KR101353113B1 - 소결광의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

소결기의 점화로 하류측에서 기체 연료를 공급하여 소결기를 제조할 때에, 기체 연료와의 관계에 있어서, 소결 연료 중의 탄재량을 최적화하여, 고강도, 고품질의 소결광을 안정적으로 제조하고, 또한 CO₂ 의 발생량을 삭감할 수 있는 소결광의 제조 방법을 제안한다. 상기 제조 방법에 대응하기 위해서, 팰릿 상에 분광석과 탄재를 함유하는 소결 원료를 장입하는 장입 공정과, 장입층 표면의 탄재에 점화하는 점화 공정과, 장입층 상방에서 기체 연료를 공급하는 기체 연료 공급 공정과, 팰릿 하에 배치된 윈드 박스에 의해 상기 희석 기체 연료와 공기를 장입층 내에 흡인하여, 장입층 내의 탄재를 연소시킴과 함께, 상기 희석 기체 연료를 탄재 연소 후의 장입층 내에서 연소시켜 소결하는 소결 공정을 갖는 소결광의 제조 방법에 있어서, 상기 소결 원료 중의 탄재의 양을, 기체 연료를 공급하지 않을 때보다 삭감하는, 바람직하게는 기체 연료 공급 공정에서 공급되는 기체 연료의 연소열에 상당하는 양 이상 삭감한다.

Description

소결광의 제조 방법{PROCESS FOR PRODUCING SINTERED ORE}

본 발명은, 고강도 고품질의 소결광을 고수율로 또한 염가로 제조할 수 있고, 또한 이산화탄소 (CO₂) 의 배출량을 삭감할 수 있어, 환경을 배려한 하방 흡인식 소결기에 의한 소결광의 제조 방법에 관한 것이다.

고로 제철법의 주원료인 소결광은, 일반적으로 도 1 에 나타내는 바와 같은 공정을 거쳐서 제조된다. 소결광의 원료는, 철광석 가루나 소결광 체하 (under sieve) 가루, 제철소 내에서 발생된 회수 가루, 석회석 및 돌로마이트 등의 함 CaO 계 부원료, 생석회 등의 조립 보조제, 코크스 가루나 무연탄 등으로서, 이들 원료는 호퍼 (1 …) 의 각각으로부터, 컨베이어 상에 소정 비율로 나누어 실려진다. 나누어 실려진 원료는, 드럼 믹서 (2 및 3) 등에 의해 적당량의 물이 첨가되어 혼합, 조립되고, 평균 직경이 3 ∼ 6 ㎜ 인 의사 (quasi) 입자인 소결 원료가 된다. 이 소결 원료는, 그 후 소결기 상에 배치되어 있는 서지 호퍼 (4, 5) 로부터 드럼 피더 (6) 와 절출 슈트 (7) 를 개재하여, 무단 이동식 소결기 팰릿 (8) 상에 장입 (裝入) 되고, 소결 배드라고도 하는 장입층 (9) 을 형성한다. 장입층의 두께 (높이) 는 통상 400 ∼ 800 ㎜ 전후이다. 그 후, 장입층 (9) 의 상방에 설치된 점화로 (10) 에 의해, 장입층 표층의 탄재에 점화함과 함께, 팰릿 (8) 의 바로 아래에 배치 형성되어 있는 윈드 박스 (11) 를 개재하여 대기를 하방으로 흡인함으로써, 그 장입층 중의 탄재를 순차 연소시키고, 이 때에 발생하는 연소열로 상기 소결 원료를 용융시켜 소결 케이크를 얻는다. 이와 같이 하여 얻은 소결 케이크는, 그 후 파쇄, 정립되어 약 5 ㎜ 이상의 괴성물이 성품 소결광으로서 회수된다.

상기 제조 프로세스에 있어서, 점화로 (10) 에 의해 점화된 장입층 중의 탄재는, 그 후 윈드 박스에 의해 장입층의 상층으로부터 하층을 향해 흡인되는 대기에 의해 연소를 계속하고, 폭을 가진 연소·용융대 (이후, 단순히 「연소대」라 함) 를 형성한다. 이 연소대는, 팰릿 (8) 이 하류측으로 이동하는 것에 수반하여 점차 장입층의 상층으로부터 하층으로 이행되고, 연소대가 통과한 후에는 소결 케이크층 (이후, 단순히 「소결층」이라 함) 이 생성되어 있다. 또, 연소대가 상층으로부터 하층으로 이행하는 것에 수반하여, 소결 원료 중에 함유되는 수분은, 탄재의 연소열에 의해 기화되어, 아직 온도가 상승되어 있지 않는 하층의 소결 원료 중에 농축되고, 습윤대를 형성한다. 그 수분 농도가 어느 정도 이상이 되면, 흡인 가스의 유로가 되는 소결 원료 입자 간의 공극이 수분으로 메워져, 통기 저항을 증대시킨다. 또, 소결 반응에 필요한 연소대에 발생하는 용융 부분도, 통기 저항을 높이는 요인이 된다.

도 2 는, 두께가 600 ㎜ 인 장입층 중을 이동하는 연소대가, 그 장입층의 팰릿의 약 400 ㎜ 위 (장입층 표면으로부터 200 ㎜ 아래) 의 위치에 있을 때의, 장입층 내의 압손과 온도의 분포를 나타낸 것이다. 이 때의 압손 분포는, 습윤대에서 약 60 ％, 연소대에서 약 40 ％ 이다.

그런데, 소결기의 생산량 (t/hr) 은, 일반적으로, 소결 생산율 (t/hr·㎡) × 소결기 면적 (㎡) 에 의해 결정된다. 즉, 소결기의 생산량은, 소결기의 기폭이나 기장, 원료 퇴적층의 두께 (장입층 두께), 소결 원료의 부피 밀도, 소결 (연소) 시간, 수율 등에 의해 변화된다. 따라서, 소결광의 생산량을 증가시키려면, 장입층의 통기성 (압손) 을 개선시켜 소결 시간을 단축하거나 혹은 파쇄 전의 소결 케이크의 냉간 강도를 높여 수율을 향상시키는 것 등이 유효하다고 생각되고 있다.

