KR20010023539A - 제철 및 제강 방법 - Google Patents
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Abstract
용선은 (1) 산화철 및 탄소질 환원제를 제공하고; (2) 탄소질 환원제 및 산화철로부터 형상화된 생성물을 제조하고; (3) 형상화된 생성물로부터 60% 이상의 금속화도, 1.7 이상의 비중, 및 고체 환원된 철에 잔류하는 산화철을 환원하는데 요구되는 이론적 양의 50% 이상의 탄소 함량을 갖는 고체 환원된 철을 제조하고; 및 (4) 실질적인 냉각이 일어나기 전에, 아크 가열형 용융로에서 고온으로 고체 환원된 철을 가열하여 제조된다. 상기 용선은 고에너지 및 고도의 환원 효율로 간단한 설비에서 간단한 작동에 의해 내화물의 부식을 유발함 없이 철 함량이 비교적 낮은 철광석으로부터 효과적으로 제조될 수 있다.
Description
탄소 물질 또는 환원성 가스를 사용하여 철광석 또는 산화철 펠렛과 같은 산화철을 환원시킴으로써 환원된 철을 제조하는 직접 환원 방법으로서, MIDREX 공정에 의해 전형적으로 대표되는 고로(shaft furnace)법이 공지되어 왔다. 상기 유형의 직접 제철 공정에서, 환원된 철은 천연 가스 등으로부터 고로의 하단부에 있는 송풍구를 통해 생성되는 환원성 가스의 취입, 및 상기 환원성 가스의 환원력을 이용하여 산화철을 환원시키는 공정에 의해 수득된다. 추가로, 환원제로서 천연 가스 대신에 석탄과 같은 탄소 물질을 사용하는 환원 철생산 공정이 최근에 공지되었고, 특히 회전식 가마에서 미분 석탄과 함께 철광석의 소결 펠렛을 가열 환원시키는 소위 SL/RN 방법은 이미 실제로 사용되어 왔다.
추가로, 다른 제철방법으로서 미국 특허 제 3,443,931 호는 탄소 물질 및 산화철 미립자를 덩어리로 혼합하고, 이들을 회전식 화덕에서 가열-환원시키는 것을 포함하는 환원된 철의 제조 공정을 개시한다. 상기 공정에서, 미분 광석 및 미분 석탄은 덩어리로 혼합한 다음 고온의 분위기 하에서 가열-환원시킨다.
상기 방법에 의해 제조되는 환원된 철은 자체로서 또는 대기 온도에서 브리켓 배열로 형성시킨 후 전기 아크로에 삽입함으로써 철 공급원으로서 이용된다. 상기 환원된 철은 트램프 원소와 같은 금속 성분 불순물을 소량 함유하므로, 최근에 상기 환원된 철은 스크랩속에 함유된 트램프 원소에 대한 희석 물질로서 알려져 왔으며, 철 스크랩에 대한 재활용이 활발해지고 있다.
그러나, 산화철(철광석 등)중의 맥석 성분으로서 함유된 SiO2, Al2O3및 CaO와 같은 슬래그 성분 및 탄소 물질(석탄 등)이 침입하기 때문에 생성물의 제철 품질(금속철로서 순도)이 저하된다. 실제 사용에서 슬래그 성분은 연속적인 정련단계에서 분리되고 제거되지만, 슬래그량의 증가로 상기 제련된 용선의 수율을 저하시킬 뿐만 아니라 전기 아크로의 작동 비용에서 바람직하지 않은 영향을 나타낸다.
철 함량이 높고 슬래그 함량이 낮은 환원된 철이 요구되어 왔다. 그러나, 상기 환원된 철에 대한 종래의 제조 공정은 상기 요구를 충족시키기 위해서, 환원 철 제조용 원료 물질로서 철 함량이 높은 철광석을 사용하는 것을 요구하므로 실제 사용될 수 있는 제철용 원료 물질의 선택 범위를 현저히 제한하는 단점이 있다.
추가로, 당해 분야에 공지된 상기 방법은 최종적으로 중간 생성물로서 환원된 고체 생성물을 수득하도록 의도된 것으로, 다에너지 소모성이거나 브리켓화를 위한 추가의 설비 또는 에너지가 요구되며, 실제 사용시 상기 생성물을 환원 용융 단계에 연속 단계로 이동시킬 때까지 브리켓화, 냉각, 수송 및 저장과 같은 단계를 요구한다.
한편, 산화철의 직접 환원에 의해 예비 환원된 철을 수득하는 방법으로서, DIOS법과 같은 정련환원 방법이 또한 공지되어 있다. 상기 방법은 예비적으로 철산화물을 30 내지 50%의 예비-환원율로서 환원시키고, 이들을 철욕 및 슬래그에서 고체 탄소 및/또는 일산화탄소와의 직접 환원 반응에 의해 금속철로 환원시킨 다음 용융시키는 것을 포함한다. 그러나, 제련용 환원 용기에서 예비 환원 단계에 대해 요구되는 환원성 가스를 생성하고 상기 가스를 예비 환원로에 도입하는 재순환 시스템은 상기 방법으로 구성되기 때문에, 상기 공정의 조화를 이루는데 문제가 있고 극도로 어렵다. 추가로, 액체 산화철(FeO) 및 내화물은 용융 상태에서 서로 직접 접촉되기 때문에, 내화물의 대규모 부식 문제가 지적되어 왔다.
추가로, 일본 특허 공개 공보 제 (평) 3-60883 호는 미세 광석 및 탄소 물질을 혼합하고, 이들을 집괴로 형성시키고, 이들을 회전식 화덕형태의 가열로로 예비 환원시키고, 이로부터 수득된 예비 환원 생성물을 냉각 없이 용융로에 충전시키고, 이들을 용융시키고, 탄소 물질을 첨가하면서 환원을 수행하고 추가로 산소를 취입시켜 제련을 수행하는 다른 방법을 개시한다. 상기 예비 환원 생성물은 냉각없이 용융로에 이송하고 상기 방법으로 환원 및 제련되기 때문에, 상기 방법은 가열 에너지 소모량이 적고 연속 작동을 가능하게 하며 생산성의 측면에서도 효과적인 것으로 고려된다.
상기 제철 방법에서, 산소(또는 공기)는 다량의 탄소 물질과 함께 가열 및 제련을 위한 용융로내로 취입된다. 따라서, 철광석 및 탄소 물질중의 맥석 성분은 용융로로 이송된 예비 환원 생성물에 상기와 같이 다량으로 함유되므로, 다량의 슬래그는 용융로에서 용선의 격렬한 교반에 노출된다. 다량의 산화철(FeO)은 슬래그에 주입되므로, 정렬된 내화물의 현저한 부식을 초래하여, 산업용 규모의 방법에 사용하는 것을 곤란하게 한다.
어쨌든, 용융로에서 업스트림으로 예비 환원로에서 요구되는 충분한 환원 포텐셜을 갖는 환원성 가스를 보장하기 위해, 다량의 산소 및 탄소 물질(수 백kg/tmi(mi: 제조되는 용선))을 용융로에 공급하여 연소시킬 필요가 있기 때문에, 용융로에서 열 부하는 극도로 크고 정렬된 내화물은 용선 및 슬래그의 격렬한 교반에 의해 심각하게 부식된다. 추가로, 예비 환원로에서 요구되는 적당한 조성 및 양으로 환원성 가스를 안정하게 공급하기 위해, 전체 설비의 균형을 이루는 것이 극도로 어려워 고수준의 조절 시스템이 요구된다.
발명의 요약
본 발명은 전술한 배경하에서 완성되었다. 본 발명의 목적은 철 함량이 높은 산화철 공급원을 이용하거나 내화물의 부식을 유발하지 않고 비교적 철 함량이 낮은 철광석을 이용하는 제철방법을 제공하는 것이다. 더욱이, 상기 제철방법은 간단한 설비 및 작동으로 용선을 수득할 수 있고, 또한 상기 방법에 의해 수득된 용선을 사용하는 제강방법을 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 해결할 수 있는 본 발명에 따른 제철방법은, 실질적인 냉각없이 고온에서 환원 철생산 설비에서 주요 물질로서 탄소질 환원제를 혼입한 형상화된 생성물을 함유하는 산화철로부터 제조된 고체 환원된 철을 아크 가열형 용융로로 공급하고, 상기 용융로에서 환원된 철을 가열하는(여기서, 상기 방법은 60% 이상의 고체 환원된 철의 금속화를 수행하고, 고체 환원된 철중의 탄소 함량을 고체 환원된 철에 잔류하는 산화철을 환원시키는데 요구되는 이론적 당량의 50% 이상 및 고체 환원된 철의 비중을 1.7 이상으로 조절하며, 아크 가열형 용융로에 의해 고체 환원된 철을 가열하여 탄소 함량이 1.5 내지 4.5%인 용선을 수득한다) 것을 포함한다.
상기 본 발명의 실시에 있어서, 아크 가열형 용융로의 정렬된 내화물의 부식을 최소화하면서 용융-환원을 효과적으로 수행하기 위해서, 고체 환원된 철은 아크 가열형 용융로에서 용융된 슬래그에서 배출되고 용융된 슬래그의 염기성은 바람직하게는 1.0 내지 1.8의 범위내로 조절되고 용융된 슬래그에서 산화철의 함량은 바람직하게는 9% 이하, 더욱 바람직하게는 5%이하(Fe 함량기준)로 조절된다.
