KR100642440B1

KR100642440B1 - 직접적인 제련 방법 및 장치

Info

Publication number: KR100642440B1
Application number: KR1020000030852A
Authority: KR
Inventors: 이네스존알렉산더
Original assignee: 테크놀라지칼 리소시스 피티와이. 리미티드.
Priority date: 1999-06-04
Filing date: 2000-06-05
Publication date: 2006-11-02
Anticipated expiration: 2020-06-05
Also published as: US6368548B1; CN1278010A; KR20010007250A; AUPQ076399A0; CN100360688C; BR0002580A; JP2001049329A

Abstract

금속을 함유하는 공급물로부터 금속을 생산하기 위한 직접적인 제련 방법이 기재되어있다. 본 방법은 금속층과 금속층상의 슬래그층을 갖는 용융조의 형성 단계 및 금속층에서 주입된 금속을 함유하는 공급물을 제련시키는 단계를 포함한다. 본 방법은 또한 금속층으로부터 상부 가스 흐름을 발생시키는데 이는 금속층에 있는 용융물을 포획하여 용융물을 슬래그층으로 운반하여 적어도 슬래그층과 금속층의 계면에서 난류 영역을 형성한다. 본 방법은 또한 다수의 창/송풍구를 통하여 슬래그층으로 가스를 주입하여 슬래그층의 상부 영역에서 난류를 발생시키고 슬래그층으로부터 용융물의 튐, 작은 방울 및 흐름을 슬래그층 위의 용기의 상부 공간으로 분출시키는 단계를 포함한다.

제련

Description

직접적인 제련 방법 및 장치{A DIRECT SMELTING PROCESS AND APPARATUS}

도 1은 본 발명의 공정의 바람직한 양태를 도식적 형태로 설명하는 야금 용기를 통한 수직 단면도

본 발명은 광석, 부분적으로 환원된 광석 및 금속-함유 폐기 흐름과 같은, 금속을 함유하는 공급물로부터, 용융욕를 포함하는 야금 용기에서, 특히 유일하게 철만이 아닌, 용융 금속(이 용어는 금속 합금을 포함함)을 생산하는 방법에 관한 것이다.

본 발명은 특히 금속을 함유하는 공급물로부터 용융 금속을 생산하기 위한 용융 금속욕-기본의 직접적인 제련 방법 및 장치에 관한 것이다.

용융 철을 생산하는 데 가장 널리 사용되는 방법은 고로의 사용을 기본으로 한다. 고체 물질을 고로의 상부에 충전하고 용융된 철을 노의 바닥으로부터 받아낸다. 고체 물질로는 철광석 (소결시, 덩어리 또는 펠릿형), 코우크, 및 플럭스가 있으며 아래쪽으로 이동하는 투과성 물질을 형성한다. 산소를 강화시킬 수 있는, 예열 공기를 용광로의 기저부에 주입하여 투과성 대를 통하여 상부로 이동시킴으로써 코우크가 연소됨에 따라 일산화탄소와 열이 발생하게된다. 이런 반응 결과 용융된 철과 슬래그가 생산된다.

생산되는 철의 융점 이하에서 철광석을 환원시킴으로써 철을 생산하는 방법은 일반적으로 "직접적인 환원법"으로 분류되며 생성물은 DRI로 언급된다.

FIOR (유체 철광석 환원) 방법은 직접적인 환원법의 일 예이다. 상기 방법은 철광석 분말을 일련의 유동상 반응기 중의 각 반응기를 통하여 중력-공급함에 따라 철광석 분말이 환원된다. 상기 분말은 일련의 반응기 중 최하단 반응기의 기저부로 들어와 미분의 하향 이동과는 역방향으로 유동하는 압축 환원 가스에 의해 환원된다.

다른 직접적인 환원법으로는 이동축 고로-기본 방법, 정적 샤프트 용광로-기본 방법, 회전식 노바닥-기본 방법, 회전식 가마-기본 방법, 및 증류기-기본 방법이 있다.

COREX 공정은 하나의 단계로서 직접적인 환원 공정을 포함한다. COREX 공정은 고로로서, 다량의 석탄 없이 석탄으로부터 직접 용융된 철을 생산한다. COREX 공정은 2-단계 공정으로서,

(a) 철광석 (덩어리 또는 펠릿 형), 석탄 및 플럭스의 투과성 대로부터 샤프트 용광로에서 DRI를 생산하고;

(b) 냉각시킬 필요 없이 DRI를 연결된 융해기 가스화기로 충전시키는 단계를 포함한다.

융해기 가스화기중에서 석탄이 부분적으로 연소되면 샤프트 용광로용 환원 가스가 생산된다.

다른 공지된 군의 용융 철 제조 공정은 철광석을 산소의 연소 및 상부 용융 사이클론중의 환원 가스에 의해 용융시켜 용융된 철의 욕을 포함하는 하부 제련기에서 제련하는 사이클론 컨버터를 기본으로 한다. 하부 제련기는 상부 용융 사이클론용 환원 가스를 발생시킨다.

광석 (및 부분적으로 환원된 광석)으로부터 용융 금속을 직접 생산하는 방법은 일반적으로 "직접적인 제련 방법"으로 언급된다.

공지된 직접적인 제련 방법 중 하나는 제련 반응용 주 에너지 공급원으로서 전기로를 사용함을 기본으로 한다.

