KR100727729B1

KR100727729B1 - 직접 제련 공정 방법

Info

Publication number: KR100727729B1
Application number: KR1020000063164A
Authority: KR
Inventors: 로드니제임스 드라이
Original assignee: 테크놀라지칼 리소시스 피티와이. 리미티드.
Priority date: 1999-10-26
Filing date: 2000-10-26
Publication date: 2007-06-13
Also published as: KR20010040181A; AUPQ365799A0; JP4883833B2; TW499481B; JP2001165577A; CN1299879A; CN1252287C; CA2324782A1; CA2324782C; US6379424B1

Abstract

본 발명은 직접 제련 공정에 의해 금속함유 공급 물질로부터 금속을 생산하기 위한 베슬에 관한 것이다. 상기 베슬은, 금속층(15)과 용재층(16)을 가진 용융조를 구비하며, 상기 용재층 위에 가스 연속층(31)을 구비한다. 상기 베슬은 베슬 안으로 하향 연장되며, 그리고 상기 베슬 안의 금속층과 용재층 위로 산소함유 가스를 주입하는 적어도 하나 이상의 랜스/투이어(13)를 구비한다. 상기 베슬은 또한 상기 베슬 안으로 하향 및 내향으로 연장되며, 운반 가스와 함께 금속함유 공급 물질과 탄소함유 물질과 같은 공급 물질을 용융조 안으로 주입하는 다수개의 랜스/투이어 쌍을 구비하며, 이로써 상기 금속층을 관통하여 용융 물질을 상향으로 운반하는 가스 유동을 발생시킨다. 상기 랜스/투이어 쌍은, 각각 한 쌍의 랜스/투이어가 200℃ 이상의 온도에서 공급 물질, 주로 금속함유 공급 물질을 주입하고, 다른 쌍의 랜스/투이어는 200℃ 미만에서 공급 물질, 주로 탄소함유 공급 물질을 주입하도록 상기 베슬의 주위에 배치된다.

베슬, 직접 제련 공정, 랜스/투이어, 용융조

Description

직접 제련 공정 방법{VESSEL FOR DIRECT SMELTING PROCESS AND DIRECT SMELTING PROCESS THEREBY}

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 베슬의 개략적인 형태의 평면도로서, 베슬의 루프(지붕)가 제거된 상태이며, 베슬의 주위에 랜스/투이어들의 쌍들이 배치된 배열상태를 나타내는 개략적인 도면이다.

도 2는 도 1에 도시된 베슬의 A-A` 부분에 따른 단면도이다.

본 발명은 직접 제련 공정용 장치 및 이를 이용한 공정에 관한 것으로서, 특히 용융조(molten bath)를 포함하는 야금용 베슬(metallugical vessel)에서 철광석, 부분환원 철광석, 금속함유 폐기 유동 물질과 같은 금속함유 공급 물질로부터 철과 같은 용융 금속을 생산하기 위한 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
본 발명은 또한 용융 금속조(molten metal bath) 기반의 직접 제련 장치(direct smelting apparatus)와 금속함유 공급 물질로부터 용융 금속을 생산하기 위한 공정에 관한 것이다.

철광석으로부터 직접 용융 금속을 생산하는 공정은 일반적으로 "직접 제련 공정(direct smelting pocess)"이라 일컷는다. 알려진 직접 제련 공정 중의 하나로서 일반적으로 로멜트(Romelt) 공정이라 불리는 공정에서는, 대전된 산화 금속의 금속으로의 용융, 가스 반응 산물의 후연소, 그리고 연속적인 산화 금속의 용융을 위해 필요한 열 전달을 위한 매개체로서 큰 체적과 고도로 교반된 용재(slag bath)를 사용함을 기초로 하고 있다. 상기 로멜트 공정은 용재 교반을 위해 하부 열의 투이어(tuyer)들을 통해 산소를 상기 용재 안에 주입하고, 후연소를 촉진하기 위해 상부 열의 투이어를 통해 산소를 용재 안에 주입하는 과정을 포함한다. 상기 로멜트 공정 중 용재 아래에 형성되는 금속층은 중요한 반응 매질은 아니다.

