KR101527855B1

KR101527855B1 - 소성 장치 및 이를 이용한 환원철 제조 방법

Info

Publication number: KR101527855B1
Application number: KR1020130130326A
Authority: KR
Inventors: 손상한; 박종인; 왕민규; 황병운
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2013-10-30
Filing date: 2013-10-30
Publication date: 2015-06-10
Also published as: KR20150049582A

Abstract

본 발명은 소성 장치 및 이를 이용한 환원철 제조 방법으로서, 성형탄이 장입된 대차가 이동하는 경로를 형성하는 소성로와, 상기 소성로의 상부에 상기 소성로와 연통되도록 구비되어, 상기 소성로의 길이 방향을 따라 복수의 영역으로 분할되는 상부 유통로와, 상기 상부 유통로의 서로 다른 영역을 연결하는 상부 연결관; 상기 소성로의 하부에 상기 소성로와 연통되도록 구비되어, 상기 소성로의 길이 방향을 따라 복수의 영역으로 분할되는 하부 유통로 및 상기 하부 유통로의 서로 다른 영역을 연결하는 하부 연결관을 포함하고, 상기 하부 연결관과 상기 상부 연결관은 상기 하부 유통로와 상부 유통로 각각의 적어도 어느 한 영역을 외부와 연통시켜, 소성로 내의 각 영역에서 발생하는 가스를 소성로 내부에 순환시킴으로써 소성로 내의 각 영역에서 온도 및 산소 농도를 제어하여 환원철의 금속화율을 향상시킬 수 있다.

Description

소성 장치 및 이를 이용한 환원철 제조 방법{Burning apparatus and manufacturing method of reduced iron}

본 발명은 소성 장치 및 이를 이용한 환원철 제조 방법으로서, 보다 상세하게는 소성로 내의 온도 및 산소 농도 제어를 통해 환원철의 금속화율을 향상시킬 수 있는 소성 장치 및 이를 이용한 환원철 제조 방법에 관한 것이다.

통상적인 환원철 제조 장치는 철원료와 탄재를 각기 수용하는 복수의 호퍼, 철원료 및 탄재 각각을 공급받아 파쇄하는 파쇄기, 철원료 및 탄재를 공급받아 혼합하는 혼합기, 혼합기에서 혼합된 혼합물을 압축하여 성형하는 성형기, 성형기에서 제조된 성형탄을 열처리하여 소성하는 소성로를 포함한다.

한편, 소성로에서는 성형탄을 열처리하여 환원시킴으로써, 환원철을 제조한다. 이를 위해, 소성로는 통상적으로 밀폐되고, 내부로 환원성 분위기를 유도하기 위해 일산화탄소(CO) 가스, 이산화 탄소(CO₂) 또는 수소(H) 가스를 공급한다.

그런데 소성로 내부를 환원성 분위기로 조성하기 위해서는 많은 시간이 소요되며, 이로 인해 환원철의 대량 생산이 어려운 문제가 있다.

현재, 전세계 철 생산량의 60% 정도가 14세기부터 개발된 고로법으로부터 생산되고 있다. 고로법은 소결 과정을 거친 철광석과 유연탄을 원료로 하여 제조한 코크스 등을 고로에 함께 넣고 고온의 공기를 불어넣어 철광석을 철로 환원하여 용철을 제조하는 방법이다.

용철 생산설비의 대종을 이루고 있는 고로법은 그 반응 특성상 일정 수준 이상의 강도를 보유하고 노내 통기성 확보를 보장할 수 있는 입도를 보유한 원료를 요구하므로, 전술한 바와 같이, 연료 및 환원제로 사용하는 탄소원으로 특정 원료탄을 가공 처리한 코크스에 의존하며, 철원으로는 일련의 괴상화 공정을 거친 소결광에 주로 의존하고 있다.

고로에는 환원가스의 흐름을 원활히 하기 위하여 분 철광석을 덩어리 상태로 만든 소결광과 분석탄을 건류하여 덩어리 상태로 만든 코크스를 장입한다.

그런데, 덩어리 상태인 소결광은 분철광석의 경우에 비하여 단위 부피당 원가스의 접촉면적이 극히 작고, 고로 내에서 환원이 완료된 이후에도 탄소와의 접촉 면적이 작아 환원된 철 내부로의 탄소 침투가 어렵다. 따라서 소결광은 용융 온도가 높으므로 용융시키는 데 에너지가 많이 소모되고, 용선의 생산속도가 늦은 근원적인 문제점을 내포하고 있다.

이에 극미분 철광석을 브리켓이나 펠렛으로 괴성화하여 RHF(Rotary Hearth Furnace)에서 환원을 유도하여 직접환원철을 제조하는 공정이 개발되어 있다. 하지만, 직접환원철의 제조 공정의 경우 생산량이 연산 15만톤~50만톤 규모의 공정으로서 대량 생산에는 한계가 있으며 환원율이 95%이상으로서 전기로용 원료로 사용하고 있다.

