KR101660697B1 - 용철 제조 장치 및 제조 방법 - Google Patents

용철 제조 장치 및 제조 방법 Download PDF

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Abstract

용철 제조 장치를 제공한다. 용철 제조 장치는 제1 유동환원로, 제2 유동환원로 및 제3 유동환원로를 포함하는 다단 유동환원로와, 다단 유동환원로와 연결되는 용융가스화로로 구성되는 것으로서, 다단 유동환원로와 용융가스화로를 연결하며 철광석 및 부원료의 흐름이 이루어지는 광석도관과, 다단 유동환원로와 용융가스화로를 연결하며 환원가스의 흐름이 이루어지는 가스도관을 포함하며, 광석도관을 통해 다단 유동환원로에 장입되는 부원료로서 소석회와 수산화마그네슘을 포함할 수 있다.

Description

용철 제조 장치 및 제조 방법 {DEVICE AND METHOD FOR MANUFACTURING MOLTEN IRON}
본 발명의 실시예는 유동환원로를 이용한 용철 제조 장치 및 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 유동환원로로 장입되는 부원료로서 소석회와 수산화마그네슘을 사용하는 용철 제조 장치 및 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 용융환원제철공정에서는 철광석을 환원하는 환원로와 환원된 철광석을 용융하는 용융가스화로를 사용한다. 용융가스화로에서 철광석을 용융하는 경우, 철광석을 용융할 열원으로서 성형탄을 용융가스화로에 장입한다. 여기서, 환원철은 용융가스화로에서 용융된 후, 용철 및 슬래그로 전환된 후 외부로 배출된다. 용융가스화로에 장입된 성형탄은 석탄충전층을 형성한다. 산소는 용융가스화로에 설치된 풍구를 통하여 취입된 후 석탄충전층을 연소시켜서 연소 가스를 생성한다. 연소가스는 석탄충전층을 통하여 상승하면서 고온의 환원 가스로 전환된다. 고온의 환원가스는 용융가스화로의 외부로 배출되어 환원로에 공급된다.
이와 같은 용융환원제철공정은 철광석과 환원가스의 접촉 상태에 따라 이동층형 환원로를 사용한 이동층식 환원공정과, 유동층식 환원공정으로 구분할 수 있다.
여기서, 상기 유동층식 환원공정은 3단의 유동환원로와, 석탄충진층이 형성되어 있는 용융가스화로를 구비한다. 상온의 분철광석은 광석도관을 통하여 3단의 유동환원로를 차례로 거치면서, 용융가스화로로부터 가스도관을 통해 공급되는 고온의 환원기류와 접촉함으로서 승온 및 90%이상의 환원이 이루어진 고온의 환원분광으로 전환되어 배출된다.
환원된 분철광석은 석탄충진층이 형성되어 있는 용융가스화로 내로 연속적으로 장입되어 석탄충진층 내에서 용융됨으로서 용철로 전환되어 용융가스화로 외부로 배출된다.
융용가스화로에 있어서는 로상부에서 괴성의 일반탄이 연속적으로 공급되어 로내부에 일정한 높이의 석탄충진층이 형성하게 되며, 충진층 외벽 하단에 형성되어 있는 복수개의 풍구를 통해 충진층 내로 산소가 취입되어 그 충진층 내에 석탄이 연소되고, 연소가스가 충진층을 상승하면서 고온의 환원기류인 환원가스로 전환되어 유동 환원로 내로 공급된다.
한편, 유동환원로에는 슬래그를 제조하기 위한 부원료가 장입되는데, 이러한 부원료는 백운석(Dolomite)과 석회석(Limestone)을 주로 사용하며 이중 백운석은 MgCO3가 주성분으로 유동 환원로에 장입되어 철광석이 환원되는 도중에 MgCO3가 환원가스에 의해서 소성되어 MgO성분으로 존재하지만, 석회석의 주성분인 CaCO3는 유동환원로를 지나는 공정에서 거의 소성되지 않고 그대로 존재한 채로 용융가스화로로 장입되고 있는 실정이다.
여기서, 유동환원로 내로 장입되는 부원료의 역할은 용융시 슬래그를 생성시켜 용철 중의 불순물을 제거하기 위한 것이 주 목적이지만, 유동환원로에서 광석의 유동 환원시 상호 접촉하여 괴성화된 입자가 조대화되어 환원된 광석이 원활하게 유동하지 못하고, 분산판의 상부나 하부로 낙광하게 되는데, 이러한 낙광이 점차 확대하면 정상적인 유동조업이 불가능하게 되어 조업에 치명적 악영향을 끼치게 된다. 이에 따라 환원된 철광석 입자의 괴성화 즉 스틱킹(Sticking)을 억제하기 위하여 부원료를 첨가하여 환원된 철광석의 입자를 코팅하여 입자 상호간의 접촉을 억제함으로써 괴성화를 방지하고자 첨가하고 있다.
즉, 용철 중의 불순물을 제거하고, 괴성화를 방지하기 위하여 유동 환원로 내로 장입되는 부원료중 백운석은 CaO가 31.39%, MgO가 18.71%로 이중 MgCO3는 600 내지 800℃의 소성반응온도에서 MgO로 소성되어 CO2가 제거되지만, 석회석은 CaO가 50.67%, MgO가 2.44%로서 주성분인 CaCO3는 백운석의 소성 반응온도보다 높은 800 내지 1000℃이기 때문에, 주원료인 분철광석과 부원료인 백운석과 더불어 유동환원로 내로 장입된 부원료인 석회석은 소성이 거의 일어나지 않은 채로 용융가스화로로 장입되는 것이다.
