KR20190073736A - 다단 환원을 통한 직접환원철 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 다단환원을 통한 직접환원철 제조방법을 제공하며, 두 단계 이상의 환원 과정을 거침으로써, 환원 소요 시간이 단축될 뿐 아니라 저비용으로 직접환원철을 획득할 수 있는 효과가 있다.

Description

다단 환원을 통한 직접환원철 제조방법{THE METHOD FOR PRODUCING DIRECT REDUCED IRON BY MULTI-STAGE REDUCTION}

본 발명은 다단 환원을 통한 직접환원철을 제조하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로 직접환원철은 높은 품위의 금속 철(Fe)을 함유하고 있어 고품위 고철을 대체할 수 있는 철원으로 전기로를 활용한 전기로 공정이나 제강 공정에 사용되는 원료이다. 직접환원철은 크게 DRI(Direct Reduced Iron), HBI(Hot Briquetted Iron) 및 아이언 카바이드(Iron Carbide)로 나눌 수 있다. DRI는 철 함유량 90 내지 96중량%의 분말 상태에서 만들어져 전기로와 전로에 사용되는데, 수분과 반응하여 산화하기 쉬운 형태여서 보관이나 운반이 용이하지 못하다.

직접환원철은 용광로를 통한 제련 과정을 거치지 않고 철광석(iron ore)을 금속화된 철로 변환하여 생성된 물질이며, 이러한 과정을 철광석의 환원(reduction)으로 표현하기도 한다. 용광로를 통한 일반적인 제철 방법에 의하면 고로를 통하여 액체 상태의 철이 생산되지만 DRI 공정을 거치게 될 경우에는 고체 상태의 철이 만들어지게 된다.

이러한 직접환원철 중에서 DRI나 HBI를 제조하는 상용화된 공정은 환원제 종류에 따라 크게 천연가스, 셰일 가스(shale gas) 및 석탄의 가스화를 통해 환원하는 가스 환원법(MIDREX 및 HYL 법 등)과 고상의 석탄을 활용하여 직접 환원하는 석탄 환원법(SL/RN 법)으로 구분될 수 있다.

이 중 석탄 환원법의 경우, 로타리 킬른(Rotary kiln) 등을 활용하여 철광석 펠렛과 석탄을 혼합하고, 석탄으로부터 연소되어 배출되는 일산화탄소(CO) 등을 환원제로 사용하여 이루어진다. 다만, 상기 로타리 킬른법의 상용 공정의 경우, 10시간 이상의 조업 시간을 필요로 하는 문제점이 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여, 공개특허문헌 제10-2001-0029431호는 펠렛(pellet) 제조 시 석탄을 혼합하여 괴상화하는 탄재 내장 펠렛을 활용한 공정을 제공한다. 그러나, 펠렛 제조 시 석탄을 혼합하여 괴상화하는 탄재 내장 펠렛의 경우, 석탄의 회분(Ash) 성분으로 인하여 직접환원철의 품질이 저하되는 문제점이 있어 상용화되고 있지 못한 실정이다.

따라서, 산화철을 직접환원하는 경우, 탄소의 흡수를 적게 하여 품질 저하를 방지하고, 조업 시간이 필요 이상으로 장시간 소요되지 않는 직접환원철 제조방법이 요구되는 실정이다.

이에 본 발명의 한 측면은 분말 산화철을 다단계의 환원 과정을 통한 직접환원철 제조방법을 제공함으로써, 저렴한 환원제를 이용하여 기존의 환원철 제조 과정보다 단축된 공정 시간에 산화철을 직접 환원하는 방법을 제공하고자 한다.

발명의 일 견지에 따르면, 분말 산화철을 이용하여 펠렛(pellet)을 형성하는 펠렛 성형 단계, 상기 펠렛 및 커피박을 혼합하되 상기 커피박을 환원제로 사용하여 상기 펠렛을 환원하는 1차 환원 단계 및 상기 펠렛을 환원 가스로 환원하는 2차 환원 단계를 포함하는 다단환원을 통한 직접환원철 제조방법을 제공한다.

상기 펠렛의 평균 입도는 8 내지 12 mm일 수 있다.

상기 커피박은 건조된 것을 사용할 수 있다.

상기 1차 환원 단계에 앞서 커피박을 파쇄하여 평균 입도가 1 내지 5mm인 분말의 커피박을 획득하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.

상기 커피박 및 펠렛의 중량비는 1:1 내지 5:1일 수 있다.

상기 1차 환원 단계는 불활성 분위기의 환원로에서 800 내지 900℃에서 수행할 수 있다.

상기 환원제는 커피박에 유연탄을 추가로 혼합한 환원제를 사용할 수 있다.

