KR101300731B1 - 직접 제련 플랜트 - Google Patents

Abstract

본 발명은 직접 제련 공정에 기반한 용탕을 이용하여 금속질 공급 물질로부터 용융금속을 생산하는 직접 제련 플랜트를 개시한다. 상기 플랜트는 상기 용기와 이격된 가스 공급 위치로부터 연장되어 산소함유 가스를 직접 제련 용기 내부로 연장된 가스 주입 랜스로 공급하는 가스 공급 덕트 어셈블리를 포함한다. 상기 가스 공급 덕트 어셈블리는 상기 가스 주입 랜스에 접속되어 산소함유 가스를 상기 가스 주입 랜스로 공급하는 단일 가스 공급 배관을 포함한다. 상기 가스 공급 배관은 상기 용기의 절반보다 위에 위치한다.

직접 제련, 용탕, 가스 공급 덕트 어셈블리

Description

직접 제련 플랜트{DIRECT SMELTING PLANT}

본 발명은 광석, 부분 환원 광석 및 금속-함유 폐기물(waste streams)과 같은 금속질 공급 물질(metalliferous feed material)로부터 용융금속을 생산하기 위한 직접 제련 플랜트에 관한 것이다.

반응매질로서 주로 용탕(molten bath)을 이용하고 일반적으로 "HIsmelt" 공법으로 일컬어지는 공지의 직접제련방법이 본 출원인 명의로 출원된 국제출원 PCT/AU96/00197(WO 96/31627)에 개시되어 있다. 상기 국제출원서에 개시된 설명은 상호참조(cross reference)로서 여기에 결합된다.

상기 국제출원에 개시된 용선(molten iron)을 생산하는 HIsmelt 공법은:

(a) 직접제련용기 내에 용선과 슬래그의 용탕을 형성하는 단계;

(b) 상기 용탕에: (ⅰ) 금속 함유 공급 물질, 통상 철 산화물; 및 (ⅱ) 상기 철 산화물의 환원제 및 에너지원으로 작용하는 고체 탄소질(carbonaceous) 물질, 통상 석탄을 주입하는 단계; 및

(c) 금속층(metal layer)에서 금속질 공급 물질을 철로 제련하는 단계;를 포 함한다.

여기서, "제련(smelting)"이라는 용어는 금속 산화물을 환원시키는 화학 반응이 일어나 용융금속을 생산하는 열처리 공정을 의미한다.

상기 HIsmelt 공법은 상기 용탕으로부터 방출된 일산화탄소(CO), 수소(H₂) 등의 반응가스를 상기 용탕 위의 공간에서 산소함유 가스와 함께 후연소하는 과정과, 후연소에 의해 발생된 열을 상기 용탕으로 전달하여 상기 금속질 공급 물질을 제련하는데 필요한 열 에너지로 공급하는 과정을 포함한다.

상기 HIsmelt 공법은 또한 상기 용탕의 공칭 정지표면(nominal quiescent surface) 위에서 전이구역(transition zone)을 형성하는 과정을 포함하며, 많은 양의 용융금속 및/또는 슬래그의 액적(droplets) 또는 스플래시(splashes) 또는 흐름(streams)이 상기 용탕 내에서 상승한 후에 하강함으로써, 상기 용탕 위에서 후연소 반응 가스들에 의해 발생된 열 에너지를 상기 용탕으로 전달하는 효과적인 매개체를 제공하게 된다.

상기 HIsmelt 공법에서, 금속질 공급 물질과 고체 탄소질 물질은 다수의 랜스/송풍구(lances/tuyeres)를 통해 용탕으로 주입된다. 다수의 랜스/송풍구는 직접 제련 용기의 측벽을 통해 용기의 저부(lower region)로 하향 내측으로 연장되도록 세로로 경사지게(inclined to the vertical) 배치된다. 이에 따라 다수의 랜스/송풍구는 용기의 바닥에 있는 금속층으로 고체 물질의 적어도 일부를 공급하게 된다. 용기의 상부에서 반응 가스들의 후연소를 촉진하기 위하여, 산소가 강화된(oxygen- enriched) 열풍(a blast of hot air)을 하향 연장된 열기 주입 랜스(hot air injection lance)를 통해 용기 상부에 주입하게 된다. 용기 내에서 반응 가스들의 후연소로 인해 발생된 오프가스(offgas)는 오프가스 덕트(duct)를 통해 제거된다. 용기는 측벽과 지붕에 내화재로 처리된(refractroy-lined) 수냉식 패널들(water cooled panels)을 포함하며, 물은 순환로(continuous circuit) 내의 패널을 통해 지속적으로 순환하게 된다.

상기 HIsmelt 공법은 하나의 소형 용기에서 직접 제련함으로써 용선과 같은 용융금속을 대량으로 생산할 수 있게 한다. 이를 위해, 다량의 열기(hot gas)를 직접 제련 용기로 그리고 상기 직접 제련 용기로부터 운반하고, 철함유 공급 물질과 같은 금속질 공급 물질을 대량으로 용기에 운반하며, 공정 중에 용기로부터 생산되는 대량의 용융금속 생성물과 슬래그를 수송하고, 상대적으로 한정된 영역 내에서 수냉식 패널을 통해 대량의 물을 순환시켜야 한다. 바람직하게는, 이러한 기능은 적어도 12개월을 초과하는 제련 작업 기간 내내 지속되어야 한다. 또한, 제련 작업 사이에 용기에 접근하고 장비를 리프팅(lifting of equipment)하기 위해 접근 및 리프팅 설비(access and handling facilities)를 제공해야 한다.

직경이 6m인 용기(내화성 노(refractory hearth)의 내부 직경)에 기반한 상업적인 HIsmelt 직접 제련 플랜트는 서부 오스트레일리아의 퀴나나(Kwinana, Western Australia)에 건설된 바 있다. 상기 플랜트는 HIsmelt 공법으로 작동하며, HIsmelt 공법을 통해 용기에서 연간 800,000 톤의 용선을 생산할 수 있게 설계되었다.

본 출원인은 HIsmelt 공법을 통해 연간 1백만 톤을 초과하는 용선을 생산하는 상업적인 대형 HIsmelt 직접 제련 플랜트를 설계하는 연구 개발을 수행하였다.

