유도로(Induction Furnace, IF)는 전기에너지를 이용해 작동하는 제강용 노 유형입니다. 유도로 제강은 두 가지 전기 제강 공정 중 하나입니다. 다른 전기 제강 공정은 전기로(EAF: Electric Arc Furnace)를 사용합니다. 유도로가 오래전부터 사용되어 왔지만, 유도로를 이용한 연강 생산은 비교적 최근의 현상입니다.
IF의 용해 원리는 1차 코일의 고전압 전원이 금속 또는 2차 코일에 저전압, 고전류를 유도한다는 것입니다. IF는 고주파 교류장에 의해 생성되는 와전류(Eddy Current)가 생산하는 열을 이용합니다. 고주파 전류가 생성하는 교번 자기장은 장입 재료에 강력한 와전류를 유도하여 매우 빠른 가열을 초래합니다.
IF의 개발은 마이클 패러데이의 전자기 유도 원리 발견에서 시작되었습니다. 그러나 1870년대 후반 드 페란티(De Ferranti)가 유럽에서 유도로 실험을 시작하기 전까지는 실질적 진전이 없었습니다. 금속 용해용 최초의 IF는 1900년경 에드워드 앨런 콜비(Edward Allen Colby)가 특허를 받았습니다. IF의 최초 실용적 사용은 1900년 스웨덴 기신게(Gysinnge)의 켈린(Kjellin)에 의해 이루어졌습니다. 미국에서 IF로 최초의 강철이 생산된 것은 1907년 필라델피아 인근 콜비 노에서였습니다. 3상 적용 최초의 IF는 1906년 독일에서 로흘링-로덴하우저(Rochling-Rodenhauser)가 제작했습니다.
유도로에는 주로 두 가지 유형이 있습니다.
채널형 IF는 용융 금속을 담는 내화물 라이닝 강철 셸로 구성됩니다. 강철 셸에 부착되고 목(throat)으로 연결된 유도 유닛이 노의 용해 구성 요소를 형성합니다. 유도 유닛은 1차 유도 코일이 감겨 있는 링 형태의 철심으로 구성됩니다. 이 조립체는 용융 금속 루프가 2차 구성 요소를 구성하는 단순 변압기를 형성합니다. 루프 내에서 발생한 열은 금속을 노의 메인 웰로 순환시킵니다. 용융 금속의 순환은 용탕 내 유용한 교반 작용을 일으킵니다. 채널형 IF는 일반적으로 저융점 합금 용해용이거나, 주철 같은 고융점 합금의 보관 및 과열 장치로 사용됩니다. 이 노는 코어리스 IF에서 피크 시간 외에 용해된 금속을 보관하는 홀더로 사용되어 피크 수요 요금을 피함으로써 총 용해 비용을 절감할 수 있습니다. 채널형 IF는 일반적으로 제강용으로는 사용되지 않습니다.
코어리스 IF는 비교적 단순한 구조를 가집니다. 기본적으로 내화물 도가니와 강철 프레임에 의해 지지되는 주변 코일로 구성됩니다. 교류(AC)가 코일을 흐르면 전자기장이 생성되고, 이는 장입 재료에 와전류를 유도합니다. 이 장입 재료는 줄의 법칙에 따라 가열되고 추가 열로 용해됩니다.
코어리스 IF의 주요 구성 요소는 도가니, 변압기·인버터·콘덴서 뱅크로 구성된 전원 공급 장치, 장입 장치, 전원 공급 장치와 노 코일 냉각 시스템, 공정 제어 시스템, 흄 배출 설비입니다.
코어리스 IF의 경우 노의 핵심은 코일로, 중공 단면의 중장비용 고전도도 구리 튜브가 나선형 코일 형태로 감겨 있습니다. 코일 형상은 강철 셸 내에 포함되며, 지지 셸의 가열을 방지하기 위해 자기 차폐가 사용됩니다. 과열 방지를 위해 코일은 수냉식이며, 물은 냉각탑에서 냉각 후 재순환됩니다. 셸은 트러니언에 지지되어 노가 기울어져 출강을 용이하게 합니다. 도가니는 코일과 중공 내부 포머 사이에 입상 내화물을 램밍하여 형성되며, 포머는 첫 열에서 용해되어 소결된 라이닝을 남깁니다.