직접 제련 공정의 다른 하나는 용재를 기반하는 것으로서, 일반적으로 "딥 슬래그(deep slag)" 공정이라 불린다. DIOS 및 AISI 공정과 같은 이러한 공정은 용재의 깊은 층을 형성하는데에 기초를 두고 있다. 상기 로멜트 공정과 마찬가지로 상기 용재층 아래의 금속층은 중요한 반응 매질이 아니다.

또 다른 직접 제련 공정으로는 반응 매질로서 용융 금속층을 활용하는 하이스멜트(HIsmelt) 공정이 있다. 상기 공정은 본원 출원인에 의해 출원된 국제출원 제PCT/AU96/00197(공개번호 WO 96/31627)에 개시된 바 있다.

상기 하이스멜트(Hismelt) 공정은,

(a) 베슬 안에 금속층과 용재층을 가진 용융조를 형성하는 과정;

(b) 상기 용융조로,

(ⅰ) 산화금속과 같은 금속함유 공급 물질과,

(ⅱ) 석탄과 같이 상기 산화금속의 반응물질과 에너지원으로서 작용하는 고체 탄소함유 물질을 주입하는 과정과;

(c) 상기 금속 공급 물질을 상기 금속층 안의 금속으로 용융시키는 과정을 포함한다.

상기 하이스멜트 공정은 산소함유 가스 및 용융조로부터 방출된 일산화탄소, 수소와 같은 반응 가스를 조 위의 공간에서 후연소시키고, 연소에 의하여 발생된 열을 상기 용융조에 전달하여 금속함유 공급 물질을 용융하는 데에 필요한 열에너지에 기여하도록 하는 열 전달과정을 포함한다.

상기 하이스멜트 공정에서는 용융조 위에서 반응 가스를 후연소함으로써 생성되는 열 에너지를 상기 용융조로 전달하는 매질을 제공하는, 용융 금속의 비산, 용적 및 유동의 상승 후 하강이 형성되는 용융조의 정지 표면 위에 전이 영역을 형성한다.

하이스멜트 공정의 바람직한 형태는 베슬의 측벽을 따라 하향 및 내향 연장되는 랜스를 통해 상기 베슬 안으로 운반 기체, 금속 공급 물질, 고체 탄소함유 물질 및 선택적인 용제를 주입하여 전이 영역을 형성함으로써, 상기 운반 기체와 고체 탄소함유 물질이 금속층을 통과하여 용융 물질을 용융조로부터 사출시킨다.

이러한 형태의 하이스멜트 공정은 운반 가스와 고체 탄소함유 물질을 투이어를 통해 용융조로 주입하여 전이 영역을 형성하여 상기 용융조로부터 용융 물질의 비산, 용적 및 유동을 사출시키던 종래의 형태의 공정과 비교하여 중요한 개량이다.

본원 출원인은 2.74m의 직경의 노상(hearth)을 갖는 중간 시험(pilot plant)용 베슬에서 상술한 형태의 하이스멜트 제련 공정에 대한 광범위한 중간 시험 작업을 수행하였다. 상기 중간 시험용 베슬의 크기는 연간 100,000톤의 용융 금속을 생산할 수 있는 크기로서, 상업적인 베슬 크기보다는 작은 것이다. 상업적인 베슬의 크기는 연간 적어도 500,000톤의 용융 금속을 생산할 수 있는 크기이다. 일반적으로, 상업적인 베슬의 크기는 연간 1백만 내지 1.5 백만톤의 용융 금속을 생산할 수 있는 규모이다. 이러한 상업적인 베슬은 2.74 m 이상의 직경의 노상을 가진다. 이러한 중간 시험 작업에 후속하여 본원 출원인은 상업적인 작동을 위한 베슬 상에서의 보다 발전적인 작업을 행하였다. 본 발명은 이러한 발전적인 작업에 바탕을 두고 있다.

