KR20230136640A - 선철 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 태양에 따른 선철 제조 방법은, 풍구를 갖는 고로를 이용하여 선철을 제조하는 선철 제조 방법으로서, 상기 고로 내에 광석 원료를 포함하는 제1층과 코크스를 포함하는 제2층을 교대로 적층하는 공정과, 상기 풍구로부터 송풍하는 열풍에 의해 보조 연료를 상기 고로 내에 취입하면서, 적층된 상기 제1층의 상기 광석 원료를 환원 및 용해하는 공정을 구비하고, 환원철을 압축 성형한 환원철 성형체를 포함하는 골재가 상기 제1층에 혼합되어 있고, 상기 광석 원료가 철광석 펠릿을 주원료로 하고, 상기 환원철 성형체의 평균 염기도가 0.5 이하이며, 상기 광석 원료의 평균 염기도가 0.9 이상이다.
Description
본 발명은, 선철 제조 방법에 관한 것이다.
고로 내에 광석 원료를 포함하는 제1층과 코크스를 포함하는 제2층을 교대로 적층하고, 풍구(tuyere)로부터 송풍하는 열풍에 의해 보조 연료를 고로 내에 취입하면서, 상기 광석 원료를 환원하고, 용해함으로써 선철을 제조하는 방법이 공지이다. 이때, 상기 코크스는, 광석 원료의 용해를 위한 열원, 광석 원료의 환원재, 용철에 침탄하여 융점을 저하시키기 위한 가탄재, 및 고로 내의 통기성을 확보하기 위한 스페이서의 역할을 하고 있다. 이 코크스에 의해 통기성을 유지함으로써, 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, 전술한 코크스가 하는 역할도 저하된다. 예를 들면 코크스의 비율을 저감, 즉 광석 원료의 비율을 증가시키는 방법으로서, 고로 주변부에 소립경의 환원철을 한정 장입하는 고로 조업 방법이 제안되어 있다(일본 특허공개 평11-315308호 공보 참조). 상기 고로 조업 방법에서는, 환원의 필요가 없는 환원철을 노의 주변부에만 장입함으로써, 노의 중심 부분에서의 코크스의 열원, 환원재, 가탄재 및 스페이서로서의 역할을 유지시키면서, 원료의 충전율을 높일 수 있다고 여겨지고 있다.
요즘의 CO2 배출량 삭감의 요구로부터, 고로 조업에 있어서 코크스의 사용량의 추가적인 삭감이 요구되고 있다. 상기 종래의 고로 조업 방법에 있어서, 코크스가 갖는 역할 중, 열원, 환원재 및 가탄재에 대해서는 풍구로부터 취입하는 보조 연료에 의해 대체 가능하다. 한편, 스페이서의 역할은 코크스에 의해서만 담당되고 있다. 상기 종래의 고로 조업 방법에서는, 환원철의 장입 위치가 노의 주변부에만 한정되어 있다. 또한, 코크스의 사용량은, 환원철의 장입에 의해 상대적으로 감소하는 것에 그친다. 따라서, 상기 종래의 고로 조업 방법에서는, 코크스의 사용량의 삭감에는 한계가 있어, 요즘의 CO2 삭감의 요구에 충분히 응하는 것이라고는 말할 수 없다.
본 발명은, 전술한 바와 같은 사정에 기초하여 이루어진 것으로, 고로의 안정 조업을 유지하면서 코크스의 사용량을 저감할 수 있는 선철 제조 방법의 제공을 목적으로 한다.
본 발명의 일 태양에 따른 선철 제조 방법은, 풍구를 갖는 고로를 이용하여 선철을 제조하는 선철 제조 방법으로서, 상기 고로 내에 광석 원료를 포함하는 제1층과 코크스를 포함하는 제2층을 교대로 적층하는 공정과, 상기 풍구로부터 송풍하는 열풍에 의해 보조 연료를 상기 고로 내에 취입하면서, 적층된 상기 제1층의 상기 광석 원료를 환원 및 용해하는 공정을 구비하고, 환원철을 압축 성형한 환원철 성형체를 포함하는 골재가 상기 제1층에 혼합되어 있고, 상기 광석 원료가 철광석 펠릿을 주원료로 하고, 상기 환원철 성형체의 평균 염기도가 0.5 이하이며, 상기 철광석 펠릿의 평균 염기도가 0.9 이상이다.
당해 선철 제조 방법에서는, 광석 원료를 포함하는 제1층이, 골재로서 환원철을 압축 성형한 환원철 성형체를 포함한다. 이 환원철 성형체에 의해, 용해하는 공정에서 제1층의 연화 융착 시에 열풍이 통과하기 쉬워지기 때문에, 당해 선철 제조 방법에서는, 통기성을 확보하기 위한 코크스의 양이 적어도 된다. 또한, 당해 선철 제조 방법에서는, 평균 염기도가 0.5 이하인 환원철 성형체를 이용하므로, 비교적 염가로 환원철 성형체를 입수할 수 있다. 또, 당해 선철 제조 방법에서는, 평균 염기도가 0.9 이상인 철광석 펠릿을 주원료로서 이용함으로써, 염기도가 낮은 환원철 성형체가 용해되었을 때의 점성의 증대를 억제하여, 용락을 촉진한다. 이에 의해 주로 융착대의 통기성이 개선되어, 코크스의 사용량을 더 저감할 수 있다. 따라서, 당해 선철 제조 방법을 이용함으로써 고로의 안정 조업을 유지하면서 코크스의 사용량을 저감할 수 있다.
