KR101145603B1 - 환원철 펠릿의 제조 방법 및 선철의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 환원철 펠릿의 제조 방법에서는, 회전로상식 환원로에서, 산화철 및 탄소를 포함하는 분체의 성형체를 가열 처리하여 환원할 때에, 상기 산화철의 평균 입경이 50마이크로미터 이하인 원료로 제조한 성형체를, 환원대 내에 있어서의 일산화탄소의 이산화탄소에 대한 비를 0.3으로부터 1로 하고 또한, 1400℃ 이하의 온도에서 환원 처리함으로써, 철의 금속화율이 50 내지 85％이고 또한, 잔류 탄소의 비율이 2％ 이하인 환원철 펠릿을 제조한다.

Description

환원철 펠릿의 제조 방법 및 선철의 제조 방법 {PROCESS FOR PRODUCING REDUCED IRON PELLETS, AND PROCESS FOR PRODUCING PIG IRON}

본 발명은 회전로상식 환원로를 이용하여, 산화철 및 탄소를 포함하는 분체를 환원하여 부분 환원철을 제조하는 환원철 펠릿의 제조 방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 상기 부분 환원철(환원철 함유물)을 고로나 종형 샤프트로에서 환원 용해하여, 용선(溶銑)을 제조하는 선철의 제조 방법에도 관한 것이다.

본 출원은 일본 특허 출원 제2007-239058호와 일본 특허 출원 제2008-227163호를 기초 출원으로 하고, 그들의 내용을 본 명세서에 포함한다.

환원철이나 합금철을 제조하는 금속 환원 프로세스로서는 각종의 것이 있다. 이들 중, 저비용이며 생산성이 높은 프로세스로서, 회전로상식 환원로(Rotary Hearth Furnace, 이하 RHF)를 이용한 조업이 실시되고 있고, 그 개요는, 예를 들어 특허문헌 1에 기재되어 있다.

도 1은 RHF의 직경 방향의 절단면을 도시한다. 상기 RHF는, 고정한 내화물의 천장(1) 및 측벽(2)의 아래에서, 차륜(3)에 실리고 또한 중앙부가 없는 원반 형상의 내화물제의 노상(爐床)(4)이, 원을 그리는 레일(5) 상을 일정 속도로 회전하는 형식의 소성로(이하, 회전로라 함)이다. 측벽(2)에는, 복수의 버너(6)가 설치되어 있고, 이곳으로부터 연료와 공기를 취입하여, 노 내의 분위기 가스 성분 및 온도를 제어한다. 일반적으로, 회전로의 노상의 직경은 10 내지 50미터, 또한 폭은 2 내지 8미터이다. 원료인, 산화 금속 및 탄소를 포함하는 분체로 이루어지는 성형체는, 노상(4) 상에 공급되어, 노 내 상부의 가스로부터의 복사열로 가열되어, 성형체 내부에서의 산화 금속과 탄소의 반응에 의해 성형체 내부에서 금속을 얻는다.

RHF의 설비 전체의 예를 도 2에 도시한다.

원료로서는, 가루상의 광석이나 산화 금속 더스트 등의 산화 금속과, 환원제로서 탄소를 이용한다. 환원철의 제조에서는, 산화철원으로서 펠릿 피드 등의 미립 철광석이나, 전로 더스트, 소결 더스트, 고로 가스 더스트 등의 제철 프로세스로부터의 부생성물을 이용한다. 환원제의 탄소는, 코크스, 오일 코크스, 석탄 등을 이용한다. 환원 반응이 발생하는 온도인 1100℃ 정도까지, 휘발되지 않는 탄소분(고정 탄소)의 비율이 높은 것이 더욱 바람직하다. 이러한 탄소원은, 가루 코크스나 무연탄이다.

우선, 도 2의 혼합 장치, 볼밀(11)에서, 산화 금속을 포함하는 분체와 탄소를 포함하는 분체를 혼합한 후, 이것을 조립(造粒) 장치(12)에서 입상으로 성형한다. 이 성형체를 회전로(13)의 노상(4) 상에 균일하게 깔리도록 공급한다. 회전로(13)에서는, 노상(4)의 회전과 함께 성형체가 노 내의 각 부분을 이동한다.

성형체는 고온 가스의 복사에 의해 1000 내지 1500℃로 가열되어, 성형체 내의 탄소에 의해 산화 금속이 환원된다. 노 내에서 발생한 배기 가스는, 배기 가스 덕트(14)를 경유하여, 보일러(15)와 열교환기(16)에서 열회수하여, 집진 장치(17)에서 제진된 후에 굴뚝(18)으로부터 대기로 방출된다. 회전로(13) 내에서는, 성형체가 노상(4) 상에 정치되어 있는 점으로부터, 성형체가 노 내에서 붕괴되기 어렵다고 하는 이점이 있다. 그 결과, 내화물 상에 분화(粉化)된 원료가 부착되는 것에 기인하는 문제가 없는 장점이 있다. 또한, 생산성이 높고, 저렴한 석탄계의 환원제나 가루 원료를 사용할 수 있는 이점도 있다.

이러한 방법으로 제조된 환원철의 금속화율은 90％ 이하인 것이 일반적이고, 최대라도 95％ 정도이다. 이 금속화율은, MIDREX법 등의 가스 환원 방식의 직접 환원철(Directly Reduced Iron, 이하 DRI)과 비교하면 낮은 것이다.

RHF에 있어서의 노 내의 가스 분위기에서는, 이산화탄소 농도가 비교적 높아, 본래는 환원에 적합하지 않은 노이지만, 성형체 내에 산화철과 탄소를 혼재시키고 있기 때문에, 성형체 내의 자발적인 반응(FetO＋C→tFe＋CO)이 일어나므로, 환원 능력이 있다. 이 반응의 결과, 성형체 내 및 성형체 주변의 일산화탄소 비율이 높아져, 성형체가 모여있는 주변은 분위기적으로 환원성이 높아, 산화철의 환원이 진행된다. 그러나 성형체 내에 있어서의 금속 철 비율이 높아지면, 산화철 비율의 저하에 수반하여 환원 반응 속도가 저하되어, 성형체 내 및 성형체 주변의 일산화탄소 비율이 저하된다. 따라서, 고금속화율이 되면 환원이 지연되는 결점이 있다.

예를 들어, 특허문헌 2에 기재되어 있는 바와 같이, 이 환원철을 고강도로 제조하는 방법도 있고, 이 고강도 환원철을 괴광석이나 소결광과 함께 고로에 공급하여, 선철을 제조하는 것도 행해져 있다. 이 방법에서는, 예비 환원한 산화철을 고로 내에서, 최종 환원으로 용해하므로, 고로의 열부하가 저하되어, 고로의 코크스원 단위가 저하되는 동시에, 선철 생산량이 증가하는 효과가 있다.

또한, 일반적인 환원철을 사용하는 고로의 조업 방법에 대해서는, 종래부터도 실시되어 있고, 예를 들어 특허문헌 3에 기재되어 있는 바와 같이, 대량의 환원철을 사용하기 위한 기술이 개시되어 있다. 스크랩이나 고환원율의 환원철을 대량으로 사용하는 경우는, 송풍 온도나 미분탄 취입량을 조정함으로써, 노 내의 온도를 조정하는 기술이 개시되어 있다.

또한, 용선로(cupola) 등의 고로 이외의 종형로에서, 스크랩과 함께, 환원철을 용해하는 조업도 행해지고 있다. 예를 들어, 특허문헌 4에 기재되어 있는 바와 같이, 괴상 코크스와 스크랩을 노 내에 넣고, 노 하부로부터 가열된 공기나 산소 첨가 공기를 취입하여, 스크랩을 용해 처리하고 있는 조업에 있어서, 괴상의 환원철[Hot Briquette Iron(HBI) 또는 DRI]을 스크랩과 함께 용해하여 선철을 생산하고 있다.

특허문헌1:일본공개특허제2001-303115호공보 특허문헌2:일본공개특허제2004-218019호공보 특허문헌3:일본공개특허제2001-234213호공보 특허문헌4:일본공개특허평11-117010호공보

비특허문헌 1 : "Dust Recycling Technology by the Rotary Hearth Furnace at Nippon Steel's Kimitsu Works", Revue de Metall. Cahiers d'Inf. Tech. (2002) Vol.99, (10), p.809-818, T.Ibaraki and H.Oda

RHF와 고로의 조합의 조업에서는, 예를 들어 특허문헌 2에 기재되어 있는 기술 등과 같이, RHF에서, 중간 정도의 환원율 또한 고강도의 환원철 펠릿을 제조하여, 이것을 고로에서 환원 용해하는 방법이 실시되어 있다. 그러나 이러한 종래 기술에서는, 고로에서 사용 비율을 많게 하기 위한 기술 개선의 관점이 없었다. 예를 들어, 비특허문헌 1에 기재되어 있는 바와 같이, 고로에서의 환원철 펠릿의 사용량은 2 내지 3％ 정도(제조 선철당 25 내지 40㎏/톤)에 그치고 있었다. 즉, 일 생산량 1만톤의 대형 고로에 있어서도, 1일당 환원철 펠릿의 사용량은 250 내지 400톤으로 소량이었다.

