DC 전기로: 고효율 단일 전극 제강 기술

DC(직류) 전기로(EAF)는 1차 제강용 전기로로, 아크로 설계 개념이 다른 설비입니다. DC-EAF는 단일 전극만 있으며, 이 흑연 전극이 음극 역할을 하고 전류는 여기서 양극(로 바닥 장착)으로 흐릅니다. 단일 흑연 전극은 상부 흑연 전극과 로 부담재가 제공하는 양극 사이에서 발생하는 아크의 고효율 열전달을 활용합니다. DC-EAF 전형적 모습은 그림 1.

그림 1 DC-EAF 전형적 모습

DC-EAF는 일반적으로 내화물 라이닝된 원통형 강철 쉘로, 지붕 중앙 개구부를 통해 중앙 흑연 전극이 수직 배치됩니다. 로 바닥의 양극 연결부는 액체 강철 층과 직접 접촉하며, 이는 액체 슬래그 층으로 덮여 있습니다. 에너지는 개방 플라즈마 아크(그림 2)로 공급되며, 이는 음극 하단 팁과 용융 슬래그 상부 표면 사이에서 생성됩니다. 슬래그 표면의 적어도 중앙 부분은 개방되어 있습니다. 전기로 구동이므로 1,500°C 이상 초고온 달성 가능.

DC-EAF는 AC(교류) 기반 EAF의 대안입니다. UHP(초고전력) 변압기 출력을 전력 정류기(보통 브리지 연결 사이리스터)로 DC 변환. 제어 가능한 고전력 정류기 시스템 장착 DC-EAF는 최대 전력 정격에서 모든 조건 하에 안정된 아크 보장. DC-EAF 아크는 전극 표면 아크 루트 근처 수축 영역에서 전자기 가속(Maecker 효과)에 의해 구동되는 지속적 고속 고온 제트. 아크는 유체 흐름, 열장, 전자기장 상호작용으로 생성. 자기 수축 전자기력이 초음속 초고온 플라즈마 제트(그림 2)를 비교적 일관되게 유지. DC 리액터로 아크 추가 안정화. 또한 액체 욕조 표면(또는 아크 부착 구역 표면 일부)이 개방되어 있어, 미반응 투입재로 덮이지 않음. DC-EAF 개략도 그림 2.

그림 2 DC-EAF 개략도

DC-EAF의 주요 특징과 AC-EAF 대비 장점

DC-EAF는 전기 동력 공급 차이 외에도 AC 전기로 대비 여러 고유 요건을 가집니다. 주요 특징: (1) 견고하고 신뢰성 높은 설계, (2) 투입 재료 높은 유연성, (3) 고전류 밀도와 전력 사용, (4) 높은 아크 안정성, (5) 약한 그리드 조건에서도 좋은 전력 품질, (6) 독립적 전압/전류 제어. AC-EAF 대비 기타 특성:

• 조업 더 안정적. 용해 균일.
• 시스템 제어로 전극 소비 감소(약 1/3 수준). 단, 전극 스팔링과 크랙 개선 필요. 낮은 전극 소비로 저탄소 히트 가능.
• 라이닝 마모 감소. 측벽 내화물 소비 적으나 바닥은 많음. 전체 내화물 소비 15-25% 절감.
• 욕조 대류 교반 발생.
• 욕조 온도 분포 개선. 열분포 개선. AC-EAF의 노벽 핫스팟 없음.
• 소음 수준 대폭 감소(105dB → 85dB).
• 설치 비용 높음(약 10-35% 더 비쌈).
• 운영 비용 낮음(약 15-20% 절감).
• 계통 교란 적음. 플리커 효과 급감. 플리커 레벨과 주파수 절반 감소. 바르 보상 설비 필요성 대폭 낮음.
• 에너지 소비 저감(전력 5-10% 절감).
• 바닥 전극으로 로 바닥 구조 복잡.
• 분진과 가스 배출 저감.