본 발명의 목적은 용융조로의 열전달을 용이하게 하고, 전이 영역과 접하고 있는 베슬의 측벽을 통한 열손실을 최소화하여, 생산 효율을 극대화할 수 있는 직접 제련 공정용 베슬 및 이를 이용한 직접 제련 공정을 제공함에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 금속층과 그 위의 용재층으로 이루어진 용융조를 가지며 그리고 상기 용재층 위에 가스연속층을 갖는, 직접 제련 공정에 의해 금속함유 공급 물질로부터 금속을 생산하기 위한 베슬에 있어서, (a) 쉘과; (b) 상기 용융조와 접하는 베이스와 측면들을 가지며, 내화성 물질로 이루어진 노상과; (c) 상기 노상의 측면으로부터 하향으로 연장 형성되며, 상기 용재층과 가스연속층과 접하는 측벽들과; (d) 상기 베슬 안으로 하향으로 연장되며, 상기 베슬 안쪽으로 금속층과 용재층 위로 산소함유 가스를 주입하는 적어도 하나 이상의 랜스/투이어(lance/tuyere)와; (e) 상기 베슬 안으로 하향 및 내향으로 연장되며 운반 가스와 함께 금속함유 공급물질과 탄소함유 물질을 포함하는 공급물질을 상기 용융조 내부로 주입하도록 구성되어, 상기 금속층을 관통하여 상기 금속층과 용재층으로부터 상향으로 비산, 용적, 유동의 형태로 된 용융 물질을 운반하고 가스연속층에 하나의 전이영역을 형성하는 용융욕에서 유도된 가스 유동을 발생시키도록 구성된 다수의 랜스/투이어 쌍들을 구비하되, 상기한 랜스/투이어 쌍들은 상기 베슬의 주변에 배치되고, 각각의 쌍의 하나의 랜스/투이어(이하 "온(hot) 랜스/투이어"라 지칭함)는 200℃ 이상의 온도에서 공급 물질, 즉 금속함유 공급 물질을 주입하고, 각 쌍의 다른 랜스/투이어(이하 "냉(cold) 랜스/투이어"로 지칭함)는 200℃ 미만에서 공급 물질, 즉 탄소함유 공급 물질을 주입하도록 구성된 다수의 랜스/투이어 쌍들과; (f) 상기 베슬로부터 용융 금속과 용재를 탭핑하는 수단을 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 직접 제련 공정용 베슬을 포함하여 구성된다.
바람직하게는, 상기 베슬은 연간 최소 500,000톤의 용융 금속을 생산할 수 있을 정도의 상업적 크기를 가진다.
바람직하게는 상기 온 랜스/투이어는 최소 600℃ 이상의 온도에서 공급 물질을 주입한다.
상기 공급 물질 부분에서 사용된 바 있는 "주로"라는 용어는 임의의 랜스/투이어를 통해 공급되는 공급 물질의 중량비가 적어도 50%를 넘는 양임을 의미한다.
바람직하게는, 상기 공급 물질은 고체 상태이다. 상기 공급 물질은 고체 상태뿐만 아니라 액체나 기체 상태일 수 있다. 예를 들면, 상기 탄소함유(carbonaceous) 물질은 고체, 액체 및 기체 상태 중 어느 하나일 수 있다.
바람직하게는, 상기 온 랜스/투이어는 비휘발성 탄소함유 물질을 주입한다.
상기 온 랜스/투이어는 차르(char)와 같은 비휘발성 탄소함유 물질을 주입할 수도 있다.
또한, 전형적으로, 상기 온 랜스/투이어는 금속함유 공급 물질과 비휘발성 탄소함유 물질을 적어도 200℃ 이상의 온도에서 주입한다.
상기 냉 랜스/투이어를 통한 공급 물질의 주입은 탄소함유 물질만으로 한정되지 않으며, 예를 들면, 공장의 복귀물(plnat reverts)을 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 랜스/투이어 쌍들 중의 소정의 랜스/투이어들은 상기 랜스/투이어가 그 쌍의 랜스/투이어로부터 이격된 한 점을 향해 공급 물질을 사출할 수 있도록 배치된다.