이는 용융가스화로에서 발생된 고온의 환원가스가 3단의 유동환원로를 거치면서 부원료 중 백운석을 소성반응시키기에는 적합하지만 석회석을 소성반응시키기에는 부적합 온도까지 저하되기 때문이다.
상기와 같이 부원료가 충분한 소성이 이루어지지 못한 채 용융가스화로로 장입되면, 1000℃ 이상의 고온 분위기를 갖는 용융가스화로의 내부에서 소성반응이 일어나게 되며, 이는 소성반응에 따른 환원가스의 열손실 및 가스산화도의 상승으로 환원가스의 환원력이 저하되어 유동환원로에서의 충분한 철광석 환원율을 획득하기 어렵게 되는 문제점이 있었다.
부연 설명하면, 종래기술에서는 부원료로서 백운석과 석회석을 사용할 때, 유동환원공정에서 배출되는 환원철과 부원료에 함유한 미 소성된 CaCO3에 의한 용융가스화로 내에서의 흡열반응인 소성반응으로 온도가 저하될 수 있다. 뿐만 아니라, 소성반응 생성물인 CO2가 용융가스화로 배가스에 포함되어 그 용융가스화로로 재순환되고, 그 용융가스화로 배가스는 3단 유동환원로의 최종 유동환원로로 공급된다. 이러한 유동환원로 공급 환원가스는 용융가스화로 배가스를 기본으로 공급되므로, 용융가스화로 소성반응에 의한 CO2 가스 발생시, 유동환원로 공급가스의 CO2 함량은 그만큼 증가하고 이는 유동환원로 공급가스의 CO2 함량의 증가 즉 가스산화도 증가로 이어져 최종 유동환원로에서의 환원가스 환원력을 저하시키게 된다.
본 발명의 실시예들은 다단의 유동환원로를 이용한 용철 제조공정에서 찰광석의 환원율을 증대시킬 수 있고, 유동환원로의 효율성을 극대화시킬 수 있도록 한 용철 제조 장치 및 제조 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 용철 제조 장치는, 제1 유동환원로, 제2 유동환원로 및 제3 유동환원로를 포함하는 다단 유동환원로와, 상기 다단 유동환원로와 연결되는 용융가스화로로 구성되는 것으로서, 상기 다단 유동환원로와 용융가스화로를 연결하며 철광석 및 부원료의 흐름이 이루어지는 광석도관과, 상기 다단 유동환원로와 용융가스화로를 연결하며 환원가스의 흐름이 이루어지는 가스도관을 포함하며, 상기 광석도관을 통해 상기 다단 유동환원로에 장입되는 부원료로서 소석회와 수산화마그네슘을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 용철 제조 장치는, 상기 다단 유동환원로의 각 전단 측에 설치되며, 상기 다단 유동환원로로 산소를 취입하는 메인 버너를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 용철 제조 장치는, 상기 다단 유동환원로의 적어도 하나에 연결되게 설치되며, 하부 유동층 내부로 산소를 취입하는 보조 버너를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 용철 제조 장치에 있어서, 상기 보조 버너는 상기 제2 유동환원로의 하부에 연결되게 설치될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 용철 제조 장치는, 상기 철광석과 부원료를 일정 비율로 혼합 및 건조하며 상기 다단 유동환원로로 장입하는 장입빈을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 용철 제조 장치는, 상기 다단 유동환원로에서 제공되는 환원철과 부원료를 압착하여 괴성체로 형성하는 환원철 압축기를 포함할 수 있다.
그리고, 본 발명의 일 실시예에 따른 용철 제조 방법은, 상술한 바와 같은 용철 제조 장치를 이용하는 것으로, ⅰ)철광석과, 소석회 및 수산화마그네슘을 포함하는 부원료를 다단 유동환원로의 제1 유동환원로에 장입하는 단계와, ⅱ)상기 제1 유동환원로에서 환원가스에 의해 철광석을 예비환원하고, 상기 부원료 중 수산화마그네슘을 탈수반응하며 MgO로 전환하는 단계와, ⅲ)상기 제1 유동환원로에서 예비환원된 철광석과 탈수된 부원료를 배출하며 다단 유동환원로의 제2 유동환원로로 장입하고, 상기 제2 유동환원로에서 철광석과 부원료를 환원가스에 의해 추가 환원하고, 부원료 중 미 탈수된 소석회를 수화반응하며 CaO로 수화하는 단계와, ⅳ)상기 제2 유동환원로에서 추가 환원된 철광석과 탈수된 부원료를 배출하며 다단 유동환원로의 제3 유동환원로로 장입하고, 상기 제3 유동환원로에서 철광석과 부원료를 환원가스에 의해 최종 환원하며, 환원철과 부원료를 배출하는 단계와, ⅴ)상기 제3 유동환원로에서 배출된 환원철을 성형탄과 함께 용융가스화로에 장입하여 용철을 제공하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 용철 제조 방법은, 상기 부원료를 상기 제1 유동환원로에 장입하는 단계에서, 상기 부원료로서의 소석회와 수산화마그네슘을 각각 단독 혹은 혼합하여 상기 제1 유동환원로에 장입할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 용철 제조 방법은, 상기 부원료를 상기 제1 유동환원로에 장입하는 단계에서, 상기 수산화마그네슘 만을 상기 제1 유동환원로의 상부 영역으로 장입할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 용철 제조 방법은, 상기 부원료를 상기 제1 유동환원로에 장입하는 단계에서, 상기 철광석과 부원료를 장입빈을 통해 설정된 비율로 혼합 및 건조하여 상기 제1 유동환원로에 장입할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 용철 제조 방법은, 상기 부원료를 상기 제1 유동환원로에 장입하는 단계에서, 상기 부원료를 0.1~2.0mm의 입도로 괴성화하여 상기 제1 유동환원로에 장입할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 용철 제조 방법은, 상기 다단 유동환원로의 제1 유동환원로, 제2 유동환원로 및 제3 유동환원로에 메인 버너를 통하여 산소를 취입할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 용철 제조 방법은, 상기 다단 유동환원로의 제1 유동환원로, 제2 유동환원로 및 제3 유동환원로 중 적어도 하나에 보조 버너를 통하여 산소를 취입할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 용철 제조 방법은, 상기 제3 유동환원로에서 배출된 환원철과 부원료를 환원철 압축기를 통해 괴성체로 압축하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 용철 제조 방법에 있어서, 상기 제1 유동환원로에서는 수산화마그네슘이 340℃ 내외에서 탈수반응할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 용철 제조 방법에 있어서, 상기 제2 유동환원로에서는 부원료 중 미 탈수된 소석회가 540℃ 이상에서 수화반응할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 용철 제조 방법에 있어서, 상기 제3 유동환원로는 700℃ 이상을 유지할 수 있다.
