소결 공정은 입도 10㎜ 이하의 철광석 미분, 반입 미분, 플럭스, 코크스 브리즈를 혼합해, 고로(BF)에서 압력과 온도 조건을 견딜 수 있는 체입도 5~30㎜의 소결광을 제조하는 공정입니다. 철광석 미분 소결 공정은 광산에서 발생하는 미분을 채광하고, 이를 고로 투입에 적합한 입도, 물리적 품질, 화학적 조성, 기계적 특성을 갖춘 제품으로 전환하기 위해 개발되었습니다.
소결 공정은 준비된 소결 믹스 부담을 투입하는 소결기에서 수행됩니다. 철광석 소결의 기본 연료는 코크스 브리즈이며, 대체 연료(무연탄 등)로 보조할 수 있습니다. 소결 믹스는 철광석 미분, 석회석, 돌로마이트, 석영/석영암 미분(플럭스), 고체 연료(코크스 브리즈/무연탄), 야금 폐기물(포집 분진, 슬러지, 밀스케일 등)을 7~8% 물과 함께 회전 드럼에서 혼합·과립화해 예비 응집 제품(소결 믹스)을 얻고, 이를 연속 이동 그레이트 또는 소결기 스트랜드 위에 층으로 공급합니다.
소결 공정은 소결기에서 수행되는 야금 공정으로, 열적 응집 공정입니다. 열, 질량, 운동량 전달이 화학 반응과 결합되어 동시에 일어나므로 공정이 복잡하고 에너지 집약적이며, 수많은 파라미터를 고려해야 합니다.
소결 공정의 기초 원리
소결은 고로용 소결광이라는 부원료를 생산하는 제선 공정의 예비 처리 단계입니다. 소결 공정에서의 응집은 연소를 통해 이루어집니다. 소결 스트랜드에서 소결 믹스 층으로 공기를 흡입하고, 상부 표면층의 연료 입자가 점화로에서 먼저 점화되면, 스트랜드가 전진함에 따라 점화/연소 전선이 층을 따라 점차 하향 진행되어 끝까지 도달합니다.
소결 공정 중 코크스 브리즈의 열공급으로 층 온도를 높여 부분 용융과 확산 결합을 달성합니다. 공기 유량과 화염 전선 속도는 소결 플랜트 성능을 가늠하는 지표이며, 주로 소결층 투과성에 의존합니다. 화염 전선 속도는 중요한 운전 파라미터입니다. 소결 생산성은 소결 믹스 충전층의 투과성에 크게 의존하는데, 소결 중 반응 진행이 빠를수록 소결 믹스 충전층을 통과하는 가스 유량이 늘어나기 때문입니다. 가스 유량은 소결 믹스 투과성에 의해 제어됩니다. 소결 공정 흐름도는 그림 1과 같습니다.
그림 1: 소결 공정 흐름도
소결 공정의 궁극적 목표
저운영 비용으로 균일한 고품질 소결광을 고생산하는 것입니다. 고로 부담의 주성분인 소결광의 품질(입도, 물리적 특성, 화학 조성, 기계적 강도)은 고로의 고생산성, 안정적 운전, 저환원제 소모에 결정적입니다. 고로는 고강도, 저RDI(환원 열화 지수), 고RI(환원성 지수), 저미분 함량, 양호한 평균 소결광 입도, 화학 조성 편차 최소화를 요구합니다. 적절한 소결을 통한 소결광 품질 관리는 저연료비와 안정적 고로 운전 regime 달성에 필수적입니다. 지난 수십 년간 소결 공정과 소결광 품질을 크게 개선한 여러 기술이 개발되었습니다. 주요 기술을 소개합니다.
주요 개선 기술
1. 소석회(Calcined Lime)의 석회석 대체 사용
소결 믹스에 석회석과 돌로마이트를 기초 플럭스로 첨가합니다. 소결광의 플럭스 산화물은 고로 슬래그 화학을 조절해 원하는 특성을 갖게 합니다. 기초 플럭스는 소결 믹스에서 바인더 역할을 해 미세 입자 응집을 개선하고, 소결기 생산성을 높이며 단위 고체 연료 소비를 줄입니다. 플럭스 입도 분포는 소결 생산성에 중요합니다. CaO는 산화철과 결합해 저융점 화합물(Fe₂O₃·CaO 1,205℃, FeO·CaO 1,120℃)을 형성해 1차 용융 생성을 촉진하며, 최소 수준의 1차 용융은 강도 높은 소결광 생산에 필수적입니다.