노에는 두 개의 별도 전기 시스템이 있습니다. 하나는 냉각 시스템, 노 틸팅, 계측용이고, 다른 하나는 유도 코일 전원용입니다. 유도 코일 전원은 3상, 고전압, 고전류 전기 라인에서 공급됩니다. 전원 장치는 주 전원의 전압과 주파수를 전기 용해에 필요한 것으로 변환합니다. 유도 용해에 사용되는 주파수는 50Hz(상용 주파수)에서 10,000Hz(고주파)까지 다양합니다. 작동 주파수가 높을수록 주어진 용량의 노에 가할 수 있는 최대 전력량이 커지고 유도되는 교란량은 낮아집니다.
장입 재료가 용융되면 자기장과 유도 코일에 흐르는 전류의 상호작용이 용융 금속 내 교반 작용을 생성합니다(그림 2). 이 교반 작용은 용융 금속을 중앙에서 위로 상승시켜 금속 표면에 특징적인 메니스커스(meniscus)를 만듭니다. 교반 작용의 정도는 인가된 전력과 주파수, 코일 크기와 형상, 용융 금속의 밀도와 점도에 의해 영향을 받습니다. 욕조 내 교반 작용은 합금 혼합과 선삭칩 용해, 노 전체 온도 균질화에 도움이 됩니다. 과도한 교반은 가스 흡수, 라이닝 마모, 합금 산화를 증가시킬 수 있습니다.
코어리스 IF는 일반적으로 모든 등급의 철강과 많은 비철 합금을 용해하는 데 사용됩니다. 이 노는 온도와 화학 성분에 대한 높은 제어도와 유도 전류가 용융물의 좋은 순환을 제공하므로 재용해와 합금화에 이상적입니다. 이 노에서는 장입 재료가 자체 발생 열로 용해되므로 다른 유형의 제강로에서 발생하는 배출가스가 없습니다.
노 장입 재료에 유도된 와전류와 자기 유도는 전자기력을 생성합니다. 이 힘은 기본적으로 노 축을 향해 방사 방향으로 작용하여 용탕을 노 벽에서 안쪽으로 누릅니다. 중력은 이 힘에 대항하므로 욕조 표면에 돔(메니스커스)이 형성됩니다. 또한 두 개의 반대 방향 회전을 하는 와전류 토로이드 형태의 욕조 흐름이 생성됩니다. 이는 코일 끝에서의 자기장 누설로 인해 방사 압력이 코일 중간 높이 부근에서 최대에 도달하기 때문입니다. 전력 분포와 흐름 패턴은 그림 4에 나와 있습니다.
유도 욕조 교반은 첫째, 용융 금속의 온도와 화학 성분에 대한 좋은 균질화를 이끕니다. 또한 장입 재료를 교반하고 장입 재료 용해를 위한 최적의 열전달 조건을 만듭니다.
전원은 변압기, 주파수 인버터, 콘덴서 뱅크를 통해 유도 코일에 공급됩니다. 콘덴서 뱅크는 무효 전력 보상용입니다. 또한 유도로가 타임 램프(time ramp)를 통해 켜지기 때문에 모든 유형의 플리커(flicker)와 돌입 전류에 의한 그리드 부하가 방지됩니다. 인버터에 의해 공급되는 전류는 공진 주파수(공칭 주파수의 60~110% 범위 내)에서 진동하며 단순하게 일정한 부하 조절을 돕습니다.
강철 1톤을 1500°C까지 가열하는 데 필요한 전기 에너지는 약 396kWh입니다. 노에서는 일반적으로 많은 손실이 발생하여 단위 에너지 소비를 500kWh/톤(kWh/t) 이상으로 증가시킵니다. 손실은 주로 열적 노 손실, 노 코일 손실, 콘덴서 뱅크 손실, 컨버터 손실, 주측 변압기 손실입니다. 약 20~33%의 에너지 손실이 냉각수에 흡수됩니다.
