개재물은 강철 생산 및 가공 중에 형성되는 비금속 화합물 및 석출물로, 다양한 화학과 공정에서 기인하는 제강 부산물입니다. 개재물은 크기와 조성이 매우 다양해 광범위한 영향을 미치며, 정교한 분석 장비를 통한 특성 파악이 필수적입니다.
개재물은 강철 금속 기지 내에 매립된 유리-세라믹 상으로 구성됩니다. 개재물 제어는 개재물을 강철에서 제거하고 강철 품질 및 가공에 미치는 유해 영향을 저감하는 것을 목적으로 하며, 제강 관행의 중요한 측면입니다. 그러나 특정 유형의 개재물 존재는 강철에 유익한 효과를 주기도 합니다.
개재물의 발생 원인, 제거, 기계적 결과는 개재물의 유형과 엔지니어링 방식에 따라 달라집니다. 개재물의 화학적 조성과 체적 분율은 용해, 정련, 주조 조업 등 생산 공정의 각 단계 관리 방식에 의해 결정됩니다. 따라서 개재물 분포는 적용된 운전 파라미터와 생산 대상 강종의 특성 간 관계에 따라 달라집니다.
래들 내 개재물 분포의 진화는 제강로 출강 시 모개재물의 유형과 크기 분포, 출강 시 산소 수준, 제강로에서 넘어온 슬래그 양, 래들 합성 슬래그 첨가 유형·양·타이밍, 탈산제 유형·양·타이밍, 래들 교반 강도 및 타이밍 등 여러 요인에 의해 영향을 받습니다. 개재물 형상은 구상, 판상, 수지상, 다면체 등 다양합니다.
개재물의 유해 영향은 화학적 조성, 체적 분율, 분산, 형상에 크게 의존합니다. 크고 잘 깨지지 않으며 융점이 높은 개재물이 가장 바람직하지 않으나, 작고 잘 부서지거나 융점이 낮은 개재물은 후속 열간/냉간 압연 공정(압연 공정과 압하비의 영향)이나 열처리에서 변형, 분쇄, 소멸될 가능성이 높아 선호됩니다.
강철의 기계적 거동은 개재물과 석출물의 체적 분율, 크기, 분포, 조성, 형상에 의해 크게 좌우되며, 이들은 응력 상승 인자로 작용합니다. 개재물 크기 분포가 특히 중요한데, 거대 매크로 개재물이 기계적 물성에 가장 해롭습니다. 때로는 전체 강 열(heat) 내 단 하나의 거대 개재물이 치명적 결함을 유발하기도 합니다. 거대 개재물은 미세 개재물보다 훨씬 적지만, 총 체적 분율은 더 클 수 있습니다.
청정강은 크기, 형상, 조성, 분포, 빈도 면에서 제한된 개재물을 포함하는 강으로, 결과적으로 타 소재를 능가하며 수송 장비 등 고응력 적용 분야에서 탁월한 성능을 발휘합니다.
강철 청정도는 강철 품질의 중요한 요소이며, 더 깨끗한 강철에 대한 수요는 매년 증가하고 있습니다. 그러나 야금학자들은 '청정강'이라는 용어를 신중하게 사용합니다. (i) 용도별 청정도 요구 차이, (ii) 조업별 청정도 차이, (iii) '개재물이 없는 강철'로 문자 그대로 오해하는 경우 때문입니다. 강철 청정도는 조업 및 제품 성능 양면에서 시사점을 가집니다.
점점 엄격해지는 고품질 요구로 제강사들은 생산 강재의 '청정도' 요건에 높은 관심을 기울입니다. 다양한 강종이 다양한 제품 요구사항을 충족하기 위해 생산되며, 각 요구사항별 청정도 수준은 강종별 개재물 개수, 형상, 조성, 크기 분포에 따라 달라집니다. 절삭강이나 재황강에서는 개재물을 완전히 제거하는 것이 아니라 절삭성 향상을 위해 개재물을 변질시키는 것이 목적입니다. 따라서 각 강종별 허용 개재물 수준 또는 청정도에 대한 균형 잡힌 판단은 제강사와 사용자 양측에게 기술적, 경제적으로 매우 중요합니다. '청정강'이라는 용어는 개재물 특성에 관한 고객 사양과 용도 요구사항 충족을 위해 강조되어야 합니다.
청정도 요구가 더 엄격해지고 신강종이 개발됨에 따라, 개재물 형성 및 진화 공정 이해와 용강으로부터 개재물 제거 방법 개발이 중요해지고 있습니다. 개재물 제거는 큰 개재물 크기뿐만 아니라 개재물-강 간 높은 계면 에너지와 강-개재물-기체 시스템에서 큰 접촉각에 의해 촉진됩니다.
청정강 개재물 요건은 강종, 용도에 따라 달라지며, 개재물 엔지니어링의 목적은 유해 개재물을 줄이고 유익한 효과를 가진 개재물 형성을 촉진하는 것입니다.
