회전로에서 제철

로타리 노로의 제철

회전식 노상로(RHF)에서의 제철은 철광석 환원을 위해 무점결탄을 사용하는 직접 환원 공정입니다. RHF는 고정된 원형 터널 가마 내부에서 회전하는 평평한 내화 노로로 구성된 공정 반응기입니다. RHF 내부에서는 석탄을 환원제로 사용하여 철광석이나 철 함유 폐기물을 직접 환원시킨다.

RHF는 새로운 기술이 아닙니다. 열처리, 석유 코크스 소성, 폐기물 처리 및 비철 고온 금속 회수를 포함한 다양한 산업 응용 분야에서 성공적으로 사용되었습니다.

RHF 제철의 역사는 Midrex의 'Heat Fast' 공정 개발과 함께 1960년대 중반으로 거슬러 올라갑니다. 그 이후로 RHF를 기반으로 한 여러 제철 공정이 개발되었습니다. 여기에는 'Fastmet' 공정/'Fastmelt' 공정 및 상용화된 ITmk3 공정이 포함됩니다. 이러한 프로세스는 링크가 있는 별도의 문서에 설명되어 있습니다.    http://www.ispatguru.com/fastmet-and-fastmelt-processes-of-ironmaking/ 및 http://www.ispatguru.com/itmk-3-process- 철 덩어리 만들기/. 기타 RHF 공정은 'Redsmelt' 공정, 'Inmetco' 공정, 'Iron Dynamics' 공정, 'DRyIron' 공정, 'Comet' 및 'SidComet' 공정 및 Hi-QIP 공정입니다.

Redsmelt 프로세스

Redsmelt 공정 기술은 기존의 용광로 경로에 대한 저비용 환경 친화적인 제철 대안에 대한 증가하는 수요를 충족하기 위해 개발되었습니다. 이 공정을 갖춘 공장은 연간 300만 톤에서 연간 100만 톤의 용선 생산 능력을 위해 설계될 수 있다. 이 공정은 철강 공장에서 나오는 다양한 철광석 미분 및 폐기물을 처리할 수 있습니다.

Redsmelt 공정은 철광석, 환원제 미분 및 결합제로 만들어진 녹색 펠릿을 환원시켜 뜨거운 금속화된 직접 환원철(DRI)을 생산하는 RHF를 기반으로 하며, 이 철은 SAF(수중 아크로)에 충전됩니다. 이 공정은 고온 및 대기압에서 작동합니다.

Redsmelt 용해로에 공급되는 산화철은 미세한 철광석, 환원제 및 결합제로 만들어진 녹색 펠릿 형태입니다. 바인더는 하류에서 취급 충격을 지지하기에 충분한 기계적 강도를 그린 펠릿에 부여해야 합니다. 펠렛은 롤러형 스크린에서 8mm에서 16mm 사이의 크기로 스크리닝됩니다. 크기가 작은 재료와 크기가 큰 재료는 펠릿화 디스크를 공급하기 위해 재순환됩니다. 그런 다음 펠렛은 최대 30kg/sqm의 층으로 RHF에 배포됩니다. 노를 12분에서 18분 동안 이동하는 동안 펠릿은 최대 1370℃까지 가열됩니다. 펠릿의 건조, 석탄 휘발 및 산화철 환원은 가열 과정에서 발생합니다. 매우 높은 온도에서 산화철과 탄소 사이의 긴밀한 접촉은 매우 빠른 반응 속도를 초래합니다. 금속화된 철의 재산화를 방지하기 위해 용광로의 최종 구역은 화학양론 이하의 대기에서 작동됩니다. 그런 다음 뜨거운 DRI 제품은 뜨거운 금속과 슬래그로 제련하기 위해 SAF에 공급됩니다.

공정 흐름도는 그림 1에 개략적으로 나와 있습니다.

그림 1 Redsmelt 프로세스의 흐름도

Inmetco 프로세스

이 공정은 1978년 캐나다 INCO(International Nickel Corporation)에서 개발했습니다. INCO는 이 공정을 개발했으며 금속 폐기물의 재활용을 위해 개발되었기 때문에 'Inmetco'(Inco + met)로 이름을 지었습니다. 이 공정은 철광석 미분 및 철광석 미분과 야금 폐기물의 조합을 줄이는 데에도 사용할 수 있습니다.

Inmetco 공정은 철광석 미분, 폐철 함유 재료 및 미분탄으로 만들어진 연탄을 감소시켜 유도로 또는 전기 아크로에 직접 충전할 수 있는 금속화된 고온 DRI를 생산하는 RHF를 기반으로 합니다. 이 공정은 고온과 약간 음압에서 작동합니다.

