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제철용 제련 환원 공정 개발


제철을 위한 제련 환원 공정 개발

제련 환원(SR) 공정은 용선(액철) 생산 기술에서 가장 최근에 개발된 것입니다. 이러한 공정은 비점결탄의 가스화와 철광석의 용융 환원을 결합합니다. SR 공정의 에너지 집약도는 고로(BF)의 에너지 집약도보다 낮습니다. 코크스 생산이 필요 없고 철광석의 준비 필요성도 감소하기 때문입니다.

SR 제철 공정은 1930년대 후반에 구상되었습니다. SR 프로세스 개발의 역사는 1950년대로 거슬러 올라갑니다. 철광석의 SR에 대한 실험실 규모의 기초 연구는 1951년 Dancy에 의해 처음 시작되었지만 1980년부터 본격적인 노력이 시작되었습니다.

20세기 후반에 1차 제철 기술의 개발에는 두 가지 별도의 라인이 있었습니다.

첫 번째 개발 라인은 열간 금속 생산의 주요 공정 단위로 남아 있는 BF에 중점을 두었습니다. 일반적으로 이 개발 라인은 용광로 자체의 근본적인 프로세스 변경을 포함하지 않습니다. 그것은 (i) 노 크기의 증가, (ii) 부하 준비의 개선, (iii) 상단 압력의 증가, (iv) 열풍 온도의 증가, (v) 벨리스(bell-less)를 포함하는 점진적인 진화를 통해 진행되었습니다. 장입 및 부담 분배 개선, (vi) 내화물 및 냉각 시스템 개선, (vii) 보조 연료(연료 가스, 액체 연료 또는 미분탄) 주입 및 산소(O2)를 사용한 열풍 농축, (viii) ) 자동화의 적용과 계측 및 제어 기술의 개선. BF에서 제철의 지속적인 성공은 열간 금속을 생산하는 동안 달성할 수 있는 매우 높은 수준의 열 및 화학적 효율성과 그에 따른 비용 이점을 반영합니다. 사실, 대규모 BF의 경우 규모의 경제로 보완됩니다.



그러나 BF의 열간 금속 생산 기술은 현재 연간 200만 톤(Mt)에서 연간 3Mt 정도의 대규모 작업에서 기술적이고 경제적으로 효율적인 생산이 이루어지는 단계로 발전했습니다. 또한 BF의 제철은 코크스 제조 및 철광석 미세 소결 설비를 포함하는 상당한 관련 기반 시설 및 생산 장치가 필요합니다. 그 결과 건설에 매우 오랜 기간이 필요할 뿐만 아니라 경제적으로 실행 가능한 용량 수준까지 운영해야 하는 현대식 BF 단지의 자본 집약도가 높아집니다.

BF 개발과 병행하여 개발의 두 번째 라인은 더 적은 투자 비용으로 더 작고 유연한 제조 경로를 개발하기 위해 만들어진 상당한 노력의 형태로 구성됩니다. 이는 1960년대 후반과 1970년대 초반에 등장한 대체 1차 제철 기술의 개발로 이어졌습니다. 이것은 철의 녹는점 이하의 온도에서 가스를 환원시켜 산화철 공급원료를 금속성 철로 환원시키는 직접환원(DR) 기술입니다. DR 공정의 제품인 직접환원철(DRI)은 물리적으로 공급원료 형태(일반적으로 철광석 덩어리 및/또는 펠릿)와 유사하며 원래 광석에 존재하는 맥석 광물을 포함합니다. DRI는 해면철이라고도 합니다. 제강 작업 중 스크랩 대체재로 사용하기에 적합하며 주로 잔류 함량이 낮고 취급 및 공급이 용이하다는 점에서 스크랩보다 품질 이점이 있습니다.

DR 프로세스는 일반적으로 연간 0.6Mt 미만인 BF보다 훨씬 낮은 출력 수준에서 경제적 운영이 가능합니다. 지원 인프라가 거의 필요하지 않으며 BF보다 자본 집약도가 훨씬 낮습니다. 이러한 DR 공정 중 일부는 환원 가스 생산을 위한 공급원료로 천연 가스를 사용합니다. 천연 가스의 가용성은 전 세계적으로 널리 퍼져 있지 않습니다. 석탄 기반 DR 공정은 주로 회전식 가마 기반 공정이며 다양한 기술 및 경제적 이유 때문에 일부 국가에서만 인기가 있습니다.

DR 공정은 또한 유도로 또는 전기로에서 매우 자주 용융 및 정제가 필요하기 때문에 스크랩과 직접적인 경쟁 관계에 있는 중간 제품을 생산한다는 사실로 인해 어려움을 겪고 있습니다. 높은 전기 비용은 전기 용해를 덜 매력적으로 만듭니다. 또한 침체된 환경에서 스크랩 가격의 하락은 DRI 가격의 하락으로 이어진다. 그 결과 전 세계 대부분의 국가에서 DR 프로세스의 인기가 낮아졌습니다.

