철광석 펠릿: 생산 공정 및 핵심 기술

철광석 펠릿화는 1950년대에 시작되어 미세 분쇄된 철광석 정광을 제강 생산에 활용하기 위해 개발되었습니다. 철광석 펠릿화에는 두 가지 주요 공정 유형이 있습니다: 직선 이동 그레이트(STG) 공정과 그레이트-킬른(GK) 공정. STG 공정에서는 펠릿 정지층이 건조, 산화, 소결, 냉각 구역을 통과하는 무한 이동 그레이트 위에서 이송됩니다. GK 공정에서는 건조와 대부분의 산화가 이동 그레이트 위에서 이송되는 정지 펠릿층에서 이루어집니다. 이후 펠릿은 회전 킬른에 적재되어 소결된 후 원형 냉각기에서 냉각됩니다.

펠릿화 공정은 https://www.ispatguru.com/iron-ore-pellets-and-pelletizing-processes/ 링크의 기사에서 논의됩니다.

펠릿 유형

펠릿은 산성 펠릿 또는 플럭스 펠릿일 수 있습니다.

• 산성 펠릿 - 산성 펠릿의 염기도는 보통 0.1 미만입니다. 소결 펠릿 강도는 어느 정도 다결정 구조의 적철석 브리지에 기인합니다. 이 펠릿은 일반적으로 큰 부피의 개방 기공을 가집니다. 환원 가스가 이 기공을 통해 펠릿 코어로 빠르게 침투하여 동시에 여러 곳에서 구조를 공격합니다. 이는 저온에서 펠릿 전체 부피에 걸쳐 초기 구조적 변화를 초래합니다.
• 플럭스 펠릿 - 이들은 염기성 펠릿으로도 알려져 있습니다. 플럭스 펠릿의 염기도는 0.1보다 크며 변할 수 있습니다. 일반 염기성 펠릿의 염기도는 0.1~0.6 범위이며 CaO 비율이 낮습니다. 이 펠릿 소결 시 SiO₂, CaO, Fe₂O₃의 다양한 비율로 구성된 유리질 슬래그 상이 형성됩니다. 플럭스 첨가 증가로 인해 어느 정도 슬래그가 형성되고, 이로 인해 철광석 결정과 어느 정도 슬래그 결합이 이루어집니다. 고염기도 펠릿은 0.6보다 큰 염기도 수준을 가집니다. 이 펠릿은 더 높은 수준의 CaO를 함유합니다. 이 펠릿은 주로 SiO₂, CaO, Fe₂O₃로 구성된 유리질 상뿐만 아니라 칼슘 페라이트(CaO·Fe₂O₃)도 가집니다. 이 펠릿 소결 시 CaO의 가용성은 적철석 결정 성장을 상당히 촉진합니다. 이 펠릿은 펠릿 소결 후 일반적으로 높은 기계적 강도를 가집니다.

펠릿 플랜트 공정

펠릿 플랜트는 일반적으로 철광석 선광 플랜트와 통합됩니다. 통합되지 않은 경우 농축 철광석 슬러리가 슬러리 파이프라인으로 펠릿 플랜트로 펌핑됩니다. 풍부한 철광석 미분 기반 펠릿 플랜트는 드물고 경제적이지 않습니다. 전체 펠릿화 공정은 크게 두 가지 주요 하위 공정 세그먼트로 나눌 수 있습니다: (i) 냉간 하위 공정 세그먼트, (ii) 열간 하위 공정 세그먼트.

냉간 공정 세그먼트

• 선광 플랜트에서 온 농축 철광석 슬러리 저장을 위한 슬러리 탱크. 슬러리 내 철광석 입자 크기는 약 80% 입자에 대해 45마이크로미터 미만입니다.
• 첨가제(펠릿 품질에 따라 돌로마이트, 석회석, 석회, 올리빈 등)가 슬러리에 첨가됩니다.
• 필터를 사용하여 슬러리에서 대부분의 물을 제거합니다. 여과 후 철광석 수분 함량은 약 9%입니다.
• 바인더(벤토나이트 또는 유기 바인더) 첨가를 위한 믹서로 그린 펠릿의 충분한 기계적 강도 확보
• 펠릿화 디스크 또는 볼링 드럼으로 그린 펠릿 생산. 펠릿화 디스크가 그린 펠릿 생산에 더 인기가 있습니다.
• 진동 스크린으로 그린 펠릿의 다른 분획 분리. 미분 펠릿은 공정으로 재순환되고, 과대 펠릿은 재순환 전 분쇄됩니다.
• 나머지는 크기별(8mm~16mm) 펠릿으로 컨베이어를 통해 열간 공정 세그먼트의 건조 공정으로 이송됩니다.

