RH 진공 탈가스 기술: 강재 품질과 효율성 향상의 핵심

RH 진공 탈가스 기술 개요

오늘날 2차 제련 설비는 1차 제강 공정과 액체 강의 연속 주조 공정 사이의 다용도 연결 고리입니다. 진공 탈가스는 중요한 2차 제강 공정입니다. 이 공정은 원래 액체 강에서 수소 제거용으로 사용되었으나 현재는 2차 정련에도 사용되며 2차 제강의 점점 더 중요한 공정이 되었습니다. 저수소·저질소 함량, 초저탄소 함량, 초저황 함량, 저전체 산소 함량, 강 청정도 향상이 제강소에 진공 처리 설비 설치 이유입니다.

신설 제강소에서는 진공 탈가스 설비가 강 생산 라인에 고려되어 통합됩니다. 기존 공장에도 진공 처리 설비 설치 추세가 있어 제품 믹스 확대와 강 시장 상황 대응 유연성 확보 기회를 제공합니다.

1950년대 이후 탈가스 목적으로 여러 진공 기술이 개발되었습니다. 이에는 DH(도르트문트 회르더) 탈가스, RH(루르슈탈 헤라우스) 탈가스, 진공 탱크 탈가스(VTD), 진공 아크 탈가스(VAD), 진공 유도 용해(VIM)가 포함됩니다. 현재 시나리오에서는 RH 탈가스와 VTD 공정이 액체 강 내 가스와 탄소 함량 저감을 위한 대량 강 생산에 일반적으로 사용됩니다. RH 탈가스 또는 VTD 선택은 제강소에서 생산할 강종에 의해 엄격히 결정됩니다. 대다수 경우, 특히 대형 히트 크기에서 RH 탈가스 설치가 우수한 혼합 성능과 탈탄·탈가스 단축 사이클 타임으로 하루 처리 히트 수가 많아 VTD보다 우세합니다. 짧은 사이클 타임으로 RH 탈가스 공정은 하루 많은 히트를 처리할 수 있습니다. 또한 공정 중 달성되는 우수한 혼합 거동으로 이 짧은 처리 시간이 히트 크기와 무관하게 달성 가능합니다.

RH 탈가스 기술의 발전

RH 탈가스 기술은 1950년대 후반 독일에서 처음 도입되어 최초 RH 탈가스 플랜트가 개발·설치되었습니다. RH 탈가스 공정은 이 공정을 처음 개발한 루르슈탈(Ruhrstahl)과 헤라우스(Heraeus)에서 이름을 따왔습니다. 그 이후 RH 탈가스 플랜트에 많은 공정 개선이 이루어졌습니다. 이에는 산소 랜스 설치, 스노클과 용기 직경 확대, 탈황을 위한 분말 주입 적용 등이 포함됩니다. 쿠와바라(Kuwabara)가 진공 압력, 리프트 가스 유량, 용기 및 스노클 직경을 고려한 RH 탈가스 플랜트 탈탄 종합 모델을 도입했습니다. RH 탈가스 플랜트에서 20 ppm(ppm) 미만 탄소 함량 달성에 15분 미만 소요된다고 보고되었습니다.

추가 탑 랜스를 장착하면 RH-TOP 탈가스라고 부릅니다. RH 탈가스와 RH-TOP 탈가스 장치(그림 1)는 진공 순환 공정 원리를 사용하며, 경제적으로 유리한 조건에서 초저탄소 강종 생산에 특히 적용됩니다. RH 탈가스 플랜트의 주요 기능은 수소 제거, 자연 및 강제 탈탄, 액체 강 화학적 가열, 액체 강 화학 성분과 온도의 정밀 조정입니다. 이러한 활동은 진공 조건 하에서 수행됩니다. 저수소 함량은 고강도 강종과 오일·가스 산업용 강종 생산의 주요 전제 조건입니다. RH 탈가스 기술은 짧은 진공 시간으로 매우 낮은 수소 함량 달성을 가능케 합니다.

그림 1 RH 및 RH-TOP 탈가스 장치 단면도

액체 강 2차 정련 도구로서 RH 탈가스 공정은 진공 탈가스, 탈탄, 개재물 제거, 탈질, 개재물 제거 등 다중 야금 기능으로 폭넓은 응용을 가집니다. 초저탄소강, 베어링강, 파이프라인강, 스프링강, 규소강 등 생산에 널리 사용됩니다.

