KR20160099748A - 용융물 제조 장치 및 그 제조 방법 - Google Patents

용융물 제조 장치 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 용융물 제조 장치 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 스크랩과 산화철 및 탄재를 마련하는 과정; 상기 산화철과 탄재를 이용하여 성형체를 제조하는 과정; 상기 성형체를 성형체 저장기에 저장하는 과정; 상기 성형체 저장기에 연결되는 예비 환원로에 상기 성형체를 장입하는 과정; 상기 예비 환원로에서 상기 성형체를 예비 환원시키는 과정; 전기로에 상기 스크랩과 예비 환원된 성형체를 공급하는 과정; 및 상기 스크랩과 환원된 성형체를 용해시켜 용융물을 제조하는 과정;을 포함하는 것을 특징으로 하고, 산화철을 환원시키는 기능이 없는 전기로에서 산화철을 이용하여 용선 등과 같은 용융물을 제조할 수 있다.

Description

용융물 제조 장치 및 그 제조 방법{Apparatus of molten metal and manufacturing method thereof}
본 발명은 용융물 제조 장치 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전기로에서 산화철을 철원으로 이용하여 용선 등과 같은 용융물을 제조할 수 있는 용융물 제조 장치 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
최근에는 철원을 확보하기 위한 방안들 중에서 고철 등의 스크랩을 재활용하여 용선을 제조하는 방안이 활발하게 적용되고 있다. 즉, 스크랩을 전기로에 장입하고 용해시켜 용선을 제조함으로써 고로에서 출선되는 용선과 병용하거나 또는 고로에서 출선되는 용선을 대체하여 주편을 제조하는데 사용할 수 있다.
한편, 스크랩에는 구리(Cu), 주석(Sn), 비소(As) 등과 같이 주편의 품질을 저해하는 트램프 원소(tramp element)가 다량 함유되어 있다. 따라서 전기로에서 스크랩을 용해시켜 용선을 제조하는 경우, 용선 중 트램프 원소의 농도가 상승하는 것을 억제하기 위하여 트램프 원소의 함량이 낮은 스크랩을 선별하여 사용하거나, 이렇게 선별된 스크랩과 직접 환원철을 혼합하여 사용하고 있다. 그러나 직접 환원철은 제조 후 냉각되는 과정이나 조업을 위해 이송하는 과정에서 산화되기 쉽고, 제조하는데 비교적 많은 비용이 들어 제조 비용이 증가하는 문제점이 있다. 또한, 전기로를 이용하여 용강을 제조할 때에는 스크랩이나 직접 환원철을 단순히 전기에너지로 가열하여 용해시키기 때문에 환원 기능을 갖고 있지 않아 주원료는 금속 Fe로 존재해야 한다는 제약이 있다.
KR 10-1406503B JP1999-344287A
본 발명은 산화철을 예비 환원시킨 후 전기로에 장입하여 용선 등과 같은 용융물을 제조할 수 있는 용융물 제조 장치 및 그 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 실시 형태에 따른 용융물 제조 장치는, 스크랩을 저장하는 스크랩 저장기; 산화철을 함유하는 성형체를 제조하는 성형체 제조기; 상기 성형체 제조기에서 제조된 성형체를 저장하는 성형체 저장기; 상기 성형체 제조기에서 제조된 성형체를 예비 환원시키는 예비 환원로; 상기 성형체 저장기에 구비되어 상기 성형체 저장기에 저장된 성형체를 상기 예비 환원로에 장입하는 장입기; 상기 스크랩 저장기와 상기 환원로에서 상기 스크랩과 환원된 성형체를 공급받아 용해시켜 용융물을 제조하는 전기로; 및 상기 전기로와 장입기의 작동을 제어하는 제어기;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 성형체 제조기는, 산화철을 저장하는 산화철 저장기; 탄재를 저장하는 탄재 저장기; 상기 원료 저장기에서 공급되는 산화철과 탄재를 혼합하는 혼합기; 및 상기 혼합기에서 혼합된 산화철과 탄재를 가압하여 성형하는 성형기;를 포함할 수 있다.
상기 성형체 저장기는 내부에 성형체가 수용되는 공간이 형성되고, 상부 일측에 성형체가 유입되는 유입구가 형성되고, 하부에 상기 성형체가 배출되는 배출구가 구비되며, 상기 배출구와 상기 예비 환원로는 상호 연통될 수 있다.
상기 장입기는 상기 성형체 저장기 내부에 회전 가능하도록 구비되는 스크류 피더, 상기 배출구를 개폐하는 로터리 밸브 및 왕복 이동 가능하도록 구비되는 피더 중 적어도 어느 하나일 수 있다.
