 금속 철이 스펀지상이 되기 쉬워 입상화되기 쉬울 뿐만 아니라 금속 철의 Fe 순도도 불충분해진다.
이와는 반대로, 곡선(1) 및 (2)는 미세 석탄분을 분위기 조절제로서 사용하여 실험한 경우 상기 그래프로부터 명백히 알 수 있는 바와 같이 분위기 가스의 환원력이 상당히 개선되어 환원철의 침탄·용융·응집이 일어나는 영역 (A)이 FeO-Fe 평형 곡선 위에 위치하는데, 이는 FeO가 생성될 수 없는 영역에 존재함을 의미한다. 또한, 곡선(3)은 조립의 석탄을 사용하여 실험한 경우 환원철의 침탄·용융·응집이 일어나는 영역(B)은 FeO-Fe 평형 곡선의 약간 아래에 위치하는데, 이는 약간의 재산화가 일어날 수도 있음을 의미하지만, 수득된 금속 철의 성분 분석을 실시한 결과 재산화가 거의 일어나지 않은 것으로 확인되었다.
또한, 적어도 침탄·용융·응집의 시작 단계에서 분위기 가스의 환원력을 0.5 이상, 보다 바람직하게는 0.6 이상, 더욱 바람직하게는 0.7 이상, 가장 바람직하게는 FeO-Fe 평형 곡선 위에 있도록 조절함으로써 고체 환원에 의해 생성된 환원철의 재산화를 초래하지 않고 침탄·용융·응집을 원활히 진행시킬 수 있고, Fe 함유량이 94% 이상이고, 탄소 함유량이 1.0 내지 4.5%의 범위인 입상 금속 철을 매우 효율적으로 제조할 수 있음이 확인되었다.
또한, 상기 도 8의 실험 데이터를 직접 분석하면, 0.5 내지 0.7의 단순 환원력에서는 상당량의 재산화가 우려되지만, 이 실험은 분위기 가스의 환원력만을 측정하는데 수행되고, 실제 원료 성형체의 내부 또는 그 근방에서는 원료 성형체내 잔류 탄소 및 분위기 조절제의 존재로 인해 높은 환원성 분위기로 유지되며, 노상 상부의 분위기에서 CO2 및 H2O와 같은 산화성 가스는 원료 성형체 근방으로 들어오게 되면 탄소질 분위기 조절제에 의해 즉시 환원되기 때문에, 실제로 측정된 분위기 가스의 환원력이 0.5 내지 0.7이라도 재산화는 일어나지 않는 것으로 추정된다. 또한, 상기 환원력이 0.5 미만에서는 생성되는 금속 철이 재산화되기 쉽고, 불충분한 침탄으로 인해 금속 철의 응집 및 입상화의 진행이 어려워져 본 발명의 입경 범위의 입상 금속 철을 수득하기가 어렵게 된다.
또한, 환원철의 침탄·용융·응집이 완료된 후 분위기 가스의 환원력은 급속히 저하되지만 실제 조업시 이 시점에서 용융되고 응집된 금속 철은 부산물 슬래그와 거의 완전히 분리되기 때문에 분위기 가스에 의한 영향은 거의 받지 않고, 금속 철을 냉각 응고시킴으로써 슬래그 혼입량이 적고 Fe 함유량이 높은 입상의 금속 철을 효율적으로 얻을 수 있다.
상기로부터 명백한 바와 같이 분위기 조절제로서 석탄분을 사용한 경우, 입경을 3㎜ 이하, 보다 바람직하게는 2㎜ 이하로 미세화하여 사용하는 것이 침탄·용융·응집 단계에서의 재산화를 더욱 확실히 방지할 수 있기 때문에 바람직하다. 또한, 실제 조업시 노의 수율 및 조업성 등을 고려하여 상기 석탄분의 입경을 0.3 내지 1.5㎜의 범위로 하는 것이 가장 바람직하다. 상기 석탄분이 도포되는 두께에 대한 특별한 제한은 없지만, 석탄분 층이 너무 얇으면 분위기 조절제로서의 석탄분의 양이 불충분하기 때문에, 두께는 바람직하게는 약 2㎜ 이상, 더욱 바람직하게는 3㎜ 이상이다. 두께의 상한에 대한 특별한 제한은 없지만, 과도하게 두텁게 도포하더라도 분위기 조절 작용은 포화되고 경제적으로도 낭비가 되기 때문에, 바람직하게는 약 7㎜ 이하, 보다 바람직하게는 6㎜ 이하로 하는 것이 실제로 바람직하다. 또한, 분위기 조절제로서 석탄, 코크스 및 목탄 등의 CO 발생원이 되는 것이면 임의의 물질을 사용할 수 있고, 상기 물질의 혼합물도 사용할 수 있다.
상기 분위기 조절제는 원료 성형체를 노상 위로 장입하기 전에 노상 위에 미리 도포할 수 있고, 이 경우 분위기 조절제는 환원·용융 과정에서 스며나올 수 있는 용융 슬래그로부터 노상 내화물을 보호하는 작용도 한다. 그러나, 분위기 조절제가 고체 환원 후 침탄·용융·응집 단계에서 작용을 하기 때문에 원료 성형체가 침탄·용융을 시작하기 직전에 분위기 조절제를 노상 위에 장입시키는 것이 효과적이다.