RH 탈가스 장치는 일반적으로 내화물 라이닝된 블록 타입 또는 스플릿 타입 용기, 용기 바닥에 두 내화물 라이닝 스노클(업레그와 다운레그), 진공 펌프 연결로 구성됩니다. 추가 구성요소로는 유압 또는 기계식 용기/래들 리프팅 시스템, RH-TOP의 경우 다기능 탑 블로잉 랜스, 측정 및 샘플링 시스템이 있습니다. 진공 하 물질 추가는 진공 호퍼 시스템으로 수행됩니다. 용기, 스노클, 상부 내화물 수리와 예열은 별도 스탠드에서 수행 가능합니다. 설계 특징은 단일 용기 설치(용기 리프팅 시스템), 빠른 용기 교체(래들 리프팅 시스템), 가용성 증대를 위한 듀플렉스 용기 설치입니다.

RH 순환 탈가스 공정은 전 세계 수많은 제강소에서 히트 크기 400톤까지, 짧은 탭투탭 타임 운영에 그 광범위한 적합성을 입증했습니다. RH 탈가스 플랜트 진공 처리는 고품질 강 요구를 충족하는 강을 생산합니다. 이를 위해 액체 강을 진공 챔버에서 순환시키며, 상당한 압력 강하로 강이 미세한 부분으로 분해되게 합니다. 표면적 증가는 액체 강이 최대로 탈가스되도록 합니다. 이 공정은 먼지 많은 분위기와 고온의 어려운 조건에서 매우 큰 유량을 흡입할 수 있는 신뢰할 수 있는 진공 장치가 필요합니다.

RH 탈가스 공정 원리

RH 탈가스 공정은 두 스노클(업레그와 다운레그)이 장착된 진공 챔버로 래들에서 액체 강을 흡입하는 것에 의존합니다. 불활성 가스를 액체 강에 불면 래들과 진공 챔버 사이 액체 강 순환 흐름이 강제됩니다. 탈가스 공정은 주로 액체 내부, 진공 챔버 내 비산 금속, 기포 표면에서 발생하며 복잡한 화학 반응과 이동 현상을 포함합니다. 그림 2는 공정 원리와 용기 라이닝 및 기타 공정 부품을 보여줍니다.

그림 2 RH 탈가스 공정

공정 개발 역사

RH 공정 초기 도입 시 주목적은 액체 강 수소 함량 저감이었습니다. 최초 결과는 용기 내 불충분한 진공으로 예상만큼 성공적이지 않았습니다. 1960년대 초 증기 이젝터 진공 펌프 적용으로 충분히 낮은 압력 달성이 가능해져 수소 함량 1 ppm 미만 달성이 가능해졌습니다. 이후 RH 탈가스 공정은 진공 조건, 반응 용기 설계와 형상(크기와 모양), 스노클 단면적, RH 탈가스 장치 용량 측면에서 지속적으로 개발되었습니다.

RH 탈가스 공정의 탈탄 적용은 1970년대 후반 처음 도입되었습니다. 오늘날 이 공정으로 20 ppm 미만 극저 최종 탄소 함량 달성이 가능하며, 이는 자동차 강판 생산에 필요합니다. 탈가스 중 합금 원소 추가는 공기 부재와 금속-슬래그 반응 회피로 페로합금 수율 향상과 강 화학 성분 높은 정확도 달성이라는 장점이 있습니다.

추가 개발로 RHO, RH-OB, RH-KTB, RH-MESID, MFB 공정에서 RH 탈가스 처리 중 기체 산소 사용이 이루어졌습니다. MFB 공정에서 RH 탈가스 장치는 다기능 버너(MFB)를 장착합니다. MFB는 진공 챔버에 삽입된 단일 랜스에서 연료와 산소를 불게 하는 장치입니다. 진공 처리 중과 대기 중 모두 진공 챔버 내 열 유지를 가능케 합니다. 이는 챔버 내 금속 부착을 줄이면서 처리 중 산소 블로잉으로 초저탄소강 생산을 가능케 합니다. 이러한 공정 목적은 탈탄 반응 가속, 알루미노 서믹 반응으로 액체 강 재가열, 스컬 재용해, 탈탄 기간 중 생성된 일산화탄소 가스를 이산화탄소로 전환해 용기 고온 유지, 처리 간 내화물 라이닝 용기 가열이었습니다. 최근 일부 RH-TOP 랜스는 액체 강에 분말을 분사해 황이나 탄소 함량을 최저 수준으로 낮추는 데 사용되었습니다. 오늘날 이 모든 공정은 RH-OB를 제외하고 RH-TOP 탈가스 공정이라고 불립니다.

