KR20140108255A - 제련 공정 시동 - Google Patents

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Abstract

용융조 기반 용융 공정을 시동하는 방법은 저온 산소함유 기체 및 저온 탄소질 물질을 용기 내로의 고온 금속 충진이 완료된 후 최대 3 시간 이내에 제련 용기의 주챔버 내로 공급을 개시하는 단계, 및 탄소질 물질을 발화시키는 단계, 및 주챔버 및 주챔버 내의 용융 금속을 가열하는 단계를 포함한다.

Description

제련 공정 시동{STARTING A SMELTING PROCESS}
본 발명은 금속함유 물질을 제련하기 위한 공정을 시동하는 방법에 관한 것이다.
"금속함유 물질"이라는 용어는 본원에서 고체 원료물질 및 용융 원료물질을 포함하는 것으로 이해된다. 또한, 그러한 용어는 그러한 용어의 범위 내에 부분 환원된 금속함유 물질을 포함한다.
본 발명은 특히, 배타적이지 않지만, 적어도 부분적으로 용융조(molten bath)에서 탄소질 물질의 탈휘발화로 발생되는 용융조 내의 기체 방출에 의하여 생성되는 강력한 욕조(bath)/슬래그(slag) 분출기를 구비하는 제련 용기에서 금속함유 원료물질로부터 용융 금속을 생산하기 위한 용융조 기반 제련 공정을 시동하는 방법에 관한 것이다.
특히, 배타적이지 않지만, 본 발명은 철광석과 같은 철-함유 물질을 제련하고, 철을 생산하는 공정을 시동하는 방법에 관한 것이다.
특히, 본 발명은, 배타적이지 않지만, 금속함유 물질을 제련하기 위한 주챔버를 포함하는 제련 용기에서 제련 공정을 시동하는 방법에 관한 것이다.
일반적으로 HIsmelt 공정으로 지칭되는, 공지된 용융조 기반 제련 공정이 출원인의 이름의 상당한 많은 수의 특허들 및 특허 출원들에서 설명된다.
이하에서 "HIsarna" 공정으로 지칭되는, 또 다른 용융조 기반 제련 공정이 본 출원인의 이름으로 국제 출원 PCT/AU99/00884(WO 00/022176)에서 설명된다.
HIsmelt 공정 및 HIsarna 공정은 특히 철광석 또는 다른 철-함유 물질로부터 용선(molten iron)을 생산하는 것과 관련된다.
HIsarna 공정은 (a) 주 제련 챔버 및 고체 원료물질들 및 산소-함유 기체를 주챔버로 주입하기 위한 피침(lance)들을 포함하고, 용융 금속 및 슬래그 욕조를 함유하도록 적응되는 제련 용기, 및 (b) 제련 용기 위에 배치되고 제련 용기와 직접 연통되는 금속 함유 원료물질을 사전-처리하기 위한 제련 선회기(cyclone)을 포함하는 제련 장비에서 수행된다.
본원에서 "제련 선회기"이란 용어는, 통상적으로 수직 원통형 챔버를 정의하며, 그리고 챔버로 공급된 원료물질들이 챔버의 수직 중심축 주위의 경로로 이동하고 적어도 금속함유 원료물질들을 부분적으로 용융하기에 충분한 고온 작동 온도를 견딜 수 있도록 제조되는, 용기를 의미하는 것으로 이해된다.
HIsarna 공정의 일 형태로, 탄소질 원료물질(통상적으로 석탄) 및 선택적으로 용제(통상적으로 하소 석회석)가 제련 용기의 주챔버의 용융조로 주입된다. 탄소질 물질은 환원제 공급원 및 에너지 공급원으로서 제공된다. 선택적으로 용제와 혼합된 철광석과 같은, 금속함유 원료물질이 제련 선회기에서 주입되고, 가열되고, 부분적으로 용융되고, 부분적으로 환원된다. 이러한 용융된, 부분 환원된 금속함유 물질은 제련 선회기로부터 하방으로 제련 용기의 용융조 내로 유동하여 욕조 내에서 용융 금속으로 제련된다. 용융조에서 생산된 고온 반응 기체(통상적으로 CO, CO2, H2 및 H2O)는 주챔버의 상부에서 산소함유 기체(통상적으로 공업용 산소)에 의하여 부분적으로 연소된다. 후연소에 의하여 생성된 열은 욕조의 온도를 유지하기 위하여 용융조 내로 다시 낙하하는, 상부 구역 내의 용융 용적들로 전이된다. 고온의, 부분 연소된 반응 기체들은 주챔버로부터 상방으로 유동하여 제련 선회기의 하부로 유입된다. 산소함유 기체(통상적으로 공업용 산소)가 수평면에서, 즉, 제련 선회기의 챔버의 수직 중심축에 대하여 선회 와류 형태를 생성하는 것과 같은 그러한 방식으로 배치되는 통풍구(tuyere)에 의하여 제련 선회기 내로 주입된다. 이러한 산소함유 기체의 주입은 제련 용기 기체들을 더 연소시켜, 매우 고온의 (선회하는) 화염들을 발생시킨다. 미세하게 분할된, 유입되는 금속함유 원료물질은 제련 선회기 내의 통풍구들에 의하여 이러한 화염들 내로 기상으로(pneumatically) 주입되어, 신속한 가열 및 부분 환원(대략 10-20% 환원)을 수반하는 부분 용융을 발생시킨다. 환원은 적철광의 열분해 및 주챔버의 반응 기체들에서 CO/H2의 환원 작용 모두로부터 기인한다. 고온의, 부분 용융된 금속함유 원료물질은 선회기의 선회 동작에 의하여 제련 선회기의 벽들 상으로 외향으로 투척되고, 전술된 바와 같이, 그러한 용기의 주챔버에서 제련을 위하여, 제련 용기 하부로 하방으로 유동한다.