상기 예비 환원로의 내부에 가열수단이 구비될 수 있다.
상기 전기로는 상기 예비 환원로 및 상기 스크랩 저장기를 연결하는 제1배가스 공급관을 구비할 수 있다.
상기 환원로는 상기 스크랩 저장기 및 상기 예비 환원로를 연결하는 제2배가스 공급관을 구비할 수 있다.
본 발명의 실시 형태에 따른 용융물 제조 방법은, 스크랩과 산화철 및 탄재를 마련하는 과정; 상기 산화철과 탄재를 이용하여 성형체를 제조하는 과정; 상기 성형체를 성형체 저장기에 저장하는 과정; 상기 성형체 저장기에 연결되는 예비 환원로에 상기 성형체를 장입하는 과정; 상기 예비 환원로에서 상기 성형체를 예비 환원시키는 과정; 전기로에 상기 스크랩과 예비 환원된 성형체를 공급하는 과정; 및 상기 스크랩과 환원된 성형체를 용해시켜 용융물을 제조하는 과정;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 성형체를 제조하는 과정에서, 상기 탄재는 상기 성형체의 중량에 대하여 10중량% 내지 20중량% 포함될 수 있다.
상기 성형체를 예비 환원시키는 과정에서 발생하는 배가스를 이용하여 상기 성형체 저장기에 저장되는 성형체를 예열할 수 있다.
상기 예비 환원로에 상기 성형체를 장입하는 과정에서 상기 성형체 저장기에 저장된 상기 성형체를 상기 예비 환원로에 연속적으로 장입할 수 있다.
상기 성형체를 예비 환원시키는 과정은 1100 내지 1200℃의 온도로 수행할 수 있다.
상기 성형체를 예비 환원시키는 과정에서, 상기 스크랩과 상기 환원된 성형체를 용해시키는 과정에서 발생하는 배가스를 상기 환원로에 공급할 수 있다.
상기 성형체를 예비 환원시키는 과정은 20분 내지 30분간 수행될 수 있다.
상기 성형체를 예비 환원시키는 과정에서 발생하는 배가스와, 상기 스크랩과 상기 환원된 성형체를 용해시키는 과정에서 발생하는 배가스 중 일부를 상기 스크랩이 저장되는 스크랩 저장기로 공급하여 상기 스크랩을 예열할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 용융물 제조 장치 및 그 제조 방법은, 산화철을 환원시키는 기능이 없는 전기로에서 산화철을 이용하여 용선 등과 같은 용융물을 제조할 수 있다. 즉, 산화철을 포함하는 성형체를 제조한 후, 성형체를 예비환원시켜 전기로에 장입함으로써 환원 기능이 없는 전기로에서도 산화철을 이용하여 용선을 제조할 수 있다. 따라서 전기로를 이용하여 용선을 제조할 때 철원으로 사용되는 스크랩과 직접 환원철을 산화철로 대체할 수 있으므로, 고가의 철광석이나 스크랩의 사용량을 감소시켜 용선 제조에 소요되는 생산 비용을 절감할 수 있다.
또한, 성형체를 환원시킬 때 전기로에서 용선을 제조하는 과정에서 발생하는 배가스를 이용하기 때문에 성형체 환원을 위해 사용되는 에너지 비용을 절감할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 용융물 제조 장치를 개략적으로 보여주는 도면.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 용융물 제조 장치의 성형체 저장기 및 장입기의 예를 개략적으로 보여주는 도면.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 용융물 제조 방법을 순차적으로 보여주는 순서도.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 용융물 제조방법에서 발생하는 배가스의 흐름을 보여주는 도면.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 용융물 제조방법으로 성형체를 예비 환원시킬 때 탄재 함량에 따른 환원율의 변화를 보여주는 그래프.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 용융물 제조방법으로 성형체를 예비 환원시킬 때 예비 환원 온도에 따른 환원율의 변화를 보여주는 그래프.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
본 발명은 산화철을 예비 환원시킨 후 전기로에 장입함으로써 환원 기능이 없는 전기로에서 용선, 용강 등과 같은 용융물을 제조할 수 있다. 이에 전기로 조업에서 철원으로 사용되는 스크랩과 직접 환원철의 사용량을 감소시킬 수 있다. 이하에서는 산화철을 브리켓과 같은 성형체로 괴성화하여 예비 환원시킨 후 전기로 조업에 적용하여 용선을 제조하는 예에 대해서 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 용선 제조 장치를 개략적으로 보여주는 도면이고, 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 용선 제조 장치의 성형체 저장기 및 장입기의 예를 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 1을 참조하면, 용선 제조 장치는 스크랩을 저장하는 스크랩 저장기(100)와, 산화철을 이용하여 성형체를 제조하는 성형체 제조기(200)와, 성형체 제조기(200)에서 제조된 성형체를 일시적으로 저장하는 성형체 저장기(300)와, 성형체 저장기(300)와 연통되도록 구비되고 성형체 저장기(300)에서 배출되는 성형체를 예비 환원시키는 예비 환원로(400)와, 스크랩 저장기(100)와 예비 환원로(400)에서 스크랩과 환원된 성형체를 공급받아 용해시키는 전기로(500)를 포함한다.