아크 가열형 용융로에서 부족함을 보충하기 위해 탄소질 환원제가 추가로 충전되는 경우, 이는 환원 용융을 더욱 효과적으로 수행할 수 있으므로 상기 탄소질 환원제를 고체 환원된 철의 충전 위치로 첨가하는 것이 바람직하다.
추가로, 아크 가열형 용융로에 추가로 충전되는 탄소질 환원제의 양은 용융 환원에 의해 수득된 용선에서 탄소 함량을 본 발명에서 특정된 1.5 내지 4.5%의 범위내로 조정하는 것이 중요하다. 추가로 충전된 탄소질 환원제의 양을 조절하는 방법의, 하기 방법이 바람직하다:
1) 아크 가열형 용융로에서 용선을 샘플링하고, 상기 용선을 직접 분석하고 탄소질 환원제의 첨가량을 조절하여 탄소 함량이 상기 기술된 범위내에 있도록 하는 방법, 또는
2) 아크 가열형 용융로로부터 배출된 배기가스의 조성 및 양을 측정하고, 상기 측정된 값으로부터 계산된 배기 가스에서의 산소 당량을 기초로 계산하여 용선에서의 탄소 함량을 결정하며, 탄소질 환원제의 첨가량을 조절하는 방법.
추가로, 본 발명은 상기 용선에서의 탄소 함량이 상기 기술된 범위 이내이고 Si 0.05% 이하, Mn 0.1% 이하, P 0.1% 이하, 및 S 0.20% 이하를 포함하는 용선이 수득될 수 있도록 조절하는 다수의 기술적 특징을 갖는다. 용선은 하기 기술된 방법에 의해 탈황 및 탈인된다. 황 함량은 약 0.050% 이하 인 함량은 약 0.040% 이하로 감소되고, 전기 아크로(EAF) 또는 염기성 산소로(BOF; basic oxygen furnace)에서 제강용 원료로서 유용한 불순물 함량이 보다 적은 용선이 수득될 수 있다.
본 발명에 적용되는 탈황 및/또는 탈인 방법의 하기 방법이 바람직하다: 아크 가열형 용융로에서 생성된 용선을 독립적인 용기로 이동시키고, 석회질 탈황 융제(가스와 함께 주입)를 첨가하여 용선을 탈황시키고/또는 고체 산소 공급원(산화철 등) 및 가스상 산화물을 함유한 석회질 융제를 취입함으로써 탈인시키는 방법.
본 발명의 방법에서, 철광석과 같은 산화철 공급원의 환원시 환원 포텐셜은 용광로 제철방법에서의 포텐셜에 비해 낮고, 맥석 성분에서 SiO2는 환원없이 SiO2로서 슬래그내에서 형성된다. 따라서, 수득된 용선에서 규소 함량이 낮으므로(0.05% 이하), 특별한 탈규소화는 요구되지 않는다. 추가로, 용선에서 규소 함량이 낮기 때문에, 인 함량이 낮은 용선은 모두 예비 탈규소화에 대한 필요없이 상기 기술된 바와 같은 탈인에 의해 용이하게 수득될 수 있다.
따라서 수득된 불순물 함량이 낮은 용선은 용융 상태에서 제강 물질로서 이에 인접하게 배열된 EAF 또는 BOF에 공급될 수 있으므로, 이러한 시스템은 제철 및 제강용 연속 공정으로서 실제 사용될 수 있고, 또는 생성된 용선은 한번에 노밖으로 배출될 수 있고, 고체로 냉각된 금속철은 제강 물질로서 EAF 또는 BOF에 공급될 수 있다. 특히 제강 물질로서, 고온에서 상기 방법에 의해 용융 상태에서 생성된 불순물 함량이 낮은 용선을 자체로서 EAF 또는 BOF에 공급하는 제강 방법을 사용하는 경우 용선에 보유된 열에너지가 정제를 위한 효과적인 열원으로서 이용될 수 있으므로, 경제적 관점에서도 매우 효과적인 방법으로 권고될 수 있다.
본 발명은 탄소질 환원제(예: 탄소 물질)와 함께 산화철(예: 철광석)을 가열-환원시킴으로써 금속철을 생산하기 위한 제철방법 및 제강방법의 개선에 관한 것이다. 더욱 특히, 본 발명은 개선된 제철방법 및 제강방법에 관한 것으로, 여기서 용선(molten iron)은 탄소질 환원제(펠렛 또는 브리켓)를 고체 상태에서 혼입하여 산화철 함유 형상화된 생성물을 가열-환원함으로써, 추가로 이들 생성물을 환원 및 용융시킴으로써 생성된다. 상기 방법은 가열-환원으로부터 환원 용융에 이르는 일련의 단계에서 가열-효율을 개선시키고, 맥석 성분을 효과적으로 분리시킬 수 있다.
도 1은 본 발명에 따라 탄소 물질이 혼입된 형상화된 생성물을 함유한 산화철의 환원, 아크 가열형 용융 및 제강의 연속 공정의 전형적인 예를 도시한 것이다;
도 2는 아크 가열형 용융로에서 용융된 슬래그에 충전된 고체 환원된 철의 환원 용융 거동을 도시한 것이다;
도 3은 상기 실험에서 수득된 고체 환원된 철의 환원율과 환원시간 사이의 관계의 예를 그래프로 도시한 것이다;
도 4는 고체 환원된 철의 아크 용융로에서 환원율과 전력소비량과의 관계의 예를 그래프로 도시한 것이다;
도 5는 고체 환원된 철의 금속화 및 분산의 예를 그래프로 도시한 것이다;
도 6은 고체 환원된 철에서 탄소 함량과 용융된 슬래그에서 산화철(T, Fe)과의 관계를 그래프로 도시한 것이다;
도 7은 고체 환원 철파편 각각의 용융 속도 및 연속 충전시 제한 용융 속도와의 관계를 그래프로 도시한 것이다;
도 8은 용선에서 탄소 함량 및 탈황률 사이의 관계를 그래프로 도시한 것이다;
도 9는 슬래그의 염기성과 융점 사이의 관계를 그래프로 도시한 것이다;
도 10은 고체 환원 철파편 각각의 중량과 고체 환원된 철의 비중의 관계를 그래프로 도시한 것이다.
본 발명의 전체 구성은 개략적으로 바람직한 양태를 예시하는 전체 공정도에 의해 도시적으로 기술되었으며, 모든 단계에서 조건을 한정한 이유가 구체적으로 설명될 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 제철방법 및 제철/제강을 위한 연속 공정을 예시하는 개략적인 공정도로, 물질 형상화된 생성물 제조 구역 1, 환원 철제조용 설비 2, 아크 가열형 용융로 3, 및 제강로 4가 각각 도시되어 있다. 화살표 A에 의해 도시된 일련의 단계는 철 제조(환원된 철의 제조) 방법과 일치하나, 화살표 B에 의해 도시된 단계는 제강방법과 일치한다.
우선, 제철방법에서, 탄소 물질(펠렛 또는 브리켓)과 혼합된 산화철-함유 형상화된 생성물은 철광석과 같은 산화철 공급원 및 석탄분과 같은 탄소질 환원제의 분말, 또는 물질 형상화된 생성물 제조 구역 1에서의 원료로서 코크스 미분을 사용하여 제조되고, 제조된 형상화된 생성물은 환원 철생산 설비 2로 연속적으로 보내진다. 환원 철생산 설비 2로서, 설비가 탄소 물질(하기에 때때로 형상화된 생성물로 지칭됨)과 혼합된 산화철 함유 형상화된 생성물을 가열하고, 고체 상태를 실질적으로 유지하면서 혼합된 탄소 물질의 환원력 및 연소에 의해 형성된 CO 가스의 환원력에 의해 형상화된 생성물에서 산화철 성분의 환원을 선행하는 기능을 갖는한 임의의 설비가 채택될 수 있다. 예컨대, 회전식 가마 또는 회전식 화덕 형태의 노와 같은 임의의 구조를 갖는 설비가 사용될 수 있다. 설비 2는 형상화된 생성물을 위한 수송 수단에 제공될 뿐만 아니라, 연소기, 연소용 산소 공급 구역과 같은 가열원 및, 선택적으로 환원성 가스 공급 구역에 제공되고, 추가로 온도계 또는 온도 조절 수단과 혼합되어 환원의 수행 상태가 적절히 조절될 수 있다. 도 1은 충전 구역 2a로부터 충전된 형상화된 생성물의 가열-환원의 구성을 갖는 회전식 화덕 형태의 장치를 도시하고, 상기 생성물이 예비결정된 환원율에 도달하는 예에서 연속 배출 구역 2b로부터 나오는 경우 상기 회전식 화덕의 이동을 따라 이동하고 고체 상태에서 배출한다.
환원 철생산 설비 2에서 환원되고 이로부터 배출된 고체 환원된 철은 연속적으로 실질적인 냉각 없이 아크 가열형 용융로 3으로 보내지고, 여기서 형상화된 생성물에서 환원되지 않고 잔류하는 산화철의 가열-환원이 수행되고 환원된 철은 동시에 용융된다. 환원 철 제조용 설비 2로부터 배출된 고체 환원된 철은 보통 약 700 내지 1,300℃의 열을 보유하고, 이 열은 아크 가열형 용융로 3을 위한 가열원으로서 실질적으로 사용되기 때문에, 이는 아크 가열에 대한 에너지 소비를 낮출 수 있다.
