전기 아크로를 가동하는 데에는 용해 작업장에서 시간을 보내야만 익힐 수 있는 특유의 리듬이 있습니다. 각 용해 작업은 정해진 순서를 따르지만, 45분 용해 작업과 90분 용해 작업의 차이는 대개 기본 원칙을 얼마나 잘 수행하느냐에 달려 있습니다. 이 가이드에서는 대부분의 작업장에서 여전히 표준으로 사용되는 산화 공정의 각 단계를 자세히 설명하고, 무엇을 해야 하는지뿐만 아니라 왜 중요한지까지 알려줍니다.
산화 공정: 여전히 핵심적인 역할을 수행하는 공정
산화법이 그 자리를 차지하게 된 이유
탄소강이나 저합금강, 또는 가스와 개재물 제어가 중요한 모든 등급의 강재를 녹일 때는 산화법을 사용합니다. 산화법의 핵심은 산소를 불어넣어 탄소를 제거하고, 생성된 이산화탄소 기포가 용융액을 문지르도록 하는 전용 산화 단계입니다. 이러한 문지르는 작용은 다른 어떤 공정보다도 수소, 질소 및 비금속 개재물을 효과적으로 제거합니다.
산화열처리는 다음과 같은 경우에 진행합니다.
- 탄소강 또는 저합금강을 생산하고 계시는군요.
- 해당 강철은 가스 및 개재물 제어가 철저해야 합니다.
- 폐기물이 혼합되어 있거나 구성 성분을 알 수 없는 경우 (산화 과정을 통한 정제가 필요합니다)
- 인과 황 제거는 모두 필수 사항입니다.
6단계 순서
모든 산화열 반응은 동일한 기본 구조를 따릅니다.
용광로 수리 → 장입 → 용융 → 산화 → 환원 → 출탕
각 단계는 뚜렷한 역할을 가지고 있습니다. 순서대로 살펴보겠습니다.
1단계: 보일러 수리
이 기회를 놓칠 수 없는 이유
용광로 내벽은 매 가열마다 열 충격, 장입 시 발생하는 기계적 충격, 슬래그로 인한 화학적 부식, 그리고 하루 종일 지속되는 아크 복사 등 온갖 손상을 입습니다. 체계적으로 보수하지 않으면 바닥이 손상되거나, 벽이 타버리거나, 배출구가 무너질 수 있습니다. 이러한 손상은 결코 저렴하게 수리할 수 있는 것이 아닙니다.
올바른 수리 관행은 여러 가지 이점을 동시에 가져옵니다.
- 손상된 부분이 고장으로 이어지기 전에 수리합니다.
- 화로 모양을 유지하여 용융된 융초의 깊이가 일정하게 유지되도록 합니다.
- 용융된 강철이 용광로 외피로 침투할 수 있는 균열을 밀봉합니다.
- 캠페인 수명을 연장시켜주므로, 내화물 예산을 효율적으로 사용할 수 있습니다.
제대로 하는 방법
타이밍이 중요합니다. 라이닝이 아직 뜨거울 때 작업을 완료해야 합니다. 잔열이 수리 재료를 제자리에 단단히 고정하는 데 도움이 됩니다. 실제로, 탭핑 후 10~15분 이내에 수리를 완료하는 것이 좋습니다. 시간이 더 지나면 라이닝이 식어서 수리 재료가 제대로 소결되지 않습니다.
재료. 마그네슘계 전기로(EAF)는 산화마그네슘(MgO) 또는 산화백운석(MgO·CaO)을 바인더(타르 또는 규산나트륨)와 함께 사용합니다. 큰 수리에는 굵은 입자를, 세밀한 작업에는 미세 분말을 사용합니다.
방법. 상황에 따라 여러 가지 선택지가 있습니다.
- 수리 재료를 뜨거운 부분에 던져 넣고 열로 소결시키는 방법 - 빠르고 거칠지만 경미한 마모에는 적합합니다.
- 국소적 손상 복구 도구를 사용한 패치.
- 열간 분사(Hot gunning) - 랜스를 이용해 내화 슬러리를 벽면에 분사하는 방식입니다. 부분 보수 이상의 작업에 사용되는 현대적인 표준 방식입니다. 빠르고 넓은 면적을 고르게 도포할 수 있으며, 용광로의 열을 이용합니다.
