KR20200114014A - 재활용 용융 괴 및 이의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 재활용 용융 괴, 이의 제조 방법 및 장치에 관한 것으로, 총 질량 대비 50 % 이상의 철 계열 성분 함유량을 갖는 재활용 용융 괴는 상기 50 % 이상의 철 계열 성분 함유량 중 일부를 포함하는 제 1 함철 더스트; 및 상기 제 1 함철 더스트보다 유용원소의 함유량이 높으며, 상기 50 % 이상의 철 계열 성분 함유량 중 잔부를 포함하는 제 2 함철 더스트를 포함할 수 있다.

Description

재활용 용융 괴 및 이의 제조 방법{Molten ore to be recycled and method for fabricating the same}
본 발명은 철강 제조 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 재활용되는 용융 괴 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
철강 제조 공정에서 불가피하게 슬러지(sludge), 더스트(dust) 및 밀스케일(Mill Scale) 같은 함철부산물이 발생된다. 상기 철강 제조 공정에서 발생되는 함철부산물은 단순 매립에 의한 방법으로 폐기 처리되거나, 펠렛(pellet) 또는 단광(briquet 또는 briquette) 형태로 가공되어 철강 제조 공정에 재활용되거나 상기 펠렛 또는 상기 단광을 전기로 내에 장입하여 상기 함철부산물 내에 포함된 유가 금속을 환원하여 회수하는데 이용될 수 있다.
상기 함철부산물의 단순 매립 방법은 매립지 확보에 한계가 있고, 상기 함철부산물에 함유된 Pb, Cd, 및 Cr 같은 유해성분의 침출에 따른 토양과 지하수 오염과 같은 2차 환경오염이 우려된다. 또한, 비교적 고가의 위탁 처리 비용에 따라 철강 제품의 생산원가 상승뿐만 아니라, 유가 자원의 낭비 요인이 되고 있다. 따라서 철강 제조 공정에서 발생하는 함철부산물의 환경 친화적이고 경제적인 재활용 기술이 선호되고 있다.
상기 함철부산물은 대부분 분말 상태이거나, 다량의 수분이 함유된 슬러지 상태로 발생되기 때문에, 분말 상태 또는 슬러지 상태의 함철부산물 자체를 재활용하는 것은 어려움이 있다. 이에 상기 함철부산물을 바인더와 혼합한 후 별도의 성형기로 압착하여 단광 형태로 제조하여 재사용하고 있다. 상기 단광 형태로 제조되어 재활용되는 제품으로는 더스트 단광, SPB(Sludge Pressed Brick), CBP(Cold Bonded Pellet) 및 MSP(Mill Scale Pellet) 제품이 있으며, 최근에는 단광 형태로 제조 후 제품을 가공하여 제조한 Hot Briquetted Iron (HBI) 및 DRI(Direct Reduced Iron) 제품이 있다. 이러한 더스트 단광, SPB, CBP, MSP, HBI, DRI 제품은 고로 및 전기로에서 주부원료, 전기로에서의 냉각제, 산화제, 고철대체제로 재사용되고 있다.
그러나, 철 계열 성분 함유량이 낮은 일부 더스트는 단독으로 철강 제조 공정에 재사용이 어렵기 때문에, 산업 폐기물로서 버려지거나 철강 제조 공정이 아닌 다른 용도로 예컨대, 시멘트, 골재 및 물 이외의 혼합재료로 이용되고 있다. 상기 일부 더스트는 철강 제조 공정 재사용되지 못하고, 산업 폐기물로서 처리되기 때문에 대기 환경오염이 우려된다.
또한, 상기 함철부산물을 펠렛(pellet) 또는 단광(briquet, briquette) 형태로 가공 및 사용할 때, 2차 먼지 또는 분지를 발생시킴으로써, 상기 함철부산물의 실수율이 저하될 수 있다.
또한, 상기 더스트 단광, CBP, SPB 같은 제품을 제조할 때 사용되는 당밀, 시멘트 및 분정광 같은 바인더는 유해성분인 황(S) 함량이 높아 용선, 용강 제조시 품질을 저해시킬 수 있다. 또한, 상기 함철부산물 중에 함유된 철분은 산화철 형태로 존재하므로, 전기로 중에 장입된 단광은 슬래그 중에 용해된 산화철이 용강 중의 환원성 원소(예: C, Si, 및 Mn)와 반응하여 환원됨에 따라서 용강 성분 내에 불순물이 증가할 수 있다. 또한, 상기 단광의 용해와 산화철의 환원반응은 흡열반응이므로 다량의 열 에너지가 필요하며, 이로 인해 에너지 소모가 불가피할 수 있다.
