KR101626602B1

KR101626602B1 - 분환원철 괴성화 방법, 분환원철 괴성화 장치 및 이를 포함하는 용철제조장치

Info

Publication number: KR101626602B1
Application number: KR1020140174464A
Authority: KR
Inventors: 김현수; 윤시경; 김선영; 이달회
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2014-12-05
Filing date: 2014-12-05
Publication date: 2016-06-01
Also published as: WO2016089023A1; EP3228717A1; CN107109520A; CN107109520B; EP3228717B1; EP3228717A4

Abstract

분환원철 사이에 존재하는 가스를 효율적으로 제거할 수 있는 분환원철 괴성화 방법, 분환원철 괴성화 장치 및 이를 포함하는 용철제조장치를 제공한다. 분환원철 괴성화 방법은 i) 환원철들 사이의 공간에 일산화탄소 및 이산화탄소로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 가스를 충전하는 단계, 및 ii) 환원철들을 괴성화하면서 일산화탄소가 이산화탄소와 탄소로 변환되는 단계를 포함한다.

Description

분환원철 괴성화 방법, 분환원철 괴성화 장치 및 이를 포함하는 용철제조장치 {METHOD FOR COMPACTING FINE REDUCED IRONS, APPARATUS FOR COMPACTING FINE REDUCED IRONS, AND APPARATUS FOR MANUFACTURING MOLTEN IRON COMPRISING THE SAME}

본 발명은 분환원철 괴성화 방법, 분환원철 괴성화 장치 및 이를 포함하는 용철제조장치에 관한 것이다. 좀더 상세하게는, 본 발명은 분환원철 사이에 존재하는 가스를 효율적으로 제거할 수 있는 분환원철 괴성화 방법, 분환원철 괴성화 장치 및 이를 포함하는 용철제조장치에 관한 것이다.

용융환원제철법에서는 환원된 철광석을 용융가스화로에 장입하여 용철을 제조한다. 원료인 철광석은 환원로에서 환원된 후 용융가스화로에 장입된다. 환원로에서 환원된 분광 형태의 철광석은 괴성화된 후에 용융가스화로에 장입될 수 있다.

환원된 철광석을 괴성화하는 방법으로는 산화 반응을 통하여 분광 형태의 철광석을 소결할 수 있다. 이 방법은 환원된 철광석을 재산화시키므로, 경제적인 측면에서 바람직하지 못하다. 따라서 이러한 방법 대신에 물리적인 압력을 이용하여 환원된 철광석을 괴성화하는 방법이 주로 사용되고 있다.
배경기술 1 : 일본 공개특허공보 특개2005-105046호
배경기술 2 : 공개특허공보 제10-2013-0026869호
배경기술 3 : 일본 특허공보 특허 제 5512205호
배경기술 4 : 공개특허공보 제10-2014-0070178호

환원철 사이에 존재하는 가스를 효율적으로 제거할 수 있는 환원철 괴성화 방법을 제공하고자 한다. 또한, 환원철 사이에 존재하는 가스를 효율적으로 제거할 수 있는 환원철 괴성화 장치를 제공하고자 한다. 그리고 전술한 환원철 괴성화 장치를 포함하는 용철제조장치를 제공하고자 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 환원철 괴성화 방법은 i) 환원철들 사이의 공간에 일산화탄소 및 이산화탄소로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 가스를 충전하는 단계, 및 ii) 환원철들을 괴성화하면서 일산화탄소가 이산화탄소와 탄소로 변환되는 단계를 포함한다.

가스를 충전하는 단계에서, 환원철들은 CaO 및 MgO로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 산화물을 포함할 수 있다. 이 경우, 본 발명의 일 실시예에 따른 환원철 괴성화 방법은 이산화탄소가 산화물과 반응하여 제거되는 단계를 더 포함할 수 있다. CaO의 몰수 또는 MgO의 몰수는 이산화탄소의 몰수보다 클 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 환원철 괴성화 방법은 환원철들을 괴성화하기 전에 CaO 및 MgO로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 산화물을 환원철들에 첨가하고, 이산화탄소가 산화물과 반응하여 제거되는 단계를 더 포함할 수 있다. 환원철들에 첨가된 CaO의 몰수 또는 MgO의 몰수는 이산화탄소의 몰수보다 클 수 있다.

환원철들은 CaO를 포함하고, CaO의 양은 0.04wt% 내지 0.1wt%일 수 있다. 환원철들은 MgO를 포함하고, MgO의 양은 0.03wt% 내지 0.09wt%일 수 있다. CaO의 입도 또는 MgO의 입도는 0.01mm 내지 1mm일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 환원철 괴성화 방법은 가스를 충전하는 단계 전에, 환원철들을 갈철광 및 적철광으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 철광석을 환원하여 제조하는 단계를 더 포함할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 환원철 괴성화 방법은 가스를 충전하는 단계 전에, 환원철들 사이의 공간에 질소를 주입하는 단계를 더 포함할 수 있다. 가스를 충전하는 단계에서 질소를 가스로 치환할 수 있다.