지난 수십 년간 제강 기술 발전으로 불순물 수준이 매우 낮은 강종들이 개발되었습니다. 최근 전 세계 제강사들이 '청정' 및 '초청정' 강을 개발·상용화해, 현저히 향상된 기계적 물성(예: 피로 강도, 충격 인성)과 내식성을 가진 강철에 대한 현재 및 미래 시장 수요에 부응하고 있습니다. 이러한 강들은 산소 함량 10ppm 미만, 황 함량 10ppm 미만의 극저 함량을 가질 수 있습니다. 이러한 발전의 원동력은 자동차 산업용 변속기 부품, 공격적 부식 환경용 건설 부품 및 튜브 등 고도 요구 용도에 견딜 수 있는 신강 개발에 있습니다.
오늘날 고청정도 강은 우수한 기계적 물성 및/또는 내식성을 가지나, 이러한 기능적 물성 향상은 더 어려운 칩 브레이킹과 경우에 따라 절삭 공구 수명 현저 단축이라는 대가를 치렀습니다.
고청정도 강 가공은 일반적으로 높은 에너지 소비, 절삭 공구 마모 증가, 높은 생산 비용과 연관됩니다. 자동차 부품 생산 총비용의 40% 이상이 다양한 가공 조업에서 발생하는 것으로 추정됩니다. 따라서 오늘날 강종을 절삭성과 성능 요구사항의 결합 측면에서 최적화하는 것이 주요 과제입니다. 따라서 개재물은 적절한 절삭성 성능을 위해 어느 정도 필요합니다. 그러나 개재물의 함량과 특성은 여전히 강철의 고성능 물성 확보를 보장해야 합니다.
2차 제강 공정의 중요한 특징은 생산 공정, 용강, 래들 내화물, 첨가제, 슬래그, 온도, 처리 시간 및 방법입니다. 이들은 개재물의 다양한 특성에 영향을 미치는 핵심 인자들로 그림 1에 나타나 있습니다.
그림 1: 제강 중 개재물의 다양한 특성에 영향을 미치는 인자들
개재물 형성 공정에는 (i) 핵생성, (ii) 성장, (iii) 합일 및 응집의 세 단계가 있습니다.
용강으로부터 개재물 제거는 강-슬래그 계면으로 부상, 강으로부터 분리, 슬래그 내 흡수의 과정을 거칩니다. 개재물 부상의 기본 메커니즘은 스토크스 부상 법칙입니다. 이 식을 사용해 구형 알루미나 개재물 20μm 크기 기준으로 2미터 부상하는 데 약 120분 소요 추정됩니다. 개재물 크기 증가 시 부상 시간 단축되며, 아르곤 교반과 개재물의 아르곤 기포 부착으로 더욱 개선됨. 예: 100μm 알루미나 개재물은 5분 내 부상. 아르곤 교반은 충돌에 의한 개재물 성장 및 후속 응집/합일도 촉진.
거대 개재물이 미세 개재물보다 빠르게 부상함. 거대 개재물은 일반적으로 부력이 있어 슬래그 상으로 쉽게 부상. 부상한 개재물은 슬래그에 흡수됨. 적정 교반으로 부상 과정 강화 가능. 과도한 교반은 거대 개재물을 더 작은 크기로 파쇄. 용강 상향 이동 기포도 개재물 부상 및 슬래그 흡수 촉진.
개재물은 고온 정련 중 생성되거나 응고 중 석출로 생성됨. 고온 정련 중 생성된 개재물을 1차(내생) 개재물, 응고 중 생성된 개재물을 2차(외생) 개재물이라 함. 일단 강철 내 형성되면 개재물 특성(크기, 양, 조성, 형상)은 용강 내 물리화학 반응, 용강-주변 슬래그/래들 내화물 간 반응, 변형 등에 의해 동일하게 유지되거나 변화/진화함. 최종 특성에 따라 주조 공정 악영향, 강철 기계적 물성 저하, 제품 표면 및 전체 품질 저하 유발 가능. 강철 순도를 정의하는 개재물은 화학적·광물학적 조성, 안정성, 기원에 따라 분류됨.
내생 개재물(토착 개재물)은 용강 내부에서 냉각 및 응고 시 석출됨. 이 부류 개재물은 강철 첨가제로부터 기인. 탈산 생성물 또는 냉각·응고 중 석출 개재물. LCAK(저탄소 알루미늄 킬드) 강의 알루미나(Al2O3) 개재물, 실리콘 킬드 강의 실리카(SiO2) 개재물은 용해 산소와 첨가된 알루미늄/실리콘 탈산제 반응으로 생성되는 전형적 탈산 개재물.
알루미나 개재물은 고산소 환경에서 수지상 형성(그림 2). 탈산 또는 재산화에 의한 군집형 알루미나 개재물(그림 2)은 알루미늄 킬드 강의 전형. 알루미나 개재물은 높은 계면 에너지로 충돌 및 응집을 통해 3차원 군집 쉽게 형성. 군집 내 개별 개재물 직경 1~5μm. 충돌, 파쇄, 타입자 응집 전에는 꽃잎판상 또는 (응집된) 다면체 형태일 수 있음. 산호상 알루미나 개재물은 본래 수지상 또는 군집 알루미나 개재물의 오스트발트 리페닝 결과로 추정. 실리카 개재물은 용강 내 액체 또는 유리 상태이므로 일반적으로 구형. 실리카도 군집 형성 가능.