따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 철 계열 성분 함유량이 낮은 일부 더스트의 재사용율을 높이며, 함철부산물의 실수율 저하, 대기 환경오염, 용강 내에 환원반응에 의한 열 에너지 소모 및 유해성분인 황(S) 함량을 개선시키는 재활용 용융 괴를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는 전술한 이점을 갖는 이의 제조 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 총 질량 대비 50 % 이상의 철 계열 성분 함유량을 갖는 재활용 용융 괴에 있어서, 상기 50 % 이상의 철 계열 성분 함유량 중 일부를 포함하는 제 1 함철 더스트; 및 상기 제 1 함철 더스트보다 유용원소의 함유량이 높으며, 상기 50 % 이상의 철 계열 성분 함유량 중 잔부를 포함하는 제 2 함철 더스트를 포함하는 재활용 용융 괴가 제공될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 재활용 용융 괴는 상기 제 1 함철 더스트 및 상기 제 2 함철 더스트가 플라즈마 버너로부터 발화된 화염에 의해 직접 가열됨으로써 형성될 수 있다. 상기 유용원소는 철(Fe), 아연(Zn), 카드뮴(Cd) 및 나트륨(Na) 중 적어도 이상을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제 1 함철 더스트는 저품위 함철 더스트로서, 철강 제조 공정에 단독으로 재활용이 불가능하며, 상기 제 2 함철 더스트는 고품위 함철 더스트로서, 상기 철강 제조 공정에 단독으로 재활용이 가능할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 총 질량 대비 50 % 이상의 철 계열 성분 함유량을 갖는 재활용 용융 괴의 제조 방법에 있어서, 상기 50 % 이상의 철 계열 성분 함유량 중 일부를 포함하는 제 1 함철 더스트와 상기 제 1 함철 더스트보다 유용원소의 함유량이 높으며, 상기 50 % 이상의 철 계열 성분 함유량 중 잔부를 포함하는 제 2 함철 더스트를 제공하는 단계; 상기 제 1 함철 더스트 및 상기 제 2 함철 더스트를 혼합하여 혼합 함철 더스트를 생성하여 용융로로 제공하는 단계; 상기 용융로 내에서 플라즈마 버너로부터 발화된 화염을 상기 혼합 함철 더스트에 직접 가열하여 상기 혼합 함철 더스트를 용융시키는 단계; 및 상기 용융된 혼합 함철 더스트를 제 1 온도로 제 1 냉각시켜 용융 괴가 되도록 상기 용융된 혼합 함철 더스트를 주형틀로 이송하는 단계를 포함하는 재활용 용융 괴의 제조 방법이 제공될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 혼합 함철 더스트를 용융시키는 단계 전에, 상기 혼합 함철 더스트를 성형하는 단계가 더 포함될 수 있다. 상기 용융 괴가 일정 크기의 입도를 갖도록 상기 용융 괴를 파쇄 또는 분리하는 단계가 더 포함될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제 1 온도보다 낮은 제 2 온도로 낮추도록 냉각 장치를 이용하여 상기 용융 괴를 제 2 냉각시키는 단계를 더 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 화염의 온도는 2,000 내지 5,000℃의 범위를 가질 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 총 질량 대비 50 % 이상의 철 계열 성분 함유량을 갖는 재활용 용융 괴의 제조 장치로서, 상기 50 % 이상의 철 계열 성분 함유량 중 일부를 포함하는 제 1 함철 더스트를 수용하는 제 1 호퍼; 상기 제 1 함철 더스트보다 유용원소의 함유량이 높으며, 상기 50 % 이상의 철 계열 성분 함유량 중 잔부를 포함하는 제 2 함철 더스트를 수용하는 제 2 호퍼; 상기 제 1 함철 더스트 및 상기 제 2 함철 더스트를 혼합하여 혼합 함철 더스트를 생성하는 혼합 장치; 상기 혼합 함철 더스트를 가열하기 위한 플라즈마 화염을 생성하는 플라즈마 버너; 상기 플라즈마 버너의 화염을 외부와 차단하며, 내부에 수용되도록 가이드하는 화염 공급부, 상기 혼합 장치로부터 제공되는 혼합 함철 더스트가 상기 플라즈마 버너의 플라즈마 화염에 직접 가열되도록 가이드하는 인입부 및 상기 가열되어 용융된 혼합 함철 더스트를 외부로 배출시키는 배출부를 포함하는 용융로; 및 상기 용융된 혼합 함철 더스트가 용융 괴가 되도록 제 1 온도로 제 1 냉각시키는 주형틀을 포함하는 재활용 용융 괴의 제조 장치가 제공될 수 있다. 상기 혼합 장치와 상기 용융로 사이에 배치되어, 상기 혼합 함철 더스트를 성형하여 성형 원료를 상기 용융로 공급하는 성형 장치가 더 포함될 수 있다. 상기 용융 괴가 소정 크기의 입도를 갖도록 상기 용융 괴를 파쇄 또는 분리하는 파쇄 및 분리 장치가 더 포함될 수 있다. 상기 제 1 온도보다 낮은 제 2 온도로 낮추도록 상기 용융 괴를 제 2 냉각시키는 냉각 장치가 더 포함될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 제 1 함철 더스트 및 상기 제 1 함철 더스트보다 유용원소의 함유량이 높은 제 2 함철 더스트를 포함하는 재활용 용융 괴를 이용함으로써, 철 계열 성분 함유량이 낮은 일부 더스트의 재사용율을 높이며, 함철부산물의 실수율 저하, 대기 환경오염, 용강 내에 환원반응에 의한 열 에너지 소모 그리고 유해성분인 황(S) 함량을 개선시킬 수 있다.
도 1a은 본 발명의 실시예에 따른 재활용 용융 괴의 원료로 사용되는 더스트를 보여주는 이미지이고, 도 1b은 본 발명의 실시예에 따른 도 1a의 더스트를 이용하여 제조된 재활용 용융 괴를 보여주는 이미지이다.
도 2a와 도 2b는 본 발명의 실시예에 따른 재활용 용융 괴의 제조 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 재활용 용융 괴의 제조 장치를 나타내는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.
도면에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 또한, 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명의 범위를 제한하기 위한 것이 아니다. 또한, 본 명세서에서 단수로 기재되어 있다 하더라도, 문맥상 단수를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"이란 용어는 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및/또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.
본 명세서에서 기판 또는 다른 층 "상에(on)" 형성된 층에 대한 언급은 상기 기판 또는 다른 층의 바로 위에 형성된 층을 지칭하거나, 상기 기판 또는 다른 층 상에 형성된 중간 층 또는 중간 층들 상에 형성된 층을 지칭할 수도 있다. 또한, 당해 기술 분야에서 숙련된 자들에게 있어서, 다른 형상에 "인접하여(adjacent)" 배치된 구조 또는 형상은 상기 인접하는 형상에 중첩되거나 하부에 배치되는 부분을 가질 수도 있다.
