KR20100083837A - 용융 환원로에서 액체 선철 또는 액체 강 중간 생성물의 용융 및 제조 방법 - Google Patents

용융 환원로에서 액체 선철 또는 액체 강 중간 생성물의 용융 및 제조 방법 Download PDF

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지멘스 브이에이아이 메탈스 테크놀로지스 게엠베하 앤드 컴퍼니
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Abstract

본 발명은 용융 환원로에서 선철 또는 액체 강 중간 생성물의 용융 및 제조하는 방법 및 장치에 관한 것으로서, 산소 함유 가스는 산소 노즐을 통해 고체 층으로 유입된다. 본 발명에 따라, 하나 이상의 산소 노즐을 갖는 경우에 두 개 이상의 가스 스트림이 유입된다. 그 결과, 고체 층의 유동화 위험성이 감소되며 관로의 수가 증가된다.

Description

용융 환원로에서 액체 선철 또는 액체 강 중간 생성물의 용융 및 제조 방법 {METHOD FOR THE PRODUCTION AND THE MELTING OF LIQUID PIG IRON OR OF LIQUID STEEL INTERMEDIATE PRODUCTS IN A MELT-DOWN GASIFIER}
본 발명은 용융 환원로 내에서 액체 선철 또는 액체 강 중간 생성물을 용융 및 제조하는 방법과 장치에 관한 것이다.
이러한 형태의 방법에 있어서, 산화철 또는 예비 환원철 또는 이들의 혼합물이 철 함유 배치 재료(batch material)로서 용융 환원로에 추가되며 상기 용융 환원로에서 고체 탄소 캐리어로서의 탄소 함유 재료와 산소 함유 재료의 공급에 의해 상기 고체 탄소 캐리어로부터 형성되는 고체 층(solid bed) 내에서 용융되며, 상기 탄소 캐리어는 기화되어 CO-및 H-함유 환원 가스가 생성된다. 상기 산소 함유 가스는 소위 산소 노즐 거들(girdle)로 불리우는 다수의 산소 노즐을 통해서 고체 층으로 공급되며, 상기 산소 노즐은 용융 환원로의 노상(爐床) 영역에 있는 용융 환원로의 원주 위에 분포된다. 상기 산소 노즐은 용융 환원로의 금속 케이싱을 통해 관통하여 용융 환원로의 외측으로부터 산소 함유 가스를 공급한다. 상기 산소 함유 가스는 산소 또는 산소 함유 가스 혼합물일 수 있으며, 상기 용어 "산소 함유 가스" 및 "산소"는 이후 동의어로 사용된다.
액체 선철 또는 액체 강 중간 생성물을 제조하기 위한 용융 환원로의 능력 또는 용융 환원로의 용융 능력은 용융 환원로의 체적에 비례하여 증가한다. 용융 환원로의 직경의 확대, 즉 용융 환원로의 횡단면적의 확대는 높이가 일정할 때 용융 환원로의 체적을 증대시킨다. 용융 환원로의 능력이 횡단면적의 확대로 인해 증대되면, 산소 노즐 거들의 활성 영역은 용융 환원로의 횡단면적에 비해 상당히 적게 되는데, 이는 용융 가스화로 노상의 원주가 용융 가스화로 노상의 직경에 단지 선형으로 증대하나, 그 횡단면적이 용융 환원로 노상의 직경의 제곱에 비례하여 증대하기 때문이다. 용융 환원로의 금속 케이싱의 강도를 이유로, 산소 노즐 거들 내에 차례로 배열되는 산소 노즐과의 간격이 원하는 만큼 작게 제조될 수 없으므로, 설치가능한 산소 노즐의 수와 원주는 용융 환원로의 직경에 단지 선형으로 증대하는 반면에, 용융 능력은 적어도 용융 환원로 노상의 직경의 제곱에 비례하여 증대한다. 이러한 결과로 사용된 산소 노즐은 훨씬 더 많은 양의 산소 함유 가스를 용융 환원로의 내측으로 유도해야 한다.
관로(raceway)로서 알려진, 용융 환원로 내에서 고체 층의 코크스 또는 타르 층의 내측으로의 산소 제트의 관통 깊이가 증가하는 가스량에 비례하여 실질적으로 더 커지지 않기 때문에, 매우 높은 로컬 가스(local gas) 양이 유발되는 단점이 있다. 2500 ℃ 초과의 온도에서 진행되는 다음과 같은 높은 가스화 발열 반응으로 인한 가스 제트의 팽창 때문에, 고온 가스 스트림 상기 관로 내에 그리고 상기 관로 위의 폭넓은 영역에 유동층 형성 또는 유동화 상태를 유발한다.
