KR20150014146A - 탄재 내장 부분환원철의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 탄재 내장 부분환원철의 제조방법은 철 원료, 석탄 원료 및 바인더를 혼합하여 혼합물을 제조하는 공정, 상기 혼합물을 괴성화하여 브리켓을 제조하는 공정, 상기 브리켓을 개방형 환원로에서 환원하는 공정을 포함하며, 상기 환원공정 후의 부분환원철의 잔존 탄소함량이 4~10 중량%인 것을 특징으로 한다.

Description

탄재 내장 부분환원철의 제조방법{METHOD FOR PRODUTION FOR PART REDUCED IRON WITH CARONACEOUS MATERIAL INCORPORATED}

본 발명은 철 원료 및 탄재를 활용한 부분환원철의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고로 내에서 그 사용효과를 극대화 하기 위해 잔존 탄소가 내재되어 있는 탄재 내장 부분환원철의 제조방법에 관한 것이다.

철강산업은 자동차, 조선, 가전, 건설 등의 전체 산업에 기초 소재를 공급하는 핵심기간산업으로서, 인류의 발전과 함께 온 가장 역사가 오래된 산업중의 하나이다. 철강산업의 중추적인 역할을 담당하는 제철소에서는 원료로서 철광석 및 석탄을 이용하여 용융 상태의 선철인 용철을 제조한 다음, 이로부터 강을 제조하여 각 수요처에 공급하고 있다.

현재, 전세계 철 생산량의 60% 정도가 14세기부터 개발된 고로법으로부터 생산되고 있다. 고로법은 소결과정을 거친 철광석과 유연탄을 원료로 하여 제조한 코크스 등을 고로와 함께 넣고 고온의 공기를 불어 넣어 철광석을 철로 환원하여 용철을 제조하는 방법이다.

용철 생산설비의 대종을 이루고 있는 고로법은 그 반응 특성상 일정 수준의 이상의 강도를 보유하고 고로 내부의 통기성 확보를 보장할 수 있는 입도를 보유한 원료를 요구하므로, 전술한 바와 같이, 연료 및 환원제로 사용하는 탄소원으로 특정 원료탄을 가공 처리한 코크스에 의존하며, 철원으로는 일련의 괴상과 공정을 거친 소결광을 주로 의존하고 있다.

이에 따라, 현재의 고로법에서는 코크스 제조설비 및 소결 설비 등의 원료예비처리설비가 반드시 수반되므로, 고로 이외의 부대설비를 구축해야 할 필요가 있을 뿐만 아니라 부대설비에서 발생하는 제반 환경오염물질에 대한 환경오염방지설비도 필요하여 투자비용이 다량 소모되고 제조원가가 급격히 상승하는 문제점이 있다.

또한, 고로에는 환원가스의 흐름을 원활히 하기 위하여 분철광석을 덩어리 상태로 만든 소결광과 분석탄을 건류하여 덩어리 상태로 만든 코크스를 장입한다.

그런데 덩어리 상태인 소결광은 분철광석에 비하여 단위 부피당 환원가스의 접촉면적이 극히 작고, 고로 내에서 환원이 완료된 이후에도 탄소와의 접촉 면적이 작아 환원된 철 내부로의 탄소 침투가 어렵다. 따라서 소결광은 용융 온도가 높으므로 용융시키는 데 에너지가 많이 소모되고, 용선의 생산속도가 늦은 근원적인 문제점을 내포하고 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위해 종래에는 직접환원철(DRI)을 개발하여 사용하고 있는 직접환원철(DRI)의 경우 극미분 철광석을 펠렛으로 제조 후 RHF(Rotary Hearth Furnace)에서 환원을 유도하여 제조하는 공정이 개발되어 왔다. 하지만, 이러한 공정의 경우 생산량이 연간 15~50만 톤 규모의 공정으로서 대량 생산에는 한계가 있으며 환원율이 95%로서 전기로용 원료로 사용되고 있는 실정이다.

특히, 부분환원철을 고로에 사용하는 경우 고로 내 환원제비의 대폭적인 저감, 생산성 향상 및 고로 내 고온부에서의 통기성 개선에 의해 노황 안정화에 기여하는 것으로 알려져 있다.

다만 종래의 부분환원철 내의 잔존 카본 함량은 약 1~4 중량% 수준으로서 환원철내부에 침탄에 의한 카본을 환원철에 고용시키는 수준에 불과하였다. 이 경우 고로에서 발휘되는 생산성 향상 통기성 개선에 의한 노황 안정화의 효과가 미미한 문제점이 있었다.