전형적인 IF에서 장비의 에너지 손실은 100~130kWh/t 사이입니다. 노 효율은 약 62~75%입니다. 에너지 효율 코일, 신소재 내화물, 컨버터 및 변압기 손실 감소, 최첨단 노 설비의 새로운 개발로 에너지 손실은 60~90kWh/t 수준으로 감소했습니다. 신형 노는 81~87% 효율 범위를 가집니다. 코어리스 IF의 통상적 에너지 손실은 전형적인 산키 다이어그램(그림 5)에 나와 있습니다.
코어리스 유도로의 효율적 운영은 주로 좋은 운영 관행의 구현에 달려 있습니다. IF에서 히트(heat)를 만드는 단계는 그림 6에 나와 있습니다.
원자재는 용해 시작 전 노 장입 바닥 근처에 계량하여 보관합니다. 장입 재료는 모래, 흙, 오일/그리스 등 모든 이물질이 없어야 합니다. 녹슨 스크랩은 용해 시간이 더 걸릴 뿐만 아니라 장입당 금속 함량이 적습니다. 1500°C에서 1% 슬래그 형성마다 10kWh/t의 에너지 손실이 발생합니다. 스크랩은 깨끗해야 합니다. 페로알로이의 정확한 중량을 준비해 두어야 합니다. 페로알로이는 매우 비싸고 적절한 취급은 낭비 감소뿐만 아니라 첨가 시 시간 손실도 줄여줍니다.
단일 금속/스크랩 조각의 최대 크기는 노 도가니 직경의 1/3을 초과하지 않아야 합니다. 브리징(bridging) 문제를 방지합니다. 또한 각 장입은 도가니 부피의 약 10% 정도여야 합니다. 또한 무거운 대형 스크랩의 경우 특히 날카로운 모서리가 없어야 하며, 이는 노 내화물 라이닝을 손상시킬 수 있습니다. 또한 노를 코일 레벨 이상으로 장입하지 않아야 합니다. 즉, 노를 최대 용량까지 장입하지 않아야 합니다. 노 라이닝이 마모됨에 따라 장입량이 약간 증가할 수 있음을 이해해야 합니다.
적절한 장입 순서를 따라야 합니다. 큰 크기 금속을 먼저 장입한 후 작은 크기를 장입하고 틈새는 선삭칩과 보링으로 채웁니다. 베일드 스크랩과 루스 보링(가공 칩) 사용은 통제되어야 합니다. 장입 건조기와 예열기를 사용해 수분 제거, 장입 예열, 오일/그리스 제거를 해야 합니다. 습하거나 젖은 스크랩을 용탕에 투입하는 것은 폭발을 일으킬 수 있으므로 피해야 합니다.
노가 항상 최대 전력으로 가동되도록 하는 것이 필수적입니다. 이는 배치 시간을 단축할 뿐만 아니라 에너지 효율도 개선합니다. 노 커버 사용으로 복사 열 손실을 크게 줄일 수 있습니다. 노 벽의 슬래그 축적(그림 7)은 피해야 합니다. 전형적인 슬래그 축적은 교반 효과가 적은 목 부분 근처, 코일 레벨 위에서 발생합니다. 슬래그 제거용 플럭스 양이 중요합니다. 일반적으로 플럭스 소비는 강철 톤당 1kg 미만이어야 합니다. 적절한 도구를 사용해 탈슬래깅해야 합니다. 봉이나 막대 대신 평평한 헤드 도구를 사용해야 합니다. 더 효과적이고 시간이 훨씬 적게 걸립니다.
멜트 프로세서를 통한 공정 제어로 중단 횟수가 줄어듭니다. 일반적으로 공정 제어로 2~4분간 중단 횟수가 감소합니다. 분광 분석 실험실은 강철 용해 공장 근처에 위치해 히트와 슬래그 시료의 화학 분석 대기 시간을 피해야 합니다. 불필요한 용강 과열은 피해야 합니다. 50°C 과열은 노 단위 에너지 소비를 25kWh/t 증가시킬 수 있습니다.
