KR20080100479A - 환경적으로 좋은 재생 또는 재활용 환원제를 사용한 철의 제조 - Google Patents

환경적으로 좋은 재생 또는 재활용 환원제를 사용한 철의 제조 Download PDF

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Abstract

철광석으로부터 금속성 철을 제조하기 위하여, 철광석 입자와, 미립자 형태의 바이오매스 물질 또는 미립자 형태의 플라스틱 수지성 물질의 입자인 환원제 입자의 혼합물로부터 형성된 덩어리를 포함하는 조성물이 사용된다. 상기 환원제는 바이오매스 물질과 수지 임의 비율의 혼합물일 수 있다. 상기 물질의 덩어리는 펠릿, 연탄, 조각 또는 럼프와 같은 제련에 적합한 형상을 갖는 적어도 1개의 물질을 포함한다. 상기 펠릿은 이들이 발견되는 형상을 유지하기 위해 충분한 응집력을 갖는다. 본 발명은 광석을 선택된 크기의 입자로 나누고, 나누어진 광석 입자를 바이오매스 물질의 입자 또는 플라스틱 수지 물질의 입자 또는 그의 혼합물과 혼합하며, 상기 혼합물 덩어리를 노에서 제련하기에 적합한 소정 형태로 형성하고, 형성된 덩어리를 노에 넣고 또 조성물의 온도를 증가시키기에 충분한 열에 노출시켜 철을 제련 온도로 만들어 광석으로부터 직접 금속성 철을 제조하는 것을 포함하는, 광석으로부터 철을 제련하기 위한 신규 방법을 제공한다.
금속성 철, 철광석, 바이오매스 물질, 환원, 슬래그

Description

환경적으로 좋은 재생 또는 재활용 환원제를 사용한 철의 제조{Production of iron using environmentally-benign renewable or recycled reducing agent}
본 출원은 본 명세서에 참고문헌으로 포함된 2006년 3월 13일 출원된 동일 명칭의 가출원번호 60/781,796호를 우선권으로 한다.
본 발명은 광석의 제련, 더욱 특히 철 광석으로부터 금속성 철을 제조하는 방법 및 조성물에 관한 것이다.
고대로부터 철광석으로부터 철을 제조하는 것은, 광석의 환원에 필요한 열과 환원 가스를 생성하기 위해, 유리 탄소를 함유하는 석탄 또는 목탄과 같은 연료를 이용하였다. 나무 만으로는 석탄(12,000-15,000 BTU/1b) 및 코크스(약 12,000-15,000 BTU/1b)와 비교하여 훨씬 적은 열, 약 6,000-8,000 BTU/1b를 생성한다. 소형 노(furnace)와 단순한 공기 블로잉(air blowing) 장치를 이용하는 초기에는 온도는 철 카아바이드를 형성할 만큼 충분히 높지 않아서, 처음에 형성된 철은 아주 적었고 또 제철업자는 불이 연소되어, 소량의 탄소를 함유하는 중량 25-50 lbs의 덩어리로서 무기로 단조(forging)될 수 있는 블룸(bloom)을 회수할 때까지 기다려야 했다. 목탄은 약 1860년까지 사용되었고 그 이후에는 석탄으로부터 생산된 코크스가 철 제련을 위한 표준 연료로 되었다. 석탄은 주로 유리 탄소(free carbon)로 구성된다. 무연탄은 약 6%의 휘발성 물질을 함유하고 또 유연탄은 약간 다량의 휘발성 물질을 함유한다. 코크스는 더 많은 유리 탄소를 가지며 또 연탄을 제한된 산소로 연소시키고 또 대형 분자를 열분해시켜 휘발성 물질을 제거하기 위해 온도를 약 1000℃ 내지 1300℃로 유지시키는 것에 의해, 더 높은 기계적 강도를 갖고 또 철 제련에서 필요한 고온을 제공하기 위해 약 85-90% 유리 탄소를 함유하는 코크스를 남기는 것에 의해 연탄으로부터 제조된다. 최신의 노(furnace)에서는, 철광석, 석회석 및 코크스의 교대되는 층을 노에 배치시켰다. 코크스는 광석을 금속성 철로 전환시키는데 필요한 열 뿐만 아니라 환원 가스를 제공하므로 전형적인 노에서 2,000톤의 철광석(Fe3O4), 500톤의 코크스 및 400톤의 석회석은 하루에 1000톤의 선철뿐만 아니라 500톤의 슬래그 및 대부피의 가연성 가스를 생성할 것이다.
최근의 몇 년간 직접적인 철 생산으로 공지된 방법이 개발되었다; 예컨대 이하의 논문에 기재된 바와 같이 철 광석으로부터 철 괴금(iron nugget)의 생산으로 지칭한다:
Figure 112008069594993-PCT00001
Figure 112008069594993-PCT00002
이들 직접 철 가공에서 석탄은 금속 산화물에 대한 환원제로서 사용된다. 본 발명의 시기까지, 시판되는 직접적 철 괴금(nugget) 제련 기술은 환원제인 석탄에 의존하였다. 필요한 열을 생성하기 위하여, 전통적인 철 제조 기술은 고로용 코크스 또는 직접 환원된 철용 천연 가스를 필요로 한다. 화석 연료로서, 석탄 및 천연 가스는 장기간 유지될 수 없어서 대기에서 이산화탄소의 수준을 증가시키게 된다. 따라서, 본 발명 이전에, 석탄만큼 많은 에너지 함량을 갖는 연료만이 산화철을 금속성 철 괴금으로 환원시키기는 필요한 열과 환원 가스를 감소시킬 수 있을 것이라 여겨졌다. 따라서, 다량의 유리 탄소를 함유하는 석탄 또는 코크스와 같은 물질만이 제련 방법에서 신뢰받고 있었다. 그러나, 제한된 비재생성 공급원인 이외에, 석탄의 연소는 수은과 같은 중금속이 환경에 분포되는 것과 바람직하지 않은 것으로 알려진 온실 가스의 생산을 통하여 환경 문제를 유발한다.
