KR100660659B1 - 금속철의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 목적은 산화철-함유 물질 및 탄소질 환원제를 포함하는 원료를 가열하에 환원시켜 금속철을 제조하는 방법에 적용되는 기술로, 고체 환원 말기에 발생하는 문제점인 금속철의 재산화를 최소화하여 금속화율이 높고 철순도가 높은 금속철을 고수율로 효율적으로 제조할 수 있는 기술을 확립하는 것이다. 본 발명은 금속철을 제조하는 방법에 속하는 것으로, 이는 탄소질 환원제 및 산화철-함유 물질을 포함하는 원료를 이동 노상형 환원 용융로에서 가열하고, 상기 원료 중의 산화철을 환원 용융시켜 금속철을 제조하는 방법에 있어서, 상기 환원 용융로가 노상의 이동 방향으로 3개 이상의 구획으로 분할되어 있되, 분할된 상기 구획들 중, 상기 노상 방향 상류측의 하나 이상의 구획이 고체 환원 구획이고, 상기 노상 방향 하류측의 하나 이상의 구획이 침탄 용융 구획이며, 상기 고체 환원 구획과 침탄 용융 구획 사이에 환원 숙성 구획이 제공되어 있다.

Description

금속철의 제조방법{METHOD FOR PRODUCING METALLIC IRON}
본 발명은, 탄소질 환원제(예: 코크스)를 사용하여 산화철(예: 철광석)을 가열 환원하여 금속철을 수득하는 방법, 더욱 구체적으로는 고순도의 금속철을 고수율로 제조할 수 있는 방법에 관한 것이다.
산화철-함유 물질, 예컨대 철광석 및 산화철을 탄소질 물질 등의 환원성 기체에 의해 직접 환원하여 환원철을 수득하는 직접 제철법으로서, 소위 미드렉스(Midrex) 공정으로 대표되는 고로(shaft furnace)법이 통상 공지되어 있다. 이 종류의 직접 제철법은 천연가스 등으로부터 제조된 환원성 기체를 고로 하부의 송풍구를 통해 불어 넣어 그 환원력을 이용하여 산화철을 환원시켜 금속철을 수득한다. 최근에는, 석탄과 같은 탄소질 물질을 천연가스 대신 환원제로 사용하는 환원철의 제조방법에 관심이 집중되고 있다. 예를 들면, 소위 SL/RN 공정이 이미 실용화되어 있다.
다른 방법으로서, 미국 특허 제 3,443,931 호는 탄소질 물질과 분상 산화철을 응집물 또는 펠렛의 형태로 혼합하고 회전 노상 상에서 가열하에 상기 혼합물을 환원시켜 환원철을 제조하는 방법을 개시하고 있다.
또한, 미심사된 일본 특허 공개공보 제 2000-144224 호는, 탄소질 물질-함유 산화철 물질을 회전 노의 노상 위에 공급하여, 가열하에 산화철 물질을 환원시킴으로써 환원철을 제조하는 방법을 개시하고 있다. 상기 개시된 방법은 물질 공급 구획(12), 버너(burner) 구획(17), 반응 구획(17) 및 배출 구획(18)으로 내부가 구성된 회전 노상 노를 사용한다. 이러한 회전 노상 노를 사용함으로써, 고온의 노상 표면에서 산화철이 환원되고, 생성된 철로부터 슬래그 성분이 분리되어 탄소 농도가 1 내지 5질량%인 고순도 철이 제조된다. 상기 개시된 방법에 따라, 원료에 함유되는 탄소질 물질과 산화철의 반응 결과 발생하는 환원성 기체(주로 일산화탄소 포함)의 존재하에 환원 진행 과정에서 원료 근방에서는 높은 환원 기체 분위기가 유지된다. 그러나, 반응 구획(17)에 해당하는 환원 말기에서는, 발생된 환원 기체의 양이 감소하고, 원료를 가열하기 위한 버너 연소시 배출 기체로서 발생된 산화성 기체의 농도, 예컨대 수분 및 이산화탄소가 상대적으로 증가한다. 이는 생성물로서 제조된 환원철이 재산화될 위험성이 따른다. 특히, 환원 말기에서는 산화철의 환원 진행도에 변화가 생기므로, 환원시 더욱 충분히 진행된 환원철은 더욱 쉽게 산화되는 경향이 있다. 일부 경우, 따라서 충분히 침탄 용융되지 않아 미용융 상태로 남아 배출되는 경우가 있다.
종래 기술과 관련된 전술한 문제점의 견지에서, 본 발명의 목적은 산화철-함유 물질 및 탄소질 환원제를 포함하는 원료를 가열하에 환원시킴으로써 금속철을 제조하고, 고체 환원 말기에 발생하는 문제점인 금속철의 재산화를 최소화하여 금 속화율이 높고 철순도가 높은 금속철을 고수율로 효율적으로 제조할 수 있는 기술을 확립하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 고체 환원 말기에서 용융 슬래그 중의 FeO 농도를 최소화할 수 있고 상기 용융 FeO에 의해 야기된 노상 내화물의 부식을 억제하여 노상 내화물의 수명을 연장시켜 설비의 유지 보수성을 개선시키는 동시에 장기 연속 조업에 적합한 기술을 확립하는 것이다.
