신터 품질 최적화: 철광석 신터링 핵심 공정

신터(sinter)는 일반적으로 고로(BF) 장입 부담의 주요 구성 요소입니다. 신터는 철광석 신터링 공정 중 생성된 많은 광물 상으로 구성됩니다. 신터의 품질과 특성은 신터의 광물 구조에 의존합니다. 그러나 신터링 조건이 일반적으로 신터 베드 전체에서 균일하지 않기 때문에 상 조성, 따라서 신터 품질은 신터 베드에서 변합니다.

신터 구조는 균일하지 않습니다. 다양한 크기의 기공과 각각 다른 특성을 가진 복잡한 광물 상 집합체로 구성됩니다. 이러한 기공과 광물 상의 조합, 그리고 그들 사이의 상호작용이 신터 품질을 결정하지만, 신터 특성 예측을 매우 어렵게 만듭니다. 신터에 대한 많은 조사가 수행되었음에도 불구하고, 신터의 화학 조성과 광물학이 그 특성 및 거동과의 상관관계는 여전히 명확히 이해되지 않았습니다.

신터 혼합물과 제품 신터의 개략도는 그림 1에 있습니다.

그림 1 신터 혼합물과 제품 신터 개략도

신터링 공정은 -10mm 입자 크기의 철광석, 플럭스, 코크스, 플랜트 고체 폐기물의 그린 혼합물을 응집시켜 고로에 존재하는 운전 압력과 온도 조건을 견딜 수 있는 신터를 생산하는 공정을 설명하는 일반적인 용어입니다. 먼지, 슬러지, 슬래그, 밀스케일 등의 고체 폐기물은 이러한 물질의 복잡한 화학 구조와 광물 성분 때문에 신터 혼합물에 활용됩니다. 신터링 공정은 https://www.ispatguru.com/the-sintering-process-of-iron-ore-fines-2/ 링크의 별도 기사에서 자세히 설명되어 있습니다.

신터링 중 화학 반응과 상 형성

신터링 공정 중 미세 코크스 입자 연소가 700°C~800°C 온도에서 시작되어 CO(일산화탄소) 가스 형성을 초래합니다. 철광석 코어 표면과 부착된 미분은 자철석으로 환원됩니다. 온도가 1100°C로 상승하면 Fe₂O₃·CaO, FeO·CaO, FeO·SiO₂ 같은 저융점 상이 고체-고체 반응에 의해 형성됩니다. 이 단계에서 SFCA(실리코-페라이트 칼슘 알루미늄) 상이 형성됩니다. SFCA는 소량의 용해된 Al₂O₃와 SiO₂를 가진 CaO·2Fe₂O₃의 고체 용액으로 확인됩니다. 이 상은 복잡한 4원상(quaternary phase)으로 간주됩니다.

신터링 공정 중 화염 전선이 신터 베드를 빠르게 통과하기 때문에 평형 상 관계는 일반적으로 도달되지 않습니다. 이는 신터의 높은 이질성을 초래하고, 열역학적 고려에서 예상되지 않는 비평형 상 형성을 초래합니다. 따라서 신터 조성은 개별 광석과 플럭스 입자의 성격과 그들 사이의 반응 정도에 따라 벌크 물질에서 장소마다 다릅니다.

거시적으로 신터는 큰 불규칙 기공을 가진 불균일 구조입니다. 미시적으로는 결합 상, 잔류 광석 입자, 잔류 유리질 상, 매우 작은 불균일 기공과 균열로 구성됩니다. 온도, 조성, 산소 분압, 시간, 분위기 같은 다양한 파라미터에 따라 다른 상이 다른 비율로 형성되고 다른 형태가 발달합니다. 형태학은 본질적으로 형성 방식을 반영하며 신터의 특정 화학 조성, 가열 및 냉각 속도와 관련됩니다.

침상 SFCA는 1185°C 아래에서 형성되기 시작합니다. 온도가 1245°C로 상승하면 미반응 적철석이 사라지고 SFCA 결정 크기가 증가합니다. 산소 분압이 높고 온도가 1350°C 미만일 때 온도가 1300°C를 초과하면 SFCA가 분해되기 시작하여 적철석을 형성하고, 산소 분압이 낮고 온도가 1350°C 이상일 때 슬래그 성분이 용융물로 재분포되면서 자철석을 형성합니다. SFCA 분해는 분해 온도 이상의 연장된 시간과 최대 온도 증가에 의해 촉진됩니다.