본원에서 사용되는 아크 가열형 용융로 3은 아크의 가열을 이용함으로써 가해지는 교반없이 용선을 가열하고, 가능한 정렬된 내화물의 부식을 제한하면서 환원 및 용융을 효과적으로 선행하는 기능을 하고, 상기 아크는 용융로 3에서 용선에 떠있는 슬래그내로 전극 3a를 삽입하고 전류를 공급함으로써 유발되는 침지 아크를 포함한다. 따라서, 구역 3b를 충전하는 물질(고체 환원된 철)은 아크 가열 구역 근처에서 배열되어(즉, 전극 3a를 삽입하는 부분에서), 아크 가열형 용융로 3에서 충전된 고체 환원된 철은 아크의 가열하에 있으면서 신속히 환원되고 용융된다. 추가로, 탄소질 환원제에 대한 추가의 충전 구역 3c는 고체 환원된 철을 충전하기 위한 위치의 맞은편에 배열된다.
따라서, 아크 가열형 용융로 3에서 충전된 고체 환원 철A의 환원 및 용융에 의해 용선(때때로 또한 용융된 금속 또는 용선이라 지칭됨)이 형성되고, 이것은 이미 형성되고 퇴적된 용선에 연속적으로 혼합되고, 상기 고체 환원 철A 에서 함께 존재하는 맥석 성분은 용융된 슬래그로서 형성되고 용선상에 떠있는 용융된 슬래그와 결합된다. 따라서, 용선 및 용융된 슬래그가 아크 가열형 용융로 3에서 예비결정된 양에 의해 퇴적되는 예로, 용선은 적절히 용융로 3의 측부 벽에서 보다 낮은 위치로부터 연속적으로 배출될 수 있고, 또는 용융된 슬래그는 용융된 슬래그 및 용선 사이의 경계보다 다소 높은 위치로부터 적절히 배출될 수 있다.
따라서, 수득된 용선은 요구되는 탈황 및 탈인과 같은 정제 처리후, 강절 제조 물질로서 제강로 4로 보내진다. 제강로 4를 위해, EAF 4a 또는 BOF 4b가 사용되는데 여기서 제련은 철 파편 또는 선철과의 혼합에서 수행된다. 상기 경우에서, 제강로 4가 아크 가열형 용융로 3에 인접하게 배열되는 경우, 고온에서 용선은 용선에 보유된 열이 제련의 가열원으로 이용될 수 있는 제강로 4를 위한 물질로서 실질적으로 온도를 낮추는 것 없이 공급될 수 있기 때문에, 이는 열효율의 관점에서 가장 바람직하다. 상기 경우에 따라, 아크 가열형 용융로 3에서 수득된 용선은 주형 등에 일단 삽입되고, 냉각 응고시키고, 가공하지 않은 중간 제강 물질로서 상업적 상품으로 설계될 수 있고, 또는 멀리 떨어진 위치에서 제강을 위한 물질로서 제강로에 보낼질 수 있다.
본 발명에 따라 수득된 용선은 앞서 기술된 파편과 비교하여 여기에서 함유된 불순물의 양이 적은 금속 성분을 함유하기 때문에, 이 철은 파편을 갖는 적당한 양으로 결합된 사용에 의해 상기 파편에서 불순물 금속 성분을 위한 희석제로서 효과적으로 사용될 수 있다.
본 발명의 기초적인 단계는 상기 기술된 바와 같고, 산업용 크기에서 효과적으로 이러한 단계를 실행하기 위해 고체 환원된 철의 금속화, 고체 환원된 철에서 탄소 함량 및 환원 철생산 설비에서 고체 환원된 철의 비중을 조절하는 것이 극도로 중요하며, 이외에도 아크 가열형 용융로 3에서 환원 용융에 의해 생성된 용선에서 탄소 함량을 적절히 조절하는 것이 극도로 중요한다. 하기 기술이 상기 내용을 구체화시킬 것이다.
우선, 환원 철생산 설비 2에 공급된 산화철-함유 형상화된 생성물이 형상화되는 경우, 철광석과 같은 산화철 공급원 및 석탄과 같은 탄소질 환원제의 분말 각각 또는 상기 형상화한 물질 및 적당한 양의 결합제와 함께 선택적으로 혼합된 코크스, 상기 혼합된 생성물은 선택적 펠리팅 장치 또는 펠리타이저를 사용함으로써 선택적 배열로 형상화되고 이들은 요구되고 사용되는 바와 같이 예비 소결된다. 상기 형상화된 생성물을 제조하기 위해, 환원 철생산 설비 2에서 환원을 효과적으로 선행하기에, 산화철을 환원하고 환원 철생산 설비의 환원 반응 특성에 요구되는 이론적 당량을 고려하면서 의도된 잔탄소량에 요구되는 탄소질 환원제를 상기 산화철 공급원과 혼합하는 것이 바람직하다. 본 발명의 방법에 따른 안정한 작동의 수행에 있어서 중요한 "금속화 60% 이상"을 갖는 고체 환원철을 수득하기 위해, 미리 결정되어 의도된 금속화을 수득하는데 요구되는 탄소 물질을 블렌딩하고 환원로에서의 온도 분위기 및 반응 시간을 적절히 조절할 수 있다.
따라서, 본 발명에서 이는 환원 철생산 설비 2에서 예비 환원 단계에서 수득된 고체 환원된 철에 대해 60% 이상의 선행하는 금속화의 중요한 인자이다. 즉, 연속 공정으로서 연속 단계에서 아크 가열형 용융로 3에의해 용융 환원에서 환원 철생산 설비 2에 의한 예비 환원을 안정하고 효과적으로 수행하기 위해, 환원 철생산 설비 2에서부터 아크 가열형 용융로 3으로 공급된 고체 환원된 철의 금속화의 산란을 최소화하는 것이 필요하다. 상기 금속화가 현저히 다양할 경우, 용융로 3에서 추가로 충전된 탄소질 환원제와 같은 작동 조건 및 가열 조건과 같은 작동 조건을 조절하는 것이 어려우므로, 이는 고체 환원된 철에 대한 환원 용융을 신속하게 하지만 또한 용선에서 탄소 함량을 조절하는데 어렵게 한다.
즉, 아크 가열형 용융로 3으로 공급된 고체 환원된 철의 금속화가 60% 이하인 경우, 상당한 양의 열이 용융로 3에서 보충되어야만 고체 환원된 철에 남아있는 환원되지 않은 산화철의 환원(흡열반응)에 요구되는 열을 보충한다. 특히, 상당한 양의 전력은 아크 가열을 위한 전극에 보충되어야만 용융로의 환원 부하가 현저히 증가하고 이와 더불어 용융로에서 정렬된 내화물의 부식으로 인해 용융로 3의 수명을 극도로 짧게되어 산업용 크기로 실제 사용을 어렵게 한다. 그런데, 고체 환원된 철의 금속화가 60% 이상, 바람직하게는 70% 이상 증가하는 경우, 과도한 환원 부하가 아크 가열형 용융로 3에서 유발되지 않아 상기 문제를 피할 수 있어 원활한 환원 용융이 수행될 수 있다.
환원 철생산 설비 2에서 수득된 고체 환원된 철에 대한 금속화를 60% 이상으로 증가하기 위한 구체적인 수단에서 특정한 제한은 없고, 이는 형상화된 생성물의 제조시 탄소질 환원제의 블렌딩 양(산화철 성분에 비해 등가률) 및 환원 철생산 설비 2에서 예비 환원 조건을 적절히 조절함으로써 이루어질 수 있다(온도, 환원 포텐셜, 공정 시간 등). 상기 조건에 대해, 조건과 금속화 사이의 관계가 예비 실험에서 미리 시험되고 실제 작동에 적용되는 경우, 현저한 산란을 피복하는 것 없이 예비결정된 금속화를 용이하게 보장될 수 있다.
추가로, 아크 가열형 용융로 3에 공급된 고체 환원된 철에 대해 고체 환원된 철의 비중을 1.7 이상으로 조절하고, 상기 고체 환원된 철에서 탄소 함량을 고체 환원된 철에 남아있는 산화철을 환원하는데 요구되는 이론적 당량보다 약 50% 이상으로 만드는 것이 중요하다.
상기 인자를 한정하는 이유가 하기에 기술되어 있다. 즉, 아크 가열형 용융로 3으로 충전된 고체 환원 철A는, 예를들어 도 3에 도시된 바와 같이(개략도) 용융로 3에서 이미 형성된 용융된 슬래그 S 및 용융된 금속에서 부유물에 충전된다. 아크의 가열에 의해 고체 환원 철A를 효과적으로 가열함으로써 환원을 신속히 선행하기 위해, 고체 환원 철A가 용융된 슬래그 S에 침수되고 표면 모두로부터 열을 받는 것이 필요하다. 따라서, 다양한 실험의 결과로, 고체 환원된 고체 A는 용융된 슬래그내로 빠르게 침지하고 상기 환원은 고체 환원 철A의 비중을 1.7 이상으로 하여 신속히 수행될 수 있고, 고체 환원 철A에 남아있는 산화철을 환원하는데 요구되는 이론적 당량보다 고체 환원된 철에서 탄소 함량이 50% 이상으로 된다.
