KR100793574B1 - 소결조업용 배합원료 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 소결광 생산성에 직접적인 영향을 미치는 소결원료층의 통기도를 배합원료가 소결대차에 적층되어 있는 상태에서 증대시키기 위한 소결조업용 배합원료를 제조하는 방법에 관한 것으로서, 상기 배합원료를 구성하는 구성원료 각각의 개별 수분흡수능(W_t)을 구하는 단계와, 상기 개별 수분흡수능으로부터 최적수분함유율(W_cal)을 구하는 단계로 이루어지고,

상기 개별 수분흡수능(W_t)은 하기 식 1을 만족하고,

W_t = w_ij × n_ij (j = 1 ~ 6) ‥‥‥‥‥‥ (1),

여기에서, w_ij은 상기 구성원료 각각의 입도별 수분흡수능이고, n_ij은 상기 구성원료 각각의 입도임,

상기 최적수분함유율(W_cal)은 하기 식 2를 만족하는

W_cal = a × W_t + b ‥‥‥‥‥‥ (2),

것을 특징으로 한다.

통기도, 수분흡수능, 입도, 생석회

Description

소결조업용 배합원료 제조방법{Method for manufacturing the blending material for the sintering process}

도 1은 일반적인 소결광 제조공정을 나타낸 도면;

도 2는 철광석 종류에 따른 수분함유율과 통기도의 관계를 나타낸 그래프;

도 3은 부원료 종류에 따른 수분함유율과 통기도의 관계를 나타낸 그래프;

도 4는 수분흡수능과 최적조립수분의 상관관계를 나타낸 그래프;

도 5는 본 발명에 따라서 최대 통기도를 갖는 최적수분량을 도출하기 위한 개념의 설명도;

도 6은 생석회비에 따른 수분함유율의 계산값과 실측값의 관계를 나타낸 그래프;

도 7은 생석회비에 따른 수분함유율차의 실측값과 이론값을 비교하여 나타낸 그래프;

도 8은 본 발명에 따라서 도출된 최적수분 예측모델식의 예측치에 대한 실측치의 검증관계를 나타낸 그래프.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >

1 : 광석빈

2 : 부원료빈

3 : 소결반광빈

4 : 혼합기

5 : 조립기

6 : 소결기

본 발명은 소결광을 생산하는 소결공정에서 소결대차 상에 공급되는 배합원료의 조립성을 향상시키기 위한 방법에 관한 것이고, 더 상세하게는 소결대차의 소결원료층의 통기성을 향상시킬 수 있도록 혼합기와 조립기에 첨가되는 수분 첨가량을 최적화시키는 소결조업용 배합원료 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로, 소결공정은 미분 철광석과, 부원료인 석회석과, 연료인 미분 코크스 등의 각종 원료가 배합되어 있는 배합원료를 소결기의 소결대차에 장입하고 점화로에 의해 착화시킨 후 하방흡입되는 공기에 의해 연소시켜서 고로공정에서 요구되는 소결광을 생산하는 공정이다.

이때, 도 1을 참조하면, 소결기(6)에 장입되는 배합원료는 철광석, 부원료 및 소결반광과 같은 원료와 연료코크스가 저장되어 있는 원료빈(1, 2, 3)으로부터 정량절출장치(미도시)를 통해서 절출되는 원료와 연료를 혼합기(4)와 조립기(5)에 서 수분첨가 하에서 혼합 및 조습(원료중량비 약 6~7%)을 행함으로써 의사입자화 상태로 제작된다. 이러한 배합원료는 소결기(6)의 소결대차 상에 약 600~720mm 정도의 소정 높이로 장입되어 소결원료층을 형성한다. 소결대차의 소결원료층의 표층부는 점화로(미도시)에 의해 착화시키고 메인블로워에 의해 하방으로 강제흡입되는 공기에 의해서 소결원료층의 연료가 연소됨으로써 소성공정은 소결원료층의 상층부로부터 하층부로 진행되어 소결광이 제조된다.

상술된 바와 같은 소결공정에서는 소결반응을 효율적으로 진행시키고, 양호한 품질의 소결광을 제조하기 위해서는 적정량의 공기가 소결원료층을 관통하여 상부에서 하부로 흐를 수 있도록 소결원료층에 통기성을 확보해 주는 것이 매우 중요하며, 생산성은 소결원료층의 통기성에 크게 영향을 받는다.

