WO2012047041A2 - 탄화철 함유 분환원철 및 그 제조장치 - Google Patents

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이상호
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    • Y02P10/10—Reduction of greenhouse gas [GHG] emissions
    • Y02P10/134—Reduction of greenhouse gas [GHG] emissions by avoiding CO2, e.g. using hydrogen

Definitions

  • the present invention relates to a ring reducing iron and a manufacturing apparatus thereof, and more particularly to a ring reducing iron containing iron carbide and a manufacturing apparatus thereof.
  • the operation in the furnace is performed to secure the flow rate of reducing gas and charges in the furnace and to increase the reduction rate of the iron ore.
  • the condition is being adjusted.
  • the ore for the reduction is hard-cyclic ultrafine powder, that is, as the amount of the hard-ring ultrafine magnetite is increased, the reduction rate is expected to decrease to the current operating conditions.
  • the reduction of the reduced reduction iron reduces the gas utilization rate of the flow furnace and increases the load on the melting furnace, resulting in an increase in fuel costs.
  • the content of carbon contained in the reduced iron iron (Fe) in the reduced iron is ferritic. It is not effective because it is very limited to 0.02 weight percent for austenitic and 2 weight percent for austenitic.
  • iron carbides such as cementite (Fe 3 C) in the ring reducing iron, carbon content of more than 6.67% by weight is possible, so that it is effective as a method of briquettes and is a compacted material by It is possible to solve the problem of compacting (compacting) of the manufacturing apparatus.
  • the present invention was devised to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a reduced iron containing iron carbide and an apparatus for producing the same by forming iron carbide on the surface by performing a carbonization reaction after reducing the iron ore.
  • Iron carbide-containing reduced iron according to a preferred embodiment of the present invention for achieving the above object is prepared by preheating the iron ore, reduced by at least one reduction furnace, and carbonized the reduced iron ore in the carbonization furnace, It is characterized in that the iron carbide content is 20 to 34 weight percent.
  • the iron carbide-containing reducing iron is characterized in that the reduced metal iron (Fe) and iron carbide formed on the surface layer.
  • an apparatus for manufacturing iron-containing iron-reducing iron includes: a heating furnace for preheating iron ore, at least one reduction furnace for reducing the preheated iron ore, and the reduced iron ore from outside And a carbonization furnace for carbonizing with the supplied hydrogen sulfide-containing reducing gas.
  • the iron carbide-containing reduced-iron production apparatus further includes a hydrogen sulfide remover for removing hydrogen sulfide from the reducing gas discharged from the carbonization furnace.
  • the iron carbide-containing reduced-iron production apparatus further includes a heating device for heating before the reducing gas from which the hydrogen sulfide is removed to the at least one reducing furnace.
  • the molten iron manufacturing apparatus is a heating furnace for preheating the iron ore, at least one reduction furnace for reducing the preheated iron ore, hydrogen sulfide containing the reduced iron ore supplied from the outside
  • a carbonization furnace for carbonizing with a reducing gas
  • a compacted material manufacturing apparatus for compacting the iron carbide-containing reduced iron
  • a melting furnace for charging molten iron-containing reduced-reduced iron and blowing oxygen to produce molten iron.
  • the molten iron manufacturing apparatus further includes a mixer for mixing the iron carbide-containing reduced iron with the quicklime before charging the compacted material manufacturing apparatus.
  • the molten iron manufacturing apparatus further includes a hydrogen sulfide remover for removing hydrogen sulfide from the reducing gas discharged from the carbonization furnace.
  • the molten iron manufacturing apparatus further includes a heating device for heating the reducing gas from which the hydrogen sulfide is removed before supplying to the at least one reducing furnace.
  • the ring reducing iron can be easily agglomerated by the compacting material manufacturing apparatus.
  • iron carbide-containing agglomerates By charging iron carbide-containing agglomerates into the furnace, it is possible to significantly reduce the melting temperature, thereby reducing fuel costs and carbon dioxide emissions.
  • FIG. 1 is a diagram conceptually showing a cross section of a ring reducing iron containing iron carbide according to the present invention.
  • FIG. 2 is a view schematically showing the operation process of the iron carbide-containing reduced-iron production apparatus and molten iron manufacturing apparatus including the same according to the present invention.
  • FIG. 1 is a view schematically showing a cross section of a branched iron containing iron carbide according to the present invention.
  • the reduced-reduction iron containing iron carbide according to the present invention has unreduced iron oxide (iron oxide) therein, and surface iron metal (Fe) and iron carbide (iron carbide).
  • the metal iron of the surface portion is formed as the ferrite is reduced in the reduction furnace and the iron carbide is formed by the carbonized reaction of the reduced metal iron.