또한, 극미분 광석을 브리켓이나 펠렛으로 괴성화하여 최대 1,350℃에서 소성을 함으로써 부분 환원철을 제조하는 공정이 개발되어 있으며, 최대 연산 400만톤의 대량 생산이 가능하다. 그런데 이러한 공정의 경우 밀폐되지 않은 개방형 소성로에서 공정이 진행되기 때문에 소성로 내부의 온도 및 산소 농도를 제어하기 어려워 부분 환원철의 금속화율이 비교적 낮다는 문제점이 있다.

KR 2013-53089A KR 2013-116054A

본 발명은 소성로 내부의 온도 및 산소 농도를 제어하여 부분 환원철의 금속화율을 향상시킬 수 있는 소성 장치 및 이를 이용한 환원철 제조 방법을 제공한다.

또한, 본 발명은 부분 환월철을 제조하는 과정에서 발생하는 배가스를 소성로 내부로 순환시켜 에너지 효율을 향상시킬 수 있는 소성 장치 및 이를 이용한 환원철 제조 방법을 제공한다.

본 발명의 실시 예에 따른 소성 장치는, 성형탄을 가열하여 환원철을 제조하는 소성 장치로서, 성형탄이 장입된 대차가 이동하는 경로를 형성하는 소성로; 상기 소성로의 상부에 상기 소성로와 연통되도록 구비되어, 상기 소성로의 길이 방향을 따라 복수의 영역으로 분할되는 상부 유통로; 상기 상부 유통로의 서로 다른 영역을 연결하는 상부 연결관; 상기 소성로의 하부에 상기 소성로와 연통되도록 구비되어, 상기 소성로의 길이 방향을 따라 복수의 영역으로 분할되는 하부 유통로; 및 상기 하부 유통로의 서로 다른 영역을 연결하는 하부 연결관;을 포함하고, 상기 하부 연결관과 상기 상부 연결관은 상기 하부 유통로와 상부 유통로 각각의 적어도 어느 한 영역을 외부와 연통시키는 것을 특징으로 한다.

상기 소성로는 상기 대차의 이동 방향에 대하여 건조 영역, 예열 영역, 환원 영역, 제1냉각 영역 및 제2냉각 영역으로 구분되고, 상기 하부 연결관은 상기 제1냉각 영역과 제2냉각 영역으로 공기를 유입시킬 수 있다.

상기 하부 연결관에는 열 교환기가 구비되고, 상기 열 교환기는 상기 환원 영역과 제1냉각 영역을 연결하는 하부 연결관에 구비될 수 있다.

상기 상부 연결관은 상기 제2냉각 영역과 상기 건조 영역, 상기 제1냉각 영역과 상기 건조 영역, 상기 제1냉각 영역과 환원 영역, 상기 예열 영역과 상기 환원 영역을 각각 연결하고, 상기 제2냉각영역과 상기 건조 영역을 연결하는 상부 연결관으로 상기 제2냉각 영역에서 발생하는 가스 중 일부가 배출될 수 있다.

상기 하부 연결관은 상기 제2냉각영역과 상기 제1냉각 영역, 상기 환원 영역과 상기 제1냉각 영역, 상기 환원 영역과 상기 예열 영역을 각각 연결하고, 상기 제2냉각 영역과 제1냉각 영역을 연결하는 하부 연결관으로 공기가 유입되고, 상기 건조 영역에 연결되는 하부 연결관으로 상기 건조 영역에서 발생하는 가스가 배출될 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따른 환원철 제조 방법은, 성형탄을 수용하는 대차를 소성로 내부로 이동시켜 환원철을 제조하는 방법으로서, 상기 소성로를 상기 대차의 이동 방향을 따라 건조 영역, 예열 영역, 환원 영역, 제1냉각 영역 및 제2냉각 영역으로 구분하고, 상기 제1냉각 영역 및 제2냉각 영역으로 공기를 유입시키고, 상기 예열 영역, 환원 영역, 제1냉각 영역 및 제2냉각 영역에서 발생하는 가스를 상기 건조 영역, 예열 영역 및 환원 영역 중 적어도 어느 한 영역으로 순환시켜 상기 소성로 내부의 각 영역 별로 온도 및 산소 농도를 제어하는 것을 특징으로 한다.

상기 공기가 제2냉각 영역을 통과하여 발생하는 가스 중 일부는 외부로 배출되고, 나머지는 상기 건조 영역으로 공급될 수 있다.

상기 제1냉각 영역에는 공기와 상기 환원 영역에서 발생한 가스 중 일부가 공급될 수 있다.

상기 환원 영역에서 발생한 가스 중 일부는 열 교환기에서 온도를 저감시켜 상기 제1냉각 영역으로 공급될 수 있다.

상기 제1냉각 영역에서 발생한 가스 중 일부는 상기 건조 영역으로 공급되고, 나머지는 상기 환원 영역으로 공급될 수 있다.

