KR100821076B1 - 무연탄과 코크스 연료를 이용한 철광석 소결방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료의 연소효율을 개선하여 소결광의 생산성을 향상시킬 수 있는 소결방법에 관한 것으로서, 소결배합원료를 준비하는 단계에서 분코크스는 미분 철광석 및 석회석과 1차 혼합하여 드럼믹서 내에서 수분을 첨가하여 조립한 후에 무연탄을 분사하여 조립된 의사입자의 표면에 무연탄이 피복되도록 하고, 이 때 무연탄은 노즐을 통해 분사되며 분사된 무연탄이 회전하는 드럼믹서에서 의사입자와 함께 재조립되는 현상을 방지할 수 있도록 수분 공급을 중단한 상태에서 1분 이내의 시간에 분사가 완료되도록 하는 것을 특징으로 하는 무연탄과 코크스 연료를 이용한 철광석 소결방법을 제공한다

무연탄, 코크스, 소결광, 피복

Description

무연탄과 코크스 연료를 이용한 철광석 소결방법{A method of iron ore sintering using anthracite and coke as fuel}

도 1은 무한궤도의 소결기대차로 구성된 드와이트 로이드 타입 소결기의 개략도.

도 2는 소결기 대차의 구조를 예시한 도면.

도 3은 본 발명에 의한 철광석과 분코크스가 의사입자화한 상태를 나타낸 도면으로서

(a)는 미세한 입도의 코크스는 의사입자의 부착분으로,

(b)는 조대한 입도의 코크스는 의사입자의 핵으로 나타낸 도면.

도 4는 본 발명에 의한 미세한 입도를 가진 무연탄이 의사입자에 부착된 (a)의 경우와 조대한 입자의 무연탄이 자유입자 상태로로 존재하는 (b)의 경우 도면.

도 5는 본 발명의 소결모사 시험기를 나타낸 개략도.

※도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1.소결기(Sinter Machine), 2.소결기 대차(Pallet), 3. 화격자(Grate Bar),

4.점화로(Ignitor), 5.드럼피더(Drum Feeder), 6.철광석, 6-1.의사입자

7.코크스, 8.무연탄, 9.소결 포트, 10.배풍관

본 발명은 무연탄과 코크스 연료를 이용한 철광석의 소결방법에 관한 것으로서, 특히 소결배합원료를 준비하는 단계에서 코크스를 원료철광석과 사전 혼합 하여 조립한 다음 그 의사입자에 무연탄을 피복 시킴으로써 연료의 연소효율을 개선하여 소결광의 생산성을 향상시킬 수 있는 소결방법에 관한 것이다.

일반적으로 고로 원료로서의 소결광 제조공정은 도 1,2에 나타낸 바와 같이 드와이트-로이드 소결기(1)(Dwight-Lloyd, 이하 '소결기'라 함)로서 무한궤도로 이루어진 소결기대차(2)로 구성되며, 드럼피더(5)를 통해 소결기 대차(2)상으로 분광석,반광, 석회석 및 수분등을 혼합한 소결원료를 층상으로 장입하는 데, 이 소결원료가 소결기 대차(2)상에서 일정한 높이를 가지는 소결원료층을 형성하면 점화로(4)를 통과하면서 소결원료층의 위 표면이 점화되어 소결배합원료에 함유된 연료 코크스(7)와 무연탄(8)이 연소되면서 소결반응이 개시된다. 소결반응이 진행됨에 따라 소결광이 생성되면서 소결원료층은 소결층으로 전환되며 소결반응이 완료된 후에는 배광부에서 소결기 대차(2)를 회전시키면서 괴상의 큰 덩어리 를 배출하고 파쇄 및 냉각하여 소결광을 얻고 있다.

상기 소결기 대차(2)의 바닥은 소결반응에 필요한 공기가 소결층을 통과할 수 있도록 화격자(3)로 구성되어 있으며, 소결기대차(2) 하부의 주배풍관(10)으로 연결된 공기흡인기에 의해 소결층 상부로부터 흡인된 공기는 소결층 내에서 소결배합원료와 혼합되어 있는 연료 코크스(7)와 무연탄(8)을 연소시킨다.

