고로(BF)는 노 바닥(hearth)을 제외하면 기본적으로 가스와 부담 입자가 반대 방향으로 흐르는 통로입니다. 안정적인 고로 조업의 기본 요건은 변동이 적은 이동 부담층을 노 내에 유지하는 것입니다. 구체적으로 안정된 가스 흐름과 혼합 부담층이 없는 부담층 구조를 형성해야 하며, 이 둘은 밀접하게 연관됩니다. 가스 흐름 안정성은 거의 전적으로 부담 투과성(permeability)에 의존하는데, 이는 부담 충전 구조(입자 크기, 입도 분포, 미분 비율 등)와 부담 하강 거동(고체 흐름)에 의해 결정됩니다.
원칙적으로 고로 공정은 고체, 기체, 액체, 분말의 4상(phase)이 역류, 공류, 교류 복합적으로 흐르는 복잡한 시스템입니다. 상 간 상호작용은 고로 내 각기 다른 영역에서 뚜렷하게 국소화되어 나타납니다. 일반적으로 고로 내에는 5개의 명확한 존(zone)이 존재합니다(그림 1 참조).
부담 상(phase)과 영역별 고유 상호작용이 다르기 때문에 고로 전체 체적에서 단일한 부담 이동 또는 흐름 패턴이 존재하지 않습니다.
부담 하강 메커니즘은 광석과 코크스의 반응·용융·연소에 의한 소멸, 부담층 상단 및 노 벽 근처 입자 운동, 미세 원료가 조립층으로 침투하는 현상 등이 복합됩니다. 부담 하강에 영향을 주는 요인은 다음과 같습니다.
고로 조업은 프로파일링, 입도 분포, 성능·생산성에 영향을 주는 모든 요소에 매우 민감합니다. 원활한 고로 조업을 위해 스톡라인에서 고체 부담 소재(철광석, 코크스, 플럭스)의 분포를 최적화하는 것이 필수적입니다. 스톡라인 레벨에서 부담 분포를 적절히 제어함으로써 고로 내부 상태를 제어하는 것이 중요합니다.
고로 부담 소재는 원활한 조업을 위해 기계적, 화학적, 열적 요구사항을 충족해야 합니다. 장입 소재는 부담을 지지하고 환원 가스가 고로 샤프트를 통과할 수 있도록 강하고 투과성 있는 구조를 형성해야 합니다. 부담의 조기 분해는 피해야 하는데, 미분 생성은 샤프트 내 환원 가스 흐름을 교란시켜 공정 효율을 떨어뜨리기 때문입니다. 따라서 고로에 미분 부담 소재를 장입하는 것은 배제해야 합니다.
부담 하강, 화학 반응, 열 프로파일, 액체 이동을 각 존에서 최적화하여 생산성 극대화와 안정 조업을 달성해야 합니다. 고로 내부 공정(장입 소재 물리적 변화 및 화학 반응)과 주변 보조 작업(부담 비축, 회수, 수송, 저장, 배출, 이송, 장입)은 분리될 수 없는 연계 공정으로, 양자를 통합적으로 최적화해야 안정적이고 높은 고로 생산성 달성이 가능합니다.
고로 장입 소재인 철광석, 코크스, 플럭스는 이산 고체 입자들이 서로 접촉하고 있는 벌크 고체(bulk solids)로 분류됩니다. 이 소재들은 여타 입상 재료와 마찬가지로 상호작용하는 입자들로 구성되며, 내부 구조는 끊임없이 진화합니다. 표 1의 벌크 고체 크기 분류에 따르면 고로 장입 소재는 '파쇄/불연속 고체(broken/discontinuous solid)'로 분류됩니다.
| 표 1 벌크 고체 크기 분류 정성 용어 | |||
|---|---|---|---|
| 순번 | 크기 범위 (mm) | 대표 용어 | |
| 구성 입자 | 벌크 상태 | ||
| 1 | 0.1 미만 | 입자(particle) | 분말(powder) |
| 2 | 0.1 ~ 1 | 과립(granule) | 입상 고체(granular solid) |
| 3 | 1 ~ 3 | 립(grain) | 파쇄 고체(broken solid) |
| 4 | 3 이상 | 덩어리(lump) | 파쇄 고체(broken solid) |
동일 물리·화학적 특성을 가진 입자들을 벌크 고체의 이산 구성요소로 볼 때, 벌크 고체의 혼합(의도적이든 비의도적이든)은 필연적으로 구성요소의 자연적 분리를 초래합니다. 이를 분리(segregation, 탈혼합)라 합니다. 자연적/산업적으로 벌크 고체 이산 구성요소 간 분리는 의도한 기능에 따라 유익할 수도(물리적 분리 공정) 해로울 수도(혼합 공정) 있습니다.
고로 부담 소재는 코크스, 소결광, 펠릿, 정광석(CLO), 석회석, 돌로마이트, 망간광, 석영석 등으로 구성됩니다. 공정 특성상 고로 공정은 부담 소재의 크기, 분포, 강도에 본질적으로 민감합니다. 고로 내 부담 소재 분포는 가스 상향 흐름뿐만 아니라 공정 화학, 상 간 열·물질 전달에도 영향을 미칩니다. 소재 강도는 하강하면서 하중이 증가하므로 중요하며, 고온·고압 하 후속 화학 반응으로 마모와 파손이 빈번해져 부담 무결성이 더욱 저하됩니다.