상기 방법에 따라 침탄·용융 단계에서 분위기 가스의 환원력을 높임으로써 환원철의 재산화를 방지하고 침탄·용융 및 응집에 의한 입상화를 효율적으로 진행시킬 수 있고, Fe 함유량이 높고 적합한 입도 구성을 갖는 입상 금속 철을 효율적으로 제조할 수 있다. 이때 고체 환원으로부터 침탄·용융·응집에 이르는 일련의 공정을 보다 효율적으로 진행시키기 위해 각 단계마다 온도 및 분위기 가스를 적절히 조절하는 것이 바람직하다. 특히, 고체 환원 단계의 온도는 전술한 바와 같이 용융 환원 반응이 일어나지 않도록 1200 내지 1400℃로 유지하는 것이 바람직하고, 침탄·용융·응집 단계의 온도는 1300 내지 1500℃로 유지하는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 상기 고체 환원 단계의 온도를 침탄·용융·응집 단계의 온도보다 50 내지 200℃ 낮게 조절하는 것이다.
분위기 가스 조건에 관해, 고체 환원 단계에서 원료 성형체내 탄재의 연소에 의해 발생하는 다량의 CO가스로 인해 높은 환원성 분위기가 유지되기 때문에 노 내부의 분위기 가스의 조정은 필요하지 않지만, 침탄·용융·응집 단계에서는 원료 성형체로부터의 CO가스의 방출량이 대폭 감소하여 버너 연소에 의해 생성되는 산화성 가스에 의한 재산화가 일어나기 때문에 이 단계 이후부터는 분위기 조절제를 사용하여 노 내부의 분위기 가스를 적절히 조절하는 것이 적합한 탄소량을 갖는 입상 금속 철을 수득하는데 있어서 중요하게 된다.
따라서, 환원 용융의 진행에 따라 개별적으로 온도 및 노 내부의 분위기 가스 조성을 적절히 조정하기 위해서는 환원 융해로가 상기 도 1 내지 3에서 설명한 바와 같이 노상의 이동 방향으로 격벽을 사용하여 2 이상의 구획으로 분할되어 있고, 고체 환원 구획으로서 업스트림측, 침탄·용융·응집 구획으로서 다운스트림측을 사용하여 각각의 구획에서 분위기 가스의 온도 및 조성을 개별적으로 조절할 수 있는 구조인 것이 바람직하다. 도 3에서는 3개의 격벽을 사용하여 4개의 구획으로 분할되어 분위기 가스의 온도 및 조성을 더욱 정확하게 조절할 수 있는 전형적인 노를 예시하고 있지만, 이러한 분할 구획의 수는 환원 용융 설비의 규모 또는 구조에 따라 변할 수 있다.
전술한 방법에 의해 수득된 본 발명의 입상 금속 철은 슬래그 성분을 거의 포함하지 않고, Fe 순도가 94% 이상, 보다 바람직하게는 96% 이상이고, 탄소 함유량이 1.0 내지 4.5%의 범위이고, 입경이 1 내지 30㎜의 범위이다. 이러한 입상 금속 철은 전기화로 및 전로(轉爐)와 같은 종래의 제강 설비에서 철 공급원으로서 사용된다. 상기 입상 금속 철을 제강 원료로서 사용할 때 황 함유량은 되도록 낮은 것이 바람직하다. 상기 입상 금속 철의 제조 공정에서 철광석 및 탄재 중에 포함된 S 성분을 가능한 제거하여 낮은 황 함유량을 갖는 입상 금속 철을 수득하기 위해 연구를 계속하고 있다.
그 결과, 철광석 및 탄재를 배합하여 원료 성형체를 제조할 때, 상기 원료 성형체에 CaO원(예: 생석회, 소석회 또는 탄산칼슘)을 의도적으로 배합하여 철광석에 맥석 성분 등의 슬래그 형성 성분이 포함된 원료 성형체에 포함된 총 슬래그 형성 성분의 염기도(즉, CaO/SiO2 비)를 0.6 내지 1.8, 보다 바람직하게는 0.9 내지 1.5로 조정하면, 최종적으로 수득되는 입상 금속 철 중의 S 함유량을 0.08% 이하까지 감소시킬 수 있음이 확인되었다.
탄소질 환원제로서 가장 일반적으로 사용되는 코크스 또는 석탄에는 대체로 0.2 내지 1.0%의 S가 포함되어 있고, 이러한 S 함유량의 대부분은 금속 철에 포획되어 있다. CaO원을 의도적으로 첨가하여 염기도를 조정하지 않는 경우, 원료 성형체에 포함된 슬래그 형성 성분을 기준으로 계산된 염기도는 대체로 0.3 이하이지만, 상기 염기도는 철광석의 종류에 따라 상당히 변한다. 이러한 낮은 염기도를 갖는 슬래그를 사용하면, 고체 환원 단계 또는 후속적인 침탄·용융·응집 단계에서 금속 철로의 S의 혼입(황화)은 불가피하고, 원료 성형체 중 총 S 함유량의 약 85%가 금속 철로 혼입될 것이다. 따라서, 입상 금속 철 중의 S 함유량이 높아져 최종 제품인 금속 철로서의 품질이 손상된다.
