분철광석을 이용한 용철제조공정에서의 미분탄의 괴성화방법(Method of agglomerating the fine coal in coal and finecoal based ironmaking process)

공개특허 10-2004-0056305
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(19)대한민국특허청(KR)
(12) 공개특허공보(A)
(51) 。Int. Cl.7
C21B 13/00
(11) 공개번호
(43) 공개일자
10-2004-0056305
2004년06월30일
(21) 출원번호 10-2002-0082908
(22) 출원일자 2002년12월23일
(71) 출원인 주식회사 포스코
경북 포항시 남구 괴동동 1번지
재단법인 포항산업과학연구원
경북 포항시 남구 효자동 산-32번지
(72) 발명자 이준혁
경상북도포항시남구효자동산32번지(재)포항산업과학연구원내
강태욱
경상북도포항시남구효자동산32번지(재)포항산업과학연구원내
김행구
경상북도포항시남구효자동산32번지(재)포항산업과학연구원내
(74) 대리인 특허법인씨엔에스
심사청구 : 있음
(54) 분철광석을 이용한 용철제조공정에서의 미분탄의 괴성화방법
요약
분철광석을 이용한 용철제조공정에서의 미분탄의 괴성화방법이 제공된다.
본 발명은, 그 하부로 부터 취입되는 환원가스를 이용하여 장입된 분철광석을 환원하는 1단 또는 2단이상의 환원로와
, 상기 환원로로부터 배출된 분환원철을 용융시켜 용선을 제조하고 그 배가스를 상기 환원로의 환원가스로 공급하는
용융가스화로를 포함하여 구성되는 용철제조장치를 이용한 용철제조공정에 있어서, 상기 환원로로부터 배출된 분환
원철을 600~850℃의 온도에서 자유팽윤계수 2.0이상을 가진 미분탄과 혼합시키고, 이때, 상기 미분탄에 대한 상기
분환원철의 혼합율을 20중량%이상으로 제어하는 것을 특징으로 하는 용철제조공정에서의 일반탄의 괴성화방법에
관한 것이다.
대표도
도 3
색인어
미분탄, 괴성화, 자유팽윤지수
명세서
공개특허 10-2004-0056305
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도면의 간단한 설명
도 1은 종래의 일반탄 및 분철광석을 이용한 용철제조장치에 대한 개략도
도 2은 본 발명이 적용될 수 있는 일반탄 및 분철광석을 이용한 용철제조장치의 일실시예를 나타내는 개략도
도 3는 본 발명에서의 자유팽윤계수 5.5인 일반 미분탄의 자체 괴성화후 측정한 압축강도를 나타낸 그래프
도 4은 본 발명에서의 자유팽윤계수 4.6인 일반 미분탄의 자체 괴성화후 측정한 압축강도를 나타낸 그래프
도 5는 본 발명에서의 자유팽윤계수 3.0인 일반 미분탄의 자체 괴성화후 측정한 압축강도를 나타낸 그래프
도 6는 본 발명에서의 자유팽윤계수 2.0인 일반 미분탄의 자체 괴성화후 측정한 압축강도를 나타낸 그래프
도 7은 자유팽윤계수 1.5인 일반 미분탄의 자체 괴성화후 측정한 압축강도를 나타낸 그래프
도 8은 본 발명에서의 자유팽윤계수 2.0인 일반 미분탄을 600℃에서 10분간 유지시킨 후 측정한 압축강도를 나타낸
그래프
도 9은 자유팽윤계수 2.0인 일반 미분탄을 500℃에서 20분간 유지시킨 후 측정한 압축강도를 나타낸 그래프
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
1 :용융가스화로 2 : 최종환원로
3 : 예비환원로 4 :예열로
5(a~d):분철광석 이송도관 6(a~c): 환원가스 흐름도관
7(a~c):반응가스 승온용 버너 8 : 배가스 도관
9 : 가스유량조절밸브 10 : 수집진기
11 : 분환원철 이송도관 12 : 분환원철과 미분탄 혼합조
13 : 미분탄 운송도관
발명의 상세한 설명
발명의 목적
발명이 속하는 기술 및 그 분야의 종래기술
본 발명은 일반탄 및 분철광석을 이용한 용철제조공정에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 상기 용철제조공정중 사용
하는 일반탄중 괴탄이 아닌 미분탄을 고온의 분환원철과 혼합하였을 때 분환원철이 가지고 있는 열에 의해 일반탄의
열분해됨과 아울러, 자체 점결성물질 생성으로 미분탄을 괴성화할 수 있는 방법에 관한 것이다.
