KR20030048037A - 직접제련 방법 및 장치 - Google Patents

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KR20030048037A
KR20030048037A KR10-2003-7003700A KR20037003700A KR20030048037A KR 20030048037 A KR20030048037 A KR 20030048037A KR 20037003700 A KR20037003700 A KR 20037003700A KR 20030048037 A KR20030048037 A KR 20030048037A
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테크놀라지칼 리소시스 피티와이. 리미티드.
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Abstract

철 및/또는 철합금들을 생산하기 위한 직접제련 방법이 개시되어 있다. 상기 방법은 야금 용기에서 상업적 규모로 동작하며, 상기 용기는 노저, 측벽들, 및 지붕을 구비하며, 상기 노저의 최소 내부 폭 치수는 적어도 4m이다. 상기 방법은 용융 욕을 기반으로 하는 공정으로서, 상기 용기에 철함유 물질, 탄소질 물질, 및 용제들을 공급하는 단계 및 상기 용융 욕에서 철함유 공급 물질들을 용융 금속에 용해하는 단계 및 상기 욕에서 가스들을 발생시키는 단계를 포함한다. 상기 방법은 또한 3개 이상의 랜스들을 통해서 공기 또는 최대 50%의 산소를 함유한 공기로 이루어진 산소함유 가스의 분사들을 상기 용융 욕의 정지 표면 위 공간 ("상부 공간")에 주입하는 단계 및 상기 공정에서 발생된 가스들을 연소하는 단계 및 상기 욕에 대한 열전달을 용이하게 하고 상기 용기로부터의 열 손실을 최소화하도록 상기 용융 욕으로부터 상기 상부 공간으로 용융 물질의 상향 이동을 발생시키는 단계를 포함한다. 상기 방법은 상기 용기에 주입된 산소함유 가스의 분사들 안으로 상부 공간 가스의 체적을 동반하며, 상기 상부 공간 가스의 체적은 상기 주입된 가스 체적의 2-6배임을 특징으로 한다.

Description

직접제련 방법 및 장치{A DIRECT SMELTING PROCESS AND APPARATUS}
용융 욕에 기초한 직접제련 방법에 의해 용선(molten iron)을 생산하는 공지된 공정으로는 DIOS 공정이 있다. 상기 DIOS 공정은 예비환원(pre-reduction) 단계와 용융환원(smelt reduction) 단계를 포함한다. 상기 DIOS 공정에서, 광석(ore)(-8mm)은 예열(750℃)되고 금속과 슬래그(slag)의 용융 욕을 함유하는 용융환원 용기에서 나온 배출가스(offgas)를 사용하여 기포 유동층(bubbling fluidised bed)에서 예비환원(10 내지 30%) 되며, 상기 슬래그는 상기 철 상에 깊은 층을 형성하게 된다. 상기 광석의 미분광(-0.3mm) 및 분광(-8mm)은 상기 공정의 예비환원 단계에서 분리되고 상기 -0.3mm의 미분광은 사이클론(cyclone)에서 수집되어 질소와 함께 상기 용융환원 용기 안으로 주입되며, 한편 상기 분광은 중력에 의해 장입(charge)된다. 예비 건조된 석탄은 상기 용기의 상부에서 상기 용융환원 용기로 직접적으로 장입된다. 상기 석탄은 슬래그 층에서 차르(char)와 휘발성 물질로 분해되며, 상기 광석은 상기 용융 슬래그에 용해되어 FeO을 형성한다. 상기 FeO는 슬래그/철 및 슬래그/차르 계면에서 환원되어 철을 생성한다. 산소는 특별히 고안된 랜스를 통해서 송풍되며, 상기 랜스는 상기 발포된 슬래그 안으로 산소를 도입하여 2차 연소를 향상시킨다. 산소 분사(oxygen jet)들은 상기 용융환원 반응으로 생성되는 일산화탄소를 연소시켜 열이 발생되며, 상기 열은 먼저 상기 용융 슬래그로 전달된 후 저부 송풍 가스(bottom blowing gas)의 강한 교반(stirring)에 의해 상기 슬래그/철 계면으로 전달된다. 상기 용융환원 용기의 저부 또는 측면에서 상기 고온의 철 욕 안으로 도입된 교반 가스는 열전달율을 향상시키고 상기 슬래그/철 계면에서의 환원을 증가시키므로, 상기 용기의 생산율과 열효율이 개선된다. 그러나 뒤이어 생산율을 감소시키는 산소 분사와 철 액적(iron droplet)들 간의 증가된 상호작용 및 증가된 내화물 마모로 인해 강한 교반이 2차 연소를 저하시키기 때문에 주입 비율이 제한되어져만 한다. 슬래그와 철은 주기적으로 출탕(tap)된다.
용선을 생산하는 또 다른 공지된 직접제련 공정으로는 Romelt 공정이 있다. 상기 Romelt 공정은 용융환원 용기에서 철함유 공급 물질을 철로 용융하고 가스 반응 생성물들을 후연소하며 철함유 공급 물질의 용융을 지속하는데 필요한 열을 전달하는 매체로서 대량의, 매우 교반된 슬래그 욕을 사용한다. 상기 금속함유 공급 물질, 석탄, 및 용제(flux)들은 상기 용기의 지붕 내 개구(opening)를 통해서 상기슬래그 욕 안으로 중력 공급된다. 상기 Romelt 공정은 산소농축 공기(oxygen-enriched air)의 주요한 송풍을 송풍구(tuyere)들의 하부 열(lower row)을 통해서 상기 슬래그에 주입하는 단계를 포함하며, 이로 인해 필수적인 슬래그 교반(agitation) 및 송풍구들의 상부 열(upper row)을 통한 산소농축 공기 또는 산소의 상기 슬래그로의 주입이 유발되어 후연소 반응이 증진된다. 상기 슬래그에서 생성된 용선은 하향 이동하여 철 층(iron layer)을 형성하며 전로(forehearth)를 통해 방출된다. 상기 Romelt 공정에서 상기 철 층이 중요한 반응 매체는 아니다.