상기 "제련(smelting)"이란 용어는 액체 금속을 생산하기 위해 산화금속을 환원시키는 화학 반응이 일어나는 열적 처리과정을 의미하는 것으로 해석된다.
상기 "금속층(metal layer)"이란 용어는 금속 비중이 우세한 용융조의 영역을 의미하는 것으로 해석된다. 특히, 상기 용어는 금속 연속 체적 내의 용융 용재(slag)의 분산을 포함하는 영역을 가리킨다.
상기 "용재층(slag layer)"이란 용어는 용재 비중이 우세한 용융조의 영역을 의미하는 것으로 해석된다. 특히, 상기 용어는 용재 연속 체적 내의 용융 금속의 분산을 포함하는 영역을 가리킨다.
상기 금속함유 공급 물질은 어떠한 적절한 물질이나 형태로 이루어질 수도 있다. 바람직한 금속함유 공급 물질은 철 함유 물질이다. 상기 철함유 물질은 철광석, 부분환원 철광석, 직접환원 철광석(direct reduced iron), 탄화철(iron carbide), 밀스케일(millscale), 블래스트 퍼니스 더스트(blast furnace dust), 신터 파인(sinter fine), 비오에프 더스트(BOF dust 또는 이러한 물질의 혼합물을 포함한다.
상기한 부분환원 철광석의 경우, 예비환원의 등급이 상대적으로 낮은 등급(예를 들면 산화철과 같은)에서부터 높은 등급(70 내지 95% 금속화)까지 분포한다.
상기 온 랜스/투이어의 운반 가스는 냉 랜스/투이어의 운반 가스와 같거나 다른 것이어도 좋다.
상기 냉 랜스/투이어를 위한 운반 가스는 산소를 함유하지 않거나 산소가 결핍된 가스이다.
상기 운반 가스는 질소를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 전이 영역은 용재층과는 매우 다르다. 더 설명하면, 상기 공정의 안정 동작 조건 하에서 상기 용재층은 액체 연속 체적 내에 가스 기포를 포함하며, 반면에 상기 전이 영역은 가스 연속 체적 내에서 용융 물질, 주로 용재의 비산, 용적 및 유동 형태를 포함한다.
바람직하게는, 하나 또는 다수의 산소함유 가스 주입 랜스/투이어를 통해 주입된 상기 산소함유 가스는 상기 용융조의 표면 위의 상부 공간(전이 영역을 포함하는)에서 용융조로부터 발생된 일산화탄소나 수소와 같은 반응가스를 후연소(post-combust)시키며, 상기 후연소에 의해 생성된 열은 상기 금속층에 전달되어 상기 용융조의 온도를 유지시키도록 하는데, 이는 상기 금속층 내에서 흡열 반응의 관점에서 필수적이다.
상기 고체 공급 물질, 예를 들면 금속함유 공급 물질과 고체 탄소함유 공급 물질을 랜스/투이어 쌍을 통해 금속층을 향해 주입하는 것은 다음과 같은 결과를 야기한다.
(a) 주입된 고체 물질/운반 가스(임의의 액체나 기체 공급 물질 포함)의 모멘텀은 상기 고체 물질/운반 가스가 금속층을 관통하도록 한다.
(b) 석탄과 같은 탄소함유 물질은 비휘발화(devolatilised) 됨으로써, 상기 금속층 내에서 가스를 생산한다.
(c) 탄소는 대부분 상기 금속 내로 용해되며, 부분적으로는 고체로 남는다.
(d) 상기 금속함유 공급 물질은 상기 (c)에 기재된 바와 같은 주입된 탄소로부터 도출된 탄소에 의해 금속에 용융되며, 상기 용융 반응은 일산화탄소를 발생시킨다.
