원활한 전기로(EAF) 가열과 엉망인 가열을 가르는 가장 중요한 요소는 바로 원자재 품질입니다. 스크랩 버킷은 가장 저렴한 원자재인 동시에 가장 골칫거리이기도 합니다. 투입량을 제대로 맞추면 용융이 원활하게 이루어지지만, 잘못 맞추면 인 함량 급증, 과도한 탭 투 탭 시간, 합금 손실 등의 문제가 발생합니다. 이 가이드에서는 전기로에 투입되는 재료, 주의해야 할 사항, 그리고 숙련된 작업자가 변수를 관리하는 방법을 다룹니다.
고철: 공정의 핵심
품질 관리 시스템을 완전히 없애야 하는 이유는 무엇일까요?
대부분의 전기로(EAF) 공장에서는 고철이 금속 장입량의 60~100%를 차지합니다. 즉, 고철의 화학적 조성, 밀도, 그리고 청정도가 제련 공정에 직접적인 영향을 미친다는 뜻입니다. 잘 분류된, 등급이 확인된 고철은 더 빨리 녹고, 화학 처리가 덜 필요하며, 더 깨끗한 강철을 생산합니다. 반면, 등급을 알 수 없는 고철은 시간과 첨가제 비용을 낭비하게 만드는 위험 부담이 큽니다.
이 문제는 단순히 이론적인 차원에 그치지 않습니다. 폐기물 품질은 다음과 같은 영향을 미칩니다.
- 녹는 속도 (밀도와 크기가 매우 중요합니다)
- 산화 과정에서 얼마나 많은 인과 황을 제거해야 합니까?
- 잔류 원소(Cu, Sn, Cr, Ni)로 인해 규격에서 벗어나는지 여부
- 수소를 얼마나 많이 흡입하는지 (녹슬고 기름진 고철은 심각한 문제입니다)
- 얼마나 안전하게 충전할 수 있나요? (밀폐 용기는 사람을 죽일 수 있습니다)
폐자재 분류: 구매한 폐자재 vs. 집에서 반품한 폐자재
실제로 폐기물은 크게 두 가지 범주로 나뉘며, 관리 방법은 매우 다릅니다.
매입한 고철은 고철업자가 철거 현장, 수명이 다한 차량, 기계 해체장 등 어디에서든 구할 수 있습니다. 고철의 구성은 다양하며, 정확히 어떤 종류인지 알 수 없을 수도 있습니다. 매입한 고철 중에서도 몇 가지 하위 범주가 중요합니다.
- 중량 스크랩: 두께 6mm 이상의 판재, 빌릿, 구조용 단면재. 밀도가 높고 녹는 속도가 느리지만 수율이 높습니다. 버킷 바닥에 넣기에 적합합니다.
- 중간 크기 고철: 두께 3~6mm. 단면강, 파이프, 기계 부품 등. 가장 많이 사용되는 장입 재료입니다.
- 경량 고철: 얇은 판, 양철판, 전선. 밀도가 낮고 부피가 큽니다. 버킷에 넣기 전에 압축해서 묶어야 합니다. 그렇지 않으면 하루 종일 요금을 내야 할 겁니다.
- 파쇄된 고철: 자동차 차체 등을 파쇄기로 처리한 것. 크기가 일정하고, 부피 밀도가 적당하며, 비교적 깨끗합니다. 많은 작업장에서 일관된 용융 특성 때문에 선호합니다.
자체 제철소에서 발생하는 자투리, 불량품, 압연 스크랩을 자체 반환 스크랩이라고 합니다. 처음부터 자체적으로 강철을 생산했기 때문에 화학적 조성을 알 수 있습니다. 이는 특히 니켈, 몰리브덴, 크롬과 같은 값비싼 원소를 회수하려는 합금 등급의 경우 매우 귀중한 원자재입니다. 등급별로 분류하고, 따로 보관하고, 현명하게 사용하십시오. 304 스테인리스강 반환 스크랩 한 통을 304 제강 공정에 투입하는 것은 사실상 사전 합금된 스크랩과 같습니다. 이는 실질적인 비용 절감으로 이어집니다.
