너트 코크 활용으로 고로 조업 최적화: 효율성 및 비용 절감 효과

야금용 코크(고로 코크)는 고로(BF)의 안정적인 조업에 필수적인 역할을 합니다. 고로 코크의 일반적인 크기는 30~60mm(일부 고로는 40~80mm 사용)이며, 선철(HM) 생산 원가의 큰 비중을 차지합니다. 이 높은 원가는 코크스 오븐에서 고로 코크 생산 시 다량의 미분(코크 브리즈 -10mm, 너트 코크 10~30mm)이 발생하기 때문입니다. 코크 브리즈는 전량 소결 공정에서 미광 소결에 사용되지만, 과거에는 너트 코크가 제철소 내에서 거의 사용되지 않고 타 업체에 판매되었습니다. 1960년대 V. I. 로기노프 교수가 너트 코크를 소결광과 혼합하여 고로에 장입할 것을 제안했고, 이는 성공적으로 테스트되었으나 초기에는 고로 내 너트 코크 사용에 대한 저항이 있었습니다.

그러나 오늘날 너트 코크를 고로 코크의 일부 대체재로 사용하는 것은 검증된 기술로 정착했으며, 너트 코크를 고로 광물 부담에 혼합 장입하는 것은 표준 관행이 되었습니다. 너트 코크 사용량은 그 가용성에 크게 좌우되며, 일부 고로에서는 월평균 100kg/tHM 이상의 너트 코크 소비량을 달성했습니다. 유럽 고로들의 연간 평균 지수 통계 분석에 따르면, 너트 코크 투입 시 코크 대체 계수가 1.0에 육박하는 것으로 나타났습니다.

기존 장입 방식과 너트 코크 혼합 장입의 비교

기존 고로 조업에서는 제선 원료(덩어리광, 소결광, 펠릿)와 고로 코크를 교대로 층을 이루며 장입합니다. 너트 코크는 일반적으로 제선 원료와 혼합하여 고로에 장입합니다. 제선 원료층에 너트 코크를 첨가하면 (1) 석탄 건류 시 발생하는 저가 부산물을 효과적으로 활용하고, (2) 고로 코크 소비를 줄이며, (3) 고로 생산성을 향상시키고, (4) 고로 내 가스 동역학적 제어를 최적화하며, (5) 선철 생산 원가 절감으로 기술경제적 지표를 개선하고, (6) 코크스 오븐 코크 생산량 감소로 CO₂ 배출을 저감하는 효과가 있습니다. 그림 1은 기존 장입 방식과 너트 코크 혼합 장입 방식을 비교한 것입니다.

그림 1 고로 광물 부담의 기존 장입과 너트 코크 혼합 장입 비교

너트 코크 혼합 장입의 효과와 메커니즘

고로 코크 소비를 줄이기 위한 다양한 공정 변경 연구가 수행되었습니다. 여러 연구에 따르면 너트 코크 혼합 장입은 연화용융층의 투과성과 직접 환원을 개선합니다. 많은 고로 조업 실적에서 너트 코크 혼합 사용 시 코크 절감과 생산성 향상이 입증되었으나, 그 이유와 메커니즘은 최근까지 명확하지 않았습니다. 기본적으로 코크 비율 감소에 영향을 미치는 세 가지 요인은 (1) 고로 '건조대'의 가스 투과성 개선, (2) 제선 원료의 환원 조건 개선, (3) 너트 코크의 높은 반응성으로 인한 고로 샤프트 내 야금 코크의 용해 손실 반응으로부터의 '보호'입니다.

최근 연구에 따르면 소량의 너트 코크를 제선 원료에 혼합하면 환원 속도론이 개선되고, 환원제 소비가 감소하며, 가스 및 액체 투과성이 향상됩니다. 너트 코크는 일반 고로 코크를 대체하여 장입되며, 그 활용은 제선 원료-코크 층 두께 비율과 투과성에 영향을 미칩니다. 활용도는 고로마다 다릅니다. 저온과 고온에서 너트 코크와 부담의 상호작용이 모두 중요합니다. 최적량을 초과하여 너트 코크를 장입하면 미반응 너트 코크가 고로 하부로 내려가 데드맨 존에 축적되어 차단시키는 악영향을 미칩니다. 이는 선철 품질과 고로 생산성을 저하시키며, 고로 고율 석탄 주입 조업 시 더 심각합니다. 이상적으로 너트 코크는 응집대에 도달하기 전에 완전히 소모되어야 합니다. 그림 2는 너트 코크 유무에 따른 고로 조업 비교입니다.