DC 아크로 기술 개발 역사

DC 아크로는 최근 기술로 알려졌으나, 이는 대체로만 맞습니다. 이미 1881년 독일, 1885년 스웨덴에서 DC 기술 용해로가 기술되었습니다. 두 접근법: (1) 흑연 전극과 금속 차지 사이 연소 아크 개념(현대와 동일), (2) 수평 배치 두 전극 사이 아크 연소, 복사열만으로 차지 용해. 당시 고전류 고속 제어 가능 DC 정류기나 고열손실 문제 해결책 없어 산업 조건 하 실용화 불가.

1970년대 초 DC 기술이 아크로에 적용 가능한 수준 발전. 제강 산업뿐 아니라 페로합금, 비철금속 분야에도 신세대 아크로 탄생. 단일 흑연 전극 DC로는 상부 흑연 전극과 로 내 차지(양극) 사이 아크 고효율 열전달 활용. 1980-90년대 성공적 적용으로 DC로 용해/제련 장점 입증.

기본 설계 특징

DC-EAF에서 전기 에너지는 상부 전극 팁과 슬래그 욕조 사이 아크로 주로 열에너지 변환. 전극 상부는 음극 연결, 바닥 도전 시스템은 양극 연결.

DC로는 전극 마스트 암 하나와 단일 흑연 전극만. 이 전극이 음극 역할. 따라서 로 상부 구조 덜 복잡, AC 설계 대비 유지보수 부품 적음. 전극은 제강 중 소모되어 새 조각으로 연장. 전극 암으로 전극 조절. 단일 전극이므로 AC 아크로 대비 흑연 산화 손실 적음.

상부 전극용 흑연 특수 요구사항: AC-EAF 전극용 흑연 대비 (1) 낮은 열팽창 계수, (2) 낮은 비저항, (3) 향상된 횡방향 열전도도, (4) 낮은 열팽창 계수, (5) 향상된 균질성과 조도. DC-EAF는 고온 액체 슬래그가 내화물 직접 접촉과 열복사 증가에 대응해 지붕과 측벽 효과적 냉각 장치 필요.

DC-EAF는 전기 회로 완성 위해 귀환 전극(양극) 필요. 이 양극은 보통 로 바닥 위치하므로 '바닥 전극'이라 함. 로는 전기적 경로 확보 위해 핫힐(hot heel) 상태로 운전. 바닥 귀환 전극 여러 설계: 금속 핀 귀환 전극(비도전성 내화물), 빌렛 전극, 금속 핀 전극, 도전성 바닥 내화물 등(그림 3).

그림 3 다양한 바닥 양극 구성

도전성 내화물 접촉 방식에서 로 바닥 중앙 내화물 라이닝이 양극 역할. 바닥에 원형 플랜지가 있어 원형 채널(로 쉘 용접)에 안착. 채널 내 플랜지는 섬유 강화 세라믹 블록으로 지지. 채널, 지지 블록, 플랜지 사이 내화물 래밍 혼합물 충전으로 바닥을 로 쉘 나머지와 전기적 절연(그림 4).

구형 로 바닥은 고온 강철. 원형 구리 플레이트 볼트 체결. 네 개 구리 단자가 구리 플레이트에서 바닥 관통하여 플렉시블 케이블 연결, 버스 튜브 연결. 도전성 내화 벽돌 구리 플레이트 위에 설치. 바닥 열유출(보통 15kW/㎡) 강제 공랭 제거. 바닥 전극 큰 표면적 덕분에 전류 밀도 낮음(보통 5kA/㎡). 일부 로는 중앙 비도전성 패칭재로 전류가 바닥 전체 고르게 분포되게 강제. 적절한 전류 분포 안 되면 중앙 핫스팟 발생.

