KR101349238B1 - 직접 제련 설비 - Google Patents

Abstract

본 발명은 직접 제련 공정에 기반한 용탕을 이용하여 금속함유 공급 물질로부터 용융 금속을 생산하는 직접 제련 설비를 개시한다. 상기 설비는 용기로 산소함유 가스를 주입하기 위하여, 직접 제련 용기의 측벽에 형성된 개구를 통해 하향 연장되는 다수의 가스 주입 랜스들을 포함한다.

직접 제련, 직접 제련 용기, 용탕, 랜스, 산소함유 가스

Description

직접 제련 설비 {DIRECT SMELTING PLANT}

본 발명은 광석, 부분 환원된 광석, 금속 함유 폐기물질과 같은 금속함유 공급물질로부터 용융 금속(molten metal)을 생산하는데 이용되는 직접 제련 설비에 관한 것이다.

공지된 직접 제련 공정은 반응 매체(reaction medium)로서 용탕(molten bath)에 기반하며, 일반적으로 HIsmelt 공정으로 불려지고, 본 출원인의 국제출원 PCT/AU96/00197(국제공개 제96/31627호)에 기술되어 있다. 상기의 국제출원에 개시된 사항을 하기에서 참조하기로 한다.

상기의 국제출원에 개시된 용선(molten iron)을 생산하는 HIsmelt 공정은,

(a) 직접 제련 용기(direct smelting vessel) 내에 용선과 슬래그의 용탕을 형성하는 단계;

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

(c) 금속층(metal layer)에서 금속함유 공급 물질을 철로 제련하는 단계;를 포함한다.

여기서, "제련(smelting)"이라 함은 산화 금속을 환원시키는 화학 반응이 일어나 용융 금속을 생산하는 열처리 공정을 의미한다.

상기 HIsmelt 공정은 상기 용탕으로부터 방출된 일산화탄소(CO)와 수소(H₂)와 같은 반응 가스를 상기 용탕 위의 공간에서 산소함유 가스와 함께 후연소하는 과정과, 후연소에 의해 발생된 열을 상기 용탕으로 전달하여 상기 금속함유 공급 물질을 제련하는데 필요한 열 에너지를 공급하는 과정을 포함한다.

상기 HIsmelt 공정은 또한 상기 용탕의 공칭 정지표면(nominal quiescent surface) 위에서 전이 구역(transition zone)을 형성하는 과정을 포함하며, 많은 양의 용융 금속 및/또는 슬래그의 액적(droplets) 또는 튕겨진 액체(splashes)나 흐름(streams)이 상기 용탕 안에서 상승하고, 그 후 하강함으로써, 상기 용탕 위에서 후연소 반응 가스들에 의해 발생된 열 에너지를 상기 용탕으로 전달하는 효과적인 매체를 제공하게 된다.

상기의 HIsmelt 공정에서, 상기 금속함유 공급 물질과 고체 탄소질 물질은 다수의 랜스/송풍구(lances/tuyeres)를 통해 상기 용탕으로 주입된다. 상기 다수의 랜스/송풍구는 세로로 경사지게 배치되어(inclined to the vertical), 상기 직접 제련 용기의 측벽을 통해 내측으로 하향 연장된다. 이로써 상기 다수의 랜스/송풍구는 상기 용기의 하부 영역으로 연장되어, 상기 용기의 바닥에 있는 금속층으로 고체 물질의 적어도 일부를 공급하게 된다. 상기 용기의 상부에서 반응 가스들의 후연소를 촉진하기 위하여, 산소가 강화된(oxygen-enriched) 고온의 공기를 압축하 여 하향 연장된 고온 공기 주입 랜스(hot air injection lance)를 통해 상기 용기의 상부에 주입하게 된다. 상기 용기에서 반응 가스들의 후연소로 인해 발생된 오프가스(offgas)는 오프가스 덕트(duct)를 통해 제거된다. 상기 용기는 그의 측벽과 지붕에 내화 처리된(refractroy-lined) 수냉식 패널(water cooled panels)들을 포함하며, 순환로(continuous circuit) 내의 상기 패널들을 통해 물이 지속적으로 순환하게 된다.

상기의 HIsmelt 공정은 하나의 소형 용기에서 직접 제련함으로써 용선과 같은 용융 금속을 대량으로 생산할 수 있게 한다. 이를 위해, 대량의 고온의 공기를 상기 직접 제련 용기로 그리고 상기 직접 제련 용기로부터 수송하고, 철함유 공급 물질과 같은 금속함유 공급 물질을 대량으로 상기 용기에 수송하며, 공정 중에 상기 용기로부터 생산되는 대량의 용융 금속 생성물과 슬래그를 수송하고, 상대적으로 한정된 영역 내에서 상기 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 철거하는 것(lifting of equipment)을 가능하게 하기 위해 접근 및 취급 설비(access and handling facilities)를 제공할 필요가 있다.

내화 가열로(refractory hearth)의 내부 직경이 6m인 용기에 기반한 상업적인 HIsmelt 직접 제련 설비는 서부 오스트레일리아의 크위나나(Kwinana, Western Australia)에서 건설된 바 있다. 상기 설비는 HIsmelt 공정으로 작동하며, HIsmelt 공정을 통해 상기 용기에서 연간 800,000 톤의 용선을 생산할 수 있게 설계되었다.

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

본 출원인은 HIsmelt 공정의 규모를 확장하는데 많은 문제에 직면하였으며, HIsmelt 직접 제련 설비의 변경된 설계안을 도출하게 되었다.

본 발명은 앞서 언급한 바 있는 상업적인 HIsmelt 직접 제련 설비의 변경된 설계안에 따른 직접 제련 설비에 관한 것이다.

또한 본 발명에 따른 직접 제련 설비는 다른 형태의 직접 제련 공정을 수행하는데 이용될 수 있다.

