KR20240051992A

KR20240051992A - 괴성화 원료의 제조 방법

Info

Publication number: KR20240051992A
Application number: KR1020247009339A
Authority: KR
Inventors: 켄타 다케하라; 타카히데 히구치; 타케루 호시노
Original assignee: 제이에프이 스틸 가부시키가이샤
Priority date: 2021-09-29
Filing date: 2022-07-11
Publication date: 2024-04-22
Also published as: TW202330944A; AU2022354355A1; JPWO2023053661A1; JP7420283B2; WO2023053661A1; CN117940591A; EP4386095A1

Abstract

종래에 없이 낮은 온도에서 원료를 괴성화(塊成化)할 수 있고, 그에 따라, 전체적으로 에너지의 소비량을 억제할 수 있는 괴성화 원료의 제조 방법을 제공한다. 미리 설정된 입경을 충족하지 않는 산화철을 포함하는 원료를 가압 및 가열하여 괴성화하는 괴성화 원료의 제조 방법으로서, 상기 원료는 산화철을 50질량％보다 많이 포함하고, 통전 가열에 의해 상기 원료를 가열한다.

Description

괴성화 원료의 제조 방법

이 발명은, 분상(粉狀)의 산화철을 포함하는 원료를 괴성화(塊成化;agglomerated)하는 괴성화 원료의 제조 방법에 관한 것이다.

고로(blast furnace)나 샤프트로(shaft furnace) 등을 이용하여 원료의 가스 환원을 행하는 선철 제조 프로세스에 있어서, 분상의 산화철을 포함하는 원료를 사용하는 경우에는, 로(furnace) 내에서의 통기성을 담보하기 위해, 분상의 산화철을 포함하는 원료를 괴성화할 필요가 있다. 원료 분말을 괴성화하는 기술로서, 비특허문헌 1에는, 융점 혹은 분해 온도와 소결 온도가 서로 가까운, 분상 혹은 입상(粒狀)의 원료 분말을 괴성화하는 제조 방법이 기재되어 있다. 당해 제조 방법에서는, 질화 규소를 원료 분말로서 사용하고, 원료 분말을 가열하면서 가압하는 핫 프레스에 의해 원료 분말을 괴성화하고 있다. 핫 프레스에 의한 원료 분말의 가열은, 원료 분말이 충전되는 몰드를 가열함으로써 행한다. 또한, 몰드의 가열 방식으로서, 저항 가열 방식이나 유도 가열 방식 등이라도 좋은 것이 비특허문헌 1에 기재되어 있다. 또한, 원료 분말인 질화 규소의 가열 온도는, 질화 규소의 융점, 혹은, 질화 규소가 분해되기 시작하는 온도인 1900℃에 가까운 1800℃로 설정되어 있다. 또한, 핫 프레스에서의 질화 규소의 가압 조건은 10기압으로 설정되어 있다. 이렇게 함으로써, 질화 규소를 용융하는 일 없이 소결할 수 있다고 되어 있다.

코메야 카츠토시, 「세라믹스의 소결과 압력 기술」, 압력 기술, 1992, 제30권, 제2호, P.60∼P.68

비특허문헌 1에 기재된 방법에서는, 전술한 바와 같이, 원료 분말인 질화 규소를 가압한 상태에서, 질화 규소의 융점, 혹은, 분해 온도로까지 가열한다. 그 가열 온도가 고온이기 때문에, 비특허문헌 1에 기재된 방법에서는, 질화 규소를 괴성화할 때의 에너지의 소비량이 많아져 버릴 가능성이 있다. 고로나 샤프트로에 이용하는 원료를 괴성화하는 경우에 있어서도 가능한 한 종래보다도 낮은 온도에서 괴성화하는 것이 바람직하다.

이 발명은, 전술한 과제를 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 종래보다도 낮은 온도에서 원료를 괴성화할 수 있고, 그에 따라, 에너지의 소비량을 억제할 수 있는 괴성화 원료의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 요지는 이하와 같다.

[1] 미리 설정된 입경을 충족하지 않는 산화철을 포함하는 원료를 가압 및 가열하여 괴성화하는 괴성화 원료의 제조 방법으로서, 상기 원료는 산화철을 50질량％보다 많이 포함하고, 통전 가열(electrical heating)에 의해 상기 원료를 가열하는, 괴성화 원료의 제조 방법.

[2] 상기 원료는 소성 변형하는 금속을 10질량％ 이상 포함하는, [1]에 기재된 괴성화 원료의 제조 방법.

[3] 상기 원료를 20㎫ 이상으로 가압하면서 700℃ 이상으로 가열하여 괴성화하는, [2]에 기재된 괴성화 원료의 제조 방법.

