KR20210129447A - 고강도 고반응성 코크스 사용을 통한 고로 내 환원 개시온도 예측방법 - Google Patents

고강도 고반응성 코크스 사용을 통한 고로 내 환원 개시온도 예측방법 Download PDF

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Abstract

고강도 고반응성 코크스 사용을 통한 고로 내 환원 개시온도 예측방법과 관련한 발명이 개시된다. 한 구체예에서 상기 고강도 고반응성 코크스 사용을 통한 고로 내 환원 개시온도 예측방법은 고강도 고반응성 코크스를 준비하는 단계; 고로 반응성 모사장치의 내부에 연료와, 제철원료를 교대로 장입하는 단계; 상기 제철원료와 연료를 반응하되, 상기 연료 중 고강도 고반응성 코크스 함량 변화에 따른, 환원 개시온도를 각각 측정하여 데이터를 획득하는 단계; 상기 연료 중 고강도 고반응성 코크스 함량 변화에 따른, 상기 환원 개시온도 데이터를 이용하여 회귀 직선식을 작성하는 단계; 및 상기 회귀 직선식으로부터, 상기 고로 내 환원 개시온도 예측식을 도출하는 단계;를 포함한다.

Description

고강도 고반응성 코크스 사용을 통한 고로 내 환원 개시온도 예측방법 {METHOD FOR PREDICTING REDUCTION INITIATING TEMPERATURE IN A BLAST FURNACE USING A HIGH STRENGTH AND HIGH REACTIVITY COKE}
본 발명은 고강도 고반응성 코크스 사용을 통한 고로 내 환원 개시온도 예측방법에 관한 것이다.
코크스는 고로의 열원으로 사용되는 연료인 동시에 철광석을 환원시키는 환원제의 역할을 한다. 코크스 제조에 이용되는 석탄을 일반적인 연료용과 구분하여 원료탄이라 칭한다. 코크스는 노 내 통기성 개선을 위해 적정 강도 및 반응성이 요구된다.
최근, 제선공정시의 이산화탄소(CO2) 발생량 저감을 위하여, 고강도 고반응성 코크스 제조에 대한 관심이 증가하고 있다. 고강도 고반응성 코크스는 석탄 및 철광석을 포함하는 성형탄을 코크스 오븐 설비에서 가열 건류하여 제조된다.
상기 고강도 고반응성 코크스는 고로 내 반응성이 우수하여 저온에서 코크스의 반응을 촉진시킨다. 이 결과 고로 내 온도 분포를 약 100~200℃ 정도 저감시켜 조업 효율을 증대시킬 수 있으며, 가스 조성을 산화성으로 제어하여 환원제비 저감을 이룰 수 있다. 상기 환원제비가 저감되면 코크스 사용량이 감소하여 이산화탄소 발생량도 저감되는 효과가 있다.
고강도 고반응성 코크스 사용량에 따른 고로 내 분포 온도 감소를 정량적으로 예측이 가능한 경우, 정확한 환원제비를 설정 가능하여 이산화탄소 발생량 저감에 기여할 수 있다. 그러나 고강도 고반응성 코크스의 사용량에 따른 고로 내 분포 온도 감소를 정량적으로 예측하는 방법은 전무한 실정이다.
본 발명과 관련한 배경기술은 대한민국 공개특허공보 제2012-0035946호(2012.04.16. 공개, 발명의 명칭: 페로코크스의 제조방법)에 개시되어 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 고로의 환원 개시 온도 예측값의 정확성 및 신뢰성이 우수한 고강도 고반응성 코크스 사용을 통한 고로 내 환원 개시온도 예측방법에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 이산화탄소 발생량 저감을 통한 친환경성 및 경제성이 우수한 고강도 고반응성 코크스 사용을 통한 고로 내 환원 개시온도 예측방법에 관한 것이다.
본 발명의 하나의 관점은 고강도 고반응성 코크스 사용을 통한 고로 내 환원 개시온도 예측방법에 관한 것이다. 한 구체예에서 상기 고강도 고반응성 코크스 사용을 통한 고로 내 환원 개시온도 예측방법은 고강도 고반응성 코크스를 준비하는 단계; 고로 반응성 모사장치의 내부에 연료와 제철원료를 교대로 장입하는 단계; 상기 제철원료와 연료를 반응하되, 상기 연료 중 고강도 고반응성 코크스 함량 변화에 따른, 환원 개시온도를 각각 측정하여 데이터를 획득하는 단계; 상기 연료 중 고강도 고반응성 코크스 함량 변화에 따른, 상기 환원 개시온도 데이터를 이용하여 회귀 직선식을 작성하는 단계; 및 상기 회귀 직선식으로부터, 상기 고로 내 환원 개시온도 예측식을 도출하는 단계;를 포함하며, 상기 고강도 고반응성 코크스는 석탄 및 반탄화 바이오매스 중 하나 이상 및 철광석을 포함하는 성형탄을 건류하여 제조되는 것이며, 상기 환원 개시온도는 상기 모사장치 내부의 금속철 함량(M.Fe)이 10 중량%에 도달하는 시점의 온도이다.