BF 코크스는 부분 용해 반응을 거치며 고로 바닥까지 하강하는 유일한 부담 소재로 조업 중 지지 구조물 역할을 합니다. 코크스는 조강 원가에서 높은 비중을 차지합니다. 최근 값싼 대체 탄소원으로 코크스 대체 노력이 이어지고 있으며, 대표적으로 레이스웨이에 분탄을 직접 분사하는 분탄 분사(PCI) 기술이 쓰입니다. 그러나 대체에는 이론적 한계가 있습니다. 적정 코크스가 부족하면 부담 투과성이 떨어져 고로 질식(choking)과 행잉(hanging)을 초래하고, 이는 슬리핑(slipping) 발생으로 이어집니다.
고로 부담 조성은 용융 온도, 연화 특성, 일부 환원 파라미터 등 노 내부 공정 변수를 결정하므로 부담 분포가 최적화되지 않으면 생산에 악영향을 줍니다. 이러한 제약과 과제 속에서 부담 분포의 적절한 제어 필요성이 대두됩니다. 표 2는 대표적인 고로 부담 소재 크기 범위입니다.
| 표 2 고로 부담 소재 대표 크기 범위 | |||
|---|---|---|---|
| 순번 | 소재 구성요소 | 크기 (mm) | |
| 최소 | 최대 | ||
| 1 | BF 코크스 | 25 | 50 |
| 2 | 정광석(CLO) | 10 | 30 |
| 3 | 소결광 | 5 | 30 |
| 4 | 철광석 펠릿 | 8 | 20 |
| 5 | 석회석 | 10 | 40 |
| 6 | 돌로마이트 | 10 | 40 |
| 7 | 망간광 | 10 | 40 |
| 8 | 석영석 | 10 | 40 |
| 9 | 너트 코크스 | 10 | 25 |
입상 흐름의 물리적 현상과 흐름 구조는 언뜻 단순해 보이지만 실제로는 이해와 예측이 어려운 복잡한 거동을 보입니다. 직접적인 혼합·분리 파라미터 정보 부족으로 상황은 더 복잡해집니다. 그러나 고로 장입 소재 집합체의 크기와 넓은 입도 분포로 인해 분리 경향은 심각한 운영 문제로, 최대한 줄여야 합니다.
분말 역학 요소가 19세기 중반부터 알려져 왔음에도 불구하고, 벌크 소재 거동과 흐름에 대한 근본적 이해는 여전히 불충분합니다. 이는 흐름 물리의 독특하고 복잡한 특성 때문입니다. 벌크 소재 취급은 흥미로운 거동을 보입니다. 거시적 입자 혼합이 개별 입자 특성으로 인해 탈혼합되는 현상이 그 하나입니다. 이는 벌크 소재가 패턴 형성과 자기 조직화 경향을 보이는 데서 기인하며, 이는 유체 유사 특성을 띠기 때문입니다.
벌크 소재가 유체 유사 특성을 보이면서도 고체에 더 가깝지만, 전체 거동과 특성은 이 일반적인 물질 형태에서의 관측과 완전히 평행합니다. 통상 다른 물질 형태에서는 상온이 역학에 영향을 주지만, 벌크 소재 역학에서는 그 효과가 무시할 만합니다. 유체에서 전형적인 카오스적 이류(advection)나 혼합 효과와 경쟁하는 것이 벌크 소재의 자기 조직화 경향을 낳는 반면, 흐름 유도 분리는 유체 현상이 없습니다.
거시적 기본 공정 거동은 주로 미시적 입자 간 접촉과 마찰력에 의해 지배됩니다. 고로 장입 소재 크기(5mm 초과)를 고려하면 정전기, 반데르발스, 모세관력 등 표면력의 영향은 무시할 수 있습니다. 또한 부담 소재 흐름 거동은 비점착성 고체(non-cohesive solids)에 해당하는데, 점착 경향은 입자 크기 10µm 미만의 초미분말에서나 나타납니다.
벌크 소재 흐름은 구성요소, 즉 입자 크기, 밀도, 형상 등 물리적 특성이 같은 입자 그룹으로 정의되어 분류됩니다. 흐름 구조는 분석이 어렵고 입자 간 상호작용, 외부 여기(excitation), 경계 조건에 크게 영향을 받습니다. 따라서 모든 벌크 소재 흐름 구조를 포괄적으로 기술하는 일반적 방법은 없습니다. 입자들이 접촉하는 시간 구간에 따라 여러 유형의 흐름 구조를 구분할 수 있습니다.
벌크 소재 흐름에서 입상 흐름은 가변적인 준안정 비정상 상태(metastable unsteady states)를 보입니다. 진동 같은 외부 교란이 없으면 이 상태는 무한히 지속됩니다. 이러한 상태의 지속은 입자와 경계가 접촉하는 시간 구간에 의존하며, 이는 고체 부피 분율이 전체 유체(기체 또는 액체) 부피 대비 어느 정도냐에 따라 달라집니다. 결과적으로 입상 물질 흐름은 고체 부피 분율에 따라 희박 흐름(dilute flow)과 밀집 흐름(dense flow, 접촉 지배)으로 분류됩니다. 접촉 시간 구간에 따라 밀집 흐름은 다시 충돌 지배(collision-dominated)와 접촉 지배(contact-dominated)로 세분됩니다. 이 세 분류에서 거동과 특성 흐름은 각 분류에 고유합니다. 희박 흐름에서는 유체-입자 상호작용(양력, 항력)이 입자 운동을 지배하는 반면, 밀집 흐름에서는 입자-입자 또는 입자-벽 충돌, 지속적 입자-입자 접촉이 지배적입니다.
