KR20240041974A - 철 용융물을 제조하는 방법 - Google Patents
철 용융물을 제조하는 방법 Download PDFInfo
- Publication number
- KR20240041974A KR20240041974A KR1020247006542A KR20247006542A KR20240041974A KR 20240041974 A KR20240041974 A KR 20240041974A KR 1020247006542 A KR1020247006542 A KR 1020247006542A KR 20247006542 A KR20247006542 A KR 20247006542A KR 20240041974 A KR20240041974 A KR 20240041974A
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- sponge iron
- gas
- iron
- carbon
- melt
- Prior art date
Links
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 236
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 115
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims abstract description 126
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 76
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 61
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 61
- 230000008569 process Effects 0.000 claims abstract description 49
- 238000002844 melting Methods 0.000 claims abstract description 25
- 230000008018 melting Effects 0.000 claims abstract description 25
- 239000000155 melt Substances 0.000 claims abstract description 17
- 238000005255 carburizing Methods 0.000 claims abstract description 12
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims abstract description 10
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 claims description 34
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 claims description 34
- 230000009467 reduction Effects 0.000 claims description 29
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 27
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 11
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims description 10
- 238000010891 electric arc Methods 0.000 claims description 6
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 20
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 14
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 13
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 13
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 12
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 9
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 description 8
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 description 6
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 description 6
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 6
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 5
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 5
- 239000003345 natural gas Substances 0.000 description 5
- 238000007664 blowing Methods 0.000 description 4
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 4
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 4
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 3
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 3
- 229910002091 carbon monoxide Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000007795 chemical reaction product Substances 0.000 description 3
- 239000000567 combustion gas Substances 0.000 description 3
- 239000000112 cooling gas Substances 0.000 description 3
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 3
- MWUXSHHQAYIFBG-UHFFFAOYSA-N nitrogen oxide Inorganic materials O=[N] MWUXSHHQAYIFBG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000002893 slag Substances 0.000 description 3
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 3
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000009845 electric arc furnace steelmaking Methods 0.000 description 2
- 238000009847 ladle furnace Methods 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 2
- 230000007935 neutral effect Effects 0.000 description 2
- 238000007670 refining Methods 0.000 description 2
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 2
- 150000003464 sulfur compounds Chemical class 0.000 description 2
- 239000002028 Biomass Substances 0.000 description 1
- 239000004215 Carbon black (E152) Substances 0.000 description 1
- UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N Carbon monoxide Chemical compound [O+]#[C-] UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910000805 Pig iron Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000003723 Smelting Methods 0.000 description 1
- 238000000429 assembly Methods 0.000 description 1
- 230000000712 assembly Effects 0.000 description 1
- 230000000035 biogenic effect Effects 0.000 description 1
- 229910001567 cementite Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 1
- 239000003034 coal gas Substances 0.000 description 1
- 238000009833 condensation Methods 0.000 description 1
- 230000005494 condensation Effects 0.000 description 1
- 230000003750 conditioning effect Effects 0.000 description 1
- 238000007791 dehumidification Methods 0.000 description 1
- 238000005868 electrolysis reaction Methods 0.000 description 1
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 230000004927 fusion Effects 0.000 description 1
- 229930195733 hydrocarbon Natural products 0.000 description 1
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 description 1
- 238000009776 industrial production Methods 0.000 description 1
- KSOKAHYVTMZFBJ-UHFFFAOYSA-N iron;methane Chemical compound C.[Fe].[Fe].[Fe] KSOKAHYVTMZFBJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- QMQXDJATSGGYDR-UHFFFAOYSA-N methylidyneiron Chemical compound [C].[Fe] QMQXDJATSGGYDR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 description 1
