KR20240032144A - 철광석 펠릿 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 입자 철광석 및 0.05중량% 내지 1.0중량%의 유기 바인더를 포함하는 펠릿에 관한 것으로, 강철을 제조하기 위해 전기 아크로에서 이러한 펠릿을 사용하는 방법에 관한 것이다.
Description
본 발명은 전기 아크로에서 사용하기 위한 철광석을 함유하는 펠릿 및 이러한 펠릿으로부터 철을 제조하는 방법에 관한 것이다.
입자의 철 및 다른 금속 광석으로부터의 단광(briquette)의 제조는 일반적으로 당업계에 공지되어 있다. 일반적으로 이러한 입자는 시멘트 또는 점토(clay)와 같은 바인더를 사용하여 함께 결합되어 단광을 형성한다.
이러한 단광은 고로 또는 직접환원제철(DRI)에서 사용된다. 단광은, 단광이 성공적으로 수송되고 고로 내에서 사용될 수 있도록 충분히 강하도록 설계된다. 단광은 고로를 통해 용해로로 이동될 때 덩어리를 유지할 수 있어야 하며, 그렇지 않으면 고로 또는 DRI 설비의 성능에 악영향을 줄 수 있다. 시멘트 또는 점토를 사용하는 것과 관련된 문제는, 공정의 끝에서 생산되는 철 및 슬래그의 실리카 양을 증가시킨다는 것이다.
이러한 단광에 요구되는 높은 강도는 전분(starch) 또는 폴리비닐알코올 (PVA)과 같은 고가의 바인더의 사용을 제한한다.
전기 아크로는 전기 아크를 사용하여, 예를 들어, 2개의 흑연 전극 사이에 충전된 재료를 가열한다. 하전된 물질과 전극 사이에 아크가 형성된다. 전하는, 전하를 통과하는 전류와 아크에 의해 방출된 복사 에너지에 의해 가열되며 3000℃에 도달할 수 있다.
일반적으로, 스크랩 금속으로부터 강철을 생산하는데 사용된다. 일반적으로, 파쇄(가전제품 또는 자동차 또는 기타 경량 게이지 강철) 또는 고융점(대형 슬래브)이 사용된다. 스크랩 금속을 사용할 때의 문제는 강철 투입물의 품질(따라서, 생산된 강철)이 종종 열악하다는 것이다. 강철은 종종 비교적 비싼 해면철 또는 선철이 필요하다. 스크랩 금속은 현재 톤당 C$ 280이며 해면철은 종종 이보다 비싸다.
출원인은 보다 저렴한 철 공급원을 사용하는 것이 아크로를 사용하여 적은 비용으로 강철을 생산할 수 있다는 것을 깨달았다. 철광석과 같은 대체 공급원을 사용할 때의 한가지 문제는 철광석을 철로 환원해야 한다는 것이다. 이는 일반적으로 아크로에서 수행되지 않는다. 그러나, 철광석 입자 폐기물을 사용하고 아크로에서 환원 분위기를 사용할 수 있다면 이러한 방법이 사용될 수 있다는 것을 깨달았다.
아크로에서 사용하기 위한 펠릿의 제조는 고로에서 사용되는 종래의 펠렛과는 다른 문제를 발생한다. 펠릿은 아크로 상단의 슬래그층을 뚫을 수 있을 정도로 충분한 무게를 가져야 한다. 그러나, 동시에 펠릿 내의 철광석이 용광로 내의 환원 분위기와 반응하여 철을 생성할 수 있을 만큼 충분히 다공성이어야 한다. 다음으로 철은 스크랩 금속과 혼합되어 아크로에서 필요한 강철을 생성한다. 또한, 입자를 함께 보유하는 결합은, 입자가 용융되고 용융 금속으로 균일하게 분산될 수있을 정도로 약해야 한다.
입자 물질의 사용은 산화철의 표면적을 증가시켜, 환원 분위기와 보다 효과적으로 반응할 수 있게 한다. 또한, 본 발명자들은 유기 바인더를 사용하는 경우, 이러한 바인더가 노의 열에 연소되어 펠릿의 다공도를 증가시켜 환원 분위기와보다 쉽게 반응한다는 것을 알았다. 철광석의 펠릿 비용은 일반적으로 철광석의 현물 가격에 100% 프리미엄을 갖는다(펠릿은 톤당 약 $120). 따라서, 이러한 공정은 아크로에 의해 생성된 강철의 가격을 감소시킬 수 있다.
