제조공정
산업 제조
비금속 개재물(이하 '개재물')은 황이나 산소 등 최소 한 가지 이상의 비금속 성분으로 구성된 화학 화합물입니다. 강철에서 개재물은 원료에 의한 것이거나 제강 공정 중 유입되는 용강 내 산화제의 함량으로 인해 발생하는 원치 않지만 주로 불가피한 상(phase)입니다. 개재물은 용강을 다루는 거의 모든 처리 공정에서 열역학적으로 유리한 조건에 따라 다양한 유형으로 형성됩니다.
개재물의 유해한 영향은 화학적 조성, 체적 분율, 분산 상태, 형상에 따라 크게 달라집니다. 일반적으로 크고 잘 깨지지 않으며 융점이 높은 개재물이 가장 바람직하지 않습니다. 반면 작고 잘 부서지거나 융점이 낮은 개재물은 상대적으로 선호됩니다. 이는 융점이 낮거나 잘 부서지는 개재물이 연속 주조 및 응고 공정 후 강철이 겪을 수 있는 열간/냉간 압연 공정(압연 공정과 압하비의 영향)이나 열처리 과정에서 변형되거나 더 미세한 개재물로 분쇄되거나 사라질 가능성이 높기 때문입니다.
제강 공정에서 주요 개재물은 산화물과 황화물입니다. 이들은 제강 공정의 결과로 생성되어 강철의 필수적인 부분이 됩니다. 산화물은 일반적으로 유해한 것으로 간주되지만, 황화물은 절삭성 등 강철 물성을 결정하는 데 미묘한 역할을 합니다.
황화물로 절삭성을 개선하는 일부 용도를 제외하면, 개재물은 일반적으로 강철 제품의 기계적 물성과 표면 품질을 저하시키고 노즐 막힘, 제강 및 성형 공정의 장애를 유발합니다. 황화물 및 산화물 개재물의 존재로 인해 연성, 인성, 이방성, 성형성 등의 기계적 물성이 부정적인 영향을 받을 수 있다는 것이 정설입니다. 강철 기지 내에 잔류하는 개재물은 기계적 물성을 손상시키고 재료 파손을 초래합니다.
연속 주조 강재에 요구되는 품질 기준은 결함 없는 제품 생산과 가공 성능 향상을 통한 생산성 및 효율성 증대라는 고객 니즈에 부응하기 위해 최근 점점 엄격해지고 있습니다.
용강 내 개재물의 존재는 일반적으로 제강 공정 기인 품질 결함의 주요 원인 중 하나입니다. 개재물은 제품 결함을 직접 유발할 뿐만 아니라 노즐을 막아 몰드 내 용강 유동 변화, 분말 포집 등 운전 이상을 초래함으로써 간접적으로도 제품 결함을 야기합니다.
'고청정도 강'은 용도에 따라 요구되는 품질 특성이 다르기 때문에 단순하게 정의할 수 없습니다. 따라서 허용 가능한 개재물의 크기, 조성, 양도 강철의 용도에 따라 달라집니다. '청정강(clean steel)'이라는 용어는 신중하게 사용해야 합니다. 그 이유는 (i) 용도별로 요구되는 청정도가 다르고, (ii) 제강 조업별로 실제 청정도가 다르며, (iii) '청정강'이라는 단어를 문자 그대로 '개재물이 없는 강철'로 오해하는 경우가 많기 때문입니다.
'청정'의 정의는 절대적인 것이 아니라 개별 제강 공정과 최종 제품의 사용 조건에 따라 달라집니다. 따라서 '청정강'이라는 용어는 제강사와 강재 용도에 따라 가변적입니다. 이러한 가변성 때문에 (i) 용질 원소(황, 인, 질소, 산소, 수소) 함량이 낮은 강을 '고순도강', (ii) 스크랩 유래 불순물(구리, 납, 아연, 니켈, 크롬 등) 함량이 낮은 강을 '저잔류강'으로 더 정확하게 구분해 부르자는 제안도 있습니다.
강철 청정도 평가에는 난제가 있습니다. 거대 개재물(매크로 개재물)은 개수가 매우 적어 검출이 어렵고, 미세 개재물(마이크로 개재물)은 개수가 거의 무한대에 가까우나 크기가 너무 작아 검출이 거의 불가능합니다. 일반적으로 5μm(0.005mm)가 허용 가능한 마이크로 개재물과 잠재적으로 유해한 매크로 개재물의 경계선으로 여겨집니다. 이러한 산발적 거대 개재물이 제강소에서 청정강 생산 시 가장 큰 품질 문제로 대두됩니다.
청정강은 산화물 및 황화물 개재물을 저감하고 그 조성과 형상을 제어하는 것 외에도 인, 수소, 질소 함량 및 기타 미량 원소를 낮추는 것을 요구합니다. 때로 청정강 개념은 논쟁의 대상이 되기도 합니다. '강철의 청정도는 미(美)와 마찬가지로 보는 사람의 눈에 달려 있다'는 말처럼 상대적 개념이기 때문입니다. 또한 개재물이 적을수록 성능이 우수하다는 인상을 주지만, 이는 항상 참이 아닙니다.
