KR101568732B1

KR101568732B1 - 소성 장치 및 환원철 제조 방법

Info

Publication number: KR101568732B1
Application number: KR1020140072751A
Authority: KR
Inventors: 박종인; 손상한; 왕민규; 장동석
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2014-06-16
Filing date: 2014-06-16
Publication date: 2015-11-13
Also published as: CN105274323A; CN105274323B

Abstract

본 발명은 원료가 이동하는 방향으로 건조 영역, 승온 영역, 환원 영역 및 냉각 영역으로 구분되는 원료 처리 공간을 가지는 소성로와, 상기 원료 처리 공간의 서로 다른 영역을 연결하는 가스 공급 유닛을 포함하는 소성 장치로서, 상기 가스 공급 유닛을 이용하여 원료 처리 공간의 내부 분위기를 형성하는 과정에 있어서, 상기 환원 영역의 배가스를 상기 건조 영역과 상기 승온 영역에 나누어 공급하고, 상기 승온 영역의 배가스를 상기 냉각 영역으로 공급하고, 상기 냉각 영역의 배가스를 상기 환원 영역으로 공급하여, 상기 원료 처리 공간의 분위기 온도 및 산소 농도의 제어에 활용함에 따라 소성로에서 제조되는 환원철의 금속화율을 향상시킬 수 있는 소성 장치 및 환원철 제조 방법이 제시된다.

Description

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

본 발명은 소성 장치 및 환원철 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 환원철의 금속화율을 향상시킬 수 있는 소성 장치 및 이를 이용한 환원철 제조 방법에 관한 것이다.

부분 환원철은 미분 철광석과 석탄을 원료로 하여 제조된 탄재 내장 브리켓(briquette)을 소성로에서 소성 및 환원 처리하여 제조한다. 상기의 탄재 내장 브리켓을 부분 환원철로 제조하는 공정은 현재 다양한 형태로 구현되어 있으며, 예컨대 공개특허공보 제10-2013-0053089호에 고로용 부분 환원철 및 그 제조방법이 개시되어 있다. 상술한 공개특허공보에도 개시된 바와 같이, 일반적으로, 탄재 내장 브리켓은 소성로 내에서 건조, 예열, 환원 및 냉각의 순서로 처리되어 부분 환원철로 제조되며, 상기의 제조 과정에서, 각 처리 영역의 온도 제어를 목적으로 냉각 영역의 배가스는 점화 영역을 거쳐 환원 영역에 공급되고, 환원 영역의 배가스는 건조 영역과 예열 영역에 각각 공급된다.

한편, 종래에는 탄재 내장 브리켓의 처리 시 발생되는 가스를 각 처리 영역의 온도 제어를 위한 열 공급원으로 활용하였을 뿐, 상기의 가스를 소성로 내에서 순환시키거나, 상기의 가스에 함유된 휘발분(volatile matter) 등의 가스 성분을 냉각 영역 등의 처리 영역에서 활용하여 환원철의 금속화율 및 공정의 효율을 높이고자 하는 방안은 고려되지 않았다. 따라서, 탄재 내장 브리켓의 처리 시 발생되는 가스가 소성로 내에서 순환될 수 있도록 가스 유동을 제어하고, 가스의 특정 성분을 특정 처리 영역에서 활용할 수 있도록 가스 유동을 제어하여 환원철의 금속화율 및 공정의 효율을 높일 수 있는 새로운 공정 및 이를 수행하는 장치의 개발이 요구되고 있다.

KR

10-2013-0053089

A

본 발명은 환원철의 금속화율을 향상시킬 수 있는 소성 장치 및 환원철 제조 방법을 제공한다.

본 발명은 환원철을 제조하는 과정에서 에너지 효율을 향상시킬 수 있는 소성 장치 및 환원철 제조 방법을 제공한다.

본 발명의 실시 형태에 따른 소성 장치는 원료를 소성하여 환원철을 제조하는 소성 장치로서, 상기 원료가 이동하는 방향으로 건조 영역, 승온 영역, 환원 영역 및 냉각 영역으로 구분되는 원료 처리 공간을 가지는 소성로; 및 상기 원료 처리 공간의 서로 다른 영역을 연결하는 가스 공급 유닛;을 포함한다. 또한, 상기 가스 공급 유닛은 상기 승온 영역의 배가스를 상기 냉각 영역으로 공급하도록 상기 승온 영역을 상기 냉각 영역에 연결하고, 상기 냉각 영역의 배가스를 상기 환원 영역으로 공급하도록 상기 냉각 영역을 상기 환원 영역에 연결하며, 상기 환원 영역의 배가스를 상기 건조 영역과 상기 승온 영역으로 나누어 공급하도록 상기 환원 영역을 상기 건조 영역과 상기 승온 영역에 나누어 연결하는 복수개의 공급 라인을 포함할 수 있다.

상기 환원 영역은 상기 원료가 이동하는 방향으로 제1 환원 영역, 제2 환원 영역 및 제3 환원 영역으로 구분되고, 상기 냉각 영역은 상기 원료가 이동하는 방향으로 제1 냉각 영역 및 제2 냉각 영역으로 구분되며, 상기 환원 영역의 일측에는 점화 영역이 형성되어 상기 제1 환원 영역, 상기 제2 환원 영역 및 상기 제3 환원 영역과 연결될 수 있다.

상기 가스 공급 유닛은, 상기 제2 냉각 영역에 연결되는 흡기 라인; 상기 제1 냉각 영역 및 상기 제2 냉각 영역을 상기 점화 영역에 연결하는 제1 공급 라인; 상기 제2 환원 영역 및 상기 제3 환원 영역을 상기 승온 영역에 연결하는 제2 공급 라인; 상기 승온 영역을 상기 제1 냉각 영역에 연결하는 제3 공급 라인; 상기 제1 환원 영역을 상기 건조 영역에 연결하는 제4 공급 라인; 및 상기 건조 영역에 연결되는 배기 라인;을 포함할 수 있다.

상기 가스 공급 유닛은, 외기로부터 상기 제2 냉각 영역으로 가스의 유동을 형성하도록 상기 흡기 라인에 장착되는 제1 송풍기; 상기 건조 영역으로부터 외기로 가스의 유동을 형성하도록 상기 배기 라인에 장착되는 제2 송풍기; 상기 제1 냉각 영역 및 상기 제2 냉각 영역으로부터 상기 점화 영역으로 가스의 유동을 형성하도록 상기 제1 공급 라인에 장착되는 제3 송풍기; 및 상기 승온 영역으로부터 상기 제1 냉각 영역으로 가스의 유동을 형성하도록 상기 제3 공급 라인에 장착되는 제4 송풍기;를 포함할 수 있다. 또한, 상기 가스 공급 유닛은, 상기 배기 라인의 가스 유동 방향을 기준으로 상기 제2 송풍기에 선행하여 상기 배기 라인에 장착되는 집진기; 상기 배기 라인의 가스 유동 방향을 기준으로 상기 집진기에 선행하여 상기 배기 라인에 장착되는 제1 열교환기; 및 상기 제3 공급 라인의 가스 유동 방향을 기준으로 상기 제4 송풍기에 선행하여 상기 제3 공급 라인에 장착되는 제2 열교환기;를 포함할 수 있다.

본 발명의 실시 형태에 따른 환원철 제조 방법은 원료를 소성하여 환원철을 제조하는 방법으로서, 상기 원료를 마련하는 과정; 건조 영역, 승온 영역, 환원 영역 및 냉각 영역으로 구분되는 원료 처리 공간의 각 영역별로 내부 분위기를 형성하는 과정; 및 상기 원료를 상기 건조 영역, 승온 영역, 환원 영역 및 냉각 영역의 순서로 이동시키며 열처리하는 과정;을 포함하고, 상기 원료 처리 공간의 내부 분위기를 형성하는 과정은 상기 원료 처리 공간의 서로 다른 영역에 공정 가스를 공급하는 과정을 포함하고, 상기 공정 가스를 공급하는 과정은, 상기 승온 영역의 배가스를 상기 냉각 영역으로 공급하는 과정, 상기 냉각 영역의 배가스를 상기 환원 영역으로 공급하는 과정 및 상기 환원 영역의 배가스를 상기 건조 영역과 상기 승온 영역에 나누어 공급하는 과정 중 적어도 하나를 포함한다. 이때, 상기 환원 영역은 상기 원료가 이동하는 방향으로 제1 환원 영역, 제2 환원 영역 및 제3 환원 영역으로 구분되고, 상기 냉각 영역은 상기 원료가 이동하는 방향으로 제1 냉각 영역 및 제2 냉각 영역으로 구분되며, 상기 환원 영역의 일측에는 점화 영역이 형성되어 상기 제1 환원 영역, 상기 제2 환원 영역 및 상기 제3 환원 영역과 연결될 수 있다.

