에너지 최적화 전기로(EOF)
에너지 최적화 전기로(EOF)는 1차 제강용 전기로입니다. EOF 제강 공정은 미니 밀 선구자 윌리 코프(Willy Korf)와 동료들이 개발했습니다. 브라질 GERDAU 디비노폴리스 공장, 인도 JSW SISCOL 공장과 무칸드 호스펫 공장에서 가동 중. 최초 장비는 1982년 생산 개시.
표준 용량 30/40톤, 60/80톤, 100/120톤 모델 제공. EOF 주요 특징과 치수: (i) 허스 표면적 6.6~22 m², (ii) 쉘 직경 5.3~7.5 m, (iii) 작업 플랫폼부터 상부까지 총 높이 약 17~25 m, (iv) 스크랩 예열기 1~2단, (v) 탭핑·탈황용 틸팅 각도 최대 8°. EOF 다양한 뷰는 그림 1, 작업 플랫폼에서의 뷰는 그림 2 참조.
EOF는 용강 생산용 용해/정련로로 스크랩 예열기를 갖춥니다. 기본 원리는 용선(HM), 예열 고체 스크랩, 슬래그 형성을 위한 플럭스로 구성된 초기 장입물에 수중 산소(O₂) 분사와 분위기 산소 분사를 결합하는 것입니다. 스크랩은 로 상부 1~2개 챔버에서 배가스 현열로 약 850~900°C까지 예열됩니다. 수중 분사된 O₂가 용선 내 탄소(C)와 반응해 일산화탄소(CO) 기포를 생성, 용탕을 거쳐 로 분위기로 상승. 여기서 분위기 인젝터와 초음속 랜스로 분사된 O₂에 의해 이산화탄소(CO₂)로 연소됩니다. CO 기포 발생으로 강력한 교반 작용과 욕면적 증대 효과, 욕으로 열전달 증대. 탈황과 2차 슬래그 형성도 공정 구성 요소.
EOF는 중소형 전로의 현열을 효과적으로 활용하도록 고안되었습니다. 용선, 스크랩, 직접환원철(DRI) 혼합 장입에 상하부 복합 취산 제강 공정. O₂는 수중 튜예르 2개와 초음속 랜스 1~2개로 분사. 강욕 상부에서 발생 가스 후연소는 분위기 인젝터 4개와 도어 누기 공기로 수행, 일부 열은 금속욕에, 나머지는 다음 히트용 스크랩 예열에 사용. 탭홀과 틸팅 기구는 효율적인 슬래그 프리 탭핑 설계.
수중 분사 O₂는 욕 내 C와 반응해 CO 기포 생성 → 강한 욕 교반 촉진 → 반응 속도론과 온도 균질화에 유리. 기포가 욕을 떠나면 분위기 인젝터 O₂와 연소. CO 기포 분출로 인한 용금속 비산이 욕면을 비약적으로 확대, 초음속 랜스 O₂에 노출 증가 및 후연소 열 일부가 욕으로 흡인. 이 복합 효과로 탈탄과 온도 상승이 극히 빨라 취산 시간은 기본산소전로(BOF)와 유사. 로 틸팅으로 슬래그 도어를 통한 연속 슬래그 배출, 탈탄 완료 즉시 탭핑, 스크랩 예열기에서 스크랩 즉시 투입으로 탭투탭 타임 30분 미만 달성 가능.
공정 열효율 요인: (i) 분사 O₂와 욕 내 원소(첨가 C 포함) 간 발열 반응 화학에너지, (ii) 욕에서 방출된 CO, H₂의 분위기 내 기체 산화 반응 화학에너지, (iii) 로 배가스 현열이 예열기 냉스크랩으로 전달되는 현열.
EOF에서는 모든 종류와 품질의 강재 생산 가능. 탭핑 강재 화학 성분은 복합 취산 제강 공정과 유사. 공정 중 연속 탈황으로 양호한 탈인(P ≤ 0.008%)과 탈황(S ≤ 0.025%) 달성.
EOF 공정은 장입물 중 용선 비중 60% 이상으로 탭핑 용강의 트램프 원소(tramp elements) 함량이 매우 낮음. 다이 단조강, 특수 청정강, 이음매 없는 강관용 강재 등 특수 강종 생산에 유리.
전 취산 기간 높은 CO 분압으로 탭핑 강재의 H₂와 질소(N₂) 함량 매우 낮음. 고품질 특수강은 필요시 2차 제강 설비에서 추가 처리.
