KR100764042B1 - 직접제련 방법 및 장치 - Google Patents

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테크놀라지칼 리소시스 피티와이. 리미티드.
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Abstract

철함유 물질로부터 금속을 생산하기 위하여 용융 욕에 기초한 직접제련 방법 및 장치가 개시된다. 본 발명에 따른 방법은 랜스 출구 단부의 중심 축이 수평축에 대하여 20 내지 90°의 각도에 있도록 위치하며 내경 40-200mm의 송출관을 구비한 아래쪽으로 신장된 적어도 하나의 고체 주입 랜스를 통해서 적어도 40m/s의 속도로 용융 욕에 공급 물질로서 고체 물질 및 운반 가스를 주입하는 단계를 포함한다. 공급 물질을 주입하면 상기 욕에 주입된 물질의 반응에 의해서 적어도 부분적으로 상기 용융 욕 안에서 적어도 0.04 Nm3/s/m2의 겉보기 가스 유동이 발생한다. 상기 가스 유동으로 인해 용융 물질은 튐, 액적 및 흐름으로 위쪽으로 사출되어 확장된 용융 욕 영역을 형성하며, 상기 가스 유동 및 위쪽으로 사출된 물질은 상기 용융 욕 안에서 물질의 실질적인 이동 및 상기 용융 욕에서 강한 혼합을 유발한다. 상기 공급 물질은 전체적으로, 상기 용융 욕에서 공급 물질의 반응이 흡열반응이 되도록 선택된다. 본 발명에 따른 방법은 또한 적어도 하나의 산소 가스 주입 랜스를 통하여 상기 용기의 상부 영역에 산소함유 가스를 주입하며 상기 용융 욕으로부터 방출된 가연성 가스를 후연소하는 단계를 포함한다.
직접제련방법, 용융 욕, 후연소, 랜스

Description

직접제련 방법 및 장치{DIRECT SMELTING PROCESS AND APPARATUS}
본 발명은 광석, 부분 환원된 광석 및 금속함유 폐기물류(waste stream)와 같은 철함유 물질(ferrous material)로부터 용융 금속 (금속 합금을 포함함), 특히 결코 여기에 한정되는 것은 아니지만, 철을 생산하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
본 발명은 특히 용융 금속 욕(molten metal bath)에 기초한 직접제련 방법 및 철함유 물질로부터 용융 금속을 생산하기 위한 장치에 관한 것이다.
용융 금속 철을 생산하기 위한 용융 욕에 기초한 공지의 직접제련 공정 중의 하나는 DIOS 공정이다. 상기 DIOS 공정은 예비환원(pre-reduction) 과정 및 용해환원(smelt reduction) 과정을 포함한다. 상기 DIOS 공정에서, 광석(ore) (-8mm)은 예열(750℃) 되어 금속 및 슬래그(slag)의 용융 욕을 함유하는 용해환원 용기에서 나온 배출가스(offgas)를 사용하여 유동층(fluidised bed)에서 예비환원(10 내지 30%) 되며, 상기 슬래그는 상기 금속 상에 깊은 층을 형성하게 된다. 상기 광석의 미세 성분(-3mm) 및 굵은 성분(-8mm)은 상기 공정의 예비환원과정에서 분리된다. 석탄 및 예열되고 예비환원된 광석은 (두 개의 공급 라인을 통해서) 노(furnace)의 상부로부터 용해환원로로 연속적으로 공급된다. 상기 광석은 용해되어 슬래그의 깊 은 층에서 FeO를 형성하며, 상기 석탄은 상기 슬래그 층에서 숯(char) 및 휘발성 물질로 분해된다. 상기 발포된 슬래그에서의 이차 연소를 개선하는 특별히 고안된 랜스(lance)를 통해서 산소가 송풍된다. 산소는 용해환원 반응으로 발생되는 연소된 이산화탄소를 분출함으로써, 상기 용융 슬래그로 전달되는 열을 발생시킨다. FeO는 슬래그/금속 및 슬래그/숯 계면에서 환원된다. 상기 용해환원 용기의 저부에서 상기 고온 금속 욕으로 도입된 교반 가스(stirring gas)는 열전달 효율을 개선하여 환원용 슬래그/숯 계면을 증가시킨다. 슬래그 및 금속은 주기적으로 출탕(tap)된다.
용융 금속 철을 생산하기 위한 공지된 다른 직접제련 방법으로는 AISI 공정이 있다. AISI 공정도 또한 예비환원 과정 및 용해환원 과정을 포함한다. 상기 AISI 공정에서, 예열되고 부분적으로 예비환원된 철광석 펠릿(pellet), 석탄 또는 코크스 가루(coke breeze) 및 용제(flux)가 금속 및 슬래그의 용융 욕을 함유하는 가압 용해 반응기로 노정 장입(top charge)된다. 상기 석탄은 슬래그 층에서 탈휘발화되고, 그리고 나서 상기 슬래그내 탄소(숯)에 의해서 환원된다. 상기 공정 조건으로 인해 슬래그 발포가 유발된다. 상기 공정에서 발생된 이산화탄소 및 수소는 상기 슬래그 층내 또는 단지 상기 슬래그 층위에서 후연소되어 흡열 환원반응에 필요한 에너지를 제공한다. 산소는 중심의 수랭식(water cooled) 랜스를 통해서 상부 송풍되고 질소는 상기 반응기 저부에서 풍구(tuyere)를 통해 주입되어 상기 욕에 대한 후연소 에너지의 열전달을 촉진하는 충분한 교반을 보장해 준다. 상기 공정의 배출가스는 상기 펠릿을 예열 및 예비환원하여 FeO 또는 우스타이트(wustite)를 생 성하기 위한 샤프트(shaft)형의 노(furnace)로 공급되기 전에 고온의 사이클론(cyclone)에서 먼지가 제진(dedust)된다.
또 다른 공지된 직접제련 공정은 반응 매체로서 용융 금속 층을 기반으로 하는 것으로, 일반적으로 HIsmelt 공정으로 불려지며, 본원 출원인의 국제출원 PCT/AU96/00197 (국제공개 제WO96/31627호)에 기술되어 있다.
상기 국제출원에 개시된 HIsmelt 공정은 다음과 같은 단계를 포함한다:
(a) 용기에 용융 금속 및 슬래그의 욕을 형성하는 단계;
(b) 상기 욕에:
(i) 금속함유 공급 물질(metalliferous feed material), 일반적으로 금속산화물; 및
(ii) 상기 금속산화물의 환원제 및 에너지원으로 작용하는 고체 탄소질(carbonaceous) 물질, 일반적으로 석탄을 주입하는 단계; 및
(c) 상기 금속 층에서 상기 금속함유 공급 물질을 금속에 용해하는 단계.
상기 HIsmelt 공정은 산소함유 가스를 상기 욕 위의 공간에 주입하며 상기 욕으로부터 방출된 CO 및 H2와 같은 반응 가스를 후연소하며, 상기 욕으로 발생된 열을 전달하여 상기 금속함유 공급 물질을 용해하는 데 필요한 열에너지를 제공하는 과정을 포함한다.
