염기성 산소 제강법(BOS)의 화학적 원리 심층 분석

염기성 산소 제강법(BOS)에 의한 제강 화학

염기성 산소 제강법(BOS)은 용선(HM)에서 조강(crude steel)을 생산하기 위한 가장 널리 사용되는 1차 제강 공정입니다. 공정 용기는 컨버터(converter)로 불립니다. 이는 일관 제철소에서 조강 생산에 주도적 역할을 합니다. 공정은 탑 랜스(top lance)를 통해 용선에 산소(O₂)를 불어넣어 산화에 의해 탄소(C) 함량을 줄이는 것을 포함합니다. 현재 BOS 공정에서는 1970년대 후반 개발된 혼합 취입(mixed blowing)이 채택됩니다. 혼합 취입에서는 탑 블로운 컨버터 바닥을 통해 아르곤(Ar) 또는 질소(N₂) 같은 불활성 가스를 제한적으로 불어넣습니다. 이는 효율적인 교반을 제공합니다.

BOS 공정은 두 가지 특징이 있습니다. 첫째, 공정이 자율적(autogenous)입니다. 즉, 외부 열원이 필요하지 않습니다. O₂ 취입 중 산화 반응이 플럭스와 스크랩을 녹이고 액체 강철의 목표 온도에 도달하는 데 필요한 에너지를 제공합니다. 둘째, 공정은 높은 생산 속도로 용선을 정제해 액체 강철을 생산합니다. 빠른 반응 속도는 반응에 이용 가능한 큰 표면적 때문입니다. O₂가 금속 욕조에 주입되면 대량의 가스가 발생합니다. 이 가스는 액체 슬래그와 O₂ 제트 충격으로 욕조 표면에서 전단된 금속 방울과 에멀전을 형성합니다. 가스-금속-슬래그 에멀전에 의해 생성된 큰 표면적은 정제 반응 속도를 높입니다.

불순물이 용융 금속에 용해되어 있으므로 불순물과 O₂ 간 반응은 용해된 O₂와 일어납니다. 또한 탄소 산화가 고온에서 일어나므로 탄소가 일산화탄소(CO)로 산화될 확률이 높고, 따라서 대부분의 탄소는 CO로 제거됩니다.

BOS 공정 중 용선의 C, 규소(Si), 망간(Mn), 인(P) 등 불순물은 산화에 의해 제거되어 액체 강철을 생산합니다. 산화는 컨버터에 불어넣는 고순도 O₂ 가스로 수행됩니다. 산화 반응 결과 CO, CO₂(이산화탄소), 실리카(SiO₂), 산화망간(MnO), 산화철(FeO)이 생성됩니다. CO와 CO₂는 기체 형태로 컨버터 상부에서 컨버터 가스로 배출되고, 다른 산화물들은 컨버터에 첨가된 플럭스에 용해되어 액체 슬래그를 형성합니다. 액체 슬래그는 액체 금속에서 P와 S(황)를 제거할 수 있습니다.

BOS 공정에서 일어나는 반응은 다섯 범주로 분류할 수 있습니다. 첫 번째 범주 '금속에 의한 산소 흡수' 반응은 (i) O₂(g) = 2O, (ii) (FeO) = Fe + O, (iii) (Fe₂O₃) = 2(FeO) + O, (iv) CO₂(g) = CO(g) + O입니다. 두 번째 범주 '금속 내 원소 산화' 반응은 (i) C + O = CO(g), (ii) Fe + O = (FeO), (iii) Si + 2O = (SiO₂), (iv) Mn + O = (MnO), (v) 2P + 5O = (P₂O₅)입니다. 세 번째 범주 '슬래그 내 화합물 산화' 반응은 (i) 2(FeO) + ½O₂(g) = (Fe₂O₃), (ii) 2(FeO) + CO₂(g) = (Fe₂O₃) + CO입니다. 네 번째 범주 '플럭스 반응'은 (i) MgO(s) = (MgO), (ii) CaO(s) = (CaO)입니다. 다섯 번째 범주 '가스 반응'은 CO(g) + ½O₂(g) = CO₂입니다.

BOS는 매우 높은 반응 속도(kinetics)를 가지며 반응이 여러 위치에서 일어납니다. 제트-액체 상호작용과 기체 생성물을 만드는 C-O 반응은 전체 공정 역학에 큰 영향을 미칩니다. 공정은 높은 반응 속도를 특징으로 하며, 정제 공정은 일반적으로 12~15분(min)에 완료됩니다. 이 짧은 시간 내 품질과 생산성을 위한 공정 제어를 위해 공정 역학에 대한 좋은 이해가 중요합니다.

일반적인 BOS 컨버터는 둥근 바닥을 가진 원통형 배럴과 배가스 후드로 가스를 유도하는 원뿔형 상부(25~30도 반원뿔 각도)로 구성됩니다. 몸체는 트러니언(trunnion)이라고 하는 축에 지지되어 장입, 시료 채취, 탭핑, 슬래그 제거를 위해 회전할 수 있습니다. 내부는 일반적으로 마그네시아-카본 내화물로 라이닝되며, 마모 패턴에 맞춰 서로 다른 품질과 두께를 가집니다. 컨버터 내부의 전형적인 부피는 생산된 액체 강철 톤당 약 1㎥(입방미터)입니다. 슬래그 무게가 톤당 100~120kg이면 비활성 욕조 위의 프리보드(freeboard)가 80% 이상입니다. 이는 일반적인 취입 중간 부분에서 일어나는 격렬한 반응을 수용합니다. 컨버터 바닥에는 보통 6~8개의 다공성 요소가 장착되어 Ar 가스를 통과시켜 욕조 혼합과 슬래그-금속 반응을 돕습니다. 탭 구멍은 원뿔 하부 한쪽에 있어 액체 강철 탭핑용입니다. 슬래그는 반대쪽 입으로 부어냅니다.

BOS 공정은 좋은 동적 제어와 공정 더 나은 이해를 위한 동적 모델이 필요한 매우 빠른 정제 공정입니다. 공정은 금속 욕조와 슬래그 스케일, 방울과 기포 스케일 등 여러 스케일에서 반응이 일어납니다. 반응은 여러 반응 부위에서도 일어납니다. 초음속 제트가 금속 욕조와 슬래그 층과 상호작용해 에멀전에서 다양한 크기의 방울을 생성하고, 이 방울이 계면에서 반응해 다량의 기포를 생성하며, 석회 용해 문제 등이 공정 역학 기술 묘사를 복잡하게 만듭니다.

주 원료는 약 1,300~1,400℃의 용선입니다. 발생 열이 필요량보다 많으므로 강철 스크랩과 철광석이 냉각재로 사용됩니다. 일부 제강 공장에서는 석회석(CaCO₃)을 최종 온도 조절용 냉각재로 첨가합니다. 소석회(CaO)는 P 제거에 필요한 높은 염기도 달성을 위한 플럭스로 사용됩니다. 스크랩은 빈 컨버터(이전 히트 슬래그 탭핑 후)에 먼저 장입되고, 그 위에 필요한 양의 용선이 장입됩니다. 철광석은 사용 시 보통 취입 전반부에 분산되어 장입됩니다.