EOF 구성: 내화물 라이닝 허스, 분할 수냉 쉘, 수냉 루프, 로-스크랩 예열기 간 씰링, 용선 란, 강 탭핑 란, 수중 튜예르, 분위기 인젝터, 초음속 랜스(O₂ 분사), 옥시연료 버너(신규 허스 예열). 주요 설비/구성요소 설명:
보일러급 강판으로 제작된 접시형, 내화벽돌 라이닝. 용강 보관용. 염기성 산소 제강 공정이라 작업 라이닝은 주로 마그네시아-카본(MgO-C) 벽돌. 백업 라이닝은 마그네사이트 벽돌. 튜예르 부근 MgO-C 라이닝은 내화물 침식 심해 고밀도 블록 사용. 로 캠페인 중 내화벽돌 침식은 마그네사이트 베이스 거닝재로 보수. 전용 거닝 머신으로 EOF 허스 온수 보수.
슬래그 프리 탭핑으로 2차 정련 적합. 탭홀은 EOF 허스 핵심 부품으로 전 강재가 탭홀 통해 강 란들로 탭핑. 탭홀 직경 커지면 강관으로 200 mm 복원 후 거닝재 충전. 용선 장입 전 탭홀 제대로 차단하지 않으면 조기 개방 위험.
수냉 패널로 제작해 내화물 소모 저감. 원형 쉘과 콤팩트 설계로 열손실 최소화. 쉘에 용선 란으로 용선 란들에서 허스로 용선 주입. 용선 란도 내화물 라이닝, 운전 중 수리 가능해 운영 시간 손실 없음.
쉘 반대편에 슬래그 도어로 공정 중 연속 슬래그 배출. 공압 실린더로 상하 조작. 슬래그 도어는 시료 채취, 온도 측정, 허스 핫 거닝, 탭홀 청소·차단에도 사용. '작업 도어'라고도 함.
수냉 루프는 루프 상부와 슬라이딩 스커트 구성. 루프 내 내화물 없음. 루프 상부 개구부로 배가스가 스크랩 예열 구역으로 이동. 로 쉘 전후 틸팅 시 루프도 동반 틸팅. 슬라이딩 스커트와 스크랩 예열기 하부 사이 주철 칠러로 대기 유입 최소화.
로 쉘과 루프는 배가스 포집과 후연소 수행 후 스크랩 예열 구역으로 이송 중요. EOF 내부 음압 200 mm 수주 유지.
로 바로 위에 위치, 1~2개 틸팅 수냉 핑거로 고체 금속 장입물 지지, 로 배가스로 가열. 수냉 경사 슈트도 핑거 하부에 있어 로 내 첨가 가능. 스크랩 예열기는 EOF 필수 구성. 초기 EOF는 고체 장입 비중 높게 설계되어 2~3단 예열기였으나, 최근 대부분 단일 단 예열 시스템.
수냉 핑거와 패널로 구성, 다음 히트용 스크랩을 배가스 현열로 850~900°C 예열. 핑거는 양분되어 유압 실린더로 개폐. 스크랩 장입 시 핑거 폐쇄, 스크랩을 핑거 위에 올려 전 히트 처리 동안 예열. 이전 히트 탭핑 완료와 탭홀 차단 후 핑거 개방, 스크랩이 EOF 허스 내 낙하. 스크랩 예열기가 EOF 루프 바로 위에 있어 배가스를 최고 온도에서 포집해 스크랩 예열에 활용하는 것이 EOF 고유 특징. 바이패스 라인으로 과열 방지 가능. 최근 EOF는 강제 송풍기 희석 공기로 배가스 온도 자동 제어.
석회와 페로알로이도 핑거 하부 자동 공급 시스템으로 로 내 투입. 스크랩 예열 구역에 CO-CO₂ 분석기 설치. CO 농도 임계치 초과 시 강제 송풍기 희석 공기 자동 작동해 산화·폭발 방지.
특수 설계된 바텀 디스차지 스크랩 버킷으로 준비된 스크랩을 충전 크레인으로 EOF 상부 투입. 스크랩 충전 후 슬라이딩 도어 폐쇄. 순환 버킷 수량 충분히 확보해 스크랩 대기 지연 방지. 스크랩 준비되면 버킷을 EOF 상부 슬라이딩 도어 스탠드에 올리고, 예열 구역 투입 시 유압 실린더로 버킷 들어올려 하부 플랩 개방·방출. 스크랩 조각 크기 400 mm 이하로 준비해 핑거, 수냉 핑거, 루프 상부 손상 방지.
