HIsmelt 공정: 용선 직접 제조를 위한 첨단 직접 제련 기술

HIsmelt 공정 개요

HIsmelt 공정은 단순하면서도 혁신적인 공기 기반 직접 제련 기술입니다. 철광석 분광 또는 기타 적절한 철원 원료를 사용하여 용선(쇳물)을 생산하는 공정으로, 용융 철 욕조에서 석탄을 환원제이자 에너지원으로 사용하여 제련을 수행합니다. 주요 원료는 철광석 분광, 석탄, 플럭스(석회석, 돌로마이트)입니다.

HIsmelt는 '고강도 제련(High Intensity Smelting)'의 약자로, 철광석에서 직접 용선을 제조하는 직접 제련 공정입니다. 이 공정은 철광석 분광을 최소한의 전처리로 처리할 수 있도록 개발되어 처리 가능한 철광석 품질 측면에서 더 유연합니다. 비코크스화 석탄과 상당한 불순물을 가진 철광석 분광 사용이 가능합니다. 주생산물은 용선(쇳물)으로 제강 공정용으로 사용하거나 주철 주조기로 이송하여 선철을 생산할 수 있습니다. 부산물은 슬래그와 배가스입니다.

대체 제철 기술의 추진 동력

• 코크스 불필요 석탄과 비응집 광석 등 저렴하고 풍부한 원료 활용 가능
• 더 작은 경제적 플랜트 규모
• 경쟁력 있는 자본비와 운영비
• 코크스 오븐과 소결/펠렛 플랜트 불필요로 환경 문제 감소
• 조업 유연성

HIsmelt 공정은 제철소 폐기물과 고인광 등 다양한 철원 원료를 사용할 수 있어 매우 유연합니다. 통상 소결 플랜트 공급 원료인 6mm 이하 광석과 펠렛 공급용인 40μm 이하 80% 광석도 철 수율 변화 없이 처리 가능합니다. 코크스 브리즈부터 38% 휘발분 비코크스화 석탄까지 다양한 석탄 사용 가능합니다.

공정 주요 특징

HIsmelt 공정은 단순하며 높은 신뢰성을 입증했습니다. 기본 메커니즘은 용융 금속 욕조 내 용해된 탄소로 철원 광석을 환원·제련하는 것입니다. 이는 석탄을 욕조에 직접 주입하여 부분 연소시키고, 욕조에서 발생한 가스를 산소 농축 열풍으로 후연소시켜 생성된 열을 욕조로 다시 전달함으로써 달성됩니다. 열풍 산소 농축(최대 30% 산소)은 용기 조업 강도를 높여 생산성 증가를 가져옵니다. 전체 반응과 열전달 메커니즘은 환원 반응 유지와 철·슬래그 제련 열에 충분한 에너지를 제공합니다.

공정은 수직 용융 환원 용기(SRV) 내부에서 가압 하에 진행되며, 이는 HIsmelt 공정의 핵심입니다(그림 1). SRV는 내화물 라이닝 화덕과 수냉식 상부 쉘로 구성됩니다. 내화물 화덕에는 용융 철 욕조와 액체 슬래그가 들어있으며, 두꺼운 슬래그층이 금속 욕조 위에 위치합니다. 철광석 분광, 석탄, 플럭스는 SRV 내 용융물에 직접 주입됩니다. 철 욕조와 접촉 시 석탄 내 탄소 용해가 일어나 철원 공급물 내 산화물과 반응하여 일산화탄소(CO)를 생성합니다. 석탄 급속 가열로 휘발분 크래킹이 일어나 수소가 방출됩니다.

그림 1 HIsmelt 용융 환원 용기

용융물에서 CO, 수소, 질소 캐리어 가스가 급속 배출되면서 주로 슬래그로 구성된 용융 물질 분수가 상부 공간으로 분출됩니다. 1,200°C 열풍이 수냉식 랜스를 통해 상부 공간으로 불어넣어집니다. CO와 수소가 열풍의 산소와 후연소됩니다. 가열된 금속과 슬래그가 욕조로 낙하하여 철광석 직접 제련에 필요한 에너지를 제공합니다. 배출된 슬래그가 수냉 패널을 코팅하여 에너지 손실을 줄입니다.

공정 배가스는 멤브레인 튜브 후드에서 부분 냉각됩니다. 배가스의 현열과 화학 에너지는 금속 공급물과 플럭스의 예열, 예비 환원, 탈탄산에 활용될 수 있습니다. 배가스는 세정기에서 정제되어 열풍 스토브 연료나 열병합 발전소 연료로 사용됩니다.