"Good" 스크랩은 어떤 모습일까요?
경험 많은 고철 구매업자들은 이런 점을 잘 파악하지만, 다음은 절대 양보할 수 없는 조건들입니다.
표면이 깨끗하고 녹이 거의 없어야 합니다. 녹은 습기를 의미하고, 습기는 수소 흡수를 의미합니다. 더 심각한 것은 용융된 용액 속에 갇힌 물이 수증기로 변하면 격렬한 분출을 일으켜 심각한 안전 위험을 초래할 수 있다는 것입니다. 기름 묻은 고철도 마찬가지입니다. 기름은 연소되면서 연기를 발생시키고 집진기에 쌓이게 합니다. 최고의 작업장들은 비바람을 막아주는 고철 야적장을 갖추고 있습니다. 비에 젖은 고철을 구입한다면 문제가 생길 가능성이 매우 높습니다.
비철금속은 절대 안 됩니다. 구리와 주석이 가장 큰 적입니다. 이들은 용광로에서 산화되지 않기 때문에 투입된 구리와 주석은 그대로 남습니다. 구리 함량이 0.3%를 넘으면 압연 과정에서 열간 단락 문제가 발생하기 시작하고, 주석은 이를 더욱 악화시킵니다. 알루미늄, 납, 아연도 마찬가지입니다. 제대로 된 고철 처리장에서는 분리 시스템을 운영하지만, 제철소라면 자체적인 입고 검사를 해야 합니다. 스파크 테스트와 분광 분석은 선택 사항이 아니라 기본적인 품질 관리입니다.
밀폐 용기는 절대 반입 금지입니다. 이는 품질 규정이 아니라 안전 규정이지만, 그 결과가 심각하기 때문에 반드시 명시해야 합니다. 밀폐된 파이프나 가스 실린더는 가열되어 압력이 상승하고, 결국 용광로 내부에서 폭발할 수 있습니다. 실제로 이런 사고로 인명 피해가 발생한 사례가 있습니다. 전기로(EAF) 공장에 자재를 공급하는 모든 고철 처리장은 엄격한 검사 및 분류 절차를 준수해야 합니다. 예외는 없습니다.
화학적 조성을 파악하는 것이 중요합니다. 구매한 고철의 경우, 이 부분이 가장 어려운 부분입니다. 탄소 및 합금 함량은 스파크 테스트로 대략적으로 확인할 수 있고, 시료에 분광기를 사용할 수도 있습니다. 하지만 여러 종류가 섞여 있는 고철의 경우, 불완전한 데이터만으로 작업해야 하는 경우가 많습니다. 가능하면 등급별로 분류하십시오. 그렇지 않은 경우에는 어떤 고철인지 정확히 알 때까지 따로 보관하십시오.
적절한 크기와 밀도가 중요합니다. 스크랩이 너무 길면 용광로 문을 통과하지 못하고 버킷이나 용광로 내부에 쌓여 아크를 형성하여 녹지 않을 수 있습니다. 일반적으로 스크랩의 크기는 용광로 입구 지름의 3분의 1에서 2분의 1을 넘지 않아야 합니다. 밀도 또한 중요합니다. 밀도가 너무 낮으면 한 번의 가열에 세 버킷을 투입해야 하고, 밀도가 너무 높으면 아크가 제대로 발생하지 않아 바닥에 녹지 않은 스크랩이 남게 됩니다. 최적의 밀도 범위는 약 0.6~1.5 t/m³입니다.
황과 인 함량 관리. 일반 고철은 이상적으로 황 함량 0.05% 미만, 인 함량 0.05% 미만이어야 합니다. 인 함량이 높은 고철이라고 해서 반드시 문제가 되는 것은 아니지만, 산화 시간이 길어지고 슬래그 생성 물질 소모량이 증가합니다. 구매하는 고철의 특성을 정확히 파악하는 것이 중요합니다.