종래 기술에서의 이러한 결점과 다른 결점 측면에서, 본 발명의 목적은 목탄, 석탄 또는 코크스를 필요로 하지 않지만, 생산될 금속이 직접 광석으로부터 얻어져서 금속성 철 제품이 광산 지역에서와 유사하게 생성되어 철 생산의 전통적인 고로 공정을 통하지 않고도 다수의 고철 재용융업자(remelter) 및 기타 강철 메이커에게 직접 시판될 수 있게 하는, 광석으로부터 금속성 철을 생산하기 위한 신규 조성물 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 목탄의 생산과 같은 재생 물질의 어떠한 예비처리없이 재생 또는 재활용 물질을 사용하여 광석으로부터 금속성 철을 제조하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 환경적으로 지속될 수 있는 산업을 구성하는 광석으로부터 금속성 철을 제조하는 직접적 철 가공법을 제공한다.
본 발명의 또 다른 목적은 환원제 자체가 물질의 덩어리를 유지하기 위한 결합제로서 작용하는 것과 함께 상기 목적에 대한 첨가제를 필요로 하지 않는 직접적 철 제조를 위한 신규 조성물 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 완성 제품의 오염이 덜하고 슬래그의 양이 더 적은 금속성 철을 광석으로부터 제조하기 위한 새로운 조성물 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 제조된 금속성 철로부터 슬래그가 용이하게 분리되는 상기 기재된 유형의 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 부식에 대해 안정하고, 선적에 편리하며, 전기로에서 제련하는 것에 의해 또는 기본적인 산소로에서 고철(scrap iron) 대신으로 사용하는 것에 의해 강철 제조용 공급재료로 적합하며 또 용이하게 얻을 수 있는 다양한 원료를 이용할 수 있을 뿐만 아니라 다른 이점과 효과를 다음 기재로부터 알 수 있는 금속성 철을 제조하기 위한 개선된 방법 및 조성물을 제공하는 것이다.
본 발명의 이들 및 기타의 더 자세하고 상세한 목적은 첨부한 특허청구범위 및 도면을 참조하면 분명해질 것이며, 예시적으로 나타내지만 다양한 방식의 일부는 첨부된 특허청구범위 내에서 달성될 수 있다.
발명의 요약
본 발명의 요지는 철광석 입자와 미립자 형태의 바이오매스 물질이거나 또는 미립자 형태의 플라스틱 수지 물질인 환원제 입자의 혼합물로부터 형성된 물질의 덩어리를 포함하는 조성물을 적용하는, 광석으로부터 금속성 철을 제조하는 것에 관한 것이다. 상기 환원제는 이들 2개 물질의 임의 비율의 혼합물일 수 있다. 상기 물질은 적합한 크기의 조각일 수 있지만, 철 뿐만 아니라 환원제는 미립자 형태인 것이 바람직하다. 또한 상기 물질의 덩어리는 펠릿, 조각 또는 럼프(lump)와 같은 제련에 적합한 선택된 형상의 물체로 형성된 응집성 덩어리(coherent mass)인 것이 바람직하고, 또 그 조성물은 덩어리가 형성되어 있는 형상을 유지하기에 충분한 응집력을 가지는 것이 바람직하다. 용어 "응집성 덩어리"는 그의 형상을 유지하는, 즉 적어도 집적체(integral body)를 유지하기에 충분한 응집력을 갖는 물질의 덩이를 의미한다.
본 발명의 다른 요지는 광석을 선택된 크기의 입자로 나누고, 나누어진 광석 입자를 바이오매스 물질의 입자 또는 플라스틱 수지 물질의 입자 또는 그의 혼합물과 혼합하며, 상기 혼합물 덩어리를 노에서 제련하기에 적합한 소정 형태로 형성하고, 형성된 덩어리를 노에 넣고 또 조성물의 온도를 증가시키기에 충분한 열에 노출시켜 철을 제련 온도로 만들어 광석으로부터 직접 금속성 철을 제조하는 것을 포함하는, 광석으로부터 철을 제련하기 위한 신규 방법을 제공한다. 열은 전기적 가열에 의해, 방사선에 의해 또는 노에서 가스, 액체 또는 고체 연료의 연소에 의해 편리한 방식으로 제조될 수 있다. 혼합물에 존재하는 환원제 중에는 유리 탄소가 실질적으로 존재하지 않는 사실에도 불구하고, 본 발명의 방법은 철을 제련하는데 필요한 고온과 환원 가스를 생성하기 위해 종래의 상업적 방법에 사용된 전통적인 고에너지 연료인 석탄, 코크스, 목탄 또는 기타 다른 연료를 필요로 하지 않고 금속성 철의 바디(bodies of metalic iron)를 생성하기 위해 광석을 제련하는데 아주 효과적이다. 본 발명의 다른 특징은 첨부한 도면 및 예로써 본 발명을 기재하는 명세서를 참조하여 더욱 자세하게 기재될 것이다.
바람직한 양태의 상세한 설명
출발물질로 사용되는 산화철 광석, 전형적으로 타코나이트, 헤마타이트 또는 리모나이트는 적합한 상업적으로 이용가능한 미립자 형태, 바람직하게는 미세 입자 형태이다. 0.25 인치 직경 이상의 크기의 입자가 사용될 수 있으면, 가공 시간은 과도하고 길수 있고 또 입자는 응집성 덩어리로 형성될 수 없을 것이다. 따라서, 소형 입자가 사용되는 것이 바람직하고, 미세하게 분쇄된 입자가 가장 바람직하다. "미세하게 분쇄된"이라는 것은 90% 입자가 75 마이크로미터 스크린을 통과하는 것, 가장 바람직하게는 90% 입자가 50 마이크로미터 스크린을 통과하는 것을 의미한다. 90%가 25 마이크로미터 스크린을 통과하는 광석 입자를 사용하는 것에 의해 아주 양호한 결과를 얻을 수 있다. 다른 미립자 산화철 광석은 상업적으로 얻을 수 있는 입자 크기로 사용될 수 있다. 미세하게 분쇄된 입자를 사용함으로써, 수율 및 가공 시간이 최적화될 수 있고 또 광석은 이하에 기재된 바와 같은 펠릿, 연탄 또는 럼프와 같은 응집성 덩어리로 형성되도록 적응되는 것으로 밝혀졌다. 타코나이트 광석은 예컨대 광석을 90%가 25 마이크로미터를 통과하며 95% Fe3O4 및 5% 실리카로 구성된 입자로 환원시키는 광석 정광업자로부터 상업적으로 입수한다. 일반적으로 입자가 더 미세할 수록 이들은 응집성 덩어리로 더 용이하게 형성되며 또 가공 시간이 더 빨리진다. 입자를 압축 덩어리로 압축하는 방법이 이용될 수 있기 때문에 결합제의 사용은 본 발명의 성공적인 작업에 필수적인 것은 아니다.