Inmetco 용해로에 공급되는 철은 크기가 250마이크로미터 미만인 미세한 철광석과 휘발성 물질이 25% 미만인 석탄, 코크스 또는 숯으로 만든 디스크 펠릿 형태입니다. 그들은 회전하는 벨트 컨베이어를 통해 약 3개의 펠릿 깊이의 층으로 RHF에 분배됩니다. 이 공정은 펠릿이 심각한 분해 없이 노로로 운반될 수 있도록 하는 속효성 바인더를 사용합니다. 노는 연속적으로 회전하고 펠릿은 노 주변에 위치한 버너에 의해 10분에서 15분 동안 1250℃에서 1300℃로 가열됩니다. 버너는 그룹으로 배열되어 가열 및 환원 영역을 형성합니다. 가열 구역은 난로 면적의 약 1/3을 만들고 환원 구역은 난로 면적의 약 2/3를 만듭니다. 버너는 내부 및 외부 둘레에 있습니다. 뜨거운 DRI 제품은 N2 퍼지 이송 캔에 수집되거나 용융을 위해 전기로에 직접 공급될 수 있습니다. RHF는 약간의 음압에서 작동하며 물개통으로 밀봉되어 있습니다.

공정 흐름도는 그림 2에 개략적으로 나와 있습니다.

       그림 2 Inmetco 프로세스 흐름도

철의 역동성 프로세스

Iron Dynamics 제철(IDI) 공정은 탄소질 산화철 전하를 금속성 철 고체로 환원시키는 RHF를 기반으로 하며, 이 금속 철 고체는 환원을 완료하고 환원된 철을 용융 및 탈황시키기 위해 SAF에 충전됩니다. DRI를 녹이면 생성된 액체 슬래그와 철의 상 분리도 가능합니다.

IDI 공정은 (i) 원료 입수, (ii) 광석 및 환원제(석탄) 분쇄 및 준비, (iii) 펠릿화, (iv) 회전 노상 환원, (v) SAF 제련의 5가지 공정 영역으로 구성됩니다. 광석을 받은 후 RHF에서 나오는 오프 가스를 사용하여 수분 함량이 0.5% 미만이 되도록 건조합니다. 광석은 또한 맥석 재료의 양을 줄이기 위해 자기 분리기와 스크린을 사용하여 선광됩니다. 그런 다음 50%에서 200메쉬 크기를 뺀 크기로 연마됩니다. 석탄은 80%에서 200메쉬 크기를 뺀 크기를 위해 석탄/플럭스 석재 분쇄기로 운반됩니다. 갈은 광석과 석탄은 믹서에서 바인더 및 물과 집중적으로 혼합되어 디스크 펠릿타이저에 공급됩니다. 젖은 펠릿은 수분 1% 미만으로 건조되고 원형 화격자 건조기에서 150℃로 예열됩니다. 펠릿 충전기는 건조된 녹색 볼을 받아 25mm에서 40mm 두께의 로 노로 위에 쌓습니다. 천연 가스 연소 RHF에는 8개의 반응 구역이 있습니다. 온도, 가스 흐름 및 가스 조성은 펠릿을 적절하게 가열, 감소 및 보호하기 위해 각 구역에 필요한 조건을 제공하도록 제어됩니다. 용광로 배출 시 DRI는 약 85% 금속화됩니다. 첨가제 설비는 플럭스, 코크스, 실리카 또는 기타 재료를 DRI 수송 레이들에 도입하여 SAF에서 슬래그 화학물질을 제어합니다. 배기 가스 시스템은 연도 가스에서 열, 먼지, 이산화황 및 아산화질소를 제거합니다. 애프터버너는 배기 가스 수냉식 덕트에 남아 있는 CO(일산화탄소)의 연소를 수행합니다. 가스는 냉각되고 NOx는 1차 냉각기에서 제거됩니다. 배기 가스는 연소 공기를 예열하고 광석, 석탄 및 펠릿 건조기에 열을 공급하는 데 사용됩니다. 펠릿 건조기 후 가스는 여과되고 스택에서 배출되기 전에 SOx(산화황)가 제거됩니다. DRI와 첨가제는 제련이 일어나는 중력에 의해 SAF의 슬래그 층으로 떨어집니다. 여기에서 평균 금속화는 약 95.8%입니다. 슬래그는 용광로에서 슬래그 포트로 도청되어 슬래그 처리 시설로 이송됩니다.

공정 흐름도는 그림 3에 개략적으로 나와 있습니다.

