기본 산소 전로(BOF)에서 내화물 라이닝의 목적은 컨버터 운영 중 최대 전로 가동률을 제공하여 생산 요구사항을 충족하고, 최저 가능한 단위 내화물 소비를 보장하는 것입니다. 이를 달성하기 위해서는 (1) 라이닝 설계 최적화, (2) 라이닝 유지보수 관행 최적화, (3) 컨버터 운영 중 양호한 기술적 규율 유지가 필수적입니다.
BOF 내화물 라이닝의 마모는 여러 요인의 개별적 또는 복합적 효과로 인한 마모 메커니즘에 기인합니다. 주요 요인은 다음과 같습니다.
이러한 요인들의 다양한 작용으로 인해 컨버터에는 여러 마모 영역이 존재합니다.
컨버터 운영과 라이닝 구성은 컨버터 라이닝 수명에 막대한 영향을 미칩니다. 용강 출강 온도는 주조 강종에 필요한 과열도와 제강소의 2차 정련 설비에 따라 크게 달라집니다. 컨버터 내 용탕의 산화 상태는 고온에 의해 악화되며 BOF 라이닝 마모에 매우 중요한 요소입니다. 슬래그 화학은 여러 면에서 중요합니다. 마그네시아-카본(Mag-C) 벽돌은 염기성 내화물로 염기성 슬래그가 필요합니다. 형성된 염기성 슬래그는 포화 수준까지 벽돌에서 마그네시아(MgO)를 용해시키려 합니다. 일반적인 MgO 포화는 온도와 산화 상태에 따라 약 8%에서 발생하므로, MgO(보통 소석회석 형태)를 첨가하지 않으면 슬래그가 라이닝을 선택적으로 용해시켜 라이닝 마모를 증가시킵니다. 슬래그 화학은 다시 산화 상태 및 온도와 관련되어 있는데, 염기도와 MgO 함량이 높은 FeO 수준과 온도에 의해 희석되고 온도는 반응 속도론적 비율을 증가시킵니다. 침식과 마모 효과는 제강 관행과 밀접한 관련이 있습니다.
이론적으로 컨버터의 내화물 라이닝은 내화물 종류와 두께를 달리하여 설계하여, 컨버터 캠페인 종료 시 어떤 자재도 낭비되지 않아야 합니다. 즉, 컨버터 라이닝의 모든 구역(그림 2)이 동시에 중단 두께까지 마모되어야 합니다. 하지만 실제로는 일부 구역의 내화물이 다른 구역보다 더 빨리 마모됩니다. 균형 잡힌 라이닝 설계는 항상 최적의 내화물 비용으로 라이닝 수명 향상을 목표로 합니다. 균형 잡힌 라이닝은 컨버터 내 내화물의 마모 패턴을 면밀히 연구한 후, 컨버터의 서로 다른 구역에 서로 다른 품질과 두께의 내화물을 사용하는 라이닝입니다. 이러한 유형의 라이닝은 내화물이 구역별로 배치되므로 '존 라이닝(zonal lining)'이라고도 합니다. 마모가 적은 라이닝 세그먼트에는 낮은 품질 또는 더 얇은 내화물을 할당하고, 더 높은 마모 패턴을 가진 세그먼트에는 더 높은 내마모성(보통 더 높은 비용)의 내화물을 할당하여 심각한 마모 영역의 수명을 연장합니다.
Mag-C 내화물의 품질 개선을 통한 컨버터 라이닝 수명 연관 변수는 다음과 같습니다.
프레스 유형과 크기(마찰 또는 유압)는 벽돌 특성에 영향을 미칩니다.