그림 4 도전성 내화물 바닥 전극

빌렛 귀환 전극은 1-4개 대형 강철 빌렛(직경 100-150mm, 로 크기 따라 250mm까지) 사용. 보통 바닥 전극당 40-45kA 목표. 빌렛 상단이 욕조 표면 접촉하여 용융 후퇴. 용융 후퇴 정도 수냉으로 제어. 빌렛 구리 하우징 삽입, 냉각수 순환. 충분한 냉각으로 빌렛 완전 용융 방지. 열전대로 빌렛 온도와 냉각수 온도 모니터링.

절연 시스로 구리 하우징과 빌렛 절연. 빌렛은 구리 베이스 연결, 파워 케이블 연결. 전형적 빌렛 양극 배치도 그림 5.

그림 5 전형적 빌렛 양극 배치

핀형 귀환 전극은 직경 25-50mm 다수 금속 핀으로 전기 흐름 귀환 경로 제공. 핀은 수직 구성으로 내화물 관통. 핀은 로 바닥까지 연장되어 두 금속 플레이트로 고정. 핀 하단 끝은 하부 파워 도체 플레이트 앵커링. 하부 접촉 플레이트 공랭, 로 바닥 중앙 위치. 핀 상단부는 로 작업 라이닝과 플러시. 핀은 욕조 직접 접촉, 작업 라이닝 마모에 따라 용융 후퇴. 귀환 파워 케이블 하부 도체 플레이트 연결.

라이닝 마모와 바닥 전극 수명 추적 위한 광범위 온도 모니터링 시스템 제공. 예정된 8시간 정비 중단 시 바닥 전극 신속 교체 가능하도록 일체형 카트리지 설계 진화.

강철 핀 귀환 전극은 로 바닥 링 형태로 여러 섹터 형성. 각 섹터는 수평 접지 플레이트와 여러 용접 강철 핀으로 구성, 핀이 내화물 위로 돌출. 핀 두께 약 1.6mm, 간격 약 90mm. 섹터는 공랭 바닥 쉘에 볼트 체결, 전기적 절연, 4개 구리 도체 연결.

대부분 DC-EAF는 장아크 운전, 통상 UHP로 조업 아크 길이 2-3배. 결과적으로 DC-EAF는 수냉 패널 유량 더 높음.

DC-EAF 내화물 라이닝

DC로 내화물 개념은 더 가혹한 운전 조건 고려해 설계. DC 아크로는 바닥 양극 설치로 바닥 특수 내화물 필요. 바닥 내화물 외에 내화 라이닝 설계 고려사항: 내화물 존 패턴, 노바닥 윤곽, 슬래그 라인 위치, 출선구 크기/각도/위치, 지붕 방향, 팽창 여유, 버너 포트 위치, 슬래그 도어 구조, 바닥 교반 요소.

DC-EAF는 귀환 전극이 보통 로 바닥에 설치되어 특수 내화물 요구(일부 DC-EAF는 두 흑연 전극 대안 배치 사용). 도전성 바닥 경우 로 바닥 중앙 내화물 라이닝이 양극 역할. 구리 플레이트 보통 도전성 내화물 아래 연결, 귀환 구리 버스바 플레이트 연결. 이 경우 내화물 특수 요건: 낮은 전기 저항(바람직하게 0.5mΩ/m 미만), 낮은 열전도도, 높은 내마모성.

전형적 구성: 150mm 두께 작업 라이닝, 5-10% 탄소 함유 탄소 결합 마그네시아 혼합물. 온장/냉장 시공 가능. 작업 라이닝 아래 3층 마그네시아 카본 벽돌. 벽돌 잔류 탄소 10-14%. 정기 유지보수로 바닥 수명 4,000히트 달성.

빌렛 귀환 전극: 1-4개 대형 강철 빌렛(약 250mm 직경) 바닥 내화물에 매립. 빌렛 주위 염기성 내화 벽돌. 나머지 노바닥 특수 마그네시아 래밍 혼합물 래밍. 마그네시아 래밍 혼합물로 전극 주변 벽돌 영역 유지. 이 구성으로 1,500히트 초과 바닥 수명 달성.