기본적으로 중요하게 개발된 RH 탈가스와 RH-TOP 탈가스 공정은 (1) 진공 펌프, 스노클 설계, 용기 설계, 탈탄 조건 개선으로 더 빠른 탈탄과 탈가스, (2) 페로합금 추가 속도 증대, (3) 합금 추가나 와이어 추가 같은 활동을 전용 스테이션 설치로 RH 처리에서 분리, (4) 래들 이송 시간과 스노클 침지 시간이 사이클 타임에 미치는 영향 감소를 위한 최적화된 플랜트 레이아웃입니다.

RH 탈가스 플랜트 개념

RH 탈가스 공정의 독특한 특징은 제강소 특정 레이아웃, 필요한 사이클 타임, 가용성 요구사항 충족에 적합한 다양한 플랜트 개념을 합리적으로 구축할 수 있다는 점입니다. RH 탈가스 플랜트 고려 가능한 설계 기준 시리즈는 표 1에 나와 있습니다.

표 1 RH 탈가스 플랜트 설계 기준
용기 개념	단일 용기
	트윈 용기
	듀플렉스 타입
래들 이송	1 래들카 또는 2 래들카(처리 중 래들카 교체)
스노클 침지	용기 하강(윈치 시스템, 로커 시스템, 유압 시스템)
	래들 리프팅(유압 실린더 또는 윈치 시스템)
스노클 유지보수	처리 위치에서
	대기 위치에서(트윈 용기 타입만)

사이클 타임, 야금 능력, RH 탈가스 장치에서 일상적으로 달성되는 고품질 생산은 (1) RH 탈가스 플랜트 개념, (2) 제강소 공정 흐름 내 RH 탈가스 장치 임베딩, (3) RH 용기 설계, (4) 진공 시스템 및 RH 탈가스 장치 기타 구성요소 성능, (5) 내화물 정기 유지보수, (6) 슬래그 조절과 슬래그 야금, (7) 전체 안정적 생산 조건, (8) 자동화 시스템에 의존합니다. 그림 3은 RH 탈가스 플랜트 전형적 기본 개념과 주요 구성요소를 보여줍니다.

그림 3 RH 탈가스 플랜트 전형적 기본 개념과 주요 구성요소

RH 탈가스 플랜트는 일반적으로 레벨 2 자동화 시스템을 장착합니다. 하드웨어, 시스템 소프트웨어, 애플리케이션 소프트웨어를 포함하는 레벨 2 자동화 시스템은 야금 모델 기반으로 실현됩니다. 레벨 2 애플리케이션 소프트웨어와 모델 소프트웨어는 독립 실행 가능 프로그램으로 설계됩니다. 적용 소프트웨어는 다양한 소스에서 모델에 데이터를 공급하고 계산된 모델 데이터를 수신합니다. 애플리케이션 소프트웨어와 모델 소프트웨어 간 통신은 모델에 입력 데이터를 제공하고 모델 출력을 수신하는 데이터베이스 테이블로 실현됩니다. 한편 레벨 2는 전송과 히트 리포트 생성을 위한 모든 처리 데이터를 수집합니다. 레벨 2 자동화는 일반적으로 프로세스 관찰 동반과 레벨 1 자동화 실행용 설정점 데이터 제공을 위해 설계된 단일 다이얼로그로 운영됩니다. 레벨 2 자동화는 조업자 최소 입력만 필요합니다.

RH 탈가스 공정 특징

공정은 주로 내화물 라이닝된 원통형 반응 용기와 이 용기 바닥에 부착된 두 강관으로 구성됩니다. 반응 용기 상부는 내화 점토/알루미나 벽돌, 하부는 알루미나/마그네사이트 벽돌로 라이닝됩니다. 두 강관은 입구와 출구 스노클입니다. 둘 다 내부는 알루미나 내화물로 완전히 라이닝되지만 하부만 외부 내화물 코팅됩니다. 입구 스노클 하부 구간에 다수 가스 주입관이 한두 레벨로 원주 균등 분포되어 배치됩니다. 반응 용기는 액체 강이 입구 스노클로 상승하고 탈가스 후 출구 스노클을 통해 강 래들로 낙하하도록 설계됩니다. 반응 용기 상부에는 배기구, 페로합금 추가 시설, 관측 및 제어 창이 있습니다.

