전로(BOF) 라이닝 수명 연장의 열쇠: 산화마그네슘(MgO)의 역할과 슬래그 관리

기본 산소 전로(BOF)에서 내화물 라이닝의 목적은 BOF 운영 중 최대 전로 가동률을 제공하여 생산 요구사항을 충족하고, 최저 가능한 단위 내화물 소비를 보장하는 것입니다. 라이닝 수명 증가는 가동률을 개선하여 BOF 생산성과 단위 내화물 소비 감소에 긍정적 효과를 가져옵니다.

현대 BOF 라이닝 현황

현재 BOF 제강 관행에서는 금속 첨가제가 포함된 마그네시아-카본(MgO-C) 레진 결합 벽돌이 BOF 라이닝에 사용됩니다. 이 벽돌은 융착 및 소결 고순도 MgO 혼합물, 고순도 흑연(탄소 함량 5~15% 범위)을 사용하여 제작됩니다. BOF 존 라이닝(Zoned lining)은 원하는 비용 효율적 라이닝을 얻기 위해 다양한 등급 벽돌로 수행됩니다. 제강 슬래그는 MgO로 포화되도록 목표로 합니다. 슬래그 스플래싱(Slag splashing)은 더 높은 라이닝 수명을 얻기 위해 현재 일반적으로 사용되는 관행입니다. 레이저를 이용해 360도 라이닝 두께 측정도 수행됩니다. 라이닝 두께/프로파일 유지보수는 MgO 기반 건닝 믹스로 정기적으로 수행됩니다. 만족스러운 역할을 수행하기 위해 슬래그 조성은 BOF에 사용된 내화물과 호환되어야 합니다.

MgO의 라이닝 부식 방지 메커니즘

제강 중 BOF 내부 온도는 제강 공정 동안 일어나는 발열 반응으로 인해 상승합니다. 용강 출강 온도는 보통 1660°C 이상으로 유지됩니다. 이러한 온도에서 제강 슬래그가 MgO로 불포화 상태이면, 제강 공정 중 라이닝 자재에서 MgO를 가져와 포화되려 합니다. 이 과정에서 라이닝의 MgO가 고갈되어 라이닝 마모가 빨라집니다. MgO 기반 내화물 라이닝의 화학적 마모를 최소화하기 위해서는 제강 슬래그를 MgO가 풍부한 자재를 제강 중 BOF에 첨가하여 포화 또는 과포화 상태로 만드는 것이 필요합니다. MgO를 잘 함유한 가장 일반적인 자재는 소석회석(Calcined dolomite)과 소마그네사이트(Calcined magnesite)입니다. BOF에 장입되는 MgO 함유 자재는 슬래그에서 빠르게 용해되도록 높은 반응성을 가져야 하며 데드 번(dead burnt) 상태가 아니어야 합니다.

라이닝 수명에 영향을 미치는 파라미터 분석

라이닝 수명은 서로 다른 플랜트에서 상호작용하는 파라미터가 다르기 때문에 플랜트마다 다릅니다. 이 상호작용 파라미터는 (1) 제강 공정, (2) 내화물 특성, (3) 내화물 유지보수 관행과 관련이 있습니다(그림 1).

다양한 파라미터가 라이닝 수명에 미치는 영향은 표 1에 나와 있습니다.

표 1 BOF 라이닝 수명에 미치는 다양한 파라미터의 영향
순번	파라미터	라이닝 수명 영향	영향 심각도
1	선철(Hot Metal)
	Si	부정적(Negative)	중간(Medium)
	Mn	긍정적(Positive)	낮음(Low)
Ti	부정적(Negative)	낮음(Low)
2	제강 슬래그
	총 Fe 함량	부정적(Negative)	높음(High)
	염기도(CaO/SiO₂)	긍정적(Positive)	중간(Medium)
	CaF₂ 첨가	부정적(Negative)	중간(Medium)
	MgO 함량	긍정적(Positive)	높음(High)
	Al₂O₃ 함량	부정적(Negative)	낮음(Low)
석회 첨가	긍정적(Positive)	중간(Medium)
3	운영 파라미터
	종점 온도	부정적(Negative)	높음(High)
	취련 시간	부정적(Negative)	중간(Medium)
	생산률(히트/일)	긍정적(Positive)	중간(Medium)
	슬래그 양	부정적(Negative)	낮음(Low)
	분위기(CO/CO₂)	긍정적(Positive)	중간(Medium)
	석회 장입 지연	부정적(Negative)	중간(Medium)
4	BOF 설계
	컨버터 용적	긍정적(Positive)	낮음(Low)
	콘 각도	긍정적(Positive)	낮음(Low)
다공 랜스	긍정적(Positive)	높음(High)

BOF 라이닝 수명에 영향을 미치는 다양한 파라미터 간의 관계는 그림 2에 나와 있습니다.

주요 마모 메커니즘과 슬래그 화학의 중요성

BOF 내 내화물의 주요 마모 메커니즘은 제강 공정 중 충격, 부식, 열기계적 응력, 침식입니다. 모든 파라미터가 중요하지만 슬래그 내 내화물 자재 용해에 의한 부식이 라이닝 수명에 주요한 영향을 미칩니다. BOF에서 강철을 만들 때 다양한 산화물이 생성되어 소석회와 플럭스되어 제강 슬래그를 생성합니다. 이 제강 슬래그는 부식성이며 컨버터 라이닝 표면과 지속적으로 접촉합니다. 슬래그가 라이닝 자재와 호환되지 않고 조건이 유리하면 라이닝 표면에서 슬래그가 접촉하는 부분의 용해가 일어납니다.