최근의 소결조업에서는 소결광 생산량 증대, 품질향상 및 소성에너지 절감 등의 측면에서 소결원료층의 높이를 약 720mm까지 증가시키는 고층후 조업을 실시하고 있다. 그리고, 용선제조원가 절감측면에서 결정수 함량이 약 10% 정도로 높은 저가의 갈철광을 사용하는 경향이 있으며 이와 동시에 신규 철광석을 지속적으로 개발하고 있는 실정이다.

따라서, 고층후 조업 및 신규 철광석의 사용증가에 대응하여 배합원료의 구성원료들의 다변화에 대응하기 위한 최근의 소결조업의 현실에서, 소결원료층의 통기성 개선은 소결광의 생산성 및 소결광 품질향상을 위하여 중요한 과제로 대두되고 있는 실정이다.

소결원료층에서의 통기성을 향상시키기 위한 종래 일실시예에 따르면, 소결 조업중에 배합원료를 채취하여 가열식에 의해서 수분함유량을 측정하면서 배합원료 내의 수분을 일정하게 유지함으로써 소결조업의 안정화를 유지하는 기술이 공지되어 있으나, 이러한 종래 기술은 사용원료의 배합조건에 따라 사전에 실험을 실시하거나 소결조업을 진행하면서 통기성이 가장 양호한 수분조건을 찾아야 하는 문제점을 수반한다.

한편, 철광석 배합패턴에 따른 최대 통기도를 얻을 수 있는 최적의 조립수분조건을 도출하기 위해서 배합원료의 조립성에 미치는 영향인자, 예를 들어 기공율, 표면장력, 젖음성, 수분흡수능, 입자형상 등의 많은 요인들을 근거로 하여 수학적 모델링을 통한 의사입자들의 거동해석에 대한 연구는 많이 진행되어 왔다. 그러나, 이러한 연구의 대부분은 단일 원료에 대한 기초연구로서, 많은 종류의 원료를 사용하고 있는 실제 소결조업에는 그 연구결과를 적용하는 데 문제가 있었다.

본 발명은 상기된 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여, 안출된 것으로, 소결조업에서 소결광 생산성에 가장 큰 영향을 미치는 소결층내 통기성을 향상시키기 위하여 통기성과 배합원료의 구성원료들의 개별 수분흡수능 및 생석회비 등과 같은 기본물성의 상관관계를 도출하여 최적의 조립수분조건을 사전에 예측함으로써 소결조업을 조기에 안정화시키고 또한 소결광의 생산성을 증대시킬 수 있는 소결조업용 배합원료 제조방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따르면, 소결광 생산성에 직접적인 영향을 미치는 소결원료층의 통기도를 배합원료가 소결대차에 적층되어 있는 상태에서 증대시키기 위한 소결조업용 배합원료를 제조하는 방법은 상기 배합원료를 구성하는 구성원료 각각의 개별 수분흡수능(W_t)을 구하는 단계와, 상기 개별 수분흡수능으로부터 최적수분함유율(W_cal)을 구하는 단계로 이루어지고,

상기 개별 수분흡수능(W_t)은 하기 식 1을 만족하고,

W_t = w_ij × n_ij (j = 1 ~ 6) ‥‥‥‥‥‥ (1),

여기에서, w_ij은 상기 구성원료 각각의 입도별 수분흡수능이고, n_ij은 상기 구성원료 각각의 입도임,

상기 최적수분함유율(W_cal)은 하기 식 2를 만족하는

W_cal = a × W_t + b ‥‥‥‥‥‥ (2),

것을 특징으로 한다.

이하, 도 2 내지 도 8을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하고, 동일 구성은 동일 도면번호를 부여한다.

본 발명에 따르면, 소결광 생산성에 직접적인 영향을 미치는 소결원료층의 통기도를 배합원료가 소결대차에 적층되어 있는 상태에서 증대시킬 수 있는 수분제어모델을 설정하기 위하여, 배합원료를 구성하는 구성원료 각각에 대한 조립성을 평가한 후, 통기도와 수분흡수능 및 생석회의 수화반응에 필요한 수분량 보정을 통해서 최적으로 배합원료를 조립할 수 있는 최적의 조립수분조건을 예측하기 위한 수분제어 관계식을 도출한다.