상기 환원 영역에서 발생한 가스 중 일부는 상기 예열 영역으로 공급될 수 있다.

상기 환원 영역과 상기 예열 영역의 산소 농도는 상기 제1냉각 영역의 산소 농도보다 낮을 수 있다.

상기 제1냉각 영역의 산소 농도는 상기 제2냉각 영역의 산소 농도보다 낮을 수 있다.

본 발명의 실시 형태들에 의하면, 부분 환원철을 제조하는 과정에서 발생하는 배가스 중 일부를 소성로 내부에 순환시켜 소성로 내부의 온도 및 산소 농도를 제어함으로써 부분 환원철의 금속화율을 향상시킬 수 있다. 또한, 소성로 내부의 온도를 제어하는데 사용되는 에너지를 절약하여 생산비용을 절감할 수 있다. 또한, 부분 환원철을 구성하는 원료에서 발생하는 일산화탄소 등과 같은 물질을 소성로 내부에서 연소시켜 에너지 효율을 향상시킴은 물론, 환경 오염을 억제할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 환원철 제조 설비의 구성을 보여주는 블록도.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 소성 장치의 내부 구조와 유체의 흐름을 도시한 블록도.
도 3은 석탄 함량에 따른 산소 농도와 환원철의 금속화율 간의 관계를 나타낸 그래프.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 환원철 제조 방법으로 환원철을 제조하는 과정에서 소성 장치 내부의 산소 농도 및 온도 분포를 보여주는 도면.

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 실시 예에 따른 환원철 제조 설비의 구성을 보여주는 블록도이고, 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 소성 장치의 내부 구조와 유체의 흐름을 도시한 블록도이다.

먼저, 환원철의 제조 방법에 대해서 설명하면 다음과 같다.

환원철 제조 방법은 철원료와 환원재로 사용될 탄재를 마련하여 혼합하고, 철원료와 탄재가 혼합된 혼합물을 성형하여 성형탄을 제조한 다음, 소성 장치에서 성형탄을 소성하여 환원시킴으로써 환원철, 예컨대 부분 환원철로 제조한다. 여기서, 철원료는 피환원제로서 철광석, 제강 공정 중에 발생된 함철 더스트 및 슬러지 중 적어도 어느 하나를 이용할 수 있다. 또한, 탄재는 철원료를 환원시키는 환원재로서, 석탄 및 제강 공정에서 발생하는 함탄 더스트 중 적어도 어느 하나를 이용할 수 있다. 여기서, 부분 환원철은 철원료에 함유된 Fe 전체 즉, 100%가 환원되지 않고, 100% 미만의 범위로 부분적으로 환원된 것을 의미한다. 물론, 소성 시간 또는 열처리 온도를 조절함으로써 100%가 환원된 환원철을 제조할 수도 있으나, 100%가 환원된 환원철을 제조하기 위해서는 소성 장치에 부하가 걸리는 문제가 발생 된다.

환원철을 제조하기 위한 환원철 제조 장치는 도 1에 도시된 바와 같이, 철원료와 탄재가 각기 수용되는 복수의 호퍼(100, 110), 호퍼(100, 110)로부터 철원료 및 탄재 각각을 공급받아 파쇄하는 파쇄기(200), 파쇄기(200)로부터 파쇄된 철원료 및 탄재를 공급받아 혼합하는 혼합기(300), 혼합기(300)에서 혼합된 혼합물을 압축하여 성형하는 성형기(400), 성형기(400)에서 제조된 성형탄을 열처리하여 소성하고, 냉각시키는 소성 장치(500)를 포함한다. 여기에서 성형탄의 원료로 철원과 탄재를 제시하였지만, 철원과 탄재 간의 결합을 용이하게 하고 성형탄의 강도를 향상시키기 위한 바인더 등의 부원료가 추가로 사용될 수 있으며, 부원료는 도 1에 도시된 호퍼(120)에 수용될 수 있다.

성형기(400)는 구체적으로 도시되지는 않았지만, 상호 마주보도록 설치된 한 쌍의 롤을 구비하는 성형기 즉, 쌍롤식 성형기이다. 이에, 한 쌍의 롤 사이에 혼합물이 장입되면, 한 쌍의 롤의 회전으로 인한 압출에 의해 성형탄이 제조된다.

소성 장치(500)는 성형기(400)에서 제조된 성형탄을 열처리하여 환원시키고, 이를 냉각시키는 것으로, 예컨대, 내부 공간을 가지며 가열 수단이 마련되어, 성형탄을 열처리하여 환원시킨다.

도 2를 참조하면, 소성 장치(500)는 내부에 성형탄을 수용한 대차가 이동할 수 있는 경로를 형성하는 소성로(510)와, 소성로(510)의 상부에 소성로(510)와 연통되도록 구비되어 소성로(510)의 길이 방향을 따라 복수의 영역으로 분할되는 상부 유통로(520)와, 상부 유통로(520)에서 적어도 서로 다른 두 영역을 연통시키는 상부 연결관(522)과, 소성로(510)의 하부에 소성로(510)와 연통되도록 구비되어 소성로(510)의 길이 방향을 따라 복수의 영역으로 분할되는 하부 유통로(530) 및 하부 유통로(530)에서 적어도 서로 다른 두 영역을 연통시키는 하부 연결관(532)을 포함한다.