상기 광석 원료에 있어서의 상기 철광석 펠릿의 함유량으로서는, 50질량% 이상이 바람직하다. 이와 같이 상기 철광석 펠릿의 함유량을 상기 하한 이상으로 함으로써, 통기성을 더 개선할 수 있다.
상기 철광석 펠릿이 자용성(自溶性)이면 된다. 이와 같이 상기 철광석 펠릿을 자용성으로 함으로써, 환원철 성형체의 용락이 촉진되어, 통기성을 더 개선할 수 있다.
상기 환원철 성형체의 원단위에 대한 상기 철광석 펠릿의 원단위의 비율 R이, 하기 식 1을 만족시키면 된다. 이와 같이 상기 환원철 성형체의 원단위에 대한 상기 철광석 펠릿의 원단위의 비율 R이 하기 식 1을 만족시킴으로써, 환원철 성형체의 용락에 의한 통기성 개선 효과를, 보다 확실히 발현시킬 수 있다.
[수학식 1]
상기 식 1에 있어서, (C/S)는 평균 염기도, (%SiO2)는 SiO2의 함유량[질량%]을 나타낸다. 또한, 첨자의 HBI는 환원철 성형체, P는 철광석 펠릿을 가리킨다. 한편, (C/S)critical은, HBI의 임계 염기도를 나타낸다.
여기에서, 「주원료」란, 질량 환산으로 가장 함유량이 큰 원료를 말한다. 「염기도」란, SiO2의 질량에 대한 CaO의 질량의 비율을 가리킨다. 한편, 「평균 염기도」란, 대상으로 하는 물질이 복수의 입상물로 구성되어 있는 경우에 있어서는, 그 복수의 입상물의 SiO2의 총질량에 대한 CaO의 총질량의 비율을 의미한다.
「임계 염기도」란, 도 3에 나타내는 바와 같이, HBI의 평균 염기도를 파라미터로 해서, 시료 충전층의 압손을 연속 측정하고, 그 최대값(최대 압손)을 플롯했을 때, 최대 압손이 저하되기 시작하는 평균 염기도를 가리킨다. 한편, 상기 시료 충전층은, 예를 들면 도 5에 나타내는 바와 같이, 시료를 충전하는 흑연 감과(71)의 내경이 φ75mm인 대형 하중 환원 실험로(7)를 이용하여, 위로부터 상부 코크스층(72a)(높이 20mm), 광석층(72b)(높이 110mm) 및 하부 코크스층(72c)(높이 40mm)에 의해 구성할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 선철 제조 방법을 이용함으로써 고로의 안정 조업을 유지하면서 코크스의 사용량을 저감할 수 있다.
도 1은, 본 발명의 일 실시형태에 따른 선철 제조 방법을 나타내는 플로도이다.
도 2는, 도 1의 선철 제조 방법에서 사용하는 고로 내부를 나타내는 모식도이다.
도 3은, 환원철 성형체의 평균 염기도와 최대 압손의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 4는, 도 2의 융착대로부터 적하대 부근의 모식적 부분 확대도이다.
도 5는, 실시예에서 이용한 대형 하중 환원 실험로의 구성을 나타내는 모식적 단면도이다.
도 6은, 실시예에서의 시료 충전층을 가열하는 온도 프로파일을 나타내는 그래프이다.
도 7은, 실시예에서의 시료 충전층의 온도와 공급하는 가스 유량의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 8은, 실시예의 결과를 나타내는 그래프이다.
도 2는, 도 1의 선철 제조 방법에서 사용하는 고로 내부를 나타내는 모식도이다.
도 3은, 환원철 성형체의 평균 염기도와 최대 압손의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 4는, 도 2의 융착대로부터 적하대 부근의 모식적 부분 확대도이다.
도 5는, 실시예에서 이용한 대형 하중 환원 실험로의 구성을 나타내는 모식적 단면도이다.
도 6은, 실시예에서의 시료 충전층을 가열하는 온도 프로파일을 나타내는 그래프이다.
도 7은, 실시예에서의 시료 충전층의 온도와 공급하는 가스 유량의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 8은, 실시예의 결과를 나타내는 그래프이다.
이하, 본 발명의 각 실시형태에 따른 선철 제조 방법에 대하여 설명한다.
도 1에 나타내는 선철 제조 방법은, 도 2에 나타내는 고로(1)를 이용하여 선철을 제조하는 선철 제조 방법으로서, 적층 공정(S1)과, 환원 용해 공정(S2)을 구비한다.
<고로>
고로(1)는, 도 2에 나타내는 바와 같이, 노 하부에 마련된 풍구(1a)와, 출선구(1b)를 갖는다. 풍구(1a)는 통상 복수 마련된다. 고로(1)는, 고기향류형(固氣向流型)의 샤프트 노이고, 고온의 공기에, 필요에 따라서 고온 또는 상온의 산소를 가한 열풍을 풍구(1a)로부터 노 내에 취입하고, 후술하는 광석 원료(11)의 환원 및 용융 등의 일련의 반응을 행하여, 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 나타내는 바와 같이, 고로(1) 내에 제1층(10)과 제2층(20)을 교대로 적층한다. 즉, 제1층(10) 및 제2층(20)의 층수는, 각각 2 이상이다.