소석회(CaO)는 물과 수화 반응해 Ca(OH)₂가 되므로 활성 바인더입니다. 준입자 특성을 촉진해 철광석 미분을 통한 미세 분말 투입량을 늘릴 수 있습니다. 과립화 개선으로 소결 생산성이 향상되고, 소결 공정 중 석회석 소성 반응이 줄어 코크스 브리즈 비율이 감소합니다. 또한 단단한 원석 석회석의 파쇄·선별 부하가 줄어 에너지 절약 효과도 있습니다.
2. 최적 과립화 수분 값 적용
일본에서 6종 광석의 입도 분포를 동일하게 맞춘 후 첨가 수분 효과를 시험해 최적 과립화 수분 값을 도출했습니다. 각 광석별로 최대 충전층 투과성을 달성하는 최적 수분 값을 구하고, 혼합 재료의 최적 수분은 영향을 받지 않는다는 가설하에 각 광석과 부원료의 배합 비율에 따른 가중 평균으로 혼합물의 최적 수분 값을 결정하는 방법을 채택했습니다. 이 방법 적용으로 종래 대비 첨가 수분 값을 줄이고, 충전층 투과성을 높여 생산성을 시간당 11톤 향상시켰습니다.
3. 강력 혼합 및 과립화 시스템
철광석 미분, 플럭스, 폐기물 등 서로 다른 출처와 특성을 가진 원료를 균질하게 혼합해야 합니다. 소결 생산성은 충전층 투과성과 직결되고, 투과성은 과립 크기 분포와 평균 과립 크기에 의존하며, 이는 수분 첨가량에 따라 달라집니다. 투과성은 수분 함수로 최대값을 가집니다.
강력 혼합 및 과립화 시스템은 고속 교반 믹서와 과립화 드럼으로 구성되어 원료 배합의 최적 준비를 가능케 하고 배합 야드 필요성을 없앱니다. 이 시스템으로 과립화율 향상, 충전층 투과성 개선, 연소 관통 구역 균등화, 최적 관통점 제어가 가능합니다. 더 균질한 소결 믹스 제조로 코크스 브리즈 소비를 최대 5% 절감하고 소결 생산성을 최대 2% 높일 수 있으며, 초미분 투입 비율도 높일 수 있습니다.
일부 소결플랜트에서는 강력 혼합·과립화 시스템과 함께, 고교반 믹서와 드럼 믹서로 구성된 예비 과립화 단계를 2단계로 운영하기도 합니다. 이 2단계 과립화 시스템으로 미분 철광석 처리가 가능해지면서 화염 전선 속도, 투과성, 공정 생산성이 향상되었습니다.
4. 선택적 과립화 (Selective Granulation)
알루미나 함량이 높아 알루미나 함유 물질의 낮은 반응성과 1차 용융의 높은 점도로 소결이 어려운 철광석 소결에 적용됩니다. 선택적 과립화는 광석을 선별해 알루미나 함량이 낮은 큰 입자는 통상 과립화 회로로, 알루미나 함량이 높은 작은 입자는 2~5㎜ 펠릿으로 펠릿화해 통상 과립화 회로에 합류시킵니다. 미세 입자 분율은 고알루미나 점토질 광석으로 더 높은 용융 온도가 필요합니다.
0.2~3.2% Al₂O₃ 함량 철광석으로 석회석과의 반응에 의한 1차 용융 생성을 연구한 실험실 규모 연구에서, 선택적 과립화가 통상 과립화보다 알루미나 함량이 높은 과립 핵을 형성함을 확인했습니다. 이 공정에서 미분은 알루미나 함량이 낮은 핵에 부착돼 석회석과 반응해 더 낮은 온도에서 1차 용융 형성을 촉진했습니다. 그림 2는 선택적 과립화 공정의 대표적 흐름을 보여줍니다.