주의해야 할 점은 탭 홀과 슬래그 라인이 마모가 가장 심한 부분이라는 것입니다. 매 가열마다 이 부분을 점검하십시오. 보수층은 한 번 도포할 때 약 30~50mm 이하로 유지하십시오. 너무 두꺼우면 재가열 전에 제대로 소결되지 않습니다.
2단계: 충전
진정으로 중요한 규칙들
스크랩을 적재하는 방식은 전체 용융 공정에 큰 영향을 미칩니다. 적재 위치 선정이 잘못되면 브리징 현상이 발생하고 용융 속도가 느려지며 시간이 낭비됩니다.
원칙은 간단합니다.
- 밀도가 중요합니다. 아크가 전하 표면에서만 움직이는 것이 아니라 전하 내부로 침투해야 합니다.
- 한 곳에 몰아넣지 말고 분산시키세요. 무거운 고철을 한 곳에 쌓아두면 차가운 부분이 생겨 녹지 않습니다.
- 아래쪽은 무겁고 위쪽은 가볍다. 당연한 말처럼 들리지만, 실제로 지켜지지 않는 경우가 많다. 맨 아래층: 무거운 자투리 재료. 중간층: 중간 두께 재료. 맨 위층: 가벼운 자투리 재료와 흩어진 천 조각.
- 첨가제를 잘 섞어주세요. 석회, 코크스, 재탄화제 등을 한 곳에 몰아넣지 말고 통 전체에 골고루 섞어주세요.
현대 상점의 요금 청구 방식
두 가지 방법이 주로 사용됩니다.
대부분의 작업장에서는 스윙 루프 충전 방식을 사용합니다. 지붕을 들어 올리고, 스윙 루프를 열고, 버킷을 내려놓으면 됩니다. 빠르고 유연하며, 작업 과정을 눈으로 확인할 수 있습니다. 대부분의 작업에는 두세 개의 버킷이 필요합니다.
콘스틸(연속 장입) 방식은 완전히 다른 방식입니다. 용융 과정 동안 컨베이어를 통해 용광로 측면에서 고철이 지속적으로 공급됩니다. 편심 하부 탭핑(EBT) 방식과 결합하면 사실상 중단 없이 가동할 수 있습니다. 아크가 절대 꺼지지 않기 때문에 열 손실이 크게 줄어듭니다. 전력망 또한 부하가 안정적이기 때문에 더 효율적입니다. 단점은 초기 투자 비용과 공정의 복잡성이지만, 생산량이 많은 공장에서는 이보다 더 나은 방식을 찾기 어렵습니다.
얼마를 청구해야 할까요?
용광로 용량과 변압기 용량이 최대 허용치를 결정합니다. 용융 열은 정격 용량의 85~110%를 목표로 하십시오. 부족하게 채우면 변압기 용량을 낭비하게 되고, 과하게 채우면 단락이 발생하거나 용융액이 튀게 됩니다.
양동이에 물을 채울 때는 다음 사항을 고려하세요.
- 보유하고 있는 폐기물의 종류와 밀도는 무엇입니까?
- 뜨거운 금속을 넣는지 여부 (그리고 넣는 양)
- 귀사의 합금 반환 재고는 어떤 모습일까요?
- 탄소, 인, 황의 출발점은 어디인가요?
3단계: 용융
이 단계에서 가장 많은 비용이 드는 이유
온수 공급 중단 시간은 전체 사용 시간의 50~60%가 소요되는 시간이며, 전력 소비량의 60~70%가 소모되는 시간입니다. 생산성 향상을 원한다면 이 부분을 가장 먼저 살펴봐야 합니다.
용융 단계는 네 가지 뚜렷한 단계로 나뉘며, 각 단계마다 다른 처리 방식이 필요합니다.
아크 스트라이크
전원을 켜면 전극이 내려갑니다. 전극이 고철에 닿으면 전류가 흐르고, 다시 전극이 올라가면서 아크가 발생합니다. 처음 몇 분 동안 아크는 완전히 노출되어 지붕 쪽으로 똑바로, 벽면 쪽으로 옆으로 퍼져 나갑니다. 이 구간에서는 전압을 낮춰야 합니다. 일부 작업자는 아크 안정화를 위해 아크 발생 영역에 코크스나 전극 고철을 추가하기도 합니다. 이는 지붕의 수명을 늘리는 데 도움이 되는 작은 조치입니다.
