KR20220061988A

KR20220061988A - 제철 공정에서 금속함유 공급물을 도입하는 방법

Info

Publication number: KR20220061988A
Application number: KR1020227008903A
Authority: KR
Inventors: 요하네스 린더트 테우니스 하게; 하이 쏭 호; 프레데릭 아드리엔 블라파르트; 쑤언 왕
Original assignee: 타타 스틸 이즈무이덴 베.뷔.
Priority date: 2019-09-12
Filing date: 2020-09-10
Publication date: 2022-05-13
Also published as: EP4028562B1; PL4028562T3; WO2021048297A1; EP4028562A1; CN114364817A; ES2957139T3; MX2022003085A; AU2020346361A1; BR112022003265A2; US20220316017A1; CA3150052A1

Abstract

제철 공정에서 금속함유 공급물(4)을 도입하는 방법으로서, 이 방법은 건조 수단에 의해 철 함유 슬러지를 15 내지 30%(w/w) 양의 수분으로 사전-건조하는 단계, 사전-건조된 철 함유 슬러지를 결합제 재료와 혼합하여 입자 크기가 4mm 미만인 과립을 얻는 단계, 이 과립을 최대 3%(w/w) 양의 수분까지 건조하여, 금속함유 공급물(4)을 형성하는 단계를 포함하며, 이 금속함유 공급물(4)은 이어서 야금 용기(1)의 사이클론 부분(10)에 주입되는 것을 특징으로 한다.

Description

제철 공정에서 금속함유 공급물을 도입하는 방법

본 발명은 제철 공정에서 금속함유 공급물을 도입하는 방법에 관한 것으로, 상기 방법은: 건조 수단, 바람직하게는 필터 프레스에 의해 철 함유 슬러지(sludge)를 15 내지 30%(w/w) 양의 수분으로 사전-건조하고, 사전-건조된 철 함유 슬러지를 결합제(binder) 재료와 혼합하여 입자 크기가 4mm 미만인 과립을 얻고, 과립을 최대 3%(w/w) 양의 수분까지 건조하여, 금속성 사료를 형성하는 단계를 포함한다.

본 발명은 또한 제철 공정용 금속함유 공급물 및 이러한 금속함유 공급물의 제조 방법에 관한 것이다.

슬러지를 과립으로 전환하는 방법은 식품 및 사료 생산 분야에 공지되어 있다. 과립형 물질, 과립 또는 펠릿이라고도 하는 과립을 만드는 것은 철강 산업에서도 알려져 있다. 일반적으로 이것은 소결 및 펠렛 재료의 형태로 생산된다.

철 함유 슬러지, 예를 들어 순 산소 제강(Basic Oxygen Steelmaking) 슬러지 또는 BOS 슬러지는 제강 공정의 부산물이며 철을 함유한다. 일반적으로 이 슬러지는 약 20%(w/w)에서 약 40%(w/w)까지 변화하는 수분을 포함한다. 현재 이 슬러지는 소결로를 통해 재활용되거나, 폐기물로 수출 및 저장된다.

그러나 Tata Steel의 Hlsarna 공정과 같이 제련 환원 용기와 같은 대체 제철 공정을 사용하는 제강 현장에서는 소결 설비가 더 이상 필요하지 않다. 소결은 공압식 수송(pneumatic transportation)으로 수송할 수 없으므로 Hlsarna 공정에서 사용할 수 없다. 따라서 철을 함유한 BOS 슬러지는 소결 설비를 통해 재활용할 수 없으며, 폐기물 저장은 표준 이하의 유일한 옵션이다. 더욱 환경 친화적인 솔루션을 찾는 데 참여한 발명자들은 이것이 허용되지 않는 옵션임을 발견하고 순환 경제 사고를 반영하는 더 나은 방법에 대해 생각하기 시작했다.

따라서 본 발명의 목적은 제강 공정에서 발생하는 이 폐기물을 재활용할 수 있는 방법을 제공하고 이 재료를 대체 제철 공정에서 다시 잘 사용할 수 있는 것으로 전환하는 방법을 제공하는 것이다. 또한, 본 발명의 목적은 얻어진 재료를 공압식 수송 시스템을 통해 수송할 수 있도록 하는 것이다. 또 다른 목적은 재활용된 재료를 나중에 사용하기 위해 사일로에 저장할 수 있도록 하는 것이다. 또 다른 목적은 제철소의 직접적인 환경에서 먼지의 양이 감소되고 작업자와 인근 주민들이 더 나은 삶의 질을 제공하는 더 건강한 환경을 갖도록 공정에서 먼지의 양(먼지 이월)을 줄이는 것이다.