HIsarna 공정의 전술된 형태의 순효과는 2-단계 반류(countercurrent) 공정이다. 금속함유 원료물질이 제련 용기로부터 (산소함유 기체가 부가된) 배출되는 반응 기체들에 의하여 가열되고 부분적으로 환원되어 제련 용기 내로 하방으로 유동하고 제련 용기 내에서 용선으로 제련된다. 통상적으로, 이러한 반류 배치는 생산성 및 에너지 효율을 증가시킨다.
전술된 설명은 호주 또는 다른 곳에서 일반적인 통상의 지식으로서 인정되는 것으로 간주되지 않아야 한다.
출원인은 HIsarna 공정 및 HIsmelt 공정의 산소-송풍 버전이 용기의 전로를 통하여 용기의 주챔버 내로 (외부 공급원으로부터) 고온 금속을 공급함으로써, 산소함유 기체(통상적으로 공업용 산소) 및 고체 탄소질 물질(통상적으로 석탄)의 공급을 개시하고 주챔버에서 열을 발생시킴으로써 제련 용기 내에서 시동되는 것을 제안해왔다. 이러한 고온 시동 방법은 주챔버에서 가연성 물질의 자연발화에 의하여 열을 발생시킨다. 출원인은 고온 시동 방법에서 초기 단계 이후에 슬래그 형성제의 첨가가 이루어지고, 나중에, 주챔버 내로 금속함유 원료물질(철광석과 같은 금속함유 물질과 같은)의 첨가가 이루어진다는 것을 제안하였다.
산소함유 기체로서 저온 공업용 산소, 고체 탄소질 물질로서 석탄, 및 금속함유 물질로서 분철광석들에 기초한 HIsarna 공정의 파일럿 공장 시험들에서, 출원인은 그러한 시동은 특정한 조건들 하에서 실패할 수 있다는 것을 발견하였다. 우연히 고온 금속을 충진하고 제련 용기의 주챔버 내로 산소/석탄을 주입하는 사이에 장시간이 경과하도록 함으로써, 석탄-산소 발화가 신생 고온 금속이 주챔버 내로 최근에 주입되었음에도 불구하고 실패할 수 있다는 것이 발견되었다. 이러한 것은 제련 용기로부터 배출되는 석탄 및 산소의 미연소 혼합물을 생성하였고, 차례로 하류 폐열 보일러에서 탄진 폭발을 촉발시켰다.
본 출원인은, 이러한 종류의 상황은 그러한 것이 심각한 상해 및/또는 장비 손상을 발생시킬 수 있기 때문에 피해야 한다고 생각한다. 이러한 실패된 시동의 결과로, 그 후에 출원인은 무엇이 발화 실패를 일으키고 있는지를 직접적으로 관측하기 위하여 제련 용기에 카메라를 설치하였다.
비디오 영상이, 고온 금속이 제련 용기의 주챔버 내로 주입되는 경우에, 주챔버 내에서 저온 산소-석탄 혼합물을 용이하게 발화시킬 수 있는 자발적인 화염들 및 고온 금속의 작은 비산(splash)들이 있다는 것을 보여주었다. 그러나, 시간이 경과함에 따라, 박층의 슬래그가 고온 금속 표면 상에 생성되고, 고온 금속의 튀는 활동은 점차 없어진다. 결국, 금속은 슬래그 크러스트(crust)로 완전히 덮이고, 금속의 튀는 활동은 멈춘다. 산소 및 석탄이 이러한 조건들 하에서 공급되면, 발화는 실패할 수 있다고 생각된다.
슬래그는 두 개의 공급원, (1) 이전 제련 활동들과 같은 이전 작업들로부터 제련 용기의 주챔버에 잔류하는 슬래그, 및 (2) 고온 금속에서 특정한 금속종(특히 규소)의 산화로부터 발생한다고 생각된다. 특정한 금속종의 산화로부터 발생하는 슬래그가 발생하는 정도는 충진 금속에서 얼마나 많이 규소가 존재하는지의 함수이며, 규소가 의도적으로 시동의 일부로서 증가되는 경우에, 이러한 효과가 강화된다. 중요한 실용적인 결론은 슬래그 층은 항상 형성될 수 있고, 안전한 시동 방법이 이러한 가능성을 수용해야만 한다는 것이다.
슬래그 층 형성은 용기의 기하학적 구조, 충진 금속 온도/조성 및 용기 조건(예들 들면, 용기들의 측벽들 상에 존재하는 동결층들의 두께)의 함수이다. 고온 금속이 제련 용기의 주챔버 내로 주입되는 경우, 상대적으로 잠잠한 욕조면으로부터 고온 금속 위에 있는 주챔버의 측벽들로의 방사에 의하여 열의 즉각적인 손실이 존재한다. 이러한 측벽들은 내화벽일 수 있다. 본 출원인에게 특별한 관심이 있는 제련 용기의 경우에, 측벽들은 수냉식 패널들을 포함한다. 금속은, 이러한 조건들 하에서 고밀도 및 상대적으로 낮은 점도를 가짐으로 인하여, 자체 내에서 순환하는 경향이 있다. 이러한 것은 금속의 상면을 가로질러 고체화되거나 높은 점도의 균일한 크러스트를 형성하려는 임의의 초기 경향을 억제한다. 반면에, 슬래그는 금속의 상면 상에 더 또는 덜 균일한 박층으로서 부유하는 경향이 있다. 슬래그는 방사에 의하여 열을 잃기 때문에, 슬래그의 점도는 증가되고 슬래그는 끈적끈적해진다. 이러한 조건들 하에서, 단열 슬래그 크러스트(사실상 단열 "담요(blanket)")는 효과적으로 고온 금속의 상면 상에 형성된다. 이것이 출원인에 의하여 시동 조건들 하에서 산소-석탄 발화를 절충하는 슬래그의 성능과 관련된 핵심적인 메커니즘이라고 간주된다. 이것은 시간-관련 메커니즘이다.