직접 제련 공정에 기반한 용탕(molten bath)을 이용하여 금속함유 공급 물질로부터 용융 금속을 생산하는 본 발명에 따른 직접 제련 설비는,

(a) 금속과 슬래그의 용탕 및 상기 용탕 상부에 가스 공간(gas space)을 수용하고, 가열로(hearth)와 측벽을 포함하되, 상기 측벽은 (ⅰ) 하부 실린더 섹션; (ⅱ) 상기 하부 실린더 섹션보다 작은 직경을 가지는 상부 실린더 섹션; 및 (ⅲ) 상기 상부, 하부 실린더 섹션을 상호 연결하는 전이 섹션(transition section)을 포함하는 고정성 직접 제련 용기;

(b) 금속함유 공급 물질과 탄소질 물질을 포함하는 고체 공급 물질을 상기 용기로부터 이격된 고체 공급 물질 공급 위치로부터 상기 용기로 공급하는 고체 공급 조립체(solids feed assembly);

(c) 상기 용기로부터 이격된 산소함유 가스 공급 위치로부터 상기 용기로 산소함유 가스를 공급하고, (ⅰ) 상기 용기의 상기 측벽의 상기 전이 섹션에 형성된 개구들을 통해 하향 연장되어 상기 용기로 산소함유 가스를 주입하는 다수의 가스 주입 랜스들을 포함하는 가스 주입 조립체 및 (ⅱ) 상기 용기로부터 이격된 가스 공급 위치로부터 연장되어 상기 가스 주입 조립체로 산소함유 가스를 공급하는 가스 공급 덕트 조립체를 포함하는 산소함유 가스 공급 조립체;

(d) 상기 용기로부터 오프가스의 흐름을 촉진하는 오프가스 덕트 조립체(offgas duct assembly);

(e) 제련 공정(smelting operation)이 진행되는 동안, 상기 용탕으로부터 용융 금속을 배출하는 금속 배출 조립체(metal tapping assembly); 및

(f) 제련 공정(smelting operation)이 진행되는 동안, 상기 용탕으로부터 슬래그를 배출하는 슬래그 배출 조립체(slag tapping assembly)를 포함한다.

상기 가스 주입 랜스들은 상기 용기로 산소함유 가스를 주입하여, 상기 용탕으로부터 배출되는 일산화탄소와 수소와 같은 반응 가스들을 연소시키고, 연소에 의해 발생된 열을 상기 용탕으로 다시 공급하기 위한 것이다.

하나의 랜스보다는 다수의 가스 주입 랜스들을 사용함으로써, 동일한 유량(flow rate)의 가스를 공급함에 있어서 더 작은 다수의 랜스들을 설치할 수 있으므로 랜스들의 크기와 무게를 줄일 수 있다. 따라서 더 작은 크기의 랜스들을 선택할 수 있으므로, 이는 작동 수명(operating campaign) 동안 요구되는 랜드들을 지지하고 교체하는 문제를 경감하게 된다. 2백만톤의 HIsmelt 설비용 단일 가스 주입 랜스는 90톤 정도의 중량인 반면에, 80만톤의 HIsmelt 설비용 단일 가스 주입 랜스는 50톤 정도의 중량에 달한다. 이하에서 설명될 동등한 다수의 가스 주입 랜스들의 중량은 대략 20톤 정도에 불과하다. 뿐만 아니라, 본 출원인의 연구 결과는 동일한 가스 유량을 제공함에 있어서, 다수의 랜스들은 더 큰 크기의 단일 랜스와 동등한 성능을 제공함을 보여주었다.

상기 용기로 주입되는 산소함유 가스에 소용돌이를 일으키기 위하여, 상기 가스 주입 랜스들은 부분적으로 형성된 내부 소용돌이부(internal swirler)를 구비할 수 있다. 그러나 내부 소용돌이부는 랜스들의 구조를 복잡하게 하고 비용을 가중시키는 것으로, 용기로 주입되는 산소함유 가스에 소용돌이를 일으키는 것이 중요한 것은 아니며, 바람직하게는 주입 시점에서, 랜스들은 소용돌이치는 흐름을 발생시키지 않고 직선 흐름으로 산소함유 가스를 상기 용기로 주입할 수 있다. 출원인의 연구 결과는 독립된 다수의 소용돌이형 랜스들은 동일한 크기와 동일한 가스 유량을 공급하는 다수의 직선형 랜스(non-swirl lance)들과 비교할 때 열전달을 유발하는 운동량(momentum)이 부족함을 보여주었다. 뿐만 아니라, 소용돌이형 랜스들보다는 직선형 랜스들로 직접 제련 공정을 수행할 수 있게 함으로써, 랜스들을 구성함에 있어서 복잡성과 비용을 현저하게 줄일 수 있게 된다.

용기의 구성(configuration)과 크기, 용기 내에서 진행되는 공정의 작동 요구 사항(operating requirements)들을 포함하는 요소(factor)들의 범위에서 주어진 여건에 따라 가스 주입 랜스들의 수가 선택될 수 있다. 출원인의 연구 결과는 HIsmelt 공정에 의해 연간 2백만톤의 용융 금속을 생산할 수 있게 설계된 용기에서는 3개 또는 4개의 랜스들이 바람직함을 보여주었다.

바람직하게는, 공정이 진행되는 동안 상기 용기 내에서 형성되는 용융 물질의 상향으로 확장된 분수(upwardly extending fountain), 대체로 환형의 분수(annular fountain)를 향해 산소함유 가스가 주입되도록 가스 주입 랜스들의 위치가 선택된다. 산소와 상기 분수, 더 구체적으로는 상기 용탕으로부터 배출되는 상기 분수 내의 일산화탄소와 수소 같은 연소 가스의 상호 작용을 최대화하는 관점에서, 단일 랜스를 사용하기보다는 다수의 랜스들을 사용하는 것이 바람직하다.

바람직하게는, 각각의 가스 주입 랜스는 가스의 흐름을 아래 쪽으로, 상기 용기의 중앙부 수직 코어의 외측으로 향하게 배열된다.

바람직하게는, 각각의 가스 주입 랜스는 가스의 흐름을 아래 쪽으로, 외측으로 상기 용기의 상기 측벽을 향하게 배열된다. 가스 주입 랜스들을 이와 같이 배열함으로써, 상기 용기의 중심부에서 반응 가스들의 연소가 집중되어 상측으로 흐르는 오프가스와 함께 상기 용기의 상부로 손실되는 열을 줄일 수 있다.

바람직하게는, 각각의 가스 주입 랜스는 아래 쪽으로 상기 용기의 내부를 향하며, 상기 용기의 수직 평면과 방사상 평면(radial plane)에 대하여 경사지게 위치되어 상기 랜스로부터의 가스 흐름의 방향은 방사 방향, 원주 방향의 성분(radial and circumferential component)을 가진다.

바람직하게는, 각각의 가스 주입 랜스는 아래 쪽으로 상기 용기의 내부를 향하며, 상기 랜스의 축(axis)은 상기 용기의 방사상 평면에 대하여 40도 내지 80도 각도 사이의 범위에서 연장되는 수직 평면 내에 위치됨과 아울러, 수평면에 대하여 40도 내지 80도 각도 사이의 범위에 위치되는 수직 평면 내에서 연장된다.

바람직하게는 각각의 가스 주입 랜스의 배출단(outlet end)은 상기 용기 내에 위치되면서, 상기 용기의 상기 측벽의 상기 상부 실린더 섹션보다 더 큰 직경을 가지는 가상의 원의 원주 상에 위치된다.

