KR20010071628A - 직접 제련 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 금속철 공급 원료로부터 금속을 생산하기 위한 직접 제련 방법에 관한 것이다. 상기 방법은 제련 용기에서 금속층(15)과 상기 금속층의 상부에 형성된 슬래그층(16)을 갖는 쇳물을 형성하고; 복수개의 피침/송풍구(11)를 통하여 금속철 공급 원료와 고체 탄소질 원료를 금속층에 주입하고; 및 상기 금속층에서 금속철 원료를 금속으로 제련하는 것을 포함한다. 또한, 상기 방법은 용융 원료를 비산, 용적 및 유동물로서 쇳물의 명목상 정지 표면 상측에 형성된 공간으로 분출시켜 전이 영역(23)을 형성하는 것을 포함한다. 또한, 상기 방법은 한 개 이상의 피침/송풍구(13)를 통하여 산소 함유 가스를 용기 내에 주입하여 쇳물로부터 배출되는 반응 가스를 후연소시킴으로써, 전이 영역에서 용융 물질의 비산, 용적 및 유동물이 상승하고 하강함에 따라 쇳물로의 열전달을 촉진하고, 상기 전이 영역이 형성됨에 따라 상기 전이 영역과 접하는 측벽을 통하여 용기로부터 손실되는 열량을 최소화하는 것을 포함한다. 상기 방법은 슬래그 재고량을 높게 유지함으로써 공정을 제어하는 것을 특징으로 한다.

Description

직접 제련 방법{A DIRECT SMELTING PROCESS}

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 바닥에 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 용해하는 사이클론 컨버터들을 이용한다. 이렇게 하여, 하부 용해로는 상부 용융 사이클론으로 보낼 환원 가스를 발생한다.

광석으로부터 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 형성하는단계;

(b) (ⅰ) 일반적으로 산화 금속인 금속철 공급 원료와;

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

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

또한, HIsmelt 공법은 쇳물의 상측 공간에서 쇳물로부터 방출되는 CO나 H₂와 같은 반응 기체들을 산소 함유 가스로 후연소시키고, 후연소에 의해 발생되는 열량을 쇳물에 전달하여 금속철 공급 원료를 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.

국제 출원서에 기재되어 있는 HIsmelt 공법은 쇳물과 접촉하고 있거나 그리고/또는 쇳물 상측에 위치한 용기의 측면부를 통하여 쇳물에 운반 가스, 금속철 공급 원료 및/또는 기타 고체 원료를 주입하여 전이 영역을 형성함으로써 운반 가스와 고체 원료가 쇳물에 침투하여 용융 금속 및/또는 슬래그가 쇳물의 표면 위의 공간으로 분출되도록 하는 것을 특징으로 한다.

국제 출원서에 기재되어 있는 HIsmelt 공법은 가스 및/또는 탄소질 원료를 쇳물에 바닥 주입시킴으로써 전이 영역을 형성하여 용융 금속의 용적, 비산 및 유동물을 쇳물로부터 분출시키는 방법의 초기 양태를 개선시킨 것이다.

본 발명은 쇳물을 담고 있는 제련 용기 내에서 광석, 특히 환원 광석과 금속 함유 폐유동물과 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 금속탕을 이용한 직접 제련 방법에 관한 것이다.

이제부터, 본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 예를 들어 설명될 것이다. 상기 첨부된 도면은 본 발명에 따른 방법의 바람직한 실시예를 개략적으로 설명하고 있는 제련 용기의 수직 단면도이다.

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

일반적인 의미에서, 본 발명은 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 상부에 형성된 슬래그층을 갖는 쇳물을 형성하는 단계;

(b) 복수개의 피침/송풍구를 통하여 금속철 공급 원료와 고체 탄소질 원료를 금속층에 주입하는 단계;

(c) 금속층에서 금속철 원료를 금속으로 제련하는 단계;

(d) 용융 원료를 비산, 용적 및 유동물로서 쇳물의 명목상 정지 표면 상측에 형성된 공간으로 분출시켜 전이 영역을 형성하는 단계; 및

(e) 한 개 이상의 피침/송풍구를 통하여 산소 함유 가스를 용기 내에 주입하여 쇳물로부터 배출되는 반응 가스를 후연소시킴으로써, 전이 영역에서 용융 물질의 비산, 용적 및 유동물이 상승하고 하강함에 따라 쇳물로의 열전달을 촉진시키고, 상기 전이 영역이 형성됨에 따라 상기 전이 영역과 접하는 측벽을 통하여 용기로부터 손실되는 복사열의 양을 최소화하는 단계.