용선을 생산하기 위한 또 다른 직접제련 공정으로는 AISI 공정이 있다. 상기 AISI 공정은 예비환원 단계(pre-reduction stage)와 용융환원 단계(smelt reduction stage)를 포함한다. 상기 AISI 공정에서 예열되고 부분적으로 예비환원된 철광석 펠릿(pellet)들, 석탄 또는 코크스 분(coke breeze) 및 용제들은 철과 슬래그의 용융 욕을 함유하고 있는 가압 용융반응기(pressurised smelt reactor) 안으로 노정 장입(top charge)된다. 상기 석탄은 상기 슬래그 층에서 탈휘발화되며, 상기 철광석 펠릿들은 상기 슬래그에 용해된 후 상기 슬래그에서 탄소(차르)에 의해 환원된다. 상기 공정에서 발생된 일산화탄소와 수소는 상기 슬래그 층 안 또는 바로 위에서 후연소되어 흡열 환원반응에 필요한 에너지를 제공한다. 산소는 중심의 수랭식 랜스(water cooled lance)를 통해서 상부 송풍되며, 질소는 상기 반응기의 저부에서 송풍구들을 통해 주입되어 상기 욕에 후연소 에너지의 열전달을 용이하게 하는 충분한 교반을 보장해준다. 상기 공정의 배출가스(offgas)는 예열 및 상기 펠릿들을 FeO 또는 우스타이트(wustite)로 예비환원하기 위한 사프트형노(shaft type furnace)로 공급되기 전에 고온의 사이클론에서 제진(dedust)된다.
반응 매체로서 용선 층(molten iron layer)을 기반으로 하는 또 다른 공지된 직접제련 공정으로는 일반적으로 HIsmelt 공정으로 불리는 공정이 있으며, 상기 공정은 본 발명의 출원인에 의한 국제특허출원 제PCT/AU96/00197호 (국제공개공보 제WO 96/31627호)에 개시되어 있다.
상기 국제특허출원에 개시되어 있는 HIsmelt 공정은:
(a) 용기에 용선 및 슬래그의 욕을 형성하는 단계;
(b) 상기 욕에
(i) 철함유 공급 물질, 일반적으로 철산화물들; 및
(ii) 상기 철산화물들의 환원제 및 에너지원으로 작용하는 고체 탄소질 물질(solid carbonaceous material), 일반적으로 석탄을 투입하는 단계; 및
(c) 상기 철 층에서 상기 철함유 공급 물질을 금속에 용융하는 단계를 포함한다.
상기 HIsmelt 공정은 또한 산소함유 가스를 상기 욕 위의 공간으로 주입하는 단계와 상기 욕에서 방출된 CO와 H2같은 반응 가스들을 후연소하는 단계와 상기 철함유 공급 물질들을 용융하는데 필요한 열 에너지에 기여하도록 상기 욕에서 발생된 열을 전달하는 단계를 포함한다.
또한 상기 HIsmelt 공정은 상기 욕의 공칭 정지 표면(nominal quiescent surface) 위의 공간에 전이 영역(transition zone)을 형성하는 단계를 포함하며,상기 욕 안에서는 상기 욕 위에서 반응 가스들이 후연소 됨으로써 발생되는 열 에너지를 상기 욕에 효과적으로 전달하는 용융 물질의 상승하고 그 후 하강하는 액적(droplet)들 또는 비말(splash)들 또는 흐름(stream)들이 상당히 많이 존재한다.
본 발명의 출원인은 상업적 작동 공정들의 필요에 대한 연구와 개발을 포함하여 직접제련 공정들에 대한 광범위한 연구와 개발을 수행해 왔으며, 그러한 공정들과 관련된 일련의 중요한 발견들을 하였다.
본 발명은 반응 가스들의 후연소 반응에 집중된다.
반응 가스들의 적절한 후연소 반응과 그 후에 상기 용융 욕으로 되돌아오는 열 전달이 없으면, 상기 용융 욕에 기초한 직접제련 공정들은, 특히 예비환원 단계가 없는 공정들은 비경제적이고 많은 경우에 실행가능하지 않는데, 이는 철함유 물질들의 환원 반응이 발열 반응이기 때문이다.
좋은 후연소 반응은 상기 용융 욕 내에서 용융 금속과 차르(char)와 같은 물질의 상당량을 산화시켜서는 안 되는데, 이는 공정이 비효율적으로 되고, 과도한 양의 고체 탄소질 물질이 상기 산화에 맞서는데 필요하게 되는 문제점이 있다.
또한, 상기 용융 욕에서 액체 FeO의 양이 지나치게 높으면 상기 용융 금속의 공칭 정치 레벨의 영역 주위에서 내화물 마모에 불리하게 된다.
본 발명은 철광석들과, 크로마이트(chromite) 광석들, 부분적으로 환원된 광석들과 같은 다른 광석들과, 강철 복귀물(steel revert)들과 같은 철함유 폐기물류(iron-containing waste stream)들을 포함하여, 철함유 물질(ferruginous material)로부터 철 및/또는 철합금(ferroalloy)들을 생산하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
본 발명은 특히 용선(molten iron) 및/또는 철합금들을 생산하기 위한 용융 금속 욕(molten metal bath)에 기초한 직접제련 방법 및 장치에 관한 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 방법 및 장치의 바람직한 일 실시예를 개략적으로 나타낸 수직단면도이다.