용도에 따라 다양한 강종이 생산되며, 각 강종에 요구되는 청정도 수준은 개재물의 개수, 형상, 조성, 크기 분포에 따라 달라집니다. 예를 들어 절삭강이나 재황강에서는 개재물을 완전히 제거하는 것이 아니라 절삭성을 향상시키도록 개재물을 변질시키는 것이 설계 목적입니다. 따라서 각 강종별 허용 개재물 수준 또는 청정도에 대한 균형 잡힌 판단은 제강사와 사용자 양측에게 기술적, 경제적으로 매우 중요합니다. 청정강은 궁극적으로 개재물 특성에 관한 고객 사양과 용도 요구사항을 충족하기 위해 필요합니다.
강철 내 개재물의 존재는 제강 공정과 불가분의 관계에 있습니다. 그 영향이 유해하든 이롭든, 개재물의 존재는 제강 공정의 일부이며 최종 강철 물성에 유리하게 활용되어야 합니다.
개재물의 화학적 조성과 체적 분율은 (i) 1차 제강, (ii) 2차 제강, (iii) 연속 주조 조업 등 강철 생산 공정의 각 단계 관리 방식에 의해 결정됩니다. 따라서 개재물 분포는 적용된 운전 파라미터와 생산 강종의 특성 간 관계에 따라 달라집니다.
기원에 따라 개재물은 산화물 입자, 내화물 파편, 상부 슬래그 혼입, 재산화 생성물 등으로 분류됩니다. 개재물 제거를 위해 래들 교반, 슬래그 정련, tundish 조업, 연속 주조 몰드 조작 등 다양한 방법이 적용됩니다. 연속 주조 몰드에서의 개재물 제거는 용강이 고체화되어 개재물이 부상할 기회가 적기 때문에 어렵습니다. 개재물 제거와 최종 분포는 개재물의 물성, 용강 내 개재물 수송, 개재물과 응고 셸 간 상호작용에 크게 의존합니다. 따라서 개재물 포집과 최종 분포를 이해하는 것이 청정도와 제품 품질 관리에 중요합니다.
2차 제강 공정의 기능 중 하나는 공정 중 용강 탈산으로 생성된 개재물을 제거하는 것입니다. 일단 용강에 혼입된 개재물은 제거되기까지 (i) 부상, (ii) 분리, (iii) 용해의 세 단계를 거칩니다. 첫 단계는 개재물이 강/슬래그 계면으로 이동하는 것입니다. 두 번째 분리 단계에서 강의 표면 장력이 파열되어 개재물이 강/슬래그 계면에 안정화됩니다. 마지막 용해 단계에서 개재물이 슬래그에 완전히 포집되면 강으로의 재유입이 차단됩니다. 만약 후속 두 단계가 실패하면, 래들 또는 tundish 내 유동 패턴에 따라 포집을 통한 재유입이 발생할 수 있습니다.
연구에 따르면 고체 개재물의 분리 단계는 매우 빠르게 일어납니다. 2차 제강 표준 슬래그 조건에서 고체 개재물은 부상 후 강의 표면 장력을 깨는 데 0.0007초 미만이 소요됩니다. 그러나 강/슬래그 계면까지 도달하는 데는 최대 7초가 걸립니다. 이 시간 차이는 액체 입자와 용강 사이의 접촉각이 더 작기 때문입니다. 반면 액체 개재물은 슬래그와 혼화성이 있어 용해 시간은 무시할 수 있습니다. 따라서 개재물 제거의 3단계 중 용해 단계가 고체 개재물 제거에 가장 결정적입니다. 고체 개재물은 슬래그 내 용해도가 제한적이어서 슬래그의 물리화학적 특성, 온도 구배, 슬래그 양에 민감합니다. 결과적으로 고체 개재물의 제거 거동은 물질 이동, 반응 속도론, 슬래그와의 화학적 상호작용에 의해 제어됩니다. 용해 단계의 인자 분석은 슬래그의 개재물 흡수 능력을 설명하는 데 필수적입니다.
2차 제강 공정에서는 슬래그, 강, 래들이 관여하므로 이들의 조성이 최종 강철 물성 달성에 매우 중요하며, 개재물의 화학적 조성, 체적 분율, 분산, 형상에 결정적인 영향을 미칩니다. 개재물의 물리화학적 특성에 영향을 미치는 주요 인자들은 그림 1에 나타나 있습니다.
그림 1: 제강 중 개재물의 다양한 특성에 영향을 미치는 인자들
래들 처리 중 개재물 분포의 시간적 변화는 복잡할 수 있습니다. 응집, 기포 부착, 계면 포집에 의한 개재물 제거 효율은 래들 처리 중 발달한 개재물 분포의 조성, 상, 형상에 크게 의존하므로, 래들 처리 중 헹굼 및 부상 처리가 더 효과적인 시간대가 존재합니다. 이러한 최적 처리 시점을 활용한 래들 처리 전략 수립은 부상 처리 후 첨가물의 청정도, 재산화 제어, 교반 중 슬래그 혼입 방지, 강 이송 중 재산화 방지 효과에 달려 있습니다.
