소결은 미세 광물 입자를 자괴(incipient fusion)로 다공성 괴상 덩어리로 응집하는 공정입니다. 자괴는 혼합물 자체 내 고체 연료 연소열로 발생합니다. 소결 공정은 철 생산 전처리 단계로, 미세 철광석 입자와 2차 철 산화물 폐기물(포집 분진, 밀스케일 등), 플럭스(석회, 석회석, 돌로마이트)를 연소 응집시킵니다. 미세 입자 응집은 고로 조업 시 열가스 통과를 가능하게 하기 위해 필요합니다.
소결은 '연료와 광석을 통제 조건 하에서 연소시키는 기술'로 불립니다. 미세 철광석을 플럭스와 코크스 미분/석탄과 가열하여 반용융 덩어리를 만들고, 이것이 고로 장입에 필요한 크기·강도 특성을 가진 다공성 소결 조각으로 고화됩니다.
원리는 단순하지만, 최적 성능을 위해 소결 플랜트 설계·운영에서 여러 중요 요소를 준수해야 합니다. 단순화된 소결 공정 개략 흐름도는 그림 1.
그림 1 소결 공정 단순 흐름도
기본적으로 세 가지 소결 유형:
플럭스 소결은 덩어리 광석과 산성 소결에 비해 고로에서 우수한 고온 특성 나타냄. 개선점: 더 높은 연화·용융 온도, 더 높은 환원성.
소결 공정 유연성으로 다양한 물질을 클링커 유사 응집체로 전환하여 고로에 적합하게 만듭니다. 천연 미세 철광석, 선별 작업 미분, 포집 분진, 광석 정광, 하공정 부적합 반환 미분, 기타 미세 철 함유 물질(슬러지, 밀스케일 등), 석회/석회석/돌로마이트 폐기물·미분 등.
소결 플랜트는 고로 생산성 획기적 증대와 코크스 비 절감에 엄청난 성공. 플럭스 소결은 크기 선별 철광석에 비해 개선된 고로 원료. 고로 부담에 플럭스를 별도 장입하는 대신 소결에 혼입하여 개선 달성. 경험칙: 고로 부담에서 순철 톤당 석회석 100kg 제거하여 소결 플랜트에서 플럭스 소결 생산 시, 제철용 코크스 약 20~35kg/톤 절감, 고로 생산성 3~5% 향상. 코크스 절감 주원인은 석회석 소성이 고로가 아닌 소결 그레이트에서 이루어지기 때문.
소결의 두 중요 특성: 염기도(석회/석회량 제어), 강도(코크스 함량 제어).
고로는 높은 냉간 강도, 낮은 환원 열화 지수(RDI), 높은 환원성 지수(RI), 매우 좁은 화학 조성 변동 폭, 최소 미분 함량, 양호한 평균 크기 소결 요구. 화학적·구조적 조성이 소결에서 매우 중요. 1차·최종 슬래그가 연화·용융 온도, 액상 온도, 점도 측면에서 적절한 특성 갖춰 고로 안정 조업 가능하도록 소결이 안정적이어야 함.
높은 철 함량, 낮은 맥석 함량, 염기도 1.6~2.1 중요. 소결 환원성과 전반적 품질은 자철석보다 적철석 비율 높을수록 향상. 구조는 2차/침전 적철석보다 1차/잔류 적철석과 페라이트 비율 높을수록 개선.
FeO 함량은 소결 플랜트 중요 제어 파라미터. 광석 배합 화학 조성 고정 시 FeO는 소결 조건, 특히 코크스 비 지시. 소결 내 FeO 2% 증가는 RDI 8포인트 저하(개선) 효과. 그러나 FeO 과다 시 환원성 악영향. RDI 개선하면서 타 소결 특성 변화시키지 않는 최적 FeO 함량 찾아야 함.
알루미나 함량이 가장 해로움. 소결 RDI 악화, 알루미나 증가 시 RDI 상승. 알루미나 증가 시 소결 강도·품질 저하. 알루미나는 칼슘 알루미노 페라이트(SFCA) 생성 촉진. 소결 과정 중 1차 용융물 점도 증가시켜 더 약한 소결 구조, 더 많은 상호연결 불규칙 기공 유발.
