KR100633871B1 - 산화 금속을 포함하는 성형체의 건조 방법, 산화 금속의환원 방법 및 회전로상식의 금속 환원로 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 수분을 함유하는 성형체를 폭열이나 분화를 일으키지 않도록, 건조방법 및 건조 후의 성형체를 회전로상식의 환원로로 높은 효율로 환원하는 방법 및 회전로상식의 금속 환원로를 제공하는 것으로, 산화 금속과 탄소를 포함하는 분체로 구성되는 성형체를 건조함에 있어서, 성형체의 크기와 기공율로부터 폭열되지 않는 수분 증발속도의 한계치를 구하고 이 한계치보다 작은 수증기 발생속도로서 수증기 발생에 의한 성형체 내부 압력의 상승을 방지한다. 이 방법으로 성형체의 폭열이나 균열 발생을 방지한다. 또한 회전로상식의 환원로 내부에서 성형체를 건조할 때 상기 방법으로 성형체에 대한 열공급속도를 제어하여 폭열을 방지함으로써, 계속하여 당해 성형체를 동일 로내에서 소성 환원한다.
Description
본 발명은 예를 들면 금속의 정련업 및 가공업에 있어서 발생하는 더스트, 슬러지 등에 포함되는 산화 금속과 탄소를 포함하는 분체를 성형한 성형체의 건조 방법 및, 건조시킨 성형체를 회전식 로상을 가지는 환원로에서 환원하는 방법, 또는 성형체를 회전식 로상을 가지는 환원로를 사용하여 건조하고, 이어서 금속을 환원하는 방법, 및 회전로상식의 금속 환원로에 관한 것이다.
환원철이나 합금철을 제조하는 프로세스로서는 여러가지가 있지만, 그 중에서, 생산성의 높은 프로세스로서, 회전로상법이 실시되고 있다. 회전로상법은 고정시킨 내화물의 천장 및 측벽 아래에서, 중앙부를 판 원반상의 내화물의 로상이 레일 위를 일정 속도로 회전하는 형식의 소성로(이하, 회전로라고 한다 )를 주체로 하는 프로세스이며, 산화 금속의 환원에 사용할 수 있다. 회전로의 로상지름은 10 내지 50미터, 폭은 2 내지 6미터이다.
원료의 산화금속을 포함하는 분체는 탄소계의 환원제와 혼합된 후, 원료 펠렛으로 되어서, 회전로에 공급된다. 원료 펠렛은 이 로상 위에 깔려 있고, 원료 펠렛이 로상 위에 정치되어 있으므로, 원료 펠렛이 로내에서 붕괴되기 어렵다는 이점이 있고, 내화물 위에 분화(粉化)된 원료가 부착되는 문제가 없으며, 또한 괴(塊)의 제품 수율이 높다는 장점이 있다. 또한 생산성이 높고, 저렴한 석탄계 환원제나 가루 원료를 사용할 수 있다는 이유에서, 최근, 실시되는 예가 증가하고 있다.
또한, 회전로상법은 용광로, 전로, 전기로로부터 발생하는 제철 더스트나 압연 공정에서의 시크너 슬러지의 환원과 불순물 제거 처리에도 유효하여, 더스트 처리 프로세스로서도 사용되고, 자원 재활용에 유효한 프로세스이다.
회전 로상법의 조업의 개략은 아래와 같다.
우선, 원료인 광석이나 더스트, 슬러지의 금속산화물에, 이 산화물의 환원에 필요한 량의 탄소계 환원제를 잘 혼합한 후, 판페레타이저 등의 조립기로, 수분이 약l0%가 되도록, 물을 부으면서, 수 내지 십수mm의 펠렛을 제조한다. 원료의 광석이나 환원제의 입경이 큰 경우에는, 볼 밀 등의 분쇄기로 분쇄한 후에, 혼합하고, 조립한다.
이 펠렛을 회전로상 위에 공급하고, 층상으로 깐다. 로상위로 깔려진 펠렛은 급속히 가열되어, 5 내지 20분간, 1300℃ 전후의 고온에서 소성된다. 이 때에, 펠렛에 혼합되어 있는 환원제에 의하여 산화 금속이 환원되어, 금속이 생성된다. 환원후의 금속화율은 환원되는 금속에 따라 다르지만, 철, 니켈, 망간으로는, 95%이상, 환원하기 어려운 크롬으로도 50% 이상이 된다.
또한 제철업에서 발생하는 더스트를 처리하는 경우에는, 환원 반응에 따라, 아연, 납, 알칼리금속, 염소 등의 불순물이 휘발 제거되어, 용광로나 전기로에 재활용하는 것이 용이하게 된다.
이와 같이, 회전로상을 사용하는 금속의 환원방법 및 제철 더스트의 환원 처리 방법에 있어서는, 원료와 환원제를 펠렛으로 성형하는 것이 필수적인 조건으로, 원료의 사전처리로서, 원료의 산화금속의 분체와 환원제의 혼합물을 조립성이 좋은 상태로 하는 것이 중요하여, 원료의 사전 분쇄나 볼 밀에서의 혼합 등의 여러가지 방법이 사용되고 있다.
상기한 바와 같이, 종래의 회전 로상법에 의한 산화 금속의 환원은 생산성이나 제조비용의 면에서 우수하고, 경제적으로 금속을 제조하는 방법이다.
그러나, 원료와 환원제를 펠렛으로 하는 것이 중요하여, 조립성능이 높은 원료를 선택하거나, 고가의 분쇄기를 설치하여, 원료를 분쇄함으로써 조립성을 향상시키는 것이 필요하여, 이로 인한 비용이 많이 드는 문제가 있었다.
즉, 원료로서 철광석등의 광석을 사용하는 경우에는, 일반적으로는, 원료광석의 입경이 크기 때문에, 평균 입경이 몇십 미크론 이하가 되도록 분쇄한 후, 조립하여, 펠렛을 제조하였다. 그 결과, 분쇄 공정의 설비가 고가이고, 또한 분쇄기의 운전을 위한 전력이 들며, 분쇄기기의 마모에 따르는 정비 비용이 든다는 결점이 있었다.
또한 분쇄 비용을 절약하기 위해서, 미분의 원료를 사용하는 경우가 있지만, 원료의 선택이 한정되어, 범용적인 방법은 아니었다. 이에, 습식선광 후의 미분 광석을 사용하거나, 용광로나 전로의 시크너 더스트, 압연 공정에서의 스케일 피트의 슬러지나 산세공정에서의 침전 슬러지 등을 사용하는 것이 유효하다. 그러나, 이 경우에도, 원료의 함유 수분이 지나치게 많아서 조립하기 어렵다는 문제가 있었다. 즉, 이들 원료는 입경이 1 내지 수십미크론인 미분이며, 그 결과, 수분을 포함한 상태에서는, 진흙상이 되기 쉽고, 또 진공탈수기나 필터프레스로 탈수한 후에도, 수분이 30 내지 50% 남아 있어, 그 상태로는 수분이 지나치게 많아서, 조립할 수 없었다.
이 문제를 해결하기 위하여, 열풍 등의 열원으로 가루 원료를 완전하게 건조시킨 후에, 조립하는 방법이 있다. 그러나, 건조 과정에서 가루원료가 의사 응집되어, 그 상태로는 조립할 수가 없다. 이 때문에, 이것을 분쇄하고, 다시, 미립상태로 한 후에, 다른 원료와 함께, 가수하고, 조립한 후에, 회전로상에서 환원하였다.
그 결과, 상기 방법으로 사용한 경우에는, 양호한 성형체를 제조할 수 있고, 성형체의 건조가 효율적으로 이루어지면, 안정된 산화 금속의 환원을 실시할 수 있다. 그러나, 종래 기술에서는, 성형체의 물리상태를 고려하여 이를 건조하는 방법이 충분하게 확립되고 있지 않고, 단지 단순히 성형체를 건조하면 좋다는 생각 밖에 없었다. 그 결과, 건조시에 성형체에 균열이 생기거나, 표면으로부터 가루가 다량으로 발생하는 문제가 있었다. 또한 건조조건이 나쁜 경우에는, 성형체가 폭열을 일으키는 경우도 있었다. 따라서, 오랫 동안, 이 문제에 대한 해결이 기대되어 왔다. 또한 사전에 성형체를 건조하는 방법은 유효한 수단이지만, 다량의 열원을 사용하여 건조한 후에, 수분의 증발에 전용 열원과 장치가 필요하여 경제성은 약간 떨어지는 환원방법이라는 문제는 남는다.
특히, 제철업 등의 금속의 정련업이나 가공업에서 발생하는 더스트나 슬러지를 습식 집진기 또는 침전조로부터 모은 경우에는, 이들 발생물은 최대 90%의 많은 수분을 함유하고 있어, 이들 발생물을 회전로상법으로 환원 처리하려고 할 경우에는, 건조 공정과 건조후의 분쇄 처리가 문제였다.
