KR20230040360A - 선철 제조 방법 - Google Patents

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아키토 가사이
마사히로 야케야
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가부시키가이샤 고베 세이코쇼
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Abstract

본 발명의 일 태양에 따른 선철 제조 방법은, 트위어를 갖는 고로를 이용하여 선철을 제조하는 선철 제조 방법에 있어서, 상기 고로 내에 광석 원료를 포함하는 제 1 층과 코크스를 포함하는 제 2 층을 교대로 적층하는 공정과, 상기 트위어로부터 송풍하는 열풍에 의해 보조 연료를 고로 내에 취입하면서, 적층된 상기 제 1 층의 상기 광석 원료를 환원 및 용해하는 공정을 구비하고, 상기 열풍을 상기 고로의 중심부까지 통기시키기 위한 골재가 상기 제 1 층에 혼합되어 있으며, 상기 골재가 환원철을 압축 성형한 환원철 성형체를 포함한다.

Description

선철 제조 방법
본 발명은 선철 제조 방법에 관한 것이다.
고로 내에 광석 원료를 포함하는 제 1 층과 코크스를 포함하는 제 2 층을 교대로 적층하고, 트위어로부터 송풍하는 열풍에 의해 보조 연료를 고로 내에 취입하면서, 상기 광석 원료를 환원하고, 용해하는 것에 의해 선철을 제조하는 방법이 이미 알려져 있다. 이 때, 상기 코크스는 광석 원료의 용해를 위한 열원, 광석 원료의 환원재, 용철에 침탄하고 융점을 저하시키기 위한 가탄재, 및 고로 내의 통기성을 확보하기 위한 스페이서의 역할을 수행하고 있다. 이 코크스에 의해 통기성을 유지하는 것에 의해, 장입물의 짐 하강을 안정시켜, 고로의 안정 조업을 도모하고 있다.
고로 조업에 있어서는, 비용 삭감의 관점에서는 이 코크스의 비율이 낮은 것이 바람직하다. 그러나, 코크스의 비율을 낮게 하면, 상술의 코크스가 수행하는 역할도 저하한다. 예를 들면, 코크스의 비율을 저감, 즉, 광석 원료의 비율을 증가시키는 방법으로서, 고로 주변부에 소립 직경의 환원철을 한정 장입하는 고로 조업 방법이 제안되어 있다(일본 특허 공개 제 평11-315308 호 공보 참조). 상기 고로 조업 방법에서는, 환원의 필요가 없는 환원철을 노의 주변부에만 장입하는 것에 의해, 노의 중심 부분에서의 코크스의 열원, 환원재, 가탄재 및 스페이서로서의 역할을 유지시키면서, 원료의 충전율을 높일 수 있다고 여겨지고 있다.
일본 특허 공개 제 평11-315308 호 공보
최근 CO2 배출량 삭감의 요구로 인해, 고로 조업에 있어서, 코크스의 사용량의 새로운 삭감이 요구되고 있다. 상기 종래의 고로 조업 방법에 있어서, 코크스가 갖는 역할 중, 열원, 환원재 및 가탄재에 대해서는 트위어로부터 취입하는 보조 연료에 의해 대체 가능하다. 한편, 스페이서의 역할은 코크스만 맡고 있다. 상기 종래의 고로 조업 방법에서는, 환원철의 장입 위치가 노의 주변부로만 한정되어 있다. 또한, 코크스의 사용량은 환원철의 장입에 의해 상대적으로 감소하는 것에 그친다. 따라서, 상기 종래의 고로 조업 방법에서는, 코크스의 사용량의 삭감에는 한계가 있어, 최근 CO2 삭감의 요구에 충분히 부응한다고는 할 수 없다.
본 발명은 상술과 같은 사정에 기초하여 이루어진 것이며, 고로의 안정 조업을 유지하면서, 코크스의 사용량을 저감할 수 있는 선철 제조 방법의 제공을 목적으로 한다.
본 발명의 일 태양에 따른 선철 제조 방법은, 트위어를 갖는 고로를 이용하여 선철을 제조하는 선철 제조 방법에 있어서, 상기 고로 내에 광석 원료를 포함하는 제 1 층과 코크스를 포함하는 제 2 층을 교대로 적층하는 공정과, 상기 트위어로부터 송풍하는 열풍에 의해 보조 연료를 고로 내에 취입하면서, 적층된 상기 제 1 층의 상기 광석 원료를 환원 및 용해하는 공정을 구비하고, 상기 열풍을 상기 고로의 중심부까지 통기시키기 위한 골재가 상기 제 1 층에 혼합되어 있으며, 상기 골재가 환원철을 압축 성형한 환원철 성형체를 포함한다.
당해 선철 제조 방법에서는, 광석 원료를 포함하는 제 1 층이, 골재로서 환원철을 압축 성형한 환원철 성형체를 포함한다. 이 환원철 성형체에 의해, 용해 공정에서 제 1 층의 연화 융착시에 열풍이 통과하기 쉬워지기 때문에, 당해 선철 제조 방법에서는, 통기성을 확보하기 위한 코크스의 양이 적어도 된다. 따라서, 당해 선철 제조 방법을 이용하는 것에 의해 고로의 안정 조업을 유지하면서 코크스의 사용량을 저감할 수 있다.
여기에서, 고로의 "중심부"란, 노구부(爐口部)의 반경을 R로 할 때, 중심으로부터의 거리가 0.2R 이하의 영역을 나타낸다.
상기 환원철 성형체의 장입량이 선철 1톤당 100㎏ 이상이며, 상기 광석 원료의 평균 입경에 대한 상기 환원철 성형체의 평균 입경의 비가 1.3 이상이며, 상기 환원철 성형체의 텀블러 회전 시험후의 통기 저항 지수가 0.1 이하여도 좋다. 환원철 성형체의 장입량을 상기 하한 이상으로 하고, 상기 환원철 성형체의 평균 입경의 비를 상기 하한 이상으로 하고, 또한, 상기 환원철 성형체의 통기 저항 지수를 상기 상한 이하로 하는 것에 의해, 상기 열풍을 상기 고로의 중심부까지 확실히 통기시킬 수 있게 된다. 따라서, 코크스의 사용량을 저감할 수 있다.
여기에서, 환원철 성형체의 "텀블러 회전 시험후의 통기 저항 지수"는 이하와 같이 하여 산출된다. 우선, 철광석류의 회전 강도 측정법(JIS-M8712:2000)에 준하여 텀블러 회전 시험을 실행하고, 환원철 성형체의 체 분리에 의한 입경 분포를 취득한다. 이 입도 분포는 체 분리를 실행한 체의 눈 사이의 대표 입경(중앙값)을 di[㎝], 대표 입경 di에 속하는 환원철 성형체의 중량 분율을 wi로 하여 나타낸다. 이 입도 분포를 이용하여, 조화 평균 직경 Dp[㎝], 입도 구성 지수 Isp를 하기와 같이 식 1에 의해 산출한다. 또한, 중력 환산 계수 gc[9.807(g·㎝)/(G·sec2)]를 이용하여, 하기 식 1에 의해 통기 저항 지수 K를 구한다. 또한, 상기 텀블러 회전 시험에서의 텀블러의 회전 조건은 24±1rpm이며, 600 회전으로 된다.
Figure pct00001
상기 환원철 성형체의 염기도가 0.9 이상이어도 좋다. 이와 같이 환원철 성형체의 염기도를 상기 하한 이상으로 하는 것에 의해, 환원철 성형체의 수축 개시 온도가 고온화되므로, 제 1 층의 수축량이 억제된다. 이 때문에, 융착대의 통기성이 개선되어, 상기 열풍을 상기 고로의 중심부까지 확실히 통기시킬 수 있게 된다. 따라서, 코크스의 사용량을 저감할 수 있다.
여기에서, "염기도"란, SiO2의 질량에 대한 CaO의 질량의 비율을 나타낸다.
상기 환원철 성형체가 산화 알루미늄을 포함하며, 상기 환원철 성형체 내의 상기 산화 알루미늄의 함유량이 1.5질량% 이하이면 좋다. 산화 알루미늄은 슬래그 점도를 상승시켜, 슬래그의 적하성을 악화시킨다. 이 때문에, 환원철 성형체 내의 산화 알루미늄의 함유량을 상기 상한 이하로 하는 것에 의해, 코크스의 사용량이 증대된 것을 억제할 수 있다.
상기 제 1 층에 있어서의 상기 환원철 성형체의 함유량이 30질량% 이하이면 좋다. 환원철 성형체는 광석 원료에 비해 크고, 개별 중량이 크기 때문에, 광석 원료와 함께 고로에 장입되면, 분리되어 편석되기 쉽다. 환원철 성형체의 함유량을 상기 상한 이하로 하는 것에 의해, 이 분리 및 편석을 억제할 수 있다. 이 때문에, 환원철 성형체가 고로의 중심부까지 비교적 균일하게 존재하므로, 융착대로 골재 효과를 발휘하여, 상기 열풍을 상기 고로의 중심부까지 확실히 통기시킬 수 있게 된다. 따라서, 코크스의 사용량을 저감할 수 있다.