발명의 요약
전술한 문제점을 해결할 수 있었던 본 발명은 금속철을 제조하는 방법에 속하는 것으로, 이는 탄소질 환원제 및 산화철-함유 물질을 포함하는 원료를 이동 노상형 환원 용융로에서 가열하고, 상기 원료 중의 산화철을 환원 용융시켜 금속철을 제조하는 방법으로, 상기 환원 용융로가 노상의 이동 방향으로 3개 이상의 구획으로 분할되어 있되, 분할된 상기 구획들 중, 상기 노상 바닥 이동 방향 상류측의 하나 이상의 구획이 고체 환원 구획이고, 상기 노상 이동 방향 하류측의 하나 이상의 구획이 침탄 용융 구획이며, 상기 고체 환원 구획과 침탄 용융 구획 사이에 환원 숙성 구획이 제공되어 있다. 본 발명을 실시하는데 있어서, 상기 환원 숙성 구획의 분위기 온도 및/또는 분위기 기체 조성을 조정하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 환원 숙성 구획 및/또는 침탄 용융 구획에 분위기 조정제를 공급하는 것이 권장된다. 또한, 분위기 조정제를 상기 각 구획 간에 칸막이 벽을 사용함으로써 공급하는 것이 바람직하다. 본 발명을 실시하는데 있어서, 상기 각 구획 간의 칸막이 벽에 인접 구획과 연통하는 개구부를 하나 이상 마련하는 것이 바람직하다. 더욱이, 환원 숙성 구획에서의 분위기 온도를 1200 내지 1500℃ 범위로 조정하는 것이 권장된다.
도 1은 본 발명에 사용된 환원 용융 설비의 일례를 도시한 설명도이다.
도 2는 도 1에서의 A-A 선을 따라 취한 단면도이다.
도 3은 도 1에 도시된 설비를 세로로 전개하여 도시한 단면 설명도이다.
도 4는 실시예로서 얻어진 금속철의 일례를 나타내는 사진이다.
도 5는 비교예로서 얻어진 금속철의 일례를 나타내는 사진이다.
환원 말기에 발생하는 전술된 문제점을 해결하기 위한 연구, 즉 환원철의 재산화 방지 및 용융 FeO의 발생 방지 방법에 대해 예의 연구를 거듭한 결과, 환원 용융로내에서 환원 단계를 거쳐 생성된 환원철의 환원도를 높이기 위한 조정 구획(환원 숙성 구획)을 상기 노에 제공함으로써 전술한 목적이 달성될 수 있음을 발견하였다. 특히, 본 발명자들은 환원 숙성 구획의 분위기 기체 조성 및 분위기 온도를 적절히 제어함으로써 우수한 효과가 얻어질 수 있다는 사실에 기초하여 본 발명을 확립하였다.
더욱 구체적으로, 본 발명에 따르면, 철광석 및 산화철 또는 그의 부분 환원 물질과 같은 산화철원을 함유하는 물질(이하, 산화철-함유 물질로 지칭됨), 및 코크 또는 석탄과 같은 탄소질 환원제를 포함하는 원료를 이동 노상형 환원 용융로에서 가열하여, 상기 원료 중의 산화철을 환원 용융하여 금속철을 제조하는 경우, 상기 환원 용융로는 노상의 이동 방향으로 3개 이상의 구획으로 분할되는데, 상기 노상 이동 방향 상류측의 분할된 구획 중 하나 이상은 고체 환원 구획이고, 상기 노상 이동 방향 하류측의 분할된 구획 중 하나 이상은 침탄 용융 구획이며, 상기 고체 환원 구획과 침탄 용융 구획 사이에 환원 숙성 구획이 제공된다. 본 발명의 더욱 구체적인 설명은 실시양태 및 이를 예시한 도면을 참조하여 아래에서 설명될 것이다.
한편, 원료로서 산화철-함유 물질과 탄소질 환원제를 포함하는 원료의 성형체(이후, "원료 성형체"로 지칭됨)를 이용하여 다음을 설명하지만, 본 발명에 사용된 원료는 성형체의 형태로 제한되지 않으며 분말의 형태일 수도 있다. 또한, 성형체는 펠렛 또는 브리켓(briquette) 형태를 포함한 여러 형상일 수 있다.
도 1 내지 도 3은 본 발명이 적용되며 본 발명자에 의해 개발된 이동 노상형 환원 용융로의 일례를 나타내는 개략적인 설명도이다. 상기 노는 도우넛 형태로 회전 이동 노상을 갖는 돔(dome)-형상의 구조로 이루어진다. 구체적으로, 도 1은 개략적인 투시도이고, 도 2는 도 1에서의 A-A 선을 따라 취한 단면도이고, 도 3은 이해를 돕기 위해 도 1의 회전 노상의 회전 방향으로 전개하여 도시한 개략적인 설명도이다. 상기 도면에서, 1은 회전 노상이고, 2는 상기 회전 노상을 도포하는 노 본체이다. 회전 노상(1)은 구동 장치(도시되지 않음)에 의해 적절한 속도로 회전 되도록 구성되어 있다.
여러개의 연소 버너(3)가 노 본체(2) 벽면의 적절한 위치에 배치된다. 상기 연소 버너(3)에 의해 발생되는 연소열 및 복사열은 회전 노상(1) 위의 원료 성형체로 전달되어 원료 성형체의 가열 환원이 행해진다.
도 3에 도시된 바람직한 예에서, 노 본체(2)의 내부는 칸막이 벽(K1, K2, K3)으로 나눠진다(노상 이동 방향에서 상류측으로부터 각각 고체 환원 구획(Z1), 환원 숙성 구획(Z2), 침탄 용융 구획(Z3) 및 냉각 구획(Z4)으로 나뉨). 이 구조에서, 상기 구획들은 분위기 온도 및/또는 분위기 기체 조성을 개별적으로 제어할 수 있도록 분할되는 것이 바람직하다. 1차 원료 및/또는 2차 원료, 예컨대 분위기 조정제를 충전시키기 위한 충전 수단(4)이 상기 노 본체(2)의 회전 방향으로의 최상류 측에서 회전 노상(1)에 마주하여 배치되고, 배출 수단(6)이 회전 방향으로의 최하류 측에(다르게 말하면, 회전 구조 때문에 충전 수단(4)의 바로 인접한 상류 측) 제공된다. 본 발명은 전술한 분할 구조에 한정되지 않으며, 노의 크기, 목표 생산 능력, 조업 방식 등에 따라 적절히 변경하는 것도 물론 가능한 것에 주목한다.