현재, 전세계적으로 이용하고 있는 고로법은 설비의 대형화에 따라 고생산성 및 고에너지효율성등의 장점을 지니고
있으나, 부대설비로 연원료 처리공장인 코크스공정과 소결공정을 반드시 보유해야 하는 단점을 가지고 있다. 그런데
최근 자원과 환경문제에 관심이 집중되면서, 특히, 코크스 제조를 위하여 사용되는 강점결탄 매장량의 지역적 편재와
감소, 그리고 제철법에서 환경오염물질의 주배출원인 코크스공정과 소결공정에 있다는 점등에서 이러한 공정들을 생
략하고자 하는 많은 노력들이 있어 왔다. 이러한 노력의 하나로서 강점결탄을 대신하여 일반탄을 사용하고, 소결광을
대신하여 철광석을 전처리 없이 사용하는 용융환원제철법이 차세대 핵심제철기술로 부상되고 있다.
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용융환원제철기술은 현재의 고로법에 비하여, 에너지 수급여건에 따라 코크스를 대신하여 일반탄을 이용하여 철을
생산할 수 있으며, 에너지 소비가 다량 요구되는 연원료 처리공정이 불필요하며, 그리고 수요에 따른 설비의 가동에
신축성이 있어 소규모 생산이 가능하다는 장점이 있다. 이러한 장점을 가진 용융환원공정으로서 최초로 상업화에 성
공한 것이 현재 POSCO에서 상업조업중인 COREX 공정이다. 상기 공정에서는 고로와는 달리 반응기를 둘로 나누어
고체/기체 반응을 이용한 철광석의 예비환원 반응기와 고체상태에서 환원된 환원철을 용융하여 선철을 제조함과 동
시에 예비환원 반응기에서 필요한 반응가스를 생성시키는 용융로로 나뉘어 있는 것이 가장 큰 특징이라 할 수 있다.
그러나 상기 장점을 가지고 있는 COREX 공정도 연원료를 용융로에 중력장입함을 원칙으로 하고 있어서 분철광석과
분탄을 사용하지 못하고 괴광과 괴탄을 사용해야 한다는 단점도 가지고 있다.
상기와 같은 상황에 대처하기 위하여 세계 각국은 연료 및 환원제로서 일반탄을 직접 사용하며, 철원으로서는 전세계
광석생산량의 80% 이상을 점유하고 있는 분광을 직접사용하여 용철을 제조하는 신제선공정의 개발에 박차를 가하고
있다.
상기 기술과 관련된 종래의 일반탄 및 분광을 직접사용하는 용철제조설비의 예로서 오스트리아에서 특허출원중인 A
T2096/92등이 알려져 있다. 도 1과 같이, 상기 공보에서는 환원철의 용융 및 반응가스의 생성을 담당하는 용융가스
화로(1)는 COREX공정의 그것을 기본으로 하면서 고체/기체 반응을 담당하는 환원철 생산 반응기를 예열로(4), 예비
환원로(3) 및 최종환원로(2)등 3단의 유동환원로를 채택하고 있다. 이러한 일반탄 및 분철광석을 이용한 용철제조공
정이 기존 공정과 비교하여 유리하다고 생각되는 점은 괴광 대신 분철광석을 사용한다는 점, 코크스 대신 일반탄을
사용한다는 점도 있지만, 공정의 특성상 설비의 휴지 및 재가동이 간편하다는 점을 들 수 있다.
