소결 공정(그림 1)은 소결기에서 수행되는 야금 공정이다. 열적 응집 공정으로, 여러 파라미터 고려 필요한 에너지 집약적 공정이다. 열, 질량, 운동량 전달이 화학 반응과 결합된 다양한 물리화학 현상 포함. 이 현상들이 동시에 일어나 공정 복잡성 크게 증가. 소결 공정 복잡성이 제어 시스템 복잡성으로 이어진다.
소결 공정은 제철 전처리 공정 단계로, 입도 10mm 미만 철광석 분광, 회수 분광, 플럭스, 코크스 브리즈 혼합을 응집해 체질 크기 5-30mm 소결광 생산으로 고로 내 압력과 온도 조건 견딜 수 있게 한다. 소결 공정 응집은 연소로 달성. 공기 흡입으로 소결 스트랜드 통과 소결 혼합층 상단 연료 입자 먼저 점화로에서 점화, 스트랜드 전진에 따라 점화/연소 전면이 층 하부로 점차 진행해 끝 도달.
소결 공정은 고로 부담 제조 필수 단계로, 응집 재료(소결광)가 고로 최적 선철 생산에 적합한 특성 가져야 함. 또한 대량 발생 소결 플랜트 가스 배출 제어 중요: 다량 발생, 다양한 독성 물질 포함.
소결 공정은 500개 이상 파라미터 포함, 각기 크고 작은 영향 미치며 가능한 한도 내 제어 필요해 생산성, 공정 안정성, 소결광 조성 및 품질 표준화 최적화. 법적 환경 요구사항 충족 위해 소결 플랜트 발생 분진 및 가스 모니터링 오염 제어 시스템 필요. 소결 공정 특성: 연속성, 비선형, 시변, 불확실성 외에 복잡성, 큰 이력현상. 매년 운영자 축적 경험과 제철 노하우 진보로 모든 소결 플랜트에서 소결 공정 개선 진행.
오랜 기간 소결 공정 대부분 운영자 경험에 의존 제어. 이로 인해 공정 제어 변동 발생. 이력현상, 데이터 수집/공정 편차 검출 변동, 운영자 지식/의사결정 능력 차이, 운영자 간 책임 분배, 생리/심리/환경 요인 등 이유로 제어 바람직하지 않은 변동 불가피. 소결기 용량 확대 시 이러한 요인 영향 증가. 이로 인해 소결 공정 자동화 및 제어 시스템 개발 필요성 대두.
소결 플랜트 자동화 및 제어 시스템은 위 요구사항 충족 위해 필요. 서브시스템 효과적 제어, 공정 정보 적시 공급, 생산/품질 요구사항 충족하며 총비용 최소화 위해 필요. 데이터 분석용 데이터베이스 구축 및 분석 도구 통합 위해 필요.
신뢰성 있고 검증된 기본 자동화 제어 시스템은 현대 소결 플랜트 운영의 중추. 소결 플랜트 공정 제어 시스템 주요 목적: (1) 연료 소비 최소화(연료율 생산비 핵심 요소), (2) 과도한 제어 조치 회피(경미한 제어 조치만 필요하면 소결기 성능 크게 안정화), (3) 위기 공정 상황 회피(시스템이 불균질 혼합, 불량 표면 점화, 소결 혼합 불완전 연소 등 위기 상황 빨리 반응할수록 전체 소결 공정 더 원활 → 더 균일한 제품 품질), (4) 전 교대 조율된 운영 결정으로 전 교대 일정한 운영 조건 → 설비 수명 연장, 생산비 절감, (5) 배출가스 저감(공정 제어 시스템 폐루프 운영 모드로 생산 파라미터 환경 배출 한도 내 최적화, 특히 SO2 배출).