따라서, 제철 공정에서 금속함유 공급물을 도입하는 방법이 제공되며, 여기서 상기 방법은 건조 수단에 의해 철 함유 슬러지를 15 내지 30%(w/w) 양의 수분으로 사전-건조하고, 사전-건조된 철 함유 슬러지를 결합제 재료와 혼합하여 입자 크기가 4mm 미만인 과립을 얻고, 이 과립을 최대 3%(w/w) 양의 수분까지 건조하여, 금속함유 공급물을 형성하는 단계를 포함하며, 여기서 금속함유 공급물은 이후 야금 용기의 사이클론 부분에 주입된다. 이렇게 형성된 금속함유 공급물은 아래에서 설명하는 바와 같이 매우 유익한 특성을 가지며 어떤 추가 조정 없이 야금 용기의 사이클론 부분에 주입될 수 있음이 시험을 통해 입증되었다.

제1 단계로서 철 함유 슬러지는 건조 수단, 바람직하게는 필터 프레스(filter press)에 의해 15 내지 30%(w/w) 양의 수분으로 사전-건조된다. 철 함유 슬러지가 사전-건조되는 것이 중요하다. 그러나 이 공정이 잘 제어되지 않고 철 함유 슬러지의 수분 함량이 너무 낮으면 BOS-슬러지가 사용되는 경우와 같이 슬러지가 다시 산화될 수 있다. 슬러지는 제철 공정에서 환원된 형태로만 사용할 수 있으므로 이는 원치 않는 공정이다. 수분 함량은 15 - 30%(w/w) 사이여야 하며 바람직하게는 20 - 25%(w/w) 수분이다. 본 발명자들은 재산화 과정을 피하기 위해 슬러지가 0 내지 72시간 그리고 바람직하게는 0 내지 24시간 이내의 사전-건조 내에서 혼합되면(2단계) 20% 수분(w/w) 이하가 가능하다는 점에 주목하였다. 제철 공정에 사용하기 위한 입자 크기를 최적화하고 또한 더 적은 양의 결합제 재료를 필요로 한다는 점에서 20 내지 25%의 수분(w/w)을 함유하는 철 함유 슬러지가 바람직하다는 것을 알았다. 철 함유 슬러지는 적철광(Fe₂O₃), 자철광(Fe₃O₄), 산화철(FeO) 또는 철(Fe) 형태의 철을 함유하는 것이 사용될 수 있다.

두 번째 단계로서, 사전-건조된 슬러지 함유 철은 4mm 미만의 입자 크기를 갖는 과립을 얻기 위해 결합제 재료와 혼합된다. 결합제는 바람직하게는 유기 결합제인데, 이것이 제철 공정에서 추가 슬래그 형성을 방지할 것이기 때문이다. 적합한 결합제 재료는 셀룰로오스 유도체, 바람직하게는 셀룰로오스를 기반으로 하는 장쇄 고분자전해질인 Peridur®이며, 이는 Nouryon사를 통해 입수할 수 있다. 0.2 - 0.4%(w/w) 결합제 재료를 추가하여 좋은 결과를 얻었다. 0.2%(w/w) 미만에서는 재료의 무결성이 충분하지 않아 재료가 분해되므로 공압식 수송에 적합하지 않다. 0.4%(w/w)를 초과하면 과립이 너무 커지고 공압식 수송을 하기에 너무 무거워진다. 적합한 혼합기는 분당 1000 - 1500회의 회전 속도를 가진 Eirich 집중 혼합기이다. 4mm 미만의 입자 크기(직경)는 공압식 수송 목적을 위한 바람직한 입자 크기인 것으로 밝혀졌으며 3mm 미만의 입자 크기가 더욱 바람직하다. 사전-건조된 슬러지가 60초 미만, 바람직하게는 45초 미만 동안 혼합되면, 원하는 입자 크기가 달성된다. 이 특허 출원에서 언급된 입자 크기 직경은 과립의 최대 입자 크기 직경임을 주목해야 한다. 선택적으로, 과립은 4mm 미만의 최대 입자 크기 직경을 보장하기 위해 여과될 수 있다.

