Tech Trend - 전로 및 전기로 슬래그(Slag, 용제)의 제어기술개발
기술의 개요
인류가 철(Fe)을 발견하고 이용하면서 인류의 문명과 기술은 획기적으로 발전했고, 산업혁명을 거치면서 철로부터 생산되는 제품들이 생활필수품이 될 만큼 우리들의 생활에 깊이 파고들어 왔다.
우리나라도 일관제철소가 건설되기 전에는 모든 제품들이 주로 주물 생산에 의존하였고 철에 포함되어 있는 성분을 조정하는 기술이 없었기 때문에 생산된 제품의 내구성에 문제가 많았고, 각종 산업 분야에 사용하기에 어려움이 있었다.
산업 근대화의 일환으로 1973년 경북 포항에 일관제철소 1기가 준공, 철강을 생산함으로써 산업 분야에 대변혁을 가져와 철강 제품으로 생산되는 산업 분야의 발전 및 다변화가 진행되어 왔다.
사실 우리 실생활에서 많이 사용하는 가전제품, 자동차 등에 사용되는 철강 제품은 알고 보면 아주 복잡한 공정을 거쳐 생산된다.
철광석으로부터 생산된 용선(鎔銑; Iron)에는 불순물이 많이 포함되어 있어서 고품질의 철강 제품을 생산하기 어렵다.
때문에 고품질의 용강(鎔鋼; Steel)을 얻기 위해서는 제강 공정을 거치게 된다.
용선 중에 포함된 불순물을 제거하여 성분 및 온도를 조정하고, 용강의 청정성을 확보하는 제강공정은 하나의 반응용기에서 이루어지는 것이 아니라 여러 개의 반응용기를 거치면서 진행된다.
그러므로 전 단계에서 정련 결과로 생성된 부산물인 슬래그는 다음 단계로 넘어가면 후 공정에서 정련효율을 떨어뜨릴 뿐만 아니라 야금학적으로도 불리하게 작용한다.
고로에서 발생한 슬래그가 다음 단계인 용선예비처리 공정으로 이동하면 탈황효율을 저하시키고, 염기도 조정을 위한 생석회의 추가 투입이 필요하다.
또한 예비처리에서 탈황 후 발생된 슬래그가 전로로 유입되면 탈황 슬래그 중에 포함된 황성분이 전로에서 복황(Resulfurization)되어 용강 내로 들어가 용강중의 황성분이 상승하게 된다.
2차 정련과정에서 발생한 레이들 슬래그가 턴디쉬나 몰드로 유입되면 용강 재산화 (Reoxidation)의 근원이 되며, 개재물 발생원으로 작용하여 용강에 불순물이 많이 혼입된다.
그러므로 다음 단계에서 슬래그 유입을 방지하는 기술은 매우 중요하다.
한편 용선 중에 포함된 탄소를 고속의 산소제트(Jet)를 분사하여 제거하는 전로 정련에서는 탄소뿐만 아니라 Fe, Si, Mn, P 등도 산화하여 FeO, SiO2, MnO, P2O5 등의 산화물이 되며, 부원료로 투입되는 생석회(CaO)등과 결합하여 다성분계의 슬래그를 형성한다.
이와 같은 전로, 전기로 슬래그는 전로, 전기로로부터 용강을 출강하는 과정에서 용강과 함께 레이들로 혼입되어 많은 악영향을 끼친다.
전로 및 전기로는 슬래그의 쇳물 온도가 높아 유동성이 좋고, 출강시의 쇳물의 속도가 빠르기 때문에 혼입에 유리한 조건을 갖추고 있다.
앞에서 언급한 다른 단계에서의 슬래그 혼입보다 양적인 측면에서도 많고, 정련에 미치는 영향이 크기 때문에 최대한 혼입을 억제해야 한다.
전로, 전기로 슬래그의 혼입이 미치는 악영향으로 출강 중에 투입되는 탈산제인 알루미늄의 실수율을 저하시키고 슬래그중의 P2O5가 환원되어 용강중의 P가 상승하는 복린(Rephosphorization)현상을 일으켜 요구되는 성분을 맞추기가 어렵다.
