KR100673785B1 - 산화 금속 환원용 설비와 그 조작 방법 및 환원로용 원재료의 성형물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 회전 노상식 환원로와 탈수로부터 성형까지의 공정이 단순화된 산화 금속 환원 방법을 제공하고, 이에 따르면 수분이 많은 분말 원재료는 적은 비용으로 환원된다. 본 발명은 또한 조작 방법을 제공하여, 금속의 정제나 처리에서 발생된 더스트나 슬러지가 효과적으로 재활용된다.

산화 금속 함유 분말과 탄소 함유 분말의 전체 질량에 대해 100%이상의 수분 함량을 갖는 분말 혼합물은 슬러리로 만들어지고 교반에 의해 혼합된다. 이후, 슬러리는 16~26%의 수분 함량으로 탈수되고, 물품로 압축성형된다. 이리하여 획득된 30㎜이하의 두께나 직경을 갖는 실린더형 또는 알갱이형 물품은 로의 분위기 온도가 1,170℃이하인 지역으로 공급되고, 회전 노상식 환원로에 의한 소성을 통해 환원되고 이에 의해 금속을 얻는다.

산화 금속, 환원, 회전 노상, 환원로

Description

산화 금속 환원용 설비와 그 조작 방법 및 환원로용 원재료의 성형물 {Facilities for reducing metal oxide, method for operating the facilities and moldings as law material to be charged to reduction furnace}

본 발명은 산화금속 환원용 설비, 상기 설비의 회전 노상식 환원로, 이를 이용한 산화금속 환원 방법 및 금속 정제나 가공에 의해 발생된 산화 금속 함유 더스트(dust)와 슬러지(sludge)의 환원 방법에 관한 것이다.

환원된 철이나 철 합금의 생산을 위한 다양한 공정이 제안되었다. 회전 노상식 환원로의 사용을 포함하는 이들이 높은 생산성의 공정으로 알려졌고, 이를 이용한 금속의 환원이 효과적이다. 이 공정의 기본부는 산화 금속 환원용 회전 노상식 환원로로, 이 형태의 로(frunace)는 가열로로, 천장과 측벽은 고정된 내화물이고, 디스크형 내열 회전 노상식이 일정 속도로 궤도를 따라 회전한다.(이후, 회전로라 칭한다) 일반적으로, 디스크형 회전 노상식의 직경은 10 내지 50 미터이고, 폭은 2 내지 6 미터이다.

탄소계 환원제와 혼합된 후에, 원재료로써의 금속산화물 함유분말은 원재료펠릿(pellet)으로 만들기 위해 알갱이화(pelletize)되고, 회전회전 노상식에 공급된다. 원재료 펠릿은 회전 노상식에 골고루 펴진다. 원재료 펠릿이 회전 노상식에 대해 정지되어 고정되기 때문에, 이 공정은 원재료 펠릿이 로에서 거의 부숴지지 않고 그리하여 내열회전 노상식에 붙어 원재료가 분말로 부숴지는 문제를 피할 수 있는 이점이 있다. 더불어, 이 공정은 높은 덩어리(agglomerate) 생산 산출의 이점이 있다. 게다가, 생산성이 높고 비교적 저렴한 석탄계 환원재와 분말 원재료가 사용될 수 있어서, 최근에, 이 방법을 사용하는 경우의 수가 증가한다.

회전 노상법은 또한 용광로(blast furnace), 염기성 산소로(basic oxygen furnaces), 전기 아크 로에서 강철의 생산을 통해 발생되는 더스트를 감소시키고, 롤링 단계(rolling step)에서 발생하는 농후제 슬러리를 감소시키며, 그로부터의 불순물을 감소시키는데 효과적이다. 이 방법은 더스트를 처리하는데 사용되었고 재료 재생에서 효과적이다.

어떻게 회전 노상법을 실시하는지가 개략적으로 후술된다. 첫째로, 원재료로써의 원광, 더스트 또는 슬러지와 같은 산화 금속이 산화물의 환원을 위해 필요한 소정량의 탄소계 환원재와 함께 혼합된 후, 결과 혼합물이 수분 공급과 함께 팬(pan) 펠리타이저와 같은 그래뉼레이터(granulator)에 의해 수 밀리미터에서 수십 밀리미터의 환형 알갱이로 되어 평균 수분 함유량이 대략 10%가 된다. 원재료로써의 원광의 입자 크기나 환원재의 입자 크기가 큰 경우, 볼밀(ball mill)과 같은 분쇄기에 의해 분쇄된 후, 재료는 반죽되고 알갱이로 된다.

이와 같이 획득된 펠릿은 회전로의 회전 노상식에 층으로 공급된다. 회전 노상식에 골고루 펴진 펠릿은 1100~1300℃의 고온에서 5~20분간 급속 가열 및 소성되고, 이에 의해 산화 금속은 펠릿과 혼합된 환원제에 의해 환원되어 금속을 제공한다. 환원될 금속의 종류에 따라, 금속화율이 변한다. 철, 니켈 또는 망간의 경우, 금속화율은 95% 이상에 달한다. 환원될 금속이 크롬이면, 환원이 어려워서, 금속화율은 50% 이상이 된다. 또한, 강철 제조 산업에 의해 발생된 더스트 처리의 경우에, 이들의 용광로나 전기 아크로의 재순환이 쉬운데, 왜냐하면 아연, 납, 알칼리 금속 및 염소와 같은 불순물이 환원 반응 공정에 따라 증발되기 때문이다.

상기한 바와 같이, 회전 노상의 사용을 통한 강철 제조 공정에서 발생된 금속이나 더스트의 환원을 위한 방법에서, 원재료와 환원재를 알갱이화 하는 것이 필요하다. 또한 원재료의 전처리로서, 알갱이에 적당한 상태가 되도록 원재료로서 분말 산화 금속과 환원재의 혼합이 필수적이다. 전처리로서, 원재료의 밀링, 볼밀로 반죽하기, 또는 다양한 소정의 기술이 수행된다.

상기한 바와 같이, 종래 방법을 사용한 회전회전 노상식의 사용으로 산화 금속을 환원하는 것은 생산성이나 생산비용에 대해 뛰어나서, 금속이 경제적으로 생산된다. 그러나, 종래기술에서, 원재료와 환원재를 혼합하여 결과 혼합물을 알갱이화하는 것이 중요하다. 그러므로, 높은 알갱이성(granularity) 재료를 사용하거나 알갱이성을 향상시키기 위해 원재료를 부수는 생산라인에 고가의 펄버라이저(pulverizer)를 사용하는 것이 필요하다. 이 결과로 생산 비용이 증가한다.

다시 말하면, 철 원광과 같은 원광이 원재료로 사용되는 경우, 큰 입자 크기로 인해, 많은 경우 분쇄후에 알갱이를 형성하도록 알갱이화하여 평균 입자 직경이 대략 수 십 내지 수백 미크론이 된다. 이는 분쇄를 위한 고가의 기기, 분쇄기 구동을 위한 전력, 분쇄기의 장착으로 인한 유지비를 수반한다.

몇몇 경우에, 미세(microfine) 분말 원재료가 분쇄비용 절감을 위해 사용된다. 그러나, 원재료의 선택에서 입자 크기의 엄격한 한정으로 인해, 이와 같은 방법은 널리 사용되지 않는다. 이와 같은 문제를 해결하기 위하여, 블라스트 설비나 기본 산소 설비에서 발생된 습식 유익 분말 광석(wet-beneficiated powdery ore)이나 침강 농축 장치 더스트(thickener dust)나, 회전공정에서 발생된 스케일 핏 슬러지(scale pit sludge) 또는 산 클리닝 공정에서 발생된 침전 슬러지의 사용이 효과적이다. 그러나, 이 경우에서도, 이와 같은 원재료의 수분함량이 높아서 알갱이로 하기 곤란한 문제점이 있다. 다시 말하면, 원재료가 1미크론이상으로부터 수백 미크론까지의 입자 크기를 각각 갖는 분말로 미세하게 분리되어 가습(moisturize)하는 경우 슬러지로 되기 때문에, 진공 탈수기나 필터 압축기에 의해 탈수되는 경우일지라도, 수분함량이 20~50% 미만으로 될 수 없다. 알갱이화에서 원재료의 수분함량은 대략 8~13 질량%인것이 적당하므로 가습 공정에 따라 수집된 원재료는 알갱이화하기에 너무 많은 습도를 갖는다.

상기한 바와 같은 문제를 해결하기 위한 한 방법은 고온의 공기와 같은 열원을 이용하여 원재료를 완전하게 건조하는 것이다. 그러나, 분말상태의 원재료가 건조 공정에서 콰지-응고(quasi-coagulated)되어 알갱이화되지 않기 때문에, 이들은 예를 들면, 코크스 브리즈(coke breeze)와 함께 알갱이로 되고 회전 노상에서 제거되어, 분쇄를 통해 다시 미세-분말 상태로 돌려야 한다.

