직접 환원철(DRI) 방출 및 고온 이송의 효과적인 전략

직접 환원철(DRI) 방출 옵션과 고온 이송

직접 환원철(DRI) 생산의 두 가지 주요 방법은 (i) 수직 샤프트로에서의 가스 기반 공정, (ii) 회전로에서의 석탄 기반 공정입니다. 두 공정 모두 환원 반응이 고체 상태에서 일어나며 최대 로 온도는 850~1050℃ 범위입니다.

석탄 기반 공정에서는 생산된 DRI가 차(char)와 혼합되어 DRI에서 차를 분리해야 합니다. 따라서 DRI-차 혼합물을 회전 쿨러에서 냉각한 후 자기 분리 공정으로 차에서 DRI를 분리합니다. 수직 샤프트로 공정의 경우 차와 함께 DRI가 없으므로 세 가지 방출 옵션이 있습니다. 냉간 DRI(CDRI), 고온 브리켓 철(HBI), 고온 DRI(HDRI)입니다.

대부분의 수직 샤프트 DRI로는 CDRI 생산을 위해 건설되었습니다. 이 로에서 환원 후 생산된 DRI는 로 하부에서 약 50℃까지 냉각됩니다. CDRI는 패시베이션을 위해 임시로 사일로에 저장된 후 인근 제강 공장으로 이송되어 나중에 사용됩니다. CDRI는 자연 발화 특성이 있어 국제해사기구(IMO) 요구사항에 따라 운송과 보관 시 특별한 주의가 필요합니다. CDRI는 전기로(EAF) 연속 장입에 가장 적합한 소재입니다.

HBI는 30년 이상 생산되어 왔습니다. DRI를 저장하고 해상 선박으로 운송하기 위한 바람직한 방법입니다. HBI 생산을 위해 고온 DRI가 수직 샤프트로에서 약 700℃에서 방출됩니다. 고온 DRI는 브리케팅 머신으로 보내져 일반적인 치수 30mm × 50mm × 110mm의 베개 모양 브리켓으로 압축됩니다. HBI는 CDRI보다 50% 더 조밀하여 재산화 경향이 크게 줄어듭니다. 이로 인해 IMO에서 인정하는 바와 같이 특별한 주의 없이 저장과 취급이 가능합니다. HBI는 스크랩 취급 장비로 운송 및 취급 가능하며 EAF에 배치 장입하기 쉽습니다. 특수 설계 시스템으로 EAF에 연속 장입도 가능합니다.

HDRI는 수직 샤프트로에서 약 700℃에서 방출되어 고온 상태로 제강 공장으로 이송되어 전기로(EAF)에 직접 고온 장입됩니다. 수직 샤프트 DRI 킬른에서 고온 DRI를 EAF에 직접 장입하는 것을 핫 차지(hot charging)라고 합니다.

핫 차지의 이점

핫 차지는 두 가지 주요 이점을 제공합니다. 에너지 소비 감소와 EAF 생산성 향상입니다. 현재 전 세계 대부분 제강 공장은 EAF용 핫 차지 시스템을 갖추고 있습니다. 사실 오늘날 제강 공장은 냉간 또는 온간 소재 중 선택 가능한 EAF 공급 시스템을 가지고 있습니다. DRI 장입 온도가 100℃ 상승할 때마다 전력 소비가 약 20kWh/tCS 감소한다는 경험칙이 있습니다. 따라서 600℃ 이상 고온 DRI를 EAF에 장입할 때 최소 120kWh/tCS 절감됩니다. 전력 절감의 추가 이점은 전극 소비 감소입니다. 선형 관계가 있으므로 액체 강철 톤당 0.5~0.6kg의 전극 소비 절감이 기대됩니다.

고온 DRI 장입으로 인한 EAF 생산성 증가는 탭투탭 시간과 히트 지속 시간이 단축되어 상당합니다. 냉간 DRI 장입 대비 고온 DRI 장입으로 최대 20% 생산성 증가가 달성됩니다. HDRI 사용은 단위 내화물 소비 감소도 가져옵니다. 내화물 소비 절감은 액체 강철 톤당 1.8~2kg 수준입니다.

고온 DRI 장입의 환경적 이점도 있습니다. DRI의 현열을 대기로 방출하지 않고 유지하면 두 가지 방식으로 전체 배출량이 감소합니다. 첫째, 전력 수요 감소로 강철 톤당 발전소 배출량이 줄어듭니다. 둘째, 탄소 주입을 사용하는 EAF의 경우 EAF 에너지 요구량 감소로 CO₂ 배출이 줄어듭니다.