  • Iron carbide-containing reduced iron is prepared by preheating the iron ore, reduced by at least one fluidized bed reduction furnace, and carbonized the reduced iron ore in a carbonization furnace, iron carbide content 20 to 35 weight percent.
  • the reduction rate of the iron ore according to the present invention may be 50 to 60 percent.
  • the proportion of iron carbide that can be formed in the reduced iron (direct reduced iron) having a reduction rate of 50 to 60 percent may be 20 to 35 weight percent in consideration of an operation error.
  • the iron carbide-containing reducing iron is characterized in that the reduced metal iron (Fe) and iron carbide (iron carbide) formed on the surface layer.
  • the iron ore may be used in the ore of the general grade, and preferably, it may be used for the hard-reducing ultrafine magnetite or hematite ore.
  • the iron ore may be low iron ore, dense iron or molecular iron ore having a dense structure and a particle size range of 10 ⁇ m to 100 ⁇ m.
  • the iron ore may be preheated to a constant temperature so that a reduction reaction in a reduction furnace can easily occur.
  • the ferrite ore preheated by heating may be charged into at least one fluidized bed reduction furnace and reduced using a reducing gas.
  • Preheating of the iron ore may be made in the temperature range of 400 °C ⁇ 650 °C of the reduction reaction.
  • the reducing gas may be a gas including carbon monoxide (CO), hydrogen (H 2 ), methane (CH 4 ), carbon dioxide (CO 2 ), and hydrogen sulfide (H 2 S).
  • the reduction furnace used for the reduction of the iron ore may be a fluidized bed reduction furnace or a packed bed reduction furnace.
  • the iron ore in the reduction furnace is partially reduced and the reduction rate may have a reduction rate of 50 to 60 percent.
  • the reason why the reduction rate is low is that when the iron-iron ore is an extremely fine powder of hard-reducing, it forms a metal iron (Fe) layer having a dense structure at the surface part, so that even if the reduction is performed using several reduction furnaces, the reduction rate is increased in the final reduction furnace. This is because there is a limit of reduction rate because
  • the reduced iron ore is charged into a carbonization furnace and carbonized by a reducing gas containing hydrogen sulfide (H 2 S) to be reduced in the reduction furnace to form iron carbide in a reduced iron having metal iron formed on its surface.
  • a reducing gas containing hydrogen sulfide (H 2 S) to be reduced in the reduction furnace to form iron carbide in a reduced iron having metal iron formed on its surface.
  • FIG. 2 is a view schematically showing a process of the iron carbide-containing reduced iron manufacturing apparatus and the molten iron manufacturing apparatus including the same according to the present invention.
  • an apparatus for manufacturing iron-containing iron-reducing iron includes: a heating furnace for preheating iron ore, at least one reduction furnace for reducing the preheated iron ore, and the reduced iron ore from outside And a carbonization furnace for carbonizing with the supplied hydrogen sulfide-containing reducing gas.
  • the fine iron ore may be used in the general grade of fine spectroscopy, preferably low light, dense texture and particle size range of 10 ⁇ m ⁇ 100 ⁇ m may be used ore iron ore.
  • Such a furnace may be a fluidized bed reactor.
  • the reduction furnace for reducing the heated ferrite ore may be composed of one or more fluidized-bed reduction furnaces to increase the reduction rate of the ore and increase the ore residence time, and preferably may be composed of three stages.
  • the furnace temperature of the reducing furnace may be increased.
  • the total residence time of the iron ore in the reduction furnace may be maintained at about 100 minutes.
  • the reduced reducing iron in the reduction furnace may be composed of metal iron (Fe) on the surface thereof and may have a form of iron oxide (FeO), and the reduction rate may be about 50 to 60 percent.
  • the metal iron (Fe) layer formed on the surface of the reduced iron has a dense structure.
  • the present invention can effectively use a metal iron (Fe) layer having a very dense surface formed in the hard-reducing ultra-fine spectroscopy. That is, since the metal iron layer has a dense structure, the diffusion of oxygen in the metal iron (Fe) is slowed down, so that the oxygen concentration in the metal iron is reduced, and carbon monoxide (CO) in the reducing gas is decomposed so that carbon diffuses in the metal iron. As the concentration increases, carbon monoxide is carbonized by carbon monoxide.
  • the reduced branched iron is charged in a carbonization furnace and the carbonization reaction is carried out by a reducing gas containing hydrogen sulfide (H 2 S) in the carbonization furnace, cementite (Fe 3 C), seconds on the surface of the reduced iron Iron carbides such as iron carbide (Fe 5 C 2 ) may be formed.
  • H 2 S hydrogen sulfide
  • cementite Fe 3 C
  • Fe 5 C 2 iron carbide
  • the carbonization reaction of the reduced-reduced iron is carried out by an equilibrium reaction as in the following reaction formula (1) because hydrogen is present in the reducing gas.