C + 1/2 O2 → CO △H = - 110 KJ/몰
이러한 유체 역학적 유동 방법에서, 고체 미립자들이 강력하게 이동됨으로써, 고체 미립자들은 액체와 유사한 방식으로 거동하게 된다. 이러한 이유로, 용광로에서 일상적이었으며 에너지 교환 및 질량 전달 측면에서 장점이었던 역류가 용융 환원로에서 발생하는 환원 및 용융 공정에 적합하지 않은 교차 역류(cross counercurrent)로 된다. 추가의 단점은 이상적인 가스-고체 역류에 필요한 강렬한 고체 층이 이들 영역들에서 더 이상 발생하지 않는다는 점이다. 그 결과로써, 환원 정도 및 온도와 같은 상이한 특성을 갖는 철 광석 또는 해면철과 같은 재료들이 상이한 상태에 있는 슬래그, 괴광 및 탈가스된 석탄과 서로 혼합된다. 그러므로, 조절된 에너지 교환 및 질량 전달이 단지 매우 불완전하게 실행될 수 있다.
EP 0114040호에는 산소 노즐의 전방에 위치된 재료의 유동화를 노즐 레벨의 조정에 의해 방지할 수 있는 방법을 설명하고 있다. 이 경우에, 전술한 바와 같이 에너지 교환 및 질량 전달 측면에서 장점인 역류 관리에 대한 공정 기술 효과를 가질 수 있게 하는 고체 층을 형성하기 위해서 낮은 산소 노즐 레벨은 보다 작은 양의 산소 함유 가스를 공급한다. 그러나, 이러한 방법에 의해, 단지 제한된 양의 산소 함유 가스만이 유입될 수 있다. 상부 산소 노즐 거들을 통해 유입된 산소는 유동층을 발생한다.
오스트리아 특허 AT 382390B호의 명세서에 따른 플랜트는 조악한 입자의 배치 재료로 구성되는 고체 층에 제공되는 단지 하나의 산소 노즐 레벨만을 가진다. 그러나, 이러한 방법은 노상의 직경이 최대 약 7 m까지인 경우에만 성공적인데, 그 이유는 직경이 큰 경우에 전술한 유동화 효과가 발생하며, 유입될 산소 함유 가스의 양이 너무 많아서 안정한 고체 층을 가질 수 없게 하기 때문이다. 추가의 제한적인 특징은 미처리 석탄이 사용될 때, 그러한 석탄이 열분해 중에 유동화를 촉진시킬 수 있는 보다 작은 입자 크기로 분해된다는 점이다.
본 발명의 목적은 커다란 직경과 체적을 갖는 용융 환원로에서도 용융 환원로의 스틸 케이싱의 강도를 약화시킴이 없이 충분한 산소를 공급할 수 있으며 고체 층의 유동화를 방지 또는 감소시킬 수 있는 방법 및 장치를 제공하고자 하는 것이다.
이러한 목적은 산화철 또는 예비 환원철 또는 이들의 혼합물 및 산소 노즐을 통해 유입되는 산소 함유 가스에 의해 가스화되는 탄소 함유 재료의 공급에 의해, 용융 환원로 내의 고체 층에서 선철 및 강 중간 생성물을 용융 및 제조하는 방법에 의해 달성되는데, 상기 방법은 상기 산소 함유 가스가 상기 용융 환원로 또는 석탄 환원로의 내측으로, 하나 이상의 산소 노즐의 경우에 두 개 이상의 스트림으로 유입되는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 하나 이상의 산소 노즐의 경우에, 산소 함유 가스가 두 개 이상의 가스 스트림으로 환원로의 고체 층 내측으로 유도된다는 점에서 전술한 단점을 방지한다. 이러한 방법에 의해, 용융 환원로의 스틸 케이싱 내의 산소 노즐에 대한 동일한 수의 통로의 경우에도 고체 층 내측으로 보다 큰 범위로 관통하는 가스 스트림을 제공하는 것이 가능해 진다. 각각의 경우에 두 개 이상의 가스 스트림이 모든 산소 노즐로부터 유입되면, 산소 노즐 당 하나의 가스 스트림을 갖는 종래 기술의 해결책에 비해서 두 배의 가스 스트림 수가 제공된다. 따라서, 각각의 경우에 관로에 대한 유입 가스의 유동 체적이 낮아지는 결과로써, 광대한 유동화가 방지 또는 감소될 수 있다. 산소 노즐 당 동일한 세기의 두 개의 가스 스트림을 유입하는 경우에, 유입되는 가스의 유동 체적은 하나의 가스 스트림의 유입에 비해서, 예를 들어 반으로 감소된다. 산소 노즐 당 두 개보다 큰 가스 스트림이 산소 노즐들 중의 하나 또는 그보다 많거나 모든 산소 노즐로부터 유입되면, 유입되는 가스의 유동 체적은 상응하는 큰 범위로 감소된다. 두 개 이상의 가스 스트림의 유입은 산소 노즐들 중의 하나 또는 그보다 많거나 모든 산소 노즐의 경우에서 발생한다. 산소 노즐 당 두 개, 세 개, 네 개, 다섯 개, 여섯 개 또는 일곱 개의 가스 스트림이 고체 층 내측으로 유입될 수 있다. 바람직하게, 두 개 내지 네 개의 가스 스트림이 도입되는데, 그 이유는 그와 같은 수의 경우에 고체 층 내측으로 관로의 관통 깊이가 양호하고 개개의 관로가 겹치지 않기 때문이다. 일곱 개보다 많은 가스 스트림의 경우에, 관통 깊이가 낮고 개개의 관로가 겹칠 위험이 있다.