- 230000037361 pathway Effects 0.000 description 1
- 239000008188 pellet Substances 0.000 description 1
- 230000002028 premature Effects 0.000 description 1
- 239000000047 product Substances 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 1
- 230000009257 reactivity Effects 0.000 description 1
- 238000011946 reduction process Methods 0.000 description 1
- 238000002407 reforming Methods 0.000 description 1
- 239000011819 refractory material Substances 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 230000004580 weight loss Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C21—METALLURGY OF IRON
- C21B—MANUFACTURE OF IRON OR STEEL
- C21B13/00—Making spongy iron or liquid steel, by direct processes
- C21B13/0073—Selection or treatment of the reducing gases
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C21—METALLURGY OF IRON
- C21B—MANUFACTURE OF IRON OR STEEL
- C21B13/00—Making spongy iron or liquid steel, by direct processes
- C21B13/0033—In fluidised bed furnaces or apparatus containing a dispersion of the material
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C21—METALLURGY OF IRON
- C21B—MANUFACTURE OF IRON OR STEEL
- C21B13/00—Making spongy iron or liquid steel, by direct processes
- C21B13/02—Making spongy iron or liquid steel, by direct processes in shaft furnaces
- C21B13/023—Making spongy iron or liquid steel, by direct processes in shaft furnaces wherein iron or steel is obtained in a molten state
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C21—METALLURGY OF IRON
- C21B—MANUFACTURE OF IRON OR STEEL
- C21B13/00—Making spongy iron or liquid steel, by direct processes
- C21B13/12—Making spongy iron or liquid steel, by direct processes in electric furnaces
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C21—METALLURGY OF IRON
- C21B—MANUFACTURE OF IRON OR STEEL
- C21B13/00—Making spongy iron or liquid steel, by direct processes
- C21B13/14—Multi-stage processes processes carried out in different vessels or furnaces
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C21—METALLURGY OF IRON
- C21B—MANUFACTURE OF IRON OR STEEL
- C21B2100/00—Handling of exhaust gases produced during the manufacture of iron or steel
- C21B2100/20—Increasing the gas reduction potential of recycled exhaust gases
- C21B2100/26—Increasing the gas reduction potential of recycled exhaust gases by adding additional fuel in recirculation pipes
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C21—METALLURGY OF IRON
- C21B—MANUFACTURE OF IRON OR STEEL
- C21B2100/00—Handling of exhaust gases produced during the manufacture of iron or steel
- C21B2100/20—Increasing the gas reduction potential of recycled exhaust gases
- C21B2100/28—Increasing the gas reduction potential of recycled exhaust gases by separation
- C21B2100/282—Increasing the gas reduction potential of recycled exhaust gases by separation of carbon dioxide
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C21—METALLURGY OF IRON
- C21B—MANUFACTURE OF IRON OR STEEL
- C21B2100/00—Handling of exhaust gases produced during the manufacture of iron or steel
- C21B2100/40—Gas purification of exhaust gases to be recirculated or used in other metallurgical processes
- C21B2100/44—Removing particles, e.g. by scrubbing, dedusting
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C21—METALLURGY OF IRON
- C21B—MANUFACTURE OF IRON OR STEEL
- C21B2100/00—Handling of exhaust gases produced during the manufacture of iron or steel
- C21B2100/60—Process control or energy utilisation in the manufacture of iron or steel
- C21B2100/64—Controlling the physical properties of the gas, e.g. pressure or temperature
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Dispersion Chemistry (AREA)
- Manufacture Of Iron (AREA)
- Waste-Gas Treatment And Other Accessory Devices For Furnaces (AREA)
Abstract
본 발명은, 철광석을 해면철로 환원시키는 단계, 해면철을 탄소 함유 가스로 침탄시키는 단계, 침탄된 해면철을 용융시키고 그리고/또는 침탄된 해면철로부터 생성된 용용물을 처리하는 단계를 포함하는, 철 용융물 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따라, 침탄된 해면철을 용융할 때 그리고/또는 침탄된 해면철로부터 생성된 용융물을 처리할 때 발생하는 공정 가스의 적어도 일부가 탄소 함유 가스로서 재활용된다.
Description
본 발명은, 철광석을 해면철로 환원시키는 단계, 해면철을 탄소 함유 가스로 침탄시키는 단계, 침탄된 해면철을 용융시키고 그리고/또는 침탄된 해면철로부터 생성된 용용물을 처리하는 단계를 포함하는, 철 용융물 제조 방법에 관한 것이다.
직접 환원법(direct reduction process)에서는, 철광석으로부터 산소가 제거되는 고체 반응이 일어난다. 이를 위해, 가스화된 석탄 및/또는 천연가스 또는 탄화수소 함유 화합물, 그리고 언급된 사용 재료와 특히 수소의 혼합물 및/또는 탄소와 산소의 화합물이 환원 가스로서 사용된다. 최근의 경향은, 수소도 환원 가스로서 더 많이 제안되고 있다는 것이다. 반응이 고체 상태의 철광석의 녹는점 아래에서 일어남으로써, 특히 내부 형태는 넓은 의미에서 변하지 않고 유지된다. 철광석이 금속 생성물로 환원될 때 기본적으로 광석에 존재하는 산소만 제거된다. 산소 제거 시 대략 1/4 내지 1/3의 중량 감소가 나타나기 때문에, 반응 생성물의 벌집 모양 미세 구조(공기로 채워진 다수의 공간을 갖는 고체 다공성 철)가 생성된다. 따라서 직접 환원철("direct reduced iron")을 흔히 해면철("sponge iron")이라고도 한다.
또한, 출원인의 공개 특허 공보 DE 10 2019 217 631 A1호로부터, 환원 후에도 여전히 뜨거운 해면철이 특정 비율의 이산화탄소와 수소로 이루어진 혼합물을 포함하는 냉각 가스로 냉각되는 것이 추가로 공지되어 있다. 교시에 따르면 이를 통해 냉각 가스에 의해 해면철 내 탄소 함량이 증가할 수 있다.
미래의 1차 강철 생산을 위해, 용광로 경로는 지속적인 전세계적 강철 수요를 충족하기 위해 용융 어셈블리와 함께 직접 환원 설비로 점차 대체될 것이다. 이를 위해, 변화의 일환으로 기존 용광로에서 멀지 않은 작업장 바닥에 직접 환원 설비를 설치하여, 소정의 기간 동안 병행 운영도 수행할 수 있게 될 것이다(특히 EP 1 641 945 B1호 참조).
기후 관련 제약으로 인해 그리고 야심 찬 기후 목표를 달성하기 위해, 근래의 선행 기술에 따라 천연가스를 사용하여 운영되는 직접 환원 설비는 미래에는 수소 또는 수소 풍부 가스를 사용하여 운영될 것이다.