바람직하게는, 상기 용기 내에서 각각의 가스 주입 랜스의 위치는,

(a) 설정된 위치에 랜스의 팁(tip)을 위치시킨 상태로, 상기 랜스를 수직으로 위치시킨 다음,

(b) 상기 랜스의 팁의 위치를 고정한 상태로, 상기 랜스의 팁을 지나는 방사상 평면에 수직하면서 상기 랜스의 팁을 지나는 수직면 내에서 30도 내지 40도 각도, 더 바람직하게는 35도 각도로 상기 랜스를 회동시킨 다음,

(c) 상기 랜스의 팁의 위치를 고정한 상태로, 상기 방사상 평면을 향해 외측으로 25도 내지 35도의 각도, 더 바람직하게는 30도 각도로 상기 랜스를 회전시킴으로써 설정된다.

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

바람직하게는, 상기 가스 주입 랜스들을 위한 상기 랜스 개구들은 상기 용기 상에서 동일한 높이에 있으며, 상기 용기의 측벽 외주면을 따라 동일한 간격으로 위치된다.

바람직하게는, 상기 금속함유 공급 물질은 철광석(iron ore)을 포함한다.

바람직하게는, 상기 탄소질 물질은 석탄(coal)을 포함한다.

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

도 3은 상기 용기를 나타내는 사시도,

도 4는 상기 용기를 나타내는 측면도,

도 5는 상기 용기의 내부에서 내화 벽돌(refractroy bricks)의 배열을 나타내는 측면도,

도 6은 상기 용기의 고체 주입 랜스들과 고온 공기 주입 랜스들을 배치를 나타내는 측면도,

도 7은 도 6의 라인 A-A를 따라 절개한 모습을 나타내는 단면도,

도 8은 도 6의 라인 B-B를 따라 절개한 모습을 나타내는 단면도,

도 9는 상기 용기 내에서 고체 주입 랜스들의 배열을 나타내는 도식도(diagram),

도 10은 상기 고체 주입 랜스들과 고온 공기 주입 랜스들을 상기 용기로부터 취출 / 삽입(extraction and insertion)하는 것을 나타내는 상기 용기의 선택된 구성요소들을 개략적으로 나타내는 상부 평면도(diagrammatic top plan view),

도 11은 상기 용기를 나타내는 상부 평면도(top plan view),

도 12는 상기 오프가스 덕트를 구비하고, 고온의 압축 공기 공급 시스템이 제거된 상기 용기를 나타내는 상부 평면도,

이하에서 본 발명은 첨부된 도면을 참조한 구체적인 실시 예를 통해 더 상세 하게 설명될 것이다.

첨부된 도면들에 도시된 직접 제련 설비는, 특히, 국제특허출원번호 PCT/AU96/00197(국제공개특허번호 제96/31627호)에 개시된 HIsmelt 공정에 따라 금속함유 물질을 제련하는데 적합한 것이다.

상기 설비는 HIsmelt 공정에 따른 금속함유 물질을 제련하는데에만 한정되지는 않는다.

하기의 상세한 설명은 HIsmelt 공정에 따라 철광석을 제련하여 용선을 생산하는 내용을 포함한다.

본 발명은 용선을 생산하는 것에만 한정되지 않고, 다른 어떠한 종류의 금속함유 물질을 직접 제련할 수 있는 것으로 이해되어야 할 것이다.

하기의 상세한 설명은 상기 직접 제련 설비의 직접 제련 용기와, 상기 용기에 직접 결합된 고체와 기체 주입 랜스 등의 장치에 집중된다.

상기 직접 제련 설비는 또한 상기 용기의 상부에서 상기 용기로 공급되는 공급 물질을 처리하는 장치, 상기 용기에서 생산되는 생산물(용융 금속, 용융 슬래그 및 오프가스)을 처리하기 위한 장치를 포함하는 또 다른 장치들을 포함한다. 이러한 다른 장치들은 상기 설비의 일부분을 구성하기는 하지만, 본 발명의 요지에서 벗어나기 때문에, 그 상세한 설명은 생략하기로 한다. 이러한 다른 장치들은 다른 특허출원과 본 출원인에게 허여된 특허들을 통해 설명되며, 이러한 특허출원이나 특허들의 상세한 설명을 참조하기로 한다.

도면들을 참조하면, 도시된 본 발명에 따른 직접 제련 설비의 실시 예는,

(a) 금속과 슬래그의 용탕(molten bath)(41)과 상기 용탕의 상부에 위치되는 가스 공간(43)을 수용하는 고정성 직접 제련 용기(3);

(b) 금속함유 공급 물질과 탄소질 물질을 포함하는 고체 공급 물질을 상기 용기로 공급하는 12개의 고체 주입 랜스(5a, 5b)들을 포함하는 고체 공급 조립체;

(c) 상기 용기로 산소함유 가스를 공급하는 산소함유 가스 공급 조립체로서, 상기 산소함유 가스 공급 조립체는,

(c)(ⅰ) 상기 용기의 상기 가스 공간 및/또는 상기 용탕으로 산소함유 가스를 주입하는 4개의 가스 주입 랜스(5)들 형태의 가스 주입 조립체와,

(c)(ⅱ) 링 배관(9)과, 산소함유 가스, 대체로 공기 또는 산소가 강화된(oxygen-enriched) 공기를 상기 가스 주입 랜스(7)들에 공급하기 위하여, 하나가 각각의 상기 가스 주입 랜스(7)에 결합되어 상기 링 배관(9)을 상기 가스 주입 랜스(7)들에 연결하는 다수의 부재(49)들을 포함하는 가스 공급 덕트 조립체를 포함하고,

(d) 상기 용기로부터 배출되는 오프가스의 흐름을 촉진하는 두 개의 오프가스 덕트(11)들을 포함하는 오프가스 덕트 조립체를 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 상기 경계부 빔들을 상호 연결하는 일련의 교차 부재(95)들을 형성하기 위해 조립되는 강철 빔(steel beam)들로 형성된 상부 구조물(89)을 포함한다. 상기 상부 구조 물(89)은 도시되지 않은 행거(hanger)들을 통해 상기 가스 공급 덕트 조립체의 상기 링 배관(9)을 지지한다. 상기 상부 구조물은 또한 상기 용기(3)의 다른 높이에서 작업자가 상기 용기(3)로 접근할 수 있게 하는 도시되지 않은 다수의 플랫폼들을 포함한다.