본 명세서에서, "아래로(below)", "위로(above)", "상부의(upper)", "하부의(lower)", "수평의(horizontal)" 또는 "수직의(vertical)"와 같은 상대적 용어들은, 도면들 상에 도시된 바와 같이, 일 구성 부재, 층 또는 영역들이 다른 구성 부재, 층 또는 영역과 갖는 관계를 기술하기 위하여 사용될 수 있다. 이들 용어들은 도면들에 표시된 방향뿐만 아니라 소자의 다른 방향들도 포괄하는 것임을 이해하여야 한다.
이하에서, 본 발명의 실시예들은 본 발명의 이상적인 실시예들(및 중간 구조들)을 개략적으로 도시하는 단면도들을 참조하여 설명될 것이다. 이들 도면들에 있어서, 예를 들면, 부재들의 크기와 형상은 설명의 편의와 명확성을 위하여 과장될 수 있으며, 실제 구현시, 도시된 형상의 변형들이 예상될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예는 본 명세서에 도시된 영역의 특정 형상에 제한된 것으로 해석되어서는 아니 된다. 또한, 도면의 부재들의 참조 부호는 도면 전체에 걸쳐 동일한 부재를 지칭한다.
본 발명에서, 재활용 용융 괴는 용융된 함철 더스트가 주형틀로 이송되면서 상기 주형틀 내에서 냉각된 소정의 크기를 갖는 덩어리 또는 조각을 의미하며, 종래 바인더를 이용한 펠렛(pellet) 또는 단광(briquet, briquette)을 대체하여, 제철 공정의 로 등에서 주부원료, 냉각제, 고철대체제로 사용될 수 있다.
도 1a은 본 발명의 실시예에 따른 재활용 용융 괴의 원료로 사용되는 더스트를 보여주는 이미지이고, 도 1b은 본 발명의 실시예에 따른 도 1a의 더스트를 이용하여 제조된 재활용 용융 괴를 보여주는 이미지이다.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 재활용 용융 괴(MI)는 총 질량 대비 50 % 이상의 철 계열 성분 함유량을 가지며, 후술할 제조 방법에 따라 제 1 함철 더스트(S1) 및 제 2 함철 더스트(S2)가 플라즈마 버너로부터 발화된 화염에 의해 직접 가열됨으로써 형성될 수 있다. 제 1 함철 더스트(S1)는 상기 50 % 이상의 철 계열 성분 함유량 중 일부를 포함하고, 제 1 함철 더스트(S2)보다 유용원소의 함유량이 높은 제 2 함철 더스트(S2)가 상기 50 % 이상의 철 계열 성분 함유량 중 잔부를 포함할 수 있다. 본 발명의 실시예에서, 상기 철 계열 성분은 순수 Fe 및 산화철 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다. 상기 산화철은 FeO, Fe2O3 및 Fe3O4 중 적어도 하나일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 유용원소는 철(Fe), 아연(Zn), 카드뮴(Cd) 및 나트륨(Na) 중 적어도 이상을 포함할 수 있다. 바람직하게, 제 1 함철 더스트(S1)과 제 2 함철 더스트(S2)는 철 계열 성분 함유량에 따라 구분될 수 있으며, 제 1 함철 더스트(S1)는 35 질량% 이하의 철 계열 성분 함유량을 포함하고, 제 2 함철 더스트(S1)는 70 질량% 이상의 철 계열 성분 함유량을 포함할 수 있다. 바람직하게, 제 1 함철 더스트(S1)는 20 질량% 내지 35 질량% 범위의 철 성분을 함유하고, 제 2 함철 더스트(S1)는 70 질량% 내지 75 질량% 범위의 철 성분을 함유할 수 있다.
구체적으로, 재활용 용융 괴(MI)를 고로, 전기로에서 주부원료, 전로에서 냉각제, 산화제, 고철대체제로 사용하기 위해서는, 재활용 용융 괴(MI)는 총 질량 대비 50 % 이상의 철 성분을 함유하여야 한다. 재활용 용융 괴(MI) 내의 50 % 이상의 철 성분 중 65 % 내지 80 % 범위의 철 성분은 제 2 함철 더스트(S2)에 함유된 제 1 철 성분이며, 나머지 20 % 내지 35 % 범위의 철 성분은 제 1 함철 더스트(S1)에 함유된 제 2 철 성분일 수 있다.
일 실시예에서, 제 1 함철 더스트(S1) 및 제 2 함철 더스트(S2) 중 적어도 하나는 아연(Zn), 카드뮴(Cd), 알루미늄(Al), 망간(Mn), 칼륨(K) 및 나트륨(Na) 같은 유용원소 및 납(Pb)과 황(S) 같은 유해원소 그리고 CaO와 SiO2 같은 산화물을 더 함유할 수 있다. 제 1 함철 더스트(S1)의 하나의 샘플 성분은 <표 1>과 같고 제 2 함철 더스트(S2)의 하나의 샘플 성분은 <표2>와 같다. <표 1> 및 <표 2>의 샘플 성분은 각각 제 1 함철 더스트(S1) 및 제 2 함철 더스트(S2) 내에 함유되어 있은 성분 원소이며, 이는 하나의 성분 예로서, 본 발명에서 제한되지 않는다.
Zn Pb Fe Cd Na K CaO SiO2 S Mn Al 수분
2.051 0.009 35.380 0.001 0.602 0.099 19.637 12.857 1.718 2.505 1.085 0.050
Zn Pb Fe CaO S Cd Na K AL
0.315 0.007 72.641 -14.614 2.863 0.002 0.891 0.094 0.094
일 실시예에서, 제 1 함철 더스트(S1)는 저품위 함철 더스트로서, 철강 제조 공정에서 단독으로 재활용이 불가능하며, 제 2 함철 더스트(S2)는 고품위 함철 더스트로서, 상기 철강 제조 공정에서 단독으로 재활용이 가능할 수 있다. 또한, 제 1 함철 더스트(S1)와 제 2 함철 더스트(S2)는 서로 다른 제철 공정 또는 산업 현장에서 발생되어 포집될 수 있다. 구체적으로, 제 2 함철 더스트(S2)은 도금 공정 또는 도장 공정에서 발생되는 먼지 또는 분진일 수 있으며, 제 1 함철 더스트(S1)는 철강 제조를 위한 제선, 제강, 압연 공정에서 발생될 수 있다. 일반적으로, 철 원소 같은 유해원소를 적게 함유하는 저품위 함철 더스트는 재활용으로 사용하기 어렵고, 철 원소 같은 유해원소를 많이 함유하는 고품위 함철 더스트는 재활용이 높기 때문에, 상기 저품위 함철 더스트의 높은 처리 비용을 고려할 때, 고품위 함철 더스트의 가격이 상기 저품위 함철 더스트의 가격보다 상대적으로 낮다.
