KR20140058959A - 환원철 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 환원철 제조 방법은 철원료 및 탄재를 준비하는 과정, 철원료와 탄재를 혼합하는 과정, 철원료와 탄재가 혼합된 혼합물을 성형하여, 성형탄을 제조하는 과정, 성형탄을 열처리하여 소성시킴으로써, 환원철을 제조하는 과정 및 환원철을 냉각시키는 과정을 포함하고, 상기 환원철을 냉각시키는 분위기에서 산소 농도가 10% 이하가 되도록 조절한다.
따라서, 본 발명의 실시형태들에 의하면, 환원 조업이 종료된 환원철의 탄소가 냉각 시에 산소와의 연소 반응으로 인해 소멸되는 것을 최소화하여, 환원철의 재산화를 최소화함으로써, 환원율을 향상시킬 수 있다.

Description

환원철 제조 방법{Manufacturing method of reduced iron}
본 발명은 환원철 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 환원율을 향상시킬 수 있는 환원철 제조 방법에 관한 것이다.
통상적인 환원철 제조 장치는 철원료와 탄재를 각기 수용하는 복수의 호퍼, 철원료 및 탄재 각각을 공급받아 파쇄하는 파쇄기, 철원료 및 탄재를 공급받아 혼합하는 혼합기, 혼합기에서 혼합된 혼합물을 압축하여 성형하는 성형기, 성형기에서 제조된 성형탄을 열처리여 환원철을 제조하고, 환원철을 냉각시키는 소성기를 포함한다.
한편, 소성기는 통상적으로 밀폐되고, 내부로 환원성 분위기를 유도하기 위해 일산화탄소(CO) 가스, 이산화 탄소(CO2) 또는 수소(H) 가스를 공급한다.
그런데, 소성로 내부를 환원성 분위기로 조성하기 위해서는 많은 시간이 소요되며, 이로 인해 환원철의 대량 생산이 어려운 문제가 있다.
한국등록특허 제10-0236198호에는 환원성 분위기에서 건조, 예열 및 예비환원 시켜 환원철을 제조하는 환원장치가 개시되어 있다.
한국등록특허 제10-0236198호
본 발명은 환원율을 향상시킬 수 있는 환원철 제조 방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 비환원성 분위기에서 환원율을 향상시킬 수 있는 환원철 제조 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 환원철 제조 방법은 철원료 및 탄재를 준비하는 과정; 상기 철원료와 탄재를 혼합하는 과정; 상기 철원료와 탄재가 혼합된 혼합물을 성형하여, 성형탄을 제조하는 과정; 상기 성형탄을 열처리하여 소성시킴으로써, 환원철을 제조하는 과정; 및 상기 환원철을 냉각시키는 과정;을 포함하고, 상기 환원철을 냉각시키는 분위기에서 산소 농도가 10% 이하가 되도록 조절한다.
상기 환원철을 냉각시키는 분위기에서 산소 농도가 4%이상, 10% 이하가 되도록 조절한다.
상기 환원철을 열처리하고 냉각시키는 소성기 내부는 비환원성 분위기이다.
불활성 가스 및 환원철 제조 공정 중에 발생된 가스 중 적어도 어느 하나의 가스를 공급하고, 상기 가스의 공급량을 조절함으로써, 상기 환원철의 냉각 시에 산소 농도를 조절한다.
상기 환원철을 냉각하는 과정에서, 600℃ 내지 650℃ 까지 산소 농도를 10% 이하가 되도록 조절한다.
상기 철원료는 철광석, 철강 공정에서 발생되는 함철 더스트 및 슬러지 중 적어도 어느 하나를 포함하며, 상기 탄재는 석탄 및 철강 공정에서 발생하는 함탄 더스트 중 적어도 어느 하나를 포함한다.