그림 2: 개재물 유형
석출 개재물은 강철 냉각 및 응고 중 형성. 냉각 중 용해 산소/질소/황 농도는 증가하나 용해도는 감소. 따라서 알루미나, 실리카, 알루미늄 질화물, 황화물 등이 석출. 황화물은 응고 중 수지상 사이(inter-dendritic)에 형성되며, 용강 내 기존 산화물 상에 핵생성하는 경우가 많음. 일반적으로 크기 작음(10μm 미만).
내생 개재물은 외생 개재물(내화물 계면, 슬래그, 용강 접촉 물질로부터 포집된 물질)보다 일반적으로 더 균일하게 분포. 1차 및 내생 산화물(알루미나, 마그네슘-스피넬)은 침지 노즐 막힘 유발, 불규칙 형상이 변형 시 응력 상승 인자 작용해 강철 기계적 강도 저하.
외생 개재물은 용강이 주변 환경과 의도치 않은 화학적·기계적 상호작용으로 발생. 큰 크기와 표면 근접 위치로 인해 파단 민감 기계적 물성에 일반적으로 유해. 대부분 재산화로 형성: '자유' 탈산제(알루미늄, 실리콘, 망간, 칼슘)가 용해된 용강이 주입 및 게이팅 시스템 이송 중 공기와 접촉해 산소 포집. 또한 부적절하게 예열된 이송 용기에서 기체나 수증기 반응으로 개재물 형성. 외생 개재물은 출강, 주입, 응고 중 우발적으로 포집돼 주강 제품 전체에 무작위 분포. 용강 내 이동 중 신개재물 석출의 이질 핵생성 자리 역할.
외생 개재물은 주로 용강의 우발적 화학적(재산화) 및 기계적 상호작용(슬래그 혼입, 라이닝 내식)에서 기인. 가공 시 채터 발생, 가공면 핏/굴곡, 빈번한 파손, 과도 공구 마모 유발. 외생 개재물의 공통 특성:
이러한 개재물이 왜 빠르게 부상하지 않는지가 핵심 이슈. 가능한 이유: (i) 제강, 이송, 야금 용기 내 침식 중 후기 형성으로 주조 진입 전 부상 시간 부족, (ii) 충분한 과열도 부족, (iii) 응고 중 유동으로 몰드 슬래그 포집 또는 부상 개재물 재포집.
외생 개재물은 항상 조업 관련이며, 크기와 화학 조성으로 기원 식별 가능. 주요 기원은 재산화, 슬래그 혼입, 라이닝 침식, 화학 반응.
강철에서 발견되는 재산화 기인 가장 흔한 거대 매크로 개재물 형태인 알루미나 군집은 그림 2에 표시. 공기가 가장 흔한 재산화원으로 여러 경로로 발생: (i) 주입 개시 시 tundish 내 용강이 상부 표면에서 강한 난류로 공기와 혼합, 흐르는 용강 표면 산화막이 용강 내로 폴딩되어 산화물 입자 약한 면 형성, (ii) 래들-tundish, tundish-몰드 접합부에서 공기 흡입, (iii) 래들, tundish, 몰드 내 강 상부 표면에서 공기 침투.
이런 재산화 시 알루미늄, 칼슘, 실리콘 등 탈산 원소가 우선 산화돼 탈산 개재물보다 1~2 자릿수 큰 개재물로 발달. 해결책은 주조 공정의 공기 노출 제한: (i) 래들-tundish, tundish-몰드 연결부 주변 강 링 매니폴드 또는 다공성 내화물 링을 이용한 불활성 가스 커튼 슈라우딩, (ii) 주입 전 tundish 내 가스 퍼징 및 주입 중 tundish 표면 퍼징, (iii) 래들 가스 주입 제어로 아이(eye) 형성 방지.
슬래그 및 라이닝 내화물 내 실리카, 망간 산화물, FeO도 재산화원. 이 메커니즘으로 개재물이 슬래그/라이닝 계면 접근 시 SiO2/MnO/FeO + [Al] = [Si]/[Mn]/[Fe] + Al2O3 반응으로 성장. 더 큰 알루미나 개재물이 가변 조성으로 형성. 이 현상은 외생 개재물에 두 가지 추가 영향: (i) 라이닝 표면 침식·불균일화로 라이닝 벽 근처 유동 패턴 변화 및 라이닝 추가 파쇄 가속, (ii) 파손 라이닝/혼입 슬래그 거대 외생 개재물이 미세 개재물(탈산 생성물) 포집 및 신석출 이질 핵 역할로 조성 복잡화.
슬래그/라이닝 재산화 방지를 위해 저 SiO2, MnO, FeO 유지가 중요. 고알루미나 또는 저 유리 실리카 함유 지르코니아 벽돌이 더 적합함 보고됨.
제강/이송 조업은 특히 용기 간 이송 시 슬래그-금속 난류 혼입 수반, 강 내 슬래그 입자 현탁 생성. 슬래그 개재물(10~300μm, 다량 CaO/MgO 함유, 용강 온도에서 액체 상태이므로 구형). 'H형' tundish와 2래들 주입으로 래들 교체 기간 슬래그 혼입 저감. 연속 주조 공정 중 용강 내 슬래그 혼입 영향 인자: (i) 래들-tundish, tundish-몰드 이송 조업(특히 개방 주입), (ii) 저수위 시 볼텍싱(주입 중단으로 방지 가능), (iii) 임계 가스 유량 초과 가스 교반 시 상부 표면 유화 및 슬래그 혼입, (iv) 몰드 메니스커스 난류, (v) 슬래그 물성(계면 장력, 점도). 예: 몰드 슬래그 포집 원인 - (i) 메니스커스 난류, (ii) 볼텍싱, (iii) 강→슬래그 이동 기포 유도 유화, (iv) 노즐 벽 압력차로 인한 흡입, (v) 고속 전단으로 표면 슬래그 박리, (vi) 수위 변동.