상기 HIsmelt 공정은 또한 상기 욕의 공칭 정지표면(nominal quiescent surface) 위의 상기 공간에서 전이 영역을 형성하는 과정을 포함하며, 상기 욕 안 에서는 상기 욕 위의 후연소 반응 가스들에 의해 발생된 열에너지를 상기 욕에 효과적으로 전달하는 매체를 제공하는 용융 물질의 상승하고 그후 하강하는 액적(droplet) 또는 튐(splash) 또는 흐름(stream)이 바람직하게 많다
상기 국제출원에 개시된 상기 HIsmelt 공정은 상기 욕과 접촉하는 및/또는 상기 욕 위에서부터 접촉하는 상기 용기의 측면부를 통하여 상기 욕에 운반 가스, 금속함유 공급 물질, 및 고체 탄소질 물질을 주입함으로써 상기 전이 영역을 형성하여, 상기 운반 가스 및 상기 고체 물질이 상기 욕을 침투하고 상기 욕 표면 위의 상기 공간으로 용융 물질의 사출을 유발하는 것을 특징으로 한다.
상기 국제출원에 개시된 상기 HIsmelt 공정은 상기 욕으로부터 사출되는 용융 물질의 액적 및 튐 및 흐름을 유발하는 상기 욕에 대한 가스 및/또는 탄소질 물질의 저부 주입(bottom injection)에 의하여 상기 전이 영역을 형성하는 이전 HIsmelt 공정을 개선한 것이다.
본원 출원인은 직접제련 방법에 대한 광범위한 연구 및 파일럿 공장(pilot plant) 연구를 수행하여 상기 방법에 관한 일련의 중요한 발견들을 해왔다.
일반적인 견지에서, 본 발명의 목적은 철함유 물질로부터 금속(금속 합금을 포함하는 용어임)을 생산하기 위한 직접제련 방법을 제공하는 것이며, 상기 방법은 다음과 같은 단계를 포함한다:
(a) 야금 용기(metallurgical vessel)에 용융 금속(molten metal) 및 용융 슬래그(molten slag)의 욕(bath)을 형성하는 단계;
(b) 랜스(lance) 출구 단부의 중심 축이 수평축에 대하여 20 내지 90°의 각도에 있도록 위치하며 내경 40 - 200mm 의 방출관(delivery tube)을 구비한 아래쪽으로 신장된 고체 주입 랜스(injection lance)를 통해서 적어도 40m/s의 속도로 상기 용융 욕에 공급 물질(feed material)로서 고체 물질 및 운반 가스(carrier gas)를 주입하며, 상기 욕에 주입된 물질의 반응에 의해서 적어도 부분적으로 상기 용융 욕 안에서 적어도 0.04 Nm3/s/m2 (m2는 상기 용융 욕의 수평 단면적에 관한 것임)의 겉보기 가스 유동(superficial gas flow)이 발생되며, 상기 가스 유동으로 인하여 튐(splash), 액적(droplet) 및 흐름(stream) 형태로 용융 물질이 위쪽으로 사출(project)되어 확장된 용융 욕 영역(expanded molten bath zone)을 형성하며, 전체적으로 상기 용융 욕에서 상기 공급 물질의 반응이 흡열 반응이 되도록 상기 공급 물질을 선택하는 단계; 및
(c) 적어도 하나의 산소 가스 주입 랜스를 통해서 상기 야금 용기의 상부 영역에 산소 함유 가스를 주입하고 상기 용융 욕으로부터 방출된 가연성 가스들을 후연소함으로써, 상기 확장된 용융 욕 영역에서 상승하고 그후 하강하는 용융 물질이 상기 용융 욕에 열전달을 촉진하는 단계.
상기 확장된 용융 욕 영역은 상기 용융 물질의 전체에 걸쳐서 가스 공극(voidage)의 고 부피 분율을 가짐을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 가스 공극의 부피 분율은 상기 확장된 용융 욕 영역의 부피에 적어도 30%이다.
용융 물질의 튐(splash), 액적(droplet) 및 흐름(stream)은 상기 용융 욕 안의 상기 가스 유동에 의해서 발생한다. 상기 튐, 액적 및 흐름은 낮은 가스 유속에서는 교반-난류 영역(churn-turbulent regime)에 의해서 발생하며, 높은 가스 유속에서는 분수 영역(fountain regime)에 의해서 발생하는 것으로 여겨진다.
바람직하게는, 상기 가스 유동 및 위쪽으로 사출된 용융 물질로 인하여 상기 용융 욕안으로 그리고 상기 용융 욕으로부터 실질적인 물질의 이동이 일어난다.
바람직하게는, 상기 고체 물질은 철함유 물질 및/또는 고체 탄소질 물질을 포함한다.
상기 확장된 용융 욕 영역은 전술한 AISI 공정에서 생성된 발포 슬래그 층과는 꽤 상이하다.
바람직하게는, 상기 단계(b)는 상기 공급 물질이 상기 용융 욕의 하부 영역을 침투하도록 상기 용융 욕에 공급 물질을 주입하는 것을 포함한다.
바람직하게는, 상기 확장된 용융 욕 영역은 상기 용융 욕의 상기 하부 영역(lower region)을 형성한다.
바람직하게는, 상기 단계(b)는 80-100 m/s 범위내 속도로 상기 랜스를 통해서 상기 용융 욕에 공급 물질을 주입하는 것을 포함한다.
바람직하게는, 상기 단계(b)는 상기 랜스 방출관의 단면적에 대한 질량 유동율이 2.0 t/m2/s 이하인 질량 유동율로 상기 랜스를 통해서 상기 용융 욕에 공급 물질을 주입하는 것을 포함한다.
바람직하게는, 상기 단계(b)는 10-25 kg solids/Nm3 gas의 고체/가스 비율로 상기 랜스를 통해서 상기 용융 욕에 고체 물질을 주입하는 것을 포함한다.
더욱 바람직하게는, 상기 고체/가스 비율은 10-18 kg solids/Nm3 gas이다.
바람직하게는, 상기 단계(b)에서 발생된 상기 용융 욕안의 상기 가스 유동은 상기 용융 욕의 정지표면에서 적어도 0.04 Nm3/s/m2이다.
더욱 바람직하게는, 상기 용융 욕안의 상기 가스 유동은 적어도 0.2 Nm3/s/m2의 유동율을 갖는다.
더욱 바람직하게는, 상기 가스 유동율은 적어도 0.3 Nm3/s/m2이다.
바람직하게는, 상기 가스 유동율은 2 Nm3/s/m2 이하이다.
상기 용융 욕안의 상기 가스 유동은 부분적으로는 상기 용융 욕, 바람직하게는 상기 용융 욕의 하부 영역에 대한 가스의 저부 및/또는 측벽(side wall) 주입의 결과로서 발생된다.
바람직하게는, 상기 산소함유 가스는 공기 또는 산소가 농후한 공기(oxygen-enriched air)이다.
바람직하게는, 상기 방법은 적어도 하나의 산소 가스 주입 랜스를 통해서 800-1400℃ 온도 및 200-600 m/s 의 속도로 상기 야금 용기에 상기 공기 또는 산소가 농후한 공기를 주입하고 상기 랜스로부터 떨어져 있는 상기 랜스의 하단부 영역 으로 상기 확장된 용융 욕 영역을 밀어내고 상기 확장된 용융 욕 영역의 상기 용융 물질의 농도 보다 낮은 용융 물질의 농도를 갖는 상기 랜스의 상기 하단부 주위에 "자유(free)" 공간을 형성하는 것을 포함하며; 상기 랜스는 (i) 상기 랜스의 중심 축이 수평축에 대해서 20 내지 90°의 각도가 되도록; (ii) 상기 랜스가 적어도 상기 랜스 하단부의 외경만큼의 거리로 상기 야금 용기 속으로 신장되도록; (iii) 상기 랜스의 하단부가 상기 용융 욕의 정지표면 위에서 상기 랜스 하단부 외경의 적어도 3배만큼 떨어져 있도록 위치한다.