  • the activity of carbon a C can be expressed as
  • the carbonization furnace may be composed of one fluidized-bed reduction reactor and the residence time of the reduced ring iron may be about 40 minutes.
  • Hydrogen sulfide (H 2 S) contained in the reducing gas is not directly related to the carbonization reaction formula (1).
  • the sulfur of hydrogen sulfide is a surface-active material that can be easily adsorbed on the surface of direct reduced iron (DRI). This adsorption of sulfur indirectly helps stabilize the formation of iron carbide by inhibiting the formation of graphite (graphite), which may be caused by increased carbon activity on the surface of the directly reduced iron during the carbonization reaction. Therefore, carbon deposition, carbide decomposition, and the like can be suppressed by controlling the concentration of sulfur in the carbonization furnace.
  • the reduced iron is partially converted into iron carbide by the carbonization reaction, and finally, the reduced iron containing 20 to 30 weight percent of iron carbide may be formed.
  • the order of the numerator is the second order and the order of the denominator is the first order. Therefore, since the higher the pressure in the carbonization furnace, the faster the formation of iron carbide, the pressure in the carbonization furnace is preferably set to a high pressure of about 4bar ⁇ 5bar.
  • the apparatus for producing iron carbide-containing reduced iron further includes a hydrogen sulfide remover for removing hydrogen sulfide (H 2 S) from the reducing gas discharged from the carbonization furnace.
  • a hydrogen sulfide remover for removing hydrogen sulfide (H 2 S) from the reducing gas discharged from the carbonization furnace.
  • the hydrogen sulfide remover may charge powdered quicklime to remove hydrogen sulfide from the flue gas of the carbonization furnace containing hydrogen sulfide (H 2 S).
  • the quicklime (CaO) may react with hydrogen sulfide to form calcium sulfide (CaS) and the like.
  • the reason why the hydrogen sulfide gas is removed from the reducing gas discharged from the carbonization furnace and blown into the reduction furnace is that hydrogen sulfide lowers the reduction rate of the iron ore in the reduction furnace.
  • the reducing gas from which hydrogen sulfide is removed by the quicklime may be maintained at less than 10 ppm of hydrogen sulfide.
  • the iron carbide-containing reduced-iron production apparatus further includes a heating device for heating before the reducing gas from which the hydrogen sulfide is removed to the at least one reducing furnace.
  • a heating furnace such as a burner for heating the reducing gas may be installed therebetween.
  • the reducing gas for reducing and carbonizing the ferrous ore may be supplied by a reducing gas manufacturing apparatus, and preferably, a molten furnace capable of manufacturing molten iron by charging oxygen after charging compacted iron (HCI) and carbonaceous material of the reduced or reduced iron. It is possible to use the gas produced by the combustion of coal at.
  • the gas produced by the burning of coal in this furnace comprises a hydrogen sulfide (H 2 S).
  • a liquefied natural gas including hydrogen (H 2 ), methane (CH 4 ), and the like may be additionally injected.
  • the reducing gas used for reducing the ferrous iron ore in the at least the reducing furnace may be discharged from the reducing furnace and then blown into a heating furnace for preheating the ferrous iron ore and the reduced reducing gas is finally used after preheating the ore. Discharged from the furnace.
  • the molten iron manufacturing apparatus is a heating furnace for preheating the iron ore, at least one reduction furnace for reducing the preheated iron ore, hydrogen sulfide containing the reduced iron ore supplied from the outside
  • a carbonization furnace for carbonizing with a reducing gas
  • a compacted material manufacturing apparatus for compacting the iron carbide-containing reduced iron
  • a melting furnace for charging the oxygenated iron-containing reduced-reduced iron and blowing oxygen to produce molten iron.
  • the molten iron manufacturing apparatus further includes a mixer for mixing the iron carbide-containing reduced iron with the quicklime before charging the compacted material manufacturing apparatus.
  • the molten iron manufacturing apparatus further includes a hydrogen sulfide remover for removing hydrogen sulfide from the reducing gas discharged from the carbonization furnace.
  • the reducing gas generated in the melting furnace is blown into the carbonization furnace and the reducing gas discharged from the carbonization furnace passes through a reducing gas remover having condensed lime before blowing into the reducing furnace to remove hydrogen sulfide from the reducing gas. By doing so, reduction of the reduction rate in the reduction furnace can be prevented.
  • the quicklime is quicklime used to remove hydrogen sulfide gas from the carbonization furnace and is agglomerated by the iron carbide-containing reducing iron and the compacted material manufacturing apparatus.
  • the iron carbide-containing reducing iron may be stored in a compacted material storage tank, compacted in a compacted material manufacturing apparatus, and charged into a melting furnace.
