KR840001243B1 - 산화철을 용선으로 환원하는 방법 - Google Patents

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내용 없음.

Description

산화철을 용선으로 환원하는 방법

제1도는 전류가 노의 수직축에 대하여 평행하게 흐르는 본 발명의 용광로의 정면도의 개요단면도이다.

제2도는 전류가 노의 수직축에 대하여 수직으로 흐르는 본 발명의 다른 실시노의 정면도의 개요 단면도이다.

본 발명은 고체연료가 환원제로 이용되는 축모양 환원로에서 산화철을 용선으로 직접 환원하는 방법에 관한 것이다.

본 발명의 다른 목적은 에너지 투입량이 현재 상업적으로 이용되고 있는 환원방법보다 훨씬 적은 용광로에서 산화철을 용선으로 직접 환원하는 방법을 마련하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 지금까지 가능했던 것보다 직접 환원하는 용광로의 더욱 효율적인 작동 방법을 마련하는데 있으며 상기 방법들을 실시하기 위한 장치를 마련하는 것 역시 본 발명의 또 하나의 목적이다.

최근 몇년 동안에 산화철을 금속철로 직접 환원하는 것이 전세계적으로 받아들여져 상업적인 이용가치를 가지고 실시되어 왔다.

산화철을 직접 환원하여 생긴 직접 환원된 철은 철과 제강 및 특히 전기 아아크로 제강에서 상업적으로 실용성이 있다는 것이 입증되었다.

때때로 해면철이라고 알려진 직접 환원된 철은 전기 아아크로 외에 노제강을 위한 주요한 공급물질로서는 적합하지 않다. 기초산소 공정 및 저부 송풍 산소공정과 같은 다른 제강공정은 공급물질로 많은 양의 뜨거운 금속 또는 용융 금속을 필요로 한다. 따라서 산소 공급을 위해서 집적 환원로로부터 용융 생성물을 생산하는 것이 바람직하다.

공지된 형태의 공정은 분리된 연소-형 가스화기에서 가스화를 위하여 산소 및 스팀을 이용하여 고체연료를 가스화하는 것이다.

가스화기로부터 얻은 가스는 냉각되어 불순물이 제거되고 탈황산화되어서 그 다음 직접환원로에서 환원제로 이용된다. 가스화기와 직접 환원로의 이러한 결합의 한 예가 미국특허 제3,844,766호에 기술되어 있다.

또한 이러한 결합은 고체연료의 약 50%가 가스화 기내에서 연소에 의해 소모되어 남아 있는 50%의 연료만이 환원제로 이용되므로 근본적으로 열손실이 있게 되는 단점이 있다. 환원하기 위하여 가스화기로부터 가스를 이용하는 것이 비록 높은 효율을 나타낼지라도 상기와 같은 결합은 직접 환원된 철 생성물의 미터톤당 고체연료 4.0-5.0지가(Giga) 칼로리를 필요로 한다.

전기적으로 작동되는 수직용광로는 미국특허 제1,937,064호에 나타나 있는데, 여기서는 분쇄된 코우크스, 흑연, 탄화규소 또는 다른 도체들이 충전물을 형성하기 위하여 채워진다. 전류가 충전물을 통하여 흐를 동안에 용융금속을 충전물을 통하도록 부어서 용융금속을 정제한다.

이 충전물은 노를 통하여 흐르지 않는 탄소질 물질의 고정된 입상으로 이루어진 덩어리이다.

또한 이 충전물은 본 발명과는 달리 처리되어야 할 물질도 아니다. 랭햄머(Langhammer)의 미국특허 제3,894,864호를 보면 전기 아아크를 이용하여 용강을 생산하기 위한 용광로가 설명되어 있다.

상기 특허에는 전기 아아크를 일으키는 전기회로를 완전하게 설명하지 못하고 있다.

본 발명자들은 환원제로 작용하기 위해서 소모된 상부 가스를 재순환시키는 것뿐만 아니라 충전물의 저항열을 직접 이용하므로써 본 공정을 공지의 찬조 공정들과는 달리 구별하고 있다.

본 발명을 도면에 의거하여 더욱 자세히 설명하면 다음과 같다.