그 결과, 1일의 처리량이 수백톤의 소량 처리인 제철소 내의 철강 더스트 처리에서 제조된 환원철 펠릿이면, 그 생산량의 전부를 고로에서 소화할 수 있었다. 그러나 RHF에서 철광석을 처리하여 환원철을 대량으로 생산하는 경우는, 1일당 수백톤 내지 수천톤의 환원철이 생산된다. 이 양의 환원철 펠릿을 고로에서 원료로서 사용하여 선철을 생산하는 경우는, 대형 고로에 있어서도, 환원철 펠릿의 사용량은 제조 선철 1톤당 60 내지 200㎏의 고비율이 된다.

그러나 특허문헌 2나 비특허문헌 1 등의 종래 기술에서는, 환원철 펠릿 사용량이 적었다. 그로 인해, 그저 단순히 환원철 펠릿을 고로에 장입하면 된다는 생각밖에 없어, 노 내에서의 환원철 펠릿의 최종 환원 상태나 용해 상황을 제어하고 있지 않았다. 또한, RHF 조업에서도, 그저 단순히 고강도의 환원철 펠릿을 제조한다는 관점밖에 없어, 고로 노 내에서, 환원철 펠릿의 잔류 산화물이 환원되기 쉽게 하기 위한 기술은 없었다. 그 결과, 환원철 펠릿에 남아있는 산화철의 환원이 지연되어 버려, 고로 샤프트 중간부에서 환원이 종료되지 않고, 노 하부의 슬래그 저류부까지 산화철이 인입되어 있었다. 이 경우는, 슬래그 중에서 산화철 환원이 일어나, 노 하부와 슬래그 온도가 저하되는 문제나, 슬래그 중의 FeO가 상승하여 슬래그의 탈황 성능이 저하되는 문제가 있었다.

한편, 특허문헌 3에 기재되어 있는 기술을 이용하면, 고로의 조업 조건을 제어함으로써, 비교적 대량의 환원철을 고로에서 적정하게 사용하는 것이 가능했다. 그러나 이 기술에서는, 종래 기술인 MIDREX 등의 환원 프로세스에 의해 생산되는 고금속화율의 환원철의 사용이 전제였다. 즉, 이 기술은, RHF에서 제조한 저금속화율의 환원철을 사용하는 것이 고려되어 있지 않았다. 고금속화율의 환원철이면, 그 중에 잔존하고 있는 산화철이 적고, 이 결과, 이 환원철을 가열하여 용해시키는 것만으로 용융철을 제조할 수 있다. 따라서, 저환원율의 환원철 중의 산화철을 어떻게 환원할지의 기술은 없었다. 한편, RHF에서 제조한 환원철 펠릿은, 금속화율이 50 내지 85％로, 많은 산화철을 내부에 포함하고 있다. 따라서, 이 환원철 펠릿에 있어서는, 그 내부의 산화철 환원이 중요하고, 특허문헌 3에 기재되어 있는 기술로써도 환원 반응이 불충분해져, 전술한 바와 같은 기술적인 문제가 발생하고 있었다.

환원철을 종형 샤프트로에서 용해하는 기술에 있어서도, 특허문헌 4에 기재되어 있는 바와 같이, 저금속화율의 환원철 펠릿을 환원 용해하기 위해서는, 특수한 조업이 필요했다. 즉, 환원도가 낮은 환원철을 사용하는 경우는, 코크스와 철원(스크랩이나 환원철)의 장입 위치를 정확하게 제어할 필요가 있고, 이것을 위한 특수한 장치가 필요하므로, 일반적으로 실시하는 것은 곤란했다. 또한, 이러한 특수한 기술을 이용해도, 환원철 내의 산화철의 환원이 지연됨으로써, 슬래그의 FeO가 증가하는 것에 수반되는 문제가 발생하기 쉬웠다. 이 때문에, 환원이 빠른 5밀리미터 이하인 소입경의 저환원율의 환원철밖에 사용할 수 없는 문제가 있었다. 이와 같이, 종래 기술에서는, 저환원율 또한 입자 직경이 약간 큰 환원철 펠릿을 대량으로 사용하는 것은 곤란했다.

이상에 설명한 바와 같이, 종래 기술에서는 RHF에서 제조한 저환원율의 환원철 펠릿을 고로 또는 종형로(용선로 등)에서 대량으로 사용할 수는 없었다. 한편, RHF에서, 고환원율(금속화율 85％ 이상)의 환원철을 제조하여, 고로 또는 종형로에서 대량 사용하는 것이 기술적으로는 가능하기는 했다. 그러나 전술한 바와 같이, RHF에서는 고금속화율이 되면 환원 반응이 정체하는 문제가 있었다. 이 결과, 금속화율을 85％ 이상으로 하는 경우는, 잉여의 탄소를 첨가하여, 1400℃ 이상의 고온 처리가 더 필요해진다. 따라서, 환원철 제조의 에너지원 단위가 악화되어 버리는 문제가 있어, 열경제적으로 효율이 나쁜 것이었다.

이와 같이, RHF에서 환원철을 제조하여, 이것을 고로나 종형로에서 대량으로 처리하여, 용융철을 제조하는 것에는 다양한 문제가 있었다. 따라서, 이들 종래 기술의 문제점을 극복하기 위한 새로운 기술이 요구되고 있었다.

본 발명은, 이상에 기재되어 있는 RHF에서 제조된 환원철 함유물을 열간으로 성형할 때의 기술적인 과제를 해결하기 위해 이루어진 것이며, 그 상세는 하기의 (1) 내지 (16)에 기재되는 바와 같다.

(1) 본 발명의 환원철 펠릿의 제조 방법은, 회전로상식 환원로에서, 산화철 및 탄소를 포함하는 분체의 성형체를 가열 처리하여 환원할 때에, 상기 산화철의 평균 입경이 50마이크로미터 이하인 원료로 제조한 성형체를, 환원대 내에 있어서의 일산화탄소의 이산화탄소에 대한 비를 0.3으로부터 1로 하고 또한, 1400℃ 이하의 온도에서 환원 처리함으로써, 철의 금속화율이 50 내지 85％이고 또한, 잔류 탄소의 비율이 2％ 이하인 환원철 펠릿을 제조한다. 이 환원철 펠릿의 제조 방법에 따르면, 기공률이 20 내지 50％이고 또한, 압궤 강도가 5㎫ 이상인 환원철 펠릿을 제조할 수 있다.

(2) 상기 (1)에 기재된 환원철 펠릿의 제조 방법에서는, 상기 성형체의, 상기 회전로상식 환원로 내에 있어서의 1200℃ 이상에서의 체류 시간을, 8분 이상 또한 to＝69.5-0.035T로 나타내어지는 시간 이하[여기서, to의 단위는 분이고, T는 1200℃ 이상의 상기 회전로상식 환원로 내에서의 평균 가스 온도(℃)임]로 해도 좋다. 이 경우, 적정한 기공률 및 압궤 강도의 양립이 가능해진다.

(3) 상기 (1)에 기재된 환원철 펠릿의 제조 방법에서는, 100℃로부터 1000℃까지 가열할 때의, 상기 성형체의 중심부에 있어서의 평균 가열 속도를 매분 400℃ 이하로 해도 좋다. 이 경우, 상기 (1) 또는 (2)의 방법에 있어서, 더욱 확실하게, 적정한 기공률 및 압궤 강도의 양립이 가능해진다.

(4) 상기 (1)에 기재된 환원철 펠릿의 제조 방법에서는, 상기 성형체 중의, 산화규소에 대한 산화칼슘의 질량비를 2.2 이하로 해도 좋다.

(5) 상기 (1)에 기재된 환원철 펠릿의 제조 방법에서는, 원료 중의 불소와 염소의 함유율이, (F 질량％)＋0.4(Cl 질량％)＜0.25％로 해도 좋다.

(6) 상기 (1)에 기재된 환원철 펠릿의 제조 방법에서는, 상기 성형체 중의, 산화마그네슘, 산화칼슘, 산화규소 및 산화철 중에 있어서의 총 철의 함유율을, {(CaO 질량％)－(MgO 질량％)}/(T.Fe 질량％)＜0.1 또한 {(CaO 질량％)－(MgO 질량％)}/(SiO₂질량％)＜2.0으로 해도 좋다.

이들 (4) 내지 (6)의 경우, 환원철 펠릿 중의 산화물의 융점을 높게 유지함으로써, 더욱 확실하게, 적정한 기공률 및 압궤 강도의 양립이 가능해진다.

(7) 본 발명의 선철의 제조 방법은, 산화철 및 탄소를 포함하는 분체의 성형체를 회전로상식 환원로에서 가열 처리하여 제조한, 총 철 함유율이 55질량％ 이상이고 또한, 철의 금속화율이 50 내지 85％이고 또한, 평균 35마이크로미터 이하의 금속 철의 입자가 결합하여, 상기 산화철과 그 밖의 산화물의 혼합물 사이에 금속 철 네트워크를 형성하고 또한, 기공률이 20 내지 50％인 환원철 펠릿을, 5 내지 20㎜인 것의 비율이 80％ 이상인 조건에서, 광석 및 소결광과 함께 제철 고로에 장입하여, 환원 용해한다.