상기 공정 가스를 공급하는 과정은, 외기를 상기 제2 냉각 영역으로 유입시키는 과정; 상기 승온 영역의 배가스를 상기 제1 냉각 영역으로 공급하는 과정; 상기 제1 냉각 영역 및 상기 제2 냉각 영역의 배가스를 상기 점화 영역을 거쳐 상기 제1 환원 영역, 제2 환원 영역 및 제3 환원 영역으로 공급하는 과정; 상기 제2 환원 영역 및 상기 제3 환원 영역의 배가스를 상기 승온 영역으로 공급하는 과정; 상기 제1 환원 영역의 배가스를 상기 건조 영역으로 공급하는 과정; 및 상기 건조 영역의 배가스를 외기로 배출하는 과정;을 포함할 수 있다. 여기서, 상기 공정 가스를 공급하는 과정에 있어서, 상기 제1 냉각 영역으로 공급되는 상기 승온 영역의 배가스는 상기 제1 냉각 영역으로 공급되기 전에 열교환기를 통과하여 온도가 강하될 수 있다. 또한, 상기 공정 가스를 공급하는 과정에 있어서, 상기 건조 영역을 통과하는 가스의 유동 방향과 상기 승온 영역을 통과하는 가스의 유동 방향은 서로 다른 방향으로 제어되고, 상기 환원 영역을 통과하는 가스의 유동 방향과 상기 냉각 영역을 통과하는 가스의 유동 방향은 서로 다른 방향으로 제어될 수 있다.

상기 원료 처리 공간의 내부 분위기를 형성하는 과정에 있어서, 상기 환원 영역으로 주입되는 가스의 온도는 1000℃ 내지 1450℃의 범위로 제어될 수 있고, 상기 건조 영역과 상기 승온 영역을 통과하는 가스의 속도는 1m/s 내지 3m/s의 범위로 제어될 수 있으며, 상기 환원 영역으로 주입되는 가스의 산소 농도는 15% 이하의 범위로 제어될 수 있다.

상기 원료를 열처리하는 과정에 있어서, 상기 승온 영역을 통과하는 상기 원료의 온도는 300℃ 내지 1200℃의 범위로 제어될 수 있다.

상기 원료는 상기 원료가 이동하는 방향에 교차하는 방향으로 20cm 내지 50cm의 두께로 형성될 수 있고, 상기 원료에는 상기 원료의 전체 중량을 기준으로 하여 탄재가 10 중량% 내지 30 중량% 함유될 수 있다.

본 발명의 실시 형태에 따르면 환원철을 제조하는 과정에서 소성로의 원료 처리 공간으로 공급된 가스의 일부를 원료 처리 공간의 서로 다른 영역으로 순환시킬 수 있고, 이를 원료 처리 공간의 분위기 온도 및 산소 농도의 제어에 활용함에 따라 소성로에서 제조되는 환원철의 금속화율을 향상시킬 수 있으며, 제조되는 환원철의 품질 편차를 줄일 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 형태에 따르면 상기의 가스 순환을 이용하여 승온 영역에서 발생되는 휘발분을 냉각 영역으로 공급하여 원료의 냉각에 활용하고, 이어서, 점화 영역으로 공급하여 가스의 연소에 활용함에 따라 환원철 제조 공정의 에너지 효율을 향상시킬 수 있으며, 생산 비용을 절감할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 소성 장치를 도시한 블록도.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 소성 장치 및 환원철 제조 방법을 이용한 환원철의 제조 과정에서의 공정 조건의 일 예를 도시한 블록도.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 소성 장치 및 환원철 제조 방법을 이용한 환원철의 제조 과정에서의 원료의 온도 변화를 도시한 그래프.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 소성 장치 및 환원철 제조 방법을 이용한 환원철의 제조 과정에서의 원료에 함유된 탄소의 환원 사용량 및 연소 사용량을 도시한 그래프.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 소성 장치 및 환원철 제조 방법을 이용한 환원철의 제조 과정에서의 금속화율을 도시한 그래프.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이다. 단지 본 발명의 실시 예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 해당분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면은 실시 예를 설명하기 위해 그 크기가 과장될 수 있고, 도면상의 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.

본 발명의 실시 예에 따른 소성 장치는 원료를 소성하여 환원철을 제조하는 소성 장치이고, 소성 장치에서 열처리되는 원료는 예컨대 탄재 내장 브리켓일 수 있다. 탄재 내장 브리켓은 예컨대 미분 철광석에 석탄를 첨가하여 균일하게 혼합하고, 이를 상온에서 괴성화하여 제조할 수 있다. 여기서, 미분 철광석은 0.1mm 이하의 입도를 가지는 미분 철광석일 수 있고, 석탄은 1mm 이하의 입도를 가지는 석탄일 수 있다. 또한, 석탄은 탄재 내장 브리켓의 전체 중량에 대하여 5 중량% 내지 30 중량% 혼합되도록 그 첨가량이 조절될 수 있다. 상기의 탄재 내장 브리켓은 온도 및 산소농도가 목적하는 범위로 제어된 예컨대 산화성 분위기의 원료 처리 공간에서 탄재의 탄소 성분에 의하여 철 성분의 환원이 유도되고, 이에 탄재 내장 브리켓에 함유된 철 성분이 전부 또는 일부 환원됨에 따라 환원철로 제조될 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 소성 장치의 구성을 도시한 블록도이다.

본 발명의 실시 예에 따른 소성 장치는 원료가 이동하는 방향으로 연장되고, 복수개의 영역으로 구분되는 원료 처리 공간을 가지는 소성로 및 원료 처리 공간의 서로 다른 영역을 연결하는 가스 공급 유닛(500)을 포함한다.

소성로는 원료를 열처리하여 원료의 철 성분을 환원시키는 구성부로서, 원료가 열처리되는 원료 처리 공간, 원료 처리 공간의 상부에 형성되어 원료 처리 공간에 연결되는 상부 윈드박스 및 원료 처리 공간의 하부에 형성되어 원료 처리 공간에 연결되는 하부 윈드박스를 포함할 수 있다.

원료 처리 공간은 원료가 이동하는 방향으로 건조 영역(100), 승온 영역(200), 환원 영역 및 냉각 영역으로 구분된다. 이때, 환원 영역은 원료가 이동하는 방향으로 제1 환원 영역(310), 제2 환원 영역(320) 및 제3 환원 영역(330)으로 구분될 수 있다. 또한, 환원 영역의 일측에는 점화 영역(340)이 형성되며, 본 실시 예에서는 환원 영역의 상측에 형성되어 제1 환원 영역(310), 제2 환원 영역(320) 및 제3 환원 영역(330)과 연결되는 점화 영역(340)을 예시한다. 또한, 냉각 영역은 원료가 이동하는 방향으로 제1 냉각 영역(410) 및 제2 냉각 영역(420)으로 구분될 수 있다. 점화 영역(340)에는 복수개의 버너(341)가 마련될 수 있고, 복수개의 버너(341)는 원료가 이동하는 방향으로 서로 이격되어 위치할 수 있다. 또한, 점화 영역(340)의 일측에는 연료 라인(342)이 연결될 수 있고, 연료 라인(342)은 점화 영역(340)으로 연료 예컨대 LPG를 공급할 수 있다. 가스 공급 유닛(500)에 의하여 제1 환원 영역(310), 제2 환원 영역(320) 및 제3 환원 영역(330)으로 공급되는 가스는 점화 영역(340)을 통과하는 동안 연료 라인(342)에서 공급되는 연료 및 버너(341)에 의하여 연소되어 목적하는 온도 및 산소 농도로 제어될 수 있다. 점화 영역(340)에서 목적하는 온도 및 산소 농도로 제어된 가스는 제1 환원 영역(310), 제2 환원 영역(320) 및 제3 환원 영역(330)으로 공급될 수 있다.