도 3 은, 소결광의 생산성이 높을 때와 낮을 때, 즉, 소결기의 팰릿 이동 속도가 빠를 때와 느릴 때의 장입층 내의 어느 지점에 있어서의 온도와 시간의 추이를 나타낸 것이다. 소결 원료의 입자가 용융되기 시작하는 1200 ℃ 이상의 온도로 유지되는 시간 (이후, 「고온역 유지 시간」이라 함) 은, 생산성이 낮은 경우에는 t₁, 생산성이 높은 경우에는 t₂ 로 나타내어 지고 있다. 생산성이 높을 때는 팰릿의 이동 속도가 빠르기 때문에, 고온역 유지 시간 t₂ 가, 생산성이 낮을 때의 t₁ 과 비교하여 짧아진다. 고온역 유지 시간이 짧아지면 소성 부족이 되기 쉬워, 소결광의 냉간 강도가 저하되고, 수율이 저하된다. 따라서, 고강도의 소결광을 단시간에, 높은 수율을 갖고 생산성이 양호하게 제조하려면, 어떠한 수단을 강구하여 「고온역 유지 시간」을 연장시켜, 소결 케이크의 강도, 즉 소결광의 냉간 강도를 높여 줄 필요가 있다. 또한, 소결광의 냉간 강도를 나타내는 지표로는, 일반적으로 SI (셔터 인덱스), TI (텀블러 인덱스) 가 사용되고 있다.

도 4 는, 점화로에 의해 착화된 장입층 표층의 탄재가, 흡인되는 공기에 의해 연소를 계속하여 연소대를 형성하고, 이것이 장입층의 상층으로부터 하층으로 순차 이동하여, 소결 케이크가 형성되어 가는 과정을 모식적으로 나타낸 도면이다. 또, 도 5(a) 는, 상기 연소대가, 도 4 에 나타낸 두꺼운 사각형 내에 나타낸 장입층의 상층부, 중층부 및 하층부의 각 층 내에 존재하고 있을 때의 온도 분포를 모식적으로 나타낸 것이다. 소결광의 강도는, 1200 ℃ 이상의 온도로 유지되는 시간, 정확하게는 1200 ℃ 이상의 온도로 유지되는 온도와 시간의 곱에 영향을 받고, 그 값이 클수록 소결광의 강도는 높아진다. 장입층의 중층부 및 하층부는, 장입층 상층부의 탄재의 연소에 의해 발생되는 연소열이 흡인되는 공기와 함께 운반되어 예열된다. 그 때문에, 장입층의 중층부나 하층부는 높은 온도로 장시간에 걸쳐서 유지되는 것에 반해, 장입층 상층부는 연소열이 부족하여, 소결에 필요한 연소 용융 반응 (소결화 반응) 이 불충분해지기 쉽다. 그 결과, 장입층 내의 소결기 폭 방향 단면 내에 있어서의 소결광의 수율 분포는, 도 5(b) 에 나타내는 바와 같이, 장입층 상층부만큼 수율이 낮아진다. 그러나, 이 때 주의해야 할 것은, 장입층 내의 온도가 1380 ℃ 를 초과하면, 소결광의 조직이 유리화되어, 반대로 강도가 저하된다는 점이다. 따라서, 최고 도달 온도는 1380 ℃ 를 초과하지 않게 하는 것이 바람직하다.

이 문제에 대해서는, 장입층 상층부를 장시간에 걸쳐서 고온으로 유지하는 것을 목적으로 한 기술이 몇 가지 제안되어 있다. 예를 들어, 일본 공개특허공보 소48-18102호에는, 장입층에 점화 후, 장입층 상에 기체 연료를 분사하는 기술이, 일본 특허공보 소46-27126호에는, 장입층에 점화 후, 장입층으로 흡인되는 공기 중에 가연성 가스를 첨가하는 기술이, 또, 일본 공개특허공보 소55-18585호에는, 소결 원료의 장입층 내를 고온으로 하기 위해, 장입층 상에 후드를 배치 형성하고, 그 후드로부터 공기나 코크스로 가스의 혼합 가스를 점화로 직후의 위치에서 분사하는 기술이, 또한 일본 공개특허공보 평5-311257호에는 저융점 용제와, 탄재나 가연성 가스를 동시에 점화로 직후의 위치에서 분사하는 기술이 제안되어 있다.

그러나, 이들 기술은, 고농도의 기체 연료를 사용하고, 게다가 연료 가스의 분사시에 탄재량을 삭감하지 않기 때문에, 장입층 내의 소결시의 최고 도달 온도가 1380 ℃ 를 초과하는 고온이 되어, 오히려 냉간 강도가 낮은 소결광이 생성되어 수율 개선 효과가 얻어지지 않거나, 기체 연료의 연소에 의한 온도 상승과 열 팽창에 의해 통기성이 악화되어, 생산성이 저하되거나, 나아가서는 기체 연료의 사용에 의해, 소결 배드 상부 공간에서 화재를 발생시키는 위험성이 있거나 하기 때문에, 모두 실용화에는 이르지 않았다.

그래서, 출원인은 상기 문제점을 해결하는 기술로서, 소결기의 점화로 하류에서 연소 하한 농도 이하로 희석한 각종 기체 연료를, 팰릿 상의 소결 원료층 (장입층) 상으로부터 공급하여 장입층 내에 도입하고, 연소시킴으로써, 장입층 내의 최고 도달 온도 및 고온역 유지 시간의 어느 일방 또는 양방을 조정하는 방법을 WO 2007-052776호 공보에 제안하고 있다.

상기 WO 2007-052776호 공보의 기술에 의하면, 하방 흡인식 소결기의 장입층 내에, 소정의 농도로 희석한 기체 연료를 도입하고, 장입층 내의 목표로 하는 위치에서 연소시킬 수 있기 때문에, 소결 원료의 연소시의 최고 도달 온도나 고온역 유지 시간을 적정하게 제어함으로써, 열량 부족으로 소결광의 냉간 강도가 낮아지기 쉬운 장입층 상층부의 소결광의 강도를 높이거나, 장입층 중·하층부의 소결광의 강도를 더욱 높이거나 할 수 있다.