일산화탄소가 이산화탄소와 탄소로 변환되는 단계에서, 환원철의 온도는 600℃ 내지 800℃일 수 있다. 가스는 일산화탄소 및 이산화탄소를 포함하고, 가스 중 이산화탄소의 양은 17vol% 이상일 수 있다. 좀더 바람직하게는, 이산화탄소의 양은 40vol% 내지 80vol%일 수 있다. 일산화탄소가 이산화탄소와 탄소로 변환되는 단계에서, 환원철은 한 쌍의 롤러들에 의해 괴성화되고, 한 쌍의 롤러들의 선압은 10ton/cm 내지 15ton/cm일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 환원철 괴성화 장치는, i) 환원철이 저장되도록 적용된 제1 호퍼, ii) 제1 호퍼와 연결되어 제1 호퍼에 일산화탄소 및 이산화탄소로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 가스를 충전하도록 적용된 가스 공급관, iii) 제1 호퍼와 연결되어 환원철을 제공받도록 적용된 제2 호퍼, iv) 제2 호퍼와 연결되어 제2 호퍼에 CaO 또는 MgO를 제공하도록 적용된 첨가제 공급관, 및 v) 제2 호퍼로부터 환원철을 제공받아 괴성체를 제공하도록 적용된 압착 장치를 포함한다.

가스 공급관은 제1 호퍼를 향해 상측으로 경사져서 설치될 수 있다. 첨가제 공급관은 제2 호퍼를 향해 하측으로 경사져서 설치될 수 있다. 압착 장치는 한 쌍의 롤러들일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 용철 제조 장치는, i) 전술한 환원철 괴성화 장치, ii) 환원철을 제조하도록 적용되고, 제1 호퍼와 연결되어 제1 호퍼에 환원철을 제공하도록 적용된 환원로, 및 iii) 환원철 괴성화 장치와 연결되어 괴성체와 함께 석탄을 장입하여 용철을 제조하는 용융가스화로를 포함한다.

환원로는 유동층형 환원로일 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 용철 제조 장치는 가스 공급관과 환원로를 연결하는 환원가스 분기관을 더 포함할 수 있다. 환원가스 분기관은 환원로에서 제공된 환원가스를 가스 공급관에 공급할 수 있다.

가스 발생을 최소화하면서 환원철을 효율적으로 괴성화할 수 있다. 따라서 괴성체의 밀도를 크게 증가시키면서 그 생산량을 늘릴 수 있다. 그 결과, 공정을 단순화하면서 공정 효율을 크게 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 환원철 괴성화 방법의 개략적인 순서도이다.
도 2는 괴성체 제조 장치에 포함된 롤러회전속도에 따른 환원철내의 가스압력변화 그래프이다.
도 3은 CO 및 CO₂와 Fe, FeO 및 Fe₃O₄의 상평형도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 괴성체 제조 장치의 개략적인 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 용철 제조 장치의 개략적인 도면이다.

제1, 제2 및 제3 등의 용어들은 다양한 부분, 성분, 영역, 층 및/또는 섹션들을 설명하기 위해 사용되나 이들에 한정되지 않는다. 이들 용어들은 어느 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션을 다른 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션과 구별하기 위해서만 사용된다. 따라서, 이하에서 서술하는 제1 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션은 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 제2 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션으로 언급될 수 있다.

여기서 사용되는 전문 용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.

다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 환원철 괴성화 방법의 순서도를 개략적으로 나타낸다. 도 1의 환원철 괴성화 방법의 순서도는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다. 따라서 환원철 괴성화 방법을 다양하게 변형할 수 있다.

도 1에 도시한 바와 같이, 환원철 괴성화 방법은 i) 환원철들 사이의 공간에 일산화탄소 또는 이산화탄소를 충전하는 단계(S10), ii) CaO 또는 MgO를 환원철들에 첨가하는 단계(S20), 그리고 iii) 환원철들을 괴성화하면서 일산화탄소를 이산화탄소와 탄소로 변환하고, 이산화탄소는 CaO 또는 MgO와 반응하여 제거되는 단계(S30)를 포함한다. 이외에, 환원철 괴성화 방법은 다른 단계들을 더 포함할 수 있다.