본 발명의 실시예들에서는 다단의 유동환원로를 이용한 용철 제조공정에서 부원료로서 수산화마그네슘과 소석회를 사용하므로, 유동환원공정의 비산손실이 저하될 수 있을 뿐만 아니라, 유동환원공정에서 배출되는 철광석 환원율 및 부원료 소성율 증가로 인해 용융가스화로에서의 Coal비를 저감할 수 있어 더욱 원가 경쟁력이 있는 용철을 제조 할 수 있다.
이 도면들은 본 발명의 예시적인 실시예를 설명하는데 참조하기 위함이므로, 본 발명의 기술적 사상을 첨부한 도면에 한정해서 해석하여서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 용철 제조 장치의 개략적인 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 용철 제조 장치에 적용되는 유동환원공정의 개략적인 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 용철 제조 방법을 설명하기 위한 개략적인 순서도이다.
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 용철 제조 장치의 개략적인 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 용철 제조 장치에 적용되는 유동환원공정의 개략적인 도면이다. 도면에서 용철 제조 장치(100)의 구조는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다, 따라서 도면에서의 용철 제조 장치(100)를 다양한 형태로 변형할 수 있다.
도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 용철 제조 장치(100)는 다단 유동환원로(10), 환원철 압축기(50) 및 용융가스화로(70)를 포함한다.
상기 다단 유동환원로(10)는 용융가스화로(70)와 실질적으로 연결되는 것으로, 본 발명의 실시예에서는 제1 유동환원로(11), 제2 유동환원로(12) 및 제3 유동환원로(13)로 이루어진 3단 유동환원로를 포함할 수 있다.
그러나, 본 발명은 다단 유동환원로(10)가 제1 내지 제3 유동환원로(11, 12, 13)의 3단 유동환원로로 구성되는 것에 반드시 한정되지 않고, 3단 이상의 다단 유동환원로로 구성될 수도 있다.
여기서, 상기 다단 유동환원로(10)를 제1, 제2 및 제3 유동환원로(11, 12, 13)로 구분한 것은 그 구성이 동일한 관계로 이를 구분하기 위한 것으로, 반드시 그 순서에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 실시예에서는 도면에서와 같이 위에서 점차 아래로 배치되는 순서를 기준으로 하여 최 상측의 유동환원로를 제1 유동환원로(11)로 명명하고, 최 하측의 유동환원로를 제3 유동환원로(13)로 명명하고, 중간 측의 유동환원로를 제2 유동환원로(12)로 명명하기로 한다.
즉, 본 발명의 실시예에서 상기 제1 유동환원로(11)는 철광석과 부원료의 장입물이 장입되는 최초 유동환원로로 정의할 수 있고, 제3 유동환원로(13)는 철광석과 부원료를 최종적으로 환원하여 환원철을 제공하는 최종 유동환원로로 정의할 수 있다.
여기서, 상기 다단 유동환원로(10)의 제1 내지 제3 유동환원로(11, 12, 13) 및 용융가스화로(70)는 철광석과 부원료의 흐름이 이루어지는 광석도관(15)을 통해 연결된다. 그리고 상기 다단 유동환원로(10)의 제1 내지 제3 유동환원로(11, 12, 13) 및 용융가스화로(70)는 환원가스의 흐름이 이루어지는 가스도관(17)을 통해 연결된다.
즉, 성형탄 제조기(91)에서 제조된 성형탄이 용융가스화로(70)에 장입되며 그 용융가스화로(70)에서 환원가스를 발생시키고, 환원가스는 가스도관(17)을 통해 다단 유동환원로(10)에 공급된다.
그리고, 철광석은 부원료와 함께 광석도관(15)을 통해 다단 유동환원로(10)로 공급되고, 용융가스화로(70)로부터 다단 유동환원로(10)에 공급된 환원가스에 의해 유동되면서 환원철로 제조된다.
상기에서와 같은 다단 유동환원로(10)의 제1 내지 제3 유동환원로(11, 12, 13)의 구성 및 연결 관계는 하기에서 용철 제조 방법의 유동환원공정을 통해 더욱 설명될 것이다.