HDRI 이송

HDRI 이송은 여러 면에서 중요합니다. HDRI 이송의 어려움은 소재가 뜨겁다는 것뿐만 아니라 비산화 분위기에서 유지되어야 한다는 점입니다. 이는 DRI 샤프트로에서 EAF로 HDRI를 이송하는 방법이 DRI 품질에 악영향 없이 HDRI를 전달할 수 있어야 하는 중요한 요구사항입니다. 또한 최대 운영 유연성을 제공해야 하며, 시스템은 신뢰성 있고 유지보수 친화적이며 조작이 쉬워야 합니다.

HDRI 이송을 위한 네 가지 상용 대안이 있습니다. 각 대안은 이송 거리, 구성품 배치, 이송 용량 같은 요인에 따라 최적의 적용 분야가 다릅니다. 이 네 가지 대안은 다음과 같습니다.

HYTEMP 공정

이 공정은 테노바 HYL(Tenova HYL)이 개발해 1998년 테르니움 몬테레이 플랜트에 설치된 HDRI 공압 이송 공정입니다. 시스템은 이송 가스(불활성 가스 또는 공정 가스 자체)를 사용해 HDRI를 공압 파이프를 통해 EAF 위 홀딩 빈으로 이송합니다. 이송 가스는 회로에서 제거되어 DR 플랜트로 재순환되고 HDRI는 연속 EAF 공급을 위해 홀딩 빈으로 장입됩니다. 이 시스템에는 기계적 부품이 없습니다. DR 샤프트 킬른에서 나온 미분 입자가 덩어리 소재와 함께 이송되어 이송 라인을 쿠션합니다. 이 미분도 DRI 덩어리와 함께 EAF에 장입되어 수율을 높입니다. 시스템 개요도는 그림 1에 나와 있습니다.

그림 1 HYTEMP 공정 개요도

HOTLINK 공정

이 공정은 주로 중력 이송을 사용하며 미드렉스(Midrex)가 개척했습니다. 이 공정은 HBI 생산을 위한 HDRI 중력 공급과 같은 기술을 사용합니다. DRI 샤프트 킬른에서 나온 HDRI는 제강 공장 위쪽 외부의 서지 빈(surge bin)으로 방출됩니다. 이 서지 빈에서 HDRI가 직접 중력 공급으로 EAF로 이송됩니다. HOTLINK 모듈은 서지 빈을 통해 모든 업셋 조건을 처리할 수 있도록 장비되어 있습니다. 이 시스템은 EAF 수요에 따라 HDRI를 공급합니다. HOTLINK 공정은 DRI 샤프트 킬른과 EAF 사이 거리가 40m 미만일 때 사용됩니다. 공정 개요도는 그림 2에 나와 있습니다.

그림 2 HOTLINK 공정 개요도

고온 이송 컨베이어 시스템

제강 공장이 DRI 샤프트 킬른과 인접하지 않은 경우(40m 초과 100m 미만), HDRI를 제강 공장으로 이송하기 위해 단열 기계 컨베이어가 사용됩니다. 이 경우 DRI는 DRI 샤프트 킬른에서 완전 밀폐되고 단열된 컨베이어로 방출되어 온도 손실 최소화와 탈산 방지를 위해 설계됩니다. 컨베이어는 버킷과 유사한 형태의 특수 성형 팬을 가집니다(그림 3). 컨베이어의 닫힌 후드에는 불활성화 시스템이 포함됩니다. 컨베이어는 합리적 비용으로 신뢰성 있는 운영을 제공합니다. HDRI는 EAF 위에 위치한 두 HDRI 빈 중 하나로 공급됩니다. 한 빈이 HDRI를 EAF로 방출하는 동안 다른 빈은 컨베이어에 의해 HDRI로 채워집니다. 고온 이송 컨베이어 시스템 개요도는 그림 4에 나와 있습니다.

그림 3 고온 DRI 컨베이어

그림 4 고온 이송 컨베이어 시스템 개요도

고온 이송 용기 이송

DRI 샤프트 킬른과 EAF 사이 거리가 100m 이상이거나 한 DRI 샤프트 킬른이 두 개 이상의 제강 공장에 공급해야 할 때 HDRI 이송은 단열 용기를 사용해 수행할 수 있습니다. 보통 60~90톤 용량입니다. DRI 수직 킬른에서 용기는 기밀 씰이 있는 파이프를 통해 충전됩니다. 한 용기가 충전되면 파이프가 닫히고 다른 용기 충전이 시작되며, 충전된 용기는 레일이나 트럭으로 제강 공장으로 이송됩니다. 에사르 스틸(Essar Steel)이 1990년대 고온 이송 용기 사용을 개척했습니다. 고온 이송 용기에 의한 HDRI 이송 개요도는 그림 5에 나와 있습니다.

그림 5 고온 이송 용기에 의한 고온 DRI 이송 개요도