바람직하게는, 상기 랜스의 하단부 주위의 상기 자유 공간내 용융 물질의 농도는 상기 공간 부피 당 5% 이하이다.
바람직하게는, 상기 랜스의 하단부 주위의 상기 자유 공간은 상기 랜스의 하단부 외경에 대해 적어도 2배의 직경을 갖는 반구형태의 체적을 갖는다.
바람직하게는, 상기 랜스의 상기 하단부 주위의 상기 자유 공간은 상기 랜스의 하단부 외경에 대해 단지 4배의 직경을 갖는다.
바람직하게는, 공기 또는 산소가 농후한 공기의 산소 부피 당 적어도 50%, 더욱 바람직하게는 60%가 상기 랜스의 상기 하단부 주위의 상기 자유 공간에서 연소된다.
바람직하게는, 상기 방법은 소용돌이 운동(swirling motion)으로 상기 용기에 공기 또는 산소가 농후한 공기를 주입하는 것을 포함한다.
상기한 용어 "제련(smelting)"은 여기서 열적 공정을 의미하는 것으로 이해되며, 이는 액체 금속을 생산하기 위하여 철함유 공급 물질을 환원하는 화학 반응 이 일어나는 공정을 의미한다.
상기 용융 욕의 문맥에 있어서 "정지표면(quiescent surface)"이라는 용어는 가스/고체 주입이 없어서 욕 교반(bath agitation)이 존재하지 않는 공정 조건하의 상기 용융 욕의 표면을 의미하는 것으로 이해된다.
바람직하게는, 상기 방법은 상기 용기의 상기 용융 금속 철에 비례하여 상기 용기에서 슬래그 재고량(inventory)을 높게 유지하는 것을 포함한다.
용기내 슬래그의 양, 즉 슬래그 재고량은 상기 확장된 용융 욕 영에 존재하는 슬래그의 양에 직접적인 영향을 준다.
금속에 비해 슬래그의 상대적으로 낮은 열전달 특성은 상기 확장된 용융 욕 영역으로부터 상기 수랭식 측벽으로의 열손실 및 상기 용기의 상기 측벽을 통한 상기 용기로부터의 열손실을 최소화한다는 점에 있어서 중요하다.
적절한 공정 제어에 의해서, 상기 확장된 용융 욕 영역의 슬래그는 상기 측벽으로부터의 열손실에 내성을 부가하는 상기 측벽 상의 층 또는 층들을 형성할 수 있다.
따라서, 상기 슬래그 재고량을 변화시킴으로써, 상기 확장된 용융 욕 영역내 그리고 상기 측벽들 상의 슬래그 양을 증가 또는 감소시킬 수 있어서, 상기 용기의 상기 측벽들을 통한 열손실을 제어할 수 있게 된다.
상기 슬래그는 상기 측벽들 상에 "습윤(wet)" 층 또는 "건조(dry)" 층을 형성할 수 있다. "습윤" 층은 상기 측벽에 고착하는 동결(frozen) 층, 반고체(semi-solid)(mush) 층 및 외부 액체 필름(film)을 포함한다. "건조" 층은 실질적으로 모 든 슬래그가 동결되어 있는 하나의 층이다.
상기 용기내 슬래그의 양은 또한 후연소 정도에 대한 제어 척도를 제공한다.
구체적으로 말하면, 상기 슬래그 재고량이 너무 낮으면, 상기 확장된 용융 욕 영역의 금속이 상기 금속 층에 대해 갖는 긍정적인 열전달 효과에도 불구하고, 상기 확장된 용융 욕 영역의 금속 노출이 증가하여, 금속 산화 및 금속에 용해된 탄소 및 환원 후연소 전위가 증가하게 되고, 그 결과 후연소가 감소하게 된다.
추가적으로, 상기 슬래그 재고량이 너무 높으면, 하나 이상의 산소함유 가스 주입 랜스/풍구(tuyere)가 상기 확장된 용융 욕 영역에 묻히게 되고, 이는 랜스/풍구의 단부 또는 각각의 랜스/풍구의 단부에 대한 상부 공간 반응 가스의 이동을 최소화하게 되므로, 결과적으로 후연소 전위가 감소하게 된다.
상기 용기내 슬래그의 양, 즉 상기 슬래그 재고량은 금속 및 슬래그의 출탕율(tapping rate)에 의해서 제어될 수 있다.
상기 용기내 슬래그의 생성은 상기 용기에 대한 금속함유 공급 물질, 탄소질 물질, 및 용제의 공급율을 변경함으로써, 그리고 가스 주입율과 같은 변수들을 조작함으로써 제어될 수 있다.
바람직하게는, 상기 방법은 용선(molten iron)에 용해된 탄소의 레벨이 적어도 3중량%가 되도록 제어하며, 상기 슬래그의 FeO 레벨이 6중량% 이하, 더욱 바람직하게는 5중량% 이하가 되도록 하는 강한 환원 조건에서 상기 슬래그를 유지하는 것을 포함한다.
바람직하게는, 철함유 물질은 상기 용융 욕의 상기 하부 영역에서 적어도 현 저하게 금속으로 용해된다. 반드시, 상기 용기의 상기 영역은 금속의 농도가 높은 영역이 된다.
실제로는, 상기 용기의 다른 영역에서 상기 철함유 물질의 일정 부분이 금속으로 용해된다. 그러나, 본 발명에 따른 방법의 목적이며, 본 발명에 따른 방법과 종래 방법들 간의 중요한 차이는 상기 용융 욕의 상기 하부 영역에서 철함유 물질의 용해를 극대화하는 것이다.
본 발명에 따른 방법의 상기 단계(b)는 다수의 고체 주입 랜스를 통해서 공급 물질을 주입하며, 상기 용융 욕 안에서 적어도 0.04 Nm3/s/m2의 가스 유동을 발생시키는 것을 포함할 수 있다.
동일한 또는 분리된 랜스를 통해서 철함유 물질 및 탄소질 물질을 주입할 수 있다.
바람직하게는, 상기 방법은 용융 물질이 상기 확장된 용융 욕 영역 위로 사출되게 하는 것을 포함할 수 있다.
바람직하게는, 후연소의 레벨은 적어도 40%이며, 후연소는 다음 식으로 정의된다:
Figure 112002034101117-pct00001
여기서,
[CO2] = 배출가스 중 CO2 체적%
[H2O] = 배출가스 중 H2O 체적%
[CO] = 배출가스 중 CO 체적%
[H2] = 배출가스 중 H2 체적%
상기 확장된 용융 욕 영역은 두 가지 이유로 중요하다.
첫째, 상승하고 그후 하강하는 용융 물질은 반응 가스의 후연소에 의해서 발생된 열을 상기 용융 욕에 전달하는 효과적인 수단이 된다.
둘째, 상기 확장된 용융 욕 영역의 상기 용융 물질, 및 특히 상기 슬래그는 상기 용기의 상기 측벽을 통한 열손실을 최소화하는 효과적인 수단이 된다.
본 발명에 따른 방법의 바람직한 실시예와 종래 방법들간의 중요한 차이점은, 본 발명의 바람직한 실시예에서, 주된 용해 영역은 상기 용융 욕의 상기 하부 영역에 있으며 주된 산화(즉 열발생) 영역은 상기 확장된 용융 욕 영역의 상부 영역 위 및 내부에 있으며, 이러한 영역들은 공간적으로 잘 분리되어 있어서 열전달은 상기 두 영역들 간에 용융 금속 및 슬래그의 물리적 이동을 통해서 이루어진다.
