ITmk3 공정: 고베제철의 친환경 아이언 너겟 생산 기술

아이언 너겟 제조 ITmk3 공정

ITmk3 공정은 '제철 기술(IT) 마크 3'으로도 불리며 석탄 환원 기술 중 하나입니다. IT 마크 1은 고로(BF) 제철, IT 마크 2는 직접환원(주로 가스기반 환원 공정)입니다(그림 1). 고베제철이 개발한 친환경 공정입니다.

개발 역사

• 1996~1998년: 실험실 규모 테스트
• 1999~2000년: 고베제철 가코가와 제철소에 일일 3,000톤 파일럿 플랜트 건설·운전
• 2002~2004년: 미국 미네소타에 연산 25,000톤 파일럿 데모 플랜트 건설·운전
• 2007년: 미네소타 호이트 레이크스에 연산 500,000톤 최초 상업 플랜트 착공
• 2010년 1월: 상업 플랜트 운전 개시

ITmk3 공정 개요

ITmk3는 광석 환원, 침탄, 용융, 슬래그 분리를 비교적 저온에서 일괄 수행하는 신속 제철 공정입니다. 4단계: (i) 철광석과 석탄 응집, (ii) 응집체 환원·용융, (iii) 금속철과 슬래그 분리, (iv) 배가스 처리·열회수.

철광석 정광, 비코킹 석탄(환원제), 석회석(플럭스), 벤토나이트(바인더)를 혼합해 그린 자력환원 펠렛으로 성형. 이 펠렛을 회전 로스 퍼니스(RHF)에 장입해 자력환원, 플럭싱, 건조된 그린 볼을 환원·침탄·용융. 생성물은 입상 철인 '아이언 너겟'. 공정의 철-탄소(Fe-C) 상태도상 위치는 그림 2 참조.

ITmk3 공정은 철광석 분말과 비코킹 석탄으로 고순도 입상 철(아이언 너겟)을 생산합니다. 환원, 침탄, 용융, 슬래그 분리가 특징(그림 3). 공정 온도 약 1,350°C로 기존 고로 제철(~1,500°C 이상)과 다름. 환원 반응 시간 10분으로 고로 8시간, 가스기반 직접환원 6시간 대비 획기적 단축.

공정 주요 특징

• 저급 철광석 분말을 미세 입자로 분쇄·선광해 고급 정광 생산, 이를 그린 펠렛으로 변환
• 비코킹 석탄을 환원제로 사용
• 펠렛을 RHF에 장입, 1,350°C 가열·환원·용융·금속-슬래그 분리
• 용융 철이 로 내부에서 너겟으로 응고, 냉각 후 배출·슬래그 분리
• 공정 단순, 통상 설비 사용. 짧은 체류 시간으로 플랜트 시동·정지 용이. 철광석 분말과 분탄을 복합 펠렛으로 응집

공정 흐름도는 그림 4 참조.

주요 반응식

철광석과 석탄 간 반응은 일반 제철과 동일:

FeₓOᵧ + yCO = xFe + yCO₂
CO₂ + C = 2CO
C(s) = C (침탄)
Fe(s) = Fe(l) (용융)

마지막 두 반응은 ITmk3 공정 추가 반응으로 금속철과 슬래그 분리를 위함.

ITmk3 공정 생성물: 아이언 너겟

ITmk3는 슬래그 프리 아이언 너겟 생산(그림 5). 화학적·물리적 특성이 선철과 유사.

• 금속철(Fe): 96~97%
• 탄소(C): 1.7~3.5%
• 황(S): ~0.5%
• 밀도: 6.5~7.0 g/cm³

고로 용선 생산 선철보다 용해성 우수(낮은 융점, 높은 열전도도). 수송·취급 용이한 크기. 재산화되지 않고 취급 중 미분 발생 안 함. 전기로(EAF) 연속 장입 가능(DRI, HBI와 유사).

ITmk3 공정 단위 소비량 (너겟 톤당)

• 철광석 분말: 1.5 톤
• 비코킹 석탄: 0.5 톤
• 연료 가스: 1.1 기가칼로리
• 전력: 200 kWh
• 물: 2 m³
• 압축 공기: 85 m³
• 질소: 12 m³

환경 관리

ITmk3-EAF 제강 루트는 BF-BOF 루트 대비 오염물질 대폭 저감. BF-BOF 대비 ITmk3-EAF 공정 루트 오염물질 저감율:

• 일산화탄소(CO): 96%
• 질소산화물(NOx): 65%
• 이산화황(SO₂): 77.7%
• 휘발성유기화합물(VOC): 86.5%
• 이산화탄소(CO₂): 41.1%
• 수은(Hg): 58.0%

ITmk3 공정 대표적 플랜트 레이아웃

부지 소요를 보여주는 대표 레이아웃은 그림 6 참조.

ITmk3 공정의 장점

1. 공정이 단순함
2. 철광석 분말을 비코킹 석탄으로 직접 환원 가능
3. 에너지 효율 우수: 고로 제철 대비 약 30% 에너지 절감
4. CO₂ 배출량 저감
5. 자본 투자 저렴: 소결/펠렛 플랜트와 코크스 오븐 배터리 불필요
6. 저렴한 원료 사용: 철광석 분말, 비코킹 석탄
7. 제강 단계에서 선철보다 용해성 우수한 고급 아이언 너겟 생산
8. 용선 취급 불필요
9. 아이언 너겟은 슬래그 프리, 트램프 원소 프리, 재산화 안 됨, 미분 발생 안 함 → 수송 용이
10. 운전·조정 단순, 시동·정지로 생산량 조절 용이
11. 사용 설비 단순하고 검증된 신뢰성