소성로(510)는 내부 공간을 가지며, 내부에 성형탄이 수용된 대차가 진입하는 일측과 대차가 빠져나가는 타측은 개방되어 있다. 또한, 소성로(510)의 상부에는 대차에 수용된 성형탄을 소정 온도로 가열하여 환원시키기 위한 가열장치가 구비될 수 있다. 여기에서 가열장치는 버너(burner)일 수 있으며, 가열을 위한 연료로 LPG 및 공기(air)를 이용한다. 그리고, 버너(burner)에 의해 발생된 가열 가스는 소성로(510) 내부를 가열하며, 이로 인해 소성로(510) 내로 진입한 대차 내에 장입된 성형탄의 철원료와 탄재 간의 환원이 진행된다. 물론, 소성로(510)를 가열하기 이한 수단으로 버너(burner) 이외에 다양한 수단이 사용가능하며, 연료 또한 LPG 및 공기(air) 이외의 다양한 재료의 원료가 사용 가능하다.

소성로(510)는 겉보기에 하나의 공간으로 형성되나, 대차의 이동 방향을 따라 복수의 영역으로 구분될 수 있다. 즉, 도 2에 도시된 바와 같이 대차가 진입하는 일측부터 건조 영역(A), 예열 영역(B), 환원 영역(C1, C2) 및 냉각 영역(D1, D2)으로 구분될 수 있다.

성형기(400)에서 제조된 성형탄 내부에는 수분이 함유되어 있는데, 이를 갑자기 고온으로 가열하면 성형탄 내부의 수분이 증발하면서 성형탄을 파괴할 수 있다. 이를 방지하기 위하여 건조 영역(A)에서 성형탄을 소정 온도, 예컨대 200 내지 300℃ 정도로 가열하여 성형탄 내에 함유된 수분을 제거한다. 이때, 건조 영역(A)에는 가열 가스로서 냉각 영역(D1, D2)에서 배출된 배가스가 공급되고, 성형탄을 건조시키는데 사용한 가스는 외부로 배출된다.

건조 영역(A)을 거친 대차는 예열 영역(B)으로 이동한다. 예열 영역(B)에서는 성형탄을 가열하여 성형탄의 환원을 용이하게 하고 성형탄 내에 함유된 석탄 내의 타르, 휘발분 등을 제거한다. 이때, 성형탄 내의 석탄에 함유된 타르, 휘발분 등은 300 내지 800℃ 정도의 온도에서 휘발한다. 예열 영역(B)에는 가열 가스로서 성형탄을 환원시키는 과정에서 발생한 배가스가 공급된다. 한편, 석탄 내의 타르, 휘발분은 제거되면서 CHn 계열로 변화하는데, 이는 연소 시 연료로 사용될 수 있으므로 예열 과정에서 발생한 배가스는 환원 영역(C1, C2)으로 공급할 수 있다.

이후, 예열 영역(B)을 거친 대차는 환원 영역(C1, C2)으로 이동한다. 환원 영역(C1, C2)은 소성로(510) 내에서 실질적인 성형탄의 환원 반응이 일어나는 곳이다. 이때, 환원 영역(C1, C2)의 온도는 성형탄의 환원이 이루어지는 1000 내지 1200℃ 정도로 제어될 수 있다. 환원 영역(C1, C2)에서 온도 제어는 앞서 설명한 버너 등과 같은 가열 장치를 이용하여 수행될 수 있다. 이와 더불어 예열 영역(B)에서 유입된 배가스를 가열 장치의 연료로 사용할 수 있다.

한편, 환원 영역(C1, C2)은 보다 구체적으로 두 개의 영역으로 구분될 수 있는데, 예열 영역(B)에 인접한 제1환원 영역(C1)은 성형탄의 실질적인 가열이 이루어지는 구간이고, 냉각 영역(C1)에 인접한 제2환원 영역(C2)은 가열 후 승온된 성형탄의 환원 반응이 지속되는 구간이다. 여기에서 제1환원 영역(C1)에서 발생한 배가스는 냉각 영역(D1)으로 공급되고, 제2환원 영역(C2)에서 발생한 배가스는 예열 영역(B)으로 공급될 수 있다.

