석탄 기반 직접환원 회전로 공정은 철광석을 용융 없이 직접 금속 철로 전환하기 위해 개발되었습니다. 저자본비, 코킹 석탄 불필요가 장점. 철광석 산화철을 철 용융점(1535°C) 이하에서 비코크스 석탄 내 탄소질 물질로 환원하여 금속 철 생산. 철광석이 환원제와 직접 접촉하여 환원 진행 → 직접환원철(DRI). 고금속화도 환원 생성물은 '허니콤 구조' 형성 → 스펀지 아이언(Spong Iron) 호칭.
석탄基 DRI 플랜트는 비코크스 석탄 광범위 분포·수송 용이성으로 입지 유연성 높음. 대부분 회전로 환원 공정 채택. 다양한 원료·비코크스 석탄 사용. 원료 품질이 공정·제품 직접 영향. 일부 플랜트는 철광석 직접 미사용, 펠릿 사용. 철광석, 돌로마이트, 비코크스 석탄 혼합물을 회전로 일단 투입, 석탄 버너 가열로 DRI 생산. 생성물 DRI와 차(차콜, 돌로차)는 타단 배출. 1차·2차 공기 공급으로 연소 개시·반응 유지.
적정 품질 철광석이 석탄基 직접환원 공정 기본 입력. 대부분 덩어리 철광석 사용. 주요 품질 요건:
물리적(강도, 입도), 야금적(고환원성, 열적 안정성, 가열·환원 중 스티킹·분해 저경향), 화학적(산소 제거 외 화학 변화 없음 → 강광물질 SiO₂, Al₂O₃, S, P가 후속 제강 경제성 악화 → 고Fe, 저강광) 요구사항 충족 필요.
회전로에서 열공급·환원제 이중 역할. 주요 품질 요건:
실용적 코킹 인덱스 한계 3 이하. 회분 20% 최대 실용 한계. 황 0.01% 최대. 비투민·아역청탄 보통 양호 반응성. 회분 융점 1400°C 이상 바람직. 휘발분 25~30% 범위 적정. 팽창 지수 1 미만 필요.
회전로 내부에서 화학 반응 발생. 회전로 단면도 그림 1 참조.
석탄基 직접환원은 고체 환원제(비코크스 석탄) 기반. 반응 온도 1000~1100°C. 석탄 이중 역할: 일부 연료로 열공급, 주역할은 환원용 탄소 공급. 돌로마이트는 황 고정제→차와 배출. 차(Char)에는 석탄 회분·철광석 불순물 포함. 로 내 반응은 철광석→DRI 환원 과정에서 여러 단계 진행.
Fe₂O₃ + 3CO = 2Fe + 3CO₂
환원 가스 CO는 석탄 제어 연소로 생성(부두아르 반응):
생성 CO가 위 반응으로 철광석 산화철 환원. 단, 산화물→금속 1단계 아닌 점진적 산소 제거로 중간 산화물 생성. 환원 계열: Fe₂O₃ → Fe₃O₄ → FeO → Fe.
철광석·석탄층 내 반응은 이종 반응. 두 반응 세트:
철광석 산소 CO₂로 제거 → CO₂ 기체 방출로 DRI 다공성 생성. 광석 입자-기체 환원제 반응 5단계 연속 진행 시각화:
단계 순차 진행 → 최저 속도 단계가 전체 반응 속도 제어. 확산율·반응율 주로 3파라미터 함수: (1) 반응물 농도, (2) 활성 계면 온도, (3) 활성 반응 면적.
직접환원은 회전로에서 수행, 운전 온도 1000~1100°C 유지. 로 생성물(DRI+차 혼합물) 회전 쿨러에서 외부 수냉 냉각. 스크리닝·자기 분리. DRI 자성→자석 흡착 분리, 비자성 차 분리.
파쇄·선별된 철광석·석탄 정량 비율로 공급관 통해 회전로 투입. 로 약 2.5° 경사, AC 가변 속도 모터로 0.2~1.0 rpm 회전. 경사·회전으로 원료 투입단→배출단 이동 7~8시간 소요.
석탄 미분 배출단에서 취입으로 온도·층 내 탄소 농도 유지. 로 상부 다수 쉘 에어 팬으로 존별 공기 취입→온도 프로파일 유지. 물질·고온 가스 대향류 흐름 → 철광석 예열·점진적 환원 후 배출단 도달.
회전로 크게 예열 존(전체 길이 40~50%)과 환원 존(그림 2) 두 존.
고온 환원 물질 전이 슈트→회전 쿨러 냉각. 쿨러 2.5° 경사, 0.3~1.2 rpm AC 가변 모터 구동. 쉘 상부 물 분사 간접 냉각. 냉각수 트로프 수집→냉각탑 재순환(보충수 포함). 밀폐 슈트 그리지(50mm 초과 애크리션 제거)→더블 플랩 밸브로 컨베이어 배출(대기 유입 차단). 제품 분리 구역 컨베이어 이송.