그림 2: 선택적 과립화 공정 대표 흐름도
5. 코팅 과립화 (Coating Granulation)
통상 과립화 공정 개선에 유리하며, 특히 적철석보다 Al₂O₃ 함량이 높은 괴티트와 림나이트 광석 사용 시 소결 특성 악화를 방지합니다. 연구에 따르면 드럼 믹서의 통상 과립화 단계 뒤에 2단계를 추가하면 소결이 개선됩니다. 1단계에서 철광석과 반입 미분 혼합물을 드럼에 넣고, 2단계에서 1단계 결과물에 코크스+석회석+돌로마이트를 첨가해 철광석 위주 핵을 코크스와 플럭스로 둘러싼 과립을 형성합니다.
코팅 과립화는 석회석의 CaO가 철광석의 Fe로부터 분리돼 플럭스 형성 반응을 개선합니다. 이로 인해 소결이 더 낮은 온도에서 일어나고, 투과성과 생산성이 향상되며, 2차 적철석 생성이 감소해 RDI가 개선됩니다. 더 많은 미세 기공 형성으로 TI(텀블러 지수)와 환원성도 개선되며, 이는 RDI 악화 원인인 균열 전파를 억제합니다.
2단계 드럼 내 혼합 시간은 매우 중요하며, 약 50초가 최적으로 확인되었습니다. 더 짧으면 핵이 코크스+플럭스로 충분히 코팅되지 않고, 더 길면 준입자가 파괴돼 코크스와 플럭스가 핵의 과립 내로 포함되어 단일 단계 통상 과립화와 유사한 준입자가 생성됩니다.
6. 반입 미분 모자이크 임베딩 소결 공정 (RF-MEBIOS)
소결층 투과성 향상으로 소결광 생산성을 높이기 위해 개발된 기술입니다. RF-MEBIOS는 반입 미분을 과립화 공정을 우회해 건조 입자 상태로 과립화된 원료에 첨가한 후 소결기에 투입하는 기술로, 소결기 생산성을 높입니다.
생산성 향상은 (1) 과립화 시 준입자 크기 증가, (2) 투입 후 소결 충전층 벌크 밀도 감소 두 가지 요인에 기인합니다. 전자는 투입 시 수분 함량 일정 조건에서 건조 반입 미분 첨가로 과립화 시 수분 함량을 높여 달성하고, 후자는 건조·습윤 입자 복합체로 구성된 소결층의 마찰 증가로 벌크 밀도를 낮추는 역할을 해 달성합니다. 우회 반입 미분 비율과 크기를 늘리면 소결 속도와 생산성이 증가합니다.
그림 3은 소결플랜트 대표적 물질 흐름을 보여줍니다. 반입 미분 이송이 분기 댐퍼로 두 경로로 나뉩니다. 하나는 기존 반입 미분 빈, 다른 하나는 신규 우회 반입 미분 빈입니다. 기존 빈의 반입 미분과 타 원료는 믹서에서 물과 함께 혼합·과립화됩니다. 우회 빈의 반입 미분은 믹서 후단에 첨가됩니다. 그림 우측 단면은 댐퍼와 벨트 컨베이어의 위치 관계를 보여주며, 댐퍼 위치를 조절해 우회 반입 미분 비율을 제어합니다. 댐퍼는 상층(우회 반입 미분)과 하층(과립화용 반입 미분)으로 반입 미분을 분리합니다. 벨트 컨베이어는 조대 입자를 상층으로 배출하므로 상대적으로 큰 입자가 우회 빈으로 이송됩니다.
그림 3: 소결플랜트 반입 미분 이송 경로 대표 배치도
투과성은 두 요인으로 증가합니다. (1) 미세 준입자(0.25㎜ 미만) 비율 감소, (2) 벌크 밀도 감소. 전자는 투입 시 수분 함량 일정 조건에서 건조 반입 미분을 과립화 후 첨가하고 과립화 시 수분 함량을 높여 달성합니다.