전술한 바와 같이 원료 성형체의 제조 단계에서 CaO원을 의도적으로 첨가함으로써 0.6 내지 1.8의 염기도를 나타내도록 슬래그 형성 성분의 조성을 조정하면, 고체 환원 및 침탄·용융·응집 단계에서 생성되는 부산물 슬래그 중의 S 함유량이 고정되어 입상 금속 철 중의 S 함유량을 대폭 감소시킬 수 있음이 확인되었다.
S 함유량을 낮추는 메커니즘은 원료 성형체에 함유된 S가 CaO와 반응하여(CaO+S=CaS) CaS로서 고정되는 것으로 여겨진다. 상기 환원 용융 메카니즘이 명확히 밝혀지지 않았던 기술분야에서는 통상적인 고온 금속 탈황 방법에서 기대되는 CaO의 첨가에 의한 탈황은 기대할 수 없는 것으로 여겨졌지만, 본 발명자의 발견에 따르면, 고체 환원 완료 시점에서 환원철 중의 잔류 탄소에 의한 침탄으로 인해 환원철이 용융되고 응집화되어 슬래그 분리가 진행될 때 슬래그 중의 CaO가 S를 포착 및 고정시켜 입상 금속 철 중의 S 함유량을 대폭 감소시킬 수 있는 것으로 확인되었다.
이러한 S 함유량을 낮추는 메커니즘은 CaO-함유 슬래그를 사용하는 전형적인 고온 금속 탈황법과는 다르지만, 전술한 방법의 독특한 반응 특성인 것으로 생각된다. 물론, 적절한 가열 조건하에 환원철의 침탄 및 용융 후 부산물인 용융 슬래그와의 충분한 접촉이 확보되면, 슬래그 중 S 함유량(S%) 대 입상 금속 철 중 S 함유량(S%)의 비(즉, S의 분배비)((S%)/[S%])는 액체(용융 철)-액체(용융 슬래그) 반응에 의해 결정되는 것으로 생각되지만, 슬래그-금속간의 접촉 면적은 도 9(사진)에서 알 수 있는 바와 같이 매우 작아서, 환원철의 침탄·용융·응집이 완결된 이후에 일어나는 슬래그-금속 평형 반응에 의한 금속 철 중 S 함유량의 낮춤 효과는 크게 기대할 수 없다. 따라서, 상기 방법에서 사용되는 원료 성형체로의 CaO의 의도적 첨가에 의한 탈황 메커니즘은, 환원철의 침탄·용융·응집 및 슬래그의 분리가 진행되는 과정에서 일어나는 CaO 특유의 S-포착 반응 및 S-포착 반응에 의한 입상 금속 철의 황화-방지 작용에 의한 것으로 여겨진다.
또한, 염기도 조정을 위해 첨가되는 CaO의 양은 철광석 등에 포함되는 맥석 성분의 양 및 조성, 및 배합되는 탄재의 종류 및 배합량을 기준으로 정해져야 하지만, 전체 슬래그 형성 성분의 염기도를 전술한 0.6 내지 1.8의 범위로 조정하는데 필요한 CaO의 표준 첨가량은 순수한 CaO 함유량을 기준으로 전체 원료 성형체 중 2.0 내지 7.0%, 보다 바람직하게는 3.0 내지 5.0%의 범위이며, 소석회(Ca(OH)2) 또는 탄산칼슘(CaCO3)을 사용한 경우, 첨가량은 CaO의 환산량으로 한다. 원료 성형체에 4%의 CaCO3를 첨가하여 슬래그 형성 성분의 염기도를 약 0.9 내지 1.1로 조정한 경우 45 내지 50%의 겉보기의 탈황율(하기 수학식 3에 의해 결정됨)을 얻을 수 있고, 약 6%의 CaCO3를 첨가하여 슬래그 형성 성분의 염기도를 약 1.2 내지 1.5로 조정한 경우 70 내지 80%의 겉보기의 탈황율을 얻을 수 있음이 확인되었다:
상기 CaO원 첨가로 인한 S 함유량의 낮춤 효과는 박스형 전기로를 사용하여 얻은 실험 데이터를 기준으로 설명할 것이다. 도 10은 철광석, 탄재, 소량의 결합재(벤토나이트 등) 및 적당량의 CaO를 혼합하여 제조된 원료 성형체를 사용하고, 전술한 방법에 따라 환원 용융을 수행했을 때의 S 함유량의 변화를 나타낸다.
도 10에서 "건조 성형체"는, 환원 용융전 원료에 포함된 S 함유량을 100%로 했을 때 탄재(석탄)에 약 89%, 철광석에 약 11%의 S가 포함되어 있다. 이 성형체에 환원 용융을 실시한 경우, 상기 도 4에서 설명한 고체 환원의 완료시 환원철 중에 약 85%의 S가 잔류하고, 약 12%의 S는 노 밖으로 휘발 제거된다. CaO원을 첨가하지 않은 성형체(상기 성형체의 슬래그 형성 성분으로부터 계산된 염기도는 0.165임)를 사용한 경우, 최종적으로 수득되는 입상 금속 철 중에 S가 74.8% 포착되고, 슬래그 중에 S가 10.2% 포착되는 것으로 확인되었다.