먼저, 단계(S10)에서는 환원철들 사이의 공간에 일산화탄소 또는 이산화탄소를 충전한다. 즉, 환원로에서는 철광석을 환원가스와 접촉시켜 변환시킨 환원철들 사이의 공간에 일산화탄소 또는 이산화탄소를 충전한다. 일산화탄소 또는 이산화탄소는 환원철들 사이의 공간뿐만 아니라 환원철의 내부 공극에도 채워질 수 있다.

환원철은 높은 반응성을 가지므로, 공기중에 노출되는 경우 쉽게 산화되거나 발화될 수 있다. 예를 들면 철광석으로 적철광을 사용하는 경우, 환원에 의해 적철광은 자철광으로 변태하면서 그 결정 구조가 크게 변한다. 적철광은 자철광과 결정 구조면에서 상이하므로, 변태에 의해 적철광의 부피가 팽창되면서 내부에 많은 크랙들을 발생시킨다. 그리고 크랙에 의해 적철광의 비표면적이 증가하면서 가스와 반응할 수 있는 면적이 증가하여 환원철의 환원율을 증가시킨다.

또한, 철광석으로 갈철광을 사용하는 경우, 갈철광은 환원로에서의 가열에 의해 500℃ 이상으로 승온되고, 그 내부에 존재하는 결정수가 밖으로 빠져나오면서 적철광으로 변한다. 결정수가 빠져나오는 경우, 결정수의 점유 공간이 외부로 드러나므로, 기공률과 비표면적이 증가한다.

전술한 이유로 인하여, 갈철광 또는 적철광 등의 철광석을 환원하여 환원철을 제조하는 경우, 환원철의 높은 비표면적으로 인하여 반응성이 상승하므로, 상온에서 산소와 반응하여 발화하거나 재산화될 가능성이 높다. 이러한 현상은 펠렛이나 괴광석을 환원시키는 경우에도 발생한다. 따라서 종래에는 불활성인 질소를 퍼지하여 분환원철, 환원 펠렛, 환원된 괴광석 등의 사이 공간에 채움으로써 환원철이 외부와 반응하지 않도록 하였다. 그러나 환원철을 가압하여 괴성체를 제조하는 경우, 가압 상태에서도 질소가 환원철과 반응하지 않으므로, 괴성체의 밀도를 증가시키기 위해서 질소를 제거할 필요가 있다. 여기서, 질소를 단순히 제거하는 것보다는 본 발명의 일 실시예처럼 일산화탄소 또는 일산화탄소와 이산화탄소의 혼합가스로 질소를 치환하면 가압시 가스의 상이 변화하여 가스의 부피를 감소시키는 효과를 얻을 수 있는 이점이 있다.

도 2는 괴성체 제조 장치에 포함된 롤러회전속도에 따른 환원철내의 가스압력변화를 나타낸다. 즉, 한 쌍의 롤러들의 사이에 환원철을 장입하여 괴성체를 제조하는 경우의 환원철 내부의 가스압력 변화량을 나타낸다.

도 2에 도시한 바와 같이, 롤러의 회전속도가 증가함에 따라 환원철내의 가스 압력이 선형적으로 증가하는 것을 알 수 있다. 즉, 괴성체를 대량으로 제조하고자 하는 경우, 롤러의 회전 속도 증가가 필요하다. 그러나 환원철내의 가스 압력 증가로 인하여 원하는 만큼의 생산량을 낼 수 없다. 따라서 괴성체의 생산량을 증가시키기 위해서는 환원철내의 가스를 제거할 필요가 있다.

단계(S10)에서는 일산화탄소 또는 일산화탄소와 이산화탄소의 혼합가스를 주입하여 환원철 사이의 공간을 일산화탄소 또는 일산화탄소와 이산화탄소의 혼합가스가 충전시킬 수 있다. 환원철 사이에 있는 일산화탄소는 환원철의 압축시 탄소로 석출되어 제거되므로, 환원철 사이의 가스 압력을 감소시켜 괴성체의 밀도 증가에 도움을 줄 수 있으며, 그 원리를 설명하면 다음과 같다.

일산화탄소는 1000℃ 이하에서 탄소 퇴적(carbon deposition) 반응을 일으킨다. 금속철이 존재할 경우 그 반응은 가속화된다. 또한, 가스 압력이 높을수록 탄소 퇴적 반응은 가속화되며 하기의 화학식 1로 나타낼 수 있다.

[화학식 1]

2CO → C + CO₂

화학식 1의 반응은 르샤틀리에 원리에 의해 압력이 증가하면 압력이 감소되는 방향으로 진행되므로, 정반응을 가속화시킬 수 있다. 전술한 탄소 퇴적 반응이 일어나는 경우, 일산화탄소 2몰이 이산화탄소 1몰로 전환되므로, 가스 부피 감소에 의해 가스를 제거할 수 있다. 그 결과, 환원철 사이의 가스 압력이 줄어들어 괴성체의 밀도를 증가시키는데 도움을 준다.