일반적으로 로멜트 방법 (Romelt process)으로 언급되는, 다른 공지된 직접적인 제련 방법은 Moskovsky Institut static Splavov의 명의 오스트레일리아 특허 제604237호에 기재되어 있다. 로멜트 방법은 상부-충전된 금속 산화물을 금속으로 제련시키고 가스상 반응 생성물을 후-연소시켜 금속 산화물의 제련을 지속시키는데 필요한 열을 운반하기 위한 매질로서 거대한 용적의, 고도로 교반되는 슬래그 욕의 사용을 기본으로 한다. 상기 로멜트 공정은 강화된 공기 또는 산소를 하부 행의 송풍구를 통하여 슬래그로 주입하여 슬래그를 교반시키고 상부 행의 송풍구를 통하여 산소를 슬래그로 주입하여 후-연소를 촉진시킨다. 하부 행의 송풍구 위의 슬래그 용적은 "상부 버블링 영역"을 형성하고 하부 행의 송풍구 아래의 슬래그 용적은 "정동작 슬래그 용융물 영역"을 형성한다. 상부 버블링 영역은 주 반응 매질이며, 상기 슬래그 용적중에 형성되는 용융된 금속 작은 방울은 정동작 슬래그 용융물 영역을 통하여 중력에 의해 아래쪽으로 이동하여 금속 층에서 수거된다. 로멜트 방법에서는 금속층이 중요한 반응 매질이 아니다.

슬래그-기본 방식의, 다른 공지된 군의 직접적인 제련 방법은 일반적으로 "딥 슬래그 (deep slag)" 방법으로 기재된다. DIOS 및 AISI 방법과 같은 이들 방법은 포우밍 슬래그의 심부층 형성을 기본으로 한다. 로멜트 공정과 같이, 슬래그층 아래쪽의 금속 층은 중요한 반응 매질이 아니다.

반응 매질로서 용융 금속층에 의존하며, 일반적으로 하이스멜트 방법 (HIsmelt process)으로 언급되는, 다른 공지된 직접적인 제련 방법이 본 출원인명의 국제특허출원 PCT/AU96/00197 (WO 96/32627)에 기재되어 있다.

국제특허출원에 기재된 바와 같은 HIsmelt 방법은,

(a) 용융된 철과 슬래그 욕을 용기에 형성시키는 단계;

(b) 상기 욕중으로

(i) 금속을 함유하는 공급 물질, 전형적으로 금속 산화물; 및

(ii) 금속 산화물의 환원제 및 에너지원으로 작용하는, 고체 탄소질 물질, 전형적으로 석탄을 주입하는 단계; 및

(c) 상기 금속을 함유하는 공급 물질을 금속층 중의 금속으로 제련하는 단계를 포함한다.

상기 HIsmelt 방법은 또한 상기 욕으로부터 방출된 CO 및 H₂와 같은 반응 가 스를 상기 욕 상부 공간에서 산소-함유 가스로 후-연소시키는 단계 및 후-연소에 의해 발생된 열을 상기 욕으로 운반하여 금속을 함유하는 공급재를 제련시키는데 필요한 열 에너지에 기여하도록 하는 단계를 포함한다.

HIsmelt 방법은 또한 욕의 상부에서 반응 가스의 후-연소 반응 가스에 의해 발생되는 열 에너지를 욕으로 운반하는데 효과적인 매질을 제공하는 용융 금속 및(또는) 슬래그의 상승 및 이후 하강하는 작은 방울(droplet) 또는 튐(splash) 또는 흐름(stream)이 있는, 욕의 공칭 정지면 상부에 전이대를 형성시키는 단계를 포함한다.

본 출원인은 HIsmelt 공정에 대해 집중적인 파이롯 플랜트 연구를 수행하여 상기 공정과 관련한 일련의 혁신적인 발견을 하였다.

일반적인 의미로, 본 발명은

(a) 야금 용기중에 금속층 (상기한 바와 같은)과 금속층상의 슬래그층 (상기한 바와 같은)을 갖는 용융 욕을 형성시키는 단계;

(b) 금속을 함유하는 공급물과 고체 탄소질 물질을 운반 가스와 함께 다수의 창/송풍구를 통하여 상기 용융 욕으로 주입하고 상기 금속층에서 금속을 함유하는 물질을 금속으로 제련시키는 단계;

(c) 금속층으로부터 상부 가스 흐름을 발생시켜 금속층에 있는 용융물을 포획하고 용융물을 슬래그층으로 운반하여 적어도 슬래그층과 금속층의 계면에서 난류 영역을 형성하는 단계;

(d) 다수의 창/송풍구를 통하여 슬래그층으로 가스를 주입시켜:

(i) 슬래그층의 상부 영역에 난류를 발생시키고;

(ii) 상기 슬래그층으로부터 용융물의 튐, 작은 방울 및 흐름을 슬래그층 상부에 있는 용기의 상부 공간으로 프로젝팅시키는 단계; 및

(e) 상부 공간 및/또는 슬래그층의 상부 영역에서 반응 가스를 후 연소시키는 단계를 포함하는, 금속을 함유하는 공급물로부터 금속을 생산하기 위한 직접적인 제련 방법에 관한 것이다.