본 발명에 따른 방법을 시작하기 위하여, 산화철 입자를 유리 탄소를 실질적으로 갖지 않는 환원제와 혼합한다. 적합한 환원제는 바이오매스 물질이거나 또는 합성 수지, 특히 미립자 형태의 재활용 또는 재생 플라스틱 수지성 물질과 같은 플라스틱 수지성 물질일 수 있다. 용어 "바이오매스"는 McGraw Hill Chemical Encyclopedia of Science and Technology 2005에서 잎, 뿌리, 종자 및 줄기와 같은 식물에 의해 제조된 유기 물질로 정의되어 있다. 일부 경우에서, 미생물 및 동물 대사 폐기물도 바이오매스로 간주될 수 있다. 용어 바이오매스는 직접 식품 또는 상업적 제품으로 되지는 않지만 공업적 용도를 갖는 물질을 지칭하기 위한 것이다. 바이오매스의 일반적 공급원은 다음과 같다: 1) 옥수수 줄기, 밀짚 및 외피와 같은 농업적 폐기물 또는 퇴비; 2) 나무 물질, 나무 또는 수피, 톱밥 및 제재소 단편, 3) 폐지, 풀, 잎 및 야드 클리핑(yard clipping)과 같은 도시 폐기물, 4) 포플라, 개밀(switchgrass), 알팔파, 대초원 다년초, 옥수수 녹말 및 콩 오일.
그러나 사용된 용어 "바이오매스"는 상술한 정의보다 더 넓은 범위를 의미하며 유기 물질, 특히 식물 또는 유기 탄소를 실질적으로 갖지 않는 유기 중합체 물질을 함유하는 동물 물질을 의미한다. 바이오매스 물질 이외에, 본 발명은 예전에는 매립지에 버려졌던 재활용 또는 재생 플라스틱과 같은 유리 탄소를 갖지 않거나 또는 실질적으로 갖지 않는 합성 중합체 물질을 환원제로서 적용할 수 있다. 바이오매스 덩어리는 전통적인 제련 방법 및 직접적 철 가공 방법에 예전에 사용되었던 석탄, 목탄 또는 코크스와 뚜렷히 구별되며, 이는 후자가 대형이거나 또는 전체적으로 유리 탄소를 갖지 않는 고에너지 연료를 포함하기 때문이다. 바이오매스 덩어리는 본 명세서에 정의된 바와 같이 대조적으로 어떠한 유리 탄소를 갖는다면 아주 소량 가질 수 있다. 나무의 경우에 존재하는 탄소는 다당류, 셀룰로오스, 녹말 및 리그닌과 같은 유기 중합성 분자에 존재한다. 나무는 70-80% 셀룰로오스, 유기 다당류 중합체 및 20%-30% 리그닌, 비다당류 유기 중합성 물질로 구성된다. 나무 칩 또는 나무 펄프, 톱밥 등 이외에, 본 발명은 다양한 비-나무성 바이오매스 물질, 예컨대 풀, 과립, 줄기 등과같은 비-나무성 바이오매스 물질을 적용하며, 셀룰로오스 및 기타 다당류 중합체로 구성된다.
상기에서 간단히 언급한 바와 같이, 필요한 환원 가스를 생성하기 위해서는 예전에는 석탄, 코크스 또는 목탄에 의지하였다. 따라서 고 발열량을 갖는 연료만이 효과적일 것이라고 일반적으로 믿어왔다. 예컨대 나무는 석탄의 약 1/2 및 코크스의 1/2 미만의 발열량을 갖는다. 따라서 나무는 제련하기 전에 별개의 과정으로 목탄으로 전환시켰다. 따라서, 잘 확립된 상업적인 절차는 산화철을 제련하기 위한 환원제로서 바이오매스 물질을 사용하지 않게 한다. 여기서 유용한 바이오매스 물질은 탄수화물 및 유기 중합성 화합물 및 석탄, 코크스 또는 목탄 이외의 탄화수소를 포함한다. 그 예는 종이, 종이 펄프, 셀룰로시틱 제지기 폐 슬러지, 분쇄 나무, 건조된 사탕수수 폐 펄프, 잡초깍은 것, 재활용 및 재생 플라스틱 수지 물질, 밀가루, 옥수수 가루, 잘게 다진 밀짚, 옥수수 줄기, 제재소 폐기물, 건조된 사용된 유기 폐기물, 건조된 하수 슬러지, 이탄, 녹말, 글루텐, 리그닌, 건조된 증류주제조 알곡, 알코올 생산으로 생긴 고체 잔류물, 몰라세, 개밀 및 기타 바이오매스 크롭(crop)을 포함한다. 재활용 또는 재생 플라스틱 수지도 또한 사용될 수 있으며, 비-염소화된 플라스틱 수지가 가장 바람직하다.