따라서, 상기한 바와 같은 방법으로 가습공정에 의해 수집된 원재료의 일부를 사용하는 경우에, 대량의 열에너지로 건조한 후에, 재료는 다시 습해지고 열원의 재사용을 수반한 알갱이화에서 습기가 증발된다. 이는 금속환원용 방법으로 전혀 경제적이지 않다.

특히, 금속 정제 공정이나 강철산업에 의해 실증된 산업 공정에 의해 발생되고, 더스트 수집기나 침전 탱크로부터 수집된 더스트나 슬러지는, 최대로, 80%의 수분함유량을 갖는다. 회전 노상법에 따라 제거하기를 원하는 것은 건조 공정과 분쇄 공정이나 건조후의 분쇄공정에서의 취급에 관계된 문제와 직면한다.

이들 문제를 해결하기 위하여, 예를 들면, 일본 특개평11-12619에서 인용된 바와 같이, 알갱이화 없이 회전 노상식 환원설비에서의 원재료의 사용을 포함하는 방법이 제안되었는데, 여기서 원재료는 압축 성형 기계에 의해 타일의 형태로 형성되고 결과물 타일이 회전 회전 노상식 환원설비에 사용된다. 그러나, 이 방법에서도, 많은 수분을 함유한 원재료의 사용 문제가 있다. 즉, 일본 특개평11-12624에 기재된 방법은 타일로 형성된 원재료의 수분함량이 6~18%로 조절되는 것을 필요로 한다. 약 백 미크론의 미세 분말이 습한 상태에 있는 경우, 통상의 탈수기에 의한 탈수는 수분함량이 15~30 질량% 미만으로 제거된다. 다시 말하면, 이들 방법 또한 원재료가 환원에 앞선 탈수에 더해져서 건조되기를 요구하며, 복잡해진 수분 조절을 위한 요구의 결과 부수적인 설비 비용이 증가한다.

게다가, 타일형태의 원재료는 취급하기가 어렵기 때문에, 종래의 벨트 운반기에 의해 수송되는 경우, 운송은 운송시에 파손되는 등의 문제와 관련된다. 즉, 거의 대부분의 수분함유가 6~18%인 타일형 원재료는, 약 0.5~1미터로 떨어지면 파괴된다. 그 결과로써, 일본특개평11-12621에 기재된 바와 같이, 복잡한 공급 장치가 이들 타일을 설비에 부드럽게 위치하기 위해 필요하고, 이는 투자비용의 증가에 의한 대표적인 문제가 나타난다.

상기한 바와 같이, 회전 노상의 수분을 함유한 분말 원재료를 환원하기 위해, 종래의 방법은 원재료의 건조나 성형을 위한 많은 복잡한 장치를 수반하거나 높은 건설비용의 문제가 있다. 다시 말하면, 종래의 방법은 설비투자와 조작 비용에 관련된 경제적인 문제를 갖고, 이들 문제를 해결할 수 있는 신규한 방법을 실현하는 설비가 요구된다.

게다가, 1,000℃ 이상의 고온 영역 부근에서 이와 같은 복잡화된 공급 장치를 형성하는 것에 의해, 공급 장치의 구성요소는 열에 의해 변형되거나 고온에서 부식되고, 관련 문제에 대해 많은 유지비가 사용된다.

또한, 타일형의 습한 원재료는 파열-균열(explosive-cracking)하는 경향이 있는 문제가 있다. 이들이 펠릿보다 덜 파열할지라도, 일본 특개평11-12621에 기재된 바와 같이 12~18 질량%의 높은 수분함유로 인해 쉽게 파열하는 경향이 있다. 이는 원재료가 타일의 형태일 경우, 수증기가 수평방향으로 이동하지 않기 때문이다. 다시 말하면, 원재료가 타일의 형태일 경우, 수평방향 공간에서 매우 길기 때문에, 수증기는 수직 방향으로만 방출되어, 설비에 대한 통과저항(passage resistance)의 증가를 일으켜 파열-균열을 일으킨다.

상기한 바와 같이, 상기한 방법의 환원은 과수분 분말 원재료의 건조없이 회전 노상에 의한 소성을 통하는 것이 바람직하다. 그러나, 고온에서 가열된 로에서, 수분이 많은 성형물로부터 격렬히 증발되어 성형물의 파열 균열을 야기한다. 그 결과로서, 성형물은 분말이 되어, 배출 가스와 함께 배출되는 더스트의 양이 크게 증가하게 되고 덩어리 생산 수율이 크게 감소된다. 즉, 종래 방법에 따른 비교적 고 수분함유를 갖는 성형물의 직접 소성-환원은 경제적이지 않다.

상기한 바와 같이, 상기한 모든 종래 방법은 회전 회전 노상식에 의한 분말 원재료의 함유 수분을 제거하는데 경제적인 문제를 갖고, 이와 같은 문제를 해결하기 위한 새로운 기술이 요구되었다.

본 발명은 번호 (1)~(25)로 후술될 것이다.

(1) 산화 금속 환원용 설비는, 산화 금속을 함유한 수분 함유 분말 및 탄소를 함유한 분말의 혼합물을 실린더형 또는 알갱이형 물품으로 성형하는 압축 성형 기계; 성형물 운송 컨베이어; 성형물 공급 장치; 및 회전회전 노상식 환원로를 포함하고, 전술한 장치들은 상기 순서로 위치되고, 운송 수단에 의해 서로 연결되는 것을 특징으로 한다.

(2) 산화 금속 환원용 설비는, 수분을 함유한 상태의 산화 금속 함유 분말과 탄소계 분말 혼합용 장치; 슬러리 운송 장치; 탈수기; 실린더형 내지 알갱이형 물품 생산용 압축 성형 기계; 성형물 운송 컨베이어; 성형물 공급 장치; 및 회전 노상식 환원로를 포함하고, 전술한 장치들은 상기 순서로 위치되고, 운송 수단에 의해 서로 연결되는 것을 특징으로 한다.

(3) 산화 금속 환원용 설비는 (2) 에 있어서, 산화 금속 함유 분말과 탄소계 분말의 수분 함유 혼합물을 수용하는 벨트형 필터; 및 상기 필터를 샌드위치하여 압축하는 트윈롤(twin roll)을 갖는 탈수기를 사용하는 것을 특징으로 한다.

(4) 산화 금속 환원용 설비는 (2) 에 있어서, 내부로 갈수록 좁아지는 회전 노상식의 수직 실린더형 슬러리 홀더와 상기 홀더 내부에 형성된 스크류형 분말 배출 메카니즘을 갖는 원심형 탈수기를 상기 탈수기로 사용하고, 상기 슬러리 홀더와 상기 분말 배출 메카니즘 사이의 회전속도 차이는 분당 2~30회전이고, 상기 슬러리 홀더에 인가되는 원심력이 500G이상인 것을 특징으로 한다.

(5) 산화 금속 환원용 설비는 (2) 에 있어서, 수분 함유 상태의 산화 금속 함유 분말과 탄소 함유 분말의 혼합물을 수용하는 필터를 양 측면에서

이상의 힘으로 압축하는 장치를 갖는 탈수기를 사용하는 것을 특징으로 한다.

(6) 산화 금속 환원용 설비는 (1) 또는 (2) 에 있어서, 30㎜ 이하의 직경을 갖는 홀로부터 젖은 분말을 압출하는 형태의 압축 성형 기계를 상기 성형 기계로 사용하는 것을 특징으로 한다.

(7) 산화 금속 환원용 설비는 (1) 또는 (2) 에 있어서, 각 오목면의 최대 두께가 30㎜ 이하인 브리켓(briquette) 성형 기계를 상기 성형 기계로 사용하는 것을 특징으로 한다.

(8) 산화 금속 환원용 설비는 (1) 또는 (2) 에 있어서, 성형물 제조 기계로부터 회전로의 회전 노상식까지의 운송 진로에서, 성형물의 전체 낙하 간격은 4.1m 이하인 것을 특징으로 한다.

(9) 산화 금속 환원용 설비는 (1) 또는 (2) 에 있어서, 성형물 공급 장치로 스윙형(swing-type) 벨트 컨베이어 또는 진동 공급기를 사용하는 것을 특징으로 한다.

(10) 산화 금속 환원용 설비는 (2) 에 있어서, 산화 금속 함유 분말과 탄소계 분말이 분말의 전체 질량에 대해 100% 이상의 수분 함량을 가진 상태로, 그랩 버켓 크레인(grab bucket crane) 및/또는 슬러리 운송수단에 의해 다수의 수분함량 분말 저장 탱크로부터 혼합용 장치에 공급되는 것을 특징으로 한다.