이러한 문제를 해결하기 위하여, 예를 들면 일본국 공개특허공보 평11-12619호 공보에는, 원료를 조립하지 않고 회전로상법에서 사용하는 방법으로서, 원료를 압축 성형기로 타일 모양으로 하고, 이것을 회전로상법에서 사용하는 발명이 개시되어 있다. 그러나, 이 방법에서도 역시 수분을 대량으로 함유한 상태의 원료를 사용하는 것에는 문제가 있었다. 즉, 일본국 공개특허공보 평11-12624호 공보에 나타나 있는 바와 같이, 원료의 수분을 6 내지 l8%로 조정할 필요가 있고, 이 때문에, 사전 탈수처리에 더하여, 건조 처리가 필요하고, 이를 위한 복잡한 수분 제어가 필요하다는 문제가 있었다. 또한 이 원료 장입을 위하여, 일본국 공개특허공보 평11-12621호공보에 나타나 있는 바와 같은 복잡한 장입장치가 필요하여 이 설비의 정비 비용이 높은 등의 문제도 있었다.
또한, 이러한 형상의 수분을 포함하는 원료를 고온의 회전로에 직접 장입하였을 경우에는, 수분 함유율이 높기 때문에 수분의 증발에 따르는 폭열현상이 발생하고, 원료가 분화하여, 배기가스 중에 유실되어 제품 수율이 극히 나빠지는 문제가 있었다. 통상, 회전로상법에서의 로내 온도는 원료 공급부 근방이 가장 낮은데, 그렇다고 하더라도 1150 내지 120O℃이다. 이러한 고온이면 습윤상태의 성형체에는 과격한 수분증발에 따르는 폭열의 문제가 생긴다. 가령, 폭열이 생기지 않는 경우에도, 수증기의 분출에 의한 모서리의 부분이나 표면의 박리가 생긴다. 따라서, 환원 조업은 가능하지만, 괴상의 환원물의 비율이 적고, 성형체로부터의 가루 발생율이 높아진다고 하는 문제가 있었다. 그 결과, 배기가스중에 가루의 금속분이 유실되는 비율이 비교적 높아져, 수율이 저하되는 문제가 남았다.
본 발명은 종래법에서는 실현되지 않았던 수분을 포함한 분말상태의 원료의 성형체를 폭열이나 균열발생이 없고, 또한, 고효율로 건조하는 방법 및 수분을 포함한 분말상태의 성형체를 회전로에 직접 공급하여 환원하여도, 성형체의 폭열 등의 발생 없이 고수율로 환원하는 것이 가능한 환원 방법 및 회전로상식의 금속 환원로를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 상기의 문제점을 감안하여 이루어진 것으로서, 그 요지로 하는 것은 이하와 같다.
(1) 산화 금속과 탄소의 분체를 포함하고, 또한, 기공율의 퍼센트치의 0.2배 이상의 질량%치의 수분을 포함하는 성형체를 건조함에 있어서, 당해 성형체가 함유하는 물의 증발속도를 아래에 나타내는 값 V 이하로 하는 것을 특징으로 하는 성형체의 건조 방법.
다만, V=300P2/D
또한, V:물의 한계증발속도(성형체 드라이 질량 1kg당 물의 증발속도(g/kg ·s)), D:성형체의 체적의 1/3승의 값(mm), P:기공율(-)이다.
(2) 산화 금속과 탄소의 분체를 포함하고, 또한, 기공율의 퍼센트값의 0.2배 이상의 질량% 값의 수분을 포함하는 성형체를 건조함에 있어서, 당해 성형체에 대한 열공급 속도를 아래에 나타내는 값 Hin 이하로 하는 것을 특징으로 하는 성형체의 건조 방법.
다만, Hin=820P2/D 또한, Hin:한계열 공급속도(성형체 드라이 질량 1kg당의 열공급속도(kw/kg)), D:성형체의 체적의 1/3승의 값(mm), P:기공율(-)이다.
(3) 체적의 1/3승의 값이 5 내지 21mm이며, 또한, 기공율이 22 내지 32%인 성형체를 수분이 4.4질량% 이상인 상태로부터 건조함에 있어서, 당해 성형체의 수분증발 속도를, 성형체 드라이 질량 1kg당 매초 0.7그램 이하로 하는 것을 특징으로 하는 (1)에 기재된 성형체의 건조 방법.
(4) 체적의 1/3승의 값이 5 내지 21mm이며, 또한, 기공율이 22 내지 32%인 성형체를 수분이 4.4질량% 이상인 상태로부터 건조함에 있어서, 당해 성형체에의 열공급속도를 성형체의 드라이 질량 1kg당 1.9KW 이하로 하는 것을 특징으로 하는 (2) 기재의 성형체의 건조 방법.
(5) 체적의 1/3승의 값이 5 내지 21mm이며, 또한, 기공율이 32% 초과 내지 40%인 성형체를 수분이 6.4질량% 이상인 상태로부터 건조함에 있어서, 당해 성형체의 수분 증발속도를 성형체의 드라이 질량 lkg당 1.3그램 이하로 하는 것을 특징으로 하는 (1) 기재의 성형체의 건조 방법.
(6) 체적의 1/3승의 값이 5 내지 21mm이며, 또한, 기공율이 32%초과 내지 40%인 성형체를 수분이 6.4질량% 이상인 상태로부터 건조함에 있어서, 당해 성형체에의 열공급 속도를 성형체의 드라이 질량 1kg당 3.5KW이하로 하는 것을 특징으로 하는 (2) 기재의 성형체의 건조 방법.
(7) 체적의 1/3승의 값이 5 내지 21mm이며, 또한, 기공율이 40%초과 내지 55%인 성형체를 수분이 8질량% 이상인 상태로부터 건조함에 있어서, 당해 성형체의 수분증발속도를, 성형체의 드라이 질량1kg당 매초 2.3그램 이하로 하는 것을 특징으로 하는 (1) 기재의 성형체의 건조 방법.
(8) 체적의 1/3승의 값이 5 내지 21mm이며, 또한, 기공율이 40%초과 내지 55%인 성형체를, 수분이 8질량% 이상인 상태로부터 건조함에 있어서, 당해 성형체에의 열공급속도를, 성형체의 드라이 질량 1kg당 6.2KW 이하로 하는 것을 특징으로 하는 (2) 기재의 성형체의 건조 방법.
(9) 산화 금속과 탄소를 포함하는 분체에, 금속의 제조 공정으로부터 발생하는 금속산화물과 탄소를 단독 또는 혼합하여 함유하고 있는 분체를 사용하는 것을 특징으로 하는 (1) 내지 (8)에 기재된 성형체의 건조 방법.
(10) (1) 내지 (8)의 어느 한 항에 기재된 방법으로 건조한 성형체를, 산화 금속과 탄소의 분체를 포함하는 성형체를 회전 이동하는 중앙이 뚫린 원형의 로상의 윗면에 실어 로내의 상부 공간의 가스 연소열로 소성하여 환원하는 회전로상식의 로의 내부에서, 110O℃ 이상에서 소성 환원하는 것을 특징으로 하는 산화 금속의 환원 방법.
(11) (9)에 기재된 방법으로 건조한 성형체를 산화 금속과 탄소의 분체를 포함하는 성형체를 회전 이동하는 중앙부가 뚫린 원형의 로상의 윗면에 실어 로내의 상부공간의 가스 연소열에서 소성하여 환원하는 회전로상식의 로의 내부에서, 1100℃ 이상에서 소성 환원하는 것을 특징으로 하는 산화 금속의 환원 방법.
(12) 산화 금속과 탄소의 분체를 포함하는 성형체를 회전 이동하는 중앙이 뚫린 원형의 로상의 윗면에 실어 로내의 상부공간의 가스 연소열로 소성하여 환원하는 회전로상식의 로의 내부에 있어서 (1) 내지 (8)의 어느 1항에 기재된 방법으로 성형체를 건조한 후, 당해 성형체를, 이어서 당해 로 내에 있어서, 11O0℃ 이상에서 소성 환원하는 것을 특징으로 하는 산화 금속의 환원 방법.
(13) 산화 금속과 탄소의 분체를 포함하는 성형체를 회전 이동하는 중앙이 뚫린 원형의 로상의 윗면에 실어 로내의 상부 공간의 가스 연소열로 소성하여 환원하는 회전로상식의 로의 내부에 있어서 (9)에 기재된 방법으로 성형체를 건조한 후, 당해 성형체를, 계속해서 당해 로내에 있어서, 110O℃ 이상에서 소성 환원하는 것을 특징으로 하는 산화 금속의 환원 방법.
(14) 회전 이동하는 중앙이 뚫린 원형의 로상의 윗면에 실은 산화 금속과 탄소의 분체를 포함하는 성형체를 로내의 상부 공간의 가스 연소열로 소성하여 환원하고, 환원이 끝난 성형체를 배출하는 회전로상식의 로로서, 원료인 분체의 성형체를 공급하는 부분으로부터 회전방향으로 30 내지 130도의 위치까지가 성형체의 건조대인 것을 특징으로 하는 회전로상식의 금속 환원로.