제1도에 대해서 설명하면, 강철외판(12)가 있는 축모양노(10)은 내화물질(14)로 채워져 있다.

공급 호피(16)은 이 속으로 고체 입자의 공급물질(18)을 넣을 수 있도록 노(10)의 상부에 설치되어 있다.

급물공질은 입자 또는 덩어리 형태인 산화철, 석회석으로 이루어져 있다. 공급물질은 노(10)에서 고체입자의 공급물질 또는 충전물의 충전충(22)를 형성하기 위하여 하나 또는 그 이상의 공급관(20)을 통하여 중력에 의해 하강한다.

환원된 용융 생성물(23)은 탭구멍(24)를 통하여 노로부터 제거된다. 원한다면 슬래그탭구멍(26)을 탭구멍(24)보다 위에 설치할 수 있다. 용선 및 슬래그를 제거하므로써 용광로(10)을 통하여 입자충전물(22)의 중력흐름이 일어나게 된다.

노(10)은 원통형이 바람직하나 원하는 단면을 가질 수도 있다. 노의 상충부분에는 노를 가로질러 강철외판(12)를 통과하여 뻗어 있는 최소한 하나의 내열성 합금전극(30)이 설치되어 있다. 이 전극은 도면에 나타나 있는 바와 같이 외부에 설치되어 있는 베어링(32A) 및 (32B)에서 저어널식으로 회전할 수 있도록 설치되어 있거나 또는 노벽(14) 내에 단열되어 설치되어 있다. 각 전극막대에는 전극 표면적을 확장하기 위하여 하나 또는 그 이상의 내열성 합금 판(35)가 설치되어 있다.

사용될 전극막대의 수는 노의 평면 넓이에 달려있다. 용광로의 바닥은 노바닥 전체가 전극으로 작용할 수 있게 한 탄소블록(37)이 깔린 밀폐된 바닥이다. 이 탄소블록바닥은 전극모선(38)을 통하여 전원에 연결되어 있다. (40A) 및 (40B)와 같은 열전기쌍이 본 공정의 작동을 조절하는데 도움이 되도록 적당한 높이로 내화물질 벽을 통하여 노 내부로 삽입되어 있다.

상부 가스는 장입 기준선(46) 위에 위치한 상부 가스 출구관(44)를 통하여 노밖으로 내보내진다.

공급관(20)의 아래끝은 출구관(44) 아래에까지 뻗어 있도록 하여 거기에 상부 가스 연결을 차단하는 플리넘(48)을 만들어 상부 가스가 장입기준선(46)과 일반적으로 대칭하게 나가도록 하여 상부 가스 출구관(44)로 자유로이 흐르도록 한다.

가스를 정화하고 재순환하는 회로가 고체 및 응축할수 있는 물질을 제거하기 위하여서 그리고 냉제(冷製)가스를 형성하도록 가스를 냉각하기 위하여서 설치되어 있다. 관(44)를 통하여 용광로(10)을 떠나는 반응된 상부 가스는 타르, 기름 및 입자들이 이 가스로부터 찌꺼기로 제거된 다음 기름세척탑(50)으로 흘러들어 간다.

펌프(52)는 산소 연료버너를 향하여 관(53) 또는 관(54)를 통하여서, 찌꺼기 성분이 충전물과 안전한 반응을 하기 위해서 그리고 상부 가스가 이러한 성분과 기름 세척탑으로 재순환하는 것을 막기 위해서 장입기준선(46) 아래에 있는 웰(well)로 뻗어 있는 끝이 개방된 찌꺼기 주입관(56)을 통과하여 노로 되돌아가도록 찌꺼기를 펌프질한다.

상부 가스는 기름 세척탑(50)에서 물 세척탑(60)으로 옮겨져 더욱 냉각되고 정화된다.

가스를 재순환하는 송풍기(62)는 세척탑(60)으로부터 냉각되고 정화된 가스를 끌어낸다. 이 공정 가스의 일부는 찌꺼기가 용광로로 주입되는 것을 돕기 위하여 관(68)로 흘러들어간다.

