KR20010071627A

KR20010071627A - 직접 제련 용기 및 직접 제련 공정

Info

Publication number: KR20010071627A
Application number: KR1020007014882A
Authority: KR
Inventors: 데이비드죤 레이; 피터다미안 브르케; 세실피터 베이츠; 랄프곳프리드 웨버
Original assignee: 테리 에이. 매튜스; 테크놀라지칼 리소시스 피티와이. 리미티드.
Priority date: 1998-07-01
Filing date: 1999-07-01
Publication date: 2001-07-28
Also published as: ATE294876T1; CZ300875B6; JP4574850B2; ZA200006408B; EP1112387A1; WO2000001854A1; CN1233850C; BR9911635A; JP2002519516A; MY124692A; RU2221051C2; TW504517B; DE69925135T2; DE69925135D1; US6322745B1; CZ20004907A3; EP1112387B1; EP1112387A4; CA2335761A1; CN1305534A

Abstract

직접 제련 공정에 의해 금속 함유 공급물질로부터 금속을 생성하는 용기가 개시된다. 용기는 금속층(15)과 상기 금속층상의 슬래그층(16)을 가지는 용융 욕을 내포하며, 상기 슬래그층 위의 가스 연속 공간(31)을 가진다. 용기는 내화재로 형성되어 용융 금속과 접촉하는 기부(3) 및 측면(55)을 가지는 노와, 노의 측면(55)으로부터 상부방향으로 연장되어 슬래그층 및 가스 연속 공간과 접촉하는 측벽(5)을 포함한다. 가스 연속 공간과 접촉하는 측벽은 수냉각 패널(57) 및 패널상의 슬래그층을 포함한다. 용기는 또한 용기중으로 하부방향으로 연장되고 산소 함유 가스를 금속층 위의 용기중으로 주입하는 하나 이상의 창/송풍구(13)와, 금속 함유 공급물질의 적어도 일부 및 운반 가스를 가지는 탄소성 물질을 용융 욕으로 주입하여 금속층을 관통하는 다수의 창/송풍구(11)를 포함한다.

Description

직접 제련 용기 및 직접 제련 공정{DIRECT SMELTING VESSEL AND DIRECT SMELTING PROCESS}

가스/액상의 용융 욕을 포함한 용융 욕 기반의 직접 제련 공정을 처리하기위해 개발되어온 다양한 종류의 용기가 알려져 있다.

일반적으로 로멜트 공정(Romelt process)으로 언급되는, 철광석으로부터 용융 철을 발생하기 위한 공지된 용융 욕 기반의 직접 제련 공정은 상부-충전된 금속 산화물을 금속으로 제련시키고 가스상 반응 생성물을 후-연소시켜 금속 산화물의 제련을 지속시키는데 필요한 열을 운반하기 위한 매질로서 거대한 용적의, 고도로 교반되는 슬래그(slag) 욕의 사용을 기본으로 한다. 상기 로멜트 공정은 강화된 공기 또는 산소를 하부 해의 송풍구를 통하여 슬래그로 주입하여 슬래그를 교반시키고 상부 행의 송풍구를 통하여 산소를 주입하여 후-연소를 촉진시킨다. 로멜트 공정에서 슬래그층 아래의 금속층은 중요 반응 물질이 아니다.

마찬가지로 슬래그 욕이면서, 철광석으로부터 용융 철을 생산하는 다른 공지된 군의 용융 욕 기반 직접 제련 공정은 일반적으로 "심층 슬래그(deep slag)"공정으로 기재된다. DIOS 및 AISI 공정과 같은 이들 공적은 3개의 영역, 즉 반응 가스를 주입된 산소로 후-연소시키기 위한 상부 영역과, 금속 산화물을 금속으로 제련하기 위한 하부 영역 및 상부와 하부 영역을 격리시키는 중간 영역을 갖는 심층의 슬래그 형성을 기본으로 한다. 로멜트 공정에서와 같이, 슬래그층 하부의 금속층은 중요한 반응 물질이 아니다.

반응 매질로서 용융 금속층에 의존하며, 일반적으로 "HIsmelt" 공정으로 언급되는, 철광석으로부터 용융 철을 생산하기 위한 다른 공지된 욕 기반 직접 제련 공정이 본원 출원인에 의해 선출원된 국제 특허출원 PCT/AU96/00197(WO96/32627)에 기재되어 있다.

상기 국제 출원에 기재된 바와 같은 "HIsmelt" 공정은

(a) 용융된 철과 슬래그 욕을 용기에 형성시키는 과정,

(b) 상기 욕중으로

(i) 금속을 함유하는 공급 물질, 전형적으로 금속 산화물 및

(ii) 금속 산화물의 환원제 및 에너지원으로 작용하는, 고체 탄소성 물질, 일반적으로 석탄을 주입하는 과정 및

(c)상기 금속을 함유하는 공급 물지를 금속층 중의 금속으로 제련하는 과정을 포함한다.

상기 HIsmelt 방식은 또한 상기 욕으로부터 방출된 CO 및 H2와 같은 반응 가스를 상기 욕 상부 공간에서 분사된 산소-함유 가스로 후-연소시키는 단계 및 후-연소에 의해 발생된 열을 상기 욕으로 운반하여 금속을 함유하는 공급제를 제련시키는데 필요한 열에너지에 기여하도록 하는 단계를 포함한다.

HIsmelt 방식은 또한 욕의 상부에서 반응 가스의 후-연소에 의해 발생되는 열 에너지를 욕으로 운반하는데 매질을 제공하는 용융 금속 및/또는 슬래그의 상승 및 이후 하강하는 소적(droplet) 또는 스플래시(splash) 또는 스트림의 적절한 덩어리가 있는, 욕의 공칭(nominal) 정동작(quiescent) 면 상부에 전이대(transition zone)를 형성시키는 단계를 포함한다.

상기한 직접 제련 공정을 치를 수 있는 용기의 제작에 있어서 중대한 문제점 있다.

특히, 경제성 및 안전성의 이유로 최소한의 열 손실로 상기 직접 제련 공정을 치르며 장기간의 활동 작업상의 공정 특성의 부식성/침식성의 상태를 견디기에 적합한 용기가 중요하다.

