고로(BF) 내 분쇄탄 주입(PCI)은 초기 고유가 시대가 계기였으나, 현재는 원료비 절감, 공해 저감, 노후 코크스 오븐 수명 연장 필요 충족으로 고로 조업 표준 관행으로 정착했습니다. 분쇄탄 고로 주입 효과: (i) 고로 생산성 증대(일일 쇳물 생산량), (ii) 고가 코킹 석탄 소비 저감(저가 연성 코킹탄/열탄으로 코크스 대체), (iii) 고로 안정성 유지 지원, (iv) 쇳물(HM) 품질 일관성 향상 및 규소(Si) 함량 저감, (v) 온실가스 배출 저감. 이밖에도 PCI는 부담 장입 상부 조작보다 훨씬 빠르게 고로 열상태 조정 가능한 강력한 운전 도구로 입증되었습니다.
분쇄탄은 고로 조업에서 기본적으로 두 역할 수행: 철광석 환원 필요 열 일부 공급, 환원 가스 일부 공급. PCI 조건 쇳물 생산 이해 위해: 고로 내부 현상, 화학 반응, 투과성 중요성 및 원료 영향 파악 필요.
고로는 본질적으로 고체(철광석, 코크스, 플럭스), 후에는 용융 액체 하향 이동하는 대향류 이동층 로. 분쇄탄과 산소(O₂) 농축 열풍이 로 하부 취구 레벨 주입. 각종 반응 생성 가스 상향 이동하며 하강 철광석 환원.
고로 장입물: (i) 철함유 원료(괴광석, 펠릿, 소결광) 및 플럭스(석회석, 돌로마이트, 석영), (ii) 코크스. 교대로 로 상부 장입. 장입 후 로 이탈 가스로 건조·예열.
하강 중 가열, ~500°C서 상승 가스 중 CO·H₂에 의한 철광석 간접 환원 개시. 고산화철→산화철(FeO) 변환 개시 구역. 추가 하강·가열~900~950°C서 고체 코크스에 의한 FeO 직접 환원. 광석 CO·H₂ 환원, 생성 CO₂ 즉시 코크스에 의해 CO 재환원. 순효과: 코크스에 의한 광석 환원. 코크스 CO₂ 반응성: 간접→직접 환원 전이 온도 범위 결정 중요 파라미터.
하부: 응집대(cohesive zone). ~1100°C 슬래그 생성 개시. 초기 고점도, 산화철 입자 감싸 추가 환원 방해. ~1400~1450°C 용융→환원 지속. 부담 투과성 측면서 임계 구역.
다음: 유동/활성 코크스 존. 온도~1500°C, 철광석·슬래그 용융 지속. 상당한 이동, 코크스→경주로 공급. 경주로(raceway): 고로 최고온부(~2200°C). 열풍 취구 주입 시 형성. 분쇄탄 열풍과 함께 취구 직접 주입. 석탄·코크스 연소·가스화→환원 가스(CO, H₂) 및 철광석·슬래그 용융, 흡열 반응 구동 열 발생.
열풍 O₂ 농축: 목표 화염 온도 유지, 연소 효율 개선. 고로: 다수 취구(취구 수: 허스 직경 의존), 각자 경주로 보유, 둘레 대칭 배열. 경주로 깊이 통상 1~2m(열풍 운동 에너지 의존).
미연소 물질 경주로 이탈→보시·샤프트 영역 상승. 용융 금속·슬래그 '데드맨'(정체 코크스층) 통과→허스 수집→탭홀 주기적 배출. 슬래그 쇳물서 분리. 일부 로: 슬래그·철 별도 탭홀. 원료 허스 도달 약 6~8시간, 코크스 데드맨 내 수일~수주 잔류. 쇳물(HM) 제강 설비 이송. 제강용 쇳물 요건: 일관된 품질, 최대한 고온.
로 상부 이탈 고온 가스=상부 고로 가스(top BF gas). 냉각·정제→제철소 연료 가스 활용, 주용도: 열풍로 가열. Fig 1 고로 단면도(구역별 온도 표시).