마이크로 과립 또는 미니 펠릿이라고도 하는 얻어진 과립은 사일로에 보관할 수 있고 다음 단계에서 건조되기 때문에 재산화가 적어도 부분적으로 방지되기 때문에 매우 유익한 특성을 가지며, 이는 부분적으로 사전-환원된 산화철(FeO)의 발열량(caloric value)이 유지되는 것을 의미한다.

그런 다음 과립은 최대 3%(w/w) 수분까지 건조되어 금속 공급물을 형성한다. 2%(w/w)의 최대 수분 함량이 바람직하다. 건조는 특히 공압식 수송 시스템에서 과립의 취급을 상당히 개선한다. 이 건조 단계는 바람직하게는 벨트 건조기에 의해 수행된다. 이것은 설비 자체의 환경에서 나오는 열을 효율적으로 사용할 수 있는 주요 이점이 있다. 정상적인 처리 조건에서 이 열은 손실된다. 또한, 분진 배출도 크게 감소하여, 작업자와 제철소 인근의 사람들에게 더 나은 환경을 제공한다. 벨트 건조기 사용의 또 다른 장점은 과립이 더 강하게 나오고 쉽게 부서지지 않는다는 것이다. 따라서 과립을 수송하기 쉽다. 본 발명자들은 건조가 또한 과립의 강도를 증가시킨다는 것을 발견하였다. 과립이 건조기에 들어가면 과립당 약 7 Nm의 강도를 갖는다. 건조기를 떠날 때 이것은 과립당 20 Nm 이상으로 증가했다. 과립의 강도를 측정하는 데 적합한 장치는 Eirich TAXT 텍스처 분석기이다. 과립의 강도를 측정하는 적절한 방법은 ISO 4700:2015이다. 벨트 건조기 대신 드럼 건조기를 대안으로 사용할 수도 있다.

마지막 단계로 금속함유 공급물은 이후 야금 용기의 사이클론 부분에 주입된다. 위에서 설명한 단계들 후에 얻어지는 물리적 특성 및 화학적 조성으로 인해, 과립은 야금 공급물로서 야금 용기에 주입될 준비가 되어 있다. 용융 특성도 매우 중요하다. 철 함유 슬러지도 일정량의 칼슘(약 10%)을 포함하므로, 과립의 용융 거동이 최적이다. 그러나 철 함유 슬러지의 화학적 조성이 최적보다 낮으면, 용융 거동을 개선하기 위해 탄소(석탄)를 추가할 수 있다. 또한, 플럭싱 재료(예: 석회석)를 같은 목적으로 추가할 수 있다.

이 방법을 사용하면 열 공정이 아니므로 SOx 또는 NOx와 같은 가스 화합물의 배출이 없어 이러한 화합물이 공정 중에 형성되지 않는다는 추가 이점이 있다. 또한, 과립이 상대적으로 커서 사이클론에서, 따라서 설비의 직접적인 환경에서 배출구를 통해 먼지가 형성되는 것을 방지하는 것이 유리하다. 일반적으로 금속함유 공급물은 분말로서 훨씬 더 작은 입자 크기로 주입되며, 이 분말은 막힐 수 있어 제철 공정이 최적 상태가 되지 않게 할 수 있다.

바람직하게는 야금 용기는 제련 환원 용기이다. 이 제련 환원 용기는 CO₂와 같은 배출을 줄이는 능력이 있다. 따라서 이것은 기후 변화에 대처하고 이산화탄소의 양을 줄이기 위한 바람직한 선택이다. 이제 지구 온난화로 인해 IJmuiden의 인근 해변이 Praia de Ipanema와 같은 장소에 속했던 온도에 도달한다는 사실을 알게 되었다. 불행히도 어떤 이유로, 그 유명한 소녀는 이사하고 싶어하지 않았다.

