KR102491194B1 - 로 내 위치별 환원율의 추정 방법 - Google Patents

로 내 위치별 환원율의 추정 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR102491194B1
KR102491194B1 KR1020210023250A KR20210023250A KR102491194B1 KR 102491194 B1 KR102491194 B1 KR 102491194B1 KR 1020210023250 A KR1020210023250 A KR 1020210023250A KR 20210023250 A KR20210023250 A KR 20210023250A KR 102491194 B1 KR102491194 B1 KR 102491194B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
reaction
temperature
furnace
reduction
partial pressure
Prior art date
Application number
KR1020210023250A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20220119868A (ko
Inventor
민동준
라기호
Original Assignee
연세대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 연세대학교 산학협력단 filed Critical 연세대학교 산학협력단
Priority to KR1020210023250A priority Critical patent/KR102491194B1/ko
Publication of KR20220119868A publication Critical patent/KR20220119868A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102491194B1 publication Critical patent/KR102491194B1/ko

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21B—MANUFACTURE OF IRON OR STEEL
    • C21B7/00—Blast furnaces
    • C21B7/24—Test rods or other checking devices
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21B—MANUFACTURE OF IRON OR STEEL
    • C21B13/00—Making spongy iron or liquid steel, by direct processes
    • C21B13/0006—Making spongy iron or liquid steel, by direct processes obtaining iron or steel in a molten state
    • C21B13/0013—Making spongy iron or liquid steel, by direct processes obtaining iron or steel in a molten state introduction of iron oxide into a bath of molten iron containing a carbon reductant
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21B—MANUFACTURE OF IRON OR STEEL
    • C21B5/00—Making pig-iron in the blast furnace
    • C21B5/006—Automatically controlling the process
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21B—MANUFACTURE OF IRON OR STEEL
    • C21B5/00—Making pig-iron in the blast furnace
    • C21B5/06—Making pig-iron in the blast furnace using top gas in the blast furnace process
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P10/00—Technologies related to metal processing
    • Y02P10/10—Reduction of greenhouse gas [GHG] emissions
    • Y02P10/122—Reduction of greenhouse gas [GHG] emissions by capturing or storing CO2

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Manufacture And Refinement Of Metals (AREA)

Abstract

본 발명은 (a) 제선용 로의 위치에 따른 온도 및 가스 분압 조건을 구하는 단계; (b) 상기 온도 및 가스 분압 조건에서의 환원율을 구하는 단계; (c) 상기 환원율에 기초하여 반응 속도론적 정보를 도출하는 단계; (d) 상기 반응 속도론적 정보와 상기 온도 사이의 상관 관계 및 상기 반응 속도론적 정보와 상기 가스 분압 조건 사이의 상관 관계를 회귀 직선식으로 나타내는 단계; (e) 조업 조건을 변화시킨 후, 제선용 로의 위치에 따른 제2의 온도 및 제2의 가스 분압 조건을 구하는 단계; 및 (f) 상기 제2 온도 및 제2의 가스 분압 조건에 따른 환원율을, 상기 (d) 단계에서 도출한 회귀 직선식으로부터 역산하는 단계를 포함하는, 조업 조건의 변화에 따른 로 위치별 환원율을 추정하는 방법이 제공된다. 본 발명을 통해 코크스 이외의 다른 환원제 사용에 의한 조업 조건 변화에 따른 장입 원료의 로, 구체적으로는 괴상대에서의 위치별 환원율 변화를 정량화하기 위한 표준 조건을 설정할 수 있다. 더 나아가 저탄소 제선 기술 개발을 위한 수소 활용에 따른 주요 환원 반응대에서의 반응 조건, 반응 기구 등에 대한 정량적 해석을 위한 표준 지표로 사용될 수 있다.

