철광석 소결 공정의 핵심 영향 요인 분석

소결 공정의 개요와 중요성

소결 공정은 입도 10mm 미만의 철광석 분광, 회수 분광, 플럭스, 코크스를 혼합하여 고로(BF)에서 압력과 온도 조건을 견딜 수 있는 체크 크기 5~30mm의 소결광을 제조하는 공정입니다. 철광석 채굴 과정에서 발생하는 분광을 고로 장입에 적합한 제품으로 전환하기 위해 개발되었습니다.

고로는 높은 강도, 최소 분말 함량, 좋은 평균 입도, 낮은 RDI(환원 열화 지수), 높은 RI(환원성 지수), 안정된 화학 조성을 갖춘 고품질 소결광을 필요로 합니다. 적절한 소결을 통한 소결광 품질 관리는 저연료율과 안정된 조업률로 고로를 운전하는 데 필수적입니다.

소결 공정의 작동 원리

소결 공정은 원료 혼합층(철광석 분광, 회수 분광, 플럭스 등)을 코크스 분말과 함께 버너로 가열하는 방식입니다. 가열은 상층에서 하층으로 진행되며, 원료층은 스트랜드 시스템 위에 놓이고 배기 시스템을 통해 전체 두께가 적절한 온도에 도달하여 부분 용융과 응집이 이루어집니다. 드와이트-로이드 시스템에서 소결 그레이트는 팔렛 카의 연속 체인으로 구성된 긴 스트랜드를 형성합니다.

통합 제철소에서의 소결 공정 역할

통합 제철소에서 소결 공정은 고로에 원료를 공급하는 중요한 역할을 합니다. 천연 자원 관점에서 소결 공정은 제철소 내 타 설비에서 발생하는 플랜트 폐기물(부산물, 분진)을 재활용하는 핵심 기술입니다. 이 공정은 다양한 물리·화학적 현상이 관여하는 복잡한 과정으로, 철광석부터 분진 재활용과 플럭싱제까지 원료가 광범위하게 변동할 수 있습니다.

소결 공정 상세 흐름

철광석 분광 소결 공정은 소결기에서 수행되는 야금 공정입니다. 스트랜드 폭과 길이는 기계 용량에 따라 달라지며 제철소마다 다릅니다. 기본적으로 연소를 통한 응집 공정으로, 공정 에너지(톤당 3억 6천만~4억 8천만 칼로리)는 주로 코크스 연소로 공급됩니다. 소결 공정 흐름도는 그림 1과 같습니다.

그림 1 소결 공정 흐름도

철광석 분광은 0~10mm 크기의 천연 광석입니다. 원료 혼합물(소결 혼합물)은 계량된 철광석 분광, 석회석, 돌로마이트, 석영/규사 분말(플럭스), 고체 연료(코크스 브리즈 또는 무연탄), 야금 폐기물(수집 분진, 슬러지, 밀스케일 등)로 구성됩니다. 이 혼합물에 물(6~8%)과 회수 소결 분광을 첨가하여 회전 드럼에서 과립화 또는 펠렛화한 후 소결기 이동 스트랜드에 300~500mm 두께의 층으로 장입합니다.

소결은 연속 공정입니다. 소결 스트랜드는 측면 벽과 투과성 그레이트를 가진 일련의 팔렛으로 구성됩니다. 과립화된 혼합물이 투과성 그레이트에 적재되면, 점화 후드 하부를 통과하면서 하향 흡입을 거쳐 전도된 후 적재 위치로 돌아옵니다.

스트랜드가 전진하면서 최상층의 연료 입자가 버너(고로 가스 또는 코크스 오븐 가스와 고로 가스 혼합)에 의해 점화됩니다. 연소로 생성된 고온 가스는 그레이트 아래 설치된 송풍기의 풍상자를 통해 충전층으로 빨려 들어갑니다. 스트랜드가 계속 전진하면 점화/연소 전선이 층 하부를 향해 점차 내려가 끝까지 도달합니다. 코크스 분말 등의 탄질 연료 연소는 최상층에서 시작되어 비교적 좁은 연소 전선(화염 전선)이 층을 내려가며 각 층을 순차적으로 가열합니다. 층 내에서 과립은 1,250~1,350°C까지 가열되어 연화 후 부분 용융됩니다.