그러나, 상기 WO 2007-052776호 공보를 포함한 종래 기술에 있어서는, 소결 원료 중에 함유되는 탄재의 양을, 상기 소정 농도로 희석하여 공급되는 기체 연료와의 관계에 있어서, 어떠한 배합량으로 해야 하는지에 대해서는, 아직 충분히 검토가 이루어지고 있지 않다.

그래서, 본 발명의 목적은, 하방 흡인식 소결기의 점화로 하류측에서 기체 연료를 공급하여 소결광을 제조하는 방법에 있어서, 상기 기체 연료와의 관계에 있어서, 소결 원료 중에 함유되는 탄재의 양을 최적화하여, 기체 연료 공급 효과를 최대한으로 발휘시킴으로써, 고강도, 고품질의 소결광을 고수율로, 또한 염가로 제조할 수 있고, 게다가 소결 공정에서 발생되는 이산화탄소의 배출량을 삭감할 수 있는 소결광의 제조 방법을 제안하는 데에 있다.

발명자들은, 하방 흡인식 소결기의 점화로 하류측에서 희석 기체 연료를 공급하여 소결광을 제조하는 방법에 있어서, 고강도 고품질의 소결광을 고수율로, 또한 염가로 제조함과 함께, 최근, 특히 제철업에서 요구되고 있는 이산화탄소의 배출량 삭감을 목표로 하여, 희석 기체 연료의 공급량과 소결 원료 중에 함유되는 탄재량의 관계를 최적화하기 위하여 예의 검토를 거듭하였다. 그 결과, 희석 기체 연료의 공급량에 따라, 소결 원료 중에 함유되는 탄재의 양을 삭감하는 것이 바람직하다는 것, 또한 공급되는 기체 연료의 연소열에 상당하는 양 이상의 탄재를 삭감해도, 소결광의 품질 특성을 개선시키고, 생산성을 향상시키는 것이 충분히 가능하고, 아울러 이산화탄소의 배출량을 대폭 삭감할 수 있다는 것을 알아 내어, 본 발명을 완성시켰다.

즉, 본 발명은, 순환 이동하는 팰릿 상에 분광석과 탄재를 함유하는 소결 원료를 장입하여 장입층을 형성하는 장입 공정과, 그 장입층 표면의 탄재에 점화로를 사용하여 점화하는 점화 공정과, 장입층 상방의 대기 중에 기체 연료를 공급하여 연소 하한 농도 이하의 희석 기체 연료로서 공급하는 기체 연료 공급 공정과, 팰릿 하에 배치된 윈드 박스에 의해 상기 희석 기체 연료와 공기를 장입층 내에 흡인하여, 장입층 내의 탄재를 연소시킴과 함께, 상기 희석 기체 연료를 탄재 연소 후의 장입층 내에서 연소시켜 소결하는 소결 공정을 갖는 소결광의 제조 방법에 있어서, 상기 소결 원료 중 탄재의 양을, 기체 연료를 공급하지 않을 때보다 삭감하는 것을 특징으로 하는 소결광의 제조 방법이다.

본 발명의 소결광의 제조 방법은, 상기 탄재의 삭감량을, 하기 식 ;

치환율 = B/A

단, A : 공급된 기체 연료의 연소열, B : 삭감된 탄재량에 상당하는 연소열

로 정의되는 치환율로, 1 ∼ 15 의 범위로 하는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명의 소결광의 제조 방법은, 상기 치환율을 1.5 ∼ 10, 또는 더욱 2 ∼ 6 의 범위로 하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 소결기의 점화로 하류측에서 공급되는 희석 기체 연료의 공급량에 따라 소결 원료 중에 함유되는 탄재의 양을 삭감함으로써, 소결 공정에 있어서의 연소·용융대의 온도를, 최고 도달 온도를 1380 ℃ 를 초과하지 않게 하고, 1200 ∼ 1380 ℃ 의 범위로 장시간에 걸쳐서 유지하는 것이 가능해지기 때문에, 고강도의 소결광을 높은 수율로, 높은 생산성을 확보하면서 안정적으로 제조하는 것이 가능해진다. 또한, 본 발명에 의하면, 공급되는 기체 연료의 연소열에 상당하는 양 이상의 탄재를 저감시킬 수 있기 때문에, 탄재 비용을 저감할 수 있음과 함께, 소결 공정에서 발생되는 이산화탄소의 배출량을 대폭 삭감할 수 있다.

도 1 은, 소결광의 제조 공정을 설명하는 도면이다.
도 2 는, 소결시의 장입층 내의 압손과 온도의 분포를 설명하는 도면이다.
도 3 은, 소결광의 생산성이 높을 때와 낮을 때의 장입층 내 온도의 시간 추이를 비교하여 나타내는 도면이다.
도 4 는, 장입층의 소결 진행 과정을 모식적으로 설명하는 도면이다.
도 5 는, 장입층 상층부, 중층부 및 하층부에 있어서의 소결시의 온도 분포와, 장입층 폭 방향 단면 내에 있어서의 소결광의 수율 분포를 설명하는 도면이다.
도 6 은, 희석 기체 연료의 공급 방법의 비교에 사용한 시험 장치를 설명하는 도면이다.
도 7 은, 본 발명에 있어서의 기체 연료 공급 장치의 일례를 설명하는 도면이다.
도 8 은, 본 발명에 있어서의 기체 연료 공급 장치의 다른 예를 설명하는 도면이다.
도 9 는, 소결 반응에 대해 설명하는 도면이다.
도 10 은, 해정 (skeletal) 상 2 차 헤마타이트가 생성되는 과정을 설명하는 상태도이다.
도 11 은, 장입층 내의 온도 분포에 미치는 기체 연료 공급 효과를 설명하는 도면이다.
도 12 는, 희석 기체 연료의 공급 조건 농도, 공급 위치가 장입층 내의 온도 분포에 미치는 영향을 설명하는 도면이다.
도 13 은, 포트 (pot) 시험에 있어서의 기체 연료의 연소열 A 와 삭감 탄재량에 상당하는 연소열 B 의 비인 치환율 B/A 와, 소결광의 품질의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 14 는, 실시예의 소결 실험에 사용한 소결기의 구성을 설명하는 도면이다.
도 15 는, 실기 소결기에 있어서의 기체 연료의 연소열 A 와 삭감 탄재량에 상당하는 연소열 B 의 어느 치환율 B/A 와, 소결광의 품질의 관계를 나타내는 그래프이다.