상기 슬래그의 비중은 일반적으로 약 2.4 내지 2.7이고, 비중이 약 1.8인 고체 환원 철A가 용융된 슬래그 S로 침지되는 이유가 하기에 고려된다. 즉, 용융로 3에서 용융된 슬래그 S에 충전된 고체 환원 철A는 용융된 슬래그 S의 표면으로부터 열을 받고 주된 양의 CO가스와 보다 적은 양의 CO2가스가 내부에 남아있는 탄소질 환원제에 의해 유발되는 환원반응에 의해 고체 환원 철A의 주변으로 방출되는데, 여기서 상기 가스는 취입을 유발하는 용융된 슬래그 S에서 폼(foam)의 형태로 혼합되고(도 2A를 참조) 용융된 슬래그 S의 비중은 낮아진다. 따라서, 고체 환원 철A가 추가로 용융된 슬래그 S로 침지되는 경우(도 2B), 고체 환원 철A로부터 발생하는 가스량은 더욱이 증가되고, 고체 환원 철A로부터 방출되는 가스의 양이 추가로 증가되어 용융된 슬래그 S의 취입을 더욱 격렬하게 하기 때문에 취입은 더욱 격렬해진다. 비중은 추가로 낮아지고 고체 환원 철A는 추가로 용융된 슬래그 S에 가라앉으며, 고체 환원 철A가 전체적으로 슬래그내에 가라앉은 후의 경우 상기 환원 철A(도 2C)의 전체 표면에서 용융된 슬래그 S로부터 열을 받고, 고체 환원 철A는 신속히 환원되고 용융된다. 따라서, 상기 용선은 연속적으로 용선 Fe로 취해지고 부수적으로 생산된 슬래그 성분은 연속적으로 용융된 슬래그 S로 취해진다.
상기 경우에, 고체 환원된 철의 비중이 1.7 미만인 경우, 용융로 3에서 아크 가열 시간에 용융된 슬래그 S에 충전된 고체 환원 철A는 더이상 용융된 슬래그 S에 가라앉지 않지만 도 2A에 도시된 바와같이 용융된 슬래그 S에 떠있으며, 여기서 용융된 슬래그 S와의 접촉 범위가 감소하여 열효율을 낮추고 상기 환원 반응 속도가 감소하여 공정 시간이 보다 연장된다. 결과로서, 생산성은 현저히 떨어지고 산업상 및 경제적 관점으로부터 실제 사용으로 공정하기는 어렵다.
반대로, 고체 환원 철A의 비중이 1.7 이상, 바람직하게는 1.8 이상, 및 더욱 바람직하게는 1.9 이상인 경우, 용융된 슬래그 S에 충전된 고체 환원 철A는 도 2B, 2C에 도시된 바와같이 비중의 편차에 기인한 극도로 짧은 시간에 용융된 슬래그 S내로 가라앉고, 표면 전체에서 용융된 슬래그 S의 열을 받고 환원은 신속히 수행하여, 상기 환원 효율이 현저히 개선되어 환원 반응을 신속히 완성시킨다. 한편, 용융된 슬래그 S내에서 용융되는 산화철의 양 또한 최소화되고 정렬된 내화물의 부식 또한 최소화될 수 있다.
고체 환원 철A의 환원 효율을 위해, 상기 기술된 용융된 슬래그 S의 방법에 의해 전달된 아크 가열의 가열 수행 효율은 극도로 중요하다. 비중이 적당하더라도, 고체 환원 철A에 함유된 탄소질 환원제의 양이 불충분한 경우, 충분한 환원 효율을 수득할 수 없다. 용융로 3에서, 또한 고체 환원 철A로부터 독립적 환원에 요구되는 상기 탄소질 환원제를 추가로 충전하는 것이 가능하나, 추가로 충전된 탄소질 환원제는 본질적으로 고체 환원 철A의 주변에 공급되고 고체 환원 철A의 내부에 삽입하지 못하여 고체 환원 철A가 용융되지 않는 경우 환원력은 효과적으로 수득될 수 없고, 고체 환원 철A에서 환원율은 이에 존재하는 탄소질 환원제의 양에 의존한다.
상기 관점으로부터, 짧은 시간에 용융로 3에서 충전된 고체 환원 철A의 가열 환원을 효과적으로 수행하기 위한 다른 인자로서 고체 환원 철A에 함유된 탄소질 환원제의 양에 대해 연구한 결과, 고체 환원 철A에 남아있는 산화철을 환원하는데 요구되는 이론적 당량에 비해 고체 환원 철A에서 탄소 함량이 50% 이상, 보다 바람직하게는 70% 이상인 경우, 고체 환원 철A에서 산화철을 위한 환원은 외부로부터의 가열하에 있음으로써 신속히 수행하여 환원 및 용융에 대한 높은 효율을 이룸을 알았다.
탄소 함량을 100% 이상으로서 한정하는 것은 선택적이다. 그러나, 탄소 함량이 약 50%로 불충분할 경우, 고체 환원 철A의 용융에 의해 유동하는 환원되지 않은 상태에서 산화철은 탄소 성분의 부족에 대해 독립적으로 탄소질 환원제를 추가로 충전함으로써 신속히 환원되므로, 실제 문제가 일어나지 않음이 확인되었다. 따라서, 아크 가열형 용융로 3에 공급된 고체 환원 철A에서 탄소 함량은 환원되지 않은 상태에서 남아있는 산화철의 환원을 위해 요구되는 이론적 등가 성분에 대해 100% 미만인 경우, 불충분하게 탄소 함량은 추가로 고체 환원 철A를 위한 충전 부분의 근처에서 독립적으로 탄소질 환원제로서 충전될 수 있다.
환원 철생산 설비에 의해 제조된 고체 환원된 철의 비중은 환원 철생산 설비에 공급되는 원료의 특성 및 블렌딩률, 및 환원 철생산 설비에서 환원 조건(특히, 분위기 온도 또는 시간)에 따라 다양하기 때문에, 상기 조건들과 비중 사이의 관계는 미리 예비 실험에 의해 확인되고 적당한 조건은 이에따라 정해질 수 있다.
추가로, 고체 환원된 철에서 잔여량은 환원 철생산 설비에서 환원 특성을 충분히 인지하고, 블렌딩 물질의 종류 및 조성물에 기초된 상기 환원 반응 특성을 고려하면서 블렌딩 양을 결정하고 환원을 위한 조건(온도, 시간, 분위기 가스 조성물)을 적절히 조절함으로써 조정될 수 있다.
따라서, 아크 가열형 용융로 3에 의해 수득된 용선 A에서 탄소 함량을 1.5 내지 4.5%의 범위 이내로 조정하는 이유가 설명된다.
탄소질 환원제와 혼합된 형상화된 생성물을 함유하는 산화철로부터 제조된 환원된 철의 경우에, 석탄과 같이 탄소질 환원제에 함유된 약 70%의 황 함량이 보통 환원된 철에 남아있다. 따라서, 환원된 철이 용융로에서 용융되고, 특히 낮은 금속화의 환원된 철이 용융되는 경우, 용융로에서 탈황은 거의 예상되지 않으므로 용융로로 이동된 대부분의 황은 용선에 전달되어 황 함량이 높은 용선을 생성한다.
용선에서 황 함량은 주로 석회질 융제를 사용함으로써 레이들에서 용융로로부터 태핑한 후 탈황될 수 있다. 그러나, 용선에서 탄소 함량[C]가 1.5% 미만인 경우, 용선에서 평균 상태에 존재하는 산소 함량[O]의 수준이 증가되므로, 이후의 탈황 효율은 현저히 억제된다. 따라서, 탈황 효율을 증가시키고 황 함량이 낮은 용선의 생산을 용이하게 하기 위해서 아크 가열형 용융로 3에 의해 생성된 용선에서 [C]을 1.5% 이상으로 증가시키는 것이 필요하다. 그러나, 용선에서 [C]는 실질적으로 4.5% 근처로 포화되고, 포화된 [C]를 사용하여 용선을 안정하게 수득하기 위해 탄소질 환원제의 과량을 용융로로 충전하여 탄소질 환원제가 항상 노의 슬래그에서 약 10% 이상 존재할 필요가 있고, 이는 탄소질 환원제에 요구되는 비용을 증가시키고 또한 이후의 제련에서 탈탄소 부하를 증가시키므로 바람직하지 않다. 작동 안정성을 증가시키기 위해 특히 용선에서 탄소 함량에 대한 바람직한 하한치는 2.0%이지만, 상한치는 3.5%이다.
아크 가열형 용융로 9에 의해 생성된 용선에서 탄소량을 상기 기술된 1.5 내지 4.5% 범위로 조절하는 구체적인 방법에대한 특별한 제한은 없다. 예비 실험(형상화된 생성물을 제조할 때 혼합되는 탄소 물질의 양, 환원되는 철 생산 설비에서 예비 환원 조건, 탄소질 환원제의 추가의 충전량, 아크 가열형 용융로에서 작동 조건)에 의해 탄소량을 보장하는 최적의 조건을 미리 결정하여, 상기 결정된 조건하에서 작동을 수행하는 것이 가능하다. 그러나, 형상화된 생성물을 위한 원료로서 산화철 공급원 및 탄소질 환원제의 질은 항상 안정하지 않지만 보통은 상당히 변동적이어서, 예를들어 하기 방법을 채택하여 이러한 변동 인자를 흡입할 수 없는 적당한 범위에서 안정한 탄소 함량을 갖는 용선을 수득하는 것이 바람직하다.