강-주조 분말 액체 간 계면 장력은 강 메니스커스 높이와 플럭스 포집 용이성 결정. 예: 순철 접촉 석회-실리카-알루미나 슬래그 계면 장력 1.4 N/m → 메니스커스 높이 약 8mm. 계면 장력은 황 등 표면활성종이나 알루미늄 산화(강) - 산화철(슬래그) 계면 교환 반응으로 저하. 화학 반응에 의한 극저 계면 장력은 마랑고니 효과로 계면 자발 난류 유발, 유화 생성으로 바람직하지 않은 슬래그 비드 생성.
웰 블록 모래, 이물질, 파손 내화 벽돌, 세라믹 라이닝 입자 등 내화물 침식은 거대 외생 개재물의 매우 흔한 원천. 일반적으로 고체이며 래들 및 tundish 재료 관련. 불규칙 형상. 외생 개재물은 알루미나 이질 핵생성 자리 역할, 중심 입자 사진과 같거나 타 내생 개재물과 응집 가능. 내화물 침식 생성물이나 기계적 혼입 개재물 발생은 그렇지 않으면 매우 청정한 강 품질을 완전히 손상시킬 수 있음.
칼슘 처리가 부적절하게 수행될 때 개재물 변질로 산화물 생성. 기원 식별이 항상 쉬운 것은 아님. 예: 산화칼슘 함유 개재물은 혼입 슬래그 기원도 가능.
고체 개재물 응집은 표면 장력 효과로 내화물, 기포 표면 등 모든 표면에서 발생 가능. 용강 내 알루미나 높은 접촉각은 개재물이 강과의 접촉 최소화 위해 내화물에 부착하도록 유도. 1,530°C 고온에서 알루미나 소결 발생. 큰 접촉각과 큰 개재물 크기가 개재물 응집 촉진. 충돌과 응집으로 개재물은 시간과 온도 증가에 따라 성장 경향. 탈산제 첨가부터 나노→마이크로 크기 성장까지 충돌·확산에 의한 개재물 핵생성 수치 시뮬레이션 보고. 알루미나 군집 소결 기초는 추가 연구 필요하나, 일부 연구에서 프랙탈 이론으로 군집 형태(특징) 기술.
개재물은 화학 조성 기준으로 (i) 황화물, (ii) 알루미네이트, (iii) 실리케이트, (iv) 산화물, (v) 질화물, (vi) 이들 2종 이상 복합 조합으로 합성적 분류 가능. 강철 내 다수 개재물은 인 함량 매우 적어 산화물과 황화물이 주류. 실리케이트는 후속 열처리 필요 강에 특히 해로움. 질화물은 일반적으로 질소 친화력 높은 원소 함유 특수강에 존재.
산화물 개재물은 동질/이질 핵생성 가능. 동질 핵생성은 강 내 이물 표면 없이 발생, 이질 핵생성은 이물 표면에서 발생. 용강 내 이물 표면 소스: 혼입 물질, 주변 래들 내화물, 기존 개재물, 미용해 합금. 안정한 산화물 형성을 위해 전체 자유 에너지에 대한 벌크 자유 에너지 절대 기여도가 계면 에너지보다 커야 하며, 이는 임계 산화물 크기에서 발생. 임계 크기 미만 개재물은 불안정해 용강 내 재용해, 이상 개재물은 성장. 이질 핵생성 시 기존 표면 존재로 임계 산화물 크기 감소, 안정한 산화물 생성에 필요한 전체 자유 에너지 감소. 이질 핵생성이 동질 핵생성보다 유리.
중요 개재물 특성: 크기, 양, 조성, 형상. 안정한 산화물 생성 후 개재물 성장 및 강 내 반응, 강-주변 슬래그/래들 내화물 간 반응으로 조성 변화 가능. 산화물 개재물 성장은 산소 및 탈산제 개재물 확산, 충돌 후 응집 및 합일에 의해 발생.
산화물 개재물: FeO, MnO, Cr2O3, SiO2, Al2O3, TiO2 등. 광물학적 조성 기준 두 주 그룹: (i) 자유 산화물(FeO, MnO, Cr2O3, SiO2(석영), Al2O3(코런덤) 등), (ii) 스피넬(2가, 3가 원소 화합 산화물). 페라이트, 크로마이트, 알루미네이트가 이 그룹. 산화물 개재물 화학 조성 기술 기본 도구는 삼원 상도(CaO-SiO2-Al2O3). 이 비금속 화합물 부류는 용강 산소 제거 위해 첨가된 탈산 원소들에 의해 형성.
