KR20210142090A - 야금용기에서 철을 제조하는 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 야금용기에서 철을 제조하는 방법에 관한 것으로, 상기 야금용기는 용융철 조를 포함하고 이 용융철 조 위에 슬래그 층을 가지며, 여기서 금속함유원료, 탄소 함유 재료, 플럭싱 재료, 및 산소 또는 산소 함유 가스를 용기에 도입하여 금속함유원료를 용융철로 전환하며 이 용융철은 용융철 조에 수집되고 야금용기의 철-배출구를 통해 야금용기로부터 연속적으로 또는 반-연속적으로 배출된다. 또한, 상기 플럭싱 재료의 조성은 미리 결정된 슬래그 화학 물질을 획득하기 위해 선택되며, 이 슬래그는 슬래그-배출구를 통해 정기적으로 야금용기 밖으로 배출되고, 플럭싱 재료는 제강 공정에서 유래한 슬래그를 포함한다.

Description

야금용기에서 철을 제조하는 방법

본 발명은 야금용기에서 철을 제조하는 방법에 관한 것으로, 상기 야금용기는 용융철 조(bath)를 포함하고 이 용융철 조 위에 슬래그 층을 가지며, 여기서 금속함유원료, 탄소 함유 재료, 플럭싱(fluxing) 재료, 및 산소 또는 산소 함유 가스를 용기에 도입하여 금속함유원료를 용융철로 전환되며, 이 용융철은 용융철 조에 수집되고 야금용기의 철-배출구를 통해 야금용기로부터 연속적으로 또는 반-연속적으로 배출(tapping)된다. 또한, 상기 플럭싱 재료의 조성은 미리 결정된 슬래그 화학 물질을 획득하기 위해 선택되며, 상기 슬래그는 슬래그-배출구를 통해 정기적으로 야금용기 밖으로 배출된다.

EP-B-1 112 387 및 EP-A-0 726 326은 이러한 방법을 개별적으로 공개한다.

EP-B-1 112 387은 소위 H1-제련 공정에 관한 것으로, 야금용기의 금속함유원료로부터 금속을 생산하기 위한 직접 제련 공정을 개시하며, 이 공정에는 다음 단계가 포함된다:

(a) 금속 층을 갖는 용융조 및 상기 금속 층 상에 슬래그 층을 형성하는 단계;

(b) 복수의 랜스/튜이어(lance/tuyere)를 통해 금속함유원료의 적어도 일부와 고체 탄소질 재료를 캐리어 가스와 함께 상기 용융조에 주입하고 상기 금속 층에서 금속 함유 재료를 제련하는 단계로서, 이에 의해 상기 고체들 주입은 상기 금속 층으로부터 용융된 재료를 금속 층에 포함하는 가스 흐름을 초래하고 상기 용융된 재료를 스플래시, 액적 및 스트림으로 위쪽으로 운반하여 상기 슬래그 층 위 야금용기 내의 가스 연속 공간에 전이 영역을 형성하며, 이에 의해 용융된 재료의 스플래시, 액적 및 스트림은 야금용기의 측벽들과 접촉하고 슬래그 보호층을 형성하는, 단계;

(c) 하나 이상의 랜스/튜이어를 통해 야금용기 내에 산소 함유 가스를 주입하고 상기 용융조에서 방출된 반응 가스를 후-연소시키는 단계로서, 이에 의해 용융된 재료의 스플래시, 액적 및 스트림을 상승시킨 후 하강시키는 것은 용융조로 열 전달을 촉진하는, 단계.

