KR100931228B1 - 환경친화형 직접제강장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 환경 친화형으로 직접 용강을 제강하는 장치에 관한 것이다.

본 발명은 분철광석과 스크랩을 혼합하여 용강을 제조하는 설비에 있어서,상기 분철광석이 광석장입관을 통하여 장입되고, 상기 장입된 분철광석을 하부에 연결된 가스도관으로부터 공급되는 환원가스에 의해 예열하며, 환원반응시키고, 상기 환원된 분철광석을 광석도관에 의해서 외부로 배출하는 유동반응로; 상기 스크랩이 장입되고, 상기 장입된 스크랩을 하부에 연결된 가스도관으로부터 공급되는 환원가스에 의해 예열하고, 상기 예열된 스크랩을 스크랩피딩기에 의해 외부로 배출하는 스크랩예열로; 상기 유동반응로의 분철광석을 장입하는 광석도관과 상기 스크랩예열로의 스크랩을 장입하는 스크랩공급관이 연결되고, 상기 분철광석과 스크랩이 혼합되는 로내 로 산소를 공급하는 산소랜스와 산소공급구를 구비하며, 일반탄, 부원료를 공급하는 일반탄공급라인을 구비하고, 로내에 발생된 고온성 환원가스가 배출되는 배출구를 로상부를 밀폐하는 상부커버에 갖추는 한편, 하부일측에 구비된 출강구를 통하여 용강을 주기적으로 배출하는 융융로;를 포함하며, 상기 유동반응로는 분철광석을 장입하는 광석장입관이 연결되고, 제 2가스도관으로부터 공급되는 환원가스가 통과하는 제 1가스분산판을 구비하고, 예열 및 예비환원된 분철광석을 외부로 배출하는 제 1광석도관이 연결되는 한편, 상기 분철광석을 유동화 반응시킨 환원가스에 포함된 분진을 제거하여 외부로 배출하는 제 1내부사이클론을 구비하여 분철광석을 예열 및 예비환원시키는 제 1유동반응로와, 상기 제 1광석도관의 하부단이 연결되어 예열 및 예비환원된 분철광석이 장입되고, 제 1가스도관으로부터 공급되는 환원가스가 통과하는 제 2가스분산판을 구비하고, 최종환원된 분철광석을 외부로 배출하는 제 2광석도관이 연결되는 한편, 상기 분철광석을 유동화 반응시킨 환원가스에 포함된 분진을 제거하여 상기 제2가스도관으로 공급하는 제 2내부사이클론을 로체내부에 구비하여 예열 및 예비환원된 분철광석을 최종환원시키는 제 2유동반응로가 적어도 2단이상으로 배치하여 구성됨을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 순철에 가까운 스크랩(Scrap)을 주 철강원료로 사용하고, 수소함량이 많고 가격이 저렴한 일반탄을 주연료로 사용하여 에너지의 사용량을 절감하고, 대기환경오염의 주범인 이산화탄소의 배출량을 대폭 줄임과 동시에 분환원철을 직접 생산하여 고온상태에서 바로 용융로에 장입하므로써 환경적 및 경제적으로 우수한 품질의 용강을 제조할 수 있는 효과가 얻어진다.

분철광석, 스크랩, 유동반응로, 예열로, 용융로, 사이클론, 산소랜스

Description

환경친화형 직접제강장치 및 방법{AN ENVIRONMENT-FRENDLY DIRECT STEELMAKING APPARATUS AND METHOD }

도 1은 일반적인 용강제조공정을 도시한 개략도,

도 2는 본 발명에 따른 환경친화형 직접제강장치를 도시한 개략도,

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

100 ...... 유동반응로 110,120 ... 제 1,2유동반응로

112,122 ... 제 1,2내부사이클론 141 ...... 광석장입관

142,143 ... 제 1,2광석도관 131,132,133 ... 제 1,2 및 3가스도관

200 ...... 스크랩예열로 210 ..... 스크랩피딩기

211 ...... 스크랩공급관 170,270 ... 제 1,2열교환기

300 ...... 용융로 301 ...... 상부커버

302 ...... 가스배출구 303 ...... 출강구

310 ...... 산소랜스 320 ...... 일반탄공급라인

330 ...... 산소공급구 340 ...... 더스트버너

350 ...... 외부사이크론 351 ...... 순환관

본 발명은 환경 친화형으로 직접 용강을 제강하는 장치에 관한 것으로, 보다 상세히는 순철에 가까운 스크랩(Scrap)을 주 철강원료로 사용하고, 수소함량이 많고 가격이 저렴한 일반탄을 주연료로 사용하여 에너지의 사용량을 절감하고, 대기환경오염의 주범인 이산화탄소의 배출량을 대폭 줄임과 동시에 분환원철을 직접 생산하여 고온상태에서 바로 용융로에 장입하므로써 환경적 및 경제적으로 우수한 품질의 용강을 제조할 수 있는 환경친화형 직접 제강장치 및 방법에 관한 것이다.

현재까지 용강을 생산하는 공정에 있어서, 에너지 효율면이나 생산력면에서 고로공정을 능가하는 제선공정은 개발되지 않고 있다. 그러나, 고로공정에서는 연료 및 환원제로 사용하는 탄소원으로서 특정 원료탄을 가공처리한 코우크스에 의존하고 있으며, 철원으로서는 일련의 괴상화 공정을 거친 소결광에 주로 의존하고 있다. 이에 따라 현행 고로공정은 코우크스 제조설비 및 소결설비 등의 원료예비처리설비가 반드시 수반되고 있는바 상기한 부대설비 구축를 위한 제비용이 필요하고, 또한, 상기 부대설비에서 발생하는 SOx, NOx, 분진과 같은 환경오염물질이 방대하므로 전세계적인 규제가 엄격해져 가고 있어 이를 극복하기 위한 막대한 처리설비 투자비용 등으로 현행 고로법의 경쟁력은 점차 저하되고 있는 상황이다.