일반적으로, 본 발명은 노저(hearth), 측벽(side wall)들, 및 지붕(roof)을 구비하며 상기 노저의 내부 최소 폭 치수가 적어도 4m인, 더욱 바람직하게는 적어도 6m인 야금 용기에서 상업적 규모로 동작하는 철 및/또는 철합금들을 생산하기 위한 직접제련 방법에 관한 것이다.
더욱 상세하게는, 상기 직접제련 방법은 다음과 같은 단계들:
(a) 용융 금속과 용융 슬래그를 함유하는 용융 욕을 형성하는 단계;
(b) 철함유 물질, 탄소질 물질, 및 용제들로 이루어진 공급 물질들을 상기 용기에 공급하는 단계;
(c) 상기 용융 욕에서 상기 철함유 공급 물질을 용융 금속에 용해(smelting)하고 상기 욕에서 가스들을 발생시키는 단계;
(d) 3개 이상의 랜스(lance)들을 통해서 공기 또는 최대 50%의 산소를 갖는 공기로 이루어진 산소함유 가스의 분사들을 상기 용융 욕의 정지 표면 위 공간("상부 공간(top space)")에 주입하고 상기 공정에서 발생된 가스들을 연소하는 단계; 및
(e) 상기 욕에 대한 열 전달을 용이하게 하고 상기 용기로부터 열 손실을 최소화하기 위해서 상기 용융 욕으로부터 상기 상부 공간으로 용융 물질의 상향 이동을 발생시키는 단계를 포함하며,
상기 방법은 상기 용기에 주입된 산소함유 가스의 분사(jet)들 안으로 상부 공간 가스(top space gas)의 체적을 동반하며, 상기 상부 공간 가스의 체적은 상기 주입된 가스 체적의 2-6배인 것을 특징으로 한다.
본 발명은 상기 주입된 가스 분사들 안으로 상기 주입된 가스 체적의 2-6배인 상부 공간 가스의 체적을 동반함으로써 상부 공간 가스의 좋은 후연소(postcombustion) 및 상기 용융 욕으로의 좋은 열 전달을 가능하게 하며, 상기 욕에서 감당할 수 없는 수준의 용융 물질들의 산화반응이 없도록 하는 것을 기반으로 한다.
본 발명은 또한 내경이 0.8m 이하(바람직하게는 0.6m 이하)인 출구 단부(outlet end)들을 구비한 랜스들을 통해서 상기 산소함유 가스를 적어도 150m/s의 속도로 주입함으로써 상기된 범위 내에서 상부 공간 가스의 체적들을 상기 주입된 산소함유 가스 안으로 동반(entrainment)할 수 있는 것을 기반으로 한다.
따라서, 바람직하게는 상기 방법은 내경이 0.6m 이하인 출구 단부들을 구비한 랜스들을 통해서 적어도 150 m/s의 속도로 산소함유 가스를 주입하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는 상기 속도는 적어도 200m/s이다.
바람직하게는 상기 산소함유 가스 주입 랜스들의 출구 단부들은 상기 용융 욕의 정지 표면(quiescent surface) 위로 단지 7m 지점에 위치해 있다.
바람직하게는 상기 방법은 800-1400℃의 온도까지 상기 산소함유 가스를 예열하는 것을 포함한다.
3개 이상의 랜스들을 사용하여 산소함유 가스의 분사들을 주입하는 것은 다른 방법으로 상기 다수의 랜스들과 동일한 총 내부 단면적을 갖는 단일 랜스를 사용하는 경우보다도 상기 제련 용기의 지붕을 낮출 수 있다. 이는 보다 작은 다수의 랜스들의 단부들에서 방출되는 가스 분사들의 표면 대 체적 비가 증가하기 때문이다. 가스 동반(gas entrainment)에 보다 적은 자유 공간이 필요하게 되고, 따라서 상기 야금 용기의 수직 높이가 낮아진다. 이는 상기 용기로부터 열손실을 낮추어 보다 콤팩트(compact)하고 비용면에서 효과적인 직접제련 방법을 제공하는 이점이 있다.
바람직하게는 상기 방법은 소용돌이 운동(swirling motion)으로 산소함유 가스를 상기 용기에 주입하는 것을 포함한다.
소용돌이(swirl)는 상기 주입된 가스 분사들 안으로 상부 공간 가스의 흡입 속도(suction rate)를 증가시킨다. 그러므로, 소용돌이를 이용하면 상기 용융 욕 위에서 상기 산소함유 가스 주입 랜스들의 출구 단부들의 높이가 비소용돌이 랜스(non-swirl lance)들의 높이보다 줄어들 수 있다. 따라서, 소정 내경을 갖는 소정의 복수의 소용돌이 랜스들을 구비한 용기는 동일 내경을 갖는 동일한 수의 비소용돌이 랜스들을 구비한 용기보다 낮은 높이로 구성될 수 있다. 이는 용기 높이를 최소화하여 용기에서 열이 손실될 수 있는 표면적을 최소화한다는 점에서 또한 중요하다.
또한, 어떤 소정 높이의 용기에 대해, 소용돌이를 이용함으로써 산소함유 가스의 분사들을 주입하는 랜스들의 수는 비소용돌이 랜스들의 수보다 적어질 수 있다. 그러나 소용돌이 랜스들의 수를 감소시키는 데에는 어느 정도 한계가 있다. 특히, 소정 크기의 용기에서 랜스들의 수가 감소되는 경우, 상기 랜스들의 내경은 상당히 증가되어야만 한다. 내경이 증가함에 따라 그러한 랜스들 안의 소용돌이 장치를 냉각시키는 것이 더욱 어려워지며, 그 결과 산소가 농축된 예열된 공기를 사용하는 경우에 상기 장치가 연소하는 경향이 증가된다. 약 0.8m 보다 큰 랜스들은 상기 소용돌이 장치에 대해 요구되는 작동 수명, 즉 최소 6개월 및 보다 바람직하게는 12개월까지 상기 소용돌이 장치를 유지할 수 있는 것은 아니다. 소용돌이 장치에 구리와 같은 고 열전도 물질들을 사용하면 작은 연마 입자들을 운반하는 예열 공기의 소정 경향, 즉 구리와 같은 연질 물질(soft material)을 부식시키는 경향에 안전하지 않다고 여겨진다.