포함(containment) 공정은 또한 반응물을 주입 및 혼합하여 주입 및 혼합된 반응물을 용기내의 다른 영역에 형성 및 유지하고 처리 공정 중의 생성물을 분리시키는 수단과 결합되어야 한다.

직접 제련 공정의 화학 공정은 일반적으로 금속 함유 공급 물질을 제련하기 위한 저 산소 전위 영역과, 연소 에너지를 얻기 위해 수소와 일산화탄소를 연소하기 위한 고 산소 전위 영역을 요구한다. 따라서, 통상 용기의 디자인 상에서 다른 요구를 두게 되는 직접 제련 공정을 치르는 용기를 통틀어 화학 및 온도 합성에서 넓은 변화량이 있게 된다.

계획되고 테스트된 직접 제련 용기는 외부의 강철 외피와 통상적으로 벽돌 및/또는 castable의 형태인 내부의 내화재의 내피를 포함한다. 열 및 화학적 침입 및 부식에 최대한의 저항성을 갖도록 상기 용기에 다양한 부분에서 각기 다른 합성물 및 물리적인 특성의 벽돌이 사용되어짐이 알려져 있다.

예를 들어, 상기 용기의 기부에서 내화 벽돌은 주로 금속인 용융 물질에 일반적으로 노출된다. 여기에서 상기 용기의 측벽의 중간 부분에서 상기 내화 벽돌은 주로 슬래그인 용융 물질 및 CO, H₂, C0₂및 H₂O와 같은 가스성 반응물질에 노출된다. 용융 금속에 노출된 벽돌과 용융 슬래그에 노출된 벽돌은 금속 및 슬래그의 화학적 침임을 방지하기 위해 서로 다른 화학적 특성을 요구한다.

더욱이, 로멜트, DIOS 및 AISI 공정 등과 같은 슬래그 기반 직접 제련 공정을 수행하는 용기의 경우에 있어서, 통상 상기 슬래그 영역은 끊임없이 교란되고 상기 금속 영역은 비교적 (HIsmelt 공적과 비교하여) 교란되지 않는다. 그 결과로, 상기 슬래그 영역에 노출된 벽돌은 교란되는 슬래그와의 접촉에 기인하는 부식에 저항하기 위한 물리적 특성이 요구된다.

더욱이, HIsmelt 공정 등과 같은 금속 욕 기반 직접 제련 공정을 수행하는 용기의 경우에 있어서는, 통상 상기 금속 영역 또한 교란된다. 그 결과로, 이러한 영역에 노출되는 벽돌은 상기 벽돌에 대한 금속의 침식(washing) 동작에 기인하는 부식에 저항하기 위한 물리적 특성이 요구된다.

더욱이, 일반적으로 말해, 반응 가스의 후-연소는 2000 ℃ 또는 그 이상의 고 온을 요구하고, 그리고 그 결과로, 후-연소가 일어나는 상부 공간/전이대/슬래그 영역에 노출된 벽돌은 고 온도에 견디기 위한 화학적 물리적 특성이 요구된다.

실제로, 내화재의 내피는 몇몇의 직접 제련 공정의 개발에 부적절했었다.

수냉각 내피에 의한 내화재 내피의 성능을 향상시키기 위한 제안들이 있어왔다. 한 특별한 제안은 "Steel Technology Corporation in the context of a vessel for carrying out the AISI deep slag process"란 명칭으로 오스트레일리아 특허 출원 번호 "692405"에 기술된다. 또한 내화재 대신에 수냉각 패널을 사용하는 것의 몇몇의 제안이 있었다. 출원인에 유용한 정보의 기반에서, 이러한 제들은 과도한 열 손실을 가지며 이러한 기반상에 성공적이지 못한 것으로 판명되었다.

본 발명은 철광석, 부분환원된 철광석 및 금속 함유 폐기물질(waste stream)과 같은 금속함유 공급 물질로부터 용융 금속(molten metal)(이 용어는 금속 합금을 포함함)을 생산하는데 사용되는 직접 제련(direct smelting) 용기(vessel)에 관한 것이다.

본 발명은 특히 용융 금속욕 기반(molten bath-base)의 직접 제련 공정에 사용될 수 있는 용기에 관한 것이다.

본 발명은 또한, 상기 용기를 사용하는 직접 제련 공정에 관한 것이다.

여기에서 "제련"이란 용어는 금속함유 공급 물질을 액상의 물질로 변환하는 화학적 반응을 일으키는 열처리 공정을 의미한다.

여기에서 "직접 제련 공정"이란 용어는 철광석이나 부분환원된 철광석과 같은 금속함유 공급 물질로부터 용융 금속을 생산해내는 공정을 의미한다.

이하 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 방법의 바람직한 양태를 도식적 형태로 설명하는 야금 용기를 통한 수직 단면도,

도 2는 도 1에 나타나 있는 용기의 좌 측면을 도시하고 있는 상세도,

도 3은 도 1 및 도 2에 나타나 있는 용기의 원통형의 배럴에서 다수의 수냉각 패널의 수냉각 파이프의 배열을 도시하고 있는 정면도이다.

본 발명의 목적은 개량된 직접 제련 용기를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 상기 용기에 수행하는 개량된 직접 제련 공정을 제공함에 있다.

본 발명은 용기의 측벽 및 지붕에 수냉각 패널 및 용기내에서 직접 제련 공정을 수행하기에 가능하도록 만들어진 용기 내부로 늘여진 산소-함유 가스용 주사(injection) 창(lance) 및 고체 물질용 주사 창을 가지는 직접 제련 용기를 구성하는 것에 의해 이러한 목적을 달성한다. 상기 용기는 수냉각 패널 상에서 패널로부터 열손실을 줄이는 것 등과 같은 단열(thermal insulation) 효과를 수행하게 되는 슬래그층을 축적하고 이에 따라 유지한다.