일부 가스는 노내의 고체탄소가 산화철의 산소와 반응할 때 일산화탄소가스 및 이산화탄소 가스가 생기기 때문에 정상적으로 배출되어야 한다. 이 반응은 가스팽창을 수반하므로 여분의 가스는 통기구멍(VI)을 통하여 배출된다.

물론 이 여분의 가스는 다른 목적의 에너지원으로 사용된다. 상기 공정가스의 2차부분은 관(72)를 통하여 가스 예비가열기(74)로 흘러들어가 이 가스는 약 900-1000℃의 온도로 가열된다. 가열된 가스는 관(76)을 통하여 뜨거운 공정가스 입구(78)과 버슬(80)을 통하여 노내로 흘러들어간다.

상기 가스의 다른 부분은 예비가열기버너(90)을 위한 연료로 관(86)으로 흘러들어간다. 다수의 산소연료 버너(94) 중 도면에 나타난 바와 같이 2개가 공정 가스 입구 버슬(80) 아래와 저장된 용선(23)위에 있는 노(10)의 비교적 아랫부분의 주변에 위치해 있다.

버너(94)는 찌꺼기를 전달하는 관(68) 및 관(95)로부터 나온 공정가스의 도움이나 또는 분쇄된 석탄, 기름, 타르 또는 천연가스와 같은 소오스(96)으로부터 받은 외부 연료(94)에 의해 기름세척탑(50)으로부터 제거되어 펌프(52)에 의해 관(53)을 통하여 전달된 찌꺼기를 연소한다.

상기 공정 가스의 나머지 부분은 소오스(96)에서 버너에까지 외부 연료의 전달을 돕기 위해서 타인(95)를 통하여 흘러들어가게 된다.

관(53)으로부터 주입된 찌꺼기 또는 외부연료(96)은 산화철로 환원되어야 할 산화제 CO₂+H₂O에 비하여 훨씬 많은 환원제 CO+H₂를 가지고 있는 연도가스를 서성하기 위하여 외부 소오스(98)로부터 나온 산소의 화학량 론적인 양보다 적은 양으로 연소될 것이다.

또한 산소연료 버너(94)는 환원철 및 연합슬래그를 용해하기 위하여 필요한 양의 열을 공급할 것이다.

하나 또는 그 이상의 전극(30)이 노의 수평 단면적의 크기에 의존하면서 설치되어 있으며 이 전극은 노의 상부 구역에 있는 물질을 위하여 덩어리 분쇄기로서뿐만 아니라 공급장치로 작용한다.

각 전극은 하나 또는 그 이상의 방사형으로 뻗어있는 분쇄기(35)를 작용시킬 수 있고 진동가능한 구동 장치(100)에 연결되어 구동될 수 있다. 각각의 분쇄기는 전극 주위를 약 180-270° 정도로 뻗어 있으나 결국은 교대로 되어 있으므로 전극 주위를 완전히 뻗어 있는 셈이 된다. 따라서 전극이 베어링 내에서 진동함에 따라 분쇄기는 공급 장치 및 분쇄장치로서의 역할을 하게 된다.

그러므로 분쇄기는 뜨거운 점착물질의 다발을 분쇄하는 동시에 노의 반대편 아래벽을 향하여 교대로 물질을 아래로 공급하게 된다. 본 발명의 방법으로는 산화철 알맹이, 괴광 또는 다른 적당한 산화철 공급물질이 석회석 및 석탄, 코크스 또는 갈탄과 같은 고체탄소질 연료와 혼합되어서 충전충으로 노내의 충전층으로서의 충전물(22)을 형성하기 위하여 공급관(20)을 통하여서 노(10)의 내부로 공급된다.

노에 열을 가하게 되는 중요한 몫은 노내에 있는 노바닥전극(37)과 상부의 합금 전극(30) 사이의 충전물을 통하여 전류를 홀러보냄으로써 전열적으로 공급되는 것을 말한다. 직접 환원된 철 알맹이 또는 덩어리는 금속철이 알맹이의 표면에만 형성된 환원의 초기단계에서도 전기적으로 전도성이다.