본 발명에 따르면, 직적제련 방법에 의해서 철함유 물질로부터 금속을 생산하기 위한 장치가 제공되며, 상기 장치는, 금속 및 슬래그의 용융 욕을 함유하며 하부 영역 및 상기 하부 영역 상의 확장된 용융 욕 영역을 포함하는 고정된 비경사성(non-tiltable) 용기를 포함하며, 상기 확장된 용융 욕 영역은 용융 물질을 상기 하부 영역에서 위쪽으로 운반하는 상기 하부 영역에서의 가스 유동에 의해서 형성 되며, 상기 용기는:
(a) 상기 용융 욕의 상기 하부 영역과 접촉하는 기부(base) 및 측면들을 구비한 내화성 물질로 형성된 노저(hearth)를 포함하며;
(b) 상기 노저의 상기 측면에서 위쪽으로 신장되며 상기 용융 욕의 상부 영역 및 상기 가스의 연속적인 공간과 접촉하는 측벽을 포함하며, 상기 가스의 연속적인 공간과 접촉하는 상기 측벽들은 수랭식 패널 및 상기 패널 상의 슬래그 층을 포함하며;
(c) 상기 용기의 아래쪽으로 신장되며 상기 용융 욕 위에서 상기 용기에 산소 함유 가스를 주입하는 적어도 하나의 랜스를 포함하며;
(d) 적어도 40 m/s의 속도로 상기 용융 욕에 철함유 물질 및/또는 탄소질 물질 및 운반 가스인 공급 물질을 주입하는 적어도 하나의 랜스를 포함하며, 상기 랜스의 출구 단부의 중심 축이 수평축에 대해서 20 내지 90°의 각도로 아래쪽으로 기울어지도록 상기 랜스가 위치하며, 상기 랜스에는 내경이 40-200 mm인 공급 물질 주입용 방출관이 구비되며; 그리고
(e) 상기 용기로부터 용융 금속 및 슬래그를 출탕하기 위한 수단을 포함한다.
바람직하게는, 상기 공급 물질 주입 랜스는 상기 랜스의 출구가 상기 용융 욕의 금속 층의 정지표면 위에서 150-1500mm 떨어져 있도록 위치한다.
바람직하게는, 고체 입상 물질이 통과하는 중앙 코어관(core tube)을 포함하며; 상기 중앙 코어관 길이의 실질적인 부분 전체에 걸쳐 상기 코어관을 둘러싸는 환상 냉각 재킷(annular cooling jacket)을 포함하며, 상기 재킷은 상기 코어관 주위에 배치된 내부의 신장된 환상 수류 통로(water flow passage)를 정의하며, 외부의 신장된 환상 수류 통로는 상기 내부 수류 통로 주위에 배치되며, 환상 단부 통로는 상기 냉각 재킷의 전단부(forward end)에서 상기 내부 수류 통로 및 외부 수류 통로와 교차하며; 상기 재킷의 후단부(rear end) 영역에서 상기 재킷의 상기 내부 환상 수류 통로에 물을 유입(inlet)하기 위한 물 유입수단을 포함하며; 상기 재킷의 상기 후단부 영역에서 상기 외부 환상 수류 통로로부터 물을 유출(outlet)하기 위한 물 유출 수단을 포함하는 상기 공급 물질 주입 랜스에 있어서, 상기 재킷의 전단부에 대한 상기 내부의 신장된 환상 통로를 따라서 전방으로 흘러 상기 단부 흐름 통로수단을 통과하고 상기 외부의 긴 환상 수류 통로를 통과하여 후방으로 흐르는 냉각수의 흐름이 제공되며, 상기 환상 단부 통로는 상기 내부의 신장된 환상 통로에서 상기 외부의 신장된 환상 통로 쪽으로 바깥 및 후방으로 매끄럽게 구부러지며, 상기 단부 통로를 통과하는 수류의 유효 단면적은 상기 내부의 신장된 환상 수류 통로 및 외부의 신장된 환상 수류 통로 모두의 횡단 흐름 면적들 보다 작아 진다.
도 1은 본 발명에 따른 방법 및 장치의 바람직한 실시예를 개략적으로 도시한 종단면도이다.
도 2A 및 도 2B의 선 A-A를 결합하면, 도 1에 나타낸 고체 주입 랜스들 중 하나의 종단면도를 형성한다.
도 3은 상기 랜스의 후단부의 확대 종단면도이다.
도 4는 상기 랜스의 전단부의 확대 종단면도이다.
도 5는 도 4의 선 5-5에 따라 취한 횡단면도이다.
이하, 본 발명을 첨부 도면을 참조하여 단지 예시적인 방법으로써 더 상세히 설명하고자 한다.
이하 기술할 내용은 용선(molten iron)을 생산하기 위한 철광석 제련에 관한 것으로, 본 발명은 이러한 응용예에 한정되지 않으며 부분적으로 환원된 금속 광석 및 폐기 복귀 물질을 포함하는 어떤 적당한 철광석 및/또는 철을 함유한 농축물에 적용할 수 있는 것으로 여겨진다.
도 1에 도시된 직접제련 장치는 11과 같이 일반적으로 표시되는 야금 용기를 포함한다. 상기 용기(11)는 노저(hearth)를 가지고 있으며, 상기 노저는, 내화 벽돌로 형성된 기부(12) 및 측면들(13); 상기 노저의 상기 측면들(13)로부터 상부방향으로 신장된 일반적으로 원통형의 배럴(barrel)을 형성하며, 수랭식 패널들(미도시)로 형성된 상부 배럴부분 및 내화 벽돌의 내부 라이닝(lining)을 구비한 수랭식 패널들(미도시)로 형성된 하부 배럴부분을 포함하는 측벽들(14); 방출 가스용 출구(18); 용융 금속을 연속적으로 방출하기 위한 전로(forehearth)(19); 및 용융 슬래그를 방출하기 위한 출탕구(tap-hole)(21)를 포함하여 구성된다.
사용시, 정지 조건하에서, 상기 용기는 용융 금속 층(22) 및 상기 금속 층(22)상의 용융 슬래그 층(23)을 포함하는 철 및 슬래그의 용융 욕을 함유한다.
상기 용어 "금속 층(metal layer)"은 여기서 주로 금속으로 이루어진 상기 욕 영역을 의미하는 것으로 이해된다.
상기 용융 욕의 공칭 정지표면(nominal quiescent surface) 위의 공간은 이후에는 "상부 공간(top space)"으로 언급될 것이다.
숫자 24로 표시된 화살표는 상기 금속 층(22)의 공칭 정지표면의 위치를 나타내며, 숫자 25로 표시된 화살표는 상기 슬래그 층(23) (즉, 상기 용융 욕)의 공칭 정지표면을 나타낸다.
상기 용어 "정지표면(quiescent surface)"은 상기 용기에 가스 및 고체의 주입이 없는 경우의 표면을 의미하는 것으로 이해된다.