래들 처리 공정은 저개재물 강철 생산과 제품 또는 제조 공정에 해롭지 않은 개재물 조성 및 형상 확보의 핵심 공정입니다. 그러나 청정강 생산과 상충될 수 있는 여러 다른 기능도 수행합니다. 가장 일반적인 래들 처리 단계는 용강 및 슬래그 탈산, 용강 탈황, 합금 첨가, 연속 주조기 이송을 위한 강온 조절, 질소/수소 등 용해 가스 제어, 개재물 변질, 개재물 제거 등이며 그림 2에 정리되어 있습니다.
그림 2: 용강 래들 처리 단계
제강 공정에서 사용되는 탈산 방식은 래들 처리 중 생성되는 개재물 유형에 중요한 역할을 합니다. 많은 봉강 및 형강 제품에서는 실리콘과 망간으로 탈산(Si-Mn 탈산)하는 반면, 판재, 후판, 특수 봉강 품질 제품에서는 알루미늄으로 탈산(Al 탈산)합니다. 일부 알루미늄 탈산 강은 칼슘 처리를 통해 알루미나 개재물과 황 함유 개재물을 변질시켜 주조성과 제품 기계적 물성을 개선합니다. 래들 처리 중 생성되는 개재물은 완전 고체, 완전 액체, 또는 고체-액체 혼합 상태일 수 있습니다.
래들 야금, 진공 탈가스 등 2차 제강 기술은 강철 내 개재물을 상당 부분 제어합니다. 래들 야금을 이용한 제어된 슬래그-금속 반응, 미량 합금화, 개재물 형상 제어는 제강 공정을 크게 개선했습니다. 오늘날 청정 제강의 기타 성과로는 개선된 탈산 관행, 교반, 진공 탈가스, 전기로 재용해 등이 있습니다. 또한 더 효과적이고 엄격한 주입 절차와 효과적인 주입 슈라우드를 사용한 업힐 티밍(uphill teeming)은 재산화를 크게 줄여 산화물 개재물을 상당히 저감시켰습니다.
일반적으로 2차 제강 공정 완료 후에는 충분한 슬래그-강 교반이 부족하고 추가 재료 투입 가능성이 적어 시스템 변경이 쉽지 않습니다. 따라서 2차 제강 공정 종료 시점의 비금속 개재물 형상, 체적 분율, 조성, 분산 상태를 변경하기는 어렵습니다. 다만 연속 주조 및 응고 공정 중 몰드 주조 분말과 tundish 내화물에 의한 미세한 영향은 가능합니다. 2차 제강 관행에서 사용되는 탈산 공정은 아래에 설명합니다.
실리코망간, 페로실리콘, 페로망간 등 탈산제의 조합이 일반적으로 사용되어 더 좋은 결과를 얻습니다. 부분 탈산은 일반적으로 용해 공정 중 수행되고 최종 탈산은 래들에서 이루어집니다. 이 방식은 저융점 탈산 생성물 형성을 촉진하여 용강에서 쉽게 제거되게 합니다. Si-Mn-Si(실리콘-망간) 탈산은 고체 실리카와 액체 망간 실리케이트 개재물을 자주 형성합니다. 주어진 온도에서 [%Si]/[%Mn]의 임계 비율이 존재하며 이는 그림 3과 같이 생성되는 탈산 생성물 유형에 영향을 미칩니다. 그림 3의 곡선 왼쪽 영역 조성에서는 고체 실리카가, 오른쪽 영역(망간 함량 높음)에서는 액체 망간 실리케이트가 생성될 가능성이 높습니다. Si-Mn 탈산 평형 반응식은 [Si] + 2MnO = 2[Mn] + SiO2입니다.
그림 3: 강철의 실리콘-망간 탈산 평형 관계
Si/Mn 비율을 낮추면 액체 망간 실리케이트 개재물이 생성됩니다. 액체 망간 실리케이트 개재물은 유리질이며 열간 압연 시 소성 변형합니다. 그러나 냉간 압연 시 소성 지수가 감소하고 더 취성이 됩니다. 실리콘-망간과 알루미늄을 조합해 탈산할 경우 망간과 실리콘은 용해 공정 중 페로합금 형태로 투입되고 알루미늄은 래들에서 최종 탈산에 사용됩니다. 이 시스템의 개재물은 망간 함량이 낮을 때 주로 알루미나, 실리카, 뮬라이트로 구성됩니다. 그러나 망간 함량이 높으면 온도 상승에 따라 액체 망간 실리케이트가 형성됩니다. 한 연구에 따르면 제강 온도에서 액체 개재물을 형성하기 위한 조성 영역(선 L1, L2 및 최대 40% 알루미나를 나타내는 제3의 선)은 개재물 내 SiO2/MnO 비율 17~1.9, 이에 상응하는 Si/Mn 비율 0.47~1.7로 한정됩니다(그림 4).
