직접 환원 철(DRI): 생산 기술과 산업 공정 완벽 가이드

직접 환원 철(DRI: Direct Reduced Iron)은 비코킹 석탄이나 천연가스를 사용하여 철광석이나 기타 철 함유 자재를 고체 상태에서 직접 환원하여 생산되는 제품입니다. 철의 용융점 이하에서 철광석 환원으로 DRI를 생산하는 공정을 일반적으로 직접 환원(DR: Direct Reduction) 공정이라고 합니다. 환원제는 개질 천연가스, 합성가스, 석탄에서 나오는 일산화탄소(CO)와 수소(H₂)입니다. 철광석은 주로 펠릿 및/또는 덩어리(lumpy) 형태로 사용됩니다. 철광석에서 산소(O₂)는 H₂와 CO 기반 화학 반응에 의해 제거되어 고금속화 DRI가 생산됩니다.

직접 환원 공정의 원리

직접 환원 공정에서 고체 금속 철(Fe)은 철광석을 용융시키지 않고 고체 상태에서 직접 얻습니다. 직접 환원은 철 산화물은 환원되지만 다른 산화물(MnO, SiO₂ 등)은 해당 원소로 환원되지 않는 산소 포텐셜에서 고체 상태 환원으로 정의됩니다. 환원이 고체 상태에서 일어나므로 이러한 원소들이 환원 철에 용해될 가능성(낮은 열역학적 활성)은 매우 적으며, 철보다 안정한 산화물은 본질적으로 환원되지 않은 상태로 남습니다.

DRI는 다공성 구조를 가집니다. 이는 DRI가 철광석에서 O₂를 제거하여 생산되기 때문입니다. 구조가 연결된 기공 네트워크를 가진 스펀지와 같아 '스펀지 철(Sponge Iron)'이라고도 불립니다. 이 기공들은 고체 철의 내부 표면적보다 약 10,000배 더 큰 내부 표면적을 생성합니다.

DRI는 여러 형태로 생산됩니다: 덩어리(lump), 펠릿, 열간 브리켓 철(HBI: Hot Briquetted Iron), 미분(fines), 냉간 브리켓 철(CBI: Cold Briquetted Iron). HBI와 CBI는 DRI의 취급과 수송을 용이하게 하기 위한 밀도화된 형태입니다. HBI는 650°C 이상의 온도에서 매우 높은 압력으로 DRI를 압축하여 생산됩니다. 이는 많은 기공을 닫고 공기와 반응할 수 있는 접촉 면적을 제한하며, 열전도도도 증가시킵니다.

DRI의 철 함량과 금속화도

DRI의 철 함량은 두 가지 형태입니다. 하나는 금속 철(Metallic Iron, Fe(M))로 알려진 금속 형태이고, 다른 하나는 잔류 산화철(Fe(O)) 형태로 존재하는 철입니다. DRI의 총 철(Total Iron, Fe(T))은 이 두 철 성분의 합입니다. 금속 철은 DRI에 존재하는 철의 총량으로, 자유 상태이거나 탄소와 결합한 상태(시멘타이트)입니다. DRI의 금속화도(Metallization)는 환원제 작용으로 O₂ 제거에 의해 철 산화물이 금속 철(자유 상태 또는 시멘타이트로 탄소와 결합)로 전환된 정도를 측정합니다. DRI 금속화도는 금속 철 질량을 총 철 질량으로 나눈 백분율로 정의됩니다.