상기와 같이, 본 발명의 소결광의 제조 방법은, 장입 공정, 점화 공정, 기체 연료 공급 공정 및 소결 공정의 각 공정으로 구성되어 있다. 여기서, 상기 장입 공정은, 순환 이동하는 팰릿 상에 분광석과 탄재를 함유하는 소결 원료를 장입하여 장입층을 형성하는 공정이고, 점화 공정은, 점화로에 의해 장입층 표층의 탄재에 점화하는 공정이다. 또, 상기 기체 연료 공급 공정은, 점화로의 팰릿 진행 방향의 하류측에서, 기체 연료 공급 장치로부터 고농도의 기체 연료를 장입층 상방의 대기 중에 고속으로 토출하고, 공기와 순시에 혼합시켜 연소 하한 농도 이하의 소정 농도의 희석 기체 연료로 하고, 이 희석 기체 연료를 공기와 함께 팰릿 하에 배치된 윈드 박스에 의해 흡인하여 장입층 내에 도입하는 공정이고, 소결 공정은, 장입층 내에 흡인된 상기 공기에 의해 장입층 내의 탄재를 연소시켜, 발생된 연소열에 의해 소결 원료를 용융·소결함과 함께, 희석 기체 연료를 연소대가 통과한 장입층 내의 소정 위치에서 연소시키고, 추가로 용융·소결을 촉진하여 소결 케이크를 생성시키는 공정이다.

본 발명의 소결광의 제조 방법에 있어서, 장입층 중에 도입되는 고농도의 기체 연료를 장입층의 상방에서 대기 중에 고속으로 토출하고, 주위의 공기와 단시간에 혼합시킴으로써, 그 기체 연료가 갖는 연소 하한 농도 이하의 농도로 희석하고, 그 후 그 희석 기체 연료를 장입층 중에 도입한다. 이와 같이, 장입층 내에 도입하기 전에 희석하는 이유는 이하와 같다.

내경 300 ㎜Ø × 높이 400 ㎜ 의 소결 포트에 소결 케이크를 충전하고, 소결 케이크의 하방에서 소결 케이크를 통해 공기를 흡인 가능하게 한 실험 장치를 제작하였다. 이어서, 도 6(a) 에 나타내는 바와 같이, 소결 케이크의 중앙부의 위에서부터 깊이 90 ㎜ 의 위치에 노즐을 매립하고, 흡인되는 공기에 대해 1 vol％ 가 되는 양의 100 ％ 농도의 메탄 가스를 분사하고, 소결 케이크 내의 원주 방향 및 깊이 방향에 있어서의 메탄 가스 농도의 분포를 측정하여, 그 결과를 표 1 에 나타내었다. 또, 도 6(b) 에 나타내는 바와 같이, 동일한 노즐을 사용하여, 소결 케이크의 상방 350 ㎜ 의 위치로부터, 상기와 동일한 양의 메탄 가스를 대기 중에 공급하여 희석하고, 상기와 동일하게 하여 소결 케이크 내의 메탄 가스 농도의 분포를 측정하여, 그 결과를 표 2 에 나타내었다. 이들 결과로부터, 메탄 가스를 소결 케이크 중에 직접 도입한 경우에는, 메탄 가스의 가로 방향에 대한 확산이 불충분한 데에 반해, 메탄 가스를 소결 케이크 상방에서 공급한 경우에는, 소결 케이크 내의 메탄 가스 농도는 거의 균일화되어 있다는 것을 알 수 있다. 이 결과로부터 알 수 있는 바와 같이, 기체 연료는, 소결 케이크의 상방에서 대기 중에 공급하고, 장입층 내에 도입되기 전에, 균일하게 희석해 두는 것이 바람직하기 때문이다.

또한, 상기 농도의 희석 기체 연료를 장입층 중에 공급하는 방법으로는, 도시 가스나 LNG, C 가스 등의 기체 연료를, 고농도인 상태에서 대기 중에 토출하여 주위의 공기와 혼합시켜 소정 농도로 희석하고 난 후 장입층 중에 도입하는 직상 (直上) 분사 방식과, 미리 대기와 기체 연료를 혼합하여 소정 농도까지 희석한 것을 장입층의 상방으로부터 공급하는 예비 혼합 분사 방식 (이른바, 프리믹스 형식) 이 있다. 표 3 은, 상기 양 방식의 득실을 평가한 것이다. 직상 분사 방식에서는, 난류 연소 속도 이상의 속도로 기체 연료를 토출하면, 역화 방지는 용이하지만, 기체 연료를 주위의 대기와 혼합하여 희석시킬 때, 농도 불균일이 발생되기 쉽고, 이상 연소를 발생시킬 가능성이 예비 혼합 분사 방식에 비해 높다. 그러나, 설비 비용을 포함하여 종합적으로 평가했을 경우, 도시 가스 (LNG) 의 직상 분사 방식이 가장 우수하다.

기체 연료를 공급하는 장치로는, 예를 들어, 도 7 에 나타내는 바와 같이, 팰릿의 폭 방향을 따라, 복수의 기체 연료 공급 파이프를 배치 형성하고, 그 파이프에 기체 연료를 토출하는 슬릿 혹은 개구를 형성하거나 또는 노즐을 장착한 기체 연료 공급 수단을 갖는 것, 혹은 도 8 에 나타내는 바와 같이, 팰릿의 진행 방향 을 따라, 복수의 기체 연료 공급 파이프를 배치 형성하고, 그 파이프에 기체 연료를 토출하는 슬릿 혹은 개구를 형성하거나 또는 노즐을 장착한 기체 연료 공급 수단을 갖는 것이 바람직하다.