특허공개번호 제10-2010-0132678호 특허공개번호 제10-2011-0069634호

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 고로내의 부분환원철의 사용효과를 극대화하기 위해 부분환원철의 내부에 잔존하는 탄소함량이 일정 수준이상 유지할 수 있는 탄재 내장 부분환원철의 제조방법을 제공하는 데 있다.

위 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 탄재 내장 부분환원철의 제조방법은 철 원료, 석탄 원료 및 바인더를 혼합하여 혼합물을 제조하는 공정, 상기 혼합물을 괴성화하여 브리켓을 제조하는 공정, 상기 브리켓을 개방형 환원로에서 환원하는 공정을 포함하며, 상기 환원공정 후의 부분환원철의 잔존 탄소함량이 4~10 중량%인 것을 특징으로 한다.

상기 환원로의 환원온도는 1000~1200℃이며, 산소농도는 15%이하, 환원시간은 10~30분일 수 있다.

상기 탄재는 20~30 중량%가 함유되며, 그 입경이 1mm 이하일 수 있다.

상기 철 원료는 철 산화물, 철강공정에서 발생하는 함철 더스트 및 슬러지 중에서 선택되는 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.

상기 탄재는 석탄 및 철강공정에서 발생하는 함탄 더스트 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.

상기 바인더는 포틀랜드 시멘트, 소석회 및 생석회 중 어느 하나 이상을 포함하는 수경성 바인더 또는 당밀, 타르 및 전분 중 어느 하나 이상을 포함하는 유기물 바인더이며, 1~3 중량%가 함유될 수 있다.

상기 환원과정에서 제철소 부생가스를 개방형 환원로의 냉각대에 취입하여 부분환원철을 냉각시키고, 상기 냉각대에서 발생되는 가스는 점화로에 취입될 수 있다.

본 발명에 따른 탄재 내장 부분환원철의 제조방법에 따르면 부분환원철의 내부의 잔존 탄소함량가 포함되어 고로내의 원료로 부분환원철을 사용하여 고로내의 통기성을 향상시켜 고로조업에서 생산성을 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명에 일 실시예에 따른 탄재 내장 부분환원철의 제조공정을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 환원로의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3는 각 산소분압에서 탄재 내장 브리켓 내 탄재함량에 따른 환원율을 나타낸 도면이다.
도 4은 각 산소분압에서 탄재 내장 브리켓 내 탄재함량에 따른 부분환원철 내부의 잔존 탄소함량을 나타낸 도면이다.
도 5는 각 산소분압에서 환원시간에 따른 부분환원철 내부의 잔존 탄소 함량을 나타낸 도면이다.
도 6은 종래의 부분환원철 및 본 발명에 따른 탄재가 내장된 부분환원철 사용시 고로 융착대 폭 변화를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명에 따른 부분환원철 내부의 탄소 함량에 따른 고로 융착대 폭 변화를 나타낸 도면이다.

여기서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.

다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 탄재 내장 부분환원철의 제조방법에 대하여 설명하기로 한다.

본 발명자는 고로내에서 부분환원철의 사용효과를 극대화하기 위해서 연구를 거듭하여 부분환원철 내부에 존재하는 잔존 탄소함량을 증가시킴으로서 그 효과가 배가되는 것을 확인하였고, 잔존 탄소함량을 증가시키기 위해서는 초기의 탄재의 함량의 조절, 개방형 환원로에서의 환원조건을 설정하여야 한다는 것을 확인하고 본 발명에 이르렀다.

도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄재 내장 부분환원철의 제조방법을 개략적으로 나타낸 도면이다.

본 발명의 일 실시예 따른 탄재 내장 부분환원철의 제조방법은 철원료, 석탄 원료 및 바인더를 혼합하여 혼합물을 제조하는 공정; 상기 혼합물을 괴성화하여 브리켓을 제조하는 공정; 상기 브리켓을 개방형 환원로에서 환원하는 공정을 포함을 포함한다.

본 발명은 도1에 도시된 바와 같이 철 원료 호퍼(1), 탄재 호퍼(2) 및 바인더 호퍼(3)에 철원료, 탄재 및 바인더를 각각 준비한 후, 혼합기(5)에서 균일하게 혼합한다. 탄재의 경우 입도분리기(4)에서 파쇄된 후 혼합기(5)에 주입될 수도 있다.