플랜트 배치는 레들로 이동하는 용강의 이동 거리와 온도 강하를 결정하는 데 중요한 역할을 합니다. 레들 크기는 열 손실을 최소화하고 노를 최단 시간에 비울 수 있도록 최적화되어야 합니다. 용해는 용강 주조와 동기화되어야 합니다. 용강이 노에서 대기하지 않아야 합니다. 레들 예열기를 사용해 온도 강하를 방지해야 합니다. 용강으로 레들을 예열하는 것은 에너지 집약적이고 비쌉니다. 레들에 남는 용강 양은 가능한 한 적어야 합니다. 레들 커버 컴파운드를 사용해 레들 상부 복사 손실로 인한 온도 강하를 최소화해야 합니다.
전 세계적으로 대량의 연강이 IF 루트로 생산됩니다. 이 강철 생산 시 최종 제품의 화학 성분이 통제됩니다. 모든 투입 자재의 화학 분석을 수행해 장입 배합을 결정합니다. 투입 자재의 50% 장입 완료 후 욕조 시료를 분석해 화학 성분을 파악합니다. 이 단계에서 욕조 시료 분석 결과에 따라 추가 금속류 장입량을 계산합니다. 이 단계에서 욕조 시료가 높은 탄소, 황, 인 비율을 보이면 장입의 스펀지 철 함량을 늘립니다. 80% 용해 완료 시 최종 욕조 시료를 채취합니다. 이 시료 분석에 따라 장입을 다시 조정합니다. 시료의 낮은 탄소 함량은 장입의 선철/차지 아이언 양을 늘려 보정합니다. 규소와 망간은 스펀지 철의 산화철에 의해 산화됩니다. 황과 인도 스펀지 철에 의해 희석됩니다. 스펀지 철 사용으로 IF에서 생산된 강철의 미량 원소가 통제됩니다.
에너지 모니터링은 에너지 절약의 첫 단계입니다. 노 전용 에너지 미터 설치를 권장합니다. 에너지 소비는 히트 단위로 모니터링하여 생산 데이터와 연계 분석함으로써 노의 일일 단위 에너지 소비를 산출해야 합니다. 데이터의 피크나 밸리는 출강 온도와 출강 양과 연계해 조사 연구해야 합니다. 코일 냉각수와 패널 냉각수의 온도와 유량을 모니터링해야 합니다. 패널은 주간 단위로 점검하고 월간 단위로 청소해야 합니다. 효과적인 원자재 저장은 노 최적 성능에 중요합니다. 예를 들어 스크랩을 진흙 바닥에 보관하면 먼지와 수분을 흡수하게 됩니다.
라이닝은 유도로의 중요한 부분입니다. 노 성능은 라이닝 성능과 직접 관련됩니다. 잘 시공되고 안정화된 라이닝은 노의 원활한 작동, 최적 산출, 야금 반응의 좋은 제어를 가져옵니다. 특정 노에 가장 적합한 라이닝 관행은 노의 용량과 설계, 히트 제작 시 채택된 운영 관행, 노 산출량에 따라 달라집니다. 라이닝의 성공적이고 일관된 성능을 위한 중요한 측면은 (1) 적절한 등급과 품질의 라이닝 자재 사용, (2) 신중하고 체계적인 라이닝 관행, (3) 작업 조건의 일관성입니다.
일반적으로 노 라이닝용 내화물 선택은 (1) 노의 유형과 크기, (2) 용해되는 강철 유형, (3) 용융 강철 온도, (4) 용해 중 생성되는 슬래그의 유형과 조성을 기반으로 합니다. 라이닝용 램밍 매스(Ramming Mass)는 산성, 염기성, 중성의 세 가지 유형이 있습니다. 슬래그에 산성 성분이 많이 포함되면 실리카(SiO₂) 라이닝을 사용합니다. 염기도가 높은 슬래그에는 마그네사이트(MgO) 라이닝이 선택됩니다. 중성 내화물이 IF 라이닝의 새로운 트렌드가 되었습니다. IF 중성 라이닝용 램밉 내화물은 알루미나(Al₂O₃)와 소결 MgO를 특정 입도대로 배합한 혼합물로 구성됩니다.