쿨러 배출 물질 약 100°C 냉각 → 벨트 컨베이어 통해 제품 분리 구역. 진동 스크린·자기 분리기 구성. 쿨러 배출물: DRI, 차, 석탄 회분. 2데크 스크린(3mm, 20mm) 1차 선별 → 자기 분리기 자성/비자성 분리. +20mm DRI 1차 제거. 언더사이즈(DRI+차+회분) ±3mm 분급 → 각 분급 자기 분리기 통과. +3mm 비자성분 주로 차(원하면 로 재순환 또는 발전소 연료). -3mm 비자성분 주로 소성 돌로마이트, 회분, 미세 차 폐기. 각 분급 자성분이 DRI. +3mm 제강 직접 사용, 미세분 브리케팅·포장.
로 내 대향류 가스 더스트 세틀링 챔버(DSC) → 중량 입자 침강·습식 스크래퍼 연속 제거. 애프터 버너 챔버(ABC) 잔류 탄소/CO 과잉 공기 연소. ABC 배출 고온 가스 열에너지 폐열 회수 보일러(WHRB) 증기 발생→발전 활용. WHRB 배출 약 200°C 가스 백필터/스크러버/전기집진기(ESP) 미세 분진 제거 → 약 80°C 청정 가스 굴뚝 배출.
로 링(ring) 형성 방지 위해 운전 온도 1100°C 이내 유지 필수.
회전로 공정 환원 시간 7~8시간 소요 → 생산성 제한적. 킬른 크기 따라 연산 3만~15만 톤 범위. 중요 단계·공정 컨셉 그림 2 참조.
석탄基 회전로 환원 공정 약 6 Gcal 연료 에너지 소요. 2 Gcal 이상 배가스로 배출. 일부 WHRB 회수.
20세기 후반 다수 공정·컨셉 개발, 일부 생존. 생존 공정 공통/약간 상이 특징:
진동 피더, 크러셔, 스크린 등. 철광석 파쇄 보통 불필요(규격품 5~20mm 조달). 철광석 그라운드 호퍼→진동 피더→스크린(과대 +20mm, 과소 -5mm 분리). 과대물 과대 크러셔→규격화. 비코크스 석탄 수령 -200mm→1차/2차 크러셔 폐회로 1차/2차 스크린→석탄 덩어리(5~20mm, 투입용), 석탄 미분(-5mm, 주입용) 분리. 돌로마이트 파쇄·선별 보통 불필요(3~8mm 규격품 조달→데이빈 컨베이어 직공급). 전 원료 배출점→컨베이어→데이빈.
저장 빈(데이빈). 원료별 별도 빈. 최소 1일 소비량 저장 설계.
각 빈 하부 계량 피더→필요 비율 인출→컨베이어→킬른 투입.
직경·길이 용량 의존. 고알루미나 캐스터블 내화물 전장 라이닝(투입단·배출단 댐). 2.5° 하향 경사, 2~4 지지 스테이션(킬른 크기 의존). 경사·회전 속도 조절로 물질 이송 속도 제어. 양단 입구/출구 콘 개별 팬 냉각. 킬른 쉘 소형 샘플링 포트. 유압 시스템으로 라이딩 링 상 종방향 위치 제어. 석탄·철광석 고단 계량 투입. 일부 석탄 배출단 공기압 주입. 부담 예열 존(석탄 탈휘발, 철광석 환원 예열 온도) 통과. 온도·공정 제어: 내열강 에어 주입관 적정 수량 킬른 길이 균등 간격 설치(철광석 흐름 대향류). 팁 특수 내부 소용돌이 장치로 연소 균일성 향상. 중앙 버너(배출단) LDO(경유)로 냉간 킬른 가열. 초기 가열 후 연료 차단→버너 석탄 연소용 공기 주입용 전환. 킬른 온도 고정 열전대·퀵 리스폰스 열전대(QRT) 포트 측정. 고정 열전대 킬른 길이 방향 배치→구간별 온도 모니터. 회분·광석·애크리션 코팅 시 오차 발생→QRT 보조 사용.
킬른 배출 DRI(약 1000°C) + 석탄 회분, 소성 돌로마이트, 잔여 차 → 덩어리 분리기·액세스 도어 갖춘 밀폐 슈트→회전 쿨러. 적정 크기 회전 실린더 2.5° 경사. 쉘 상부 물 분사 간접 냉각. 냉각수 트로프 수집→펌프→냉각탑 재순환(보충수). 밀폐 슈트 고체→약 100°C 냉각(공기 비접촉). 슈트 그리지(50mm 초과 애크리션 제거→덩어리 게이트 별도 배출). 잔여 물질 더블 플랩 밸브→컨베이어 배출. 제품 분리 시스템 컨베이어 이송.