한 구체예에서 상기 고로 내 환원 개시온도 예측식은, 하기 식 1의 관계를 만족할 수 있다:
[식 1]
고로 내 환원개시 온도(℃) = 2.9 * A1 + 892.2
(상기 식 1에서, 상기 A1은 연료 중 고강도 고반응성 코크스의 함량(중량%)이다).
한 구체예에서 상기 고강도 고반응성 코크스는 석탄 및 반탄화 바이오매스 중 하나 이상의 합 65~85 중량% 및 철광석 15~35 중량%를 포함할 수 있다.
한 구체예에서 상기 고강도 고반응성 코크스를 준비하는 단계는, 코크스용 조성물을 이용하여 성형탄을 제조하고; 그리고 상기 성형탄을 건류하는 단계;를 포함하며, 상기 코크스용 조성물은 상기 석탄 및 반탄화 바이오매스 중 하나 이상의 합 65~85 중량% 및 철광석 15~35 중량%를 포함하는 제1 혼합물 100 중량부 및 바인더 1~20 중량부를 포함하며, 상기 바인더는 물유리(Water glasses) 및 아스팔텐성 피치(asphaltenic pitch) 중 하나 이상 포함할 수 있다.
한 구체예에서 상기 반탄화 바이오매스는 바이오매스 원료를 100~500℃에서 열처리하여 제조할 수 있다.
본 발명의 고강도 고반응성 코크스 사용을 통한 고로 내 환원 개시온도 예측방법을 적용시, 고로의 환원 개시 온도 예측값의 정확성 및 신뢰성이 우수하며, 이산화탄소 발생량 저감을 통한 친환경성 및 고강도 고반응성 코크스 사용량을 최소화할 수 있어 경제성이 우수할 수 있다.
도 1은 본 발명의 한 구체예에 따른 고강도 고반응성 코크스 사용을 통한 고로 내 환원 개시온도 예측방법을 나타낸 것이다.
도 2(a)는 고로 내부를 나타낸 것이며, 도 2(b)는 고로 괴상부를 확대하여 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 한 구체예에 따른 고로 반응성 모사장치를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 한 구체예에 따른 고로 반응성 모사장치의 케이싱부재를 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 한 구체예에 따른 고로 반응성 모사장치의 반응관과 발열부 및 온도측정부를 나타낸 것이다.
도 6은 연료 중 고강도 고반응성 코크스 함량 변화에 따른 철함량 변화를 나타낸 그래프이다.
도 7은 연료 중 고강도 고반응성 코크스 함량 변화와 환원 개시온도 사이의 회귀직선식을 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명의 고강도 고반응성 코크스 투입에 따른 효과를 도출하기위한 RIST 조업 선도이다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다. 이때, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기술 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.
그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있으므로 그 정의는 본 발명을 설명하는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
고강도 고반응성 코크스 사용을 통한 고로 내 환원 개시온도 예측방법
본 발명의 하나의 관점은 고강도 고반응성 코크스 사용을 통한 고로 내 환원 개시온도 예측방법에 관한 것이다.
도 1은 본 발명의 한 구체예에 따른 고강도 고반응성 코크스 사용을 통한 고로 내 환원 개시온도 예측방법을 나타낸 것이다. 상기 도 1을 참조하면, 상기 고강도 고반응성 코크스 사용을 통한 고로 내 환원 개시온도 예측방법은 (S10) 고강도 고반응성 코크스 준비단계; (S20) 연료 및 제철연료 장입단계; (S30) 연료 중 고강도 고반응성 코크스 장입량에 따른 환원개시온도 측정단계; (S40) 회귀직선식 작성단계; 및 (S50) 고로 내 환원 개시온도 예측식 도출단계;를 포함한다.
보다 구체적으로, 상기 고강도 고반응성 코크스 사용을 통한 고로 내 환원 개시온도 예측방법은 (S10) 고강도 고반응성 코크스를 준비하는 단계; (S20) 고로 반응성 모사장치의 내부에 연료와, 제철원료를 교대로 장입하는 단계; (S30) 상기 제철원료와 연료를 반응하되, 상기 연료 중 고강도 고반응성 코크스 함량 변화에 따른, 환원 개시온도를 각각 측정하여 데이터를 획득하는 단계; (S40) 상기 연료 중 고강도 고반응성 코크스 함량 변화에 따른, 상기 환원 개시온도 데이터를 이용하여 회귀 직선식을 작성하는 단계; 및 (S50) 상기 회귀 직선식으로부터, 상기 고로 내 환원 개시온도 예측식을 도출하는 단계;를 포함한다.