상기 용기(3)는, (a) 내화벽돌로 형성된 베이스(21)와 측면(23)들을 포함하는 가열로, (b) 상기 가열로로부터 상향 연장된 측벽(25) 및 (c) 구형 돌출 지붕(torispherical roof)(27)을 포함한다. 상기 용기(3)의 크기에 대하여 말하자면, 연간 2백만톤의 용선을 생산하게 설계된 용기(3)는 8m 정도의 가열로 (내부) 직경이 요구된다.

상기 용기(3)의 상기 측벽(25)은 상기 용기(3)가 (a) 하부 실린더 섹션(29), (b) 상기 하부 실린더 섹션(29)보다 작은 직경을 가지는 상부 실린더 섹션(31) 및 (c) 상기한 두 섹션(29, 31)을 상호 연결하는 원뿔대 섹션(frusto-conical section)(33)을 포함하도록 형성되어 있다.

상기 용기의 측벽(25)의 상기한 세 개의 섹션(29, 31, 33)은 상기 측벽(25)을 세 개의 분리된 영역으로 분할하게 됨은 하기의 상세한 설명 및 도면을 통해 명백하다. 상기 하부 섹션(29)는 상기 고체 주입 랜스(5a, 5b)들을 지지한다. 상기 원뿔대 섹션(33)은 상기 가스 주입 랜스(7)을 지지한다. 결과적으로, 상기 상부 섹션(31)은 사실상 상기 용기에서 배출되는 오프가스의 챔버가 된다.

상기 용기(3)의 상기 측벽(25)과 지붕(27)은 도시되지 않은 다수의 수냉식 패널을 지지하고, 상기 설비는 냉각수 순환로(cooling water circuit)를 포함한다. 도 5를 참조하면, 상기 상부 섹션(31)은 단일 강철 패널을 포함하고, 상기 하부 섹션(29)은 이중 강철 패널을 포함한다. 상기 냉각수 순환로는 물을 상기 수냉식 패널로 공급하고, 가열된 물을 상기 수냉식 패널로부터 제거함으로써, 결국에는 상기 수냉식 패널로 물을 재공급하기 전에 가열된 물로부터 열을 추출하게 된다.

상기 용기(3)의 측벽(25)의 상기 원뿔대 섹션(33)은 상기 가스 주입 랜스(7)들을 위한 개구(35)들을 포함하고, 상기 랜스(7)들은 상기 개구(35)들을 통해 연장된다. 상기 랜스 개구(35)들은 장착 플랜지(37)들을 포함하며, 상기 랜스(7)들은 상기 플랜지(37)들에 장착되어 상기 플랜지(37)들에 의해 지지된다. 상기 랜스 개구(35)들은 상기 용기(3)의 같은 높이에서, 상기 용기(3)의 상기 측벽(25)의 둘레에 같은 간격으로 위치된다.

도 5를 참조하면, 상기 HIsmelt 공정에 따라 용선을 생산하기 위해 철광석 입자들을 제련하는 상기 용기(3)를 사용함에 있어서, 상기 용기(3)는 상기 용기(3)의 가열로 내에 함유된 용융 금속의 층(미도시)과 금속층(22) 상의 용융 슬래그의 층(미도시)을 포함하는 철과 슬래그의 용탕(41)을 수용한다. 도 5에 도시된 상기 용탕(41)은 작동하지 않는 상태(quiescent conditions), 말하자면, 어떠한 고체나 가스도 상기 용기(3)로 주입되지 않는 상태이다. 일반적으로, 연간 2백만톤의 용선을 생산하기 위한 상기 용기(3)에서 상기 HIsmelt 공정이 진행되는 때, 상기 용기(3)는 500톤의 용선과 700톤의 용융 슬래그를 함유한다.

도 3과 도 4를 참조하면, 상기 용기(3)는 또한 상기 가열로의 측면(23)에 두 개의 접근 출입구(access door)(45)들을 포함함으로써, 상기 용기의 내부에서 재라 이닝(re-lining) 작업 또는 다른 정비(maintenance) 작업을 위해 상기 용기(3)의 내부로 접근하는 것을 가능하게 한다.

상기 접근 출입구(45)들은 상기 측면(23)들에 용접된 강철판들로 형성된다. 상기 용기(3)의 내부로 접근이 요구되는 때, 상기 강철판들은 상기 가열로의 측면(23)들로부터 잘라 내지고, 상기 용기(3) 내에서의 작업이 완료된 후 제거된 강철판들은 적절한 위치에 용접된다. 상기 접근 출입구(45)들은 상기 용기(3)의 둘레를 따라 적어도 90도 각도 간격으로 이격된다. 이러한 간격은 상기 출입구(45)들을 통해 내화벽 제거 장비(refractroy wall demolition equipment)를 상기 용기의 내부에 이르게 하고, 상기 용기가 고온상태인 동안에 내화처리된 측벽의 내화벽의 상당 부분을 제거할 수 있게 한다. 뿐만 아니라, 상기 접근 출입구(45)들은 직경이 2.5m에 이를 정도로 충분히 크게 형성함으로써, 밥-캣(bob-cat)이나 이와 유사한 장비가 상기 용기(3)의 내부로 접근하는 것을 가능하게 한다.

도 3을 참조하면, 상기 용기(3)는 또한 상기 용기(3)의 지붕(27)에 유사한 접근 출입구(47)을 포함함으로써, 상기 용기(3) 내부의 재라이닝 작업 또는 다른 정비 작업을 위해 상기 용기의 내부로 접근하는 것을 가능하게 한다.

사용함에 있어서(in use), 상기 가스 주입 조립체의 상기 네 개의 가스 주입 랜스(7)들은 상기 용기(3)에서 일정 거리에 위치된 도시되지 않은 고온 가스 공급부(hot gas supply station)로부터 산소가 강화된 고온 압축 공기를 주입한다. 상기 고온 가스 공급부는 도시되지 않은 일련의 고온 가스 스토브(hot gas stove)들과 상기 고온 가스 스토브를 지나 고온 가스 공급 덕트(51; 도 2, 도 11에 도시됨) 로 산소가 강화된 공기를 흐르게 하는 도시되지 않은 산소 발생기(oxygen plant)를 포함하는데, 상기 고온 가스 공급 덕트(51)는 상기 링 배관(9)에 연결된다. 산소는 상기 공기의 흐름이 상기 스토프에 의해 가열된 후에 공기의 흐름에 첨가될 수 있다.

