HIsmelt 제철 공정

HI제철 공정

HIsmelt 공정은 간단하면서도 혁신적인 공기 기반 직접 제련 기술입니다. 이 공정은 철광석 미분 또는 기타 적절한 철 공급 재료를 사용하여 액체 철(뜨거운 금속)을 생산하기 위한 것입니다. 제련은 환원제와 에너지원 재료로 석탄을 사용하는 용융 철조에서 수행됩니다. 공정에 필요한 주요 원료는 철광석 미분말, 석탄 및 플럭스(석회석 및 백운석)입니다.

HIsmelt는 '고강도 제련'의 약자입니다. 철광석에서 직접 액체 철을 만드는 직접 제련 공정입니다. 이 공정은 최소한의 전처리로 철광석 미분을 처리하도록 개발되어 처리할 수 있는 철광석의 품질 측면에서 공정을 보다 유연하게 만듭니다. 이 공정에서는 비점결탄과 불순물이 많은 철광석을 사용할 수 있습니다. 이 공정의 주요 제품은 철강 용해 공장에서 사용하거나 선철을 생산하기 위해 선금 주조기에서 주조할 수 있는 액체 철 또는 열간 금속입니다. 공정의 부산물은 슬래그와 오프 가스입니다.

이 대안적인 제철의 원동력은 (i) 비점결탄 및 응집되지 않은 광석과 같은 더 저렴하고 풍부한 원자재를 활용할 수 있는 능력, (ii) 더 작은 경제적 공장 크기, (iii) 경쟁력 있는 자본 및 운영 비용, (iv) 코크스 오븐 및 소결/펠릿 공장의 제거를 통한 환경 문제 감소 및 (v) 운영의 유연성. HIsmelt 공정은 제철소 폐기물 및 고인광석을 포함한 광범위한 철 공급물을 사용할 수 있기 때문에 매우 유연합니다. 이 공정은 일반적인 소결로 원료인 마이너스 6mm 크기의 광석을 사용할 수 있으며, 공정 중 철 수율의 변화 없이 일반적인 펠렛 원료인 40마이크로미터보다 80% 미세한 광석을 처리할 수 있습니다. . 코크스 산탄에서 38% 휘발성 비점결탄에 이르는 석탄을 사용할 수 있습니다.

프로세스의 주요 기능

HIsmelt 프로세스는 간단하며 높은 수준의 신뢰성을 입증했습니다. HIsmelt 공정의 기본 메커니즘은 금속 욕에서 탄소가 용해된 철 함유 광석의 환원 및 제련입니다. 이는 석탄을 직접 수조에 주입하고 부분 연소하고, 산소가 풍부한 뜨거운 공기 분사를 통해 수조에서 방출된 가스의 사후 연소에 의해 생성된 열을 수조로 다시 전달함으로써 달성됩니다. 열풍의 산소 농축(산소 함량 최대 30%)은 선박의 작동 강도를 높이는 데 성공적으로 활용되어 생산성이 증가할 것으로 예상됩니다. 전반적인 반응과 열전달 메커니즘은 환원 반응과 철 및 슬래그의 제련을 위한 열을 유지하기에 충분한 에너지를 제공합니다.

이 공정은 HIsmelt 공정의 핵심인 압력을 받는 수직 SRV(Smelt Reduction Vessel) 내에서 발생합니다(그림 1). SRV에는 내화 라이닝된 노상과 수냉식 상부 쉘이 있습니다. 프로세스는 이 용기에서 수행됩니다. 내화 노로는 용철 욕조와 액체 슬래그를 포함합니다. 두꺼운 슬래그 층이 금속 수조 위에 위치합니다. 철광석 미분, 석탄 및 플럭스는 SRV의 용융물에 직접 주입됩니다. 철욕과 접촉하면 석탄에 있는 탄소가 용해되어 철 함유 공급물에 있는 산화물과 반응하여 일산화탄소(CO)를 형성합니다. 석탄의 급속 가열은 또한 수소를 방출하는 석탄 휘발성 물질의 균열을 초래합니다.

그림 1 HIsmelt의 제련 환원 용기

주로 슬래그로 구성된 용융 물질의 샘은 용융 수조에서 CO, 수소 및 질소 운반 가스의 빠른 배출에 의해 상부 공간으로 분출됩니다. 1,200℃의 뜨거운 공기가 수냉식 랜스를 통해 상부 공간으로 불어옵니다. CO와 수소는 뜨거운 공기 분사의 산소와 함께 후연소됩니다. 가열된 금속과 슬래그는 철광석의 직접 제련을 위한 에너지를 제공하는 수조로 다시 떨어집니다. 배출된 슬래그는 수냉식 패널을 코팅하여 에너지 손실을 줄입니다.