용기는 연속 용선 출선을 위한 포히어스를 갖추고 있어 SRV 내 최적 욕조 레벨을 유지하고 외부 슬래그-금속 분리 없이 청정한 제품 스트림을 제공합니다. 슬래그는 수냉 노치를 통해 주기적으로 출선합니다.

타 직접 제련 공정과의 차별화 특징

• 금속 욕조를 주 반응 매체로 사용: 타 직접 제련 공정은 통상 광석과 석탄을 상부에서 공급하고 슬래그층에서 차(소량의 금속 포함)를 통해 제련합니다. 용해된 탄소는 슬래그 내 차보다 더 쉽게 이용 가능한 환원제입니다. 차는 중간 기체상(CO)을 필요로 하기 때문입니다. HIsmelt는 탄소를 더 활성화된(용해된) 형태로 사용하여 현저히 빠른 제련 속도를 달성합니다.
• 용융물 내 높은 혼합도: 공급 물질을 금속에 직접 주입하면 대량의 '심부' 가스가 발생합니다. 이는 강한 부력 구동 상향 플룸을 생성하여 액체의 급속 순환을 유도합니다. 이 순환은 초당 톤 단위로 계산됩니다. 이러한 조건에서 액체 상의 유의미한 온도 구배(20~30°C 초과)는 거의 없으며 시스템은 본질적으로 등온 용융물로 운전됩니다. 급속 물질 순환은 개별 액적 과열 없이 상부 공간에서 욕조로의 좋은 열전달을 촉진합니다. 이는 슬래그라인 영역의 화덕 내화물에 중요한 함의가 있습니다. 좋은 혼합은 벽돌이 저 FeO와 균일한(낮은) 온도에 노출되게 합니다.
• 고속 랜스 고체 주입 방식으로 높은 포집 효율: 초미립자도 직접 사용 가능합니다.
• 슬래그 내 '자연적' 5~6% FeO 수준과 금속 내 4% 탄소: 금속에서 슬래그로 인의 강한 분배 조건을 만듭니다. 일반적으로 인의 80~90%가 슬래그로 이동합니다(그림 2).
• 석탄 성능이 입자 형태에 거의 의존하지 않음: 주입을 위해 석탄을 미분쇄하기 때문입니다.

그림 2 SRV와 HRDF SRV 내 인 제거 조건

공정 개발 역사

HIsmelt 공정 기원은 바닥 취입 산소 컨버터 공정(OBM)과 클뢰크너 베르케가 막스휘테 제철소에서 개발한 복합 취입 제강 공정으로 거슬러 올라갑니다. CRA(현 리오 틴토)는 1981년 클뢰크너 베르케와 합작 투자로 제강 및 제련 환원 기술을 추구했습니다. 60톤 OBM 컨버터에서 제련 환원 개념 기초를 입증하는 시험을 수행했습니다. 성공적인 제련 환원 개념 테스트로 막스휘테 제철소에 연산 약 12,000톤 규모의 소규모 파일럿 플랜트(SSPP)가 건설되었습니다. SSPP 설계는 석탄, 플럭스, 철광석 주입용 바닥 튜예르를 사용하는 수평 회전 SRV 기반이었습니다. SSPP는 1984~1990년 운영되며 기술 타당성을 입증했습니다.

다음 개발 단계는 서호주 퀴나나에 건설된 HIsmelt 연구개발 시설(HRDF)이었습니다. 1991년 착공, 설계 연산 100,000톤. 주요 목적은 핵심 플랜트 공정 및 엔지니어링 스케일업 시연과 상업적 평가를 위한 운전 데이터 제공이었습니다. 퀴나나 초기 SRV 구성은 SSPP SRV 직접 스케일업으로 90도 회전 가능한 수평 형상 용기 기반이었습니다. 수평 용기는 1993년 10월~1996년 8월 운영되었습니다. 공정 스케일업은 성공적으로 시연되었으나 수평 용기 엔지니어링 복잡성이 상업적 생존성을 제한했습니다.

이를 극복하기 위해 수냉식 수직 용기 설계가 개발되었습니다. 수직 SRV 설계와 엔지니어링(그림 2)은 1996년 완료되었습니다. 주요 개선사항: 고정식 수직 용기, 고체 원료 상부 주입, 단순화된 열풍 랜스, 연속 용선 출선용 포히어스, 내화물 마모 문제 해결용 수냉 패널.

그림 2 수직 SRV 설계

HRDF 수직 용융 환원 용기는 1997년 상반기 가동되어 1999년 5월까지 운영되었습니다. 수직 용기는 내화물 마모, 신뢰성, 가용성, 생산성, 설계 단순성 측면에서 큰 개선을 시연했습니다. 이 용기는 성공적인 직접 제련 제철 기술의 모든 핵심 요건을 충족했습니다. 높은 기술적 성취와 단순한 엔지니어링 개념 및 플랜트 기술을 결합했습니다. 이 운영 단계로 공정이 상업 플랜트 수준으로 스케일업할 준비가 되었음이 확인되었습니다.