상기 고강도 고반응성 코크스는 석탄 및 반탄화 바이오매스 중 하나 이상 및 철광석을 포함하는 성형탄을 건류하여 제조되는 것이며, 상기 환원 개시온도는 상기 모사장치 내부의 금속철(Metallic Fe, M.Fe) 함량이 10 중량%에 도달하는 시점의 온도이다.
이하, 본 발명에 따른 고강도 고반응성 코크스 사용을 통한 고로 내 환원 개시온도 예측방법을 단계별로 상세히 설명하도록 한다.
(S10) 고강도 고반응성 코크스 준비단계
상기 단계는 고강도 고반응성 코크스를 준비하는 단계이다. 상기 고강도 고반응성 코크스는 석탄 및 반탄화 바이오매스 중 하나 이상 및 철광석을 포함하는 성형탄을 건류하여 제조된다.
한 구체예에서 상기 고강도 고반응성 코크스는 석탄 및 반탄화 바이오매스 중 하나 이상의 합 65~85 중량% 및 철광석 15~35 중량%를 포함할 수 있다.
한 구체예에서 상기 고강도 고반응성 코크스를 준비하는 단계는, 코크스용 조성물을 이용하여 성형탄을 제조하고; 그리고 상기 성형탄을 건류하는 단계;를 포함하며, 상기 코크스용 조성물은 상기 석탄 및 반탄화 바이오매스 중 하나 이상의 합 65~85 중량% 및 철광석 15~35 중량%를 포함하는 제1 혼합물 100 중량부 및 바인더 1~20 중량부를 포함하며, 상기 바인더는 물유리(Water glasses) 및 아스팔텐성 피치(asphaltenic pitch) 중 하나 이상 포함할 수 있다.
이하 상기 코크스용 조성물의 구성 성분을 상세히 설명하도록 한다.
(1) 석탄
상기 석탄은 통상적인 것을 사용할 수 있다. 한 구체예에서 상기 석탄은 상기 제1 혼합물 전체중량에 대하여 45~83 중량% 포함될 수 있다. 상기 범위로 포함시 본 발명의 고강도 고반응성 코크스의 열간강도 및 반응성이 우수할 수 있다.
(2) 반탄화 바이오매스
상기 반탄화 바이오매스는 바이오매스 원료가 반탄화 된 것으로, 상기 석탄을 대체하는 역할을 할 수 있다. 상기 바이오매스 원료는 세포벽이 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스 및 리그닌 등을 포함할 수 있다. 상기 반탄화 바이오매스는 휘발분 함량이 상대적으로 높으며, 석탄에 비해 고정 탄소 함량이 낮다.
한 구체예에서 상기 바이오매스 원료는 목질계 및 초본계 바이오매스 중 하나 이상 포함할 수 있다. 한 구체예에서 상기 목질계 바이오매스는 톱밥, 우드칩, 폐목재 및 산림 부산물 중 하나 이상 포함할 수 있다. 한 구체예에서 상기 초본계 바이오매스는 팜 커넬 껍질(palm kernel shell), 코코넛 껍질, 왕겨, 수수대, 억새(miscanthus), 대나무, 갈대(phragmites), 볏짚(rice straw) 및 EFB(empty fruit bunch) 및 낙엽 중 하나 이상 포함할 수 있다.
한 구체예에서 상기 반탄화 바이오매스는, 바이오매스 원료를 100~500℃에서 열처리하여 제조되는 것일 수 있다. 상기 범위로 열처리시, 고 에너지 밀도를 갖는 반탄화 바이오매스를 제조할 수 있다. 예를 들면, 상기 열처리는 상기 바이오매스 원료를 250~350℃에서 20분 내지 3시간, 다른 예를 들면 1시간 내지 2시간 동안 열처리하여 반탄화 바이오매스를 제조할 수 있다.
한 구체예에서 상기 반탄화 바이오매스는 5~30mm 크기를 갖는 펠릿 형태로 적용할 수 있다. 상기 크기는, 상기 펠릿형태의 반탄화 바이오매스의 최대 길이를 의미할 수 있다.
한 구체예에서 상기 반탄화 바이오매스는 상기 제1 혼합물 전체중량에 대하여 2~20 중량% 포함될 수 있다. 상기 범위로 포함시 고강도 고반응성 코크스의 열간강도 및 반응성이 우수하면서, 고로 공정시 이산화탄소 발생량 저감효과가 우수할 수 있다. 예를 들면 6~20 중량% 포함될 수 있다.
한 구체예에서 상기 석탄 및 반탄화 바이오매스 군에서 선택된 적어도 하나 이상의 합은, 상기 제1 혼합물 전체중량에 대하여 65~85 중량% 포함된다. 상기 범위로 포함시 상기 고강도 고반응성 코크스의 열간강도, 반응성이 우수하며, 고로 공정시 이산화탄소 발생량 저감효과가 우수할 수 있다. 상기 석탄 및 반탄화 바이오매스 군에서 선택된 적어도 하나 이상의 합이 65 중량% 미만인 경우, 상기 고강도 고반응성 코크스의 반응성이 저하되며, 85 중량%를 초과하는 경우 고강도 고반응성 코크스의 열간 강도가 저하될 수 있다.