  • the iron carbide-containing reduced iron according to the present invention can improve the meltability in the melting furnace of the reduced iron by increasing the carbon content therein.
  • the melting temperature of the reducing iron can be reduced by about 100 degrees and the fuel cost due to the reduction and melting rate can be reduced.
  • carbon and iron oxide are finely formed to maximize the rate of reduction and melting in the melting furnace, it may have the advantages of carbonaceous pellets or carbonaceous agglomerated minerals, and compacting of compacted materials is facilitated, resulting in briquettes. The problem of poor packing can be solved.

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Abstract

탄화철 함유 분환원철 및 그 제조방법이 개시된다. 본 발명에 의한 탄화철 함유 분환원철은 난환원성의 극미분광을 환원로에서 환원 후 탄화로에서 탄화 반응에 의해 표면에 탄화철을 형성함으로써 20 내지 30 중량 퍼센트의 탄화철을 함유한다. 본 발명에 의한 탄화철 함유 분환원철 제조장치는 환원가스 내에 포함된 황화수소를 탄화로와 환원로에 선택적으로 사용함으로써 분철광석을 효과적으로 환원 및 탄화시킬 수 있다. 본 발명에 의한 탄화철 함유 분환원철을 적용함으로써 분환원철 내에 탄소함량을 증진시킴으로써 용융성을 향상시킬 수 있으며 환원 및 용융 속도 증가로 인한 연료비를 저감할 수 있다.

Description

탄화철 함유 분환원철 및 그 제조장치
본 발명은 분환원철 및 그 제조장치에 대한 것으로, 보다 상세하게는 탄화철을 함유하는 분환원철 및 그 제조장치에 관한 것이다.
다단의 유동층형 환원로와 용융로(용융가스화로)를 이용하여 용철을 제조하는 공정에 있어서, 유동로에서의 조업은 유동로내의 환원가스 및 장입물의 유동성 확보와 분철광석의 환원율을 증가시키기 위해 공정 조건을 조정하고 있다.
한편, 환원을 위한 광석들이 난환성 극미분인 경우, 즉 난환성 극미분 자철광 사용량이 증대함에 따라 환원율이 현재의 조업 조건으로는 감소될 것으로 예상된다. 이러한 분환원철의 환원율 감소는 유동로의 가스 이용율을 감소시키고 용융로의 부담을 증가시켜 연료비의 증가를 가져오게 된다.
이러한 문제점을 해결하기 위한 방안으로는 용융로에 장입된 괴성화된 환원철(HCI)의 직접 환원속도와 용융속도를 증가시키는 것을 고려할 수 있다. 이를 위하여 탄재 내장 펠릿(pellet)을 용융로에 장입할 수 있으나 분환원철에 가탄 즉, 탄재를 첨가시켜 괴성화된 환원철을 만들 경우, 괴성체 제조장치에서 컴팩팅(compacting)이 매우 불량해져 용융로 조업에 적합한 괴성체를 제조하는데 어려움이 있다.
이를 해결하기 위해서, 유동로에서 환원철 자체의 탄소 함량을 늘리는 방법을 강구해 볼 수 있는데, 단순히 침탄(carburization) 반응에 의해서는 환원철내 금속 철(Fe)이 함유할 수 있는 탄소의 함량이 페라이트계의 경우 0.02 중량 퍼센트, 오스테나이트계의 경우 2 중량 퍼센트로 매우 제한적이기 때문에 효과적이지 못하다.
만일, 분환원철 내부에 시멘타이트(cementite, Fe3C)와 같은 탄화철(iron carbide)를 형성하는 것이 가능하다면 6.67중량 퍼센트 이상의 탄소 함유가 가능하기 때문에 가탄의 방법으로써 효과적이고 또한, 가탄에 의한 괴성체 제조장치의 컴팩팅(compacting) 불량 문제를 해결할 수 있다.
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위해 고안된 것으로, 분철광석을 환원한 후 탄화 반응을 시켜 표면에 탄화철을 형성함으로써 탄화철을 함유하는 환원철 및 그 제조장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 탄화철 함유 분환원철은 분철광석을 예열한 후, 적어도 하나의 환원로에 의해 환원시키고, 상기 환원된 분철광석을 탄화로에서 탄화시켜 제조되며, 탄화철 함량이 20 내지 34 중량 퍼센트인 것을 특징으로 한다.
상기 탄화철 함유 분환원철은 표층부에 환원된 금속 철(Fe) 및 탄화철이 형성된 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 다른 실시예에 의한 탄화철 함유 분환원철의 제조장치는 분철광석을 예열하기 위한 가열로, 상기 예열된 분철광석을 환원하기 위한 적어도 하나의 환원로, 및 상기 환원된 분철광석을 외부에서 공급된 황화수소 함유 환원가스로 탄화시키기 위한 탄화로를 포함한다.