산소 노즐에 용융 환원로로부터의 산소 함유 가스가 공급된 이후에, 산소 함유 가스는 고체 층 내측으로 유입되기 이전에 산소 노즐을 통해 공급 가스 스트림으로서 유동한다. 상기 방법의 일 실시예에 따라, 고체 층 내측으로 유입되는 두 개 이상의 가스 스트림은 산소 함유 가스를 위한 단일 공급 가스 스트림으로부터 시작된다. 따라서, 산소 노즐로부터 유입되는 모든 가스 스트림은 공급 가스 스트림을 제어함으로써 동시에 제어될 수 있다. 상기 방법의 다른 실시예에 따라, 고체 층 내측으로 유입되는 두 개 이상의 가스 스트림은 각각의 경우에 특정 공급 가스 스트림으로부터 시작된다. 이는 대응하는 공급 가스 스트림을 제어함으로써, 산소 노즐로부터 유입되는 추가의 가스 스트림과 무관하게 각각의 유입 가스 스트림을 개별적으로 제어할 수 있게 한다. 상기 방법의 일 실시예에 따라, 상이한 유동 방향을 갖는 가스 스트림이 산소 노즐 오리피스로부터 나온다. 산소 노즐 오리피스로부터 하나의 유동 방향을 갖는 가스 스트림에 대한 종래 기술에 따른 유입에 비해서, 산소 함유 가스는 폭넓은 영역에 걸쳐서 고체 층 내측으로 유입되며, 하나의 유동 방향을 갖는 각각의 가스 스트림에 대해 각각의 경우에 더 작은 로컬 가스량을 갖는 특정 관로가 형성되며, 그에 따라 관로의 수를 증가시키고 유동화 위험성을 감소시킨다.
상기 방법의 다른 실시예에 따라, 각각의 가스 스트림은 특정 산소 노즐 오리피스로부터 나온다. 특정 관로가 각각의 산소 노즐 오리피스의 전방에 형성되므로, 그 결과로써 관로의 수가 증가하며, 또한 관로 당 유동 체적이 감소될 수 있다. 그 결과로써 고체 층의 유동화 위험성도 감소된다. 산소 노즐로부터 인접하게 제공되는 가스 스트림은 동일 또는 상이한 유동 방향을 가질 수 있다. 상기 개개의 가스 스트림에 기인된 관로가 서로로부터 충분한 거리에 있도록 보장하기 위해서, 바람직한 실시예에서 가스 스트림에 대한 유동 방향들은 서로에 대해 45도까지의 각도, 바람직하게 5도 내지 15도 범위의 각도를 형성한다. 그럼으로써 산소 노즐의 전방에 있는 용융 및 반응 구역의 균일하고 충분한 가스 반응이 발생한다. 상기 각도가 크면 클수록 동일한 산소 노즐의 전방에 존재하는 개개의 관로가 더욱 더 효율적으로 서로로부터 분리되나, 각도가 커지는 경우에 인접 산소 노즐의 전방에 있는 관로가 서로 겹쳐질 위험이 증가한다. 그러므로 상기 각도는 45도보다 크지 않아야 한다. 상기 각도는 서로에 대한 인접 산소 노즐의 근접도에 의존하는 것이 최선이다. 용융 환원로에서의 산소 노즐의 통상적인 수와 산소 노즐로부터 기인된 거리를 갖는 경우에, 상기 각도는 5도 내지 15도가 특히 유리하다. 상기 각도는 이러한 경우에, 수평면으로 돌출하는 유동 방향들 사이의 각도이다.
관로 당 유동 체적은 산소 노즐 당 하나의 가스 스트림을 갖는 공지된 방법에 비해서, 본 발명에 따른 방법이 수행될 때 작기 때문에, 관로의 환형 용융 지역 내의 로컬 가스 유동이 감소된다. 예를 들어, 동일한 체적의 산소 함유 가스가 하나의 가스 스트림 대신에 동일한 크기의 두 개의 가스 스트림으로 유입될 때, 로컬 가스 유동은 반으로 감소되며, 두 개보다 많은 가스 스트림의 유입의 경우에 로컬 가스 유동은 상응하는 보다 큰 범위로 감소된다. 로컬 가스 유동의 감소로 인해서, 가스 속도도 관로 바로 위의 지역에서 상응하게 감소되며, 그 결과로써 허용할 수 없는 배치 재료의 혼합이 최소화되고 유리한 가스-고체 역류가 보장된다.
