KR100862863B1 - 고로 장입물 장입방법 - Google Patents

Abstract

고로에 장입물을 장입함에 있어서, 종전의 너트 코크스보다 크기를 크게하고, 콘베이어(conveyor) 위에서 고로에 장입하는 코크스의 일부와 철광석(대립 소결광+정립광+펠렛)을 혼합하여 고로에 장입함을 특징으로 하는 고로 장입물 장입방법이 제공된다.

본 발명은 고로에 장입물을 장입하는 방법에 있어서,

고로에 장입될 코크스의 일부와 철광석(대립 소결광+정립광+펠렛)을 각각의 저장조로부터 콘베이어(conveyor)에 함께 배출하여 고로 장입 전에 혼합하는 단계와 상기의 고로 장입 전에 미리 혼합된 코크스와 철광석(대립 소결광+정립광+펠렛)을 고로에 장입하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고로 장입물 장입방법에 관한 것으로서, 코크스와 철광석(대립 소결광+정립광+펠렛)을 각각의 저장조로부터 콘베이어(conveyor)에 배출하여 고로 장입 전에 혼합하여 장입함으로써, 가스 균일분포 제어를 통한 노황내력 향상 및 환원제비 개선을 동시에 달성할 수 있는 장입물 분포제어 기술을 제공한다.

코크스, 장입, 정립광, 펠렛, 소결광

Description

고로 장입물 장입방법 {The charging method into blast furnace}

본 발명은 고로에 장입물을 장입하는 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 고로에 장입물을 장입하는 방법에 있어서 고로에 장입될 코크스의 일부와 철광석(대립 소결광+정립광+펠렛)을 각각의 저장조로부터 콘베이어(conveyor)에 함께 배출하여 고로 장입 전에 혼합하여 고로에 장입하는 방법에 관한 것이다.

철은 철광석 중의 산화철 성분을 코크스나 석탄과 같은 화석연료로 환원하여 제조되는데, 제조 방법에는 코크스를 연료로 하여 이때 발생하는 CO가스로 철광석을 환원하는 용광로 제철법을 위시하여 전기에너지를 이용하는 전기로 제철법, 환원철을 제조하는 로타리킬른법, 분광석을 이용하는 유동상법 등 여러 가지가 있다. 이 중 선철 제조에는 용광로 제철법이 세계적으로 주류를 이루고 있으며, 나머지 방법들은 일부 지역에서 소규모로 가동되고 있다. 용광로는 수직로(shaft furnace)의 일종으로 고로라고 부르기도 하며 열풍을 공급하여 코크스를 연소시키기 때문에 영어로는 blast furnace(BF)로 통칭하는 것이 일반적이다.

용광로 내의 반응은 코크스의 연소반응이나 철광석의 환원반응과 같은 고체/기체 간 반응이 주류를 이루므로 노내의 통기성 확보가 무엇보다도 중요하며, 이를 위하여 장입물 분포제어, 송풍방법, 온도제어, 노황 감시기술 등의 조업기술이 구사되고 있다. 그 중, 장입물 분포제어는 고로내의 장입물인 코크스나 철광석 등의 분포 제어를 통하여 통기성을 확보하는 수단으로써, 주로 코크스와 철광석을 입도별로 체질(screening)하여 고로에 장입하는데, 입도가 비교적 큰 것은 고로 중간부에 장입하고, 비교적 작은 것은 고로 노벽부 쪽에 장입한다. 이와 같이 입도별로 나누어 장입물을 장입하는 것은 상기에서 언급한 바와 같이 화학 반응이 주로 고체/기체간의 반응이기 때문에 노내 가스분포와 통기성 확보가 화학 반응에 있어서 중요한 영향을 미치게 되기 때문이다. 입도가 큰 경우에는 입자 간의 공극이 크기 때문에 통기성 확보가 보다 용이하게 되어 보다 활발한 화학 반응이 가능하지만, 입도가 작은 경우에는 반대로 입자 간의 공극이 작아서 통기성 확보가 좀 더 어렵게 되어 화학 반응이 덜 활성화 되는 경향을 보인다.

고로에 장입물을 장입하는 좀 더 상세한 순서는 도1에 나타난 것처럼 코크스를 체질(screening)하여 일정량의 대립 코크스(40~56mm, ①)를 고로에 장입하고, 이보다 입도가 작은 너트 코크스(25~39mm)는 리턴 파인 저장조를 거쳐 너트 코크스 저장조(②)에 저장된 이후에, 대립소결광, 정립광, 펠렛 등의 철광석과 함께 일정량의 너트 코크스(③)를 체질(screening)하여 고로에 장입한다.

