CAS-OB 공정: 아르곤과 산소 처리를 통한 첨단 2차 제강 기술

CAS-OB 공정 개요

CAS-OB 공정은 화학적 수단을 통해 강을 가열하는 2차 야금 래들 처리 공정입니다. CAS-OB는 'Composition Adjustment by Sealed Argon Bubbling – Oxygen Blowing'(밀봉 아르곤 버블링에 의한 성분 조정-산소 블로잉)의 약자입니다. 이 공정은 1980년대 일본제철(Nippon Steel Corporation)에서 개발하고 특허를 받았습니다. CAS-OB 공정에서 가장 중요한 기능은 온도를 최적 수준으로 조정하고 합금 원소를 정확하게 추가하는 것입니다. 가열 목적은 액체 강이 연속 주조기로 보내질 때 충분한 온도를 보장하는 것입니다. CAS-OB 공정은 대기압에서 작동하는 공정군에 속합니다.

CAS-OB 공정은 강 성분과 온도의 균질화와 제어를 위해 설계되었습니다. 액체 강 가열과 합금을 위한 래들 처리 공정입니다. 이 공정은 진공 탈가스 처리가 필요하지 않은 강종에 널리 사용됩니다. 최근 진공 탈가스 처리의 광범위한 적용으로 CAS-OB 공정 사용이 감소했습니다.

CAS-OB 공정은 산소와 알루미늄의 발열 반응을 이용해 일관되게 높은 합금 회수율과 강 재가열을 가능케 합니다. 우수한 화학 성분 제어, 강 균질성, 재가열 능력으로 CAS-OB 공정은 2차 제강 야금에서 이상적인 버퍼 스테이션이 됩니다. CAS-OB 공정 목적은 강 성분과 온도를 균질화하고 제어하는 것입니다. CAS-OB 공정이 더 나은 스케줄링, 개선된 온도 제어, 높은 개재물 순도를 가능케 한다고 보고되었습니다.

CAS-OB 공정 원리

CAS-OB는 액체 강 가열과 합금을 위한 래들 처리 공정입니다. 이 공정은 불활성 아르곤 분위기 하에서 합금 추가를 허용합니다. 알루미늄 동시 추가와 탑 랜스를 통한 산소 가스 블로잉을 허용합니다. 이들이 반응해 알루미나를 형성하고 발열 반응 특성으로 상당한 열을 발생시킵니다. 따라서 CAS-OB 공정은 액체 강 화학적 가열을 초래합니다.

화학적 가열 공정에서 강은 용해 원소의 산소 블로잉에 의한 발열 반응으로 가열됩니다. 화학적 가열 원소로 알루미늄 사용이 선호됩니다. 액체 강 내 0.1% 용해 알루미늄 농도가 산소 가스와 반응해 +34°C 온도 상승을 생성한다고 보고되었습니다. 분명히 복사와 래들 벽을 통한 열손실도 있습니다. CAS-OB 공정 원리는 그림 1에 나와 있습니다.

그림 1 CAS-OB 공정 원리

공정 장비

액체 강 처리는 슬라이드 게이트와 아르곤 블로잉용 다공성 플러그를 장착한 래들에서 수행됩니다. 공정 장비는 이동식 브래킷에 고정된 스노클(벨이라고도 함)로 구성됩니다. 스노클 상단에 포트가 있어 알루미늄과 페로합금(필요시) 스노클 투입과 가스 정화 시스템으로 가스 제거 목적으로 사용됩니다. 스노클 설계에는 산소 랜스 하강, 공정 및 계기 랜스(샘플링, 온도 측정, 용해 산소 측정용), 금속 분말 주입, 탈황제, 칼슘 실리사이드(CaSi) 와이어 주입용 랜스 하강 조항이 있습니다.