(8) 상기 (7)에 기재된 선철의 제조 방법에서는, 내부 구조가, 상기 산화철을 포함하는 산화물의 평균 입경이 5 내지 100마이크로미터이고 또한, 이 산화철이 금속 철 네트워크에 의해 구속되어 있는 상태에 있는 상기 환원철 펠릿을, 광석 및 소결광과 함께 제철 고로에 장입하여, 환원 용해해도 좋다.

(9) 상기 (7)에 기재된 선철의 제조 방법에서는, 제조되는 선철량에 대해, 250㎏/톤 이하의 비율로, 상기 환원철 펠릿을 제철 고로에 장입해도 좋다. 이 경우, 보다 효율적으로, 용융 선철을 제조할 수 있다.

(10) 상기 (7)에 기재된 선철의 제조 방법에서는, 상기 제철 고로 내에 있어서의 상기 환원철 펠릿의 비율이 65％ 이상이 되도록, 이 환원철 펠릿을 상기 제철 고로의 직경 방향에서 중심으로부터 2/3 이내의 위치에 장입해도 좋다.

(11) 본 발명의 다른 선철의 제조 방법은, 산화철 및 탄소를 포함하는 분체의 성형체를 회전로상식 환원로에서 가열 처리하여 환원할 때에, 총 철 함유율이 55질량％ 이상이고 또한, 철의 금속화율이 50 내지 85％이고 또한, 기공률이 20 내지 50％인, 청구항 1에 기재된 방법으로 제조한 환원철 펠릿을, 5 내지 20㎜인 것의 비율이 80％ 이상인 조건에서, 광석 및 소결광과 함께 제철 고로에 장입하여, 환원 용해한다.

(12) 본 발명의 또 다른 선철의 제조 방법은, 산화철 및 탄소를 포함하는 분체의 성형체를 회전로상식 환원로에서 가열 처리하여 제조한, 총 철 함유율이 55질량％ 이상이고 또한, 철의 금속화율이 50 내지 85％이고 또한, 평균 35마이크로미터 이하 금속 철의 입자가 결합하여, 상기 산화철과 그 밖의 산화물의 혼합체 사이에 금속 철 네트워크를 형성하고 또한, 기공률이 20 내지 50％인 환원철 펠릿을, 5 내지 20㎜인 것의 비율이 80％ 이상인 조건에서, 괴상의 철 및 괴코크스의 노 내 공간 충전율이 80％ 이하인 종형로에 장입하여, 환원 용해한다.

(13) 상기 (12)에 기재된 선철의 제조 방법에서는, 상기 종형로 내의 상기 괴상의 철에 대한 상기 환원철 펠릿의 비율이 100％ 이하인 조건에서, 환원철 펠릿을 환원 용해해도 좋다.

(14) 상기 (12)에 기재된 선철의 제조 방법에서는, 상기 제철 고로 내에 있어서의 상기 환원철 펠릿의 비율이 70％ 이상이 되도록, 상기 환원철 펠릿을 상기 종형로의 직경 방향에서 중심으로부터 2/3 이내의 위치에 장입해도 좋다.

(15) 상기 (12)에 기재된 선철의 제조 방법에서는, 아연 및 납 중 적어도 한쪽과, 산화철과, 탄소를 포함하는 분체의 성형체를 회전로상식 환원로에서 가열 처리함으로써 제조된, 아연 및 납의 합계 함유율이 0.05％ 이상인 환원철 펠릿을, 노 상부 가스 온도가 500℃ 이상의 상태인 상기 종형로에 장입하여, 환원 용해해도 좋다.

(16) 본 발명의 또 다른 선철의 제조 방법은, 회전로상식 환원로에서, 산화철 및 탄소를 포함하는 분체의 성형체를 가열 처리하여 환원할 때에, 총 철 함유율이 55질량％ 이상이고 또한, 철의 금속화율이 50 내지 85％이고 또한, 상기 산화철과 그 밖의 산화물의 혼합체 사이에 금속 철 네트워크를 형성하고 또한, 기공률이 20 내지 50％인, 청구항 1에 기재되는 방법으로 제조한 환원철 펠릿을, 5 내지 20㎜인 것의 비율이 80％ 이상인 조건에서, 괴상의 철 및 괴코크스의 노 내 공간 충전율이 80％ 이하인 종형로에 장입하여, 환원 용해한다.

본 발명에 따르면, RHF에서, 산화철 분체나 제철 설비로부터 회수되는 산화철 함유 더스트를 적절하게 환원한다. 그리고 환원철 펠릿을 고로에 공급하여, 경제적으로 용융철을 제조할 수 있다. 또한, 고로 대신에 용선로 등의 종형로를 이용해도, 마찬가지로 경제적으로 용융철을 제조할 수 있다.

도 1은 회전로상식 환원로의 구조를 도시하는 도면이다.
도 2는 회전로상식 환원로를 이용한 처리 공정 전체를 도시하는 도면이다.
도 3은 고로의 노 내 구조를 도시하는 도면이다.
도 4는 컬럼식 반응 장치에서, 1100℃의 일산화탄소 분위기에서 환원철 펠릿내의 산화철의 환원 속도를 계측한 결과이며, 반응 속도의 지표(환원철 펠릿의 직경과 환원도를 보정)와 환원철 펠릿의 기공률의 관계로 나타낸 그래프이다(기공률 55％인 것의 환원 속도를 1로 하고 있음).

본 발명의 환원철 펠릿의 제조 방법 및 선철의 제조 방법에 관한 실시 형태를 이하에 설명한다.

또한, 본 실시 형태에서는, 산화철 및 탄소를 포함하는 분체를 원료로서 사용한다. 산화철은, 제1산화철[우스타이트(Wustite), FeO], 사산화삼철(마그네타이트, Fe₃O₄), 제2산화철(헤마타이트, Fe₂O₃) 중 어느 것이라도 좋고, 또는 이들이 혼합된 것도 사용할 수 있다. 또한, 금속 철분이 혼합되어 있어도 좋다. 산화철원은 철광석, 사철 등의 광석류와, 제철소 등에서 발생하는 산화철 함유 더스트 등이다. 탄소원은 가루 코크스, 분탄, 석유 코크스 등을 이용한다. 환원 반응에는, 1000℃ 이상에서도 휘발되지 않는 고정 탄소(FC)가 기여하므로, 고정 탄소의 비율이 많은 것이 바람직하다. 이 관점에서는, 가루 코크스, 석유 코크스, 무연탄, 중휘발분탄 등이 좋다. 또한, 제철업의 탄소분을 많이 포함하는 더스트 등을 이용하는 것도 좋다.

원료에는, 철광석, 산화철 함유 더스트, 코크스, 석탄 등의 불순물이 혼입되어 있다. 이들은 산화니켈, 산화망간, 산화크롬, 산화아연 등의 용이하게 환원되는 금속 산화물과, 산화규소, 산화칼슘, 산화알루미늄, 산화마그네슘, 산화티탄 등의 용이하게 환원되지 않는 금속 산화물이 있다. 탄소원을 제외한, 분체의 전체 철 함유율[총 철(T.Fe) 함유율]은, 50％ 이상인 것이 바람직하다. T.Fe가 50％ 이하인 경우는, 환원 후의 금속 철 비율이 55％ 이하로 되는 경우가 있어, 환원철 펠릿의 강도가 저하되는 문제가 발생한다. 또한, 여기서 T.Fe 함유율이라 함은, 산화철 중의 철 함유량과 금속 철량의 합계를 분체 총량으로 나눈 값이다.

원료의 분체는, 산화철 입자의 평균 입자 직경이 50마이크로미터 이하인 것을 이용한다. 평균 입자 직경이 50마이크로미터 이상이면 입자 내의 물질 이동이 느려져, 환원을 위한 시간이 지나치게 걸리기 때문에, 50마이크로미터 이상의 입자는 바람직하지 않다. 또한, 환원철 펠릿의 기공률 제어를 위해서는, 미세한 입자의 쪽이 바람직하고, 가능하면 평균 입자 직경이 25마이크로미터 이하인 입자가 좋다. 또한, 조립 조작에 있어서도, 입자 직경이 작은 것일수록 성형체를 제조하기 쉽기 때문에, 이 관점으로부터도 입자는 미세한 쪽이 좋다.

원료 중의 산화철과 탄소의 비율을 적정한 조건으로 하여, 원료를 배합한다. RHF에서의 반응은, MO＋C＝M＋CO 및 MO＋CO＝M＋CO₂이다. 여기서, M은 금속 원소를 나타내는 기호이다. 본 발명자들은, RHF의 내부에서의 반응을 조사한 결과는 이하와 같다. 산화철, 산화니켈, 산화망간, 산화크롬, 산화아연 등의 1200℃에서 일산화탄소에 의해 환원되는 금속은, RHF 내에서 금속화된다. 그 금속화율은, RHF의 조업 조건 등으로 결정된다. 한편, 산화규소, 산화칼슘, 산화알루미늄, 산화마그네슘, 산화티탄 등의 1200℃에서 일산화탄소에 의해 환원되지 않는 금속은, RHF 내에서 환원되지 않고, 산화물로서 남는다.