Description

로 내 위치별 환원율의 추정 방법 {Method for Estimating the Reduction Degree in Furnace Depending}
본 발명은 로 내의 위치별 환원율을 추정하는 방법, 구체적으로 조업 조건의 변화에 따른 제선용 로 내에서의 위치별 환원율을 추정하는 방법에 관한 것이다.
제선 공정은 통상적으로 용선이라고 불리는 쇳물을 생산하는 기초 공정이다. 구체적으로, 제선 공정은 원료인 철광석과 연료인 코크스를 고로에 반복 장입하면서 하부에서는 풍구를 통해 열풍을 불어넣어 연료를 태우고, 그와 같이 연료가 타면서 나오는 열과 일산화탄소로 철광석을 환원 및 용융하여 용선을 생산하는 공정이다.
이와 같이 코크스 및 일산화탄소를 이용하는 방법에서는 산화철(Fe2O3)에서 산소를 분리시키는 환원 과정 동안 이산화탄소 (CO2)가 발생하게 된다. CO2는 온실 가스의 주요 원인이 되므로, 기후 위기로 인한 CO2의 배출 규제 이슈로 인해 코크스 중심의 조업이 아니라 코크스 이외의 다른 환원제를 사용하는 저탄소 제선 기술 개발 개념이 제시되고 있다. 또한, 이러한 기술로서 수소를 환원제로 사용하는 수소환원 제철법이 개발되고 있다.
환원제 변경과 같은 조업 조건의 변화는 제선 반응용 로(furnace)의 변화나 가스 분압 조건과 같은 반응 조건의 변화를 수반할 수 있고, 이러한 변화는 로 내의 환원율, 나아가 원료의 소모도 등에도 영향을 미칠 수 있다. 따라서, 저탄소 제선 기술의 성공적 개발과 실현을 위해서는, 제선 공정에서 환원제와 같은 조업 조건의 변화에 따른 환원율, 연료비와 같은 효과를 정량적으로 산출하고 평가해줘야 할 필요가 있다. 그러나, 현재는 이러한 평가를 위한 정량적 지표가 없고, 이에, 최소한 주요 환원 반응대에서의 반응 조건이나 반응 기구의 변화에 대한 정량적 해석의 표준이 요구되고 있다.
Y. Ujisawa et al., Subjects for achievement of blast furnace operation with low reducing agent rate, ISIJ international, 2005, 45(10), 도면 1. J. Szekely et al., Gas-solid reactions, Elsevier, 2012. H. Mizoguchi et al., Influence of mixing coal composite iron ore hot briquettes on blast furnace simulated reaction behavior in a packed mixed bed, ISIJ international, 2011, 51(8), 도면 2
본 발명의 일 목적은 조업 조건의 변화에 따른 제선용 로(furnace) 내에서 위치별 환원율을 추정하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 일 목적은 상기 추정된 위치별 환원율을 사용하여, 조업 조건 변화에 따른 열 보존대에서의 환원율을 추정하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 일 목적은 상기 추정된 위치별 환원율을 사용하여, 조업 조건 변화에 따른 장입 원료의 융착대 도달시 환원율을 추정하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 양태에 따르면, (a) 제선용 로의 위치에 따른 온도 및 가스 분압 조건을 구하는 단계; (b) 상기 온도 및 가스 분압 조건에서의 환원율을 구하는 단계; (c) 상기 환원율에 기초하여 반응 속도론적 정보를 도출하는 단계; (d) 상기 반응 속도론적 정보와 상기 온도 사이의 상관 관계 및 상기 반응 속도론적 정보와 상기 가스 분압 조건 사이의 상관 관계를 회귀 직선식으로 나타내는 단계; (e) 조업 조건을 변화시킨 후, 제선용 로의 위치에 따른 제2의 온도 및 제2의 가스 분압 조건을 구하는 단계; 및 (f) 상기 제2 온도 및 제2의 가스 분압 조건에 따른 환원율을, 상기 (d) 단계에서 도출한 회귀 직선식으로부터 역산하는 단계를 포함하고, 여기서 로의 위치는 로 또는 로 내의 임의 반응대를 상부에서부터의 거리에 따라 거리별로 나누었을 때 이렇게 나누어진 각 지점 또는 구역을 가리키는 것인, 조업 조건의 변화에 따른 로 위치별 환원율을 추정하는 방법이 제공된다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 제선용 로는 CO 가스에 의한 간접 환원 단계, 고체 탄소에 의한 직접 환원 단계, 및 용융 단계로 구성되어 있는 로, 예를 들어 고로일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 (a) 단계에서 제선용 로의 위치는 고로 괴상대의 위치일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 (a) 단계에서의 온도는 600 내지 1,200oC의 범위일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 (a) 단계에서의 가스 분압 조건은 질소, 일산화탄소, 이산화탄소, 및 수소로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나의 가스에 대한 것일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 조업 조건의 변화는 환원제, 장입 원료, 및 가스 조성으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상이 변경된 것을 의미할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 장입 원료는 철광석, 펠렛, 괴광, 소결광, 및 부분환원철로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 (b) 단계는 하기의 단계를 포함할 수 있다: (b-1) 상기 (a) 단계에서 구한 위치에 따른 온도 및 가스 분압 조건 하에 열 중량 분석기에서 장입 원료를 환원시키는 단계; 및 (b-2) 상기 (b-1) 단계의 환원 동안, 시간에 따른 중량 변화를 측정하고 상기 측정된 값에 기초하여 시간에 따른 환원율을 구하는 단계.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 (b-1) 단계는 열 중량 분석기 내에 장입 원료를 투입하고 기설정된 온도까지 승온시키는 단계 및 상기 기설정된 온도에 도달한 후 기설정된 가스 분압 조건 하에 환원 반응을 실시함으로써 수행될 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 (b-2) 단계는 열 중량 분석기를 사용하여 환원전 시료의 철 중량 및 특정 시간에서 환원 반응으로 제거된 산소의 중량을 측정하고 상기 측정된 값에 기초하여 하기 수학식 1에 의해 환원율을 산출함으로써 수행될 수 있다:
[수학식 1]
Figure 112021020998544-pat00001
수학식 1에서,
Figure 112021020998544-pat00002
: 특정 시간 t에서의 환원율(%),
Figure 112021020998544-pat00003