IF 라이닝 시 올바른 라이닝 자재를 선택해야 합니다. 바닥이나 측벽의 라이닝 두께를 늘리지 않아야 합니다. 라이닝 두께 증가는 노 용량 감소와 전력 소비 증가를 의미합니다. 노가 매우 천천히 냉각되도록 방치하지 않아야 합니다. 강제 공기 냉각은 낮은 깊이의 균열 형성을 돕고, 이는 더 빠른 콜드 스타트 사이클에 도움이 됩니다. 콜드 스타트 사이클 시간은 정상 사이클 시간의 120%를 넘지 않는 것이 이상적입니다. 코일 시멘트는 매끄럽고 직선이어야 하며 두께는 3~5mm여야 합니다. 노 라이닝 작업 시 각 층이 50mm를 넘지 않도록 해야 합니다. 얇은 층으로 다짐이 더 잘 됩니다.
EAF와 비교하여 유도로는 다음과 같은 특성을 가집니다.
제강 공정 중 IF와 EAF의 일부 운영 파라미터 비교는 표 1에 나와 있습니다.
| 표 1 IF와 EAF의 운영 파라미터 비교 | ||||
|---|---|---|---|---|
| 순번 | 파라미터 | 단위 | IF | EAF |
| 1 | 전기에너지 | kWh/t | 540-550 | 490-510 |
| 2 | 내화물 | kg/t | 3.4-3.6 | 4.1-4.2 |
| 3 | 전극 | kg/t | 없음 | 2.4-2.6 |
| 4 | 산소 | N cum/t | 없음 | 15-25 |
| 5 | 플럭스 | kg/t | 없음 | 25-28 |
| 6 | 분진 발생 | kg/t | 1-2 | 5-10 |
| 7 | 소음 레벨 | dB(A) | 82-86 | 90-100 |
| 8 | 슬래그 발생 | kg/t | 11-15 | 60-70 |
| 9 | 용해 손실 | % | 1-2 | 7-10 |
| 10 | 탈탄 | 내화물 마모로 제한됨 | 산소 취련과 슬래그 반응으로 가능 | |
| 11 | 탈황 | |||
| 12 | 탈인 | |||
| 13 | 전기 공급 | 저부하 | 고부하 | |
| 플리커 장애 | 플리커 장애 없음 | |||
| 14 | 노 용량 | 낮음 | 높음 | |
유도로는 EAF에 비해 다음과 같은 기술적 이점을 가집니다.
IF의 EAF 대비 단점은 다음과 같습니다.
제조공정
고로(BF) 부담 제조 및 장입 개요 고로(BF)는 노 바닥(hearth)을 제외하면 기본적으로 가스와 부담 입자가 반대 방향으로 흐르는 통로입니다. 안정적인 고로 조업의 기본 요건은 변동이 적은 이동 부담층을 노 내에 유지하는 것입니다. 구체적으로 안정된 가스 흐름과 혼합 부담층이 없는 부담층 구조를 형성해야 하며, 이 둘은 밀접하게 연관됩니다. 가스 흐름 안정성은 거의 전적으로 부담 투과성(permeability)에 의존하는데, 이는 부담 충전 구조(입자 크기, 입도 분포, 미분 비율 등)와 부담 하강 거동(고체 흐름)에 의해
유도 가열 회로는 전도성 물질을 비접촉 공정으로 가열하는 데 사용됩니다. 또한 고주파 자기장을 이용해 강자성 세라믹과 금속을 가열하는 장치입니다. 게다가 강철과 알루미늄의 용해 및 단조에도 적합합니다. 상업적으로는 브레이징, 솔더링, 열처리에도 사용할 수 있습니다. 유도 가열기는 유도 가열 소자가 필요 없기 때문에 제작이 특히 흥미롭습니다. 대신 전자 장치는 온도가 유지되는 스토브톱과 유사합니다. 이 지침서는 유도 가열 회로의 구성을 설명합니다. 기본 유도 가열 회로는 제작이 쉽고 표준 부품만 사용합니다. 그럼 바로 시작해 보겠습니
