펠렛화는 매우 미세한 철광석을 일정 직경 범위(보통 8~20mm)의 구형(펠릿)으로 만드는 응집 공정입니다. 이 펠릿은 고로와 직접 환원 공정에 적합합니다. 펠렛화는 그린(미소성) 펠릿을 형성한 후 가열 경화시킨다는 점에서 소결과 다릅니다.
철광석 펠릿은 선광된 광석이나 광산 원광 미분으로 만들 수 있습니다. 빈광은 선광을 통해 고품위 철광석으로 업그레이드되며, 이 과정에서 생성된 철광석 필터 케이크는 제철 공정에서 사용하기 위해 펠렛화해야 합니다. 또한 선광이 필요 없는 고품위 철광석 가공 중 발생하는 미분도 폐기 대신 펠렛화하여 사용할 수 있습니다.
펠릿 플랜트는 광산, 항만 근처, 또는 제철소에 부속되어 설치될 수 있습니다. 첨단 환경 기술을 갖춰 고체·액체 잔류물 발생이 거의 없는 무공해 설비입니다.
펠릿 역사는 1912년 스웨덴인 A.G. 안데르손이 펠렛화 방법을 발명하면서 시작되었습니다. 그러나 펠릿의 상업적 이용은 제2차 세계대전 후 미국에서 시작되었습니다. 미국에서는 오대호 주변의 방대한 타코나이트(저품위 철광석) 매장량 개발을 목표로 다양한 연구가 수행되었습니다. 타코나이트 광석 농축 공정은 광석을 분쇄해 맥석을 제거하고 철광석을 업그레이드하는 것(선광 공정)이었습니다. 결과적으로 0.1mm 이하 미세 입자 형태의 고품위 광석이 얻어졌으나, 이는 소결에 적합하지 않았습니다. 이 문제가 펠렛화 공정 개발로 이어졌습니다.
1943년 미네소타 대학 광산 실험소의 데이비스 교수와 동료들이 저품위 철광석을 함유한 타코나이트 처리 방법을 발명했습니다. 이들의 발명으로 미세 자철석 정광을 볼링 드럼에서 펠릿화할 수 있고, 충분히 높은 온도(보통 초기 용융점 이하)에서 소성하면 고로 사용에 적합한 단단하고 소결된 펠릿을 만들 수 있음이 입증되었습니다. 결과적으로 소결광이 고로 성능에 의심할 여지 없는 이점을 제공함에도 불구하고, 펠릿을 고로 부담의 주 철 함유 원료로 장기간 사용한 제철소의 탁월한 성능 때문에 펠렛화 공정에 대한 관심이 고조되었습니다.
고품위 덩어리 광석의 전 세계 매장량이 감소하는 시대에 펠렛화 플랜트는 중요한 역할을 할 것으로 기대됩니다. 이 플랜트들은 저품위 철광석을 업그레이드된 펠릿으로 농축하여, 향후 고로와 직접 환원로에서 점점 더 많이 사용될 것입니다.
철광석 펠릿은 산성 펠릿과 염기성 펠릿으로 나뉩니다. 산성 펠릿은 DRI(직접 환원철) 등급 펠릿, 염기성 펠릿은 BF(고로) 등급 또는 플럭스 펠릿이라 부릅니다.
펠릿 품질은 광석/정광의 성질, 동반 맥석, 첨가 플럭스 종류·량에 영향받습니다. 이 요소들은 펠릿 소성 중 공존 상의 물리화학적 특성과 분포 변화를 일으킵니다. 따라서 펠릿 특성은 광석 입자 간 결합 형태와 정도, 철 산화물 환원 시 결합 상의 안정성에 크게 좌우됩니다. 소성 중 상 형성과 미세구조가 첨가 플럭스 종류·량에 의존하므로, CaO/SiO₂ 비율과 MgO 함량 측면에서 플럭스제가 펠릿 품질에 영향을 미칩니다.
광물학적으로 펠릿은 본질적으로 적철석(원래 생존) 철광석 입자, 결정질 실리카(석영, 크리스토발라이트, 트라이디마이트), 포르스테라이트(Mg₂SiO₄)로 구성됩니다. 펠릿 광물학의 주요 변동은 제품 내 맥석 상 비율에 있으며, 이는 펠릿 원료와 석회석, 돌로마이트, 올리빈, 벤토나이트 등 첨가제 종류·량에 따라 달라집니다.
