KR20010031311A - 금속 철의 제조 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

산화철 함유 분말과 탄소질 환원제 함유 분말의 혼합 분말을 가마 상에 적층되어 있는 상태로 가열하는 것을 포함하여서 환원 및 용융을 수행하는 금속 철의 제조 방법이 제공된다. 심지어 철의 품질이 나쁜 산화철 소오스를 이용하는 것에 의해서도 슬래그 성분의 침입량이 극히 적고 Fe 순도가 높은 환원 철을 얻을 수 있다. 개시 물질 분말을 럼프 또는 펠릿으로 예비 성형할 필요가 없다.

Description

금속 철의 제조 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR MAKING METALLIC IRON}

지금까지는, 탄소재 또는 환원 가스로 철광 또는 산화철 펠릿(pellet)과 같은 산화철을 직접적으로 환원시키는 직접적인 철 제조 방법으로서, 미드렉스 방법(Midrex method)으로 보통 대표되는 용광로 방법이 알려져 있다. 이러한 유형의 직접적인 철 제조 방법은 용광로의 하부에 있는 풍구로부터 천연 가스 등으로 이루어진 환원 가스를 송풍시키는 것과 그 가스의 환원 효과를 이용하여 산화철을 환원시켜서 산화철을 얻는 것을 포함한다. 게다가 천연 가스 대신에 환원제로서 석탄과 같은 탄소재를 이용하는 환원 철 제조 방법이 최근에 인식되었는데, 구체적으로 말하면 소위 말하는 SL/RN 방법을 이미 실제로 이용하고 있다.

게다가 또다른 환원 철 제조 방법으로서, 미국 특허 제 3,443,931 호는 탄소재 및 분말형 산화철을 혼합하고 그들을 럼프(lump) 또는 펠릿으로 형성하는 것에 의해서 환원 철을 제조하고 또 회전 가마(rotary hearth) 상에서 그들을 가열 환원시킴으로써 환원 철을 제조하는 방법을 개시하고 있다.

전술한 방법에 의해 만들어진 환원 철은 그대로의 상태로 또는 연탄 등의 다른 형상으로 형성된 후에 전기로에 공급되어 철 소오스로 사용된다. 파쇠(iron scrap)의 재활용이 최근 활발하게 이루어지고 있기는 하지만 전술한 방법에 의해 얻어진 환원 철은 파쇠 내로 침입한 불순물 요소에 대한 희석제라고 알려져 있다.

그러나, 개시 물질(철광내의 맥석)로서 또는 탄소재(석탄내의 재)로서 사용되는 산화철내에 함유된 SiO₂, Al₂O₃및 CaO와 같은 슬래그 성분이 현존하는 환원 철 제조 방법으로 얻어진 환원 철내에 침입하기 때문에, 생성물질의 철 품질(금속 철의 순도)은 저하된다.

실제의 사용시에는, 그러한 슬래그 성분이 계속되는 정련 단계에서 분리되어 제거되지만, 슬래그 양의 증가는 정련된 용융 금속의 수율을 저하시킬 뿐만 아니라 전기로의 작동비에 바람직하지 않은 영향을 미치기도 하여, 철 품질이 좋고 슬래그 성분의 함량이 적은 환원 철이 요구된다. 그러나, 전술한 현존하는 환원 철 제조 방법에 의하여 그러한 환원 철 요구를 충족시키려면, 환원 철을 제조하기 위한 개시 물질로서 철의 품질이 좋은 철광을 사용하여야 하며, 따라서 실제로 사용하게 될 수 있는 철 개시 물질의 선택 범위가 대폭 좁아진다.

아울러, 전술한 현존하는 방법에 있어서는 산화철 소오스와 탄소재를 혼합하고 결합제 또는 신터링에 의하여 럼프 또는 펠릿으로 예비적으로 일단 성형하는 것이 필요하므로, 예비 성형 동작 및 설비의 부담이 불가피하게 증가한다.

게다가, 본 출원인이 출원한 일본 특허 공개 제 97-256017 호에 개시된 것과 같은 방법은 탄소질 환원제와 산화철의 혼합 분말을 구형 또는 펠릿 형상으로 예비 성형하는 것과, 상기 예비 성형된 생성물질을 가열 환원시켜서, 성형된 생성물질의 외측 표면에 철 금속 쉘을 형성하여 성장시키는 것과, 상기 금속 철 쉘 내의 환원 포텐셜을 증가시켜서 내측에서 산화철을 효율적으로 환원시킬 수 있고, 형성된 금속 철과 형성된 슬래그를 효율적으로 분리시킬 수 있게 하는 것을 포함한다. 따라서 이 방법은 금속화가 높은 금속 철을 얻을 수 있는 방법으로서 극히 효율적이다.

그러나 이 방법도 역시 전술한 종래 기술의 것과 마찬가지로 결합제 또는 신터링에 의해서 개시 물질을 구형 또는 펠릿 형상으로 일단 예비 성형하여야 한다는 문제를 여전히 갖고 있으며, 따라서 예비 성형을 위한 설비 및 동작에 대한 부담이 증가한다.

또한 일본 특허 공개 제 1996-27507 호는, 또다른 직접적인 환원 철 제조 방법으로서, 탈황기를 포함하는 탄소질 환원 분말 및 분말형 산화철(각각은 가동 가마 상에 층상 형태로 적층된다)을 쌓고 가열하여 해면 철을 얻는 방법을 개시하고 있다. 탄소질 환원제에 의하여 산화철이 환원되고, 석탄과 같은 탄소질 환원제 내에 함유된 황 성분이 탈황기에 포획되기 때문에, 황 함량이 적은 해면철이 얻어질 수 있고 또 이 방법에 따라서 후속적인 탈황 부하가 감소될 수 있다.

