KR20100039897A - 환원철 성형체의 제조 방법 및 선철의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

이 환원철 성형체의 제조 방법에서는, 회전로상식 환원로에서, 전체 철을 40% 이상 포함하고, 또한 1200℃의 일산화탄소 분위기에서 환원되는 금속 산화물과 화합하고 있는 산소의 원자몰량에 대하여, 0.7 내지 1.5배의 원자몰량의 고정 탄소를 포함하고 있는 분체의 성형체를 환원할 때에, 최고 온도 1200 내지 1420℃의 분위기에서, 환원체 내의 일산화탄소의, 이산화탄소에 대한 비를 0.3 내지 1.2로 하여, 금속철 비율을 50 질량% 이상, 또한 탄소 비율을 5 질량% 이하인 환원철 함유물을 제조하여 ; 이 환원철 함유물을, 500 내지 800℃의 온도에서, 롤러 형식의 몰드로 압축 성형한다.

Description

환원철 성형체의 제조 방법 및 선철의 제조 방법 {PROCESS FOR MANUFACTURING MOLDED PRODUCTS OF DIRECT-REDUCED IRON AND PROCESS FOR MANUFACTURING PIG IRON}

본 발명은, 회전로상식 환원로를 이용하여, 산화철 및 탄소를 포함하는 분체를 환원함으로써 환원철 함유물을 제조하고, 이 환원철 함유물을 열간에서 성형하는 환원철 성형체의 제조 방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 회전로상식 환원로에서 제조한 부분 환원철을 성형하고, 이것을 고로에서 환원 용해하여 용선을 제조하는, 선철의 제조 방법에도 관한 것이다.

본 출원은, 일본 특허 출원 제2007-230193호와, 일본 특허 출원 제2008-218015호를 기초 출원으로 하고, 그 내용을 여기에 도입한다.

환원철이나 합금철을 제조하는 금속 환원 프로세스로서는 여러 종류의 것이 있지만, 이 중에서 저비용으로 생산성이 높은 프로세스로서, 회전로상식 환원로(Rotary Hearth Furnace, 이하 RHF라고 칭함)의 조업이 실시되고 있으며, 그 개요는, 예를 들어 특허 문헌 1에 기재되어 있다. 도 1은, 회전로상식 환원로의 직경 방향의 절단면을 나타낸다. 이 도 1에 도시된 바와 같이, RHF는 고정된 내화물의 천장(1) 및 측벽(2) 아래에서, 차륜(3)에 올라탄 중앙부를 절결한 원반 형상의 내화물로 된 노상(4)이, 원을 그리는 레일(5) 위를 일정 속도로 회전하는 형식의 소성로(이하, 회전로라고 칭함)이다. 측벽(2)에는, 복수의 버너(6)가 설치되어 있으며, 이곳으로부터 연료 및 공기를 불어넣어 노 내의 분위기 가스 성분과 온도를 제어한다. 일반적으로, 회전로의 노상의 직경은 10 내지 50 미터, 또한 폭은 2 내지 8 미터이다. 원료인 산화 금속과 탄소를 포함하는 분체의 성형체는, 노상(4) 위에 공급되어, 노 내 상부의 가스로부터의 복사열로 가열되어, 성형체 내부에서의 산화 금속과 탄소와의 반응에 의해, 성형체 내부에서 금속을 얻는다.

RHF의 설비 전체의 예를 도 2에 도시한다. 원료로서는, 분상(粉狀)의 광석이나 산화 금속 더스트 등의 산화 금속과, 환원제로서 탄소를 사용한다. 환원철의 제조에서는, 산화철원으로서 펠릿 피드 등의 미립 철광석이나, 전로 더스트, 소결 더스트, 고로 가스 더스트 등의 제철 프로세스로부터의 부생성물을 사용한다. 환원제의 탄소는, 코크스, 오일 코크스, 석탄 등을 사용한다. 이 환원제의 탄소로서는, 환원 반응이 발생하는 온도인 1100℃ 정도까지, 휘발하지 않는 탄소분(고정 탄소)의 비율이 높은 것이 더욱 바람직하다. 이러한 탄소원은, 가루 코크스나 무연탄이다.

우선, 도 2의 혼합 장치, 볼밀(11)에 의해, 산화 금속을 포함하는 분체와 탄소를 포함하는 가루를 혼합한 후, 이것을, 조립(造粒) 장치(12)에서 입자 형상으로 성형한다. 이 성형체를 회전로(13)의 노상(4) 위에 균일하게 깔리도록 공급한다. 회전로(13)에서는, 노상(4)의 회전과 함께 성형체가 노 내의 각 부분을 이동한다. 성형체는 고온 가스의 복사에 의해, 1000 내지 1500℃로 가열되어, 성형체 내의 탄소에 의해 산화 금속이 환원된다. 노 내에서 발생한 배기 가스는, 배기 가스 덕트(14)를 경유하여, 보일러(15)와 열 교환기(16)에서 열 회수하여, 집진 장치(17)에서 제진된 후에 굴뚝(18)으로부터 대기로 방출된다. 회전로(13) 내에서는, 성형체가 노상(4) 위에 정치(靜置)되어 있으므로, 성형체가 노 내에서 붕괴되기 어렵다고 하는 등의 이점이 있다. 그 결과, 내화물 위에 가루화한 원료가 부착되는 것에 기인하는 문제가 없는 장점이 있다. 또한, 생산성이 높고, 저렴한 석탄계의 환원제나 가루 원료를 사용할 수 있는 이점도 있다. 이러한 방법으로 제조된 환원철의 금속화율은 93% 이하이며, MIDREX법 등의 가스 환원 방식의 직접 환원철(DRI : Directly Reduced Iron)과 비교하면, 약간 환원도가 낮은 것이다.

예를 들어 특허 문헌 2에 기재되어 있는 바와 같이, 이 환원철을 고강도로 제조하는 방법도 있으며, 이 고강도 환원철을 덩어리 광석이나 소결광과 함께 고로에 공급하여, 선철을 제조하는 것도 행해지고 있다. 이 방법에서는, 예비 환원한 산화철을 고로 내에서 최종 환원으로 용해하므로, 고로의 열부하가 저하되어 고로의 코크스원 단위가 저하되는 동시에, 선철 생산량이 증가하는 효과가 있다.

한편, RHF 이외의 환원철 제조 방법인 MIDREX법 등의 가스 환원 방식으로 제조된 DRI는 공극률이 높고, 그 결과 금속철의 재산화가 일어나기 쉬운 문제가 있었다. 이 문제의 대응을 위해, 예를 들어 특허 문헌 3이나 특허 문헌 4에 기재되어 있는 바와 같이, 도 3에 도시하는 장치 등으로, DRI를 열간에서 성형하는 것이 행해지고 있다. 이 성형 방법으로서는, 환원철을 많이 포함하는 분상 또는 입상의 원료를 1000℃ 이하의 비교적 고온에 있어서, 원료 슈트(21)로부터 공급된 환원철을 오목 형상 몰드(22)가 있는 한 쌍의 롤러(23) 사이에 끼우고, 환원철 성형체(24)[핫 브리켓 아이언(HBI)]를 제조한다. 환원철 성형체(24)는, 수냉 장치(25)에서 상온까지 냉각된다. 핫 브리켓법에 있어서는, 금속철을 압박하여 성형하므로, 좋은 성형물을 만들기 위해서는 DRI의 금속철의 비율이 높은 것이 바람직하고, 일반적으로는 철의 특히 금속화율이 높은 DRI가 성형되어 있으며, 원료의 금속철 비율은 90 내지 98%이다. 이 금속철 비율이면, 특히 특수한 성형 기술이 없더라도 고강도의 성형체를 제조할 수 있다.

HBI(환원철 성형체)는 고밀도이며, 그 내부에 공극이 적은 특징이 있다. 따라서, 이 HBI는 재산화되기 어렵고 적재 밀도도 높으므로, 장기 보존이나 장시간의 우송이 가능하다. 또한, 그 치밀한 구조로 인해 제강 전기로 등의 용해로에서의 용해 속도도 빠른 이점이 있다. 현재는 핫 브리켓 설비가, 많은 환원철 플랜트에 설치되어 있다. 그 사용 방법은, 예를 들어 특허 인용 문헌 5에 기재되는 방법과 같이, 종형 용해로나 제강 전기로 등에서 환원철 원료로서 사용되고 있다.