탄소 배합량은, 산화철, 산화니켈, 산화망간, 산화크롬, 산화아연 등의 용이하게 환원되는 금속과 화합되어 있는 산소(이하, 활성 산소라 칭함)의 비율로 정한다. 또한, 산화철 등의 환원 반응은 약 1000℃를 초과한 시점에서 일어나므로, 환원 반응에 기여하는 탄소는 고정 탄소이다. 따라서, 활성 산소와 고정 탄소의 비율을 조정하면, RHF 내에서 양호한 반응을 일으킬 수 있다는 것을 발견하였다. 그 조건은, 활성 산소의 원자 몰량에 대해 원자 몰량의 고정 탄소의 비율(C/O)이, 0.7 내지 1.5인 것이다. C/O가 0.7 이하인 경우는, RHF에서의 환원 조건에 관계없이, 탄소 부족으로, 환원이 불충분해지므로, 많은 경우에서 철의 금속화율이 50％ 이하가 되는 동시에, 일부의 산화철이 제2산화철로서 남아 버린다. 한편, 탄소 과잉의 상태에서는, 반응 후에 환원철 펠릿에 탄소가 많이 재류해 버린다. 후술하는 바와 같이, C/O가 1.5 이상에서는, 잔류 탄소가 2질량％ 이상이 되므로, 환원철 펠릿의 압궤 강도가 저하되는 문제가 일어난다.

이 원료 분체를 RHF에서 환원하는 방법을, 도 1 및 도 2를 이용하여 설명한다. 우선, 원료 분체를 혼합 장치[도 2에서는 볼밀(11)]에서 혼합한 후, 이것을 조립 장치(12)에서 성형체로 한다. 혼합 장치는, 볼밀에 한정되는 것은 아니며, 니더식, 유동층식, 수중 혼합 등의 수단이라도 좋다. 조립 장치는, 디스크식 조립 장치, 롤러식 압축 성형 장치, 압출식 성형 장치 등이 있다. 이 성형체를 회전로(13)의 노상(4) 상에 균일하게 깐다. 노상(4) 상의 성형체의 층수는 2층 이하가 좋다. 이것은, 전열을 양호하게 하기 위한 조건이다. 성형체의 크기는, 구 형상인 것에서 평균 직경 8 내지 25밀리미터, 그 밖의 형상인 것에서 평균 환산 직경이 7 내지 30밀리미터인 것이 좋다. 지나치게 작은 것은, 노상(4) 상의 성형체 두께가 지나치게 얇아져 생산성이 저하되는 문제가 있고, 또한 지나치게 큰 것은, 성형체 내부의 전열이 악화되는 문제가 있다. 회전로(13)의 내부에서는, 노상(4)의 회전과 함께 성형체가 노 내의 가열대로부터 환원대를 이동한다. 성형체는 고온 가스의 복사에 의해, 환원대 내부에서는 1200 내지 1400℃로 가열되어, 성형체 내에서 탄소와 산화 금속이 반응하여, 환원철이 생성된다. 성형체의 노 내의 체류 시간은 10 내지 25분간이고, 1000℃까지의 가열 시간을 제외한 환원 시간은 5 내지 20분간 정도이다. 여기서, 환산 직경이라 함은, 용적의 1/3제곱으로 나타내어지는 것이다.

성형체의 가열 속도는, 중심에서 400℃/분 이하, 바람직하게는 300℃/분 이하가 좋다. 이 조건으로 하기 위해서는, 가열대의 평균 가스 온도를 1200℃ 이하로 하는 것이 바람직하다. 가열 속도가 지나치게 빠르면, 중심부와 외주부의 온도에 큰 편차가 생겨 버린다. 외주부가 1000℃를 초과하면, 그 부분에서는 환원 반응이 일어난다. 한편, 중심부와 외주부의 온도차가 큰 경우는, 외주부의 반응이 거의 완료되어도, 중심부의 반응은 거의 진행되어 있지 않은 상태가 된다. 이후, 중심부의 환원이 진행되지만, 그때는, 외주부는 가스를 통과시키기 어려운 환원 완료층이 형성되어 버려, 중심부의 환원에 수반하여 발생하는 가스의 통과 저항이 커진다. 그 결과, 외주부에 균열이 형성되는 등의 결함이 발생하는 문제가 있다. 또한, 100℃/분 이하의 성형체의 가열 속도로는, RHF의 생산성이 대폭으로 저하되므로, 100℃/분 이상, 바람직하게는 150℃/분 이상을 성형체의 가열 속도로 하는 것이 좋다.

이 반응에서 생성된 환원철 펠릿은, 환원율(피환원 금속의 산소 제거율)이 65 내지 90％이고, 철의 금속화율이 50 내지 85％이다. 그때, 기공률이 20 내지 50％, 바람직하게는 20 내지 45％인 환원철 펠릿을 제조한다. 원료인 성형체는, 27 내지 55％의 기공률인 것을 사용하지만, 반응에서 탄소와 산화철 중의 산소가 빠지면 성형체 중의 공극이 많아져, 이 상태에서는 환원철 펠릿의 기공률이 50 내지 70％로 증가해 버린다. 또한, 단순히 이 상태에서 처리를 종료하면, 환원철 펠릿의 압궤 강도가 1㎫(10㎏-f/㎠) 이하가 되어 버린다. 이 압궤 강도에서는, 고로나 종형로에 장입한 경우에, 용이하게 분화되어 버려, 노 내의 가스 통기가 악화된다.

따라서, RHF의 노 내에서, 환원철 펠릿 중의 금속 철과 산화물을 소결시켜, 환원철 펠릿의 기공률을 높인다. 이것을 위한 조건으로서는, 환원 온도를 1200℃ 이상으로 하는 것, 환원철 펠릿의 금속 철 비율을 50％ 이상으로 하는 것, 및 잔류 탄소를 2질량％ 이하로 하는 것의 3가지가 있다. 또한, 소결 시간을 확보하기 위해, 1200℃ 이상의 성형체의 노 내 체류 온도를 8분 이상으로 한다. 이 조건이면, 기공률이 50％ 이하인 환원철 펠릿을 제조할 수 있다. 단, 환원 온도를 1400℃ 이상으로 하면, 환원철 펠릿 내의 금속 철과 탄소가 반응하여 시멘타이트를 형성해 버린다. 시멘타이트는 저융점이므로, 이것을 용해함으로써 금속 철과 산화물이 물리적으로 분리되어 버린다. 이것이 원인으로, 적정한 금속 철 입자의 네트워크를 형성할 수 없게 되어, 환원철 펠릿의 압궤 강도가 저하된다. 따라서, 환원 온도를 1200 내지 1400℃로 하는 것이 좋다. 이 조건이면, 기공률이 50％ 이하인 환원철 펠릿을 제조할 수 있고, 이 기공률이면 환원철 펠릿의 압궤 강도는 5㎫ 이상이 되어, 고로나 종형로에서 사용할 수 있게 된다. 또한, 여기서, 기공률은 환원철 펠릿에 포함되는 물질의 진비중과 환원철 펠릿 겉보기 비중의 비로부터 계산되는 것이다. 기공률은, (기공률)＝100－[(겉보기 비중)/(진비중)×100(％)]로 부여되는 것이고, 또한 겉보기 비중이라 함은, 환원철 펠릿의 질량을 용적으로 나눈 값이다.

본 발명의 방법으로 제조되는 환원철 펠릿은, 그 구조가, 산화철과 그 밖의 산화물의 혼합체 사이에 금속 철 입자 네트워크를 형성하고 있는 특징을 갖는다. 산화철을 소량 남기는 동시에, 성형체 내의 탄소를 잔류시키지 않는 것이 중요하다. 따라서, 본 발명의 방법은, 종래의 제조 방법에 대해, 환원율이 극단적으로는 상승하지 않는 것이 조업상의 특징이다. 이로 인해, RHF 노 내의 환원대의 분위기를 약환원성으로 한다. 분위기가 강환원성이면, 탄소와 산화철의 반응에 의한 환원에 부가하여, 가스 중의 일산화탄소와 산화철의 반응이 진행되어, 탄소가 환원철 펠릿 내에 잔류하기 쉬워진다. 이 경우는, 시멘타이트가 형성되어, 금속 철의 융점이 저하되고, 금속 철 입자 네트워크를 형성할 수 없게 되어, 환원철 펠릿의 압궤 강도가 저하된다. 또한, 여기서, 금속 철 입자 네트워크라 함은, 수 마이크로미터로부터 35마이크로미터 정도이며, 환원에 의해 발생한 금속 철 입자끼리가 결합하여, 3차원적인 네트워크를 형성하는 것을 말한다.