본 발명의 용광로에 전력을 공급하여 작동을 하면 노는 환원된 또는 부분적으로 금속화되어 직접 환원된 철 알맹이, 석유 코크스 또는 다른 전기적으로 전도성인 물질로 채워진다. 다른 전도성 물질은 환원된 또는 부분적으로 금속회된 알맹이들이 소용없을 때 이용된다.

6% 이하로 금속화된 알맹이들이 전도성인 것으로 알려져 있다.

본 발명의 다른 실시예가 제2도에 나타나 있는데 환원반응에 필요한 전기에너지를 공급하기 위하여 마주 보고 있는 몇 쌍의 전극판(103)을 이용하고 직접 환원된 철과 맥석에 더 많은 열을 가하여 용해하기 위하여 모든 부가적인 에너지를 공급하는 산소연료 버너(94)를 이용하는 것이다.

상기 실시의 노(110)은 정사각형 또는 직사각형이 바람직하며 수평의 단면적을 볼 때 정사각형 또는 직사각형에 가까운 곡선의 측면이 있다. 노의 중앙 부분에는 도시되지는 않았지만 차례로 전원에 연결되는 전극 유도막대(112)에 연결된 내열성 합금전극판(103)이 설치되어 있다.

전극판(103)은 내부 벽면을 사실상 매끄럽게 하기 위하여 내화벽(114)의 우묵한 곳에 놓는 것이 바람직하며 맞은편에도 이와 같이 설치되어 있다. 세 쌍의 전극판이 공정제어를 위하여 노에 대하여 수직으로 끼워져 있는 것이 제2도에 나타나 있다.

전극 유도막대(112)는 강철로 외판(118)로부터 막대(112)를 절연하기 위하여 석면판과 같은 적당한 전기절연물(110)에 설치되어 있다. 아래 끝이 폐쇄되어 있는 내열성합금관(120)은 노지붕에서 수직의 윗방향으로 그리고 노내의 가장 아래에 있는 전극판(103)의 구역에까지 충전물 내로 뻗어있다.

도시되지는 않았지만 적당한 열전기쌍이 적당한 높이, 특히 전극판의 높이로 충전물의 온도를 감지하기 위하여 열전기쌍관(120)으로 삽입되어 있다.

노에는 세개의 별개의 공정 구역이 있다.

상부 구역은 충전물이 이 충전물의 흐름과는 반대로 흐르는 가스의 대류에 의해 가열되는 예비환원구역으로 되어있다. 공급되는 석탄 또는 다른 탄소질 연료는 응축될 수 있거나 응축될 수 없는 휘발성 물질을 유리하며 대부분 수소 또는 탄화수소인 응축될 수 없는 휘발성 물질은 상부 가스로 빠져나가 공정가스로 정화되고 재순환된다.

알맹이 충전물은 중액화합물이 가스출구관을 막는 것을 방지하는데 매우 효과적인 이동하는 충전층 자갈퀀치(quench)로 작용한다.

일부 중유 및 타르는 석탄으로부터 스며나오기 쉬워서 산화물 공급으로 흡수되어 공정가스내에서 CO₂및 수증기와 반응하게 된다. 중액 화합물에 높은 비율로 산화물을 공급하는 것은 충전물이 충전물 장입 기준선 가까이에서 대량의 덩어리로 환원하는 경향이 있다.

이 예비환원구역에서 산화물 공급물질은 상부로 이동하는 가스에서 환원제 H₂및 CO와 반응하여 25% 이하의 낮은 금속화로 환원된다.

따라서 충전물은 예비환구역을 떠나기 전에 전기적으로 전도성이 된다. 용광로의 중앙 구역은 금속철이 산화철의 산소와 탄소질 연료의 반응으로 생긴 탄화와 반응하여 형성된 환원 구역으로 되어 있다.

환원구역에서의 반응은 흡열반응이다. 환원구역에서 소요되는 열은 전열적으로 공급된다. 이 열소모량은 직접 환원된 철은 미터톤당 약 700KWh(0.6 지가 칼로리)이다.

환원구역내의 과잉열은 알맹이들을 부드럽게 하고 충전물이 충전물을 통하여 공정가스의 상부 흐름을 방지할 수 있거나 또는 환원가스의 상부 흐름을 줄일 수 있는 풀같은 덩어리로 되게 한다.