(e) 상기 금속층으로부터 전달되어 비휘발화(devolatilisation) 및 용융(smelting)에 의해 발생한 가스는 금속층으로부터 용융 금속, 고체 탄소 및 용재(고체/기체 주입의 결과로서 금속층으로 인출되는)에 현저한 부력을 제공하며, 이것은 비산, 용적 및 유동의 상향 이동을 야기함으로써 이들이 상향으로 이동함에 따라 용재를 함께 끌고 가게 된다.
바람직하게는, 산소함유 가스를 주입하는 상기 하나 이상의 랜스/투이어의 위치 및 동작 파라미터와 상기 전이 영역을 제어하는 동작 파라미터들은 다음 사항들을 충족하도록 선택된다:
(a) 상기 산소함유 가스는 전이 영역을 향해 사출되어 그것을 통과한다.
(b) 상기 전이 영역은 상기 각 랜스/투이어의 하부 영역 주위에서 상향으로 연장되도록 형성하며, 그럼으로써 각 랜스/투이어의 단부에 발생하는 연소 영역으로부터 베슬의 측벽을 어느 정도 차폐한다.
(c) 상기 각 랜스/투이어의 단부 주위에 실질적으로 어떤 금속과 용재도 함유하지 않는 "자유 영역"으로서 기술된 가스 연속층이 존재한다.
상기 (c)는 중요한 요소인데, 이는 베슬 상부 영역의 반응 가스들이 각 랜스/투이어의 단부 영역으로 인도되어 그 영역에서 후연소되는 것을 가능하게 하기 때문이다.
바람직하게는, 상기 베슬은 적어도 두 개의 산소함유 가스 주입 랜스/투이어를 포함한다.
바람직하게는, 상기 베슬은 상대적으로 높은 용재 재고량(slag inventory)을 가지며, 상기 용재의 양은 공정을 조절하는 수단으로서 사용된다.
상기한 용어 "상대적으로 높은 용재 재고량"이란 베슬 안의 금속 양에 비교되는 용재의 양에 관련되는 것으로 해석된다.
또한, 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 야금용 베슬에서 금속함유 공급 물질로부터 금속을 생산하기 위한 직접 제련 방법이 제공되는데, 상기 제련 방법은:
(a) 금속층과 상기 금속층 위에 용재층을 가진 용융조를 상기 베슬 안에 형성하는 과정과;
(b) 금속함유 공급 물질과 탄소함유 물질을 포함한 공급 물질을 다수개의 랜스/투이어 쌍들을 통해, 그들 중 한 쌍의 랜스/투이어로는 200℃ 이상에서 공급 물질, 주로 금속함유 공급 물질을 주입하고, 다른 쌍의 랜스/투이어로는 200℃ 미만에서 공급 물질, 주로 탄소함유 공급 물질을 상기 용융조에 주입하며, 상기 금속층의 금속함유 물질을 용융하는 과정으로서, 이 과정에 의해 공급 물질과 운반 가스 주입이 금속층으로부터의 가스 유동을 야기하며 이러한 가스 유동이 상기 금속층 안의 용융 물질을 비산, 용적 및 유동의 형태로 상향으로 운반시키며 상기 용재층 위의 베슬에서의 가스 연속층에 전이 영역을 형성하도록 하는 과정과;
(c) 금속함유 공급 물질을 상기 금속층의 금속으로 용융시키는 과정과; 그리고
(d) 상기 하나 또는 다수의 랜스/투이어를 통해 상기 야금 베슬 안으로 산소함유 가스를 주입하고 상기 용융조에서 방출되는 반응 가스를 후연소시키는 과정으로서, 이 과정에 의해 상기 전이 영역에서 상승 후 하강하는 용융 금속의 비산, 용적 및 유동으로 인해 용융조로의 열전달이 촉진되고, 상기 전이 영역과 접하고 있는 측벽을 통한 상기 베슬로부터의 열손실 방사를 최소화하는 과정을 포함하여 이루어진다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 하기의 설명은 용융 철을 생산하기 위한 철광석의 견지에서 이루어지며, 본 발명은 어떤 적절한 금속 원광석, 부분적으로 환원된 금속 원광을 포함하는 선광물(concentrates) 또는 폐수거물질 등에도 또한 적용이 가능하다.