필요한 석회 일부 또는 전부를 스크랩 장입 전 첨가해 스크랩 낙하로부터 라이닝을 보호하는 충격 패드 역할을 하게 합니다. 나머지 석회는 보통 취입 중 분산되어 장입됩니다. 일부 마그네시아(MgO)는 소성 돌로마이트(CaO·MgO) 형태로 첨가되어 내화물의 슬래그 용해를 최소화합니다. 다양한 장입 재료 양은 입력 조성, 용선 온도, 목표 강철 조성과 온도를 고려해 물질 및 열 균형 기반의 장입 제어 모델로 이론적으로 계산됩니다.

정제 반응은 모두 산화 반응입니다. 이는 3~6개의 초음속 노즐(마하 2.0~2.1, 랜스 축에 각도를 두고 장착)이 장착된 탑 랜스를 통해 톤네이지 산소를 불어넣어 수행됩니다. 랜스 팁은 대형 컨버터에서 정숙 금속 욕조 레벨로부터 1.8~2.5m 거리에서 유지됩니다. 랜스 높이는 공정 제어를 위한 운전 파라미터 중 하나입니다.

일반적인 탭투탭 사이클은 다음과 같은 단계로 구성됩니다. 장입 순서는 석회, 스크랩, 용선입니다. 컨버터가 직립되면 O₂ 랜스가 초기 높이(최고값, 2.2~2.5m)로 내려가고 취입이 시작됩니다. 취입 전반부 동안 추가 석회, 철광석, 소성 돌로마이트, 기타 첨가제가 장입됩니다. 취입 후반부에는 수분 함유 재료 장입을 피하여 생산 강철의 수소(H₂) 함량을 낮게 유지합니다. 높은 랜스 운전은 슬래그에 석회 용해를 돕기 위한 충분한 FeO가 생길 때까지(보통 3~4분) 계속됩니다. 이후 랜스를 점진적으로 낮춰 필요한 정제 속도를 달성합니다. 랜스 높이는 개별 플랜트 관행에 따라 3~5단계로 낮아집니다.

취입의 약 80~90%(O₂ 유량 기준) 시점에서 시료를 채취해 분석하고 온도를 측정해 취입 완료 시 목표 조성과 온도가 동시에 달성되도록 합니다. 시료 채취와 온도 측정은 수동(취입 정지, 컨버터를 근수평으로 회전, 스푼으로 시료 채취 및 온도 측정) 또는 서브랜스(subleance)를 취입 중인 컨버터에 내리는 인블로우 샘플링(in-blow sampling)으로 수행할 수 있습니다. 시료 분석과 온도 기반으로 취입 잔여 부분이 필요 트림 첨가와 함께 완료됩니다. 취입이 완료되면 컨버터를 탭핑 측으로 돌려 액체 강철을 부어내고, 다른 쪽으로 돌려 슬래그를 탭핑합니다. 현대 관행에서는 일부 슬래그를 보유하고, 컨버터를 직립시키고, 마그네사이트(MgO)를 첨가한 후 고속 N₂ 취입으로 슬래그를 내부 표면에 튀겨(splashing) 라이닝 수명을 연장합니다. 주기적으로 빈 컨버터를 수동 또는 레이저 스캐너로 내화물 손상 검사합니다. 손상은 내화물 건닝 마스로 수리합니다. 이후 컨버터는 다음 취입 준비가 됩니다.

BOS 공정은 짧은 시간 동안 진행되는 복잡한 공정으로, 공정 진행 중 직접 피드백 정보가 매우 제한적입니다. 공정은 여러 하위 공정으로 구성되며, 이들은 충분히 이해되지 않았거나 반정량적 이해만 있는 상태입니다. 공정이 자율적 공정이므로 입력 용선이 약 1,350℃이고 출력 강철이 1,650~1,700℃에서 탭핑되어도 열 과잉이 발생합니다. 따라서 다양한 냉각재가 사용되며, 스크랩과 철광석이 주된 것입니다. O₂는 초음속 제트로 뜨겁고 먼지 많은 가스 속으로 또는 액체-가스 에멀전 속으로 분사되며, 제트 거동은 주변 환경에 영향을 받습니다. 그림 1은 BOS 공정의 개략적 표현과 기본 특징을 보여줍니다.

그림 1 염기성 산소 제강법의 개략적 표현

탄소 산화

욕조 내 가용 탄소의 탈탄소 반응은 BOS 공정 중 가장 광범위하고 중요한 반응입니다. 이 탈탄소 반응에는 세 단계가 있습니다. 첫 번째 단계는 취입 처음 몇 분 동안 일어나며, 공급된 O₂ 대부분이 욕조의 Si와 반응하므로 탈탄소는 느린 속도로 일어납니다. 두 번째 단계는 욕조 탄소 함량이 높을 때 일어나며, 탈탄소가 공급 O₂ 속도에 의해 제어되는 더 높은 속도로 일어납니다. 세 번째 단계는 욕조 탄소 함량이 약 0.3%에 도달할 때 발생합니다. 이 단계에서는 더 적은 탄소가 공급된 모든 O₂와 반응할 수 있으므로 탈탄소 속도가 떨어집니다. 이 단계에서는 속도가 탄소의 물질 이동에 의해 제어되며, O₂는 대부분 철(Fe)과 반응해 FeO를 형성합니다. 이 단계에서 CO 생성 속도가 떨어지므로 컨버터 입구의 화염이 덜 발광하게 되고 탄소가 약 0.1% 수준으로 떨어지면 거의 사라집니다.

규소 산화

규소 산화에 유리한 조건은 (i) 저온, (ii) 슬래그 내 SiO₂ 양이 적음입니다. 염기성 슬래그가 Si 산화를 촉진합니다. 염기성 슬래그에서 SiO₂가 CaO와 반응해 슬래그 내 SiO₂ 활성을 낮추므로 Si 산화는 실질적으로 매우 낮은 값까지 진행됩니다. 용선의 거의 모든 Si가 취입 처음 3~5분 내 매우 낮은 수준(0.005% 미만)으로 산화 제거됩니다. Si의 SiO₂ 산화는 발열 반응으로 상당한 열을 생성해 욕조 온도를 높입니다. 또한 첨가된 석회와 소성 돌로마이트와 반응해 염기성 슬래그를 형성하는 규산염 슬래그를 만듭니다. Si 산화가 주 열원이므로 용선 내 Si 양이 컨버터에 장입 가능한 냉장입(스크랩, 선철 등) 양을 결정합니다. 또한 슬래그 양을 결정하므로 욕조의 탈인과 수율에도 영향을 줍니다. 경험칙상 슬래그 양이 많으면 P는 낮아지지만 수율도 낮아집니다.

철 산화

철(Fe) 산화는 BOS 공정에서 가장 중요합니다. 이는 (i) 슬래그 FeO 함량과 강철 내 O₂ 함량, (ii) 슬래그 내 Fe 손실과 제강 공정 생산성, (iii) 슬래그 산화 전위, (iv) FeO의 슬래그 내 CaO 용해 촉진을 제어하기 때문입니다.

