KR100568339B1 - 철함유 분진을 재활용하는 용융환원장치에서의 용철제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 용융로에서 공급되는 고온의 환원가스로 분철광석을 유동환원시키고 환원된 분환원철을 고온에서 단광(브리케트)으로 제조하여 이를 용융로로 장입하여 용선을 생산하는 용융환원제철공정에 관한 것이다. 그 목적은 유동층식 용융환원제철공정에 있어서 발생하는 분진에서 금속철을 별도로 회수하고 이 금속철을 단광원료에 배합함으로써 제조된 단공의 물리적, 화학적 성질을 개선할 수 있는 용융환원방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 호퍼(100)로부터 분철광석과 부원료를 공급받아 유동층을 형성하면서 분철광석은 환원하고 부원료는 소성하도록 구성되는 유동층 환원로(200), 상기 유동층 환원로(200)에서 분환원철과 소성된 부원료를 공급받아 저장하는 저장조(300), 상기 저장조(300)로부터 분환원철과 소성된 부원료를 공급 받아 단광으로 괴성화하는 괴성화기(310), 상기 괴상화기(310)로부터 공급되는 다열의 단광을 개개의 단광으로 분리하도록 구성되는 분리기(320), 상기 괴상화기(310)로부터 공급되는 단광과 석탄으로 용선을 제조하고 배가스를 상부로 배출하는 용융로(500), 상기 용융로(500)의 배가스를 포집하여 배가스중의 미분을 상기 용융로(500)에 재공급하는 용융로 사이클론(510)을 포함하고,

상기 용융로 사이클론(510)과 유동층 환원로(200)는 환원가스공급관(511)을 통해 환원가스 소통관계로 연결되고, 상기 용융로(500)와 용융로 사이클론(510)은 더스트 순환관(502)을 통해 더스트 소통관계로 연결되어 구성되는 분철광석의 유동층 용융환원장치에서의 용철제조방법에 있어서,

상기 괴상화기(310)와 상기 분리기(320)에서 발생하는 분진을 포집하는 단계,

상기 포집된 분진을 자성분진과 비자성분진을 분리하는 단계,

상기 자성분진은 상기 괴성화기(310)의 단광원료로 공급하여 단광의 밀도와 압축강도를 높이고, 비자성분진은 습진제진기(800)로 배출하는 단계를 포함하여 이루어지는 철함유 분진을 재활용하는 유동층식 용융환원장치에서의 용융환원방법.

철광석, 유동층, 자력선별기, 단광

Description

철함유 분진을 재활용하는 용융환원장치에서의 용철제조방법{process for making iron by recycling dust containing Fe in smelting reduction apparatus }