그림 4: MnO-SiO2-Al2O3 삼원 상도
알루미늄은 제강에서 가장 효과적인 탈산제 중 하나입니다. 알루미늄 탈산 강에는 일반적으로 코런덤 같은 알루미나 개재물이 포함됩니다. 고체 알루미나 개재물은 용강 연속 주조 시 노즐 막힘을 유발하는 것으로 보고되었으며, 더 해롭고 바람직하지 않습니다. 알루미나 개재물은 고융점을 가져 제강 온도에서 고체 상태로 남습니다. 또한 단단하고 압연 시 변형되지 않거나 취성 방식으로 변형됩니다. 알루미늄 탈산 평형 반응식은 2[Al] + 3[O] = Al2O3입니다. 알루미늄 막대를 용강에 첨가해 탈산합니다.
칼슘은 산소에 대한 친화력이 강해 탈산제로 사용될 수 있습니다. 그러나 1,439°C의 낮은 비등점, 1,600°C에서 강 중 0.032%의 제한적 용해도, 1,600°C에서 0.183MPa의 높은 증기압 등의 특성으로 인해 칼슘을 탈산제로 사용하는 것은 어렵고 비경제적입니다. 그러나 Ca와 Al 또는 Si/Mn 탈산 조합은 더 낮은 활성과 융점을 가진 변질된 1차 개재물을 형성합니다. 따라서 제강 관행에서 칼슘은 탈산제보다는 개재물 변질제로 더 많이 첨가됩니다. 대부분의 강종은 합금 사양에 따라 Ca-Si 합금 또는 Ca-Fe(Ni) 혼합물을 사용해 칼슘 처리합니다. 일반적으로 이 처리는 트리밍 첨가와 아르곤 헹굼 후에 효과적으로 수행됩니다. Ca-Si 합금 와이어는 알루미늄 탈산 공정 후 용강에 주입됩니다. 그림 5는 칼슘 처리에 의한 개재물 변질 개략도입니다.
그림 5: 강철 칼슘 처리에 의한 개재물 변질 개략도
효과적인 칼슘 처리 후 모든 산화물 개재물은 일반적으로 일정량의 칼슘을 포함합니다. 강 중 산화물 개재물의 효과적인 변질은 칼슘 처리 전 용강의 용해 알루미늄과 산소 함량에 달려 있습니다. 필수적인 개재물 변질을 위해 15~20ppm의 칼슘 하한이 필요합니다. CaO-Al2O3 비율 12:7의 칼슘 알루미네이트 개재물이 형성되며, 1,455°C의 낮은 융점을 가집니다. 이 개재물들은 제강 온도에서 액체 상태로 존재합니다. 12CaO·7Al2O3, 3CaO·Al2O3, CaO·Al2O3는 제강 온도에서 액체 상태이나, CaO·2Al2O3와 CaO·6Al2O3는 고체 상태입니다.
칼슘 처리의 개재물 변질 일반적 효과는 다음과 같습니다: (i) 망간 황화물의 개수와 크기가 감소하고 다양한 특성의 Ca-Mn 황화물로 변환됨, (ii) 일반적으로 단단하고 각진 데다 군집을 이루는 알루미늄 산화물이 개수 감소 또는 완전 제거되어 복합 CaO-Al2O3 또는 CaO-Al2O3-SiO2 개재물로 대체됨, (iii) 실리케이트가 제거되고 CaO-Al2O3-SiO2 개재물로 대체됨, (iv) 복합 구상 CaO-Al2O3-SiO2 개재물이 황화물 림으로 둘러싸인 채 빈번히 형성됨.
황은 용강에서 거의 무제한 용해도를 가지나, 고체 강에서의 용해도는 0에 수렴합니다. 응고 중 황화물이 결정립계에서 다양한 형태로 석출되어 특징적인 강철 결함을 만듭니다. 칼슘의 산소에 대한 화학적 친화력은 황보다 높습니다. 칼슘이 황과 반응하려면 강 중 황 활성도가 산소 활성도의 약 19배가 되어야 하는데, 이는 달성하기 어렵습니다. 따라서 황 변질을 위한 칼슘 첨가 목적은 황 방출 메커니즘을 변경해 황이 칼슘 함유 산화물에 결합하거나 그 주위로 석출되게 함으로써, 응고 시 자유 황화물로 결정립계에 석출되지 않게 하는 것입니다. 칼슘 무처리 강에서는 황이 마지막으로 응고되는 액상에서 미세 MnS 입자로 석출합니다. MnS 입자는 열간 압연 시 스트링거(stringer)로 변형됩니다. 그러나 칼슘 함유 황화물 개재물은 열간 압연 시 변형되지 않는 구상 형태를 가집니다.
강철 내 개재물 변질 정도는 2차 제강에서 칼슘 처리의 필수적 특징입니다. 첨가된 칼슘의 일부는 반응해 용강 내 용해 칼슘(개재물 형태) 또는 슬래그 성분으로 남고, 나머지는 기체로 빠져나갑니다. 첨가된 칼슘이 용강에 최대한 소비되도록 해 칼슘 주입의 효율성과 경제성을 확보하는 것이 필수적입니다. 이 관점에서 칼슘 회수율 연구는 공정 최적화의 중요한 요소입니다.