본 출원인은 HIsmelt 공법의 규모를 확장하는데 많은 어려움에 직면하였으며, HIsmelt 직접 제련 플랜드에 대한 대안(alternate design)을 도출하게 되었다.

본 발명은 전술한 상업적인 HIsmelt 직접 제련 플랜트의 대안에 따른 직접 제련 플랜트에 관한 것이다.

본 발명에 따른 직접 제련 플랜트는 다른 형태의 직접 제련 공정을 수행하는데에도 이용될 수 있다.

본 발명에 따르면, 직접 제련 공정에 기반한 용탕을 이용하여 금속질 공급 물질로부터 용선을 생산하는 직접 제련 플랜트에 있어서,

(a) 금속과 슬래그의 용탕 및 상기 용탕 상부에 가스 공간을 수용하고, 노와 측벽을 구비하는 고정형 직접 제련 용기와;

(b) 금속질 공급 물질과 탄소질 물질을 포함하는 고체 공급 물질을 상기 용기로부터 이격된 고체 공급 물질 공급 위치로부터 상기 용기로 공급하는 고체 공급 어셈블리와;

(c) 상기 용기로부터 이격된 산소함유 가스 공급 위치로부터 상기 용기로 산소함유 가스를 공급하고, (i) 개구를 통해 상기 용기 내부로 연장되어 산소함유 가스를 상기 용기 내부로 주입하는 복수의 가스 주입 랜스를 구비하는 가스 주입 어셈블리 및 (ii) 상기 용기로부터 이격된 가스 공급 위치로부터 연장되어, 상기 산소함유 가스를 상기 가스 주입 어셈블리로 운반하며, 상기 가스 주입 랜스에 연결되어 상기 산소함유 가스를 상기 가스 공급 위치로부터 상기 가스 주입 랜스로 공급하고 상기 용기의 절반 이상 높이에 위치하는 하나의 가스 운반 배관에 연결되어 있는 가스 운반 덕트 어셈블리를 포함하는 산소함유 가스 공급 어셈블리와;

(d) 상기 용기로부터 오프가스의 흐름을 촉진하는 오프가스 덕트 어셈블리와;

(e) 제련 공정이 진행되는 동안, 상기 용탕으로부터 용융금속을 배출하는 금속 배출(tapping) 어셈블리; 및

(f) 제련 공정이 진행되는 동안, 상기 용탕으로부터 슬래그를 배출하는 슬래그 배출 어셈블리를 포함하는 직접 제련 플랜트를 제공한다.

바람직하게는, 상기 가스 공급 배관은 상기 가스 주입 어셈블리를 상기 용기에 연결하는 부분의 상부에 위치한다.

바람직하게는, 상기 가스 공급 배관은 상기 배관 내에서 가스 흐름의 순환 경로(endless path)를 설정한다.

바람직하게는, 상기 가스 공급 배관은 말편자형 배관(horseshoe main)이다.

바람직하게는, 상기 가스 공급 배관은 산소함유 가스용의 단일 주입구 및 산소함유 가스용의 복수의 방출구를 구비하며, 상기 방출구의 수는 상기 가스 주입 랜스의 수에 상응한다.

바람직하게는, 상기 산소함유 가스를 위한 방출구는 상기 용기 둘레에 동일한 간격으로 이격되어 있다.

바람직하게는, 상기 가스 주입 랜스는 상기 가스 공급 덕트 어셈블리로부터 분리되어 상기 용기로부터 제거 가능하고, 대체 랜스로 교체 가능하다.

바람직하게는, 상기 가스 공급 덕트 어셈블리는 상기 가스 공급 배관을 상기 가스 주입 랜스에 접속시키는 복수의 부재를 포함한다.

바람직하게는, 상기 부재는 상기 가스 주입 랜스와 동축이다.

바람직하게는, 각각의 접속부재는 하나의 가스 주입 랜스의 방출단으로부터 연장되는 스풀 및 일단은 상기 스풀에 접속되고 타단은 상기 가스 공급 배관의 방출구 중 하나에 접속되는 신축 이음을 포함한다.

바람직하게는, 상기 산소함유 가스는 공기 또는 산소가 풍부한 공기이다.

바람직하게는, 상기 가스 주입 랜스는 상기 가스 공급 배관에 대해 하향 내측으로 연장된다.

바람직하게는, 상기 용기와 상기 가스 공급 배관 사이에 상기 가스 주입 랜스를 제거할 수 있도록 하는 간극(clearanece) 형성되도록 상기 가스 공급 배관은 상기 용기로부터 이격된다.

바람직하게는, 상기 용기의 측벽은

(a) 하부 실린더 섹션과;

(b) 상기 하부 실린더 섹션보다 직경이 작은 상부 실린더 섹션; 및

(c) 상기 상부 및 하부 실린더 섹션을 상호 연결하는 전이 섹션을 포함한다.

바람직하게는, 상기 전이 섹션은 상기 가스 주입 랜스를 위한 개구를 구비하며, 상기 랜스는 상기 개구를 통해 상기 용기의 내부로 연장된다.

바람직하게는, 상기 전이 섹션은 원뿔대 형상(frusto-conical)이다.

바람직하게는, 상기 가스 공급 배관은 상기 용기의 상기 저부 실린더 섹션보다 위에 위치한다.

바람직하게는, 상기 가스 공급 배관은 상기 용기의 상기 상부 실린더 섹션보다 위에 위치한다.

바람직하게는, 상기 가스 공급 배관은 상기 용기의 상기 상부 실린더 섹션에 의 상부에 인접하여 위치한다.

일 실시예에서, 상기 가스 공급 배관은 상기 용기의 상기 저부 실린더 섹션의 직경 외측이 되도록 위치한다.

