KR101448083B1 - 용선 제조 설비 및 이를 이용한 용선 제조 방법 - Google Patents

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KR101448083B1 KR1020130091525A KR20130091525A KR101448083B1 KR 101448083 B1 KR101448083 B1 KR 101448083B1 KR 1020130091525 A KR1020130091525 A KR 1020130091525A KR 20130091525 A KR20130091525 A KR 20130091525A KR 101448083 B1 KR101448083 B1 KR 101448083B1
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Abstract

본 발명에 따른 용선 제조 설비는 철원료와 탄재를 혼합하여 탄재 내장 브리켓을 제조하는 브리켓 제조 장치, 브리켓 제조 장치로부터 제조된 브리켓을 환원시켜 환원철을 제조하는 환원로, 환원로에서 제조된 환원철을 용융시켜 용선을 제조하는 용융로 및 용융로 내에 장입된 환원철을 용융시키는 연료용 원료를 탄화시켜, 상기 용융로로 공급하는 탄화로를 포함하고, 환원로는 상기 용융로 및 탄화로 중 적어도 어느 하나와 연결되어, 용융로에서 용선 제조시에 발생된 가스 및 상기 탄화로에서 상기 연료용 원료의 탄화시에 발생된 가스 중 적어도 어느 하나를 열원으로 이용하여 상기 브리켓의 환원 온도로 조절한다.
따라서, 본 발명의 실시형태들에 의하면, 철원료와 탄재를 혼합하여 동시에 브리켓으로 제조하여 환원시킴으로써, 철원료의 고속 환원을 유도한다. 즉, 종래와 같이 철원료와 탄재를 별도로 괴성화하는 경우에 비해 철원료의 환원 속도가 빨라, 환원철 및 용선의 생선성 및 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 용융로에 투입되는 연료용 석탄을 종래와 같이 값이 비싼 중품위 또는 고품위의 석탄을 사용하지 않고, 값이 저렴한 저품위의 석탄을 이용함으로써, 용선 제조 비용을 저감시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

용선 제조 설비 및 이를 이용한 용선 제조 방법{Apparatus manufacturing molten steel and method for manufacturing molten steel using the same}
본 발명은 용선 제조 설비 및 이를 이용한 용선 제조 방법에 관한 것으로, 저품위 원료를 이용하여 용선을 제조하는 용선 제조 설비 및 이를 이용한 용선 제조 방법에 관한 것이다.
용융로에서는 환원철을 용융시켜 용선을 제조하는데, 종래에는 철원료와 탄재(즉, 석탄) 각각을 별도로 괴성화하고, 괴성화된 철원료와 탄재를 반응기에서 환원 반응시키는 방법으로 환원철을 제조하였다. 그런데 철원료와 탄재를 별도로 괴성화하는 방법의 경우, 환원로에서 철원료의 환원 반응 속도가 느린 단점이 있다.
종래에는 철원료의 환원 반응 속도의 향상을 위해, 철원료와 탄재를 별도로 괴성화하지 않고, 철원료와 탄재를 혼합한 혼합물을 괴성화하여 회전식 반응기에서 환원시킴으로써, 급속 환원 반응을 유도하였다. 그런데, 이 방법의 경우 용선의 대량 생산이 불가한 단점이 있다.
한편, 석탄의 경우 구성 성분 또는 수분과 휘발분의 함량에 따라 저품위탄, 중품위탄 및 고품위탄으로 분급될 수 있으며, 수분 및 휘발분의 함량이 높고 고정탄소의 함량이 낮은 석탄 예컨대, 아역청탄 및 갈탄 계열의 석탄이 저품위 석탄에 해당한다.
또한, 용융로에는 한국공개특허 2006-0047450에 개시된 바와 같이, 환원철의 용융을 위한 연료로써 석탄을 장입하는데, 용융로로 장입된 석탄은 상기 용융로에 마련된 풍구로부터 공급되는 산소에 의해 연소되고, 이때 발생된 연소 반응열과 용융로 상부로 빠져나가는 연소 가스와 열 교환에 의해 환원철이 용융된다. 그런데, 용융로에 연료로 장입되는 석탄의 경우 일반적으로 아역청탄 및 갈탄에 비해 수분 함량이 적고, 고정탄소의 함량이 높은 중품위 석탄 또는 고품위 석탄을 사용하는데, 중품위 석탄 및 고품위 석탄의 경우 저품위 석탄에 비해 비용이 비싸기 때문에, 용선 제조를 위한 비용이 상승하는 단점이 있다.
한국공개특허 2006-0047450
본 발명은 저품위 원료를 이용하여 용선을 제조하는 용선 제조 설비 및 이를 이용한 용선 제조 방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 용융로 및 탄화로 중 적어도 어느 하나에서 발생되는 가스를 이용하여 환원로를 환원 온도로 조절하는 열원으로 사용하는 용선 제조 설비 및 이를 이용한 용선 제조 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 용선 제조 설비는 철원료와 탄재를 혼합하여 탄재 내장 브리켓을 제조하는 브리켓 제조 장치; 상기 브리켓 제조 장치로부터 제조된 브리켓을 환원시켜 환원철을 제조하는 환원로; 상기 환원로에서 제조된 환원철을 용융시켜 용선을 제조하는 용융로; 및 상기 용융로 내에 장입된 환원철을 용융시키는 연료용 원료를 탄화시켜, 상기 용융로로 공급하는 탄화로;를 포함하고, 상기 환원로는 상기 용융로 및 탄화로 중 적어도 어느 하나와 연결되어, 상기 용융로에서 용선 제조시에 발생된 가스 및 상기 탄화로에서 상기 연료용 원료의 탄화시에 발생된 가스 중 적어도 어느 하나를 열원으로 이용하여 상기 브리켓의 환원 온도로 조절한다.