합금 재료: 화학적 조성의 정확한 조화
이것들이 실제로 하는 일은 무엇일까요?
합금 재료는 용융강의 화학적 조성을 조절하여 최종 제품이 규격에 맞도록 합니다. 일부는 주로 탈산제 역할을 하면서 합금 성분(실리콘, 망간)을 추가하는 역할을 합니다. 다른 일부는 순수 합금 첨가물(니켈, 몰리브덴, 크롬)입니다. 핵심은 값비싼 원소를 낭비하지 않고 목표를 달성하기 위해 적절한 시기에 적절한 비율로 첨가하는 것입니다.
일반적인 페로합금
페로합금 창고에서 시간을 보내본 적이 있다면 재고 목록이 얼마나 긴지 알 것입니다. 여기서는 실제로 모든 가열 공정에서 사용하게 될 품목들을 소개합니다.
페로실리콘(FeSi). 75% Si 등급이 주력 제품입니다. 산화 방지 및 실리콘 첨가 역할을 합니다. 입자 크기가 중요한데, 너무 크면 탭핑 전에 녹지 않고, 너무 작으면 집진기로 손실됩니다. 일반적으로 10~50mm가 적합합니다.
페로망간(FeMn)은 고탄소(2~8% C), 중탄소(0.7~2% C), 저탄소(≤0.7% C) 등급으로 나뉩니다. 어떤 등급을 선택할지는 첨가 시 허용 가능한 탄소 함량에 따라 달라집니다. 저탄소 증류 후 마무리 증류를 하는 경우, 고탄소 페로망간은 적합하지 않습니다.
페로크롬(FeCr). 모든 스테인리스강 또는 합금강 용융 공정에 필수적인 재료입니다. 고탄소, 중탄소, 저탄소, 초저탄소 등 다양한 등급이 있습니다. 스테인리스강 제조 공장에서는 특히 저탄소 페로크롬을 엄청나게 많이 소비합니다. 가격이 비싸므로 취급에 주의해야 합니다.
페로몰리브덴(FeMo). 몰리브덴 함량은 약 55~65%입니다. 합금 구조강 및 공구강에 사용됩니다. 몰리브덴은 가격이 비싸기 때문에 회수율이 중요합니다. 탈산 공정이 어느 정도 진행된 후에 첨가해야 산화로 인한 손실이 적습니다.
다른 특수 페로합금으로는 고속도강용 페로텅스텐, 미량합금(강도 및 인성 향상)용 페로바나듐, 탈산 및 결정립 미세화용 페로티타늄, 미량 붕소 첨가용 페로붕소 등이 있습니다. 각각 고유한 용도가 있습니다.
순수 금속
때로는 페로합금으로는 부족할 때가 있습니다. 순수한 원소가 필요할 수 있습니다.
- 니켈: 전해 니켈 판 또는 펠릿. 니켈 함유 등급에 필수적입니다. 산화되지 않으므로 초기에 첨가할 수 있습니다.
- 알루미늄: 강력한 탈산제입니다. 와이어, 샷 또는 잉곳 형태로 첨가합니다. 알루미늄은 산화가 잘 되기 때문에 늦게 첨가해야 하며, 너무 일찍 첨가하면 손실될 수 있습니다.
- 금속 망간: 고탄소 페로망간에 포함된 탄소 없이 망간이 필요할 때 사용됩니다.
합금 재료의 선택 및 취급 방법
경험 많은 용해 전문가들이 지키는 몇 가지 원칙:
- 성분 분석을 숙지하십시오. 모든 합금 배치에는 제조 인증서가 필요합니다. 공급업체가 인증서를 제공할 수 없다면 다른 공급업체를 찾으십시오.
- 크기는 적절해야 합니다. 길이는 100mm를 넘지 않아야 합니다. 욕조에서 빠르고 완전히 녹도록 해야 하기 때문입니다.