상기 가스 주입 랜스(7)들의 목적은 더운 공기가 상기 HIsmelt 공정의 일부로서 상기 용기(3) 내에서 상향으로 돌출되는 용융 금속과 슬래그의 분수(fountain), 구체적으로는 환상(annular)의 분수를 통과하고, 산소가 강화된 고온 공기는 용탕으로부터 배출되는 이산화탄소와 수소 등의 상기 분수 내에 있는 연소 가능한 가스들을 연소하도록 충분한 양(sufficient flow rate)의 산소가 강화된 고온 공기를 충분한 속도로 주입하는 것이다. 연소 가능한 가스들의 연소는, 상기 용융 금속과 슬래그가 하향 이동하여 상기 용탕으로 되돌아갈 때, 상기 용탕으로 전달되는 열을 발생시킨다.

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

상기 가스 주입 랜스(7)들은 상기 용기(3)의 측벽(25)의 상기 원뿔대 섹션(33)을 통해 상기 용기(3)의 상부 영역 내부로 하향 연장된다. 상기 랜스(7)들은 동일한 높이에서 상기 원뿔대 섹션(33)의 둘레를 따라 동일한 간격으로 배치된다. 상기 측벽(25)의 하부 섹션(29)을 향해 고온 공기를 주입하도록, 상기 랜스(7)들은 하향으로 또한 외측으로 연장되게 위치된다. 측벽에서의 연소로 인해 발생된 고열(high temperatures)은 용기의 내구성(vessel life)의 측면에서 바람직하지 못하기 때문에, 산소함유 가스가 상기 용기의 측벽(25)에 접촉되는 것은 바람직하지 못함에 유의해야 한다. 결과적으로, 상기 랜스(7)들은 그의 팁(53)들이 수평 원(horizontal circle)을 향하게 배열된다.

상기에서 설명하고 있는 "산소함유 오프가스를 하향/외측으로(downward and outward) 주입하는 것"은 도 5에서 참조번호 '139'로 지시되고 있는 상기 용기의 중앙부 수직 코어에서 상기 오프가스 덕트(11)로부터 배기되는 오프가스로 인한 열 손실을 야기하는 일산화탄소(CO)와 같은 반응 가스들의 연소를 회피할 수 있다는 점에서 바람직하다.

도 3에 도시된 바와 같이, 상기 가스 공급 덕트 조립체의 상기 링 배관(9)은 상기 용기(3)의 상부에 배치되는 환상의 덕트(circular duct)이다. 상술한 바와 같이, 상기 링 배관(9)은 상기 고온 가스 공급 덕트(51)에 연결되어 상기 덕트(51)로부터 산소가 강화된 공기를 공급받는다.

상기 링 배관(9)은 네 개의 방출구(65)들을 포함한다.

상기 가스 공급 덕트 조립체의 상기 연결 부재(49)는 상기 링 배관(9)과 상기 가스 주입 랜스(7)들을 연결한다.

각각의 가스 주입 랜스(7)용 상기 고온 연결 부재(49)는 상기 랜스(7)의 흡 입단으로부터 연장되는 스풀(61)과, 일단이 상기 스풀(61)에 연결되고 타단은 상기 링 배관(9)의 방출구(65)에 연결되는 확장 연결부(expansion joint)(63)를 포함한다.

사용함에 있어서, 상기 가스 주입 랜스(7)들은 상기 링 배관(9)과 상기 랜스(7)들을 상기 링 배관(9)에 연결하는 상기 연결 부재(49)를 통해 산소가 강화된 고온 공기를 공급받는다. 상기 링 배관(9)은 동일한 유량의 더운 공기를 각각의 상기 랜스(7)들로 공급하게 된다.

도 6과 도8을 참조하면,

(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, 상기 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 35도 각도만큼 기울이고(pivoting),

(c) 상기 랜스 팁(53)이 고정된 채로, 상기 방사상 평면을 향해 아래쪽으로 상기 랜스를 30도 각도만큼 회전시킴(rotating)으로써,

이론적으로 상기 용기(3) 내에서 각각의 상기 가스 주입 랜스(7)들의 위치가 설정된다.

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

엄밀히 말하자면, 상기 연결 부재(49)에 결합된 스풀(61)과 확장 연결부(63)를 각각의 랜스(7)와 링 배관(9)으로부터 분리함으로써, 각각의 상기 랜스(7)가 분 리될 수 있다. 그 후에, 상기 측벽(25)의 원뿔대 섹션(33)에 있는 상기 랜스용 개구(35)의 장착 플랜지(37)로부터 상기 랜스(7)를 체결한 볼트를 해제하고, 상기 랜스(7)를 도시되지 않은 고가 크레인(overhead crane)에 연결하여 상기 개구(35)로부터 상기 랜스(7)를 상측으로 들어 올리는 것이다.

분리된 랜스(7)들은 상기한 과정의 역순으로 상기 용기(3)에 삽입될 수 있다.

상기 고체 공급 조립체의 12개의 상기 고체 주입 랜스(5a, 5b)들은 상기 용기(3)의 측벽(25)의 하부 섹션(29)의 상기 측벽(25)에 형성된 도시되지 않은 개구를 통해 하향, 내측으로 연장되어 상기 용탕(41)의 도시되지 않은 슬래그층으로 연장된다. 상기 랜스(5a, 5b)들은 그의 팁들이 가상의 수평 원을 향하게 배열된다. 상기 측벽(25)은 장착 플랜지(69)를 포함하며, 상기 랜스(5a, 5b)들은 상기 플랜지(69)에 장착/지지된다.

도 7과 도 9를 참조하면, 상기 고체 주입 랜스(5a, 5b)들은 (a) 철광석 입자들과 그 유동을 상기 용기(3)로 주입하는 8개의 랜스(5a)들과, (b) 고체 탄소질 물질 및 그 유동을 상기 용기(3)로 주입하는 4개의 랜스(5b)을 포함한다.

상기 고체 물질들은 산소가 부족한 캐리어 가스(oxygen-deficient carrier gas)를 동반한다. 상기 랜스(5a, 5b)들 모두는 동일한 외경이며, 상기 용기(3) 상에서 같은 높이에 위치된다. 상기 랜스(5a, 5b)들은 상기 측벽(25)의 하부 섹션(29)의 둘레를 따라 같은 간격으로 배치되는데, 상기 철광석 주입 랜스(5a)들은 쌍을 이루어 배치되고, 하나의 석탄 주입 랜스(5b)가 철광석 주입 랜스(5a)의 서로 인접하는 쌍들을 분리하게 배치된다. 상기 용기로 고온의 철광석을 주입하는 상기 철광석 주입 랜스(5a)들을 쌍으로 배치함으로써, 상기 용기의 주위에서 파이프에 접근하는 문제를 경감할 수 있다.

사용함에 있어서, 제련 공정이 진행되는 동안, 상기 철광석 주입 랜스(5a)들은 고온 광석 주입 시스템을 통해 고온의 철광성 입자 및 그 유동을 공급받고, 상기 석탄 주입 랜스(5b)들은 탄소질 물질 주입 시스템을 통해 석탄 및 그 유동을 공급받게 된다.

