KR101050800B1 - 용철 제조 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 용철 제조 방법 및 장치에 관한 것이다.
본 발명은 자철광을 제공하는 단계, 상기 자철광을 산화시켜 적철광으로 변환하는 단계 및 상기 적철광을 환원하고 용융하는 단계를 포함하는 용철 제조 방법과 이를 이용한 용철 제조 장치를 제공한다.
자철광, 적철광, 산화, 용철

Description

용철 제조 방법 및 장치{Method and Apparatus for Manufacturing Molten Irons}
본 발명은 용철 제조 방법 및 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 자철광을 산화시켜서 적철광으로 변환한 후 용융하는 용철 제조 방법 및 그 방법을 이용한 용철 제조 장치에 관한 것이다.
철광석 중 자철광과 적철광이 주로 제철용으로 사용된다. 일반적으로 적철광은 자철광에 비해 양이 많고 불순물이 적다. 또한 적철광은 환원성이 우수하다.
자철광은 고로 내에서 열균열을 일으키지 않으나 환원성은 적철광에 비해 떨어진다. 그러므로 자철광은 보통 직접 넣지 않고 소결하여 환원성과 강도를 높여 사용한다. 자철광은 환원하기 어렵기 때문에 적철광에 비해 많이 사용되지는 않는다.
본 발명은 자철광을 사용하여 용철을 제조하는 용철 제조 방법 및 장치를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 용철 제조 방법은, 자철광을 제공하는 단계, 상기 자철광을 산화시켜 적철광으로 변환하는 단계 및 상기 적철광을 환원하고 용융하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 적철광을 환원하고 용융하는 단계는, 상기 적철광을 환원하여 환원철로 변환하는 단계와 상기 환원철을 용융하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 적철광을 환원하고 용융하는 단계는, 상기 적철광을 용융하는 단계와 용융된 상기 적철광을 환원하여 환원철로 변환하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 적철광을 환원하고 용융하는 단계에서 상기 적철광을 환원하는 동시에 용융할 수 있다. 한편, 상기 적철광으로 변환하는 단계에 앞서 산화가스를 제공하는 단계를 포함할 수도 있다.
상기 적철광으로 변환하는 단계에서, 상기 산화가스를 사용하여 상기 자철광을 산화시킬 수 있다. 상기 산화가스는 온도가 600℃에서 1000℃일 수 있으며 산소를 포함할 수 있다.
상기 산화가스를 제공하는 단계에 앞서 상기 산화가스를 생성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 적철광을 환원하고 용융하는 단계에서 환원가스가 발생하고, 상기 산화가스를 생성하는 단계에서, 상기 환원가스를 연소시켜 상기 산화가스를 생성할 수 있다.
상기 적철광을 환원하고 용융하는 단계는 고로 또는 용융로에서 이루어질 수 있다.
상기 적철광을 환원하여 환원철로 변환하는 단계에서, 환원가스를 사용하여 상기 적철광을 환원할 수 있다.
상기 적철광을 환원하고 용융하는 단계에 앞서 별도의 적철광 또는 갈철광을 제공하는 단계를 포함할 수 있다. 또한, 상기 적철광을 환원하고 용융하는 단계에서, 상기 적철광에 상기 별도의 적철광 또는 상기 갈철광을 혼합하여 함께 환원하고 용융할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 용철 제조 장치는, 자철광을 산화시켜 적철광으로 변환하는 산화로 및 상기 적철광을 용융하는 고로를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 용철 제조 장치는, 자철광을 산화시켜 적철광으로 변환하는 산화로, 상기 적철광을 환원하는 환원로 및 환원된 상기 적철광을 용융하는 용융로를 포함할 수 있다.
또한, 상기 용철 제조 장치는, 상기 산화로에 연결되는 연소장치를 더 포함하고, 상기 환원로에서 발생하는 환원가스가 상기 연소장치에 공급되고, 상기 연소장치는 상기 환원가스를 연소시켜 산화가스를 생성하고, 생성된 상기 산화가스를 상기 산화로에 공급할 수 있다.