Fig 1 고로 단면도: 구역별 온도 표시
고로: 상승 가스→하강 부담 열전달, 하강 부담 O₂→상승 가스 전달 대향류 열·물질 교환 로→전체 공정 고효율. 고로 내 화학 반응 복잡. 주요 반응:
광석 부담 철산화물 O₂ 제거 일련 화학 반응=가스 환원(간접 환원). 반응식:
3Fe₂O₃ + CO = 2Fe₃O₄ + CO₂ (~500°C 개시) 3Fe₂O₃ + H₂ = 2Fe₃O₄ + H₂O Fe₃O₄ + CO = 3FeO + CO₂ (600~900°C) Fe₃O₄ + H₂ = 3FeO + H₂O FeO + CO = Fe + CO₂ (900~1100°C) FeO + H₂ = Fe + H₂O
상기 반응 발열→열 발생. 동시 철산화물 연화·용융 개시. 고온 유동대 부근서 코크스 C FeO 환원→Fe+CO 생성. '직접 환원', 고흡열, 구동 열: 경주로 가스 현열 공급.
FeO + C = Fe + CO
석탄·코크스 연소·가스화→환원 가스(CO, H₂) 상향 흐름. 석탄·코크스 경주로 진입→열풍 즉시 착화→연소: C + O₂ = CO₂ 과량 C 고온 존재→CO₂ 부두아르/용해 손실 반응→CO 환원(흡열): CO₂ + C = 2CO 추가: 연소 생성 수증기(H₂O) 환원(흡열): H₂O + C = CO + H₂
H₂ 함유 석탄 주입→간접 환원 증대. H₂: C(직접 환원)보다 효과적 환원제. H₂ 재생 반응(H₂O+C=CO+H₂): 부두아르 반응보다 덜 흡열, 더 빠름. 고로 상승 가스 고H₂→철광석 환원 속도 촉진→생산성 증대. 단, 고H₂ 농도→샤프트 코크스 미분 증가 가능.
석회석·돌로마이트 하강 중 고체 유지, 소성 반응: CaCO₃ = CaO + CO₂ (Ca,Mg)CO₃ = (Ca,Mg)O + CO₂ 흡열, ~870°C 개시. CaO, MgO: 광석 부담 황(S), 산성 불순물 제거→액체 슬래그 형성. 코크스·석탄 유래 S 제거에도 기여.
고로 안정 조업: 상승 가스 흐름 균일 분포, 쇳물·슬래그 허스 무장애 흐름 의존. 로 내 투과성 유지가 안정 조업·생산성 위해 중요. 고PCI율 관련 기술적 이슈 다수 투과성 요건 대응. 고PCI율 본질적 이슈 Fig 2.
Fig 2 고로 고PCI율 관련 기술적 이슈
로 내 투과성: 원료 부담(광석, 코크스, 석탄) 물성 영향. 이들 물질 유래 미분 축적→가스·액체 흐름 차단. 미연소 석탄 차·코크스 미분 예: 버드네스트(경주로-데드맨 사이 밀집대), 응집대 하부 축적→가스 흐름 변동, 불안정 조업. 주변부 가스 흐름→로 벽 하부 열부하 증가→내화물 수명 단축→조기 자본 수리 필요 가속.
BF 공정 효율: 광석 부담 O₂ 제거율 의존. 가스 O₂ 더 많이 제거→공정 더 효율적. 가스-부담 밀착 접촉 중요. 접촉 최적화 위해 광석층 투과성 최대한 높게. 가스 유량/부담 O₂ 제거량 균형 필요.
광석층 투과성: 미분(<5mm) 양 크게 결정. 미분 주 발생원: 소결광(장입 부담 내 존재 시), 괴광석. 미분 2소스: (i) 철광석 장입분 일부, (ii) 수송·장입·로 샤프트 내 부담 물질 열화 생성.
따라서 장입 전 부담 물질 선별→미분 제거 중요. 선호 입도: 소결광 5~30mm, 펠릿 8~16mm, 괴광석 10~30mm. 요즘 고PCI율 고로: 80% 이상 제조 부담(소결광/펠릿) 사용.
수송·장입·샤프트 내 열화 생성 미분: 부담 물질 열화 특성 제어 중요. 철 부담 물질 충격·마모 물리적 열화 저항, 저온 환원 분해도 표준 시험법 존재.
고환원성 부담 선호. 부담 구성 물질 환원성 측정 표준법 존재. 유감: 환원성 개선→열화·분해 증가 경향. 저SiO₂·CaO, 고알칼리→환원성↑ but 분해↑.