그림 3 Iron Dynamics 프로세스의 흐름도

DRyIron 프로세스

DRyIron 공정은 Maumee Research and Engineering Inc.(MR&E)에서 개발했습니다. 이 공정은 폐철 산화물 재료와 미분된 비야금 석탄으로 만들어진 녹색 펠릿을 환원시켜 뜨거운 금속화된 DRI(90% 이상)를 생산하는 RHF를 기반으로 합니다. 이 공정은 고온 및 대기압에서 작동하며 체류 시간이 짧고 철 함유 폐자재를 재활용하는 데에도 사용할 수 있습니다.

DRyIron 용광로에 공급되는 산화철은 미세한 산화철과 석탄 또는 펠릿의 사전 건조를 제거하는 코크스로 만들어진 녹색 펠릿/연탄 형태입니다. 이상적인 고온(약 1300℃) 이론 조건에서 산화철은 고정 탄소와 반응하여 CO2를 방출하면서 연탄에서 금속성 철을 형성합니다. 고정 탄소 대 산화철의 이론적인 비율은 1.5:1입니다.

DRyIron 공정은 6:1의 탄소 대 산화물 비율을 사용하여 금속 철을 생산하도록 공식화되어 CO와 CO2가 모두 발생하고 약 4%의 잔류 탄소 수준을 남깁니다. 이 공정의 핵심은 CO 대 CO2 비율을 제어하여 재산화, 탄소 소비 및 용광로 체류 시간을 최소화하는 것입니다. 노 전체를 이동하는 동안 펠릿은 최대 1300℃까지 가열됩니다. 펠릿 건조, 석탄 휘발 및 산화철 환원은 가열 과정에서 발생합니다. 매우 높은 온도에서 산화철과 탄소 사이의 긴밀한 접촉은 매우 빠른 반응 속도를 초래합니다. 그런 다음 뜨거운 DRI 제품은 다양한 옵션을 통해 철강 용해 공장에 공급될 수 있습니다.

공정 흐름도는 그림 4에 개략적으로 나와 있습니다.

그림 4 DRyIron 프로세스의 흐름도

혜성과 SidComet 프로세스

벨기에의 Centre de Recherches Metallurgiques(CRM)에서 개발한 Comet 공정은 회전식 노상 용광로에서 미분광석과 석회석으로부터 해면철을 생산하는 석탄 기반 시스템입니다. Comet 직접 환원 공정은 철광석과 석탄 미분에서 저 맥석 및 저유황 DRI를 생산합니다. 확장된 일련의 실험실 테스트를 통해 공정의 실행 가능성과 유연성이 입증되었습니다. 이 공정은 모든 종류의 석탄 또는 기타 고체 환원제(갈탄 및 코크스 브리즈 포함)와 함께 특히 작동할 수 있으며 철 함유 재활용에도 매우 적합합니다. 철광석으로 대체(또는 혼합)되는 야금 폐기물. 1996년 11월 시간당 100kg의 실험실이 가동되었습니다. 성공적인 결과를 바탕으로 벨기에 겐트의 Sidmar에 1.5톤/시간의 파일럿 플랜트가 건설되었습니다. 금속화 결과는 실험실 장치에서 얻은 결과를 확인합니다. 생산성, 비용, 가격, 에너지 소비 및 환경 영향이 설정되었습니다.

Comet 공정에서는 앞서 언급한 다른 공정과 달리 철광석과 석탄 미분말이 혼합 및 펠릿화되지 않습니다. 대신, 그들은 난로에 대체 층의 형태로 충전됩니다. 석회석은 일반적으로 석탄의 황을 제어하기 위해 추가됩니다. 환원대의 온도는 약 1300℃이다. 천연가스, 코크스로 가스, 미분탄 등을 연소시켜 열을 발생시킨다. 반응 중에 방출된 휘발성 물질 및 CO의 연소 후도 어느 정도의 열을 제공합니다. DRI 층은 고온으로 인해 소결됩니다. 그러나 잉여 숯은 분말 상태로 남아 있으므로 스크린을 사용하여 쉽게 분리할 수 있습니다. 배기 가스는 노 외부에서 추가 후연소를 거치며 열은 공정 공기 및 충전 재료를 가열하는 데 사용됩니다. 이 공정에서 난로에 가해지는 부하가 더 높기 때문에 이 공정의 처리 시간은 일반적으로 복합 펠릿을 사용하는 공정보다 훨씬 깁니다.

공정 흐름도는 그림 5에 개략적으로 나와 있습니다.