층 내부에서는 여러 화학 반응과 상 변환이 일어납니다. 국부 온도가 용융 온도(번스루 포인트)에 도달하면 일부 물질이 용융되고, 이동하면서 재고결 현상과 상 변환이 일어나 상 조성과 열물리적 특성이 크게 변화합니다. 일련의 반용융 물질이 생성되고, 이후 냉각 과정에서 헤마타이트, 마그네타이트, 페라이트, 주로 칼슘 실리케이트로 구성된 괴재 등 여러 광물상으로 결정화됩니다. 그림 2는 소결 스트랜드 내 물질의 열 사이클을 보여줍니다.

그림 2 소결 스트랜드 내 물질의 열 사이클

스트랜드 속도와 흡입 공기량은 '번스루'(연소 연료층이 스트랜드 바닥에 도달하는 시점)가 소결 배출 직전에 발생하도록 제어됩니다. 소결 공정 온도는 주로 연료 입자 연소에 의해 제어됩니다.

소결기 스트랜드 상의 구역

소결 공정 중 소결기 스트랜드에는 장입 측부터 습윤 구역, 예열·건조 구역, 연소 구역, 제품 구역 등 여러 구역이 있습니다. 연소 구역에서 철광석, 플럭스, 기타 원소 간에 액상이 형성되고 미반응 철광석 입자가 액상에 의해 결합됩니다. 최종 제품 '소결광'은 일정 강도를 가진 다공성 고체 물질입니다.

물질 내 부분 용융과 확산으로 입자가 응집되어 연속 다공성 소결 케이크가 형성됩니다. 팔렛에서 소결 케이크가 전도되면 고온 스크리닝을 거쳐 미분(회수 분광, 5mm 미만)은 원료와 혼합되어 재활용되고, 조분은 냉각 후 고로 호퍼로 이송됩니다. 스트랜드 아래 풍상자는 가스 세정 시스템을 통해 배기 팬과 연결됩니다. 일반적으로 소결 중 발생하는 고온 가스는 열효율 향상을 위해 재순환될 수 있습니다.

소결 공정, 생산성, 품질에 영향을 미치는 주요 요인

화학 조성

화학적·구조적 조성은 소결광에서 매우 중요하며, 1차 및 최종 슬래그가 연화·용융 온도, 액상 온도, 점도 측면에서 적절한 특성을 가져 고로의 안정된 조업이 가능하도록 안정적이어야 합니다. 높은 철 함량, 낮은 괴재 함량, 1.6~2.1의 염기도가 바람직합니다. 소결광 환원성과 전반적 품질은 마그네타이트보다 헤마타이트 비율이 높을수록, 2차 또는 침전 헤마타이트보다 1차 또는 잔류 헤마타이트와 페라이트 비율이 높을수록 개선됩니다.

소결 구조

원료 혼합물을 구성하는 광물학적 성분의 다양성과 혼합물의 이질성으로 인해 소결 구조는 복잡합니다. 주로 산화철 입자와 칼슘 페라이트가 괴재 매트릭스에 의해 결합되어 형성됩니다. 염기도 지수 증가에 따라 양이 늘어나는 페라이트는 쉽게 환원되며, 소결의 기계적 인성을 일정 수준까지 높여주는 매우 유용한 성분으로 간주됩니다. 페라이트는 SFCA 타입으로, 헤마타이트와 Fe₂O₃·CaO 용융물 간의 고체-액체 반응에 의해 형성되고 이후 용융물 내 SiO₂와 Al₂O₃의 동화로 생성됩니다. 괴재는 환원하기 어려운 칼슘·철·마그네슘 실리케이트로 구성되어 고로에서 슬래그 일부가 됩니다.