소결 플랜트 자동화 및 제어 시스템은 생산성 및 안정성 향상 돕는 현대적 사용자 친화적 도구. 플랜트 니즈 충족해 성능 개선. 소결 생산 안정화, 예상 결과 달성 도움, 엄청난 실용적 가치. 이점: (1) 고생산성(전기 에너지와 연료 소비 최소화하며 피크 성능 유지), (2) 제품 품질(소결광 화학적/물리적/기계적 특성 목표 수준 유지), (3) 연료 소비 절감(투입 원료 정밀 혼합, 스트랜드 위 소결광 열 조건 고려 회수 분광량 이상적 제어 결과), (4) 안정적 교대 독립적 운영(효율적 생산 보장), (5) 포괄적 야금 모델 자동화 및 제어 시스템 쉬운 통합, (6) 고로 요구사항 빠른 대응, (7) 빠른 상각(표준 기간 1년 미만 기대).
소결 공정에서 염기도, 제품 크기 등 화학적/물리적 파라미터는 고로 품질 요구사항 충족 위해 정의된 표준편차 내 사전 설정 목표값 만족 필요. 소결 품질은 혼합 야드와 계량 플랜트에서 원료 선택·혼합 시작, 공통 소결 공정 제어 모델로 통합. 화학적 특성 원료 혼합 자동 적응으로 균질화. 물리적/화학적 특성 고려 향상된 '번스루 포인트(BTP)' 제어 시스템 시스템 통합 필요. 시스템은 변동 야기 변화 대응, 폐루프 공정 제어로 달성.
소결 공정 최적화는 플랜트 자동화 완전히 새로운 수준 높이는 혁신적 공정 제어 시스템 필요. 검증된 기반 시스템 기반으로 고가용성 보장, 데이터 수집/처리/시각화 효율적 결합. 광범위 원시 데이터 소스(프론트엔드 신호, 투입 원료량, 실험실 데이터, 이벤트, 모델 결과, 비용 데이터) 플랜트 전체 수명 저장. 공정 정보 분석 데이터와 원료 배합 레시피 연결 특수 도구 제공.
소결 플랜트 자동화 및 제어 시스템 개발 목적: 노무 생산성 향상, 소결 플랜트 수율 향상, 최적 소결 품질(물리적, 기계적, 화학적, 야금적) 달성, 에너지 소비 절감. 소결 생산 공정 각 단계 모니터링 운영자 지원 필수 시스템.
소결 원료 특성(화학 조성, 입도 등) 고유 변동 요소 가져 통계적 방법으로 공정 데이터 평가 필요. 여러 모델 개발 필요. 소결 공정 복잡성으로 모델 개발 복잡. 그러나 온라인 실용화 가능 모델 개발 필요. 추가로 소결 플랜트 운영은 원료 변동 수용하면서 고로 지속적 개선 제철 요구사항 충족, 에너지 절약 등 비용 최소화 요구 충족 위해 유연성 필요.
소결 플랜트 자동화 및 제어 시스템은 소결 공정 전반 최적 안정 운영 보장. 생산성 증대, 운영비 절감 지원. 최적 안정 소결 공정 위해 층내 현상 이해하고 공정 최적 운영 방향 유도 필요. 소결 주요 제어 기술: 스트랜드 폭 방향 균일 소결 위한 충전 밀도 제어, 최적 생산성 및 소결 품질 유지 위한 팔레트 속도 제어.
자동화 효율성은 적절한 계장에 강력 의존. 올바른 계기 적소 제공, 효율적 자동화 및 제어 시스템 위해 심리스 장착 필요. 검증된 효율적 기술(서버 가상화 등) 시스템 유연성·가용성 증대, 하드웨어·유지보수 비용 절감. 최신 산업용 이더넷 기술과 검증된 하드웨어 아키텍처로 높은 IT 보안 수준 유지하며 최대 성능 허용.
소결 공정 안정화, 생산성 증대, 생산비 절감 궁극적 목표로 소결 플랜트 자동화 및 제어 시스템 필요. 이 목적 위해 층내 현상 이해하고 공정 최적 운영 유도 여러 노력 경주. 소결 주요 제어 기술: 스트랜드 폭 방향 균일 소결 위한 충전 밀도 제어, 최적 생산성 및 소결 품질 유지 위한 팔레트 속도 제어. 소결 플랜트 자동화 설계는 보통 6개 기본 설비 계층으로 구분(그림 2 참조).
