KR101903434B1 - 직접 제련 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 직접 제련 방법은 상기 방법을 위한 작동 온도 범위에서 상기 용기내의 금속과 슬래그의 용탕에 있는 용융 슬래그가 0.5-5 포아즈 범위의 점도를 갖도록 직접 제련 용기에서 제련 공정 조건들을 제어하는 것을 포함한다.

Description

직접 제련 방법{DIRECT SMELTING PROCESS}

본 발명은 금속철 공급 원료를 제련하는 방법 및 장치에 관한 것이다.

구체적으로, 본 발명은 직접 제련 용기에서 금속철 공급 원료로부터 용융 금속(금속 합금을 포함한다)을 생산하는, 용탕-기반(molten bath-based) 직접 제련 방법에 관한 것이나, 반드시 이에 한정되지 않는다.

보다 구체적으로, 직접 제련 용기에서 금속철 공급 원료로부터 용융 금속을 생산하는 방법으로서, 상기 용기는 용탕내의 가스의 점진적 발전(gas evolution)에 의해 생성되는 강력한 용탕/슬래그 분수(fountain)를 가지며 상기 가스의 점진적 발전은 적어도 부분적으로는 탄소질 원료의 용탕 내로의 -액화의 결과인, 용탕-기반 직접 제련 방법에 관한 것이나 반드시 이에 한정되지 않는다.

금속철 공급 원료는 금속 산화물을 포함하는 어느 물질이든지 될 수 있다. 금속철 공급 원료는 광석, 부분적으로 환원된 광석, 및 금속-함유 폐기 유동물일 수 있다.

구체적으로, 본 발명은 철광석, 티타늄-보유 사철 또는 티타노-바나듐 마그네타이트와 같은 철-함유 금속철 공급 원료를 제련하는 것에 관한 것이나, 반드시 이에 한정되지 않는다.

공지의 용탕-기반 직접 제련 방법은 하이스멜트(HIsmelt) 공법이라고 일컫는 것인데, 이에 대해서는 본 출원인 명의의 다수의 특허등록 및 특허출원들에 이미 기술되어 있다.

다른 용탕-기반 직접 제련 방법은 본 발명에서 "하이사르나(HIsarna)" 공법이라고 지칭하는 것이다. 상기 하이사르나 공법 및 장치는 본 출원인 명의의 국제출원 PCT/AU99/00884 (WO 00/022176)에 기술되어 있다.

하이스멜트 공법은 특히 철광석으로부터 용선(molten iron)을 생산하는 것과 관련이 있다.

용선의 생산이라는 견지에서, 상기 하이스멜트 공법은,

(a) 직접 제련 용기 내에서 용선과 슬래그의 용탕을 형성하는 단계;

(b) (ⅰ) 일반적으로 미분형태인 철광석; 및 (ⅱ) 철광석 공급 원료의 환원제이며 에너지원으로서 작용하는, 일반적으로 석탄인 고체 탄소질 원료를 상기 용탕에 주입하는 단계; 그리고

(c) 상기 용탕에서 철광석을 철로 제련하는 단계를 포함한다.

본 발명에서 사용되는 용어 "제련"은 금속산화물을 환원시키는 화학 반응이 일어나서 용융 금속을 생산하는 열처리 공정을 의미한다.

하이스멜트(HIsmelt) 공법에서는 금속철 원료 형태인 고체 공급 원료와 고체 탄소질 원료가 운반 가스와 함께 다수의 랜스를 통해 용탕으로 주입되며, 상기 랜스는 직접 제련 용기의 측벽을 통해 수직면에 대해 기울어져서 용기 내부 아래로 내부로 신장되어 상기 용기의 하부까지 도달함으로써 고체 공급 원료의 적어도 일부가 상기 용기의 바닥에 있는 금속층까지 운반되도록 한다. 상기 고체 공급 원료와 운반 가스는 용탕에 침투하여 용융 금속 및/또는 슬래그가 용탕의 표면 위의 공간으로 분출되어 전이 영역을 형성하도록 한다. 산소-함유 가스의 송풍, 일반적으로 산소가 풍부한 공기(air) 또는 순산소를 아래로 신장되는 랜스를 통해 상기 용기의 상부로 주입시켜 용기 상부에 있는 용탕으로부터 배출되는 반응 가스를 후-연소시키도록 한다. 상기 전이 영역에는 상당량의 상승하고 그런 다음 하강하는 용융 금속의 용적(droplets), 또는 비산(splashes) 또는 유동물(streams) 및/또는 슬래그가 있어서 이것이 용탕 위의 후-연소 반응 가스에 의해 방출된 열에너지를 용탕으로 전달하는 효과적인 매개물을 제공한다.

용선을 생산하는 경우 일반적으로 산소가 풍부한 공기가 사용될 때 1200℃의 온도에서 주입되는데 이는 고온의 송풍 스토브들에서 발생한다. 만약 기술적으로 순수하고 차가운 산소가 사용된다면 일반적으로 주변온도 또는 이에 가까운 온도에서 공급된다.

직접 제련 용기에서 반응 가스의 후-연소에 의해 나오는 폐가스(off-gas)는 폐가스용 덕트를 통해서 상기 용기의 상부로부터 제거된다.

직접 제련 용기는 하부 노(hearth)에 있는 내화물로 라이닝한 영역들 및 측벽에 있는 수냉각 패널들 및 상기 용기의 지붕을 포함하며, 물은 연속 회로에 있는 상기 패널들을 통해 연속적으로 순환한다.