바람직하게는 소용돌이 장치를 사용하는 경우 사용된 랜스들의 수는 3 내지 6인 반면에, 소용돌이 장치가 없는 경우 랜스들의 수는 6개 이상인 것이 바람직하다.
바람직하게는 (b) 단계는 하향 연장되는 3개 이상의 고체 주입 랜스들을 통해서 공급 물질들을 상기 용융 욕에 주입함으로써 공급 물질들을 공급하는 것을 포함하며, 이로 인해 가스 유동이 발생하고, 상기 가스 유동은:
(i) 확장된 용융 욕 영역(expanded molten bath zone)의 형성; 및
(ii) 상기 확장된 용융 욕 영역으로부터 상향 사출되는 용융 물질의 비말(splash)들, 액적(droplet)들과 흐름(stream)들을 일으킨다.
공급 물질들의 주입 및 상기 공급물질들의 주입으로 발생하는 상기 가스 유동 및 상기 용융 욕에서 상기 공급 물질들의 반응들은 상기 확장된 용융 욕 영역 안으로 그리고 상기 영역으로부터의 물질들의 실질적인 이동을 일으킨다.
바람직하게는 상기 방법은 주기적으로 또는 연속적으로 상기 용기로부터 용융 슬래그를 출탕(tapping)하는 것을 포함한다.
바람직하게는 상기 방법은 또한 주기적으로 또는 연속적으로 상기 용기로부터 용선(molten iron) 및/또는 철합금들을 출탕하는 것을 포함한다.
철함유 물질(ferruginous material)들은 철광석들, 크로마이트(chromite) 광석들과 같은 다른 철함유 광석들, 부분적으로 환원된 광석들 및 강철 복귀물(steel revert)들과 같은 철함유 폐기물류(iron-containing waste stream)들을 포함할 수 있다. 한편 철 물질(ferrous material), 즉 철이 주성분인 물질은 바람직한 철함유 물질이지만, 본 발명이 철 물질의 이용에 한정되는 것은 아니다.
바람직하게는 상기 방법은 상기 공정을 동작시키는데 필요한 고체 물질의 총 중량의 80중량%을 상기 고체 주입 랜스들을 통해서 주입하는 것을 포함한다.
바람직하게는 상기 방법은 적어도 40 m/s의 속도로 상기 고체 주입 랜스들을 통해서 공급 물질들을 상기 용융 욕에 주입하는 것을 포함한다.
바람직하게는 상기 속도는 80-100 m/s 범위 내이다.
바람직하게는 상기 방법은 2.0 t/m2/s까지의 질량 유속으로 상기 고체 주입 랜스들을 통해서 공급 물질들을 상기 용융 욕에 주입하는 것을 포함하며, 여기서 m2는 상기 랜스 송출관(delivery tube)의 단면적이다.
바람직하게는 상기 방법은 10-18 kg/Nm3의 고체/가스 비율로 상기 고체 주입 랜스들을 통해서 공급 물질들을 상기 용융 욕에 주입하는 것을 포함한다.
본 발명에서 상기한 용어 "제련(smelting)"은 여기서 상기 공급 물질들을 환원하는 화학 반응들이 발생되어 액체 철 및/또는 철합금들을 생성하는 열적 공정을의미하는 것으로 이해된다.
본 발명에서 상기한 용어 "랜스(lance)"는 여기서 상기 용기 안으로 어느 정도 돌출하는 가스/물질 주입 장치를 의미하는 것으로 이해된다.
바람직하게는 상기 용융 욕에서 발생된 상기 가스 유동(gas flow)은 적어도 0.35 Nm3/s/m2이다 (여기서 m2는 상기 노저의 최소 나비에서의 수평 단면적이다).
바람직하게는 상기 용융 욕에서 발생된 상기 가스 유동은 적어도 0.5 Nm3/s/m2이다.
바람직하게는 상기 용융 욕에서 발생된 상기 가스 유동은 2 Nm3/s/m2보다 작다.
상기 용융 욕에서 발생된 상기 가스 유동은 상기 용융 욕 안으로 가스의 저부 및/또는 측벽 주입의 결과로서 부분적으로 발생될 수 있다.
상기 용융 물질은 상기 측벽들 상에 "습윤(wet)" 층 또는 "건조(dry)" 층을 형성할 수 있다. "습윤" 층은 상기 측벽들에 부착하는 동결 층(frozen layer), 반고체(semi-solid)(mush) 층, 및 외부 액체막(outer liquid film)을 포함한다. "건조" 층은 실질적으로 모든 슬래그가 동결되어 있는 하나의 층이다.
용기 내 슬래그의 생성은 용기에 대한 철함유 공급 물질, 탄소질 물질, 및 용제들의 공급율을 변화시킴으로써 그리고 산소함유 가스의 주입율과 같은 작동 파라미터(parameter)에 의해 제어될 수 있다.
상기 방법이 철 생산과 관련되는 경우에, 바람직하게는 상기 방법은 용선에용해된 탄소 레벨(level)이 적어도 3 중량%가 되도록 제어하는 단계, 및 6 중량%보다 작은 더욱 바람직하게는 5 중량%보다 작은 철산화물 레벨을 초래하는 강한 환원 조건에서 상기 슬래그를 유지하는 단계를 포함한다 (상기 철산화물 레벨은 상기 용기로부터 출탕된 슬래그의 철산화물 중 철의 함량을 측정한 것이다).