본 발명의 공정과 공지된 비-HIsmelt 직접 제련법간의 기본적인 차이점과 본 발명의 공정의 이점은 본 발명의 공정에서는 주 제련 영역이 금속층이고 주 산화 (즉, 열 발생) 영역이 금속층의 상당히 상부로 이들 영역은 공간적으로 상당히 분리되어 있고 열 전달은 두 영역간 용융물의 물리적 이동 및 상호반응을 통한다는 것이다.

본 발명의 공정은 2개의 난류 영역을 발생시키는데, 즉, 하나는 금속층/슬래그층 계면에 발생시키고 다른 하나는 슬래그층의 상부 영역에 발생시킨다. 난류 영역은 고난류 영역인 것이 바람직하다.

본 발명의 공정은 배타적인 것은 아니나, 특히, 금속층으로부터의 상부 가스 흐름이 슬래그층으로부터 용융물의 튐, 작은 방울 및 흐름을 상부 공간으로 프로젝팅시켜,

(a) 용기의 상부 공간 영역인 용기의 측벽과 지붕을 적절하게 적시고;

(b) 상부 공간에서의 후 연소중 방출된 에너지를 가둬두기 위하여 상부 영역에서 충분한 난류를 발생시키기에 불충분한 운동성을 갖는 경우에 적용된다.

상기와 같은 경우는 슬래그의 심부 층이 있는 경우 및/또는 공정이 금속층으로부터 상대적으로 낮은 가스 유속을 발생시키는 경우 유사하게 발생한다.

상기와 같은 경우, 슬래그층으로 가스를 주입하게되면 목적하는 수준의 난류를 발생시키는데 기여하거나 자체적으로 목적하는 수준의 난류를 발생시킨다.

슬래그층과 금속층의 계면에서의 난류 영역은 슬래그층의 다른 영역과 비교하여 금속-풍부 영역인 것이 바람직하다.

전형적으로, 용융 금속이 단계 (c)에서 금속층으로부터 슬래그층으로 운반된 용융물의 주된 부분이고 용융 슬래그가 작은(minor) 부분이다.

슬래그층의 상부 영역중의 난류 영역은 슬래그층과 금속층의 계면에서의 난류 영역과 비교하여 슬래그-풍부 영역인 것이 바람직하다.

전형적으로, 용융 슬래그는 단계 (d)에서 슬래그층으로부터 프로젝팅된 용융물의 튐, 작은 방울 및 흐름의 주요 부분이고 용융물은 작은 부분이다.

단계 (c)에서 금속층으로부터 상부 가스 흐름은 1개 이상의 수많은 인자에 의해 유발될 수 있다. 예를 들어, 가스 흐름은 금속을 함유하는 공급물과 고체 탄소질 물질을 금속층으로 주입한 결과 적어도 부분적으로 발생될 수 있다. 추가의 예로, 가스 흐름은 운반 가스를 주입된 금속을 함유하는 공급물 및/또는 고체 탄소질 물질과 함께 금속층으로 주입한 결과 적어도 부분적으로 발생될 수 있다. 추가의 예로, 가스 흐름은 기저 및/또는 측벽의 가스가 금속층으로 주입된 결과 적어도 부분적으로 발생할 수 있다.

단계 (c)에서 금속층으로부터 상부 가스 흐름은 금속을 함유하는 공급물과 탄소질 물질 및 운반 가스를 금속층으로 주입함으로써 발생되는 것이 바람직하다.

고체 물질과 운반 가스를 금속층으로 주입하면 다음 결과를 얻게된다.

첫째로, 주입된 고체 물질/운반 가스의 운동으로 고체 물질과 가스가 금속층을 관통하도록 한다.

둘째로, 탄소질 물질, 전형적으로 석탄이 탈휘발되어 금속층에서 가스를 생산한다.

세째로, 탄소가 주로 금속중에 용해되며 미용해된 고체로 부분적으로 남게된다.

네째로, 금속을 함유하는 물질은 (c) 항목에서 상기한 바와 같이 주입된 탄소로부터 유래된 탄소에 의해 금속으로 제련되고 상기 제련 반응은 일산화탄소를 발생시킨다.

최종적으로, 금속층으로 운반되고 탈휘발 및 제련 단계를 통하여 발생한 가스는 금속층으로부터 용해된 금속, 미용해 탄소 및 슬래그 (이는 고체/가스 주입 결과 금속층으로 인출된다)의 확실한 상승 부력을 발생시켜 용융물을 상부로 이동시키고, 상기 용융물은 슬래그층으로 상부 이동함에 따라 추가의 슬래그를 포함하게 된다.

상기 공정으로 공급되는 금속을 함유하는 공급물의 80 중량% 이상이 금속층 으로 주입되는 것이 바람직하다.

단계 (c)에서 발생되는 가스 유속은 0.04 N㎥/s/금속층과 슬래그층의 ㎡ 면적 (정동작 조건하) 이상인 것이 바람직하다.

가스 유속이 0.2 N㎥/s/㎡ 이상인 것이 특히 바람직하다.

단계 (d)에서 슬래그층으로 주입된 가스가 산소 함유 가스인 것이 바람직하다.

달리, 또는 추가로, 상기 가스는 질소와 같은 불활성 가스일 수 있다.

달리, 또는 추가로, 상기 가스는 용기로부터 방출된 배출-가스일 수 있다. 배출-가스는 슬래그층으로 주입되기 전에, 예를들어, 가스 개질 또는 부분적 연소에 의해 처리될 수 있다.

