KR20090048144A - 성형광탄과 그 제조방법 및 상기 성형광탄을 이용하여 쇳물을 생산하는 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 성형광탄과 그 제조방법 및 성형광탄을 이용하여 쇳물을 생산하는 방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 본 발명은 분광석과 분말석탄을 혼합.압착.성형하여 하나의 덩어리 형태의 성형광탄을 만든 후 이 성형광탄을 용광로에 장입한 후 성형광탄을 가열하여 쇳물을 생산하는 방법에 관한 것이다.

성형광탄, 분광석, 분말석탄

Description

성형광탄과 그 제조방법 및 성형광탄을 이용하여 쇳물을 생산하는 방법{omitted}

본 발명은 성형광탄과 그 제조방법 및 성형광탄을 이용하여 쇳물을 생산하는 방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 본 발명은 분광석과 분말석탄을 혼합.압착.성형하여 덩어리 형태의 성형광탄을 만든 후 이 성형광탄을 용광로 및 그와 유사한 설비(이하, 용광로라 함)에 장입하고 가열하여 쇳물을 생산하는 방법에 관한 것이다.

용광로에서 쇳물을 원활하게 생산하기 위해서는 용광로 내의 통기성을 확보하는 것이 매우 중요하다. 그러므로 용광로 내의 통기성을 확보하기 위하여 괴광, 소결광, pellet광 등 단단한 입자상 광석(이하 '소결광'이라 함)과 입자상 석탄, 성형탄, 코크스 등 단단한 연료(이하'코크스'라 함)를 용광로에 잘 장입하여 통기성을 확보한다.

이와 같이 용광로 내 통기성을 확보하고, 용광로 하부에서 일정량의 뜨거운 공기나 산소(이하 '공기'라 함)를 불어넣으면, 장입된 소결광과 코크스 사이로 공기가 잘 유통되면서 코크스와 공기가 반응하여 뜨거운 환원가스가 발생하고, 이 뜨거운 환원가스에 의해 소결광이 환원.용융되어 쇳물이 생산되고, 생산된 쇳물은 통기공을 통해 잘 흘러내려 쇳물이 원활하게 생산된다. 그러므로, 용광로에 장입되는 소결광과 코크스를 단단한 덩어리로 만들어 장입하여야만 덩어리들 사이에 통기성이 확보되고, 또한 만들어진 덩어리들이 단단해야 한다. 그렇지 않으면, 장입 하중에 의해 덩어리들이 부숴져서 통기성이 나빠지므로 쇳물이 원활하게 생산되지 못한다. 이와 같이 통기성을 확보하는 것은 용광로 운전의 성패를 좌우하는 필수적인 요소이다. 한편, 이를 전제로 하여 종래의 쇳물생산기술은 크게 두 가지로 나누어 설명할 수 있다.

첫째는, 전통적인 생산방법으로, 용광로 내에서 통기성을 확보하기 위하여, 코크스공장에서 석탄을 건류하여 덩어리 형태의 단단한 코크스를 만들고, 소결공장에서 분광석을 소결하여 단단한 덩어리 형태의 소결광을 만든 후, 코크스와 소결광을 차례로 용광로에 장입하여, 용광로 하부에서 공기를 불어넣으면 코크스가 불완전 연소하면서 발생하는 뜨거운 환원가스에 의해 소결광이 환원 및 용융되면서 쇳물이 생산되는 방법이다.

둘째는, 최근에 개발된 새로운 생산방법으로서, 분탄에 당밀, 콜탈 등을 혼합하여 압착 성형한 덩어리 상태의 석탄(이하 '성형탄'이라 함)과 별도로 분광석에 부원료(석회석+돌로마이트)를 혼합하여 유동환원로에 장입하여 분광석을 환원시키고 부원료를 일부 소성시켜 압착, 성형한 덩어리상태의 광석(이하 '환원철'이라 함)을 차례로 용광로에 장입하여 통기성을 확보하고, 용광로 하부에서 공기를 불어넣으면 성형탄이 불완전 연소하면서 발생하는 뜨거운 환원가스에 의해 환원철이 환원 및 용융되면서 쇳물이 생산되는 방법이다.

그러나 이들 기술은 다음과 같은 문제점을 가지고 있다.

