KR100778684B1 - 환원철의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 회전 노상식 환원로를 이용한 환원철의 제조 방법에 관한 것이다.

본 발명은, 회전 노상식 환원로에서 탄재 내장 괴성체를 환원하여 환원철을 제조하는 방법에 있어서, 탄소원의 배합시 중량% 기준으로 탄소와 휘발성 물질의 비율((%C)/(%V.M.))을 0.9 내지 0.95의 범위로 하는 환원철의 제조 방법을 제공한다.

본 발명에 의하면, 탄재 내장 괴성체의 탄소원의 종류에 따른 반응성을 제어하여, 탄재 함량을 감소시키고도 노 내 연소 가스 분위기에 의한 재산화를 방지함으로써 고품위의 환원철을 용이하게 제조할 수 있는 효과가 있다.

환원철, 회전 노상식 환원로, 탄재 내장 괴성체, 탄소, 휘발분, 재산화

Description

환원철의 제조 방법{Method for Manufacturing Direct Reduced Iron}

도 1은 회전 노상식 환원로의 조건을 모사한 실험로를 나타내는 개략 단면도이다.

도2는 본 발명의 실시예에 따라 펠렛을 1250℃와 1300℃에서 일정 시간동안 환원반응시킨 결과를 나타내는 그래프이다.

도3은 반응 시간에 따른 환원율과 잔류 탄소 함량의 변화를 나타내는 그래프이다.

도4는 펠렛을 버너 연소로에 투입한 후 노 내 체류 시간을 총 15분이 되게 하였을 때의 탄소와 휘발성 물질의 비율에 따른 환원율 및 재산화율의 변화를 나타내는 그래프이다.

도5는 1300℃에서 반응 시간에 따른 환원철의 환원율 변화를 나타내는 그래프이다.

<도면의 주요 부분에 대한 참조부호의 설명>

101: 펠렛 103: 스테인리스 보드

105: 발열체 107: 온도 측정용 열전대

109: 기록계

본 발명은 회전 노상식 환원로를 이용한 환원철의 제조 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 탄재 내장 괴성체(펠렛 혹은 브리켓)의 탄소원의 종류에 따른 반응성을 제어하여, 탄재 함량을 감소시키고도 노 내 연소 가스 분위기에 의한 재산화를 방지함으로써 고품위의 환원철을 용이하게 제조할 수 있는 방법에 관한 것이다.

환원철이나 합금철을 제조하는 제철 공정에는 여러 가지가 있는데, 특히 회전 노상식 환원로에 의한 방법이 널리 실시되고 있으며, 그 내용이 일본 특허(특허공보 평6-238207, 국제공개특허 WO01/018256)에 상세히 나타나 있다.

회전 노상식 환원로는, 분 형태의 광석이나 철강 제조 공정에서 발생되는 철 성분을 함유한 더스트 및 슬러지 등의 철계 산화물과 환원제로서의 탄소를 이용하여 탄재 내장 괴성체(펠렛 혹은 브리켓)를 제조하고, 이를 열처리(환원, 소성)함으로써 환원철을 제조하는 방법이다.

탄소원으로는 석탄, 코크스나 무연탄 등이 모두 이용된다. 철계 산화물과 환원제가 혼합하여 성형된 탄재 내장 괴성체의 환원은 내장된 탄재에 의해 주로 이루어지며, 특히 탄재를 산화철 중에 고루 분포시키면 환원제와 탄재의 접촉 면적이 극대화되고, 이에 따라 환원 반응의 속도가 매우 빨라질 수 있다. 환원반응에 필요한 열에너지는 주로 버너의 연소와 노벽으로부터의 복사열을 이용한다.

회전 노상식 환원로를 이용한 환원철의 제조 방법에 있어서, 환원반응이 활 발하게 진행될 때에는 탄재 내장 괴성체 내의 환원 반응은 괴성체에 내장된 탄소에 의해 이루어지며(FeO+C→Fe+CO), 이때 노상에 위치한 장입물의 상부는 발생한 CO 가스가 풍부한 영역으로 환원성 분위기를 유지한다.

한편, 이 방법은 환원에 필요한 열에너지를 버너 연소에 의해 공급하기 때문에, 노 내에는 상당량의 CO2와 미연소된 산소가 존재한다. 그런데, 이 가스들 중 일부가 탄재 내장 괴성체에 유입되며, 이 가스들은 환원 반응이 활발히 진행될 때 발생되는 CO 가스를 2차 연소시켜 추가적인 열에너지를 공급하여 에너지 효율을 높이기도 한다.