도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 직접 제련 용기 및 직접 제련 플랜트의 일부를 형성하는 오프가스 덕트 시스템의 일부분을 서로 다른 두 방향에서 바라본 모습을 나타내는 사시도,

도 3은 상기 용기의 사시도,

도 4는 상기 용기의 측면도,

도 5는 상기 용기의 내부에서 내화재 벽돌(refractroy bricks)의 레이아웃을 나타내는 측면도,

도 6은 상기 용기의 고체 주입 랜스 및 열기 주입 랜스의 배열을 나타내는 측면도,

도 7은 도 6의 A-A선을 따라 절개한 단면도,

도 8은 도 6의 B-B선을 따라 절개한 단면도,

도 9는 상기 용기 내에서 고체 주입 랜스의 배열을 나타내는 도면,

도 10은 상기 용기로부터 상기 고체 주입 랜스 및 열기 주입 랜스를 추출 및 삽입(extraction and insertion)하는 것을 나타내는 상기 용기의 선택된 구성요소들의 개략적인 상부 평면도(diagrammatic top plan view),

도 11은 상기 용기의 상부 평면도(top plan view),

도 12는 오프가스 덕트를 구비하며, 열풍운반시스템이 제거된 용기의 상부 평면도.

이하, 첨부 도면을 참조한 구체적인 실시 예를 통해 본 발명을 더 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도면에 도시된 직접 제련 플랜트는, 국제특허출원 PCT/AU96/00197(WO 96/31627)에 개시된 바와 같은 HIsmelt 공법에 따라 금속질 물질을 제련하는데 특히 적합하다.

상기 플랜트 HIsmelt 공법에 따른 금속질 물질을 제련하는 데에만 한정되지는 않는다.

하기의 설명은 HIsmelt 공법에 따라 철광석 가루를 제련하여 용선을 생산하는 내용을 포함한다.

본 발명은 용선 생산에 한정되지 않으며, 여타의 금속질 물질을 직접 제련하는 것으로 확장된다.

하기 설명은 상기 직접 제련 플랜트의 직접 제련 용기와, 용기에 직접 결합된 고체 및 기체 주입 랜스 등의 장치에 대해 중점적으로 기술한다.

상기 직접 제련 플랜트는 또한 용기의 상부에서 상기 용기로 공급되는 공급 물질을 처리하는 장치, 상기 용기에서 생산되는 생산물(용융금속, 용융 슬래그 및 오프가스)을 처리하기 위한 장치를 포함하는 또 다른 장치들을 포함한다. 이러한 다른 장치들은 상기 플랜트의 일부분을 구성하는 것이지만, 본 발명의 요지에서 벗어나기 때문에, 그 상세한 설명은 생략한다. 이러한 다른 장치들은 다른 특허출원과 본 출원인에게 허여된 특허들을 통해 설명되며, 이러한 특허출원이나 특허들에 개시된 내용은 상호참조(cross-reference)로서 본 발명에 결합된다.

도면을 참조하면, 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 직접 제련 플랜트는;

(a) 금속 및 슬래그의 용탕(molten bath)(41)과 상기 용탕 위에 가스 공간(43)을 수용하는 고정형 직접 제련 용기(3);

(b) 금속질 공급 물질 및 탄소질 물질을 포함하는 고체 공급 물질을 상기 용기 내로 공급하는 고체 주입 랜스(5a, 5b)를 구비하는 고체 공급 어셈블리;

(c) 산소함유 가스를 상기 용기에 공급하기 위한 산소함유 가스 공급 어셈블리로서:

(c)(ⅰ) 상기 용기 내의 상기 가스 공간 및/또는 상기 용탕으로 산소함유가스를 주입하는 4개의 가스 주입 랜스(5) 형태로 된 가스 주입 어셈블리; 및

(c)(ⅱ) 링 배관(rain main)(9) 및 각각의 상기 가스 주입 랜스(7)에 결합되어 상기 링 배관(9)과 상기 가스 주입 랜스(7)를 연결함으로써 산소 함유 가스, 대개 공기 또는 산소가 강화된(oxygen-enriched) 공기를 상기 가스 주입 랜스(7)에 공급하는 복수의 부재(49)를 포함하는 가스 공급 덕트 어셈블리; 및

(d) 2 개의 오프가스 덕트(11)를 구비하여 상기 용기로부터 배출되는 오프가스의 흐름을 용이하게 하는 오프가스 덕트 어셈블리를 포함하는 것을 주요한 특징으로 한다.

도 1, 도 2 및 도 10을 참조하면, 상기 직접 제련 설비는 또한 8각형의 외측 경계부(outer perimeter)(91), 8각형의 내측 경계부(inner perimeter)(93) 및 경계부 빔들을 상호 접속하는 일련의 교차 부재(95)들을 형성하기 위해 함께 조립되는 강철 빔(steel beam)으로 형성된 상부 구조물(superstructure)(89)을 포함한다. 상기 상부 구조물(89)은 도시되지 않은 행거들(hanger)을 통해 가스 공급 덕트 어셈블리의 링 배관(9)을 지지한다. 상부 구조물은 또한 용기(3)의 다른 높이에서 작업자가 용기(3)로 접근할 수 있도록 다수의 플랫폼(미도시)을 포함한다.

상기 용기(3)는, (a) 내화벽돌로 형성된 기저부(21)와 측면부(23)를 포함하는 노(hearth), (b) 상기 노로부터 상방으로 신장된 측벽(25) 및 (c) 구형 돌출 지붕(torispherical roof)(27)을 포함한다. 상기 용기(3)의 크기에 대해서는, 연간 2백만 톤의 용선을 생산하도록 설계된 용기(3)는 노의 직경이 8m 정도이다.

상기 용기(3)의 측벽(25)은 용기(3)가 (a) 하부 실린더 섹션(29), (b) 하부 실린더 섹션(29)보다 작은 직경의 상부 실린더 섹션(31) 및 (c) 하부 실린더 섹 션(29) 및 상부 실린더 섹션(31)을 상호 접속하는 원뿔대 섹션(frusto-conical section)(33)을 포함하도록 형성되어 있다.

상기 용기 측벽(25)의 상기 세 개의 섹션(29, 31, 33)이 측벽(25)을 세 개의 분리된 영역으로 분할하는 것은 하기 상세한 설명 및 도면을 통해 명백하다. 하부 섹션(29)은 고체 주입 랜스(5a, 5b)를 지지한다. 원뿔대 섹션(33)은 가스 주입 랜스(7)을 지지한다. 결과적으로, 상부 섹션(31)은 사실상 용기로부터 오프가스가 배출되는 오프가스 챔버이다.