[특허문헌1]:일본특허출원공개제2001-303115호공보 [특허문헌2]:일본특허출원공개제2004-218019호공보 [특허문헌3]:미국특허제4,934,665호공보 [특허문헌4]:미국특허제5,547,357호공보 [특허문헌5]:일본특허출원공개평11-117010호공보

RHF에서 생산된 환원철은, MIDREX법 등으로 생산되는 환원철과 비교하면, 보다 고온에서 처리되고 있으므로, 금속철의 소결에 의해 고밀도로 하는 것이 가능하고, 이 결과 재산화되기 어려운 이점이 있다. 이 환원철은, 예를 들어 특허 문헌 2에 기재되어 있는 방법 등으로 제조하면, 1개월 정도의 노천 비축에서는, 약간의 재산화밖에 되지 않는다. 그러나, 3개월 이상의 장기 보관할 경우(특히 우천이 계속되어 환원철이 젖어 있는 경우)에는, 재산화가 현저해진다. 이 결과, 환원철의 제품으로서의 가치가 저하되는 경우나, 재산화에 따른 열 발생으로 인해, 환원철이 고온이 되는 문제가 일어나는 경우도 있다.

따라서, 종래는 RHF에서 생산된 환원철은, 인접하는 고로, 전로, 제강 전기로 등에 공급되는 것이 일반적이며, 환원철을 먼 곳의 제철소에 배로 반송하거나, 장기간 보관하거나 하는 일은 없었다. 그러나, MIDEX법 등으로 생산된 환원철을 광석 채굴 현장 부근이나 광석 적출항의 부지 내에서 생산함으로써, 광석의 부가 가치를 높여서 출하하는 효과를 겨냥하는 것이 주목받고 있다. RHF에서 생산된 환원철도 마찬가지로, 먼 곳 수송을 쉽게 행할 수 있는 화학 특성으로 하기 위해서는, 종래의 미 성형의 환원철의 상태가 아닌, 결국 HBI로 할 필요가 생겨났다.

RHF에서 생산된 환원철은, 다음의 특징이 있으며, 반드시 핫 브리켓법에 적합한 물성은 아니었다. 우선, 산화철(산화 니켈 등도 포함함)의 환원도가 낮으며, 또한 환원제인 탄소분은 회분을 포함하므로, 다른 방법으로 만들어진 환원철보다도 산화물 불순물(SiO₂, CaO, Al₂O₃, 기타)이 많다. 이 결과, 그 내부에 포함되는 금속철의 함유율이 낮으며, 일반적으로는 40 내지 75 질량% 정도이다. 다음에, 환원에 사용되는 탄소가 완전히 소비되지 않고, 환원철을 포함하는 성형체 내부에 탄소가루 또는 침탄(철 속으로의 용해)된 탄소로서 잔류된다. 잔류된 탄소 가루는 압축 성형 시의 금속철 압착의 저해 요인이 되고, 또한 침탄된 철은 연성이 악화되어, 금속철의 압착 성능이 저하된다.

RHF에서 제조된 환원철에는, 이상과 같은 특징이 있으며, 쉽게 핫 브리켓 제조를 행할 수 있는 물성은 아니었다. 또한, 이와 같은 금속철 이외의 성분을 많이 포함하는 환원철을 열간 성형하는 방법도 충분히 연구되어 오지 않았다. 따라서, 상기 종래 기술의 결점을 극복하기 위한 새로운 기술이 요구되고 있었다.

한편, 종래는, 예를 들어 특허 문헌 5에 기재되는 방법과 같이, HBI 등의 환원철을 전용 용해로 또는 제강 전로에서 사용하는 기술이 있었다. 그러나 이 방법에서는, 용해로의 설비비와 조업비가 커지는 문제가 있으며, 또한 제강 전기로에서의 사용에서는, 미 환원 산화철의 영향에 의한 전기로의 전력원 단위 증가 등의 문제가 있었다. 따라서, 전술한 바와 같이 환원철을 고로에서 사용하는 것이 바람직하지만, 특허 인용 문헌 2 등에 기재되어 있는 기술에서는, 고로에서의 사용량이 적었으므로, 환원철을 사용할 때의 문제점을 파악할 수 없어, 그저 단순하게 고로에 공급해서 용해하면 된다는 생각이 고작이었다. 그 결과, 적정한 환원 용해를 위한 조업 조건의 해명이 이루어져 있지 않았다. 이와 같이, 환원철이나 HBI를 고로에서 사용할 때의 적정한 조건이 판명되어 있지 않은 문제가 있었다. 또한, RHF와 고로의 조합으로 용융철을 제조하는 방법에서의 양 노에서의 최적의 환원율의 배분에 있어서도 충분한 해석이 이루어져 있지 않았다. 이 결과, 양 노 합계에서의 최적의 에너지 소비를 실현하는 것이 이루어져 있지 않았다.

이상에 설명한 바와 같이, RHF에서 제조한 환원철을 열간에서 성형하는 기술은, 고로에서 사용하기 위한 기술이 완성되어 있지 않아, 이것을 해결하기 위한 새로운 기술이 요구되고 있었다.

본 발명은, 이상에 기재되어 있는 RHF에서 제조된 환원철 함유물을 열간에서 성형할 때의 기술적인 과제를 해결하기 위해 이루어진 것이며, 그 상세한 설명은 하기의 (1) 내지 (12)에 기재된 바와 같다.

(1) 이 환원철 성형체(핫 브리켓 아이언, HBI)의 제조 방법에서는, 회전로상식 환원로에서, 전체 철을 40% 이상 포함하고, 또한 1200℃의 일산화탄소 분위기에서 환원되는 금속 산화물과 화합하고 있는 산소의 원자몰량에 대하여, 0.7 내지 1.5배의 원자몰량의 고정 탄소를 포함하고 있는 분체의 성형체를 환원할 때에, 최고 온도 1200 내지 1420℃의 분위기에서 환원체 내의 일산화탄소의, 이산화탄소에 대한 비를 0.3 내지 1.2로 하여 금속철 비율을 50 질량% 이상, 또한 탄소 비율을 5 질량% 이하의 환원철 함유물을 제조하여, 이 환원철 함유물을 500 내지 800℃의 온도에서 롤러 형식의 몰드로 압축 성형한다.

(2) 상기 (1)의 방법에 있어서, 함유하고 있는 금속철이 2 질량% 이하의 탄소 함유율인 상기 환원철 함유물을, 압축 성형해도 좋다. 즉, 원료 배합과 RHF의 조업 조건을 적절하게 하여, 환원철 함유물 중의 금속철의 탄소 함유율을 2 질량% 이하로 하고, 또한 이 환원철 함유물을 열간에서 압축 성형하여, 환원철 성형체를 제조해도 좋다.

(3) 상기 (2)의 방법에 있어서, 1200℃ 이상의 평균 노 내 온도를 T(K)로 한 경우, 상기 분체의 성형체가 상기 회전로상식 환원로 중의 1200℃의 부분에 머무르는 시간을, t = 0.13*exp(7,800/T)에서 구해지는 침탄 상한 시간 t 이하로 해도 좋다. 단, t : 1200℃ 이상의 가스 온도의 시간(분), T : 1200℃ 이상의 평균 노 내 온도(K)로 한다. 즉, 금속철에의 침탄을 억제하기 위해, 상기 (2)의 조업 방법에 있어서, 분체의 성형체가 회전로상식 환원로 중의 1200℃의 부분에 머무르는 시간을, 침탄 상한 시간[t = 0.13*exp(7, 800/T)] 이하로 해도 좋다.

(4) 상기 (1)의 방법에 있어서, 평균 입자 직경이 70 마이크로미터 이하인 철 입자, 또는 평균 입자 직경이 70 마이크로미터 이하인 철 입자가 소결한 것을 함유하고 있는 상기 환원철 함유물을, 압축 성형해도 좋다.