부담 물질 연화·용융 개시→가스 흐름 투과성 저하. 따라서 부담 물질 상대적 고온서 용융 개시→샤프트 상부서 가스 흐름 지연 방지 필요. 고체→액체 급속 전이 희망. 용융 특성: 슬래그 조성 결정. 펠릿·괴광석 용융 개시 통상 1000~1100°C, 염기성 소결광 더 고온서 개시.
부담 물질 품질 일관성→안정 조업 필수. 고로 내 분포→고생산성·원활 조업 달성 방식 필요.
석탄: 1, 2번 기능 기여, 3번 '물리적' 기능 미기여. 코크스: 응집대 위, 응집대 내, 보시·허스 영역 가스·용융물 투과성 확보 필수. 특히 응집대: 철광석 연화·용융→불투과층 형성, 투과성 코크스층/윈도우 분리. 이 구역 코크스 강고한 격자→상부 부담 무게 일부 지지. 코크스 물리적 기능→주입 석탄량 한계 존재.
고품질·일관된 코크스 필요: 미분 생성 저감→투과성 불량, 불안정 조업, 저생산성 방지. 코크스 강하·미분 생성율: 부두아르 반응, 열응력, 기계적 응력, 알칼리 축적 제어(로 내 위치, 운전 조건 의존). 주요 코크스 물성:
현대 고로 PCI 병행 코크스율 300 kg/tHM 미만 최첨단 관행. 최저 달성치 ~240 kg/tHM. 너트 코크스 사용 일반화, 양 현지 조건 의존. 너트 코크스→고로 전체 C 수율 증가. 조대 코크스 과도 크기 열화 보호(샤프트서 우선 가스화).
전 세계 철강 산업: 제조 부문 CO₂ 배출 최대 비중(~27%). 에너지 집약 생산, 석탄 주 에너지원 의존, 대량 강재 생산 탓. 세계 조강 ~60% 고로 루트, 고로 제철: 제철소 내 주요 배출원(에너지 소비 대부분 고로 공정 관련: ~2.4~3.1 Gcal/t 조강, 열풍로 포함). CO₂ 기후 변화 연관→저감 중요. 상부 가스 양·조성·CV, 대기 배출, CO₂ 배출·저감, 액체·고체 폐기물 간략 기술.
고온 더티 고로 가스 압력 하 상부 이탈→가스 정화 플랜트(GCP)→분진(주 미연소 차, 그을음, 코크스 미분), 수분 제거, 냉각. 제거 필요 분진량: 석탄 주입율 증가 따라 증가. 현대 GCP: 다단계. 조대 입자 중력 분리(더스트 캐처/사이클론) 1차→미세 입자 습식 스크러버/습식 전기집진기→분진 <10 mg/㎥ 달성. 일부 고로: 건식 백필터 미세 제거도 실용. 현대 GCP: 추출 분진 종류별 분류→유효 재사용 가능.
상부 가스 조성: H₂~4%, CO~25%, CO₂~20%, 나머지 대부분 N₂. CV~810 kcal/㎥(석탄·코크스 에너지 함량 35~40% 고로 가스서 추출). 정제 가스: 제철소 내 다용도(열풍로 가열 등). BF 가스 CV→하류 공정 활용 영향.
현대 고로: 고압 운전(생산성 증대). 다수 고로: 상부 가스 잔압→탑 프레셔 리커버리 터빈→발전. 터빈 출력: 고로 전 설비 전력 소요 ~30% 커버(송풍기 포함). 가스 양·조성·CV: 석탄 물성·운전 조건 영향. 예: 고VM 석탄→고H₂, 저CV→고H₂ 저CV 가스 생성. 고VM 석탄 주입→저VM 대비 상부 가스 미분량 증가. 미세 분진 중 탄소질 물질: 석탄 VM 불완전 연소 유래 그을음(shoot) 동정.
석탄 주입 시 대기 배출 변화 정보 제한적. S~0.8% 석탄 주입→BF 가스 S 함량 증가 없음. 고로 생애주기 인벤토리 연구: PCI율 16→116 kg/tHM 증가 시 SO₂, NO₂ 배출 각 ~22%, 16% 감소.
