KR20070044507A - 환원 금속의 제조방법 및 탄재 내장 괴성물 - Google Patents

Abstract

매장량이 풍부하고, 널리 산출되는 저렴한 고VM탄을 이용하여, 산화 금속의 미립자화를 필요로 하지 않고, 환원후의 강도가 우수한 탄재 내장 괴상물과 그것을 이용한 환원 금속의 제법을 제공하는 것으로, 탄재와 철광석 등의 금속 산화물을 함유하는 피환원 재료로 이루어진 탄재 내장 괴상물을, 탄재로서 35% 이상의 휘발 성분을 함유하는 고VM탄을 이용하여, 적어도 2 t/cm² 이상의 압력으로 괴성화하여, 기공률을 35% 이하로 저감시킨다. 이 기공률의 저감이 유효하게 작용하여, 회전 노상로에서의 고온 환원 과정에서 괴상물 내에서의 열 전달이 촉진되어 상기 괴상물 내의 전역에서 환원 금속사이의 소결화가 진행하여, 압궤 강도가 높은 환원 금속의 제조가 가능해진다.

Description

환원 금속의 제조방법 및 탄재 내장 괴성물{PROCESS FOR PRODUCING REDUCED METAL AND AGGLOMERATE WITH CARBONACEOUS MATERIAL INCORPORATED THEREIN}

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 환원철 중의 잔류 탄소량과 압궤 강도와의 관계에 미치는 탄재 종류의 영향을 나타내는 그래프이다.

도 2는 탄재 내장 괴성물의 성형압과 환원철의 압궤 강도와의 관계에 미치는 탄재 종류의 영향을 나타내는 그래프이다.

도 3은 탄재 내장 괴성물의 성형압과 기공률과의 관계에 미치는 탄재 종류의 영향을 나타내는 그래프이다.

도 4는 탄재 내장 괴성물의 성형압과 겉보기 밀도와의 관계에 미치는 탄재 종류의 영향을 나타내는 그래프이다.

도 5는 환원철 중의 잔류 탄소량과 압궤 강도와의 관계에 미치는 성형압의 영향을 나타내는 그래프이다.

도 6은 종래 기술에 있어서 환원철 중의 잔류 탄소량과 압궤 강도에 미치는 탄재 종류의 영향을 나타내는 설명도이다.

기술분야

본 발명은, 철광석 등의 산화 금속과 석탄과의 분체상 혼합물을 괴성화시킨 탄재 내장 괴성물을 이용한 환원 금속의 제조방법에 관한 것이고, 자세하게는, 고휘발분(volatile matter)을 함유하는 고VM탄을 사용한, 환원후의 압궤(壓潰) 강도가 우수한 환원 금속의 제조방법 및 그것에 사용하는 탄재 내장 괴성물에 관한 것이다.

배경기술

환원철의 제조방법으로서는, 향류(counter-flow) 샤프트로(shaft furnace)를 이용하여, 천연 가스를 변성시킨 환원성 가스에 의해 분광이나 괴광을 고상 그대로 환원하여 환원철을 얻는 방법이 알려져 있다. 그러나 이 방법은, 환원제로서 비용이 높은 천연 가스를 대량으로 공급해야 하며, 통상, 플랜트의 입지가 천연 가스의 산지에 한정되는 등의 제약이 있다.

이 때문에, 최근, 환원제를 천연 가스로부터 비교적 저렴하고 플랜트 입지의 지리적 제약도 완화되는 석탄으로 대체하는 환원철의 제조 프로세스가 주목되고 있다. 석탄을 환원제로서 사용하는 환원철의 제조방법으로서는, 예컨대, 다음과 같은 방법이 알려져 있다. 즉, 산화철 등의 금속 산화물을 포함하는 원료를 탄소질 재료, 즉 탄재와 혼합하여 건조시킨 후, 이 건조 혼합물을 휘발물이 발생되기에 충 분한 조건에서 덩어리화하고, 상기 휘발물이 바인더로서 기능하도록 건조 혼합물을 가열·가압하여 압분체를 형성하고, 이 압분체를 회전 노상로내에 장입하고, 2150 내지 2350℉(1177℃ 내지 1288℃)의 온도 범위에서 5 내지 12분간 가열하여 압분체를 환원시키는 것에 의해 환원철을 제조하는 방법이다.

이와 같은 방법에 따르면, 석탄에 포함된 휘발물은 바인더의 기능을 가져, 상기 휘발물의 함유량이 20질량%보다도 적은 경우에는 유기 바인더의 첨가가 필요하고, 휘발물이 20질량% 내지 30질량%의 범위에서는, 10,000 Lb/in²(703 kg/cm²)을 넘는 가압과 800℉(427℃)의 가열이 필요하고, 휘발물이 30질량%를 넘는 경우에는, 10,000 Lb/in²(703 kg/cm²)을 넘는 가압만으로 좋다고 되어 있다. 또한, 상기 탄소질 재료로서는, 고정 탄소량이 많고 약 20질량% 이상의 휘발물을 갖는 역청탄과 같은 석탄이 바람직하다고 되어 있다.

그리고, 상기 회전 노상로로부터 배출되는 환원철의 과잉 탄소량이 2 내지 10질량%인 경우는, 이 과잉 탄소가 환원 반응 속도를 향상시켜 완전한 환원을 촉진하고, 전기로 제강에서 사용하는 탄소로서도 유효하게 활용되는 이점이 있다고 되어 있다.