다음, 환원 영역(C1, C2)을 거친 대차는 냉각 영역(D1, D2)으로 이동한다. 냉각 영역(D1, D2)은 환원 영역(C1, C2)에서 환원된 성형탄, 즉 환원철을 냉각시킨다. 통상 환원이 완료된 성형탄은 1200℃ 정도의 고온을 갖는데 소성로(510), 즉 냉각 영역(D1, D2)을 통과시키면서 약 100℃ 정도로 냉각되어 소성로(510)를 빠져나오게 된다. 냉각 영역(D1, D2)은 환원 영역(C1, C2)에 인접한 제1냉각 영역(D1)과 외부, 즉 대차가 빠져나오는 소성로(510)의 타측에 인접한 제2냉각 영역(D2)으로 구분될 수 있다. 환원철은 제1냉각 영역(D1)과 제2냉각 영역(D2)에서 단계적으로 냉각될 수 있다. 제1냉각 영역(D1)에서는 환원철의 냉각이 400℃ 정도까지 이루어지고, 제2냉각 영역(D2)에서는 환원철의 냉각이 100℃ 정도까지 이루어지게 된다. 이때, 제1냉각 영역(D1)은 소성로(510) 내부에 함유되는 산소에 의해 재산화가 이루어지기 쉬운 온도를 가지므로 제1냉각 영역(D1)에서는 산소의 농도 조절이 요구된다. 즉, 환원철의 재산화를 억제 혹은 방지하기 위하여 제1냉각 영역(D1) 내의 산소 농도를 최소화하는 것이 좋다. 이에 제1냉각 영역(D1)에는 냉각 가스로서 환원 영역(C1, C2), 보다 바람직하게는 제1환원 영역(C1)에서 발생한 배가스를 공급할 수 있다. 이는 제1환원 영역(C1)의 배가스 온도가 제2환원 영역(C2)의 배가스 온도보다 낮기 때문이며, 제1환원 영역(C1)에서 배출되는 배가스는 열교환기를 거쳐 온도를 저감시킨 상태로 제1냉각영역으로 유입될 수 있다. 수 또한, 제1냉각 영역(D1)에서 환원철을 냉각시키는데 사용된 가스는 성형탄을 건조시키는데 필요한 가열 가스로 사용될 수 있다. 이때, 환원 영역(C1, C2)에서 발생한 배가스의 온도가 냉각 영역(D1, D2)에서 발생한 가스의 온도보다 높지만, 환원 영역(C1, C2)에서 발생한 배가스는 1000 내지 1200℃ 정도로 고온이므로 성형탄을 건조시키기 위한 가열 가스로는 바람직하지 않다. 제1냉각 영역(D1)에서 발생한 가스, 예컨대 500℃ 정도의 가스를 건조 영역(A)으로 공급하여 성형탄을 건조시키는데 사용하는 것이 좋다.

그리고 제2냉각 영역(D2)은 외부로부터 공기가 직접 유입되어 환원철을 냉각시킨다. 제2냉각 영역(D2)에서는 환원철이 재산화가 일어나는 온도보다 낮게 냉각된 상태이므로 외부로부터 공기를 유입시켜 냉각시키더라도 산소에 의한 재산화율이 낮아지게 된다. 이때, 제2냉각 영역(D2)으로 유입되는 공기 중 일부는 제1냉각 영역(D1)으로 유입될 수 있는데, 제1환원 영역(C1)으로부터 유입되는 배가스의 온도가 매우 고온이므로 외부에서 유입되는 공기와 희석하여 배가스의 온도를 저감시킬 필요가 있기 때문이다. 이때, 제1환원 영역(C1)에서 배출되는 배가스는 앞에서 설명한 바와 같이 열교환기를 거쳐 온도가 저감된 상태로 제1냉각 영역(D1)으로 공급된다. 또한, 제2냉각 영역(D2)에서 환원철을 냉각시키고 발생한 가스 중 일부는 외부로 배출되고, 나머지는 제1냉각 영역(D1)에서 환원철을 냉각시키고 발생한 가스와 함께 건조 영역(A)으로 공급되어 성형탄을 건조시키는 가열 가스로 사용될 수 있다.

상부 유통로(520)와 하부 유통로(530)는 소성로(510) 상부 및 하부 각각에서 소성로(510)의 각각의 영역, 즉 건조 영역(A), 예열 영역(B), 환원 영역(C1, C2) 및 냉각 영역(D1, D2)을 둘러싸도록 구비될 수 있다. 상부 유통로(520)와 하부 유통로(530)는 예컨대 복수의 후드로 구비될 수 있다.

그리고 상부 연결관(522) 및 하부 연결관(532)은 앞서 설명한 바와 같이 배가스 및 공기를 소성로(510) 각각의 영역에 공급 및 배출시켜 순환시킬 수 있도록 서로 다른 적어도 2개의 영역을 상호 연결하도록 구비될 수 있다. 예컨대, 상부 연결관(522)은 제1냉각 영역(D1)과 제2냉각 영역(D2)에서 배출되는 가스를 건조 영역(A)으로 공급하도록 상부 유통로(520)에 연결될 수 있고, 하부 연결관(532)은 제1환원 영역(C1)에서 제1냉각 영역(D1)으로 배가스를 공급하도록 하부 유통로(530)에 연결될 수 있다. 상부 연결관(522)과 하부 연결관(532)에는 공기의 유입과, 각 영역에서 발생하는 가스를 다른 영역으로 공급 또는 배출시키기 위해 가스의 흐름을 발생시키는 복수의 흡인기(550a, 550b, 550c, 550d, 550e, 550f)가 구비될 수 있다. 또한, 하부 연결관(532)에는 제1환원영역(C1)에서 배출되는 가스의 온도를 제어하기 위한 열교환기(540)가 구비될 수 있다.

