전기로 지붕 링 파손 사고를 겪어본 사람이라면 누구나 그 피해 규모를 잘 알고 있습니다. 지붕 링이 무너지면 전체 열이 손실됩니다. 열 손실뿐 아니라 생산 일정, 후속 공정인 주조기, 압연기까지 모든 것이 멈춰버립니다.
몬테 인텔리전스는 아시아, 중동, 아프리카 전역의 제철소에 전기로(EAF) 지붕 링을 공급해 왔습니다. 이러한 프로젝트를 통해 우리는 무엇이 효과적이고 무엇이 실패하는지 배웠습니다. 이 글에서는 그러한 현장 경험을 공유합니다.
전기로(EAF) 지붕 링은 세 가지 가혹한 환경이 만나는 지점에 위치합니다. 아래쪽으로는 아크에서 발생하는 직접적인 복사열에 노출되며, 고온 지점에서는 온도가 1700°C를 넘어설 수 있습니다. 측면으로는 각각 수 톤에 달하는 전극의 기계적 하중을 견뎌야 하며, 전극은 용융 과정에서 진동합니다. 내부로는 냉각수가 흐르는 통로가 있는데, 이 통로는 일반 강철이라면 균열이 생길 수 있는 열 순환 조건에서도 누출 없이 완벽하게 유지되어야 합니다.
재료 선택은 기본 강재에서 시작됩니다. 대부분의 루프 링은 수냉식 패널에 AISI 304 또는 316 스테인리스강을 사용합니다. 304와 316 중 어떤 것을 선택할지는 냉각수에 함유된 염화물의 양에 달려 있습니다. 처리된 물을 사용하는 폐쇄형 시스템을 운영하는 경우 304도 적합합니다. 하지만 수질이 일정하지 않은 강물이나 우물물을 사용하는 경우, 2~3%의 몰리브덴 함량으로 염화물 부식에 대한 저항성이 뛰어난 316 스테인리스강이 첫해에 투자 비용을 회수할 수 있습니다. 실제로 염분이 있는 냉각수를 사용하는 설비에서 304 루프 링은 6개월 만에 미세한 누수가 발생한 반면, 같은 설비에서 316 링은 3년 동안 문제없이 사용된 사례를 확인했습니다.
내화재 델타 부분, 즉 세 개의 전극 포트 사이의 삼각형 영역은 대부분의 루프 링 파손이 시작되는 곳입니다. 이 영역은 가장 강렬한 복사열에 노출되며, 수냉식 강철과 내화재 표면 사이의 열 구배가 가장 큽니다. 기존 방식에서는 고알루미나 벽돌(Al2O3 85~90%)을 사용하는데, 이는 정상 작동 조건에서 우수한 수명을 제공합니다. 그러나 용광로를 장시간 아크 가열 방식으로 가동하거나 스크랩 혼합물에 DRI(직접환원철) 함량이 높고 이와 관련된 거품 슬래그가 많이 포함될 경우, 델타 내화재는 심각한 손상을 입게 됩니다.
이러한 조건에는 델타 지역에 산화마그네슘-탄소 벽돌을 추천합니다. MgO-C 벽돌은 산화마그네슘(융점 2800°C)의 높은 내화성과 탄소의 슬래그 저항성을 결합한 제품입니다. 또한 탄소는 열전도율이 뛰어나 열 부하를 더욱 고르게 분산시켜 고알루미나 벽돌만 사용했을 때보다 핫스팟 온도를 50~80°C 낮춰줍니다. 단점은 가격입니다. MgO-C 벽돌은 고알루미나 벽돌보다 약 40% 더 비싸지만, 수명 연장을 통해 추가 투자 대비 2:1의 수익률을 얻을 수 있습니다.
수냉식 설계는 일반적인 루프링과 우수한 루프링을 구분하는 핵심 요소입니다. 가장 중요한 매개변수는 냉각 통로를 통과하는 물의 유속입니다. 유속이 초속 1.5m 미만이면 고온 지점에서 핵비등이 발생하여 증기 주머니가 생성되고, 이 증기 주머니는 강철과 냉각수를 차단합니다. 증기가 발생하면 강철 온도가 단 몇 초 만에 200°C까지 급격히 상승하여 열피로 균열을 유발할 수 있습니다. 당사는 모든 루프링 통로에서 최소 2.0m/s의 유속을 유지하도록 설계하며, 열유속이 가장 높은 전극 포트 영역에서는 2.5~3.0m/s의 더 높은 유속을 적용합니다.