철-탄소 다이어그램으로부터, 용융될 고체 내 탄소 함량이 물질의 융합 엔탈피에 상당한 영향을 미치는 것으로 알려져 있다. 탄소 함량이 높을수록(최대 4.7 중량%) 용융 온도가 더 낮아져서, 필요한 에너지 양 또는 용융 어셈블리 내에서의 전극 소비량도 줄어든다. 온도가 낮다는 것은 용융 어셈블리 내에서 내화재가 덜 마모된다는 것을 의미한다. 또한, 복사 손실이 적으면 에너지 소비도 줄어든다.
통합 제련소 내에는 특히, 용광로에서 방출된 선철(pig iron)을 정련 및/또는 컨디셔닝하기 위한 강철 전로(steel converter)도 존재한다. 따라서 기존 어셈블리를 직접 환원 경로를 위해 작동할 수 있는 가능성도 존재한다. 특히 전로 내에서의 정련 시, 산소 취입 공정에서, 야금학적 관점에서 볼 때 정의된 비율의 탄소가 취입 공정에서 필요하다. 정의된 탄소를 제공하기 위하여, 예를 들어 DE 10 2019 217 631 A1호로부터, 해면철 내 탄소 함량을 목표한 대로 증가시키고 필요에 따라 조정할 수 있는 방법이 공지되어 있다.
본 발명의 과제는, 철 용융물의 CO2 중립 생산 또는 CO2 저감 생산 방식을 명시하기 위해 상기 방법을 개선하는 것이다.
상기 과제는, - 철광석을 해면철로 환원시키는 단계, - 해면철을 탄소 함유 가스로 침탄시키는 단계, - 침탄된 해면철을 용융시키고 그리고/또는 침탄된 해면철로부터 생성된 용용물을 처리하는 단계를 포함하는, 철 용융물 제조 방법에 의해 해결되며, 이 방법에서는 침탄된 해면철을 용융할 때 그리고/또는 침탄된 해면철로부터 생성된 용융물을 처리할 때 발생하는 공정 가스의 적어도 일부가 탄소 함유 가스로서 재활용된다.
철 용융물의 CO2 중립 생산 방식 또는 CO2 저감 생산 방식을 명시하기 위해, 발명자들은 공정 가스의 적어도 일부가 공정 체인에 활용될 수 있다는 것을 발견했다. 이는, 해면철 침탄을 위해 탄소 함유 가스 내에 존재하는 탄소가 적어도 부분적으로 재활용되기 때문에 100%까지 폐쇄 순환이 보장될 수 있다는 장점이 있다. 경제적 측면뿐만 아니라 환경적 관점에서도 상당한 장점이 보장된다. 재활용된 탄소 함유 가스가 해면철의 침탄 요건을 충족하지 못하면, 원하는 침탄 수준을 유지할 수 있기 위해, 재활용된 탄소 함유 가스에 추가 탄소 함유 매체가 공급될 수 있다. 기후 목표를 준수하기 위해, 일반적으로 지속 가능한 자원에서 유래하지 않는 생물 기원 탄소(biogenic carbon)에 반드시 의존할 필요는 없다.
해면철을 통과해서 흐르는 탄소 함유 가스로부터 유래하는 탄소로 해면철이 "침탄"됨으로써, 탄소가 해면철에 퇴적된다. 그런 다음, 퇴적된 탄소는 철과 결합하여 시멘타이트(Fe3C)를 형성한다. 탄소 함유 가스로 처리한 후 해면철의 탄소 함량은 0.5 중량% 초과, 특히 1.0 중량% 초과, 바람직하게는 1.5 중량% 초과 및 4.5 중량% 미만, 특히 4.0 중량% 미만, 바람직하게는 3.5 중량% 미만이다.
침탄된 해면철의 용융은 한 편으로는 용광로 내에서 또는 다른 한 편으로는 바람직하게 전기로(electrical furnace)에서 수행될 수 있다. 따라서, 탄소 함유 가스로서, 침탄된 해면철의 용융 시 생성되는 공정 가스의 적어도 일부가, 물질적으로 해면철을 침탄하기 위한 탄소 함유 가스로서 이용되는 용광로 가스{고로 가스(blast furnace gas)}의 형태로 또는 전기로 가스의 형태로 재활용될 수 있다.
대안적으로 또는 추가로, 추가 가공될 수 있도록 하기 위해 필요한 정도로 용융물의 탄소가 감소되어야 하는 경우, 침탄된 해면철로부터 생성된 용융물의 처리가 수행될 수 있다. 이는 예를 들어, 용융물로부터 일산화탄소 및/또는 이산화탄소 형태로 탄소를 방출하기 위해, 소위 산소 취입 공정에서 산소를 이용하여 수행될 수 있으며, 상기 산소 취입 공정은 노 내에서, 예를 들어 전기로 내에서, 특히 또 다른 단계에 통합될 수 있거나 통상적으로는 전로 내에서 수행될 수 있다. 침탄된 해면철로부터 생성된 용융물의 처리에 의해 생성되는 공정 가스는 탄소를 함유하고, 적어도 부분적으로 탄소 함유 가스로서 재활용될 수 있다.