본 발명에 따르면, 금속층과 상기 금속층상의 슬래그층을 가지는 용융 욕을 내포하며, 상기 슬래그층 위의 가스 연속 공간을 가지며, 직접 제련 공정에 의해 금속 함유 공급물질로부터 금속을 생성하는 용기에 있어서,

(a) 내화재로 형성되어 용융 금속과 접촉하는 기부 및 측면을 가지는 노(hearth)와,

(b) 상기 노의 측면으로부터 상부방향으로 연장되어 슬래그층 및 가스 연속 공간과 접촉하는 측벽과, 상기 가스 연속 공간과 접촉하는 상기 측벽은 수냉각 패널 및 상기 패널상의 슬래그층을 포함하며,

(c) 용기중으로 하부방향으로 연장되고 산소 함유 가스를 금속층 위의 용기중으로 주입하는 하나 이상의 창/송풍구와,

(d) 금속 함유 공급물질의 적어도 일부 및 운반 가스를 가지는 탄소성 물질을 용융 욕으로 주입하여 상기 금속층을 관통하는 다수의 창/송풍구와,

(e) 상기 용기로부터 용융 금속 및 슬래그를 두드리는 수단을 가진 용기를 제공한다.

바람직하게는 상기 직접 제련 공정은 정상적인 동작 조건하에서 상기 수냉각 패널의 노출 패널 영역의 150 kW/m²이하의 열손실로서 동작한다.

상기 '정상적인 동작 조건"이란 용어는 이하에서 상기 공정이 안정적이며, 작업 개시 동안과 같은 높은 피크치 플럭스 로드가 있을 것 같은 기간은 제외한 기간을 의미한다.

바람직하게는, 상기 직접 제련 공정은 정상적인 동작 조건하에서 상기 수냉각 패널의 노출 패널 영역의 100 kW/m²이하의 열손실로서 동작한다.

더욱 바람직하게는, 상기 직접 제련 공정은 정상적인 동작 조건하에서 상기 수냉각 패널의 노출 패널 영역의 90 kW/m²이하의 열손실로서 동작한다.

상기 수냉각 패널은 다른 적절한 구조를 가질 수 있다.

일 바람직한 구조의 수냉각 패널은 구불구불한 형태의 내부 (용기의 내부와 관련된) 수냉각 파이프와, 일단의 급수구 및 타단의 배수구를 가진다.

바람직하게는 상기 패널은 구불구불한 형태의 외부 수냉각 파이프와, 일단의 급수구 및 타단의 배수구를 추가로 더 가진다.

상기 패널의 내부 및 외부 수냉각 파이프의 하나의 대체 구조는 단일 급수및 단일 배수가 상호 연결되고 포함한다.

바람직하게는 상기 패널은 파이프에 의해 점유되지 않은 패널의 공간에서 램 또는 건(rammed or gunned) 내화재를 추가로 더 가진다. 이러한 내화재의 실제 사용에서 가장 큰 마모를 일으키는 작업 개시 시기 및 직접 제련 공정의 섭동(perturbations) 공정과 더불어, 용기의 수명동안 점진적으로 닳아 없어지는 것으로 믿어진다. 램 또는 건 내화재의 부식은 내부 수냉각 파이프의 최소한의 부분적 노출을 야기 시킬 수 있다.

바람직하게는 상기 램 또는 건 내화재는 패널의 내부 면에 형성된다.

상기 패널은 상기 패널의 외부로 면하고 있는 면에 형성된 지지판을 포함한다.

상기 수냉각 파이프 및 지지판은 어떠한 적절한 물질로서 구성될 수 있다. 파이프용 적절한 물질은 강철 및 구리를 포함한다. 강철은 지지판용 적절한 물질의 일 예이다.

바람직하게는 수냉각 파이프 각각은 패널의 너비를 가로질러 연장되는 평행, 수평 섹션들과 상기 수평 섹션들의 끝단들을 상호 연결하는 굽어져 있는 섹션들을 포함한다.

바람직하게는 상기 외부 수냉각 파이프는 내부 수냉각 파이프로부터 떨어져 있어서 상기 외부 수냉각 파이프의 수평 섹션들은 상기 내부 수냉각 파이프의 수평 섹션들의 뒤에 바로 접하여 위치하지 않는다. 그 결과로, 최소한 용기의 내부에 노출된 패널의 내부 면의 상당 부분은 내부 및 외부 파이프를 통해 흐르는 물에 의해수냉각을 받게 된다.

바람직하게는 상기 패널의 내부 노출된 면은 상기 패널의 노출된 면의 영역을 늘리며 상기 냉각 슬래그의 상기 표면으로의 부착력을 향상시키는 잔물결 또는 격자형태의 면 등과 같은 표면 끝처리를 포함한다.

바람직하게는 상기 패널은 핀(pin) 및 컵(cup)과 같은, 상기 패널의 노출 면으로부터 내측으로 분출하고 상기 패널상의 냉각 슬래그의 형성 및 성장을 촉진시키고 상기 슬래그를 패널로 끼워 고정하는 것을 돕는 부재들을 포함한다.

바람직하게는 슬래그층과 접촉하는 측벽은 수냉각 패널과, 내화 내피 및 상기 내피 상의 슬래그층을 포함한다.

바람직하게는 상기 용기의 측벽 및 상기 측벽상의 침전된 용융 슬래그와 인접하고 있는 이러한 스플래시, 소적, 및 스트림으로 슬래그층 위에 가스 지속 공간에서 용융물의 상승 및 그 이후의 하강 스플래시, 소적, 및 스트림에 의해서 형성된 전이대를 포함한다.

바람직하게는 상기 수냉각 패널은 상기 전이대와 접촉한다.

바람직하게는 상기 수냉각 패널을 통한 열 추출은 전이대와 접촉하는 수냉각 패널상에 슬래그층을 형성 및 유지하는 데에 충분하다.

바람직하게는 스플래시, 소적 및 용융 물질의 스트림은 상기 전이대 상으로 늘려지며 상기 전이대 상의 용기의 측벽과 접촉한다.

더욱 바람직하게는 상기 수냉각 패널을 통한 열 추출은 상기 전이대 위의 수냉각 패널상의 슬래그층을 형성 및 유지하는 데에 충분하다.