고체 층 내측으로 유입되는 가스 스트림은 동일 또는 상이한 직경을 가질 수 있다. 이는 두 개보다 많은 가스 스트림이 사용될 때 가스 스트림이 상이한 직경을 갖는 경우에 바람직하다. 예를 들어, 3 개의 인접한 가스 스트림의 경우에, 어떤 직경을 갖는 중간 가스 스트림이 보다 작은 직경을 갖는 두 개의 가스 스트림에 의해 포위될 수 있으며, 상기 두 개의 가스 스트림은 동일한 직경을 가진다. 상기 중간 가스 스트림은 고체 층 내측으로 더욱 더 관통되며, 중간 가스 스트림의 관로가 인접한 보다 작은 직경의 가스 스트림의 관로와 겹쳐질 가능성은 적다. 바람직하게, 산소 함유 가스를 위한 각각의 공급 가스 스트림은 압력의 의미에서 그리고 유동 속도를 통한 양의 의미에서 조절될 수 있다. 그럼으로써 달성되는 것은 고체 층 내측으로 유입되고 물론 공급 가스 스트림에 의해 산소 함유 가스를 공급하는 가스 스트림이 압력의 의미에서 그리고 유동 속도를 통한 양의 의미에서 조절될 수 있다는 점이다.
본 발명에 따른 상기 방법의 일 실시예에 따라, 작은 양의 석탄이 또한, 산소 노즐을 통해 고체 층으로 분사된다. 그럼으로써 추가의 탄소 함유 재료가 고체 층으로 공급된다.
본 발명에 따른 상기 방법의 추가의 실시예에 따라, 산소 노즐의 작동이 검사 장치에 의해 모니터링된다. 그 결과로써, 산소 노즐의 상태가 체크될 수 있으며, 예를 들어 산소 노즐 오리피스의 시프트(shift)와 같은 적합하지 않은 사태의 경우에 규정 시간 내에 대응책이 개시되거나 산소 노즐이 정지된다.
본 발명에 따른 추가의 요지는 용융 환원로 또는 석탄 환원로의 고체 층 내측으로 산소 함유 가스를 공급하기 위한 산소 노즐에 있어서, 하나 이상의 산소 공급 도관 및 출구 오리피스를 갖는 두 개 이상의 산소 스트림 출구 도관을 포함하며, 각각의 상기 산소 스트림 출구 도관이 상기 하나 이상의 산소 공급 도관에 연결되는 것을 특징으로 한다. 상기 산소 노즐은 또한 3 개, 4 개, 5 개, 6 개 또는 7 개의 산소 스트림 출구 도관을 가질 수 있다. 상기 산소 노즐은 바람직하게 2 개 내지 4 개의 산소 스트림 출구 도관을 갖는데, 이는 그와 같은 수의 산소 스트림 출구 도관을 갖는 경우에 고체 층 내측으로 상기 산소 스트림 출구 도관의 전방에 형성되는 관로의 관통 깊이가 양호하며, 개개의 관로가 겹쳐지지 않기 때문이다. 7 개 이상의 산소 스트림 출구 도관을 갖는 경우에, 상기 관통 깊이가 작아지며 개개의 관로의 겹침 위험성이 있다.
본 발명에 따른 산소 노즐의 일 실시예에 따라, 두 개 이상의 산소 스트림 출구 도관이 동일한 산소 공급 도관에 연결된다. 즉, 산소 공급 도관은 두 개 이상의 산소 스트림 출구 도관으로 분기된다. 다른 실시예에 따라서, 상기 산소 스트림 출구 도관은 각각의 경우에 특정 산소 공급 도관에 연결된다.
본 발명에 따른 상기 산소 노즐의 일 실시예에 따라, 상기 산소 스트림 출구 도관의 출구 오리피스가 단일 산소 노즐 오리피스 내에 놓인다. 다른 실시예에 따라, 산소 스트림 출구 도관의 출구 오리피스는 각각의 경우에 특정 산소 노즐 오리피스를 형성한다.
일 실시예에 따라, 각각의 관로의 관통 깊이와 가스 양이 용융 환원로의 에너지 및 기하학적 요건에 적합하도록 두 개 이상의 산소 스트림 출구 도관을 갖는 산소 노즐에서 개개의 출구 오리피스의 직경은 상이하다.
