레드스멜트(Redsmelt) 공법: 2단계 제철 공정의 혁신과 특징

레드스멜트(Redsmelt)는 2단계 환원 기반 신규 제철 공법입니다. (1) 회전 하스 로(RHF)에서 철함유 원료 예비 환원, (2) 예비 환원된 고온 DRI(직접환원철) 용융. 원래 2단계에 침지 아크로(SAF) 사용했으나, 현재는 '신제련 기술(New Smelting Technology, NST)'로 불리는 석탄·산소 취입 컨버터(옥시-코알 리액터)로 대체되었습니다. RHF에서 철광석, 환원제 미분, 바인더로 만든 그린 펠릿 환원→고온 금속화 DRI 생산→NST 투입 용융→선철 생산.

레드스멜트 공법 핵심 특징

• 준비된 충전물(소결광, 펠릿 등) 불필요
• 전기 에너지 불필요(DRI 용융 화학 에너지 이용)
• 용융로 고생산성→제한적 투자비
• 제철 공정 발생 잔재(슬러지, 유분 함유 밀스케일 등) 거의 모두 활용→철강 폐기물 처리 난제 해결
• 용융로 오프가스 RHF 연료 활용→전체 에너지 이용 최적화→에너지 소비 효과적 저감

실증 플랜트와 상용화 전망

이탈리아 피옴비노 공장에 2단계 제련환원 공정 레드스멜트 실증 플랜트 건설·시험(2003년 가동). RHF 예비 환원 + 옥시-코알 컨버터 DRI 용융. 설계 처리량: 연 65,000톤(건조 기준) 원료, 정격 선철 생산: 연 30,000~35,000톤.

레드스멜트 기술은 대형 일관제철소 고로 공정 대안으로 저비용·환경친화적 제철 수요 증대 대응 목적 개발. 플랜트 설계 용량: 연 30만~100만 톤 선철. 주 적용 분야: (1) 제철소 철함유 부산물→고부가가치 선철 전환, (2) 미니밀 개념 부합 중소 규모(통상 연 50만 톤) 선철 생산→스크랩 대체.

상세 공정 흐름

1. 원료 준비

미분 철함유 원료와 탄소계 환원제(석탄/석유 코크스)로 그린 펠릿 제조. 펠릿화 최적 입도: 80% 100μm 미만, 100% 250μm 미만. 믹서에서 물·소량 바인더(벤토나이트) 첨가 습식 배합. 디스크 펠릿화기에서 추가 물 첨가 펠릿화. 생산 그린 펠릿 선별→미만분 재순환, 규격품 금속 벨트 건조기 투입.

2. 그린 펠릿 건조기

목적: (1) RHF 투입 시스템 부착 방지, (2) RHF 내 그린 펠릿 디크리피테이션(열파괴) 방지. 건조 열원: RHF 오프가스 활용→전체 공정 에너지 효율 향상.

3. 회전 하스 로(RHF)

회전 환형 하스, 현수형 지붕 노 챔버 내 배치. 측벽, 지붕, 하스 내화물 라이닝→최대 1,450°C 운전. 건조 그린 펠릿 진동 피더로 투입→하스 전폭 균일층(약 20mm, 1~3펠릿 두께) 분포.

연료 가스·연소 공기 다수 사이드 버너 3제어 구역 그룹 투입. 구역별 연료·공기 유량 개별 제어→목표 온도·가스 조성(CO, O₂) 달성. 1·2구역: 2차 공기 별도 유입로 환원 발생 CO 연소. 펠릿 충전 후 급속 가열→환원 온도 도달. 총 체류 시간 10~18분(하스 위), 최종 금속화도 70~90%. 원료 물성 따라 DRI 비생산량 60~100kg/m²·hr 범위.

열원 4가지: (1) 보조 연료 연소(NST 반응기 CO 풍부 가스), (2) 철 산화물 환원 발생 CO 연소, (3) 환원제(석탄) 휘발분 연소, (4) 환원제 자체 일부 연소(탄소 연소). 이들 에너지 활용은 바람직하지 않은 철 재산화 현상과 경쟁 관계. RHF 설계: 이 복잡 가스 역학 시스템 최적화 목적. 특별 버너·공기 유입구(2차 연소 공기 주입)로 구역·레벨별 적정 난류도 조절. 또 다른 핵심: 하스 전역 극정밀 온도 제어→생산 펠릿 기계적·화학적 특성 균일성 확보. 버너 시스템: 위 목표 달성+최소 NOx 생성 보장 설계.