또한, 보다 저렴한 환원 가스의 선택을 통해, 아크로를 사용하여 강철 생산 비용을 줄이는데 도움이 된다.
본 발명은 입자 철광석 및 0.05중량% 내지 1.0중량%의 유기 바인더를 포함하는 펠릿과, 강철을 제조하기 위해 전기 아크로에서 이러한 펠릿을 사용하는 방법을 제공하고자 한다.
본 발명은 입자 철광석 및 1.5중량% 미만의 바인더를 포함하는 펠릿을 제공한다. 바인더는 일반적으로 유기 바인더이다. 전술한 바와 같이, 유기 바인더는 일반적으로 로 내부의 물질의 다공성을 증가시키도록 로의 열에 의해 연소되는 장점이 있다. 입자 재료는 일반적으로 직경이 4mm 이하, 보다 일반적으로 1mm 미만, 또는 500마이크론 미만 또는 100 마이크론 미만이다. 이는 체(sieve)를 통과함으로써 결정될 수 있다. 일반적으로 10중량% 이상의 입자 물질은 펠릿으로 형성되기 전에 100㎛ 체를 통과할 수 있다. 더욱 일반적으로 30㎛ 또는 20㎛의 체 크기가 재료를 거르는데 사용된다. 재료의 50% 이상, 80% 이상 또는 100%가 체를 통과할 수 있다.
"펠릿"이라는 용어는 일반적으로 펠릿, 막대, 연필형 슬러그로 지칭되는 물체를 포함한다는 점에 유의해야 한다. 펠릿은 일반적으로 최대 평균 직경이 20mm,보다 일반적으로는 16mm 또는 15mm, 최소 평균 직경이 2mm, 특히, 5mm 또는 평균 직경이 10mm 내지 12mm이다. 이러한 물체는 압축된 형태의 재료라는 공통된 특징을 공유하며 주로 크기와 모양으로 구별된다.
바인더는 중합체 바인더일 수 있고, 폴리아크릴아미드 수지, 레졸 수지 또는 노볼락 수지와 같은 유기 수지, 및/또는 전분, 히드록시에틸 메틸 셀룰로오스, 아라비아 고무, 구아 고무 또는 잔탄 고무와 같은 다당류로부터 선택될 수 있다. 다당류는 증점제로서 사용될 수 있다. 하이드록시에틸 메틸 셀룰로오스(MHEC)는 특히 우수한 저장 수명을 갖는 것으로 알려져 있다. 이는 유기 수지와 혼합될 수 있다.
예를 들어, 바인더의 총량은 1.0 중량%, 0.8, 0.6, 0.5, 0.05 이상, 0.1 이상, 또는 0.2 중량% 이상일 수 있다. 조합하여 사용되는 경우, 0.5 내지 0.1% 수지에 대한 다당류의 양은 0.1 내지 0.5 중량% 일 수 있다.
폴리비닐 알코올(PVA)은 0 내지 0.3, 특히, 0.1 내지 0.2 중량%의 양으로, 다른 바인더 대신 또는 더하여 사용될 수 있다. 일반적으로, 이는 필요한 경우 생강도(green strength) 및 경화 강도를 향상시키기 위해 다른 바인더와 함께 첨가된다.
전분의 예는, 예를 들어, 밀, 옥수수 및 보리 전분을 포함한다. 보다 일반적으로, 전분은 감자 전분으로 비교적 저렴하다.
일반적으로 폴리비닐 알코올은 감화(saponification)라 불리는 공정에서, 폴리비닐 아세테이트를 수산화 나트륨과 반응시킴으로써, 아세테이트의 아세트산 라디칼을 히드록실 라디칼로 대체함으로써, 폴리비닐 아세테이트로부터 상업적으로 형성된다. 부분 감화는 일부 아세테이트 그룹이 하이드록실 그룹으로 대체되어 적어도 부분적으로 감화된 폴리비닐 알코올 잔류물을 형성함을 의미한다.
일반적으로, PVA는 80% 이상, 일반적으로 85% 이상, 90% 이상, 95% 이상, 99% 이상 또는 100% 감화도를 갖는다. 예를 들어, PVA는 독일의 Kuraray Europe GmbH사의 제품으로부터 입수할 수 있다. 일반적으로 수중 용해액으로 사용됩니다. 예를 들어, PVA는 수산화 나트륨 함유물을 포함하도록 변형될 수 있다.
일반적으로, PVA 바인더는 용액 중에 12 내지 13%의 활성 중합체 함량 및 4 내지 6의 범위의 pH를 갖는다.