이 방법이 산화철 개시물질을 펠릿 등의 다른 형상으로 예비성형하는 것을 필요로 하지 않는 장점이 있긴 하지만, 산화철 소오스와 탄소질 환원제가 서로 직접 접촉하고 있는 것은 아니기 때문에, 환원 효율이 낮아서 가열 환원에 오랜 시간이 걸리며, 따라서 생산성 면에서 볼 때 공업적인 규모로 실제로 사용하기에는 적합치 않다.

또한, 이러한 방법에 의해서 해면 철로서 환원 철을 얻기 때문에, 다량의 맥석 성분이 해면 철에 침입하여 환원 철의 철 품질을 저하시킨다. 그렇게 나쁜 철 품질을 갖는 환원 철이 전기로 등에 철 소오스로서 공급된다면, 결과적인 슬래그 양의 증가로 인해서 전기로의 작동에 바람직하지 않은 영향이 미쳐지며, 그 결과 슬래그로의 침입에 의해 야기되는 철의 손실로 인한 철 수율의 저하, 에너지 소모 단위의 증가 및 생산성의 저하 등과 같은 다른 각종 문제가 야기된다. 게다가 그러한 문제는 산화철 소오스 내의 철 함량이 낮은 경우 더욱 두드러지기 때문에, 실제적인 동작에서는 품질이 나쁜 철 또는 산화철 소오스를 개시 물질로서 사용하는 것이 거의 불가능하여, 품질이 좋은 산화철 소오스 만이 사용될 수 있다.

발명의 요약

본 발명은 종래기술에 있어서의 전술한 문제에 비추어 달성되었는데, 그 목적은 심지어는 품질이 나쁜 산화철 소오스로부터 품질이 좋은 산화철 소오스에 이르기까지에 걸쳐서, 럼프 또는 펠릿으로의 예비 성형을 필요로 함이 없이, 슬래그 성분으로의 침입이 적고 Fe의 순도가 높은 환원 철을 제조할 수 있는 방법 및 장치를 제공하는 것이다.

전술한 문제를 극복할 수 있는 본 발명에 따른 제조 방법은 산화철 함유 분말과, 탄소질 환원제 함유 분말의 혼합 분말을, 가마 상에 적층되어 있는 상태로 가열하는 것을 포함하여, 분말을 펠릿 등의 다른 형상으로 예비 성형하지 않고도 환원 및 용융을 시행한다.

이 방법의 바람직한 실시예에 있어서는 가마상에 적층된 혼합 분말이 콤팩트한 상태로 가압된 후 가열된다. 가마상에 적층된 분말 혼합물이 콤팩트한 상태로 가압된 후 가열될 때, 산화철 표면 및 탄소질 환원제는 서로 더욱 긴밀히 접촉하게 되어, 가열 환원 효율을 바람직하게 더욱 증가시킨다.

이 방법의 다른 실시예에 있어서는 혼합 분말의 층이 불균일하게 형성된 후 가열된다. 혼합 분말이 혼합 분말 층의 표면상에 불균일하게 형성된 후 가열되는 경우에는 표면적이 증가하여 유효 가열 면적이 확장됨으로써 가열 환원 효율이 더욱 개선된다.

이 방법의 또다른 실시예에 있어서는 생성물질 배출 촉진 층이 가마 상에 미리 형성된다. 본 발명에 있어서는 가마 상에 적층된 혼합 분말이 전술한 바와 같이 가열 환원되고 용융되며, 용융된 환원 철은 비중이 크기 때문에 어쩌면 가마의 표면과 직접 접촉하여서 바닥 표면 상의 내화물을 열적으로 열화시킬 수도 있고, 또 환원 및 용융 후 가마 표면으로부터 생성물질(환원 철 및 형성된 슬래그)을 방출할 때 환원 철이 가마 표면에 용착되어 어쩌면 방출능력에 방해를 줄 수도 있다. 열적 보호로서의 역할도 하는 생성물질 배출 촉진 층의 설비는 가마의 생성물질 방출을 촉진하고 가마의 작동 수명을 연장시킬 수 있다.

본 발명의 더욱 바람직한 실시예에 있어서는, 혼합 분말이 탈황기를 더욱 포함한다. 혼합 분말 내에 함유된 탈황기는 가열 환원 및 용융 단계에서 형성된 황 함량을 포획하여, 생성된 환원 철 내의 철 함량을 바람직하게 감소시킨다.

전술한 바와 같은 제조 방법을 실시하기 위하여 바람직하게 사용된 본 발명에 따른 금속 철의 제조 장치는: 가동 가마; 상기 가마 상에 탄소질 환원제 함유 분말과 산화철 함유 분말의 혼합 분말을 공급하는 공급 기구와; 상기 가마 상에서 상기 혼합 분말을 가열하는 가열 기구와; 가열에 의하여 환원 및 용융된 생성물질을 상기 가마의 외측으로 방출하는 방출 기구와; 상기 생성물질을 철 및 슬래그가 환원되도록 분리시키는 분리 기구를 포함하며; 이 장치의 바람직한 실시예는 상기 가마 상에 적층된 혼합 분말을 가압하기 위한 가압 기구를 포함한다.

이 장치의 바람직한 실시예는 혼합 분말의 층에 불균일을 형성하는 불균일 형성 기구를 포함한다.

이 장치의 바람직한 실시예는 가마 상에 생성물질 배출 촉진 층을 형성하는 기구를 형성하는 생성물질 배출 촉진 층을 포함한다.

이 장치의 바람직한 실시예에 있어서, 가마는 폐루프를 따라 이동하는 복수의 가마 유닛(hearth unit)을 포함하거나 복수의 왕복운동형 가마 유닛을 포함하며, 또 상기 가마가 회전형 원판 형상을 가질 수 있다.

이 장치의 바람직한 실시예에 있어서, 가마는 수평으로 배치된 원통형상 내화성 로의 내측에서 공축으로 회전하는 복수의 가마 유닛을 포함한다.

