KR20010030513A - 직접 제련 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 금속철 공급 원료로부터 금속을 생산하기 위한 직접 제련 방법과 고정형 즉, 비회전형 제련 용기에 관한 것이다. 상기 방법은 쇳물을 이용한 공정으로서, 한 개 이상의 하향 연장된 탐침/송풍구(11)를 통하여 운반 가스와 함께 고체 공급 원료를 쇳물에 주입하고, 쇳물로부터 배출되는 가스가 (정지 상태에 있는) 쇳물의 금속층(15)과 슬래그층(16)의 경계면에서 적어도 0.30

Description

직접 제련 방법{A direct smelting process}

본 발명은 쇳물을 담고 있는 제련 용기 내에서 광석, 특히 환원 광석과 금속 함유 유동물과 같은 금속철 공급 원료로부터 용융 금속(금속 합금을 포함), 특히 제한적이지는 않으나 철을 생산하는 방법에 관한 것이다.

특히, 본 발명은 금속철 공급 원료로부터 용융 금속을 생산하기 위한 용융 금속탕의 직접 제련 방법에 관한 것이다.

용선을 생산하기 위하여 가장 널리 이용되고 있는 방법은 고로를 이용하는 것이다. 고로의 상단에 고체 원료를 넣고 노상으로부터 용선을 배출시킨다. 고체 원료는 철광석(소결물, 고체물 또는 팰릿 형태), 코크스 및 용제를 포함하고, 아래로 이동하는 침투성 물질을 형성한다. 산소를 풍부하게 함유하는 예열된 공기는 고로의 바닥으로 주입되면 침투층을 통하여 위로 이동하여 코크스의 연소에 의해 일산화탄소와 열을 발생한다. 이와 같은 반응의 결과로 용선과 슬래그가 생성된다.

생성할 철의 용융점 아래로 철광석을 환원시켜서 철을 생산하는 방법은 일반적으로 "직접 환원 방법"으로 분류되며, 이 방법에 의해 얻어지는 생성물을 DRI라고 한다.

FIOR(유동 철광석 환원)법은 직접 환원법의 일례이다. 이 방법은 철광석 미분을 일련의 유동층 반응기 내에 있는 각각의 반응기로 중력 공급시키면서 환원시키는 과정으로 이루어진다. 철광석 미분은 일련의 반응기 중에서 최저 반응기의 바닥으로 유입되어 철광석 미분의 하강 이동의 반대 방향으로 유동하는 압축 환원 기체에 의해 고체 상태로 환원된다.

그밖에 다른 환원 방법으로는 이동 수직로를 이용하는 방법, 정적 수직로를 이용하는 방법, 회전 노상을 이용하는 방법, 로타리킬른을 이용하는 방법, 및 리토트로를 이용하는 방법이 있다.

COREX 방식은 일단계로서 직접 환원법을 포함한다. COREX 방식은 코크스의 고로를 사용하지 하지 않고 석탄으로부터 직접 용선을 생성하는 것이다. COREX 방식은 다음과 같은 2단계로 구성된다:

(a) 철광석(고체물이나 팰릿 형태)과 용제의 투과층으로부터 수직로에서 DRI를 생산하는 단계; 및

(b) DIR를 냉각시키지 않고 이에 연결된 용해자 기화기로 장입시켜서 용융시키는 단계.

용해자 기화기의 유동층에서 석탄이 부분 연소됨에 따라 수직로로 보내지는 환원 가스가 생성된다.

그밖에 다른 기존의 철 생성 방법은 상부 용융 사이클론에서 산소와 환원 가스를 연소시켜서 녹인 철광석을 용선의 쇳물을 담고 있는 하부의 용해로에서 제련시키는 사이클론 컨버터들을 이용한다. 이렇게 하여, 하부 용해로는 상부 용융 사이클론으로 보낼 환원 가스를 발생한다.

광석(그리고 부분 환원 광석)으로부터 직접 용융 금속을 생성하는 방법을 일반적으로 "직접 제련 방법"이라고 한다.

직접 제련 방법의 한 방법은 제련 반응의 주요 에너지원으로서 전기로를 이용하는 것이다.

일반적으로 Romelt 공법으로 불리는 또 다른 직접 제련 방법은 상단에 장입시킨 산화 금속을 금속으로 제련하고 기체 상태의 반응 생성물을 후연소하고 산화 금속을 계속 제련하는 데에 필요한 열량을 전달하기 위한 매질로서 대용량의 세게 교반시킨 슬래그 쇳물을 이용한다. Romelt 공법은 하부 송풍구를 통해서 산소가 많이 함유된 공기나 산소를 주입하여 슬래그를 교반시키고, 상부 송풍구를 통해서 산소를 슬래그에 주입하여 후연소를 촉진하는 것을 포함한다. Romelt 공법에서, 금속층은 중요한 반응 매질이 아니다.

슬래그를 이용하는 또 다른 직접 제련 방법들은 일반적으로 "딥 슬래그" 공법으로 설명된다. DIOS 공법이나 AISI 공법을 포함하는 이들 방법은 슬래그의 심층을 형성하는 것을 특징으로 한다. Romelt 공법에서와 같이, 슬래그층 아래에 형성된 금속층은 중요한 반응 매질이 아니다.

반응 매질로서 용융 금속층을 이용하고 일반적으로 "HIsmelt" 공법으로 불리는 또 다른 직접 제련 방법은 본 출원인 명의로 출원된 국제 출원 PCT/AU96/00197 (WO 96/31627)에 설명되어 있다.

상기 국제 출원서에 설명되어 있는 HIsmelt 공법은,

(a) 용기 내에서 금속층과 금속층 위에 슬래그층을 가지는 쇳물을 형성하는 단계;

(b) (ⅰ) 일반적으로 산화 금속인 금속철 공급 원료와;

(ⅱ) 산화 금속의 환원제로서 작용하고 에너지원이 되는 일반적으로 석탄인 고체 탄소질 원료을 상기 쇳물에 주입하는 단계; 그리고

(c) 상기 금속철 공급 원료을 금속층의 금속으로 용해시키는 단계를 포함한다.

