KR20110051292A

KR20110051292A - 함탄 비소성 펠릿을 사용하는 고로 조업 방법

Info

Publication number: KR20110051292A
Application number: KR1020117008074A
Authority: KR
Inventors: 겐이찌 히구찌; 다까시 시노하라; 다께시 노다
Original assignee: 신닛뽄세이테쯔 카부시키카이샤
Priority date: 2008-10-10
Filing date: 2009-10-09
Publication date: 2011-05-17
Also published as: EP2336371A1; BRPI0920547B1; JP4603628B2; WO2010041770A1; KR101211302B1; EP2336371B8; UA97916C2; CN102177256B; CN102177256A; JPWO2010041770A1; BRPI0920547A2; EP2336371A4; RU2011117324A; EP2336371B1

Abstract

본 발명은, 철 함유 원소로서 소성 펠릿을 다량으로 사용하는 고로 조업에 있어서, 함탄 비소성 펠릿을 소성 펠릿에 혼합하여 환원성이 떨어지는 소성 펠릿에 근접시켜 장입함으로써, 노 내의 융착대 근방에서의 환원 지연 부위를 없애고, 얇은 융착대 구조로 함으로써, 고로 조업시의 연료 원단위의 저감 효과가 대폭 발휘되는 고로 조업 방법이며, 고로의 노정으로부터 철 함유 원료와 코크스를 교대로 층상으로 장입하는 고로 조업 방법에 있어서, (i) 미리 함탄 비소성 펠릿과 소성 펠릿을 혼합하여, 상기 함탄 비소성 펠릿과 상기 소성 펠릿의 혼합물을, 상기 철 함유 원료층의 일부로 대체하도록 장입하고, 또한 (ii) 상기 함탄 비소성 펠릿의 사용 원단위 R(㎏/tp)과 소성 펠릿의 사용 원단위 P(㎏/tp)의 비 R(㎏/tp)/P(㎏/tp)가 0.09 내지 0.31로 되도록 상기 함탄 비소성 펠릿과 상기 소성 펠릿의 혼합 비율을 조정한다.

Description

함탄 비소성 펠릿을 사용하는 고로 조업 방법{BLAST FURNACE OPERATING METHOD USING CARBON-CONTAINING UNFIRED PELLETS}

본 발명은, 함유 카본에 의한 자기 환원성을 높인 함탄 비소성 펠릿을 제조하여, 고로에 다른 주 원료와 함께 노정(爐頂)으로부터 장입함으로써, 노 내의 저반응성 부위를 선택적으로 개선하여, 고로의 환원재비(還元材比)를 저감시키는 고로의 조업 방법에 관한 것이다.

일반적인 고로 조업에 있어서는, 철 함유 원료로서, 소결광, 소성 펠릿, 괴광석이 사용되고 있다. 일본 국내에서는 소결광 사용 비율이 가장 높고, 그 비율은 70 내지 90％이다. 한편, 소성 펠릿도 5 내지 20％ 사용되고 있다. 이들 철 함유 원료는, 광석조로부터 잘라내어져, 고로의 노정점으로부터 노 내로 장입되는 단계에서, 입도나, 겉보기 비중, 형상의 차이로부터 편석 작용을 받는다.

이들 함철 장입물은, 고로 내에서 괴코크스와 층상으로 되도록, 차례로 노정부로부터 장입된다. 또한, 이때, 노 내에서의 철 함유 원료의 환원을 촉진하고, 또한 고온 융착 상태에서의 통기 저항을 저감시킬 목적으로, 소립 또는 중립의 소괴 코크스를 철 함유 원료와 혼합하는 것도 일반적으로 행해지고 있다.

철 함유 원료의 고로 내의 환원 과정에 있어서, 환원 속도가 가장 느린 것은, 뷔스타이트(FeO)로부터 철(Fe)로의 환원 단계이고, 이 반응은 고로 샤프트부의 800℃ 이상의 온도 영역에서 일어난다. 이 반응은, 가스 조성의 영향이 크고, 1000℃ 부근의 온도에서 일어나는 코크스의 가스화 반응(솔루션 로스 반응)의 대소에 의해, 속도가 율속되어 있다.

미립의 카본 원료와 산화철이 근접하고 있는 함탄 비소성 펠릿은, 그 함탄 펠릿 자신의 환원성이 우수할 뿐만 아니라, 카본 함유량을, 어느 일정량 이상 함유하므로, 그 높은 코크스 반응성에 의해, 함철 함유 원료의 환원성이 비약적으로 향상되는 것이 알려져 있다.

고로용 철 함유 원료는, 약 2 내지 3㎜의 평균 입도의 분말상 철광석을 주요한 철 함유 원료로 하고, 이것에, 석회석, 규석 등의 부 원료, 분말 코크스, 무연탄 등의 탄재를 배합하고, 또한 수분을 첨가하여 혼합, 조립(造粒)하여 의사 입자로 하고, 그 후, 소결기에서 원료 중의 탄재를 열원으로 하여, 가열, 소결하여 얻어지는 소결광이 주류를 차지하고 있다.

이 방법에 있어서의 소결 원료의 의사 입자는, 주로, 입경이 약 1㎜ 이상인 거친 입자를 핵으로 하고, 이 주위에, 입경이 약 0.5 내지 1㎜ 미만인 미분 입자가 부착된 조립물로 된다. 이 의사 입자는, 소결기 내의 소결 원료 충전층의 통기성을 유지하고, 소결 반응을 양호하게 진행시키기 위해, 소결 원료의 장입시나, 또한 가열ㆍ건조되어, 소결될 때까지의 동안에 붕괴되지 않을 만큼의 냉간 강도가 요구된다.

통상, 소결 원료를 의사 입자로 조립하기 위해서는, 드럼 믹서를 사용하여, 소결 원료의 혼합과 함께 조립을 행하는 경우가 많다.

한편, 제철 프로세스에 있어서 다량으로 발생하는 소결 더스트, 고로 더스트 등을 집진기 등으로 회수한 함철 더스트, 또한 슬러지, 스케일 분말 등의 미분의 더스트(이들은, 일반적으로 제철 더스트라 칭함)나, 펠릿 피드(펠릿용 원료) 등의 미분상 원료도, 철 함유 원료로서 사용된다.