상기 용기에는 상기 용기의 상부 영역에 열풍(hot air blast)을 방출하기 위해서 그리고 상기 용융 욕으로부터 방출된 반응 가스를 후연소(post-combustion)하기 위해서 아래로 신장하는 열풍 주입 랜스(26)가 갖추어진다. 상기 랜스(26)는 다음과 같은 구성을 갖도록 위치한다:
(i) 상기 랜스(26)의 중심 축은 수평축에 대해서 20 내지 90°의 각도에 있으며(도 1에 도시한 상기 랜스(26)는 90°의 각도를 이룬다);
(ii) 상기 랜스(26)는 적어도 상기 랜스의 상기 하단부의 외경 D만큼의 거리로 상기 용기 안으로 신장하며; 그리고
(iii) 상기 랜스(26)의 상기 하단부는 상기 용융 욕의 정지표면(25) 위에서 상기 랜스 하단부 외경의 적어도 3배만큼 떨어져 있다.
상기 용기에는, 또한 상기 용융 욕에 산소결핍 운반 가스에 동반된 용제, 고체 탄소질 물질, 및 철광석을 주입하기 위해서, 상기 측벽들(14)을 통해서 하방으로 그리고 내부 쪽으로 신장하며 수평 위치에 대해 20-70°의 각도에 있는 랜스들(27)의 출구 단부들(82)을 사용하여 상기 용융 욕안으로 신장하는 고체 주입 랜스들(27) (두 개 도시됨)이 갖추어 진다. 상기 랜스들(27)의 위치는 그들의 출구 단부들(82)이 상기 금속 층(22)의 정지표면(24) 위에 있도록 선택된다. 상기 랜스들(27)의 이러한 위치는 용융 금속과의 접촉으로 인한 손상 위험을 경감시키며, 또한 상기 용기내 상기 용융 금속과의 접촉을 일으키는 물의 상당한 위험 없이도 강제 내부 수랭에 의해서 상기 랜스들(27)을 냉각시킬 수 있게 된다. 구체적으로, 상기 랜스들(27)의 위치는 상기 출구 단부들(82)이 상기 금속 층(22)의 정지표면(24) 위로 150-1500 mm의 범위 내에 있도록 선택된다. 덧붙여 말하건대, 상기 랜스들(27)이 도 1에서 상기 용기 안으로 신장된 것으로 나타나 있지만, 상기 랜스들(27)의 출구 단부들은 측벽(14)과 동일 평면에 있을 수 있다. 상기 랜스들(27)은 도 2 내지 도 5와 관련하여 보다 상세히 기술된다.
가동시에, 운반 가스(일반적으로 N2)에 동반된 용제(일반적으로 석회 및 마그네시아), 철광석, 및 고체 탄소질 물질(일반적으로 석탄)은 적어도 40 m/s, 바람직하게는 80-100 m/s의 속도로 상기 랜스들(27)을 통해서 상기 용융 욕에 주입된다. 상기 고체 물질/운반 가스의 운동량(momentum)으로 인해서 상기 고체 물질 및 가스가 상기 용융 욕의 하부 영역에 침투한다. 상기 석탄은 탈휘발되어 상기 하부 욕 영역에서 가스를 생성한다. 탄소(carbon)는 부분적으로 금속으로 용해되어 부분적으로 고체 탄소로 남아 있게 된다. 철광석은 금속으로 용해되며, 용해 반응은 일산화탄소 가스를 발생시킨다. 상기 하부 욕 영역으로 운반되어 탈휘발화(devolatilisation) 및 용해를 통해 발생된 가스는 상기 하부 욕 영역으로부터 용융 금속, 고체 탄소, 및 (고체/가스/주입의 결과로서 상기 하부 욕 영역으로 인출된) 슬래그의 상당한 부양성 융기(uplift)를 일으키며, 이러한 융기는 용융 금속 및 슬래그의 튐(splash), 액적(droplet) 및 흐름(stream)의 상향 이동을 발생시키며, 이러한 튐, 액적 및 흐름은 그들이 상기 용융 욕의 상부 영역을 통해 이동할 때 슬래그를 동반하게 된다. 상기한 운반 가스의 주입 및 욕 반응에 의해서 발생된 가스 유동은 상기 용융 욕의 상기 정지표면(즉, 도면상의 표면 25)에서 적어도 0.04 Nm3/s/m2 이다.
용융 금속, 고체 탄소, 및 슬래그의 부양성 융기는 상기 용융 욕에서 실질적인 교반(agitation)을 야기하며, 그 결과 상기 용융 욕은 체적이 확장하여 화살표 30으로 표시된 표면을 갖는 확장된 용융 욕 영역(28)을 형성한다. 교반이 진척되면 상기 용융 욕 안에서 용융 물질의 실질적인 이동( 상기 하부 욕 영역으로의 그리고 하부 욕 영역으로부터의 용융 물질의 이동을 포함함)이 있게 되며, 상기 용융 욕 전체에 걸쳐서 상당히 균일한 온도로, 일반적으로, 1450-1550℃로, 각 영역에서 약 30°의 온도 편차를 갖는 정도로 강한 혼합이 있게 된다.
추가적으로, 상기 상향 가스 유동은 상기 확장된 용융 욕 영역(28)을 넘어서 그리고 상기 확장된 용융 욕 영역(28) 위 및 상기 지붕(17) 상에 있는 상기 측벽들(14)의 상부 배럴부의 일부분 상에 약간의 용융 물질(주로 슬래그)을 사출시킨다.
일반적인 관점에서, 상기 확장된 용융 욕 영역(28)은 그 안에 가스 기포를 갖는 액체의 연속적인 체적이다.
전술한 것에 추가적으로, 가동시에, 800-1400℃ 온도에서 열풍이 랜스(26)를 통해서 200-600 m/s의 속도로 방출되어 상기 확장된 용융 욕 영역(28)의 중심 영역을 침투하며, 상기 랜스(26)의 단부 주변에 본질적으로 금속/슬래그 자유 공간(29) 형성을 유발한다.
상기 랜스(26)를 통한 열풍은 상기 확장된 용융 욕 영역(28) 및 상기 랜스(26)의 단부 주위의 상기 자유 공간(29)에서 반응 가스인 CO 및 H2를 후연소하여 상기 가스 공간에서 약 2000℃ 또는 그 이상의 고온을 발생시킨다. 상기 열은 가스 주입 영역에서 용융 물질의 상승 및 하강하는 튐, 액적, 및 흐름에 전달되며, 그리고 나서 상기 열은 상기 용융 욕 전체에 걸쳐서 부분적으로 전달된다.
상기 자유 공간(29)은 높은 수준의 후연소를 달성함에 있어 중요한데, 이는 상기 확장된 용융 욕 영역 위의 공간내 가스를 상기 랜스(26)의 단부 영역으로 끌고 가는 것이 가능하게 되어 후연소에 이용 가능한 반응 가스의 노출이 증가하기 때문이다.
상기 랜스(26)의 위치, 상기 랜스(26)를 통과하는 가스 유동 속도, 및 용융 물질의 튐, 액적 및 흐름의 상향 이동의 복합적인 효과가 상기 랜스(26)의 하부 영역 주위에 확장된 용융 욕 영역(28)을 형성하게 되는 것이다. 이와 같이 형성된 영역은 상기 측벽들(14)에 대한 방사(radiation)에 의해서 열전달의 부분 장벽을 제공한다.
더욱이, 상승 및 하강하는 용융 물질의 액적, 튐 및 흐름은 상기 확장된 용융 욕 영역(28)으로부터 상기 용융 욕으로 열을 전달하는 효과적인 수단이 되어, 상기 측벽들(14)의 영역내 영역(28)의 온도는 약 1450-1550℃가 된다.
상기 고체 주입 랜스들의 구조가 도 2 내지 도 5에 도시되어 있다.