(제1층)
제1층(10)은, 광석 원료(11)를 포함한다. 또한, 제1층(10)에는, 골재(12)가 혼합되어 있다. 제1층(10)에는, 광석 원료(11) 및 골재(12)에 더하여, 석회석, 돌로마이트, 규석 등의 부원료를 함께 장입해도 된다.
광석 원료(11)는, 철 원료가 되는 광석류를 가리킨다. 광석 원료(11)는, 환원 용해 공정(S2)에서 풍구(1a)로부터 취입되는 열풍에 의해 승온 환원되어 용선이 된다. 당해 선철 제조 방법에서는, 철광석 펠릿을 주원료로 한다. 「철광석 펠릿」이란, 수십 μm의 철광석 미분을 원료로 하여, 고로용으로 적합한 성상(예를 들면 사이즈, 강도, 피환원성 등)으로, 품질을 향상시켜 만들어 넣은 것이다. 한편, 당해 선철 제조 방법에 있어서, 철광석 펠릿은 소결광의 미분을 포함하지 않는 것이 바람직하다.
상기 철광석 펠릿의 평균 염기도의 하한으로서는, 0.9이며, 염기성인 1.0이 보다 바람직하고, 1.4가 더 바람직하다. 상기 철광석 펠릿의 염기도가 상기 하한 미만이면, 환원철 성형체의 용락을 촉진하기 어려워져, 통기성이 저하될 우려가 있다. 상기 철광석 펠릿의 평균 염기도의 상한은 특별히 한정되지 않지만, 상기 철광석 펠릿의 평균 염기도는, 통상 2.0 이하이다.
광석 원료(11)에 있어서의 상기 철광석 펠릿의 함유량의 하한으로서는, 50질량%가 바람직하고, 90질량%가 보다 바람직하며, 100질량%, 즉 광석 원료(11)가 모두 철광석 펠릿인 것이 더 바람직하다. 이와 같이 상기 철광석 펠릿의 함유량을 상기 하한 이상으로 함으로써, 통기성을 더 개선할 수 있다.
상기 철광석 펠릿이 자용성이면 된다. 이와 같이 상기 철광석 펠릿을 자용성으로 함으로써, 환원철 성형체의 용락이 촉진되어, 통기성을 더 개선할 수 있다.
상기 철광석 펠릿이, 기공경이 4μm 이상인 조대 개방 기공의 기공률이 21% 이상이면 된다. 이와 같이 기공경이 4μm 이상인 조대 개방 기공의 기공률이 21% 이상인 철광석 펠릿을 광석 원료에 포함시킴으로써, 광석 원료의 환원율을 높일 수 있으므로, 코크스의 사용량을 더 저감할 수 있다. 여기에서, 「기공경이 4μm 이상인 조대 개방 기공의 기공률」이란, 기공경이 4μm 이상인 조대 개방 기공이 철광석 펠릿의 겉보기의 체적에 대해서 차지하는 체적의 비율을 말하고, 수은 압입식 포로시미터(예를 들면 시마즈 제작 주식회사의 「오토포어 III 9400」)를 이용하여 측정한 철광석 펠릿의 개방 기공률 ε0[%], 철광석 펠릿의 단위 중량당의 전체 세공 용적 A[cm3/g], 철광석 펠릿의 단위 중량당의 기공경 4μm 이상의 전체 세공 용적 A+4[cm3/g]로 할 때, ε0×A+4/A[%]로 산출되는 양이다. 한편, 개방 기공이란, 철광석 펠릿의 외부로까지 통하고 있는 기공을 말하고, 폐쇄 기공이란, 철광석 펠릿의 내부에서 닫혀 있는 기공을 말한다.
상기 철광석 펠릿이 MgO를 함유하는 것이 바람직하다. MgO는 노상(爐床) 레벨에서의 슬래그의 탈황능을 높임과 함께, 고온에서의 피환원성을 높이는 작용을 갖고 있다. 이 때문에, 광석 원료(11)의 용락의 거동을 환원철 성형체의 그것에 접근시킴으로써, 환원철 성형체의 용락을 촉진하는 작용이 있다고 생각된다. 광석 원료(11)에 있어서의 MgO의 함유량의 하한으로서는, 1질량%가 바람직하고, 1.5질량%가 보다 바람직하다. 한편, 상기 MgO의 함유량의 상한으로서는, 4질량%가 바람직하고, 3질량%가 보다 바람직하다. 상기 MgO의 함유량이 상기 하한 미만이면, 환원철 성형체의 용락을 촉진하는 작용이 충분히 얻어지지 않을 우려가 있다. 반대로, 상기 MgO의 함유량이 상기 상한을 초과하면, 상기 철광석 펠릿의 강도가 저하될 우려가 있다.
광석 원료(11)는, 상기 철광석 펠릿 이외에 소결광, 괴광석, 탄재 내장 괴성광, 메탈 등을 포함할 수 있다. 한편, 통기성 개선의 관점에서, 광석 원료(11)에 있어서의 소결광의 함유량은 10질량% 이하가 바람직하고, 0질량%, 즉 광석 원료(11)가 소결광을 포함하지 않는 것으로 하는 것이 보다 바람직하다.
한편, 후술하는 골재(12)에 포함되는 환원철 성형체도 철 원료가 될 수 있지만, 본 명세서에 있어서 환원철 성형체는 광석 원료(11)에는 포함시키지 않는다.