[4] 상기 금속의 전기 전도율은 11×10⁶S/m 이상인, [2] 또는 [3]에 기재된 괴성화 원료의 제조 방법.

[5] 미리 설정된 입경을 충족하지 않는 산화철을 포함하는 원료를 가압 및 가열하여 괴성화하는 괴성화 원료의 제조 방법으로서, 상기 원료는 산화철을 50질량％보다 많이 포함하고, 상기 가압의 압력 및 상기 가열의 온도는 하기 (1)식을 충족하는, 괴성화 원료의 제조 방법.

P≥40－(T－900)/10···(1)

(1)식의 P는 상기 압력(㎫)이고, T는 상기 온도(℃)이다.

[6] 상기 원료의 가열이 통전 가열인 경우에, 상기 (1)식을 대신하여 상기 압력 및 상기 온도는 하기 (2)식을 충족하는, [5]에 기재된 괴성화 원료의 제조 방법.

P≥40－(T－700)/10···(2)

(2)식에 있어서 P는 상기 압력(㎫)이고, T는 상기 온도(℃)이다.

[7] 상기 원료는, 전기 전도율이 11×10⁶S/m 이상으로서, 소성 변형하는 금속을 10질량％ 이상 포함하고, 상기 원료의 가열이 통전 가열인 경우에, 상기 (1)식을 대신하여 상기 압력 및 상기 온도는 하기 (3)식을 충족하는, [5]에 기재된 괴성화 원료의 제조 방법.

P≥40－(T－500)/10···(3)

(3)식에 있어서 P는 상기 압력(㎫)이고, T는 상기 온도(℃)이다.

본 발명에 의하면, 종래보다도 저온에서 산화철을 포함하는 원료를 괴성화할 수 있어, 전체적으로 에너지의 소비량을 저감할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시 형태에 따른 괴성화 원료의 제조 방법을 적용할 수 있는 더블 롤 방식(double-roll method) 의 가압 장치의 일 예를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 실험예에서 이용한 형틀을 나타내는 도면이다.

(발명을 실시하기 위한 형태)

본 발명의 실시 형태에 따른 괴성화 원료의 제조 방법은, 미리 설정된 입경을 충족하지 않는 산화철을 50질량％보다 많이 포함하는 원료(이후, 「원료」라고 기재함)를 괴성화하는 제조 방법이다. 또한, 원료를 괴성화함으로써, 예를 들면, 고로나 샤프트로를 이용한 선철 제조 프로세스의 원료로서 사용할 수 있도록 하는 제조 방법이다. 상기의 미리 설정된 입경이란, 고로나 샤프트로를 이용한 선철 제조 프로세스의 원료에 이용되는 크기이고, 구체적으로는, 입경이 5㎜ 이상 50㎜ 미만이라도 좋다. 이 때문에, 본 실시 형태에 있어서의 미리 설정된 입경을 충족하지 않는 산화철을 포함하는 원료란, 입경 5㎜ 미만의 철광석이나, 소결광의 제조 프로세스에서 제조되는 입경 5㎜ 미만의 반광(iron ore)을 포함하는 원료이다. 또한, 원료는, 주성분인 산화철에 더하여, 이산화 규소나 산화 칼슘, 산화 알루미늄 등의 금속 산화물이나, 비철계 재료를 포함하고 있어도 좋다. 산화철 이외의 금속 산화물이나 비철계 재료 등의 총량은, 원료의 20질량％ 이하인 것이 바람직하다. 본 실시 형태에 있어서, 입경은 체에 의해 결정되는 입경이고, 예를 들면, 입경 5㎜ 미만의 철광석이란, 눈금 간격 5㎜의 체로 체 아래로 체거름되는 철광석을 의미한다.

본 실시 형태에 따른 괴성화 원료의 제조 방법에서는, 원료를 목표 압력으로까지 가압하고 있는 상태에서, 목표 온도로까지 가열함으로써 원료를 괴성화한다. 구체적으로는, 원료에 가하는 압력을 목표 압력으로까지 승압시키면서, 원료의 온도를 목표 온도로까지 승온시켜 원료를 괴성화한다. 원료의 압력 및 온도는, 거의 동시에 그들의 목표값으로까지 상승되어도 좋다. 혹은, 압력이 목표 압력에 도달하고 있는 상태에서, 원료의 온도를 목표 온도로까지 승온시켜 원료를 괴성화해도 좋고, 원료의 온도가 목표 온도에 도달하고 있는 상태에서, 원료의 압력을 목표 압력으로까지 상승시켜 원료를 괴성화해도 좋다. 전술한 목표 압력 및 목표 온도는, 원료를 괴성화할 수 있는 압력 및 온도로서, 당해 압력 및 온도는 실험에 의해 구할 수 있다. 압력은, 예를 들면, 원료가 충전되는 용기 내의 압력을 종래 알려진 압력 센서에 의해 측정해도 좋고, 원료에 압력을 가하기 위해 용기에 가한 하중에 기초하여 산출해도 좋다. 온도는, 원료가 충전되는 용기 내의 온도를 당해 용기 내벽에 설치되는 온도 센서에 의해 측정해도 좋다.