본 발명에 의하면 자철광을 사용하여 용철을 제조할 수 있다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
도1은 본 발명의 제1실시예에 따른 용철 제조 방법을 나타내는 개략도이다.
도1을 참조하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 용철 제조 방법은 자철광을 제공하는 단계(S10), 상기 자철광을 산화시켜 적철광으로 변환하는 단계(S20) 및 상기 적철광을 환원하고 용융하는 단계(S30)를 포함한다.
단계(S10)에서는 자철광을 제공하는데 자철광은 분광(粉鑛) 형태일 수 있다.
단계(S20)에서는 산화가스를 사용하여 자철광을 산화시킨다. 자철광이 산화되면 적철광으로 변한다. 산화가스는 온도가 600℃에서 1000℃이며 산소를 포함한다.
단계(S30)에서는 적철광을 환원하고 용융하여 용철을 얻는다. 자철광을 그대로 사용하면 적철광에 비해 환원율이 낮다. 그런데, 자철광을 미리 산화시켜 적철광으로 변환한 후에 적철광을 환원하면 환원율이 높아진다.
예를 들어 800℃에서 90%CO-10%CO2를 사용하여 30분 동안 자철광을 환원시켰을 때는 환원율이 40% 미만으로 나타났다. 그러나 700℃의 공기 분위기에서 30분 동안 자철광을 산화시켜 적철광으로 변환하고 나서 적철광을 환원시켰을 때는 50% 정도의 환원율을 보였다.
단계(S30)에서 적철광을 환원하는 단계와 용융하는 단계는 순차적으로 이루어질 수 있다. 즉 적철광을 환원하여 환원철로 만들고 만들어진 환원철을 고로나 용융로에서 용융할 수 있다. 용융로가 사용되는 경우에는 적철광을 용융하기 전에 미리 환원한다.
한편, 적철광을 환원하는 단계와 용융하는 단계는 동시에 또는 역순으로도 이루어질 수 있다. 즉, 적철광을 환원하는 동시에 용융할 수도 있고, 적철광을 용융하고 나서 환원하여 환원철을 얻을 수도 있다.
또한, 단계(S30)에 앞서 별도의 적철광 또는 갈철광을 제공하는 단계를 포함할 수 있다. 그러면 단계(S30)에서는, 단계(S20)에서 자철광이 산화되어 만들어진 적철광에 별도의 적철광 또는 갈철광을 혼합하여 함께 환원하고 용융할 수 있다.
도 2는 본 발명의 제2실시예에 따른 용철 제조 장치을 나타내는 개략도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 제2실시예에 따른 용철 제조 장치는 산화로(10), 제1유동환원로(20), 제2유동환원로(30), 제3유동환원로(40) 및 용융가스화로(50)를 포함한다.
산화로(10)는 제1유동환원로(20)로부터 배출되는 환원가스가 연소되어 만들 어진 산화가스를 공급받아 자철광을 산화시키고 부원료를 소성하는 장치다. 또한, 제1유동환원로(20)는 산화로(10)에 연결되어 적철광과 부원료를 공급받아 분환원철을 제조하는 장치다.
제1유동환원로(20)는 용융가스화로(50)로부터 공급된 환원가스를 분환원철을 제조하는 데 사용한 후 가스배출관(21)을 통해 배출한다. 배출된 환원가스는 스크러버(Scrubber, 22)에서 포집되고 불순물이 제거된다. 불순물이 제거된 환원가스는 가스배출관(21)으로부터 분기되는 가스순환관(23)에 유입된다. 가스순환관(23)에는 유량조절밸브(24)가 연결되어 환원가스의 유입량을 조절할 수 있다. 가스순환관(23)에는 압축기(25)가 연결되어 유입되는 환원가스의 압력을 높일 수도 있다.