이에 대해, CaO원을 3% 첨가하여 슬래그 형성 성분의 염기도를 1.15로 조정한 원료 성형체를 사용한 경우, 입상 금속 철 중에 포착되는 S의 양은 43.2%로 감소하고, 슬래그에 포착되는 S의 양은 48.8%로 증가하고, 상기 제조 공정에서 노 밖으로 휘발 제거되는 S의 양은 약 8%로 감소하였다. CaO원을 5.0% 첨가하여 슬래그 형성 성분의 염기도를 1.35로 조정한 성형체를 사용한 경우, 입상 금속 철 중에 포착되는 S의 양은 19.7%로 감소하고, 슬래그에 포착되는 S의 양은 78.8%로 증가하고, 상기 제조 공정에서 노 밖으로 휘발 제거되는 S의 양은 약 1.5%로 감소하였다.
박스형 전기로를 사용한 기본 실험에서 CaO원 첨가에 의한 염기도 조정은 금속 철 중의 S 함유량을 낮추는데 매우 효과적인 것으로 확인되었다. 실제 노를 사용하여 유사한 실험을 실시하여, CaO원의 첨가량을 변화시킴으로써 슬래그의 염기도가 다르게 변했을 때 입상 금속 철 중 S 함유량의 낮춤 효과에 미치는 염기도의 정량적인 영향을 조사하였다. 결과는 도 11에서 나타낸다.
도 11은 CaO원의 첨가량을 변화시켰을 때 일어나는 슬래그의 최종 염기도 및 입상 금속 철 중 S 함유량 사이의 관계를 도시하고, 도면에서 각 지점은 실제 결과를 나타내고, 도면에서 사선 영역은 박스형 전기로를 사용한 전술한 기본 실험의 결과를 나타낸다. 기본 실험에서는 전기 가열 방식을 사용하고, 분위기 가스로서 비활성 가스를 사용하기 때문에 분위기의 산화력은 낮고, 겉보기 탈황률에 유리하한 영향을 미친다. 이에 반해, 실제 노는 버너 연소를 사용하기 때문에 연소 배기 가스의 생성으로 인해 분위기 가스의 환원력은 기본 실험에 비해 낮고, 입상 금속 철 중의 S 함유량은 기본 실험의 결과보다 높았다. 그러나, 기본적인 경향은 기본 실험 결과에 의해 나타난 바와 거의 동일하였다. CaO원을 첨가하지 않은 경우 영역(A)에서의 입상 금속 철 중의 S 함유량은 약 0.12%였고, 염기도를 약 1.0으로 조정한 경우 영역(B)에 나타낸 바와 같이 S 함유량은 0.05 내지 0.08%로 감소하고, 겉보기 탈황률은 약 33 내지 58%였다. 염기도를 1.5로 높이면, 영역(C)에 나타낸 바와 같이 금속 철 중 S 함유량은 약 0.05%까지 감소되었음을 확인할 수 있었다.
슬래그의 염기도가 1.8 이상이 될 때까지 CaO원을 첨가하면 생성된 슬래그의 융점은 상승하기 때문에 조업 온도를 과도하게 높여야 한다. 그 결과 노의 손상이 가속화되고 열경제적으로도 불리하며 환원철의 응집 능력도 저하되어 수득되는 금속 철이 1㎜ 미만의 미립물이 되므로 제품 가치가 손상되기 때문에 바람직하지 못하다.
상기 실험으로부터 명백한 바와 같이 원료 성형체에 적당량의 CaO원을 의도적으로 첨가하여 슬래그 형성 성분의 염기도를 약 0.6 이상 높이면 생성되는 슬래그의 S 포착 능력이 현저히 높아지고 입상 금속 철 중에 포착되는 S 함유량이 대폭 감소하여 본 발명에서 요구되는 S 함유량의 수치를 만족시키는, 즉 S 함유량이 0.08% 이하인 입상 금속 철을 용이하게 수득할 수 있다. 또한, 상기 도 10에서 전술한 바와 같이 일련의 입상 금속 철 제조 공정은 SOx 등의 형태로 노 밖으로 배출되는 S 함유량도 대폭 감소시켜 배기 가스로 인한 대기 오염을 줄일 수 있고, 또한 상기 배출 가스의 탈황 처리를 실시하는 경우 부과되는 탈황 의무도 대폭 줄일 수 있다.
전술한 바와 같이 CaO원을 첨가하여 S 함유량을 낮춘 경우, CaO 첨가량에 따라 부산물 슬래그의 융점이 낮아져 환원 용융 단계에서 저융점의 슬래그가 쉽게 스며나와 노상 내화물의 용융 손실을 초래할 수 있다. 전술한 방법을 실시할 때 고체 환원 단계 및 침탄·용융·응집 단계의 2단계 가열 방식을 사용하였다. 고체 환원 단계를 1200 내지 1400℃의 온도 조건으로, 침탄·용융·응집 단계를 1350 내지 1500℃의 온도 조건으로 바람직하게 정하고, 부산물 슬래그의 융점 이하의 온도에서 고체 환원을 충분히 진행시킨 후, 계속해서 일부의 잔류 FeO의 환원, 및 환원철의 침탄·용융·응집을 진행시킴으로써 바람직하지 못한 부산물 슬래그가 스며나오는 것을 최소화할 수 있다.