층전물을 통하는 버슬(80)으로부터 나온 공정가스의 순환은 충전물이 용해구역에 도달할 때까지 고체입자 형태를 유지하는데 도움이 된다. 노의 하부 구역은 환원된 뜨거운 알맹이들이 배출되기 전에 용해되는 용해구역으로 되어 있다. 알맹이들을 용해하기 위한 부가적인 열소모량은 미터톤당 약 0.33 지가 칼로리이다.

제1도에서 이 열은 부분적으로는 전열적인 가열에 의해서 그리고 부분적으로는 산소 연료버너에 의해서 충족된다.

제2도에서 이 열은 전적으로 산소연료버너(94)에 의해 충족된다.

이 버너들은 환원된 알맹이들이 환원구역에서 환원되는 온도 이상으로 가열되고 정력 소모량에 관계없이 용해되게 하고 있다. 역시 이 버어너들은 환원구역에 필요한 전력과 노공급에 필요한 고체탄소질 연료를 줄이는 뜨거운 환원가스를 공급한다. 노로부터 배출된 생성물은 약 3-12%의 불순물이 섞인 용선이다.

이 철은 산소제강로에서 강철을 입히는데 쓰이거나 또는 선철로 사용될 수 있다. 공급물질내의 석탄은 선별된 석탄의 발열량에 의존하며 장입물 무게의 약 5-20% 정도이다.

석회석 또는 백운석 또는 이들의 혼합물의 약 5중량%에 달하는 적은 양이 노내에서 유리하게 되는 황과 반응하기 위하여 공급물질에 첨가된다. 이 비금속물질은 슬래그 또는 맥석으로 생성물인 용선으로부터 분리될 수 있다.

부가적인 양의 석회석 또는 백운석이 보통의 슬래그하는 방법에 따라서 슬래그를 유동화하기 위하여 공급물질에 첨가된다. 노의 작동에 따라 도면에 나타난 바와 같이 공정흐름의 여러 지점에서 가스 흐름비, 가스 온도 및 가스조성에 관해서 계산되었다.

97% Fe₂O₃와 3% 맥석물질의 산화물 공급분석치에 근거를 두고 상기와 같은 계산을 하였다.

50.1% 고정탄소, 3.8% 물, 37.0% 휘발물질 및 9,1% 회분의 분석치로서 이론적으로 요구되는 것보다 10% 이상의 석탄이 이러한 계산을 하기 위한 기준으로 사용되었다. 이것은 매우 휘발성이 높은 등급 B 역청탄이다. 같은 양의 석탄이 산소연료버너를 위한 연료로 사용된다. 석탄으로부터 나온 타르 및 기름의 수율은 미터톤당 약 0.17Nm³이다.

상부 가스내 존재하고 있는 타르 및 기름은 m³당 33,600mg이다. 환원구역내의 온도는 980℃이다.

최종 생성물의 금속화는 92%이며 환원구역내에서 일어나는 금속화는 20%이다. 과량의 석탄을 사용하므로써 철 생성물을 침탄할 것이다.

표 1과 2에 본 발명에 따라 작동된 직접환원로에서 계산된 작동 수치가 나타나 있다.

가스분석치는 영문자로 표시한 위치에서 분석한 작동치수이며 이 위치는 다음과 같다.

A : 상부 가스출구(44)로부터 배출된 상부 가스.

B : 물 세척탑(60)을 나가는 가스

C : 배기구멍(VI)을 통하여 흐르는 가스

D : 노 입구(78)로 들어가는 가스

E : 타인(86)에서 버너(90)으로 들어간 가스

F : 노입구(78)로부터 나온 가스와 산소연료 버너(94)에서 나온 가스가 혼합된 위치에서의 가스

G : 환원구역내에서의 가스 혼합물

H : 환원구역으로부터 나온 가스 혼합물

I : 소오스(98)에서 버어너(94)로 들어가는 산소

표에서 가스 흐름은 생성물의 미터톤당 Nm³으로 주어져 있다. 표 1은 제1도에 따라 작동된 직접환원로의 작동수치를 나타내며 직접 환원된 철과 맥석을 환원은도 이상으로 가열하고 용해하기 위하여 필요한 에너지의 50%가 산소연료 버어너에 의해 충족된다.