본 발명자들의 실험에서는, 환원대 가스 중의 일산화탄소의 이산화탄소에 대한 비(CO/CO₂비)는 1 이하가 좋고, 바람직하게는 0.8 이하가 좋다. 단, CO/CO₂비가 0.3 이하이면, 산화철의 환원이 정상적으로 진행되지 않는다. 여기서, 환원대라 함은, 환원철 펠릿의 중심 온도가 1000℃ 이상인 노 내의 위치이고, 또한 여기서의 가스 성분의 정의는, 성형체로부터 300㎜ 이상의 노 내 공간의 평균값이다. 성형체로부터 300㎜ 이하에서는, 산화철의 환원 반응에 의해 발생하는 일산화탄소의 영향을 받고 있기 때문에, 가스 전체의 조성과의 편차가 있으므로, 이 부분의 가스 조성은 본 발명의 가스 조성의 정의로부터 벗어난다.

환원 펠릿 내에 남는 산화물의 형태도 환원철 펠릿의 강도와 기공률에 영향을 미친다. 이 산화물의 융점이 낮아, 노 내에서 용융 또는 연화되면, 냉각 후의 환원철 펠릿 내의 산화물 입자가 조대화된다. 그 결과, 환원철 입자 네트워크와 산화물이 분리되어 버려, 환원철 펠릿의 전체적인 결합 상태가 악화된다. 그 결과, 환원철 펠릿 강도가 저하되는 문제가 발생한다. 또한, 극단적인 경우는, 용융된 산화물에 의해 기공이 폐색되어 버린다. 본 발명에서는, 산화물 입자의 크기를5 내지 100마이크로미터로 제어한다. 5마이크로미터 이하에서는, 산화물 입자가, 금속 철 입자 네트워크의 간극보다도 작게 되어 버려 밀한 구조로 되지 않는다. 또한, 100마이크로미터 이상에서는, 조대한 산화물 입자 내부에 금속 철 입자 네트워크가 취입되어 버려, 환원철 펠릿의 강도가 저하된다. 또한, 여기서, 산화물의 크기라 함은, 단독으로 존재하는 경우는 그 크기이고, 소결체인 경우는 여기서의 입자 직경이다.

이 현상을 방지하고, 산화물 입자의 크기를 적정하게 하기 위해서는, 저융점의 산화물 화합물을 생성하지 않는 원료의 화학 조성으로 하는 것이 좋다. 저융점의 산화물은, 칼슘페라이트나 칼슘실리케이트에 불순물이 혼재되어 있는 것 등이 있다. 이들이 생성되지 않는 원료 화학 조성을 조사한 바, 산화칼슘과 산화철의 비율과 산화칼슘과 산화규소의 비를 제어하면 되는 것을 알 수 있었다. 또한, 산화마그네슘은, 칼슘페라이트나 칼슘실리케이트의 생성을 억제하는 것도 판명되었다. 실험에 의해, 1200 내지 1400℃에서 산화물이 용융 또는 연화되지 않는 조건으로서, 산화규소에 대한 산화칼슘의 질량비가 2.2 이하인 것이 좋은 것이 판명되었다. 또한, 가일층의 개선을 위해서는, {(CaO 질량％)－(MgO 질량％)}/(T.Fe 질량％)＜0.1 또한 {(CaO 질량％)－(MgO 질량％)}/(SiO₂ 질량％)＜2.0이면 좋은 것이 구해졌다. 또한, 불소와 염소는 산화물의 융점을 저하시키는 원소이므로, (F 질량％)＋0.4(Cl 질량％)＜0.25％의 조건이면 좋다. 여기서, 염소 농도에 관한 계수는, 염소의 원자량 차와 연화에 관한 영향도를 고려하기 위한 것이다. 특히, 제철 더스트 등의 리사이클을 행하는 경우는, 산화물 조성을 한정하는 것이 중요한 수단이 된다.

한편, 환원철 펠릿의 기공률은 20％ 이상으로 하는 것은, 환원철 펠릿의 환원 속도를 향상시키기 위해 필요하다. 이것은, 고로나 종형로에서 환원철 펠릿을 환원할 때에, 기공을 통과시켜 환원 가스를 확산 침투시킴으로써, 환원철 펠릿의 최종 환원을 촉진시키기 위함이다. 이 기공률을 만족시키기 위해서는, 환원 온도를 1400℃ 이하, 잔류 탄소를 2질량％ 이하, 성형체의 노 내의 1200℃ 이상에서의 체류 시간을, to＝69.5－0.035T로 나타내어지는 시간 이하로 한다. 여기서, T는 1200℃ 이상의 노 내 부분에서의 평균 가스 온도(℃), to는 최장 노 내 체류 시간(분)이다. to는, 1200℃에서 27.5분, 1300℃에서 24.0분, 또한 1400℃에서 20.5분이다. 이 조건이면, 과잉의 소결을 방지할 수 있어, 기공률을 20％ 이상으로 유지할 수 있다. 그 결과, 환원철 펠릿은 소결로 인해 수축하여, 5 내지 20밀리미터의 환산 직경이 된다. 또한, 성형체가 균열되는 등의 현상에 의해, 이 환원철 펠릿에는 소량의 5밀리미터 이하의 금속 철 입자가 포함된다.

이상 설명한 조건에서 제조한 환원철 펠릿을 냉각한다. 냉각시에 주의해야 하는 것은, 환원철 펠릿의 재산화이다. 재산화 방지를 위해, 환원철 펠릿의 온도가 300℃ 이상에서는, 산소 농도 5용적％ 이하의 저산화 분위기의 가스 중에서 냉각하는 것이 좋다. 냉각 장치로서는, 내부에 질소를 도입할 수 있는 타입으로서, 드럼식 외부 수냉 쿨러가 좋다. 후술하는 바와 같이, 냉각 후에 상온이 된 환원철 펠릿 중의 제2산화철의 비율을 5질량％ 이하로 한다. 제2산화철의 비율을 제약하는 이유로서는, 이것이 고로 노 내에서, 환원시에 분화됨으로써, 환원철 펠릿 강도가 저하되는 일이 발생하기 때문이다.

이상에 설명한 환원철 펠릿을 고로에서 환원 용해한다. 고로의 개략적 구조를 도 3에 도시한다. 고로 원료는, 본 발명의 환원철 펠릿과, 괴광석, 소결광, 소성 펠릿 등의 철원과 야금용 코크스를, 노 상부의 벨을 경유하여, 고로 노 내의 노정(爐頂)(21)에 공급한다. 환원철 펠릿은, 광석이나 소결광 등과 함께 장입되어, 노 내에서 광석층(22)을 형성한다. 괴코크스는, 단독으로 장입되어 코크스층(23)을 형성한다. 송풍구(25)로부터 1100 내지 1200℃의 열풍과 미분탄을 취입하여, 노 내의 반응을 일으킨다. 이들 원료는, 반응이 진행되는 동시에, 노 내를 강하하여, 노심(24)의 주위에서 용융철과 용융 슬래그가 되어, 노 하부에 저류된다. 이것을 출선구(出銑口)(26)로부터 배출한다. 고로에 공급하는 환원철 펠릿은, 전술한 바와 같이, 철의 금속화율은 50 내지 85％, 환산 직경 5 내지 20밀리미터인 것이 80％ 이상 , 또한 기공률 20 내지 50％인 것이다. 환원철 펠릿의 압궤 강도는 5㎫ 이상이 좋다. 또한, 고로에서의 환원철 펠릿 사용량이 적은 경우는, 환원 지연 문제는 현재화(顯在化)되지 않으므로, 본 발명의 효과는 환원철 펠릿 사용량이 용선 생산량당 40㎏/t 이상이면 현저해진다.

환산 직경 5 내지 20밀리미터인 것이 80％ 이상이 되고, 또한 기공률이 20 내지 50％가 되는 조건은, 고로에서의 환원 반응과 열전달의 특성으로 정해진다. RHF에서 제조한 환원철 펠릿은, 금속화율이 50 내지 85％이므로, 그 내부에 다량의 산화철을 포함하고 있다. 따라서, 고로 샤프트 중부까지의 고로 내의 가스 환원이 불충분하면, 노 하부에서도 산화철이 잔존해 버려, 슬래그 중에서의 코크스에 의한 직접 환원이 일어나 버린다. 이 결과, 환원 반응의 흡열에 의해 슬래그 온도가 저하되어 버려, 고로로부터의 슬래그 배출이 곤란해지는 사상이나 슬래그 중 FeO 증가로 인해, 슬래그의 탈황 능력이 저하되어 선철의 유황 농도가 상승하는 사상이 일어난다.

환원철 펠릿의 크기에 대해서는, RHF에서의 제조 조건으로부터는 20밀리미터 이하가 좋고, 고로 노 내의 가스 흐름을 흐트러뜨리지 않는 관점에서는 5밀리미터 이상이 좋다. 본 발명자의 실험에서는, 5밀리미터 이하의 환원철 펠릿이 10 내지 15％ 이상이 되면 고로 노 내의 가스 압력 손실이 커지는 것을 알 수 있었다. 이것은, 환산 직경이 5밀리미터 이하인 것은, 다른 장입물과 노 내에 충전되어 버려, 충전물의 가스 통과 압력 손출이 증가하여, 고로 내로의 송풍량이 저하되는 문제가 일어난다. 이 현상이 일어나면, 고로의 생산성[출선비(t/일)]이 저하된다. 또한, 20밀리미터 이상의 환원철 펠릿이 많아지면, 환원 조건이 좋아도, 열전달의 지연에 의한 슬래그 내의 FeO가 증가하는 것도 보인다. 또한, 환원철 펠릿의 크기에는 편차가 있으므로, 실제의 입도 관리에서는, 5 내지 20밀리미터인 것의 비율을 80％ 이상으로 관리하는 것이 좋다.