(3) 철광석
상기 철광석(또는 소결광)은 상기 고강도 고반응성 코크스 제조시 배합되는 주요 성분이며, 통상적인 것을 사용할 수 있다.
한 구체예에서 상기 제1 혼합물 중, 상기 석탄과 반탄화 바이오매스의 합과, 상기 철광석은 1:3~1:5 중량비로 포함될 수 있다. 상기 중량비 범위로 포함시, 본 발명의 조성물의 혼합성과, 제조되는 고강도 고반응성 코크스의 열간강도 및 발열성이 모두 우수할 수 있다. 예를 들면, 1:3.5~1:4.5 중량비로 포함될 수 있다.
상기 철광석은 상기 제1 혼합물 전체중량에 대하여 15~35 중량% 포함될 수 있다. 상기 철광석을 15 중량% 미만으로 포함시 반응성 및 발열성이 저하되며, 35 중량% 초과하여 포함시 상기 고강도 고반응성 코크스의 강도가 저하될 수 있다. 예를 들면 18~25 중량% 포함될 수 있다.
(4) 바인더
상기 바인더는 물유리(Water glasses) 및 아스팔텐성 피치(asphaltenic pitch) 중 하나 이상을 포함한다. 상기 아스팔텐성 피치를 포함시, 본 발명의 고강도 고반응성 코크스의 강도 및 성형성이 우수할 수 있다.
한 구체예에서 상기 아스팔텐성 피치는, 원유의 정제시 발생하는 상압 증류 잔유를 감압 증류하여, 감압 증류 잔유를 수득하는 단계; 및 상기 감압 증류 잔유를 용제를 이용하여 용제 탈력(solvent deasphalt)하는 단계;를 포함하여 수득될 수 있다.
예를 들면 원유를 정제 공정 중에서 상압 증류를 실시하여, 가스, LPG, 나프타, 등유, 경질 경유, 중질 경유 및 상압 증류 잔유로 분리한 다음, 이 중에서 상기 상압 증류 잔유를 분리하여, 통상 감압 증류 장치를 사용하여 감압 증류하여 감압 증류 잔유를 수득할 수 있다. 그 다음에, 상기 수득된 감압 증류 잔유를 용제를 이용하여 용제 탈력을 실시하여 아스팔텐성 피치를 제조할 수 있다.
한 구체예에서 상기 바인더는 상기 제1 혼합물 100 중량부에 대하여 1~20 중량부 포함된다. 상기 바인더를 1 중량부 미만으로 포함시 상기 코크스 조성물의 혼합성, 성형성과 강도 유지 효과가 저하되며, 20 중량부를 초과하여 포함시 더 이상의 코크스 강도 증가 효과가 없으며, 오히려 열간 강도가 저하되거나, 성형성이 저하될 수 있다. 예를 들면 5~15 중량부 포함될 수 있다. 다른 예를 들면 8~13 중량부 포함될 수 있다.
상기 바인더가 상기 물유리(Water glasses)를 포함시, 본 발명의 고강도 고반응성 코크스는 저온환원분화율(RDI)이 0이며, 코크스 열간강도(CSR)가 70% 이상일 수 있다. 나아가, 상기 바인더에서 상기 물유리의 농도가 75 중량% 포함되는 경우 상기 고강도 고반응성 코크스의 낙하강도는 99%일 수 있다.
한 구체예에서 상기 성형탄은, 상기 제1 혼합물 및 바인더를 포함하는 코크스용 조성물을 균질하게 혼합하여 소정의 형상으로 성형하여 예비 성형체를 제조하고; 상기 예비 성형체를 예열하여 성형탄을 제조할 수 있다.
한 구체예에서 상기 예비 성형체는, 상기 코크스용 조성물을 성형압: 1~10t/cm 조건으로 가압하여 브리켓 형태로 제조될 수 있다.
상기 가열은 상기 고강도 고반응성 코크스용 조성물에 포함되는 석탄의 수분함량 조절을 통해 성형탄의 함수율 및 강도 조절을 위한 것으로, 통상적인 방법으로 수행될 수 있다.
한 구체예에서 상기 건류는 1000~1250℃에서 이루어질 수 있다. 상기 조건에서 열간 강도가 우수한 고강도 고반응성 코크스를 제조할 수 있다.
(S20) 연료 및 제철연료 장입단계
상기 단계는 고로 반응성 모사장치의 내부에 연료와, 제철원료를 교대로 장입하는 단계이다.
도 2(a)는 고로 내부를 나타낸 것이며, 도 2(b)는 고로 괴상부를 확대하여 나타낸 것이다. 상기 도 2를 참조하면, 고로 조업시 고로(100) 내부에 제철원료 및 연료를 교대로 장입하고, 고로 하부의 풍구(40)를 통해 고온의 열풍을 취입하여, 고로 내부에서 환원반응을 유도하여 용선 및 슬래그를 생산할 수 있다.
