KR101318962B1 - 사철을 이용한 직접환원철 제조장치 및 그 제조방법 - Google Patents

사철을 이용한 직접환원철 제조장치 및 그 제조방법 Download PDF

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KR101318962B1
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이상호
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Abstract

본 발명은 사철을 이용한 직접환원철 제조장치 및 그 제조방법에 관한 것으로, 사철을 이용한 직접환원철 제조 장치에 있어서, 상기 사철과 염화나트륨(NaCl)을 혼합하는 혼합기; 상기 혼합기에서 혼합된 사철을 산화시키는 유동형 산화로; 상기 산화된 사철을 냉각시켜 상기 산화된 사철 내의 메타바나드산나트륨(NaVO3)를 용해시키는 냉각조; 상기 냉각된 산화 사철을 건조시키는 건조기; 상기 건조된 사철을 예비가열하는 예비가열로; 및 상기 예비가열된 사철을 환원하는 유동형 환원로; 를 포함하는 사철을 이용한 직접환원철 제조장치 및 이를 이용한 직접환원철의 제조방법이 개시된다.

Description

사철을 이용한 직접환원철 제조장치 및 그 제조방법{APPARATUS FOR MANUFACTURING DIRECT REDUCTION IRON USING IRON SAND AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAMD}
본 발명은 환원철 제조장치 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 난환원성 사철을 이용하여 환원성을 증대시키면서 사철 중 함유된 바나듐(V)을 회수하는 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
최근 고품위 철광석의 고갈과 가격의 급등으로 인해 저가이며 저품위 철광석을 활용하여 용선을 제조할 수 있는 기술에 대한 관심이 증가하였다. 이 중 대표적인 것이 사철이며 이는 Beach sand 또는 Iron sand 라고도 불린다. 사철은 화산활동에 의해 형성된 광물이 풍화에 의해 해안가 또는 강가에 침적되어 형성된다.
사철은 자연 분급에 의해 입도가 50㎛~200㎛로 균일하며 규사 등과 혼합되어 분포한다. 선광 전 사철의 전체 철(Total Fe)의 양은 높지 않으나 사철의 상이 티탄자철광(Titanomagnetite)로 자성을 띠어 자력 선별에 의해 전체 철의 양을 60% 정도까지 증가시킬 수 있다. 이렇게 선별된 사철의 성분은 뉴질랜드 사철의 경우 전체 철의 양이 57~58%이고, TiO2가 7~8% 함유되어 있으며, V는 0.34% 포함되어 있다. 필리핀 및 인도네시아 사철의 경우는 전체 철의 양이 40~60%이고 TiO2는 5~9%, V는 0.3~0.4% 존재한다.
또한, 사철을 이용하여 용선을 제조하면 V가 용선 중 많은 양이 존재하게 되고 제강 공정에 부담을 주게 된다. 따라서 사철을 효과적으로 사전 처리할 수 있는 방법이 필요하다.
사철의 주 상은 티탄자철광(Titanomagnetite)로 자철광과 울보스피넬(Ulvospinel)이 혼합된 형태이며 조직이 매우 치밀하여 자철광에 비해 가스 환원 속도가 느리다. CO 가스와의 효과적인 환원반응을 위해서는 1000℃ 이상의 고온 조업이 요구되므로, 사철의 환원성을 증대시키기 위해서는 사철을 산화시키는 공정이 필요하다. 사철이 산화되면 상이 티탄적철광(Titanohematite)로 변화되고 이러한 상 변화시 부피 변화에 의해 많은 크랙(Crack)이 형성되어 환원성을 증대시킬 수 있다.
그러나, 산화 공정을 위해서는 추가적인 설비가 필요하며 산화 온도를 1000℃로 해야 하기 때문에 추가적인 비용이 수반된다.
사철은 산화시 마그네타이트 격자(Magnetite Lattice)에 분포되어 있는 바나듐 이온이 사철 표면으로 빠져 나온다. 펠렛 제조 공정에는 펠렛의 강도를 향상시키기 위해 로스팅(Roasting) 공정이 존재하는데, 상기 로스팅 공정은 산화공정으로 종래에는 타이타늄이 함유된 미분광으로 펠렛을 제조할 때 소다회를 첨가한 후 로스팅을 실시하였다. 첨가된 소다회는 V와 반응하여 소듐 바나데이트(Sodium Vanadate,Na3VO4)라는 화합물을 형성한다. 상기 로스팅된 펠렛은 물에 냉각시키면 소듐 바나데이트가 물로 빠져나와 용해된다. 물과 펠렛을 분리하고 물을 산처리하면 소듐 바나데이트를 침전시킬 수 있어 V 회수가 가능하다. 이러한 산화공정을 효과적으로 활용하여 광석의 환원성 개선과 동시에 V를 회수할 수 있다.