다음으로, 본 발명의 소결광의 제조 방법에 있어서, 장입층 중에 공급되는 희석 기체 연료의 종류에 대해 설명한다.

표 4 는, 제철업에 있어서 사용되고 있는 기체 연료 (도시 가스, 코크스로 가스 (C 가스), 용광로 가스 (B 가스)) 의 연소 하한 농도, 공급 농도 등을 나타낸 것이다. 소결 원료 중에 공급할 때의 기체 연료의 농도는, 폭발이나 화재 (착화) 를 방지한다는 관점에서는, 연소 하한 농도보다 낮은 것이 안전하다. 이 점에서 도시 가스는 메탄을 주성분으로 하는 천연 가스 (LNG) 를 사용하고 있고, C 가스와 연소 하한 농도가 근사하지만, 열량이 C 가스보다 높다는 점에서, 공급 농도를 낮게 할 수 있다. 따라서, 안전성을 확보하려면, 공급 농도를 낮게 할 수 있는 도시 가스가 C 가스보다 우위이다.

표 5 는, 기체 연료 중에 함유되는 연소 성분 (수소, CO, 메탄) 과, 그들 성분의 연소 하한·상한 농도, 층류, 난류 시의 연소 속도 등을 나타낸 것이다. 소결 중에 기체 연료 공급 장치로부터 공급되고 있는 기체 연료에 대한 착화를 방지하려면, 역화 방지를 도모할 필요가 있다. 그러기 위해서는, 기체 연료를, 적어도 층류 연소 속도 이상, 바람직하게는 난류 연소 속도 이상의 고속으로 토출시키는 것이 좋다고 생각된다. 예를 들어, 메탄을 주성분으로 하는 도시 가스의 경우에는, 3.7 m/s 를 초과하는 속도로 토출시키면, 역화의 우려는 없다. 한편, 수소 가스는, 난류 연소 속도가 CO 나 메탄과 비교하여 빠르기 때문에, 역화를 방지하려면, 그만큼 고속으로 토출시킬 필요가 있다. 이 점에서, 수소를 포함하지 않는 도시 가스 (LNG) 는, 수소를 59 vol％ 로 함유하는 C 가스와 비교하여, 토출 속도를 늦출 수 있다. 게다가, 도시 가스는 CO 를 함유하지 않기 때문에, 가스 중독을 일으킬 우려도 없다. 따라서, 도시 가스 (LNG) 는, 본 발명에 있어서 사용하는 기체 연료로서 바람직한 특성을 갖는 것이라고 할 수 있다.

본 발명에 있어서 장입층 중에 공급할 수 있는 기체 연료로는, 상기 도시 가스 (LNG) 이외에, B 가스나 C 가스, CO 가스, 에탄 가스, 프로판 가스, 부탄 가스 혹은 이들 혼합 가스 중 어느 것을 사용할 수 있다. 단, B 가스나 C 가스를 사용하는 경우에는, 가스 토출 속도를 높이는 것 및 CO 대책을 별도로 강구하는 것이 필요하다.

다음으로, 본 발명의 소결광의 제조 방법에서 공급되는 희석 기체 연료의 농도에 대해 설명한다.

본 발명의 제조 방법에 있어서 장입층 중에 도입되는 희석 기체 연료는, 그 중에 함유되는 가연성 가스 (연소 성분) 의 농도를, 대기 중의 상온에 있어서의 연소 하한 농도의 3/4 (75 ％) 이하로 희석한 것이 바람직하다. 그 이유는, 장입층 상부에 대한 고농도의 가연성 가스의 공급은, 때로는 폭발적 연소를 초래할 우려가 있고, 적어도 상온에서는, 불씨가 있어도 연소되지 않는 상태로 해둘 필요가 있다는 것, 장입층 중에서 완전히 연소되지 않고, 미연소인 상태에서 윈드 박스의 하류에 있는 전기 집진기 등에 도달하여도, 전기 집진기의 방전에 의해 연소될 우려가 없는 것이 필요하다는 것, 또한 희석 기체 연료의 연소에 의한 산소의 소비에 의해, 소결 원료용에 함유되는 총 연료 (탄재 + 기체 연료) 의 연소에 필요한 산소의 부족을 초래하여 연소 부족을 일으키지 않을 정도로 희석된 것이 필요하기 때문이다.

한편, 희석 기체 연료의 하한 농도는, 연소 하한 농도의 1 ％ 이상인 것이 바람직하다. 연소 하한 농도의 1 ％ 미만에서는, 연소에 의한 발열량이 부족하여, 소결광의 강도 향상과 수율의 개선 효과가 얻어지지 않기 때문이다.

이상으로부터, 본 발명에 있어서의 장입층에 공급되는 희석 기체 연료의 농도는, 연소 하한 농도의 1 ∼ 75 ％ 의 범위로 하는 것이 바람직하다. 이것을, 천연가스 (LNG) 에 대해 검토하면, LNG 의 연소 하한 농도는 4.8 vol％ (표 4 참조) 이기 때문에, 희석 기체 연료의 농도는 0.05 ∼ 3.6 vol％ 의 범위가 바람직한 것이 된다.

다음으로, 본 발명의 소결광의 제조 방법에 있어서, 장입층 내의 최고 도달 온도를 1380 ℃ 를 초과하지 않고, 1200 ∼ 1380 ℃ 의 온도 범위로 제어할 필요성에 대해 설명한다.