공정에서 나오는 배출 가스는 멤브레인 튜브 후드에서 부분적으로 냉각됩니다. 오프 가스의 현명하고 화학적인 에너지는 금속 공급물 및 플럭스의 일부 예열, 사전 환원 및/또는 하소에 영향을 미치는 데 사용될 수 있습니다. 그런 다음 배출 가스는 스크러버에서 청소되어 열풍 난로 또는 열병합 발전소의 연료로 사용됩니다.

용기에는 뜨거운 금속을 연속적으로 두드리기 위한 전로가 장착되어 있습니다. 이는 SRV 내에서 최적의 수조 수준을 유지하고 외부 슬래그 및 금속 분리 없이 깨끗한 제품 스트림을 제공합니다. 슬래그는 수냉식 노치를 통해 주기적으로 두드립니다.

HIsmelt 공정에는 다른 직접 제련 공정과 차별화되는 여러 가지 고유한 기능이 있습니다. 이러한 기능은 다음과 같습니다.

• 공정은 금속 수조를 1차 반응 매질로 사용합니다. 다른 직접 제련 공정은 일반적으로 광석과 석탄을 상부 공급하며, 슬래그 층의 숯(및 소량의 금속)을 통해 제련합니다. 금속에 용해된 탄소는 슬래그에 있는 숯보다 더 쉽게 구할 수 있는 환원제입니다. 왜냐하면 슬래그에는 중간 기체상(CO)이 필요하기 때문입니다. 즉, HIsmelt 공정은 보다 활성(즉, 용해된) 형태의 탄소를 사용하여 훨씬 더 빠른 제련 속도를 달성합니다.
• 또 다른 차별화 요소는 용융물의 혼합 정도입니다. 공급 재료를 금속에 직접 주입하면 다량의 '심층' 가스가 생성됩니다. 이것은 강한 부력으로 인한 상향 기둥을 생성하여 액체의 빠른 회전을 유발합니다. 이 회전율은 초당 톤 정도인 것으로 계산되었습니다. 이러한 조건에서는 액상에서 상당한 온도 구배(섭씨 20도에서 30도 이상)를 설정할 가능성이 거의 없으며 시스템은 (본질적으로) 등온 용융물로 작동합니다. 빠른 질량 회전은 개별 액체 방울의 심각한 과열 없이 상단 공간에서 수조로의 우수한 열 전달을 촉진합니다. 슬래그 라인 지역의 노상 내화물에 대한 의미는 매우 중요합니다. 잘 혼합되면 벽돌이 낮은 FeO 및 균일한(저온) 온도에 노출되기 때문입니다.
• 고체 사출 방식은 고속 랜스를 사용하여 용융물의 포집 효율이 높고 초미립자도 직접 사용할 수 있습니다.
• 4%의 금속 탄소와 함께 슬래그의 '천연' 5% ~ 6% FeO 수준은 금속에서 슬래그로의 인의 강력한 분할을 위한 조건을 만듭니다. 일반적으로 인의 약 80~90%가 슬래그로 이동합니다(그림 2).
• 석탄은 분사용으로 미세하게 분쇄되기 때문에 석탄 성능은 입자 형태에 거의 의존하지 않습니다.

그림 2 HRDF의 SRV 및 SRV에서 인 제거 조건

역사적 프로세스 개발  

HIsmelt 공정의 기원은 바닥 취입 산소 전환 공정(OBM)과 Klöckner Werke가 Maxhütte 철강 공장에서 개발한 결합 취입 제강 공정의 발전으로 거슬러 올라갑니다. CRA(현재 Rio Tinto)는 제강 및 제련 환원 기술을 추구하기 위해 1981년 Klöckner Werke와 합작 투자를 설립했습니다. 60톤 OBM 전로에서 제련 환원 공정의 기본 사항을 입증하기 위해 시험이 수행되었습니다. 제련 감소 개념의 성공적인 테스트는 Maxhütte 제철소에 위치한 연간 약 12,000톤의 소규모 파일럿 플랜트(SSPP)로 이어졌습니다. SSPP의 설계는 석탄, 플럭스 및 철광석 주입을 위해 하부 송풍구를 사용하는 수평 회전 SRV를 기반으로 했습니다. SSPP는 1984년부터 1990년까지 운영되었으며 기술의 실행 가능성을 입증했습니다.

