KR20020021791A - 용융된 철 금속의 제조 방법 - Google Patents

용융된 철 금속의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은,
(a) 탄소질 환원제 및 산화철을 포함하는 원료 압축 물질을 노저(hearth) 이동형 환원로에 투입하는 단계;
(b) 상기 원료 압축 물질을 상기 환원로내에서 30 내지 80%의 환원비로 환원시켜, 철 금속으로 형성된 쉘(shell)을 형성하거나, 또는 철 금속으로 형성된 쉘 또는 철 금속이 망상구조 형태로 주위에 펼쳐져 있고, 그 간극 사이에 탄소질 환원제가 잔존하는 상태를 형성하는 단계;
(c) FeO를 포함하는 생성된 슬래그(slag)를 상기 철 금속 사이에서 응집시키는 단계;
(d) 환원된 상기 압축 물질을 고온으로 유지된 상태로 용융로에 투입하는 단계; 및
(e) 최종 환원 공정 및 용융 공정을 수행하여 용융된 철 금속을 수득하는 단계
를 포함하는 방법에 관한 것이다.

Description

용융된 철 금속의 제조 방법{PROCESS FOR MANUFACTURING MOLTEN METAL IRON}
현재까지 철 광석 및 산화철과 같은 산화철 공급원을 코크스 및 석탄과 같은 탄소질 환원제와 혼합하여 이를 펠렛(pellet) 또는 연탄으로 압축시키고, 이러한 압축된 물질을 가열하여 그중의 산화철을 환원시킴으로써 철 금속을 수득하는 수많은 시도들이 행해져 왔다.
예를 들어, 내부 환원제로서 고체 탄소질 물질을 갖는 미분된 산화철 펠렛을 원료로 사용하고, 이를 회전 노저(hearth)형 환원로에서 가열하여 예비-환원시킨 후, 수득된 예비-환원된 철을 환원로에서부터 1000℃ 이상의 온도의 제련로로 공급하여 제련하고, 계속 환원시켜 용융된 철 금속을 제조함을 포함하는 방법이 있다.이 방법은 산화철 분말 및 고체 탄소질 물질을 포함하는 원료 혼합물을 펠렛형 물질 또는 덩어리형 물질로 압축하고, 이를 건조시킨 후에 또는 건조시키지 않고 1100 내지 1350℃의 비교적 저온에서 약 10 내지 50분간 가열하여 약 50 내지 90%의 환원비로 환원을 진행시킨 후, 제련하고 최종적으로 환원시킴을 포함한다. 그러나, 상기 방법에서는 상기 환원 시간에서 가열 온도가 낮기 때문에, 가열하고 환원시키는데 오랜 시간이 걸리며, 대량 생산하고자 하는 경우 큰 규모의 설비가 필요할 뿐만 아니라 환원시 필요한 에너지 소비량이 많다.
또다른 방법으로서, 내부에 탄소질 환원제를 갖는 산화철을 과립형 또는 덩어리형 물질로 압축시키고, 이러한 압축된 물질을 이동 노저상에서 수평 방향으로 이동시키면서 가열하고 환원시켜, 철 금속의 쉘(shell)을 형성하고 성장시켜 산화철이 쉘내에 존재하지 않을 때까지 환원을 진행시킨 후, 생성된 슬래그(slag)를 철 금속의 상기 쉘내에서 응집시키고, 이를 이동 노저로부터 배출시키고 더욱 가열하여 철 금속의 쉘을 용융시킨 후, 이를 용융된 슬래그 및 용융된 철 금속으로 분류함을 포함하는 방법이 있다. 상기 방법에서는, 가열 및 환원 공정이 1300℃ 이상의 고온에서 수행되기 때문에, 환원시키는데 소요되는 시간이 상당히 짧아질 수 있으나, 철 금속의 쉘이 형성된 후에 그 안의 산화철이 거의 존재하지 않을 때까지 환원 공정을 진행시켜야 하기 때문에, 환원 공정이 종결될 때까지 상당한 시간이 필요하며 따라서 수평 이동 거리가 길어져 설비의 규모가 커지고 에너지 소비량이 많아진다. 또한, 상기 방법에서는, 가열하고 환원시키는데 필요한 에너지와 최종적으로 환원시키고 용융시키는데 필요한 에너지 사이의 균형이 이루어지지 않아 열에너지가 낭비된다.