한편, 고로 내부는 상부에서부터, 스로트부, 샤프트부, 벨리부, 보쉬부 및 노상부 영역으로 구분할 수 있다. 이중 도 2(a)와 같이 고로 샤프트부(30)는, 고로 상부에서부터 층을 이루며 장입된 제철원료 및 연료가, 입자 사이를 상승하는 기체에 의해 가열되면서 고로 하부방향으로 이동하게 된다.
한 구체예에서 상기 제철원료는 소결광 또는 철광석을 사용할 수 있으며, 연료는 통상의 코크스와, 본 발명의 고강도 고반응성 코크스를 사용할 수 있다.
본 발명은, 고로 샤프트부(30)(또는 고로 괴상부)에서의 연료 반응성을 예측하기 위한 것이며, 참고로, 실제 고로의 스로트부의 온도는 약 300~400℃ 이며, 고로 샤프트부(30)의 온도는 약 900~1200℃ 이다.
한 구체예에서 도 2(b)와 같이 고로 괴상부에 교대로 적층되어 형성되는 제철원료층(10, 12) 및 연료층(20)에, 고온의 일산화탄소 가스가 순차적으로 통과하여 고로 내부에서 환원반응을 유도하여 용선 및 슬래그를 생산할 수 있다.
도 3은 고로 반응성 모사장치를 나타낸 것이다. 상기 도 3을 참조하면, 고로 반응성 모사장치는, 구체적으로 고로 괴상대의 반응성을 측정하기 위하여 만들어진 것이다. 상기 도 3을 참조하면 고로 반응성 모사장치는, 내부에 복수의 발열부가 상하로 배치되는 케이싱부재(100);와 케이싱부재(100)를 상하로 관통하며, 내부에는 제철원료와 연료가 교대로 적층되는 반응관(200);과 반응관(200)의 상부로 열풍을 주입하여 하부로 배출되도록 상기 반응관의 상부에 연결되는 열풍공급기;와 상기 발열부의 온도를 설정하는 온도설정부(300);를 포함한다.
도 4는 본 발명의 한 구체예에 따른 고로 반응성 모사장치의 케이싱부재를 나타낸 것이다. 케이싱부재(100)는 실제 고로의 외관을 모사한 부재로서, 본 발명의 케이싱부재(100)는 실제 고로를 상하로 반전시킨 것이며, 이러한 케이싱부재(100)는 별도의 승강수단(110)에 의해 승하강 된다. 실제 고로에서는 상부에서 제철원료와 연료가 하부로 낙하되므로 이러한 실제 고로의 환경을 반전되게 재연되려면 본 발명의 구동시 승강수단(110)은 케이싱부재(100)를 하향 이동시켜야 할 것이다.
도 4는 본 발명의 한 구체예에 따른 고로 반응성 모사장치의 케이싱부재를 나타낸 것이다. 상기 도 4와 같이, 케이싱부재(100)의 상면 및 하면에는 관통공(101)이 형성되는데, 이러한 관통공(101)에는 반응관(200)이 끼워진다.
한 구체예에서 케이싱부재(100)에는 고로 내부의 온도와 동일한 조업 환경과 동일한 환경을 재연하기 위해 복수의 발열부(120)가 상하로 배치된다. 예를 들면, 도 4와 같이 9개의 발열부(120)가 구비되어 서로 다른 온도를 갖는 10 개의 구역으로 구획될 수 있다. 여기서, 서로 다른 온도를 갖는 10개의 구역은 발열부들 사이의 공간 8개, 가장 높은 곳에 배치되는 발열부 상부의 공간 1개 및 가장 낮은 곳에 배치되는 발열부 하부의 공간 1개이다.
도 5는 고로 반응성 모사장치의 반응관, 발열부 및 온도측정부를 나타낸 것이다. 상기 도 5를 참조하면, 반응관(200)은 내부에 제철원료 및 연료가 상하로 차례차례 적층되는 관 형상의 부재로서, 반응관(200)은 상술한 케이싱부재(100)의 관통공(101)에 끼워져 케이싱부재(100)를 상하로 관통한다. 한 구체예에서 상기 제철원료는 소결광이고 연료는 코크스(통상의 코크스 및 본 발명의 고강도 고반응성 코크스)를 포함할 수 있다. 반응관(200)은 케이싱부재(100)의 하강에 의해 하부에 적층된 소결광 또는 철광석과 코크스부터 순차적으로 반응을 일으키게 되는 것이다.
상기 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 반응관(200)의 내부로는 열풍이 유입되는데, 이러한 열풍은 열풍공급기에서 생성되며, 생성된 열풍은 반응관(200)의 상부로 유입되어 하부로 배출된다. 상기 열풍은 실제 고로의 내부로 제공되는 열풍과 동일한 역할을 한다.