용강 칼슘 처리로 강철 물성이 개선됩니다. 개선 내용은 (i) MnS를 변형되지 않는 구상 (Ca-Mn)S 또는 CaS로 변질시켜 횡방향 및 두께 방향 기계적 물성 향상, (ii) 고속 절삭 시 공구 표면에 보호막 형성으로 초경 공구 수명 연장 및 절삭성 향상, (iii) 표면 품질 및 연마성 개선, (iv) 대형 구속 용접 구조물의 박판 찢김(lamellar tearing) 최소화 및 용접 열영향부(HAZ) 재열 균열 감수성 저감, (v) 노즐 막힘 방지 또는 최소화로 주조성 개선 등입니다.
개재물은 단일 상 또는 다상 개재물로 존재할 수 있습니다. 일반적으로 연속 주조 공정에서 액체 개재물은 고체 개재물보다 노즐 막힘을 유발할 가능성이 낮습니다. 그러나 개재물의 응집 및 막힘 경향은 특정 개재물-금속-가스-내화물 시스템 간의 계면 에너지와 접촉각에 크게 의존합니다.
통합 제철소 조업 중에는 산소 활성도가 낮을 때 선철 전처리로 황을 제거할 수 있어 래들 처리 중 탈황 필요성이 적습니다. 그러나 전기로 제강에서는 강과 슬래그가 완전히 탈산된 후 래들 처리 중 탈황을 수행해야 합니다. 이 탈황은 일반적으로 더 적극적인 탈산 관행과 강한 교반을 필요로 합니다. 래들 내 탈황 처리 요건은 공정 중 생성되는 개재물의 조성과 형상에 영향을 미칠 수 있습니다. 예를 들어 강한 탈황 처리를 받는 알루미늄 탈산 강에서는 Al2MgO4 스피넬 개재물이 쉽게 형성되는 반면, 강한 탈산 및 탈황 처리를 받지 않는 강에서는 알루미나(Al2O3) 개재물이 더 흔합니다.
래들 내 개재물 응집, 부상, 포집, 슬래그층 내 잔류 속도는 래들 내 개재물 분포의 조성, 형상, 상(고체 또는 액체)에 강하게 의존합니다. 액체 개재물은 슬래그-금속 계면을 통과하면 슬래그에 쉽게 용해되지만, 강욕 내에서는 고체 개재물보다 응집, 부상, 슬래그층 이동 가능성이 낮습니다. 이 거동은 일반적으로 액체 개재물의 응집 및 부상 속도가 고체 개재물보다 낮아, 전체 개재물 제거율도 액체 개재물이 고체 개재물보다 낮게 만듭니다.
연속 주조기에서 용강을 주조하려면 용강 내 용해 산소를 충분히 낮춰 응고 중 CO 가스 발생을 방지해야 합니다. 강철 탈산에 가장 흔히 쓰이는 원소는 망간, 실리콘, 알루미늄, 칼슘입니다. 이 탈산제들을 조합한 복합 탈산 관행도 사용되며, 경우에 따라 티타늄, 지르코늄, 희토류 원소도 탈산제로 사용됩니다.
다양한 탈산제 첨가와 강 중 산소 간 평형은 열역학 소프트웨어를 사용해 넓은 원소 범위, 농도 범위, 온도 범위에서 계산 가능합니다. 이 소프트웨어는 복합 탈산의 평형 조건 계산과 강중 고차 용질 원자 상호작용을 고려한 강산성 탈산제에서의 역행 산소 용해도 현상 설명이 가능합니다. 그림 6과 같이 벌크 강 조성이 평형 농도에 도달하는 데는 시간이 걸립니다. 개재물이 응집하고 부상해 강에서 빠져나가는 데 시간이 필요하기 때문입니다. 탈산 전 강의 산소 함량은 크게 달라질 수 있습니다. 일반적인 전로(BOF)와 전기로(EAF) 출강 시 산소 수준은 200~800ppm 범위입니다. 또한 부분 탈산은 출강 시 망간, 실리콘, 알루미늄으로 수행되기도 합니다. 탈산제가 용강에 첨가되면 강 중 용해 산소가 탈산제와 반응해 산화물을 형성합니다: xM(강 중) + yO(강 중) = MxOy(개재물).
그림 6: 래들 처리 중 용해 산소와 총 산소 함량 변화
산화물의 핵생성은 (i) 용해 금속과 산소의 과포화도가 높을 때 동질 핵생성으로, (ii) 제강 공정 중 앞서 형성된 개재물, (iii) 래들 교반용 아르곤 기포, (iv) 래들 내화물 벽에서 이질 핵생성으로 일어날 수 있습니다. 핵생성 속도는 과포화도와 탈산 생성물의 강-계면 에너지에 영향을 받습니다. 과포화도 비율과 강-산화물 간 계면 에너지는 핵생성 임계 반지름에 영향을 주어 탈산 개시 시 초기에 형성되는 개재물의 크기와 개수에 영향을 미칩니다.