산화철 및 탄소질 환원제를 포함하는 부분적으로 환원된 상태의 압축물을 원료로서 사용하는 선철(pig iron)의 제조 방법이 존재한다. 상기 방법에 사용된 부분적으로 환원된 상태의 압축물은 주로 철 금속으로 구성된 쉘; 및 주로 철 금속, 산화철 및 유리 탄소로 구성된 내부 핵을 포함하는 2층 구조의 압축물이다. 총 철 함량이 70 질량% 이상이고, 철 금속 함량이 20 내지 50 질량%이고, 유리 탄소 함량이 5 질량% 이상이고, 압축물의 체적이 20㎤ 이상인 부분적으로 환원된 압축물이 원료로서 사용되며, 이 원료가 수직로에 투입되고 가열되어 용융된 철 금속이 수득된다. 부분적으로 환원된 압축물은 전술한 바와 같이 혼합된 철 금속, 유리 탄소 및 산화철을 갖는다. 그러나, 유리 탄소 함량은 5 내지 10%로서, 이는 부분적으로 환원된 상태에서 잔존하는 산화철을 환원시키고 또한 효율적으로 용융시키는데 필요한 침탄 공정을 수행하기에는 충분치 못하기 때문에, 다음 단계인 최종 침탄 및 용융 단계에서 별도로 탄소를 첨가하여야 한다. 또한, 상기 방법에서는, 부분적으로 환원된 압축물을 용광로에서 용융시키고 환원시켜 선철을 제조하지만, 용광로에서 가공 효율을 향상시키기 위해서는 용광로내의 기체 투과도를 높은 수준으로 유지시키는 것이 필요하며, 이를 위해 원료 압축물이 더 큰 직경을 가져야 하는데(구형 상태에서는 20㎤ 이상의 체적을 보장하기 위해, 직경은 약 3.4cm 이상이다), 전술한 바와 같은 큰 직경의 펠렛 또는 연탄을 제조하는 것은 상당히 복잡하여 오직 덩어리 형성 장치만을 사용하여야 할 뿐만 아니라 수율도 저조하여 원료 가공의 유연성이 부족하게 된다.
본 발명은 철 광석과 같은 산화철을 코크스와 같은 탄소질 환원제로 가열하고 환원시켜 용융된 철 금속을 수득하는 개선된 기술, 및 산화철을 간단히 가공하여 철 금속으로 효율적으로 환원시키고 철 금속이 보유하는 열을 최대한 효과적으로 사용함으로써 용융된 철 금속을 저렴하고 우수한 생산성으로 제조하는 개선된 방법에 관한 것이다.
도 1은 원료 압축 물질을 기초 실험에서 환원시키고 용융시켰을 때의 주위 온도, 원료 압축 물질의 온도, 환원비, 및 CO 및 CO2의 생성량의 변화율을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 단계들을 나타내는 작업 공정 계통도이다.
도 3은 본 발명의 노저 이동형 환원로 및 용융로를 나타내는 예시적인 구성 단면도이다.
도 4는 본 발명의 또다른 노저 이동형 환원로 및 용융로를 나타내는 예시적인 구성 단면도이다.
도 5는 본 발명의 또다른 회전 노저형 환원로를 나타내는 구성 단면도이다.
도 6은 철 금속이 망상구조 형태로 주위에 펼쳐져 있는 상태의 부분적으로 환원된 철을 나타내는 사진이다.
본 발명의 목적은 탄소질 환원제 및 산화철을 포함하는 원료 압축 물질을 환원시켜 철 금속을 제조하는 방법으로서, 원료를 과도하게 예비-압축시키지 않으면서 효율적으로 환원시켜 부분적으로 환원된 물질을 수득하고, 이 부분적으로 환원된 물질의 온도를 유지시키면서 이를 단시간내에 효율적으로 더욱 환원시키고 용융시켜 고순도의 용융된 철을 우수한 생산성으로 제조할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 제조 방법의 주제는 (a) 탄소질 환원제 및 산화철을 포함하는 원료 압축 물질을 노저 이동형 환원로에 투입하는 단계; (b) 상기 원료 압축 물질을 상기 환원로내에서 30 내지 80%의 환원비로 환원시켜, 철 금속의 쉘을 형성하거나, 또는 철 금속이 망상구조 형태로 주위에 펼쳐져 있고, 그 간극 사이에 탄소질 물질이 잔존하는 상태를 형성하는 단계; (c) FeO를 포함하는 생성된 슬래그를 이러한 철 금속 사이에서 응집시키는 단계; (d) 고온으로 유지된 상태의 환원된 압축된 물질(부분적으로 환원된 철)을 상기 환원로로부터 빼내어 아크(arc) 가열형 용융로 또는 철 욕탕로(bath furnace)에 투입하는 단계; 및 (e) 최종 환원 공정 및 침탄 공정 및 용융 공정을 수행하여 용융된 철 금속을 수득하는 단계를 포함한다.
