철광석 미분 소결 공정: 고로 효율 향상을 위한 핵심 기술

소결 공장은 일반적으로 일체형 제철소에서 고로의 선철 생산과 연관됩니다. 소결 공정은 기본적으로 제선 과정에서 철광석 미분과 야금 폐기물(포집 분진, 슬러지, 밀스케일 등)로부터 고로용 장입 자재인 소결광을 생산하기 위한 사전 처리 공정 단계입니다.

소결 기술은 원래 제철소의 철광석 미분과 야금 폐기물 내 철을 고로에서 이용하기 위해 개발되었습니다. 하지만 현재 초점은 바뀌었습니다. 이제 소결 공정은 고로용 고품질 부담재 생산을 목표로 합니다. 오늘날 소결광은 대형 고로의 주 금속 부담재입니다.

소결 공정의 원리

소결 공정은 철광석(배합), 순환 미분, 플럭스, 코크스를 10mm 미만 입자 크기로 혼합하여, 10~30mm 체 크기의 결과 소결광이 고로 내 압력과 온도 조건을 견딜 수 있도록 응집시키는 데 사용됩니다.

소결 원리

소결은 철광석, 순환 미분, 제철소 재활용 제품(밀스케일, 고로 분진 등), 슬래그 형성 원소, 플럭스, 코크스 미분을 소결 공장에서 응집시켜 적절한 화학 조성, 품질(물리적), 입도 분포의 소결 제품을 제조하여 고로에 장입함으로써 고로의 균질하고 안정한 조업을 보장하는 열적 공정(1300~1400°C 수행)입니다. 소결 전에는 입자화(granulation)라는 중요한 공정이 있습니다. 입자화는 7~8% 물과 함께 회전 드럼에서 철광석 혼합물을 균질화하여 예비 응집 제품을 얻고, 이를 연속 이동 그레이트 또는 스트랜드 위에 층으로 공급하여 소결 제품을 얻는 과정입니다. 이 공정은 소결층 투과성을 보장하므로 소결기 생산성에 근본적인 역할을 합니다.

소결 공정의 유연성은 철광석 미분, 포집 분진, 광석 정광, 밀스케일 등 미세 입자 크기의 다양한 철 함유 자재를 클링커 유사 응집체로 전환할 수 있게 합니다.

소결 공정은 예비 응집 제품을 가열하여 반용융 덩어리를 생성하고, 이것이 고로 장입에 필요한 크기와 강도 특성을 가진 다공성 소결 조각으로 고화되는 과정입니다.

제품 소결광

소결 공정의 제품은 소결광(sinter)이라고 하며, 좋은 소결광의 품질 특성에는 (1) 화학 분석, (2) 입도 분포, (3) 환원성, (4) 소결광 강도가 포함됩니다. 소결광의 전형적 물성은 표 1에 나와 있습니다.

표 1 소결광의 전형적 물성
순번	항목	단위	값
1	화학 조성
	Fe	%	56.5~57.5
	FeO	%	6.0~8.0
	SiO₂	%	4.0~5.0
	Al₂O₃	%	1.0~2.5
	CaO	%	7.5~8.5
	MgO	%	1.6~2.0
2	염기도(CaO/SiO₂)		1.7~2.9
3	ISO 강도(+6.3mm)	%	75 초과
4	환원 열화 지수(RDI)	(-3mm)%	27~31
5	환원성 지수(RI)	(R60)%	55~75
6	텀블러 지수	(-6.3mm)%	65~75

소결광의 종류

소결광은 산성 소결광, 자체 플럭싱 소결광, 초플럭스 소결광으로 분류됩니다. 자체 플럭싱 소결광은 산성 성분(SiO₂, Al₂O₃)을 플럭스하는 데 필요한 충분한 CaO(석회) 함량을 가집니다. 초플럭스 소결광은 다른 부담재를 통해 고로에 유입되는 산성 성분을 플럭스하기 위한 추가 CaO 함량을 가집니다. 자체 플럭싱 및 초플럭스 소결광의 경우 석회가 소결 배합 용융 온도를 낮추고, 상대적으로 낮은 온도(1100~1300°C)에서 FeO 존재 하에 강한 결합이 형성됩니다. 소결에 플럭스 첨가의 이점은 다음과 같습니다.

• 철광석과 고체 연료에 존재하는 불순물과 슬래그를 생성하여 입자 응집에 적합한 매트릭스 생성
• 소결광의 물리적 및 야금적 특성 개선
• 소결 배합 용융 온도 낮춤
• 고로에서 석회석 첨가 감소/제거로 석회석 소성 반응(CaCO₃=CaO+CO₂)에 필요한 연료 절약, 결과적으로 고로 코크스 비율 감소

소결 공정 상세

소결 공정은 철광석 미분, 플럭스, 제철소 내부 야금 폐기물, 연료, 소결 공장 순환 미분으로 구성된 원자재 준비로 시작됩니다. 이 자재들은 회전 펠렛팅 드럼에서 혼합되고 적절한 응집을 위해 물이 첨가됩니다. 이 응집은 마이크로 펠렛 형태입니다. 이 마이크로 펠렛은 소결기 투과성 최적화에 도움을 줍니다. 이 마이크로 펠렛은 소결기로 이송되어 장입 혼합물의 상층을 형성합니다.