철 물질 및 탄소질 물질의 주입은 동일 랜스들 또는 별개의 랜스들을 통해서 이루어질 수 있다.
바람직하게는 후연소(post-conbustion) 레벨은 적어도 40%이며, 여기서 후연소는 다음과 같이 정의된다:
여기서:
[CO2} = 배출가스(off-gas) 중 CO2체적 %
[H2O] = 배출가스 중 H2O 체적%
[CO] = 배출가스 중 CO 체적%
[H2] = 배출가스 중 H2체적%
본 발명의 또 다른 목적은 직접제련 방법에 의해 철 및/또는 철합금들을 생산하기 위한 장치를 제공함에 있다. 상기 장치는 고정된 비경사성 야금 용기(fixed non-tiltable metallurgical vessel)를 포함하는데, 상기 용기는 노저(hearth), 측벽(side wall)들, 및 지붕(roof)을 구비하며, 금속이 풍부한 영역(metal-rich zone)과 상기 금속이 풍부한 영역 위에서 확장된 용융 욕 영역(expanded molten bath zone)을 포함하는 철과 슬래그의 용융 욕을 함유하기 위해서 상기 노저의 내부에서 최소 폭 치수가 적어도 4m, 바람직하게는 적어도 6m로 구성된다.
더욱 상세하게는:
(a) 상기 노저는 내화 물질(refractory material)로 형성되어 있고, 상기 용융 금속과 접촉하고 있는 기부(base)와 측면(side)들을 구비하며;
(b) 상기 측벽들은 상기 노저의 측면들로부터 상향 연장되며 상기 확장된 용융 욕 영역 및 상기 가스 연속 공간(gas continuous space)과 접촉하고 있으며, 상기 가스 연속 공간과 접촉하는 상기 측벽들은 수랭식 패널(water cooled panel)들 및 상기 패널들 상의 용융 물질 층을 포함한다.
더욱 상세하게는 상기 장치는 또한:
(a) 공기 또는 최대 50%의 산소가 농축된 공기로 이루어진 산소함유 가스의 분사들을 상기 용융 욕 위의 상기 용기 영역으로 주입하기 위해 상기 용기 안으로 하향 연장되는 3개 이상의 랜스들과;
(b) 철함유 물질 및/또는 탄소질 물질 및 운반 가스(carrier gas)로 이루어진 공급 물질들을 상기 용융 욕에 공급하기 위한 수단과;
(c) 상기 용기로부터 용융 금속과 슬래그를 출탕하기 위한 수단을 포함한다.
더욱 상세하게는 각 산소함유 가스 주입 랜스는 내부 직경이 0.6 m 이하인 출구 단부(outlet end)를 구비하며, 적어도 내경과 동등한 거리로 상기 용기 안으로 돌출하며, 적어도 150 m/s의 속도로 산소함유 가스를 주입할 수 있다.
바람직하게는 상기 속도는 적어도 200 m/s이다.
바람직하게는 각 산소함유 가스 주입 랜스는 상기 가스에 소용돌이를 주기 위한 장치를 포함한다.
바람직하게는 상기 산소함유 가스 주입 영역은 상기 용기의 중심 영역에 위치한다.
바람직하게는 상기 산소함유 가스 주입 랜스들의 출구 단부들은 상기 용융 욕의 정지 표면 위로 단지 7m 지점에 위치해 있다.
상기 랜스들의 위치와 상기 용기 안으로의 돌출 길이는 후연소에 의해 유발된 불꽃이 상기 용기의 측벽들 또는 지붕을 따라 진행되는 것을 방지하도록 선택되는 것이 매우 바람직하다.
바람직하게는 공급 물질들을 공급하는 수단은 적어도 3개의 고체 주입 랜스들을 포함한다.
바람직하게는 상기 고체 주입 랜스와 산소함유 가스 주입 랜스의 수 및 상기 랜스들의 상대적 위치들 및 공정의 작동 조건들은:
(i) 상기 확장된 용융 욕 영역이 상기 영역과 상기 측벽들 간의 상기 산소함유 가스 주입 영역 주위에서 상승된 영역(raised region)을 포함하도록;
(ii) 용융 물질의 비말들, 액적들 및 흐름들이 상기 상승된 영역으로부터 상향 사출되고 상기 영역과 상기 측벽들 간의 상기 산소함유 가스 영역 주위에서 커튼(curtain)을 형성하도록;
(iii) "자유(free)" 공간이 각 산소함유 가스 주입 랜스의 저부 단부(lower end) 주위에 형성되며, 상기 자유 공간이 상기 확장된 용융 욕 영역 내 용융 물질의 농도보다 낮은 용융 물질의 농도를 갖도록 선택된다.
바람직하게는 상기 고체 주입 랜스들은 수랭식 패널들을 통해서 상기 용기의 상기 측벽들 안으로 연장되고 상기 용기의 노저 영역까지 아래쪽 및 안쪽으로 연장된다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 단지 예시적인 방법으로서 더 상세히 설명하고자 한다.
다음 기술될 내용은 철광석을 제련하여 용선(molten iron)을 생산하는 것에 관한 것으로, 본 발명은 이러한 응용에 한정되지 않으며 어떠한 적당한 공급 물질들을 제련하는 것에도 적용 가능하다는 것이 이해되어야 한다.