광석 입자 및 환원제를 함께 혼합한 후, 상기 물질을 응집성 덩어리로 형성한다. 이 덩어리는 임의 크기의 소망하는 가장 유용한 펠릿, 연탄 또는 기타 응집체(agglomerate) 조각을 포함할 수 있으며, 상기 입자는 환원제 그자체를 포함할 수 있는 결합제 또는 덩어리에 부가될 수 있는 결합제에 의해 결합된다. 당업자에게 명백한 바와 같이 다수의 상이한 방식으로 결합 또는 응집이 달성될 수 있으며, 유기 물질이 바이오매스로부터 유도될 때 물을 산화철 및 환원제 혼합물에 부가함으로써 반죽(dough)를 형성하여 달성하거나 또는 산화철 미립자 물질에 열가소성수지를 혼입하면 유기 수지성 플라스틱 물질을 용융함으로써 달성할 수 있다. 환원제가 먼저 접착성 특성을 가지면, 물의 부가는 필요하지 않다. 바이오매스 자체는 철 광석 및 바이오매스 물질의 혼합물을 응집성 덩어리, 즉 응집 형태로 유지시키는 결합제로서 작용함으로써 상기 물질이 더욱 가공되게 하는 것에 의해 접착을 제공한다. 밀가루와 같은 녹말이 풍부한 바이오매스는 결합제로 잘 작용한다. 사용된 일차 바이오매스가 분쇄 나무와 같이 비교적 적은 결합능을 보유하면, 알곡으로 제조된 밀가루 소량을 결합제로 사용할 수 있고 또 아주 잘 작용하는 것으로 밝혀졌다. 수분이 부가된 철광석의 약 1중량% 내지 2 중량% 의 양의 알곡 밀가루 부가는 결합제로서 탁월한 결과를 제공한다. 접착력 특성을 갖는 리그닌, 글루텐 및 기타 유기 물질은 천연 접착력 특성을 갖는 환원제로서 적합하므로 이들은 결합제로서 작용할 수 있다.
광석 및 환원제 물질의 덩어리는 임의 적합한 크기일 수 있지만, 열이 손쉽게 각 조각의 내부로 도달하도록 충분히 작은 펠릿 또는 연탄 조각을 제공하는 것이 바람직하며, 가장 유용한 것은 4-8 cm 직경이고, 바람직하게는 약 0.25 cm 직경 내지 약 4 cm 직경 범위이며, 가장 바람직하게는 약 1/2 cm 내지 2.5 cm 직경 범위이다. 상기 응집성 덩어리는 일반적으로 원형 펠릿으로 형성하는 것이 유리하며, 이것은 물이 미세 분무로서 분무되는 혼합물을 지지하는 회전 표면을 갖는 광석 펠릿화기를 이용하거나 또는 당업자에게 공지된 기타 적합한 펠릿화기를 이용함으로써 공지된 방식으로 실시될 수 있다. 형성된 조각 또는 펠릿이 수분을 함유하면, 이들은 바람직하게는 적어도 펠릿이 자가 지지일 때까지, 가장 바람직하게는 펠릿이 실질적으로 견고성을 나타내어서 떨어짐없이 약 6인치 깊이의 베드(bed)에 위치될 수 있을 때까지 건조시킨다.
광석 및 환원제를 측량한 후, 이들을 혼련기-혼합기와 같이 적합한 상업적으로 입수할 수 있는 유형의 혼합기에서 완전히 혼합하였다. 혼합은 혼합물이 응집되기 시작할 때까지 덩어리를 약간 습윤시키면서 계속한다. 일개의 바람직한 방법에서, 응집체는 압연(rolled), 압축 등의 방법으로 예컨대 25 g의 철 광석 정광 및 7.5 g의 환원제를 함유하는 볼(ball) 또는 펠릿으로 형성된다. 이들은 뱃치 또는 연속 건조기 내에서, 예컨대 약 105℃에서 건조된다. 형성된 응집성 덩어리는 단단하며 자가 지지할 수 있고 또 공업적 노 중에서 펠릿 또는 럼프의 베드, 전형적으로 약 6-8 인치 깊이의 연탄으로 배치될 만큼 충분한 경도를 갖는다. 그러나, 베드의 깊이는 중요하지 않다. 시험 목적을 위한 소형 뱃치 양은 다수의 펠릿 또는 조각을 포함할 수 있다.
상기 노는 노에 위치한 물질의 장입량과 무관하게 공지 방식으로, 예컨대 천연 가스, 프로판, 연료 오일과 같은 고체 또는 액체 연료를 연소시키는 것에 의해 또는 전기 저항 가열기를 이용하여 전기적으로 가열될 수 있다. 실험 실시를 위해 적합한 1개 노는 Thermolyne Model F46128CM 고온 전기적으로 가열되는 노이다. 다양한 공업적 규모의 노가 사용될 수 있다.
도면을 참조하며, 이들은 본 발명을 예시적으로 나타내기 위한 것이다. 실험 목적에 사용된 전기적으로 가열된 노의 수직 단면도는 도 1에 도시한다. 노(10)는 내화 인클로져(12), 노 챔버(14), 내화성 물질로 형성된 노상(hearth) 플레이트(16) 및 도가니(18)로 구성된다. 열은 20 및 22에 도시된 2세트의 전기 가열 소자에 의해 공급된다. 써모커플(thermocouple)은 23에 도시된다. 점토 및 흑연으로부터 형성된 도가니(18)는 화학반응 또는 제련 과정에 들어가지 않지만, 광석 펠릿(26)을 오븐 내 자리에 유지시켜, 제조되는 금속성 철을 수용하게 하는 내화성 지지 베드(24)를 함유한다. 본 명세서에 사용되는 용어 "내화성"은 제련 노 온도에 처리될 때 그의 물리적 형상 및 화학적 정체성을 유지하고 또 광석의 환원에 화학적으로 관여하지 않는 물질을 의미한다. 20여분 동안 달성될 수 있는 발화 과정 동안, 환원제를 구성하는 유기 물질은 펠릿에 26개의 분해물질을 함유하며 또 산화철을 금속성 철로 환원하는 것은 유기 물질의 분해 생성물이다. 금속성 철은 용융하지만 불순물은 용융물로부터 슬래그 생성물로 배출되어 1 이상의 방울 28 및 30을 남기며, 이것을 냉각하면 강철 제조에 사용하기에 적합한 금속성 철 조각으로 고화된다. 제련 과정 동안, 금속성 철은 과량의 탄소를 유기 물질로부터 흡수하여 철에 혼입되게 하여, 약 1539℃에서 용융되는 순수한 철을 이용할 때 가능한 것보다 낮은 온도(약 1200℃)에서 용융되게 한다.