또한, HIsmelt 공법은 쇳물 상위 공간에서 쇳물로부터 방출되는나와 같은 반응 기체들을 산소 함유 가스로 후연소시키고, 후연소에 의해 발생되는 열량을 쇳물에 전달하여 금속철 공급 원료을 용해시키는 데에 필요한 열에너지를 공급하는 것을 포함한다.

또한, HIsmelt 공법은 쇳물의 정지 표면 상측에 전이 영역을 형성하여 상기 쇳물 상측에서 반응 가스를 후연소시켜서 발생하는 열에너지를 쇳물에 전달하기 위한 유효 매질을 제공하는 용융 금속과 슬래그의 용적이나 빈산 또는 유동물이 상승하고 하강하도록 하는 것을 포함한다.

HIsmelt 공법의 바람직한 양태는 용기의 측벽을 통해 안쪽 내부로 연장되게 형성되어 있는 피침를 통하여 쇳물 내부로 운반 가스, 금속철 공급 원료, 고체 탄소질 원료 및 선택적으로 용제들을 주입함으로써 상기 전이 영역을 형성하여, 운반 가스와 고체 원료가 금속층에 스며들어 쇳물로부터 용융 물질을 분출시키는 것을 특징으로 한다.

HIsmelt 공법의 상기 양태는 송풍구를 통하여 운반 가스와 고체 탄소질 원료을 쇳물에 바닥 주입시킴으로써 전이 영역을 형성하여 용융 물질의 용적, 비산 및 유동물을 쇳물로부터 분출시키는 방법의 초기 양태를 개선시킨 것이다.

본 출원인은 상술한 HIsmelt 공법의 바람직한 양태에 대하여 파일럿 플랜트 시험을 수행하여 상기 공정과 관련한 중요한 발견을 할 수 있었다.

그 중에서도 본 발명의 기본이 되는 한 가지 발견은 유효 속도로 쇳물에 열전달이 이루어지도록 전이 영역을 형성하기 위해서는 고체 원료/운반 가스를 쇳물에 주입하면서 발생하는 기체의 상향 유속이 (정지 상태에서의) 금속층과 슬래그층의 경계 지점에서 적어도 0.30이어야 한다는 것이다.

열전달 효율은 후연소에 의해 발생되는 가용 에너지가 쇳물로 전달되는 양을 측정한 값이다. 또한, 열전달 효율은 후연소에 의해 발생되는 가용 에너지가 (상기 쇳물 온도보다 높은 온도의 폐가스가 배출되고 용기의 측벽과 지붕을 통하여 이루어지는 열전달에 의해) 용기로부터 소실되는 양을 측정한 값이다.

쇳물에서 분출되는 가스의 최소 유속이 (정지 상태의) 금속층과 슬래그층의 경계면에서 0.30인 경우, 다음과 같은 조건을 만족하도록 쇳물로부터 용융 물질의 비산, 용적 및 유동물이 전이 영역으로 부양시킬 수 있는 충분한 부력이 발생한다:

(a) 이후 용융 물질의 비산, 용적 및 유동물이 하강함에 따라 쇳물로의 열전달이 최대화 되고; 그리고

(b) 용융 물질이 용기의 측벽과 만나서 용기로부터 열 손실을 막는 슬래그 보호층을 형성하는 것을 최대화한다.

상기 조건 (b)는 용기의 상부 몸통부와 선택적으로 지붕에서 측벽을 형성하는 수냉각 패널과 용기의 하부 몸통부에서 측벽을 형성하는 수냉각 내화 벽돌을 포함하는 본 발명에 따른 바람직한 용기 구성의 특별히 중요한 요소이다.

일반적인 의미에서, 본 발명은 고정형 즉, 회전불가형 제련 용기 내에서 금속철 공급 원료로부터 금속을 생산하기 위한 직접 제련 방법에 관한 것으로서, 상기 직접 제련 방법은 다음과 같은 단계들을 포함한다:

(a) 제련 용기에서 금속층과 상기 금속층의 상측에 형성된 슬래그층을 갖는 쇳물을 형성하는 단계;

(b) 한 개 이상의 하향으로 연장된 피침/송풍구를 통하여 운반 가스와 함께 금속철 공급 원료 및/또는 고체 탄소질 원료를 쇳물에 주입하고 쇳물 내에서 상기 금속철 공급 원료를 금속으로 용해시켜서, 상기 고체 물질과 가스를 주입함으로써 쇳물로부터 배출되는 가스가 (정지 상태의) 금속층과 슬래그층의 경계 지점에서 적어도 0.30의 유속으로 흐르게 하고, 상기 가스 흐름이 쇳물 내에서 용융 물질을 비말 동반시키고 상기 용융 물질을 비산, 용적 및 유동물의 형태로 상향으로 운반하고 상기 슬래그층 위에 용기 내부의 가스 연속 공간에 전이 영역을 형성하여, 상기 용융 물질의 비산, 용적 및 유동물이 용기의 측벽과 접하여 슬래그의 보호층을 형성하는 단계; 및

(c) 한 개 이상의 피침/송풍구를 통하여 용기 내부로 산소 함유 가스를 주입하고 쇳물로부터 방출되는 반응 가스들을 후연소시켜서, 용융 물질의 비산, 용적 및 유동물이 상승하고 하강함에 따라 쇳물로의 열전달이 촉진되고, 상기 전이 영역이 형성됨에 따라 상기 전이 영역과 접하는 측벽을 통하여 용기로부터 손실되는 복사열의 양을 최소화하는 단계.