(15) 상기 원료인 성형체를 공급하는 부분으로부터 회전 방향으로 30 내지 130도의 위치에 배기 가스 화기통로가 설치되어, 상기 원료인 성형체를 공급하는 부분으로부터 배기 가스 연도의 위치까지의 사이를, 건조대로 하는 것을 특징으로 하는 (14) 기재의 회전로상식의 금속 환원로.
(16) 상기 원료인 성형체를 공급하는 부분으로부터 회전 방향으로 30 내지 130도의 위치에, 그 하부에 회전로상과의 사이에 틈을 가지는 분리판을 설치하고, 원료인 성형체를 공급하는 부분으로부터 이 분리판까지의 사이를 건조대로 하는 것을 특징으로 하는 (14) 기재의 회전로상식의 금속 환원로.
(17) 상기 환원이 끝난 성형체를 배출하는 부분으로부터 원료인 성형체를 공급하는 부분까지의 사이에, 로상을 냉각하는 기구를 구비한 것을 특징으로 하는 (14) 내지 (16)의 어느 한 항에 기재된 회전로상식의 금속 환원로.
(18) 상기 환원이 끝난 성형체를 배출하는 부분으로부터 건조대 사이의 로내 천장 및 측벽의 일부에 수냉수단을 구비한 것을 특징으로 하는 (14) 내지 (16)의 어느 한 항에 기재된 회전로상식의 금속 환원로.
(19) 상기 건조대의 측벽에 가열 버너를 설치한 것을 특징으로 하는 (14) 내지 (16)의 어느 한 항에 기재된 회전로상식의 산화 금속 환원로.
(20) 상기 환원이 끝난 성형체를 배출하는 부분으로부터 원료인 성형체를 공급하는 부분까지의 사이에, 로상을 냉각하는 기구를 구비하는 동시에, 환원이 끝난 성형체를 배출하는 부분으로부터 건조대 사이의 로내 천장 및 측벽의 일부에 수냉수단을 구비한 것을 특징으로 하는 (14) 내지 (16)의 어느 한 항에 기재된 회전로상식의 금속 환원로.
(21) 상기 환원이 끝난 성형체를 배출하는 부분으로부터 원료인 성형체를 공 급하는 부분까지의 사이에, 로상을 냉각하는 기구를 구비하는 동시에, 건조대의 측벽에 가열 버너를 설치한 것을 특징으로 하는 (14) 내지 (16)의 어느 한 항에 기재된 회전로상식의 금속 환원로.
(22) 상기 환원이 끝난 성형체를 배출하는 부분으로부터 건조대 사이의 로내 천장 및 측벽의 일부에 수냉수단을 구비하는 동시에, 건조대의 측벽에 가열 버너를 설치한 것을 특징으로 하는 (14) 내지 (16)의 어느 한 항에 기재의 회전로상식의 금속 환원로.
(23) 상기 환원로의 환원이 끝난 성형체를 배출하는 부분으로부터 원료인 성형체를 공급하는 부분까지의 사이에, 로상을 냉각하는 기구를 구비함과 동시에, 환원이 끝난 성형체를 배출하는 부분으로부터 건조대 사이의 로내 천장 및 측벽의 일부에 수냉수단을 구비하고, 또한, 상기 건조대의 측벽에 가열 버너를 설치한 것을 특징으로 하는 (14) 내지 (16)의 어느 한 항에 기재된 회전로상식의 금속 환원로.
도 1은 본 발명의 방법을 실시하는 성형 장치, 성형체 건조 장치 및 회전로상식 환원로로 이루어지는 산화 금속의 환원 설비의 일례를 나타내는 도면이다.
도 2은 성형체 건조시에 성형체가 폭열하지 않거나, 또는, 가루 발생율이 10% 이하가 되는 상황에서의 최대 수분증발 속도(한계증발속도)와 기공율의 2승(P2)을 성형체의 대표 지름 D으로 나눈 값과의 관계를 나타내는 도면이다.
또, 도 중에 있어서, 한계증발속도의 단위는 g/kg·s, 기공율의 2승을 성형체 대표 지름에서 나눈 값의 단위는 1/mm이다.
도 3은 본 발명의 로내에서 성형체를 건조하는 기능을 가지고, 또한 로상과 로내 분위기 온도를 냉각하는 기구를 가지는 회전로상식의 금속 환원로의 구조를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 로내에서 성형체를 건조하는 기능을 가지는 회전로상식 금속 환원로의 구조를 나타내는 도면이다.
도 5은 본 발명의 방법을 실시하는 압출 성형 장치와 회전로상식 환원로로 구성되는 금속의 환원 설비의 일례의 개요를 나타내는 도면이다.
발명을 실시하기 위한 최선의 실시형태
본 발명에 기초한 회전로상식의 환원로와 당해 환원로에 대한 금속산화물 원료의 사전 처리 설비를 나타낸 환원 장치의 전체 구성의 예를 도1에 도시한다. 도1에 도시하는 설비 구성은 성형 장치에서 분체로부터 성형체를 제조하고, 이것을 회전로상식의 환원로에서 환원하는 설비의 전체를 나타내는 도면이다. 이 설비는 주로, 성형 장치(1), 성형체 건조 장치(2) 및 회전로(3)로 구성된다.
성형 장치(1)는 어떤 것이라도 좋지만, 후술하는 장치인 팬식 조립장치, 브리켓 성형 장치 및 압출 성형 장치가 일반적이다. 이 설비 구성에는 또한 원료 비축 설비나 제품처리 설비가 부대되지만, 본 발명의 방법이나 장치의 설명에서는 중요하지 않기 때문에 기재를 생략한다. 수분을 포함한 상태의 산화 금속과 탄소를 포함하는 분체를 성형 장치(1)로 성형하고, 얻어진 성형체를 성형체 건조장치(2)에서 수분을 제거·건조시킨다. 또한, 건조된 성형체를 회전로(3)에서 소성 환원한다. 또한, 후술하는 본 발명의 방법을 사용함으로써, 성형체가 급속 건조에 견딜 수 있는 경우나 회전로(3)의 성형체를 공급하는 부분 근방에서의 성형체에 대한 열 부하를 줄일 수 있는 경우에는, 성형체 건조장치(2)를 생략하는 경우도 있다.
본 발명은 산화 금속과 탄소 함유 분체를 원료로 하여, 수분을 포함한 상태에서 제조한 성형체, 즉, 습윤성형체를 적정하게 건조하는 방법이며, 실제의 조업에 있어서는, 습윤 성형체를 전용 건조 장치로 열풍 등을 사용하여 건조하는 방법이나 가스 온도를 적정하게 제어하고 있는 회전로 내부의 비교적 저온 부분에서 건조한다. 본 발명자들은 이 목적을 달성하기 위하여, 산화 금속과 탄소함유의 분체의 성형체를 적정하게 건조하기 위한 조건을 탐색하였다. 이를 위하여, 성형체 내부의 수증기의 흐름에 대한 이론 해석과 소형의 열풍식 건조 장치와 박스형 전기로를 사용하여 실험을 하였다.
우선, 실험에 앞서, 성형체 내의 수분증발 시의 가스 흐름의 물리현상에 대하여, 좁은 통로를 통과하는 가스 흐름에 대한 해석의 관점에서 유체역학적인 기술해석을 하였다. 다음으로 실제의 성형체를 건조하는 실험을 하고, 성형체를 건조하기 위한 처리 기준을 작성하였다.
먼저, 가는 기공 속을 흐르는 유체의 유속과 저항의 관계의 물리모델을 기초로, 수증기가 성형체 내부의 입자 사이를 흐를 때의 압력을 해석하였다. 이 모델 해석에 의하여, 수증기가 기공을 흐를 때의 단위 길이당 통기저항은 기공의 통로지름에 반비례하고, 또한 수증기의 유속에 비례하는 것이 밝혀졌다. 또한 성형체에 대한 관찰의 결과, 기공 통로지름은 기공율에 거의 비례하는 값을 취할 수 있다는 것을 해명하였다. 또한 성형체 내부의 기하학적인 조건으로부터, 통로 내의 수증기 유속은 성형체 체적당 수증기 발생 속도에 비례하고, 또한, 기공율에 역비례한다. 이 때, 본 발명에서의 기공율의 정의는 성형체의 용적 중 공극이 차지하는 용적의 비율이며, 일반적으로는, 성형체의 겉보기 비중을 분체의 실제 비중으로 나눈 값이다.
이상의 유체역학적인, 또한 성형체의 기하학적인 조건을 고려한 고찰을 기초로 하면, 성형체 내부의 기공율이 일정한 경우에는, 아래 식으로 나타내는 관계가 성립한다.
(중앙부 압력)=A(통로지름)-1(통로길이)(통로 내 수증기 유속)의 관계가 있고, 다만, 이 때, 통로길이는 성형체의 지름에 비례한다. 또한 이 식은 전술한 관계로부터, 또한, 다음 식으로 변형된다.