산화칼슘 또는 탄산칼슘과 같은 다른 물질을 플럭스(flux)로 부가하여 용융 및 금속성 철로부터 슬래그 분리를 향상시킬 수 있다. 완성된 응집체 또는 물질의 다른 응집성 덩어리는 금속성 철을 분리하고 수집하기 위한 잘 공지된 상업적으로 이용가능한 종류의 분리기를 이용하여 더 처리될 수 있다.
상기 기재로부터, 본 발명은 제련 과정을 위한 목탄을 생성하거나 다르게 제조하기 위해 유기물질을 제1 처리시킬 필요없이 재생 유기물질 및 재활용 유기물질을 환원제로 사용하는 이점을 갖는 것을 알 수 있다. 따라서, 이들은 원료 형태로 사용될 수 있고 또 이들의 다수는 과량이거나 또는 폐 생성물로 간주될 수 있기 때문에 제련 과정은 저가로 실시될 수 있다. 또한, 재생 유기물질로부터 철을 생산하는 것은 철 생산을 환경적으로 지속가능한 산업으로 하는데 중요하다. 본 발명의 다른 이점은 바이오매스 물질 또는 기타 유기물질이 반응이 완료될 때까지 펠렛을 유지하는 펠릿에 대한 결합제로서 작용하는데 기인한다. 이것은 벤조나이트 점토와 같은 부가적인 결합제의 사용을 필요로 하지 않게 한다. 별도의 결합제의 제거는 생성물의 오염을 덜하게 하고, 슬래그의 양을 적게하며 슬래그 특성 제어를 단순화시킨다.
제조된 철 괴금(28, 30)의 크기는 용융된 금속에 의해 습윤되지 않아서 방울들이 내화성 지지 매체로부터 구별되어 그로부터 분리될 수 있는 입자로 구성된 내화성 베드 상에 펠릿을 지지하는 것에 의해 제어된다. 도 3은 제련 후 철 괴금을 도시한다. 제조된 철 조각의 크기는 용융된 금속(28, 30)에 의해 습윤되지 않는 내화성 입자(24), 특히 미세 입자의 베드 상에서 광석 및 환원제(26)의 응집성 덩어리를 지지하는 것에 의해 제어된다. 펠릿(26) 또는 기타 바디(body)는 금속성 철 괴금(28, 30)으로 전환되므로, 액체 철은 용융되어 흘러서 펠릿 아래의 내화성 베드 내의 포킷에서 수집된다. 액체 철의 일부 방울은 떠오르지만 대부분의 경우 별개의 방울(28, 30)로 잔류하며, 냉각시 개별 금속체 또는 괴금을 형성한다. 다양한 내화성 물질이 사용될 수 있다. 적합한 내화성 물질의 예는 질화붕소와 혼합된 알루미나(Al2O3) 또는 지르코니아(ZiO2)와 혼합된 물라이트(실리마니트)(2SiO2:3Al2O3)를 포함한다. 사용될 수 있는 다른 적합한 내화성 물질은 분말화된 흑연 또는 석유 코크스와 같은 탄소 입자이다. 도면에서와 같이 금속성 철의 샘플 양을 제조함에 있어서, 보통 도가니를 채우는 분쇄 석유 코크스의 베드를 포함하는 내화성 물질이 사용될 수 있다. 내화성 물질은 소비되지 않고 응집체를 지지하는 것으로 작용하는데, 이는 이들이 용융되어 유리 금속성 철을 형성하는 반면에 광석의 펠릿(26) 또는 기타 응집체 및 바이오매스 물질은 내화성 물질(24)의 느슨한 베드 상에 위치하기 때문이다.
이하 도 4를 참조하며, 이것은 철을 제련하기 위해 상업적 규모로 사용되는 공업용 제련로에서 본 발명에 따른 제련 과정을 개략적으로 도시한다. 상기 경우에서 컨베이어화된 노가 예시적으로 도시되어 있다. 그러나 본 발명은 회전 노상로(rotary hearth furnace), 샤프트 노 또는 베쓰(bath) 제련로를 비롯한 다양한 노에서 적용될 수 있다. 일반적으로 숫자(32)로 표시된 노는 내화성 물질로 형성되며 또 입구(36)를 갖는 노 챔버(34)와 컨베이어화된 트랜스포터를 포함하며, 입구(36)가 가열된 노 내부(34)로 통과하는 동안 노(32)를 통과하여 들어오는 광석 캐리어(38)를 비롯한 그의 일부가 도시되어 있다. 상기 캐리어(38)는 소망하는 깊이까지 축적되거나 바디(26) 중의 어느 하나의 높이와 동일한 단일층으로 배치되는 상술한 광석 및 환원제를 함유하는 예비형성된 바디(26)층과 함께 노에 들어감에 따라 충전되므로 응집물(26)의 각각은 고체 내화성 물질일 수 있거나 또는 분말 형태의 적합한 시판되는 내화성 물질의 느슨한 입자를 포함할 수 있는 캐리어(38)의 내화성 표면과 상방으로 접하도록 지지된다. 제련작업이 노(32)에서 완성된 후 캐리어(38)는 비워지고 금속성 철은 잔류 슬래그로부터 분리된다. 생성한 철조각 또는 괴금은 편리하게 선적되며, 부식으로부터 안정하고 또 기본적 노에서 고철 대신 또는 강철 제조에 사용된 전기로에서 재용융 대신 사용될 수 있다.