하이스멜트 공법은 하나의 단일한 콤팩트 용기에서 직접 제련에 의해 대용량의 용선, 일반적으로 적어도 0.5 Mt/a의 용선이 생산되도록 한다.

하이사르나 공법은 (a) 고체 주입 랜스와 산소 함유 가스 주입 랜스를 포함하고 용융 금속의 용탕을 포함하도록 구성된 제련 용기, (b) 상기 제련 용기 위에 위치하고 제련 용기와 연통하는, 금속철 공급 원료를 전처리하기 위한 제련 사이클론(smelt cyclone)을 포함하는 제련 장치에서 수행된다.

본 발명에서 사용되는 용어 "제련 사이클론"은 일반적으로 원통형 챔버를 형성하고 상기 챔버에 공급된 공급 물질이 챔버의 수직 중심축 주위의 경로에서 이동할 수 있도록 구성되고 금속철 공급 원료를 적어도 부분적으로 제련하기에 충분한 고온의 작동 온도를 견딜 수 있는 용기를 의미한다.

하이사르나 공법의 한 형태에서, 탄소질 공급 원료(전형적으로 석탄)와 플럭스(전형적으로 석회석)가 제련 용기내의 용탕으로 주입된다. 철광석과 같은 금속철 공급 원료가 상기 제련 사이클론으로 주입되고 제련 사이클론 내에서 가열되고 부분적으로 용융되며 부분적으로 환원된다. 이러한 용융되고 부분적으로 환원된 금속철 원료는 상기 제련 사이클론으로부터 아래로 흘러서 제련 용기의 용탕내로 들어가서 상기 용탕에서 용융 금속으로 제련된다. 용탕에서 생성되는 고온의 반응 가스들(전형적으로 CO, CO₂, H₂, 및 H₂O)은 상기 제련 용기의 상부에서 산소 함유 가스(전형적으로 공업용 산소)에 의해 부분적으로 연소된다. 후연소(post-combustion)에 의해 생성된 열은 상부에 있는 용융 물질로 전달되어 상기 용탕 내로 다시 내려와서 용탕의 온도를 유지한다. 상기 고온의 부분적으로 연소된 반응 가스들은 제련 용기로부터 위로 흘러서 제련 사이클론의 바닥으로 들어간다. 산소 함유 가스(전형적으로 공업용 산소)는 수평면에서, 즉 상기 제련 사이클론의 챔버의 수직 중심축 주변에서 사이클론식 소용돌이 패턴을 만들어낼 수 있도록 하는 방식으로 배열된 송풍구들을 통해 상기 제련 사이클론 내로 주입된다. 산소 함유 가스의 이러한 주입은 제련 용기 가스들의 추가적인 연소를 야기하여 매우 고온의(사이클론식) 화염을 일으킨다. 정교하게 나누어져 유입하는 금속철 공급 원료는 제련 사이클론내의 송풍구들을 통해 공기압으로 이들 화염 내로 주입되며, 이는 빠른 가열과 부분적인 용융에 수반되는 부분적인 환원으로 귀결된다 (대략 10-20% 환원). 상기 환원은 제련 용기로부터 나오는 반응 가스 중 일산화탄소 및 수소에 기인한 것이다. 고온의 부분적으로 용융된 금속철 공급 원료는 상기 기술한 사이클론식 소용돌이 동작에 의해 제련 사이클론의 벽을 향해 바깥쪽으로 내던져지고, 상기 제련 용기에서 제련되기 위해 용기 내로 아래로 흐른다.

하이스멜트 방법 및 하이사르나 방법에서 공정 제어는 중요한 이슈이다. 각각의 방법은 필수적인 열전달과 직접 제련 용기 내의 요구되는 반응 조건들을 달성하고 제련 용기의 측벽과 지붕을 통한 열손실을 최소화하기 위해 용탕에서 그리고 용탕 위의 직접 제련 용기의 상부에서 고도의 교반 조건들을 요구한다. 이러한 반응 조건들은 슬래그에서는 상대적으로 산화 조건(예를 들어 고로와 비교하여), 용선에서는 환원 조건, 그리고 상기 제련 용기의 상부로부터 용탕으로, 구체적으로 상기 용탕의 하부에 있는 용선으로의 열전달을 포함한다.

상기 논의는 호주 및 기타 지역에서 통상의 지식임을 인정하는 것을 의도한 것은 아니다.

본 발명은 슬래그 온도가 상기 방법을 위한 작동 온도 범위에 있을 때 상기 용기내의 금속과 슬래그의 용탕에 있는 용융 슬래그가 0.5-5 포아즈(poise) 범위의 점도를 갖도록 직접 제련 용기에서 제련 공정 조건들을 제어하는 것을 포함하는 용탕-기반 직접 제련 방법을 제공한다.

이하, 본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 설명될 것이다.
도 1은 본 발명의 직접 제련 방법의 일실시예에 따라 작동하는 직접 제련 용기를 대략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 직접 제련 방법의 일 실시예에서 슬래그에 있는 칼시아, 알루미나, 실리카에 대한 3상태도(tertiary phase diagram)이다.
도 3은 본 발명의 직접 제련 방법의 일 실시예에서 높은 산화티타늄 공급 원료에 대한 유사-3상태도의 두 개의 표시된 영역들에 대한 별개의 슬래그 액상선 도표 및 슬래그에 대한 유사-3상태도(pseudo-tertiary phase diagram)이다.