바람직하게는 금속함유 공급물은 공압식 수송 시스템에 의해 야금 용기의 사이클론 부분 내로 주입된다. 금속함유 공급물을 도입하는 일반적인 방법은 공압식 수송을 통한 것인데, 이는 현재 처리 조건하에서 금속성 분말이 주입되기 때문이다. 재료를 알갱이로 만들면 앞서 언급한 막힘을 방지하면서 이를 공압식으로 수송하고 야금 용기의 사이클론 부분에 도입하는 것도 가능하게 된다. 과립은 다음 회차에서 사용하기 위해 사일로에 저장될 수도 있다. 이것은 또한 기존 장비를 추가로 조정할 필요가 없음을 의미한다.

본 발명은 첨부된 청구범위에 대해 제한하지 않는 본 발명의 방법에 따라 동작하는 장치의 예시적인 실시형태의 도면을 참조하여 이하에서 더 설명될 것이다.

도 1은 사이클론 부품이 있는 야금 용기를 보여준다.

도면에서 동일한 참조 번호가 적용될 때마다 이러한 번호는 동일한 부분을 참조한다.

도 1은 특허 출원 EP-A-0 726 326에 개시된 공정에 따라 철을 제조하는 데 필요한 기본 요소들을 도시하며, 여기서 용기(1)의 상부에 사이클론(10)이 적용된다. 도 1은 금속함유 공급물(4)이 용기(1)의 상단에 있는 제련 사이클론(10)에 주입되는 것을 보여준다. 금속함유 공급물(4)은 이 지점에서 녹고 부분적으로 사전-환원된 후 용기(1) 내로 떨어지고 용융 철(2)을 형성한다. 추가로, 도 1은 용융 철(2)의 조(bath), 슬래그(3) 층, 탄소 함유 물질(5) 및 산소 함유 가스(7)의 도입 지점, 철 배출구(8), 슬래그 배출구(9) 및 반응 가스 배출구(11)를 보여준다. 본 발명의 경우 금속함유 공급물(4)의 도입 지점만이 중요하다.

여러 과립의 크기 분포와 압축 강도를 연구하기 위해 실험을 수행했다. 2단계 혼합 절차에 의해 5L Eirich 혼합기를 사용하여 과립을 생성했다. 먼저, BOS-슬러지와 결합제(Peridur 300D)를 함께 적재하고, 우수한 균질화를 보장하기 위해 2000 rpm에서 45초 동안 혼합하여 하였다. 다음에, 안정적인 과립화에 도달하기 위해 재료들을 500 rpm에서 45초 동안 혼합하였다. BOS 슬러지와 결합제 함량의 수분량을 다양하게 하였다. 표는 시험의 매개변수들에 대한 입자 크기 분포 지표를 보여준다.

다양한 입자 크기(3mm, 1mm, 0.4mm)로 여과된 과립에 대한 Hosokawa 분말 시험기를 사용한 유동성 연구는, 부드러운 공압식 주입을 가능하게 하기 위해 최대 입자 크기가 4mm 미만, 바람직하게는 3mm 미만이어야 하는 것을 보여주었다. 따라서, 과립은 바람직하게는 4mm 미만, 보다 바람직하게는 3mm 미만의 D90을 가져야 한다. 입자 크기가 더 큰 과립은 선택적으로 필터로 제거할 수 있다. D10은 이월(carry-over)을 피하기 위해 0.5보다 큰 것이 바람직하다. 최적의 결합제 함량을 설정하기 위해 낙하 시험으로 과립의 기계적 저항을 시험했다. 숙성된 과립(공기 중의 원래 수분으로 건조된)에서 각 시료 500g을 선택하여 2m 높이에서 2번 떨어뜨렸다. 과립의 입자 크기 분포는 전후에 모든 과립 대해 유사했으며 바인더 함량이 0.2%인 경우에도 우수한 기계적 저항을 나타낸다. 일반적으로 더 낮은 결합제 함량이 요구되는데, 이는 과립의 전체 비용을 감소시킬 것이기 때문이다.

샘플 4는 녹색 및 건조 과립 둘 다에 대해 플레이트 압축 시험을 더 거쳤다. 녹색 및 건조 과립의 평균 직경은 각각 2.4 및 2.7 mm이다. 녹색(수분 15~30%) 및 건조(수분 3% 이하) 과립의 평균 파단력(breaking force)은 각각 4.65 및 18.05 N이다. 따라서 건조된 과립은 훨씬 더 강하고 공압식 수송 및 저장에 더 적합하다.