(5) 상기 (1)의 방법에 있어서, 산화철과 탄소를 포함하는 상기 분체의 성형체 중의 산화규소에 대한 산화 칼슘의 질량비가 2.2 이하라도 좋다. 즉, 상기 (1)의 조업에 있어서, 산화철과 탄소를 포함하는 분체의 성형체 중의 산화규소에 대한 산화칼슘의 질량비를 2.2 이하로 함으로써, 노 내에서의 산화물의 용융 또는 연화를 방지하여, 성형성이 좋은 환원철 함유물을 제조하도록 해도 좋다.

(6) 상기 (1)의 방법에 있어서, 산화철과 탄소를 포함하는 상기 분체의 성형체 중의 산화마그네슘, 산화칼슘, 산화규소 및 산화철 중 전체 철의 함유율의 관계를, {(CaO 질량%)-(MgO 질량%)}/(T.Fe 질량%) < 0.1 또한 {(CaO 질량%)-(MgO 질량%)}/(SiO₂ 질량%) < 2.0으로 해도 좋다. 즉, 상기 (1)의 조업에 있어서, 산화철과 탄소를 포함하는 분체의 성형체 중의 산화마그네슘, 산화칼슘, 산화규소 및 산화철 중 전체 철의 함유율의 관계를, {(CaO 질량%)-(MgO 질량%)}/(T.Fe 질량%) < 0.1 또한 {(CaO 질량%)-(MgO 질량%)}/(SiO₂ 질량%) < 2.0으로 함으로써, 노 내에서의 산화물의 용융 또는 연화를 방지하여, 성형성이 좋은 환원철 함유물을 제조하도록 해도 좋다.

(7) 상기 (1)의 방법에 있어서, 산화물을 5 내지 30 질량% 포함하고 또한 부피 밀도가 1.4 내지 2.8g/㎤인 상기 환원철 함유물을 압축 성형해도 좋다.

(8) 상기 (1)의 방법으로 제조된 환원철 성형체를, 제철용 고로에 공급해서 용융철을 제조하는 것을 특징으로 하는 선철의 제조 방법을 채용해도 좋다. 즉, RHF에서, 전체 철을 40% 이상 포함하고, 또한 철, 망간, 니켈, 크롬, 납 및 아연 등의 1200℃의 일산화탄소 분위기에서 환원되는 산화 금속과 화합하고 있는 산소의 원자몰량에 대하여 0.7 내지 1.5배의 원자몰량의 탄소를 포함하고 있는 분체의 성형체를, 최고 온도 1200 내지 1420℃, 또한 환원대의 일산화탄소의 이산화탄소에 대한 비가 0.3 내지 1.1의 분위기에서 환원한다. 이 조건으로, 금속철 비율을 50 질량% 이상, 또한 탄소 비율을 5 질량% 이하의 환원철 함유물을 제조한다. 그리고 이 환원철 함유물을 롤러 형식의 몰드로 압축 성형해서 환원철 성형체를 제조한다. 또한, 이것을 덩어리 광석, 소결광, 소성 펠릿 등과 함께 제철용 고로에 공급해서 용융철을 제조해도 좋다.

(9) 상기 (8)의 방법에 있어서, 금속철 비율이 50 질량% 이상이고 또한 탄소 비율이 5 질량% 이하인 환원철 함유물을 제조하고, 이 환원철 함유물을 롤러 형식의 몰드로 압축 성형한 환산 직경이 7 내지 45 밀리미터이고 또한 외관 밀도가 4.2 내지 5.8g/㎤인 환원철 성형체를, 제철용 고로에 공급해서 용융철을 제조하도록 해도 좋다. 즉, 상기 (8)의 방법에 있어서, 금속철 비율을 50 질량% 이상, 또한 탄소 비율을 5 질량% 이하인 환원철 함유물을 제조하고, 이 환원철 함유물을 롤러 형식의 몰드로 압축 성형한 환산 직경이 7 내지 45 밀리미터, 또한 외관 밀도가 4.2 내지 5.8g/㎤인 환원철 성형체를, 제철용 고로에 공급해서 용융철을 제조한다. 또한, 환산 직경은 환원철 성형체 용적의 1/3 제곱으로 정의된다.

(10) 상기 (8)의 방법에 있어서, 상기 환원철 성형체를 용선 1톤당 150㎏ 이하의 비율로 상기 제철용 고로에 공급해서 용융철을 제조해도 좋다.

(11) 상기 (8)의 방법에 있어서, 상기 제철용 고로의 노 중심으로부터 직경의 2/3 이내인 위치에, 65% 이상의 상기 환원철 성형체를 공급해서 용융철을 제조해도 좋다.

(12) 상기 (8)의 방법에 있어서, 상기 회전로상식 환원로에서, 철의 금속화율이 55 내지 85%인 상기 환원철 함유물을 제조하고, 이 환원철 함유물을 열간에서 압축 성형해서 제조한 환원철 성형체를 제철용 고로에 장입해서 용융철을 제조하도록 해도 좋다. 즉, 상기 (8)의 방법에 있어서, RHF에서 철의 금속화율이 55 내지 85%인 환원철 함유물을 제조하고, 이 환원철 함유물을 열간에서 압축 성형하여 환원철 성형체를 제조한다. 그리고 이것을 제철용 고로에 장입해서 용융철을 제조해도 좋다.

본 발명을 이용하면, RHF에서 산화철 분체나 제철 설비로부터 회수되는 산화철 함유 더스트를 적절하게 환원하는 동시에, 열간에서 성형하여, 양질인 형상의 환원철 성형체(핫 브리켓 아이언)를 제조할 수 있다. 또한, RHF에서 열간 성형기로 제조한 양질인 형상의 환원철 성형체는 재산화되기 어려운 성상이므로, 장기간의 보관이나 장거리 수송을 행할 수 있다. 이 환원철 성형체를 적정한 조건으로 고로에 공급함으로써, 고로에서의 코크스원 단위를 줄이는 동시에, 선철의 시간당 생산량을 늘릴 수 있다.

도 1은 회전로상식 환원로의 구조를 도시하는 도면이다.
도 2은 회전로상식 환원로의 처리 공정 전체를 도시하는 도면이다.
도 3은 열간 성형 장치(핫 브리켓)의 개략을 도시하는 도면이다.

본 발명에 관한 환원철 성형체의 제조 방법 및 선철의 제조 방법의 실시 형태를 이하에 설명한다.

본 실시 형태에서는, 산화철과 탄소를 포함하는 분체를 원료로서 사용한다. 산화철은 산화제일철(우스타이트, FeO), 삼사산화철(마그네타이트, Fe₃O₄), 산화제이철(헤마타이트, Fe₂O₃) 중 어떠한 것이라도 좋고, 이들이 혼합된 것도 사용할 수 있다. 또한, 금속 철가루가 혼합되어 있어도 된다. 산화철원은 철광석, 사철 등의 광석류와, 제철소 등에서 발생하는 산화철 함유 더스트 등이다. 탄소원은, 가루 코크스, 분탄, 석유 코크스 등을 사용한다. 환원 반응에는, 1000℃ 이상에서도 휘발하지 않는 고정 탄소(FC)가 기여하므로, 고정 탄소의 비율이 많은 것이 바람직하다. 이 관점에서는, 가루 코크스, 석유 코크스, 무연탄, 중휘발 분탄 등이 좋다. 또한, 제철업의 탄소분을 많이 포함하는 더스트 등을 이용하는 것도 좋다.

원료에는, 철광석, 산화철 함유 더스트, 코크스, 석탄 등의 불순물이 혼입되어 있다. 이것들은, 산화니켈, 산화망간, 산화크롬, 산화아연 등의 쉽게 환원되는 금속 산화물과, 산화규소, 산화칼슘, 산화알루미늄, 산화마그네슘, 산화티탄 등의 쉽게 환원되지 않는 금속 산화물이 있다. 탄소원을 제외한, 분체의 전체 철 함유율[전체 철(T.Fe) 함유율]은 40% 이상이 좋다. 전체 철이 40% 이하인 경우는, 환원 후의 금속철 비율이 50% 이하가 되는 경우가 있으며, 핫 브리켓화를 양호하게 행할 수 있는 조건을 벗어나는 경우가 있다. 또한, 여기에서 전체 철 함유율이라 함은, 산화철 속의 철 함유량과 금속철량의 합계를 분체 총량으로 나눈 값이다.