: 환원 전 시료의 T. Fe 중량(g),
Figure 112021020998544-pat00004
: 환원 전 시료의 Fe2+ 중량(g),
Figure 112021020998544-pat00005
: 환원 전 시료의 Fe3+ 중량(g),
Figure 112021020998544-pat00006
: 특정 시간 t에서의 환원 반응으로 제거된 산소의 중량(g)을 의미한다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 (c) 단계에서 상기 반응 속도론적 정보는 반응 율속 단계에 따른 반응 속도 상수일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 반응 율속 단계에 따른 반응 속도 상수는 하기 수학식 2 내지 4에서 선택된 하나 이상의 수학식에 의해 산출하는 것일 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112021020998544-pat00007
[수학식 3]
Figure 112021020998544-pat00008
[수학식 4]
Figure 112021020998544-pat00009
수학식 2 내지 4에서,
Figure 112021020998544-pat00010
: 확산 반응 율속 조건에서의 반응속도상수 (1/분),
Figure 112021020998544-pat00011
: 계면 반응 율속 조건에서의 반응속도상수 (1/분),
Figure 112021020998544-pat00012
: 혼합 율속 조건에서의 반응속도상수 (1/분), t : 환원 반응 시간 (분)을 의미한다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 (f) 단계는 하기의 단계를 포함할 수 있다: (f-1) 상기 (d) 단계에서 도출한 회귀 직선식으로부터 역산하여, 상기 제2 온도 또는 제2 가스 분압 조건으로부터 제2 반응 속도론적 정보를 구하는 단계 및 (f-2) 상기 (c) 단계에서 반응 속도론적 정보를 구하는 과정을 역산하여 상기 제2 반응 속도론적 정보로부터 환원율을 구하는 단계.
본 발명의 다른 일 양태에 따르면, 조업 조건 변화에 따른 로 위치별 온도 및 전술한 방법으로 추정된 조업 조건 변화에 따른 로 위치별 환원율을 사용하는 것을 특징으로 하는 조업 조건 변화에 따른 열 보존대에서의 환원율을 추정하는 방법이 제공된다.
본 발명의 다른 일 양태에 따르면, 조업 조건 변화에 따른 로 위치별 온도 및 전술한 방법으로 추정된 조업 조건 변화에 따른 로 위치별 환원율을 사용하는 것을 특징으로 하는 조업 조건 변화에 따른 융착대 도달시 환원율을 추정하는 방법이 제공된다.
고로와 같은 제선용 로, 특히 고로의 괴상대에서 원료의 환원율이 어느 정도인지에 따라서 코스크와 같은 원료 소모의 정도가 달라질 수 있다. CO2 저감을 위해 코스크와 같은 원료를 줄이고 환원제를 수소와 같은 것으로 대체하려는 산업계의 요구가 있다. 이러한 기술 실현을 위해 다양한 공정 조건의 변화는 불가피하다. 본 발명에 따른 조업 조건의 변화에 따른 로 위치별 환원율을 추정하는 방법을 사용하면, 환원제 등과 같은 다양한 공정 조건의 변화가 생겼을 때 그에 따라 변할 수 있는 효과를 정량적으로 산출하기 위한 표준 지표가 제공될 수 있다. 이에, 공정 조건의 변화에 따른 환원율을 정량적으로 평가할 수 있고 이러한 평가를 기술 개발에 반영하여 기술의 실현과 완성에 기여할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 양태에 따른 조업 조건의 변화에 따른 로 위치별 환원율을 추정하는 방법에서 각 단계를 나타내는 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에서 사용한 열 중량 분석기의 모식도를 나타낸 것이다.
도 3a 는 본 발명의 실시예에서 구한, 괴상대 상부의 반응속도론적 정보를 나타낸 그래프이며, 도 3b 는 본 발명의 실시예에서 구한, 괴상대 하부의 반응속도론적 정보를 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시예에서, 조업 조건이 변화된 후의 제2 온도 및 제2 가스 분압 조건에 기초하여 회귀 직선식으로부터 역산하여 산출한 위치별 환원율을 나타낸 그래프이다.
이하, 본 발명에 대해 상세히 설명한다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 구현예를 설명하기 위해 사용된 것으로서 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다, "함유"한다, "가지다"라고 할 때, 이는 특별히 달리 정의되지 않는 한, 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
제1, 제2 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위해 사용되는 것으로, 구성요소가 전술한 용어들에 의해 제한되는 것은 아니다.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일한 구성 요소는 동일한 부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 도면들에 있어서, 예를 들면, 부재들의 크기와 형상은 설명의 편의와 명확성을 위하여 과장될 수 있으며, 본 발명의 실시예는 본 명세서에 도시된 영역의 특정 형상에 제한된 것으로 해석되어서는 아니된다.
먼저, 도 1을 참고하여 본 발명에 따른 조업 조건의 변화에 따른 로 내의 위치별 환원율을 추정하는 방법에 대해 더욱 상세히 설명한다.
도 1을 참조하면 본 발명에 따른 환원율 추정 방법은 먼저, 제선용 로의 위치에 따른 온도 및 가스 분압 조건을 구하는 단계 (S1)을 포함한다.
여기서 상기 제선용 로는 제선 공정에서 사용되는 로, 구체적으로 CO 가스에 의한 간접 환원 단계, 고체 탄소에 의한 직접 환원 단계, 및 용융 단계로 구성되어 있는 로를 통칭하며, 예를 들어, 고로일 수 있다.
상기 로의 위치는 로 또는 로 내의 임의 반응대 (예를 들어 괴상대)를 상부에서부터의 거리에 따라 거리별로 나누었을 때 이렇게 나누어진 각 지점 또는 구역을 가리킨다.
본 발명에서 로 내의 위치에 따른 온도, 가스 분압 조건, 나아가 환원율을 도출하는 것은 장입원료가 로의 상부에서 장입되어 하강하면서 변화하는 환원율을 전체적으로 추정할 수 있으면 전체적인 괴상대의 변화가 더 정량적으로 평가될 수 있기 때문이다. 또한, 경로에 따른 환원율을 도출하면 열 보존대의 위치를 파악하고 열 보존대에서의 환원율도 알 수 있다.
상기 가스 분압 조건은 질소, 일산화탄소, 이산화탄소, 및 수소로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나의 가스에 대한 것일 수 있다.
S20 단계는 (b) 상기 온도 및 가스 분압 조건에서의 환원율을 구하는 단계이다.