즉, 상기 열풍은 실제 고로의 하부에서 공급되어 고로의 상부로 배출되는 것임에 반해, 본 발명에서는 케이싱부재(100)가 반전됨으로 인하여 열풍의 진행방향도 상부에서 하부로 진행된다.
온도설정부(300)는, 상술한 케이싱부재(100)의 내부에 설치되는 발열부(120)의 온도를 설정하는 역할을 하는 부재로서, 이러한 온도설정부(300)는 케이싱부재(100) 내부의 환경이 실제 고로의 샤프트부의 환경이 반전된 상태와 일치하도록 발열부(120)의 온도를 설정한다.
이에 따라, 상기 온도설정부(300)는 발열부(120)의 온도가 상부에서 가장 높게 설정하고, 하부에서 가장 낮게 설정한다.
만약, 상기와 같이 발열부(120)의 온도를 하부에서 가장 높게, 상부에서 가장 낮게 설정한다면, 하측의 발열부(120)에서 상측으로 복사되는 복사열에 의해 영향을 주게되므로 정확한 온도의 설정이 불가능하기 때문이다.
상기와 같이 온도가 서로 다르게 설정되는 발열부(120)에 의해 케이싱부재(100)의 내부는 온도에 의해 복수의 구역으로 구획될 수 있다.
예컨대, 가장 높은 곳에 배치되는 발열부(120)를 1200℃로 설정하고, 가장 낮은 곳에 배치되는 발열부(120)를 400℃로 설정하되, 높은 곳에 위치한 발열부(120)를 기준으로 바로 아래의 발열부(120)는 50~100℃ 낮게 설정할 수 있다.
한 구체예에서 상기 고로 반응성 모사장치는 케이싱부재(100)의 내부 또는 반응관(200)의 외부에 상하로 배치되어 온도를 측정하는 온도측정부(400);를 더 포함할 수 있다.
한 구체예에서 케이싱부재(100)의 내부 또는 반응관(200)의 외부에는 도 5에 도시된 바와 같이, 온도계(410)가 상하로 복수 개가 배치될 수 있다. 온도계(410)를 매개로 발열부(120)에 의해 온도별로 구역이 설정된 지점의 온도를 측정하여, 케이싱부재(100)의 내부가 실제 고로의 샤프트부와 동일하게 설정이 되고 있는지를 알 수 있게 한다.
상기와 같은 온도계(410)는 정확한 온도의 값이 측정되도록 반응관(200)의 외주에 밀착되게 배치되되, 상하로 복수개가 설치되는 것이 바람직할 것이며, 온도계(410)로 측정된 값은 도 3에 도시된 온도측정부(400)로 전송되어 측정된 값을 실시간으로 확인할 수 있다.
(S30) 연료 중 고강도 고반응성 코크스 장입량에 따른 환원개시온도 측정단계
상기 단계는 상기 제철원료와 연료를 반응하되, 상기 연료 중 고강도 고반응성 코크스의 함량 변화에 따른, 환원 개시온도를 각각 측정하여 데이터를 획득하는 단계이다.
상기 환원 개시온도는 통상의 기술자가 용이하게 도출할 수 있다. 한 구체예에서 상기 환원 개시온도는 상기 모사장치 내부의 금속철(Metallic Fe, M.Fe) 함량을 측정하여, 상기 금속철 함량이 10 중량%에 도달하는 시점의 온도를 측정할 수 있다. 본 발명에서 상기 모사장치 내부의 금속철(Metallic Fe, M.Fe)을 통해 상기 연료와 제철원료 중 철광석의 환원정도를 판단할 수 있다. 상기 금속철 함량이 10 중량%에 도달하는 시점의 온도에서 연료의 환원이 개시되는 것으로 설정시, 본 발명의 고로 내 환원 개시온도 예측식의 정확성 및 신뢰성이 우수할 수 있다.
예를 들면, 상기 연료는 고강도 고반응성 코크스의 함량을 증가시키면서 상기 환원개시온도를 측정할 수 있다.
한 구체예에서 상기 제철원료 및 연료는, 온도: 400℃~1200℃, 일산화탄소 가스 분압(pCO): 0 초과 0.1 기압 이하 및 수소 가스 분압(pH2): 0 초과 0.1 기압 이하의 조건에서 반응시킬 수 있다. 상기 조건으로 반응시, 실제 고로 내부와 유사한 조건으로 반응시킬 수 있어, 보다 정확성 및 신뢰성이 우수한 일산화탄소 및 수소 가스 이용률 예측식의 도출이 가능하다. 예를 들면, 상기 제철원료 및 연료는, 온도: 400℃~1200℃, 일산화탄소 가스 분압(pCO): 0 초과 0.1 기압 이하 및 수소 가스 분압(pH2): 0 초과 0.1 기압 이하의 조건에서 6 시간 동안 반응시킬 수 있다.