상기 직접 제련 방법은 또한 높은 슬래그 재고량을 유지함으로써 공정을 제어하는 단계를 포함한다.

상기 "제련"이라 함은 금속철 공급 원료를 환원시키는 화학 반응이 발생하여 액상 금속을 생성하는 열처리 공정을 의미한다.

상기 쇳물의 "정지 표면"은 가스/고체를 주입하지 않아서 쇳물의 교반이 발생하지 않은 공정 조건에 있는 쇳물의 표면을 의미한다.

상기 쇳물의 명목상 정지 표면 상측의 공간을 "상단 공간"이라고 한다.

파일럿 플랜트 시험의 결과, 용기로부터의 열 손실과 금속층으로 열 전달을 제어하기 위하여 용기 내부, 특히 정지 영역 내의 슬래그의 수위를 높게 유지하는 것이 중요하다는 것이 증명되었다. HIsmelt 공정에서 슬래그의 중요성은 HIsmelt 공정의 이전 작업에서부터 시작된다. 이전 작업 단계에서, 슬래그의 양은 공정에 중요한 것으로 간주되지 않았었다.

상기 "높은 슬래그 재고량"이라는 개념은 용기 내에서 슬래그층의 깊이로 이해할 수 있다.

바람직하게는, 상기 방법은 안정한 작업 상태에서 슬래그층의 깊이를 0.5 내지 4 미터가 되도록 제어하여 높은 슬래그 재고량을 유지하는 것을 포함한다.

보다 바람직하게는, 상기 방법은 안정한 작업 상태에서 슬래그층의 깊이를 1.5 내지 2.5 미터가 되도록 제어하여 높은 슬래그 재고량을 유지하는 것을 포함한다.

특히, 상기 방법은 안정한 작업 상태에서 슬래그층의 깊이를 적어도 1.5 미터가 되도록 제어하여 높은 슬래그 재고량을 유지하는 것을 포함하는 것이 바람직하다.

상기 "높은 슬래그 재고량"이라 함은 용기 내에서 금속의 양과 비교하였을 때 슬래그의 양으로도 이해할 수 있다.

바람직하게는, 상기 방법은 안정한 상태에서 수행되는 경우, 금속과 슬래그의 무게 비율을 4:1 내지 1:2로 제어하여 높은 슬래그 재고량을 유지하는 것을 포함한다.

보다 바람직하게는, 상기 방법은 금속과 슬래그의 무게 비율을 3:1 내지 1:1로 제어하여 높은 슬래그 재고량을 유지하는 것을 포함한다.

특히, 상기 방법은 금속과 슬래그의 무게 비율을 3:1 내지 2:1로 제어하여 높은 슬래그 재고량을 유지하는 것을 포함하는 것이 바람직하다.

용기 내에서 슬래그의 양, 다시 말하면, 슬래그 재고량은 전이 영역에 존재하는 슬래그의 양에 직접 영향을 미친다.

금속에 비하여 비교적 낮은 슬래그의 열 전달 특성은 전이 영역에서 측벽으로 열이 손실되거나, 용기의 측벽을 통하여 용기로부터 열이 손실되는 것을 최소화하는 데에 있어서 중요하다.

적당하게 공정을 제어함으로써, 전이 영역에 존재하는 슬래그는 측벽 상에 층(들)을 형성하여 측벽으로부터 열 손실을 방지한다.

따라서, 슬래그 재고량을 변화시켜 줌으로써 전이 영역과 측벽 상의 슬래그의 양을 증감시켜서 용기의 측벽을 통한 열 손실을 통제할 수 있다.