시추공 형성
아크가 고철 속으로 파고들어 구멍을 만듭니다. 이 과정은 빠르게 진행되어야 합니다. 아크가 고철 속에 깊숙이 박혀 열이 유용하게 쓰이도록 해야 합니다. 전극이 고철을 관통하면 지붕이 타지 않고도 더 높은 출력을 사용할 수 있습니다. 바로 이 부분에서 고감도 전극 조절이 중요합니다. 전극 반응 속도가 느리면 시간이 낭비됩니다.
용융 풀 형성
고철이 녹으면서 용융조의 수위가 높아집니다. 이제 첫 번째 석회를 넣으세요. 슬래그가 용융조 표면을 최대한 빨리 덮도록 하는 것이 중요합니다. 이렇게 하면 가스 흡수를 줄이고 열 손실을 감소시키며 인 제거를 시작할 수 있습니다. 용융조의 수위가 충분히 높아지면 산소를 불어넣으세요. 산소는 용융 속도를 높여 산화 단계에 더 빨리 진입할 수 있도록 도와줍니다.
종합적인 용융
용융액이 안정적으로 형성되면 산소 공급량을 늘리고, 산소 연료 버너가 있다면 가동하십시오. 산화 단계가 시작될 때를 대비하여 슬래그의 염기도와 유동성을 지속적으로 조정하십시오. 용융이 끝난 후 용융액이 잘 준비되면 산화 단계가 짧고 깨끗하게 진행됩니다.
녹는 시간에서 최대한의 효과를 끌어내기
실제로 변화를 가져오는 몇 가지 요소:
- 시추 시간을 최소화하기 위한 효율적인 버킷 배치
- 아크가 닿지 않는 고철을 가열하기 위한 산소-연료 보조 장치
- 아크열을 용탕 내에 가두기 위해 가능한 한 빨리 거품 슬래그를 생성해야 합니다.
- 지붕을 닫아 두세요. 지붕을 열 때마다 열이 빠져나갑니다. 불필요하게 지붕을 열지 않도록 증축 계획을 세우세요.
- 출력 곡선을 맞춰주세요. 아크가 완전히 노출된 상태에서 최대 출력으로 작동시키면 지붕이 손상될 수 있습니다. 각 단계별로 최적의 출력 프로필을 파악하세요.
4단계: 산화
당신이 여기서 실제로 하고 있는 일은 무엇인가요?
산화 단계는 야금학적으로 매우 중요한 단계입니다. 여러분은 다섯 가지의 뚜렷한 작업을 수행해야 합니다.
탈인 공정 — 인 함량을 규격 이하(일반적으로 ≤0.025%)로 낮춥니다.
2. 탈탄 — 산소를 불어넣어 탄소를 목표 지점에 떨어뜨립니다.
3. 가스 제거 — 이산화탄소 기포가 욕조에서 수소(H₂)와 질소(N₂)를 제거하도록 합니다.
4. 내포물 제거 — CO 기포가 내포물을 표면으로 운반합니다.
5. 온도 상승 — C–O 반응은 발열 반응입니다. 탄소를 0.01% 제거할 때마다 전해액 온도가 약 2~3°C 상승합니다.
탈인 공정: 인 제거
인 제거는 슬래그 화학과 관련된 문제입니다. 다음 네 가지가 필요합니다.
- 높은 염기성. CaO/SiO₂ 비율을 2.5~4.0으로 맞추십시오.
- 산화 슬래그. 슬래그 내 FeO 함량은 15~25%여야 합니다. FeO 함량이 낮으면 인이 금속에 잔류합니다.
- 초기 온도를 낮추십시오. 인은 낮은 온도에서 슬래그에 더 많이 분포합니다. 용탕이 비교적 차가울 때 탈인 공정을 시작하고, 탈탄을 위해 온도를 올리기 전에 인이 풍부한 슬래그를 제거하십시오.
- 슬래그는 충분히 넣어야 합니다. 슬래그 양을 줄이면 슬래그가 흡수할 수 있는 인의 양이 제한됩니다.