이와 같은 소결공정에서의 소결생산성과 소결광 품질은 연료인 코크스와 무연탄의 연소효율에 의해 크게 영향을 받게된다. 소결생산성을 높혀주기 위해서는 소결기 대차상에 형성되는 소결원료층의 통기성을 좋게하여 흡인공기가 원활히 흐르도록 하는 것이 유리하나 지나칠 경우 소결광 품질확보에 필요한 열량이 축적되지 못하여 결과적으로 소결광의 강도 및 회수율이 저하하게 된다. 또한 소결생상성 향상을 목적으로 철광석, 분석회석, 및 분코크스 및 무연탄을 혼합한 후 회전하는 드럼믹서 내에서 물을 분무하며 의사입자화하는 원료조립 과정을 통해 소결층 내 통기성을 개선시키고 있다. 그러나 소결층후가 높거나 소결원료 중 갈철광 성분이 높은 경우에는 이러한 물리적인 방법만으로는 소결생산성을 향상하는데 한계가 있다. 즉 소결층후가 높을 때에는 소결원료의 무게로 인해 소결원료층의 하부가 압축되어 소결원료층 하부의 조대한 의사입자가 파괴될 수 있으며, 또한 소결원료 중 갈철광의 양이 많을 경우에는 소결과정에서 철광석 및 슬라그의 융액생성량이 많아져 소결층 내 통기성을 저해하게 되는 것이다. 종래에는 이와 같이 분철광석과 석회석 그리고 코크스 및 무연탄을 동시에 혼합하여 의사입자화 하였으나, 코크스와 무연탄은 물리적 성상 및 그에 따른 연소속도가 크게 다르기 때문에 무연탄을 전체 연료의 40% 이상 다량 사용할 경우 소결성에 악영향을 미치게 되어 소결생산성이 저하되고 소결광 품질도 악화되는 것으로 보고되고 있다.

상기의 문제점을 해결하기 위하여 본 발명에서는 소결배합원료에 코크스와 무연탄을 분리하여 단계적으로 첨가함으로써 연료의 연소속도 및 연소효율 개선을 통해 소결광의 강도 및 회수율 저하 없이 소결생산성을 향상시킬 수 있는 무연탄과 코크스 연료를 이용한 철광석 소결방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은 미분의 철광석과 석회석등의 부원료 그리고 소결연료인 분코크스와 무연탄을 배합하여 소결하는 방법에 있어서, 소결배합원료를 준비하는 단계에서 분코크스는 미분 철광석 및 석회석과 1차 혼합하여 드럼믹서 내에서 수분을 첨가하여 조립한 후에 무연탄을 분사하여 조립된 의사입자의 표면에 무연탄이 피복되도록 하고, 이 때 무연탄은 노즐을 통해 분사되며 분사된 무연탄이 회전하는 드럼믹서에서 의사입자와 함께 재조립되는 현상을 방지할 수 있도록 수분 공급을 중단한 상태에서 1분 이내의 시간에 분사가 완료되도록 하는 것을 특징으로 하는 무연탄과 코크스 연료를 이용한 철광석 소결방법을 제공한다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

일반적으로 코크스와 무연탄은 물리적 성상이 다르기 때문에 그에 따른 연소 속도 및 연소효율에서 차이가 있으며, 표 1에 소결연료로 사용되는 코크스와 무연탄의 물리적 성상과 발열량을 나타내었다.

구 분	충전밀도 (g/㏄)	공극률 (%)	평균입도 (㎜)	발열량 (㎉/mole)	휘발분 (%)
분코크스	0.54	30.7	0.97	7000	0.87
무연탄*	1.01	8.5	0.81	6480	5.11

*중국산 무연탄

표 1에서 보듯이 코크스는 무연탄에 비해 공극률이 매우 높아 작은 값의 충전밀도를 가진다. 무연탄의 평균입도는 코크스에 비해 약간 작은편으로 -0.125mm의 미세분의 비가 약 20%로 분코크스의 15%에 비해 높다. 발열량은 분코크스가 높으며 소결에 실질적으로 공헌하지 못하는 휘발분의 양이 무연탄편이 높은 것을 고려하면 분코크스와 무연탄의 소결과정에 있어서 발열량의 차이는 표1에 나타낸 것보다 더 크게 된다.

소결층 내에서 흡인공기에 의해 분코크스와 무연탄이 연소되는 현상을 유체(공기중 산소)와 고체(코크스, 무연탄)간의 반응으로 스톡(Stoke)영역에서 랜즈 및 마샬(Ranz & Marshall)식을 적용하면 고체연료가 완전히 연소 되기까지 소요되는 시간은 다음과 같다.

