FASTMET & FASTMELT: 효율적 금속 생산을 위한 첨단 제철 기술

FASTMET 및 FASTMELT 제철 공정

FASTMET 공정은 석탄 기반 제철 공정입니다. 철광석 분광이나 제철소 야금 폐기물로부터 금속 산화물을 금속화 철로 전환할 수 있습니다. FASTMELT 공정은 '전기 철 용해로(EIF)'가 추가되어 선철 또는 쇳물을 생산하는 FASTMET 공정입니다. 고베제강(Kobe Steel)이 미국 자회사인 미드렉스 테크놀로지스(Midrex Technologies, Inc.)와 협력하여 개발했습니다. FASTMET은 회전 지구로(rotary hearth furnace, RHF)를 사용하여 석탄을 포함한 응집체를 높은 환원율과 고생산성으로 환원하는 독특한 공정입니다. 그림 1은 RHF 단순 단면도와 평면도입니다.

FASTMET 공정은 철광석 펠릿 원료, 철광석 분광, 제철소 야금 폐기물을 분쇄 비코킹 석탄을 환원제로 사용하여 직접 환원철(DRI)로 전환합니다. 최종 제품 DRI는 핫 브리켓팅하여 핫 브리켓 철(HBI)로 만들거나, 뜨거운 DRI 상태로 이송 용기에 배출하거나, 냉각하여 냉간 DRI로 만들 수 있습니다. 뜨거운 DRI는 RHF에서 직접 배출되어 EIF로 이송되어 용융되어 쇳물 생산. 쇳물은 피그 주조기로 주조되어 선철 생산. 환원철/쇳물은 1차 제강로로 공급 가능.

야금 폐기물 재활용을 전로/전기로 원료로 용이하게 하는 것 외에도 두 가지 주요 목표가 있습니다. 하나는 산화철 고금속화로 용해 공정 부담 감소, 다른 하나는 아연 고제거율로 재활용 루프 내 아연 농도 감소. 고로 원료로는 높은 압축 강도 필요, 이 또한 FASTMET 공정에서 바인더와 원료 배합비 조절로 달성 가능.

역사적 개발

RHF에서 철광석 환원 최초 시도는 미드렉스 테크놀로지스 전신인 미들랜드 로스(Midland Ross Co.)가 수행했습니다. '히트 패스트(Heat Fast)' 공정으로, 철광석과 탄소재로 구성된 복합 펠릿을 그레이트에서 예열, RHF에서 예비 환원, 샤프트 쿨러에서 냉각하는 독특한 방식이었습니다. '히트 패스트' 공정은 1965~1966년 미네소타 쿠리(Cooley) 2 tph 파일럿 플랜트에서 성공적으로 시험되었습니다.

'히트 패스트' 개발과 동시에 천연가스 기반 미드렉스 DRI 공정도 개발되었는데, 당시 천연가스 가격이 매우 낮아 '히트 패스트'보다 고품질 제품과 낮은 운전비 제공. 이로 인해 '히트 패스트' 공정 작업 중단, 상업 개발 미실시.

미드렉스는 1980년대 초 RHF 직접 환원 이용에 관심 재개. 여러 연구에서 RHF 기반 공정이 매력적 가격으로 DRI 생산 가능함 나타남. 1990년대 천연가스 가격 상승 후 FASTMET 파일럿 플랜트 미드렉스 기술센터에 건설, 직경 2.75m RHF, 생산 능력 160 kg/h. 1992~1994년 100회 이상 캠페인 수행.

고베제강과 미드렉스 테크놀로지스가 1960년대 '히트 패스트' 파일럿 플랜트 작업을 기반으로 RHF 석탄 기반 공정 개발 재개, 기술 상용화 의도. 생산성 향상, 제품 품질 개선, 공정 유연성 증대, 공정 효율 증가 등 개선 이루어져 FASTMET 공정 개발 완료. 고베제강과 미드렉스는 RHF에서 뜨거운 DRI 배출과 중력 낙하로 EIF(FASTMET 뜨거운 DRI 용융 전용 용해로) 장입으로 선철 생산하는 FASTMELT 공정으로 한 단계 더 발전.

1995년 고베제강 가코가와(Kakogawa) 공장에 데모 파일럿 플랜트 건설. 직경 8.5m RHF, 생산 능력 2.5 tph. 1995~1998년 연속 운전. 다양한 데모 조업 통해 고베제강과 미드렉스는 FASTMET 공정 상용화 확립. 2000년 일본제철(NSC) 히로하타(Hirohata) 공장에 연간 190,000톤 제철소 폐기물 처리용 최초 상용 FASTMET 플랜트 공급. FASTMET 공정은 제철 분진 효율적 재활용 능력 인정. 최초 가동 5개 플랜트 상세 표 1.