EP-A-0 726 326은 최종 환원 단계로 이어지는 환원-전 단계에서 금속함유원료의 직접 환원을 사용하여 용융 선철을 생산하는 공정에 관한 것이다. 환원-전 단계에서 철광석(= 금속함유원료)은 최종 환원 단계에서 발생하는 환원 공정 가스에 의해 용융 사이클론에서 사전-환원된다. 용융 사이클론의 환원 공정 가스에서 후-연소가 발생하여 상기 용융 사이클론의 상기 철광석이 적어도 부분적으로 용융된다. 부분적으로 용융된 철광석은 석탄(= 탄소 함유 재료)과 산소의 공급에 의해 최종 환원이 일어나는 사이클론 아래에 위치한 야금용기 내로 아래로 통과하여, 환원 공정 가스를 형성한다. 상기 공급된 산소에 의해 야금용기의 환원 공정 가스에서 부분적인 후-연소가 발생한다. 석탄은 슬래그 층으로 직접 공급되어 야금용기에서의 부분적인 후-연소가 슬래그 층에서 적어도 부분적으로 영향을 받는다.

두 가지 알려진 공정에서 플럭싱 재료는 생산된 철의 청정도를 개선하거나 촉진하는 데 사용된다. 위키피디아의 설명에서와 같이 인과 같은 화학적 불순물의 금속을 제거하고 제련 온도에서 슬래그를 더 액체로 만들기 위해 제련로의 내용물에 추가될 때 석회석 및 기타 재료가 "플럭스"로 사용된다. 슬래그는 재, 플럭스 및 기타 불순물의 액체 혼합물이다.

본 발명에 따르면, 야금용기 내로 도입된 플럭싱 재료는 전기 아크로와 같은 제강 공정에서 바람직하게는 LD 제강 공정에서 유래한 슬래그를 포함한다. 이것은 이후에 설명되는 바와 같이 몇 가지 주목할만한 이점을 갖는다. 예를 들어 제강 공정에서 발생하는 슬래그는 (깨진)재료의 덩어리로 용기에 도입될 수 있다.

LD 제강 공정은 통상의 기술자에게 잘 알려져 있고; LD(Linz-Donawitz) 제강 공정은 탄소가 풍부한 용융 선철을 강철로 만드는 제강 방법과 관련이 있다. 용융 선철을 통해 산소를 불어 넣으면 합금의 탄소 함량이 낮아지고 저탄소 강으로 바뀐다. 이 LD 제강 공정에서는 불순물 제거를 촉진하고 제강 변환기(steelmaking converter)의 라이닝(lining)을 보호하기 위해 생석회(burnt lime) 또는 백운석의 플럭스가 추가된다.

본 발명자들은, 본 발명의 제철 공정에서 제강 공정으로부터 유래한 슬래그를 사용함으로써, 이 제강 공정을 요구 사항에 따라 운영할 수 있고, 신선한 석회석, 백운석 및 석회를 도입할 필요성을 줄일 수 있음을 알았다. 동시에 제강 공정에서 유래한 슬래그에서 상대적으로 높은 철 함량은 적어도 부분적으로 회복될 수 있으며 제철 공정에서 발생하는 선철로 이용 가능하다. 두 측면 모두 비용 절감을 나타내며, CO₂ 생산량도 줄일 수 있다. 또 다른 측면에서, 본 발명에 따른 제강 공정의 슬래그 품질이 개선되어 시멘트 생산을 위한 공급 원료로서의 자격을 갖추어 이를 매립지 또는 기타 저가의 용도로 처분할 필요성을 제거하는 것도 알았다.

본 발명의 바람직한 특징은 종속항들에서 언급된다. 예를 들어, 제강 공정에서 나온 슬래그는 야금용기 내로의 공압 주입에 적합한 입자 크기로 분쇄하는 것이 바람직하다. 이를 통해 종래 기술에 따른 제철 공정에 사용되는 기존 장비를 사용하여 제강 공정으로부터의 슬래그를 기존 공정에 도입할 수 있다. 이와 관련하여 제강 공정에서 나온 슬래그는 3mm 미만의 입자 크기로 분쇄되는 것이 바람직하다는 것을 알았다.

플럭싱 재료서의 효과를 높이기 위해 제강 공정에서 나온 슬래그는 주로 100 ~ 300 ㎛ 범위의 입자 크기를 포함하는 것이 더 바람직하다.