이러한 환원 용융로의 조업에서, 회전 노상(1)이 소정 속도로 회전되며, 원료 성형체는 회전 노상(1) 상에 적절한 두께를 갖도록 충전 수단(4)으로부터 공급된다. 회전 노상(1)에 충전된 원료 성형체는 고체 환원 구획에서 이동하는 과정에서 연소 버너(3)에 의해 발생되는 연소열 및 복사열을 받는다. 성형체내의 탄소질 환원제 및 그의 연소시 생성된 일산화탄소의 도움으로 상기 성형체내의 산화철은 고체를 유지하면서 가열하에 환원된다. 이후 설명하는 환원 숙성 구획에서 산화철이 거의 완전히 환원되어 생성된 환원철은 침탄 용융 구획에서의 환원 분위기 하에 추가로 가열됨으로써 침탄 용융된다. 용융 철은 동시에 생성되는 슬래그와 분리하면서 과립형 금속철로 응집화된다. 이후, 과립형 금속 철은 고화를 위해 임의의 적합한 냉각 수단(C)에 의해 냉각되고 냉각 구획의 하류에 제공된 배출 수단(6)에 의해 성공적으로 떼어진다. 동시에, 과립형 금속철에 의해 제조된 슬래그도 배출된다. 호퍼(H)를 통과한 후, 금속철 및 슬래그는 임의의 적합한 분리 수단(예컨대, 체 또는 자성 분리 장치)에 의해 서로 분리된다. 최종적으로, 약 95% 이상, 더욱 바람직하게는 약 98% 이상의 철순도를 갖고 소량의 슬래그 성분을 함유하는 금속철이 수득될 수 있다.
도 2에 도시된 구조에서 냉각 구획은 대기에 개방되어 있는 반면, 가능한 한 방열을 방지하는 동시에 노내 분위기를 적절히 조정하기 위해서는 냉각 구획이 실질적으로 밀폐되도록 도포되는 것이 실질적인 견지에서 바람직하다.
환원 숙성 구획은 종래의 환원 공정 후반 내지 말기에서 산화철의 환원 진행도의 변화에 기인하는 환원철의 재산화 및 용융 FeO의 발생 등의 전술한 문제점을 해결하기 위해 본 발명에 특별히 제공된 것이다. 즉, 환원 숙성 구획을 제공하는 것은 고체 환원 구획에서 충분히 환원되지 않은 환원철의 재산화를 최소화하고, 충분히 환원되지 않은 산화철의 환원을 진행시키는데 효과적이다. 따라서, 원료 성형체 간 환원도가 변화하지 않아 환원 숙성 구획의 단계에서 높은 환원율(80% 이상)을 갖는 환원철이 수득될 수 있다. 이와 같이 높은 환원율을 갖는 환원철을 침 탄 용융시킴으로써, 금속화율이 높고 철순도가 높은 금속철을 고수율로 효율적으로 제조할 수 있다. 또한, 상기 효과는 환원 숙성 구획에서 분위기 온도 및 분위기 기체 조성을 조정함으로써 더욱 용이하게 달성될 수 있으므로 이를 적절히 조절하는 것이 바람직하다. 이하, 본 발명의 방법을 상술한다.
전술한 이동 노상형 환원 용융로에서 탄소질 환원제 및 산화철-함유 물질을 포함하는 원료 성형체를 가열하는 경우, 원료 중의 산화철을 환원하는 고체 환원 구획에서 온도가 너무 높으면, 더욱 구체적으로 분위기 온도가 특정 기간의 환원 공정에서 원료 중의 맥석 성분 또는 미환원 산화철과 같은 슬래그 성분의 융점을 초과하여 상승한다면, 저융점의 슬래그는 용융되어 이동 노상을 구성하는 내화물과 반응할 것이다. 따라서, 평탄하고 균일한 노상이 더 이상 유지되지 못할 것이다.
상기 고체 환원 구획에서 발생하는 용융 FeO의 발생 현상은 원료 성형체를 구성하는 탄소질 환원제, 산화철-함유 물질, 결합제 등에 함유된 슬래그-형성 성분의 조성에 따라 변한다. 환원 공정의 분위기 온도가 1400℃를 초과한다면, 일부 경우에 있어 저융점의 슬래그는 삼출(渗出)되어 노 내화물을 손상시킨다. 1500℃를 초과한다면, 철광석 등의 상표에 상관없이 바람직하지 못한 용융 환원 반응이 진행되어 노상 내화물을 더욱 두드러지게 부식시킨다. 따라서, 저융점 슬래그를 삼출시키는 일 없이 고수준으로 환원율을 확보하는데 적합한, 환원 공정에서의 노내 온도, 즉 고체 환원 구획의 온도는 1200 내지 1500℃, 더욱 바람직하게는 1200 내지 1400℃이다. 노내 온도가 1200℃보다 낮은 경우, 고체 환원 반응의 진행이 늦고 노내 체류 시간이 연장되어야 함에 따라 생산성이 불량해진다. 한편, 노내 온도가 1400℃, 특히 1500℃를 초과하면, 전술한 바와 같이, 원료로 사용되는 철광석 등의 상표에 상관없이 저융점 슬래그의 삼출이 야기된다. 따라서, 노상 내화물의 부식이 두드러질 것이며, 일부 경우에는 연속 조업이 곤란해질 수 있다. 원료 중에 혼합된 철광석의 조성 및 양에 따라 1400℃ 내지 1500℃ 초과의 온도에서도 삼출 현상이 나타나지 않을 수 있다. 그러나, 이러한 현상이 일어나지 않을 빈도와 가능성은 비교적 낮다. 이러한 이유로, 고체 환원 구획의 온도는 1200 내지 1500℃, 더욱 바람직하게는 1200 내지 1400℃가 바람직하다.