본 발명은 슬래그 온도가 상기 방법을 위한 작동 온도 범위에 있을 때 상기 용기내의 금속과 슬래그의 용탕에 있는 용융 슬래그가 0.5-5 포아즈(poise) 범위의 점도를 갖도록 직접 제련 용기에서 제련 공정 조건들을 제어하는 것을 포함하는 용탕-기반 직접 제련 방법을 제공한다.

본 발명은 직접 제련 방법을 제공하며, 상기 방법은 (a) 금속철 원료, (b) 고체 탄소질 공급 원료, 및 (c) 산소 함유 가스를 금속과 슬래그의 용탕을 포함하는 직접 제련 용기 내로 공급하는 단계, 상기 용기에서 금속철 공급 원료를 직접 제련하는 단계, 및 제련 공정 산출물로서 용융 금속, 용융 슬래그, 및 폐가스를 생산하는 단계를 포함하되, 상기 방법은 상기 방법을 위한 작동 온도 범위에서 용융 슬래그가 0.5-5포아즈 범위의 점도를 갖도록 본 발명에서 기술한 제련 공정 조건들을 제어하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서 용어 "금속철 원료(metalliferous material)"는 고체 공급 원료와 용융 공급 원료를 포함하는 것으로 이해된다. 상기 용어는 또한 본 발명의 범위 내에서 부분적으로 환원된 금속철 물질을 포함하는 것으로 이해된다.

본 발명에서 용어 "용융 슬래그"는 완전히 액체 상태인 슬래그를 의미한다.

본 발명에서 용어 "용융 슬래그"는 또한 액상(液相) 내 고체 물질의 슬러리를 포함하는 슬래그를 의미한다.

상기 용융 슬래그의 고체 물질은 상기 본 발명의 방법 상의 슬래그 온도에서 고상 산화물일 수 있으며, 이에 따라 상기 슬래그는 액상 슬래그 내의 고상 산화물로 된 슬러리이다.

본 발명에서 용어 "공정 조건"은 광범위한 의미를 가지는 것으로 의도되며 예시적으로 다음의 확장된 의미를 갖는 것으로 의도되는데, 즉, (a) 직접 제련 용기 내의 작동 조건들, 예를 들면 온도 및 압력 그리고 고체 공급 원료들과 산소 함유 가스의 상기 용기로의 주입률, (b) 용탕의 조성, 특히 슬래그의 조성, 그리고 (c) 용탕의 특성들이다. 용탕의 조성은 슬래그의 구성요소들의 선택을 포함할 수 있으며, 그리하여 상기 슬래그는 본 발명에서 기술된 바와 같이 본 발명의 방법의 작동 온도 범위에서의 용융 슬래그이다. 상기 "용융 슬래그"의 정의에서 언급하였듯이, 용융 슬래그는 본 방법 발명의 작동 온도 범위에서의 고상의 산화물 및 액상의 슬래그를 포함할 수 있다. 용융 슬래그의 특성은 예를 들면 상기 기술한 용융 슬래그의 점도 및/또는 산소 퍼텐셜을 포함할 수 있다. 또한 상기 용융 슬래그의 특성은 예를 들면 용융 슬래그의 염기도 및 슬래그의 난류(turbulence)를 포함할 수 있다. 이들 특성들은 작동 조건들 및 슬래그의 조성의 함수이다.

본 발명은 본 출원인에 의해 수행된 연구 개발의 결과로서, 본 발명의 방법을 위한 작동 온도 범위에서 슬래그의 점도 범위가 0.5-5 포아즈가 되도록 제어하는 것이 용융 금속을 생산하는 공정을 보다 효율적으로 제어하는 기회를 제공한다는 점을 발견한 것에 기초하고 있다.

본 발명의 방법은 슬래그 조성을 제어하고 용탕의 온도를 슬래그의 액상선(liquidus) 온도보다 낮게, 전형적으로는 아주 조금 낮게 조절함으로써 고상 산화물이 용융 슬래그의 액상으로부터 침전되도록 하고 이에 의해 상기 슬래그의 점성을 제어하는 것에 의해서 공정 조건들을 제어하는 것을 포함한다. 실제적인 포인트-투-포인트 용탕 온도는 슬래그 층위형성(stratification)을 포함한 여러 요인들 때문에 상기 용기 내에서 다양하게 변할 수 있다. 슬래그 점도 평가의 목적을 위해, 본 발명의 방법이 연속적으로 행해질 때 액체 금속이 상기 용기로부터 배출되는 온도가 되도록 용탕 온도가 취해진다.

본 발명에서 사용되는 용어 "점도" 및 "액상선 온도"는 FactSage software(액상선 온도에 대해서는 "FactSage 6.1" 또는 이후 버전이고, 점도에 대해서는 "FactSage Viscosity 6.0" 또는 이후 버전임)에 의해 계산되는 점도 및 액상선 온도를 의미하는 것으로 이해된다. 다른 측정 및 계산 기술로부터 발생하는 비-표준 결과들에 대한 퍼텐셜을 고려할 때, FactSage 계산을 통한 합리화(rationalisation)는 이들 용어들의 의미에 내포된 것으로 정의된다. 그러한 계산이 실행될 때 상기 계산은 FactSage software 사용 가이드라인과 완전히 일치되며, 필요하다면 FactSage software의 소유자에 의해 리뷰되고 허가될 것이다. 구체적으로, 특정한 화합물 종류의 가능한 조합들을 생략한 계산(의도되었든 아니든 상관없이)은 본 발명에서 사용되는 "점도" 및 "액상선 온도"와 일치하는 것으로 간주되지 않을 것이다.

