KR20220040197A - 용철 제조 장치 - Google Patents

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KR20220040197A
KR20220040197A KR1020200123125A KR20200123125A KR20220040197A KR 20220040197 A KR20220040197 A KR 20220040197A KR 1020200123125 A KR1020200123125 A KR 1020200123125A KR 20200123125 A KR20200123125 A KR 20200123125A KR 20220040197 A KR20220040197 A KR 20220040197A
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조민영
김완호
이종열
김형안
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주식회사 포스코
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Abstract

용철 제조 장치를 제공한다. 본 발명에 따른 용철 제조 장치는, 환원 가스를 이용하여 분철광석을 1차 환원하는 유동층 환원로, 유동층 환원로에서 환원된 분철광석을 공급받아 괴성체를 제조하는 괴성체 제조 장치, 괴성체 제조 장치로부터 공급받은 괴성체를 2차 환원하는 충진층 환원로를 포함한다.

Description

용철 제조 장치{IRONMAKING FACILITIES}
본 발명은 용철 제조 장치에 관한 것이다.
현재, 전세계 철 생산은 크게 고로법과 전기로법으로 나눌 수 있다. 고로법은 소결 과정을 거친 철광석과 유연탄을 원료로 하여 제조한 코크스 등을 고로에 함께 장입하고 산소를 공급하여 철광석을 철로 환원하고 용철을 제조하는 방법이다.
이와 같이, 고로법은 연료 및 환원제로 사용하는 탄소원으로는 유연탄을 다량 사용하기 때문에 용철을 생산하는 과정 중에 다량의 이산화탄소(CO2)를 배출하고 있으며, 이로 인하여 지구 온난화의 주요 요인으로 지적받고 있다.
또한, 전기로법은 고철이나 직접 환원철을 철원으로 하고, 전기 에너지를 이용하여 용철을 제조하는 방법이다.
전기로법은 고철이나 환원이 거의 완료된 직접 환원철을 사용하기 때문에 환원을 위한 추가 에너지가 소비가 거의 없으며, 열 에너지원으로 전기를 사용하고 있기 때문에 고로법 대비 이산화탄소(CO2)의 배출이 적다는 장점을 가지고 있다.
그러나, 고철을 사용할 경우에는 수급에 문제가 있을 수 있으며, 용철 품질이 저하된다는 단점을 가지고 있다. 따라서, 전기로에서 용선의 품질을 높이기 위해서는 직접 환원철을 다량 사용하고 있다.
직접 환원철 제조 공정은 크게 충진층 환원로를 사용하는 공정과 유동층 환원로를 사용하는 공정으로 나눌 수 있다.
전세계 대부분의 직접 환원철을 생산하고 있는 충진층 환원로 공정은, 철원으로 철광석을 극미분의 입자로 파쇄한 후 괴성체를 제조하고, 이를 설정 온도 이상의 고온에서 소성하여 일정한 강도를 확보한 펠렛을 사용한다.
상기와 같이 에너지 소비가 많은 광석 예비 처리 공정이 반드시 구비되어야 하는 충진층 환원로의 단점을 보완하기 위하여 유동층 환원로가 개발되었다. 유동층 환원로 공정은 분상태의 광석을 직접 사용하기 때문에 광석 예비 처리 공정이 필요하지 않다는 장점을 가지고 있다.
그러나, 유동층 환원로 공정에서 분철광석의 환원율을 높일 경우에는 유동층 내부에 분철광석으로 구성된 부착물을 형성하기 때문에 가동률에 높지 않다는 단점을 가지고 있다. 특히, 유동층 내부에 형성된 부착물을 제거하기 위해 많은 시간이 소요되기도 한다.
또한, 다량의 이산화탄소(CO2)의 배출로 지구 온난화의 주요 요인으로 주목받고 있는 철강 산업에 있어서, 이산화탄소(CO2)를 줄이고자 하는 방법이 몇몇 나라를 중심으로 제시되고 있다.
특히, 직접 환원철을 철원으로 하는 전기로 공법을 제시하고 있는데, 재생에너지를 이용하여 얻어진 전기와 전기를 사용하여 물을 분해해서 얻어진 수소를 이용하여 충진층 환원로에서 철원을 환원하고 이를 전기로에서 용융시켜 용철을 얻는 방법을 제시하고 있다.
이와 같이, 재생에너지를 이용하여 용선을 생산할 경우 철강 산업에서 배출되는 이산화탄소(CO2)를 획기적으로 줄일 수 있을 것으로 기대하고 있다. 다만, 상기의 방법에서는 철광석을 극미분으로 파쇄하고 괴성화한 후 고온에서 소성하는 광석 예비처리 공정을 유지해야 한다는 단점을 가지고 있다.