제련은 본 발명을 이용하는 비교적 저온에서 실시될 수 있음이 밝혀졌다. 철 괴금은 1350℃ 내지 1450℃의 온도에서 약 20 내지 약 40분간의 가공 시간 동안 바이오매스 환원제를 사용하여 제조되었다. 이용될 수 있는 최고 노 온도는 노의 능력에만 한정된다. 금속성 철은 1350℃ 보다 낮은 온도, 예컨대 1300℃에서, 금속으로 분산시켜 융점을 감소시키기 위하여 바이오매스 물질 또는 합성 수지에 함유된 탄소에 대해 부가적인 시간을 허용하는 본 발명을 이용하여 제조될 수 있었다. 공업적 실시에서, 소망하는 온도에 도달할 수 있는 열공급원은 앞서 언급한 바와 같이 전기적 가열, 천연가스, 석탄 연소 또는 기타 경제적인 고온 연료의 연소가 적합할 것이다. 본 발명은 탁월한 수율을 얻을 수 있다. 84.5%의 높은 수율을 달성하며, 이는 2000톤의 헤마타이트(Fe2O3)에 대해 71.4% 수율로 오직 1000톤의 선철을 얻을 수 있는 통상의 고로의 수율보다 훨씬 바람직한 것이다.
제련 후 응집체가 냉각되면, 다공성의 저밀도 슬래그가 대부분의 불순물을 함유하고 또 제조된 금속성 철의 바디로부터 쉽게 부서져 떨어짐이 밝혀졌다. 금속성 철은 실제적 목적으로 철을 환원시키고 또 충분한 환원제가 확보되게 하는데 필요한 이론적 화학양론적 양을 사용하여야만 제조될 수 있고 실제로 유기 물질의 양은 철을 환원시키는데 필요한 이론적 양을 초과하는 양으로 사용된다. 철 광석은 바람직하게는 약 60% 내지 90 중량%의 덩어리 및 가장 바람직하게는 약 65% 내지 약 85%의 덩어리를 포함한다. 철 괴금은 펠릿 또는 다른 응집된 덩어리의 약 20 내지 30 중량%의 산화물 범위의 바이오매스 부가 물질을 사용하여 산화철을 철로 완전히 환원하는 것에 의해 본 발명을 이용하여 성공적으로 제조할 수 있다. 마그네타이트(Fe3O4) 및 헤마타이트(Fe2O3)는 본 발명을 이용하여 성공적으로 환원되어 금속성 철을 생성하였다. 생성한 금속성 철의 탄소 함량은 약 2% 내지 약 4% 범위였다; 철을 가질 수 있는 선철 제품은 약 4 중량% 이하의 함량의 철을 갖는다. 전통적인 방법에 의해 제조된 선철은 평균 92% 내지 94% 철과 함께 탄소 및 기타 불순물로 구성된 밸런스 물질을 보유한다. 본 발명에 의해 제조된 선철은 부식으로부터 안정하고, 용이하게 선적될 수 있으며 또 전기로에서 재용융시키는 것에 의해 또는 기본적 산소로에서 고철을 치환하는 것에 의해 강철 제조를 위한 탁월한 공급원으로 작용한다.
공업적 규모에서 본 발명은 회전 노상로, 샤프트 노 또는 베쓰 제련로의 몇가지 유형의 노를 이용하여 선철 괴금을 제조할 수 있다. 전기 저항로 이외에 다른 유형의 노가 사용될 수 있고 이때 다른 자기 플럭스를 이용하여 또는 아크로와 같은 다른 수단에 의해 전기적 도전 물질에서 열을 생성한다. 상술한 바와 같이, 제련 작업을 실시하기 위한 열은 전환 공정에서 환원제로서 사용된 물질로부터 개별적으로 공급되는 반면에, 산화물을 자유 금속으로 전환하기 위한 환원력은 펠릿, 연탄 또는 기타 응집체를 구성하는 응집성 덩어리의 일부인 탄화수소 또는 탄수화물에 의해 제공된다.
본 발명 이전에는 제철 산업은 다량의 바이오매스 및 재활용 합성 플라스틱 수지와 같은 재활용 유기물질을 철광석 제련에서 이용할 수 없었고, 본 발명에 의해서 그 이용이 가능하게 된다.
본 발명은 다수의 이점과 효과를 갖는다: 환원제는 재생 공급원으로부터 유도되기 때문에, 상기 방법은 장기간에 걸쳐 대기에서 이산화탄소 증가를 초래하지 않는다. 환원제는 또한 상당한 거리로 선적되기 보다는 철 가공 시설 가까이에서 국소적으로 제조될 수 있다. 또한 환원제의 수소 함량은 금속 산화물의 환원에 보조한다. 주위 산소와의 반응에 의해 소비되지 않는 수소는 금속 산화물을 환원하는데 유용하다. 본 발명에서, 환원제는 열의 일차 공급원이 아니다. 외부 열은 상기 기술한 바와 같이 유리한 방식으로 제공된다. 이것은 연료로서 가치를 고려함없이 환원제로서 이들의 성능을 기초로 하여 환원제를 선택할 수 있다. 열 공급원은 이들이 산화철을 금속성 철로 환원하는 능력을 갖는지 여부에 상관없이 이들의 가열 효율만을 기본으로 하며, 선택한 열의 공급원을 이용하여 개별적으로 최적화될 수 있다. 이것은 본 발명의 방법이 석탄, 코크스, 목탄을 환원제 및 가열 연료로서 사용하는 종래 기술의 방법에 비하여 더욱 효과적이게 한다.
다른 이점은 철광석 환원제를, 가공되는 동안, 응집성 덩어리로 유지하는 결합제로 작용하는 다수의 바이오매스 물질에 존재하는 접착능에 유래한다. 따라서 광석을 오염시킬 수 있어 슬래그 부피를 증가시키는 벤토나이트 점토와 같은 무기 결합제를 사용할 필요가 없다. 또한, 대부분의 바이오매스 물질은 소량의 무기 화합물을 가지므로 더 높은 함량의 무기 물질을 갖는 연탄 또는 목탄과 같은 환원제보다 낮은 슬래그 부피를 생성한다.
본 명세서에 인용된 모든 참고문헌은 본 출원의 명세서 범위 내에서 충분히 재현되는 정도로 참고문헌으로 포함된다.
본 발명은 다음 실시예을 참조하여 더욱 잘 이해될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 철광석의 환원을 나타내는 노를 통하여 취한 다이아그램적 수직 단면도이다.