석출 산화물의 조성, 크기, 분포는 탈산제, 용강 조건, 응고 공정 큰 영향. 알루미늄은 제강 공정 탈산제로 널리 인정. 첨가 편리하고 용강 산소 함량 효과적 저감. 그러나 강철 문제 대부분은 알루미나 또는 알루미늄 풍부 산화물로 귀결. 용강 내 고체 알루미나 개재물은 수지상 형상으로 급속 군집화 경향. 알루미나 군집은 산화물 군집+포집된 용강으로 겉보기 밀도 높아 용강 상부로 부상 어려움. 연속 주조 강 주조성 및 품질에 해로움.
주조 공정 막힘 개시는 알루미나 개재물 노즐 벽 부착 시 시작. 특히 흑연 안정화 마그네시아 내화물 등 특정 내화물은 알루미나 개재물 응집 촉진 보고. 알루미나 개재물-강 높은 접촉각이 내화물 상 개재물 응집 경향 추가 촉진. 상당량 알루미나와 MnS 개재물 존재 시 강철 제품 성능 부정적 영향. 일반적으로 산화물 개재물은 박판 찢김 유발, 인성/굴곡성/연성 저하.
알루미늄을 용강 탈산용 첨가 시 산소와 반응해 수지상 알루미나 개재물(알루미나 은하) 형성. 크기에 따라 탈산 결과 알루미나 개재물은 매크로/마이크로 개재물로 구분. 티타늄, 지르코늄, 희토류 금속으로 알루미늄 부분/완전 대체 추구 증가. 이는 미세 분산 산화물 효과적 생성으로 변태/석출 이질 핵생성 자리 역할 수행해 연속 주조 강 주조성 및 품질 개선 목적. 따라서 강철 내 개재물 양, 크기, 조성, 분포 제어가 중요.
질화물 개재물: ZrN, TiN, AlN, CeN 등. 강질 원소 함유 합금강에서 발견. 질화물 생성 원소: 티타늄, 알루미늄, 바나듐, 세륨 등. 질화물 개재물은 일반적으로 티타늄 질화물(TiN)로 형성되며, 독특한 모서리 형상으로 개재물-금속 기지 계면에서 발생 응력 증폭 악화로 해로운 영향. 그러나 TiN이 다량, 균일 분포, 상대적 소크기 존재 시 등축정 형성 촉진해 주강 기계적 강도 향상. 또한 스테인리스강 316L에서 특정 CaO·Al2O3·2SiO2 산화물(안소라이트) 존재 시 가공 공구 수명 개선 확인. 이들 개재물 존재 시 가공 공구 팁 코팅으로 윤활제 역할, 가공 칩 파단 촉진.
FeO·Fe2O3, FeO·Al2O3, FeO·Cr2O3, MgO·Al2O3, 2FeO·SiO2, FeS·FeO, MnS·MnO, Nb(C,N), V(C,N) 등.
비금속상이 금속 기지에 가하는 손상 효과 기원 3대 메커니즘: (i) 개재물 주변 응력장 증폭하는 노치 요소, (ii) 수소가 점진적으로 개재물 내 이동해 개재물 주변 응력장 생성하는 가압 가스 탱크, (iii) 금속상과 유리-세라믹 구조의 상이한 열팽창 계수로 잔류 응력 생성하는 비금속상.
비금속 개재물은 안정/불안정으로 분류. 불안정 개재물: 희석 산(10% 미만 농도)에 용해. 불안정 개재물: 철/망간 황화물, 일부 자유 산화물.
개재물 화학 조성 형성 및 제어는 생산 공정 각 단계와 이를 수행하는 산업 시스템 관련. 주조 조업 곤란(연속 주조 tundish-몰드 노즐 막힘, 잉곳 주조 래들-주조 기둥 사이 막힘) 및 강철 기계적 물성 유해 영향 관련 문제 회피 위해 생산 공정 각 단계 신중한 구현 필요.
고체상 개재물은 군집해 노즐 및 유량 제어 시스템 막힘 유발, 공정 운영 위협. 일부 개재물 화학은 강철 연성, 내피로성, 전체 인성 저하. 개재물 부재도 문제: '청정강'은 가공 어려워 절삭 공구 수명 단축, 가공 전력 소비 증가. 개재물 본질 이해가 제강 조업에서 극히 중요하며, '개재물 엔지니어링'이 제강 공정 중 운영 초점 필요.
'개재물 엔지니어링'은 제품 물성 유해 효과 완화하도록 개재물 설계 의미. 개재물 제거 아닌 화학 조성 또는 형상 변질로 유해 효과를 강철 물성 개선으로 전환 의미. 개재물 기지 내 균일 분포로 복합 물성 구현도 포함. 경우에 따라 극미세 개재물 의도적 형성(예: 경화강 내 질화물, 탄질화물 개재물). 텅스텐, 티타늄, 알루미늄이 산소, 질소, 황, 탄소와 반응해 형성 가능.
개재물 유해 영향 저감 접근법: 매크로 개재물 부재하도록 제강 공정 조정하면서 잔류 마이크로 개재물 집단, 크기, 분포, 형상 제어. 신기술 적용 및 최종 사용자 제품 성능 피드백 지식이 청정강 전략 설계에 가치 있는 정보. 개재물 변질 및 형상 제어 과학은 제품 현장 성능 향상과 연속 주조 주조성 확보 위해 개재물 화학 변경 필요성에서 유래. 그러나 매크로 크기 개재물은 제거 필요. 그 외 경우 용도에 따라 개재물 변질로 유해 영향 최소화.