소결 환원성은 화학·광물 조성, 기공 구조에 의해 결정.
MgO는 고로 슬래그 조건을 유동성·탈황 측면에서 최적화. 원료 배합에 MgO 첨가 시 RDI 개선.
염기도 1.6~1.9에서 CaO를 돌로마이트 형태 MgO로 대체 시 소결 강도, 환원성, 생산성 약간 저하. CaO는 철 산화물과 결합해 저융점 화합물 형성, 1차 용융물 생성 촉진. 강한 소결 제조에 필요한 최소 1차 용융물 형성에 기여. 화합물: Fe₂O₃·CaO(1205°C), FeO·CaO(1120°C).
실리카(SiO₂)는 FeO, CaO와 결합해 저융점 화합물 형성, 1차 용융물 생성 촉진. 화합물: FeO·SiO₂(1180°C), 2FeO·SiO₂(1205°C), FeO·SiO₂·CaO(1223°C). 부착 미분 실리카 함량과 염기도 증가 시 1차 용융물 형성 온도 하락, 미분과 핵 입자 간 액상-고체 계면 후속 동화 반응에 유리.
소결기 그레이트에서 팁핑 후 소결 케이크 파쇄·열선별. 입도 분포는 소결 품질 중요 공정 파라미터. 10~30mm 분율 고로 저장 빈 직송, 과대 분율 파쇄해 소형 분획 얻음, -5mm 분율(반환 미분) 소결 플랜트 호퍼로 재순환. 공정 원활 운영 위해 반환 미분 생성과 재순환 균형 유지 중요.
환원성은 소결 중요 특성으로, 고로 내 환원 시 산소 전달 능력 측정, 연료 소모량 가늠. 소결 기공율·구조·광물상이 환원성과 밀접. 불균질 구조가 균질 구조보다 환원성 높음.
소결 열화는 저온 열화 지수(LTDI)와 RDI로 결정. 열화는 적철석→자철석 환원 시 부피 증가 수반 변형에서 기인, 소결 내 구조 응력 유발. 고로 내 저온대 환원 중 소결 열화 발생, 부담 강도 저하, 환원 가스 투과도 감소, 코크스 소비 증가. 저온 환원 시 소결 열화 낮을수록 바람직.
RDI는 모든 소결 작업 기준 참고 파라미터로 고로 하부 스택 내 소결 열화 거동 예측. RDI와 소결 플랜트 실외 주변 온도 간 강한 관계. RDI는 소결 내 Ti 함량과도 강하게 의존(아주 적은 양이라도). 알루미나와 관계없으나 소결 배합 코크스 비가 RDI 관련 가장 중요 제어 변수.
소결 냉간 강도는 텀블러 지수로 결정. 개별 광석 성분 강도, 결합 매트릭스 성분 강도, 광석 조성 의존. 이 지수는 취급, 수송, 고로 공정 중 충격·마모로 인한 소결 크기 감소 결정. 냉간 기계적 강도는 소결기와 고로 노구 사이 수송·취급 중 미분 생성 경향과 직접 관련.
소결 기공율은 소결 특성, 특히 환원 거동에 큰 영향. 환원 가스가 기공에 충분히 접근하여 소결 만족스럽게 환원하려면 기공 직경 0.01μm 초과 필요. 미세 기공이 1~5μm 크기 기공으로 합쳐지면 소결 비표면적 감소, 환원도 저하. 미세 기공 합체 방지, 소형 기공 수 증가로 소결 비표면적 증대, 환원성 대폭 개선 가능. 페라이트가 미세 기공 안정화, 기공율 상승시켜 높은 환원성 달성.
소결 배합을 구성하는 광물학적 성분 다양성, 배합 이질성 고려 시 소결 구조가 복잡함 이해 가능. 주로 철 산화물 입자와 칼슘 페라이트 입자가 맥석 매트릭스에 결합된 구조. 페라이트 양은 소결 염기도 증가 따라 증가. 페라이트는 쉽게 환원되며, 일정 수준까지 소결 기계적 인성 높여 매우 유용한 성분 간주. 페라이트는 SFCA 타입으로 적철석과 Fe₂O₃·CaO 용융물 간 고체-액체 반응, 이후 용융물 내 SiO₂, Al₂O₃ 동화로 형성. 맥석은 환원 어려운 칼슘·철·마그네슘 실리케이트로 구성, 고로 슬래그 일부 형성.