추가로, 노내로 충전된 원료 성형체 중의 탄소질 물질과 산화철원 사이의 반응에 의해 다량의 CO 기체 및 소량의 CO2 기체가 고체 환원 구획에서 발생하므로, 원료 성형체 근방의 영역에서는 원료 성형체 자체로부터 생성된 CO 기체에 의해 전개된 차폐 효과 때문에 충분한 환원 분위기가 유지된다. 따라서, 고체 환원 구획에서, 높은 환원 분위기가 원료 성형체 중의 탄소질 물질의 연소시 대량으로 발생되는 CO 기체에 의해 유지되기 때문에 분위기 기체 조건은 특별히 요구되지 않는다. 그러나, 환원 공정이 고체 환원 구획에서 장시간 행해지는 경우, 전술한 바와 같이 환원철의 재산화와 같은 문제점이 생긴다. 따라서, 원료 성형체 중의 산화철의 환원율이 특정한 높은 값(바람직하게는 80% 이상)에 도달하는 시점에 환원철을 환원 숙성 구획으로 이동시키는 것이 바람직하다.
산화철의 고체 환원율이 80% 미만인 경우 원료 성형체가 침탄 용융 구획에서 가열 용융된다면, 전술한 바와 같이 저융점 슬래그는 원료 성형체로부터 삼출되고 일부 경우 노상 내화물을 손상시킬 것이다. 한편, 80% 이상, 더욱 바람직하게는 95% 이상의 환원율을 수득한 후 침탄 용융 구획에서 원료 성형체를 가열 용융시킴으로써, 원료 성형체에 혼합된 철광석 등의 상표 및 양에 상관없이 성형체 내부에서 원료 성형체 일부에 잔존하는 FeO의 환원이 진행된다. 그 결과, 슬래그의 삼출이 최소화될 수 있고 노상 내화물의 부식을 야기시키지 않으면서 안정적인 연속 조업이 실현될 수 있다.
그러나, 전술한 바와 같이 본 발명자들은 실험을 통해 다음과 같은 사실을 발견하였다. 고체 환원 구획에서 환원되는 원료 성형체의 환원율이 원료 성형체 간에 변화된다. 특히, 환원시 더욱 충분히 진행되는 환원철은 더욱 쉽게 재산화되고 환원율이 낮아지는 경향을 갖는다. 따라서, 환원철은 침탄 용융 공정에서 충분히 침탄되지 않고 용융되기 어려워 미용융 상태로 남아 배출된다. 따라서, 만족스런 수준의 품질이 확보될 수 없다.
환원철이 미용융 상태로 배출되는 것을 막기 위해, 온도는 환원 공정 후반 내지 말기에서 승온시켜야 하고, 고온 상태를 유지하기 위해 연료의 양을 증가시켜야 한다. 더욱이, 온도의 상승은 용융 FeO에 의한 노상 내화물의 손상을 더욱 심화시키므로, 유지 등의 보수 비용이 증가한다. 따라서, 용융 FeO에 의한 노상 내화물의 부식을 억제시키면서 노상 내화물의 수명을 연장시키고, 고체 환원을 효율적으로 진행시키며 환원철의 재산화를 최소화하고 환원도의 변화를 없애기 위해서는 원료 성형체의 환원율을 조정하기 위한 구획(환원 숙성 구획)을 마련하는 것이 요구된다.
또한, 본 발명에서, 환원 숙성 구획의 분위기 온도 및/또는 분위기 기체 조성을 적절히 제어하는 것이 바람직하다. 환원 숙성 구획의 분위기 온도 및/또는 분위기 기체 조성의 적절한 제어는 미환원 FeO의 용융을 방지하고 환원철의 재산화를 방지하면서 미환원 FeO의 환원을 촉진시키는데 효과적이다. 특히, 이러한 제어는, 원료 성형체 중에 함유된 슬래그 성분을 부분적으로 용융시키지 않으면서 노내로 충전된 원료 성형체를 고체로 유지하면서, 환원율(산소 제거율)이 80% 이상, 바람직하게는 95% 이상인 정도로 효율적으로 환원을 진행시키는데 있어 권장된다.
환원 숙성 구획의 분위기온도에 관해서는 특별히 한정되지 않지만, 전술한 고체 환원 구획의 분위기 온도와 같을 수 있다. 분위기 온도가 1200℃ 미만이면, 고체 환원 반응의 진행이 늦고, 노내 체류 시간이 연장되며, 따라서, 불량한 생산성이 초래된다. 한편, 노내 온도가 1400℃, 특히 1500℃를 초과하면, 전술한 바와 같이, 원료로 사용되는 철광석 등의 상표에 상관없이 저융점 슬래그의 삼출이 야기된다. 따라서, 노상 내화물의 부식이 두드러질 것이며, 일부 경우에는 연속 조업이 곤란해질 수 있다. 따라서, 환원 숙성 구획에서의 온도는 바람직하게는 1200 내지 1500℃, 더욱 바람직하게는 1200 내지 1400℃ 범위이다. 이어, 분위기 온도를 용융이 발생하지 않는 범위내에서 가능한 한 높은 온도로 설정하는 것이 권장된다.
물론, 실제 조업에서는, 고체 환원 구획에서의 노내 온도를 1200℃ 이하로 설정하고 1200 내지 1500℃ 범위로 상승된 온도에서 환원 숙성 구획에서의 고체 환원을 진행하는 것이 가능하다. 따라서, 상기 구획에서의 각 온도는 개별적으로 적 절히 조정하여 상응하는 목적에 따라 특정 값으로 설정할 수 있다.