골재(12)는, 후술하는 융착대(D)의 통기성을 개선하여, 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 보존 시에 산화 발열하는 결점을 갖는 데 비해, HBI는 기공률이 낮아, 재산화하기 어렵다. 골재(12)는, 제1층(10)의 통기성의 확보를 한 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. 한편, 「금속화율」이란, 전체 철분에 대한 금속철의 비율[질량%]을 말한다.
상기 환원철 성형체의 평균 염기도의 상한으로서는, 0.5이고, 0.4가 보다 바람직하다. 환원철 성형체에는, 철광석 유래의 슬래그 성분으로서, SiO2나 Al2O3을 포함하여 일반적으로 평균 염기도가 낮아지는 경향이 있다. 당해 선철 제조 방법에서는, 평균 염기도가 상기 상한 이하인 환원철 성형체를 사용하므로, SiO2나 Al2O3을 제거하거나, CaO를 첨가하거나 해서 염기도를 높인 고품위의 환원철 성형체를 준비할 필요가 없다. 따라서, 저비용으로 선철을 제조할 수 있다. 한편, 상기 환원철 성형체의 평균 염기도의 하한으로서는, 특별히 한정되지 않고, 0이어도 된다.
상기 환원철 성형체의 원단위에 대한 상기 철광석 펠릿의 원단위의 비율 R이, 하기 식 1을 만족시키면 된다. 이와 같이 상기 환원철 성형체의 원단위에 대한 상기 철광석 펠릿의 원단위의 비율 R이 하기 식 1을 만족시킴으로써, 환원철 성형체의 용락에 의한 통기성 개선 효과를, 보다 확실히 발현시킬 수 있다.
[수학식 2]
전술한 식 1에 대하여 상세히 설명한다. 도 3은, HBI의 평균 염기도와, 제1층(10) 및 제2층(20)을 교대로 적층한 충전층의 최대 압손의 관계를 나타내는 그래프이다. 이 최대 압손이 작을수록 통기성이 높다고 판단할 수 있다. 도 3으로부터, HBI의 평균 염기도가 일정값을 초과하면 통기성의 개선이 확인되는 것을 알 수 있다. 이 일정값이 임계 염기도이다. 이 임계 염기도 이상의 CaO가 존재하는 경우, HBI 중의 SiO2가 칼슘 실리케이트계 융액으로 변화하고, HBI로부터 생성된 용철의 점성을 저하시켜 용락을 촉진한다고 생각된다. 바꾸어 말하면, HBI의 용락 촉진 효과를 얻으려면, 임계 염기도 이상의 CaO가 필요하다고 말할 수 있다.
도 3에서는, CaO는 HBI로부터 공급되고 있지만, CaO는 철광석 펠릿으로부터 공급하는 것도 가능하다. 그렇게 하면, HBI와 철광석 펠릿을 합친 SiO2양에 대해, CaO양이 임계 염기도를 초과하고 있으면, HBI의 용락이 촉진되어, 상기 충전층의 통기성을 높일 수 있다고 생각된다.
HBI와 철광석 펠릿을 합친 SiO2양 및 CaO양은, 환원철 성형체의 원단위를 MHBI[kg], 철광석 펠릿의 원단위를 MP[kg]로 해서, 하기 식 2로 표시된다.
[수학식 3]
여기에서, 전술한 바와 같이 CaO양/SiO2양≥(C/S)critical이 성립하면 HBI의 용락이 촉진된다고 생각되기 때문에, 상기 식 2를 이 부등식에 대입하고, R=MP/MHBI에 대하여 풀면, 상기 식 1이 얻어진다.
상기 환원철 성형체의 장입량의 하한으로서는, 선철 1톤당 100kg이 바람직하고, 150kg이 보다 바람직하다. 상기 환원철 성형체의 장입량이 상기 하한 미만이면, 환원 용해 공정(S2)에서, 융착대(D)에서의 골재(12)의 통기성 확보 기능이 충분히 작용하지 않을 우려가 있다. 한편, 상기 환원철 성형체의 장입량은, 골재 과다가 되어 골재 효과가 작아지지 않는 범위에서 적절히 결정되지만, 상기 환원철 성형체의 장입량의 상한은, 예를 들면 선철 1톤당 700kg이 된다.
광석 원료(11)의 평균 입경에 대한 상기 환원철 성형체의 평균 입경의 비의 하한으로서는, 1.3이 바람직하고, 1.4가 보다 바람직하다. 도 4에 나타내는 바와 같이, 제1층(10)의 광석 원료(11)의 일부가 용해되어 적하 슬래그(13)로서 고로(1)의 하방으로 이동하고, 광석 원료(11)가 연화 수축했을 때에도, 고융점의 상기 환원철 성형체는 연화되지 않는다. 광석 원료(11)에 대해서 일정 이상 큰 상기 환원철 성형체를 골재(12)로서 혼합시키면, 상기 환원철 성형체의 골재 효과가 발현되기 쉬워, 제1층(10) 전체가 층 수축하는 것을 억제할 수 있다. 따라서, 상기 평균 입경의 비를 상기 하한 이상으로 함으로써, 도 4의 화살표로 나타내는 열풍의 유로를 확보할 수 있으므로, 환원 용해 공정(S2)에서의 통기성을 향상시킬 수 있다. 한편, 상기 평균 입경의 비의 상한으로서는, 10이 바람직하고, 5가 보다 바람직하다. 상기 평균 입경의 비가 상기 상한을 초과하면, 상기 환원철 성형체를 제1층(10)에 균일하게 혼합시키기 어려워져 편석이 증대될 우려가 있다. 한편, 「평균 입경」이란, 입자경 분포에서 누적 질량이 50%가 되는 입경을 말한다.