이러한 슬래그 크러스트의 형성과 관련된 시간-규모를 이해하는 것은 안전한 공장 운용에 필수적이다. 본원에서 설명된 파일럿 공장에 대하여, (금속)욕조 직경은 약 2.6m 였고, 상부 공간은 제련 용기의 측벽들 및 지붕에서 완전 수냉식 패널들에 의하여 정의되었다. 이 때 임시(희생) 주조된/준비된 내화층이 수냉식 패널들 상에 존재하였다. (탄진 폭발에 이르는) 실패된 시동를 포함하는 시험에서, 금속은 용기의 주챔버 내로 충진되었고 7 번의 독립적인 시도들이 주챔버에 산소 및 석탄을 첨가함으로써 공정을 시작하도록 이루어졌다. 이러한 것들 중에서, 6 개가 충진 후에 처음 2 시간 내에 이루어졌고, 각각의 시간마다 발화가 실제로 발생되었는지를 (수냉식 패널 열 하중 및 기체 조성 자료로부터) 보여주는 것이 가능했지만, 시동 시도는 그 이후에 발화와 관련 없는 이유들로 실패하였다. 7 번째(및 최종) 시도는 고온 금속 충진의 완료 후에 약 2.5 시간에 이루어졌다. 이 시도가 최종 발화 실패 및 결과적인 탄진 폭발로 이르게 된 시도이다.
이러한 특정한 제련 시설에 대하여, 고온 금속 충진의 완료 후에(산소 및 석탄의 자연 발화가 합리적으로 보장될 수 있는) 약 1 내지 2 시간의 "안전한" 발화 시간-창이 된 것으로 보인다. 이 시간을 넘으면, 안전한 발화는 보장되지 않으며, 교호하는 저온 시동 방법이 이어질 필요가 있다. 저온 시동 방법은 본 발명에 대한 국제 출원으로서, 동일 날짜에 출원인의 이름으로 제출된 "제련 공정을 시동하는 방법"이란 제목의 동반 국제 출원에서 설명된다.
다른 제련 시설들로 이러한 특정한 시간-창의 전이는 위에서 설명된 요인들(용기 기하학적 구조, 충진 금속 조건들 등)에 대한 충분한 고려를 하면서 조심스럽게 처리되어야 한다.
본 발명의 제련 공정을 시동하는 방법은 신생 고온 금속 충진이 빈 용기 조건으로부터 시동의 일부로서 첨가되었을 경우에 임의의 용융조 기반 제련 공정을 시동하는데 적용될 수 있다.
본 발명에 따르면, 제련 장비에서 금속함유 원료물질을 제련하기 위한 용융조 기반 공정을 시동하는 방법이 제공되되, 장비는 용융조를 수용하기 위한 주챔버, 제련 활동 동안 주챔버로부터 용융 금속을 방출하기 위한 전로, 및 주챔버와 전로를 연결시키는 전로 연결부를 포함하는 제련 용기를 포함하며, 방법은
(a) 주챔버, 전로, 및 전로 연결부를 예열하는 단계;
(b) 전로를 통하여 주챔버 내로 고온 금속의 충진을 주입하는 단계;
(c) 고온 금속 충진을 완료한 후 최대 3시간 이내에 주챔버 내로 저온의 산소함유 기체 및 저온의 탄소질 물질의 공급을 개시하고, 탄소질 물질을 발화시켜 주챔버 및 주챔버 내의 용융 금속을 가열하는 단계;
(d) 산소함유 기체 및 탄소질 물질을 주챔버 내로 계속 공급하여, 탄소질 물질을 연소하는 단계 및 적어도 10분 동안 주챔버 및 주챔버 내의 용융 금속을 가열하는 단계; 및
(e) 금속 생산을 개시하기 위하여 주챔버 내로 금속함유 물질을 공급하는 것을 개시하는 단계를 포함한다.
전술된 바와 같이, (c)단계에서 3 시간의 발화 상한시간의 선택의 설명에 의하면, 파일럿 공장 시험들로부터 발생하는 안전한 발화를 위한 2 시간의 상한시간은 파일럿 공장의 크기 및 작동 조건들과 관련된 다양한 인자들의 영향을 받았다. 파일럿 공장에 대한 이러한 인자들을 고려하고 다른 용융조 기반 제련 시설들에 관계된 인자들을 고려함으로써, 본 출원인은 파일럿 공장에서 사용된 그러한 것들 이외의 조건들 하에서 안전한 발화를 위한 이러한 시간은 다른 제련 시설들에서 3 시간만큼 확장될 수 있다고 결론지었다.
산소함유 기체의 맥락에서 "저온"이란 용어는 본원에서 기체가 탄소질 물질 및 산소함유 기체 혼합물의 자연발화에 요구되는 온도 미만(즉, 석탄-산소 혼합물의 경우에 약 700 내지 800℃ 미만)에 있다는 의미로 저온을 의미하는 것으로 이해된다.
탄소질 물질의 맥락에서 "저온"이란 용어는 본원에서 150℃ 미만의 고체 물질을 의미하는 것으로 이해된다.
방법은 주챔버에서 산소함유 기체 및 탄소질 물질의 발화를 증명하는 단계를 포함할 수 있다. 증명은 수냉식 패널 열부하 및/또는 제련 장비용 온라인 기체 분석 시스템 및/또는 카메라 또는 용기 내 적합한 개구를 이용하는 직접 관측(공정 조건들이 이러한 것을 허용한다면)을 통한 것일 수 있다.