철광석 및 탄재를 포함하는 원료 성형체를 먼저 고체 환원시킨 후, 침탄·용융·응집시켜 금속 철을 제조할 때 원료 성형체내 탄소질 환원제의 양 및 고체 환원 단계의 온도 조건, 및 침탄·용융 단계의 온도 조건 및 분위기 가스의 조성 등을 적절히 조절함으로써, 환원, 침탄, 용융, 응집 및 합체를 효율적으로 진행시킬 수 있고, 적절한 탄소 함유량 및 입경을 갖고 Fe 순도가 높은 입상 금속 철을 수득할 수 있다. 이러한 조건하에 수득되는 입상 금속 철 중의 Si 함유량은 0.02 내지 0.5%이고, Mn 함유량은 0.3% 미만이다. 또한, 원료 성형체에 CaO를 의도적으로 첨가하여 슬래그 형성 성분의 염기도를 조정함으로써 상기 입상 금속 철의 황 함유량을 감소시킬 수 있다.
이렇게 하여 수득된 본 발명의 입상 금속 철은 Fe 순도가 높고, 적당량의 탄소를 포함하고, 제품으로서 취급이 뛰어난 1 내지 30mm의 입도를 갖는 입경 및 균질한 형상을 갖는 것으로, 제철·제강 또는 각종 합금강 제조용 철 공급원으로서 효과적으로 사용될 수 있다.
본 발명은 하기 실시예를 사용하여 상세히 기술될 것이다. 이들 실시예는 본 발명의 범주를 제한하지 않고, 본원에 기술된 본 발명의 범주를 벗어나지 않으면서 다양하게 변형시킬 수 있고, 이러한 변형도 본 발명의 기술적 범주에 포함된다.
실시예 1
철 공급원으로서 헤마타이트계 철광석, 석탄 및 소량의 결합재(벤토나이트)를 균일하게 혼합하여 입경 약 19㎜의 원료 성형체를 제조하고, 이를 사용하여 금속 철을 제조하였다. 원료 성형체를 도 1 내지 3에서 나타낸 바와 같이 회전식 노상형 환원 융해로에 장입시키고, 약 1350℃의 분위기 온도에서 약 90%의 금속화율에 도달할 때까지 고체 환원을 진행시켰다. 그 후, 계속해서 분위기 온도가 1440℃인 침탄·용융·응집 영역으로 원료 성형체를 이송하여 침탄·용융·응집을 실시하고, 부산물 슬래그를 분리하여 슬래그가 없는 입상 금속 철을 제조했다.
이 과정에서, 원료 성형체를 노로 장입시키기 전에 2㎜ 이하의 입경을 갖는 석탄립을 분위기 조절제로서 노상 위에 약 5㎜의 두께로 도포하여 침탄·용융·응집 단계에서 분위기 가스의 환원력을 0.60 내지 0.75로 조절하였다. 원료 배합, 고체 환원 완료 후의 환원철의 조성, 최종적으로 수득된 금속 철의 조성, 생성된 슬래그의 조성 등을 도 12에 나타내었다.
용융·응집되어 슬래그로부터 거의 완전히 분리된 금속 철을 냉각 영역으로 이송하여 1000℃로 냉각하고 응고시킨 후, 배출기에 의해 노 밖으로 배출하고, 회수된 입상 금속 철, 부산물 슬래그 및 과량의 탄재의 생성비와 조성을 분석하였다. 또한, 환원 융해로로부터 침탄·용융 직전의 환원철 샘플을 취해 조성 분석을 실시한 결과, 금속화율은 약 90%이고, 잔류 탄소량은 4.58%였다. 상기 원료 성형체를 장입시켜서 금속 철을 배출하기까지의 시간은 약 9분으로 매우 짧았고, 수득된 금속 철의 C함유량은 2.88%, Si 함유량은 0.25%, S 함유량은 0.165%이며, 이 금속 철은 부산물 슬래그로부터 쉽게 분리될 수 있다. 수득된 입상 금속 철은 도 13의 사진으로 나타내고, 입경이 약 10㎜이고 실질적으로 균질한 입도 구성을 갖는다.
실시예 2
철 공급원으로서 마그네타이트계 철광석, 석탄, 소량의 결합재(벤토나이트) 및 슬래그 염기도 조절제로서 5% CaCO3를 균일하게 혼합하고 조립하여 입경 약 19㎜의 원료 성형체를 제조하였다.
상기 원료 성형체를 분위기 조절제로서 사용된 석탄립(평균 입경: 약 3㎜)이 약 3㎜의 두께로 노상 위에 도포된 층 위에 장입시키고, 상기 실시예 1에서와 같이 분위기 온도를 약 1350℃로 유지하면서 금속화율이 거의 100%에 도달할 때까지 고체 환원을 진행시키고, 그 후, 계속해서 생성된 원료 성형체를 1425℃로 유지된 용융 영역으로 이송하여 침탄·용융·응집을 실시하고 부산물 슬래그를 분리하여 슬래그가 없는 금속 철을 제조했다. 원료 배합, 고체 환원 완료 후의 환원철의 조성, 최종적으로 수득된 금속 철의 조성, 생성된 슬래그의 조성 등을 도 14에 나타내었다.
용융·응집되고 슬래그로부터 거의 완전히 분리된 금속 철을 냉각 영역으로 이송하고, 1000℃로 냉각하고 응고시킨 후, 배출기에 의해 노 밖으로 배출하고, 회수된 입상 금속 철, 부산물 슬래그 및 과량의 탄재의 생성비와 조성을 분석하였다. 또한, 환원 융해로로부터 침탄·용융 직전의 환원철 샘플을 취해 조성 분석을 실시한 결과, 금속화율은 약 92.3%이고, 잔류 탄소량은 3.97%였다.