실용적인 팁: 용융 공정 후반부에 고염기성, 고산화철 슬래그를 생성하기 시작하세요. 인을 조기에 제거하는 것이 중요합니다. 인이 제거되면 본격적인 탈탄 공정을 시작하기 전에 슬래그를 제거해야 합니다. 그렇지 않으면 탈탄 과정에서 슬래그의 화학적 성질이 변하면서 인이 다시 금속으로 돌아가는 현상이 발생합니다. 이는 흔히 발생하는 실수이며, 충분히 예방할 수 있습니다.
탈탄: CO 끓임
산소를 불어넣으면 탄소가 아래로 가라앉습니다. 이때 생성되는 CO 가스는 격렬한 비등을 일으키는데, 이 비등은 단순히 탄소를 제거하는 것 이상의 역할을 합니다. 비등은 용융액을 휘저어 온도와 화학적 성질을 균일하게 하고, 표면에서 기포가 터지면서 수소와 질소를 배출하며, 불순물을 슬래그로 운반하여 흡수되도록 합니다.
몇 가지 지침:
- 가스 세정 효과를 얻으려면 최소 0.2%의 탈탄 작업을 해야 합니다. 0.05% 정도의 미미한 탈탄으로는 큰 효과를 보기 어렵습니다.
- 송풍 속도를 조절하십시오. 너무 강하게 하면 용융된 강철이 용광로 밖으로 튀어나오고, 너무 약하게 하면 끓임 효과가 떨어집니다.
- 최종 지점을 잘 확인하세요. 작업이 끝났다고 생각하기 전에 샘플을 채취하십시오. 최종 지점을 놓치면 고탄소강에 탭을 내야 하고, 너무 놓치면 재탄소화 작업을 해야 합니다. 재탄소화 작업도 효과는 있지만 시간과 합금 비용이 많이 듭니다.
산화 과정에서의 온도 관리
산화 단계를 종료할 때 용융액 배출 온도보다 10~20°C 정도 낮은 온도를 유지해야 합니다. 그 이유는 환원 단계에서 합금과 탈산제를 첨가하는데, 이 과정이 흡열 반응이기 때문입니다. 따라서 용융액의 온도가 약간 낮아집니다. 일반적으로 (용도에 따라 다르지만) 약 1550~1600°C에서 산화 단계를 종료하는 것이 적절한 온도 범위입니다.
슬래그 제거
산화 공정이 완료되면 산화 슬래그를 완전히 제거해야 합니다. 슬래그에는 인과 산화철이 많이 함유되어 있어 환원 공정 중에 남아 있으면 재인산화, 재산화 등 문제가 발생합니다. 따라서 신속하게 제거하고 가능한 한 빨리 새로운 환원 슬래그를 만들어야 합니다.
5단계: 감소
감축의 네 가지 역할
감압 기간은 강철 가공을 마무리하는 단계입니다.
탈산소화 — 용존 산소량을 가능한 한 최저 수준으로 낮추십시오.
2. 탈황 - 환원 슬래그가 잘 유지되는 환경에서.
3. 합금 — 목표 화학 조성에 맞추기 위해 합금 원소를 첨가합니다.
4. 온도 조절 — 원하는 온도로 맞춰주세요.
탈산: 침전 + 확산의 결합
현대 제련 방식에서는 두 가지 메커니즘을 모두 사용합니다. 슬래그 제거 직후, 강력한 탈산제(알루미늄, 규소-망간)를 노출된 용탕에 직접 첨가합니다. 이는 침전 탈산으로, 산소를 신속하게 제거합니다. 그 후 환원 슬래그(백색 슬래그 또는 탄화물 슬래그)를 생성하고 유지합니다. 슬래그는 확산 탈산을 통해 용탕에서 산소를 점진적으로 제거합니다. 이 두 가지 방법을 병행하면 각각의 방법만 사용할 때보다 더 깨끗한 강재를 얻을 수 있습니다.
백색 슬래그(CaO 기반, 낮은 FeO 함량, 흰색)와 탄화물 슬래그(CaC₂ 함유, 회흑색)는 모두 탈산 능력이 있습니다. 백색 슬래그가 더 흔하게 사용됩니다. 탄화물 슬래그는 탈산력이 더 강하지만 관리가 더 까다롭습니다.