즉, (중앙부 압력)=B(기공율)-1(대표 지름){(질량당 수증기 발생 속도)/(기공율)}
=B(질량당 수증기발생 속도)(기공율)-2(대표 지름)
으로 표현된다. 또한, 위 식은 변형되어서,
(단위질량당 수증기발생 속도)=C(중앙부 압력)(기공율)2/(대표 지름)
의 관계가 된다.
이 때, A, B, 및, C 는 성형체의 물리상태나 기체의 물성 등에 영향을 미치는 정수이다.
수증기 발생에 따라 내부압력이 높아지고, 이것이 성형체가 견뎌낼 수 있는 압력치 이상이 되면, 성형체의 폭열, 균열발생, 표면의 분화 등의 문제가 발생한다. 또한 본 발명자들은 폭열이나 균열 발생이 없고, 또한 표면으로부터의 가루의 발생율이 10% 이하인 것을 건조 조건의 판정기준으로 하였다. 또한, 가루의 발생율은 건조후의 성형체를 눈금 5mm의 체로 체질 한 때의 5mm 미만의 성형체 질량의 체질 전의 성형체의 전질량에 대한 비율(질량%)을 나타낸다. 이 결과와 상기 식을 정리하여, 폭열 한계에 있어서의 수증기 발생 속도를 정량적으로 평가하였다. 성형체가 견딜 수 있는 한계치(한계압력)는 성형체 내부의 입자의 결합 강도에 관계되는 수치이며, 입자간의 물리적인 접착성에 따르는 현상이 결합 강도의 주요한 요인이다. 본 발명자들은 특수한 바인더를 사용하지 않는 경우에는, 성형체 내의 입자의 이 결합 강도는 거의 일정하다는 것을 해명하였다. 이 때, 전술한 해석 결과와 성형체의 관찰 결과를 넣은 평가식을 작성하고, 정수로 평가할 수 있는 항목을 정리하면, 중앙부 압력이 한계압력에 도달하는 수증기 발생 속도(한계증발속도)는 (a)식으로 나타낼 수 있다.
V=KP2/D ······(a)
또한 물의 증발속도와 열공급속도는 비례하므로, 한계압력에서의 성형체에의 열공급속도(한계열공급속도)는 (b)식이 된다.
Hin=LP2/D ······(b)
또한, 식(a)과 식(b)의 기호의 의미는 V는 한계압력에서의 성형체의 드라이 질량 1kg당의 수증기 증발속도(g/kg·s), Hin은 한계압력에서의 성형체의 드라이 질량 1kg당 열공급 속도(kW/kg), P가 기공율(-) 및 D가 성형체의 크기를 나타내는 성형체 체적의 1/3승의 값(mm)이다. 또, K과 L은 정수이다. 형상이 다른 성형체를 동일하게 평가하기 위하여, 성형체 체적의 1/3승을 크기의 평가에 사용하고, 이후, 이것을 대표 지름이라고 한다.
실험에서는, 열풍식 건조 장치의 열풍온도 또는 박스형 전기로의 내부 온도를 변화시킴으로써, 성형체에 대한 열공급 속도를 여러가지로 변경하였다. 이 실험 결과 중, 성형체의 폭열이 일어나지 않고, 또한, 표면으로부터의 분화 손실이 l0% 이하(가루 발생율이 10% 이하)인 결과를 건조 조건이 양호한 것이라고 판단하여 데이터를 정리하였다. 이 건조 조건이 양호한 건조 처리의 구분에서의 증발속도의 상한치를 한계 증발속도(단지, 성형체 드라이 질량 1kg당 1초간의 물증발량)로 정의하고, 또한 이 때의 열공급 속도를 한계 열공급 속도로 정의하고, 이들의 값을 구하였다.
이 결과를 도 2에 도시한다.
삭제
도 2에는, 기공율의 2승을 성형체의 대표 지름으로 나눈 값(P2/D)과 한계증발속도(V)의 관계가 도시되어 있다. 이 결과를 중회귀분석하여 정리하면, (a)식의 K치는 300이었다. 또한 한계 열공급 속도(Hin)를 구하는 (b)식의 L의 치는 820이었다. 단, V의 단위는 g/kg·s, Hin의 단위는 kW/kg, D의 단위는 mm, 및, P 은 무단위이다.
한계증발속도 V=300P2/D (1)
한계열공급속도 Hin=820P2/D (2)
또한, 본실험에서는, 수분 비율이 기공율치의 0.2배 미만의 경우에는, 발생하는 수증기량이 적기 때문, (1)식 및 (2)식에서 계산되는 한계치의 조건을 벗어나더라도, 폭열이나 표면의 분화가 일어나지 않으므로, 본 발명의 유효범위는 수분비율이 기공율치의 0.2배 이상인 경우다.
이 해석 결과를 사용하여, 실제의 설비에서 성형체를 건조시키기 위한 적정한 조업을 행한다. 도 1에 도시하는 장치의 성형체 건조장치(2)는 열풍식이며, 성형체에 대한 열공급속도를 조정한다. 단, 건조장치(2)는 열공급속도를 조정할 수 있는 것이면, 어떠한 형식의 것이어도 좋다. 성형 장치(1)를 사용하여, 전술한 3방식으로 제조한 수분을 포함하는 성형체를, 성형체 건조로(2)에 공급한다. 이 때, 성형체의 대표 지름과 기공율에 따른, 식(2)에서 요청되는 한계 열공급 속도 이하의 열공급속도로 한다. 열공급 속도의 조정은 열풍의 온도나 풍속 등으로 행하는 것이 효과적이다. 이 때의 성형체의 수분 증발속도는 마찬가지로 성형체의 대표 지름과 기공율로부터 구하는, 한계증발속도인 (1)식의 V 이하의 수분 증발속도로 한다.
실제의 회전로상법에서의 조업에서는, 성형체 내부의 전열 특성을 좋게 하기 위하여 또는 성형체의 형상 유지를 위하여, 회전로(3)에서 사용하는 성형체에는 적정한 사이즈가 있고, 그 대표 지름은 5 내지 21mm인 것이 바람직하다. 이 이유는 대표 지름 21mm 이상으로 성형체가 지나치게 크면, 내부의 전열이 늦어지고, 회전로에서의 적정한 환원 시간인 7 내지 20분간 이내에 환원이 완료되지 않으며, 또한 낙하시에 균열이 일어나는 등의 문제가 있다. 또한 대표 지름 5mm이하에서는, 성형체가 지나치게 작은 문제가 있어, 바닥면적당 성형체량을 적정하게 확보하려면, 성형체를 3 내지 5층으로 깔지 않으면 안되고, 이 경우에는, 중간의 성형체의 전열이 악화되어, 환원 반응이 악화되는 문제가 있다.
성형 장치(1)에서 제조한 성형체를 성형체 건조장치(2)로 건조한다. 팬식 조립 장치로 제조하는 등의 방법으로 제조한 치밀하고, 기공율이 22 내지 32%인 성형체의 경우에는, 수분이 4.4질량% 이상인 상태로부터, 대표 지름이 5 내지 21mm인 성형체를 건조할 때에, 수분증발속도를 당해 성형체의 드라이 질량 1kg당 매초 0.7 그램 이하로 한다. 이 수분증발속도는 (1)식으로 나타내는 한계 증발속도 범위 내의 양호한 건조조건으로, 성형체가 폭열이나 분화하는 문제는 생기지 않는다. 이 건조 방법으로는, 또한 열공급 속도를 성형체의 드라이 질량 1kg당 1.9KW 이하로 한다. 이 열 공급속도는 비교적 느린 것이며, 따라서, 성형체를 비교적 저온에서 건조할 필요가 있다. 열풍식 건조 장치에서는, 400℃ 이하의 건조 온도가 바람직하다.
브리켓 성형 장치로 제조하는 등의 방법으로 제조한, 기공율이 32초과 내지 40%인 성형체의 경우에는, 수분이 6.4질량% 이상인 상태로부터 건조할 때에, 대표 지름이 5 내지 21mm인 성형체의 수분증발속도를, 당해 성형체의 드라이 질량 1kg당 매초 1.3그램 이하로 한다. 이 건조 방법으로는 평균 열 공급속도를 성형체의 드라이 질량 1kg당 3.5킬로줄 이하로 한다. 이 성형체의 건조에는 약간 열공급 속도가 높아도 되므로, 열풍식 건조 장치의 경우에는 200 내지 550℃의 건조 온도가 바람직하다.
또한 압출 성형 장치 등으로 제조한, 매우 공극이 많고, 기공율이 40초과 내지 55%인 성형체의 경우에는, 수분이 8질량% 이상인 상태로부터 건조할 때에, 대표 지름이 5 내지 21mm인 성형체의 수분증발속도를 당해 성형체의 드라이 질량 1kg당 매초 2.3그램 이하로 한다. 이 건조 방법에서는 평균 열공급속도를 성형체의 드라이 질량 1kg당 6.3 또는 6.2kW 이하로 한다. 이 성형체의 건조에는 상당히 열공급 속도가 높아도 되므로, 열풍식의 건조 장치의 경우에는, 300 내지 900℃의 건조 온도가 바람직하다. 또한 건조 시간을 단축하는 목적이라면, 800℃전후의 온도로 건조하는 것이 가장 좋다.