DR 공정의 낮은 인기는 SR 제철 공정 경로 개발에 대한 인센티브를 제공했습니다. 그 결과 BF 프로세스와 경쟁할 수 있지만 직면한 문제에 덜 취약한 프로세스에 개발 노력이 집중되었습니다.

SR 제철 공정 개발 목표

SR 제철 공정의 발전 목표는 다음과 같았습니다.

프로세스 개념

SR 제철 공정이 BF 공정을 보완 및/또는 경쟁하기 위해 차세대 SR 공정이 개발되고 있습니다. 이들 공정은 비점결탄을 주연료 및 환원제로 기본으로 하며 액상철 제품을 목표로 한다. 이러한 공정 중 몇 가지는 석탄 연료의 연소에 의해 공정 열 요구 사항이 충족될 수 있도록 산화제로 O2 톤수를 사용하는 것을 제안합니다. 일부는 공정 열의 원천으로 전기 가열의 대규모 사용을 예상합니다.

철광석을 제련하여 BF 이외의 공정에서 액체 철 제품을 만드는 것은 오랫동안 기술적으로 실현 가능하고 매력적인 공정 경로로 인식되어 왔으며 여러 공정 개념이 제안되었습니다. 이러한 프로세스 개념 중 많은 부분이 상업적으로 적용되지 않았으며 지금은 개발될 가능성이 거의 없는 것 같습니다.

SR 제철 공정이 현재 개발 수준으로 어떻게 발전해 왔는지 알기 위해서는 SR 제철 공정의 개념이 개발된 출발점을 이해하는 것이 필요합니다.

위의 목적과 개념을 바탕으로 여러 프로세스에 대한 개발 작업을 수행했습니다. 이러한 공정 중 일부는 BSC, CIG, Hoogovens, Kobe, Krupp, Korf, BSC Oxy/Coal BF, Kawasaki, Pirogas, Plasmasmelt, Sumitomo, DSS, Combismelt, Elred 및 Inred 등입니다. 이러한 공정 중 일부는 초기 실험실 규모에서 일하십시오. 일부는 파일럿 플랜트 단계에 도달한 후 버려졌습니다. 이러한 개발 노력 중 일부는 해당 기간 동안 대규모 '인수합병' 활동이 진행되면서 병합되었고 개발 작업은 프로세스에 대한 새로운 이름으로 계속되었습니다. 그러나 이러한 개발 작업을 통해 얻은 지식은 제철을 위한 SR 프로세스의 추가 개발에 도움이 되었습니다.

최근 몇 년 동안 전 세계적으로 약 20개의 SR 프로세스가 개발되고 있습니다. SR 공정의 기본 원리는 미리 환원된 철광석/소결체/펠렛을 원자로에서 무점결탄과 O2 또는 열풍으로 용융시키는 것입니다. 모든 SR 공정의 목표는 최소량의 무점결탄과 O2를 소비하여 공정 연료를 효율적으로 만드는 것입니다.

제철을 위한 SR 공정은 크게 (i) 석탄과 전기를 활용하는 공정과 (ii) O2와 무점결탄을 활용하는 공정의 두 가지 범주로 나눌 수 있습니다.

석탄과 전기를 활용하는 공정

이러한 SR 공정은 전기를 에너지원으로 사용하고 비점결탄을 환원제로 사용합니다. 관련된 단계의 수에 따라 이러한 프로세스는 주로 (i) 단일 단계 프로세스 및 (ii) 2단계 프로세스의 두 가지 유형으로 나눌 수 있습니다.

1단계 공정에서는 원자로 용기에 전환원 없이 냉철광석을 공급하고 무점결탄을 환원제로 사용합니다. 이 과정에서 전기 제련소에서 환원과 제련이 모두 일어납니다. 제련소에서 배출되는 배기가스는 내부 발전에 사용됩니다. 이 공정은 다른 순탄 공정에 비해 더 큰 유연성을 제공합니다.

2단계 공정의 경우 환원 장치에서 생산된 DRI를 전기 제련소에서 제련합니다. 감속기의 배기가스는 내부 발전에 사용됩니다. 이 공정은 다른 순탄 공정에 비해 더 큰 유연성을 제공합니다.

석탄과 전기를 활용하는 1단계 및 2단계 공정의 개념은 그림 1에 나와 있습니다.

그림 1 석탄과 전기를 활용한 1단계 및 2단계 공정의 개념  

산소와 석탄을 활용하는 공정

이러한 SR 공정은 순탄 연소를 에너지원으로 사용하고 감소 목적으로 사용합니다. 관련된 단계의 수에 따라(열화학 설계에 따라) 이러한 공정은 (i) 단일 단계 공정, (ii) 2단계 공정 및 (iii) 3단계 공정의 세 가지 유형으로 나눌 수 있습니다.