상기 방법의 실시에서, 환원된 원료 압축 물질에 잔존하는 산화철은 용융로내에서 더욱 환원되고, 탄소질 환원제는 생산된 환원된 철을 침탄시킨다. 그러나, 바람직하게는, 원료 압축 물질을 제조할 때 산화철을 환원시키는데 필요한 이론적인 당량보다 3 내지 6 질량% 더 많은 양의 탄소질 환원제를 압축된 물질에 포함시킴으로써, 추가적으로 탄소질 환원제를 첨가할 필요 없이 가열 공정 및 환원 공정을 완전하게 진행시킬 수 있으며, 이후의 침탄 공정을 효율적으로 진행시킬 수 있다.
환원 공정이 수행되는 환원로의 내부 온도가 1350 내지 1450℃의 범위내로 제어되거나, 환원로에 투입되는 원료 압축 물질의 온도가 2분내에 800℃ 이상의 온도로 급속하게 더욱 상승되는 경우, 환원 공정은 단시간내에 효율적으로 진행될 수있다. 온도가 전술한 바와 같은 방식으로 제어되는 경우, 원료 압축 물질의 환원 공정은 매우 단시간내에, 즉 3 내지 5분내에 진행될 수 있다. 또한, 전술한 바와 같은 온도 제어 방식에 의해 환원 속도 향상 효과를 더욱 양호하게 수득하기 위해서는, 직경 3 내지 25mm의 펠렛형 또는 연탄형 원료 압축 물질을 사용하는 것이 가장 효과적이다.
본 발명에 사용된 용융된 철 금속의 제조 방법에서는, 회전 노저형 가열 및 환원로를 노저 이동형 가열 및 환원로로서 사용하고, 고체 상태의 환원비를 30 내지 80%의 범위로 설정하며, 이때 생성된 부분적으로 환원된 철을 고온 상태에서 용융로에 공급하고, 최종 환원 및 용융 공정을 수행하여 용융된 철 금속을 제조한다.
본원에서 지칭된 부분적으로 환원된 철이란, 철 금속의 쉘 내부에서 생성된 슬래그가 응집되어 있는 구조를 갖는 벨(bell)형의 부분적으로 환원된 철이거나, 또는 철 금속이 망상구조 형태로 주위에 펼쳐져 있고 그 간극 사이에 탄소질 환원제가 잔존하는 상태(도 6 참조)의 부분적으로 환원된 철이다. 부분적으로 환원된 철이 용융될 원료로서 사용되는 경우, 환원 및 용융 공정은 슬래그내의 FeO가 철 금속의 쉘내에 또는 망상구조 형태를 구성하는 철 금속의 셀(cell)내에 국한된 상태로 진행되기 때문에, FeO에 의한 가공로에서의 내화물의 용융 손실(침투 및 부식)은 특히 용융 단계에서 가능한 적은 수준으로 억제될 수 있으며, 또한 경우에 따라, 일부 흘러나오는 FeO는 부분적으로 환원된 철에 남아있는 탄소질 환원제에 의해 급속하게 환원되므로, 가공로에서의 내화물의 용융 손실은 최소 한계치로 억제될 수 있다.
본 발명에 개시된 환원비는 하기 수학식 1에 의해 산출된 값이다:
이하에, 환원시에 원료 압축 물질의 환원비가 30 내지 80%의 범위로 결정되는 이유가 분명하게 설명될 것이다. 도 1은 기초 실험에 의해 수득된 결과를 나타내는 도면이다. 이 실험은 산화철의 공급원으로서 철 광석을 사용하고 탄소질 환원제로서 석탄을 사용하는 원료 압축 물질(16 내지 19mm 직경의 펠렛)을 대기 온도가 약 1300℃로 제어되는 용광로에 투입하고, 환원비(원료 압축 물질에서 산화철중의 산소의 제거율)가 약 100%에 도달할 때까지 고체상 환원 공정을 수행하며, 환원된 철을 더욱 가열하여 용융시키기 위해 대기 온도를 1425℃로 더욱 상승시켜 용융된 철 금속을 제조하는 경우의, 원료 펠렛의 내부 온도 및 대기 온도, 환원비의 변화, 및 이 기간 동안 생성된 CO 기체 및 CO2기체의 양의 변화율을 나타낸다.