상기 유연탄은 30% 이상의 휘발분을 포함하는 유연탄을 사용할 수 있다.

상기 유연탄은 이탄, 갈탄, 역청탄 및 아역청탄으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상을 사용할 수 있다.

상기 2차 환원 단계에 앞서 상기 1차 환원된 펠렛을 커피박 탄재로부터 평균 구멍의 크기가 8mm 미만인 채를 이용하여 입도 선별하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.

상기 환원 가스는 수소 가스를 포함하는 환원 가스를 사용할 수 있다.

상기 2차 환원된 펠렛을 후속적으로 브리켓팅을 형성하는 브리켓팅 성형 단계를 추가로 포함할 수 있다.

상기 브리켓팅 성형 단계는 600 내지 800℃에서 수행되는 다단환원을 통한 직접환원철 제조방법이 제공된다.

본 발명에 따른 다단환원에 의한 직접환원철 제조방법은 비교적 저렴한 환원제를 사용함으로써 비용을 절감하고, 다단계의 환원 공정을 진행하여 기존의 직접환원철 제조 방법에 비해 공정 시간을 단축하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 분말 산화철의 직접환원철 제조를 위한 다단환원 공정을 나타낸 도면이다.

본 발명은 분말 산화철을 펠렛으로 성형하고, 커피박 분말을 환원제로 사용하여 상기 펠렛을 1차적으로 환원한 후 환원 가스로 2차적으로 환원하는 다단계의 환원 공정을 통해 분말 산화철로부터 직접 환원철을 제조하는 방법에 관한 것이다.

보다 상세하게, 본 발명의 일 실시예에 따른 다단환원을 통한 직접환원철 제조방법은 분말 산화철을 이용하여 펠렛(pellet)을 성형하는 펠렛 성형 단계, 상기 펠렛 및 커피박을 혼합하되 상기 커피박을 환원제로 사용하여 상기 펠렛을 환원하는 1차 환원 단계 및 상기 펠렛을 환원 가스로 환원하는 2차 환원 단계를 포함하는 분말 산화철의 다단환원 공정에 의한 직접환원철 제조방법에 관한 것이다.

상기 1차 환원 단계를 수행하기에 앞서 산화철 분말을 펠렛으로 성형하는 단계를 수행할 수 있다. 상기 분말 산화철을 직접 이용하는 경우 환원 공정 중 상당한 양의 분말 산화철의 손실이 발생하며 환원 후에는 표면적이 넓어 대기 중에서 쉽게 산화되기 때문에 펠렛으로 성형하는 것이 바람직하다.

나아가, 상기 펠렛 제조 시 산화철 분말의 입자가 큰 경우 펠렛의 압축 강도가 저하될 수 있는 바, 산화철 분말의 입자에 따라, 별도의 분쇄 과정을 추가적으로 수행한 후 펠렛을 성형할 수 있다.

상기 펠렛의 성형 방법은 특히 제한하지 않으나, 예를 들어, 디스크 또는 드럼 형태의 펠렛타이저(pelletizer)로 성형할 수 있다. 펠렛의 평균 입도는 8 내지 12mm가 되도록 성형하는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 9 내지 11mm로 성형을 수행할 수 있다. 상기 펠렛의 입도가 8mm 미만인 경우에는 펠렛의 표면적이 넓어져 대기 중에서 쉽게 산화될 수 있어 바람직하지 않으며, 12mm를 초과하는 경우에는 환원의 효율성 측면에서 바람직하지 않다.

상기 펠렛을 성형하는 경우, 펠렛의 경화 속도를 향상시키고, 최종 강도 및 심부 경화성을 높이기 위해 점결제를 추가하여 성형할 수 있다. 상기 점결제는 무기 점결제를 사용할 수 있다. 상기 무기 점결제는 수분을 가하면 점결성이 클 뿐 아니라 건조 후에는 펠렛의 강도를 크게 할 수 있고, 통기성 및 내화도를 높일 수 있어 바람직하다. 이러한 무기 점결제로는, 예를 들어, 벤토나이트, 내화점토 및 특수점토 등을 사용할 수 있다.

상기 획득한 펠렛을 커피박과 혼합하되, 상기 커피박을 환원제로 사용하여 상기 펠렛을 1차적으로 환원할 수 있다.

상기 환원제로 사용하는 커피박은 건조된 것을 사용할 수 있으며, 상기 커피박의 수분 함량이 높은 경우에는 환원 시 환원로 내에서 수증기가 발생하여 산화성 분위기를 유도할 수 있고, 이로 인해 펠렛의 환원 반응을 방해할 수 있는 점에서 바람직하지 않다.