7. 이층 충전 (Twin Layer Charging)
소결 믹스를 소결 스트랜드에 균일하게 충전하면 고온으로 소결 믹스가 용융되어 하향 기류가 제한되고 소결 공정이 저해될 수 있습니다. 이층 충전에서는 코크스 브리즈 농도가 높은 미세 입도 원료를 상층에, 코크스 브리즈 농도가 낮은 조대 입도 원료(광석, 반입 소결광)를 하층에 충전합니다.これにより 하층으로 열이 적절히 전달되고, 충전층 투과성이 높아지며, 연료가 효율적으로 사용됩니다.
8. 소결 믹스 공급 설비 개선
분리 혼합 충전은 소결기 팰릿 위 소결 믹스 하부에 큰 입자, 상부에 작은 입자가 위치하게 합니다. 이는 충전층 투과성을 높여 기계 생산성 향상에 기여합니다. 분리 혼합 충전용 충전 시스템에는 여러 설계가 있습니다. (1) 통상 경사 슈트 추가 스크린 설치, (2) 강화 체질 피더, (3) 분리 슬릿 와이어, (4) 자기 파쇄 피더 등. 그림 4는 분리 혼합 충전 시스템이 없는 충전 시스템과 다양한 타입의 충전 시스템을 보여줍니다.
그림 4: 소결 믹스 충전 시스템
9. 점화로 멀티 슬릿 버너 (Multi Slit Burner)
소결기 점화로에서 소결 믹스 층 상부를 점화할 때 버너 화염 안정성이 필수적입니다. 멀티 슬릿 버너는 단일 광폭 안정 화염을 생성해 무화염 구역을 없애고 점화에 필요한 최소 열입력을 공급합니다. 이로 인해 점화 후드 에너지 입력이 절감됩니다. 일본 플랜트 사례에서 멀티 슬릿 버너 사용 시 통상 버너 대비 총 점화 열입력이 약 30% 절감되었습니다. 그림 5는 멀티 슬릿 버너 개요를 보여줍니다.
그림 5: 멀티 슬릿 버너 개요
10. 스탠드 지지 소결 (Stand Support Sintering)
팰릿에 부착된 강철 스탠드(봉 또는 판)로 소결 케이크를 지지하는 '스탠드 지지 소결' 신기술이 일본에서 개발되었습니다. 이 기술은 수축률, 다공도, 환원율을 개선합니다. 스탠드 지지 시스템으로 소결기 생산성이 크게 향상되고 운전 안정성도 개선됩니다.
스탠드 지지 소결법에서는 소결 믹스 층 상부의 소결 케이크 하중이 소결 중 강철 스탠드로 지지됩니다. 소결 케이크 하중이 아래 연소 용융 구역에 가해지면 소결 믹스 층이 수축(충전층 압밀)되어 투과성이 크게 악화됩니다. 소결 팰릿 내 설치된 지지 스탠드는 소결 믹스 층 부분이 가열·용융 후 고화되기 시작하는 시점(스탠드 상단 부근)부터 상부 소결 케이크 하중을 지지합니다. 이후 하부 층 소결 공정은 감소된 하중 하에서 진행되어 투과 네트워크가 잘 발달하고 투과성이 개선됩니다.
11. 폐열 회수 (Waste Heat Recovery)
소결플랜트에서의 열회수는 소결 제조 공정 효율 개선 수단입니다. 고온 소결광은 냉각이 필요하며, 소결 냉각기에서 회수한 열은 점화로 버너 연소 공기 예열이나 고압 증기 생산(발전용)에 활용됩니다. 고압 증기 생산 시 폐가스 에너지 회수 시스템은 후드, 집진기, 열회수 보일러, 순환 팬, 탈기기로 구성됩니다.
