분쇄탄 주입(PCI)은 고로(BF) 쇳물(HM) 생산을 위한 잘 정립된 기술입니다. 대부분의 고로에서 실용화되어 있으며, 신설 고로는 통상 PCI 설비 갖춰 건설됩니다. 주입 석탄 조성·물성은 고로 조업·안정성·생산성, 쇳물 품질, 고로 가스 조성에 영향. PCI용 석탄 상세는 링크('https://www.ispatguru.com/coal-for-pulverized-coal-injection-in-blast-furnace/') 참조.
PCI 시스템 핵심: 석탄 제조·저장·분배→취구별 균일 공급(공급율 변동 없음), 랜스 설계·산소(O₂) 주입 통한 연소.
석탄 분쇄: 단일/다중 분쇄기(펄버라이저) 요건 따라 수행. 분쇄·분배→주입 랜스 이송: 주요 운전비. 석탄 저장소서 회수→선별(이물질 제거, 대형 덩어리 파쇄)→밀 투입→분쇄·건조. 요구 입도 석탄: 열가스 스트림으로 밀 배출→백필터 포집→저장 빈 이송. 분쇄·이송: 불활성 분위기(건조 석탄 입자 발화 위험 최소화). 결과 입도 분포→공압 이송 설비 취급성, 고주입율 시 연소성 영향.
펄버라이저 석탄 2종 입도 분획 생산:
펄버라이저 내 석탄 미세도 조절: 석탄 공급율, 분류기 설정, 공기 유량 조절로 가능. 단일 석탄 대상 밀 튜닝→요구 입도 생산 가능하나, 다수 석탄 블렌드 경우 비현실적(구성 석탄 일부 요구 미세도 미달성 가능).
펄버라이저 기능 중 하나: 석탄 수분 최대한 제거. 건조 필요: 수분→공압 이송 시스템·저장 빈 자유 유동 문제 유발. 추가 에너지 소요(고로 내 수분 제거), 수분 주입→환원제율 증가. 고수분 석탄: 펄버라이저 전력 소모↑, 처리량↓.
석탄 표면 수분 증발→펄버라이저 내 응집 문제 방지(고수분·점토 함유 석탄 부착 경향). 통상 석탄 총수분→평형 수분 수준 감축→밀·빈 취급 문제 저감. 밀 출구 석탄 수분: 평형 수분 2/3 수준. 평형 수분: 석탄 랭크, 마세랄 조성, 회분 함량 따라 변동.
목표 미세도 달성, 펄버라이저 부품 최소 마모, 최소 동력 소비→운전비 절감 중요. 마모→펄버라이저 정지·정비 영향. 마모 영향 석탄 물성: 회분 함량·조성, 입도 분포, 수분, 겉보기 밀도. 고수분→마모+부식 복합 효과로 마모 가속. 회분 내 마모성(경도) 광물: 실리카(SiO₂), 황철석(FeS₂). 연마 요소 마모 외 마모성 광물→배관·덕트 침식. 석탄 마모성 평가 대표 시험: '마모 지수(AI, Abrasion Index)'. 고AI 석탄→고마모율 예상.
밀 동력 소비 저감→운전비 절감. 밀 동력·처리량(throughput): 설계, 설정, 요구 미세도, 석탄 물성 의존. 요구 석탄 크기 감소 폭 클수록 필요 동력 증가. 고미세도→밀 용량 증대 필요(난분쇄 석탄 시에도).
밀 동력·처리량 주 영향 석탄 물성: 경도='하드그로브 연삭 지수(HGI, Hardgrove Grinding Index)'. 통상 HGI 높을수록 분쇄 용이→저동력, 고처리량. 펄버라이저 설계 용량 제한→PCI율 제한 시 연질 석탄 전환→주입율 증대 가능. 저VM, 고CV 연질 석탄 비율 고VM, 경질 석탄 블렌드 내 증대→펄버라이저 용량 증대, 고로 블라스트 압력 저감, 석탄 소비 개선.