철광석 펠릿 강도는 취급·수송 중 파쇄·마모 저감과 고로 내 성능에 중요합니다. 펠릿 내 강한 결합은 자철석의 적철석 산화에 따른 입자 성장 또는 적철석 재결정에 기인한다고 봅니다. 슬래그 결합은 약간 낮은 소성 온도에서 더 빠른 강도 발현을 촉진할 수 있으나, 특히 열충격 저항성은 보통 감소시킵니다. 펠릿 강도는 압축 시험과 회전 시험으로 주로 평가. 상업적으로 허용되는 펠릿의 압축 강도는 9~18mm 크기에서 보통 200~350kg 범위. 회전 시험(ASTM E279-65T)에서 +6mm 펠릿 11.4kg을 25rpm으로 200회전 회전 후 선별. 만족스러운 상업용 펠릿은 -0.6mm(-28메시) 미분 5% 이하, +6mm 94% 이상이어야 함. 6~0.6mm 크기 파쇄 펠릿 최소화도 바람직. 고로 원료용 펠릿의 기타 중요 특성으로는 환원성, 기공율, 겉보기 밀도. 일부 정광에서는 이들을 일정 범위 내 조절 가능.
펠렛화 플랜트는 일반적으로 ① 원료 수령, ② 전처리, ③ 볼링, ④ 소성 및 냉각 4단계 공정으로 구성됩니다.
펠렛화 플랜트 위치는 철광석, 첨가제, 결합제 등 원료 수령 방식에 영향을 줍니다. 많은 펠렛화 플랜트가 철광산 근처에 위치합니다. 이 플랜트들은 해당 광산에서 선광된 철광석을 펠렛화하기 위해 설치됩니다. 이런 플랜트는 철광석을 철도와/또는 슬러리 파이프라인으로 수령합니다. 다른 많은 펠렛화 플랜트는 철광산과 떨어져 설치됩니다. 이 플랜트들은 철광산과 독립적이며, 주로 철도로 철광석을 수령합니다. 일부는 장거리 슬러리 파이프라인으로 수령하기도 합니다. 수입 철광석에 의존하는 항만 소재 펠렛화 플랜트는 전용선으로 광석 수송, 부두에서 하역, 야드에 비축하는 방식입니다. 최대 경제성을 위해 보통 벌크로 선적됩니다.
전처리 공정에서 철광석은 후속 볼링 공정에 필요한 크기로 분쇄됩니다. 전처리에는 농축, 탈수, 분쇄, 건조, 예습이 포함됩니다. 일반적으로 저품위 철광석은 광석 품질 향상, 황·인 함유 맥석 제거, 입자 크기 제어를 위해 미분으로 분쇄합니다. 자철석 광석의 경우 자기 분리기로 업그레이드 및 맥석 제거. 적철석 광석의 경우 중력 선광, 부유 선광, 습식 고강도 자기 분리로 수행. 분쇄 방법은 대략 다음 세 측면으로 분류됩니다.
이 방법들은 철광석 종류·특성, 혼합 비율, 경제적 요인을 고려해 조합하여 사용합니다. 습식 분쇄 시스템은 농축기와 여과기가 있는 탈수 장치 필요. 건식 분쇄 시스템은 예습 장치 필요. 예습은 보통 건식 분쇄와 연계. 예습은 건식 분쇄 물질에 적당량의 물을 균일하게 혼합하여 볼링에 적합한 예습 물질 준비. 펠릿 품질에 큰 영향을 미치는 물질 특성 조정 공정. 경우에 따라 제품 펠릿 화학 조성도 이 공정에서 조정해 고품질 펠릿 생산.
벤토나이트, 점토, 수산화 석회, 유기 결합제 같은 결합제를 일반적으로 사용하여 그린 볼 습윤 강도를 취급 가능한 수준으로 높입니다. 벤토나이트 소모량(원료 톤당 6.3~10kg)은 중요한 비용 요소이며 최종 제품 실리카 함량을 증가시킵니다.
석회/돌로마이트 첨가로 펠릿 목표 화학 조성 조정.
벤토나이트 사용량 저감과 저렴한 대체제 개발에 상당한 노력 기울여옴. 그린 볼 볼링성과 강도는 첨가제, 정광의 수분 함량, 입도 분포에 영향받음. 좋은 볼링을 위한 최적 수분 함량 보통 9~12%. 볼링 특성은 정광 화학 조성에는 상대적으로 무관하나 물리적 특성에는 강하게 영향받음. 예: 거울 적철석은 판상 입자 구조 때문에 자철석 정광보다 볼링이 어려움. 어쨌든 보통 80~90%가 -43μm(-325메시)까지 분쇄되면 만족스러운 펠릿 형성 달성. 펠렛화 대상 물질은 일반적으로 최소 70% -43μm(-325메시) 포함, 비표면적(Blaine) 1200cm²/g 초과로 적절한 볼링 특성 확보.