망간 산화

BOS 공정에서 Mn 산화 반응은 다소 복잡합니다. 탑 블로운 컨버터에서 Mn은 취입 초기 단계에 MnO로 산화되고, 대부분 Si가 산화된 후 Mn이 욕조 금속으로 환원됩니다. 마지막으로 취입 말기에 더 많은 O₂가 산화에 이용 가능해지면 욕조 금속에서 Mn이 감소합니다. 바닥 취입이나 복합 취입 컨버터의 경우 Mn 산화 패턴은 유사하지만 컨버터 욕조 액체 강철의 잔류 Mn 함량은 탑 블로운 컨버터보다 높습니다.

인 산화

컨버터 내 산화 조건은 욕조 금속의 탈인을 촉진합니다. 탈인 반응은 욕조 내 금속과 슬래그 상호작용으로 일어납니다. 낮은 욕조 온도, 높은 슬래그 염기도(CaO/SiO₂ 비율), 슬래그 내 높은 FeO 함량, 높은 슬래그 유동성, 좋은 욕조 교반 같은 파라미터가 탈인 반응을 촉진합니다. 욕조 금속의 인 함량은 취입 초기에 감소하다가, 주 탈탄소 기간에 FeO가 감소하면 P가 욕조 금속으로 재유입(reversion)되고, 최종적으로 취입 말기에 다시 감소합니다. 욕조 교반은 금속과 슬래그 혼합을 개선해 탈인 속도를 돕습니다. 형석(fluorspar) 같은 플럭싱 제제 첨가와 좋은 교반은 CaO 용해를 증가시켜 고염기도 유동성 액체 슬래그를 만들어 P 제거를 개선합니다.

황 반응

S 제거는 높은 산화 조건 때문에 BOS 공정에서 그다지 효과적이지 않습니다. S 분배 비율(슬래그 %S / 금속 %S)은 약 4~8로, 2차 제강 공정 중 강철 레들(약 300~500)보다 훨씬 낮습니다. BOS 공정 중 욕조 내 S의 약 10~20%가 O₂와 직접 반응해 SO₂(이산화황)를 형성합니다. 나머지 S는 슬래그-금속 반응 S + CaO = CaS + FeO로 제거됩니다. 슬래그에 의한 S 제거는 높은 염기도와 낮은 슬래그 Fe 함수로 돕습니다. 액체 강철의 S 함량은 컨버터에 장입된 용선과 스크랩에 포함된 S에 크게 영향을 받습니다.

BOS 공정 중 일어나는 반응은 이종 반응이며 서로 다른 길이 스케일에서 일어납니다. 벌크 금속 욕조 상, 벌크 슬래그 상, 기체 상이 있습니다. 반면 많은 반응은 슬래그/금속/가스 에멀전 상에 분포된 미세 방울과 기포 스케일에서 일어납니다. 길이 스케일 차이는 시간 스케일 차이도 만듭니다. 금속 욕조는 12~15분 전체 히트 사이클 동안 변화를 보이지만 방울은 약 1분 만에 완전한 정제 사이클을 겪을 수 있습니다. 따라서 공정 역학 그림은 상용 및 파일럿 플랜트에서의 관측과 측정, 신중하게 설계된 실험, 수학적 모델링을 기반으로 수년간 진화해 왔습니다.

전형적인 용선 조성은 C 4.5%, Si 0.3~0.5%, Mn 0.2~0.7%, P 0.1~0.18%, S 0.02~0.03%, 온도 1,350℃일 수 있습니다. 액체 철 존재 하 환원 상태에서만 슬래그로 S를 제거할 수 있으므로 염기성 산소 제강의 산화 공정은 상당한 양의 S를 제거하지 않습니다. 전체적으로 중요한 반응은 (i) [Si] + {O₂} = (SiO₂), (ii) [Mn] + ½{O₂} = (MnO), (iii) [C] + ½{O₂} = {CO}, (iv) 2[P] + 5/2{O₂} = (P₂O₅), (v) Fe(l) + ½O₂(g) = (FeO)로 쓸 수 있습니다. [-], {-}, (-)는 각각 금속 욕조에 용해된 준금속, 기체, 슬래그 성분을 나타냅니다. 그림 2a는 200톤 컨버터에서 취입 중 반응 진행을 보여줍니다. 다른 컨버터 측정도 유사한 패턴을 보입니다. 그림 2b는 해당 슬래그 조성 변화를 보여줍니다.

그림 2 취입 중 욕조 탄소 함량 변화와 슬래그 조성 변화

금속 조성 변화에서 주목할 만한 특징은 Si가 매우 낮은 수준으로 떨어지기 전에도 상당한 양의 C가 동시에 제거된다는 점입니다. 이는 O₂ 취입 시작 후 짧은 시간 내 컨버터 입구에서 CO 화염이 치솟는 관찰로도 뒷받침됩니다. 이는 이제 구식인 베세머 컨버터나 OBM 공정(바닥에서 공기/O₂ 취입)과 대조됩니다. 이 두 공정에서는 의미 있는 화염 출현에 시간이 걸려 탄소 산화가 Si가 상당히 낮은 값으로 떨어질 때까지 시작되지 않는 것으로 가정되었습니다.

열역학적으로, 위에서 언급한 입력 조건에서 어떤 국소 위치에서의 용질 산화 반응 순서는 Si, Mn, C, P 순입니다. 즉, 취입 초기 조건에서 Si가 C보다 먼저 산화됩니다. 낮은 초기 온도 자체가 Si 반응을 유리하게 만듭니다. 또한 생성물 SiO₂는 처음부터 유지되는 고염기 조건에서 매우 낮은 활성을 가집니다. 반면 CO 분압은 거의 0.1MPa(1기압)로 유지됩니다. 예를 들어 SiO₂ 활성 0.001을 가정하면 4.5% C와 0.5% Si와 평형인 pO₂는 각각 1~1.7MPa, 1~1.9MPa입니다. 이 특징이 공정 역학과 반응 메커니즘 분석을 흥미롭게 만듭니다.

공정 특징

공정으로부터의 피드백 정보가 제한적이므로, 얻을 수 있는 정보에서 관찰된 특성으로부터 공정 역학 모델을 구축할 필요가 있습니다. BOS 공정의 중요한 특징은 다음과 같습니다.

반응 속도가 극도로 빠릅니다. 최대 탈탄소 시 C는 분당 약 0.3% 속도로 제거됩니다. 즉, 200톤 컨버터에서 분당 약 600kg C 제거(그림 2a)입니다. C 반응은 세 전형적 기간(그림 2a)을 보입니다. (i) 속도가 증가하는 초기 기간, (ii) 이 기간 동안 욕조 탄소 함량이 약 3.5~4.0%에서 지속적으로 떨어짐에도 속도가 상대적으로 일정한 중간 기간, (iii) 임계 탄소 함량 이후 속도가 떨어지는 최종 제3 기간. 임계 탄소 함량은 보통 0.2~0.5% 범위입니다.

그러나 동일한 취입 조건의 개별 히트들은 넓은 재현성 부족을 보입니다. 동일한 입력과 공정 파라미터의 두 연속 취입이 꽤 다른 거동을 보일 수 있으며, 일부 취입은 슬로핑(slopping, 금속-슬래그-가스 에멀전이 컨버터 입구로 끓어넘침)이나 드라이 슬래그와 스피팅(spitting, 랜스와 입구 빌드업 초래)을 보이기도 합니다. 재현성 부족은 바닥 취입 교반 가스가 아직 도입되지 않았던 BOS 공정 초기 시절에 훨씬 더 만연했습니다. 냉각재로 더 적은 스크랩을 사용하는 것도 재현성 향상과 슬로핑 감소로 이어질 수 있습니다.