신터링 공정에서 위의 화학 반응은 고온에서 일어나 용융 상 형성을 초래하며, 이는 고체-액체 반응에서 철광석 미분과 플럭스의 동화와 결합에 사용됩니다. 공정 중 용융물 형성은 온도가 1100°C 이상인 화염 전선에서 발생합니다. 이 용융물은 고체화되어 신터 내 다른 상의 대부분을 구성하는 결합 상이 됩니다. 주요 결합 상은 일반적으로 SFCA로 구성됩니다.

용융 상 부피는 신터링 공정에서 중요한 역할을 합니다. 과도한 용융은 낮은 환원성을 가진 균질 유리질 구조를 초래하는 반면, 매우 낮은 용융 농도는 강도 부족으로 많은 리턴 파인을 초래합니다.

신터링 중 화학 반응은 다상 재료인 신터 케이크 형성을 초래하며, 이는 이질적 미세 구조를 가집니다. 이는 주요 상인 적철석, 자철석, 철광석, SFCA, 이규산칼슘, 유리질 상 등 여러 광물 상으로 구성됩니다. 다른 상의 광물학적 분포는 신터 미세 구조를 결정하며, 이는 신터 품질인 기계적 강도와 BF에서 환원 시 거동을 부여합니다. SFCA는 신터 내 풍부함과 신터 품질에 대한 상당한 영향으로 인해 결합 상의 가장 중요한 구성 요소로 간주됩니다.

신터링 메커니즘에서 볼 수 있듯이 신터 상은 주로 1100°C 이상의 온도에서 신터 공정 중 형성됩니다. 따라서 신터 공정의 온도-시간 특성이 신터의 미세 구조와 상 조성에 강력하게 기여합니다.

신터 베드 온도 프로파일은 가열 사이클 동안 최대 온도까지 급격한 상승이 특징입니다. 도달한 최대 온도는 보통 1300°C 이상이며 1350°C까지 높을 수 있습니다. 최대 온도 도달 후 완만한 기울기는 냉각 사이클 동안 완제품 신터의 상대적으로 느린 냉각을 나타냅니다.

신터링 공정 중 베드 투과도 변화로 인해 신터 베드 상단에서 하단까지 다른 온도 프로파일이 얻어집니다. 따라서 가열 속도, 도달한 최대 온도, 1100°C 이상 온도에서의 시간, 냉각 속도는 일반적으로 신터 베드 상단, 중간, 하단 층에서 다릅니다. 이러한 다른 온도-시간 특성으로 인해 신터 베드를 통해 상 조성에 변동이 있습니다. 이러한 차이로 인해 신터는 다음과 같이 분류될 수 있습니다.

• 상단 신터 - 보통 약하고 부서지기 쉬워 허용 가능한 크기 등급의 신터 수율이 낮습니다. 이 신터는 고온에서 융합된 후 즉시 급냉됩니다. 신터는 신터 스트랜드에서 차갑게 배출됩니다.
• 중간 신터 - 이 신터는 융합과 어닐링에 최적 조건에서 형성되어 허용 가능한 크기 등급의 최대 신터 수율을 제공합니다. 신터는 신터 스트랜드에서 차갑게 배출됩니다.
• 하단 신터 - 이 신터는 뜨겁게 배출되어 핫 신터 브레이커를 통과하고 배출 스크린을 넘어 신터 쿨러로 지나가며 심하게 급냉됩니다. 이는 열악한 물리적 특성을 초래하여 허용 가능한 크기 등급의 신터 수율이 낮습니다. 스트랜드 상 냉각이 적용되면 중간층 신터와 거의 같은 특성을 가집니다.

일반적으로 신터는 부피 기준 40%~70%의 철 산화물, 20%~50%의 페라이트(대부분 SFCA), 약 10%의 이규산칼슘, 약 10%의 유리질 상으로 구성됩니다. 또한 소량의 황화물(FeS), 휘석[(Mg,Fe)SiO₃], 석영, 석회를 포함할 수 있습니다. 신터링 반응은 각 광물 상의 부피 분율을 조절하며 특별히 SFCA 상의 농도와 미세 구조를 제어합니다. 이는 차례로 신터 특성을 제어하고 개선합니다.