소결 공정 자동화 및 제어 기술은 소결 기술과 함께 발전해 고로 성능 향상 필요 소결 품질 요구사항 충족. 컴퓨터 1960년대 초 미국과 유럽(주로 프랑스, 벨기에) 소결 플랜트서 소결 공정 검출, 알람, 기록, 출력 요건 위해 최초 도입. 이후 컴퓨터 단계적 개/폐루프 제어 사용. 1970년대 일본이 소결 공정 자동화 및 제어 개발 중심. 가와사키 제철(KSC), 스미토모 금속(SMI), 고베 제철, 일본제철(NSC), 일본강관 게이힌(NKK) 등 일본 철강사 중요 프로젝트 수행. 1980년대부터 인공지능 소결 공정 연구로 제어 신뢰도·정밀도 향상.
소결 플랜트 자동화 및 제어 시스템은 레벨 0(필드 레벨)부터 레벨 3(관리 레벨)까지 고전적 레벨 구조. 분산 제어 시스템(DCS), 중앙 공정 컴퓨터 시스템(PCS), 제철소 중앙 컴퓨터 시스템(CCS) 사용하는 3단계 계층 시스템.
3단계 제어 시스템 적용으로 유연성 향상, 확장 용이, 공정 신뢰성 제고(그림 3 참조).
소결 공정 복잡성으로 전체 공정 수학적 모델 적용 제한적. 따라서 모델 개발이 소결 플랜트 영역별 진행 → 자동화 및 제어 시스템 모듈식 접근 결과.
소결 플랜트 자동화 및 제어 시스템은 일반적으로 모듈식 시스템 구조 특징. 데이터 수집, 설정점 실행 등 기본 기능 외 기술적 제어(주 제어 루프) 기본 자동화 시스템 구현. 포함: 원료 배합비 제어, 원료 공급 제어, 수분 제어, 서지 호퍼 레벨 제어, 드럼 피더 제어, 점화 후드 제어, 배가스 쿨러 제어, 소결 쿨러 제어. 이 기본 제어 기능 초점: 원활하고 신뢰성 있는 소결 공정 보장, 지속적 공정 최적화 가능.
유연한 인터페이스, 모듈화, 현대 소프트웨어 아키텍처로 원료, 운영 철학, 서드파티 시스템 연결 등 끊임없이 변화하는 환경에서 시스템 쉽게 적응·유지관리 가능. 견고한 기반 시스템과 더불어 다수 상호작용 공정 모델이 운영자와 야금 엔지니어 일상 결정 지원. 플랜트별 니즈 야금 공정 모델 반영. 최신 데이터 시각화와 야금 공정 모델 통한 엔드투엔드 실시간 투명성으로 더 나은 협업, 워크플로 개선, 오류 감소, 의사결정 지원.
소결층 열 패턴 지수 모니터링 센서 개발. 기존 시계열 데이터(투과성, 품질, 수율 등 전이 평가) 운영 조건 평가뿐 아니라 층 조건 변화 직접 추정, 풍량 분포·코크스 분포 층내 제어 가능. 그림 4 소결 플랜트 측정 시스템 열 패턴 예시.
넥스퍼트 객체 소프트웨어, VAX VMS 하드웨어로 200개 운영 파라미터 15초마다 제어. 효과: FeO 함량 표준편차 저감, RDI(환원 열화 지수) 개선, BTP(배가스 온도 최고점 도달 지점, 화염 전면 소결층 바닥 도달 시점) 제어 개선, 풍박스 온도 프로파일 개선.
풍박스 배가스 CO, CO2, O2 함량 분석 + IRSID 개발 단계적 열수지 모델 결합. 제어 시스템 사용 경험: 생산성, BTP, 최대 화염 전면 온도, 최대 온도 시 층내 형성 용융분율 등이 일련 파라미터 변동 함수로 변동 나타냄. 이론적 생산성 주로 회수 분광 균형과 원료 혼합 유량 의존. 실측 생산성 차이 평가로 회수 분광 균형 효과 잘 추적됨 확인.