본 발명의 방법은 용융 슬래그의 고체 물질이 상기 용융 슬래그 중 적어도 5%가 되도록 공정 조건을 제어하는 것을 포함할 수 있다.

상기 용융 슬래그 내 고체 물질은 상기 용융 슬래그 중 적어도 10%일 수 있다.

상기 용융 슬래그 내 고체 물질은 상기 용융 슬래그 중 30% 미만일 수 있다.

상기 용융 슬래그 내 고체 물질은 상기 용융 슬래그 중 15-25%일 수 있다.

금속철 공급 원료는 어떠한 물질이든 될 수 있다.

예를 들어, 금속철 공급 원료는 철광석과 같은 철-함유 물질일 수 있다.

금속철 공급 원료가 철-함유 물질인 경우, 상기 방법은 직접 제련 용기에서 용융 슬래그가 1400-1550℃의 온도 범위에 있을 때 상기 용융 슬래그가 0.5-5 포아즈 범위의 점도를 갖도록 본 발명에서 기술한 바와 같이 공정 조건들을 제어하는 것을 포함할 수 있다.

금속철 공급 원료가 철-함유 물질일 때, 본 발명의 방법은 금속내 탄소에 대한 슬래그내 철의 농도 비율이 2:1 미만, 전형적으로는1.5: 1 미만, 보다 전형적으로는 1:1 내지 1.3:1이 되도록 농도 비율을 조절함으로써 공정 조건들을 제어하는 것을 포함할 수 있다.

본 발명의 방법은 용융 슬래그가 높은 산소 퍼텐셜을 갖도록 공정 조건들을 제어하는 것을 포함할 수 있다.

철-함유 물질의 형태에 있는 금속철 공급 원료라는 견지에서, "산소 퍼텐셜"에서 용어 "높은"은 고로 슬래그에 비해서 높다는 의미로 이해된다.

금속철 공급 원료가 철-함유 물질일 때, 본 발명의 방법은 용융 슬래그의 FeO 함량이 적어도 3 중량%이어서 상기 용융 슬래그가 높은 산소 퍼텐셜을 가지도록 공정 조건들을 제어하는 것을 포함할 수 있다.

본 발명의 방법은 용융 슬래그의 FeO 함량이 적어도 4 중량%이어서 상기 용융 슬래그가 높은 산소 퍼텐셜을 가지도록 공정 조건들을 제어하는 것을 포함할 수 있다.

본 발명의 방법은 용융 슬래그의 FeO 함량이 적어도 5 중량%이어서 상기 용융 슬래그가 높은 산소 퍼텐셜을 가지도록 공정 조건들을 제어하는 것을 포함할 수 있다.

본 발명의 방법은 용융 슬래그의 FeO 함량이 6 중량% 미만이 되도록 공정 조건들을 제어하는 것을 포함할 수 있다.

본 발명의 방법은 용융 슬래그의 FeO 함량이 10 중량% 미만이 되도록 공정 조건을 제어하는 것을 포함할 수 있다.

금속철 공급 원료가 철-함유 물질일 때, 본 발명의 방법은 용융 슬래그의 탄소 함량이 적어도 3 중량%가 되도록 공정 조건들을 제어하는 것을 포함할 수 있다.

본 발명의 방법은 용융 슬래그의 탄소 함량이 적어도 4 중량%가 되도록 공정 조건들을 제어하는 것을 포함할 수 있다.

본 발명의 방법은 용융 슬래그의 탄소 함량이 5 중량% 미만이 되도록 공정 조건들을 제어하는 것을 포함할 수 있다.

본 발명의 방법은 용융 슬래그의 점도 범위가 0.5-4 포아즈가 되도록 공정 조건들을 제어하는 것을 포함할 수 있다.

본 발명의 방법은 용융 슬래그의 점도 범위가 0.5-3 포아즈가 되도록 공정 조건들을 제어하는 것을 포함할 수 있다.

본 발명의 방법은 용융 슬래그의 점도가 2.5 포아즈보다 크도록 공정 조건들을 제어하는 것을 포함할 수 있다.

본 발명의 방법은 용융 슬래그 특성의 제어, 예를 들면 슬래그 조성 및/또는 슬래그 점도의 제어를 촉진하는 하나 또는 둘 이상의 첨가제를 용탕에 첨가하는 것을 포함할 수 있다.

예로서, 상기 첨가제는 용융 슬래그의 점도를 감소시켜 포말 슬래그(foamy slag)가 되는 위험을 최소화하기 위해, 용융 슬래그의 염기도를 제어하도록 선택될 수 있으며, 예를 들어 CaO를 첨가할 수 있다.

본 발명의 방법은 직접 제련 용기에서 기압보다 높은 압력에서 상기 방법을 수행하는 것을 포함할 수 있다.

산소 함유 가스는 산소가 풍부한 공기 또는 공업용 산소(technical grade oxygen)일 수 있다.

