Research and development of smelting reduction and direct reduction processes of iron ore without any pretreatment have been conducted as alternatives to blast furnace processes to enhance the cost competitiveness and environmental friendliness. Since a fluidized bed reactor is appropriate for gaseous reduction with advantages of uniform temperature distribution, high gas permeability, and favorable heat and mass transfer rates between gas and solid particles, to develop a new iron making process in a fluidized bed is an important research topic. In the present study, the fluidization characteristics of iron particles have been determined to provide fundamental data to develop a fluidized bed for the iron reduction reactor.
Experiments were carried out in a fluidized bed made of transparent acrylic column (0.11 m-i.d. x 2 m-high). The solid particles used in this study were Hammersely, Mt-N, limestone and dolomite having 0.001 - 8 mm particle size distribution. Particle size distribution of the bed material was varied by removal of fine particles (-0.063 mm, -0.125 mm) and coarse particles (+4.75 mm) of Hammersely, and the ratio of Hammersely, Mt-N, limestone and dolomite.
The minimum fluidization velocity $(U_{mf})$ increased with increasing the mean particle diameter and the density of the bed. The following equation is derived to calculate the Umf as a function Reynolds and Archimedes numbers.
$Re_{p,mf} = [(89.4)^2 + 0.0306Ar]^{1/2} -89.4$
The axial solid holdup was approached to bubbling bed region with decreasing the mean particle diameter and the density of the bed.
As a function of gas velocity and particle size, the entrainment rate is derived;
$E[g/cm^2 s] = 3.95 \times 10^{-12}d^{-13.26}_p U^{2.7}_g$
The removal of fine particles causes the decrease of attrition rate. Due to the cushioning effect, the removal of under 0.063mm particles is the most effective range to reduce the attrition rate.
The effect of particle size on transport disengaging height (TDH) is more pronounced than that of gas velocity and the following equation is derived to calculate the TDH as a function of Froude and Archimedes numbers.
$Z=2.83 \times 10^2 Fr^{0.28} Ar^{-0.30}$
용융 환원 제철법은 기존 고로법에서 필수적인 철광석의 소결 공정과 유연탄의 코크스 공정이 생략되어 생산 원가와 투자비의 절감, 환경오염의 방지 및 소규모 다품종 시대에 대응할 수 있는 경쟁력 유지 및 생산 탄력성의 증대와 에너지 소비를 줄일 수 있는 혁신적인 공정으로 부각되고 있다. 용융 환원법은 철광석의 환원과 용융이 하나의 장치에서 이루어지는 고로법과는 달리, 예비 환원로에서 고체 상태의 철광석을 환원성 가스인 CO 및 $H_2$로 환원하는 예비 환원 단계와 용융로에서 광석을 환원하는 최종 환원 단계로 구성되어 있다. 특히 분철광석의 가스 환원에는 통기성 확보와 가스와 고체의 접촉 면적을 크게 하기 위해 유동층 방법이 필수적으로 채택되고 있다. 그러므로 유동층 환원로의 개발에서 분철광석의 유동화 기술의 확보는 반드시 필요한 것이다. 하지만, 유동층을 이용한 철광석 환원 기술의 일반적인 특징과 개발 현황에 대해서는 이미 발표된 바가 있으나, 분철광석의 유동 특성에 관한 연구는 부족한 실정이다. 따라서 본 논문의 분철광석의 유동 특성 연구는 유동층 환원로 개발의 기초 자료로 활용할 수 있을 것이다.
본 논문에서는 철광석 (Hammersely, Mt-N)과 Limestone, Dolomite를 시료로 사용하여 유동층 내 입도 분포에 따른 유동 특성을 고찰하였으며 다음과 같은 결론을 얻었다.
최소 유동화 속도
최소 유동화 속도는 시료 내 평균 입도 및 밀도가 증가하면 증가하는 경향을 보인다. Tappered bed의 영향으로 Wen and Yu (1966)가 제시한 식과 경향성은 같지만, 그 값들이 전체적으로 작게 나타났기 때문에 다음 상관식을 제시하였다.
$Re_{p,mf} = [(89.4)^2 + 0.0306Ar]^{\frac{1}{2}} -89.4$
축 방향 고체 체류량
입도 분포에 따른 고체 체류량은 유동층 밑 부분에서 차이가 나타났다. 시료 내 평균 입도 및 밀도가 감소할수록 유동층 밑 부분의 고체 체류량이 기포 유동층 범위로 접근하였다.
비산 속도
Hammersely의 미분 제거 전후의 비산 속도 고찰을 통해 다음과 같은 상관식을 제시하였다.
$E[g/cm^2 s] = 3.95 \times 10^{-12}d^{-13.26}_p U^{2.7}_g$
Hammersely의 큰 입자 제거 전후의 비산 속도는 Ug/Umf를 기준으로 할 때 65% 감소하였다. Hammersely와 Mt-N의 혼합비에 따른 비산 속도는 큰 차이가 없었으며, Limestone과 Dolomite를 첨가하였을 경우에는 비산 속도가 10% 감소하는 것으로 나타났다.
마모 특성
유동층 내 마모는 미분에서 발생하는 것이 대부분이었으며, 완충 효과를 고려할 때 0.063 mm 이하의 미분만을 제거하는 것이 미분을 줄이는 가장 좋은 입도 분포이다. 또한 Limestone과 Dolomite의 비율을 늘릴수록 마모 비율이 작아지는 것으로 나타났다.
철광석 입자의 비산 특성 고찰
TDH는 유속과 입도 모두의 영향을 받지만 입도에 특히 더 많은 영향을 받는다. 철광석에 대한 TDH의 실험식을 다음과 같이 구하였다.
$Z = 2.83 \times 10^2 Fr^{0.28} Ar^{-0.30}$