2002년 리오 틴토(60%), 뉴코(25%), 미쓰비시(10%), 수강(5%) 합작 투자로 연산 80만 톤 HIsmelt 플랜트 건설·운영 목적의 JV 설립. 서호주 퀴나나 소재 상인 선철 시설로 6m 화덕 직경 SRV 설계·엔지니어링. 2003년 1월 착공, 2004년 하반기 냉시운전, 2005년 2분기 열시운전. 2008년 초 시간당 80톤 용선 생산, 톤당 810kg 석탄 비율 달성.

2008년 경제 상황으로 퀴나나 플랜트 폐쇄, 2014년 일부 설비가 호주에서 중국으로 이전. 신규 HIsmelt 플랜트는 산둥성 수광항 인근에 위치하며 몰롱 석유 기계 유한회사(민간 제철사) 소유·운영. 2016년 가동 개시, 몰롱이 이전에 사용하던 미니 고로보다 낮은 비용으로 용선 생산. 용선 레들은 도로 차량으로 HIsmelt 플랜트에서 남쪽 40km 떨어진 몰롱 전로 제강 플랜트로 운송. 2017년 몰롱이 리오 틴토로부터 HIsmelt 지식재산권 인수하여 중국 및 해외 라이선싱.

공정 상세 메커니즘

HIsmelt 공정(그림 1)은 고체 물질(석탄, 철광석, 플럭스)을 약 1,450°C 용융 철 욕조에 고속 주입하는 과정입니다. 기본 메커니즘은 욕조 내 용해 탄소로 철원 광석 환원·제련입니다. 하향 경사 수냉 주입 랜스를 통해 석탄과 광석을 용융물에 고속 주입합니다. 주입된 석탄은 가열과 탈휘발 후 용해되어 용융 금속 내 약 4% 탄소 유지, 환원 반응에 사용된 탄소 보충. 주입된 철광석 분광은 욕조 깊은 곳에 주입되어 욕조 내 용해 탄소와 접촉 즉시 환원되어 제련 진행. 이 환원 반응으로 철과 CO 생성. SRV 하부는 낮은 산소 포텐셜 유지로 이 환원 반응 발생 가능, 반응 속도 평형으로 슬래그 내 약 5~6% FeO(산화철) 유지.

욕조 깊은 곳에서 생성된 반응 가스(CO)와 석탄 탈휘발 생성물은 주로 슬래그와 일부 금속으로 구성된 분수(스플래시)를 형성합니다. 필요한 열평형 유지를 위한 열공급은 SRV 상부에서 반응 가스(주로 CO) 연소로 이루어집니다. 1,200°C 산소 농축(통상 35%) 열풍이 상부 랜스를 통해 도입되어 욕조 내 생성 가스를 효율적으로 연소시키고 대량 에너지 방출. 이 연소는 SRV 상부 산화 분위기 영역에서 발생. 상부(산화) 영역에서 하부(환원) 영역으로 열전달은 두 영역 간 산소 포텐셜 구배 유지 방식으로 달성됩니다. 이는 대량 액체 스플래시가 두 영역 사이를 이동하며 열을 운반함으로써 이루어집니다.

물질 주입은 고체 물질이 철 욕조에 깊숙이 침투하도록 배치되어 탄소의 금속 용해와 철광석 환원이 전체 반응식 3[C]철 + Fe₂O₃ = 2[Fe]철 + 3CO로 진행됩니다. 이 반응은 고흡열성이며 공정 유지를 위해 외부 열공급 필요. 욕조에서 방출된 CO와 수소가 이 열생성 연료 제공. 열풍(산소 농축 공기 1,200°C)이 중앙 소용돌이 랜스를 통해 상부 공간에 주입되어 욕조 가스를 이산화탄소와 물로 연소: 2CO + O₂ = 2CO₂, 2H₂ + O₂ = 2H₂O.

이론적으로 욕조 가스 완전 연소 바람직하나, 실제로는 50~60% 후연소 달성. 후연소(PC) = 연소 종 농도 비율로 정의: PC(%) = 100(CO₂ + H₂O) / (CO + CO₂ + H₂ + H₂O).

제련은 산소 포텐셜이 낮은 용융물에서 발생, 열생성은 산소 포텐셜이 상대적으로 높은 상부 공간에서 발생. 공정 핵심은 산소 포텐셜을 어느 영역에서도 손상시키지 않으면서 연소 영역 열을 제련 영역으로 이동시키는 것입니다.