바람직하게는, 상기 용기는 가스 지속 공간과 접촉하는 지붕을 포함하며 수냉각 패널을 포함한다.

바람직하게는 스플래시, 소적 및 용융 물질의 스트림은 상기 전이대 상으로 신장되어 상기 지붕과 접촉한다.

더욱 바람직하게는 상기 수냉각 패널을 통한 열 추출은 상기 패널 상의 슬래그 층에 축적되고 유지되기에 충분하다.

상기 슬래그는 상기 수냉각 패널 상에 "습식(wet)" 층과 "건식(dry)" 층을 형성할 수 있다. "습식" 층은 상기 패널의 내부 면과, 반-고체(semi-solid, mush) 층 및 외부 액상 필름에 부착되는 냉각층을 포함한다. "건식" 층은 그것의 대체로 모든 슬래그가 냉각된 것이다.

바람직하게는 상기 노의 측면과 바닥은 상기 용융 욕과 접촉하는 내화 물질의 내피를 포함한다.

바람직하게는 상기 내화 안감은 내화 벽돌로부터 형성된다.

바람직하게는 상기 고체 물질 주입 창/송풍구는 수직에서 30 내지 60°의 각도에서 용기로의 하부 방향의 내쪽으로 연장되어 있다.

바람직하게는 상기 고체 물질 주입 창/송풍구의 끝단은 용융 금속의 레벨보다 위에 있다.

바람직하게는 상기 고체 물질 주입 창/송풍구를 통한 고체 물질의 주입은 용융 금속의 스플래시, 소적 및 스트림의 상부 방향으로의 이동이 가스 지속 공간으로 야기시킨다.

바람직하게는 산소 함유 가스를 주입하는 하나 이상의 창/송풍구는 산소 함유 가스를 전이대로 주입하여 상기 전이대에서 반응 가스 일산화탄소 및 수소를 후-연소하도록 위치되어진다.

바람직하게는 두드리는 수단은 용기로부터 용융 금속의 지속적인 방출을 가능하게 하는 선노를 포함한다.

본 발명에 따라 상기 문장에서 언급한 바와 같은 용기에서 금속 함유 공급물질로부터 금속을 생산하기 위한 직접 제련 공정에 있어서,

(a) 금속층 및 상기 금속층상의 슬래그층을 갖는 용융 욕을 형성시키는 단계와,

(b) 금속 함유 공급 물질의 적어도 일부와 운반 가스를 가지는 고체 탄소성 물질을 다수의 창/송풍구를 통하여 상기 용융 욕으로 주입하고 상기 금속층에서 금속 함유 공급 물질을 제련함으로써, 고체 주입으로 인하여 상기 금속층에서 용융 물질을 포획하는 상기 금속층으로부터 가스가 흐르게 하고 상기 용융 물질을 스플래시, 소적, 및 스트림으로써 상부방향으로 운반하여 슬래그층 위의 용기중 가스 연속 공간에 전이대를 형성하여 용융 물질의 스플래시, 소적 및 스트림이 용기의 측벽과 접촉하고 슬래그층을 보호하게 하는 단계와,

(c) 산소 함유 가스를 하나 이상의 창/송풍구를 통하여 용기로 주입하고 상기 용융 욕으로부터 방출된 반응 가스를 후-연소시켜 용융 물질의 상승 및 그 후 하강 스플래시, 소적 및 스트림이 용융 욕으로의 열 운반을 촉진시키는 단계와,

(d) 수냉각 패널을 통하여 고체 주입 및/또는 산소 함유 가스 주입 및/또는물의 유속을 제어하여 정상적인 동작 조건 하에서 상기 수냉각 패널을 통한 열손실이 용기의 내부로 노출된 패널 영역의 150 kW/m²이하가 되는 단계를 포함하는 공정이 또한 제공된다.

바람직하게는 정상적인 동작 조건 하에서 수냉각 패널을 통한 열손실은 용기의 내부로 노출된 패널 영역의 100 kW/m²이하이다.

더욱 바람직하게는 정상적인 동작 조건 하에서 수냉각 패널을 통한 열손실은 용기의 내부로 노출된 패널 영역의 90 kW/m²이하이다.

하기 설명은 용융 철 생산을 위한 직접적인 철광석 제련과 관련한 것이며 본 발명이 본원으로 제한되는 것은 아니며 적합한 광석 및 농축물 및 다른 금속 함유공급물 - 부분적으로 환원된 광석 및 금속 함유 폐기물질을 포함 - 에도 적용할 수 있음을 알아야 한다.

도면들에 나타나 있는 용기는, 내열성 벽돌로 형성된 기부(3) 및 측면(55)을 포함하는 노와, 상기 노의 측면(55)으로부터 상부방향으로 연장되어 있는 일반적으로 원통형 배럴을 형성하고 상부 배럴 섹션(51) 및 하부 배럴 섹션(53)을 포함하는 측벽(5)과, 지붕(7)과, 방출-가스용 배출구(9)와, 용융 금속을 지속적으로 배출시키기 위한 선로(57) 및 용융 슬래그를 정기적으로 배출시키기 위한 탭-홀(61)을 갖는다.

사용시, 상기 용기는 용융 금속층(15) 및 상기 금속층(15) 상위의 용융 슬래그층(16)을 포함하는 철과 슬래그의 용융 욕을 포함한다. 17로 표시된 화살표는 금속층(15)의 정동작면(quiescent surface)의 위치를 나타내며, 19로 표시된 화살표는 슬래그층(16)의 정동작면의 위치를 나타낸다. 용어 "정동작면"은 용기 속으로 가스 및 고체가 주입되지 않는 경우의 표면을 의미하는 것으로 이해된다.

상기 용기는 또한 측벽(5)을 통하여 수직으로 30°내지 60°의 각도로 슬래그층(16)중으로 하부 방향의 내쪽으로 연장되어 있는 고체 주입 창/송풍구(11)를 2개 포함한다. 창/송풍구(11)의 위치는 하부 말단이 금속층(15)의 정동작면(17)의 위에 있도록 선택한다.