상기 원료 성형체를 장입시켜서 금속 철을 배출하기까지의 시간은 약 8분으로 매우 짧았고, 수득된 금속 철의 C 함유량은 2.10%, Si 함유량은 0.09%, S 함유량은 0.07%였다. 본 실시예에서 S 함유량을 감소시키기 위해 CaO원을 첨가했기 때문에, S 함유량은 상기 실시예 1에서보다 낮았다. 수득된 입상 금속 철 사진은 도 15에서 나타내고, 전체 입상철 중의 98% 이상이 5 내지 30㎜ 범위의 입경을 갖는다.
본 실시예에서는, 부산물 슬래그의 융점을 CaO원의 첨가로 낮추었기 때문에 고체 환원 단계의 후반부에서 용융된 슬래그가 스며나올 우려가 있지만, 고체 환원 단계의 온도를 1200 내지 1400℃로 조정하여 고체 환원에 의해 높은 금속화율을 갖는 환원철을 수득한 후, 온도를 1350 내지 1500℃로 올리는 2단계 가열 방식을 적용하고, 분위기 조절제로서 석탄립을 노상 위에 도포시켰기 때문에, 용융된 슬래그의 스며나옴으로 인한 노상 내화물의 용융 손실의 문제는 발생하지 않았다.
고체 환원의 최종 단계에서 환원철 샘플을 취해 미세 구조를 상세히 관찰한 결과, CaO원을 첨가하지 않은 실시예 1에서는 환원철 표면에서 고농도의 Fe-(Mn)-S의 존재가 확인되었고, 침탄·용융 단계에서 Fe-(Mn)-S가 용융된 철에 포착된 것으로 확인되었지만, CaO원을 첨가한 본 실시예에서는 대부분의 S가 고체 환원의 최종 단계에서 CaO원과 반응하고 고정되어 침탄·용융 단계에서 S가 용융된 철로 혼입되는 것이 억제되는 것으로 확인되었다.
또한, 상기 실험에서 분위기 조절제로서 사용된 석탄분을 입도가 2.0㎜ 이하인 세립물로 대체한 점을 제외하고는 전술한 바와 동일하게 실험을 수행하였다. 수득되는 금속 철 중의 S함유량은 0.032%로 감소된 것으로 확인되었다.
실시예 3
상기 실시예 1과 동일한 조건하에 원료 성형체(펠렛)의 입경을 3 내지 35㎜ 범위로 다양하게 변화시킨 경우 수득되는 입상 금속 철의 평균 입경과 입상 금속 철 담체의 평균 중량에 미치는 영향을 실제 실험을 통해 확인하고, 그 결과를 도 16에 나타내었다.
상기 도면으로부터 명백히 알 수 있는 바와 같이, 약 10 내지 35㎜의 입경을 갖는 원료 성형체(건조 펠렛)를 사용함으로써 제품 금속 철로서 가장 양호한 취급성을 나타내는 입경 5 내지 20㎜ 범위의 입상 철을 효율적으로 제조할 수 있다.
본 발명은 상기와 같은 구성으로 되어 있어, Fe 순도가 높고, 적당량의 C를 포함하고, 취급이 간편한 입도 구성을 갖고, S 함유량, Si 함유량 및 Mn 함유량이 적고, 철 공급원으로서 취급이 용이하며 품질이 안정한 입상 금속 철을 제공할 수 있다. 또한, 전술한 바와 같이 제조 조건을 적절히 조절함으로써 상기 입상 금속 철을 우수한 재현성으로 안정하고 효율적으로 제조할 수 있다.

Claims (7)

  1. 탄소질 환원제와 산화철 함유 물질을 포함하는 원료를 환원 용융시켜 수득되는, 철 공급원으로서 사용하기 위한 입상 금속 철로서, Fe 함유량이 94%(이후부터 성분의 함유량은 모두 질량%를 의미함) 이상이고, C 함유량이 1.0 내지 4.5%이며, 입경이 1 내지 30㎜인 것을 특징으로 하는 입상 금속 철.
  2. 제 1 항에 있어서,
    S 함유량이 0.20% 이하인 입상 금속 철.
  3. 제 1 항에 있어서,
    Si 함유량이 0.02 내지 0.5%이고, Mn 함유량이 0.3% 미만인 입상 금속 철.
  4. 제 1 항에 있어서,
    원료 중의 산화철을 고체 상태로 가열 환원하고, 생성된 환원철을 침탄 분위기하에 추가 가열하여 침탄·용융시키고 부산물 슬래그를 배척하면서 입상으로 응집시킴으로써 제조된 입상 금속 철.
  5. 제 1 항에 있어서,
    원료에 CaO원을 첨가하여 원료 중의 슬래그 형성 성분의 염기도(CaO/SiO2)를 0.6 내지 1.8의 범위로 조정하고, 환원 용융 공정에서 생성된 슬래그에 S를 포획(trap)시켜 입상 금속 철 중의 S 함유량을 감소시킨 입상 금속 철.
  6. 제 1 항에 있어서,
    S 함유량이 0.08% 이하인 입상 금속 철.