① 용선을 분석하고 용융된철에서 탄소량을 실제로 측정하면서 아크 가열형 용융로에서 용선을 샘플링하고, 탄소질 환원제의 첨가량을 조절하는 방법.
② 아크 가열형 용융로로부터 배출된 배기 가스의 조성물 및 양을 측정하고, 계산에 의해 측정된 값을 근거로 계산된 배기 가스에서 산소 당량을 근거로 용선에서 탄소 함량을 결정하고, 상기 탄소 함량에 따라 추가로 충전되는 탄소질 환원제량을 조절하는 방법.
그런데, 고체 환원된 철이 아크 가열형 용융로에서 환원되고 동시에 용융되는 경우, 고체 환원된 철에서 맥석 화합물로부터 형성된 용융된 슬래그는 용선에 떠있다. 용융로에서 용융된 슬래그의 환원 효율 및 분리 효율을 증가시키기 위해 용융된 슬래그의 염기성 및 산화철 함량을 적당히 조절하고 또는 용융로에서 정렬된 내화물의 부식을 억제하는 것이 실질적으로 극도로 효과적이다. 본 발명을 실행할때, 용융된 슬래그의 염기성을 1.0 내지 1.8의 범위내로 조절하고(더욱 바람직하게는 하한치가 1.1이고 상한치가 1.5임), 용융된 슬래그에서 총 철의 함량(T, Fe)(산화철로서 존재하는 총 철의 함량)은 9% 이하, 더욱 바람직하게는 5% 이하로 조절된다.
슬래그 염기성은 상기 슬래그 특성을 특징짓는 기본적 전형적인 특성중 하나로, 용융된 슬래그에 함유된 전형적 성분으로서 CaO 및 SiO2의 비율, 즉 CaO/SiO2으로 표현된다. 용융된 슬래그의 염기성이 1.8을 초과하는 경우, 슬래그의 융점이 갑자기 상승하여 유동성 및 환원의 매끄러운 선행을 낮추어 용융로에서 용융은 용선에 대한 온도가 의도적으로 상승되지 않는다면 어렵다. 추가로, 상기 염기성이 1.0 미만인 경우 정렬된 내화물에 대한 부식은 커진다. 추가로, 용융로에서 정렬된 내화물의 부식은 산화철의 양이 용융된 슬래그에서 증가되는 경우 더욱 커진다. 상기 경향은 용융된 슬래그의 (T,Fe)가 9%을 초과하는 경우 현저히 발전한다. 따라서, 단기간에 용융로에서 고체 환원된 철에 대한 환원 및 용융을 효과적으로 수행하기 위해 그리고 용융로에서 정렬된 내화물의 부식을 최소화함으로써 용융로의 작동 수명을 연장하기 위해, 아크 가열형 용융로에서 고체 환원된 철의 환원 용융 단계에서 용융된 슬래그를 적절히 샘플링하고 염기성 및 (T,Fe)양을 측정하고 슬래그 염기성 조절제( CaO 또는 SiO2)를 첨가함으로써 슬래그 염기성을 적당한 범위로 적절히 조절하고, 또는 용융된 슬래그에서 (T,Fe)양을 억제하기 위해 추가의 탄소질 환원제의 양을 조절하는 것이 바람직하다.
상기 기술된 바와 같이 아크 가열형 용융로 3에서 환원 및 용융에 의해, 탄소 함량이 1.5 내지 4.5%이고 규소 함량이 약 0.05% 이하인 용선이 수득될 수 있다. 용선에서 [C]에 따르기는 다소 어렵지만, EAF 또는 BOF와 같은 제강로에서 약 1350℃ 이상의 온도를 보유면서 용유된 철은 용융된 상태에 공급되거나 주형에서 꺼내어 냉각 응고시켜 도 1을 참조하여 설명되는 바와 같이 제강용 중간 생성물로서 이용될 수 있다. 그러나, 다수의 황 및 인이 상기와 같이 수득된 용유된 철에 함유되기 때문에, 이러한 황 및 인을 제강 단계로 이동하기 전에 미리 제거하는 것이 바람직하다.
상기 목적에 적합한 바람직한 탈황 방법으로서, 예를들어 용융로 3에서 생성된 용선을 레이들 등으로 태핑하고 탈황을 위해 여기에 석회질 융제를 첨가하고 바람직하게는 상기 융제에 의해 취입 창 가라앉는 포획한 황을 사용하여 활성이 없는 가스와 함께 석회질 융제를 용선내로 주입하여 용선에 슬래그로서 분리 및 제거하는 방법이 있을 수 있다. 추가로, 바람직한 탈인 방법으로서, 예를들어 고체 산소 공급원(산화철 등) 또는 가스상 산소 공급원(산소, 공기 등)을 석회질 융제와 함께 레이들 등의 태핑된 용선에 공급하고, 선택적으로 인 성분을 산화시키고 융제와 함께 포획하여 용선에서 분리하여 떠있는 방법이 거론될 수 있다. 상기 기술된 탈황 및 탈인 방법에 대한 특별한 제한은 없지만 공지된 다른 탈황 및 탈인 방법을 채택하는 것이 가능하다. 그러나, 후자의 탈인 방법의 사용은 용융로에서 생성된 용선에서 [Si]가 0.05% 이하이고 공지된 폭발 선철과는 상이하기 때문에 바람직하고, 높은 탈인률은 특정한 탈규소화 없이도 보증될 수 있다.
상기 기술된 탈황 및 탈인의 조건은 [C] 1.5 내지 4.5%, [Si] 약 0.05% 이하, [Mn] 약 0.1% 이하, [S] 약 0.05% 이하, [P] 약 0.04% 이하 및 잔여량의 Fe를 포함하는 불순물이 많은 용선을 제공할 수 있고, 이는 제강 원료로서 극도로 효과적으로 이용될 수 있다. 특히, 상기 방법에 의해 수득된 용선은 다른 불순물 금속 성분 함량이 극도로 낮은 높은 철 순도를 갖기 때문에, 이것이 예를들어 다른 철원(파편 또는 선철)과 함께 약 20 내지 50%으로 제강 물질로서 사용되는 경우, 파편으로부터 삽입된 불순물 금속 성분에 대한 희석제로서 역할을 하여 불순물 금속 성분의 함량이 적은 강을 수득하게 한다. 물론, 조합물에서 사용되는 환원된 철의 비율은 함께 사용되는 파편에서 불순물 금속 성분의 함량에 따라 상기 기술된 범위에서 선택될 수 있고, 또는 환원된 철은 높은 철 순도에서 강을 효과적으로 생산하기 위해 100%까지 사용될 수 있으며, 추가로 다른 금속 성분도 합금 강을 생산하기 위해 EAF 또는 BOF를 사용하는 제강 단계의 최종 단계에서 긍정적으로 첨가된다.
어쨌든, 본 발명에 따른 방법에 의해 수득된 환원된 철은 불순물 금속 함량이 극도로 작은 두드러진 특성을 가지기 때문에, 이는 일반적으로 상기 특성을 이용함으로써 합금 강의 생산 또는 다양한 종류에 사용될 수 있다.
따라서, 설명은 "고체 환원된 철의 금속화: 60% 이상", "고체 환원된 철에서 탄소 함량: 고체 환원된 철에 남아있는 산화철을 환원하는데 요구되는 이론적 당량의 50% 이상(하기 때때로 FeO 환원 당량에 대한 탄소량으로 지칭됨), "고체 환원된 철의 비중: 1.7 이상" 및 "아크 가열형 용융로에서 생성된 용선에서 탄소 함량: 1.5% 내지 4.5%" 각각을 결정하기 위한 기초로 더욱 구체적으로 기술될 것이다.
"고체 환원된 철의 금속화: 60% 이상"을 결정하기 위한 기준
환원 철생산 설비에서 제조된 고체 환원된 철의 금속화에 대한 곡선은 철산화물 원료의 조성물 및 블렌딩률 및 블렌딩된 탄소질 환원제 및 추가로 환원 조건에 따라 다양하다. 금속화에 대한 곡선은 예를들어 도 3에 도시된 바와 같은 경향을 나타낸다.
도 3의 곡선 ①에서, 지점 A는 76%의 금속화 및 4.8%의 잔탄소량에 대한 지점을 나타내고, 지점 B는 85%의 금속화 및 1.6%의 잔탄소량에 대한 지점을 나타낸다. 잔탄소량은 FeO 환원 당량의 탄소량에 비해 지점 A에서 142%이고 지점 B에서 63.5%이며, 잔탄소량은 환원 시간이 경과함에 따라 감소한다. 도 3에서 곡선 ②는 원료의 블렌딩률을 다양화함으로써 줄어든 고체 환원된 철의 금속화를 제한하는 예이다. 임의의 경우에, 상기 금속화는 우선 환원 시간이 경과함에 따라 갑자기 상승하고 상승 곡선은 금속화의 시간이 경과함에 따라 증가되는 경우 억제된다.
그런데, 본 발명에서 채택된 고체 환원된 철의 제조 및 이의 환원 용융을 위한 연속 공정에서, 환원 철생산 설비에서 제조된 고체 환원된 철에 대한 금속화는 아크 가열형 용융로(하기 아크 용융로라 지칭됨)의 작동능에 상당한 영향을 준다. 예컨대, 도 4는 아크 용융로에서 산화철의 환원 용융에서 고체 환원된 철의 금속화 및 전력 소비 사이의 관계를 나타내는 그래프이다. 환원 철생산 설비 및 아크 용융로에 대한 연속 작동을 수행할때, 아크 용융로에 대한 안정한 작동을 확인하는 것이 중요하다. 아크 용융로에 공급되는 전력이 증가되는 경우, 전극에 의한 열공급 부하는 반드시 증가되어 용융로의 정렬된 내화물에 주어진 열충격을 증가시킨다. 따라서, 노체의 크기가 증가되어야만 실제적 경제적 관점에서 모두 불량한 전극 장치 및 노벽에 대한 열충격을 조절한다.