본 발명의 실시 예에서는 성형탄, 예컨대 브리켓 내의 석탄(탄소 성분)과 철광석의 환원반응을 유도하는데 필요한 복수의 단계에서 브리켓의 환원 효율을 증대시키고, 환원 시 발생하는 철산화물(FeO) 등의 용융을 억제하기 위해 소성로(510) 내의 온도와 산소 농도를 부분적으로 제어할 수 있다. 이때, 성형탄의 환원반응을 유도하는데 필요한 복수의 단계에서 발생하는 배가스를 소성로(510) 내에서 순환시켜 각 단계에서의 온도와 산소 농도를 제어할 수 있다. 특히, 환원된 성형탄, 즉 환원철의 재산화를 억제하기 위하여 냉각 영역에서 온도 및 산소 농도의 제어가 매우 중요하다.

본 발명의 실시 예에 따른 환원철 제조 방법을 설명하기 앞서 소성로 내에서의 온도 및 산소 농도가 환원철의 금속화율에 미치는 영향을 살펴본다.

도 3은 석탄 함량에 따른 산소 농도와 환원철의 금속화율 간의 관계를 나타낸 그래프이다.

0.1㎜ 이하의 입도를 갖는 극미분 철광석에 1㎜ 이하의 입도를 갖는 석탄을 균일 혼합하여 탄재 내장 브리켓을 제조하였다. 이때, 석탄은 극미분 철광석과 석탄 전체 중량에 대해서 5 내지 30중량%로 첨가하였다. 탄재 내장 브리켓을 환원 온도 1200℃에서 20분간 유지하면서 주위 분위기 중 산소 농도에 따른 브리켓의 금속화율을 측정하였다. 도 3을 참조하면, 브리켓 내 석탄 함량이 동일한 경우, 환원 시 분위기 가스의 산소 농도가 낮아짐에 따라 브리켓의 금속화율이 현저히 높아지는 것을 알 수 있다. 따라서 개방형인 소성로에서 산소 농도를 가능한 낮게 유지하는 것이 환원철의 금속화율을 증대시키는데 효과적임을 알 수 있다.

도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 환원철 제조 방법으로 환원철을 제조하는 과정에서 소성 장치 내부의 산소 농도 및 온도 분포를 보여주는 도면이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 성형기에서 제조된 성형탄은 소성로(510) 내부를 통과하면서 건조 영역(A), 예열 영역(B), 환원 영역(C1, C2) 및 제1냉각 영역 및 제2 냉각 영역(D2)를 거쳐 환원 및 냉각되어 외부로 배출된다. 이때, 성형탄은 석탄을 20% 함유한 탄재 내장 브리켓으로 제조된 것이며, 하기와 같은 환원 공정으로 제조된 환원철의 금속화율은 60%로 측정되었다.

성형기에서 제조된 성형탄을 이동 가능한 대차에 수용하여 소성로(510)에 진입시킨다. 대차는 소성로(510) 내부를 따라 이동하게 되며, 소성로(510) 내부의 온도 변화에 따라 대차 내부의 성형탄은 건조, 예열, 환원 및 냉각 과정을 거쳐 외부로 배출된다.

한편, 소성 장치에서의 가스의 흐름은 제2냉각 영역(D2)으로 공기의 유입으로부터 시작된다.

제2냉각 영역(D2)의 하부 연결관(532)을 통해 제2냉각 영역(D2)의 하부 유통로(530)로 공기가 유입된다. 하부 연결관(532)을 통해 유입된 공기 중 일부는 제2냉각 영역(D2)으로 유입되고, 나머지 공기는 하부 연결관(532)을 통해 제1냉각 영역(D1)으로 유입된다. 예컨대 하부 연결관(532)으로 유입되는 공기의 유량이 80N㎥/hr인 경우 제2냉각 영역(D2)으로는 50N㎥/hr의 공기가 유입되고, 제1냉각 영역(D1)으로는 30N㎥/hr의 공기가 유입될 수 있다.

제2냉각 영역(D2)으로 유입된 공기는 약 25℃로 제1냉각 영역(D1)에서 400℃ 정도로 냉각된 환원철을 100℃ 정도까지 냉각시키고, 상부 유통로(520)를 거쳐 상부 연결관(522)을 통해 일부는 외부로 배출되고, 나머지는 상부 연결관(522)을 통해 건조 영역(A)으로 공급된다. 이때, 환원철을 냉각시키고 상부 유통로(520)를 거쳐 상부 연결관(522)을 통해 배출되는 가스의 온도는 약 100℃ 정도로 승온되고, 약 50N㎥/hr 정도는 외부로 배출되고 20N㎥/hr 정도는 건조 영역(A)으로 공급된다. 제2냉각 영역(D2)은 환원철이 재산화될 수 있는 온도보다 낮은 온도로 냉각된 상태로 제2냉각 영역(D2) 내부의 산소 농도를 제어할 필요가 없다.