상기 용기(3)의 측벽(25) 및 지붕(27)은 다수의 수냉식 패널(미도시)을 지지하고, 상기 플랜트는 냉각수 순환로(cooling water circuit)를 포함한다. 도 5를 참조하면, 상부 섹션(31)은 단일 강철 패널을 구비하고, 하부 섹션(29)은 이중 강철 패널을 구비한다. 냉각수 순환로는 물을 수냉식 패널로 공급하고, 가열된 물을 수냉식 패널로부터 제거함으로써, 수냉식 패널에 물이 복귀하기 전에 가열된 물로부터 열을 방출한다.

상기 용기(3) 측벽(25)의 원뿔대 섹션(33)은 가스 주입 랜스(7)들을 위한 개구(35)들을 포함하고, 랜스(7)는 개구(35)를 통해 연장된다. 랜스 개구(35)는 장착 플랜지(37)들을 포함하며, 랜스(7)는 플랜지(37)에 장착되어 플랜지(37)에 의해 지지된다. 랜스 개구(35)는 용기(3)의 동일한 높이에서, 용기(3) 측벽(25)의 둘레에 동일한 간격으로 배치된다.

도 5를 참조하면, HIsmelt 공법에 따라 철광석 가루를 제련하여 용선을 생산하기 위해 용기(3)를 사용함에 있어서, 상기 용기(3)는 용기(3)의 노에 함유된 용 융금속층(미도시)과 금속층(22) 상의 용융 슬래그층(미도시)을 포함하는 철과 슬래그의 용탕(41)을 담고 있다. 도 5에 도시된 상기 용탕(41)은 정지상태(quiescent conditions), 즉, 어떠한 고체나 기체도 용기(3) 내로 주입되지 않는 상태이다. 통상, 연간 2백만톤의 용선을 생산하는 용기(3) 내에서 상기 HIsmelt 공법이 진행되는 경우, 상기 용기(3)는 500톤의 용선과 700톤의 용융 슬래그를 함유한다.

도 3과 도 4를 참조하면, 상기 용기(3)는 또한 상기 노의 측면(23)에 2 개의 점검구(access door)(45)를 구비하여 용기의 내부에서의 재 라이닝(re-lining) 작업 또는 다른 정비(maintenance) 작업을 위해 용기(3) 내부로 접근 가능하도록 한다.

상기 점검구(45)는 측면(23)에 용접된 강철판 형태로 형성된다. 용기(3) 내부로 접근해야 할 경우, 강철판을 노의 측면(23)으로부터 잘라내고, 용기(3) 내에서의 작업이 완료된 후 제거한 강철판을 적절한 위치에 용접한다. 점검구(45)는 용기(3)의 둘레를 따라 적어도 90도 각도로 이격되어 있다. 이러한 간격에 의해 점검구(45)를 통해 내화재 벽 제거 장비(refractroy wall demolition equipment)가 용기 내부에 연장되도록 하며, 용기가 고온상태인 동안에 내화재로 라이닝 된 측벽의 내화재의 상당 부분을 제거할 수 있게 한다. 뿐만 아니라, 상기 점검구(45)는 직경이 통상 2.5m 정도로 충분히 커, 밥-캣(bob-cat)이나 이와 유사한 장비가 상기 용기(3)의 내부로 접근할 수 있도록 한다.

도 3을 참조하면, 상기 용기(3)는 또한 용기(3)의 지붕(27)에 유사한 점검구(47)를 구비함으로써 용기(3) 내부에서의 재 라이닝(re-lining) 작업 또는 다른 정비 작업 시 용기 내부로 접근 가능하도록 한다.

사용시, 상기 가스 주입 어셈블리의 4 개의 가스 주입 랜스(7)는 환원용기로부터 일정 거리 이격 배치된 열기공급스테이션(hot gas supply station)(미도시)으로부터 산소가 강화된 열풍 공기를 주입한다. 상기 열기공급스테이션은 일련의 열기 스토브(hot gas stove)들(미도시)과 상기 열기 스토브를 지나 열기 공급 덕트(51; 도 2, 도 11에 도시됨)로 산소가 강화된 공기를 흐르게 하는 산소 플랜트(oxygen plant)를 구비하며, 상기 열기 공급 덕트(51)는 상기 링 배관(9)에 접속된다. 다른 방법으로, 상기 공기의 흐름이 상기 스토프에 의해 가열된 후에 산소가 추가될 수도 있다.

상기 기체 주입 랜스(7)의 목적은 열기가 HIsmelt 공법의 일부로서 용기(3) 내에 상향으로 돌출된 용융금속 및 슬래그의 분수, 전형적으로 환형의 분수롤 통과하고, 산소 강화된 열기가 상기 분수 내에 있는, 용탕으로부터 이탈된 이산화탄소 및 수소 등의, 연소가능 가스를 연소하도록 충분한 유속의 산소가 강화된 열기를 충분한 속도로 주입하는 것이다. 연소 가능한 가스의 연소는, 상기 용융금속과 슬래그가 하향 이동하여 상기 용탕으로 되돌아갈 때, 상기 용탕으로 전달되는 열을 발생시킨다.

상기 가스 주입 랜스(7)는 기본 구조물(basic construction) 형태의 직선형(straight-forward) 주입 랜스이며, 랜스를 통과하여 흐르는 산소가 강화된 공기를 소용돌이치게 하는 소용돌이부(swirler)를 포함하지는 않는다. 전술한 바와 같이, 본 출원인의 연구를 통해 소용돌이 없이 작동하는 가스 주입 랜스(7)는 소용돌 이치게 하는 랜스와 동등한 성능을 얻을 수 있음을 알게 되었다.

상기 가스 주입 랜스(7)는 용기(3) 측벽(25)의 원뿔대 섹션(33)을 통해 용기(3)의 상부 영역 안쪽으로 하향 신장된다. 랜스(7)는 동일한 높이에서 원뿔대 섹션(33)의 둘레를 따라 동일한 간격으로 배치된다. 측벽(25) 하부 섹션(29)을 향해 열기를 주입하도록 랜스(7)는 하향 외측으로 연장되도록 배치된다. 측벽에서의 연소로 인해 발생된 높은 온도는 용기의 내구성(vessel life) 측면에서 바람직하지 못하기 때문에, 산소함유 가스가 용기의 측벽(25)에 접촉하는 것은 바람직하지 않다는 점에 유의해야 한다. 따라서, 상기 랜스(7)는 랜스 팁(53)들이 수평 원(horizontal circle)을 향하도록 배열된다.