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

도 9를 참조하면, 상기 탄소질 물질/유동 주입 시스템은 각각의 석탄 주입 랜스(5a)에 연결된 단일 공급 라인(77)을 포함한다.

상기 석탄 공급 라인(77)은 상기 고온 광석 분기 라인(75)의 외경보다는 더 작은 외경, 구체적으로 상기 분기 라인(75) 외경의 40~60%의 외경을 갖는다. 상기 랜스(5a, 5b)들의 내경은 동일한 것이 바람직하지만, 상기 고온 광석 공급 라인(73)과 고온 광석 분기 라인(75)의 단열의 필요성 때문에 해당 랜스들의 외경이 증가된다. 대체로, 상기 고온 광석 분기 라인(75)들은 400~600mm 범위의 동일한 외경을 가지며, 상기 석탄 공급 라인(55)들은 100~300mm 범위의 동일한 외경을 가진 다. 본 실시 예에서는 상기 고온 광석 분기 라인(75)은 500mm의 외경을 가지며, 상기 석탄 공급 라인(77)은 200mm의 외경을 가진다.

상기 고체 주입 랜스(5a, 5b)들은 상기 용기(3)로부터 분리 가능하게 배치되어 있다.

특히, 상기 고체 공급 조립체는 상기 용기로부터 상기 랜스가 분리된 동안 각각의 고체 주입 랜스(5a, 5b)들을 지지하고, 분리된 랜스를 용기(3)로 삽입하는 조립체를 포함한다. 각각의 랜스(5a, 5b)를 지지하는 상기 지지 조립체는 상기 용기(3)의 측벽(25)으로부터 상향, 외측으로 연장되는 연장 트랙(미도시), 상기 트랙을 따라 이동 가능한 운반대(carriage; 미도시) 및 상기 트랙을 따라 상기 운반대를 이동시키는 도시되지 않은 운반대 구동부(carriage dirve)를 포함하며, 상기 운반대는 상기 랜스들에 연결 가능하여 상기 랜스들을 상기 트랙 상에 지지될 수 있게 하며, 상기 운반대 구동부의 작동에 의해 상향, 외측으로 이동함으로써 상기 용기(3)로부터 상기 랜스들이 취출(extracted)되게 한다. 이러한 지지 조립체는 본 출원인에 의해 출원된 국제 출원 PCT/2005/001101과 PCT/AU2005/01103에 개시되고 있으며, 이러한 특허출원들의 상세한 설명을 참조하기로 한다.

상술한 바와 같이, 상기 직접 제련 설비는, 4개의 가스 주입 랜스들(7)과 12개의 고체 주입 랜스들(5a, 5b)을 구비하는 분리 및 교체 가능한 16개의 랜스들을 수용하며, 상기 용기(3)는 상대적으로 소형화된 용기(compact vessel)이다. 이러한 상기 용기(3)의 소형화와 상기 용기에 대한 링 배관(9) 및 가스 덕트(11)의 위치로 인해 상기 랜스들(7, 5a, 5b)의 분리와 교체함에 있어서 공간이 협소해지는 제약이 따르게 된다.

도 10을 참조하면, 상기 랜스들(7, 5a 5b)의 분리와 교체를 용이하게 하기 위하여, 상기 직접 제련 설비는 수직하게 연장된 다수의 고가 크레인 접근 구역(97a, 97b)들을 포함한다.

참조번호 '97a'로 지시되는 상기 접근 구역들은 상기 링 배관(9)의 외측이면서 상기 상부 구조물(89) 외측 경계부(91)의 내측에 위치되고, 총 12개의 상기 접근 구역(97a)들이 상기 12개의 고체 주입 랜스(5a, 5b)들에 상응하게 배치되어 있다. 상기 접근 구역(97a)들은 상기 고체 주입 랜스(5a, 5b)들의 분리와 교체를 가능하게 한다.

참조번호 '97b'로 지시되는 상기 접근 구역들은 상기 링 배관(9)의 내측에 위치되고, 총 4개의 접근 구역(97b)들이 상기 가스 주입 랜스(7)들에 상응하게 배치되어 있다. 상기 접근 구역(97b)들은 상기 가스 주입 랜스(7)들의 분리와 교체를 가능하게 한다.

상기 오프가스 덕트 조립체의 한 쌍의 오프가스 덕트(11)들은 HIsment 공정의 진행 중에 상기 용기(3)에서 생성된 오프가스가 대기로 배출되기 전에 하류 처리(downstream processing)를 위해 상기 용기(3)으로부터 흐르는 것을 허용한다.

상술한 바와 같이, 상기 HIsmelt 공정은 바람직하게는, 공기 또는 산소가 강화된 공기를 이용하여 작동하며, 이로써 상당한 부피의 오프가스가 생성되고, 상대적으로 큰 직경의 오프가스 덕트(11)들이 요구된다.

상기 오프가스 덕트(11)들은 상기 측벽(25)의 상부 섹션(31)으로부터 수평면 에 대하여 7도의 각도로 상향 연장된다.

도 11과 도 12에서 보여지는 바와 같이, 상기 오프가스 덕트(11)들은 상기 용기(3)의 상단에서 보았을 때 V-자 형상을 그리며, 상기 오프가스 덕트(11)들의 길이 방향의 축 X들은 66.32도의 각도를 이루게 된다. 상기 오프가스 덕트들은 그 중심 축 X들이 상기 용기(3)의 중앙 수직축(105)으로부터 연장되는 방사 방향의 라인 L 상의 지점 '101'에서 서로 교차하게 위치된다. 다시 말해서, 상기 오프가스 덕트들의 상기 축들 X는 상기 용기(3)의 중앙 수직축(105)으로부터 연장되는 반지름 방향은 아닌 것이다.

도 1과 도 2를 참조하면, 상기 직접 제련 설비는 상기 용기(3)로부터 배출되는 각각의 상기 오프가스 덕트(11)에 연결되어 오프가스를 냉각하는 개별적인 오프가스 후드(107)들을 포함한다. 상기 오프가스 후드(107)들은 상기 오프가스 덕트(11)들의 배출단(outlet end)으로부터 수직으로 상향 연장된다. 상기 오프가스 후드(107)들은 상기 후드를 통과하는 물/흐름(water/stream)과의 열교환을 통해 900~1100도의 온도까지 상기 용기(3)로부터 배출되는 오프가스를 냉각한다.