희박 흐름, 충돌 지배 밀집 흐름, 접촉 지배 밀집 흐름의 개략적 분류는 그림 2에 나와 있습니다. 그림 2의 희박 벌크 소재 분류는 사이클론 분리기, 유동층, 고로 소재 호퍼 흐름 등에서 관찰됩니다. 밀집(충돌/접촉 지배) 흐름은 고로 부담 소재의 배출, 저장, 수송 공정에서 전형적입니다.
두 밀집 흐름 체제의 공통 특징은 길이와 시간 척도의 함수로서 구조적 진행(structural progression)이 일어나며, 이는 입자 재배향(reorientation)에 의한 패턴 형성을 이끕니다. 이러한 물질 배향은 중간 척도 구조(intermediate scale structures)에 의해 구동됩니다. 개별 입자 척도(마이크로 스케일)는 중간 척도에 의해 거시/연속체 척도(매크로 스케일)와 분리됩니다. 입상 흐름 집합체의 복잡한 입자 간 상호작용을 이해하는 것이 분리/탈혼합 현상 정량화에 핵심입니다. 이때 거시 구조적(벌크) 거동과 미시 구조적(이산) 역학 간의 관계를 정립해야 합니다.
흐름이 분산·산란·에너지적이며, 입자들이 주로 근접 순간적 이진 충돌(binary collisions)로 상호작용합니다. 관성 효과는 무시 가능. 충돌은 비탄성이고 입자-입자 또는 입자-경계 상호작용에서 에너지가 소산됩니다. 충돌이 소산적이므로 입상 물질의 '유동성'을 유지하려면 일정한 일(work) 공급원이 필요합니다. 소산적 충돌 특성으로 인해 클러스터링(clustering)과 밀도 파동(density waves) 같은 독특한 흐름 거동과 패턴이 관측됩니다. 밀도 파동은 입상 온도(granular temperature)와 연계된 현상으로, 입자들이 평균 속도와 다른 속도 영역으로 흐르며 균일하게 흐르지 않는 현상입니다.
입자-입자 충돌이 강하게 상관되어 있으며, 이진도 아니고 순간적이지도 않고 지속적(multiple, enduring)입니다. 이 흐름은 두 가지 흥미로운 특성을 보입니다. (i) 유동이 가능한 임계 전단 응력이 존재하고, (ii) 유동 개시 시 전단율(shear rate)에 복잡하게 의존합니다. 그 결과 완전한 흐름 구조에는 접촉 지배 흐름과 연관된 점소성(visco-plastic) 특성이 포함되어야 합니다.
국소 회전을 통한 자유도 추가, 확률적 흐름 규칙 도입, 운동론 수송 계수(점성항, 충돌 빈도, 소산항) 수정 등 다양한 처리에 기반한 여러 구성 법칙(constitutive laws)이 제안되었습니다. 최근 관성 수(inertia number)라는 파라미터가 등장하는 공식화는 접촉 지배 흐름의 광범위한 점소성 특성을 재현할 수 있는 강건한 공식화로 보입니다. 관성 수는 전단율에 입자 질량의 제곱근을 압력으로 나눈 값을 곱한 것입니다.
입상 물질 취급은 균질하고 균일한 분포가 필요할 때 특히 복잡합니다. 크기가 크게 다른 물질들이 자연스럽게 분리(탈혼합)되려는 경향이 있기 때문입니다. 유체 공정에서는 혼합이 균질화를 촉진하지만, 입상 흐름에서는 혼합과 분리가 거울상 관계에 있어 장기간 혼합이 오히려 탈혼합(분리)을 촉진합니다. 따라서 반복적 취급 공정을 거치는 고로 부담 소재의 경우 혼합을 '조용한 특징(silent feature)'으로 다루는 것이 유용합니다.
입상 물질의 자연적 질서는 분리 또는 비균질 거동에서 벗어나는 것입니다. 입상 물질이 노출된 시스템 상태(장입, 저장, 배출, 수송)에 따라 분리가 발생하는 메커니즘이 다릅니다. 분리의 주요 동인은 입자 크기 차이, 밀도 차이, 마찰 효과·반발 계수·안식각 등 미시적 특성 차이입니다. 이 중 입자 크기가 입상 입자 분리 거동을 결정하는 가장 중요한 인자입니다.
분리 최소화 연구에서 13가지 입상 물질 분리 메커니즘이 제안되었으나, 대부분 다른 메커니즘의 특수/중복 사례입니다. 이를 고려해 유연성을 위해 입상 물질 분리를 5가지 주요 메커니즘으로 단순화했습니다. 이 중 유동화(fluidization)와 응집(agglomeration) 분리 메커니즘은 각각 미세/점착 입자에 해당해 고로 장입 소재에는 적용되지 않습니다. 따라서 고로 장입 소재의 장입, 저장, 배출, 수송에 적용되는 나머지 3가지 주요 분리 메커니즘을 설명합니다.
입도 분포를 가진 입자들이 상호작용하면(예: 저장 빈 내부) 자발적 압밀 트리클링(consolidation trickling)이 발생해 작은 입자가 큰 입자 틈새(interstices)를 통해 아래로 침투·체거름됩니다. 입상 물질이 흐르면 입상 간극이 벌어지고 틈새가 생깁니다. 작은 입자는 큰 입자 아래 작은 틈새로 들어갈 수 있지만 역은 어려워 작은 입자가 자유 표면에서 멀어지는 순 분리 플럭스(net segregating flux)가 발생합니다. 이를 침투(percolation)라 합니다. 정상 상태에서 입자들은 하층에 미세 입자가 많은 상태로 분리됩니다. 그림 3은 침투 분리 메커니즘을 보여줍니다.