(11) 산화 금속 환원용 설비 (1) 또는 (2) 에 있어서, 회전 노상식 환원로에서 성형물 공급 지역의 분위기 온도가 1,170℃ 이하가 되도록 제어하는 메카니즘을 포함하는 것을 특징으로 한다.

(12) 회전 노상식 환원로의 조작 방법은 산화 금속, 탄소 및 물을 함유한 분말 혼합물을 전체 혼합물에 대해 15~30질량%의 수분함유로 탈수; 상기 혼합물을 압축 성형하여 다수의 실린더형 또는 알갱이형 성형물로 성형; 및 결과 성형물을 소성을 통해 환원하는 환원로에 직접 공급하는 것을 특징으로 한다.

(13) 회전 노상식 환원로의 조작 방법은 전체 분말 질량에 대해 100% 이상의 수분을 함유한 상태로 산화 금속과 탄소를 함유한 분말의 혼합에 의해 생산된, 분말 충전율이 0.43~0.58인 성형물 공급; 탈수기로 수분 함량을 16~26질량%로 혼합물 탈수;및 압축 성형 장치로 1170℃ 이하의 분위기 온도의 로에서 혼합물 성형후, 1200℃이상의 온도에서 소성을 통해 성형물을 환원하는 것을 특징으로 한다.

(14) 회전 노상식 환원로의 조작 방법은 (12) 또는 (13) 에 있어서, 수분 함유 분말을 수용하는 벨트형 필터와 상기 필터를 수직 방향으로 압축하는 트윈롤을 갖는 탈수기를 상기 탈수기로 사용하는 것을 특징으로 한다.

(15) 회전 노상식 환원로의 조작 방법은 (12) 또는 (13) 에 있어서, 내부로 갈수록 오목해지는 수직 실린더형 수분 함유 분말 홀더와, 상기 홀더에 내부에 형성되는 스크류형 분말 배출 메카니즘을 가지는 원심형 탈수기를 상기 탈수기로 사용하고, 상기 홀더와 상기 분말 배출 메카니즘 사이의 회전율의 차이는 분당 2~30이고 홀더에 인가되는 원심력은 500G이상인 것을 특징으로 한다.

(16) 회전회전 노상식 환원로의 조작 방법은 (12) 또는 (13) 에 있어서, 수분 함유 분말을 잡은 필터를 양 측면으로부터

의 힘으로 압축하는 탈수기를 사용하는 것을 특징으로 한다.

(17) 회전 노상식 환원로의 조작 방법은 수분 함량이 16~26 질량%이고, 두께 또는 직경이 30㎜이하이며, 분말 충전율이 0.43~0.58이고, 1,170℃이하의 분위기 온도의 로의 한 영역에 산화 금속 함유 분말과 탄소 함유 분말의 혼합물을 압축 성형하여 생산되는 실린더형 또는 원형의 성형물 공급, 상기 성형물을 1200℃이상의 온도에서 소성을 통하여 환원하는 것을 특징으로 한다.

(18) 회전 노상식 환원로의 조작 방법은 (12) 또는 (17) 에 있어서, 젖은 분말을 밀어내는 장치와 상기 젖은 분말이 압출되는 홀이 형성된 압출 압축 성형 기계를 압축 성형 기계로 사용하는 것을 특징으로 한다.

(19) 회전 노상식 환원로의 조작 방법은 (12), (13), 또는 (17) 에 있어서, 상기 압축 성형 기계로서, 트윈 롤의 표면에 형성된 오목면에 대해 젖은 분말이 압축되는 브리켓 성형 기계를 사용하는 것을 특징으로 한다.

(20) 회전 노상식 환원로의 조작 방법은 (17) 에 있어서, 30㎜ 이하의 두께 또는 직경을 갖고, 산화 금속 함유 분말과 탄소 함유 분말의 혼합물을 압축 성형함에 의해 생산된 실린더형 또는 알갱이형 성형물을 환원하는 것을 특징으로 한다.

(21) 회전 노상식 환원로의 조작 방법은 (12), (13), 또는 (17) 에 있어서, 산화 철 함유 분말이 산화 금속 함유 분말로 사용되는 경우, 산화 철에서 결합된 산소의 원자 몰양에 대해 고정 탄소의 산소 몰양이 0.5~1.5배인 성형물을 환원하는 것을 특징으로 한다.

(22) 회전 노상식 환원로의 조작 방법은 (12), (13), 또는 (17) 에 있어서, 로 내부의 다른 지역보다 낮은 분위기 온도 지역에 압축 성형 기계에 의해 형성된 실린더형 또는 알갱이형 성형물의 공급, 소성을 통한 환원을 특징으로 한다.

(23) 환원로용 원재료의 성형물은 전체 혼합물에 대해 15~30질량%의 수분 함량으로 산화 금속, 탄소 및 물을 함유한 분말 혼합물을 탈수하고 상기 혼합물을 압축 성형 하여 형성된 30㎜이하의 실린더형 또는 알갱이형 성형물인 것을 특징으로 한다.

(24) 환원로용 원재료의 성형물은 산화 금속 함유 분말과 탄소 함유 분말의 혼합물의 압축 성형에 의해 획득된, 수분 함량이 16~26질량%이고, 두께 또는 직경이 30㎜이하이며, 분말 충전율이 0.43~0.58인 실린더형 또는 알갱이형 성형물인 것을 특징으로 한다.

(25) 환원로용 원재료의 성형물은 (23) 또는 (24) 에 있어서, 산화철 함유 분말이 산화 금속 함유 분말로 사용되는 경우, 산화 철에서 결합된 산소의 원자 몰 양에 대해 고정 탄소의 원자 몰양이 0.5~1.5배인 것을 특징으로 한다.

본 발명은 원재료로 수분을 과다함유한 산화금속 분말을 사용하여 환원반응을 수행하기 위한 회전 노상식 환원로 설비와, 이의 조작 방법과, 환원로용 원재료에 관한 것이고, 본 발명은 후술되는 방법으로 수행된다. 본 발명을 기초로 한 회전 노상법에 따른 산화 금속의 환원 공정이 도 1 에 도시된다.

수분을 과다 함유한 슬러리 상태의 분말 원재료를 혼합하기 위한 장치인 혼합 베슬(vessel)(1)에서, 혼합기(2)에 의해 원재료는 섞이고 혼합된다. 분말 원재료는 산화 금속을 함유한 분말과 탄소를 함유한 분말의 혼합이다. 산화 금속 함유 분말의 예는 분말형의 철 원광, 마그네슘이나 크롬 원광으로 정밀하게 분리된 알갱이 원료이다. 원광 외에, 전기 아크로 더스트, 용광로 가스 슬러지, 염기성 산소로 더스트(basic oxygen furnace dust), 철 산물의 산화 정제에서 발생한 중성 슬러지, 제련이나 강철의 고온-롤링(hot-rolling)으로부터 나온 밀 스케일(mill scale)과 같은 금속의 처리에서 발생된 분말 제품 등이 또한 가능하다. 더구나, 환원제로써, 오일 코크스, 코크스 브리즈, 타르, 분말 콜 이나 기타 탄소 고정 함유 분말(이하, 탄소 분말이라 한다)과 같은 탄소계 파우더가 분말 원재료에 혼합된다.

수분 함유 분말 원재료가 다수의 수분 함유 분말 저장 탱크로부터 혼합 베슬(1)로 운송되는 경우, 금속 산화물 함유 분말을 그랩 버킷 크레인(grab bucket crane)이나 슬러리 운송에 의해 운반하는 것이 바람직하다.

짧은 시간 내에 슬러리 상태로 분말 원재료를 균등하게 혼합하기 위해, 재료는 대량의 수분 함유가 필요하다. 본 발명자에 의해 수행된 다양한 실험은 높은 수분 함유가 분말 원재료의 혼합을 원활하게 함을 밝혀냈다. 즉, 높은 수분 함량과 그 결과로 인한 높은 유동성은 원재료를 균일하게 혼합하는데 걸리는 시간을 더 짧게 만들어, 따라서 요구되는 분말을 절약하는 결과가 된다. 발명자는 또한, 분말 전체 질량에 대해 100% 이상의 수분함량으로, 슬러리의 유동성이 더 높아지게 됨을 발견하였다. 요약하면, 혼합을 더 원활하게 하기 위해, 분말의 전체 질량에 대해 100% 이상의 수분 함량을 갖는 상태에서 산화 금속 함유 분말과 탄소 함유 분말의 혼합을 혼합하는 것이 필요하다.