원료의 분체는, 평균 입자 직경이 100 마이크로미터 이하인 것을 사용한다. 평균 입자 직경이 100 마이크로미터 이상이면, 입자 내의 물질 이동이 늦어져, 환원을 위한 시간이 지나치게 걸리므로, 100 마이크로미터 이상의 입자는 바람직하지 않다. 또한, 조립 조작에 있어서도, 입자 직경이 작은 것일수록 성형체를 제조하기 쉬우므로, 이 관점으로부터도 입자는 미세한 쪽이 좋다.

원료 중의 산화철과 탄소의 비율을 적정한 조건으로 하여, 원료를 배합한다. RHF에서의 반응은 MO ＋ C = M ＋ CO 및 MO ＋ CO = M ＋ CO₂이다. 여기서 M은 금속 원소를 나타내는 기호이다. 본 발명자들은, RHF의 내부에서의 반응을 조사한 결과는 이하와 같다. 산화철, 산화니켈, 산화망간, 산화크롬, 산화아연 등의 1300℃에서 일산화탄소에 의해 환원되는 금속은, RHF 내에서 금속화된다. 그 금속화율은, RHF의 조업 조건 등에 의해 결정된다. 한편, 산화규소, 산화칼슘, 산화알루미늄, 산화마그네슘, 산화티탄 등의 1300℃에서 일산화탄소에 의해 환원되지 않는 금속은, RHF 내에서 환원되지 않고 산화물로서 남는다.

탄소 배합량은 산화철, 산화니켈, 산화망간, 산화크롬, 산화아연 등의 쉽게 환원되는 금속과 화합하고 있는 산소(이하, 활성산소라고 칭함)와의 비율로 정한다. 또한, 산화철 등의 환원 반응은 약 1000℃를 넘은 시점에서 일어나므로, 환원 반응에 기여하는 탄소는 고정 탄소이다. 따라서, 활성 산소와 고정 탄소의 비율을 조정하면, RHF 내에서 양호한 반응을 일으킬 수 있는 것을 발견했다. 그 조건은, 활성 산소의 원자몰량에 대하여 원자몰량의 고정 탄소의 비율(C/O)이, 0.7 내지 1.5인 것이다. C/O가 0.7 이하인 경우는 RHF에서의 환원 조건에 상관없이 탄소 부족으로 환원이 불충분해지므로, 대부분 철의 금속화율이 55% 이하가 된다. 이 조건에서는, 환원 후의 금속철 비율이 50% 이하가 되어, 핫 브리켓 처리를 양호하게 행할 수 있는 조건을 벗어난다. 또한, C/O가 1.5 이상인 경우에는 환원 반응에 대하여, 매우 많은 양의 탄소가 배합되어 있으므로, 환원 후에 탄소가 대량으로 환원 생성물당 5 질량% 정도 잔류한다. 이 탄소는, 핫 브리켓 공정에서, 철 입자끼리의 접촉을 방해하여 성형 처리의 저해 요인이 되므로, 잔류 탄소가 5 질량% 이상 남는 조건인 C/O가 1.5 이상은 피한다.

이 원료 분체를 RHF에서 환원하는 방법을, 도 1 및 도 2를 이용해서 설명한다. 우선, 원료 분체를 혼합 장치[도 2의 볼밀(11)]에서 혼합한 후, 이것을 조립 장치(12)에서 입상의 성형체를 제조한다. 혼합 장치는, 볼밀에 한정되는 것은 아니며, 니더식, 유동층식, 수중 혼합 등의 장치라도 좋다. 조립 장치로서는, 디스크식 조립 입자 장치(페레타이저), 롤러식 압축 성형 장치(브리케이터), 압출식 성형 장치 등이 있다. 이 성형체를 회전로(13)의 노상(4) 위에, 균일하게 깔 수 있도록 공급한다. 노상(4) 위의 성형체의 층수는 2층 이하가 좋다. 이것은 전열을 양호하게 하기 위한 조건이다. 성형체의 크기는 구 형상인 것으로, 평균 직경이 8 내지 20㎜, 그 밖의 형상의 것으로, 평균 환산 직경이 7 내지 22㎜인 것이 좋다. 지나치게 작은 것은 노상(4) 위의 성형체의 두께가 지나치게 얇아져서 생산성이 저하되는 문제가 있으며, 또한 지나치게 큰 것은 성형체 내부의 전열이 악화되는 문제가 있다. 회전로(13)의 내부에서는, 노상(4)의 회전과 함께 성형체가 노 내의 가열대로부터 환원대를 이동한다. 성형체는 고온 가스의 복사에 의해, 환원대 내부에서는 1200 내지 1420℃로 가열되어, 성형체 내에서 탄소와 산화 금속이 반응하여, 환원철이 생성된다. 성형체의 노 내의 체류 시간은 10 내지 30분간이며, 가열 시간을 제외한 환원 시간은 6 내지 25분간이다.

이 반응에서 생성된 환원철 함유물은, 환원율(피 환원 금속의 산소 원자의 제거율)이 65 내지 90%이며, 철의 금속화율이 55 내지 85%인 것이다. 이 환원철 함유물은 금속철 비율을 50 질량% 이상 포함하고, 또한 그 탄소 비율은 5 질량% 이하가 된다. 환원 온도를 1200℃ 이상으로 하는 이유는, 이 이하의 온도이면 산화철의 환원 반응이 매우 느려, 반응 시간이 30분 이상 걸리게 되어 공업적으로 경제성이 있는 조건으로 환원철을 제조할 수 없기 때문이다. 또한, 환원 온도를 1420℃ 이하로 하는 이유는, 이 이상의 온도이면, 가령 반응 후의 잔류 탄소가 5 질량% 이하라도, 잔류(혼재)한 탄소가 금속철의 결정 내로 침입하는 침탄 현상이 빨라져, 환원철의 침탄 비율이 2 질량% 이상이 되기 때문이다. 또한, 침탄 비율이2 질량% 이상이 되면, 철 입자 안에 시멘타이트(Fe₃C)가 상당량 존재하는 결과, 상온으로부터 800℃에 걸쳐 철의 연성이 악화되어, 핫 브리켓 처리 시에, 철 입자가 연장되지 않게 되는 것이 문제가 된다. 또한, 침탄량은 노 내 온도와 반응 시간에 의해서도 영향을 받으므로, 환원철 함유물의 잔류 탄소와 금속철의 비율이 0.02 : 1 내지 0.06 : 1의 범위에서, 또한 노 내 가스의 최고 온도가 1420℃ 이하인 경우는, 노 내에서 가스 온도가 1200℃ 이상인 부분의 평균 온도와 1200℃ 이상인 가스 온도의 부분에 성형체가 존재하는 시간과의 관계가, 본 발명자들의 실험에서 구해진 식의 관계 : 침탄 상한 시간 t < 0.13*exp(7,800/T)를 만족시키는 것이 바람직하다[단, t : 1200 ℃ 이상의 가스 온도의 시간(분), T : 1200℃ 이상의 평균 노 내 온도(K)임].

본 발명의 방법으로 제조되는 환원철 펠릿은, 그 구조가 산화철과 그 밖의 산화물과의 혼합체 사이에 금속철 입자가 적절하게 분산되어 있는 상태를 형성하고 있는 특징을 갖는다. 또한, 금속철에는 탄소가 과잉으로 존재하지 않는 것이 중요하다. 또한, 경우에 따라서는 금속철 입자 네트워크를 형성하는 경우도 있다. 따라서, 본 발명의 방법은, 종래법의 제조 방법에 대하여, 환원율을 극단적으로는 올리지 않는 것이 조업상의 특징이다. 이로 인해, RHF 노 내의 환원대의 분위기를 약 환원성으로 한다. 분위기가 강 환원성이면, 탄소와 산화철의 반응에 의한 환원에 더하여, 가스 속의 일산화탄소와 산화철의 반응이 진행되어, 탄소가 환원철 펠릿 내에 잔류하기 쉬워진다. 이 경우에는, 시멘타이트가 형성되어 버린다.