환원 숙성 구획으로 이송된 원료 성형체로부터 발생된 CO 기체의 양이 격감하기 때문에, 전술한 바와 같이, 환원이 더욱 충분히 진행된 환원철은 CO 기체의 발생량을 감소시키고, 자기-차폐 작용이 저하된다. 따라서, 환원철은 버너 가열시 발생된 연소 배출 기체(CO2 및 H2O와 같은 산화성 기체)에 쉽게 영향을 받는 경향이 있고, 일단 환원된 금속철은 더욱 쉽게 재산화되는 경향이 있다. 환원 숙성 구획의 분위기 기체 조성을 조정하여 환원 분위기를 제공함으로써, 이미 생성된 환원철의 재산화를 더욱 효과적으로 방지하고 환원이 충분히 진행되지 않은 산화철의 환원을 진행시켜 각 원료 성형체 사이의 환원도의 변화를 없앨 수 있다. 그 결과, 높은 환원율(80% 이상)을 갖는 환원철이 고효율로 수득될 수 있다.
환원 숙성 구획에서의 분위기 기체 조성을 조정하는 방법에 특별히 한정되지 않지만, 예컨대 분위기 조정제를 공급하여 상기 환원 숙성 구획의 분위기 기체 조성을 조정하는 것이 바람직하다. 바람직하게는 원료 성형체 근방의 환원 기체의 환원도 CO/(CO+CO2)를 0.5 이상으로 유지한다.
분위기 조정제로서는, 탄소질 물질 및/또는 환원성 기체를 사용하는 것이 바람직하다. 탄소질 물질의 예로는 석탄, 코크스 등이 포함된다. 석탄 분말을 분위기 조정제로서 사용하는 경우, 입경을 3㎜ 이하, 더욱 바람직하게는 2㎜ 이하로 미세화하여 사용하는 것이 바람직하다. 이렇게 미세화된 석탄 분말은 산소와 결합하여 가열하에 CO를 발생하기 쉽기 때문에 환원철의 재산화를 더욱 확실히 방지하는데 유리하다. 또한, 실제 조업시 노로 공급되는 수율을 고려하여 입경을 0.3 내지 1.5㎜ 범위로 최적화한다.
분위기 조정제의 공급 방법으로는 특정한 것으로 한정되지 않지만, 예컨대 분위기 조정제 공급 수단(도시되지 않음)을 환원 숙성 구획에서의 임의의 적절한 위치에 임의의 바람직한 개수로 제공함으로써 노상을 향해 공급할 수 있다. 이 경우, 원료 물질 성형체 근방에서의 분위기 기체 조성을 원료 성형체와 인접하여 공급하는 것이 바람직하다. 분위기 조정제를 공급하는 또다른 방법으로, 환원 숙성 구획을 나누는 칸막이 벽을 이용하여 분위기 조정제를 공급할 수 있다.
공급 수단, 예컨대 분위기 조정제 공급관을 칸막이 벽(K1)(고체 환원 구획 또는 환원 숙성 구획을 바라보는 쪽, 또는 칸막이 벽 내부)과 관련하여 제공함으로써, 또는 칸막이 벽에 상기 공급관을 조립함으로써 칸막이 벽의 사용을 실현시킬 수 있다. 칸막이 벽을 이용함으로써 분위기 조정제를 공급하는 방법에서는, 분위기 조정제는 용이하게 지지되거나 수-냉각되며, 환원 숙성 구획의 임의의 목적하는 위치에 분위기 조정제 공급관을 제공하는 경우와 달리 배급관의 존재에 의해 야기된 기체 유동의 변화가 없다. 따라서, 복사열이 노상 위의 원료 성형체로 불균일하게 이동되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 분위기 조정제 공급구를 칸막이 벽 아래에 제공함으로써, 분위기 조정제는 원료 성형체 근방에 공급될 수 있고 노의 기체 유동에 의해 감아 올려지는 것을 피할 수 있다.
다르게는, 분위기 조정제가 원료 성형체의 충전 이전에 노상 위에 놓여지며, 이와 같이 놓여진 분위기 조정제의 층 두께는 특정 값으로 한정되지 않는다. 예컨대 분위기 조정제로서 석탄 분말을 깔아 놓는 경우, 놓여진 석탄 분말의 층 두께를 특정 값으로 한정하지 않지만, 층 두께가 지나치게 얇으면 분위기 조정제의 절대량이 불충분할 것이다. 층 두께는 약 2㎜ 이상, 더욱 바람직하게는 약 3㎜ 이상인 것이 바람직하다. 비록 층 두께의 상한은 존재하지 않더라도, 분위기 조정제는 필요 이상의 두께로 깔리게 되면 경제적으로 손실이다. 따라서, 실제적인 관점에서 분위기 조정제의 층 두께는 바람직하게는 약 7㎜ 이하, 더욱 바람직하게는 약 6㎜ 이하로 유지하는 것이 바람직하다. 분위기 조정제는 석탄 또는 목탄과 같은 임의의 다른 적합한 물질, 또는 CO 발생원으로 작용하는 한 임의의 석탄일 수 있다. 물론, 상기 적합한 물질의 혼합물도 사용가능하다.
원료 성형체를 충전하기 전 분위기 조정제를 노상에 깔아 놓음으로써, 분위기 조정제 층은 환원 및 용융 단계 과정에서 조업 조건에서의 변화에 따라 때때로 발생하는 용융 슬래그의 삼출에 대해 노상 내화물을 보호하는 작용을 한다.