상기 S20 단계는 구체적으로, (b-1) 상기 (a) 단계에서 구한 위치에 따른 온도 및 가스 분압 조건 하에 열 중량 분석기에서 장입 원료를 환원시키는 단계; 및 (b-2) 상기 (b-1) 단계의 환원 동안, 시간에 따른 중량 변화를 측정하고 상기 측정된 값에 기초하여 시간에 따른 환원율을 구하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 (b) 단계는 열 중량 분석기 내에서 수행될 수 있다. 도 2에 상기 열 중량 분석기(10)의 모식도가 도시되어 있다. 상기 (b) 단계를 더 상세히 설명하면, 바스켓(basket)(111) 내에 장입 원료 (112)를 넣고 이를 밸런스 유닛(balance unit)(140)에 연결하여 열 중량 분석기(10)의 가열 부재(120) 내로 투입한다. 상기 가열 부재(120) 주변으로는 일정한 온도를 유지하고 과열을 방지하기 위한 냉각수(104)가 흐를 수 있다. 상기 가열 부재(120) 내에서 불활성 캐리어 가스(101) 하에서 장입 원료(112)를 기설정된 온도까지 승온시키고, 온도 센서(130)로 측정하여 기설정된 온도에 도달했으면, 기설정된 가스 분압 조건을 만족하도록 하는 조성의 가스를 가스 입구 (102)로부터 주입하여 환원 반응을 진행한다. 상기 환원 반응은 상기 기설정된 온도 및 상기 기설정된 가스 분압 조건 하에서 시간에 따른 무게의 변화가 없을 때까지 진행되며, 반응 완료 후에는 불활성 캐리어 가스(101)를 주입하여 반응기 내의 온도를 상온으로 냉각한다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 (b) 단계는 상기 반응기 내에서의 환원 반응 동안에 시간에 따른 중량 변화를 측정하고, 상기 중량 변화에 기초하여 시간에 따른 환원률을 산출하는 단계를 포함할 수 있다. 여기서 상기 환원율의 산출은 열 중량 분석기를 사용하여 환원전 시료의 철 중량 및 특정 시간에서 환원 반응으로 제거된 산소의 중량을 측정하고 상기 측정된 값에 기초하여 하기 수학식 1에 의해 환원율을 산출함으로써 수행될 수 있다:
[수학식 1]
Figure 112021020998544-pat00013
수학식 1에서,
Figure 112021020998544-pat00014
: 특정 시간 t에서의 환원율(%),
Figure 112021020998544-pat00015
: 환원 전 시료의 T. Fe 중량(g),
Figure 112021020998544-pat00016
: 환원 전 시료의 Fe2+ 중량(g),
Figure 112021020998544-pat00017
: 환원 전 시료의 Fe3+ 중량(g),
Figure 112021020998544-pat00018
: 특정 시간 t에서의 환원 반응으로 제거된 산소의 중량(g)을 의미한다.
S30 단계는 상기 S20 단계에서 산출한 환원율에 기초하여 반응 속도론적 정보를 도출하는 단계 (c)이다.
여기서 반응 속도론적 정보는 반응 율속 단계에 따른 반응 속도 상수이고, 여기서 상기 반응 율속 단계는 가스 확산 율속, 계면 반응 율속, 또는 혼합 율속일 수 있다. 더 구체적으로는 반응 율속 단계에 따른 반응 속도 상수는 반응 율속 단계를 산출하고 그에 따라 하기 수학식 2 내지 4 에서 선택된 수학식에 의해 구하는 것일 수 있다:
[수학식 2]
Figure 112021020998544-pat00019
[수학식 3]
Figure 112021020998544-pat00020
[수학식 4]
Figure 112021020998544-pat00021
수학식 2 내지 4에서,
Figure 112021020998544-pat00022
: 확산 반응 율속 조건에서의 반응속도상수 (1/분),
Figure 112021020998544-pat00023
: 계면 반응 율속 조건에서의 반응속도상수 (1/분),
Figure 112021020998544-pat00024
: 혼합 율속 조건에서의 반응속도상수 (1/분), t : 환원 반응 시간 (분)을 의미한다.
상기 수학식 2 내지 4는 비특허문헌 2로부터 유도한 수학식들이다.
S40 단계는 상기 반응 속도론적 정보와 상기 온도 사이의 상관 관계 및 상기 반응 속도론적 정보와 상기 가스 분압 조건 사이의 상관 관계를 회귀 직선식으로 나타내는 단계 (d)이다.
구체적으로 상기 회귀 직선식은 비특허문헌 2에 근거하여 최소 자승법에 기초하여 얻을 수 있으며, 데이터가 보유된 영역 외의 데이터가 보유되지 않은 영역의 반응속도론적 정보는, 최인접 구간의 반응속도론적 정보를 이용하여 추정할 수 있다.
S50 단계는 조업 조건을 변화시킨 후, 제선용 로의 위치에 따른 제2의 온도 및 제2의 가스 분압 조건을 구하는 단계 (e)이다.
여기서 로의 위치는 앞서 S10 단계에서 정의한 바와 같다. 환원제와 같은 조업 조건의 변화에 따라 각 위치별 온도 및 가스 분압 조건은 달라질 수 있다.
S60 단계는 상기 제2 온도 및 제2의 가스 분압 조건에 따른 환원율을, 상기 S40 단계에서 도출한 회귀 직선식으로부터 역산하는 단계 (f)이다.
본 단계는 조업 조건의 변화후 기설정된 각 위치별 온도 또는 가스 분압 조건 각각에 대해 개별적으로 실시되고, 이에 따라 각 위치별 환원율을 구할 수 있다. S60 단계는 구체적으로는, 회귀 직선식으로부터 역산하여 제2 반응 속도론적 정보를 구하는 단계, 더 구체적으로는 S40 단계에서 도출한 회귀 직선식으로부터 역산하여, S50 단게에서 구한 제2 온도 또는 제2 가스 분압 조건으로부터 제2 반응 속도론적 정보를 구하는 단계를 포함할 수 있다. 또한, S60 단계는 상기 구해진 제2 반응 속도론적 정보에 기초하여, S30 단계에서 반응 속도론적 정보를 구하는 과정을 역산함으로써 환원율을 구하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 일 양태에 따르면, 조업 조건 변화에 따른 로 위치별 온도 및 전술한 방법으로 추정된 조업 조건 변화에 따른 로 위치별 환원율을 사용하는 것을 특징으로 하는 조업 조건 변화에 따른 열 보존대에서의 환원율을 추정하는 방법이 제공된다.
노의 상부와 노의 하부에서는 높이에 따른 온도 변화가 크고 가스와 장입물의 온도차도 크나, 중앙부의 100℃ 부근에서 온도 변화가 거의 없고 가스와 장입물 간의 온도차도 매우 적은 부분이 나타나는데 이를 열 보존대라고 한다. 열 보존대의 환원율로부터 이론적 환원제비를 계산 및 평가할 수 있으므로, 열 보존대의 환원율을 아는 것은 조업 조건의 변화에 따른 영향을 평가하는데 중요하다. 조업 조건의 변화에 따라 어떠한 임의 위치에서 예상치 못한 변화들이 생길 수 있고 이에 의해 열 보존대의 위치가 상하로 움직일 수 있다. 따라서 로의 일부 위치가 아니라 최소한 괴상대에서의 각 위치별 환원율을 다 아는 것이 필요할 수 있다. 이러한 열 보존대의 움직임은 조업 효율성에 연관이 있는 지표가 될 수 있다.