도 1은 종래의 단광제조장치를 포함한 분철광석의 유동층식 환원로의 개략도

도 2은 분진을 재활용하는 분철광석의 유동층식 환원로의 개략도

도 3은 본 발명에 따른 유동층식 자력선별기를 갖춘 분철광석의 유동층식 용융 환원제철공정의 개략도

도 4은 도 2에 나타난 "A" 부분의 상세도

도 5는 유동층식 자력선별기의 작용 원리 및 배출 개념도

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

2..... 게이트 밸브 3..... 장입관 4..... 삽입관

5..... 연결 부위 6..... 전자석 7..... 시스템제어부

8..... 외관 9..... 경사판 10..... 자성물질 배출관

12..... 낙광 배출호퍼 13..... 분산판 14..... 질소 공급관

17..... 내관 18..... 자성체 통과판 19..... 질소공급장치

21..... 사이클론 22..... 백 필터 23..... 질소 배출관

24..... 질소공급용 밸브 M..... 자성분진 N..... 비자성분진

100..... 원료 장입호퍼 101..... 원료 장입관 200..... 유동층 환원로

201..... 환원철 배출관 300..... 저장조 310..... 괴성화기

320..... 분리기 321..... 단광 장입관 322..... 분진 배출관

500..... 용융로 510..... 용융로 사이클론 511..... 환원가스 공급관

600..... 제2사이클론 601..... 분진 공급관 800..... 습식제진기

700..... 유동층식자력선별기 711..... 환원철순환관

712..... 비자성분진 배출관

본 발명은 용융로에서 공급되는 고온의 환원가스로 분철광석을 유동환원시키고 환원된 분환원철을 고온에서 단광(브리케트)으로 제조하여 이를 용융로로 장입하여 용선을 생산하는 용융환원제철공정에 관한 것이다. 보다 상세하게는 단광공정에서 발생하는 미분환원철을 회수하면서 금속철을 재활용하여 단광제조공정에 재순환시킴으로써 공정의 생산성을 높일 수 있는 것이다.

현재의 용선 생산공정은 고로공정이 주류를 이루고 있으며 최근에 펠렛과 괴광석을 사용한 샤프트형 용융환원제철공정이 상업화되어 용선을 생산하고 있으나 두 공정 모두 괴상화된 원료만을 사용해야하는 제약이 있다. 고로공정에서는 석탄을 가공한 코크스와 분상의 철광석과 부원료를 혼합하여 가공한 소결광을 사용하여 용선을 생산함으로써 연/원료의 예비처리를 위한 설비투자비의 증가와 예비처리 과정에서 발생하는 공해문제가 심각하게 대두되고 있어 이에 따른 환경적인 규제가 강화되고 있는 실정이다. 한편, 샤프트형 용융환원 제철공정에서는 원료로 미분의 철광석을 펠렛으로 만들어 사용하거나 제한된 입도의 괴광석을 사용하여 용선을 생산하고 있다.

이와 같이 고로공정이나 샤프트형 용융환원 제철공정에서는 분상의 철광석을 직접 사용할 수 없고 예비처리 과정을 거쳐야 되므로 매장량이 풍부하고 가격도 저렴한 분철광석을 예비처리 과정을 거치지 않고 바로 사용하여 용선을 생산할 수 있는 유동층식의 용융환원제철공정이 기존의 고로공정을 대체할 차세대 제철공정으로 주목받고 있으며 선진 철강 생산국을 중심으로 활발한 연구가 진행되고 있다.

상기의 용융환원 제철공정은 일반적으로 예비환원공정과 최종환원공정으로 구분된다. 예비환원단계에서는 환원로에서 원료광석을 고체상태로 예비환원시키고 최종환원단계에서는 이렇게 환원된 환원철을 용융로로 장입하여 용융시키면서 최종환원하여 용선을 생산하고 있다. 예비환원공정은 일반적으로 원료광석의 입도에 따라 이동층식 및 유동층식으로 분류되는데 입도가 작고 입도분포가 넓은 분철광석의 경우는 원료광석을 환원로에서 환원가스로 유동시키면서 환원하는 유동층식이 통기성이 나 가스이용율 면에서 효율적인 것으로 알려져 있다.

이와 같이 분철광석을 사용하는 유동환원 공정에서 생산된 분환원철을 용융로에 장입하는 방법으로는 분환원철을 직접 장입하는 방법과 이를 단광으로 제조하여 장입하는 방법이 있다. 분환원철을 단광으로 제조하여 용융로에 장입하면 용융로에서 비산되지 않고 용융로에 체류가 가능하다는 측면에서 장점이 있다.

유동층식 예비환원로에서 생산된 분환원철을 단광으로 제조하여 용융로에 장입하여 용선을 생산하는 종래의 기술로는 대한민국 특허 제 117067호가 대표적으로, 도 1에 그 장치의 개략도가 제시되어 있다. 도 1에 나타난 종래의 기술은 제1유동층환원로(31)와 제2유동층환원로(32)를 거쳐 환원된 분환원철 및 부원료를 괴성화기(36)에서 단광으로 제조하여 용융로(33)에 장입하여 용선을 생산하는 공정이다. 그러나, 상기의 기술에 있어서는 제2유동층환원로(32)에서 생산된 분환원철 및 부원료를 괴성화기(36)에 장입하여 단광으로 제조하는 과정에서 분환원철 및 부원료의 일부가 그대로 배출되거나 단광이 부서지는 등 분환원철 일부의 손실을 피할 수 없다. 또한, 단광제조공정에서 발생하는 다량의 분진의 비산에 의한 손실도 야기된다.