스크랩 저장기(100)는 파쇄, 선별 등의 과정을 거쳐 마련된 스크랩을 저장한다. 스크랩 저장기(100)는 상부 및 하부가 개방된 호퍼 형태로 형성될 수 있으며, 스크랩 저장기(100)의 상부 및 하부는 개폐 가능하도록 형성될 수 있다. 이에 스크랩 저장기(100) 내부에 저장되는 스크랩을 전기로(400)로 선택적으로 배출시킬 수 있고, 스크랩 저장기(100) 내부에 저장된 스크랩을 예열을 용이하게 할 수 있다.
성형체 제조기(200)는 산화철을 저장하는 산화철 저장기(210)와, 탄재를 저장하는 탄재 저장기(220), 산화철과 탄재를 혼합하는 혼합기(230) 및 혼합된 산화철과 탄재를 가압하여 성형체를 제조하는 성형기(240)를 포함할 수 있다. 또한, 성형체 제조기(220)는 바인더, SiO2, CaO, MgO, Al2O3 등과 같은 부원료를 저장하는 부원료 저장기(미도시)를 더 포함할 수 있다.
산화철 저장기(210), 탄재 저장기(220), 부원료 저장기 등은 스크랩 저장기(100)와 같이 상부 및 하부가 개방된 호퍼 형태로 형성될 수 있으며, 각각의 원료를 혼합기(230)로 미리 설정된 양씩 일정하게 배출시킬 수 있다.
혼합기(230)는 산화철 저장기(210), 탄재 저장기(220), 부원료 저장기에서 배출되는 원료를 균일하게 혼합하며, 필요에 따라 바인더나 수분을 첨가하며 원료들을 균일하게 혼합시킬 수 있다.
성형기(240)는 구체적으로 도시되지는 않았지만, 상호 마주보도록 설치된 한 쌍의 롤을 구비하는 성형기 즉, 쌍롤식 성형기일 수 있다. 이에, 한 쌍의 롤 사이에 혼합물이 장입되면, 한 쌍의 롤의 회전으로 인한 압출에 의해 성형체, 예컨대 브리켓이 제조될 수 있다.
성형기(240)에서 제조된 성형체는 성형기(240) 주변, 예컨대 하부에 구비되는 성형체 저장기(300)에 저장될 수 있다.
성형체 저장기(300)는 내부에 성형체를 수용하는 공간이 형성되고, 상부에는 성형체가 유입되는 유입구(302)가 형성되고, 하부에는 성형체를 배출시키기 위한 배출구(304)가 형성될 수 있다. 성형체 저장기(300)는 도 2의 a)에 도시된 바와 같이 상부 및 하부가 개방된 호퍼 형태로 형성될 수도 있고, 도 2의 b) 및 c)에 도시된 바와 같이 일방향으로 연장되는 다면체 형상, 예컨대 직육면체 형상으로 형성될 수도 있다.
성형체 저장기(300)의 유입구(302)는 성형기(240)의 하부에 배치되어 성형기(240)에서 제조된 성형체를 유입시킬 수 있다. 그리고 성형체 저장기(300)의 배출구(304)는 예비 환원로(400) 상부측에 배치되도록 하여 성형체 저장기(300)에 저장된 성형체가 예비 환원로(400) 내부로 직접 배출되도록 할 수 있다. 즉, 성형체 저장기(300)의 배출구(304)는 예비 환원로(400)와 연통되도록 구비되어 성형체를 성형체 저장기(300)에서 예비 환원로(400)에 대기와의 접촉 없이 연속적으로 장입할 수 있다. 또한, 성형체 저장기(300)는 예비 환원로(400)와 배출구(304)를 통해 연통되므로, 성형체를 예비 환원시키는 과정에서 발생하는 배가스가 배출구(304)를 통해 성형체 저장기(300)로 유입될 수 있기 때문에 배가스를 이용하여 성형체를 예열할 수 있다. 따라서 성형체를 예비 환원시키기 위해 성형체를 가열하는데 소요되는 시간을 단축시킬 수 있다. 여기에서는 성형체 저장기(300)와 예비 환원로(400)가 배출구(304)를 통해 연통되는 것으로 설명하였나 별도의 배가스 공급관을 통해 연통될 수도 있음은 물론이다.