석탄 Cl 제한(통상 <0.05%): 생성 Cl 화합물 부식성(특히 HCl) 탓. 석탄 주입 시 경주로 생성 Cl→기체 알칼리(석탄/코크스 회분 유래) 반응→알칼리 클로라이드(NaCl, KCl) 형성. 일부 HCl, 미량 타 Cl 화합물 생성. 생성 HCl 일부 로 내 석회석 제거. 알칼리 클로라이드(철광석서도 생성)→샤프트 순환→소결 분해→미분 증가·투과성 악화. Cl 화합물→내화물·GCP 배관 부식. 스크러버 세척수서 제거.
열역학·야금: 석탄·코크스·철광석 유래 미량 원소 상이한 출력 스트림 집적. 고휘발 원소(Cd, Hg)→미세 분진 흡착→상부 가스 배출→GCP 제거(~75% Cd, 90% Hg). Cd, Hg→쇳물/슬래그 미이행. 저휘발 원소(Zn, Cu)→액체 금속·슬래그 분배. 전체 Zn 입력원 중 다수 고압 탓 쇳물 용해→쇳물+슬래그 ~70% 배출. Pb: Zn보다 저증발온→고로 내 축적→생산성 저하. Pb 주소스: 철광석(소결, 괴광석, 펠릿)→코크스 순. 다수 미세 분진 흡착→GCP 스크러버 제거(80% 이상). HM 이행 미미. 기체 금속 상태 배출: Cd, Pb 각 ~1%, Hg ~5%.
고로 CO₂ 배출 다수 요인 영향. 소형 고로>대형 고로 CO₂/tHM(저효율 탓). 대형 고로: 열손실 적음, 에너지 효율 설비 설치 경제적. 효율적 고로 에너지 손실<총 에너지 투입 10%. 원료 품질→에너지 소비·CO₂ 영향. 예: 저회분 석탄→저슬래그→저에너지(회분 용융 불필요)→고열효율. 주입 석탄 회분 1%p 증가→~1.5 kg/tHM 추가 코크스 필요→C 투입 증가→CO₂ 증가.
코크스 품질→필요 환원제량(코크스+석탄)→CO₂ 영향. 코크스 회분 1%p↑→슬래그율 10~12 kg/tHM↑, 10 kg/tHM 슬래그당 ~15 Mcal/tHM 에너지 소요. 코크스 품질: 원료탄 품질·코킹 공정 결정.
철광석 품질: 화학 조성·Fe 함량 차이→환원 반응·용융 에너지 차이. 강안 화학 조성→필요 석회석/석회량(슬래그 염기도 달성) 결정. 종합: ~240~480 Mcal/t 에너지 소요 차이 유발. 단, 고품위 매장량 고갈→철광석 품질 악화→제철 에너지 소요 증가 추세.
PCI: 전코크스 조업 대비 제철소 전체 CO₂ 배출 저감. 주이유: 코크스 필요량 저감→코크스 오븐 배터리 에너지 소비·CO₂ 저감. 평균 절약 에너지: 코크스 1t 대체당 ~840 Mcal/t. PCI→고로 내 에너지 소비 저감도 가능.
생애주기 평가(LCA): 원료 채굴~폐기 전과정 제품·물질 환경 성과 평가. 초기: 생애주기 인벤토리(특정 시스템 관련 물질·에너지·배출 정량화). 철강 산업: 플랜트 안팎 복잡 에너지·물질 흐름. 제품 '펜스 넘어' 판매, 장거리 출하 다수. 전체 생산 에너지·CO₂: 현장 발자국 대비 현저히 높거나 낮을 수 있음. 예: 코크스/전력 구매→현장 CO₂ 저감 but 타처 증가. LCA 결과: 시스템 경계 설정 의존.
세계철강협회(WSA): LCA 접근로 14개 철강 제품 자원·에너지·환경 배출 정량화(원료 채굴~철강 플랜트 게이트 'cradle-to-gate'). 생애주기 인벤토리: 고로/전로, 전기로 루트 모두 포함. 고로 LCA: PCI율 16→116 kg/tHM 증가 시 ~6.5% CO₂ 저감. 단, 주입 석탄량 한계 존재. 연구: 최대 주입 가능 ~250 kg/tHM. WSA: 180 kg/tHM 초과 주입→코크스량 저감 없음, 추가 석탄 단순 가스화→상부 가스 증가.
LCA 방법론 연구: PCI CO₂ 저감 효과 주입율 0.1 kg/kg HM 시 0.07 kg CO₂ 추정.