슬래그 화학은 여러 면에서 중요합니다. MgO-C 벽돌은 염기성 내화물이므로 염기성 슬래그가 필요하며, 이는 인 제거에도 필요합니다. 슬래그에 요구되는 염기도(CaO/SiO₂)는 선철 인 함량과 생산할 강종에 따라 달라집니다. 보통 3~3.5 범위로 유지됩니다.

슬래그의 물리화학적 특성은 제강 공정 생산성에 큰 영향을 미칩니다. 물리적·화학적으로 활성인 슬래그의 신속한 형성은 용탕에서 황과 인 제거를 용이하게 합니다. 금속 손실과 슬래그 내 금속 레귤러스(regulus) 형성을 줄이며, 내화물 라이닝 마모도 감소시킵니다. 점성 슬래그는 물리적으로 활성이 낮고 정련 능력이 낮아 슬래그와 금속 간 반응 공정이 느려집니다. 이러한 점성 슬래그는 레귤러스 형성과 슬래그 튀김으로 금속 손실 증가를 초래합니다. 랜스 막힘과 용기 목 부분 스컬 형성도 자주 발생합니다.

매우 높은 슬래그 유동성도 내화물 마모 증가로 바람직하지 않습니다. 따라서 제강 공정 중 염기도 3~3.5 범위에서 충분히 유동적이고 물리적·화학적으로 활성인 균질 슬래그를 취련 종료 시 얻는 것이 필요합니다.

슬래그 MgO 포화도와 라이닝 마모 관계

알려진 바와 같이 BOF 슬래그 화학 조성과 라이닝 파괴 강도는 BOF 제강 공정의 여러 단계에서 다릅니다. 염기도 1~1.5 범위, 높은 산화 상태(최대 30% FeO)에서 슬래그 형성 시 라이닝 파괴율이 가장 높게 관찰됩니다. 따라서 초기 취련 기간에 원하는 온도 조건에서 MgO 최대 농도, 포화에 가까운 슬래그 형성이 필요합니다.

슬래그 내 MgO 함량 증가를 위해서는 MgO 함유 플럭스 사용이 필수적입니다. 슬래그 형성 자재 소비량은 원자재(선철, 스크랩) 조성과 원하는 슬래그에 따라 계산으로 결정됩니다. 용해 공정 중 슬래그 시료 조성이 계산값과 다를 수 있으며, 미용해 석회 조각이 슬래그 시료에 존재할 수 있습니다. 용해 작업이 끝났는데 원하는 조성 슬래그가 형성되지 않고 유해 불순물이 완전히 제거되지 않을 수도 있습니다.

MgO 슬래그 포화 속도론과 MgO 플럭스 첨가 시 MgO-C 내화물과 슬래그 간 상호작용 공정 시뮬레이션 연구에 따르면, 슬래그 내 MgO 비율 증가에 따라 벽돌에서 슬래그로 MgO 용해 속도가 2~2.25배 범위에서 유의미하게 감소하는 것으로 나타났습니다.

염기성 슬래그는 벽돌에서 포화 수준까지 MgO를 용해시키려 시도합니다. 일반적으로 슬래그 내 MgO 포화는 BOF 내 존재하는 온도와 산화 상태에 따라 약 8% MgO 수준에서 발생합니다. 따라서 MgO를 첨가하면(보통 소석회석 또는 소마그네사이트 형태) 라이닝에서 MgO를 선택적으로 용해시키는 슬래그 현상이 크게 감소하며, 조건이 모두 유리하면 용해가 전혀 일어나지 않을 수도 있습니다. 이로써 BOF 라이닝 마모가 감소합니다. 슬래그 화학은 다시 산화 상태와 온도와 관련되어 있는데, 염기도와 슬래그 MgO 함량이 높은 FeO 수준과 온도에 의해 희석되고 온도는 반응 속도론적 비율을 증가시킵니다.

산업 연구 결과

실시된 산업 연구 중 하나는 내화물 MgO 함량에 따라 슬래그 내 염기성 내화물 용해도를 추정할 수 있게 합니다. 이 연구에서 라이닝에서 슬래그로 전이하는 MgO 비율은 슬래그 물질 수지 계산을 통해 산출됩니다. 연구는 슬래그 MgO 포화도 증가에 따라 라이닝에서 슬래그로 MgO 용해가 감소하는 명확한 경향을 보였습니다.

또 다른 MgO 용해율 조사 연구에서 MgO 함유 다양한 산화물을 용탕에 첨가하고 MgO 함량 변화를 측정했습니다. FeO-CaO-SiO₂ 슬래그와 소결 MgO 계면에서 고체 MgO와 FeO 형성이 발생함이 밝혀졌습니다.

MgO 함유 자재 장입량 결정

장입할 MgO 함유 자재 양은 출강 온도에 의존합니다. 온도가 높을수록 슬래그 포화를 위해 더 높은 MgO 비율이 필요합니다. 1660~1680°C 출강 온도에서는 제강 슬래그 내 MgO를 10% 이상으로 유지하는 것이 좋습니다.

컨버터 내 소석회석 첨가는 제강 중 소석회 소비를 줄이는 다른 이점도 있습니다. 또한 슬래그 내 10~12% MgO는 슬래그 점도에 눈에 띄는 영향을 주지 않습니다. 그러나 슬래그 점도 증가 시 슬래그 박화제(thinning agent)로 제어할 수 있습니다. 고 MgO 슬래그가 제강에 미치는 유일한 우려되는 부작용은 제강 중 인 제거 불량입니다.