분위기 조정제로서 환원성 기체를 사용하는 경우, 탄화수소계 기체, 예컨대 CO, H2 또는 CH4를 사용하는 것이 바람직하다. 탄화수소계 기체의 예로는 천연가스(특히 주성분으로 메탄을 함유하는 가스), 코크스 노 기체, 및 컨버터 기체를 들 수 있다. 환원성 기체를 공급하는 방법은 특별히 제한되지 않는다. 도 3에 도시된 바와 같이, 예를 들면, 환원성 기체가 임의 목적하는 위치로부터 노상을 향해 불어 넣어지도록 임의 목적하는 개수의 기체 공급 노즐(7)을 임의 환원 숙성 영역에 제공할 수 있다. 또다른 방법으로, 공급 수단, 예컨대 환원성 기체 공급관을 칸막이 벽(K1)(고체 환원 구획 또는 환원 숙성 구획을 바라보는 쪽, 또는 칸막이 벽 내부)과 관련하여 제공함으로써, 또는 칸막이에 상기 공급관을 조립함으로써 분위기 기체를 공급할 수 있다. 상기 방법에서, 공급관은 용이하게 지지되고 수-냉각되며, 배급관의 존재에 의해 야기되는 기체 유동의 변화가 없다. 따라서, 복사열이 노상 위의 원료 성형체로 불균일하게 이동되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 공급관의 공급구를 칸막이 벽 아래에 제공하는 것은 환원성 기체를 원료 성형체 근방에 공급하는데 있어 바람직하다.
상기와 같이, 환원성 기체를 제공함으로써, 환원 숙성 구획을 나온 후 환원철의 환원 진행의 변화가 억제될 수 있으며 환원율이 증가될 수 있다. 따라서, 후속적인 침탄 용융 구획에서 가열하에 원료 물질로부터 슬래그가 삼출되는 것을 최소화할 수 있고 적합한 연속 조업이 노상 내화물의 부식을 야기시키지 않으면서 실현될 수 있다. 특히, 환원 숙성 구획에서의 분위기 및 온도를 적절히 조정함으로써, 미환원 FeO의 용융을 방지하면서 미환원 FeO의 환원을 진행시키고 환원철의 재산화를 더욱 효율적으로 방지할 수 있다.
상기와 같이, 표적 환원율을 환원 숙성 구획에서 달성하기 위해, 원료 성형체는 소정 온도로 가열된 침탄 용융 구획으로 이송되는 것이 바람직하다. 침탄 용융 구획의 온도는 특정 값으로 한정되지 않지만, 원료 성형체를 추가로 가열하여 성형체를 침착 용융시키기 위한 목적으로 환원 숙성 구획의 분위기 온도 보다 높은 것이 바람직하다. 그러므로, 침탄 용융 구획의 분위기 온도는 바람직하게는 1300 내지 1500℃, 더욱 바람직하게는 1350 내지 1500℃이다. 침탄 용융 구획의 분위기 온도를 예컨대 1425℃로 설정하는 경우, 침탄 용융 구획으로 이송된 원료 성형체의 내부 온도는 서서히 상승되지만, 환원철의 용융에 따른 잠열로서 열 소비 되므로 온도는 강하한다. 이후, 원료 성형체의 내부 온도는 다시 상승되고 1425℃의 설정 온도에 도달한다. 이러한 온도 강하점은 용융 개시점으로 간주될 수 있다. 환원철 입자가 잔류 탄소 및 CO 기체에 의해 침탄되고, 이들의 융점이 침탄에 의해 강하됨으로써 환원철 입자는 급속히 용융된다. 따라서, 환원철 입자의 용융을 신속히 진행시키기 위해서는 침탄화를 충분히 진행시키기 위해 요구되는 탄소의 양이 고체 환원 후 환원철 입자에 잔존하는 것이 바람직하다. 잔류 탄소의 요구량은 원료 성형체를 제조하는데 사용되는 산화철-함유 물질과 탄소질 환원제 간의 혼합율에 따라 다르다. 그러나, 일반적으로 환원 숙성 구획에서의 최종 환원율이 거의 100%에 도달하는 상태, 즉 금속화율이 100%에 도달하는 상태에서 환원철의 잔류 탄소량(즉, 잉여 탄소량)이 1.5% 이상이 되도록 혼합된 탄소질 물질의 초기량을 선택함으로써, 환원철은 급속히 침탄되어 저융점을 가질 수 있고, 1300 내지 1500℃ 온도로 급속히 용융될 수 있다. 상기 환원철 중의 잔류 탄소량이 1.5% 미만으로서는, 침탄을 위해 필요한 탄소량 결핍에 의해 환원철의 융점이 충분히 강하하지 않고, 일부 경우에는 환원철을 가열 용융하기 위한 온도를 1500℃ 이상으로 높여야 한다.
전혀 침탄되지 않은 철, 즉 순수 철의 용융 온도는 1537℃이고, 환원철은 1537℃ 초과의 온도로 가열함으로써 용융될 수 있다. 그러나, 이 온도보다 높은 온도로 실제 노에서의 조업 온도는 노상 내화물에 부여된 열 부하를 경감시킬 수 있게 가능하면 저온으로 유지하는 것이 바람직하고, 과립형 금속철에 의해 생성되는 슬래그의 융점을 고려하여, 조업 온도는 약 1500℃ 이하로 유지하는 것이 바람직하다. 더욱 구체적으로는, 용융 공정의 개시점에서의 온도에 비례하여 약 50 내지 200℃의 승온량을 얻을 수 있도록 조업 조건을 제어하는 것이 바람직하다. 즉, 고체 환원 및 침탄 용융을 원활하고 효율적으로 진행시키기 위해, 침탄 용융 구획의 분위기 온도가 환원 숙성 구획에서보다 50 내지 200℃, 더욱 바람직하게는 50 내지 150℃ 높은 온도로 설정되는 것이 바람직하다.