한편, 상기 압분체(이하, 탄재 내장 괴성물이라 하는 경우가 있음)는 다공질이며, 탄재와 철광석 등의 산화 금속과의 접촉이 충분하지 않기 때문에, 괴성물 내에서의 열전도성이 나쁘고 환원 속도가 낮다. 이 때문에, 탄재 내장 괴성물에 사용하는 탄재의 연화 용융시의 최고 유동도가 작은 만큼, 산화 금속(즉, 철광석)에 함유된 1O μm 이하의 미세한 산화철 입자의 비율을 크게 하여, 산화철 입자 사이의 접점수를 증가시키는 방법이 시도되고 있다. 이 방법에 의하면, 탄재의 연화 용융시의 최고 유동도가 작더라도 산화철 입자끼리의 접촉 면적이 증대하여, 탄재 내장 괴성물 내의 열전도성이 향상된다. 그 결과, 가열 환원에 의해 금속화한 입자끼리의 결합 접점수가 증가하여 소결화가 촉진되어, 강도가 우수한 환원철이 얻어진다.

그러나, 10,000 Lb/in²(703 kg/cm²) 정도의 압력으로 2 내지 10질량% 정도의 잔류 탄소를 포함하는 환원철을 제조하는 경우, 충분한 환원철 강도를 확보하기 위해서는, 통상, 고정 탄소분이 높은 탄재를 사용하여 금속철과의 비율을 높일 필요가 있기 때문에, 이와 같은 환원철의 제조방법에서는 휘발물의 함유량이 35%까지인, 고정 탄소분이 높은 고도 역청탄을 사용할 수 밖에 없다고 생각된다.

이와 같은 고도 역청탄은, 고정 탄소분이 높고 고품질이지만, 매장량이 적은 석탄이고 산지도 한정되기 때문에, 고가라는 문제를 갖는다. 한편, 고정 탄소분이 적은 석탄, 즉 아역청탄 이하의 탄화도가 낮은 석탄은 매장량이 많고, 산지의 제약이 없고 저렴하기 때문에, 제철 원료로서 요망된다. 그러나, 산화철 등의 금속 산화물의 환원에는 고정 탄소가 기여하므로, 고정 탄소분이 적은 아역청탄이나, 더욱 탄화도가 낮은 갈탄 등을 사용하는 경우엔, 산화철, 즉 철광석분에 대한 탄재의 배합 비율을 높일 필요가 생긴다.

이와 같이, 탄화도가 낮은 석탄의 배합 비율을 높이면, 압분체 중에서 차지 하는 금속철의 비율이 상대적으로 감소하여, 환원에 의한 소결화 등의 결합력이 약해지므로 환원철의 강도가 저하된다. 그리고 환원철의 강도가 저하되면, 회전 노상로로부터 배출될 때의 배출기 등으로부터 받는 충격으로 환원철이 분화(粉化)되어 비표면적이 증대하고, 회전 노상로내에 존재하는 이산화탄소나 수증기 등의 산화성 가스와의 접촉에 의해 환원철이 재산화되기 쉽게 되어 반제품으로서의 가치가 저하하는 동시에, 분체가 되기 때문에 취급성이 악화된다. 또한, 분화된 환원철을 용해로에서 용해하는 경우, 분체는 벌크 밀도가 낮기 때문에 용해로 내의 슬래그층 상에 부유해 버려, 용해할 수 없다는 문제도 발생한다.

한편, 고정 탄소분이 적은 탄재의 배합 비율을 낮추면, 환원철의 강도는 상승하지만, 환원 반응에 기여하는 고정 탄소량이 부족하게 되기 때문에, 산화철 등의 금속 산화물을 충분히 환원할 수 없게 된다. 또한, 예컨대, 환원철 중의 잔류 탄소분이 적은 경우에는, 환원철을 용해하여 용선(溶銑)을 제조할 때에 용선 중에 소요의 탄소량을 함유시키기 위해 탄재를 첨가할 필요가 있지만, 이 용선 중에의 가탄은 수율(收率)이 안좋기 때문에, 탄재의 소비량이 증가할 뿐만 아니라 목표 탄소 농도에까지 가탄할 수 없는 경우도 있다.

한편, 입경이 10 μm 이하인 미세한 산화철 입자의 비율을 높이는 방법에서는, 탄재의 최고 유동도에 따라 1O μm 이하의 미세한 산화철 입자의 배합량을 증가시킬 필요가 있어 미세화를 위한 공정수가 증가한다. 또한 1O μm을 넘는 조립의 산화철 입자만을 사용하는 경우에는, 강도가 우수한 환원철을 제조할 수 없다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점에 착안하여 이루어진 것으로, 그 목적은, 매장량이 풍부하고 널리 산출되는 저렴한 고VM탄을 이용하여, 산화 금속의 미립화물을 사용하지 않고도, 강도가 우수한 환원 금속을 얻을 수 있는 탄재 내장 괴성물과, 그것을 이용한 환원 금속의 제조방법을 제공하는 것이다.

발명의 요약

상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명에서는 이하의 구성을 채용했다.

즉 본 발명에서는, 휘발 성분을 35% 이상 함유하는 고VM탄으로 이루어진 탄재와 금속 산화물을 함유하는 피환원 원료를 2 t/cm² 이상의 압력으로 성형하여 탄재 내장 괴성물을 제조하고, 이 탄재 내장 괴성물을 회전 노상로에서 가열하여 고온 환원하는 것에 의해 환원 금속을 제조한다.