  7. 제 1 항에 있어서,
    가열 환원 후의 금속화율이 100%인 시점에서 잔류 C 함유량이 1.5 내지 5.0%의 범위가 되도록 원료 중의 탄소질 환원제의 양이 조정된 입상 금속 철.
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Families Citing this family (26)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4691827B2 (ja) * 2001-05-15 2011-06-01 株式会社神戸製鋼所 粒状金属鉄
JP4266284B2 (ja) * 2001-07-12 2009-05-20 株式会社神戸製鋼所 金属鉄の製法
JP4167101B2 (ja) * 2003-03-20 2008-10-15 株式会社神戸製鋼所 粒状金属鉄の製法
US7393379B2 (en) * 2004-04-20 2008-07-01 Franklin Leroy Stebbing Methods of using tires and scrap rubber in the manufacture and melting of steel and other metals
TW200613566A (en) * 2004-10-29 2006-05-01 Kobe Steel Ltd Process for producing molten iron and apparatus therefor
MX2007006785A (es) * 2004-12-07 2007-10-08 Nu Iron Technology Llc Metodo y sistema para producir pepitas de hierro metalicas.
US8470068B2 (en) * 2004-12-07 2013-06-25 Nu-Iron Technology, Llc Method and system for producing metallic iron nuggets
US7632330B2 (en) * 2006-03-13 2009-12-15 Michigan Technological University Production of iron using environmentally-benign renewable or recycled reducing agents
EP2690181A1 (en) * 2006-07-26 2014-01-29 Nu-Iron Technology, Inc Method and system for producing metallic iron nuggets
WO2008042996A1 (en) * 2006-10-04 2008-04-10 Nu-Iron Technology, Llc System and method of producing metallic iron
US8097065B2 (en) * 2006-10-04 2012-01-17 Nu-Iron Technology, Llc System and method for producing metallic iron
JP5059379B2 (ja) 2006-11-16 2012-10-24 株式会社神戸製鋼所 高炉装入原料用ホットブリケットアイアンおよびその製造方法
JP4317580B2 (ja) * 2007-09-14 2009-08-19 新日本製鐵株式会社 還元鉄ペレットの製造方法及び銑鉄の製造方法
JP5420935B2 (ja) * 2008-04-09 2014-02-19 株式会社神戸製鋼所 粒状金属鉄の製造方法
CA2750290A1 (en) * 2009-01-22 2010-07-29 Nu-Iron Technology, Llc Production of iron from metallurgical waste
RU2484145C2 (ru) * 2009-01-23 2013-06-10 Кабусики Кайся Кобе Сейко Се Способ производства гранулированного железа
US8518146B2 (en) 2009-06-29 2013-08-27 Gb Group Holdings Limited Metal reduction processes, metallurgical processes and products and apparatus
JP5503420B2 (ja) * 2010-06-07 2014-05-28 株式会社神戸製鋼所 粒状金属の製造方法
US8287621B2 (en) 2010-12-22 2012-10-16 Nu-Iron Technology, Llc Use of bimodal carbon distribution in compacts for producing metallic iron nodules
JP5408369B2 (ja) * 2012-01-19 2014-02-05 Ｊｆｅスチール株式会社 溶銑の予備処理方法
JP2013209748A (ja) * 2012-02-28 2013-10-10 Kobe Steel Ltd 還元鉄塊成物の製造方法
JP2014167164A (ja) * 2013-02-01 2014-09-11 Kobe Steel Ltd 還元鉄の製造方法
WO2019016428A1 (en) * 2017-07-21 2019-01-24 Outotec (Finland) Oy ROTARY BED TYPE ELECTRIC FURNACE
CN108330273A (zh) * 2018-05-07 2018-07-27 段志松 一种铁矿石焙烧磁化方法及设备
JP7094264B2 (ja) * 2019-12-25 2022-07-01 株式会社神戸製鋼所 溶鋼の製造方法
DE102020205493A1 (de) * 2020-04-30 2021-11-04 Sms Group Gmbh Verfahren zum Herstellen von flüssigem Roheisen aus einem DRI-Produkt

Family Cites Families (42)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3443931A (en) * 1965-09-10 1969-05-13 Midland Ross Corp Process for making metallized pellets from iron oxide containing material
AU451879B2 (en) * 1968-09-11 1974-08-06 The Lummus Company Process for forming hard oxide pellets and product thereof
JPS5920724B2 (ja) * 1980-12-22 1984-05-15 重質油対策技術研究組合 還元鉄製造用鉄鉱石ペレツトの製造法
JPH01195226A (ja) * 1988-01-29 1989-08-07 Kobe Steel Ltd 溶融還元方法
AT406480B8 (de) * 1995-07-19 2000-07-25 Voest Alpine Ind Anlagen Verfahren zur herstellung von flüssigem roheisen oder stahlvorprodukten und anlage zur durchführung des verfahrens
SK125398A3 (en) * 1996-03-15 1999-05-07 Kobe Steel Ltd Method and apparatus for making metallic iron
JP3296974B2 (ja) * 1996-08-15 2002-07-02 株式会社神戸製鋼所 直接還元法及び回転床炉
JP3779009B2 (ja) * 1996-11-18 2006-05-24 株式会社 テツゲン 製鉄ダストからの高品位還元鉄の製造方法