Mag-C 벽돌의 가장 큰 성분이 MgO 입자이므로, 입자의 구성과 특성이 벽돌 특성에 중요한 역할을 합니다. 여러 유형의 MgO 입자가 있습니다. 염기성 슬래그, 침식, 마모, 온도 등에 견디기 위해서는 고품질 MgO 입자가 필요합니다. 입자 밀도, 크기, 화학 성분이 중요합니다. 화학 측면에서 입자의 석회(CaO)/실리카(SiO₂) 비율이 중요합니다. CaO/SiO₂ 비율은 0이거나 2:1을 초과하여 이중 규산칼슘(고융점 상) 형성을 보장해야 합니다. 일부 MgO 입자는 CaO/SiO₂ 비율이 6:1까지 높지만, 이러한 입자는 수화에 더 취약해집니다. 낮은 CaO/SiO₂ 비율은 저융점 상을 생성하고 고온 강도 손실이 치명적일 수 있습니다. 입자 내 2차 광물 생성량도 중요하므로 SiO₂ 함량은 가능한 한 낮아야 합니다(0.3% 미만). 붕소(B) 함량이 높으면 입자의 고온 강도를 파괴하므로 매우 중요합니다.
입자 밀도는 3.2g/cc에서 3.5g/cc 이상까지 다양합니다. 낮은 입자 밀도는 높은 기공률을 의미하여 슬래그 침투에 취약해집니다.
큰 결정립은 일반적으로 작은 결정립보다 우수한 성능을 보입니다. 간극 기공률이 감소하여 슬래그가 입계로 침투할 가능성을 줄이고, 고온 사용 시 벽돌 내 탄소(C)에 의한 MgO 환원 감수성을 낮추기 때문입니다. 환원 과정은 벽돌의 탄소와 입자의 MgO를 모두 파괴하여 마그네슘(Mg) 금속 증기와 CO 가스를 생성합니다. 결정 크기는 보통 140미크론 초과 시 큰 것으로 간주합니다. 용융 MgO 입자 크기는 1000미크론을 초과할 수 있습니다. 다만 용융 입자 재료는 화학 성분과 결정 크기에 변동이 있을 수 있습니다.
Mag-C 벽돌은 결합제 코킹 후 미세하게 분산된 탄소 잔류물이 남는 탄소 결합 벽돌입니다. 이 잔류물이 벽돌을 결합시킵니다.
흑연은 제강 슬래그에 비습윤성이어서 슬래그의 벽돌 침투와 이후 MgO 입자 용해를 방지합니다. 흑연은 또한 열전도성이 매우 높아 벽돌 표면에서 열을 전달함으로써 공격적 반응의 속도론을 감소시킵니다. 화학적으로 모든 흑연은 순수 탄소이지만 모두 약간의 회분(흑연 매장지에서 발견되는 점토 광물)을 포함합니다. 불순한 흑연은 벽돌에 SiO₂, Al₂O₃(알루미나) 같은 플럭스를 첨가하여 부정적 효과만 초래합니다. 플레이크 흑연은 비정질 흑연보다 산화 저항성이 높고 열전도성이 높으므로 일반적으로 사용됩니다. 일반적으로 사용되는 흑연 양은 5~25% 범위이며, 다른 조건이 동일하면 흑연 함량이 높을수록 벽돌의 슬래그 저항성과 열전도성이 높아집니다.
금속 분말은 Mag-C 벽돌에 첨가되어 산소의 청정제 역할을 하여 흑연과 탄소 결합의 산화를 지연시킵니다. 이 분말들은 벽돌 내 복잡한 금속-탄화물-산화물 결합을 형성하여 고온 강도를 현저히 개선합니다.
BOF 라이닝 설계는 플랜트마다 다르며, 각각 원하는 수명과 가동률을 달성하고 BOF의 서로 다른 영역에서 서로 다른 마모 메커니즘의 마모를 균등화하려는 의도를 가집니다.
컨버터 내화물 라이닝 수명 연장을 위해 여러 라이닝 유지보수 관행이 사용됩니다.