종래의 펠렛(pellet) 또는 단광(briquet, briquette)은 바인더를 사용하여 압축 및 성형한 것으로서, 덤핑 및 벨트 컨베이어 이송 과정에서 분화 및 분괴 현상으로 대략 30 %의 2차 먼지 또는 분진을 발생시킬 수 있기 때문에, 환경 오염 및 함철부산물의 실수율 저하가 발생할 수 있다.
그러나, 본원 발명에서는 바인더를 사용하지 않고, 함철 더스트를 용융하여 제조한 재활용 용융 괴는 종래의 펠렛(pellet) 또는 단광(briquet, briquette)보다 회전 강도가 높아서 덤핑 및 벨트 컨베이어 이송 과정에서 분화 및 분괴 현상을 개선시킬 수 있으며, 이로 인해 덤핑 및 벨트 컨베이어 이송 과정에서 발생되는 2차 먼지 또는 분진 및 환경 오염 발생을 억제할 수 있다. 또한, 바인더를 사용하지 않으므로, 재활용 용융 괴 내의 황 함유량 및 열 에너지 소모를 개선시킬 수 있다.
더하여, 철 계열 성분 함유량이 낮아 철강 제조 공정에 재활용하기 어려운 저품위 함철 더스트를 저비용의 고품위 함철 더스트와 혼합하여 제조된 재활용 용융 괴를 이용함으로써, 저품위 함철 더스트의 재활용율을 높일 뿐만 아니라 제조 비용의 단가를 줄일 수 있다.
종래의 경우, 대부분 고품위 함철 더스트인 제 2 함철 더스트(S2)는 단광(briquet, briquette) 형태로 가공되어져 제철 공정의 로 등에서 주부원료, 냉각제, 고철대체제로 재활용되는 경우가 많다. 이러한 경우, 고품위 함철 더스트를 이용하여 제조된 단광은 이송 또는 재활용 시 충격에 의해 깨질 수 있으며 이로 인해 2차 미세 먼지 또는 분진을 발생시킬 수 있다.
다른 실시예에서는, 재활용 용융 괴(MI)는 총 질량 대비 50 % 이상의 철 계열 성분 함유량을 갖는 제 2 함철 더스트(S2), 즉 고품위 함철 더스트만으로 형성될 수 있다. 저품위 함철 더스트와 혼합 없이, 고품위 함철 더스트만으로 재활용 용융 괴(MI)를 제조할 경우, 재활용시 미세 먼지 발생을 개선시킬 수 있으며, 녹는 과정에 고품위 함철 더스트에 포함된 유해 성분인 황(s)을 제거시킬 수 있다.
또 다른 실시예에서, 저품위 함철 더스트 및 고품위 함철 더스트 대신 알루미늄, 철 또는 이들의 합금으로부터 발생되는 금속 부산물 또는 비금속 부산물을 이용하여 재활용 용융 괴가 제조될 수 있다. 일례로, 상기 (비)금속 부산물은 (비)금속 가공 시 발생될 수 있다.
도 2a와 도 2b는 본 발명의 실시예에 따른 재활용 용융 괴의 제조 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 2a를 참조하면, 총 질량 대비 50 % 이상의 철 계열 성분 함유량을 갖는 재활용 용융 괴(MI)의 제조 방법은 상기 50 % 이상의 철 계열 성분 함유량 중 일부를 포함하는 제 1 함철 더스트(S1)와 상기 제 1 함철 더스트(S1)보다 유용원소의 함유량이 높으며, 상기 50 % 이상의 철 계열 성분 함유량 중 잔부를 포함하는 제 2 함철 더스트(S2)를 제공하는 단계(S10), 상기 제 1 함철 더스트(S1) 및 상기 제 2 함철 더스트(S2)를 혼합하여 혼합 함철 더스트(S1, S2)를 생성하여 용융로로 제공하는 단계(S20), 상기 용융로 내에서 화염을 상기 혼합 함철 더스트(S1, S2)에 직접 가열하여 상기 혼합 함철 더스트(S1, S2)를 용융시키는 단계(S30) 및 상기 용융된 혼합 함철 더스트(S1, S2)를 제 1 온도로 제 1 냉각시켜 용융 괴(MI)를 형성하도록 상기 용융된 혼합 함철 더스트(S1, S2)를 주형틀로 이송하는 단계(S40)를 포함할 수 있다.
다른 실시예에서, 상기 제 1 함철 더스트(S1) 및 상기 제 2 함철 더스트(S2)를 혼합하지 않고, 상기 제 2 함철 더스트(S2)만을 용융로로 제공하여, 상기 용융로 내에서 후술할 플라즈마 버너를 이용하여 상기 제 2 함철 더스트(S2)를 용융시키고 후 용융된 제 2 함철 더스트(S2)를 냉각시켜 용융 괴(MI)를 형성할 수 있다.
또 다른 실시예에서, 상기 제 1 함철 더스트(S1) 및 상기 제 2 함철 더스트(S2) 대신 금속 부산물을 용융로로 제공하여, 상기 용융로 내에서 후술할 플라즈마 버너를 이용하여 상기 금속 부산물을 용융시키고 후 용융된 금속 부산물을 냉각시켜 용융 괴(MI)를 형성할 수 있다.