소결 구조와 조성에는 1차 헤마타이트(비동화/잔류), 2차 헤마타이트(침전), 1차 마그네타이트(비동화/잔류), 2차 마그네타이트(침전), 페라이트가 주요 상으로, 소량의 괴재와 함께 존재합니다. 소결광 환원성을 촉진할 충분한 기공률(많은 경우 미세 기공 포함)을 가집니다. 환원성에 최적인 구조는 1차 헤마타이트 핵을 침상 페라이트 격자가 둘러싼 형태입니다.

철광석 분광 품질의 영향

소결 공정의 주원료인 철광석 분광의 품질은 소결 공정에 큰 영향을 미칩니다. 철광석 분광의 평균 입도 증가는 소결기 생산성을 높이고 단위 연료 소비를 절감하지만 소결 강도를 저하시킵니다. 조밀한 저알루미나 철광석은 더 좋은 소결 강도와 낮은 단위 연료 소비를 제공합니다. 광석 내 초미립자 과다 함유는 과립화 효율을 저하시켜 층 투과성을 떨어뜨리고 소결 생산성에 악영향을 줍니다. 철광석 기공률은 소결 기공률과 물리·야금적 특성에 영향을 미칩니다. 고휘감소 철광석은 생산성 저하, 단위 연료 소비 증가, 소결 강도 저하로 소결 공정에 부정적 영향을 미칩니다.

소결 혼합물 제조

소결 성능은 소결 혼합물 성분의 혼합 효율과 혼합 드럼에서의 과립화 효율에 의존합니다. 이 활동을 단일 드럼에서 단일 단계로 수행하는 대신 두 개의 드럼에서 두 단계로 수행하면 소결층 투과성 측면에서 더 좋은 성능을 보이며 소결 생산성 향상으로 이어집니다.

소결 메커니즘

소결 메커니즘은 두 가지 다른 현상으로 구성됩니다: 흡입 공기가 층을 통과하면서 상층에서 하층으로 열전달이 일어나는 물리적 현상, 연료 연소로 열을 발생시키고 화학 반응 전선을 형성하는 화학적 현상. 이 두 현상은 독립적이지만 최대 화염 온도를 보장하기 위해 동일한 전파 속도를 가져야 합니다. 이 두 현상 간의 평형은 소결 공정의 고성능, 저단위 연료 소비, 고품질 소결에 중요합니다.

소결층 투과성

소결층은 공기가 소결 혼합물을 통과하여 빨려 들어갈 수 있도록 좋은 투과성이 필요합니다. 좋은 투과성은 높은 스트랜드 생산성과 고체 연료 연소 효율의 적절함을 보장합니다.

소결 혼합물 수분

과립화 공정에서 중요한 역할을 하여 소결 생산성에 영향을 미칩니다. 수분은 과립화 개시를 위한 입자 간 액체 다리를 형성합니다. 모세관 힘이 입자 간 거리를 줄이고 과립 저항을 증가시킵니다. 수분 함량은 최적(보통 6~8%)이어야 하며, 과다 수분은 과립과 소결층 투과성 및 안정성에 해로운 영향을 미칩니다. 수분이 과립화 공정에 미치는 영향은 그림 3과 같습니다.

그림 3 수분이 과립화 공정에 미치는 영향

소결 혼합물 장입 시스템

분리 혼합 장입 시스템은 혼합물의 투과성을 돕고 기계 생산성 향상에 기여합니다. 그림 4는 분리 혼합 장입 시스템이 없는 경우와 있는 경우의 장입 시스템을 보여줍니다.

그림 4 소결 혼합물 장입 시스템

점화 시스템

점화 시간과 온도는 화염 전선의 적절한 진행과 소결 품질에 필수적입니다. 과도한 점화는 층 투과성과 소결의 야금적 특성을 저하시키고 회수 분광 발생을 증가시켜 생산성에 영향을 줍니다. 멀티 슬릿 버너 사용은 점화 효율을 높이고 점화 에너지를 약 30% 절감합니다.

고체 연료 종류

반응성이 매우 낮거나 매우 높은 고체 연료는 연소 전선과 열전달 전선 간 차이를 유발합니다. 적절한 고체 연료 입도 분포는 소결 공정 최적화에 필요합니다.