그러나 이들 미분 원료는, 입경 0.25mm 이하의 미분 입자가 전체의 80％ 이상을 차지하므로, 이들을 소결 원료로서 사용하는 경우에는, 미분 입자에 의한 원료 충전층의 통기성 악화, 생산성 저하 등의 문제가 발생하기 쉽다.

이러한 미분상 원료를, 주요한 철 함유 원료로서 소결하는 경우에는, 미리 혼합기를 사용하여 철 함유 원료와 부 원료에 수분을 첨가하여 혼합한 후, 또한 드럼 믹서에 비해 조립 강도가 높은 디스크 펠레타이저 등의 조립기를 사용하여, 입경 0.25mm 이하의 미분 입자를 주체로 하는 구 형상의 생 펠릿을 제조하고, 그 후, 연소 가스 등을 열원으로 하는 외부 가열형 소결기를 사용하여 소결을 행하여, 소성 펠릿을 제조한다.

한편, 미분상 원료는, 조립하여 생 펠릿으로 한 후, 양생(생석회 등의 수화 반응이나 탄산 염화 처리)에 의해 조립물의 강도를 높인 후, 소결하지 않고, 그대로 고로용 철 원료로서 사용하는 비소성 펠릿도 오래 전부터 알려져 있다.

비소성 펠릿의 제조 방법으로서는, 고로 2차회(second ash), 전로 더스트, 소결 더스트, 슬러리 등의 제철소에서 발생하는 제철 더스트를 생 펠릿으로 조립할 때에, 더스트의 입도 분포를 적정 범위로 조정하고, 생석회, 시멘트 등의 결합재(바인더)와 5 내지 15％의 수분을 첨가하고, 디스크 펠레타이저 등에 의해 조립하여 생 펠릿을 제조한 후, 야드 퇴적 등에 의해 수일간 양생(CaO계 바인더의 수화 반응, 탄산 염화 반응의 촉진)하여 경화시키는 콜드 본드 펠릿의 제조 방법이 알려져 있다(예를 들어, 특허 문헌 1 참조).

또한, 최근 고로 조업에 있어서의 환원재비의 저감을 목적으로 하여, 상기 비소성 펠릿 프로세스를 이용하여, 탄소 함유량이 높은 비소성 펠릿을 제조하는 방법도 제안되어 있다(예를 들어, 특허 문헌 2 내지 5 참조).

예를 들어, 함산화철 원료와 카본계 탄재를 배합하고 바인더를 가하여 혼련, 성형, 양생하여 이루어지는 카본 내장 비소성 펠릿에 있어서, 철광석류의 산화철을 환원하여 금속철로 하기 위해 필요한 이론 탄소량의 80 내지 120％의 카본을 함유하고, 또한 상온에서의 압궤 강도 7850kN/㎡(80㎏/㎠) 이상으로 되도록 바인더를 선택하여 혼합, 성형, 양생하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 고로용 카본 내장 비소성 펠릿 및 그 제조 방법이 제안되어 있다(예를 들어, 특허 문헌 2 참조).

이 방법에 따르면, 일반적으로 환원 가스의 온도와 가스 조성[ηCO＝CO₂/(CO＋CO₂)]의 관계로부터, 산화철의 환원 반응의 진행이 제약되는 고로 샤프트부의 열보존대와 환원 반응 평형대에 있어서도, 900 내지 1100℃의 온도 영역에서, 비소성 펠릿 중의 산화철은, 내장되는 카본에 의해 환원 반응을 일으키는 결과, 환원율이 향상되므로, 고로 조업시의 환원재비의 저감 효과를 기대할 수 있다.

그러나 이들 방법에서는, 비소성 펠릿에 내장되는 C 함유량은, 산화광을 환원하여 금속철로 하기 위해 필요한 이론 탄소량(이하, C당량이라고 하는 경우가 있음)으로 120％ 이하[전체 카본 함유량(T.C)은, 약 15질량％ 이하에 상당함]로 제한되고, 이 이상 C 함유량을 증가시키면, 비소성 펠릿의 냉간 압궤 강도 및 열간 강도가 손상된다고 하는 문제가 있었다.

또한, 이들 방법에서는, 탄재를 내장한 비소성 펠릿의 냉간 압궤 강도를 유지하기 위해, 생석회 대신에, 조강(早强) 포틀랜드 시멘트 등의 시멘트계의 바인더를 사용하므로, 바인더의 첨가량을 증가시키면 흡열 반응인 시멘트의 탈수 반응에 의해 고로 내의 샤프트부에서의 승온 속도가 저하될 뿐만 아니라, 저온에서의 환원 정체 영역(저온 열보존대)을 발생시켜, 고로용 철 원료로서 장입하는 소결광의 고로 내의 환원 분화를 조장시켜 버리는 점이 문제였다.

또한, 탄재와 철광석으로 이루어지는 탄재 내장 비소성 펠릿이며, 탄재의 연화 용융시의 최고 유동도와 철광석의 10㎛ 이하의 산화철 입자의 비율의 관계를 규정한, 환원성과 환원 후의 강도가 우수한 탄재 내장 비소성 펠릿이 제안되어 있다(예를 들어, 특허 문헌 3 참조).

이 방법에 따르면, 탄재 내장 비소성 펠릿 중의 탄재가 260 내지 550℃의 온도 영역에서 연화 용융, 고화되는 것을 이용하여, 산화철 입자간의 공극에 용융된 탄재를 침입, 고화시켜, 탄재와 산화철의 접촉 면적을 크게 하고, 열전도성을 개선하여 환원 효율을 높이는 동시에, 산화철 입자끼리의 결합을 강화함으로써 환원 후의 강도(열간 강도)도 향상시킬 수 있다.

그러나 이 방법에 의해, 탄재 내장 비소성 펠릿의 피환원성과 환원 후의 강도(열간 강도)를 향상시키기 위해서는, 최고 유동도가 높은 석탄류를 탄재로서 이용해야 하므로, 에너지 절약, 자원 절약을 전제로 한 고로 조업시의 환원재비의 저감이라고 하는 목적의 점에서 바람직한 방법이라고는 하기 어렵다.