레졸(resole)은 포름 알데히드 대 페놀 비율이 1 초과(일반적으로 약 1.5)인 염기 촉매화된 페놀-포름 알데히드 수지이다. 노볼락(novolac)은 포름 알데히드 대 페놀 몰비가 1 미만인 페놀-포름 알데히드 수지이다.
일반적으로, 점토와 같은 무기 바인더와 같은 추가 바인더는 입자 재료에 첨가되지 않는다.
SLS(sodium lauryl sulphate)와 같은 계면 활성제, 예를 들어, 첨가제에 의해 지원되는 철의 습윤을 향상시키기 위해 미량으로 첨가될 수 있다.
일반적으로, 철광석은 전기 아크로에서 나오는 찌꺼기(tailing) 또는 먼지이다. 광석은 자철석(Fe3O4) 또는 적철석(Fe2O3)일 수 있다. 철광석은 자연적으로 발생하는 오염 물질을 포함할 수 있다.
입자 철광석은 수분 함량이 50% 미만, 보다 일반적으로는 30% 미만 또는 25% 미만일 수 있다. 일반적으로 수분 함량은 2 중량% 이상 또는 5 중량% 이상 또는 10 중량% 이상이다.
일반적으로 트윈-샤프트 배치식 혼합물이 혼합물을 응집시키기 위해 사용된다. 전체적으로 프레스 또는 압출기가 펠릿을 형성하기 위해 일반적으로 사용된다.
펠릿 재료의 내후성을 향상시키기 위해 방수제가 사용될 수 있다. 예를 들어, 이는 분무에 의해 입자 재료와 함께 또는 펠릿의 외부 표면상의 층으로서 조합 될 수 있다. 예를 들어, 이는 스티렌-아크릴 레이트 공중합체 및 역청(bitumen) 에멀젼을 포함한다.
추가적으로, 펠릿은 20 중량% 이하의 탄소질(carbonaceous) 재료를 포함할 수 있다. 예를 들어, 탄소질 재료는 코크스, 카본 블랙, 이탄 또는 석탄일 수 있다. 석탄은 갈탄, 아역청탄, 역청탄, 증기탄 또는 무연탄을 포함한 임의의 등급의 석탄일 수 있다. 탄소질 재료는 일반적으로 미립자이며, 철 입자에 대해 전술한 바와 같은 입자 크기를 가질 수 있다.
펠릿은 15 중량% 미만, 10 중량% 미만 또는 5 중량% 미만의 탄소질 재료를 포함할 수 있다.
펠릿은 일반적으로, 예를 들어, 소결 없이, 또는, 노 내에 투입하기 전에 30℃에서 60℃ 이상 또는 40℃ 이상으로 가열하지 않고 냉간 성형된다.
전기 아크로와 같은 용광로에서 본 발명에 따른 펠릿을 가열하는 단계를 포함하는 강철의 제조 방법이 또한 제공된다. 일반적으로, 펠릿은 환원성 분위기 하에서 가열되어 철광석을 철로 변환시켜 강철에 합체된다. 환원 분위기는, 예를 들어, 수소, 셰일 가스 또는 다른 천연 가스일 수 있다. 수소 가스는 종종 화석 연료의 가공에서 부산물로 생산된다. 셰일 가스는 셰일 구조물 내에 갇혀있는 천연 가스이다. 미국에서 점점 더 중요한 천연 가스 공급원이 되었으며, 세계 다른 지역의 잠재적인 셰일 가스에 대한 관심이 확산되었다. 이는 비교적 저렴한 천연 가스 공급원이 되었다. 천연 가스의 다른 공급원은, 예를 들어, 영국 해안 외의 북해 가스전으로부터의 천연 가스 퇴적물을 포함한다.
일반적으로, 이러한 방법은 펠릿을 스크랩 금속과 혼합하는 단계를 포함한다. 일반적으로, 총 펠릿 및 스크랩 금속의 최대 50 중량%는 철광석 펠릿이다. 보다 일반적으로 사용되는 펠릿의 양은 펠릿의 40 중량% 미만, 30 중량% 미만, 20 중량% 미만 또는 5 중량% 이상이다.
본 발명에 따른 펠릿의 제조 방법은 입자상 철광석을 0.3 중량% 이하의 바인더와 혼합하는 단계를 포함한다. 바인더 및 철광석은 전술한 것과 같을 수 있다. 전술한 바와 같이, 혼합물을 응집시키기 위해 일반적으로 트윈 샤프트 배치식 혼합물이 사용된다. 일반적으로 압출기를 사용하여 펠릿을 형성 할 수있다.