그러한 실시예에 있어서는 가열 환원 및 용융을 통하여 개시 분말 혼합물을 공급하고 생성물질을 방출하는 일련의 단계가 연속적으로 행해질 수 있으며, 따라서 그 장치를 공업적인 규모로 실시하기에 바람직하다.

본 발명의 철 제조 방법에서 기술한 바와 같이, 산화철 함유 분말과 탄소질 환원제 함유 분말의 혼합 분말(이하에서는 탄소재라 하기도 함)을, 가마 상에 적층되어 있는 상태로 가열하는 것에 의하여 환원 및 용융시켜서 금속 철을 얻는다. 즉, 산화철 소오스와 탄소재가 분말형 상태로 이용되고 이 방법으로 혼합되기 때문에, 럼프 또는 펠릿으로의 예비 성형이 더 이상 필요 없다. 게다가, 이 방법에 있어서는, 산화철 소오스와 탄소재가 분말형 상태에서 서로 인접한 채 혼합 상태로 가열 환원되며, 가열 환원은 빠르게 진행되고, 비교적 짧은 기간 내에 열처리하는 것에 의해서 환원을 효율적으로 처리할 수 있다. 게다가, 이 방법에 있어서는 가열 환원에 의해서 형성된 환원 철이 가열에 의하여 계속적으로 용융되고, 금속 철이 융해되어 서로 응집하는 한편 슬래그 성분을 추방하기 때문에, 품질이 나쁜 산화철 소오스를 사용한 경우에 조차도 슬래그 성분의 침입 양이 극히 적고 순도가 높은 환원 철을 얻을 수 있다.

본 발명은 탄소재와 같은 탄소질 환원제와 함께 철광과 같은 산화철의 가열 환원에 의해서 금속 철을 얻는 기술을 개선시키는 것과 관련된 것으로, 산화철 소오스 내에 맥석 성분으로서 침입하여 슬래그 성분을 분리시킴과 아울러 금속 철을 고-순도로 효율적으로 제조할 수 있는 금속 철의 제조 방법 및 장치에 관한 것이다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예를 도시하는 장치의 일부에 대한 평면도,

도 2는 도 1에 도시한 장치의 횡단면도,

도 3은 본 발명의 다른 실시예를 도시하는 장치의 개략적인 평면도,

도 4는 도 3에 도시한 장치의 가열 환원부, 용융부 및 분리부를 확대된 규모로 도시하는 개략적인 종단면도,

도 5는 도 3의 3-3선을 따라 취한 개략적인 단면도,

도 6은 도 3의 C-C선을 따라 취한 개략적인 단면도,

도 7, 도 8 및 도 10은 본 발명의 다른 실시예를 도시하는 개략적인 종단면도,

도 9는 도 8의 개략적인 횡단면도.

본 발명에 따라 금속 철을 제조하기 위한 방법 및 장치를, 본 발명에 따라 금속 철을 제조하기 위한 장치의 바람직한 실시예를 예시하는 도면을 참조하여 특정하게 기술할 것이지만, 본 발명이 예시된 실시예에 한정되는 것은 아니고, 전술하거나 또는 본 발명의 기술적인 범위 내에 속하는 후술하는 바와 같은 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 적절한 설계 변경에 의하여 본 발명을 실시할 수도 있다.

도 1 및 도 2는 본 발명에 따른 금속 철의 제조 장치를 도시하는데, 이들 도면에 있어서, 도 1은 천정부가 개방되어 있는 개략적인 평면도이고, 도 2는 도 1의 개략적인 횡단면도이다. 도면에는, 가열로(1), 개시 물질 공급부(2a, 2b), 가마 유닛(3a, 3b), 가마 유닛을 이동시키기 위한 레일(4), 가열 기구를 구성하는 버너(5), 및 분리부를 구성하는 용융 분리로(melting separation furnace)(6)가 각기 도시되어 있다.

이 실시예에 있어서는 도면에 도시한 바와 같이, 팰릿형 가마 유닛(3a, 3b)이 개시 물질 공급부(2a, 2b) 사이에 놓여 있는 중앙부에 배치된 가열로(1)내 레일(4)상에서 왕복운동할 수 있도록 배치된다. 산화철 소오스와 탄소재의 혼합 분말이 개시 물질 공급부(2a)(또는 2b)에서 가마 유닛(3a)(또는 3b)내로 적절한 두께로 공급된다. 혼합 분말 층은 콤팩트한 상태로 가압되거나 또는 경우에 따라 표면이 불균일하도록 형성되고, 그 다음에 가열로(1) 내로 이동할 수도 있다. [도 1은 도면의 상부에 있는 개시 물질 공급부(2a)에서 가마 유닛(3a) 내로 개시 물질 혼합 분말을 공급하고 그 다음에 가마 유닛(3a)을 가열로(1)로 이동시킨 상태를 도시한다.] 이 가열로(1)에서는 혼합 분말이 버너(5)에 의해 가열되어 환원 및 용융을 진행시킨다.

가마 유닛(3a) 상에 적층되어 가열로(1)내로 이송된 개시 물질 혼합 분말 내의 산화철 소오스는 버너(5)로부터 열을 수용하여, 혼합 분말 내의 탄소재 및 탄소재로부터 형성된 일산화탄소에 의해서 환원되며, 추가로 가열 및 용융되는 한편, 인접한 탄소재로부터의 탄소 함량에 의해서 탄화된다. 이 과정에 있어서, 용융된 환원 철은 부착하여 서로 응집되는 한편 부산물의 형태로 생성된 슬래그 성분을 추방하며, 용융된 환원 철의 큰 럼프로 점차 성장한다. 따라서, 가열로(1) 내에서 사전결정된 기간 동안 가열하였을 때, 환원에 의해 형성되고 가마 유닛(3a) 내에서 응집물의 형태로 서로 부착된 용융 환원 철은 보다 큰 럼프를 형성한다. 환원 철의 용융 럼프에 있어서는, 용융된 환원 철이 전술한 바와 같이 부착해서 서로 응집되는 한편 슬래그 성분을 추방하며, 따라서 슬래그 성분은 단순히 표면 상에 용착되기만 할 뿐 내측으로 거의 침입하지 않는다.