레이저 빔을 이용해 라이닝 두께를 측정하는 기술입니다(그림 4). 현재 널리 사용되는 방법입니다. 이 기술에서 레이저 빔은 컨버터 본체의 보정된 지점에서 반사되어 마모된 라이닝의 지점과 비교됩니다. 컴퓨터 분석을 통해 잔여 라이닝 두께를 도식화합니다. 이 정보는 서로 다른 내화물의 마모율 비교와 쉘 손상 방지에도 유용합니다. 이 기술의 유용성은 건닝(gunning)에 의한 필요한 전로 유지보수를 결정하고 제어하는 데 있습니다. 레이저 빔을 사용하면 실제로 건닝 유지보수가 필요한 영역을 식별하여 필요한 건닝 유지보수를 수행할 수 있습니다. 필요한 건닝 자재 양도 제어할 수 있습니다.
슬래그의 MgO 레벨은 라이닝 수명 개선에 매우 중요한 요소입니다. 목표는 운영 온도에서 슬래그의 포화 수준보다 더 많은 MgO를 장입하는 것입니다. 슬래그 내 높은 MgO는 슬래그 코팅 시 코팅 특성과 슬래그 스플래싱 시 부착 특성을 개선합니다. MgO 공급원은 보통 저비용 마그네시아 공급원입니다. 사용된 염기성 라이닝 자재도 이 목적에 사용될 수 있습니다. 슬래그의 MgO 레벨은 출강 온도에 기반해야 합니다.
컨버터를 흔들어 슬래그 작업 라이닝을 생성하는 기술입니다. 컨버터 운영 중 상당한 주의가 필요한 기술입니다. 슬래그 코팅 관행의 성공 요건: (1) 적절한 슬래그 유형 선택, (2) 적절하고 적정량의 첨가제로 슬래그 조절, (3) 올바른 컨버터 흔들기, (4) 필요 시 슬래그 폐기, (5) 최적 타이밍에 코팅 실행. 이 항목들은 잘 계획되고 올바르게 실행되어야 적절한 슬래그 코팅이 가능합니다.
슬래그 스플래싱 기술은 컨버터 라이닝 수명 향상에 크게 기여합니다. 이름에서 알 수 있듯 제강 공정의 잔여 슬래그를 조절하여 고압 질소(N₂)로 컨버터의 여러 부분에 불어넣어 컨버터 작업 라이닝에 부착시켜 후속 열에서 마모 라이닝 역할을 하게 합니다. 액체 점성 슬래그는 산소 랜스를 이용해 질소를 불어넣어 컨버터의 여러 부분에 분사됩니다. 슬래그 스플래싱은 이전 열 출강 후 다음 열 시작 전 컨버터 시간 몇 분만 소요됩니다. 컨버터 내 동결 라이닝을 생성하여 침식을 방지하기 위해 개발되었습니다. 스플래시된 슬래그는 후속 열 동안 작업 라이닝 역할을 합니다. 컨버터 라이닝 수명 연장을 위한 강력한 도구가 되었습니다. 산소 랜스로 잔여 슬래그에 질소를 불어넣는 방식입니다. 슬래그 스플래싱은 2~3분 소요되며 컨버터 수직 상태에서 수행됩니다. 질소 유량은 랜스 높이에 따라 제어되며 보통 자동화됩니다.
이 기술은 라이닝 수명 연장에 도움을 줍니다. 일반적으로 단일체 내화물인 건닝 자재를 트러니언, 슬래그 라인 등 심한 마모가 발생하는 영역에 분사합니다. 건닝은 보통 선택적 영역에만 수행됩니다. 슈터 타입 건을 사용하여 공정의 적대적 환경을 견딥니다. 건닝 자재는 일반적으로 수계입니다. 건닝 자재와 그 품질에 대한 많은 연구가 수행되었으며 품질이 지속적으로 개선되고 있습니다. 건닝 자재에 비용이 들기 때문에 건닝 양은 제강 시 내화물 단위 비용과 균형을 맞춰야 합니다.