슬래그는 측벽 상에 "습윤"층이나 "건조"층을 형성할 수 있다. "습윤"층은 측벽에 부착되는 동결층과, 반고상(곤죽)층, 및 외측 액상 박막으로 이루어진다. "건조"층은 슬래그가 실질적으로 전부 동결된 상태인 층이다.

또한, 용기 내의 슬래그의 양을 측정함으로써 후연소의 정도를 제어할 수 있다.

이를 구체적으로 설명하면, 슬래그 재고량이 너무 적은 경우에는, 전이 영역에 존재하는 금속으로부터 금속층으로 열 전달이 이루어진다는 긍정적인 측면도 있지만, 전이 영역에서 금속의 노출이 증가하여 금속의 산화가 더 심해지므로 탄소가 금속에 용해되고 후연소가 감소하는 현상이 초래된다.

또한, 슬래그 재고량이 너무 많으면, 한 개 이상의 산소 함유 가스 주입용 피침/송풍구가 전이 영역에 묻혀버리게 되므로 상단 공간의 반응 가스가 각 피침/송풍구의 말단으로 이동하는 것이 둔화되어 후연소의 가능성이 줄어든다.

슬래그층의 깊이나 금속과 슬래그의 무게 비율로 측정되는 용기 내의 슬래그의 양, 다시 말하자면, 슬래그 재고량은 금속과 슬래그의 출탕 속도로 조절할 수 있다.

용기 내에서 슬래그의 생산량은 금속철 공급 원료, 탄소질 원료 및 용제가 용기로 공급되는 속도와, 산소 함유 가스 주입 속도와 같은 작업 매개 변수들을 변화시켜 줌으로써 조절할 수 있다.

본 발명에 따른 방법은 전이 영역을 통하여 금속층으로 열 전달을 제어하고전이 영역을 통하여 용기로부터 열 손실을 제어하는 것을 특징으로 한다.

상기에 명시한 바와 같이, 특히 본 발명은 슬래그 재고량을 높게 유지함으로써 공정을 제어하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 다음과 같은 반응 특성을 개별적으로 또는 복합적으로 이용하여 공정을 제어하는 것이 바람직하다:

(a) 한 개 이상의 산소 함유 가스 주입용 피침/송풍구를 장착하고 소정의 유속으로 산소 함유 가스를 주입하여,

(i) 산소 함유 가스가 슬래그층에 주입되어 전이 영역을 침투하고; 그리고

(ii) 산소 함유 가스의 흐름이 한 개 이상의 피침/송풍구의 하단부 주위에서 용융 원료의 비산, 용적 및 유동물을 편향시키고, "자유 공간"이라고 명시되는 가스 연속 공간이 한 개 이상의 피침/송풍구 주위에서 형성되게 한다;

(b) 다음 사항들 중에서 한 가지 이상을 조절하여 전이 영역과 접하는 용기의 측벽에 주로 슬래그를 비산시켜서 용기로부터 열 손실을 제어한다:

(i) 쇳물에서 슬래그의 양;

(ii) 한 개 이상의 산소 함유 가스 주입용 피침/송풍구를 통한 산소 함유 가스의 주입 속도; 및

(iii) 피침/송풍구를 통과하는 금속철 공급 원료와 탄소질 원료의 유속.

금속철 공급 원료가 철 함유 물질인 경우, 본 발명은 또한 쇳물에 용해되어 있는 탄소의 농도를 적어도 3 wt%로 조절하고 슬래그를 강한 환원 조건에 두어 슬래그층과 전이 영역에서 FeO의 농도를 6 wt% 미만, 보다 바람직하게는 5 wt.% 미만으로 유지시킴으로써 공정을 제어하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 제련 용기는:

(a) 산소 함유 가스를 주입하기 위한 상기 설명한 한 개 이상의 피침/통풍구와, 금속철 원료, 탄소질 원료(일반적으로 석탄) 및 용제를 용기 내부로 주입하기 위한 피침/통풍구;

(b) 용기로부터 용융 금속과 슬래그를 배출시키기 위한 배출구; 및

(c) 한 개 이상의 폐가스 배출구를 포함한다.

상기 공정을 수행하기 위해서는, 상기 용기가 금속층과 상기 금속층 상부에 슬래그층을 구비하는 쇳물을 담고 있어야 한다.