그러나, 사철은 펠렛 제조를 위해서는 추가적으로 분쇄해야 하는 문제점이 있어, 펠렛 제조 없이 사철을 직접 사용하여 용선을 제조하고 V를 회수 할 수 있는 방안이 필요하다.
본 발명의 실시예들은 사철을 펠렛 제조 없이 유동로를 이용해 산화시켜 사철의 환원성을 개선하고 동시에 V를 회수할 수 있는 용선 제조 방법 및 장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 하나 또는 다수의 실시예에서는 사철을 이용한 직접환원철 제조 장치에 있어서, 상기 사철과 염화나트륨(NaCl)을 혼합하는 혼합기; 상기 혼합기에서 혼합된 사철을 산화시키는 유동형 산화로; 상기 산화된 사철을 냉각시켜 상기 산화된 사철 내의 메타바나드산나트륨(NaVO3)를 용해시키는 냉각조; 상기 냉각된 산화 사철을 건조시키는 건조기; 상기 건조된 사철을 예비가열하는 예비가열로; 및
상기 예비가열된 사철을 환원하는 유동형 환원로; 를 포함하는 사철을 이용한 직접환원철 제조장치가 제공될 수 있다.
본 발명의 하나 또는 다수의 실시예에서는 냉각조로부터 용해된 메타바나드산나트륨(NaVO3) 이온을 염화암모늄(NH4Cl)과 반응시켜 암모늄 메타바나데이트(NH4VO3)를 침전시키는 침전조; 상기 침전조를 가열하여 염화나트륨(NaCl)을 석출하고, 상기 석출된 염화나트륨을 혼합기로 이송하는 석출기; 및 상기 석출기에서 증류된 물을 응축하여 상기 냉각조에 공급하는 응축기; 를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 하나 또는 다수의 실시예에서는 유동형 산화로는 작동 온도가 850~1000℃이며, 유동형 산화로와 상기 예비가열로의 사이에 설치되고, 상기 예비가열로 배가스의 연소를 통해 공기를 간접 가열하는 가스가열기를 더 포함할 수 있고, 유동형 환원로와 상기 예비가열로 사이에 설치되고, 상기 예비가열로에 상기 유동형 환원로의 배가스를 공급하는 유동형 환원로 배가스관을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 하나 또는 다수의 실시예에서는 사철을 이용한 직접환원철 제조방법에 있어서, 상기 사철과 염화나트륨(NaCl)을 혼합하는 단계; 상기 혼합된 사철을 산화시키는 단계; 상기 산화된 사철을 냉각시켜 상기 산화된 사철 내의 메타바나드산나트륨(NaVO3)를 용해시키는 단계; 상기 냉각된 산화 사철을 건조시키는 단계; 상기 건조된 사철을 예비가열하는 단계; 및 상기 예비가열된 사철을 환원하는 단계; 를 포함하는 사철을 이용한 직접환원철 제조방법이 제공될 수 있다.
본 발명의 하나 또는 다수의 실시예에서는 산화된 사철의 냉각 단계 이후에, 상기 용해된 메타바나드산나트륨(NaVO3) 이온을 침전조에서 염화암모늄(NH4Cl)과 반응시켜 암모늄 메타바나데이트(NH4VO3)를 침전시키는 단계; 상기 침전조를 가열하여 염화나트륨(NaCl)을 석출하고, 상기 석출된 염화나트륨을 혼합기로 이송하는 단계; 및 상기 염화나트륨 석출 단계에서 증류된 물을 응축하여 상기 산화된 사철의 냉각 단계에 공급하는 단계; 를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 하나 또는 다수의 실시예에서는 혼합 단계에서 염화나트륨(NaCl)은 사철 100 중량부에 대하여 20~25중량부를 혼합하는 것을 특징으로 하며, 환원 단계에서의 반응 가스는 천연가스, 천연가스 개질가스 또는 석탄 연소 가스 중 하나 이상인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 하나 또는 다수의 실시예에서 산화 단계는 850~1000℃의 범위에서 이루어지는 것을 특징으로 하며, 산화 단계는 상기 예비가열 단계에서의 배가스 연소를 통해 공기를 간접 가열하는 단계를 더 포함할 수 있고, 예비가열단계는 상기 환원단계에서의 배가스의 공급에 의해 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예들은 사철을 유동형 산화로를 이용해 산화시킴으로써 공정을 단순화할 수 있고, 산화를 통해 사철의 환원성을 개선하고 동시에 V를 회수함으로써 산화공정에 대한 부담을 상쇄시킬 수 있다. 사철 중 V 제거를 통해 직접환원철 내 V 함량 감소로 용선 중 V 함량을 줄일 수 있어 사철 사용량을 증대시킬 수 있다.