이하 혼합되는 성분에 관하여 자세히 설명한다.

탄재는 액상 슬래그에 필요로 하는 온도를 유지 시켜주고 환원을 유도하는데 효과적이다. 특히 부분환원철 내부에 잔존하는 탄소 함량을 결정하는 중요한 성분에 해당한다. 본 발명에서는 부분환원철 내부의 잔존 탄소 함량을 일정수준 유지하기 위해서는 중량%로, 20~30%인 것이 바람직하다. 탄재의 함량이 20% 미만인 경우에는 부분환원철 내부에 잔존 탄소함량을 4%이상 함유하기 어렵게 되어 고로내에서 통기성 개선에 의한 생산성 향상을 기대하기 어렵게 되며, 탄재의 함량이 30%를 초과하는 경우에는 탄재 증가에 따라 괴성화된 부분환원철의 강도가 낮아 질 수 있는 반면에 탄재함량의 증가에 따른 부분환원철 잔존탄소함량의 증가의 효과는 미미하게 된다. 또한, 상기 탄재는 석탄 및 철강공정에서 발생하는 함탄 더스트 중 어느 하나 이상이 포함될 수 있다.

바인더는 탄재 및 철 원료 사이로 화학결합하여 점도 및 점착성을 높이는 역할을 수행한다. 바인더의 함량은 중량%로 1~3 %인 것이 바람직하다. 바인더의 함량이 중량%로 1% 미만의 경우 점도 및 점착성을 높이는 효과가 미미하고, 바인더의 함량이 중량%로 5% 초과의 경우 브리켓 내의 슬래그량의 증가를 초래하고 브리켓의 염기도의 상승에 의해서 고로내 비효율적인 조업이 유발될 수 있으며 생산비가 증가하는 문제점이 있다.

또한, 상기 바인더로는 포틀랜드 시멘트, 소석회 및 생석회 중 어느 하나 이상을 포함하는 수경성 바인더 또는 당밀, 타르 및 전분 중 어느 하나 이상을 포함하는 유기물 바인더일 수 있다.

철 원료는 철 산화물, 철광공정에서 발생하는 함철 더스트 및 슬러지에서 선택되는 어느 하나 이상을 사용할 수 있으며, 평균 입경 0.1 mm 이하의 극미분을 사용하는 것이 바람직하다.

이외의 통상의 제조과정에서 원료 도는 주위 환경으로부터 의도되지 않는 불순물들이 혼입될 수 있으므로, 이를 배제할 수는 없다. 이들 불순물들은 통상의 제조과정에서 당해 기술분야에 통상의 기술자라면 알 수 있는 것이므로 특별히 본 명세서에서는 언급하지 않는다.

혼합기(5)에서 상기 원료들이 혼합된 이후, 철 원료, 탄재 및 바인더가 혼합된 혼합물을 성형기에서 괴성화하여 브리켓을 제조한다. 이때, 성형기(6)에서의 괴성화 온도는 상온에서 이루어지는 것이 바람직하며 예를 들어 한 쌍의 롤을 구비하는 성형기(6)에서 괴성화하는 경우 브리켓 형태로 제조될 수 있다.

이후 개방형 환원로(7)에서 환원과정이 이루어지게 된다. 환원된 브리켓은 환원로(7)에서 냉각된 후 탄재가 포함된 부분환원철로 제조된다. 환원로(7)의 냉각 부분에는 제철소 부생가스에 의해 냉각됨과 동시에 브리켓의 재산화를 방지할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 환원로(7)의 구성을 도2에 나타내었다.

도2에 도시한 바와 같이, 환원로(7)는 건조대(71), 예열대(72), 환원대(73), 냉각대(74), 점화로(75)를 포함할 수 있다.

성형기(6)에서 만들어진 브리켓은 수분을 다량 함유하고 있는데, 이는 괴성물이기 때문에 열 공급시 열충격으로 파열이 발생될 수 있다. 건조대(71)를 통과시켜 이를 방지할 수 있다. 이때 건조대(71)에 공급되는 가열가스는 환원대(73)에서 배출되는 배가스를 이용할 수 있다.

상기 건조대(71)를 거친 브리켓은 환원대(73)에서 환원되는 것을 돕기 위해 예열대(72)를 통과되도록 할 수 있다. 예열대(72)에 공급되는 가열가스는 상기 건조대(71)와 마찬가지로 환원대(73)에서 배출되는 배가스를 이용할 수 있다.