사용시, 운반(carrier) 가스(전형적으로 N₂) 중에 포획된 철광석(전형적으로 분말)과, 고체 탄소질 물질(전형적으로 석탄) 및 플럭스(전형적으로 석회 및 마그네시아)를 창/송풍구(11)를 통하여 금속층(15)으로 주입한다. 고체 물질/운반 가스의 이동으로 고체 물질과 운반 가스가 금속층(15)을 관통하게 된다. 석탄은 탈휘발되어 금속층(15) 중에 가스를 생산한다. 탄소가 금속 중에 부분적으로 용해되어 고체 탄소로서 부분적으로 남아있게 된다. 철광석은 금속으로 제련되고 제련 반응으로 일산화탄소 가스가 생산된다. 금속층(15) 중으로 운반되고 탈휘발 및 제련 과정을 통하여 발생되는 가스는 용융 금속 및 슬래그의 스플래시와, 소적 및 스트림의 상부 이동을 일으키는 금속층(15)으로부터 용융 금속과, 고체 탄소 및 슬래그(고체/가스/주입 결과 금속층(15)으로 배출된)의 확실한 부력식 상부 이동을 일으키고, 이들 스플래시와, 소적 및 스트림은 이들이 슬래그층(16)을 통하여 이동함에 따라 슬래그를 포획한다.

용융 금속, 고체 탄소 및 슬래그의 부력식 상부 이동으로 금속층(15)과 슬래그층(16)에서 실질적인 교반을 일으키고, 그 결과 슬래그층(16)은 용적으로 팽창하여 화살표 13으로 표시된 표면을 갖게 된다. 교반 정도는 금속 및 슬래그 영역에서 균일한 온도 - 전형적으로 각 영역에서 많아야 30℃의 온도 변화를 가지는 1450 ℃ 내지 1550 ℃가 되도록 해야 한다.

또한, 용융 금속과, 고체 탄소 및 슬래그의 부력식 상부 이동에 의해 야기된 용융물의 스플래시와, 소적 및 스트림의 상부 이동은 용기 중의 용융 욕 위의 공간 ("상부 공간")(31)까지 연장되어 (a) 전이대 23을 형성하고, (b) 일부 용융물 (주로 슬래그)을 상기 전이대를 지나 측벽(5)의 상부 배럴 섹션(51)의 일부 상으로, 즉 상기 전이대(23) 위로 그리고 지붕(7) 중으로 분출시킨다.

일반적인 관점에서, 슬래그층(16)은 가스 버블과 함께, 액체 연속 용적이며, 전이대(23)는 용융물 (주로 슬래그)의 스플래시, 소적, 및 스트림과 함께 가스 연속 용적이다.

상기 용기는 또한 용기 중앙에 위치하며 수직 방향 아래쪽으로 연장되어 있는 산소-함유 가스 (전형적으로 예열된 산소 강화 공기)를 주입하기 위한 창(13)을 포함한다. 창(13)의 위치와 상기 창(13)을 통한 가스 유속은 산소-함유 가스가 전이대(23)의 중앙 영역을 관통하고 창(13)의 말단 주변에 필수적으로 금속/슬래그 자유 공간(25)이 유지되도록 선택한다.

창(13)을 통한 산소-함유 가스의 주입으로 전이대(23) 및 창(13)의 말단 주변의 자유 공간(25)에서 반응 가스 CO 및 H₂가 후-연소되어 가스 공간에서 2000 ℃ 이상의 고온이 발생된다. 상기 열은 가스 주입 영역에서 용융물의 상승 및 하강 스플래시와 소적 및 스트림으로 전달된 다음 금속/슬래그가 금속층(15)으로 되돌아갈 때까지 금속층(15)으로 부분적으로 전달된다.

자유 공간(25)은 전이대(23) 위의 상부 공간에서 가스가 창(13)의 말단 영역으로 포획되도록 하여 이용 가능한 반응 가스가 후-연소에 노출되는 것을 증가시키기 때문에, 후-연소율을 높은 수준으로 성취하는데 있어서 중요하다.

창(13)의 위치, 창(13)을 통한 가스 유속, 및 용융물의 스플래시, 소적 및 스트림의 상부 이동의 병합 효과로 창의 하부 영역 주변에 - 일반적으로 27로 표시되는 - 전이대(23)를 형상화한다. 상기 형상화된 영역은 측벽(5)으로 방사에 의해부분적 장벽을 열 전달한다.

또한, 용융물의 상승 및 하강 소적과, 스플래시 및 스트림은 전이대(23)로부터 용융 욕으로 열을 전달하는데 효과적인 수단이며 그 결과 측벽(5)의 영역 중 전이대(23)의 온도가 1450 ℃ 내지 1550 ℃ 정도가 된다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따라, 처리동작이 정상적인 운행 조건하에서 수행되어질 때 상기 용기는 금속층(15)과, 슬래그층(16) 및 전이대(23)의 수준으로 구성되어지며, 전이대(23) 위의 상부 공간(31)으로 분출되어지는 용융 물질 (주로 슬래그)의 스플래시와, 소적 및 스트림에 관하여 처리동작이 수행되어져, (a) 노 및 금속/슬래그층(15/16)과 접촉하는 측벽(5)의 하부 배럴 섹션(53)이 금속층 및 슬래그층과 직접적으로 접촉하는 내열성 벽돌(도면상에 음영으로 표시됨)로 형성되어지고, (b) 상기 측벽(5)의 하부 배럴 섹션의 적어도 일 부분이 수냉각 패널(8)에 의하여 지지되어지며, (c) 전이대(23)와 접촉하는 측벽(5)의 상부 배럴 섹션(51)의 일부와, 전이대(23) 위의 상부 배럴 섹션(51)의 나머지 부분 및 지붕(7)이 수냉각 패널(57, 59)로부터 형성되어진다.