가스순환관(23)은 산화로(10)에 연결되므로 환원가스가 가스순환관(23)을 통해 산화로(10)에 공급될 수 있다. 다만, 가스순환관(23)에는 연소장치(26)가 연결되고 연소장치(26)는 유입되는 환원가스를 연소시켜 산화가스로 만든다. 만들어진 산화가스의 온도는 600℃ 내지 1000℃이다. 따라서 산화로(10)에 최종적으로 유입되는 것은 환원가스가 아니라 고온의 산화가스이다.
한편, 산화가스의 온도가 600℃보다 낮으면 자철광이 충분히 산화되지 않고, 산화가스의 온도를 1000℃보다 높이려면 비용이 지나치게 늘어난다. 따라서 산화가스의 온도는 600℃에서 1000℃로 유지한다.
산화가스가 산화로(10)에 유입되면 자철광을 산화시키고 부원료를 소성한다. 자철광이 산화되면 적철광이 된다. 적철광은 자철광에 비해 쉽게 환원되므로 제1 내지 제3유동환원로(20, 30, 40)를 거치면서 분환원철로 환원된다.
부원료는 백운석 또는 석회석을 포함한다. 백운석의 주성분은 MgCO3이고 석회석의 주성분은 CaCO3이다. 백운석은 400℃ 내지 550℃에서 MgO로 소성되고 석회석은 600℃ 내지 1000℃에서 CaO로 소성되어 CO2가 분리·제거된다.
본 발명의 산화가스의 온도보다 낮은 400℃ 내지 800℃에서 이루어지는 기존의 유동환원공정에서도 MgCO3는 대부분 소성된다. 반면 CaCO3는 극히 일부만 소성된 채 용융가스화로에 장입되며 용융가스화로 내에서 추가 소성반응이 일어난다. 추가 소성반응의 결과 CO2가 발생하고 CO2가 증가하면 환원가스의 환원력이 약해진다. 결국 분철광석의 환원율이 낮아진다.
이와 달리 본 발명의 산화가스는 600℃ 내지 1000℃의 고온 상태에서 산화로(10)에 유입되므로 MgCO3뿐만 아니라 CaCO3도 충분히 소성시킨다. 충분히 소성된 부원료가 용융가스화로(50)에 장입되므로 추가 소성반응에 의한 CO2의 발생량이 적고 추가 소성반응에 소요되는 연료비도 절감된다. 또한, CO2의 발생량이 적으므로 환원가스의 환원력이 약해지지 않고 분철광석의 환원율은 높아진다.
제2 및 제3유동환원로(30, 40)는 제1유동환원로(20)에 순차적으로 연결되며 분환원철을 제조하는 장치다. 제1유동환원로(20)에서 만들어진 분환원철은 제2 및 제3유동환원로(30, 40)를 거치면서 추가로 환원될 수 있다.
도2에는 제2 및 제3유동환원로(30, 40)가 모두 도시되었지만 제2 및 제3유동환원로(30, 40)가 둘 다 구비되어야만 하는 것은 아니다. 필요에 따라 하나만 구비 될 수도 있으며 아예 구비되지 않을 수도 있다.
용융가스화로(50)는 제3유동환원로(40)에 연결되어 분환원철을 공급받고 이를 용융하여 용철을 제조하는 장치다. 또한, 용융가스화로(50)는 가스공급관(51)을 통해 환원가스를 제3유동환원로(40)에 공급한다.
도3은 본 발명의 제3실시예에 따른 용철 제조 장치를 나타내는 개략도이다.
도3을 참조하면, 본 발명의 제3실시예에 따른 용철 제조 장치는 제2실시예에 따른 용철 제조 장치의 구성요소를 포함하되 분기관(52), 제1차단밸브(53), 제2차단밸브(54) 및 장입빈(55)을 더 포함한다.
분기관(52)은 가스순환관(23)으로부터 분기되어 가스배출관(21)에 연결된다. 제1유동환원로(20)에서 배출되는 환원가스가 분기관(52) 및 가스순환관(23)을 통해 산화로(10)에 공급될 수 있다.