소결 공정은 코크스 브리즈 존재 하에 버너 작용에 의해 장입 혼합물(광석 미분, 순환 미분, 플럭스 등) 층을 표면에서 처리하는 연속 공정입니다. 이렇게 하면 상부에서 하부 섹션으로 가열이 이루어집니다. 장입 혼합물 층은 스트랜드 시스템 위에 놓이고 배기 시스템으로 전체 두께가 부분 용융과 후속 응집에 적합한 온도에 도달하도록 합니다.

드와이트-로이드(Dwight-Lloyd) 소결기에서 소결 그레이트는 팔레트 카의 결합으로 형성된 연속 체인으로, 소결 스트랜드를 만듭니다(그림 2). 각 팔레트 카는 장입 호퍼 아래로 지나가며 먼저 조대 입도(10~20mm) 자재를 30~60mm 두께 층으로 장입하여 주로 순환 소결광으로 구성된 허스 층(hearth layer)을 형성합니다. 허스 층은 소결 공정 중 강철 그레이트 과열을 방지합니다.

허스 층 위에 마이크로 펠렛 제2층을 장입하고 평탄화합니다. 그런 다음 팔레트 카는 점화로 아래로 지나가며 장입 혼합물 표면에서 착화 연소가 일어납니다. 동시에 혼합물은 소결 장입물을 통해 하향 흡인(down-draught suction)을 받습니다. 하향 흡인으로 공기가 이동층을 통과하여 연료가 연소됩니다.

팔레트 카는 공정을 계속하고 연소는 가스 흐름 방향으로 진행됩니다. 이렇게 소결 공정이 이루어집니다. 연소 공정은 층 전체 두께에서 동시에 일어나지 않습니다. 반대로 연소는 수직으로 층을 통과하는 수평 층 형태로 일어납니다. 이 층 두께는 층 높이의 작은 일부분입니다. 층 투과성은 장입 혼합물의 품질 요구사항이며, 따라서 장입 혼합물의 입자화 공정은 소결 공정의 중요한 단계입니다(입자화로 인해 층 투과성 개선).

연소대 위 영역에서 매우 뜨거운 소결 제품이 이 층을 통과하는 공기를 가열합니다. 이렇게 예열된 공기가 연소 영역으로 도달합니다. 앞서 가열된 공기/가스의 열이 이 차가운 섹션에서 흡수되어 장입물 예열과 장입 혼합물 수분 증발을 유발합니다. 이 맥락에서 부분 용융을 유발하는 고온에 도달하고 소결 공정이 이루어집니다.

장입 혼합물의 부분층인 소결 존(sintering zone) 또는 화염 전선(flame front)에서 열 축적에 의해 높은 열효율이 발생합니다. 화염 전선은 10~30mm/분 속도로 소결 그레이트를 향해 진행합니다. 약 500mm 층 높이에서 공정은 보통 약 25분 소요됩니다. 스트랜드 끝에 도달하면 소결 물질이 방출되어 냉각, 파쇄, 선별을 거칩니다.

소결 공정은 '번스루 포인트(Burn-through Point, BTP)'에 의해 제어됩니다. BTP는 배가스 온도가 최고값에 도달하는 지점으로 정의됩니다. 화염 전선이 소결층 바닥 바닥에 도달하는 지점입니다. 소결기 속도와 가스 흐름은 소결 방출 직전에 번스루 포인트가 발생하도록 제어됩니다. 번스루 포인트 결정은 공정 안정화와 품질 및 생산성 향상에 매우 중요합니다.

기계 끝에서 소결 물질이 케이크 형태로 뜨거운 소결 파쇄기에 배출됩니다. 여기서 뜨거운 소결 케이크가 미리 정해진 최대 입자 크기로 파쇄됩니다. 여기서 소결광은 소결 쿨러로 배출되며, 직선형 또는 원형 쿨러일 수 있습니다. 쿨러 후 소결광은 선별 섹션으로 이송되어 보통 세 가지 입도 분율로 나뉩니다. 제1 분율은 0~5mm로 순환 미분이라 불리며 공급 호퍼로 보내집니다. 5~15mm 입도 범위의 소결 분율은 소결 스트랜드의 허스 층으로 사용됩니다. 허스 층에 사용되지 않은 5~15mm 분율 잔여량은 15~50mm 크기 범위의 제3 입도 분율과 혼합되어 고로로 보내집니다.