상부 윈드박스는 원료가 이동하는 방향으로 건조 영역 상부 윈드박스(100a), 승온 영역 상부 윈드박스(200a), 제1 환원 영역 상부 윈드박스(310a), 제2 환원 영역 상부 윈드박스(320a), 제3 환원 영역 상부 윈드박스(330a), 제1 냉각 영역 상부 윈드박스(410a) 및 제2 냉각 영역 상부 윈드박스(420a)로 구분될 수 있다. 이때, 제1 환원 영역 상부 윈드박스(310a), 제2 환원 영역 상부 윈드박스(320a) 및 제3 환원 영역 상부 윈드박스(330a)는 점화 영역(340)과 제1 환원 영역(310), 제2 환원 영역(320) 및 제3 환원 영역(330)의 사이를 연결할 수 있다. 하부 윈드박스는 원료가 이동하는 방향으로 건조 영역 하부 윈드박스(100b), 승온 영역 하부 윈드박스(200b), 제1 환원 영역 하부 윈드박스(310b), 제2 환원 영역 하부 윈드박스(320b), 제3 환원 영역 하부 윈드박스(330b), 제1 냉각 영역 하부 윈드박스(410b) 및 제2 냉각 영역 하부 윈드박스(420b)로 구분될 수 있다. 건조 영역(100), 승온 영역(200), 제1 환원 영역(310) 내지 제3 환원 영역(330), 제1 냉각 영역(410) 및 제2 냉각 영역(420) 각각에서 가스 공급 유닛(500)으로 배기되는 가스는 각 영역의 상부 윈드박스 또는 하부 윈드박스를 통과하여 각 영역으로부터 배기된다. 이와 마찬가지로, 가스 공급 유닛(500)에서 건조 영역(100), 승온 영역(200), 제1 환원 영역(310) 내지 제3 환원 영역(330), 제1 냉각 영역(410) 및 제2 냉각 영역(420)으로 각각 공급되는 가스는 각 영역의 상부 윈드박스 또는 하부 윈드박스를 통과하여 각 영역으로 공급된다.

상기의 소성로는 대차(미도시)를 그 구성부로서 포함하는 대차형 소성로일 수 있고, 대차는 원료가 이동하는 방향으로 연장될 수 있다. 대차의 구성요소 및 그 연결관계는 특별히 한정하지 않으며, 예컨대 소결 공정에서 사용되는 소결 대차의 구성요소 및 그 연결관계가 적용될 수 있다. 대차에는 원료가 공급되며, 소성로는 대차를 이용하여 원료를 건조 영역(100), 승온 영역(200), 제1 환원 영역(310), 제2 환원 영역(320), 제3 환원 영역(330), 제1 냉각 영역(410) 및 제2 냉각 영역(420)의 순서로 이동시킬 수 있다.

가스 공급 유닛(500)은 원료 처리 공간의 서로 다른 영역을 연결하여 이들 영역에 가스를 공급하는 구성부이고, 특히, 원료 처리 공간으로 공급되는 가스의 일부를 순환시키도록 구성될 수 있다. 즉, 이들 영역으로 공급되는 가스의 일부는 가스 공급 유닛(500)에 의하여 원료 처리 공간 내에서 순환되는 가스이며, 이를 이용하여 각 영역별로 내부 분위기를 효율적으로 제어할 수 있다.

가스 공급 유닛(500)은 외기와 원료 처리 공간 사이의 가스의 유동을 형성하도록 원료 처리 공간의 서로 다른 두 영역에 각각 연결되는 흡기 라인(510) 및 배기 라인(520)을 포함할 수 있고, 원료 처리 공간의 일 영역을 통과한 가스를 타 영역으로 공급하도록 원료 처리 공간의 서로 다른 영역을 각각 연결하는 복수개의 공급 라인을 포함할 수 있다. 보다 상세하게는, 가스 공급 유닛(500)은 제2 냉각 영역(420)에 연결되는 흡기 라인(510), 냉각 영역의 배가스를 환원 영역으로 공급하도록 제1 냉각 영역(410) 및 제2 냉각 영역(420)을 점화 영역(340)에 연결하는 제1 공급 라인(530), 환원 영역의 배가스의 일부를 승온 영역(200)으로 공급하도록 제2 환원 영역(320) 및 제3 환원 영역(330)을 승온 영역(200)에 연결하는 제2 공급 라인(540), 승온 영역(200)의 배가스를 냉각 영역으로 공급하도록 승온 영역(200)을 제1 냉각 영역(410)에 연결하는 제3 공급 라인(550), 환원 영역의 배가스의 나머지를 건조 영역(100)으로 공급하도록 제1 환원 영역(310)을 건조 영역(100)에 연결하는 제4 공급 라인(560) 및 건조 영역(100)에 연결되는 배기 라인(520)을 포함할 수 있다. 또한, 가스 공급 유닛(500)은 가스 공급 유닛(500)의 가스 유동을 제어하도록 복수개의 송풍기를 포함할 수 있고, 송풍기는 흡기 라인(510), 배기 라인(520)에 장착될 수 있으며, 그리고, 복수개의 공급 라인 중 상대적으로 저온의 가스가 통과하는 적어도 하나 이상의 공급 라인에 장착될 수 있다.

흡기 라인(510)은 일단이 외기에 노출되고, 타단이 제2 냉각 영역(420)의 하부의 제2 냉각 영역 하부 윈드박스(420b)에 연결된다. 흡기 라인(510)에는 외기로부터 제2 냉각 영역(420)으로 가스의 유동을 형성하도록 제1 송풍기(581)가 장착될 수 있고, 이를 이용하여 외부 가스 예컨대 공기가 흡기되어 제2 냉각 영역(420)으로 공급될 수 있다. 배기 라인(520)은 일단이 건조 영역(100)의 상부의 건조영역 상부 윈드박스(100a)에 연결되고, 타단이 외기에 노출된다. 배기 라인(520)에는 건조 영역(100)으로부터 외기로 가스의 유동을 형성하도록 제2 송풍기(582)가 장착될 수 있고, 이를 이용하여 건조 영역(100)의 가스 예컨대 배가스가 배기되어 외기로 방산될 수 있다. 또한, 배기 라인(520)에는 배기 라인(520)의 가스 유동 방향을 기준으로 제2 송풍기(582)에 선행하여 집진기(570)가 장착될 수 있고, 이를 이용하여 건조 영역(100)으로부터 외기로 배기되는 배가스로부터 분진을 집진할 수 있으며, 이에 외기의 오염을 방지할 수 있다. 또한, 배기 라인(520)에는 배기 라인(520)의 가스 유동 방향을 기준으로 집진기(570)에 선행하여 제1 열교환기(591)가 장착될 수 있고, 이를 이용하여 외기로 배기되는 배가스를 목적하는 온도로 제어할 수 있음은 물론이고, 배가스의 고열에 의해 집진기(570) 및 제2 송풍기(582)가 손상되는 것을 방지할 수 있다.