본 발명의 방법은 금속철 공급 원료와 고체 탄소질 원료 및 운반 가스를 고체 물질 주입 랜스를 통해서 용탕에 주입함으로써 고체 공급 원료를 직접 제련 용기 내로 공급하는 것을 포함할 수 있으며, 상기 고체 물질 주입 랜스는 직접 제련 용기의 측벽을 통해 용기 내부 아래로 신장되어서 고체 공급 원료가 용탕의 용선층에 적어도 부분적으로 침투하도록 한다.

본 발명의 방법은 용탕이 상당한 정도로 교반되도록 고체 공급 원료 및 운반 가스의 주입을 제어하는 것을 포함하여, 상기 공정을 제어하는 것을 포함한다.

상기 용탕의 교반의 정도는 용탕에서 실질적으로 균일한 온도가 될 정도일 것이다.

본 발명의 방법은 분리된 공정 유동물로서 본 발명의 방법의 용융 금속 산출물과 용융 슬래그 산출물을 방출하는 것을 포함할 수 있다.

상기 방법은 상기에서 기술한 하이스멜트 공법일 수 있다.

상기 방법은 상기에서 기술한 하이사르나 공법일 수 있다.

하기에서는 하이스멜트 공법을 통해 용선을 생산하기 위하여 티타늄/철-함유 광석의 형태에 있는 금속철 공급 원료, 보다 구체적으로 티타노마그네타이트를 제련하는 맥락에서 기술하고 있으나, 본 발명은 이러한 티타노마그네타이트를 제련하는 것에 국한되지 않고 임의의 적절한 금속철 공급 원료를 제련하는 것에까지 확장된다. 또한 본 발명은 하이스멜트 공법에 국한되지 않고 필요한 공정 조건들을 가질 수 있는 임의의 용탕-기반 방법에까지 확장된다. 구체적으로 예를 들면, 본 발명은 상기에서 기술한 하이사르나 공정에까지 확장된다.

앞서 언급하였듯이, 하이스멜트 공법은 본 출원인 명의의 다수의 특허등록 및 특허출원들에 기술되어 있다. 예를 들면, 하이스멜트 공법은 본 출원인이 출원한 국제출원 제PCT/AU96/00197호에 설명되어 있다. 상기 국제출원된 특허 명세서에 개시된 내용은 관련참고로서 본 발명에 통합된다.

본 발명의 방법은 직접 제련 용기(3)의 사용에 기반하고 있다.

상기 용기(3)는 본 출원인이 출원한 국제출원 제PCT/AU2004/000472호 및 제PCT/AU2004/000473호에 상세히 기술된 유형이다. 이들 국제출원된 특허 명세서에 개시된 내용은 관련참고로서 본 발명에 통합된다.

상기 용기(3)은 내화 벽돌로 이루어진 기저부와 측면부를 포함하는 노(51), 상기 노(51)의 측면부로부터 상측으로 신장되는 일반적으로 원통형인 몸통부를 형성하고 상부 몸통부와 하부 몸통부를 포함하는 측벽(53), 지붕(55), 용기(3)의 상부에 있는 폐가스용 덕트(9), 용기(3)로부터 연속적으로 용융 금속을 배출할 수 있는 전로(forehearth)(67), 및 용기(3)로부터 주기적으로 용융 슬래그를 배출하기 위한 출탕구(미도시)를 구비한다.

사용시, 상기 용기는 용융 금속층(15)과 용융 슬래그층(16)을 포함하는 철과 슬래그의 용탕을 담고 있다. 도면에서 참조 번호 17로 표시된 화살표는 금속층(15)의 공칭 정지 표면의 위치를 나타내고, 참조 번호 19로 표시된 화살표는 슬래그층(16)의 공칭 정지 표면의 위치를 나타낸다. 여기서, "정지 표면(quiescent surface)"이라 함은 가스와 고체 물질이 용기 내로 주입되지 않고 있을 때의 표면을 말한다. 전형적으로, 용탕의 온도는 1400-1500℃ 범위이다.

또한, 상기 용기(3)에는 용기(3)의 상부 공간으로 아래로 신장된 수냉 온풍("HAB") 랜스(7) 및 측벽을 통해 하향 내측으로 신장되어 슬래그 내로 들어가는 다수의 수냉 고체 주입 랜스(5)가 끼워 맞추어져 있다. 상기 랜스(5)는 측벽을 통해 수직면에 대하여 30°내지 60°로 내측 아래로 기울어져서 용탕 내의 슬래그층(16) 내부로 신장된다. 상기 랜스(5)의 위치는 그 하단이 용탕의 금속층(15)의 정지 표면(17) 상측에 놓이도록 정한다.

사용시, 운반 가스(일반적으로, N₂)에 동반이동되는 티타노마그네타이트, 석탄, 및 슬래그 첨가제들이 고체 주입 랜스(5)를 통해 용탕 내로 직접 주입된다.

상기 주입된 고체 원료/운반 가스의 모멘텀에 의해 고체 원료와 가스가 금속층(15)으로 침투한다. 석탄은 탈휘발화되어(devolatilised) 금속층(15)에 상당한 부피의 가스를 생성한다. 탄소는 금속으로 일부 용해되고 일부는 고체 탄소의 상태로 남는다. 티타노마그네타이트에 있는 산화철은 용융 금속으로 제련되고 상기 제련 반응으로 일산화탄소 가스가 발생한다. 탈휘발화와 제련에 의해 금속층(15)으로 운반된 가스와 발생한 가스는 금속층(15)으로부터 (고체 물질과 가스의 주입 결과로 금속층(15)으로 투입된) 티타노마그네타이트(주로 TiO₂)에 있는 미반응된 고체 물질, 고체 탄소, 용융 금속 및 슬래그를 상측으로 부양시키는 상당한 부력을 발생하며, 이러한 부력은 용융 금속의 비선, 용적 및 유동물의 상향 이동을 낳으며, 이들 비선, 용적 및 유동물이 슬래그층(16)을 통과하여 이동함에 따라 슬래그가 동반이동하게 된다.