환원 및 용융의 완료 후에는, 가마 유닛(3a)이 도시하지 않은 선택적인 경사 장치에 의해서 용융 분리로(6)를 향하여 경사진다. 생성물질이 가마 유닛(3a)으로부터 용융 가열로(6)로 방출되며, 생성물질의 온도가 저하될 때 용융 분리로(6)내의 유동성이 증가되도록 추가로 가열되고, 그 다음에 비중의 차이로 인해서 환원 철(Fe) 및 슬래그(S)가 분리되어, 슬래그(S)가 표면부로부터 인출되고 금속 철(Fe)이 바닥부로부터 인출된다.

생성물질의 방출 완료 후 가마 유닛(3a)은 도 1의 하부에 도시한 개시 물질 공급부(2b)로 이동하며, 개시 물질 공급부(2a)에서 개시 물질을 이미 공급받아서 대기 상태로 있는 가마 유닛(3b)이 가열로(1)내로 이송되고, 개시 물질 혼합 분말이 전술한 것과 동일한 방식에 의해서 가열 환원 및 용융된다. 그러는 동안 개시 물질이 도면의 하부에 도시한 개시 물질 공급부(2b)내의 다른 가마 유닛으로 공급되어서(선택적으로 가압 또는 표면이 불균일하게 형성되기도 함), 그 다음의 가열 환원 및 용융을 위하여 대기 상태로 있다. 용융로(1)내의 가열 환원이 완료된 가마 유닛으로부터 환원 생성물질이 방출된 후, 가마 유닛은 도면의 상부로 이동하여 가열로(1)로부터 외측으로 반송되며, 그 동안 개시 물질 공급부(2b)내에서 대기 상태로 있는 가마 유닛이 개시 로(1)로 이송된다. 이 동작을 반복하는 것에 의해서, 개시물질 혼합 분말이 간헐적으로 가열 환원되고 연속적으로 용융될 수 있다.

이 방법을 수행하는 경우, 가열로(1)로부터 방출된 소모 가스는 상당한 양의 열 및 가연성 가스(이산화탄소 등)를 함유하며, 소모 가스가 버너(5)를 위한 연료로서 재순환되는 경우에 그것은 연료비의 절약에 기여할 수도 있고 또 근방의 설비를 위한 연료 또는 열원으로서 효율적으로 이용될 수 있다.

이 방법을 수행할 때 개시 물질 혼합 분말을 준비하기 위하여, 산화철의 환원에 필요한 이론적인 양이 산화철 소오스를 함유하는 것보다 많은 양의 탄소재가 혼련되므로, ″개시 물질 산화철의 환원에 필요한 양 + 환원 철의 탄화에 필요한 양 + 산화 손실의 양″이 충족되도록 탄화재의 혼련량을 제어하는 것이 가장 바람직하다. 가열 환원 단계에서 형성된 환원 철이 가열 환원 분위기에서 탄화될 때, 용융점이 저하되어 슬래그 성분의 분리를 더욱 촉진한다. 따라서, 환원에 필요한 이론적인 양 및 전술한 탄화량을 고려하면서 개시 물질 산화철에 비교한 탄화재의 혼련량과 가열로에서의 산화 손실량을 제어하는 것이 바람직하다.

개시 물질 혼합 분말이 가마 유닛 상에 적절한 두께로 적층된다. 이 두께는 개별적인 제조 장치의 가열 효율, 스케일 및 구성물질을 고려하여 적절히 선택할 수도 있는데, 혼합 분말 층을 내측까지 가급적 멀리 가열함과 아울러 환원 및 용융을 효율적으로 진행시키기 위하여 바람직한 두께는 10 내지 300mm이고, 일반적으로는 20 내지 100mm이다.

개시 물질 혼합 분말은 가열 유닛 상에서 전체 표면 위에 실질적으로 동일한 두께로 적층될 수도 있고, 전술한 바와 같이 선택적인 가압 장치에 의해서 콤팩트한 상태로 적절히 가압될 수도 있으며, 유효 가열 면적이 확대되도록 표면이 불균일하게 형성될 수도 있고, 또 복수의 위치에서 적절한 간격으로 사다리꼴 형상과 같은 적절한 형상으로 각기 가마 유닛 상에 배치될 수도 있다. 본 명세서에 사용하는 ″가마 상에 적층한다″라는 용어는 그러한 구조의 배치를 포함한다.

가마 유닛 상에 적층된 개시 물질 혼합 분말은 적절한 레벨링 기구에 의해서 균일한 두께로 단순하게 만들어질 수도 있다. 환원 효율은 더욱 증가될 수 있기 때문에, 산화철 및 탄소재가 더욱 긴밀하게 접촉하게 되도록 예를 들면 가압 롤러에 의해서 분말을 콤팩트한 상태로 가압하는 것이 더욱 바람직하다. 본 명세서에 있어서 콤팩트한 상태로 가압한다는 것은, 분말 개시 혼합물이 가압되어 고화되는 동안 개시 물질 분말의 과립간 거리가 더욱 가까와진다는 것을 의미한다. 이것은 예를 들면 결합제를 사용하여 또는 신터링에 의해서 분말을 럼프 또는 펠릿으로 예비 성형하고 있는 일본 특허 공개 970256017 호에 개시된 것과 같은 종래 기술과 본질적으로 다르다.