일단이 상기 용융로에 연결되어, 상기 용융로에서 발생된 가스를 상기 환원로로 이송시키는 제 1 열원 공급 라인; 및 상기 제 1 열원 공급 라인의 타단과 상기 환원로 사이를 연결하도록 설치되어, 상기 제 1 열원 공급 라인으로부터 공급되는 가스를 연소시켜 상기 환원로를 가열하는 제 1 버너;를 포함한다.
일단이 상기 탄화로에 연결되어, 상기 탄화로에서 발생된 가스를 상기 환원로로 이송시키는 제 2 열원 공급 라인; 및 상기 제 2 열원 공급 라인의 타단과 상기 환원로 사이를 연결하도록 설치되어, 상기 제 2 열원 공급 라인으로부터 공급되는 가스를 연소시켜 상기 환원로를 가열하는 제 2 버너;를 포함한다.
상기 탄화로로 투입되는 연료용 원료는 저품위 석탄이며, 상기 탄화로에서 상기 저품위 석탄을 탄화시켜 발생된 고정탄소를 상기 용융로로 투입하여 상기 환원철의 용융을 위한 연료로 사용한다.
상기 환원로로부터 배출된 배가스를 이용하여 발전하는 발전기를 포함한다.
본 발명에 따른 용선 제조 방법은 철원료와 탄재가 혼합된 혼합물을 성형하여 브리켓을 제조하는 과정; 상기 브리켓을 환원로에 장입하여 환원시켜, 환원철을 제조하는 과정; 탄화로에서 연료용 원료를 탄화시켜, 상기 환원철을 용융시키기 위한 연료를 마련하는 과정; 상기 환원철과 상기 연료를 용융로에 장입하여 용선을 제조하는 과정;을 포함한다.
상기 환원로에서 브리켓을 환원시켜 환원철을 제조하는 과정에 있어서, 상기 용융로에서 용선 제조시에 발생된 가스 및 상기 탄화로에서 상기 연료용 원료의 탄화 시에 발생된 가스 중 적어도 어느 하나를 열원으로 이용하여, 상기 화원로 내부를 환원 온도로 조절한다.
상기 용융로에서 용선 제조시에 발생된 가스 및 상기 탄화로에서 상기 석탄 탄화 시에 발생된 가스 중 적어도 하나를 연소시켜 상기 환원로를 가열한다.
상기 철원료와 탄재가 혼합된 혼합물 전체에 대해 상기 탄재가 15 중량% 이상 포함되도록 한다.
상기 철원료와 탄재가 혼합된 혼합물을 성형하여 브리켓을 제조하는데 있어서, 성형압을 3t/cm2 이상으로 한다.
상기 환원로에서 브리켓을 환원시켜 환원철을 제조하는 과정에 있어서, 상기 환원로 내 온도를 1000℃ 내지 1200℃로 한다.
상기 탄화로에서 탄화시키는 연료용 원료는 아역청탄 및 갈탄 계열의 석탄 중 적어도 어느 하나를 사용한다.
상기 환원로로부터 배출된 배가스를 이용하여 발전하는 과정을 포함한다.
본 발명의 실시예들에 의하면, 철원료와 탄재를 혼합하여 동시에 브리켓으로 제조하여 환원시킴으로써, 철원료의 고속 환원을 유도한다. 즉, 종래와 같이 철원료와 탄재를 별도로 괴성화하는 경우에 비해 철원료의 환원 속도가 빨라, 환원철 및 용선의 생선성 및 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 용융로에서 환원철의 용융을 위해 연료로 사용되는 석탄으로 수분 및 휘발분의 함량이 많은 저품위 석탄을 이용하며, 상기 석탄을 탄화시켜 발생된 고정탄소를 용융로의 연료로 사용한다. 따라서, 본 발명의 실시예들에서는 용융로에 투입되는 연료용 석탄을 종래와 같이 값이 비싼 중품위 또는 고품위의 석탄을 사용하지 않고, 값이 저렴한 저품위의 석탄을 이용함으로써, 용선 제조 비용을 저감시킬 수 있는 효과가 있다.
그리고, 환원로 내부의 온도를 환원 온도로 가열 또는 유지시키는 열원으로써, 용융로에서 환원철 용융시에 발생된 가스 및 탄화로에서 저품위의 석탄을 탄화시키면서 발생되는 부생 가스 중 적어도 어느 하나를 이용한다. 즉, 본 발명에서는 용융로의 연료로 사용될 저품위 석탄을 탄화시키는 과정에서 발생된 가스와 용융로에서 환원철 용융 시에 발생된 가스를 폐기하지 않고, 이를 재활용하여 환원로를 환원 온도로 가열 또는 유지시킨다. 따라서, 환원로 내부를 환원 온도로 조절하기 위한 비용을 절감할 수 있다.