이와 같은 관점에서 세계 각국은 가격이 저렴한 분철광석과 일반탄 사용이 가능하여 소결공정과 화성공정을 생략한 석탄계 용융환원법과, 이미 순철에 가까워 그만큼 에너지 사용량과 이산화 탄소 배출량을 상기 고로밀 대비 약 1/3 수준까지 줄일 수 있는 청정한 철강원료인 스크랩(Scrap)을 주원료로 하는 미니밀을 이용한 전기로 제강법에 주목하고 있다.

그러나, 전기로 제강공정은 주원료인 스크랩(Scrap)이 점차 구리와 주석과 같이 제강공정 중에는 제거가 거의 불가능한 불순물의 재순환사용에 의한 누적으로 점차 용강제품을 저급/노폐화시키며, 이미 전기로 제품인 봉강이나 형강류 제품에서는 그 허용치를 초과한 수준이라, 고가인 고급고철이나, 용강, 냉선 , HBI(Hot briquetted iron)같이 고순도의 처녀철원을 전기로에 장입하여 불순물이 포함된 용강을 희석할 수 밖에 없는 상황이다. 또한, 값비싼 전기를 주연료로 사용하고 있어 용강 제조원가도 높다.

한편, 현재 개발되고 있는 신제선공정 중 가장 상업화 유력한 공정이 연료 및 환원제로서 일반탄을 직접 사용하며, 철원으로서는 전세계 광석생산량의 80% 이상을 점유하고 있는 분철광석을 직접사용하여 용강을 제조하는 석탄계 용융환원공정이다.

이와 같은 기술과 관련된 종래의 일반탄 및 분철광석을 직접 사용하는 용강 제조설비에 있어서는, 미국 특허공보 제 5,785,733호(1998.7.28)등이 알려져 있다.

상기 공보에 따르면, 제 1도에 제시한 바와 같이 전체공정은 예열로(10), 예비환원로 (20) 및 최종환원로(30)등으로 이루어진 3단의 유동환원로(10)(20)(30)와 석탄충진층이 형성되어 있는 용융가스화로(40)로 구성되어 있다. 상기 공정에서 분철광석은 연속적으로 제 1광석도관 (12)을 거쳐 예열로(10)에 장입되고 제 3가스도관(21)으로 공급된 환원가스에 의해 제1가스분산판(14)상부에서 기포유동 혹은 난류유동층을 형성하면서 예열되어 제2광석도관(22)을 통해 배출된 후, 다시 예비환원로(20)에 장입되어 제2가스도관(31)으로 공급된 환원가스에 의해 제2가스분산판(24)상부에서 기포유동 혹은 난류유동층을 형성하면서 예비환원되어 제3광석도관(32)를 통해 배출된다. 이후 분철광석은 다시 최종환원로(30)에 장입되어 제1가스도관(41)으로 공급된 환원가스에 의해 제3가스분산판(34)상부에서 기포유동 혹은 난류유동층을 형성하면서 최종환원되고 제4광석도관(42)을 통해 배출된 후, 다시 석탄충진층이 형성되어 있는 용융가스화로(40)로 장입되어 상기 석탄충진층내에서 용융됨으로서 용강으로 전환되어 상기 용융가스화로(40)외로 배출된다.

상기 제1,2,3 및4광석도관(12)(22)(32)(42)에는 각각 고온밀폐밸브(13)(23)(33)(43)가 설치되어 있어 필요시 광석흐름을 차단할 수 있으며, 상기 환원가스에 관련하여 상기 용융가스화로(40)에 있어서는 로상부로부터 괴상의 일반탄이 연속적으로 공급되어 로내부에 일정한 높이의 석탄충진층을 형성하 게 되며, 상기 충진층 외벽 하단에 형성되어 있는 복수개의 산소공급구를 통해 충진층내로 산소가 취입되면서 충진층내 석탄이 연소되고, 연소된 연소가스가 충진층을 상승하면서 고온의 환원가스로 전환되어 상기 제1,2및3가스도관(41)(31)(21)을 차례로 거치면서 3단의 각 유동환원로(10)(20)(30)로 공급되어 분철광석을 환원반응시키고, 환원반응된 가스는 제4가스도관(11)을 통해 공정외로 최종 배출된다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해소하기 위하여 제안된 것으로서, 그 목적은 융융로의 배가스에 의해서 예열 및 예비환원된 분철광석과 예열된 스크랩을 용융로에서 혼합 사용하여 용강을 직접제조함으로써, 고로공정의 핵심인 소결, 화성 및 제선의 선행 3공정을 생략하고 바로 제강공정을 수행하여 시간, 공간, 인력, 설비, 환경문제를 대폭 저감할 수 있는 친환경적이고도 경제적인 환경친화형 직접 제강장치 및 방법을 제공하고자 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 기술적인 구성으로써, 본 발명은,

분철광석과 스크랩을 혼합하여 용강을 제조하는 설비에 있어서,

상기 분철광석이 광석장입관을 통하여 장입되고, 상기 장입된 분철광석을 하부에 연결된 가스도관으로부터 공급되는 환원가스에 의해 예열하며, 환원반응시키고, 상기 환원된 분철광석을 광석도관에 의해서 외부로 배출하는 유동반응로;

상기 스크랩이 장입되고, 상기 장입된 스크랩을 하부에 연결된 가스도관으로부터 공급되는 환원가스에 의해 예열하고, 상기 예열된 스크랩을 스크랩피딩기에 의해 외부로 배출하는 스크랩예열로;