적절하게는 제강 공정에서 유래한 슬래그는 야금용기에 도입하기 전에 금속함유원료와 혼합된다. 최적의 결과는, 제강 공정에서 유래한 슬래그를, 2:98 ~ 20:80 사이, 바람직하게는 5:95 ~ 10:90 사이의 슬래그:금속함유원료의 중량비로 금속함유원료와 혼합되도록 구성하여 달성될 수 있다.

본 발명에 따른 선철 제조 방법은 다양한 공정에서 사용될 수 있다. 그러나 하나의 유리한 적용은 사이클론이 야금용기의 상부에 제공되는 방법이며 사이클로 내부에는 금속함유원료 및 산소가 도입되고 사이클론을 통해 반응 가스가 사이클론 아래의 용융철 조로부터 빠져나간다.

제강 공정에서 발생하는 슬래그는 사이클론을 통해 야금용기 내로 유입되는 것이 바람직할 수 있다. 그러나 제강 공정에서 유래한 슬래그가 사이클론 아래의 야금용기 내에 도입된 다음, 바람직하게는 사이클론 아래의 야금용기 내에 도입되는 분쇄된 탄소 함유 재료와 혼합물로 도입될 수도 있다. 또 다른 가능성은 사이클론을 통해 그리고 사이클론 아래의 야금용기에 도입되는 분쇄된 탄소 함유 재료와의 혼합물로 슬래그를 도입하는 것이다.

에너지 관점에서, 제강 공정에서 유래한 슬래그는 건식-과립화되는 것이 바람직하지만, 습식-과립화된 슬래그가 사용되는 것이 배제되는 것은 아니다.

본 발명에 따른 방법의 유리한 실시 양태에서, 철-배출구를 통해 야금용기로부터 배출되는 철은 후속적으로 제강 공정에서 추가로 처리되며, 여기서 이 제강 공정으로부터 유래한 슬래그는 철을 제조하기 위해 사용되는 처음 언급된 야금용기 내로 피드백 도입된다.

본 발명은 본 발명에 따라 철을 제조하기 위한 방법의 비 제한적인 예시적인 실시 예의 도면을 참조하여 이후에 추가로 설명될 것이다.

도 1은 본 발명에 따라 철을 제조하는 방법을 실행하기 위한 용기를 도시한다.
도 2는 다양한 금속함유원료와 플럭스 혼합물에 대해 몇몇 계산된 결과를 보여준다.

도 1은 EP-A-0 726 326의 공정에 따라 철을 제조하는 데 필요한 기본 요소를 도시하며, 용기(1)에는 용기(1)의 상부에 사이클론(10)이 적용된다. 그러나 본 발명은 EP-B-1 112 387에 따른 공정과 같은 그러한 사이클론이 없는 공정에서 적용 가능하다. 그러나 명확성을 위해 본 발명의 방법은, 용기(1)의 상부에 사이클론(10)이 제공될 때 적용되는 공정을 참조하여 이하에서 설명될 것이다. 또한, 본 발명은 LD 제강 공정에서 유래한 슬래그를 사용하는 것과 관련하여 설명될 것이지만, 다른 제강 공정의 슬래그 사용을 배제하지 않는다.

도 1에 도시한 바와 같이 금속함유원료(4)는 용기(1)의 상부에 있는 제련 사이클론(10)에 주입된다. 금속함유원료(4)는 이 시점에서 용융되고 부분적으로 사전-환원된 후, 용기(1) 내로 떨어진다. 탄소 함유 재료(5), 바람직하게는 석탄이 용기(1)내로 그리고 슬래그 층(3) 내로 주입되며 여기서 최종 환원이 일어나, 고온의 액상 철 및 슬래그(3)를 형성한다. 슬래그(3) 조성은 종래 기술에서 생석회를 석탄과 함께 이 슬래그에 직접 주입함으로써 제어된다. 본 발명에 따르면, 용기(1)에 주입된 생석회의 적어도 일부는(LD) 제강 공정에서 유래한 슬래그로 대체되며, 이는 그 다음에 CaO의 대체 공급원으로 작용한다. 따라서 고온 금속의 생산 비용이 감소되고 대체되는 CaO 공급원에 따라 본 발명 공정의 CO₂ 발자국도 감소된다. 상기 생석회의 양을 줄이기 위해, CaO 함유 재료는 바람직하게는 철광석인 금속함유원료(4)와 함께 제련 사이클론(10)에 주입될 수 있다. 이것은 제련 사이클론(10)에서 혼합물의 용융 및 플럭싱 거동을 개선한다. 보다 구체적으로 본 발명의 방법은 다음과 같이 작동하는 것으로 예시될 수 있다.