측벽(5)의 상부 배럴 섹션(51)에서 각각의 수냉각 패널(8, 57, 59)(도시되지 않음)은 평행 상부 및 하부 에지와 평행 측면 에지를 가지며, 상기 각각의 수냉각 패널들은 굽어져 있어서 원통형 배럴의 섹션을 한정한다. 도 2 및 도 3에 도시되어 있는 바와 같이, 패널(57, 59) 각각은 내부 수냉각 파이프(63) 및 외부 수냉각 파이프(65)를 포함한다. 파이프(63, 65)는 굽어진 섹션들에 의해서 상호 연결되어 있는 평행 수평 섹션들과 구불구불한 형상으로 형성된다. 파이프(63, 65)는 또한 급수구/배수구(69)를 포함한다. 파이프(63, 65)는 수직으로 배치되어져 패널의 노출된 면, 즉 용기의 내부로 노출된 면으로부터 바라볼 때 외부 파이프(65)의 수평 섹션이 내부 파이프(63)의 수평 섹션의 뒤에 바로 접하여 위치하지 않는다. 각 패널(63, 65)은 또한 상기 패널들 각각의 인접 수평 섹션들 간의 공간과 파이프(63, 65) 간의 공간을 채우고 패널의 내부 면을 형성하는 램 또는 건 내화재를 포함한다. 각 패널은 또한 패널의 외부면을 형성하는 지지판(67)을 포함한다.

파이프(63, 65)의 급수구/배수구(69)는 상기 파이프들을 통하여 물을 고속으로 순환시키는 급수 회로 (도시되지 않음)에 연결되어 있다.

사용시, 수냉각 패널(57, 59)을 통한 물의 유속과, 창/송풍구(11)를 통한 고체/운반 가스 유속 및 창(13)을 통한 산소 함유 가스 유속은 패널과 접촉하는 충분한 슬래그 및 패널로부터의 충분한 열 추출이 있어서 상기 패널들 상에 냉각 슬래그 층을 형성하고 유지하도록 제어된다. 정상적인 처리 동작 조건하에서 슬래그층은 용기의 측벽(5) 및 지붕(7)으로부터 열손실을 150 kW/m²이하로 최소화하는 효과적인 열벽을 형성한다.

본 출원인에 의해서 수행된 집중적인 파일롯 공정 작업에서, 출원인은 다른 용기로 기록된 것보다 상당히 낮은 열손실을 기록하였다.

상기한 바와 같은 파일롯 공정 작업은 "Western Australia의 Kwinana"에 위치한 파일롯 공장에서 출원인에 의해서 일련의 확장된 캠페인으로 수행되었다.

파일롯 공정은 도면에 나타내고 상기한 바와 같은 용기를 사용하여 상기한공정 조건에 따라서 수행되었다.

파일롯 공정 작업으로 용기를 평가하고 광범위하게 상이한 다음 조건하에서 공정을 시험하였다.

(a) 공급물,

(b) 고체 및 가스 주입 속도,

(c) 슬래그 : 금속 비,

(d) 작업 온도 및

(e) 장치 셋-업.

하기 표 1은 파일롯 공정 작업의 전형적인 작업개시 및 안정한 작업조건 중 관련 데이터를 나타낸 것이다.

	작업개시	안정한 작업
욕 온도	(℃)	1450	1450
작업 압력	(bar g)	0.5	0.5
HAB 공기	(kNm³/h)	26.0	26.0
HAB 중 산소	(%)	20.5	20.5
HAB 온도	(C)	1200	1200
DSO 광석	(t/h)	5.9	9.7
석탄	(t/h)	5.4	6.1
소결된 플럭스	(t/h)	1.0	1.4
광석 공급 온도	(C)	25.0	25.0
뜨거운 금속	(t/h)	3.7	6.1
슬래그	(t/h)	2.0	2.7
후 연소	(%)	60.0	60.0
방출 가스 온도	(C)	1450	1450
욕으로의 열 전달	(MW)	11.8	17.3
패널로의 열 손실	(MW)	12.0	8.0
석탄 비율	(kg/thm)	1453	1003

철광석은 통상의 미분 직접 선적하는 광석으로서 무수 기준으로 철 64.6%, SiO₂4.21%, 및 Al₂O₂2.78%를 함유한다.

무연탄(anthracite coal)이 환원제 및 연소와 공정으로의 에너지 공급을 위한 탄소 및 수소의 공급원으로서 둘다 사용된다. 석탄의 열량 수치는 30.7 MJ/kg이며 회분 함량은 10%이고 휘발 수준은 9.5%이다. 다른 특징으로는 총 탄소 79.82%, H₂O 1.8%, N₂1.59%, O₂3.09%, 및 H₂3.09%이다.

본 공정은 석회와 마그네시아 플럭스의 배합물을 사용하여 슬래그 염기성도가 1.3 (CaO/SiO₂비)으로 유지되도록 작업한다. 마그네시아는 MgO에 기여하여 슬래그 중에 적합한 수준의 MgO를 유지시킴으로써 슬래그의 부식도를 내화수준으로 감소시킨다.

작업개시 조건 하에서 파일롯 공정은 : 1200 ℃에서 26,000 Nm³/h의 HAB 비율, 60 % ((CO₂+ H₂O) / (CO + H₂+ CO₂+ H₂O))의 후-연소 비율, 및 운반 가스로서 N₂를 사용하는 모든 고체 주입은 5.9 t/h의 철광석 미분의 공급 비율과, 5.4 t/h의 석탄 공급 비율 및 1.0 t/h의 플럭스 공급 비율로 수행되었다. 용기에는 슬래그가 거의 또는 전혀 없었으며 측면 패널 상에 냉각 슬래그층을 형성할 충분한 기회가 없었다. 그 결과, 냉각수 열손실은 12 MW에서 상대적으로 높았다. 파일롯 공정은 뜨거운 금속 (4.5 wt%c)의 3.7 t/h의 생산 비율로, 그리고 1450kg 석탄/t 생성된 뜨거운 금속석탄 비율로 수행되었다.