원료에 대한 가압 방법은, 종래 알려진 가압 방법이라도 좋다. 구체적으로는, 예를 들면, 더블 롤 방식을 들 수 있다. 도 1은, 본 발명의 실시 형태에 따른 괴성화 원료의 제조 방법을 적용할 수 있는 더블 롤 방식의 가압 장치의 일 예를 개략적으로 나타내는 도면이다. 도 1에 나타내는 바와 같이, 더블 롤식의 가압 장치는 소정의 클리어런스(도시하지 않음)를 열어 배치되고, 성형물을 절반으로 분할한 형상에 대응하는 형틀(molds)(도시하지 않음)이 둘레면에 복수 형성된 한 쌍의 롤(1)을 구비하고 있다. 각 롤(1)의 형틀에 원료(2)를 충전하고, 각 롤(1)이 회전하여 각 롤(1)의 형틀이 서로 접근함으로써 원료(2)가 가압된다. 또한, 더블 롤 방식의 가압 장치를 대신하여, 형틀과 펀치에 의해 형성되는 공간 내에 원료(2)를 충전하고, 상기 공간 내에 펀치를 밀어넣음으로써 원료(2)를 압축 성형하는 타정 성형 방식(tablet-compression method)을 이용하여 원료(2)를 가압해도 좋다.

원료(2)에 대한 가열 방법은, 전기로를 이용하여 가열하는 가열 방법으로 원료(2)를 가열해도 좋지만, 주로 통전 가열에 의해 원료(2)를 가열하는 것이 바람직하다. 통전 가열이란, 원료에 통전함으로써 가열하는 방법이다. 도 1에 나타내는 더블 롤식의 가압 장치에 있어서는, 롤(1)의 각각에 대하여 전원 장치(4)의 양극(5) 및 음극(6)을 접속한다. 이에 따라, 도 1에 나타내는 더블 롤식의 가압 장치로 원료(2)를 가압하고 있을 때에, 원료(2)에 대하여 통전 가열할 수 있다.

유도 가열은, 도선에 교류 전류를 인가하여 발생시킨 자계 안에 원료(2)를 배치함으로써, 원료(2)에 전류를 생기게 하여 원료(2)를 가열하는 방법이다. 이와 같이 유도 가열이라도 원료(2)에 전기를 흐르게 하여 가열하기 때문에, 본 실시 형태에 있어서의 통전 가열에는, 직접 통전 가열 뿐만 아니라 유도 가열도 포함된다. 도 1에 나타내는 더블 롤식의 가압 장치에 있어서는, 그 주위에 자계를 생기게 함으로써 원료(2)에 전류를 생기게 하고, 이 전류에 의해 원료를 가열한다. 또한, 「주로 통전 가열에 의해 행한다」란, 통전 가열과 그 이외의 가열 방법을 병용하여 원료(2)를 가열하는 경우에 있어서, 통전 가열에 의한 원료(2)의 발열량이, 원료(2)의 전체로서의 발열량의 50％ 이상인 것을 의미하고 있다. 전술한 「통전 가열 이외의 가열 방법」이란, 예를 들면, 전기로에 의한 가열이나, 소정의 연료를 연소시켰을 때에 생기는 열에 의한 원료의 가열 등이다.

이와 같이, 본 실시 형태에 따른 괴성화 원료의 제조 방법에 의하면, 가압되어 원료(2)끼리가 서로 압착 혹은 압축되어 있는 상태에서 원료(2)가 가열되기 때문에, 가압하고 있지 않은 상태보다도 입자와 입자의 접촉면이 늘어난 상태에서 가열할 수 있다. 이에 따라 원료(2)의 결합이 촉진되어, 괴성화하기 어려운 산화철을 50질량％ 이상 포함하는 원료(2)라도, 가압하고 있지 않는 경우보다도 낮은 온도에서 원료(2)를 괴성화할 수 있다.