또한, 용융로 및 탄화로로부터 제공되어 환원로 내로 공급되는 가스는 상기 환원로 내부에 장입된 브리켓의 철원료와 탄재 간의 환원 반응을 유도하는 환원제로 작용함으로써, 환원율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 용선 제조 설비를 도시한 블록도
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 용선 제조 설비의 용융로 및 탄화로 각각에서 발생된 가스를 환원로로 공급하고, 탄화로에서 생성된 고정탄소를 용융로로 공급하는 모습을 모식화하여 도시한 블록도
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 용선 제조 설비를 이용한 용선 제조 방법을 순서적으로 도시한 순서도
도 4는 성형압에 다른 브리켓의 압축 강도를 나타낸 그래프
도 5는 탄재 첨가량에 따른 브리켓의 환원율을 나타낸 그래프
도 6은 환원로 내부의 온도에 따른 환원철의 압축 강도를 나타낸 그래프
도 7은 탄재 첨가량에 따른 브리켓의 환원 후에 환원철의 잔존 탄소 함량을 나타낸 그래프
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 용선 제조 설비를 도시한 블록도이다. 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 용선 제조 설비의 용융로 및 탄화로 각각에서 발생된 가스를 환원로로 공급하고, 탄화로에서 생성된 고정탄소를 용융로로 공급하는 모습을 모식화하여 도시한 블록도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 용선 제조 설비는 철원료와 탄재를 혼합하여 탄재 내장 브리켓(briquette)을 제조하는 브리켓 제조 장치(100), 브리켓 제조 장치(100)에서 제조된 브리켓을 환원시켜 환원철을 제조하는 환원로(200), 환원로(200)로부터 제공된 환원철을 용융시켜 용선을 제조하는 용융로(300), 환원철의 용융을 위한 연료를 용융로(300)로 제공하는 탄화로(400), 일단이 용융로(300)에 연결되고 타단이 환원로(200)에 연결되어 상기 용융로(300)에서 발생된 가스를 환원로(200)로 공급하는 제 1 열원 공급 라인(510), 일단이 탄화로(400)에 연결되고 타단이 환원로(200)에 연결되어 상기 탄화로(400)에서 발생된 가스를 환원로(200)에 공급하는 제 2 열원 공급 라인(520)을 포함한다. 또한, 제 1 및 제 2 열원 공급 라인(510, 520) 각각에 설치되어 탄화로(400) 및 용융로(300) 각각의 가스를 순환시키는 제 1 및 제 2 싸이클론(511, 521), 환원로(200)로부터 배출된 배가스를 이용하여 전력을 생산하는 발전기(800)를 포함한다. 도시되지는 않았지만, 환원로(200)의 후단에서, 상기 환원로(200)와 발전기(200)의 사이에 싸이클론 및 열 교환기가 설치될 수 있다.
브리켓 제조 장치(100)는 철원료와 탄재를 동시에 괴성화여 탄재 내장 브리켓을 제조한다. 이러한 브리켓 제조 장치(100)는 철원료와 탄재가 각기 수용되는 제 1 및 제 2 원료 호퍼(110a, 110b), 제 1 및 제 2 원료 호퍼(110a, 110b)로부터 철원료 및 탄재 각각을 공급받아 혼합하는 혼합기(130), 혼합기(130)와 연결되어 철원료와 탄재가 혼합된 혼합물을 성형하여 탄재 내장 브리켓을 제조하는 성형기(140)를 포함한다. 또한, 탄재를 파쇄하여 제 2 원료 호퍼(110b)로 공급하는 파쇄기(120)를 더 포함할 수 있다.
제 1 원료 호퍼(110a)에 저장되는 철원료는 저급 철광석 및 함철 부산물 중 적어도 어느 하나일 수 있으며, 혼합기(130)로 투입되는 철원료는 0.1mm 이하의 극 미분 입도를 가지는 것이 바람직하다.
제 2 원료 호퍼(110b)에 저장되는 탄재는 브리켓의 환원을 유도하는 환원제로서, 석탄일 수 있으며, 예컨대, 중품위, 고품위의 석탄 및 함탄 부산물 중 적어도 어느 하나일 수 있으며, 탄재는 파쇄기(120)에 의해 1mm 이하의 입도로 파쇄된다.
성형기(140)는 도시되지는 않았지만, 상호 마주보도록 설치된 한 쌍의 롤을 구비하는 성형기 즉, 쌍롤식 성형기이다. 이에, 한 쌍의 롤 사이에 혼합물이 장입되면, 상기 한 쌍의 롤의 회전으로 인한 압출에 의해 브리켓이 제조된다. 물론 성형기는 상술한 쌍롤식 성형기에 한정되지 않고, 브리켓으로 성형할 수 있는 다양한 수단이 사용될 수 있다.
본 발명의 실시예에서는 용융로(300)에서 환원철의 용융을 위해 사용되는 연료를 탄화로(400)에서 마련하는데, 비용이 저렴한 저품위의 석탄 예컨대, 아역청탄 또는 갈탄 계열의 석탄을 사용한다. 저품위의 석탄은 수분 및 휘발분이 많기 때문에, 본 발명의 실시예에서는 사전에 탄화로(400)에서 탄화 과정을 거쳐 수분 및 휘발분이 제거된 석탄을 용융로(300)에 장입한다. 즉, 아역청탄 또는 갈탄 계열과 같은 저품위의 석탄을 탄화로(400)에 장입하여 탄화시킴으로써, 상기 석탄으로부터 수분 및 휘발분을 제거하고 남은 성분인 고정탄소를 용융로(300)의 연료로 사용한다. 이에, 수분 및 휘발분이 제거되지 않은 석탄을 그대로 용융로(300)로 장입시킬 때에 비해 환원철의 용융 속도 및 환원 속도가 향상된다. 또한, 종래와 같이 용융로(300)의 연료로서 중품위 또는 고품위의 석탄을 사용할 때에 비해 용선 제조를 위한 비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.
탄화로(400)는 환원철의 용융을 위한 연료를 용융로(300)로 공급하는 수단으로서, 내부로 장입되는 연료용 원료를 탄화하는 장치이다. 본 발명의 실시예에서는 탄화로(400)에서 탄화시키는 연료용 원료로서 수분 및 휘발분의 함량이 많고, 비용이 저렴한 저품위의 석탄 예컨대, 아역청탄 또는 갈탄 계열의 석탄을 사용한다. 이러한 탄화로(400)는 아역청탄 또는 갈탄 계열과 같은 저품위 석탄을 저장하는 호퍼(410)(이하, 제 3 원료 호퍼(410))와, 고온의 가스를 공급하는 열풍 발생로(미도시), 일단이 열풍 발생로에 연결되고 타단이 탄화로(400)에 연결되어, 상기 열풍 발생로의 고온의 가스를 탄화로(400)로 공급하는 고온가스 공급관(미도시), 탄화로(400)에서 연료용 원료를 탄화시켜 발생된 연료 즉, 고정탄소를 저장하는 호퍼(420)(이하, 연료 호퍼(420))와 연결된다. 여기서, 열풍 발생로에는 버너(미도시)가 구비되며, 별도의 공급 라인(미도시), 연소 공기 공급 라인(미도시) 등이 연결된다.