본 발명자들의 실험에서는, 환원대 가스 속의 일산화탄소의 이산화탄소에 대한 비(CO/CO₂비)는, 1.2 이하가 좋고, 더욱 바람직하게는 1.0 이하가 좋다. 단, CO/CO₂비가 0.3 이하이면, 산화철의 환원이 정상적으로 진행되지 않는다. 여기서, 환원대라 함은 환원철 펠릿의 중심 온도가 1000℃ 이상인 노 내의 위치이며, 또한 여기에서의 가스 성분의 정의는 성형체로부터 300㎜ 이상의 노 내 공간의 평균치이다. 성형체로부터 300㎜ 이하에서는, 산화철의 환원 반응에 의해 발생하는 일산화탄소의 영향을 받고 있으므로, 가스 전체의 조성과의 편차가 있으므로, 이 부분의 가스 조성은 본 발명의 가스 조성의 정의로부터 제외한다.

RHF에서 제조된 환원철 함유물이 포함하고 있는 산화물 총량은, 원료의 불순물 혼입 비율과, 철의 환원율(잔량 산화철 비율)에 의해 결정된다. 불순물을 많이 포함하고 있는 경우나, 철의 금속화율이 85% 이하인 경우는, 불순물로서의 쉽게 환원되지 않는 금속 산화물에 더하여 미 환원의 산화철도 잔류한다. 이로 인해, 환원철 함유물의 산화물 총량이 5 내지 30 질량%가 된다. 이 경우에는, 산화물이 접착의 저해 요인이 되므로, 핫 브리켓 처리가 곤란하여 전술한 바와 같이 환원철 함유물 속의 금속철의 탄소 함유율을 2 질량% 이하로 한다. 또한, 핫 브리켓 처리를 가장 쉽게 하기 위해서는, 환원철 함유물이 70 마이크로미터 이하인 철 입자를 입자 상태인 것, 또는 철 입자가 소결한 네트워크 구성물의 상태인 것으로 구성되는 것으로 한다.

환원 펠릿 안에 남는 산화물의 형태도 환원철 함유물의 금속철의 구조와 밀도에 영향을 미친다. 이 산화물의 융점이 낮아, 노 내에서 용융 또는 연화되면, 냉각 후의 환원철 함유물의 산화물 입자가 조대화된다. 이 결과, 환원철 입자와 산화물이 분리되어 버려, 환원철 함유물의 전체적인 결합 상태가 악화된다. 그 결과, 환원철 함유물의 밀도가 저하되는 문제가 발생한다. 본 발명에서는, 산화물 입자의 크기를 5 내지 100 마이크로미터로 제어한다. 5 마이크로미터 이하에서는, 산화물 입자와 금속철 입자가 분리되어 버려, 밀한 구조가 되지 않는다. 또한, 100 마이크로미터 이상에서는, 조대한 산화물 입자에 내부에 금속철 입자가 도입되어 버려, 환원철 함유물의 열간에서의 성형성이 저하된다. 또한, 여기에서 산화물의 크기라 함은, 단독으로 존재하는 경우에는 이 크기이며, 소결체인 경우에는 이 경우의 입자 직경이다.

이 현상을 방지하여, 산화물 입자의 크기를 적정하게 하기 위해서는, 저융점의 산화물 화합물을 생성하지 않는 원료의 화학 조성으로 하는 것이 좋다. 저융점의 산화물은, 칼슘 페라이트나 칼슘 실리케이트에 불순물이 혼재되어 있는 것 등이 있다. 이들이 생성하지 않은 원료 화학 조성을 조사한 바, 산화칼슘과 산화철의 비율과 산화칼슘과 산화규소의 비를 제어하면 되는 것을 알 수 있었다. 또한, 산화마그네슘은, 칼슘 페라이트나 칼슘 실리케이트의 생성을 억제하는 것도 판명되었다. 실험에 의해, 1200 내지 1400℃에서 산화물이 용융 또는 연화되지 않는 조건으로서, 산화규소에 대한 산화칼슘의 질량비가 2.2 이하인 것이 좋은 것이 판명되었다. 또한, 한층 더 개선을 위해서는, 지수 A{(CaO 질량%)-(MgO 질량%)}/(T.Fe 질량%) < 0.1, 또한 지수 B{(CaO 질량%)-(MgO 질량%)}/(SiO 질량 2%) < 2.0이면 좋은 것이 구해졌다. 또한, 불소와 염소는 산화물의 융점을 저하시키는 원소이므로, (F 질량%) ＋ 0.4(Cl 질량%) < 0.25%의 조건이면 좋다. 여기서, 염소 농도에 관한 계수는, 염소의 원자량 차와 연화에 관한 영향도를 고려하기 위한 것이다. 특히, 제철 더스트 등의 리사이클을 행하는 경우에는, 산화물 조성을 한정하는 것이 중요한 수단이 된다.

상기 방법으로 제조한 환원철 함유물을 열간 성형(핫 브리켓 처리)한다. 열간 성형의 방법 그 자체의 원리는, 일반적인 핫 브리켓법과 마찬가지이며, 도 3에 도시하는 장치로 성형 처리한다. 피더(21)로부터 환원철(22)(분상과 입상의 혼합물의 환원철 함유물)을 500 내지 800℃의 상태에서, 오목 형상 몰드(23)가 있는 한 쌍의 롤러(24) 사이에 끼우고, 오목 형상 몰드(23)의 내부에서 압축하여, 밀도가 높은 환원철 성형체(25)를 제조한다. 환원철 성형체(25)는, 수냉 장치(26)에서 상온까지 냉각된다. 성형되지 않고 가루로 남은 것은, 뜨거운 상태 그대로 반송 장치(26)를 경유하여, 피더(21)로 복귀된다.

본 발명에 있어서의 성형의 조건은, 이하에 기재되는 바와 같다. 롤러(24)에 공급되는 환원철 함유물의 온도를 500 내지 800℃로 한다. 특히 양호한 범위는 500 내지 650℃이다. 본 발명자들의 실험에서는, 500℃ 이하의 환원철은 연성이 낮으므로, 압축 성형 시에 서로 압착하는 일이 적어, 환원철 성형체의 제조가 능숙하게 행해지지 않아 강도가 부족한 동시에, 환원철 성형체로부터 부서져 가루가 되는 부분이 많아지는 문제가 발생한다. 또한, RHF에서 제조한 환원철 함유물의 경우에는, 800℃ 이상인 경우에는 그 중 일부의 산화물이 연화되어 버려 금속철 입자끼리의 접착면에 들어가 그 접착 효과가 작아지는 문제가 발생한다. 이것은, 이 환원철 함유물은 금속 산화물을 많이 포함하므로, 알칼리 금속의 염화물이나 산화물이 금속 산화물과의 무기복합이 되어, 그 융점을 낮추는 것의 영향이 크기 때문이다. 또한, 800℃ 이상에서는 오목 형상 몰드(23)의 마모가 커지는 문제도 발생한다. 이들의 문제는, 환원철 함유물의 온도를 650℃ 이하로 함으로써, 더욱 개선된다.

RHF로부터 배출되는 환원철 함유물의 온도는 1000 내지 1200℃이므로, 우선 환원철 함유물을 500 내지 800℃로 냉각한다. 냉각 중 재산화가 일어나지 않도록, 바람직하게는 질소를 혼입하는 등의 방법으로 5 용적% 이하의 저산소 농도의 분위기를 만들고, 이 안에서 RHF로부터 배출된 환원철 함유물을 냉각한다. 냉각을 위해 환원철 함유물에 직접 물을 뿌리면, 물이 환원되어 수소가 발생해서 바람직하지 않게 되므로, 물을 사용하지 않는 냉각 방법을 실시한다. 냉각하는 장치로서는, 외부 수냉의 회전식 드럼 쿨러 등의 내부 분위기를 제어할 수 있는 장치가 좋다.