따라서, 본 발명자들은 도 2에서와 같이 괴성화기(310)에서 괴성화된 단광을 분급기(320)로 배출하여 단광중에서 괴상만 분리하여 용융로(500)에 장입하는 대신 분 상은 분쇄기(330)로 배출하여 분쇄하고 미분의 원료를 더스트순환관(502)과 미분소통관계로 연결되는 미분장입관(421)을 통해 용융로에 공급함으로써 원료의 손실을 최소화하는 기술을 한국 특허출원 2000-78780호에 제안한 바 있다. 이 기술은 괴성화기에서 발생하는 더스트를 공정내에서 재활용한는 차원에 해당하는 기술이다.

따라서 본 발명의 목적은 상기와 같은 종래의 유동층식 용융환원제철공정에 있어서 발생하는 분진에서 금속철을 별도로 회수하고 이 금속철을 단광원료에 배합함으로써 제조된 단공의 물리적, 화학적 성질을 개선할 수 있는 용융환원방법을 제공하는데, 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 용융환원방법은, 호퍼(100)로부터 분철광석과 부원료를 공급받아 유동층을 형성하면서 분철광석은 환원하고 부원료는 소성하도록 구성되는 유동층 환원로(200), 상기 유동층 환원로(200)에서 분환원철과 소성된 부원료를 공급받아 저장하는 저장조(300), 상기 저장조(300)로부터 분환원철과 소성된 부원료를 공급받아 단광으로 괴성화하는 괴성화기(310), 상기 괴상화기(310)로부터 공급되는 다열의 단광을 개개의 단광으로 분리하도록 구성되는 분리기(320), 상기 괴상화기(310)로부터 공급되는 단광과 석탄으로 용선을 제조하고 배가스를 상부로 배출하는 용융로(500), 상기 용융로(500)의 배가스를 포집하여 배가스중의 미분을 상기 용융로(500)에 재공급하는 용융로 사이클론(510)을 포 함하고, 상기 용융로 사이클론(510)과 유동층 환원로(200)는 환원가스공급관(511)을 통해 환원가스 소통관계로 연결되고, 상기 용융로(500)와 용융로 사이클론(510)은 더스트 순환관(502)을 통해 더스트 소통관계로 연결되어 구성되는 분철광석의 유동층 용융환원장치에서의 용철제조방법에 있어서,

상기 괴상화기(310)와 상기 분리기(320)에서 발생하는 분진을 포집하는 단계,

포집된 분진을 자성분진과 비자성분진으로 분리하는 단계,

상기 자성분진은 상기 괴성화기(310)의 단광원료로 공급하여 단광의 밀도와 압축강도를 높이고 비자성분진은 습진제진기(800)로 공급하는 단계를 포함하여 구성된다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명자는 단광공정에서 발생하는 더스트에서 금속철을 회수하고 이 회수한 금속철을 다시 단광공정에 투입하여 단광을 제조하는 경우에 단광의 물리, 화학적 성질을 개선할 수 있다는 점에 주목하여 본 발명을 완성한 것이다. 이러한 점에 초점을 맞추어 완성된 본 발명의 용융환원방법을 도 3~도 5를 통해 설명한다.