그림 2 고로 부담 내 너트 코크 유무에 따른 조업 비교

연구 결과: 가스 투과성, 환원 속도론, 연화·용융 거동

소결광과 코크 층 두께 및 소결광-너트 코크 혼합이 1,100~1,600°C에서 가스 투과성에 미치는 영향을 연구한 결과, 소결광과 광석 층 두께가 감소함에 따라 압력 강하가 줄어드는 것으로 나타났습니다. 1,400g 소결광에 90g 너트 코크를 혼합하면 1,400°C에서 압력 강하가 380mm WC에서 약 50mm WC로 감소했습니다. 이는 고비율 너트 코크 혼합 장입 기술이 응집대 가스 투과성을 개선함을 시사합니다.

다른 연구에서는 이산 요소법(DEM)으로 고로 진입 전 장입 시스템 내 너트 코크의 분리 및 반경 방향 분포를 시뮬레이션했습니다. 장입 호퍼 내 너트 코크 질량의 원주 방향 균형이 분포에 중요한 영향을 미치며, 장입 슈트 끝에 안정장치를 적용하는 것이 너트 코크 분리를 방지하는 효율적인 방법임이 밝혀졌습니다.

여러 고로에서 너트 코크-광석 혼합 장입에 의한 환원 공정 변화를 연구한 결과, 직접 환원이 응집대에서 촉진되고 헤스에서는 억제되어 헤스 가열이 개선됨을 확인했습니다. 너트 코크의 코크 소비 저감 효과는 너트 코크와 고로 코크의 특성에 따라 달라집니다. 너트 코크의 환원제로서의 역할과 층 간격 유지제(bed spacer)로서의 역할이 별도로 연구되었으며, 제선 원료층 내 너트 코크 크기가 CO 가스 재생을 위한 주 소비재가 되게 하고, 고로 코크가 열화로부터 보호되어 층 투과성이 개선됨을 발견했습니다. 너트 코크의 용해 손실 반응에 의한 우선적 소비는 너트 코크 크기에 의존합니다. 그림 3은 고로 내 기존 장입과 너트 코크 혼합 장입 비교입니다.

그림 3 고로 내 기존 장입과 너트 코크 혼합 장입 비교

최적 너트 코크 사용량의 중요성

고로 코크를 너트 코크로 더 많이 대체하는 것은 바람직하지만, 과도한 사용 시 미반응 너트 코크가 고로 하부로 내려가 데드맨과 헤스를 차단할 위험이 있습니다. 수학적 모델링과 실험 연구에 따르면, 너트 코크 비율이 낮을 때는 기체화 반응으로 완전히 소모되어 투과성이 개선되지만, 비율이 매우 높으면 완전히 소모되지 않고 고로 하부에 잔존하여 코크 충전층의 압력 강하를 증가시킵니다. 조업 경험상 일정 최적 농도를 초과하면 헤스 배수 능력이 저하되어 용융 속도 저하와 생산성 하락을 초래합니다.

데드맨 존 시뮬레이션 연구에서는 데드맨 존에서 보이드율이 코크 직경보다 더 중요함이 밝혀졌습니다. 낮은 보이드율은 열풍의 하부 침투를 저해하고 저온 지대를 형성합니다. 미분 발생과 축적은 투과성 데드맨 존에 바람직하지 않습니다. 고로 하부의 코크 미분은 압력 강하를 증가시키는데, 이 증가분이 너트 코크로 인한 응집대 압력 강하 감소분보다 커서 전체 고로 압력 강하가 증가합니다.

이러한 결과들은 너트 코크의 최적량이 존재하며, 이를 초과하면 이득은 미미하고 고로 조업 이상을 초래할 수 있음을 명확히 보여줍니다.

제선 원료와 너트 코크 혼합 장입의 주요 효과

투과성 개선

투과성은 풍량과 샤프트 기둥의 압력 강하로 제어됩니다. 풍량 일정 조건에서 압력 강하를 낮추면 투과성이 개선됩니다. 층 투과성은 고로 조업의 가장 중요한 요소 중 하나입니다. 높은 풍량 유입으로 생산성을 높이려면 적절한 가스 투과성이 필요합니다. 고로 내 환원 가스 흐름은 투과성에 의해 결정되며, 이는 생산성에 직접적인 영향을 미칩니다. 너트 코크를 제선 원료에 첨가하면 압력 강하를 낮출 수 있습니다.

건조대에서 너트 코크 혼합은 투과성을 개선합니다. 이 효과는 혼합 비율이 낮을 때는 덜 뚜렷합니다. 제선 원료에 약 10%, 20% 너트 코크를 사용하면 고로 생산성이 각각 1.5%, 2.5% 향상됩니다.

한 고로에서 기존 장입(너트 코크 없음)과 너트 코크 혼합 장입 두 기간을 비교 연구했습니다. 광석량은 동일하게 유지했습니다. 그 결과 고로 가스 압력 점프가 증가하고 너트 코크 양에 따라 변동했으며, 너트 코크 비율 증가에 따라 조업이 더 안정적이었습니다. 고로 산출량도 증가했는데, 주원인은 고로 코크 소비 감소였습니다. 가스 흐름의 가열 및 환원 능력이 고로 가스 분포 개선과 조업 안정화로 완전히 활용되었습니다.