그림 5 혜성 과정의 흐름도

SidComet 프로세스는 Comet 프로세스와 유사합니다. 유일한 차이점은 이 경우 철광석과 석탄 미립자가 혼합물로 공급된다는 것입니다. 체류 시간은 혜성 과정과 유사합니다. 체류 시간이 더 길기 때문에 이 공정의 생산성은 일반적으로 펠릿 기반 공정보다 낮게 유지됩니다.

Hi-QIP 프로세스

(i) 환원제로서 천연 가스 또는 점결탄이 필요하지 않은 공정, (ii) 공정의 철 제품에 맥석 성분이 없고, (iii) 장비가 최대한 단순하며, (iv) 에너지 회수 시스템이 최소화되고 실험 결과 Hi-QIP(High-Quality Iron Pebble) 공정이라는 새로운 제철 공정이 개발되었습니다. 이 공정은 고품질 철을 생산하기 위한 새로운 석탄 기반 공정입니다. 이 공정은 회전로에서 환원철을 녹일 수 있다는 점에서 ITmk3 공정과 유사합니다. 이 공정은 원료 혼합의 변동을 허용합니다. 개발은 현재 파일럿 플랜트 단계에 도달했습니다.

Hi-QIP 프로세스는 유사한 프로세스와 비교하여 두 가지 특징이 있습니다. 이것은 (i) 회전 노상에서 탄소질 재료 층의 사용 및 (ii) 로에서 환원철의 용융이다. Hi-QIP 공정의 주요 반응기는 회전 노상로입니다. 거친 입자 또는 미세한 입자의 철광석, 석탄 및 석회석이 원료로 사용됩니다. 울퉁불퉁한 재료의 사용은 프로세스에 고려되지 않습니다. 화로 위에 석탄과 같은 탄소질 재료를 깔고 롤러에 의해 이 층에 작은 컵 모양의 중공을 형성합니다. 철광석은 철원으로, 석탄은 환원제로, 석회석은 플럭스제로 사용됩니다. 이러한 재료를 혼합하여 탄소질 재료의 베드에 장입한 다음 버너로 가열합니다. 이 과정에서 철광석이 환원되어 용융되며, 원료층에 혼합된 석탄은 기화되어 환원제 역할을 한다. 석회석은 혼합물의 맥석 및 회분 성분과 함께 녹아 슬래그를 형성합니다. 용융 철과 용융 슬래그는 중공으로 흘러 들어가 냉각기에 의해 응고되어 자갈을 형성합니다. 철 자갈과 슬래그 자갈은 나사 장치에 의해 용광로에서 배출됩니다.

RHF 제철의 주요 일반 기능

RHF에 의한 제철 중 일반적인 공정 흐름은 그림 6에 나와 있습니다.

그림 6 RHF에서 제철 중 일반적인 공정 흐름

RHF에서 철광석/석탄 덩어리를 줄이는 것은 코크스가 없는 환경 친화적인 제철 공정입니다. 그러나 베드 높이가 낮고 반응 온도가 낮고 펠릿 내 탄소계 첨가제가 충분하지 않아 공정의 생산성과 에너지 효율이 낮습니다. 철광석/석탄 덩어리에서 산화철의 환원 역학은 강한 흡열 반응을 포함하기 때문에 온도에 매우 민감합니다. 반면에, 더 높은 온도는 CO2 및/또는 O2에 의해 새로 생성된 DRI의 재산화를 촉진합니다. 현재 RHF 관행에서 덩어리의 층 깊이는 얕고 2-3 펠릿 높이에 불과하며 고체 환원제는 휘발성 물질이 적습니다. 따라서 펠릿을 재산화로부터 보호할 수 있는 가스의 흐름은 약하고 불안정합니다. CO/CO2 비율을 2보다 크게 유지하는 관행은 연료 효율성이 매우 떨어지는 반면 낮은 공정 온도는 공정 생산성을 제한합니다.

철 함유 물질의 직접적인 환원을 위한 RHF 기술의 성공적인 사용은 적절한 공정 엔지니어링을 통해 공정 기술이 적용되는 방식에 달려 있습니다. RHF가 글로벌 공정에 올바르게 통합되고 직접 환원 기술이 올바르게 적용된다면 결과적으로 고품질의 대체 철을 생산하기 위한 에너지 효율적이고 환경 친화적이고 경제적인 시스템이 됩니다.

RHF를 활용한 석탄 기반 직접 환원 개념은 간단한 것이다. 그러나 개념의 상업적 구현은 쉽게 이루어지지 않았습니다.

RHF의 제철 공정 개념과 단층 장입과 다층 장입의 비교가 그림 7에 나와 있습니다.