상기 산소 스트림 출구의 출구 오리피스가 각각의 경우에 특정 산소 노즐 오리피스를 형성할 때, 인접 출구 오리피스들의 원주들 사이의 거리가 출구 오리피스들 중의 하나의 출구 오리피스 직경의 세 배의 크기인 경우에 바람직하다. 상이한 크기의 출구 오리피스 직경의 경우에, 이는 보다 작은 출구 오리피스 직경에도 적용된다. 3 개의 출구 오리피스를 갖는 예에서, 중앙 출구 오리피스는 보다 작은, 즉 예를 들어 보다 작은 직경을 갖는 두 개의 출구 오리피스에 의해 포위되며, 각각의 경우에 상기 두 개의 출구 오리피스의 직경은 동일하다. 이러한 경우에 보다 큰 거리는 냉각 도관을 수용하기 위해 산소 노즐 내에 충분한 벽 두께를 가져야 하는 문제점이 여전히 존재한다. 본 발명에 따른 산소 노즐의 일 실시예에 따라, 출구 오리피스에서 종결되는 산소 스트림 출구 도관의 이들 부분들에 대한 중앙 축은 서로에 대해 최대 45도까지의 각도, 바람직하게 5도 내지 15도의 각도를 형성한다. 상기 각도가 크면 클수록 동일한 산소 노즐의 전방에 존재하는 개개의 관로가 더욱 더 효율적으로 서로로부터 분리되나, 각도가 커지는 경우에 인접 산소 노즐의 전방에 있는 관로가 서로 겹쳐질 위험이 증가한다. 그러므로 상기 각도는 45도보다 크지 않아야 한다. 상기 각도는 서로에 대한 인접 산소 노즐의 근접도에 의존하는 것이 최선이다. 용융 환원로에서의 산소 노즐의 통상적인 수와 산소 노즐로부터 기인된 거리를 갖는 경우에, 상기 각도는 5도 내지 15도가 특히 유리하다. 상기 각도는 이러한 경우에, 수평면으로 돌출하는 중앙 축들 사이의 각도이다.
바람직하게, 각각의 산소 공급 도관에는 유입되는 산소 함유 가스의 압력, 유속, 및 양을 조절하기 위한 조절 장치가 제공된다.
바람직하게, 상기 산소 노즐은 산소 스트림 출구 도관 및 이들의 출구 오리피스를 관찰하기 위한 검사 장치를 포함한다.
추가의 실시예에 따라, 상기 산소 노즐은 소량의 석탄을 분사하기 위한 장치를 포함한다.
본 발명은 이후에, 예시적인 실시예를 도시하고 있는 개략적인 도면에 의해 설명된다.
도 1은 용융 환원로의 노상 영역에서의 용융 환원로의 일부 횡단면도이며,
도 2는 산소 노즐의 횡단면도이며,
도 3a는 2 개의 산소 스트림 출구 도관의 실시예에 대한 개략적인 정면도이며,
도 3b는 도 3a의 산소 노즐의 종단면도이며,
도 4a는 산소 노즐의 정면도이며,
도 4b는 도 4a에 도시된 산소 노즐을 통한 선 A-A'에 따른 평면도이다.
예로서 도시한 산소 노즐(1a,1b,1c)은 용광로의 풍구와 유사한 방식으로, 용융 환원로의 원주(U)에 있는 노상에 특정 거리(d)로 환형으로 배열되며 도시 않은 공급 라인을 통해 외측으로부터 산소 함유 가스를 공급한다. 보다 더 명확히 하기 위해, 단지 3 개의 산소 노즐(1a,1b,1c)만이 도시되어 있다. 상기 용융 환원로는 반경(R)을 가진다. 일반적으로 100 m/s 초과의 고속의 가스 속도로 인해, 전술한 관로가 산소 노즐 전반에 형성된다. 여기서 매우 큰 발열 반응인 탄소 함유 재료로의 환원이 발생되며 배치 재료를 용융시키는 역할을 한다. 상기 노즐들은 2000 ℃까지 그리고 2000 ℃ 초과의 초 고온에 견딜 수 있어야 하므로 액체-냉각되거나 적합한 내화성 재료로 제조되어야 한다. 상기 산소 함유 가스는 각각의 산소 노즐(1a,1b,1c) 내에 두 개의 가스 스트림으로 고체 층으로 유입되며, 그 결과로써 두 개의 관로(2a,2b)가 각각의 산소 노즐(1a,1b,1c)의 전방에 형성된다. 인접되게 나오는 가스 스트림과 그에 따른 대응 관로들의 유동 방향은 수평면, 이 경우에는 예를 들어 지면으로 돌출하는, 서로에 대해 각도를 형성한다. 상기 산소 스트림 출구 도관의 출구 오리피스는 각각의 경우에 특정 산소 노즐 오리피스를 형성한다.