또한, 분광석과, 휘발분이 16％ 이상, 기셀러(Gieseler) 유동도가 20DDPM 이상인 점결탄(탄재)을 혼합하여, 260 내지 550℃의 온도 영역에서, 성형압 20 내지 150㎫로 열간 성형한 후, 성형 온도 범위에서 5분간 이상의 탈가스 처리를 행하는 것을 특징으로 하는, 겉보기 밀도가 2.3g/㎤ 이상인 환원철용 괴성화물(塊成化物)도 제안되어 있다(예를 들어, 특허 문헌 4 참조).

이 방법에 따르면, 탄재가 연화 용융, 고화되는 260 내지 550℃의 온도 영역에서 열간 성형하여, 산화철 입자끼리를 탄재로 강고하게 연결하고, 겉보기 밀도가 2.3g/㎤ 이상인 괴성화물로 한 후, 탈가스 처리에 의해 탄재로부터의 휘발분을 빼냄으로써, 괴성화물의 강도를 높여, 환원 중의 괴성화물 팽창에 의한 균열을 방지하는 것이다.

그러나 이 방법은, 열간 브리켓 성형이나, 탈가스 처리를 필요로 하므로, 제조시의 에너지 소비가 높아, 제조 비용이 높아지는 점에서 경제적으로 불리한 방법이며, 또한 조립법에 비해 괴성물의 밀도가 높아지므로, 괴성물 중의 탄재의 가스화나 산화철의 환원 반응에서 발생하는 CO, CO₂ 가스에 의한 폭렬[버스팅(bursting)]이 발생하기 쉽다.

또한, 입경이 3 내지 25㎜인 탄재를 핵으로 하고, 핵을 내포하는 외주층을 입경이 1㎜ 이하인 철 원료와 탄재의 혼합물로 하고, 핵으로서의 탄재의 체적 분율이 펠릿 전체의 0.2 내지 30vol％이고, 외주층 중의 탄재의 함유율이 5 내지 25wt％이고, 펠릿 전체의 전체 카본 함유량이 25 내지 35질량％로 높은, 2중 구조의 탄재 내장 비소성 펠릿이 제안되어 있다(예를 들어, 특허 문헌 5 참조).

이 기술에 따르면, 외주층 중에 함유하는 입경이 1㎜ 이하인 탄재에 의해 산화철을 환원하고, 외주층이 융액화된 경우에, 핵으로서의 탄재를 침탄원으로서 기능시킴으로써, 고로 내에서의 피환원성을 개선하는 것 외에, 침탄 작용에 의한 용선(溶銑)의 적하 거동을 개선하여, 고로 조업시의 연료비 저감과 융착대부의 통기 저항을 저감할 수 있다.

그러나 이 입경 및 탄재와 산화물의 조성이 다른 2중 구조로 이루어지고, 전체 카본 함유량이 25질량％ 이상으로 높은 펠릿은, 냉간의 마모 강도가 낮아진다고 하는 문제가 있다. 또한, 이러한 특수한 2중 구조를 갖는 펠릿을 제조하기 위해서는, 제조 공정이 복잡해지고, 강도 유지를 위해 다량의 바인더가 필요해지는 등, 제조시의 생산성이나 비용의 점에서 불리한 방법이었다.

이상과 같이, 종래의 함탄 비소성 펠릿은, 고로용 원료로서 요구되는 냉간 압궤 강도 50㎏/㎠ 이상을 유지하기 위해, 탄소 함유량을 15질량％(탄소당량으로 1.2에 상당)로 제한할 수밖에 없었으므로, 상기 함탄 비소성 펠릿 중의 산화철의 직접 환원은 충분히 촉진시킬 수 있어도, 상기 함탄 비소성 펠릿 이외의 소결광 등의 주요한 고로용 철 함유 원료의 환원을 충분히 촉진시킬 수는 없었다.

또한, 종래법에 의해 포틀랜드 시멘트 등의 수경성 바인더를 다량으로 첨가함으로써, 함탄 비소성 펠릿의 냉간 압궤 강도는 어느 정도까지 향상시킬 수 있지만, 고로 내의 환원 온도 영역에서, 상기 바인더는 탈수 반응을 일으키므로, 충분한 열간 강도를 유지할 수는 없었다.

따라서, 비교적 저렴하고 또한 단순한 제조 방법을 사용하여, 함탄 비소성 펠릿과 고로용 철 함유 원료의 피환원율을 향상시키고, 고로 조업시의 환원재비를 대폭 저감하기 위해, 충분한 탄소 함유량을 갖고, 또한 냉간 강도와 함께 환원 온도 영역에서의 열간 강도(환원시의 강도)도 우수한 탄재 내장 비소성 펠릿의 제조 방법의 개발이 요망되고 있다.

한편, 고로용 철 함유 원료 중에서도, 소성 펠릿은, 환원 과정에 있어서, 환원 가스에 의해 펠릿 표면으로부터 환원이 진행되는 강한 토포케미컬 반응에 의한 메탈 쉘(표면의 환원철이 소결되어 생긴 치밀한 철의 층)을 형성하므로, 소결광과 비교하여, 1000℃ 이상의 고온 영역에서 난(難)환원성으로 되어, 융착 개시시에 다량의 융액을 배출한다.

또한, 그 형상(구체)으로부터, 소결광이나 철광석에 비해, 노 내에의 장입시에 편석되기 쉽고, 특히 환원 부하가 높은 주변부에 다량으로 편석된 경우는, 부분적인 환원 지연이 발생하고, 소결광과 소성 펠릿으로 구성되는 고로 융착대의 두께가 증가하여, 노 내의 통기성이 악화되는 것 외에, 미환원 융착물의 적하도 일어나므로, 환원재비가 상승하는 것이 알려져 있다.

현상의 일반적인 고로 조업에서는 소결광이 주체이고, 70 내지 90％의 범위이고, 소성 펠릿 배합은 5 내지 20％ 정도이다. 그러나 광상(鑛床)의 고갈에 의해 철광석의 저품위화가 진행되고 있고, 선광 처리에 수반되는 철광석의 미분화가 진행되어, 미분 철광석을 사용하여 소결광을 제조할 때의 통기성 저하에 기인하는 성품 수율 및 생산성의 저하가 문제로 되고 있다.