상기 환원철 성형체의 텀블러 회전 시험 후의 통기 저항 지수의 상한으로서는, 0.1이 바람직하고, 0.08이 보다 바람직하다. 상기 환원철 성형체는, 일반적으로 제조되는 공장과 사용되는 공장이 상이하여 수송된다. 이 동안에 체적 파괴되어 입도 분포는 변화할 수 있기 때문에, 상기 텀블러 회전 시험 후에 있어서도 통기 저항 지수가 일정값 이하가 되는 것이 담보되는 환원철 성형체를 이용함으로써, 현실의 고로 조업에 있어서 후술하는 괴상대(E)에서의 통기성을 향상시킬 수 있다. 한편, 상기 통기성 저항 지수의 하한은, 특별히 한정되지 않고, 정의상의 이론 한계값인 0에 가까운 값이어도 되지만, 통상 0.03 정도가 된다. 한편, 상기 통기 저항 지수가 소정값 이하가 되는 성상을 갖는 환원철 성형체가 이용되고 있으면 되고, 당해 선철 제조 방법에 있어서 텀블러 회전 시험을 필요로 하는 것을 의미하는 것은 아니다.
여기에서, 환원철 성형체의 「텀블러 회전 시험 후의 통기 저항 지수」는, 이하와 같이 해서 산출된다. 우선, 철광석류의 회전 강도 측정법(JIS-M8712:2000)에 준하여 텀블러 회전 시험을 행하고, 환원철 성형체의 체분리에 의한 입경 분포를 취득한다. 이 입도 분포는, 체분리를 행한 체눈간의 대표 입경(중앙값)을 di[cm], 대표 입경 di에 속하는 환원철 성형체의 중량 분율을 wi로 해서 표시된다. 이 입도 분포를 이용하여, 조화(調和) 평균경 Dp[cm], 입도 구성 지수 Isp를 하기 식 3에 의해 산출한다. 또, 중력 환산 계수 gc[9.807(g·cm)/(G·sec2)]를 이용하여, 하기 식 3에 의해 통기 저항 지수 K를 구한다. 한편, 상기 텀블러 회전 시험에서의 텀블러의 회전 조건은, 24±1rpm으로, 600회전이 된다.
[수학식 4]
또한, 상기 환원철 성형체가 산화알루미늄을 포함하는 경우, 상기 환원철 성형체 중의 상기 산화알루미늄의 함유량의 상한으로서는, 1.5질량%가 바람직하고, 1.3질량%가 보다 바람직하다. 상기 산화알루미늄의 함유량이 상기 상한을 초과하면, 슬래그 융점의 고온화나 점도의 증가에 의해 노 하부에서의 통기성의 확보가 곤란해질 우려가 있다. 이 때문에, 환원철 성형체 중의 산화알루미늄의 함유량을 상기 상한 이하로 함으로써, 코크스의 사용량이 증대되는 것을 억제할 수 있다. 한편, 상기 산화알루미늄의 함유량은 0질량%, 즉 상기 환원철 성형체가 산화알루미늄을 포함하지 않는 것이어도 되지만, 상기 산화알루미늄의 함유량의 하한으로서는, 0.5질량%가 바람직하다. 상기 산화알루미늄의 함유량이 상기 하한 미만이면, 환원철 성형체가 고가의 것이 되어, 선철의 제조 비용이 높아질 우려가 있다.
(제2층)
제2층(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 한다.
(적층 방법)
제1층(10) 및 제2층(20)을 교대로 적층하는 방법은, 여러 가지 방법을 이용할 수 있다. 여기에서는, 도 2에 나타내는 벨·아머 방식의 원료 장입 장치(2)(이하, 간단히 「원료 장입 장치(2)」라고도 한다)를 탑재한 고로(1)를 예로 들어, 그 방법에 대하여 설명한다.
원료 장입 장치(2)는, 노 정상부에 구비되어 있다. 즉, 제1층(10) 및 제2층(20)은, 노 정상으로부터 장입된다. 원료 장입 장치(2)는, 도 2에 나타내는 바와 같이, 벨 컵(2a)과, 하부 벨(2b)과, 아머(2c)를 갖는다.
벨 컵(2a)은, 장입하는 원료를 충전한다. 제1층(10)을 장입할 때는, 제1층(10)을 구성하는 원료를 벨 컵(2a)에 충전하고, 제2층(20)을 장입할 때는, 제2층(20)을 구성하는 원료를 충전한다.
하부 벨(2b)은 하방으로 퍼지는 원뿔 형상이며, 벨 컵(2a) 내에 배설(配設)된다. 하부 벨(2b)은 상하로 이동 가능하다(도 2에서, 상방으로 이동한 상태를 실선, 하방으로 이동한 경우를 파선으로 나타내고 있다). 하부 벨(2b)은, 상방으로 이동한 경우, 벨 컵(2a)의 하부를 밀폐하고, 하방으로 이동한 경우 벨 컵(2a)의 측벽의 연장 상에 극간이 구성되도록 되어 있다.