또한 슬래그 중에 포함된 FeO, MnO와 같은 저급산화물에 의해 용강이 재산화되어 용강의 청정성을 저해시키며, 대형 개재물의 소스가 되고, 레이들 안에 슬래그 라인 부위의 침식을 가중시킨다.
전로 및 전기로 슬래그 혼입의 악영향을 최소화시키기 위해서는 두 가지 방법으로의 접근이 가능하다.
첫째는 슬래그 혼입량 자체를 최소화하는 것이고, 둘째는 투입 후 전로에서 생성된 슬래그가 다음 공정의 용기인 래들(Ladle)로 옮겨지는 것을 최대한 억제해야 한다.
그렇지 않으면 슬래그로 인한 래들 내벽의 침식을 가중시킬 뿐만 아니라 래들에 유입된 슬래그를 제거하기 위한 추가적인 탈산제를 사용하게 되어 생산원가의 상승요인이 될 수 있다.
레이들에 유입된 슬래그를 차단하는 것으로, 대부분의 경우 두 가지 방법이 병용되고 있다.
실제로 Plug, Dart를 사용하여 슬래그 혼입을 최대한으로 억제하고 있으나 설비운영중 성공률이 떨어지는 문제를 안고 있다.
국내 철강업체에서는 외국에서 개발된 DART, Sliding Gate, Slag Stopper 등의 여러 가지 기술이 현장에 적용하여 사용되고 있지만, 역시 만족할 만 효과를 보지 못하고 있다.
또한 최근에는 철강의 공급이 수요를 초과하고 있는 상황과 기후변화 규제, 신소재 산업의 부상 등으로 철강 관련 친환경 기술개발이 치열하게 전개되고 있는 상황이어서 현재의 슬래그 차단 기술로는 그 한계를 드러내고 있다.
따라서 당사에서 소개하고자 하는 기술은 전로 및 전기로(Electric Arc Furnace)에서 출강 중에 래들로 유출되는 슬래그를 효과적으로 차단하기 위하여 전로 내 출강구 상부에서 고압의 가스를 분사함으로써 슬래그 유출량을 저감시키는 것으로 가스 분사에 필요한 초음속 Nozzle 설계와 최적의 분사조건을 도출하는 것이 이 기술의 핵심이라고 할 수 있으며, 또한 열화상 카메라를 사용하여 출강 중인 용강에 포함되어 있는 슬래그 유출량을 확인하기 위한 슬래그 분석 기술도 함께 개발 중에 있다.
본 기술에 대해서 이해를 돕고자 시스템 구성에 대하여 간단하게 설명하고자 한다.
현재 당사에서 개발 중인 기술은 전로를 사용하는 일관제철소의 제강 공장과 전기로를 사용하는 제강 공장을 대상으로 한다.
아래의 < 그림 1 >은 일관제철소의 전로에 적용할 수 있는 전로 출강구 슬래그 유출방지 시스템으로 크게 초음속 Nozzle과 Lance, Main Frame, 열화상 카메라, 분진 제거 장치 등으로 구성되어 있다.
출강 중에 Lance가 전로 내로 이동하여 Vortex에 의한 출강구 근처로 모여드는 슬래그를 가스 분사로 차단한다.
< 그림 2 >는 전기로에 적용할 수 있는 전기로 출강구 슬래그 유출방지 시스템으로 구성은 전로용 시스템과 유사하다.
현재 진행 중인 기술개발이 완료되면 그동안 외국 기술에 의존하였던 슬래그 차단 기술을 대체함으로써 아래의 표1과 같은 파급효과가 기대되며 전로와 전기로를 사용하는 철강 업체의 수요가 클 것으로 예상한다.
국내외 기술 동향
(1) 해외 기술 동향
일본을 비롯하여 미국, 유럽 등에서는 슬래그 상태에 대한 연구, 슬래그의 특성, 용강의 분석 등 여러 분야에서 연구가 활발하게 진행되어 왔다.
그 결과 아래의 표2와 같이 유럽, 미국, 일본 등에서 여러 가지 슬래그 차단 기술이 개발됐다.
하지만 이런 기술은 이론적인 것에 불과하여 현장에 설치하여 운용하면 설계 대비 그 효과가 재현되지 않아서 도태되거나 다른 형태의 기술로 진보됐으며, 현장에 적용된 기술도 그 수명이 길지 않아서 약 5년 주기로 다음 기술이 등장하곤 했다.