분말을 쉽게 침전되는것으로부터 예방하기 위해, 각 분말의 입자 크기가 작은 것이 바람직하다. 강한 혼합에 의해, 상대적으로 큰 입자크기의 분말의 사용이 가능해진다. 그러나, 100 질량%의 수분함량에서, 산화 금속 분말의 입자 크기가 100 미크론이고 탄소 분말의 크기가 180 미크론 이하여서 혼합비에 따라 평균 입자 크기가 120 미크론 이하이면, 일반적으로 일분당 10~30회전비로 슬러리를 균일하게 혼합하는 것이 가능하다.

슬러리 상태의 분말 원재료는 슬러리 펌프(3)에 의해 탈수기(4)로 보내진다. 탈수기(4)에서, 원재료는 분말 질량에 대해 15~30%, 바람직하게는 16~23%의 수분함유량으로 탈수된다. 큰 입자 크기의 분말의 경우에, 수분 함유량을 16~26질량%로 조절하는 것이 비교적 쉽고, 예를 들면, 진공 탈수기, 압축 필터, 원심 디캔터(decanter)와 같은 종래의 탈수기가 사용될 수 있다. 그러나, 상기한 바와 같이, 이와 같은 바람직한 평균 입자 크기가 120 미크론 이하의 분말 원재료로 구성된 슬러리의 탈수의 경우에, 종래의 탈수기에 의한 탈수는 30질량% 이하, 바람직하게는 20질량% 이하는 어렵기 때문에, 특별한 탈수기가 사용되었다. 더불어, 몇몇 경우에, 다른 형태의 몇가지 탈수기가 결합되어 사용되었다.

설비는 원재료 전-밀링용(pre-milling) 유닛, 원재료 혼합용 유닛, 알갱이화(granulating) 유닛, 펠릿-건조(pellet-drying) 유닛, 회전 노상식 환원로, 가스 배출 처리 유닛과 환원된 펠릿 냉각 유닛으로 구성되었다.

회전 노상식 환원로의 경우와 같이, 금속의 환원에서와 강철 제조로부터 더스트의 환원에서 중요한 것은, 원재료와 환원재를 알갱이화 하는 장치이다. 원재료를 전처리하는 유닛과 알갱이화를 위해 적당한 상태로 분말 산화 금속 원재료와 환원제의 혼합물을 제공하는 유닛 또한 중요하므로, 설비는 원재료의 전-밀링을 위한 장치와 반죽용 볼밀의 다양한 장치를 포함한다. 분말의 정밀분쇄를 사용하는 경우의 탈수기로써, 도 3 에 도시된 탈수기가 적당하며, 상기 탈수기는 슬러리를 수용하는 필터(23), 상기 필터를 샌드위치 하는 트윈롤(twin roll)(25)을 포함한다. 탈수기에서, 슬러리(26)는 벨트와 결합된 필터(23)에 넣어지고, 필터는 이후 탈수용 트윈롤(26) 사이에 샌드위치된다. 슬러리의 수분 함량이 높을 경우, 필터 아래에 형성된 진공 흡입 장치(24)에 의해 트윈롤(26) 압축 전에 슬러리의 전-탈수가 충분한 탈수를 보조한다.

더불어, 매우 미세한 분말의 경우용 탈수기로서, 수직 원심분리기의 사용이 또한 효과적이다. 이런 원심분리는 내부를 향하여 점점 가늘어지는 회전 노상식의 실린더형 슬러리 홀더와, 홀더 내부의 스크류형 분말 배출 메카니즘(mechanism)을 포함한다. 슬러리 홀더와 분말 배출 메카니즘 사이의 회전율의 차이는 분당 2~30회전이고, 슬러리 홀더에 인가되는 원심력은 500G이상이다. 단일 원심기의 수행이 높지 않을지라도, 원심력으로 인해, 분리 효율이 좋고, 이런 탈수기는 수분이 많은 미세 분말의 탈수용으로 적당하다. 특히, 수 미크론에서 30 미크론 또는 수 미크론에서 40미크론과 같이 작은 입자 크기의 분말의 탈수용으로 이런 탈수기를 채용하는 것이 효과적이다.

게다가,

이상의 힘으로 양측면으로부터 슬러리-수용 필터를 압축하 는 장치를 포함하는 고압력 압축 탈수기를, 탈수기로 사용하는것 또한 가능하다. 그러나, 상기한 트윈롤을 갖춘 탈수기에 비교하여, 탈수가 떨어지므로 100 미크론 정도의 입자 크기를 갖는 비교적 미가공의 분말(crude powder)의 경우에 사용하는 것이 바람직하다.

이후, 수분함량을 15~30 질량%, 바람직하게는 16~26 질량%로 탈수된 젖은 분말이 슬러지 운송 컨베이어(5)에 의해 압축 성형 기계(6)로 운반되어, 분말이 성형된다. 압축 성형 기계의 예는, 일반적으로, 홀 내부로 젖은 분말(wet powder)을 압축하는(이후, 홀형 펠리터라 한다), 도 4 에 도시된 형태의 압축 성형 기계와, 트윈롤에 형성된 오목에 대해 젖은 분말을 압축하는 도 5 에 도시된 브리켓(briquette) 성형 기계를 포함한다.

도 4 에 도시된 바와 같이, 홀형 펠리터에서, 젖은 재료는 실린더형으로 홀(hole)로부터 밀려나온다. 원재료는 원재료 공급부(28)로부터 공급되고, 구동 장치(29)로부터 구동되는 롤러(32)에 의해 회전 노상식면(33)에 형성된 다수의 홀(34)로 압축되며, 구동력 운송 메카니즘(30)과 구동축(31)은 성형물체(35)의 형태가 된다. 다른 메카니즘을 사용하는 펠리터와 같이, 몸체에서 홀과 형성된 회전 노상식에 대하여 재료를 압축하는 스크류형 압축 메카니즘을 포함하는 형태의 펠리터도 언급될 수 있다. 도 5 에 도시된 바와 같은 장치인 브리켓 성형 기계에서, 분말은 원재료 공급부(36)로부터 공급되고, 오목부(38)와 함께 형성된 롤러(37)에 의해 압축성형된다.

이들 성형 기계의 형태가 선택되는 이유는, 이들이 요구에 맞는 성형물을 공급할 수 있기 때문이다. 성형물에 있어서 두 가지 주된 특성은 로에서 파괴 균열로부터 안전하고 젖은 상태에서 낙하 저항(drop resistance)이 높아야 하는 것이다.

종래의 성형 방법인 팬(pan) 펠릿 생산 방법은, 새 분말 레이어(new powder layer)를 형성하기 위해 경사 위의 분말을 롤링하여 성형물을 만든다. 이 방법에 따라 생산된 펠릿의 분말 충전 비율은 약 0.65~0.75정도로 높고, 성형물을 매우 밀도있는 성형물로 만드는 것처럼 보인다. 밀도있는 성형물은 회전 노상식의 원료 공급부의 900℃이상의 영역에서 파열적으로 균열되는 경향이 있다. 펠릿의 직경이 약 10㎜이고, 수분 함량이 3질량%이상이면, 펠릿은 로에 공급되자마자 파열적으로 균열된다. 부수적으로, 분말 충전 비율은 성형물의 부피에 함유된 분말의 부피의 비율이다.

발명자는 로에 직접 공급된 젖은 성형물에 야기되는 파열-균열의 상황 실험을 반복적으로 행하여, 마침내, 성형물의 파열-균열을 방지하기 위해, 성형물의 분말 충전 밀도가 비교적 낮은 것이 중요함을 발견하였다. 즉, 회전 노상식을 갖는 환원로에서 파열-균열의 원인은 성형물이 900℃이상으로 높게 가열된 로에 공급되고 이에 함유된 수분이 빠르게 증발하여, 성형물의 내부 압력이 증가하는 결과이다. 본 발명의 발명자는 다양한 실험을 수행하여 마침내 파열-균열 현상은 분말 충전 밀도와 성형물의 수분 함량 두가지에 크게 영향을 받음을 발견하였다. 부수적으로, 분말 충전도는 성형물의 내부에 채워진 분말의 백분율이다.

게다가, 수분 함량이 높을지라도, 분말 충전비율의 감소는 성형물이 덜 파열하도록 한다. 함유된 수분의 빠른 증발시 성형물의 내부 압력이 증가되는 것을 막기 위하여, 분말을 구성하는 입자 사이의 큰 간격이 존재하는 것은 중요하다. 분말 충전율을 줄이면 한계 습도 함유 파열-균열(explosive-cracking marginal moisture content)이 증가하게 하고, 0.58 이하의 분말 충전율은 16~26%의 수분함량에서도 파열-균열 현상을 야기하지 않는다. 그러나, 분말 충전율이 너무 낮은 경우, 낙하 저항을 악화시켜서, 0.4 이상의 분말 충전율을 지키는 것이 필요하다.