또한, 본 실시 형태에 따른 괴성화 원료의 제조 방법에서는, 원료(2)를 괴성화시키기 쉽게 하는 것을 목적으로 하여, 소성 변형하고, 또한, 전기 전도율이 철보다도 높은, 입상 혹은 분상의 금속을 원료(2)에 첨가하는 것이 바람직하다. 원료(2)에 첨가하는 첨가 금속은, 예를 들면, 구리나 철, 니오브이다. 이들 금속을 첨가한 원료(2)를 전술한 바와 같이 가압 및 가열하면, 원료(2)에 의해 첨가 금속이 압압되어 소성 변형한다. 소성 변형한 첨가 금속을 통하여 원료(2)끼리가 서로 밀착하기 때문에, 이에 따라, 원료(2)끼리가 강하게 접합된다. 즉, 첨가 금속이 바인더로서 기능하기 때문에, 원료(2)에 첨가 금속이 포함되어 있지 않은 경우와 비교하여, 보다 저온에서 원료(2)끼리를 접합하여 괴성화한 원료(3)를 얻을 수 있다.

원료(2)에 첨가하는 첨가 금속의 첨가량을 많게 하면, 환원 대상인 산화철이 감소한다. 괴성화한 원료(3)는, 원료의 가스 환원을 행하는 선철 제조 프로세스의 원료에 이용되기 때문에, 괴성화한 원료(3)에 포함되는 산화철량의 감소는 바람직하지 않다. 따라서, 산화철을 50질량％보다 많이 포함하는 원료(2)를 이용하고, 첨가 금속의 첨가량은 가능한 한 적은 것이 바람직하다. 또한, 첨가 금속은 소성 변형하여 원료(2)끼리를 접합하는 한편으로, 원료(2)끼리의 공극을 메워 버린다. 그 때문에, 첨가 금속의 첨가량을 지나치게 늘리면, 괴성화한 원료(3)의 통기성이 저하하여, 당해 원료의 피환원성이 저하할 가능성이 있다. 이 때문에, 첨가 금속의 첨가량은 가능한 한 적은 것이 바람직하다. 이들의 점에서, 첨가 금속의 첨가량은, 10질량％ 이상 50질량％ 미만이면 좋고, 10질량％ 이상 30질량％ 이하인 것이 바람직하다.

원료(2)를 가압하고 있는 상태에서, 원료(2)를 통전 가열하면, 산화철의 표면을 따라 전기가 흐른다. 그리고, 원료(2)끼리가 서로 접촉하는 접촉 부분에 전기가 흐름으로써 접촉 부분이 가열되어 온도가 높아지고, 이에 따라, 원료(2)끼리가 접합하여 괴성화한다. 원료(2)에 압력이 가해지고 있음으로써, 원료(2)끼리는 서로 접근하고 있어, 원료(2)끼리의 사이의 극간(gaps)은 좁아지고 있다. 당해 극간에는 공기가 존재하고 있어, 이 상태에서 원료(2)를 직접 통전 가열한다. 구체적으로는, 전극간의 전위차를 크게 한다. 전극간에는, 절연체인 산화철 및 전술한 공기가 존재하고 있기 때문에, 전위차에 의해 공기의 절연이 파괴되어 원료(2)의 표면을 따라 전기가 흐르는 것으로 생각된다. 유도 가열의 경우는, 도선에 교류 전류를 인가하여 발생시킨 자계에 의해 전류가 생기기 때문에, 전기가 원료(2)의 표면을 따라 흐르는 것으로 생각된다.

또한, 원료(2)에 전술한 금속이 첨가되어 있는 경우에는, 첨가 금속에 전기가 흐르게 되어, 당해 금속에서의 발열량(줄열(Joule heat))이 높아진다. 그 결과, 원료(2)에 첨가 금속이 첨가되어 있지 않은 경우와 비교하여, 원료(2)끼리의 접촉 부분에서의 발열량(줄열)이 높아져, 원료(2)끼리가 접합하여 괴성화한다. 또한, 발열하는 부분은 주로 첨가 금속이기 때문에, 원료(2)의 전체를 목표 온도로까지 가열하지 않아도 원료(2)끼리를 접합하여 괴성화할 수 있다. 즉, 첨가 금속을 포함하는 원료(2)의 전체에서 온도를 고르게 하면, 추가로 저온에서 원료(2)끼리를 접합하여 괴성화할 수 있다. 이와 같이 통전 가열함으로써, 원료(2)의 전체를 가열하는 일 없이 원료(2)끼리를 접합하여 괴성화할 수 있기 때문에, 원료(2)를 괴성화하기 위해 필요로 하는 에너지의 소비량을 저감할 수 있다. 또한, 가열 온도를 내릴 수 있기 때문에, 원료의 가열이 용이해져, 원료를 괴성물로 하는 형틀에 요구되는 내열성도 저감할 수 있다.