계산 BTP: 원료 혼합 유량·화학조성(광물 혼합 탄소량, 연료 수분량), 배가스 CO2 의존. 계산 BTP와 그레이트 하부 온도 측정 결과 BTP 차이 평가: 평균 편차 1-2m 양쪽 변동. 이 값 증가는 경고. 계산 최대 화염 전면 온도·용융분율: 원료 혼합 화학조성 연관 열 입출력 의존.
VAX 4000/500 중앙 컴퓨터 4500개 신호 로깅, MicroVAX 3100 모델 80 2대 보조기 단말기/프린터 구동. 컴퓨터 사용으로 소결층 변경 후 최적 원료 혼합 수분 결정 개선. 운영 데이터 지속 모니터링으로 점화로 유입 가스·공기 흐름 기반 투과성 연속 계산 가능. 그림 5 혼합 수분 함량과 투과성 관계. 최적 수분 쉽게 관측, 수분 투과성 강한 영향 확인.
제품 컨베이어 벨트 주변 벨트 코일 시스템으로 소결광 FeO 함량 측정. FeO 제어 개선으로 소결 톤당 코크스 1kg 절감. BTP 측정·제어로 공정 제어 개선, 스트랜드 이용 효율 향상. 플랜트 컴퓨터 BTP 모델 설치: 마지막 8개 풍박스 하부 스트랜드 온도 측정으로 BTP 위치 계산·검출. 모델 제안 스트랜드 속도 계산해 실제 BTP 사용자 지정 설정값 일치시키고 스트랜드 담당 운영자 통보. 이 모델로 스트랜드 속도 제어 시 스트랜드 이용률 약 1% 증가.
두 자동화 레벨 700값 계산 및 공정 최적화 모듈 세트 설치. 공정 파라미터 복잡성 불구 주요 목적: (1) 생산량 5% 향상, (2) 코크스 소비 2% 이상 절감, (3) 시스템 가용성 99.5% 이상 보장.
레벨 1: 원료·소결 분석 등 다양한 소스 주요 데이터 운영자 효율적 방식(주로 그래픽) 제시. 운영자 그래픽 형식 데이터 분석. 레벨 2: 공정 폐루프 제어(인간 개입 없음). 모델 여러 설정점 동시 계산·검증. 설정점: 원료 혼합 유량, 원료 비율, 물 첨가, BTP 제어용 소결 스트랜드 속도. 레벨 1↔레벨 2 전환 가능, 레벨 2 제어 불가 시 레벨 1이 다시 제어.
스트랜드 속도 이상적 제어 불가 시 속도 변동으로 불안정 운영 예상. 공정 제어 위해 스트랜드 끝 도달 전 혼합 완전 소결 보장, BTP 포인트 스트랜드 끝 최대한 가깝게 해 최대 생산량 달성 필요. 그림 6 소결 플랜트 생산성 제어 개요.
소결 플랜트 50개 열전대, 5개 층상 유량계, 열화상 장치, 서브게이트 개방 제어 시스템 구성. 그림 7 레이아웃. 열전대 풍박스 15-25 하부, 5개 유량계 베드 박스 6 위치. 시스템으로 운영자 공정 최적 안정 조건 유지. 스트랜드 상태 시각화로 팔레트 속도, 충전 밀도, 연료 함량 정보 운영자 제공. 결과: 소결 팔레트 하부 배가스 온도 변동 크게 감소. 서브게이트 개방 자동 제어 후 회수 분광량 감소, 제품 수율 향상.
드럼 믹서 호퍼 이송 철광석·코크스 수분 함량 검사 온라인 측정 시스템 설치. 고속 중성자원 기반. 고속 중성자 광물수 수소원자 충돌 시 수소원자 수 비례 에너지 손실, 충돌 결과 느린 중성자 검출 센서로 수분 함량 결정(그림 8). 시스템은 연중 주변 온도·습도 변동 고려 보정.