따라서, 소결광에 비해 성품 수율 및 생산성을 저하시키지 않고, 미분 광석을 포함하는 철 함유 원료를 사용하여 제조 가능한 소성 펠릿을, 고로에서 이용하기 위한 기술의 중요성이 높아지고 있다. 그리고 소성 펠릿의 일부 대신에, 함탄 비소성 펠릿을 사용하는 방법이 몇 가지 제안되어 있다(예를 들어, 특허 문헌 6 내지 7 참조).

함탄 비소성 펠릿을, 소성 펠릿을 다량으로 포함하는 철 함유 원료층에 혼합하여 고로에서 사용하는 경우에는, 철 함유 원료층의 주 원료인 소결광의 환원 촉진은 도모할 수 있어도, 철 함유 원료층에 있어서 소성 펠릿이 편석되어 많이 존재하는 부위의 환원 반응을 선택적으로 촉진시킬 수는 없어, 최종적으로는 당해 부위의 환원 지연이 발생하여, 충분한 환원재비 저감 효과를 누릴 수 없었다.

이러한 방법에서 철 함유 원료층에 있어서의 소성 펠릿 집중 부위의 환원 촉진을 충분히 도모하기 위해서는, 다량의 함탄 비소성 펠릿 사용이 필요해지고 있었다. 다량의 함탄 비소성 펠릿을 다량으로 사용하는 경우에는, 함탄 비소성 펠릿에 함유되는 바인더의 탈수 반응에 의해, 고로 내의 샤프트부에서의 승온 속도가 저하될 뿐만 아니라, 저온에서의 환원 정체 영역(저온 열보존대)을 발생시켜, 고로용 철 함유 원료층 내의 소결광의 고로 내의 환원분화를 조장시켜 버리는 점이 문제였다.

또한, 함탄 비소성 펠릿에 의한 소성 펠릿의 환원 촉진의 효과는 낮고, 함유 비소성 펠릿의 사용량이 필요 이상으로 많으므로, 상술한 소결광의 고로 내의 환원분화를 초래할 우려가 있었다(예를 들어, 특허 문헌 7 참조).

따라서, 철 함유 원료로서 소성 펠릿을 다량으로 사용하는 고로 조업에 있어서, 함탄 비소성 펠릿에 의한 소성 펠릿의 환원 촉진의 효과를 효율적으로 발휘하여, 대폭의 환원재비 삭감 효과를 기대할 수 있는, 함탄 비소성 펠릿의 고로 사용 방법의 개발이 요망되고 있다.

일본 특허 출원 공개 소53-130202호 공보 일본 특허 출원 공개 제2003-342646호 공보 일본 특허 출원 공개 제2000-160219호 공보 일본 특허 출원 공개 평11-92833호 공보 일본 특허 출원 공개 평8-199249호 공보 일본 특허 출원 공개 제2003-301205호 공보 일본 특허 출원 공개 평6-145729호 공보

본 발명은 상기 종래 기술의 현황에 비추어, 철 함유 원료로서 소성 펠릿을 다량으로 사용하는 고로 조업에 있어서, 함탄 비소성 펠릿을 소성 펠릿에 혼합하여, 환원성이 떨어지는 소성 펠릿에 근접시켜 장입함으로써, 노 내의 융착대 근방에서의 환원 지연 부위를 없애고, 얇은 융착대 구조로 함으로써, 고로 조업시의 연료 원단위(原單位)의 저감 효과가 대폭 발휘되는 고로 조업 방법을 제공하는 것을 과제로 한다.

본 발명자들은, 고로용 철 함유 원료를 구성하는 소결광, 소성 펠릿, 괴광석의 고온 거동을 측정하고, 또한 이들에 함탄 비소성 펠릿을 소정량 배합한 경우의 고온 거동의 변화에 대해, 실험 등에 의해 예의 검토하였다.

그 결과, 고로용 철 함유 원료를 구성하는 소결광, 소성 펠릿, 괴광석 중에서, 특히 소성 펠릿과 함탄 비소성 펠릿을 혼합하였을 때에, 고온 피환원성 향상 효과가 특히 큰 것을 발견하였다.

그리고 소성 펠릿과 함탄 비소성 펠릿의 사용량의 관계로부터, 함탄 비소성 펠릿 사용량의 최적화를 도모함으로써, 함탄 비소성 펠릿에 의한 소성 펠릿의 환원 개선 효과를 최대한으로 발휘할 수 있는 것을 알 수 있었다.

본 발명은 이 지식에 기초하여 상기 과제를 해결하기 위해 이루어진 것이며, 그 요지로 하는 것은 이하와 같다.

(1) 고로의 노정으로부터 철 함유 원료와 코크스를 교대로 층상으로 장입하는 고로 조업 방법에 있어서,

(i) 미리 함탄 비소성 펠릿과 소성 펠릿을 혼합하여, 상기 함탄 비소성 펠릿과 상기 소성 펠릿의 혼합물을, 상기 철 함유 원료층의 일부로 대체하도록 장입하고, 또한,

(ii) 상기 함탄 비소성 펠릿의 사용 원단위 R(㎏/tp)과, 상기 소성 펠릿의 사용 원단위 P(㎏/tp)의 비 R(㎏/tp)/P(㎏/tp)가 0.09 내지 0.31로 되도록 상기 함탄 비소성 펠릿과 상기 소성 펠릿의 혼합 비율을 조정하는 것을 특징으로 하는 함탄 비소성 펠릿을 사용하는 고로 조업 방법.

(2) 상기 소성 펠릿의 사용 원단위 P가 150㎏/tp 이상, 650㎏/tp 이하인 것을 특징으로 하는 상기 (1)에 기재된 함탄 비소성 펠릿을 사용하는 고로 조업 방법.

본 발명에 따르면, 소성 펠릿을 많이 배합한 철 함유 원료를 사용하는 고로 조업에 있어서, 종래에 비해 소량의 함탄 비소성 펠릿 사용량으로 대폭의 환원재비의 개선을 얻을 수 있다.