삭제

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 베슬(vessel)은 노상(hearth)을 가지며, 상기 노상은 내화성 벽돌로 이루어진 베이스(3)와 측면(55); 상기 노상의 측면들(55)로부터 상측으로 연장된 원통형 바렐로 이루어지고 상부 바렐 부분(51)과 하부 바렐 부분(53)을 포함하는 측벽들(5); 윗 덮개(지붕)(7); 폐가스의 배출구(9); 연속으로 용융 금속을 방출하는 전방 노상(forehearth)(81); 상기 노상과 전방 노상(81)을 상호 연결하는 전방 노상 연결부(71); 및 용융 용재를 방출하기 위한 탭 홀(61)을 구비한다.

정상 공정 조건에서의 사용시, 상기 베슬에는 용융 금속층(15)과 그 금속층(15) 상의 용융 용재층(16)을 포함하는 철과 용재의 용융조가 함유되어 있다. 참조번호 17로 표시된 화살표는 금속층(15)의 공칭 정지 표면의 위치를 가리키고, 참조 번호 19로 표시된 화살표는 용융 용재층(16)의 공칭 정지 표면의 위치를 가리킨다. 여기서, "정지 표면"이란 베슬 내부로 가스나 고체가 주입되지 않는 표면을 의미하는 것으로 해석된다.

또한, 상기 베슬은 측벽(5)을 통하여 용융 용재층(16)으로 수직에 대해 30 내지 60도의 각도로 안으로 하향 연장된 4쌍의 고체 주입용 랜스/투이어들(11a, 11b)을 구비한다. "온" 랜스/투이어(11a)의 각각의 쌍은 적어도 200도의 온도로 상기 베슬에 철광석 및 운반 가스를 주입하도록 배열되고, 각 쌍의 "냉" 랜스/투이어(11b)는 적어도 200도 미만의 온도로 상기 베슬에 차가운 석탄 및 운반 가스를 주입하도록 배열된다. 상기 운반 가스는 통상적으로 질소 또는 다른 적절한 불활성 가스이다.

각 쌍의 상기 랜스/투이어(11a, 11b)의 위치는 해당 랜스/투이어들이 상기 베슬 내부의 같은 지점을 향해 고체 물질을 사출하도록 선택된다. 또한 상기 랜스/투이어(11a, 11b)의 위치는 정상 공정 조건 하에서 그 하단부(35)가 금속층(15)의 정지 표면(17) 상에 배치되도록 선택된다.

정상 공정 조건에서의 사용시, 운반 기체(보통, 질소)와 함께 반출되는 철광석, 고체상의 탄소함유 물질(보통, 석탄)과 용제(보통, 석회 및 돌로마이트)가 상기 랜스/투이어(11a 11b)을 통하여 금속층(15)으로 주입된다. 고체물 및 운반 기체의 운동으로 인하여 고체물과 운반 기체가 금속층(15)으로 스며든다. 석탄은 탈휘발화되어 금속층(15)에서 가스를 생성한다. 탄소의 일부는 금속에 용해되고, 일부는 고체 탄소로 남는다. 철광석은 금속으로 용융되고 그 용융 반응으로 일산화탄소 기체가 발생한다. 금속층(15)으로 전달되어 탈휘발(devolatilisation) 과정과 용융(smelting) 과정을 통하여 발생되는 이들 기체는 상기 금속층(15)으로부터 용융 금속, 고체 탄소 및 용재의 현저한 부력 융기를 발생시키게 되는데, 이것은 용융 금속의 비산, 용적 및 유동물의 상향 이동을 야기하고, 따라서 이들 비산, 용적 및 유동물이 용재층(16)을 통해 이동하면서 용재를 비산시키며 끌어올리게 된다.

금속층(15)의 전체 면적으로부터 가스 유동의 발생에 의해 금속층(15)과 용재층(16)을 교반시켜서, 용재층(16)이 부피가 팽창되고 화살표(30)로 나타낸 표면을 갖게 된다. 따라서 상기 금속층(15)과 용재층(16)은 실질적으로 균질하게 되고,금속 영역과 용재 영역은 각 층에 걸쳐 균일한 온도, 전형적으로 1450 내지 1550 ℃가 된다.

또한, 용융 물질과 금속층(15)으로부터의 고체 탄소의 부력 융기와 용융조의 가스로 인한 전술한 바와 같은 상향 운동으로 인해 다음과 같은 것들이 형성된다:
(a) 전이 영역(23)이 형성되며,

삭제

(b) 상기 전이 영역(23)의 상부에 위치한 측벽(5)의 상부 바렐 부분(51)의 일부분과 윗덮개(7) 위로 전이 영역을 넘어서 일부 용융 물질(대부분 용재)을 사출시킨다.

일반적으로, 용재층(16)은 내부에 기체 방울이 발생하는 액상의 연속 체적이고, 상기 전이 영역(23)은 용융 금속과 용재의 비산, 용적 및 유동물로 이루어진 기체 상태의 연속 용적물이다.