또한, 하부 연결관(532)을 통해 제1냉각 영역(D1)으로 공급되는 공기는 제1환원 영역(C1)에서 배출되는 가스와 함께 제1냉각 영역(D1)으로 공급되고, 제1냉각 영역(D1)의 환원철을 냉각시킨 후 상부 유통로(520)를 거쳐 상부 연결관(522)을 통해 배출되어 건조 영역(A)과 제2환원 영역(C2)으로 공급된다. 제1냉각 영역(D1)으로 공급되는 공기 및 가스는 약 50℃ 정도의 온도를 가지며 환원철을 급속하게 냉각시킨 이후 약 500℃ 정도로 승온되어 배출된다. 이때, 제1냉각 영역(D1)은 제1환원 영역(C1)에서 공급되는 가스와 외부에서 공급되는 공기가 희석되어 약 10% 정도의 산소 농도를 갖도록 제어되고, 환원철은 약 400℃ 정도까지 냉각된다. 이와 같이 제1냉각 영역(D1)에서의 산소 농도를 제어하게 되면 환원철의 재산화율을 저감시킬 수 있다. 제1환원 영역(C1)에서 약 50N㎥/hr 정도의 가스가 외부에서 유입되는 약 30N㎥/hr정도의 공기가 제1냉각 영역(D1)으로 공급되며, 제1환원 영역(C1)에서 배출되는 가스는 하부 연결관(532)에 구비되는 열교환기에서 냉각되어 제1냉각 영역(D1)으로 공급된다.

이후, 제1냉각 영역(D1)에서 배출되는 가스 중 약 30N㎥/hr정도는 제2환원 영역(C2)으로 공급되고, 나머지 약 50N㎥/hr는 건조 영역(A)으로 공급된다.

제2환원 영역(C2)으로 공급된 가스는 하부 유통로(530)를 거쳐 하부 연결관(532)을 통해 예열 영역(B)으로 공급된다.

그리고 예열 영역(B)에서는 제2환원 영역(C2)에서 공급된 700℃ 정도의 가스를 이용하여 성형탄을 약 800℃ 정도까지 예열시킨 후 상부 유통로(520)를 통해 600℃ 정도로 온도가 감소된 상태로 배출되어 제1환원 영역(C1)으로 공급된다. 이때, 예열 영역(B)에는 성형탄을 환원시키는데 사용된 가스가 공급되어 약 5% 정도의 산소 농도를 갖도록 제어될 수 있다.

그리고 예열 영역(B)에서 제1환원 영역(C1)으로 약 70 N㎥/hr정도의 가스가 공급되는데, 이때 예열 영역(B)으로 공급되는 가스와 성형탄을 예열하는 과정에서 발생하는 석탄의 휘발분이나 일산화탄소가 가스에 포함되어 예열 영역(B)으로 공급된 가스의 유량보다 많은 유량의 가스가 배출된다. 제1환원 영역(C1)에서는 상부 유통로(520)에 구비되는 버너에 의해 환원 가스 온도를 1000℃로 유지함과 동시에 예열 영역(B)에서 유입된 가스에 포함된 타르 및 휘발분을 연소시키게 된다. 또한 성형탄이 환원되면서 일산화탄소(CO) 및 이산화탄소(CO₂)가 발생하게 되는데 이에 제1환원 영역(C1)과 제2환원 영역(C2)으로 유입되는 가스의 양보다 배출되는 가스의 양이 다소 증가하게 된다.

제1환원 영역(C1)에서는 예열 영역(B)에서 공급된 가스를 이용하여 약 5% 정도의 산소 농도를 갖도록 제어되고, 제1환원 영역(C1)을 거쳐 하부 유통로(530)를 통해 배출되는 가스는 이전에 설명한 바와 같이 제1냉각 영역(D1)으로 공급되게 된다.

한편, 제1냉각 영역(D1) 및 제2냉각 영역(D2)에서 공급된 가스는 건조 영역으로 공급되어 성형탄을 건조시키는데 사용된 후 하부 유통로(530)를 거쳐 하부 연결관(532)을 통해 외부로 배출된다. 이때, 건조 영역(A)으로 유입되는 가스의 양은 제1냉각영역(D1)과 제2냉각 영역(D2)에서 각각 50N㎥/hr와 20N㎥/hr 정도씩 공급되고, 성형탄을 건조시킨 후 건조 영역(A)의 하부 유통로(530)를 거쳐 하부 연결관(532)을 통해 외부로 배출된다.