화학식 1에서 일산화탄소가 이산화탄소와 탄소로 변환되는 경우, 환원철의 온도는 600℃ 내지 800℃일 수 있다. 환원철의 온도가 너무 낮거나 너무 높은 경우, 가스의 몰수 감소에 의한 부피 감소 효과를 기대할 수 없다. 따라서 필요하면 온도 제어 수단을 통하여 환원철의 온도를 전술한 범위로 조절하는 것이 바람직하다. 한편, 일산화탄소 대신에 일산화탄소와 이산화탄소를 혼합하여 사용할 수도 있으며, 이를 도 3을 통하여 좀더 상세하게 설명한다.

도 3은 CO 및 CO₂와 Fe, FeO 및 Fe₃O₄의 상평형도를 개략적으로 나타낸다. 여기서, 점선은 1bar를 초과하는 압력에서 탄소 퇴적이 발생하는 평형 곡선을 나타내고, 회색 부분은 일산화탄소와 이산화탄소가 혼합된 영역이다.

이산화탄소와 일산화탄소를 혼합한 혼합 가스가 도 3의 CO₂ + C = 2CO 곡선의 우측에 있는 경우, 혼합 가스가 환원철들의 사이의 공간에 잘 충전된 후, 추후 괴성체 제조 공정에서 탄소로 변환되어 그 부피가 감소할 수 있다. 따라서 높은 밀도를 가지는 괴성체를 제조할 수 있으므로, 이러한 조성의 혼합 가스를 사용하는 것이 바람직하다.

좀더 구체적으로, 도 3에 도시한 바와 같이, 괴성화되는 환원철의 온도는 600℃ 내지 800℃일 수 있으므로, 환원철내 이산화탄소의 양은 약 17vol% 이상인 것이 바람직하다. 이 경우, 일산화탄소가 탄소로 잘 변환될 수 있으므로, 환원철에 주입하는 가스 중에서 이산화탄소가 전술한 범위를 만족하도록 주입하는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는, 환원철의 온도는 약 700℃인 경우, 이산화탄소의 양은 약 40vol% 내지 80vol%인 것이 바람직하다. 이 경우, 환원철의 괴성화시 일산화탄소가 탄소로 잘 변환된다.

다시 도 1로 되돌아가면, 단계(S20)에서는 CaO 또는 MgO를 환원철들에 첨가한다. CaO 또는 MgO는 이산화탄소와 반응하여 이산화탄소를 제거함으로써 환원철들 사이의 공간에 존재하는 가스의 부피를 크게 줄일 수 있다. 탄소 석출 반응에 의해 이산화탄소로 전환된 가스나 혼합 가스로서 주입된 이산화탄소는 모두 CaO 또는 MgO와 반응하여 제거될 수 있다. 따라서 이산화탄소를 주입하여 환원철들 사이의 공간에 존재하는 질소를 이산화탄소로 치환한 후, 환원철을 괴성화하면 이산화탄소가 CaO 또는 MgO와 반응하여 제거된다. 따라서 이산화탄소가 점유하는 공간이 없어지므로, 괴성체의 밀도를 높일 수 있다.

한편, 전기로에서 사용하는 철원을 제조하기 위해서는 철광석의 환원 공정에 플럭스를 사용하지 않을 수 있다. 따라서 이 경우에는 산화물인 CaO 또는 MgO를 환원철에 첨가한다. 첨가하는 CaO의 몰수 또는 MgO의 몰수는 이산화탄소의 몰수보다 큰 것이 바람직하다. 이는 이산화탄소를 충분히 제거하여 가스 부피를 절감하기 위해서이다. 즉, 첨가되는 플럭스의 양이 이산화탄소와 반응할 수 있는 화학량론적인 양보다 크게 조절한다.

좀더 바람직하게는, 환원철들에 CaO가 첨가되는 경우, CaO의 양은 0.04wt% 내지 0.1wt%일 수 있다. 환원철에 CaO가 너무 많이 첨가되는 경우, 환원철의 환원률에 안 좋은 영향을 줄 수 있다. 또한, 환원철에 CaO가 너무 적게 첨가되는 경우, 전기로에서 사용하기에 부적합하다. 따라서 환원철에 대한 CaO의 중량부를 전술한 범위로 조절하는 것이 바람직하다.