「광물 공학」(이마이 히데키, 타케노우치 스쿠네, 후지키 요시노리 편, 1976, 175, 아사쿠라 서점) 에 의하면, 소결 반응은, 도 9 의 모식도와 같이 정리된다. 또, 표 6 에는, 소결 과정에서 생성되는 각종 광물의 인장 강도 (냉간 강도) 와 피환원성의 값을 나타내었다. 도 9 로부터 알 수 있는 바와 같이, 소결 과정에서는, 1200 ℃ 에서 융액이 생성되기 시작하고, 소결광의 구성 광물 중에서 가장 고강도로 피환원성도 비교적 높은 칼슘 페라이트가 생성된다. 더욱, 승온이 진행되어 약 1380 ℃ 를 초과하면, 냉간 강도와 피환원성이 가장 낮은 비정질 규산염 (칼슘 실리케이트) 과 환원 분화되기 쉬운 2 차 헤마타이트로 분해된다. 따라서, 소결광의 냉간 강도 및 피환원성 (RI) 중 어느 것에서도 우수한 소결광을 안정적으로 얻으려면, 소결 과정에 있어서 1200 ℃ 이상의 온도에서 얻어진 칼슘 페라이트를, 칼슘 실리케이트와 2 차 헤마타이트로 분해시키지 않는 것이 중요한 포인트가 된다.

또, 상기 간행물 「광물 공학」에 의하면, 소결광의 환원 분화 (粉化) 의 기점이 되는 2 차 헤마타이트의 석출 거동에 대해, 광물 합성 시험의 결과로부터, 도 10 의 상태도에 의해 설명하고 있다. 그 설명에 의하면, 환원 분화의 기점이 되는 해정상 2 차 헤마타이트는, Mag.ss + Liq. 영역까지 승온하여 냉각된 후에 석출되므로, 상태도 상에서는, (1) 의 경로가 아니라, (2) 의 경로를 통하여 소결광을 제조함으로써 환원 분화를 억제할 수 있다고 하고 있다.

따라서, 환원 분화성 (RDI) 이 우수하고, 또한 고강도이고 피환원성이 우수한 소결광을 얻기 위해서는, 소결시에 있어서의 장입층 내의 최고 도달 온도를 1380 ℃ 를 초과하지 않게 하고, 장입층 내의 온도를 1200 ℃ (칼슘 페라이트의 고상선 온도) ∼ 1380 ℃ (전이 온도) 의 범위로 제어할 필요가 있다.

또, 칼슘 페라이트의 생성은, 전술한 바와 같이 1200 ℃ 이상의 온도로 유지되는 시간, 정확하게는, 1200 ∼ 1380 ℃ 의 범위로 유지되는 온도와 시간의 곱에 의존한다. 따라서, 고강도이고, 피환원성이 양호하고, 또한 저 RDI 의 소결광을 얻기 위해서는, 소결시의 장입층 내의 온도를 1200 ∼ 1380 ℃ 의 범위로 장시간 유지하는 열 패턴을 어떻게 실현시킬지가 과제가 된다. 그래서, 본 발명은, 소결에 필요한 열원을 확보하고, 소결시의 장입층 내의 온도를 1200 ∼ 1380 ℃ 의 온도 범위로 유지하는 시간을 연장시키기 위해, 탄재에 더하여 추가로 희석 기체 연료를 장입층 내에 공급하는 소결 방법을 채용하고 있다.

도 11(b) 는, 투명 석영제의 시험 포트를 사용한 소결 시험에 있어서, 희석 기체 연료를 공급한 경우와 하지 않은 경우에서, 장입층 중의 도 11(a) 중에 ● 로 나타낸 위치의 온도와 시간의 관계를 비교하여 나타낸 것이다. 도면 중의 파선은, 소결 원료 중에 탄재로서 코크스를 5 mass％ 배합하고, 기체 연료의 공급을 실시하지 않았을 때의 예이고, 연소·용융대가 상기점을 통과하고 있을 때의 장입층 내의 온도는, 소결에 유효한 1200 ℃ 이상의 온도로 2 분간 정도 유지되고 있다는 것을 알 수 있다. 한편, 도면 중의 실선은, 열량 환산으로, 코크스로 하여 0.4 mass％ 에 상당하는 양의 LNG 를 장입층 중에 공급하고, 그만큼, 소결 원료 중의 탄재 (코크스) 양을 저감시켜 4.6 mass％ 로 하고, 총 열량을 일정하게 했을 때의 예를 나타낸 것이다. 이 경우, 장입층 중에 공급된 희석 기체 연료가, 코크스의 연소 위치 (연소대) 보다 상층측, 즉 연소대가 이미 통과하여 온도가 저하되기 시작한 영역에서 연소되고, 그 영역이 재가열되는 결과, 소결에 유효한 1200 ℃ 이상의 온도로 유지되는 시간이 대폭 연장되어 있다. 또한, 이 연장은, 기체 연료의 공급에 수반하여 코크스량을 줄이고 있음에도 불구하고, 가스 연소·용융대의 통과시에 있어서의 장입층 내의 최고 도달 온도를, 코크스 강도의 저하를 초래하는 1380 ℃ 를 초과하는 온도까지 상승시키지 않고 실현되고 있다.

또, 도 12 는, 도 11 에 나타낸 소결 실험에 있어서, 장입층 중의 코크스량과 공급되는 기체 연료 (LNG) 의 농도 및 공급 위치를 4 수준으로 바꾸어 소결 실험을 실시한 결과를 나타낸 것으로, 도 12(a) 는, 장입층 내에 있어서의 코크스 및 기체 연료가 연소되는 시간 위치를, 도 12(b) 는, 상기 연소의 결과, 도 12(a) 에 ● 로 나타내는 장입층 내 위치에 있어서의 온도의 시간 추이를 나타낸 것이다. 또, 도 12(b) 에 나타낸 수준 A 의 곡선 (가는 실선) 은, 소결 원료 중에 탄재로서 코크스를 5 mass％ 함유시키고, 기체 연료의 공급을 일절 실시하지 않았던 예에 있어서의 온도 변화이다. 또, 수준 B 의 곡선 (가는 점선) 은, 0.1 vol％ 로 희석한 LNG 를 공급하고, 코크스를 4.6 mass％ 로 저감한 예이다. 이 예에서는, LNG 의 희석 농도가 0.1 vol％ 로 낮고, 발열량이 적기 때문에, 코크스 감소에 의한 열량 부족을 충분히 커버할 수 없어, 기체 연료 공급 효과가 불충분하다. 또, 수준 D 의 곡선 (굵은 파선) 은, 4.0 vol％ 로 희석한 LNG 를 공급하고, 코크스를 4.6 mass％ 로 저감시킨 예이고, 희석 기체 연료의 연소 온도는, 온도에 의존하고, 농도가 높을수록 연소 온도는 저온이 된다. 그 때문에, 4.0 vol％ 의 LNG 는, 코크스 연소 위치와 크게 괴리한, 소결이 완료되어 온도가 저하된 장입층 상층부에서 연소되기 때문에, 장입층 내 온도는 2 개의 피크를 나타내지만, 소결에 유효한 1200 ℃ 이상의 온도의 연장으로는 이어지지 않는다. 이에 대하여, 수준 C 의 곡선 (굵은 실선) 은, 0.4 vol％ 로 희석한 LNG 를 공급하고, 코크스를 4.6 mass％ 로 저감시켰을 경우이다. 이 경우에는, 희석 기체 연료의 연소 온도가 고온측으로 이행되기 때문에, 코크스 연소와 LNG 연소의 양방의 효과가 중첩되어, 1200 ℃ 이상의 온도에서의 유지 시간은, 수준 A, B 및 C 의 경우에 비해 대폭 연장되어 있다.