적어도 부분적으로 재활용된 탄소 함유 가스로서의 공정 가스는 CO 비율 및/또는 CO2 비율을 포함한다. 재활용된 공정 가스 내에서 예컨대 질소 및/또는 질소 산화물과 같은 바람직하지 않은 공정 관련 트램프 원소(tramp element)를 줄이기 위해, 바람직하게, 50 부피% 초과, 특히 55 부피% 초과, 바람직하게는 60 부피% 초과, 바람직하게는 65 부피% 초과, 더 바람직하게는 70 부피% 초과의 CO 비율 및/또는 CO2 비율을 포함하는 탄소 함유 가스를 제공할 수 있도록, 분리 공정 및/또는 제거 공정이 제공될 수 있다.
탄소 함유 가스는 선택적으로 최대 15 부피%의 수증기(H2O) 및/또는 최대 30 부피%의 수소(H2) 비율을 포함할 수 있다. 선택적으로 질소(N2)의 비율이 존재해야 하는 경우, 이 비율은 특히 최대 25 부피%, 바람직하게는 최대 20 부피%, 바람직하게는 최대 15 부피%, 더 바람직하게는 최대 10 부피%의 함량으로 제한되어야 한다. 또한, 탄소 함유 가스는 예를 들어 황 화합물과 같은 불가피한 불순물도 2 부피%까지 함유할 수 있다.
용광로 내에서 그리고 또한 전기로 내에서 침탄된 해면철을 첨가하여, 특히 또 다른 첨가제 또는 혼합물의 공급을 통해서도, 용융 철을 제조하기 위한 공정 또는 작업 방식은 실무에서 잘 알려져 있다.
방법의 일 실시예에 따르면, 환원을 위해 수소 함유 환원 가스가 사용된다. 수소 함유 환원 가스는 메탄(CH4) 및/또는 수소(H2)를 주성분으로 포함한다.
이를 위해, 예를 들어 실질적으로 메탄을 포함하는 천연가스(NG)가 사용될 수 있다. 대안적으로, 특히 고려되는 전체 공정 체인에 걸쳐 자원을 보존하기 위해 그리고/또는 CO2 배출을 줄이기 위해, 예를 들어 바이오매스(biomass) 또는 바이오가스 생성물(biogas production)과 같은 재생 가능한 원료로부터도 메탄이, 따라서 사실상 바이오메탄이 생성될 수 있다.
수소 함유 환원 가스는 또한 메탄(CH4) 및 수소(H2)로 이루어진 혼합물도 함유할 수 있다.
수소 함유 환원 가스는 수소로 이루어질 수 있고 탄소가 없을 수 있다. 이로 인해, 수소만 사용하는 경우에는 그만큼 환원 작업이 더 효과적으로 수행될 수 있다. 수소는 예를 들어 개질 방법(reforming method) 또는 물 전기 분해(water electrolysis) 등의 다양한 방법으로 생산될 수 있다. 수소의 산업적 생산은 에너지 집약적이므로, 바람직하게는 재생 가능 에너지(바람, 물, 태양) 및/또는 예컨대 핵 에너지를 이용한 CO2 저감 기술이 적용되며, 화석 에너지는 전혀 이용되지 않거나 독점적으로 이용되지 않는다.
수소 함유 환원 가스는 수증기와 같은 또 다른 성분 및 예를 들어 황 화합물 및/또는 질소와 같은 불가피한 불순물을 함유할 수 있다.
방법의 일 실시예에 따르면, 수소 함유 환원 가스는 500 내지 1,200℃의 온도로 가열된다. 수소 함유 환원 가스는 공급되기 전에 가스 히터에서 철광석의 환원을 실행하기 위해 필요한 온도로 가열된다. (실질적으로 100%의) 수소가 공급되면, 특히 산소의 추가 제공 없이 그리고 이로써 산소에 의한 후연소(postcombustion) 없이 공급이 수행될 수 있으며, 말하자면 이를 통해 철광석의 환원을 위한 수소의 완전한 활용이 보장될 수 있고, 이로써 방법이 보다 경제적으로 운영될 수 있다. 철광석의 환원이 낮은 온도에서 일어날 수 있기 때문에(Baur-Glaessner 다이어그램 참조), 수소 비율에 따라 수소 함유 환원 가스를 그렇게 높은 공정 온도로 가열할 필요가 없다.
방법의 한 바람직한 실시예에 따르면, 용융은 전기로에서, 특히 수중 전기 아크로에서 수행된다. 수중 전기 아크로(Submerged Electric Arc Furnace, 약어로 SAF)는 전극과 장입물 및/또는 슬래그 사이에 아크를 형성하거나 줄 효과(joule effect)를 이용해서 장입물 및/또는 슬래그를 가열하는 아크 저항 가열식 용융로이다. SAF의 경우에는 전극(또는 여러 개가 존재한다면 전극들)이 장입물 및/또는 슬래그 내에 잠겨 있다. 기능 원리/작동 방식에 따라, 수중 전기 아크로는 교류 아크 환원로(SAFac) 또는 직류 아크 환원로(SAFdc)로서 구현될 수 있다. 상기 기능 원리/작동 방식은, 전극과 금속 사이에 아크를 형성하는 직접 아크 발생식 용융로(Electric Arc Furnace: EAF)와 다르다. 이 용융로는 교류 아크 용융로(EAFac), 직류 아크 용융로(EAFdc) 및 레이들 로(Ladle Furnace: LF)를 포함한다.