여러 BOS 공장 연구 결과, 최대 탈탄소 속도는 O₂ 취입 속도에 정비례하는 것으로 나타났습니다. 실험실 규모 컨버터 취입 실험에서도 O₂ 취입 속도 증가와 랜스 높이 감소가 최대 탈탄소 속도에 미치는 영향이 유사함이 밝혀졌습니다.

MEFOS(스웨덴 연구소) 파일럿 컨버터 실험에서 탑 블로운 컨버터 높이 방향으로 농도 구배가 존재함이 밝혀졌습니다. 이는 엄청난 탑 제트 운동량에도 불구하고 탑 취입이 금속 욕조를 잘 혼합하지 못함을 나타냅니다. 그러나 바닥에서 아주 적은 양의 불활성 가스를 취입하면 이 차이가 사라졌습니다.

BOS 공정 슬래그에는 상당량의 금속이 방울 형태로 슬래그 상에 포함되어 있음이 잘 알려져 있습니다. 양은 취입 중 변하며 취입 중간 부분에서 가장 높습니다. 추정치는 10~25% 범위입니다. 이 방울들은 꽤 미세해 대부분 1~2mm 미만입니다. 에멀전 내 방울 수는 취입 말기로 갈수록 줄어듭니다. 방울들은 일반적으로 벌크 금속 욕조보다 훨씬 진보된 정제 상태에 있습니다.

취입 대부분 동안 슬래그-금속-가스 에멀전이 존재합니다. 취입 약 1/3 시점에 에멀전 높이가 약 2m를 넘어 랜스 팁을 잠기게 하고 초음속 제트 소리를 약화시킵니다. 때로는 에멀전이 전체 로를 채워 입구로 끓어넘치기도 합니다(슬로핑). 취입 말기 임계 탄소 함량을 넘으면 에멀전이 붕괴되어 에멀전이 일시적이며 지속적인 가스 생성이 생존에 필요함을 나타냅니다.

앞서 언급했듯 C, Mn, P는 취입 초기 부분에서 Si와 동시에 산화되며, 이는 벌크 금속 조성 기반으로는 Si 반응이 다른 반응보다 선호될 것이라는 기대와 대비됩니다. Mn과 P 반응은 슬래그 내 활성으로 어느 정도 설명 가능합니다. C 반응은 벌크 금속 조성이 반응 부위에서 통용되지 않는다는 가설을 쓰지 않으면 설명할 수 없습니다.

취입 중간 부분에서 Mn과 P의 역전(reversion)이 발생합니다(그림 3a). 이는 슬래그 패스에도 반영됩니다(그림 2b). 그러나 역전이 슬래그 FeO 함량과 상관관계 있음이 명확합니다. CaO 용해는 석회가 취입 초반에 첨가되어도 취입 거의 끝까지 계속됩니다. C가 공정 전체 역학을 결정하며 이 반응은 격렬하게 일어납니다. 그림 3a는 취입 중 용융물 조성 변화를 보여줍니다.

그림 3 취입 중 용융물 조성 변화

BOS 공정 역학은 격렬하게 일어나는 C 반응에 의존합니다. 전체 역학은 여러 부위로 나눌 수 있습니다. 다른 반응들은 이 프레임워크에서 이해할 수 있습니다. O₂ 제트는 거의 순수하므로 분자들 상당한 물질 전달 장벽 없이 욕조 표면에 직접 도달합니다. 분자가 충돌하면 다음 중 하나를 할 수 있습니다.

• 충격 부위에서 C와 반응: [C] + ½{O₂} = {CO}, [C] + {O₂} = {CO₂}
• 금속에 용해돼 [O]가 됨. 이는 다른 곳으로 이동해 다른 산화 가능 원소와 반응: O₂ = 2[O]
• 욕조 내 Fe와 반응해 FeO 생성: Fe + ½{O₂} = (FeO). FeO는 슬래그 상으로 이동해 다른 곳 금속과 반응

이 각각은 컨버터 내 서로 다른 가능한 부위에서 정제 반응을 일으키며, 혼합 시 전체 욕조 정제로 이어집니다. 이 다른 부위들은 그림 4에 개략적으로 나와 있습니다.

그림 4 염기성 산소 제강법 반응 부위

C-O 반응이 이종 반응임을 기억해야 합니다. 적어도 하나의 물질 전달 단계가 속도 제한적일 수 있습니다. C는 금속 내부로 확산해 계면에 도달해야 합니다. 기체 상 O₂ 전달, 금속 상 용해 O₂, 슬래그 상 FeO 전달도 O₂ 공급원에 따라 관여할 수 있습니다. 용해된 O₂는 금속 욕조 다른 부분으로 이동해 용해된 C와 반응해 내화물 기체 기공으로 CO 방출(부위 1). 고체 입자 표면에서 이종 핵형성으로 CO 형성(부위 2). 슬래그 층/금속 욕조 계면에서 이종 핵형성(부위 3). 욕조 내 균질 핵형성은 CO 과포화가 매우 높지 않으면 극히 불가능. 앞서 설명했듯 충격 부위에서 직접 CO 반응(부위 5). 충격 부위 근처에서 형성된 일부 FeO가 금속 욕조 표면 아래로 들어가 슬래그/금속 계면을 따라 이동하며 C와 반응해 에멀전 계면 형성(부위 3과 유사). 그러나 대부분 FeO는 슬래그 상으로 전달됨.

이제 여러 가능성이 생깁니다. 슬래그와 금속 욕조 계면에서 앞서 설명한 반응이 일어남(부위 3), O₂는 이제 슬래그 상에서, C는 금속에서 옴. 앞서 설명했듯 슬래그 상에는 제트 충격 부위에서 지속적으로 생성되는 다량의 금속 방울이 포함됨. 따라서 슬래그 내 FeO는 다양한 메커니즘으로 이 방울들과 반응 가능: (i) 계면에서 CO 기포가 이종 핵형성(부위 8), (ii) 방울과 접촉하는 지나가는 기포로 CO 전달(부위 4), (iii) 과포화가 매우 높으면 방울 내부에서 CO 기포가 균질 핵형성(부위 6). 일부 금속 방울이 프리보드로 던져지면 기체 상 O₂나 CO₂와 직접 반응(부위 7).

이 모든 부위가 취입 중 어느 정도 활성화될 수 있지만, 전체 역학을 결정하는 주요 메커니즘을 식별할 필요가 있습니다. 각 부위 기여도는 관측 기반으로 평가 가능. 바닥 가스 주입 없이 욕조가 농도 구배를 보이는데, 탑 가스 흐름 대비 1%만큼 바닥에서 불활성 가스를 불어넣으면 이것이 사라진다는 사실은 부위 1과 2 메커니즘이 중요하지 않음을 시사합니다.