도면에 나타낸 직접제련 장치는 일반적으로 참조번호 11로 표시한 야금 용기(metallurgical vessel)를 포함한다. 상기 용기 11에는 노저, 측벽들 14, 지붕 17, 배출가스용 출구 18, 용선을 연속적으로 방출하기 위한 전로(forehearth) 19, 용융 슬래그를 방출하기 위한 출탕구(tap-hole) 21이 구비된다. 상기 노저는 기부 12와 내화 벽돌들로 형성된 측면들 13을 포함한다. 상기 측벽들 14는 상기 노저의측면들 13으로부터 상향 연장되는 일반적인 원통형 배럴을 형성하며, 수랭식 패널들로 형성된 상부 배럴 부분(upper barrel section) 51 및 내화 벽돌들로 이루어진 내부 라이닝을 갖는 수랭식 패널들로 형성된 하부 배럴 부분(lower barrel section) 53을 포함한다.
상기 노저 및 상기 상부 배럴 부분 51은 상기 용기 안에서 원통형 영역(cylindrical region)들을 한정한다. 상기 하부 배럴 부분 53은 일반적으로 상기 용기 안에서 원추형의 원통 영역(frusto-concial cylindrical region)을 한정하며, 상기 영역은 전이부(transition)를 제공하는데 상기 전이부는 노저의 직경보다 좁고 상부 배럴 부분 51의 직경보다 넓게 구성된다. 상업적 규모의 플랜트(plant), 즉 연간 용선을 적어도 500,000 톤 생산하는 플랜트에서, 상기 노저의 직경은 적어도 4m, 더욱 바람직하게는 적어도 6m이다.
본 발명은 이러한 용기 구조에 한정되지 않으며, 상업적 규모로 용융 금속을 생산하는 어떤 다른 적당한 형태와 크기를 갖춘 용기에도 적용 가능하다는 것이 이해되어야 한다.
사용 시에, 상기 용기는 철과 슬래그의 용융 욕을 함유한다.
상기 용기에는 고온 공기(hot air)의 분사들을 상기 용기의 중심, 상부 영역(central, upper region) 91에 방출하고 상기 용융 욕에서 방출된 반응 가스들을 후연소하기 위한 3개의 하향 연장되는 고온의 공기 주입 랜스(hot air injection lance)들 26이 갖추어져 있다. 상기 랜스들 26의 상기 출구 단부들 39는 0.6m 이하의 내경 D를 갖는다. 상기 출구 단부들 39는 상업적 규모의 플랜트에서상기 용융 욕의 정지 표면(미도시) 위로 적어도 7m 지점에 위치해 있다.
상기 용어 "정지 표면(quiescent surface)"은 상기 용기에 가스와 고체들의 주입이 없을 때 상기 용융 욕의 표면을 의미하는 것으로 이해된다.
상기 용기에는 또한 4개의 고체 주입 랜스들 27 (도면에는 두 개만이 도시되어 있음)이 구비되어 있으며, 상기 랜스들 27은 철광석, 고체 탄소질 물질, 및 산소 결핍 운반 가스(oxygen-deficient carrier gas)에 동반된 용제(flux)들을 상기 용융 욕에 주입하기 위해서 수평축에 대해 20-70°의 각도로 상기 측벽들 14를 통해서 아래쪽 및 안쪽으로 연장된다.
상기 랜스들 27은 상기 랜스들 27의 출구 단부들 39가 상기 용기의 중심 수직축 주위에서 동일 간격으로 떨어져 있도록 배치된다. 추가적으로, 상기 랜스들 27은 상기 출구 단부들 39로부터 수직하게 아래쪽에 나타낸 선들이 상기 노저 직경의 약 2/3 직경을 갖는 원주 상의 많은 위치점(location)들 71에서 상기 노저의 상기 기부 12와 교차하도록 배치된다.
상기 랜스들 27의 위치는 상기 산소 랜스들 26의 위치 및 용융 물질의 커튼 72를 적어도 실질적으로 상기 랜스 26 주위에 그리고 상기 용기의 상기 측벽들 14와 상기 랜스 26 사이에 형성하는 목적과 관련하여 선택되며, 랜스들 27의 다른 배치는 용기/랜스 26의 다른 구성에서 상기한 목적을 성취하는데 적합할 수 있다. 특히, 본 발명은 상기 랜스들 26이 중심에 위치하는 배치들에 한정되는 것이 아니다.
사용 시에, 철광석, 고체 탄소질 물질(일반적으로 석탄), 및 운반 가스(일반적으로 N2)에 동반된 용제들(일반적으로 석회 및 마그네시아)은 상기 랜스들 27을 통해서 적어도 40 m/s의 속도로, 바람직하게는 80-100 m/s의 속도로 상기 용융 욕 안으로 주입된다. 상기 고체 물질/운반 가스의 운동량(momentum)은 상기 고체 물질과 가스를 상기 노저의 상기 기부 12를 향해서 영역들(참조번호 24로 표시된 원형 영역들) 안으로 운반하며, 상기 영역들은 용기의 중심 축 주위에서 이격되어 있다. 상기 영역들은 이하에서 고 농도의 고체/가스 주입 영역들 24로 언급된다. 석탄은 탈휘발화되어 가스를 생성한다. 탄소는 상기 금속에 부분적으로 용해되고 부분적으로는 고체 탄소로 남아 있게 된다. 철광석은 금속으로 제련되며, 상기 용융 반응에서 일산화탄소가스가 발생된다. 탈휘발화 (devolatilisation) 및 용융을 통해 생성되고 상기 용융 욕으로 전달된 가스들은 상기 용융 욕으로부터 (금속과 슬래그를 포함하는) 용융 물질 및 고체 탄소의 상당한 부양성 융기(buoyancy uplift)를 일으킨다.