본 발명의 다른 일 양태에 따르면, 조업 조건 변화에 따른 로 위치별 온도 및 전술한 방법으로 추정된 조업 조건 변화에 따른 로 위치별 환원율을 사용하는 것을 특징으로 하는 조업 조건 변화에 따른 융착대 도달시 환원율을 추정하는 방법이 제공된다. 상기 융착대는 침탄에 의한 금속철의 용융 및 저융점 슬래그 형성에 따른 용융이 일어나는 부분이다. 융착대의 도달시 철광석의 환원율에 따라 슬래그 융점이 크게 변하고 이를 통해 슬래그 형성 가능성을 평가할 수 있으므로, 융착대 도달시의 환원율은 조업 조건의 변화에 따른 효과를 평가하기 위한 중요한 지표가 될 수 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 실시예를 참고하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐, 하기 실시예에 의해 본 발명의 내용이 한정되는 것은 아니다.
[실시예] 산화 철(III, Fe 2 O 3 ) 및 소결광(sinter)의 고로 괴상대 위치 별 환원율 추정
장입 원료로는 산화 철(III, Fe2O3) 및 소결광(sinter) 분말을 사용하였으며 그 조성은 하기의 표 1과 같다.
[표 1]
Figure 112021020998544-pat00025
본 실시예에서는 장입 원료 분말을 펠렛 형태로 괴상화하여 사용하였으나, 상기 장입 원료는 괴광, 소결광과 같은 괴성광 등을 사용하여도 무방하다.
로의 위치별 온도 및 가스 분압 조건은 하기 표 2와 같다. 표 2에서 구분 1, 2, 3 등은 로의 위치를 숫자로 표시한 것이다. 가스는 질소(N2), 일산화탄소(CO), 및 이산화탄소(CO2)를 사용하였다. 본 실시예에서 온도, 질소(N2), 일산화탄소(CO), 및 이산화탄소(CO2) 가스 분압은 비특허문헌 1의 도면 1에 근거하여 도출하였으나, 이 외에도 고로 괴상대 반응 모사 조건을 사용하여도 무방하다.
[표 2]
Figure 112021020998544-pat00026
상기 표 2의 온도 및 가스 분압 조건 중 고로 괴상대 상부 반응 단계에서 설정된 온도 및 가스 분압 조건은 산화 철(II, FeO)이 안정한 조건이며, 철 산화물은 하기의 반응식 1, 2에 의해 환원 반응이 진행된다.
[반응식 1]
3Fe2O3(s) + CO(g) = 2Fe3O4(s) + CO2(g)
[반응식 2]
Fe3O4(s) + CO(g) = 3FeO(s) + CO2(g)
도 2에 도시한 바와 같은 열 중량 분석기(10)를 사용하여 600 내지 1,200℃에서 장입 원료를 환원하기 위해 캐리어 가스로서 질소(N2) 가스 조건에서 기설정된 온도까지 승온하였다. 본 실시예에서는 질소(N2) 가스를 사용하였으나, 이 외에도 비활성 기체인 아르곤(Ar), 헬륨(He) 등을 사용하여도 무방하다.
기설정된 온도에 도달한 이후, 상기 표 2와 같이 기설정된 산화 철(II, FeO) 안정 조건인 질소(N2), 일산화탄소(CO), 및 이산화탄소(CO2) 분압 조건으로 혼합된 가스를 반응기에 주입하였다.
다음으로 기설정된 온도 및 가스 분압 조건에서 시간에 따른 무게 변화가 없을 때까지 반응을 진행시킨 후, 질소(N2) 가스 분위기에서 상온까지 냉각하였다. 본 실시예에서는 질소(N2) 가스를 사용하였으나, 이 외에도 비활성 기체인 아르곤(Ar), 헬륨(He) 등을 사용하여도 무방하다.
상기 표 2의 기설정된 온도 및 가스 분압 조건 중 고로 괴상대 하부 반응 단계에서는 상기 반응식 1과 반응식 2에 의해 생성된 산화 철(II, FeO)이 하기 반응식 3과 같이 반응을 하여 금속 철(Fe)이 생성된다.
[반응식 3]
FeO(s) + CO = Fe(s) + CO2(g)
열 중량 분석기를 사용하여 고로 괴상대 하부 반응 단계에서의 장입 원료의 반응속도론적 정보를 도출하기 위해 본 실험에서는 1,000℃ 조건에서 상기 표 2와 같이 기설정된 산화 철(II, FeO) 안정 조건인 질소(N2), 일산화탄소(CO), 및 이산화탄소(CO2) 분압 조건으로 혼합된 가스를 반응기에 주입한 후 시간에 따른 무게 변화가 없을 때까지 반응을 진행시켰다. 본 실시예에서는 1,000℃ 조건에서의 산화 철(II, FeO) 안정 조건인 질소(N2), 일산화탄소(CO), 및 이산화탄소(CO2) 가스 분압 조건을 사용하였으나, 이 외에도 고로 내 열 보존대에 해당하는 온도인 800 내지 1,100℃ 온도 조건에서의 산화 철(II, FeO) 안정 조건인 질소(N2), 일산화탄소(CO), 및 이산화탄소(CO2) 가스 분압 조건을 사용하여도 무방하다.
다음으로 고로 괴상대 하부 반응 단계의 기설정된 질소(N2), 일산화탄소(CO), 및 이산화탄소(CO2) 분압 조건으로 혼합된 가스를 반응기에 주입하여 시간에 따른 무게 변화가 없을 때까지 반응을 진행시킨 후, 질소(N2) 가스 분위기에서 상온까지 냉각하였다. 본 실시예에서는 질소(N2) 가스를 사용하였으나, 이 외에도 비활성 기체인 아르곤(Ar), 헬륨(He) 등을 사용하여도 무방하다.
열 중량 분석기에서 도출된 결과값을 토대로 수학식 1에 따라 계산하여 장입 원료의 환원율을 산출하였다.
반응속도론적 정보로서 가스 확산, 계면 반응, 혼합 율속에 의한 반응속도상수는 비특허문헌 2로부터 유도한, 전술한 수학식 2 내지 4를 이용하여 산출하였다.
상기 도출된 반응속도론적 정보는 하기 표 3과 같다. 본 실험예에서의 반응속도론적 정보는 비특허문헌 2에 근거하여 최소자승법에 의해 가장 높은 정합도를 나타내는 율속 단계를 기준으로 산출되었으나, 이 외에도 다른 반응속도론적 모델에 근거하여 산출되어도 무방하다.
[표 3]
Figure 112021020998544-pat00027
상기 표 3의 결과를 이용하여 고로 괴상대 상부 반응 단계에서 환원 온도별로 반응속도론적 정보를 선형적으로 추정할 수 있다. 다만 데이터가 보유된 영역 외의 환원 온도에 대하여 반응속도론적 정보를 추정하기 위해서는, 최인접 구간의 반응속도론적 정보를 이용하여 추정할 수 있다.
또한, 상기 표 3의 결과를 이용하여 고로 괴상대 하부 반응 단계에서 일산화탄소(CO) 분압에 따른 반응속도론적 정보를 선형적으로 추정할 수 있다. 다만 데이터가 보유된 영역 외의 일산화탄소(CO) 분압에 대하여 반응속도론적 정보를 추정하기 위해서는, 최인접 구간의 반응속도론적 정보를 이용하여 추정할 수 있다.
상기 도출된 반응속도론적 정보를 이용하여 고로 괴상대 상부 반응 단계, 고로 괴상대 하부 반응 단계에서 반응속도론적 정보의 회귀 직선식을 작성한 결과는 각각 도 3a, 도 3b 와 같다.
상기 도출된 회귀 직선식으로부터 환원율을 역산하기 위해 고로 괴상대 위치별 제2 온도 및 제2 가스 분압 조건을 하기 표 4와 같이 정의하였다. 본 실시예의 고로 괴상대 위치별 제2 온도 및 제2 가스 분압 조건은 비특허문헌 1의 도면 1, 비특허문헌 3의 도면 2에 근거하여 정의되었으나, 이 외에도 고로 괴상대 반응 모사 조건을 사용하여도 무방하다.
[표 4]
Figure 112021020998544-pat00028
상기 도출된 회귀 직선식으로부터 상기 표 4의 제2 온도 및 제2 가스 분압 조건으로부터 역산하여 산출된 위치별 환원율을 통하여 장입 원료의 고로 괴상대 위치별 환원율을 추정한 결과는 도 4와 같다.
상기와 같은 결과를 이용하여 장입 원료의 고로 괴상대 위치별 환원율을 추정하는 방법을 적용 시 코크스 이외의 다른 환원제 사용에 의한 조업 조건 변화에 따른 장입 원료의 고로 괴상대 위치별 환원율 및 그의 변화를 정량화할 수 있는 표준 조건 설정에 대한 효과를 발휘할 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (12)