여기서, "금속층"이라 함은 주로 금속으로 이루어지는 쇳물의 해당 영역으로 이해할 수 있다.

상기 "슬래그층"이라 함은 주로 슬래그로 이루어지는 쇳물의 해당 영역으로 이해할 수 있다.

본 발명에 따른 방법의 중요한 특징은 금속철 원료가 적어도 쇳물의 금속층에서 주로 금속으로 제련된다는 것이다.

실제에 있어서, 슬래그층과 같이 용기의 다른 영역에서 금속으로 제련되는 금속철 원료의 부분도 있을 것이다. 그러나, 본 발명에 따른 방법의 목적과 본 발명의 방법이 갖는 종래의 방식과의 중요한 차이점은 금속층에서 금속철 원료의 제련을 극대화하는 것이다.

따라서, 본 발명에 따른 방법은 환원제와 에너지원으로 작용하는 금속철 원료와 탄소질 원료를 금속층에 주입하는 것을 포함한다.

선택적으로, 금속철 원료와 탄소질 원료는 금속층 상측에 위치하여 하향으로 연장된 피침/송풍구를 통해 주입된다. 일반적으로, 피침/송풍구는 용기의 측벽을 통과하여 금속층의 표면을 향해 내측 하향으로 기울어져 있다.

또는, 제한적이지는 않으나, 금속철 원료와 탄소질 원료는 금속층과 접하고 있는 용기의 바닥이나 용기의 측벽에 송풍구를 통해 주입할 수 있다.

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

본 발명에 따른 방법의 또 다른 중요한 특징은 용융 원료를 용적, 비산 및 유동물의 형태로 쇳물로부터 상향으로 쇳물의 정지 표면 상측의 상단 공간의 적어도 일부로 분출시키는 것이다.

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 방법은 용융 원료를 비산, 용적 및 유동물의 형태로 전이 영역 상측의 상단 공간으로 분출시키는 것을 포함한다.

본 발명에 따른 방법의 또 다른 중요한 특징은 쇳물의 명목상 정지 표면 상측의 (전이 영역을 포함하는) 상단 공간에서 쇳물에서 발생되는 일산화탄소와 수소 같은 반응 기체를 후연소시켜서 이 때 발생한 열을 금속층에 전달하여 쇳물의 온도를 유지시키는 것이다. 이와 같은 특징은 금속층의 흡열 반응의 측면에서 매우 중요하다.

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,

[CO₂] = 폐가스의 CO₂부피%;

[H₂O] = 폐가스의 H₂O 부피%;

[CO] = 폐가스의 CO 부피%; 및

[H₂] = 폐가스의 H₂부피%.

전이 영역은 두 가지 이유로 중요하다.

먼저, 용융 원료의 비산, 용적 및 유동물이 상승하고 하강하는 운동은 쇳물의 정지 표면 상측의 상단 공간에서 반응 가스가 후연소하여 발생하는 열을 쇳물로 전달하는 효과적인 수단이 된다.

두 번째로, 전이 영역에서 용융 원료, 특히 슬래그는 용기의 측벽을 통한 열손실을 최소화하는 효과적인 수단이 된다.

본 발명에 따른 방법과 종래 기술의 기본적인 차이는, 본 발명에 따른 방법에서는 주요 제련 영역이 금속층이고 주요 산화(즉, 열 발생) 영역이 전이 영역의 상측과 내부이며 이들 영역은 공간적으로 분리되어 있어서 이들 두 영역간을 용융 금속과 슬래그가 물리적으로 이동함으로써 열 전달이 이루어진다는 점이다.

바람직하게는, 전이 영역은 금속층으로 향하여 아래로 연장되어 있는 피침/송풍구를 통하여 운반 기체 내에서 금속철 원료와 탄소질 원료를 주입함으로써 발생된다.

보다 바람직하게는, 상기 명시한 바와 같이, 피침/송풍구는 용기의 측벽을 통과하여 연장되고 금속층을 향하여 내측 아래쪽으로 기울어져 형성된다.