첫째, 코크스 제조와 소결광 제조를 위하여 또는 성형탄과 환원철 제조를 위하여 넓은 부지와 설비가 필요하다.

둘째, 쇳물생산 공정이 복잡하고 길어서 투자비 및 운전비가 과다하게 소요된다.

셋째, 질이 낮은 분광석이나 분탄을 사용하지 못한다.

넷째, 코크스공장과 소결공장에서 황산화물, 질소산화물, 분진, 다이옥신 등 환경오염물질이 많이 발생한다.

다섯째, 미세한 분광석의 손실이 많으며, 혼합로 내에 누적된 미세한 분광석의 무너짐 현상으로 인해 공정이 불안하고 압착.성형이 잘 안된다.

쇳물생산 공정을 단순화하여 코크스 제조와 소결광 제조를 위한 부지 또는 성형탄과 환원철 제조를 위한 부지를 하나로 함은 물론 질이 낮은 분광석이나 분탄 및 미세한 분광석도 모두 활용할 수 있게 하는 것이다. 또한 현재 환경문제를 야기시키고 있는 황산화물, 질소산화물, 분진, 다이옥신 등 환경오염물질의 발생을 제거하는데 있다.

상기와 같은 본 발명의 목적은 종전과 같이 코크스와 소결광 또는 성형탄과 환원철과 같이 원료를 2원화하는 대신, 분광석과 분말석탄을 혼합.압착.성형하여 하나의 덩어리 형태의 성형광탄을 만든 후 이 성형광탄을 용광로에 장입한 후 가열하여 쇳물을 생산함으로써 달성된다.

본 발명은 첫째, 동일한 공정 내에서 만들어진 성형광탄을 용광로에 장입하여 쇳물

을 제조하므로 코크스 제조공장과 소결광 제조공장이 불필요하며 성형탄과 환원철 제조를 위한 공장이 별도로 불필요하다.

둘째, 쇳물제조공정이 간단해서 투자비 및 운전비가 적게 소요되며, 셋째, 질이 낮은 분광석이나 분탄을 사용할수 있어 원료수급이 원활하고 비용이 저렴하다. 또 코크스공장과 소결공장이 불필요하므로 황산화물, 질소산화물, 분진, 다이옥신 등 환경오염물질이 발생하지 않으며, 미세한 분광석을 최대한 활용할 수 있다.

이하 본 발명의 구성과 그 작용을 첨부도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다. 도 1은 본 발명의 쇳물을 생산하는 공정도이다.

우선 분광석 60∼95 중량%와 분탄 5∼40 중량%를 혼합로(30)에서 혼합한 후 압입기(40)를 통하여 압착성형(50)기로 보내어 일정한 크기의 성형광탄(60)을 만든다.

분광석은 일반적으로 지름 8mm이하의 가루 형태의 철광석으로서 현재 세계 철광석 매장량의 80% 이상을 점하고 있다. 즉, 철광석은 괴광석 또는 분광석으로 산출되며 그의 형태는 여러 종류가 있다. 그러나 과거에 주로 사용하던 철광석만으로는 철강 수요를 충족시키지 못하게 되었으므로 근래에는 분광석을 활용할 수 있는 공법의 개발은 모든 철강회사들의 숙원사업으로 되어 있다. 본 발명에서는 분광석을 활용하되 분광석과 분탄을 혼합하여 성형광탄을 만든 후 이 성형광탄을 용광로에 장입하여 쇳물을 생산함으로써 분광석을 최대한 활용할 수 있음은 물론 쇳물 생산공정이 간단하여 투자비 및 운전비를 대폭 절약할 수 있게 되었다. 분광석에는 산화제1철, 산화제2철 및 4산화3철 등이 있다.

산화제1철(FeO)은 산화제2철을 수소로 환원시키거나, 공기를 차단하고 옥살산철을 가열하면 생기지만, 순수한 것은 얻기 어렵다. 공기 속에서 가열하면 산화제2철이 된다. 저온에서 만든 것은 반응성이 풍부하고, 또 강한 자성(磁性)을 보인다. 수소에 의하여 환원되어 철을 생성한다.