본 발명이 적용되는 용융환원장치는 도 3에 나타난 바와 같이, 호퍼(100)의 분철광석과 부원료를 유동층 환원로(200)에 장입하고, 장입된 분철광석과 부원료를 환원가스공급관(511)으로 유입되는 환원가스에 의해 기포유동층을 형성하면서 예비환원 및 소성시킨다. 용융로(500)에서 발생하는 고온의 환원가스는 용융로 가스배출관(501)으로 배출되어 용융로 사이클론(510)에서 더스트가 분리되고 환원가스공급관(511)을 거쳐 상기 유동층환원로로 공급된다. 용융로 사이클론에서 분리된 더스트는 더스트 순환관(502)을 통해 용융로(500)로 순환된다. 상기 유동층환원로(200)는 필요에 따라 2개 또는 3개 이상의 유동층을 연속적으로 연결하여 2단 또는 3단 이상의 유동층환원로 시스템으로 구성할 수 있다.

상기 유동층환원로(200)에서 예비환원 및 소성된 부원료를 포함한 분환원철은 환원철배출관(201)을 통해 저장조(300)로 배출되어 괴성화기(310)에서 단광으로 만들어진다. 괴성화기(310)의 하부에는 분리기(320)가 설치되어 제조되는 다열의 단광을 개개의 단광으로 분리하고 분리된 개개의 단광을 단광장입관(321)을 통해 용융로(500)에 장입한다.

본 발명에서는 상기 괴성화기(310)와 분리기(320)에서 발생하는 분진을 포집한 다음, 자성분진과 비자성분진으로 분리하여 자성분진을 다시 괴성화기(310)에 장입하여 단광의 원료로 이용한다. 이를 위하여 도 3의 용융환원장치에 제2사이클론(600), 유동층식 자력선별기(700), 습식제진기(800)의 장치를 연결한다.

상기 제2사이클론(600)은 분진배출관(322)을 통해 상기 괴성화기(310)와 상기 분리 기(320)와 분진소통관계로 연결되어 분진을 포집한다. 포집된 분진중에서 가스를 분리한 다음 분진만 자력선별기(700)로 공급한다. 가스는 가스배출관(602)를 통하여 습식제진기(800)로 배출한다.

상기 유동층식 자력선별기(700)는 분진공급관(601)을 통해 상기 제2사이클론(600)과 분진소통관계로 연결되어 분진을 공급받아 자성분진과 비자성분진으로 분리한다. 분리된 자성분진은 환원철순환관(711)을 통해 괴성화기(310)으로 공급한다. 또한, 비자성분진은 비자성분진 배출관(712)을 통해 습식제진기(800)으로 배출한다. 본 발명에 적용될 수 있는 자력선별기(700)는 한국 공개특허공보 1999-031148호가 대표적으로 도 3과 도 4에 그 장치의 개략도가 제시되어 있다. 이 유동층식 자력선별기(700)에서는 분진의 유동층을 형성하며 전자석의 반복 작동에 의해 자성체인 환원철 분진과 비자성체인 부원료 분진으로 분리한다.

본 발명에 적용되는 유동층식 자력선별기(700)에 대해서 도 4와 도 5를 참고로 설명하면 다음과 같다. 도 4에 나타난 바와 같이, 유동층식 자력선별기(700)의 상단부는 상기 제2사이클론(600)의 하단부와 분진공급관(601)을 통해 연통되며, 이 분진공급관(601)과 연결된 장입관(3)을 통해 분진이 이중구조의 반응기로 공급된다. 질소공급부(19)에 의해 반응기의 하부로 공급된 질소는 원추형의 분산판(13)을 통해 반응기 상부로 유입되어 이중 원통구조의 내관(17) 내부에서 장입된 시료를 분산 유동시키게 된다. 즉 분산판(13)을 통해 유입된 질소의 유속에 의해 자성 응결 및 기계적으로 포립된 시료 입자들이 분산상태를 유지하며 유동층을 형성하게 된다.

