KR19990008225A - 고로에서의 금속원료 제련방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고로에서 금속원료를 제련하는 방법에 관한 것이다. 이 방법동안 코우크스는 예열된 공기 및 사실상 깨끗한 산소와 함께 연소되며 연도가스는 역방향으로 금속 장입물을 가열한다. 용융물은 코우크스 베드에서 과열되고 탄화되며, 산소의 고정된 일부의 송풍은 코우크스 베드에서의 가스의 관통성을 개선하기 위해 가능한 한 깊이 그리고 매우 고속으로 코우크스 베드에 분사되며, 산소의 제2의 가변 송풍량은 송풍파이프로 분사된다.

Description

고로에서의 금속원료 제련방법
본 발명은, 코우크스가 예열공기 및 순수 산소와 함께 연소되고, 연도가스가 역방향으로 금속장입물을 가열하고, 용융물이 코우크스 베드에서 과열되고 탄화되는 고로에서의 금속원료 제련방법에 관한 것이다.
철과 비철금속, 현무암(basalt) 및 연옥(greenstone) 등의 금속재료 및 비금속재료는, 전기 및 화염-가열 제련방법의 개발에도 불구하고 코우크스-가열 고로에서 제련되고 있다. 따라서, 전체 철재료의 약 60%가 큐폴라로에서 생산되고 있다.
큐폴라로가 이와 같은 높은 점유율을 갖는 이유는 계속적인 개발에 있으며, 다수의 공지 공정의 개량 중 산소의 사용 및 열풍식 큐폴라로의 개발이 중요성을 가진다.
예를 들면, 낮은 철 온도, 규소의 빠른 용융, 낮은 탄화(carburization), 높은 코우크스 소비, 높은 황(sulfur) 흡수, 내화물의 빠른 마모와 같은 냉풍식 큐폴라로의 공정학 및 금속학적 단점은 열풍식 큐폴라로의 개발에 의해 대부분 보상되었다.
유사한 개선은 산소의 사용에 의해 성취되며, 여기서 산소는 최대 25%까지 큐폴라로 송풍기류에 포함되거나 음속 이하의 속도로 직접 분사되어 큐폴라로 내로 송풍된다. 그러나 높은 작동비용 때문에, 산소는, 예컨대 냉로의 신속한 시동 또는 제한된 시간동안 철 온도의 상승과 같이 비연속적으로만 사용된다. 생산량의 증가, 즉 산소의 연속 사용의 가능성은 예외적인 경우에만 이용된다.
이러한 공정개량의 도입에도 불구하고, 제련능력, 철 온도 및 코우크스 장입량은 적정 작동점에서의 매우 좁은 영역 내에서만 변경될 수 있다.
산소의 첨가량뿐만 아니라 송풍량과 제련능력간의 관계는 공지의 융블루트식(Jungbluth equation)에 의해 설명된다. 이 식은, 모든 큐폴라로에 대해 경험적으로 결정되는 연소비 및 코우크스 장입량을 가지고 질량과 에너지를 생성함으로써 얻어진다.
활성 매개변수, 즉 송풍량, 코우크스 장입량 및 연소비를 목표 매개변수와 결합함으로써, 동일한 코우크스 장입량 및 동일한 송풍량의 곡선을 가진 제련능력도, 도 1이 제공된다.
융블루트도로 알려진 이 제련능력도는 모든 큐폴라로에 대해 경험적으로 결정되야 한다. 코우크스의 덩어리진 모양, 코우크스의 반응도, 장입물의 조성, 송풍량, 노압력, 온도 등의 조건이 변경되는 경우 작동양태가 즉시 변하므로, 다른 큐폴라로에의 전용은 불가능하다.
최대온도에서 열손실은 최소이다. 과도하게 높은 송풍량, 즉 고유속에서, 노는 과송풍(overblowing)된다. 과도하게 낮은 송풍량, 즉 저유속에서, 노는 저송풍(underblowing)된다. 두 경우, 한편으론 부가된 N2밸러스트(ballast)도 가열되야 하기 때문에, 다른 한편으론 CO의 부가적인 형성에 의해 열이 제거되기 때문에, 연소온도는 낮아진다. 더욱, 철에 수반된 성분은 과송풍으로 더욱 완전히 산화된다.