본 발명에서의 열간 성형의 원료는 이하에 기재된 바와 같다. 금속철을 50 질량% 이상 포함하고, 또한 그 탄소 비율은 5 질량% 이하인 환원철 함유물을 사용한다. 본 발명자들이 행한 다양한 실험에 의해, 50 질량% 이하의 금속철의 환원철 함유물을 성형하는 경우에는, 성형체의 바인더가 되는 금속철이 부족하여 성형체의 강도가 불충분해지는 것이 해명되었다.

또한, RHF에 의해 제조된 환원철 함유물은, 금속철 이외의 함유물(불순물이며, 압축 시의 연성이 없음)이 많으므로, 압축 시의 성형체 강도가 발현되기 어렵다. 본 발명자들은, 덩어리 형상 환원철 함유물에 있어서는, 그 용적 감소율의 성형체 강도에 대한 영향이 큰 것을 발견했다. 높은 용적 감소율의 덩어리 형상 환원철 함유물에서는, 가령 철 입자가 편재되어 있어도 압축되는 동안에 혼재되는 산화물 사이를 철 입자가 이동하여, 공극부를 철 입자가 메울 수 있다. 이 결과, 공극률이 높은 환원철 함유물에서는, 환원철 성형체의 강도가 발현되기 쉬워진다. 따라서, 산화물 총량이 5 내지 30 질량%가 되는 경우 등의 성형을 위한 조건이 나쁜 경우에는, 조밀하지 않은 환원철 함유물이 좋고, 부피 비중이 3.0g/㎤ 이하, 바람직하게는 2.8g/㎤ 이하인 것이 바람직하다. 한편, 환원철 함유물의 부피 비중이 작아지면, 환원철 함유물이 오목 형상 몰드(23) 속에 충분히 충전되지 않아 환원철 성형체의 밀도가 낮아지는 문제가 일어나, 그 결과 환원철 성형체의 강도가 저하된다. 이것은, 부피 비중의 값으로 결정되는 것이며, 부피 비중이 1.4g/㎤ 이상인 것도 중요한 조건이다. 여기서, 부피 비중이란 정용적의 용기에 충전된 물질의 질량을 용기의 용적으로 나눈 값이다.

또한, 이와 같은 산화물 총량이 많은 환원철 함유물에서는, 전술한 바와 같이, 바람직하게는 환원철에 침탄한 탄소가 금속철에 대하여 2 질량% 이하인 것을 사용하면 좋다. 이것은, 탄소 함유율이 2 질량% 이하인 철 입자는 철 입자 속에 시멘타이트(저연성 물질)의 석출이 적어 800 ℃ 이하로 연성을 크게 유지할 수 있기 때문이다. 이 결과, 성형 시의 금속철의 밀착성을 향상한다.

또한, 양호한 성형 조건으로 하기 위해서는, 환원철 함유물이 70 마이크로미터 이하인 철 입자를 입자인 상태, 또는 철 입자가 소결한 네트워크 구성물인 상태로 한다. 이 조건이면, 미세한 철 입자가 환원철 함유물 전체에 다수 존재하여, 이것이 압축 성형 시에 입자끼리가 결합하는 기회가 증가되기 때문이며, 이 결과 고강도의 성형체를 제조할 수 있다. 특히, 압축 시의 연성이 없는 산화물이 5 내지 30 질량%로 많이 포함되는 경우에, 이 조건의 철 입자를 포함하는 환원철 함유물을 사용하는 것이 좋다.

오목 형상 몰드(23)에서는, 정사각형 또는 직사각형이고, 두께 방향의 중앙이 융기된 형상이 되는 성형체를 제조한다. 기본적으로는, 그 성형체는 어떠한 사이즈라도 좋지만, 고로에서 사용하는 용도용으로는, 2변이 10㎜인 사각형, 두께 5㎜ 정도의 크기 이상, 2변이 40㎜와 120㎜, 두께 25㎜ 정도의 크기 이하인 것을 제조한다. 환산 직경으로 표현하면 7 내지 45 밀리미터의 환원철 성형체가 고로에 적합한 것이다. 여기서, 환산 직경이라 함은 환원철 성형체 용적의 1/3제곱의 값으로 정의되는 것이다.

환원철 성형체의 밀도는, 외관 밀도가 4.2g/㎤ 이상이 바람직하다. RHF에서 제조한 환원철 성형체에 있어서는, 이 외관 밀도 이하에서는, 환원철 성형체의 강도가 낮고, 장기 보관이나 반송에 견딜 수 없기 때문이다. 또한, 이 외관 밀도가 일반적인 HBI의 외관 밀도보다도 낮지만, 이 이유는 RHF에서 제조한 환원철에는, 금속철보다도 저비중인 잔류 산화물과 탄소가 많이 포함되기 때문이다. 단, 고로용의 환원철 성형체의 외관 밀도가 지나치게 높아도 문제가 발생한다. 즉, 본 발명의 환원철 성형체는, 완전히 환원되어 있지 않으므로, 고로의 노 내에서도 환원철 성형체 내의 산화철을 환원할 필요가 있다. 환원철 성형체의 고로 노 내에서의 환원 속도를 높게 하기 위해서는, 환원철 성형체 내로의 가스 침투가 양호한 조건인, 지나치게 고밀도가 아닌 것이 좋다. 본 발명자들의 실험에서는, 환원철 성형체의 외관 밀도가 5.8g/㎤ 이하이면, 기공으로부터 가스가 들어가기 쉽고, 이 결과 환원이 진행되기 쉬운 것이 판명되었다. 또한, 환원철 성형체의 외관 밀도가 5.0g/㎤ 미만이면, 더욱 환원이 진행되기 쉬운 것도 해명되었다. 따라서, RHF에서 제조한 환원철 성형체를 고로에서 사용하는 경우에는, 외관 밀도가 4.2 내지 5.8g/㎤, 바람직하게는 4.2 내지 5.0g/㎤인 것이 좋다. 여기서, 외관 비중이란 성형체의 질량을 성형체의 용적으로 나눈 값이다.

이상에 설명한 환원철 성형체를 고로에서 환원 용해한다. 고로 원료로서는, 본 발명의 환원철 성형체, 덩어리 광석, 소결광, 소성 펠릿 등의 철원과 야금용 코크스를, 노 상부의 벨을 경유하여, 고로 노 내에 공급한다. 고로에 공급하는 환원철 성형체는, 전술한 바와 같이 금속철 비율 50 질량% 이상, 또한 탄소 비율 5 질량% 이하의 환원철 함유물을 압축 성형한 것이다. 그 환산 직경은 7 내지 45 밀리미터, 또한 외관 밀도가 4.2 내지 5.8g/㎤, 바람직하게는 4.2 내지 5.0g/㎤인 것이다. 환산 직경이 7㎜ 이하인 것은, 다른 장입물과 층 형상으로 노 내에 충전된 경우에, 이 충전물의 가스 통과 압력 손출이 증가하여, 조업하기 어려워지므로 피해야 한다. 또한, 환산 직경이 45㎜ 이상인 것은, 환원 속도와 용해 속도가 낮으므로, 고체 상태에서 노 하부까지 강하하므로, 노 하부의 반응이 불활성이 되는 문제가 발생한다. 외관 밀도의 조건은, 전술한 바와 같은 이유이다.

고로 노 내에서의 환원철 성형체의 공급 위치도 중요한 기술이다. 본 발명자들은, 환원철 성형체를, 고로를 위에서 본 외주원의 내부에 있어서, 노 중심으로부터 직경의 2/3 이내인 위치에, 65% 이상의 환원철 성형체를 공급하는 것이 좋은 것을 발견했다. 환원철 성형체를 고로의 외주측에 많이 넣으면, 환원철 성형체는 광석 등과 비교해서 환원·용해가 빠르므로, 외주부의 충전물(바단)의 강하 속도가 지나치게 커져 버린다. 이 결과, 환원이 늦은 외주부의 광석이 미 환원인채로 노 하부에 도달해 버려, 노 하부가 과냉각되어 버리는 문제가 생긴다. 또한, 환원철 성형체를 노 중심부에 많이 공급하면, 노 중심부의 가스 흐름이 촉진되는 동시에, 충전물의 강하가 촉진되는 효과가 생긴다. 이것은, 환원철 성형체가 환원분화되지 않으므로, 충전물 속의 가스 압력 손출을 저감할 수 있는 것과, 환원철 성형체의 강하 속도가 큰 것이 원인이다. 이 결과, 중심부에서의 가스 흐름이 촉진되어 송풍량을 늘릴 수 있고, 또한 중심부에서의 충전물이 단시간에 환원된다. 이 결과, 고로에서의 선철 생산성(생산 t/d)을 향상할 수 있다.