일반적으로 탈산제 초기 첨가 시 핵생성이 매우 빠르게 일어나며, 동질 및 이질 핵생성 모두 발생할 수 있습니다. 산소 수준과 형성되는 개재물 크기 간 강한 관계가 있으며, 개재물 형성 초기 단계는 용강 내 산소 확산에 의해 제어됩니다.
아르곤 교반 래들에서 균일 조성에 도달하는 데는 수 분 단위가 걸리는 반면, 핵생성 시간은 일반적으로 0.1초 이하입니다. 이는 다양한 탈산제 첨가 수준이 래들 내에서 혼합 및 분산됨을 의미하며, 래들 내 서로 다른 영역의 국부적 탈산제 농도와 산소 과포화도 수준에 따라 다양한 개재물 형상이 형성될 수 있습니다.
개재물 집단이 핵생성되면 다양한 메커니즘으로 성장할 수 있습니다. 개재물 집단의 평균 입자 크기는 오스트발트 리페닝(Ostwald ripening), 기핵생성된 개재물 상의 지속적인 이질 핵생성, 입자 응집을 통해 증가할 수 있습니다. 응집으로 이어지는 입자 충돌은 브라운 운동, 난류 운동, 속도 구배, 스토크스 충돌에 의해 발생할 수 있습니다. 공동 브리지(cavity bridge)도 비습윤 입자의 인력과 응집을 촉진할 수 있습니다. 그림 7은 용강 내 산화물 간 인력을 직접 측정한 실험 기반 공동 브리지 메커니즘을 보여줍니다.
그림 7: 입자 응집의 공동 브리지 메커니즘
개재물 크기와 밀도는 스토크스 법칙에 따라 부상에 의한 강으로부터의 개재물 제거를 구동합니다. 부상 속도는 큰 개재물 직경과 용강 밀도 대비 낮은 개재물 밀도에 의해 크게 유리해집니다.
아르곤 교반으로 상승하는 기포도 개재물과 아르곤 기포 간 습윤이 부착에 유리하면 개재물 제거를 촉진합니다. 아르곤 교반이나 전자기 교반에 의한 유체 흐름도 개재물 수송과 슬래그층 또는 래들 벽으로의 제거를 촉진할 수 있습니다. 그림 8은 래들로부터의 개재물 성장 및 제거 메커니즘 개요입니다.
그림 8: 개재물 성장 및 제거 메커니즘
아르곤 교반의 개재물 제거 효과는 다공성 플러그 위치, 플러그 수, 래들 크기, 교반 강도, 개재물의 강 및 교반 가스와의 접촉각 등 여러 인자에 의존합니다. 일반적으로 액체 산화물 개재물은 고체 산화물 개재물보다 훨씬 낮은 접촉각을 가지며 보통 90도 미만의 습윤각을 가집니다. 이는 입자 응집과 기포 부착 메커니즘에 영향을 주어 래들로부터의 개재물 제거 속도에 영향을 줍니다.
한 연구는 기체 버블링에 의한 유체 내 입자 제거율이 수계 모델 시스템에서 입자-유체-기체 습윤각에 크게 의존하며, 습윤각이 90도 이하로 떨어지면 제거율이 급격히 감소함을 보였습니다. 강 시스템도 유사한 효과를 가집니다. 아르곤 버블링은 tundish에서 변질이 불충분한 고체 칼슘 알루미네이트 개재물을 선택적으로 제거하는 것으로 나타났으며, 칼슘 처리 전 아르곤 교반이 칼슘 처리 후 아르곤 교반보다 개재물 제거에 더 효과적임이 관찰되었습니다.
개재물 응집과 기포 부착 메커니즘 모두 개재물과 용강 간 계면 에너지와 습윤각에 의존합니다. 개재물 응집과 성장을 촉진하는 메커니즘은 계면 에너지와 습윤각에 의해 제어됩니다. 기포 부착과 공동 브리지 응집은 모두 큰 접촉각을 선호하므로, 여러 고체 개재물이 액체 개재물보다 래들에서 제거하기 쉽습니다. 고체 개재물의 형상도 응집과 부상에 영향을 미칠 수 있습니다.
거시적으로 래들로부터의 개재물 제거는 강의 총 산소 함량 모니터링이나 개재물 개수 또는 면적 밀도 평가로 관찰할 수 있습니다. 주어진 교반 강도, 교반 구성, 개재물 분포 조건에서 더 긴 헹굼 교반 시간은 일반적으로 점진적으로 더 많은 개재물 제거를 가져옵니다. 이는 아르곤 교반뿐만 아니라 전자기 교반 등 다른 교반 방법에도 해당됩니다.
래들 내 교반 강도 제어는 중요합니다. 교반 강도 증가는 개재물 제거 속도를 높이지만, 과도한 교반 강도 증가는 상승 기포 플룸이나 강한 상향 순환 흐름으로 슬래그가 밀려나며 형성된 슬래그 '아이(eye)'를 통해 강이 공기에 노출되어 재산화를 유도할 수 있습니다. 이는 최종 개재물 함량을 높이는 결과를 초래할 수 있습니다.