언급한 바와 같이, 용기(1)는 작동 중에 그 상부에 슬래그 층(3)을 갖는 용융철(2) 조를 포함한다. 또한, 금속함유원료(4), 탄소 함유 재료(5), 플럭싱 재료(6', 6"), 및 산소(7) 또는 산소 함유 가스를 용기(1)에 도입하여 금속함유원료(4)를 용융철(2)로 전환하고 이것은 용융철(2) 조에서 수집되어 용기(1)의 철-배출구(8)를 통해 용기(1)에서 연속적으로 또는 반-연속적으로 배출된다. 플럭싱 재료(6', 6")의 조성은 미리 결정된 슬래그(3) 화학 물질을 얻기 위해 선택되며, 슬래그(3)는 슬래그-배출구(9)를 통해 용기(1)에서 정기적으로 배출된다. 본 발명에 따르면 플럭싱 재료(6', 6")는 제강 공정, 바람직하게는 LD 제강 공정으로부터 유래한 슬래그를 포함한다. 바람직하게는 제강 공정에서 유래한 슬래그는 용기(1)에 공압 주입하기에 적합한 입자 크기로 분쇄된다. 3mm 미만의 입자 크기가 바람직하며, 더 바람직하게는 (LD) 제강 공정에서 유래한 슬래그가 100-300 ㎛ 범위의 입자 크기를 주로 포함하는 것이다.

제강 공정에서 유래한 슬래그는 용기(1)에 도입되기 전에 금속함유원료(4)와 혼합되며, 바람직하게는 슬래그는 2:98 ~ 20:80 사이 바람직하게는 5:95 ~ 10:90 사이의 중량비(슬래그: 금속함유원료)로 금속함유원료(4)와 혼합된다.

도 1에 도시된 바와 같이, 야금용기(1)의 상부에는 사이클론(10)이 있으며, 이 안에는 금속함유원료(4) 및 산소(7)가 도입되고 사이클론(10)을 통해서 반응 가스(11)가 사이클론(10) 아래의 용융철(2) 조로부터 빠져나간다. 제강 공정에서 유래한 슬래그는 사이클론(10)을 통해 용기(1) 내로 도입되거나, 대안으로 제강 공정에서 유래한 슬래그는 사이클론(10)을 통해 그리고 사이클론(10) 아래의 용기(1) 내로 도입되는 분쇄된 탄소 함유 재료(5)와 혼합물로 용기(1) 내에 도입된다.

LD 제강 공정에서 유래한 슬래그에 의한 플럭싱의 효과는 통상의 기술자에게 알려진 소프트웨어인 열역학 소프트웨어 FactSage를 이용하여 추정된다. 계산은 용기에 도입되는 혼합물의 세 가지 다른 조성으로 수행된다. 특히

1. 철광석 100%;

2. 철광석 95.8%, 석회석 2.5%, 및 백운석 1.7%;

3. 금속함유원료 95% 및 LD 슬래그 5%.

표1은 Factsage 계산에서 사용된 철광석 혼합물의 조성(중량%)을 보여준다.

결과는 도 2에 시각화되어 있다. 도 2에서 X 축은 섭씨 온도를 나타낸다. Y 축은 액체 상태의 백분율을 나타낸다. 도면의 맨 아래 그래프는 100% 철광석의 결과와 관련이 있다. 중간 그래프는 95.8%의 철광석(순수 광석), 2.5%의 석회석 및 1.7%의 백운석의 결과와 관련이 있다. 맨 위 그래프는 95% 금속함유원료와 5% 전환기(LD) 슬래그의 결과와 관련이 있다.