개재물 변질 및 형상 제어 관점에서 관심 개재물은 내생형, 특히 탈산 공정 결과 개재물 및 황화물형 개재물. 산화물과 황화물이 강철 내 2대 주개재물. 산화물/황화물 소스는 제강 공정 고유. 불순물 원소(실리콘, 망간) 및 탄소 반응 위해 산소 사용해 용해 화학 에너지 생성. 그러나 상당량 산소 용강 내 용해 잔류. 용해 산소는 완제품 구조적 무결성 유해 영향으로 정련 단계서 제거 필요. 알루미늄, 실리콘 등 강탈산제 통상 사용해 강중 산소 제거. 그러나 알루미늄 킬드 강은 잔류 알루미나 개재물로 tundish 웰 노즐, 침지 노즐 상시 막힘.
개재물 변질 첨가 원소는 3요건 충족 필요: (i) 개재물에 높은 화학적 친화력, (ii) 조성 변질로 액체화 가능, (iii) 개재물 날카로운 모서리/코너 구형화 가능.
비금속상 형성은 열역학 관계 지배. 산화물 시스템은 다양한 산화물 종 존재로 연구 가장 어려움. 칼슘 투입으로 개재물 변질 목적이면 강욕 내 상호작용 이해 더 어려움. 좋은 개재물 엔지니어링 절차: 노즐 막힘 방지 위해 저융점 비금속 산화물 개발, 강 냉각 및 후속 가소 변형 가열 시 개재물 유리질 구조 우세 유지로 세라믹 취성 상 형성 방지 목표. 유리질 구조 안정화 위해 안소라이트(pseudo-wollastonite) 기반 실리케이트 시스템 형성이 특히 유리.
산화물 개재물 예측 및 엔지니어링은 강력하고 단순한 열역학 모델 기반 가능, 3단계: (i) 슬래그 연산 산소 포텐셜 계산, (ii) 순수 비금속 화합물 생성 반응 발전 가능성 평가, (iii) 강철 화학 조성 기반 연관 산소 포텐셜 함수로 상이한 반응 위계 정의.
연성 산화물/황화물 양 증가시 현저 감소. 인성 강도 높고 연성 낮은 합금에서 개재물 존재 시 파괴 인성 감소. 크리프, 충격, 피로 시험 등 느린/빠른/순환 변형률 시험서 유사 물성 저하 관찰. 개재물은 보이드 유발→균열 유도. 거대 외생 개재물 열등 표면, 불량 연마성, 내식성 저하, 예외적 슬래그 라인/적층 결함 유발. 개재물은 HIC(수소 유기 균열) 저항성도 저하. 강철 피로 문제 주요 원인은 경도 높고 취성 산화물, 특히 30μm 초과 거대 알루미나 입자. 산소 함량 3~6ppm으로 낮춰 거대 개재물 양 저감 시 베어링강 수명 20ppm 산소 강 대비 약 30배 연장. 이러한 문제 방지 위해 유해 개재물 크기 및 빈도 엄격 제어 필요. 특히 주조품 내 임계 크기 이상 개재물 없어야 함.
주조품 내 개재물 응고 형상 중요하지만, 단조 제품 내 개재물 형상은 강철 가공 중 기계적 거동, 즉 강철 기지 대비 '경도' 또는 '연성'에 의해 크게 좌우. 다양한 개재물 변형 거동 개략도 그림 3. '스트링거(stringer)' 형성, 유형 (b)(c), 기계적 물성 방향성 증가로 인성 및 연성 특히 악영향. 인성 및 연성, 특히 압연 제품 두께 방향 물성에 최악 개재물은 기지랑 함께 변형되는 유형 (d).
그림 3: 변형 중 개재물 거동
개재물 제품 성능 영향 및 개재물 진화/형성 관련 운동론적·열역학적 현상 정보 풍부. 가용 정보 신중 분석으로 청정강 생산 위한 제강 공정 각 단계 좋은 관행 개발 가능. 그러나 모든 개재물 제거 불가능하거나 불필요. 특정 용도 강철에 해로운 개재물이 타 용도에서는 전혀 무해할 수 있음. 따라서 강철은 용도에 따라 다양한 청정도 정도 가질 것으로 기대.
매크로 개재물로 간주될 기준 어떤 표준에도 정의 안됨. 반면 이 정보 제공 극히 어려움. 구형 개재물 직경 14~20μm 위험하나, 모서리 개재물(TiN 등)은 높은 응력 증폭 연관으로 위험 크기 2~4μm 낮을 수 있음. 이 측면 처리는 참여 상 화학 조성 지배 비금속 시스템 구성에 의해 위험 수준 강하게 영향받아 더 복잡. 실제 올바른 개재물 엔지니어링으로 산화물 코어 상 황화물 크라운 석출 시스템 구성 실현 가능, 이 구성 비금속상 팽창 계수 상호 보상해 강철 금속 기지 근사치 달성 가능.
