철광석 응집 기술: 역사적 개요와 발전 과정

철광석 응집 공정과 역사적 발전

철광석 응집 공정은 크게 네 가지 유형으로 발전해 왔습니다(그림 1 참조). 이들은 (1) 브리케팅(Briquetting), (2) 노듈라이징(Nodulizing), (3) 소결(Sintering), (4) 펠렛화(Pelletizing)입니다.

브리케팅과 노듈라이징: 초기 응집 기술

브리케팅은 가장 단순하고 초기에 적용된 공정입니다. 미분광에 물이나 바인더를 첨가해 고압으로 압축, 베개 형태의 브리켓을 만듭니다. 노듈라이징은 미분광 또는 정광에 탄소질 재료를 혼합해 경사 회전로에서 가스나 오일로 가열하는 방식입니다. 로 내 온도는 광석을 연화시키기에 충분하지만 용융할 정도는 아닙니다. 그러나 노듈의 조성이 불균일하고 지나치게 치밀하며 슬래그 성분이 많아 다공성이 부족해 산업적으로 크게 확산되지 못했습니다. 브리케팅과 노듈라이징은 냉간 결합 공정으로, 제철소 내 회수된 철광석 폐기물 재활용에 주로 활용됩니다. 반면 소결과 펠렛화는 철 생산의 핵심 공정으로 자리 잡았습니다.

세계 철 생산과 응집 광석의 역할

세계철강협회에 따르면 2014년 고로철과 직접환원철(DRI) 생산량은 각각 11억 8,300만 톤과 7,300만 톤이었습니다. 이 생산량의 대부분은 소결광과 펠렛 형태의 철광석에서 나왔습니다. 고로 원료로는 소결광과/또는 펠렛이 선호되며, 직접환원철에는 펠렛만 사용됩니다. 정확한 소결·펠렛 생산 통계는 없지만, 두 공정의 합계 연간 생산량은 12억 5,600만 톤의 철 생산을 뒷받침하기 위해 13억 톤을 훌쩍 넘을 것으로 추정됩니다.

응집 기술 개발의 역사적 배경

역사적으로 세계 고로의 원료는 천연 덩어리광이었습니다. 채광 과정에서 다량의 미분광이 발생했으나 고로에 사용할 수 없어 폐기되었습니다. 고품위 덩어리광 매장량 고갈로 발생한 미분광을 고로에서 사용하기 위해 소결 기술이 개발되었습니다. 또한 저위광 개발로 미세 분쇄·선별이 필요해졌고, 이로 인해 고품위 정광 미분말을 고로용으로 응집하는 펠렛화 공정이 탄생했습니다. 이들 응집광은 고로 성능을 비약적으로 향상시켰고, 고로 장입 패러다임의 대전환을 이끌었습니다.

철광석 소결의 역사

19세기 중반, 영국 구리 광산에서 소형 소결 포트가 사용되었습니다. 소결 공정의 기원은 1887년 영국 F. 하버라인과 T. 헌팅턴이 황화광 소결 응집 공정을 발명하면서 거슬러 올라갑니다(1905년 4월 11일 특허 등록, 특허 번호 786814). 이 '상향 통풍(up-draft) 소결법'은 소결층 하부에서 공기를 불어올리는 방식이었습니다. 포트 소결법은 그림 2와 같습니다.

이후 주요 발전 사항은 다음과 같습니다.

• 1902년: W. 욥(Job), 황철광 찌꺼기와 분광에 석탄을 혼합해 하부 상향 통풍 소결법 개발(독일 특허 137438)
• 1905년: E.J. 사벨스베르그(Savelsberg), 석탄과 코크스 브리즈를 포함한 소결 혼합물 공정 개발(독일 특허 210742)
• 1906년: A.S. 드와이트(Dwight)와 R.L. 로이드(Lloyd), 벨트형 진공 소결기 발명(미국)
• 1909년: 폰 슐리펜바흐(Von Schlippenbach), 회전형 소결기 발명(독일 특허 226033)
• 1913년: W. 바르트(Barth), 하부 상향 통풍 작동 소결 벨트 설계(독일 특허 276424)
• 1914년: J.E. 그리나월트(Greenawalt), 직사각형 틸팅 팬 진공 소결법 특허(미국 특허 1103196)
• 1930년: V.A. 사하르노프(Sakharnov), 원형 소결기 발명