  1. (a) 제선용 로의 위치에 따른 온도 및 가스 분압 조건을 구하는 단계;
    (b) 상기 온도 및 가스 분압 조건에서의 환원율을 구하는 단계;
    (c) 상기 환원율에 기초하여 반응 속도론적 정보를 도출하는 단계;
    (d) 상기 반응 속도론적 정보와 상기 온도 사이의 상관 관계 및 상기 반응 속도론적 정보와 상기 가스 분압 조건 사이의 상관 관계를 회귀 직선식으로 나타내는 단계;
    (e) 조업 조건을 변화시킨 후, 제선용 로의 위치에 따른 제2의 온도 및 제2의 가스 분압 조건을 구하는 단계; 및
    (f) 상기 제2 온도 및 제2의 가스 분압 조건에 따른 환원율을, 상기 (d) 단계에서 도출한 회귀 직선식으로부터 역산하는 단계를 포함하고,
    여기서 로의 위치는 로 또는 로 내의 임의 반응대를 상부에서부터의 거리에 따라 거리별로 나누었을 때 이렇게 나누어진 각 지점 또는 구역을 가리키는 것이고,
    상기 조업 조건의 변화는 환원제, 장입 원료, 및 가스 조성으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상이 변경된 것을 특징으로 하고,
    상기 장입 원료는 철광석, 펠렛, 괴광, 소결광, 및 부분환원철로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하고,
    상기 (b) 단계는 하기의 단계를 포함하고,
    (b-1) 상기 (a) 단계에서 구한 위치에 따른 온도 및 가스 분압 조건 하에 열 중량 분석기에서 장입 원료를 환원시키는 단계; 및
    (b-2) 상기 (b-1) 단계의 환원 동안, 시간에 따른 중량 변화를 측정하고 상기 측정된 값에 기초하여 시간에 따른 환원율을 구하는 단계;
    상기 (b-2) 단계는 하기 수학식 1에 의해 환원율을 산출하는 것을 특징으로 하고,
    [수학식 1]
    Figure 112022115750759-pat00034