- 습기를 제거하여 건조하게 유지하십시오. 습기는 수소를 생성합니다. 합금을 용광로나 주형에 넣기 전에 반드시 소성하십시오. 이는 페로바나듐이나 알루미늄과 같은 정밀 합금에 특히 중요합니다.
- 비용을 고려하세요. 페로실리콘과 페로망간을 따로 첨가하는 대신 실리콘-망간 합금을 사용해서 동일한 탈산 효과를 얻을 수 있다면 그렇게 하세요. 보통 더 저렴하고 항상 더 간단합니다.
슬래그 형성 재료: 슬래그를 활용하는 방법
슬래그가 생각보다 훨씬 중요한 이유
초보자는 용융된 강철에 집중하지만, 숙련된 제련공은 슬래그에 집중합니다. 슬래그는 진정한 야금학적 변화가 일어나는 곳입니다. 인과 황이 슬래그를 통해 빠져나가고, 개재물이 흡수되며, 아크가 보호되고, 내벽이 보호됩니다. 슬래그 처리를 잘못하면 다른 모든 것도 제대로 되지 않습니다.
산화칼슘(CaO): 기초
전기로에서 슬래그를 형성하는 가장 중요한 재료는 석회입니다. 900~1100°C에서 소성되어 다공성이고 표면적이 넓으며 빠르게 용해되는 연질(활성) 석회를 사용하는 것이 좋습니다. 1200~1400°C에서 소성된 경질 석회는 밀도가 높고 반응 속도가 느립니다. 경질 석회도 효과는 있지만 작업이 더 어려워집니다.
라임을 고를 때 무엇을 확인해야 할까요?
매개변수 대상
CaO 함량 ≥85% (활성 석회의 경우 ≥90%)
SiO₂ ≤3%
황 함량 ≤0.05%
입자 크기 10~50mm
연소 부족/과열 최소
석회 공급업체가 과소성된 석회를 배송하는 경우, 해당 업체와 상의하십시오. 이는 슬래그 생성 시간과 탈황 효율에 영향을 미칩니다.
형석(CaF₂): 플럭스
형석은 슬래그의 용융점과 점도를 낮춥니다. 용융 단계에서 초기 슬래그 형성을 촉진하고 환원 슬래그의 유동성을 유지하는 데 필요합니다. 하지만 형석을 현명하게 사용해야 합니다. 석회 중량의 15~20% 이상을 사용하면 용광로 내벽을 부식시키고 집진 시스템에 불소를 방출하기 시작합니다. 많은 지역에서 불소 배출을 제한하는 환경 규제가 시행되고 있으므로 이는 내화물 문제일 뿐만 아니라 규제 준수 문제로도 대두되고 있습니다.
돌로마이트(CaCO₃·MgCO₃): 용광로 내벽 보호재
소성 백운석은 슬래그에 산화마그네슘(MgO)을 첨가합니다. 이것이 왜 중요할까요? 바로 용광로 내벽이 산화마그네슘 기반이기 때문입니다. MgO 함량이 낮은 슬래그는 평형 상태를 유지하기 위해 내벽을 녹입니다. 반면 MgO 함량이 적절한 슬래그는 내벽에 손상을 주지 않습니다. 이 간단한 원리는 내화물의 수명 연장에 큰 도움이 됩니다.
기타 슬래그 재료
석회석(CaCO₃)은 급할 때 석회를 대신할 수 있지만, 용광로에서 흡열 분해되면서 열을 흡수합니다. 따라서 사용에 주의해야 합니다.
점토 벽돌 조각은 염기도를 낮춰야 할 때 환원 공정 중 슬래그 조정에 간혹 사용됩니다.
보크사이트(Al₂O₃)는 슬래그를 안정화시키고 특정 고합금 용융 공정에서 슬래그의 성능을 향상시킬 수 있습니다.