보통의 아크 가열 노에서, 전력 소비가 800kWh/tmi를 초과하는 경우 상기 문제는 확실히 나타난다. 따라서, 상기 문제를 피하기 위해, 아크 가열형 노에 공급된 고체 환원된 철의 금속화는 60% 이상, 더욱 바람직하게는 70% 이상으로 조절된다.
추가로, 환원 철생산 설비에서 제조된 고체 환원된 철의 금속화의 산란은 금속화의 절대값에 의해 영향을 현저히 받고 상기 산란은 금속화가 줄어드는 경우 증가된다. 그런데, 도 5는 상기 금속화의 평균값이 62.8% 및 80.2%인 고체 환원된 철에 대한 금속화의 시험 산란의 결과를 나타내는 그래프이다. 금속화가 줄어드는 경우 상기 산란이 두드러짐을 확인할 수 있다. 실제 작동에서, 상기 금속화의 산란이 증가되는 경우 의도된 금속화 자체는 불안정하게 되므로, 안정한 의도된 금속화를 보장하기 위해 보다 높은 금속화를 수행할 필요가 있다. 다양한 실험 결과, 상기 금속화의 평균값이 60% 이상, 보다 바람직하게는 70% 이상이 되어야만 금속화에서 산란을 실제 작동가능한 수준내로 한정함이 확인되었다.
"고체 환원된 철중의 탄소 함량: FeO 환원 당량에 대한 탄소량의 50% 이상"을 결정하는 기준
도 6은 다양한 조건하에서 제조된 고체 환원된 철에 대하여, 상기 고체 환원된 철에서 FeO 환원 당량에 대한 탄소량 및 용융된 슬래그에서 산화철 함량 사이의 관계의 시험 결과를 도시하는 그래프이다. 상기 실험에서, 78 내지 82%의 금속화를 갖고 FeO 환원 당량과 상이한 탄소량을 갖는 고체 환원 철및 20톤EAF를 사용함으로써 용융되는 경우 용융된 슬래그에서 산화철(T, Fe)의 함량이 사용된다. 또한 도면으로부터, FeO 환원 당량에 대한 탄소량(환원되지 않은 산화철을 환원하는데 요구되는 탄소의 이론적 당량)이 고체 환원된 철에 함유되는 경우, 상기 용융된 슬래그에서 (T, Fe)는 낮은 수준으로 제한되지만 탄소 함량은 FeO 환원 당량에 대한 탄소량의 50% 미만이고(FeO 환원 당량에 대한 탄소량×0.5), 상기 용융된 슬래그에서 (T,Fe)는 갑자기 증가되어 정렬된 내화물의 부식이 두드러진다. 따라서, 상기 정렬된 내화 물의 부식을 최소화 하여 안정한 작동을 보장하기 위해, 고체 환원된 철에서 탄소 함량은 FeO 환원 당량에 대한 탄소량의 50% 이상이어야 한다.
상기 실험에서, 아크 가열형 용융로에서 생성된 용선에서 탄소 함량을 2.1 내지 2.4 이내의 범위로 조절하기 위해, 부족함을 보충하기 위한 탄소 물질이 아크 용융로에 추가로 충전되지만, 고체 환원 철자체에서 잔탄소량은 실질적으로 추가의 탄소 물질량에 상관없이 FeO 환원 당량에 대한 탄소량의 50% 이상으로 제조되지 않는 경우 용융된 슬래그에서 (T, Fe)는 충분히 환원될 수 없다. 물론, 추가로 환원된 용선에서 당량을 환원하는 탄소 함량 및 의도된 탄소 함량을 보장하기에 충분한 양으로 탄소 물질을 고체 환원된 철에 남아있는 산화철로 충전함으로써 상기 용융된 슬래그에서 (T, Fe)을 환원시키는 것이 가능하다고 볼 수 있다. 그러나, 실제적으로 포화 탄소량 미만의 탄소값으로 용선에서 탄소 함량을 유지하는 것은 극도로 어렵지만, 용선에서 탄소 함량은 공정 시간이 경과함에 따라 점차적으로 증가되고 의도된 탄소 함량의 용선을 수득하는데 실패하여, 이는 바람직하지 못하다.
"고체 환원된 철의 비중: 1.7 이상"을 결정하는 기준
본 발명의 방법을 채택하여 고체 상태에서 탄소 물질과 혼합된 산화철 형상화된 생성물의 예비 환원에 의해 고체 환원된 철을 수득하는 경우, 탄소 물질 등이 예비 환원의 선행을 따라 많이 블렌딩됨으로써 형상화된 생성물 각각의 내부에 공동이 형성되기 때문에, 고체 환원된 철의 비중은 예를들어 MIDREX 공정에 의해 생성된 예비 환원된 철의 비중과 비교하여 상당히 감소한다.
그러나, 도 2에 도시된 바와 같이, 아크 용융로에서의 환원 효율 및 상기 환원에 대한 고체 환원된 철의 용융 및 상기 고체 환원된 철의 용융을 증가시키기 위해, 상기 아크 용융로에서 충전된 고체 환원된 철은 신속하게 용선에 용융된 슬래그내로 가라앉고 효과적으로 전체 표면에서 아크 가열을 수용하도록 적용시켜야 한다. 상기 목적을 위해, 고체 환원된 철의 비중의 영향이 크다. 그런데, 도 7은 비중이 1.60 내지 1.75(평균 비중: 1.65), 및 1.8 내지 2.3(평균 비중: 2.1)인 고체 환원된 철의 사용에 의해 아크 용융로에서 환원에 대한 고체 환원된 철의 비중의 영향 및 환원 수행시 용융률 및 용융을 시험한 결과를 도시하는 그래프로, 여기서 각각의 고체 환원된 철이 용융된 슬래그에서 단독으로 충전되는 경우 횡좌표는 상기 용융률을 나타내고 종좌표는 각각의 고체 환원 철이 연속적으로 환원 용융에 대해 충전될 수 있는 한계 용융률을 나타낸다.
도면으로부터, 평균 비중 1.65에서 고체 환원된 철의 경우에, 고체 환원된 철이 연속적으로 용융된 슬래그에 충전되는 경우, 용융된 슬래그내로 침지하는 고체 환원된 철은 관찰되지 않지만 고체 환원 철대부분은 용융된 슬래그의 표면에서 환원 및 용융한다. 따라서, 고체 환원된 철이 연속적으로 배출되는 경우 상기 용융률은 고체 환원된 철이 단독으로 충전되는 경우의 용융률에 약 10배 이다. 상기 수준에서의 용융률을 이용하여, 연속 충전에 의한 환원 및 용융은 실제 크기에서 사용될 수 없다. 반대로, 평균 비중이 2.1인 고체 환원된 철을 위해, 용융된 슬래그에 충전된 고체 환원된 철은 신속하게 상기 슬래그 및 환원내에 침지하고 용융이 효과적으로 수행되어, 고체 환원된 철이 연속적으로 충전되는 경우 상기 용융 속도는 단독으로 충전하는 경우에 비해 현저히 증가되고, 약 300배의 연속 용융률이 수득될 수 있다. 상기 수준에서 용융률을 이용하여 연속 환원 용융은 산업용 크기에서 효과적으로 실제 사용될 수 있다.
상기 고체 환원된 철의 비중의 효과에 따라, 용융 상황은 연속 용융률이 갑자기 변하는 경계로서 평균 비중 1.7로 현저히 변한다. 따라서, 평균 비중이 1.7 미만인 경우, 산업용 크기로 연속 작동을 충족시킬 수 있는 용융률은 수득될 수 없고 상기 연속 작동을 수행하기에 충분한 용융률은 평균 비중이 1.7 이상 또는 보다 바람직하게는 1.9 이상인 경우 보장될 수 있다.
"아크 가열형 용융로에서 생산된 용선에서 탄소 함량: 1.5%-4.5%"을 결정하는 기준
일반적으로, 용선에서 탄소 함량이 감소하는 경우 용해된 산소량이 용선에서 증가하는 용선에서의 탄소량 및 용해된 산소량 사이에 밀접한 관계가 있다. 따라서, 용해된 산소량이 보다 큰 경우, 용선의 산소 포텐셜이 보다 높아져 탈황에 불이익을 준다. 상기에 따라, 용선과 조화된 용융된 슬래그의 산소 포텐셜 또한 높아져, 용융된 슬래그에서 FeO 함량이 증가되어 용융로의 정렬된 내화물의 부식을 증가시키는 내화물과의 반응성을 증가시킨다. 따라서, 용선에서의 탄소 함량을 다소 높게 결정하여 탈황시 탈황률을 증가시키고 용융로의 정렬된 내화물의 부식을 억제시켜 작동 수명을 연장할 필요가 있다.