[표 1]

표 2는 제2도에 도시된 장치로 본 발명에 따라 작동한 직접 환원로의 작동 수치를 나타낸다.

[표 2]

시험은 약 90%가 금속화된 직경이 12mm인 알맹이 89%, 저 휘발성 역청탄으로부터 생긴 직경이 12mm인 목탄 10%와 직경이 6mm인 석회석 1%로 구성된 충전충을 여러 온도로 변화시켜 전기저항을 측정하기 위하여 행한 것이다.

표 3에서 비저항은 1m²의 정면면적을 갖는 충전물을 통한 저항과 1m 깊이의 충전물을 통한 저항을 나타내는 것이다.

표 3은 자료를 얻기 위하여 구획으로 나눈 곡선에서의 점을 나타낸다.

[표 3]

본 발명의 노에서 적당한 온도범위는 900-1000℃이다. 낮은 또는 높은 금속화로 이 온도범위에서 충전을 비저항은 전기 절연 또는 접지장치를 할 필요없이 충전물의 저항 가열을 실용할 수 있는 낮은 전압에서 비교적 높은 전류를 필요로 한다.

제1도 또는 2도의 공정은 관(72) 내의 밸브를 닫음으로써 버슬 가스 예비가열기(74)없이 작동가능하다.

이렇게 될 경우 입구(78)을 통하여 환원구역으로 들어가는 대부분의 가스가 냉각되어서 환원구역을 떠나는 고체입자들의 평균 온도를 줄이게 될 것이다. 그러므로 열이 부각적으로 고체입자의 온도를 용융온도로 올리기 위하여 산소 연료버너(94)를 통하여 공급되어야 한다. 또한 부가적인 전기에너지도 차거운 버슬가스의 온도를 노의 환원구역내 반응온도로 올리기 위하여 필요하다.

표 4는 벼슬가스 예비가열기(74)가 제1도 및 2도의 노에서 사용될 때와 사용하지 않을 때 필요한 노에너지를 비교하여 나타낸 것이다.

[표 4]

표 5는 벼슬가스 예비가열기(74)를 사용하지 않고서 제1도에 따라 작동한 직접 환원로의 작동수치를 나타낸 것이다. 그러므로 직접 환원된 철 및 맥석을 환원온도 이상으로 가열하기 위하여 필요한 에너지의 거의 100%가 산소 연료버너(94)에 의해 공급된다.

[표 5]

표 6은 버슬가스 예비가열기(74)를 사용하지 않고서 제2도에 따라 작동한 직접 환원로의 작동수치를 나타낸 것으로 직접 환원된 철 및 맥석을 환원온도 이상으로 가열하기 위하여 필요한 에너지의 거의 100%가 산소 연료 버너(94)에 의해 공급된다.

[표 6]

Claims (1)

1. 산화철 입자의 탄소질 고체 입자 연료를 용광로의 상부에 있는 입자 입구로 연속적으로 공급하여 상부의 장입기준선을 떠나는 충전층으로 된 충전물을 형성하고, 충전물을 통하여 충분한 열을 제공하기 위하여 전기저항 가열에 의해 전류를 보냄으로써 산화철 입자의 산소와 상기 탄소질 연료를 반응시켜 상기 산화철을 금속철로 환원하고 이 철을 용해하여 상기 노의 바닥에 용선 푸울을 형성하고, 상기 용선 푸울위에 있는 충전물의 아래 부분을 산소 연료 버너로 가열하고, 상기 충전물을 통하여 반응 생성물을 역류시킴으로써 상부 가스를 형성하고, 노의 상부 구역에 있는 상부 가스를 제거하여 냉각하고, 냉각된 상부 가스를 산소 연료버너 위에 위치한 노의하부 구역에선 가스 입구를 통하여 충전물로 재순환시켜서, 상기 노의 바닥에 있는 용선과 슬래그를 끄집어내는 것을 특징으로 하는 산화철 입자를 고체환원제로써 용선으로 환원하는 방법.

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