본 발명의 실시형태들에 의하면, 비환원성 소성기에서 환원철을 냉각시키는데 있어서, 산소 농도를 10% 이하로 조절한다. 이에, 환원 조업이 종료된 환원철의 탄소가 냉각 시에 산소와의 연소 반응으로 인해 소멸되는 것을 최소화하여, 환원철의 재산화를 최소화함으로써, 환원율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 환원철 제조 방법을 순서적으로 도시한 순서도
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 환원철 제조 장치의 요부를 도시한 블록도
도 3은 냉각 공정 중 냉각부 내 산소 농도에 따른 금속화율을 나타낸 그래프
도 4는 냉각 공정 중 냉각부 내 산소 농도에 따른 잔존 탄소량을 나타낸 그래프
도 5는 냉각 시 냉각 온도 및 산소 농도에 따른 환원철의 금속화율을 나타낸 그래프
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 환원철 제조 방법을 순서적으로 도시한 순서도이다. 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 환원철 제조 장치의 요부를 도시한 블록도이다.
도 1을 참조하면, 실시예에 따른 환원철 제조 방법은 철원료를 마련하는 과정(S100), 환원제로 사용될 탄재를 마련하는 과정(S200), 철원료와 탄재를 혼합하는 과정(S300), 철원료와 탄재가 혼합된 혼합물을 성형하여 성형탄을 제조하는 과정(S400) 및 성형탄을 소성하여 환원시킴으로써, 환원철로 제조하는 과정(S500) 및 환원철을 냉각시키는 과정(S600)을 포함한다. 여기서, 철원료는 피환원제로서 실시예에서는 철광석, 제강 공정 중에 발생된 함철 더스트 및 슬러지 중 적어도 어느 하나를 이용할 수 있다. 또한, 탄재는 철원료를 환원시키는 환원제로서, 석탄 및 제강 공정에서 발생하는 함탄 더스트 중 적어도 어느 하나를 이용할 수 있다. 실시예에서는 환원철 제조 방법을 통해 부분 환원철을 제조한다.
여기서, 부분 환원철은 철원료에 함유된 Fe 전체 즉, 100%가 환원되지 않고, 100% 미만의 범위로 부분적으로 환원된 것을 의미한다. 물론, 소성 시간 또는 열처리 온도를 조절함으로써 100%가 환원된 환원철을 제조할 수도 있으나, 100%가 환원된 환원철을 제조하기 위해서는 후술되는 소성기(600)에 부하가 걸리는 문제가 발생 된다.
환원철을 제조하기 위한 환원철 제조 장치는 도 2에 도시된 바와 같이, 철원료와 탄재가 각기 수용되는 복수의 호퍼(100, 200), 호퍼(100, 200)로부터 철원료 및 탄재 각각을 공급받아 파쇄하는 파쇄기(300), 파쇄기(300)로부터 파쇄된 철원료 및 탄재를 공급받아 혼합하는 혼합기(400), 혼합기(400)에서 혼합된 혼합물을 압축하여 성형하는 성형기(500), 성형기(500)에서 제조된 성형탄을 열처리하여 소성하고, 냉각시키는 소성기(600)를 포함한다.
성형기(500)는 도시되지는 않았지만, 상호 마주보도록 설치된 한 쌍의 롤을 구비하는 성형기 즉, 쌍롤식 성형기이다. 이에, 한 쌍의 롤 사이에 혼합물이 장입되면, 상기 한 쌍의 롤의 회전으로 인한 압출에 의해 성형탄이 제조된다.