따라서, 본 발명의 적용에 의해, 저렴하지만 열질(劣質)의 분말상 철광석을 원료로 하여 효율적으로 소성 펠릿을 제조하고, 또한 소성 펠릿을 사용한 경우의 고로 조업시의 환원재비(코크스비)를 대폭 저감시킬 수 있어, 자원의 유효 이용과 함께, 에너지 절약화, 저CO₂화가 가능해진다.

도 1은 각종 고로 장입물의 환원 성상을 측정하는 하중 연화 시험 장치를 모식적으로 도시하는 도면이다.
도 2는 소결광과 소성 펠릿의, 함탄 비소성 펠릿과의 균일 혼합에 의한 1200℃ 환원율의 변화를 나타내는 도면이다.
도 3은 소성 펠릿의 환원 과정에 있어서, 근접하는 함탄 비소성 펠릿의 소요량을 산출하기 위한 소비(消費) C/O를 나타내는 도면이다.
도 4는 함탄 비소성 펠릿 사용 원단위 R과, 함탄 비소성 펠릿의 C 함유량 C, 소성 펠릿 사용 원단위 P의 관계를 나타내는 도면이다.
도 5는 함탄 비소성 펠릿의 C 함유량과 반응 후 강도의 관계를 나타내는 도면이다.
도 6은 함탄 비소성 펠릿의 사용 원단위 R과 소성 펠릿의 사용 원단위 P의 비 A(＝R/P)와, 고로의 환원재비의 관계를 나타낸 도면이다.

본 발명의 상세에 대해 설명한다.

우선, 고로 내 반응을 모의할 수 있는, 하중 연화 시험 장치를 사용하여, 각종 함철 장입물의 환원 특성의 함탄 비소성 펠릿 배합에 의한 변화를 검토하였다.

하중 연화 시험 장치를 사용한 환원율의 측정 방법에 대해, 이하에 설명한다. 도 1은 하중 연화 시험 장치의 단면도이다. 하단 전기로(6)와 상단 전기로(5)는 플랜지에 의해 접합되어 있고, 일체 구조를 이루고 있다.

하단 전기로(6)는, 환원 가스의 예열을 하기 위해 설치되고, 상단 전기로(5)는 시료(3)의 가열에 사용된다. 철광석 등의 시료(3)는, 레이들에 장입된 후, 반응관 내에 설치된다. 시료(3)는, 레이들 내에서, 상하의 코크스층 사이에 장입된다.

미리, 소정의 조성 및 유량으로 조정된 환원 가스는, 환원 가스 입구(7)로부터 반응관 내에 도입되고, 하단 전기로(6)에서 예열된 후, 레이들 내의 시료(3)에 도입된다. 반응 후의 가스는, 반응 가스 출구(2)로부터 배출되고, 이 배출 가스의 일부를 채취하여, 가스 분석계에 의해 그 성분을 분석한다. 이 배출 가스의 분석값으로부터, 환원율이 산출된다.

동시에, 열전대(4)에서, 시료(3)의 바로 상부의 온도를 측정하고, 환원 가스 입구(7)와 반응 가스 출구(2)에 있어서의 가스 압력을 측정한다. 이 압력의 차로부터, 시료(3)의 통기 저항을 계측한다. 또한, 시료(3)가 승온 및 환원되는 과정에 있어서, 하중 인가 장치(1)에 의해 시료(3)에 임의의 하중을 부여하여, 실제 노에서의 하중 조건을 모의한다. 그 결과 얻어지는 시료(3)의 수축 거동을 측정한다. 또한, 도면 중, 부호 8은 액적 수용부, 9는 액적 검지기이다.

도 2에 측정 결과를 나타낸다. 실제 노에서 사용하는 소결광 및 소성 펠릿을, 평균 입경 10 내지 15㎜로 정립(整粒)하고, 각각에, 함탄 비소성 펠릿을 균일 혼합한 것을 시료로서 사용하였다.

함탄 비소성 펠릿은, 함철 더스트, 함카본 더스트, 조강 포틀랜드 시멘트를 소정량 배합한 후, 팬 펠레타이저에 의해 조립하고, 그 후, 2주간 천일(天日) 양생시켜 제조하였다. 함탄 비소성 펠릿의 성분은, 카본 25％, T.Fe 45％이고, 탄소당량은 2.0이다.

함탄 비소성 펠릿의 배합에 의해, 소결광 및 소성 펠릿의 1200℃ 시점의 도달 환원율이 향상되었다. 양자를 비교하면, 우선 소성 펠릿의 쪽이 환원율이 낮다.

이것은, 이하의 이유에 의한다. 소성 펠릿의 경우, 기공 직경 분포가 균일하므로, 환원이 토포케미컬 반응으로 진행되고, 저온 영역에서 강고한 메탈 쉘이 형성되어, 내부로의 가스 확산이 억제된다. 그 결과, 소성 펠릿 내부에, 미환원 FeO를 많이 포함하는 융액이 다량으로 내재되게 되어, 그것이, 고온 영역에서 일거에 외부로 유실되므로, 고온 영역에서, 기공 폐색에 의한 환원 정체가 현저해진다.

한편, 소결광은, 불균일한 기공 구조를 가지므로, 빠르게 내부까지 균일하게 환원이 진행되어 메탈화되므로, 미환원 FeO를 많이 포함하는 융액량은 상대적으로 적어, 고온 영역에서도 환원이 진행된다.

함탄 비소성 펠릿의 효과를 비교하면, 소성 펠릿에 함탄 비소성 펠릿을 균일하게 혼합시킨 쪽이, 환원율의 향상 효과가 큰 것을 알 수 있다. 이것은, 함탄 비소성 펠릿 자신의 환원율이 극히 높은 것에 더하여, 전술한 메탈 쉘 형성까지, 함탄 비소성 펠릿의 가스화에 의한 CO 가스에 의한 환원이 촉진되므로, 내부에 머무르는 융액량이 감소하여, 고온 영역에서의 환원 정체가 경감되기 때문이다.

이상의 결과로부터, 함탄 비소성 펠릿은, 소결광 근방보다도, 소성 펠릿과 혼합하여, 함탄 비소성 펠릿을 소성 펠릿 근방에 존재시킨 쪽이, 그 효과를 크게 발휘할 수 있다는 착상을 얻었다.