본 발명자는, 환원철 펠릿 내의 잔류 산화철을 환원시키기 위해, 환원철 펠릿 내부에 환원 가스를 확산시키는 것이 중요하다는 시점으로부터, 환원철 펠릿 내의 가스 확산에 영향을 미치는 인자를 조사하였다. 가장 영향이 있는 인자는, 내부 기공률과 크기이다. 크기는, 열전달에 대한 제약 사항인 직경 5 내지 20밀리미터의 범위의 환원철 펠릿을 이용한 반응 칼럼에서의 환원 실험을 행하였다. 이 실험은, 1100℃의 일산화탄소 분위기에서의 환원 속도를 계측하는 것이었다. 이 실험 결과를, 환원 반응 속도 지표(환원철 펠릿의 직경을 보정하여 지표화한 것)와 환원철 펠릿의 기공률의 관계로서 나타낸 것을 도 4에 나타낸다. 또한, 기공률 55％의 데이터를 1로 하는 지표로 표시하였다. 이 지수로, 0.6 이상이면, 고로 내에서의 환원이 충분한 속도로 진행되어 환원 지연 현상이 일어나지 않으므로, 기공률은 20％ 이상이 좋다. 또한, 도 4에 나타내어지는 바와 같이, 25％ 이상의 기공률이면, 환원 반응 속도가 고위 안정되는 것이 판명되었다.

기공률 20％ 이상에서, 직경 5 내지 20밀리미터이며, 또한 금속화율이 50 내지 85％인 환원철 펠릿은, 고로의 노 내에서, 환원철 펠릿 내부의 일산화탄소 가스 확산이 빠르게 진행되어, 고로 샤프트 하부에 있는 융착대에 도달할 때까지, 산화철의 금속화가 거의 종료된다. 또한, 내부 구조가, 산화철을 포함하는 산화물의 평균 입경이 5 내지 100마이크로미터인 경우는, 환원철 펠릿의 강도가 충분한 동시에, 환원 속도를 높게 하는 것이 가능해진다. 즉, 100마이크로미터 이하의 입자이면, 입자 내의 확산이 빨라 신속한 환원이 가능해진다. 또한, 5마이크로미터 이하의 입자에서는, 환원철 펠릿의 강도 저하가 일어나는 경우가 있으므로 바람직하지 않다. 이 이유에서, 융착대에서의 환원철 펠릿의 녹아내림이 신속해져, 이 부분에서의 가스 압력 손출이 저감되어, 노 내의 가스 흐름이 개선된다. 또한, 전술한 바와 같이, 기공률의 상한값은 환원철 펠릿의 강도의 하한으로 정해지는 것이며, 본 발명에서는 50％이다.

RHF에서 제조한 환원철 펠릿에는 산화철이 잔류하고 있으므로, 또 하나의 문제가 발생한다. 이 환원철 펠릿이 제2산화철을 포함하는 경우는, 그 환원 과정에서 결정 팽창이 일어나, 환원철 펠릿은 분해되는 문제가 있다. 따라서, 제2산화철 비율을 낮게 할 필요가 있고, 그 비율이 5질량％ 이하이면 이 현상이 일어나지 않는다. 제2산화철 비율을 관리하기 위해서는, 환원 조건을 양호하게 하는 것과, 냉각시와 보관시의 환원철 펠릿의 재산화를 방지하는 것이 중요하다. 환원 조건에 있어서는, C/O를 0.7 이상으로 하는 동시에, RHF 노 내의 1200℃ 이상의 온도를 7분 이상으로 한다. 또한, 냉각에 있어서는, 환원철 펠릿이 300℃ 이상인 상태에서의 산소 농도를 5용적％ 이하로 하는 등의 방법이 필요하다. 또한, 보관 기간을 적정하게 하여, 재산화를 방지한다.

본 발명자는, 상기한 기술을 4800입방미터의 고로에서 실시한 바, 환원철 펠릿 100㎏/t의 범위까지는, 환원철 펠릿의 환원도에 의한 열부하 저감의 계산값에 따른 환원제(코크스＋미분탄)의 비율 이상의 저감 효과가 보였다. 100 내지 250㎏/t에 있어서는, 환원철 펠릿의 환원?용해가 순조롭게 진행되고 있었지만, 계산값보다도 약간 열적 효과가 작다는 실적이 되었다. 이와 같이, 환원철 펠릿의 양이 증가하면, 열적 효과가 작아지는 경향에 있다. 이것은, 노 내의 환원철 펠릿의 비율이 지나치게 높으면, 노 내 가스와 광석류의 접촉 상태가 변화되어, 가스 이용률이 변화되기 때문이라고 생각된다. 이로 인해, 65％ 이상의 환원철 펠릿을 제철 고로의 직경 방향에서 중심으로부터 2/3 이내의 위치(면적비로 44％)에 장입함으로써, 이 현상을 억제한다. 환원철 펠릿을 100㎏/t 이상 사용하는 경우 등은, 특히 이 방법이 유효하고, 최대 250㎏/t까지는 금속 철이나 저산화도의 산화철(FeO)을 사용하는 것의 열부하 저감의 계산값에 따른 환원제(코크스＋미분탄)의 비율 이하의 환원제 비율로 조업할 수 있다.

이와 같이, 환원철 펠릿을 고로의 외주측에 많이 넣으면, 환원철 펠릿은 광석 등과 비교하여 환원?용해가 빠르기 때문에, 외주부의 충전물의 강하 속도가 지나치게 커져 버린다. 이 결과, 환원이 느린 외주부의 광석이 미환원 상태에서 노 하부에 도달해 버려, 노 하부가 과냉각되어 버리는 문제가 발생한다. 또한, 환원철 펠릿을 노 중심부에 많이 공급하면, 노 중심부의 가스 흐름이 촉진되는 동시에, 충전물의 강하가 촉진되는 효과가 발생한다. 이것은, 환원철 펠릿이 환원 분화되지 않으므로, 충전물 중의 가스 압력 손출이 높아지지 않도록 할 수 있는 것과, 환원철 펠릿의 강하 속도가 광석 등보다도 큰 것이 원인이다. 그 결과, 중심부에서의 가스 흐름이 촉진되어, 송풍량을 증가시킬 수 있고, 또한 중심부에서의 충전물이 단시간에 환원된다. 이 결과, 고로에서의 환원제 비율이 보다 저감되어, 선철 생산성(생산 t/d)을 더욱 향상시킬 수 있다.

본 발명에서는, RHF에서 제조한 환원철 펠릿을 용선로 등의 종형로에도 장입하여, 용융철을 생산한다. 이 경우도, 고로에서의 기술과 유사한 기술을 이용한다. 종형로는, 원통 또는 하방에 테이퍼가 부여된 상부 샤프트와 용융물을 모으는 노 하부를 갖는 호리병 형상의 노이며, 고로와 유사한 종형 샤프트로 구조이다. 일반적으로, 높이와 최대 직경의 비율은, 4:1 내지 8:1 정도이다. 이 노에, 노상으로부터 스크랩, 형선(型銑) 등의 괴상의 철과 괴코크스를 장입한다. 이때, RHF에서 제조한 환원철 펠릿을 스크랩 등과 함께 장입한다. 노 하부의 측벽에 설치한 송풍구로부터 상온 공기 또는 200 내지 600℃의 가열 공기를 취입하여, 코크스를 연소시켜, 스크랩 등을 용해하는 동시에, 환원철 펠릿을 최종 환원하여 용해한다. 또한, 취입되는 공기에 산소 부화하는 경우도 있다. 송풍구를 상하 2단으로 하는 경우도 있고, 이 경우는 코크스 연소를 촉진시킬 수 있다.

종형로에서 환원철 펠릿을 효과적으로 사용하는 조건으로서는, 괴상의 철과 괴코크스가 노 내에 충전되는 공간율(충전율)이 80％ 이하인 것이 좋다. 괴코크스나 괴상의 철보다도 작은 환원철 펠릿은, 괴코크스와 괴상의 철의 사이에 인입되므로, 이 이상의 충전율이면 가스 통과를 위한 공간이 적어져, 가스가 빠지기 어려워지기 때문이다. 보다 좋은 조건으로서는, 이들의 노 내 충전율을 65％ 이상으로 한다. 또한, 가스의 충전물 사이의 통기 확보와, 미환원의 산화철이 슬래그에 들어가지 않는 조건으로 하기 위해서는, 종형로 내의 괴상의 철에 대한 환원철 펠릿의 질량 비율은 100％ 이하가 바람직하다. 또한, 중심으로부터 2/3 이내의 거리의 부분으로의 환원철 펠릿의 공급 비율을 70％ 이상으로 하면 환원철 펠릿의 환원?용해가 촉진된다. 특히, 괴상의 철에 대한 환원철 펠릿의 질량 비율이 50 내지 100％인 경우는, 그 효과가 크다.