또한, V를 회수하기 위해 많은 물과 NaCl이 필요하나 재순환 및 재사용할 수 있는 공정을 설계하여 효율성을 증대시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 사철을 이용한 직접환원철 제조장치의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 가스가열기 및 그 주변부를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 사철을 이용한 직접환원철 제조방법의 순서도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 유동형 산화로와 환원로를 이용한 사철을 이용한 직접환원제조 장치의 개략도인데, 도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 사철을 이용한 직접환원철 제조장치는 사철과 염화나트륨(NaCl)을 혼합하는 혼합기(10), 상기 혼합된 사철을 산화시키는 유동형 산화로(20), 상기 산화된 사철을 냉각시켜 메타바나드산나트륨(NaVO3)를 물에 용해시키는 냉각조(30), 상기 냉각된 산화 사철을 건조시키는 건조기(40), 상기 건조된 사철을 예비가열하는 유동형 예비가열로(50), 상기 예비가열된 사철을 천연가스나 석탄 가스를 이용해 환원시키는 유동형 환원로(60)를 포함하여 이루어진다.
또한, 본 발명에 따른 사철을 이용한 직접환원철 제조장치는 상기 냉각조(30)의 물에 용해된 메타바나드산나트륨(NaVO3)를 염화암모늄(NH4Cl)과 반응시켜 암모늄메타바나데이트(NH4VO3)로 만들어 침전시키는 침전조(70), 상기 침전조(70)의 물을 가열하여 NaCl을 석출시키는 석출기(80)를 포함하며, 상기 석출된 NaCl을 혼합기로 이송하여 재사용할 수 있다.
도 1의 혼합기(10)에서 혼합된 사철은 산화로 장입관(11)을 따라 유동형 형 산화로(20)에 장입되는데, 사철의 입도 분포가 좁아 산화를 위해 유동형 반응로 사용이 용이하다. 이때 산화 및 유동화 가스는 공기이며 도 2의 공기주입관(22)을 따라 유동형 산화로(20)에 주입되며 이때 공기의 온도는 650~850℃이다.
도 2는 본 발명에 따른 실시예의 예비가열로(50)와 유동형 산화로(20)의 사이에 위치한 가스가열기(53)를 도시한 것인데, 도 2를 참조하면, 상기 예비가열로(50)와 유동형 산화로(20)의 사이에 가스가열기(53)가 설치되어 예비가열로(50) 배가스를 연소한 후 이 연소열을 이용하여 상온의 공기를 간접 가열하여 상온의 공기를 가열할 수 있도록 하였다. 이렇게 함으로써 상기 유동형 산화로(20)에 공급되는 공기를 가열할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 사철을 이용한 직접환원철의 제조공정에 대하여 구체적으로 설명한다.
본 발명에 따른 실시예의 사철은 혼합기(10)내에서 염화나트륨(NaCl)과 혼합(S100)된다. 이때, 상기 NaCl의 양은 사철 100중량부에 대하여 20~25중량부를 혼합한다. 상기 범위를 벗어나면 바나듐(V)의 추출 효율이 떨어진다.
상기 혼합된 사철과 염화나트륨을 유동형 산화로(20)에 이송하여 유동층에 의해 상기 사철을 산화(S110)시킨다. 상기 산화 반응에 의해 메타바나드산나트륨(NaVO3)이 생성되는데, 이는 유동형 산화로(20)에서 생성되며 유동형 산화로(20)의 조업 온도는 850~1000℃이며 이는 가열된 공기가 사철과 산화반응에 의한 반응열에 의해 얻어진다. 1000℃에서 NaCl과 사철 V가 최적으로 반응하며 850℃에서는 반응효율이 떨어지고 1000℃ 이상에서는 용융물이 형성되어 조업에 어려움을 줄 위험이 있어 본 발명에 따른 실시예에서는 상기 유동형 산화로(20)의 조업 온도를 상기 범위로 한정한다. 사철의 산화 반응 시간은 약 30~60분 정도이며 산화시 사철 내부에 마그네타이트 격자(Magnetite Lattice)에 존재하고 있는 V가 사철 외부로 이동한다. 외부로 이동된 V는 사철 표면에 흡착되어 있는 NaCl과 반응하여 NaVO3가 형성된다.