이 공정에서 볼링 장비가 이전 공정에서 준비된 예습 물질로부터 그린 볼을 생산합니다. 볼링 드럼과 디스크 펠렛라이저가 그린 볼 형성에 가장 널리 사용. 두 장치 모두 원심력을 이용해 미세 물질을 구형으로 만듭니다.
드럼 생산 그린 볼은 직경이 균일하지 않음. 배출물의 상당 부분(약 70%)이 목표 크기 미만으로 선별 후 드럼으로 재순환. 원료 조건 변화에 맞춰 드럼 조작 조정 어려움. 그러나 균일한 원료 조건(화학 조성, 입도, 수분 등)에서는 조작 안정적.
디스크 펠렛라이저는 볼링 드럼에 비해 경량, 조정 용이성 우위. 본질적 설계로 투입 순간 변동 효과를 평균화(드럼은 불가능). 디스크 펠렛라이저는 스스로 그린 볼을 분류하여 재순환량 감소. 디스크의 분류 작용으로 더 균일한 크기 볼 배출 촉진, 제품 선별 단순화. 디스크 회전 속도, 경사각, 깊이 변경으로 원료 조건 변화에 쉽게 조정 가능. 단, 디스크 용량 낮고 드럼보다 더 엄격한 제어 필요.
볼링 장치가 스크린과 폐회로로 운전되어 미달 물질을 제거·재순환할 때 볼 크기 제어 최적. 그린 펠릿의 낙하 강도와 압축 강도 모두 중요.
펠릿 소성은 산화 분위기에서 1250~1350°C 고온으로 적철석 입자 간 결합을 확립. 원료에 플럭스 맥석이 포함되거나 석회석 첨가 시 저융점 슬래그가 펠릿 내 형성될 수 있음. 이 경우 적철석 결합과 슬래그 결합이 공존하는 중간 구조 생성 가능. 소성 공정은 소결보다 낮은 공정 온도 특징. 소결은 미세 광석과 코크스 브리즈(연소열 발생 연료)를 혼합해 부분 용융·소결.
펠릿 소성에는 일반적으로 세 시스템 사용: ① 수직 샤프트로 시스템, ② 직선 그레이트/주행 그레이트 시스템, ③ 그레이트-킬른 쿨러 시스템. 각 시스템 모두 상업적으로 허용 품질 펠릿 생산 가능하므로, 자본·운영 비용 요인이 시스템 선택에 주로 작용.
펠렛화 중 자철석→적철석 산화로 모든 시스템에서 톤당 약 100Mcal의 열량 공급. 적철석 펠렛화 시 펠릿 원료 혼합물에 코크스 브리즈(또는 탄소원) 사용이 일반적. 자철석 산화가 보통 공급하는 추가 소성 에너지 보충 목적.
수직 샤프트로 시스템 - 가장 전통적 설비. 그러나 주행 그레이트나 그레이트-킬른 시스템만큼 흔하지 않음. 샤프트로 설계에 여러 변형 있으나 가장 흔한 것은 Erie 타입(그림 1). 그린 볼을 상부에서 투입, 25~40mm/분 속도로 열가스와 역류하며 하강. 전체 공기 약 25%가 1280~1300°C로 핫가스 입구 통해 유입. 이 구역 펠릿은 자철석→적철석 산화 시 발열로 1315°C 이상 도달. 나머지 75% 공기는 냉각 공기 입구로 유입. 펠릿 배출 온도 ~370°C, 상부 가스 온도 ~200°C. 전형적 로 용량 1000~2000톤/일.
샤프트로는 주행 그레이나 그레이트-킬른보다 에너지 효율 높음. 자철석 펠렛화에 적합하나 적철석/갈철석 원료에는 부적합. 단위 생산성 낮고 연소대 균일 온도 유지 어려움. 핫스팟 발생 시 펠릿이 융착되어 대형 덩어리 형성, 배출 문제 야기. 샤프트로에서 플럭스 펠릿 생산도 매우 어려움. 수직 샤프트로 및 그레이트-킬른 시스템 대표 개략도 그림 1.