상기 기술한 물질들을 상측으로 부양시키는 부력은 금속층(15)과 슬래그층(16)에서 상당한 교반을 일으켜서 슬래그층(16)의 부피가 커지고 화살표(30)로 나타낸 바와 같은 표면이 형성된다. 상기 교반은 금속 영역과 슬래그 영역의 온도가 일반적으로 1400 내지 1550℃로 균일해지고 각 영역에서 온도의 변화가 30 ℃가 되는 정도로 일어난다.

또한, 상기 기술한 물질의 상향 이동은 용기에서 용탕의 상측에 위치한 상단 공간(31)까지 연장되어서,

(a) 전이 영역(23)을 형성하고; 그리고

(b) 일부 용융 물질(주로 슬래그)을 전이 영역(23)을 넘어 전이 영역(23)의 상측에 위치한 용기(3)의 측벽 영역으로 분출한다.

일반적인 의미에서, 슬래그층(16)은 기포와 고체 물질로 채워진 액체 연속 공간이며, 정지 영역(23)은 용융 금속과 슬래그의 비산, 용적 및 유동물로 채워진 기체 연속 공간이다. 또는 슬래그층(16)은 액상에 기포가 분산되어 있으면서 액상 내 고체 물질의 슬러리로서 기술될 수 있다.

산소 함유 가스 랜스(7)의 위치와 상기 랜스(7)를 통과하는 가스의 유속은 산소 함유 가스가 전이 영역(23)의 중앙부로 침투하여 랜스(7)의 단부 주위에 본질적으로 금속/슬래그 자유 공간(미도시)을 유지할 수 있도록 정하는 것이 바람직하다. 상기 랜스(7)는 산소 함유 가스를 소용돌이 동작으로 용기 내부로 주입되도록 하는 어셈블리를 포함한다.

상기 랜스(7)을 통하여 산소 함유 가스가 주입되면 전이 영역(23)과 랜스(7)의 단부 주위의 자유 공간에서 반응 가스 CO와 H₂를 후연소하여 가스 공간에서의 온도가 2000 ℃ 이상으로 높아진다. 이 때 발생하는 열은 금속층에서 온 용융 물질의 상승하고 하강하는 비산, 용적 및 유동물로 전달된 후, 상기 물질이 금속층(15)으로 아래로 되돌아갈 때 그 열의 일부가 금속층(15)에 전달된다.

본 발명의 방법의 상기 기술된 실시예는 본 발명에서 기술한 바와 같이 용융 슬래그가 선택된 조성 범위 내에 존재하도록 제련 공정 조건들을 제어함으로써, 1400-1550℃의 작동 온도 범위에서 슬래그가, 용기(3) 내에서 슬래그 온도가 1400-1550℃ 범위일 때 1-5 포아즈 범위의 점도와 높은 산소 퍼텐셜을 가지는 용융 슬래그가 되도록 하는 것을 포함한다.

공정 조건들의 필요한 제어는 옵션 범위 중 하나 또는 둘 이상에 의해서 달성될 수 있으며 상기 옵션 범위는 요구되는 높은 산소 퍼텐셜을 얻기 위해 용융 슬래그의 FeO 함량을 제어하는 것과 용기(3) 내 용탕에 있는 용융 슬래그가 1400-1550℃의 온도 범위에 있을 때 1-5포아즈의 요구되는 점도를 달성하기 위해 용융 슬래그의 CaO 함량을 제어하는 것을 포함하나 반드시 이에 한정되지 않는다.

보다 구체적으로, 티타노마그네타이트 공급이 사용될 때, 공정 조건들의 필요한 제어는 공급 원료(물질)을 선택하는 것과 용융 슬래그가 용탕의 1400-1550℃ 범위에서 하기 구성요소를 가지도록 공정 조건들을 작동시키는 것을 포함한다:

TiO₂: 적어도 15 wt.%,

SiO₂: 적어도 15 wt.%,

CaO: 적어도 15 wt.%,

Al₂O₃: 적어도 10 wt.%, 및

FeO: 적어도 3 wt.%.

보통의 철광석(normal iron ore)이 사용될 때, 상기 슬래그에서의 상기 TiO₂ 퍼센티지 범위는 무시된다.

보다 구체적으로, 공정 조건들의 필요한 제어는, 용탕의 1400-1550℃ 온도 범위에 있는 슬래그 조성에 대하여 용융 슬래그가 액상선 아래(sub-liquidus), 바람직하게는 액상선의 약간 아래에 있도록 함으로써 고상 산화물이 액상 슬래그로부터 총 슬래그의 5-25 부피%만큼 침전하도록 슬래그 조성과 작동 온도를 제어하는 것을 포함한다. 그 결과물로서의 용융 슬래그는 고상 산화물이 액상 슬래그 내에 있는 슬러리 형태이다. 침전된 고상 산화물은 본 발명의 방법의 상기 기술된 실시예를 위해 필요한 정도로 용융 슬래그의 점도를 제어하는데 기여한다. 나아가, 점성이 있는 용융 슬래그는 슬래그와 접해 있는 용기의 내화물에 보호막을 형성하기에 매우 적합하다.