고체 원료를 금속층에 주입하는 과정은 다음과 같다:

(a) 고체 원료/운반 기체의 운동에 의해 고체 원료와 가스가 금속층에 침투한다;

(b) 탄소질 원료, 일반적으로 석탄은 탈휘발되어 금속층에 가스를 생성한다;

(c) 탄소는 주로 금속에 용해되고, 일부는 고체 상태로 남는다;

(d) 상기 (c)에서 설명한 바와 같이 주입된 탄소로부터 나온 탄소에 의해 금속철 원료는 금속으로 제련되고, 제련 반응에 의해 일산화탄소 가스가 발생한다; 그리고

(e) 금속층으로 이송된 가스와 탈휘발화와 제련 과정에서 발생된 가스는 금속층으로부터 용융 금속, 고체 탄소 및 슬래그(고체/가스 주입의 결과로 금속층에유입됨)를 부력에 의해 상승 이동시켜서, 용융 금속의 비산, 용적 및 유동물이 상향 이동하게 되고, 이들 비산, 용적 및 유동물은 슬래그층을 통하여 이동하는 동안에 더 많은 슬래그를 비말동반하게 된다.

본 발명의 또 다른 중요한 특징은 산소 함유 가스를 주입하는 한 개 이상의 피침/송풍구의 위치와 작업 매개 변수, 그리고 전이 영역을 제어하는 작업 매개 변수들이 적절하게 선택되어 다음과 같은 조건을 만족시키는 것이다:

(a) 산소 함유 가스는 슬래그층에 주입되어 전이 영역을 침투한다;

(b) 산소 함유 가스의 흐름이 한 개 이상의 피침/송풍구의 하단부 주위에서 용융 원료의 비산, 용적 및 유동물을 편향시켜서,

(i) 전이 영역이 한 개 이상의 피침/송풍구의 주변과 하단부에서 상향으로 연장되고; 그리고

(ii) 한 개 이상의 피침/송풍구의 말단 주위에 "자유 공간"으로 지칭되는 가스 연속 공간이 형성된다.

자유 공간의 형성은 용기의 상단 공간에 있는 반응 가스들이 한 개 이상의 산소 함유 가스 주입용 피침/송풍구의 말단 영역으로 유입되어 이 영역에서 후연소될 수 있다는 점에서 중요하다. 여기서, "자유 공간"이라 함은 금속과 슬래그가 실질적으로 존재하지 않는 공간을 의미한다.

또한, 용융 원료가 편향되어 용기의 측벽이 어느 정도 각각의 피침/송풍구의 말단에서 발생되는 연소 영역으로부터 차단된다. 또한, 보다 많은 에너지가 상단 공간에서 후연소되는 가스로부터 쇳물로 되돌아갈 수 있도록 하는 수단을 제공한다.

바람직하게는, 본 발명에 따른 방법은 산소 함유 가스를 소용돌이시켜 용기 내부로 주입하는 것을 포함한다.

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.

도면에 도시되어 있는 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); 루프(7); 폐가스의 배출구(9); 연속적으로 용융 금속을 배출할 수 있는 전면 노광(57); 및 용융 슬래그를 배출하기 위한 출탕구(61)를 구비한다.

사용시, 용기는 금속층의 상부에 용융 금속층(15)과 용융 슬래그층(16)을 포함하는 철과 슬래그의 쇳물을 담고 있다. 도면에서 참조 번호 17로 지정된 화살표는 금속층(15)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(16) 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, N₂)에 비말동반되는 철광석, 고체 탄소질 원료(일반적으로는, 석탄), 및 융제(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 금속에 일부 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.

용융 금속, 고체 탄소 및 슬래그의 부력에 의한 융기는 금속층(15)과 슬래그층(16)에 교반을 일으켜서 슬래그층(16)의 부피가 커지고 화살표(30)로 나타낸 바와 같은 표면이 형성된다. 교반은 금속 영역과 슬래그 영역의 온도가 일반적으로1450 내지 1550 ℃로 균일해지고 각 영역에서 온도의 변화가 30 ℃가 되는 한도에서 이루어진다.