생산 DRI 펠릿: 수냉 스크류→슈트→연속 금속 벨트 컨베이어(고온 DRI 수송용)→제련로 이송. 금속 컨베이어: 내열 소재, 가스 밀폐 샤프트 내장. RHF·건조기 오프가스: 후연소, 공기 희석, 물 분사, 백필터 제진 후 대기 배출.

RHF 폐가스 에너지 일부: 그린 펠릿 건조, 연소 공기 예열, 원료 건조 열원. 대형 플랜트: 폐열 보일러로 스팀 생산 활용.

4. 제련로(용융로)

원래 레드스멜트 컨셉: DRI 제련·최종 환원용 SAF 포함. 피옴비노 실증: NST 제련로 사용.

NST 제련로: 논틸팅 수직 반응기. 하부(허스)에 사이펀 탭홀(미니 고로/큐폴라 방식: 슬래그-선철 분리 스키머로). 고온 DRI 중력 낙하로 수냉 슈트(반응기 중앙) 통해 상부 투입. 랜스 팁 주변 에어 커튼→DRI 폐가스 직동반 방지. 플럭스 덩어리 별도 투입구 투입. 반응기 슬래그·금속-슬래그 계면 구역: 특수 구리 냉각소자 냉각. 반응기 지붕·오프가스 덕트: 파이프-파이프 용접 워터월.

제련로: 2단 사이드 랜스(단당 3개) 산소·석탄 주입. 위치·방향: 공정 화학·유동 조건 적정 생성 목적. 특히 상부 산화 구역(CO 후연소)과 하부 환원 구역(철 산화물 직접 환원 등 흡열 반응) 간 열전달 개선 설계. 상부 랜스: 에멀전 레벨 산소 주입→전이 구역 후연소 촉진. 하부 랜스: 열매욕 산소+석탄 주입. 이 배열로 가스 주입→슬래그 교란→발열(후연소) 구역 열에너지→흡열(제련) 구역 FeO 직접 환원 발생 전달. 비교적 조대 석탄 사용→탄소 손실 저감·선철 탄화 개선. 생산 선철: 플랜트 용량 따라 사형/주철기 주조.

제련로 상부: 수냉 지붕(후연소 고온 내화물 마모 방지). 이후 수냉 덕트→제련로 오프가스 냉각→퀜칭 시스템 적정 온도. 오프가스: 연소 없이 냉각·정제→소형 가스홀더 압력 안정화→RHF 버너 연료 활용.

5. 오프가스 조절 시스템

오프가스 조절 라인: 내화물 라이닝 후연소 덕트, 가스 퀜처(물 분사), 공기 희석 스테이션, 백필터. RHF+NST 오프가스 공통 흡입 시스템→특히 RHF 오프가스 덕트 설계 중요.

RHF 오프가스: ~1,100°C 배출, 미완전 산화. 내화물 덕트 이송. 신선 공기 주입 노즐 덕트 입구 후 배치→CO 등 연소, 비산회 융점 미만 온도 제한. 완전 연소 조건: (1) 자유 O₂ 3%↑, (2) 고난류, (3) 체류 시간 1초↑. 공기 주입 노즐 덕트 균일 분포→NOx 생성 최소화.

제련로 오프가스: RHF 대비 고온(~1,700°C), 저후연소도(미연소 CO+H₂ 30%↑). 수냉 덕트 이송→후연소 공기 주입. 연소 파라미터(체류 시간, 산소, 난류, 온도) RHF 오프가스 처리와 동일.

RHF·제련로 가스(≤950°C) 동일 퀜처→~320°C 냉각. '스필백(Spill-back)' 타입 노즐→물방울 완전 무화·가스 온도 급속 저감.

비상 스택(블리더 밸브, 비상시 자동 개방) 퀜처 상부 설치. RHF 1차, 제련로 1차, 2차 제진 공기 최종 제진 플랜트 이송.