아머(2c)는, 하부 벨(2b)보다 하방이고, 고로(1)의 노 벽부에 마련되어 있다. 하부 벨(2b)을 하방으로 이동했을 때, 상기 극간으로부터 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 해서, 제1층(10)을 적층할 수 있다. 한편, 제2층(20)에 대해서도 마찬가지이다. 또한, 제1층(10) 및 제2층(20)의 적층은, 교대로 행해진다.
우선, 하부 벨(2b)을 상방에 위치시키고, 제1층(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. 한편, 그 충전량은, 각 층의 적층량으로 한다.
다음으로, 하부 벨(2b)을 하방으로 이동시킨다. 그렇게 하면, 벨 컵(2a)과의 사이에 극간이 생기므로, 이 극간으로부터 상기 원료는 노 벽 방향으로 낙하하여, 아머(2c)에 충돌한다. 아머(2c)에 충돌하여, 반발된 상기 원료는, 노 내에 장입된다. 상기 원료는, 아머(2c)에서의 반발에 의해 노 내 방향으로 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 제1층(10)을 원하는 형상으로 퇴적시킬 수 있다.
<환원 용해 공정>
환원 용해 공정(S2)에서는, 풍구(1a)로부터 송풍하는 열풍에 의해 보조 연료를 고로 내에 취입하면서, 적층된 제1층(10)의 광석 원료(11)를 환원 및 용해한다. 한편, 고로 조업은 연속 조업이어서, 환원 용해 공정(S2)은 연속해서 행해지고 있다. 한편, 적층 공정(S1)은 간헐적으로 행해지고 있고, 환원 용해 공정(S2)에서 제1층(10) 및 제2층(20)의 환원 및 용해 처리의 상황에 따라서, 새롭게 환원 용해 공정(S2)에서 처리해야 할 제1층(10) 및 제2층(20)이 추가되어 간다.
도 2는, 환원 용해 공정(S2)에서의 상태를 나타내고 있다. 도 2에 나타내는 바와 같이, 풍구(1a)로부터의 열풍에 의해 풍구(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 높아 2000℃ 정도이다. 레이스웨이(A)에 인접해서, 고로(1)의 내부에 있어서 코크스의 의(擬)정체역인 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 높고, 예를 들면 괴상대(E)에서 20℃ 이상 1200℃ 이하 정도인 데 비해, 노심(B)은 1200℃ 이상 1600℃ 이하 정도가 된다. 한편, 노심(B)의 온도는 직경 방향으로 상이하며, 노심(B)의 중심부에서는 적하대(C)보다 온도가 낮아지는 경우도 있다. 또한, 노 내의 중심부에 열풍을 안정적으로 유통시킴으로써, 단면이 역 V자형인 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. 환원 용해 공정(S2)에서, 광석 원료(11)의 환원은, 주로 괴상대(E)에서 진행되고, 광석 원료(11)의 용해는, 주로 적하대(C)에서 일어난다. 한편, 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 연화되지 않아, 상기 열풍을 고로(1)의 중심부까지 확실히 통기시키는 통기로가 확보된다.
상기 환원철 성형체는, 고융점이지만, 환원 가스 중의 일산화탄소 CO나 코크스 중의 탄소로부터의 침탄 반응에 의해, 저융점화되어 1500℃ 정도의 융착대(D) 하부의 온도 영역에서 용철이 된다. 이 시점에서도 환원철 성형체에 포함되는 슬래그 성분의 SiO2는 고체 상태로 존재하여, 앞서 용해된 환원철 성형체로부터의 용철과 고액(固液) 공존 상태가 되고 점성이 높은 상태에 있어, 용락이 정체된다. 여기에서, 염기도가 높은 환원철 성형체의 경우는, CaO가 SiO2와 반응하여 칼슘 실리케이트 융액이 되고 고액 공존을 해소하여, 용락을 촉진한다. 염기도가 낮은, 즉 SiO2를 많이 포함하는 환원철 성형체의 경우도 환원철 성형체로부터 공급되는 SiO2와, 염기도가 높은, 즉 CaO를 많이 포함하는 철광석 펠릿으로부터 공급되는 CaO가 반응하여 칼슘 실리케이트 융액을 생성하면, 고액 공존 상태가 해소되어, 상기 환원철 성형체의 용락이 촉진된다.
노상부에는, 환원된 철이 용융된 용선(F)이 퇴적되어 있고, 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.
풍구(1a)로부터 취입하는 보조 연료로서는, 석탄을 입경 50μm 정도로 미분쇄한 미분탄, 중유나 천연 가스 등을 들 수 있다. 상기 보조 연료는, 열원, 환원재 및 가탄재로서 기능한다. 즉, 코크스(21)가 하는 역할 중, 스페이서 이외의 역할을 대체한다.
<이점>
당해 선철 제조 방법에서는, 광석 원료(11)를 포함하는 제1층(10)이, 골재(12)로서 환원철을 압축 성형한 환원철 성형체를 포함한다. 이 환원철 성형체에 의해, 환원 용해 공정(S2)에서 제1층(10)의 연화 융착 시에 열풍이 통과하기 쉬워지기 때문에, 당해 선철 제조 방법에서는, 통기성을 확보하기 위한 코크스의 양이 적어도 된다. 또한, 당해 선철 제조 방법에서는, 평균 염기도가 0.5 이하인 환원철 성형체를 이용하므로, 비교적 염가로 환원철 성형체를 입수할 수 있다. 또, 당해 선철 제조 방법에서는, 평균 염기도가 0.9 이상인 철광석 펠릿을 주원료로서 이용함으로써, 평균 염기도가 낮은 환원철 성형체가 용해되었을 때의 점성의 증대를 억제하여, 용락을 촉진한다. 이에 의해 주로 융착대(D)의 통기성이 개선되어, 코크스의 사용량을 더 저감할 수 있다. 따라서, 당해 선철 제조 방법을 이용함으로써 고로(1)의 안정 조업을 유지하면서 코크스의 사용량을 저감할 수 있다.
