제조공정
산업 제조
석탄 기반 직접 환원 로타리 가마 공정
석탄 기반 직접환원 로터리 킬른 공정은 원료를 녹이지 않고 철광석을 금속 철로 직접 전환하기 위해 개발되었습니다. 이 공정은 자본 지출이 적고 점결탄이 필요 없다는 장점이 있습니다. 이 공정에서 금속철은 무점결탄에 존재하는 탄소질 물질을 이용하여 철광석의 융해온도(1535℃) 이하로 산화철을 환원시켜 생산한다. 철광석은 환원 과정 전반에 걸쳐 환원제와 직접 접촉하므로 종종 직접 환원철(DRI)이라고 합니다. 금속화도가 높은 환원체는 '벌집구조'를 나타내므로 흔히 해면철이라고도 한다.
석탄 기반 DRI 플랜트는 비점결탄이 대규모 매장량에 널리 분포되어 있고 운송이 용이하기 때문에 플랜트 위치에 따라 유연합니다. 대부분의 공장은 회전식 가마에서 수행되는 환원 공정을 사용합니다. 이 공장은 다양한 원료와 무점결탄을 사용합니다. 이러한 재료의 품질은 제품뿐 아니라 공정에도 직접적인 영향을 미칩니다. 일부 식물은 철광석을 직접 사용하지 않습니다. 이 공장은 회전식 가마에서 철광석 펠릿을 사용합니다. 철광석, 백운석 및 무점결탄으로 구성된 원료 혼합물은 회전 가마의 한쪽 끝에서 공급되고 석탄 버너로 가열되어 DRI를 생산합니다. 숯(돌로 숯이라고도 함)과 함께 제품 DRI를 가마의 다른 쪽 끝에서 꺼냅니다. 이 외에도 1차 공기와 2차 공기를 가마에 공급하여 가마에서 연소를 시작하고 반응 과정을 지속시킵니다.
원재료
로터리 킬른 공정에 의한 DRI 생산을 위한 주요 원료는 (i) 등급별 철광석 또는 철광석 펠릿, (ii) 비점결탄, (iii) 황을 제거하기 위한 소량의 백운석입니다.
적절한 품질의 철광석은 석탄 기반 직접 환원 공정의 기본 투입물입니다. 대부분의 석탄 기반 직접 환원 플랜트는 덩어리 철광석을 사용합니다. 주요 품질 요구 사항은 (i) 인 및 유황과 같은 해로운 원소와 맥석이 적은 높은 Fe 함량, (ii) 우수한 취급 특성(텀블러 지수 및 마모 지수), (iii) 미세 입자가 적은 크기로 보정, (iv) 높은 환원성, (v) 환원 중 낮은 감가상각, (vi) 사용된 환원탄과의 우수한 호환성.
크기가 정해진 철광석의 품질 요구 사항은 물리적, 야금학적 및 화학적 요구 사항을 충족하는 것입니다. 물리적 요구 사항은 강도와 입도입니다. 광석은 단단하고 강도가 높아야 합니다. 광석의 최적 텀블러 강도는 최소 90%입니다. 환원성에 따라 5mm에서 20mm 크기 범위의 교정된 광석이 일반적으로 사용됩니다. 광석의 야금학적 요구사항에는 높은 환원성, 열적 안정성, 가열 및 환원 중 부착 및 분해 경향이 낮습니다. 광석의 화학적 요구 사항은 산소 제거 외에 직접 환원 과정에서 다른 화학적 변화가 일어나지 않기 때문에 중요한 특성입니다. 철광석, 즉 실리카 및 알루미나에서 유래한 DRI의 맥석 재료는 황 및 인 함량과 함께 후속 제강 작업의 경제성에 부정적인 영향을 미칩니다. 따라서 광석은 철 함량이 높고 맥석이 낮아야 합니다. 원하는 광석의 물리적, 화학적 사양은 다음과 같습니다.
크기 – 5mm -20mm
오버사이즈 및 언더사이즈 - 각각 최대 5% 미만
텀블러 지수 – 90% 이상
오염(라테라이트 등) – 5% 미만
총 Fe - 최소 65%
실리카 – 3% 미만
실리카 + 알루미나 – 최대 5%
유황 – 최대 0.01%
인 - 최대 0.05%
수분 - 최대 1%
로터리 킬른에서 사용되는 무점결탄은 이중 역할을 합니다. 공정에 열을 공급하고 환원제 역할도 합니다. 비점결탄의 주요 품질 요건은 (i) 비점결성 특성, (ii) 낮은 회분 함량, (iii) 낮은 황 함량, (iv) 우수한 반응성, (v) 높은 회분 융합 온도 및 (vi) ) 중간 휘발성 물질. 코크스 반응이 가마 내부에 고리를 형성하기 때문에 석탄의 비점결성 특성이 필요합니다. 로터리 킬른 공정에 대해 실질적으로 허용되는 점결 지수 한계는 최대 3입니다. 석탄의 낮은 회분 함량은 높은 회분으로 인해 감소에 사용할 수 있는 가마 부피의 활용도가 낮기 때문에 필요합니다. 또한 불활성 회분을 반응 온도로 가열하는 데 추가 에너지가 소비되기 때문에 고정 탄소의 소비가 증가합니다. 최대 20%의 회분 함량은 효율적인 작동을 위한 실질적인 한계입니다. DRI에서 황을 제어하려면 낮은 유황 함량이 필요합니다. 석탄의 황은 최대 0.01%이어야 합니다. 고상 환원 과정에서 중요한 단계는 석탄 연소에서 발생하는 이산화탄소가 석탄과 반응하여 일산화탄소를 재생하는 정반응(Boudouard reaction)이므로 석탄의 좋은 반응성이 필요하다. 따라서 석탄은 부두아르 반응이 원하는 속도로 진행되도록 충분한 반응성을 가져야 한다. 유연탄과 아역청탄은 일반적으로 DRI 생산에 적합한 좋은 반응성을 보입니다. 재 융해 온도는 또 다른 중요한 특성입니다. 회융합 온도가 낮은 석탄은 가마 내부에 부착물이 형성되어 가마의 표면에 슬래그층을 형성하여 환원율을 감소시켜 가마의 끈적한 덩어리를 유발하여 가마 작동을 불안정하게 만듭니다. 따라서 회융합 온도가 1400℃보다 높은 석탄은 회전식 가마 작동에 바람직합니다. 석탄의 휘발성 물질은 석탄 기반 회전 소성로 공정에 최적이어야 합니다. 휘발성 물질이 매우 낮은 석탄은 숯의 반응성이 매우 낮아 금속화 제품이 불량합니다. 휘발성이 매우 높은 석탄은 반응성이 높은 숯을 생성하지만 가마의 가스 부피를 증가시키기 때문에 바람직하지 않습니다. 일반적으로 회전 소성로 공정의 경우 휘발성 물질은 25%~30% 범위에 있어야 합니다. 회전 가마에서 직접 환원을 위한 석탄은 팽윤 지수가 낮아야 합니다. 일반적으로 팽윤 지수는 1 미만이어야 합니다. 무점결탄의 물리적, 화학적 사양은 다음과 같습니다.
덩어리 크기 – 5mm ~ 20mm
벌금 크기 – 5mm 미만
오염(셰일, 돌 등) – 3% 미만
고정 탄소 – 최소 45%
휘발성 물질 – 25% ~ 30%
재 – 최대 20%
수분 - 최대 8%
백운석은 DRI 생산 공정에서 탈황에 사용됩니다. 백운석의 일반적인 사양은 다음과 같습니다.
MgO – 최소 22%
CaO – 최대 28%
LOI – 균형
화학 반응
화학 반응은 회전 가마 내부에서 발생합니다. 회전식 가마의 단면은 그림 1과 같습니다.
그림 1 회전식 가마의 단면
석탄 기반 직접 환원 공정은 비점결탄인 고체 환원제를 기반으로 합니다. 반응은 고온(1000℃~1100℃)에서 일어난다. 석탄은 가마에서 이중 역할을 합니다. 석탄의 일부를 연료로 사용하여 원하는 열을 공급하여 원하는 온도로 원료를 공급합니다. 그러나 석탄의 주된 역할은 환원과정에서 탄소를 공급하는 것이다. 백운석은 최종적으로 숯과 함께 나오는 유황 제거제로 사용됩니다. 숯에는 석탄 재와 철광석의 기타 불순물이 포함되어 있습니다. 가마 내부의 반응은 철광석이 DRI로 환원되는 동안 여러 단계로 발생합니다. 철광석은 다음과 같은 최종 환원 반응을 거칩니다.
Fe2O3 + 3CO =2Fe + 3CO2
반응은 일산화탄소(CO)가 아래 주어진 Boudouard 반응에 따라 석탄의 제어 연소에 의해 얻어지는 환원 가스임을 보여줍니다.
C + O2 =CO2
C + CO2 =2CO
위와 같이 생성된 일산화탄소는 위의 반응에 따라 철광석의 산화철을 금속성 철로 환원시킨다. 그러나 산화물에서 금속으로의 환원은 한 단계에서 일어나지 않고 점차적으로 제공되는 산소의 제거에 의해 다양한 중간 산화물로 상승한다. 환원 순서는 Fe2O3에서 Fe3O4로 FeO에서 Fe로 표현될 수 있습니다.
철광석과 석탄층 내부에서 일어나는 반응은 본질적으로 이질적이다. 두 세트의 반응이 발생합니다. 첫 번째 반응 세트는 석탄, 이산화탄소 및 산소 사이에서 일어나고 두 번째 세트에서는 철광석 입자와 CO 사이의 반응이 일어납니다. 철광석의 산소는 CO2로 제거되기 때문에 CO2 가스가 빠져나가 제품 DRI가 다공성입니다. 광석 입자와 기체 환원제 사이의 반응은 다음 5단계의 연속적인 단계에서 일어나는 것으로 시각화할 수 있습니다.
반응은 여러 단계로 진행되고 각 단계가 연속적으로 일어나기 때문에 반응 속도가 가장 낮은 단계가 반응 속도를 조절합니다. 확산 속도와 반응 속도는 주로 (i) 반응물의 농도, (ii) 활성 계면 온도 및 (iii) 활성 반응 면적이라는 세 가지 매개변수의 함수입니다.
직접 환원 과정
직접 환원 공정은 작동 온도가 1,000°C ~ 1,100°C 범위로 유지되는 회전식 가마에서 수행됩니다. 그런 다음 가마의 제품(DRI 및 숯 혼합물)은 외부 장치가 있는 회전식 냉각기에서 냉각됩니다. 수냉식 시스템. 가마의 제품은 선별되고 자기적으로 분리됩니다. 자성이 있는 DRI는 끌어당겨지고 비자성 숯과 분리됩니다.
철광석과 석탄을 각각의 크기로 파쇄, 선별하여 공급관을 통해 정해진 비율로 로터리 킬른에 공급합니다. 회전 가마는 2.5도 각도로 약간 기울어져 있으며 AC 가변 속도 모터에 의해 0.2rpm(분당 회전 수)에서 1.0rpm 범위의 가변 속도로 회전합니다. 가마의 경사와 회전 운동으로 인해 재료는 약 7시간에서 8시간 내에 가마의 공급단에서 배출단까지 이동합니다.
석탄 미립자는 필요한 온도와 베드의 탄소 농도를 유지하기 위해 배출 끝에서 불어옵니다. 가마에는 필요한 온도 프로필을 유지하기 위해 각 구역에서 공기를 불어넣는 여러 개의 쉘 공기 팬이 상단에 장착되어 있습니다. 재료와 뜨거운 가스는 역류 방향으로 이동하여 철광석은 예열되고 배출된 끝에 도달하면 시간만큼 점차 감소합니다.
회전 가마는 크게 예열 구역과 환원 구역의 두 구역으로 나뉩니다(그림 2). 예열 구역은 가마 길이의 40~50% 이상 확장됩니다. 이 구역에서 장입물 내의 수분이 제거되고 600℃ ~ 800℃의 온도 범위에서 방출되는 석탄의 휘발성 물질이 자유 공간의 공기 튜브를 통해 공급되는 연소 공기와 함께 연소됩니다. 위의 요금. 연소열은 라이닝과 베드 표면의 온도를 높입니다. 가마가 회전함에 따라 안감은 장입물로 열을 전달합니다. 약 950℃로 예열된 장입물이 환원 구역으로 들어갑니다. 1000 ℃ ~ 1100 ℃ 정도의 온도가 환원 구역에서 유지되며, 이는 산화철을 금속 철로 고체 상태로 환원시키기에 적절한 온도입니다. 가마 쉘의 길이를 따라 설치된 열전대는 가마의 열 프로파일을 결정합니다. 가마 내부 온도는 가마 외피에 장착된 팬의 도움으로 포트를 통해 가마로 유입되는 연소 공기의 양을 조절하고 석탄 주입을 제어함으로써 제어됩니다. 광석의 산화철은 가마에서 석탄에서 발생하는 일산화탄소에 의해 금속성 철로 환원됩니다.
가마에서 나온 뜨거운 환원 물질은 냉각을 위해 이송 슈트를 통해 회전식 냉각기로 전달됩니다. 쿨러도 2.5도 기울어져 있으며 AC 가변 속도 모터에 의해 구동되는 0.3rpm에서 1.2rpm의 가변 속도로 회전합니다. 쉘 상단에 물을 분사하여 쉘 내부의 뜨거운 물질을 간접적으로 냉각시킵니다. 재료는 약 100℃로 냉각되고 이중 진자 밸브를 통해 벨트 컨베이어로 배출됩니다. 이 밸브는 밀봉 역할을 하고 대기 공기가 회전식 냉각기로 들어가는 것을 방지합니다.
회전 가마에서 배출된 가마의 냉각된 제품은 DRI가 숯에서 자기적으로 분리되고 다양한 크기 분획으로 선별되는 제품 분리 영역으로 보내집니다.
가마의 재료에 대해 역류 방향으로 흐르는 가스는 더 무거운 입자가 침전되는 먼지 침전 챔버(DSC)로 이동합니다. 이러한 입자는 습식 스크레이퍼 시스템에 의해 지속적으로 제거됩니다. 그런 다음 가스는 사용 가능한 초과 공기에 의해 잔류 탄소 또는 CO가 연소되는 애프터 버너 챔버(ABC)로 전달됩니다. ABC 이후의 가스는 고온이며 일반적으로 WHRB(폐열회수 보일러)를 통한 증기 생성에 사용되는 많은 열 에너지를 가지고 있습니다. 이 증기는 일반적으로 발전에 사용됩니다. WHRB 배출 시 약 200℃로 냉각된 가스는 더 미세한 먼지 입자를 제거하기 위해 백 필터, 스크러버 또는 ESP(전기 집진기)와 같은 오염 제어 장비로 이동합니다. 깨끗한 가스는 굴뚝을 통해 약 80℃의 대기로 방출됩니다.
킬른 링의 심각한 형성을 방지하기 위해 킬른의 작동 온도는 1,100℃ 이내로 유지되어야 합니다.
로터리 킬른 공정은 약 7시간에서 8시간의 감소 시간이 필요하기 때문에 공정 생산성이 제한되고 일반적으로 킬른 크기에 따라 30,000톤/년 ~ 150,000톤/년 범위입니다. 프로세스의 중요한 단계와 프로세스 개념은 그림 2에 나와 있습니다.
그림 2 로터리 킬른 공정의 중요 단계 및 공정 개념
또한 석탄 기반 회전 소성로 환원 공정에서는 약 6GCal의 연료 에너지가 필요합니다. 2GCal 이상의 에너지가 가마에서 폐가스로 배출됩니다. 이 에너지의 일부는 WHRB에서 회수됩니다.
석탄 기반 직접 환원 공정의 일반적인 개략적인 흐름도는 그림 3에 나와 있습니다.
그림 3 석탄 기반 직접 환원 공정의 개략적인 흐름도
20세기 후반에 이 분야에서 개발된 몇 가지 프로세스와 프로세스 개념이 있습니다. 그들 중 일부는 살아남았고 다른 일부는 살아남지 못했습니다. 살아남은 프로세스 및 프로세스 개념은 아래와 같이 몇 가지 공통적이거나 약간 다른 기능을 가지고 있습니다.
장비 및 시설
석탄 기반 직접환원 로터리 킬른 공정에는 다음과 같은 장비와 설비가 필요합니다.
회전식 가마의 침전물 형성
가마 내부의 재료는 굴러떨어지고 미끄러지며 얇은 먼지 층이 내화 라이닝 표면에 항상 형성됩니다. 소성로의 일부 구역은 특히 입자 축적에 취약할 수 있으며 열 및 유동 조건의 결합된 효과로 인해 회전 운동으로 인해 원통형 침전물 또는 링이 형성됩니다. 링이 두꺼워짐에 따라 가마의 사용 가능한 개구부가 감소합니다. 즉 가마의 작업 부피가 감소하여 가마를 통한 제품 및 연도 가스의 흐름을 방해합니다. 링은 일반적으로 환원 구역이나 버너에 가까이 위치하며 이 영역의 매우 높은 온도로 인해 발생합니다. 특히 버너 화염의 직접적인 충돌로 인해 내화 라이닝이 과열될 때 발생합니다. 이것들은 가장 일반적이면서도 가장 골치 아픈 유형의 반지입니다.
회전 가마에서 부착 형성의 주요 원인은 FeO-SiO2-Al2O3 시스템에서 wustite, fayalite, iron cordierite, hercynite와 같은 저융점 복합 화합물의 형성과 CaO-MgO-FeO-SiO2- Melilite 또는 anorthite, akermanite, 철-마그네슘 근청석, 스피넬 및 철-마그네슘 실리케이트와 같은 Al2O3 시스템. 이러한 복합 화합물의 공존은 가마 장입물의 융합 온도를 낮추고, 이는 차례로 내화벽에 부착됩니다. 또한 일부 부착물은 장입단에 가까운 미세 입자의 덩어리로 인해 또는 회전 소성로의 배출단에서 과도한 온도 및/또는 낮은 탄소/철 비율로 인한 DRI의 소결로 인해 형성됩니다.
이 고리는 가마 외부에서 접근할 수 없기 때문에 가마 작업 중에 제거할 수 없습니다. 여러 경우에 링이 빠르게 성장하여 가마의 예정에 없던 가동 중단이 발생합니다. 대부분의 가마가 폐쇄되는 것은 부착물의 형성 때문인 것으로 관찰되었습니다.
DRI 제작과 관련된 용어
DRI에 대한 환원 반응의 효과 측정과 관련된 용어 중 일부는 다음과 같이 정의됩니다.
총 철분 비율 'Fe T'는 금속성 철 및 산소와 같은 다른 원소와 화학적으로 결합된 철을 포함하는 샘플의 총 철입니다.
Fe T =(철 중량/시료 중량)*100
퍼센트 금속성 철 'Fe M'은 화학적으로 결합되지 않은 철이며 시멘타이트(Fe3C)입니다.
Fe M =(금속 철의 무게/샘플의 무게)*100
잔류 산화철 일반적으로 FeO가 일반적으로 존재하는 유일한 잔류 산화물이지만 DRI에 FeO, Fe3O4 또는 Fe2O3의 형태로 존재하는 잔류 철 산화물입니다.
총 탄소 는 DRI에 존재하는 총 탄소이며 자유 탄소와 결합 탄소(시멘타이트)의 합과 같습니다.
불순물 DRI에서 바람직하지 않은 원소/화합물이며, 그 중 황과 인이 가장 일반적입니다.
금속화 사용된 환원제의 작용으로 인해 산소가 제거되어 산화철이 금속성 철(유리하거나 시멘타이트와 같은 탄소와 결합)으로 전환되는 정도를 측정합니다.
금속화 정도 금속성 철로 존재하는 전체 철의 부분을 나타냅니다.
금속화 정도 =(금속 철의 중량/총 철의 중량)* 100 =(Fe M/Fe T)*100
등가 금속화 – 주어진 금속화 정도에서 해면철의 탄소 함량은 중요합니다. 그것은 제강 중 남아있는 산화철에서 산소를 제거하는 능력이 있습니다. 이것은 다음과 같이 정의되는 등가 금속화의 개념으로 이어집니다.
등가 금속화(%) =금속화 정도(%) + DRI의 총 탄소 비율의 5배
감소율 초기 Fe를 Fe2O3로 하여 DRI를 생산할 때 제거된 산소를 말한다.
% 감소 ={[(%O/% Fe T) in Fe2O3 – (%O/% Fe M) in DRI]/(%O/%Fe T) in Fe2O3}*100
% 감소 =[1- 2.327* (%O/%Fe T) in DRI]*100
이 정의는 DRI에 포함된 철의 상태를 제공합니다. 일부 사람들은 Fe3O4 및 FeO를 포함할 수 있는 광석의 초기 산화물 상태와 관련하여 감소율을 정의할 때 혼동이 발생할 수 있습니다. 이 경우 감소율은 DRI 프로세스에서 수행되는 감소량을 정의합니다.
맥석 비율 DRI의 비철 화합물(SiO2, Al2O3, CaO, MgO 등)을 말합니다.
맥석 =100 – Fe와 %O – %Fe M – %C
4차 염기성 는 CaO, MgO 및 Al2O3, SiO2의 비율이며 (% CaO + % MgO)/(% Al2O3 + % SiO2)의 비율로 표시됩니다.
제조공정
직접 환원 과정의 이론적 측면 철광석의 직접환원법에서는 철광석이나 금속을 융해하지 않고 고체철광석으로부터 고체금속철(Fe)을 직접 얻는다. 직접 환원은 산화철의 환원을 허용하지만 다른 산화물(MnO, SiO2 등)은 환원할 수 없는 산소(O2) 전위에서 고체 상태의 환원으로 정의할 수 있습니다. 환원은 고체 상태이므로 환원된 철에서 이러한 원소가 용해될 가능성이 매우 적기 때문에(낮은 열역학적 활성에서) 철보다 더 안정적인 산화물은 본질적으로 환원되지 않은 채로 남아 있습니다. 철광석의 직접적인 환원은 상승하는 가스에 의해 용
A 용접에 대해 이야기할 때 갑자기 두 개의 금속 부품을 결합하는 과정이라는 그림이 떠오릅니다. 그러나 주제를 더 잘 이해하기 위해 용접은 금속과 세라믹에만 국한되지 않고 플라스틱 산업에서도 두 개의 플라스틱 부품을 결합하는 동일한 목적으로 사용됩니다. 제조 분야에서 결합 및 조립이라는 용어가 자주 사용됩니다. 가입 그것은 일반적으로 조립 된 엔티티를 얻기 위해 납땜, 납땜 및 접착 본딩을 용접하는 데 사용됩니다. 이 조립된 개체는 영구적으로 결합되어 분리하기 어렵습니다. 결합은 기계 산업(항공우주, 자동차, 석유 및 가스)