상기 유동반응로의 분철광석을 장입하는 광석도관과 상기 스크랩예열로의 스크랩을 장입하는 스크랩공급관이 연결되고, 상기 분철광석과 스크랩이 혼합되는 로내 로 산소를 공급하는 산소랜스와 산소공급구를 구비하며, 일반탄, 부원료를 공급하는 일반탄공급라인을 구비하고, 로내에 발생된 고온성 환원가스가 배출되는 배출구를 로상부를 밀폐하는 상부커버에 갖추는 한편, 하부일측에 구비된 출강구를 통하여 용강을 주기적으로 배출하는 융융로;를 포함하며,
상기 유동반응로는 분철광석을 장입하는 광석장입관이 연결되고, 제 2가스도관으로부터 공급되는 환원가스가 통과하는 제 1가스분산판을 구비하고, 예열 및 예비환원된 분철광석을 외부로 배출하는 제 1광석도관이 연결되는 한편, 상기 분철광석을 유동화 반응시킨 환원가스에 포함된 분진을 제거하여 외부로 배출하는 제 1내부사이클론을 구비하여 분철광석을 예열 및 예비환원시키는 제 1유동반응로와, 상기 제 1광석도관의 하부단이 연결되어 예열 및 예비환원된 분철광석이 장입되고, 제 1가스도관으로부터 공급되는 환원가스가 통과하는 제 2가스분산판을 구비하고, 최종환원된 분철광석을 외부로 배출하는 제 2광석도관이 연결되는 한편, 상기 분철광석을 유동화 반응시킨 환원가스에 포함된 분진을 제거하여 상기 제2가스도관으로 공급하는 제 2내부사이클론을 로체내부에 구비하여 예열 및 예비환원된 분철광석을 최종환원시키는 제 2유동반응로가 적어도 2단이상으로 배치하여 구성됨을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은,

분철광석과 스크랩을 혼합하여 용강을 제조하는 방법에 있어서,

상기 분철광석을 유동반응로내로 장입하고, 상기 유동반응로내에 장입된 분철광석을 로하부로 공급되는 환원가스에 의해 유동화시켜 예열, 예비환원 및 최종환원반응시키는 단계;

상기 스크랩을 스크랩예열로내로 장입하고, 상기 스크랩예열로내로 장입된 스크랩을 로하부로 공급되는 환원가스에 의해 예열하는 단계;

상기 유동환원로내에서 최종환원된 분철광석과 상기 스크랩예열로내에서 예열된 스크랩을 용융로내로 장입하는 단계;

상기 용융로내에서 혼합된 분철광석과 스크랩으로 산소랜스 및 산소공급구를 통하여 산소를 취입하고, 일반탄공급라인을 통하여 일반탄과 부원료를 공급하는 단계;

상기 유동반응로와 예열로하부로 환원가스를 공급하는 가스도관에 연결된 배출구를 통하여 상기 일반탄과 산소의 연소에 의해서 상기 용융로내에서 발생된 고온의 환원가스를 배출하는 단계;

상기 용융로의 출강구를 통하여 용강과 더불어 슬래그를 배출하는 단계;를 포함하며,
상기 분철광석을 환원하는 단계는 적어도 2단 이상의 제 1,2유동반응로내로 분철광석을 하향 공급하고, 환원가스를 상향 공급하여 수행됨을 특징으로 한다.

이하, 본 발명에 대해서 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 환경친화형 직접제강장치를 도시한 개략도로서, 도시한 바와같이, 본 발명의 장치(1000)는 주원료인 스크랩과 환원된 분철광석을 혼합하여 용강을 직접 제조할 수 있도록 고온의 배가스인 환원가스에 의해서 분철광석을 예열 및 예비환원하여 고온의 분환원철을 직접제조하는 유동반응로(100), 스크랩을 예열하는 스크랩예열로(200) 및 상기 분철광석, 스크랩이 장입되는 용융로(300)로 구성된다.

즉, 상기 유동반응로(100)는 광석장입관을 통하여 분철광석이 장입되고, 내부로 장입된 분철광석을 하부로부터 공급되는 환원가스에 의해 예열 및 예비환원시 키고, 최종환원시키고, 상기 유동반응로(100)내에서 최종환원반응된 분철광석을 외부로 배출하는 환원로이다.

이러한 유동반응로(100)는 외부로부터 건조된 분철광석을 장입하는 광석장입관(141)의 하부단이 로체외부면에 연결되고, 로체하부면에 일단이 연결된 제 2가스도관(132)으로부터 공급되는 환원가스가 통과하는 제 1가스분산판(111)을 로체내부에 구비하고, 예열 및 예비환원된 분철광석을 외부로 배출하는 제 1광석도관(142)의 상부단이 로체외부면에 연결되는 한편, 상기 분철광석을 유동화반응시킨 환원가스에 포함된 분진을 제거하여 외부로 배출하는 제 1내부사이클론(112)을 로체내부에 구비하여 분철광석을 예열 및 예비환원시키는 제 1유동반응로(110)와, 상기 제 1광석도관(142)의 하부단이 로체외부면에 연결되어 예열 및 예비환원된 분철광석이 장입되고, 로체 하부면에 일단이 연결된 제 1가스도관(131)으로부터 공급되는 환원가스가 통과하는 제 2가스분산판(121)을 로체내부에 구비하고, 최종환원된 분철광석인 분환원철을 외부로 배출하는 제 2광석도관(143)의 상부단이 로체외부면에 연결되는 한편, 상기 분철광석을 유동화 반응시킨 환원가스에 포함된 분진을 제거하여 상기 제2가스도관(132)으로 공급하는 제 2내부사이클론(122)을 로체내부에 구비하여 예열 및 예비환원된 분철광석을 최종환원시키는 제 2유동반응로(120)가 적어도 2단이상으로 배치하여 구성된다.