도 2는 본 발명의 직접 제련 방법의 일 실시예에서 칼시아, 알루미나, 실리카의 세 가지 주요한 슬래그 구성요소에 대한 3상태도이다. 보다 구체적으로, 상기 3상태도는 알루미나와 실리카의 두 가지 주요 맥석(gangue) 구성요소와 하나의 플럭스 첨가제인 칼시아에 대해 초점을 맞추고 있다. 상기 3상태도는 FactSage 6.1.를 출처로 하고 있다. 상기 3상태도는 슬래그에서 각 상태(phase)에 대한 슬래그 조성의 영향을 나타내고 있다. 특히, 도 2로부터, 더 높은 점도의 슬래그(예를 들면, 2.5 포아즈 이상의 점도를 갖는 슬래그)가 요구될 경우 이는 슬래그 조성을 제어함으로써, 예를 들면 칼시아 첨가를 조절함으로써, 그리고 용융 슬래그로부터 메릴라이트(melilite) 고상을 침전시키는 다른 공정 조건들을 제어함으로써 달성할 수 있음을 알 수 있다.

도 3은 본 발명의 직접 제련 방법의 일 실시예에서 높은 산화티타늄 공급 원료에 대한 상태도(phase diagram)의 두 개의 표시된 영역들에 대한 별개의 슬래그 액상선 도표들 및 슬래그에 대한 유사-3상태도이다. 상기 상태도는 (a) 알루미나, 마그네시아 및 실리카의 세 가지 주요한 맥석 구성요소, (b) 하나의 플럭스 첨가제인 칼시아, 및 (c) 티타니아에 초점을 맞추고 있다. 상기 상태도는 University of Queensland researchers 를 출처로 하고 있다. 상기 상태도는 본 발명의 방법을 위해 요구되는 1-5 포아즈의 점도를 갖는 슬래그를 제공하는 슬래그 조성에 대한 작업창을 정의하고 있다. 도 3은 상태도의 두 개의 영역들을 강조하고 있는데, 이들 영역은 선택된 조성들에 따른 액상선 온도의 상당한 변화를 보여주고 있다. 특히 이들 영역들로부터 상당한 범위의 고상이 침전되어 나옴으로 인해 용기(3) 내의 용탕에서의 슬래그 온도가1400-1550℃ 범위에 있을 때 슬래그의 점도를 변화시킬 수 있음을 명확히 알 수 있다.

보다 일반적으로, 하기 기술된 공정 특징들이 별개로 또는 조합하여 본 발명의 방법과 관련된 제어 파라미터들이다.

(a) 슬래그 인벤토리(inventory)의 조절, 다시 말하면 슬래그층의 깊이 및/또는 슬래그/금속 비율(일반적으로 금속:슬래그의 중량비가 3:1 내지 1:1이 되도록 함)을 조절하여, 전이 영역(23)의 금속이 전이 영역(23)에서의 역반응(back reaction)에 의해 후연소에 미치는 부정적인 영향과 전이 영역(23)의 금속이 열 전달에 미치는 긍정적 영향 사이의 균형을 맞춘다. 만약 슬래그 인벤토리가 너무 적으면 금속이 산소에 너무 많이 노출되기 때문에 후연소에 대한 퍼텐셜이 감소한다. 반면에, 슬래그 인벤토리가 너무 많으면 산소 함유 가스 랜스(7)가 전이 영역(23)에 파묻히게 되기 때문에 가스가 자유 공간(25)으로 동반이동하는 정도가 줄어들어서 후연소에 대한 퍼텐셜이 감소할 것이다.

(b) 산소 함유 가스 랜스(7)의 위치를 정하고 상기 랜스(7)와 고체 주입 랜스(5)들을 통한 산소 함유 가스와 고체의 주입률을 조절하여, 랜스(7)의 말단 주변에 금속/슬래그가 없는 영역을 유지하고 상기 랜스(7)의 하단부 주변에 전이 영역(23)을 형성하도록 한다.

(c) 다음 사항의 하나 이상을 조절함으로써 전이 영역(23)과 접하거나 전이 영역(23) 상측에 위치한 용기(3)의 측벽에 슬래그를 비산시켜서 용기로부터의 열 손실을 제어한다:

(i) 슬래그 인벤토리; 및

(ii) 산소 함유 가스 랜스(7)와 고체 주입 랜스(5)들을 통한 주입 유속.

본 발명의 본질과 범주를 벗어남이 없이 상기에서 기술한 본 발명의 실시예에 대한 다양한 변형이 있을 수 있다.

예시로서 상기 기술한 실시예가 하이스멜트 공법에 관한 것이나 본 발명은 이에 한정되지 않고, 직접 제련 용기에서 금속철 공급 원료로부터 용융 금속을 생산하는 방법으로서, 상기 용기가 용탕내의 가스의 점진적 발전(gas evolution)에 의해 생성되는 강력한 용탕/슬래그 분수(fountain)를 가지며 상기 가스의 점진적 발전이 적어도 부분적으로는 탄소질 원료의 용탕 내로의 탈휘발화(devolatilisation)의 결과인, 임의의 용탕-기반 직접 제련 방법에까지 확장된다. 예를 들어, 하이사르나 공법은 그러한 제련 방법 중의 하나이다.