또한, 종형로에 있어서는, 비교적 노 내 충전물의 최상부(노정)의 온도를 높게 할 수 있다. 이 조건이면, 환원철 펠릿을 노에 장입한 직후로부터 가열이 개시되므로, 비교적 환원철 펠릿의 노 내 체류 시간을 짧게 할 수 있다. 노정 온도가 500℃ 이상인 종형로에 있어서는, 환원철 펠릿의 노 내 시간을 최단 20분으로 할 수 있다. 지나치게 체류 시간을 길게 해도 이점은 없으므로, 경제적으로는 최장 2시간으로 하는 것이 좋다.

종형로에서, 노정 온도를 높게 할 수 있는 또 하나의 이점으로서, 아연?납 등의 휘발성의 물질을 함유하는 원료를 사용할 수 있는 것이 있다. 금속화된 아연?납은, 1000℃ 정도 이상에서 증발한다. 이 증기가 500 내지 800℃에서 산화물 또는 염화물의 형태로 재응집된다. 따라서, 종형로에서의 아연과 납이 금속화되어 증발하는 조업에 있어서, 노정 온도가 낮은 경우는, 이들 금속이 충전물이 있는 부분에서 재응집되어 버린다. 이 재응집물(산화아연?염화아연?산화납?염화납 등)이 노벽에 부착되는 경우가 있다. 그 결과, 이 부분의 노 내가 좁아져, 종형로의 생산성이 저하되는 문제가 일어난다. 본 발명자의 연구에서는, 노정 온도가 500℃ 이상이면, 증발물의 대부분은 가스와 함께 노 밖으로 나가, 노벽의 부착물이 발생하기 어렵다. 따라서, RHF에서, 아연, 납 중 적어도 어느 하나를 포함하는, 산화철과 탄소를 포함하는 분체의 성형체를 가열 처리함으로써, 일부의 아연과 납을 제거하여, 아연과 납의 합계 함유율이 0.1％ 이상인 환원철 펠릿을 제조한다. 또한, 이 아연?납 농도이면, 종형로 내로부터의 아연 발생이 많아, 일반적인 조업이면 노 내 부착물이 형성되는 조건이다. 이 환원철 펠릿을 노 상부 가스 온도 500℃ 이상의 상태의 종형로에 장입한다. 이 방법에 의해, 아연과 납의 함유율이 높은 분체를 원료로 하여, 용융철을 제조할 수 있다.

본 발명을 실시하는 경우에는, RHF에서는 철의 금속화율이 50 내지 85％인 환원철 함유물을 제조하여, 이것을 열간 성형한 환원철 펠릿을 고로에서 환원?용해하는 것이 좋다. RHF는, 환원 속도가 높아 단시간에 산화철을 환원할 수 있는 프로세스이다. 그러나 배경 기술에서 설명한 바와 같이, 프로세스의 특성으로서, 노 내 분위기 가스에 이산화탄소가 일정 비율로 혼입되어 버린다. 이 결과, 철의 금속화율로 85％ 이상인 고환원을 실시하기 위해서는, 노 내 온도를 1400℃ 이상, 반응 후의 환원철 함유물 중에 잔류 탄소를 5질량％ 이상으로 하는 것이 필요해진다. 철의 금속화율을 80％로부터 90％로 향상시키기 위해, 에너지 소비가 30％ 증가하여, 경제적인 조업을 실시할 수 없다. 따라서, 철의 금속화율은 85％ 이하, 바람직하게는 80％ 이하로 하는 것이 열경제적으로 좋다. 또한, 철의 금속화율의 하한값을 50％로 하는 이유는, 이 이하의 금속화율로는 고강도의 환원철 펠릿을 제조하는 것이 곤란하기 때문이다. 본 발명자의 검토에서는, RHF에서, 철의 금속화율이 50 내지 85％인 환원철 함유물을 제조하고, 이것을 고로에서 환원?용해하는 것의 소요 에너지는 소결 설비와 고로의 조합으로 선철을 제조하는 소요 에너지보다도 적어, 경제적인 것이 판명되었다.

실시예

본 발명의 방법을, 도 2에 도시한 RHF 설비를 이용하여, 산화철의 환원?성형 처리를 실시하였다. 또한, RHF는, 노상 외경 24미터, 처리 능력 24톤/시인 것이다. 또한, 이상의 설비에서 제조한 환원철 펠릿을 4800입방미터의 고로, 또는 높이 10m, 내경 2.2m의 용선로에 공급하여, 조업 결과를 조사하였다. 사용한 원료를 표 1에, 조업 결과를 표 2 내지 표 4에 기재한다.

원료는, 표 1에 나타내는 6종류의 것이고, 원료1은 제철소에서 발생하는 산화철 함유 더스트와 가루 코크스이고, 원료2는 헤마타이트 광석과 무연탄의 혼합물이고, 또한 원료3은 마그네타이트 광석과 무연탄의 혼합물이었다. C/O의 조건은 모두 본 발명의 범위 내였다. 원료4는 제철소의 산화철 함유 더스트와 가루 코크스를 원료로 한 것이었다. 그 아연과 납의 함유율은 각각 2.1질량％와 0.7질량％였다. 원료5는 산화철 함유 더스트와 가루 코크스를 원료로 한 것으로, 입자 직경이 작은 원료였다. 원료 6은 산화철 함유 더스트와 가루 코크스를 원료로 한 것으로, 비교적 산화칼슘 등이 많은 것이었다.

이상의 원료를 RHF에서 환원한 결과를 표 2에 나타낸다. RHF1, RHF3, RHF4, RHF5는 본 발명의 양호한 조건에서 처리한 결과의 평균값을 나타낸 것이다. 이들의 수준에서는, 금속화율, 기공률, 압궤 강도 모두 본 발명에서의 고로 및 종형로의 최적의 사용 조건에 포함되어 있다. 평균의 환산 직경은 11 내지 16밀리미터이고, 환산 직경 5 내지 20밀리미터의 비율은 83 내지 96％의 범위였다. 또한, RHF5의 수준에서는, 원료의 아연과 납의 일부가 제거되어, 이들의 함유율은 각각 0.18질량％와 0.07질량％로 되어 있었다. RHF6의 수준에서는, 원료5의 입자 직경이 작았으므로, 기공률이 40％로 비교적 높았지만, 압궤 강도는 15.3㎫로 매우 양호했다.

한편, RHF2의 수준에서는, 1200℃ 이상의 부분에서의 성형체의 체류 시간이 to보다도 긴 조업의 예이다. 이 수준에서는, 입경이 큰 성형체를 사용하였지만, 소성은 충분하고, 압궤 강도는 19.6㎫로 매우 양호했다. 단, 1200℃ 이상의 부분에서의 성형체의 체류 시간이 지나치게 길었기 때문에, 기공률이 22％가 되었다. 이것을 고로에 공급하는 것은 강도적으로는 가능하여, 용선 톤당 수십 ㎏의 소량이면 문제없지만, 기공률이 낮기 때문에, 대량으로 사용하는 경우는 고로에서의 환원성에 문제가 발생하는 경우가 있다.

RHF7의 수준에서는, 원료의 산화칼슘 비율이 높았기 때문에, {(CaO)－(MgO)}/(T.Fe)가 0.12, 또한 {(CaO)－(MgO)}/(SiO₂)가 2.7이었던 결과, 압궤 강도가 5.9㎫로 저하되어 있다. RHF8의 수준에서는, 기공률은 양호했지만, 가열 속도가 높았기 때문에, 압궤 강도가 5.1㎫로 저하되어 있다. RHF9에서는, 환원대의 CO/CO₂비가 1 이상이었기 때문에, 기공률이 50％ 이상, 압궤 강도가 3.6㎫로 저하되어 있어, 고로 등의 샤프트로에서 사용할 수 있는 강도는 아니었다.

표 2에 기재되는 환원철 펠릿을 고로에서 사용한 결과를 표 3에 나타낸다. 수준의 고로1은, 환원철 펠릿을 사용하고 있지 않은 조건(비교 조건)의 조업 결과이다. 수준의 고로1 내지 고로4는, 본 발명의 조건을 지킨 원료를 사용한 결과이다. 어떠한 결과라도 금속 철당의 환원제 저감률은 0.43 내지 0.45㎏/㎏으로 양호한 값이었다. 선철 생산량의 증가도, 금속 철당 7.7 내지 9.1t-hm/d/㎏으로 양호했다. 환원철 펠릿 장입 비율이 높은 고로4의 조건이라도, 고로 노 중심으로부터 2/3의 부분으로의 장입 비율이 75％로 고비율이었기 때문에, 환원제 저감 비율?제철 생산량의 효과는 모두 양호했다. 한편, 비교예인 기공률이 낮은 환원철 펠릿을 사용한 고로5의 수준에서는, 금속 철당의 환원제 삭감률?선철 생산량 증가율 모두, 다른 수준 이하였다. 또한, 슬래그 중의 FeO의 증가도 확인되었다. 이와 같이, 기공률이 낮은 환원철 펠릿에서는, 양호한 조업 결과가 얻어지지 않았다.