공정 개발의 다음 단계는 서호주 Kwinana에 건설된 HIsmelt 연구 개발 시설(HRDF)이었습니다. HRDF의 건설은 1991년에 시작되었습니다. HRDF의 설계 용량은 연간 100,000톤이었습니다. HRDF의 주요 목적은 핵심 공장의 공정 및 엔지니어링 규모 확장을 시연하고 상업적 평가를 위한 운영 데이터를 제공하는 것이었습니다. Kwinana의 원래 SRV 구성은 SSPP의 SRV를 직접 확장한 것으로 90도 회전이 가능한 수평 모양의 선박을 기반으로 했습니다. 수평형 선박은 1993년 10월부터 1996년 8월까지 운영되었습니다. 공정의 규모 확장이 성공적으로 입증되었지만 수평형 선박을 설계하는 복잡성으로 인해 상업적 실행 가능성이 제한되었습니다.

이러한 결점을 극복하기 위해 수냉식 수직 선박용 설계가 개발되었습니다. 수직 SRV(그림 2)에 대한 설계 및 엔지니어링은 1996년에 완료되었습니다. 설계에 통합된 주요 개선 사항에는 고정된 수직 용기, 고체 원료의 상부 주입, 단순화된 열풍 블라스트 랜스, 고온의 연속 태핑을 위한 전로가 포함되었습니다. 내화 마모 문제를 극복하기 위한 금속 및 수냉식 패널.

HRDF 수직 제련 환원 선박은 1997년 상반기에 시운전되어 1999년 5월까지 운영되었습니다. 수직 선박은 내화물 마모, 신뢰성, 가용성, 생산성 및 설계 단순성 측면에서 주요 개선 사항을 보여주었습니다. 이 선박은 높은 수준의 기술적 성과와 단순한 엔지니어링 개념 및 플랜트 기술을 결합하여 성공적인 직접 제철 제철 기술을 위한 모든 핵심 요구 사항을 충족했습니다. 이 작업 단계를 통해 프로세스가 상업 공장 수준으로 확장될 준비가 되었음을 확인했습니다.

2002년 연간 800,000톤 규모의 HIsmelt를 건설 운영할 목적으로 Rio Tinto(60%), Nucor Corporation(25%), Mitsubishi Corporation(10%), Shougang Corporation(5%) 간에 합작 투자가 설립되었습니다. 공장. 서호주 Kwinana에 위치한 상업 선철 시설은 6미터 지름의 SRV로 설계 및 설계되었습니다. 공장 건설은 2003년 1월에 시작되었습니다. 2004년 하반기에 냉간 시운전이 시작되었고 2005년 2분기에 고온 시운전이 수행되었습니다. 공장은 열선 톤당 810kg의 석탄 비율.

2008년 경제 상황으로 인해 Kwinana 공장이 폐쇄되었고 2014년 Kwinana 장비 중 일부가 호주에서 중국으로 이전되었습니다. 새로운 HIsmelt 공장은 산둥성 Shouguang 항구 근처에 위치하고 있으며 민간 철강 회사인 Molong Petroleum Machinery Limited가 소유 및 운영하고 있습니다. Molong HIsmelt 공장은 2016년에 가동을 시작했으며 이전에 Molong이 사용했던 지역 미니 고로보다 저렴한 비용으로 용선을 생산했습니다. 뜨거운 금속 국자는 도로 차량을 통해 HIsmelt 공장에서 남쪽으로 40km 떨어진 Molong 기본 산소 제강 공장으로 배달됩니다. 2017년 Molong은 중국 및 해외의 다른 사용자에게 기술 라이선스를 부여하기 위해 Rio Tinto로부터 HIsmelt 지적 재산을 구입했습니다.

프로세스

그림 1에 묘사된 HIsmelt 공정은 약 1450℃의 용융 철조에 고체 물질(석탄, 철광석 및 플럭스)을 고속 주입하는 것을 포함합니다. 이 공정의 기본 메커니즘은 철의 환원 및 제련입니다. 욕조에 용해된 탄소가 있는 베어링 광석. 이 공정은 아래쪽으로 기울어진 수냉식 주입 랜스를 통해 석탄과 광석을 용융물에 고속 주입하는 방식을 사용합니다. 가열 및 탈휘 후 주입된 석탄은 용해되어 용탕 내 탄소를 약 4% 정도 유지하고 환원 반응에 사용되는 탄소를 보충한다. 주입된 철광석 미분은 수조 깊숙이 주입되어 용융이 일어나기 위해 수조에 용해된 탄소와 접촉하는 즉시 환원됩니다. 이 환원 반응은 철과 CO를 생성합니다. SRV의 하부는 이 환원 반응이 일어나도록 하기 위해 낮은 산소 포텐셜에서 유지되고 반응 동역학은 슬래그 내 FeO(산화철)의 약 5% ~ 6%에서 균형을 이룹니다.

