철광석 펠렛 및 펠렛화 공정: 종합 가이드

철광석 펠렛과 펠렛화 공정 개요

펠렛화는 200 메쉬(0.074 mm) 미만의 미세 철광석 분말에 벤토나이트 등 첨가제를 혼합하고, 펠렛라이저로 직경 8~16 mm의 근구형/구형 볼로 성형한 뒤 연료로 소성하여 경화시키는 응집 공정입니다. 철광석 분말을 '균일 크기의 철광석 펠렛'으로 변환하여 고로(BF)나 수직로, 회전로(직접 환원철(DRI) 생산용)에 직접 장입할 수 있게 합니다. 철광석 펠렛 외관은 그림 1과 같습니다.

철광석 펠렛의 대표적 특성 (표 1)

표 1: 철광석 펠렛의 대표적 특성
화학 분석(건조 기준)	단위	값	허용오차
Fe	%	65	최소
FeO	%	0.3	최대
SiO₂ + Al₂O₃	%	5	최대
CaO	%	0.03	± 0.01
MgO	%	0.06	± 0.01
염기도	%	65	최대
인(P)	%	0.05	최대
물리적 특성
벌크 밀도	t/m³	2.2	± 0.2
텀블러 지수	%	93	최소
마모 지수	%	3	최소 ± 0.5%
냉간 압축 강도(평균)	kg/p	250	최소
입도 분석
8~16 mm	%	94	최소
-5 mm	%	2	최대
+16 mm	%	4	최대
야금적 특성
다공율	%	18	최소
환원성	%	62	최소

공정 기술: 4단계

철광석 펠렛 생산은 다음 4단계로 구성됩니다.

1. 원료 준비
2. 그린 볼/펠렛 성형
3. 펠렛 소성(인듀레이션)
4. 냉각, 저장 및 수송

1. 원료 준비

선광장에서 나온 철광석 정광을 건조하고 약 120°C로 가열합니다. 건조된 원료를 볼밀에서 분쇄하여 80%가 45 미크론(0.045 mm) 이하, 수분 약 9% 상태의 정광/분쇄 철광석을 만듭니다. 적절한 바인더(주로 벤토나이트)를 첨가해 고강도 믹서에서 철저히 혼합합니다.

2. 그린 볼/펠렛 성형

직경 8~16 mm의 그린 펠렛을 볼링 드럼 또는 디스크 펠렛라이저에서 제조합니다. 디스크 펠렛라이저는 적은 설치 면적으로 조작 제어가 용이해 고품질 그린 펠렛 생산에 선호됩니다. 직경 5~7.5 m의 경사 팬이 분당 6~8 회전(rpm)으로 회전하며, 경사각은 약 45°(오프라인에서 45~49° 조정 가능)입니다.

사전 습윤된 혼합물을 제어된 속도로 디스크에 공급합니다. 디스크 내부에서 원료가 응집되고 지속적인 회전 운동으로 결절/펠렛이 형성됩니다. 광석 미분은 마찰력이 중력으로 극복될 때까지 들어 올려졌다가 디스크 바닥으로 굴러내려옵니다. 이 굴림 작용으로 종자(seed)라 불리는 소립자가 먼저 생성되고, 이후 디스크 회전마다 신선한 원료 공급과 소립 펠렛 간 충돌로 성장합니다. 펠렛이 커지면 주변부와 층 상단으로 이동하다가 림을 넘어 배출됩니다. 디스크에 소량 분무하는 물과 디스크 회전 속도 조절로 펠렛 성장을 제어합니다. 이때 펠렛은 충분한 강도가 없어 '그린 펠렛'이라 부릅니다. 그린 펠렛은 롤러 스크린에서 선별되어 펠렛화 기계의 주행 그레이트로 공급됩니다.

볼링 디스크에서 작용하는 물의 표면장력, 모세관 작용, 중력이 광석 입자에 작용하여 이들이 합쳐져 핵을 형성하고 구형으로 성장합니다. 고체 입자가 물과 접촉하면 표면이 젖고 수막으로 코팅됩니다. 수막의 표면장력으로 액체 다리가 형성되고, 입자 이동과 개별 물방울(광석 입자 포함) 결합으로 최초 응집이 일어나 종자가 생성됩니다. 종자 내부의 액체 다리가 입자들을 네트워크처럼 결합시킵니다. 추가 물 공급으로 응집체가 조밀해지며, 이때 모세관 힘이 더 활발히 작용합니다. 모든 기공이 액체로 채워지면 이 단계의 최적 상태에 도달합니다. 고체 입자가 완전히 물로 코팅되면 물방울 표면장력이 모세관 힘을 지배하게 되며, 입자 간 구름 운동과 상대적 이동도 중요한 역할을 합니다.

3. 소성(인듀레이션)

그린 펠렛을 열경화시키는 단계로, 다음 세 단계로 나뉩니다.