도 2는 산소 노즐(1)의 횡단면도이다. 상기 산소 노즐(1)은 산소 노즐의 선단과 몸체를 냉각시키기 위한 냉각 도관(3)을 가진다. 냉각을 위해, 냉각제가 이들 냉각 도관(3)을 통해 유동한다. 상기 산소 노즐이 용융 환원로의 외측으로부터 산소 함유 가스를 공급한 이후에, 상기 산소 함유 가스는 두 개의 산소 스트림 출구 도관(5a,5b)을 통해 고체 층 내측으로 도입되어 산소 공급 도관(4) 및 출구 오리피스(6a,6b)로부터 분기되기 이전에, 산소 공급 도관(4)을 통해 공급 가스 스트림으로서 유동한다. 상기 산소 스트림 출구 도관 및 이들의 출구 오리피스는 검사 장치로서 검사 창(7)을 통해서 관찰될 수 있다. 상기 노즐 기능을 모니터링하기 위한 그와 같은 검사 장치는 직선의 산소 스트림 출구 도관에 의해서도 가능하다. 산소 노즐의 몸체를 관통하여 관로의 측면에 있는 출구 오리피스의 바로 근처에서 종결되는, 소량의 석탄을 분사하기 위한 선택적으로 존재하는 장치들은 도시되어 있지 않다.
도 3a는 2 개의 산소 스트림 출구 도관을 갖는 산소 노즐의 실시예에 대한 개략적인 정면도이며, 상기 산소 스트림 출구 도관의 출구 오리피스(8,9)는 각각의 경우에 특정 산소 노즐 오리피스를 형성한다. 상기 2 개의 산소 스트림 출구 도관은 각각의 경우에 특정 산소 공급 도관에 연결된다. 상기 산소 스트림 출구 도관과 산소 공급 도관은 동일한 방향을 가진다. 수평면 상으로 돌출하는 산소 스트림 출구 도관의 두 방향은 서로 교차된다. 이러한 실시예의 장점은 각각의 출구 오리피스(8,9)를 통과하는 가스를 개별적으로 조절할 수 있다는 점이다. 도 3b는 산소 노즐의 몸체 및 선단을 냉각하기 위한 냉각 도관(10)을 갖는 도 3a의 산소 노즐에 대한 종단면도이다.
도 4a는 산소 스트림 출구 도관의 출구 오리피스(11,12,13,14)가 산소 노즐 오리피스(15) 내에 놓이는 산소 노즐의 정면도를 도시한다. 산소 노즐 오리피스는 슬릿(slit)-형상이며 수평으로 배열된다. 도 4b는 도 4a에 도시된 산소 노즐을 통한 선 A-A'에 따른 평면도를 도시한다. 4 개의 산소 스트림 출구 도관(19,20,21,22)이 3 개의 안내 판(16,17,18)에 의해 한정되어 있다. 이들로부터 나오는 가스 스트림들은 상이한 유동 방향들을 가진다.
상이한 용융 능력을 갖는 용융 환원로에 대한 특정 값들이 아래에서 비교된다. 이러한 경우에서, 사용된 용어들은 다음과 같은 의미를 가진다.
- 절대 용융 능력 (톤/일)
이 값은 정상적인 작동으로 하루에 생성되는 선철의 양을 나타낸다.
- 특정 노상의 적재량(specific hearth load) (톤/㎡, 일)
이는 용융 환원로의 1 제곱 미터의 노상 면적과 관련된 선철의 절대 용융 능력이다. 이 값은 예비 환원로의 에너지 세기에 대한 특징을 부여한다.
- 관로의 개별 용융 능력 (톤/일)
이 값은 개별 관로의 선철의 용융 능력에 대한 특징을 부여한다.
유리한 조건들은 관로의 개별 용융 능력에 대한 값과 특정 노상의 적재량에 대한 값이 대략 동일할 때 성공적이다.
산소 함유 가스의 가스 스트림이 산소 노즐을 따라 고체 층으로 유입되는 종래의 산소 노즐을 갖는 용융 환원로의 예:
예 1 : 1000 톤의 선철/일의 절대 용융 능력을 갖는 용융 환원로는 다음 변수들을 특징으로 한다.
관로의 총수 : 20
산소 노즐의 총수 : 20
절대 용융 능력 : 1000 톤/일
노상 직경 : 5.5 m
관로의 개별 용융 능력 : 50 톤/일
특정 노상 적재량 : 45 톤/㎡, 일
예 2 : 2500 톤의 선철/일의 절대 용융 능력을 갖는 용융 환원로는 다음 변수들을 특징으로 한다.
관로의 총수 : 28
산소 노즐의 총수 : 28
절대 용융 능력 : 2500 톤/일
노상 직경 : 7.5 m
관로의 개별 용융 능력 : 89 톤/일
특정 노상 적재량 : 57 톤/㎡, 일
예 3 : 4000 톤의 선철/일의 절대 용융 능력을 갖는 용융 환원로는 다음 변수들을 특징으로 한다.
관로의 총수 : 30
산소 노즐의 총수 : 30
절대 용융 능력 : 4000 톤/일
노상 직경 : 8.9 m
관로의 개별 용융 능력 : 133 톤/일
특정 노상 적재량 : 65 톤/㎡, 일
예 4 : 5800 톤의 선철/일의 절대 용융 능력을 갖는 용융 환원로는 다음 변수들을 특징으로 한다.