상기 광석 원료가, 기공 직경이 4㎛ 이상의 조대 개방 기공(粗大開氣孔)의 기공률이 21% 이상인 철광석 펠릿을 포함하면 좋다. 이와 같이, 기공 직경이 4㎛ 이상의 조대 개방 기공의 기공률이 21% 이상인 철광석 펠릿을 광석 원료에 포함하는 것에 의해, 광석 원료의 환원율을 높일 수 있으므로, 코크스의 사용량을 더욱 저감할 수 있다.
여기에서, "기공 직경이 4㎛ 이상의 조대 개방 기공의 기공률"이란, 기공 직경이 4㎛ 이상의 조대 개방 기공이 철광석 펠릿의 외관의 체적에 대해 차지하는 체적의 비율을 말하며, 수은 압입식 포로시미터(예를 들면, 시마즈 제작 주식회사의 "오토 포어 III9400")를 이용하여 측정한 철광석 펠릿의 개방 기공률 ε0[%], 철광석 펠릿의 단위 중량 당의 전체 세공(細孔) 용적 A[㎤/g], 철광석 펠릿의 단위 중량 당의 기공 직경 4㎛ 이상의 전체 세공 용적 A＋4[㎤/g]로 할 때, ε0×A＋4/A[%]로 산출되는 양이다. 또한, 개방 기공이란, 철광석 펠릿의 외부까지 통하고 있는 기공을 말하며, 폐쇄 기공이란, 철광석 펠릿의 내부에서 폐쇄되어 있는 기공을 말한다.
상기 고로의 중심부에 코크스 및 환원철 성형체의 혼합물을 장입하는 공정을 구비하고, 상기 혼합물에 있어서의 상기 환원철 성형체 중, 입경 5㎜ 이상의 환원철 성형체가 차지하는 비율이 90질량% 이상이며, 상기 혼합물에 있어서의 상기 환원철 성형체의 함유량이 75질량% 이하여도 좋다. 상기 열풍은 고로의 중심부까지 도달하면, 이 중심부를 상승시킨다. 이와 같이, 중심부에 입경이 큰 환원철 성형체를 상기 상한 이하의 함유량으로 포함하는 것에 의해, 상기 열풍의 흐름을 방해하는 일이 없이, 현열을 효과적으로 이용할 수 있다. 따라서, 코크스의 사용량을 더욱 저감할 수 있다.
환원철 성형체에 유래하는 분체 및 석탄을 미분쇄하는 공정을 구비하고, 상기 보조 연료로서, 상기 미분쇄 공정으로 얻어지는 미분체를 포함하면 좋다. 환원철 성형체는 반송 과정 등에 의해 일부가 파쇄되어 분체가 된다. 이와 같은 분체는 고로 내의 통기성을 저하시키기 때문에, 제 1 층으로서 사용하는 것은 적당하지 않다. 또한, 이 분체는 비표면적이 크기 때문에, 산화철로 재산화된다. 이 산화철을 포함하는 보조 연료를 트위어로부터 취입하면 통기성을 개선할 수 있다. 따라서, 환원철 성형체에 유래하는 분체를 석탄과 함께 미분쇄하고, 미분쇄한 상기 분체 및 상기 석탄을 포함하는 미분체를 트위어로부터 취입하는 보조 연료로서 이용하는 것에 의해, 환원철 성형체의 유효 이용을 도모할 수 있는 동시에, 고로 내의 통기성을 개선할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 선철 제조 방법은 고로의 안정 조업을 유지하면서, 코크스의 사용량을 저감할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 선철 제조 방법을 도시하는 흐름도이다.
도 2는 도 1의 선철 제조 방법으로 사용하는 고로 내부를 도시하는 모식도이다.
도 3은 도 2의 융착대로부터 적하대(滴下帶) 부근의 모식적 부분 확대도이다.
도 4는 도 1과는 상이한 본 발명의 다른 일 실시형태에 따른 선철 제조 방법을 도시하는 흐름도이다.
도 5는 도 4는 선철 제조 방법으로 사용하는 고로 내부를 도시하는 모식도이다.
도 6은 도 1 및 도 4와는 상이한 본 발명의 또 다른 일 실시형태에 따른 선철 제조 방법을 도시하는 흐름도이다.
도 7은 도 6의 용해 공정에 있어서 트위어에서 실행되는 처리를 모식적으로 도시한 도면이다.
도 8은 실시예에서 이용한 대형 하중 환원 실험로의 구성을 도시하는 모식적 단면도이다.
도 9는 도 11 내지 도 14에 나타내는 최대 압손을 조사한 실시예에서의 시료 충전층을 가열하는 온도 프로파일을 나타내는 그래프이다.
도 10은 도 11 내지 도 14에 나타내는 최대 압손을 조사한 실시예에서의 시료 충전층의 온도와 공급하는 가스 유량의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 11은 실시예에 있어서의 HBI 입경비와 최대 압손의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 12는 실시예에 있어서의 HBI 장입량과 최대 압손의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 13은 실시예에 있어서의 HBI의 염기도와 최대 압손의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 14는 실시예에 있어서의 HBI의 Al2O3 함유량과 최대 압손의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 15는 실시예에서 이용한 고로 장입물 분포 실험 장치의 구성을 도시하는 모식도이다.
도 16은 철판의 크기가 20㎜×7㎜×4㎜인 경우의 실시예에 있어서의 HBI의 함유량과 광석 퇴적 경사각(θ)의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 17은 철판의 크기가 10㎜×7㎜×4㎜인 경우의 실시예에 있어서의 HBI의 함유량과 광석 퇴적 경사각(θ)의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 18은 환원율을 조사한 실시예에서의 시료 충전층을 가열하는 온도 프로파일을 나타내는 그래프이다.
도 19는 환원율을 조사한 실시예에서의 시료 충전층의 온도와 공급하는 가스 유량과의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 20은 실시예에 있어서의 기공 직경이 4㎛ 이상의 조대 개방 기공의 기공률과 환원율과의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 21은 실시예에 있어서의 중심층의 HBI의 함유량과 최대 압손의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 22는 실시예에 있어서의 HBI의 취입량과 압손 변화량의 관계를 나타내는 그래프이다.
이하, 본 발명의 각 실시형태에 따른 선철 제조 방법에 대해 설명한다.
[제 1 실시형태]
도 1에 도시하는 선철 제조 방법은, 도 2에 도시하는 고로(1)를 이용하여 선철을 제조하는 선철 제조 방법이며, 적층 공정(S1)과, 용해 공정(S2)을 구비한다.
<고로>
고로(1)는 도 2에 도시하는 바와 같이, 노 하부에 마련된 트위어(1a)와, 출선구(1b)를 갖는다. 트위어(1a)는 통상 복수 마련된다. 고로(1)는 고기향류형(固氣向流型)의 샤프트 로이며, 고온의 공기에 필요에 따라서 고온 또는 상온의 산소를 가한 열풍을 트위어(1a)로부터 노 내에 취입하고, 후술하는 광석 원료(11)의 환원 및 용융 등의 일련의 반응을 실행하여, 출선구(1b)로부터 선철을 취출할 수 있다. 또한, 고로(1)에는, 벨·아머 방식의 원료 장입 장치(2)가 장비되어 있다. 이 원료 장입 장치(2)에 대해서는 후술한다.
<적층 공정>
적층 공정(S1)에서는, 도 2에 도시하는 바와 같이, 고로(1) 내에 제 1 층(10)과 제 2 층(20)을 교대로 적층한다. 즉, 제 1 층(10) 및 제 2 층(20)의 층 수는 각각 2개 이상이다.
(제 1 층)
제 1 층(10)은 광석 원료(11)를 포함한다. 또한, 제 1 층(10)에는, 골재(12)가 혼합되어 있다.
광석 원료(11)는 철원료가 되는 광석류를 가리키며, 주로 철광석을 함유한다. 광석 원료(11)로서는, 소성광(철광석 펠릿, 소결광), 괴광석, 탄재 내장 괴성광, 메탈 등을 들 수 있다. 광석 원료(11)는 용해 공정(S2)에서 트위어(1a)로부터 취입되는 열풍에 의해 승온 환원되어 용선이 된다. 또한, 후술하는 골재(12)에 포함되는 환원철 성형체도 철원료가 될 수 있지만, 본 명세서에 있어서, 환원철 성형체는 광석 원료(11)에는 포함하지 않는다.
제 1 층(10)에는 광석 원료(11)에 부가하여, 석회석, 백운석, 규석 등의 부원료를 함께 장입하여도 좋다.
골재(12)는 후술하는 융착대(D)의 통기성을 개선하고, 상기 열풍을 고로(1)의 중심부까지 통기시키기 위한 것이다. 골재(12)는 환원철을 압축 성형한 환원철 성형체(HBI: Hot Briquette Iron)를 포함한다.
HBI는 환원철 DRI(Direct Reduced Iron)를 열간 상태에서 성형한 것이다. DRI가 기공률이 높아, 해상 운송이나 옥외 보존시에 산화 발열하는 결점을 갖는데대해, HBI는 기공률이 낮아, 재산화되기 어렵다. 골재(12)는 제 1 층(10)의 통기성의 확보를 수행한 후는 메탈로서 기능하여, 용선이 된다. 골재(12)는 금속화율이 높아 환원의 필요가 없으므로, 이 용선이 될 때에 환원재를 그다지 필요로 하지 않는다. 따라서, CO2 배출량을 삭감할 수 있다. 또한, "금속화율"이란, 전체 철분에 대한 금속철의 비율[질량%]을 말한다.