(a)단계는 용기의 노상(hearth), 전로, 및 예를 들면 적합한 연료 가스를 사용하는 전로 연결부를 노상, 전로, 및 전로 연결부의 평균 표면 온도가 1000℃ 초과, 바람직하게는 1200℃ 초과가 되도록 예열하는 단계를 포함할 수 있다.
(b)단계의 용융 금속의 충진은 고온 금속의 복수의 개별적인 레이들(ladle)을 포함할 수 있다.
(b)단계는 전로를 통하는 주챔버 내로의 고온 금속의 충진의 양을 주챔버에서 금속 수위가 전로 연결부의 상면 위로 적어도 100 mm가 되도록 선택하는 단계를 포함할 수 있다.
(b)단계는 전로를 통하는 주챔버 내로의 고온 금속의 충진의 양을 주챔버에서 금속 수위가 전로 연결부의 상면 위로 적어도 200 mm가 되도록 선택하는 단계를 포함할 수 있다.
(c)단계는 주챔버 내로의 고온 금속 충진의 완료 후에 2 시간 내에 산소함유 기체 및 탄소질 물질을 주챔버 내로 공급하는 것을 개시하는 단계를 포함할 수 있다.
(c)단계는 주챔버 내로의 고온 금속 충진의 완료 후에 1 시간 내에 산소함유 기체 및 탄소질 물질을 주챔버 내로 공급하는 것을 개시하는 단계를 포함할 수 있다.
(c)단계는 산소함유 기체를 주챔버 내로 공급하는 것을 개시하는 단계 전에 석탄 탄소질 물질을 주챔버 내로 공급하는 것을 개시하는 단계를 포함할 수 있다.
(c)단계는 석탄 탄소질 물질 및 산소함유 기체를 동시에 주챔버 내로 공급하는 것을 개시하는 단계를 포함할 수 있다.
(c)단계는 석탄 탄소질 물질을 주챔버 내로 공급하는 것을 개시하는 단계 전에 산소함유 기체를 주챔버 내로 공급하는 것을 개시하는 단계를 포함할 수 있다.
(c)단계는 고체 탄소질 물질의 완전 연소를 보장하기 위하여 고체 탄소질 물질 및 산소함유 기체의 비율을 선택하는 단계를 포함할 수 있다.
(d)단계는 고체 탄소질 물질 및 산소함유 기체의 비율을 증가시키는 단계를 포함할 수 있다.
(d)단계는 주챔버 내에서 탄소질 물질 및 산소함유 기체를 연소시킴으로써 30 내지 60 분의 시간 동안 주챔버를 가열하는 단계를 포함할 수 있다.
위의 (c)단계에서 산소함유 기체 및 탄소질 물질의 주챔버 내로의 초기 공급 비율들은 바람직하게는 탄소질 물질을 완전 연소시키기에 충분한 산소가 존재하도록 계산된다. 이러한 것은 일반적으로 최대 열발생 및 양호한 발화를 달성하는 가장 높은 가능성과 부합한다.
일단 이러한 초기 발화 (c)단계가 완료되고 나면, 산소함유 기체 및 탄소질 물질의 비율들은 바람직하게는 탄소질 물질의 완전 연소를 위하여 산소량이 대략 절반, 바람직하게는 적어도 40%가 되도록 (c)단계 비율들로부터 (d)단계에서 조정된다. 이러한 것은 주챔버의 산소 전위가 제련을 위한 산소의 거의 정상 범위 내로 가게 하고, 용융 물질들의 과도한 산화를 방지한다.
방법은, (d)단계 이후 및 (e)단계 전에, 주챔버 내에서 금속함유 물질을 제련하기 위한 적합한 슬래그 재고를 형성하기 위하여, 슬래그 또는 슬래그 형성제들을 주챔버 내로 공급하는 단계를 포함할 수 있다.
제련 용기는 내화성-내막 노상을 포함할 수 있다.
전로는 내화성-내막 전로일 수 있다.
제련 용기는 용기의 주챔버의 상부 공간을 정의하는 부분 수냉식 측벽들을 포함할 수 있다.
제련 용기는 용기의 주챔버의 욕조 내로 탄소질 물질을 주입하기 위한 피침들(lance)/통풍구들(tuyere)을 포함할 수 있다.
제련 용기는 용기의 주챔버의 상부 공간 내로 산소함유 기체를 주입하기 위한 피침들/통풍구들을 포함할 수 있다.
장비는 (i) 용융 금속 욕조를 포함하도록 적응되는, 전술된 제련 용기, 및 (ii) 제련 용기 위에 배치되고 제련 용기와 연통되는 제련 선회기를 포함할 수 있다. 그러한 경우에, (e)단계는 금속함유 원료물질 및 부가적인 산소함유 기체를 제련 선회기 내로의 공급을 개시하여 선회기 내에서 물질의 회전 유동을 생성하고 용기로부터 선회기 내로 상방으로 유동하는 가연성 기체를 연소하며 선회기 내에서 금속함유 원료물질을 부분적으로 환원하고 용융시키는 단계를 포함하되, 이 때 부분 환원된 용융된 금속함유 원료물질이 선회기에서 하방으로 제련 용기의 주챔버 내의 금속 및 슬래그 용융조 내로 유동하고 욕조 내에서 용융 금속으로 제련된다.