도 2 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 각각의 랜스(27)는 상기 고체 물질들을 통과 방출시키는 중앙 코어관(31) 및 상기 코어관 길이의 실질적인 부분 전체에 걸쳐 상기 중앙 코어관(31)을 둘러싸는 환상 냉각 재킷(32)을 포함한다. 중앙 코어관(31)은 그의 길이의 대부분에 걸쳐서 탄소/합금강 관(33)으로 형성되어 있으나, 중앙 코어관의 전단부에 있는 스테인레스강(stainless steel) 부분 (34)은 냉각 재킷(32)의 전단부로부터 노즐(nozzle) 같이 돌출한다. 코어관(31)의 상기 전단부 부분(34)은 단강 어댑터(short steel adaptor) 부분(35)을 통해서 상기 코어관의 탄소/합금강 부분(33)에 연결되며, 상기 단강 어댑터 부분(35)은 상기 스테인레스강 부분(34)에 용접되며 나사산(screw thread)(36)을 통하여 상기 탄소/합금강 부분에 연결된다.
중앙 코어관(31)에는 일련의 주조 세라믹관(cast ceramic tube)에 의해서 형성된 가는 세라믹 라이닝(37)이 상기 전방 단부 부분(34)까지 죽 내장된다. 상기 중앙 코어관(31)의 후단부는 커플링(coupling)(38)을 통하여 T-형 부재(39)에 연결되며, 상기 T-형 부재를 통하여 입상 고체 물질이 가압 유동 가스 운반체, 예를 들면 질소에 방출된다.
환상 냉각 재킷(32)은 긴 중공 환상구조물(41)을 포함하며, 상기 환상구조물(41)은 전단 연결부재(44)에 의해서 상호 연결된 외부관 및 내부관(42,43) 그리고 신장된 관구조물(45)로 구성되며, 상기 신장된 관구조물(45)은 구조물(41)의 내부를 내부의 신장된 환상 수류 통로(46)와 외부의 신장된 환상 수류 통로(47)로 분할하기 위해서 상기 중공 환상구조물(41) 안에 배치된다. 신장된 관구조물(45)은 다듬어진 탄소강 전단편(machined carbon steel forward end piece)(49)에 용접된 긴 탄소강관(48)에 의해서 형성되며, 상기 내부 및 외부 수류 통로들(46,47)의 전방 단부들을 상호 연결하는 환상 단부 흐름 통로(51)를 형성하기 위해서 상기 다듬어진 탄소강 전단편(49)이 상기 중공 관구조물(41)의 전단 연결부재(44) 안에 끼워 맞춰진다.
환상 냉각 재킷(32)의 후단부에는 물 유입구(52) 및 물 유출구(53)가 구비되며, 상기 물 유입구를 통해서 냉각 수류가 상기 내부 환상 수류 통로(46)로 향할 수 있으며, 상기 물 유출구에 의하여 상기 랜스의 후단부에 있는 상기 외부 환상 통로(47)에서 물이 추출된다. 따라서, 상기 랜스의 사용 시에는, 냉각수가 상기 내부 환상 수류 통로(46)를 통하여 상기 랜스의 전방 아래로 흘러 바깥쪽으로 흐르고 상기 전방 환상 단부 통로(51) 주위를 되돌아 상기 외부 환상 통로(47)로 흐르며, 상기 외부 환상 통로를 통하여 냉각수가 상기 랜스를 따라 후방으로 흐르며 상기 유출구(53)를 통하여 외부로 나간다. 이로 인해, 가장 차가운 냉각수는 들어오는 고체 물질과의 열전달 관계에 있어서, 상기 물질이 상기 랜스의 전단부에서 방출되기 전에 용융 또는 연소되지 않도록 하며, 상기 전단부의 효과적인 냉각뿐만 아니라 상기 랜스의 중앙 코어를 통하여 주입될 고체 물질 및 상기 랜스의 외부 표면들 모두에 대한 효과적인 냉각을 가능하게 한다.
상기 중공 환상구조물(41)의 관(42) 및 전단 연결부재(44)의 외부 표면들은 각각 언더컷(undercut) 또는 도브테일(dove tail) 단면을 갖는 사각 돌출 보스(boss)(54)의 규칙적인 패턴으로 마무리되므로, 상기 보스들은 바깥쪽으로 확개하는 구조가 되며 상기 랜스의 외부 표면에서 슬래그의 응고를 위한 중요한 구성물(formation)로 작용한다. 상기 랜스 상의 슬래그 응고는 상기 랜스의 금속 성분들의 온도를 최소화하는 데 도움이 된다. 상기 랜스의 전방 또는 팁(tip) 단부 상의 고체 동결이 상기 랜스의 신장부로 작용하는 고체 물질의 신장 파이프(pipe)의 형성을 위한 기부로 작용하며, 또한 상기 용기 안의 심한 작동 조건에 대해 상기 랜스의 금속 성분들의 노출을 보호한다는 것을 알았다.
상기 환상 단부 흐름 통로(51) 주위에서 높은 수류 속도를 유지하는 것이 상기 랜스의 상기 팁 단부의 냉각에 매우 중요하다는 것을 알았다. 특히, 최대 열전달을 얻기 위해서 상기 영역에서 약 초 당 10 m의 수류 속도를 유지하는 것이 가장 바람직하다. 상기 영역에서 수류 속도를 극대화하기 위해서, 통로(51)를 통과하는 수류의 유효 단면적은 상기 내부 환상 수류 통로(46) 및 외부 환상 수류 통로(47) 모두의 유효 단면적들에 비해 상당히 감소한다. 내부 환상 통로(46)의 상기 전단부 로부터 흐르는 물이 상기 단부 흐름 통로(51)로 가기 전에 소용돌이(eddy) 및 손실을 최소화하는 내측으로 감소 또는 테이퍼(taper)된 노즐 흐름 통로 부분(61)을 통과하도록 상기 내부 관구조물(45)의 전단편(49)이 형성되어 위치하게 된다. 상기 단부 흐름 통로(51)는 또한 수류 방향으로 유효 유동면적을 감소시켜 상기 통로내 벤드(bend) 주위에서 증가된 수류 속도를 유지하며 외부 환상 수류 통로(47)로 되돌아가게 한다. 이런 방식으로, 상기 냉각 재킷의 단부 영역에서 상기 랜스의 다른 부분들의 과도한 압력 강하 및 막힘 위험 없이 필요한 높은 수류 속도를 얻을 수 있게 된다.
상기 팁 단부 통로(51) 주위에서 냉각수 속도를 적절히 유지하고 열전달 요동(fluctuation)을 최소화하기 위해서, 관구조물(45)의 전단편(49)과 중공 환상구조물(41)의 전단 연결부재(44) 간에 일정한 제어공간(controlled spacing)을 유지하는 것이 중요하다. 이는 상기 랜스 성분들의 차별적인 열팽창 및 열수축으로 인한 문제를 야기한다. 특히, 중공 환상구조물(41)의 상기 외부 관 부분(42)이 상기 구조물의 내부 관 부분(43)보다 훨씬 높은 온도에서 노출되어, 상기 구조물의 전단부는 도 4에서 점선(62)으로 표시한 것과 같이 앞쪽으로 굴려지는 경향이 있다. 이로 인해 상기 랜스가 상기 용해 용기 안의 작동 조건에 노출될 때 개방되는 상기 통로(51)를 정의하는 전단 연결부재 및 전단편(44, 49) 사이에 갭(gap)을 생성된다. 역으로, 상기 통로는 작동 중에 온도 강하가 있으면 밀폐될 수 있다. 이러한 문제점을 극복하기 위해서, 중공 환상구조물(41)의 상기 내부관(43)의 후단부가 미끄럼 마운팅(sliding mounting)(63)으로 지지되므로 상기 구조의 외부관(42)에 대해서 축방향으로 이동할 수 있으며, 내부 관구조물(45)의 후단부도 또한 미끄럼 마운팅(64)에 설치되고 일련의 원주상으로 간격을 두고 있는 연결자 클리이트(cleat)(65)에 의해서 구조물(41)의 상기 내부관(43)에 연결되므로 상기 관들(43, 45)은 함께 축방향으로 이동할 수 있다. 추가적으로, 상기 중공 환상구조물(41) 및 관구조물(45)의 전단 연결부재 및 전단편(44, 49)은 일련의 원주상으로 간격을 두고 있는 다우얼(dowel)(70)에 의해서 실제적으로 상호 연결되어 상기 랜스 재킷의 열팽창운동 및 열수축운동 모두에서 적당한 간격을 유지하게 된다.