드와이트-로이드 공정의 혁신

1908년 3월 17일 드와이트-로이드 특허(미국 특허 882,517) 이전까지 헌팅턴-하버라인 포트 소결법이 최선이었습니다. 그러나 이 방식은 제품 조성이 불균일하고 취급 비용이 높았습니다. 대형 포트에서 석회 혼합 광석을 상향 강제 통풍으로 소결했는데, 하부는 중압으로 치밀한 슬래그가 되고 상부는 상승 기류로 미분광이 미소결 상태로 남았습니다. 미소결물은 재처리, 과소결물은 파쇄 비용이 들고 고로용으로 부적합했습니다.

드와이트-로이드 공정은 박층 처리로 층 내 압력 차를 없애고, 하향 통풍(down-draft)으로 입자 교반을 억제해 정숙 상태에서 연소시켰습니다. 그 결과 다공성, 파쇄성, 화학 구조 면에서 고로용으로 이상적인 소결광을 생산할 수 있었습니다. 1906년 멕시코 카나네아 구리 광산에서 첫 상업 운전기 설치, 1908년 미국 오하이오 콜로라도 제련소에 연속식 기계 설치로 이어졌습니다.

그리나월트 공정과 병행 발전

J.E. 그리나월트는 1909년경 덴버 현대제련소에 간헐식 하향 통풍 소결 장치를 설치했습니다. 그리나월트 공정은 드와이트-로이드보다 수개월 앞서 발견되었으나, 공기 누설이 적고 바닥을 그레이트/천공 강판으로 만든 점, 공급·점화로가 이동식인 점 등이 특징이었습니다. 1910년 이후 황화광, 1912년 이후 철광석 처리에 널리 쓰였습니다.

드와이트-로이드 하향 통풍 공정이 대중화되어 오늘날 대부분의 소결광은 이 방식으로 생산됩니다. 두 발명가는 1907년 뉴욕에 '드와이트 앤드 로이드 야금 회사'를 설립하고 전 세계에 플랜트를 건설·라이선스했습니다(루르기(Lurgi) 등). 1910년 미국 최초 드와이트-로이드 철광석 소결기 가동, 1917년 독일 최초 플랜트 건설. 이후 기계 설계와 공정 개선이 지속되었으나 기본 원리는 그대로 유지되고 있습니다.

펠렛화의 역사

펠렛화는 소결과 달리 미소성 그린 펠렛을 성형한 후 가열 경화하는 방식입니다. 소결 공정 개발 과정에서 미분광 활용도를 더 높이려는 시도가 펠렛화 공정으로 이어졌습니다. 스웨덴과 독일에서 다량 미분광을 소결 배합에 투입할 때 생산성 한계가 드러나 1단계 개발이 촉발되었습니다. 첫 펠렛화 특허는 1912년 스웨덴 AG 안데르손(Andersson, 특허 35124), 1913년 독일 C.A. 브라켈스베르크(Brackelsberg)에게 부여되었습니다. 1926년 크루프 라인하우젠 제철소에 일일 120톤 파일럿 플랜트 건설되었으나 1937년 대형 소설 플랜트 부지 확보로 해체되었습니다.

2단계: 미국에서의 본격 개발

펠렛화 기술의 진정한 요람은 미국 미네소타대 광산실험소였습니다. 1940년대 E.W. 데이비스(Davis) 박사팀이 미네소타 저위광(타코나이트, Fe 25~30%) 활용 연구를 수행했습니다. 이 광석은 자철석이 미세하게 분산되어 325메시 80% 수준으로 분쇄해야 하며, 정광 품위 Fe 65%, SiO₂ 8% 수준입니다.

1945년까지 유망한 선별 기술과 미세 정광 활용법(회전 드럼 볼링 + 샤프트 킬른 열처리)이 개발되었습니다. 지름 15~25mm 경질 펠렛이 고로 원료로 적합함이 소형 실험로에서 확인되었고, 이는 세계 철강업계의 주목을 끌어 스웨덴에서 특히 활발한 연구를 촉발했습니다. 미국에서는 미네소타·미시간의 고갈되는 풍부 광산 자원을 연장하는 수단으로 인식되어 신규 회사 설립과 연구 강화로 이어졌습니다. 1949년경 미국과 스웨덴 모두 회전 드럼 볼링이 최적임을 인정했으나, 열처리 방식(샤프트 킬른 vs 이동 그레이트)을 두고는 의견이 갈렸습니다.