휘발 성분을 35% 이상 함유하는 비교적 탄화도가 낮은 석탄은, 세계적으로 광범위하게 분포되고 매장량도 많기 때문에 염가여서, 탄재 내장 괴성물의 제조 비용을 저감할 수 있는 동시에, 플랜트 입지 조건의 제약이 없어진다. 또한, 고VM탄에 함유된 휘발 성분은, 설치 면적이 작고 피처리품의 장입 및 취출이 용이하다는 등의 특징을 갖는 회전 노상로에서, 탄재 내장 괴성물의 가열에 연료로서 이용할 수 있기 때문에, 버너로 공급하는 연료를 절감할 수 있다. 이와 같이 탄화도가 비 교적 낮은 석탄을 이용한 탄재 내장 괴성물을 적어도 2 t/cm² 이상의 압력으로 괴성화하면, 상기 괴성물 내의 기공률을 유효하게 저감할 수 있기 때문에 상기 괴성물 내에서의 열 전달이 촉진된다. 그 결과, 괴성물 내의 전역에서 환원 금속끼리의 소결화가 진행하여, 고강도 환원 금속의 제조가 가능해진다. 그에 따라, 회전 노상로로부터 배출될 때의 배출기 등으로부터 받는 충격으로 환원철이 분화하지 않아, 전술한 바와 같이 환원철의 재산화나, 환원철이 용해로 내에서 슬래그층 상에 부유하여 용해할 수 없게 된다는 문제가 해소된다.

휘발 성분을 35% 이상 함유하는 고VM탄으로 이루어진 탄재와 금속 산화물을 함유하는 피환원 원료와 혼합하여, 가압 롤 단위폭(cm)당 2 t/cm 이상의 압력으로 브리켓상의 탄재 내장 괴성물을 제조하고, 이 탄재 내장 괴성물을 회전 노상로에서 가열하여 고온 환원하여 환원 금속을 제조할 수도 있다.

예컨대, 고압 롤 프레스를 이용한 경우에, 롤 단위폭(cm)당 2 톤 이상의 압력으로 브리켓상으로 괴성화하면, 기공률이 보다 유효하게 저감함과 함께, 고밀도이고 알맹이 형상이 갖추어진, 고온 환원후에 소요의 강도를 갖는 탄재 내장 괴성물이 얻어진다. 또한, 아몬드 형상이나 베개(pillow) 형상 등, 용해 공정에 적합한 브리켓상으로 괴성화할 수 있다. 한편, 엄밀하게는 롤의 회전 속도가 변하면 각 브리켓에 가해지는 압력은 변화되지만, 브리켓 머신을 운전할 때의 통상의 롤 회전 속도(2 내지 30 rpm)에서는, 브리켓에 가해지는 압력은 롤 단위폭당의 가압력으로 대표할 수 있다.

상기 피환원 원료가 산화철, 산화니켈, 산화크롬, 산화망간, 산화티타늄 등의 금속 산화물을 포함하도록 할 수도 있다.

이와 같이 하면, 용광로 더스트나 전로 더스트와 같이, 철이나 니켈 등을 함유하는 제철 더스트류를 탄재 내장 괴성물로 괴성화할 수 있기 때문에, 자원 재생이 가능해진다. 한편, 산화티타늄을 함유하는 원료에 있어서는, 불순물로서 혼입하고 있는 철 등의 산화물은 환원에 의해서 금속철 등의 환원 금속이 된다. 이 환원 금속을 용해로 등에 공급하면, 환원되지 않는 산화티타늄은 슬래그로 되어 환원 금속과 분리되기 때문에, 고농도의 산화티타늄과 환원 금속을 분리 회수할 수 있게 된다. 한편, 산화티타늄과 환원 금속의 분리는 용해로에서 실시하는 것 이외에도, 후술하는 바와 같은 가열 용융 처리나 응집 입상화 처리를 실시하면 환원 금속은 입상이 되기 때문에, 이 환원 금속을 분쇄함으로써 환원 금속과 산화티타늄을 분리하는 것이 가능하다.

상기 환원 금속이 1% 이상의 잔류 탄소를 포함하도록 하는 것이 바람직하다. 상기 회전 노상로로부터 배출된 고온 환원후의 환원 금속에는, 미환원 금속 산화물도 존재하지만, 해당 미환원 금속 산화물은 하류 공정의 용해로에서 환원 금속중에 존재하는 상기 잔류 탄소에 의해 환원되기 때문이다. 그리고, 환원 금속중의 상기 잔류 탄소량이 통상 1질량%보다도 적어지면, 미환원 금속 산화물의 환원이 불충분하게 되는 경우가 있다. 한편, 잔류 탄소량은 탄재의 휘발분의 정도나 고정 탄소량에 기초하므로, 금속 산화물과 탄재와의 혼합 비율을 변화시키는 것에 의해 조절할 수 있다.

상기 탄재의 일부 또는 전부가 가열 처리되지 않는 상태로 상기 피환원 원료와 혼합하는 것이 바람직하다.

상기 가열 처리란, 탄재를 400 내지 1000℃ 정도의 건류 상태로 하는 고온 가열 처리를 의미하며, 이러한 가열 처리를 실시하지 않는 경우에는, 탄재가 경화하지 않은 상태로 괴성화할 수 있기 때문에, 기공률이 유효하게 저감하여 밀도가 증가하여, 소요의 강도를 갖는 탄재 내장 괴성물을 얻을 수 있다. 한편, 상기 가열 처리의 온도 조건은 탄재의 종류에 따라 달라지지만, 탄재의 분쇄 공정이나 건조 공정에서 약 200℃ 이하에서 가열하는 처리는 포함되지 않고, 이와 같이 단순히 건조하는 정도의 가열이면, 실질적으로 건류, 경화의 영향은 받지 않으므로 허용된다.