그런데 일반적으로 상기 공정에서 사용하는 원료, 즉 철광석의 경우에는 분광을 사용게 되지만, 연료, 즉 일반탄의 경
우에는 직접 용융로에 장입하여야 하기 때문에 여전히 괴탄을 사용하여야 하며 이때 사용하는 괴탄의 입도는 8mm
이상이다. 하지만, 전 세계적으로 생산되는 괴탄의 비율은 50%가 넘지 못하는 상황이며 채탄 및 이송과정에서 발생
하는 분탄 발생량까지 고려한다면 생산되는 분탄의 비율은 60%를 상회하는 것이 현실이다.
따라서 현재 POSCO에서 상업조업중인 COREX 공정 및 향후 시험조업에 들어가 는 FINEX 공정에서는 괴탄을 기본
적으로 사용하면서, 상대적으로 가격이 저렴한 분탄을 점결제를 사용하여 성형탄의 형태로 제조하여 용융로에 투입
하고 있다. 그런데 점결제 첨가에 의해 미분탄을 성형탄으로 제조하는 경우, 대규모 설비투자 및 높은 성형압력이 요
구될 뿐만 아니라 공정상에서 점결제 첨가에 따른 황, 알칼리 등에 의한 오염등이 문제가 된다.
발명이 이루고자 하는 기술적 과제
따라서 본 발명은 상기 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 마련된 것으로서, 일반탄 및 분철광석을 직접 사용하는
용철제조공정에 있어서, 일반 미분탄에 환원로에서 배출된 분환원철을 소정량 첨가하여 혼합함으로써 고온에서 환원
된 분 환원철을 열원으로 이용하여 일반탄을 괴성화하여 용융가스화로내에 장입할 수 있는 일반 미분탄의 괴상화 방
법을 제공함에 그 목적이 있다.
발명의 구성 및 작용
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 그 하부로 부터 취입되는 환원가스를 이용하여 장입된 분철광석을 환원하는 1
단 또는 2단이상의 환원로와, 상기 환원로로부터 배출된 분환원철을 용융시켜 용선을 제조하고 그 배가스를 상기 환
원로의 환원가스로 공급하는 용융가스화로를 포함하여 구성되는 용철제조장치를 이용한 용철제조공정에 있어서, 상
기 환원로로부터 배출된 분환원철을 600~850℃의 온도에서 자유팽윤계수 2.0이상을 가진 미분탄과 혼합시키고, 이
때, 상기 미분탄에 대한 상기 분환원철의 혼합율을 20중량%이상으로 제어하는 것을 특징으로 하는 용철제조공정에
서의 미분탄의 괴성화방법에 관한 것이다.
이하, 본 발명을 설명한다.
본 발명자등은 상술한 일반탄 및 분철광석을 직접 사용하는 용철제조공정에 있어서, 용융가스화로에 취입되는 미분
탄을 별도의 점결제를 사용함이 없이 상기 공정내에서 직접 제조할 수 있는 방안에 대하여 연구와 실험을 거듭하였으
며, 그 결과, 일반 미분탄에 환원로에서 배출된 분환원철을 소정량 첨가하여 혼합함으로써 고온에서 환원된 분환원철
을 열원으로 이용하여 일반탄을 괴성할 수 있음을 발견하고 본 발명을 제시하는 것이다.
석탄은 일반적으로 고정탄소와 발열량을 기준으로 무연탄, 역청탄, 준역청탄, 갈탄등으로 나눌 수 있으며 이들에 대한
기초적인 물리적 및 화학적 물성치들은 매우 상이하다. 이중에서 특히 역청탄은 가소성 특징을 나타내는 점결성 성분
을 함유하고 있어 고온으로 가열하면 코크스를 형성하게 된다.
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이러한 코크스를 형성하게 되는 과정은 크게 3단계로 나눌 수 있는데, 1단계는, 석탄이 350~400℃에 이르면 고분자
물질이 분해되는 반응이 일어나게 되며 이때 석탄으로부터 불안정한 상태인 용융층이 석탄입자의 표면에서 형성되는
것이며, 2단계는 형성된 용융층이 재응고되면서 반성코크스가 되며 1차 분해가스가 발생하는 단계이며, 그리고 3단
계는 형성된 반성코크스에서 2차 분해가스(수소)가 생성되면서 코크스가 형성되는 단계이다.