전형적 소결 플랜트는 소결기를 중심으로 여러 순차 운영 유닛 구성.
목표 품질 소결 생산 위해 원료(광석, 코크스, 첨가제 등) 정확한 장입 필요. 원료 배합 레시피 수정 위해 코크스 첨가, 소결 염기도, 원료 분석과 소결 파라미터 영향 고려. 절차 복잡. 원료 배합 계산 목적: 코크스 첨가, 소결 염기도, 총 Fe, SiO₂ 밸런스, 알루미나 밸런스, MgO 밸런스 목표값 자동 달성하는 원료 배합 조성 확립.
소결 공정은 원료 배합 준비로 시작. 광석 미분, 플럭스, 공장 내부 폐기물, 연료, 반환 미분 저장 빈에 저장. 저장 빈별 계량 호퍼/디스크 피더로 정확한 비율 혼합. 반환 미분은 때로 임팩트 미터 사용. 계량 연속, 소결 공정 전체 연속. 계량 물질 컨베이어 따라 1차 혼합 드럼으로 이송, 물 수동 또는 투입 중량 계산 비율로 첨가.
코크스 브리즈는 적정 입도(0.25mm~ -3mm) 얻기 위해 파쇄(보통 4롤 크러셔) 필요. 소결 생산성·환원성 향상. 0.25mm 미만 코크스 크기 생산성 악영향, -3.15mm~+1.00mm 크기 분율이 더 좋은 수율.
플럭스(석회석, 돌로마이트) 해머 크러셔로 파쇄해 -3mm 분율 90% 이상 확보.
원료 친밀 혼합이 가장 중요. 소결 광석, 제철소 산화물 폐기물, 플럭스, 고체 연료 예비 혼합(베이스 믹스)을 회전 1차 혼합 드럼에서 만들어 개방 베이스 믹스 블렌딩 야드로 이송. 블렌딩된 베이스 믹스에 소량 플럭스와 고체 연료 트림 첨가. 이 전체 배합 혼합물이 볼링 드럼/디스크 등 혼합 장치에서 물 첨가 대상. 이 혼합기들은 소결 베드 투과도 크게 개선하는 소형 노듈/펠릿 생성하도록 운전. 볼링 드럼은 2차 혼합 및 노듈라이징 드럼이라고도 함.
1차 물 첨가량은 볼링 드럼 투입 베이스 믹스 중량에 비례. 볼링 믹서 물 첨가 요즘 자동 제어. 2차 물 공급 설정점은 베이스 믹스 벨트 위어 비율로 정함.
연속 소결 공정은 소결기 주행 그레이트에서 준비된 혼합물(소결 배합) 베드 이송하며 수행. 소결 배합은 투과도 유지하며 소결기로 신중 이송. 볼링 믹서에서 소결기 그레이트로 소결 배합 이송 시 균일·동질 베드 제공, 베드 압축 방지 위해 신중 공급 필수. 그레이트 위로 직접 낙하 방지 위해 약 25~50mm 조대(이미 소결된) 하스층 우선 주행 그레이트에 공급. 공급 장치: 록 피더 + 슈트 조합으로 소결 배합 압축 방지. 공급 호퍼·피더 설계로 준비된 소결 배합 취급·적재 중 압축·분리 방지 중요. 베드 압축/분리 발생 시 좋은 원료 준비 이점 모두 상실. 이후 소결 배합 레벨링.
베드 깊이는 컷오프 플레이트(깊이 감지 프로브 장착, 록 피더 속도 자동 조절)로 설정·유지. 공급 호퍼 내 물질량도 개별 소결 배합 빈 공급 속도 자동 조절로 일정 유지.
소결 배합이 주행 그레이트 장입 후, 그레이트 세로 방향 2~4m 구간에 삽입된 금속 막대/로드가 혼합물 느슨하게 해 투과도 향상.