가압 처리를 적용하는 경우에, 표면적을 확대시키기 위하여 가압층의 표면이 불균일하게 형성된다면, 그 표면으로부터 열이 혼합 분말 층의 내측으로 효율적으로 전달되어서 환원 반응에 의해 형성된 CO₂의 배출이 가속화될 수 있기 때문에, 환원 효율이 더욱 개선된다. 불균일 형상에 있어서의 특별한 제한은 없지만, 선형, 주름형 또는 격자모양 형상과 같은 선택적인 형상으로 될 수도 있다. 가압층을 적절한 크기의 격자모양 구성으로 분할하도록 불균일 표면이 형성되는 경우에, 각 격자 내에 가열 환원에 의하여 형성된 금속성 층은 용융 럼프로 응집되어 실질적으로 균일한 크기의 금속성 럼프로서 형성되며, 그럼으로써 후속적인 처리(슬래그 성분으로부터 체 치는 것에 의한 분리)가 바람직하게 용이하게 표준화된다.

동작 온도가 금속 철 또는 환원에 의해 형성된 탄화 생성물질을 용융시킬 수 있는 레벨보다 높도록 하는 가열 환원시 동작 온도에 대한 특별한 제한은 없다. 가열 환원을 효율적으로 진행시키는 한편 가열로(1) 또는 가마 유닛의 내측 내화물이 열에 의하여 열화하는 것을 최소화시키기 위하여, 그 온도는 1350 내지 1550℃이고, 더욱 바람직하게는 1400 내지 1500℃이다.

도 3 내지 도 6은 본 발명의 다른 실시예를 도시하는데, 도 3은 개략적인 평면도, 도 4는 도 3의 A 영역의 개략적인 종단면도, 도 5 내지 도 6은 각기 도 3의 B-B선, C-C선을 따라 취한 개략적인 단면도이다.

이 실시예의 장치에 있어서는, 공급 →콤팩트한 상태로의 가압(게다가 표면을 불균일하게 형성) →가열 환원 및 용융 →생성물질의 방출로 진행되는 개시 물질 혼합 분말의 각 동작이 트랙 형상 루프를 따른 회전 이동 과정에서 연속적으로 수행될 수 있는 트랙형 폐루프를 따라 연속적으로 회전 이동하는 이동 기구상에 복수의 가마 유닛(3, 3, ……)이 배열된다.

특히, 도 3에는 개시 물질 공급부(7a, 7b), 가압(게다가 표면을 불균일하게 형성)부(8a, 8b), 가열 환원 구역(D, E) 및 생성물질 방출부(9a, 9b)가 각기 도시되는데, 트랙형 루프는 가열 환원 및 용융의 두 단계가 하나의 루프에서 연속적으로 수행될 수 있도록 양분된다.

개시 물질 공급부(7a, 7b)에서 가마 유닛(3) 상으로 공급된 개시 물질 분말은 가압부(8a, 8b)에서 콤팩트한 상태로 가압된 다음에 가열 구역(D, E)로 이송되며, 가열 구역(D, E)에서 버너(5)와 같은 가열 기구로부터 열을 수용하여 가열 환원을 수행한다. 그 다음에 환원 및 용융을 완료한 후 방출부(9a, 9b)에 도착한 가마 팰릿(3)은 도 4 및 도 6에 도시한 것과 같은 선택적인 경사 장치에 의해서 경사지고, 그 경사에 의해서 내측의 생성물질(환원 및 용융 생성 물질)이 용융 분리로(6)로 방출되며, 환원 철(Fe) 및 형성된 슬래그(S)는 비중의 차이로 인해서 계속적으로 분리된다.

게다가 이 실시예에 있어서는, 도 3 및 도 4에 도시한 바와 같이, 2차 개시 물질 공급부(10a, 10b)가 가열 구역(D, E)의 중간 위치 주위에 각기 배치되어, 개시 물질 혼합 분말이 그 부분에 2차로 공급될 수 있게 한다. 즉, 분말 혼합물로서 공급된 개시 물질이 이미 가압을 받은 경우에도, 가열 환원 및 용융 단계에서 탄소재의 연소 및 산화철의 환원에 의하여 개시 물질의 용적이 약 1/2 내지 1/3으로 감소된다. 따라서, 동작이 지금 그대로의 상태로 연속적인 경우에는, 가마 유닛(3)(내측 용적)의 유효 처리 성능을 후자의 가열 환원 절반부에서 충분히 이용할 수 없다. 따라서, 도면에 도시한 바와 같은 가열 환원의 과정에서 각 가마 유닛(3) 내에서 개시 물질 혼합 분말의 용적이 감소할 때 2차 공급부(10a, 10b)로부터의 개시 물질 혼합 분말을 감소 용적에 대응하는 양으로 추가로 첨가하면 생산성의 향상에 극히 효율적이다.

도 7은 공급 →콤팩트한 상태로의 가압 →가열 환원 및 용융 →방출로 진행되는 개시 물질 혼합 분말의 일련의 단계가 폐루프를 따라 연속적으로 수행될 수 있는 무한궤도 유형의 회전 구동 장치에 복수의 가마 유닛(3, 3, ……)이 고정되어 있는 본 발명의 추가 실시예를 도시하는 개략적인 단면도이다. 즉, 도면에 도시한 바와 같이, 폐루프 상부의 좌측 단부에 있는 개시 물질 공급부(7)로부터 가마 유닛(3)으로 개시 물질이 공급되고, 개시 물질 분말은 가압 롤러(8)에 의해 가압되고 선택적으로는 불균일성을 갖도록 형성되며, 계속해서 버너(5)와 같은 가열 기구를 갖는 가열부(1)로 이송되어 그것에 의해 가열된다. 그럼으로써 전술한 실시예와 관련하여 설명한 것과 동일한 방식으로 환원 및 용융이 진행된다. 그런 다음에 생성물질은 가열부에 대하여 하류에 배치되어 있는 냉각 기구(12)에 의해 냉각되며, 생성물질이 도 7의 우측 끝에 도달하였을 때 가마 유닛(3)이 그것의 회전에 따라 경사져서 생성물질이 그 자신의 중량에 의해서 가마 유닛(3)으로부터 이탈하여 자발적으로 하향으로 떨어진다. 따라서 생성물질은 하측의 장소에 수납될 수도 있고, 분쇄된 다음에 예를 들면 자기 선택에 의해서 금속 철 및 슬래그로 분리될 수도 있다.