상기 환원철 성형체의 장입량의 하한으로서는, 선철 1톤당 100㎏이며, 150㎏이 보다 바람직하다. 상기 환원철 성형체의 장입량이 상기 하한 미만이면, 용해 공정(S2)에서, 융착대(D)에서의 골재(12)의 통기성 확보 기능이 충분히 작용하지 않을 우려가 있다. 한편, 상기 환원철 성형체의 장입량의 상한은, 골재 과다가 되어 골재 효과가 작아지지 않는 범위에서 적절히 결정되지만, 상기 환원철 성형체의 장입량의 상한은, 예를 들면, 선철 1톤당 700㎏이 된다.
광석 원료(11)의 평균 입경에 대한 상기 환원철 성형체의 평균 입경의 비의 하한으로서는, 1.3이며, 1.4가 보다 바람직하다. 도 3에 도시하는 바와 같이, 제 1 층(10)의 광석 원료(11)의 일부가 용해하여 적하 슬래그(13)로서 고로(1)의 하방으로 이동하여, 광석 원료(11)가 연화 수축했을 때에도, 고융점의 상기 환원철 성형체는 연화하지 않는다. 광석 원료(11)에 대해 일정 이상 큰 상기 환원철 성형체를 골재(12)로서 혼합시키면, 상기 환원철 성형체의 골재 효과가 발현하기 쉬워, 제 1 층(10) 전체가 층 수축하는 것을 억제할 수 있다. 따라서, 상기 평균 입경의 비를 상기 하한 이상으로 하는 것에 의해, 도 3의 화살표로 나타내는 바와 같은 열풍의 유로를 확보할 수 있으므로, 용해 공정(S2)에서의 통기성을 향상시킬 수 있다. 한편, 상기 평균 직경의 비의 상한으로서는, 10이 바람직하며, 5가 보다 바람직하다. 상기 평균 직경의 비가 상기 상한을 초과하면, 상기 환원철 성형체를 제 1 층(10)에 균일하게 혼합시키기 어려워져 편석이 증대될 우려가 있다.
상기 환원철 성형체의 텀블러 회전 시험후의 통기 저항 지수의 상한으로서는, 0.1이며, 0.08이 보다 바람직하다. 상기 환원철 성형체는, 일반적으로 제조되는 공장과 사용되는 공장이 상이하게 수송된다. 이전에 체적 파괴되어 입도 분포가 변화한 환원철 성형체가 이용되면, 고로 조업에 있어서 후술하는 괴상대(塊狀帶)(E)에서의 통기성이 저하할 우려가 있다. 이에 대해, 상기 텀블러 회전 시험후에 있어서도 통기 저항 지수가 일정값 이하가 되는 것이 담보되는 환원철 성형체를 이용하는 것에 의해, 체적 파괴를 억제할 수 있으므로, 괴상대(E)에서의 통기성을 확보할 수 있다. 한편, 상기 통기성 저항 지수의 하한은, 특별히 한정되지 않으며, 정의 상의 이론 한계값인 0에 가까운 값이어도 좋지만, 통상 0.03 정도가 된다. 또한, 상기 통기 저항 지수가 소정값 이하가 되는 성질과 상태를 갖는 환원철 성형체가 이용되고 있으면 좋으며, 당해 선철 제조 방법에 있어서, 텀블러 회전 시험을 필요로 하는 것을 의미하는 것은 아니다.
또한, 상기 환원철 성형체의 장입량을 상기 하한 이상으로 하고, 상기 환원철 성형체의 평균 입경의 비를 상기 하한 이상으로 하고, 또한, 상기 환원철 성형체의 통기 저항 지수를 상기 상한 이하로 하는 것에 의해, 괴상대(E) 및 융착대(D)의 통기성을 개선하여, 상기 열풍을 고로(1)의 중심부까지 확실히 통기시킬 수 있게 된다. 따라서, 코크스의 사용량을 저감할 수 있다.
상기 환원철 성형체의 염기도의 하한으로서는, 0.9이며, 1.0이 보다 바람직하다. 이와 같이 상기 환원철 성형체의 염기도를 상기 하한 이상으로 하는 것에 의해, 상기 환원철 성형체의 수축 개시 온도가 고온화되므로, 제 1 층(10)의 수축량이 억제된다. 이 때문에, 용해 공정(S2)에서 융착대(D)의 통기성이 개선되며, 상기 열풍을 고로(1)의 중심부까지 확실히 통기시킬 수 있게 된다. 따라서, 코크스의 사용량을 저감할 수 있다. 한편, 상기 환원철 성형체의 염기도의 상한으로서는, 1.4가 바람직하며, 1.3이 보다 바람직하다. 상기 환원철 성형체의 염기도가 상기 상한을 초과하면, 상기 환원철 성형체의 강도가 저하할 우려가 있다. 또한, 상기 환원철 성형체의 염기도는, 환원철 성형체의 제조시에 석회석 등의 부원료를 첨가하는 것에 의해 조정할 수 있다.
또한, 상기 환원철 성형체는 산화 알루미늄을 포함한다. 상기 환원철 성형체 내의 상기 산화 알루미늄의 함유량의 상한으로서는, 1.5질량%이며, 1.3질량%가 보다 바람직하다. 상기 산화 알루미늄의 함유량이 상기 상한을 초과하면, 슬래그 융점의 고온화나 점도의 증가에 의해 노 하부에서의 통기성의 확보가 곤란해질 우려가 있다. 이 때문에, 환원철 성형체 내의 산화 알루미늄의 함유량을 상기 상한 이하로 하는 것에 의해, 코크스의 사용량이 증대되는 것을 억제할 수 있다. 또한, 상기 산화 알루미늄의 함유량은 0질량% 초과이면 좋지만, 상기 산화 알루미늄의 함유량의 하한으로서는, 0.5질량%가 보다 바람직하다. 상기 산화 알루미늄의 함유량이 상기 하한 미만이면, 환원철 성형체가 고가가 되어, 선철의 제조 비용이 비싸질 우려가 있다.
(제 2 층)
제 2 층(20)은 코크스(21)를 포함한다.
코크스(21)는 광석 원료(11)의 용해를 위한 열원, 광석 원료(11)의 환원에 필요한 환원재인 CO 가스의 생성, 용철에 침탄하여 융점을 저하시키기 위한 가탄재, 및 고로(1) 내의 통기성을 확보하기 위한 스페이서의 역할을 수행한다.
(적층 방법)
제 1 층(10) 및 제 2 층(20)을 교대로 적층하는 방법에는, 여러 가지의 방법을 이용할 수 있다. 여기에서는, 도 2에 도시하는 바와 같은 벨·아머 방식의 원료 장입 장치(2)(이하, 간략히 "원료 장입 장치(2)"라 함)를 탑재한 고로(1)를 예로 들어, 그 방법에 대해 설명한다.
원료 장입 장치(2)는 노 정상부에 구비되어 있다. 즉, 제 1 층(10) 및 제 2 층(20)은 노 정상으로부터 장입된다. 원료 장입 장치(2)는 도 2에 도시하는 바와 같이, 벨 컵(2a)과, 하부 벨(2b)과, 아머(2c)를 갖는다.
벨 컵(2a)은 장입하는 원료를 충전하는 부위이다. 제 1 층(10)을 장입할 때는, 제 1 층(10)을 구성하는 원료를 벨 컵(2a)에 충전하고, 제 2 층(20)을 장입할 때는, 제 2 층(20)을 구성하는 원료를 충전한다.
하부 벨(2b)은 하방으로 퍼지는 원추형이며, 벨 컵(2a) 내에 배설된다. 하부 벨(2b)은 상하로 이동 가능하다(도 2에서 상방으로 이동한 상태를 실선, 하방으로 이동한 경우를 파선으로 나타내고 있음). 하부 벨(2b)은 상방으로 이동한 경우, 벨 컵(2a)의 하부를 밀폐하고, 하방으로 이동한 경우 벨 컵(2a)의 측벽의 연장상에 간극이 구성되도록 되어 있다.
아머(2c)는 하부 벨(2b)보다 하방이며, 고로(1)의 노 벽부에 마련되어 있다. 하부 벨(2b)을 하방으로 이동했을 때, 상기 간극으로부터 원료가 낙하하지만, 아머(2c)는 이 낙하하는 원료를 반발시키기 위한 반발판이다. 또한, 아머(2c)는 고로(1)의 내부(중심부)를 향하여 출퇴 가능하게 구성되어 있다.
이 원료 장입 장치(2)를 이용하여, 이하와 같이 하여, 제 1 층(10)을 적층할 수 있다. 또한, 제 2 층(20)에 대해서도 마찬가지이다. 또한, 제 1 층(10) 및 제 2 층(20)의 적층은 교대로 실행된다.
우선, 하부 벨(2b)을 상방에 위치시켜, 제 1 층(10)의 원료를 벨 컵(2a)에 장입한다. 하부 벨(2b)이 상방에 위치하는 경우, 벨 컵(2a)의 하부는 밀폐되므로, 벨 컵(2a) 내에 상기 원료가 충전된다. 또한, 그 충전량은 각 층의 적층량으로 한다.