표 1 FASTMET 상용 플랜트
	단위	NSC 히로하타 1호기	NSC 히로하타 2호기	NSC 히로하타 3호기	JFE 스틸, 후쿠야마	KSL 가코가와
RHF 투입률	tpa	190,000	190,000	190,000	190,000	16,000
원료		전로 분진	전로 분진	전로 분진	고로 분진, 전로 분진	고로 분진, 전로 분진, 전기로 분진
제품 용도		전로 원료, DRI	전로 원료, DRI	전로 원료, HBI	전로 원료, DRI	고로 & 전로 원료, DRI
RHF 외경	m	21.5	21.5	21.5	27	8.5
가동일		2000년 4월	2005년 1월	2008년 12월	2009년 4월	2001년 4월

현재 이 공정은 제철소 야금 폐기물 활용에 사용 중. 야금 폐기물 외에도 펠릿 원료 크기(45μm 이하) 철광석 분광 사용 가능. 공정에 내장된 응집 단계 때문. FASTMET/FASTMELT 공정은 연산 100,000~500,000톤 규모 제철 대체 루트 제시. FASTMELT 공정은 미니 고로 기술 대안. RHF와 EIF 내화물은 제철용 표준 사양. EIF 설계는 검증된 전기로(EAF)와 레들로(LF) 기술 기반.

FASTMET 공정 특징

FASTMET 공정은 천연가스에서 개질 가스 생산해 사용하는 가스 기반 환원 공정과 분명히 다릅니다. 철광석 또는 제철소 야금 폐기물과 석탄으로 구성된 복합 응집체를 가열 및 환원합니다. 급속 가열로 급속 환원 반응 달성하는 단순 독특 공정. 응집체는 노 바닥 위에 1~2층 균일하게 배치되며 복사열로 가열. 연소 배가스 조건이 상당한 산화 포텐셜 가짐에도 응집체 산화 방지.

공정은 RHF 내 이상적 공기-가스 비율에서 응집체 가열과 환원 동시 효과적 달성. 또한 응집체 내 탄소에서 생성된 가연성 가스가 응집체 위 2차 연소에서 연소. RHF가 고온 환경로임에도 NOx 배출 크게 억제. 이 또한 FASTMET 공정 특징.

RHF 노 바닥 회전하며 펠릿/브리켓 3개 구역 통과하며 급속 가열. 각 구역 3개 가스 버너, 공기/연료비 조절로 각 구역 희박 또는 풍부 연소 달성. 구역 3 끝에서 분할벽 통과하여 최종 연소 구역과 배출 구역 분리. 나사 컨베이어가 뜨거운 DRI 제품을 노 바닥에서 분기 슈트(discharger chute)로 이송, 질소 퍼지된 DRI 제품 용기 또는 EIF로 중력 낙하.

배가스 처리 설비 열교환기가 고온 배가스 에너지를 원료 연소 또는 건조용 공기 예열 에너지로 변환. 전체 에너지 소비 감소.

제철소 분진 등 원료 연소 시 가끔 다이옥신 생성. FASTMET 공정에서 RHF 온도 1,300°C 이상으로 다이옥신 생성 억제 충분히 높음. RHF 배가스 다이옥신 재결합 온도 구역 급속 냉각으로 재조성 방지. 그림 2는 FASTMET/FASTMELT 공정 대표 흐름도.

RHF 떠난 고온 배가스 증발식 쿨러로 냉각 후 열교환기 진입. 배가스 현열로 RHF 연소 공기와 그린볼 건조기 공기 약 350°C 예열. 예열기 떠난 배가스 2차 증발식 쿨러로 추가 냉각 후 백하우스 진입, 산화아연 회수되어 분진 사일로 저장. 유도 송풍기(ID 팬) 백하우스 출구 위치로 배가스 시스템 필요 압력 강하 달성, RHF 약간 음압 제어.

필요 유틸리티: 플랜트 에어, 질소, 증기, 계장 에어, 보충수, 액화천연가스. 개방 순환 공정 수로 및 폐쇄 기계 냉각 수로도 필요.

RHF 배출 뜨거운 DRI 3가지 배출 옵션: (i) 냉각하여 냉간 DRI, (ii) 브리켓 기계로 브리켓팅하여 HBI, (iii) EIF에서 용융하여 선철 생산. 이 선철 피그 주조기로 주조하여 선철 생산.

DRI는 환원 공정 후 다기공 남음. 장시간 공기 노출 시 금속 철이 산화철로 재산화되어 품질 저하. DRI 즉시 용해로나 고로 원료로 사용 안 하면 DRI 압축 치밀화하여 HBI 만들면 재산화 방지. 환원철 장기간 품질 저하 없이 저장 가능. 저장 HBI 1차 제강로나 고로 투입 가능. FASTMET 공정 생산 환원철을 펠릿/브리켓 형태 DRI로 쓸지 HBI 장비로 HBI 만들지는 제품(철원) 용도와 저장 기간에 따라 결정.