산화제2철(Fe₂O₃)은 천연으로는 적철석(赤鐵石)으로서 널리 산출되며, 적색토양의 빛깔의 요인이다. 적갈색 분말로 햇빛, 공기, 수분, 열 등에 대하여 상당히 안정하며 한번 가열한 것은 잘 녹지 않으며 자성을 보인다. 철을 공기 속에서 가열하면 생긴다. 예전에는 황산철[綠礬]을 구워서 만들었으나, 최근에는 철강공업이나 도금공업의 폐액(廢液)에서 생긴 황산철을 원료로 하여 만든다. 제조법에 따라 적색인 것에서 황색 ·갈색 ·자색 ·흑색 등을 띠는데, 빛깔이 다른 원인으로서는 입자의 크기, 혼입물의 종류, 결정격자(結晶格子)의 완전성 등을 들 수 있다.

4산화3철(Fe3O₄)은 흑색의 무거운 분말로 천연으로는 자철석으로서 산출된다. 철선을 공기 중에서 연소시키거나, 뜨거운 철에 수증기를 접촉시키면 생긴다.

본 발명에서 분광석과 분탄을 혼합하여 성형 광탄을 제조하는 과정은 다음과 같다.

우선 분광석을 건조기(도면에 미표기)에서 건조하여, 고온(300℃~900℃) 및 고압(1~5kg/cm2)으로 운전되고 있는 유동환원로(20)에 장입한다. 건조된 분광석의 함수율은 낮을 수록 좋다. 이와 같이 건조기에서 미리 분광석을 건조하여 수분(H₂O)를 제거함으로써 분광석의 환원반응을 촉진시킬 수 있고 또 분광석을 미리 가열함으로써 환원가스에 의한 분광석의 환원반응을 촉진시킬 수 있다. 유동환원로(20)에 장입된 분광석은 용광로(10)로부터 공급되는 고온의 환원가스(주로 CO, H₂)와 유동상태로 대향류 접촉하면서 환원된 분광석(주로 FeO+ 약간의 Fe혼합체)이 만들어진다. 이때, 사용되는 고온의 환원가스는 용광로(10)에서 쇳물을 생산하고 발생하는 부생가스로서 주성분은 일산화탄소와 수소이다.

일산화탄소에 의한 분광석(Fe₃O₃₎의 환원반응은 다음과 같으며, 주로 ② 반응에 의해 FeO가 주성분이며, 소량의 Fe₃O₄가 잔존하고, ③ 반응에 의해 소량의 Fe(고체 상태의 철)이 존재한다.

① 3Fe₂O₃ + CO → 2Fe3O₄ + CO₂

② Fe₃O₄ + CO → 3FeO + CO₂

③ FeO + CO → Fe + CO₂

수소(H₂)에 의한 분광석(Fe₃O₃₎의 환원반응은 다음과 같으며, 주로 ② 반응에 의해 FeO가 주성분이며, 소량의 Fe₃O₄가 잔존하고, ③ 반응에 의해 소량의 Fe(고체 상태의 철)이 존재한다.

① 3Fe₂O₃ + H₂ → 2Fe3O₄ + HO₂

② Fe₃O₄ + H₂ → 3FeO + HO₂

③ FeO + H₂ → Fe + HO₂

환원이 어느 정도 진행된 고온의 환원된 분광석은 유동환원로(20)의 내부압력에 의해 혼합로(30)로 이송된다. 이때, 환원된 분광석의 환원율은 40~90%이다. 환원율을 산출하는 공식은 다음과 같다.

환원율(%) = (a-b) x 100 / a

a는 환원되기 전 분광석 중에 결합하고 있는 산소량

b는 환원된 후 분광석 중에 결합하고 있는 산소량

한편, 분탄을 건조기(도면에 미표기)에서 건조시킨다. 이와 같이 분탄을 건조하여 수분을 제거함으로써 환원가스에 의한 분탄의 건류반응을 촉진할 수 있다.

이어 혼합로(30)에서 환원된 300℃~800℃의 고온의 분광석 60∼95 중량%와 건조된 분탄 5∼40 중량%를 혼합한다. 분탄을 분광석과 함께 유동환원로에 장입할 수도 있고, 분광석과 함께 분광석 건조기(미도시)에 장입할 수도 있다. 이와 같이 혼합하면, 분탄이 건류되면서 분탄에 함유되어있던 휘발분이 가스화하고, 분탄 표면에 끈적끈적한 점성의 타르(TAR)성분이 발생하여 미세한 분광석을 흡착하여 입도가 커지고 무거워진다. 이와 같이 미세한 분광석을 흡착함으로써 분광석의 손실을 방지할 뿐만 아니라, 후속공정인 압착성형기에서 압착. 성형하기 쉬운 상태가 된다.