하기 표 1은 소결배합원료에 사용되고 있는 대표적인 철광석과 부원료의 입도분포 및 평균입도를 나타낸다. 하기 표 1에서, 전체량이 100wt%를 갖지 않은 것은 허용될 수 있는 측정오차에 기인한다.

[표 1]

광석종류	입도분포(wt.%)						평균입도 (mm)
	8~5mm	5~3	3~1	1~0.5	0.5이하	전체
하마스리	8.2	28.4	32.7	13.9	16.7	99.9	2.36
마운틴뉴만	10.3	25.1	24.4	10.9	29.3	100	2.22
리오데세	5.8	18.2	22.0	8.5	45.5	100	1.65
엠비알	5.0	22.8	30.7	12.0	29.6	100.1	1.92
카라자스	5.1	18.6	30.9	15.6	29.7	99.9	1.81
얀디	4.4	14.8	35.9	22.3	22.6	100	1.74
석회석	15.5	22.7	21.9	10.3	29.6	100	2.46
규사	-	2.4	40.2	14.1	43.3	100	1.07
사문암	-	32.3	32.8	27.5	7.4	100	2.11
소결반광	2.1	33.2	42.8	13.5	8.4	100	2.37
코크스	11.8	19.3	19.4	19.4	30.1	100	2.11
무연탄	6.4	13.9	27.3	16.5	35.9	100	1.69

먼저, 도 2 및 도 3을 참조하면, 상기 표 1에 나타나 있는 철광석 및 부원료 각각의 단일원료별 통기도와 수분함유율의 관계를 알 수 있다. 즉, 배합원료의 구성원료들에 있어서, 최대 통기도를 갖기 위한 각각의 수분함유율이 각기 상이함을 알 수 있다.

그리고, 본 발명에서 얻고자 하는 통기도에 가장 상관성이 있는 물성, 즉 수분흡수능은 다음과 같이 얻어진다.

배합원료의 구성원료를 각각의 입도별로 소정량, 예를 들어 100g씩 채취하고, 채취된 시료를 물속에 1시간 이상 충분히 침지시킨 후, 원심분리형 탈수기를 이용하여 1500rpm으로 5분간 탈수시켜서 그 무게를 측정하였다. 그리고, 탈수처리된 시료를 105℃의 건조기에서 2시간 이상 건조시킨 후 측정된 수분증발량을 중량백분율로 계산함으로써 수분흡수능을 얻을 수 있었다.

통기도는 조립된 배합원료를 100mmΦX 300mmＨ의 소형포트에 장입한 상태에서 1000 mmAq의 압력으로 흡입하였을 때 나타나는 흡인유량, 흡인압력차 및 장입층 높이 등을 측정하고, 그 측정치를 하기 식 1로 표현되는 이. 더블유. 보이스(E. W. Voice) 식에 n=0.6을 적용하여 계산함으로써 얻어졌다.

‥‥‥‥‥‥ (1)

여기서, P는 통기도(permeability; - 값), F는 유량(N㎥/min.), A는 흡인면적(m²), h는 장입층높이(m), S는 부압(mmAq)이고, n은 0.6이다.

배합원료의 구성원료, 특히 철광석 각각에 대해 상기 식 1을 적용한 결과를 나타내는 도 4를 참조하면, 각 철광석에 대해 통기도 실험을 실시한 결과 최대통기 도를 갖는 최적조립수분량은 도 2에 나타나 있는 수분흡수능과 거의 직선적인 관계를 나타내고 있음을 알 수 있다.

한편, 도 5는 최대 통기도를 갖는 최적조립수분량을 도출하기 위한 개념도이다. 먼저, 배합원료는 n개 종류의 철광석을 포함하고 있고, 이때 i종류 철광석의 배합비를 n_i라고 할 때, n개 종류의 철광석 전체의 배합비 합(Σn_i)은 하기 식 2로 표시된다.

Σn_i = 1 (i = 1 ~ n) ‥‥‥‥‥‥ (2)

즉, 상기 식 2에서, 철광석 각각의 배합비 합은 1이 된다.