소결 공정 중 열전면 변화뿐 아니라 국소 가스 조성 변화, 원료 혼합 초기 용융온도 변동으로 여러 화학 반응·상변환 발생. 국소 온도·고체 조성 도달 시 상변환 대부분 열공급·확산 구동, 입자층 내 발생, 액체 형성 메커니즘 주요 역할. 국소 온도 용융온도 도달 시 원료 부분 용융, 이동하며 차가운 가스 접촉으로 재고체화 촉진 → 입자 응집 연속 다공성 소결 케이크 형성. 최종 소결 케이크 특성: 열 사이클, 원료 초기 화학조성, 소결 중 개발 열물리적 특성 강력 의존. 소결 공정 수학적 모델은 소결기 내 발생 현상 시뮬레이션.
소결 공정 모델링 방법은 기체, 고체, 액체 상에 대한 다상·다성분 운동량, 질량, 에너지 이송 방정식 기반, 다공성 소결 형성 국소 현상 고려(그림 9). 모델은 상들 동시 상호작용 고려, 각 상 화학 종 화학 종 보존 방정식 기반 계산. 운동량, 에너지, 화학 반응 속도 교환 정확한 기술이 모델 완전 정확성 위해 필수.
화학 종 개별 고려: 기체·고체 상 각 화학 종 이송 방정식 풀이. 고체 상: 철광석 소결 원료, 미립 소결(회수 미립 소결), 코크스 브리즈(타 고체 연료), 스케일(제철소 분광), 플럭스 혼합물 설명. 액체 상: 용융 형성 액체 상 성분 구성. 재고체화 상: 재고체화 액체, 재고체화 중 형성 상 구성, 국소 액체 조성·열교환 강력 의존. 최종 소결 케이크: 이 물질들 혼합 형성, 품질 최종 조성·각 물질 부피 분율·모자이크 소결 구조 내 분포 의존.
소결 공정 모델에서 액체 상 형성 이동은 점성 고려 나머지 고체 상과 함께 이동 가정. 미용융 입자 표면 부착 액체 형성 고려해 고체 운동량 이송·엔탈피 방정식 이 점성 액체·고체 물질 혼합물 고려. 모델에서 온도-조성 의존 열물리적 특성 혼합 규칙 따라 개별 상 특성 상 부피 분율 고려 가정.
제조공정
금속 압연 공정의 경제적 효율성은 최종 압연 제품의 품질 수준과 밀접한 관련이 있습니다. 평판 강재 압연은 제품 품질이 입측 소재, 기계 및 전기 설비, 운전 파라미터, 윤활, 자동화 및 제어 전략 등 다양한 요인의 영향을 받는 복잡한 공정입니다. 중요한 품질 매개변수는 소재 두께, 소재 형상 및 표면, 응력 분포의 균질성입니다. 최적의 비용 효율성과 소재 사용량 극대화를 위해 엄격한 두께 공차가 필수적이며, 이를 통해 스트립을 최소 허용 두께에 최대한 가깝게 압연할 수 있습니다. 제품 품질은 기계, 전기, 계측 설비 및 제어 전략
용접하면 흔히 두 금속 부품을 접합하는 공정을 떠올리지만, 실제로는 세라믹, 플라스틱 등 비금속 소재의 접합에도 널리 활용됩니다. 제조업에서 접합(Joining)과 조립(Assembly)은 핵심 공정입니다. 접합 vs 조립 접합(Joining): 용접, 브레이징, 납땜, 접착 등으로 영구적으로 결합하며 분해가 어렵습니다. 항공우주, 자동차, 오일·가스 등 주요 산업의 핵심 공정입니다. 파이프·탱크가 용접이 아닌 다른 방식으로 접합된다면 누유·파열 위험이 큽니다. 조립(Assembly): 볼트, 너트, 체결부로 분해 가능한 결합을