제철소 발생 야금 폐기물(분진) 관례적으로 펠릿화 또는 소결하여 고로 원료로 재활용. 고로 원료엔 휘발성 성분 특히 아연 함유, 고로 고온 구역서 기화. 전체 증기 다 빠져나가지 않고 일부 냉각되어 신규 장입물에 포착되어 로 잔류. 축적 휘발 성분 고로 투과성 감소, 생산성 현저히 저해.

FASTMET 공정은 스크랩 철 재활용 방해하던 아연, 납 등 중금속 기화시켜 조산화아연 등으로 전환, 배기 라인으로 배출하여 공정 내 순환 방지. 배가스 처리 설비 냉각 집진 시스템, 공기 냉각과 수냉 결합으로 휘발 성분 설비 벽 부착 방지. 장기간 안정 연속 운전 가능, 백필터로 조산화아연 등 회수. 회수 조산화아연 가치 있는 자원으로 환원철과 함께 재활용.

공정 및 주요 반응

FASTMET 공정은 철광석 분광 또는 제철소 야금 폐기물(고산화철 함유)과 분쇄 석탄 혼합, 펠리타이저 또는 브리켓터로 펠릿/브리켓 응집, 건조기에서 응집체 건조, RHF 노 바닥 위 1~2층 균일 배치로 시작.

펠릿/브리켓은 로 진입 시 공기 격리 필요. 동시에 투입률 정밀 제어. FASTMET 공정은 로 크기에 따라 파이프 수 조절 가능한 공급 파이프 시스템으로 공기 격리와 물량 제어 동시 달성. 나사형 레벨링 시스템으로 1~2층 균일 배치.

노 바닥 회전하며 RHF 구역 온도 1,300°C 이상 복사열로 브리켓 가열, 산화철 금속 철로 환원. 산화철 환원 주로 고정 원소 탄소가 자철석(Fe₃O₄) 또는 적철석(Fe₂O₃)과 반응하여 금속 철(Fe)과 위스사이트(고체) 형성하며 CO, CO₂ 가스 발생. 일부 탄소 금속 철과 고용체 형성하여 탄화철(Fe₃C) 생성.

야금 폐기물 원료 함유 산화아연, 산화납, 기타 휘발성 금속 산화물도 금속 형태로 환원되어 기화. 금속 증기 로 밖 배기구 떠나기 전 배가스에서 재산화.

고베제강 독자 기술 급속 가열법으로 노 바닥 위 펠릿/브리켓 급속 가열, 1,350°C 고온 달성. 이 가열로 산화물과 탄소 반응 발생. 8~16분 체류하며 응집체 DRI로 전환, 1,000~1,200°C 온도로 로 배출 또는 하류 공정 공급. 산화물과 탄소 간 다른 반응: (i) Fe₂O₃ + 3C = 2Fe + 3CO, (ii) Fe₃O₄ + 4C = 3Fe + 4CO, (iii) Fe₂O₃ + 3CO = 2Fe + 3CO₂, (iv) Fe₃O₄ + 4CO = 3Fe + 4CO₂, (v) FeO + CO = Fe + CO₂, (vi) ZnO + CO = Zn + CO₂.

환원 반응 결과 펠릿/브리켓서 배출된 연소가스(CO 가스) RHF 연료로 사용 가능, 버너 공급 연료량 현저히 감소.

FASTMELT 공정 EIF 분위기 본질적으로 CO 가스, 고환원성. 이 환원 분위기 실리콘 환원과 황 제거 촉진.

KSL 독자 기술인 환원로 노 바닥 승강으로 RHF에서 고온 DRI 안정 연속 배출 달성. 고로와 달리 FASTMET은 생산량에 따라 상대 쉽게 운전 시작/정지 가능, 수요 대응 생산 가능.

환원 메커니즘

직접 환원로 환원 반응 속도론은 보통 외부서 환원 가스 확산 제어. FASTMET 공정에서 환원 반응은 철광석 분광과 분쇄 석탄 구성 탄소 복합 펠릿/브리켓 내부서 발생. 복합 펠릿/브리켓 가열되면 내부 CO 가스 산화철 환원 촉진. 따라서 탄소 복합 펠릿/브리켓 내 환원 반응이 기존 직접 환원 공정 환원 반응보다 빠름. FASTMET 공정 중 발생한다고 고려되는 기본 환원 반응: (i) FeₓOᵧ + yC = xFe + yCO (흡열), (ii) CO₂ + C = 2CO (흡열), (iii) FeₓOᵧ + yCO = xFe + yCO₂ (발열).