도 2는 금속함유원료와 사전-혼합된 플럭싱 매개물의 사용이 더 나은 용융 및 플럭싱 거동을 초래한다는 것을 보여준다. 본 발명의 방법이 동일한 투입 재료를 기반으로 하는 기존의 고로 고온 철보다 더 낮은 인 고온 철을 생성한다는 사실을 고려할 때, LD-슬래그로부터 유래한 인이 제조된 철에 미치는 영향은 제한적임이 밝혀졌다.

또한, 본 발명은 다음 실험에서 입증되었다.

실험

타타 스틸 이즈무이덴의 LD 공장에서 나온 제강 슬래그 또는 전환기 슬래그를 분쇄하고 0-3mm 크기로 선별했다. 100톤의 재료를 준비했다. LD-슬래그는 광석 혼합물 톤당 5% 슬래그의 비율로(5% 슬래그 및 95% 철광석) 철광석과 미리 혼합되었다. 혼합물에 사용할 수 있는 LD-슬래그 양의 상한은 슬래그의 CaO 함량과 석탄재 및 철 광석 양과 철 제조 공정에 사용되는 조성물에 의해 결정될 것이다. 슬래그 재료는 이어서 광석 건조기에서 건조되었다. 이러한 방식으로 약 2000톤의 광석-LD 슬래그 혼합물이 철 제조 공정에 사용하기 위해 준비되었다. 생석회 주입은 공정에 필요한 범위 내에서 슬래그 염기도를 조정하기 위해 사용되었다. 상기 광석 혼합물은 총 약 20 일의 고온 금속 생산에 대한 세 번의 시험 수행 기간 동안 사용되었다.

결과

본 발명에 따라 철을 제조하는 방법의 거동 및 제어는 석회석과 백운석의 혼합물을 기반으로 하는 기존의 광석 혼합물을 사용하는 것과 유사하다는 것이 밝혀졌다. 그러나 표 2에서 보는 바와 같이 슬래그와 금속 조성의 차이가 관찰되었다. 예를 들어, LD-슬래그를 사용할 때 핫 메탈(Hot Metal)의 P 레벨(~ 0.02%)이 증가했지만, 여전히 전형적인 고로에서(~ 0.05 - 0.10%)보다 훨씬 낮았다. 표 2의 용어 B2와 함께 비율 CaO/SiO₂을 참조한다.

표 2는 두 가지 다른 광석 원료 혼합물을 가지고 시험을 수행하기 위한 평균 슬래그 및 금속 조성을 보여준다.

본 발명 방법의 예시적인 실시 예를 참조하여 본 발명이 상기에서 논의되었지만, 본 발명은 본 발명에서 벗어나지 않고 많은 방식으로 변경될 수 있는 이 특정 실시 예에 제한되지 않는다. 따라서, 논의된 예시적인 실시 예는 그에 따라 엄격하게 첨부된 청구항을 해석하는 데 사용되지 않아야 한다. 반대로, 실시 예는 청구 범위를 이 예시적인 실시 예로 제한하려는 의도 없이 첨부된 청구 범위의 문구를 설명하기 위한 것일 뿐이다. 따라서, 본 발명의 보호 범위는 첨부된 청구 범위에 따라서 만 해석되어야 하며, 청구 범위 문구의 가능한 모호성은 이 예시적인 실시 예를 사용하여 해결될 것이다.