• 건조 (180~350°C): 그린 펠렛의 수분 증발. 표면·간극 수분은 저온에서, 화학 결합수(고사이트, 라임나이트)나 수화물/수산화물은 약간 높은 온도에서 방출
• 예열 (500~1,100°C): 탄산염·수화물 분해, 석탄/코크스 등 고체 연료 가스화, 고사이트·사이데라이트·자철석 같은 산화철이 적철석으로 산화. 고체 산화물 결합 개시와 입자 성장이 중요 단계
• 소성 (1,250~1,340°C): 주 산화물 상의 용융점 미만이지만 불순물 성분과 첨가제의 반응성 범위 내. 산화물과 슬래그 결합 형성 결정적

소성 중 광물 입자 결합에 영향을 주는 세 요인:

• 고체 산화물 결합: 제2산화철이 제3산화철로 산화되며 결합·브리징 형성(제한적)
• 산화철 재결정화: 미세 입자가 표면 에너지 손실과 함께 거대 입자로 통합되는 물리적 과정. 지속적인 산화철 결정 성장이 충분한 강도 부여. 적철석 입자 성장은 약 1,100°C부터 시작
• 슬래그 결합: 게이트가 용융 수송 매개체가 되어 제2/제3산화철의 입자 성장과 산화물 결정화 촉진. 이 메커니즘이 없을 때보다 낮은 온도에서 진행 가능

소성 처리는 펠렛의 야금적 특성을 변화시키는 화학 반응을 유발합니다(자철석 산화, 토상 적철석 탈수 등). 고로용 펠렛은 볼링 원료에 석회석, 돌로마이트, 실리카 등을 첨가해 플럭스 펠렛을 만듭니다. 이들은 철광석 게이트와 반응하여 후공정에서 펠렛 성능을 향상시킵니다.

4. 펠렛 냉각 및 취급

소성 후 펠렛을 냉각·선별합니다. 오버사이즈 펠렛은 파쇄하여 언더사이즈와 함께 저장소 빈으로 보내 재처리합니다. 냉각된 펠렛은 저장을 거쳐 후공정 플랜트로 수송됩니다.

펠렛화 공정 기술

여러 펠렛화 기술이 있으나, 현재는 직선 주행 그레이트(STG) 공정과 그레이트 킬른(GK) 공정이 주류입니다.

직선 주행 그레이트 공정 (STG)

구 루르지 메탈루르기(Lurgi Metallurgie)가 개발했으며 전 세계 설치 용량의 큰 비중을 차지합니다. 이중 데크 롤러 스크린으로 적정 크기(8~16 mm)의 그린 펠렛을 주행 그레이트 폭 전체에 고르게 분배합니다. 그레이트는 높이 300~550 mm 펠렛 층을 업드래프팅, 다운드래프트 건조, 예열, 소성, 애프터 파이어링, 가열 구역이 있는 노로 이송합니다. 공정 흐름도는 그림 2와 같습니다.

그레이트 킬른 공정 (GK)

구 알리스 챌머스(Allis Chalmer)가 개발했으며 1960년 최초 플랜트 건설. 주행 그레이트로 펠렛을 건조·예열하여 800~1,000°C까지 올린 뒤, 내화물 라이닝된 회전 킬른으로 이송하여 1,250~1,300°C로 추가 가열·소성합니다. 800°C에서 자철석의 FeO가 발열 반응으로 Fe₂O₃로 전환되며, 방출 열이 그린 볼을 경화시켜 회전 킬른의 낙하 충격을 견디게 합니다. 소성 펠렛 냉각에는 원형 쿨러를 사용합니다. 공정 흐름도는 그림 3과 같습니다.

두 공정 비교 (표 2)

표 2: 직선 주행 그레이트 공정과 그레이트 킬른 공정 비교
항목	직선 주행 그레이트 공정	그레이트 킬른 공정
1	건조, 예열, 소성, 냉각 사이클이 단일 장비에서 수행	건조, 예열, 소성, 냉각 사이클이 서로 다른 장비에서 수행
2	공정 중 그린 펠렛이 교란되지 않음	주행 그레이트, 회전 킬른, 원형 쿨러 3개 장비에서 수행되어 펠렛 이송 발생
3	그레이트 카가 건조, 소성, 냉각 구역에서 동일 속도 이동. 한 구역 교란이 타 구역 영향	3개 구역 독립 제어 가능하여 운영 유연성 우수
4	물질 이송 없으므로 미분 발생 거의 없음	여러 지점에서 물질 이송으로 미분 발생 상대적으로 많음
5	중간 제품 강도 요구사항 없음	킬른 이송 전 그린 펠렛이 충분히 경화되어야 함
6	공정 가용성 높음	공정 가용성 낮음
7	비에너지 소비량 높음	비에너지 소비량 낮음
8	유지보수 적음	유지보수 많음
9	분진 발생 적음	분진 발생 많음
10	투자비 높음	투자비 낮음
11	적철석과 자철석 광석 모두에 적합	자철석 광석에 더 적합

두 공정의 온도 분포 비교는 그림 4와 같습니다.

펠렛의 장점

• 철광석 펠렛은 철광석보다 텀블러 지수가 우수해 고로와 DRI 생산 모두에서 철광석 덩어리 대체재로 사용 가능
• 높은 다공율(25~30%)로 환원성이 좋음. 일반적으로 펠렛은 신터와 철광석 덩어리보다 훨씬 빠르게 환원됨. 높은 다공율은 DRI 생산에서 야금화도 향상에도 도움
• 일반적으로 8~16 mm 범위의 균일한 크기
• 구형 형상과 개방 기공으로 우수한 층 투과성 확보
• 낮은 안식각은 바인더 분포 불균일 유발 단점
• 선광 공정에서 제어되어 화학 성분이 균일. Fe 함량은 원료 광석 Fe 함량에 따라 63~68% 범위. LOI(점화 감량) 없음도 장점
• 높고 균일한 기계적 강도로 장거리 수송 시 미분 발생 적음. 분해 저항성 우수. 환원 분위기 열응력 하에서도 높은 기계적·균일 강도 유지