위 식에서 t는 고체연료가 완전 연소하는데 소요되는 시간,

r는 고체연료의 밀도, y는 공기중 산소의 몰분율, R은 고체연료의 반경,

b는 탄소의 완전연소식에 있어서 양론계수, C는 산소의 농도

D는 산소가 고체연료 주위로 확산되는 정도를 나타내는 확산계수 이다.

위 식에서 고체연료인 분코크스와 무연탄이 완전 연소 되기까지 소요되는 시간은 고체연료의 밀도와 크기에 비례함을 알 수 있다. 즉 같은 크기의 경우 밀도가 높은 무연탄이 분코크스에 비해 연소시간이 느리며, 큰 입자가 작은 입자보다 오랜 시간 연소 됨을 알 수 있다. 상기 표 1에서 보듯이 무연탄은 분코크스에 비해 약간 작은 크기를 가지나 밀도는 약 2배가 되므로 소결과정에서 무연탄은 분코크스에 비해 연소시간이 길어 결과적으로 소결시간을 지체시켜 소결생산성이 저하되는 원인으로 작용할 수 있다.

이와 같은 현안을 해결하기 위해서 본 발명자들은 무연탄이 흡인 공기와 원활히 접촉될 수 있는 환경을 제공할 필요가 있다는 것을 확인하고, 소결원료의 조립과정에서 코크스는 무연탄에 비해 연소속도가 빠르므로 코크스와 무연탄의 동시연소를 통한 연소효율 향상을 도모하기 위하여 도 3에 나타낸 바와 같이 코크스(7)를 소결원료와 함께 조립, 의사입자화 하여 도 3의 (a)처럼 미세한 입도의 코크스(7)는 의사입자(철광석)의 부착분으로, 도 3의 (b)처럼 조대한 입도의 코크스(7)는 의사입자의 핵으로 존재하도록 하였다.

상기와 같이 무연탄을 제외한 소결원료의 조립과정이 끝난 후 드럼믹서의 배광부 또는 리롤링 드럼(2차 믹서)에서 무연탄(8)을 분사하여 도 4의 (a)처럼 미세한 입도를 가지는 무연탄(8)이 의사입자(6-1)의 표면에 부착되거나 도 4의 (b)처럼 비교적 조대한 입도의 무연탄(8)은 의사입자 사이의 공간에서 단독입자로 존재하도록 하였다. 이 때 무연탄(8)이 회전하는 드럼믹서에서 의사입자(6-1)와 함께 재조립되는 현상을 방지하기 위하여 수분의 공급을 중단한 상태에서 1분 이내의 짧은 시간에 분사 및 혼합과정을 완료하여야 한다.

이하, 본 발명의 실시예를 통하여 상세히 설명한다.

본 발명의 효과를 입증하기 위하여 다음과 같은 소결모사실험을 실시하였다. 먼저 미분의 주원료 철광석과 부원료 석회석 그리고 코크스를 균등히 혼합하였다. 혼합된 소결원료는 회전하는 드럼믹서 내에서 수분을 분무하며 3분 동안의 조립과정을 거쳐 의사입자화 하였다. 그 후 수분의 분무를 중지하고 드럼믹서를 계속 회전시키면서 무연탄을 분사하여 무연탄이 도 4에 도시한 바와 같은 구조를 가지도록 주원료인 분철광석 및 석회석등의 부원료 그리고 코크스와 무연탄을 표 2에 나타낸 바와 같은 배합비로 배합하였다. 이 때 무연탄[8] 분사시간이 소결에 미치는 영향을 조사하기 위하여 표 3에 나타낸 것 처럼 무연탄의 분사시간을 40초와 2분의 두 가지 경우로 하여 시험하였다. 이렇게 준비된 소결배합원료는 도 5에 나타낸 소결모사시험기의 소결 포트(9)에 장입되어 소결원료층의 표층부가 점화로(5)에 의해 1100℃에서 90초간 가열된 후 소결포트(9) 하부에 연결된 배풍관(10)을 통해 흡인되는 공기에 의해 소결원료층에 함유된 코크스(7)와 무연탄(8)이 연소되면서 소결층 상부로부터 하부까지 점차적으로 소결이 진행되게 하였다. 소결이 완료되고 측정된 소결시간과 얻어진 소결광으로부터 소결생산성 및 소결광강도 그리고 소결회 수율 지수를 구하여 표 3에 나타내었으며, 동시에 코크스와 무연탄을 소결원료와 함께 조립, 의사입자화 하는 종래의 기술을 적용한 소결실험 결과와 비교하였다.

