Interfacial contact topology governing molten iron–slag dripping in coke-packed beds under hydrogen-enriched blast furnace conditions

기술 요약: 수소 농축 고로 조건 하의 코크스 충전층 내 용융 철-슬래그 낙하를 지배하는 계면 접촉 토폴로지

문제 제기
철강 산업은 탄소 배출을 줄이기 위해 수소 농축 고로 운영으로 전환하고 있다. 수소가 환원 역학 및 상변태에 미치는 영향은 이미 잘 알려져 있으나, 이러한 변화하는 조건이 하부 코크스 충전층을 통과하는 용융 철과 슬래그의 결합 유동에 미치는 영향은 아직 충분히 정량화되지 않았다. 수소 농축 환경에서는 철 함유 물질의 환원도가 달라지며, 이로 인해 슬래그 내 FeO 함량, 철 대 슬래그 부피비, 그리고 용융물의 물리적 성질(점도, 밀도, 표면 장력, 계면 장력)이 변화한다. 기존 연구들은 슬래그 조성이나 액체 공급 조건을 고정된 것으로 가정하는 경우가 많았으며, 이는 환원도에 따른 물성 변화가 슬래그 배출의 지배 메커니즘을 점도 제어 영역에서 계면 접촉 형태 및 액체 보유량(hold-up) 지배 영역으로 어떻게 변화시키는지 설명하지 못했다.

연구 방법
본 연구는 불규칙한 코크스 입자로 구성된 충전층 내에서 용융 철과 FeO–CaO–SiO₂–Al₂O₃–MgO 슬래그의 낙하 거동을 모델링하기 위해 3차원 다상 SPH(Smoothed Particle Hydrodynamics) 시뮬레이션을 사용하였다.

• 물리적 성질 추정: 세 가지 환원도($R = 0.70, 0.90, 1.00$)와 온도(1300–1500 °C)를 기준으로 슬래그 조성과 액체 분율을 결정하기 위해 열역학 계산(FactSage 사용)을 수행하였다. 주요 성질인 밀도, 점도, 표면 장력, 철-슬래그 계면 장력은 이러한 변수들의 함수로서 추정되었다. 특히, 슬래그의 성질 변화에 따른 효과만을 분리하여 관찰하기 위해 용융 철의 성질은 일정하게 유지하였다.
• 시뮬레이션 설정: 코크스 층은 평균 입자 직경 0.0237 m로 모델링되었다. 용융 상은 상단 입구로부터 간헐적으로 공급되었다. 가스 상은 유체역학적 및 계면 효과만을 분리하기 위해 빈 공간(empty void)으로 처리되었다.
• 분석 지표: 연구에서는 상의 보유량(holdup), 질량 중심 낙하 속도, 겉보기 접촉 면적(철, 슬래그, 코크스, 공극 간의 접촉), 그리고 철-슬래그 혼합 지수를 정량화하였다. 두 상의 상대적 낙하 속도를 결정하는 기술자(descriptor)를 식별하기 위해 회귀 분석을 수행하였다.

주요 결과

1. 낙하 거동의 이중 영역: 시뮬레이션 결과, 슬래그 배출을 지배하는 두 가지 뚜렷한 영역이 밝혀졌다.
   • 점도 제어 영역 ($R = 1.00$): 완전 환원 조건에서는 슬래그 점도가 높았다(750–5500 mPa·s). 이 영역에서는 온도가 상승함에 따라 점도가 감소하였고, 이는 슬래그 낙하 속도를 직접적으로 증가시켰다. 철과 슬래그 상은 높은 계면 장력으로 인해 공간적으로 분리되어 있었다.
   • 형태 제어 영역 ($R = 0.70, 0.90$): 낮은 환원도에서는 슬래그 점도가 낮았고($\le 110$ mPa·s), 슬래그 부피 분율이 높았다. 역설적이게도, 낮은 점도가 항상 더 빠른 낙하로 이어지지는 않았다. $R=0.70$ 및 1500 °C 조건에서 슬래그는 가장 낮은 점도를 보였음에도 불구하고 가장 느린 겉보기 낙하 속도를 나타냈다. 이는 슬래그가 코크스 표면에 퍼지거나 기공 네트워크 내에 머무르는 광범위한 슬래그-코크스 접촉 때문인 것으로 분석되었다.
2. 계면 토폴로지의 역할: 슬래그 점도, 계면 장력, 부피비를 사용한 회귀 모델은 슬래그-철 속도 비를 예측하는 데 실패하였다($R^2 = 0.148$). 그러나 슬래그-코크스 접촉 면적과 철-코크스 접촉 면적의 비율을 포함했을 때 모델의 정확도가 크게 향상되었다($R^2 = 0.943$). 이는 저점도 및 슬래그 과잉 조건에서 용융물과 코크스 사이의 기하학적 접촉 상태가 배출 거동을 결정하는 주요 결정 요인임을 입증한다.
3. 철-슬래그 혼합: 환원도가 높아질수록 특정 철-슬래그 접촉 면적과 혼합 지수가 감소하였다. 낮은 환원도($R=0.70, 0.90$)는 더 큰 슬래그 분율로 인해 높은 철-슬래그 접촉을 촉진한 반면, 완전 환원 조건($R=1.00$)에서는 뚜렷하게 상이 분리된 흐름 구조를 보였다. 흥미롭게도 $R=0.70$ 및 1500 °C에서는 높은 유동성에도 불구하고 혼합 지수가 크게 감소하였는데, 이는 향상된 유동성이 철과의 접촉을 유지하기보다는 코크스 표면으로의 확산을 촉진했음을 시사한다.

의의 및 주장
본 논문은 계면 접촉 토폴로지가 저탄소 고로 운영 시 용융물 배출 및 반응 면적에 중요한 영향을 미친다고 주장한다. 주요 기여는 슬래그 낙하 거동이 점도만으로는 설명될 수 없음을 보여준 것이며, 특히 환원도가 변하는 수소 농축 조건에서 그러하다.

• 연구는 저점도, 슬래그 풍부 영역에서 겉보기 낙하 속도가 단순한 점성 저항보다는 용융물과 코크스 층 사이의 형태학적 상호작용(특히 슬래그-코크스 접촉 면적)에 의해 지배된다는 것을 확립하였다.
• 본 연구는 환원도, 슬래그 물성, 액체 상 분율, 그리고 계면 접촉 형태를 연결하는 프레임워크를 제공한다.
• 저자들은 수소 농축 고로에서의 낙하 구역 투과율과 액체 보유량을 평가할 때는 슬래그 점도 하나에만 의존하기보다 결합된 기술자(예: 슬래그-코크스 접촉 면적 및 철-슬래그 혼합)를 사용해야 한다고 결론지었다.

한계점
저자들은 몇 가지 한계점을 언급하였다. 낙하 속도는 단면 플럭스(flux)가 아닌 질량 중심 운동에 기반한 겉보기 이동 속도라는 점, 접촉 면적이 실제 곡면 계면이 아닌 입방체 셀(cubic cell)로 근사되었다는 점, 코크스-액체 젖음성이 비젖음 조건(180° 접촉각)으로 단순화되었다는 점, 그리고 용융 철의 성질이 일정하다고 가정되었다는 점이다. 향후 연구에서는 용융 철의 표면 장력, 젖음성 변화, 고체 분율의 영향을 조사할 것을 제안하였다.