전술한 하향/외측(downward and outward)으로의 산소함유 오프가스의 주입은 도 5에서 도면부호 '139'로 표시된 용기의 중앙부 수직 코어 내에 있으며, 오프가스 덕트(11)로부터 배기되는 오프가스로 인한 열손실을 야기하는 일산화탄소(CO) 등의 반응가스의 연소를 피할 수 있다는 점에서도 바람직하다.

도 3에서 가장 잘 알 수 있는 바와 같이, 상기 가스 공급 덕트 어셈블리의 링 배관(9)은 용기(3) 바로 위에 배치되는 환상의 덕트(circular duct)이다. 전술한 바와 같이, 링 배관(9)은 열기 공급 덕트(51)에 접속되어 덕트(51)로부터 산소 강화된 공기를 공급받는다.

상기 링 배관(9)은 4 개의 방출구(65)를 포함한다.

상기 가스 공급 덕트 어셈블리의 접속 부재(49)는 링 배관(9)과 상기 가스 주입 랜스(7)를 접속한다.

각각의 가스 주입 랜스(7)에 대해 고온 접속 부재(49)는 랜스(7)의 흡입단으로부터 연장되는 스풀(61)과, 일단은 스풀(61)에 접속되고 타단은 링 배관(9)의 방출구(65)에 접속되는 신축 이음(expansion joint)(63)을 포함한다.

사용시, 상기 가스 주입 랜스(7)는 링 배관(9)과 랜스(7)를 링 배관(9)에 접속하는 접속 부재(49)를 통해 산소가 강화된 열기를 공급받는다. 상기 링 배관(9)은 각각의 랜스(7)에 동일한 유속(flow rate)의 열기를 공급한다.

도 6과 도8을 참조하면, 상기 용기 내에서 각 가스 주입 랜스(7)의 위치는 하기와 같이 이론적으로 수립될 수 있다:

(a) 도 6과 도 8의 원형 아이콘(55)으로 지시된 설정 위치(required position)에 상기 랜스(7)를 그의 팁(53)과 함께 수직으로 배치한 후,

(b) 상기 랜스의 팁(53)이 고정된 채로, 랜스 팁(53)을 지나는 방사상 평면(radial plane)에 대하여 수직하면서 상기 랜스 팁(53)을 지나는 수직 평면(vertical plane)에서 상기 랜스를 35˚ 각도만큼 기울이고(pivoting),

(c) 상기 랜스 팁(53)이 고정된 채로, 상기 방사상 평면을 향해 아래쪽으로 상기 랜스를 30˚ 각도만큼 회전(rotating)시킨다.

상기 가스 주입 랜스(7)는 상기 용기(3)로부터 분리 가능하게 배치된다.

특히, 상기 접속부재(49)에 결합된 스풀(61)과 신축 이음(63)를 각각의 랜스(7)와 링 배관(9)으로부터 분리함으로써, 각각의 랜스(7)가 분리될 수 있으며, 그 후, 상기 측벽(25)의 원뿔대 섹션(33)에 있는 랜스개구(35)의 장착 플랜지(37)로부터 랜스(7)를 체결한 볼트를 해제하고, 랜스(7)를 오버헤드 크레인(overhead crane)에 연결하여 개구(35)로부터 상방으로 들어올린다.

교체(replacement) 랜스(7)는 선행 단락에서 전술한 과정을 역으로 수행함으로써 용기(3) 내로 삽입될 수 있다.

상기 고체 공급 어셈블리의 12개의 고체 주입 랜스(5a, 5b)들은 용기(3) 측벽(25)의 하부 섹션(29)의 측벽(25)에 형성된 개구(미도시)를 통해 하향, 내측으로 연장되어 용탕(41)의 슬래그층(미도시)으로 연장된다. 랜스(5a, 5b)는 랜스의 팁들이 가상의 수평원을 향하도록 배열된다. 측벽(25)은 장착 플랜지(69)를 구비하며, 랜스(5a, 5b)는 플랜지(69) 상에 장착되어 이에 의해 지지된다.

도 7과 도 9를 참조하면, 상기 고체 주입 랜스(5a, 5b)는 (a) 철광석 가루와 플럭스를 용기(3) 내로 주입하는 8개의 랜스(5a)와, (b) 고체 탄소질 물질과 플럭스를 용기(3)로 주입하는 4개의 랜스(5b)를 구비한다.

상기 고체 물질은 산소가 부족한 캐리어 가스(oxygen-deficient carrier gas)를 동반한다. 랜스(5a, 5b)는 모두 외경이 동일하며, 용기(3) 상에서 동일한 높이에 위치한다. 랜스(5a, 5b)는 측벽(25)의 하부 섹션(29) 둘레를 따라 동일한 간격으로 배치되며, 철광석 주입 랜스(5a)는 쌍으로 배열되며 하나의 석탄 주입 랜스(5b)가 서로 인접하는 철광석 주입 랜스(5a) 쌍들을 분리하도록 배치된다. 용기로 고온의 철광석을 주입하는 철광석 주입 랜스(5a)를 쌍으로 배치함으로써, 용기 주위에서 파이프에 접근하는 문제를 감소시킬 수 있다.

사용시, 제련 공정이 진행되는 동안, 철광석 주입 랜스(5a)는 고온 광석 주입 시스템을 통해 고온의 철광석 가루 및 플럭스를 공급받고, 석탄 주입 랜스(5b) 는 탄소질 물질 주입 시스템을 통해 석탄 및 플럭스를 공급받는다.

도 9를 참조하면, 상기 고온 광석 주입 시스템은 철광석 입자를 가열하는 전로(미도시)와, 일련의 주 공급 라인(73)을 포함하는 고온 광석 수송 시스템과, 각각의 철광석 주입 랜스(5a) 쌍에 연결되는 분리 공급 라인(75) 쌍과, 상기 공급 라인들(73, 75)에서 고온 광석 입자들을 수송하고 680℃의 온도로 용기(3)로 고온 광석 입자들을 주입하는 캐리어 가스 공급부를 포함한다.

도 9를 참조하면, 상기 탄소질 물질/플럭스 주입 시스템은 각각의 석탄 주입 랜스(5a)에 대해 하나의 공급 라인(77)을 구비한다.