상기 중 어느 방법에 의해 제조된 환원 금속에, 추가로 가열 용융 처리를 실시하는 것이 바람직하다.

상기 환원 금속을 가열 용융시키는 것에 의해, 원료인 탄재나 피환원 재료에 포함되는 슬래그 성분과 금속 성분을 분리할 수 있어, 불필요한 슬래그 성분을 극력 포함하지 않는 환원 금속을 얻는 것이 가능해진다. 이 가열 용융 처리는, 상기 회전 노상로내에서, 고온 환원에 이어 가열하는 것에 의해 행할 수 있다.

상기의 가열 용융 처리에 의해 용융 상태로 된 환원 금속을, 응집시켜 입상화할 수도 있다.

상기 환원 금속은, 분쇄한 탄재와 금속 산화물의 혼합물을 원료로서 사용하기 때문에, 괴성물중에는 미세한 환원 금속 입자가 분산된 상태로 되어 있다. 용 융 상태에 있는 환원 금속은, 냉각 과정에서 표면 장력의 작용에 의해 환원 금속 입자끼리 응집하여 입상의 환원 금속이 된다. 이와 같이 입상의 환원 금속으로 하는 것에 의해, 반송이나 용해로에의 장입 등의 취급성이 높아진다. 한편, 용융 환원 금속의 냉각은, 회전 노상로 내에서, 버너 등에 의한 가열이 수행되지 않는 배출 장치측 영역으로의 이동에 의해 노냉, 또는 노 천정부 등에 수냉 자켓 등의 냉각 수단을 마련한 냉각 영역에서의 노냉 등에 의해 실시할 수 있다.

탄재와 금속 산화물을 함유하는 피환원 원료로 이루어진 본 발명의 탄재 내장 괴성물은, 탄재로서 35% 이상의 휘발 성분을 함유하는 고VM탄을 사용하고, 가압하에서 괴성화하는 것에 의해, 기공률이 35% 이하가 되도록 형성할 수 있다.

이와 같이, 가압하에서 괴성화하여, 휘발 성분의 함유량이 35% 이상인 고VM탄을 이용한 탄재 내장 괴성물의 기공률을 약 35% 이하로 감소시키면, 고온 환원 과정에서 괴성물 내의 열 전달이 촉진되어, 괴성물 내의 전역에서 환원 금속끼리의 소결화가 진행하여, 압궤 강도가 높은 환원 금속의 제조가 가능해진다.

본 발명에서는, 탄재로서 휘발분을 35% 이상 함유하는 고VM탄을 이용하여, 이 고VM탄과 금속 산화물인 철광석을 분쇄기로 분쇄하고, 이들을 환원후의 잔류 탄소량이 1질량% 이상, 바람직하게는 2질량% 이상이 되도록 미리 배합하고, 믹서로 혼합한 후, 이 혼합물을 고압 롤 프레스의 한 쌍의 롤 사이에 공급한다. 상기 한 쌍의 롤의 표면에는, 괴성물의 모형(母型)인 포켓이 각각 새겨져 있다. 그리고, 상기 철광석과 고VM탄의 혼합물은, 고압 롤 프레스의 롤 단위폭(cm)당 2 t/cm 이상, 바람직하게는 3 t/cm 이상의 소요의 압력으로 가압되어, 기공률이 약 35% 이하 로 저감되어 브리켓상으로 성형된다.

상기 탄재 내장 괴성물은, 통상, 버너에 의해 가열되는 회전 노상로에 장입되고, 1300℃ 정도의 고온 범위로 가열되어 환원 반응이 진행하고, 환원철이 되어 회전 노상로로부터 배출된다. 그리고, 이 환원철은 전기로나 화석 연료를 이용하는 용해로에서 가열 용해되어, 선철이 얻어진다.

또한 탄재 내장 괴성물은, 분쇄한 탄재와 철광석을 혼합한 원료를 사용하기 때문에, 고온 환원에 의해 환원철로 된 상태에서는 브리켓 중에 작은 환원철 입자가 분산된 상태로 되어 있다. 이 고온 환원 종료후, 회전 노상로 내에서 잇따라 가열하면, 생성된 환원철을 용융시킬 수 있다. 이 용융에 의해서, 원료인 탄재나 피환원 원료인 철광석에 포함되는 슬래그 성분과 금속 성분을 분리할 수 있어, 불필요한 슬래그 성분을 극력 포함하지 않는 환원철을 얻는 것이 가능해진다.

또한, 이 용융한 환원철을 회전 노상로 내의 버너 등으로 가열되지 않는 배출 장치측 영역, 또는 노 천정에 수냉 자켓 등의 냉각 수단을 설치한 냉각 영역에서 노냉함으로써, 용융한 환원철 입자를 그 자신의 표면 장력에 의해 응집시켜 입상의 환원철을 얻을 수 있다.

상기 탄재 내장 괴성물은, 전술한 바와 같은 가압 성형에 의해서 고온 환원 전에 기공률이 저하하여, 상기 가열 용융 처리나 응집 입상화 처리에 의해서도 환원철의 기공률은 낮게 된다. 이 금속화한 환원철은 그 후 전기로 등에서 용해되지만, 기공률이 작기 때문에, 환원철 입자는 주변의 환원철 입자끼리 용이하게 결합하여 응집하기 쉬워, 큰 알맹이철(粒鐵)을 형성하기 쉽게 된다. 이 형성된 알맹이 철이 크면, 슬래그 중에 분산되어 회수가 곤란하게 되는 환원철 입자나, 회전 노상로로부터 배출한 후, 미세하여 회수하기 어려운 환원철 미립자의 양이 적게 되기 때문에, 금속철과 슬래그와의 분리가 용이하게 되고, 또한, 철분의 손실이 감소하여 수율이 높아진다.