여기서, 상기 제 1유동반응로(110)내로 분철광석을 장입하는 광석장입관(141)은 하부말단부가 상기 제1유동반응로(110)를 관통하여 삽입되어 제1가스분산판(111)상부표면으로부터 일정높이, 70cm이내 범위내 위치되도록 배치하는 것이 바람직하며, 상기 제 1유동반응로(110)의 측벽과 이루는 각도는 도관내로 흐르는 분철광석의 안식각도인 30°를 고려하여 20~60°로 형성하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 제 1유동반응로(110)와 제 2유동반응로(120)사이를 연결하는 제 1광석도관(142)는 그 상부단이 제 1유동반응로(110)를 관통하여 삽입되어 상기 제 1유동반응로(110)내 형성되는 유동층 높이와 동일하게 위치되며, 그 하부단은 상기 제 2유동반응로(120)를 관통하여 삽입되어 상기 제 2가스분산판(121)상부표면으로부터 일정높이 70cm이내 범위에서 위치되도록 배치하는 것이 바람직하며, 상기 제1유동반응로(110)의 측벽과 이루는 각도는 도관내로 흐르는 분철광석의 안식각도인 30°를 고려하여 30~70°로 형성하는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 제 2유동반응로(120)와 용융로(300)사이를 연결하는 제2광석도관(143)은 그 상부단이 제2유동반응로(120)를 관통하여 삽입되고, 상기 제2유동반응로(120)내 형성되는 유동층 높이와 동일하게 위치되며, 그 하부단은 상기 용융로(300)상부를 밀폐하는 상부커버(301)를 관통하여 삽입되어 환원가스가 배출되는 가스배출구(302)로부터 충분한 간격을 두고 이격된 아래부분에 배치되는 것이 바람직하고, 상기 제 2유동반응로(120)의 측벽과 이루는 각도는 도관내로 흐르는 분철광석의 안식각도인 약 30°를 고려하여 30~70°로 형성하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 광석장입관(141), 제 1,2광석도관(142)(143)을 통하여 흐르는 분철광석의 공급흐름을 제어하도록 길이중간에 설치되는 고온밀폐형 광석밸브(141a)(142a)(143a)는 밸브닫힘작동시 도관내에 쌓이는 분철광석의 중량이 밸브열림시 하부로부터 상부로 역류되는 기체흐름을 이겨내면서 자중에 의해서 상부로부터 하부로의 광석흐름을 원활하게 수행할 수 있는 위치에 구비되어야 한다.

그리고, 상기 제1유동층로(110)의 제1내부사이클론(112)으로부터 배가스가 배출되는 배가스관(144)에는 배가스에 포함된 미분진을 살수에 의해 포집하여 청정한 배가스를 배출관(145)을 통하여 플래어 스택(Flare Stack)(FS1)으로 배출할 수 있도록 수냉식 스크러버(150)를 갖추어 구성한다.

한편, 상기 유동반응로(100)내로 상기 용융로(300)내의 고온환원가스를 공급하는 제 1가스도관(131)에는 상기 유동반응로(100)내로 공급되는 고온 환원가스에 의해서 분철광석이 용융되어 로체내에 융착되는 것을 방지할 수 있도록 고온 환원가스를 700 내지 900℃로 냉각하여 공급하는 제 1열교환기(170)을 갖추어 구성한다.

또한, 순철에 가까운 스크랩을 예열시키도록 장입되는 스크랩예열로(200)는 로체내에 장입된 스크랩을 로체 하부에 일단이 연결된 제 3가스도관(133)으로부터 공급되는 고온의 환원가스에 의해 예열하고, 상기 스크랩예열로(200)의 하부에는 로체내부에서 예열된 스크랩을 정량씩 절출할 수 있도록 스크류타입의 스크랩피딩기(210)를 갖추는 한편, 상기 스크랩피딩기(210)와 융용로(300)사이에는 상기 스크랩피딩기(210)에 의해서 해서 절출되는 스크랩을 상기 융용로(300)내로 장입할 수 있도록 스크랩공급관(211)을 구비한다.

그리고, 상기 스크랩예열로(200)내에서 스크랩을 가열시키도록 열교환된 배가스가 배출되는 배가스관(204)에는 배가스에 포함된 미분진을 살수에 의해 포집하여 청정한 배가스만을 배출관(205)을 통하여 플래어 스택(Flare Stack)(FS2)으로 배출할 수 있도록 수냉식 스크러버(Scrubber)(250)를 갖추는 한편, 상기 스크러버(250)의 하부에는 슬러지공급관(251)을 통하여 아연성분이 다량 함유된 슬러지를 공급받아 상기 슬러지에 포함된 아연성분을 분리제거하는 탈아연조(260)를 갖추어 구성한다.

또한, 상기 스크랩예열로(200)내로 상기 용융로(300)내의 고온환원가스를 공급하는 제 3가스도관(133)에는 상기 스크랩예열로(200)내로 공급되는 고온 환원가스에 의해서 스크랩이 용융되어 융착되는 것을 방지할 수 있도록 고온 환원가스를 900 내지 1100℃로 냉각하여 공급하는 제 2열교환기(270)을 갖추어 구성한다.

한편, 상기 유동반응로(100)에서 최종환원된 분철광석과 상기 스크랩예열로(200)에서 예열된 스크랩을 일정비율로 혼합하여 일반탄과 산소의 연소열에 의해 용융시키는 용융로(300)는 상부가 상부커버(301)에 의해서 밀폐되는 전로형 용융로이며, 상기 상부커버(301)에는 상기 유동반응로(100)에서 최종환원된 분철광석을 장입할 수 있도록 최종환원로인 제 2유동반응로(120)의 제 2광석도관(143)의 하부단이 삽입되며, 상기 스크랩예열로(200)에서 예열된 스크랩을 장입하는 스크랩공급관(211)의 하부단이 삽입되어 연결되는 한편, 상기 용융로(300)의 외부면 하부에는 용융된 용강을 외부로 배출할 수 있도록 출강구(303)가 구비되어 있다.

그리고, 상기 상부커버(301)에는 상기 용융로(300)내부로 산소를 취입하여 정련할 수 있도록 산소랜스(310)가 장착되며, 주원료인 일반탄과 슬래그를 형성하기 위한 부원료가 장입되는 일반탄공급라인(320)이 장착되는 한편, 상기 용융로(300)의 하부면에도 산소라인으로부터 공급되는 산소를 로체내로 취입하여 정련할 수 있도록 산소공급구(330)가 장착된다.