다음에, 하부 벨(2b)을 하방으로 이동시킨다. 그렇게 하면, 벨 컵(2a)과의 사이에 간극이 생기므로, 이 간극으로부터 상기 원료는 노벽방향으로 낙하하고, 아머(2c)에 충돌한다. 아머(2c)에 충돌하여, 반발된 상기 원료는 노 내에 장입된다. 상기 원료에는, 아머(2c)에서의 반발에 의해 노 내측방향으로 이동하면서 낙하하므로, 낙하한 위치에서 노 내의 중심측을 향하여 유입되면서 퇴적된다. 아머(2c)는 중심부를 향하여 출퇴 가능하게 구성되어 있기 때문에, 상기 원료의 낙하 위치는, 아머(2c)를 출퇴시키는 것에 의해 조정할 수 있다. 이 조정에 의해 제 1 층(10)을 소망하는 형상으로 퇴적시킬 수 있다.
<용해 공정>
용해 공정(S2)에서는, 트위어(1a)로부터 송풍하는 열풍에 의해 보조 연료를 고로 내에 취입하면서, 적층된 제 1 층(10)의 광석 원료(11)를 환원 및 용해한다. 또한, 고로 조업은 연속 조업이며, 용해 공정(S2)은 연속하여 실행되고 있다. 한편, 적층 공정(S1)은 간헐적으로 실행되고 있으며, 용해 공정(S2)에서 제 1 층(10) 및 제 2 층(20)의 환원 및 용해 처리의 상황에 따라서, 새롭게 용해 공정(S2)에서 처리해야 하는 제 1 층(10) 및 제 2 층(20)이 추가되어 간다.
도 2는 용해 공정(S2)에서의 상태를 나타내고 있다. 도 2에 도시하는 바와 같이, 트위어(1a)로부터의 열풍에 의해 트위어(1a) 부근에는, 코크스(21)가 선회하여 현저하게 드문드문한 상태로 존재하는 공동 부분인 레이스웨이(A)가 형성되어 있다. 고로(1) 내에서는, 이 레이스웨이(A)의 온도가 가장 높으며, 2000℃ 정도이다. 레이스웨이(A)에 인접하여, 고로(1)의 내부에서 코크스의 의정체역(擬停滯域)인 노심(B)이 존재한다. 또한, 노심(B)으로부터 상방에 적하대(C), 융착대(D) 및 괴상대(E)가 이 순서로 존재한다.
고로(1) 내의 온도는 정상부로부터 레이스웨이(A)를 향하여 상승한다. 즉, 괴상대(E), 융착대(D), 적하대(C)의 순서로 온도가 높으며, 예를 들면, 괴상대(E)에서 20℃ 이상 1200℃ 이하 정도인 것에 대하여, 노심(B)은 1200℃ 이상 1600℃ 이하 정도가 된다. 또한, 노심(B)의 온도는 직경방향에서 상이하며, 노심(B)의 중심부에서는 적하대(C)보다 온도가 낮아지는 경우도 있다. 또한, 노 내의 중심부에 열풍을 안정적으로 유통시키는 것에 의해, 단면이 역 V자형의 융착대(D)를 형성시켜, 노 내의 통기성과 환원성을 확보하고 있다.
고로(1) 내에서는, 철광석 원료(11)는 우선 괴상대(E)에서 승온 환원된다. 융착대(D)에서는, 괴상대(E)에서 환원된 광석이 연화 수축한다. 연화 수축한 광석은 강하하여 적하 슬래그가 되어, 적하대(C)로 이동한다. 용해 공정(S2)에서, 광석 원료(11)의 환원은 주로 괴상대(E)로 진행하며, 광석 원료(11)의 용해는 주로 적하대(C)에서 생긴다. 또한, 적하대(C)나 노심(B)에서는, 강하해 온 액상의 산화철 FeO와 코크스(21)의 탄소가 직접 반응하는 직접 환원이 진행된다.
환원철 성형체를 포함하는 골재(12)는 융착대(D)에서 골재 효과를 발휘한다. 즉, 광석이 연화 수축한 상태에서도, 고융점의 상기 환원철 성형체는 연화하지 않고, 상기 열풍을 고로(1)의 중심부까지 확실히 통기시키는 통기로가 확보된다.
또한, 노 상부에는 환원된 철이 용융된 용선(F)이 퇴적되어 있으며, 그 용선(F)의 상부에 용융 슬래그(G)가 퇴적되어 있다. 이 용선(F) 및 용융 슬래그(G)는 출선구(1b)로부터 취출할 수 있다.
트위어(1a)로부터 취입되는 보조 연료로서는, 석탄을 입경 50㎛ 정도로 미분쇄한 미분탄, 중유나 천연 가스 등을 들 수 있다. 상기 보조 연료는 열원, 환원재 및 가탄재로서 기능한다. 즉, 코크스(21)가 수행하는 역할 중, 스페이서 이외의 역할을 대체한다.
<이점>
당해 선철 제조 방법에서는, 광석 원료(11)를 포함하는 제 1 층(10)이, 골재(12)로서 환원철을 압축 성형한 환원철 성형체를 포함한다. 이 환원철 성형체에 의해, 용해 공정(S2)에서 제 1 층(10)의 연화 융착시에 열풍이 통과하기 쉬워지기 때문에, 당해 선철 제조 방법에서는, 통기성을 확보하기 위한 코크스(21)의 양이 적어도 된다. 따라서, 당해 선철 제조 방법을 이용하는 것에 의해, 고로의 안정 조업을 유지하면서 코크스(21)의 사용량을 저감할 수 있다.
[제 2 실시형태]
도 3에 도시하는 선철 제조 방법은 도 4에 도시하는 트위어(1a)를 갖는 고로(1)를 이용하여 선철을 제조하는 선철 제조 방법에 있어서, 고로(1) 내에 광석 원료(11)를 포함하는 제 1 층(10)과 코크스(21)를 포함하는 제 2 층(20)을 교대로 적층하는 공정(적층 공정(S1))과, 트위어(1a)로부터 송풍하는 열풍에 의해 보조 연료를 고로(1) 내에 취입하면서, 적층된 제 1 층(10)의 광석 원료(11)를 환원 및 용해하는 공정(용해 공정(S2))을 구비하고, 상기 열풍을 고로(1)의 중심부까지 통기시키기 위한 골재(12)가 제 1 층(10)에 혼합되어 있으며, 골재(12)가 환원철을 압축 성형한 환원철 성형체를 포함한다. 또한, 당해 선철 제조 방법은 중심부 장입 공정(S3)을 구비한다.
<고로>
고로(1)는 제 1 실시형태의 고로(1)와 동일하므로, 동일 구성에 동일 번호를 부여하고 설명을 생략한다.
<적층 공정>
(제 1 층)
광석 원료(11)가 기공 직경이 4㎛ 이상의 조대 개방 기공의 기공률이 21% 이상인 철광석 펠릿을 포함하면 좋다. 철광석 펠릿은 펠릿 피드와, 철광석 미분과, 필요에 따라서 부원료를 이용하여, 고로용에 적합한 성질과 상태(예를 들면, 사이즈, 강도, 환원성 등)에 품질을 향상시켜 만든 것이다.
철광석 펠릿은 주로 펠릿 피드인 조립과, 철광석의 분쇄 원료인 미분으로 구성되며, 내부에는 다수의 기공이 형성되어 있다. 상술한 바와 같이 철광석 펠릿은 부원료를 포함하여도 좋다. 이와 같은 부원료로서는, 석회석, 백운석 등을 들 수 있다.
본 발명자들은 기공 직경이 4㎛ 이상의 조대 개방 기공의 기공률이 21% 이상인 철광석 펠릿을 광석 원료(11)에 포함하는 것에 의해, 광석 원료의 환원율을 높일 수 있는 것을 발견했다. 상술의 철광석 펠릿을 광석 원료(11)에 포함하는 것에 의해, 코크스의 사용량을 더욱 저감할 수 있다. 또한, 상기 조대 개방 기공의 기공률의 하한으로서는, 23%가 보다 바람직하며, 25%가 더 바람직하다.
상기 철광석 펠릿의 압궤 강도의 하한으로서는, 180㎏/P가 바람직하며, 190㎏/P가 보다 바람직하며, 200㎏/P가 더욱 바람직하다. 압궤 강도가 상기 하한 미만이면, 당해 철광석 펠릿(1)이 고로 내에서 분화(粉化)되기 쉬워져, 고로 조업이 곤란해질 우려가 있다.
상기 철광석 펠릿이 미분의 응집 구조를 갖는 것이 바람직하다. 이와 같이 미분의 응집 구조를 갖는 것에 의해, 기공 직경이 4㎛ 이상의 조대 개방 기공의 기공률을 향상시키면서, 압궤 강도를 높일 수 있다. 여기서, "응집 구조"란, 분산되어 있는 미분이 복수개 집합되어, 2차 입자를 형성하고 있는 상태를 말하며, 구체적으로는 5개 이상, 바람직하게, 10개 이상의 미분이 접촉하고 있는 상태를 말한다. 또한, "미분"이란, 동일 체적이 되는 진구(眞球)의 직경(입경)으로 0.5㎜ 미만의 입자를 나타내는 것으로 한다.