한편, 본 발명의 실시예에서는 철광석과 부원료를 다단 유동환원로(10)의 제1 유동환원로(11)로 장입하기 위해, 주원료인 철광석을 저장하는 제1 빈(21)과, 제1 부원료인 소석회(Ca(OH)2)를 저장하는 제2 빈(22)과, 제2 부원료인 수산화마그네슘(Mg(OH)2)을 저장하는 제3 빈(23)을 포함하고 있다.
여기서, 상기 제2 및 제3 빈(22, 23)에 각각 저장된 소석회와 수산화마그네슘은 철광석과 함께 단독으로 제1 유동환원로(11)에 장입될 수 있다. 그리고 상기 제2 및 제3 빈(22, 23)에 각각 저장된 소석회와 수산화마그네슘은 철광석과 함께 서로 혼합되며 제1 유동환원로(11)에 장입될 수도 있다.
이에, 본 발명의 실시예에서는 제1 빈(21)에 저장된 철광석과, 제2 빈(22)에 저장된 소석회 및/또는 제3 빈(23)에 저장된 수산화마그네슘을 설정된 비율로 혼합/건조 및 저장하며 제1 유동환원로(11)에 장입하는 장입 빈(25)을 포함하고 있다.
다른 한편, 본 발명의 실시예에서는 다단 유동환원로(10)의 각 유동환원로(11, 12, 13) 전단 측에 설치되는 메인 버너(18)를 포함하고 있다. 상기 메인 버너(18)는 각각의 유동환원로(11, 12, 13)에 산소를 취입하며 환원가스의 연소에 의한 발열반응으로서 각 유동환원로(11, 12, 13)의 온도를 상승시키는 기능을 하게 된다. 즉, 상기 메인 버너(18)는 다단 유동환원로(10)를 통한 다단의 유동환원공정에서 철광석의 환원율을 증대시킬 수 있다.
더 나아가, 본 발명의 실시예에서는 다단 유동환원로(10)의 적어도 하나에 연결되게 설치되는 보조 버너(19)를 더 포함하고 있다. 예를 들면, 상기 보조 버너(19)는 다단 유동환원로(10)에서 제2 유동환원로(12)의 하부에 연결되게 설치되며, 제2 유동환원로(12)의 하부 유동층 내부로 산소를 취입할 수 있다. 그러나 본 발명에서는 상기 보조 버너(19)가 제2 유동환원로(12)에만 설치되는 것에 한정되지 않고, 그 외의 다른 유동환원로에 설치될 수도 있다.
이와 같은 상기 보조 버너(19)는 상대적으로 온도 저하를 유발하는 제2 유동환원로(12)의 하부 유동층 내부에 직접 산소를 취입함으로써 제2 유동환원로(12)의 유동층 온도를 승온시킬 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 환원철 압축기(50)는 다단 유동환원로(10)를 통해 제3 유동환원로(13)에서 최종적으로 환원된 환원철과 부원료를 압축하여 괴성체로 성형하기 위한 것이다.
상기 환원철 압축기(50)는 환원철과 부원료를 가압 성형하는 가압 성형장치로서, 당 업계에서는 "HCI 머신"이라고도 한다. 상기 환원철 압축기(50)는 제3 유동환원로(13)에서 최종적으로 환원된 환원철과 부원료를 압축하여 괴성체로 성형한 후, 그 괴성체를 압축 환원철 저장조(60)에 저장한다. 그리고 상기 괴성체는 압축 환원철 저장조(60)로부터 용융가스화로(70)에 성형탕과 함께 장입되어 그 용융가스화로(70)에서 용융된다.
대안으로서, 상기 제3 유동환원로(13)에서 최종적으로 환원된 환원철과 부원료는 용융가스화로(70)에 직접 장입될 수도 있으며, 이에 상기 압축 환원철 저장조(60)는 생략할 수도 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 용융가스화로(70)는 위에서 언급한 바 있는 광석도관(15), 가스도관(17) 및 기타 다른 장치를 통해 다단 유동환원로(10)와 연결된다.
이와 같은 용융가스화로(70)는 성형탄 제조기(91)에서 제조된 성형탄과 함께 환원철이 장입되면, 환원가스를 발생시키며 그 환원가스를 가스도관(17)을 통해 다단 유동환원로(10)로 공급하고, 환원철을 용융하여 용철을 제조할 수 있다.
이하에서는 상기와 같이 구성되는 본 발명의 일 실시예에 따른 용철 제조 장치(100)를 이용한 용철 제조 방법을 앞서 개시한 도면들 및 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 용철 제조 방법을 설명하기 위한 개략적인 순서도이다. 도 1 및 도 2에서 동일한 구성 요소에는 동일한 도면부호를 사용하며 그 상세한 설명을 생략한다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 우선 본 발명의 실시예에서는 제1 빈(21)에 저장된 주원료로서의 철광석과, 제2 빈(22) 및 제3 빈(23)에 각각 저장된 부원료로서의 소석회와 수산화마그네슘을 장입 빈(25)에서 설정된 비율로 혼합/건조 및 저장한 후, 그 주원료와 부원료를 광석도관(15)을 통해 제1 유동환원로(11)에 장입한다(S11 단계).
그러면, 상기 철광석과 부원료는 제1 유동환원로(11)의 내부에서 분산판(31)을 통해 균일하게 흐르는 환원가스에 의해 최초로 유동된다. 이에 상기 철광석은 제1 유동환원로(11)의 내부 유동층에 의해 일부 예비환원되고, 부원료 중 수산화마그네슘은 340℃ 내외에서 탈수반응하며, 최소 350℃ 이상으로 유지되는 제1 유동환원로(11)에서 MgO로 전환된다(S12 단계).