이진 시스템에서 입자 직경 d₁, d₂ (d₂ > d₁)일 때, d₁/d₂ ≤ 0.1547이면 자발적 체거름이 발생합니다. 이 임계 비율은 슈트 흐름에서 입자 크기 차이에 의한 분리의 상세 모델 유도에 처음 사용되었습니다.
침투 분리 메커니즘은 진동 스크린 등 진동 운동에 의한 전단 유도로 심화되며, 큰 크기·고밀도 입자도 상부로 이동할 수 있습니다. 이는 진동 시스템에서 분리에 기하학적 고려만 필요함을 시사합니다. 요약하면 침투 분리가 발생하려면 주로 세 조건이 필요합니다: (i) 체거름 임계 크기 비율, (ii) 미세 입자가 비점착성이라 틈새 통과 가능, (iii) 충분한 변형률 또는 입자 간 운동으로 미세 입자가 다중 틈새로 향할 확률 증가.
궤적 구동 분리 메커니즘은 주로 장입 소재 이송 지점(저장 빈 충전, 저장 호퍼 배출, 컨베이어 벨트 끝단 배출)에서 나타납니다(그림 4 참조). 입상 물질 원활 흐름 조건 연구에서 서로 다른 크기의 물질이 마찰 항력 차이로 다른 속도로 이동해 분리가 발생함을 지적했습니다. 궤적 분리 메커니즘은 유체 속으로 수평 투사된 입자를 고려해 수학적으로 설명되었습니다. 직경 d, 밀도 Dₚ, 스토크스 법칙 지배 항력을 받는 작은 입자의 최대 이동 거리 X는 X = Dₚ·Vᵢ·(Dₚ)²/18 V_f로 주어집니다. 그러나 고로 장입 소재 크기를 고려해 항력 무시 시 입자 궤적은 무차원 궤적 방정식으로 주어집니다. 이 방정식에서 입자 궤적은 크기(질량)에 의존하지 않고, 각 입자별 자유 낙하 개시 시 무작위 초기 속도에 의존함을 알 수 있습니다.
세 가지 효과로 구성됩니다: (i) 마찰 효과, (ii) 반발 계수 효과, (iii) 안식각 효과.
서로 다른 정지 마찰 계수 F를 가진 두 성분 입상 물질은 분리됩니다. 질량 m, 높이 h, 미끄럼 마찰 계수 Fₛ, 구름 마찰 계수 Fᵣ, 반경 r인 구형 입자가 경사각 A인 경사를 내려갈 때(그림 5), 에너지 보존 원리로부터 불안정 평형 상태의 입자는 m·g·sin A·r = m·g·cos A·Fᵣ을 만족합니다. 이 방정식에서 입자 이동 거리 X는 미끄럼/구름 마찰 계수 고려 시 각각 X = (h/Fₛ)·(cos A)²·(1 - Fₛ/tan A), X = (r·h/Fᵣ)·(cos A)²·(1 - Fᵣ/r·tan A)로 유도됩니다. 구름 마찰 계수 고려 시 입자 이동 거리가 입자 직경에 의존해 분리가 발생하는 반면, 미끄럼 마찰 효과는 입자 크기와 질량 모두에서 독립적입니다.
원리적으로 동적 효과입니다. 입자 간 충돌이나 입자가 시스템 경계에 충돌할 때 계면 탄성(resilience) 차이로 다른 속도로 튕겨 나가 최종 위치가 결정됩니다. 예: 입자를 힙(heap) 위나 저장 빈에 장입할 때. 힙 꼭대기에서 충격 시 탄성이 낮은 입자는 튕겨 나가지 않고 그 자리에 갇히는 반면, 높은 탄성 입자는 튀어 나와 퇴적 지점에서 떨어진 곳, 주로 힙 주변부에 집중됩니다.
입상 물질을 쌓을 때 관찰됩니다. 힙을 쌓을 때 경사각(안식각)은 소재 종류에 의존하며 입자 수와 무관합니다. 회전 드럼에서 경계 효과가 안식각에 미치는 영향 연구에서 축 방향 분리가 정적/동적 안식각에 의해 영향을 받음이 지적되었습니다. 안식각 효과는 입자 크기, 분포, 형상, 마찰력 등 소재 파라미터에 의존하므로 다른 변수들이 포함된 혼합 메커니즘이 됩니다.
입상 물질 분리는 고려 중인 공정의 변수에 기반해 분류됩니다. 주로 (i) 입자 물리적 특성(크기, 밀도, 형상 분리), (ii) 에너지 입력(진동, 중력, 전단 분리), (iii) 입자 이동 방향(수평, 수직 분리), (iv) 사용 장비(호퍼, 슈트, 컨베이어) 기준으로 분류됩니다.
그러나 분리를 생성하는 자연적/확립된 공정, 즉 메커니즘에 따른 분류가 가장 일반적인 접근법입니다. 분리는 표면 현상(surface phenomenon)으로 널리 간주됩니다. 따라서 표면층 아래 입자들과 무관하게 다양한 메커니즘이 관찰됩니다. 원칙적으로 움직이는 표면층 입자의 거동만 고려해 메커니즘을 설명할 수 있습니다. 다양한 분리 유형에서 원칙적으로, 그리고 대부분 경우 전체 분리 메커니즘은 여러 상호작용 메커니즘의 조합입니다. 예: 체거름 분리는 미세 입자가 조대 입자 상대적으로 아래로 여과된다는 원리를 공유하므로 침투와 변위/이주 분리의 특수 사례로 볼 수 있습니다.