탈황
황은 다음 아래에서 나옵니다:
- 높은 염기도 (≥3.0)
- 낮은 FeO 함량 (≤1% — 이것이 바로 양질의 환원 슬래그가 필요한 이유입니다)
고온(반응 속도론적으로 유리함)
- 충분한 교반 (강철과 슬래그가 접촉을 유지하도록 함)
백색 슬래그 아래에서는 황을 50~70%까지 제거할 수 있습니다. 제대로 된 환원 공정을 거치면 최종 강재의 황 함량을 0.02% 미만으로 낮출 수 있습니다.
합금: 올바른 순서로 원소 첨가하기
모든 합금이 산화 위험 측면에서 동일한 것은 아닙니다. 원칙은 다음과 같습니다. 산화에 강한 원소는 초기에 첨가하고, 산화되기 쉬운 원소는 나중에 첨가하십시오.
산화 위험 사례 및 첨가 시점
낮은 회수율(~100%) 니켈, 페로몰리브덴, 구리 산화 말기 또는 초기 환원
환원 과정에서 사전 탈산화 후 중간 정도의 페로망간, 페로크롬, 페로실리콘이 생성됩니다.
알루미늄 함량이 높고, 페로티타늄과 페로붕소가 함유되어 있으며, 수돗물에서 꺼내기 5~10분 전에 추출합니다.
용탕 주입 중 국자에 희토류 원소가 매우 많이 포함되어 있어 특별 취급이 필요합니다.
합금을 첨가한 후, 용액을 저어주고 샘플을 채취하십시오. 추출하기 전에 화학 조성을 확인하십시오. 목표 조성을 놓치는 것보다 재샘플링하는 것이 비용이 적게 듭니다.
수돗물 온도 맞추기
용탕 온도는 사용하는 금속의 등급, 주조 방법, 그리고 다음 공정(LF? 연속 주조기? 잉곳?)에 따라 달라집니다. 온도를 측정하십시오. 온도가 높으면 전원을 차단하고 기다리거나, 가벼운 스크랩을 넣어 용탕을 식히십시오. 온도가 낮으면 전원을 다시 연결하되, 환원 공정 마지막 단계에서 차가운 용탕을 가열하면 장시간 유지로 인해 불순물이 더 많이 흡착될 수 있으므로 주의해야 합니다.
6단계: 탭핑
탭할 시점
확실해질 때까지 탭하지 마세요.
- 화학 분석 결과가 규격에 부합합니다 (또는 내부 목표치에 부합합니다).
- 온도가 수액 주입 요구 조건에 부합합니다.
- 환원 슬래그를 최소 10분 동안 유지했습니다(백색 슬래그 유지 시간).
욕조는 산화 방지 처리가 잘 되어 있습니다.
탭하는 방법
최신 전기로(EAF)는 편심 하부 배출(EBT) 방식을 사용합니다. 용광로를 기울이면 강재가 하부 편심 배출구를 통해 흘러나오고 슬래그는 대부분 용광로 내에 남습니다. 이는 기존의 주둥이 배출 방식보다 근본적으로 우수한 설계로, 슬래그 유출이 적고 용광로에 가해지는 기계적 스트레스가 적으며 배출 속도가 빠릅니다.
두드리기 과정에서 마지막 탈산제(일반적으로 알루미늄 와이어)를 국자 흐름에 넣어주세요. 가열이 끝나면 국자를 뒤로 기울여 내벽 상태를 확인하고 다음 가열을 준비하세요.
알아두면 유용한 두 가지 대안적인 프로세스
비산화(전하) 방법
산화 공정을 완전히 생략합니다. 재료를 녹인 후 바로 환원 공정으로 넘어갑니다. 장점은 공정 시간이 짧고(산화 공정보다 20~30% 빠름), 전력 소비가 적으며, 합금 회수율이 거의 100%에 가깝다는 점입니다(산화로 인해 재료가 손실되지 않음). 단점은 인을 제거할 수 없고, CO2 비등으로 가스와 불순물을 제거할 수 없으며, 깨끗하고 조성이 알려진 스크랩이 필요하다는 점입니다. 이 방법은 등급이 알려진 재료를 같은 등급으로 녹일 때, 예를 들어 스테인리스강 스크랩을 스테인리스강으로 녹일 때 효과적입니다.