이 방법을 수행하는 경우에는, 생성물질이 가마 유닛(3)으로부터 쉽게 이탈하여 떨어질 수 있도록 하는 것이 필요하다. 이 방법을 달성하기 위하여, 폐루프의 하부에 생성물질 배출 촉진 공급부(13)가 배치되고, MgO 액체 현탁액과 같은 생성물질 배출 촉진제가 이 실시예에서의 위치에서 가마 유닛(3)의 수납 표면에 용착된다. 바닥 방출 촉진기는 전술한 바와 같이 생성물질이 가마 유닛의 표면으로부터 이탈하는 것을 촉진하며, 환원 철 또는 생성된 슬래그의 용융점보다 높은 용융점을 갖는 화합물, 또는 슬래그의 용융점을 증가시키기 위해서 형성된 슬래그내로 침입하는 화합물을 포함하는 한, 촉진기의 종류에 대한 특별한 제한은 없다. 생성물질 배출 촉진 효과 및 비용에 비추어, MgO, CaO, Al₂O₃와 같은 금속 산화물 또는 그들을 함유하는 복합 산화물이 가장 바람직하다. 전술한 바와 같이 생성물질이 바닥으로부터 배출될 수 있고 가마 유닛 표면의 열적 열화가 억제되어 작동 수명을 연장시킬 수 있기 때문에 가마 유닛의 표면상에 생성물질 배출 촉진기를 배치하는 것이 바람직하다. 또한 도시한 실시예에 추가로 생성물질 배출 촉진기가 개시 물질 분말 공급부에 분말 형태로 공급될 수 있다.

도 7에 도시한 실시예에 있어서, 가열 환원 및 용융부로부터 도관(14)을 통하여 방출된 소모 가스를 복원시키고, 그 내에 보유된 열이나, 또는 열 에너지 또는 연료로서 소모 가스 내에 함유된 가연성 가스를 효율적으로 이용하는 것이 효율적이다.

도 8 및 도 9는 도넛 형상으로 형성된 로 내에서 회전하는 원판 모양의 가마(3) 상에서 가열 환원 및 용융을 수행하는 장치를 도시하는 본 발명의 추가 실시예와 관련된 개략적인 종단면도 및 개략적인 횡단면도이다.

이 장치는 원판 모양의 가마(3)가 도넛 형상 가열로(1)내의 턴테이블과 유사하게 회전하는 구성을 가지며, 이 턴테이블에서 개시 물질 혼합 분말이 개시 물질 공급부(7)로부터 공급되고, 가압 롤러(8)에 의해 가압되며, 버너(5)로부터의 열에 의해서 환원 및 용융을 수행한다. 냉각 구역 내에서 환원 생성물질을 냉각한 후, 생성물질은 하류에 배치되어 있는 스크류 유형의 방출 기구(15)에 의해서 방출되는 한편 바닥 면으로부터 이탈하고, 슬래그 성분과 환원 철은 도시하지 않은 체 또는 자기적인 선택 장치에 의해서 분리된다. 또한 이 방법을 수행하는 경우에는, 생성물질 배출의 촉진 또는 가마의 열적 열화의 억제를 위하여 개시 물질 공급부(7)의 바로 상류에 생성물질 배출 촉진기를 피복 또는 분사하는 것이 효율적이며, 또한 가압층의 표면에 불균일을 형성하여 가열 환원 효율을 향상시키고 더 나아가 가열부로부터 소모 가스를 효율적으로 이용한다.

도 10은 복수의 원통형상 내화성 로(A) 내에서 수평 방향을 따라 축방향으로 회전하고 내화성 로(A)의 내측 원통형상 벽을 따라 선택적인 구동원에 의해서 그들을 회전시키는 구조를 갖는 복수의 가마 유닛(3a, 3b, 3c, ……)을 포함하는 본 발명의 추가의 실시예를 도시하는 개략적인 단면도이다. 개시 물질 공급부(7) 및 생성물질 방출부(9)가 내화성 로(A)의 선택적인 위치에 배치되며, 예열 버너(5a)가 개시 물질 공급 위치의 바로 앞에 배치되고, 가열 버너(5b, 5b, ……)가 가마 유닛의 회전 방향으로 그의 하류에 배치되며, 송풍 냉각부(12a)가 가마 유닛의 회전 방향을 따라 그것의 더욱 하류에 배치된다.

이 장치를 이용하여 환원 및 용융을 수행할 때에는, 예열 버너(5a)에 의해서 예열된 가마 유닛(3a)이 회전하여 개시 물질 공급부(7)에 도달할 때까지, 개시 물질 혼합 분말이 개시 물질 공급부(7)로부터 로(A) 내로 공급된다. 공급된 개시 물질 혼합 분말이 버너(5b)로부터 열을 수용하는 한편, 가마 유닛 상에서 회전하여 계속적으로 환원됨으로써 환원 철을 형성하고, 그 때 슬래그 성분은 계속적으로 분리된다. 그 다음에 더욱 하류에서 송풍 냉각부(12)로부터의 냉각풍이 불어서, 환원 및 용융에 의해서 형성된 금속 철 및 슬래그 성분을 냉각 및 고화시키고, 그 후 상기 성분은 생성물질 방출부(9)를 통해서 로(A)로부터 계속적으로 방출되어, 예를 들면 자기 선택에 의해서 금속 철 및 슬래그 성분을 분리시킨다. 환원 철은 공급 →가열 환원 및 용융 →냉각 및 고화 →방출 →금속 철의 분리로 진행되는 개시 물질 혼합 분말의 동작을 연속적으로 수행하는 것에 의해서 연속적으로 제조될 수 있다.