위의 반응단계중 본 발명에서 이용하는 단계는 제1단계로서, 용융가스화로에 장입할 일반탄에 유동층환원로로부터
배출된 고온의 분환원철을 혼합시킴으로써, 분환원철을 열원으로 이용하여 상기 제1단계 반응을 통하여 미분탄을 응
집시켜 괴상화시키는 것이다.
이때, 괴성화된 입자의 압축강도는 석탄의 용융층 형성물질이 얼마나 많이 존재하는가에 달려 있으며, 용융층의 형성
은 승온속도, 입자의 크기, 입자의 산화상태등에 크게 의존한다. 이러한 용융층은 석탄내에서 타르를 포함하는 휘발분
의 방출을 방해하기 때문에 석탄 입자 내부의 압력이 증가하게 되고, 이 압력으로 인하여 용융층이 팽창하게 된다. 이
러한 현상은 석탄입자의 온도가 약 500℃에 이르게 되면 타르를 포함하는 대부분의 휘발분이 방출되어 용융층이 재
고화하게 되며, 이때 고화된 석탄입자는 어느 정도 압축강도를 유지하게 된다.
상기에서 석탄입자의 열분해시 팽창하게 되는 정도를 나타내는 수치를 자유팽윤계수라고 하며, 자유팽윤계수가 클수
록 용융층 형성물질을 많이 포함하고 있으며 휘발분도 가장 많이 함유하고 있는 지표가 될 수 있다.
따라서 본 발명에서는 일반탄 및 분철광석을 이용할 수 있는 용철제조공정에 있어서, 소정의 자유팽윤지수를 갖는 미
분탄에 환원로에서 환원된 분환원철을 혼합하여 괴성화함으로써 압축강도 50kg/cm 2 이상의 괴성탄을 제조함을 그
특징으로 하는 것이다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명을 설명한다.
도 2는 본 발명이 적용될 수 있는 일반탄 및 분철광석을 이용한 용철제조장 치의 일실시예를 나타내는 개략도이다.
도 2에 나타난 바와 같이, 본 발명의 용철제조장치는 그 하부로 부터 취입되는 환원가스를 이용하여 장입된 분철광석
을 예열하는 예열로(4), 상기 예열로(4)부터 배출된 분철광석을 예비환원하고 그 배가스를 상기 예열로(4)에 공급하
는 예비환원로(3), 상기 예비환원로(3)에서 배출된 분철광석을 최종환원하고 그 배가스를 상기 예비환원로(3)에 제공
하는 최종환원로(2), 상기 최종환원로에서 배출된 분철광석을 용해하여 용선을 제조하고 그 배가스를 상기 최종환원
로(2)에 제공하는 용융가스화로(1) 및 상기 용융가스화로(1), 최종환원로(2), 예비환원로(3)로 부터 배출된 배가스를
각각 승온시킨 후 환원가스로 제공하는 반응가스 승온용버너(7)을 포함하여 구성된다.
또한 본 발명의 용철제조장치는 상기 최종환원로(2)로 부터 배출된 고온의 분환원철을 미분탄을 혼합하여 괴성화할
수 있는 분환원철과 미분탄의 혼합조(12)를 포함하여 구성되어 있으며, 상기 혼합조(12)는 분환원철 이송도관(11)을
통하여 분철광석 이송도관(5a)에 연통하고 있다. 한편, 도 2에서 5(a~d)는 분철광석 이송도관, 6(a~c)는 환원가스 흐
름도관, 8은 배가스 도관, 9는 가스유량조절밸브, 10은 수집진기, 그리고 13은 미분탄 운송도관을 나타낸다.
그러나 본 발명은 이러한 구체적인 용철제조장치의 구성에 제한되는 것은 아니다. 예컨데, 본 발명에서는 상술한 3단
환원로 구성뿐만 아니라 2단 또는 1단의 환원로 구성을 갖는 것이라도, 분환원철에 일반탄을 혼합시켜 일반탄을 괴성
화하는 것이라는 모두 본 발명의 기술범위에 속하는 것이다.