도 1에서 분명히 알 수 있는 바와 같이, 원료 압축 물질중의 산화철의 환원비는 가열 시간에 따라 급속하게 상승되지만, 이 기간 동안의 산화철의 환원 공정은 원료 압축 물질에 포함된 탄소질 환원제 및 따라서 생성된 환원성 CO 기체에 의한 산화철의 환원 공정에 크게 의존하며, 환원비는 CO 기체의 생성량이 증가함에 따라 급속하게 증가한다. CO 기체의 생성량이 최대치에 도달하는 경우 환원비의 상승 곡선은 최대에 도달하며, 그 후에 CO 기체의 생성량이 감소되면 환원비의 상승 곡선이 둔화된다.
이러한 현상은 철 금속의 쉘이 고체상 환원 공정에 의해 원료 압축 물질의 표면층상에 형성되거나 또는 철 금속이 망상구조 형태로 주위에 펼쳐져 있는 구조의 쉘 층이 형성되어, 그 안에 존재하는 탄소질 환원제와 산화철이 반응하여 생성된 CO 기체가 철 금속의 쉘내에 국한됨으로써, 내부 환원 전위가 급속하게 상승됨에 따라 환원비가 급속하게 상승된다는 사실로부터 기인하는 것으로 생각된다. 환원비가 특정 수준에 도달하는 경우, 상기 쉘내에 잔존하는 산화철과 탄소질 환원제의 양이 감소되어 그 결과로 또한 CO 기체의 생성량도 감소되므로, 환원비의 상승 속도가 둔화되는 것으로 판단된다.
도 1로부터 알 수 있는 바와 같이, 환원비가 높은 상승 속도를 나타내면서 안정화되어 원료 압축 물질의 환원비가 급속하게 상승되는 경우는 환원비가 80%에 도달할 때까지의 영역이고, 그 이후에는 환원비의 상승 경향이 둔화됨을 확실히 알 수 있다. 전술한 경향으로부터, 고체상 환원 기간에서 쉘이 형성됨에 따라 내부 환원 전위가 증가하는 경우에 고체상 환원 공정이 단시간내에 최상의 효율로 진행된다. 그 다음, 환원비의 상승 속도는 CO 기체의 생성량이 감소함에 따라 둔화된다. 따라서, 심지어 고체상 환원 공정이 그 상태로 계속 수행된다고 하더라도, 단위 시간당 환원비의 급속한 상승은 기대할 수 없으며, 이는 환원 시간을 단축시키는데 다소 불리할 것이다.
전술한 바와 같이, 본 발명은 고체상 환원 공정이 가장 효율적으로 진행되는 "80% 환원비"에 이를 때까지 부분적으로 환원된 상태에서 절차를 중단시키고, 수득된 부분적으로 환원된 물질을 높은 열효율이 연속적으로 수득되는 용융로에 투입하여, 부분적으로 환원된 상태에서 잔존하는 산화물의 가열 및 환원 공정 및 침탄 및 용융 공정을 단시간내에 효율적으로 진행시키는 방법을 사용한다. 전술한 바와 같은 절차를 사용함으로써, 고체상 환원 공정 이후의 환원 공정 및 침탄 및 용융 공정에 소요되는 총 시간을 크게 단축시킬 수 있어 용융된 철 금속의 생산성을 크게 향상시킬 수 있다.
고체상 환원 기간에서 환원비의 하한치는 30%로 결정되는데, 그 이유는 아크 가열형 용융로 및 철 욕탕로와 같은 용융로에 투입될 부분적으로 환원된 철의 환원비가 30% 미만이면, 금속 쉘의 형성이 불충분할 뿐만 아니라 환원되지 않은 상태의 일부 산화철이 침탄 및 용융 공정시에 용융되어 생성되는 슬래그에 혼합됨에 따라 가공로에서의 결합 내화물의 용융 손실이 커지기 때문이다. 그러나, 환원비가 고체상 환원 단계에서 30%를 초과하여 진행되면, 환원되지 않은 상태의 산화철이 고체상 환원 기간에 형성된 철 금속의 쉘내에 또는 철 금속의 망상구조형 쉘내에 보유된 상태로 존재하는 것으로 생각되며, 이에 따라 열이 용융로내에서 급속하게 수용되어 환원 및 침탄 공정이 상기 쉘내에서 급속하게 진행됨으로써 용융된 산화철의 외부로의 유출이 억제되고 결합 내화물의 용융 손실이 거의 나타나지 않게 된다.