유량 분포는 총 유량만큼이나 중요합니다. 냉각이 고르지 않은 루프 링은 구조 전체에 온도 구배를 발생시킵니다. 이러한 온도 구배는 열팽창 차이를 유발하여 용접 부위에 기계적 응력을 발생시키는데, 이는 응력이 발생해서는 안 되는 부분입니다. 따라서 당사는 루프 링 생산에 들어가기 전에 모든 물 통로가 설계 유량을 받는지 확인하기 위해 전산 유체 역학(CFD) 모델링을 사용합니다.
델타 배열, 즉 지붕에 전극 포트가 배치되는 방식은 전기적 성능과 내화물 수명 모두에 영향을 미칩니다. 표준 델타 배열은 세 개의 전극이 정삼각형의 꼭짓점에 위치합니다. 세 전극 중심을 지나는 원의 지름인 피치 원 직경(PCD)은 중요한 설계 변수입니다. PCD가 너무 작으면 아크가 측벽을 과도하게 가열합니다. 반대로 PCD가 너무 크면 전극 사이의 냉점이 녹지 않은 스크랩 브리지를 형성합니다.
일반적인 50톤 전기로의 경우, 전극 포트 간 거리(PCD)는 변압기 출력에 따라 700mm에서 900mm 사이입니다. 출력이 높을수록 아크 길이가 길어져 복사열 분포 범위가 넓어지므로 더 큰 PCD를 사용할 수 있습니다. 루프 링은 선택된 PCD를 수용하면서 전극 포트와 외부 쉘 사이에 적절한 내화물 두께를 유지해야 합니다. 일반적으로 전극 포트와 루프 링 내경 사이의 최소 내화물 두께는 150mm로 지정합니다.
전극 포트 밀봉은 세심한 주의가 필요합니다. 전극 포트 주변의 모든 틈새는 뜨거운 가스가 빠져나가고 공기가 유입될 수 있는 통로가 됩니다. 특히 공기 유입은 전극의 탄소를 연소시키고 강철에 질소를 첨가하기 때문에 심각한 문제입니다. 잘 설계된 루프 링에는 조절 과정에서 전극이 위아래로 움직일 때에도 전극과 접촉을 유지하는 기계식 밀봉 장치(흑연 링 또는 스프링 장착형 스테인리스 스틸 링)가 포함되어야 합니다. 이 밀봉 장치는 전극의 움직임을 위해 약 5mm의 반경 방향 여유 공간을 확보하면서 2~3% 이내의 가스 누출률을 유지해야 합니다.
설치 및 정렬은 현장 작업과 엔지니어링 이론이 달라지는 부분입니다. 아무리 완벽하게 설계된 루프 링이라도 3mm만 어긋나도 몇 주 안에 파손될 수 있습니다. 루프 링은 용광로 외피에 완벽하게 수평으로 설치되어야 합니다. 기울어짐이 발생하면 내화물에 불균형한 하중이 가해지고 물의 흐름 분포도 고르지 않게 됩니다. 당사는 항상 가공된 기준면과 용광로 외피 플랜지에 맞는 정렬 핀을 루프 링에 포함하여 출고합니다. 현장 작업자는 장착 볼트를 조이기 전에 정밀 수평계(정밀도 0.02mm/m)를 사용하여 루프 링 주변 네 지점의 수평도를 확인해야 합니다.
유지보수 주기는 작업 방식에 따라 달라집니다. 일반적인 조건(하루 20회 가열, 일반적인 스크랩 혼합)에서는 200회 가열마다 내화물 두께 변화를 점검하십시오. 침식 깊이가 원래 내화물 두께의 50%를 초과하는지, 균열 폭이 3mm를 넘는지, 전극 포트 가장자리에서 박리가 발생하는지 확인하십시오. 수냉식 패널은 500회 가열마다 작동 압력의 1.5배로 압력 테스트를 실시해야 합니다. 15분 동안 압력 강하가 5%를 초과하는 패널은 제거하고 수리해야 합니다.
몬테 인텔리전스(MONTE INTELLIGENCE) 루프 링은 정상 작동 조건에서 최소 2,000회 가열 공정을 견딜 수 있도록 설계되었습니다. 실제 현장 사용 수명은 적용 분야에 따라 1,800회에서 3,500회까지 다양합니다. 수명의 차이는 위에서 설명한 작동 방식, 즉 수질, 내화물 선택 및 정렬 상태에 따라 달라집니다.
전기로 지붕 링 교체 또는 신규 용광로 건설 프로젝트를 계획 중이시라면 helenxu@cnlymonte.com으로 당사 엔지니어링 팀에 문의하십시오. 고객의 용광로 구성, 스크랩 종류 및 생산 목표를 고려하여 상세한 기술 제안서를 제공해 드립니다.