마세랄 조성도 분쇄 영향. 일반적으로 고비트리나이트(vitrinite) 석탄→저연삭 에너지(비트리나이트 분쇄 용이, 저반응성 이너티나이트/립티나이트 대비). 랭크 효과: 반사율~1.6 이상서 감소(비트리나이트·이너티나이트 필요 파단 에너지 동일해짐).
석탄 블렌딩: 상대적 강점 최적화 목적. 단, 블렌드=구성 성분 평균 거동 아님, 문제 특성 1개 석탄이 불균형 영향 줄 수 있음. HGI 차이 20 초과 2종 석탄 블렌드 분쇄 시→연질 석탄 우선 분쇄(preferential grinding). '경질'+'연질' 블렌드 분쇄: 구성 석탄 나쁜 특성 지배적, 펄버라이저 성능 경질 석탄 쪽 근사. 마세랄 수준서도 연질 마세랄 우선 분쇄 발생 가능. 팽창 점토 함유 석탄: 펄버라이저 출구 냉각 후 수분 흡수→주입 시스템 차단 유발. 블렌드 구성 성분이라도 차단 야기 가능.
주입 시스템: 저장 빈→주입 용기(고로 압력 이상 가압)→취구 주입 랜스 공압 이송·계량. 랜스: 취구(고로 둘레 대칭 배열) 균등 주입. 분배 시스템 설계 핵심: 취구별 석탄 균일 공급, 공급 경로 변동 없음. 석탄 공급 중단→신속 심각한 문제. 주입율 높을수록 비계획 중단 결과 심각.
연속 석탄 흐름 위해 최소 2개 주입 용기 필요. 기본 2배열:
주입량 정밀 제어 중요→주입 용기 연속 계량, 석탄 유량 정밀 제어. 저장 빈→주입 용기·배관 공급 펄버라이즈드 석탄 취급 문제: 수분·초미세 입자·점토 광물. 외부 히터/단열→빈 벽 내부 수분 응축 차단으로 차단 방지. 일부: 중간 주입 탱크 하부 에어레이션 패드 질소(N₂) 불어넣기→하부 주입 탱크 이송 시 자유 유동 확보.
주입 용기→취구 이송: (i) 개별 배관(취구별 독립 제어·충전), (ii) 공통 배관→고로 인접 분배기→개별 배관 균등 분배. 2번: 준비 플랜트-고로 거리 개별 배관보다 길게 가능. 배관 경로 차이, 분기점 필연적 불균등 분할→취구 불균등 공급. 불균형→배관·분배기 편마모 유발.
석탄-이송 가스 비율 따라: (i) 희상, (ii) 밀상 공압 이송. 희상 시스템 석탄 이송 가스 로딩: 통상 ~10 kg 석탄/kg 이송 가스, 이송 가스 속도~15~20 m/s. 이송 가스: 통상 N₂+공기 혼합, 주입 용기 하부 압축 공기 추가. 밀상: 로딩~40~80 kg/kg, 속도~1~5 m/s. 이송 가스: 통상 N₂ 또는 N₂+공기 혼합.
이송 가스 속도 항상 최소 이송 속도 초과→차단 방지. 최소 속도: 시스템 압력, 배관 직경 등 다수 파라미터 의존, 변수 간 상호작용. 밀상: 저속→배관·부품 마모 낮음. 희상: 고속→마모, 특히 배관 벤드. 마모율: 입자 경도·형상·속도 결정. 석탄 물성도 마모 영향. 마모 취약 배관 부위 우레탄 엘라스토머 등 라이닝→내마모성, 미분 퇴적 차단 방지. 이송 라인 차단 관련 석탄 물성: 수분량, 점토 광물.
고수분 석탄·블렌드→문제 유발→분쇄 석탄 엄격 수분 제한 적용. 물에 팽창하는 점토→문제 유발, 특히 이송 시스템 압력 강하 시, 초미세 입자 동반 시. 펄버라이즈드 석탄 미분 함량(<5.8µm) 증가→이송 시스템 압력 강하 증가. 압력 강하 설계 관련 임계값 초과→차단 발생. 파이프라인 플러깅: 파이프 벤드부 퇴적물 축적(통상 연질 석탄 미세 입도 분포 관련). 석탄 주입 시 초미세 석탄(<10µm) 엘보 벽 부착 개시→거친 표면 형성→대입자 부착 시작. 블렌드 내 연질 석탄 우선 분쇄→고비율 초미세 입자→차단 유발.