한편, 본 발명의 실시예에서는 제2 및 제3 빈(22, 23)에 각각 저장된 소석회와 수산화마그네슘을 철광석과 함께 단독으로 제1 유동환원로(11)에 장입할 수도 있다.
즉, 본 발명의 실시예에서는 철광석과 부원료로서의 소석회 및 수산화마그네슘을 제1 유동환원로(11)에 동시에 장입하지 않고, 수산화마그네슘을 제1 유동환원로(11)의 상부 영역으로 장입하여 수산화마그네슘의 탈수반응에 의해 제1 유동환원로(11) 상부의 온도를 저하시키며, 환원가스의 유속을 저하시킴으로써 장입물 극미립의 비산 손실량을 저하시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 부원료가 100㎛ 이하의 입도 및 50 중량% 이상으로 제1 유동환원로(11)에 장입될 경우, 장입물 극미립의 비산 손실량이 증가하는 것을 방지하기 위해 부원료를 0.1~2.0mm의 입도로 괴성화하여 제1 유동환원로(11)에 장입할 수도 있다.
상기한 S12 단계에서는 제1 유동환원로(11)의 내부에서 장입물이 유동되고, 그 장입물 중 극미분은 비산되면서 제1 유동환원로(11) 내부의 사이크론(33)을 통과한다. 그러면, 대부분의 극미분은 사이클론(33)에서 포집되며, 제1 유동환원로(11)의 내부로 재순환 되고, 일부 극미립은 환원가스와 함께 가스도관(17)을 거쳐 배가스관(35)을 통해 스크러버(37)로 배출되며, 그 스크러버(37)에서 습식 제진됨으로써 슬러지로 배출된다.
그리고, 상기 제1 유동환원로(11)에서 일부 예비환원된 철광석과 일부 탈수된 부원료는 제1 유동환원로(11)의 광석도관(15)을 통해 배출되며, 하부의 제2 유동환원로(12)로 장입된다.
이 후, 상기 제2 유동환원로(12)로 장입된 철광석과 부원료는 제2 유동환원로(12)의 하부에서 분산판(31)을 통해 상부로 균일하게 흐르는 환원가스에 의해 유동된다.
그러면, 상기 철광석은 제2 유동환원로(12)의 내부에서 추가 환원되고, 부원료 중 미 탈수된 소석회는 540℃ 이상에서 수화반응하며 CaO(생석회)로 수화되고, 제2 유동환원로(12)는 최소한 650℃ 이상으로 유지된다(S13 단계).
상기 S13 단계에서는 제2 유동환원로(12)의 내부에서 철광석과 부원료가 유동되고, 극미분은 비산되면서 제2 유동환원로(12) 내부의 사이클론(33)을 통과한다. 그러면, 대부분의 극미분은 사이클론(33)에서 포집되며, 제2 유동환원로(12)의 내부로 재순환 되고, 일부 극미립은 환원가스와 함께 가스도관(17)으로 배출된다.
그리고, 상기 제2 유동환원로(12)의 내부에서 추가 환원된 철광석과 탈수된 부원료는 제2 유동환원로(12)의 광석도관(15)을 통해 배출되며, 하부의 제3 유동환원로(13)로 장입된다.
이 후, 본 발명의 실시예에서 상기 제3 유동환원로(13)로 장입된 철광석과 부원료는 제3 유동환원로(13)의 하부에서 분산판(31)을 통해 상부로 균일하게 흐르는 환원가스에 의해 유동된다.
그러면, 상기 철광석은 제3 유동환원로(13)의 내부에서 최종 환원되고, 부원료는 이미 전량 탈수되어 추가적인 탈수반응이 일어나지 않게 되며, 제3 유동환원로(13)는 최소한 700℃이상으로 유지된다(S14 단계).
상기 S14 단계에서는 제3 유동환원로(13)이 내부에서 철광석과 부원료가 유동되고, 극미분은 비산되면서 제3 유동환원로(13) 내부의 사이크론(33)을 통과한다. 그러면, 대부분의 극미분은 사이클론(33)에서 포집되며, 제3 유동환원로(13)의 내부로 재순환되고, 일부 극미립은 환원가스와 함께 가스도관(17)으로 배출된다.
그리고, 상기 제3 유동환원로(13)에서 최종 환원된 철광석과 전부 탈수된 부원료는 제3 유동환원로(13)의 내부 라이저(Riser)(39)를 통해 배출되며, 드라이 피드 빈(DRI Feed Bin)(41)으로 장입된다.
한편, 상술한 바와 같은 다단의 유동환원로(11, 12, 13)를 통해 철광석의 유동환원공정이 이루어지는 과정에, 본 발명의 실시예에서는 메인 버너(18)와 보조 버너(19)를 통하여 각 유동환원로(11, 12, 13)의 내부에 산소를 취입한다. 이에, 본 발명의 실시예에서는 환원가스의 연소에 의한 발열반응으로 각 유동환원로(11, 12, 13)의 온도를 상승시키며, 철광석의 환원율을 증대시킬 수 있게 된다.
따라서, 본 발명의 실시예에서는 상기와 같은 유동환원공정에서 부원료로 수산화마그네슘과 소석회를 사용하므로, 340℃ 내외 및 540℃ 이상에서 부원료가 전량 탈수 반응되며 MgO와 CaO로 각각 배출됨에 따라, 유동환원공정 이후 용철 제조를 위한 용융가스화로(70)에서의 추가 탈수 혹은 소성반응이 필요하지 않게 된다. 이와 같은 탈수 및 소성반응은 모두 흡열반응으로서 다단 유동환원로(10) 및 용융가스화로(70)에서의 온도저하를 유발할 수 있다.