상기 (정지 상태의) 금속층과 슬래그층의 경계 지점에서 형성되는 적어도 0.30의 가스 유속은 Romelt 공법이나 앞서 설명한 DIOS 공법과 AISI 공법같은 딥 슬래그 공법보다 실질적으로 높은 값으로서, 본 발명에 따른 방법과 기존의 직접 제련 방법의 주요 차이점이라 할 수 있다.

이와 관련하여, (니폰 스틸 코퍼레이션에 양도된) 이바라키 등의 미국 특허 제 5,078,785 호에는 회전 용기를 이용하는 딥 슬래그 공정의 특정한 양태와 금속탕 교반을 위하여 가스를 금속층에 바닥 주입하는 것을 설명하고 있다. 상기 특허의 14 번째 단락 17 번째 줄에 따르면, 바닥 가스 주입에 의해 발생되는 "금속탕 교반력"은 6 kW/t인 것이 바람직하다고 기재되어 있다. 상기 미국 특허는 교반 속도가 6 kW/t보다 크면 철의 분진이 많이 발생하게 될 것이라고 설명하고 있다. 상기 특허의 14 번째 단락 21 번째 줄에 따르면, 금속탕의 최대 교반력이 6 kW/t이면 금속층과 슬래그층의 경계면에서 쇳물에서 분출되는 가스의 최대 유속이 0.12가 될 것이라고 한다. 그러나, 이 최대 유속의 수치는 본 발명에서의 최소 유속값인 0.30보다 훨씬 낮다.

바람직하게는, 본 발명에 따른 직접 제련 방법은 상기 금속철 원료를 주로 금속층 내부의 금속으로 용해시키는 것을 포함한다.

바람직하게는, 상기 단계 (b)에서 고체 물질과 가스를 주입함에 따라 쇳물로부터 (정지 상태의) 금속층과 금속 슬래그층의 경계면을 가로질러 유동하는 가스 흐름이 발생한다.

바람직하게는, 상기 가스의 유속은 (정지 상태의) 금속층과 슬래그층의 경계 지점에서 적어도 0.35, 보다 바람직하게는 적어도 0.50이다.

바람직하게는, 상기 가스의 유속은 (정지 상태의) 금속층과 슬래그층의 경계 지점에서 적어도 0.90미만이다.

일반적으로, 용융 물질의 비산, 용적 및 유동물은 상방으로 이동함에 따라 다른 용융 물질(특히, 슬래그)을 비말 동반한다.

일반적으로, 슬래그는 용융 물질의 비산, 용적 및 유동물에 포함된 용융 물질의 대부분을 차지하고, 상기 용융 물질은 그 나머지 부분이다.

상기 "제련"이라 함은 산화 금속을 환원시키는 화학 반응이 일어나서 액체 금속을 만드는 열처리 공정을 의미한다.

상기 "금속층"이라 함은 주로 금속으로 이루어지는 쇳물의 해당 영역을 의미한다. 특히, 금속층은 금속 연속 공간 내에 용융 슬래그가 분산되어 있는 영역 또는 구간도 포괄한다.

상기 "슬래그층"이라 함은 주로 슬래그로 이루어지는 쇳물의 해당 영역을 의미한다. 특히, 슬래그층은 슬래그 연속 공간 내에 용융 금속이 분산되어 있는 영역 또는 구간도 포괄한다.

바람직하게는, 상기 전이 영역은 슬래그층의 상방에 연장되게 형성된다.

상기 금속 내부의 용존 탄소의 농도는 4 중량%보다 큰 것이 바람직하다.

상기 슬래그층에 함유된 FeO의 농도는 5 중량% 미만인 것이 바람직하다.

상기 방법은 용기에서 배출되는 폐가스에 비말 동반되는 분진이 적어도 약간 과량의 탄소를 함유하도록 하기 위해서는 쇳물에 주입되는 고체 탄소질 원료의 양은 상기 금속철 공급 원료를 용해시켜서 반응 속도를 유지하는 열을 발생하는 데에 필요한 것보다 높게 결정하는 것이 바람직하다.

상기 용기에서 배출되는 폐가스에 비말 동반되는 분진의 고체 탄소 농도는 폐가스에서 분진 발생 속도가 10 내지 50일 때 폐가스에 포함된 분진의 중량에 대하여 5 내지 90 중량%, 보다 바람직하게는 20 내지 50 중량%인 것이 바람직하다.

상기 금속철 원료와 탄소질 원료의 주입은 동일한 피침/송풍기 또는 서로 다른 피침/송풍기를 통해 수행할 수 있다.

전이 영역은 슬래그층과 매우 다르다. 이를 설명하자면, 공정의 안정한 작업 조건에서 슬래그층은 액체 연속 공간 내부의 기포로 구성되지만, 전이 영역은 기체 연속 공간 내부의 용융 물질의 비산, 용적 및 유동물, 주로 슬래그로 구성된다.

바람직하게는, 상기 방법의 단계 (c)는 쇳물의 표면 상측의 (전이 영역을 포함하는) 상부 공간에서 이산화탄소와 수소 같은 반응 기체를 후연소시켜서 발생한 열을 쇳물에 전달하여 쇳물의 온도를 유지시키는 것으로서, 이는 쇳물의 항온 반응의 측면에서 매우 중요하다.

바람직하게는, 한 개 이상의 산소 함유 가스 주입용 피침/송풍구를 설치하여 용기의 중앙 영역으로 산소 함유 가스를 주입한다.

상기 산소 함유 가스는 산소, 공기, 또는 산소를 40 부피%까지 함유하는 산소가 풍부한 공기일 수 있다.

바람직하게는, 상기 산소 함유 가스는 공기이다.

보다 바람직하게는, 상기 공기는 예열된다.

일반적으로, 상기 공기는 1200 ℃로 예열된다.