또한, 용융 금속, 고체 탄소 및 슬래그가 부력에 의해 융기함에 따라 용융 원료의 비선, 용적 및 유동물이 상향으로 이동하여 용기에서 쇳물의 상측에 위치한 상단 공간(31)으로 유입된다. 그리고 다음과 같은 현상을 초래한다:

(a) 전이 영역(23)이 형성되고; 그리고

(b) 일부 용융 원료(주로 슬래그)가 전이 영역의 상측과, 전이 영역(23)의 상측에 위치한 측벽(5)의 상부 몸통부(51)의 일부와 루프(7)로 분출된다.

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. 피침(13)은 산소 함유 가스를 소용돌이시켜 용기 내부로 주입하는 어셈블리를 포함한다.

피침(13)을 통하여 산소 함유 가스가 주입되면 전이 영역(23)과 피침(13)의단부 주위의 자유 공간(25)에서 반응 가스(CO와 H₂)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 전달하여 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 하여, 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)과 접하는 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 접하는 측벽의 상부 몸통부(51)와 루프(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.

사용시, 수냉각 패널(57)(59)과 접하는 슬래그의 양이 충분하고 패널로부터 충분한 열이 추출되어 패널 상의 슬래그층을 구성하여 유지하도록 작업 조건이 조절된다. 슬래그층은 전이 영역과 전이 영역 상측의 상단 공간 나머지 부분을 통해 열 손실이 이루어지는 것을 차단하는 유효 열 차단막을 형성한다.

앞서 지적한 바와 같이, 본 출원인은 파일럿 플랜트 시험을 통해 다음과 같은 본 발명에 따른 발명의 특징을 확정하고 그 효과적인 제어 수단을 제공하는 바이다:

(a) 슬래그 재고량, 다시 말하자면, 슬래그층의 깊이 및/또는 슬래그와 금속의 비율을 조절하여 전이 영역(23)의 금속이 전이 영역에서 역반응에 의한 후연소에 미치는 부정적인 효과와 열 전달에 미치는 긍적적인 효과를 균형을 맞춘다. 슬래그 재고량이 너무 적으면, 금속이 산소에 너무 많이 노출되기 때문에 후연소의 효과가 감소된다. 반면에, 슬래그 재고량이 너무 많으면, 피침(13)이 전이 영역(23)에 묻히기 때문에 가스가 자유 공간(25)에 비말동반되는 정도가 줄어들어 후연소의 효과가 감소된다.

(b) 금속에 용해된 탄소의 농도를 적어도 3 wt%로 조절하고 슬래그를 강한 환원 조건에 방치함으로써 슬래그층(16)과 전이 영역(23)에서 FeO 농도를 6 wt% 미만으로 유지한다.

(c) 피침(13)의 위치와 피침(13)과 피침/통풍구(11)를 통한 산소 함유 가스와 고체의 주입 속도를 조절하여 피침(13)의 말단 주변에 금속/슬래그가 없는 영역을 유지하고 피침(13)의 하단부 주변에 전이 영역(23)을 형성한다.

(d) 다음 사항들을 조절함으로써 전이 영역(23)과 접하거나 전이 영역(23) 상측에 위치한 용기의 측벽에 슬래그를 비산시켜서 용기로부터의 열 손실을 제어한다:

(i) 슬래그 재고량; 및

(ii) 피침(13)과 피침/송풍구(11)를 통한 주입 유속.

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

파일럿 플랜트 시험은 도면에 나타낸 용기를 가지고 앞서 설명한 작업 조건에 따라 상기에 기술한 바와 같이 수행하였다.

파일럿 플랜트 시험은 다음과 같은 광범위한 사항들을 조건으로 하여 용기를 평가하고 본 발명에 따른 공정을 검사하였다:

(a) 공급 원료;

(b) 고체 및 가스 주입 속도;

(c) 슬래그층의 깊이와 슬래그:금속의 비율로 측정한 슬래그 재고량;

(d) 작업 온도; 및

(e) 장치 구성.

하기의 표 1은 파일럿 플랜트 시험의 개시 및 안정한 작업 조건에서 관련 데이터를 나타낸 것이다.