또한, 상기 철광석 펠릿을 대신하여, 혹은 상기 철광석 펠릿과 함께 탄재 내장 괴성광을 이용하여도 동일한 효과를 발휘한다.
제 1 층(10)에 있어서의 상기 환원철 성형체의 함유량의 상한으로서는, 30질량%이며, 25질량%가 보다 바람직하다. 환원철 성형체는 광석 원료(11)에 비해 크고, 개별 중량이 크기 때문에, 광석 원료(11)와 함께 고로(1)에 장입하면, 광석 원료(11)로 분리되어, 편석되기 쉽다. 환원철 성형체의 함유량을 상기 상한 이하로 하는 것에 의해, 이 분리 및 편석을 억제할 수 있어서, 광석 퇴적 경사각이 저위 안정된다. 이 때문에, 환원철 성형체가 제 1 층(10) 내에서 비교적 균일하게 존재하여, 상기 열풍을 고로(1)의 중심부까지 확실히 통기시킬 수 있게 된다. 따라서, 코크스(21)의 사용량을 저감할 수 있다. 또한, 환원철 성형체의 편석에 의한 제 1 층(10)의 불안정함을 회피할 수 있으므로, 용해 공정(S2)에서 하방으로부터 용해하여, 상층이 강하되어 갈 때에 층 붕괴가 발생하는 것을 억제할 수 있다. 또한, 광석 퇴적 경사각이란, 광석 퇴적층(제 1 층(10) 등)의 경사면의 수평으로부터의 각도를 말한다.
상기 환원철 성형체의 장입량의 하한으로서는, 선철 1톤당 100㎏이 바람직하고, 150㎏이 보다 바람직하다. 상기 환원철 성형체의 장입량이 상기 하한 미만이면, 용해 공정(S2)에서, 융착대(D)에서의 골재(12)의 통기성 확보 기능이 충분히 작용하지 않을 우려가 있다.
광석 원료(11)의 평균 입경에 대한 상기 환원철 성형체의 평균 입경의 비의 하한으로서는, 1.3이 바람직하며, 1.4가 보다 바람직하다. 상기 평균 입경의 비가 상기 하한 미만이면, 상기 환원철 성형체의 골재 효과가 발현하기 쉬워, 융착대(D)에서의 통기성이 저하할 우려가 있다.
상기 환원철 성형체의 텀블러 회전 시험후의 통기 저항 지수의 상한으로서는, 0.1이 바람직하고, 0.08이 보다 바람직하다. 상기 통기 저항 지수가 상기 상한을 초과하면, 괴상대(E)에서의 통기성이 저하할 우려가 있다.
상기 환원철 성형체의 염기도의 하한으로서는, 0.9가 바람직하며, 1.0이 보다 바람직하다. 상기 환원철 성형체의 염기도가 상기 하한 미만이면, 상기 환원철 성형체의 수축 개시 온도가 저온화하므로, 융착대(D)에서의 제 1 층(10)의 수축이 발생하기 쉬워져, 통기성이 저하할 우려가 있다.
상기 환원철 성형체는 산화 알루미늄을 포함하여도 좋다. 상기 환원철 성형체가 산화 알루미늄을 포함하는 경우, 상기 환원철 성형체 내의 상기 산화 알루미늄의 함유량의 상한으로서는, 1.5질량%가 바람직하며, 1.3질량%가 보다 바람직하다. 상기 산화 알루미늄의 함유량이 상기 상한을 초과하면, 슬래그 융점의 고온화나 점도의 증가에 의해 노 하부에서의 통기성이 저하할 우려가 있다.
(제 2 층)
제 2 층(20)은 제 1 실시형태의 제 2 층(20)과 동일하게 구성되므로, 상세 설명을 생략한다.
(적층 방법)
제 1 층(10) 및 제 2 층(20)을 교대로 적층하는 방법으로서는, 제 1 실시형태로 설명한 방법과 동일한 방법을 이용할 수 있으므로, 상세 설명을 생략한다.
<중심부 장입 공정>
중심부 장입 공정(S3)에서는, 고로(1)의 중심부에 코크스(31) 및 환원철 성형체(32)의 혼합물을 장입한다. 이 혼합물의 장입에 의해, 도 5에 도시하는 바와 같이 중심층(30)이 형성된다.
(중심층)
상기 혼합물에 있어서의 환원철 성형체(32) 중, 입경 5㎜ 이상의 환원철 성형체가 차지하는 비율이 90질량% 이상인 것이 바람직하며, 95질량% 이상인 것이 보다 바람직하다. 용해 공정(S2)에서 트위어(1a)로부터 취입되는 열풍은, 고로(1)의 중심부까지 도달하면, 중심층(30)을 승온한다. 중심층(30)에 입경 5㎜ 이상의 환원철 성형체를 상기 하한 이상 포함하는 것에 의해, 상기 열풍의 흐름을 방해하는 일이 없이, 고온 가스의 현열을 회수할 수 있다. 또한, 입경이 작은 환원철 성형체(32)는 재산화되기 쉽다. 재산화된 환원철 성형체(32)는 재환원할 필요가 생기기 때문에, 고온인 것이 바람직한 고로(1)의 중심부의 온도를 낮추게 된다. 또한, 재산화된 환원철 성형체(32)는 중심층(30)이나 노심(B)의 코크스와 반응하여, 코크스를 열화시켜 버린다. 이상으로부터, 재산화되기 어려운 입경 5㎜ 이상의 환원철 성형체를 상기 하한 이상 포함하는 것에 의해, 현열을 효과적으로 이용할 수 있다. 따라서, 코크스(21)의 사용량을 더욱 저감할 수 있다. 또한, 환원철 성형체(32)의 입경의 상한은, 특별히 한정되지 않지만, 예를 들면, 100㎜로 할 수 있다.
상기 혼합물에 있어서의 환원철 성형체(32)의 함유량으로서는, 코크스(31)의 사용량 삭감의 관점에서 클수록 좋지만, 상기 함유량의 상한으로서는, 75질량%가 바람직하며, 70질량%가 보다 바람직하다. 상기 함유량이 상기 상한을 초과하면, 중심층(30)의 통기성이 저하할 우려가 있다.
(적층 방법)
중심층(30)의 적층은 여러 가지의 방법을 이용할 수 있지만, 예를 들면, 제 1 층(10) 및 제 2 층(20)과 마찬가지로 벨·아머 방식의 원료 장입 장치(2)를 이용하여 실행할 수 있다. 구체적으로는, 제 1 층(10) 및 제 2 층(20)을 적층하는 동안, 즉, 제 1 층(10)을 적층한 후에, 다음의 제 2 층(20)을 적층하기 전, 및 제 2 층(20)을 적층한 후에, 다음의 제 1 층(10)을 적층하기 전에, 원료 장입 장치(2)를 이용하여 고로(1)의 중심부에 중심층(30)의 일부(직후에 적층하는 제 2 층(20) 또는 제 1 층(10)의 두께에 상당하는 두께 만큼)를 적층하면 좋다. 즉, 적층 공정(S1)과 중심부 장입 공정(S3)은 동시에 진행한다.
<용해 공정>
용해 공정(S2)은 제 1 실시형태의 용해 공정(S2)과 동일하게 할 수 있으므로, 상세 설명을 생략한다.
<이점>
당해 선철 제조 방법에서는, 제 1 층(10)에 있어서의 환원철 성형체의 함유량을 30질량% 이하로 하므로, 환원철 성형체가 고로 주변부에 노 분리 및 편석을 억제할 수 있다. 이 때문에, 환원철 성형체가 고로(1)의 중심부까지 비교적 균일하게 존재하므로, 융착대(D)에서 골재 효과를 발휘하여, 용해 공정(S2)의 열풍을 고로(1)의 중심부까지 확실히 통기시킬 수 있게 된다.
또한, 당해 선철 제조 방법에서는, 고로(1)의 중심부에 코크스(31) 및 환원철 성형체(32)의 혼합물을 장입하는 공정을 구비하고, 상기 혼합물에 있어서의 상기 환원철 성형체 중, 입경 5㎜ 이상의 환원철 성형체가 차지하는 비율이 90질량% 이상이며, 상기 혼합물에 있어서의 상기 환원철 성형체의 함유량을 75질량% 이하로 한다. 이와 같이 중심부에 입경이 큰 환원철 성형체를 상기 상한 이하의 함유량으로 포함하는 것에 의해, 상기 열풍의 흐름을 방해하는 일이 없이, 현열을 효과적으로 이용할 수 있다,
이상으로, 당해 선철 제조 방법에서는, 코크스의 사용량을 저감할 수 있다.
[제 3 실시형태]
도 6에 도시하는 선철 제조 방법은, 도 1에 도시하는 트위어(1a)를 갖는 고로(1)를 이용하여 선철을 제조하는 선철 제조 방법에 있어서, 고로(1) 내에 광석 원료(11)를 포함하는 제 1 층(10)과 코크스(21)를 포함하는 제 2 층(20)을 교대로 적층하는 공정(적층 공정(S1))과, 트위어(1a)로부터 송풍하는 열풍에 의해 보조 연료를 고로(1) 내에 취입하면서, 적층된 제 1 층(10)의 광석 원료(11)를 환원 및 용해하는 공정(용해 공정(S2))을 구비하고, 상기 열풍을 고로(1)의 중심부까지 통기시키기 위한 골재(12)가 제 1 층(10)에 혼합되어 있으며, 골재(12)가, 환원철을 압축 성형한 환원철 성형체를 포함한다. 또한, 당해 선철 제조 방법은 미분쇄 공정(S4)을 구비한다.