종래, 고로나 샤프트로의 원료가 되는 괴성광(agglomerated ore)의 제조에는 코크스분 등의 응결재가 이용되고, 당해 응결재를 연소시킴으로써 원료를 괴성화하고 있었다. 이에 대하여, 본 실시 형태에 따른 괴성화 원료의 제조 방법에서는, 전기로를 이용한 가열이나 통전 가열에 의한 가열에 의해 괴성광을 제조할 수 있기 때문에, 당해 제조 방법의 실시에 의해, 응결재 연소에 의한 CO₂의 발생을 억제할 수 있다는 효과도 얻어진다.

이하, 본 실시 형태에 따른 괴성화 원료의 제조 방법에 대해서, 래버러토리 스케일(laboratory scale)로 괴성화 원료를 제조한 실험예를 이용하여 구체적으로 설명한다.

(실험예 1)

원료로서 입경이 5㎜ 미만인 반광을 이용했다. 당해 반광의 성분 조성은, Fe₂O₃: 74.8질량％, FeO: 7.0질량％, SiO₂: 5.0질량％, CaO: 10.0질량％, Al₂O₃: 1.5질량％이고, 잔부는 불가피적 불순물이었다. 또한, T.Fe는 57.7질량％였다. 도 2는, 실험예 1에서 이용한 형틀을 나타내는 도면이다. 도 2에 나타내는 형틀(7)은 원통 형상을 이루고 있고, 당해 형틀(7)의 내부에 원료를 충전하고, 당해 형틀의 축선 방향에서의 양측의 개구부의 각각으로부터, 원주 형상을 이루는 펀치(8)를 삽입하여 원료를 밀봉했다. 또한, 형틀(7) 및 펀치(8)는 1100℃ 정도까지 가열되기 때문에, 내열성을 갖는 재료에 의해 구성되고, 또한, 펀치(8)는 통전 가열할 때에 전기를 통과시킬 필요가 있기 때문에, 도전성이 있는 재료에 의해 구성되어 있다.

이어서, 원료를 목표 압력으로까지 가압함과 함께 그 가압 상태를 유지했다. 실험예 1에서는, 오토 그래프(등록상표)에 의해 펀치(8)를 압압하여 원료를 가압했다. 원료에 가하는 압력은 오토 그래프(등록상표)에서의 압축 하중과, 형틀(7)의 단면적에 기초하여 산출했다. 실험예 1에서는, 목표 압력에 따른 압축 하중으로 펀치(8)를 압압하여 원료를 가압했다.

그 후, 형틀(7)마다 미리 정한 목표 온도로까지 가열했다. 실험예 1에서는 전기로에 의해, 승온 속도 200℃/min으로 목표 온도까지 승온시켰다. 목표 온도에 도달한 후, 그의 가압 및 가열의 상태를 약 5분간 유지했다. 또한, 목표 온도에 도달했는지 아닌지의 판단은, 형틀(7)의 내면에 도시하지 않는 온도계를 설치하고, 당해 온도계를 이용하여 형틀(7)의 내면 온도를 계측하고, 계측한 온도와 목표 온도를 비교함으로써 행했다.

5분 후, 형틀(7)로부터 원료를 꺼내, 당해 원료가 괴성화하고 있는지 아닌지를 평가했다. 괴성화의 평가 방법은, 상기 형틀(7)로부터 꺼낸 괴성화된 원료를 1.0m의 높이로부터 낙하시켜 깨졌는지 아닌지를 육안으로 판단함으로써 행했다. 형틀(7)로부터 꺼낸 괴성화된 원료가 낙하시킨 충격으로 깨지거나, 이지러지거나 한 경우에는, 원료는 괴성화하고 있지 않다고 판단했다. 전술한 원료의 가열 온도, 압력 및 괴성화의 평가 결과를 하기표 1에 나타낸다. 또한, 이하의 표에 있어서, 「○」는 원료가 괴성화하고 있는 것을 나타내고, 「×」는 원료가 괴성화하고 있지 않은 것을 나타내고 있다.

표 1에 나타내는 바와 같이, 실험예 1에서는, 압력이 20㎫이고 가열 온도가 1100℃의 조건에서 원료가 괴성화했다. 한편, 압력이 20㎫의 경우라도, 1100℃ 미만의 조건에서는 원료는 괴성화하지 않았다. 또한, 압력이 40㎫이면, 가열 온도가 1100℃ 미만인 900℃라도 원료가 괴성화했다. 표 1의 발명예 1, 2의 결과로부터, 하기 (1)식을 도출할 수 있다. 즉, 원료가 괴성화하는 압력과 가열 온도에는 상관관계가 있어, 원료에 가하는 압력과 온도가 하기 (1)식을 충족하는 경우에 원료가 괴성화하는 것을 알 수 있다.