순환 미분은 소결 공정 중 불가피하게 생성되며 소결 공정으로 재활용됩니다. 순환 미분은 일반적으로 철 함유 자재의 30~40%로 구성됩니다. 소결 선별 순환 미분은 고로 선별 순환 미분보다 고칼슘 페라이트 함량이 낮아 조금 더 쉽게 동화됩니다.

소결층 높이의 4개 구역

소결층 높이에서 네 개의 구역이 식별됩니다.

• 냉간 습윤 구역: 100°C 미만 온도의 소결층 구역. 장입 혼합물에 의해 형성되며 상부는 물/수증기로 포화.
• 건조 구역: 100~500°C 온도 범위의 소결층 영역. 소결 혼합물 수분 증발과 수산화물 탈수가 이 구역에서 발생.
• 반응 구역: 500°C(코크스 착화 시작)~900°C(냉각 기간 시작) 온도 범위의 소결층 구역. 이 구역 도달 최대 온도는 1300~1400°C 범위. 이 구역에서 일어나는 주요 공정: (1) 코크스 연소(발열), (2) 탄산염 분해(흡열), (3) 고상 반응, (4) 철 산화물 환원 및 재산화, (5) 소결 덩어리 형성 반응.
• 냉각 구역: 반응 구역 바로 뒤에 위치. 이 구역에서 소결 제품의 냉각과 재결정화 발생. 소결층 나머지보다 소결 층이 부서지기 쉬운 표면 구역 존재.

공정 변동 원인 분석 및 탄소 저감

소결 공정 변동 원인을 연구하여 탄소 소비를 낮추고 이산화탄소 배출을 저감합니다. 플랜트 데이터(한 풍상자 배가스 온도, 혼합 장입 레벨, 혼합 수분 함량) 주파수 분석 결과, 공급 혼합물 수분 변동이 특정 풍상자 배가스 온도 변동과 연관됨이 나타났습니다. 공급 혼합물 수분 함량을 좁은 값 범위로 제어하는 공정 제어 개선으로 탄소 소비를 낮추고 이산화탄소 배출을 줄일 수 있습니다.

폐가스 회로는 대기 공기가 시스템에 의해 흡입되지 않도록 완전히 누출 방지되어야 합니다. 이는 폐가스 회로 동력 절약으로 이어집니다. 폐가스는 사이클론, 전기집진기, 습식 스크러버, 백필터 등으로 분진 제거 처리됩니다. 소결 플랜트 흐름도는 그림 3에 나와 있습니다.

소결기 종류

소결기는 (1) 원형 소결기, (2) 직선형 소결기 두 종류입니다. 직선형 소결기는 드와이트-로이드(Dwight-Lloyd) 소결기라고도 합니다. 드와이트와 로이드는 1906년 최초 연속 소결 플랜트를 건설했습니다.

원형 소결기는 보통 유효 체적 650㎥ 이하 고로에 적합합니다. 일부 원형 소결기의 주요 파라미터는 표 2에 나와 있습니다.

표 2 원형 소결기 주요 파라미터
항목	단위	12㎡ 기계	17㎡ 기계	25㎡ 기계	33㎡ 기계
연간 생산량	1000톤/년	172	253	404.5	556
총 소요 전력	kW	700	1500	1750	2400
플랜트 필요 부지	㎡	8000	9000	10000	12000
건물 필요 부지	㎡	800	3400	35000	3600

원형 소결기의 다양한 특징:

• 직선형 기계 대비 자본 투자 비용이 낮고 건설 기간이 짧음
• 풍상자가 그레이트와 동기 이동하고 수봉 씰링을 채택하여 밀봉이 우수하고 공기 누설 적음
• 배출 시스템으로 냉간 소결광 크기가 추가 파쇄기 없이 적절함
• 높은 운영 유연성 보유

직선형 소결기는 보통 대용량 소결 공장에 사용됩니다. 이러한 기계의 소결 면적은 일반적으로 50㎡ 이상입니다. 현재 직선형 기계는 폭 2~5m, 유효 소결 면적 200~600㎡ 범위로 설치됩니다. 이러한 기계 생산성은 일반적으로 30~46톤/㎡/일 범위입니다. 용량은 연산 19만 톤에서 650만 톤 범위입니다.

소결 및 소결 플랜트 관련 중요 이슈

• 소결광 사용은 고로에서 코크스 비율 감소와 생산성 향상 효과
• 소결 공정은 철광석 채굴 중 생성되는 철광석 미분(0-10mm) 활용 지원
• 소결 공정은 제철소 내 모든 철, 연료, 플럭스 함유 폐기물 재활용 지원
• 소결 공정은 제철소 부산물 가스 활용
• 소결광은 장기 보관 시 과도한 미분 발생으로 장기 저장 불가
• 소결광은 소결 플랜트 내 다중 취급 시 과도한 미분/분진 발생