한편, 철광석 각각의 입도(n_ij)는 0.5mm 이하에서 8mm 이상까지 6단계, 즉, 0.5mm 이하, 0.5~1mm, 1~3mm, 3~5mm, 5~8mm, 8mm 이상의 단계로 구분하였으며, 철광석 각각의 입도별 수분흡수능(w_ij)을 대입한 i종류 철광석의 수분흡수능(W_t)은 하기 식 3으로 표현된다.

W_t = W_i = w_ij × n_ij (j = 1 ~ 6) ‥‥‥‥‥‥ (3)

한편, 최적수분 함유율(W_cal)은 하기 식 4로 표현된다.

W_cal = a × W_t + b ‥‥‥‥‥‥ (4)

이때, 상수 a와 b는 상기 식 3에 의해 계산된 i종류 철광석의 수분흡수능(W_t)과 실험에 의해 도출된 최대 통기도를 갖는 수분흡수능과의 상관관계식을 통해 구하였다.

한편, 생석회의 수화반응은 하기 식 5의 반응식에 나타난 바와 같이 생석회가 물과 접촉하여 소석회로 되는 것을 말하며, 이때의 반응열 △H는 -15.6 kcal/mole로 발열반응이 일어난다.

CaO + H₂O = Ca(OH)₂ - ΔH ‥‥‥‥‥‥ (5)

상기 식 5로부터, 1g의 CaO가 완전히 수화되기 위한 이론 수분량은 0.321g이고, 수화반응시 발열반응을 고려하면 약간의 수분증발이 일어나므로, 실제 생석회의 수화반응에 필요한 수분량은 이론 수분량보다 더 많이 소요된다. 즉, 생석회가 첨가되는 경우에는 수분보정이 요구된다.

따라서, 생석회가 첨가되는 경우에는 최적조립수분량(W_tot)은 수분보정 항목을 고려하여 하기 식 6으로 표현된다.

W_tot = W_cal + W_cao ‥‥‥‥‥‥ (6)

도 6을 참조하면, 생석회비 변화시 계산에 의한 수분함유율과 실험에 의해 측정된 수분함유율(이하, '수분함유율_실측값'으로 표시)의 관계를 알 수 있다.

계산에 의한 수분함유율(수분함유율_계산값)은 하기 식 1-1로 표현된다.

수분함유율_계산값 =

‥‥‥‥‥‥ (1-1)

즉, 생석회비가 증가할수록 수분함유율_실측값이 수분함유율_계산값에 비해 낮게 나타남을 알 수 있다. 이는 상기 식 5와 같은 발열반응을 수반하고 있는 생석회의 수화반응에 의해서 수분을 흡수하여 조립에 참여하는 수분량을 상대적으로 감소시켰기 때문이다.

도 7을 참조하면, 생석회비에 따른 생석회의 수화반응시 발생되는 이론 수분함유율과 실험에 의해 측정되는 수분함유율의 차이를 알 수 있다. 즉, 점으로 표시된 수분함율차의 실험치는 점선으로 표시된 수분함유율차의 이론치에 거의 일치하는 것을 알 수 있고, 이로부터 생석회비에 따라 일정량의 수분이 수화반응에 참여하여 조립에 참여할 수 있는 수분량을 실질적으로 감소시킨다는 것을 알 수 있다. 따라서, 생석회 첨가에 따른 수분함유율차는 하기 식 7과 같이 표현될 수 있다.

{W_H2O/(W_ore+W_H2O) -(W_H2O - W_cao)/(W_ore+W _H2O)}*100 = 0.321*CaO% ‥‥‥‥ (7),

여기서, W_H2O는 소결원료중에 존재하는 수분의 총중량, W_ore는 건조상태의 소결원료 총중량, W_CaO는 생석회 수화에 소요되는 수분량, CaO%는 생석회 배합비이다.

이때, 생석회 첨가시 수화반응에 소요되는 수분량(W_CaO)은 상기 식 7을 하기 식 8로 정리하여 표시할 수 있다.

W_CaO = 0.321*CaO%*(W_ore+W_H2O)/100 ‥‥‥‥ (8)

상기 식 8로부터 조립에 필요한 유효수분을 확보하기 위해서는 생석회비에 따라 수분을 추가로 첨가하여야 한다는 것을 알 수 있다.