다수 LCA 연구: H₂ 함유 환원제(석탄 등) 주입→CO₂ 저감(전코크스 대비, 코크스 H₂~0.5%). 추가 저감: C 투입(코크스+석탄) 저감. 대책 2그룹:
탈탄소 상부 가스 고로 재순환(TGR: top gas recycling)→CO₂ 저감. 상용 공정(Selexol 등)로 CO₂ 우선 제거→재가열→BF 가스 샤프트/취구 재주입. 순수 O₂ 블라스트 운전 필수(N₂ 축적 방지). 포집 CO₂ 지하 저장. 주성분 CO+H₂ BF 가스→C 소비 저감, 생산성 증대. ULCOS(초저탄소 제철, 유럽 48개사 컨소시엄) 선도. 파일럿 6주 테스트: 포집 CO₂ 저장 시 최대 76% CO₂ 저감 달성.
제강: 물 집약 공정, 강재 톤당 ~180~200㎥ 소비. 고로: 쇳물 톤당 ~14~17.5㎥, 주용도: 냉각(로 벽·취구), 슬래그 담금질. 고로 GCP서 추가 사용. 발생 폐수 처리→재활용, 90% 이상 재활용. 폐수 양·조성: BF 원료 품질 부분 의존. 예: 고염 원료→상부 가스 스크러버 세척수 대량 필요. 수처리: Cd 등 중금속 제거→재활용/방류.
일관 제철: 조강 톤당 ~450~500kg 잔재·부산물 발생. 이중 >375kg/t 슬래그, ~60~65kg/t 분진·슬러지(배가스 정화, 스케일). 전체 잔재·부산물 86% 이상 처리 후 내부·외부 재활용. BF 상부 가스 건식 분리 조대 분진→내부 재활용. BF GCP 미세 입자 함유 슬러지→통상 매립. 일부 플랜트: 소결 플랜트 경유 재활용.
슬래그 냉각 방법별 형태: 공냉 슬래그, 팽창/발포 슬래그, 펠릿 슬래그, 급랭 슬래그. 대부분 판매, 소량 매립(<10%)→부산물로 간주. 활용: 시멘트, 도로 건설, 건축 자재, 특수 용도. 용도: 슬래그 물성·형태 의존.
슬래그 조성: BF 원료 품질 결정. 철광석 강안, 코크스·석탄 회분 유래. 주성분: Ca, Mg 실리케이트·알루미노실리케이트, S, Fe, Mn, 타 미량 원소 화합물.
슬래그 발생량: 주입율 상승, 환원제 회분·S 증가 시 증가. 슬래그 S: 주석탄 유래 주. 단, 슬래그 내 효과적 포집. 표면 S만 잠재적 용출. 미량 원소도 슬래그 내 포집 추정.
제조공정
고로 제철 공정 내 알칼리 영향 고로(BF) 운전 주요 목적: 원하는 화학 조성 쇳물(HM) 최대 생산, 최소 비용. 고품위 원료 기반과 규칙적·안정적 고로 운전 필요. 부담 재료 품질 매우 중요해 공정 문제 유발 원치 않는 원소 유입 주의 필요. 입력 차지 원치 않는 원소 함량도 주의. 제거·고로 성능 측면서 곤란한 주요 원치 않는 원소: 칼륨(K), 나트륨(Na) 알칼리 화합물. 고로 공정 내 알칼리 존재 공정 부정적 영향 알려져 있음. 알칼리: 코크스 반응성 증가, 광석 차지 조기 연화, 소결광 분해, 펠릿 팽창, 고로 내화
고로 제철 공정과 일본 해부 연구 개요 고로(BF) 제철은 검증된 성능, 유연한 원료 사용, 높은 열에너지 보존 능력 덕분에 선철(hot metal, HM) 생산의 가장 실행 가능한 수단입니다. 고로 제철의 시작 시기는 명확하지 않지만, 14세기 유럽에서 제철로에 중요 공정 설계와 재엔지니어링이 도입되기 시작했습니다. 이후 고로 공정은 다른 대체 제철법 대비 선호 공정으로 자리잡았습니다. 고로 제철 공정은 시작 이래 지속가능성과 생존을 위해 지속적인 진화적 발전을 거쳐 고효율 공정이 되었습니다. 주요 발전 사항은 (i) 설비 현대