제1 공급 라인(530)은 일단이 분기되어 제1 냉각 영역(410)의 상부의 제1 냉각 영역 상부 윈드박스(410a) 및 제2 냉각 영역(420)의 상부의 제2 냉각 영역 상부 윈드박스(420a)에 각각 연결되고, 타단이 점화 영역(340)에 연결될 수 있다. 제1 공급 라인(530)의 일단은 각각 제1 냉각 영역(410) 및 제2 냉각 영역(420)을 향하여 분기되어 제1 공급 라인 제1 분관(531) 및 제1 공급 라인 제2 분관(532)을 형성한다. 제1 공급 라인(530)에는 제1 냉각 영역(410) 및 제2 냉각 영역(420)으로부터 점화 영역(340)으로 가스의 유동을 형성하도록 제3 송풍기(583)가 장착될 수 있고, 자세하게는, 제1 공급 라인 제1 분관(531) 및 제1 공급 라인 제2 분관(532)과 연결되는 제1 공급 라인 주관(533)의 일측에 장착될 수 있다. 이에 제1 냉각 영역(410)의 배가스 및 제2 냉각 영역(420)의 배가스가 점화 영역(340)으로 공급될 수 있다. 제2 공급 라인(540)은 일단이 분기되어 제2 환원 영역(320)의 하부의 제2 환원 영역 하부 윈드박스(320b) 및 제3 환원 영역(330)의 하부의 제3 환원 영역 하부 윈드박스(330b)에 각각 연결되고, 타단이 승온 영역(200)의 상부의 승온 영역 상부 윈드박스(200a)에 연결될 수 있다. 제2 공급 라인(540)은 승온 영역(200)에 연결되는 제2 공급 라인 주관(543) 및 이로부터 분기되어 제2 환원 영역(320) 및 제3 환원 영역(330)에 각각 연결되는 제2 공급 라인 제1 분관(541), 제2 공급 라인 제2 분관(542)을 포함할 수 있다. 제2 공급 라인(540)을 통과하여 제2 환원 영역(320)의 배가스 및 제3 환원 영역(330)의 배가스가 승온 영역(200)으로 공급될 수 있다.

제3 공급 라인(550)은 일단이 승온 영역(200)의 하부의 승온 영역 하부 윈드박스(200b)에 연결되고, 타단이 제1 냉각 영역(410)의 하부의 제1 냉각 영역 하부 윈드박스(410b)에 연결될 수 있다. 제3 공급 라인(550)에는 승온 영역(200)으로부터 제1 냉각 영역(410)으로 가스의 유동을 형성하도록 제4 송풍기(584)가 장착될 수 있고, 이를 이용하여 승온 영역(200)의 가스 예컨대 배가스가 제1 냉각 영역(410)으로 공급될 수 있다. 또한, 제3 공급 라인(550)에는 제3 공급 라인(550)의 가스 유동 방향을 기준으로 제4 송풍기(584)에 선행하여 제2 열교환기(592)가 장착될 수 있고, 이를 이용하여 제1 냉각 영역(410)으로 공급되는 가스를 목적하는 온도로 제어할 수 있음은 물론이고, 제4 송풍기(584)가 승온 영역(200)으로부터 배기되는 배가스의 고열에 의하여 손상되는 것을 방지할 수 있다. 제4 공급 라인 (560)은 일단이 제1 환원 영역(310)의 하부의 제1 환원 영역 하부 윈드박스(310b)에 연결되고, 타단이 건조 영역(100)의 하부의 건조 영역 하부 윈드박스(100b)에 연결될 수 있다. 제4 공급 라인(560)을 통과하여 제1 환원 영역(310)의 배가스가 건조 영역(100)으로 공급될 수 있다.

한편, 공급 라인으로 유입된 가스는 공급 라인을 통과하면서 소정 온도가 저하되고, 이때, 온도 저하와 공급 라인의 길이는 선형적 관계를 가진다. 따라서, 본 실시 예에서는 원료 처리 공간의 일 영역과 타 영역을 연결하는 공급라인의 길이를 조절하여, 공급라인을 통과하여 일 영역에서 타 영역으로 공급되는 가스의 온도 감소 정도를 조절함으로써, 타 영역으로 공급되는 가스의 온도 제어를 더욱 용이하게 수행할 수 있다.

상술한 소성 장치에는 원료 처리 공간 및 가스 공급 유닛(500)을 포함하여 형성되는 가스 유동 공간이 마련되며, 가스 유동 공간에는 가스 공급 유닛(500)에 의하여 서로 다른 경로로 유동하는 복수개의 가스 흐름 예컨대 유선이 형성될 수 있다. 상기의 가스 흐름에 대한 설명은 이하에서 본 발명의 실시 예에 따른 환원철 제조 방법을 설명하면서 함께 설명한다.

이하, 도 1을 참조하여, 본 발명의 실시 예에 따른 환원철 제조 방법에 대하여 설명한다. 환원철 제조 방법은 원료를 소성하여 환원철을 제조하는 방법으로서, 상기의 환원철 제조 방법을 수행하는 장치에는 본 발명의 실시 예에 따른 소성 장치가 적용될 수 있다. 또한, 본 실시 예에서는 환원철 제조에 적용되는 원료로서 탄재 내장 브리켓을 예시한다.

환원철을 제조하는 방법은, 원료를 마련하는 과정과, 건조 영역, 승온 영역, 환원 영역 및 냉각 영역으로 구분되는 원료 처리 공간의 각 영역별로 내부 분위기를 형성하는 과정과, 원료를 건조 영역(100), 승온 영역(200), 제1 환원 영역(310), 제2 환원 영역(320), 제3 환원 영역(330), 제1 냉각 영역(410) 및 제2 냉각 영역(420)의 순서로 이동시키며 열처리하는 과정을 포함한다. 한편, 본 실시 예에서는 원료 처리 공간의 내부 분위기를 형성하는 과정과, 원료를 원료 처리 공간에서 열처리하는 과정은 이들 과정을 수행함에 있어 그 순서를 특별히 한정하지 않는다. 예컨대 원료 처리 공간의 내부 분위기를 형성하는 과정과 원료를 열처리하는 과정을 동시에 수행하거나, 원료 처리 공간의 내부 분위기를 형성하는 과정을 수행하고, 이어서, 원료를 열처리하는 과정을 수행할 수 있다. 이하, 환원철을 제조하는 방법을 설명한다.

먼저, 원료를 마련한다. 본 실시 예에서는 원료로서 탄재 내장 브리켓을 예시하고, 탄재 내장 브리켓에는 탄재 내장 브리켓의 전체 중량을 기준으로 하여 10 중량% 내지 30 중량%의 탄재 예컨대 석탄이 함유될 수 있다. 마련된 원료는 대차(미도시)로 공급되어 대차의 베드(bed)에 적재되며, 원료가 이동하는 방향에 교차하는 방향 즉, 원료의 두께방향으로 20cm 내지 50cm의 두께를 가지도록 적재될 수 있다. 상기와 같이 대차에 공급된 원료는 본 발명의 실시 예에 따른 소성 장치 내에서 열처리되어 환원철로 제조될 수 있다.

다음으로, 원료 처리 공간의 각 영역별로 내부 분위기를 형성한다. 이때, 원료 처리 공간의 내부 분위기를 형성하는 과정은 원료 처리 공간의 서로 다른 영역에 공정 가스를 공급하는 과정을 포함할 수 있다. 원료 처리 공간의 서로 다른 영역에 공정 가스를 공급하는 과정은, 승온 영역의 배가스를 냉각 영역으로 공급하는 과정과, 냉각 영역의 배가스를 환원 영역으로 공급하는 과정과, 환원 영역의 배가스를 건조 영역과 승온 영역에 나누어 공급하는 과정 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

원료 처리 공간의 내부 분위기를 형성하기 위하여, 우선, 외기를 제2 냉각 영역(410)으로 유입시키는 과정, 승온 영역(200)의 가스를 제1 냉각 영역(410)으로 공급하는 과정, 제1 냉각 영역(410) 및 제2 냉각 영역(420)의 가스를 점화 영역(340)을 거쳐 제1 환원 영역(310), 제2 환원 영역(320) 및 제3 환원 영역(330)으로 공급하는 과정, 제2 환원 영역(320) 및 제3 환원 영역(330)의 가스를 승온 영역(200)으로 공급하는 과정, 제1 환원 영역(310)의 가스를 건조 영역(100)으로 공급하는 과정, 그리고, 건조 영역(100)의 가스를 외기로 배출하는 과정을 수행하여, 원료 처리 공간의 각 영역에 공정을 위한 가스를 공급하는 과정을 수행한다.