    상기 수학식 1에서, Xt: 특정 시간 t에서의 환원율(%), WI T.Fe: 환원 전 시료의 T. Fe 중량(g), WI T.Fe 2+ : 환원 전 시료의 Fe2+중량(g), WI T.Fe3 + : 환원 전 시료의 Fe3+중량(g), Wt: 특정 시간 t에서의 환원 반응으로 제거된 산소의 중량(g)
    상기 (c) 단계에서 상기 반응 속도론적 정보는 반응 율속 단계에 따른 반응 속도 상수인 것을 특징으로 하고,
    상기 반응 율속 단계에 따른 반응 속도상수는 하기 수학식 2 내지 4에서 선택된 하나 이상의 수학식에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는,
    Figure 112022115750759-pat00035

    상기 수학식 2 내지 4에서, kD : 확산 반응 율속 조건에서의 반응속도상수 (1/분), kR : 계면 반응 율속 조건에서의 반응속도상수 (1/분), kM : 혼합 율속 조건에서의 반응속도상수 (1/분), t : 환원 반응 시간 (분)
    조업 조건의 변화에 따른 로 위치별 환원율을 추정하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제선용 로는 CO 가스에 의한 간접 환원 단계, 고체 탄소에 의한 직접 환원 단계, 및 용융 단계로 구성되어 있는 로인 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 (a) 단계에서 제선용 로의 위치는 고로 괴상대의 위치인 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 (a) 단계에서의 온도는 600 내지 1,200℃의 범위인 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 (a) 단계에서의 가스 분압 조건은 질소, 일산화탄소, 이산화탄소, 및 수소로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나의 가스에 대한 것임을 특징으로 하는 방법.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제1항에 있어서, 상기 (f) 단계는 하기의 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법:
    (f-1) 상기 (d) 단계에서 도출한 회귀 직선식으로부터 역산하여, 상기 제2 온도 또는 제2 가스 분압 조건으로부터 제2 반응 속도론적 정보를 구하는 단계, 및
    (f-2) 상기 (c) 단계에서 반응 속도론적 정보를 구하는 과정을 역산하여 상기 제2 반응 속도론적 정보로부터 환원율을 구하는 단계.
    상기 회귀 직선식은 최소자승법에 기초하여 얻을 수 있고,
    상기 제2 반응 속도록적 정보는 상기 제2 온도 또는 제2 가수 분압조건의 반응 율속 단계에 따른 반응 속도 상수이고,
    상기 반응 속도론적 정보를 구하는 과정은 청구항 1항의 수학식 2 내지 4에서 선택된 하나 이상의 수학식에 의해 산출되는 것을 특징으로 하고,
    상기 제2 반응 속도론적 정보로부터 환원율을 구하는 단계는 청구항 1항의 수학식 2 내지 4에서 선택된 하나 이상의 수학식에 의해 제2 반응 속도론적 정보를 산출하고, 상기 산출된 제2 반응 속도론적 정보로부터 청구항 1항의 수학식 1에 의해 환원율을 산출하는 것을 특징으로 함.
  11. 조업 조건 변화에 따른 로 위치별 온도 및 제1항에 기재된 방법으로 추정된 조업 조건 변화에 따른 로 위치별 환원율을 사용하는 것을 특징으로 하는, 조업 조건 변화에 따른 열 보존대에서의 환원율을 추정하는 방법.
  12. 조업 조건 변화에 따른 로 위치별 온도 및 제1항에 기재된 방법으로 추정된 조업 조건 변화에 따른 로 위치별 환원율을 사용하는 것을 특징으로 하는, 조업 조건 변화에 따른 융착대 도달시 환원율을 추정하는 방법.
KR1020210023250A 2021-02-22 2021-02-22 로 내 위치별 환원율의 추정 방법 KR102491194B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020210023250A KR102491194B1 (ko) 2021-02-22 2021-02-22 로 내 위치별 환원율의 추정 방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020210023250A KR102491194B1 (ko) 2021-02-22 2021-02-22 로 내 위치별 환원율의 추정 방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20220119868A KR20220119868A (ko) 2022-08-30
KR102491194B1 true KR102491194B1 (ko) 2023-01-19