상기 공기는 산소를 풍부하게 함유할 수 있다.

바람직하게는, 상기 단계 (c)는 높은 수준의 즉, 적어도 40%의 후연소를 수행하고, 후연소는 다음과 같이 정의된다:

상기에서,

[] = 폐가스의부피%;

[] = 폐가스의부피%;

[] = 폐가스의부피%; 및

[] = 폐가스의부피%.

열에너지를 화학 에너지의 형태로 이용하기 위해서 (석탄이나 천연 가스와 같이) 고체나 기체 상태의 탄소질 원료의 보조 원료를 용기로부터 배출되는 폐가스에 주입하는 경우도 있다.

이와 같은 탄소질 원료의 보충 주입의 예를 들면, 천연 가스를 주입하여 그 연료가를 높이면서도 폐가스를 분해하고 변형시켜서 냉각시킨다.

보조 탄소질 원료는 폐가스가 용기에서 빠져나간 후에 용기의 상단부나 폐가스 수송관에 첨가할 수 있다.

바람직하게는, 상기 한 개 이상의 피침/송풍구는 용기의 측벽을 통해 연장되고 금속층 쪽으로 하향 내측으로 경사지게 형성된다.

바람직하게는, 산소 함유 가스를 주입하기 위한 한 개 이상의 피침/송풍구의 위치와 작동 파라미터, 그리고 전이 영역을 제어하기 위한 작동 파라미터는 다음과 같은 조건이 되도록 정해진다:

(a) 산소 함유 가스는 전이 영역에 주입되어 전이 영역으로 스며들어야 한다;

(b) 상기 전이 영역은 각각의 피침/송풍구의 하단부 주위로 내측으로 연장되어, 각 피침/송풍구의 단부에서 발생하는 연소 영역으로부터 용기의 측벽을 어느 정도 차단시켜 주어야 한다; 그리고

(c) 각 피침/송풍구의 단부 주위에는 실질적으로 금속과 슬래그를 함유하지 않는 "자유 공간"으로 명시되는 가스 연속 공간을 형성할 수 있어야 한다.

상기 조건 (c)은 용기의 상단 공간에 존재하는 반응 기체를 각 피침/송풍구의 단부의 영역으로 끌어내서 후연소시킬 수 있다는 점에서 매우 중요한 특징이다.

바람직하게는, 상기 방법은 (지나치게 많지 않다면) 비교적 많은 슬래그 재고량을 유지하고 공정 제어 수단으로서 슬래그의 양을 이용한다.

상기 "비교적 많은 슬래그 재고량"이라 함은 용기에 있는 금속의 양과 비교한 슬래그의 양을 나타낸다.

바람직하게는, 상기 공정을 안정한 상태에서 수행하는 경우, 금속과 슬래그의 중량비는 4:1 내지 1:2이다.

보다 바람직하게는, 상기 금속과 슬래그의 중량비는 3:1 내지 1:1이다.

상기 금속과 슬래그의 중량비는 2:1 내지 1:1인 것이 특히 바람직하다.

상기 "비교적 많은 슬래그 재교량"은 용기 내에 채워진 슬래그의 깊이를 의미한다.

바람직하게는, 상기 방법은 안정한 작업 상태에서 슬래그층이 0.5 내지 4 미터가 되도록 제어하여 슬래그 재고량을 많이 유지하는 것을 포함한다.

상기 방법은 안정한 작업 상태에서 슬래그층이 적어도 1.5 미터가 되도록 제어하여 슬래그 재고량을 많이 유지하는 것이 특히 바람직하다.

쇳물의 슬래그층에서 슬래그의 양은 슬래그로 풍부한 전이 영역에서의 슬래그의 양에 직접 영향을 미친다.

슬래그는 전이 영역에서 용기의 측벽에 이르는 복사광의 조사를 통하여 열의 손실을 최소화하는 데에 있어서 중요하다.

슬래그 재고량이 너무 적은 경우, 슬래그로 풍부한 전이 영역에서 금속의 노출이 증가되어 금속의 산화가 증가되고 후연소가 감소할 가능성이 크다.

슬래그 재고량이 너무 많으면, 한 개 이상의 산소 함유 가스 주입용 피침/송풍구가 전이 영역에 매몰되어 상측 공간의 반응 가스가 각 피침/송풍구의 단부로 이동하는 것이 방해되므로 후연소의 가능성이 줄어든다.

본 발명에 따르면, 직접 제련 방법을 이용하여 금속철 공급 원료로부터 금속을 생산하기 위한 고정형 즉, 회전불가형 용기는 금속층과 상기 금속층의 상측에 형성된 슬래그층을 갖는 쇳물을 담고 있고, 상기 슬래그층의 상측에 가스 연속 공간을 구비하며,

(a) 동체;

(b) 쇳물과 접촉하는 기저부와 측면부를 구비하는 내화성 물질로 형성된 노광;

(c) 상기 노광의 측면으로부터 위쪽으로 연장되고 슬래그층 및 가스 연속 공간과 접하도록 형성되고, 상기 가스 연속 공간과 접하는 측벽은 냉각 패널과 상기 냉각 패널의 상측에 형성된 슬래그층을 포함하는 것을 특징으로 하는 측벽;

(d) 용기 내부로 아래쪽으로 연장되어 산소 함유 가스를 금속층의 상측에 위치한 용기에 주입시키는 한 개 이상의 피침/송풍구;

(e) 쇳물로부터 배출되는 가스가 (정지 상태의) 금속층과 슬래그층의 경계 지점에서 적어도 0.30의 유속으로 흐르게 하여 용융 물질이 금속층과 슬래그층으로부터 상측으로 끌어올리는 부력을 발생하기 위하여 운반 가스와 함께 금속철 공급 원료 및/또는 탄소질 원료의 적어도 일부를 쇳물에 주입시키는 한 개 이상의 하향 내측 방향으로 연장된 피침/송풍구;

(f) 상기 슬래그층의 상측에 형성된 가스 연속 공간에서 용융 물질의 비산, 용적 및 유동물이 상승하고 하강함에 따라 형성되고, 상기 용융 물질의 비산, 용적 및 유동물의 일부는 용기의 측벽과 접촉하여 상기 측벽의 상부에 용융 물질층을 형성하는 전이 공간; 및

(g) 상기 용기로부터 용융 물질과 슬래그를 배출하기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 피침/송풍구 또는 다수의 피침/송풍구를 통하여 고체 물질과 가스가 주입됨에 따라 쇳물로부터 (정지 상태의) 금속층과 금속 슬래그층의 경계면을 가로질러 흐르는 가스 흐름이 발생한다.