전자석(6)은 반응기 외관(8)의 외부에 원통형의 고리모양을 형성하며 수직방향으로 일정한 간격을 유지하며 배치된다. 각각의 원통형 고리모양의 전자석은 약 12개의 단위 전자석이 한 세트가 되어 구성되어 있고 작동시 전자력이 반응기 외관에만 집중되도록 설계 및 설치된다. 전자석이 배치된 부분의 내관(17)에는 전자력에 의해 끌려오는 자성체(M)가 통과할 수 있게 직경이 약 1∼3 mm 정도 되는 구멍(18)들이 일정한 간격으로 형성되어 있는 그물 구조로 되어 있다. 이러한 전자석 세트들은 시스템제어부(7)에서 제어된다.

유동층식 자력선별기(700) 상단에는 질소 배출관(23)이 있어 유동층을 통과한 비자성체 분진이 사이클론(21)으로 들어가 질소가스와 분리, 포집되어 비자성물질 배출관(712)을 통해 상기 습식제진기(800)로 배출된다. 상기 사이클론(21)의 상단에는 백필터(22)가 설치되어 사이클론을 통과한 극미분을 포집하는 역할을 한다.

유동층식 자력선별기 하단부의 외관(8)에는 자성물질 배출관(10)이 연결되어 있어 상기 전자석에 의해 분리되어 내관(17)과 외관(8) 사이의 공간으로 끌려들어온 자성체 입자들이 자유낙하 하여 내관과 외관 공간 하부에 설치된 경사판(9)을 따라 상기 자성물질 배출관(10)을 통해 환원철순환관(711)을 경유하여 상기 괴성화기(310)로 재공급된다. 또한 유동중 분산판 하부로 떨어지는 입자는 유동층식 자력선별기 하단부에 설치되어 있는 낙광 배출호퍼(12)로 배출된다.

도 5는 본 발명의 원리를 보여주는 개념도이다. 설치된 전자석에 전원을 가해서 자기장이 형성되면 유동층내의 자성/비자성 혼합물중 자성체만이 내관(17)의 구멍(18)을 통해 이동하여 전자석이 설치되어있는 부분의 외관(8) 내벽에 달라붙게 되고 전자석의 전원을 차단하게 되면 외관의 내벽에 붙어 있던 자성체가 중력에 의해 자유낙하 하여 하부에 있는 경사판(9)을 통해 자성물질 배출관(10)으로 배출된다.

전자석의 자장의 세기, 자장 지속 및 소멸시간 등은 자성/비자성 혼합물의 입도분포, 비중, 자성체의 성질 등을 고려하여 적절히 조절함으로써 조업의 최적화를 이룰 수 있다.

자력선별기의 유동층에서의 가스 유속은 유동층으로 공급되는 최대크기 입자가 가스와 함께 비산할 수 있는 종말속도의 1.2∼2배 범위에서 조업하는 것이 적절하다. 그 이유는 유동층 내에서의 가스 유속이 입자의 종말속도보다 작은 경우에는 자력분리되고 남은 비자성체 입자가 유동층에서 배출되지 못하고 계속 잔류하게 되어 유동층 내의 비자성물질의 비율이 누적되어 분리효율을 떨어뜨리고 연속조업에 지장이 많으며, 반대로 가스 유속이 입자의 종말속도보다 너무 높게되면 입자가 유동 층에 체류하는 시간이 짧아져 분리효율이 낮아질 수 있기 때문이다.

이하, 본 발명을 실시예를 통하여 보다 구체적으로 설명한다.

[실시예]

도 3의 용융환원장치의 괴성화기에서 발생하여 제2사이클론(600)에서 포집되는 환원철 분진의 화학조성과 입도분포는 아래 표 1과 표 2에 각각 나타나있다.