핀형 귀환 전극: 직경 25-50mm 다수 금속 핀으로 전기 흐름 귀환 경로. 핀은 실제 내화물 관통하여 로 바닥까지, 금속 플레이트 부착. 건식 마그네시아 래밍 혼합물로 전체 노바닥 라이닝. 금속 핀 사이 이 혼합물 래밍. 대안으로 양극 주변 마그네시아 카본 벽돌 사용 가능. 바닥 수명 향상되나 비용 증가. 내화물 재료 따라 2,000-4,000히트 범위.

강철 핀 귀환 전극: 로 바닥 링 형태 여러 섹터 형성. 각 섹터 수평 접지 플레이트와 여러 용접 강철 핀으로 구성, 핀이 내화물 위로 돌출. 핀 사이 건식 마그네시아 래밍 혼합물. 노바닥도 이 재료 라이닝.

DC-EAF 전기적 고려사항

최대 로 처리량 위해 로 전력 제어 최적화로 용해 전 공정과 투입재 변동 시 최대 전력 입력 보장. 동시에 최소 계통 교란 보장. 전력 품질은 유틸리티와 조화.

DC 전원 공급

필요 고전력 다시 고전압 3상 AC 네트워크에서 공급. 로 변압기 출력 정류로 DC 변환. 정류는 브리지 연결 사이리스터로 달성. 아크로에 보통 12, 18, 24펄스 전원 사용. 다중 병렬 변압기 전기적 변위(15°, 10°, 7.5°로 12, 18, 24펄스 대응) 통해 개별 펄스 균일 중첩. 이 전기적 변위는 변압기 내 다양한 코일 연결로 구현. 따라서 DC-EAF용 변압기는 AC-EAF용과 상당히 다르며, 일반적으로 AC로 운전 부적합.

DC 전원 볼트/암페어 특성은 DC 전류 증가에 따라 DC 전압 약하게 하강. 기울기 약 1V/kA, 변압기/정류기 조합 교환 리액턴스 결정, 아크로 결정 아님. 따라서 아크 전압 큰 차이로 인한 전류 대폭 변동 제한 위해 다이오드 대신 사이리스터 사용. 전류 영점 후 도통 순간(발사 각 지연) 게이트 단자로 제어. 각 사이리스터 원칙적으로 반 사이클 내 차단 가능. 그래도 아크 전압 변화(예: 단락)와 사이리스터 제어 사이 수 밀리초 지연 동안 전류 대폭 증가 가능. 전류 상승률 감소 위해 DC 전류 루프 내 리액터 추가, 고전류 DC 루프 자연 리액턴스로 부족.

리액터 인덕턴스 100-400μH 범위 설계. 풀 DC 전류 감당하므로 옴 손실 상당, 코일 구리/알루미늄 적정 단면으로만 허용 범위 내 유지. 사이리스터 각각 수 kA와 수 kV 역극성 감당. 직병렬 연결 사이리스터로 각 레그 구성. 퓨즈와 전압 균형 저항으로 보호. 탈염수 냉각.

DC-EAF 전기적 특성

사이리스터 제어 보통 전류 일정 유지 선택. 따라서 정류기 전 AC 전류도 일정, 1차 전류도 일정. AC 1차 전력 고려 시 일정 전류 = 일정 MVA. MW를 MVAR 함수로 특성: MW² + MVAR² = MVA² = 상수, 원 분면. 보통 볼트/암프 선형 기울기, 100kA에서 100V 하강 전형적. 예: 100kA에서 사이리스터 제어는 아크 전압 약 900V부터 단락까지 발사각 변화로 전류 일정 유지 가능.

바닥 연결

단일 DC 아크 운전 위해 강철 차지에 전기 연결(양극 양극) 필요. 다양한 솔루션 개발. DC-EAF 바닥 연결 몇 유형 그림 6.