차단 방지: 배관 레이아웃·분배 시스템 개선, 경우에 따라 제조 시스템 조정(펄버라이저 조대 입도 생산). 주입 시스템: 차단 검지·제거 절차 보유(일상적 현상). 이송 라인 퍼지 포트: 고압 공기 차단 제거. 펄버라이즈드 석탄·블렌드 유동성·취급성 평가 단순 실용 테스트 필요→어려운 소재 사전 식별.
주입 랜스: 블로우파이프→취구 연결부 주입. 입자 즉시 열풍 가열, 착화, 가스화, 연소. 랜스 설계·배치→석탄 연소 효율 영향. 초기: 직선 강철 랜스, 취구/블로우파이프 계면 위치/근접. 석탄 입자 흐름 직접 O₂ 주입(옥시-코크스 랜스) 및/또는 랜스 팁 난류 생성 설계 개발→연소 효율 개선. 종류: (i) 동축 랜스(coaxial: 내관 석탄, 환형 공간 O₂), (ii) 고분산 랜스, (iii) 베벨 랜스, (iv) 슬릿 랜스, (v) 편심 이중 랜스, (vi) 스월 랜스.
석탄 예열→연소 효율 증대도 실용. 초기 석탄 도입 시 발생 랜스·취구 차단, 랜스 팁 용융 문제 대부분 해결. 차단 주원인: 석탄 가열→끈적임→랜스·취구 표면 부착. 회분 퇴적 최소화: 고회분 융점(AFT) 석탄 활용. 실용상 AFT: 열풍 온도보다 50°C 높을 것. 고유동성 지수 석탄→취구 팁 근처 케이크 형성→차단 유발. 회피: 고케이킹 지수 석탄 배제, 또는 유량 증대.
랜스 취구 근접 배치→블로우파이프 내 회분 충돌 저감. 공랭 동축 랜스 활용→차단·침식 방지, 팁 수명 연장. 냉각 공기 유량 최소화→석탄 연소 냉각 효과 저감. 단, 랜스 차단 여전히 빈번 발생. 차단 검지·제거 정립 절차로 문제 예방.
주입 랜스 합금 변경, 열풍 온도 제한→랜스 팁 용융 영향. 랜스 내구성: 시간 경과 소모→중요 운전 고려사항.
경주로: 고로 내 전체 부피 1% 미만이나 필수 영역. 열·환원제 공급. 석탄 주입→경주로 조건 필연적 변화→경주로 외 파생 결과. 미연소 입자 경주로 이탈→투과성 저하, 바람직않은 가스·온도 분포, 과도 코크스 침식, 차 캐리오버 증가 등 운전 문제. 미연소 차량 주입율 증가 비례 증가. 주입 석탄 경주로 내 연소·가스화 거동→안정 조업 핵심 요소. 고로: 경주로 내 연소량보다 더 많은 주입 석탄 소비 가능(미연소 물질 고로 타부위 소비).
고로 내 석탄 연소 광범위 연구. 벤치스케일 장비: 열중량 분석(TGA), 드롭 튜브 퍼니스(DTF), 와이어 메쉬 반응기(WMR). 이 기법들 경주로 조건 완전 모사 안 됨. 예: DTF 내 석탄 입자 체류 시간~초 단위, 고로 경주로~밀리초. 따라서 비교 평가용(석탄 종류별)로 통상 사용.
다른 접근: 경주로 조건 모사 전용 설비. 열풍 충전 밀집 코크스 베드 주입, '핫 모델' 칭함. 밀리초 단위 짧은 체류 시간, 상이한 경주로 위치 모사 가능. 단, 파일럿 스케일도 고로 경주로 조건 완전 모사 안 됨. 예: 취구/버슬 메인 압력 근접 조건 미작동 가능. 경주로 고압→석탄 가스화율 증가.