그림 1 수직 샤프트로 및 그레이트-킬른 시스템 대표 개략도
직선 그레이트 시스템 - 샤프트로 직후 업계 등장. 본질적으로 소결 공정 변형. 그린 볼을 그레이트에 연속 공급해 300~400mm 층 깊이 형성. 최초 몇 개 풍상자에서 회수된 상향류 공기로 건조, 이후 냉각기 회수 공기로 하향류 건조. 이 열풍 흐름 배열로 베드 내 수분 응결로 인한 펠릿 손상 방지. 건조 후 냉각존 공기 하향류로 예열. 연소존에서 냉각존 열풍으로 연료유/천연가스 연소 하향류 발사. 냉각존은 연소존 다음에 오며 상향류 신선 공기 사용.
펠릿 생산용 주행 그레이트 시스템은 펠릿 정적 층을 이동시키는 단일 유닛. 건조, 예열, 소성, 냉각에 단순 구조. 조작 용이성, 스케일업 용이성으로 많은 플랜트에서 채택.
자철석 펠릿 생산 시 연료 소비량 톤당 85~140Mcal, 적철석 펠릿화 시 최대 240Mcal/톤. 연소대 온도 제어 양호. 소성 펠릿 일부를 재순환해 그레이트 하스층과 측면층 형성으로 베드 전체 펠릿 균일성 달성 가능. 대형 그레이트 기계 폭 4m, 연간 300만 톤 이상 생산 가능. 원형 그레이트 기계도 설계·운영 중. 직선 그레이트 시스템 대표 개략도 그림 2.
그림 2 직선 그레이트 시스템 대표 개략도
그레이트-킬른 시스템 - 그림 1에 표시. 건조·예열용 주행 그레이트(펠릿 ~1040°C까지), 균일 가열로 최종 소성 온도 1315°C까지 올리는 회전 킬른, 제품 냉각·열회수용 환상 쿨러로 구성. 킬른 배출단 중앙 버너(오일, 가스, 석탄, 폐목재)로 소성 열 공급. 킬른 생성 고온 가스로 펠릿 하향류 예열. 쿨러 열풍으로 킬른 연소 지원 및 주행 그레이트 건조·예열용 회수.
그레이트-킬른 시스템은 전 공정 단계에서 우수한 온도 제어, 일관된 균일 품질 펠릿 생산. 자철석 사용 표준 펠릿 생산 시 연료 소비 75~100Mcal/톤, 적철석 원료 시 최대 170Mcal/톤. 플럭스 펠릿 생산 시 톤당 60Mcal 추가. 볼링부터 펠릿 출하까지 전력 소비 약 23kWh/톤.
그레이트-킬른 시스템은 제어 용이, 제품 펠릿 균일 품질, 상당한 스케일업 가능. 라인당 연간 600만 톤까지 설계 가능. 많은 플랜트에서 채택.
펠렛화 공정은 지속적으로 개선 중. 자가 플럭싱 펠릿 생산은 상업적 규모로 수용된 혁신 사례로 고로 성능 대폭 향상 이끌어냄. 펠릿 및 펠렛화 공정 관련 다른 기사:
제조공정
미니 고로와 제철 미니 고로(MBF)는 일반적으로 전통적인 대형 고로(BF)의 축소판으로 여겨집니다. 이 로들은 소규모 조업에 이상적으로 적합합니다. 사실 이들은 현대 대형 고로의 선구자로서 더 오랜 기간 운전되어 왔습니다. MBF는 여러 국가에 위치하나 대다수는 중국, 인도, 브라질, 인도네시아에 있습니다. 플랜트 가용성과 이 기술에서 달성된 완성도로 MBF는 인정받은 제철 루트가 되었습니다. 오늘날 현대 대형 로의 표준이 된 설계, 부담, 운전 기술 대부분이 MBF에도 채택되었습니다. MBF는 도가니형 노바닥을 가진 수직 샤프트
알루미늄 가공이란? 가공은 공작물에서 재료를 제거해 원하는 형상을 만드는 감산 제조 공정입니다. 금속과 비금속 모두 폭넓게 적용 가능하며, 그중 알루미늄은 가장 흔히 쓰이는 소재입니다. 알루미늄은 가볍고 경도가 낮으며 성형성이 좋아 가공에 매우 적합합니다. 이 글에서는 알루미늄 가공의 장점, 주요 공정별 특징, 대표적인 가공 부품을 다룹니다. 알루미늄 가공 공정 개요 가공은 밀링, 터닝, 드릴링 등 다양한 감산 공정을 아우르는 용어입니다. CNC 가공, 스위스 스크류 가공, 수직/수평 밀링, 방전 가공(EDM) 등 다양한 기술이