본 발명의 방법은, (a) 용융 금속 및 슬래그의 욕조를 포함하도록 적응되는 주챔버를 구비하는 제련 용기, (b) 탄소질 물질을 욕조 내로 공급하기 위한 피침들 또는 다른 적합한 수단, (c) 산소함유 기체를 욕조 내로 공급하기 위한 피침들 또는 다른 적합한 수단, (d) 금속함유 물질을, 제련 선회기를 통하여 직접 또는 간접적으로 욕조 내로 공급하기 위한 피침들 또는 다른 적합한 수단, 및 (e) 동결 슬래그층들을 가지는 수냉식 패널들에 의하여 덮인 욕조 위의 제련 용기의 벽 영역의 적어도 40%, 통상적으로 적어도 50%를 포함하는, 용융조 기반 제련 장비에 적용가능하다.
정상 작동 조건들 하에서, 용융조 기반 제련 공정은,
(a) (고체일 수 있거나 용융될 수 있는) 탄소질 물질 및 금속함유 물질을 용융조 내로 공급하여 반응 기체를 생성하고 금속함유 물질을 제련하며 욕조 내에서 용융 금속을 생산하는 단계,
(b) 욕조로부터 방출된 가연성 기체의 욕조 위에서 연소를 위하여 산소함유 기체를 주챔버 내로 공급하여 욕조 내 제련 반응들을 위한 열을 발생시키는 단계로서, 산소함유 기체는 통상적으로 석탄-산소 혼합물의 안전한 발화에 요구되는 온도보다 상당히 낮은 온도를 의미하는(즉, 약 700 내지 800℃ 미만) "저온"인 공업용 산소인 것인, 단계, 및
(c) 주챔버의 상부 공간 내의 연소 영역 내로 투입되는 경우에 가열되고, 그 이후에 욕조 내로 다시 낙하하되, 이 때, 용적들 및 비산들은 금속함유 물질의 제련에 사용되는 욕조 내로 하방으로 열을 전달하는, 용융 물질의 열-수반 용적들 및 비산들을 생성하기 위하여 기체 분출에 의하여 욕조로부터 용융 물질의 상당한 상방 운동을 생성하는 단계를 포함한다.
산소함유 기체는 공기, 산소, 또는 산소농축 공기일 수 있다.
본 발명에 따르면, 제련 장비에서 금속함유 원료물질을 제련하기 위한 용융조 기반 공정을 시동하는 방법으로서, 장비는 용융조를 수용하기 위한 주챔버, 제련 활동 중 주챔버로부터 용융 금속을 방출하기 위한 전로, 및 주챔버 및 전로를 연결시키는 전로 연결부를 포함하는 제련 용기를 포함하는 것인, 방법을 제공하되, 방법은
(a) 주챔버, 전로, 및 전로 연결부를 예열하는 단계;
(b) 전로를 통하여 주챔버 내로 고온 금속의 충진을 주입하는 단계;
(c) 저온 산소함유 기체 및 저온 탄소질 물질을 주챔버 내로의 공급을 개시하여 탄소질 물질을 발화시키고 주챔버 및 주챔버 내의 용융 금속을, 용융 금속의 탄소질 물질 발화를 방지하는 정도까지 크러스트 슬래그의 단열층이 금속 충진 상에 형성되기 전의 시간 내에, 가열하는 단계;
(d) 산소함유 기체 및 탄소질 물질을 주챔버 내로 계속 공급하여 탄소질 물질 및 산소함유 기체를 연소시키고 주챔버 및 주챔버 내의 용융 금속을 적어도 10분 동안 가열하는 단계; 및
(e) 금속 생산을 개시하기 위하여 금속함유 물질을 주챔버 내로 공급하는 것을 개시하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 제련 용기에서 제련 공정을 시동하는 방법의 일 구현예가 첨부되는 도면들을 참조하여 설명된다.
도 1은 HIsarna 공정의 일 구현예에 따른 금속함유 물질을 제련하고 용융 금속을 생산하기 위한 HIsarna 장비의 개략도이다.
도 2는 도 1에서 도시된 장비의 제련 용기의 주챔버 내로 용융 금속의 충진을 공급한 직후에 제련 용기의 상태를 도시하는, 도 1에서 도시된 제련 용기의 확대된 단면도이며, 용기 내에 용융 금속 및 용융 슬래그 층들 상에 형성되는 크러스트 층이 있다.
HIsarna 공정은 금속함유 원료물질을 제련하고 용융 금속, 용융 슬래그, 및 이탈가스(off-gas)의 공정 산출물들을 생산한다. HIsarna 공정에 대한 이하의 설명은 철광석의 형태인 금속함유 물질의 제련의 맥락에서 이루어진다. 본 발명은 이러한 유형의 금속함유 물질에 한정되지 않는다.
도 1에 도시된 HIsarna 장비는 제련 선회기(2) 및 제련 선회기(2) 바로 밑에 위치된 주챔버(19)를 구비하는 용융조 기반 제련 용기(4)를 포함하되, 제련 선회기(2)와 제련 용기(4)의 챔버들 간은 직접적으로 연통된다.