충격 구역 표면 온도는 2,120℃ 이상으로 예상됨. 따라서 화학 반응 속도는 매우 높을 것으로 예상. 충격 부위 면적은 상대적으로 작고 O₂ 도착 속도는 매우 높음. 그러나 용질은 계면으로 확산해야 하고 열은 금속으로 전도되어야 함. 신선한 금속이 계면으로 가져와져 큰 표면 속도로 바깥쪽으로 쓸려 나감. 이런 상황에서 충격 표면이 용질 고갈로 Fe만 남아 O₂와 반응하는 층을 남길 것으로 예상 가능. 궁극적으로 벌크 금속 조성의 금속 층이 완전히 산화되고 응축상 산화물이 슬래그 층으로 전달된다고 가정하는 것이 합리적. 탄소 함량이 약 5%(20~25몰%)일 때 이 근사는 공급 O₂ 약 25%가 이 부위에서 C(CO, CO₂)용으로 소비됨을 의미. 금속 측 물질 전달이 속도 조절이 아니라고 가정하고 계산하면 기여도는 약 40%로 추정. 한때 이 메커니즘이 주요 메커니즘(핫 존 또는 임팩트 존 이론)으로 여겨짐. 이 부위에서 바깥쪽으로 흐르는 금속 층은 앞서 언급한 대로 O₂로 포화될 수도 있음.

에멀전 내 반응이 주요 반응 부위들(부위 4, 6, 8)을 포함하는 것으로 보임. 에멀전 내 방울들은 극도로 큰 비표면적을 가짐. 슬래그 내 적절한 FeO 양이 있으면 방울 내 모든 정제 반응이 분 단위가 아닌 수십 초 만에 일어날 수 있음. 4.5% C를 가진 3mm 금속 방울은 자기 부피 3,000배 CO를 발생시킬 수 있음. 이것이 점성 슬래그를 탈출하며 에멀전화함. 에멀전 형성, 방울 생성, 방울 체류 시간 등 복잡한 상호작용이 전체 역학에 크게 기여. 방울이 기체 상과 직접 반응하는 것은 주로 취입 처음 몇 분 동안 완전한 슬래그 층이 아직 형성되지 않았을 때 중요.

이 전체 공정 역학을 종합적으로 보기 위해서는 초음속 가스 제트, 금속/슬래그 욕조와의 상호작용, 방울 생성과 체류 시간, CaO 용해, 욕조 혼합 등에 대한 배경 지식이 필요합니다.

기체 내 기체 제트는 주변 기체를 주변부에서 포집합니다. 교란층이 제트 축에서 몇 노즐 직경 하류(잠재 핵심 영역)에 도달한 후 흐름은 자기유사 반경 방향 속도 프로파일로 완전히 발달. 축 방향 속도는 운동량 보존을 위해 거리에 반비례해 변함. 일반적으로 제트는 주변 기체 밀도가 제트 기체 밀도와 같으면 약 10~12도 반원뿔 각도로 팽창. 주변이 더 가벼우면 질량 효과로 팽창이 적음.

초음속 제트에서 압축성 인자가 제트 팽창에 영향. 제트는 축 방향 속도가 음속으로 감속될 때까지 크게 팽창하지 않음(초음속 핵심). 이후 아음속 제트처럼 팽창함(그림 5). BOS 컨버터 내 O₂ 제트 최근 CFD(전산 유체 역학) 연구에 따르면 축 방향 속도가 약 1m 거리까지 거의 일정하고 축에서 기체 온도가 이 영역에서 약 -170℃로 유지됨. 이후 뜨거운 기체 포집으로 온도가 꾸준히 상승. O₂ 랜스는 출구 마하 수 약 2로 운영되어 일정 거리 유지하면서 좋은 제트/금속 상호작용을 가능하게 함.

그림 5 수렴-발산 노즐에서 흐르는 산소 제트 초음속 핵심

BOS 컨버터 내 CO 분위기에 O₂ 제트가 잠기면 O₂ 농도가 상당히 떨어질 수 있음에 유의.

고속 제트가 금속 표면에 부딪히면 크레이터가 형성되며, 가장자리는 빗나간 제트 고속으로 매우 불안정해 금속 방울을 던져냄. 충분히 높은 값에서 제트는 재진입(re-entrant)되어 일부 방울이 제트 자체로 던져져 매우 불안정한 크레이터가 진동하고 회전함. 슬래그 층이 있으면 이 방울들이 슬래그에 포착되어 방울-슬래그 에멀전 형성.

크레이터 깊이는 크레이터 중심 정체점에서 운동량 균형으로 계산 가능. 다양한 액체와 기체로 상온 실험하고 2차원 2상 수은-글리세롤 모델로 에멀전 현상 정량 연구 결과, 예상대로 에멀전 내 방울은 가스 유량에 따라 증가하고 랜스 팁에서 액체 표면 거리(랜스 높이)에 반비례함. 물 3차원 모델로 슬래그 대표 상층이 있는 상태에서 방울 생성율 실험 결과, 두 영역이 있음. 낮은 유량 영역에서 유량에 비선형적으로 증가, 두 번째 영역에서 유량에 거의 선형적으로 변화. 웨버 수(Weber number)가 흐름 현상 특성화에 사용됨. 방울 생성율(kg/초)은 블로우 넘버 함수로 실험적으로 상관관계 도출. 동시 바닥 가스 주입이 탑 제트와 거의 동축일 때 방울 생성을 증가시킬 수 있음. 슬래그 상 존재가 생성율을 상당 부분 변경 가능.

마하 2 초음속 제트에서 출구 기체 온도는 약 -100℃. 이후 낮은 밀도 컨버터 기체 포집. 기체 온도, 속도, 조성이 욕조 충격 때 변화. 따라서 이 상관관계는 큰 불확실성으로 인해 BOS 모델에서의 유용성이 충분하지 않음. 다른 상관관계가 없으므로 보통 위 상관관계를 방울 생성에 사용하고 필요시 튜닝.

반응 속도는 방울 크기에도 의존. 여러 연구가 작동 컨버터나 실험실 열 모델에서 에멀전 시료 채취. 이 연구들은 일반적으로 크기가 0.05~3mm 범위임을 발견. 선철과 O₂ 실험 연구에서 큰 액체 덩어리들이 던져져 나오는데, 이들은 에멀전에서 무시할 만한 시간만 보냄. 이런 근사와 상관관계가 분명히 부적절하지만 더 나은 상관관계 부족으로 대부분 모델이 사용.

한 연구에서 고P 철 정제 중 형성된 발포 슬래그에서 대량 금속 방울 발견. 다른 연구에서 230톤 컨버터 탭 구멍으로 배출된 시료 수집 분석으로 유사 관측. 여러 다른 연구들도 유사 관측.

앞서 언급했듯 방울들은 다양한 진보된 정제 상태에 있으며, 일부는 거의 완전히 정제되었으나 욕조에는 아직 상당한 C가 남아 있음. 에멀전 내 금속 비율은 크게, 욕조 무게 약 25%까지 추정. 평균 크기 1mm 가정 시 약 40,000㎡ 표면적에 해당. 한 연구에서 컨버터 정제가 주로 에멀전 상에서 일어나고, 욕조는 방울 낙하에 의한 희석으로 정제된다는 에멀전 이론 제안. 컨버터 에멀전은 슬래그-금속-가스 시스템. 슬래그-가스 폼에 금속 방울이 분포된 것으로 시각화 가능.