펠릿의 압축량은, 예를 들어, 입자상 철광석 및 바인더의 혼합물을 요구되는 압축량에 따라 더 많거나 적은 진공량으로 배치함으로써 변할 수 있다. 더 많은 양의 진공은 펠릿의 압축을 증가시킨다. 또는, 이는 펠릿을 형성하는데 사용되는 압력의 양에 의해 제어될 수 있다.
또한, 본 발명은 본 발명에 따른 펠릿을 제공하는 단계를 포함하는 강철의 제조 방법을 제공하고, 이는 선택적으로 본 발명에 따른 펠릿을 제조하고, 펠릿을 전기 아크로로 수송하며, 강철을 제조하는 방법에 의해 제조된다.
펠릿은 사용되는 별도의 장소에서 제조될 수 있다. 즉, 펠릿은, 예를 들어, 철광석 미립자의 침전물이 존재하고 바인더와 결합하여 펠릿으로 만들어진 이후에 위치상으로 분리된 장소에서 전기 아크로로 운송되는 곳에서 제조될 수 있다. 운송은, 예를 들어, 보트, 도로 또는 철도에 의해 이루어질 수 있다.
또는, 바인더는 아크로와 실질적으로 동일한 위치에서 미립자 철광석과 혼합 된 이후후 아크로에서 혼합될 수 있다.
예를 들어, 펠릿은 펠릿을 아크로로 이동시키기 위한 컨베이어 벨트 또는 다른 적절한 수단에 의해 아크로에 투입될 수 있다.
본 발명을 아래의 실시예들로서 설명할 수 있다.
고로(blast furnace)에서의 냉간 결합 철광석 펠릿의 환원 특성, 직접 환원 및 침지 아크로 조건에 대한 조사.
아래의 방법들로 다양한 샘플들을 시험하였다.
펠릿을 소형의 인코넬(Inconel) 증류기에 넣고, 활성화된 숯(charcoal) 과립으로 둘러 쌌다. 용기를 닫고 머플로(muffle furnace) 내에 넣었다. 전체 플랜트 내의 상태를 시뮬레이션하기 위해 로를 다양한 열과 시간으로 순환시켰다.
자연적으로 실온까지 냉각될 때 샘플의 상태를 평가하였다
1. 샘플 유형 : 미선별 광석, 주로 적철광(Haematite)
분말 형태의 레졸형 수지와 생강도를 위한 액체 중합체 바인더를 포함하는 바인더를 사용하는 16x16mm 펠릿. 냉간 압축 강도 5kN 초과.
테스트 주기
a. 600℃ / 30분
b. 600℃ / 2시간
c. 1000℃ / 1시간
결과는 다음과 같다.
a. 현미경으로 쉽게볼 수 있는 미세 균열이 발생하였다. 샘플은 자성을 감소시켜 자철석으로의 감소를 나타냈다.
b. 샘플은 상당히 자성이고, 스웰링(swelling) 균열로 인해 1 내지 3%의 치수가 증가하였다.
c. 샘플이 경화되고 치수가 원래 크기로 되돌아갔다.
2. 샘플 유형 : 선별 광석, 주로 자철광(magnetite)
분말 형태의 레졸형 수지 및 생강도를위한 액체 중합체 바인더를 포함하는 바인더를 사용하는 16x16mm 펠릿. 냉간 압축 강도 6kN 초과.
테스트 주기
a. 600℃ / 30분
b. 600℃ / 2시간
c. 1000℃ / 1시간
결과는 다음과 같다.
a. 변화가 관찰되지 않았다.
b. 펠릿은 현미경으로 관찰했을 때, 자연적인 다공성을 나타냈다.
c. 치수 변화: 5 내지 10%로 작음, 높은 다공성을 나타냈다.
3. 샘플 유형 : 혼합 BF 폐기물
액체 중합체 바인더를 포함하는 바인더를 사용하는 16x16mm 펠릿. 냉간 압축 강도 5kN 초과.
테스트 주기
a. 600℃ / 30분
b. 1100℃/ 1시간
결과는 다음과 같다.
a. 색변화와 강도 손실을 나타내었다.
b. 높은 다공성, 강도 증가, 소결 결합의 표시를 나타내었다.