그림 7 RHF의 프로세스 개념 및 단일 레이어 충전과 다중 레이어 충전 비교

RHF에서 제철하는 동안 다음 반응이 발생합니다.

FexOy + y C =x Fe + y CO

FexOy + y CO =x Fe + y CO2

C + O2 =CO2

C + CO2 =2 CO

RHF 내부에는 3~4개의 주요 구역, 즉 (i) 예열 구역 (b) 주요 환원 구역 (c) 최종 환원 구역 및 (d) 냉각 구역이 있습니다. 용광로 분위기는 연료와 산소 비율을 적절하게 제어하여 공정의 열 및 야금 요구 사항을 충족하도록 제어됩니다. 이 구역에서 연소되는 연료에 저장된 최대 화학 에너지를 추출하려면 예열 구역에서 더 높은 산소 포텐셜이 필요합니다. 갇힌 수분과 휘발성 물질의 제거도 이 영역에서 발생합니다. 2개의 환원 구역은 환원된 펠릿의 재산화를 방지하는 훨씬 더 낮은 산소 포텐셜을 갖는다. 환원 구역에서는 산화철 및 기타 불순물 금속 산화물이 금속 형태로 환원됩니다. 냉각 구역에서 DRI는 방전되기 전에 300℃ 이하로 냉각됩니다.

연소 연료 외에도 RHF 내부에 다른 열원이 있습니다. 환원 중에 생성된 CO 가스의 사후 연소는 공정의 에너지 요구량을 줄이는 데 도움이 됩니다. 때로는 배기 가스의 사후 연소를 촉진하기 위해 2차 공기도 주입됩니다. 휘발성 물질의 연소도 약간의 열을 방출합니다. 펠릿/브리켓에 존재하는 탄소가 연소되는 동안 약간의 열도 발생합니다.

비점결탄 및 때때로 폐플라스틱을 포함한 저급 탄소질 물질은 RHF에서 환원제로 사용될 수 있습니다. 이러한 저급 탄소질 환원제의 활용은 RHF 공정이 산화철을 환원시켜 금속 철을 생산할 수 있도록 합니다. 그러나 탄소질 환원제의 휘발성 물질 함량 비율은 RHF에서 사용하는 데 매우 중요합니다. 가스의 급격한 방출은 내부 압력을 증가시켜 펠릿/브리켓의 분해를 초래할 수 있습니다. 이것은 제품 DRI에서 높은 비율의 덩어리를 유지하기 위해 피할 수 있습니다.

난로 회전 속도는 외부 제어가 필요합니다. 속도는 원료의 반응성에 따라 다릅니다. 일반적인 관행은 펠릿/브리켓이 높은 수준의 금속화를 달성할 수 있을 만큼 충분히 긴 체류 시간을 보장하는 것입니다.

RHF는 일반적으로 외부 환경으로의 용광로 가스 누출을 방지하기 위해 작은 음압에서 작동되며 물 밀봉 트로프를 사용하여 밀봉됩니다.

일반적으로 제련소에 고온 장입하여 고온 DRI의 현열을 활용하는 것이 유리합니다. 제련이 지연되는 경우 일반적인 관행은 DRI를 열간 연탄(HBI)으로 변환하여 사용 가능한 표면적을 줄여 재산화 정도를 최소화하는 것입니다.

낮은 층으로의 열 전달은 RHF의 심각한 단점 중 하나입니다. 특히 생산성을 향상시키기 위해 단일 층 대신 다층 펠렛 베드를 사용할 때 그렇습니다. 복합 펠릿/연탄의 수축은 상부 층에서 하부 층으로의 열 전달을 촉진할 것으로 예상됩니다. 펠릿/브리켓의 수축은 산화철의 소결과 화학 반응의 결합된 효과로 인해 발생합니다. 이것은 더 낮은 층의 반응 역학을 향상시킵니다. 온도와 시간에 따라 다릅니다. 수축 현상에 대한 일부 연구에 따르면 목탄 복합 펠릿/연탄은 역청탄 및 흑연 복합 펠릿/연탄보다 수축 거동이 더 우수합니다.

RHF의 배기 가스는 일반적으로 추가 공기를 사용하여 완전한 연소 후 처리됩니다. 이를 통해 얻은 에너지는 (i) 연소 공기를 예열하거나, (ii) 공급 재료를 건조하거나, (iii) 폐열 회수 보일러에서 증기를 생성하는 데 사용됩니다.

배기 가스의 먼지는 백 필터에 수집됩니다. 이 먼지에는 주로 폐기물 재활용으로 인해 아연 및 카드뮴과 같은 휘발성 금속이 많이 포함되어 있습니다.