스노클은 두 부분으로 구성됩니다. 상부는 내부만 라이닝되고 하부는 내외부 모두 라이닝됩니다. 스노클 라이닝은 일반적으로 2% 스테인리스강 니들로 보강된 고알루미나 캐스터블로 수행됩니다. 이 캐스터블은 산소 랜스와 액체 강에 아르곤 블로잉용 서브머지드 랜스 라이닝에도 사용됩니다. 바닥 스노클에는 크롬 마그네사이트 벽돌도 사용되었습니다. 추가 아르곤 교반용 특수 형상 서브머지드 랜스가 있습니다.

스노클 상부 라이닝 수명은 일반적으로 400~600 히트, 하부 라이닝 수명은 50~150 히트입니다. 산소 랜스 라이닝 수명은 최소 100 히트, 아르곤 블로잉 랜스는 최소 150 히트입니다.

CAS-OB 공정 상세

1차 제강 공정(전로 또는 전기로)에서 온 액체 강을 초기에 래들에 붓습니다. 래들은 내부에 내화 벽돌 또는 캐스터블 층이 있는 강 케이싱으로 구성됩니다. 내화 층은 단열을 제공하고 약 1600°C 고온 강 욕조의 부식 환경에 저항합니다. 처리 중 강 성분이 추가 산소와 반응해 슬래그상을 형성합니다. 산화물 형태 추가물도 슬래그상에 용해됩니다. 전형적 슬래그 성분은 FeO, SiO₂, MgO, Al₂O₃, CaO입니다. CAS-OB 공정에서 슬래그상은 반응에 참여하고 액체 강을 대기로부터 보호하며 단열층 역할을 합니다.

CAS-OB 공정은 대기 산소나 산화물 슬래그와 접촉 없이 합금 추가를 허용하기 위해 강 표면 위에 불활성 분위기를 생성하도록 설계되었습니다. 이는 먼저 래들 바닥 다공성 플러그를 통해 아르곤을 강에 주입해 액체 강 표면에 슬래그 프리 영역(아이(eye)이라고 함)을 생성함으로써 달성됩니다. 표면에 도달한 아르곤 기포가 래들 상부 슬래그 층을 밀어내 슬래그 프리 영역을 만듭니다. 래들 상부에서 필요한 크기 아이 생성에 필요한 아르곤 유량은 다공성 플러그 상태, 래들 상부 슬래그 깊이, 슬래그 유동성에 따라 달라집니다. 아이가 생성되면 스노클을 슬래그 프리 영역으로 내릴 수 있습니다.

공정 조업은 세 가지 항목으로 수행됩니다: (1) 래들 위에 있는 내화 스노클로 불활성 아르곤 분위기나 산소-알루미늄 화학 반응을 포함할 수 있음, (2) 아르곤 가스 공급, (3) 수냉식 산소 랜스. 이 기능적 항목들이 공정의 핵심입니다.

공정 주요 특징은 래들 아래 합금 추가를 위한 내화 스노클입니다. 스노클은 강 표면이 열려 있지만 주변 대기와 접촉으로부터 보호되는 합금 재료 추가를 위한 보호된 환경을 제공합니다. 이는 흡수 질소량을 낮은 수준으로 유지하도록 보장합니다. 아르곤 버블링은 강 온도와 성분 균질화를 위한 교반도 제공합니다.

강 래들은 스노클이 다공성 교반 플러그 바로 위에 위치하도록 배치됩니다. 이는 교반된 강 욕조 표면이 스노클 아래 영역에 국한되도록 보장합니다. 필요시 특수 형상 서브머지드 랜스를 통한 추가 아르곤 교반 가능합니다. 강 재가열은 산소 주입과 알루미늄 추가 병행으로 달성됩니다.

바닥 버블링 아르곤 가스가 슬래그 층에 '오픈 아이(open eye)'를 생성합니다. 스노클을 슬래그 내 이 오픈 아이 위로 액체 강에 내립니다. 특히 알루미늄 동시 추가와 탑 랜스를 통한 산소 가스 블로잉을 허용합니다. 생성된 알루미나를 클린 강 생산을 위해 부상시켜 제거해야 합니다. 이 슬래그 프리 영역에 페로합금 추가로 더 높은 수율 달성합니다.