상기 환원대(73)에서 브리켓은 통기저항이 작아져 브리켓을 통한 열풍의 유속이 빠르며, 환원하는 동안 충분한 열을 가지고 있는 상태임으로 상기 냉각대를 거쳐 부분환원율이 우수한 부분환원철을 얻는다.

상기 냉각대에서 발생한 가스는 상기 점화로로 이동하여, 연소가 필요한 경우 상기 점화로에 외부공기가 공급된다.

상기 냉각대는 COG가스(Coke Oven Gas)와 같은 제철소 부생가스를 주입하여 불활성 분위기를 형성함으로써, 브리켓의 재산화방지를 통하여 상기 환원대(73)에서 우수한 환원율을 얻을 수 있다.

본 발명에서 부분환원철의 내부의 잔존 탄소함량을 4% 이상 유지할 수 있도록 하는 중요한 반응 조건은 환원온도, 환원시간 및 산소농도이다.

환원로(7)의 환원대(73)에서의 환원온도는 1000~1200℃인 것이 바람직하다. 브리켓의 표층부에 환원이 부분환원이 이루어지기 위해서는 1000℃ 이상의 온도를 유지하여야 할 필요가 있으며, 1200℃을 초과하는 경우에는 저융점산화물에 의해 용융물이 발생하게 되어 공정이 진행하기 어려워질 수 있다.

또한, 환원로(7)에서의 산소농도는 15% 이하로 관리하는 것이 바람직하다. 산소농도가 15%이상으로 초과하게 되며 브리켓 내부에 존재하는 탄재들이 산화되어 부분환원철 내부의 잔존탄소의 함량을 4%이상 함유되지 못할 수 있기 때문이다.

그리고, 환원시간은 환원온도와 산소농도에 따라 적정하게 유지하는 것이 바람직하다. 구체적으로는 환원시간은 10~30분인 것이 바람직하다.

부분환원철의 환원도를 확보하기 위해가 10분 이상의 시간이 필요로 하며, 30분 이상 증가하는 경우에는 환원도의 증가는 미미하고 생산비가 증가될 수 있다.

이하에서는 실험예를 통하여 본 발명을 설명한다.

탄재 내장 브리켓의 석탄첨가량에 따른 환원로에서의 환원율 및 카본소비량을 조사하기 위해 탄재를5~30% 첨가하여 브리켓을 제조하였다. 철 원료로는 입경 0.1mm이하의 미분광석을 사용하였으며 탄재는 일반적인 야금용 석탄을 파쇄 후 1mm 이하의 입도를 이용하였다. 1200℃의 환원로에서 20분 환원 후에 산소분압에 따른 각 브리켓의 환원율을 도3에 표시하였다. 또한, 환원 후 부분환원철 내부의 잔존 탄소함량을 도4에 표시하였다. 도3에 도시된 바와 같이 동일한 산소분압에서 초기 탄재 내장 브리켓의 환원율은 탄재함량 증가에 따라 증가하는 것을 알 수 있으며, 환원로 내 산소분압이 증가함에 따라 환원율은 저하됨을 알 수 있다. 또한, 도 4에 도시된 바와 같이 동일한 산소분압에서 초기 탄재 함량의 증가에 따라 환원 후 부분환원철 내부의 잔존 탄소함량은 높아지는 것을 알 수 있다.

도5는 각 산소분압에서 환원로 내 환원시간에 따른 부분환원철 내부의 잔존 탄소 함량변화를 나타낸 도면이다. 도5에 도시된 바와 같이 환원시간이 길어질수록 부분환원철 내부의 잔존 탄소함량은 감소하는 것을 알 수 있다. 도 3 내지 도5의 결과로부터 부분환원철의 환원율을 일정 수준 이상 유지하면서 부분환원철 내부의 잔존 카본함량을 증대시키기 위해서는 초기 브리켓 제조 시 첨가되는 탄재의 함량 및 환원로 내 산소분압에 따른 환원시간이 중요한 공정조건임을 알 수 있다.