자동 공정 제어

소결기 생산성을 향상시키며, 2~5%의 에너지 소비 절감 효과가 있습니다.

배출 최적화 소결 설비 설치

소결 톤당 6~12kg 범위의 고체 연료 소비를 절감합니다.

소결광 내 FeO

소결 플랜트에서 중요한 제어 파라미터입니다. 원료 혼합물 화학 조성이 고정되면 FeO는 특히 코크스 비율 측면에서 소결 조건을 나타냅니다. 소결광 내 FeO 함량 2% 증가는 RDI를 8포인트 낮추는(개선) 것으로 나타났습니다. 그러나 높은 FeO 함량은 환원성에 부정적 영향을 미칩니다. 다른 소결 특성을 변경하지 않고 RDI를 개선하기 위한 최적 FeO 수준을 찾는 것이 중요합니다.

소결광 내 SiO₂

소결 혼합물 내 높은 실리카 비율은 광석 내 고알루미나 영향을 상쇄합니다. 실리카는 FeO, CaO와 결합하여 저융점 화합물을 형성하여 1차 용융(FeO·SiO₂ 1,180°C, 2FeO·SiO₂ 1,205°C, FeO·SiO₂·CaO 1,223°C) 형성을 촉진합니다. 실리카 함량과 부착 미분 염기도 증가는 1차 용융 형성 온도를 낮추어 미분과 핵 입자 간 액체-고체 계면에서의 후속 동화 반응에 유리합니다. 일반적으로 소결 혼합물에서 바람직한 알루미나/실리카 비율은 0.5 이하입니다.

소결광 내 Al₂O₃

알루미나는 소결 중 1차 용융의 물리화학적 특성을 변화시켜 재형성 및 합체 공정에서 중요한 역할을 합니다. 이는 독특한 소결 기공 구조를 만듭니다. 알루미나 증가에 따라 기공 면적이 급격히 늘고 기공 형상이 더 불규칙해지는 것이 관찰되었습니다(1.6%→2.4%).

알루미나의 가장 해로운 영향은 소결 RDI 악화로, 알루미나 함량 증가에 따라 RDI가 증가합니다. 고로 조업 경험에 따르면 10~10.5% CaO 범위에서 알루미나 0.1% 증가는 RDI를 2포인트 증가시킵니다. 소결 강도와 품질은 알루미나 증가에 따라 저하됩니다. 알루미나는 SFCA(규산 칼슘 알루미늄 페라이트) 형성을 촉진하여 소결 강도에 유리하지만, 격자 내 높은 알루미나 함량이 강도 저하의 주원인으로 보고되었습니다. 알루미나는 소결 중 형성되는 1차 용융의 점도를 높여 더 약한 소결 구조와 상호 연결된 불규칙 기공을 만듭니다.

소결 환원성은 화학·광물학적 조성과 기공 구조에 의해 결정됩니다. 알루미나가 각 요인에 미치는 영향의 복잡성으로 인해 알루미나의 환원성 영향에 대한 연구는 모순된 결과를 낳았습니다. 65kg 소결 포트 시험에서 알루미나 함량 2%→5.5% 증가 시 소결 RI가 58%→64%로 증가했습니다.

플럭스의 영향

소결 혼합물에 석회석/생석회, 돌로마이트/소성 돌로마이트를 염기성 플럭스로, 석영/규사 분말을 산성 플럭스로 사용합니다. 소결 내 플럭싱 산화물은 고로 슬래그 화학을 수정하여 원하는 특성을 갖도록 합니다. 생석회와 소성 돌로마이트 형태의 염기성 플럭스는 소결 혼합물에서 결합제 역할을 하여 미세 입자 응집을 개선하고, 소결기 생산성 향상과 단위 고체 연료 소비 절감 효과가 있습니다. 플럭스 입도 분포는 소결 생산성에 중요합니다.