이하, 본 발명의 괴성화공정을 상세히 설명한다.
도 2에 나타난 바와같이, 최종환원로(2)에서 환원되어 배출되는 분환원철중 일부분은 혼합조(12)로 이송되어 미분탄
과 혼합된다. 그리고 이러한 혼합으로 미분탄은 고온의 분환원철 열원을 이용하여 괴성화될 수 있다.
이때, 상기 혼합조로 이송된 고온의 분환원철은 그 자체가 열원으로서 역할도 하지만, 최종 생산물인 괴성탄의 압축
강도에 큰 영향을 주며, 일반탄만으로 괴성탄을 제조하였을 경우에는 용융가스화로에 중력장입할 수 있을 정도의 압
축강도를 나타내지 못하므로 일정비율 이상의 분환원철을 꼭 혼합해 주어야 한다.
일반적으로 용융가스화로로 중력장입될 수 있는 괴성탄의 압축강도는 약 50 kg/cm 2 이상이어야 하며, 만일 50 kg/
cm 2 미만의 압축강도를 가진 괴성탄을 용융가스화로에 중력낙하장입시키면, 용융가스화로 내부의 Char층에 낙하
함과 동시에 낙하충격으로 인해 분화되면서 다시 미분 더스트로 순환하게 되는 문제가 발생한다.
따라서 본 발명에서는 이와같이, 미분탄에 분환원철을 혼합할때, 미분탄에 대한 분환원철의 혼합율을 20중량%이상
으로 할 것이 요구되는데, 이는 20중량%미만에서는 용융가스화로로 중력장입 가능한 압축강도를 얻기 힘들기 때문
이다. 보다 바람직하게는 그 혼합율을 20~50중량%로 제한하는 것인데, 그 혼합율이 50중량%를 초과하면 더이상 압
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축강도 증가가 없을 뿐 아니라 본 발명에서 이루고자 하는 괴성탄을 제조하는데 있어서 석탄 이외의 혼합물이 혼합되
어 있는 경우에는 상기 공정에서 원료가 아닌 연료로서 사용할 수 있는 물성을 얻기 힘들기 때문이다.
또한 본 발명에서는 상기 분환원철과 미분탄의 혼합에 따른 괴성화반응시 그 온도범위를 600~850℃로 제한함이 바
람직하다. 만일 그 괴성화온도가 600℃미만이면 원활한 괴성화를 기대할 수 있으며, 그 괴성화온도의 상한을 850℃
로 정한 것은 이 온도가 상기 최종환원로(2)로부터 배출되는 분환원철의 온도수준이기 때문이다.
본 발명에서는 이러한 혼합에 사용되는 미분탄은 그 자유팽윤지수가 2.0이상인 것으로 제한함이 바람직하며, 바람직
하게는 2.0~5.5의 범위로 제한하는 것이다 .만일 미분탄의 자유팽윤지수가 2.0미만이면 입축강도 50 kg/cm 2 이상
의 괴성탄을 제조할 수 제조할 수 없기 때문이다.
상기 혼합조(12)에서 혼합된 분환원철/미분탄 혼합물을 약 400℃ 정도로 냉각될 때까지 일정한 형태를 갖춘 용기내
에서 괴성화를 위한 체류시간 동안 유지되고, 이후, 혼합조(12)내에서 괴성화된 괴성탄을 용융가스화로(1)에 중력 장
입하게 된다. 바람직하게는 상기 체류시간을 10~30분으로 제한하는 것이다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명한다.
(실시예 1)
미분탄에 분환원철을 그 혼합비를 0~50%범위내에서 달리하여 혼합한 다음, 그 혼합물을 20g씩 평량하여 높이 5cm,
직경 4.5cm의 알루미나 도가니에 장입하였다. 한편 이때의 미분탄은 자유팽윤지수를 도 3~7과 같이 각각 달리하는
미분탄을 사용하였다.