탄화로(400)에서 탄화 과정을 간략히 설명하면 하기와 같다.
제 3 원료 호퍼(410)로부터 아역청탄 또는 갈탄 계열 석탄과 같은 저품위 석탄을 탄화로(400)로 장입시킨다. 그리고 열풍 발생로에서는 버너를 이용하여 고온의 가스를 생성하고, 생성된 고온의 가스는 고온 가스 공급관을 통해 탄화로(400)로 공급하고, 탄화 반응을 유도하기 위해 황화수소(H2S)를 포함하는 환원가스를 탄화로(400)로 공급한다. 한편 석탄은 수분, 휘발분 및 고정탄소 등으로 구성되기 때문에, 탄화로(400) 내로 공급되는 고온의 가스와 환원 분위기에 의해 탄화가 진행된다. 즉, 석탄으로부터 수분 및 휘발분이 제거되고, 구성 성분 중 하나인 고정탄소가 추출되며, 부생 가스로서 수소 및 산소를 포함하는 가스, H2, CO, CH4의 가스가 발생된다.
수분 및 휘발분이 제거된 고상 상태의 고정탄소는 탄화로(400) 외부에 설치된 연료 호퍼(420)에 장입된다. 이후, 연료 호퍼(420)에 장입된 고정탄소는 파우더(powder) 또는 브리켓 형태로 성형되어, 풍구를 통해 용융로(300)로 장입되어, 환원철을 용융시키기 위한 연료로 사용된다. 또한, 탄화로(400)에서 석탄의 탄화 시에 탄소 및 수소를 포함하는 가스 즉, H2, CO, CH4의 가스가 부생되며, 이러한 가스는 제 2 열원 공급 라인(520)을 통해 환원로(200)로 공급된다. 탄화로(400)로부터 발생된 가스는 환원로(200)로 공급되어, 상기 환원로(200) 내부를 가열하면서, 브리켓의 탄재에 의한 철원료의 환원 반응을 유도한다. 즉, 탄화로(400)로부터 발생되어 환원로(200)로 공급되는 가스는 탄화로(400) 내부를 가열하는 열원 및 철원료의 환원을 유도하는 환원제의 역할을 한다.
용융로(300)는 환원로(200)로부터 제공된 환원철을 용융시켜 용선을 제조한다. 즉, 환원로(200)에서 제조된 환원철을 용융로(300) 내로 장입하고, 탄화로(400)에서 석탄의 탄화 과정에 의해 추출된 고정탄소를 풍구를 통해 용융로(300)로 투입한다. 그리고, 풍구로 산소를 공급하면, 고정탄소가 연소되며, 고정탄소의 연소시에 발생된 연소열과, 연소 반응에 의해 생성되어 용융로(300) 상부로 빠져나가는 고온의 가스와의 열 교환에 의해 환원철이 용융된다. 이때, 환원철에 포함된 미환원된 탄재는 용융로(300) 내에서 용융 반응 및 환원 속도를 증가시키는데 기여한다.
그리고 용융로(300)에서 환원철의 용융시에 발생된 고온의 가스는 제 1 열원 공급 라인(510)을 통해 환원로(200)로 공급된다. 용융로(300)로부터 제공된 가스는 후술되는 제 1 버너(610)의 연료로 사용되어 연소됨으로써 환원로(200)를 가열하고, 동시에 브리켓의 탄재에 의한 철원료의 환원 반응을 유도한다. 즉, 용융로(200)로부터 발생된 부생 가스는 환원로(200) 내부를 가열하는 열원 및 철원료의 환원을 유도하는 환원제의 역할을 한다.
용선 제조 시에 용융로(300)로 석회석(CaO), 산화마그네슘(MgO) 및 돌로마이트와 같은 부원료가 장입될 수 있으며, 이를 위해 상술한 부원료가 저장된 호퍼(이하, 부원료 호퍼(430))가 마련될 수 있다.
환원로(200)는 성형기(140)에서 제조된 브리켓을 환원 및 소성시켜, 환원철을 제조한다. 브리켓의 환원을 위해 환원로(200)는 브리켓의 환원 온도로 가열 또는 유지되어야 한다. 이를 위해 환원로(200)에는 상기 환원로(200) 내부를 가열하기 위한 버너(610, 620)가 설치되며, 본 발명의 실시예에서는 환원로(200)에 마련된 버너(610, 620)의 연소 원료로서, 용융로(300)에서 환원철의 용융 시에 발생된 가스(또는 배가스) 및 탄화로(400)에서 석탄의 탄화시에 발생된 가스(또는 배가스) 중 적어도 어느 하나를 이용한다. 이에, 환원로(200)에는 제 1 열원 공급 라인(510)의 타단과 연결된 제 1 버너(610)와, 제 2 열원 공급 라인(520)의 타단과 연결된 제 2 버너(620)가 설치된다. 즉, 제 1 버너(610)는 제 1 열원 공급 라인(510)과 환원로(200) 사이를 연결하도록 설치되어, 상기 제 1 열원 공급 라인(510)으로부터 공급되는 배가스를 연소시켜 환원로(200)를 가열하고, 제 2 버너(620)는 제 2 열원 공급 라인(520)과 환원로(200) 사이를 연결하도록 설치되어, 상기 제 2 열원 공급 라인(520)으로부터 공급되는 가스를 연소시켜 상기 환원로(200)를 가열한다.