Claims (20)

1. (a) 철광석 및 고체 탄소질 공급 원료를 용탕을 포함하는 직접 제련 용기 내로 공급하는 단계로, 상기 용탕은 금속층 상에 용융 금속층 및 용융 슬래그층을 포함하여, 철광석 및 고체 탄소질 공급 원료의 적어도 일부가 금속층까지 전달되도록 함으로써 철광석을 용선(molten iron)으로 직접 제련시키고, 용탕 내의 용융 반응으로부터 반응 가스를 발생시켜 용선 및/또는 용융 슬래그가 용탕의 표면 위의 가스 공간으로 분출되어 전이 영역을 형성하도록 하는 단계;
   (b) 상기 가스 공간에 산소 함유 가스를 주입하여 상기 반응 가스를 후-연소시키고, 후-연소에 의해 발생된 열이 상기 전이 영역에서 용융된 물질의 가열에 의해 상기 용탕으로 전달되는 단계;
   (c) 용선, 용융 슬래그 및 배출 가스의 공정 산출물을 생산하는 단계;를 포함하는 직접 제련 방법으로서,
   상기 방법은, (i) 철광석을 용융 슬래그의 FeO 함량이 3 중량 % 내지 10 중량 % 미만이 되도록 주입하는 단계; 및 (ii) 철광석, 고체 탄소질 원료 및 산소 함유 가스를 용기에 주입하여, 상기 용융 슬래그는 액상 내 고체 물질의 슬러리이고, 상기 고체 물질은 상기 방법 상의 슬래그 온도에서의 고상 산화물이며, 상기 슬러리는 상기 용융 슬래그 중 적어도 5 부피% 내지 30 부피%이며, 상기 용융 슬래그는 직접 제련 용기에서 슬래그 온도가 1400~1550 ℃ 범위일 때 0.5-5포아즈 범위의 점도를 갖는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 직접 제련 방법.
2. 제1항에 있어서, 슬래그 조성을 제어하고 용탕의 온도를 슬래그의 액상선 온도보다 낮게 조절함으로써 고상 산화물이 용융 슬래그의 액상으로부터 침전되도록 하여서 상기 슬래그의 점성을 제어하는 것에 의해 공정 조건들을 제어하는 것을 포함하는 직접 제련 방법.
3. 제1항에 있어서, 용융 슬래그 내의 고체 물질이 상기 용융 슬래그 중 적어도 10%가 되도록 공정 조건들을 제어하는 것을 포함하는 직접 제련 방법.
4. 제1항에 있어서, 용융 슬래그 내의 고체 물질이 상기 용융 슬래그 중 15-25%가 되도록 공정 조건들을 제어하는 것을 포함하는 직접 제련 방법.
5. 제1항에 있어서, 용선 내 탄소에 대한 슬래그 내 용선의 농도의 중량비가 2:1 미만이 되도록 조절함으로써 공정 조건들을 제어하는 것을 포함하는 직접 제련 방법.
6. 제1항에 있어서, 용선 내 탄소에 대한 슬래그 내 용선의 농도의 중량비가 1.5:1 미만이 되도록 조절함으로써 공정 조건들을 제어하는 것을 포함하는 직접 제련 방법
7. 제1항에 있어서, 용선 내 탄소에 대한 슬래그 내 용선의 농도의 중량비가 1:1 내지 1.3:1이 되도록 조절함으로써 공정 조건들을 제어하는 것을 포함하는 직접 제련 방법.
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 용융 슬래그가 고로 슬래그(blast furnace slag)에 비해 높은 산소 퍼텐셜을 갖도록 공정 조건들을 제어하는 것을 포함하는 직접 제련 방법.
9. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 용융 슬래그의 FeO 함량이 적어도 4 중량%가 되어서 상기 용융 슬래그가 고로 슬래그에 비해 높은 산소 포텐셜을 갖도록 공정 조건들을 제어하는 것을 포함하는 직접 제련 방법.
10. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 용융 슬래그의 FeO 함량이 적어도 5 중량%가 되어서 상기 용융 슬래그가 고로 슬래그에 비해 높은 산소 포텐셜을 갖도록 공정 조건들을 제어하는 것을 포함하는 직접 제련 방법.
11. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 방법은 용융 슬래그의 탄소 함량이 적어도 3 중량%가 되도록 공정 조건들을 제어하는 것을 포함하는 직접 제련 방법.
12. 제11항에 있어서, 용융 슬래그의 탄소 함량이 적어도 4 중량%가 되도록 공정 조건들을 제어하는 것을 포함하는 직접 제련 방법.
13. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 용융 슬래그의 점도 범위가 0.5-4 포아즈가 되도록 공정 조건들을 제어하는 것을 포함하는 직접 제련 방법.
14. 제13항에 있어서, 용융 슬래그의 점도 범위가 0.5-3 포아즈가 되도록 공정 조건들을 제어하는 것을 포함하는 직접 제련 방법.
15. 제13항에 있어서, 용융 슬래그의 점도 범위가 2.5 포아즈보다 크도록 공정 조건들을 제어하는 것을 포함하는 직접 제련 방법.
16. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 용탕의 교반이 일어나도록 상기 방법을 제어하는 것을 포함하는 직접 제련 방법.
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