또한, 성형체 저장기(300)에는 성형체를 예비 환원로(400)에 일정 양씩 배출시키기 위한 장입기(350a, 350b, 350c)가 구비될 수 있다.
장입기(350a)는 도 2의 a)에 도시된 바와 같이 호퍼 형태로 형성된 성형체 저장기(300)의 배출구(304)에 구비되는 로터리 밸브일 수 있다. 이에 로터리 밸브는 회전에 의해 배출구(304)를 개폐하며 성형체를 예비 환원로에 장입시킬 수 있다.
도 2의 b)를 참조하면, 장입기(350b)는 성형체 저장기(300)에 회전 가능하도록 구비되는 스크류 피더일 수도 있다. 스크류 피더는 성형체 저장기(300)의 하부에 일방향, 예컨대 성형체 저장기(300)의 유입구(302)가 형성되는 방향과 배출구(304)가 형성된 방향으로 배치될 수 있다. 이에 유입구(302)를 통해 성형체 저장기(300) 내부에 저장되는 성형체를 회전에 의해 배출구(304)측으로 이동시켜 예비 환원로(400)에 장입할 수 있다.
도 2의 c)를 참조하면, 장입기(350c)는 성형체 저장기(300)에 왕복 이동 가능하도록 구비되는 푸셔일 수도 있다. 푸셔는 성형체 저장기(300)의 하부에 일방향, 예컨대 성형체 저장기(300)의 유입구(302)가 형성되는 방향과 배출구(304)가 형성된 방향으로 배치될 수 있다. 이에 유입구(302)를 통해 성형체 저장기(300) 내부에 저장되는 성형체를 왕복 이동에 의해 배출구(304)측으로 이동시켜 예비 환원로(400)에 장입할 수 있다.
장입기(350a, 350b, 350c)는 제어기의 제어를 통해 작동하며 성형체를 예비 환원로(400)에 장입할 수 있다. 이때, 제어기는 장입기(350a, 350b, 350c), 전기로(500), 예비 환원로(400)의 동작을 제어하며, 특히 용해, 출강 등과 같은 전기로(500)의 작동상태에 따라 장입기(350a, 350b, 350c)와 예비 환원로(400)의 동작을 제어할 수 있다. 이에 대해서는 용선 제조 방법을 설명할 때 다시 설명하기로 한다.
성형체 저장기(300)에 저장된 성형체는 예비 환원로(400)로 장입되어 가열됨으로써 환원될 수 있다. 예비 환원로(400)는 내부에 성형체를 수용하기 위한 공간을 구비하며, 공간 내부에는 온도 제어를 위한 가열 수단(미도시)이 구비될 수 있다.
전기로(500)는 내부에 스크랩, 성형체 등을 수용할 수 있는 공간이 형성되고, 상부에는 이들이 장입되는 장입구가 형성되고 하부에는 이들이 용해되면서 생성된 용선이 출강되는 출강구가 형성될 수 있다. 또한, 전기로(500)에는 복수의 전극이 구비되며, 전력을 공급받아 아크를 발생시키고 이때 발생하는 열에너지를 통해 스크랩과 성형체 등을 용해시킬 수 있다.
전기로(500)는 스크랩 저장기(100)와 예비 환원로(400)와 서로 연통되도록 형성될 수 있다. 이에 전기로(500)와 스크랩 저장기(100) 및 예비 환원로(400)를 연결하는 제1배가스 공급관(610)을 구비할 수 있다. 이와 같은 구성을 통해 전기로(500)에서 발생하는 배가스를 이용하여 스크랩을 예열하고, 성형체를 예비 환원시킬 수 있다.
또한, 전기로(500)와 예비 환원로(400)를 연결하는 제2배가스 공급관(620)을 더 포함할 수 있다. 이에 성형체를 예비 환원시키는 과정에서 발생하는 배가스를 스크랩 저장기로 유입시켜 스크랩을 예열하는데 사용할 수 있다. 여기에서는 제2배가스 공급관(620)이 전기로(500)와 예비 환원로(400)를 연결하는 것으로 설명하고 있으나, 제2배가스 공급관(620)은 제1배가스 공급관(610)과 연결되어 예비 환원로(400)에서 발생하는 배가스가 전기로(500)에서 발생하는 배가스와 제1배가스 공급관(610)에서 혼합되어 스크랩 저장기(100)로 공급될 수도 있다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 용선 제조 방법을 순차적으로 보여주는 순서도이고, 도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 용선 제조방법에서 발생하는 배가스의 흐름을 보여주는 도면이다.