안정한 작업 조건하에서, 슬래그 목록 및 측벽(5)과 지붕(7)을 형성하는 수냉각 패널들 상의 냉각 슬래그층의 제어로, 8 MW의 비교적 낮은 전체 수냉각 열손실이 기록되었다. 이러한 전체 수냉각 열손실은 측벽(5) 및 지붕(7)의 수냉각 패널들로부터의 수냉각 열손실 및 창/송풍구(11)와 창(13)과 같은, 용기의 다른 수냉각 구성요소로부터의 수냉각 열손실의 합계이라는 것을 유념하여야 한다. 이러한 전체 수냉각 열손실은 측벽(5) 및 지붕(7)의 노출된 패널 표면인 150 kW/m²이하이다. 수냉각 시스템에서 열손실이 감소됨으로써 뜨거운 금속의 6.1 t/h로의 생산성 증가가 가능하게 된다. 이렇게 증가된 생산성은 동일한 HAB 비율 및 작업개시에 따라 후-연소에서 획득되어졌다. 고체 주입 비율은 광석 미분의 9.7 t/h 및 플럭스의 1.4 t/h 와 같이 석탄의 6.1 t/h였다. 향상된 생산성은 또한 석탄 비율을 1000kg 석탄/t 뜨거운 금속으로 향상시켰다.

파일롯 공정 용기의 측벽 5 및 지붕 7을 위한 수냉각 패널의 초기 디자인은 EAF 및 EOF 노 동작으로부터의 경험에 근거를 두었다. 디자인 열 플럭스 값은 하기와 같다.

지붕 : 230 kW/m²

상부 배럴 : 230 kW/m²

하부 배럴 : 290 kW/m²

냉각수 회로는 350 kW/m²의 열 플럭스를 수행할 수 있게끔 최대 유속을 가지도록 디자인되어졌다.

파일롯 공정 시도를 개시하기 이전에 용기의 내부에 직접적으로 노출된 - 즉벽돌 라인이 형성되지 않은 - 수냉각 패널들이 약 250 kW/m²의 열손실을 가지도록 기대되어졌다. 그러나, 안정한 동작 조건하에서, 열손실은 뜻밖에도 85 및 65 kW/m²만큼 낮았다 - 특히, 전이대 23 및 지붕 7 위의 상부 배럴 51을 형성하는 노출된 수냉각 패널 상에서 그렇다. 패널의 램 또는 건 내화재의 최소의 마모가 있었던 초기 캠페인에서는 열손실이 하기와 같이 변동되어 평균값이 정해졌다.

지붕 : 80-170 120 kW/m²

상부 배럴 : 60-165 95 kW/m²

하부 배럴 : 40-160 70 kW/m²

하부 배럴 53에서의 패널은 내열성 벽돌에 의해 부분적으로 보호되어졌다.

유사 데이터 세트는 이후의 캠페인에 의해서 얻어졌다. 이러한 캠페인을 통한 하기 데이터는 수냉각 패널의 램 또는 건 내화재의 증가된 마모의 영향을 반영한다.

지붕 : 80-245 145 kW/m²

상부 배럴 : 75-180 130 kW/m²

하부 배럴 : 50-170 110 kW/m²

본 발명의 핵심 및 범주로부터 벗어나지 않고 상기한 바와 같은 본 발명의 공정의 바람직한 양태에 대해 다양하게 개시되어질 수 있다.

본 발명은 개량된 직접 제련 용기를 제공할 수 있으며, 이러한 용기를 통해 개량된 직접 제련 공정을 수행할 수 있다.

Claims

금속층과 상기 금속층상의 슬래그층을 가지는 용융 욕을 내포하며, 상기 슬래그층 위의 가스 연속 공간을 가지며, 직접 제련 공정에 의해 금속 함유 공급물질로부터 금속을 생성하는 용기에 있어서,

(a) 내화재로 형성되어 용융 금속과 접촉하는 기부 및 측면을 가지는 노와,

(b) 상기 노의 측면으로부터 상부방향으로 연장되어 슬래그층 및 가스 연속 공간과 접촉하는 측벽과, 상기 가스 연속 공간과 접촉하는 상기 측벽은 수냉각 패널 및 상기 패널상의 슬래그층을 포함하며,