이렇게 건조 장치로 성형체를 건조하는 경우에는, 이 성형체를 회전로(3)에 공급할 때에, 성형체 공급부의 온도가 고온이고, 급속가열에 의한 폭열이나 분화의 우려가 있기 때문에, 건조후의 성형체 수분을 1질량% 이하로 하는 것이 바람직하다.
성형체를 건조한 후에, 이 성형체를 회전로(3)에 공급한다. 성형체에 수분이 과잉으로 포함되어 있지 않으므로, 회전로(2)에서의 성형체의 가열 속도가 빠른 경우에도, 폭열이나 분화의 문제가 없다. 예를 들면 성형체의 표면온도가 1200℃가 될 때까지의 시간이 3분간 정도인 고속 가열이 가능해진다. 로내에서 가열됨으로써, 성형체는 소성된다. 그 결과, 성형체 내부에 포함된 탄소가 환원제가 되어, 고체인 산화철이나 산화망간 등을 환원한다. 이 때의 최고온도는 110O℃ 이상이면 환원이 진행되지만, 바람직하게는 1200 내지 1400℃의 온도가 좋고, 이 조건에서는 7 내지 15분간으로 환원반응이 종료된다. 소성환원을 종료한 성형체를 회전로(3)로부터 배출한다. 그 후에, 도 l에는 미도시하였으나, 환원 성형체 냉각 장치에서, 고온의 성형체를 냉각하여 환원제품을 얻는다. 환원제품을 전기로 등에서 고온상태에서 사용하는 경우에는, 냉각 공정을 생략하는 경우도 있다.
성형체 건조장치(2)를 생략하고, 회전로(3)의 내부에서, 성형체를 건조하는 방법이 있다. 이 방법의 설비예는, 도1의 설비 구성으로, 성형체 건조로(2)를 생략한 설비 구성이다. 이 기능을 가지는 회전로의 구조예를 도 3에 나타낸다. 도 3은 회전로(3)의 원주방향의 단면도로 나타낸 것이며, 건조대 주변의 구조를 나타내는 것이다. 이 구조에서는, 습윤상태의 성형체를 성형체 피더(4)로, 건조대(5)에 있는 로상(6) 위에 공급하고, 여기에서 성형체(12)을 건조한다. 로상(6)은 연속적으로 우방향으로 회전이동하여 건조가 종료된 성형체(12)를 환원대(7)로 보낸다. 환원대(7)에서 이 성형체(12)를 소성 환원한다. 로내에서 성형체(12)의 건조하는 방법에 있어서도, 성형체(12)를 공급하는 부분의 열공급 속도를 적정하게 제어하고, 성형체(12)가 폭열하거나 표면이 분화되지 않도록 할 필요가 있다. 건조대(5)의 내부에서도 성형체(12)의 수분증발속도를 한계증발속도(V) 이하로 할 필요가 있고, 또한 열공급속도를 한계열 공급속도(Hin) 이하로 한다.
성형체(12)의 대표 지름이 5 내지 21mm이며, 또한 기공율이 22 내지 32%인 팬식 조립장치(1)로 제조하는 성형체(12)의 경우에는, 건조대(5)에서, 수분이 4.4질량% 이상인 상태로부터의 수분증발속도를, 성형체(12)의 드라이 질량 1kg당 매초 0.7그램 이하로 한다. 또한 열공급속도를 성형체(12)의 드라이 질량 1kg당 1.9 또는1.8KW 이하로 한다. 이 방법에서는, 성형체(12)의 공급 부분을 비교적 저온으로 하여, 성형체(12)를 건조할 필요가 있다. 이러한 치밀한 성형체를 건조한 후에 환원하기 위해서는, 일반적으로는, 도 1에 도시하는 설비 구성과 같이, 전용 건조 장치를 사용하여 건조하지만, 전용 건조 장치를 생략하는 경우에는, 회전로(3)의 성형체(12)를 공급하는 전후 부분의 분위기 온도를 저하시키고, 여기에 습윤의 성형체(12)를 공급한다. 기공율이 22 내지 32%인 성형체에서는 이 부분의 온도는 200 내지 450℃인 것이 좋다.
회전로(3)에서는 고온의 로상(6)이 원료인 성형체의 공급 부분, 즉 원료 성형체 공급부에 연속적으로 이동해 오기 때문에, 통상, 아무 것도 하지 않으면, 분위기 온도가 800 내지 1000℃ 정도가 된다. 따라서, 원료 성형체 공급부의 온도를 200 내지 450℃ 정도에 내리는 것은 기술적인 연구가 필요하다. 즉, 성형체(12)를 공급하기 전에, 로상(6)을 냉각하고, 또한 이 부분에 환원대(7)의 소성 환원으로 발생한 배기가스를 유입시키지 않는 동시에, 성형체(12)를 공급하는 부분의 전후를 강제적으로 냉각하는 등이 필요하게 된다. 도 3에는, 환원이 끝난 성형체(13)를 배출하는 스크류 배출 장치(8)로부터 성형체 피더(4) 사이의 천장 및 건조대(5) 천장의 일부를 수냉 패널(9)로 시공하고, 로상(6)의 복사열을 흡수시키는 기구를 사용한 설비의 예를 게시하고 있다. 또한 환원대(7)의 고온의 배기 가스가 유입되지 않도록, 배기가스 출구 연도(10)에서 건조대(5)과 환원대(7)를 분리하고 있다. 단, 건조대(5)의 후반에서는, 로상(6)으로부터의 전열만으로는 성형체(12)에의 열공급이 부족하므로, 측벽에 가열 버너(11)를 설치하고, 이로부터 건조 열원을 공급하는 경우도 있다.
전술한 브리켓 성형 장치로 제조한 성형체 등의 기공율이 32초과 내지 40%인 성형체는, 성형체 건조 중량 1kg당 3.5KW 정도의 열공급 속도로, 수분증발속도도 1kg당 13g/초까지로 하면, 성형체(12)의 폭열이나 표면의 분화가 일어나지 않는다. 이 열 공급속도에 상당하는 회전로(3)의 건조대(5)의 분위기 온도는 800℃ 이하일 필요가 있다. 또한 성형체(12)의 건조 시간을 5분간 이상으로 길게 하지 않기 위해서는, 분위기 온도는 350℃ 이상이 좋다. 이와 같이, 열공급 속도를 내리는 목적에서 건조대(5)의 분위기 온도를 낮게 하지만, 비교적 분위기 온도가 높아도 되므로, 건조대(5)의 분위기나 로상(6)을 강제적으로 냉각하는 것을 사용하지 않는 경우가 많다. 이 경우에는, 도3에 도시하는 설비 구조 중, 수냉 패널(9)을 장착하지 않는 구조로 한다. 또한, 건조대(5)에 소성 환원의 배기 가스를 유입시키지 않고, 또한, 건조대(5)에서의 가열 버너(11)로 연소시켜서 열을 보충한다. 가열 버너(11)의 발생 열량은 회전로(3)의 다른 부분의 원주길이당 버너 발생 열량의 0.2 내지 0.7배로 하는 방책을 취하는 것이 바람직하다.
압출식 성형 장치 등으로 제조하는, 기공율 40 초과 내지 55%의 성형체는 성형체의 건조 중량 1kg당 6.2KW의 열공급속도로, 수분증발속도도 1kg당 2.3g/초과까지, 폭열이나 표면의 분화가 일어나지 않는다. 이러한 비교적 고열부하이어도 좋은 경우에는, 회전로(3)의 건조대(5)의 분위기나 로상(6)의 온도를 600 내지 1170℃로 한다. 또, 성형체(12)로부터 발생하는 수증기의 영향 등으로, 분위기 온도가 저하되므로, 이 온도 영역이면, 특별한 장치로 냉각할 필요가 없어진다. 반대로, 강력한 가열이 필요할 경우도 있다. 상기 조건을 만족시킴과 동시에, 건조대(5)의 분위기 온도 제어를 고정밀도로 수행하기 위해서는, 역시, 도3에 나타내는 설비 구조로서, 건조대(5)에 소성환원의 배기 가스를 유입시키지 않고, 또한, 이 부분에서의 가열 버너(1l)를 성형체 피더(4)의 부근까지 설치하는 것이 바람직하다. 가열 버너(11)의 발생 열량은 회전로(3)의 다른 부분의 원주길이당의 버너 발생 열량의 0.5 내지 2배로 하는 방책을 취하는 것이 바람직하다. 이와 같이, 기공율이 높은 성형체(12)를 회전로(3)의 내부에서 건조하는 것은 비교적 열전달 속도가 커도 좋기 때문에, 간편한 구조의 장치로 하여도 좋으므로, 특히 설비비와 조업 비용에 있어서 우수하다.