P≥40－(T－900)/10 ···(1)

상기 (1)식의 P는 원료를 가압하는 압력(㎫)이고, T는 원료를 가열하는 온도(℃)이다. 소정의 압력이 원료에 가해진 경우에 있어서, 상기 (1)을 만족하는 T의 최소값을 구함으로써, 원료를 괴성화할 수 있는 최저 온도를 구할 수 있다. 마찬가지로, 소정의 온도에서 원료가 가열된 경우에 있어서, 상기 (1)을 만족하는 P의 최소값을 구함으로써, 원료를 괴성화할 수 있는 최저 압력을 구할 수 있다.

(실험예 2)

실험예 2에서는, 실험예 1에서의 원료에 금속철을 첨가했다. 금속철이란, 산화하고 있지 않은 철을 의미하고 있고, 실험예 2에서는, 입경이 150㎛ 정도 혹은 150㎛ 이하로서, 순도가 90질량％인 금속철을 원료에 첨가했다. 원료와 금속철을 잘 교반하여 혼합한 후, 상기의 형틀(7)에 충전했다. 실험예 2에 있어서의 원료의 가열 온도, 압력, 금속철의 첨가량 및 괴성화의 평가 결과를 하기표 2에 나타낸다. 원료의 가열 및 가압은 실험예 1과 마찬가지의 순서로 행했다.

표 2에 나타내는 바와 같이, 실험예 2의 발명예 4에서는, 압력이 20㎫이고 가열 온도가 1000℃의 조건에서 원료가 괴성화했다. 이 결과로부터, 원료에 대하여 10질량％의 금속철을 첨가함으로써, 실험예 1의 발명예 1보다도 원료가 괴성화하는 가열 온도를 100℃ 저하할 수 있는 것을 알 수 있다. 또한, 금속철의 첨가량을 20질량％로 늘린 발명예 5에서도, 압력이 20㎫이고 가열 온도가 1000℃의 조건에서 원료가 괴성화했다. 이 결과로부터, 원료에 대한 금속철의 첨가량은 10질량％ 이상이면 좋은 것을 알 수 있다.

이들 결과는, 원료의 가압 및 가열에 의해 금속철이 압압되어 소성 변형하고, 소성 변형한 금속철이 바인더로서 기능하고, 당해 금속철을 통하여 원료끼리가 서로 접착함으로써 괴성화했기 때문이라고 생각된다. 즉, 금속철이 바인더로서 기능함으로써 원료가 괴성화하는 온도가 저하한 것으로 생각된다.

(실험예 3)

실험예 3에서는, 질소 분위기하에서 원료를 형틀(7)에 충전하고, 전기로를 대신하여 통전 가열에 의해 매분 200℃씩 목표 온도가 될 때까지 원료를 승온시킨 것 이외는, 실험예 1과 동일한 순서로 원료의 괴성화를 행했다. 실험예 3에서는, 질소 분위기하에서 형틀(7)의 양측의 개구부에 삽입되는 각 펀치(8)에 대하여 양극(5) 혹은 음극(6)을 접속하고, 전원 장치(4)로부터 3kWh의 전력을 펄스 형상으로 인가하여 원료를 통전 가열했다. 실험예 3에 있어서의 원료(2)의 가열 온도, 압력 및 괴성화의 평가 결과를 하기 3에 나타낸다.

표 3에 나타내는 바와 같이, 실험예 3의 발명예 7에서는, 압력이 20㎫이고 가열 온도가 900℃의 조건에서 원료가 괴성화했다. 이 결과로부터, 원료를 통전 가열함으로써, 실험예 1의 발명예 1보다도 원료가 괴성화하는 가열 온도를 200℃ 저하할 수 있는 것을 알 수 있다. 마찬가지로, 실험예 3의 발명예 8에서는, 압력이 40㎫이고 가열 온도가 700℃의 조건에서 원료(2)가 괴성화하고, 실험예 1의 발명예 2보다도 원료가 괴성화하는 가열 온도를 200℃ 저하할 수 있는 것을 알 수 있다.

원료를 통전 가열하면, 전극(5, 6)끼리의 사이의 전위차에 기인하여 원료(2)끼리의 사이의 극간에 있는 공기가 절연 파괴됨으로써 원료 표면을 따라 전기가 흐른다. 전기가 흐름으로써 생긴 줄열에 의해 원료의 표면의 온도가 선택적으로 가열되고, 원료 전체의 평균 온도는 낮기는 하지만 국소적으로 온도가 높아진 표면에서 원료끼리가 접합되고, 이에 따라, 괴성화 온도가 저하한 것으로 생각된다.