관로의 총수 : 34
산소 노즐의 총수 : 34
절대 용융 능력 : 5800 톤/일
노상 직경 : 10.2 m
관로의 개별 용융 능력 : 171 톤/일
특정 노상 적재량 : 71 톤/㎡, 일
상기 예들로부터 알 수 있듯이, 관로의 개별적인 용융 능력은 특정 노상 적재량에 극도로 비례한다. 보다 높은 용융 능력은 탄소와 산소의 보다 높은 반응에 의해 달성되는 보다 높은 에너지의 유입을 필요로 한다. 일산화탄소에 대해 발생된 가스화 가스의 양은 공급된 산소의 양의 증가에 비례하여 나타난다. 가스 양의 증가는 관로 위에 더욱 증가된 유동화 지역의 형성을 초래하며, 이는 용융 환원로에서 질량 전달 및 에너지 교환의 안정성에 악영향을 끼친다. 예 1 및 예 2에 나타낸 바와 같이, 적합한 조건들이 대형 유닛에 대해서도 달성될 수 있도록, 안정성의 이유로 현재의 설비에 가능한 것보다 더 많은 노즐이 제공되어야 한다.
본 발명에 따라, 단지 하나의 가스 스트림만이 나오는 산소 노즐 대신에, 두 개 이상의 가스 스트림이 고체 층으로 유입되는 산소 노즐들이 설치된다. 따라서, 산소 함유 가스와 탄소 함유 재료의 반응의 결과로써 유입되는 가스 스트림에 대하여 방출되는 에너지가 낮아질 수 있다. 동시에, 에너지의 유입은 용융 환원로의 원주에 걸쳐서 더욱 균일하게 분포된다.
본 발명에 따른 산소 노즐을 갖는 예:
예 5: 2500 톤의 선철/일의 절대 용융 능력을 갖는 용융 환원로:
양호한 적재 분포의 경우에, 본 발명에 따른 산소 노즐은 고체 층 내에 양호한 조건들을 달성하는데 절대적으로 필요하지 않으나, 적합하지 않은 천연 재료의 경우에 유입되는 가스 스트림을 28로부터 42로 50% 상승시키는 것이 유리하다. 이는 종래의 산소 노즐과 본 발명에 따른 산소 노즐의 교대 배열에 의해 달성될 수 있다.
산소 노즐의 총수: 28
관로의 총수: 42
이에 따라 다음과 같은 특징적인 양들이 얻어졌다.
관로의 개별 용융 능력: 59 톤/일
특정 노상 적재량: 57 톤/㎡, 일
상기 두 값들은 이러한 방식에 의해 다시 적합해진다.
예 6: 4000 톤의 선철/일의 절대 용융 능력을 갖는 용융 환원로:
이 경우에, 종래 기술의 산소 노즐이 사용될 때 관로의 개별 용융 능력 및 특정 노상 적재량에 대한 값들의 편차가 현저히, 정확히 133 에서 65로 상이하다. 이 경우에는 관로의 수를 두 배로 하는 것이 목적이다. 이는 본 발명에 따른 산소 노즐만을 단독으로 사용함으로써 달성되며, 이러한 본 발명으로부터 각각의 경우에 2 개의 가스 스트림이 고체 층 내측으로 유입된다.
산소 노즐의 총수: 30
관로의 총수: 60
다음과 같은 특징적인 양들이 얻어졌다.
관로의 개별 용융 능력: 67 톤/일
특정 노상 적재량: 65 톤/㎡, 일
상기 두 값들은 이러한 방식에 의해 다시 적합해진다.
본 발명에 따른 산소 노즐의 추가 장점은 용융 환원로의 변경 없이도 현재의 용융 환원로에 개장(retro-fit)될 수 있다는 점이다.