상기 석탄 공급 라인(75)의 외경은 고온 광석 분기 라인(75)의 외경보다 통상 40 내지 60% 정도로 작다. 반면, 고온 광석 공급 라인(75)과 가열 광석 분기 라인(77)을 절연하기 위해 랜스의 외경을 상당히 증가시켜야 하므로 랜스(5a, 5b)의 외경은 동일한 것이 바람직하다. 통상, 고온 광석 분기 라인(75)은 400 내지 600mm 범위의 동일한 외경을 가지며, 상기 석탄 공급 라인(75)은 100 내지 300mm 범위의 동일한 외경을 가진다. 본 실시 예에서는 고온 광석 분기 라인(75)의 외경은 500mm이며, 석탄 공급 라인(77)의 외경은 200mm이다.

상기 고체 주입 랜스(5a, 5b)는 용기(3)로부터 분리 가능하게 배치된다.

특히, 상기 고체 공급 어셈블리는 용기로부터 랜스를 분리하거나 용기(3)에 교체 랜스를 삽입하는 동안 각각의 고체 주입 랜스(5a, 5b)를 지지하기 위한 어셈블리를 포함한다. 각각의 랜스(5a, 5b)에 대한 지지 어셈블리는 용기(3) 측벽(25)으로부터 상향, 외측으로 신장되는 연장 트랙(미도시), 상기 트랙을 따라 이동 가 능한 운반대(carriage; 미도시) 및 상기 트랙을 따라 상기 운반대를 이동시키는 운반대 구동장치(carriage dirve)(미도시)를 구비하며, 운반대는 랜스에 접속가능하여 랜스가 트랙 상에 지지 될 수 있도록 하며, 운반대 구동장치의 작동에 의해 상향, 외측으로 이동함으로써 용기(3)로부터 이탈(extracted) 되도록 한다. 이러한 지지 어셈블리는 본 출원인에 의해 출원된 국제출원 PCT/2005/001101 및 PCT/AU2005/01103에 개시되고 있으며, 이들 국제출원에 기술된 내용은 상호참조(cross-reference)로써 여기에 결합된다.

전술한 내용으로부터 명백한 바와 같이, 상기 직접 제련 플랜트는, 4개의 가스 주입 랜스(7)와 12개의 고체 주입 랜스(5a, 5b)를 구비하는 분리 및 교체 가능한 16개의 랜스들을 수용하며, 용기(3)는 상대적으로 콤팩트한 용기(compact vessel)이다. 이러한 용기(3)의 콤팩트화와 용기에 대한 링 배관(9) 및 가스 덕트(11)의 위치로 인해 상기 랜스(7, 5a, 5b)의 분리와 교체에 있어서 공간이 협소해지는 제약이 따르게 된다.

도 10을 참조하면, 상기 랜스(7, 5a 5b)의 분리와 교체를 용이하게 하기 위하여, 상기 직접 제련 플랜트는 수직하게 연장된 다수의 오버헤드 크레인 접근구역(97a, 97b)를 구비한다.

상기 접근구역(97a)은 링 배관(9)의 외측에 배치되고 상기 상부 구조물(89) 외측 경계부(91)의 내측에 배치된다. 총 12개의 접근구역(97a)이 12개의 고체 주입 랜스(5a, 5b)에 대응하여 배치되어 있다. 상기 접근구역(97a)은 상기 고체 주입 랜스(5a, 5b)의 분리 및 교체를 가능하게 한다.

상기 접근구역(97b)은 링 배관(9)의 내측에 배치되고, 총 4개의 접근구역(97b)이 상기 가스 주입 랜스(7)에 대응하여 배치되어 있다. 상기 접근구역(97b)은 상기 가스 주입 랜스(7)의 분리 및 교체를 가능하게 한다.

상기 오프가스 덕트 어셈블리의 한 쌍의 오프가스 덕트(11)는 HIsment 공법 진행 중에 용기(3) 내에서 생성된 오프가스가 대기로 배출되기 전에 하류 처리(downstream processing)를 위해 상기 용기(3)로부터 흐르도록 한다.

전술한 바와 같이, 상기 HIsmelt 공법은 바람직하게는, 공기 또는 산소가 강화된 공기를 이용하여 작동하며, 이로써 상당한 양(volume)의 오프가스가 생성되고, 상대적으로 큰 직경의 오프가스 덕트(11)를 필요로 한다.

상기 오프가스 덕트(11)는 측벽(25)의 상부 섹션(31)으로부터 수평면에 대하여 7°의 각도로 상향 신장된다.

도 11과 도 12에 도시된 바와 같이, 상기 오프가스 덕트(11)는 용기(3) 상단에서 보았을 때 V-자 형상이며, 오프가스 덕트(11)의 길이 방향 축 X는 66.32° 각도를 이룬다. 오프가스 덕트는 중심축 X가 용기(3)의 중앙 수직축(105)으로부터 연장되는 방사 방향의 라인 L 상의 지점(101)에서 서로 교차하게 위치된다. 다시 말해서, 오프가스 덕트의 축 X는 용기(3)의 중앙 수직축(105)으로부터 방사 방향은 아니다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 상기 직접 제련 플랜트는 각 오프가스 덕트(11)에 연결되어 용기(3)로부터 배출되는 오프가스를 냉각하는 개별적인 오프가스 후드(107)를 포함한다. 상기 오프가스 후드(107)는 오프가스 덕트(11)의 방출 단(outlet end)으로부터 수직으로 상향 연장된다. 오프가스 후드(107)는 후드를 통과하는 물/스트림(water/stream)의 열교환을 통해 900 내지 1100℃의 온도까지 상기 용기(3)에서 배출되는 오프가스를 냉각한다.

도 1 및 도 2를 더 참조하면, 상기 직접 제련 플랜트는 각각의 오프가스 후드(107)에 연결되어 냉각된 오프가스로부터 미립자(분진)를 제거하는 개별적인 오프가스 집진기(109)를 또한 포함한다. 또한, 각각의 오프가스 후드(107)는 용기로부터 배출되어 오프가스 후드(107)를 통과하는 오프가스의 흐름을 제어하는 흐름 제어 밸브(미도시)에 연결된다. 상기 흐름 제어 밸브는 오프가스 집진기(109)에 통합될 수도 있다.