또한, 환원철들에 MgO가 첨가되는 경우, MgO의 양은 0.03wt% 내지 0.09wt%일 수 있다. 환원철에 MgO가 너무 많이 첨가되는 경우, 환원철의 환원률에 안 좋은 영향을 줄 수 있다. 또한, 환원철에 MgO가 너무 적게 첨가되는 경우, 전기로에서 사용하기에 부적합하다. 따라서 환원철에 대한 MgO의 중량부를 전술한 범위로 조절하는 것이 바람직하다.

한편, 예를 들어 환원철의 부피밀도(bulk density)가 2이고 진밀도(true density)가 4인 경우, 1ton의 환원철의 공극에는 이산화탄소가 0.25m³ 존재하고, 이는 몰수로 11.2mol이며, 질량으로 환산시 491g이 된다. 이에 대응하는 CaO와 MgO의 양은 각각 629g 및 448g이다. 이는 환원철 1ton에 대해 각각 0.063wt%, 0.045wt%로서 조업에 전혀 영향을 주지 않을 정도의 소량이다. 이 정도 소량의 CaO 및 MgO를 사용하여 환원철들 사이의 공간 또는 공극에 존재하는 이산화탄소를 제거할 수 있다. 특히, 전체 이산화탄소 중 50%만 제거하여도 일정 부피하에서 이산화탄소의 압력을 약 절반으로 줄일 수 있다.

한편, 환원철에 이미 산화물인 CaO 또는 MgO가 포함되어 있는 경우, 단계(S20)는 생략할 수 있다. 예를 들면, 환원철에 플럭스로서 CaO 또는 MgO가 포함되어 있는 경우, 단계(S20)를 실시하지 않아도 무방하다.

[화학식 2]

CaO (MgO) + CO₂ → CaCO₃ (MgCO₃)

즉, 화학식 2로부터 알 수 있는 바와 같이, CaO 또는 MgO는 이산화탄소와 반응하여 CaCO₃ 또는 MgCO₃의 화합물을 생성한다. 환원 공정에 따라 환원철에는 플럭스로서 CaCO₃ 또는 MgCO₃가 함유된다. 예를 들면, 용융환원제철공정에서는 최종 슬래그의 조성 목표에 부합하는 플럭스를 사용한다. 플럭스로 사용되는 원료로는 석회석(limestone) 또는 백운석(dolomite)을 들 수 있다. 플럭스는 환원로에서 철광석과 함께 환원 및 소성되어 CaO 또는 MgO 형태로 존재한다. 소성된 CaO와 MgO는 이산화탄소와 반응할 수 있고, 반응 압력이 커지는 경우 반응 속도가 증가하므로, 이산화탄소의 몰수가 감소하면서 일정 부피하에서 압력이 감소한다. 전술한 화학식 2의 반응은 가압에 따라 촉진되므로, 한 쌍의 롤러들을 이용하여 괴성체를 제조하는 경우, 이산화탄소를 효율적으로 제거할 수 있다.

한편, 환원철에 첨가되는 CaO의 입도 또는 MgO의 입도는 0.01mm 내지 1mm일 수 있다. CaO의 입도 또는 MgO의 입도가 너무 작은 경우, 제조 비용이 많이 들 수 있다. 또한, CaO의 입도 또는 MgO의 입도가 너무 큰 경우, 이산화탄소와의 반응 효율이 저하될 수 있다. 따라서 CaO의 입도 또는 MgO의 입도를 전술한 범위로 조절하는 것이 바람직하다.

마지막으로, 단계(S30)에서는 환원철들을 괴성화하면서 일산화탄소를 이산화탄소와 탄소로 변환한다. 이산화탄소는 CaO 또는 MgO와 반응하여 제거된다. 환원철들을 가압하면 환원철들 사이의 공간의 일산화탄소가 탄소로 변환되어 환원철에 퇴적된다. 그 결과, 일산화탄소의 부피 감소로 인하여 괴성체의 밀도를 높일 수 있다. 또한, 투입거나 이미 존재하고 있는 CaO 또는 MgO는 각각 이산화탄소와 반응하여 CaCO₃또는 MgCO₃로 격리되므로 생성되는 이산화탄소를 제거할 수 있다. 즉, 분상의 환원철을 한 쌍의 롤러들을 이용하여 압축 성형하는 경우에 가스의 몰수가 감소하므로, 괴성체 제조 방법의 한계를 극복하여 환원철로서 극미분을 사용하더라도 그 생산성을 향상시킬 수 있다. 이 경우, 한 쌍의 롤러들의 선압을 10ton/cm 내지 15ton/cm로 조절하여 환원철을 괴성화할 수 있다. 환원철이 너무 낮은 압력으로 괴성화되거나 너무 높은 압력으로 괴성화되는 경우, 이산화탄소가 탄소로 변환되기 어렵다. 따라서 전술한 범위로 환원철에 가해지는 압력 범위를 조절한다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 괴성체 제조 장치(10)를 개략적으로 나타낸다. 도 4의 괴성체 제조 장치(10)의 구조는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다. 따라서 도 4의 괴성체 제조 장치(10)를 다른 형태로도 변형할 수 있다. 또한, 도 4의 괴성체 제조 장치(10)는 환원철 뿐만 아니라 철 압착이 필요한 모든 분야에 사용할 수 있다.