아크 저항 가열 기능을 갖춘 수중 전기로(SAF)를 사용할 때의 장점은, 이 전기로가 환원 분위기로 작동된다는 것이며, 반면에 직접 아크 작용을 하는 용융로(EAF)는 산화 분위기로 작동된다.
방법의 대안적인 일 실시예에 따르면, 용융은 용광로 내에서 수행된다.
환원 구역으로부터 유래하는, 예를 들어 최대 800℃ 이하의 온도를 갖는 해면철의 고온 사용이 불가능한 경우, 해면철은 추가 이송 및/또는 보관을 위해 냉각된다. 본 방법의 일 실시예에 따르면, 탄소 함유 가스는 해면철의 냉각을 위해 적어도 100℃ 미만의 온도로 공급된다. 탄소 함유 가스는 침탄을 위한 기능뿐만 아니라 해면철의 냉각을 위한 기능도 갖고 있다.
방법의 대안적인 일 실시예에 따르면, 탄소 함유 가스는 적어도 500℃의 온도로 공급된다. 상기 탄소 함유 가스는 공급되기 전에 가스 히터에서 필요한 온도로 가열된다. 이 변형예는 바람직하게 전기로 내에서 특히 해면철의 고온 사용을 위해 이용된다. 해면철의 온도가 더 높게 선택될수록, 해면철의 반응 역학은 더 나아진다. 효율을 향상시키기 위하여, 온도는 특히 600℃ 이상으로, 바람직하게는 700℃ 이상으로, 더 바람직하게는 800℃ 이상으로, 특히 바람직하게는 900℃ 이상으로, 더 바람직하게는 1,000℃ 이상으로 가열될 수 있다. 바람직하게 전기로 내로의 뜨거운 해면철의 문제없는 장입을 보장하고 해면철의 조기 용융을 방지할 수 있도록 하기 위해, 가열 시 해면철의 용융 온도가 초과되어서는 안 되므로, 온도는 최대 1,500℃, 특히 최대 1,400℃, 바람직하게는 1,300℃이어야 한다. 탄소 함유 가스는 침탄을 위한 기능뿐만 아니라 전기로 내에서의 용융을 위해 필요한 전기 에너지 소비를 줄이기 위해 해면철을 가열하기 위한 기능도 갖고 있다.
방법의 일 실시예에 따르면, 철광석은 수직 방향으로, 즉, 위로부터 아래로 고로(shaft furnace)를 통과한다. 이와 같은 고로는 기본 굴뚝 효과로 인해 환원 가스가 철광석을 잘 통과할 수 있게 한다.
특히, 환원 가스는 철광석의 이동 방향과 반대로 관류한다.
방법의 특별한 일 변형예에서는, 해면철이 고로의 하부에서 냉각되거나 가열된다. 이로 인해, 고로의 상부에서는 철광석의 환원이 이루어질 수 있고, 하부에서는 해면철의 냉각 또는 가열이 이루어질 수 있다. 따라서, 탄소 함유 가스도 기본 굴뚝 효과로 인해 해면철의 이동 방향과 반대로 해면철을 관류한다.
방법의 대안적인 일 변형예에 따르면, 철광석의 환원은 하나 또는 복수의 유동층 반응기(fluidized bed reactor) 내에서 수행될 수 있고, 해면철의 침탄은 하나 또는 복수의 유동층 반응기 내에서 수행될 수 있다. 유동층 반응기 내에서는, 미립자 고체층이 가스 분배기를 통해 아래로부터 연속으로 유입되는 가스에 의해 유동화된다. 이는 마찬가지로 가스와 고체 간의 효율적인 반응을 가능하게 한다.
본 발명은 도 1과 연계하여 이하의 실시예를 참조해서 더 상세하게 설명된다.
도 1에서는 고로(10)를 예로 들어 본 발명이 설명된다. 예를 들어 Fe2O3 및/또는 Fe3O4와 맥석을 포함하는 펠릿 형태의 철광석(FeO)은 고로(10)의 상단에서 도입된다. 고로(10)의 하단에서는 해면철이 인출된다. 고로(10) 내에는 환원 구역(11) 형태의 철광석 환원 영역 및 냉각 구역/가열 구역(12) 형태의 철광석 침탄 영역이 배치되어 있다. 이때, 환원 구역(11)이 냉각 구역/가열 구역(12) 위에 배치되어 있다. 수소 함유 환원 가스(41)는 환원 구역(11) 내에서 역류 원리로, 이로써 철광석의 이동 방향과 반대 방향으로 철광석을 관류한다. 수소 함유 환원 가스(41)는 유입되기 전에 가스 히터(30)를 통과하며 최대 1,200℃의 온도까지 가열된다. 수소 함유 환원 가스(41)는 천연 가스(메탄, CH4) 또는 수소(H2) 또는 이들의 혼합물인 신선 가스(FG)를 포함한다. 신선 가스(FG)는 고로(10)의 환원 구역(11)으로부터 배출된 공정 가스(40)로부터 처리되는 재활용 처리 가스(RG)와 혼합될 수 있다. 이때, 미사용 환원 가스로 구성된, 배출된 공정 가스(40)는 임의의 기체상 반응 생성물로 구성될 수 있다. 