소결광 내 CaO

CaO는 산화철과 결합하여 저융점 화합물을 형성하여 1차 용융 형성을 촉진하며, 강한 소결 생산을 위해 최소 수준이 필요합니다. 주요 화합물은 Fe₂O₃·CaO(1,205°C)와 FeO·CaO(1,120°C)입니다. 소결 중 형성된 용융물의 특성이 소결 내 결합상의 구조를 결정합니다. 고결 직전 용융물 특성은 미분 부착층 화학 조성과 핵 입자 동화에 크게 의존합니다.

소결광 내 MgO

MgO는 고로 슬래그 조건을 유동성과 탈황 측면에서 최적화합니다. 돌로마이트나 두나이트 형태의 원료 플럭스로 고로에 첨가하거나 소결 형태로 첨가할 수 있습니다. 원료 혼합물에 MgO 첨가는 RDI를 개선합니다. MgO가 마그네타이트를 안정화하여 헤마타이트 함량을 줄이고, 고로 상부에서 헤마타이트→마그네타이트 환원 시 소결 내 응력을 감소시킵니다.

염기도 1.6~1.9에서 CaO를 돌로마이트 형태의 MgO로 대체하면 소결 강도, 환원성, 생산성이 약간 저하됩니다. 65kg 원료 혼합물 소결 포트 시험에서 돌로마이트 첨가로 MgO 1.4%→2.6% 증가 시 FeO 함량 증가, 생산성 저하, RI·RDI·TI(텀블러 지수) 저하가 관찰되었습니다(사용 철광석: 저MgO 0.01%, 고Al₂O₃ 3%).

입도 분포

적절한 입도 분포(낮은 분산도, 높은 평균 입자 크기)는 높은 소결층 투과성과 소결 공정 생산성을 가능하게 합니다. 소결 원료의 높은 평균 입도는 일반적으로 높은 소결층 투과성을 허용합니다.

팔렛에서 전도된 소결광은 고온 스크리닝됩니다. 입도 분포는 중요한 공정 파라미터입니다. 10~30mm 분율은 고로 호퍼로 직접 이송, 더 큰 분율은 파쇄하여 소형화, 5mm 미만 분율(회수 분광)은 소결 플랜트 호퍼로 재활용됩니다.

공정의 양호한 운전을 위해 회수 분광(RF) 생성과 재활용 간의 균형(B) 유지가 중요합니다. B = RF 생성량 / RF 재활용량이며, 양호한 운전을 위해 0.95~1.05 범위가 적절합니다.

소결 기공률

소결 기공률은 특히 환원 거동에 있어 소결 특성에 상당한 영향을 미치는 중요한 파라미터입니다. 환원성 시험 전후의 진밀도(Dr)와 겉보기 밀도(Da)로 기공률(P) = (Dr - Da) / Dr로 계산합니다. 소결광은 환원성 시험 후 기공률이 크게 증가합니다.

헤마타이트와 괴타이트 광석 연구에서 550°C와 950°C 환원 시험 중 초기 기공 구조 변화가 분석되었습니다. 환원 가스가 기공에 충분히 접근하여 소결을 만족스럽게 환원하려면 기공 직경이 0.01μm보다 커야 합니다. 미세 기공이 1~5μm 크기로 합체하면 소결의 비표면적이 감소하고 환원도도 감소합니다.

미세 기공 합체 억제와 소형 기공 수 증가는 소결 비표면적 증가와 환원성의 상당한 개선을 가능하게 합니다. 페라이트는 미세 기공을 안정화하여 기공률 상승과 높은 환원성을 이끕니다. 페라이트 분해 반응으로 마그네타이트와 실리케이트 생성은 고온 환원 분위기에서 일어나며 소결 기공률 저하의 가장 중요한 반응입니다. 환원성 시험 후 기공률 증가 외에도 육방정계 헤마타이트가 입방정계 마그네타이트로 변환되면서 25% 부피 증가가 발생합니다.

환원성 지수(RI)

환원성은 소결광의 중요한 특성으로, 고로 상부에서 환원 시 산소 전달 능력을 측정하여 연료 소비 필요성을 가늠합니다. 소결의 기공률, 구조, 광물상은 환원성과 밀접한 관련이 있습니다. 이질적 구조가 균질 구조보다 환원성이 좋습니다. 각 상의 농도로부터 환원 거동 예측도 가능합니다. 광물상 환원성 순서(감소): Fe₂O₃ > CaO·2Fe₂O₃ > CaO·Fe₂O₃ > 2CaO·Fe₂O₃ > Fe₃O₄.