CO와 H₂가 욕조 제련에서 방출될 때 방출 속도가 빨라 액체 격렬한 분출 발생. 금속과 슬래그가 상부로 던져지며 열전달을 위한 고표면적 기체 투과성 분수(스플래시) 형성. 고온 연소 가스가 이 분수를 통과하며 슬래그와 금속 액적에 열 전달, 이 액적들이 욕조로 열 전달. 금속은 오버플로 포히어스(액체 금속 마노미터 씰 역할)를 통해 연속 출선, 슬래그는 용기 측벽 수냉 슬래그 노치를 통해 주기적 출선.

주생산물: 용선(쇳물)

용선은 개방 포히어스를 통해 연속 출선되며 슬래그 프리. 대표적 용선 온도 1,420~1,450°C, 대표적 조성: 탄소 4.4% ±0.15%, 실리콘 0.01% 미만, 망간 0.02% 미만, 인 0.02% 미만 ±0.01%, 황 0.1% ±0.05%.

SRV 내 상대적 산화 분위기와 저온 슬래그로 공급 원료 내 인 90~95%가 슬래그로 분배(그림 2). 따라서 고인광 광석 사용 유연성 보유. 슬래그 배치 출선으로 용선은 슬래그 프리. 용선은 용선 탈황 플랜트에서 황 0.05% 미만으로 저감 가능. HIsmelt 공정 대표 흐름도는 그림 3.

그림 3 HIsmelt 공정 대표 흐름도

배가스 처리 및 에너지 회수

SRV 배가스는 복사 보일러 후드에서 1,500°C→800°C로 냉각, 고온 사이클론에서 부분 정제, 대류 보일러 시스템에서 200°C로 추가 냉각. 복사·대류 보일러에서 포화 증기 발생하여 배가스 보일러 소재 증기 드럼으로 유입.

대류 보일러 출구 SRV 배가스는 퀀칭, 세정, 수분사 냉각 후 덕트 순환으로 열풍 스토브와 배가스 보일러 연료로 사용. 배가스 보일러에서 여분 SRV 배가스 연소로 복사, 대류, 배가스 보일러 포화 증기 과열. 과열 증기 증기 터빈으로 유입하여 HIsmelt 플랜트, 부대설비 가동 전력 생산 및 여분 전력 지역 송전망 공급. 배가스 보일러와 스토브 배가스는 라임 슬러리 세정으로 황 제거 후 대기 방출.

부산물: 슬래그와 배가스

슬래그는 철광석 괴재와 석탄 회분을 석회와 돌로마이트로 플럭싱하여 형성. 슬래그는 과립화하거나 피트로 유도하여 추가 가공 가능. 시멘트 제조, 도로 기반재, 토양 개량제 등 다양한 용도 원료로 사용 가능. 공정 배가스는 통상 50~60% 후연소도. SRV 상부에서 고온 배출되며 고로 가스와 유사한 에너지값 보유. 정제, 냉각 후 연료 및 발전용 사용.

운전 유연성

HIsmelt 공정은 고도로 반응성이 있어 철광석, 석탄, 플럭스를 금속, 슬래그, 에너지로 거의 즉각 전환합니다. 공정 능력으로 원료 공급률을 제품 품질 영향 없이 효율적으로 변경 가능. 이 운전 유연성은 안정 상태 운전 창 유지가 용이하여 생산성 극대화. 고로와 달리 HIsmelt는 용이하게 시작, 정지, 아이들 운전 가능. 그림 4는 HIsmelt 플랜트 레이아웃.

그림 4 HIsmelt 플랜트 레이아웃

환경적 이점

HIsmelt 공정의 환경적 이점은 상당합니다. 코크스, 소결, 펠렛 수요 감소와 제철 공정 에너지 효율 개선으로 온실가스와 SOx, NOx, 다이옥신 등 유해 오염물질 배출 감소. 공정 개선 효과: (1) CO₂ 배출 20% 감축, (2) SOx 배출 90% 감축, (3) NOx 배출 40% 감축, (4) 독성 배출 없음, 다이옥신·퓨란 배출 제로 수준. SRV 내 운전 조건은 다이옥신 생성 배제. 분진 배출과 단위 용수 소비도 크게 감소. 플랜트 폐기물 재활용으로 환경 보호 추가 기여.

예상 장점

• 철원 응집과 코크스 제조 공정 불필요로 저비용 원료
• 다양한 철광석 분광과 산화물 폐기물, 고/저휘발분 석탄 사용 가능한 유연한 원료
• 생산 유연성
• 우수한 제품 품질
• 총 에너지 소비 최소화
• 단순화된 엔지니어링과 공정 구성
• 업계 수준 이하 환경 배출
• 낮은 자본비
• 낮은 운영비