도 3을 참조하면, 용선 제조 방법은 스크랩을 마련하는 과정(S110)과, 성형체를 제조하는 과정(S120)과, 성형체를 성형체 저장기에 저장하는 과정(S130)과, 성형체를 예비 환원로에 장입하는 과정(S140)과, 성형체를 예비 환원시키는 과정(S150)과, 스크랩과 예비 환원된 성형체를 전기로에 장입하는 과정(S160) 및 스크랩과 예비 환원된 성형체를 용해시켜 용선을 제조하는 과정(S170)을 포함한다.
스크랩을 마련하는 과정은 스크랩을 슈레더 등과 같은 파쇄기를 이용하여 절단하고, 자력 선별 등을 통해 금속 성분이 포함된 스크랩을 선별하여 스크랩 저장기(100)에 저장한다. 이때, 스크랩을 마련하는 과정에서 스크랩에 포함된 도료, 기름, 플라스틱 등의 유기물을 제거할 수도 있다.
성형체를 제조하는 과정은 산화철과 탄재를 마련하여 산화철 저장기와 탄재 저장기에 저장하는 과정(S122)과, 산화철 저장기와 탄재 저장기에 저장된 산화철과 탄재를 혼합기로 일정량씩 배출시켜 균일하게 혼합하는 과정(S124)과, 산화철과 탄재의 혼합물를 이용하여 성형기로 성형하는 과정(S126)을 포함할 수 있다.
산화철은 철광석, 제철소에서 발생하는 다양한 함철 부산물일 수 있다. 탄재는 산화철을 환원시키기 위한 환원제로 사용되며, 건식소화설비의 더스트, 석탄, 폐플라스틱 등이 사용될 수 있다.
이렇게 마련된 산화철과 탄재는 혼합기에서 일정한 비율로 혼합될 수 있으며, 산화철과 탄재 혼합 시 SiO2, CaO, MgO, Al2O3 등과 같은 부원료와 수분 및 바인더 중 적어도 어느 하나를 추가로 투입할 수 있다. 이들 원료는 다양한 조성비를 갖도록 혼합될 수 있으며, 특히 탄재는 혼합물 전체 중량 또는 성형체 전체 중량에 대해서 10 내지 20중량% 범위를 갖도록 혼합될 수 있다. 탄재의 함량이 제시된 범위보다 낮은 경우에는 산화철의 환원율이 낮아지고, 제시된 범위보다 높은 경우에는 산화철의 함량이 낮아져 철원 확보에 어려움이 있다. 또한, 탄재는 0㎜ 초과 내지 1㎜ 이하의 입도를 갖는 것을 사용함으로써 환원 시 반응성을 높이고, 환원 후 성형체의 강도 저하를 억제할 수 있다.
이들 원료가 혼합되면, 성형기를 이용하여 성형체를 제조한다. 이때, 성형기는 상호 마주보도록 설치된 한 쌍의 롤을 구비하는 성형기 즉, 쌍롤식 성형기일 수 있다. 이에, 한 쌍의 롤 사이에 혼합물이 장입되면, 한 쌍의 롤의 회전으로 인한 압출에 의해 성형체, 예컨대 브리켓이 제조될 수 있다.
이렇게 제조된 성형체는 성형체 저장기(300)에 일시적으로 저장되었다가 예비 환원로(400)로 장입된다. 성형체를 예비 환원로(400)에 장입하는 과정은 제어기를 통해 장입기(350a, 350b, 350c)의 동작을 제어함으로써 수행될 수 있다. 제어기는 전기로에서 용선이 출강되면, 예비 환원로(400)와 스크랩 저장기(100)에서 예비 환원된 성형체와 스크랩을 전기로(500)에 장입한다. 그리고 제어기는 장입기(350a, 350b, 350c)의 동작을 제어하여 예비 환원로(400)에 성형체를 자동으로 공급한다. 이에 성형체는 대기와 접촉없이 예비 환원로(400)에 공급되므로 열 손실 없이 이전 예비 환원 공정을 통해 예열된 상태로 예비 환원로(400)에 공급될 수 있다.