헤마타이트와 마그네타이트는 뷔스티트(FeO)로 빠르게 환원되지만, 이후 금속 철로의 환원 속도는 다릅니다. 헤마타이트에서는 뷔스티트가 빠르고 균질하게 환원되나 일부는 금속으로 둘러싸입니다. 마그네타이트에서는 위상화학적 반응(고체 상 경계면에서 일어나는 화학 반응)으로 Fe₃O₄ → FeO → Fe 순서로 환원되며, 거의 모든 뷔스티트 입자가 금속 철로 둘러싸여 후속 반응을 지연시킵니다.

SFCA 환원성은 형태, 기공률, 유리질 코팅 여부와 관련됩니다. 침상 페라이트(10μm 미만, 1,300°C 미만에서 형성)는 환원성이 높고, 주상 페라이트(10μm 초과, 1,300°C 초과에서 형성, 유리질 코팅 가능)는 환원성이 낮습니다. 1차 헤마타이트가 고유 기공률로 인해 2차 헤마타이트보다 환원성이 높습니다. 기공률, 환원성, TI 간 관계 연구에서 높은 기공률은 높은 환원성으로 이어지며, 최대 표면적(개방 기공)을 가진 소결은 더 취약한 구조와 낮은 TI를 보입니다.

환원 열화 지수(RDI)

RDI는 고로 하부에서 소결 열화 거동을 예측하는 매우 중요한 파라미터입니다. 저온 환원 시 소결 열화는 일반적으로 550°C에서 수행되는 RDI 정적 시험으로 결정됩니다. 낮은 RDI 값이 바람직합니다.

2차 헤마타이트(골격 능면체 헤마타이트)는 소결 RDI 불량의 주원인입니다. 이러한 헤마타이트의 좁은 목 부분 주변에서 균열이 자주 관찰되기 때문입니다. 반면, 헤마타이트→마그네타이트 결정상 변환에 수반되는 부피 변화로 인한 균열이 소결 환원 열화의 원인이라는 견해도 있습니다.

연구에 따르면 2차 헤마타이트가 RDI에 가장 해로운 소결 성분입니다. 2차 헤마타이트는 일반적으로 Al₂O₃, TiO₂, MnO 같은 불순물을 포함하여 마그네타이트 격자를 왜곡시켜 응력을 증가시킵니다. 이 마그네타이트는 고로에서 550°C 헤마타이트 환원 시 형성됩니다. 소결 구조는 층에서 도달한 최고 온도에 의존하며, 2차 헤마타이트는 고온에서 존재합니다. 2차 헤마타이트는 1차 헤마타이트 소결 중 재결정화로 형성됩니다. 저온에서는 더 많은 1차 헤마타이트(잔류 헤마타이트)가 소결 조성에 남습니다. 1차→2차 헤마타이트 변환 시 Al₂O₃가 2차 헤마타이트 상에 집중되는 경향이 관찰되었습니다. Al₂O₃와 TiO₂ 농도 증가는 RDI에 해롭습니다.

추가 연구에서 Al₂O₃와 TiO₂의 헤마타이트 내 고용체가 550°C 헤마타이트→마그네타이트 환원 시 4% 부피 팽창을 일으켜 결정 격자 왜곡과 마그네타이트 격자 응력 증가를 유발함이 밝혀졌습니다. 550°C 환원 후 소결 구조 내 균열은 2차 헤마타이트 함량이 높은 영역에서 더 빈번하며 RDI에 해롭습니다.

신경망을 이용한 소결 플랜트 생산율과 RDI 연구에서 55개 파라미터를 고려하고 3년간 기록된 695개 RDI 값을 분석했습니다. 생산율과 RDI는 동일한 변수에 의존함이 확인되었습니다. 플랜트 외부 기온과 RDI 간 강한 관계가 관찰되었습니다. RDI는 소결 내 Ti 함량에 강하게 의존하며, 이는 매우 미량일 때도 마찬가지입니다. 테스트 기간 동안 알루미나 함량이 낮고(0.5%) 변동이 적어 알루미나와의 관계는 발견되지 않았습니다. 모델은 소결 혼합물 내 코크스 비율이 RDI 관련 가장 중요한 제어 변수임을 발견했습니다.