그러나, 환원 반응의 말기에는 CO 가스의 발생량이 줄어들기 때문에 CO2나 미연소 산소가 환원철층에 침투하여 재산화를 야기하기 때문에, 환원율이 높은 고품위의 환원철을 얻기 위해서는 환원에 소요되는 통상적인 탄재 함량보다 5~10% 정도를 더 첨가해야만 한다. 그런데, 이와 같이 다량의 탄재가 첨가되면 2차 연소율 또한 상승하여 장입물 상부에서의 온도가 1400℃ 이상이 되고, 침탄에 의해 융점이 낮아진 환원철이 용융되어 노상에 융착할 수도 있다. 이 경우 환원철 배출 스크류의 마모 손실 등이 야기되고, 조업 중단이나 보수/교체 등을 해야 하는 등의 이유로 회전 노상식 환원로의 가동률이 저하될 수 있다.

일본 공개특허(특개평11-61216)에는 이러한 재산화 현상을 억제하기 위해 회전 노상식 환원로에 외장의 탄재를 첨가하여 탄재 내장 괴성체를 매몰시키고, 매몰율을 설정하는 방식을 제안하였다. 그러나, 이에 의하는 경우 외장 탄재가 노벽으로부터의 복사열의 전달을 방해하여 반응 효율이 저하되는 등의 문제점이 있으 며, 특히 다량의 탄소 공급에 의해 침탄 반응이 촉진되어 환원철의 융점저하 현상이 더욱 강화되는 문제가 있다.

한편, 일본 공개특허(특개평11-21765)는 탄재 내장 괴성체의 표면으로부터 위쪽으로 20mm 이내의 가스 조성을 Fe/FeO 평형으로 유지할 수 있도록 제어하고, 버너 연소 가스의 유속을 0.9m/s 이하로 제어함으로써 재산화 현상을 방지할 수 있는 방법을 제안하였다. 그러나, 이는 환원가스의 2차 연소 효율을 억제시키는 방법이므로 회전 노상식 환원로의 에너지 효율을 저감시키는 문제점이 있으며, 그 제어 또한 쉽지 않다.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 탄재 내장 괴성체의 탄소원의 종류에 따른 반응성을 제어하여, 탄재 함량을 감소시키고도 노 내 연소 가스 분위기에 의한 재산화를 방지함으로써 고품위의 환원철을 용이하게 제조할 수 있는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은, 회전 노상식 환원로에서 탄재 내장 괴성체를 환원하여 환원철을 제조하는 방법에 있어서, 탄소원의 배합시 중량% 기준으로 탄소와 휘발성 물질의 비율((%C)/(%V.M.))을 0.9 내지 0.95의 범위로 하는 환원철의 제조 방법을 제공한다.

탄재 내장 괴성체는 1250 내지 1300℃의 온도에서 환원될 수 있다.

탄재 내장 괴성체의 환원 반응 시간은 승온 시간을 제외하고 8 내지 12분일 수 있다.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.

실시예

실험에 사용된 탄소원은 표 1과 같이 휘발성 물질(Volatile Matter, 이하 V.M.으로 표기한다)의 함량이 서로 다른 탄종을 이용하였다.

[표 1]

구분	탄소원의 종류
	A	B	C	D	E
(%C) / (%V.M.)	0.81	1.12	1.19	4.3	5.0

도 1은 회전 노상식 환원로의 조건을 모사한 실험로를 나타내는 개략 단면도인데, 본 발명에 있어서는 도 1의 실험로를 이용하였다.

도 1을 참조하면, 펠렛(101)은 석영 반응관(102) 내에 구비된 스테인리스 보트(103)에 담긴 채 질소가스 분위기 하에서 발열체(105)에 의해 고온으로 가열되 었으며, 펠렛(101)의 온도 변화는 온도 측정용 열전대(107)에 의해 측정되어 기록계(109)에서 기록되었다.

발명자들은 여러 가지의 탄소를 이용하여 펠렛을 제조하고 이에 대한 실험을 질소 분위기에서 행하여 고체 탄소에 의한 직접 환원 반응의 효율을 평가하였다. 사용된 펠렛은 철분 중량이 약 60%인 산화철계 원료에 탄소 성분의 중량 비율을 9 내지 9.5%로 일정하게 첨가하여, 환원되어야 할 산소와 주 환원제인 탄소 성분의 비를 일정하게 유지하였다.