이에 따라, 상술한 원료 처리 공간 및 가스 공급 유닛(500)을 포함하여 형성되는 가스 유동 공간에는 서로 다른 경로로 유동하는 복수개의 가스 흐름 예컨대 유선이 다음과 같이 형성될 수 있다. 제1 냉각 영역(410), 점화 영역(340), 제2 환원 영역(320)(및, 제3 환원 영역(330)) 및 승온 영역(200)의 순서로 통과하여 제1 냉각 영역(410)으로 순환되는 제1 가스 흐름이 형성될 수 있다. 또한, 제1 냉각 영역(410), 점화 영역(340), 제1 환원 영역(310) 및 건조 영역(100)의 순서로 통과하여 외기로 배기되는 제2 가스 흐름이 형성될 수 있다. 또한, 제2 냉각 영역(420), 점화 영역(340), 제2 환원 영역(320)(및, 제3 환원 영역(330)) 및 승온 영역(200)의 순서로 통과하여 제1 냉각 영역(410)으로 유동하는 제3 가스 흐름이 형성될 수 있다. 이어서, 제3 가스 흐름은 제1 가스 흐름 또는 제2 가스 흐름으로 연결될 수 있다. 마지막으로, 제2 냉각 영역(420), 점화 영역(340), 제1 환원 영역(310) 및 건조 영역(100)의 순서로 통과하여 외기로 배기되는 제4 가스 흐름이 형성될 수 있다. 여기서, 제1 가스 흐름 및 제3 가스 흐름에 의하여 승온 영역(200)을 통과한 배가스가 제1 냉각 영역(410)과 점화영역(340)을 연속적으로 통과하도록 제어될 수 있다.

한편, 공정 가스를 공급하는 과정에 있어서, 건조 영역(100)을 통과하는 가스의 유동 방향과 승온 영역(200)을 통과하는 가스의 유동 방향은 서로 다른 방향으로 제어될 수 있다. 이로 인하여 건조 영역(100)과 승온 영역(200)을 통과하여 환원 영역으로 이동하는 원료는 환원 영역에 공급되기 전에 원료의 두께방향으로의 온도 편차가 감소 또는 억제되어 그 두께 방향으로 보다 균일한 온도가 형성될 수 있다. 또한, 환원 영역을 통과하는 가스의 유동 방향과 냉각 영역을 통과하는 가스의 유동 방향은 서로 다른 방향으로 제어될 수 있으며, 이를 이용하여, 환원 영역을 통과하여 냉각 영역으로 공급되는 원료를 효과적으로 냉각시킬 수 있다. 이때, 냉각 영역에 공급되는 가스는 냉각 영역의 하부에서 상부로 유동함에 따라 베드와 접촉되는 원료의 하부가 더욱 용이하게 냉각될 수 있다.

상기의 공정 가스 공급 과정에 이어서, 각 영역의 내부 분위기를 형성하는 과정을 수행한다. 먼저, 점화 영역(340)의 내부 분위기를 형성하는 과정을 수행한다. 이를 위해, 점화 영역(340)에 연료를 공급하고, 이를 제1 냉각 영역(410) 및 제2 냉각 영역(420)을 통과하여 점화 영역(340)으로 공급되는 가스와 함께 연소시켜 화염을 형성한다. 이어서, 화염온도 및 연소면적을 제어하여 점화 영역(340)의 내부 분위기를 목적하는 온도 및 산소 농도로 제어한다. 목적하는 온도 및 산소 농도를 가지도록 제어된 가스는 상기의 제1 내지 제4 가스 흐름에 의하여 원료 처리 공간의 각 영역으로 공급 및 순환되고, 이에 원료 처리 공간의 각 영역별 내부 분위기를 형성할 수 있다. 이때, 제1 냉각 영역(410)으로 공급되는 승온 영역(200)의 배가스는 제1 냉각 영역(410)으로 공급되기 전에 열교환기(592)를 통과하여 온도가 저하되고, 이에 제1 냉각 영역(410)의 분위기 온도를 목적하는 온도로 용이하게 제어할 수 있다.

보다 상세하게는, 원료 처리 공간의 내부 분위기를 형성하는 과정 및 원료 처리 공간의 각 영역에 공정 가스를 공급하는 과정을 수행하여, 다음과 같이 각 영역의 내부 분위기를 제어할 수 있다.

각 영역별로 공급되는 가스의 온도는 다음과 같이 제어될 수 있다. 건조 영역(100)으로 공급되는 가스의 온도는 680℃ 내지 1020℃의 범위로 제어될 수 있고, 승온 영역(200)으로 공급되는 가스의 온도는 760℃ 내지 1140℃의 범위로 제어될 수 있다. 또한, 제1 환원 영역(310), 제2 환원 영역(320) 및 제3 환원 영역(330)으로 공급되는 가스의 온도는 1000℃ 내지 1450℃의 범위로 제어될 수 있다. 또한, 제1 냉각 영역(410)으로 공급되는 가스의 온도는 160℃ 내지 240℃의 범위로 제어될 수 있다. 한편, 제2 냉각 영역(420)에는 외기가 공급되며, 이의 온도는 예컨대 16℃ 내지 24℃일 수 있다.

또한, 각 영역별로 공급되는 가스의 산소 농도는 다음과 같이 제어될 수 있다. 건조 영역(100), 승온 영역(200) 및 제1 냉각 영역(410)으로 각각 공급되는 가스의 산소 농도는 1.6% 내지 2.4%의 범위로 제어될 수 있다. 또한, 제1 환원 영역(310), 제2 환원 영역(320) 및 제3 환원 영역(330)으로 주입되는 가스의 산소 농도는 15% 이하의 범위로 제어될 수 있다. 여기서, 건조 영역(100), 승온 영역(200) 및 제1 냉각 영역(410)으로 각각 공급되는 가스는 환원 영역을 통과한 가스이며, 즉, 환원 영역에 주입되기 전에 그 산소 농도가 제어된 가스이므로, 각 영역 특히, 제1 냉각 영역의 산소 농도를 1.6% 내지 2.4%의 범위로 용이하게 제어될 수 있다. 한편, 제2 냉각 영역(420)에는 외기 예컨대 표준 상태의 공기가 공급되며, 이의 산소 농도는 예컨대 20%일 수 있다.

또한, 각 영역별로 공급되는 가스의 속도는 다음과 같이 제어될 수 있다. 건조 영역(100) 및 승온 영역(200)을 각각 통과하는 가스의 속도는 1m/s 내지 3m/s의 범위로 제어될 수 있다. 또한, 환원 영역을 통과하는 가스의 속도는 0.64m/s 내지 2.04m/s의 범위로 제어될 수 있다. 또한, 냉각 영역을 통과하는 가스의 속도는 1.28m/s 내지 1.92m/s로 제어될 수 있다.

다음으로, 각 영역의 내부 분위기 형성 과정에 이어서, 원료를 열처리하는 과정을 수행한다. 대차에 마련된 원료는 건조 영역(100), 승온 영역(200), 제1 환원 영역(310), 제2 환원 영역(320), 제3 환원 영역(330), 제1 냉각 영역(410) 및 제2 냉각 영역(420)의 순서로 이동되며, 내부 분위기가 제어된 이들 영역을 통과하며 열처리될 수 있다.

먼저, 건조 영역(100)을 통과하는 원료로부터 수분을 제거한다. 이를 위해, 건조 영역(100)에는 소정 온도 범위와 산소 농도를 가지도록 제어된 제1 환원 영역(310)의 배가스가 공급되며, 건조 영역(100)에서 열처리에 사용된 배가스는 외기로 배기된다. 이때, 공급되는 가스는 건조 영역(100)의 하부에서 상부로 상승 유동할 수 있다. 예컨대 원료에는 그 제조 과정에서 수분이 함유될 수 있다. 수분이 함유된 원료를 환원 영역에서 열처리 할 경우 수분의 급격한 증발에 의하여 원료가 손상될 수 있다. 따라서, 환원 영역에 비하여 상대적으로 저온 분위기로 형성되는 건조 영역(100)에서 원료로부터 수분을 제거하도록 열처리함으로써 원료의 손상을 방지할 수 있다.