DR 공정의 역사

DRI 생산에 대한 최초의 특허는 1792년 영국에서 출원되었습니다. 회전 킬른을 이용한 것으로 추정됩니다. 현대 DR 공정 개발은 19세기 중반에 시작되었습니다. 1920년 이후 100개 이상의 DR 공정이 발명되고 운영되었으나, 대부분 살아남지 못했습니다. 현대 DRI 생산 시대는 1957년 12월 5일 HYL 공정 플랜트가 힐사(Hylsa)에서 생산을 시작하면서 열렸습니다. 미드렉스(Midrex) 공정의 첫 플랜트는 1969년 5월 17일 오리건 스틸 밀스(Oregon Steel Mills)의 포틀랜드 공장에서 가동되었습니다. 석탄 기반 회전 킬른 공정은 1920년대 저품위 광석 선광을 위해 개발된 리퍼블릭 스틸-내셔널 리드(RN) 공정과 1960년대 초 고품위 DRI 생산을 위해 고안된 스텔코-루르기(SL) 공정을 결합한 것입니다.

DRI 생산 공정

DRI 생산 공정은 준비된(크기 선별된) 철광석과 환원제를 친밀하게 혼합하는 것을 포함하며, 환원제는 일반적으로 적절한 환원 속도를 달성하는 데 필요한 온도로 광석층을 가열하는 데도 사용됩니다. 환원제는 기체 또는 고체일 수 있습니다. 주요 DRI 생산 공정은 천연가스 기반 또는 석탄 기반입니다. DR 공정의 공급 원료는 10~30mm 크기 범위의 크기 선별된 철광석 또는 철광석 펠릿 플랜트에서 생산된 8~20mm 크기 범위의 철광석 펠릿입니다.

가스 기반 공정은 환원 반응에 수직 샤프트 킬른을 사용합니다. 석탄 기반 공정은 환원 반응에 다음 네 가지 유형의 반응기 중 하나를 사용합니다: (1) 회전 킬른, (2) 샤프트 킬른, (3) 유동층 반응기, (4) 회전 하스 노. 회전 킬른이 석탄 기반 공정에서 가장 인기 있는 반응기입니다.

가스 기반 공정

가스 기반 환원 공정에서는 수직 샤프트 킬른을 사용하며, 철광석은 킬른 상부에 장입되고 완성된 스펀지 철은 재산화 방지를 위해 냉각 후 하부에서 인출됩니다. 환원 가스는 광석층을 통과하며, 사용된 가스는 가열 및 개질을 거쳐 H₂와 CO 혼합물로 재순환되며, 이곳에서 950°C로 가열되어 적절한 환원 반응 속도를 달성합니다. 샤프트 노는 역류 원리로 작동하며, 철광석 공급 원료는 중력에 의해 노 내에서 하향 이동하고 상향 흐르는 환원 가스에 의해 환원됩니다.

가스 기반 DR 공정에서는 기체 연료가 사용됩니다. 이 연료들은 H₂와 CO 가스 혼합물을 생성하기 위해 개질하거나 분해할 수 있어야 합니다. 고메탄 함유 천연가스가 가장 일반적으로 사용되는 가스입니다. 천연가스는 H₂와 CO 혼합물로 풍부해지도록 개질되며, 이 개질되고 풍부해진 가스 혼합물은 예열되어 샤프트 DR 노로 보내집니다.

가스 기반 공정은 운영이 간단하며 세 가지 주요 단계로 구성됩니다: (1) 철광석 환원, (2) 가스 예열, (3) 천연가스 개질. 현재는 천연가스 개질이 필요 없는 가스 기반 공정도 이용 가능합니다.

가스 기반 공정의 핵심은 샤프트 노입니다. 원통형 내화물 라이닝 용기이며 직접 환원 공정의 핵심 구성 요소입니다. 유연하고 다재다능한 반응기입니다. 천연가스, 석탄에서 나오는 합성가스, 코크스 오븐 가스, 코렉스(Corex) 공정 배가스를 환원 가스로 사용할 수 있습니다.

가스 기반 DRI 공정에서는 H₂와 CO 모두에서 환원 반응이 일어납니다. H₂와의 반응: (1) 3Fe₂O₃ + H₂ = 2Fe₃O₄ + H₂O, (2) Fe₃O₄ + H₂ = 3FeO + H₂O, (3) FeO + H₂ = Fe + H₂O. CO와의 반응: (1) 3Fe₂O₃ + CO = 2Fe₃O₄ + CO₂, (2) Fe₃O₄ + CO = 3FeO + CO₂, (3) FeO + CO = Fe + CO₂.