경주로·타부위 석탄 거동 평가용 다수 컴퓨터 모델 존재. 타당성 의문: 묘사 메커니즘 복잡·미완전 이해. 정확도: 가정·모델 내 관계 타당성 의존. 석탄 거동: 고로 설계·운전 조건·석탄 물성 강영향→컴퓨터 모델: 특정 고로·조건·동일 석탄 종류 개발·검증 대상만 적용 가능. 전 기법 공통 한계.
주입 랜스 출구~경주로 후벽 사이(물리 거리~0.7~2m) 석탄 연소: 고온(1400~2200°C), 고압(~3~6 kg/cm²), 극단적 단시간(펄버라이즈드 입자 10~40 msec). 이 가혹 조건서 높은 석탄 연소율 달성 필요.
석탄 연소 공정 단계(일부 중첩):
경주로 내 가스 조성·온도 분포 지배: 코크스 연소보다 석탄 연소 특성(우선 연소됨). Fig 1: 경주로 내 석탄 연소 단계 일부, 가스 조성 변화 개략. 대부분 O₂ 취구 코 부근 소비, 중간 CO₂ 풍부 분위기, 경주로 말단 CO 풍부 분위기.
Fig 1 경주로 내 분쇄탄 연소 및 가스 조성
연소율(연소 효율), 미연소 물질 경주로 이탈량 결정 파라미터: (i) 석탄 물성(VM 함량, 입자 크기, 밀도), (ii) 운전 조건(블라스트 가스 조성·온도, 랜스 위치·설계).
Fig 2: 연소 효율-PCI율 그래프. 고로 물질·열수지 모델 탄소 수지 기준 최대 PCI율 조사 연구 기반.
Fig 2 연소 효율과 분쇄탄 주입율
경주로 내 분쇄탄 연소·가스화 거동: 석탄 물성 영향. 물성 일반적 화염 온도(FT)·연소 효율(CE) 영향 기술.
PCI→FT 냉각 효과. FT 중요 파라미터: 슬래그·금속 화학, 알칼리 원소 증발·순환, 허스 금속 흐름 영향. FT 측정 곤란→경주로 구역 에너지 수지 계산. 계산값='경주로 단열 화염 온도(RAFT)' 또는 이론적 FT. RAFT 계산: 고로별 가정 차이→값 직접 비교 곤란. 각 고로별 최적 RAFT 존재(부담 조성·투과성, 코크스 품질, 송풍율 등 의존). 석탄 주입→RAFT 저하(전코크스 대비, 흡열 반응 촉진). 저VM·고VM 석탄: 100 kg/tHM당 FT 저하폭 80~120°C, 150~220°C. 일반적으로 석탄 H₂/C 비율 높을수록 냉각 효과 큼. RAFT: 석탄 주입율 증가 따라 저하. 열풍 온도↑, O₂ 농축↑, 열풍 수분↓→석탄 냉각 효과 보상.
BF 환경 모사 연소 실험: CE 통상 석탄 VM 증가 따라 증가. 고VM(HV) 석탄: 용이 가스화→다량 가스(저CV), 소량 차 생성→저VM(LV)·중VM(MV) 대비 가스 연소 중요성 큼. 가스 연소 불완전→그을음(soot) 생성→경주로 이탈 시 BF 투과성 악화. 그을음 반응성<미연소 차.
탈휘발 정도: 석탄 입자 크기 영향, 미세할수록 완전 탈휘발. 석탄 VM 감소→최종 CE: 차 반응 지배(VM 착화·연소 빠름). 고반응성 차→고CE. 경주로 고온서 화학 반응성 중요도 낮아짐 논쟁: 연소율 O₂ 확산 속도 제한, 연소 완료 시간 입자 크기·O₂ 농도 의존. 짧은 체류 시간 결합→차 반응성 차이 경주로서 유의미하지 않을 수 있음. 다른 견해: 미세 입자 사용(PCI 80%<75µm), 고난류 조건→차 연소 전반적 속도 고유 화학 반응성 영향. 차 반응성 경주로 외 확실히 중요. 상부 로 조건서 차 가스화: 화학 반응 속도 제어 예상→전체 차 가스화 반응율: 차 CO₂ 화학 반응성 영향.