이후 소결 배합 표면 주행 그레이트 헤드/공급단 근처에서 점화. 혼합 가스(코크스 오븐 가스+고로 가스), 또는 코크스 오븐 가스만, 또는 고로 가스만 사용. 고로 가스만 쓸 경우 보통 예열. 적절한 소결 배합 점화 중요. 불량 점화 → 얼룩덜룩 연소, 베드 표면 미소결 물질 잔류. 과도한 점화 화염 → 베드 표면 슬래깅, 소결 속도 저하. 복사 후드 점화로 좋은 점화 제공. 가스 혼합물 발열량과 설정 후드 온도 제어. 점화 후드 바로 아래 풍상자 댐퍼 조정으로 고정 후드 압력 유지 별도 제어 시스템.
소결 배합이 주행 그레이트 따라 이동하면서 드래프트 팬이 점화된 소결 배합층 아래로 공기 흡입, 하향류 연소로 연료 연소. 그레이트 연속 이동하며 풍상자 지나 방출단 향해 갈수록 연소 전선 베드 내 점진적 하강. 미세 광석 입자 다공성 클링커로 소결할 충분한 열·온도(약 1300~1480°C) 생성. 가스 회로 완전 기밀, 거짓 공기 흡입 방지. 폐가스 회로 동력 절감.
소결 공정 중요 부분: 번스루(burn-through). 주행 그레이트 상에서 연소 전선 베드 바닥 닿는 위치를 번스루 포인트라 함. 번스루 포인트 이상적 위치는 스트랜드 베드 끝 부근. 스트랜드 속도 조절로 제어. 스트랜드 베드 깊이, 수분 함량, 소결 품질 등 여러 변수 영향. 번스루 보통 베드 하부 온도 프로브로 감지. 번스루 달성 필요하나 점화 후드 직후 너무 일찍 발생해선 안됨. 스트랜드 드래프트는 풍 메인 압력 측정으로 메인 팬 루버 제어하여 설정값 유지. 번스루 발생 지점 제어.
스트랜드 속도 수동 제어 또는 폐가스 온도 측정으로 번스루 포인트 지시 제어. 번스루 너무 이르면 평균 폐가스 온도 상승. 너무 늦으면 폐가스 온도 하락, 스트랜드 속도 늦춰 보상. 풍상자 온도로 모니터링 개선 가능.
메인 팬 흡입량 팬 입구 루버로 조절, 팬 흡입 컨트롤러 제어. 폐가스 온도 안전 작업 한계 초과 시 셀렉터 스위치로 폐가스 과온도 컨트롤러가 루버 조작.
광석 소재 특성, 소결 조건에 따라 일일 평균 생산률 22.5~44톤/m²/일(그레이트 면적 기준) 기대.
주행 그레이트 끝에서 소결 스파이크 롤 크러셔, 열선별 거쳐 소결 쿨러로. 여러 팬으로 냉각, 쿨러 속도 주행 그레이트 수요 맞춤(주행 그레이트 속도·베드 깊이 결정). 열선별 제거 미분 반환 미분 빈으로 이송.
소결 150°C 이하 냉각하여 컨베이어 벨트 취급 가능하게 하는 것 중요 운영 파트. 소결 쿨러: 회전식 또는 직선식. 회전식 더 흔함. 물 담금질 피하는 것 바람직(담금질 소결 특성 악영향). 쿨러 배기열 일부 소결 플랜트에서 열회수 활용.
냉각 후 소결 배출 벙커로. 이 단계에서 아웃렛 공급 속도 조절(보통 진동 피더)로 레벨 제어. 소결 냉간 선별 구역으로 이송, 크러셔·스크린 거쳐 제품 소결, 베딩, 반환 미분 분리. 하공정 부적합 반환 미분 빈으로 이송해 소결 공정 재순환.
크기 선별 소결 사용이 고로 생산률 향상에 바람직. 소결 플랜트에서 30mm 크기로 파쇄하면 소형 분획이 열화에 더 강해 더 안정적 소결 얻음.
감독 스테이션이 소결 공정 전 단계 제어. 제어실에서 운영자 PC 터미널로 전체 플랜트 완전 제어.
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