제강 공정 핵심. 수중 튜예르, 분위기 인젝터, 초음속 랜스로 O₂ 분사. 정해진 압력과 유량으로 계장 제어하며 정확하게 강욕과 후연소에 전달. 히트 처리용 O₂ 프로파일 준수.
수중 튜예르 O₂ 분사 - EOF 고유 특징. 허스 내 4개 수중 튜예르가 탭홀 0° 기준 45°, 135°, 225°, 315° 위치에 배치. 허스 바닥에서 300 mm 상부. 외관은 스테인리스강, 내부에 동(Cu) 튜예르 동심 배치. Cu 튜브 외경에 나선 홈 가공, 탈광물수(DM 워터)와 N₂ 가스로 냉각 → 튜예르 팁 내부에 너겟 형성 촉진. 너겟 형성으로 튜예르 팁 소모 히트당 2~3 mm로 최소화. 전체 튜예르 어셈블리 안전 시스템 갖춤. 튜예르는 내화블록 관통 슬라이딩 타입, 필요 시 로 내부로 밀어넣어 튜예르 주변 내화물 침식 방지.
수중 튜예르 O₂ 분사는 탈탄과 욕 교반 효과. DM 워터 냉각은 중요·치명적 기능. 튜예르 냉각 정상이고 O₂ 압력 저하 시에도 용강 유출 없음. 하지만 냉각수 실패 시 O₂ 분사 중이면 튜예르 초고속 침식 → 허스 브레이크아웃 위험. 예비 DM 워터 탱크 상시 대기, 압력/유량 저하 시 즉시 전환.
로 내 배가스 후연소 - EOF 또 다른 고유 특징. 쉘 고정 분위기 인젝터 4개로 강욕 상부 발생 가스 후연소. 인젝터 위치는 4개 튜예르 정확히 위쪽. 본체 수냉, 4개 모두 강욕 중앙 향함. 후연소 주 활동: CO → CO₂ 산화, 발생 에너지는 일부 강욕 전달, 대부분 배가스와 함께 흐르며 다음 히트 스크랩 예열.
초음속 랜스 - 2기 초음속 랜스가 슬래그 면 근처에 O₂ 제트 분사, 고속 탈탄과 철저한 욕 교반. Cu 팁, 강철 본체 수냉. 경사 프레임에 장착되어 수납 가능. 슬래그 도어 양측에 각 1기 배치. 초음속 랜스 O₂는 주로 강욕 탈탄용, 일부 후연소용. EOF는 복합 취산 공정으로 상부 O₂ 주입은 주로 초음속 랜스, 측면 하부 O₂ 주입은 수중 튜예르. 계장·제어 시스템 갖춤.
수동 랜싱 - 슬래그/금속 계면 수동 랜싱으로 슬래그 빠른 유동화. 일반적으로 슬래그 도어 통해 2기 수동 랜스 사용. 정량 O₂를 랜싱 파이프로 강욕 주입. 수동 랜스는 탭핑 말미 탭홀 청소에도 사용.
수중 튜예르, 분위기 인젝터, 초음속 랜스 O₂ 유량은 계장 갖춘 밸브 스탠드에서 컴퓨터 제어. 밸브 스탠드에서 수중 튜예르 안전을 위해 장시간 히트 홀딩 시 O₂를 N₂나 Ar로 전환 기능. 밸브 스탠드는 EOF 운영 심장으로 목표 O₂ 취산 기간 달성을 위한 정밀 블로 프로파일 제어.
EOF는 일반적으로 트롤리 2대, 허스 2개, 쉘+루프 1세트 구성. 예비 쉘+허스 대체 가능(그림 3). 전체 허스, 쉘, 루프가 레일 위 트롤리에 장착. 셔틀 타입 허스 카 2대로 캠페인 간 신속 허스(또는 쉘+허스) 교체. 1대는 운전 중 허스, 2대는 다른 허스 싣고 측면에 대기하며 라이닝 작업. 양 카 모두 롤러 칼라 트랙 장착으로 탭핑/탈황용 틸팅 가능. 예비 허스는 내화물 라이닝 완료 후 대기, 사용 중 허스 캠페인 종료 시 유압 실린더로 쉘 들어올려 사용 중 허스 인출, 예비 허스 투입 12시간 내 완료 후 재가동. 고속 유압 실린더로 틸팅, 슬래그 프리 탭핑 실현.