또한 본 발명의 실시예에서는 철광석과 부원료의 최초 장입 유동환원로인 제1 유동환원로(11)에서 기존의 부원료 중 MgCO3는 450℃이하에서 거의 소성되지 않지만, 수산화마그네슘의 탈수반응은 340℃ 내외에서 충분한 수화반응이 이루어지면서 흡열반응에 의한 제1 유동환원로(11)의 온도 저하가 가능하다.
이와 같은 제1 유동환원로(11)에서의 온도저하는 제1 유동환원로(11)에서의 환원가스 유속을 저하시킬 수 있으므로, 제1 유동환원로(11)에서 비산 손실되며 슬러지로 배출되는 함량을 저하 시킬 수 있다.
한편, 상기 제2 유동환원로(12)는 최소 650℃이상으로 유지됨에 따라, 기존의 부원료 중 MgCO3 성분은 전량 소성되고, CaCO3는 거의 소성되지 않지만 본 발명의 실시예서의 부원료 중 소석회는 전량 탈수된다.
이러한 소성 및 탈수반응은 흡열반응으로서 유동환원로의 온도저하를 유발하므로 이를 보완하기 위해, 보조 버너(19)를 통해 제2 유동환원로(12)의 하부 유동층 내부로 산소를 직접 취입함으로써, 제2 유동환원로(12)의 유동층 온도를 승온시킬 수 있다.
즉, 상기 제2 유동환원로(12)의 온도는 철광석의 환원반응이 가장 많이 그리고 최종적으로 일어나는 제3 유동환원로(13)의 온도에 직접적으로 영향을 미치므로, 제3 유동환원로(13)의 온도 상승은 물론 제2 유동환원로(12)의 온도를 상승시키기 위해 보조 버너(19)를 통해 제2 유동환원로(12)의 하부 유동층 내부로 다량의 산소를 취입한다.
다른 한편, 종래의 백운석과 석회석을 부원료로 사용하는 경우, 백운석 중 MgCO3는 제2 유동환원로(12)에서 전량 소성되고, 백운석 및 석회석의 CaCO3는 제2 유동환원로(12) 보다 고온인 제3 유동환원로(13)에서 일부 소성되면서 흡열반응에 의해 제2 및 제3 유동환원로(12, 13)의 온도를 저하시키고 있다.
그러나, 본 발명의 실시예에서는 수산화마그네슘과 소석회를 부원료로 사용하므로, 제2 유동환원로(12)에서 소석회가 전량 탈수반응하며, 제3 유동환원로(13)에서의 탈수반응이 일어나지 않으므로, 제3 유동환원로(13)에서의 온도를 고온으로 유지할 수 있다. 이에 따라, 상기 제3 유동환원로(13)에서 철광석의 환원속도가 증대되며, 제3 유동환원로(13)에서 배출되는 환원철의 환원율은 증가하게 된다.
또한, 상기 제3 유동환원로(13)의 온도가 증가하면, 제3 유동환원로(13)의 배가스를 인입가스로 사용하는 제2 유동환원로(12)의 온도가 증가할 수 있다. 따라서, 상기 제2 유동환원로(12)의 온도를 상승시키기 위한 보조 버너(19)의 산소유량을 저하시켜도 제2 유동환원로(12)의 온도를 그대로 유지할 수 있으므로, 유동환원공정에서의 산소사용량이 저하 될 수 있다.
상술한 바와 같은 유동환원공정을 통해 제3 유동환원로(13)에서 배출된 환원철과 부원료는 드라이 피드 빈(DRI Feed Bin)(41)을 거쳐 환원철 압축기(50)에 의해 일정한 입도를 가진 괴성체로 성형된다(S15 단계).
그 후, 본 발명의 실시예에서는 상기 환원철 괴성체를 압축 환원철 저장조(60)에 저장한 상태로, 성형탄 제조기(91)에서 제조된 성형탄과 함께 환원철 괴성체를 용융가스화로(70)로 장입한다(S16 단계).
이에, 상기 용융가스화로(70)에서는 환원가스를 발생시키며 그 환원가스를 가스도관(17)을 통해 다단 유동환원로(10)로 공급하고, 환원철을 용융하여 용철을 제조할 수 있다(S17 단계).
상기와 같은 유동환원로를 이용한 본 발명의 실시예에 따른 용철 제조 공정에서는 종래의 백운석과 석회석을 부원료로 사용하는 대신에 수산화마그네슘과 소석회를 사용함에 따라, 유동환원공정에서 배출된 환원철의 환원율을 증대시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 부원료가 MgO와 CaO로 전량 탈수되므로, 더 이상 용융가스화로(70)에서의 흡열반응인 탈수반응이 일어나지도 않으며, 이에 따라 산화가스인 H2O가 발생되지 않는다.
그러나, 종래에서와 같이 백운석과 석회석을 부원료로 사용할 경우는, 유동환원공정에서 배출되는 환원철과 부원료의 미소성된 CaCO3에 의해 용융가스화로(70) 내에서의 흡열반응인 소성반응으로 온도가 저하될 수 있다.