다시 도 1 및 도 2를 참조하면, 상기 직접 제련 플랜트는 양쪽(both) 오프가스 집진기(109)에 연결된 하나의 오프가스 냉각기(111)를 또한 포함한다. 사용시, 오프가스 냉각기(111)는 양쪽 오프가스 집진기(109)로부터 불순물이 제거된 오프가스 스트림을 공급받아 25~40℃의 온도까지 냉각시킨다.

사용시, 상기 오프가스 냉각기(111)에 의해 냉각된 오프가스는 필요에 따라, 예를 들면, 스토브(미도시) 또는 폐열 보일러(waste heat boiler)(미도시)에서 오프가스를 생성하는 화학 에너지를 복원하기 위한 연료 가스 등으로 이용될 수 있고, 이로써 깨끗한 상태로 오프가스가 대기 중으로 배출된다.

상기 직접 제련 플랜트는 용기(3)로부터 연속적으로 용선을 배출하는 전로(forehearth)(13)를 구비하는 금속 태핑 어셈블리(metal tapping assembly)를 포함한다. 제련 공정에서 생산된 고온의 금속은 전로(13)와 전로(13)에 연결된 고온 금속 세정기(launder)(미도시)를 통해 용기(3)로부터 배출된다. 상기 고온 금속 세정기의 방출단(outlet end)은 고온 금속 레이들 스태이션(ladle station)(미도시)의 상부에 배치되어 상기 레이들 스테이션에 위치된 주주용 레이들로 용융금속을 하향 공급하게 된다.

상기 직접 제련 플랜트 또한 용기(3)의 기저부(lower part)에서 제련 공정의 말미에 용기(3)로부터 용선을 배출하여 용기(3)로부터 멀어지게 용선을 운반하는 종단(end) 금속 배출 어셈블리를 포함한다. 종단 금속 배출 어셈블리는 용기(3) 내에 다수의 금속 종단 배출 홀(15)을 구비한다.

상기 직접 제련 플랜트는 용기의 하부에서 주기적으로 용기(3)로부터 슬래그를 배출하고 제련 공정 동안에 용기(3)로부터 멀어지게 슬래그를 운반하는 슬래그 배출 어셈블리를 구비한다. 슬래그 배출 어셈블리는 용기(3) 내에 다수의 슬래그 노치(17)들을 또한 포함한다.

상기 직접 제련 플랜트는 또한 제련 공정의 말미에 용기(3)로부터 슬래그를 배출하는(drain) 종단(end) 슬래그 배출 어셈블리를 포함한다. 종단 슬래그 배출 어셈블리는 용기(3) 내에 다수의 슬래그 배출 홀(19)을 포함한다.

HIsmelt 공법에 따른 제련 공정에서, 철광석 가루 및 그에 적합한 캐리어 가스, 석탄 및 그에 적합한 캐리어 가스는 랜스(5a, 5b)를 통해 용탕으로 주입된다. 고체물질과 캐리어 가스의 운동량(momentum)에 의해 고체물질이 용탕(41)의 금속층으로 침투할 수 있다. 석탄은 액화되어 금속층 내에서 가스를 생성하게 된다. 탄소는 부분적으로 금속 내에 용해되며 부분적으로는 고체탄소(solid carbon) 상태로 잔류하게 된다.

철광석 가루는 용선으로 제련되고, 제련 반응은 일산화탄소를 발생시킨다. 용선은 전로(13)를 통해 용기(3)로부터 연속적으로 제거된다.

용융 슬래그는 슬래그 노치(17)들을 통해 용기(3)로부터 주기적으로 제거된다.

상기 금속층으로 이송되고 액화 및 제련 반응에 의해 생성된 가스들은 용융금속, 고체 탄소 및 슬래그(고체/가스의 주입에 의해 금속층 위에 떨어진)를 금속층으로부터 들어올리는 상당한 부력융기(buoyancy uplift)를 발생시킨다. 이러한 부력융기는 용융금속과 슬래그의 스플래시(splashes), 액적(droplets) 및 흐름의 상승 이동을 유발하고, 이러한 용융금속과 슬래그의 스플래시(splashes), 액적(droplets) 및 흐름은 슬래그층을 통해 이동함에 따라 슬래그에 혼입된다. 용융금속, 고체 탄소, 슬래그의 부력융기는 슬래그층의 교반을 유발하고, 이에 따라 슬래그층의 부피가 커진다. 뿐만 아니라, 용융금속, 고체 탄소, 슬래그의 부력융기에 의한 용융금속과 슬래그의 스플래시, 액적 및 흐름의 상향 이동은 용탕의 상부공간으로 확장되어 전술한 분수(fountain)를 형성한다.

상기 가스 주입 랜스(7)를 통해 분수 내로 산소함유 가스를 주입함으로써, 일산화탄소와 수소 등의 반응 가스들을 용기(3) 내에서 후연소시키게 된다(post-combust). 용융 물질이 용탕으로 다시 떨어질 때(falls back), 후연소에 의해 발생하는 열은 용탕으로 전달된다.

상기 용기(3) 내에서 반응 가스들의 후연소로 인해 발생하는 오프가스는 오 프가스 덕트(11)를 통해 용기(3)로부터 제거된다.

본 발명의 사상과 기술적 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 전술한 실시 예들의 다양한 변형이 가능할 것이다.

예를 들어, 전술한 실시 예에서는 2개의 오프가스 덕트(11)가 개시되고 있으나, 본 발명은 오프가스 덕트(11)의 수를 2개로 한정하지는 않으며, 오프가스 덕트(11)의 수는 적절하게 확장될 수 있다.

뿐만 아니라, 전술한 실시 예에서는 가스 주입 랜스(7)가 산소함유 가스를 공급하는 링 배관(9)을 포함하는 구성이지만, 본 발명은 이러한 배치에 한정되지 않으며, 적절한 가스 공급 어셈블리로 확장될 수 있다.

또한, 전술한 실시 예에서는 4개의 가스 주입 랜스(7)를 포함하는 구성이지만, 본 발명은 상기 랜스(7)의 수와 배열에 한정되지 않으며, 랜스(7)의 수와 배치는 다양하게 확장될 수 있다.