일단 냉각하여 로(A) 내의 환원 및 용융에 의해서 형성된 금속 철을 고화시키고 그 후에 상기 금속 철을 로(A)로부터 방출하는 것의 일예가 개시되어 있지만, 예시된 실시예에 있어서는 송풍 냉각부에 대하여 가열 버너를 배치하고, 그 부분에서 환원 철 및 슬래그 성분을 완전히 용융시키며, 그 다음에 그들을 방출부(9)로부터 용융 상태로 방출하는 것이 효율적이다.

본 발명에 따른 방법 및 장치는 예를 들면 전술한 바와 같이 구성된다. 본 발명의 가장 현저한 특징은 전술한 바와 같은 산화철 소오스와 탄소질 환원제의 분말 상태 혼합물을 가열하는 것에 의해서 가열 환원시키는 것이고, 생성된 환원 철이 슬래그 성분으로부터 용융 상태로 분리되므로, Fe 순도가 높은 환원 철이 얻어지도록 슬래그 성분이 금속 철 내로 침입하는 것을 억제할 수 있다. 이 방법 및 장치를 이용하여서, 심지어 산화철의 함량이 적은 나쁜 품질의 산화철 소오스 뿐만 아니라 품질이 좋은 산화철 소오스로부터도 극히 높은 Fe 순도, 예를 들면 Fe 함량이 95% 또는 그 이상, 추가로는 98% 또는 그 이상인 환원 철을 얻을 수 있다. 따라서 본 발명은 심지어 예를 들면 용광로 분진으로부터 방출된 소량의 산화철을 함유하는 폐기물로부터도 Fe 성분을 효율적으로 복원시킬 수 있다. 게다가, 분리된 슬래그를 개시 물질로서 재활용하여 슬래그 내에 소량으로 혼합된 산화철 성분을 추가로 복원시킴으로써 Fe 성분의 복원률을 향상시키는 것이 효율적이다.

어쨌든, 산화철 소오스와의 혼합에 사용된 탄소질 환원제로서는 석탄 분말 또는 코크스 분말이 가장 일반적이다. 그러나, 상당한 양의 황이 그들 내에 함유되어 있기 때문에, 상당한 양의 황을 가열 환원 단계에서 형성된 환원 철내에 혼합하면 후속적인 정련 단계에서의 탈황 부하가 증가된다는 것이 걱정일 수도 있다. 그러나, 본 발명을 실시할 때, 예를 들면 탄산 칼슘, 탄산 나트륨 또는 염화 칼슘을 함유하는 탈황기가 개시 물질 혼합 분말 내에 적절한 양으로 첨가되어서, 탈황기에 의하여 가열 환원 단계에서 형성된 황 함량을 포획하여 슬래그와 함께 분리 및 제거할 수 있다면, 생성된 환원 철내의 황 함량을 가급적 낮게 감소시키는 것이 가능하다.

본 발명의 구성 뿐 아니라 작용 및 효과를 실험예를 참조하여 더욱 구체적으로 설명하기로 한다. 본 발명은 하기에 특정한 실험예에 한정되는 것은 아니며, 전술 및 후술하는 바와 같은 요지에 부합할 수 있는 범위 내에서 적절히 변경 또는 변형하여 실시할 수 있다. 이들 모두는 본 발명의 범위 내에 속한다.

실험예 1

하기 성분 조성의 철광 분말 및 석탄 분말을 하기의 비율로 균질하게 혼합하였고, 그 혼합 분말을 내화성 트레이 상에 100mm□×40mm의 두께로 적층하였으며, 그들을 전기로 내로 공급해서 질소 가스 분위기에서 1400℃로 가열하였다. 전망창을 통하여 혼합 분말의 변화를 관찰하였다.

결과적으로, 시간의 경과에 따라 철광의 환원이 진행되었고, 환원된 용융 철이 점 같이 형성되었으며, 그 다음에 계속적으로 용착 및 응집되었고, 약 50분의 경과 후 용융 상태에서 복수의 환원 철 럼프와 슬래그로 분리되었다. 그 후에, 그들은 냉각되었고, 트레이를 전기로로부터 꺼내어서, 하기 성분 조성의 검정 슬래그 및 금속 광택을 갖는 복수의 금속 철 럼프를 얻었다.

개시 물질 혼합 분말

철광 분말 조성(중량%)

T.Fe:69.4%, FeO:30.1%, SiO₂:1.75%,

Al₂O₃:0.49%, CaO:0.45%

석탄 분말 조성(중량%)

고정 탄소:68.5%, 휘발성 성분:21.4%, 재:10.1%

철광 분말:석탄 분말 = 76.9%:23.1%

생성물질 조성(중량%)

환원 철 럼프

T.Fe:96.75%, FeO:0.31%, M.Fe:96.39%,

총 탄소: 2.22%, 금속화:99.63%

슬래그

T.Fe:5.15%, FeO:0.56%, M.Fe:4.58%,

SiO₂:44.63%, Al₂O₃:19.18%, CaO:10.38%

실험예 2

실험예 1에 사용한 것과 동일한 철광 분말 및 석탄 분말을 동일한 비율(평균 입자 크기:35cm)로 균질하게 혼합하는 것에 의하여 형성된 혼합 분말 9개를 내화성 트레이 상에 각기 사다리꼴 형상(상측 표면 10mm□×하측 표면 35mm□ ×30mm 두께)으로 콤팩트해진 상태로 배열하고, 그들을 전기로 내로 공급해서 질소 가스 분위기에서 1400℃로 가열하였으며, 전망창을 통해서 혼합 분말의 변화를 관찰하였다.