또한, 이렇게 산화시킨 사철에는 티탄자철광(Titanomagnetite)와 티탄적철광(Titanohematite)이 혼재되어 있고 많은 크랙(Crack)과 기공(Pore)이 형성되어 있다. 반응 시간이 길 수록 V 회수율과 산화정도가 증가하나 생산성은 떨어지는 단점이 있다.
고온에서 산화된 사철은 배출관(21)을 따라 온도가 25~80℃인 냉각조(30)로 이송되어 냉각(S120)되며, 동시에 사철 표면에 분포되어 있는 메타바나드산나트륨(NaVO3)이 물에 용해된다. 물에 용해된 상기 메타바나드산나트륨 화합물은 해리되어 Na+ 와 VO3- 이온 상태로 존재하며 냉각조(30)에 침전되지 않고 물에 용해되어 있다. 이러한 용해과정을 통해 사철 중 바나듐(V)의 총 함유량의 약 90% 이상을 회수할 수 있다. V가 제거된 사철은 더 이상 용선 성분 중 바나듐 증대에 영향을 주지 않는다.
사철은 입도가 50~200㎛로 간단한 여과장치를 통해 비교적 쉽게 물과 분리할 수 있어 도 1에 도시된 바와 같이, 이렇게 분리된 사철은 건조기 장입관(31)을 따라 건조기(40)에 장입되어 건조(S130)되며 상기 건조기(40) 내에서 사철의 수분 함량은 3% 이내로 낮아진다. 상기 건조기(40)는 제철 공정 중 발생하는 부생 배가스를 이용하여 사철을 100~200℃까지 가열할 수 있다.
또한, 상기 건조된 사철은 유동형 예비가열로(50)에 예비가열로 장입관(41)을 따라 장입되어 예비가열(S140)된다. 상기 유동형 예비가열로(50)의 온도는 400~700℃이며 사철 중에 함유된 결정수를 제거하거나 또는 유동형 환원로(60) 공정 전에 사철을 예비환원하는 것이 목적이다. 반응 및 체류시간은 30~60분이며 반응압력은 상압에서 10bar이다. 예비가열로(50)에 주입되는 유동 및 예비가열 가스는 도 2에 도시된 바와 같이, 유동형 환원로(60)의 배가스를 이용하여 유동형 환원로 배가스관(62)를 따라 이동된다. 이때, 예비환원된 사철은 환원율 10~20% 미만이고, 자철광 원광의 환원율은 11%정도이다.
상기 예비환원된 사철은 환원로 장입관(51)을 따라 유동형 환원로(60)로 이송되어 환원(S150)된다. 이때, 상기 유동형 환원로(60)의 반응 온도는 850~1000℃이다. 반응 압력은 상압에서 10bar이다. 반응압력이 상승할 수록 환원속도 및 탄화속도 증대에 유리하다. 반응 및 체류시간은 30~60분이다. 산화된 사철은 반응성이 매우 좋아 일반 적철광과 유사한 반응성을 갖는다. 반응시간이 증대할 수록 환원율은 증가하며 환원율 최대 90%까지 가능하다. 주입되는 가스는 천연가스 또는 천연가스와 천연가스를 개질한 가스의 혼합가스를 사용할 수 있다. 또는, CO가 다량 함유되어 있는 천연가스 개질 가스 또는 석탄 연소 가스를 사용할 수 있다. 이렇게 제조된 환원철은 V 함량이 낮아 제강 공정에서 V 제거에 대한 조업적 부담이 경감되는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 실시예에서는 냉각조(30)의 물이 냉각조 배수관(32)를 통해 침전조(70)로 이동되고 염화암모늄(NH4Cl)은 염화암모늄 주입관(71)을 따라 침전조(70)로 이동시켜 침전반응(S160)시킨다. 이러한 반응을 통해 암모늄 메타바나데이트(NH4VO3) 침전물이 얻어진다. 상기 침전된 암모늄 메타바나데이트(NH4VO3)는 여과되어 걸러지고 침전조(70)의 물에는 Na+, Cl-이온이 녹아있다. 이 염수는 염수배출관(73)을 따라 석출기(80)로 이송되어 NaCl로 석출(S170)된다. 상기 석출기(80)는 물을 가열하여 수증기는 날려버리고 NaCl을 석출시킨다. 석출된 NaCl은 염배출관(81)을 따라 다시 혼합기(10)로 이송되어 재 사용된다. 수증기로 증발된 물은 수증기 배출관(82)을 따라 응축기(90)로 이송되어 응축된 후 응축수 배출관(91)을 따라 냉각조(30)로 이송되어 재사용된다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변경된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (12)

  1. 사철을 이용한 직접환원철 제조 장치에 있어서,
    상기 사철과 염화나트륨(NaCl)을 혼합하는 혼합기;
    상기 혼합기에서 혼합된 사철을 산화시키는 유동형 산화로;
    상기 산화된 사철을 냉각시켜 상기 산화된 사철 내의 메타바나드산나트륨(NaVO3)를 용해시키는 냉각조;
    상기 냉각된 산화 사철을 건조시키는 건조기;