소결플랜트는 (1) 소결 구간, (2) 고온 소결 냉각 구간 두 주요 구간으로 구성됩니다. 양 구간에서 배가스(소결 구간)와 냉각 가스(냉각 구간)로부터 열회수 기술이 개발되었습니다. 그림 6은 양 구간의 가스 온도 분포를 보여줍니다. 그림과 같이 구간 위치에 따라 큰 온도 차이가 있으며, 양 구간 평균 가스 온도는 100~150℃로 효과적 열회수에는 너무 낮습니다. 열회수는 소결 구간 말단과 냉각 구간 초반, 300℃ 이상 고온 가스 구역으로 제한됩니다. 하지만 소결 공정 가스량이 커서 제한된 열회수 구역에서도 상업적으로 실행 가능한 열회수가 가능합니다. 또한 가스 부식성 때문에 열회수 후 가스 온도는 산 이슬점 이상으로 유지해야 합니다.
그림 6: 소결플랜트 폐열 회수
소결기 배가스 열회수는 순환형과 비순환형(그림 6)으로 구분됩니다. 순환형은 열회수 후 가스를 소결기 냉각 가스 대체용으로 순환시키고, 비순환형은 가스 처리 설비로 직접 보냅니다. 순환형은 열회수 효율 향상을 위해 채택됩니다.
열회수 외에도 이 시스템은 SOx, NOx, 미세먼지 배출 저감과 생산성, 수율, 소결광 냉간 강도 개선에 기여합니다. 이 방법으로 30% 수준의 에너지 회수를 달성하고 있습니다.
12. 배출 최적화 소결 시스템 (EOS - Emission Optimized Sintering)
대량의 배가스와 저농도 정제 대상 물질은 소결플랜트의 오랜 과제였습니다. 배출 최적화 소결(EOS) 시스템의 근본 목적은 소결 그레이트 위에 후드를 설치하고 청정 공기와 풍상자에서 재순환 공기를 공급해 정제 대상 가스량을 줄이는 것(최대 50% 감축 가능)입니다. 그림 7은 EOS 시스템이 적용된 소결 스트랜드를 보여줍니다.
그림 7: 배출 최적화 소결 시스템 적용 소결 스트랜드
13. 분진 배출 제어
소결기 생산량 증가는 분진 발생 증가, 즉 미세먼지 배출 증가로 이어집니다. 이 배출물은 분진을 포함하며 다양한 유기 및 중금속 유해 대기 오염물질(HAPs)을 함유합니다. 폐가스를 음전하 파이프를 통해 정전집진기로 보내면 폐가스 흐름의 미세먼지가 음전하를 띠게 되고, 이를 양전하 플레이트 옆으로 통과시키면 음전하 미세먼지가 인력되어 포집되어 청정 폐가스가 생성되고 증기 회수량도 늘어납니다. 조대 분진은 건식 집진기에서 제거돼 재활용됩니다. ESP(정전집진기) 사용으로 배가스 분진 농도를 낮춥니다.
14. EFA 공정 (Entrained Flow Absorber)
Paul Wurth사가 개발한 '부유 흐름 흡수기(EFA)' 공정으로, 소결플랜트 공정 말단에 설치됩니다. 본질적으로 부유 흐름 흡수기와 백필터로 구성됩니다. 이 설비로 소결플랜트 배가스에서 분진, 황산화물, 염화수소산, 불화수소산, 다이옥신, 퓨란을 포집합니다. 흡수기는 소석회(수산화칼슘)와 갈탄 코크스를 사용해 다이옥신과 퓨란을 흡착합니다. 고압 분사 수증기와 80~110℃ 온도 유지로 최적 반응 조건을 만듭니다. 분사된 물은 증발하고 배가스 분진은 백필터에서 포집됩니다. 황 함량 50mg/N㎥ 미만, 분진 5mg/N㎥ 미만, 퓨란/다이옥신 0.1ng/N㎥ 미만 달성.
15. MEROS 공정 (Maximized Emission Reduction of Sintering)
Primetals Technologies가 개발한 혁신 기술로, 소결플랜트 오염 배출 저감을 목적으로 합니다. 특수 첨가제 사용으로 가스 흐름 내 오염 성분을 결합·분리해 연결된 여과집진기에서 제거합니다. '반건식' 공정으로 100% 무방류입니다.
MEROS 공정은 분진, 산성 가스, 유해 금속, 유기 화합물을 다단계로 고효율 제거하는 정화 공정입니다. 3단계로 구성됩니다.