일반적으로 차 반응성↑: 석탄 VM↑(HV 석탄→LV 대비 고반응성 차 생성→좋은 연소 완료). 예외 존재: 차 반응성 영향 인자 다수: (i) 형태학(표면적·기공율), (ii) 결과 구조, (iii) 조성, (iv) 운전 조건. 차 연소율·반응성: 입자 크기·기공 구조 부분 의존. 기공 구조→반응성 가스 내부 공급, 가변 내부 반응 표면 제공.
차 파편화(구조 영향)→외부 표면적 증가. 고가열율서 얇은 벽 공동, 고매크로 기공율·표면적 보유 차 입자 다량 생성. 일반적으로 이런 차→두꺼운 벽/저기공율 대비 파편화 많음→고차 반응율. 파편화: 일부 조업자 VM 연소성 영향 적음 발견 이유 가능. 고랭크(LV) 석탄 고온 형성 차: 고정렬→저반응성. 고온서 고이방성 차 세노스피어 발달→차 반응성 저하. 이 석탄들: 저열풍 온도→연소성 개선 유리.
마세랄 조성 변화→연소 반응성 차이 설명(특히 유사 랭크 석탄 간). 이너티나이트 마세랄: 통상 '불활성'(비반응성) 간주. 단, 단순하지 않음. 모든 이너티나이트 비반응성 아님, 모든 비트리나이트 반응성 아님. 비트리나이트, 이너티나이트, 립티나이트 모두 미연소 C 잔류 기여 가능. 500°C서 이너티나이트 풍부 석탄 차<비트리나이트 풍부 석탄 차 반응성 낮음, 1300°C 고온서 더 이상 중요치 않음. 경주로 극한 연소 조건서 석탄 간 연소성 차이 크게 축소 가능성.
석탄 구성 광물 촉매 효과→연소 성능 개선, 과도 광물 농도→지연. SiO₂, Al₂O₃→반응 속도 저하, Ca, Mg, Fe, 알칼리류→개선(촉매 효과 저랭크석탄서 더 현저). 단, 광물 풍부 입자 연소성 개선: 촉매 효과보다 반응 가스 광물·마세랄-광물 계면 유리 확산 탓 귀인. 차 반응성-개별 무기상 명확한 상관관계 부재: 온도 영향 석탄 광물 전환 차이 관련. 고반응성 석탄·차 선호되나, 과고 반응성→불안정 로 조건 유발 가능.
블렌딩→불리한 연소 특성 희석. 단, 블렌드 연소 성능: 단일 석탄보다 복잡. 각 성분 상이 온도·시간 탈휘발·연소→번아웃 편차 큼. 성분 간 상호작용→연소 거동 예측 복잡화. 상호작용 1차: 펄버라이저 내(성분별 경도 큰 차이→입도 분포 큰 차이 잠재). 불균등 분포→결과 입자 광물·암석 조성 영향→후속 연소 거동 영향.
성분 간 상호작용→블렌드 연소성 증대 가능. 예: LV 석탄 고VM 석탄 블렌딩→연소성 개선. HV 석탄 다량 VM 방출→고가스 온도장 형성→LV 석탄 가열→탈휘발·착화·연소 촉진. 시너지 효과: HV 비율 높을수록 현저(일정 비율까지). BF 모사 조건: HV 32.5% VM 70% + LV 20% VM 30% 블렌드→최고 번아웃.
석탄 연소 성능: 입자 크기 영향. 완전 전환·유효 활용 위해: 가열, 탈휘발, 열분해, 연소→열풍 진입~경주로 경계 사이 완료 필요. 일반적으로 입자 크기 감소→VM 방출량 증가→기상 연소 촉진.