본 발명은 직접 환원철을 효율적으로 제조하여 전기로에서 용철을 안정적으로 생산할 수 있도록 한 용철 제조 장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 구현예에 따른 용철 제조 장치는, 환원 가스를 이용하여 분철광석을 1차 환원하는 유동층 환원로, 유동층 환원로에서 환원된 분철광석을 공급받아 괴성체를 제조하는 괴성체 제조 장치를 포함할 수 있다.
용철 제조 장치는, 괴성체 제조 장치로부터 공급받은 괴성체를 2차 환원하는 충진층 환원로, 충진층 환원로에서 환원된 괴성체를 공급받아 용철을 제조하는 전기로를 포함할 수 있다.
유동층 환원로 또는 충진층 환원로에서 배출되는 가스를 정제한 후 다시 유동층 환원로 또는 충진층 환원로에 순환시켜 주기 위한 가스 정제 및 순환 장치를 포함할 수 있다.
환원 가스는 석탄 가스화로, 천연가스 개질로, 제철 공정의 부생가스, 재생 에너지 중 어느 하나로부터 공급받은 일산화탄소(CO) 및 수소(H2)를 기반으로 하는 가스로 이루어질 수 있다.
유동층 환원로는 단일 유동층 환원로 이거나, 복수개의 유동층 환원로를 직렬로 연결한 것일 수 있다.
유동층 환원로에서 배출되는 분철광석의 환원율은, 20 ~ 80 % 범위로 설정되고, 충진층 환원로는 환원 가스를 이용하여 괴성체의 환원율을 90% 이상으로 추가 환원시킬 수 있다.
괴성체의 밀도는 3.0 kg/cm3 이상으로 설정되고, 괴성체의 평균 입도는 5 ~ 20 mm 범위로 설정될 수 있다.
충진층 환원로에는 괴성체를 추가로 괴성화시키는 괴성화 설비가 추가로 설치될 수 있다.
전기로에 필요한 부원료들은 유동층 환원로 또는 충진층 환원로에 별도로 장입될 수 있다.
가스 정체 및 순환 장치는 현열 회수장치, 건식 집진장치, 냉각장치 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다.
충진층 환원로에서 2차 환원이 완료된 괴성체는 고로의 장입 원료로 공급될 수 있다.
본 발명의 구현예에 따르면, 종래 직접 환원철을 제조하는 유동층 환원로와, 충진층 환원로는 각각 조업적인 한계와 에너지 소비형 광석 예비처리 설비를 보유하는 등의 문제점을 가지고 있다.
본 발명에서는 유동층 환원로와 충진층 환원로를 적합하게 배치하여 직접 환원철을 효율적으로 제조하여 전기로에서 용철을 안정적으로 생산할 수 있으므로, 종래 기술의 문제점을 해소할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 용철 제조 장치의 개략적인 구성도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 설명한다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 이해할 수 있는 바와 같이, 후술하는 실시예는 본 발명의 개념과 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 형태로 변형될 수 있다. 가능한 한 동일하거나 유사한 부분은 도면에서 동일한 도면부호를 사용하여 나타낸다.
이하에서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.
이하에서 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 용철 제조 장치의 개략적인 구성도이다.
도 1을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 용철 제조 장치(1)는, 유동층 환원로(20), 괴성체 제조 장치(30), 충진층 환원로(40), 및 전기로(50)를 포함할 수 있다.
유동층 환원로(20)는 환원 가스(13)를 이용하여 분철광석(10)을 1차 환원할 수 있다.
또한, 괴성체 제조 장치(30)는 유동층 환원로(20)에서 환원된 분철광석(10)을 공급받아 괴성체를 제조할 수 있다.
충진층 환원로(40)는 괴성체 제조 장치(30)로부터 공급받은 괴성체를 환원 가스(13)를 이용하여 2차 환원할 수 있다.
전기로(50)는 충진층 환원로(40)에서 환원된 괴성체(직접 환원철)를 공급받아 용철(70)을 제조할 수 있다.
또한, 용철 제조 장치(1)는, 유동층 환원로(20) 또는 충진층 환원로(40)에서 배출되는 가스를 정제한 후 다시 유동층 환원로(20) 또는 충진층 환원로에 순환시켜 주기 위한 가스 정제 및 순환 장치(60)를 포함할 수 있다.