본 발명의 예시적인 실시형태를 참조하여 본 발명이 앞서 논의되었지만, 본 발명은 본 발명을 벗어나지 않고 많은 방식으로 변경될 수 있는 이러한 특정 실시형태로 제한되지 않는다. 따라서 논의된 예시적인 실시형태는 첨부된 청구범위를 그에 따라 엄격하게 해석하는 데 사용되어서는 안 된다. 반대로, 실시형태들은 이러한 예시적인 실시형태로 청구범위를 제한하려는 의도 없이, 첨부된 청구항들의 표현을 설명하기 위한 것일 뿐이다. 따라서 본 발명의 보호 범위는 첨부된 청구범위에 따라서만 해석되어야 하며, 청구범위의 표현에서 가능한 모호성은 이러한 예시적인 실시형태를 사용하여 해결되어야 한다.

Claims

제철 공정에서 금속함유 공급물(4)을 도입하는 방법으로서,
상기 방법은 건조 수단에 의해 철 함유 슬러지를 15 내지 30%(w/w) 양의 수분으로 사전-건조하는 단계, 상기 사전-건조된 철 함유 슬러지를 결합제 재료와 혼합하여 입자 크기가 4mm 미만인 과립을 얻는 단계, 상기 과립을 최대 3%(w/w) 양의 수분까지 건조하여, 금속함유 공급물을 형성하는 단계를 포함하며,
상기 금속함유 공급물(4)은 이어서 야금 용기(1)의 사이클론 부분(10)에 주입되는 것을 특징으로 하는, 방법.
제1항에 있어서,
상기 야금 용기(1)는 제련 환원 용기인, 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 금속함유 공급물(4)은 공압식 수송 시스템에 의해 상기 야금 용기(1)의 사이클론 부분(10) 내로 주입되는 것을 특징으로 하는, 방법.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 철 함유 슬러지는 건조 수단에 의해 20 내지 25%(w/w) 양의 수분으로 사전-건조되는 것을 특징으로 하는, 방법.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 결합제 재료는 셀룰로오스 유도체인 것을 특징으로 하는, 방법.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 결합제 재료는 0.2% 내지 0.4%(w/w)의 양으로 첨가되는 것을 특징으로 하는, 방법.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 얻어진 과립의 입자 크기는 3mm 미만인 것을 특징으로 하는, 방법.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 건조된 과립의 수분은 최대 2%(w/w)인 것을 특징으로 하는, 방법.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 과립은 벨트 건조기에 의해 건조되는 것을 특징으로 하는, 방법.
제철 공정용 금속함유 공급물(4)에 있어서,
상기 금속함유 공급물(4)은 철 함유 슬러지를 포함하고, 추가로 4mm 미만의 입자 크기와, 0.2 내지 0.4%(w/w)의 결합제 재료 함량과, 최대 3%(w/w)의 수분 함량을 갖는 것을 특징으로 하는, 제철 공정용 금속함유 공급물.
제10항에 있어서,
상기 금속함유 공급물(4)은 탄소 및 석회석 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는, 제철 공정용 금속함유 공급물.
제10항 또는 제11항에 있어서,
상기 결합제 재료는 셀룰로오스 유도체인 것을 특징으로 하는, 제철 공정용 금속함유 공급물.
제10항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 입자 크기는 3mm 미만인 것을 특징으로 하는, 제철 공정용 금속함유 공급물.
제철 공정용 금속함유 공급물(4)의 제조 방법으로서,
상기 방법은 건조 수단에 의해 철 함유 슬러지를 15 내지 30%(w/w) 양의 수분으로 사전- 건조시키는 단계, 상기 사전-건조된 철 함유 슬러지를 결합제 재료와 혼합하여 4mm 미만의 입자 크기를 갖는 과립을 얻는 단계, 그리고 상기 과립을 최대 3%(w/w) 수분으로 건조시켜 금속함유 공급물(4)을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 제철 공정용 금속함유 공급물(4)의 제조 방법.
철 함유 슬러지가 건조 수단에 의해 20 내지 25%(w/w) 양의 수분으로 사전- 건조되는 것을 특징으로 하는, 제철 공정용 금속함유 공급물(4)의 제조 방법.