RH 탈가스 장치는 일반적으로 저탄소 강종의 긴 시퀀스 진공 처리와 탈탄에 사용됩니다. RH 탈가스 공정의 야금적·운영적 특징에는 (1) 20 ppm 미만까지 빠른 탈탄, (2) 수소와 질소 제거, (3) 저렴한 고탄소 페로합금 사용, (4) 킬드 및 언킬드 히트 화학적 가열, (5) 비금속 개재물 측면에서 강 청정도 개선, (6) 좋은 성분 제어가 포함됩니다.

탑 블로잉 랜스 시스템은 RH 탈가스 용기 위에 설치되어 여러 기능을 결합합니다. 산소 블로잉 유량 2,000~4,000 Nm³/h, 설치 버너 용량 2~4 MW가 공정 전형적 설계 특징입니다. 공정 감독을 위해 랜스에 TV 카메라 장착 가능합니다. 또한 탑 블로잉 랜스는 액체 강 심층 탈황을 위해 분말 블로잉 기능 장착 가능합니다. RH-TOP 탈가스 공정 기능에는 (1) 강제 탈탄과 화학적 가열용 산소 블로잉, (2) 가스/산소 연소로 RH 용기 내화물 가열, (4) 탈황용 분말 블로잉, (5) 산소 제트 이용 빠른 스컬 제거, (6) 외부 점화 설비에 의한 고급 점화가 포함됩니다.

RH 탈가스 공정으로 가장 경제적으로 또는 유일하게 생산 가능한 광범위한 대량 강종이 있습니다. 극저 탄소와 수소 함량이 짧은 처리 시간 내 달성됩니다. 온도 손실은 최소화됩니다. 특수 슬래그 조치, 래들 프리보드, 다공성 플러그가 필요 없습니다. 화학 성분을 정밀 조정할 수 있습니다. 제품 믹스 확대, 고품질 제품, 생산성 증대, 래들 유지보수 최소화가 추가 혜택입니다.

RH 진공 탈가스 공정은 일반적으로 평형에 도달하지 않으며 수소, 탄소, 질소 제거량은 동역학적 고려사항에 의해 결정됩니다. 탈탄 메커니즘은 반응 속도론이 순환율과 탈탄율 모두에 의존하므로 꽤 복잡합니다. 욕조 혼합도 탈탄에 영향을 미칩니다.

RH 탈가스 공정이 강 래들과 RH 용기 간 액체 강 교환에 기반하므로, 정의된 야금 목표 가정 시 강 순환율이 야금 반응 속도와 공정 지속 시간을 결정합니다. 액체 강 순환은 스노클 직경, 장비 반경, 리프트 가스 튜에르 위치와 수 같은 장비 지오메트리에 의존합니다. 설계상 1,600°C에서 액체 강 밀도는 6.94 ton/m³로 가정됩니다. 깊은 진공 조건에서 래들 표면 대기압은 스노클 내 강을 약 1.45m 기압 높이까지 상승시킵니다. RH 탈가스 공정에서 액체 강 진공 처리 메커니즘은 그림 3에 나와 있습니다.

그림 3 RH 공정에서 액체 강 진공 처리 메커니즘

자동차용 및 기타 노출 강판, 전기 산업용 강판(예: 변압기용)은 RH/RH-TOP 탈가스 장치에서 처리된 액체 강으로 생산되는 전형적 최종 제품입니다.

운영 단계

RH 탈가스 공정 운영 단계는 아래와 같습니다. 반응 용기는 먼저 플랜트 요구사항에 따라 일반적으로 900~1,500°C 범위에서 원하는 온도로 예열됩니다.

RH 탈가스 공정은 액체 강을 담은 강 래들을 래들카로 처리 위치로 이동하고, 반응 용기를 내리거나 래들을 들어올려 스노클이 강에 충분히 침지되도록 원하는 레벨로 맞춤으로 시작합니다. 두 스노클이 액체 강에 충분히 침지된 후 탈가스 공정이 시작됩니다. 스노클 침지 전 입구 스노클 가스관에 불활성 가스(일반적으로 아르곤) 주입을 시작합니다. 아르곤은 입구 스노클로 유입되는 액체 강 속도를 증가시키는 리프트 가스 역할을 합니다.