이들 결과로부터, 희석 기체 연료의 공급에 의해, 소결이 보다 촉진되고 소결광의 강도가 높아져, 수율이나 생산성이 향상됨과 함께, 소결광의 피환원성도 높아지는 것이 기대되는데, 그러기 위해서는, 기체 연료의 공급량에 따라, 첨가되는 탄재의 양을 삭감하고, 장입층 내의 최고 도달 온도를 1200 ∼ 1380 ℃ 의 범위로 제어할 필요가 있다. 덧붙여서, 발명자들의 조사에 의하면, 충분한 소결 강도와 피환원성 및 낮은 환원 분화성의 소결광을 얻기 위해서는, 1200 ∼ 1380 ℃ 의 온도 범위에서 적어도 2 분간은 유지할 필요가 있고, 바람직하게는 3 분간 이상, 더욱 바람직하게는 5 분간 이상 유지하는 것이 바람직하다.

그러나, 기체 연료를 공급하는 경우에 주의해야 할 것은, 종래, 코크스만을 탄재로서 사용하던 경우에는, 코크스의 연소열에 의해 상기 소결 온도를 확보하였지만, 종래와 동일한 양의 탄재가 함유되어 장입층 내에 희석 기체 연료의 공급을 실시하면, 기체 연료의 연소열에 의해 소결시의 최고 도달 온도가 상승되어 상기 서술한 적정 온도 범위 (1200 ∼ 1380 ℃) 로 장입층 내의 온도를 유지할 수 없게 되어, 소결 강도가 낮은 칼슘 페라이트가 생성되고, 수율이나 피환원성의 저하를 초래하는 경우가 있다고 하는 것이다. 따라서, 공급되는 기체 연료에 따라, 소결 원료 중에 배합되는 탄재의 양을 저감시키는 것이 바람직하다고 생각된다. 또, 탄재량을 삭감할 수 있으면, 탄재 비용을 저감시킬 수 있을 뿐만 아니라, 소결 공정에서 발생되는 이산화탄소의 양을 삭감하는 것도 가능해진다.

그래서, 장입층 내에 공급된 희석 기체 연료와의 관계에 있어서, 소결 원료 중에 함유되는 탄재 배합량의 적정 범위를 확인하기 위해, 300Ø×400 ㎜H 의 투명 석영제의 시험 포트를 사용하고, 탄재로서 가루 코크스를 함유하는 소결 원료 중에, 기체 연료로서 LNG 를 0.6 vol％ 로 희석한 희석 기체 연료를 4 분간 공급하는 소결 실험을 실시하였다. 또한, 소결 원료 중에 함유되는 탄재의 양은, 표 7 에 나타내는 바와 같이, 기체 연료의 분사가 없는 경우에는 5.0 mass％, 기체 연료의 분사가 있는 경우에는 4.8 ∼ 4.0 mass％ 사이에서 변화시켜, 공급된 기체 연료의 연소열 및 삭감된 탄재량에 상당하는 연소열과 소결광의 품질 및 생산성의 관계를 조사하였다.

상기 포트 시험의 결과를, 표 7 중에 병기하여 나타내었다. 또, 공급된 기체 연료의 연소열을 A, 삭감된 탄재량에 상당하는 연소열을 B 로 했을 때의 A 에 대한 B 의 비 (B/A) 를 치환율로 정의했을 때, 이 치환율 B/A 와 소결광의 품질 (셔터 강도, 피환원성), 성품 수율 및 생산율의 관계를 도 13 에 나타내었다. 또한, 셔터 강도는, JIS M 8711 에 준하고, 또, 피환원성은 JIS M 8713 에 준하여 측정하였다.

도 13 으로부터, 적어도, 기체 연료를 공급하여 소결광을 제조하는 경우에는, 소결 원료 중 탄재의 양을, 기체 연료를 공급하지 않을 때보다 삭감해도 소결광의 품질 특성 (강도, 피환원성) 이나 생산성에는 아무런 악영향은 없고, 오히려 소결광의 품질 특성이나 생산성을 향상시키는 것, 특히, 치환율 B/A 를 1 이상, 즉, 기체 연료 공급 공정에서 공급하는 희석 기체 연료의 연소열에 상당하는 양 이상의 탄재를 삭감해도, 소결광의 품질 특성 (강도, 피환원성) 이나 생산성은 오히려 향상된다는 것을 알 수 있다. 또한, 도 13 으로부터는, 탄재의 삭감량은, 치환율 B/A 를 5 정도로 하고, 탄재량을 대폭 삭감해도, 기체 연료 공급의 효과를 충분히 누릴 수 있다는 것을 알 수 있다. 요컨대, 장입층 내의 온도를 1200 ∼ 1380 ℃ 의 영역으로 유지하여 비정질의 칼슘 실리케이트가 생성되지 않게 하려면, 기체 연료 공급 공정에서 공급되는 기체 연료의 연소열에 상당하는 양 이상의 탄재를 삭감해야 하는 것이 확인되었다.