바람직하게는, 상기 용기는 원통형 노광과, 상기 노광으로부터 연장되는 원통형 몸통을 형성하는 측벽을 포함한다.

상기 금속철 공급 원료는 적당한 물질이고 적당한 형태를 하고 있다. 바람직한 금속철 공급 원료는 철함유 물질이다. 철함유 물질은 광석, 부분 환원 광석, DRI(직접 환원철), 철 카바이드, 밀스케일, 고로 분진, 소결 미분, BOF 분진 또는 이들 물질의 혼합물의 형태일 수 있다.

부분 환원 광석에 있어서, 사전 환원율은 FeO의 경우엔 비교적 높고 70 내지 95% 용사의 경우에는 비교적 낮다.

이와 관련하여, 상기 방법은 금속철 광석을 부분 환원시킨 후, 부분 환원 광석을 쇳물에 주입하는 것을 부가적으로 포함한다.

금속철 공급 원료는 예열시킬 수 있다.

운반 가스는 적당한 운반 가스로 사용한다.

상기 운반 가스는 산소 결핍 가스인 것이 바람직하다.

상기 운반 가스는 질소로 이루어지는 것이 바람직하다.

본 발명은 다음의 첨부된 도면을 참조하여 설명될 것이다:

도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 제련 용기의 수직 단면도이다;

도 2는 본 출원인이 수행한 파일럿 플랜트 시험의 항목 8.1에서 쇳물에서 배출된 가스의 유속에 대한 열전달 효율을 나타낸 그래프이다; 그리고

도 3은 파일럿 플랜트 시험의 항목 8.2에서 쇳물에서 배출된 가스의 유속에 대한 열전달 효율을 나타낸 그래프이다.

다음 설명은 용선을 생산하기 위한 제련철에 관한 것이며, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 부분 환원 금속 광석과 폐기물을 포함하여 적당한 금속 광물 및/또는 농축물에 적용 가능하다.

도 1에 도시된 용기는 고정형 즉, 비회전형 용기이다. 상기 용기는 내화성 벽돌로 이루어진 기저부(3)와 측면부(55)를 포함하는 원통형 노광; 노광의 측면부(55)로부터 내측으로 연장되는 일반적으로 원통형인 몸통부를 형성하고, 상부 몸통부(51)와 하부 몸통부(53)를 포함하는 측벽(5); 지붕(7); 폐가스의 배출구(9); 연속적으로 용선을 배출할 수 있는 전면 노광(81); 노광과 전면 노광(81)을 상호 연결시키는 전면 노광 연결부(71); 및 용융 슬래그를 배출하기 위한 출탕구(61)를 구비한다.

사용시, 용기는 금속층의 상부에 용선층(15)과 용융 슬래그층(16)을 포함하는 철과 슬래그의 쇳물을 담고 있다. 도면에서 참조 번호 17로 지정된 화살표는 금속층(16)의 명목상 정지 표면의 위치를 나타내고, 참조 번호 19로 지정된 화살표는 슬래그층(16)의 명목상 정지 표면의 위치를 나타낸다. 여기서, "정지 표면"이라 함은 가스와 고체가 용기 내부로 주입되지 않고 있을 때의 표면을 말한다.

또한, 상기 용기는 측벽(5)을 통해 수직면에 대하여 30도 내지 60도 슬래그층(6) 내부로 하향 내측으로 연장된 두 개의 고체 주입용 피침/송풍구(11)를 포함한다. 상기 피침/송풍구(11)의 위치는 그 하단이 정상 상태의 공정 조건에서 금속층(15)의 정지 표면(17) 상방에 놓이도록 정한다.

사용시, 운반 가스(일반적으로는,)에 비말 동반되는 철광석, 고체 탄소질 원료(일반적으로는, 석탄), 및 용제(일반적으로는, 석회와 마그네시아)는 피침/송풍구(11)를 통하여 금속층(15)에 주입된다. 고체 원료/운반 가스의 추진력에 의해 고체 원료와 가스가 금속층(15)으로 스며든다. 석탄은 탈휘발화되어 금속층(15)에 가스를 생성한다. 탄소는 일부는 금속에 용해되고 일부는 고체 탄소의 상태로 남는다. 철광석은 금속으로 용해되고, 용해 반응으로 일산화탄소 가스가 발생한다. 탈휘발화와 용해에 의해 금속층(15)으로 운반된 가스와 발생한 가스는 금속층(15)으로부터 (고체 물질과 가스의 주입의 결과로 금속층(15)으로 투입된) 용융 금속, 고체 탄소 및 슬래그를 상측으로 부양시키는 부력을 발생하여, 용융 물질의 비선, 용적 및 유동물이 상향 이동하여 이들이 슬래그층(16)을 이동함에 따라 슬래그를 비말 동반하게 된다.