일 실시예에서, 제 1 함철 더스트(S1)와 제 2 함철 더스트(S2)는 재활용 용융 괴(MI)가 총 질량 대비 50 % 이상의 철 계열 성분 함유량을 갖도록, 제 1 함철 더스트(S1)와 제 2 함철 더스트(S2)의 혼합 비율이 결정될 수 있다. 예를 들면, 30 %의 철 성분을 함유하는 제 1 함철 더스트(S1)와 70 %의 철 성분을 함유하는 제 2 함철 더스트(S2)를 각각 1 Kg를 제공하여 1:1 혼합 비율로 혼합 함철 더스트(S1, S2)을 생성할 경우, 상기 혼합 함철 더스트(S1, S2)의 총 성분 중 철이 차지하는 비율은 50 % (=(0.3+0.7)/2)가 되며, 상기 혼합 함철 더스트(S1, S2)를 용융시킬 경우, 50 %의 철 성분을 함유하는 재활용 용융 괴(MI)를 제조할 수 있다. 만약, 30 %의 철 성분을 함유하는 제 1 함철 더스트(S1)와 70 %의 철 성분을 함유하는 제 2 함철 더스트(S2)를 각각 1 Kg와 3 Kg를 제공하여 1:3 혼합 비율로 혼합 함철 더스트(S1, S2)을 생성할 경우, 상기 혼합 함철 더스트(S1, S2)의 총 성분 중 철이 차지하는 비율은 60 %(=(0.3+2.1)/4)가 되며, 상기 혼합 함철 더스트(S1, S2)를 용융시킬 경우, 60 %의 철 성분을 함유하는 재활용 용융 괴(MI)를 제조할 수 있다. 이처럼, 제 1 함철 더스트(S1)와 제 2 함철 더스트(S2)의 혼합 비율과 제 1 함철 더스트(S1)와 제 2 함철 더스트(S2)에 각각 함유된 철 계열 성분 함유량에 기반하여, 재활용 용융 괴(MI) 내의 철 계열 성분 함유량이 조절될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 혼합 함철 더스트(S1, S2)를 직접 가열하기 위한 화염은 산소, 수소, 질소, 아르곤, 이산화탄소, 수증기, LPG, LNG, 코크스로 가스(coke oven gas: COG), 중유, 공기, 또는 이들의 조합을 연료원 또는 열원을 사용하는 버너에 의해 제공될 수 있다. 상기 버너는 산소, 수소, 질소, 공기 또는 이들의 조합을 열원으로 사용하는 플라즈마 버너일 수 있다. 상기 LPG와 LNG 같은 가스 원료원은 공기, 산소, 수소 및 질소 같은 원료원보다 상대적으로 에너지 사용 비용 및 온실 가스 배출이 크기 때문에, 산소, 수소 및 질소 같은 원료를 사용할 경우, 공정 소요 비용 및 온실 가스 발생을 저감하는 효과를 기대할 수 있다.
더하여, LPG는 약 2,000℃의 온도로 함철 더스트를 연소시킬 수 있으나, 플라즈마 버너를 사용할 경우, 2,000℃ 내지 5,000℃ 범위의 고온으로 함철 더스트를 연소시키기 때문에 가스 버너보다 연소 효율을 높일 수 있으며, 상기 연소 효율을 증가시킴에 따라 연료 사용량을 줄이고, 온실 가스의 발생을 저감할 수 있는 효과를 기대할 수 있다. 또한, 상기 연료 사용량을 감축하여 공정 비용을 절감하고 공정 생산성을 향상시킬 수 있다. 또한, 플라즈마 방전을 통해 형성된 화염(이하, 플라즈마 화염이라 칭함)이 거의 완전 연소를 함으로써 대기오염을 억제할 수 있으며, 함철 더스트에 포함된 황 같은 유해원소를 제거시킬 수 있다.
일 실시예에서, 상기 함철 더스트를 용융 시킴으로써 용융로 내에 불순물이 부유되는 경우에, 상기 부유된 불순물을 제거 또는 배출하는 단계(미도시함)가 선택적으로 수행될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 용융로 내에 상기 용융된 혼합 함철 더스트(S1, S2)는 용탕 형태로 공기 중을 통해 직접 주형틀로 이송됨으로써, 냉각수를 이용하는 별도의 냉각 장치없이 1차 냉각될 수 있다. 구체적으로, 상기 용융된 혼합 함철 더스트(S1, S2)는 후술할 용융로의 배출부를 통해서 중력에 의해 자유 낙하하여 주형틀로 수용될 수 있다. 다른 실시예에서, 상기 용융된 혼합 함철 더스트(S1, S2)를 주형틀에 부어서 상기 용융된 혼합 함철 더스트(S1, S2)를 상기 주형틀 안에 수용시킬 수 있다.
일 실시예에서, 도 2b와 같이, 혼합 함철 더스트를 성형하는 단계(S25) 및 상기 용융 괴가 일정 크기의 입도를 갖도록 상기 용융 괴를 파쇄 또는 분리하는 단계(S45)가 선택적으로 더 포함될 수 있다.
도 2b를 참조하면, 혼합 함철 더스트를 성형하는 단계(S25)는 제 1 함철 더스트 및 제 2 함철 더스트를 혼합하는 단계(S20)와 혼합 함철 더스트를 용융시키는 단계(S30) 사이에 선택적으로 수행될 수 있다. 또한, 상기 용융 괴를 파쇄 또는 분리하는 단계(S45)는 상기 주형틀로 이송하는 단계(S40)가 수행된 이후에, 선택적으로 수행될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 혼합 함철 더스트가 용융로 내에서 플라즈마 화염에 의해 직접 가열될 때, 상기 혼합 함철 더스트 전체가 용융되도록 하기 위해서, 용융로로 투입되기 전에 혼합 함철 더스트를 적당한 크기 및 모양으로 압축하여 성형할 수 있다. 구체적으로, 상기 혼합 함철 더스트는 펠렛 형태로 압축 성형되어 상기 용융로로 투입될 수 있다.