용융 물질과 고체 탄소의 상기 부양성 융기는 상기 용융 욕에서, 특히 상기 고 농도의 고체/가스 주입 영역들 24의 바로 위 및 상기 영역들 24로부터 이격된 바깥쪽에서 실질적인 교반을 야기하며, 그 결과 화살표 30으로 표시된 표면을 갖는 확장된 용융 욕 영역 28이 생성된다. 특히, 상기 확장된 용융 욕 영역(expanded molten bath zone) 28의 표면은 상기 중심 영역 91과 상기 용기의 측벽들 14 사이에 환상의 상승된 영역(annular raised region) 70을 형성한다. 교반의 정도는 상기 확장된 용융 욕 영역 28 안에서 용융 물질의 실질적인 이동이 있고, 상기 영역전체에 걸쳐서 상당히 균일한 온도로, 일반적으로, 1450-1550℃로, 각 영역에서 약 30°의 온도 편차를 갖는 정도로 강한 혼합이 있는 정도이다.
상기 확장된 용융 욕 영역 28에서 용융 물질의 강한 혼합에도 불구하고, 용선은 점진적으로 상기 노저의 하부 부분을 향해서 경화되고 금속이 풍부한 영역 23을 형성하며, 상기 전노 19를 통해서 연속적으로 제거된다.
상기 확장된 용융 욕 영역 28과 금속이 풍부한 영역 23간의 계면은 대개 고 농도의 고체/가스 주입 영역들 24에 의해서 결정된다. 상기 영역들로부터 용융 물질의 실질적인 상향 이동은 상기 랜스들 27을 통한 다른 공급 물질들의 연속적인 공급 및 이미 용융된 물질의 하향 이동에 의해서 보상된다.
추가적으로, 상기 고 농도의 고체/가스 주입 영역들 24에서 상향 가스 유동은 상기 확장된 용융 욕 영역 28의 상승된 영역 70 너머로 약간의 용융 물질(주로 슬래그)을 비말들, 액적들 및 흐름들의 형태로 사출시키며, 상기된 커튼 72를 형성한다. 상기 커튼 72 내 용융 물질은 상기 확장된 용융 욕 영역 28과 상기 지붕 17 위에 있는 상기 측벽들 14의 상부 배럴 부분 51과 접촉한다.
일반적으로, 상기 확장된 용융 욕 영역 28은 내부에 가스 공극(gas void)들을 갖는 액체의 연속적인 체적이다.
용융 물질의 상기된 이동은 상기 고 농도의 고체/가스 주입 영역들로부터 시작되는 일련의 분수 형태로 나타날 수 있으며, 상기 고 농도의 고체/가스 주입은 상기 확장된 용융 욕 영역 28의 상승된 영역 70 및 용융 물질의 상기 커튼 72를 형성한다.
추가적으로, 사용 시에, 800-1400℃의 온도 및 적어도 150 m/s의 속도로 고온의 공기가 상기 랜스들 26을 통해 상기 용기의 상기 중심 영역 91 안으로 주입된다. 상기 고온의 공기는 상기 영역에서 상향 사출된 용융 물질을 편향시키며, 상기 고온의 공기로 인해 본질적으로 금속/슬래그 자유 공간 29가 상기 랜스 26의 단부 주위에 형성된다. 이러한 고온 공기의 하향 분사들은 상기된 커튼 72 안에서 사출된 용융 물질의 성형에 기여한다.
상기 랜스들 26을 통해 주입된 고온의 공기는 상기 랜스들 26의 출구 단부들 39 주위의 상기 자유 공간 29 및 용융 물질 주변에서 반응 가스들인 CO와 H2를 후연소하며, 약 2000℃ 이상의 고열을 발생시킨다. 상기 열은 가스 주입 영역 안의 용융 물질로 전달된 후 상기 용융 물질을 통해 상기 금속이 풍부한 영역 23에 부분적으로 전달된다.
높은 레벨의 후연소 반응을 달성하는데 있어서 상기 자유 공간 29가 중요한데, 이는 상기 확장된 용융 욕 영역 28 위의 상기 공간 내 가스가 상기 랜스들 26의 상기 출구 단부들 39 주위의 상기 자유 공간 29 안으로 흘러가는 것이 가능하여, 상기 가스 유동이 후연소 반응에 유용한 반응 가스들의 노출을 증가시키기 때문이다.
상기된 장치 및 공정 작동 조건들은 상기 주입된 고온 공기 안으로 상기 고온 공기의 체적의 2-6배인 상부 공간 가스의 체적의 동반을 가능하게 한다. 본 발명의 출원인은 이러한 동반 비율의 범위가 허용할 수 없는 수준의 용융 금속의 재산화(re-oxidation) 없이 바람직한 후연소 및 상기 용융 욕으로의 열전달을 달성할 수 있게 한다는 것을 인식하였다.
상기 커튼 72도 또한 상기 측벽들 14에 대한 상기 후연소 분사로 발생된 방사 에너지에 대한 부분적인 장벽을 제공한다는 점에서 중요하다.
더욱이, 상기 커튼 72 안에서 용융 물질의 상승하고 하강하는 액적들, 비말들 및 흐름들은 후연소 반응에 의해 발생된 열을 상기 용융 욕에 전달하는 효과적인 수단이 된다.
본 발명은 전술한 구조에 한정되지 않으며 많은 변형 및 변경들은 본 발명의 정신 및 범위 내에 있는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명은 상업적 규모로 야금 용기에서 철 및/또는 철합금들을 생산하는 직접제련 방법 및 장치에 관한 것으로, 제련 분야에 이용 가능하다.