너트 코크스보다 입도가 작은 소립 코크스(6~24mm)는 소립소결광(12mm 이하)과 함께 소립소결광 저장조(④)에 혼합되어 저장된다. 혼합된 소립소결광과 소립 코크스(⑤)는 도1에서 보는 바와 같이 고로 벽부쪽으로 일정량을 장입하게 된다. 상기에서와 같이 고로에 장입물을 장입하는 순서 주기를 1차지(charge)라 명한다.

그리고, 고로 중심부에 중심코크스(57mm이상)를 장입하는데, 2차지(charge)에 한 번 일정량을 고로에 장입하게 된다. 도1(b)는 고로내 반경방향 노정 장입물 분포제어 형상을 나타내는 것으로, 고로 중심부에는 비교적 입도가 큰 장입물을 장입하고 있으며, 고로 벽부쪽에는 입도가 작은 코크스와 소결광을 장입하고 있음을 볼 수 있다. 도1(c)는 고로내 수직방향의 장입물 분포를 나타내는 모식도이다.

이와 같이 장입된 장입물은 광석이 연화용융되는 지점인 연화융착대까지 층상구조를 유지하면서 강하하는데, 연화융착대 부근에서는 철광석이 고상에서 액상으로 상변태가 일어나는 과정에 있기 때문에 통기성은 급격히 나빠지게 된다. 이는 연화융착대 부근에서는 철광석은 연화융착되지만, 코크스는 고상의 상태를 그대로 유지하여 연화융착된 철광석은 고상의 상태를 그대로 유지하는 코크스에 비해 상대적으로 더 많이 통기성에 장애를 일으키게 한다. 따라서, 코크스 장입량이 철광석에 비하여 상대적으로 많은 경우에는 통기성에 장애를 받지않고 조업이 가능하나, 코크스 장입량이 철광석에 비하여 상대적으로 적은 경우에는 통기성이 좋지않아, 조그만 외란 요인에도 가스류 변동을 수반한 노황변동이 발생하여 조업효율이 나빠 지게 된다. 따라서, 종래에는 원활한 통기성 확보를 위하여 고로 중심부에 입도가 큰 중심코크스를 장입하여 통기성을 확보하고자 하였다.

하지만, 이와 같이 고로 중심부에 중심코크스를 장입하는 것은 통기성 확보에는 유리하지만, 과도한 양의 중심코크스 장입으로 열부하가 발생하여 노정 설비 열하에 의한 불량 빈도가 증가하고, 상대적으로 적은 양의 철광석 장입으로 환원 가스 이용율이 저하되어 환원제비가 상승되는 문제점이 있었다.

본 발명은 고로에 장입될 코크스의 일부와 철광석(대립 소결광+정립광+펠렛)을 각각의 저장조로부터 콘베이어(conveyor)에 함께 배출하여 고로 장입 전에 혼합하여 고로에 장입함으로써, 고로내의 가스 분포를 균일하게 하여 통기성을 개선하고, 환원제비를 개선하는 고로 장입물의 장입방법을 제공함을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따르면 고로에 장입물을 장입하는 방법에 있어서, 고로에 장입될 코크스의 일부와 철광석(대립 소결광+정립광+펠렛)을 각각의 저장조로부터 콘베이어(conveyor)에 함께 배출하여 고로 장입 전에 미리 혼합하는 단계와 미리 혼합된 코크스와 철광석(대립 소결광+정립광+펠렛)을 고로에 장입하는 단계를 포함하여 구성된다.

이하, 본 발명에 관하여 상세하게 설명하면 다음과 같다. 본 발명은 코크스와 철광석(대립 소결광+정립광+펠렛)을 고로 장입 전에 미리 콘베이어(conveyor)에서 혼합하여 고로에 장입하는 것을 구성상의 특징으로 하여 이와 같이 코크스와 철광석을 고로 장입 전에 미리 혼합하여 고로에 장입함으로써, 종전보다 넓은 혼합층을 형성하게 되어 철광석의 환원이 보다 용이하게 되는 것이다. 전체 코크스에는 콘베이어(conveyor)에서 혼합하여 장입하는 코크스 이외에 노벽부 쪽으로 주로 장 입하는 소립 코크스, 이보다 입도가 큰 대립코크스와 중심부로 장입하는 중심 코크스가 있다.