진동 스크린, 자기 분리기. 쿨러 배출물 벨트 컨베이어→제품 분리 섹션. 쿨러 배출물: DRI, 차, 석탄 회분. 2데크 스크린(3mm, 20mm) 1차 선별 → 자기 분리기 자성/비자성 분리. +20mm DRI 1차 제거. 언더사이즈 ±3mm 분급 → 각 분급 자기 분리기. +3mm 비자성분 주로 차(재순환 또는 발전소 연료). -3mm 비자성분 주로 소성 돌로마이트, 회분, 미세 차 폐기. 각 분급 자성분=DRI. +3mm 제강 직접 사용, 미세분 브리케팅·포장.
저장 빈. DRI 덩어리(3~20mm), DRI 미분(-3mm) 별도 빈. 최소 1일 생산량 저장 설계. 플랜트 발생 차 별도 저장→발전소 연료용.
킬른 배가스 850~900°C→더스트 세틀링 챔버(급속도 저하로 중량 분진 침강). 플루 가스→애프터 버닝 챔버(과잉 공기 불연소물 연소). 애프터 버너 온도 때로 물 분사 제어. 연소 가스→다운 덕트→증발 쿨러(온도 저감)→오염 방지 설비(ESP/백필터/스크러버) 잔여 분진 분리→유도 송풍기(ID 팬)→스택→대기 배출. 단, 폐열 회수 보일러(WHRB) 장착 권장. 이 경우 애프터 버닝 챔버→엘보 덕트→WHRB(현열 회수)→오염 방지 설비(ESP/백필터/스크러버)→ID 팬→스택.
압축 공기·냉각수 2대 유틸리티. 에어 컴프레서 압축 공기 공급. 냉각수 시스템: 펌프 하우스·냉각탑.
로 내 물질 텀블링·슬라이딩 → 내화 라이닝 표면 얇은 먼지층 필연적 형성. 특정 존 입자 축적 경향 + 열·유동 조건 복합 효과 → 원통형 퇴적물, 회전으로 링 형성. 링 성장 → 유효 개구부 감소(작업 용적 감소) → 제품·배가스 흐름 방해. 링 보통 환원 존 또는 버너 근처 위치, 특히 버너 화염 직사 라이닝 과열 시 고온 발생으로 형성. 가장 흔하고 골치 아픈 링 유형.
FeO-SiO₂-Al₂O₃계 저융점 복합 화합물(뷔스티트, 파얄라이트, 철 코디에라이트, 허시나이트 등) 및 CaO-MgO-FeO-SiO₂-Al₂O₃계(멜릴라이트/안소라이트, 아커마나이트, 철-마그네슘 코디에라이트, 스피넬, 철-마그네슘 실리케이트 등) 형성. 이들 공존으로 킬른 부담 융점 저하→내화 벽 부착. 일부 애크리션은 투입단 근처 미세입자 응집 또는 배출단 과열/저탄소-철 비율로 DRI 소결에 기인.
로 외부에서 접근 불가 → 운전 중 제거 불가능. 다수 경우 급속 성장→비계획 정지 유발. 킬른 정지 다수 원인 애크리션 형성 관찰.
DRI 환원 반응 효과 측정 관련 용어 정의:
제조공정
직접 환원 공정의 이론적 측면 철광석 직접 환원 공정에서 고체 금속 철(Fe)은 철광석을 용융시키지 않고 고체 상태에서 직접 얻습니다. 직접 환원은 철 산화물은 환원시키지만 다른 산화물(MnO, SiO₂ 등.)은 해당 원소로 환원시키지 않는 산소(O₂) 포텐셜에서 고체 상태 환원으로 정의됩니다. 환원이 고체 상태에서 일어나므로 이 원소들이 환원된 철에 용해될 가능성(낮은 열역학적 활성에서)은 매우 적으므로, 철보다 더 안정한 산화물들은 본질적으로 비환원 상태를 유지합니다. 철광석 직접 환원은 상승 가스에 의해 고로 샤프트에서도 일어
용접하면 흔히 두 금속 부품을 접합하는 공정을 떠올리지만, 실제로는 세라믹, 플라스틱 등 비금속 소재의 접합에도 널리 활용됩니다. 제조업에서 접합(Joining)과 조립(Assembly)은 핵심 공정입니다. 접합 vs 조립 접합(Joining): 용접, 브레이징, 납땜, 접착 등으로 영구적으로 결합하며 분해가 어렵습니다. 항공우주, 자동차, 오일·가스 등 주요 산업의 핵심 공정입니다. 파이프·탱크가 용접이 아닌 다른 방식으로 접합된다면 누유·파열 위험이 큽니다. 조립(Assembly): 볼트, 너트, 체결부로 분해 가능한 결합을