도 2는 노에서 정련되기 전에 나타나는 철 광석 덩어리를 이용하여 대규모로 도 1에 도시된 도가니를 통하여 취한 수직 단면도이다.
도 3은 슬래그로부터 분리된 금속성 철 물질을 도시하기 위해 제련한 후 전 형적인 펠릿의 외관을 도시한다.
도 4는 공업적 규모로 본 발명의 용도를 도시하는 일 실시예의 다이아그램적 종단면도이다.
실시예 1
90%가 25 마이크로미터 스크린을 통과하는 입자로 구성되며 5% 실리카를 함유하는 엠파이어 광산(미시간 이시퍼밍 소재)으로부터 얻은 마그네타이트(Fe3O4)를 포함하는 철광석 정광(concentrate)을, 약 5% 수분을 함유하는 Carbontec, Energy Corporation of Bismarck ND가 제공하는 평균 약 1 인치 길이 및 1/8 인치 두께의 Carbondry® 나무 칩과 혼합하였다. 이 칩을 로드 밀(rod mill)에서 건조 분쇄시키고 4.75 mm 체를 통과시킨다. 소량의 밀가루를 부가하여 결합제로 작용하도록 하는데 이는 분쇄된 나무가 응집성 덩어리를 형성할만큼 충분한 응집력을 갖지 않기 때문이다. 마그네타이트 및 분쇄 나무 및 밀가루를 측량하고, 혼련기-혼합기에서 혼합물이 응집되기 시작할 때까지 약간의 습윤을 내도록 수분과 함께 혼합하였다. 이 혼합물을 약 25 g의 철 광석 정광 및 약 7.5 g의 분쇄 나무 칩 및 밀가루를 함유하는 볼(ball)로 만들며, 이는 마그네타이트의 중량의 30%에 달하는 환원제 중량을 초래한다. 평균 약 2 인치 직경인 응집된 펠릿을 105℃에서 건조시키고 또 석유 코크스로 구성된 내화 지지 베이스를 함유하는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 점토 흑연 도가니에 위치시키며 이것은 펠릿을 유지하지만 소비하지는 않으며 반응 에 들어가지 않았다. 응집된 펠릿은 약 1475℃의 온도에서 약 25분간 발화되었다. 냉각시킨 후, 제조된 금속성 철을 접착성 슬래그로부터 용이하게 분리하였다.
실시예 2
발화 온도를 1425℃ 및 1400℃로 감소시킨 이외는 실시예 1에서와 같이 4개 실험으로 마그네타이트로부터 금속성 철을 제조하였다. 공급 혼합물은 약 마그네타이트 100 g, 분쇄 나무 30 g 및 밀가루 2 g으로 구성되었다. 이 조합된 혼합물을 4개 부분으로 나누어서 약 25 g의 마그네타이트, 7.5 g의 분쇄 나무 및 0.5 g의 밀가루를 각각 함유하는 응집체를 형성하였다. 발화 시간이 적어도 20분이었을 때 양호한 금속성 철 생성물이 제조되었다.
실시예 3
제3 실험으로서, 공급 혼합물은 마그네타이트 100 g, 분쇄 나무 20 g 및 밀가루 2 g으로 구성되었다. 조합된 혼합물은 4 부분으로 나누어서 약 25 g의 마그네타이트, 5 g의 분쇄 나무 및 0.5 g의 밀가루를 각각 함유하는 응집체를 형성하였다. 개별 펠릿을 1375℃ 내지 1425℃ 범위의 온도에서 발화시켰다. 노에서 발화된 후, 양호한 금속성 철 괴금 제품이 제조되었다.
실시예 2 및 3으로부터 얻은 결과는 하기 표 1에 나타낸다.
Figure 112008069594993-PCT00003
"초기 펠릿 중량"으로 표시된 컬럼은 마그네타이트 환원제 및 결합제를 포함한 개별 펠릿의 전체 중량이다. 철 회수율의 추정 %는 제조된 일차 금속성 철 조각의 중량만을 기본으로 하며 슬래그에 포함된 소형 금속 비이드의 중량은 포함하지 않는다. 사용된 노 내에 존재하는 조건하에서, 환원 과정을 실시하고 또 금속 및 슬래그를 성공적으로 분리하기 위해서는 최소 20분이 필요한 것으로 결론지었다.
분쇄 나무의 함량이 적게 제조된 괴금은 나무 함량이 높게 제조된 펠릿에 비하여 약간 감소된 철 회수율을 나타내었는데, 이는 사용된 노에서 모든 산화철을 금속으로 완전히 환원시키기에는 20% 수준이 충분하지 않음을 나타낸다. 금속성 철은 1375℃의 노 온도에서 성공적으로 제조될 수 있음이 밝혀졌다. 제조된 괴금은 평균 약 7.3 g/cm3 의 밀도를 가지며, 이는 분말화된 석탄 및 철 입자의 혼합물을 사용하여 현재 제조되는 직접 환원된 철에 비하여 더 조밀하며, 또 고로(blast furnace)에 의해 제조된 선철에 필적한다. 탄소 함량은 약 4%이다.
실시예 4
다른 실험으로서, 펠릿을 포함하는 응집체는 다음 조성물을 사용하여 제조하였다: 50 g 의 마그네타이트 및 20 g의 폴리프로필렌 플라스틱 수지. 혼합한 후, 상기 혼합물을 마이크로웨이브 오븐에서 가열하여 폴리프로필렌을 용융시키고, 이것을 완전히 혼합하여 반으로 나누어서 약 2 cm 직경의 2개의 응집성 압착 덩어리로 압축시키고 냉각 및 고화시켰다. 두번째 샘플의 경우, 폴리프로필렌을 20 g의 밀가루와 소량의 물로 치환하여 딱딱한 반죽을 만들었다. 이 혼합물을 혼련시키고 약 2 cm 직경의 2개 볼로 형성한 다음 건조될 때까지 100℃로 가열하였다.