이와 같이, 본 발명의 실시예에서는 환원로(200) 내부를 가열하고, 환원 온도로 유지시키는 열원과 탄재의 환원을 유도하는 환워제로서, 용융로(300)에서 환원철의 용융 시에 발생된 가스(또는 배가스) 및 탄화로(400)에서 석탄의 탄화시에 발생된 가스(또는 배가스) 중 적어도 어느 하나를 이용한다. 즉, 환원로(200)에는 용융로(300)로부터 배출된 가스 및 탄화로에서 배출된 가스 중 적어도 어느 하나를 공급받고, 이를 이용하여 환원로(200) 내부의 온도를 브리켓의 환원 분위기로 승온 또는 유지시킨다. 또한, 용융로(300) 및 탄화로(400)로부터 제공된 가스는 환원제로 작용하여 철원료와 탄재 간의 환원 반응을 유도한다. 이때, 환원로(200)는 용융로 및 탄화로 중 적어도 어느 하나로부터 제공된 가스를 이용하여 1000℃ 내지 1200℃의 온도가 되도록 한다. 이에, 환원로(200) 내의 브리켓에서 철원료와 탄재가 상호 환원 반응하고, 이에 따라 분화 없이 환원율이 높은 환원철이 제조된다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 용선 제조 설비를 이용한 용선 제조 방법을 순서적으로 도시한 순서도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 용선 제조 방법은 철원료와 탄재를 마련하고 이들을 혼합하는 과정(S100), 철원료와 탄재가 혼합된 혼합물을 성형하여 탄재 내장 브리켓을 제조하는 과정(S200), 브리켓을 환원시켜 환원철을 제조하는 과정(S300), 연료로 사용될 석탄을 탄화시키는 과정(S400), 용융로(300)에 환원철과 고정탄소를 투입하여, 상기 환원철을 용융시켜 용선을 제조하는 과정(S500)을 포함한다.
이하에서는 도 1 내지 도 3을 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 용선 제조 설비를 이용한 용선 제조 방법을 보다 구체적으로 설명한다.
먼저, 피환원물질인 철원료와 환원제인 탄재를 마련한다. 여기서, 철원료는 저급 철광석 및 철강 공정에서 발생된 함철 부산물 중 적어도 어느 하나일 수 있으며, 철광석의 입도는 0.1mm 이하의 입도를 가진다. 또한, 탄재는 석탄 및 철강 제조 공정에서 발생된 함탄 부산물 중 적어도 어느 하나를 사용한다. 준비된 탄재는 파쇄기(120)를 이용하여 탄재를 파쇄하는데, 입도가 1mm 이하가 되도록 한다. 그리고 제 1 및 제 2 원료 호퍼(110a, 110b)에 저장된 철원료와 탄재를 혼합기(130)로 장입하여 철원료와 탄재를 혼합한다(S100). 이때, 철원료와 탄재가 혼합된 혼합물 전체에 대해 탄재가 15 중량% 이상이 되도록 혼합한다. 이후, 혼합물은 성형기(140)로 장입되어 탄재 내장 브리켓으로 제조된다(S200). 실시예에서는 상호 마주보도록 설치된 한 쌍의 롤을 구비하는 성형기 즉, 쌍롤식 성형기를 이용하여 성형을 진행하며, 한 쌍의 롤 사이에 혼합물이 장입되면, 상기 한 쌍의 롤의 회전으로 인한 압출에 의해 탄재가 내장된 브리켓이 제조된다. 이때, 실시예에서는 강도 높은 브리켓 또는 환원철의 제조를 위해 성형기에서의 성형 시의 압력을 3t/cm2 이상으로 조절한다.
탄화로(400)에서는 용융로(300)로 투입될 연료인 석탄을 준비하고, 이를 탄화시킨다(S500). 이때 연료용 원료로써, 저품위의 석탄 예컨대, 아역청탄 및 갈탄 계열의 석탄을 준비하고, 이를 제 3 원료 호퍼(410)에 장입한다. 제 3 원료 호퍼(410)에 장입된 석탄은 탄화로(400)로 장입되어 부분 탄화된다. 이때 석탄의 부분 탄화에 의해 상기 석탄에 함유되어 있던 수분 및 휘발분이 제거되며, 고정탄소가 추출되고, 이와 함께 수소 및 탄소를 포함하는 가스 즉, H2, CO 및 CH4 가스가 부생된다. 고정탄소는 탄화로(400) 외부에 설치된 연료 호퍼(420)로 장입되며, 탄화 과정에서 발생된 H2, CO, CH4의 가스는 이후 환원로(200)로 공급되어 환원로(200)의 열원 및 환원제로 사용된다.