그림 6 바닥 연결 유형

한 유형: 다수 강철 봉(직경 약 25mm, 길이 1m 내외)이 래밍 내화물 블록 매립, 구리 플레이트로 로 쉘 아래 연결. 전체 양극 블록 직경 1-2m. 핀형 변형으로 얇은 강철 시트 사용, 역시 내화물 매립. 또 다른 변형: 직경 250mm 강철 빌렛이 절연 슬리브 통과, 로 쉘 아래 냉각 구리 연결. 이 세 설계(핀, 시트, 빌렛) 모두 강철 도체 상단이 히트 중 용융, 파워 오프와 스크랩 충전 시 재응고.

강철-강철 전류 설계 대안: 도전성 내화물 통해 대구경 구리 바닥 플레이트로 전류 인출. 모든 바닥 연결 유형에서 양극 연결과 로 쉘 사이 절연 필요. 양극 버스바 직접 쉘 통해 전류 흐름 가능성 감소 위해.

전력 품질은 EAF 전원 시스템 주요 관심사. 플리커, 역률, 고조파 한계 준수 필요. 효과적 전극 제어 알고리즘으로 변압기 스위칭 감소, DC 리액터와 고조파 필터 적정 크기화로 유틸리티 요건 충족. 추가로 선택적 능동 플리커 저감, 정적 바르 보상기(SVC) 통한 연속 역률 보정으로 엄격한 유틸리티 요구나 약한 그리드 원격지 운전 보장.

플리커 주로 무효 전력 변동 유발. 정류기 제어에서 SVC 제어로 정보 보내는 고속 포워드 링크로 실제 로 무효 전력 소비 계산 가능. 이 정보로 플리커 완화 성능 개선. SVC 시스템 결과: (1) 기존 바르 보상 대비 높은 평균 전력 입력, (2) 1에 근접한 연속 역률 보정, (3) 로 버스 전압 제어, (4) 계통 불평형 부하 없음, (5) 약한 그리드에서도 낮은 플리커와 고조파 레벨.

아크 안정기는 고생산성 위해 필요. 안정된 공정은 생산적 운전에 필수. 최적화 DC 리액터 설계(저손실)로 전극 전류 평활화하여 안정된 아크 상시 유지. 결과: (1) 전극 유압 시스템 응력 감소, (2) 진동 감소, (3) 전극 소비 감소, (4) 생산성 향상, (5) 더 큰 플리커 감소, (6) 복사 손실 감소.

DC-EAF에서 사이리스터는 두 구리 단자, 하나는 EAF 파워 케이블 연결, 다른 하나는 로 바닥 전극 연결. 바닥 전극 보통 강성, 운전 중 이동 불필요. 원칙적으로 사이리스터 단자는 델타 클로저와 유사하나 물리적으로 상당히 다름. 델타 클로저 유지보수 이슈 개념 DC 운전에 동일 적용 가능.

DC-EAF 조업

고전력 반도체 스위칭 기술 진보로 저비용 고효율 DC 전원 공급 장치 등장. 이로 인해 고전력 DC로 운전 가능. DC-EAF는 3상 로 변압기 전압을 사이리스터 제어 정류기로 정류하는 것 특징. 이 장치들은 DC 아크 전류 크기 연속 변조 제어로 안정적 운전 달성 가능. DC로는 단일 흑연 전극만 사용, 귀환 전극은 로 바닥에 통합. 바닥 전극 유형: 도전성 노바닥, 도전성 핀 바닥, 단일/다중 빌렛, 단일체 마그네사이트 노바닥 내 도전성 핀 등.

이 모든 바닥 귀환 전극 설계 검증됨. 가장 많이 사용: 다수 핀이 플레이트 부착해 귀환 경로 형성하는 도전성 핀 바닥, 바닥 빌렛 설계. 핀형은 공랭, 빌렛형은 수냉. 핀 사이 래밍 매스로 충전, 핀 팁은 내부로 라이닝과 같은 레벨. 내화물 마모에 따라 핀도 용융 후퇴.