더하여, 상기 용융로내에서 상기 플라즈마 버너를 이용하여, 상기 함철 더스트를 가열하여 용융시킬 때 발생되는 폐열을 이용하여, 성형 가공된 함철 더스트를 예가열시킬 수 있다. 상기 성형 가공된 함철 더스트를 용융로로 투입하기 전에 예가열시킴으로써, 용융로로 투입 후 상기 성형 가공된 함철 더스트를 가열시켜 용융시키기 위한 상기 플라즈마 버너의 원료원의 사용을 줄일 수 있다.
일 실시예에서, 선택적으로, 상기 제 1 온도보다 낮은 제 2 온도로 낮추도록 냉각 장치를 이용하여 상기 용융 괴를 제 2 냉각시키는 단계(미도시함)가 선택적으로 더 포함될 수 있다. 상기 냉각 장치는 수냉식 방식, 공냉식 방식 또는 이들의 조합을 사용할 수 있다. 바람직하게, 상기 냉각 장치는 물을 냉각수로 사용하는 수냉식 냉각 장치를 포함할 수 있다. 제 2 냉각시키는 단계(미도시함)는 필요시 제 1 냉각 이후에 수행될 수 있다.
본원 발명에서는 바인더를 사용하지 않고, 혼합 함철 더스트(S1, S2)를 버너를 이용하여 직접 가열하여 용융시켜 제조된 재활용 용융 괴(MI)는 바인더를 사용하여 성형 제조된 종래의 펠렛 또는 브리켓보다 회전 강도가 우수하여, 제선 공정 또는 제강 공정 같은 철강 제조 공정 시 2차 먼지 또는 분지의 발생을 억제시킬 수 있다. 또한, 2차 먼지 또는 분지의 발생을 억제시킴으로써, 함철부산물의 재사용율을 높일 수 있으며 2차 먼지 또는 분지를 다시 재사용하기 위한 비용을 저감시킬 수 있다.
또한, 종래에 저품위 함철 더스트로서, 철강 제조 공정에 단독으로 재활용이 불가능한 제 1 함철 더스트(S1)를 고품위 함철 더스트를 혼합하여 제조된 재활용 용융 괴(MI)를 이용함으로써, 상기 저품위 함철 더스트도 철강 제조 공정에 재사용할 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 재활용 용융 괴의 제조 장치(10)를 나타내는 도면이다.
도 3을 참조하면, 재활용 용융 괴의 제조 장치(10)는 제 1 호퍼(HP1), 제 2 호퍼(HP2),…, 제 n 호퍼(HPn), 혼합 장치(MD), 플라즈마 버너(PB), 용융로(MF) 그리고 주형틀(MB)를 포함할 수 있다. 그리고, 제조 장치(10)는 선택적으로 혼합 장치(MD)와 용융로(MF) 사이에 배치되는 성형 장치(SP) 및 파쇄 및 분리 장치(OD)를 더 포함할 수 있다.
제 1 호퍼(HP1)는 제 1 함철 더스트(S1)를 저장 및 수용하며, 이를 혼합 장치(MD)로 배출하며, 제 2 호퍼(HP2)는 제 1 함철 더스트(S1)보다 유용원소의 함유량이 높은 제 2 함철 더스트(S2)를 저장 및 수용하며, 이를 혼합 장치(MD)로 배출할 수 있다. 제 1 호퍼(HP1)는 제 1 함철 더스트(S1) 및 제 2 함철 더스트(S2)의 철 계열 성분 함유량과 재활용 용융 괴(MI) 내의 철 계열 성분 함유량을 고려하여, 조절된 양의 제 1 함철 더스트(S1)를 혼합 장치(MD)로 제공하고, 마찬가지로, 제 1 함철 더스트(S1) 및 제 2 함철 더스트(S2)의 철 계열 성분 함유량과 재활용 용융 괴(MI) 내의 철 계열 성분 함유량을 고려하여, 제 2 호퍼(HP1)는 조절된 양의 제 2 함철 더스트(S2)를 혼합 장치(MD)로 제공할 수 있다. 이때, 제 1 함철 더스트(S1) 및 제 2 함철 더스트(S2)는 동시에 혼합 장치(MD)로 제공되거나, 제 1 함철 더스트(S1)가 혼합 장치(MD)로 제공된 이후에 제 2 함철 더스트(S2)가 혼합 장치(MD)로 제공될 수 있다. 또한, 제 1 호퍼(HP1) 및 제 2 호퍼(HP1)는 제 1 함철 더스트(S1) 및 제 2 함철 더스트(S2)가 각각 조절된 양으로 혼합 장치(MD)로 배출될 수 있도록 공급 조절 밸브(미도시함)를 포함할 수 있다.
혼합 장치(MD)는 제 1 호퍼(HP1)로부터 제공된 제 1 함철 더스트(S1) 및 제 2 호퍼(HP2)로부터 제공된 제 2 함철 더스트(S2)를 혼합하여 혼합 함철 더스트를 생성할 수 있다. 구현에 있어서, 제 1 함철 더스트(S1)와 제 2 함철 더스트(S2)의 혼합은 제 1 호퍼(HP1) 및 제 2 호퍼(HP1)로부터 공급되는 함철 더스트를 교번하여 배출함으로써 수행될 수 있다. 다른 구현에 있어서, 혼합 장치(MD)는 회전체와 상기 회전체를 구동하는 모터를 포함하며, 회전체의 회전에 의해 상기 회전체 내의 제 1 함철 더스트(S1)와 제 2 함철 더스트(S2)가 혼합될 수 있다. 호퍼(HP1, HP2, HPn)와 혼합 장치(MD) 사이는 제 1 이송 컨베이어로 연결되어 상기 제 1 이송 컨베이어를 통해 제 1 함철 더스트(S1)와 제 2 함철 더스트(S2)가 혼합 장치(MD)로 전달될 수 있다.