상기 이유로 인해, 본 발명에서는 고체상 환원 기간의 끝에서 환원비의 하한치가 30% 이상으로 결정되지만, 용융된 산화철의 유출에 의한 결합 내화물의 용융 손실을 보다 유효하게 방지하기 위해서는, 바람직하게는 고체상 환원 기간중의 환원비를 40% 이상으로 상승시키고, 더욱 바람직하게는 50% 이상으로 상승시킨다.
또한, 고체상 환원 기간 동안 이러한 환원비로 환원을 진행시키기 위해, 바람직하게는 고체상 환원 기간중의 대기 온도를 1350 내지 1450℃의 범위로 제어한다. 1350℃ 미만의 온도에서는 고체상 환원 공정의 속도가 느려져 철 금속의 쉘이 형성되기 어려워 가공 시간을 단축시키는 목적을 완전히 달성할 수 없다. 또한, 고체상 환원 공정이 1450℃를 초과하는 고온에서 수행되는 경우, 고체상 환원시에 산화철이 용융되어 철 금속의 쉘이 형성되기 어렵고, 용융 상태의 원료 압축 물질로부터 산화철의 누출이 증가됨에 따라 환원로의 노저 내화물이 크게 손상되어, 연속적으로 작업을 수행하는데 있어서 큰 문제가 된다. 이 점을 고려할 때, 고체상 환원 기간의 더욱 바람직한 온도는 1380 내지 1430℃이고, 단시간내에 환원을 진행시키기 위해서는 온도를 바람직하게는 800℃ 이상으로, 더욱 바람직하게는 1000℃ 이상으로 2분내에 급속하게 상승시킨다. 고체상 환원 공정이 전술한 바와 같은 고온으로 상승된 온도에서 수행되는 경우, 환원비를 30 내지 80%로 상승시키는데 소요되는 시간을 약 3 내지 5분으로 단축시킬 수 있다.
고체상 환원 공정 및 이후의 용융로에서의 추가의 환원 공정, 침탄 공정 및 용융 공정을 보다 원활하게 진행시키기 위해서는, 원료 압축 물질에서 산화철을 환원시키고 이를 침탄시키는데 필요한 이론적인 당량보다 더 많은 배합량의 탄소질 환원제를 원료 압축 물질의 제조 과정중 원료 압축 물질에 포함시키는 것이 필요하다. 이는, 부분적으로 환원된 물질을 용융로에 투입하여 최종 환원 공정, 침탄 공정 및 용융 공정을 수행하는 경우, 탄소질 환원제의 추가 투입을 생략할 수 있기 때문이다. 따라서, 잉여량으로 배합될 탄소질 환원제의 수준은 압축 물질에서 산화철을 환원시키고 이를 침탄시키는데 필요한 양을 보장할 수 있는 수준이어야 한다. 침탄량은 정상적으로 2 내지 3.5%이지만, 침탄 및 용융시의 온도 조건 및 대기 기체에 따라 다양하다. 탄소질 환원제는 또한 환원시에 연소 가열 장치에 의해서 생산된 산화성 기체(CO2또는 H2O)에 의해 소비되므로, 이를 고려하여 잔존하는 산화철을 환원시키고 환원된 철을 침탄시키는데 필요한 탄소 환원제의 양을 보장하기 위해서, 바람직하게는 원료 압축 물질중의 산화철을 환원시키는데 필요한 이론적인 당량보다 3% 이상 더 많은 양을 배합시켜야 한다. 그러나, 경제적인 관점에서 과량은 낭비적이므로, 바람직하게는 잉여량을 6%까지로 억제시켜야 한다.
또한, 고체상 환원시에 원료 압축 물질을 신속히 승온시켜 고체상 환원 공정을 진행시키기 위해서, 바람직하게는 압축 물질을 직경으로 환산하여 25mm 이하로 억제시킨다. 압축 물질의 크기가 너무 크면, 가열 연소 장치 및 복사열에 의한 원료 압축 물질의 온도 상승 속도가 느려져, 본 발명이 의도하는 고체 환원 시간의 단축 효과가 손실될 것이다. 그러나, 압축 물질이 너무 작으면, 철 금속의 쉘 및 망상구조형 철 금속의 쉘을 형성하기가 어려워, 내부 환원 전위가 상승됨에 따른 급속한 환원 공정이 잘 이루어지지 않게 되므로, 따라서 크기를 직경으로 환산하여 약 3mm 이상으로 조정하는 것이 바람직하다. 본원에서 사용된 "직경으로 환산하여"란 표현은 압축 물질이 구형으로 특정되지 않고 타원형, 달걀형, 짧은 막대형(펠렛형) 및 덩어리형 등과 같은 여러 형상들일 수 있음을 의미한다. 요약하면, 직경으로 환산하여 상기 크기를 갖는 원료 압축 물질이 사용되는 경우, 철 금속 쉘의형성 및 이에 의해 내부 환원 전위가 향상됨에 따른 환원 속도 향상 효과를 효과적으로 나타낼 수 있다.