도 1과 도 2를 더 참조하면, 상기 직접 제련 설비는 또한 각각의 오프가스 후드(107)에 연결되어 냉각된 오프가스로부터 미립자를 제거하는 분리된 오프가스 집진기(109)를 포함한다. 뿐만 아니라, 각각의 오프가스 후드(107)는 상기 용기로부터 배출되어 상기 오프가스 후드(107)를 통해 흐르는 오프가스의 흐름을 제어하는 흐름 제어 밸브(미도시)에 연결된다. 상기 흐름 제어 밸브는 상기 오프가스 집진기(109)에 통합될 수 있다.

도 1과 도 2를 더 참조하면, 상기 직접 제련 설비는 또한 상기 양(both) 오프가스 집진기(109)에 연결된 단일 오프가스 냉각기(111)를 포함한다. 사용함에 있어서, 상기 오프가스 냉각기(111)는 상기 양 오프가스 집진기(109)로부터 불순물이 제거된 오프가스 흐름을 받아 25~40도의 온도까지 냉각시키게 된다.

사용함에 있어서, 상기 오프가스 냉각기(111)로부터 냉각된 오프가스는 필요에 따라, 오프가스를 생성하는 화학 에너지의 복원을 위해 도시되지 않은 스토브 또는 폐열 보일러(waste heat boiler)(미도시)의 연료 가스 등으로 이용될 수 있고, 이로써 깨끗한 상태로 오프가스가 대기 중으로 배출된다.

상기 직접 제련 설비는 또한 상기 용기(3)로부터 연속적으로 용선을 배출하는 예열로(forehearth)(13)를 포함하는 금속 배출 조립체(metal tapping assembly)를 포함한다. 제련 공정에서 생산된 고온의 금속은 상기 예열로(13)와 상기 예열로(13)에 연결된 고온 금속 세정기(launder)(미도시)를 통해 상기 용기(3)로부터 배출된다. 상기 고온 금속 세정기의 배출단(outlet end)은 고온 금속 용기부(ladle station)(미도시)의 상부에 배치되어 상기 용기부에 위치된 주주용 용기(ladle)로 용융 금속을 아래로 공급하게 된다.

상기 직접 제련 설비는 또한 상기 용기(3)의 하부(lower part)에서 제련 공정의 말미에 상기 용기(3)로부터 용융 금속을 배출하여 상기 용기(3)로부터 멀어지게 용융 금속을 이송하는 종단(end) 금속 배출 조립체를 포함한다. 상기 종단 금속 배출 조립체는 상기 용기(3)에 형성된 다수의 금속 종단 배출 홀(15)들을 포함한다.

상기 직접 제련 설비는 또한 상기 용기의 하부에서 주기적으로 상기 용기(3)로부터 슬래그를 배출하고 제련 공정 동안에 상기 용기(3)로부터 멀어지게 슬래그를 이송하는 슬래그 배출 조립체를 포함한다. 상기 슬래그 배출 조립체는 상기 용기(3)에 형성된 다수의 슬래그 노치(17)들을 포함한다.

상기 직접 제련 설비는 또한 제련 공정의 말미에 상기 용기(3)로부터 슬래그를 배출하는(drain) 종단(end) 슬래그 배출 조립체를 포함한다. 상기 종단 슬래그 배출 조립체는 상기 용기(3)에 형성된 다수의 슬래그 배출 홀(19)들을 포함한다.

HIsmelt 공정에 따른 제련 공정에서, 철광석 입자들 및 그에 적합한 캐리어 가스, 석탄 및 그에 적합한 캐리어 가스가 상기 랜스(5a, 5b)들을 통해 상기 용탕으로 주입된다. 상기 고체물질들과 캐리어 가스의 운동량(momentum)은 상기 고체물질들로 하여금 상기 용탕(41)의 금속층에 침투하게 한다. 석탄은 액화되어 상기 금속층 내에서 가스를 생성하게 된다. 탄소는 금속 내에 용해되며 부분적으로는 고체탄소(solid carbon) 상태로 잔류하게 된다.

철광석 입자들은 용선로 제련되고, 제련 반응은 일산화탄소를 발생시킨다. 용선은 상기 예열로(13)를 경유하여 상기 용기(3)로부터 연속적으로 제거된다.

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

상기 금속층으로 이송되고 액화와 제련 반응으로 인해 발생된 가스들은 상기 용융 금속, 고체 탄소 및 슬래그(고체/가스 주입의 결과로 인해 상기 금속층으로 떨어진)를 상기 금속층으로부터 들어 올리는 상당한(significant) 부력 융 기(buoyancy lift)를 발생시킨다. 이러한 부력 융기는 용융 금속과 슬래그의 튕겨진 액체(splashes), 액적(droplets), 흐름의 상승 이동을 유발하고, 이러한 튕겨진 액체(splashes), 액적(droplets), 흐름은 슬래그층을 통해 이동함에 따라 슬래그에 혼입된다. 용융 금속, 고체 탄소, 슬래그의 부력 융기는 슬래그층의 교반을 유발하고, 이로써 슬래그층의 부피가 커진다. 뿐만 아니라, 용융 금속, 고체 탄소, 슬래그의 부력 융기로 인한 용융 금속과 슬래그의 튕겨진 액체, 액적, 흐름의 상향 이동은 상기 용탕의 상부 공간으로 확장되어 상술한 분수(fountain)를 형성한다.

상기 가스 주입 랜스(7)들을 경유하여 상기 분수로 산소함유 가스를 주입함으로써, 일산화탄소와 수소 같은 반응 가스들을 상기 용기(3) 내에서 후연소시키게 된다(post-combust). 용융 물질이 상기 용탕으로 다시 떨어질 때(falls back), 후연소로 인해 발생되는 열은 상기 용탕으로 전달된다.

상기 용기(3) 내에서 반응 가스들의 후연소로 인한 오프가스는 상기 오프가스 덕트(11)들을 통해 상기 용기(3)로부터 제거된다.

본 발명의 사상과 기술적 요지를 벗어나지 않는 범위에서 상술한 실시 예들의 다양한 변형이 가능할 것이다.

예를 들어, 상술한 실시 예에서는 2개의 오프가스 덕트(11)들이 개시되고 있으나, 본 발명은 오프가스 덕트(11)들의 수를 2개로 한정하지는 않으며, 적절하게 변경될 수 있을 것이다.

뿐만 아니라, 상술한 실시 예에서는 가스 주입 랜스(7)들이 산소함유 가스를 공급하는 링 배관(9)을 포함하는 구성이나, 본 발명은 이러한 배치로 한정하는 것 은 아니며, 적절한 가스 공급 조립체로 변경될 수 있다.