여러 방울이 높은 O₂ 과포화를 보이며, 이는 더 미세한 방울이 CO 방울 파열 균질 핵형성으로 생성되었을 가능성 제기. 일부 방울은 기포 부착 증거 보이고 일부는 중공임. 자기 부상 및 자유 낙하 방울 산화 가스 반응 실험 결과 흥미로움. C 함량 높을 때 표면 반응이 CO 연소로 증거됨. C 함량 내려가면 아표면 핵형성 나타내는 작은 방울들 던져짐. 더 낮은 C 함량에서 방울들 파열, O₂ 과포화와 방울 깊은 내부 핵형성 나타냄. 평형 CO 대비 약 5MPa 과포화가 방울 파열 시 보고됨.

한 연구에서 방사성 금 동위원소 추적자 기술로 컨버터 내 방울 체류 시간 측정. 진보된 탈탄소 상태 방울 최대 체류 시간 약 2분 추정. 자유 낙하 기준 체류 시간은 슬래그가 훨씬 더 높게 에멀전되어도 몇 초 수준. 높은 체류 시간은 설명 필요.

단일 Fe-C 방울이 용융 산화 슬래그에서 반응하는 X선 시각화 실험 여러 건에서 방울이 탈탄소 시작과 동시에 부력 받아 표면으로 떠오르고 CO 버블링 진정될 때까지 표면 머무름 확인. 또한 방울 체류 시간이 기포 형성에 의존해 방울을 부유시킴 확인.

CO 형성이 방울을 부유시키는 메커니즘에 두 견해 존재. 한 연구는 블로티드 드롭렛 이론(bloated droplet theory) 제안: CO가 방울 내부에서 균질 핵형성해 중공 방울이 되고 겉보기 밀도 낮아져 부유. 다른 견해는 기포가 방울/슬래그 계면에서 이종 핵형성하고 기포가 방울에 붙어 있는 동안 방울 부유. X선 형광 연구 시각 증거는 둘 명확히 구분 못 함. 격렬한 탈산화 중 풍부한 기포 발생으로 핵형성 장벽 없어 보임은 계면 핵형성 시사.

높은 C 농도에서 방울 내 C 물질 전달이 속도 조절이 아니면 최고 CO 과포화는 방울 표면에서 보임. 따라서 기포가 계면에서 이종 핵형성하려면 분리 전 계면에서 시간 보낼 필요. 여러 기포 붙을 수 있어 방울 부유 유지. C 낮아지면 계면 핵형성 산발적, 기포 붙지 않는 기간에 O₂ 금속 용해 확산. 최고 과포화 영역 안쪽으로 이동, 처음 아표면, 그 후 방울 깊은 내부. 아표면 핵형성으로 작은 방울 던져짐, 그 후 깊은 내부. 이 균질 핵형성 사건들 아마 산발적, 확률적.

동시 겉보기 밀도, 기포 없거나 적으면 높음, 방울 금속 욕조로 낙하. 방울 낙하 임계 C 함량은 방울 크기, 슬래그 산화 전위(FeO 물질 전달 속도), 산발적 핵형성 사건(표면 또는 내부)에 의존. 임계 C 함량 정확히 예측하는 경험적 작업 부족. 부상 방울 실험 증거도 이런 사건 시리즈 가리킴, 전자기장 교반으로 컨버터와 조건 다름 특히 방울 내 물질 전달 측면에서.

컨버터 맥락에서 방울 표면은 기포들로 지속적 교란. 두 상반 효과. 방울 표면 일부 기포로 덮여 슬래그→방울 물질 전달 불가. 방울 표면은 기포 형성과 분리로 격렬 교반돼 국소 물질 전달 향상. 여러 간접 추정. 한 연구에서 고온 단일 방울 실험 P 전달율로 슬래그 내 FeO 물질 전달 계수 간접 추정, 값은 10⁻⁵~10⁻⁴ m/s 사이. 다른 연구 유사 값 추정. 차원 없는 변수로 합리적 상관관계 얻기 위해 냉간/열 모델 적절한 실험 연구 필요.

가스 제트와 대량 가스 통과로 슬래그는 컨버터에서 매우 잘 교반되지만, 탑 블로운 컨버터 금속 욕조는 비교적 혼합 불량. 탑 블로운 컨버터 혼합 시간(t95, 95% 균질도 도달 시간) 측정값 150~180초, 바닥 취입 OBM 컨버터 10~20초 대비. 이는 반응 역학에 영향. 금속 방울이 상층에서 제거되고 에멀전 정제 방울이 상층으로 낙하. 많은 열도 슬래그에서 방출돼 슬래그와 낙하 방울도 더 뜨거움. 바닥 천천히 용해되는 스크랩으로 조성 및 온도 성층화도 가능.

높은 혼합 시간은 혼합 시간 재현성 부족과 대응, 바닥 취입 없이 재현성 없는 취입 거동 초래. 예: 바닥 높은 C 함유 금속 대형 에디(eddy)가 금속 욕조 표면으로 올라오면 탈탄소 속도 급증으로 불안정 야기. 따라서 컨버터 바닥 불활성 가스 주입으로 혼합 시간 단축이 표준 관행.

바닥 가스 주입 속도와 가스 도입 다공성 요소 위치가 반응 역학에 영향 주므로, 조성 및 온도 변화 정량 예측 위해 혼합 거동 정량화 필요. 단일 평균 t95 값은 컨버터 포괄 모델에 불충분. 두 다른 혼합 곡선이 유사 t90(90% 균질도 시간) 주고 다른 t95 줄 수 있음. 타협안은 두 매개변수 모델, 두 혼합 시간(t90, t95) 추정 기반. 금속 욕조를 두 교반 탱크 반응기(STR)로 이상화, 금속 지속 교환. 바닥 부분은 스크랩 용해만, 상부 부분은 앞서 설명한 모든 현상. 이 모델 두 매개변수, 반응기 크기 비율과 금속 교환율은 다양한 운전 조건에서 컨버터 혼합 시간에 맞춰 피팅 가능.

슬래그 형성과 플럭스 용해

취입 초반 장입된 플럭스(석회, 소성 돌로마이트)는 발달하는 산화물과 용해되어 액체 슬래그 형성. 이 플럭스 용해 속도는 취입 중 슬래그-금속 반응에 강력 영향. 취입 시작 시 랜스 높이를 욕조 위로 높게 유지해 초기 슬래그 SiO₂와 FeO 풍부. 이 기간 대량 플럭스 장입. 랜스 낮추면 취입 약 1/3 시점 슬래그 FeO 감소와 CO 생성 결합으로 슬래그 발포 시작. 취입 진행되면서 CaO 슬래그 용해, 활성 슬래그 무게 증가. 취입 약 3/4 진행 후 탈탄소 속도 감소로 슬래그 FeO 함량 증가.

취입 중 액체 강철 온도 점차 1,350℃에서 1,650℃로 상승, 슬래그 온도 액체 강철보다 약 50℃ 높음. 턴다운 시 슬래그에 미용해 석회가 액체 슬래그와 혼합된 영역 포함 가능. 석회 용해는 제강 온도에서 고체인 2CaO·SiO₂(이규산이칼슘) 코팅으로 제한돼 급속 용해 방해. 플럭스 내 MgO 존재가 이 코팅 약화. 따라서 초반 MgO 장입이 석회 용해 가속으로 슬래그 형성 촉진.