또한 반응이 종료된 가스는, 가스 배출구(gas outlet)을 통해 배출되어 질량분석기를 통해 조성 변동을 측정할 수 있다.
(S40) 회귀직선식 작성단계
상기 단계는 상기 연료 중 고강도 고반응성 코크스 함량 변화에 따른, 상기 환원 개시온도 데이터를 이용하여 회귀 직선식을 작성하는 단계이다.
(S50) 고로 내 환원 개시온도 예측식 도출단계
상기 단계는 상기 연료 중 고강도 고반응성 코크스 함량 변화에 따른, 상기 환원 개시온도 데이터를 이용하여 회귀 직선식을 작성하는 단계이다.
상기 고로 내 환원 개시온도 예측식은, 하기 식 1의 관계를 만족할 수 있다:
[식 1]
고로 내 환원개시 온도(℃) = 2.9 * A1 + 892.2
(상기 식 1에서, 상기 A1은 연료 중 고강도 고반응성 코크스의 함량(중량%)이다).
본 발명의 고강도 고반응성 코크스 사용을 통한 고로 내 환원 개시온도 예측방법을 적용시, 고로의 환원 개시 온도 예측값의 정확성 및 신뢰성이 우수하며, 이산화탄소 발생량 저감을 통한 친환경성 및 고강도 고반응성 코크스 사용량을 최소화할 수 있어 경제성이 우수할 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다.
실시예
(1) 고강도 고반응성 코크스 제조: 초본계 바이오매스를 100~500℃에서 열처리하여 반탄화 바이오매스를 준비하였다. 그 다음에 석탄 45~83 중량%, 상기 반탄화 바이오매스 2~20 중량% 및 철광석 15~35 중량%를 포함하는 제1 혼합물 100 중량부 및 바인더(아스팔텐성 피치 포함) 1~20 중량부를 포함하는 코크스용 조성물을 성형하여 성형탄 제조 후, 상기 성형탄을 건류하여 고강도 고반응성 코크스를 제조하였다.
(2) 고로 내 환원 개시온도 예측식 도출: 도 3과 같은 고로의 반응성 모사장치의 케이싱부재 내부에 제철원료(소결광) 및 연료를 도 5와 같이 교대로 장입하였다. 이때, 상기 연료는 통상의 코크스와, 상기 고강도 고반응성 코크스를 0 중량%, 10 중량%, 20 중량% 및 30 중량%로 증가하면서, 상기 제철원료와 연료를 반응하여 상기 모사장치 내부의 금속철(Metallic Fe, M.Fe)을 측정하고, 상기 금속철 함량이 10 중량%에 도달하는 시점의 환원 개시온도를 각각 측정하여 데이터를 획득하였다.
그 다음에 상기 연료 중 고강도 고반응성 코크스 함량 변화에 따른, 상기 환원 개시온도 데이터를 이용하여 회귀 직선식을 작성하고, 상기 회귀 직선식으로부터, 상기 고로 내 환원 개시온도 예측식을 도출하였다.
도 6은 본 발명의 고로 반응성 모사장치를 이용한, 연료 중 고강도 고반응성 코크스 함량 변화에 따른 철함량 변화를 나타낸 그래프이다. 상기 도 6에서, 금속철 함량이 10 중량%에 도달하는 시점의 환원개시온도와, 연료 중 본 발명의 고강도 고반응성 코크스를 미포함하는 환원개시온도를 기준으로 한, 환원개시온도 변화량을 도출하여 하기 표 1에 나타내었다.
연료 중 고강도 고반응성 코크스 함량(중량%) 환원개시온도(℃) 환원개시온도
(Δ℃)
0 893.45 -
10 860.14 33.31
20 836.79 56.74
30 804.588 88.86
상기 도 6 및 표 1의 결과를 참조하면, 본 발명의 고강도 고반응성 코크스 함량의 증가시 환원개시온도가 감소하는 것을 알 수 있다.
도 7은 연료 중 고강도 고반응성 코크스 함량 변화와 환원 개시온도 사이의 회귀직선식을 나타낸 것이다. 상기 도 7을 참조하면, 상기 연료 중 고강도 고반응성 코크스의 함량 변화와, 환원 개시온도 사이에는 하기 식 1과 같은 관계를 만족하는 것을 알 수 있었다:
[식 1]
고로 내 환원개시 온도(℃) = 2.9 * A1 + 892.2
(상기 식 1에서, 상기 A1은 연료 중 고강도 고반응성 코크스의 함량(중량%)이다).
상기 도 7을 참조하면, 회귀직선식을 통한 식 1은 R2=0.9958로 상기 연료 중 고강도 고반응성 코크스의 함량 변화와, 환원 개시온도 사이에 높은 상관성을 얻을 수 있음을 알 수 있다.