일반적으로, 압축 성형 방법에 따른 성형물의 생산은 이에 의해 생산된 성형물이 파열성이 더 감소된 상태인 낮은 분말 충전율을 가지는 잇점을 가진다. 함유된 수분의 빠른 증발시 성형물의 내부 압력이 증가하는 것을 방지하기 위하여, 분말을 구성하는 입자사이에 큰 간격이 존재하는 것이 중요하다.

도 6 은 20㎜의 직경을 갖는 성형물이 1,170℃의 분위기로 공급되는 경우 파열-균열 한계 수분 함량을 내는 분말 충전율의 영향을 도시한다. 분말 충전율이 감소하면, 파열-균열 한계 수분 함량은 증가한다. 분말 충전율이 0.58이하인 경우, 수분 함량이 18질량%일지라도, 파열-균열이나 부분 분말화가 발생하지 않는다. 23~26질량%의 수분 함량은 표면 필링(peeling) 현상을 야기하나, 파열-균열은 발생하지 않는다. 게다가, 분말 충전율이 0.55 이하인 경우에, 수분 함량이 23~30 질량%일지라도, 표면 필링 현상을 발생하지 않는다. 즉, 파열-균열 방지의 관점에서, 분말 충전율은 0.58 이하인 것이 요구된다. 낮은 분말 충전율을 가지는 성형물의 파열-균열 한계 수분 함량은 23~26 질량%에서 수준에서 유지되는 경향을 보인다.

더불어, 발명자는, 다른 성형물과 다른 파열-균열 현상이 발생하는 상태는, 그 형태에 의지함을 발견하였다. 먼저, 분말 충전율이 0.58인 타일형 물체가 20㎜의 두께와 150㎜의 길이와 폭일지라도 17%의수분함량에서 파열적으로 균열된다. 다시 말하면, 0.58의 분말 충전율을 가짐에도 불구하고, 홀형 펠리터에 의해 생산된 15㎜의 직경과 25㎜의 길이를 갖는 실린더형 물체는 수분 함량이 25%에 도달할때 까지 파열되지 않는다. 게다가, 브리켓 성형 기계에 의해 생산된 0.58의 분말충전율과 40㎜의 측면을 갖는 20㎜의 아몬드형 물체는 23%의 수분 함량까지 파열-균열로부터 자유롭다. 즉, 판형 물체가 쉽게 파열되는것과 대조하여, 실린더형 또는 알갱이형 물체는 파열-균열에 대해 덜 영향을 받는다. 그리하여, 본 발명에서, 성형물의 형태는 실린더형 또는 알갱이형으로 규정된다.

홀형 펠리터 또는 브리켓 성형 기계에 의해 생산된 성형물이 덜 파열되는 이유는 또한 명백하다. 홀형 펠리터에 의해 형성된 실린더형 물체의 표면은 매끄럽지만, 단면은 거칠다. 그 결과, 높은 수분 함량일지라도, 수증기의 통과 저항이 작기 때문에, 파열-균열의 발생이 억제된다. 소정의 상태에서, 수분 함량이 26질량%일지라도, 홀형 펠리터에 의해 생산된 성형물은 1170℃의 로에서 파열되지 않고, 파열 저항이 가장 우수함을 입증한다. 브리켓 성형 기계에 의해 성형될지라도, 원재료의 두께가 압축되기 때문에, 브리켓형 물체의 면의 밀도는 올라가지 않고, 따라서 수증기가 쉽게 이들로부터 배출됨을 허락한다. 게다가, 발명자는 성형물의 파열은 그 크기에 의해 영향을 받음을 발견하였다. 실린더형 또는 알갱이형 물체의 경우일지라도, 소정의 상태에서, 크기가 30㎜ 이상인 경우, 이들은 수분 함량이 26 질량%임에도 불구하고 1,170℃의 로에서 파열 균열된다. 그러므로, 성형물의 두께와 직경은 30㎜이하인 것이 요구된다.

회전 노상식 환원로에서, 도너스형 회전 노상식이 회전한다. 회전 노상식은 소성/환원 지역을 통과하고, 성형물이 배출되는 지역에서, 환원된 성형물이 배출된다. 이후, 회전 노상식은 성형물 공급부에 도달한다. 이때의 회전 노상식의 온도가 1,150~1,300℃인 사실로부터, 성형물 공급부의 온도는 1,000~1,250℃이다. 즉, 소정의 조작 상태에서, 성형물 공급부의 온도는 1,170℃이상이 될 수 있다. 이 경우, 온도는 성형물 공급부의 냉각에 의해 1,170℃ 이하로 조정되는 것이 바람직하다. 성형물 공급부의 냉각을 위해, 성형물 공급부를 둘러싸는 천정에 수냉벽을 형성하거나 성형물 공급부가 고온의 연소가스 흐름으로부터 보호되도록 설계하는 것이 요구된다.

두번째로, 성형물에 요구되는 중요한 특성은 높은 낙하 저항이다. 성형 기계로부터 회전 노상식까지의 전송 경로에서, 한 컨베이어에서 다른 컨베이어로 통과하고 회전 노상식에 공급되는 경우, 성형물은 약 0.5~2m의 거리로 수차례 낙하한다. 그러므로, 성형물의 형태 손상을 야기하는 전체 낙하 저항으로 표현되는 높은 낙하 저항이 요구된다. 회전 노상식 환원로의 경우, 약 4~5미터 이상이 요구된다. 낮은 분말 충전율을 갖는 성형물의 낙하 저항이 일반적으로 낮은 것은 파열-균열의 발생이 억제되는 상기 기술된 조건과 양립되지 않는다. 발명자는 낮은 분말 충전율을 갖는 성형물의 낙하 저항을 향상시키는 연구를 행하여, 수분 함량이 소정의 값 이상인 경우, 떨어지고 충격을 받을 지라도, 성형물이 파괴되지 않고 단지 변형됨을 발견하였다.

낙하 저항에 대한 수분 함량의 영향 연구에서, 발명자가 밝혀낸 것은, 16질량% 이상의 수분 함량에서, 0.43이상의 분말 충전율을 갖는 성형물의 낙하 저항은 4.2m이상이라는 것이다. 그러나, 분말 충전율이 0.43 이하인 경우, 수분 함량에 관계 없이, 낙하 저항은 2~4 미터이다. 그리하여, 적당한 낙하 저항을 보증하기 위해, 수분 함량은 16질량%이상이고, 분말 충전율은 0.43 이상인 것이 요구된다.

게다가, 상기한 바와 같은 수분 함량 또는 분말 충전 밀도일지라도, 타일형의 상기한 성형물은 0.5 미터의 높이로부터 단지 한번의 낙하에 의해 파괴된다. 즉, 형태로 인해, 일본특개평11-12624에 관련된 방법에 따라 제조된 타일형 물체의 낙하 저항은 너무 낮아서 일반적인 방법에 의해 처리될 경우 로에 공급되는 성형물이 될 수 없다. 이들 성형물에 대비하여, 본 발명에 따라 생산된 성형물은, 일반적인 방법에 의해 처리될 지라도, 로에 공급될 수 있다.

상기한 실험의 결과에 근거하여, 발명자는, 성형물의 요구에 따라, 15~30질량%, 바람직하게는 16~26질량% 범위내로 습도를 함유하고, 분말 충전율은 0.43~0.58의 범위인 것이 요구되고, 상기한 홀형 펠리터와 브리켓 성형 기계가 가장 효과적인 장치이다. 다른 장치에 의해 본 발명의 목적에 부합되게 성형물을 생산하는 것이 바람직할 지라도, 홀형 펠리터와 브리켓 성형 기계가 낮은 비용에서 높은 성능으로 성형물을 생산하고, 그리하여 가장 효과적인 장치이다.

상기한 방법에 따라 형성된 성형물은, 젖은 상태에서, 스윙 컨베이어(8)에 의해 성형물 전송 컨베이어(7)를 경유하여 회전 노상식 환원로에 공급되고, 스윙 컨베이어(8)는 성형물 공급 장치가 된다. 회전 노상식 환원제(9)의 성형물 공급부의 온도는 1,170℃ 이하이다.

회전 노상식 환원로(9)에서, 젖은 성형물은 1,170℃이하의 분위기온도 지역으로 공급된다. 분위기 온도가 1,170℃인 경우, 본 발명에서 특정한 바와 같은 상태에서 생산된 것이 파열될지라도, 성형물의 내부 온도에서 증가의 페이스(pace)가 높아서 수증기압은 높다. 그러므로, 이들 지역의 온도는 1,170℃이하로 되는 것이 필요하다.

회전 노상식 환원로(9)에서, 성형물은 1,100~1,350℃에서 소성되고, 산화 금속은 성형물에 함유된 탄소에 의해 환원된다. 원재료가 습도가 풍부한 상태에서 교반 및 혼합되므로 이들로부터 형성된 성형물에 포함된 산화 금속과 탄소가 균일하게 혼합될지라도, 본 발명의 원재료 혼합 방법은 반응이 효과적으로 수행되도록 도와주는 역할을 한다.