상기 탄화철 함유 분환원철 제조장치는 상기 탄화로에서 배출되는 환원가스 중 황화수소를 제거하기 위한 황화수소 제거기를 더 포함한다.
상기 탄화철 함유 분환원철 제조장치는 상기 황화수소가 제거된 환원가스를 상기 적어도 하나의 환원로에 공급하기 전에 가열하는 가열장치를 더 포함한다.
본 발명의 바람직한 또 다른 실시예에 의한 용철 제조장치는 분철광석을 예열하기 위한 가열로, 상기 예열된 분철광석을 환원하기 위한 적어도 하나의 환원로, 상기 환원된 분철광석을 외부에서 공급된 황화수소 함유 환원가스로 탄화시키기 위한 탄화로, 상기 탄화철 함유 분환원철을 괴성화하기 위한 괴성체 제조장치, 및 상기 괴성화된 탄화철 함유 분환원철을 장입하고 산소를 취입하여 용철을 제조하기 위한 용융로를 포함한다.
상기 용철 제조장치는 상기 탄화철 함유 분환원철을 상기 괴성체 제조장치에 장입하기 전에 생석회와 혼합하기 위한 혼합기를 더 포함한다.
상기 용철 제조장치는 상기 탄화로에서 배출되는 환원가스로부터 황화수소를 제거하기 위한 황화수소 제거기를 더 포함한다.
또한, 용철 제조장치는 상기 황화수소가 제거된 환원가스를 상기 적어도 하나의 환원로에 공급하기 전에 가열하는 가열장치를 더 포함한다.
상기한 바와 같은, 본 발명에 의한 탄화철 함유 분환원철 및 그 제조장치에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.
분환원철에 탄화철을 화학적 가탄에 의해 함유하도록 함으로써 분환원철을 괴성체 제조장치에 의해 용이하게 괴성화가 가능하다.
용융로에 탄화철 함유 괴성체를 장입함으로써 용융 온도를 크게 감소시킴으로써 연료비 저감 및 이산화탄소 배출량을 감소시킬 수 있다.
상기에 의해 난환원성의 저품위 광(ore) 사용으로 용선 생산 원가 경쟁력을 확보할 수 있다.
도 1은 본 발명에 의한 탄화철을 함유하는 분환원철의 단면을 개념적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명에 의한 탄화철 함유 분환원철 제조장치 및 이를 포함하는 용철 제조장치의 조업 공정을 개략적으로 나타낸 도면이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 탄화철 함유 분환원철 및 그 제조장치에 대하여 설명하기로 한다. 참고로 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
도 1은 본 발명에 의한 탄화철을 함유하는 분환원철의 단면을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이 본 발명에 의한 탄화철을 함유하는 분환원철은 내부에 미환원된 철 산화물(iron oxide)이 존재하며 표면부는 금속 철(Fe)과 탄화철(iron carbide)이 존재한다.
상기 표면부의 금속 철은 분철광성이 환원로에서 환원됨에 따라 형성되는 것이며 탄화철은 환원된 금속 철이 탄화 반응에 의해 형성된 것이다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 의한 탄화철 함유 분환원철은 분철광석을 예열한 후, 적어도 하나의 유동층형 환원로에 의해 환원시키고, 상기 환원된 분철광석을 탄화로에서 탄화시켜 제조되며, 탄화철 함량이 20 내지 35 중량 퍼센트인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 분철광석의 환원율은 50 내지 60 퍼센트일 수 있다.
상기 환원율은 환원율 = (1-2/3*X)*100으로 정의되며, 여기서 X는 산화철의 원자비(O/Fe) 이다. 예를 들어, Fe2O3는 O/Fe=3/2이므로 환원율은 0이고 FeO는 O/Fe=1 이므로 33% 이다.
상기 분철광석의 환원율이 50 퍼센트인 경우는 X=3/4=O/Fe 이므로, Fe:FeO 비율이 1:3이 되고 중량 퍼센트로 변경하게 되면 약 1:3.86가 되어 Fe의 양이 20.5 퍼센트가 된다.
또한, 분철광석의 환원율이 60 퍼센트인 경우, X=3/5 즉 Fe:FeO의 비율은 2:3이 되고 이를 중량 퍼센트로 나타내면 약 1:1.93이 되므로 Fe의 비율이 34.1 퍼센트가 된다.
따라서, 환원율이 50 내지 60 퍼센트인 분환원철(직접 환원철)에 형성될 수 있는 탄화철의 비율은 조업 오차를 고려하여 20 내지 35 중량 퍼센트 일 수 있다.
또한, 상기 탄화철 함유 분환원철은 표층부에 환원된 금속 철(Fe) 및 탄화철(iron carbide)이 형성된 것을 특징으로 한다.