소성기(600)는 성형기(500)에서 제조된 성형탄을 열처리하여 환원시키고, 이를 냉각시키는 것으로, 예컨대, 내부 공간을 가지며 가열 수단(미도시)이 마련되어, 성형탄을 열처리하여 환원시키는 환원로(610), 내부 공간을 가지며, 환원로(610)로부터 환원된 성형탄 즉, 환원철을 제공받아 냉각시키는 냉각부(620)로 이루어질 수 있다. 여기서 환원로(610)에 마련되는 가열 수단은 버너(burner)일 수 있으며, 가열을 위한 연료로 LPG 및 공기(air)를 이용한다. 그리고, 버너(burner)에 의해 발생된 가열 가스는 환원로(610) 내부를 가열하며, 이로 인해 환원로(610) 내에 장입된 성형탄의 철원료와 탄재 간의 환원이 진행된다. 냉각로(620)는 내부 공간을 가지는 통형상으로, 그 내부에 환원이 종료된 환원철이 장입되고, 냉각을 위한 냉각 매체가 공급된다.
물론, 환원로(610)를 가열하기 이한 수단으로 버너(burner) 이외에 다양한 수단이 사용가능하며, 연료 또한 LPG 및 공기(air) 이외의 다양한 재료의 원료가 사용 가능하다.
또한, 상기에서는 환원로(610)와 냉각부(620)로 분할 형성된 소성기(600)를 설명하였으나, 이에 한정되지 않고 소성기(600)는 환원 및 냉각이 이루어지는 공간이 일체형인 소성기(600) 일 수도 있다.
하기에서는 도 1 및 도 2를 참조하여, 환원철을 제조하는 방법을 보다 구체적으로 설명한다.
먼저, 철원료와 탄재를 마련하고(S100, S200), 이를 별도로 마련된 각각의 호퍼(100, 200)에 저장한다. 그리고 각각의 호퍼(100, 200)에 저장된 철원료 및 탄재를 파쇄기(300)에 장입하여 파쇄하는데, 그 입도가 0.1 mm 이하가 되도록 파쇄하는 것이 바람직하다. 파쇄기(300)에서 철원료 및 탄재 각각의 파쇄가 종료되면, 상기 철원료 및 탄재를 혼합기(400)로 장입하여 혼합한다(S300). 이때 철원료와 탄재가 혼합된 혼합물 전체를 기준으로 탄재가 20 중량% 이상 함유되도록 혼합하는 것이 바람직하다. 이후, 혼합물은 성형기(500)로 장입되어 성형되며(S400), 성형탄은 탄재를 내장하는 브리켓(briquette) 이다. 제조된 성형탄은 소성기(600)의 환원로(610) 내로 장입되며, 상기 환원로(610) 내부를 소정의 온도로 열처리하면, 탄재 내장 성형탄 내에서 환원 반응이 일어나, 환원철, 보다 바람직하게는 부분 환원철이 제조된다. 그리고, 환원로(610)에서 제조된 환원철은 냉각부(620)로 이동되어, 냉각된다.
실시예에 따른 소성기(600)에서는 성형탄의 환원 및 냉각 공정이 실시되는데, 상기 성형탄의 환원을 유도하기 위해, 상기 성형기(600) 내부를 환원성 분위기로 유도하지 않는다. 즉, 성형기(600) 내부로 CO2 가스, CO 가스 또는 수소(H) 가스를 공급하여, 환원성 분위기로 유도하지 않고, 비환원성 분위기에서 환원을 실시한다. 다른 말로 하면, 실시예에 따른 성형기(600) 내부에 환원 분위기 조성을 위한 가스를 공급하지 않고, 대기(또는 공기)의 상태와 유사한 자연 상태로 방치한다. 단, 소성기(600) 내부가 대기의 상태에서와 같이 산소 농도가 높으면 환원철이 재산화될 수 있으므로, 실시예에서는 소성기(610) 내의 산소 농도를 조절하여, 환원철의 산소 농도를 조절한다. 이때, 소성기(600)를 구성하는 환원로(610) 및 냉각부(620) 각각은 상기에서 설명한 바와 같이, 비환원성 분위기로 조성되며, 환원철의 재산화를 최소화하기 위해 환원로(610) 및 냉각부(620) 각각의 산소 농도를 조절한다.