침탄 용융 구획에서, 성형체내의 잔류 탄소의 존재하에 환원철의 침탄에 의해 야기된 융점 강하시 미세한 환원철의 용융 및 응집이 진행한다. 그러나, 이 단계에서, 전술한 자기-차폐 효과가 또한 충분히 얻어지지 않고, 환원철은 버너 연소로 발생된 산화성 기체에 의해 재산화되기 쉬운 경향이 있다. 따라서, 이 시기 이후에는 전술한 분위기 조정제의 사용을 포함한 임의의 적합한 방법에 의해 노내 분위기 기체 조성을 적절히 제어하는 것이 권장된다. 바람직하게는, 성형체 근방의 분위기 기체의 환원도는 0.5 이상으로 설정된다.
분위기 조정제는 환원 숙성 구획으로 공급하는 경우와 유사한 방식으로 공급될 수 있다(분위기 개질제를 공급하는 칸막이 벽을 사용하는 경우, 칸막이 벽(K2)은 침탄 용융 구획 또는 환원 숙성 구획을 바라보는 쪽에 사용될 수 있다).
본 발명에서, 금속화율 및 환원율은 FeO의 환원 상태를 나타내는 지수로 사용되고, 이는 하기에서 정의하고 있다.
금속화율과 환원율 간의 관련성은 산화철원으로 사용된 철광석 등의 상표에 따라 다르지만, 다음과 같이 표시될 수 있다.
금속화율 = [생성된 금속철/성형체중의 전체 금속] ×100(%)
환원율 = [환원 과정에서 제거된 산소량/원료 성형체 중에 함유된 산화철의 산소량] ×100(%)
고체 환원으로부터 침탄 용융에 걸친 일련의 단계를 효율적으로 진행시키기 위해, 전술한 바와 같이 각 단계 마다 분위기 온도 및 분위기 기체를 제어하는 것이 바람직하다. 달리 명시하지 않는 한, 고체 환원 구획 및 환원 숙성 구획에서의 온도는 용융 환원 반응으로 인한 용융 FeO의 발생을 방지하기 위해 1200 내지 1400℃로 유지하는 것이 바람직하고, 전술한 바와 같이, 침탄 용융 구획에서의 온도는 1300 내지 1500℃로 유지하는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는, 환원 숙성 구획의 온도는 침탄 용융 구획의 온도보다 50 내지 200℃로 낮게 유지된다. 각 구획에 대한 분위기 온도 및/또는 분위기 기체 조성을 개별적으로 제어하기 위해, 각 구획의 독립성을 높이도록 구성되는 것이 바람직하다. 실제적인 관점에서 볼 때, 노상과 칸막이 벽의 하부 말단 간의 거리는 가능한 가까운 것이 바람직하다. 그러나, 각 구획의 독립성을 증가시키면 상기 작은 간격을 통하여 하나의 구획에서 또다른 구획으로의 기체 유동 속도를 증가시키며 원료 성형체 근방의 기체 유동을 교란시킨다. 예를 들어, 원료 성형체 근방에 분위기 개질제를 도입시키는 어려움, 또는 원료 성형체 근방의 환원 분위기를 유지하는 어려움을 유도할 수 있다. 이러한 이유로, 각 구획 간의 칸막이 벽에 기체 유동이 노상과 칸막이 벽 하부 말단 사이의 간격을 통과하는 기체의 양이 분배되도록 인접한 구획과 연통하기 위한 하나 이상의 개구부를 제공하는 것이 바람직하다. 실제, 상기 개구부의 형상, 개수, 크기 및 위치는 특별히 제한되지 않는다.
본 발명의 환원 용융로에서, 원료 성형체를 가열하는데 버너 연소가 사용된다. 이와 관련하여, 재생성 버너를 사용하는 것은 연소 후 발생된 기체의 양, 사용된 연료량 및 원료 근방의 기체 유동의 교란을 감소시킨다는 점에서 바람직하다.
또한, 연소 효율을 향상시키기 위해서는, 예컨대 연료의 연소에 사용된 공기를 예열시키거나 연료의 연소에 사용된 공기로서 고농도 산소를 갖는 공기를 사용하여 연료의 비율을 조정하는 것이 바람직하다. 이론치보다 높지 않은 공기-대-연료 비율로 연료를 태우는 경우, 예컨대 환원성 기체가 연소 후 발생된 기체에 혼합되고 발생 기체의 환원도는 증가한다. 한편, 이론치보다 낮지 않거나 근접한 공기-대-연료 비율로 연료를 태우는 경우, 연소 후 발생된 기체의 양이 감소하고, 원료 근방의 기체 유동의 교란이 또한 감소된다. 따라서, 상기 경향 모두를 고려하여 적절한 기체-대-연료 비율을 선택하는 것이 권장된다.
버너 연소로 발생된 기체에 의해 야기된 원료 근방에서의 기체 유동의 교란을 억제시킨다는 관점에서, 버너를 노의 상부에 설치하고/하거나 버너를 노의 상부에 상측을 향하도록 설치하는 것이 바람직하다.
환원철의 침탄, 용융 및 응집이 완결된 후, 환원성 기체의 환원도는 크게 저 감된다. 그러나, 실제 조업 공정의 관점에서 융융되고 응집된 금속철은 금속철에 의해 생성된 슬래그로부터 거의 완전히 분리됨에 따라 분위기 기체에 의해 거의 영향을 받지 않는다. 이러한 금속철을 냉각시키고 고체화시킴으로써, 높은 철 등급의 과립형 금속철이 고효율로 수득될 수 있다.
본 발명의 공정을 수행하는데 요구되는 시간이 예컨대 원료 성형체내에 함유된 탄소질 물질 및 철광석의 조성에 따라 약간의 차이는 있지만, 산화철의 고체 환원, 용융 및 응집은 약 10 내지 13분내에 완료될 수 있다.