이때, 콘베이어에서 혼합된 코크스는 크기가 30~60mm인 것이 바람직하다. 이는 코크스 크기를 기존의 너트 코크스(25~39mm) 크기보다 입도를 더 크게함으로써, 입자 간의 공극을 넓혀 줌으로써, 통기성을 개선하기 위함이다. 코크스를 입도별로 분류하면, 입도의 크기가 대략 6~24mm인 소립 코크스, 입도의 크기가 대략 40~56mm인 대립코크스와 입도의 크기가 대략 57mm 이상인 중심 코크스가 있다. 콘베이어(conveyor)에서 혼합되는 코크스는 종전의 너트 코크스 크기보다 입도를 크게한 것으로 대략 코크스 크기가 30~60mm인 것이 바람직하다.

또한, 미리 혼합된 코크스 혼합량은 전체 코크스에 대한 철광석의 중량비(이하 "조업도(O/C)"라 한다)에 따라 중량%를 조절하는 것이 바람직하다.

조업도가 높은 고O/C 조업에서는 코크스량이 상대적으로 적기 때문에 통기성에 문제가 있고, 조그만 외란 요인에도 가스류 변동을 수반한 노황변동이 발생함으로 조업효율이 나빠지게 되고, 조업도가 낮은 저O/C 조업에서는 통기성에 장애를 받지 않고 조업이 가능하지만, 생산효율이 저하된다는 문제점이 있다. 따라서, 고O/C 조업에서는 통기성을 개선하기 위하여 전체 코크스량 대비 미리 혼합된 코크스량을 증가시킴으로써 혼합층을 종전보다 넓게하여 통기성을 개선함으로써 이러한 문제점에 대처할 수 있게 된 것이고, 저O/C 조업에서는 고O/C 조업에 비해 전체 코 크스량 대비 미리 혼합된 코크스량을 감소시킨 것이다.

보다 구체적으로 설명하면, 미리 혼합된 코크스의 혼합량은 조업도(O/C)가 4.0~5.0인 경우 철광석에 대해 6~8 중량%이고, 조업도(O/C)가 5.0~5.5인 경우 7~9 중량%이고, 조업도(O/C)가 5.5~6.0인 경우 8~10 중량%인 것을 특징으로 하여 이루어진다. 이는 조업도가 높아지게 되면 코크스 중량비가 상대적으로 낮아지게 되어 통기성에 문제가 생길 수 있는데, 철광석에 대해 미리 혼합된 코크스 중량비를 이에 연동하여 변동시킴으로써, 통기성 및 생산효율을 극대화한 것이다. 상기 조업도(O/C) 값에 따른 미리 혼합된 코크스량의 중량%를 상기 설정한 값보다 더 높이면 노체 열부하가 상승하게 되어 문제가 될 수 있고, 미리 혼합된 코크스량을 상기 설정한 값보다 더 낮추면 통기성이 좋지 않게 되는 문제가 있다.

표1은 상기에서 설명한 조업도 변화(O/C 조정)에 따라 미리 혼합된 코크스량 설정기준을 표로 나타낸 것이다. 이는 철광석량에 따라서 적정한 혼합 코크스량을 설정함으로써 통기성 개선과 함께 고효율 조업을 지속하기 위함이다. 즉, 동일한 값의 O/C 조건에서 미리 혼합된 코크스량이 과다하게 되면 통기성은 개선되지만, 활발한 화학반응으로 인한 노체 열부하가 상승되어 문제점이 발생할 수 있고, 반대로 미리 혼합된 코크스량이 너무 적으면, 통기성이 좋지 않게 되어 노황변동이 발생하고, 조업효율이 나빠지게 된다.

O/C	O.B (t/ch)	C.B (t/ch)	코크스 중 미리 혼합된 코크스량 (t/ch)	철광석과 미리 혼합된 코크스량의 중량비(%)
4.0 4.5 5.0 5.5 6.0	112 115 121 124 130	28.00 25.50 24.20 22.54 21.66	6.7~9.0 6.9~9.2 7.3~9.7 8.7~11.2 10.4~13.0	6~8 6~8 6~8 7~9 8~10

O/C : 철광석과 코크스의 중량비, O.B : 철광석 베이스

C.B : 코크스 베이스, t/ch : 1차지(charge)당 장입하는 톤(ton)