단계 (d)가 탄소질 물질과 산소-함유 가스를 슬래그층으로 주입하는 단계인 것이 바람직하다. 이는 가스 방출을 증가시켜 슬래그층의 상부 영역에서 고도의 난류를 일으킨다.

상기 공정이 추가로 산소-함유 가스를 1개 이상의 창/송풍구를 통하여 상부 공간으로 주입하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다. 상기 가스는 단계 (e)에 따르는 상부 공간에서의 후 연소 반응 가스에 대한 산소 공급원이다.

산소-함유 가스를 상부 공간으로 주입시키는 1개 이상의 창/송풍구의 위치 및 작동 인자는

(a) 산소-함유 가스가 슬래그층으로 주입되고;

(b) 산소-함유 가스의 흐름이 용융물 (욕에서 가스에 의해 발생)의 상부로 프로젝팅된 튐, 작은 방울 및 흐름을 각각의 창/송풍구의 하부 섹션 주변으로 편향시키고 각 창/송풍구의 말단 또는 각 창/송풍구 주변에서 "유리 공간"으로 기재된 가스 연속 공간이 형성되도록 선택하는 것이 바람직하다.

유리 공간의 형성은 용기의 상부 공간의 반응 가스가 각 창/송풍구의 말단 또는 각 창/송풍구 영역으로 인출되어 상기 영역에서 후-연소될 수 있도록하기 때문에 중요한 특징이다. 이와 관련하여, 용어 "유리 공간"은 실질적으로 금속과 슬래그를 함유하지 않는 공간을 의미하는 것으로 이해된다.

또한, 상기한 용융물의 편향은 각 창/송풍구의 말단 또는 각 창/송풍구에서 발생된 연소대로부터 용기의 측벽을 어느 정도 보호한다. 또한, 상부 공간에서 후 연소된 가스로부터 욕으로 더 많은 에너지를 재공급하기 위한 수단을 제공한다.

용어 "제련"은 본 명세서에서 금속 산화물을 환원시키는 화학 반응이 일어나 액체 금속을 생산하는 열적 공정을 의미하는 것으로 이해된다.

용어 "금속층"은 본 명세서에서 주로 금속인 욕의 영역을 의미하는 것으로 이해된다. 상세하게, 상기 용어는 금속 연속 용적중 용융된 슬래그의 분산액을 포함하는 영역 또는 대를 포괄한다.

용어 "슬래그층"은 본 명세서에서 주로 슬래그인 욕의 영역을 의미하는 것으로 이해된다. 상세하게, 상기 용어는 슬래그 연속 용적중 용융 금속의 분산액을 포함하는 영역 또는 대를 포괄한다.

본 공정은 높은 수준, 즉, 40% 이상의 1차 후-연소로 작업하는 것이 바람직 하며, 여기서 1차 후-연소는 다음과 같이 정의된다:

여기서:

[CO₂] = 배출-가스중 CO₂의 용적%;

[H₂O] = 배출-가스중 H₂O의 용적%;

[CO] = 배출-가스중 CO의 용적%;

[H₂] = 배출-가스중 H₂의 용적%.

더욱 상세하게, 용어 "1차 후-연소"는 또한 다른 목적을 위한 보조 탄소질 물질의 첨가 없이 제련 공정이 수행되도록하는 후-연소를 의미한다.

상기 공정은 바람직하게는 50% 이상, 더욱 바람직하게는 70% 이상의 1차 후-연소로 작업한다.

본 발명의 공정이 상대적으로 높은 슬래그 재고량을 유지하고 공정을 조정하는 수단으로서 슬래그 양을 이용하는 것이 바람직하다. 또한, 금속층에 도달하지 않고 슬래그층으로 산소가 주입되도록 높은 슬래그 재고량을 유지하는 것이 필수적이다.

용어 "상대적으로 높은 슬래그 재고량"은 본 명세서에서 금속의 양과 비교한 슬래그의 양과 관련하여 사용된다.

본 공정이 안정한 조건하에서 작동될 경우, 금속:슬래그 중량비는 4:1 내지 1:2인 것이 바람직하다.

금속:슬래그의 중량비가 3:1 내지 1:1인 것이 더욱 바람직하다.

금속:슬래그 중량비가 3:1 내지 2:1인 것이 특히 바람직하다.

슬래그의 상대적으로 낮은 열 전달 특징은 용기의 측벽을 통하여 슬래그층으로부터 연 손실을 최소화하는 것과 관련하여 중요하다.

또한, 적합한 공정 조절에 의해, 슬래그는 측벽상에 향상된 동결층을 형성하여 측벽을 통한 열 손실에 대해 추가의 내성을 첨가할 수 있다. 그러므로, 슬래그 재고량을 변화시킴으로써, 슬래그층중의 슬래그의 양을 증가 또는 감소시킬 수 있어 용기의 측벽을 통한 열 손실을 조절할 수 있다.

슬래그는 측벽상에 "젖은"층 또는 "마른"층을 형성할 수 있다. "젖은"층은 측벽에 부착하는 동결층, 반-고체 (머쉬)층, 및 외층 액체 필름을 포함한다. "마른"층은 슬래그가 실질적으로 모두 동결된 것이다.

슬래그층 중 슬래그의 양은 또한 후 연소 과정의 조절 수단을 제공한다.