분리 메커니즘과 입상 물질 흐름에 미치는 영향에 대한 이해가 있음에도, 이 현상에서 기인하는 문제를 적절히 해결하려면 분리의 회피에서 분리의 제어로 패러다임을 전환할 필요가 있습니다. 이를 위해 정확한 정성적·정량적 분리 측정 방법이 필요하며, 특히 반복적 취급 공정을 거치는 고로 부담 소재의 경우 입자 물질 분포 지식과 입상 흐름 내 혼합·분리 정량화가 필수적입니다. 완전한 입자 분포 기술은 비자명한 과제지만, 노 스톡라인을 정확히 부담하려면 입자 물질 분포 지식과 혼합·분리 정량화가 필수적입니다.
원리적으로 분리는 복잡한 입상 물질 흐름의 일부분입니다. 또한 입상 흐름의 불투명성으로 인해 분리 연구 중 유용한 데이터를 물리적으로 추출하는 것은 사실상 불가능에 가깝습니다. 이론적 공식을 수학적 모델링 시뮬레이션에 적절히 접목하면 이러한 시스템의 입상 흐름 혼합과 분리를 더 잘 특성화할 수 있습니다. 분리 정량화는 분리 원인 인자들과 입자 운동 방정식 간의 상호관계를 완전히 포함하므로 중요한 과제입니다. 그러나 입상 혼합 품질을 측정하는 여러 지표들이 제안되었으며, 이들은 통계적 용어나 무차원 수로 표현되어 분리 정량적 척도로 쓰입니다. 흔히 쓰이는 혼합/분리 메트릭은 상대 표준편차(RSD)인데, 이는 단일 성분 시스템만 고려합니다. 이 RSD 분리 메트릭은 전체 시스템의 거시적 혼합 상태를 제공하므로 산업적 적용 지표로 반영됩니다.
혼합/분리 측정 메트릭은 많은 지수의 근간입니다. 혼합/분리 지수를 정의하는 데 편중 샘플(lumped sample)과 특정 분산 측도가 사용됨을 이해하는 것이 중요합니다. 정량화가 정보량이 많지만, 주요 단점은 측정 영역 평균화로 입자 간 분포 변이가 발견되지 않는다는 점입니다. 또한 고전적·기본적 개념에서 입상 물질 혼합/분리 공정은 표면 현상으로 정의되고 결론지어졌습니다.
여러 연구에서 취급 장비 형상, 운전 모드, 소재 물성이 물질의 혼합/분리 거동과 상관관계가 있음이 입증되었습니다. 여전히 남은 주요 과제는 혼합 역학을 기술할 뿐 아니라 더 복잡한 분리 현상을 본질적으로 다루는 통합 특성화 방법론을 확보하는 것입니다. 새로운 접근법은 장입 시스템 내 원료의 입자 간 관계 진화를 특성화하여 시공간상에서 혼합과 분리의 정도를 파악하는 것입니다. 이 방법의 핵심은 입자와 최근접 이웃 입자 간 관계의 일부 양상이 진화하는 입자 역학 공정에 대한 유용한 통찰을 제공할 수 있다는 아이디어에 기반합니다.
분리 동역학은 일반적으로 수리통계학적·확률적 프레임워크로 프레임됩니다. 이 접근의 명백한 한계는 공정의 물리적 본질이 절대적으로 반영되지 못하고 분리 진행 방향을 제시하지 못한다는 점입니다. 이는 지식이 경험적이라 일반화 가능성을 제한합니다. 실제 입상 흐름 시스템에서 발생하는 만연한 탈혼합 경향을 둘러싼 모든 물리를 통합한 메커니즘 모델을 개발한 최초의 선구적 연구에서, 입상 물질 혼합물의 운동론(kinetic theories)을 적용해 침투 메커니즘 기반 분리 경향을 연구했습니다. 통계적·차원 분석 조합으로 개발된 공식화는 무시할 만한 지속적 마찰 접촉과 충분히 높은 전단율 하에서 총 응력의 지배적 기여가 입자-입자 및 입자-경계 충돌에 기인할 때 성립합니다. 이 연구에서 고체 부피 분율이 높은 슈트 흐름에서 작은 보이드 형성 확률이 큰 보이드보다 높음이 관측되었습니다. 그 결과 작은 입자가 체거름되어 베드 바닥에 모이며, 슈트 표면에 법선 방향(normal to chute surface)으로 미세 입자의 순 분리 플럭스가 발생합니다.
위 메커니즘 모델이 분리 기술에 의도된 물리적 인식을 주지만, 입상 흐름의 분산 계수(dispersion coefficients) 같은 핵심 기초를 평가하기에는 위 모델로는 부족합니다. 이 방향에서 한 연구는 밀집 기체 시스템 운동론 기반 통계적·역학적 혼합 접근을 제안했는데, 이것이 입상 흐름 분리의 원인에 대한 일반적인 이해를 주기 때문입니다.
충돌 후 에너지 손실로 입상 흐름이 감쇠(damping)되면서 클러스터링이 발생합니다. 속도와 움직임 변화가 불균일해 클러스터가 형성됩니다. 이에 충돌성 급속 흐름(rapid collisional flows) 운동론 기반 구성 방정식이 제안되었습니다. 입상 분리에 운동론 식을 활용하면 비탄성·상이 크기 입자·저부피 분율에서만 적용 가능합니다. 이는 전형적 입상 흐름 시스템이 고체 부피 분율이 높은 접촉 지배 흐름이라는 점에서 한계입니다. 이 이론은 비탄성·상이 크기 입자·고체 부피 분율에 대한 구성 방정식이 확립된 경우 더 유용합니다.