산화제: 정화 반응을 주도하는 요소
산소: 주요 도구
산소는 랜스를 통해 용융로에 불어넣어집니다. 산소는 동시에 세 가지 작용을 합니다. 첫째, 탈탄(용융로를 끓게 하는 CO 생성), 둘째, 인 산화(제거), 셋째, 열을 발생시켜 고철 용융을 돕습니다. 최신 전기로(EAF)는 용융로 전체에 산소가 고르게 접촉하도록 랜스, 벽면 주입구, 심지어 바닥 교반기까지 여러 곳에 산소를 주입합니다.
산소 압력과 유량은 가열 단계에 맞춰 조절됩니다. 너무 일찍 과도하게 산소를 공급하면 용융된 강철이 용광로 밖으로 튀어나올 수 있습니다. 반대로 너무 부족하면 산화 과정이 길어집니다.
철광석 및 제련 스케일
철광석(Fe₂O₃)은 전통적인 방식으로 산소를 공급합니다. 즉, 뜨거운 용융액에서 분해되어 산소를 방출합니다. 산소 주입 방식보다는 느리지만, 특히 산화성 슬래그를 형성하는 초기 용융 단계에서 보조 산화제로 유용합니다.
밀 스케일(Fe₃O₄)은 압연 과정에서 떨어져 나오는 산화막입니다. 가격이 저렴하고 산화제이며 슬래그 형성제이기도 합니다. 많은 공장에서 이를 무료 부산물로 취급합니다. 활용하십시오.
산화제를 안전하고 효과적으로 사용하는 방법
두통을 예방하는 몇 가지 규칙:
- 용융 풀이 형성되기 전에 산화제를 투입하지 마십시오. 차가운 산화제가 고체 스크랩에 닿으면 흡수될 뿐 아무런 효과가 없습니다.
- 철광석은 소량씩 첨가하십시오. 차가운 재료를 뜨거운 용광로에 한꺼번에 많이 넣으면 온도가 급격히 떨어질 수 있습니다.
- 산소 공급량을 조절하십시오. 강하게 끓이는 것은 좋지만, 녹은 강철이 용광로 밖으로 솟구쳐 나오는 것은 좋지 않습니다.
산화방지제: 욕조 청소
강도 스펙트럼
산화방지제는 강력한 것부터 약한 것까지 다양합니다. 순서대로 신중하게 사용해야 합니다.
강력한 탈산제 중 가장 대표적인 것은 알루미늄입니다. 알루미늄은 산소에 대한 친화력이 매우 강합니다. 일반적으로 최종 탈산 공정에 첨가되며, 열중량의 0.1~0.3%를 차지합니다. 알루미늄-망간-철 복합재료는 알루미늄의 강도와 망간의 합금 가치를 결합한 재료입니다.
중강도 탈산제 - 페로실리콘(실리콘 함량 75%)은 표준 침전 탈산제입니다. 페로망간은 탈산제와 합금 첨가제로서 두 가지 역할을 수행합니다. 실리콘-망간 합금(SiMn)은 두 가지 첨가제를 각각 사용하는 것보다 더 나은 효과를 나타내는 복합재로, 회수율이 높고 개재물 생성이 적습니다.
약한 탈산제 — 탄소는 C-O 반응을 통해 환원 단계에서 대표적인 확산 탈산제로 사용됩니다. 망간은 약하지만 탈산 생성물의 형태를 잡아 제거하기 쉽게 만들어줍니다.
실제 탈산화 과정은 어떻게 진행될까요?
두 가지 기본적인 메커니즘이 있으며, 일반적으로 두 가지 모두 사용하게 됩니다.
침전 탈산은 탈산제를 용융강에 직접 첨가하는 공법입니다. 탈산 생성물이 생성되어 떠오르게 됩니다. 이 공법은 빠르고 간단하지만, 일부 생성물은 떠오르기 전에 걸러지지 않고 갇히는 경우가 불가피하게 발생합니다.
확산 탈산이란 탈산제를 강철이 아닌 슬래그에 첨가하는 것을 의미합니다. 슬래그 내 산소 활성도를 낮추면 산소가 강철에서 슬래그로 확산되는 원동력이 생깁니다. 이 방법은 시간이 더 오래 걸리지만 더 깨끗한 강철을 생산할 수 있습니다.