또한, 상기 상부커버(301)의 일측에는 상기 용융로(300)내로 장입된 분철광석과 스크랩을 용융시켜 용강을 제조하기 위한 일반탄과 산소의 연소시 발생된 연소가스인 환원성 가스를 외부로 배출할 수 있도록 가스배출구(302)를 갖추며, 상기 가스배출구(302)는 상기 제 1,3가스도관(131)(133)이 분기되는 메인가스도관(130)과 연통연결된다.

여기서, 상기 메인가스도관(130)의 길이중간에는 상기 용융로(300)로부터 외부로 배출되는 환원용 연소가스에 포함된 분진을 제거할 수 있도록 외부사이클론(350)이 장착되며, 상기 외부사이클론(350)의 순환관(351)은 환원용 연소가스에서 분리된 분진을 용융로(300)내로 장입할 수 있도록 상기 용융로(300)의 로체 중앙부에 설치된 더스트버너(340)에 연결됨에 따라 제진된 분진은 주연료인 일반탄, 산소 및 부원료와 더불어 상기 더스트버너(340)를 통하여 상기 용융로(300)내로 공급되어 제거된다.

본 발명의 작용에 대해서 설명한다.

상술한 바와같이 분철광석을 장입하여 최종환원된 고온의 분철광석을 직접 생산하는 다단 유동반응로(110)(120)와, 스크랩을 예열하는 예열로(200) 및 최종환원된 분철광석과 예열된 스크랩을 주연료인 일반탄과 산소의 연소에 의한 열원으로 용강을 제조하는 융융로(300)를 갖추어 용강을 제조하고자 하는 경우, 먼저 전공정에서 건조된 분철광석은 광석장입관(141)을 통하여 유동반응로(100)를 구성하는 제 1유동반응로(110)내로 장입되고, 장입된 분철광석은 로체내에 구비된 제1가스분산판(111)의 하부로부터 공급되는 제2유동반응로(120)의 배가스인 환원가스에 의해 일정높이의 기포유동층을 형성하며서 예열 및 예비환원된다.

이와 동시에, 스크랩은 스크랩장입구를 통하여 스크랩예열로(200)내로 장입되어 수직으로 하강하면서 상기 스크랩예열로(200)의 하부에 연결된 제 3가스도관(133)을 통하여 공급되는 고온의 배가스에 의해서 예열되고, 일정시간이 경과하여 상기 스크랩예열로(200)내에서 예열된 스크랩이 로체 하부에 도달되면, 하부에 설치된 스크랩피딩기(210)의 스크류회전에 의해서 일정량씩 절출되고, 절출된 스크랩은 스크랩공급관(211)을 통하여 용융로(300)내로 공급된다.

한편, 상기 제1유동반응로(110)내에 장입된 분철광석의 유동층 높이가 목표치에 도달되면, 예열된 분철광석은 고온밀폐형 광석밸브(142a)가 개방작동된 제 1광석도관(142)을 통하여 하부측 제 2유동반응로(120)내로 장입되고, 상기 장입된 분철광석은 제2가스분산판(121)의 하부로부터 공급되는 상기 용융로(300)의 배가스인 환원가스에 의해 일정높이 기포유동층을 형성하면서 최종환원된다.

연속하여, 일정시간이 경과하여 상기 제2유동반응로(200)의 유동층 높이가 목표치에 도달되면, 최종환원된 분철광석은 고온밀폐형 광석밸브(143a)가 개방작동된 제 2광석도관(143)을 통하여 상기 예열된 스크랩이 장입되는 용융로(300)내로 장입된다.

상기와 같이 용융로(300)내로 장입된 스크랩과 분철광석은 상기 용융로(300) 의 일반탄공급라인(320) 및 더스트버너(340)를 통하여 공급되는 주원료인 일반탄과, 산소랜스(310), 산소공급구(330)에서 공급되는 산소의 연소에 의하여 연소에 의해 용융되며, 상기 최종환원된 분철광석에 포함된 맥석성분은 상기 일반탄공급라인(320) 및 더스트버너(340)를 통하여 공급되는 부원료에 의해서 슬래그로 전환되어 용강상부에 슬래그층을 형성하게 된다.

이에 따라, 상기 용융로(300)내에서 제조되는 용강과 슬래그량이 충분해지면 출강구(303)를 개공하여 용강과 슬래그층을 동시에 외부로 배출한다.

한편, 상기 용융로(300)에서 용강제조를 위한 일반탄과 산소의 연소시 발생되는 배가스는 상기 용융로(300)의 상부커버(301)에 설치된 가스배출구(302)를 통하여 메인가스도관(130)으로 배기되고, 상기 배가스에 포함된 분진은 상기 메인가스도관(130)에 설치된 외부사이클론(350)에 의해서 포집되어 상기 용융로(300)내부와 연결된 더스트 버너(340)를 통하여 일반탄, 산소와 더불어 상기 용융로(300)내로 취입되어 재순환된다.

또한, 상기 외부사이클론(350)에서 제진된 배가스는 메인가스도관(130)으로부터 분기된 제 1, 3가스도관(131)(133)을 통하여 상기 유동반응로(100) 및 예열로(200)의 하부로 각각 공급되는데, 상기 유동반응로(100)와 예열로(200)내로 공급되는 고온의 배가스는 분철광석 및 스크랩을 용융시키지 않을 정도의 적당한 온도로 낮추도록 상기 제 1,3가스도관(131)(133)의 길이중간에 설치된 열교환기(170)(270)를 거쳐 공급된다.

한편, 상기 유동반응로(100)가 내부에 설치된 분산판(111)(121)의 막힘현상으로 인한 환원공정이 곤란해지면, 상기 제 1가스도관(131)에 설치되는 개폐밸브를 닫힘작동시켜 제 1가스도관(131)을 통한 가스공급을 일시중단함으로서 상기 용융로(300)로부터 배출되는 가스전량을 상기 스크랩가열로(200)내로 공급하는 반면에, 상기 스크랩예열로(200)가 장입된 스크랩의 통기성 악화나 악취발생으로 인한 예열곤란해지면, 상기 제 3가스도관(133)에 설치되는 개폐밸브를 닫힘작동시켜 제 1가스도관(133)을 통한 가스공급을 일시중단함으로서 상기 용융로(300)로부터 배출되는 가스전량을 상기 유동반응로(100)내로 공급한다.