양쪽 조성물에서, 응집된 펠릿은 다음과 같이 가공하였다. 점토-흑연 도가니에, 도 2에 도시된 바와 같이, 응집체를 제자리에 유지하기 위한 과립상 코크스(탄소)로 구성된 내화성 지지 베이스를 충전시켰다. 상기 도가니를 이미 1475℃로 전기적으로 가열된 박스 노(도 1)에 위치시켰다. 응집된 펠릿을 함유하는 도가니를 상기 노에서 20분간 유지시키고 빼내고 자연적으로 실온으로 냉각시켰다. 제조된 금속성 철 제품은 고밀도의 금속성 철의 바디(iron body)(28)로서 산화철 유기 응집물에 원래 존재하는 대다수의 철과 함께 대부분의 불순물을 함유하며 제조된 금속성 철의 바디의 표면으로부터 용이하게 부서져 떨어지는 다공성의 저밀도 슬래그를 함유하였다.
실시예 5
철 광석 환원은 분쇄 나무 대신 다음의 환원제가 별개의 제품 실시예에 사용된 것을 제외하고는 실시예 2에서와 같이 실시하였다: 종이 입자, 종이 펄프, 셀룰로시틱(cellulositic) 제지기 폐 슬러지, 분쇄 나무, 건조된 사탕수수 폐 펄프, 잡초깍은 것, 재활용 및 재생 플라스틱 수지 물질, 밀가루, 옥수수 가루, 잘게 다진 밀짚, 옥수수 줄기, 제재소 폐기물, 건조된 사용된 유기 폐기물, 건조된 하수 슬러지, 이탄, 녹말, 글루텐, 리그닌, 건조된 증류주제조 알곡, 알코올 생산으로 생긴 고체 잔류물, 몰라세 및 개밀(switchgrass).
여기에 제시된 모든 양은 중량부 또는 중량%이다.
이하의 특허청구범위내에서의 본 발명의 다양한 변형은 상기 기재된 원리를 이해한다면 당업자에게 분명할 것이다.

Claims (12)

  1. 산화된 상태의 철 입자 공급원을 제공하는 단계,
    바이오매스 물질, 플라스틱 수지성 물질 및 그의 혼합물의 입자로 구성된 군으로부터 선택된 1 이상의 물질을 포함한 환원제를 제공하는 단계, 이때 상기 물질은 탄소처리되지 않은 것이며,
    환원제를 상기 산화 상태의 철과 함께 두어 그의 조합된 덩어리를 얻는 단계,
    상기 조합된 덩어리를 환원로에 두는 한편 바이오매스 또는 수지는 탄소처리되지 않은 상태로 존재시키는 단계,
    환원제 물질이, 산화된 철을 가열된 환원제 물질로부터 방출된 성분의 직접적 작용에 의해 환원시키에 충분하게 환원로에서 상기 조합된 덩어리를 가열하는 단계를 포함함으로써 금속성 철 제품의 바디가 노 내에서 제조되는,
    산화된 상태의 철로부터 단일 열처리를 이용하여 금속성 철 제품을 직접 제조하는 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 산화된 상태의 철의 적어도 일부를 마그네타이트, 헤마타이트 또는 리모나이트로 구성된 군으로부터 선택되는 적어도 1개의 철광석으로서 제공하는 단계를 포함하는 방법.
  3. 제 1항에 있어서, 바이오매스 물질 및 수지성 물질은 유리 탄소를 실질적으로 갖지 않는 노에 존재하며 또 상기 조합된 덩어리는 산화된 산화철을, 환원로 내에서, 바이오매스 또는 수지성 물질로부터 수소 및 유리 탄소를 방출하는 것을 통하여 환원제의 직접적 작용에 의해 환원시키기에 충분하게 상기 환원 오븐에서 가열되는 방법.
  4. 제 1항에 있어서, 조합된 덩어리는 상기 환원로에 위치시키기 전에 펠릿, 연탄, 조각, 럼프 및 이들의 조합물로 구성된 군으로부터 선택된 별개의 바디(body)로 형성되는 방법.
  5. 제 1항에 있어서, 조합된 덩어리를 가열하기 전에, 입자가 각각에 대해 결합하도록 결합제를 상기 조합된 덩어리와 혼합하는 것을 포함하는 방법.
  6. 제 1항에 있어서, 가소성 수지 물질이 실질적으로 비-염소 플라스틱 수지로서 제공되는 방법.
  7. 제 1항에 있어서, 조합된 덩어리를 별개의 바디로 나누고, 환원로에서 충분히 가열하여 금속성 철의 바디 및 슬래그를 형성하며 또 금속성 철의 바디로부터 슬래그를 분리하는 것을 포함하는 방법.
  8. 제 1항의 방법에 의해 형성된 선철 제품.
  9. 제 1항에 있어서,
    조합된 덩어리를, 펠릿, 연탄, 조각 또는 럼프 또는 그의 조합물로부터 선택된 별개의 바디로 형성하고,
    산화된 상태의 철로서 철광석 입자를 제공하며,
    철광석의 바디 및 환원제를 포함하는 조합된 덩어리를 환원 오븐에서 발화시켜 선철 제품의 바디를 제조하며, 또
    상기 선철 제품의 바디를 오븐으로부터 빼내고 그로부터 슬래그를 분리하는 것을 포함하는 방법.
  10. 제 1항에 있어서,
    산화된 상태의 철은 미립자 형태의 철광석을 포함하고,
    조합된 덩어리는 선택된 형태의 적어도 1개의 바디에 위치시키며,
    상기 적어도 1개의 바디는 노 내부의 내화성 물질을 포함하는 내화 물질의 베드 상에서 지지되며, 또
    적어도 1개 바디는 적어도 약 1300℃의 온도인 노에서 발화되어, 추가의 열처리에 이어 노로부터 그를 제거함없이, 상기 환원로에서 금속성 철 제품의 바디를 직접적으로 형성하는 방법.
  11. 제 1항에 있어서, 바이오매스는 접착성을 갖도록 선택되므로 조합된 덩어리가 별개 바디의 형성에서 접착되도록 결합제로서 작용하는 방법.
  12. 제 1항에 있어서, 조합된 덩어리는 금속의 슬래그 및 용융 특성을 개선하기 위해 제련 플럭스를 포함하는 방법.
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