게다가, 발명자는 산화철의 환원에서 탄소 비율의 조절의 중요성을 발견하였다. 산화철을 환원할 때, 탄소의 양이 부족한 경우, 일부 경우에서, 환원이 완전히 수행되지 않아, 금속화도가 감소하게 된다. 게다가, 탄소의 양이 과다한 경우, 잉여 탄소는 철과 반응하여 세멘타이트(Fe₃C)를 형성하고, 약 1,200℃에서, 환원된 성형물은 로에서 녹기 시작한다. 회전 노상식 또는 일반적인 회전 노상식 환원로의 배출 장치가 용융철을 위해 설계되지 않아서, 철이 녹는 경우, 로가 파괴되는 문제가 발생한다.

성형물에 함유된 고정 탄소의 양이, 산화철에서 결합된 산소와 반응하여 일산화탄소를 생성한다는 가정하에 계산된 고정 탄소의 몰수(이후, 탄소의 계산된 몰양으로 언급됨)의 1.5배 이하인 경우, 불완전 환원과 철용융의 상기 문제가 발생하지 않는다. 더불어, 발명자는 일산화 탄소 생산 반응과 이산화 탄소 생산 반응 중의 반응에서, 조건에 따라 변하기는 하지만, 산화철과 반응성인 탄소 원자의 10~70%가 반응하여 일산화탄소를 생성함을 발견하였다. 그 결과로써, 고정 탄소의 양이 계산된 탄소의 몰양의 절반 이상이면, 70% 이상의 금속화 정도를 생산하는 환원을 얻을 수 있다.

고정 탄소의 양이 계산된 탄소의 양의 절반인 경우, 철의 금속화 정도는 약 80%이고, 그리하여 생성물은 환원된 철로서 직접적으로 사용하는 것이 어느정도 가능하다. 다시 말하면, 고정 탄소의 양이 계산된 탄소의 양보다 1.5배인 경우, 금속화정도는 97%이상이다. 잔여 탄소의 양은 이때 환원된 철의 양에 대해 약 2.5%이다. 따라서, 전체 잔여 탄소가 철과 함께 탄소 화합물이 될 지라도, 결과 생산물의 녹는 점은 1,300℃ 이상을 유지한다. 그러므로, 회전 노상식 환원로의 내부 온도가 최대 약 1,300℃에서, 환원된 제품이 녹는 문제는 발생하지 않는다.

환원된 성형물은 회전 노상식 환원로(9)로부터 배출되고 제품 냉각 장치(13)에서 일반 온도로 냉각된다. 그러나, 전기로와 같은 곳에서 사용하는 경우, 900℃의 온도의 성형물은 용융과정에 영향을 받을 수 있다. 가스 냉각 장치(10)와 더스트 수집기(11)를 경유하여, 회전 노상식 환원로에서 연소되어 발생된 배출 가스는 굴뚝(12)을 통해 대기로 배출된다.

부수적으로, 회전 노상식 환원로에 사용되는 원재료의 성형물은 산화 금속 함유 분말과 탄소 함유 분말의 혼합물의 압축 성형에 의해 생산되는 것은 실린더형 또는 알갱이형이고, 15~30질량%, 바람직하게는 16~26질량%의 물을 함유한 탄소 함유 분말이고, 분말 충전율은 0.43~0.58이고, 두께 또는 직경은 30㎜ 이하임이 요구되고, 상기한 과정에 따라 생산될 필요는 없다. 다른 기술에 의해 생산될지라도, 요구를 만족하는 경우, 환원은 본 발명의 목적에 부합하는 방법에서 효과적일 수 있다.

금속의 정제 내지 처리에서 발생되는 슬러지나 더스트의 처리에 대한 본 발명의 적용은 특히 효과적이다. 예를 들면, 강철 설비의 용광로(blast furnace)로부터의 가스 애쉬(gas ash)는 습식 벤투리 솔(wet-type venturi scrubber)에 의해 수집되고 침강농축장치(thickener)에 의해 슬러리로 만들어진다. 더불어, 산 세정(acid cleaning)에서 발생된 수집된 폐기 산의 중화된 산이 있다. 이와 같은 더스트와 슬러지는 탈수기에 의해 처리된다. 그러나, 이들을 재생하는 것의 어려움에 더해, 재생비용이 많다. 예를 들면, 이들 더스트와 슬러지를 침강농축장치로부터 혼합 베슬(1)로 직접 옮기는 것에 의해, 생산이 가능하게 만들고, 중간 처리없이, 편하게 환원용 원재료의 성형물이 된다. 따라서, 금속 정제나 처리의 과정에서 발생된 더스트와 슬러지의 사용은 본 발명에서 가장 요구되는 것의 하나이다.

작동 방법의 비교를 위해, 종래 방법에 사용된 설비가 도 2 에 도시된다. 종래의 설비에서, 본 발명의 설비에 의한 조작의 경우에 탈수 과정후에, 원재료는 슬러지 분말 운송 컨베이어(15)에 의해 분말 건조기(16)로 운반되고, 여기서 원재료는 5~10질량%의 수분 함량으로 건조된다. 이후, 살수기(18)에 의해 분말에 물이 더해지는 동안, 원재료는 알갱이화기(granulator)(17)에 의해 펠릿화 된다. 생성되는 펠릿은 펠릿 운송 컨베이어(19)에 의해 펠릿 건조기로 운반되어 2질량%의 수분 함량으로 건조된다. 이후, 펠릿은 회전 노상식 환원로에 의해 소성을 통해 환원된다. 상기한 바로부터 알 수 있는 바와 같이, 종래 방법에 의한 조작은 많은 단계를 포함하고, 이 처리는 본 발명에 비해 복잡하다. 또한, 많은 양의 에너지가 탈수, 건조, 수화 및 탈수의 일련의 수분 조절 공정에서 소모되고, 본 발명에 따른 설비가 종래 방법에 의한 조작에 비해 효과적임을 입증한다. 원재료가 회전 노상식 환원로에서 사용되는 관점으로부터, 본 발명은 가장 쉬운 방법으로 젖은 원재료로부터의 성형물을 환원 사용하는 기술을 제공한다. 요구 조건으로서, 압축 성형 기계에 의해 생산된 성형물은 실린더형 또는 알갱이형이고, 30㎜ 이하의 두께나 직경을 갖고, 수분 함량은 15~30질량%, 바람직하게는 16~26 질량%이며, 분말 충전율은 0.43~0.58인 것이 바람직하다. 상기한 공정에 따라 형성된 성형물의 환원에 의해, 높은 낙하 저항과 비 파열성으로 인하여 회전 노상식 환원로에 의해 경제적으로 환원될 수 있는 원재료의 성형물이 수득된다.

도 1 은 본 발명에 따른 수분을 함유한 분말 원재료의 환원용 회전 노상식 환원로의 구조의 한 실시예를 도시한다.

도 2 는 종래 방법에 따른 회전 노상식 환원로의 구조의 한 실시예를 도시한다.

도 3 은 슬러리가 환상 벨트 필터(endless belt filter)에 도입되고 압축 트윈롤에 의해 압축되는 형태의 탈수기를 도시한다.

도 4 는 분말이 홀로부터 압출되는 형태의 압출 성형 기계를 도시한다. 왼쪽은 도식도이고, 오른쪽은 압축 롤러를 도시한다.

도 5 는 분말이 오목부에서 압축 성형되는 형태의 브리켓 압축 성형 기계를 도시한다.

도 6 은 1,170℃에서 파열-균열 한계 습도 함량에 대한 성형물의 분말 충전 비율의 영향을 도시한 그래프이다.
(1):혼합 베슬 (2): 교반기 (3): 슬러리 펌프 (4): 탈수기 (5):슬러지 운송 컨베이어 (6): 압축 성형 기계 (7) : 성형물 운송 컨베이어 (8): 스윙 컨베이어 (9): 회전 노상식 환원로 (10): 가스 냉각 장치 (11): 더스트 수집기 (12): 굴뚝 (13): 생성물 냉각 장치 (14): 탈수기 (15): 슬러지 분말 운송 컨베이어 (16): 분말 건조기 (17): 알갱이화기 (18): 살수기(water sprinkler) (19): 펠렛 운송 컨베이어 (20): 펠렛 건조기 (21): 건조 펠렛 컨베이어 (22): 슬러리 포트 (23): 필터 (24): 진공 흡입 기기 (25): 압축 트윈롤 (26): 슬러리 (27): 탈수 산물 (28): 원재료 공급 포트 (29): 구동 장치 (30): 구동력 전송 메커니즘 (31): 구동축 (32): 롤러 (33): 바닥 플레이트 (34): 홀 (35): 성형물 (36): 원재료 공급부 (37):압축 롤러 (38): 오목면 (39): 브리켓

본 발명에 따라 수행된 조작의 예가 표 1 에 도시되었다. 사용된 설비가 도 1 에 도시되었고, 젖은 성형물의 양의 개념에 의한 환원 성능은 시간당 10톤이었다. 탈수기로서 트윈롤 형 탈수기를 사용하였고, 성형기계로서 홀형 펠리터를 사용하였다.
실시예 1 및 2

도 1 에 도시된 바와 같이, 원재료의 두 타입: 미세 분말 광석과 1㎜이하의 코크스 브리즈인 펠릿 공급물의 혼합물; 강철 생산 설비로부터의 용광로 가스 슬러지, 가열 롤링에 의해 발생된 스케일 핏의 침전 슬러지와, 1㎜이하의 코크스 브리즈의 혼합물이 사용된다.