도2는 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 장입방법을 나타내는 개략도인데, 종래와 장입순서는 동일하나 의도적으로 너트 코크스 크기를 크게하여(종전 너트 코크스 : 25~39mm→ 콘베이어에서 미리 혼합된 코크스 크기: 30~60mm) 철광석과 사전에 혼합하여 장입한다. 이러한 방법으로 콘베이어에서 혼합된 코크스를 장입하게 되면, 도2의(b)②에서와 같이 넓은 영역에 혼합층을 형성하게 된다. 이로 인하여 연황유착대 부근에서의 통기성 개선과 환원제비를 동시에 개선하게 되는 것이다. 환원제비란 일정량의 철을 얻는데 필요한 환원제의 양을 나타내는 용어로서, 환원제비가 개선됐다 함은 예컨데, 1ton의 철을 얻기 위해서 종전에는 500kg의 코크스가 소요되던 것이 개선 후에는 그보다 적은 양의 코크스가 소요된 것을 의미하는 것이다. 통기성과 환원제비가 개선된 것은 미리 혼합된 코크스가 종전의 너트 코크스보다 입도가 커짐으로 인해 통기성이 확보되고, 또한 혼합층이 넓어짐으로 인하여 철광석의 환원이 용이해지기 때문이다.

본 발명의 효과를 요약하여 정리한 도5에 개시된 바와 같이 종전보다 너트 코크스 입도를 크게하고 장입량을 증대함으로써 통기성이 향상되고, 넓은 면적의 혼합층을 형성하여 중심코크스량을 대폭 줄임으로써 환원제비가 개선되며, 그 밖에 개선 후의 조업에 의하는 경우 종전보다 노내의 가스 분포 균일화 등을 초래하여 노황내력을 향상시킬 수 있다. 또한, 본 발명은 고O/C 조업을 유지하기 위해 중심류 의존형 조업에서 탈피하여 광석과 코크스를 사전에 혼합하여 장입함으로 인해 노내에서의 혼합층 영역을 증대시키므로 인해 통기성 개선과 외란요인에 대한 노황내력을 증대시키고, 특히 광석환원 거동을 개선함으로 인해 환원제비를 대폭적으로 개선하는 효과가 있다.

압손측정

본실시예에 따른 발명의 효과적인 측면에서 고로 내의 통기성이 개선되었는지 여부를 확인하기 위하여 실험실 테스트로 압손을 측정하였다. 본 실험의 조건은 온도가 대략 1100℃이고, 환원가스는 CO 가스와 CO² 가스를 1:1로 혼합한 것으로 환원가스의 양은 140ℓ/min를 주입하였고, 환원시간은 19.3분이고, 조업도(O/C)가 5.0인 경우를 실험 조건으로 설정하였다. 도3은 미리 혼합된 코크스 중량비가 각각 0%, 2%, 5%, 7%, 10%일 경우의 압손을 도시한 그래프이다. 도3에 따르면, 미리 혼 합된 코크스 중량비가 10%일 경우가 다른 경우에 비해 압손이 작아짐을 알 수 있다. 이는 미리 혼합된 코크스를 장입함으로써 혼합층이 넓게 형성되어서 압력손실이 작아지게 되어 통기성이 개선되었음을 의미하는 것이다.

조업실적

본 실시예에 따른 장입 조건으로 조업하였을 때의 조업실적을 도4의 그래프로 나타내었다. 조업조건은 조업도(O/C)는 5.5로 하였고, 고로 용량은 3850~4300 m³이며, 나머지 조업조건은 통상의 고로조업 조건에 준하여 조업하였다.

도4(a)는 시간에 따른 RR(kg/tHM, 용선 1톤 생산당 필요로 하는 코크스량)의 변동 추이를 나타내는 그래프로서 종전에는 RR의 수치가 496.0인 반면, 본 발명에 의한 방식으로 조업한 이후에는 489.6, 478.3으로 그 수치가 점차적으로 줄어들었는데, 이는 용선 1톤 생산당 필요로 하는 코크스량이 줄어든 것을 의미하는 것으로 환원제비가 개선되고, 생산효율이 증대한 것을 의미한다.

도4(b)는 CO 가스 이용률을 나타내는 수치로써, 본 발명에 의한 방식으로 조업한 이후에, 수치가 증가한 것은 불완전 연소된 CO량이 줄어들어서, 생산 효율이 증대된 것을 의미한다.