이어서, 승온 영역(200)을 통과하는 원료로부터 휘발분을 제거한다. 이를 위해 승온 영역(200)에는 소정 온도 범위와 산소 농도를 가지도록 제어된 제2 및 제3 환원 영역의 배가스가 공급되며, 승온 영역(200)에서 열처리에 사용된 배가스는 제1 냉각 영역(410)으로 배기된다. 이때, 공급되는 가스는 승온 영역(200)의 상부에서 하부로 하강 유동할 수 있다. 예컨대 원료에 혼합되는 탄재에는 CHn 계열의 휘발분이 탄재의 전체 중량에 대하여 20 중량% 내지 30 중량% 함유될 수 있다. 휘발분은 원료를 환원시키는 과정에서의 공정 분위기 제어를 위하여 원료의 환원 과정 이전에 원료로부터 제거되어야 한다. 휘발분이 함유된 원료를 환원 영역에서 열처리 할 경우 휘발분의 급격한 휘발 및 연소로 인하여 원료의 온도 제어에 어려움이 있다. 휘발분은 일반적으로 300℃ 내지 800℃의 온도에서 활발하게 휘발된다. 따라서, 승온 영역(200)을 통과하는 원료의 온도는 300℃ 내지 1200℃의 범위로 제어되며, 휘발분은 승온 영역(200)의 분위기 온도 및 원료의 온도에 의하여 용이하게 휘발되어 원료로부터 제거될 수 있다. 제거되는 휘발분은 승온 영역(200)의 배가스에 혼입되어 제1 냉각 영역(410)으로 공급된다.

이어서, 제1 환원 영역(310)을 통과하는 원료의 철 성분을 환원시킨다. 이를 위해 제1 환원 영역(310)에는 소정 온도 범위와 산소 농도를 가지도록 제어된 점화 영역(340)의 배가스가 공급되며, 제1 환원 영역(310)에서 열처리에 사용된 배가스는 건조 영역(100)으로 배기된다. 이때, 공급되는 가스는 제1 환원 영역(310)의 상부에서 하부로 하강 유동할 수 있다. 예컨대 원료에는 산화된 철 성분 및 탄소 성분이 함유되어 있고, 제1 환원 영역(310)의 분위기 온도 및 산소 농도 하에서는 탄소 성분에 의하여 철 성분의 환원이 유도될 수 있다.

이어서, 제2 환원 영역(320)과 제3 환원 영역을 통과하는 원료의 철 성분을 지속적으로 환원시켜 목적하는 금속화율을 가지는 고온의 환원철을 제조한다. 이를 위해 제2 및 제3 환원 영역에는 소정 온도 범위와 산소 농도를 가지도록 제어된 점화 영역(340)의 배가스가 공급되며, 제2 및 제3 환원 영역에서 열처리에 사용된 배가스는 승온 영역(200)으로 배기된다. 이때, 공급되는 가스는 제2 및 제3 환원 영역의 상부에서 하부로 하강 유동할 수 있다. 본 실시 예에서는 환원 영역을 제1 내지 제3 환원 영역으로 구분하고, 이들 각각의 분위기 온도 및 가스 속도를 다르게 제어함으로 인하여 원료의 철 성분의 환원을 더욱 효과적으로 유도할 수 있다. 또한, 이들 각각의 영역에서 발생되는 배가스가 각 영역별로 온도 차이가 있음을 이용하여 상대적으로 저온인 제1 환원 영역(310)의 배가스를 건조 영역(100)으로 배기하고, 상대적으로 고온인 제2 및 제3 환원 영역의 배가스를 승온 영역(200)으로 배기한다. 즉, 환원 영역을 세분화하여 효과적인 배가스 순환을 형성하고, 이로부터 공정의 에너지 효율을 향상시킬 수 있다.

이어서, 제1 냉각 영역(410)을 통과하는 고온의 환원철을 환원철의 재산화가 억제 또는 방지될 수 있는 온도까지 냉각시킨다. 이를 위해 제1 냉각 영역(410)에는 소정 온도 범위와 산소 농도를 가지도록 제어된 승온 영역(200)의 배가스가 공급되며, 제1 냉각 영역(410)에서 냉각에 사용된 배가스는 점화 영역(340)으로 배기된다. 이때, 공급되는 가스는 제1 냉각 영역(410)의 하부에서 상부로 상승 유동할 수 있다. 예컨대 제1 냉각 영역(410)에 공급되는 승온 영역(200)의 배가스에는 CHn 계열의 휘발분이 혼입되어 있다. 휘발분은 제1 냉각 영역(410)의 분위기 온도 및 산소 농도 하에서 고온의 환원된 원료에 접촉되며 이로부터 열을 흡수하여 일산화 탄소와 수소로 분해(cracking)된다. 즉, 휘발분은 냉각 가스로 활용된다. 또한, 휘발분이 분해되어 발생되는 일산화 탄소와 수소는 배가스에 혼입되어 점화 영역(340)으로 공급되고, 점화 영역(340)에서 연료로서 활용된다. 한편, 점화 영역(340)에 공급되는 일산화 탄소 및 수소는 휘발분에 비하여 연소되기 용이하므로, 점화 영역(340)의 연소 효율을 보다 향상시킬 수 있다. 본 실시 예에서는 상술한 바와 같이 원료로부터 발생되는 휘발분을 제1 냉각 영역(410)에서 흡열 분해시킴으로 인하여 원료의 냉각을 더욱 효과적으로 유도할 수 있고, 이후, 이를 점화 영역(340)에서 연료로서 활용할 수 있다. 이로부터, 공정의 효율을 향상시킬 수 있다. 한편, 제1 냉각 영역(410)에서는 환원 영역과 승온 영역(200)을 통과하며 산소 농도가 제어된 배가스로 원료를 냉각함에 의하여 원료를 냉각시키는 동안 발생될 수 있는 원료의 재산화를 효과적으로 억제 또는 방지할 수 있다.

이어서, 제2 냉각 영역(420)을 통과하는 환원철을 냉각한다. 이를 위해 제2 냉각 영역(420)에는 외기 즉, 공기가 공급된다. 제2 냉각 영역(420)을 통과하는 원료는 제1 냉각 영역(410)을 통과할 때 보다 비교적 온도가 낮아진 상태이며, 원료의 재산화 반응이 일어나는 온도보다 낮게 냉각된 상태이다. 이에, 제2 냉각 영역(420)의 냉각에 제1 냉각 영역(410)으로 공급되는 배가스에 비하여 산소 농도가 높은 공기를 사용하더라도 환원철의 재산화 반응이 허용 범위를 넘어가지 않는다. 한편, 제2 냉각 영역(420)에서 냉각에 사용된 공기는 제1 냉각 영역(410)의 배가스와 혼합되며, 제1 공급 라인(530)에 장착된 제3 송풍기(583)을 통과하기 적합한 온도로 제어되어 제3 송풍기(583) 및 제1 공급 라인(530)을 통과하여 점화 영역(340)으로 공급된다. 상기의 원료 열처리 과정을 수행하여 목적하는 금속화율을 가지는 환원철을 제조하며, 냉각이 완료된 환원철은 소성로의 외부로 배출된다.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 소성 장치 및 환원철 제조 방법을 이용한 환원철의 제조 공정에서의 공정 조건의 일 예를 도시한 블록도이고, 도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 소성 장치 및 환원철 제조 방법을 이용한 환원철의 제조 과정에서의 원료의 온도 변화를 도시한 그래프이다. 또한, 도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 소성 장치 및 환원철 제조 방법을 이용한 환원철의 제조 과정에서의 원료에 함유된 탄소의 환원 사용량 및 연소 사용량을 도시한 그래프이고, 도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 소성 장치 및 환원철 제조 방법을 이용한 환원철의 제조 과정에서의 금속화율을 도시한 그래프이다.

하기에서는, 본 발명의 실시 예에 따른 소성 장치 및 환원철 제조 방법의 이해를 돕기 위하여, 상술한 바와 같이 형성되는 소성 장치 및 이에 적용되는 환원철 제조 방법을 환원철 제조 공정에 적용하여 환원철의 제조를 수행한 결과를 도 2 내지 도 5를 참조하여, 설명한다. 특히, 소성로의 각 영역에서 도출된 공정 조건과, 이에 따른 원료의 물성치의 변화를 중심으로 설명한다. 이때, 이하에서 설명되는 공정 조건 및 원료의 물성치 변화는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것이며, 그 한정을 위한 것이 아니다.