플라즈마 버너(PB)는 상기 혼합 함철 더스트를 가열하기 위한 플라즈마 화염을 생성할 수 있다. 플라즈마 버너(PB)는 플라즈마 방전을 위한 플라즈마 발생기, 연료를 공급하는 연료 공급부 및 상기 연료 공급부로부터 연료를 상기 플라즈마 방전으로 연소시켜서 플라즈마 화염(F)을 생성하는 토치부를 포함할 수 있다. 상기 연료는 산소, 수소, 질소, 아르곤, 이산화탄소, 수증기, LPG, LNG, 코크스로 가스(coke oven gas: COG), 중유, 공기, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 바람직하게, 상기 연료는 환경 오염 및 비용측면에서 유리한 산소, 수소, 질소, 공기 또는 이들의 조합일 수 있다. 또한, 플라즈마 버너(PB)는 상기 혼합 함철 더스트가 플라즈마 화염(F)에 직접 가열되어 전체 용융되도록 하기 위해, 상하좌우 조절이 가능하여, 플라즈마 화염(F)의 위치 조절이 가능하다.
도 3에서는 용융로(MF) 내부로 유입되는 상기 혼합 함철 더스트가 바로 플라즈마 버너(PB)에 의해 가열되는 것으로 나타내고 있지만,
용융로(MF) 내부에서 상기 혼합 함철 더스트가 내부 배출 경로(미도시함)를 통해 배출부(L3)로 이송될 때, 플라즈마 버너(PB)가 상기 배출 경로 중 일부 지점에서 화염이 가해지도록 하여 상기 혼합 함철 더스트가 용융시킬 수 있다. 이때 상기 용융된 혼합 함철 더스트(C2)는 배출 경로(미도시함)의 남은 경로를 통해 배출부(L3)로 이송될 수 있다.
용융로(MF)는 플라즈마 버너(PB)의 적어도 일부가 내부로 관통하도록 하며, 플라즈마 버너(PB)의 화염을 외부와 차단하고, 내부로 수용되도록 가이드하는 화염 공급부(L1), 혼합 장치(MD)로부터 제공되는 상기 혼합 함철 더스트(C1)가 플라즈마 버너(PB)의 플라즈마 화염에 직접 가열되도록 가이드하는 인입부(L2) 및 상기 가열되어 용융(M)된 혼합 함철 더스트(C2)를 외부로 배출시키는 배출부(L3)를 포함할 수 있다. 이때, 용융(M)된 혼합 함철 더스트(C2)는 배출부(L3)를 통해 일정한 양으로 조절되어 연속적으로 배출될 수 있다. 혼합 장치(MD)와 용융로(MF) 사이는 제 2 이송 컨베이어로 연결되어 상기 제 2 이송 컨베이어를 통해 상기 혼합 함철 더스트가 용융로(MF)로 전달될 수 있다.
주형틀(MB)은 상기 용융된 혼합 함철 더스트(C2)가 용융 괴가 되도록 제 1 온도로 제 1 냉각시키고, 상기 용융 괴를 수용할 수 있다. 상기 용융 괴는 별도의 냉각 장치 없이, 공기 중으로 배출되는 상기 용융된 혼합 함철 더스트(C2)가 주형틀(MB)에 수용되어 냉각되어 형성되는 것이다.
일 실시예에서, 선택적으로, 상기 제 1 온도보다 낮은 제 2 온도로 낮추도록 상기 용융 괴를 제 2 냉각시키는 냉각 장치(미도시함)를 더 포함할 수 있다. 상기 냉각 장치는 수냉식 방식, 공냉식 방식 또는 이들의 조합을 사용할 수 있다. 바람직하게, 상기 냉각 장치는 물을 냉각수로 사용하는 수냉식 냉각 장치를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 선택적으로, 성형 장치(SP)는 혼합 장치(MD)와 용융로(MF) 사이에 배치되어, 혼합 장치(MD)로부터의 상기 혼합 함철 더스트를 성형하여 성형 원료를 용융로(MF)로 공급할 수 있다. 상기 혼합 함철 더스트가 용융로(MF) 내에서 플라즈마 화염(F)에 의해 직접 가열될 때, 상기 혼합 함철 더스트 전체가 용융되도록 하기 위해서, 용융로(MF)로 투입되기 전에 혼합 함철 더스트를 적당한 크기 및 모양으로 압축하여 성형할 수 있다. 구체적으로, 상기 혼합 함철 더스트는 펠렛 형태로 압축 성형되어 용융로(MF)로 투입될 수 있다.
더하여, 용융로(MF) 내에서 플라즈마 버너(PB)를 이용하여, 상기 함철 더스트를 가열하여 용융(M)시킬 때 발생되는 폐열(미도시함)을 이용하여, 성형 가공된 함철 더스트를 예가열시킬 수 있다. 이를 위해서 별도의 폐열 공급 장치(미도시함)가 용융로(MF)와 성형 장치(SP) 사이에 배치될 수 있다.
파쇄 및 분리 장치(OD)는 상기 용융 괴가 일정 크기의 입도를 갖도록 상기 용융 괴를 파쇄 또는 분리할 수 있다. 구체적으로, 상기 용융 괴의 일정 크기의 입도는 철강 제조 공정 또는 제철 공정의 고로, 전기로에서 주부원료, 전로에서 냉각제, 산화제, 고철대체제로 사용되는 용도에 따라, 결정될 수 있다.