그런데, 도 8은 다양한 실험에 의해 수득된 용선에서의 탄소 함량 및 탈황률 사이의 관계를 총괄하여 도시하는 그래프이다. 상기 실험에서, CaO계 탈황제를 레이들에서 용선에 주입하는 방법이 채택되고 상기 탈황제를 소비하는 경우의 데이터는 상수로 정렬된다. 상기 도면에서, 용선에서 탄소 함량이 1.5% 미만인 경우, 상기 탈황제는 의도된 탈황률을 위해 주입되어야 하고, 그결과로 상당한 양의 금속철이 상당한 양으로 생성된 슬래그로 들어가 철 손실을 증가시킨다. 즉, 실제 크기에서 본 발명을 사용하기 위해, 또한 1.5% 이상, 바람직하게는 2.0% 이상이여야 하는 용선에서 탈황 및 탄소 함량에 의해 유발된 슬래그의 공정과 같이 추가의 문제를 고려하여 보다 적은 탈황기 소비로 레이들에서 탈황을 충분히 수행할 필요가 있다.
그러나, 용선에서의 탄소 함량은 약 4.5%에서 포화를 이루고 과량의 탄소질 환원제는 경제적이지 못한 포화 탄소 함량으로 용선을 수득하기 위해 사용되어야만 한다. 추가로, 이후의 제련시 탈산 부하가 또한 증가되기 때문에, 탄소 함량은 바람직하게는 4.5% 이하, 보다 바람직하게는 3.5% 이하로 제한된다.
"용융된 슬래그의 염기성: 1.0-1.8"
상기 염기성(CaO/SiO2비)이 본 발명에서 본질적 조건은 아니지만, 아크 용융로에서 고체 환원된 철의 환원 용융의 효율에 대해 약간의 영향을 줄 뿐 아니라 상기 용융로의 정렬된 내화물의 부식에 대해 상당한 영향을 준다.
즉, 용선의 염기성은 유동성에 상당한 영향을 주고 예를들어 도 9에 도시된 바와 같이 염기성이 감소되는 경우 슬래그의 융점이 감소되어 상기 유동성을 증가시키고 고체 환원된 철의 환원 용융 효율에 바람직한 영향을 주지만, 내화물과의 반응성은 감소되어 정렬된 내화물의 부식을 증가시킨다. 반면에, 염기성이 증가되는 경우, 슬래그의 융점이 상승하여 따라서 노에서의 온도가 과도로 증가되어 상기 슬래그를 용융시켜 열에너지의 측면에서 악영향을 주고, 추가로 또한 상기 노체에서의 고온에 기인한 열효과가 증가된다. 도 9에 도시된 상기 경향은 상기 슬래그 염기성이 1.0 미만 또는 1.8 초과인 경우 두드러져, 바람직하게는 아크 용융로에서 용융된 슬래그의 염기성은 1.0내지 1.8, 보다 바람직하게는 1.3 내자 1.6의 범위 내로 조절된다.
본 발명의 실시예는 하기에 기술된다. 본 발명은 하기 실시예로 제한되지 않지만 하기 실시예가 본 발명의 범위내에 있고 본 발명의 기술 범주내로 함유되는 한 적당한 변형이 실행될 수 있다.
철광석, 석탄 및 소량의 결합제(벤토나이트)의 분쇄물 각각이 사용되고 블렌딩되어 석탄내 탄소는 철광석내 산화철과 이론적 당량으로 존재한다. 상기 분쇄물은 실질적으로 미세화 장치에서 약 13 내지 20mm의 직경의 구형으로 형상화되고 탄소 물질과 혼합된 형상화된 생성물을 함유하는 산화철은 녹색 형상화된 물질로서 사용된다. 사용된 철광석 및 석탄의 조성물의 예가 하기에 제시된다.
철광석의 조성물:
T, Fe=65%, FeO=0.7%, SiO2=2.5%
Al2O3=2.10%, CaO=0.04%
석탄의 조성물:
총 탄소량=77.6%, 고정된 탄소=71.2%
휘발성 성분=17.0%, 재=11.8%
형상화된 생성물(녹색 펠렛)은 회전식 화덕형 환원 철생산 설비에 공급되고 환원은 상기 회전식 노에서 7 내지 9분의 평균 지속 시간으로 1250 내지 1350℃의 온도에서 수행되어 환원된 철을 생성한다. 결과로 생성되는 고체 환원된 철에서 환원되지 않은 산화철량 및 잔탄소량은 가열-환원 조건에 따라 상이한다. 상기 실시예에서, 가열-환원 조건이 조절되어 고체 환원된 철에서의 산화철에 대한 금속화는 각각의 경우 60% 이상이었다. 표 1은 고체 환원된 철의 금속화 및 조성물에 대한 실시예를 나타낸다. 추가로, 동일한 실험에 의해 수득된 고체 환원된 철의 중량 및 비중은, 예를들어 평균 비중이 파편당 중량의 부족하지 않은 관계를 사용하여 1.7 내지 2.5의 범위내로 함유되는 도 10에 도시된 바와 같다.
| 번호 | 금속화도 | T, Fe | M, Fe | FeO | Ceq | Ceq/2 |
| 1 | 92 | 85.1 | 78.3 | 8.9 | 1.5 | 0.7 |
| 2 | 90 | 84.4 | 76.0 | 11.0 | 1.8 | 0.9 |
| 3 | 80 | 80.8 | 64.7 | 21.1 | 3.5 | 1.8 |
| 4 | 70 | 77.5 | 54.3 | 30.3 | 5.1 | 2.5 |
| 5 | 60 | 74.5 | 44.7 | 38.8 | 6.5 | 3.2 |
| 6 | 50 | 71.7 | 35.9 | 46.7 | 7.8 | 3.9 |
| 7 | 40 | 69.1 | 27.6 | 54.0 | 9.0 | 4.5 |
(주석) Ceq: FeO 환원 당량에 대한 탄소량
Ceq/2: FeO 환원 당량 화합물에 대한 탄소량에 따른 1/2 양
환원 철생산 설비에 의해 수득된 고체 환원된 철은 연속적으로 상태에서 변화되어 가능한 대기중의 공기와 접촉되지 않고 고온에서(상기 실험에서 1000℃) 환원 철생산 설비에 인접하게 배열된 아크 가열 용융로에서 유지되어 추가의 환원 및 용융이 수행된다. 상기 경우, 용선의 예비결정된 양은 용융로에서 유지되고 용선에 떠있는 용융된 슬래그의 염기성은 1.0 내지 1.8의 범위로 조정되어 전류가 아크 가열을 위한 내수성 전극의 상태에서 용융된 슬래그내로 공급되고 내수성 아크 가열 시스템이 사용된다. 따라서, 고체 환원된 철은 아크 가열 부분 근처에서 충전되고, 석탄은 추가로 고체 환원된 철을 충전하는 부분에서 충전되고, 아크 가열에 의한 환원 용융은 앞서게 되었다.
환원된 용융 단계에서 고체 환원된 철은 슬래그-형성제로서 다른 산화물보다 SiO2를 더욱 많이 함유한다. 염기성으로서, 용융로에서 환원된 철의 용융의 선행을 따라 감소되므로, 하소된 석회 및 선택적으로 하소된 백운석을 주로 포함하는 융제는 용융된 슬래그의 염기성을 1.0 내지 1.8 범위로 조절하기 위해 염기성 조절제로서 첨가되었다. 그런데, 용융된 슬래그의 염기성이 상기와 같이 1.8%를 초과하는 경우, 용융된 슬래그는 점착성이고 고체 환원된 철은 상기 용융된 슬래그내로 보다 적게 가라앉아 열 환원 효율을 감소시키며, 반면에 염기성이 1.0 미만인 경우 정렬된 내화물이 두드러지게 된다.
가열-환원 용융 단계에서, 상기 용융된 슬래그에 충전된 고체 환원된 철은 용융된 슬래와 접촉하면서 광의 가열을 수용하고, 내부에 남아있는 탄소 함량에 의해 선행된 환원된 산화철에 대한 환원에서 CO가스는 고체 환원된 철의 표면 및 활발히 주위에 이동되는 고체 환원된 철로 유입되어 용융된 슬래그는 상기 CO가스에 의해 폭음소리가 났다. 따라서, 고체 환원된 철은 취입에 의해 유발된 비중의 감소로 용융된 슬래그내로 가라앉고 추가로 가열 환원을 감소시키며, 환원되지 않은 철은 실질적으로 이들의 주변에서 추가로 배출된 탄소질 환원제의 영향하에서 환원되고 용융되어 보다 적게 용선내로 혼합된다.
상기 경우에서, 용융된 슬래그로부터 충전된후 충전된 고체 환원된 철은 신속하게 용융된 슬래그내로 가라앉고 가열-환원은 효과적으로 상기 고체 환원된 철의 비중이 1.7 이상, 바람직하게는 1.8 이상 및 보다 바람직하게는 1.9 이상으로 충전되는 경우 단시간내에 선행되지만, 비중이 1.7 미만인 경우 충전된 고체 환원된 철은 용융된 슬래그내로 파묻혀 상기 용융된 슬래그로부터 가열 조건이 불충분하고 취입이 감소되어 가열-환원에 요구되는 시간에서의 현저한 지연을 일으키고 이에 대하여 용융된 슬래그내 산화철의 용융량 또한 증가하여 용융로의 정렬된 내화물의 부식을 유발하는 경향이 있다.