수조 내 깊은 곳에서 생성되는 반응 가스(CO) 및 석탄 휘발 생성물은 대부분 슬래그와 일부 금속의 분수(튀김)를 형성합니다. 필요한 열 균형을 유지하기 위한 열 공급은 SRV 상부에서 반응 가스(대부분 CO)의 연소에 의해 이루어집니다. 1,200℃에서 산소가 풍부한(일반적으로 35%) 열풍이 탑 랜스를 통해 도입되고 수조 내에서 생성된 가스를 효율적으로 연소시키고 많은 양의 에너지를 방출합니다. 이 연소는 SRV 상부의 상대적으로 산화되는 영역에서 발생합니다. 상부(산화) 영역에서 하부(환원) 영역으로의 열 전달은 산소 포텐셜 구배가 유지되는 방식으로 이루어집니다. 이것은 두 영역 사이를 이동하는 많은 양의 액체 스플래시를 통해 수행됩니다. 액체 슬래그와 금속 튀김은 열을 전달하는 역할을 합니다.

재료의 주입은 철욕으로의 고형물의 상당한 침투가 이루어지도록 배열되어 탄소가 금속으로 용해되고 방정식 3[C]철 + Fe2O3 =2로 주어진 전체 반응을 통해 철광석이 환원됩니다. [Fe]철 + 3CO. 이 반응은 매우 흡열적이며 프로세스가 지속되려면 외부 열 공급이 필요합니다. 수조에서 방출된 CO와 수소는 이 열을 생성하기 위한 연료를 제공합니다. 열풍(1,200℃에서 산소가 풍부한 공기)이 중앙 스월 랜스를 통해 상단 공간으로 주입되고 방정식 2CO + O2 =2CO2 및 2H2 + O2 =에 따라 수조 가스를 이산화탄소와 물로 연소시키기 위해 연소가 발생합니다. 2H2O.

이론적으로 이 배스 가스의 전체 연소를 달성하는 것이 바람직하지만 실제로는 약 50% ~ 60%의 후연소가 일반적으로 달성됩니다. 연소 후(PC)는 방정식 PC(%) =100(CO2 =H2O) / (CO + CO2 + H2 + H2O)로 주어진 연소 종의 체적 농도의 비율로 정의됩니다.

용융은 산소 포텐셜이 낮은 용융물에서 발생하고 열 발생은 산소 포텐셜이 상대적으로 높은 상부 공간에서 발생합니다. 이 공정의 핵심은 두 구역의 산소 포텐셜을 손상시키지 않으면서 연소 구역에서 제련 구역으로 열을 이동시키는 것입니다.

CO 및 H2가 욕에서 제련될 때 방출되는 속도는 액체의 격렬한 분출이 생성되는 정도입니다. 금속과 슬래그는 위로 던져져 열 전달을 위한 높은 표면적을 가진 가스 투과성 분수(튀김)를 형성합니다. 뜨거운 연소 가스는 이 분수대를 통과하여 열을 슬래그와 금속 방울로 전달하여 이 열을 욕조로 전달합니다. 금속은 오버플로 전로(이는 효과적으로 액체 금속 압력계 씰임)를 통해 계속해서 용기를 떠나는 반면, 슬래그는 수냉식 슬래그 노치를 통해 용기의 측벽을 통해 주기적으로 두드립니다.

이 공정의 주요 제품은 뜨거운 금속입니다. 뜨거운 금속은 열린 전로를 통해 지속적으로 두드리고 슬래그가 없습니다. 뜨거운 금속의 일반적인 온도는 약 1,420 ° C ~ 1,450 ° C이며 뜨거운 금속의 일반적인 구성은 탄소 – 4.4 % +/- 0.15 %, 실리콘 – 0.01 % 미만, 망간 – 0.02 % 미만, 인 – 미만입니다. 0.02 % +/- 0.01 % 및 황 - 0.1 % +/- 0.05 %

SRV의 상대적인 산화 분위기와 저온 슬래그는 슬래그로 분할되는 공급 재료의 인의 90~95%를 생성합니다(그림 2). 따라서 이 공정은 인 함량이 높은 광석을 사용할 수 있는 유연성을 가지고 있습니다.