상기한 바와 같이 성형탄의 환원이 이루어지는 소성로(510) 내에서 온도 및 산소 농도를 부분적으로 제어하여 환원철의 금속화율을 향상시킬 수 있음을 확인할 수 있다. 또한, 성형탄이 환원되는 과정에서 발생하는 배가스를 소성로(510) 내에 순환시킴으로써 성형탄이 환원되는 과정에서 필요한 에너지를 확보할 수 있어 불필요한 에너지 소모를 억제 혹은 방지할 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

100, 110, 120: 호퍼 200: 파쇄기
300: 혼합기 400: 성형기
500: 소성 장치

Claims

성형탄을 가열하여 환원철을 제조하는 소성 장치로서,
성형탄이 장입된 대차가 이동하는 경로를 형성하는 소성로와;
상기 소성로의 상부에 상기 소성로와 연통되도록 구비되어, 상기 소성로의 길이 방향을 따라 복수의 영역으로 분할되는 상부 유통로;
상기 상부 유통로의 서로 다른 영역을 연결하는 상부 연결관;
상기 소성로의 하부에 상기 소성로와 연통되도록 구비되어, 상기 소성로의 길이 방향을 따라 복수의 영역으로 분할되는 하부 유통로; 및
상기 하부 유통로의 서로 다른 영역을 연결하는 하부 연결관;을 포함하고,
상기 하부 연결관과 상기 상부 연결관은 상기 하부 유통로와 상부 유통로 각각의 적어도 어느 한 영역을 외부와 연통시키며,
상기 소성로는 상기 대차의 이동 방향에 대하여 건조 영역, 예열 영역, 환원 영역, 제1냉각 영역 및 제2냉각 영역으로 구분되고,
상기 하부 연결관은 상기 제1냉각 영역과 제2냉각 영역으로 공기를 유입시키는 소성 장치.
삭제
청구항 1에 있어서,
상기 하부 연결관에는 열 교환기가 구비되고,
상기 열 교환기는 상기 환원 영역과 제1냉각 영역을 연결하는 하부 연결관에 구비되는 소성 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 상부 연결관은 상기 제2냉각 영역과 상기 건조 영역, 상기 제1냉각 영역과 상기 건조 영역, 상기 제1냉각 영역과 환원 영역, 상기 예열 영역과 상기 환원 영역을 각각 연결하고,
상기 제2냉각영역과 상기 건조 영역을 연결하는 상부 연결관으로 상기 제2냉각 영역에서 발생하는 가스 중 일부가 배출되는 소성 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 하부 연결관은 상기 제2냉각영역과 상기 제1냉각 영역, 상기 환원 영역과 상기 제1냉각 영역, 상기 환원 영역과 상기 예열 영역을 각각 연결하고,
상기 제2냉각 영역과 제1냉각 영역을 연결하는 하부 연결관으로 공기가 유입되고,
상기 건조 영역에 연결되는 하부 연결관으로 상기 건조 영역에서 발생하는 가스가 배출되는 소성 장치.
성형탄을 수용하는 대차를 소성로 내부로 이동시켜 환원철을 제조하는 방법으로서,
상기 소성로를 상기 대차의 이동 방향을 따라 건조 영역, 예열 영역, 환원 영역, 제1냉각 영역 및 제2냉각 영역으로 구분하고,
상기 제1냉각 영역 및 제2냉각 영역으로 공기를 유입시키고,
상기 예열 영역, 환원 영역, 제1냉각 영역 및 제2냉각 영역에서 발생하는 가스를 상기 건조 영역, 예열 영역 및 환원 영역 중 적어도 어느 한 영역으로 순환시켜 상기 소성로 내부의 각 영역 별로 온도 및 산소 농도를 제어하며,
상기 공기가 제2냉각 영역을 통과하여 발생하는 가스 중 일부는 외부로 배출시키고, 나머지는 상기 건조 영역으로 공급시키는 환원철 제조 방법.
삭제
청구항 6에 있어서,
상기 제1냉각 영역에는 공기와 상기 환원 영역에서 발생한 가스 중 일부가 공급되는 환원철 제조 방법.
청구항 8에 있어서,
상기 환원 영역에서 발생한 가스 중 일부는 열 교환기에서 온도를 저감시켜 상기 제1냉각 영역으로 공급되는 환원철 제조 방법.
청구항 8에 있어서,
상기 제1냉각 영역에서 발생한 가스 중 일부는 상기 건조 영역으로 공급되고, 나머지는 상기 환원 영역으로 공급되는 환원철 제조 방법.
청구항 10에 있어서,
상기 환원 영역에서 발생한 가스 중 일부는 상기 예열 영역으로 공급되는 환원철 제조 방법.
청구항 11에 있어서,
상기 환원 영역과 상기 예열 영역의 산소 농도는 상기 제1냉각 영역의 산소 농도보다 낮은 환원철 제조 방법.
청구항 12에 있어서,
상기 제1냉각 영역의 산소 농도는 상기 제2냉각 영역의 산소 농도보다 낮은 환원철 제조 방법.