가스 기반 DRI는 비자성 물질과의 오염 가능성이 없으므로 자기 분리를 거치지 않습니다. 가스 기반 공정은 각 사용자의 특정 요구사항에 따라 세 가지 다른 제품 형태를 생산할 수 있는 유연성이 있습니다. 세 가지 DRI 형태: 냉간 DRI, HBI, 열간 DRI.

세 가지 인기 있는 가스 기반 공정이 있습니다: (1) HYL 공정, (2) 미드렉스(Midrex) 공정, (3) 페레드(PERED) 공정. HYL 공정의 최신 버전은 에너지론(Energiron) 공정으로 알려져 있습니다.

석탄 기반 공정

석탄 기반 공정에서 환원 반응 반응기는 수평 위치에 약간 기울어진 회전 킬른입니다. 직접 환원 공정은 1000~1100°C 범위에서 운영 온도를 유지하며 수행됩니다. 회전 킬른에서 석탄과 철광석 공급 원료가 킬른의 같은 쪽 끝에서 장입됩니다. 공급 원료가 전진 이동하는 동안 석탄의 탄소 산화 반응과 CO 가스 환원 반응이 신중하게 균형을 이룹니다. 킬른 길이를 따라 서로 다른 구역에서 800~1050°C 범위의 온도 프로파일이 유지되며, 중력에 의해 원료가 아래로 흐르면서 광석이 환원됩니다. 공정의 기본 환원 반응: (1) C + O₂ = CO₂, (2) CO₂ + C = 2CO, (3) 3Fe₂O₃ + CO = 2Fe₃O₄ + CO₂, (4) Fe₃O₄ + CO = 3FeO + CO₂, (5) FeO + CO = Fe + CO₂.

킬른의 제품(DRI와 차 혼합물)은 외부 수냉 시스템을 가진 회전 쿨러에서 100~200°C로 냉각됩니다. 킬른에서 배출된 제품은 선별되고 자기 분리됩니다. DRI는 자성이 있어 끌려와 비자성 차와 분리됩니다. 분리된 DRI는 +3mm와 -3mm 두 크기 분율로 선별됩니다. -3mm 분율은 때때로 수산화 석회와 당밀을 결합제로 사용해 브리켓팅됩니다.

DRI 특성 비교

석탄 기반 vs 가스 기반 DRI 물성 비교

표 1 석탄 기반 DRI와 가스 기반 DRI 비교
순번	항목	단위	석탄 기반	가스 기반
1	탄소 함량	%	0.2-0.25	1.2-2.5
2	제품 크기		다양함	균일함
3	물질 상태		안정적	재산화 경향 있음
4	겉보기 밀도	톤/㎡	1.6-2.0	1.5-1.9
5	비금속물	%	0.3-0.5	없음
6	금속화도	%	86-92	85-93
7	HBI 생산		비실용적	실용적

석탄 기반 vs 가스 기반 DRI 조성 비교

표 2 석탄 기반 DRI와 가스 기반 DRI 조성 비교
순번	항목	단위	석탄 기반	가스 기반
1	금속 철	%	80-84	83-86
2	산화철	%	6-9	5-8
3	탄소	%	0.2-0.25	1.2-2.5
4	맥석	%	3-4	2-6
5	플럭스	%	1-3	0-3
6	황	%	0.02-0.03	0.05-0.25
7	인	%	0.04-0.07	0.03-0.08
8	잔류물	%	0.3-0.5	0.02-0.05

DRI의 장점

DRI의 다양한 장점은 다음과 같습니다.

1. 제강 시 스크랩 내 금속 잔류물의 희석 가능
2. 제조 제품이므로 균일한 조성 보유
3. 균일한 크기 보유
4. 스크랩 대비 낮은 황과 인 함량
5. 다른 부담재와 함께 고로에 장입 시 고로 생산성 향상