상술하면, 슬래그 재고량이 너무 낮을 경우, 슬래그층중의 금속이 금속층으로의 열 전달에 대해 포지티브 효과를 가짐에도 불구하고 슬래그층중 금속의 노출량이 증가하여 금속 및 금속중에 용해된 탄소의 산화와 환원된 후-연소용 전위가 증가된다.

또한, 슬래그 재고량이 너무 높을 경우, 산소-함유 가스를 상부 공간으로 주입하는 산소-함유 가스 주입 창/송풍구 1개 이상이 슬래그층에 묻히게 되고 이는 상부 공간 반응 가스가 각 창/송풍구의 말단 또는 각 창/송풍구로 이동하는 것을 감소시켜, 그 결과, 후-연소용 전위가 감소된다.

용기중 슬래그의 양, 즉, 슬래그층의 깊이 또는 금속:슬래그의 중량비로 측정한 슬래그 재고량은 금속과 슬래크의 탭핑 속도로 조절할 수 있다.

용기중 슬래그의 생산은 금속을 함유하는 공급물, 탄소질 물질, 및 플럭스의 용기로의 공급 속도와 산소-함유 가스 주입 속도와 같은 작업 인자를 변화시킴으로써 조절할 수 있다.

공정이 용융 철 생산에 관련된 경우, 공정이 용융 철중 용해된 탄소의 수준이 3 중량% 이상이 되도록 조절하고 슬래그층과 팽창된 용융욕 대에서 FeO 수준이 6 중량% 이하, 더욱 바람직하게는 5 중량% 이하로 되도록 강력하게 환원되는 조건하에 슬래그를 유지시키는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.

금속을 함유하는 공급물은 적합한 형태로 존재할 수 있다. 예를들면, 광석, 부분적으로 환원된 광석, DRI (직접 환원된 철), 탄화철, 밀 스케일, 고로 분진, 소결 분말, BOF 분진 또는 상기 물질의 혼합물 형태일 수 있다.

부분적으로 환원된 철광석의 경우, 선-환원 정도는 상대적으로 낮은 수준 (예, FeO) 내지 상대적으로 높은 수준 (예, 70 내지 95% 금속화)의 범위일 수 있다.

이와 관련하여, 본 발명의 방법은 금속을 함유하는 철광석을 부분적으로 환원시키고 이후 부분적으로 환원된 철광석을 금속층 중으로 주입하는 단계를 포함한다.

금속을 함유하는 공급물은 예열시킬 수 있다.

운반 가스는 적합한 운반 가스일 수 있다.

운반 가스가 산소-결핍 가스인 것이 바람직하다.

운반 가스가 질소를 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따라서 금속을 함유하는 공급물로부터 상기한 직접적인 제련법에 의해 금속을 생산하는 용기가 제공되며, 상기 용기는 금속층과 금속층상의 슬래그층을 갖는 용융욕과 슬래그층 위의 가스 연속 상부 공간을 포함하는데, 용기는:

(a) 용융 금속과 접하는 기재와 측면을 갖는 노바닥;

(b) 노바닥의 측면으로부터 상부로 연장되어있으며 슬래그층 및 상부 공간과 접하는 측벽;

(c) 아래쪽으로 연장되어있으며 금속층이 관통하고 적어도 금속층과 슬래그층간의 계면에서 난류 영역이 발생하도록 금속을 함유하는 공급물과 탄소질 물질을 운반 가스와 함께 용융조로 주입하는 다수의 창/송풍구; 및

(d) 슬래그층의 상부 영역에서 난류가 발생하도록 가스를 슬래그층으로 주입하는 다수의 창/송풍구를 포함한다.

상기 항목 (c)의 고체 물질/운반 가스 주입 창/송풍구는 수직에 대해 30 내지 60°의 각도로 있는 것이 바람직하다.

상기 항목 (d)의 가스 주입 창/송풍구는 수평에 대해 -20°이하 (즉, 수평에서 20°이하의 각도로 위로) 내지 수평에 대해 +60°(즉, 수평에 대해 60°이하의 각도로 아래로)범위의 각도로 존재하는 것이 바람직하다. 결과적으로, 상기 각도 범위는 가스의 아래쪽/내부쪽 주입 및 위쪽/내부족 주입을 포괄한다.

항목 (c) 및 (d)의 창/송풍구는 용기의 측벽을 통하여 연장되는 것이 바람직하다.

상기 용기가 추가로 산소-함유 가스를 상부 공간으로 주입하고 후 연소 반응 가스를 상부 공간 및(또는) 슬래그층의 상부 영역중에 주입하는 창/송풍구를 1개 이상 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명은 첨부되는 도면을 참고로 하여 실시예에 의해 추가로 설명되며, 도 1은 본 발명의 공정의 바람직한 양태를 도식적 형태로 설명하는 야금 용기를 통한 수직 단면도이다.

다음 설명은 용융 철 생산을 위한 철광석 제련과 관련한 것이며 본 발명이 본원으로 제한되는 것은 아니고 적합한 광석 및(또는) 농축물 - 부분적으로 환원된 광석 및 폐기물을 포함 - 에도 적용할 수 있음을 알아야 한다.

도 1에 나타낸 용기는 내화재로부터 형성된 기재(3)과 측면 (55); 일반적으로 노바닥의 측면(55)로부터 위로 연장되어 있는 원통형 배럴을 형성하며 상부 배럴 섹션(51)과 하부 배럴 섹션(53)을 포함하는 측벽(5); 지붕(7); 배출-가스용 배출구(9); 용융된 금속을 연속적으로 배출시키기위한 전로 및 용융된 슬래그를 배출시키기위한 탭-홀(61)을 갖는다.