본 출원인은 파일럿 플랜트 시험에서 정지 금속층(17)(즉, 정지 상태에 있는 금속층(15)과 슬래그층(16)의 경계면)에서, 바람직하게는 상기 영역을 가로질러서 금속층(15) 영역에 대하여 적어도 0.30의 유속으로 흐르는 가스가 쇳물로부터 발생하게 되면, 금속층(15)과 슬래그층(16)이 교반되고 다음과 같은 결과가 나타나는 것을 발견하였다:

(a) 슬래그층(16)은 부피가 증가하며 화살표(30)로 나타낸 표면이 형성된다: 그리고

(b) 금속층(15)과 슬래그층(16)은 각각 균일해져서 각 층에서의 온도가 일반적으로 1450 내지 1550 ℃로 균일하게 되고 각 층의 조성도 균일해진다.

또한, 본 출원인은 파일럿 플랜트 시험에서 상기 가스 유속과 이로 인한 용융 물질과 고체 탄소의 부양으로 인하여 (a) 정지 영역(23)이 형성되고, (b) 상기 정지 영역의 상방과 지붕(7)의 상부에 위치한 측벽의 상부 몸통부(51)의 일부 위로 일부 용융 물질(주로, 슬래그)이 돌출된다.

일반적인 의미에서, 슬래그층(16)은 기포가 형성되어 있는 액체 연속 공간이며, 정지 영역(23)은 용융 금속과 슬래그의 비산, 용적 및 유동물이 형성된 기체 연속 공간이다.

또한, 상기 용기는 용기의 중앙에 위치하여 용기 내부로 수직 아래쪽으로 연장되는 산소 함유 가스(일반적으로는, 예열된 산소가 풍부한 공기) 주입용 피침(13)을 포함한다. 피침(13)의 위치와 피침(13)을 통과하는 가스의 유속은 정상 상태의 공정 조건에서 산소 함유 가스가 전이 영역(23)의 중앙부로 침투하여 피침(13)의 단부 주위에 금속/슬래그 자유 공간(25)을 유지할 수 있도록 정하는 것이 바람직하다.

사용시, 피침(13)을 통하여 산소 함유 가스가 주입되면 전이 영역(23)과 피침(13)의 단부 주위의 자유 공간(25)에서 반응 가스(와)를 후연소하여 가스 공간에서의 온도가 2000 ℃ 이상으로 높아진다. 이 때 발생하는 열은 가스 주입 영역에서 상승하고 하강하는 용융 물질의 비산, 용적 및 유동물로 전달된 후, 금속/슬래그가 금속층(15)으로 되돌아갈 때 일부가 금속층(15)에 전달된다.

자유 공간(25)은 전이 영역(23) 상방의 공간에서 가스가 비말 동반되어 피침(13)의 말단 영역으로 운반시켜서 가용 반응 가스를 후연소시킬 가능성이 증대되기 때문에 40% 이상의 높은 후연소 효율을 얻는 데에 있어서 중요하다.

피침(13)의 위치와 피침(13)을 통과하는 가스의 유속과 용융 물질의 비산, 용적 및 유동물의 상향 이동이 복합적으로 작용하여 일반적으로 참조 번호 27로 나타낸 피침(13)의 하단 영역 주위에 전이 영역(23)을 형성한다. 이렇게 형성된 영역은 측벽(5)에 복사광으로 인한 열전달을 부분적으로 차단시켜주는 역할을 한다.

또한, 상승하고 하강하는 용융 물질의 비산, 용적 및 유동물은 열을 전이 영역(23)으로부터 쇳물로 전달시키셔 측벽(5)의 영역에서 전이 영역(23)의 온도를 1450 내지 1550 ℃로 높이기 위한 효과적인 수단이다.

상기 용기는 공정이 정상 상태 공정 조건에서 수행되고 있을 때 용기 내부의 금속층(15), 슬래그층(16) 및 전이 영역(23)의 수위를 기준으로 하고, 공정이 정상 상태 공정 조건에서 수행되고 있을 때 전이 영역(23) 상방의 상단 공간(31)으로 분출되는 용융 물질의 비산, 용적 및 유동물을 기준으로 하여 다음과 같은 조건을 만족시키도록 한다:

(a) 금속/슬래그층(15)/(16)와 닿는 측벽(5)의 노광과 하부 몸통부(53)는 내화성 물질로 이루어진 벽돌(도면에서 빗금으로 표시된 부분)로 형성된다;

(b) 측벽(15)의 하부 몸통부(53)의 적어도 일부분은 뒷면에 수냉각 패널(8)을 장착한다; 그리고

(c) 전이 영역(23) 및 상단 공간(31)과 닿는 측벽의 상부 몸통부(51)와 지붕(7)은 수냉각 패널(57)(59)로 형성된다.

각각의 수냉각 패널(8)(57)(59)은 서로 나란한 상하 모서리와 서로 나란한 측면 모서리를 구비하고, 원통형 몸통부를 정의하도록 만곡되어 있다. 각 패널은 내측 수냉각 파이프와 외측 수냉각 파이프를 포함한다. 상기 파이프들은 수평 단면이 만곡면에 의해 상호 연결되는 사문형 구성을 하고 있다. 각각의 파이프들은 또한 수직으로 설치되어서 패널의 노출 경사면 즉, 용기의 내부를 향하는 경사면에서 보았을 때 외측 파이프의 수평 단면이 내측 파이프의 수평 단면 바로 뒤에 위치하지 않도록 되어 있다. 각 패널은 또한 각 패널의 서로 인접한 직사면 사이의 공간과 파이프 사이의 공간을 채우는 장전된 내화 물질을 포함한다.

파이프의 입수구와 출수구는 파이프를 통하여 높은 유속으로 물을 순환시키는 수급 회로(도시되어 있지 않음)에 연결되어 있다.

상기에 언급한 파일럿 플랜트 시험은 서부 오스트레일리아의 퀴나나에 소재한 중간 시험 공장에서 본 출원인이 수행하였다.