(c) 용기중으로 하부방향으로 연장되고 산소 함유 가스를 금속층 위의 용기중으로 주입하는 하나 이상의 창/송풍구와,

(d) 금속 함유 공급물질의 적어도 일부 및 운반 가스를 가지는 탄소성 물질을 용융 욕으로 주입하여 상기 금속층을 관통하는 다수의 창/송풍구와,

(e) 상기 용기로부터 용융 금속 및 슬래그를 두드리는 수단을 포함함을 특징으로 하는 금속 함유 공급물질로부터 금속을 생성하는 용기.
제1항에 있어서, 가스 연속 공간과 접촉하며 수냉각 패널 및 상기 패널상의 슬래그층을 가지는 지붕을 추가로 포함함을 특징으로 하는 금속 함유 공급물질로부터 금속을 생성하는 용기.
제1항 또는 제2항에 있어서, 각 수냉각 패널은 구불구불한 형태의 내부 (용기의 내부와 관련된) 수냉각 파이프와, 일단의 급수구와, 타단의 배수구를 가짐을 특징으로 하는 금속 함유 공급물질로부터 금속을 생성하는 용기.
제3항에 있어서, 각 수냉각 패널은 구불구불한 형태의 외부 수냉각 파이프와, 일단의 급수구와, 타단의 배수구를 추가로 포함함을 특징으로 하는 금속 함유 공급물질로부터 금속을 생성하는 용기.
제4항에 있어서, 각 수냉각 패널은 파이프에 의해 점유되지 않은 패널의 공간에서 램 또는 건 내화재를 추가로 포함함을 특징으로 하는 금속 함유 공급물질로부터 금속을 생성하는 용기.
제4항 또는 제5항에 있어서, 내부 및 외부 수냉각 파이프 각각은 패널의 너비를 가로질러 연장되는 평행, 수평 섹션들과 상기 수평 섹션들의 끝단들을 상호 연결하는 굽어져 있는 섹션들을 포함함을 특징으로 하는 금속 함유 공급물질로부터 금속을 생성하는 용기.
제6항에 있어서, 외부 수냉각 파이프는 내부 수냉각 파이프로부터 떨어져 있어서 상기 외부 수냉각 파이프의 수평 섹션들은 상기 내부 수냉각 파이프의 수평 섹션들의 뒤에 바로 접하여 위치하지 않음을 특징으로 하는 금속 함유 공급물질로부터 금속을 생성하는 용기.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 각 수냉각 패널의 내부 (용기의 내부와 관련된) 노출된 표면은 패널의 노출된 표면 영역을 증가시키고 냉각 슬래그의 상기 표면으로의 부착력을 향상시키는, 잔물결(ripple) 격자무늬(waffle) 면과 같은, 표면 마무리 처리를 포함함을 특징으로 하는 금속 함유 공급물질로부터 금속을 생성하는 용기.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 각 수냉각 패널은, 핀 및 컵과 같은, 상기 패널의 내부 노출 면으로부터 내측으로 분출하고 상기 패널상의 냉각 슬래그의 형성 및 성장을 촉진시키는 부재들을 포함함을 특징으로 하는 금속 함유 공급물질로부터 금속을 생성하는 용기.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 슬래그층과 접촉하는 측벽의 적어도 한 섹션은 수냉각 패널과, 상기 패널의 내측으로 위치되어있는 내화재의 내피 및 상기 내피 상의 슬래그층을 포함함을 특징으로 하는 금속 함유 공급물질로부터 금속을 생성하는 용기.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 용기의 측벽 및 상기 측벽상의 침전된 용융 슬래그와 인접하고 있는 이러한 스플래시, 소적, 및 스트림으로 슬래그층 위에 가스 지속 공간에서 용융물의 상승 및 그 이후의 하강 스플래시, 소적, 및 스트림에 의해서 형성된 전이대를 포함함을 특징으로 하는 금속 함유 공급물질로부터 금속을 생성하는 용기.
제11항에 있어서, 상기 측벽은 전이대와 접촉하는 수냉각 패널을 포함함을 특징으로 하는 금속 함유 공급물질로부터 금속을 생성하는 용기.
제12항에 있어서, 상기 수냉각 패널을 통한 열 추출은 전이대와 접촉하는 수냉각 패널상에 슬래그층을 형성 및 유지하는 데에 충분함을 특징으로 하는 금속 함유 공급물질로부터 금속을 생성하는 용기.
제11항 또는 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 측벽은 상기 전이대 위의 수냉각 패널을 포함함을 특징으로 하는 금속 함유 공급물질로부터 금속을 생성하는 용기.
제14항에 있어서, 상기 수냉각 패널을 통한 열 추출은 상기 전이대 위의 수냉각 패널상의 슬래그층을 형성 및 유지하는 데에 충분함을 특징으로 하는 금속 함유 공급물질로부터 금속을 생성하는 용기.
제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 고체 물질 주입 창/송풍구는 수직에서 30 내지 60°의 각도에서 용기로의 하부 방향의 내쪽으로 연장되어 있음을 특징으로 하는 금속 함유 공급물질로부터 금속을 생성하는 용기.
제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 고체 물질 주입 창/송풍구의 하단은 용융 금속의 레벨보다 위에 있음을 특징으로 하는 금속 함유 공급물질로부터 금속을 생성하는 용기.
제11항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 고체 물질 주입 창/송풍구를 통한 고체 물질의 주입은 용융 금속의 스플래시, 소적 및 스트림의 상부 방향으로의 이동이 가스 지속 공간으로 야기시킴을 특징으로 하는 금속 함유 공급물질로부터 금속을 생성하는 용기.
제11항 내지 제15항 또는 제18항 중 어느 한 항 및 제18항에 있어서, 산소 함유 가스를 주입하는 하나 이상의 창/송풍구는 산소 함유 가스를 전이대로 주입하여 상기 전이대에서 반응 가스 일산화탄소 및 수소를 후-연소하도록 위치되어짐을 특징으로 하는 금속 함유 공급물질로부터 금속을 생성하는 용기.
제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 두드리는 수단은 용기로부터 용융 금속의 지속적인 방출을 가능하게 하는 선노를 포함함을 특징으로 하는 금속 함유 공급물질로부터 금속을 생성하는 용기.
제1항 내지 제20항 중 어느 한 항에 한정되어 있는 바와 같은 용기에서 금속 함유 공급물질로부터 금속을 생산하기 위한 직접 제련 공정에 있어서,

(a) 금속층 및 상기 금속층상의 슬래그층을 갖는 용융 욕을 형성시키는 단계와,

(b) 금속 함유 공급 물질의 적어도 일부와 운반 가스를 가지는 고체 탄소성 물질을 다수의 창/송풍구를 통하여 상기 용융 욕으로 주입하고 상기 금속층에서 금속 함유 공급 물질을 제련함으로써, 고체 주입으로 인하여 상기 금속층에서 용융 물질을 포획하는 상기 금속층으로부터 가스가 흐르게 하고 상기 용융 물질을 스플래시, 소적, 및 스트림으로써 상부방향으로 운반하여 슬래그층 위의 용기중 가스 연속 공간에 전이대를 형성하여 용융 물질의 스플래시, 소적 및 스트림이 용기의 측벽과 접촉하고 슬래그층을 보호하게 하는 단계와,

(c) 산소 함유 가스를 하나 이상의 창/송풍구를 통하여 용기로 주입하고 상기 용융 욕으로부터 방출된 반응 가스를 후-연소시켜 용융 물질의 상승 및 그 후 하강 스플래시, 소적 및 스트림이 용융 욕으로의 열 운반을 촉진시키는 단계와,

(d) 수냉각 패널을 통하여 고체 주입 및/또는 산소 함유 가스 주입 및/또는 물의 유속을 제어하여 정상적인 동작 조건 하에서 상기 수냉각 패널을 통한 열손실이 용기의 내부로 노출된 패널 영역의 150 kW/m²이하가 되는 단계를 포함함을 특징으로 하는 직접 제련 공정.
제21항에 있어서, 정상적인 동작 조건 하에서 수냉각 패널을 통한 열손실은 용기의 내부로 노출된 패널 영역의 100 kW/m²이하임을 특징으로 하는 직접 제련 공정.
제22항에 있어서, 정상적인 동작 조건 하에서 수냉각 패널을 통한 열손실은 용기의 내부로 노출된 패널 영역의 90 kW/m²이하임을 특징으로 하는 직접 제련 공정.