제철 설비 소결공정 철광석에서 소결광으로 만드는 과정

제철설비의 소결공정과 소결광을 만드는 과정에 대해서 알아보도록 하겠습니다.

 

소결광이란?

고로 장입물의 물리적 성질로서는 기공율과 입도가 있다. 기공율이 크고 입도가 작은 광석은 고로에서 피환원성이 좋다. 그러나 분광 혹은 분화되기 쉬운 철광석을 고로에 장입하면 통기성이 나쁘게 되어 Hanging 이 자주 발생하고 또한 Dust 발생이 많아져 조업장애가 일어난다.

예전에는 분광 사용이 많지 않았고 분율이 높은 철광석은 제철원료로서 가치가 없었으나 분광을 소결하여 소결광으로 고로에 장입하는 방법이 개발되면서부터 분광 사용량은 계속 증가해왔다.

철광석은 괴광석 또는 분광석으로 산출되며 그의 형태는 여러 종류가 있다.

분광석, 기타 미분원료 및 괴광석 정립과정에서 발생되는 체밑분광을 고로 장입물로 적정하게 만드는 것은 경제적인 고로조업 및 분광석의 유효이용 측면에서 대단히 중요하다.

여러가지 성분의 원료를 Mixer기 를 통해 배합하여 소결기 대차에 장입 하게 됩니다.
장입된 혼합원료가 소결광이 되는 과정에 어떤 설비와 공정이 있는지 알아보도록 하겠습니다.
 
 

점화

 
배합원료의 소결과정은 점화로 하부에서 장입된 배합원료 표면의 결합재가 착화하는 때부터 개시되며 점화는 소결의 열분포를 결정하는 중요한 인자이다.
결합재 착화점은 600℃이지만 배합원료 표면의 가열소성을 위해 점화로 내부 온도를 1,000 ~ 1,250℃ 정도로 승온 유지하며 점화시간은 약 1분이면 충분하다.
 

1. 점화로 type 점화로는 고 Al2O3질의 내화연와 또는 부정형 연와로 축조하며 점화 연료는 COG를 사용하며 점화로의 type에 따라 다음과 같은 형식이 있다.

 
(1) 직화식 (Direct Burning Type Ignition Furnace) 이 방식은 burner의 화염이 직접 원료 표면에 접촉하도록 burner의 각도를 수평으로 부터 30°정도 하향되도록 취부하거나 rotary burner로는 직접 아래 방향으로 취부되어 있다.
(2) Line Burner (=Slit Burner) 에너지 절감 목적으로 1983년 Kawasaki에서 개발된 방식으로 burner를 pallet 폭 방향으로 1열로 설치하여 flame 길이를 조정할 수 있도록 burner 높이를 변경할 수 있는 신설비 이다. 다음과 같은 특징이 있다.
- burner 높이를 하향 (장입표면에서 300 ~ 900mm) 및 높이 조정 가능
- burner nozzle 직경의 축소로 토출유속 상승으로 착화성향, gas원단위 절감
- 배합원료와 간격이 협소하여 burner에 coating 되는 문제 발생
 

2. 소결시간 소결기에 장입된 원료가 열balance에 의하여 소결광이 제조되는 시간을 의미한다.

 
(1) FFS (Flame Front Speed) FFS는 소결광 제조 과정의 화염전진 속도를 의미한다. pallet에 장입된 원료가 표면 착화된 이후 pallet이 전진하는 동안 main blower에 의하여 하향흡입되면서 소결과는 과정에서 발생하는 매우 중요한 인자다.
일반적으로 FFS가 증가하면 소결 생산량이 증가하게 된다. 그러나 FFS가 지나치게 빠르면 최고온도의 유지시간이 짧아 강도 및 회수율이 저하되어 오히려 생산성이 저하된다.
FFS가 너무 늦으면 온도 상승곡선이 완만하여 최고 도달온도가 낮아지게 된다. 원료의 조건에 따라 소결시간은 각기 다르며 원료조건이 일정할 경우에는 소결광의 강도 회수율은 최고온도 level과 이에 대한 유지시간의 영향을 받는다.
(2) BTP (Burn Through Point) 소결의 배gas 온도분포를 보면 wind box 끝 2~3개 구역에서 최고 온도를 나타낸다. 이 지점을 BTP(Burn Through Point)라 한다. 소결공정을 일정하게 유지하고 일정한 품질의 소결광의 최대 생산성을 위하여 BTP 자동제어 등의 연구가 진행되고 있다. 이는 배gas 온도곡선, 풍량, 압력 등을 측정하여 사전에 설정해 놓은 목표치가 되도록 소결기의 속도를 자동으로 변경시켜 소결공정을 일정하게 하는 방법이다. FFS가 일정할 경우 BTP가 급광측으로 이동하면 생산성이 저하할 뿐 아니라 소결광이 pallet 상에서 급냉되어 강도가 악화된다. 이는 소결광의 급냉에 의하여 재결정립의 성장이 저하하고 slag 성분이 glass화 되어 다수의 crack이 생기기 때문이다. 이 경우 pallet speed를 향상시켜 생산량을 증가시킬 수 있다. 반면 pallet speed가 느릴 경우 BTP가 형성되기 이전에 배광되어 미쳐 소결이 완료되지 않은 상태가 되므로 pallet 속도를 늦추어 조업을 실행한다.
 

3. 적정 분coke량 배합원료 중의 coke량의 적정여부는 다음과 같은 항목에 의하여 판단한다.