일본의 한 플랜트에서는 분탄 주입률 약 170kg/t-HM을 고려하여 소결 SiO₂를 4.8%→4.2%로 낮추었습니다. 이로 인해 고로 투과성과 환원성이 개선되었으나 RDI는 악화되었습니다. 층 투과성과 RDI 간 관계가 발견되었습니다. 소결 실리카 저감과 용융 온도 제어 개선을 결합하여 열금 내 실리카를 0.3%→0.2%로 낮추었습니다. 소결 RDI 6% 개선은 고로 코크스 비율을 14kg/t-HM 낮추고 고로 생산성을 3% 높인다고 보고되었습니다.

저온 열화 지수(LTD)

소결 열화는 RDI와 '저온 열화'(LTD) 지수로 결정됩니다. 저온 환원 시 소결 열화는 600°C에서 수행되는 동적 LTD 시험으로 결정됩니다. 열화는 헤마타이트→마그네타이트 환원 시 일어나는 변환에 기인하며, 부피 증가로 소결 내 구조적 응력을 유발합니다. 고로 내 소결 열화는 저온 구역 환원 시 발생하며, 고로 내 부담 강도에 해로운 영향을 미쳐 환원 가스 투과성 손실과 코크스 소비 증가를 초래합니다.

원료 혼합물에 마그네타이트 분말 첨가 연구에서 원료 혼합물 내 마그네타이트 1% 증가당 0.43% 코크스 절감 효과가 관찰되었습니다(헤마타이트 광석이 마그네타이트 분말로 대체될 때 마그네타이트→헤마타이트 발열 산화 반응으로 층 온도 상승). 원료 혼합물 내 헤마타이트 1% 증가당 LTD 지수 5.1% 증가도 관찰되었습니다(마그네타이트 산화 시 γ-Fe₂O₃로 변환, 마그네타이트와 동일한 입방 스피넬 격자 구조). TI와 RI 지수는 헤마타이트가 마그네타이트로 대체될 때 눈에 띄는 변화가 없습니다.

텀블러 지수(TI)

소결 냉간 강도는 텀블러 시험으로 결정되며, 개별 광석 성분의 강도, 결합 매트릭스 성분의 강도, 광석 조성에 의존합니다. 이 시험은 소결이 취급, 수송, 고로 공정 중 겪는 충격과 마모에 의한 입도 감소를 측정합니다. 여러 광물상의 파단 강도 연구로 다음 순서가 확립되었습니다: 1차(잔류) 헤마타이트 > 2차 헤마타이트 > 마그네타이트 > 페라이트. 냉간 기계적 강도는 소결기와 고로 투입구 사이 수송·취급 중 미분 생성 경향과 직접 관련됩니다.

소결 강도는 유리질 유리, 실리케이트, 올리빈, 페라이트로 형성된 매트릭스 특성에 크게 의존합니다. 유리질 유리는 높은 응력을 가집니다. 697°C에서 시작되는 β-2CaO·SiO₂ → γ-2CaO·SiO₂ 이형태 변환은 부피 변화를 수반하여 소결 강도를 저하시킵니다. 페라이트는 소결 강도를 개선하는 강한 결합 재료로 확인되었습니다.

소결 TI는 소결 내 치명적 결함과 그 결함의 소결 입자 내 전파에 의존합니다. 결함은 불가피한데, 서로 다른 광물과 상이 냉각 사이클 중 서로 다른 시기에 용융물에서 석출되고, 액체→고체 변환 시 거의 항상 부피 변화가 수반되기 때문입니다.

고철(58.8%) 저실리카(4.38%) 소결 강도 개선 연구에서 사문석과 소성 석회를 소결 원료 혼합물에 첨가하고 소결층을 깊게 하여 마그네슘 페라이트와 SFCA 양을 크게 증가시켜 소결 강도 개선과 연관시켰습니다.