이러한 직접제강공정에서 상기 용융로(300)의 조업온도는 1500~1700℃, 상기 스크랩 예열로(200)의 조업온도는 900~1100℃, 상기 제1유동반응로(110)의 조업온도는 700~800℃, 상기 제 2유동반응로(120)의 조업온도는 800~900℃로 유지하면서 운전하는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 직접제강공정에서 상기 용융로(300)의 조업압력은 2~3 bar,g, 상기 스크랩 예열로(200)의 조업압력은 1.0 ~2.5 bar,g, 상기 제1 유동반응로(110)의 조업압력은 1.0~2.0 bar,g, 제 2유동반응로(120)의 조업압력은 1.5~2.5 bar,g로 유지하여 운전하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 용융로(300)에서는 스크랩 사용량을 전체 철강원료의 50%이상으로 사용하는 것이 바람직하고, 사용되는 스크랩과 분철광석이 혼합되는 비율과 주연료인 일반탄의 혼합비율은 노열을 확보할 수 있을 정도로 조절해야만 하는데, 우수한 품질의 용강을 제조하여 후속 전로공정을 생략하기 위해서는 상기 용융로(300)에서 생산되는 용강성분중 탄소함량은 3%이하, 황 함량은 0.1% 이하, 규소함량은 0.5%이하, 구리 함량은 0.2%이하, 주석은 0.02% 이하로 유지할 수 있도록 하는 범위에서 관리하는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 제1 유동반응로(110)내에 장입된 분철광석이 체류하는 시간은 상기 조업조건에서 분철광석의 환원률이 30%이상 얻어지는 시간으로 유지하는 것이 바람직하며, 상기 제2유동반응로(120)내에 장입된 분철광석이 체류하는 시간은 상기 조업조건에서 분철광석의 환원률이 70%이상 얻어지는 시간으로 유지하는 것이 바람직하다.

<실시예>

하기 표 1과 같은 크기를 유동반응로를 이용하여 표2에서 표3까지 나타낸 바와 같은 조건에서 분철광석의 유동환원 실험을 수행하였다.

유동반응로 높이 및 내경

제 1,2유동반응로

노내경(가스분산판) : 0.74 m 높이 (가스분산판 표면에서) : 5 m

분철광석의 화학적 성분 및 입도분포

화학적 조성	T.Fe: 62.2%, FeO: 0.5%, SiO2: 5.5%, TiO2: 0.11%, Mn: 0.05%, S: 0.012%, P: 0.65%, 결정수: 2.32%,
입도 분포	-0.05mm: 4.6%, 0.05~0.15mm: 5.4%, 0.15~0.5mm: 16.8% 0.5~4.75mm: 59.4%, 4.75~8mm: 13.8%

조업조건

용융로 배가스 성분	CO: 55~60%, H2:25%, CO2: 5~10%, N2:10% (일반탄의 가스화 경우를 고려하여 합성한 가스성분)
조업온도	제1유동반응로 : 약 780℃ 제2유동반응로 : 약 830℃
조업압력	제1유동반응로 : 약 1.7 bar,g 제2유동반응로 : 약 2.0 bar,g
노내 고탑가스유속	제1유동반응로 : 약 1.7 m/s 제2유동반응로 : 약 1.5 m/s

상기와 같은 조건에서 조업 개시후 약 1시간 30분에 환원율이 80~85%인 분환원철이 얻어졌고, 가스산화도가 10%인 악조건에서도(실제 용융로의 배가스는 10% 미만) 80% 이상의 환원율이 얻어졌음으로써 본 발명의 타당성을 입증할 수 있다.

그리고, 본 발명의 경제적 그리고 친환경적 효과는 하기 표 4에서 확인할 수 있는데, 하기 표 4에서 나타난 바와같이 고로 대비해서는 생산단가와 탄소세면에서 아주 유리하고, 전기로와 대비 탄소세는 거의 동등하나 생산단가면에서 아주 유리한 것으로 나타났다.

여기서, 탄소세는 스웨덴식 부과(이산화탄소 배출 톤당 43 U$)를 토대로 한 것으로, 2002년 현재는 부과되고 있지 않지만 가까운 장래에 부과될 것으로 예상되므로 제시한 것이다.

그리고 소결광은 톤당 35 U$, 일반탄 톤당 70 U$, 스크랩 톤당 110 U$, 분철광석 톤당 20 U$, 전기 0.06 U$을 토대로한 2002년 현재 시세로 계산했다.

본 발명과 종래 철강공정(고로, 전기로)의 비교예

구분	고로 (소결광100%)	전기로 (스크랩 100%)	본 발명 (스크랩 70% 분환원철 30%)	본 발명 (스크랩 50% 분환원철 50%)
철 원료비	48	120	94	76
연료비	31	25	19	28
고정비 (Green Flield)	104	30	45	45
중간합계	183	175	158	149
탄소세	65	26	26	34
총합계	248	201	184	183

( 단위 : 용선 혹은 용강 톤당 비용(U$))

상술한 바와같은 본 발명에 의하면, 직접제강공정에서는 순철에 가까운 스크랩을 주 철강원으로 사용함으로써 그 만큼 에너지 사용 및 온실가스인 이산화탄소 배출을 대폭 저감할 수 있다.

그리고, 스크랩으로 용강을 만들기 위해서는 단지 용융에너지만 필요하지만 분철광석으로 용강을 만들기 위해서는 용융에너지의 2배에 달하는 환원에너지가 필요하기 때문에 종래 고로밀에 대비해서는 에너지 사용량 및 온실가스인 이산화탄소 배출량을 1/3 수준까지 저감할 수 있기 때문에 경쟁력을 확보할 수 있다.