만약, 분탄의 혼합량이 5 중량% 미만일 경우에는 흡착효과가 감소하여 압착.성형기에서 압착.성형되지 않고 그냥 흘려 버려지게 되어 미세 분광석의 손실을 초래할 뿐만 아니라 압착성형기에서 압착.성형하기 어려운 상태가 된다. 반대로, 분탄의 혼합량이 40%이상일 경우에는 성형광탄(60)이 용광로에 장입되면, 용광로 내부 고온에 의해 성형광탄(60)의 열 분화 현상이 심화되어 잘게 부숴져서 통기성이 악화되게 된다.

이어 상기 분광석과 분탄의 분말상태의 혼합물을 압입기(40)를 통하여 압착성형기(50)로 이송하여 300~800℃의 고온에서 일정한 크기의 성형광탄(60)을 찍어낸다.

압입기(40)는 분광석과 분탄의 분말상태의 혼합체를 강제로 압착성형기(50)로 밀어넣을 수 있도록 스크류(Screw)형태로 만든다.

이때, 압착성형기(50)의 회전압착압력(Torque)은 100~500(KNm)가 적당하다. 만약, 회전압착압력이 100(KNm)이하이면, 성형광탄(60)의 강도가 낮아서 용광로(10)에 장입된 후에 부스러져 통기성을 나쁘게 하고, 반대로 회전압착압력이500(KNm)이상이면, 성형광탄(60)의 강도가 너무 강하여 용광로(10)에서 성형광탄(60)이 녹는 속도가 느려진다.

성형광탄(60)을 용광로(10)에 장입하고, 용광로(10) 하부에서 공기를 불어넣으면, 성형광탄(60)에 함유된 분탄이 불완전 연소하면서 발생하는 고온의 환원가스(주로 CO,H₂)에 의해 성형광탄(60)에 함유된 분광석이 환원.용융되면서 쇳물이 생산된다.

성형광탄(60)의 환원.용융 반응은 일산화탄소(CO)와 수소(H₂)에 의해 행하여 지는 바, 이를 화학반응식으로 표시하면 다음과 같다.

1. 일산화탄소(CO)에 의한 성형광탄에 함유된 환원철의 환원.용융반응은 다음과 같으며, 최종적으로 ② 반응에 의해 쇳물이 생산된다.

① Fe₃O₄ + CO → 3FeO + CO₂

② FeO + CO → Fe(쇳물) + CO₂

2. 수소(H₂)에 의한 성형광탄탄에 함유된 환원철의 환원.용융반응은 다음과 같으며, 최종적으로 ② 반응에 의해 쇳물이 생산된다.

① Fe₃O₄ + H₂ → 3FeO + HO₂

② FeO + H₂ → Fe(쇳물) + HO₂

그러므로 본 발명은,

분광석을 준비하는 단계; 분탄을 준비하는 단계; 분광석을 건조기에서 건조하여, 유동환원로(20)에 장입하여 고온의 환원가스(주로 CO, H₂)와 유동상태로 대향류 접촉하면서 환원된 분광석이 만들어지는 단계; 상기 환원된 분광석을 혼합로(30)로 이송하는 단계; 분탄을 건조기에서 건조시키는 단계; 상기 건조된 분탄을 혼합로(30)로 이송하는 단계; 상기 혼합로(30)에서 상기 환원된 분광석 60∼95 중량%와 분탄 5∼40 중량%를 혼합하는 단계; 상기 분광석과 분탄의 분말상태의 혼합물을 압입기(40)를 통하여 압착성형기(50)로 이송하는 단계; 상기 압착성형기(50) 에서 300~800℃의 고온에서 성형광탄(60)을 찍어내는 단계;로 이루어진 것을 특징으로 하는 성형광탄의 제조방법과 상기 방법으로 제조된 성형광탄(60)을 용광로(10)에 장입하고, 용광로(10) 하부에서 공기를 불어넣어 쇳물을 생산하는 단계;로 이루어진 것을 특징으로 하는 성형광탄을 이용한 쇳물의 생산방법을 제공한다. 이 방법 중 상기 환원된 분광석을 혼합로(30)로 이송하는 단계;에 이어 분탄을 건조기 또는 유동환원로(20)에서 분광석과 함께 건조한 후 혼합로(30)로 이송하는 단계;를 거칠 수도 있다.