입상 흐름은 혼합과 분리의 거울상과 같아 장기간 혼합 경향이 분리를 촉진합니다. 농도 기울기는 혼합을 유발하는 반면, 압력과 온도 기울기의 개별 기여는 입도 분포와 물질 밀도 차이를 가진 입상 흐름 시스템에서 분리를 생성합니다.
벌크 소재 취급의 이론적 측면을 통해 입상 흐름, 자유 표면 분리, 메커니즘, 입상 물질 공정의 이론적 접근에 대한 일반적이면서도 간결한 배경을 제공했습니다. 고로 부담 소재 저장, 취급, 수송 공정은 분리와 관련된 운명에 취약합니다. 예: 고로 소결광은 고로 코크스보다 빈 내부 크기 분리가 더 심하고 빈 배출 시 크기 변이도 더 큽니다.
고로 제철 공정의 장입 시스템은 일반적으로 장비와 메커니즘의 네트워크로, 정해진 순서, 양, 속도로 소재를 고로에 장입해 지정된 고로 생산성과 처방된 스톡라인 레벨을 유지하도록 설계됩니다. 장입 시스템은 본질적으로 (i) 배칭(batching), (ii) 수송(transportation), (iii) 노 장입(charging into furnace)을 담당하는 3개 서브시스템으로 구성됩니다.
배칭은 스톡하우스(stock-house)에서 수행되며, 각 소재 원천(비축장, 소결 공장, 코크스 오븐)에서 벌크 고체 원료를 받아 각 소재별 개별 빈에 저장해 통상 수 시간 분량의 장입 소재를 확보합니다. 배칭 공정에는 스크린, 계량 호퍼, 컨베이어 벨트, 피더, 제어 시스템이 포함되어 장입 배치를 준비합니다. 수송은 소재를 노 상부까지 이송하는 수단으로, 일반적으로 벨트 컨베이어 시스템 또는 스킵 호이스트(skip hoist) 방식이 사용됩니다. 제3 서브시스템은 장입 및 제어 장비 네트워크로 구성됩니다. 전체 장입 시스템은 자동화된 장입 프로그램에 의해 상호연결되고 제어됩니다.
일부 조건에서 배칭(스톡하우스) 공정의 장입 소재 공급 능력 한계로 고로 생산성이 제한될 수 있습니다. 이는 주로 과도적 장입 소재 흐름, 장비 설정, 장입 요구사항(부담 비율) 때문입니다. 장입 조성 과도 변화의 전형적 원인은 스톡하우스 빈으로 반입되는 소재 변화이며, 통상 '스톡 트랜지션(stock transitions)'이라 부릅니다. 이는 회수 소재 사용 시 발생하는데, 신선 코크스와 소결광을 저장 코크스와 저장 소결광으로 대체하는 경우입니다. 이러한 회수 소재는 신선 소재와 다른 고로 성능을 보이므로, 서로 다른 소재를 정확히 알고 장입 시스템 전반에 걸쳐 정확하게 추적함으로써 부담 배정과 블라스트 파라미터를 최적으로 제어해 고로 조업 안정성을 유지할 필요가 있습니다.
장입 시스템의 또 다른 중요 특징은 장입 소재의 혼합과 분리입니다. 예: 동일 호퍼에서 여러 소재를 정확히 계량하려면 순차적 공급이 필요하지만, 계량 호퍼 배출 시 소재들이 본질적으로 어느 정도 섞여 시간 변화하는 조성의 공급 스트림이 생성됩니다. 노에 공급되는 소재의 방사 방향 부담 화학성과 물성을 추정하기 위해 이 시간 변화 조성을 정확히 아는 것이 필수적입니다.
부담 소재가 다단계 취급을 거치므로, 다양한 장입 소재 처리는 고생산성과 안정 조업을 위해 더 엄격한 제어가 필요합니다. 소재 배칭과 수송 현상은 고로 조업자가 핵심 초점 영역으로 삼아야 합니다. 원활한 고로 조업을 위해 조업자는 부담 소재를 노 장입 시스템까지 정확하게 추적할 수 있어야 합니다.
전체 장입 시스템은 이산 사건 공정(discrete event processes)에 의해 조정되는 자동화된 장입 프로그램으로 상호연결되고 제어됩니다. 과거 고로는 현대 대용량 고로에 비해 일반적으로 작았습니다. 소형 고로에서는 이론적 코크스 양이 통상 제어 장입 인자로 결정되었으며, 스킵 장입로에서 최적 장입 용량은 코크스 만적 스킵으로 달성되었습니다.
현대 고로 조업에서는 대용량 고로의 부담 소재 요건 대처 외에도 두 가지 추가 운영 요소가 있습니다: (i) 지속가능성(sustenance), (ii) 환경친화적 조업. 지속가능성은 주로 고로 생산성 극대화를 통해 달성되며, 현재 다양한 기술 활용으로 실현되고 있습니다. 이 추가 차원으로 인해 이제 총 스킵 중량이 통상 제어 장입 인자가 되었으며, 현대 고로는 철함유 부담 성분 만적 스킵으로 운전 가능합니다. 현대 대형 고로 크기를 고려하면 필요한 스킵 용량이 극도로 커져, 이러한 거대 연속 장입 시스템을 수용하는 스킵 장입 설비 설계·설치가 과제가 됩니다. 현대 대형 고로에 상응하려면 충분한 부담 공급 능력이 필수적입니다. 그 결과 현대 고로는 컨베이어 벨트 장입 시스템을 채택합니다. 현대 고로 장입 설비는 컨베이어 벨트 부담 수송을 갖춘 스톡하우스와 고로 벨레스 탑(BLT) 장입 시스템으로 구성됩니다.