열처리 장비의 진화: 샤프트 킬른에서 그레이트-킬른으로

초기에는 수직 샤프트 킬른이 파일럿 연구에 독점적으로 사용되었습니다. 습식 펠렛을 상부에서 투입, 상승하는 열가스로 건조·경화 후 하부에서 배출하는 방식입니다. 데이비스팀은 1943년 샤프트로에서 실험 펠렛 소성에 성공했습니다. 2차대전 후 1947년 스웨덴에 유사 실험설비 건설, 1950년대 들어 펠렛화가 미세 정광 응집의 경제적 대안임이 입증되었습니다. 최초 상업 펠렛 플랜트는 스웨덴에서 샤프트로(일일 10~60톤)로 가동되었습니다.

그러나 샤프트 킬른은 (1) 가스 분포 균일성 확보 곤란, (2) 원료 하강 및 펠렛 균일 처리·배출 곤란, (3) 단위 설비 생산량 한계, (4) 스케일업 불확실성 등 난제가 있었습니다. 미국 리저브 마이닝(Reserve Mining)은 시멘트 산업의 '레폴 킬른(Lepol kiln)' 공정에서 해법을 찾았습니다. 볼링 유닛 → 이동 그레이트(건조·예열) → 회전 킬른(소성 완료) → 킬른 배가스를 그레이트로 순환해 건조·예열 활용.

알리스-찰머스(Allis-Chalmers) Lellep 박사가 볼링 드럼+그레이트를 자철석 정광 소성 펠렛 생산에 적용할 것을 제안했고, 1954년 리저브 마이닝이 아서 G. 맥키(Arthur G. McKee)사 설계로 일일 1,000톤 실험기 가동. 상향 열풍 건조 → 특수 노에서 하향 열풍 경화 → 스트랜드 상 냉각·열회수 구조. 몇 달 시험 후 1954년 4월 실버베이(수페리어호 서안) 6대 대형기 발주.

한편 에리 마이닝(Erie Mining)은 수직 킬른 방식을 고수해 1957년 호이트 레이크스에 24기 샤프트로 플랜트 가동(당시 최대 규모). 1950년대에는 자철석 정광 대상으로 샤프트 킬른과 이동 그레이트 양대 방식이 병행 개발·적용되었습니다. 자철석은 입자가 구형에 가깝고 표면적이 넓으며 산화 발열로 강도 확보에 유리하나, 헤마타이트 정광(미시간 야스필라이트 등)은 산화 발열이 없어 레폴 공정(그레이트-킬른)이 더 적합함이 밝혀졌습니다. 클리블랜드-클리프스(Cleveland-Cliffs)사가 1956년 이글 밀스 그레이트기 가동 후 그레이트-킬른 대형 플랜트 2기 성공적으로 건설(알리스-찰머스 개발, 맥키사 시공).

현대 펠렛화 플랜트 동향

펠렛화는 스웨덴 기원(1912년 안데르손 특허)으로 1940년대 미국에서 개발되어 1952년 미네소타 바빗(Babbitt) 최초 상업 플랜트 가동. 1960년 미시간 험볼트 광산에 최초 그레이트-킬른형 플랜트 건설. 알리스-찰머스(현 메트소 전신)는 이후 약 50기 건설했으나 1975년 이전 구형 플랜트 다수 폐쇄. 고베제강(Kobe Steel)은 1966년 고베 공장 최초 건설 후 10기 이상 건설, 대부분 가동 중.

2000년 이후 중국에서 수도강철(Shougang) 그룹 개발 그레이트-킬른 공정이 급속 확산. 장쑤 홍다(Jiangsu Hongda), 시틱(Citic) 등 신규 제작사 등장으로 지난 10년간 중국 내 신설 그레이트-킬른 플랜트 급증. 2000년 이후 설치 용량 기하급수적 증가의 주역은 중국입니다.