필요한 스노클 침지 깊이 달성 후, 오프테이크 덕트(배기)를 통해 반응 용기에 연결된 진공 펌프 시스템으로 반응 용기를 배기시킵니다. 진공(음압)이 생성되고 액체 강이 양쪽 스노클로 빨려 올라갑니다. 혼합물에 주입된 아르곤 가스는 업레그 스노클 압력을 증가시킵니다. 이 압력이 스노클을 통한 액체 강 순환을 생성합니다. 이제 탈가스, 산소 블로잉, 화학 성분과 온도 조정 같은 야금 처리 단계를 수행할 수 있습니다. 합금 추가는 액체 강 과열도에 따라 탈가스 끝에 수행할 수 있습니다.

반응 용기 내 액체 강은 탈가스되어 출구 스노클을 통해 강 래들로 다시 흐릅니다. 탈가스된 강은 래들 내 액체 강보다 약간 차갑습니다. 밀도 차이(냉각된 탈가스 액체 강 밀도가 래들 내 뜨거운 액체 강보다 큼)로 생성된 부력이 욕조를 교반합니다. 반응 용기 내 액체 강 순환율이 탈가스를 제어합니다. 순환율은 리프트 아르곤 가스량과 진공도에 의존합니다. 사이클 타임은 일반적으로 20~30분 범위입니다. 크기에 따라 RH 탈가스 장치는 분당 85~135톤 액체 강 순환 능력을 가집니다.

액체 강 화학 성분이 결정되어 만족스러우면 탈가스 스노클을 액체 강에서 제거하고 아르곤을 차단하며, 업레그 스노클에 질소를 주입해 주입관이 동결되지 않게 합니다. 탈가스 조업이 완료되고 강 래들이 후처리 또는 인수 위치로 이송됩니다.

생산 중 조업자는 공정 자동화 시스템에 의해 안내됩니다. 이 시스템은 야금 매개변수 예측과 설정점 생성을 위해 여러 수학 모델을 사용합니다. 예를 들어, 다양한 수신 매개변수와 처리 시간 기반 주기적 계산으로 강 온도, 수신 강 샘플과 공정 중 추가 물질 결정으로 화학 성분, 초기 함량, 탈가스 시간, 진공 압력 곡선, 리프트 가스율 등에 따른 수소와 질소 제거 같은 탈가스 기능 상태, 주기적 강 탄소와 산소 함량 결정으로 탈탄 상태, 산소 블로잉, 진공, 리프트 가스 패턴 등 다양한 기능 설정점이 생성됩니다.

또한 레벨 2 시스템은 생산 계획, 선행·후속 장치 공정 자동화, 실험실과 연결되어 조업자에게 모든 관련 데이터를 제공합니다. 데이터 추적은 레벨 1 시스템과 공정 모델에서 모든 관련 데이터를 수집해 다양한 히트와 생산 리포트 생성을 위해 사용됩니다. 이 모든 데이터는 향후 데이터 애플리케이션 대비를 위해 데이터베이스에 저장됩니다.

RH 탈가스 장치 가용성

짧은 사이클 타임 외에도 제강소 생산 계획 관점에서 RH 탈가스 장치 가용성을 고려해야 합니다. 가장 중요한 것은 스노클 유지보수에 필요한 시간입니다. 6 히트 시퀀스 처리 후 스노클은 중간 유지보수(데스컬링, 내화물 건닝)가 필요합니다. 특정 슬래그와 처리 조건, 사용 가능한 도구에 따라 유지보수 작업에 20~60분 소요됩니다. 더 빈번한 유지보수는 스노클 수명 연장에 기여합니다. 60~300 히트 후(다시 처리 조건, 내화물 품질, 스노클 설계에 따라) 스노클 교체가 필요합니다. 추가 내화물 유지보수는 주로 바닥 영역에서 2~3 스노클 캠페인마다 필요합니다. 오늘날 RH 탈가스 플랜트에서는 플랜트 다운타임 감소를 위해 용기를 교체하여 스노클 교체와 용기 유지보수를 수행합니다.