장입 소재는 BLT 장입 시스템으로 이송되어 결국 고로 상부 소재 호퍼(빈)에 번갈아 장입됩니다. 한 호퍼가 충전되는 동안 다른 호퍼는 배출됩니다. 계량 호퍼와 소재 호퍼 작동 원리는 본질적으로 동일하므로, 이후 설명은 이송(컨베이어 벨트), 중간 저장(소재 빈, 계량 호퍼), 최종 배출(슈트 또는 자유 낙하) 중 입자 거동에 초점을 맞춥니다.
크기 분율과 밀도가 다양한 입상 물질은 분리를 일으킵니다. 이동 컨베이어 벨트상 입상 물질 수송 메커니즘의 상세 현상은 여전히 제한적입니다. 그러나 컨베이어 시스템상 분리 현상은 문제의 정교한 단순화 없이는 설명하기 어렵습니다. 연구 대상 시스템은 질량 유량과 입자 베드 형성을 촉진하는 컨베이어 속도 측면에서 정의되어야 합니다. 분리 작동 메커니즘은 시스템이 잘 정의될 때만 정립 가능합니다. 그림 6은 이동 컨베이어 벨트 이송 지점에서의 입자 크기 분리를 개략적으로 보여줍니다.
컨베이어 벨트 물질 이동 분리에 고려해야 할 4가지 주요 메커니즘이 확립되어 있습니다: (i) 침투(percolation), (ii) 입자 이주(particle migration), (iii) 궤적(trajectory), (iv) 자유 표면 분리(free surface segregation).
입상 물질 빈과 계량 호퍼는 소재 저장과 후속 공정 단계로의 최종 배출에 자주 사용됩니다. 둘 다 원칙적으로 (i) 일종의 정의된 소재 공급/충전 메커니즘, (ii) 소재 체류 시간, (iii) 하부의 정의된 배출 영역을 가집니다. 이 세 단계 모두 전체 배출 시 물질 흐름 거동에 기여합니다. 바람직한 조업은 이들 장치에서 비례 유출(proportionate outflow)이나, 흐름이 중력 유도이므로 유출을 쉽게 제어할 수 없고 고유한 유도 전단과 동적 효과가 분리를 유발합니다.
소재 저장 빈과 호퍼에서 주로 나타나는 분리 메커니즘은 자유 표면(충전 중), 침투(체류 중), 궤적(배출 중)입니다. 비워짐과 배출 단계에서 입자 크기와 경계 형상 치수의 중요성도 있습니다.
호퍼 내부 각도가 입상 흐름에 미치는 영향을 연구한 연구에서, 디지털 입자 영상 속도계(PIV) 측정을 사용해 점착성 없는 고체(non-cohesive solids)의 자유 흐름에 상당한 장애가 있음을 확인했습니다. 경험적으로, 기계적 아칭(particle interlocking) 방지를 위해 Dₒ/dₚ(최대) 비율을 5~10 범위로 만족시켜야 합니다. 여기서 Dₒ는 경계 배출구 직경, dₚ(최대)는 적절한 최대 입자 직경입니다. 이 비율은 무차원 특성 척도 수로, 주로 안식각과 소재 입도 분포에 영향을 받습니다.
또 다른 연구에서는 입상 물질 취급 장치 전체 폭에 최소 8개 요소가 맞아야 물질 흐름 레올로지(rheology)를 정확히 포착할 수 있다고 제안했습니다. 즉, 물리적/이론적 실험에서 최대 입자 분율 직경은 호퍼, 컨베이어 벨트 또는 기타 입상 물질 취급 장치 배출구 폭의 8분의 1 이하여야 합니다.
입상 물질 슈트 흐름은 스톡하우스와 BLT 장입 시스템의 공통 특징입니다. 장입 수신 시스템, 소재 호퍼, 회전 슈트(분배기)로 구성된 BLT 장입 시스템에서 슈트 흐름은 추가적 중요성을 갖습니다. 그러나 고로 상부 장입 시스템의 슈트 흐름 핵심 원리는 스톡하우스와 동일합니다.
슈트 흐름은 (그림 7 참조) (i) 슈트 전 부담 이동, (ii) 슈트 위, (iii) 슈트 후 3단계로 특성화할 수 있습니다. 이 3단계는 3가지 다른 흐름 분류에 해당하므로 각기 다른 고려사항으로 흐름 거동을 연구해야 합니다. 슈트 전 부담 이동 영역은 희박 흐름이라 입자 충돌 무시 가능. 슈트 위 부담 물질은 슈트 방향 속도 성분을 초기 유속으로 하는 수학적 기술 가능. 슈트 끝단에서 물질 궤적이 충격 지점 결정 → 후속 취급 경계/장비 내 최종 산포와 분포 결정. 컨베이어 벨트 시스템에 가설된 분리 메커니즘이 슈트 흐름에도 적용 가능하며, 그림 7과 같은 분리가 가능합니다. 핵심 흐름이 하부/표면 흐름 사이에 샌드위치된 3개 흐름 스트림 식별 가능. 이 단계에서 주 고려는 중력입니다.
장입 소재 관련 분리 지식은 고로 공정 집약의 한 측면인 장입 비율 산정 이해에 유용합니다. 그러나 고로 공정 집약에는 최적화된 장입 시스템 용량이 필요합니다. 고로 생산성은 스톡하우스 공급 능력에 의해 제한될 수 있기 때문입니다. 제품 사슬 내 다단계 조업 단계를 다루고 최적화할 필요가 있습니다.