송풍 시, 예컨대 24 부피%까지 산소를 사용함에 의해, 그물망 선(net line)은 우상부로, 즉 더 높은 온도 및 더 높은 철 생산량 쪽으로 이동된다. 최대온도는 평평해지며, 노는 과송풍 또는 저송풍에 민감하지 않게 된다.
철 온도가 떨어지고, 더 낮은 탄화, 용융규소 증가, 슬래그의 FeO 함량의 증가, 송풍량의 감소에 기인한 노 내의 벽 채널링과 같은 금속학 및 공정학상의 문제가 발생하기 때문에, 일정한 철 생산량 및 감소된 송풍량에서 코우크스 장입량의 감소는 산소의 연속적인 첨가에서도 불가능하다.
연소기술의 관점에서 많은 초과량의 코우크스가 존재하고, 용융철의 제조비가 재용융비 및 원료비에 필연적으로 영향을 받기 때문에, 일정 제련능력에서 코우크스량의 감소가 경제적인 이유로 크게 관심을 끈다.
더욱, 특히 큰 화염직경을 갖는 큐폴라로의 경우, 소위 데드 맨(dead man)이 송풍의 다량의 산소함유 및/또는 음속 이하의 속도에서의 직접적인 산소분사에도 불구하고 노의 중앙부를 따라 존재한다. 탄소와 송풍된 산소와의 반응은 송풍노즐에 인접한 제한된 영역 내에서만 일어나며, 다시 말하면 노는 벽 채널링을 가지고 작동된다.
노의 중앙부에 존재하는 코우크스는, 낮은 운동량에 의해 연소공기가 전방에 위치된 베드를 관통할 수 없으므로, 반응에 기여하지 못한다. 반응존은 송풍노즐에 근접하게 위치된다 (도2a). 관통깊이는 공지의 다량 산소의 노송풍(furnace blast) 또는 음속 이하의 속도로의 산소의 송풍에 의해 실질적으로 증가되지 않는다. 산소의 더 많은 공급에 의해, 반응존은 압력조건에 따라 상방으로 더 넓어진다 (도2b).
소망된 연소 코우크스량의 감소에 대한 전제조건으로써, 노의 단면에 걸친 균일한 연소, 즉 공급산소의 균일한 분포가 달성되야 한다. 이를 위해, 운동량, 즉 공기속도 또는 산소분사속도가 지금까지 본 분야에 대해 기술된 목표치를 초과하여 증가되야 한다.
특허출원 GB 2,018,295는 한 시스템을 개시하며, 이 시스템에 의해 산소는 송풍노즐의 중앙부에 합체된 라발노즐(Laval nozzle)을 통해 초음속으로 송풍되어 내화물 라이닝의 마모를 최소화한다. 코우크스 장입량을 감소하는 것은 불가능하였다.
비교를 위해 송풍노즐에 합체된 초음속노즐을 가지고 시험해 본 결과 놀랍게도, 동시에 특정로(special furnace)의 송풍량이 Fe의 500 내지 600 m3(i.D.)/t로부터 Fe의 400 내지 480 m3(i.N.)/t로 감소되고 첨가산소가 노직경의 함수로써 (도 3) 송풍되는 경우, 노작동 및 철품질에 부작용 없이, 연소 코우크스는 Fe의 20 내지 30 kg/t만큼 감소될 수 있다는 사실이 발견되었다. 특정의 산소수요는 도 3에 따라 변해야 한다. 열풍 큐폴라로의 경우(500 내지 600℃ 열풍온도), 1m의 노직경에서 철 1톤당 약 15 내지 22 m3(i.N.)의 산소가 요구되며, 4m의 노직경에서 40 내지 61 m3(i.N.)의 산소가 요구된다. 노즐출구에서 1.1 M 3의 다수의 산소분사는 노직경의 함수로써 설정되야한다. 지금까지의 공지의 큐폴라로 이론에 반하여, 출탕온도(tapping temperature)는 동시에 30℃까지 증가된다. 이 결과, 규소용융은 10% 감소되고, 탄화는 0.2% 증가된다. 산소의 고정된 일부는 초음속의 속도로 큐폴라로에 분사·도입되는 경우, 큐폴라로의 단면에 걸친 더욱 균일한 산소분포가 달성되므로, 코우크스 절약에 대한 가장 양호한 결과가 얻어진다. 산소의 나머지는 제어된 방식으로 송풍링내의 기류와 혼합된다 (도 4). 이 방책은 일정한 분석적인 제어를 가능케한다. 기류내의 산소량은 투입가스의 CO, CO2및 O2성분을 통해 제어되며 조절된다. 초음속 분사의 결과 큐폴라로의 중앙부에 혀(tongue) 모양으로 나타난 반응존은 (도 2c), 초음속 분사의 흡입력에 의해 다량의 O2를 함유한 연소공기가 노중앙부로 추가적으로 이동되므로, 상방으로 넓어지며 더욱 균일하게된다 (도 2d).