또한, 제강공정에서 분환원철과 같은 청정한 처녀철원을 즉석 생산하여 고온 상태로 바로 용융로에 장입하여 원료비와 에너지 사용량을 크게 저감할 수 있고 또한 주연료로서 값비싼 전기에너지 대신 저렴한 일반탄을 직접 사용할 수 있어 종래 전기로 제강공정의 단점을 보완할 수 있으며, 중소 밀제강에서도 환원철 사용으로 판재 생산이 가능하다.

그리고, 스크랩과 분철광석 혼합 사용으로 원료철강 수급에 융통성을 확보할 수 있고, 스크랩을 주원료로 함으로써 FeO에 의한 내화재 손실을 줄일 수 있으며, 불완전 환원철을 사용함으로써 용강의 탈탄 효과도 얻을 수 있는 것이다.

본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 청구범위에 의해 마련되는 본 발명의 정신이나 분야를 벗어나지 않는 한도내에서 본 발명이 다양하게 개조 및 변화될수 있다는 것을 당업계에서 통상의 지식을 가진자는 용이하게 알수 있음을 밝혀두고자 한다.

Claims (19)

1. 분철광석과 스크랩을 혼합하여 용강을 제조하는 설비에 있어서,

   상기 분철광석이 광석장입관을 통하여 장입되고, 상기 장입된 분철광석을 하부에 연결된 가스도관으로부터 공급되는 환원가스에 의해 예열하며, 환원반응시키고, 상기 환원된 분철광석을 광석도관에 의해서 외부로 배출하는 유동반응로;

   상기 스크랩이 장입되고, 상기 장입된 스크랩을 하부에 연결된 가스도관으로부터 공급되는 환원가스에 의해 예열하고, 상기 예열된 스크랩을 스크랩피딩기에 의해 외부로 배출하는 스크랩예열로;

   상기 유동반응로의 분철광석을 장입하는 광석도관과 상기 스크랩예열로의 스크랩을 장입하는 스크랩공급관이 연결되고, 상기 분철광석과 스크랩이 혼합되는 로내로 산소를 공급하는 산소랜스와 산소공급구를 구비하며, 일반탄, 부원료를 공급하는 일반탄공급라인을 구비하고, 로내에 발생된 고온성 환원가스가 배출되는 가스배출구를 로상부를 밀폐하는 상부커버에 갖추는 한편, 하부일측에 구비된 출강구를 통하여 용강을 주기적으로 배출하는 융융로;를 포함하며,

   상기 유동반응로는 분철광석을 장입하는 광석장입관이 연결되고, 제 2가스도관으로부터 공급되는 환원가스가 통과하는 제 1가스분산판을 구비하고, 예열 및 예비환원된 분철광석을 외부로 배출하는 제 1광석도관이 연결되는 한편, 상기 분철광석을 유동화 반응시킨 환원가스에 포함된 분진을 제거하여 외부로 배출하는 제 1내부사이클론을 구비하여 분철광석을 예열 및 예비환원시키는 제 1유동반응로와, 상기 제 1광석도관의 하부단이 연결되어 예열 및 예비환원된 분철광석이 장입되고, 제 1가스도관으로부터 공급되는 환원가스가 통과하는 제 2가스분산판을 구비하고, 최종환원된 분철광석을 외부로 배출하는 제 2광석도관이 연결되는 한편, 상기 분철광석을 유동화 반응시킨 환원가스에 포함된 분진을 제거하여 상기 제2가스도관으로 공급하는 제 2내부사이클론을 로체내부에 구비하여 예열 및 예비환원된 분철광석을 최종환원시키는 제 2유동반응로가 적어도 2단이상으로 배치하여 구성됨을 특징으로 하는 환경친화형 직접제강장치.
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서,

   상기 광석장입관은 하부단이 상기 제1유동반응로를 관통하여 삽입되어 제1가스분산판상부표면으로부터 일정높이, 70cm이내 범위내 위치되도록 배치하고, 상기 제 1유동반응로의 측벽과 이루는 각도는 도관내로 흐르는 분철광석의 안식각도인 30°를 고려하여 20~60°로 형성함을 특징으로 하는 특징으로 하는 환경친화형 직접제강장치.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 제 1광석도관은 그 상부단이 제 1유동반응로를 관통하여 삽입되어 상기 제 1유동반응로내 형성되는 유동층 높이와 동일하게 위치되며, 그 하부단은 상기 제 2유동반응로를 관통하여 삽입되어 상기 제 2가스분산판상부표면으로부터 일정높이 70cm이내 범위에서 위치되도록 배치하며, 상기 제1유동반응로의 측벽과 이루는 각도는 도관내로 흐르는 분철광석의 안식각도인 30°를 고려하여 30~70°로 형성함을 특징으로 하는 환경친화형 직접제강장치.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 제2광석도관은 그 상부단이 제2유동반응로를 관통하여 삽입되고, 상기 제2유동반응로내 형성되는 유동층 높이와 동일하게 위치되며, 그 하부단은 상기 용융로상부를 밀폐하는 상부커버를 관통하여 삽입되어 환원가스가 배출되는 가스배출구로부터 충분한 간격을 두고 이격된 아래부분에 배치되고, 상기 제 2유동반응로의 측벽과 이루는 각도는 도관내로 흐르는 분철광석의 안식각도인 30°를 고려하여 30~70°로 형성함을 특징으로 하는 환경친화형 직접제강장치.
6. 제 1항에 있어서,

   상기 광석장입관, 제 1,2광석도관에 갖추어지는 고온밀폐형 광석밸브는 밸브닫힘작동시 도관내에 쌓이는 분철광석의 중량이 밸브열림시 하부로부터 상부로 역류되는 기체흐름에 의한 힘보다 커서 상부로부터 하부로의 광석흐름을 원활하게 수행할 수 있는 위치에 설치됨을 특징으로 하는 환경친화형 직접제강장치.
7. 제 1항에 있어서,