또한, 상기 베슬은 중앙에 위치하고 베슬 내부로 수직으로 연장되는 산소함유 기체(보통, 예열된 산소 농후 공기)를 주입하기 위한 두 개의 랜스(lance)(13) 형태를 하고 있는 제2 공급 물질 주입용 랜스/투이어를 포함한다. 정상 공정 조건하에서, 산소함유 기체가 전이 영역(23)의 중앙 영역으로 침투하고, 상기 랜스(13)의 단부 주위에 금속/용재가 없는 공간(25)을 형성하도록 랜스(13)의 위치와 랜스(13)를 통한 기체 유속이 선택, 결정된다.

정상 공정 조건에서의 사용시, 상기 랜스(13)을 통하여 산소함유 기체를 주입하면, 전이 영역(23)과 랜스(13)의 말단 주변의 자유 공간(25)에서 반응 기체인 일산화탄소(CO)와 질소(N₂)가 후연소(post-combustion)함으로써, 기체 공간에서의 온도가 2000 ℃ 이상으로 높아진다. 이렇게 발생한 열은 기체 주입 영역에 있는 상승 및 하강하는 용융 물질의 비산, 용적 및 유동물로 전달된 후, 용융 물질(금속/슬래그)이 금속층(15)으로 되돌아가면 그 열의 일부가 금속층(15)으로 전달된다.

각각의 랜스(13)의 단부 주위에 위치한 상기 자유 공간(25)은 전이 영역(23) 상부의 공간 영역에 있는 기체를 랜스(13)의 말단 영역으로 비말 동반할 수 있도록 함으로써 반응 기체를 후연소시키는 노출의 기회를 증가시키게 되므로, 이러한 후연소의 수준을 증가시키는 데에 있어서 중요하다.

상기 랜스(13)의 위치와 랜스(13) 내부의 기체 유속, 그리고 용융 금속과 용재의 비산, 용적 및 유동물의 상향 운동의 조합된 효과에 의해 도면 번호 27로 나타낸 상기 랜스(13)의 하부 영역 주위의 전이 영역(23)의 모양을 형성하게 된다. 이렇게 해서 형성된 영역은 측벽(5)에 복사되어 발생하는 열 전달을 부분적으로 차단하는 역할을 한다.

또한, 정상 공정 조건에서, 상승 및 하강하는 용융 금속과 용재의 비산, 용적 및 유동물은 열을 전이 영역(23)으로부터 용융조로 효과적으로 전달하는 수단으로 작용하여 측벽(5)의 영역에서 전이 영역(23)의 온도가 1450 내지 1550 ℃로 유지되는 결과를 초래한다.

공정이 정상 공정 조건하에서 수행되는 경우 베슬 내에서 금속층(15), 용재층(16) 및 전이 영역(23)의 수준을 참조하여, 그리고 공정이 정상 동작 조건 하에서 수행되는 경우 전이 영역(23) 상위의 상단 공간(31)으로 사출되는 용융 금속과 용재의 비산, 용적 및 유동물을 참조하여 다음 조건이 충족되도록 베슬을 구성한다.

(a) 금속층(15)/용재층(16)과 접하는 측벽(5)의 노상과 하부 바렐 부분(53)은 내화 벽돌(도면에서 빗금친 부분)로 형성된다.

(b) 측벽(5)의 하부 바렐 부분(53)의 일부는 수냉식(water cooling)패널에 의해 지지된다.

(c) 상기 전이 영역(23) 및 상단 공간(31)과 접하는 측벽(5)의 상부 바렐 부분(51)과 윗덮개(7)는 수냉식 패널(57, 59)로 형성된다.