결과적으로, 시간의 경과에 따라 철광의 환원이 진행되었고, 환원된 용융 철이 점 같이 형성되었으며, 그런 다음에 모든 9개의 블록 상에서 계속적으로 용착 및 응집되었고, 약 17분 경과 후 9개의 용융 환원 철 럼프가 형성되었다. 그 후에, 그들은 냉각되었고, 트레이를 냉각 하의 전기로로부터 꺼냈을 때에는, 하기 성분 조성의 검정 슬래그 및 금속 광택을 갖는 9개의 금속 철 럼프를 얻었다.

생성물질 조성(중량%)

환원 철 럼프

T.Fe:96.35%, FeO:0.30%, M.Fe:95.96%,

총 탄소: 2.75%, 금속화:99.59%

슬래그

T.Fe:10.66%, FeO:2.37%, M.Fe:8.57%,

SiO₂:49.42%, Al₂O₃:17.40%, CaO:9.51%

전술한 바와 같이, 산화철 소오스와 탄소질 환원제의 혼합 분말을 그대로의 상태로 또는 콤팩트시킨 상태로 가열 환원 및 용융함으로써, Fe 순도가 높은 환원 철을 극히 간단하고 효율적으로 얻을 수 있다. 특히 현재 가장 일반적으로 실시되고 있는 직접적인 환원 철 제조방법에서와 같은 럼프 또는 펠릿 형상으로의 예비 성형이 전혀 필요하지 않으며, 게다가 철 소오스와 환원제가 서로 접촉하게 되는 상태로 환원 반응이 급속히 진행되기 때문에, 환원 효율이 극히 높다. 게다가 환원에 의해 형성된 환원 철이 용융 상태로 서로 부착하여 응집하는 한편 슬러리 성분을 추방하기 때문에, 철의 품질이 좋은 산화철 소오스를 이용하는 것에 의해서 뿐만 아니라 심지어 철의 품질이 나쁜 산화철 소오스를 이용하는 것에 의해서도, 슬래그 성분의 침입량이 적고 Fe 순도가 극히 높은 환원 철을 쉽게 얻을 수 있다. 따라서 폐기물, 예를 들면 용광로 분진으로서 방출된 철 함량이 적은 폐기물로부터 공업적인 규모로 직접 철을 제조하기 위한 재료로서 지금까지 이용가능하다고 고려되지 않았던 품질이 나쁜 철광 원료로부터 철 성분을 효율적으로 복원시키는 것이 가능하다.

게다가, 본 발명에 따른 장치를 이용하면 분말형 개시 물질 혼합물을 이용하는 과정에 의해서 연속적이고 직접적으로 철을 제조할 수 있게 되며, 공업적인 규모로 쉽게 대량생산을 극복할 수 있다.

명세서, 특허청구범위, 도면 및 요약서를 포함하는 1997년 10월 23일자로 출원된 일본 특허 출원 제 97-291378 호의 전체 개시내용은 그 전체가 본 명세서에 참고로 인용된다.

Claims (13)

1. 산화철 함유 분말과 탄화질 환원제 함유 분말의 혼합 분말을 가마 상에 적층되어 있는 상태로 가열하는 것을 포함하여서 환원 및 용융을 수행하는 금속 철의 제조 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 가마 상에 적층된 혼합 분말이 가압된 후 가열되는 금속 철의 제조 방법.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 혼합 분말의 층이 불균일하게 형성된 후에 가열되는 금속 철의 제조 방법.
4. 제 1 항 내지 제 3 항중 어느 한 항에 있어서,

   생성물질 배출 촉진 층이 상기 가마 상에 미리 형성되는 금속 철의 제조 방법.
5. 제 1 항 내지 제 4 항중 어느 한 항에 있어서,

   상기 혼합 분말이 탈황기를 더 포함하는 금속 철의 제조 방법.
6. 금속 철의 제조 장치에 있어서,

   가동 가마와;

   상기 가마 상에 산화철 함유 분말과 탄소질 환원제 함유 분말의 혼합 분말을 공급하는 공급 기구와;

   상기 가마 상에서 상기 혼합 분말을 가열하기 위한 가열 기구와;

   가열에 의해서 환원 및 용융된 생성물질을 상기 가마의 외측으로 방출하기 위한 방출 기구와;

   상기 생성물질을 환원 철 및 슬래그로 분리시키는 분리 기구를 포함하는 금속 철의 제조 장치.
7. 제 6 항에 있어서,

   상기 가마 상에 적층된 혼합 분말을 가압하기 위한 압축 기구를 포함하는 금속 철의 제조 장치.
8. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,

   상기 혼합 분말의 층에 분균일을 형성하기 위한 불균일 형성 기구를 포함하는 금속 철의 제조 장치.
9. 제 6 항 내지 제 8 항중 어느 한 항에 있어서,

   상기 가마 상에 생성물질 배출 촉진 층을 형성하기 위한 기구를 형성하는 생성물질 방출 촉진 층을 포함하는 금속 철의 제조 장치.
10. 제 6 항 내지 제 9 항중 어느 한 항에 있어서,

    상기 가마는 폐루프를 따라 이동하는 복수의 가마 유닛을 포함하는 금속 철의 제조 장치.
11. 제 6 항 내지 제 9 항중 어느 한 항에 있어서,

    상기 가마는 복수의 왕복운동 가마 유닛을 포함하는 금속 철의 제조 장치.
12. 제 6 항 내지 제 9 항중 어느 한 항에 있어서,

    상기 가마는 회전식 원판 형상을 갖는 금속 철의 제조 장치.
13. 제 6 항 내지 제 9 항중 어느 한 항에 있어서,

    상기 가마는 수평 배치된 원통형상 내화성 로의 내측에서 동축으로 회전하는 복수의 가마 유닛을 포함하는 금속 철의 제조 장치.