도 4에 도시한 바와 같이, 괴성체 제조 장치(10)는 제1 호퍼(101), 제2 호퍼(103), 그리고 한 쌍의 롤러들(105)을 포함한다. 이외에, 괴성체 제조 장치(10)는 가스 공급관(1011)과 첨가제 공급관(1031)을 포함하며, 필요에 따라 다른 부품들을 더 포함할 수 있다.

먼저, 제1 호퍼(101)에는 환원철들이 저장된다. 즉, 환원로에서 환원된 환원철이 이송되어 임시로 제1 호퍼(101)에 저장된다. 제1 호퍼(101)에 저장된 환원철은 재산화를 방지하기 위하여 임시로 질소로 충전될 수도 있다.

제1 호퍼(101)의 측면에는 가스 공급관(1011)이 설치된다. 가스 공급관(1011)은 제1 호퍼(101)와 연결되어 일산화탄소 또는 이산화탄소를 제1 호퍼(101)에 충전한다. 따라서 환원철들 사이의 공간에 채워진 질소는 일산화탄소 또는 이산화탄소로 치환된다. 가스 공급관(1011)은 제1 호퍼(101)를 향해 상측으로 경사져서 설치된다. 그 결과, 가스 공급관(1011)을 따라 공급되는 일산화탄소 또는 이산화탄소의 압력에 의해 환원철이 비산되더라도 중력에 의해 다시 적층되어 안정적인 저장 상태를 유지할 수 있다.

한편, 제1 호퍼(101)는 환원철 이송관(107)을 통하여 제2 호퍼(103)와 연결된다. 도 4에는 도시하지 않았지만, 절출 장치가 설치되어 필요한 양만큼의 환원철을 제1 호퍼(101)로부터 제2 호퍼(103)로 이송할 수 있다. 제2 호퍼(103)는 첨가제 공급관(1031)과 연결된다. 첨가제 공급관(1031)은 CaO 또는 MgO를 제공하며, 제2 호퍼(103)를 향해 하측으로 경사져서 설치된다. 따라서 CaO 또는 MgO를 제2 호퍼(103)에 안정적으로 중력 장입할 수 있으며, 환원철들 사이의 공간에 존재하는 이산화탄소를 탄소로 효율적으로 변환할 수 있다.

한 쌍의 롤러들(105)은 도 4의 화살표로 도시한 바와 같이, 상호 반대 방향으로 회전하여 환원철을 압축한다. 도 4에는 한 쌍의 롤러들(105)을 압착 장치로서 예시하였지만 이는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다. 따라서 한 쌍의 롤러들(105) 이외에 압착 장치로서 다짐 등이 가능한 다른 프레스 장치 등을 사용할 수도 있다.

한편, 환원철의 반응성을 감소시키기 위해서는 비표면적을 줄여야 하므로, 한 쌍의 롤러들(105)을 사용하여 환원철을 압축한다. 이 경우, 한 쌍의 롤러들(105)의 회전수에 따라 환원철의 생산량을 조정할 수 있다. 한 쌍의 롤러들(105)을 사용하여 소재 관점에서는 저밀도의 환원철을 고밀도의 괴성체로 제조하고, 가스 관점에서는 환원철들 사이의 공간에 존재하는 가스를 효과적으로 제거할 수 있다. 이 가스를 효과적으로 제거하지 못하는 경우, 한 쌍의 롤러들(105) 사이에 환원철이 물리는 경우, 가스가 압축되면서 압력이 증가하고 한 쌍의 롤러들(105)을 통과시 압축된 가스가 팽창하면서 괴성체를 파괴(spring-back)할 수 있다.