예비 환원로(400)에서는 성형체를 가열하여 환원시킬 수 있다. 예비 환원로(400)에서는 전기로(500)에서 발생하는 배가스를 공급받아 성형체를 가열하여 환원시키며, 필요에 따라 예비 환원로(400) 내부에 구비되는 가열 수단을 이용하여 예비 환원로(400) 내부 온도를 제어함으로써 성형체를 예비 환원시킨다. 즉, 전기로(500)에서 스크랩과 예비 환원된 성형체를 용해시키는 과정에서 발생하는 배가스는 제1배가스 공급관(610)을 통해 예비 환원로(400)로 유입되어 예비 환원로(400) 내부 온도를 상승시킨다. 이때, 전기로(500)에서 공급되는 배가스의 온도는 800 내지 1100℃이며, 성형체의 환원을 용이하게 하기 위하여 가열 수단을 작동시켜 예비 환원로(400) 내부의 온도가 1100 내지 1200℃ 정도로 되도록 제어할 수 있다. 참고로, 성형체를 최초 예비 환원시키는 경우에는 가열수단을 통해 예비 환원로(400) 내부 온도를 제어함으로써 성형체를 환원시킬 수 있다.
성형체의 예비 환원은 20 내지 30분 정도 수행할 수 있으며, 예비 환원 시간이 제시된 범위보다 짧은 경우는 성형체가 충분하게 환원되지 않고, 예비 환원 시간이 제시된 범위보다 긴 경우에는 성형체의 환원율을 증가시키는데 큰 도움을 주지 못한다.
성형체의 예비 환원이 완료되면, 스크랩 저장기(100)에 저장된 스크랩과 예비 환원로(400) 내에서 예비 환원된 성형체를 전기로(500)에 장입하여 용해시킴으로써 용선을 제조한다.
도 4에는 용선을 제조하는 과정에서 원료의 흐름과 배가스의 흐름이 나타나 있다.
도 4에서 실선은 원료, 즉 스크랩과 성형체의 흐름을 나타내고, 점선은 배가스의 흐름을 나타낸다.
여기에서는 스크랩과 성형체의 흐름은 전술한 내용에 포함되어 있으므로 배가스에의 흐름에 대해서 구체적으로 설명한다.
전기로(500)에서 스크랩과 예비 환원된 성형체를 용해시킬 때 배가스가 발생하게 되는데, 배가스 중 일부(ⓐ-1)는 예비 환원로(400)로 공급되어 성형체를 예비 환원시키는데 열원으로 사용될 수 있다. 전기로(500)에서 발생하는 배가스는 800 내지 1100℃ 정도의 고온이며, 제1배가스 공급관(610)을 통해 예비 환원로(400)로 공급될 수 있다. 이때, 전기로(500)에서 발생하는 배가스 중 60 내지 80% 예비 환원로(400)로 공급될 수 있다. 또한, 전기로(500)에서 발생하는 배가스에는 CO가 25~33%, CO2가 15~23%, H2O가 1~6% 정도의 농도를 가지며 포함되고, N2가 그 나머지를 차지한다. 이때, 배가스 중 함유되는 CO는 환원가스로 사용되어 성형체의 환원율을 높이는데 도움을 줄 수 있다. 이와 같이 예비 환원된 성형체는 약 1000 내지 1100℃ 정도의 온도를 가지며 전기로(500)에 투입될 수 있다.
또한, 전기로(500)에서 발생하는 배가스 중 일부(ⓐ-2)는 스크랩 저장기(100)로 공급되어 스크랩을 예열하는데 사용될 수 있다. 이때, 전기로(500)에서 발생하는 배가스 중 예비 환원로(400)로 공급되는 배가스를 제외한 나머지가 스크랩 저장기(100)로 공급될 수 있다.
그리고 예비 환원로(400)에서 발생하는 배가스 중 일부(ⓑ-1)는 제2배가스 공급관(620)을 통해 스크랩 저장기(100)로 공급될 수 있다. 예비 환원로(400)에서 발생하는 배가스는 400 내지 600℃ 정도의 온도를 가지며 스크랩 저장기(100)로 공급될 수 있다. 또한, 예비 환원로(400)에서 발생하는 배가스는 전기로(500)에서 발생하는 배가스와 혼합되어 스크랩 저장기(100)로 공급될 수도 있다. 이 경우에는 제2배가스 공급관(620)이 스크랩 저장기(100)로 연결되지 않고, 제1배가스 공급관(610)에 연결되어 전기로(500)에서 발생하는 배가스와 예비 환원로(400)에서 발생하는 배가스가 제1배가스 공급관(610)을 따라 흐르면서 혼합되어 스크랩 저장기(100)로 공급될 수 있다. 이 경우 전기로(500)에서 발생하는 배가스와 예비 환원로(400)에서 발생하는 배가스가 혼합된 배가스는 약 600 내지 900℃ 정도의 온도를 가지며 스크랩 저장기(100)로 공급될 수 있으며, 이에 스크랩은 약 650 내지 750℃ 정도로 예열될 수 있다.