실험 조건은 다음과 같다.

생펠렛(Pellet): 철성분의 중량이 60%인 분철광석 원료에 표 1의 탄소원들을 배합하여, 총 탄소 성분의 함량을 9 내지 9.5%로 하고, (%C)/(%V.M.)= 0.75 내지 1.03이 되게끔 펠렛을 제조.

열처리 조건: 반응 온도 1250 및 1300℃

분위기: 질소

탄소 성분의 중량 비율이 9 내지 9.5%가 되도록 배합비를 조절하였으며, 이러한 펠렛을 1250℃와 1300℃에서 일정 시간(10분)동안 환원반응시킨 결과가 도 2에 도시되었다.

도 2를 참조하면, 탄소의 중량 비율이 거의 일정함에도 불구하고, 탄소 중량과 휘발성 물질의 중량의 비율((%C)/(%V.M.))이 증가함에 따라 반응 후 잔류 탄소의 함량은 증가하였으며, 또한 (%C)/(%V.M.)이 0.9 이상인 경우에는 환원율이 점 차 감소하였다. 이는 탄소 중량과 휘발성 물질의 중량의 비가 증가함에 따라 환원제로 사용된 탄소원의 반응성이 저하되고 있는 것을 의미한다.

이와 같이 탄소 성분의 중량 비율이 일정함에도 불구하고 휘발성 물질의 함량이 증가함에 따라 환원율이 증가하고 잔류 탄소의 함량이 감소하는 이유는 휘발성 물질이 탄재 내장 펠렛으로부터 배출되면서 펠렛 내부가 다공질화되고, 그로 인해 펠렛의 표면적이 급격히 증가하여 반응성이 향상되기 때문인 것으로 판단된다.

휘발성 물질의 함량이 각각 다른 탄소원에 따른 반응성의 차이는 도 3에 도시된 반응 시간에 따른 환원율과 잔류 탄소 함량의 변화로부터 명확하게 알 수 있다.

도 3을 참조하면, 질소 분위기에서 반응 시간을 10분에서 25분까지 증가시키면 (%C)/(%V.M.)가 0.9인 경우에는 환원율 및 잔류 탄소 함량의 변화가 미미하다.

그러나, (%C)/(%V.M.)가 1.0 이상인 경우에는 환원율은 증가하고, 잔류 탄소 함량은 감소한다. 이는 (%C)/(%V.M.)가 1.0 이상인 경우 (%C)/(%V.M.)을 증가시킴에 따라 배합된 탄소원의 환원 반응성이 점차 감소되어, 10분 이후에도 환원 반응이 지속적으로 일어남을 의미하며, 이를 이용하여 회전 노상식 환원로에 있어서 환원 말기의 연소 가스에 의한 재산화를 억제할 수 있는 가능성을 발견할 수 있었다. 즉, 회전 노상식 환원로에서 환원된 환원철이 배출되기 직전까지 환원 반응을 지속시켜 탄재 내장 괴성체 직상에 CO 가스가 풍부한 층을 지속시킬 수 있으며, 이로부터 연소 가스의 환원철로의 침투를 억제할 수 있는 환원철 제조 방법을 제안할 수 있었다.

본 발명에서는 이상과 같은 실험 결과를 바탕으로, (%C)/(%V.M.)을 조절하여 탄소원을 배합함으로써 회전 노상식 환원로에서의 연소 가스에 의한 재산화를 억제할 수 있었다. LPG 가스의 연소를 이용한 버너 연소로를 이용한 열처리 실험에서 이상의 실험과 같이 (%C)/(%V.M.)이 다른 여러 가지 종류의 펠렛을 이용하였으며, 총 탄소의 함량은 9%와 13%로 고정하고 반응 온도는 1300℃로 하여, 펠렛을 버너 연소로에 투입한 후 승온 및 반응에 요구되는 노 내 체류 시간을 총 15분이 되게 하였으며, 그 결과를 도 4에 나타내었다.