관구조물(45)의 내부 단부용 상기 미끄럼 마운팅(64)은 수류 매니폴드(manifold)구조물(68)에 부착된 링(ring)(66)에 의해서 제공되며, 상기 수류 매니폴드구조물은 상기 물 유입구(52) 및 물 유출구(53)를 정의하며 O-링 실(seal)(69)에 의해서 밀봉된다. 구조물(41)의 상기 내부관(43)의 후단부용 상기 미끄럼 마운팅(63)은 상기 물 매니폴드구조물(68)에 고정된 링 플랜지(flange)(71)에 의해서 유사하게 제공되며, O-링 실(72)에 의해서 밀봉된다. 유입구(52)로부터 유입되는 냉각수를 수용하는 물 유입 매니폴드 챔버(chamber)(74)를 밀폐하기 위해서 환상 피스톤(piston)(73)은 링 플랜지(71) 안에 위치하며 나사산 연결선(80)에 의해서 구조물(41)의 상기 내부관(43)의 후단부에 연결된다. 피스톤(73)은 링 플랜지(71) 상의 경질 표면 안으로 미끄러져 O-링들(81, 82)에 끼워 맞춰진다. 피스톤(73)에 의해서 제공된 미끄럼 밀봉은 구조물(41)의 차별적인 열팽창에 기인한 상기 내부관(43)의 이동을 허용할 뿐만 아니라, 상기 냉각 재킷내 과도한 수압에 의해서 발생된 구조물(41)의 어떤 이동을 조절하기 위해서 관(43)의 이동도 허 용한다.
어떠한 이유에서든 상기 냉각 수류의 압력이 과도해지면, 구조물(41)의 상기 외부관은 바깥쪽으로 힘을 받게 되고 피스톤(73)은 상기 내부관의 이동을 허용하므로 강화된 압력이 저감된다. 상기 피스톤(73)과 상기 링 플랜지(71)사이의 내부 공간(75)은 가스 배출구(vent hole)(76)를 통해서 배출되므로, 상기 피스톤의 이동이 허용되며 상기 피스톤 지난 곳에서의 누수를 방지할 수 있게 된다.
환상 냉각 재킷(32)의 후방 부분에는 상기 랜스의 아래쪽 부분에 있으며 환상 냉각수 통로(84)를 정의하는 외부 보강 파이프(stiffening pipe)(83)가 구비되며, 냉각수의 분리된 흐름은 물 유입구(85) 및 물 유출구(86)를 통해서 상기 환상 냉각수 통로(84)를 지나간다.
일반적으로, 냉각수는 800kPa의 최대 작동 압력에서 100m3/hr의 유속으로 상기 냉각 재킷을 통과하게 되므로, 상기 재킷의 상기 팁 영역에서 10 meters/minute의 수류 속도가 생성된다. 상기 냉각 재킷의 내부 부분 및 외부 부분은 약 200℃의 온도 차이를 나타낼 수 있으며, 관들(42 및 45)은 상기 랜지의 작동 중에 상기 미끄럼 마운팅들(63, 64) 안에서 상당히 이동할 수 있으나, 상기 단부 통로(51)의 유효 유동 단면적은 모든 작동 조건하에서 실질적으로 일정하게 유지된다.
본 발명은 전술한 구조에 한정되지 않으며 많은 변형 및 변경들은 본 발명의 정신 및 범위 내에 있는 것으로 이해되어야 한다.
그 점에 있어서, 상기 산소 가스 주입 랜스는 고체 주입 랜스의 상부 본체와 일체화될 수 있으며 그 일부분을 형성할 수 있다.
본 발명은 용융 금속을 생산하기 위한 직접제련 공정 및 장치에 관한 것으로, 용융 욕에 기초하여 철함유 물질로부터 용융 금속을 얻기 위한 방법 및 장치를 제공하며, 본 발명에 따른 방법 및 장치에 의하여 상기 용융 욕의 하부 영역에서의 철함유 물질의 용해가 극대화된다.

Claims (19)

  1. 철함유 물질로부터 금속(금속 합금을 포함함)을 생산하기 위한 직접제련 방법에 있어서,
    (a) 야금 용기에 용용 금속 및 용융 슬래그의 욕을 형성하는 단계;
    (b) 랜스 출구 단부의 중심 축이 수평축에 대하여 20 내지 90°의 각도에 있도록 위치하며 내경 40 - 200mm 의 방출관을 구비한 아래쪽으로 신장된 고체 주입 랜스를 통해서 적어도 40m/s의 속도로 상기 용융 욕에 공급 물질로서 고체 물질 및 운반 가스를 주입하며, 상기 욕에 주입된 물질의 반응에 의해서 적어도 부분적으로 상기 용융 욕 안에서 적어도 0.04 Nm3/s/m2 (m2는 상기 용융 욕의 수평 단면적에 관한 것임)의 겉보기 가스 유동이 발생하며, 상기 가스 유동으로 인하여 튐, 액적 및 흐름 형태로 용융 물질이 위쪽으로 사출되어 확장된 용융 욕 영역을 형성하며, 전체적으로 상기 용융 욕에서 상기 공급 물질의 반응이 흡열 반응이 되도록 상기 공급 물질을 선택하는 단계; 및
    (c) 적어도 하나의 산소 가스 주입 랜스를 통해서 상기 야금 용기의 상부 영역에 산소 함유 가스를 주입하고 상기 용융 욕으로부터 방출된 가연성 가스들을 후연소함으로써, 상기 확장된 용융 욕 영역에서 상승하고 그후 하강하는 용융 물질이 상기 용융 욕에 대해 열전달을 촉진하는 단계를 포함하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 단계(b)는 상기 공급 물질이 상기 용융 욕의 하부 영역을 침투하도록 상기 용융 욕에 공급 물질을 주입하는 것을 포함하는 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 단계(b)는 상기 랜스를 통해서 80 내지 100m/s 범위내 속도로 상기 용융 욕에 공급 물질을 주입하는 것을 포함하는 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 단계(b)는 상기 랜스 방출관의 단면적에 대한 질량 유동율이 2.0 t/m2/s 이하인 질량 유동율로 상기 랜스를 통해서 상기 용융 욕에 공급 물질을 주입하는 것을 포함하는 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 단계(b)는 상기 랜스를 통해서 10-25kg solids/Nm3 gas의 고체/가스 비율로 상기 용융 욕에 공급 물질을 주입하는 것을 포함하는 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 고체/가스 비율이 10-18kg solids/Nm3 gas임을 특징으로 하는 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 단계(b)는 다수의 고체 주입 랜스를 통해서 공급 물질을 주입하며 상기 용융 욕 안에서 적어도 0.04 Nm3/s/m2의 가스 흐름을 발생시키는 것을 포함하는 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 단계(b)에서 발생된 상기 용융 욕안의 상기 가스 흐름은 상기 용융 욕의 공칭 정지표면에서 적어도 0.04Nm3/s/m2임을 특징으로 하는 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 용융 욕안의 상기 가스 유동율은 적어도 0.2Nm3/s/m2임을 특징으로 하는 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 가스 유동율은 적어도 0.3Nm3/s/m2임을 특징으로 하는 방법.