사용시, 상기 용기는 용융 금속층(15) 및 상기 금속층(15) 위의 용융 슬래그층(16)을 포함하는 철과 슬래그의 용융 욕을 포함한다. 17로 표시된 화살표는 금속층(15)의 공칭 정지면의 위치를 나타내며 19로 표시된 화살표는 슬래그층(16)의 공칭 정지면의 위치를 나타낸다. 용어 "정지면(靜止面, quiescent surface)"은 용기 중으로 가스 및 고체가 주입되지 않는 경우의 표면을 의미하는 것으로 이해된다.

본 용기는 또한 측벽(5)를 통하여 슬래그층(16) 중으로 하부 방향의 내부쪽으로 연장되어있는 한쌍의 하부 주입 창/송풍구를 포함한다. 창/송풍구(11)의 위치는 하부 말단이 금속층(15)의 정지면(17)의 위에 있도록 선택한다.

사용시, 운반 가스 (전형적으로 N₂)중에 포획된 철광석, 고체 탄소질 물질 (전형적으로 석탄), 및 플럭스 (전형적으로 석회 및 마그네시아)를 창/송풍구(11)을 통하여 금속층(15)로 주입한다. 고체 물질/운반 가스의 이동으로 고체 물질과 가스가 금속층(15)를 관통하게 된다. 석탄은 탈휘발되어 금속층(15) 중에 가스를 생산한다. 탄소가 금속중에 부분적으로 용해되어 고체 탄소로서 부분적으로 남아 있게 된다. 철광석은 금속으로 제련되고 제련 반응으로 일산화탄소 가스가 생산된다. 금속층(15) 중으로 운반되고 탈휘발 및 제련 과정을 통하여 발생되는 가스는 용융물 및 고체 탄소의 튐, 작은 방울 및 흐름의 상부 이동을 일으키는 금속층(15)으로부터 용융 금속, 고체 탄소 및 용융 슬래그 (고체/가스/주입 결과 금속층(15)의 상부로부터 금속층(15)으로 배출된)의 확실한 부력식 상부 이동을 일으키고, 이는 용융 금속과 슬래그를 슬래그층(16)으로 상부 이동시킨다.

용융물, 고체 탄소 및 슬래그의 부력식 상부 이동으로 금속층(15)와 슬래그층(16) 간의 계면에서 실질적인 교반이 발생하고, 적어도 이 영역에서 고도의 난류대가 생성된다.

용기는 추가로 측벽(5)를 통하여 슬래그층(16)으로 수직으로부터 30 내지 60°의 각도로 아래쪽 내부로 연장되어있는 한쌍의 상부 창/송풍구를 포함한다.

사용시, 산소 가스 (및 임의로 고체 및(또는) 가스상 탄소질 물질 및(또는) 기타 가스)는 창/송풍구(41)을 통하여 슬래그층(16)으로 주입되어 슬래그층의 상부 영역에 고난류 대를 생성시키고 슬래그층으로부터 용융물의 튐, 작은 방울 및 흐름을 용기의 상부 공간(43)으로 프로젝팅시킨다.

산소 가스 주입은 본 공정에 대해 2배 효과를 갖는다. 첫째로, 산소 가스는 슬래그층(16)의 상기 영역에서 CO 및 H₂와 같은 연소성 반응 가스를 후-연소시킨다. 슬래그층(16)에서 높은 수준의 교반은 후-연소열을 금속층(15)로 전달하는 효과적인 수단을 제공한다. 둘째로, 슬래그층(16)으로부터 프로젝팅된, 적어도 주로 슬래그인, 용융물의 튐, 작은 방울 및 흐름은 상부 배럴 섹션(51)과 용기의 지붕과 접하여 용기의 이들 섹션으로부터의 열 손실을 감소시키는 보호층을 형성한다. 프로젝팅된 용융물은 또한 추가 에너지를 욕으로 되돌려보내는 메카니즘을 제공한다.

상기한 고난류 대에서의 교반 정도는 금속과 슬래그 영역에서 타당하게 균일한 온도가 되도록 - 전형적으로 각 영역에서 30 ℃ 정도의 온도 변화로 1450 내지 1550 ℃가 되도록 한다.

용기는 중앙에 위치하며 용기의 상부 공간(43)으로 수직 아래쪽으로 연장되어있는 산소-함유 가스 (전형적으로 예열된 산소 강화 공기)를 주입하기 위한 창(13)을 추가로 포함한다. 창(13)의 위치와 창(13)을 통한 가스 유속은 산소-함유 가스가 창(13)의 말단 주변에서 필수적으로 금속/슬래그 유리 공간(25)를 유지하도록 선택한다.

창(13)을 통한 산소-함유 가스의 주입은 창(13) 말단 주변 유리 공간(25) 중의 반응 가스 CO와 H₂를 후-연소시켜 가스 공간중에 2000 ℃ 이상의 고온을 발생시킨다. 상기 열은 상기한 바와 같이 고도로 교반되는 슬래그층(16)을 통하여 금속층(15)로 전달된다.