미세 입자: 높은 비표면적→고가열율. 입상탄: 펄버라이즈드 대비 저VM 방출. 계산 열분해 수율: 펄버라이즈드~전량 VM 방출, 입상탄→불완전. 입상탄 잔류 VM→후속 CO₂ 가스화 반응성 영향. 탈휘발 정도: 미세 입자(45~75µm)>대입자(75~150µm). 효과: LV 석탄(15% VM)>HV 석탄(37% VM)서 더 현저. 이유: 고VM 방출→2차 반응 그을음·타르 생성→그을음 반응성<미연소 차→저그을음 형성→BF 안정성 유리.
CE(번아웃): 입자 크기 감소 따라 통상 증가(높은 표면적→반응 유리). 대입자: 긴 연소 완료 시간 필요. 증가폭: 석탄 VM 증가 따라 더 현저. 단, 입자 크기 효과: O₂ 화학량론, 석탄 랭크(차 반응성) 의존. 모사 BF 조건: 대입자 CE>소입자 CE(O₂/C>2, 연료 빈약 조건). 소입자 CE>대입자(O₂/C<2, 연료 풍부 조건).
석탄 유효 활용 위해: 경주로 파라미터 변화 및 타부위 영향(열상태, 슬래그 레짐, 가스 역학) 보상 운전 변경 필요. 취구/경주로 영역 석탄 연소 강화→주입율 증대 조치: (i) 취구 O₂량 증대, (ii) 열풍 온도·수분 조정. 타 대책: 석탄 예열, 첨가제 사용. 입자 크기 선택→분쇄 파라미터→CE 영향.
취구 O₂ 첨가: (i) 열풍 농축, (ii) 석탄 랜스 통한 주입, (iii) 별도 O₂ 랜스. O₂ 첨가→경주로 내 석탄 연소 참여 O₂ 가용성 증가→석탄 CE 상승. 단, O₂ 농축 CE 영향 제한적. 계산: 열풍 O₂ 농축 0→6 vol% 증대 시 CE: HV 석탄(34.5% VM)~6.7%↑, LV 석탄(14% VM)~3.3%↑. 고농축→불충분 혼합→CE 역감소 가능. O₂ 농축→O₂ 확산 증대 but 연소 가스량 감소(석탄 입자 열전달 매개)→블라스트 O₂ 함량 연소도 비선형 효과.
열풍 O₂ 농축→버쉬 가스 유량 감소+화염 온도 상승. 전자: 고주입율 부담 저항 증가(투과성 저하)·압력 강하 상쇄. 후자: 석탄 VM 분해 냉각 효과 보상. CO·H₂ 함량도 O₂ 농축 시 증가→중심 샤프트 철광석 환원 개선. 상부 가스 CV 통상 O₂ 농축 시 개선.
O₂ 농축 하한: 필요 RAFT 유지량 결정, 석탄 VM 증가 시 더 많은 O₂ 필요. 화염 온도 과고→부담 하강 불규칙. 과저→석탄 연소·광석 부담 용융 저해. 상한: 충분 상부 가스 온도 유지 의존. O₂ 증가→고로 내 가스 질량 유량 감소→상부 영역 열유량 감소(부담 건조용). 상부 가스 온도 상한: 상부 가스 설비 보호 필요도 지배. 타 제한: 비용, 가용성.
주입 랜스 위치·설계→CE·취구 회분 퇴적 영향. 옥시-코크스 랜스 주입(동축 주입)→석탄 입자 주위 절연 효과→취구 내 석탄 연소 저감→경주로 이월→최종 연소 저감. 이 경우 O₂ 랜스 주입율 저하→CE 개선.
고주입율 연소 핵심 대책: 고열풍 온도. O₂ 농축: 석탄 연소 제어보다 고로 내 가스 유량 제어 수단으로 더 중요. 통상 고열풍 온도: O₂ 농축보다 비용 효율적(저O₂ 소비 허용). 열풍 온도 상승→코크스 소비 절감(PCI 시 40°C 상승당 ~10 kg/tHM), 경주로 깊이 소폭 증가. 고열풍 온도 필요: 석탄 VM 증가 시(저VM 석탄 저차 반응성 탓).