또한, 본 발명자들은, 고로 조업시의 연료 원단위를 저감하기 위한 소성 펠릿에 대한 함탄 비소성 펠릿의 혼합 비율에 대해 예의 검토하였다.

그것에 앞서, 소성 펠릿의 환원에 필요한 근접하는 함탄 비소성 펠릿 유래의 카본당량(mol)을 산출하였다. 철 함유 원료층의 일부로서 고로 내에 장입한 소성 펠릿과, 함탄 비소성 펠릿의 환원 단계는, 대략 이하의 3단계[(1) 내지 (3)]로 구분되고, 각각의 단계에서의 소비 C/O가 산출된다.

여기서, O는, 소성 펠릿 및 함탄 비소성 펠릿의 피환원 산소량의 합계(mol), C는 함탄 비소성 펠릿 유래의 C량(mol)이고, C/O는 환원되는 소성 펠릿 유래의 산소량에 대한 환원에 필요한 함탄 비소성 펠릿 유래의 카본량을 나타낸다.

(1) 소성 펠릿의 환원율＜30％(저온 영역)

소성 펠릿은, 함탄 비소성 펠릿에 관여하지 않고 , 통상 코크스 유래의 환원 가스에 의해 환원된다.

(2) 소성 펠릿의 환원율 : 30 내지 50％(간접 환원 영역)

소성 펠릿은, 함탄 비소성 펠릿 유래의 환원 가스에 의해 환원된다.

[식 1]

(함탄 비소성 펠릿 유래 C의 가스화 개시)

[식 2]

(소성 펠릿의 간접 환원)

상기 식 1, 식 2로부터

C＋2FeO＝2Fe＋CO₂

몰비 : C/O＝0.5

(3) 소성 펠릿의 환원율 : 50 내지 100％[용융(직접) 환원 영역]

소성 펠릿은 연화 융착 개시하여, 용융(직접) 환원에 의해 환원된다.

[식 3]

몰비 : C/O＝1.0

이상의 결과는, 도 3과 같이 나타내어진다. 함탄 비소성 펠릿에 의한 환원 촉진 효과는, (2)의 영역에서 발휘되고, 소성 펠릿당으로는, 몰비 : C/O는, 0.2×0.5＝0.1을 부여하면 된다.

한편, 함탄 비소성 펠릿 중의 피환원 산소는, 함탄 비소성 펠릿 중의 카본에 의해, (2), (3)의 영역에서 환원되므로, 함탄 비소성 펠릿당으로는, 몰비 : C/O는 0.6 필요해진다.

상기 검토 결과에 기초하여, 본 발명자들은, 소성 펠릿의 사용 원단위 : P(㎏/tp)에 따른 함탄 비소성 펠릿의 사용 원단위 : R(㎏/tp)을 구하였다.

예를 들어, 소성 펠릿의 사용 원단위 : P(㎏/tp)로, O량 : 28.1％(T.Fe＝65.7％, FeO＝0.9％)의 소성 펠릿과, 피환원 산소량 O％를 갖는 함탄 비소성 펠릿을 혼합하여 고로에 장입하는 경우, 상기 소성 펠릿과 함탄 비소성 펠릿을 환원하기 위한 함탄 비소성 펠릿의 사용 원단위 : R(㎏/tp)은, C : 함탄 비소성 펠릿 중 카본 함유량(％), O : 함탄 비소성 펠릿중 피환원 산소량을 사용하여,

[식 4]

가 성립된다.

여기서, 함탄 비소성 펠릿 중의 카본 함유량, 피환원 산소량의 관계에 대해 설명한다. 함탄 비소성 펠릿은 주 성분이, 카본 C와 산화철 Fe₂O₃으로 이루어지고, 함철 더스트나 함카본 더스트 유래의 회분, 시멘트 유래의 맥석 성분, 시멘트 수화 반응에 의한 결정수를 합계 20 내지 30％ 정도 함유한다. 여기서, 함탄 비소성 펠릿의 성분을, [C/O](몰비)로 나타낸다.

함탄 비소성 펠릿의 함유 맥석 성분을 25％로 하면,

[식 5]

로 되므로,

피환원 산소 : O(mol％)와 카본 함유량 : C(질량％)의 관계는,

[식 6]

으로 된다.

이 관계식을 식 4에 적용하면,

[식 7]

로 된다.

따라서, 소성 펠릿의 사용 원단위 : P(㎏/tp) 및 함탄 비소성 펠릿의 함유 C량에 따라서, 상기 식 7의 관계를 기초로, 함탄 비소성 펠릿의 사용 원단위 : R(㎏/tp)을 설정함으로써, 근접하는 소성 펠릿을 환원할 수 있다.

이 함탄 비소성 펠릿의 사용 원단위 R(㎏/tp)과 소성 펠릿의 사용 원단위 P(㎏/tp)의 관계를, 도 4에 나타낸다.

또한, 함탄 비소성 펠릿의 성분을, C/O(몰비)로 나타내면, 식 6으로부터

[식 7]

로 되고,

[식 8]

로 된다.

이 관계식으로부터, 예를 들어 [C/O]＝1.0, 2.0, 3.0은, 각각, C(질량％)＝14％, 23％, 30％에 상당한다.

C 함유량이 많아지면, 함탄 비소성 펠릿의 냉간ㆍ열간의 강도가 저하되므로, C 함유량에는 상한이 존재한다. 따라서, 본 발명자들은, 함탄 비소성 펠릿의 반응 후 강도에 미치는 C 함유량의 영향을 조사하였다.

각종 C 함유량을 갖는 함탄 비소성 펠릿을, 900℃, CO/CO₂＝7/3의 조건에서 1시간 가열한 후의 압궤 강도를 조사하였다. 도 5에 나타내는 바와 같이, C 함유량 C의 상승에 의해 반응 후 강도가 저하되었다. 비특허 문헌「철과 강 72(1986), S98.」로부터, 고로 내에서 함탄 펠릿은 10㎏/Piece 이상을 유지할 필요가 있지만, C 함유량 C가 30％보다도 크면, 10㎏/Piece를 유지할 수 없는 것을 알 수 있었다. 따라서, 본 발명에 있어서의 C 함유량 C의 상한은 30％로 한다.