파일럿 플랜트 시험은 도 1에 나타낸 용기를 가지고 앞서 설명한 공정 조건에 따라 상기에 기술한 바와 같이 수행하였다. 특히, 전면 노광(81)을 통해 용선을 연속으로 배출하고 출탕구(61)를 통하여 용융 슬래그가 주기적으로 배출되도록 하였다. 본 발명에 있어서 노광 직경은 2.74 m인 것에 유의해야 한다.

파일럿 플랜트 시험은 다음과 같은 광범위한 사항에 대하여 용기와 공정을 평가하였다:

(a) 공급 원료;

(b) 고체 물질과 가스의 주입 속도;

(c) 슬래그층의 깊이와 슬래그 비율로 측정한 슬래그 재고량;

(d) 작업 온도; 및

(e) 장치 구성.

도 2와 도 3은 두 가지 파일럿 플랜트 시험에 있어서 열전달 효율(HTE-TS)과 쇳물에서 배출되는 가스의 유속(단위)의 관계를 나타내는 그래프이다.

열전달 효율은 후연소에 의해 발생된 에너지 중에서 쇳물에 전달된 열에너지의 양을 후연소에 의해 발생한 전체 에너지량으로 나눈 백분율로 나타낸 값이다. 폐가스의 온도가 쇳물의 온도가 실질적으로 같으면, (측벽을 통해 발생하는) 용기로부터의 열 손실이 낮아서 열전달 효율이 높은 것이라고 말할 수 있다.

도 2와 도 3을 보면, 쇳물에서 배출되는 가스의 유속이 약 7.5일 때 열전달 효율이 급격히 증가하는 것을 알 수 있다. 이 값은 정지 상태에 있는 용기의 금속층(15)과 슬래그층(16)의 경계면에서 0.32인 것에 해당한다.

본 발명의 바람직한 실시예는 발명의 취지와 범위에서 벗어나지 않는 한도에서 여러 가지 변형예를 가질 수 있다.

상기에서 본 발명의 바람직한 실시예는 피침/송풍구(11)를 통하여 고체 물질/운반 가스를 주입하기 때문에 금속층으로부터 쇳물의 가스가 흐르게 된다고 설명하고 있으나, 본 발명은 가스를 바닥/측면 주입하여 쇳물의 가스를 유출시키는 구성을 갖는 장치로 확장시킬 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따르면 고체 원료/운반 가스를 쇳물에 주입하면서 발생하는 기체의 상향 유속이 (정지 상태에서의) 금속층과 슬래그층의 경계 지점에서 적어도 0.30으로 함으로서 유효 속도로 쇳물에 열전달이 이루어지도록 전이 영역을 형성할 수 있게 된다.

Claims (18)

1. (a) 제련 용기에서 금속층과 상기 금속층의 상측에 형성된 슬래그층을 갖는 쇳물을 형성하는 단계;

   (b) 한 개 이상의 하향으로 연장된 피침/송풍구를 통하여 운반 가스와 함께 금속철 공급 원료 및/또는 고체 탄소질 원료를 쇳물에 주입하고 쇳물 내에서 상기 금속철 공급 원료를 금속으로 용해시켜서, 상기 고체 물질과 가스를 주입함으로써 쇳물로부터 배출되는 가스가 (정지 상태의) 금속층과 슬래그층의 경계 지점에서 적어도 0.30의 유속으로 흐르게 하고, 상기 가스 흐름이 쇳물 내에서 용융 물질을 비말 동반시키고 상기 용융 물질을 비산, 용적 및 유동물의 형태로 상향으로 운반하고 상기 슬래그층 위에 용기 내부의 가스 연속 공간에 전이 영역을 형성하여, 상기 용융 물질의 비산, 용적 및 유동물이 용기의 측벽과 접하여 슬래그의 보호층을 형성하는 단계; 및

   (c) 한 개 이상의 피침/송풍구를 통하여 용기 내부로 산소 함유 가스를 주입하고 쇳물로부터 방출되는 반응 가스들을 후연소시켜서, 용융 물질의 비산, 용적 및 유동물이 상승하고 하강함에 따라 쇳물로의 열전달이 촉진되고, 상기 전이 영역이 형성됨에 따라 상기 전이 영역과 접하는 측벽을 통하여 용기로부터 손실되는 복사열의 양을 최소화하는 단계를 포함하는 고정형 즉, 회전불가형 제련 용기 내에서 금속철 공급 원료로부터 금속을 생산하기 위한 직접 제련 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 금속철 공급 원료를 주로 금속층 내부의 금속으로 용해시키는 것을 포함하는 방법.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 단계 (b)에서 고체 물질과 가스를 주입함에 따라 쇳물로부터 (정지 상태의) 금속층과 금속 슬래그층의 경계면을 가로질러 흐르는 가스 흐름을 유발하게 되는 것임을 특징으로 하는 방법.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중에서 어느 한 항에 있어서, 상기 가스의 유속은 (정지 상태의) 금속층과 슬래그층의 경계 지점에서 적어도 0.35인 것임을 특징으로 하는 방법.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중에서 어느 한 항에 있어서, 상기 가스의 유속은 (정지 상태의) 금속층과 슬래그층의 경계 지점에서 0.50이하인 것임을 특징으로 하는 방법.
6. 제 1 항 내지 제 5 항 중에서 어느 한 항에 있어서, 상기 전이 영역이 슬래그층의 상방에 연장되는 것임을 특징으로 하는 방법.
7. 제 1 항 내지 제 6 항 중에서 어느 한 항에 있어서, 상기 금속 내부의 용존 탄소의 농도는 4 중량%보다 큰 것임을 특징으로 하는 방법.
8. 제 1 항 내지 제 7 항 중에서 어느 한 항에 있어서, 상기 슬래그층에 함유된 FeO의 농도는 5 중량% 미만임을 특징으로 하는 방법.
9. 제 1 항 내지 제 8 항 중에서 어느 한 항에 있어서, 상기 용기에서 배출되는 폐가스에 비말 동반되는 분진이 적어도 약간 과량의 탄소를 함유하도록 하기 위해서는 쇳물에 주입되는 고체 탄소질 원료의 양을 상기 금속철 공급 원료를 용해시켜서 반응 속도를 유지하는 열을 발생하는 데에 필요한 것보다 높게 정하는 단계를 부가적으로 포함하는 방법.
10. 제 9 항에 있어서, 상기 용기에서 배출되는 폐가스에 비말 동반되는 분진의 고체 탄소 농도는 폐가스에서 분진 발생 속도가 10 내지 50일 때 폐가스에 포함된 분진의 중량에 대하여 5 내지 90 중량%(보다 바람직하게는 20 내지 50 중량%)인 것임을 특징으로 하는 방법.
11. 제 1 항 내지 제 10 항 중에서 어느 한 항에 있어서, 상기 단계 (b)에서 금속철 원료와 탄소질 원료의 주입은 동일한 피침/송풍기 또는 서로 다른 피침/송풍기를 통해 수행되는 것임을 특징으로 하는 방법.
12. 제 1 항 내지 제 11 항 중에서 어느 한 항에 있어서, 상기 산소 함유 가스는 산소, 공기, 또는 산소를 40 부피%까지 함유하는 산소가 풍부한 공기인 것임을 특징으로 하는 방법.
13. 제 1 항 내지 제 12 항 중에서 어느 한 항에 있어서, 상기 단계 (c)는 높은 수준의 즉, 적어도 40%의 후연소를 수행하고, 후연소는 다음과 같이 정의되는 것임을 특징으로 하는 방법.