도 4를 참조하면, (%C)/(%V.M.)이 증가함에 따라 재산화율이 점차 감소함을 알 수 있으며, (%C)/(%V.M.)이 0.9 이하에서는 반응속도가 빠르지만, 환원 말기 연소 가스에 의한 재산화가 쉽게 일어나 도 2와 비교하였을 때 배합 탄재 함량에 비해 환원율이 저조한 반면, (%C)/(%V.M.)이 1.0 이상에서는 재산화율이 (%C)/(%V.M.)이 0.9 이하인 경우에 비해 크게 감소하였지만, 반응 속도가 느려 환원율이 다소 낮은 것을 알 수 있다.

따라서, 이상의 결과들로부터 재산화를 억제하기 위한 종래의 방법처럼 버너의 연소성을 제어하거나 추가로 과잉탄소 및 별도의 외장 탄재를 이용하지 않고도 휘발성 물질의 함량이 다른 탄소원을 배합함으로써 회전 노상식 환원로에서 환원철의 재산화를 억제시킬 수 있음을 확인할 수 있었다.

또한, 동일 탄소 함량인 경우, (%C)/(%V.M.)를 0.9 내지 0.95의 범위로 배합하는 경우 반응 속도가 빨랐고 연소 가스에 의한 재산화도 억제 가능하였으며, 이로부터 환원 및 연소 가스에 의한 재산화에 의해 소비되는 탄재 함량을 최소화할 수 있었다.

한편, 탄소의 중량 비율을 9%로 하고, (%C)/(%V.M.)를 0.9와 0.95로 제조한 펠렛을 LPG 버너 연소로를 이용하여 1300℃의 온도에서 반응시간(유지 시간)에 따른 환원철의 환원율 변화를 측정하고, 그 결과를 도 5에 나타내었다.

도 5를 참조하면, 반응 시간이 약 10분에 이르렀을 때, 환원철의 환원율은 최대가 되었다. 이로부터 (%C)/(%V.M.)를 0.9 내지 0.95로 유지하여 탄재를 배합한 경우, 회전 노상식 환원로에서의 탄재 내장 괴성체의 체류 시간은 반응 온도인 1250 내지 1300℃에서 시료의 승온 시간을 제외하고 약 8분에서 12분 사이에서 최대 환원율을 얻을 수 있었다.

체류 시간이 8분 이내인 경우에는 잔류 탄소의 함량이 2% 정도로서 반응이 계속 진행하여 시간이 증가함에 따라 환원율이 증가하는 것을 확인하였다.

반면, 체류 시간이 12분 이상인 경우에는 잔류 탄소 농도가 거의 측정되지 않았으며, 반응 시간이 증가됨에 따라 환원율이 지속적으로 감소되는 것으로 나타났다. 이로부터, 내장 탄소에 의한 환원 반응이 거의 종료되어 발생 CO 가스의 부족으로 연소 가스의 환원철 내로의 침투가 이루어져 재산화가 이루어짐을 확인할 수 있었다.

본 발명에서는 이상의 결과로부터 회전 노상식 환원로를 이용하여 환원철을 제조하는 방법에 있어서, 특정 탄소 함량에 대한 휘발성 물질의 함량((%C)/(%V.M.))이 0.9 내지 0.95의 범위가 되도록 탄재 내장 괴성체를 제조하고, 1250 내지 1300℃의 온도 범위에서 승온 시간(약 3~5분)을 제외한 반응시간을 8 내지 12분의 범위로 유지함으로써, 연소 가스에 의한 재산화를 억제하고 반응 효율을 극대화시킬 수 있는 환원철 제조 방법을 제안하였다.

이상의 설명은 본 발명을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가지는 자는 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형을 할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명의 보호범위는 특허청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

본 발명에 의하면, 탄재 내장 괴성체의 탄소원의 종류에 따른 반응성을 제어하여, 탄재 함량을 감소시키고도 노 내 연소 가스 분위기에 의한 재산화를 방지함으로써 고품위의 환원철을 용이하게 제조할 수 있는 효과가 있다.

Claims (3)

1. 회전 노상식 환원로에서 탄재 내장 괴성체를 환원하여 환원철을 제조하는 방법에 있어서,

   탄소원의 배합시 중량% 기준으로 탄소와 휘발성 물질의 비율((%C)/(%V.M.))을 0.9 내지 0.95의 범위로 하는 환원철의 제조 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 탄재 내장 괴성체는 1250 내지 1300℃의 온도에서 환원되는 환원철의 제조 방법.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 탄재 내장 괴성체의 환원 반응 시간은 승온 시간을 제외하고 8 내지 12분인 환원철의 제조 방법.

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