브리켓 제조 장치(100)에서 제조된 브리켓은 환원로(200) 내부로 장입되고, 환원로(200)에서는 탄재 내장 브리켓의 환원 반응을 통해 환원철을 제조한다(S300). 이를 위해, 환원로(200) 내부를 1000℃ 내지 1200℃의 환원 공정 온도로 가열하고, 환원성 분위기를 조성한다. 이때, 본 발명의 실시예에서는 용융로(300)로부터 용선 제조 시에 발생된 가스를 제공받아 이를 이용하여 환원로(200) 내부를 브리켓의 환원 반응 온도 즉, 1000℃ 내지 1200℃로 가열 또는 유지시킨다. 보다 구체적으로 설명하면, 용융로(300)에서 환원철의 용융시에 발생된 가스는 제 1 싸이클론(511)을 통과한 후, 제 1 열원 공급 라인(510)을 거쳐 제 1 버너(610)로 공급되고, 제 1 버너(610)는 가스를 연소하여 환원로(200) 내 온도를 1000℃ 내지 1200℃로 가열 또는 유지시킨다. 이때 환원로(200) 내 가스 분위기는 산소 농도가 5% 이하인 환원성 분위기로 조성된다. 환원로(200)가 1000℃ 내지 1200℃의 온도 및 환원성 분위기가 되면, 브리켓의 철원료와 탄재가 자체 반응이 일어나며, 이에 부분 환원철이 제조된다. 브리켓 내의 철원료의 환원율은 60% 이상이며, 브리켓의 환원 반응에 따른 수축 및 금속 Fe의 소결 반응에 의해 압축 강도가 30kgf/p 이상으로 높은 환원철이 제조된다.
부분 환원철은 철원료에 함유된 Fe 전체 즉, 100%가 환원되지 않고, 100% 미만의 범위로 부분적으로 환원된 것을 의미한다. 물론, 환원로(200) 내부에서 소성 시간 또는 열처리 온도를 조절함으로써 100%가 환원된 환원철을 제조할 수도 있으나, 100%가 환원된 환원철을 제조하기 위해서는 환원로(200)에 부하가 걸리는 문제가 발생 된다.
한편, 예를 들어 환원로(200)에서의 열처리 온도가 1000℃ 미만인 경우, 철원료와 탄재 간의 환원 반응이 활발히 일어나지 않아, 부분 환원철 제조가 용이하지 않거나, 환원철 생산율이 낮아질 수 있다. 또한, 환원로(200)의 온도가 1200℃를 초과하는 경우, 슬래그 중 FeO에 의해 저융점 화합물이 생성되어, 브리켓 내 용융물이 발생되며, 이에 조업의 안정성 확보를 위해 환원로(200) 내에서의 환원 온도는 1200℃ 이하로 한다.
그리고, 환원로(200)에서 환원 반응시에 발생되어 배출된 가스 즉 배가스는 발전기로 이송되며, 발전기(800)에서는 환원로(200)로부터 제공된 배가스를 이용하여 전력을 생산한다. 즉, 환원로(200)로부터 배출된 양질의 배가스를 환원로(200)의 후단에 설치된 싸이클론 및 열 교환기로 공급하여, 미립자 및 유해 성분을 제거하고 열을 회수하여 스팀을 생산한다. 미립자 및 유해 성분이 제거된 배가스를 공기와 함께 완전 연소시키면, 이를 가스 터빈과 증기 터빈을 결합한 복합 발전에 사용되어 전력을 생산한다. 그리고 완전 연소에 의해 발생한 이산화탄소는 지하에 수송, 저장된다.
상기에서는 용융로(200)로부터 배출된 배가스를 이용하여 환원로(200) 내부를 1000℃ 내지 1200℃의 온도로 가열 또는 유지하는 열원 및 환원 반응을 유도하기 위한 환원제로 사용하는 것을 설명하였다. 하지만, 다른 실시예로서, 탄화로(400)에서 발생된 가스를 이용하여 환원로(200)를 승온시킬 수 있다. 즉, 탄화로(400)에서 연료인 석탄의 탄화시에 발생된 가스 즉, H2, CO, CH4 가스는 제 2 싸이클론(521)을 통과하여 제 2 열원 공급 라인(520)을 거쳐 제 2 버너(620)로 공급된다. 제 2 버너(620)는 가스를 연소하여 환원로(200) 내 온도를 1000℃ 내지 1200℃로 가열 또는 유지시킨다. 이때 환원로(200) 내 가스 분위기는 산소 농도가 5% 이하인 환원성 분위기로 조성된다. 환원로(200)가 1000℃ 내지 1200℃의 온도 및 환원성 분위기가 되면, 브리켓의 철원료와 탄재가 자체 반응이 일어나 부분 환원철이 제조된다.
용융로(300)에서는 환원철을 용융시켜, 용선을 제조한다(400). 이를 위해, 환원로(200)에서 제조된 환원철과 제 3 원료 호퍼(410)에 수용된 고정탄소를 용융로(300)로 장입시킨다. 이때, 부원료 호퍼(430)에 저장된 석회석(CaO), 산화마그네슘(MgO) 및 돌로마이트 중 적어도 어느 하나의 부원료를 용융로(300)로 투입할 수 있다. 이후, 용융로(300)에 마련된 풍구로 산소를 공급하면, 고정탄소가 산소와 반응하여 연소되며, 이때 발생된 반응열과 용융로(300) 외부로 빠져 나가는 연소 가스와의 열 교환에 의해 환원철이 용융되어 용선이 제조된다.
용융로(300)에서 환원철을 용융시켜 용선을 제조하는 공정 시에 발생된 가스는 상술한 바와 같이 제 1 열원 공급 라인(510)을 통해 제 1 버너(610)로 공급되어 연소됨으로써, 환원로(200) 내부를 1000℃ 내지 1200℃의 온도로 가열 또는 유지시키는 열원 및 철원료와 탄재 간의 환원 반응을 유도하는 환원제로서 사용된다.
이와 같이, 본 발명의 실시예들에 의하면, 철원료와 탄재를 혼합하여 동시에 브리켓으로 제조한 후, 이를 환원로(200)에 장입함으로써, 철원료의 고속 환원이 유도된다. 즉, 종래와 같이 철원료와 탄재를 별도로 괴성화하는 경우에 비해 철원료의 환원 속도가 빨라, 환원철 및 용선의 생선성 및 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 용융로(300)에서 환원철의 용융을 위해 연료로 사용되는 석탄으로 수분 및 휘발분의 함량이 많은 저품위 석탄을 이용하며, 상기 석탄을 탄화시켜 발생된 고정탄소를 용융로(300)의 연료로 사용된다. 따라서, 본 발명의 실시예들에서는 종래와 같이 용융로(300)에 투입되는 석탄을 값이 비싼 중품위 또는 고품위의 석탄을 사용하지 않고, 값이 저렴한 저품위의 석탄을 이용함으로써, 용선 제조 비용을 저감시킬 수 있는 효과가 있다.