컨버터 라이닝에는 보통 두 층의 내화 벽돌이 사용됩니다. 쉘을 보호하는 얇은 안전 라이닝(두께 150~225mm)과 두꺼운 작업 라이닝(두께 450~750mm)으로 구성됩니다. 안전 라이닝의 대부분은 보통 여러 작업 라이닝 캠페인을 지속합니다. 안전 라이닝은 강철 유지 링과 모르타르로 고정됩니다. 컨버터 라이닝은 단순하며 다음 단계로 구성됩니다.
이 영역의 내화물 침식은 용융 금속, 슬래그, 가스에 의해 발생합니다. 복합 취련 컨버터의 경우 가스로 냉각되는 튜예르와 바닥 라이닝 사이의 온도 구배로 인해 열기계적 응력이 발생합니다. Mag-C 라이닝은 컨버터 바닥 영역에서 향상된 성능을 제공하지 않습니다. 깊은 취련 시 바닥이 더 빨리 마모됩니다. 캠페인 중 바닥 수리는 보통 돌로마이트가 풍부한 점성 슬래그로 바닥을 쌓거나 액체 슬래그와 파쇄된 염기성 벽돌 혼합물로 바닥을 패치하는 방식으로 수행됩니다. 컨버터의 복합 취련 작업은 바닥에 높은 응력을 유발하므로, 이 영역에는 개질제와 피치 함침을 한 소성 MgO 내화 블록이 일반적으로 사용됩니다.
튜예르를 통한 바닥 취련과 욕조 교반은 주변 영역의 내화물 국부 마모에 기여합니다. 마모는 용융 강철의 난류 흐름으로 인한 내화물 침식과 냉각 가스 흐름으로 인한 열 응력 때문입니다. 융착 MgO 기반의 고밀도 저기공 피치 결합 및 함침 Mag-C 내화 블록이 이 용도에 선호됩니다.
컨버터의 차지 패드는 일반적으로 출강구 정반대쪽에 위치합니다. 차지 패드는 낙하하는 스크랩(때로는 블룸 엔드 같은 중량물)의 충격 하중을 받습니다. 용융 강철도 차지 패드를 침식합니다. 또한 시료 채취봉과 온도 측정봉이 기울어진 용기 이쪽에서 삽입되어 고온 슬래그가 차지 패드 영역을 세척하게 됩니다. 초기 내화물 솔루션은 피치 함침 소성 MgO 벽돌이었습니다. Mag-C 자재 사용으로 컨버터 수명이 연장됨에 따라 차지 패드가 주요 마모 영역이 되었고, 금속 첨가 레진 결합 Mag-C가 좋은 성능을 위해 사용되고 있습니다. 이 자재는 충격 저항성, 탄력성과 강도 결합, 흑연 존재로 인한 슬래그 침투 저항성을 제공합니다.
출강 영역은 고온 용융 강철에 의한 침식과 액체 슬래그에 의한 부식을 받습니다. 출강 영역의 내화물 개발은 차지 패드 영역 개발과 유사한 선상에서 이루어졌습니다. 초기 자재는 금속 첨가 피치 결합 및 함침 Mag-C로 대체되고 있습니다. 출강 영역의 주요 마모 공정이 고온 슬래그 공격이므로, 큰 결정 크기의 MgO로 제조된 내화 블록이 빠르게 표준이 되고 있습니다. 피치 결합 및 함침 내화물은 내화 블록 기공 내 탄소 작용에 의한 침투 슬래그 산화물 환원으로 출강 영역에서 우수한 성능을 보입니다.
이 영역은 하부 출강 영역과 정적 욕조 상부 레벨의 교차점에 위치하며, 출강 중 슬래그 공격, 고온, 침식 등 여러 공격 모드에 노출되어 매우 복잡합니다. 고온 슬래그 공격 저항성과 산화 저항성을 가진 내화물이 이 영역 라이닝에 필요합니다. 큰 결정 크기 MgO 기반의 피치 결합, 함침 Mag-C, 고순도 플레이크 흑연, 금속 첨가제가 포함된 자재가 좋은 결과를 보였습니다. 고순도 흑연 플레이크 사용은 흑연 플레이크에 고유하게 존재하는 불순물 산화물에 의한 '자가 산화'를 제한하므로 특히 유용합니다.