배출된 공정 가스(40)는 수소(H2), 적어도 하나의 탄소와 산소의 혼합물(CO, CO2) 및/또는 적어도 하나의 수소 함유 화합물(H2O) 및 불가피한 불순물을 포함할 수 있다. 배출된 공정 가스(40)는, 예를 들어 배출된 공정 가스(40)로부터 불가피한 불순물 중 적어도 일부가 분리되는 공정 가스 세정 및 탈진(dedusting)을 위한 장치에서, 공정 가스의 하나 이상의 화합물 또는 혼합물 및/또는 불가피한 불순물의 적어도 일부가 제거되고 그리고/또는 분리되는 제1 공정 단계에 공급될 수 있다. 그 다음 공정 단계에서 공정 가스는 하나의 장치, 예를 들어 응축기를 통해 통과되고 그에 따라 냉각되며, 그에 따라 공정 가스에 존재하는 수증기(H2O)가 응축됨으로써 공정 가스로부터 분리될 수 있다. 응축수의 응축 및 배출에 의해 공정 가스는 "제습"된다. 파선으로 표시된 "제습된" 공정 가스의 일부 또는 "제습된" 전체 공정 가스는 가스 히터(30, 31)의 점화를 위한 (부분) 가스 "a)"로서 사용될 수 있다. "제습된" 공정 가스가 충분히 이용될 수 없다면, 상응하는 연소 가스가 부분적으로 또는 전부 가스 히터(30, 31)의 점화를 위해 제공될 것이다. "제습된" 공정 가스의 일부 또는 "제습된" 전체 공정 가스가 가스 히터(30, 31)의 점화를 위해 제공되지 않는 경우, 만일 존재한다면 또 다른 공정 단계에서, 이산화탄소(CO2)가 예를 들어 스크러버(scrubber)에서 "제습된" 공정 가스로부터 분리될 수 있다. 이산화탄소가 제거된 공정 가스는 파선으로 표시된 바와 같이 부분적으로 또는 전부 (부분) 가스 "b)"로서 가스 히터(30, 31)의 점화를 위해 사용될 수 있다. (부분) 가스 "b)"가 충분히 이용될 수 없다면, 상응하는 연소 가스가 가스 히터(30, 31)의 점화를 위해 부분적으로 또는 전체적으로 제공될 것이다. 이산화탄소가 제거된 공정 가스 또는 재활용 처리된 가스(RG)는 또한 추가로 또는 대안적으로, 이 가스가, 특히 가스 히터(30) 내의 혼합물이 500 내지 1,200℃의 온도로 가열되기 전에, 신선 가스(FG)와 혼합됨으로써, 직접 환원의 또 다른 공정 단계에 재차 공급될 수 있다. 선택적으로, 따라서 파선으로 표시된 바와 같이, 환원 구역(11) 내에서 수소 함유 환원 가스(41)의 반응성을 높이고 이로써 열 도입을 증가시키기 위해, 산소(O2)가 고온의 환원 가스(41)에 추가로 공급될 수 있다.
환원 구역(11)을 벗어난 후, 해면철은 냉각 구역/가열 구역(12)으로 들어간다. 이때, 해면철은 최대 800℃의 온도를 갖는다. 냉각 구역/가열 구역(12)에서도 탄소 함유 가스(42)가 해면철의 이동 방향과 반대 방향으로 해면철을 관류한다. 미사용 냉각 가스는 임의의 기체상 반응 생성물과 함께 공정 가스(43)로서 다시 배출된다. 용도에 따라, 탄소 함유 가스(42)는 해면철을 냉각하기 위해 100℃ 미만의 온도로 공급될 수 있거나, 해면철을 가열하기 위해 500℃ 이상의 온도로 공급될 수 있다.
침탄된 해면철(Fe3C)은 맥석과 함께 고로(10)의 하부 영역에서 회수되고, 가열된 상태에서 바람직하게 용융을 위한 수중 전기 아크로(20)로서의 전기로에 직접 공급되거나, 냉각된 상태에서 용광로(50)로 계속 이송되거나, 도시되지는 않았지만 냉각된 상태에서 보관을 위해 제공된다.
침탄된 해면철(Fe3C)의 용융 시, 전기로(20)와 용광로(50) 모두에서 첨가물 또는 혼화재(X)가 투입될 수 있다.
어떻게 철 용융물이 회수되어 추가 처리 단계에 공급되는지는 도시되어 있지 않다. 바람직하게, 철 용융물은 전기로(20)로부터 또는 용광로(50)로부터, 용융물의 탄소를 필요한 정도로 감소시키기 위해, 침탄된 해면철로부터 생성되는 용융물을 처리하는 데 제공된다. 이는 예를 들어 이른바 산소 취입 공정에서 산소를 이용하여, 특히 바람직하게는 전로 내에서 수행된다. 침탄된 해면철로부터 생성되는 용융물의 처리에 의해 발생하는 공정 가스는 탄소를 함유하며, 적어도 부분적으로 탄소 함유 가스로서 재활용된다. 원하는 침탄 수준이 유지될 수 있다면, 탄소 함유 매체를 첨가할 필요가 없으며, 재활용된 공정 가스가 침탄을 위한 탄소 함유 가스로서 충분하다.