따라서, 소결원료층의 최대통기도를 갖는 최적조립수분량을 예측할 수 있는 실험식을 도출하였으며, 소결원료의 배합패턴에 따른 수분함유율의 최적조건을 예측할 수 있는 최적수분 예측모델식은 하기 식 9와 같이 나타낼 수 있다.

최적수분함유율 = 1.0325 * (수분흡수능) + 0.321*(생석회비)+ 1.84 ‥ (9)

[실시예]

하기 표 2는 본 발명에 따라서 도출되는 예측모델식을 검증하기 위해 사용된 배합원료의 배합비를 나타내고 있으며, 여기에서, 적철광(하마스리, 마운틴뉴만)은 마라맘바(Maramamba) 광석으로 대체되었다.

[표 2]

No	배합비(wt.%)											비고
	하마스리	마운틴뉴만	리오도스	카라자스	얀 디	석 회 석	사 문 암	규 사	생 석 회	반 광	코 크 스
1	10	10	10	10	25.7	9	0.5	0.3	1.5	19.2	3.8	기준비
2	5	5										MAC 대체
3	0	0
4	5	5										W/A 대체
5	0	0
6	5	5										NAM 대체
7	0	0
8	5	5										H/D 대체
9	0	0

도 8에는 상기 식 9에 나타난 최적수분 예측모델식에 상기 표 2에 나타나 있는 원료를 적용하여 나타난 예측치와 실험에 의해 측정한 실측치가 나타나 있다. 이로부터, 상기의 여러가지 배합조건을 가진 원료를 사용하여 최대통기도를 갖는 예측모델에 의해 도출된 예측치와 실험에 의해 측정한 실측치가 잘 일치하는 것을 확인할 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 소결공정에서 소결광 생산성에 가장 큰 영향을 미치는 소결층내 통기성을 향상시키기 위하여 사용되는 원료들의 수분흡수능, 생석회비와 같은 기본물성을 근거로 하여 얻어지는 최적수분예측모델에 의해 최적의 조립수분조건을 사전에 예측함으로서 조기에 소결조업을 안정화시키고 생산성을 증대시킬 수 있는 효과가 있다.

상기 내용은 본 발명의 바람직한 실시예를 단지 예시한 것으로 본 발명이 속하는 분야의 당업자는 첨부된 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 요지로부터 벗어나지 않고 본 발명에 대한 수정 및 변경을 가할 수 있다는 것을 인식하여야 한다.

Claims (3)

1. 소결광 생산성에 직접적인 영향을 미치는 소결원료층의 통기도를 배합원료가 소결대차에 적층되어 있는 상태에서 증대시키기 위한 소결조업용 배합원료를 제조하는 방법에 있어서,

   상기 배합원료를 구성하는 구성원료 각각의 개별 수분흡수능(W_t)을 구하는 단계와,

   상기 개별 수분흡수능으로부터 최적수분함유율(W_cal)을 구하는 단계로 이루어지고,

   상기 개별 수분흡수능(W_t)은 하기 식 1을 만족하고,

   W_t = w_ij × n_ij (j = 1 ~ 6) ‥‥‥‥‥‥ (1),

   여기에서, w_ij은 상기 구성원료 각각의 입도별 수분흡수능이고, n_ij은 상기 구성원료 각각의 입도임,

   상기 최적수분함유율(W_cal)은 하기 식 2를 만족하는

   W_cal = a × W_t + b ‥‥‥‥‥‥ (2),

   것을 특징으로 하는 소결조업용 배합원료 제조방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 배합원료를 구성하는 생석회의 수화반응에 필요한 수분 보정량(W_CaO)을 구하는 단계를 더 포함하고, 수분 보정량(W_CaO)은 하기 식 3을 만족하고,

   W_CaO = 0.321*CaO%*(W_ore+W_H2O)/100 ‥‥‥‥ (3),

   여기에서, W_H2O는 상기 배합원료 중에 존재하는 수분의 총중량이고, W_ore는 건조상태의 배합원료의 총중량이고, CaO%는 생석회 배합비인 것을 특징으로 하는 소결조업용 배합원료 제조방법.
3. 제2항에 있어서,

   상기 최적수분함유율(W_cal)은 하기 식 4,

   최적수분함유율 = 1.0325 * (수분흡수능) + 0.321*(생석회비)+ 1.84 ‥ (4),

   를 만족하는 것을 특징으로 하는 소결조업용 배합원료 제조방법.

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