    상기에서,

    [] = 폐가스의부피%;

    [] = 폐가스의부피%;

    [] = 폐가스의부피%; 및

    [] = 폐가스의부피%.
14. 제 1 항 내지 제 13 항 중에서 어느 한 항에 있어서, 상기 단계 (b)는 상기 용기의 측벽을 통해 연장되게 형성되고 금속층 쪽으로 하향 내측으로 경사지는 한 개 이상의 피침/송풍구를 통하여 고체 물질과 가스를 쇳물에 주입하는 것을 포함하는 것임을 특징으로 하는 방법.
15. 제 1 항 내지 제 14 항 중에서 어느 한 항에 있어서, 상기 단계 (c)는 한 개 이상의 피침/송풍구를 통하여 산소 함유 가스를 용기에 주입하여

    (a) 산소 함유 가스가 전이 영역에 주입되어 전이 영역으로 스며들고;

    (b) 상기 전이 영역이 각각의 피침/송풍구의 하단부 주위로 내측으로 연장되게 형성되어, 각 피침/송풍구의 단부에서 발생하는 연소 영역으로부터 용기의 측벽을 어느 정도 차단시켜 주고; 그리고

    (c) 각 피침/송풍구의 단부 주위에 실질적으로 금속과 슬래그를 함유하지 않는 "자유 공간"으로 명시되는 가스 연속 공간을 형성할 수 있도록 하는 것을 포함하는 방법.
16. 직접 제련 방법을 이용하여 금속철 공급 원료로부터 금속을 생산하기 위한 고정형 즉, 회전불가형 용기에 있어서,

    상기 용기는 금속층과 상기 금속층의 상측에 형성된 슬래그층을 갖는 쇳물을 담고 있고, 상기 슬래그층의 상측에 가스 연속 공간을 구비하고,

    (a) 동체;

    (b) 쇳물과 접촉하는 기저부와 측면부를 구비하는 내화성 물질로 형성된 노광;

    (c) 상기 노광의 측면으로부터 위쪽으로 연장되고 슬래그층 및 가스 연속 공간과 접하도록 형성되고, 상기 가스 연속 공간과 접하는 측벽은 냉각 패널과 상기 냉각 패널의 상측에 형성된 슬래그층을 포함하는 것을 특징으로 하는 측벽;

    (d) 용기 내부로 아래쪽으로 연장되어 산소 함유 가스를 금속층의 상측에 위치한 용기에 주입시키는 한 개 이상의 피침/송풍구;

    (e) 쇳물로부터 배출되는 가스가 (정지 상태의) 금속층과 슬래그층의 경계 지점에서 적어도 0.30의 유속으로 흐르게 하여 용융 물질이 금속층과 슬래그층으로부터 상측으로 끌어올리는 부력을 발생하기 위하여 운반 가스와 함께 금속철 공급 원료 및/또는 탄소질 원료의 적어도 일부를 쇳물에 주입시키는 한 개 이상의 하향 내측 방향으로 연장된 피침/송풍구;

    (f) 상기 슬래그층의 상측에 형성된 가스 연속 공간에서 용융 물질의 비산, 용적 및 유동물이 상승하고 하강함에 따라 형성되고, 상기 용융 물질의 비산, 용적 및 유동물의 일부는 용기의 측벽과 접촉하여 상기 측벽의 상부에 용융 물질층을 형성하는 전이 공간; 및

    (g) 상기 용기로부터 용융 물질과 슬래그를 배출하기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 직접 제련 방법을 이용하여 금속철 공급 원료로부터 금속을 생산하기 위한 고정형 즉, 회전불가형 용기.
17. 제 16 항에 있어서, 상기 피침/송풍구 또는 다수의 피침/송풍구를 통하여 고체 물질과 가스가 주입됨에 따라 쇳물로부터 (정지 상태의) 금속층과 금속 슬래그층의 경계면을 가로질러 흐르는 가스 흐름이 발생하는 것임을 특징으로 하는 용기.
18. 제 16 항 또는 제 17 항에 있어서, 원통형 노광과, 상기 노광으로부터 연장되는 원통형 몸통을 형성하는 측벽을 포함하는 것임을 특징으로 하는 용기.