JPH10195513A (ja) * 1996-12-27 1998-07-28 Kobe Steel Ltd 金属鉄の製法
US6149709A (en) * 1997-09-01 2000-11-21 Kabushiki Kaisha Kobe Seiko Sho Method of making iron and steel
JP4159634B2 (ja) * 1997-10-23 2008-10-01 株式会社神戸製鋼所 金属鉄の製法および装置
CA2251339A1 (en) * 1997-10-30 1999-04-30 Hidetoshi Tanaka Method of producing iron oxide pellets
TW495552B (en) * 1997-12-18 2002-07-21 Kobe Steel Ltd Method of producing reduced iron pellets
JP3844873B2 (ja) * 1998-02-27 2006-11-15 株式会社神戸製鋼所 金属鉄の製法
JP3081581B2 (ja) * 1998-03-23 2000-08-28 株式会社神戸製鋼所 高金属化率還元鉄塊成物の製造方法
EP0952230A1 (en) * 1998-03-24 1999-10-27 KABUSHIKI KAISHA KOBE SEIKO SHO also known as Kobe Steel Ltd. Method of producing reduced iron agglomerates
JP2997459B1 (ja) * 1998-11-04 2000-01-11 株式会社神戸製鋼所 還元鉄塊成物の製造方法
JPH11337264A (ja) 1998-05-27 1999-12-10 Daido Steel Co Ltd 回転炉床炉
TW502066B (en) * 1998-08-27 2002-09-11 Kobe Steel Ltd Method for operating moving hearth reducing furnace
EP1144696B1 (en) * 1998-10-30 2006-07-12 Midrex Technologies, Inc. Method of producing molten iron in duplex furnaces
US6413295B2 (en) * 1998-11-12 2002-07-02 Midrex International B.V. Rotterdam, Zurich Branch Iron production method of operation in a rotary hearth furnace and improved furnace apparatus
JP3004265B1 (ja) * 1998-11-24 2000-01-31 株式会社神戸製鋼所 炭材内装ペレット及び還元鉄製造方法
JP3404309B2 (ja) * 1999-01-18 2003-05-06 株式会社神戸製鋼所 還元鉄塊成物の製造方法および製造装置
JP3009661B1 (ja) * 1999-01-20 2000-02-14 株式会社神戸製鋼所 還元鉄ペレットの製造方法
US6126718A (en) * 1999-02-03 2000-10-03 Kawasaki Steel Corporation Method of producing a reduced metal, and traveling hearth furnace for producing same
US6224820B1 (en) * 1999-03-29 2001-05-01 Kawasaki Steel Corporation Method of producing a reduced metal, and traveling hearth furnace for producing same
CN1219891C (zh) * 1999-05-06 2005-09-21 株式会社神户制钢所 直接还原法及回转炉床炉
AU764644B2 (en) * 1999-08-20 2003-08-28 Midrex International B.V. Zurich Branch Direct reduced iron discharge system
CN1306045C (zh) * 1999-08-30 2007-03-21 株式会社神户制钢所 粒状还原铁原料的供给方法及其装置
CA2322935A1 (en) * 1999-10-15 2001-04-15 Kabushiki Kaisha Kobe Seiko Sho Also Known As Kobe Steel, Ltd. Method and apparatus for producing reduced metal
JP3844941B2 (ja) * 2000-03-30 2006-11-15 株式会社神戸製鋼所 調温装置および高温排ガスの調温方法
PE20020070A1 (es) * 2000-03-30 2002-02-05 Midrex Internat B V Metodo de producir hierro metalico y dispositivo de alimentacion de materia prima
JP2001279313A (ja) * 2000-03-30 2001-10-10 Midrex Internatl Bv 溶融金属鉄の製法
JP2001288504A (ja) * 2000-03-31 2001-10-19 Midrex Internatl Bv 溶融金属鉄の製造方法
TW562860B (en) * 2000-04-10 2003-11-21 Kobe Steel Ltd Method for producing reduced iron
TW539829B (en) * 2000-05-19 2003-07-01 Kobe Strrl Ltd Processing method for high-temperature exhaust gas
JP4757982B2 (ja) * 2000-06-28 2011-08-24 株式会社神戸製鋼所 粒状金属鉄の歩留まり向上方法
JP3866492B2 (ja) * 2000-06-29 2007-01-10 株式会社神戸製鋼所 回転炉床式還元炉の操業方法
JP4330257B2 (ja) * 2000-08-09 2009-09-16 株式会社神戸製鋼所 金属鉄の製法
JP4691827B2 (ja) * 2001-05-15 2011-06-01 株式会社神戸製鋼所 粒状金属鉄
JP2003041310A (ja) * 2001-07-27 2003-02-13 Kobe Steel Ltd 溶融金属の製造方法
JP4116874B2 (ja) * 2002-12-05 2008-07-09 株式会社神戸製鋼所 溶鉄の製法

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Publication number Publication date
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JP4691827B2 (ja) 2011-06-01
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CA2415310A1 (en) 2002-12-19
AU2002256884B2 (en) 2008-06-19
WO2002092860A1 (fr) 2002-11-21
US20040076539A1 (en) 2004-04-22
CN102181781A (zh) 2011-09-14
US20060070495A1 (en) 2006-04-06
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KR20030014757A (ko) 2003-02-19
ATE521721T1 (de) 2011-09-15
EP1435395B1 (en) 2011-08-24
US7806959B2 (en) 2010-10-05

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