슬래그는 슬래그 노치를 통해 배치 탭핑되기 때문에 뜨거운 금속에는 슬래그가 없습니다. 고온 금속은 고온 금속 탈황 플랜트에서 처리되어 고온 금속의 황 수준을 0.05% 미만으로 낮출 수 있습니다. HIsmelt 공정의 일반적인 흐름도는 그림 3에 나와 있습니다.

그림 3 HIsmelt 프로세스의 일반적인 흐름도 

SRV에서 배출되는 가스는 복사 보일러 후드에 의해 1500℃에서 800℃로 냉각되고 뜨거운 사이클론에서 부분적으로 세척된 다음 대류 보일러 시스템을 통해 200℃로 추가 냉각됩니다. 복사 및 대류 보일러는 가스 보일러에 있는 증기 드럼으로 흐르는 포화 증기를 생성합니다.

대류식 보일러에서 나오는 SRV 배출 가스는 급랭, 세정 및 물 분무를 통해 냉각되고 덕트를 통해 순환되어 열풍 스토브 및 배출 가스 보일러의 연료로 사용됩니다. 오프 가스 보일러에서 초과 SRV 오프 가스는 연소되고 복사, 대류 및 오프 가스 보일러의 포화 증기를 과열시킵니다. 이 과열 증기는 HIsmelt 플랜트, 보조 시설을 가동하고 초과 전력을 로컬 그리드로 보내기에 충분한 전력을 생성하는 증기 터빈으로 흐릅니다. 오프 가스 보일러와 스토브의 배기 가스는 석회 슬러리로 문질러서 대기로 배출되기 전에 가스의 황을 제거합니다.

공정의 부산물은 슬래그와 배출 가스입니다. 슬래그는 철광석의 맥석과 석탄의 재를 석회 및 백운석과 함께 용융시켜 형성됩니다. 슬래그는 추가 처리를 위해 알갱이로 만들거나 구덩이로 보낼 수 있습니다. 그런 다음 시멘트 제조, 도로 기반 또는 토양 조절과 같은 다양한 목적을 위한 원료로 사용할 수 있습니다. 공정에서 나오는 배출 가스는 일반적으로 50~60%의 후 연소도를 갖습니다. 이러한 가스는 고온에서 SRV의 상단에서 빠져나가며 고로 가스와 유사한 에너지 값을 갖습니다. 세척, 냉각 및 연료 및 발전용으로 사용됩니다.

HIsmelt 공정은 매우 유연합니다. 공정의 반응성이 높기 때문에 철광석, 석탄 및 플럭스가 거의 즉각적으로 금속, 슬래그 및 에너지로 전환됩니다. 공정 기능을 통해 제품 품질에 영향을 주지 않고 원료 공급 속도를 매우 효율적으로 변경할 수 있습니다. 이러한 작동 유연성은 안정적인 작동 창을 유지하기 쉽기 때문에 생산성을 극대화합니다. 용광로와 달리 HIsmelt 공정은 쉽게 시작, 중지 또는 정지할 수 있습니다. 그림 4는 HIsmelt 공장의 레이아웃을 보여줍니다.

그림 4 HIsmelt 공장의 레이아웃

환경적 이점

HIsmelt 공정의 환경적 이점은 상당합니다. 코크스, 소결체 및 펠릿에 대한 수요를 줄이고 제철 공정의 에너지 효율성을 개선함으로써 온실 가스 및 SOx, NOx 및 다이옥신과 같은 기타 유해한 환경 오염 물질의 배출을 줄입니다. 공정의 개선 사항은 (i) CO2 배출량 20% 감소, (ii) SOx 배출량 90% 감소, (iii) NOx 배출량 40% 감소, (iv) 다이옥신과 퓨란은 0 수준입니다. SRV 내의 작동 조건은 다이옥신의 형성을 방지합니다. 또한 먼지 배출과 특정 물 소비량이 크게 감소합니다. 식물 폐기물을 재활용하는 과정은 환경 보호에 더욱 도움이 됩니다.

장점

이 공정의 예상되는 이점은 (i) 철 공급물 덩어리 및 코크스 제조 공정이 제거되기 때문에 저렴한 원료, (ii) 공정이 광범위한 철광석 미분 및 폐산화물 물질과 함께 작동하기 때문에 유연한 공급 원료입니다. 고휘발성 및 저휘발성 석탄, (iii) 생산 유연성, (iv) 더 나은 제품 품질, (v) 총 에너지 소비 최소화, (vi) 단순화된 엔지니어링 및 공정 구성, (vii) 업계보다 훨씬 낮은 환경 배출, (viii) 더 낮음 자본 비용 및 (ix) 낮은 운영 비용.