상기 분철광석은 일반적인 품위의 광석이 사용될 수 있으며 바람직하게는 난환원성의 극미분 자철광석 또는 적철광석이 사용될 수 있다.
보다 상세하게, 상기 분철광석은 저급광이며 조직이 치밀하고 입도 범위는 10㎛~100㎛ 인 분적철광 또는 분자철광일 수 있다.
상기 분철광석은 환원로에서의 환원반응이 용이하게 일어날 수 있도록 일정한 온도로 예열될 수 있다. 이와 같이 가열에 의해 예열된 분철광석을 적어도 하나의 유동층형 환원로에 장입하여 환원가스를 이용하여 환원시킬 수 있다.
상기 분철광석의 예열은 환원 반응의 온도 범위 400℃~650℃에서 이루어 질 수 있다.
상기 환원가스는 일산화탄소(CO), 수소(H2), 메탄(CH4), 이산화탄소(CO2), 황화수소(H2S)를 포함하는 가스 일 수 있다.
상기 분철광석의 환원에 사용되는 환원로는 유동층형 환원로 또는 충전층형 환원로 일 수 있다.
상기 환원로에서 분철광석은 일부분 환원되며 그 환원율은 50 내지 60 퍼센트의 환원율을 가질 수 있다. 환원율이 낮은 이유는 분철광석이 난환원성의 극미분인 경우, 표면부에 치밀한 조직을 갖는 금속 철(Fe)층을 형성하기 때문에 여러 개의 환원로를 이용하여 환원시키더라도 최종의 환원로에서 환원율 증가가 현저히 감소하기 때문에 환원율의 한계가 있기 때문이다.
환원된 분철광석은 탄화로에 장입되고 황화수소(H2S)를 포함하는 환원가스에 의해 탄화(carbidization)가 진행되어 상기 환원로에서 환원되어 표면에 금속 철이 형성된 분환원철에 탄화철을 형성하게 된다.
도 2는 본 발명에 의한 탄화철 함유 분환원철 제조장치 및 이를 포함하는 용철 제조장치의 공정을 개략적으로 나타낸 도면이다.
본 발명의 바람직한 다른 실시예에 의한 탄화철 함유 분환원철의 제조장치는 분철광석을 예열하기 위한 가열로, 상기 예열된 분철광석을 환원하기 위한 적어도 하나의 환원로, 및 상기 환원된 분철광석을 외부에서 공급된 황화수소 함유 환원가스로 탄화시키기 위한 탄화로를 포함한다.
상기 분철광석은 일반적인 품위의 미분광이 사용될 수 있으며 바람직하게는 저급광이며 조직이 치밀하고 입도 범위는 10㎛~100㎛ 인 분적철광 또는 분자철광이 사용될 수 있다.
상기 분철광석을 환원로에 장입하기 전에 가열로에서 일정한 온도로 예열시킴으로써 환원로에서의 환원반응을 촉진시킬 수 있다. 이러한 가열로는 유동층형 반응로를 사용할 수 있다.
상기 가열된 분철광석을 환원하기 위한 환원로는 광석의 환원율을 증가시키고 광석 체류시간을 증가시키기 위해 하나 이상의 유동층형 환원로로 구성될 수 있으며 바람직하게는 3단의 유동로로 구성할 수 있다.
상기 환원로를 복수로 구성할 경우, 분철광석이 환원로를 순차적으로 경유할 경우 환원로의 노내 온도가 증가하도록 구성할 수 있다.
상기 분철광석이 다단의 환원로에서 환원될 경우, 분철광석의 환원로내 전체 체류시간을 100분 정도로 유지할 수 있다.
상기 환원로에서 환원된 분환원철은 표면이 금속 철(Fe)로 구성되고 내부는 산화철(FeO) 형태를 나타낼 수 있으며 환원률은 약 50 내지 60 퍼센트 일 수 있다.
분철광석이 난환성 극미분으로 갈수록 환원철의 표면에 형성되는 금속 철(Fe) 층이 치밀한 구조를 갖게 된다.
본원발명은 난환원성 극미분광에서 형성되는 표면이 매우 치밀한 구조의 금속 철(Fe)층을 효과적으로 이용할 수 있다. 즉, 금속 철 층이 치밀한 구조를 갖기 때문에 금속 철(Fe) 내에서 산소의 확산이 둔화되므로 금속 철 내 산소 농도가 감소하게 되고 환원가스 중의 일산화탄소(CO)가 분해되어 탄소가 상기 금속 철 내에 확산되어 농도가 증가함으로써 일산화탄소에 의해 금속 철의 탄화가 이루어지게 된다.