건조대(5)의 내부에서 성형체(12)를 건조하는 시간은 60 내지 300초로 한다. 60초 이하의 단시간에 건조를 종료하면, 상기 성형체(12)의 건조를 위한 열공급량이 지나치게 많은 경우가 많고, 또한 대형의 성형체(12)에서는 심에 수분이 잔류하는 문제도 생긴다. 대부분의 경우에는, 300초 이내에서 성형체(12)의 건조가 완료되므로, 이 이상 시간을 들이는 것은 에너지 손실이 커지고, 설비도 커진다. 이러한 이유에서, 건조 시간은 60 내지 300초의 범위가 좋다. 상기한 바와 같이, 기공율이 다른 각종 성형체(12)를 건조하는 조건에서는, 건조대(5)의 분위기 온도는 200 내지 1170℃이다. 이 분위기 온도는 성형체(12)의 기공율에 의하여 변화시킨다.
회전로(3)의 건조대(5)의 길이는, 원료인 분체의 성형체(12)를 공급하는 부분으로부터 회전 방향으로 30 내지 130도의 위치까지로 한다. 왜냐하면, 건조 시간 60 내지 300초와 환원 시간 8 내지 20분간(480 내지 1200초)이고, 건조대(5)의 길이가 원호의 30도 이하에 상당하는 거리에서는, 건조대(5)의 분위기 온도를 독립적으로 제어하는 것이 곤란한 것 등이 그 이유이다.
전술한 바와 같이, 또한, 도3에 도시하는 바와 같이 건조대(5)의 분위기 온도 제어에는, 건조대(5)와 환원대(7)의 경계에 배기 가스 출구 연도(10)를 설치하고, 환원대(7)에서 발생하는 고온배기 가스가 건조대(5)에 들어가지 않는 구조로 하는 것이 유효한 수단이다. 이 경우, 건조대(5)의 분위기 온도가 지나치게 내려가는 경우에는, 노벽의 가열 버너(11)로부터 보조 연소를 행한다. 또한 건조대(5)의 분위기 온도가 지나치게 높은 경우에는, 도3에 나타나 있는 바와 같은 로상(6)이나 분위기를 냉각하는 구조를 가지는 것이 필요하다. 로상(6)의 냉각 방법으로서는, 전술한 바와 같이, 스크류 배출 장치(8)와 성형체 피더(4) 사이의 천장을 수냉 패널(9)로 구성함으로써, 냉각하는 방법이 있다. 이 경우에는, 환원이 끝난 성형체(13)의 배출이 끝나고, 나(裸)상태의 로상(6)으로부터의 복사열을 금속제의 수냉 패널(9)로 흡수함으로써, 로상(6)의 온도를 저하시킨다. 이 방법에서는, 수냉 패널(9)의 표면온도는 300℃정도가 되고, 30 내지 50초의 냉각으로 로상(6)의 표면온도를 약900℃ 이하로 할 수 있다. 또한 성형체 피더(4)보다 상류의 부분에서 로상(6)에 스프레이 노즐 등으로부터 살수하는 방법도 로상(6)의 냉각에 유효하다.
이와 같이, 건조대(5)와 환원대(7)의 경계에 배기 가스 출구연도(10)를 설치하는 방법에서는 고온배기 가스를 건조대(5)에 들어갈 수 없게 함으로써, 건조대(5)의 분위기 온도를 효율적으로 내리고, 또한, 고정밀도로 온도제어할 수 있다. 한편, 건조대(5)의 분위기 온도가 500℃ 이상으로 하여도 되는 경우 등에는 도4에 나타나 있는 바와 같이 건조대(5)와 환원대(7)의 경계에 하부에 틈이 있는 분리판(14)을 설치하는 방법도 있다.
분리판(14)의 효과에 의하여, 건조대(5)와 환원대(7)가 각각 독립된 영역이 되어, 개별 분위기 온도의 제어가 쉬워진다. 또한 분위기 온도의 제어에 높은 정밀도가 필요하지 않은 경우에는, 분리판(14)이 없어도 되며, 건조대(5)의 분위기 온도 제어를 환원대(7)로부터 독립하여 행하여도 좋다.
다음으로 건조장치(2)를 생략한 프로세스로서, 가장 경제적인 방법인 압출 성형 장치를 사용한 경우의 설비 구성의 대표예를 도5에 나타낸다. 이 설비에서의 성형체의 제조, 건조 및 환원 방법을 설명한다. 우선, 혼합 피트(15)에, 수분을 50질량% 이상인 비율로 포함한 상태의 산화 금속 분체와 탄소를 주체로 한 환원제를 분말상태로 한 원료를 혼합하여 넣어 둔다. 산화 금속원료는 철강석분, 망간광석분, 크롬광석분 등의 분광석이나 금속 제조업에서 발생하는 정련로의 더스트나 압연 공정의 슬러지 등을 사용한다.
특히, 금속제조업에서 발생하는 슬러지는, 원래 70% 정도의 물를 포함하고 있으므로, 본 방법에 가장 알맞은 원료이다.
혼합 피트(15) 중에서 원료의 고액 혼합물을 잘 교반 혼합한다. 이 고액 혼합물을 슬러리 수송 펌프(16)로 탈수 장치(17)에 수송하고, 여기에서 함유 수분을 15 내지 27질량%까지 탈수하여, 원료 혼합물의 함수 응집체를 형성한다. 탈수 장치(17)로서는 고액 혼합물을 순환 이동하는 여포 위에 쏟고, 당해 여포의 상하에 설치한 한 쌍의 압착 롤로 짜는 형식의 탈수 장치, 필터프레스, 원심 탈수기 등을 사용하면 된다. 당해 함수 응집체를 압출식 성형 장치(18)에 공급하고, 여기에서, 수분을 포함한 채 형성한다. 성형체(12)는 지름이 8 내지 20mm정도, 또한 대표 지름은 5 내지 21mm가 좋다. 회전로(3)에서 성형체(l2)가 폭열하기 어렵도록, 수증기가 빠지기 쉬운 구조로 한다. 구체적으로는, 성형체(12)의 기공율을 40 내지 55%로 한다.
이 성형체(12)를 수분이 15 내지 27질량%의 상태에서, 회전로(3)에 공급한다. 회전로(3)의 내부에서는, 성형체(12)를 로상(6) 위에 공급한 후, 건조대(5)에서, 가열 속도를 억제하면서 건조시킨다. 구체적으로는, 600 내지 1170℃의 온도에서, 60 내지 300초간 건조한다. 건조대(5)에서의 수분제거(건조)가 종료된 성형체(12)는 로상(6)과 함께 로내를 이동하고, 고온인 환원대(7)로 옮겨가, 성형체(12)의 온도가 1100℃를 넘은 시점에서 활발하게 환원 반응을 일으켜, 성형체(12)의 산화 금속은 대부분 금속이 된다. 환원된 환원이 종료된 성형체(13)는 스크류 배출 장치(8)로 로상(6)로부터 긁어내어진다. 이 환원이 종료된 성형체(13)는 전로나 용광로등의 금속의 환원로나 정련로의 원료로서 사용된다.
본 발명을 사용한 산화 금속과 탄소의 분체의 성형체 건조와 환원의 조업예에 대하여 설명한다. 우선, 표 1에는, 전용의 건조로(2)에서 성형체를 건조한 후에, 회전로(3)에서 소성환원한 결과인 실시예1 내지 3을 나타낸다. 또, 실시예1 내지 3의 처리 조건은 이하와 같다. 원료의 분체는, 산화철이 63질량%, 탄소가 15질량%이며, 평균 입경이 11μm였다. 분체의 성형은 팬식 조립장치, 브리켓 성형 장치, 및, 압출 성형 장치의 3종류에 의하여 실시하였다. 이 방법에서 제조된 성형체를 건조로(2)에서 건조할 때에, 수분증발속도를 V(한계증발속도) 이하, 열공급속도를 Hin(한계열공급속도) 이하로 하였다. 또한 건조를 끝낸 성형체를 회전로(3)에서 소성환원하였다. 어느 성형체의 환원 처리에서도, 환원 시간은 15분간이고, 환원시의 분위기 온도는 1320℃이었다. 한편, 비교예에서는, 동일한 성형체를 사용하여 건조, 소성환원을 하였다. 그러나, 건조시의 수분증발속도는 V(한계증발속도) 초과, 또한 열공급속도를 Hin(한계열공급속도) 초과로 하였다. 그 밖의 조건은 실시예1 내지 3과 동일하였다. 그 결과를 표 2에 나타낸다.
또, 분발생율은 건조후의 성형체를 눈금 5mm의 체로 체질한 때의 5mm 미만의 성형체의 질량의 체질하기 전의 전 질량에 대한 비율(질량%)을 나타낸다. 또한, 환원 제품의 괴수율은 환원후의 성형체를 눈금 5mm의 체로 체질한 때의 5mm 이상의 성형체의 질량의 체질하기 전의 전 질량에 대한 비율(질량%)을 나타내고, 철금속화율은 환원제품 중의 금속 철의 질량의 전 철분질량에 대한 비율(질량%)을 나타낸다.