상기 커피박은 분말의 커피박을 사용할 수 있으며 이를 위해 상기 1차 환원 단계에 앞서 상기 커피박을 파쇄하여 분말의 커피박을 획득하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 상기 분말의 커피박은 평균 입도가 5mm 이하인 것이 1차 환원 단계 이후에 커피박 탄재와 혼합된 펠렛을 입도 선별하기 위해 바람직하다.

상기 1차 환원 단계를 수행하기 위해 상기 커피박과 펠렛을 혼합하여 환원제로 사용할 수 있다. 이때 상기 커피박 및 펠렛은 1:1 내지 5:1의 중량비로 혼합하는 것이 바람직하며, 3:1 내지 4:1의 범위로 혼합하는 것이 보다 바람직하다.

이때, 상기 펠렛 1 중량부를 기준으로 커피박이 1 중량부 미만인 경우에는 1차 환원 반응 시 필요한 커피박의 휘발분의 양이 충분하지 않아 1차 환원 단계의 환원율이 낮아질 수 있고, 후속적인 2차 환원에 필요한 환원 가스의 양이 많아져 경제적인 측면에서 바람직하지 않다. 한편 5 중량부를 초과하는 경우에는 투입하는 커피박의 휘발분을 고려하면 1차 환원 단계의 환원율에 미치는 영향이 크지 않아 본 발명에 따른 효율성 측면에서 바람직하지 않다.

상기 커피박과 펠렛을 혼합하여 환원하는 1차 환원 단계는 환원로에 장입하여 수행할 수 있다. 상기 1차 환원 단계는 로 내의 환원성 분위기를 위해 불활성 분위기에서 수행할 수 있다. 따라서 불활성 가스를 투입하여 환원의 효율을 높일 수 있으며, 예를 들어, 질소, 아르곤 및 헬륨 등의 불활성 가스를 투입하여 산소로 인한 산화성 분위기를 방지할 수 있다.

나아가, 상기 1차 환원 단계는 800 내지 900℃ 온도로 수행하는 것이 바람직하다. 상기 온도가 800℃ 미만인 경우에는 커피박의 휘발분이 쉽게 증발되어 소비되므로 환원을 위한 휘발분을 충분히 활용할 수 없는 점에서 바람직하지 않고, 900℃를 초과하더라도 추가의 환원 효과가 얻어지지 않으며, 이와 같은 고온을 유지하기 위해 환원로를 고가의 재질로 구비해야 하는바 경제적인 점에서 바람직하지 않다.

한편, 상기 커피박을 펠렛에 혼합하여 펠렛을 환원하는 경우에는 휘발성 고체 환원제를 추가로 혼합하여 환원제로 사용할 수 있다. 상기 휘발성 고체 환원제를 추가로 혼합하는 경우에는 그 혼합 비율은 커피박 및 휘발성 고체 환원제의 수소의 함량을 고려하여 적절히 조절할 수 있다.

이때 상기 커피박과 혼합하는 휘발성 고체 환원제는 유연탄인 것이 바람직하다. 상기 유연탄은 휘발분을 30% 이상 함유하는 것이 휘발분이 70% 이상인 커피박과 혼합하여 환원제로 사용할 때 환원의 효율을 유지하기 위해 바람직하다.

나아가, 상기 유연탄은 이탄, 갈탄, 역청탄 및 아역청탄으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상을 커피박 분말에 추가하여 환원제로 사용할 수 있으며, 보다 바람직하게는 휘발성 물질의 함량이 가장 많은 아역청탄을 사용할 수 있다.

상기와 같은 방식으로 1차 환원 단계를 진행하는 경우, 상기 펠렛을 환원과 동시에 소성할 수 있다. 즉, 일반적인 환원철 제조 단계의 경우, 환원로에 투입하기 전 펠렛의 강도를 확보하기 위해 700 내지 900℃에서 소성하는 단계를 추가로 포함한다. 하지만 본 발명의 일 실시예에 따른 커피박을 환원제로 사용하는 경우에는 소성하지 않은 상태의 강도가 약한 산화철 펠렛이라도 커피박과 함께 환원로 내에 투입 시 충돌 및 마모로 인한 파쇄 및 분쇄를 방지할 수 있다.

상기 1차 환원 단계가 완료되면 2차 환원 단계를 진행하기에 앞서 1차 환원 단계를 수행한 펠렛을 상기 커피박 탄재로부터 선별 분리할 수 있다. 이때, 8 내지 12mm의 평균 입도를 갖는 펠렛을 5mm 이하의 평균 입도를 갖는 커피박 탄재로부터 입도 선별할 수 있으며, 상기 입도 선별은 평균 구멍의 크기가 8mm 미만의 채를 이용하여 수행할 수 있다.