도 1을 참조하면, 제련 활동의 정상상태 작동 중에, 6 mm의 최대 크기를 가지는 자철석 기반 광석(또는 다른 철광석) 및 석회석(1)과 같은 용제(flux)의 혼합물이 광석 건조기를 통하여, 기상(pneumatic) 운반 기체(1a)와 함께, 제련 선회기(2) 내로 공급된다. 석회석은 광석 및 석회석의 혼합된 유동의 대략 8 내지 10 중량%를 나타낸다. 산소(8)는 광석을 예열하고 부분적으로 용융하고 부분적으로 환원하기 위하여 통풍구들을 통하여 제련 선회기(2) 내로 주입된다. 또한, 산소(8)는 제련 용기(4)로부터 제련 선회기(2) 내로 상방으로 유동하는 가연성 기체를 연소시킨다. 부분 용융되고 부분 환원된 광석은 제련 선회기(2)로부터 제련 용기(4)의 주챔버(19) 내의 금속 및 슬래그의 용융조(25) 내로 하방으로 유동한다. 부분 용융되고 부분 환원된 광석은 용융조(25)에서 용선(molten iron)을 형성하도록 제련된다. 석탄(3)은, 독립적인 건조기를 통하여, 제련 용기(4)의 주챔버(19) 내로 공급된다. 석탄(3) 및 운반 기체(2a)는 피침들(35)을 통하여 주챔버(19) 내의 금속 및 슬래그 용융조(25) 내로 주입된다. 석탄은 환원제 공급원 및 에너지 공급원 제공한다. 도 1 및 도 2는, 층(25a)은 용융 금속층이고 층(25b)은 용융 슬래그층인 2개의 층을 이루는 용융조(25)를 도시한다. 도면들은 일정한 깊이로 층들을 도시한다. 이러한 것은 단지 도시를 위한 것이며, HIsarna 공정의 작동에서 잘 교반되고 잘 혼합된 욕조가 어떠한 것인지를 정확하게 표시하는 것은 아니다. 용융조(25)의 혼합은 CO 및 H2와 같은 기체를 생성하는, 욕조에서 석탄의 탈휘발화로부터 기인하여, 용융조(25) 위에 있는 주챔버(19)의 상부 공간 내로 용융조로부터의 기체 및 비말동반된 물질의 상방 이동을 발생시킨다. 주챔버(19)의 상부 공간 내에 용융조(25)에서 생성되고 용융조(25)로부터 방출된 그러한 기체들 중 일부, 통상적으로 일산화탄소 및 수소를, 후연소하고 욕조(bath)에서 제련 공정에 필요한 열을 제공하기 위하여, 산소(7)는 피침들(37)을 통하여 주챔버(19) 내로 주입된다.
제련 활동 중 HIsarna 공정의 정상 작동은 (a) 제련 용기(4)의 주챔버(19) 내로 피침들(35)을 통하여 석탄 주입 및 피침들(37)을 통하여 산소 주입 및 (b) 제련 선회기(2) 내로 광석 주입(7) 및 부가적인 산소 주입(8)을 수반한다.
제련 용기(4)의 주챔버(19) 내로의 석탄 및 산소 공급 비율들, 및 제련 선회기(2) 내로 광석 및 산소 공급 비율들, 및 주챔버(19)로부터 열손실들을 포함하지만 여기에 한정되지 않는 작동 조건들은, 이탈가스 배출구 덕트(9)를 통하여 제련 선회기(2)에서 방출되는 이탈가스가 적어도 90%의 후연소 정도를 갖도록 선택된다.
제련 선회기(2)의 이탈가스는, 잔류 CO/H2를 연소시키고 완전 연소된 연도가스에서 임의의 정도의 유리 산소(통상적으로 1 내지 2%)를 제공하기 위하여 부가적인 산소(11)가 주입되는, 이탈가스 소각로(10)로 이탈가스 덕트(9)를 통하여 통과한다.
이어서, 완전 연소된 이탈가스는 가스가 냉각되고 증기가 생성되는 폐열 회수 구역(12)을 통과한다. 이어서, 연도가스는 냉각 및 먼지 제거가 이루어지는 습식 세척기(13)를 통과한다. 결과적인 폐기물(14)은 광석 공급 유동(1)을 통하여 제련기에 재활용용으로 사용가능하다. 세척기(13)에서 방출되는 냉각된 연도가스는 연도가스 탈황화 유닛(15)로 공급된다.
이어서, 깨끗한 연도가스는 스택(16)을 통하여 송풍된다. 이러한 가스는 주로 CO2로 구성되고, 적절하다면, 압축될 수 있고 (잔류 불응축 가스 종의 적절한 제거와 함께) 지질-격리될 수 있다.
도 2를 특히 참조하면, 제련 용기(4)는 주챔버(19)를 정의하는 수냉식 패널들에 의하여 주로 정의되는 내화성-내막 노상(33) 및 측벽들(41)을 포함한다. 또한, 제련 용기(4)는 전로 연결부(23)를 통하여 주챔버(19)에 연결되는 전로(21)를 포함한다. HIsarna 공정의 제련 활동 과정 중에, 주챔버(19)에서 생산된 용융 금속은 주챔버(19)로부터 전로 연결부(23) 및 전로(21)를 통하여 방출된다.
본 발명에 따른 제철을 위한 HIsarna 공정을 시동하는 방법의 일 구현예가 이하에서 설명된다.
시동 방법의 개시 시에, 용기(4)의 주챔버(19), 전로(21), 및 전로 연결부(23)는 비어 있다.
시동 방법은 노상(33), 전로(21), 및 전로 연결부(23)를, 예를 들면, 노상(33), 전로(21), 및 전로 연결부(23)의 평균 표면 온도가 1000℃ 초과, 바람직하게는 1200℃초과하도록 적합한 연료 가스를 사용하여, 예열하는 것을 포함한다.
예열 단계가 완료된 후에, 시동 방법은 용기(4)의 노상(33) 내에서 용선 욕조(25a)를 형성하도록 전로(21) 및 전로 연결부(23)를 통하여 용선의 선택된 양을 주챔버(19) 내로 주입하는 것을 포함한다. 통상적으로, 충진양은 주챔버(19) 내에서의 용선 수위가 전로 연결부(23)의 상면 위로 적어도 100 mm가 되도록 선택된다.
용선이 주챔버(19) 내로 충진되자마자, 크러스트 동결 슬래그층(29)이 용선 욕조(25a)의 표면 상에 형성되기 시작한다. 도 2는 시동 방법에서 이러한 단계의 제련 용기(4)를 도시한다. 열이, 주챔버(19)의 상부 구역을 정의하는 측벽들(41)의 수냉식 패널들로 (주로) 방사됨으로써, 도 2에 도시된 용선 욕조(25a)의 상면으로부터 손실된다.
