전기로 기계 설비 심층 분석: 외피, 지붕, 경사로 및 슬래그 스키밍
전기로 기술에 대한 대부분의 논의는 전기 시스템과 공정 제어에 집중됩니다. 하지만 기계적인 측면, 즉 용광로 외피, 지붕, 전극 기둥, 경사 시스템, 슬래그 스키머, 출탕구 또한 매우 중요하며, 여기서 이루어지는 설계 선택은 향후 15~20년 동안 용광로의 작동 방식을 결정합니다. 저는 몬테 인텔리전스(MONTE INTELLIGENCE)가 세 대륙에 걸쳐 설치한 전기로에서 그 효과가 입증된 설계 결정들을 포함하여 주요 기계 요소들을 하나씩 살펴보겠습니다.
용광로 외피 설계
전기로 외피는 전체 전기로의 구조적 핵심입니다. 100톤급 전기로 외피는 빈 상태에서 180~250톤의 무게가 나가며, 35~50톤의 내화벽돌을 포함하고, 1600℃의 고온에서 100톤의 용융강을 가열합니다. 외피는 50℃(빈 상태, 내화벽돌 제거)에서 1600℃(조행 중) 사이의 온도 변화를 영구적인 변형 없이 견뎌야 합니다.
현대식 전기로(EAF) 외피는 용접된 탄소강(일반적으로 ASTM A36 또는 A516 70 등급)으로 제작되며, 두께는 상부 원추형 부분에서 40mm, 슬래그 라인 부분에서 60~80mm입니다. 하부 원추형 부분과 노상은 두꺼운 거셋으로 보강되어 있습니다. 외피는 경사 조절이 가능한 트러니언 링 위에 놓여 있으며, 경사 조절 작업 시 모든 수직 및 수평 하중이 기초로 전달됩니다.
몬테 인텔리전스(MONTE INTELLIGENCE) 호로는 열응력 및 구조적 변형에 대한 유한 요소 해석을 통해 설계되었습니다. 최대 작동 하중 조건에서 슬래그 라인의 변형 한계는 5mm입니다. 이보다 더 많이 변형되는 호로는 내화 라이닝에 조기에 균열이 발생할 수 있습니다. 업계 평균보다 훨씬 엄격한 공차로 제작된 덕분에 30년이 지난 후에도 이 기준을 충족하며 사용되고 있는 호로를 본 적이 있습니다.
지붕 설계 및 리프터 메커니즘
전기로(EAF) 지붕은 강철 링으로 지지되는 내화 돔 형태입니다. 현대식 지붕은 70~75% 알루미나 내화벽돌을 사용하며, 전극 포트 주변에는 고알루미나 소성 다짐재를 채워 넣습니다. 최대 출력 운전 시 고온면의 지붕 온도는 섭씨 1500~1700도에 이릅니다.
버킷 충전 주기마다 지붕을 들어 올려 옆으로 돌려야 합니다. 지붕 리프터 설계에는 크게 세 가지 유형이 있습니다. 캔틸레버 스윙 방식(소형 용광로에 가장 흔함), 슬라이딩 지붕이 있는 평행 리프트 방식(중형 및 대형 용광로), 그리고 갠트리 리프트 방식(초대형 용광로)입니다. 각 설계는 사이클 시간, 기계적 복잡성, 유지보수 접근성 측면에서 장단점이 있습니다.
몬테 인텔리전스는 일반적으로 80톤 이하의 용광로에는 캔틸레버 스윙 디자인을, 80톤 이상의 용광로에는 평행 리프트 슬라이딩 루프 디자인을 적용합니다. 캔틸레버 디자인은 작동 주기가 빠르지만(리프트 후 잠금까지 15~20초) 용광로 위쪽에 더 넓은 수직 공간이 필요합니다. 슬라이딩 루프 디자인은 더 컴팩트하고 더 무거운 지붕 부분을 처리할 수 있지만, 작동 주기가 5~10초 더 길어집니다.
전극 마스트 및 클램핑 시스템
전극 기둥은 흑연 전극과 전극 암을 지지하며, 수직 운동을 통해 아크 길이를 조절합니다. 조절 속도는 매우 중요합니다. 초고압(UHP) 용광로는 스크랩 붕괴 시 용탕 수위가 급격히 변하는 상황에 대응하기 위해 분당 5~10m의 수직 이동 속도가 필요합니다.
마스트 구동 장치는 유압 실린더에서 볼 스크류가 장착된 서보 제어식 AC 모터로 발전했습니다. 서보 시스템은 더 빠른 응답 속도, 더 나은 위치 정확도, 그리고 모델 기반 아크 조절기와의 손쉬운 통합을 제공합니다. 전극 클램핑은 일반적으로 스프링 장착 안전 클램프가 있는 공압식이며, 비상시 신속한 전극 분리가 가능합니다.
틸트 메커니즘
틸트 메커니즘은 정기 유지보수 시 가장 많은 주의를 기울이는 움직이는 부품입니다. 용광로는 용광로 바닥 분리 작업을 위해 12~15도 앞으로 기울이고, 슬래그 제거 작업을 위해 5~8도 뒤로 기울입니다. 이 틸트는 정해진 작업 시간 내에서 부드럽고 제어 가능하며, 원상태로 되돌릴 수 있어야 합니다.