상기 1차 환원 단계가 완료되면 후속적으로 입도 선별된 펠렛을 환원 가스를 이용하여 환원하는 2차 환원 단계를 수행할 수 있다. 이때 2차 환원 단계에서는 1차 환원 단계에서 환원되지 않은 펠렛을 환원시킬 수 있다. 상기 2차 환원 단계는 환원 가스를 이용하여 수행할 수 있고, 바람직하게는 수소 가스를 포함하는 환원 가스를 사용할 수 있다.

상기 환원 단계를 완료한 펠렛은 후속적으로 브리켓팅을 형성하는 브리켓팅 성형 단계를 추가로 포함할 수 있다. 상기 펠렛을 고온의 조건 하에 고밀도로 압착하여 브리켓팅 성형하는 경우 환원이 완료된 펠렛이 수분과 반응하는 산화 현상을 방지하고 보관 및 이동을 용이하게 할 수 있다.

이때 상기 환원이 완료된 펠렛을 브리켓팅 성형하는 경우, 상기 성형하는 단계는 600 내지 800℃의 온도 범위에서 수행할 수 있다. 상기 성형 온도가 600℃ 미만인 경우에는 브리켓팅 성형이 원활하지 않아 HBI의 성상 및 강도에 문제가 있을 수 있으다. 800℃를 초과하는 경우에는 환원로의 공정 온도의 승온이 추가로 필요할 수 있고, 브리켓팅을 위해 추가의 연료가 필요하기 때문에 저비용으로 환원의 효율성을 높이기 위한 본 발명의 목적상 바람직하지 않다.

이와 같이 본 발명에 따라 직접환원철 제조 시 커피박을 활용하여 환원 단계를 다단으로 구성함으로써, 종래의 직접환원철 제조 시 발생하는 공정의 비효율성 및 직접환원철의 품질 저하와 같은 문제를 방지하고, 저가의 환원제를 활용하여 산화철을 직접 환원할 수 있다.

Claims (13)

1. 분말 산화철을 이용하여 펠렛(pellet)을 형성하는 펠렛 성형 단계;
   상기 펠렛 및 커피박을 혼합하되 상기 커피박을 환원제로 사용하여 상기 펠렛을 환원하는 1차 환원 단계; 및
   상기 펠렛을 환원 가스로 환원하는 2차 환원 단계;를 포함하는, 다단환원을 통한 직접환원철 제조방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 펠렛의 평균 입도는 8 내지 12 mm인, 다단환원을 통한 직접환원철 제조방법.
3. 제1항에 있어서,
   상기 커피박은 건조된 것인, 다단환원을 통한 직접환원철 제조방법.
4. 제1항에 있어서,
   상기 1차 환원 단계에 앞서 커피박을 파쇄하여 평균 입도가 1 내지 5mm인 분말의 커피박을 획득하는 단계를 추가로 포함하는, 다단환원을 통한 직접환원철 제조방법.
5. 제1항에 있어서,
   상기 커피박 및 펠렛의 중량비는 1:1 내지 5:1인, 다단환원을 통한 직접환원철 제조방법.
6. 제1항에 있어서,
   상기 1차 환원 단계는 불활성 분위기의 환원로에서 800 내지 900℃의 온도로 수행하는, 다단환원을 통한 직접환원철 제조방법.
7. 제1항에 있어서,
   상기 환원제는 커피박에 유연탄을 추가로 혼합한 환원제인, 다단환원을 통한 직접환원철 제조방법.
8. 제7항에 있어서,
   상기 유연탄은 30% 이상의 휘발분을 포함하는, 다단환원을 통한 직접환원철 제조방법.
9. 제7항에 있어서,
   상기 유연탄은 이탄, 갈탄, 역청탄 및 아역청탄으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상인, 다단환원을 통한 직접환원철 제조방법.
10. 제1항에 있어서,
    상기 2차 환원에 앞서 상기 1차 환원된 펠렛을 커피박 탄재로부터 평균 구멍의 크기가 8mm 미만인 채를 이용하여 입도 선별하는 단계를 추가로 포함하는, 다단환원을 통한 직접환원철 제조방법.
11. 제1항에 있어서.
    상기 환원 가스는 수소 가스를 포함하는 환원 가스인, 다단환원을 통한 직접환원철 제조방법.
12. 제1항에 있어서,
    2차 환원된 펠렛을 후속적으로 브리켓팅을 형성하는 브리켓팅 성형 단계를 추가로 포함하는, 다단환원을 통한 직접환원철 제조방법.
13. 제12항에 있어서,
    상기 브리켓팅 성형 단계는 600 내지 800℃에서 수행되는, 다단환원을 통한 직접환원철 제조방법.

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