마이크로 개재물 크기, 형상, 물성 제어로 유해 효과 저감 공정을 개재물 변질(Inclusion Modification)이라 함. 산화물/황화물 개재물 변질로 막힘 방지 및 강철 구조적 무결성 부정 영향 최소화하는 일반적인 접근법은 2차 정련 중 칼슘 주입. 그림 4는 강철 칼슘 처리에 의한 개재물 변질 개략도.
그림 4: 강철 칼슘 처리에 의한 개재물 변질 개략도
칼슘은 산소 강한 친화력 가져 탈산제 사용 가능. 그러나 1,439°C 낮은 비등점, 1,600°C 강 중 0.032% 제한적 용해도, 1,600°C 1.81기압 높은 증기압으로 탈산제 사용 어렵고 비경제적. 그러나 칼슘-알루미늄 또는 망간/실리콘 탈산 조합으로 더 낮은 활성 및 융점 변질 1차 개재물 형성. 따라서 제강에서 칼슘은 탈산제보다 개재물 변질제로 더 많이 첨가. 대부분 강종은 합금 사양 따라 Ca-Si 합금 또는 Ca-Fe(Ni) 혼합물로 칼슘 처리. 일반적으로 트리밍 첨가와 아르곤 헹굼 후 효과적 수행.
강철 내 개재물 변질 정도는 2차 제강 칼슘 처리의 필수 특징. 첨가 칼슘 일부 반응해 용강 내 용해 칼슘(개재물 형태) 또는 슬래그 성분 잔류, 나머지는 기체로 탈출. 첨가 칼슘이 용강에 최대한 소비되도록 해 칼슘 주입 효율성·경제성 확보 필수적.
칼슘 처리 개재물 변질 일반적 효과: (i) 망간 황화물 개수·크기 감소, 다양한 특성 칼슘-망간 황화물로 변환, (ii) 일반적으로 단단하고 각진 데다 군집 잦은 알루미늄 산화물 개수 감소/완전 제거, 복합 CaO-Al2O3 또는 CaO-Al2O3-SiO2 개재물로 대체, (iii) 실리케이트 제거, CaO-Al2O3-SiO2 개재물로 대체, (iv) 복합 구상 CaO-Al2O3-SiO2 개재물 빈번 형성, 자주 황화물 림으로 둘러싸임.
칼슘은 알루미늄 킬드 강 고체 알루미나 형성 방지 위해 자주 사용. 칼슘 처리는 주조성 및 연속 주조 강 품질 효과적 개선하나, 고피로 저항성 필요 또는 극박판 고냉간 성형성 필요 전 강종에 한계. 구상 칼슘-알루미늄 산화물 존재 때문. 알루미늄, 칼슘, 칼슘-알루미늄 산화물 통상 수~수십 μm 직경.
희토류 금속(세륨, 란타넘 등)도 개재물 변질 사용되었으나, 변질 개재물 느린 부상(무게 탓) 및 래들 내식 잘함으로 칼슘만큼 효율적이지 않음. 칼슘 처리 효율적 수행 시 다음 2대 주목적 달성:
개재물 구상화 변환은 개재물 분리율에 중요한 역할. 예: 알루미나 개재물은 용강 내 비습윤으로 높은 분리율 경향이나, CaO-SiO2-Al2O3보다 낮음. 칼슘으로 알루미나 개재물 변질 시 액체 구상 개재물 형성돼 용강에 습윤됨으로써 군집 능력 저해. 그러나 칼슘 높은 증기압과 연관된 강한 욕 교반이 용강 내 알루미나 개재물 충돌 및 합일 촉진. 칼슘 증기와 충돌 통한 알루미나 개재물 합일 도움으로, 강제 대류 없이 자발 군집 후 분리해야 하는 소형 비부력 알루미나 개재물보다 강으로부터 제거 증진. 이 때문에 비변질 소형 알루미나 개재물은 래들 정련 완료 후 tundish 내화물 부착 분리까지 오래 걸림.
효과적 칼슘 처리 후 모든 산화물 개재물 통상 일정량 칼슘 함유. 강 중 산화물 개재물 효과적 변질은 칼슘 처리 전 용강 용해 알루미늄 및 산소 함량 의존. 필수 개재물 변질 위해 15~20ppm 칼슘 하한 필요. CaO-Al2O3 비율 12:7, 1,455°C 저융점 칼슘 알루미네이트 개재물 형성. 제강 온도에서 액체 상태 존재.
알루미나, 칼슘 알루미네이트, CaS 개재물 tundish 노즐 내화물 상 응집으로 주조 조기 종료(완전 막힘) 발생 가능. 강 내 개재물 분포에 따라 주조 개시 수분 내 완전 막힘 발생 가능. 막힌 tundish 노즐 물질 분석 시 일반적으로 Al2O3 또는 CaO 풍부 고체 칼슘 알루미네이트 개재물 존재 확인. 연속 주조 막힘 방지 위해 칼슘 처리 전 정련 중 저산소 포텐셜 달성 중요. 강철 주조성은 산소 함량과 직접 관련 있음 입증.
칼슘 처리 효과적 시 알루미나 개재물 → 용융 칼슘 알루미네이트(구상) 변환. 강 중 잔류 칼슘 알루미네이트 개재물이 강 응고 시 유해 MnS 개재물 형성 억제, MnS 개재물 구상 CaS 개재물로 변질. 알루미나 → 칼슘 알루미네이트 변환 시 추가 칼슘 첨가 반응 순서: Al2O3 → CA6 → CA2 → CA → C12A7. 제강 온도(~1,600°C) 액체 칼슘 알루미네이트 CA2, CA, C12A7 존재 → 고체 알루미나 개재물보다 부상 용이, 래들/주조 노즐 막힘 경향 저감.