한편, 일반적으로 대기(또는 공기)는 질소 79%, 산소 21% 이며, 환원로(610) 내로 불활성 가스를 주입하지 않고 자연 상태로 있을 경우, 상기 소성기(600) 내부는 질소 79%, 산소 21% 일 수 있다. 따라서, 비환원성 분위기인 소성기(600)의 환원로(610) 및 냉각부(620) 각각에 불활성 가스를 주입하여, 산소 농도를 조절한다.
특히, 냉각부(610) 내부의 산소 농도가 10% 이하가 되도록 한다. 다른 말로 하면, 환원철의 냉각 시에 주위 분위기 중 산소 농도가 10% 이하가 되도록 한다. 이는, 환원로(610)에서 환원이 종료된 환원철이 냉각부(610)에서 냉각될 때, 상기 환원철이 재산화되는 것을 최소화하기 위함이다. 예를 들어, 냉각부(610) 내의 산소 농도가 10%를 초과하는 경우, 환원철의 환원율 즉, 금속화율이 너무 낮으며, 금속화율이 낮은 환원철을 고로, 전로 또는 전기로에 장입하여 용탕을 제조하는데 사용할 경우, 고품질의 용탕을 제조할 수 없다.
일 실시예에서는 환원로(610)에서 환원 진행 시, 산소 농도를 15% 이하가 되도록 조절한다. 이는 환원 공정 시에 성형탄의 재산화를 방지하고, 환원율을 향상시키기 위함이다. 예를 들어, 환원로(610) 내의 산소 농도가 15%를 초과하는 경우, 산소 농도가 너무 높아, 성형탄의 환원 공정 중에, 상기 성형탄 내 탄소가 환원 반응이 아닌 산소와의 반응으로 인해 단순 연소로 사용됨으로써, 성형탄의 환원율을 저하시키는 요인이 된다. 따라서, 본 발명에서는 소성기(600) 내부의 산소 농도를 15% 이하로 제어하여 성형탄의 재산화를 방지하고, 환원율을 향상시킨다.
또한, 환원로(610) 내에서 성형탄의 소성 온도는 1000℃ 이상 바람직하게는 1100℃ 내지 1200℃가 되도록 하는 것이 바람직하다. 환원로(610) 내부를 1000℃ 이상의 온도로 열처리하면, 상기 환원로(610) 내부로 장입된 성형탄 즉, 탄재 내장 브리켓 내부에서 철원료와 탄재 내의 자체 반응이 일어나며, 이에 부분 환원철이 제조된다. 여기서, 부분 환원철은 철원료에 함유된 Fe 전체 즉, 100%가 환원되지 않고, 100% 미만의 범위로 부분적으로 환원된 것을 의미한다. 물론, 환원로(610) 내부에서 소성 시간 또는 열처리 온도를 조절함으로써 100%가 환원된 환원철을 제조할 수도 있으나, 100%가 환원된 환원철을 제조하기 위해서는 환원로(610)에 부하가 걸리는 문제가 발생 된다.
한편, 예를 들어 환원로(610)에서의 열처리 온도가 1000℃ 미만인 경우, 철원료와 탄재 간의 환원 반응이 활발히 일어나지 않아, 부분 환원철 제조가 용이하지 않거나, 환원철 생산율이 낮아질 수 있다.
상기에서는 환원로(610) 및 냉각부(620) 각각으로 내부로 질소(N2), 아르곤(Ar)과 같은 불활성 가스를 공급하여 산소 농도를 제어하는 것을 설명하였으나, 이에 한정되지 않고, 환원철 제조 공정 중에 발생된 가스를 순환시켜 소성기에 공급함으로써 조절할 수도 있다.