기존의 고로 장입물인 소결 및 부분환원철, 탄재가 내장된 부분환원철에 대해 고로 모사 장치를 이용하여 각 장입물에 따른 고로내 융착대 폭 변화를 측정하고 그 결과를 도에 도시하였다. 고로 융착대 폭은 통상적으로 장입물이 완전히 환원되어 철이 용융되어 낙하하는 온도(Td)와 장입물이 연화가 시작되는 온도(Ts)의 차이로 나타낼 수 있는데, 고로 융착대는 고로내 장입물의 환원 및 용융반응에 따라 나타나는 현상으로서 그 폭이 좁아졌을 때 고로내 통기성이 개선됨으로서 조업이 용이해짐과 동시에 생산성이 향상된다고 볼 수 있다. 도6에 도시된 바와 같이, 기존 장입물인 소결광 100% 대비 소결과 90%에 부분환원철 10%를 혼합한 경우 융착대 폭이 좁아지는 것을 알 수 있다. 또한 소결광 90%에 본 발명에 따른 탄재가 내장된 부분환원철을 10% 혼합 한 경우 그 융착대 폭이 현저하게 저하됨을 확인할 수 있다.

이러한 결과로부터 탄재가 내장된 부분환원철을 고로에 사용시 탄재가 내장되지 않은 부분환원철 및 기존 장입물 대비 융착대 폭 저감효과가 크게 향상되는 것을 알 수 있다.

도7에는 본 발명에 따른 부분환원철 내부의 잔존 탄소함량에 따른 융착대 변화폭을 나타낸 것으로 잔존 탄소함량 4%이상에서 그 효과가 크게 나타남을 알 수 있다. 다만, 잔존 탄소함량이 증가할수록 그 효과 향상되나, 10%를 초과하는 경우 괴성화하여 브리켓을 형성하는 경우 공정상의 어려움이 있으며, 융착대의 폭이 감소의 정도가 잔존 탄소함량의 증가량보다 미미함으로 본 발명에서 잔존탄소 함량은 4~10%가 바람직하며, 더욱 바람직하게는 4~7%일 수 있다.

상기의 결과로부터 고로내 조업의 용이성 및 생산성 향상효과를 위해 부분환원철의 장입 시 탄재가 내장된 부분환원철의 사용이 효과적임을 알 수 있다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변경된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

1: 철 원료 호퍼 2: 탄재 원료 호퍼 3: 바인더 호퍼
4: 입도분리기 5: 혼합기 6: 성형기
7: 환원로 8: 부분환원철 71: 건조대
72: 예열대 73: 환원대 74: 냉각대
75: 점화로 76: 부생가스

Claims (7)

1. 철원료, 석탄 원료 및 바인더를 혼합하여 혼합물을 제조하는 공정;
   상기 혼합물을 괴성화하여 브리켓을 제조하는 공정;
   상기 브리켓을 환원로에서 환원하는 공정을 포함하며,
   상기 환원공정 후의 부분환원철의 잔존 탄소함량이 4~10 중량%인 탄재 내장 부분환원철의 제조방법.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 환원로의 환원온도는 1000~1200℃이며, 산소농도는 15%이하, 환원시간은 10~30분인 것을 특징으로 하는 탄재 내장 부분환원철의 제조방법
   
3. 청구항 1 또는 청구항 2 에 있어서,
   상기 탄재는 20~30 중량%가 함유되며, 그 입경이 1mm 이하 인 것을 특징으로 하는 탄재 내장 부분환원철의 제조방법.
   
4. 청구항 1 또는 청구항 2 에 있어서,
   상기 철 원료는 철 산화물, 철강공정에서 발생하는 함철 더스트 및 슬러지 중에서 선택되는 어느 하나 이상을 포함하는 탄재 내장 부분환원철의 제조방법.
   
5. 청구항 1 또는 청구항 2 에 있어서,
   상기 탄재는 석탄 및 철강공정에서 발생하는 함탄 더스트 중 어느 하나 이상을 포함하는 탄재 내장 부분환원철의 제조방법.
   
6. 청구항 1 또는 청구항 2 에 있어서,
   상기 바인더는 포틀랜드 시멘트, 소석회 및 생석회 중 어느 하나 이상을 포함하는 수경성 바인더 또는 당밀, 타르 및 전분 중 어느 하나 이상을 포함하는 유기물 바인더이며, 1~3 중량%가 함유되는 것을 특징으로 하는 탄재 내장 부분환원철의 제조방법.
   
7. 청구항 1 또는 청구항 2 에 있어서,
   상기 환원과정에서 제철소 부생가스를 개방형 환원로의 냉각대에 취입하여 부분환원철을 냉각시키고, 상기 냉각대에서 발생되는 가스는 점화로에 취입되는 것을 특징으로 하는 탄재 내장 부분환원철의 제조방법.

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