표 3에 나타내는 발명예 7, 8의 결과로부터, 하기 (2)식을 도출할 수 있다. 즉, 원료(2)를 통전 가열하는 경우에는, 원료에 가하는 압력과 온도가 하기 (2)식을 충족하는 경우에 원료가 괴성화하는 것을 알 수 있다.

P≥40－(T－700)/10 ···(2)

상기 (2)식의 P는 원료를 가압하는 압력(㎫)이고, T는 원료를 가열하는 온도(℃)이다. 상기 (2)를 만족하는 T의 최소값을 구함으로써, 원료를 괴성화할 수 있는 최저 온도를 구할 수 있다.

(실험예 4)

실험예 4에서는, 원료에 금속철, 금속동 또는 금속 니오브를 첨가한 것 이외는, 실험예 3과 동일한 순서로 원료의 괴성화를 행했다. 실험예 4에 있어서의 원료의 가열 온도, 압력, 금속철의 첨가량 및 괴성화의 평가 결과를 하기 4에 나타낸다.

표 4에 나타내는 바와 같이, 실험예 4의 발명예 9에서는, 압력이 20㎫이고 가열 온도가 700℃의 조건에서 원료가 괴성화했다. 이 결과로부터, 원료에 대하여 10질량％의 금속철을 첨가하고, 통전 가열함으로써, 실험예 1의 발명예 1보다도 원료가 괴성화하는 가열 온도를 400℃ 저하할 수 있는 것을 알 수 있다. 또한, 금속철의 첨가량을 20질량％로 한 발명예 10에서도 압력이 20㎫이고 가열 온도가 700℃의 조건에서 원료가 괴성화했다. 이 결과로부터, 통전 가열하는 경우라도 원료에 대한 금속철의 첨가량은 10질량％ 이상이면 좋은 것을 알 수 있다.

발명예 11에서는, 원료에 대하여 10질량％의 금속동을 첨가한 경우에는, 압력이 20㎫이고 가열 온도가 700℃의 조건에서 원료가 괴성화했다. 한편, 참고예 3에서는, 원료에 대하여 10질량％의 금속 니오브를 첨가한 경우에는, 압력이 20㎫이고 가열 온도가 700℃의 조건에서는 원료가 괴성화하지 않았다.

통전 가열에 의한 발열량은 하기 (4)식으로 산출된다.

Q＝V²/R···(4)

상기 (4)식에 있어서 Q는 발열량(J)이고, V는 전압(V)이고, R은 전기 저항(Ω)이다.

상기 (4)식으로부터 전압을 일정하게 한 경우에는, 전기 전도율이 높은 금속의 쪽이 통전 가열의 발열량은, 전기 전도율이 낮은 금속의 통전 가열의 발열량과 비교하여, 많아지는 것을 알 수 있다. 철의 전기 전도율이 11×10⁶S/m, 구리의 전기 전도율이 64×10⁶S/m, 니오브의 전기 전도율이 7×10⁶S/m인 것을 고려하면, 첨가 금속으로서 이용하는 금속의 전기 전도율은, 철의 전기 전도율인 11×10⁶S/m 이상인 것이 바람직하다고 할 수 있다. 또한, 금속에 의한 바인더 효과는 금속의 전기 전도율에 관계없이 얻어지기 때문에, 원료에 대하여 10질량％의 금속 니오브를 첨가한 경우라도, 압력이 20㎫이고 가열 온도가 900℃의 조건에서는 원료를 괴성화할 수 있다.

표 4에 나타내는 발명예 9∼11의 결과로부터, 하기 (3)식을 도출할 수 있다. 즉, 원료에, 전기 전도율이 11×10⁶S/m 이상으로서 소성 변형하는 금속이 10질량％ 이상 포함되고, 또한, 통전 가열하는 경우로서, 추가로, 원료에 가하는 압력과 온도가 하기 (3)식을 충족하는 경우에, 원료가 괴성화하는 것을 알 수 있다.

P≥40－(T－500)/10 ···(3)

(실험예 5)

실험예 5에서는, 실험예 1∼4에서 이용한 원료와는 성분 조성이 상이한 원료를 이용한 것 이외는, 실험예 1 또는 실험예 2와 동일한 순서로 원료의 괴성화를 행했다. 실험예 5에 있어서의 원료의 가열 온도, 압력, 금속철의 첨가량 및 괴성화의 평가 결과를 하기표 5에 나타낸다. 실험예 5에서 이용한 원료는 평균 입경이 1.0㎜ 이하로서, 성분 조성은 Fe₂O₃: 81.3질량％, FeO: 11.6질량％, SiO₂: 4.2질량％, CaO: 0.4질량％, Al₂O₃: 0.2질량％이고, 잔부는 불가피적 불순물이었다. 또한, T.Fe는 65.9질량％였다. 실험예 5에서는, 원료로서, 산화 칼슘이 거의 포함되지 않는 철광석분을 이용했다.