상기의 환원철의 제조 공정을 다음과 같이 실시한다. 소성로에 원료를 460ton/hr의 공급량으로 공급한다. 공급되는 원료를 원료 처리 공간의 각 영역을 통과시키며 열처리한다. 상세하게는 건조 영역에서 3분 동안 열처리하고, 승온 영역에서 5분 동안 열처리한다. 이어서, 제1 환원 영역에서 5분 동안 열처리하고, 제2 환원 영역에서 7분 동안 열처리하며, 제3 환원 영역에서 7분 동안 열처리한다. 이어서, 제1 냉각 영역에서 7분 동안 열처리하고, 제2 냉각 영역에서 5분 15초 동안 열처리한다. 이에, 306ton/hr의 생산량으로 환원철을 제조한다.

원료 처리 공간에서 원료를 환원철로 제조하는 동안 소성 장치의 가스 유동 공간을 통과하는 가스의 상태량 즉, 유량, 유속, 온도 및 산소 농도를 다음과 같이 제어한다.

건조 영역에 384000 Nm³/hr 내지 576000Nm³/hr 범위의 유량, 2.32m/s 내지 3.48m/s 범위의 유속, 680℃ 내지 1020℃의 범위의 온도, 1.6% 내지 2.4% 범위의 산소 농도로 제어된 공기를 주입한다. 이때, 건조 영역을 통과하여 배기되는 가스의 온도는 487.2℃ 내지 730.8℃의 범위의 온도로 형성되고, 건조 영역을 통과하는 원료의 온도는 440℃ 내지 660℃의 범위의 온도로 형성된다.

승온 영역에 512000 Nm³/hr 내지 768000Nm³/hr 범위의 유량, 1.84m/s 내지 2.76m/s 범위의 유속, 760℃ 내지 1140℃의 범위의 온도, 1.6% 내지 2.4% 범위의 산소 농도로 제어된 공기를 주입한다. 이때, 건조 영역을 통과하여 배기되는 가스의 온도는 689.6℃ 내지 1034.4℃의 범위의 온도로 형성되고, 건조 영역을 통과하는 원료의 온도는 680℃ 내지 1020℃의 범위의 온도로 형성된다.

제1 환원 영역에 384000Nm³/hr 내지 576000Nm³/hr 범위의 유량, 1.36m/s 내지 2.04m/s 범위의 유속, 1000℃ 내지 1500℃의 범위의 온도, 4.8% 내지 7.2% 범위의 산소 농도로 제어된 공기를 주입한다. 이때, 제1 환원 영역을 통과하여 배기되는 가스의 온도는 896.8℃ 내지 1345.2℃의 범위의 온도로 형성되고, 제1 환원 영역을 통과하는 환원철의 온도는 868℃ 내지 1302℃의 범위의 온도로 형성된다.

제2 환원 영역에 256000Nm³/hr 내지 384000Nm³/hr 범위의 유량, 0.64m/s 내지 0.96m/s 범위의 유속, 1040℃ 내지 1560℃의 범위의 온도, 4.8% 내지 7.2% 범위의 산소 농도로 제어된 공기를 주입한다. 이때, 제2 환원 영역을 통과하여 배기되는 가스의 온도는 958.4℃ 내지 1437.6℃의 범위의 온도로 형성되고, 제2 환원 영역을 통과하는 환원철의 온도는 944℃ 내지 1416℃의 범위의 온도로 형성된다.

제3 환원 영역에 256000Nm³/hr 내지 384000Nm³/hr 범위의 유량, 0.64m/s 내지 0.96m/s 범위의 유속, 1000℃ 내지 1500℃의 범위의 온도, 4.8% 내지 7.2% 범위의 산소 농도로 제어된 공기를 주입한다. 이때, 제3 환원 영역을 통과하여 배기되는 가스의 온도는 969.6℃ 내지 1454.4℃의 범위의 온도로 형성되고, 제3 환원 영역을 통과하는 환원철의 온도는 970.4℃ 내지 1455.6℃의 범위의 온도로 형성된다.

제1 냉각 영역에 512000Nm³/hr 내지 768000Nm³/hr 범위의 유량, 1.28m/s 내지 1.92m/s 범위의 유속, 160℃ 내지 240℃의 범위의 온도, 1.6% 내지 2.4% 범위의 산소 농도로 제어된 공기를 주입한다. 이때, 제1 냉각 영역을 통과하여 배기되는 가스의 온도는 519.2℃ 내지 778.8℃의 범위의 온도로 형성되고, 제1 냉각 영역을 통과하는 환원철의 온도는 602.4℃ 내지 903.6℃의 범위의 온도로 형성된다.

제2 냉각 영역에 384000 Nm³/hr 내지 576000Nm³/hr 범위의 유량, 1.28m/s 내지 1.92m/s 범위의 유속, 16℃ 내지 24℃의 온도, 16% 내지 24% 범위의 산소 농도로 제어된 공기를 주입한다. 이때, 제2 냉각 영역을 통과하여 배기되는 가스의 온도는 185.6℃ 내지 278.4℃의 범위의 온도로 형성되고, 제2 냉각 영역을 통과하는 환원철의 온도는 212℃ 내지 318℃의 범위의 온도로 형성된다.

상기의 공정 조건에서 환원철의 제조를 반복 실시하고, 적정 공정 조건을 도출하여 그 결과값을 도 2에 도시하였다. 즉, 도 2에 도시된 공정 조건 값들은 반복 실시되는 환원철의 제조 과정에서 제조된 환원철의 금속화율 및 공정 중 에너지 효율이 상대적으로 향상되었을 때의 공정 조건이다. 한편, 도 2에 도시된 각 수치들은 상기에서 설명된 환원철 제조 공정의 실시 조건들에 포함되는 수치이며, 이미 충분히 설명된 바, 도 2에 도시된 공정 조건의 각 수치에 대한 설명을 생략한다.

환원철의 제조 과정에서 원료 처리 공간의 각 영역을 통과하는 원료의 온도 변화를 측정하여 이를 도 3에 도시하였다. 여기서 원료층 베드의 하부 온도를 그래프 상의 삼각형의 점으로 표시하였고, 원료층 베드의 상부 온도를 그래프 상의 마름모형의 점으로 표시하였다. 도 3을 보면, 건조 영역에서 원료의 상하부의 온도 편차가 발생하나, 승온 영역을 통과하면서 그 편차가 지속적으로 감소함을 볼 수 있다. 그리고, 환원 영역을 각각 통과하면서 그 온도가 일정하게 유지되는 것을 볼 수 있고, 상하부의 온도 편차가 소정 온도 편차 범위 내에서 유지되는 것을 볼 수 있다. 이처럼 본 실시 예에서는 상기의 공정 조건에 의하여 환원 영역에서의 원료의 상하부 온도 편차가 감소될 수 있다. 환원철의 제조 과정에서 원료 처리 공간의 각 영역을 통과하는 원료에 함유된 탄소의 환원 사용량과 산화 사용량을 측정하여 이를 도 4에 도시하였다. 도 4를 보면, 원료에 함유된 탄소가 연소 반응 보다 환원 반응에 상대적으로 많이 소모됨을 볼 수 있다. 이처럼 본 실시 예에서는 상기의 공정 조건에 의하여 원료 내의 탄소가 철 성분의 환원 유도에 상대적으로 집중 소모될 수 있다. 환원철의 제조 과정에서 원료 처리 공간의 각 영역을 통과하는 원료의 금속화율을 측정하여 이를 도 5에 도시하였다. 도 5를 보면, 본 실시 예에 따른 소성 장치 및 환원철 제조 방법을 이용하여 상기의 공정 조건으로 환원철을 제조하였을 때 생산되는 환원철의 금속화율이 60% 내지 70%의 범위에서 형성됨을 볼 수 있고, 상하부의 품질 편차가 적음을 볼 수 있다.

상술한 바에 따르면, 본 발명의 실시 예에 따른 소성 장치 및 환원철 제조 방법으로 환원철을 제조하여 환원철의 금속화율을 향상시킬 수 있음을 확인할 수 있다.

