Sintering is the process of forming small metals or ceramic particles under the action of thermal energy. In typical iron making process, larger than 5mm sintered ore with appropriate metallurgical properties is manufactured as the burden of the blast furnace. Combustion of solid fuel supplies heat required for the sintering in the conventional operation and it causes imbalance of heat concentration throughout the bed. The unevenly distributed heat is considered to be problematic on the quality aspect of sintered ore. The current issues of sintering technology in the iron and steel making industry are how to increase productivity and to maintain proper quality of end product. Also, the environmental regulations surrounding the sintering process and emission standard are getting tightened. Therefore, in order to maximize the production rate and quality of the products under the environment friendly process, investigation for the improved operating mode is indispensable. In this study, the effect of additional oxygen supply with an adjustment of injection location is primarily discussed. Also, various operating modes such as oxygen supply with the change of coke contents, elongation of bed height, flue gas recirculation and supplementary LNG supply are evaluated. Scale downed pot test is performed for oxygen supply with variation of injection location mode to analyze the effectiveness of oxygen enrichment at the projected area. In addition to the experiment, previously developed unsteady 1-dimenstional sintering bed model is employed for the examination of the other cases. The calculation results predict the tendency of characterized combustion in the bed while various cases are applied. To evaluate the change of operation conditions, quantitative parameters are also employed which ranges from sintering time, maximum temperature of the bed at the given time to combustion and melting zone thickness. The combustion characteristics are systemically analyzed and the efficiency of each case is assessed in terms of productivity and quality of sintered ore.
소결은 금속이나 세라믹 등의 분말을 가열했을 때 표면이 용융 되면서 입자간의 결합이 일어나 치밀화 되는 과정을 일컫는다. 제철소 내에서는 이러한 현상을 이용하여 석탄 연료의 연소를 통해 철광석의 소결에 필요한 에너지를 공급한 뒤 수십 mm~수 mm 이하의 크기를 가지는 분말 상태의 철광석을 고로 운전에 필요한 5mm 이상의 소결광으로 만드는 공정을 운용하고 있다. 이렇게 생산된 소결광의 품질과 생산성은 유입가스 조건, 입자 크기 및 수분 함량, 베드의 균일도 및 높이 등 운전 조건 설정에 따라 많은 차이를 나타내기 때문에 소결 베드 내 영향을 미치는 인자들을 효율적으로 제어 하는 것이 매우 중요하다. 또한 상부로부터 하부로 연소가 진행되는 공정의 특성에 따라 연소가 하부로 진행될수록 불균일한 열 집중이 나타나기 때문에 이러한 연소 패턴을 균일하게 제어할 필요가 있다.
최근에는 용선 수요 급증에 따라 소결 생산성 증대가 요구 되고 있으며 이를 해결하기 위해 다양한 조업 방법이 검토 되고 있다. 친환경 고생산 소결 공정의 일환으로 배가스 재순환 및 LNG 부화를 통한 균일 소성법, 그리고 고생산성을 확보기 위해 산소 부화 소결 기술들에 대한 관심이 높아지고 있으며 베드 높이 증대 등을 통해 높은 생산성을 확보하기 위한 노력이 계속 되고 있다.
본 연구에서는 베드의 위치를 상부, 중부, 하부로 나누었을 때 주입 위치 별 산소 부화에 따른 소결층의 변화를 살펴 보였다. 실험 및 기존 연구자에 의해 개발된 수치해석 모델을 활용하여 소결층 내의 변화를 연소 특성의 관점에서 검토하였고 각 케이스 별 운전 조건에 따른 베드 내 상황을 파악 하고자 하였다. 이를 위해 포스코 기술 연구원에서 축소된 형태의 소결 포트 실험을 실시 하였으며 산소 부분 부화에 따른 베드 내 통기 유량 및 온도 분포 변화 등의 특성을 정리 하였다. 또한 Pyrex 포트를 활용하여 운전 조건 변동에 따른 적열대의 전파 특성을 살펴 보았다. 그리고 수치해석 모델을 사용하여 계산 결과를 정량화 한 후 운전 인자 변화에 따른 베드 내 물리적 패턴을 검토 하였다.
실험 및 수치해석 모델을 통해 얻어진 주요 특징은 다음과 같다. 산소를 추가적으로 주입하게 되면 연료의 연소성 개선으로 인해 해당 구간 내 온도 상승 시점이 공기 운전 조건 보다 빠르게 나타나게 되고 이는 곧 연소대 및 용융대로 설정된 고온 영역의 확장으로 이어진다. 그리고 상부 쪽에 주입할수록 베드 내 최고 온도가 기타 케이스보다 높게 나타나게 된다. 산소 주입으로 인한 효과는 일반 공기 운전으로 복귀 시 그 영향이 서서히 줄어들다 기본 운전 케이스와 유사한 패턴이 반복되는 것을 살펴볼 수 있으며 이러한 현상은 통기 저항이 상대적으로 줄어든 베드 하부에 산소를 주입하는 케이스를 제외한 산소 상부 부화 및 중부 부화에서 반복되어 나타난다. 따라서 하부에 주입할수록 소결 완료 시간이 단축되는 경향이 나타나며 이러한 현상은 건조, 연소, 용융, 냉각으로 이어지는 소결 베드의 특성상 습윤대 통기 저항이 감소한 시점에 산소를 주입하였을 때 생산성이 일부 향상 될 수 있다는 것을 의미한다.
산소 부분 부화뿐만 아니라 산소 상부 부화 후 코크스 질량분율 조정, 베드 높이 변동, 배가스 재순환 및 기체연료 주입에 따른 케이스들에 대해 수치 모델을 활용하여 추가적인 해석을 실시 하였다. 산소를 상부에 주입한 후 코크스 질량을 감소 시키게 되면 베드 하부의 최고 온도가 점진적으로 낮아지게 된다. 따라서 원료 배합 비 조절을 통해 균일 소성의 결과를 얻을 수 있을 것으로 예측된다. 그리고 베드 높이를 변동 시킬 시, 높이 증가에 따라 유속이 감소하게 되어 전체적으로 연소가 느리게 진행되게 된다. 이러한 유속 감소는 승온 속도 및 촤 연소율을 낮추게 되고 연소 열의 누적으로 인해 베드 하부의 고온 영역을 확장 시키는 결과로 이어진다. 배 가스 순환 시에는 연소 가스가 재순환 되는 구간에서 산소 부족으로 인해 연료의 연소가 활발하게 진행되지 않아 베드 온도가 낮아지게 된다. 반면에 LNG등의 기체 연료를 투입할 시 해당 구간에 추가적인 에너지가 공급되어 철광석의 용융이 활발하게 일어날 것을 유추할 수 있다.
산소 취입 시 나타날 수 있는 소결 베드 내 물리적 현상들을 살펴 보았으며 다양한 정량화 인자들을 활용하여 베드 내 물리적 현상에 대해 검토 하였다. 또한 기타 여러 운전 조건에 대하여 시뮬레이션을 통한 접근이 이루어 졌다. 소결 포트는 매 실험마다 얻어지는 결과값의 변동성이 크기 때문에 반복적인 테스트를 통해 보다 많은 데이터의 확보할 필요가 있으며 앞서 기술된 기타 다른 운전조건에 대한 실험도 이루어져야 할 것으로 보인다.