금속철을 포함하지 않는 철광석분, 또는, 금속철을 첨가한 원료를 준비하고, 이들을 질소 분위기하에서 형틀에 충전하고, 전기로에서 매분 200℃로 목표 온도까지 승온했다. 실험예 5에 있어서의 원료의 가열 온도, 압력, 금속철의 첨가량 및 괴성화의 평가 결과를 하기표 5에 나타낸다.

표 5에 나타내는 바와 같이, 발명예 12 및 발명예 13에서는, 철광석분을 조립(造粒)할 때에, 바인더로서 기능하는 산화 칼슘이 거의 포함되지 않음에도 불구하고 철광석이 괴성화했다. 이 결과로부터, 산화 칼슘이 포함되지 않는 원료라도 산화 칼슘을 포함하는 원료와 마찬가지로, 핫 프레스 함으로써 원료를 괴성화할 수 있는 것이 확인되었다. 또한, 발명예 13에서는, 산화 칼슘이 포함되지 않는 원료라도, 원료에 대하여 금속철을 10질량％ 첨가함으로써, 산화 칼슘을 포함하는 원료와 마찬가지로 압력이 20㎫이고 가열 온도가 700℃의 조건에서 원료가 괴성화할 수 있는 것이 확인되었다.

이와 같이, 본 실시 형태에 따른 괴성화 원료의 제조 방법에 의하면, 종래보다도 저온에서 산화철을 포함하는 원료를 괴성화할 수 있다. 이에 따라, 원료를 괴성화하기 위한 에너지 소비량을 억제할 수 있다. 또한, 전기로에 의한 가열이나 통전 가열을 이용함으로써 원료에 코크스분 등의 응결재를 혼합하고, 당해 응결재를 연소시키는 일 없이 가열할 수 있다. 이에 따라, 괴성화 원료의 제조에 수반하여 발생하는 이산화탄소의 발생량도 억제할 수 있다.

1 : 더블 롤식의 가압 장치의 롤
2 : 산화철을 포함하는 원료
3 : 괴성화한 원료
4 : 전원 장치
5 : 양극
6 : 음극
7 : 형틀
8 : 펀치

Claims

미리 설정된 입경을 충족하지 않는 산화철을 포함하는 원료를 가압 및 가열하여 괴성화(塊成化)하는 괴성화 원료의 제조 방법으로서,
상기 원료는 산화철을 50질량％보다 많이 포함하고, 통전 가열에 의해 상기 원료를 가열하는, 괴성화 원료의 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 원료는 소성 변형하는 금속을 10질량％ 이상 포함하는, 괴성화 원료의 제조 방법.
제2항에 있어서,
상기 원료를 20㎫ 이상으로 가압하면서 700℃ 이상으로 가열하여 괴성화하는, 괴성화 원료의 제조 방법.
제2항 또는 제3항에 있어서,
상기 금속의 전기 전도율은 11×10⁶S/m 이상인, 괴성화 원료의 제조 방법.
미리 설정된 입경을 충족하지 않는 산화철을 포함하는 원료를 가압 및 가열하여 괴성화하는 괴성화 원료의 제조 방법으로서,
상기 원료는 산화철을 50질량％보다 많이 포함하고,
상기 가압의 압력 및 상기 가열의 온도는 하기 (1)식을 충족하는, 괴성화 원료의 제조 방법.
P≥40－(T－900)/10···(1)
(1)식의 P는 상기 압력(㎫)이고, T는 상기 온도(℃)이다.
제5항에 있어서,
상기 원료의 가열이 통전 가열인 경우에, 상기 (1)식을 대신하여 상기 압력 및 상기 온도는 하기 (2)식을 충족하는, 괴성화 원료의 제조 방법.
P≥40－(T－700)/10···(2)
(2)식에 있어서 P는 상기 압력(㎫)이고, T는 상기 온도(℃)이다.
제5항에 있어서,
상기 원료는, 전기 전도율이 11×10⁶S/m 이상으로서, 소성 변형하는 금속을 10질량％ 이상 포함하고, 상기 원료의 가열이 통전 가열인 경우에, 상기 (1)식을 대신하여 상기 압력 및 상기 온도는 하기 (3)식을 충족하는, 괴성화 원료의 제조 방법.
P≥40－(T－500)/10···(3)
(3)식에 있어서 P는 상기 압력(㎫)이고, T는 상기 온도(℃)이다.