본 발명의 상기 실시 예는 탄재 내장 브리켓으로부터 환원철을 제조하는 공정의 경우가 예시되었으나, 이외의 다양한 피처리물을 소성 및 환원하는 제조 공정에도 적용될 수 있다. 한편, 본 발명의 상기 실시 예는 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주지해야 한다. 또한 본 발명이 해당하는 기술분야에서의 업자는 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시 예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

100: 건조 영역 200: 승온 영역
310: 제1 환원 영역 320: 제2 환원 영역
330: 제3 환원 영역 340: 점화 영역
410: 제1 냉각 영역 420: 제2 냉각 영역
530: 제1 공급 라인 540: 제2 공급 라인
550: 제3 공급 라인 560: 제4 공급 라인

Claims

원료를 소성하여 환원철을 제조하는 소성 장치로서,
상기 원료가 이동하는 방향으로 건조 영역, 승온 영역, 환원 영역 및 냉각 영역으로 구분되는 원료 처리 공간을 가지는 소성로; 및
상기 원료 처리 공간의 서로 다른 영역을 연결하는 가스 공급 유닛;을 포함하고,
상기 가스 공급 유닛은 상기 승온 영역의 배가스를 상기 냉각 영역으로 공급하도록 상기 승온 영역을 상기 냉각 영역에 연결하고, 상기 냉각 영역의 배가스를 상기 환원 영역으로 공급하도록 상기 냉각 영역을 상기 환원 영역에 연결하며, 상기 환원 영역의 배가스를 상기 건조 영역과 상기 승온 영역에 나누어 공급하도록 상기 환원 영역을 상기 건조 영역과 상기 승온 영역에 연결하는 복수개의 공급 라인을 포함하는 소성 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 환원 영역은 상기 원료가 이동하는 방향으로 제1 환원 영역, 제2 환원 영역 및 제3 환원 영역으로 구분되고,
상기 냉각 영역은 상기 원료가 이동하는 방향으로 제1 냉각 영역 및 제2 냉각 영역으로 구분되며,
상기 환원 영역의 일측에는 점화 영역이 형성되어 상기 제1 환원 영역, 상기 제2 환원 영역 및 상기 제3 환원 영역과 연결되는 소성 장치.
청구항 2에 있어서,
상기 가스 공급 유닛은,
상기 제2 냉각 영역에 연결되는 흡기 라인;
상기 제1 냉각 영역 및 상기 제2 냉각 영역을 상기 점화 영역에 연결하는 제1 공급 라인;
상기 제2 환원 영역 및 상기 제3 환원 영역을 상기 승온 영역에 연결하는 제2 공급 라인;
상기 승온 영역을 상기 제1 냉각 영역에 연결하는 제3 공급 라인;
상기 제1 환원 영역을 상기 건조 영역에 연결하는 제4 공급 라인; 및
상기 건조 영역에 연결되는 배기 라인;을 포함하는 소성 장치.
청구항 3에 있어서,
상기 가스 공급 유닛은,
외기로부터 상기 제2 냉각 영역으로 가스의 유동을 형성하도록 상기 흡기 라인에 장착되는 제1 송풍기;
상기 건조 영역으로부터 외기로 가스의 유동을 형성하도록 상기 배기 라인에 장착되는 제2 송풍기;
상기 제1 냉각 영역 및 상기 제2 냉각 영역으로부터 상기 점화 영역으로 가스의 유동을 형성하도록 상기 제1 공급 라인에 장착되는 제3 송풍기; 및
상기 승온 영역으로부터 상기 제1 냉각 영역으로 가스의 유동을 형성하도록 상기 제3 공급 라인에 장착되는 제4 송풍기;를 포함하는 소성 장치.
청구항 4에 있어서,
상기 가스 공급 유닛은,
상기 배기 라인의 가스 유동 방향을 기준으로 상기 제2 송풍기에 선행하여 상기 배기 라인에 장착되는 집진기;
상기 배기 라인의 가스 유동 방향을 기준으로 상기 집진기에 선행하여 상기 배기 라인에 장착되는 제1 열교환기; 및
상기 제3 공급 라인의 가스 유동 방향을 기준으로 상기 제4 송풍기에 선행하여 상기 제3 공급 라인에 장착되는 제2 열교환기;를 포함하는 소성 장치.
원료를 소성하여 환원철을 제조하는 방법으로서,
상기 원료를 마련하는 과정;
건조 영역, 승온 영역, 환원 영역 및 냉각 영역으로 구분되는 원료 처리 공간의 각 영역별로 내부 분위기를 형성하는 과정; 및
상기 원료를 상기 건조 영역, 승온 영역, 환원 영역 및 냉각 영역의 순서로 이동시키며 열처리하는 과정;을 포함하고,
상기 원료 처리 공간의 내부 분위기를 형성하는 과정은 상기 원료 처리 공간의 서로 다른 영역에 공정 가스를 공급하는 과정을 포함하고,
상기 공정 가스를 공급하는 과정은,
상기 승온 영역의 배가스를 상기 냉각 영역으로 공급하는 과정, 상기 냉각 영역의 배가스를 상기 환원 영역으로 공급하는 과정 및 상기 환원 영역의 배가스를 상기 건조 영역과 상기 승온 영역에 나누어 공급하는 과정을 포함하는 환원철 제조 방법.
청구항 6에 있어서,
상기 환원 영역은 상기 원료가 이동하는 방향으로 제1 환원 영역, 제2 환원 영역 및 제3 환원 영역으로 구분되고,
상기 냉각 영역은 상기 원료가 이동하는 방향으로 제1 냉각 영역 및 제2 냉각 영역으로 구분되며,
상기 환원 영역의 일측에는 점화 영역이 형성되어 상기 제1 환원 영역, 상기 제2 환원 영역 및 상기 제3 환원 영역과 연결되는 환원철 제조 방법.
청구항 7에 있어서,
상기 공정 가스를 공급하는 과정은,
외기를 상기 제2 냉각 영역으로 유입시키는 과정;
상기 승온 영역의 배가스를 상기 제1 냉각 영역으로 공급하는 과정;
상기 제1 냉각 영역 및 상기 제2 냉각 영역의 배가스를 상기 점화 영역을 거쳐 상기 제1 환원 영역, 제2 환원 영역 및 제3 환원 영역으로 공급하는 과정;
상기 제2 환원 영역 및 상기 제3 환원 영역의 배가스를 상기 승온 영역으로 공급하는 과정;
상기 제1 환원 영역의 배가스를 상기 건조 영역으로 공급하는 과정; 및
상기 건조 영역의 배가스를 외기로 배출하는 과정;을 포함하는 환원철 제조 방법.
청구항 8에 있어서,
상기 공정 가스를 공급하는 과정에 있어서,
상기 제1 냉각 영역으로 공급되는 상기 승온 영역의 배가스는 상기 제1 냉각 영역으로 공급되기 전에 열교환기를 통과하여 온도가 강하되는 환원철 제조 방법.
청구항 8에 있어서,
상기 공정 가스를 공급하는 과정에 있어서,
상기 건조 영역을 통과하는 가스의 유동 방향과 상기 승온 영역을 통과하는 가스의 유동 방향은 서로 다른 방향으로 제어되는 환원철 제조 방법.
청구항 8에 있어서,
상기 원료 처리 공간의 내부 분위기를 형성하는 과정에 있어서,
상기 환원 영역으로 주입되는 가스의 온도는 1000℃ 내지 1450℃의 범위로 제어되는 환원철 제조 방법.
청구항 8에 있어서,
상기 원료 처리 공간의 내부 분위기를 형성하는 과정에 있어서,
상기 건조 영역과 상기 승온 영역을 통과하는 가스의 속도는 1m/s 내지 3m/s의 범위로 제어되는 환원철 제조 방법.
청구항 8에 있어서,
상기 원료 처리 공간의 내부 분위기를 형성하는 과정에 있어서,
상기 환원 영역으로 주입되는 가스의 산소 농도는 15% 이하의 범위로 제어되는 환원철 제조 방법.
청구항 8에 있어서,
상기 원료를 열처리하는 과정에 있어서,
상기 승온 영역을 통과하는 상기 원료의 온도는 300℃ 내지 1200℃의 범위로 제어되는 환원철 제조 방법.
청구항 6 내지 청구항 14 중 어느 한 항에 있어서,
상기 원료는 상기 원료가 이동하는 방향에 교차하는 방향으로 20cm 내지 50cm의 두께로 형성되는 환원철 제조 방법.
청구항 6 내지 청구항 14 중 어느 한 항에 있어서,
상기 원료에는 상기 원료의 전체 중량을 기준으로 하여 탄재가 10 중량% 내지 30 중량% 함유되는 환원철 제조 방법.