<고로>
고로(1)는 제 1 실시형태의 고로(1)와 마찬가지이므로, 상세 설명을 생략한다.
<적층 공정>
적층 공정(S1)은 제 1 실시형태의 적층 공정(S1)과 마찬가지로 실행할 수 있으므로, 상세 설명을 생략한다.
<미분쇄 공정>
미분쇄 공정(S4)에서는, 환원철 성형체에 유래하는 분체 및 석탄을 미분쇄한다.
환원철 성형체는 반송 과정 등에 의해 일부가 파쇄되어 분체가 된다. 이 분체는 비표면적이 크기 때문에, 금속철로부터 산화철로 재산화한다. 재산화된 환원철의 분체는 고로(1) 내의 통기성도 저하시키기 때문에, 제 1 층(10)에 사용하는 것은 적당하지 않다. 미분쇄 공정(S4)에서는, 이와 같은 제 1 층(10)에 이용되지 않는 환원철 성형체를 이용한다.
미분쇄 공정(S4)에서 분쇄하는 환원철 성형체의 입경의 상한으로서는, 3㎜가 바람직하며, 1㎜가 보다 바람직하다. 상기 입경이 상기 상한을 초과하면, 재산화 정도가 작고, 금속화율이 높아지기 때문에, 조류 둥지형 통기 개선용 플럭스로서 충분히 기능하지 않을 우려가 있다.
미분쇄는 롤러 밀, 볼 밀 등을 이용하여 실행할 수 있다. 미분쇄 후의 환원철 성형체 및 석탄의 최대 입경으로서는, 500㎛ 이하로 하는 것이 바람직하며, 그 평균 입경으로서는 100㎛ 이하로 하는 것이 바람직하다.
<용해 공정>
용해 공정(S2)은 미분쇄 공정(S4)에서 얻어지는 미분체(41)를 보조 연료로서 포함하는 이외는, 제 1 실시형태의 용해 공정(S2)과 동일하다. 미분체(41)를 보조 연료로서 포함하는 점을 이하에 설명하고, 다른 설명은 생략한다.
도 7에 도시하는 바와 같이, 고로(1)에는, 트위어(1a)로 이어지는 통형상의 보조 연료 취입구(1c)가 마련되어 있으며, 미분체(41)는 이 보조 연료 취입구(1c)로부터 트위어(1a)에 취입된다. 미분체(41)는 미분쇄 공정(S4)에서 얻어지는 환원철 성형체(미분 환원철(41a))와 석탄(미분탄(41b))을 포함한다. 보조 연료 취입구(1c)는 보조 연료가 트위어(1a)로부터 취입되는 열풍(H)의 기류를 타고 미분체(41)가 레이스웨이(A)의 안쪽까지 취입되도록, 그 취출구가 열풍(H)의 하류측을 향하도록 마련되어 있다.
레이스웨이(A)는 상술한 바와 같이, 주위의 코크스(21)가 충전된 영역에 대해, 코크스(21)가 선회하여 현저하게 드문드문한 상태로 존재하는 공동 부분이다(도 7 참조). 취입된 보조 연료는 주로 레이스웨이(A)의 안쪽의 코크스(21)에 불어넣어진다. 그렇게 하면, 레이스웨이(A)의 안쪽에서 미분탄(41b)이 용융된 회분 유래의 산성 슬래그가 증가하여, 점도나 융점이 상승한 슬래그가 체류(강도)한 슬래그층인 조류 둥지형 슬래그(J)가 형성된다. 조류 둥지형 슬래그(J)가 성장하면, 고로(1)의 레이스웨이(A) 부근에서의 노 하부 통기성이 악화된다.
여기에서, 미분체(41)는 상술한 바와 같이 재산화한 환원철 성형체를 포함한다. 이 산화철을 포함하는 보조 연료를 트위어(1a)로부터 취입하면, 레이스웨이(A) 내에서 승온 용융되고, 그때까지 형성된 조류 둥지형 슬래그(J)와 동화 및 찌꺼기화되어, 적하 슬래그(13)로서 신속하게 적하된다. 그 결과, 조류 둥지형 슬래그(J)가 성장하기 어려워져, 통기성을 유지할 수 있다. 통기성이 유지되면, 열풍(H)을 고로(1)의 중심부까지 통기하기 쉬워지므로, 결과적으로, 코크스(21)의 사용량을 저감할 수 있다.
미분체(41)에 포함되는 환원철 성형체의 취입량의 하한으로서는, 선철 1톤당 3㎏이 바람직하며, 5㎏이 보다 바람직하다. 상기 취입량이 상기 하한 미만이면, 통기성 개선 효과가 불충분하게 될 우려가 있다.
<이점>
당해 선철 제조 방법에서는, 환원철 성형체에 유래하는 분체를 미분쇄하고, 트위어(1a)로부터 취입하는 보조 연료로서 이용하는 것에 의해, 환원철 성형체의 유효 이용을 도모할 수 있는 동시에, 고로(1) 내의 통기성을 개선할 수 있다.
[그 외의 실시형태]
또한, 본 발명은 상기 실시형태로 한정되는 것은 아니다.
상기 제 1 실시형태에서는, (1) 상기 환원철 성형체의 장입량이 선철 1톤당 100㎏ 이상이며, 상기 광석 원료의 평균 입경에 대한 상기 환원철 성형체의 평균 입경의 비가 1.3 이상이며, 또한, 상기 환원철 성형체의 텀블러 회전 시험후의 통기 저항 지수가 0.1 이하이며, (2) 상기 환원철 성형체의 염기도가 0.9 이상이며, (3) 상기 환원철 성형체가 산화 알루미늄을 포함하며, 상기 환원철 성형체 내의 상기 산화 알루미늄의 함유량이 1.5질량% 이하인 경우를 설명했지만, 상기 (1) 내지 (3)의 조건 모두가 필수인 것은 아니며, 3개의 상기 조건 중 2개만, 또는 1개만을 만족하는 선철 제조 방법도 본 발명이 의도하는 바이다. 3개의 상기 조건 중 어느 한쪽을 만족하는 것에 의해, 융착대의 통기성을 개선하고, 중심 가스류를 강화하는 것에 의해, 코크스의 사용량을 저감할 수 있다. 또한, 상기 조건 중, 조건 (3)을 포함하지 않는 경우에 있어서는, 상기 환원철 성형체가 산화 알루미늄을 포함하는 것은 필수는 아니다.
상기 제 2 실시형태에서는, 당해 선철 제조 방법이 중심부 장입 공정을 구비하는 경우를 설명했지만, 중심부 장입 공정은 필수의 공정은 아니며, 생략 가능하다. 중심부 장입 공정을 생략하여도, 코크스의 사용량을 저감할 수 있다.
또한, 상기 중심부 장입 공정은 제 1 실시형태의 선철 제조 방법으로 구비되어도 좋다.
상기 제 1 실시형태 및 상기 제 2 실시형태의 적층 공정과, 상기 제 2 실시형태의 중심부 장입 공정에 있어서, 적층 방법 혹은 장입 방법으로서, 벨·아머 방식을 이용하는 경우를 설명했지만, 다른 방식을 이용할 수도 있다. 이와 같은 다른 방식으로서는 벨리스(bell-less) 방식을 예로 들 수 있다. 벨리스 방식으로는, 선회 슈트를 이용하여, 그 각도를 조정하면서 적층 혹은 장입을 실행할 수 있다.
또한, 상기 제 2 실시형태에 있어서, 제 1 층 및 제 2 층의 적층과, 중심층의 장입을 따로 실행하는 경우를 설명했지만, 상기 적층과 상기 장입은 동일한 장치로 한번에 실행할 수도 있다. 예를 들면, 상술의 벨리스 방식으로는, 선회 슈트의 각도를 조정하면서, 제 1 층 또는 제 2 층을 적층하면서, 그 슈트로 중심부로의 장입도 실행할 수 있다.
상기 제 3 실시형태에서는, 제 1 실시형태에 대해 미분쇄 공정을 부가하는 구성을 설명했지만, 제 2 실시형태에 대해 미분쇄 공정을 부가하는 구성으로 할 수도 있다.
실시예
이하, 실시예에 의해 본 발명을 더욱 상세하게 설명하지만, 본 발명은 이들의 실시예로 한정되는 것은 아니다.
[입경비]
광석 원료의 평균 입경에 대한 환원철 성형체의 평균 입경의 비(이하, "HBI 입경비"라고도 함)가 통기성에 미치는 영향에 대해, 고로 주변부를 모의한 대형 하중 환원 실험을 실행하여, 조사했다.
도 8에 이 실험에 이용한 대형 하중 환원 실험로(7)를 도시한다. 시료를 충전하는 흑연감과(71)의 내경은 φ75㎜로 했다. 시료 충전층(72)은 위로부터 상부 코크스층(72a)(높이 20㎜), 광석층(72b)(높이 110㎜) 및 하부 코크스층(72c)(높이 40㎜)에 의해 구성했다. 광석층(72b)이 본 발명의 제 1 층(10)에 상당하며, 상부 코크스층(72a) 및 하부 코크스층(72c)이 제 2 층(20)에 상당한다.