컨버터는 대량 CO 처리를 위해 높은 염기도(높은 CaO 함량) 유동성 좋은 슬래그 유지 필요. P 효율적 제거 위해서도. 따라서 컨버터 운전자는 최종 슬래그 CaO/SiO₂ 비율 3.0 초과 달성 시도.

그림 6a는 CaO-SiO₂-FeO 삼성분계 액상선 윤곽. 1,350℃, 즉 취입 시작 시 이 시스템에서 달성 가능한 CaO/SiO₂ 비율은 약 1.6~1.7로 제한됨. MgO 첨가로 약간 개선 가능(그림 6b) 및 이월 슬래그 일부 Al₂O₃로. 최종 슬래그에서도 1,650℃, 25~30% FeO에서 최대 CaO/SiO₂ 3.0 미만. 이는 미용해 석회 자주 보이는 슬래그 분석과 일치. 컨버터 슬래그 CaO 용해도 문제 외에도, 고규산 슬래그 존재 시 석회 입자 패시베이션됨. 용해 석회 입자 표면에서 CaO 농도 최고이므로 이규산이칼슘 여기서 형성. 이 화합물은 고내화성일 뿐 아니라 부착층 형성해 추가 용해 지연.

높은 온도에서 장기간 미용해 상태인 석회 입자는 소결돼 반응성 낮아짐. 부착층 깨는 한 방법은 슬래그 내 높은 FeO 함량. 이 때문에 취입 처음 몇 분간 랜스 높이 올려 FeO 25~35% 이상 쌓이는 소프트 블로(soft blow) 관행. 용해도에 미치는 효과는 미미(그림 6)하지만 부착 이규산이칼슘 층 파쇄로 추가 용해 허용.

형석(CaF₂) 같은 첨가제 이 효과 훨씬 효율적이나 최근 여러 이유로 용인되지 않는 플랜트 관행. 그림 6은 상도, 6a는 CaO-SiO₂-FeO 계 액상선 등온선, 6b는 MgO 첨가 액상선 영향.

그림 6 상도

공정 흐름과 반응 역학

컨버터 내용물은 (i) 금속 욕조(바닥과 상부로 나눌 수 있으며 금속 교환), (ii) O₂ 제트와 충격 구역, (iii) 주로 슬래그-금속-가스 에멀전 형태인 슬래그 구역 등 중요 구역으로 나눌 수 있습니다. 취입에는 세 구분된 단계가 있습니다. 초기 단계는 이전 히트에서 이월된 일부 슬래그와 고체 석회 섬들로 덮인 벌거벗은 금속 욕조 특징. O₂ 제트 금속 욕조 충격 두 주요 일 수행. 첫째, 금속 거의 한 층 전체 산화로 CO, SiO₂, MnO, P₂O₅, 다량 FeO 생성. 모든 O₂ 이 위치서 소비 안 됨, 위 기체 CO₂/CO 비율 높고 일부 O₂ 배가스 분석서 보임. 제트 금속 방울 기체 상 던짐, 자유 비행 후 낙하. 기체 산화성으로 비행 중 방울 정제. 방울 표면 반응 순서 열역학 결정.

각 용질 반응에 기체 상 CO₂/O₂ 물질 전달, 액체 상 용질 물질 전달 등 물질 전달 단계 포함. 계면 화학 반응 이 온도서 매우 빠를 것. 반응 순서 계면 반응 경쟁 O₂ 위해 물질 전달 방정식과 자유 에너지 최소화 풀이로 달성 가능. 보통 Si, Mn 다음 C, P 순. 비행 시간 보통 1초 이하, 방울 낙하 전 Si 반응 부분만 완료 가능. 방울 작을수록 더 큰 비표면적으로 정제 더 진행. 금속 욕조 나머지 표면 반응은 방울 대비 작은 표면적 때문에 작음.

기체 상 물질 전달 랜츠-마샬(Ranz-Marshall) 타입 상관관계로 쉽게 계산 가능. 공정 초기 단계 방울들 용질 높음, 기체 상 물질 전달 속도 조절 예상. 작은 방울들 강체 고려, 방울 내 용질 순수 확산 가정 가능. 방울 낙하 시 방울 응축상 산화물 생성물 욕조 상단 남아 충격 부위 산화물과 첨가 플럭스 결합 액체 슬래그 형성 시작. 앞서 언급 다량 FeO 충격 부위 형성, 액체 슬래그 형성 용이. 잠시 후 금속 욕조 덮는 액체 슬래그 층 형성. 점점 더 많은 방울들 슬래그로 던져짐. 기체 상 던져진 방울들 이제 금속 욕조 도달 전 슬래그 상 통과. 추가 정제 슬래그서 일어남.

초기 슬래그 층 얇고 방울 Si, Mn 높을 때 방울 C 반응 시작 전 낙하, 특히 큰 방울 기체 발생 없음. C 높은 작은 방울들 조기 탈탄소 시작 CO 방출, 슬래그 서서히 에멀전화. 이 초기 단계 입구 화염 낮음, CO 생성 비교적 낮음. 금속 욕조 Si 어느 정도 떨어지면 탈규소화 상당히 진행돼 방울 낙하 전. C 반응 시작, 방울 앞서 설명한 임계 C 함량 도달까지 에멀전 부유. 슬래그 상에서 속도 C 방울 높을 동안 슬래그 상 FeO 물질 전달로 제어 예상. 방울 임계 C 도달하면 버블링 둔화 후 중단, 방울 낙하. 임계 C 주로 욕조 FeO 함량 결정. 에멀전 급속 축적, 에멀전 제2 반응 단계 시작. 컨버터 입구 화염 커짐. 랜스 팁 에멀전 잠김.

제2 단계 거의 모든 방울들 에멀전 던져짐, 기체 상 반응 중요치 않음. 탈탄소 반응 시작 전 평온 방울들 슬래그 내 체류 시간 단 몇 초 수준임 주목. 정제 극대화 위해 운전자 탈탄소 반응 시작 전 방울 낙하 전 빠르게 도달해야. 반응 가속 한 방법 슬래그 FeO 함량 높게 유지. FeO 최대한 일찍 증가시켜야 다른 이유 탈탄소 속도 최고치 도달 시 대량 가스 슬래그서 빠르게 빠져나가게 유동성 슬래그 갖기 위함. 아니면 에멀전 높이 제어 불가 축적→넘침, 슬로핑.

슬래그 FeO 함량 충격점 생성과 에멀전 방울들 소비 균형. FeO 생성 아마 랜스 높이에 약하게 의존, 높은 랜스→제트 충격력 낮아 방울 생성 적음, 반대도 마찬가지. 따라서 높은 랜스 관행, 소프트 블로, 슬래그 FeO 급속 증가. CaO 용해 촉진, 유동성 슬래그 형성. 초기 소프트 블로, 보통 3~4분, 정상 플랜트 관행.