뿐만 아니라, 종래 기술에서는 소성반응 생성물인 CO2가 용융가스화로의 배가스에 포함되어 있기 때문에, 용융가스화로의 더스트(dust)는 상승관(71)을 통해 핫 사이클론(73)에 포집되어 용융가스화로(70)로 재순환되고, 용융가스화로의 배가스는 유동환원로의 가스도관을 거쳐 제3 유동환원로로 공급된다.
이에 유동환원로에 공급되는 환원가스는 용융가스화로의 배가스를 포함하므로, 용융가스화로의 소성반응에 의한 CO2 가스 발생시, 유동환원로 공급가스의 CO2 함량은 그만큼 증가하고, 이는 유동환원로 공급가스의 CO2 함량의 증가 즉, 가스산화도의 증가로 이어져 제3 유동환원로에서의 환원가스 환원력을 저하시키게 된다.
그러나, 본 발명의 실시예에서는 유동환원공정에서 전량 수화되는 수산화 마그네슘과 소석회를 부원료로 사용함에 따라, 제3 유동환원로(13)로 공급되는 환원가스의 가스산화도를 저하시키며 환원철의 환원율을 상승시킬 수 있다.
이렇게 유동환원공정에 따른 배출 환원철의 환원율이 증대되고, 부원료의 소성이 완료되면 용융가스화로(70)에서의 추가 환원 및 소성에 따른 Coal 사용량이 저하되며, 유동환원공정을 포함하는 전체 용철 제조 공정에서의 Coal비가 저하 될 수 있어 경제적인 조업을 할 수 있게 된다.
실험예
유동환원로 공급 환원가스의 압력은 4.5bar, 가스산화도는 13.4, 온도는 684℃ 이며, 유동환원로 배가스 유량은 451,700 Nm3/hr, 철광석 가스원단위는 1,190Nm3/t-ore의 조건에서, 부원료로서 백운석과 석회석을 사용하는 비교예와, 부원료로서 수산화마그네슘과 소석회를 사용하는 본 발명의 실시예에 대한 조업 결과를 비교하였다.
[표 1] 본 발명의 실시예와 비교예의 조업결과
Figure 112016080889464-pat00001
상기 [표 1]에서와 같이, 용철 제조를 위한 유동환원공정에서 부원료로서 비교예의 백운석과 석회석을 사용하는 대신 본 발명의 실시예에서와 같이 수산화마그네슘과 소석회를 사용할 경우, 비교예와 대비하여 본 발명의 실시예에서는 제1 유동환원로(11)의 온도저하에 의한 가스유속 저하로 비산 손실율이 저하되었음을 알 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 탈수반응열의 효과적인 분배로 제2 유동환원로(12)를 동일한 온도로 유지하면서도 산소유량을 크게 저하시키며, 제3 유동환원로(13)의 온도도 상승시킬 수 있기 때문에, 유동환원공정에서 배출되는 환원철의 환원율이 상승하였을 뿐만 아니라, 부원료의 소성율/탈수율도 전량 100%에 도달하였음을 알 수 있다.
지금까지 설명한 바와 같은 본 발명의 실시예에 따른 용철 제조 장치(100) 및 제조 방법에 의하면, 부원료로서 소석회와 수산화마그네슘을 사용함에 따라, 유동환원로에서 각 부원료의 탈수반응으로 특히, 수산화마그네슘의 탈수반응 온도가 340℃ 내외로 매우 낮으므로, 다단 유동환원로(10)로 장입되는 최초의 제1 유동환원로(11)에서는 수산화마그네슘이 충분히 탈수반응을 일으키게 된다.
따라서, 본 발명의 실시예에서는 수산화마그네슘의 탈수반응에 의한 흡열반응으로 제1 유동환원로(11)의 온도가 저하되면, 가스유속도 저하되며 제1 유동환원로(11))에서 비산손실되는 극미분의 량은 비례하여 감소될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 소석회의 탈수온도가 수산화마그네슘 보다 다소 높은 540℃이며, 이 또한 수화반응에 의해 제3 유동환원로(13) 이전의 제2 유동환원로(12)에서 흡열반응인 탈수반응으로 생석회(CaO)가 형성되고, 그에 따라 유동환원로내 온도가 저하되며, 가스유속이 저하되어 비산손실 저하 즉 슬러지 발생량의 저하로 유동환원로의 조업효율이 향상 될 수 있다.
그러면서도 제3 유동환원로(13)에서의 환원율을 최대한 상승시키기 위해 온도를 승온해야 하는데, 본 발명의 실시예에서는 제3 유동환원로(13)에 장입된 부원료는 이미 이전의 제1 및 제2 유동환원로(11, 12)에서 전량 탈수되어 생석회(CaO)로 생성되기 때문에, 석회석 사용시의 일부 소성반응에 의한 온도저하가 없어 고온의 제3 유동환원로(13)를 유지하여 높은 환원율의 환원철을 생산할 수 있다.
그리고, 본 발명의 실시예에서는 유동환원로에서 배출된 환원철과 더불어 대부분 탈수된 부원료가 용융가스화로로 장입되면, 용융가스화로에서는 기존의 부원료로 사용된 석회석과 백운석과 달리, 소석회와 수산화마그네슘을 사용할 경우 용융가스화로에서 추가적인 탈수반응이 없을 뿐만 아니라, 종래의 미소성된 석회석의 추가적인 소성반응으로 CO2 발생 없어 용융가스화로 배가스 중 CO2 함량이 저하되고, 용융가스화로 배가스가 대부분 유동환원로의 환원가스로 이용되므로 유동환원로에서의 환원가스 CO2 함량 즉 가스산화도의 저하로 이어져 유동환원로에서의 철광석 환원율을 상승시킬 수 있다.