공정 주요 단계는 가열, 슬래그 환원, (가능한) 합금화입니다. 가열 단계 목적은 연속 주조 전 액체 강 온도를 목표값으로 높이는 것입니다. 실제 가열 시작 전, 바닥 아르곤 블로잉으로 강을 교반해 강 욕조 표면에 슬래그 프리 오픈 아이 영역을 형성합니다. 결과적으로 내화 스노클이 액체 강 내에 부분적으로 침지됩니다.

가열 단계에서 고체 알루미늄 입자가 스노클 내 자유 강 표면에 공급됩니다. 알루미늄은 초음속 랜스로 산소 블로잉 하에서 산화되고 발열 반응으로 강 온도가 상승합니다. 가열 중 형성된 산화알루미늄(알루미나)은 강 표면 위 슬래그상으로 들어가고 일부 알루미늄은 강에 용해됩니다. 알루미늄과 산소 반응 열로 액체 강 온도를 분당 최대 10°C까지 과도한 장비 마모 없이 올릴 수 있습니다.

집중적인 랜스 블로잉으로 알루미늄 외에 강상에서 망간, 실리콘, 철 일부가 산화되어 슬래그로 들어갑니다. 이는 경제적 관점에서 바람직하지 않아 가열 후 슬래그 환원이 보통 필요합니다.

산소 블로잉은 슬래그상 알루미나 함량 증가 외에 FeO, SiO₂, MnO 양도 증가시킵니다. 금속 성분 과도 손실 방지를 위해 가열 후 슬래그 환원 수행합니다. 환원 단계에서 스노클 구조를 들어올리고 래들 바닥 다공성 플러그 아르곤 블로잉으로 강을 교반합니다. 활발한 아르곤 교반은 래들 내 강 순환 운동을 만듭니다.

슬래그 환원 단계에서 강상은 래들 바닥에서 불활성 가스(일반적으로 아르곤) 블로잉으로 강하게 교반됩니다. 가스 교반이 강상을 순환 운동시킵니다. 강-슬래그 계면에서 흐르는 강이 상부 슬래그 층에서 작은 방울 분리를 유도합니다. 슬래그 방울과 강이 에멀전을 형성해 상간 계면적이 거대해집니다. 증가된 계면적은 강-슬래그 간 물질 전달을 가속화하여 환원 반응에 유리한 조건을 제공합니다.

강 선회 흐름이 상부 슬래그에 가하는 전단 응력 결과로 슬래그 층에서 작은 방울이 분리되어 슬래그-강 간 계면적이 엄청나게 증가합니다. 이 큰 계면적은 높은 환원율에 유리한 조건을 제공합니다.

공정은 일반적으로 가열, 합금화, 슬래그 환원으로 나뉩니다. 가열 단계 목적은 알루미늄 입자를 용융물에 공급하고 탑 랜스 동시 산소 블로잉으로 화학적 가열을 수행해 강 욕조 온도를 높이는 것입니다. 실무에서는 열전달 과정, 특히 복사와 대류로 벽 구조에 과도한 열응력 도입을 피하기 위해 화학적 가열 속도를 제한합니다.

CAS-OB 처리 절차는 스노클 충분한 침지 깊이를 위한 강 욕조 레벨 정의로 시작합니다. 스노클 하강 전 아르곤 유량을 늘려 강 욕조 퍼지 표면에 슬래그 프리 영역(오픈 아이)을 형성합니다. 오픈 아이 영역에 스노클을 내립니다. 스노클을 액체 강 내 원하는 깊이로 내린 후 아르곤 유량을 줄입니다. 슬래그 내 스노클 자유 강 표면이 입상 알루미늄과 탈산용 기타 첨가제 추가 장소가 됩니다. 이후 액체 강을 4~5분 균질화합니다. 그런 다음 샘플 채취와 액체 강 온도 측정을 위해 아르곤 유량을 더 줄입니다. 온도 측정 결과로 화학적 가열, 필요 알루미늄 금속량과 산소량 계산합니다. 그림 2는 CAS-OB 공정 개요도를 보여줍니다.