Claims (15)

1. 야금용기(1)에서 철을 제조하는 방법으로서,
   상기 용기(1)는 용융철 조(2)를 포함하고, 상기 용융철 조(2) 위에는 슬래그(3) 층을 가지며, 여기서 금속함유원료(4), 탄소 함유 재료(5), 플럭싱 재료(6', 6"), 및 산소(7) 또는 산소 함유 가스를 용기(1)에 도입하여 금속함유원료(4)가 용융철(2)로 전환되며, 이 용융철(2)은 상기 용융철(2) 조 내에 수집되고 용기(1)의 철-배출구(8)를 통해 용기(1)로부터 연속적으로 또는 반-연속적으로 배출되며, 여기서 플럭싱 재료(6', 6")의 조성은 미리 결정된 슬래그(3) 화학 물질을 획득하기 위해 선택되며, 이 슬래그(3)는 슬래그-배출구(9)를 통해 용기(1)로부터 정기적으로 배출되며,
   상기 플럭싱 재료(6', 6")는 제강 공정에서 유래한 슬래그를 포함하는 것을 특징으로 하는, 철을 제조하는 방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 플럭싱 재료(6', 6")는 LD 제강 공정에서 유래한 슬래그를 포함하는 것을 특징으로 하는, 철을 제조하는 방법.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 제강 공정에서 유래한 상기 슬래그는 용기(1) 내로의 공압 주입에 적합한 입자 크기로 분쇄되는 것을 특징으로 하는, 철을 제조하는 방법.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 제강 공정에서 유래한 상기 슬래그는 3mm 미만의 입자 크기로 분쇄되는 것을 특징으로 하는, 철을 제조하는 방법.
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 제강 공정에서 유래한 상기 슬래그는 주로 100 내지 300㎛ 범위의 입자 크기를 포함하는 것을 특징으로 하는, 철을 제조하는 방법.
6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 제강 공정에서 유래한 상기 슬래그는 용기(1) 내에 도입되기 전에 금속함유원료(4)와 혼합되는 것을 특징으로 하는, 철을 제조하는 방법.
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 제강 공정에서 유래한 상기 슬래그는 2:98 내지 20:80 사이의 슬래그:금속함유원료 중량비로 금속함유원료(4)와 혼합되는 것을 특징으로 하는, 철을 제조하는 방법.
8. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,
   상기 제강 공정에서 유래한 상기 슬래그는 5:95 내지 10:90 사이의 슬래그:금속함유원료 중량비로 금속함유원료(4)와 혼합되는 것을 특징으로 하는, 철을 제조하는 방법.
9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 야금용기(1)의 상부에 금속함유원료(4) 및 산소(7)가 도입되는 사이클론(10)이 제공되며, 이 사이클론(10)을 통해 반응 가스(11)가 사이클론(10) 아래의 용융철(2) 조로부터 빠져나가는 것을 특징으로 하는, 철을 제조하는 방법.
10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제강 공정에서 유래한 상기 슬래그는 사이클론(10)을 통해 용기(1) 내로 도입되는 것을 특징으로 하는, 철을 제조하는 방법.
11. 제 9 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제강 공정에서 유래한 상기 슬래그는 사이클론(10) 아래의 용기(1) 내로 도입되는 것을 특징으로 하는, 철을 제조하는 방법.
12. 제 9 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제강 공정에서 유래한 상기 슬래그는 사이클로(10) 아래의 용기(1) 내로 도입되는 분쇄된 탄소 함유 재료(5)와의 혼합물로 용기(1) 내에 도입되는 것을 특징으로 하는, 철을 제조하는 방법.
13. 제 9 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제강 공정에서 유래한 상기 슬래그는 사이클론(10)을 통해 그리고 사이클론(10) 아래의 용기(1) 내에 도입되는 분쇄된 탄소 함유 재료와의 혼합물로 용기(1) 내로 도입되는 것을 특징으로 하는, 철 제조 방법(5).
14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제강 공정에서 유래한 상기 슬래그는 건식-과립화되는 것을 특징으로 하는, 철을 제조하는 방법.
15. 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    야금용기(1)로부터 철-배출구(8)를 통해 배출되는 철은 후속적으로 제강 공정에서 추가로 처리되며, 여기서 상기 제강 공정에서 유래한 상기 슬래그는 철을 제조하는 데 사용되는 야금용기(1) 내로 피드백 도입되는, 철을 제조하는 방법.

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