상기 탄재에 유동성이 있는 경우, 상기 가압 성형에 의해 탄재 내장 괴성물의 기공률을 낮춤으로써, 고온 환원 과정에서 탄재가 철광석 입자 사이의 결합을 보다 치밀하게 하기 때문에, 상기 괴성물 내부의 열 전달 속도가 상승하여 환원 속도가 빨라짐과 함께, 고상 상태라도 소결에 의한 환원철 입자의 응집이 생겨 상술한 가열 용융후의 응집 입상화가 촉진된다.

한편, 환원철 제품으로서는, 통상의 스폰지상 환원철에 한하지 않고, 분상, 입상, 판상의 형태를 취할 수 있다. 또한, 용융 금속의 형태나 용해후 고화되는 고체 금속의 형태를 취할 수 있다. 또한, 상기 산화 금속은 반드시 철광석에 한하지 않고, 따라서, 상기 환원 금속도 환원철에 한정하는 것이 아니다.

또한, 산화티타늄을 함유하는 원료에 있어서는, 불순물로서 혼입하고 있는 산화철 등의 산화물은 환원되어 금속철 등의 환원 금속이 되지만, 이 환원 금속을 용해로 등에 공급하면, 환원되지 않는 산화티타늄은 슬래그가 되어 환원 금속과 분리되기 때문에, 고농도의 산화티타늄과 환원 금속을 분리 회수할 수 있게 된다. 한편, 산화티타늄과 금속철의 분리는 반드시 용해로에서 실시하는 것뿐만이 아니고, 상기의 가열 용융 처리나 응집 입상화 처리를 실시하면 환원 금속중의 금속철은 입상이 되기 때문에, 이 환원 금속을 분쇄함으로써 금속철과 산화티타늄으로 분 리할 수 있다.

또한, 상기 탄재는 휘발분의 함유량이 높기 때문에, 과잉으로 발생하는 휘발분을 회수하여, 이 회전 노상로의 필요한 노상 부위에 연료로서 재순환시킬 수 있어, 원래의 연료가 불필요하게 될 정도로 절약하는 것도 가능하다.

실시예

이하, 실시예를 들어 본 발명을 더욱 구체적으로 설명하지만, 본 발명은 본질적으로 하기 실시예에 의해 제한을 받지 않고, 전/후기의 취지에 적합할 수 있는 범위에서 적당히 변경을 가하여 실시하는 것도 가능하며, 그들은 어느 것도 본 발명의 기술적 범위에 포함된다. 또한, 하기에서 「%」라는 것은, 특기하지 않은 한 「질량%」를 의미한다.

또한, 하기 실시예에 나타낸 각 성분의 특성의 측정법은 하기와 같다.

회분(%): JIS M8812 (일본공업분석 「석탄 및 코크스류의 공업분석법」에 따라 측정.

휘발분(%): 상기와 같음.

고정 탄소(%): 「100%-회분%-휘발분%」로 산출.

최고 유동도[log(DDPM)]: JIS M8801 「석탄류-시험법」의 유동성 시험 방법에 따름.

압궤 강도(Kg/브리켓): ISO 4700에 준거하여 측정. 단, 브리켓은 가장 안정시키는 방향으로 설치하여 가압한다(즉, 세로 28mm×가로 20mm×최대 두께 11mm의 경우는 두께 방향에서 가압).

실시예 1

표 1에 조성을 나타내는 탄재(고VM탄(A), 고VM탄(B), 역청탄(C))를 각각 200메쉬 이하의 것이 80% 이상을 차지하도록 분쇄하고, 철광석을 Blaine Index 15OO cm²/g 정도의 입도가 되도록 분쇄하고, 환원철 중의 잔류 탄소량(즉, DRI 잔류 탄소량)을 변화시키기 위해서 각 탄재와 철광석과의 배합 비율을 변화시켜 혼합하였다. 이 혼합물을, 베개형의 포켓이 새겨진 롤 직경 228 mm, 롤 폭(동체 길이) 70 mm의 시험용 브리켓 머신을 사용하여 가압력 2.5 t/cm(롤 단위폭)에서 세로 35 mm×가로 25 mm×최대 두께 13 mm의 단면이 타원 형상인 부피 6 cm³의 베개형의 탄재 내장 괴성물(브리켓)을 형성했다.

도 1은 상기에서 얻은 탄재 내장 브리켓을 사용하여, 질소 분위기하에서 노내 온도 약 1300℃로 설정한 회전 노상로에서 고온 환원을 수행하고, 수득된 DRI 잔류 탄소량(%)과 환원철(세로 28 mm× 가로 20 mm× 최대 두께 11 mm)의 압궤 강도(즉, DRI 압궤 강도: kg/브리켓)와의 관계를 나타낸 그래프이다.

도 1로부터, 어느 탄재를 사용한 경우에도 탄재 배합 비율을 낮추어 DRI 잔류 탄소량을 적게 하면 DRI 압궤 강도는 상승하지만, 동일 DRI 잔류 탄소량의 경우, 고VM탄, 즉 고VM탄(A), 고VM탄(B) 중 어떤 것도, 역청탄(C)에 비하여 DRI 압궤강도는 낮다. 또한, 고VM탄에서도, 고정 탄소량이 적은 고VM탄(A)에서는, 동일 DRI 잔류 탄소량으로 하기 위해서는 배합 비율을 상대적으로 높일 필요가 있기 때문에 DRI 압궤 강도는 낮게 된다. 이와 같이, 고VM탄을 사용한 DRI(환원철)의 압궤 강도는 낮고, 예컨대, 40 kg/브리켓의 소요의 DRI 압궤 강도를 얻기 위해서는, 고VM탄에서는 역청탄보다도 DRI 잔류 탄소량을 저감할 필요가 있다. 그러나, 전술한 바와 같이 DRI 잔류 탄소량이 적어지면 하류 공정의 용해로에서 미환원 산화 금속, 즉 산화철의 환원이 불충분하여지기 때문에, 고VM탄의 경우라도 소요의 잔류 탄소량이 필요하다.