환원 가스는 석탄 가스화로, 천연가스 개질로, 제철 공정의 부생가스, 및 재생 에너지 등에서 어느 하나로부터 공급받은 일산화탄소(CO) 및 수소(H2)를 기반으로 하는 가스일 수 있다.
환원 가스(13)는 일산화탄소와 수소를 주요 성분으로 하고 있으며, 석탄을 산소와 연소시켜서 얻은 가스이거나, 메탄과 같은 천연가스를 물, 이산화탄소, 산소를 이용하여 개질시켜 얻은 가스이거나, 제철 공정에서 발생하는 부생 가스이거나, 재생 에너지를 통해 얻어진 전기를 이용하여 물 분해를 통해 얻어진 가스 등 다양한 경로를 통해서 공급 받을 수 있다.
분철광석(10)은 예비 처리를 하지 않고, 적절한 분쇄 작업을 거쳐 설정 크기(예컨대, 12mm) 이하의 입도 크기를 가질 수 있다.
여기서, 예비 처리란 철광석을 극미분의 입자로 파쇄한 후 괴성체를 제조하고, 설정 온도 이상에서 고온에서 소성하여 일정한 강도를 갖는 펠릿 상태로 만드는 공정을 가리킬 수 있다.
이와 같이, 설정 크기를 갖는 분철광석(10)은 건조 공정을 거친 후, 유동층 환원로(20)에 장입되며, 유동층 환원로(20)에서는 장입된 분철광석(10)을 환원 가스(13)를 이용하여 환원시킨다.
유동층 환원로(20)에서 배출되는 분철광석(분환원철)(10)의 환원율은, 유동층 환원로(20)에서 부착물이 형성되지 않는 범위를 상한값과, 다음 공정인 괴성체 제조 장치(30)에서 적절한 강도를 가진 괴성체를 확보할 수 있는 수준을 하한값의 사이 범위로 설정될 수 있다.
특히, 유동층 환원로(20)에서 배출되는 분철광석(10)의 환원율은, 유동층 환원로(20)에서 부착물이 형성되지 않으면서 괴성체 제조 장치(30)에서 적절한 강도를 갖는 괴성체를 확보할 수 있도록 20 ~ 80 % 범위로 설정될 수 있다.
유동층 환원로(20)에서 상기와 같은 분철광석(10)의 환원율을 얻기 위해서 단일 유동층 환원로를 사용하거나, 복수(예컨대, 4개)의 유동층 환원로를 직렬로 연결하여 사용할 수 있는데, 유동층 환원로(20)의 개수는 목표로 하는 분철광석(10)의 환원율에 따라 결정될 수 있다.
괴성체 제조 장치(30)는 유동층 환원로(20)에서 공급된 고온의 분철광석(분환원철)을 괴성화하여 제조한 괴성체(괴성화된 환원철)를 충진층 환원로(40)에 공급할 수 있다.
괴성체 제조 장치(30)에서 제조된 괴성체의 평균 입도는 5 ~ 20 mm 범위로 설정될 수 있으며, 괴성체의 밀도는 3.0 kg/cm3 이상으로 설정될 수 있다.
이러한 괴성체의 특성은 충진층 환원로(40)에서의 환원, 분화, 분포 특성 및 전기로(50)에서의 용융 특성 등을 고려하여 결정될 수 있다.
충진층 환원로(40)는 괴성체 제조 장치(30)로부터 괴성체(괴성화된 환원철)를 공급받아 환원 가스(13)를 이용하여 괴성체의 환원율을 90% 이상으로 추가 환원시킬 수 있다.
충진층 환원로(40)에서 2차 환원이 완료된 괴성체를 고온의 상태로 배출하여 바로 전기로(50)에 장입하여 용철(70)의 생산에 사용할 수 있다.
또한, 충진층 환원로(40)에서 2차 환원이 완료된 괴성체는 환원율 조정을 통해 고로(미도시) 장입 원료로 공급 가능하며, 이 경우에는 고로에서의 환원 부담이 경감되어 코크스, 미분탄 등의 탄소계 환원제를 저감할 수 있다
충진층 환원로(40)에는 충진층 환원로(40)에서 배출되는 환원된 괴성체는 전기로(50)에 바로 사용하지 않고 보관이 필요하거나, 생산 지역에서 타 지역으로 이동을 해야 할 경우에는 필요에 따라 괴성체를 추가로 괴성화시키는 괴성화 설비(미도시)가 추가로 설치될 수 있다.
따라서, 본 발명은 직접 환원철을 전문적으로 생산할 수 있는 공정으로도 활용될 수 있다.