리턴-산소 방식
하이브리드 방식입니다. 합금 회수물을 주 원료로 사용하여 용융시킨 후, 짧은 시간 동안 산소 블로우 처리를 합니다. 이때 탈탄율은 0.1~0.3%에 불과합니다. 이산화탄소가 잠깐 끓으면서 가스와 개재물을 제거하지만, 고가의 합금 원소가 상당량 산화되는 것을 방지할 수 있습니다. 이는 합금 손실 없이 산화물을 제거해야 하는 스테인리스강 및 고속 공구강에 사용되는 표준적인 접근 방식입니다.
염기성 용광로 vs. 산성 용광로
기본기가 지배적인 이유
기본형 전기로(마그네사이트 또는 돌로마이트 내화벽돌, CaO 기반 슬래그)는 탈인 및 탈황이 가능합니다. 대부분의 공장에서는 이 한 가지 기능만으로도 선택의 폭이 결정됩니다. 기본형 전기로는 고인 함량의 고철을 처리할 수 있고, 깨끗한 강철을 생산할 수 있으며, 사실상 모든 등급의 강철을 생산할 수 있습니다.
네, 염기성 내화물은 산성 내화물보다 가격이 비싸고 사용 수명도 짧습니다. 하지만 공정 유연성이 뛰어나다는 장점이 있습니다. 가동 중인 전기로의 90% 이상이 염기성 용광로입니다.
산성이 여전히 존재하는 곳
산성 전기로(실리카 라이닝, SiO₂ 슬래그)는 탈인이나 탈황이 불가능합니다. 따라서 스크랩이 깨끗해야 합니다. 대신, 빠른 온도 상승, 긴 라이닝 수명, 짧은 용탕 가열 시간이라는 장점을 누릴 수 있습니다. 일부 주조 공장에서는 특정 주조 용도에 한해 여전히 산성 전기로를 사용하고 있지만, 제철소에서는 점점 더 드문 선택이 되고 있습니다.
온도와 슬래그: 숨겨진 지렛대
열을 이용한 온도 조절
온도는 전체 공정에 큰 영향을 미칩니다. 온도가 너무 낮으면 반응이 멈추고 슬래그가 흐르지 않으며 합금이 녹지 않습니다. 반대로 온도가 너무 높으면 내벽이 부식되고 가스가 발생하며, 연속 주조기에 직접 재료를 공급하는 경우 주형이 손상될 수도 있습니다.
숙련된 제련공들이 목표로 삼는 것은 다음과 같습니다.
단계 온도 범위
용융 종료 온도: 1500~1550°C
산화 1550–1650°C
환원 온도 1550–1650°C
추출 온도: 1580~1680°C (등급에 따라 다름)
슬래그 제어 기본 사항
슬래그는 때때로 제강 공정의 '제3의 요소'라고 불리는데, 이는 과장이 아닙니다. 슬래그 관리 체크리스트:
- 염기도: 산화 시 2.5~4.0, 환원 시 3.0~4.0
- 슬래그 함량: 용선 중량의 2~5%
- 유동성: 형석을 사용하여 조절하되, 과도하게 사용하지 마십시오.
- 산화성 vs. 환원성: 산화 시에는 FeO 함량이 높고, 환원 시에는 FeO 함량이 낮습니다. 이러한 전환 과정, 즉 깨끗한 슬래그를 제거한 후 새로운 환원 슬래그를 생성하는 과정이 전체 환원 과정에서 가장 중요한 단계입니다.
- 거품 슬래그 깊이: 초고압(UHP) 용광로에서는 슬래그 층의 두께가 아크 길이의 1.5~2배가 되어야 합니다. 이렇게 하면 아크가 묻히고 용광로 벽면이 보호됩니다.
모든 전기로(EAF) 작업자는 자신만의 작업 방식과 경험 법칙을 개발합니다. 하지만 기본 원칙은 어디에서나 동일합니다. 산화 시간을 준수하고, 슬래그를 관리하며, 기본 사항을 절대 소홀히 해서는 안 됩니다. 산소 연료 가열, 발포 슬래그 자동화, 연속 장입 등 기술은 계속 발전하고 있지만, 기본적인 작업 순서는 수십 년 동안 변하지 않았습니다. 왜냐하면 그 방식이 효과적이기 때문입니다.