철광석(FeO)을 해면철로 직접 환원하기 위한 선호되는 작동 모드는 수소(H2)를 신선 가스(FG)로서, 그리고 이에 따라 재활용 처리된 가스(RG)와의 혼합을 거치지 않고 500 내지 1,200℃의 온도로 가열된 후에 고로(10)의 환원 구역(11) 내로 유입되는 수소 함유 환원 가스(41)로서 제공한다. 환원 구역(11) 위에서 고로(10)로부터 배출되는 공정 가스(40)는 도 1에 파선으로 도시된 바와 같이 "제습" 후에 완전히 연소 가스로서(가스 "a)"로서) 가스 히터(30, 31)에 공급되며, 신선 가스(FG)에는 공급되지 않아 신선 가스와 혼합되지 않는다.
바람직한 작동 모드의 제1 변형예에서, 주성분으로서 CO 비율 및/또는 CO2 비율을 갖는 탄소 함유 가스(42)가 침탄 및 냉각을 위해 냉각 구역(12)으로 유입된다. 침탄되고 냉각된 해면철은 용융을 위해 용광로(50) 내로 유입될 수 있거나 전기로(20) 내로도 투입될 수 있다. 해면철의 사용에 따라, 용광로(50)에서 나온 공정 가스 또는 전기로(20)에서 나온 공정 가스가 탄소 함유 가스(42)로서 제공될 수 있다. 대안적으로 또는 추가로, 침탄된 해면철로부터 생성된 용융물의 처리로부터 발생하는 공정 가스도 적어도 부분적으로 탄소 함유 가스로서 재활용될 수 있다.
바람직한 작동 모드의 제2 변형예에서는, 주성분으로서 CO 비율 및/또는 CO2 비율을 갖는 탄소 함유 가스(42)가 침탄 및 가열을 위해 가열 구역(12) 내로 유입된다. 침탄되고 가열된 해면철이 전기로(20) 내로 투입됨으로써, 용융을 위해 필요한 전기 에너지 소비가 줄어들 수 있다. 전기로(20)로부터 나오는 공정 가스가 탄소 함유 가스(42)로서 제공될 수 있다. 대안적으로 또는 추가로, 침탄된 해면철로부터 생성된 용융물의 처리로부터 발생하는 공정 가스도 적어도 부분적으로 탄소 함유 가스로서 재활용될 수 있다.
재활용된 공정 가스는 필요 시, 예를 들어 질소 함량을 25% 미만으로 설정하기 위해, 탄소 함유 가스(42)로서 제공되기 전에 바람직하지 않은 트램프 원소를 분리하기 위한 장치에 공급될 수 있는 점은 도시되어 있지 않다.
대안적으로 그리고 여기에는 도시되어 있지 않지만, 본 발명은 유동층 반응기의 캐스케이드에서도 수행될 수 있다. 이 경우, 하나 이상의 유동층 반응기는 환원 구역을 형성하고, 상황에 따라 하나 이상의 또 다른 유동층 반응기가 냉각 구역 또는 가열 구역으로서의 캐스케이드에서 각각 침탄과 결합된다. 이로써, 제1 유동층 반응기 내의 철광석은 상황에 따라 제2 유동층 반응기에서도 연속적으로 그리고 단계적으로 해면철로 변환될 수 있다. 최종 유동층 반응기에서, 그리고 상황에 따라 2개의 최종 유동층 반응기 모두에서 해면철은 침탄되는 것 외에도 탄소 함유 가스의 온도에 따라 냉각되거나 가열된다. 이 원리는 실질적으로 고로의 원리와 일치하지만, 하나의 샤프트 대신 복수의 유동층 반응기로 분할된다. 유동층 반응기의 개수는 필요에 따라 상호 연결될 수 있다.
Claims (10)
- 철 용융물을 제조하기 위한 방법이며, 하기 단계:
철광석을 해면철로 환원시키는 단계,
해면철을 탄소 함유 가스로 침탄시키는 단계,
침탄된 해면철을 용융시키고 그리고/또는 침탄된 해면철로부터 생성된 용용물을 처리하는 단계를 포함하는, 철 용융물 제조 방법에 있어서,
침탄된 해면철을 용융할 때 그리고/또는 침탄된 해면철로부터 생성된 용융물을 처리할 때 발생하는 공정 가스의 적어도 일부가 탄소 함유 가스로서 재활용되는 것을 특징으로 하는, 철 용융물 제조 방법. - 제1항에 있어서, 환원을 위해 수소 함유 환원 가스가 사용되는, 철 용융물 제조 방법.
- 제2항에 있어서, 상기 수소 함유 환원 가스가 500 내지 1,200℃의 온도로 가열되는, 철 용융물 제조 방법.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 용융이 수중 전기 아크로에서 수행되는, 철 용융물 제조 방법.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 용융이 용광로에서 수행되는, 철 용융물 제조 방법.
- 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 탄소 함유 가스는 해면철의 냉각을 위해 100℃ 미만의 온도로 공급되는, 철 용융물 제조 방법.
- 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 탄소 함유 가스는 해면철의 가열을 위해 500℃ 이상의 온도로 공급되는, 철 용융물 제조 방법.
- 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 철광석은 고로를 수직 방향으로 통과하는, 철 용융물 제조 방법.
- 제8항에 있어서, 상기 고로의 하부에서 해면철이 냉각되거나 가열되는, 철 용융물 제조 방법.