더 나아가, 본 발명의 실시예에서는 유동환원공정에서 환원율이 향상된 환원철이 용융가스화로로 장입되면, 용융가스화로에서의 추가 환원반응에 필요한 Coal 사용량이 저하 될 뿐만 아니라, 용융가스화로에서의 추가적인 소성반응에 의한 온도저하를 보상하기 위한 열원으로서의 Coal 사용량이 저하되어 용철 생산 조업의 생산효율성 및 원가 절감에 크게 기여할 수 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: 다단 유동환원로 11: 제1 유동환원로
12: 제2 유동환원로 13: 제3 유동환원로
15: 광석도관 17: 가스도관
18: 메인 버너 19: 보조 버너
21: 제1 빈 22: 제2 빈
23: 제3 빈 25: 장입 빈
31: 분산판 33: 사이클론
35: 배가스관 37: 스크러버
39: 라이저 41: 드라이 피드 빈
50: 환원철 압축기 60: 압축 환원철 저장조
70: 용융가스화로 71: 상승관
73: 핫 사이클론 91: 성형탄 제조기

Claims (14)

  1. 제1 유동환원로, 제2 유동환원로 및 제3 유동환원로를 포함하는 다단 유동환원로와, 상기 다단 유동환원로와 연결되는 용융가스화로로 구성되는 용철 제조 장치에 있어서,
    상기 다단 유동환원로와 용융가스화로를 연결하며 철광석 및 부원료의 흐름이 이루어지는 광석도관과, 상기 다단 유동환원로와 용융가스화로를 연결하며 환원가스의 흐름이 이루어지는 가스도관;
    상기 다단 유동환원로의 각 전단 측에 설치되며, 상기 다단 유동환원로로 산소를 취입하는 메인 버너; 및
    상기 다단 유동환원로의 적어도 하나에 연결되게 설치되며, 하부 유동층 내부로 산소를 취입하는 보조 버너; 를 포함하고,
    상기 광석도관을 통해 상기 다단 유동환원로에 장입되는 부원료로서 소석회와 수산화마그네슘을 포함하고,
    상기 보조 버너는 상기 제2 유동환원로의 하부 측면에 연결되어 분사판의 상부측으로 산소를 공급하도록 설치되는 것을 특징으로 하는 용철 제조 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 철광석과 부원료를 일정 비율로 혼합 및 건조하며 상기 다단 유동환원로로 장입하는 장입빈을 포함하는 것을 특징으로 하는 용철 제조 장치.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 다단 유동환원로에서 제공되는 환원철과 부원료를 압착하여 괴성체로 형성하는 환원철 압축기를 포함하는 것을 특징으로 하는 용철 제조 장치.
  7. 청구항 1에 기재된 용철 제조 장치를 이용한 용철 제조 방법으로서,
    철광석과, 소석회 및 수산화마그네슘을 포함하는 부원료를 다단 유동환원로의 제1 유동환원로에 장입하는 단계;
    상기 제1 유동환원로에서 환원가스에 의해 철광석을 예비환원하고, 상기 부원료 중 수산화마그네슘을 탈수반응하며 MgO로 전환하는 단계;
    상기 제1 유동환원로에서 예비환원된 철광석과 탈수된 부원료를 배출하며 다단 유동환원로의 제2 유동환원로로 장입하고, 상기 제2 유동환원로에서 철광석과 부원료를 환원가스에 의해 추가 환원하고, 부원료 중 미 탈수된 소석회를 수화반응하며 CaO로 수화하는 단계;
    상기 제2 유동환원로에서 추가 환원된 철광석과 탈수된 부원료를 배출하며 다단 유동환원로의 제3 유동환원로로 장입하고, 상기 제3 유동환원로에서 철광석과 부원료를 환원가스에 의해 최종 환원하며, 환원철과 부원료를 배출하는 단계; 및
    상기 제3 유동환원로에서 배출된 환원철을 성형탄과 함께 용융가스화로에 장입하여 용철을 제공하는 단계; 를 포함하고,
    메인버너를 통해서 상기 다단 유동환원로의 제1 유동환원로, 제2 유동환원로 및 제3 유동환원로의 하단부로 산소를 투입하고, 보조버너를 통해서 상기 다단 유동환원로의 제1 유동환원로, 제2 유동환원로 및 제3 유동환원로 중 적어도 하나에 설치되는 분산판의 상부측 측면으로 산소를 투입하는 것을 특징으로 하는 용철 제조 방법.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 부원료를 상기 제1 유동환원로에 장입하는 단계에서,
    상기 부원료로서의 소석회와 수산화마그네슘을 혼합하여 상기 제1 유동환원로에 장입하는 것을 특징으로 하는 용철 제조 방법.
  9. 삭제
  10. 제7 항에 있어서,
    상기 부원료를 상기 제1 유동환원로에 장입하는 단계에서,
    상기 철광석과 부원료를 장입빈을 통해 설정된 비율로 혼합 및 건조하여 상기 제1 유동환원로에 장입하는 것을 특징으로 하는 용철 제조 방법.
  11. 제7 항에 있어서,
    상기 부원료를 상기 제1 유동환원로에 장입하는 단계에서,
    상기 부원료를 0.1~2.0mm의 입도로 괴성화하여 상기 제1 유동환원로에 장입하는 것을 특징으로 하는 용철 제조 방법.
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 제7 항에 있어서,
    상기 제3 유동환원로에서 배출된 환원철과 부원료를 환원철 압축기를 통해 괴성체로 압축하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 용철 제조 방법.
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