또한, 상기 환원된 분환원철은 탄화로에 장입되며 상기 탄화로내에서 황화수소(H2S)를 포함하는 환원가스에 의해 탄화 반응이 진행되어 상기 분환원철의 표면에 시멘타이트(Fe3C), 초탄화철(Fe5C2) 등의 탄화철(iron carbide)이 형성될 수 있다.
상기 탄화로내에서 분환원철의 탄화 반응은 환원가스 내 수소가 존재하기 때문에 다음의 반응식 (1)과 같은 평형 반응에 의해 진행된다.
CO(g) + H2(g) = C + H2O(g) ···(1)
탄소의 활동도 aC는 아래식 (2)와 같이 표현할 수 있다.
aC = K (pCO)(pH2)/pH2O ···(2)
여기서 K는 상기 반응식 (1)의 평형 상수 이다.
상기 탄화로는 하나의 유동층형 환원로로 구성될 수 있으며 분환원철의 체류시간은 약 40분 일 수 있다.
상기 환원가스내 포함된 황화수소(H2S)는 탄화 반응식 (1)에 직접적으로 관계하지는 않는다. 그러나, 황화수소의 황은 표면 활성(surface-active) 물질로 직접환원철(DRI) 표면에서 쉽게 흡착할 수 있는 특성을 가지고 있다. 이러한 황의 흡착은 탄화 반응 시 직접환원철 표면에서 탄소 활동도 증가로 생길 수 있는 그래파이트(graphite) 형성을 억제하여 탄화철 형성이 안정화 될 수 있도록 간접적으로 도움을 준다. 그러므로 탄화로 내에서 황의 농도 조절에 의해 탄소 침착(carbon deposition), 탄화물 분해(carbide decomposition) 등을 억제할 수 있다.
상기 탄화로에서 분환원철이 탄화 반응에 의해 금속 철(Fe) 층이 부분적으로 탄화철(iron carbide)로 변화되며 최종적으로 20 내지 30 중량 퍼센트의 탄화철을 함유하는 분환원철이 형성될 수 있다.
식 (1)에 의하면 분자의 차수는 2차이고 분모의 차수는 1차이다. 따라서 상기 탄화로내의 압력이 높을수록 탄화철 형성이 촉진되므로, 탄화로내 압력을 4bar~5bar 내외의 고압으로 설정하는 것이 바람직하다.
상기 탄화철 함유 분환원철의 제조장치는 상기 탄화로에서 배출되는 환원가스 중 황화수소(H2S)를 제거하기 위한 황화수소 제거기를 더 포함한다.
상기 황화수소 제거기는 황화수소(H2S)를 함유하는 상기 탄화로의 배가스로부터 황화수소를 제거하기 위해 분상의 생석회를 장입할 수 있다. 상기 생석회(CaO)는 황화수소와 반응하여 황화칼슘(CaS) 등을 형성할 수 있다.
상기 탄화로에서 배출되어 상기 환원로에 취입되는 환원가스로부터 황화수소 가스를 제거하는 이유는 황화수소가 환원로에서 분철광석의 환원율을 저하시키기 때문이다.
상기 생석회에 의해 황화수소가 제거된 환원가스는 황화수소가 10ppm 미만으로 유지될 수 있다.
상기 탄화철 함유 분환원철 제조장치는 상기 황화수소가 제거된 환원가스를 상기 적어도 하나의 환원로에 공급하기 전에 가열하는 가열장치를 더 포함한다.
상기 분철광석의 환원을 위한 환원로와 상기 탄화로에서 환원가스의 흐름은 상기 탄화로에서 환원로로 진행하므로 그 사이에 환원가스를 가열하기 위한 버너등의 가열로를 설치할 수 있다.
상기 분철광석의 환원 및 탄화를 위한 환원가스는 환원가스 제조장치에 의해 공급될 수 있으며 바람직하게는 분환원철의 괴성체(HCI)와 탄재를 장입한 후 산소를 취입하여 용철을 제조할 수 있는 용융로에서 석탄(coal)의 연소에 의해 생성된 가스를 이용할 수 있다. 이러한 용융로에서 석탄의 연소에 의해 생성된 가스는 황화수소(H2S)를 포함한다.
또한, 상기 탄화로에서 분환원철의 탄화 반응을 촉진시키기 위하여 상기 탄화로에 수소(H2), 메탄(CH4) 등을 포함하는 액화천연가스(LNG)를 추가적으로 취입할 수 있다.
상기 적어도 환원로에서 분철광석의 환원에 사용된 환원가스는 환원로에서 배출된 후 상기 분철광석의 예열을 위한 가열로에 취입될 수 있으며 취입된 환원가스는 광석의 예열에 사용된 후 최종적으로 가열로에서 배출된다.