- 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 철광석의 환원은 하나 또는 복수의 유동층 반응기 내에서 수행되고, 해면철의 침탄은 하나 또는 복수의 유동층 반응기 내에서 수행되는, 철 용융물 제조 방법.
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE102021122351.2A DE102021122351A1 (de) | 2021-08-30 | 2021-08-30 | Verfahren zur Herstellung einer Eisenschmelze |
| DE102021122351.2 | 2021-08-30 | ||
| PCT/EP2022/073307 WO2023030944A1 (de) | 2021-08-30 | 2022-08-22 | Verfahren zur herstellung einer eisenschmelze |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20240041974A true KR20240041974A (ko) | 2024-04-01 |
Family
ID=83280581
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020247006542A KR20240041974A (ko) | 2021-08-30 | 2022-08-22 | 철 용융물을 제조하는 방법 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20240041974A (ko) |
| CN (1) | CN117881799A (ko) |
| DE (1) | DE102021122351A1 (ko) |
| WO (1) | WO2023030944A1 (ko) |
Family Cites Families (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB2026548B (en) * | 1978-07-26 | 1983-03-30 | Cons Natural Gas Svc | Production of intermediate hot metal for steemaking |
| US4216011A (en) * | 1979-04-23 | 1980-08-05 | Hylsa, S.A. | Method and apparatus for the secondary gaseous reduction of metal ores |
| US4224057A (en) * | 1979-08-20 | 1980-09-23 | Hylsa, S.A. | Method for carburizing sponge iron |
| US4246024A (en) * | 1979-10-31 | 1981-01-20 | Grupo Industrial Alfa, S.A. | Method for the gaseous reduction of metal ores using reducing gas produced by gasification of solid or liquid fossil fuels |
| DE3503493A1 (de) | 1985-01-31 | 1986-08-14 | Korf Engineering GmbH, 4000 Düsseldorf | Verfahren zur herstellung von roheisen |
| DE19717304C2 (de) * | 1997-04-24 | 1999-05-27 | Metallgesellschaft Ag | Verfahren zum Erzeugen von Eisencarbid aus körnigem Eisenschwamm |
| BRPI0410313A (pt) | 2003-05-15 | 2006-05-23 | Hylsa Sa | método e aparelho para uso aperfeiçoado de fontes de energia primárias em usinas de aço integradas |
| DE102013104002A1 (de) * | 2013-04-19 | 2014-10-23 | Voestalpine Stahl Gmbh | Verfahren zum Aufheizen von Prozessgasen für Direktreduktionsanlagen |
| DE102019217631B4 (de) | 2019-11-15 | 2024-05-29 | Thyssenkrupp Steel Europe Ag | Verfahren zur Direktreduktion von Eisenerz |
-
2021
- 2021-08-30 DE DE102021122351.2A patent/DE102021122351A1/de active Pending
-
2022
- 2022-08-22 KR KR1020247006542A patent/KR20240041974A/ko unknown
- 2022-08-22 CN CN202280059158.9A patent/CN117881799A/zh active Pending
- 2022-08-22 WO PCT/EP2022/073307 patent/WO2023030944A1/de active Application Filing
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2023030944A1 (de) | 2023-03-09 |
| DE102021122351A1 (de) | 2023-03-02 |
| CN117881799A (zh) | 2024-04-12 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| AU2009272944B2 (en) | Method and system for energy-optimized and CO2 emission-optimized iron production | |
| EP2798293B1 (en) | Method of producing molten iron in a blast furnace with top-gas recycle | |
| JP5857054B2 (ja) | 水素および一酸化炭素を含有した還元ガスを供給源として用いて直接還元鉄を製造する方法並びに装置 | |
| RU2533991C2 (ru) | Способ получения чугуна, стальных полупродуктов и восстановительного газа и установка для его осуществления | |
| Kurunov | The direct production of iron and alternatives to the blast furnace in iron metallurgy for the 21st century | |
| RU2496884C2 (ru) | Способ выплавки чугуна с возвратом колошникового газа при добавлении углеводородов | |
| EP3027778B1 (en) | Reduction of iron oxide to metallic iron using coke oven gas and oxygen steelmaking furnace gas | |
| JP2004309067A (ja) | 高炉ガスの利用方法 | |
| CA2412530C (en) | Method and installation for the indirect reduction of particulate oxide-containing ores | |
| RU2304620C2 (ru) | Способ прямого восстановления оксидов железа и получения расплава железа и установка для его осуществления | |
| KR101384802B1 (ko) | 용철제조장치 및 용철제조방법 | |
| KR20240041974A (ko) | 철 용융물을 제조하는 방법 | |
| RU2217505C1 (ru) | Способ переработки никельсодержащего железорудного сырья | |
| AU2022333208A1 (en) | Method for producing a melt containing manganese | |
| Buttiens et al. | Technologies to reduce environmental burdens. Evolutions in Europe | |
| JP2024508605A (ja) | 直接還元プロセスにおける抽出ガス回収 | |
| KR20240056527A (ko) | 철 생산물 생산을 위한 야금 공장의 작동 방법 | |
| EA045892B1 (ru) | Способ эксплуатации металлургической установки для производства железных продуктов | |
| JPH09209017A (ja) | 廃棄物を処理する銑鉄製造法 | |
| GB2428428A (en) | Methods of operating a zinc-producing blast furnace |