본 발명자들은, 다음에 환원재비 저감을 위한 함탄 비소성 펠릿 사용 원단위 R(㎏/tp)의 최적 범위에 대해 예의 검토하였다. 함탄 비소성 펠릿의 함유 카본량 Y가 15％ 미만(C/O가 1.0에 상당)에서는, 상기 식 2의 간접 환원 및 용융(직접) 환원의 반응 효율의 향상 효과는 낮아져, 그 결과 통상 코크스를 사용한 경우에 비해, 환원재비를 충분히 저감하는 것은 곤란해진다.

또한, 함탄 비소성 펠릿의 함유 카본량 C가 30％를 초과하는(C/O가 3.0에 상당) 경우는, 압궤 강도가 저하되어, 고로 내의 통기성을 저해시키므로, 상기 식 1 내지 식 2의 간접 환원 반응의 진행이 방해되어, 그 결과 통상 코크스를 사용한 경우에 비해, 환원재비를 충분히 저감하는 것은 곤란해진다.

이로 인해, 함탄 비소성 펠릿의 C 함유량 C는 15 내지 30％로 하는 것이 바람직하다. 이 함탄 비소성 펠릿의 바람직한 C량 C : 15 내지 30％를 근거로 하여, 상기 식 7에 기초하면, 환원재비 저감을 위한 함탄 비소성 펠릿 사용 원단위 R(㎏/tp)의 상하한값은, 이하와 같이 된다.

[식 9]

따라서, 본 발명에서는, 고로 조업시의 환원재비 저감을 위해, 함탄 비소성 펠릿과 소성 펠릿의 혼합 비율은, 함탄 비소성 펠릿 사용 원단위 R(㎏/tp)과, 소성 펠릿의 사용 원단위 : P(㎏/tp)의 비 : R(㎏/tp)/×P(㎏/tp)가 상기 식 9을 만족시키도록 조정한다.

다음에, 본 발명자들은, 소성 펠릿의 사용 원단위 P의 범위에 대해 예의 검토하였다. 소성 펠릿의 사용 원단위 P가 150㎏/tp 미만이면, 고로 장입물의 주체는, 소결광과 괴광석으로 되어, 그들의 반응 특성에 의해, 고로 조업 성적이 좌우되어 버려, 장입되는 소성 펠릿의 환원성이, 근접 장입된 함탄 비소성 펠릿에 의해 개선되어도, 전체의 조업에의 기여는 상대적으로 작아져 버린다.

또한, 소성 펠릿의 사용 원단위 P가 650㎏/tp를 초과하면, 장입시의 소성 펠릿의 편석 정도가 커져, 함탄 비소성 펠릿으로도 악영향을 커버할 수 없다.

이상으로부터, 본 발명에 있어서, 소성 펠릿의 사용 원단위 P(㎏/tp)는, 150 내지 650㎏/tp로 한다. 이것은 소성 펠릿비 : 10 내지 40％에 상당하고, 함탄 비소성 펠릿의 사용 원단위 R의 범위는, 14 내지 202㎏/tp에 상당한다.

도 6에, 함탄 비소성 펠릿의 사용 원단위 R(㎏/tp)과 소성 펠릿의 사용 원단위 P(㎏/tp)의 비 : A(＝R/P)와, 환원재비의 관계를 나타낸다.

유효 용적 5500㎥의 고로에 있어서, 소성 펠릿과 함탄 비소성 펠릿의 사용량에 의한 환원재비의 변화를 조사하였다. 조사 기간 동안, 소결광의 품질은 거의 일정하고, 출선비가 2.1 내지 2.2(t/d/㎥)로 되도록 조업하였다. 함탄 비소성 펠릿의 배합이 없는 경우, 소성 펠릿의 사용 원단위 P의 증가에 수반하여, 환원재비가 상승하였다.

한편, 함탄 비소성 펠릿의 사용 원단위 RR(㎏/tp)과 소성 펠릿의 사용 원단위 P(㎏/tp)의 비 A(＝R/P)가 0.09 내지 0.31로 되도록 함탄 비소성 펠릿과 소성 펠릿을 혼합한 경우는, 환원재비는 485(㎏/tp) 이하로 억제되었다.

그러나 소성 펠릿의 사용 원단위 P가 650㎏/tp를 초과하면, 함탄 비소성 펠릿을 사용해도, 환원재비 485(㎏/tp) 이하의 조업은 곤란하였다. 또한, 소성 펠릿의 사용 원단위 P가 150㎏/tp보다 낮은 경우라도, 함탄 비소성 펠릿을 사용해도, 환원재비 485(㎏/tp) 이하의 조업은 곤란하였다.

함탄 비소성 펠릿의 사용 원단위 R과 소성 펠릿의 사용 원단위 P의 비 : A(＝R/P)가 0.31을 초과하는 경우는, 소성 펠릿의 사용 원단위 P의 상승에 수반하여, 함탄 비소성 펠릿 사용량이 부족하고, 환원재비는 상승하였다.

한편, 함탄 비소성 펠릿의 사용 원단위 R과 소성 펠릿의 사용 원단위 P의 비 : A(＝R/P)가 0.09보다 낮아지는 경우도, 소성 펠릿의 사용 원단위 P의 상승에 수반하여, 환원재비는 상승하였다.

이것은, 전술한 바와 같이, 소성 펠릿의 환원에 필요한 양 이상으로 함탄 비소성 펠릿을 배합한 결과, 소성 펠릿에 비해 압궤 강도가 낮은 함탄 비소성 펠릿의 증가에 수반되는 통기성의 저하가 현저해지고, 또한 함탄 비소성 펠릿의 빠른 가스화에 의한 CO 가스가 유효하게 활용되지 않고, 노정으로 배출되어 버렸기 때문이다.

또한, 동일한 것을, 통상 코크스(소괴 코크스)에 적용해도 성립되지 않는다. 통상 코크스는, 가스화 반응(C＋CO₂＝2CO)의 속도가 느리므로, 보다 다량의 코크스가 필요해진다.