   상기 제1내부사이클론으로부터 배가스가 배출되는 배가스관과 상기 스크랩예열로로부터 배가스가 배출되는 배가스관에는 배가스에 포함된 미분진을 살수에 의해 포집하여 청정한 배가스를 플래어 스택으로 배출하는 수냉식 스크러버를 각각 갖추어 구성함을 특징으로 하는 환경친화형 직접제강장치.
8. 제 1항에 있어서,

   상기 제 1가스도관에는 상기 유동반응로내로 공급되는 고온 환원가스를 700 내지 900℃로 낮추어 공급하는 제 1열교환기를 갖추며, 상기 제 3가스도관에는 상기 스크랩예열로내로 공급되는 고온 환원가스를 900 내지 1100℃로 낮추어 공급하는 제 2열교환기를 갖추어 구성함을 특징으로 하는 환경친화형 직접제강장치.
9. 제 1항에 있어서,

   상기 용융로의 가스배출구와 연통연결되는 메인가스도관에는 상기 용융로로부터 외부로 배출되는 환원용 연소가스에 포함된 분진을 제거하고, 제거된 분진을 용융로내로 장입할 수 있도록 더스트버너로 공급하는 외부사이클론을 장착함을 특징으로 하는 환경친화형 직접제강장치.
10. 분철광석과 스크랩을 혼합하여 용강을 제조하는 방법에 있어서,

    상기 분철광석을 유동반응로내로 장입하고, 상기 유동반응로내에 장입된 분철광석을 로하부로 공급되는 환원가스에 의해 유동화시켜 예열, 예비환원 및 최종환원반응시키는 단계;

    상기 스크랩을 스크랩예열로내로 장입하고, 상기 스크랩예열로내로 장입된 스크랩을 로하부로 공급되는 환원가스에 의해 예열하는 단계;

    상기 유동환원로내에서 최종환원된 분철광석과 상기 스크랩예열로내에서 예열된 스크랩을 용융로내로 장입하는 단계;

    상기 용융로내에서 혼합된 분철광석과 스크랩으로 산소랜스 및 산소공급구를 통하여 산소를 취입하고, 일반탄공급라인을 통하여 일반탄과 부원료를 공급하는 단계;

    상기 유동반응로와 예열로하부로 환원가스를 공급하는 메인가스도관에 연결된 가스배출구를 통하여 상기 일반탄과 산소의 연소에 의해서 상기 용융로내에서 발생된 고온의 환원가스를 배출하는 단계;

    상기 용융로의 출강구를 통하여 용강과 더불어 슬래그를 배출하는 단계;를 포함하며,

    상기 분철광석을 환원하는 단계는 적어도 2단 이상의 제 1,2유동반응로내로 분철광석을 하향 공급하고, 환원가스를 상향 공급하여 수행됨을 특징으로 하는 환경친화형 직접제강방법.
11. 삭제
12. 제 10항에 있어서,

    상기 분철광석을 환원하는 단계는 노열을 확보하도록 유동반응로내에 설치되는 내부사이클론에 의해서 환원가스에 포함된 분진을 제거하여 외부로 배출하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 환경친화형 직접제강방법.
13. 제 10항에 있어서,

    상기 제 1가스도관의 환원가스는 제 1열교환기에 의해 700 내지 900℃로 냉각되어 상기 유동반응로내로 공급되고, 상기 제 3가스도관의 환원가스는 제 2열교환기에 의해 900 내지 1100℃로 냉각되어 상기 예열로내로 공급됨을 특징으로 하는 환경친화형 직접제강방법.
14. 제 10항에 있어서,

    상기 용융로의 환원가스를 배출하는 단계는 메인가스도관에 설치된 외부사이클론에 의해 환원용 연소가스에 포함된 분진을 제거하여 분진이 제거된 환원가스는 메인가스도관으로부터 분기된 제 1,3가스도관으로 공급되고, 제진된 분진은 상기 용융로에 설치된 더스트버너를 통하여 용융로내로 재순환되는 단계를 포함함을 특징으로 환경친화형 직접제강방법.
15. 제 10항에 있어서,

    상기 용융로의 조업온도는 1500~1700℃, 상기 스크랩 예열로의 조업온도는 900~1100℃, 상기 제1유동반응로의 조업온도는 700~800℃, 상기 제2유동반응로의 조업온도는 800~900℃로 유지함을 특징으로 하는 환경친화형 직접제강방법.
16. 제 10항에 있어서,

    상기 용융로의 조업압력은 2~3 bar,g, 상기 스크랩 예열로의 조업압력은 1.0 ~2.5 bar,g, 상기 제1 유동반응로의 조업압력은 1.0~2.0 bar,g, 제 2유동반응로의 조업압력은 1.5~2.5 bar,g로 유지하여 운전함을 특징으로 하는 환경친화형 직접제강방법.
17. 제 10항에 있어서,

    상기 용융로에서 생산되는 용강성분중 탄소함량은 3%이하, 황 함량은 0.1% 이하, 규소함량은 0.5%이하, 구리 함량은 0.2%이하, 주석은 0.02% 이하로 유지되도로록 관리함을 특징으로 하는 환경친화형 직접제강방법.
18. 제 10항에 있어서,

    상기 제1유동반응로내에 장입된 분철광석이 체류하는 시간은 상기 조업조건에서 분철광석의 환원률이 30%이상 얻어지는 시간으로 유지하고, 상기 제2유동반응로내에 장입된 분철광석이 체류하는 시간은 상기 조업조건에서 분철광석의 환원률이 70%이상 얻어지는 시간으로 유지함을 특징으로 하는 환경친화형 직접제강방법.
19. 제 10항에 있어서,

    상기 유동반응로의 분철광석 환원공정이 불량해지면 제 1가스도관을 통한 가스공급을 일시중단하고, 상기 용융로로부터 배출되는 가스전량을 상기 스크랩가열 로내로 공급하고, 상기 스크랩예열로의 스크랩 예열공정이 불량해지면 상기 제 3가스도관을 통한 가스공급을 일시중단하고, 상기 용융로로부터 배출되는 가스전량을 상기 유동반응로내로 공급함을 특징으로 하는 환경친화형 직접제강방법.

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