대량 너트 코크를 광물 부담에 혼합한 또 다른 연구에서는 너트 코크 첨가가 고로 하부 투과성 악화를 방지함을 결론지었습니다. 너트 코크의 선택적 용해 손실 반응 결과 일반 고로 코크가 하부에서 크게 유지되고, 너트 코크 혼합 장입으로 응집층 투과성이 양호하게 유지됩니다.

광석과 너트 코크로 구성된 제선 원료층 특성 연구에서는 두 가지 혼합 방법을 사용했습니다. 첫째는 층 높이를 변경하여 층 수를 늘리는 것이고, 둘째는 광석층 내 너트 코크 양을 변경하는 것입니다. 층 높이가 감소(층 수 증가)함에 따라 압력 강하가 감소하며, 3층 이상에서 피크가 사라졌습니다. 너트 코크 양 증가 시 압력 강하가 급격히 낮아집니다. 소결광과 코크 계면에서 탄화 발생 시 금속 용융 시 가스가 주로 코크와 주변을 통과하여 충전층 투과성이 유지된다고 봅니다. 일반적으로 보이드율이 클수록 투과성이 높다고 여겨지지만, 가스 역학 연구에 따르면 너트 코크 혼합 시 보이드율은 감소하지만 기존 장입보다 투과성이 개선됩니다. 따라서 부담 투과성 연구 시 보이드율뿐만 아니라 보이드 구조도 고려해야 합니다.

너트 코크 첨가는 응집대의 가스 저항을 낮춥니다. 이는 혼합 코크가 광석층에 새로운 보이드를 추가하기 때문입니다.

환원 속도론

고로 내 제선 원료는 주로 Fe₂O₃와 Fe₃O₄로 구성됩니다. 광석에서 산소를 제거하는 것을 환원이라 합니다. 고로 공정은 제선 원료의 환원 거동에 기반합니다. 환원 속도와 환원도는 고로 생산에 직접적인 영향을 미칩니다. 고로 열 예비대 온도는 코크의 부두아르 반응(C + CO₂ = 2CO) 개시 온도와 거의 일치하며, 이는 강력한 흡열 반응입니다. 부두아르 반응이 고로 내 전체 반응을 제어합니다. 열 예비대 개시 온도를 낮추면 FeO-Fe 환원 반응(FeO + CO = Fe + CO₂)의 평형 농도가 높은 CO 가스 이용 효율 쪽으로 이동합니다. 이는 고로 상부에서 CO 가스 이용 효율을 개선하고 환원제 소비를 감소시킵니다.

철 산화물의 높은 환원 속도는 고로 생산성 향상에 바람직합니다. 900~1,200°C에서 철 산화물 환원 실험 분석 연구에 따르면, 환원의 속도 결정 단계는 탄소 산화입니다. 철 산화물 환원은 2단계로 진행됩니다. 1단계: Fe₃O₄ → FeO, 2단계: FeO → Fe. 1단계 반응 속도가 2단계보다 빠릅니다. 탄소에 의한 FeO 최종 환원 단계에서 파이알라이트(FeO·SiO₂) 슬래그 생성으로 환원 속도가 더욱 감소합니다. '환원 지연' 현상은 특히 제선 원료 연화 중과 후에 발생합니다. 실험 관찰 기반 연구에 따르면 고온(1,100°C 이상)에서 너트 코크 없는 제선 원료는 '환원 지연'을 겪지만, 너트 코크 혼합 시 이 현상이 관찰되지 않습니다. 높은 환원도를 위해서는 너트 코크 크기가 제선 원료 크기와 비슷하거나 작아야 합니다.

연화 및 용융 거동

광석이 연화되고 용융되기 시작하는 영역을 응집대라 합니다. 연화와 용융은 물리적 현상이지만, 응집대 거동의 화학적 변화는 응집대의 위치와 형상, 가스 흐름과 관련되어 고로 조업에 중요한 영향을 미칩니다.

얇은 응집대는 낮은 압력 강하와 좋은 투과성을 위해 바람직합니다. 이는 연화 온도와 용융 온도 차이가 적은 제선 원료로 달성할 수 있습니다. 응집대 두께는 제선 원료에 너트 코크를 혼합하여 변경할 수도 있습니다. 너트 코크 혼합 제선 원료로 고온 실험을 수행한 연구에서 연화 온도와 용융 온도가 각각 86°C, 15°C 상승했습니다. 연화-용융 온도 차이가 71°C 좁아졌습니다. 이는 너트 코크 혼합 제선 원료로 더 얇은 응집대가 형성됨을 의미합니다.