실시예1은 팬식 조립 장치로 제조하였다, 비교적 치밀하고, 기공율이 27%인 성형체를 사용한 조업의 결과이다. 이 성형체의 크기와 기공율로부터 계산되는 V와 Hin은 1.5g/kg·s와 4.0kW/kg이었다. 한편, 실제의 수분증발속도와 열공급속도는, 0.77g/kg·s와 2.lkW/kg이었다. 따라서, 수분증발속도가 한계치보다도 낮았기 때문에, 폭열이 없고, 또한 성형체표면에서의 가루 발생은 3.9%로 낮은 수준이었다. 이 성형체를 환원한 결과에서는, 철의 금속화율이 85%로 높고, 또한 괴제품의 수율도 92%로 양호하였다. 실시예2에서는, 브리켓 성형 장치로 제조하였다, 기공율이 33%의 성형체를 사용하였다. 이 성형체의 크기와 기공율로부터 계산되는 V와 Hin은 1.8g/kg·s와 5.0kW/kg이었다. 한편, 실제의 수분증발속도와 열공급속도는, 1.3g/kg·s와 3.7kW/kg으로 낮은 치이며, 폭열이 없고, 또한 성형체표면에서의 가루발생은 2.6%로 낮은 수준이었다. 이 성형체를 환원한 결과에서는, 철의 금속화율이 88%로 높고, 또한 괴제품 수율도 88%로 양호하였다.
실시예3에서는, 압출 성형 장치로 제조하였다, 충전 밀도가 낮고, 기공율이 47%인 성형체를 사용하였다. 이 성형체의 크기와 기공율로부터 계산되는 V와 Hin은 3.9g/kg·s와 10.7kW/kg이었다. 한편, 실제의 수분증발속도와 열공급속도는, 2.7g/kg·s와 7.5kW/kg로 낮은 치이어서, 폭열이 없고, 또한 성형체표면에서의 가루발생은 3.3%로 낮은 수준이었다. 이 성형체를 환원한 결과에서는, 철의 금속화율이 88%로 높고, 또한 괴제품 수율도 86%로 양호하였다. 이와 같이, 본 발명의 범위의 건조 조건을 준수하면, 성형체의 건조를 양호하게 실시할 수 있고, 또한 적정한 환원을 실시할 수 있다.
한편, 비교예1 내지 3에서는, 실시예1 내지 3과 동일한 성형체를 본 발명의 조건을 벗어나서 건조하고, 이것을 환원한 결과이다. 모두 성형체의 수분증발속도와 열공급속도가 한계치보다도 커, 성형체의 건조가 적정하게 이루어지지 않았다. 비교예1과 2에서는, 성형체가 폭열을 일으키고, 성형체의 76 내지 88%가 가루가 되었다. 그 결과, 회전로(3)에서의 환원 조업이 정상적으로 이루어지지 않았다. 또한 비교예3에서는, 기공율이 높은, 압출성형 장치로 제조한 성형체를 건조하고, 환원한 결과이다. 이 성형체의 건조에서도, 성형체의 수분증발속도와 열공급속도가 V와 Hin으로 나타내는 한계치보다도 컸다. 이 결과, 폭열은 생기지 않았지만, 성형체의 37%가 가루가 되었다. 이 성형체의 괴와 가루의 혼합물을 회전로(3)에서, 소성환원한 결과, 가루 부분이 분위기의 탄산가스에 의한 재산화의 영향을 받고, 철금속화율이 낮고, 또한 괴제품 수율도 낮은 결과가 되었다.
다음으로 도 3 또는 도 4에 도시하는 바와 같이 성형체의 건조를 회전로(3)의 내부에서 행하는 방법으로, 조업을 한 예인 실시예4 내지 6의 결과를 표3에 나타낸다. 실시예4 내지 6의 처리 조건은 이하와 같다. 원료의 분체는, 실시예1 내지 3과 동일하고, 산화철이 63질량%이고, 탄소가 15질량%이며, 평균 입경이 11μm였다. 분체의 성형은 역시, 팬식 조립장치, 브리켓 성형 장치, 및, 압출 성형 장치의 3종류에 의하여 하였다. 로내에서의 건조시의 수분증발속도를 V(한계증발속도) 이하, 열공급속도를 Hin(한계열공급속도) 이하로 하였다. 또한 건조를 끝낸 성형체를 이어서 동일로 내에서 소성 환원하였다. 환원 시간은 13분간이고, 환원시의 분위기 온도는 1300℃이었다.
실시예4은 팬식 조립 장치로 제조하였다, 비교적 치밀하고, 기공율이 27%인 구형의 성형체를 사용한 조업의 예이다. 이 성형체는 기공율이 낮아, 물의 증발속도가 커지면 용이하게 폭열하므로, 건조대(5)의 분위기 온도를 최저온도 250℃로부터 최고온도 450℃로 제어하였다. 그 때문에, 건조대(5)에 환원대(7)에서 발생한 고온의 배기 가스가 유입하지 않도록, 배기 가스 출구 연도(10)을 건조대(5)와 환원대(7)의 사이에 설치하였다. 또한 로상(6)과 분위기 온도를 내리기 위해서, 스크류 배출 장치(8)와 성형체 공급부의 성형체 피더(4) 사이의 천장과 건조대(5)의 천장의 일부를 수냉구조로 하였다. 이 결과, 성형체에의 열공급속도를 Hin 이하의 1.8kW/kg로 할 수 있고, 물의 증발속도를 V 이하의 0.67g/kg·s로 할 수 있었다. 환원 처리도 양호해서, 가루의 발생율이 5.1%로 낮고, 철금속화율과 괴제품 수율이 높았다.
실시예5는 브리켓 성형 장치로 제조하였다. 기공율이 33%의 아몬드형의 성형체를 사용한 조업의 예다. 이 성형체가 폭열이나 분화의 문제가 없도록 하는 것을 목적으로, 성형체에의 열공급 속도를 Hin 이하로 하고 또한 수분증발속도를 V 이하로 하였다. 이 때문에, 건조대(5)에 환원대(7)에서 발생한 고온의 배기 가스가 유입하지 않도록, 배기 가스 출구연도(10)을 건조대(5)와 환원대(7)의 사이에 설치하였다. 단, 이 성형체를 사용한 경우에는, 성형체로부터 발생하는 수증기가 비교적 많기 때문에, 건조대(5)의 분위기온도가 목표보다 지나치게 내려갈 경우가 있으므로, 노벽에 설치한 가열 버너(11)로 열을 보급하고, 분위기 온도를 최저 온도 450℃로부터 최고온도 750℃의 범위로 하였다. 그 결과, 수분증발속도가 1.1g/kg·s로 V보다도 작아졌다. 환원 제품의 철금속화율과 괴수율은 양호하였다.
실시예6은 압출 성형 장치로 제조하였다, 기공율이 47%의 원기둥형의 성형체를 사용한 조업의 예이다. 이 성형체에서도 폭열이나 분화의 문제가 없도록 하는 것을 목적으로, 성형체에 대한 열공급속도를 Hin 이하로 하고, 또한 수분증발속도를 V 이하로 하였다. 이 때문에, 실시예5과 같이, 배기 가스 출구연도(10)를 건조대(5)와 환원대(7)의 사이에 설치하였다. 실시예6의 성형체는 수분이 많기 때문에, 수증기에 의한 건조대(5)의 분위기 온도의 저하가 심하였다. 이에, 노벽에 설치된 가열 버너(11)로 열을 보급하고, 분위기 온도를 최저온도 700℃로부터 최고온도 950℃의 범위로 하였다. 이 결과, 수분증발속도가 3.3g/kg·s로 V보다도 작아졌다. 이 조업에서도, 환원 제품의 철금속화율과 괴제품 수율은 양호하였다.
다음에 실시예7로서, 도5에 나타내는 환원 장치를 사용하고, 제철업의 각 공정에서 발생한 산화철과 탄소를 많이 포함하는 슬러지를 원료로 하여, 이것을 성형한 후에, 환원하였다. 이 조업에서 사용한 원료는, 평균 입경 9미크론이고, 수분 21%이었다. 압출식 성형 장치로 제조한 성형체의 기공율은 44%이고, 대표 지름은 15mm이었다. 실시예7에서는, 건조대(5)의 온도는 890 내지 1020℃로 제어되고, 건조대(5)의 길이는, 로상(6)의 통과 시간 환산으로 150초이었다. 이 조건으로 건조한 결과, 성형체의 폭열이나 분화의 문제는 일어나지 않았다. 환원대(7)의 최고온도는 1300℃이고, 환원 시간 13분간이었다. 실시예7에서 얻어진 환원 물건은 제품 괴수율이 91%로 높고, 또한 더스트에의 철분 손실도 1.7%로 낮은 수준이었다. 또한 철금속화율은 88%이고 환원도 양호하였다.