다음으로 상기 표 1에 나타낸 조성의 탄재(고VM탄(B), 건류탄(D)) 및 철광석을 각각 전체의 80% 정도가 약 200메쉬 이하로 되도록 분쇄하고, 각 탄재와 철광석과의 배합 비율을 변화시켜 혼합하고, 이 혼합물 5g을 내경 20 mm의 실린더내에 장입하고 피스톤으로 가압하여, 직경이 20 mm이고 높이가 6.7 내지 8.8 mm인 원주형 태블릿으로 성형했다. 한편, 태블릿의 높이는 성형압에 따라 다르다.

도 2는, 상기 원주형 태블릿에의 성형 압력, 즉 태블릿 성형압과, 이 태블릿을 질소 분위기하의 노내 온도 약 1300℃의 회전 노상로에서 9분간 재로(在爐)시켜 고온 환원하는 것에 의해 수득된 환원철(직경 16 내지 17 mm, 높이 5.5 내지 7.5 mm)의 압궤 강도, 즉 DRI 압궤 강도(kg/태블릿)와의 관계를 나타낸 그래프이다. 또한, 도 3은, 상기 표 1에 나타낸 고VM탄(B) 및 건류탄(D)을 이용한 원주형 태블릿의 성형압과 그 기공률과의 관계를 나타낸 그래프이고, 도 4는 태블릿 성형압과 태블릿 겉보기 밀도(kg/cm³)와의 관계를 나타낸 그래프이다. 한편, DRI 잔류 탄소량은 약 2% 이다.

도 2, 도 3 및 도 4로부터, 고VM탄(B)에서는, 태블릿 성형압을 높이면 기공률이 감소하여 겉보기 밀도가 증가하기 때문에, DRI 압궤 강도는 상승한다. 그리고, 기공률 및 겉보기 밀도는, 태블릿 성형압 5 내지 6 t/cm²(490 MPa 내지 588 MPa)에서 대략 일정해진다. 도 3으로부터 알 수 있는 바와 같이, 태블릿 성형압을 1 t/cm²(98 MPa) 정도까지 높이면, 기공률은 35% 정도까지 감소한다. 이와 같이, 태블릿 성형시에 1 t/cm²(98 Mpa) 정도의 압력을 부여하면, 압력이 50 kg/cm²(4.9 MPa)로 압력이 거의 부여되지 않는 경우의 기공률(약 45%)과, 압력을 높여 저감시킬 수 있는 최소의 기공률(약 25%)과의 차, 즉 저감 가능한 기공률의 약 1/2까지 감소하여, 35% 정도의 기공률이 된다.

또한, 도 2로부터 알 수 있는 바와 같이, 태블릿 성형압이 1 t/cm²(98 Mpa) 이상이 되면, DRI 압궤 강도는 사용가능한 10 kg/태블릿을 넘고, 태블릿 성형압이 2 t/cm²(196 MPa) 이상에서는, 기공률은 반감 이하로 되어, 보다 바람직한 압궤 강도인 15 kg/태블릿을 넘는다는 것을 알 수 있다. 이와 같이, 상기 기공률의 감소가 유효하게 작용하여 태블릿(탄재 내장 괴성물) 내에서의 열 전달이 촉진되어, 괴성물내의 전역에서 환원 금속사이의 소결화가 진행하기 때문에 강도가 높은 환원철 금속의 제조가 가능해진다.

한편, 역청탄(C)에서는, 휘발분이 적기 때문에 기공률이 낮고, 태블릿 성형압이 1 t/cm²(98 MPa) 이하이지만, DRI 압궤 강도는 15 kg/태블릿을 넘는다. 이에 대하여, 고VM탄(B)을 약 450℃에서 건류한 석탄인 건류탄(D)을 사용한 경우에는, 건류에 의해서 석탄의 경도가 상승하기 때문에, 태블릿 성형압을 높이더라도 기공률이 효과적으로 감소되지 않고, 겉보기 밀도가 효과적으로 증가하지 않기 때문에, DRI 압궤 강도를 높일 수 없다.

한편, 원주형 태블릿의 압궤 강도를 측정하는 경우, ISO(국제표준화기구) 4700에 의하면, 그 측면에 하중을 걸기 때문에, 원주의 길이에 따라 압궤 강도는 다르다. 태블릿의 원료 중량, 즉 상기 탄재와 철광석의 혼합물의 중량을 5g으로 일정하게 하기 때문에, 상기 탄재의 종류에 따라 태블릿의 부피, 즉 그 원주의 길이는 약간 다르지만, 5g의 원료를 사용하여 제조한 태블릿의 성형압 1 t/cm²당의 DRI 압궤 강도의 증가는, 상기 부피 6 cm³의 브리켓의 성형압 1 t/cm당의 DRI 압궤 강도의 증가에 거의 일치하는 것을 실험에 의해 확인했다. 따라서, 도 2의 횡축의 태블릿 성형압(kg/cm²)은 브리켓 성형압(kg/cm)이라 볼 수 있다.