추가로, 또한 고체 환원된 철에서 탄소 함량이 고체 환원된 철에서 환원되지 않은 산화철을 산화시키는데 요구되는 이론적 탄소량에 대해 50% 미만인 경우, 환원 효율은 불충분하고 탄소질 환원제가 추가로 용융로에 충전되는 되는 경우 환원 속도도 느리고, 용융된 슬래그에서 산화철의 함량이 증가되어 정렬된 내화물의 부식을 현저히 유발시켰다.
추가로, 가열-환원 단계에서, 용선은 주기적으로 탄소량을 측정하기 위해 샘플로 되고, 추가로 충전된 탄소질 환원제량은 탄소량이 1.5 내지 4.5% 범위 이내로 존재하도록 조절되었다.
가열-환원 용융 단계는 연속적으로 수행되었고, 용융로에서 부진한 용선의 예비결정된 양의 예로, 용선은 태핑 포트(port)로부터 배출되었고 레이들에서 노의 바닥에 정렬되었고, 동시에 용융된 슬래그의 적절량이 용융로의 측부벽에 정렬된 슬래그 배출 포트를 통해 배출되어 상기 노에 남아있는 슬래그의 양을 조절하였다.
상기 가열-환원 용융을 수행하기 위한 조건 및 그 결과가 하기로서 예시된다.
(환원된 철의 특성)
고체 환원 철등의 조성물: 표 1에서 번호 3(금속화도: 80%)
아크 가열형 용융로에서 충전 온도: 1000℃
충전 방법: 연속 충전
(아트 가열형 용융로의 작동 조건)
아크 가열 전극에서 전력 소비: 약 565KWh/tmi(mi: 생성되는 용선)
(충전 물질의 종류 및 양)
생석회: 92.2kg/tmi, 하소된 백운석: 21.5kg/tmi
석탄의 추가 충전량: 약 20kg/tmi
환원된 철의 단위 소비: 1227kg/tmi
(수득된 용선 및 형성된 슬래그 조성물)
용선:
C: 2.0%, Si: 0.03% 이하, Mn: 0.05% 이하,
P: 0.043%, S: 0.137%, 온도: 1550℃
형성된 슬래그:
CaO: 36.5%, SiO2: 26.1%, Al2O3: 18.2%, MgO: 10.0%
T, Fe: 6.3%, 염기성: 1.4
상기로부터, 용선의 규소 함량은 환원 용융 단계에서 충분히 감소되었고, 황 및 인 함량이 제강용 원료로서 상당히 높기 때문에 탈황 및 탈인은 레이들에서 수행되어 하기 조성물의 용선을 수득할 수 있었다.
탈황용 물질: 석회질 융제
조성물: CaO: 83 내지 90%, CaF2: 6 내지 10%, C: 4.0%,
소비: 약 12kg/tmi
탈황용 물질: 석회질 융제 + Fe2O3
조성물: CaO: 44 내지 45%, CaF2: 7 내지 8%, Fe2O3: 47 내지 48%,
소비: 약 20kg/tmi
탈황 및 탈인 후 용선의 조성
C: 1.8 내지 2.0%, Si: 미량, Mn: 0.02%, P: 0.032%, S: 0.038%
상기 탈황 및 탈인 후 용선(1450℃)은 하기 블렌드를 사용하여 철 파편 및 선철과 함께 EAF내로 충전되었고 전기로 제강방법은 하기 부물질을 첨가하고 소량의 산소를 주입하면서 수행되어 하기 조성물의 용융된 강을 생성하였다.
(전기 아크로에서 충전된 물질)
탈황 및 탈인 용선: 40%
파쇠: 50%, 선철: 10%
(부물질)
생석회: 50.2kg/tmi, 하소된 백운석: 10kg/tmi
규산석: 15.1kg/tmi
산소의 취입량: 약 18Nm3/tmi
(수득된 용융 강의 조성)
C: 0.10%, Mn: 0.06%, Si: 미량, S: 0.022%, P: 0.018%
상기 실험은 아크 가열형 용융로에서 제조된 용선의 공급의 예를 나타내고 탈황 및 탈인을 용융된 상태 즉, 고온에서 유지되고 철제조 물질로서 사용하는 상태로 EAF내에 놓지만, 또한 용선은 제강 물질로서 BOF에 공급될 수 있고 상기 용선은 캐스팅 주형에서 한번 꺼내어 냉각되어 응고될 수 있으며 제강용 중간 물질로서 효과적으로 사용될 수 있다.
최종적으로, 본 발명의 다수의 변경 및 변화는 상기 교시의 관점에서 가능함을 주목해야 한다. 따라서, 첨부된 청구항의 범위내에서 본 발명은 구체적으로 본원에 기술된 것과는 달리 실행될 수 있다.
본 출원은 1997년 9월 1일자로 일본 특허청에 출원된 일본 특허 제 Hei 9-236214 호에 근거되고, 전체 내용이 본원에 참고로 인용된다.
본 발명은 상기 기술된 바와 같이 구성되어 가열 환원 효율을 안정하게 유지하고 가공의 정렬된 내화물의 부식을 최소화시켜 노의 작동 수명을 안정시킬 수 있으며, 상기 기술된 효과에 따라 주된 물질로서 탄소질 환원제와 혼합된 산화물 함유 형상화된 생성물을 사용하는 환원된 철의 생산 및 에너지 손실이 적은 산업상 범주로 수득된 고체 환원된 철의 추가의 환원 및 용융에 의해 고순도의 용선의 생산을 효과적으로 달성할 수 있다. 추가로, 상기 방법에 의해 수득된 환원된 철이 금속 성분의 불순물 함량이 적기 때문에, 제강 물질로서 환원된 철의 사용은 고순도의 강 물질의 생산을 가능하게할 뿐만 아니라 합금 강 생산시 성분의 조정을 용이하게 할 수 있다. 추가로, 제강로가 아크 가열형 용융로에 인접하게 배열되고 용융로 또는 용융된 탈황 및 탈인된 철에 의해 생성된 용선이 고온 가열의 용융된 상태로 제강 원료로서 제강로에 공급되는 경우 용선에서 포함된 열은 제강용 열원으로 효과적으로 이용될 수 있고 상기 열에너지는 추가로 환원될 수 있고 실제 사용면에서 보다 효율적인 방법이 환원된 철의 생산에서 제강까지의 시스템을 통해서 수행될 수 있다.
Claims (20)
- (a) 산화철 및 탄소질 환원제를 제공하고;(b) 탄소질 환원제 및 산화철로부터 형상화된 생성물을 제조하고;(c) 형상화된 생성물로부터 60% 이상의 금속화도, 1.7 이상의 비중, 및 고체 환원된 철에 잔류하는 산화철을 환원하는데 요구되는 이론적 양의 50% 이상의 탄소 함량을 갖는 고체 환원된 철을 제조하고;(d) 실질적인 냉각이 일어나기 전에, 아크 가열형 용융로에서 고온으로 고체 환원된 철을 가열하여 1.5 내지 4.5%의 탄소 함유 용선(molten iron)을 제조하는 것을 포함하는, 1.5 내지 4.5%의 탄소 함유 용선을 제조하기 위한 제철방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 환원된 철을 아크 가열형 용융로에서 700 내지 1300℃의 온도로 가열하는 제철방법.
- 제 1 항에 있어서,탄소질 환원제를 아크 가열형 용융로에서 고체 환원된 철의 충전 위치에 첨가하는 제철방법.
- 제 1 항에 있어서,고체 환원된 철을 아크 가열형 용융로에서 용융 슬래그에 충전시키는 제철방법.
- 제 4 항에 있어서,용융 슬래그의 pH가 1.0 내지 1.8인 제철방법.
- 제 4 항에 있어서,용융 슬래그가 9% 이하의 산화철을 함유하는 제철방법.
- 제 6 항에 있어서,용융 슬래그가 5% 이하의 산화철을 함유하는 제철방법.
- 제 1 항에 있어서,용선의 탄소 함량을 측정하는 것을 포함하는 제철방법.
- 제 1 항에 있어서,아크 가열형 용융로로부터 배출된 가스의 조성 및 양을 측정하는 것을 포함하는 제철방법.
- 제 9 항에 있어서,배출된 가스중의 산소 당량을 측정하는 것을 포함하는 제철방법.
- 제 1 항에 있어서,아크 가열형 용융로중의 용선을 다른 용기로 이동시켜 탈황시키는 제철방법.
- 제 1 항에 있어서,아크 가열형 용융로중의 용선을 다른 용기로 이동시켜 탈인시키는 제철방법.
- 제 1 항에 있어서,용선이 Si를 0.05% 이하 함유하는 제철방법.
- 제 1 항에 있어서,용선이 Mn을 0.1% 이하 함유하는 제철방법.
- 제 1 항에 있어서,용선이 P를 0.1% 이하 함유하는 제철방법.
- 제 1 항에 있어서,용선이 S를 0.2% 이하 함유하는 제철방법.
- 제 1 항에 따라 제조된 용선을 제강로에 첨가하여 강을 제조하는 것을 포함하는 제강방법.
- 제 17 항에 있어서,제강로가 전기 아크로(EAF) 또는 염기성 산소로(BOF)인 제강방법.
- (a) 제 1 항에 따라 제조된 용선을 냉각하여 응집된 철을 제조하고;(b) 상기 응집된 철을 제강로에 첨가하여 강을 제조하는 것을 포함하는 제강방법.
- 제 19 항에 있어서,제강로가 전기 아크로(EAF) 또는 염기성 산소로(BOF)인 제강방법.
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