또한, 상술한 실시 예에서는 4개의 가스 주입 랜스(7)들을 포함하는 구성이지만, 본 발명은 상기 랜스(7)들의 수와 배열을 한정하지는 않으며, 그 수와 배열은 다양하게 변경될 수 있다.

또한, 상술한 실시 예에서는 쌍을 이루어 배치된 철광석을 주입하는 8개의 랜스(5a)들과 석탄을 주입하는 나머지 4개의 랜스(5b)들로 이루어진 12개의 고체 주입 랜스(5a, 5b)들을 포함하는 구성이나, 본 발명은 상기 랜스(5a, 5b)들의 수와 배치를 한정하지는 않는다.

더욱이, 상술한 실시 예에서는 상기 용기(3)로부터 연속적으로 용선을 배출하는 예열로(13)를 포함하는 구성이지만, 본 발명은 예열로를 이용하거나 용선을 연속적으로 배출하는 것으로 한정하는 것은 아니다.

Claims (13)

1. 직접 제련 공정에 기반한 용탕(molten bath)을 이용하여 금속함유 공급 물질로부터 용융 금속을 생산하는 직접 제련 설비에 있어서,

   (a) 금속과 슬래그의 용탕 및 상기 용탕 상부에 가스 공간(gas space)을 수용하고, 가열로(hearth)와 측벽을 포함하되, 상기 측벽은 (ⅰ) 하부 실린더 섹션; (ⅱ) 상기 하부 실린더 섹션보다 작은 직경을 가지는 상부 실린더 섹션; 및 (ⅲ) 상기 상부, 하부 실린더 섹션을 상호 연결하는 전이 섹션(transition section)을 포함하는 고정성 직접 제련 용기;

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

   (c) 상기 용기로부터 이격된 산소함유 가스 공급 위치로부터 상기 용기로 산소함유 가스를 공급하고, (ⅰ) 상기 용기의 상기 측벽의 상기 전이 섹션에 형성된 개구들을 통해 하향 연장되어 상기 용기로 산소함유 가스를 주입하는 다수의 가스 주입 랜스들을 포함하고, 가스 주입 랜스들 각각은 가스의 흐름이 아래 쪽으로 그리고 상기 용기의 중앙부 수직 코어(central vertical core of the vessel)의 외측을 향해 주입되도록 배열되는 것인 가스 주입 조립체, 및 (ⅱ) 상기 용기로부터 이격된 가스 공급 위치로부터 연장되어 상기 가스 주입 조립체로 산소함유 가스를 공급하는 가스 공급 덕트 조립체를 포함하는 산소함유 가스 공급 조립체;

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

   (e) 제련 공정이 진행되는 동안, 상기 용탕으로부터 용융 금속을 배출하는 금속 배출 조립체(metal tapping assembly); 및

   (f) 제련 공정이 진행되는 동안, 상기 용탕으로부터 슬래그를 배출하는 슬래그 배출 조립체(slag tapping assembly)를 포함함을 특징으로 하는 직접 제련 설비.
2. 삭제
3. 제1 항에 있어서, 각각의 상기 가스 주입 랜스는 가스의 흐름을 아래 쪽으로, 외측으로 상기 용기의 상기 측벽을 향하게 배열됨을 특징으로 하는 직접 제련 설비.
4. 제1 항 또는 제3 항에 있어서, 각각의 상기 가스 주입 랜스는 아래 쪽으로 상기 용기의 내부를 향하며, 상기 용기의 수직 평면과 방사상 평면에 대하여 경사지게 위치되어 상기 랜스로부터의 가스 흐름의 방향은 방사 방향, 원주 방향의 성분(radial and circumferential component)을 가짐을 특징으로 하는 직접 제련 설비.
5. 제4 항에 있어서, 각각의 상기 가스 주입 랜스는 아래 쪽으로 상기 용기의 내부를 향하며, 상기 랜스의 축(axis)은 상기 용기의 방사상 평면에 대하여 40도 내지 80도 각도 사이의 범위에서 연장되는 수직 평면 내에 위치됨과 아울러, 수평면에 대하여 40도 내지 80도 각도 사이의 범위에 위치되는 수직 평면 내에서 연장됨을 특징으로 하는 직접 제련 설비.
6. 제4 항에 있어서, 각각의 상기 가스 주입 랜스의 배출단(outlet end)은 상기 용기 내에 위치되면서, 상기 용기의 상기 측벽의 상기 상부 실린더 섹션보다 더 큰 직경을 가지는 가상의 원의 원주 상에 위치됨을 특징으로 하는 직접 제련 설비.
7. 제4 항에 있어서, 상기 용기 내에서 각각의 상기 가스 주입 랜스의 위치는,

   (a) 설정된 위치(a required position)에 상기 랜스의 팁(tip)을 위치시킨 상태로, 상기 랜스를 수직으로 위치시킨 다음,

   (b) 상기 랜스의 팁의 위치를 고정한 상태로, 상기 랜스의 팁을 지나는 방사상 평면에 수직하면서 상기 랜스의 팁을 지나는 수직면 내에서 30도 내지 40도 각도로 상기 랜스를 회동시킨 다음,

   (c) 상기 랜스의 팁의 위치를 고정한 상태로, 상기 방사상 평면을 향해 외측으로 25도 내지 35도의 각도로 상기 랜스를 회전시킴으로써 설정됨을 특징으로 하는 직접 제련 설비.
8. 제4 항에 있어서, 상기 전이 섹션은 원뿔대(frusto-conical)임을 특징으로 하는 직접 제련 설비.
9. 제4 항에 있어서, 상기 가스 주입 랜스들을 위한 상기 랜스 개구들은 상기 용기 상에서 동일한 높이에 있으며, 상기 용기의 측벽 외주면을 따라 동일한 간격으로 위치됨을 특징으로 하는 직접 제련 설비.
10. 제4 항에 있어서, 상기 금속함유 공급 물질은 철광석(iron ore)을 포함함을 특징으로 하는 직접 제련 설비.
11. 제4 항에 있어서, 상기 탄소질 물질은 석탄(coal)을 포함함을 특징으로 하는 직접 제련 설비.
12. 제7 항에 있어서, 상기 (b)에서 랜스의 팁의 위치를 고정한 상태로, 상기 랜스의 팁을 지나는 방사상 평면에 수직하면서 상기 랜스의 팁을 지나는 수직면 내에서 35도 각도로 상기 랜스를 회동시키는 것을 특징으로 하는 직접 제련 설비.
13. 제7 항에 있어서, 상기 (c)에서 랜스의 팁의 위치를 고정한 상태로, 상기 방사상 평면을 향해 외측으로 30도의 각도로 상기 랜스를 회전시킴으로써 설정됨을 특징으로 하는 직접 제련 설비.

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