소결 플랜트 생산성

소결 플랜트에서는 높은 생산성 달성이 요구됩니다. 이는 좋은 층 투과성 확보로 이루어지며, 이를 위해 과립화 공정 최적화가 필수적입니다. 또한 높은 소결 생산성을 위해 소결 출력을 최대화해야 합니다. 출력에 영향을 미치는 다양한 요인: (1) 소결층의 수평·수직 균일성, (2) 소결 결합 강도, (3) 제품 소결 파쇄, (4) 회수 분광 스크린 개구 선택.

불균일한 소결은 일반적으로 층 일부를 더 부서지기 쉽게 만들어 높은 미분 생성을 초래합니다. 수직 균일성 부족 시 층 상부에 코크스 함량 증가가 자주 필요하며, 이는 강화 체질 피더나 슬릿 바 슈트 같은 장치로 공급 분리하여 가능합니다(그림 4). 수평 균일성은 롤 피더 출구의 멀티 세그먼트 게이트로 개선됩니다. 문제는 팔렛 벽 근처에서 기류가 가장 높을 때 주로 심각합니다. 이는 층 상부를 측벽 근처에서 압축하거나 데드 바 그레이트를 벽 근처에 설치하여 완화할 수 있습니다.

일부 소결 플랜트에서는 층 깊이를 늘려(보통 스트랜드 속도 감소와 함께) 더 높은 생산성을 달성했습니다. 이 유형 운전에는 높은 투과성이 필요하며, 석회 추가 같은 과립화 개선이 필수적일 수 있습니다.

일본의 한 소결 플랜트에서는 산소로 공기를 농축합니다. 점화 후드를 덮는 후드 아래에 산소를 주입합니다. 이는 코크스 소비를 개선하여 더 좁은 가열 구역과 높은 화염 전선 속도로 운전 가능하게 합니다. 500 N㎥/h 산소 유량으로 시간당 1톤 생산성 향상이 가능합니다.

여러 소결 플랜트에서 돌로마이트, 사문석, 올리빈을 공급하여 1.5~3% MgO 함량 소결을 생산합니다. 올리빈과 사문석으로 돌로마이트보다 높은 생산성을 달성하는데, 이는 돌로마이트가 소결 강도에 해로운 영향을 미쳐 생산량에 악영향을 주기 때문으로 분석됩니다.

한 연구에서 피솔라이트 광석 사용자의 주요 과제는 생산성임이 밝혀졌습니다. 피솔라이트 광석 블렌드 혼입 시 소결 플랜트 생산성 저하가 널리 관찰되었습니다. 원인은 과도한 용융 형성으로 인한 층 투과성 저하입니다. 과립화 중 물 첨가량을 늘려 다공성 피솔라이트 입자가 과립화 수분의 상당 부분을 흡수하여 입자 표면의 자유수 감소로 인한 과립화 효율 저하를 보완할 수 있습니다.

실험실 포트 그레이트에서 원료 MgO 1.40~2.60% 범위로 변화시킨 연구에서 돌로마이트와 두나이트를 플럭스로 사용했습니다. 소결 혼합물 MgO 증가는 용융 형성을 위한 더 높은 온도를 필요로 하며, MgO 고플럭스 조성은 내화물상으로 작용하여 열소비 증가와 생산성 저하를 초래합니다. 반면 MgO 증가는 헤마타이트와 페라이트 상 감소와 마그네타이트 상 증가(저열화)로 RDI를 개선합니다.

한 연구에서 MgO 함량 증가(1.75~3.25%)가 플랜트 생산성 저하를 유발했습니다. TI는 증가했으나, MgO 4% 초과 시 유리질 매트릭스 형성(높은 응력, 낮은 결합상 형성)으로 TI 저하가 예상됩니다. 반면 다른 연구에서는 MgO 증가가 RDI 증가도 유발했습니다. 이 차이는 실험 조건과 실제 플랜트 데이터 차이 때문일 수 있습니다.