도 3은 냉각 공정 중 냉각부 내 산소 농도에 따른 금속화율을 나타낸 그래프이다. 도 4는 냉각 공정 중 냉각부 내 산소 농도에 따른 잔존 탄소량을 나타낸 그래프이다. 실험을 위하여, 동일 조건으로 제조된 복수개의 성형탄을 준비한 후, 동일 조건의 환원로에서 환원을 진행하며, 이때 열처리 온도는 1200℃이다. 그리고 환원된 성형탄 즉, 환원철을 냉각부에서 냉각시키는데, 복수의 환원철 각각의 냉각 시의 산소 농도를 다르게 하여 금속화율 및 잔류 탄소 함량을 측정하였다. 여기서, 금속화율은 전체 Fe 중량%에 대한 금속 Fe 중량%를 백분율로 표시한 것으로, 이를 다른 말로 하면 환원율이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 참조하면, 냉각 과정에서 산소 농도가 낮아짐에 따라 금속화율 및 잔존 탄소량이 증가하며, 이는 환원철의 환원율이 증가함을 의미한다. 다른 말로 하면, 산소 농도가 높아짐에 따라 금속화율 및 잔존 탄소량이 감소하며, 이는 환원철의 환원율이 감소함을 의미한다. 이와 같이, 환원 후 냉각 과정에서 산소 농도가 높아짐에 따라 금속화율 및 잔존 탄소량이 감소하는 것은, 냉각부 내 산소 농도에 의해 환원철 내 함유된 탄소가 연소 반응에 의해 손실되며, 이때 산소 농도가 높을수록 탄소의 손실량이 많기 때문이다. 따라서, 동일한 탄소 함량을 가지고 있는 환원철에서 환원율을 극대화하기 위해, 냉각 시 산소 농도의 관리가 중요함을 알 수 있다.
또한, 도 3을 참조하면, 산소 농도가 10%를 초과하는 범위에서는 환원철의 재산화에 의한 금속화율의 감소 기울기가 크다. 이에, 본 발명에서는 냉각 시 산소 농도를 10% 이하가 되도록 조절한다. 그리고, 산소 농도 4% 이하의 범위에서는 상기 산소 농도 감소에 따른 금속화율 및 잔존 탄소량의 증가율 변화 기울기가 낮다. 따라서, 바람직하게는 냉각 시 산소 농도를 4% 이상, 10% 이하(4% 내지 10%)가 되도록 조절한다.
물론, 산소 농도를 4% 이하의 범위로 조절하는 것이 재산화 방지를 위해서는 보다 바람직할 수 있으나, 산소 농도 4% 이하에서는 금속화율의 변화 기울기가 낮기 때문에, 불필요하게 산소 농도 조절을 위한 가스의 공급량 및 공급 시간을 증가시키게 되는 것이다.
도 5는 냉각 시 냉각 온도 및 산소 농도에 따른 환원철의 금속화율을 나타낸 그래프이다. 실험을 위하여, 동일한 조건으로 제조된 6개의 성형탄을 준비한 후, 이를 동일한 조건의 환원로에서 열처리하여 환원한다. 이때 환원로의 소성 온도는 1200℃이고, 20분 동안 소성을 진행하였다. 그리고 제조된 6개의 환원철 각각을 냉각시키는데, 이때 냉각부 주위 분위기는 질소(N2) 96%, 산소 4%로 동일하고, 서로 다른 냉각 온도 범위에서 냉각시키는데, 이것이 제 1 내지 제 6 실험예에 따른 환원철이다. 제 1 실시예는 환원철을 1200℃에서 1000℃ 까지, 제 2 실험예는 환원철을 1200℃에서 800℃ 까지, 제 3 실험예는 환원철을 1200℃에서 약 650℃ 까지, 제 4 실험예는 환원철을 1200℃에서 600℃ 까지, 제 5 실험예는 환원철을 1200℃에서 500℃ 까지, 제 6 실험예는 환원철을 1200℃에서 400℃ 까지 냉각시켰다. 그리고 제 1 내지 제 6 실험예에 따른 환원철의 금속화율을 측정하였다.