이상에 기재한 환원철 성형체를 제철용 고로에 공급하는 양은, 용선 1톤당 150㎏ 이하의 비율로 함으로써, 고로의 선철 생산성을 향상할 수 있는 좋은 조건이 된다. 당연히, 이 이상의 양을 고로에 장입해도 좋지만, 이 경우에는 고로 샤프트 융착대의 위치가 지나치게 내려가 환원철 장입에 의한 선철 생산성의 향상 효과가 작아진다.

본 발명을 실시할 경우에는, RHF에서는 철의 금속화율이 55 내지 85%인 환원철 함유물을 제조하여, 이것을 열간 성형한 환원철 성형체를 고로에서 환원·용해하는 것이 좋다. RHF에서는, 환원 속도가 빨라 단시간에 산화철을 환원할 수 있다. 그러나 프로세스의 특성으로서, 노 내 분위기 가스에 이산화탄소가 어느 비율로 혼입되어 버린다. 이 결과, 철의 금속화율이 85% 이상인 고환원을 실시하기 위해서는, 노 내 온도를 1420℃ 이상, 반응 후의 환원철 함유물 속에 잔류 탄소를 5 질량% 이상으로 하는 것이 필요해진다. 이 결과, 철의 금속화율을 80%에서 90%로 향상하기 위해, 에너지 소비가 30% 증가하여, 경제적인 조업을 실시할 수 없다. 따라서, 철의 금속화율은 85% 이하, 바람직하게는 80% 이하로 하는 것이 좋다.

본 발명의 방법을, 도 2에 기재된 RHF 설비와 도 3에 기재된 핫 브리켓 장치를 연결한 설비를 이용하여, 원료 조건을 바꾸어 산화철의 환원·성형 처리를 실시했다. 또한, RHF는 노상 외경 24 미터, 처리 능력 24톤/시간의 것이며, 핫 브리켓 장치는 처리 능력 16톤/시간의 것이다. 또한, 이상의 설비에서 제조한 환원철 성형체를 4800 세제곱미터의 고로에 공급하여, 조업 결과를 조사했다. 이들의 결과를 표 1 내지 표 3에 기재한다.

원료의 분체의 성상을 표 1에 나타낸다. 원료 1은, 철강 프로세스로부터 회수된 산화철을 포함하는 더스트나 슬러지 등의 부산물을 원료로 한 것이며, 금속철이나 산화제일철을 포함하고, 불순물로서의 산화 금속 등이 많은 것이다. 탄소원은 가루 코크스(FC89 질량%)를 사용했다. 원료 2는, 산화제이철 주체의 분체와 무연탄(FC80 질량%, 휘발분 8 질량%)의 혼합물이다. 원료 3, 원료 2는 삼사산화철(마그네타이트)을 포함하는 산화제이철의 분체와 가루 코크스(FC89 질량%)의 혼합물이다. 또한, Fe 산화도(O/Fe)는 산화철과 화합되어 있는 산소와 T.Fe의 원소 비율을 나타내는 것이다.

[표 1]

RHF·열간 성형의 조업 조건과 핫 브리켓 아이언의 제조 결과를 표 2-1 및 표 2-2에 나타낸다. 또한, 원료는 모두 평균 14㎜의 구 형상의 펠릿으로서 RHF에 공급되었다. 표 2-1 및 표 2-2 중의 RHF1 내지 RHF3은, 원료 1을 사용하여, 다양한 온도 조건으로 RHF를 조업한 결과이다. 철의 금속화율은 68 내지 80%이며, 환원대의 가스 온도가 높을수록 철의 금속화율이 높게 되어 있다. 거기에 따른 잔류 탄소 비율이 저하되어 있다. 철 속 탄소 비율은 모두 1 질량% 이하로 낮았다. 성형체의 부피 밀도는 1.8 내지 2.3으로 본 발명의 적정한 범위였다. 이것을 성형 온도 510 내지 650℃에서 폭 12㎜, 길이 40㎜, 두께 7㎜의 브리켓으로 성형했다. 성형체는, 외관 밀도 4.5 내지 5.3g/㎤, 강도 10 내지 17 MPa로 고강도였다. 이 강도는, 고로에서 사용할 수 있는 하한치의 7MPa보다 컸다.

RHF 4는, 원료 2를 처리 시간 20분, 최고 온도 1350℃에서 조업한 결과이다. 금속화율 62%, 환원철 함유물 속의 금속철 비율 56%였다. 부피 비중 1.5g/㎤의 환원철 함유물이 생기고, 이것을 성형 온도 750℃에서 폭 40㎜, 길이 150㎜, 두께 25㎜인 대형 브리켓으로 성형했다. 성형체는 외관 밀도 4.7g/㎤, 강도 12MPa로 양호한 것이었다.

RHF 5, RHF 6은, 원료 3을 처리 시간 12분, 환원대 최고 온도 1300℃에서 조업한 결과와, 처리 시간 12분, 환원대 최고 온도 1410℃에서 조업한 결과이다. RHF 5에서는, 처리 시간이 짧고, 환원대 가스 온도도 중간 정도였으므로, 금속화율 59%, 환원철 함유물 속의 금속철 비율 54%로 금속철이 적은 것이었다. 한편, RHF 6에서는 처리 시간, 환원대 온도 모두 환원에 좋은 조건이었으므로, 금속화율 78%, 환원철 함유물 속의 금속철 비율 75%였다. 또한, 원료 3은 평균 입자 직경이 68 마이크로미터로 입자 직경이 컸기 때문에, 다른 원료보다도 환원 시간이 걸리는 것이었다. 이것을 성형 온도 550℃, 600℃에서 폭 30㎜, 길이 120㎜, 두께 20㎜로 성형했다. 성형체는 외관 밀도, 강도 모두 양호했다. 특히, RHF 6에서는 강도 18MPa의 고강도 성형체를 제조할 수 있었다. 또한, RHF 1 내지 RHF 6까지의 어떠한 경우도, 환원철 함유물의 철 입자의 평균 직경은 70 마이크로미터 이하로 양호한 조건 내였다. 또한, 1200℃ 이상의 온도 부분에서의 원료 성형체의 체류 시간은, 어떠한 조업 조건이라도 침탄 상한 시간 이하였다. 이 결과, 금속철의 탄소 함유율은 모두 2 질량% 이하였다.

[표 2-1]

[표 2-2]

RHF에서 제조한 환원철 성형체를 전술한 고로에서 환원·용해하는 것의 열 경제 평가를 행했다. 비교 데이터를 착취하는 재료로, 이 고로에서의 환원철 성형체를 사용하고 있지 않은 경우의 창업 결과를 고로 1에 기재한다. 환원재비(코크스 ＋ 미분탄)는 503㎏/t-hm이며, 선철 생산량은 10,058톤/일이었다. 동일한 조업 조건에 있어서, 환원철 성형체를 장입한 결과가 표 3의 고로 2 내지 고로 6에 기재되어 있다. 고로 2에서는, 고로 노 중심으로부터 2/3의 위치에 55% 장입했다. 이 조건은, 본 발명의 보다 좋은 조건인 고로 노 중심 부근에 보다 많은 환원철 성형체를 장입하는 것의 조건을 벗어나므로, 금속철 장입량당의 환원재 삭감과 선철 생산 증가량이 약간 적었다. 고로 3에서는, 고로에의 환원철 성형체의 공급량이 170㎏/t-hm으로 많으므로, 본 발명의 보다 좋은 조건을 벗어나므로, 역시 금속철 장입량당의 환원재 삭감과 선철 생산 증가량이 약간 적었다. 한편, 고로 4 내지 고로 6의 조업에서는, 모두 본 발명의 최적의 조건을 실현하고 있으므로, 환원재 삭감 비율이나 선철 생산량의 증가에 있어서는, 매우 양호한 결과가 되었다. 단, 고로 6에서는, HBI의 밀도가 상한에 가까웠으므로, 약간 환원 지연이 일어나 있었다.