		개 시	안정한 작업
쇳물 온도작업 압력	(℃)(bar g)	14500.5	14500.5
HAB 공기HAB내의 산소HAB 온도	(kNm3/h)(%)(C)	26.020.51200	26.020.51200
DSO 철광석탄소결 융제	(t/h)(t/h)(t/h)	5.95.41.0	9.76.11.4
철광 공급 온도	(C)	25.0	25.0
용융 금속슬래그	(t/h)(t/h)	3.72.0	6.12.7
후연소폐가스 온도	(%)(C)	60.01450	60.01450
쇳물로 열 전달패널로 열 손실	(MW)(MW)	11.812.0	17.38.0
석탄 비율	(kg/thm)	1453	1003

철광석은 일반적인 미세한 직접 선적 광석으로 해머슬레이(Hamersley)에서 구입한 것으로서, 건조한 상태를 기준으로 철 64.6%, SiO₂4.21%, 및 Al₂O 2.78%를 함유하였다.

무연탄은 환원제와 탄소 및 수소원으로 사용되어 공정에서 연소와 에너지 공급원으로 쓰였다. 석탄은 열량이 30.7 MJ/kg, 회분 함량이 10%, 휘발도가 9.5%이었다. 그 밖의 특성은 총탄소 함량이 79.82%, H₂O 1.8%, N₂1.59%, O₂3.09%, H₂3.09%이었다.

공정에서 석회와 마그네시아의 융제를 혼용하여 슬래그의 염기도(CaO/SiO₂비율)를 1.3으로 유지하였다. 마그네시아는 MgO를 공급하여 슬래그 내에서 MgO의 적당한 수준을 유지함으로써 슬래그가 내화재로 부식되는 것을 방지하였다.

개시 조건에서, 파일럿 플랜트는 1200 ℃에서 온풍 속도 26,000 Nm³/h; 후연소율 60%((CO₂+ H₂O)/(CO + H₂+ CO₂+ H₂O)); 및 철광 미분의 공급 속도 5.9 t/h, 석탄 공급 속도 5.4 t/h, 및 융제 공급 속도 1.0 t/h인 조건에서 작동시켰다. 모든 공급 원료들은 N₂를 운반 기체로 사용하여 주입하였다. 용기에는 슬래그가 약간 존재하거나 전혀 존재하지 않도록 하였으며, 측패널에 동결 슬래그층이 형성되지 않았다. 따라서, 냉각수 열 손실이 12 MW로 비교적 높았다. 파일럿 플랜트는 용융 금속(4.5 wt%C)의 생산율이 3.7 t/h이고 생산된 용융 금속의 석탄 비율이 1450 kg/t인 조건에서 작동되었다.

안정한 작업 조건에서, 슬래그 재고량을 제어하고 수냉각 패널의 동결 슬래그층이 측벽을 형성한 상태에서 열 손실이 8 MW로 비교적 낮았다. 수냉각 시스템에 의한 열 손실이 감소됨에 따라 용융 금속의 생산성이 6.1 t/h로 증가하였다. 개시 조건에서와 같은 온풍 속도와 후연소 조건에서 생산성이 증대되었다. 고체 주입 속도는 철광 미분이 9.7 t/h, 석탄이 6.1 t/h, 융제가 1.4 t/h이었다. 생산성이 개선됨에 따라 용융 금속의 석탄 비율도 1000 kg/t로 향상되었다.

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

Claims (14)

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

   (b) 복수개의 피침/송풍구를 통하여 금속철 공급 원료와 고체 탄소질 원료를 금속층에 주입하는 단계;

   (c) 금속층에서 금속철 원료를 금속으로 제련하는 단계;

   (d) 용융 원료를 비산, 용적 및 유동물로서 쇳물의 명목상 정지 표면 상측에 형성된 공간으로 분출시켜 전이 영역을 형성하는 단계; 및

   (e) 한 개 이상의 피침/송풍구를 통하여 산소 함유 가스를 용기 내에 주입하여 쇳물로부터 배출되는 반응 가스를 후연소시킴으로써, 전이 영역에서 용융 물질의 비산, 용적 및 유동물이 상승하고 하강함에 따라 쇳물로의 열전달을 촉진하고, 상기 전이 영역이 형성됨에 따라 상기 전이 영역과 접하는 측벽을 통하여 용기로부터 손실되는 열량을 최소화하는 단계를 포함하고,