광석 입자 크기는 중요한 역할을 합니다. 미세 광석의 동화 능력은 조대 입자보다 더 큽니다. 철광석 미분의 반응 표면적은 높아 더 높은 반응 속도를 초래합니다. 하지만 더 높은 용융 농도 형성은 용융 유동성 감소를 초래합니다. 따라서 신터 베드 투과도 개선을 위해 신터 혼합물에 조대 입자 포함이 필요합니다. 이는 용융과 고체 입자 간 대규모 이동 증가와 관련되기 때문입니다.

더 큰 입자가 신터 베드에 포함되면 신터 베드 신터링 능력이 개선되는데, 이는 신터 베드 투과도 개선과 공정 중 개선된 신터 반응 때문입니다. 더 큰 입자가 신터 베드에 있으면 입자 주변에 저밀도 영역이 형성되어 신터 베드 투과도가 개선됩니다. 신터 베드 투과도 증가로 더 큰 입자 주변에서 가스 유량과 화염 전선 속도가 미세 입자보다 더 높습니다. 용융 반응과 동화는 따라서 용융 유동성 증가로 인해 더 큰 입자 주변에서 빠르게 발생합니다.

신터 중요 품질 관련 특성

다음은 신터의 중요한 품질 관련 특성입니다.

• 신터 구조에는 신터 강도와 환원성에 유익한 특성을 가진 페라이트가 포함됩니다. 최적 구조는 일반적으로 침상 페라이트 격자로 둘러싸인 적철석 핵으로 형성됩니다. 이 구조는 더 높은 신터 염기도로 작업할 때 선호됩니다.
• 철광석 크기는 신터링 특성에 영향을 미칩니다. 철광석 크기 증가는 신터 생산성을 촉진하지만 텀블러 강도를 약간 감소시키고 약간의 코크스를 절약합니다.
• 신터 광물학은 화학 조성에서 물리적 및 화학적 특성보다 더 쉽게 예측할 수 있습니다.
• 신터 내 MgO 농도 증가는 스피넬(마그네슘 알루미늄 산화물)과 유리질 상 양을 증가시킵니다. 신터 내 MgO 존재는 자철석을 안정화시켜 적철석 함량을 감소시키고 적철석-자철석 환원 중 신터 내 응력을 낮추기 때문에 RDI를 개선합니다.
• 신터 내 SiO₂ 농도 증가는 총 SFCA 양을 증가시키고, 침상/주상 SFCA 비율과 유리질 상 함량을 감소시킵니다.
• 신터 내 Al₂O₃ 함량 증가는 SFCA 상 농도 증가에도 불구하고 화학적 및 물리적 특성을 급격히 악화시킵니다. 알루미나 함량 증가로 침상, 주상, 블록형 SFCA 양이 크게 증가하는 반면 수지상과 공정 SFCA 양이 실질적으로 감소합니다.
• 철 신터의 MgO와 SiO₂ 함량은 물리적 및 화학적 특성에 상호 관련된 효과를 가지는 것 같습니다. 다양한 양의 MgO와 SiO₂가 신터 특성에 미치는 영향을 예측하는 것은 따라서 복잡합니다. 유일한 명확한 추세는 AI(마모 지수)가 MgO 함량 증가와 함께 증가하고, 신터의 RI와 AI가 SiO₂ 함량 증가와 함께 감소한다는 것입니다.
• 낮은 FeO 함량(<8%)의 신터가 더 나은 환원성을 선호합니다. 광석 혼합물 화학 조성이 고정되면 FeO는 특히 코크스 비율인 신터링 조건을 나타낼 수 있습니다. 신터 내 FeO 함량 증가는 RDI 지수를 낮춥니다(개선). 그러나 FeO 함량 증가 시 환원성은 감소합니다. 다른 신터 특성을 변경하지 않고 RDI를 개선하기 위해 최적 FeO 함량을 찾는 것이 중요합니다.
• 원료 신터 혼합물에 플럭스가 첨가되는 광물 형태(예: 산화물 vs 탄산염)는 생성된 신터의 광물학과 특성에 현저한 영향을 미칩니다.
• 원료의 다양한 화학 조성과 이질적 입자 크기 분포로 인해 신터링 공정 중 반응은 이질적이며 이질적 구조의 신터를 생성합니다.