저장 호퍼, 계량 시스템, 컨베이어 벨트 구성. 정확한 양의 첨가제를 제어된 방식으로 EOF 욕에 공급. 주로 석회 공급용. 때로는 탭핑 전 망간 비등용 페로망간 공급, 욕 온도 제어용 DRI 공급에도 사용.
탭핑 시 란들에 석회·합금 공급하는 2차 자동 공급 시스템 별도. 강 1차 탈산과 2차 정련용 환원 슬래그 생성 목적. EOF는 고생산성·단주기 공정이라 로 내 공급과 탭핑 시 란들 공급 시스템 모두 생산성에 맞춘 필요 첨가 보장에 중요.
일반적으로 습식. 다운코머, 퀀칭 챔버, 벤투리, 사이클론 분리기, ID(유도 송풍) 팬, 굴뚝 구성. 다운코머: 스크랩 예열기 후 배가스 퀀칭 챔버 이송, 내화물 라이닝, 워터 스프레이 노즐로 가스 냉각·분진 분리. 연소실: 배가스 방향 전환 + 대량 물 샤워로 온도 저감·분진 추가 분리. 벤투리: GCP 핵심, 급압력 해제로 분진 분리 + 전기 작동 플랩 쌍으로 로 음압 정밀 제어. 사이클론: 배가스 최종 분진 분리.
퀀칭 챔버와 사이클론에서 모인 오염수 약품 투약 후 농축조 이송. 농축조에서 분진 침전, 맑은 물 펌핑 시스템으로 GCP 순환. 청정 공기(50 mg/m³ 미만) 2대 ID 팬(1대 예비)으로 인출, 고층 굴뚝 배출. 청정 가스는 주로 순수 증기로 굴뚝 출구에서 흰 구름 모양. 습식 슬러지 농축조에서 여과, 고체 입자 Fe 68~70% 신터 플랜트 재활용. 건식 GCP도 가능.
저황 액체 연료 쓰는 에어-오일 버너로 신규 라이닝 허스와 쉘 예열. 최초 히트 열적 균형 보장. 히트 간에는 버너 불필요. 장시간 정지 시 후속 히트 전 예열 권장.
최근 EOF는 온라인 PLC/컴퓨터 시스템으로 완전 제어. 안전망 우수해 안전 운전과 공정 반복성 보장. 자동 데이터 로깅, 서브시스템 고장 시 알람 기능.
대표적 EOF 운영 파라미터:
액체강 톤당 대표적 단위 소비량:
EOF 공정 흐름도와 공장 대표 단면도는 그림 4, 5 참조.
제조공정
무심 유도전기로(Coreless Induction Furnace)는 철강 산업에서 50년 이상 사용되며 현재 철계 소재 용해·보유 최적 설비로 자리잡았습니다. 1960년대 상용 주파수 기술로 급성장, 1980년대 중주파 전원 대량 도입으로 확대. 1980년대 초 유도전기로 연강 제강 최초 시도, 석탄 기반 회전로 직접환원철(DRI, 스펀지 철) 생산 보급과 함께 대중화. 유도전기로 원리와 구조 유도전기로는 전류로 금속을 용해하는 전기로 유형. 유도 용해 원리: 1차 코일 고전압 전원이 금속(2차 코일)에 저전압 고전류 유도. 유도
기본산소로(BOF) 슬래그 폼핑 기본산소로(BOF) 제강에서 초음속 산소(O₂) 제트가 뜨거운 금속 욕조 표면에 분사됩니다. 욕조 내 불순물 원소인 탄소(C), 규소(Si), 망간(Mn), 인(P)이 주입 O₂에 의해 산화돼 CO(일산화탄소), CO₂(이산화탄소), SiO₂(실리카), MnO(산화망간), P₂O₅(오산화인), 산화철 형태로 욕조에서 제거됩니다. 기체 산화물(90% CO, 10% CO₂)은 소량 FeO와 석회(CaO) 분진과 함께 로 상부에서 배출. 다른 액체 산화물은 첨가 플럭스와 녹아 액체 슬래그 형성, 욕조 정련