그리고, 환원로(200) 내부의 온도를 환원 온도로 가열 또는 유지시키는 열원으로써, 용융로(300)에서 환원철 용융시에 발생된 가스 및 탄화로(400)에서 저품위의 석탄을 탄화시키면서 발생되는 부생 가스 중 적어도 어느 하나를 이용한다.
즉, 본 발명에서는 용융로(300)의 연료로 사용될 저품위 석탄을 탄화시키는 과정에서 발생된 가스와 용융로(300)에서 환원철 용융 시에 발생된 가스를 폐기하지 않고, 이를 재활용하여 환원로(200)를 환원 온도로 가열 또는 유지시킨다. 따라서, 환원로(200) 내부를 환원 온도로 가열시키기 위한 비용을 절감할 수 있다.
또한, 용융로(300) 및 탄화로(400)로부터 제공되어 환원로(200) 내로 공급되는 가스는 상기 환원로(200) 내부에 장입된 브리켓의 철원료와 탄재 간의 환원 반응을 유도하는 환원제로 작용함으로써, 환원율을 향상시킬 수 있다.
도 4는 성형압에 다른 브리켓의 압축 강도를 나타낸 그래프이다.
실험을 위하여, 철원료와 탄재를 마련하여 혼합하고, 성형기(140)를 이용하여 철원료와 탄재가 혼합된 혼합물을 성형하여 브리켓을 제조하였다. 이때, 철원료는 0.1mm 이하의 입도를 가지는 극미분 철광석을 사용하며, 탄재로는 석탄을 1mm 이하의 입도를 가지도록 파쇄하여 사용하였다. 그리고 철원료와 탄재를 혼합하는데 있어서, 혼합물 전체에 대해 탄재가 20 중량%가 되도록 혼합하였다. 이후, 철원료와 탄재가 혼합된 혼합물을 성형기(140)로 장입하여 성형하는데, 이때 성형압을 1t/cm2 내지 7t/cm2으로 가변시켜 제조된 각각의 브리켓에 대한 압축 강도를 측정하였다.
도 4를 참조하면 성형압이 증가함에 따라 브리켓의 압축 강도가 증가하는 경향을 보인다. 한편, 성형기(140)에서 제조된 브리켓을 환원로(200)로 장입하기 위해서는 30kgf/p 이상의 압축 강도를 가질 필요가 있는데, 이는 브리켓이 환원로(200)로 이송 또는 장입 시에 상기 브리켓이 깨지거나, 분진이 발생지 않도록 하기 위함이다. 도 4에 나타난 바와 같이 3t/cm2 이상의 성형압에서 30kgf/p 이상의 압축 강도를 가진다. 이에, 본 발명의 실시예에서는 브리켓 제조 시에 성형압을 3t/cm2 이상으로 한다.
도 5는 탄재 첨가량에 따른 브리켓의 환원율을 나타낸 그래프이다.
실험을 위해, 1mm 이하의 입도를 가지는 탄재 즉, 석탄이 전체에 대해 20 중량%가 되도록 1mm 이하의 입도를 가지는 극미분 철광석과 혼합한다. 그리고 고정탄소 탄재가 혼합된 혼합물을 성형기(140)에서 성형하여 브리켓을 제조한다. 이후, 제조된 브리켓을 환원로(200)에 장입하여 환원시킨다. 이때 용융로(300)로부터 배출된 배가스 및 탄화로(400)로부터 배출된 가스 중 적어도 어느 하나를 환원로(200)에 공급하여, 환원로 내부를 가열한다. 각각의 브리켓의 환원에 있어서, 환원로(200) 내부 온도를 다르게 하고, 환원 공정 이후 브리켓의 강도를 측정하였다.
도 5를 참조하면, 환원로(200)의 온도가 상승할수록 압축 강도가 증가하는데, 1000℃ 이상의 온도에서 압축 강도가 급속히 증가한다. 이에, 본 발명에서는 환원로(200)에서 브리켓의 환원 공정 시에, 상기 환원로(200) 내부의 온도를 1000℃ 내지 1200℃가 되도록 조절한다.
도 6은 환원로 내부의 온도에 따른 환원철의 압축 강도를 나타낸 그래프이다. 도 7은 탄재 첨가량에 따른 브리켓의 환원 후에 환원철의 잔존 탄소 함량을 나타낸 그래프이다.
실험을 위해, 철원료와 탄재 즉, 석탄을 마련하고, 상기 철원료와 탄재를 혼합한다. 이때, 철원료와 탄재가 혼합된 혼합물 전체에 대해 상기 탄재가 5 중량%, 10 중량%, 15 중량%, 20 중량%, 25 중량%, 30 중량%가 되도록 가변시킨다. 그리고 철원료와 탄재가 혼합된 혼합물을 성형기(140)에서 성형하여 브리켓으로 제조한 후, 환원로(200)에서 환원시킨다. 이때, 환원로(200) 내부의 온도는 1200℃로 동일하게 하고, 각각의 브리켓을 환원시키는데 있어서 환원로(200) 내부의 산소 분압을 다르게 조절하였다.