본 발명의 바람직한 또 다른 실시예에 의한 용철 제조장치는 분철광석을 예열하기 위한 가열로, 상기 예열된 분철광석을 환원하기 위한 적어도 하나의 환원로, 상기 환원된 분철광석을 외부에서 공급된 황화수소 함유 환원가스로 탄화시키기 위한 탄화로, 상기 탄화철 함유 분환원철을 괴성화하기 위한 괴성체 제조장치, 및 상기 괴성화된 탄화철 함유 분환원철을 장입하고 산소를 취입하여 용철을 제조하는 용융로를 포함한다.
상기 용철 제조장치는 상기 탄화철 함유 분환원철을 상기 괴성체 제조장치에 장입하기 전에 생석회와 혼합하기 위한 혼합기를 더 포함한다.
또한, 상기 용철 제조장치는 상기 탄화로에서 배출되는 환원가스로부터 황화수소를 제거하기 위한 황화수소 제거기를 더 포함한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 용융로에서 생성된 환원가스는 탄화로에 취입되고 탄화로에서 배출된 환원가스는 환원로에 취입전 분생석회가 있는 환원가스 제거기를 통과하게 되어 환원가스 중 황화수소가 제거됨으로써 환원로에서 환원 속도의 저감이 방지될 수 있다.
상기 생석회는 상기 탄화로에서 황화수소 가스를 제거하기 위해 사용된 생석회이며 상기 탄화철 함유 분환원철과 상기 괴성체 제조장치에 의해 괴성화 된다.
상기의 탄화철 함유 분환원철은 괴성체 저장조에 저장되고 괴성체 제조장치에서 괴성화되어 용융로에 장입될 수 있다.
본 발명에 의한 탄화철 함유 분환원철은 내부에 탄소 함량을 증대시킴으로써 환원철의 용융로내에서 용융성을 개선할 수 있다.
또한, 용융로내 미환원 산화철과 탄화철(iron carbide)간의 직접 환원반응 속도를 증가시킬 수 있다.
분환원철 내의 탄소 농도가 1 퍼센트 증가함에 따라 분환원철의 용융온도가 약 100도 감소시킬 수 있으며 환원 및 용융 속도 증가로 인한 연료비를 절감할 수 있다.
또한, 탄소와 산화철이 미세하게 형성되어 용융로 내에서 환원 및 용융의 속도를 최대화시킬 수 있으므로 탄재 내장 펠릿이나 탄재 내장 괴성광의 장점을 가질 수 있으며 괴성체의 컴팩팅(compating)이 용이해져 가탄으로 인한 커팩팅 불량 문제를 해결할 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변경된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (9)

  1. 분철광석을 예열한 후, 적어도 하나의 환원로에 의해 환원시키고, 상기 환원된 분철광석을 탄화로에서 탄화시켜 제조되며, 탄화철 함량이 20 내지 35 중량 퍼센트인 것을 특징으로 하는 탄화철 함유 분환원철.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 탄화철 함유 분환원철은 표층부에 환원된 금속 철(Fe) 및 탄화철이 형성된 것을 특징으로 하는 탄화철 함유 분환원철.
  3. 분철광석을 예열하기 위한 가열로;
    상기 예열된 분철광석을 환원하기 위한 적어도 하나의 환원로; 및
    상기 환원된 분철광석을 외부에서 공급된 황화수소 함유 환원가스로 탄화시키기 위한 탄화로를 포함하는 탄화철 함유 분환원철 제조장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 탄화로에서 배출되는 환원가스 중 황화수소를 제거하기 위한 황화수소 제거기를 더 포함하는 탄화철 함유 분환원철 제조장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 황화수소가 제거된 환원가스를 상기 적어도 하나의 환원로에 공급하기 전에 가열하는 가열장치를 더 포함하는 탄화철 함유 분환원철 제조장치.
  6. 분철광석을 예열하기 위한 가열로;
    상기 예열된 분철광석을 환원하기 위한 적어도 하나의 환원로;
    상기 환원된 분철광석을 외부에서 공급된 황화수소 함유 환원가스로 탄화시키기 위한 탄화로;
    상기 탄화철 함유 분환원철을 괴성화하기 위한 괴성체 제조장치; 및
    상기 괴성화된 탄화철 함유 분환원철을 장입하고 산소를 취입하여용철을 제조하는 용융로를 포함하는 용철 제조장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 탄화철 함유 분환원철을 상기 괴성체 제조장치에 장입하기 전에 생석회와 혼합하기 위한 혼합기를 더 포함하는 용철 제조장치.
  8. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,
    상기 탄화로에서 배출되는 환원가스로부터 황화수소를 제거하기 위한 황화수소 제거기를 더 포함하는 용철 제조장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 황화수소가 제거된 환원가스를 상기 적어도 하나의 환원로에 공급하기 전에 가열하는 가열장치를 더 포함하는 용철 제조장치.
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