따라서, 도 2는 브리켓 성형압(kg/cm)과 DRI 압궤 강도(kg/태블릿)의 관계를 나타낸다고 볼 수 있고, 브리켓 머신으로 태블릿을 성형하는 경우에는, 브리켓 성형압을 2 t/cm 이상으로 하면, 보다 바람직한 DRI 압궤 강도인 15 kg/태블릿을 초과한다고 간주할 수 있다. 또한, 성형압이 3 t/cm 이상에서는, DRI 압궤 강도는 20 kg/태블릿을 초과한다고 간주할 수 있지만, 이 강도 범위에 도달하면, 환원철 반송시에 받는 충격에 의한 분화가 크게 개선되기 때문에, 더욱 바람직한 성형 압력 범위이다.

실시예 2

실시예 1에 나타낸 고VM탄(B) 및 건류탄(D)을 이용하고, 고VM탄(B)에 대해서는 성형압 2.5 t/cm 및 성형압 6.5 t/cm에서, 각각 부피 6 cm³의 탄재 내장 브리켓을 형성했다. 도 5는, 이 탄재 내장 브리켓을 각각 질소 분위기하에서 노내 온도 약 1300℃의 회전 노상로에 약 9분 재로시켜 고온 환원하여, 수득된 DRI 잔류 탄소량(%)과 DRI 압궤 강도(kg/브리켓)와의 관계를 나타낸 것이다. 도 5로부터, 하류 공정의 용해로에서의 미환원 산화 금속, 즉 산화철의 환원에 기여하는 잔류 탄소량이 동일하더라도, 브리켓 성형압이 6.5 t/cm로 높은 쪽이 DRI 압궤 강도도 높은 것을 알 수 있다. 이것은, 소요의 DRI 잔류 탄소량을 확보하기 위해서 고VM탄을 사용하는 경우에, 그 배합률을 높이더라도, 브리켓화시의 성형압을 상승시키는 것에 의해 압궤 강도가 높은 환원철이 얻어지는 것을 나타내고 있다. 예컨대, 표 1에 나타낸 휘발분이 약 41%이고 고정 탄소가 약 50%인 고VM탄(B)을 사용하여 탄재 내장 브리켓을 제작한 경우, 6.5 t/cm의 브리켓 성형압을 부여하면, DRI 잔류 탄소량이 5%인 환원철에서 소요의 DRI 압궤 강도 40 kg/브리켓 정도의 DRI 압궤 강도를 얻을 수 있다.

한편, 성형압을 높이면 상기 롤 프레스의 롤 마모량이 많아져, 유지보수 비용이 높아지기 때문에, 최적의 성형압은 요구되는 DRI 압궤 강도 수준과 제조 비용의 쌍방을 고려하여 설정하는 것이 좋고, 2.5 내지 10 t/cm의 범위로 설정하는 것이 바람직하다.

비교예

표 1에 나타낸 조성의 탄재(고VM탄(B), 역청탄(C)) 및 철광석을 각각 전체의 80% 정도가 약 200메쉬 이하가 되도록 분쇄하고, 각 탄재와 철광석을 혼합하고, 이 혼합물을 펠렛타이저(조립기(造粒機))에 의해서, 직경 17 mm의 펠렛으로 조립한 후, 질소분위기하에서 노내 온도 약 1300℃의 회전 노상로에서 고온 환원하여 환원철을 수득했다. 도 6은 이 환원철의 DRI 잔류 탄소량(%)과 DRI 압궤 강도(kg/펠렛)와의 관계를 나타낸 그래프이다. 휘발분이 적은 역청탄(C)에서는, DRI 잔류 탄소량을 적게 하면 DRI 압궤 강도는 현저히 상승하여 소요의 압궤 강도 15 kg/펠렛을 상회하지만, 휘발분이 많은 고VM탄(B)에서는, DRI 잔류 탄소량을 적게 하면 DRI 압궤 강도는 근소하게 상승하는 경향이 있긴 하지만, 조립시의 가압력이 작고 기공률의 감소가 적기 때문에, 소요의 DRI 압궤 강도인 15 kg/펠렛은 달성되지 않는다.

실시예 3

표 2는 유동도 0(제로)인 탄재를 이용하여 탄재 내장 브리켓을 제작하는 경우의, 산화철중에 차지하는 10μm 이하의 산화 입자의 비율과 환원철의 압궤 강도 및 환원철 중의 6 mm 이하의 분체율(粉體率)과의 관계를 나타낸 것으로, 동표에는, 이용한 탄재의 종류(표 1 참조), 탄재 및 철광석의 배합률, 환원철 중의 금속화율 및 잔류 탄소량도 기재했다. 한편, 이 탄재 내장 브리켓의 회전 노상로에서의 환원 조건은, 실시예 1 및 2의 경우와 같이, 질소 분위기하의 노내 온도 약 1300℃에서 재로 시간이 약 9분이며, 탄재는 어느 것이나 유동도가 0이다.

전술한 바와 같이, 종래 기술에서는 유동도가 없는 석탄을 사용하는 경우, 환원철의 6 mm 이하의 분체율을 실용상 허용할 수 있는 1O질량% 이하로 하기 위해서는, 1O μm 이하의 산화철 미립자가 15질량% 이상 필요했다. 그러나 브리켓 성형압이 2.5 t/cm인 실시예에서는, 어느 경우에도 10μm 이하의 산화철 미립자가 15% 미만이고, 상기 분체율은 10% 이하이며, 또한, 기공률은 35% 이하이고, DRI 압궤 강도도 소요의 40 kg/브리켓을 충분히 만족시키고 있다. 이에 대하여, 브리켓 성형압이 0.2 t/cm로 작은 비교예에서는, 10μm 이하의 산화철 미립자가 15% 미만이기 때문에, 상기 분체율은 약 68%로 매우 높고, 또한, 기공률은 40%을 넘고, 압궤 강도도 약 34 kg/브리켓으로 소요의 40 kg/브리켓에 도달하지 않는다.