Claims (17)

  1. 노저, 측벽들, 및 지붕을 구비하며 상기 노저의 내부 최소 폭 치수가 적어도 4m인 야금 용기에서 상업적 규모로 동작하며, 다음 단계들:
    (a) 용융 금속과 용융 슬래그를 함유하는 용융 욕을 형성하는 단계;
    (b) 철함유 물질, 탄소질 물질, 및 용제들로 이루어진 공급 물질들을 상기 용기에 공급하는 단계;
    (c) 상기 용융 욕에서 상기 철함유 공급 물질을 용융 금속에 용해하고 상기 욕에서 가스들을 발생시키는 단계;
    (d) 3개 이상의 랜스들을 통해서 공기 또는 최대 50%의 산소를 갖는 공기로 이루어진 산소함유 가스의 분사들을 상기 용융 욕의 정지 표면 위 공간("상부 공간")에 주입하고 상기 공정에서 발생된 가스들을 연소하는 단계; 및
    (e) 상기 욕에 대한 열 전달을 용이하게 하고 상기 용기로부터 열 손실을 최소화하기 위해서 상기 용융 욕으로부터 상기 상부 공간으로 용융 물질의 상향 이동을 발생시키는 단계를 포함하는 철 및/또는 철합금들을 생산하기 위한 직접제련 방법에 있어서,
    상기 용기에 주입된 산소함유 가스의 분사들 안으로 상부 공간 가스의 체적을 동반하며, 상기 상부 공간 가스의 체적은 상기 주입된 가스 체적의 2-6배인 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 내경이 0.8m 이하인 출구 단부들을 구비한 랜스들을 이용하여 상기 주입된 가스 체적의 2-6배인 상기 상부 공간 가스의 체적을 동반하는 단계와 적어도 150 m/s의 속도로 상기 랜스들을 통해서 산소함유 가스를 주입하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 방법.
  3. 제2항에 있어서, 적어도 200 m/s의 속도로 상기 랜스들을 통해서 산소함유 가스를 주입하는 것을 포함함을 특징으로 하는 방법.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 랜스들의 출구 단부들이 상기 용융 욕의 정지 표면 위로 단지 7m 지점에 위치하도록 상기 랜스들을 배치하는 것을 포함함을 특징으로 하는 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 800-1400℃의 온도까지 상기 산소함유 가스를 예열하는 것을 포함함을 특징으로 하는 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 소용돌이 운동으로 산소함유 가스를 상기 용기에 주입하는 것을 포함함을 특징으로 하는 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 하향 연장되는 3개 이상의 고체 주입 랜스들을 통해서 공급 물질들을 상기 용융 욕에 주입함으로써 단계(b)에서 공급 물질들을 공급하는 것을 포함하며, 이로 인해 (iii) 확장된 용융 욕 영역의 형성; 및 (iv) 상기 확장된 용융 욕 영역으로부터 상향 사출되는 용융 물질의 비말들, 액적들과 흐름들을 야기하는 가스 유동이 발생하는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 공정을 동작시키는데 필요한 고체 물질의 총 중량의 80중량%을 상기 고체 주입 랜스들을 통해서 주입하는 것을 포함함을 특징으로 하는 방법.
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서, 적어도 40 m/s의 속도로 상기 고체 주입 랜스들을 통해서 공급 물질들을 상기 용융 욕에 주입하는 것을 포함함을 특징으로 하는 방법.
  10. 제9항에 있어서, 80-100 m/s의 속도로 상기 고체 주입 랜스들을 통해서 공급 물질들을 상기 용융 욕에 주입하는 것을 포함함을 특징으로 하는 방법.
  11. 제7항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 2.0 t/m2/s까지의 질량 유속으로 상기 고체 주입 랜스들을 통해서 공급 물질들을 상기 용융 욕에 주입하는 것을 포함하며, 여기서 m2은 상기 랜스 송출관의 단면적임을 특징으로 하는 방법.
  12. 제7항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 10-18 kg/Nm3의 고체/가스 비율로 상기 고체 주입 랜스들을 통해서 공급 물질들을 상기 용융 욕에 주입하는 것을 포함함을 특징으로 하는 방법.
  13. 제7항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 용융 욕에서 발생된 상기 가스 유동이 적어도 0.35 Nm3/s/m2(m2는 노저의 최소 폭에서 노저의 수평 단면적임)임을 특징으로 하는 방법.
  14. 직접제련 방법에 의해 철 및/또는 철합금들을 생산하는 장치에 있어서, 상기 장치는:
    (a) 고정된 비경사성 야금 용기를 포함하며, 상기 야금 용기는 노저, 측벽들, 및 지붕을 구비하며, 금속이 풍부한 영역과 상기 금속이 풍부한 영역 상의 확장된 용융 욕을 포함하는 철과 슬래그의 용융 욕을 함유하기 위해서 상기 노저의 최소 폭 치수는 적어도 4 m이며;
    (b) 공기 또는 최대 50%의 산소를 동반한 공기로 이루어진 산소함유 가스의 분사들을 상기 용융 욕 위에 있는 상기 용기의 영역으로 주입하기 위해서 상기 용기 안으로 하향 연장되는 3개 이상의 랜스들과;
    (c) 상기 용융 용기에 철함유 물질 및/또는 탄소질 물질 및 운반 가스로 이루어진 공급 물질들을 공급하기 위한 수단; 및
    (d) 상기 용기로부터 용융 금속과 슬래그를 출탕하기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  15. 제14항에 있어서, 각 산소함유 가스 주입 랜스는 내경이 0.8 m 이하인 출구 단부를 구비하고, 적어도 내경 길이만큼 상기 용기 안으로 돌출하며, 적어도 150 m/s의 속도로 산소함유 가스를 주입할 수 있음을 특징으로 하는 장치.
  16. 제14항 또는 제15항에 있어서, 각 산소함유 가스 주입 랜스는 상기 가스에 소용돌이 운동을 주는 수단을 포함함을 특징으로 하는 장치.
  17. 제15항 또는 제16항에 있어서, 각 산소함유 가스 주입 랜스의 출구 단부는 사용 시에 상기 용기에서 상기 용융 욕의 정지 표면 위로 단지 7 m 지점에 위치하는 것을 특징으로 하는 장치.
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