또한, 사용하는 함탄 비소성 펠릿의 입경은, 본 발명에서는 특별히 한정하는 것은 아니지만, 소성 펠릿과의 균일한 혼합을 도모하여, 함탄 비소성 펠릿의 압궤에 의한 통기성의 저하를 억제하기 위해, 평균 입경 20㎜ 이하로 하는 것이 바람직하다.

또한, 함탄 비소성 펠릿의 고로에의 장입 방법은, 고로의 노정으로부터 철 함유 원료와 코크스를 교대로 층상으로 장입할 때, 사전에, 소성 펠릿과 함탄 비소성 펠릿을 장입 전에 혼합하고, 상기 함탄 비소성 펠릿과 상기 소성 펠릿의 혼합물을, 상기 철 함유 원료층의 일부로 대체하도록 장입하는 것이 바람직하다.

소성 펠릿과 함탄 비소성 펠릿을 장입 전에 혼합하는 방법으로서, 소성 펠릿 조, 함탄 비소성 펠릿조를 근접시켜 잘라내어도, 동일한 효과를 얻을 수 있다.

또한, 본 발명의 함탄 비소성 펠릿은, 형상이나 제조 방법이 특별히 한정되지 않는 것이다. 일반적으로는, 팬 펠레타이저를 사용한 생 펠릿의 조립 방법을 사용하지만, 보다 압밀 성형이 가능한 브리켓 성형을 사용해도, 동일한 효과를 얻을 수 있다.

또한, 본 발명의 함탄 비소성 펠릿은, 원료의 조건도 특별히 한정되지 않는 것이다. 일반적으로는, 함철 더스트나 함코크스 더스트 등이 주로 사용되지만, 철광석이나 스케일류 등을 배합해도, 성분 범위가 본 발명 범위 내이면, 거의 동일한 효과를 얻을 수 있다.

실시예

이하, 본 발명의 실시예에 대해 설명하지만, 실시예의 조건은 본 발명의 실시 가능성 및 효과를 확인하기 위해 채용한 일 조건예이며, 본 발명은 이 일 조건예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명은, 본 발명의 요지를 일탈하지 않고, 본 발명의 목적을 달성하는 한에 있어서, 각종 조건을 채용할 수 있는 것이다.

[제1 실시예]

함철 더스트, 함카본 더스트, 조강 포틀랜드 시멘트를 원료로 하여, 2종류의 함탄 비소성 펠릿, P1과 P2를 제조하였다. P1은, C 함유량이 23％, C/O가 2.0, 맥석 성분량이 25％이다. P2는, C 함유량이 28％, C/O가 2.8, 맥석 성분량이 25％이다.

이들 함탄 비소성 펠릿을, 유효 용적 5500㎥의 고로에 있어서, 소성 펠릿과 함께 노정부로부터 장입하여 사용하였다. 사용 기간 동안은, 소결광의 품질은 거의 일정하고, 출선비가 2.1 내지 2.2(t/d/㎥)로 되도록 조업하였다.

표 1에, 함탄 비소성 펠릿, 소성 펠릿의 사용 조건과 고로 조업 평가 결과의 일람을 나타낸다. 표 1로부터 알 수 있는 바와 같이, 함탄 비소성 펠릿 P1을 사용한 경우, 함탄 비소성 펠릿 사용량이 소성 펠릿 사용량에 대해 적은 제1 비교예는, 환원재비가 485(㎏/tp) 이하인 조업은 할 수 없었다.

제2 비교예는, 반대로, 함탄 비소성 펠릿 사용량이 소성 펠릿 사용량에 대해 지나치게 많아 환원재비가 상승해 버려, 역시 환원재비 485(㎏/tp) 이하의 조업은 할 수 없었다.

함탄 비소성 펠릿 P2를 사용한 경우에는, 소성 펠릿 사용량이 많은 조건에서 검토를 행하였다. 제3 비교예는, 함탄 비소성 펠릿 사용량이 45(㎏/tp)로, 제1 발명예와 동등한 사용량임에도 불구하고, 소성 펠릿량에 대해서는 부족하여, 환원재비를 저하시킬 수는 없었다. 제4 비교예는, 반대로, 과도하게 함탄 비소성 펠릿 배합이 많으므로, 역시 환원재비는 높게 추이하였다.

전술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 소성 펠릿을 많이 배합한 철 함유 원료를 사용하는 고로 조업에 있어서, 종래에 비해 소량의 함탄 비소성 펠릿 사용량으로 대폭의 환원재비의 개선을 얻을 수 있다.

따라서, 본 발명의 적용에 의해, 저렴하지만 열질의 분말상 철광석을 원료로 하여 효율적으로 소성 펠릿을 제조하고, 또한 소성 펠릿을 사용한 경우의 고로 조업시의 환원재비(코크스비)를 대폭 저감할 수 있어, 자원의 유효 이용과 함께, 에너지 절약화, 저CO₂화가 가능해진다. 따라서 본 발명은, 공업적 및 사회적인 공헌이 막대한 것이다.

1 : 하중 인가 장치
2 : 반응 가스 출구
3 : 시료
4 : 열전대
5 : 상단 전기로
6 : 하단 전기로
7 : 환원 가스 입구
8 : 액적 수용부
9 : 액적 검지기

Claims

고로의 노정으로부터 철 함유 원료와 코크스를 교대로 층상으로 장입하는 고로 조업 방법에 있어서,
(i) 미리 함탄 비소성 펠릿과 소성 펠릿을 혼합하여, 상기 함탄 비소성 펠릿과 상기 소성 펠릿의 혼합물을, 상기 철 함유 원료층의 일부로 대체하도록 장입하고, 또한,
(ii) 상기 함탄 비소성 펠릿의 사용 원단위 R(㎏/tp)과, 상기 소성 펠릿의 사용 원단위 P(㎏/tp)의 비 R(㎏/tp)/P(㎏/tp)가 0.09 내지 0.31로 되도록, 상기 함탄 비소성 펠릿과 상기 소성 펠릿의 혼합 비율을 조정하는 것을 특징으로 하는, 함탄 비소성 펠릿을 사용하는 고로 조업 방법.
제1항에 있어서, 상기 소성 펠릿의 사용 원단위 P가 150㎏/tp 이상, 650㎏/tp 이하인 것을 특징으로 하는, 함탄 비소성 펠릿을 사용하는 고로 조업 방법.