본 발명에 따라 도출된, 고강도 고반응성 코크스 사용을 통한 고로 내 환원 개시온도 예측방법의 효과를 산출하였다. RIST 조업선도는, 고로 조업 조건에 따른 고로 내 산소, 탄소 및 철(Fe) 사이의 평형관계를 시각적으로 표현한 것으로, 이론적 한계치를 검증하고, 공정 변수에 의한 영향도 확인이 가능하다.
도 8은 본 발명의 고강도 고반응성 코크스 투입에 따른 효과를 도출하기 위한 RIST 조업 선도이다. 상기 도 8에서 W는 Fe-Fe0 평형점이며, P는 노내 불순물 환원반응에 따른 조업선도 회전 중심점이다. 또한 A 포인트는 풍량: 7000Nm3/min, 산소부화량: 30000Nm3/hr, 코크스비: 320kg/THM 및 미분탄비 180kg/THM으로 가정한 것이다.
상기 도 8을 참조하면, A 포인트에서 B 포인트(연료 중 고강도 고반응성 코크스 20 중량% 포함)로 이동시, 열보존대 온도가 1100℃에서, 1043℃로 56.7℃가 감소하였고, 환원제비 감소량: 11.12kg/THM 및 이산화탄소 저감량: 113,659ton/년의 효과를 갖는 것을 알 수 있었다.
이와 같이, 본 발명에 따라 도출된 고강도 고반응성 코크스 사용을 통한 환원개시온도 예측값을 적용시, 고로의 환원 개시 온도 예측값의 정확성 및 신뢰성이 우수하며, 이산화탄소 발생량 저감을 통한 친환경성이 우수하고, 고로 환원제비 감소 효과가 우수하며, 이를 통해 고로 송풍 조건 등을 용이하게 설계할 수 있음을 알 수 있다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 실시될 수 있으며, 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.
10: 제철원료층 12: 제철원료층
20: 연료층 30: 샤프트부
40: 풍구 100: 케이싱부재
101: 관통공 110: 승강수단
120: 발열부 200: 반응관
300: 온도설정부 400: 온도측정부
410: 온도계 1000: 고로

Claims (5)

  1. 고강도 고반응성 코크스를 준비하는 단계;
    고로 반응성 모사장치의 내부에 연료와, 제철원료를 교대로 장입하는 단계;
    상기 제철원료와 연료를 반응하되, 상기 연료 중 고강도 고반응성 코크스 함량 변화에 따른, 환원 개시온도를 각각 측정하여 데이터를 획득하는 단계;
    상기 연료 중 고강도 고반응성 코크스 함량 변화에 따른, 상기 환원 개시온도 데이터를 이용하여 회귀 직선식을 작성하는 단계; 및
    상기 회귀 직선식으로부터, 상기 고로 내 환원 개시온도 예측식을 도출하는 단계;를 포함하며,
    상기 고강도 고반응성 코크스는 석탄 및 반탄화 바이오매스 중 하나 이상 및 철광석을 포함하는 성형탄을 건류하여 제조되는 것이며,
    상기 환원 개시온도는 상기 모사장치 내부의 금속철(Metallic Fe, M.Fe) 함량이 10 중량%에 도달하는 시점의 온도인 것을 특징으로 하는 고강도 고반응성 코크스 사용을 통한 고로 내 환원 개시온도 예측방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 고로 내 환원 개시온도 예측식은, 하기 식 1의 관계를 만족하는 것을 특징으로 하는 고강도 고반응성 코크스 사용을 통한 고로 내 환원 개시온도 예측방법:
    [식 1]
    고로 내 환원개시 온도(℃) = 2.9 * A1 + 892.2
    (상기 식 1에서, 상기 A1은 연료 중 고강도 고반응성 코크스의 함량(중량%)이다).
  3. 제1항에 있어서,
    상기 고강도 고반응성 코크스는 석탄 및 반탄화 바이오매스 중 하나 이상의 합 65~85 중량% 및 철광석 15~35 중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 고강도 고반응성 코크스 사용을 통한 고로 내 환원 개시온도 예측방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 고강도 고반응성 코크스를 준비하는 단계는,
    코크스용 조성물을 이용하여 성형탄을 제조하고; 그리고 상기 성형탄을 건류하는 단계;를 포함하며,
    상기 코크스용 조성물은 상기 석탄 및 반탄화 바이오매스 중 하나 이상의 합 65~85 중량% 및 철광석 15~35 중량%를 포함하는 제1 혼합물 100 중량부 및 바인더 1~20 중량부를 포함하며,
    상기 바인더는 물유리(Water glasses) 및 아스팔텐성 피치(asphaltenic pitch) 중 하나 이상 포함하는 것을 특징으로 하는 고강도 고반응성 코크스 사용을 통한 고로 내 환원 개시온도 예측방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 반탄화 바이오매스는 바이오매스 원료를 100~500℃에서 열처리하여 제조되는 것을 특징으로 하는 고강도 고반응성 코크스 사용을 통한 고로 내 환원 개시온도 예측방법.
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