DC-EAF는 핫힐로 운전하여 귀환 전극 전기적 경로 확보. 냉간 시동 시 스크랩과 슬래그 혼합물로 초기 전기적 경로 제공. 일단 용해되면 스크랩 충전 가능.

초기 DC 운전에서 달성된 이점: 전극 소비 감소(고전압 AC 대비 20%, 재래식 AC 대비 50%), 전압 플리커 감소(재래식 AC 대비 50-60%), 전력 소비 감소(AC 대비 5-10%). 위 결과 주로 AC에서 DC로 개조된 소형 로에서 달성. 그러나 대형 DC로 설치 경우 즉시 주장 이점 달성 못 함. 특히 두 우려 영역: (1) 전극 소비, (2) 내화물 소비.

여러 DC로 조업에서 DC 운전에서 기대된 전극 소비 감소 발생 안 함. 전극 제조사 분석 결과 AC/DC 운전 시 전극 내부 물리 조건 다름. 결과적으로 초대형 DC 전극이 초대형 전류 감당 시 AC 대비 크랙과 스팔링 증가 관측. 따라서 DC 운전에 더 적합한 물리적 특성 전극 개발 필요.

DC로 경제적 최대 크기는 전극 크기와 전류 용량 한계 함수. 현재 단일 흑연 전극 DC로 경제적 최대 크기 약 165톤. 더 큰 로는 다수 흑연 전극으로 대응.

초기 여러 DC 운전에서 내화물 마모와 바닥 전극 수명 문제 경험. 이 문제는 로 내 아크 플레어와 직접 관련. 양극 설계가 아크 플레어에 최대 영향. 모든 DC로에서 전기 아크는 DC 회로 생성 자기장 비대칭으로 인해 전원 공급 반대 방향으로 편향. 아크가 로 내 한 영역 집중되어 핫스팟 생성, 과도 내화물 마모 유발. 아크 플레어 제어/제거 여러 솔루션 개발. 현재 모든 바닥 전극 설계는 아크를 로 중앙으로 강제하도록 구성.

바닥 도전성 내화물과 핀형 바닥 경우, 바닥 양극에 분할 피드라인이나 바닥 코일 제공해 순 자기장 수정 필요. 빌렛 바닥 설계에서 각 빌렛 전류량과 양극 공급 방향 제어로 아크 제어. 바닥 핀 설계는 전기 공급이 여러 지점에서 발생하는 사실 활용해 아크 편향 제어. 정류기에서 먼 사분면에 더 높은 전류 공급.

일부는 DC로가 EAF 자동화 가능성 더 크다고 봄. 단일 전극으로 로 상부와 내부 공간 더 확보되기 때문. DC로는 동급 AC로 대비 10-35% 더 비쌈. 그러나 회수 기간 계산 시 낮은 운영비로 1-2년 내 추가 비용 회수 가능.

AC/DC로 조업 비교 연구에서 전기 손실 AC 약 4%, DC 약 5.5%, 절대치 차이 상대적 미미. AC/DC로 총 에너지 소비 차이 9kWh/톤 미만(DC 유리). 그러나 많은 변수 영향으로 정확한 수치 개발 어려움.

DC로는 AC로 대비 약 25% 전극 소비 적음, 통상 0.4kg/톤 상관관계. 이 차이 소형 AC로에서 더 큼. 플리커 DC 약 60% 낮음, AC 전원 시스템 구성 진보(추가 리액턴스)로 차이 40%로 감소.

대형 DC-EAF 조업 대표적 결과: 전극 소비 1-2kg/톤 액체 강철, 전력 소비 350-500kWh/톤 액체 강철, 탭투탭 시간 45-120분, 바닥 수명 1,500-4,000히트. 전력 소비는 조업 관행, 탭 온도, 보조 연료 사용, 스크랩 종류 등에 크게 의존함 유의.