또한, 전술한 실시 예에서는 쌍을 이루어 배치된 철광석을 주입하는 8개의 랜스(5a)와 석탄을 주입하는 나머지 4개의 랜스(5b)로 이루어진 12개의 고체 주입 랜스(5a, 5b)를 포함하는 구성이나, 본 발명은 상기 랜스(5a, 5b)의 수와 배치에 한정되지 않는다.

더욱이, 전술한 실시 예에서는 용기(3)로부터 연속적으로 용선을 배출하는 전로(13)를 포함하는 구성이지만, 본 발명은 전로를 이용하거나 용선을 연속적으로 배출하는 것에만 한정되지 않는다.

Claims (20)

1. 직접 제련 공정에 기반한 용탕을 이용하여 금속질 공급 물질로부터 용선을 생산하는 직접 제련 플랜트에 있어서,

   (a) 금속과 슬래그의 용탕 및 상기 용탕 상부에 가스 공간을 수용하고, 노와 측벽을 구비하는 고정형 직접 제련 용기와;

   (b) 금속질 공급 물질과 탄소질 물질을 포함하는 고체 공급 물질을 상기 용기로부터 이격된 고체 공급 물질 공급 위치로부터 상기 용기로 공급하는 고체 공급 어셈블리와;

   (c) 상기 용기로부터 이격된 산소함유 가스 공급 위치로부터 상기 용기로 산소함유 가스를 공급하고, (i) 개구를 통해 상기 용기 내부로 연장되어 산소함유 가스를 상기 용기 내부로 주입하는 복수의 가스 주입 랜스를 구비하는 가스 주입 어셈블리 및 (ii) 상기 용기로부터 이격된 가스 공급 위치로부터 연장되어, 상기 산소함유 가스를 상기 가스 주입 어셈블리로 운반하며, 상기 가스 주입 랜스에 연결되어 상기 산소함유 가스를 상기 가스 공급 위치로부터 상기 가스 주입 랜스로 공급하고 상기 용기의 절반 이상 높이에 위치하는 단일 가스 운반 배관에 연결되어 있는 가스 운반 덕트 어셈블리를 포함하는 산소함유 가스 공급 어셈블리와;

   (d) 상기 용기로부터 오프가스의 흐름을 촉진하는 오프가스 덕트 어셈블리와;

   (e) 제련 공정이 진행되는 동안, 상기 용탕으로부터 용융금속을 배출하는 금 속 배출 어셈블리; 및

   (f) 제련 공정이 진행되는 동안, 상기 용탕으로부터 슬래그를 배출하는 슬래그 배출 어셈블리를 포함하는 직접 제련 플랜트.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 가스 공급 배관은 상기 가스 주입 어셈블리를 상기 용기에 연결하는 부분의 상부에 위치되는 직접 제련 플랜트.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 가스 공급 배관은 상기 배관 내에서 가스 흐름의 순환 경로(endless path)를 설정하는 링 배관인 직접 제련 플랜트.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 가스 공급 배관은 말편자형 배관(horseshoe main)인 직접 제련 플랜트.
5. 선행하는 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가스 공급 배관은 산소함유 가스용의 단일 주입구 및 산소함유 가스용의 복수의 방출구를 구비하며, 상기 방출구의 수는 상기 가스 주립 랜스의 수에 대응되는 직접 제련 플랜트.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 산소함유 가스용의 방출구는 상기 용기 둘레에 동일한 간격으로 이격되어 있는 직접 제련 플랜트.
7. 선행하는 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가스 주입 랜스는 상기 가스 공급 덕트 어셈블리로부터 분리되어 상기 용기로부터 제거 가능하고, 대체 랜스로 교체 가능한 직접 제련 플랜트.
8. 선행하는 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가스 공급 덕트 어셈블리는 상기 가스 공급 배관을 상기 가스 주입 랜스에 접속시키는 복수의 접속부재를 포함하는 직접 제련 플랜트.
9. 제 8 항에 있어서, 상기 접속부재는 상기 가스 주입 랜스와 동축인 직접 제련 플랜트.
10. 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서, 각각의 접속부재는 하나의 가스 주입 랜스의 방출단으로부터 연장되는 스풀 및 일단은 상기 스풀에 접속되고 타단은 상기 가스 공급 배관의 방출구 중 하나에 접속되는 신축 이음(expansion joint)을 포함하는 직접 제련 플랜트.
11. 선행하는 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 산소함유 가스는 공기 또는 산소가 풍부한 공기인 직접 제련 플랜트.
12. 선행하는 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가스 주입 랜스는 상기 가스 공급 배관에 대해 하향 내측으로 연장되는 직접 제련 플랜트.
13. 선행하는 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 용기와 상기 가스 공급 배관 사이에 상기 가스 주입 랜스를 분리할 수 있도록 하는 간극(clearance)이 형성되도록 상기 가스 공급 배관은 상기 용기로부터 이격되는 직접 제련 플랜트.
14. 선행하는 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 용기의 측벽은

    (a) 하부 실린더 섹션과;

    (b) 상기 하부 실린더 섹션보다 직경이 작은 상부 실린더 섹션; 및

    (c) 상기 상부 및 하부 실린더 섹션을 상호 연결하는 전이 섹션을 포함하는 직접 제련 플랜트.
15. 제 14 항에 있어서, 상기 전이 섹션은 상기 가스 주입 랜스를 위한 개구를 구비하며, 상기 랜스는 상기 개구를 통해 상기 용기의 내부로 연장되는 직접 제련 플랜트.
16. 제 15 항에 있어서, 상기 전이 섹션은 원뿔대 형상인 직접 제련 플랜트.
17. 제 14 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가스 공급 배관은 상기 용기의 상기 저부 실린더 섹션보다 위에 위치하는 직접 제련 플랜트.
18. 제 14 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가스 공급 배관은 상기 용기의 상기 상부 실린더 섹션보다 위에 위치하는 직접 제련 플랜트.
19. 제 14 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가스 공급 배관은 상기 용기의 상기 상부 실린더 섹션의 상부에 인접하여 위치하는 직접 제련 플랜트.
20. 제 19 항에 있어서, 상기 가스 공급 배관은 상기 용기의 상기 저부 실린더 섹션의 직경 외측이 되도록 위치하는 직접 제련 플랜트.

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