최근 SEM-AFA(주사 전자 현미경-자동 형상 분석) 분석으로 합리적 시간 내 다수 개재물 분석이 가능해졌습니다. 이로써 공정 다양한 단계에서 개재물 크기 분포와 개체 수 밀도 관찰이 가능해졌습니다. 연구에 따르면 개재물 크기 분포 형태는 시간에 따라 변하며, 개재물 집단의 생애 주기 초기에 로그 정규 분포를 보이다가 활성 핵생성이 더 이상 일어나지 않는 후기에 멱법칙 또는 프랙탈 크기 분포로 진화합니다.
여러 연구가 래들 탈산 중 개재물 핵생성 및 성장 모델과 직접 실험 관찰을 통해 개재물 분포 형태 진화의 유사한 경향을 보고했습니다. 개재물 크기 분포 형태 관찰은 재산화 이벤트 식별에 성공적으로 활용되었습니다. 공기 중 산소가 새로운 재산화 개재물 집단을 생성하면 로그 정규 분포를 보이는데, 로그-로그 플롯에서 이 새로운 집단은 tundish 초충 조건에서 선형성에서 벗어나다가 결국 가라앉으며 선형 분포를 재설정합니다. 래들에서 첨가제 투입 후에도 유사한 관찰이 있었습니다.
탈산 공정에서 사용된 탈산제 종류와 과포화도 조건은 개재물 집단이 시간에 따라 변화하는 속도에 강한 영향을 미칩니다. 알루미늄 탈산 강에서는 시간이 지남에 따라 개재물 직경이 급격히 증가하고 개수가 급격히 감소하는 반면, 티타늄 및 복합 티타늄-알루미늄 탈산 강에서는 직경과 개수 변화가 적습니다. 또한 강철 내 서로 다른 개재물의 응집 속도에도 큰 차이가 있습니다.
알루미나 군집의 크기 분포는 시간이 지남에 따라 점진적으로 더 큰 직경과 낮은 개수로 이동합니다. 반면 액체 상태이며 낮은 습윤각을 가진 티타늄/알루미늄 복합 탈산제의 크기 분포는 시간이 지나도 직경이 증가하지 않고, 전체 집단의 직경이 더 작기 때문에 개재물 개수 감소도 훨씬 느립니다.
개재물이 래들 내 슬래그층으로 수송되면, 슬래그와 접촉해 슬래그층에 포집되어 시스템에서 제거되어야 합니다. 개재물의 슬래그-금속 계면 통과 속도와 CaO-Al2O3(석회-알루미나) 슬래그 내 개재물 용해 속도가 연구되었습니다. 연구에서 알루미나 개재물은 슬래그-금속 계면을 빠르게 통과하지만, 액체 MnO-SiO2-Al2O3 개재물은 계면 통과에 훨씬 더 많은 시간이 걸리며 경우에 따라 슬래그에 포집되지 않음도 밝혀졌습니다. 또한 알루미나 개재물의 슬래그 내 용해 속도는 슬래그 내 확산 제어임이 확인되었습니다.
Al2O3와 MgO(마그네시아) 개재물의 다양한 슬래그 내 용해 속도도 연구되었습니다. 일부 슬래그 시스템에서 CaAl12O19, Ca2Al2SiO7 같은 중간 반응 생성물이 개재물 표면에 형성되어 슬래그 내 개재물 용해 속도를 늦춤이 발견되었습니다.
Al2MgO4 산화물 스피넬의 다양한 조성 슬래그 내 용해 속도 연구에서, 용해 속도는 슬래그 내 확산 제어이며 슬래그 점도와 반비례함이 밝혀졌습니다. 슬래그-금속 계면 통과 시간이나 슬래그 내 용해 속도가 느리면, 계면이 고체 개재물 응집 장소가 되고 개재물의 재유화(re-emulsification)가 가능해집니다.
래들 처리 과정에서 개재물의 조성과 형상은 크게 변할 수 있습니다. 래들 처리 중 합금 첨가는 전체 개재물 조성과 개수에 영향을 주는 원소를 유입시킬 수 있습니다. 또한 칼슘 첨가처럼 개재물 조성과 형상 변질을 목적으로 하는 첨가도 있습니다. 이러한 첨가가 없어도 탈산 후 래들 내 개재물은 슬래그 및 래들 내화물과의 상호작용이나, 래들 교반이 강할 경우 대기와의 상호작용을 통해 시간이 지남에 따라 조성이 변할 수 있습니다.
제한된 황 수준의 알루미늄 탈산 강을 생산하는 미니 제강소는 탈황 중 개재물 화학의 변화를 자주 경험합니다. 알루미늄 킬링 후 저산소 조건에서 아르곤 교반은 슬래그와 래들 내화물 라이닝으로부터 마그네슘이 강으로 이동하는 것을 촉진합니다. 이 과정에서 알루미나 개재물이 점차 마그네슘을 포집해 개재물 집단이 Al2O3에서 Al2MgO4 스피넬로 점차 이동합니다. 이 교환은 시스템의 산소 포텐셜과 슬래그 조성에 영향을 받습니다. 슬래그와 내화물 중 MgO 모두 마그네슘 포집과 스피넬 형성에 기여하지만, 슬래그 기여가 내화물보다 더 큰 것으로 나타났습니다.