한 쌍의 롤러들(105)의 회전수가 증가하는 경우, 환원철에 존재하는 가스의 압력이 증가하고, 가스의 압력 증가는 한 쌍의 롤러들(105) 사이로 환원철이 공급되는 것도 방해한다. 환원철 압축시 발생하는 가스는 한 쌍의 롤러들(105) 상부를 통하여 배출되는 데 이 경우, 환원철도 함께 배출되면서 다른 환원철이 한 쌍의 롤러들(105) 사이로 공급되는 것를 방해한다. 이는 제2 호퍼(103) 내부에 스크류를 설치하여 강제로 환원철을 한 쌍의 롤러들(105) 사이로 장입하는 경우에도 동일하다. 그 결과, 환원철의 공급을 차단해야 되고 한 쌍의 롤러들(105) 사이에는 가스만 남아 환원철의 압축 성형이 불가능해진다. 따라서 가스 제거를 위해서 진동기 또는 진공화 방법을 채택하고 있지만 임시적인 대응 수단에 불과하므로, 본 발명의 일 실시예와 같이 근본적인 해결 수단이 필요하다. 즉, 본 발명의 일 실시예에서는 환원철 내부의 가스량을 근본적으로 줄일 수 있으므로, 높은 밀도를 가지는 괴성체를 대량으로 제조할 수 있다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 용철 제조 장치(100)를 개략적으로 나타낸다. 도 5의 용철제조장치(100)의 구조는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다. 따라서 도 5의 용철제조장치(100)를 다양한 형태로 변형할 수 있다. 한편, 도 5의 용철 제조 장치(100)는 도 4의 괴성체 제조 장치(10)를 포함하므로, 동일한 부호를 사용하며 그 상세한 설명을 생략한다.

도 5에 도시한 바와 같이, 용철제조장치(100)는 괴성체 제조 장치(10), 환원로(20), 용융가스화로(30) 및 괴성체 저장조(40)를 포함한다. 여기서, 압축 환원철 저장조(50)는 생략할 수 있으며, 환원로(20)는 다단 연결된 유동층형 환원로이다. 도 5에는 도시하지 않았지만 환원로로서 충전층형 환원로도 사용할 수 있다.

제조된 성형탄은 용융가스화로(30)에 장입된다. 여기서, 성형탄은 용융가스화로(30)에서 환원가스를 발생시키고 발생된 환원가스는 환원로(20)에 공급된다. 철광석은 유동층을 가진 환원로(20)에 공급되고, 용융가스화로(30)로부터 환원로(20)에 공급된 환원가스에 의해 유동되면서 환원철로 제조된다. 환원철은 괴성체 제조 장치(10)에서 압축된 후 괴성체 저장조(40)에 저장된다. 괴성체는 괴성체 저장조(40)로부터 용융가스화로(30)에 공급되어 풍구(301)를 통해 공급되는 산소에 의한 성형탄의 연소열로 용융된다. 성형탄은 용융가스화로(30)에 공급되어 통기성을 가진 촤로 변하므로, 용융가스화로(30)의 하부에서 발생한 다량의 가스와 압축된 환원철이 용융가스화로(30)내의 석탄충전층을 좀더 쉽고 균일하게 통과하여 양질의 용철을 제조할 수 있다.

한편, 도 5에 도시한 바와 같이, 환원로(20)는 제1 호퍼(101)에 연결되어 환원철을 제1 호퍼(101)에 제공한다. 그리고 가스 공급관(1011)은 환원가스 분기관(15)과 연결되어 환원로(20)로부터 배출되는 배가스인 환원가스를 공급받을 수 있다. 환원로(20)와 연결된 환원가스 분기관(15)을 통하여 환원가스인 일산화탄소를 제공받아 가스 공급관(1011)에 공급한다. 따라서 제1 호퍼(101)는 양질의 일산화탄소를 공급받을 수 있다. 한편, 도 5에는 도시하지 않았지만, 환원가스 분기관(15)에는 개질기를 설치하여 환원가스 중에서 일산화탄소만을 추출한 후 가스 공급관(1011)에 제공할 수도 있다.

본 발명을 앞서 기재한 바에 따라 설명하였지만, 다음에 기재하는 특허청구범위의 개념과 범위를 벗어나지 않는 한, 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에서 종사하는 자들은 쉽게 이해할 것이다.

10. 괴성체 제조 장치
15. 환원가스 분기관
20. 환원로
30. 용융가스화로
40. 괴성체 저장조
100. 용철 제조 장치
101, 103. 호퍼
105. 한 쌍의 롤러들
107. 환원철 이송관
301. 풍구
1011. 가스 공급관
1031. 첨가제 공급관