최적 시점 랜스 낮춰 높은 반응 속도 유도. 방울 생성율 높음, 욕조 이미 탈규소화, 방울들 C 낮아질 때까지 격렬 탈탄소 후 낙하. 이 최대 탈탄소 속도 기간 동안 금속 욕조 큰 부분 에멀전 방울로 남아. 이 방울들 에멀전 체류 시간 다르고 정제 단계 다름. 정제 정도 방울 크기에도 의존. 방울들 두 변수, 생성 시간(나이)과 크기로 특징지어짐. 방울 특성 C 함량 도달 시 낙하 시작, 크기, 슬래그 FeO, 온도 의존. 방울 마지막 단계 계면 O₂ 전위 높음, 다른 조건 유리하면 P도 제거. 낙하 방울들 금속 욕조 상층 겉보기 정제, 혼합 통해 나머지 욕조 정제. 방울 정제 시간 0.5~2분 수준, Si 시료 여전히 상당량인데도 벌크 금속 시료 C, Mn, P 하락 보임(그림 3a).

전체 반응 속도 어느 정도 자기교정. 에멀전 방울 수 감소→속도 감소→금속 욕조 레벨 상승→유효 랜스 거리 감소→방울 생성 증가. 이가 취입 중간 부분 탈탄소 속도 근일정 이유 중 하나. 그러나 에멀전 진입 방울 C 함량 계속 하락→체류 시간 하락. 운전자 랜스 점진적 하강으로 방울 생성율 상응 증가 필요. 그림 7a 일반 취입 랜스 높이 변화.

그림 7 랜스 높이 변화와 인 분배 비율 진행

욕조 C 낮아져 취입 최종 단계 진입하면 속도 이제 방울 진입 시에도 방울 내 C 확산으로 제한. CO 생성 낮아 방울 부유 못 시킴. 체류 시간 몇 초로 하락, 랜스 높이가 랜스 건강 허용 최저로 낮아져도 에멀전 방울 수 감소. 에멀전 쇠퇴. 이때 탈탄소 속도 하락, 슬래그 FeO 급속 축적. 속도 낮아 FeO 함량과 강철 용해 O₂ C-O 평형 지시 이상 증가. 이때 운전자 Ar 교반 속도 높여 추가 O₂ 없이 방울 생성율 증가. 어느 정도 도움.

인 제거가 BOS 공정에서 이슈가 되어 재취입(re-blow) 초래 가능, 특히 입력 용선 P 높을 때(약 0.2%). 조건 보통 최종 슬래그 높은 FeO, 높은 염기도로 유리하지만, 취입 전체 슬래그 레짐 신중 관리 안 되면 운전자 불리 상황 빠질 수 있음. P 열역학 잘 알려짐. 반응 분자종 또는 이온 형태 기술. 반응 2P + 5/2O₂(g) = P₂O₅(l), P + 5/4O₂(g) + 3/2(O)²⁻ = (PO₄)³⁻. 전자 경우 평형 상수 쓰고 라울티안 활성도 계수 슬래그 조성 함수로 표현. 이온 형태 채택 시 슬래그 인산 용량(phosphate capacity) 방정식 쓰고 경험적으로 슬래그 조성과 상관. 두 접근 개념적 유사. P, O₂ 분압 열역학 데이터로 금속 % 용해 또는 슬래그 FeO 활성도로 변환 가능. 조성 함수 슬래그 데이터, 라울티안 활성도 계수 또는 인산 용량, 여러 연구서 경험적 결정. 취입 중 슬래그 분석 알려지면 벌크 슬래그-벌크 금속 간 P 분배 계수 진행 계산 가능.

취입 초기 기간 욕조 C 높고 Si 포함. 따라서 슬래그/금속 계면 O₂ 전위 낮음. 벌크 금속/슬래그 계면서 매우 높은 탈인율 기대 안 됨. 반면 금속 방울들 1~2분 만에 고도 정제, 금속 욕조 복귀 전 계면 높은 O₂ 전위 가짐. 이 때 분배 계수 높음, FeO 함량 소프트 블로로 높음, 온도 낮음, 일부 CaO 미용해. 에멀전 방울 수도 매우 많음. 따라서 탈인율 매우 높음(그림 3a). 취입 말기 다시 슬래그 조건 유리, 높은 FeO, 높은 염기도, 온도 상당 상승. 하지만 이 기간 인 제거율 높지 않음, 방울 수 적고 표면적 작아 모든 반응 느림.

이때 격렬한 Ar 교반 도움, O₂ 흐름 멈춘 후 일정 시간까지, 한정적 정도. 취입 중간 부분 운전자 전체 탈인 효율 극대화 최고 기회. 소프트 블로 후 랜스 점진적 하강으로 높은 탈탄소 속도 내면 슬래그 FeO 상당 감소, 에멀전 붕괴 시작까지 낮게 유지. 슬래그 비교적 '드라이(dry)'해짐. 분배 계수 불리해짐, 금속으로 P 역전 쉽게 발생. FeO 레벨 낮을수록 역전 커짐. 이 역전 마지막 부분 부담 증가, 반응 속도 어쨌든 낮음(앞서 설명).

따라서 취입 중간 부분 FeO 함량 엄격 제어 필요, 운전자 저P 강 만들려면. 각 단계 조기 랜스 하강→매우 낮은 FeO(12~15% 미만). FeO 함량 방울 생성율(소비율)과 FeO 생성율 균형 결정. 하지만 매우 낮은 슬래그 FeO 탈탄소율도 낮춤. 매우 높은 FeO 슬로핑 초래.

높은 FeO 함량 랜스 관행 수정으로 달성 가능. 중간 레벨 랜스 높이를 정상보다 약간 높게 유지. 운전자 랜스 하강 약간 지연, 제어 불가 에멀전 축적 안 되게 주의. 이 기간 분산 철광석 첨가로도 달성 가능.

BOS 컨버터 제강 화학 요약. O₂ 제강 열역학에서 초기 O₂가 용선에 불려가 용해 Si와 우선 반응, 금속 표면 떠다니는 SiO₂ 형성. 반응속도론에서 O₂ 일부 용해 C와 Fe 원자와 반응 예상. CO 기체 형성 공정 점화 순간 발생. 소성 석회 첨가 산성 슬래그 중화, 초기 액체 FeₓOᵧ와 SiO₂ 혼합물 포함. BOS 컨버터 여러 화학 반응 발생. 주 반응: O₂ 기체→금속 용해, 용해 O₂ 통한 탈탄소, Fe, [Si], [Mn], [P], [V], [Ti] 산화. 취입 중 고체/액체 산화물 생성물 반응 생성물로 형성, 취입 시작 시 첨가된 석회와 결합 컨버터 내 액체 슬래그 형성. 격렬한 CO 기체 형성으로 액체 금속 방울들 슬래그 내 유입, 폼 경향. 따라서 O₂ 취입 중 컨버터 슬래그 실제 슬래그-금속 방울 에멀전, 기체 기포 영향 폼. 에멀전도 반응 유리 부위. 예: C 산화 상당 부분 O₂ 제트 충격 구역서 다수 일어나지만 에멀전 내 금속 방울서도 발생. 나머지 O₂ Fe 산화→FeₓOᵧ. 취입 중 O₂ 금속 방울 관통, CO 기체와 반응 가능. 전체 슬래그-기체 시스템 폼 행동, 컨버터 원뿔로 급속 상승. 따라서 O₂ 유입과 반응 속도 조정해 폼 컨버터 넘치지 않게. 컨버터 내부 부피 비활성 금속-슬래그 욕조 부피 약 9배 커도 슬로핑 빈번.