도 6을 참조하면, 탄재의 함량 15 중량% 이상, 산소 분압 4% 이하에서 60 중량% 이상의 환원율을 보이며, 탄재의 함량 20 중량% 이상, 산소 분압 4% 이하에서는 80% 이상의 환원율의 확보가 가능하다. 또한, 도 7을 참조하면, 탄재의 함량이 많아 질수록 환원 후 브리켓 즉, 환원철의 잔존 카본 함량이 높다. 환원철 내의 카본은 용융로(300)에서 용선 제조 시에, 미반응 철원료의 환원 반응과 용융 반응 속도를 향상에 기여하는 것으로, 카본 함량이 높을수록 유리하다. 이에, 본 발명의 실시예에서는 탄재의 함량을 15 중량% 이상으로 하고, 환원로(200) 내의 산소 분압 4%가 되도록 조절한다.
100: 브리켓 제조 장치 200: 환원로
300: 용융로 400: 탄화로
510: 제 1 열원 공급 라인 520: 제 2 열원 공급 라인
800: 발전기

Claims (13)

  1. 철원료와 탄재를 혼합하여 탄재 내장 브리켓을 제조하는 브리켓 제조 장치;
    상기 브리켓 제조 장치로부터 제조된 브리켓을 환원시켜 환원철을 제조하는 환원로;
    상기 환원로에서 제조된 환원철을 용융시켜 용선을 제조하는 용융로; 및
    상기 용융로 내에 장입된 환원철을 용융시키는 연료용 원료를 탄화시켜, 상기 용융로로 공급하는 탄화로;
    를 포함하고,
    상기 환원로는 상기 용융로 및 탄화로 중 적어도 어느 하나와 연결되어, 상기 용융로에서 용선 제조시에 발생된 가스 및 상기 탄화로에서 상기 연료용 원료의 탄화시에 발생된 가스 중 적어도 어느 하나를 열원으로 이용하여 상기 브리켓의 환원 온도로 조절하는 용선 제조 설비.
  2. 청구항 1에 있어서,
    일단이 상기 용융로에 연결되어, 상기 용융로에서 발생된 가스를 상기 환원로로 이송시키는 제 1 열원 공급 라인; 및
    상기 제 1 열원 공급 라인의 타단과 상기 환원로 사이를 연결하도록 설치되어, 상기 제 1 열원 공급 라인으로부터 공급되는 가스를 연소시켜 상기 환원로를 가열하는 제 1 버너;
    를 포함하는 용선 제조 설비.
  3. 청구항 1에 있어서,
    일단이 상기 탄화로에 연결되어, 상기 탄화로에서 발생된 가스를 상기 환원로로 이송시키는 제 2 열원 공급 라인; 및
    상기 제 2 열원 공급 라인의 타단과 상기 환원로 사이를 연결하도록 설치되어, 상기 제 2 열원 공급 라인으로부터 공급되는 가스를 연소시켜 상기 환원로를 가열하는 제 2 버너;
    를 포함하는 용선 제조 설비.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 탄화로로 투입되는 연료용 원료는 저품위 석탄이며,
    상기 탄화로에서 상기 저품위 석탄을 탄화시켜 발생된 고정탄소를 상기 용융로로 투입하여 상기 환원철의 용융을 위한 연료로 사용하는 용선 제조 설비.
  5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 환원로로부터 배출된 배가스를 이용하여 발전하는 발전기를 포함하는 용선 제조 설비.
  6. 철원료와 탄재가 혼합된 혼합물을 성형하여 브리켓을 제조하는 과정;
    상기 브리켓을 환원로에 장입하여 환원시켜, 환원철을 제조하는 과정;
    탄화로에서 연료용 원료를 탄화시켜, 상기 환원철을 용융시키기 위한 연료를 마련하는 과정; 및
    상기 환원철과 상기 연료를 용융로에 장입하여 용선을 제조하는 과정;
    을 포함하는 용선 제조 방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 환원로에서 브리켓을 환원시켜 환원철을 제조하는 과정에 있어서,
    상기 용융로에서 용선 제조시에 발생된 가스 및 상기 탄화로에서 상기 연료용 원료의 탄화 시에 발생된 가스 중 적어도 어느 하나를 열원으로 이용하여, 상기 화원로 내부를 환원 온도로 조절하는 용선 제조 방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 용융로에서 용선 제조시에 발생된 가스 및 상기 탄화로에서 상기 석탄 탄화 시에 발생된 가스 중 적어도 하나를 연소시켜 상기 환원로를 가열하는 용선 제조 방법.
  9. 청구항 6에 있어서,
    상기 철원료와 탄재가 혼합된 혼합물 전체에 대해 상기 탄재가 15 중량% 이상 포함되도록 하는 용선 제조 방법.
  10. 청구항 6에 있어서,
    상기 철원료와 탄재가 혼합된 혼합물을 성형하여 브리켓을 제조하는데 있어서, 성형압을 3t/cm2 이상으로 하는 용선 제조 방법.
  11. 청구항 6 내지 청구항 8 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 환원로에서 브리켓을 환원시켜 환원철을 제조하는 과정에 있어서,
    상기 환원로 내 온도를 1000℃ 내지 1200℃로 하는 용선 제조 방법.
  12. 청구항 6에 있어서,
    상기 탄화로에서 탄화시키는 연료용 원료는 아역청탄 및 갈탄 계열의 석탄 중 적어도 어느 하나인 용선 제조 방법.
  13. 청구항 6 내지 청구항 8 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 환원로로부터 배출된 배가스를 이용하여 발전하는 과정을 포함하는 용선 제조 방법.
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KR100840233B1 (ko) 2006-12-27 2008-06-20 주식회사 포스코 용철제조장치 및 용철제조방법
KR101191969B1 (ko) 2011-04-22 2012-10-17 주식회사 포스코 용선 제조설비의 환원가스 제어장치 및 환원가스 제어방법

Patent Citations (4)

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