Claims

환원철들에 CaO 및 MgO로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 산화물을 첨가하는 단계,
상기 환원철들 사이의 공간에 일산화탄소 및 이산화탄소로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 가스를 충전하는 단계, 및
상기 환원철들을 괴성화하면서 상기 일산화탄소가 이산화탄소와 탄소로 변환되는 단계
를 포함하고,
상기 일산화탄소가 이산화탄소와 탄소로 변환되는 단계에서, 상기 환원철의 온도는 600℃ 내지 800℃이고, 상기 환원철은 한 쌍의 롤러들에 의해 괴성화되고, 상기 한 쌍의 롤러들의 선압은 10ton/cm 내지 15ton/cm인 환원철 괴성화 방법.
삭제
제1항에서,
상기 CaO의 몰수 또는 상기 MgO의 몰수는 상기 이산화탄소의 몰수보다 큰 환원철 괴성화 방법.
환원철들 사이의 공간에 일산화탄소 및 이산화탄소로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 가스를 충전하는 단계,
상기 환원철들에 CaO 및 MgO로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 산화물을 첨가하는 단계 및
상기 환원철들을 괴성화하면서 상기 일산화탄소가 이산화탄소와 탄소로 변환되는 단계를 포함하고,
상기 일산화탄소가 이산화탄소와 탄소로 변환되는 단계에서, 상기 환원철의 온도는 600℃ 내지 800℃이고, 상기 환원철은 한 쌍의 롤러들에 의해 괴성화되고, 상기 한 쌍의 롤러들의 선압은 10ton/cm 내지 15ton/cm 인 환원철 괴성화 방법.
제4항에서,
상기 환원철들에 첨가된 상기 CaO의 몰수 또는 상기 MgO의 몰수는 상기 이산화탄소의 몰수보다 큰 환원철 괴성화 방법.
제1항 또는 제4항에서,
상기 환원철들은 상기 CaO를 포함하고, 상기 CaO의 양은 0.04wt% 내지 0.1wt%인 환원철 괴성화 방법.
제1항 또는 제4항에서,
상기 환원철들은 상기 MgO를 포함하고, 상기 MgO의 양은 0.03wt% 내지 0.09wt%인 환원철 괴성화 방법.
제1항 또는 제4항에서,
상기 CaO의 입도 또는 상기 MgO의 입도는 0.01mm 내지 1mm인 환원철 괴성화 방법.
제1항에서,
상기 가스를 충전하는 단계 전에, 상기 환원철들을 갈철광 및 적철광으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 철광석을 환원하여 제조하는 단계를 더 포함하는 환원철 괴성화 방법.
제9항에서,
상기 가스를 충전하는 단계 전에, 상기 환원철들 사이의 공간에 질소를 주입하는 단계를 더 포함하고,
상기 가스를 충전하는 단계에서 상기 질소를 상기 가스로 치환하는 환원철 괴성화 방법.
삭제
제1항 또는 제4항에서,
상기 가스는 일산화탄소 및 이산화탄소를 포함하고, 상기 가스 중 이산화탄소의 양은 17vol% 이상인 환원철 괴성화 방법.
제12항에서,
상기 이산화탄소의 양은 40vol% 내지 80vol%인 환원철 괴성화 방법.
삭제
환원철이 저장되도록 적용된 제1 호퍼,
상기 제1 호퍼와 연결되어 상기 제1 호퍼에 일산화탄소 및 이산화탄소로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 가스를 충전하도록 적용된 가스 공급관,
상기 제1 호퍼와 연결되어 상기 환원철을 제공받도록 적용된 제2 호퍼,
상기 제2 호퍼와 연결되어 상기 제2 호퍼에 CaO 또는 MgO를 제공하도록 적용된 첨가제 공급관, 및
상기 제2 호퍼로부터 상기 환원철을 제공받아 괴성체를 제공하도록 적용된 압착 장치
를 포함하고,
압착 장치는 한 쌍의 롤러들이고, 상기 압착 장치는 600℃ 내지 800℃로 유지되고, 상기 한 쌍의 롤러들의 선압은 10ton/cm 내지 15ton/cm인 환원철 괴성화 장치.
제15항에서,
상기 가스 공급관은 상기 제1 호퍼를 향해 상측으로 경사져서 설치되는 환원철 괴성화 장치.
제16항에서,
상기 첨가제 공급관은 상기 제2 호퍼를 향해 하측으로 경사져서 설치되는 환원철 괴성화 장치.
삭제
제15항에 따른 환원철 괴성화 장치,
상기 환원철을 제조하도록 적용되고, 상기 제1 호퍼와 연결되어 상기 제1 호퍼에 상기 환원철을 제공하도록 적용된 환원로, 및
상기 환원철 괴성화 장치와 연결되어 상기 괴성체와 함께 석탄을 장입하여 용철을 제조하는 용융가스화로
를 포함하는 용철 제조 장치.
제19항에서,
상기 환원로는 유동층형 환원로인 용철 제조 장치.
제19항에서,
상기 가스 공급관과 상기 환원로를 연결하는 환원가스 분기관을 더 포함하고,
상기 환원가스 분기관은 상기 환원로에서 제공된 환원가스를 상기 가스 공급관에 공급하는 용철 제조 장치.