탄소계 흡착제와 탈황제를 소결 배가스 흐름에 역류 방향으로 주입해 중금속과 유기 화합물 결합
조절 반응기로 기체 순환. 미세 미스트 분사로 기체를 가습·냉각해 약 100℃로 낮춤(소석회와의 화학 반응 가속화로 SO₂ 등 산성 가스 성분 결합·제거 촉진)
조절 반응기 출구 배가스가 백필터 통과하며 포집 오염 물질 포함 분진 제거
이 공정으로 소결 가스 내 분진, 산성 가스, 유해 금속, 유기 화합물이 고효율로 제거됩니다. 2007년 오스트리아 린츠에서 최초 가동(가스 처리 용량 100만 N㎥/h). MEROS 공정으로 분진 배출 5mg/N㎥ 미만, 수은·납·유기 화합물(다이옥신/퓨란 PCDD/F), HCl, HF, 총 응축성 VOCs 0.1ng/N㎥ 미만 달성. MEROS의 가장 두드러진 특징은 현행 환경 규제 충족뿐 아니라 향후 예상되는 강화 규제에도 대응 가능하다는 점입니다. 그림 8은 MEROS 공정 기본 흐름도입니다.
그림 8: MEROS 공정 기본 흐름도
16. 선택적 폐가스 재순환 시스템
소결 공정 중 흡입 공기량은 연료 완전 연소에 필요한 양보다 많은 것이 보통으로, 화염 전선 속도 향상을 위함입니다. 소결 폐가스에는 통상 12~15% 잔여 산소가 포함되며, 임계 이슬점보다 훨씬 높은 온도입니다. 소량의 보충 공기 첨가 후 소결 공정으로 재순환하기에 충분한 조건입니다.
'선택적 폐가스 재순환 시스템'에서는 소결기 선택 구역의 배가스와 냉각기 배풍을 혼합해 소결 스트랜드로 재순환시킵니다. 이 시스템은 초기에는 소결 능력 증대와 단위 배출량 저감하면서 배가스량을 일정 수준으로 유지하기 위해 개발되었습니다. 이로써 가스 정제 설비의 투자비와 운전비를 허용 수준으로 억제할 수 있습니다.
그림 9는 선택적 폐가스 재순환 시스템 대표 개략도입니다. 소결기 1, 3구역의 고온 배가스와 소결 냉각기 배풍, 외기를 혼합해 2구역으로 재순환시킵니다. 일부 폐가스는 소결 스트랜드 일부를 덮는 후드로 재순환됩니다.
그림 9: 선택적 폐가스 재순환 시스템 대표 개략도
시스템 장점: (1) 단위 소결당 폐가스량 약 50% 감소, (2) 폐가스 열이용과 CO 후연소로 단위 고체 연료 소비 10~15% 절감, (3) 폐가스 정제 플랜트 투자비·운전비 절감, (4) 생산성과 소결 품질 수준 유지, (5) CO₂ 배출 감소, (6) SOx, NOx, PCDD/PCDF(다이옥신/퓨란), 중금속 단위 배출량 저감.
17. 소결 공정 모델링
소결 공정 중 열전선 변화뿐 아니라 국부 가스 조성 변화와 원료 혼합물의 초기 용융 온도 변화로 인해 여러 화학 반응과 상변태가 일어납니다. 국부 온도와 고체 조성에 도달하면, 상변태는 주로 열공급과 입자층 내 확산에 의해 구동되며 액체 형성 메커니즘이 주요 역할을 합니다. 물질이 국부 용융 온도 도달 시 부분 용융하고 이동하면서 차가운 가스와 접촉해 재고화되어 입자 응집이 다공성 연속 소결 케이크를 형성합니다. 최종 소결 케이크 특성은 열 사이클, 원료 초기 화학 조성, 소결 중 발달한 열물리적 특성에 강하게 의존합니다. 소결 공정 수학적 모델은 산업용 소결 스트랜드 기계 내 현상을 시뮬레이션합니다.