열간 공정 세그먼트

• 펠릿 베드를 통과하는 뜨거운 공기 흐름으로 그린 펠릿의 대부분 수분 함량을 제거하는 건조로. 건조 펠릿은 펠릿화로로 들어갑니다.
• 건조 펠릿을 펠릿화로에서 소성(1250°C~1300°C)하여 그린 펠릿을 최종 제품으로 변환
• 냉각기로 찬 공기를 불어넣어 뜨거운 경화 펠릿을 약 200°C로 냉각

위 하위 공정 대부분은 현재 자동 제어를 사용하는 제어 기술로 운전됩니다. 일부 하위 공정은 이전 하위 공정의 원활한 작동에 크게 의존합니다. 예를 들어 입자 크기가 너무 크거나, 미분이 너무 건조하거나, 건조가 작동하지 않으면 펠릿을 생산할 수 없습니다. 덜 중요한 상황은 일부 세그먼트가 최적이 아닌 상태로 작동하는 경우입니다. 예를 들어 바인더 첨가 공정에서 바인더 혼합이 균일하지 않으면 그린 펠릿 형성 공정이 어려워집니다. 따라서 철광석 펠릿화 공정은 서로의 성능에 크게 의존하는 여러 하위 공정의 연쇄입니다.

바인더를 광석에 첨가하는 것은 두 가지 주요 목적을 가집니다: (i) 광석을 가소성 있게 만들어 핵을 형성하여 잘 형성된 펠릿으로 성장시키고, (ii) 펠릿을 취급, 건조, 예열 중 또는 소결 중 경화로 충분히 강화될 때까지 결합시킵니다. 최적 바인더는 최소 비용으로 고품질 펠릿을 생산하고 가능한 한 적은 오염 물질을 도입해야 합니다. 바인더는 또한 무독성, 취급 용이, 고급 공급 시스템 불필요해야 합니다. 소량의 벤토나이트 첨가는 세라믹 결합 형성과 그린 볼 롤링 중 입자의 더 큰 압축에 의해 결합을 촉진합니다.

그린 펠릿 품질은 광물학, 화학, 광석 미분의 입도 같은 입력 파라미터, 공급 입자 크기, 펠릿화 중 첨가 물량, 디스크 회전 속도, 디스크 바닥 경사각, 디스크 내 재료 체류 시간 같은 볼링 파라미터에 의존합니다.

그린 펠릿에서 물은 중요한 역할을 합니다. 광석을 응집시키고 결합 액체 기능을 수행합니다. 젖은 응집체는 존재하는 물 양에 따라 여러 다른 상태로 존재할 수 있습니다. 이들은 그림 1에 개략적으로 나와 있습니다. 결합 액체 충전도 또는 액체 포화도는 기공 부피 중 결합 액체로 채워진 부분을 설명합니다.

그림 1 젖은 응집체의 다양한 상태 개략도

낮은 포화도에서 입자는 액체 브리지(진자 결합, 진자 상태)에 의해 결합됩니다. 장력 상태(모세관 상태)에서 모세관 액체 충전과 액체 브리지가 공존합니다. 모세관 상태에서 모든 모세관이 액체로 채워지고 모세관 힘으로 인해 기공 개구부에 오목 표면이 형성됩니다.

액적 상태는 응집체가 액체의 응집력에 의해 결합될 때 발생합니다. 유사 액적 상태에서 비충전 보이드가 액적 내부에 갇혀 있습니다. 공통 특징은 모세관 및 액적 상태에서 오목한 모세관 개구부 또는 전체 응집체 외부 표면에 자유 표면 물이 예상된다는 것입니다. 젖은 응집체 강도에 대한 모세관 이론은 이제 잘 확립되었습니다.

첨가제는 펠릿화 공정의 운영과 경제성을 모두 개선하기 위해 사용되었습니다. 석회(CaO)와 수산화 석회[Ca(OH)₂]는 펠릿 생산 중 유익한 첨가제로 입증되었습니다. 그린, 건조 및 소결 펠릿 특성이 석회 또는 수산화 석회 첨가로 크게 개선되었습니다.

제품 펠릿의 물리적 및 야금적 품질은 대체로 그린 펠릿 품질, 사용된 바인더, 플럭스, 첨가제의 유형과 양, 소결 파라미터(소결 조건: 온도, 시간 등)에 의존합니다. 그린 펠릿 성분은 소결 중 함께 반응하여 제품 펠릿에 다양한 상과 미세 구조를 형성합니다.

이 상들의 유형과 양, 화학과 분포는 후속 제철 공정에서 환원 시 제품 펠릿의 야금적 특성을 결정하는 데 중요한 역할을 합니다. 저알루미나 자철석과 고품위 적철석 철광석 미분의 그린 펠릿과 소결에 대한 연구가 세계 여러 지역에서 수행되었습니다. 그러나 화학과 광물학 차이로 인해 이 연구 결과를 알루미나(Al₂O₃) 함량이 높은 철광석에 직접 적용할 수는 없습니다. 비교적 높은 Al₂O₃ 함량의 철광석 미분은 다른 펠릿화 특성을 보입니다.

적철석 철광석 소결의 경우, 자철석 산화의 다음 발열 반응이 없기 때문에 외부 소스에서 더 많은 열을 공급해야 합니다.