[표 3]

고로에서의 조업이 양호했던 고로 5에서의 고로 조업의 에너지 소비량 변화와 RHF 4의 조건에서의 RHF의 사용 에너지를 비교하여, 그 경제성을 평가했다. RHF에서의 연료 에너지 단위(코크스로 가스 ＋ 탄소)는, 13.1GJ/kg-Fe이며, 설치되어 있는 보일러에서의 증기 회수 에너지와 전력 소비 에너지가 거의 상쇄되므로, RHF에서의 에너지 소비는 13.1GJ/kg-Fe였다. 표 3의 고로 선철 생산량의 변화로부터 계산하면, 고로의 환원철 성형체 1㎏당 0.85kg의 T.Fe가 있으며, 이 중 금속철의 0.59kg분의 선철이 거의 에너지 증분 없이 증산되어, 0.26kg분에 통상의 고로 소비 에너지 실적치(14.8GJ/kg-Fe)가 필요했다. 따라서 고로 소비 에너지는, 3.8GJ/kg-Fe가 된다. 따라서 RHF와 고로에서의 종합 에너지 소비는 16.9GJ/kg-Fe였다.

한편, 소결 설비와 고로의 조합 처리에 있어서는, 소결 설비의 에너지 소비량은 1.9GJ/kg-Fe이며, 소결 비율 80%로 조업하고 있었다. 이것에 고로 소비 에너지인 14.8GJ/kg-Fe를 더하면, 종합 에너지 소비는 16.7GJ/kg-Fe였다. 따라서, RHF 4의 조업 조건이면, RHF와 고로의 조합에서의 에너지 소비량과 소결 설비와 고로의 조합에서의 에너지 소비량이 거의 동등했다. 단, 소결 설비와 고로의 조합에서의 코크스 소비량(350kg/톤 선철)에서의 코크스 제조 에너지를 고려하면, 소결 설비와 고로의 조합 쪽이 0.6GJ/kg-Fe분의 소비 에너지가 많았다. 즉, RHF와 고로에서의 조합으로 본 발명에 기재되는 방법에서의 적정한 조건으로 조업을 행하면, 종래 제철법과 비교해서 에너지 소비를 적게 할 수 있다. 그 조건으로서는, RHF에서의 철의 금속화율이 55 내지 85%이다. 이 조건보다도 금속화율이 높아지면, RHF에서의 에너지 소비가 급속하게 증가하여, 고로에서 세이브할 수 있는 에너지량을 상회한다.

본 발명을 이용하면, RHF에서 산화철 분체나 제철 설비로부터 회수되는 산화철 함유 더스트를 적절하게 환원하는 동시에, 열간에서 성형하여, 양질인 형상의 환원철 성형체(핫 브리켓 아이언)를 제조할 수 있다. 또한, RHF에서 열간 성형기로 제조한 양질인 형상의 환원철 성형체는, 재산화되기 어려운 성상이며, 장기간의 보관이나 장거리 수송을 행할 수 있다. 이 환원철 성형체를 적정한 조건으로 고로에 공급함으로써, 고로에서의 코크스원 단위를 줄이는 동시에, 선철의 시간당 생산량을 늘릴 수 있다.

1 : 천장
2 : 측벽
3 : 차륜
4 : 노상
5 : 레일
6 : 버너
11 : 볼밀
12 : 조립 장치
13 : 회전로
14 : 배기 가스 덕트
15 : 보일러
16 : 열 교환기
17 : 집진 장치
18 : 굴뚝
21 : 원료 슈트
22 : 오목 형상 몰드
23 : 롤러
24 : 환원철 성형체

Claims (12)

1. 회전로상식 환원로에서, 전체 철을 40% 이상 포함하고, 또한 1200℃의 일산화탄소 분위기에서 환원되는 금속 산화물과 화합하고 있는 산소의 원자몰량에 대하여, 0.7 내지 1.5배의 원자몰량의 고정 탄소를 포함하고 있는 분체의 성형체를 환원할 때에,
   최고 온도 1200 내지 1420℃의 분위기에서, 환원체 내의 일산화탄소의, 이산화탄소에 대한 비를 0.3 내지 1.2로 하여, 금속철 비율을 50 질량% 이상, 또한 탄소 비율을 5 질량% 이하의 환원철 함유물을 제조하여,
   이 환원철 함유물을, 500 내지 800℃의 온도에서 롤러 형식의 몰드로 압축 성형하는 것을 특징으로 하는, 환원철 성형체의 제조 방법.
2. 제1항에 있어서, 함유하고 있는 금속철이 2 질량% 이하의 탄소 함유율인 상기 환원철 함유물을 압축 성형하는, 환원철 성형체의 제조 방법.
3. 제2항에 있어서, 1200℃ 이상의 평균 노 내 온도를 T(K)라 한 경우, 상기 분체의 성형체가 상기 회전로상식 환원로 중의 1200℃의 부분에 머무르는 시간이, t = 0.13*exp(7,800/T)에서 구해지는 침탄 상한 시간 t 이하인, 환원철 성형체의 제조 방법.
4. 제1항에 있어서, 평균 입자 직경이 70 마이크로미터 이하인 철 입자, 또는 평균 입자 직경이 70 마이크로미터 이하인 철 입자가 소결한 것을 함유하고 있는 상기 환원철 함유물을 압축 성형하는, 환원철 성형체의 제조 방법.
5. 제1항에 있어서, 산화철과 탄소를 포함하는 상기 분체의 성형체 속의 산화규소에 대한 산화칼슘의 질량비가 2.2 이하인, 환원철 성형체의 제조 방법.
6. 제1항에 있어서, 산화철과 탄소를 포함하는 상기 분체의 성형체 속의 산화마그네슘, 산화칼슘, 산화규소 및 산화철 중 전체 철의 함유율의 관계를, {(CaO 질량%)-(MgO 질량%)}/(T.Fe 질량%) < 0.1 또한 {(CaO 질량%)-(MgO 질량%)}/(SiO₂ 질량%) < 2.0로 하는, 환원철 성형체의 제조 방법.
7. 제1항에 있어서, 산화물을 5 내지 30 질량% 포함하고 또한 부피 밀도가 1.4 내지 2.8g/㎤인 상기 환원철 함유물을 압축 성형하는, 환원철 성형체의 제조 방법.
8. 제1항에 기재된 환원철 성형체의 제조 방법으로 제조된 환원철 성형체를, 제철용 고로에 공급해서 용융철을 제조하는 것을 특징으로 하는, 선철의 제조 방법.
9. 제8항에 있어서, 금속철 비율이 50 질량% 이상이고 또한 탄소 비율이 5 질량% 이하인 환원철 함유물을 제조하고,
   이 환원철 함유물을 롤러 형식의 몰드로 압축 성형한, 환산 직경이 7 내지 45 밀리미터이고 또한 외관 밀도가 4.2 내지 5.8g/㎤인 환원철 성형체를, 제철용 고로에 공급해서 용융철을 제조하는, 선철의 제조 방법.
10. 제8항에 있어서, 상기 환원철 성형체를 용선 1톤당 150㎏ 이하의 비율로 상기 제철용 고로에 공급해서 용융철을 제조하는, 선철의 제조 방법.
11. 제8항에 있어서, 상기 제철용 고로의 노 중심으로부터 직경의 2/3 이내의 위치에, 65% 이상의 상기 환원철 성형체를 공급해서 용융철을 제조하는, 선철의 제조 방법.
12. 제8항에 있어서, 상기 회전로상식 환원로에서, 철의 금속화율이 55 내지 85%의 상기 환원철 함유물을 제조하고,
    이 환원철 함유물을 열간에서 압축 성형해서 제조한 환원철 성형체를 제철용 고로에 장입해서 용융철을 제조하는, 선철의 제조 방법.

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