철 융점 이하 온도에서는 분쇄 석탄 고체 탄소와 직접 반응 거의 없어 식 (i) 반응이 반응 속도론 지배. 1,000°C 이상 고온에서는 식 (ii) 탄소 용액 손실 CO 가스 생성 반응과 식 (iii) CO 가스에 의한 산화철 환원 반응이 탄소 복합 펠릿/브리켓 내부서 직렬 발생. 이 반응들에서 CO 가스 생성이 강한 흡열성으로 반응 속도론 제어. 따라서 반응 촉진 위해 1,000°C 이상 고온에서 반응 필요 열을 탄소 복합 펠릿/브리켓 내부에 공급 필요. 대기에서 펠릿/브리켓 표면으로 복사열전달 효율적, 표면에서 내부로 전도열전달 효율적 필요. 그림 3은 탄소 복합 펠릿/브리켓 환원 메커니즘.

RHF에서 펠릿/브리켓 보통 1,300°C 이상 구역 온도로 가열되어 금속 철로 환원. 노 바닥 체류 시간 통상 8~16분. 처리 물질, 펠릿/브리켓 크기 등 요인에 따라 변동. FASTMET 공정 급속 환원율은 고환원 온도, 고열전달율, 브리켓 내부 탄소와 산화철 밀착 접촉 덕분. RHF 내 열전달과 다른 환원 반응 개략 그림 4.

제품

FASTMET/FASTMELT 공정 최종 제품은 HBI, 이송 용기 직접 배출 뜨거운 DRI, 냉간 DRI, 선철(쇳물). 공정 달성 금속화율 85% 이상. FASTMELT 공정 생산 쇳물 온도 1,450~1,550°C, 대표 조성: 탄소 3~5%, 실리콘 0.3~0.6%, 망간 0.6~1.2%, 황 0.05% 미만, 인 0.03% 미만.

배가스 처리 및 환경 제어

RHF 떠난 배가스 완전 연소, 약 2% 산소 함유. 열교환기 배가스 열에너지로 RHF 버너 연소 공기, 원료 준비 건조기 예열. 배가스 RHF 지붕 통해 내화물 라이닝된 오프테이크(off-take) 통해 배가스 덕트 유입. RHF 연소 구역 상대적 배가스 오프테이크 적정 위치는 원료 분석, 환원 속도론, '전산 유체 역학(CFD)' 검증으로 결정. 희석 공기 배가스 덕트 주입으로 냉각, 배가스 스트림 잔류 가연물(수소, CO) 연소.

1차 쿨러에 분무수 첨가하여 가스 1,400°C 이상서 1,000°C로 냉각, NOx 생성 최소화, 회수기 허용 입구 온도 제공. 1차 쿨러 배가스 연소 공기 및 건조기 공기 예열기 통과, 배가스 열로 RHF 버너 연소 공기, 회전 건조기 가열. 배가스 연소 예열기 출구 2차 쿨러 유입. 2차 쿨러 분무수로 가스 800°C서 120°C 냉각, 백필터 시스템 허용 입구 온도 제공. 배가스 제트 패브릭 필터 백하우스 유입, 조산화아연 회수, ID 팬 거쳐 스택 통해 대기 배출.

SO₂ 제어 보통 FASTMET 공정 불필요. 대부분 SO₂ 가스 연도 스트림 금속 산화물과 반응 흡수됨. 석회 주입으로 SO₂ 추가 제어 가능. NOx 저NOx 버너 사용과 공기-연료비, 연소 온도 근접 운전 제어로 제어. 다이옥신과 퓨란 RHF 내 고온과 긴 체류 시간으로 파괴. 배가스 냉각 속도 제어로 다이옥신, 퓨란 재생성 최소화. 미립자 백필터 시스템으로 배가스 제거. 조산화아연 백필터 시스템 회수, 사일로 저장.

FASTMET 공정 환경 친화적 공정. FASTMELT 공정 CO₂ 배출 약 1.6 t/tHM(선철 톤당 톤), 미니 고로 약 2.1 t/tHM 대비. NOx 배출 0.3~1.5 kg/tHM, SOx 배출 약 2.4 kg/tHM.

FASTMET 공정 이점

FASTMET 공정은 제철소 야금 폐기물 처리 또 다른 옵션 제공. 제철소 내 FASTMET 플랜트 분진 처리하여 두 주요 제품 생산: 1차 제강로 재투입용 DRI, 아연 제련업체 판매용 조산화아연. 부채를 자산으로 전환. 높은 폐기 비용 제거, 저렴한 철 단위 공급원 확보.

공정 이점: (i) 공정 내 미세 분말 발생 매우 적어 2차 분진 아연 함량 높고 철 함량 매우 낮음, (ii) 고금속화와 고아연 제거로 환원철 제품 1차 제강로 재투입 가능, (iii) 폐기물 처리용 발생 안 함, (iv) 고온 처리 다이옥신 분해, (v) 아연 분진 경제적 처리 가능, 폐기물 아닌 제품화.