 
(1) 소결시간: coke 배합량이 과다할 경우 소결시간이 길어지고 생산성이 저하한다.
(2) 와회수율: 채다 배합량이 적을 경우 소결원료가 충분히 소성되지 않아 와회수율이 저하한다.
(3) 생산성: 생산성은 와회수율/소결시간에 좌우되므로 적정한 coke량을 유지시키는 것이 매우 중요하다.
(4) 조업상황: coke 배합량을 적정하게 설정하여 소결광이 grate bar 상에 붙는 것을 방지하도록 한다.
(5) 성품강도: 사용원료의 광종이 결정되어 있으면 coke배합량에 의하여 조정된다.
(6) 평균입도: coke량이 증가하면 성품의 평균입도가 증가한다.
(7) coke 배합비율 coke 배합비 CO= coke 배합비 CO를 결정하는 요인으로는 석회석 배합비율, 고로 dust 배합비율, 갈철광 및 자철광계 원료배합비율 등에 의하여 결정된다.
 

4. 소결광 염기도 관리 고로에서 사용하는 석회석의 85~100%가 소결광에 포함된다. 또한 SiO2의 대부분도 소결광을 통하여 고로에 장입된다. 이로부터 소결광 중의 CaO%, SiO2% 및 염기도(CaO/SiO2)가 변동되면 바로 고로 slag의 염기도에 영향을 주어 고로조업에 나쁜 영향을 미치게 된다. 따라서 소결광의 염기도 관리는 강도관리와 함께 소결공정 관리상에 있어서 중요 항목이다. 소결광의 염기도는 다음과 같은 요인에 의하여 변동이 발생한다.

 
- 각 광석의 절출 오차
- 각 광석의 성분 변동
- 석회석, 규석 등의 편석 혼합불량 - sampling의 분석 오차 특히 평량기의 절출 오차의 경우는 주기적인 점검이 중요하며 ±10% 변동하는 경우 CaO/SiO2에 주는 영향은 각각 다음과 같이 크다.
석회석: CaO/SiO2 ≒ ±0.1
규 석: CaO/SiO2 ≒ ±0.2
 

5. 소결광의 화학성분

 
(1) Fe2O3 (Hematite)
Hematite에는 원료자체에 함유된 Fe2O3가 그대로 성품의 Fe2O3로서 존재하는 1차 Hematite와 Fe3O4로 환원된 상태에서 재산화된 2차 Hematite가 있다. 2차Hematite의 조직은 긴 침상으로 임의의 방향으로 결정이 생성되어 Magnetite 격자에 침입하게 된다 있다. Hematite는 환원성이 양호하지만 환원시 분화가 쉬우며, 특히 2차 Hematite는 환원분화에 취약하다. Hematite에 의한 환원분화를 방지하기 위해서는 소결광 조직 중 Calcium-Ferrite(CaO·Fe2O3)를 증가시키며 Slag성분을 높게 관리하기도 한다. 또한 충분한 coke를 배합하여 고FeO소결광을 제조하는 경우도 이는 경제적인 측면을 고려해야 한다.
(2) FeO
소결온도를 높일수록 성품 중 FeO는 증가한다. 이러한 FeO는 소결광의 강도를 향상시키는 효과가 있다. FeO는 소결층에서 환원용해된 Magnetite가 냉각과정에서 재산화를 되지 않고 잔류한 것 이다. 따라서 융점이 낮은 Slag량이 많을수록 FeO의 재산화를 방해하여 고FeO로 된다. 일반적으로 저염기도 소결광은 FeO가 높고 SiO2가 다량 존재하기 때문에 2FeO·SiO2가 형성되어 난환원성이 된다. 이 성분의 생성을 방지하기 위해서는 산화도를 높이는 조업이 필요하다. FeO는 어느 정도 높을수록 강도가 높기 때문에 일반적으로 소결광중 FeO 목표를 7∼10%로 한다. 그러나 FeO가 높게 되면 소결광의 피환원성은 저하하는 경향이 있으므로 충분한 강도가 얻어지면 FeO를 낮추는 쪽이 유리하다. FeO를 증가하는 방법으로는 coke 사용을 증가하는 것 이외에 층후를 높여 열효율이 향상시키므로써 소결의 최 고온도가 이르게 하여 FeO를 높일 수 있다.
(3) Fayalite (FeO·SiO2)
Fayalite는 석회석의 첨가가 행하여지지 않을 경우 혹은 극히 적을 때에 생성되고 용융온도는 1205℃로 현저하게 낮으며 gas에 의한 환원율이 낮다.
(4) Calcium-Ferrite (CaO·Fe2O3)
석회석 첨가량을 증가시켜 염기도가 1.0이상으로 되면 증가하고 염기도가 1.5이상에서 급증한다. Calcium-Ferrite는 FeO의 환원분화성을 억제함과 동시에 피환원성을 높인다.
(5) slag의 성분
소결광 중 slag성분은 SiO2(4∼6%), CaO(8∼10%), MgO(0.7∼2.0%), Al2O3 (1.5∼2.0%) 이외에 MnO, P2O5, TiO2 등으로 구성되어 있다. slag성분이 감소하면 소결광 중의 Fe품위는 높아지지만 slag에 의한 결합력이 저하하므로 강도는 낮아진다. 특히 저온 환원후의 강도는 slag 성분이 감소하면 급격히 약화되는 현상이 있다.
 

일단 점화가 끝난 원료는 소결기의 이동에 따라 배광부측으로 이동하면서 주배풍기의 흡인력에 의해 상층에서 하층으로 연소되면서 소결이 진행되며 소결이 완료된 소결광은 소결기의 반전에 의해 배광부에서 분리 낙하된다.