원료 및 연료	배합비(w%)
분 철광석	80.42
석회석	12.07
사문암	2.24
규석	0.69
생석회	0.93
코크스	2.19
무연탄	1.46

구 분	소결시간 (분)	생산성 (t/㎡/d)	회수율 (%)	소결광강도 (%)
종례예	35.9	30.9	69.5	73.3
비교예(무연탄 분사시간: 2분)	36.0	30.8	69.4	74.0
본발명(무연탄 분사시간:40초)	32.7	33.6	68.4	73.7

표 3에 나타낸 바와 같이 본 발명에 의한 소결시험 결과 무연탄을 40초간 분사하였을 때 종례예에 비해 소결시간이 크게 단축되었으며 소결광의 회수율은 큰 변화가 없는 것으로 나타났다. 소결생산성에 있어서도 종례예에 비해 약 8.9% 정도 향상되었다. 한편 무연탄을 2분간 분사했을 때의 비교예는 본 발명에 비해 소결시간과 생산성측면에서 현저하게 저하하는 것을 볼 수 있다. 분사시간이 1분 이상으로 길면 무연탄은 입도가 매우 작기 때문에 의사입자와 부착 또는 피복되지 않고 짧은 시간 내에 의사입자와 혼합하여 조립되는 현상이 발생할 수 있으며, 이러한 경우 무연탄의 연소속도가 느리게 된다. 따라서 무연탄의 분사시간은 1분 이내로 수분의 분무를 중단한 상태에서 완료해야 한다. 또한 소결광 강도는 종례예 및 비 교예와 유사한 값을 보였다. 일반적으로 소결시간이 단축되는 경우 소결층내 열축적 효과가 감소하여 소결광의 강도 및 회수율이 감소하는 경향이 있으나 본 발명에서는 소결생산성이 크게 향상 되었음에도 불구하고 소결광의 강도 및 회수율 의 변화가 없는 것으로 나타났다. 그 이유로는 상술한 바와 같이 본 발명에 의해 무연탄을 의사입자 표면에 부착하거나 또는 의사 입자 사이에서 자유입자로 존재하도록 함으로써 무연탄과 의사입자 내 존재하는 분코크스간의 연소시간 차이가 줄어들고 연소대 폭이 감소하여 결과적으로 소결열량이 분산되는 것을 방지하는 효과가 있기 때문이다. 따라서 본 발명은 철광석 소결에 있어서 무연탄의 연소효율 개선을 통해 소결광의 품질저하 없이 소결생산성을 향상시킬 수 있는 방법 임이 확인되었다

상술한 바와 같이 본 발명에 의하면 무연탄을 의사입자 표면에 부착하거나 또는 의사 입자 사이에서 자유입자로 존재하도록 함으로써 철광석 소결에 있어서 무연탄의 연소효율 개선을 통해 소결광의 품질저하 없이 소결생산성을 향상시킬 수 있는 효과를 가진다.

Claims (3)

1. 미분의 철광석과 석회석등 부원료 그리고 소결연료인 코크스와 무연탄을 배합하여 소결하는 방법에 있어서,

   상기 소결배합원료를 준비하는 단계에서 코크스는 미분 철광석 및 석회석과 1차 혼합하여 드럼믹서 내에서 수분을 첨가하여 의사입자로 조립하고, 그 후 무연탄을 분사하여 상기 조립된 의사입자의 표면에 무연탄[8]이 피복되도록 하는 것을 특징으로 하는 무연탄과 코크스 연료를 이용한 철광석 소결방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 무연탄[8]을 1차 드럼믹서의 배광부 또는 리롤링 드럼에서 상기 의사입자의 표면에 분사하는 것을 특징으로 하는 무연탄과 코크스 연료를 이용한 철광석 소결방법.
3. 제1항에 있어서,

   상기 분사된 무연탄은 상기 의사입자와 드럼믹서 내에서 2차 조립되는 현상을 방지할 수 있도록 1분 이내로 분사 하는 것을 특징으로 하는 무연탄과 코크스 연료를 이용한 철광석 소결방법.

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