본 발명의 전술한 방법에 의해 수득된 금속철은 실질적으로 슬래그 성분을 함유하지 않으며 매우 높은 Fe 순도를 가진다. 따라서, 이와 같이 수득된 금속철은 전기 아크 노 및 컨버터와 같은 제철 공장에서 사용하기 위한 철원으로서 적합하다.
본 발명의 구조 및 조업 이점은 실시예와 관련하여 아래에서 상세히 설명할 것이다. 그러나, 하기 실시예는 본 발명을 제한하는 것으로 의도되지 않으며, 전술한 본 발명의 취지에 벗어나지 않으면서 다양하게 변경되고, 하기는 모두 본 발명의 기술적인 범위에 속한다.
실시예 1
철광석(Fe:69.2%, SiO2:1.8% 및 Al2O3: 0.5% 조성), 석탄(고정 탄소:74.3%, 휘발성 물질:15.9%, 재:9.8%), 및 소량의 볼링(balling)용 결합제(벤토나이트)를 서로 균일하게 혼합한 후, 직경 약 18㎜의 펠렛의 형태로 응집화하였다. 금속철을 원료 성형체로서 펠렛을 사용하여 제조하였다. 더욱 구체적으로는, 도 1 내지 3에 도시된 바와 같이, 상기 펠렛을 이동 노상형 환원 용융로내로 충전시키고, 고체 환원 구획의 분위기 온도를 1310℃로 조절하면서 펠렛의 고체 환원을 진행시켰다. 후속 환원 숙성 구획의 분위기 온도 역시 1310℃로 조절하였다. 이후, 침탄, 용융, 응집, 및 금속철에 의해 생성된 슬래그의 분리를 위해 펠렛을 침탄 용융 구획으로 이송시켰다(이의 분위기 온도를 1420℃로 조절하였다). 용융되고 응집되고 슬래그로부터 거의 완전히 분리된 금속철을 약 1000℃로 냉각시킨 냉각 구획으로 이동시켜 고체화하였다. 이후, 배출 장치를 사용하여 고체화된 금속철을 노 밖으로 배출시켰다. 원료 성형체를 충전시키고 금속철을 빼내는데 까지 요구되는 시간은 약 16분이었다. 수득된 금속철은 C 함량이 2.6%이고, S 함량이 0.1%이었다. 또한, 수득된 금속철은 금속철에 의해 생성된 슬래그로부터 용이하게 분리될 수 있었다. 최종적으로 수득된 금속철의 외부 모습은 도 4(사진)에 제시되어 있다.
또한, 환원성 기체(주성분으로서 약 57%의 H2 및 약 25%의 CH4를 함유하는 기체 혼합물)을 환원 숙성 구획 및 침탄 용융 구획의 각각에 도입하였으며, 이때 분위기 기체 조성의 환원도 CO/(CO+CO2)가 0.5 이상으로 유지되도록 조정하면서 상기 구획에 개별적으로 제공하였다.
비교예 1
환원성 기체를 고체 환원 숙성 구획 및 침탄 용융 구획 모두에 도입시키는 것을 제외하고는 상기 실시예 1에서의 동일한 방식으로 실험을 수행하였다. 그 결과, 수득된 금속철의 일부는 도 5에 도시된 바와 같이 용융되지 않은 상태로 남아 있으며, 수득된 금속철의 상업적 가치는 불량하였다.
상기와 같이 구성된 본 발명에 따르면, 고체 환원 구획에서 산화철의 환원에 의해 생성된 환원철의 환원율을 조정하기 위한 환원 숙성 구획이 고체 환원 구획과 침탄 용융 구획 사이에 제공된다. 따라서, 고체 환원 구획에서 충분히 환원된 환원철의 재산화를 최소화하고 미환원 FeO의 용융을 방지하면서 환원이 충분히 진행되지 않은 산화철의 환원을 진행시킬 수 있다. 그 결과, 원료 성형체 간의 환원도의 편차가 제거될 수 있다.
또한, 환원 숙성 구획의 분위기 기체 조성 및/또는 분위기 온도를 적절히 제어함으로써, 환원철의 재산화를 최소화하여 금속철 순도를 증가시키고, 용융 슬래그의 삼출로 인한 노상 내화물의 부식 및 용융 FeO의 발생을 최소화할 수 있다. 그 결과, 고순도 철의 과립형 금속철을 연속 조업으로 효율적으로 제조할 수 있다.

Claims (7)

  1. 탄소질 환원제 및 산화철-함유 물질을 포함하는 원료를 이동 노상형 환원 용융로에서 가열하고, 상기 원료 중의 산화철을 환원 용융시켜 금속철을 제조하는 방법에 있어서,
    상기 환원 용융로가 노상의 이동 방향으로 3개 이상의 구획으로 분할되어 있되, 분할된 상기 구획들 중, 상기 노상 이동 방향 상류측의 하나 이상의 구획이 고체 환원 구획이고, 상기 노상 이동 방향 하류측의 하나 이상의 구획이 침탄 용융 구획이며, 상기 고체 환원 구획과 침탄 용융 구획 사이에 환원 숙성 구획이 제공되어 있는 것을 특징으로 하는,
    금속철의 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 환원 숙성 구획의 분위기 온도 및/또는 분위기 기체 조성을 조정하는 금속철의 제조방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 환원 숙성 구획에 분위기 조정제를 공급하는 금속철의 제조방법.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 침탄 용융 구획에 분위기 조정제를 공급하는 금속철의 제조방법.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    분위기 조정제를 상기 각 구획 간의 칸막이 벽을 사용하여 공급하는 금속철의 제조방법.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 각 구획 간의 칸막이 벽에 인접 구획과 연통하기 위한 하나 이상의 개구부가 구비되는 금속철의 제조방법.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 환원 숙성 구획의 분위기 온도를 1200 내지 1500℃ 범위로 조정하는 금속철의 제조방법.
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