도4(c)는 1차지(charge)당 차지하는 너트 코크스 중량을 나타내는 것으로 본 발명에 의한 조업방식 이후에는 너트 코크스량이 증가한 것을 보여준다. 이는 너트 코크스의 크기를 크게할 뿐 아니라, 전체 코크스에서 차지하는 너트 코크스의 중량의 시간에 따른 변동 추이에 관한 그래프이며 도4(d)는 그와 연동하여 중심코크스 장입량이 변경된 것을 나타내는 그래프이다. 즉 도4(c)와 도4(d)로 부터 중심코크스의 사용량이 현저히 감소하였음을 알 수 있다. 이는 도 4(c)에서 볼 수 있듯이 혼합된 코크스의 사용이 증가함에 따라 통기성이 개선되고 그에 따라 중심코크스의 사용량이 감소하게 된 것이다.

표2은 종전 너트 코크스를 사용한 때와 고로 장입 전에 미리 혼합된 코크스를 장입하였을 때를 비교하여 설명한 표를 나타내는 것이다. 상기에서 설명한 바와 같이, 가장 큰 특징은 종전의 너트 코크스 크기보다 미리 혼합된 코크스의 크기가 더 커지고(25~39mm → 30~60mm), 또한 코크스량이 종전에 비하여 증가하였음을 알 수 있다. 미리 혼합된 코크스를 사용하여 고로에 장입하게 되면, 넓은 영역에 혼합층을 형성함으로써, 환원제비 개선의 효과가 있으며, 또한 입도가 종전 너트 코크스에 비하여 커짐으로 인해 통기성이 향상되는 효과가 있음을 표1을 통하여 알 수 있다.

	종전 너트 코크스	미리 혼합된 코크스
사용목적	고로에서 사용할 수 없는 소립 코크스를 코크스 회수율 향상을 위해 고로노황에 영향을 미치지 않는 범위에서 소량 사용	반경방향 균일 분포 제어를 통한 노황내력 향상 및 환원제비 개선을 위해 코크스 크기를 키워 사전 혼합하여 장입
혼합층 형성 주방법	장입 모드 조정-노치와 회전수 제어 의존을 주로함.	사전 코크스 혼합을 주로 하고 장입 모드 조정이 행해짐
반경방향 영향	분포 영향도가 작음	넓은 영역에 혼합층 형성(분포영향이 큼)
코크스 크기	25~39 mm	30~60 mm
코크스량	4~5t/ch (철광석과의 중량비가 3~4%)	8~11t/ch (철광석과의 중량비가 7~10%)
낙하특성	철광석과 코크스가 선단부에 동시 장입(상대적 외진)	코크스의 상대적 내진(낙하 에너지가 작음)
중심코크스 장입량	13~16 t/2ch	3~5 t/2ch
장입효과	통기성이 좋지 않고, 환원제비 저하효과가 작음	통기성이 개선되고, 환원제비 저하효과가 큼

도1은 종래방법에 따른 코크스 장입방법을 나타내는 개략도,

도2는 본원발명에 따른 코크스 장입방법을 나타내는 개략도,

도3은 고로 장입 전에 미리 혼합된 코크스 혼합비(wt%)에 따른 멜팅존에서의 압손을 나타내는 그래프,

도4는 광양 전고로 평균 조업실적을 나타내는 그래프, 그리고

도5는 본 발명에 따른 효과를 나타낸 모식도이다.

Claims (4)

1. 삭제
2. 고로에 장입물을 장입하는 방법에 있어서,

   고로에 장입될 코크스의 일부와 철광석(대립 소결광+정립광+펠렛)을 각각의 저장조로부터 콘베이어(conveyor)에 함께 배출하여 고로 장입 전에 혼합하는 단계; 및,

   상기 미리 혼합된 코크스와 철광석(대립 소결광+정립광+펠렛)을 고로에 장입하는 단계;

   를 포함하고 상기 미리 혼합된 코크스는 크기가 30~60mm인 것을 특징으로 하는 고로 장입물 장입방법
3. 제2항에 있어서,

   상기 미리 혼합된 코크스의 혼합량은 조업도(O/C)에 따라 중량%를 조절하는 것을 특징으로 하는 고로 장입물 장입방법
4. 제3항에 있어서,

   상기 미리 혼합된 코크스의 혼합량은 조업도(O/C)가 4.0~5.0인 경우 전체 철광석에 대해 6~8 중량%이고,

   조업도(O/C)가 5.0~5.5인 경우 전체 철광석에 대해 7~9 중량%이고,

   조업도(O/C)가 5.5~6.0인 경우 전체 철광석에 대해 8~10 중량%인 것을 특징으로 하는 고로 장입물 장입방법

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