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	단위	실시예 1	실시예 2
원재료(철 공급원)		펠릿 공급	용광로 가스 슬러지 스케일 핏 침전 슬러지
FeO	%	1.2	10.5
Fe2O3	%	80.3	58.3
C	%	12.5	10.2
ZnO	%	0.01	0.95
Na	%	0.12	0.25
K	%	0.03	0.33
원재료 성형물
슬러리의 수분 함량	%	130	185
성형물의 수분 함량	%	17.1	19.8
분말 충전비율		0.57	0.55
성형물의 낙하 저항	m	4.7	6.9
환원로의 상태
원재료 공급부의 온도	℃	981	983
환원 온도	℃	1210	1210
환원 시간	분	15	15
제품
금속화 정도	%	95.2	92.8
탈아연화 정도	%	89.2	97.3

탈알칼리 정도	%	97.8	99.1
덩어리 제품 수율	%	93.8	95.4

조작 상태는 표 1 에 도시된 바와 같다. 혼합 베슬(1) 내의 원재료의 수분 함량은 분말의 질량에 대해 130~185%이고, 성형전 원재료의 수분 함량은 분말의 질량에 대해 17~20%이다. 분말 충전율은 본 발명에 명기된 범위내이다. 각 성형물의 직경과 길이는 각각, 15㎜와 25㎜이다. 성형물 공급부의 로온도는 약 980℃이다. 환원지역의 로 온도는 1,210℃이다. 더불어, 환원시간은 15분이다.

실시예 1 은 펠릿 공급을 사용하는 조작의 경우이다. 탄소 혼합율이 적합하기 때문에, 생산성이 높다. 조작은 97%의 높은 금속화도에서 수행되고, 대체적으로 낙하와 파열-균열을 야기하는 분말화로부터 자유롭고, 그리하여 덩어리 생산 수율은 94%로 높다. 실시예 2 는 용광로 가스 슬러지와 가열 롤링에 의해 발생된 스케일 핏의 침전 슬러지의 사용에 의한 조작의 경우이고, 환원뿐만 아니라 탈아연도금과 탈알칼리화를 얻는다. 이 조작에서, 금속화의 비율은 91%, 탈아연화의 비율은 97.5%, 탈알칼리화의 비율은 99%이다. 이들 도면에서 보여지는 바와 같이, 불순물은 효과적으로 제거된다. 상기 경우는 또한 낙하와 파열-균열로 인한 분말화로부터 실질적으로 자유로와서, 덩어리 생산 수율이 95%로 높다.

본 발명에 따른 환원과 도 2 에 도시된 바와 같은 설비를 사용하는 종래 방법에 따른 환원을 경제적인 관점으로부터 비교하였다. 본 발명의 조작에서, 원재료의 전처리가 혼합 공정, 탈수 공정, 성형 공정으로만 이루어지므로, 원재료의 전처리 비용은 비교예의 비용의 대략 30%를 초과하지 않는다. 더구나, 본 발명은 전체 처리 비용량의 약 15%를 절약한다. 더불어, 실시예에서, 비교예와 비교시, 본 발명의 전처리가 비교예보다 단순하므로 건설 비용이 약 10% 절감된다.

상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 젖은 분말을 사용하는 회전 노상식 환원로 설비는 원재료의 성형물의 파열-균열과 같은 조작 관련 문제로부터 자유롭다. 상기 설비의 건설 비용은 낮고, 에너지 소비를 줄이고 기타 조작 관련 비용을 줄이는 것을 포함하여 저비용으로 설비를 조작하는 것이 가능하다. 더불어, 본 발명에 따른 설비의 유지비는 낮고 설비는 경제적으로 산화 금속을 환원하는 것을 가능하게 한다. 특히, 분말 건조 공정과 이에 사용되는 장치를 생략하는 것이 가능하기 때문에, 설비비의 감소가 매우 크다.
실시예 3,4

원재료로서, 표 2 에 도시된 바와 같이 두가지 형태의 혼합물이 사용되는데, 하나는 미세 분말 원광과 1㎜이하의 코크스 브리즈가 공급된 펠릿의 혼합물이고, 다른 하나는 강철 생산 설비로부터의 용광로 가스 슬러지, 가열 롤링에 의해 발생된 스케일 핏의 침전 슬러지 및 1㎜이하의 코크 브리즈의 혼합물이다.

	단위	실시예 3	실시예 4
원재료(철 공급원)		펠릿 공급	용광로 가스 슬러지 스케일 핏 침전 슬러지
FeO	%	1.2	10.5
Fe2O3	%	80.3	58.3
C	%	12.5	10.2
ZnO	%	0.01	0.95
Na	%	0.12	0.25
K	%	0.03	0.33
원재료 성형물
슬러리의 수분 함량	%	130	185
성형물의 수분 함량	%	17.1	19.8
분말 충전비율		0.57	0.55
성형물의 낙하 저항	m	4.7	6.9
환원로의 상태
원재료 공급부의 온도	℃	981	983
환원 온도	℃	1210	1210
환원 시간	분	15	15
제품
금속화 정도	%	95.2	92.8
탈아연화 정도	%	89.2	97.3

삭제

탈알칼리 정도	%	97.8	99.1
덩어리 제품 수율	%	93.8	95.4

조작 상태는 표 2 에 도시된 바와 같다. 혼합 베슬(1) 내 원재료의 수분 함량은 분말의 질량의 120~200%이고, 성형전 원재료의 수분 함량은 분말 질량의 17~20%이다. 분말 충전율은 본 발명에서 지정된 영역내이다. 각 성형물의 직경과 길이는 각각, 15㎜와 25㎜이다. 성형물 공급부의 로 온도는 약 980℃이다. 환원지역의 로 온도는 1,210℃이다. 더불어, 환원시간은 15분이다.

실시예 3 은 펠릿 공급을 사용한 조작의 경우이다. 탄소 혼합율이 적당하기 때문에, 생산성이 높다. 조작은 97%의 높은 금속화도에서 수행되고, 대체적으로 낙하에 따른 분말화와 파열-균열로부터 자유로와서, 덩어리 생산 산출은 94%로 높다. 실시예 4 는 용광로 가스 슬러지와 가열 롤링에 의해 발생된 스케일 핏의 침전 슬러지의 사용에 의한 조작의 경우로, 환원뿐만 아니라 탈아연화와 탈알칼리화를 얻는다. 이 조작에서, 금속화율은 91%, 탈아연화율은 97.5%, 탈알칼리화율은 99%이다. 이들 도면으로부터 알 수 있는 바와 같이, 분순물은 효과적으로 제거된다. 이 경우는 또한 대체적으로 낙하와 파열-균열로 인한 분말화로부터 자유로와서, 덩어리 생산 수율은 95%로 높다.

본 발명에 따른 환원과 도 2 에 도시된 바와 같은 설비를 사용하는 종래 방법에 따른 환원이 경제적 관점으로 비교된다. 본 발명의 조작에서, 원재료의 전처리가 혼합 단계, 탈수 단계 및 성형 단계로만 이루어지므로, 원재료의 전처리 비용은 비교예 비용의 대략 30%를 초과하지 않는다. 게다가, 본 발명은 전체 처리 비용양의 15%를 절감한다.

상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 젖은 분말을 사용한 조작은 원재료의 성형물의 파열-균열과 같은 관련 문제로부터 자유롭다. 이 설비의 건설 비용은 낮고, 에너지 소비를 절감하고 다른 조작 관련 비용을 절감하는 것을 포함하여 저비용으로 조작하는 것이 가능하다. 그 결과, 회전 노상식 환원로에 의한 산화 금속 함유 더스트나 슬러지와 같은 원광과 분말의 환원이 경제적으로 수행된다.