본 발명에 의하면, 환원용 회전 로상법에 있어서, 수분을 함유하고 있는 분체의 성형체를 적정하게 건조하고, 또한 경제적으로 산화 금속의 환원을 행할 수 있다. 또한 수분을 대량으로 함유하는 산화 금속과 탄소를 포함하는 더스트와 슬러지의 처리에 유효하다.
Claims (23)
- 산화 금속과 탄소의 분체를 포함하고, 또한, 기공율의 퍼센트치의 0.2배 이상의 질량%치의 수분을 포함하는 성형체를 건조함에 있어서, 당해 성형체가 함유하는 물의 증발속도를 아래에 나타내는 값V 이하로 하는 것을 특징으로 하는 성형체의 건조 방법.다만, V=300P2/D또한, V:물의 한계증발속도(성형체 드라이 질량 1kg당 물의 증발속도(g/kg·s)), D:성형체의 체적의 1/3승의 값(mm), P:기공율(-)이다.
- 산화 금속과 탄소의 분체를 포함하고, 또한, 기공율의 퍼센트치의 0.2배 이상의 질량%치의 수분을 포함하는 성형체를 건조함에 있어서, 당해 성형체에 대한 열공급 속도를 아래에 나타내는 값 Hin 이하로 하는 것을 특징으로 하는 성형체의 건조 방법.다만, Hin=820P2/D또한, Hin:한계열 공급속도(성형체 드라이 질량1kg당의 열공급속도(kw/kg)), D:성형체의 체적의 1/3승의 값(mm), P:기공율(-)이다.
- 제1항에 있어서,체적의 1/3승의 값이 5 내지 21mm이며, 또한, 기공율이 22 내지 32%인 성형 체를, 수분이 4.4질량% 이상인 상태로부터 건조함에 있어서, 당해 성형체의 수분증발 속도를, 성형체 드라이 질량 1kg당 매초 0.7그램 이하로 하는 것을 특징으로 하는 성형체의 건조 방법.
- 제2항에 있어서,체적의 1/3승의 값이 5 내지 21mm이며, 또한, 기공율이 22 내지 32%인 성형체를, 수분이 4.4질량% 이상인 상태로부터 건조함에 있어서, 당해 성형체에의 열공급속도를 성형체의 드라이 질량 1kg당 1.9KW 이하로 하는 것을 특징으로 하는 성형체의 건조 방법.
- 제1항에 있어서,체적의 1/3승의 값이 5 내지 21mm이며, 또한, 기공율이 32% 초과 내지 40%인 성형체를, 수분이 6.4 질량% 이상인 상태로부터 건조함에 있어서, 당해 성형체의 수분증발속도를, 성형체의 드라이 질량 lkg당 1.3그램 이하로 하는 것을 특징으로 하는 성형체의 건조 방법.
- 제2항에 있어서체적의 1/3승의 값이 5 내지 21mm이며, 또한, 기공율이 32%초과 내지 40%인 성형체를 수분이 6.4질량% 이상인 상태로부터 건조함에 있어서, 당해 성형체에의 열공급 속도를 성형체의 드라이 질량 1kg당 3.5KW 이하로 하는 것을 특징으로 하는 성형체의 건조 방법.
- 제1항에 있어서,체적의 1/3승의 값이 5 내지 21mm이며, 또한, 기공율이 40% 초과 내지 55%인 성형체를 수분이 8질량% 이상인 상태로부터 건조함에 있어서, 당해 성형체의 수분증발속도를 성형체의 드라이 질량 1kg당 매초 2.3그램 이하로 하는 것을 특징으로 하는 성형체의 건조 방법.
- 제2항에 있어서,체적의 1/3승의 값이 5 내지 21mm이며, 또한, 기공율이 40%초과 내지 55%인 성형체를 수분이 8질량% 이상인 상태로부터 건조함에 있어서, 당해 성형체에의 열공급속도를 성형체의 드라이 질량 1kg당 6.2KW 이하로 하는 것을 특징으로 하는 성형체의 건조 방법.
- 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,산화 금속과 탄소를 포함하는 분체에, 금속의 제조 공정으로부터 발생하는 금속 산화물과 탄소를 단독 또는 혼합하여 함유하고 있는 분체를 사용하는 것을 특징으로 하는 성형체의 건조 방법.
- 산화 금속과 탄소의 분체를 포함하는 성형체를 회전 이동하는 중앙이 뚫린 원형의 로상의 윗면에 실어 로내의 상부 공간의 가스 연소열로 소성하여 환원하는 회전로상식의 로의 내부에서 산화 금속을 환원하는 방법으로서, 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 기재된 방법으로 건조한 성형체를 상기 회전로상식 로의 내부에서 110O℃ 이상에서 소성 환원하는 것을 특징으로 하는 산화 금속의 환원 방법.
- 산화 금속과 탄소의 분체를 포함하는 성형체를 회전 이동하는 중앙부가 뚫린 원형의 로상의 윗면에 실어 로내의 상부 공간의 가스 연소열로 소성하여 환원하는 회전로상식의 로의 내부에서 산화 금속을 환원하는 방법으로서, 제9항에 기재된 방법으로 건조한 성형체를 1100℃ 이상에서 소성 환원하는 것을 특징으로 하는 산화 금속의 환원 방법.
- 산화 금속과 탄소의 분체를 포함하는 성형체를 회전 이동하는 중앙이 뚫린 원형의 로상의 윗면에 실어 로내의 상부공간의 가스 연소열로 소성하여 환원하는 회전로상식의 로의 내부에서 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 기재된 방법으로 성형체를 건조한 후, 당해 성형체를, 이어서 당해 로내에서, 11O0℃ 이상에서 소성 환원하는 것을 특징으로 하는 산화 금속의 환원 방법.
- 산화 금속과 탄소의 분체를 포함하는 성형체를 회전 이동하는 중앙이 뚫린 원형의 로상의 윗면에 실어 로내의 상부공간의 가스 연소열로 소성하여 환원하는 회전로상식의 로의 내부에서 제9항 기재된 방법으로 성형체를 건조한 후, 당해 성형체를, 계속해서 당해 로내에서, 110O℃ 이상에서 소성 환원하는 것을 특징으로 하는 산화 금속의 환원 방법.
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- 회전 이동하는 중앙이 뚫린 원형의 로상의 윗면에 실은 산화 금속과 탄소의 분체를 포함하는 성형체를 로내의 상부 공간의 가스 연소열로 소성하여 환원하고, 환원이 끝난 성형체를 배출하는 회전로상식의 로로서, 원료인 분체의 성형체를 공급하는 부분으로부터 회전방향으로 30 내지 130도의 위치에, 그 하부에 회전로상과의 사이에 틈을 가지는 분리판을 설치하고, 원료인 성형체를 공급하는 부분으로부터 이 분리판까지의 사이를 건조대로 하는 것을 특징으로 하는 회전로상식의 금속 환원로.
- 제16항에 있어서,상기 환원이 끝난 성형체를 배출하는 부분으로부터 원료인 성형체를 공급하는 부분까지의 사이에, 로상을 냉각하는 기구를 구비한 것을 특징으로 하는 회전로상식의 금속 환원로.
- 제16항에 있어서상기 환원이 끝난 성형체를 배출하는 부분으로부터 건조대 사이의 로내 천장 및 측벽의 일부에 수냉수단을 구비한 것을 특징으로 하는 회전로상식의 금속 환원로.
- 제16항에 있어서,상기 건조대의 측벽에 가열 버너를 설치한 것을 특징으로 하는 회전로상식의 산화 금속 환원로.
- 제16항에 있어서,상기 환원이 끝난 성형체를 배출하는 부분으로부터 원료인 성형체를 공급하는 부분까지의 사이에, 로상을 냉각하는 기구를 구비하는 동시에, 환원이 끝난 성형체를 배출하는 부분으로부터 건조대 사이의 로내 천장 및 측벽의 일부에 수냉수단을 구비한 것을 특징으로 하는 회전로상식의 금속 환원로.
- 제16항에 있어서,상기 환원이 끝난 성형체를 배출하는 부분으로부터 원료인 성형체를 공급하는 부분까지의 사이에, 로상을 냉각하는 기구를 구비하는 동시에, 건조대의 측벽에 가열 버너를 설치한 것을 특징으로 하는 회전로상식의 금속 환원로.
- 제16항에 있어서,상기 환원이 끝난 성형체를 배출하는 부분으로부터 건조대 사이의 로내 천장 및 측벽의 일부에 수냉수단을 구비하는 동시에, 건조대의 측벽에 가열 버너를 설치한 것을 특징으로 하는 회전로상식의 금속 환원로.
- 제16항에 있어서,상기 환원로의 환원이 끝난 성형체를 배출하는 부분으로부터 원료인 성형체를 공급하는 부분까지의 사이에, 로상을 냉각하는 기구를 구비함과 동시에, 환원이 끝난 성형체를 배출하는 부분으로부터 건조대 사이의 로내 천장 및 측벽의 일부에 수냉수단을 구비하고, 또한, 상기 건조대의 측벽에 가열 버너를 설치한 것을 특징으로 하는 회전로상식의 금속 환원로.
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