유리 공간(25)는 상부 공간 중의 가스를 창(13)의 말단 영역으로 가두어 유효 반응 가스가 후 연소에 노출되는 양을 증가시킬 수 있으므로 높은 수준의 후 연소를 성취하는데 있어 중요하다.

상부 공간(43) 중 창(13)의 위치, 창(13)을 통한 가스 유속, 및 슬래그층(16)으로부터 용융물의 튐, 작은 방울 및 흐름의 상부 이동의 혼합 효과는 창(13)의 하부 영역 주변의 용융물의 튐, 작은 방울, 및 흐름 - 일반적으로 27로 표시됨 - 을 성형시키는 것이다. 상기 성형된 영역은 측벽(5)의 방사에 의한 열 전달을 위한 부분적 방벽을 제공한다.

본 발명의 바람직한 양태에 따라서, 공정을 가동할 때 용기중 금속 층(15)와 슬래그층(16)의 수준을 참고로 하여 용기를,

(a) 금속/슬래그층(15/16)과 접하는 측벽(5)의 노바닥과 하부 배럴 섹션(53)이 내화재 벽돌로 형성되고 (도 1에서 직교로 표시);

(b) 측벽(5)의 하부 배럴 섹션(53)의 적어도 일부가 수냉식 패널 (나타나있지 않음)로 배면되어 있으며;

(c) 상부 공간(31)과 접하는 측벽(5)과 지붕(7)의 상부 배럴 섹션(51)이 수냉식 패널 (나타나있지 않음)로부터 형성되도록 제작한다.

측벽(5)의 각각의 수냉식 패널은 평행한 상부와 하부 단부와 평행한 측면 단부를 가지며 원통형 배럴의 섹션을 구획하도록 굴곡되어 있다. 각 패널은 내부 수냉 파이프와 외부 수냉 파이프를 포함한다. 파이프는 굴곡진 섹션에 의해 상호연결되는 수평 직선 섹션을 갖는 꾸불꾸불한 배위로 형성된다. 각 파이프는 또한 수주입구와 수배출구를 포함한다. 파이프는 패널의 노출면, 즉, 용기 내부에 노출되는 면으로부터 보았을 때 외부 파이프의 직선 섹션이 내부 파이프의 직선 섹션 바로 뒤에 있지 않도록 수직으로 배치된다. 각 패널은 또한 각 파이프의 인접한 직선 섹션과 파이프간의 공간을 채우는 쑤셔넣은 내화재를 포함한다. 각 패널은 또한 패널의 외부 표면을 형성하는 지지판을 포함한다.

파이프의 수주입구 및 수배출구는 파이프를 통하여 높은 유속으로 물을 순환시키는 물 공급 회로 (나타나있지 않음)에 연결되어 있다.

사용시, 수냉식 패널을 통한 물의 유속, 창/송풍구(11)을 통한 고체/운반 가스 유속, 및 창(13)을 통한 산소-함유 가스 유속은 패널 상에 동결된 슬래그층이 쌓이고 유지되기에 충분한, 패널과 접하는 슬래그와 패널로부터의 배출열이 존재하도록 조절된다. 슬래그층은 효과적인 열 방벽을 형성하며 이는 이후 용기의 측벽(5) 및 지붕(7)로부터의 열 손실을 250 ㎾/㎡ 이하로 최소화시킨다.

본 발명의 정신 및 범주로부터 벗어나지 않고 상기한 용기의 바람직한 양태에 대해 수많은 개량이 이루어질 수 있다.

이와 관련하여, 바람직한 양태가 금속을 함유하는 공급물을 모두 금속층으로 주입하는 것인데, 금속을 함유하는 공급물의 일부를 용기의 다른 영역에, 예를 들면, 용기의 상부 공간으로 중력식 공급에 의해 도입시키는 것도 본 발명의 범주내에 있다.

또한, 바람직한 양태는 슬래그층(16)으로 연장되어 있는 한 쌍의 상부 및 하부 창/송풍구(11)을 포함하는데, 본 발명은 상기와 같은 것으로 제한되는 것은 아니며 수많은 적합한 창/송풍구로 연장된다.

또한, 바람직한 양태는 창(13)을 통하여 산소-함유 가스를 주입하는 것인데, 본 발명은 상기와 같은 것으로 제한되는 것은 아니며 산소-함유 가스 주입이 창/송풍구(41)만을 통한 것일 수 있다.

또한, 바람직한 양태는 창/송풍구(41)을 통한 산소 가스의 주입인데, 본 발명은 이들 창/송풍구를 통한 산소 (또는 산소-함유 가스)의 주입으로 제한되지 않으며 산소 가스 주입외 또는 이의 대안으로서 다른 가스의 주입으로 연장된다. 상기 가스로는 불활성 가스와 재순환된 배출-가스가 있다.

또한, 창/송풍구(41)을 통한 산소 가스 주입으로 상기한 바람직한 양태에서는 슬래그층의 상부 영역중에 고난류대가 생성되는데, 본 발명은 상기한 바와 같은 것으로 제한되는 것은 아니며 금속층(15)로부터 용융물의 상승 부력이 상기 상부 영역에서의 난류에 기여하도록하는 방법으로 연장된다.