용선을 주챔버(19) 내로 충진하는 단계를 완료한 후에, 시동 방법은 석탄 및 산소를 각각 피침들(35 및 37)을 통하여 주챔버(19) 내로 공급하는 것을 포함한다.
성공적인 시동 방법에서, 석탄은 발화되고 열이 주챔버(19)에서 발생된다.
HIsarna 공정의 안전한 시동의 핵심은 3 시간 미만(본 실시예에서는 1 내지 2 시간)의 공칭 "안전한" 시간 이내에 산소(37)의 주입 및 석탄 주입(35)이다.
더 일반적인 의미로, 시간창은, 용선 욕조(25a)로부터 용융조(25a) 위의 주챔버(19) 내의 상부 공간 내로의 용선의 화염들 및 비산(splash)들이 산소(37) 및 석탄(35)을 발화시킬 수 없고, 다른 발화 공급원 없는 정도까지 크러스트 동결 슬래그층(29)이 형성되기 전의 시간이다.
산소(37) 및 석탄(35)이 먼저 주입되는 경우, 두 가지 간의 비율은 모든 석탄(35)을 소각하기에 충분한 산소가 존재하도록 계산된다. 발화 후에, 이러한 조건은 단지 발화가 양호하다는 것을 증명하기에 충분히 긴 시간(5 내지 10분) 동안 유지된다. 그 이후에, 광석 대 석탄 비율은 순차적으로 산소(37)에 대하여 (완전 연소를 위하여) 대략 석탄(35)의 두 배의 양으로 조정된다. 광석 대 석탄 비율의 증가 목적은 환원제 및 에너지의 공급원으로서 사용을 위한 탄소의 수준을 증가시키기 위한 것이다.
양호한 발화를 증명하는 것은 수냉식 패널 열 부하들 및/또는 제련 장비용 온라인 가스 분석 시스템 및/또는 카메라 또는 제련 용기(4) 내 적합한 개구를 사용하는(공정 조건들이 이러한 것을 허용한다면) 직접 관측을 통한 것일 수 있다.
시동 방법은 석탄 주입이 활성인 경우 임의의 시간에 석회 또는 석회석과 같은 용제를 주입하는 것을 포함할 수 있다. 바람직한 실시는 전술된 바와 같이 발화 증명 단계 개시 5 내지 10분 후까지 기다리는 것이다.
석탄 및 산소(용제 첨가)의 주입은 주챔버(19) 및 챔버 내의 용융 금속을 가열하기 위하여 대략 30분 동안 유지된다. 이러한 시점에서 파쇄된 슬래그는, 정상 작동을 위하여 적합한 슬래그 재고를 신속하게 형성하기 위하여 슬래그 노치(6)를 통하여 주챔버(19) 내로 기상으로 전달된다.
일단 파쇄된 슬래그 주입이 완료되고 나면, 철광석 및 산소(8)는 제련 선회기(2) 내로 주입되고, 석탄(35) 및 산소(37)는 제련 용기(4) 내로 주입되고, 제련 활동에서 금속 생산이 시작되고, 그리고 용융 금속은 전로(21) 및 전로 연결부(23)를 통하여 주챔버(19)로부터 방출된다.
본 발명의 사상 및 범주를 벗어나지 않으면서 다수의 변형들이 전술된 본 발명의 공정의 구현예에 대하여 이루어질 수 있다.
위의 설명은 탄소질 물질로서 석탄 및 산소함유 기체로서 공업용 산소에 초점을 맞춘다. 본 발명은 이에 한정되지 아니하고, 임의의 적합한 산소 함유 가스 및 임의의 적합한 고체 탄소질 물질로 확장된다.
전술된 구현예는 HIsarna 공정에 초점을 맞춘다. 본 발명은 HIsarna 공정에 한정되지 아니하고, 제련 용기 내 임의의 용융조 기반 공정에 확장된다. 예시로서, 본 발명은 HIsmelt 공정의 산소-송풍 버전으로 확장된다. 위에 지시된 바와 같이, HIsmelt 공정은 본 출원인의 이름으로 다수의 특허들 및 특허 출원들에서 설명되어 있다. 예시로서, HIsmelt 공정은 본 출원인의 이름으로 국제 출원 PCT/AU96/00197에서 설명되어 있다. 국제 출원에 제출된 특허 명세서의 개시는 상호 참조로서 본원에 포함된다.

Claims (14)

  1. 용융조를 수용하기 위한 주챔버, 제련 활동 동안 주챔버로부터 용융 금속을 방출하기 위한 전로, 및 주챔버와 전로를 연결시키는 전로 연결부를 포함하는 제련 용기를 포함하는 제련 장비에서 금속함유 원료물질을 제련하기 위한 용융조 기반 공정을 시동하는 방법으로서,
    (a) 상기 주챔버, 상기 전로, 및 상기 전로 연결부를 예열하는 단계;
    (b) 상기 전로를 통하여 상기 주챔버 내로 고온 금속의 충진을 주입하는 단계;
    (c) 상기 고온 금속 충진을 완료한 후 최대 3시간 이내에 상기 주챔버 내로 저온의 산소함유 기체 및 저온의 탄소질 물질의 공급을 개시하고, 상기 탄소질 물질을 발화시키고, 상기 주챔버 및 상기 주챔버 내의 용융 금속을 가열하는 단계;
    (d) 산소함유 기체 및 탄소질 물질을 상기 주챔버 내로 계속 공급하고, 탄소질 물질을 연소시키고, 적어도 10 분 동안 상기 주챔버 및 상기 주챔버 내의 용융 금속을 가열하는 단계; 및
    (e) 금속 생산을 개시하기 위하여 상기 주챔버 내로 금속함유 물질의 공급을 개시하는 단계를 포함하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 주챔버 내의 산소함유 기체 및 탄소질 물질의 발화를 증명하는 단계를 포함하는 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, (a)단계는 상기 용기의 노상(hearth), 상기 전로, 및 상기 전로 연결부를 상기 노상, 상기 전로, 및 상기 전로 연결부의 평균 표면 온도가 1000℃를 초과하도록 예열하는 단계를 포함하는 것인, 방법.