한편, 상기 피환원 재료로서는, 산화니켈이나 산화크롬, 산화망간을 사용할 수도 있다. 또한, 피환원 재료가 산화아연이나 산화납 같은 중금속을 함유하는 경우에도 환원은 가능하지만, 아연이나 납은 환원하면 휘발하기 때문에, 버그 필터 등으로 고농도의 산화아연이나 산화납으로서 회수가능해진다.

이상과 같이 본 발명에서는, 탄재 내장 괴성물의 성형용으로서 35% 이상의 휘발 성분을 함유하는 고VM탄을 이용하여 적어도 2 t/cm² 이상의 압력으로 괴성화하여, 상기 괴성물 내의 기공률이 유효하게 저감하도록 했으므로, 회전 노상로에서의 고온 환원 과정에서 상기 괴성물 내에서의 열 전달이 촉진되어 괴성물 내의 전역에서 환원 금속 사이의 소결화가 좋은 효율로 진행하여, 압궤 강도가 높은 환원 금속의 제조가 가능해진다. 또한, 유동성이 없는 탄재를 이용한 경우나, 소요의 잔류 탄소량을 확보하기 위해 고VM탄의 배합률을 높인 경우에도 압궤 강도가 높은 환원철이 얻어진다. 그에 따라, 환원철을 회전 노상로로부터 배출하는 과정에서 환원철이 부스러지지 않고, 재산화나 용해로 내에서 슬래그층 상에 부유하여 용해할 수 없게 된다는 문제가 해소된다.

이리하여, 지구상에 널리 분포되고 매장량도 많아 저렴하며 휘발분이 많은 고VM탄을 이용한 탄재 내장 괴성물로부터, 고강도의 환원철을 제조할 수 있고, 이 환원철은 제강용 및 합금철 제조용의 선철로서, 또는 합금철 제조시에 스크랩과 동시에 장입하는 예비 환원재로서 유효하게 사용할 수 있다.

Claims (14)

1. 휘발 성분을 35 질량% 이상 함유하는 고VM탄으로 이루어진 탄재와 금속산화물을 함유하는 피환원 원료를 혼합하고, 2 t/cm² 이상의 압력으로 성형하여 탄재 내장 괴성물을 제조하고, 이 탄재 내장 괴성물을 회전 노상로에서 가열하여 고온 환원하는 것을 특징으로 하는 환원 금속의 제조방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 피환원 원료가, 산화철, 산화니켈, 산화크롬, 산화망간, 산화티타늄 등의 금속 산화물을 포함하는 것인 환원 금속의 제조방법.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 환원 금속이 1 질량% 이상의 잔류 탄소를 포함하는 것인 환원 금속의 제조방법.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 탄재의 일부 또는 전부가 가열 처리되지 않는 상태로 상기 피환원 원료와 혼합되는 환원 금속의 제조방법.
5. 제 1 항에 따른 방법에 의해 제조된 환원 금속에, 추가로 가열용융 처리를 실시하는 것을 특징으로 하는 환원 금속의 제조방법.
6. 제 5 항에 따른 가열용융 처리에 의해 용융 상태에 있는 환원 금속을, 응집시켜 입상화하는 환원 금속의 제조방법.
7. 휘발 성분을 35 질량% 이상 함유하는 고VM탄으로 이루어지는 탄재와 금속 산화물을 함유하는 피환원 원료를 혼합하고, 가압롤 단위 폭(cm)당 2 t/cm 이상의 압력으로 브리켓(briquette)상의 탄재 내장 괴성물을 제조하고, 이 탄재 내장 괴성물을 회전 노상로에서 가열하여 고온 환원하는 것을 특징으로 하는 환원 금속의 제조방법.
8. 제 7 항에 있어서,

   상기 피환원 원료가, 산화철, 산화니켈, 산화크롬, 산화망간, 산화티타늄 등의 금속 산화물을 포함하는 것인 환원 금속의 제조방법.
9. 제 7 항에 있어서,

   상기 환원 금속이 1 질량% 이상의 잔류 탄소를 포함하는 것인 환원 금속의 제조방법.
10. 제 7 항에 있어서,

    상기 탄재의 일부 또는 전부가 가열 처리되지 않는 상태로 상기 피환원 원료와 혼합되는 환원 금속의 제조방법.
11. 제 7 항에 따른 방법에 의해 제조된 환원 금속에, 추가로 가열용융 처리를 실시하는 것을 특징으로 하는 환원 금속의 제조방법.
12. 제 11 항에 따른 가열용융 처리에 의해 용융 상태에 있는 환원 금속을, 응집시켜 입상화하는 환원 금속의 제조방법.
13. 탄재와 금속 산화물을 함유하는 피환원 원료로 이루어진 탄재 내장 괴성물로서, 상기 탄재가 35 질량% 이상의 휘발 성분을 함유하는 고VM탄이며, 가압하에서의 괴성화에 의해 기공률을 35% 이하로 감소시킨 것을 특징으로 하는 탄재 내장 괴성물.
14. 제 13 항에 따른 탄재 내장 괴성물을 회전 노상로에서 가열하여 고온 환원한 것인 환원 금속.

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