1, 1a, 1b, 1c : 산소 노즐
2a, 2b : 관로
3 : 냉각 도관
4 : 산소 공급 도관
5a, 5b : 산소 스트림 출구 도관
6 : 출구 오리피스
7 : 검사 창
8 : 출구 오리피스
9 : 출구 오리피스
10 : 냉각 도관
11 : 출구 오리피스
12 : 출구 오리피스
13 : 출구 오리피스
14 : 출구 오리피스
15 : 산소 노즐 오리피스
16 : 안내판
17 : 안내판
18 : 안내판
19 : 산소 스트림 출구 도관
20 : 산소 스트림 출구 도관
21 : 산소 스트림 출구 도관
22 : 산소 스트림 출구 도관

Claims (21)

  1. 산화철 또는 예비 환원철 또는 이들의 혼합물 및 산소 노즐을 통해 유입되는 산소 함유 가스에 의해 가스화되는 탄소 함유 재료의 공급에 의해, 용융 환원로 내의 고체 층에서 선철 및 강 중간 생성물을 용융 및 제조하는 방법에 있어서,
    상기 산소 함유 가스는 상기 용융 환원로 또는 석탄 환원로의 고체층 내측으로, 하나 이상의 산소 노즐의 경우에 두 개 이상의 스트림으로 유입되는 것을 특징으로 하는,
    선철 및 강 중간 생성물을 용융 및 제조하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 두 개 이상의 가스 스트림은 산소 함유 가스용 단일 공급 가스 스트림으로부터 시작되는 것을 특징으로 하는,
    선철 및 강 중간 생성물을 용융 및 제조하는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 두 개 이상의 가스 스트림은 산소 함유 가스용 특정 공급 가스 스트림으로부터 각각 시작되는 것을 특징으로 하는,
    선철 및 강 중간 생성물을 용융 및 제조하는 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상이한 유동 방향들을 갖는 가스 스트림들이 산소 노즐 오리피스로부터 나오는 것을 특징으로 하는,
    선철 및 강 중간 생성물을 용융 및 제조하는 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    각각의 가스 스트림이 특정 산소 노즐 오리피스로부터 나오는 것을 특징으로 하는,
    선철 및 강 중간 생성물을 용융 및 제조하는 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    인접되게 나오는 가스 스트림의 유동 방향들은 서로에 대해 최대 45도, 바람직하게 5도 내지 15도의 각도를 형성하는 것을 특징으로 하는,
    선철 및 강 중간 생성물을 용융 및 제조하는 방법.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    두 개 이상의 가스 스트림들이 사용될 때, 상기 가스 스트림들은 상이한 직경을 가지는 것을 특징으로 하는,
    선철 및 강 중간 생성물을 용융 및 제조하는 방법.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    산소 함유 가스용 각각의 공급 가스 스트림은 양 및 압력의 측면에서 조절될 수 있는 것을 특징으로 하는,
    선철 및 강 중간 생성물을 용융 및 제조하는 방법.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    소량의 석탄이 또한 상기 산소 노즐을 통해 상기 고체 층으로 분사되는 것을 특징으로 하는,
    선철 및 강 중간 생성물을 용융 및 제조하는 방법.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 산소 노즐의 작동은 검사 구멍을 통해서 모니터링되는 것을 특징으로 하는,
    선철 및 강 중간 생성물을 용융 및 제조하는 방법.
  11. 용융 환원로 또는 석탄 환원로의 고체 층 내측으로 산소 함유 가스를 공급하기 위한 산소 노즐에 있어서,
    하나 이상의 산소 공급 도관 및 출구 오리피스를 갖는 두 개 이상의 산소 스트림 출구 도관을 포함하며, 각각의 상기 산소 스트림 출구 도관이 상기 하나 이상의 산소 공급 도관에 연결되는 것을 특징으로 하는,
    산소 노즐.
  12. 제 11 항에 있어서,
    두 개 이상의 산소 스트림 출구 도관이 상기 동일한 산소 공급 도관에 연결되는 것을 특징으로 하는,
    산소 노즐.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 산소 스트림 출구 도관은 특정 산소 공급 도관에 각각 연결되는 것을 특징으로 하는,
    산소 노즐.
  14. 제 11 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 산소 스트림 출구 도관의 출구 오리피스들은 단일 산소 노즐 오리피스 내에 놓이는 것을 특징으로 하는,
    산소 노즐.
  15. 제 11 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 산소 스트림 출구 도관의 출구 오리피스들은 특정 산소 노즐 오리피스를 각각 형성하는 것을 특징으로 하는,
    산소 노즐.
  16. 제 11 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    두 개 이상의 산소 스트림 출구 도관의 경우에, 상기 개별 출구 오리피스들의 직경들은 상이한 것을 특징으로 하는,
    산소 노즐.
  17. 제 15 항 또는 제 16 항에 있어서,
    인접한 출구 오리피스들의 원주 사이의 거리는 상기 출구 오리피스들 중의 하나의 출구 오리피스 직경의 세배인 것을 특징으로 하는,
    산소 노즐.
  18. 제 11 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 출구 오리피스에서 종결되는 상기 산소 스트림 출구 도관의 부분들에 대한 중심 축은 서로에 대해 최대 45도, 바람직하게 5도 내지 15도의 각도를 형성하는 것을 특징으로 하는,
    산소 노즐.
  19. 제 11 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서,
    각각의 산소 공급 도관에는 유입되는 상기 산소 함유 가스의 압력과 양을 조절하기 위한 조절 장치가 제공되는 것을 특징으로 하는,
    산소 노즐.
  20. 제 11 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 산소 스트림 출구 도관 및 상기 산소 스트림 출구 도관의 출구 오리피스를 관찰하기 위한 검사 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    산소 노즐.
  21. 제 11 항 내지 제 20 항 중 어느 한 항에 있어서,
    소량의 석탄을 검사하기 위한 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    산소 노즐.
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