본 발명에 따라서, 고체상 환원 기간중의 환원비를 30 내지 80%의 범위로 제한하여 고체상 환원 공정을 가장 효율적으로 진행시킨 후, 수득된 부분적으로 환원된 물질을 고온으로 유지된 상태로 용융로에 투입하여 이 물질을 급속하게 가열하며, 부분적으로 환원된 물질중에 잔존하는 산화철을 탄소질 환원제의 작용에 의해 급속하게 더욱 환원시키고 침탄시킴으로써, 단시간내에 매우 효율적으로 용융된 철 금속을 제조할 수 있다.
이하에서, 본 발명을 도면을 참조하여 더욱 구체적으로 기술할 것이다. 당연히 본 발명은 이러한 예시에 의해 제한되지 않으며, 필요에 따라 적절하게 변형이 이루어질 것임은 물론이고 이러한 변형은 본 발명의 기술적 범주에 포함된다.
도 2는 본 발명에 따라 용융된 철 금속을 제조하는 한 예를 나타내는 작업 공정 계통도이다. 산화철 공급원(예를 들어, 철 광석) 및 탄소질 환원제(예를 들어, 코크스, 석탄 분말 등)를 균질하게 혼합하고, 필요에 따라 벤토나이트 및 전분과 같은 결합제와 함께 블렌딩(blending)시켜 원료 압축 물질을 제조한다. 전술한 바와 같이 원료 압축 물질을 제조할 때, 원료중의 산화철 공급원에 대해 산화철을 환원시키는데 필요한 이론적인 당량보다 3 내지 6% 더 많은 양의 탄소질 환원제를 배합시키고, 원료의 압축 크기를 직경으로 환산하여 3 내지 25mm의 범위, 더욱 바람직하게는 6 내지 20mm의 범위로 조정한다. 가장 일반적으로, 압축 물질의 형상은 대략 구형이나, 타원형, 달걍형 및 짧은 막대형과 같은 기타 형상들도 적합하게사용될 수 있다. 펠렛형, 연탄형 또는 덩어리형도 사용될 수 있다. 원료 압축 물질을 제조할 때, 탈황 기능을 갖는 적당량의 석회석 또는 수산화칼슘을 첨가할 수 있다.
수득된 원료 압축 물질을 노저 이동형 환원로에 투입하고, 고체상 환원 공정을 상기 노저상에서 가열함으로써 진행시킨다. 고체상 환원 공정은 온도를 바람직하게는 800℃ 이상, 더욱 바람직하게는 1000℃ 이상으로 2분내에 상승시키고, 1300 내지 1450℃의 대기 온도에서 가열함으로써 진행된다. 이러한 온도 조건을 사용함으로써, 원료 압축 물질이 표면으로부터 환원되어 표면상에 철 금속의 쉘이 형성되거나 또는 철 금속이 망상구조 형태로 주위에 펼쳐져 있는 상태가 형성되며(도 6 참조), 높은 환원 전위 분위기가 철 금속의 쉘 또는 망상구조내에 형성되어 그 안에서 환원 공정이 급속하게 진행된다. 그러나, 본 발명에서는, 환원비가 고체상 환원 단계에서 30 내지 80%의 범위로 제한되도록 환원 공정이 효율적으로 진행되어 부분적으로 환원된 철이 수득된다. 이 경우, 소요되는 시간은 매우 짧아, 고체상 환원 공정은 약 3 내지 5분내에 종결된다.
수득된 부분적으로 환원된 철은 그의 표면상에서 철 금속의 쉘을 갖거나 또는 철 금속이 망상구조 형태로 주위에 펼쳐져 있는 쉘을 갖는 형태(도 6 참조)로 형성되고, 상기 쉘 안에 환원되지 않은 형태의 산화철, 미반응된 탄소질 환원제 및 생성된 슬래그를 포함하며, 온도는 1350 내지 1450℃의 고온 상태이고, 부분적으로 환원된 철은 이러한 고온 상태로 용융로에 투입된다. 사용되는 용융로는, 예를 들어 아크 가열형 용융로 및 철 욕탕로(전환 장치 포함)를 포함하며, 이전 투입 단계에서 수득된 고온의 용융된 철 금속을 보유하기 때문에(초기에서만 부분적으로 환원된 철의 가열 및 용융 공정이 아크 가열 등에 의해 수행된다), 잔존하는 산화철의 환원 공정은 용융로내의 용융된 철 금속의 열에 의해 신속하게 진행되며, 생성된 철 금속은 잉여로 존재하는 탄소질 환원제에 의해 침탄되고 신속하게 용융되어 용융로에서 용융된 철 금속과 합류된다. 이때 생성된 슬래그는 용융로의 표면상에서 부유하여 적절한 수단에 의해 표면으로부터 배출될 수 있다.