제1차단밸브(53)는 분기관(52)에 연결되어 환원가스가 분기관(52)으로 유입하는 것을 제어할 수 있다. 한편, 제2차단밸브(54)는 가스배출관(21)에 연결되어 환원가스가 스크러버(22) 방향으로 이동하는 것을 제어할 수 있다.
장입빈(55)은 제1유동환원로(20)에 연결되어 적철광 또는 갈철광을 장입시킨다. 제1유동환원로(20)에는 산화로(10)로부터 적철광과 부원료가 장입되는데 장입빈(55)으로부터 적철광 또는 갈철광이 추가될 수 있다. 이 경우 제1유동환원로(20)에서는 통상적인 분환원철 제조 공정이 이루어진다.
가스순환관(23)에는 유량조절밸브(24)가 연결되어 환원가스의 유입량을 조절할 수 있으므로 제1차단밸브(53), 제2차단밸브(54) 및 유량조절밸브(23)의 작동에 의해 용철 제조 공정에 변화를 줄 수 있다.
제1차단밸브를 차단하고 제2차단밸브와 유량조절밸브를 개방하면 제1유동환원로에서 나오는 환원가스는 스크러버(22) 방향으로 이동한다. 이후 환원가스는 가스순환관(23) 및 연소장치(26)를 거쳐 산화가스로 변화된 채 산화로(10)에 유입된다. 이 경우는 제2실시예와 동일한 결과를 보인다.
제1차단밸브와 유량조절밸브를 차단하고 제2차단밸브만 개방하면 환원가스가 산화로(10) 방향으로 이동할 수 없으므로 외부로 배출된다. 이 경우는 제1 내지 제3유동환원로(20, 30, 40)로 이루어진 3단 유동환원로처럼 작동한다.
제1차단밸브를 개방하고 제2차단밸브와 유량조절밸브를 차단하면 환원가스가 분기관(52)을 통해 산화로(10)에 유입된다. 다만 환원가스가 연소장치(26)에서 연소되지 않은 채 유입되므로 산화로(10)는 별도의 유동환원로의 기능을 한다. 이 경우는 산화로(10)까지 포함하는 4단 유동환원로처럼 작동한다.
위에서 설명한 세 가지 경우를 요약하면 아래 표1과 같다.
제1차단밸브 제2차단밸브 유량조절밸브 결과
개폐 여부 차단 개방 개방 제1실시예와 동일
차단 개방 차단 3단 유동환원로
개방 차단 차단 4단 유동환원로
실험예 및 비교예
공급압력이 3.8 bar이고 유량이 180,000 Nm3/hr인 환원가스를 사용하였다. 다만 실험예는 1단의 산화로와 3단의 유동환원로를 이용한 반면 비교예는 4단의 유동환원로를 이용하였다. 실험예와 비교예의 결과는 아래 표2와 같다.
표2에서 1단이 용융가스화로에 가장 가까운 환원로이고 4단으로 갈수록 먼 것이다.
가스 온도 (℃) 환원율(%) 소성률(%)
1단 2단 3단 4단
실험예 750 750 750 900 65 80
비교예 750 750 700 450 45 40
실험예의 경우 4단이 산화로에 해당하는데 환원가스의 온도가 3단에서 750℃였고 4단에서 산화가스의 온도가 900℃였다. 또한, 환원율은 65%, 그리고 소성률은 80%로 나타났다.
비교예의 경우 환원가스의 온도가 3단에서 700℃였고 4단에서 450℃였다. 실험예와 비교했을 때 4단에서의 온도는 50% 낮았다. 한편 환원율은 45%, 그리고 소성률은 40%로 나타났다.
실험예에서는 3단에서 나온 환원가스를 연소장치로 완전 연소시킴으로써 고온의 산화가스를 만들었고 만들어진 고온의 산화가스가 4단(산화로)에 공급된 결과 비교예에 비해 높은 환원율과 소성률을 보였다. 특히, 실험예의 소성률은 80%로서 비교예의 40%의 두 배로 나타났다.