실무: 칼슘 함유 제제(CaSi, CaFe, CaAl, CaC 등)를 강 정련 말기 분말/와이어 형태로 중공 금속관 통해 주입. 칼슘 함유 제제 종류 불문, 강 주중량 당 처리 필요 칼슘량은 알루미나 함량, 산소/황 수준 의존. 알루미나 개재물과 반응해 제강 온도 액체 칼슘 알루미네이트 화합물 형성 위해 충분 칼슘 첨가 필요. 완전 변질 개재물 평형 반응: (i) [Ca] + [O] = (CaO), (ii) [Ca] + [S] = (CaS), (iii) 7(Al2O3) + 12[Ca] + 12[O] = 12CaO·7Al2O3, (iv) [MnS] + 2[O] + CaSi = (CaS) + (SiO2) + [Mn].
식 (iv) 반응은 고황 강에서 용강 벌크 내 MnS 석출 가능. 그림 5는 CaO-Al2O3 이원 상도. 하이라이트 영역이 바람직한 칼슘 알루미나 개재물 조성. 하이라이트 밖 위상은 제강 온도 고체. 칼슘 과소/과다 주입 시 이 위상들이 주요 구성분 가능. MnS 개재물 바람직하지 않으나, 고체 CaS 개재물 형성도 동등하게 바람직하지 않음. 막힘 측면에서 고체 칼슘 알루미네이트 또는 순수 CaS 개재물은 알루미나 개재물만큼 해로움. 노즐 내화물 상 소결·응집도 동일.
그림 5: CaO와 Al2O3 이원 상도
칼슘 처리 효율은 칼슘 함유 제제 유형, 양, 주입 속도 등 다수 인자 의존. 전체적으로 알루미나와 MnS 개재물 조성·형상 분류로 칼슘 처리 효율 평가 가능:
최적화된 칼슘 처리 최종 결과: (a) 알루미나 → 액체 칼슘 알루미네이트 변형, 황 → CaS로 묶여 칼슘 알루미네이트 상 석출, (b) 구상 산화물/황화물 개재물 형성 및 응집으로 개재물 부상 개선.
여러 연구가 최적 청정도 필요 칼슘 첨가량 결정 시도. 예: Ca/S 비율과 Z방향 단면 수축률, 강철 충격 물성 상관관계. 이 접근법 모든 황 수준에 일반화 불가. 저황 강 허용 Ca/S 비율은 고황 강보다 수배 높을 수 있으나, 저황 강 절대 칼슘 첨가량은 고황 강보다 적음. 좋은 래들 정련 관행과 효율적 칼슘 처리로 다수 알루미나 개재물 → 액체 칼슘 알루미네이트 변환, 다수 황 → CaS로 묶임. CaS가 칼슘 알루미네이트 상 석출해 바람직한 불스아이 형상 생성.
칼슘 처리 강 물성 개선 보고: (i) MnS → 미변형 구상 (Ca-Mn)S 또는 CaS 변질로 횡방향 및 두께 방향 기계적 물성 향상, (ii) 고속 절삭 시 공구 표면 보호막 형성으로 초경 공구 수명 연장 및 절삭성 향상, (iii) 표면 품질 및 연마성 개선, (iv) 대형 구속 용접 구조물 박판 찢김 최소화 및 용접 열영향부(HAZ) 재열 균열 감수성 저감, (v) 노즐 막힘 방지/최소화로 강철 주조성 개선.
제조공정
지속가능한 에너지 미래와 수소의 역할 지속가능한 에너지 미래의 주요 동인은 (i) 전 지구적 이산화탄소(CO₂) 배출 저감 및 대기질 개선, (ii) 에너지 공급 안보 확보 및 지속가능 에너지 자원으로 전환, (iii) 미래 경제에 필수적인 새로운 산업·기술 에너지 기반 구축입니다. 현대적 글로벌 에너지 미래 평가 모두 수요 증가가 재생가능/지속가능 에너지원을 포함한 다양한 에너지 믹스로 충족되어야 한다는 견해를 취합니다. 구체화되는 환경 우려가 지속가능 에너지 개발 주요 동력 중 하나입니다. 선두는 대기 중 CO₂ 및 기타 기후
이미지 출처: Shutterstock/CHIARI VFX 강철은 용융 상태에서 응고 직후 일정 온도 범위에서 가단성을 갖는 철-탄소 합금의 대가족을 통칭하는 용어입니다. 제강의 주원료는 철광석, 석탄, 석회석입니다. 이들은 고로에서 선철(pig iron)로 변환되며, 다량의 탄소, 망간, 황, 인, 규소를 함유합니다. 선철은 단단하고 부서지기 쉬워 직접 단조 가공하기 부적합합니다. 제강은 선철과 철/강 스크랩을 정련하여 용융물에서 유해 원소를 제거하고 원하는 원소를 정량 첨가하는 과정입니다. 주요 반응은 탄소가 산소와 결합해 기체를