  4. 제3항에 있어서, (a)단계는 상기 용기의 상기 노상, 상기 전로, 및 상기 전로 연결부를 상기 노상, 상기 전로, 및 상기 전로 연결부의 평균 표면 온도가 1200℃를 초과하도록 예열하는 단계를 포함하는 것인, 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, (b)단계는 상기 전로를 통하는 상기 주챔버 내로의 고온 금속의 충진의 양을 상기 주챔버에서 상기 금속 수위가 상기 전로 연결부의 상면 위로 적어도 100 mm가 되도록 선택하는 단계를 포함하는 것인, 방법.
  6. 제5항에 있어서, (b)단계는 상기 전로를 통하는 상기 주챔버 내로의 고온 금속의 충진의 양을 상기 주챔버에서 상기 금속 수위가 상기 전로 연결부의 상면 위로 적어도 200 mm가 되도록 선택하는 단계를 포함하는 것인, 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, (c)단계는 상기 주챔버 내로의 상기 고온 금속 충진의 완료 후 2 시간 내에 산소함유 기체 및 탄소질 물질을 상기 주챔버 내로 공급하는 단계를 개시하는 단계를 포함하는 것인, 방법.
  8. 제7항에 있어서, (c)단계는 상기 주챔버 내로의 상기 고온 금속 충진의 완료 후 1 시간 내에 상기 주챔버 내로 산소함유 기체 및 탄소질 물질의 공급을 개시하는 단계를 포함하는 것인, 방법.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, (d)단계는 상기 주챔버 내에서 탄소질 물질 및 산소함유 기체를 연소시킴으로써 30 내지 60 분의 시간 동안 상기 주챔버를 가열하는 단계를 포함하는 것인, 방법.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, (c)단계에서 산소함유 기체 및 탄소질 물질의 상기 주챔버 내로의 초기 공급 비율들은 상기 탄소질 물질을 완전 연소시키기에 충분한 산소가 존재하도록 계산되는 것인, 방법.
  11. 제10항에 있어서, 일단 이러한 초기 발화 단계(c)가 완료되고 나면, 산소함유 기체 및 탄소질 물질의 상기 비율들은 상기 탄소질 물질의 완전 연소를 위하여 산소량이 적어도 40%가 되도록 (c)단계 비율들로부터 (d)단계에서 조정되는 것인, 방법.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, (d)단계 이후이고 (e)단계 전에, 상기 주챔버 내에서 금속함유 물질을 제련하기 위한 적합한 슬래그 재고를 형성하기 위하여, 슬래그 또는 슬래그 형성제들을 상기 주챔버 내로 공급하는 단계를 포함하는 방법.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 용융조 기반 제련 공정은:
    (a) 탄소질 물질 및 고체 또는 용융 금속함유 물질을 상기 용융조 내로 공급하고, 반응 기체를 생성하고, 금속함유 물질을 제련하고, 상기 욕조(bath) 내에서 용융 금속을 생산하는 단계;
    (b) 상기 욕조로부터 방출된 가연성 기체의 욕조 위 연소를 위하여 산소함유 기체를 상기 주챔버 내로 공급하고, 욕조 내 제련 반응들을 위한 열을 발생시키는 단계; 및
    (c) 상기 주챔버의 상부 공간 내의 연소 영역 내로 투입되는 경우에 가열되고, 그 이후에 상기 욕조 내로 다시 낙하하되, 이러한 것들에 의한 용적들 및 비산(splash)들은 금속함유 물질의 제련에 사용되는 욕조 내로 하방으로 열을 전달하는, 용융 물질의 열-수반 용적들 및 비산들을 생성하기 위하여 기체 분출에 의하여 상기 욕조로부터 용융 물질의 상당한 상방 운동을 생성시키는 단계를 포함하는 방법.
  14. 용융조를 수용하기 위한 주챔버, 제련 활동 중 주챔버로부터 용융 금속을 방출하기 위한 전로, 및 상기 주챔버 및 상기 전로를 연결시키는 전로 연결부를 포함하는 제련 용기를 포함하는 제련 장비에서 금속함유 원료물질을 제련하기 위한 용융조 기반 공정을 시동하는 방법으로서,
    (a) 상기 주챔버, 상기 전로, 및 상기 전로 연결부를 예열하는 단계;
    (b) 상기 전로를 통하여 상기 주챔버 내로 고온 금속의 충진을 주입하는 단계;
    (c) 상기 주챔버 내로 저온 산소함유 기체 및 저온 탄소질 물질의 공급을 개시하고, 탄소질 물질을 발화시키고, 용융 금속의 탄소질 물질 발화를 방지하는 정도까지 크러스트 슬래그의 단열층이 금속 충진 상에 형성되기 전 임의의 시간 내에 상기 주챔버 및 상기 주챔버 내의 용융 금속을 가열하는 단계;
    (d) 산소함유 기체 및 탄소질 물질을 상기 주챔버 내로 계속 공급하고, 탄소질 물질 및 산소함유 기체를 연소시키고, 상기 주챔버 및 상기 주챔버 내의 용융 금속을 적어도 10 분 동안 가열하는 단계; 및
    (e) 금속 생산을 개시하기 위하여 상기 주챔버 내로 금속함유 물질의 공급을 개시하는 단계를 포함하는 방법.
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