본 발명의 제2실시예와 제3실시예에서는 산화로 외에 유동환원로와 용융가스화로를 포함하는 용철 제조 장치를 예로 들었지만 본 발명은 이에 한정되지 않는다.
즉, 본 발명의 다른 실시예에 따른 용철 제조 장치는 산화로와 고로를 포함할 수 있다. 산화로는 자철광을 산화시켜 적철광으로 변환하고, 고로는 적철광을 용융하여 용철을 제조할 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 용철 제조 장치는 유동환원로 대신 고정층 환원로를 포함할 수도 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
도1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 용철 제조 방법을 나타내는 개략도이다.
도2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 용철 제조 장치를 나타내는 개략도이다.
도3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 용철 제조 장치를 나타내는 개략도이다.

Claims (18)

  1. 자철광을 제공하는 단계,
    산화가스를 생성하는 단계,
    상기 산화가스를 제공하는 단계,
    상기 자철광을 산화시켜 적철광으로 변환하는 단계 및
    상기 적철광을 환원하고 용융하는 단계
    를 포함하며,
    상기 적철광을 환원하고 용융하는 단계에서 환원가스가 발생하고,
    상기 산화가스를 생성하는 단계에서,
    상기 환원가스를 연소시켜 상기 산화가스를 생성하는
    용철 제조 방법.
  2. 제1항에서,
    상기 적철광을 환원하고 용융하는 단계는,
    상기 적철광을 환원하여 환원철로 변환하는 단계와
    상기 환원철을 용융하는 단계를 포함하는 용철 제조 방법.
  3. 제1항에서,
    상기 적철광을 환원하고 용융하는 단계는,
    상기 적철광을 용융하는 단계와
    용융된 상기 적철광을 환원하여 환원철로 변환하는 단계를 포함하는 용철 제조 방법.
  4. 제1항에서,
    상기 적철광을 환원하고 용융하는 단계에서
    상기 적철광을 환원하는 동시에 용융하는 용철 제조 방법.
  5. 삭제
  6. 제5항에서,
    상기 적철광으로 변환하는 단계에서,
    상기 산화가스를 사용하여 상기 자철광을 산화시키는 용철 제조 방법.
  7. 제6항에서,
    상기 산화가스는 온도가 600℃에서 1000℃인 용철 제조 방법.
  8. 제6항에서,
    상기 산화가스는 산소를 포함하는 용철 제조 방법.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 제1항에서,
    상기 적철광을 환원하고 용융하는 단계는 고로에서 이루어지는 용철 제조 방법.
  12. 제2항에서,
    상기 적철광을 환원하여 환원철로 변환하는 단계에서,
    환원가스를 사용하여 상기 적철광을 환원하는 용철 제조 방법.
  13. 제12항에서,
    상기 환원철을 용융하는 단계는 용융로에서 이루어지는 용철 제조 방법.
  14. 제1항에서,
    상기 적철광을 환원하고 용융하는 단계에 앞서
    별도의 적철광 또는 갈철광을 제공하는 단계를 포함하는 용철 제조 방법.
  15. 제14항에서,
    상기 적철광을 환원하고 용융하는 단계에서,
    상기 적철광에 상기 별도의 적철광 또는 상기 갈철광을 혼합하여 함께 환원하고 용융하는 용철 제조 방법.
  16. 삭제
  17. 자철광을 산화시켜 적철광으로 변환하는 산화로,
    상기 산화로에 연결되는 연소장치,
    상기 적철광을 환원하는 환원로 및
    환원된 상기 적철광을 용융하는 용융로
    를 포함하며,
    상기 환원로에서 발생하는 환원가스가 상기 연소장치에 공급되고,
    상기 연소장치는 상기 환원가스를 연소시켜 산화가스를 생성하고, 생성된 상기 산화가스를 상기 산화로에 공급하는
    용철 제조 장치.
  18. 삭제
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