이렇게 도가니에 장입된 혼합물을 800℃로 가열되고 있는 수직관상로에 20분간 유지한 후 배출하여 냉각시켰으며,
냉각이 완료된 괴성탄은 압축강도 테스트를 수행하여 미분탄의 자유팽윤지수 및 분환원철의 혼합율에 따른 괴성탄의
압축강도 측정하여, 그 결과를 도 3~7에 각각 나타내었다.
도 3~6에 나타난 바와 같이, 만일 그 자유팽윤지수가 2.0이상인 미분탄을 사용하고, 이러한 미분탄에 분환원철을 20
중량%이상을 혼합한 경우, 압축강도가 50 kg/cm 2 이상의 괴성탄을 제조할 수 있음을 알 수 있다.
또한 도 7과 같이, 미분탄의 자유팽윤지수가 2.0미만인 경우에는 분환원철의 혼합율 여하를 불문하고 압축강도가 50
kg/cm 2 이상의 괴성탄을 제조할 수 없음을 알 수 있다.
(실시예 2)
자유팽윤지수 2.0을 갖는 미분탄에 분환원철을 그 혼합비를 0~50%범위내에서 달리하여 혼합한 다음, 그 혼합물을 2
0g씩 평량하여 알루미나 도가니에 장입하였다. 이렇게 도가니에 장입된 혼합물을 도 8~9과 같이 그 온도를 달리하는
수직관상로에 10~20분간 유지한 후 배출하여 냉각시켰으며, 냉각이 완료된 괴성탄은 압축강도 테스트를 수행하여
미분탄의 자유팽윤지수 및 분환원철의 혼합율에 따른 괴성 탄의 압축강도 측정하여, 그 결과를 도 8~9에 각각 나타내
었다.
도 8에 나타난 바와같이, 괴성화온도를 600℃로 제어한 경우에는 분환원철 혼합율이 20중량%이상일때 압축강도가
50 kg/cm 2 이상의 괴성탄을 제조할 수 알 수 있다. 그러나 괴성화온도가 500℃인 도 9의 경우에는 이러한 물성의
괴성탄을 얻을 수 없음을 알 수 있다.
발명의 효과
상술한 바와 같이, 본 발명은 일반탄 및 분철광석을 직접 사용하는 용철제조공정에 있어서, 점결제 및 고압의 성형압
을 요구하는 성형탄 제조공정 대신, 미분탄에 고온의 분환원철을 적정량 혼합함으로써 압축강도가 50 kg/cm 2 이상
의 괴성탄을 효과적으로 제조할 수 있다.
(57) 청구의 범위
청구항 1.
그 하부로 부터 취입되는 환원가스를 이용하여 장입된 분철광석을 환원하는 1단 또는 2단이상의 환원로와, 상기 환원
로로부터 배출된 분환원철을 용융시켜 용선을 제조하고 그 배가스를 상기 환원로의 환원가스로 공급하는 용융가스화
공개특허 10-2004-0056305
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로를 포함하여 구성되는 용철제조장치를 이용한 용철제조공정에 있어서,
상기 환원로로부터 배출된 분환원철을 600~850℃의 온도에서 자유팽윤계수 2.0이상을 가진 미분탄과 혼합시키고,
이때, 상기 미분탄에 대한 상기 분환원철의 혼합율을 20중량%이상으로 제어하는 것을 특징으로 하는 용철제조공정
에서의 미분탄의 괴성화방법
청구항 2.
제 1항에 있어서, 상기 미분탄에 대한 분환원철의 혼합율을 20~50중량%로 제어함을 특징으로 하는 용철제조공정에
서의 미분탄의 괴성화방법
청구항 3.
제 1항에 있어서, 상기 미분탄은 2.0~5.5의 자유팽윤지수를 가짐을 특징으로 하는 용철제조공정에서의 미분탄의 괴
성화방법
도면
도면1
공개특허 10-2004-0056305
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도면2
도면3
공개특허 10-2004-0056305
- 8 -
도면4
공개특허 10-2004-0056305
- 9 -
도면5
공개특허 10-2004-0056305
- 10 -
도면6
공개특허 10-2004-0056305
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도면7
공개특허 10-2004-0056305
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도면8
공개특허 10-2004-0056305
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도면9