열풍 수분 저하→PCI 냉각 효과 보상. RAFT 과고 시 열풍 수분 증대. 열풍 수분 상승→버쉬 가스 H₂ 증가→철광석 환원. 고H₂ BF 최적 RAFT: 저H₂ BF보다 낮을 수 있음. 풍속 조정→석탄 연소 개선+경주로 구역 필요 길이 유지(허스 조건 양호 확보).
주입율 증가→석탄 연소성 저하 경향→미연소 물질(차, 미분, 플라이애시) 경주로 이탈. 일부: 코크스 파편과 함께 경주로 후방 버드네스트 축적→상승 가스 흐름·이송 고체 방해. 다수: 상부 휩쓸림→응집대 하부 축적→투과성 저하→BF 생산성 저하. 하부 로 구역 투과성 변화→쇳물 품질·슬래그 점도 영향. 미연소 물질: 가스 흐름 큰 변화 위치 축적 경향. 최종 가스 흐름 휩쓸림→응집대 코크스 슬릿 통과→샤프트 상승→부담 투과성 영향→상부 가스 동반 배출. 고석탄 주입율→연소 가스량 증가→가스 흐름 증가, 하부 로 열부하 변화. 추가 슬래그 생성.
미연소 미세 물질 퇴적: 다수 생성 메커니즘, 반응, 다상 흐름, 축적, 재부유 복합 현상. 고로 내 미세 물질 거동 이해·예측 위해 다양한 가스 흐름 모델 개발. 적절한 부담 장입 패턴(중앙 코크스 장입 등), 강코크스 사용→가스 흐름 관련 다수 문제 해결.
운전 경험: 미연소 물질(차) 대부분 고로 내 3메커니즘 소비: (i) CO₂·H₂O 가스화, (ii) 액체 철 반응(탄소화), (iii) 슬래그 반응. 미연소 차 광석 환원 반응 참여→코크스 추가 대체, 상부 가스 미연소 고체 저감→유리. 3가지 차 소비 메커니즘:
차-CO₂/H₂O 가스화: 경주로 개시, 미세 입자 체류 시간 너무 짧아 의미 반응 불가→주로 고로 샤프트 발생. 차 C-CO₂(용해 손실/부두아르 반응)·H₂O 반응: 차 연소보다 느림. 석탄 유래 차 vs 코크스 유래 차: CO₂·H₂O 경쟁. 석탄 차>코크스 차 반응성→석탄 차 우선 가스화. 따라서 PCI율 증가→코크스 용해 손실 반응 열화 감소. 일반적으로 고VM 석탄 차 CO₂ 반응성>저VM 석탄 차. 단, 저VM 석탄 차 반응성 고VM 블렌딩으로 개선 가능. 석탄 블렌드 CO₂ 반응성 비가법적.
미연소 차 C CO₂/H₂O 반응성: 표면적(입자 크기)뿐 아니라 구조·조성, 운전 조건 의존. 석탄 차 CO₂ 가스화 반응성: 1500°C까지 온도 상승 따라 증가, 특히 1300~1500°C. 완전 차 가스화: 1500°C~10초 접촉 시간 필요. 고로 고온 체류 시간 너무 짧음→차 가스화 주로 샤프트 하강 온도서 발생.
차 물성 고로 상승 따라 변화→CO₂/H₂O 반응성 변화. 반응 분위기 불균일: CO, CO₂, H₂, H₂O 농도 위치별 상이. 석탄 주입→버쉬 가스 H₂ 증가. H₂ 환원 화학 반응 속도>CO→버쉬 가스 H₂ 상승→용해 손실 반응 정도 감소. CO₂·H₂O 상부 고로 존재(산화철 환원 탓). 이 조건서 차 CO₂ 가스화: 화학 반응 속도 제어 예상. 하부 고로: 차 가스화 부분 확산 제어. 전체 차 가스화 반응율: 이 영역 차 CO₂ 화학 반응성 영향 가능. 차 CO₂ 반응성: 화학 구조 영향, 덜 정렬 구조 더 반응성.