도 5를 참조하면, 냉각 온도 범위가 낮아질수록(즉, 제 1 실험예에서부터 제 6 실험예의 방향) 금속화율이 높아진다. 그런데, 냉각 온도가 600℃ 내지 650℃까지로 감소할 때, 냉각 온도 감소에 따른 금속화율의 증가 변화(또는 기울기)는 크나, 600℃ 내지 650℃ 이하의 범위에서는 냉각 온도 감소에 따른 금속화율 변화(또는 기울기)가 작다. 이로부터, 냉각 시에 600℃ 내지 650℃까지는 냉각 온도 감소에 따른 재산화 감소율이 크고, 600℃ 내지 650℃ 이하의 범위에서는 냉각 온도 감소에 따른 재산화 감소율이 작은 것을 알 수 있다. 이는 다른 말로 하면, 냉각 시 600℃ 내지 650℃까지의 온도 영역은 산소에 의한 재산화가 상대적으로 많이 발생하는 영역이고, 600℃ 내지 650℃ 이하의 범위에서는 산소에 의한 재산화가 미비한 영역이다. 따라서, 냉각 과정에서 600℃ 내지 650℃ 까지는 산소 농도를 10% 이하로 조절하고, 600℃ 내지 650℃ 이하의 범위에서는 산소 농도를 별도로 조절하지 않는다. 보다 바람직하게는, 냉각 시에 600℃ 까지는 산소 농도를 10% 이하로 조절하고, 600℃ 이하의 범위에서는 산소 농도를 별도로 조절하지 않는다.
물론, 냉각 과정 중 600℃ 내지 650℃ 이하의 온도 범위에서 산소 농도를 10% 이하, 바람직하게는 4% 내지 10%로 조절할 수도 있다. 하지만, 상술한 바와 같이 600℃ 내지 650℃ 미만의 온도 범위에서는 재산화가 거의 일어나지 않는 것으로부터, 별도로 산소 농도를 조절할 필요가 없음을 알 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시예들에서는 비환원성 소성기에서 환원철을 냉각시키는데 있어서, 산소 농도를 10% 이하로 조절한다. 이에, 환원이 종료된 환원철의 냉각 시에 상기 환원철이 산소에 의해 재산화되는 것을 최소화 할 수 있으며, 이로 인해 환원철의 환원율을 향상시킬 수 있다.
S100: 철원료 마련 S200: 탄재 마련
S300: 철원료와 탄재 혼합 S400: 혼합물 성형
S500: 성형탄 소성 S600: 성형탄 냉각

Claims (5)

  1. 철원료 및 탄재를 준비하는 과정;
    상기 철원료와 탄재를 혼합하는 과정;
    상기 철원료와 탄재가 혼합된 혼합물을 성형하여, 성형탄을 제조하는 과정;
    상기 성형탄을 열처리하여 소성시킴으로써, 환원철을 제조하는 과정; 및
    상기 환원철을 냉각시키는 과정;
    을 포함하고,
    상기 환원철을 냉각시키는 분위기에서 산소 농도가 10% 이하가 되도록 조절하는 환원철 제조 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 환원철을 냉각시키는 분위기에서 산소 농도가 4% 이상, 10% 이하가 되도록 조절하는 환원철 제조 방법.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    불활성 가스 및 환원철 제조 공정 중에 발생된 가스 중 적어도 어느 하나의 가스를 공급하고, 상기 가스의 공급량을 조절함으로써, 상기 환원철의 냉각 시에 산소 농도를 조절하는 환원철 제조 방법.
  4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 환원철을 냉각하는 과정에서, 600℃ 내지 650℃ 까지 산소 농도를 10% 이하가 되도록 조절하는 환원철 제조 방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 철원료는 철광석, 철강 공정에서 발생되는 함철 더스트 및 슬러지 중 적어도 어느 하나를 포함하며,
    상기 탄재는 석탄 및 철강 공정에서 발생하는 함탄 더스트 중 적어도 어느 하나를 포함하는 환원철 제조 방법.

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