현재 당사에서 개발 중인 가스분사에 의한 슬래그 유출 차단 기술도 일본에서 이와 유사한 Air Jet 기술을 개발하여 현장에 적용하여 사용하고 있다.
최근에는 고부가가치 제품개발과 소재산업의 부상 등으로 철강 제품의 품질기준이 엄격하여 좀 더 진보한 기술의 필요성이 대두되고 있고, 슬래그 차단 기술에 슬래그 감지 기술이 접목되는 추세이다.
(2) 국내 기술 동향
국내 슬래그와 슬래그의 활용에 대한 연구는 활발하게 진행되고 있다.
그러나 슬래그의 유출 차단 기술에 대한 연구 활동은 국내외 업체와의 품질 경쟁 등 보안상의 문제로 학회나 논문에 발표된 자료가 없어서 정확한 기술개발에 대한 현황 파악이 어렵다.
국내의 일관제철소와 전기로 업체의 제강설비들이 대부분 유럽, 일본의 기술로 제작되어 설비 공급업체와의 기술 교류를 통해 슬래그 차단 기술의 도입이 이뤄지고 있다.
그렇기 때문에 국내에 도입해 사용하고 있는 슬래그 유출 차단 기술은 대부분이 유럽과 일본의 것이 많으며, 현장의 실정에 맞게 개조되거나 변형되어 사용되고 있다.
현재 국내에서는 유럽에서 개발한 DART가 가장 많이 사용되고 있다.
DART는 국내에서 제작이 가능하지만 중국 제품과의 단가 차이로 대부분 수입에 의존하고 있다.
한편 DART를 사용하려면 투입장치가 필요한데 그 장치는 국내에서 자체 개발하여 현장에서 사용하고 있다.
그 밖의 규모가 작은 전기로 업체는 슬래그 유출 차단 기술을 사용하지 않거나 CCTV 또는 열화상 카메라를 사용하여 슬래그 유출을 감시하고 슬래그 유출 감지시 전기로를 역경동시키는 등의 조업을 하고 있다.
향후 전망
세계 철강 시장은 철강재 공급증가와 온실가스 배출규제, 신흥개도국의 철강산업 육성에 따른 시장의 판도변화 등으로 격변기에 접어들었다.
이러한 철강산업의 환경변화에 순응하기 위해서는 국내 철강업계의 고부가가치의 제품개발을 통한 기술경쟁과 생산원가 절감을 통한 저가정책의 가격경쟁에서 우위를 선점할 필요가 있다.
그럼 이 시점에서 철강업계에 가장 필요한 것이 무엇일까?
아마도 생산원가 절감과 품질개선을 통한 고부가가치 제품 개발일 것이다.
철강업계의 Needs에 대응하기 위해서 가장 시급한 것이 제강공정의 개선이다.
이런 분위기와 우리의 기술개발 의도가 일맥상통하여 슬래그 차단 기술의 개발이 성공적으로 완료되면 철강업계의 고민 해결과, 슬래그 차단 기술개발을 통한 국내외 시장 확보를 통한 매출 증대라는 두 마리 토끼를 잡을 수 있으리라 본다.
맺음말
본 기술은 남들이 도전하지 않는 분야에 도전하는 장인정신을 바탕으로 남들이 기피하는 산업현장에서 고열, 분진 등과 싸워가며 수많은 고민과 테스트를 거듭하여 개발 중인 기술이다.
Global 기술융합을 통한 시너지 효과 증대로 국내 철강 산업을 세계 1위로 도약하는 데 기여할 것으로 생각하고 있다.
이러한 기술력을 산업자원통상부로부터 인정받아 우수기술연구센터(융합ATC사업)의 연구 개발과제를 수행중이며, 과제가 완료되는 시점에서는 국내 철강업체가 새로운 기술로 무장하여 대한민국이 세계 최고의 철강강국을 실현하는 데에 기여할 것으로 확신하고 있다.
또한 정부의 많은 지원을 받았기에 향후 해외에도 본 기술을 알리는 데 주력하여 수출에도 이바지 하고자 한다.