  11. 제1항에 있어서, 상기 단계(b)에서 발생된 상기 용융 욕안의 상기 가스 유동율이 2Nm3/s/m2 이하임을 특징으로 하는 방법.
  12. 제1항에 있어서, 상기 단계(b)에서 상기 용융 욕에 주입된 상기 산소 함유 가스는 공기 또는 산소 강화 공기임을 특징으로 하는 방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 단계(c)는 적어도 하나의 산소 가스 주입 랜스를 통해서 800-1400℃ 온도 및 200-600 m/s 의 속도로 상기 야금 용기에 상기 공기 또는 산소 강화 공기를 주입하고, 상기 랜스로부터 떨어져 있는 상기 랜스의 하단부 영역으로 상기 확장된 용융 욕 영역을 밀어내고, 상기 확장된 용융 욕 영역의 상기 용융 물질의 농도 보다 낮은 용융 물질의 농도를 갖는 상기 랜스의 상기 하단부 주위에 "자유" 공간을 형성하는 것을 포함하며; (i) 상기 랜스의 중심 축이 수평축에 대해서 20 내지 90°의 각도가 되도록; (ii) 상기 랜스가 적어도 상기 랜스의 상기 하단부의 외경만큼의 거리로 상기 야금 용기 속으로 신장되도록; (iii) 상기 랜스의 상기 하단부가 상기 용융 욕의 상기 정지표면 위에서 상기 랜스의 상기 하단부의 외경의 3배 이상 떨어져 있도록 상기 랜스가 위치하는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제1항에 있어서, 상기 단계(c)는 소용돌이 운동으로 상기 야금 용기에 산소 함유 가스를 주입하는 것을 포함하는 방법.
  15. 제1항에 있어서, 용선에 용해된 탄소의 레벨이 적어도 3중량%가 되도록 제어하며, 상기 슬래그의 FeO 레벨이 6중량% 이하가 되도록 하는 강한 환원 조건에서 상기 슬래그를 유지하는 것을 포함하는 방법.
  16. 제15항에 있어서, 용선에 용해된 탄소의 레벨이 적어도 3중량%가 되도록 제어하며, 상기 슬래그의 FeO 레벨이 5 중량% 이하가 되도록 하는 강한 환원 조건에서 상기 슬래그를 유지하는 것을 포함하는 방법.
  17. 제1항에 있어서, 상기 확장된 용융 욕 영역 위의 표면 공간으로 용융 물질의 사출을 유발하는 것을 포함하는 방법.
  18. 제1항에 있어서, 상기 단계(c)는 후연소의 레벨이 적어도 40%가 되도록 가연성 가스들을 후연소하는 것을 포함하며, 후연소 레벨은
    Figure 112007035373181-pct00002
    로 정의되며, 여기서
    [CO2] = 배출가스 중 CO2 체적%
    [H2O] = 배출가스 중 H2O 체적%
    [CO] = 배출가스 중 CO 체적%
    [H2] = 배출가스 중 H2 체적%
    임을 특징으로 하는 방법.
  19. 삭제
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Families Citing this family (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
AUPQ783100A0 (en) * 2000-05-30 2000-06-22 Technological Resources Pty Limited Apparatus for injecting solid particulate material into a vessel
PL1740728T3 (pl) * 2004-04-26 2014-06-30 Tech Resources Pty Ltd Instalacja obróbki metalurgicznej
US20060228294A1 (en) * 2005-04-12 2006-10-12 Davis William H Process and apparatus using a molten metal bath
KR100771662B1 (ko) * 2006-12-12 2007-11-01 한국생산기술연구원 용융로 장치
CN101445848B (zh) * 2008-12-22 2010-08-11 莱芜钢铁集团有限公司 一种含铁物料连续炼钢工艺方法及装置
US9175907B2 (en) * 2009-02-09 2015-11-03 Technological Resources Pty. Limited Direct smelting process and apparatus
WO2012106769A1 (en) * 2011-02-09 2012-08-16 Technological Resources Pty. Limited Direct smelting process
CN102127609B (zh) * 2011-02-21 2012-07-18 唐山市嘉恒实业有限公司 一种短流程铁合金熔炼装置
BR112013033631B8 (pt) 2011-06-30 2023-03-28 Outotec Oyj Lanças de injeção submergida de topo
CA2844098C (en) 2011-09-02 2016-01-05 Outotec Oyj Lances for top submerged injection
EA025696B1 (ru) * 2011-11-30 2017-01-30 Ототек Оюй Охлаждаемая текучей средой верхняя погружная фурма
JP6316182B2 (ja) * 2014-12-19 2018-04-25 富士フイルム株式会社 リポソームの製造方法及びリポソーム製造装置
RU2678548C1 (ru) * 2015-02-17 2019-01-29 Тата Стил Лимитед Способ и устройство удаления закупорки в фурме
WO2023244479A1 (en) 2022-06-15 2023-12-21 Nucor Corporation A direct bath smelting process with management of peripheral cold zones at the metal-slag interface

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1996031627A1 (en) * 1995-04-07 1996-10-10 Technological Resources Pty. Limited A method of producing metals and metal alloys
WO1998027232A1 (en) * 1996-12-18 1998-06-25 Technological Resources Pty. Ltd. Producing iron from solid iron carbide
WO1999016911A1 (en) * 1997-09-26 1999-04-08 Technological Resources Pty. Ltd. Direct smelting process for producing metals from metal oxides

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4936908A (en) 1987-09-25 1990-06-26 Nkk Corporation Method for smelting and reducing iron ores
AUPP442598A0 (en) * 1998-07-01 1998-07-23 Technological Resources Pty Limited Direct smelting vessel
AUPP442698A0 (en) 1998-07-01 1998-07-23 Technological Resources Pty Limited A direct smelting process
AUPP483898A0 (en) * 1998-07-24 1998-08-13 Technological Resources Pty Limited A direct smelting process & apparatus
MY119760A (en) * 1998-07-24 2005-07-29 Tech Resources Pty Ltd A direct smelting process
AUPP570098A0 (en) * 1998-09-04 1998-10-01 Technological Resources Pty Limited A direct smelting process
AUPQ890700A0 (en) * 2000-07-20 2000-08-10 Technological Resources Pty Limited A direct smelting process and apparatus
AUPR023100A0 (en) * 2000-09-19 2000-10-12 Technological Resources Pty Limited A direct smelting process and apparatus

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1996031627A1 (en) * 1995-04-07 1996-10-10 Technological Resources Pty. Limited A method of producing metals and metal alloys
WO1998027232A1 (en) * 1996-12-18 1998-06-25 Technological Resources Pty. Ltd. Producing iron from solid iron carbide
WO1999016911A1 (en) * 1997-09-26 1999-04-08 Technological Resources Pty. Ltd. Direct smelting process for producing metals from metal oxides

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