수득된 용융된 철 금속은 용융로에 체류시키거나, 또는 일단 제련로로 이동시켜 탈탄 공정, 탈황 공정, 탈인 공정 등과 같은 공정을 적용하여 용융된 강철을 수득하거나, 또는 적당량의 합금 원소를 더욱 첨가하여 용융된 합금 강철을 제조한다.
즉, 본 발명에 따라, 고체상 환원 기간에서 가장 빠른 환원 속도가 수득되는 30 내지 60% 범위의 환원비에서 환원 공정을 중단시키고, 생성된 부분적으로 환원된 철을 고온 상태로 용융로에 공급하여 더욱 환원시키고, 침탄시키고 용융시킨다. 부분적으로 환원된 철이 보유하는 열을 그대로 효과적으로 사용할 수 있으며, 부분적으로 환원된 철이 용융로에 체류된 고온의 용융된 철 금속에 의해 신속하게 가열되어 최종적으로 환원되고 침탄되고 용융되므로, 따라서 가공 시간을 전체적으로 크게 단축시킬 수 있다. 또한, 고체상 환원시키는데 소요되는 시간은 심지어 전술한 바와 같이 온도를 상승시키는 시간이 추가되더라도 10분 이내이며, 용융로에서의 이후의 최종 환원 공정, 침탄 공정 및 용융 공정도 단시간내에, 즉 10분내에 종결될 것이므로, 양 단계들 사이의 시간과 열 에너지의 균형이 유지될 수 있으며,일련의 처리 단계를 상당히 단순화시킬 수 있다. 또한, 생산 속도는 고체상 환원로의 규모에 따라 용융로의 용량을 설계함으로써 적합하게 조절할 수 있다.
도 3은 본 발명이 수행되는 환원로 및 용융로로 제공된 장치를 나타내는 예시적인 구성 단면도이다. 회전 노저형 환원로(1)가 노저 이동형 환원로로서 사용되고, 아크 가열형 용융로(2)가 상기 환원로(1)에 인접하여 배치되며, 상기 환원로(1)에서 연속적으로 제조된 고온의 부분적으로 환원된 철(A)이 즉시 상기 아크 가열형 용융로(2)에 공급되어 더욱 환원되고 침탄되고 용융된다. 생산된 용융된 철(Fe) 및 슬래그는 상기 용융로(2)로부터 연속적으로 또는 주기적으로 배출될 수 있다.
도 4는 본 발명이 수행되는 또다른 장치를 나타내는 예시적인 구성 단면도이다. 전술한 바와 동일한 회전 노저형 환원로(1)가 노저 이동형 환원로로서 사용되고, 철 욕탕로(전환 장치)가 상기 환원로(1)에 인접하여 배치되며, 상기 환원로(1)에서 연속적으로 제조된 고온의 부분적으로 환원된 철이 즉시 상기 철 욕탕로(3)로 공급되어 더욱 환원되고 침탄되고 용융되며, 산소(또는 공기)가 상부 환기창 또는 바닥 바람구멍으로부터 취입되어 탈탄 제련 공정을 수행함으로써 용융된 철 금속이 수득되며, 표면상에 부유하는 생성된 슬래그는 분리된다. 부분적으로 환원된 철에 포함된 S, P, Si 등의 함량이 너무 많은 경우에는, 탈황 공정, 탈인 공정 및 탈규소 공정을 수행하여 배기시킨 후, 필요에 따라 적당량의 합금 원소를 첨가하여 합금 강철을 수득한다.
본 발명에 사용되는 노저 이동형 환원로로는, 연속적으로 이동하는 노저상에서 연소 가열 장치 등에 의해 원료 압축 물질을 연속적으로 가열할 수 있는 기능을 갖는 것이라면, 회전 노저형, 직선 화격자형 등과 같은 임의의 환원로를 사용할 수 있다. 또한, 상기 예시한 바와 같이, 부분적으로 환원된 철이 회전 노저형 환원로의 1개의 위치에서 배출되어 용융로로 공급되는 예가 도시되어 있지만, 예를 들어 도 5에 도시된 바와 같이, 부분적으로 환원된 철을 회전 노저형 환원로의 다수개의 위치들(도 5에서는 2개의 위치)에서 배출되어 용융로로 공급될 수 있음을 주지한다. 또한, 철 금속을 가열하고 용융시킬 수 있는 구조를 갖는 것이라면 임의의 용융로를 사용할 수 있으며, 예를 들어 아크 가열형 용융로 및 철 욕탕로(전환 장치 포함)를 사용할 수 있다.