전기로(50)에서 불순물을 슬래그로 만들기 위해서 석회석, 백운석 등 필요한 부원료들은 유동층 환원로(20) 또는 충진층 환원로(40)에 별도로 장입될 수 있다.
가스 정제 및 순환 장치(60)는 유동층 환원로(20) 또는 충진층 환원로(40)에서 배출되는 가스 중에 포함된 이산화탄소(CO2)와 물을 제거하여 가스를 정제할 수 있다.
유동층 환원로(20)와 충진층 환원로(40)에서 배출되는 가스는 가스 정제 및 순환 장치(60)를 거치면서 가스 중에 포함된 이산화탄소(CO2)와 물을 제거하고 필요에 따라 유동층 환원로(20) 또는 충진층 환원로(40)에 공급할 수 있다.
가스 정체 및 순환 장치(60)는 필요에 따라 현열 회수장치, 건식 집진장치, 냉각장치 등에서 적어도 하나 이상을 포함하여 유동층 환원로(20)와 충진층 환원로(40)의 배가스에 포함된 현열 회수 및 더스트 제거를 실시할 수 있다.
이하에서, 도 1을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 용철 제조 장치(1)의 작동에 대해서 설명한다.
분철광석(10)을 유동층 환원로(20)와 충진층 환원로(30)에서 환원시키기 위한 환원 가스(13)는 일산화탄소(CO)와 수소(H2)를 주요 성분으로 하고 있다.
환원 가스(13)는 석탄을 산소와 연소시켜서 얻은 가스이거나, 메탄과 같은 천연가스를 물, 이산화탄소(CO2), 산소(O2)를 이용하여 개질시켜 얻어진 가스이거나, 제철 공정에서 발생하는 부생 가스, 재생 에너지를 통해 얻어진 전기를 이용하여 물 분해를 통해 얻어진 가스 등 다양한 경로를 통해서 공급 받을 수 있다.
분철광석(10)은 예비 처리를 하지 않고 적절한 분쇄 작업을 거쳐 12 mm 이하의 입도 크기로 준비한다.
이와 같이, 준비된 분철광석(10)은 건조 단계를 거쳐 제1 이송 라인(11)을 통하여 직접 유동층 환원로(20)에 장입한 후 1차 환원시킨다.
그리고, 유동층 환원로(20)에서는 환원 가스(13)를 이용하여 부착물이 형성되지 않는 범위를 환원율의 상한값으로 하고, 다음 공정인 괴성체 제조 장치(30)에서 적절한 강도를 가진 괴성체를 확보할 수 있는 수준을 환원율의 하한값으로 하여 분철광석(10)을 환원시킬 수 있다.
유동층 환원로(20)에서는 분철광석(분환원철)(10)의 환원율을 특히, 20 ~ 80 % 범위로 환원시킬 수 있다.
환원 가스(13)는 제1 가스 라인(13-1)을 통해 유동층 환원로(20)에 공급될 수 있다.
위와 같은 분철광석(10)의 환원율을 얻기 위해서는 단일 유동층 환원로를 사용하거나, 복수(예컨대, 4개)의 유동층 환원로를 직렬로 연결하여 사용할 수 있는데, 유동층 환원로(20)의 개수는 목표로 하는 분철광석(10)의 환원율에 따라 결정될 수 있다.
괴성체 제조 장치(30)에서는 유동층 환원로(20)에서 제2 이송 라인(21)을 통해 공급된 고온의 분철광석(분환원철)(10)을 괴성화하여 제조한 괴성체(괴성화된 환원철)를 충진층 환원로(40)에 공급할 수 있다.
이외 같이, 괴성화된 환원철(괴성체)의 평균 입도는 5 ~ 20 mm 범위로 설정될 수 있으며, 밀도는 3.0 kg/cm3 이상으로 설정될 수 있다.
이러한 괴성체의 특성은 충진층 환원로(40)에서의 환원, 분화, 분포 특성 및 전기로(50)에서의 용융 특성 등을 고려하여 결정될 수 있다.
또한, 충진층 환원로(40)에서는 괴성체 제조 장치(30)로부터 제3 이송 라인(31)을 통해 괴성체를 공급받아, 환원 가스(13)를 이용하여 괴성체의 환원율을 90% 이상으로 2차 환원시킬 수 있다.
환원 가스(13)는 제2 가스 라인(13-2)을 통해 충진층 환원로(40)에 공급될 수 있다.
충진층 환원로(40)에서 2차 환원이 완료된 괴성체(환원철)는 고온의 상태로 배출하여 제4 이송 라인(41)을 통해 바로 전기로(50)에 장입되어 용철(70) 생산에 사용될 수 있다.