광석층(72b)은 환원철 성형체(HBI)와, 소결광(입경 11.2㎜ 내지 13.2㎜)과, 철광석 펠릿(입경 8.0㎜ 내지 11.2㎜)과, 괴광석(입경 11.2㎜ 내지 13.2㎜)의 혼합물로 했다. 광석층(72b)은 전체 철분(T. Fe)을 일정하게 했다. 또한, HBI의 입경을 변화시키는 것에 의해, 광석 원료의 평균 입경에 대한 HBI의 평균 입경의 비를 변화시켰다. 구체적으로는, HBI로서 (1) 입경 8.0㎜ 내지 11.2㎜, (2) 입경 11.2㎜ 내지 13.2㎜, (3) 입경 13.2㎜ 내지 16.0㎜의 3가지 방법의 것을 준비했다. 이용한 HBI의 화학 성질과 상태를 표 1에 나타낸다. 또한, HBI의 장입량은 선철 1톤당 400㎏으로 했다.
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이 시료 충전층(72)에 대해, 전기로(73)를 이용하여 도 9에 도시하는 온도 프로파일로 가열하면서, 도 10에 도시하는 조성의 가스(환원 가스)를 공급했다. 상기 가스는, 대형 하중 환원 실험로(7)의 하부에 마련되어 있는 가스 공급관(74)으로부터 공급하고, 상부에 마련되어 있는 가스 배출관(75)으로부터 배출했다. 상기 가스의 총 공급량은 40NL/min이며, 온도 관리는 2개의 열전쌍(76)에 의해 실행됐다. 또한, 시료 충전층(72)에 가해지는 하중은 1㎏f/㎠로 했다. 이 하중은 하중봉(77)을 거쳐서 추(78)의 무게를 가하는 것에 의해 부가했다.
상술의 조건으로 시료 충전층(72)의 압손을 연속 측정하고, 그 최대값(최대 압손)을 기록했다. 이 최대 압손이 클수록 통기성이 낮다고 판단할 수 있다. 결과를 도 11에 나타낸다.
도 11의 결과로부터, HBI 입경비를 1.3 이상으로 하는 것에 의해, 골재 효과(광석 원료층이 연화 수축시에, M. Fe가 주체로 고융점의 HBI가 연화되지 않고 골재로서 기능하여, 층 수축을 억제한다. 그 결과, HBI의 주위에 공극이 생성되고, 그 공극을 가스가 흐르는 효과)가 발현하기 쉬운 것을 알 수 있다.
[장입량]
HBI의 선철 1톤당의 장입량이 통기성에 미치는 영향에 대해, 고로 주변부를 모의한 대형 하중 환원 실험을 실행하여 조사했다.
상술의 입경비의 실시예에 있어서, HBI의 입경을 13.2㎜ 내지 16.0㎜(HBI 입경비=1.6)로 고정하고, HBI의 선철 1톤당의 장입량을 변화시키고, 동일한 실험을 실행했다. 결과를 도 12에 도시한다.
도 12의 결과로부터, HBI의 선철 1톤당의 장입량을 100㎏ 이상으로 하는 것에 의해 골재 효과가 발현하기 쉬운 것을 알 수 있다.
[염기도]
HBI의 염기도가 통기성에 미치는 영향에 대해, 고로 주변부를 모의한 대형 하중 환원 실험을 실행하여, 조사했다.
HBI로서, 이하의 함유량으로 T. Fe 및 Al2O3를 함유하는 2종류의 것을 준비했다.
case (1): T. Fe=74.2질량% 내지 80.4질량%, 및
Al2O3=1.99질량% 내지 2.20질량%
case (2): T. Fe=89.9질량% 내지 91.7질량%, 및
Al2O3=0.66질량% 내지 1.31질량%
2종류의 상기 HBI에 대해, HBI의 입경을 13.2㎜ 내지 16.0㎜(HBI 입경비=1.6), HBI의 선철 1톤당의 장입량을 250㎏으로 하고, 염기도를 변화시켜 최대 압손을 측정했다. 염기도의 조정은 석회석 등의 부원료의 양과 철광석의 종목 변경에 의해 실행했다. 또한, 다른 조건은 상술의 입경비의 실시예와 동일하게 했다. 결과를 도 13에 도시한다.
도 13의 결과로부터, HBI의 종류에 의하지 않고 염기도를 0.9 이상으로 하는 것에 의해, 골재 효과가 발현하기 쉬운 것을 알 수 있다. 또한, 동일 염기도로 비교하면, T. Fe가 높고(슬래그분이 낮고), Al2O3 함유량이 적은 case (2)가 최대 압손은 낮아진다.
[산화 알루미늄의 함유량]
HBI가 포함되는 산화 알루미늄의 함유량이 통기성에 미치는 영향에 대해, 고로 주변부를 모의한 대형 하중 환원 실험을 실행하여, 조사했다.
HBI로서, T. Fe=87.6질량% 내지 92.0질량%, 염기도=0.04 내지 0.56의 성질과 상태를 가지며, Al2O3의 함유량이 상이한 것을 준비했다. 또한, 도 13의 그래프에서, 상기 T. Fe의 함유량에 있어서, 염기도 0.56 이하의 범위에서는, 최대 압손은 염기도의 영향을 받기 어렵다고 고려할 수 있다.
상기 HBI를 이용한 이외는, 상술의 입경비의 실시예와 동일한 조건으로 최대 압손을 측정했다. 결과를 도 14에 도시한다.
도 14의 결과로부터, Al2O3의 함유량을 1.5질량% 이하로 하는 것에 의해, 골재 효과가 발현하기 쉬운 것을 알 수 있다. Al2O3의 함유량을 1.5질량% 초과로 하면, 슬래그 융점의 고온화나 슬래그 점도의 증가에 의해, 선재(銑滓) 분리성·슬래그 적하성이 악화되어, 최대 압손이 상승했다고 고려할 수 있다.
[함유량]
제 1 층(10)에 있어서의 HBI의 함유량이 통기성에 미치는 영향에 대해, 벨·아머 방식의 원료 장입 장치를 모의한 고로 장입물 분포 실험을 실행하여, 조사했다.
도 15에 이 실험에 이용한 고로 장입물 분포 실험 장치(8)를 도시한다. 도 15에 도시하는 고로 장입물 분포 실험 장치(8)는 스케일 1/10.7로 벨·아머 방식의 원료 장입 장치를 모의한 2차원 슬라이스 냉간 모형이다. 고로 장입물 분포 실험 장치(8)의 크기는 높이 1450㎜(도 15의 L1의 길이), 폭 580㎜(도 15의 L2의 길이), 깊이 100㎜(도 15에서 지면에 수직방향의 길이)이다.
고로 장입물 분포 실험 장치(8)의 각 구성 요소는, 도 2의 벨·아머 방식의 원료 장입 장치(2)의 대응하는 동일 기능의 구성 요소와 동일 번호를 부여했다. 기능은 동일하므로, 상세 설명은 생략한다. 또한, 고로 장입물 분포 실험 장치(8)는 도 15에 도시하는 바와 같이, 중심 장입을 본뜬 코크스를 장입하기 위한 중심 장입 슈트(8a)를 갖는다.
이 고로 장입물 분포 실험 장치(8)에 하지가 되는 코크스층(81), 중심 장입코크스층(82) 및 광석층(83)을 순서대로 장입한 후, 광석층인 실험층(84)을 장입하고, 광석 퇴적 경사각(θ)을 측정했다. HBI는 소성광(소결광 및 철광석 펠릿)이나 괴광석에 비해 금속화율이 높고(산화물의 비율이 낮고), 기공률도 낮기 때문에, 겉보기 밀도가 크다. 또한, 사이즈도 크고 1입자당의 질량도 크다. 따라서, HBI를 소성광이나 괴광석과 함께 고로에 장입하면 분리 및 편석을 일으키기 쉽다. 분리 및 편석이 생겨 주변부에 국소 편석되면, 가스 흐름이 주변 유화하여, 설비 손모나 열손실 증가에 의한 환원재비(還元材比) 증가의 우려가 있다.
실험층(84)의 장입에 이용한 원료는, 소결광 및 괴광석을 모의한 소결광(입경 2.8㎜ 내지 4.0㎜), 철광석 펠릿을 모의한 알루미나 볼(φ2㎜), 괴코크스를 모의한 코크스(입경 8.0㎜ 내지 9.5㎜), HBI를 모의한 철판(20㎜×7㎜×4㎜, 10㎜×7㎜×4㎜)이다. 원료는 2/11.2 축척으로 했다.
소결광과 알루미나 볼의 비율(소결광/알루미나 볼)로서, 70/30, 40/60, 0/100의 3종류를 준비하고, 각각에 대해, HBI의 함유량을 변화시키면서, 광석 퇴적 경사각(θ)을 측정했다. HBI를 모의한 철판의 크기가 20㎜×7㎜×4㎜인 경우의 결과를 도 16에, 10㎜×7㎜×4㎜인 경우의 결과를 도 17에 도시한다.