Claims

(a) 야금 용기 중에 금속층과 금속층 상의 슬래그층을 갖는 용융 욕을 형성시키는 단계;

(b) 금속을 함유하는 공급물과 고체 탄소질 물질을 운반 가스와 함께 다수의 창/송풍구를 통하여 상기 용융 욕으로 주입하고 상기 금속층에서 금속을 함유하는 물질을 금속으로 제련시키는 단계;

(c) 금속층으로부터 상부 가스 흐름을 발생시켜 금속층에 있는 용융물을 포획하고 용융물을 슬래그층으로 운반하여 적어도 슬래그층과 금속층의 계면에서 난류 영역을 형성하는 단계;

(d) 다수의 창/송풍구를 통하여 슬래그층으로 가스를 주입시켜:

(i) 슬래그층의 상부 영역에 난류를 발생시키고;

(ii) 상기 슬래그층으로부터 용융물의 튐, 작은 방울 및 흐름을 슬래그층 상부에 있는 용기의 상부 공간으로 분출시키는 단계; 및

(e) 상부 공간 및 슬래그층의 상부 영역 중 적어도 한 곳에서 반응 가스를 후 연소시키는 단계를 포함하는, 금속을 함유하는 공급물로부터 금속을 생산하기 위한 직접적인 제련 방법.
제1항에 있어서, 슬래그층과 금속층의 계면에서의 난류 영역이 슬래그층의 다른 영역과 비교하여 금속-풍부 영역인 방법.
제1항에 있어서, 상기 슬래그층의 상부 영역 중 난류 영역이 슬래그층과 금속층의 계면에서의 난류 영역과 비교하여 슬래그-풍부 영역인 방법.
제1항에 있어서, 단계 (b)가 금속을 함유하는 공급물 및 고체 탄소질 물질 중 적어도 하나와 운반 가스를, 고체 물질과 운반 가스가 금속층을 관통하여 금속층으로부터 상부 가스 흐름을 발생시키도록 용융욕으로 주입하는 단계인 방법.
제4항에 있어서, 상기 단계 (b)로 공급되는 금속을 함유하는 공급물의 80 중량% 이상이 용융욕으로 주입되어 금속층을 관통하는 방법.
제1항에 있어서, 단계 (c)에서 발생된 가스 유속이 0.04 N㎥/금속층과 슬래그층의 면적 ㎡ (정동작 조건하) 이상인 방법.
제1항에 있어서, 단계 (d)에서 슬래그층으로 주입된 가스가 산소 함유 가스, 질소와 같은 불활성 가스 및 용기로부터 방출된 배출-가스를 포함하는 군으로부터 선택되는 것인 방법.
제1항에 있어서, 단계 (d)가 탄소질 물질과 산소-함유 가스를 슬래그층으로 주입하는 단계인 방법.
제1항에 있어서, 단계 (e)가 산소-함유 가스를 상부 공간에서 반응 가스를 후 연소시키기위한 산소 공급원으로서 1개 이상의 창/송풍구를 통하여 상부 공간으로 주입하는 단계인 방법.
제9항에 있어서, 산소-함유 가스를 상부 공간으로 주입시키는 1개 이상의 창/송풍구의 위치 및 작동 인자를,

(a) 산소-함유 가스가 슬래그층으로 주입되고;

(b) 산소-함유 가스의 흐름이 용융물 (욕에서 가스에 의해 발생)의 상부로 프로젝팅된 튐, 작은 방울 및 흐름을 각각의 창/송풍구의 하부 섹션 주변으로 편향시키고 각 창/송풍구의 말단 또는 각 창/송풍구 주변에서 "유리 공간"으로 기재된 가스 연속 공간이 형성되도록 선택하는 것인 방법.
제1항 내지 10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 직접 제련 방법은 상대적으로 높은 슬래그 재고량을 유지하고 상기 양의 슬래그를 직접 제련 공정을 조절하는 수단으로 사용하는 방법.
(a) 용융 금속과 접하는 기재와 측면을 갖는 노바닥;

(b) 노바닥의 측면으로부터 상부로 연장되어있으며 슬래그층 및 상부 공간과 접하는 측벽;

(c) 아래쪽으로 연장되어있으며 금속층이 관통하고 적어도 금속층과 슬래그층간의 계면에서 난류 영역이 발생하도록 금속을 함유하는 공급물과 탄소질 물질을 운반 가스와 함께 용융조로 주입하는 다수의 창/송풍구;

(d) 슬래그층의 상부 영역에서 난류가 발생하도록 가스를 슬래그층으로 주입하는 다수의 창/송풍구; 및

(e) 산소-함유 가스를 상부 공간으로 주입하고, 상부 공간 및 슬래그층의 상부 영역 중 적어도 한 곳에서 반응 가스를 후 연소시키는 1개 이상의 창/송풍구로 이루어진, 금속층과 금속층상의 슬래그층을 갖는 용융욕과 슬래그층 위의 가스 연속 상부 공간을 포함하는, 금속을 함유하는 공급물로부터 상기한 직접적인 제련법에 의해 금속을 생산하는 용기.
제12항에 있어서, 항목 (c)의 고체 물질/운반 가스 주입 창/송풍구가 수직에 대해 30 내지 60°의 각도로 존재하는 용기.
제12항 또는 13항에 있어서, 항목 (d)의 가스 주입 창/송풍구가 수평에 대해 -20°이하 (즉, 수평에서 20°이하의 각도로 위로) 내지 수평에 대해 +60°(즉, 수평에 대해 60°이하의 각도로 아래로)범위의 각도로 존재하는 용기.