단일 단계 공정은 모든 철욕 공정 중 가장 단순하며 이론적으로 환원 및 제련이 모두 일어나는 단일 반응기에서 고온 금속이 생산되는 이상적인 설계를 나타냅니다. 이 공정에서 모든 야금 반응은 철광석, 석탄 및 O2가 공급되는 단일 반응기에서 수행되고 액체 배스에서 방출된 가스는 매우 높은 수준(약 75%)으로 후연소되며 대부분이 열이 액체 수조로 다시 전달됩니다. 반응기에는 사전 환원 없이 습식 석탄과 습식 철광석이 공급되므로 공정에 높은 에너지 요구 사항이 있습니다. 총 에너지는 O2와 함께 석탄 연소에 의해 공급됩니다. O2와 석탄의 요구 사항은 환원 가스의 활용 가능성이 제한되어 있기 때문에 높습니다. 이 SR 공정은 많은 양의 고부가가치(고온 및 고환원 가능성) 배기 가스에 대해 적절한 크레딧이 주어지지 않는 한 일반적으로 비효율적이고 경제적으로 매력적이지 않습니다. 산화 가능성과 높은 비등 특성을 가진 거품 슬래그의 적절한 제어와 내화 침식은 이 공정과 관련된 두 가지 다른 문제입니다. 장점은 낮은 자본 비용, 준비되지 않은 철광석 및 비점결탄의 사용, 낮은 등급의 광석 및 석탄을 수용할 수 있는 능력을 포함합니다. Romelt 및 Ausmelt 프로세스는 이 SR 프로세스의 예입니다. 후연소 유무에 관계없이 O2와 석탄을 사용하는 단일 단계 SR 공정의 개념은 그림 2에 나와 있습니다.

그림 2 후연소 유무에 관계없이 O2와 석탄을 활용하는 단일 단계 SR 공정의 개념

2단계 공정에서는 사전 환원 및 제련 환원을 위한 두 개의 별도 반응기가 사용됩니다. 제련 단계의 배기 가스는 최종 환원 및 용융에 필요한 에너지를 줄이는 사전 환원에 활용됩니다. 이러한 공정은 연소 전과 연소 후의 정도에 따라 두 그룹으로 더 나눌 수 있습니다. 첫 번째 그룹에는 높은 수준의 사전 환원과 매우 낮은 수준의 사후 연소를 갖는 공정이 있습니다. 이는 생성된 배기 가스의 조성과 양이 고도로 금속화된 DRI를 생성하기에 충분한 제련 공정의 정밀한 제어를 필요로 합니다. Corex 프로세스는 이 범주에 속합니다. 두 번째 그룹에는 낮은 수준의 사전 환원과 높은 수준의 사후 연소를 갖는 공정이 있습니다. 뜨거운 사전 환원된 산화철은 일반적으로 비점결탄 및 O2/예열된 공기와 함께 제련 반응기에 충전됩니다. 액체 수조에서 나오는 가스는 제련소 내부의 예열된 공기/O2에 의해 후연소됩니다. 연소 후 열은 기체 상태에서 액체 수조로 효율적으로 전달됩니다. HIsmelt, DIOS, AISI-DOE 등과 같은 프로세스가 이 그룹에 속합니다. 2단계 공정의 효율성은 제련 구역에서 가스 반응 구역을 분리함으로써 향상될 수 있습니다. 용융기 배기 가스가 환원에 사용될 수 있기 전에 1600℃에서 800℃로 냉각되기 때문에 열 손실이 발생합니다. 그러나 탄소가 가스 반응 구역에 존재하면 흡열 반응 C+ CO2=2 CO 및 C + H2O =CO + H2로 인해 오프 가스의 온도를 낮추는 데 도움이 될 수 있습니다. O2와 후연소가 없는 석탄을 사용하는 2단계 SR 공정의 개념은 그림 3에 나와 있습니다.

그림 3 후연소 없이 O2와 석탄을 사용하는 2단계 SR 공정의 개념

3단계 공정에서는 별도의 가스화 장치가 제련 장치 및 전환원 장치와 결합되어 CO, H2, CH4 등을 생성하는 석탄을 가스화합니다. 이 공정은 제련 반응기와 예비 - 환원 반응기. 가스화 구역에 탄소가 존재하면 에너지 손실 없이 가스 배출 제련소의 온도를 낮추는 데 도움이 됩니다. O2와 석탄을 이용한 3단계 SR 공정의 개념은 그림 4와 같다.

그림 4 O2와 석탄을 활용한 3단계 SR 공정의 개념

SR 프로세스의 장점

SR 공정은 원자재, 에너지 비용, 자본 비용, 규모의 경제 및 환경 친화성과 관련하여 많은 이점이 있습니다. 이러한 장점은 다음과 같습니다.

SR 프로세스의 제한 사항은 다음과 같습니다.

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