틸트 구동 시스템에는 일반적으로 유압 실린더(구형 설계)와 AC 모터 구동식 랙앤피니언(신형 설계) 두 가지가 있습니다. 랙앤피니언 방식은 고온 환경에서 더욱 안정적이며 유압 시스템의 누출 위험을 방지합니다. 몬테 인텔리전스는 60톤 이상의 모든 신규 설치에 랙앤피니언 틸트 구동 시스템을 적용합니다.
틸트 메커니즘은 용광로 플랫폼에 장착된 무거운 강철 단조품인 트러니언 링 위에 놓여 있습니다. 대형 용광로에서는 용광로 외피에서 발생하는 복사열로 인한 과열을 방지하기 위해 트러니언 베어링에 수냉식 냉각 방식을 적용했습니다. 틸트 위치 피드백은 이중화된 절대 엔코더를 통해 제공되며, 탭 및 스키밍 설정값에서 틸트를 정지시키는 안전 인터록이 장착되어 있습니다.
편심형 바닥 탭홀(EBT) 시스템
최신 전기로(EAF) 설계는 모두 EBT 시스템을 사용하는데, 이는 슬래그 잔류를 최소화하면서 강재의 95% 이상을 주조할 수 있기 때문입니다. EBT의 출탕구멍은 용탕 중심선에서 약간 벗어난 하부 측벽에 위치합니다. 출탕구멍은 각 용융 공정 사이에 모래 다짐재로 채워지고, 출탕 시 산소 랜스를 사용하여 열립니다.
대부분의 최신 전기로에서는 EBT(전기로 용융)의 모래 다짐 작업이 자동화되어 있습니다. 모래 다짐기는 출탕구멍의 위치를 정하고, 4~6bar의 압력으로 모래를 다져 출탕구멍의 형태를 만듭니다. 다짐 작업은 60~90초 정도 소요됩니다. 출탕구멍의 수명은 용탕의 화학적 성분과 출탕 온도에 따라 다르지만, 일반적인 EBT 출탕구멍의 수명은 보수 작업 없이 200~400회 가열 후입니다.
슬래그 스키밍 시스템
슬래그 스키밍은 용융액 출탕 후 산화된 슬래그 층을 제거하여 다음 용융을 위해 용융액을 깨끗하게 하고 철 함유 슬래그를 회수하여 재활용하는 공정입니다. 슬래그는 출탕 중량의 12~18%를 차지할 수 있으며, 효율적인 스키밍 작업을 통해 그중 80~90%를 판매 가능한 슬래그 또는 소결 원료로 회수할 수 있습니다.
슬래그 제거 시스템에는 크게 두 가지가 있습니다. 하나는 슬래그 도어 방식(용광로 측벽에 경첩으로 연결된 문을 열어 슬래그를 배출하는 방식)이고, 다른 하나는 슬래그 포트 방식(용광로가 뒤로 기울어질 때 슬래그를 받기 위해 용광로 외부에 이동식 포트를 설치하는 방식)입니다. 슬래그 포트 방식이 더 효율적이며, 60톤 이상의 대부분의 최신 전기로에 표준으로 적용됩니다.
수냉식 패널 및 버너/산소 분사기
최신 전기로에서는 수냉식 패널이 슬래그 라인의 70~90%를 덮고 있으며, 나머지는 내화재로 구성됩니다. 패널 냉각수 유량은 매우 중요한데, 유량이 부족하면 패널이 타버리고, 과다하면 에너지가 낭비됩니다.
산소 주입기는 일반적으로 초음속 수냉식 설계로, 출구 속도는 마하 1.5~3.0입니다. 이 주입기는 탈탄을 위해 산소를 주입하고, 거품 슬래그 생성을 위해 탄소를 주입하며, 슬래그 조절을 위해 석회를 주입합니다. 최신 전기로(EAF) 설계에서는 슬래그 도어 또는 측벽을 통해 두세 개의 주입기를 사용하며, 자동 위치 조정을 통해 용탕에 최적의 충돌 지점을 설정합니다.
조립하기
전기로(EAF)의 기계 설계는 가동률, 생산성 및 운영 비용을 결정합니다. 잘 설계된 100톤급 전기로는 주요 정비 없이 연간 8,000~9,000회의 가열 작업을 수행할 수 있습니다. 반면, 설계가 부실한 전기로는 5,000회에도 미치지 못합니다. 이러한 차이는 전기 시스템이나 제어 장치에 있는 것이 아닙니다. 이 부분들은 이미 성숙하고 검증된 기술입니다. 차이점은 전기로의 외피, 경사각, 지붕 및 출탕구에 있습니다.
몬테 인텔리전스는 20년 동안 이러한 기계 요소들을 개선해 왔습니다. 방문해 보세요.www.cnlymonte.com/products-electric-arc-furnace.html 설치 사진 및 참고 자료 목록은 별도로 제공됩니다. 차기 전기로(EAF) 프로젝트에 대한 비공개 상담을 원하시면 helenxu@cnlymonte.com으로 "EAF 기계 설계"라는 제목으로 이메일을 보내주십시오.