용광로(10)에서는 성형광탄(60)만으로 쇳물을 생산할 수 있으나, 용광로(10) 내 온도가 높아서 광석이 부족한 경우에는 성형광탄(60) 이외에 추가로 소결광을 추가로 장입하여 운전할 수 있으며, 반대로, 용광로(10) 내 온도가 낮아서 열이 부족한 경우에는 추가로 코크스를 성형광탄(60)과 함께 장입할 수 있으며, 용광로(10) 하부에서 공기 이외에 추가로 미분탄, 액체연료,LNG, LPG 등을 주입하여 쇳물을 생산할 수 있다.

한편, 상기와 같이 유동환원로(20)에서 분광석을 환원시키고 배출되는 가스와 혼합로(30)에서 분광석을 분리하고 발생하는 가스는 고온의 분진을 함유하고 있을 뿐만 아니라 가연성, 폭발성 가스이므로 적정한 집진장치(도면에 미표시)를 설치하여 분진을 제거한 후 가스 저장탱크에 저장하며, 발전소 등 연료로 사용한다.

본 발명은 상술한 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범 위 기재의 범위 내에 있게 된다.

도 1 은 본 발명의 쇳물을 생산하는 공정도이다.

※ 도면의 부호에 대한 설명

10 - 용광로 20 - 유동환원로

30 - 혼합로 40 - 압입기

50 - 압착성형기 60 - 성형광탄

Claims (4)

1. 유동환원로에서 환원된 분광석 60∼95 중량%와 분탄 5∼40 중량%를 혼합로에서 혼합한 후 상기 분광석과 분탄의 분말상태의 혼합물을 압입기를 통하여 압착성형기로 이송하여 300~800℃의 고온에서 찍어내어 제조된 것을 특징으로 하는 성형 광탄
2. 분광석을 준비하는 단계;

   분탄을 준비하는 단계;

   분광석을 건조기에서 건조한 후 유동환원로에 장입하여 고온의 환원가스(주로 CO, H2)와 유동상태로 대향류 접촉하면서 환원된 분광석을 만드는 단계;

   상기 환원된 분광석을 혼합로로 이송하는 단계;

   분탄을 건조기에서 건조시키는 단계;

   상기 건조된 분탄을 혼합로로 이송하는 단계;

   상기 혼합로에서 상기 환원된 분광석 60∼95 중량%와 건조된 분탄 5∼40 중량%를 혼합하는 단계;

   상기 분광석과 분탄의 분말상태의 혼합물을 압입기를 통하여 압착성형기로 이송하는 단계;

   상기 압착성형기에서 온도 300~800℃ 및 회전압착압력 100~500KNm에서 성형광탄을 찍어내는 단계; 로 이루어진 것을 특징으로 하는 성형광탄의 제조방법
3. 분광석을 준비하는 단계;

   분탄을 준비하는 단계;

   분광석 60∼95 중량%와 분탄 5∼40 중량%를 건조기 또는 유동환원로에 장입하여 고온의 환원가스(주로 CO, H2)와 유동상태로 대향류 접촉하면서 환원된 분광석 및 건류된 분탄을 만드는 단계;

   상기 환원된 분광석과 건류된 분탄을 혼합로로 이송하는 단계;

   상기 혼합로에서 상기 환원된 분광석과 건류된 분탄을 혼합하는 단계;

   상기 분광석과 분탄의 분말상태의 혼합물을 압입기를 통하여 압착성형기로 이송하는 단계;

   상기 압착성형기에서 온도 300~800℃ 및 회전압착압력 100~500KNm에서 성형광탄을 찍어내는 단계; 로 이루어진 것을 특징으로 하는 성형광탄의 제조방법
4. 제1항의 성형광탄을 용광로에 장입하고, 용광로 하부에서 공기를 불어넣어 쇳물을 생산하는 단계;로 이루어진 것을 특징으로 하는 성형광탄을 이용한 쇳물의 생산방법

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