그림 2 CAS-OB 설비 개요도

래들이 액체 강 처리 위치로 이송된 후 래들 바닥 다공성 플러그 아르곤 블로잉을 시작하고 퍼지 존재를 시각 모니터링합니다. 동시에 프리보드 높이 측정하고 벨 이동량 계산합니다. 벨 하단이 액체 강에 최소 200mm 이상 침지되도록 보장해야 합니다. 또한 액체 강 온도와 용해 산소 활성도 측정합니다.

스노클 하강 전 아르곤 유량 증가로 퍼지 내 액체 강 표면에 '오픈 아이' 형성. 오픈 아이 영역에 스노클 하강. 스노클을 액체 강 내 원하는 깊이로 내린 후 아르곤 유량 감소. 슬래그 내 스노클 자유 액체 강 표면이 입상 알루미늄과 탈산용 기타 첨가제 추가 장소 역할. 이후 액체 강 4~5분 균질화. 아르곤 유량 더 줄여 샘플 채취와 액체 강 온도 측정. 온도 측정 결과로 화학적 가열, 필요 알루미늄 금속량과 산소량 계산.

CAS-OB 공정 특수 특징

CAS-OB 공정에는 여러 특수 특징이 있습니다. 이 공정에서 스노클은 버블링 플룸이 밀어낸 슬래그 없는 영역인 '슬래그 아이(slag eye)' 위 불활성 영역 생성을 위해 강까지 내려갑니다. 합금 추가와 산소-알루미늄 주입에 의한 화학적 재가열이 스노클 아래에서 일어납니다. 래들 야금로보다 더 많은 알루미나를 생성하며, 이 알루미나는 클린 강 확보를 위해 부상 제거되어야 합니다.

스노클 직경은 슬래그 층 내 슬래그 프리 영역 확보에 중요합니다. 바닥 버블링 중 오픈 아이 직경을 알면 결정됩니다. 오픈 아이 직경은 가스 유량에 의존하는 버블링 플룸 지오메트리(플룸 콘)로 추정 가능합니다.

CAS-OB 공정에서 바닥 버블링 플러그 개방은 오픈 아이 확보에 중요합니다. 버블링 플러그 개방 실패 위험 회피를 위해 스노클 위치 변경 시스템 채택. 이 배치로 스노클 위치를 좋은 버블링 영역으로 전환 가능합니다.

CAS-OB 공정 전체 산소 함량은 일반적으로 아르곤 버블링 공정과 래들 퍼니스와 유사하나 루르슈탈-헤라우스(RH) 진공 탈가스 공정보다는 약간 열등합니다.

공정 중 스컬이 스노클 상부에 부착되고 일부 산화물이 스노클 하부에 부착됩니다. 스노클 하부 산화물 성장은 주입 래들 림과 충돌해 벨 파손을 일으킵니다.

장단점

CAS-OB 공정 장점은 (1) 탭핑 온도 약 15°C 감소, (2) 전로 내 히트 재블로잉 감소, (3) 합금 빠르고 신뢰성 있는 균질화, (4) 합금 재료 높고 예측 가능한 수율, (5) 알루미늄 저소비, (6) 연속 주조 목표 온도 더 일관된 달성, (7) 처리 후 저전체 산소 함량, (8) 좁은 공차 내 합금화 가능, (9) 합금 소비와 비용 감소, (10) 중단 히트 감소, (11) 전로와 연속 주조기 사이 버퍼링으로 개선된 주입 조건 등입니다.

CAS-OB 공정 단점은 (1) 슬래그 형성제가 래들이 스테이션으로 이송되기 전 추가 필요, (2) 황 제거 공정 수행 불가. CAS-OB 스테이션 설치 투자 비용은 IR-UT(주입 정련-온도 상승) 공정 같은 다른 가열 공정보다 높으나 CAS-OB 가열율이 더 높습니다. 또한 슬래그가 벨 구조에 자주 달라붙어 벨 중량과 부피 증가 초래. 이는 CAS-OB 조업에 바람직하지 않은 영향을 미칠 수 있습니다.