상기와 같이, 공급되는 희석 기체 연료의 연소열에 상당하는 양 이상의 탄재를 삭감해도, 따라서 기체 연료와 탄재의 합계의 연소열이 감소해도, 소결광의 품질 특성이나 생산성이 향상되는 이유는, 전술한 도 11 및 도 12 로부터 알 수 있는 바와 같이, 장입층 중에 공급된 희석 기체 연료가, 코크스의 연소 위치 (연소대) 보다 상층측, 즉 연소대가 이미 통과하여 온도가 저하되기 시작한 영역에서 연소되고, 그 영역이 재가열되는 결과, 가스 연소·용융대의 통과시에 있어서의 장입층 내의 온도가, 코크스 강도의 저하를 초래하는 1380 ℃ 를 초과하는 온도까지 상승하지 않고, 소결에 유효한 1200 ℃ 이상의 온도로 유지되는 시간이 대폭 연장되기 때문이라고 생각된다.

단, 과도하게 탄재량을 삭감하면, 즉, 치환율 B/A 를 지나치게 크게 하면, 기체 연료와 탄재의 합계 연소열이 지나치게 저하되어, 소결광의 품질 특성이나 생산성이 저하되게 된다. 또한, 기체 연료의 공급 효과는, 치환율 B/A 가 10 이상이 되어도 확인되고, 그 상한은, 후술하는 실시예에서 설명하는 바와 같이 15 정도이다. 따라서, 소결 원료 중의 탄재량은, 공급되는 기체 연료에 따라, 치환율 B/A 가 1 ∼ 15 의 범위가 되도록 삭감하는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 1.5 ∼ 10, 더욱 바람직하게는 2 ∼ 6 의 범위이다.

상기와 같이, 본 발명에 의하면, 공급되는 기체 연료의 연소열에 상당하는 양 이상의 탄재를 삭감할 수 있기 때문에, 소결광의 품질 개선이나 생산성의 향상을 염가로 실현할 수 있는 것에 더하여, 추가로 탄재의 연소에 의해 발생되는 이산화탄소의 양을 대폭 삭감할 수 있다. 따라서, 본 발명은, 지구 환경에도 친화적인 환경 조화형 기술이라고 할 수 있다.

실시예

도 14 에 나타내는 바와 같이 기체 연료 공급 설비를 형성한 실기 소결기를 사용하여, 표 8 에 나타내는 조건으로, 표 기체 연료 분사와 동시에, 소결 원료 중의 탄재량을 삭감하는 소결 실험을 실시하고, 소결광의 품질 (텀블러 강도, 피환원성) 에 미치는 영향을 확인하였다.

또한, 텀블러 강도는, 실기 소결기에서 얻어지는 소결광 강도를 나타내는 지표로서 가장 널리 이용되고 있고, 셔터 강도와 강한 상관 관계가 있다. 이 텀블러 강도 TI 는, JIS M 8712 에 준거하고, 시료를 회전 드럼 내에서 회전시키고, 6.3 ㎜ 의 체로 분급하여, 시험에 제공된 시료 질량과 시험 후의 +6.3 ㎜ 의 시료 질량의 비로부터 구하였다. 또, 피환원성은, JIS M 8713 에 준하여, 19.0 ∼ 22.4 ㎜ 의 체로 분급한 500 g 의 소결광 시료를, 900 ℃ 하에서, CO 를 30 vol％, N₂ 를 70 vol％ 함유하는 환원 가스로 180 분간 환원한 후, 환원 전의 피환원 산소량에 대한 환원 산소량의 비율로 구하였다.

상기 실기 시험의 결과를, 표 8 중에 병기함과 함께, 공급되는 희석 기체 연료의 연소열을 A, 삭감된 탄재량에 상당하는 연소열을 B 로 했을 때의 치환율 B/A와 소결광의 품질 (텀블러 강도 TI, 피환원성 RI) 의 관계를 도 15 에 나타내었다. 이들 결과로부터, 포트 시험에 있어서의 기체 연료의 연소열 A 와 삭감 탄재량에 상당하는 연소열 B 의 비인 치환율 B/A 가 1 ∼ 15 의 범위에서, 강도와 피환원성을 높인 소결광이 얻어지는 것을 알 수 있다.

1 : 원료 호퍼
2, 3 : 드럼 믹서
4 : 상부광 (床敷鑛) 호퍼
5 : 서지 호퍼
6 : 드럼 피더
7 : 절출 슈트
8 : 팰릿
9 : 장입층
10 : 점화로
11 : 윈드 박스

Claims (4)

1. 순환 이동하는 팰릿 상에 분광석과 탄재를 함유하는 소결 원료를 장입하여 장입층을 형성하는 장입 공정과,
   그 장입층 표면의 탄재에 점화로를 사용하여 점화하는 점화 공정과,
   장입층 상방의 대기 중에 기체 연료를 공급하여 연소 하한 농도 이하의 희석 기체 연료로서 공급하는 기체 연료 공급 공정과,
   팰릿 하에 배치된 윈드 박스에 의해 상기 희석 기체 연료와 공기를 장입층 내에 흡인하여, 장입층 내의 탄재를 연소시킴과 함께, 상기 희석 기체 연료를 탄재 연소 후의 장입층 내에서 연소시켜 소결하는 소결 공정을 갖는 소결광의 제조 방법에 있어서,
   상기 소결 원료 중 탄재의 양을, 기체 연료를 공급하지 않을 때보다 하기 식으로 정의되는 치환율로 2.73 ∼ 15 의 범위가 되도록 삭감하는 것을 특징으로 하는 소결광의 제조 방법.
   치환율 = B/A
   단, A : 공급된 기체 연료의 연소열, B : 삭감된 탄재량에 상당하는 연소열
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 치환율을 2.73 ∼ 10 의 범위로 하는 것을 특징으로 하는 소결광의 제조 방법.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 치환율을 2.73 ∼ 6 의 범위로 하는 것을 특징으로 하는 소결광의 제조 방법.

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