산업용 스트랜드 기계 소결 공정 모델링 방법은 기체, 고체, 액체 상에 대한 다상·다성분 운동량, 질량, 에너지 수송 방정식을 기반으로 하며, 다공성 소결 형성 국부 현상을 고려합니다(그림 10). 모델은 상 간 동시 상호작용을 고려하고, 각 상의 화학 종은 화학 종 보존 방정식으로 계산합니다. 운동량, 에너지, 화학 반응의 속도 교환 정확한 기술이 모델 전체 정확도에 필수적입니다.
그림 10: 소결 모델링 고려 다상 운동량·질량·에너지 전달
화학 종은 기체와 고체 상의 각 화학 종 수송 방정식을 풀어 개별적으로 고려합니다. 고체 상은 철광석 소결 원료, 미세 소결광(반입 미분), 코크스 브리즈(기타 고체 연료), 스케일(제철소 미분), 플럭스 혼합물로 구성. 액체 상은 용융·생성된 액체 상 성분으로 구성. 재고화 상은 재고화된 액체와 재고화 중 형성된 상으로 구성되며, 국부 액체 조성과 열교환에 강하게 의존. 최종 소결 케이크는 이 물질들의 혼합물로 구성되며, 품질은 각 물질의 최종 조성, 부피 분율, 모자이크 소결 구조 내 분포에 의존합니다.
소결 공정 모델에서는 점도 고려 시 액체 상이 미용융 입자 표면에 부착 형성된 것으로 보고 잔여 고체 상과 함께 이동한다고 가정합니다. 따라서 고체의 운동량 전달과 엔탈피 방정식은 이 점성 액체와 고체 물질 혼합물을 고려합니다. 모델에서는 온도-조성 의존 열물리적 특성이 혼합 법칙을 따라 상 부피 분율로 가중된 개별 상 특성을 고려한다고 가정합니다.
18. 자동화 및 제어 시스템
소결 공정 안정화, 생산성 증대, 생산비 절감을 궁극적 목표로, 소결플랜트 전 공정에서 최적의 안정적 운전을 보장하기 위해 자동화 및 제어 시스템이 필요합니다. 이를 위해 층내 현상 이해와 공정 최적 운전 유도를 위한 다양한 노력이 이루어졌습니다. 소결 주요 제어 기술은 스트랜드 폭 방향 균일 소결을 위한 충전 밀도 제어와 최적 생산성·소결 품질 유지를 위한 팰릿 속도 제어입니다.
소결플랜트 자동화 및 제어 시스템은 분산 제어 시스템(DCS), 중앙 공정 컴퓨터 시스템(PCS), 제철소 중앙 컴퓨터 시스템(CCS)을 사용하는 3단계 계층 시스템입니다.
DCS: 소결 스트랜드 풍속 분포와 가스 온도 분포 측정, 직접 디지털 제어(DDC) 수행
PCS: 소결플랜트 운전 최적화 공정 제어, 운전자 정보 서비스 수행
CCS: 범용 데이터베이스 기반 생산·운전 계획, 관리, 데이터 분석 수행
그림 11: 소결플랜트 자동화 및 제어 시스템
폐루프 소결 전문가 시스템은 운전자가 '가능한 적은 행동, 필요한 만큼만' 수행해 최소한의 운전자 개입으로 최적화된 소결 운전을 가능케 하는 것을 목표로 설계되었습니다. 규칙 기반 의사결정 시스템으로 설계된 전문가 시스템은 원료 배합 조성·품질 변화, 인적 요인, 공정 조건 변화로 인한 공정 변동을 억제합니다. 시스템이 비정상 또는 변화하는 공정 상황에 빨리 대응할수록 전체 소결 운전이 더 원활해집니다. 제어 활동의 정확한 타이밍과 교란 예측은 치명적 공정 조건 회피와 저비용 고생산율 유지에 최우선 중요합니다.
자동화 및 제어 시스템으로 공정 파라미터 완벽 정렬을 통해 최적 공정 제어 조건을 달성합니다. 소결플랜트 통합 레벨 2 자동화 시스템으로 품질 파라미터 표준편차를 약 5~10% 감소시킬 수 있습니다. 또한 코크스 브리즈 소비를 약 3% 줄이고 생산성을 약 3~5% 높일 수 있습니다.