노송풍의 감소에 기인하여, 노압력은 감소되고, 투입가스량은 20% 감소된다. 노 내의 더 낮은 유속에 기인하여, 먼지량은 투입가스량에 비례하여 추가적으로 감소된다. 열교환기가 감소된 송풍량에 의해 덜 작동되므로, 열풍온도는 30℃까지 상승한다.
하기의 원리는 송풍링 및 노즐 각각으로의 산소의 첨가에 대한 분야에 적용된다.
기본량은 OCI1.XL5도로부터 선택될 수 있다. 첨가산소의 절대량은 소망 철 온도에 의해 결정된다. 코우크스 베드의 온도가 증가되는 경우, 철 온도는 상승된다. 산소에 수반된 질소의 냉각효과가 결여될 경우, 코우크스 베드의 온도는 증가된다.
랜스(lance)를 통해 초음속으로 첨가된 산소의 양은 노크기에 따라 증가된다. 랜스 = O1을 통해 첨가된 산소량과 송풍 = O2에 함유되어 첨가된 산소량간의 적정비는 철 온도를 측정함에 의해 시동시 구해지고, 제어기에 사전설정된다.
투입가스에서 CO 및 CO2의 부피분률의 적정비는 작동비용의 합으로부터 결정된다. 더 높은 CO 함량을 가진 더욱 강한 환원성 분위기는 규소의 절감을 가져오고 코우크스에 대한 더 높은 비용을 가져온다. 그러므로, 적정의 설정점은 원료의 시장가격에 의존한다. 산화성 작동방법이 경제적인 시기 및 나라가 있다. 그러므로 가장 유익한 CO/CO2비는 때때로 검수되고, 적정 산소량이 설정되야한다.
탄소/철의 장입량의 변화에 기인하여, 의도된 적정의 CO/CO2설정치는 변동된다. 이러한 짧은 주기의 변동은 산소의 첨가를 적용함에 의해 보상될 수 있다. 산소가 첨가될 경우, 코우크스 베드의 온도가 매우 신속히 상승하므로, 보도아트 반응(Boudouard reaction)은 신속하다. O1 및 O2로의 산소의 총투입량은 그러므로, CO/CO2비가 가장 경제적인 값에 유지되는 방식으로 제어된다. 이러한 작동방법을 이용하면, 분석시 가장 작은 편차가 달성된다.

Claims (5)

  1. 코우크스가 예열된 공기 및 순수산소와 함께 연소되고 연도가스가 역방향으로 금속 장입물을 가열하며, 용융물이 코우크스 베드에서 과열되고 탄화되는 고로에서 금속원료를 제련하는 방법에 있어서,
    상기 방법은,
    코우크스 베드로의 가스 관통을 개선하기 위해 산소의 고정된 일부량을 매우 고속으로 코우크스 베드에 가능한 한 깊게 분사하는 단계; 그리고
    제2의 가변 산소량을 송풍링에 분사하는 단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 고정된 일부량은 가능한 한 가장 높은 철 온도가 얻어지도록 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 투입가스의 CO/CO2함량은 노손실에 대해 적정치로 조절될 수 있는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 1 항 및 제 2 항에 있어서, 적정 철 온도는 제어루프에 의해 일정하게 유지되는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 1 항 및 제 3 항에 있어서, 적정 노분위기는 제어루프에 의해 일정하게 유지되는 것을 특징으로 하는 방법.
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