고로 장입 시스템 조업은 고로 설계만큼 중요합니다. 컨베이어 벨트 공급 시스템을 갖춘 대표적 현대 고로 장입 시스템 개략도(그림 8)에서 볼 수 있듯 물질 흐름 순서는 상당히 복잡합니다.
고생산성 달성을 위해 고로 장입 시스템 설계는 운전 유연성, 여분 장입 능력, 높은 스크리닝 효율, 충전/배출/이송 조업 횟수 최소화(이들은 분리 문제 유발)에 주의를 기울여야 합니다. 고로 효율 증대의 중요한 경로는 장입 시스템 능력의 완전한 활용입니다. 나아가 스톡하우스가 적절히 설계되지 않고 최적 부담 공급이 달성되지 않으면 부담 소재 미공급으로 고로 기아(starvation) 상태가 되어 생산성 손실이 발생합니다.
그림 8에서 볼 수 있듯 스톡하우스 조립체에는 수많은 단위 조업이 있고, 모두 전체 성능과 BLT 장입 시스템으로의 최종 공급에 연쇄 효과(cascading effect)를 미칩니다. 부담 이동의 거시적 거동과 전체 시스템 성능을 이해하려면 주요 시스템 요소들과 그 관계의 효과적이고 포괄적인 표현이 확립되어야 합니다. 기술적으로 이는 다양한 취급 단계, 소재 요건, 조업 지속시간과 시퀀싱 기술입니다. 그러나 스톡하우스 같은 복잡한 시스템에서는 모든 단위 공정 정보를 명확히 하는 것이 방대한 과제입니다. 엔지니어링 판단, 유사 공정 경험, 합리적 가정을 혼합해 모델 개발 입력 데이터와 스톡하우스 설계에 활용합니다.
고로 장입 시스템은 다단계 취급 물질 이동을 포함합니다. 물질 이동 중 다단계 취급과 관련된 주요 과제는 요건 적시 충족과 공정 급변입니다. 시뮬레이션은 물질 취급 시스템 최적화에 자주 사용됩니다. 이러한 시스템은 일반적으로 컴퓨터 지원 공정 설계 시뮬레이터를 사용합니다. 이 시뮬레이터들은 과도(transient) 및 연속 공정 모델링용으로 설계되어, 배치(batch) 및 반연속(semi-continuous) 공정인 고로 장입 시스템 조업에는 그대로 쓸 수 없습니다. 고로 장입 시스템 같은 배치/반연속 공정 모델링에 사용할 수 있는 두 가지 옵션은 스프레드시트(Microsoft Excel)와 이산 사건 시뮬레이션(DES)입니다.
스프레드시트 모델은 물질 수지, 장비 크기 결정, 비용 분석에 초점을 둔 일반적인 플랫폼입니다. 일반적으로 VBA(Visual Basic for Applications) 형태의 방대한 코드(매크로, 서브루틴) 작성을 Excel에 통합해 개발합니다. 구축이 쉽고 단순한 시스템에 적용하기 좋지만 강건성이 부족하고 대규모 복잡 시스템에서는 다루기 힘듭니다. DES는 물리적 시스템의 수리/논리적 모델로, 시뮬레이션 시간상의 정확한 시점에서 상태 변화를 묘사합니다. 상태 변화의 성격과 발생 시점 모두 정밀한 기술이 필수입니다. 성공적 DES의 핵심 특징은 시스템과 중단(interruptions)에 대한 정밀한 세부 사항의 선행 요구입니다. 일반적으로 DES는 다운타임과 사건을 통계적으로 처리할 수 있고, 모듈 생성·재사용 가능, 다중 등급 또는 공정 입력 변경 용이 처리 가능. 따라서 일반적으로 DES 기반 모델이 고로 장입 시스템에 쓰입니다.
고로 장입 시스템 최적화에 자주 쓰이는 소박한 DES 모델링 기법입니다. 개념은 장입 사이클의 전체 시작-끝 시퀀스(공급 시간)의 최소화 함수에 기반합니다. 공급 시간은 메커니즘 활성화 순서, 시퀀스 지속시간, 개별 조업 간 간격 길이에 의해 결정됩니다. 개별 메커니즘 조업 사이클 간 정지(pause)가 없고 메커니즘이 효율적 시퀀스로 활성화될 때 최소 사이클 지속시간이 발생함은 자명합니다.
사이클로그램 분석으로는 실시간 시스템 입력 조건 변화를 반영하기 어렵습니다. 또한 분석 구조상 배출 거동과 소재 분리 경향 같은 미시 시스템 변수 상세 반입이 배제됩니다. 이러한 사이클로그램 분석의 약점 때문에, 수리/논리적 표현 기반 DES 장입 소재 공급 모델이 고로 스톡하우스 최적화에 더 나은 선택입니다.
제조공정
고로(BF)는 투에르 레이스웨이(tuyere raceway)에서 스톡 라인(stock line)까지 역류 가스-고체 열교환 원리와 용융대(fusion zone)에서 스톡 라인까지 역류 산소(O₂) 교환 원리로 작동합니다. 철원료(철광석, 소결광, 펠릿), 코크스, 플럭스 재료로 구성된 고체 부담재가 노상부 투입, 통상 O₂ 농축 공기, 때때로 보조 연료 투에르 근처 노하부 투입. 철원료 노 내 체류 시간 최대 8시간, 가스 체류 시간 몇 초. 그러나 코크스 노바닥(hearth) 체류 시간 훨씬 길어 보통 1~4주. 액체 쇳물(Hot
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