또한, 예비 환원로(400)에서 발생한 배가스 중 일부(ⓑ-2)는 성형체 저장기(300)로 공급될 수도 있다. 예비 환원로(400)에서 성형체 저장기(300)로 공급되는 배가스는 별도의 예비 환원로(400)와 성형체 저장기(300)를 연결하는 배가스 공급관을 통해 공급될 수도 있고, 전술한 바와 같이 배출구(304)를 통해 성형체 저장기(300) 내부로 유입될 수도 있다. 이에 성형체 저장기(300)에 저장되는 성형체가 예비 환원로(400)로부터 유입되는 배가스에 의해 예열될 수 있고, 예열되는 과정에서 성형체 내 함유된 수분이 건조될 수도 있다.
이와 같이 산화철을 성형체, 즉 괴성화시킨 후 예비 환원하여 전기로(500)에 장입함으로써 환원 기능이 없는 전기로(500)를 이용한 용선 제조 조업에서도 산화철을 철원으로 사용할 수 있게 된다.
이하에서는 본 발명의 실시 예에 따른 용선 제조 방법에서 탄재의 함량과 예비 환원 온도에 따른 산화철의 환원율 변화를 살펴본다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 용선 제조방법으로 성형체를 예비 환원시킬 때 탄재 함량에 따른 환원율의 변화를 보여주는 그래프이고, 도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 용선 제조방법으로 성형체를 예비 환원시킬 때 예비 환원 온도에 따른 환원율의 변화를 보여주는 그래프이다.
예비 환원 시 산화철의 환원율을 살펴보기 위하여 다음과 같은 실험을 수행하였다.
탄재의 함량을 2.81wt%(브리켓1), 6.8wt%(브리켓2) 및 10.8wt%(브리켓3) 로 변화시키면서 원료를 배합한 후 1 내지 5 t/㎝의 성형압으로 브리켓(성형체)을 제조하였다. 이때, 탄재 함량에 따라 산화철과 부원료의 조성을 변경하였다. 이후 제조된 브리켓을 가열로에 장입하고 50℃/분의 속도로 1000℃, 1100℃ 및 1200℃로 각각 승온시켜 브리켓의 환원 실험을 실시하였다. 이때, 환원 실험은 질소 분위기에서 30분간 실시하였다.
도 5를 참조하면, 탄재를 2.81wt% 함유하는 브리켓1의 경우 환원율이 약 40% 정도로 나타났고, 탄재를 6.8wt% 함유하고 있는 브리켓2의 경우에는 환원율이 약 58% 정도로 나타났다. 또한, 탄재를 10.8wt% 함유하고 있는 브리켓3의 경우에는 환원율이 약 75%정도로 브리켓1 및 2에 비해 현저하게 증가한 것을 알 수 있다. 이를 통해 산화철의 예비 환원 시 탄재의 함량이 증가할수록 환원율도 증가하게 되고, 탄재가 약 10wt% 이상 함유되는 경우 그 증가폭이 큰 것을 알 수 있다.
도 6는 탄재를 10.8wt% 함유하는 경우 온도 변화에 따른 환원율 변화를 보여준다. 이때, 예비 환원 온도를 1000℃, 1100℃ 및 1200℃로 변경하면서 브리켓의 환원율을 측정하였다. 도 6을 참조하면, 예비 환원 온도가 1000℃인 경우 탄소 함량이 10wt% 이상으로 함유되었더라도 환원율이 60% 이하로 나타났으며, 1100℃ 이상에서 환원율이 70% 이상으로 나타나는 것을 알 수 있다. 그리고 1200℃에서는 약 75%정도의 환원율을 보이고 있다. 이때, 환원 온도가 1200℃ 이상인 경우에는 브리켓이 용융될 수 있으므로 적정한 환원온도는 1100 내지 1200℃ 정도임을 알 수 있다.
이상의 실험에서는 질소 분위기에서 브리켓을 환원시켰으나, 실제 조업에서는 환원가스로 사용되는 CO를 함유하는 배가스를 이용하여 예비 환원 공정을 수행하기 때문에 산화철을 포함하는 브리켓의 환원율은 더욱 높게 나타날 것으로 예측할 수 있다.