Family

ID=83114201

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020210023250A KR102491194B1 (ko) 2021-02-22 2021-02-22 로 내 위치별 환원율의 추정 방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102491194B1 (ko)

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101848183B1 (ko) * 2016-12-27 2018-04-11 현대제철 주식회사 고로 내 가스 이용률 예측방법

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH06256818A (ja) * 1993-03-02 1994-09-13 Nippon Steel Corp 高炉操業方法

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101848183B1 (ko) * 2016-12-27 2018-04-11 현대제철 주식회사 고로 내 가스 이용률 예측방법

Also Published As

Publication number Publication date
KR20220119868A (ko) 2022-08-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Ujisawa et al. Subjects for achievement of blast furnace operation with low reducing agent rate
US9816151B2 (en) Method for operating blast furnace and method for producing molten pig iron
US9169532B2 (en) Process for the improvement of reducibility of ore pellets
Gao et al. Gas-solid reduction kinetic model of MgO-fluxed pellets
JP5455813B2 (ja) 焼結鉱の還元粉化性状の評価方法
Tang et al. Reaction model and reaction behavior of carbon composite briquette in blast furnace
KR102491194B1 (ko) 로 내 위치별 환원율의 추정 방법
Kamijo et al. Influence of Large Amount of Hydrogen Containing Gaseous Reductant Injection on Carbon Consumption and Operation Conditions of Blast Furnace-Development of Low Carbon Blast Furnace Operation Technology by using Experimental Blast Furnace: part II
JP2016050323A (ja) 高炉操業方法
JP4971662B2 (ja) 高炉操業方法
WO2022264549A1 (ja) 塊成鉱の評価方法および塊成鉱
JP2013147692A (ja) 高出銑比高炉操業方法
Kawashiri et al. Effect of Nitrogen-less Reducing Atmosphere on Permeability of Cohesive Layer in Blast Furnace
Shim et al. Conditions for minimizing direct reduction in smelting reduction iron making
JP6627469B2 (ja) シャフト炉を用いた酸化鉄原料の還元方法
CN113916676A (zh) 一种炼铁原料高温强度测试装置及方法
Bersenev et al. Structure and metallurgical properties formation of semireduced pellets
EP2495339B1 (en) Method for operating blast furnace
JP2023131283A (ja) 還元ペレットの製造方法
Chu et al. Numerical evaluation on lower temperature operation of blast furnaces by charging carbon composite agglomerates
JP7552881B2 (ja) 高炉の操業方法
JP2023018430A (ja) 高炉の融着帯スラグ量の推定方法および操業方法
JP7111284B1 (ja) 塊成鉱の評価方法および塊成鉱
Garg et al. Evaluating the behavior of catalyst coated nut-coke in blast furnace conditions
Belkin et al. Use of Iron-Coke Briquets on a Cement Binder in Blast-Furnace Smelting.

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant