직접환원철과 그 생산공정

환원철 및 그 생산 공정

직접환원철(DRI)은 무점결탄 또는 천연가스를 이용하여 철광석 또는 기타 철 함유 물질을 고체 상태로 직접 환원시켜 생산하는 제품입니다. 철의 융점 이하로 철광석을 환원시켜 DRI를 생산하는 공정은 일반적으로 직접 환원(DR) 공정으로 알려져 있습니다. 환원제는 개질된 천연 가스, 합성 가스 또는 석탄에서 나오는 일산화탄소(CO)와 수소(H2)입니다. 철광석은 주로 펠릿 및/또는 덩어리 형태로 사용됩니다. 철광석에서 산소(O2)는 H2와 CO를 기반으로 하는 화학 반응에 의해 제거되어 고도로 금속화된 DRI를 생산합니다.

직접환원법에서는 철광석이나 금속을 융해하지 않고 고체철광석으로부터 고체금속철(Fe)을 직접 얻는다. 직접 환원은 산화철의 환원을 허용하지만 다른 산화물(MnO 및 SiO2 등)은 환원할 수 없는 O2 전위에서 고체 상태의 환원으로 정의할 수 있습니다. 환원은 고체 상태이기 때문에 이러한 원소가 환원된 철에 용해될 가능성(낮은 열역학적 활동에서)이 거의 없으므로 철보다 더 안정적인 산화물은 본질적으로 환원되지 않은 채로 남아 있습니다.

DRI는 다공성 구조를 가지고 있습니다. DRI는 철광석에서 O2를 제거하여 생성되기 때문입니다. 스펀지 철은 그 구조가 모공을 연결하는 네트워크를 가진 스펀지와 비슷하기 때문에 스폰지 아이언으로도 알려져 있습니다. 이러한 기공은 단단한 철의 내부 표면적보다 약 10,000배 더 큰 내부 표면적을 생성합니다.

DRI는 다양한 형태로 생산됩니다. 이들은 덩어리, 펠릿, 열간 연탄(HBI), 미분 및 냉간 연탄(CBI)입니다. HBI 및 CBI는 취급 및 운송을 용이하게 하기 위해 DRI의 고밀도 형태입니다. HBI는 650℃를 초과하는 온도에서 매우 높은 압력으로 DRI를 압축하여 생성됩니다. 이는 많은 기공을 닫고 공기와 반응할 수 있는 접촉 영역을 제한합니다. 또한 열전도율을 증가시킵니다.

DRI의 철분 함량은 두 가지 형태입니다. 하나는 금속성 철로 알려진 금속 형태인 Fe(M)이고, 두 번째 형태의 철은 잔류 산화철에 존재하는 Fe(O)입니다. DRI의 총 철 Fe(T)는 이 두 철 성분의 합입니다. 금속성 철은 DRI에 존재하는 탄소(시멘타이트로서)가 없거나 결합된 철의 총량입니다. DRI의 금속화는 사용된 환원제의 작용으로 인해 O2를 제거하여 산화철을 금속성 철(유리 또는 시멘타이트로서 탄소와 결합)으로 전환하는 측정입니다. DRI의 금속화 정도는 환원 동안 산화철이 금속성 철로 전환되는 정도입니다. 금속 철의 질량을 총 철의 질량으로 나눈 백분율로 정의됩니다.

DR 프로세스 내역

DRI 생산에 대한 최초의 특허는 1792년 영국에서였습니다. 회전식 가마를 사용한 것으로 추정된다. 현대 DR 프로세스의 개발은 19세기 중반에 시작되었습니다. 1920년 이후 100개 이상의 DR 프로세스가 발명되고 운영되었습니다. 그들 중 대부분은 살아남지 못했습니다. DRI 생산의 현대 시대는 1957년 12월 5일 HYL 공정 공장이 Hylsa에서 생산을 시작하면서 시작되었습니다. Midrex 공정의 첫 번째 공장은 1969년 5월 17일 오리건 주 포틀랜드에 있는 오리건 제철소에서 가동되었습니다. 석탄 기반 회전 가마 공정은 저품위 광석 선광을 위해 1920년대에 개발된 Republic Steel-National Lead(RN) 공정과 고급 DRI를 생산하기 위해 1960년대 초에 구상된 Stelco-Lurgi(SL) 공정을 결합합니다.

DRI 제작 과정

DRI 생산 공정은 적절한 환원율을 달성하는 데 필요한 온도로 광석 베드를 가열하는 데 일반적으로 사용되는 환원제와 준비된(크기) 철광석의 친밀한 혼합을 포함합니다. 환원제는 기체 또는 고체일 수 있습니다. 주요 DRI 생산 공정은 천연 가스 기반 또는 석탄 기반입니다. DR 공정의 원료는 철광석 펠릿 공장에서 생산되는 10mm ~ 30mm 크기의 철광석 또는 8mm ~ 20mm 크기의 철광석 펠릿입니다.

가스 기반 공정은 환원 반응을 위해 용광로를 사용합니다. 석탄 기반 공정은 환원 반응을 위해 4가지 유형의 반응기 중 하나를 사용합니다. 이러한 반응기는 (i) 회전식 가마, (ii) 샤프트로, (iii) 유동층 반응기 및 (iv) 회전식 노상로입니다. 회전식 가마는 석탄 기반 공정에서 가장 널리 사용되는 원자로입니다.

철광석의 직접환원 원리는 그림 1과 같다.

그림 1 철광석의 직접환원 원리

철광석의 직접 환원 과정의 원리는 그림 2에 나와 있습니다.

그림 2 직접 축소 과정의 원리

가스 기반 공정

가스 기반 환원 공정에서는 철광석을 가마의 상부로 공급하고 재산화를 방지하기 위해 냉각 후 완성된 해면철을 하부에서 빼내는 수직 샤프트 가마가 사용됩니다. 환원 가스는 광석 베드를 통과하고 사용된 가스는 가열 및 개질 후 재순환되어 개질기에서 H2와 CO의 혼합물로 개질됩니다. 여기서도 950℃의 온도로 가열됩니다. 이 온도는 달성에 필요한 온도입니다. 적절한 환원 반응 속도. 갱도는 철광석 원료가 중력에 의해 로에서 아래로 이동하고 위로 흐르는 환원 가스에 의해 환원되는 역류 원리로 작동합니다.

가스 기반 DR 프로세스에서는 가스 연료가 사용됩니다. 이러한 연료는 H2와 CO 가스의 혼합물을 생성하기 위해 개질하거나 분해할 수 있는 능력을 가져야 합니다. 천연 가스를 함유한 고 메탄 가스는 가장 일반적으로 사용되는 가스입니다. 천연 가스는 H2 및 CO 혼합물로 농축되도록 개질되며 이 농축 및 개질된 가스 혼합물은 예열되어 샤프트 DR로로 보내집니다.

가스 기반 공정은 작동이 간단하며 (i) 철광석 환원, (ii) 가스 예열 및 (iii) 천연 가스 개질의 세 가지 주요 단계를 포함합니다. 현재 천연 가스의 개질이 필요하지 않은 가스 기반 공정도 이용 가능합니다.

가스 기반 공정의 핵심은 용광로입니다. 이것은 원통형의 내화 라이닝 ​​용기이며 직접 환원 공정의 핵심 구성요소입니다. 그것은 유연하고 다재다능한 원자로입니다. 천연 가스, 석탄 합성 가스, 코크스 오븐 가스 또는 Corex 공정의 배기 가스를 환원 가스로 사용할 수 있습니다.

환원 반응은 기체 기반 DRI 공정에서 H2와 CO 모두에서 발생합니다. H2와 일어나는 반응은 (i) 3Fe2O3 + H2 =2Fe3O4 + H2O, (ii) Fe3O4 + H2 =3FeO + H2O, (iii) FeO + H2 =Fe + H2O입니다. CO와 함께 일어나는 반응은 (i) 3Fe2O3 + CO =2Fe3O4 + CO2, (ii) Fe3O4 + CO =3FeO + CO2, (iii) FeO + CO =Fe + CO2입니다.

가스 기반 DRI는 비자성 물질로 오염될 가능성이 없으므로 자기 분리를 하지 않습니다. 가스 기반 공정은 각 사용자의 특정 요구 사항에 따라 세 가지 다른 제품 형태를 생산할 수 있습니다. DRI의 세 가지 형태는 콜드 DRI, HBI 또는 핫 DRI입니다.

세 가지 인기 있는 가스 기반 프로세스가 있습니다. (i) HYL 프로세스, (ii) Midrex 프로세스, (iii) PERED 프로세스입니다. HYL 프로세스의 최신 버전은 Energiron 프로세스로 알려져 있습니다. Energiron 프로세스의 순서도는 그림 3에 나와 있습니다.

그림 3 Energiron 프로세스 흐름도

Midrex 프로세스의 순서도는 그림 4에 있습니다.

그림 4 Midrex 프로세스 흐름도

석탄 기반 공정

석탄 기반 공정에서 환원 반응을 위한 반응기는 수평 위치로 약간 기울어진 회전 가마입니다. 직접환원 공정은 1,000℃에서 1,100℃ 범위의 작동 온도를 유지하면서 수행됩니다. 회전식 가마에서 석탄과 철광석 원료는 모두 가마의 동일한 끝에서 장입됩니다. 공급 재료가 앞으로 이동하는 동안 석탄에서 탄소의 산화 반응과 CO 가스의 환원 반응이 조심스럽게 균형을 이룹니다. 800°C에서 1050°C 범위의 온도 프로파일은 다른 구역에서 가마의 길이를 따라 유지되며 재료가 중력으로 인해 아래로 흐르면서 광석이 감소합니다. 이 과정의 기본 환원 반응은 (i) C + O2 =CO2, (ii) CO2 + C =2CO, (iii) 3Fe2O3 + CO =2Fe3O4 + CO2, (iv) Fe3O4 + CO =3FeO + CO2 및 ( v) FeO + CO =Fe + CO2.

가마의 제품(DRI 및 숯 혼합물)은 그런 다음 외부 수냉식 시스템이 있는 회전식 냉각기에서 100°C~200°C의 온도로 냉각됩니다. 가마에서 배출된 제품은 스크리닝되고 자기적으로 분리됩니다. 자성인 DRI는 끌어당겨 비자성 숯과 분리됩니다. 분리된 DRI는 +3mm와 -3mm의 두 가지 크기 부분으로 스크리닝됩니다. -3mm 분수는 때때로 수화석회와 당밀을 결합제로 사용하여 연탄 처리됩니다. 석탄 기반 DR 공정의 흐름도는 그림 5에 나와 있습니다.

그림 5 DRI 생산을 위한 석탄 기반 회전 가마 공정 흐름도

DRI의 속성  

석탄 기반 DRI와 가스 기반 DRI의 특성 비교는 표 1에 나와 있습니다.

탭 1 석탄 기반 및 가스 기반 DRI 비교
SL 번호	제목	단위	석탄 기반	가스 기반
1	탄소 함량	%	0.2-0.25	1.2-2.5
2	제품 크기		다양함	유니폼
3	재료 상태		안정적	재산화되기 쉬움
4	대량 밀도	톤/제곱미터	1.6-2.0	1.5-1.9
5	비금속	%	0.3-0.5	무
6	금속화	%	86-92	85-93
7	HBI 제작		불가능	가능

석탄 기반 DRI와 가스 기반 DRI의 구성 비교는 표 2에 있습니다.

탭 2 석탄 기반 DRI와 가스 기반 DRI 구성 비교
SL 번호	제목	단위	석탄 기반	가스 기반
1	금속 철	%	80-84	83에서 86
2	산화물	%	6-9	5에서 8
3	탄소	%	0.2 ~ 0.25	1.2 ~ 2.5
4	맥석	%	3에서 4	2에서 6
5	플럭스	%	1에서 3	0~3
6	유황	%	0.02 ~ 0.03	0.05 ~ 0.25
7	인	%	0.04 ~ 0.07	0.03 ~ 0.08
8	잔차	%	0.3 ~ 0.5	0.02 ~ 0.05

DRI의 장점

DRI의 다양한 장점은 (i) 제강 중 스크랩의 금속 잔류물을 희석할 수 있다는 점, (ii) 제조된 제품이기 때문에 균일한 조성을 가지고 있고, (ii) 균일한 크기를 갖고 있다는 점, (iv) 스크랩에 비해 황, 인 함량이 낮고, (v) 고로에 다른 부자재와 함께 장입하면 고로의 생산성을 향상시킨다.