전술한 바와 같이, 제 1 함철 더스트(S1) 및 제 1 함철 더스트(S2)보다 유용원소의 함유량이 높은 제 2 함철 더스트(S2)를 포함하는 재활용 용융 괴를 이용함으로써, 철 계열 성분 함유량이 낮은 일부 더스트의 재사용율을 높이며, 함철부산물의 실수율 저하, 대기 환경오염, 용융로 내의 환원반응에 의한 열 에너지 소모 그리고 유해성분인 황(S) 함량을 개선시킬 수 있다. 또한, 플라즈마 버너를 이용하여 함철 더스트를 용융시킴으로써, 다른 버너에 비해 연소 효율을 증가시킬 수 있고, 이에 따라 연료 사용량을 줄이고, 온실 가스의 발생을 저감할 수 있는 효과를 기대할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명이 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
S1: 제 1 함철 더스트
S2: 제 2 함철 더스트
MI: 재활용 용융 괴

Claims (13)

  1. 총 질량 대비 50 % 이상의 철 계열 성분 함유량을 갖는 재활용 용융 괴에 있어서,
    상기 50 % 이상의 철 계열 성분 함유량 중 일부를 포함하는 제 1 함철 더스트; 및
    상기 제 1 함철 더스트보다 유용원소의 함유량이 높으며, 상기 50 % 이상의 철 계열 성분 함유량 중 잔부를 포함하는 제 2 함철 더스트를 포함하는 재활용 용융 괴.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 재활용 용융 괴는 상기 제 1 함철 더스트 및 상기 제 2 함철 더스트가 플라즈마 버너로부터 발화된 화염에 의해 직접 가열됨으로써 형성된 재활용 용융 괴.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 유용원소는 철(Fe), 아연(Zn), 카드뮴(Cd) 및 나트륨(Na) 중 적어도 이상을 포함하는 재활용 용융 괴.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 함철 더스트는 저품위 함철 더스트로서, 철강 제조 공정에 단독으로 재활용이 불가능하며,
    상기 제 2 함철 더스트는 고품위 함철 더스트로서, 상기 철강 제조 공정에 단독으로 재활용이 가능한 재활용 용융 괴.
  5. 총 질량 대비 50 % 이상의 철 계열 성분 함유량을 갖는 재활용 용융 괴의 제조 방법에 있어서,
    상기 50 % 이상의 철 계열 성분 함유량 중 일부를 포함하는 제 1 함철 더스트와 상기 제 1 함철 더스트보다 유용원소의 함유량이 높으며, 상기 50 % 이상의 철 계열 성분 함유량 중 잔부를 포함하는 제 2 함철 더스트를 제공하는 단계;
    상기 제 1 함철 더스트 및 상기 제 2 함철 더스트를 혼합하여 혼합 함철 더스트를 생성하여 용융로로 제공하는 단계;
    상기 용융로 내에서 플라즈마 버너로부터 발화된 화염을 상기 혼합 함철 더스트에 직접 가열하여 상기 혼합 함철 더스트를 용융시키는 단계; 및
    상기 용융된 혼합 함철 더스트를 제 1 온도로 제 1 냉각시켜 용융 괴가 되도록 상기 용융된 혼합 함철 더스트를 주형틀로 이송하는 단계를 포함하는 재활용 용융 괴의 제조 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 혼합 함철 더스트를 용융시키는 단계 전에, 상기 혼합 함철 더스트를 성형하는 단계를 더 포함하는 재활용 용융 괴의 제조 방법.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 용융 괴가 일정 크기의 입도를 갖도록 상기 용융 괴를 파쇄 또는 분리하는 단계를 더 포함하는 재활용 용융 괴의 제조 방법.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 1 온도보다 낮은 제 2 온도로 낮추도록 냉각 장치를 이용하여 상기 용융 괴를 제 2 냉각시키는 단계를 더 포함하는 재활용 용융 괴의 제조 방법.
  9. 제 5 항에 있어서,
    상기 화염의 온도는 2, 000 내지 5,000℃의 범위인 재활용 용융 괴의 제조 방법.
  10. 총 질량 대비 50 % 이상의 철 계열 성분 함유량을 갖는 재활용 용융 괴의 제조 장치로서,
    상기 50 % 이상의 철 계열 성분 함유량 중 일부를 포함하는 제 1 함철 더스트를 수용하는 제 1 호퍼;
    상기 제 1 함철 더스트보다 유용원소의 함유량이 높으며, 상기 50 % 이상의 철 계열 성분 함유량 중 잔부를 포함하는 제 2 함철 더스트를 수용하는 제 2 호퍼;
    상기 제 1 함철 더스트 및 상기 제 2 함철 더스트를 혼합하여 혼합 함철 더스트를 생성하는 혼합 장치;
    상기 혼합 함철 더스트를 가열하기 위한 플라즈마 화염을 생성하는 플라즈마 버너;
    상기 플라즈마 버너의 화염을 외부와 차단하며, 내부에 수용되도록 가이드하는 화염 공급부, 상기 혼합 장치로부터 제공되는 혼합 함철 더스트가 상기 플라즈마 버너의 플라즈마 화염에 직접 가열되도록 가이드하는 인입부 및 상기 가열되어 용융된 혼합 함철 더스트를 외부로 배출시키는 배출부를 포함하는 용융로; 및
    상기 용융된 혼합 함철 더스트가 용융 괴가 되도록 제 1 온도로 제 1 냉각시키는 주형틀을 포함하는 재활용 용융 괴의 제조 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 혼합 장치와 상기 용융로 사이에 배치되어, 상기 혼합 함철 더스트를 성형하여 성형 원료를 상기 용융로 공급하는 성형 장치를 더 포함하는 재활용 용융 괴의 제조 장치.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 용융 괴가 소정 크기의 입도를 갖도록 상기 용융 괴를 파쇄 또는 분리하는 파쇄 및 분리 장치를 더 포함하는 재활용 용융 괴의 제조 장치.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 1 온도보다 낮은 제 2 온도로 낮추도록 상기 용융 괴를 제 2 냉각시키는 냉각 장치를 더 포함하는 재활용 용융 괴의 제조 장치.
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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH11241125A (ja) * 1997-12-18 1999-09-07 Kobe Steel Ltd 還元鉄ペレットの製造方法およびこの方法で製造した還元鉄ペレット
KR20110113223A (ko) * 2010-04-09 2011-10-17 정정철 플라즈마를 이용한 철 분진의 철괴 제조방법

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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