표 2에 기재되는 환원철 펠릿을 종형로에서 사용한 결과를 표 4에 나타낸다. 종형로1은, 환원철 펠릿을 사용하고 있지 않은 조건(비교 조건)의 조업 결과이다. 종형로1 내지 종형로4의 수준은, 본 발명의 조건을 지킨 원료를 사용한 결과이다. 이들의 조업에서는, 순조로운 환원?용해가 행해져, 생산성이 양호했다. 환원철 펠릿의 환원이 순조롭게 진행되어 있는 것을 확인하는 지표로서, 슬래그 중 FeO 비율을 비교하였다. 수준의 종형로2 내지 종형로4에서는, 모두 FeO가 2％ 이하로 낮았다. 이것은 환원철 펠릿이 종형로의 샤프트에서 충분히 환원되어 있는 것이, 그 요인이다. 또한, 종형로5의 수준에서는, 아연과 납을 합계 0.25질량％ 포함하는 환원철 펠릿을 사용하였지만, 노정 온도가 565℃로 높았기 때문에, 조업상의 문제는 없었다. 한편, 비교예인 종형로6의 수준에서는, 생산성이 약간 악화된 것으로, 슬래그 중 FeO가 5.9질량％로 증가되어 있었다. 이것은 환원철 펠릿의 환원이 충분히 행해지고 있지 않았던 것을 시사하고 있다.

본 발명은, 철광석 원료로서, 회전로상식 환원로와 제철 고로 또는 종형 용해로를 조합하여, 선철을 생산하는 조업에 이용할 수 있다. 또한, 제철소나 철강의 가공 공장 등으로부터 발생하는 산화철 함유 더스트나 스케일 등을 환원하여, 선철을 제조하는 조업에도 이용할 수 있다.

1 : 천장
2 : 측벽
3 : 차륜
4 : 노상
5 : 레일
6 : 버너
11 : 볼밀
12 : 조립 장치
13 : 회전로
14 : 배기 가스 덕트
15 : 보일러
16 : 열교환기
17 : 집진 장치
18 : 굴뚝
21 : 노정
22 : 광석층
23 : 코크스층
24 : 노심
25 : 송풍구
26 : 출선구

Claims (16)

1. 회전로상식 환원로에서, 산화철 및 탄소를 포함하는 분체의 성형체를 가열 처리하여 환원할 때에,
   상기 산화철의 평균 입경이 50마이크로미터 이하인 원료로 제조한 성형체를, 환원대 내에 있어서의 일산화탄소의 이산화탄소에 대한 비를 0.3으로부터 1로 하고 또한, 1400℃ 이하의 온도에서 환원 처리함으로써,
   철의 금속화율이 50 내지 85％이고 또한, 잔류 탄소의 비율이 2％ 이하인 환원철 펠릿을 제조하는 것을 특징으로 하는, 환원철 펠릿의 제조 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 성형체의, 상기 회전로상식 환원로 내에 있어서의 1200℃ 이상에서의 체류 시간을, 8분 이상 또한 to＝69.5－0.035T로 나타내어지는 시간 이하로 하는, 환원철 펠릿의 제조 방법.
   여기서, to의 단위는 분이고, T는 1200℃ 이상의 상기 회전로상식 환원로 내에서의 평균 가스 온도(℃)임.
3. 제1항에 있어서, 100℃로부터 1000℃까지 가열할 때의, 상기 성형체의 중심부에 있어서의 평균 가열 속도를 매분 400℃ 이하로 하는, 환원철 펠릿의 제조 방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 성형체 중의, 산화규소에 대한 산화칼슘의 질량비를 2.2 이하로 하는, 환원철 펠릿의 제조 방법.
5. 제4항에 있어서, 원료 중의 불소와 염소의 함유율이, (F 질량％)＋0.4(Cl 질량％)＜0.25％인, 환원철 펠릿의 제조 방법.
6. 제1항에 있어서, 상기 성형체 중의, 산화마그네슘, 산화칼슘, 산화규소 및 산화철 중에 있어서의 총 철의 함유율을, {(CaO 질량％)－(MgO 질량％)}/(T.Fe 질량％)＜0.1 또한 {(CaO 질량％)－(MgO 질량％)}/(SiO₂ 질량％)＜2.0으로 하는, 환원철 펠릿의 제조 방법.
7. 산화철 및 탄소를 포함하는 분체의 성형체를 회전로상식 환원로에서 가열 처리하여 제조한, 총 철 함유율이 55질량％ 이상이고 또한, 철의 금속화율이 50 내지 85％이고 또한, 평균 35마이크로미터 이하의 금속 철의 입자가 결합하여, 상기 산화철과 그 밖의 산화물의 혼합물 사이에 금속 철 네트워크를 형성하고 또한, 기공률이 20 내지 50％인 환원철 펠릿을,
   5 내지 20㎜인 것의 비율이 80％ 이상인 조건에서, 광석 및 소결광과 함께 제철 고로에 장입하여, 환원 용해하는 것을 특징으로 하는, 선철의 제조 방법.
8. 제7항에 있어서, 내부 구조가, 상기 산화철을 포함하는 산화물의 평균 입경이 5 내지 100마이크로미터이고 또한, 이 산화철이 금속 철 네트워크에 의해 구속되어 있는 상태에 있는 상기 환원철 펠릿을, 광석 및 소결광과 함께 제철 고로에 장입하여, 환원 용해하는, 선철의 제조 방법.
9. 제7항에 있어서, 제조되는 선철량에 대해, 250㎏/톤 이하의 비율로, 상기 환원철 펠릿을 제철 고로에 장입하는, 선철의 제조 방법.
10. 제7항에 있어서, 상기 제철 고로 내에 있어서의 상기 환원철 펠릿의 비율이 65％ 이상이 되도록, 이 환원철 펠릿을 상기 제철 고로의 직경 방향에서 중심으로부터 2/3 이내의 위치에 장입하는, 선철의 제조 방법.
11. 산화철 및 탄소를 포함하는 분체의 성형체를 회전로상식 환원로에서 가열 처리하여 환원할 때에,
    총 철 함유율이 55질량％ 이상이고 또한, 철의 금속화율이 50 내지 85％이고 또한, 기공률이 20 내지 50％인, 제1항에 기재된 방법으로 제조한 환원철 펠릿을,
    5 내지 20㎜인 것의 비율이 80％ 이상인 조건에서, 광석 및 소결광과 함께 제철 고로에 장입하여, 환원 용해하는 것을 특징으로 하는, 선철의 제조 방법.
12. 산화철 및 탄소를 포함하는 분체의 성형체를 회전로상식 환원로에서 가열 처리하여 제조한, 총 철 함유율이 55질량％ 이상이고 또한, 철의 금속화율이 50 내지 85％이고 또한, 평균 35마이크로미터 이하 금속 철의 입자가 결합하여, 상기 산화철과 그 밖의 산화물의 혼합체 사이에 금속 철 네트워크를 형성하고 또한, 기공률이 20 내지 50％인 환원철 펠릿을,
    5 내지 20㎜인 것의 비율이 80％ 이상인 조건에서, 괴상의 철 및 괴코크스의 노 내 공간 충전율이 80％ 이하인 종형로에 장입하여, 환원 용해하는 것을 특징으로 하는, 선철의 제조 방법.
13. 제12항에 있어서, 상기 종형로 내의 상기 괴상의 철에 대한 상기 환원철 펠릿의 비율이 100％ 이하인 조건에서, 환원철 펠릿을 환원 용해하는, 선철의 제조 방법.
14. 제12항에 있어서, 상기 제철 고로 내에 있어서의 상기 환원철 펠릿의 비율이 70％ 이상이 되도록, 상기 환원철 펠릿을 상기 종형로의 직경 방향에서 중심으로부터 2/3 이내의 위치에 장입하는, 선철의 제조 방법.
15. 제12항에 있어서, 아연 및 납 중 적어도 한쪽과, 산화철과, 탄소를 포함하는 분체의 성형체를 회전로상식 환원로에서 가열 처리함으로써 제조된, 아연 및 납의 합계 함유율이 0.05％ 이상인 환원철 펠릿을,
    노 상부 가스 온도가 500℃ 이상의 상태인 상기 종형로에 장입하여, 환원 용해하는, 선철의 제조 방법.
16. 회전로상식 환원로에서, 산화철 및 탄소를 포함하는 분체의 성형체를 가열 처리하여 환원할 때에,
    총 철 함유율이 55질량％ 이상이고 또한, 철의 금속화율이 50 내지 85％이고 또한, 상기 산화철과 그 밖의 산화물의 혼합체 사이에 금속 철 네트워크를 형성하고 또한, 기공률이 20 내지 50％인, 제1항에 기재되는 방법으로 제조한 환원철 펠릿을,
    5 내지 20㎜인 것의 비율이 80％ 이상인 조건에서, 괴상의 철 및 괴코크스의 노 내 공간 충전율이 80％ 이하인 종형로에 장입하여, 환원 용해하는 것을 특징으로 하는, 선철의 제조 방법.

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