상기와 같이 구성된 본 발명에서, 이동 노저형 환원로를 사용하는 고체상 환원 공정에서의 환원비를 30 내지 80%로 제한하고, 수득된 부분적으로 환원된 철을 고온으로 유지된 상태로 용융로에 공급하여 최종 환원 공정 및 침탄 공정 및 용융 공정을 수행함으로써, 환원로 및 용융로에서의 내화물의 용융 손실을 가능한 한 적은 수준으로 억제시키고 단시간내에 효율적으로 용융된 철 금속을 수득한다. 또한, 본 발명에서 고체상 환원 공정에 의해 부분적으로 환원된 철을 수득하는데 소요되는 시간은 부분적으로 환원된 철을 용융로에 투입하여 더욱 환원시키고 침탄 및 용융시키는데 소요되는 시간과 크게 다르지 않으며, 양 단계 사이에서 시간 및 에너지의 균형이 잘 유지될 수 있으므로, 따라서 용융로에서 가열원으로서 고온의 부분적으로 환원된 철을 효과적으로 사용할 수 있을 뿐만 아니라, 전체 장비에서 소비되는 에너지를 최소한의 수준으로 억제할 수 있다.

Claims (8)

  1. (a) 탄소질 환원제 및 산화철을 포함하는 원료 물질을 압축시키는 단계;
    (b) 상기 원료 압축 물질을 노저(hearth) 이동형 환원로에 투입하여 환원로내에서 원료 압축 물질을 30 내지 80%의 환원비로 환원시켜, 철 금속으로 형성된 쉘(shell) 또는 철 금속이 망상구조 형태로 주위에 펼쳐져 있고, 그 간극 사이에 탄소질 환원제가 잔존하는 상태를 형성하는 단계;
    (c) FeO를 포함하는 생성된 슬래그(slag)를 상기 철 금속 사이에서 응집시키는 단계;
    (d) 환원된 상기 압축 물질을 고온으로 유지된 상태로 용융로에 투입하는 단계; 및
    (e) 최종 환원 공정 및 용융 공정을 수행하는 단계
    를 포함하는 용융된 철 금속의 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    원료 압축 물질을 그에 포함된 산화철을 환원시키는데 필요한 이론적인 당량보다 3 내지 6 질량% 더 많은 양의 탄소질 환원제와 압축시키는 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    용융로로서 아크(arc) 가열형 용융로 또는 철 욕탕로(bath furnace)를 사용하여 원료 압축 물질에 잔존하는 산화철을 환원시키고, 환원된 철을 탄소질 환원제로 침탄시켜 용융시키는 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항중 어느 한 항에 있어서,
    환원 공정이 수행되는 환원로의 내부 온도가 1350 내지 1450℃인 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항중 어느 한 항에 있어서,
    환원로에서 원료 압축 물질을 3 내지 5분간 환원시키는 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항중 어느 한 항에 있어서,
    원료 압축 물질을 직경 3 내지 25mm의 펠렛(pellet) 또는 연탄으로 압축시키는 방법.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항중 어느 한 항에 있어서,
    환원로에 투입된 원료 압축 물질의 온도를 2분내에 800℃ 이상의 온도로 상승시키는 방법.
  8. (a) 탄소질 환원제 및 산화철을 포함하는 원료 압축 물질을 노저 이동형 환원로에 투입하는 단계;
    (b) 상기 원료 압축 물질을 상기 환원로내에서 30 내지 80%의 환원비로 환원시켜, 철 금속으로 형성된 쉘을 형성하거나, 또는 철 금속으로 형성된 쉘 또는 철 금속이망상구조 형태로 주위에 펼쳐져 있고, 그 간극 사이에 탄소질 환원제가 잔존하는 상태를 형성하는 단계;
    (c) FeO를 포함하는 생성된 슬래그를 상기 철 금속 사이에서 응집시키는 단계;
    (d) 환원된 상기 압축 물질을 고온으로 유지된 상태로 용융로에 투입하는 단계; 및
    (e) 최종 환원 공정 및 용융 공정을 수행하는 단계
    를 포함하는 용융된 철 금속의 제조 방법.
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