현대의 제련 방식은 거의 항상 이 두 가지를 결합합니다. 먼저 침전 탈산 공정을 통해 산소 환원을 빠르게 진행한 다음, 환원 슬래그를 잘 유지한 상태에서 확산 탈산 공정을 통해 최대한 깨끗한 용탕을 얻습니다.
재탄화제: 탄소가 더 필요할 때
일반적인 옵션
때때로 욕조에 활성탄이 부족한 경우가 있습니다. 활성탄을 추가해야 하고, 좋은 회복 효과를 원할 때 다음과 같은 선택지가 있습니다.
- 전극 스크랩: 흑연, 고탄소(≥95%), 저유황, 우수한 회수율. 최고급 소재입니다.
- 석유 코크스: 탄소 함량이 높고 회분 함량이 낮으며 회수율이 괜찮습니다. 황 함량에 주의해야 합니다.
- 피치 코크스: 탄소 함량이 높고, 회분 함량이 낮으며, 회수율이 우수합니다.
- 선철: 탄소(3.5~4.5%)를 첨가하고 규소 및 기타 원소도 포함합니다. 간접적이지만 때때로 유용한 재탄화 경로입니다.
재탄화 공정을 제대로 작동시키기
회수율은 80~95% 정도이지만, 방법에 따라 달라집니다. 재탄소제는 용융액을 잘 저어주면서 첨가해야 합니다. 재탄소제가 빠르게 녹고 고르게 분포되도록 하는 것이 중요합니다. 첨가하기 전에 반드시 건조시켜야 합니다. 대량으로 첨가할 경우, 한 번에 모두 넣으면 목표량을 초과하여 과탄소 용융액을 사용하게 될 수 있으며, 이는 매우 큰 손실로 이어질 수 있습니다.
나머지 재고
난로 수리 재료
매번 가열 후(마모 정도에 따라 몇 번 가열 후마다) 바닥과 벽면을 보수해야 합니다. 마그네사이트(산화마그네슘)와 돌로마이트가 일반적인 보수 재료입니다. 타르 또는 규산나트륨이 결합제로 사용됩니다. 고온의 용광로 벽면에 내화 재료를 분사하는 열간 분사 방식은 넓은 면적을 보수하는 현대적인 표준 방법입니다. 이 방법은 빠르고, 잔열을 이용하여 보수 재료를 제자리에 소결시킵니다.
용융 금속을 장입 성분으로 사용
이 내용은 많은 교과서에서 다루는 것보다 더 많은 관심을 받을 만합니다. 전기로 장입물에 용융 금속을 20~40% 첨가하는 것은 진정한 판도를 바꾸는 요소입니다.
- 현열과 탄소 및 실리콘 산화로 인한 화학열을 합하면 톤당 전력 소비량을 100~200kWh 절감할 수 있습니다.
- 탭하여 이동하는 데 걸리는 시간이 10~20분 단축됩니다.
- 뜨거운 금속은 고철의 잔류 원소를 희석시켜 처음부터 더 깨끗한 화학 성분을 만들어냅니다.
단점은 용융 금속 공급원이 필요하다는 점입니다. 자체 용광로에서 생산하든 인근 일관 제철소에서 공급받든 마찬가지입니다. 하지만 용융 금속을 직접 장입하는 방식은 생산성이 높은 현대식 전기로(EAF) 공장에서 표준적인 공정으로 자리 잡았습니다.
원자재 관리는 제철 과정에서 결코 화려한 부분은 아닙니다. 하지만 원자재 관리를 제대로 하면 다른 모든 작업이 훨씬 수월해집니다. 고철 선별, 합금 재고 관리, 슬래그 처리 등을 단순한 구매 결정이 아닌 핵심 기술 분야로 여기는 제철소일수록 품질, 비용, 생산성 목표를 꾸준히 달성합니다.