[그 밖의 실시형태]
한편, 본 발명은, 상기 실시형태로 한정되는 것은 아니다.
상기 실시형태에서는, 적층되는 모든 제1층의 광석 원료가 철광석 펠릿을 주원료로 하고, 상기 환원철 성형체의 평균 염기도가 0.5 이하이며, 상기 철광석 펠릿의 평균 염기도가 0.9 이상인 것을 전제로 설명했지만, 본 발명은, 적어도 1개의 제1층의 광석 원료가 철광석 펠릿을 주원료로 하고, 상기 환원철 성형체의 평균 염기도가 0.5 이하이며, 상기 철광석 펠릿의 평균 염기도가 0.9 이상인 구성을 포함한다. 단, 전체 제1층 중, 상기 구성을 갖는 제1층이 90% 이상인 것이 바람직하고, 95% 이상인 것이 보다 바람직하며, 100%, 즉 전체 층이 상기 구성을 갖는 제1층인 것이 더 바람직하다.
상기 실시형태에서는, 본 발명의 선철 제조 방법이, 적층 공정과 환원 용해 공정만을 구비하는 경우를 설명했지만, 당해 선철 제조 방법은, 다른 공정을 포함해도 된다.
예를 들면 당해 선철 제조 방법은, 상기 고로의 중심부에 코크스 및 환원철 성형체의 혼합물을 장입하는 공정을 구비해도 된다. 이 경우, 상기 혼합물에 있어서의 상기 환원철 성형체 중, 입경 5mm 이상의 환원철 성형체가 차지하는 비율이 90질량% 이상이고, 상기 혼합물에 있어서의 상기 환원철 성형체의 함유량이 75질량% 이하인 것이 바람직하다. 상기 열풍은, 고로의 중심부까지 도달하면, 이 중심부를 상승한다. 이와 같이 중심부에 입경이 큰 환원철 성형체를 상기 상한 이하의 함유량으로 포함시킴으로써, 상기 열풍의 흐름을 방해하는 일 없이 현열을 효과적으로 이용할 수 있다. 따라서, 코크스의 사용량을 더 저감할 수 있다. 여기에서, 고로의 「중심부」란, 노구(爐口)부의 반경을 Z로 할 때, 중심으로부터의 거리가 0.2Z 이하인 영역을 가리킨다.
또한, 당해 선철 제조 방법은, 환원철 성형체에서 유래하는 분체 및 석탄을 미분쇄하는 공정을 구비해도 된다. 이 경우, 상기 보조 연료로서 상기 미분쇄 공정에서 얻어지는 미분체를 포함시키는 것이 바람직하다. 환원철 성형체는, 반송 과정 등에 의해 일부가 파쇄되어 분체가 된다. 이와 같은 분체는 고로 내의 통기성을 저하시키기 때문에, 제1층으로서 사용하는 것은 적당하지는 않다. 또한, 이 분체는 비표면적이 크기 때문에, 산화철로 재산화한다. 이 산화철을 포함하는 보조 연료를 풍구로부터 취입하면 통기성을 개선할 수 있다. 따라서, 환원철 성형체에서 유래하는 분체를 석탄과 함께 미분쇄하고, 미분쇄한 상기 분체 및 상기 석탄을 포함하는 미분체를 풍구로부터 취입하는 보조 연료로서 이용함으로써, 환원철 성형체의 유효 이용을 도모할 수 있음과 함께, 고로 내의 통기성을 개선할 수 있다.
상기 실시형태의 적층 공정으로서, 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 적층을 행할 수 있다.
실시예
이하, 실시예에 의해 본 발명을 더 상세하게 설명하지만, 본 발명은 이들 실시예로 한정되는 것은 아니다.
철광석 펠릿의 염기도가 통기성에 주는 영향에 대하여, 고로 주변부를 모의한 대형 하중 환원 실험을 행하여, 조사했다.
도 5에, 이 실험에 이용한 대형 하중 환원 실험로(7)를 나타낸다. 시료를 충전하는 흑연 감과(71)의 내경은 φ75mm로 했다. 시료 충전층(72)은, 위로부터 상부 코크스층(72a)(높이 20mm), 광석층(72b)(높이 110mm) 및 하부 코크스층(72c)(높이 40mm)에 의해 구성했다. 광석층(72b)이 본 발명의 제1층(10)에 상당하고, 상부 코크스층(72a) 및 하부 코크스층(72c)이 제2층(20)에 상당한다.
광석층(72b)은, 환원철 성형체(HBI)와, 광석 원료의 혼합물로 했다. 한편, 광석층(72b)은 전체 철분(T.Fe)을 일정하게 했다.
이용한 HBI의 화학 성상을 표 1에 나타낸다. HBI의 평균 염기도는 0.46이다. 또한, HBI의 장입량은, 선철 1톤당 250kg으로 했다.