본 발명을 첨부 도면과 전술된 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였으나, 본 발명은 그에 한정되지 않으며, 후술 되는 특허청구범위에 의해 한정된다. 따라서, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 후술 되는 특허청구범위의 기술적 사상에서 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 변형 및 수정할 수 있다.
100: 스크랩 저장기 200: 성형체 제조기
300: 성형체 저장기 400: 예비 환원로
500: 전기로

Claims (15)

  1. 스크랩을 저장하는 스크랩 저장기;
    산화철을 함유하는 성형체를 제조하는 성형체 제조기;
    상기 성형체 제조기에서 제조된 성형체를 저장하는 성형체 저장기;
    상기 성형체 제조기에서 제조된 성형체를 예비 환원시키는 예비 환원로;
    상기 성형체 저장기에 구비되어 상기 성형체 저장기에 저장된 성형체를 상기 예비 환원로에 장입하는 장입기;
    상기 스크랩 저장기와 상기 환원로에서 상기 스크랩과 환원된 성형체를 공급받아 용해시켜 용융물을 제조하는 전기로; 및
    상기 전기로와 장입기의 작동을 제어하는 제어기;
    를 포함하는 용융물 제조 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 성형체 제조기는,
    산화철을 저장하는 산화철 저장기;
    탄재를 저장하는 탄재 저장기;
    상기 원료 저장기에서 공급되는 산화철과 탄재를 혼합하는 혼합기; 및
    상기 혼합기에서 혼합된 산화철과 탄재를 가압하여 성형하는 성형기;를 포함하는 용융물 제조 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 성형체 저장기는 내부에 성형체가 수용되는 공간이 형성되고, 상부 일측에 성형체가 유입되는 유입구가 형성되고, 하부에 상기 성형체가 배출되는 배출구가 구비되며,
    상기 배출구와 상기 예비 환원로는 상호 연통되는 용융물 제조 장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 장입기는 상기 성형체 저장기 내부에 회전 가능하도록 구비되는 스크류 피더, 상기 배출구를 개폐하는 로터리 밸브 및 왕복 이동 가능하도록 구비되는 피더 중 적어도 어느 하나인 용융물 제조 장치.
  5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 예비 환원로의 내부에 가열수단이 구비되는 용융물 제조 장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 전기로는 상기 예비 환원로 및 상기 스크랩 저장기를 연결하는 제1배가스 공급관을 구비하는 용융물 제조 장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 환원로는 상기 스크랩 저장기 및 상기 예비 환원로를 연결하는 제2배가스 공급관을 구비하는 용융물 제조 장치.
  8. 스크랩과 산화철 및 탄재를 마련하는 과정;
    상기 산화철과 탄재를 이용하여 성형체를 제조하는 과정;
    상기 성형체를 성형체 저장기에 저장하는 과정;
    상기 성형체 저장기에 연결되는 예비 환원로에 상기 성형체를 장입하는 과정;
    상기 예비 환원로에서 상기 성형체를 예비 환원시키는 과정;
    전기로에 상기 스크랩과 예비 환원된 성형체를 공급하는 과정; 및
    상기 스크랩과 환원된 성형체를 용해시켜 용융물을 제조하는 과정;
    을 포함하는 용융물 제조 방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 성형체를 제조하는 과정에서,
    상기 탄재는 상기 성형체의 중량에 대하여 10중량% 내지 20중량% 포함되는 용융물 제조 방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 성형체를 예비 환원시키는 과정에서 발생하는 배가스를 이용하여 상기 성형체 저장기에 저장되는 성형체를 예열하는 용융물 제조 방법.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 예비 환원로에 상기 성형체를 장입하는 과정에서 상기 성형체 저장기에 저장된 상기 성형체를 상기 예비 환원로에 연속적으로 장입하는 용융물 제조 방법.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 성형체를 예비 환원시키는 과정은 1100 내지 1200℃의 온도로 수행하는 용융물 제조 방법.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 성형체를 예비 환원시키는 과정에서,
    상기 스크랩과 상기 환원된 성형체를 용해시키는 과정에서 발생하는 배가스를 상기 환원로에 공급하는 용융물 제조 방법.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 성형체를 예비 환원시키는 과정은 20분 내지 30분간 수행되는 용융물 제조 방법.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 성형체를 예비 환원시키는 과정에서 발생하는 배가스와, 상기 스크랩과 상기 환원된 성형체를 용해시키는 과정에서 발생하는 배가스 중 일부를 상기 스크랩이 저장되는 스크랩 저장기로 공급하여 상기 스크랩을 예열하는 용융물 제조 방법.
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