4FeO + O₂ = 2Fe₂O₃

적철석 광석 미분 펠릿 생산에 필요한 에너지 소비는 자철석 광석 미분 펠릿화에 필요한 것보다 더 큽니다. 게다가 적철석 광석으로 만든 펠릿은 열악한 소결 특성을 가지며 소결 온도가 1300°C 이상이 될 때까지 적절한 물리적 강도를 달성하지 못합니다. 1200°C 이하 온도에서는 적철석 입자와 펠릿 구조가 원래 모양을 유지하는 것이 관찰됩니다. 적철석 입자 크기는 확대되지 않으며 Fe₂O₃ 결정 격자 결함은 온도가 1300°C 이상이 될 때까지 제거되지 않습니다. 고온에서 초기 연결 브리지가 결정립 사이에 형성되고 Fe₂O₃의 재결정이 일어납니다. 그러나 소결 온도가 1350°C 이상이면 Fe₂O₃가 Fe₃O₄로 분해되어 다음 반응으로 표현되듯 펠릿 품질 손실로 이어집니다.

6Fe₂O₃ = 4Fe₃O₄ + O₂

이 반응의 열역학은 Fe₂O₃ 분해 온도가 산소 분압 증가와 함께 증가함을 나타냅니다. 따라서 과도한 고온 소결과 낮은 산소 분압은 Fe₂O₃ 분해를 방지하기 위해 피해야 합니다. 따라서 적철석 펠릿에 더 높은 소결 온도를 유지하고 더 좁은 소결 온도 범위를 유지하는 것이 필요합니다. 이는 소결 장비 운전을 어렵게 만듭니다.

적철석 펠릿 소결을 향상시키기 위해 자철석 첨가와 탄소 부담 방법이 실제에서 유리한 기술로 밝혀졌습니다.

자철석 광석 펠릿화의 경우, 펠릿이 산화되기 시작하면 펠릿 코어가 여전히 자철석인 동안 적철석 쉘이 형성됩니다. 이 두 상의 열적 부피 변화는 자철석 상에서 소결이 더 일찍(950°C) 시작됨을 나타내며, 적철석 상(1100°C)에 비해 그렇습니다. 자철석과 적철석 상 간의 소결 속도 차이는 약 1100°C에서 더 큽니다. 자철석 정광이 더 미세해질수록 두 상 모두에서 소결 속도가 증가합니다. 원료의 더 미세한 분쇄는 따라서 더 심하게 소결된 코어가 쉘에서 벗겨지는 원치 않는 이중 구조 형성을 촉진합니다. 그린 펠릿의 일정한 원래 기공률에서 산화 속도는 자철석 정광이 더 미세해질수록 감소합니다. 이는 향상된 소결 때문입니다. 그러나 실제 볼링에서 더 미세한 원료는 볼링에 더 많은 물 사용을 필요로 하여 그린 펠릿 기공률 증가를 초래합니다. 이 두 반대 효과가 상쇄되어 산화 시간이 일정해집니다. 산업 공정 조건에서 부분 산화만 소결 전에 일어나기 때문에 이중 구조 차이는 여전히 예상됩니다.

철광석 미분에 석회(CaO) 첨가는 그린 펠릿 생산성을 약간 감소시키지만, 그린 펠릿의 낙하 저항과 압축 강도를 증가시킵니다. 또한 펠릿 강도는 펠릿 소결 중 발생하는 수축에 정비례합니다. 플럭스 펠릿의 경우 석회 첨가는 펠릿 수축을 증가시켜 펠릿 강도를 높입니다. 이는 석회, 실리카, 산화철 간의 상호작용으로 규산칼슘과 칼슘 페라이트가 형성되기 때문입니다. 석회 첨가는 원래 석회 입자 부위 근처에서 매우 국소적인 제2광물 결합에 의해 미세 적철석 입자 소결을 초래합니다. 온도와 석회 농도 둘 다 증가함에 따라 더 많은 슬래그가 형성되어 구조를 통합하고 접근 가능한 기공률을 낮춥니다.

수산화 석회[Ca(OH)₂] 사용은 그린 및 건조 펠릿의 낙하 저항과 압축 강도에 긍정적인 영향을 미칩니다. 또한 소결 펠릿 최종 강도에 Ca(OH)₂의 좋은 영향이 있습니다.

Ca(OH)₂ 첨가는 더 효율적인 나트륨 이온을 칼슘 이온으로 대체하여 더 석회질이고 덜 효율적인 것으로 변환함으로써 바인더로서 벤토나이트 효율을 감소시킵니다. 이는 펠릿 특성 악화로 이어집니다. 따라서 펠릿화 공정 중 한 번에 하나 이상의 바인더를 첨가하는 것은 바람직하지 않은 경우가 있는데, 이는 펠릿 특성 향상 대신 악화를 초래할 수 있기 때문입니다. 일정량의 Ca(OH)₂ 첨가 후 펠릿 특성에서 일부 향상이 달성되며, 이는 펠릿화 공정 중 바인더로서 Ca(OH)₂ 효과에 기인할 수 있습니다. 0.4% 벤토나이트와 4% Ca(OH)₂를 함유하여 최고 물리화학적 특성을 가진 펠릿의 환원 속도론은 이러한 펠릿의 환원이 계면 화학 반응에 의해 제어됨을 보여줍니다.