광석 원료로서, (1) 평균 염기도 0.04의 철광석 펠릿(SiO2 함유량=5.44질량%, MgO 함유량=0.54질량%), (2) 평균 염기도 1.20의 철광석 펠릿(SiO2 함유량=4.23질량%, MgO 함유량=2.11질량%), (3) 평균 염기도 2.10의 자용성 소결광(SiO2 함유량=5.40질량%, MgO 함유량=1.00질량%)의 3종류를 준비했다.
전술한 (1)∼(3)의 광석 원료를 이용한 시료 충전층(72) 각각에 대해서, 전기로(73)를 이용하여 도 6에 나타내는 온도 프로파일로 가열하면서, 도 7에 나타내는 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 총공급량은 40NL/min이고, 온도 관리는 2개의 열전쌍(76)에 의해 행했다. 또한, 시료 충전층(72)에 가해지는 하중은 1kgf/cm2로 했다. 이 하중은, 하중봉(77)을 개재시켜 추(78)의 무게를 가함으로써 부가했다.
전술한 조건에서 시료 충전층(72)의 압손을 연속 측정하여, 압손의 시간 적분값(S값)을 산출했다. S값은, 광석층(72b)의 연화 용융 거동의 평가 지표로서 이용할 수 있고, 작을수록 통기성이 높다고 생각된다. 결과를 도 8에 나타낸다.
도 8의 결과로부터, S값은, 평균 염기도 1.20의 철광석 펠릿<평균 염기도 0.04의 철광석 펠릿<평균 염기도 2.10의 자용성 소결광의 순서이고, 평균 염기도가 0.9 이상인 철광석 펠릿을 광석 원료로서 이용함으로써, 통기성이 개선되는 것을 알 수 있다.
전술한 식 2에 기초하여 계산되는 CaO양, SiO2양으로부터 정해지는 평균 염기도(=CaO양/SiO2양)는, (1) 평균 염기도 0.04의 철광석 펠릿을 이용한 경우에 0.10, (2) 평균 염기도 1.20의 철광석 펠릿을 이용한 경우에 1.13이었다. 이용한 HBI의 임계 염기도는, 0.88이고, 상기 식 2에 기초하여 계산되는 CaO양, SiO2양으로부터 정해지는 염기도를 HBI의 임계 염기도 이상으로 함으로써, 즉 전술한 식 1을 만족시킴으로써, 통기성이 개선된다고 말할 수 있다.
본 발명의 선철 제조 방법을 이용함으로써 고로의 안정 조업을 유지하면서 코크스의 사용량을 저감할 수 있다.
1 고로
1a 풍구
1b 출선구
2 원료 장입 장치
2a 벨 컵
2b 하부 벨
2c 아머
10 제1층
11 광석 원료
12 골재
13 적하 슬래그
20 제2층
21 코크스
7 대형 하중 환원 실험로
71 흑연 감과
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
A 레이스웨이
B 노심
C 적하대
D 융착대
E 괴상대
F 용선
G 용융 슬래그
1a 풍구
1b 출선구
2 원료 장입 장치
2a 벨 컵
2b 하부 벨
2c 아머
10 제1층
11 광석 원료
12 골재
13 적하 슬래그
20 제2층
21 코크스
7 대형 하중 환원 실험로
71 흑연 감과
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
A 레이스웨이
B 노심
C 적하대
D 융착대
E 괴상대
F 용선
G 용융 슬래그
Claims (4)
- 풍구(tuyere)를 갖는 고로를 이용하여 선철을 제조하는 선철 제조 방법으로서,
상기 고로 내에 광석 원료를 포함하는 제1층과 코크스를 포함하는 제2층을 교대로 적층하는 공정과,
상기 풍구로부터 송풍하는 열풍에 의해 보조 연료를 상기 고로 내에 취입하면서, 적층된 상기 제1층의 상기 광석 원료를 환원 및 용해하는 공정을 구비하고,
환원철을 압축 성형한 환원철 성형체를 포함하는 골재가 상기 제1층에 혼합되어 있고,
상기 광석 원료가 철광석 펠릿을 주원료로 하고,
상기 환원철 성형체의 평균 염기도가 0.5 이하이며,
상기 철광석 펠릿의 평균 염기도가 0.9 이상인 선철 제조 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 광석 원료에 있어서의 상기 철광석 펠릿의 함유량이 50질량% 이상인 선철 제조 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 철광석 펠릿이 자용성(自溶性)인 선철 제조 방법. - 제 1 항, 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
상기 환원철 성형체의 원단위에 대한 상기 철광석 펠릿의 원단위의 비율 R이, 하기 식 1을 만족시키는 선철 제조 방법.
[수학식 1]
상기 식 1에 있어서, (C/S)는 평균 염기도, (%SiO2)는 SiO2의 함유량[질량%]을 나타낸다. 또한, 첨자의 HBI는 환원철 성형체, P는 철광석 펠릿을 가리킨다. 한편, (C/S)critical은, HBI의 임계 염기도를 나타낸다.
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|---|---|---|---|
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| JPH11315308A (ja) | 1998-05-01 | 1999-11-16 | Nippon Steel Corp | 高炉の操業方法 |
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| JP4418836B2 (ja) * | 2007-12-20 | 2010-02-24 | 株式会社神戸製鋼所 | 高炉用自溶性ペレットおよびその製造方法 |
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