차 회분 특정 광물(Fe, 알칼리 등)→CO₂ 가스화 촉매, 타 광물(SiO₂, Al₂O₃)→지연. 촉매 효과 저랭크 석탄서 더 현저. 조성 따라 회분: 차 입자 내 슬래그 생성 비율 증가→차 입자 차단→C 전환 지연. 하부 고로: 순환 가스 응축 알칼리→촉매 효과. C 가스화 손실→차 회분 함량 증가. 일반적으로 WP 회분(광물) 함량 PC보다 낮음→고로 내 소비 가능성 높음. (원문 WP→석탄/PC 문맥상 오타로 보임, 석탄 차로 이해)
쇳물 탄소화: 응집대 고상 개시→활성 코크스, 데드맨, 허스 존 금속 방울 하강 중 지속. 경주로 이탈 미연소 차·미세 물질→보시·허스 존 하강 액체 금속 접촉. C, Fe, Si, S 등 원소 차→액체 철 용해→쇳물 조성 영향. C 용해→액체 Fe 탄소화 기여, 차 소비 수준 제어. CE 낮을 때 결정적. 쇳물 데드맨·허스 도달 시 포화 근접→미연소 물질 소비 불가→이 구역 투과성 저하. C: 미연소 석탄+코크스 유래. 석탄 차 C 용해율(더 큰 입자라도) 코크스보다 느림→코크스 C 우선 소비.
미연소 차→액체 금속 C 용해 영향 인자(운전 조건+):
미연소 차, 회분, 미분, 코크스→하강 액체 슬래그 상호작용. 슬래그 조성 하강 중 변화, Fe 산화물 농도 지속 저감(환원). 고체 차-액체 슬래그 계면 반응→차 소비 주요 역할(환원 반응 속도론, 슬래그-차 접촉 면적 영향).
미연소 차-슬래그 상호작용 영향 인자: 슬래그 조성, 차 C 함량, 차 회분 함량·조성, 운전 조건. 차 슬래그 소비 기본 메커니즘:
슬래그 점성도 역할. 미연소 차 슬래그 내 존재→점도 증가→탭핑 방해. 차 동화→보시 슬래그 유동성 증가 통상. 슬래그 유동성 변화→유동대·응집대 위치·형상 영향. 취구 주변 고점도 슬래그→심각 가스 흐름 문제. 슬래그 점도: 조성, 온도, O₂ 분압 복합 함수. 미연소 차, 코크스, 석탄 미연소 회분 모두 슬래그 상호작용. 산화물 슬래그 기여. 일반적으로 고SiO₂/Al₂O₃(산성)→점도 증가, 고염기도(고CaO/MgO)→실리케이트 네트워크 탈중합→점도 저하. 고정 염기도서 FeO(0~20%) 증가→점도 감소. 염기도 통상 CaO/SiO₂ 비율. 슬래그 보시 구역 차·회분 완전 동화 안 함→보시 슬래그 염기도>탭핑 슬래그 통상. 플럭스 첨가→슬래그 형성 문제 해결 도움.
제조공정
고로 샤프트 스캐폴드 형성 스캐폴드(scaffold)는 고로(BF) 벽면 부착물 또는 스캡(scab) 형성으로 고로 샤프트 단면적 감소 현상. 스캐폴드 고로 샤프트 상부 또는 하부(보시 상단 근처) 발생 가능. 서로 다른 고로 간 스캐폴드 구조·위치 공통점 적어 유형 일반화 어렵지만, 크게 두 그룹 분류 가능: (1) 적층형 스캐폴드, (2) 비적층형 스캐폴드. 적층 구조 스캐폴드: 금속철(Fe) 층과 알칼리 풍부 부담 층 교대. 대형 스캐폴드 전형적 형성 그림 1. 그림 1 고로 내 대형 스캐폴드 전형적 형성 스캐폴드→행
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