화학성분(중량%)
금속철 (Metallic Fe)	FeO	맥석성분
60	15	25

입도분포(중량%)
+100㎛	100∼50㎛	50∼25㎛	-25㎛
8	19	51	22

한편, 실시예에서 사용된 유동층식 자력선별기의 치수 및 실험조건은 다음과 같다. 유동층식 자력선별기의 내관(17)은 내경이 150mm, 외관(8)의 내경은 190mm, 삽입관(4)의 외관은 80mm, 장입관(3)의 내경은 30mm이고 전자석 세트간의 거리는 300mm이다. 환원철 분진시료의 장입속도는 3 kg/min, 분산판 상부에서의 가스유속은 4m/s, 전원공급지속시간은 3초, 전원차단지속시간은 1초로 설정하였다.

이와 같은 유동층식 자력선별기에서 실시한 결과 유동층식 자력선별기를 거친 환원 철 분진에서 자성체인 금속철의 선별효과는 90% 이상이었으며 분리된 금속철을 단광공정에 재공급하여 단광을 제조한 결과 그 품질이 아래 표 3에 나타난 바와 같이 금속철 재순환 장치가 없는 경우보다 향상되었음을 알 수 있다.

	밀도 (g/cm3)	압축강도 (kg/cm2)
기존 공정	3.7∼4.0	500∼700
본 발명 적용	3.9∼4.1	600∼800

상술한 바와 같이, 본 발명의 유동층식 자력선별기를 갖춘 분철광석을 사용하는 용선제조장치는 단광제조과정 및 분리과정에서 발생하는 분진중 철 성분만을 자력선별기에 의해 분리, 회수하여 단광제조공정에 재활용함으로써 원료의 손실을 줄여 생산성을 높일 수 있고, 또한 부원료와 탄소성분이 다량 함유된 브리케트 제조용 원료에 단광성이 우수한 환원철 성분을 추가로 공급함으로써 단광제조공정의 효율 및 제조된 단광의 물리, 화학적 성질을 향상시킬 수 있다.

Claims (2)

1. 호퍼(100)로부터 분철광석과 부원료를 공급받아 유동층을 형성하면서 분철광석은 환원하고 부원료는 소성하도록 구성되는 유동층 환원로(200), 상기 유동층 환원로(200)에서 분환원철과 소성된 부원료를 공급받아 저장하는 저장조(300), 상기 저장조(300)로부터 분환원철과 소성된 부원료를 공급받아 단광으로 괴성화하는 괴성화기(310), 상기 괴상화기(310)로부터 공급되는 다열의 단광을 개개의 단광으로 분리하도록 구성되는 분리기(320), 상기 괴상화기(310)로부터 공급되는 단광과 석탄으로 용선을 제조하고 배가스를 상부로 배출하는 용융로(500), 상기 용융로(500)의 배가스를 포집하여 배가스중의 미분을 상기 용융로(500)에 재공급하는 용융로 사이클론(510)을 포함하고,

   상기 용융로 사이클론(510)과 유동층 환원로(200)는 환원가스공급관(511)을 통해 환원가스 소통관계로 연결되고, 상기 용융로(500)와 용융로 사이클론(510)은 더스트 순환관(502)을 통해 더스트 소통관계로 연결되어 구성되는 분철광석의 유동층 용융환원장치에서의 용철제조방법에 있어서,

   상기 괴상화기(310)와 상기 분리기(320)에서 발생하는 분진을 포집하는 단계,

   상기 포집된 분진을 자성분진과 비자성분진을 분리하는 단계,

   상기 자성분진은 상기 괴성화기(310)의 단광원료로 공급하여 단광의 밀도와 압축강도를 높이고, 비자성분진은 습진제진기(800)로 배출하는 단계를 포함하여 이루어지는 철함유 분진을 재활용하는 용융환원장치에서의 용철제조방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 자성분진과 비자성분진을 분리하는 단계는, 유동층식 자력선별기의 유동층에서의 가스 유속을 유동층으로 공급되는 최대크기 입자의 종말속도의 1.2∼2배 범위로 하여 행하는 것을 특징으로 하는 철함유 분진을 재활용하는 용융환원장치에서의 용철제조방법.

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