4. 샘플 유형 : 혼합 EAF 먼지(dust)
유기 액체 바인더를 사용한 32x32mm 펠릿
테스트 주기
a. 600℃/ 30분
b. 1000℃/ 1시간
결과는 다음과 같다.
a. 변화가 관찰되지 않음.
b. 부피 25 % 감소, 강도의 작은 변화를 나타내었다.
실시예:
5. 5 내지 50 마이크론 크기의 저급 적철광 찌꺼기는 20%의 수분을 함유하는 것으로 발견되었다.
광석에 500 마이크론 크기의 0.5% 음이온성 폴리아크릴아미드 분말을 첨가하고 고속 분산기(high shear mixer)에서 혼합하였다. 첨가제로 SLS와 같은 미량의 계면 활성제를 첨가하였다.
15mm 구멍을 통해 진공 압출을 사용하여 압출하고 펠릿 치수로 절단하였다.
압출 전 수분 함량은 20% 이고, 압출 후는 16% 이다.
경화 시간은 25℃에서 24시간.
테스트 결과 : 압축 강도 250kg/cm2 초과
저온환원분화율(RDI) ISO 4696-2 정적도 = 36.
6. 밀도 2.3 내지 2.5 t/m3, 등급 0-100 마이크론 및 수분 함량 13%±3의 고등급 자철광 농축물을 사용하였고, 이는 펠렛 등급으로 선별될 때 많은 적철광의 전형이다.
광석에 분자량이 높은 히드록시 에틸 메틸 셀룰로오스와 같은 합성 수지 0.2와 수용성이고 분말 형태인 노볼락 수지 0.5%를 첨가한 후, 고속 분산기에서 혼합한다.
또한, 아라비아, 구아 또는 잔탄과 같은 고무가 사용될 수 있으며, 이들은 아직 현장에서 유통 기한이 되지 않았다.
15mm 구멍을 통해 진공 압출을 사용하여 압출하고 펠릿 치수로 절단하였다.
25℃에서 24시간 경화 후, 펠릿의 강도는 250kg/cm2 초과이다.
550℃ 및 900℃의 열 안정성은 다음과 같다.
550℃ / 1시간 - 50% 강도 유지
900℃ / 1시간 - 60% 강도 유지
PvOH를 0.1-0.2%로 혼합물에 첨가하여, 생강도 및 경화 강도는 400kg/cm2로 초과로 증가될 수 있다
7. 여과 집진(bag house) 필터로부터 전기 아크로 먼지.
대안적인 바인더는 2% 용액에서 고분자량의 히드록시에틸셀룰로오스(MHEC)이다. 5 내지 10%를 첨가하고 고속 분산기로 혼합한다.
Claims (11)
- 입자 철광석과, 폴리비닐알코올 수용액 및 폴리아크릴아미드 수지, 레졸 수지 또는 노볼락 수지를 포함하는 0.05중량% 내지 1.0중량%의 유기 바인더를 포함하는 펠릿을 제공하는 단계;
상기 펠릿을 입자 철광석 및 1.0중량% 이하의 상기 유기 바인더와 혼합하고, 소결 또는 60℃ 이상으로 가열하지 않고 성형하는 단계;
상기 펠릿을 전기 아크로로 이송하는 단계; 및
상기 펠릿을 가열하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 강철의 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 펠릿은 다당류를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 강철의 제조 방법.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 입자 철광석은, 자성을 갖는 것을 특징으로 하는 강철의 제조 방법.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 펠릿은, 스티렌-아크릴 레이트 공중합체 및 역청 에멀젼에서 선택되는 방수제를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 강철의 제조 방법.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 펠릿은, 20중량% 이하의 탄소질 재료를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 강철의 제조 방법.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 입자 철광석은, 펠릿으로 생성되기 전에 100㎛ 메쉬를 통과할 수 있는 것을 특징으로 하는 강철의 제조 방법.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 펠릿은, 환원 분위기에서 가열되는 것을 특징으로 하는 강철의 제조 방법.
- 제 7 항에 있어서,
상기 환원 분위기는, 수소, 셰일 가스 또는 천연 가스를 포함하는 것을 특징으로 하는 강철의 제조 방법.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 펠릿을 스크랩 금속과 혼합하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 강철의 제조 방법.
- 제 9 항에 있어서,
상기 펠릿 및 상기 스크랩 금속의 50중량% 이하가 철광석 펠릿으로 구성되는 것을 특징으로 하는 강철의 제조 방법.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
입자 철광석을 0.3중량% 이하의 상기 유기 바인더와 혼합하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 강철의 제조 방법.
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