측벽(5)의 상부 바렐부(51)에 있는 각각의 수냉식 패널(8, 57, 59)은 서로 나란한 상하 모서리와 서로 나란한 측면 모서리들을 구비하고, 원통형 바렐의 단면을 정의하도록 만곡된다. 각 패널은 내측 수냉식 파이프와 외측 수냉식 파이프를 포함한다. 이들 파이프들은 사행형(serpintine) 형상으로 이루어지고, 수평 단면이 만곡 부분들에 의해 서로 연결된다. 각 파이프는 수 입구와 수 출구를 포함한다. 패널의 노출면, 즉 베슬의 내부에 노출되어 있는 면에서 바라보았을 때, 외측 파이프의 수평 단면이 내측 파이프의 수평 단면 뒤에 직접 배치되지 않도록 수직으로 설치된다. 또한, 각 패널은 각 파이프의 인접한 직선 단면 사이의 공간과 파이프 사이의 공간을 채우는 내화재를 포함한다. 각 패널은 패널의 외표면을 형성하는 지지판을 포함한다.

파이프의 수 입구와 수 출구는 파이프를 통하여 높은 유속으로 물을 순환시키는 물공급 회로(도시되지 않음)에 연결되어 있다.

상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 직접 제련 공정용 베슬 및 이를 이용한 직접 제련 공정은 용융조로의 열전달을 용이하게 하고, 전이 영역과 접하고 있는 베슬의 측벽을 통한 열손실을 최소화하여, 생산 효율을 극대화할 수 있는 효과가 있다.

Claims

야금 베슬에서 금속함유 공급 물질로부터 금속을 생산하는 직접 제련 공정에 있어서,

(a) 금속층과 상기 금속층 위에 용재층을 가진 용융조를 베슬 안에 형성하는 과정과;

(b) 금속함유 공급 물질과 탄소함유 물질을 포함한 공급 물질을 운반가스와 함께 상기 베슬 안으로 하향 및 내향 연장하는 다수 쌍의 랜스/투이어들을 통해 상기 용융조에 주입하며, 각 쌍의 제1 랜스/투이어는 200℃ 이상에서 금속함유 공급 물질을 주입하고, 각 쌍의 제2 랜스/투이어는 200℃ 미만에서 탄소함유 공급 물질을 주입하며, 여기서 상기 공급 물질과 운반 가스 주입이 가스 유동을 야기하고 이러한 가스 유동이 상기 금속층 안의 용융 물질을 비산, 용적 및 유동의 형태로 이동시키며 상기 용재층 위의 베슬 안 가스 연속층 내에 전이 영역을 형성하는 과정과;

(c) 상기 베슬 안으로 하향 연장하는 하나 이상의 랜스/투이어를 통해 산소함유 가스를 주입하고 상기 용융조에서 배출되는 반응 가스를 사후 연소하는데, 여기서 상승 후 하강하는 용융 물질의 비산, 용적 및 유동으로 인해 용융조로의 열전달이 용이해지고, 상기 전이 영역과 접하고 있는 측벽을 통해 베슬로부터의 복사 열손실을 최소화하는 과정; 및

(d) 상기 용융 금속과 용재를 베슬로부터 배출(탭핑)하는 과정을 포함하는 직접 제련 공정.
제 1항에 있어서, 상기 제1 랜스/투이어는 적어도 600 ℃ 이상의 온도에서 금속함유 공급물질을 주입함을 특징으로 하는 직접 제련 공정.
제 1항에 있어서, 상기 제1 랜스/투이어를 통해 금속함유 공급물질과 비휘발성 탄소함유 물질을 주입함을 특징으로 하는 직접 제련 공정.
제 1항에 있어서, 상기 제1 랜스/투이어를 통해 비휘발성 탄소함유 물질을 주입함을 특징으로 하는 직접 제련 공정.
제 4항에 있어서, 상기 제1 랜스/투이어를 통해 적어도 200 ℃ 이상의 온도에서 금속함유 공급 물질과 비휘발성 탄소함유 물질을 주입함을 특징으로 하는 직접 제련 공정.
제 1항에 있어서, 상기 랜스/투이어쌍들은 상기 랜스/투이어가 랜스/투이어쌍들로부터 이격된 한 점을 향해 공급 물질을 주입할 수 있도록 위치함을 특징으로 하는 직접 제련 공정.
제 1항에 있어서, 상기 금속함유 공급 물질은 철함유 물질임을 특징으로 하는 직접 제련 공정.
제 1항에 있어서, 상기 제2 랜스/투이어용 운반 가스는 무산소 가스 또는 산소결핍가스임을 특징으로 하는 직접 제련 공정.
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