   슬래그 재고량을 높게 유지함으로써 공정을 제어하는 단계를 포함하는 금속철 공급 원료로부터 금속을 생성하기 위한 직접 제련 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 슬래그층을 0.5 내지 4 미터로 조절하여 슬래그 재고량을 높게 유지하는 것을 포함하는 방법.
3. 제 2 항에 있어서, 슬래그층의 깊이를 1.5 내지 2.5 미터로 조절하여 슬래그 재고량을 높게 유지하는 것을 포함하는 방법.
4. 제 1 항에 있어서, 슬래그층의 깊이를 적어도 1.5 미터로 조절하여 슬래그 재고량을 높게 유지하는 것을 포함하는 방법.
5. 제 1 항에 있어서, 금속 대 슬래그의 무게 비율을 4:1 내지 1:2로 조절하는 것을 포함하는 방법.
6. 제 1 항 내지 제 5 항 중에서 어느 한 항에 있어서, 공정의 안정한 작업 조건에서 금속 대 슬래그의 무게 비율을 3:1 내지 1:1로 조절하는 것을 포함하는 방법.
7. 제 6 항에 있어서, 공정의 안정한 작업 조건에서 금속 대 슬래그의 무게 비율을 3:1 내지 2:1로 조절하여 높은 슬래그 재고량을 유지하는 것을 포함하는 방법.
8. 제 1 항 내지 제 7 항 중에서 어느 한 항에 있어서, 상기 단계 (c)는 적어도 주로 금속층에서 금속철 원료를 금속으로 제련하는 것을 포함하는 방법.
9. 제 1 항 내지 제 8 항 중에서 어느 한 항에 있어서, 한 개 이상의 산소 함유 가스 주입용 피침/송풍구를 장착하고 소정의 유속으로 산소 함유 가스를 주입하여,

   (a) 산소 함유 가스가 슬래그층에 주입되어 전이 영역을 침투하고; 그리고

   (b) 산소 함유 가스의 흐름이 한 개 이상의 피침/송풍구의 하단부 주위에서 용융 원료의 비산, 용적 및 유동물을 편향시키고, 가스 연속 공간이 한 개 이상의 피침/송풍구 주위에서 형성되게 하는 것을 포함하는 방법.
10. 제 1 항 내지 제 9 항 중에서 어느 한 항에 있어서,

    (i) 쇳물에서 슬래그의 양;

    (ii) 한 개 이상의 산소 함유 가스 주입용 피침/송풍구를 통한 산소 함유 가스의 주입 속도; 및

    (iii) 피침/송풍구를 통과하는 금속철 공급 원료와 탄소질 원료의 유속 중에서 한 가지 이상을 조절함으로써 전이 영역과 접하는 용기의 측벽과 용기의 루프에 주로 슬래그를 비산시켜서 용기로부터의 열 손실을 제어하는 것을 포함하는 방법.
11. 제 1 항 내지 제 10 항 중에서 어느 한 항에 있어서, 상기 단계 (b)는 금속층의 상측에 금속층을 향하여 아래로 연장되어 있는 복수개의 피침/송풍구를 장착하는 것을 포함하는 방법.
12. 제 1 항 내지 제 10 항 중에서 어느 한 항에 있어서, 상기 단계 (b)는 복수개의 피침/송풍구를 통하여 금속철 원료와 탄소질 원료를 금속층에 주입하여 청구항 제 1 항의 단계 (d)에서 정의한 바와 같이 전이 영역을 형성하는 용융 원료의 비산, 용적 및 유동물을 상향 이동시키는 것을 포함하는 방법.
13. 제 12 항에 있어서, 운반 기체를 통해 금속철 공급 원료와 고체 탄소질 원료를 주입하는 것을 포함하는 방법.
14. 제 13 항에 있어서, 금속층의 상측에 금속층을 향해 아래로 연장되는 복수개의 피침/송풍구를 장착하는 것을 포함하는 방법.