    상기 건조된 사철을 예비가열하는 예비가열로; 및
    상기 예비가열된 사철을 환원하는 유동형 환원로;
    를 포함하는 사철을 이용한 직접환원철 제조장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 냉각조로부터 용해된 메타바나드산나트륨(NaVO3) 이온을 염화암모늄(NH4Cl)과 반응시켜 암모늄 메타바나데이트(NH4VO3)를 침전시키는 침전조;
    상기 침전조를 가열하여 염화나트륨(NaCl)을 석출하고, 상기 석출된 염화나트륨을 혼합기로 이송하는 석출기; 및
    상기 석출기에서 증류된 물을 응축하여 상기 냉각조에 공급하는 응축기;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 사철을 이용한 직접환원철 제조장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 유동형 산화로는 작동 온도가 850~1000℃인 것을 특징으로 하는 사철을 이용한 직접환원철 제조장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 유동형 산화로와 상기 예비가열로의 사이에 설치되고, 상기 예비가열로 배가스의 연소를 통해 공기를 간접 가열하는 가스가열기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 사철을 이용한 직접환원철 제조장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 유동형 환원로와 상기 예비가열로 사이에 설치되고, 상기 예비가열로에 상기 유동형 환원로의 배가스를 공급하는 유동형 환원로 배가스관을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 사철을 이용한 직접환원철 제조장치.
  6. 사철을 이용한 직접환원철 제조방법에 있어서,
    상기 사철과 염화나트륨(NaCl)을 혼합하는 단계;
    상기 혼합된 사철을 산화시키는 단계;
    상기 산화된 사철을 냉각시켜 상기 산화된 사철 내의 메타바나드산나트륨(NaVO3)를 용해시키는 단계;
    상기 냉각된 산화 사철을 건조시키는 단계;
    상기 건조된 사철을 예비가열하는 단계; 및
    상기 예비가열된 사철을 환원하는 단계;
    를 포함하는 사철을 이용한 직접환원철 제조방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 산화된 사철의 냉각 단계 이후에,
    상기 용해된 메타바나드산나트륨(NaVO3) 이온을 침전조에서 염화암모늄(NH4Cl)과 반응시켜 암모늄 메타바나데이트(NH4VO3)를 침전시키는 단계;
    상기 침전조를 가열하여 염화나트륨(NaCl)을 석출하고, 상기 석출된 염화나트륨을 혼합기로 이송하는 단계; 및
    상기 염화나트륨 석출 단계에서 증류된 물을 응축하여 상기 산화된 사철의 냉각 단계에 공급하는 단계;
    를 포함하는 사철을 이용한 직접환원철 제조방법.
  8. 제6항 또는 제7항에 있어서,
    상기 혼합 단계에서 염화나트륨(NaCl)은 사철 100 중량부에 대하여 20~25중량부를 혼합하는 것을 특징으로 하는 사철을 이용한 직접환원철 제조방법.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 환원 단계에서의 반응 가스는 천연가스, 천연가스 개질가스 또는 석탄 연소 가스 중 하나 이상인 것을 특징으로 하는 사철을 이용한 직접환원철 제조방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 산화 단계는 850~1000℃의 범위에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 사철을 이용한 직접환원철 제조방법.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 산화 단계는 상기 예비가열 단계에서의 배가스 연소를 통해 공기를 간접 가열하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 사철을 이용한 직접환원철 제조방법.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 예비가열단계는 상기 환원단계에서의 배가스의 공급에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 사철을 이용한 직접환원철 제조방법.
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