본 발명에 따르면, 회전환원로 방법에서, 젖은 분말 원재료를 사용하여 산화 금속의 환원을 실시하고 이에 따라 금속을 생산하는 것이 가능하다. 게다가, 본 발명은 금속 제조 산업에 의해 발생된 산화 금속 함유 더스트나 슬러지를 경제적으로 처리하고, 수분이 많은 산화 금속 함유 분말의 환원이나 금속 정제 또는 처리 공정에서 발생된 산화 금속 함유 더스트나 슬러지의 처리가, 회전 노상식 환원로를 도입한 산화 금속 환원용 설비에 의해 적은 수의 단계를 통해 경제적으로 시행된다. 본 발명의 조작은 특히 많은 양의 수분을 함유한 더스트나 슬러지의 처리에 효과적이다.

Claims (25)

1. 산화 금속을 함유한 분말 및 탄소를 함유한 분말의 혼합물의 수분을 16~26질량%로 조절하는 수분 조절 장치;

   30㎜ 이하의 직경을 갖는 홀로부터 상기 수분 조절 장치에 의해 수분이 조절된 혼합물을 압출하는 형태의 압축 성형 장치;

   성형물 운송 컨베이어;

   성형물 공급 장치; 및

   회전 노상식 환원로;를 포함하고,

   이들은 상기 순서로 위치되고, 운송 수단에 의해 서로 연결되는 것을 특징으로 하는 산화 금속 환원용 설비.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서, 상기 수분 조절 장치는 산화 금속 함유 분말과 탄소계 분말의 수분 함유 혼합물을 수용하는 벨트형 필터; 및

   상기 필터를 샌드위치하여 압축하는 트윈롤(twin roll)을 구비하는 것을 특징으로 하는 산화 금속 환원용 설비.
4. 제1항에 있어서, 상기 수분 조절 장치는 내부로 갈수록 좁아지는 바닥의 수직 실린더형 슬러리 홀더와 상기 홀더 내부에 형성된 스크류형 분말 배출 메카니즘을 구비하는 원심형 탈수기이고,

   상기 슬러리 홀더와 상기 분말 배출 메카니즘 사이의 회전 속도 차이는 분당 2~30회전이고, 상기 슬러리 홀더에 인가되는 원심력이 500G이상인 것을 특징으로 하는 산화 금속 환원용 설비.
5. 제1항에 있어서, 상기 수분 조절 장치는 수분 함유 상태의 산화 금속 함유 분말과 탄소 함유 분말의 혼합물을 수용하는 필터를 양 측면에서

   

   이상의 힘으로 압축하는 장치를 구비하는 것을 특징으로 하는 산화 금속 환원용 설비.
6. 삭제
7. 삭제
8. 제1항에 있어서, 성형물 제조 기계로부터 회전로의 노상까지의 운송 진로에서, 성형물의 전체 낙하 간격은 4.1m 이하인 것을 특징으로 하는 산화 금속 환원용 설비.
9. 제1항에 있어서, 상기 성형물 공급 장치로 스윙형(swing-type) 벨트 컨베이어 또는 진동 공급기를 사용하는 것을 특징으로 하는 산화 금속 환원용 설비.
10. 삭제
11. 제1항에 있어서, 회전 노상식 환원로에서 성형물 공급 지역의 분위기 온도가 1170℃ 이하가 되도록 제어하는 메카니즘을 포함하는 것을 특징으로 하는 산화 금속 환원용 설비.
12. 산화 금속, 탄소 및 물을 함유한 분말 혼합물을 탈수기에서 전체 혼합물에 대해 15~30질량%의 수분함량으로 탈수하는 단계;

    압축 성형 장치로 상기 혼합물을 압축 성형하여 다수의 실린더형 또는 알갱이형 성형물로 성형하는 단계; 및

    결과 성형물을 소성을 통해 환원하는 환원로에 직접 공급하는 단계를 포함하것을 특징으로 하는 회전 노상식 환원로의 조작 방법.
13. 전체 분말 질량에 대해 100% 이상의 수분을 함유한 상태에서 산화 금속과 탄소를 함유한 분말을 혼합한 혼합물을 탈수기에서 수분 함량을 16~26질량%로 탈수하는 단계;

    탈수된 혼합물을 압축 성형 장치에서 분말 충전율이 0.43~0.58인 성형물로 성형하여 제조하는 단계; 및

    상기 성형물을 분위기 온도가 1170℃ 이하인 노 내부의 한 영역으로 직접 투입한 후, 1200℃이상의 온도에서 소성을 통해 성형물을 환원하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 회전 노상식 환원로의 조작 방법.
14. 제12항 또는 제13항에 있어서, 수분 함유 분말을 수용하는 벨트형 필터와 상기 필터를 수직 방향으로 압축하는 트윈롤을 갖는 탈수기를 상기 탈수기로 사용하는 것을 특징으로 하는 회전 노상식 환원로의 조작 방법.
15. 제12항 또는 제13항에 있어서, 내부로 갈수록 오목해지는 바닥의 수직 실린더형 수분 함유 분말 홀더와, 상기 홀더에 내부에 형성되는 스크류형 분말 배출 메카니즘을 가지는 원심형 탈수기를 상기 탈수기로 사용하고, 상기 홀더와 상기 분말 배출 메카니즘 사이의 회전속도의 차이는 분당 2~30이고 홀더에 인가되는 원심력은 500G이상인 것을 특징으로 하는 회전 노상식 환원로의 조작 방법.
16. 제12항 또는 제13항 에 있어서, 수분 함유 분말을 보유하는 필터를 양 측면으로부터

    

    의 힘으로 압축하는 장치를 가지는 탈수기를 상기 탈수기로 사용하는 것을 특징으로 하는 회전 노상식 환원로의 조작 방법.
17. 제12항 또는 제13항에 있어서, 수분 함량이 16~26 질량%이고, 두께 또는 직경이 30㎜이하이며, 분말 충전율이 0.43~0.58이고, 분위기 온도가 1170℃이하인 노의 한 영역에 산화 금속 함유 분말과 탄소 함유 분말의 혼합물을 압축 성형하여 생산되는 실린더형 또는 원형의 성형물 공급한 후, 상기 성형물을 1200℃이상의 온도에서 소성을 통하여 환원하는 것을 특징으로 하는 회전 노상식 환원로의 조작 방법.
18. 제12항에 있어서, 젖은 분말을 밀어내는 장치와 상기 젖은 분말이 압출되는 홀이 형성된 압출 압축 성형 기계를 상기 압축 성형 장치로 사용하는 것을 특징으로 하는 회전 노상식 환원로의 조작 방법.
19. 제12항 또는 제13항에 있어서, 성형될 트윈 롤의 표면에 형성된 오목면에 대해 젖은 분말이 압축되는 브리켓 성형 기계를 상기 압축 성형 장치로 사용하는 것을 특징으로 하는 회전 노상식 환원로의 조작 방법.
20. 제12항 또는 제13항에 있어서, 30㎜ 이하의 두께 또는 직경을 갖고, 산화 금속 함유 분말과 탄소 함유 분말의 혼합물을 압축 성형함에 의해 생산된 실린더형 또는 알갱이형 성형물을 환원하는 것을 특징으로 하는 회전 노상식 환원로의 조작 방법.
21. 제12항 또는 제13항에 있어서, 산화 철 함유 분말이 산화 금속 함유 분말로 사용되는 경우,

    산화 철에서 결합된 산소의 원자 몰양에 대해 고정 탄소의 원자 몰양이 0.5~1.5배인 성형물을 환원하는 것을 특징으로 하는 회전 노상식 환원로의 조작 방법.
22. 제12항 또는 제13항에 있어서, 노 내부의 다른 지역보다 분위기 온도가 낮은 지역에 상기 압축 성형 장치에 의해 형성된 실린더형 또는 알갱이형 성형물의 공급한 후, 소성을 통한 환원을 특징으로 하는 회전 노상식 환원로의 조작 방법.
23. 전체 혼합물에 대해 15~30질량%의 수분 함량으로 산화 금속, 탄소 및 물을 함유한 분말 혼합물을 탈수하고 상기 혼합물을 압축 성형함에 의해 형성된 두께 또는 직경이 30㎜이하의 실린더형 또는 알갱이형 성형물인 것을 특징으로 하는 환원로용 원재료의 성형물.
24. 산화 금속 함유 분말과 탄소 함유 분말의 혼합물의 압축 성형에 의해 획득된, 수분 함량이 16~26질량%이고, 두께 또는 직경이 30㎜이하이며, 분말 충전율이 0.43~0.58인 실린더형 또는 알갱이형 성형물인 것을 특징으로 하는 환원로용 원재료의 성형물.
25. 제23항 또는 제24항에 있어서, 산화철 함유 분말이 산화 금속 함유 분말로 사용되는 경우,

    산화 철에서 결합된 산소의 원자 몰 양에 대해 고정 탄소의 원자 몰양이 0.5~1.5배인 것을 특징으로 하는 환원로용 원재료의 성형물.

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