컨버터의 트러니언 존은 회전축에 있어 슬래그 세척이 불가능하므로 유지보수가 가장 어렵습니다. 내화물 마모는 주로 탄소 결합의 산화에 의한 작업면 손실입니다. 이 영역의 건닝이 유일한 실용적 유지보수 방법이며, 산화 저항성이 높은 내화 블록이 선호됩니다.
컨버터의 메인 배럴은 편의상 (1) 너클(knuckle), (2) 상부 측벽(upper sidewall) 두 영역으로 나눌 수 있습니다.
컨버터의 너클 영역은 종종 주요 마모 영역이나, 설계 변경으로 성능 개선이 자주 가능합니다. 너클 영역은 컨버터가 취련되지 않을 때 특히 심한 슬래그 공격에 노출됩니다. 슬래그 부식과 침식에 대한 우수한 저항성을 가진 내화물이 필요합니다.
상부 측벽은 슬래그 공격뿐만 아니라 극한의 온도 사이클링에도 노출됩니다. 슬래그 저항성이 좋은 자재가 사용됩니다. 그러나 이 영역의 내화물 라이닝은 슬래그 코팅을 받아들이고 유지할 수 있어야 합니다.
차지 패드 양쪽에 분포된 콘 영역은 용기 기울임 시 온도 측정과 시료 채취봉 담금질 때 슬래그에 의한 선택적 공격을 받습니다. 피치 결합 함침 Mag-C가 이 영역에서 좋은 성능을 보입니다.
콘 영역은 포착된 입자를 동반한 고속 가스에 의한 고온 침식에 노출됩니다. 산화성 분위기입니다. 레진 결합 Mag-C 자재가 이 영역에서 좋은 성능을 보입니다.
상부 콘(상위 6~10개 링)에서 마모 메커니즘은 스컬 제거 시 내화물 손실에 의해 변형됩니다. 기계적 데스컬링 시 내화 벽돌이 벽돌 끝의 점진적 손실이나 전체 벽돌 탈락으로 손상됩니다. 이 영역의 전제 조건은 높은 탄력성과 강도, 산화 저항성의 결합입니다. 산화 시 팽창하여 벽돌 링을 조이는 코몰디드 금속 플레이트가 제공되는 피치 결합 함침 MgO가 이 영역에서 가장 성공적인 내화물 자재입니다.
제조공정
기본산소로(BOF) 슬래그 슬로핑(Slopping) BOF 제강은 용선에서 강을 만드는 배치 공정입니다. 탄소(C), 망간(Mn), 인(P) 농도가 강 품질 영향. 주조 위해 미리 정한 온도·조성 달성 위해 내화물 라이닝 컨버터 내 용선에 산소(O₂) 분사. O₂가 욕조 내 여러 원소 산화 → 온도 상승, 유해 원소 농도 저하. 생성 액체 산화물 욕조 상부 떠올라 슬래그 층 형성. BOF 제강 효과 위해 상당한 슬래그 부피 필요하나, 컨버터 크기 한계로 슬래그 부피 제한됨. 컨버터 내 극대 표면적 덕에 반응 속도 매우 빠름. O₂
전기로(EAF) 내화물 라이닝 개요 내화물은 화학적·물리적 특성의 현저한 변화 없이 고온을 견디는 소재입니다. 전기로(EAF) 조업에서 내화물은 용강을 노 바닥(hearth)에 담아내면서 노 구조물이 손상되지 않도록 보호하는 핵심 역할을 합니다. EAF에는 다양한 내화물 제품이 필요하지만, 그중에서도 용강과 직접 접촉하는 내화물이 가장 중요합니다. EAF 내화물 라이닝 설계 요소 EAF 내화물 라이닝은 노의 설계에 따라 달라집니다. 조업 조건 또한 내화물 성능에 큰 영향을 미칩니다. EAF 조업 환경은 화학적으로 염기성인 내화물과