도 16 및 도 17의 결과로부터, HBI를 모의한 철판의 크기에 의하지 않고 HBI의 함유량이 30질량% 이하로 하는 것에 의해, 광석 퇴적 경사각(θ)은 비교적 저위에서 안정되는 것을 알 수 있다. 한편, HBI의 함유량이 40질량%를 초과하면, 광석 퇴적 경사각(θ)이 증대되어 있으며, HBI의 실험층(84)의 상부로의 편석이 현저하게 된다.
[철광석 펠릿의 개방 기공률]
광석 원료로서 포함되는 철광석 펠릿의 개방 기공률이 환원성에 미치는 영향에 대해, 고로 주변부를 모의한 대형 하중 환원 실험을 실행하고, 조사했다.
도 8에 도시하는 대형 하중 환원 실험로(7)를 이용했다. 시료를 충전하는 흑연감과(71)의 내경은 φ85㎜로 했다. 시료 충전층(72)은 위로부터 상부 코크스층(72a)(높이 20㎜), 광석층(72b)(높이 150㎜) 및 하부 코크스층(72c)(높이 40㎜)에 의해 구성했다. 광석층(72b)은 소결광(입경 16㎜ 내지 19㎜), 상기 철광석 펠릿(입경 11.2㎜ 내지 13.2㎜) 및 HBI를 모의한 철 블록(30㎟ 입방체×2개)의 혼합물로 했다.
이 시료 충전층(72)에 대해, 전기로(73)를 이용하여 도 18에 도시하는 온도 프로파일로 가열하면서, 도 19에 도시하는 조성의 가스(환원 가스)를 공급했다. 상기 가스는 대형 하중 환원 실험로(7)의 하부에 마련되어 있는 가스 공급관(74)으로부터 공급하고, 상부에 마련되어 있는 가스 배출관(75)으로부터 배출했다. 상기 가스의 총 공급량은 시료 온도 200℃까지는 58.4NL/min, 시료 온도 200℃ 내지 1250℃까지는 50.4NL/min이며, 온도 관리는 2개의 열전쌍(76)에 의해 실행했다. 또한, 시료 충전층(72)에 가해지는 하중은 1㎏f/㎠로 했다. 이 하중은 하중봉(77)을 거쳐서 추(78)의 무게를 더하는 것에 의해 부가했다.
상술의 조건으로 시료 충전층(72)의 온도가 1250℃가 된 시점에서 승온을 종료하는 동시에 가스의 공급을 정지하고, 시료 충전층(72)의 환원전 중량과 환원후 중량의 차분으로부터 환원율을 산출했다.
개방 기공률이 상이한 3개의 철광석 펠릿을 이용하여, 환원율의 측정을 실행했다. 측정은 개방 기공률이 가장 낮은 철광석 펠릿만 2회 실행하고, 다른 2개의 철광석 펠릿에 대해서는 1회 실행했다. 결과를 도 20에 나타낸다. 도 20의 그래프에서는, 2회의 측정을 실행한 것에 대해서는, 그 결과를 바로, 그 평균값을 도트로 나타내고 있다. 도 20의 결과로부터, 기공 직경이 4㎛ 이상의 조대 개방 기공의 기공률이 21%인 철광석 펠릿을 이용하는 것에 의해, 환원성이 높아지는 것을 알 수 있다.
[중심층의 HBI 함유량]
중심층이 통기성에 미치는 영향에 대해, 고로 중심부를 모의한 대형 하중 환원 실험을 실행하고, 조사했다.
도 8의 대형 하중 환원 실험로(7)에 있어서, 표 1에 나타내는 화학 성질과 상태를 갖는 HBI(입경 11.2㎜ 내지 13.2㎜)와 코크스(입경 10.0㎜ 내지 13.2㎜)의 혼합층(높이 150㎜)에 의해 시료 충전층(72)을 구성하고, HBI의 함유량을 변화시켜 최대 압손을 측정했다. 또한, 승온 속도는 5℃／min으로 일정하게 하고, 가스의 조성은 CO/N2=50/50 체적%, 상기 가스의 총 공급량은 40NL/min으로 했다. 다른 조건은 상술의 입경비의 실시예와 동일하게 했다. 결과를 도 21에 나타낸다.
도 21의 결과로부터, 중심층에서의 HBI의 함유량을 75질량% 이하로 하는 것에 의해 통기성이 악화되지 않은 것을 알 수 있다. 한편, 중심층에서의 HBI의 함유량이 75질량%를 초과하면, 최대 압손이 상승하여 통기성이 악화된다.
[미분체의 보조 연료로의 첨가]
환원철 성형체에 유래하는 분체를 석탄과 함께 미분쇄한 미분체를 보조 연료에 포함하는 효과를 시뮬레이션에 의해 검증했다.
상기 시뮬레이션에 있어서, 환원철 성형체에 유래하는 분체의 평균 입경은 50㎛, 미분체에 포함되는 미분탄의 취입량을 선철 1톤당 226㎏으로 고정했다. 이 조건을 기초로 하여, 미분쇄한 HBI의 취입량을 변화시켜, 미분체의 용해율의 계산, 슬래그 점도의 산출, 적하선 속도의 계산, 홀드 업 량의 계산을 공지의 방법에 의해 실행하고, 이들 결과로부터 압손 변화량을 산출했다.
도 22의 결과로부터, 소량이어도 미분쇄한 HBI를 포함하는 것에 의해, 노 하부 압손이 저감하는 것을 알 수 있다. 또한, 미분체에 포함되는 HBI의 취입량을 선철 1톤당 3㎏ 이상으로 하는 것에 의해, 통기성의 개선이 현저하게 되는 것을 알 수 있다.
본 발명의 선철 제조 방법은 고로의 안정 조업을 유지하면서 코크스의 사용량을 저감할 수 있다.
1: 고로 1a: 트위어
1b: 출선구 1c: 보조 연료 취입구
2: 원료 장입 장치 2a: 벨 컵
2b: 하부 벨 2c: 아머
10: 제 1 층 11: 광석 원료
12: 골재 13: 적하 슬래그
20: 제 2 층 21: 코크스
30: 중심층 31: 코크스
32: 환원철 성형체 41: 미분체
41a: 미분 환원철 41b: 미분탄
7: 대형 하중 환원 실험로 71: 흑연감과
72: 시료 충전층 72a: 상부 코크스층
72b: 광석층 72c: 하부 코크스층
73: 전기로 74: 가스 공급관
75: 가스 배출관 76: 열전쌍
77: 하중봉 78: 추
8: 고로 장입물 분포 실험 장치 8a: 중심 장입 슈트
81: 코크스층 82: 중심 코크스층
83: 광석층 84: 실험층
A: 레이스웨이 B: 노심
C: 적하대 D: 융착대
E: 괴상대 F: 용선
G: 용융 슬래그 H: 열풍
J: 조류 둥지형 슬래그

Claims (8)

  1. 트위어(tuyere)를 갖는 고로를 이용하여 선철을 제조하는 선철 제조 방법에 있어서,
    상기 고로 내에 광석 원료를 포함하는 제 1 층과 코크스를 포함하는 제 2 층을 교대로 적층하는 공정과,
    상기 트위어로부터 송풍하는 열풍에 의해 보조 연료를 고로 내에 취입하면서, 적층된 상기 제 1 층의 상기 광석 원료를 환원 및 용해하는 공정을 구비하고,
    상기 열풍을 상기 고로의 중심부까지 통기시키기 위한 골재가 상기 제 1 층에 혼합되어 있으며,
    상기 골재가 환원철을 압축 성형한 환원철 성형체를 포함하는
    선철 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 환원철 성형체의 장입량이 선철 1톤당 100㎏ 이상이며,
    상기 광석 원료의 평균 입경에 대한 상기 환원철 성형체의 평균 입경의 비가 1.3 이상이며,
    상기 환원철 성형체의 텀블러 회전 시험후의 통기 저항 지수가 0.1 이하인
    선철 제조 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 환원철 성형체의 염기도가 0.9 이상인
    선철 제조 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 환원철 성형체가 산화 알루미늄을 포함하며,
    상기 환원철 성형체 내의 상기 산화 알루미늄의 함유량이 1.5질량% 이하인
    선철 제조 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 층에 있어서의 상기 환원철 성형체의 함유량이 30질량% 이하인
    선철 제조 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 광석 원료가, 기공 직경이 4㎛ 이상의 조대 개방 기공(粗大開氣孔)의 기공률이 21% 이상인 철광석 펠릿을 포함하는
    선철 제조 방법.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 고로의 중심부에 코크스 및 환원철 성형체의 혼합물을 장입하는 공정을 구비하고,
    상기 혼합물에 있어서의 상기 환원철 성형체 중 입경 5㎜ 이상의 환원철 성형체가 차지하는 비율이 90질량% 이상이며,
    상기 혼합물에 있어서의 상기 환원철 성형체의 함유량이 75질량% 이하인
    선철 제조 방법.
  8. 제 5 항에 있어서,
    환원철 성형체에 유래하는 분체 및 석탄을 미분쇄하는 공정을 구비하고,
    상기 보조 연료로서 상기 미분쇄 공정으로 얻어지는 미분체를 포함하는
    선철 제조 방법.
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