칼슘 처리는 일반적으로 고체 알루미나 개재물을 액체 칼슘 알루미네이트 개재물로 변환해 주조성을 개선하는 데 사용되지만, 고체 스피넬 개재물 변질에도 상당히 성공적입니다. 여러 연구에서 칼슘 처리에 의한 스피넬 변질이 개재물 집단의 마그네슘 함량을 감소시키고 마그네슘을 용강 내 고용 상태로 되돌림을 보였습니다. 공정 후반 재산화 시 용강 내 고용 마그네슘의 재산화로 스피넬 개재물이 재형성될 수 있습니다. 이러한 연구들은 칼슘 처리 중 형성된 CaS가 재산화 시 칼슘 저장소 역할을 해 새로 형성된 알루미나를 추가로 변질시킴으로써 스피넬 재형성을 억제할 수 있음을 보였습니다. 이러한 조건에서 개재물 집단 내 일부 CaS 존재는 노즐 막힘에 기여하지 않는 한 유익할 수 있습니다.
칼슘 처리 전 스피넬 개재물 집단이 충분히 높으면, 칼슘 처리 후 액체 칼슘 알루미네이트 개재물과 함께 고체 MgO 개재물도 형성될 수 있음이 밝혀졌습니다. 이러한 유형의 개재물은 라인파이프 강 등 고성능 강에서 매우 해로운 것으로 나타났습니다. 이러한 조건은 알루미늄 탈산 강이 고MgO 슬래그 및 내화물과 장기간 접촉할 때 발생할 수 있습니다.
합금 첨가물의 불순물도 개재물 집단과 개재물 제거 효율에 강한 영향을 미칩니다. 예를 들어 페로실리콘의 칼슘 함량이 개재물 조성과 tundish 막힘 감도에 미치는 영향이 인용됩니다. 일부 제강공장에서는 페로실리콘의 칼슘을 추가 칼슘 처리 없이 직접 개재물 변질에 활용하는 반면, 다른 조업에서는 막힘을 촉진하는 알루미나 형상 변화를 피하기 위해 페로실리콘의 칼슘을 제한합니다. 래들로 공정에서 개재물이 변질되는 시점과 연질 아르곤 교반을 통한 개재물 제거 시점의 관계는 개재물 제거 효율에 뚜렷한 영향을 미칩니다. 고체 개재물이 존재하는 칼슘 처리 전 아르곤 헹굼 교반이, 개재물이 액체 칼슘 알루미네이트로 변질된 칼슘 처리 후 아르곤 헹굼 교반보다 개재물 제거에 더 효과적임이 입증되었습니다.
요컨대, 래들 처리 중 개재물 집단의 시간적 진화는 복잡합니다. 응집, 기포 부착, 계면 포집에 의한 개재물 제거 효율이 래들 처리 관행 중 발달한 개재물 집단의 조성, 상, 형상에 크게 의존하므로, 헹굼 및 부상 처리가 더 효과적인 시간대가 래들 처리 중에 분명히 존재합니다. 이러한 개재물 조대화 및 제거율이 가장 빠른 선호 처리 시점을 활용한 래들 처리 전략 수립 능력은 궁극적으로 부상 처리 후 첨가물의 청정도, 재산화 제어, 교반 중 슬래그 혼입 방지, 강 이송 중 재산화 방지 효과에 달려 있습니다.
제조공정
제철소에서 공장까지, 고품질 스테인리스강이 만들어지는 과정 우리는 천 년 동안 강철을 제조해 왔지만, 스테인리스강은 상대적으로 새로운 물질입니다. 1913년 영국 금속학자 해리 브리얼리(Harry Brearley)에 의해 발명되었습니다. 화학자, 엔지니어, 재료 과학자들은 그 이후로 실험을 계속해 왔습니다. 녹에 강한 합금으로서, 알루미늄 같은 합금의 녹 저항성과 강철과 같은 물성 특성을 더 적은 비용으로 제공할 수 있습니다. 처음에는 스테인리스강이 수도 미터나 펌프 부품, 우수한 식기로 주로 소규모 응용 분야에 사용되었습니다.
철강과 골판지를 이야기하면 두 매우 다른 재료를 비교하는 것입니다. 하나는 강하지만 비에 무너지고, 다른 하나는 수년간 버티다 부식으로 망가집니다. 그러나 이 두 재료가 모두 인디애나 라포르테 같은 마을에서 만들어지고, 둘 다 산업용 로봇의 도움으로 소비자에게 전달됩니다. Enprotech Steel Services 라포르테, IN 소재 Enprotech Steel Services는 철강 산업에 엔지니어링, 제조, 소모품 같은 서비스를 전문으로 제공합니다. Enprotech 같은 기업이 철강 제조 작업을 맡으면 로봇이 용접 공정과