충진층 환원로(40)에서 배출되는 괴성체는 전기로(50)에 바로 사용하지 않고 보관이 필요하거나, 생산 지역에서 타 지역으로 이동을 해야할 경우 필요에 따라 추가로 괴성화시킬 수 있다. 따라서, 본 발명은 직접 환원철을 전문적으로 생산할 수 있는 공정으로도 활용될 수 있다.
또한, 전기로(50)에서 불순물을 슬래그로 만들기 위해서 석회석, 백운석 등 필요한 부원료들은 유동층 환원로(20) 또는 충진층 환원로(40)에 별도로 장입될 수 있다.
유동층 환원로(20)와 충진층 환원로(40)에서 배출되는 가스는 가스 정제 및 순환 장치(60)를 거치면서 가스 중에 포함된 이산화탄소(CO2)와 물을 제거하고 필요에 따라 유동층 환원로(20) 또는 충진층 환원로(40)에 공급할 수 있다.
유동층 환원로(20)의 배가스는 제1 배가스 라인(61)을 통해 가스 정제 및 순환 장치(60)에 배출되며, 제1 순환 라인(62)을 통해 다시 유동층 환원로(20)에 공급될 수 있다.
또한, 충진층 환원로(40)의 배가스는 제2 배가스 라인(63)을 통해 가스 정제 및 순환 장치(60)에 배출되며, 제2 순환 라인(64)을 통해 다시 충진층 환원로(40)에 공급될 수 있다.
그리고, 가스 정체 및 순환 장치(60)에는 필요에 따라 현열 회수장치, 건식 집진장치, 냉각장치 등을 포함하여 환원로 배가스에 포함된 현열 회수 및 더스트 제거를 실시할 수 있다.
본 개시를 앞서 기재한 바에 따라 바람직한 실시예를 통해 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 다음에 기재하는 특허청구범위의 범위를 벗어나지 않는 한, 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에 종사하는 자들은 쉽게 이해할 것이다.
10: 분철광석
20: 유동층 환원로
30: 괴성체 제조 장치
40: 충진층 환원로
50: 전기로

Claims (11)

  1. 환원 가스를 이용하여 분철광석을 1차 환원하는 유동층 환원로,
    상기 유동층 환원로에서 환원된 분철광석을 공급받아 괴성체를 제조하는 괴성체 제조 장치,
    상기 괴성체 제조 장치로부터 공급받은 상기 괴성체를 2차 환원하는 충진층 환원로, 및
    상기 충진층 환원로에서 환원된 상기 괴성체를 공급받아 용철을 제조하는 전기로
    를 포함하는 용철 제조 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 유동층 환원로 또는 상기 충진층 환원로에서 배출되는 가스를 정제한 후 다시 상기 유동층 환원로 또는 상기 충진층 환원로에 순환시켜 주기 위한 가스 정제 및 순환 장치를 포함하는 용철 제조 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 환원 가스는 석탄 가스화로, 천연가스 개질로, 제철 공정의 부생가스, 재생 에너지 중 어느 하나로부터 공급받은 일산화탄소(CO) 및 수소(H2)를 기반으로 하는 가스로 이루어지는 용철 제조 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 유동층 환원로는 단일 유동층 환원로 이거나, 복수개의 유동층 환원로를 직렬로 연결한 것인 용철 제조 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 유동층 환원로에서 배출되는 상기 분철광석의 환원율은, 20 ~ 80 % 범위로 설정되는 용철 제조 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 충진층 환원로는 상기 환원 가스를 이용하여 상기 괴성체의 환원율을 90% 이상으로 추가 환원시키는 용철 제조 장치.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 괴성체의 밀도는 3.0 kg/cm3 이상으로 설정되고,
    상기 괴성체의 평균 입도는 5 ~ 20 mm 범위로 설정되는 용철 제조 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 충진층 환원로에는 상기 괴성체를 추가로 괴성화시키는 괴성화 설비가 추가로 설치되는 용철 제조 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 전기로에 필요한 부원료들은 상기 유동층 환원로 또는 상기 충진층 환원로에 별도로 장입되는 용철 제조 장치.
  10. 제2항에 있어서,
    상기 가스 정체 및 순환 장치는 현열 회수장치, 건식 집진장치, 냉각장치 중 적어도 하나 이상을 포함하는 용철 제조 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 충진층 환원로에서 2차 환원이 완료된 상기 괴성체는 고로의 장입 원료로 공급되는 용철 제조 장치.
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