첨단 스테인리스강 생산: EAF에서 현대 산소 기반 기술까지

스테인리스강 제조 공정

스테인리스강은 10~30% 크롬 함유. 니켈, 몰리브덴, 구리, 황, 티타늄, 니오븀 등 다양한 양 함유.

1970년경까지 스테인리스강 대부분 생산 전기로(EAF) 통해 이루어짐. 강 생산에 톤산소(tonnage oxygen) 사용되며 EAF 스테인리스강 제조 관행 변화. 산소 가스 탈탄 속도 개선용 사용 가능. 고산소 포텐셜 주입으로 달성 가능했으나 크롬 광범위 산화되어 슬래그로 가는 부작용 동반. 이로 인해 산화 크롬 슬래그서 페로실리콘으로 환원하는 명확한 환원 기간 필요.

아르곤 산소 탈탄(AOD) 컨버터 공정 성공적 개발로 이중 공정(duplex process) 스테인리스강 생산 시작. 이중 공정 AOD 컨버터가 대표적이나 오늘 여러 이중 공정 스테인리스강 제조 사용. 이들 공정 EAF 또는 유사 로에서 스크랩, 페로알로이, 타 원료 용융 액체 강 생산. 이 액체 강 대부분 크롬, 니켈 및 타 합금 원소 함유, 컨버터 장입물. 컨버터 저탄소 스테인리스강 달성용. EAF-AOD 이중 공정 다용성으로 제강사 다양한 컨버터 스테인리스강 용융 재검토, 여러 타 컨버터 이중 공정 개발로 이어짐.

일반 전로(BOF) 스테인리스강 제조 개발 1950년대 말 1960년대 초 시작. 1960년대 중반 일부 제강사 기존 BOF 컨버터 부분 탈탄 후 레들 진공 탈탄으로 저탄소 스테인리스강 제조. 삼중 공정(triplex processes)으로 EAF, 예비 불어넣기 컨버터, 최종 정제용 진공 탈탄 유닛 3개 공정 유닛 관여. 강 최종 탈탄, 최종 트리밍, 균질화, 개재물 부상 처리 후 레들 틸팅(teeming) 조업. 거의 모든 삼중 공정에서 주입 레들 진공 처리 주조 전 최종 단계. 그림 1 이중 삼중 공정 루트 비교.

이 모든 개발로 현재 스테인리스강 제조 다양한 공정 사용 가능. 사용 가능 공정 3그룹: 컨버터 공정, 컨버터+진공 공정, 진공 공정.

스테인리스강 생산 일반 원칙

스테인리스강 탈탄은 크롬 산화 최소화해야. 일반적으로 산소 스테인리스강 주입 시 크롬과 철 혼합 산화. 용해 탄소 형성 크롬 철 산화물 환원 시 탈탄 발생. 탈탄 순서:

3O₂(g) + 4Cr = 2Cr₂O₃
Cr₂O₃ + 3C = 2Cr + 3CO(g)

탈탄은 주입 불활성 기체 기포 표면 또는 크롬 산화물 입자 환원 시 생성 CO 표면에서 발생.

탈탄에는 크롬 산화 최소화 기술 필요. 3가지 기본 기술: 온도, 희석, 진공.

• 온도 기술: 이중 공정 개발 전 EAF 스테인리스강 제조 사용. 온도 상승 시 특정 크롬 함량 평형 탄소 함량 감소. 그러나 운전 어려움과 고비용 초래.
• 희석 기술: AOD와 모든 컨버터 공정 사용. 불활성 가스(아르곤 또는 질소) 주입으로 욕조 내 CO 분압 낮춤, 더 높은 크롬 함량 낮은 탄소 함량과 평형 가능.
• 진공 기술: 금속 욕조 진공 적용도 CO 제거, 높은 크롬 함량 낮은 탄소 함량과 평형 가능. 탄소 함량 낮을 때 특히 효과적.

반응 생성 슬래그 신중한 제어 중요. 탄소로 환원 안 된 크롬 산화물 슬래그 잔류, 복합 스피넬(spinel) 형성 가능. 후속 처리(환원 단계)로 산화 크롬, 철, 망간 등 산화 원소 회수 필요. 환원 단계 효과는 슬래그 염기도, 온도, 컨버터 내 혼합 조건, 고체 첨가제 용해 속도론 등 많은 요인 의존.

공정 루트 선택

스테인리스강 제조 다양한 공정 루트 사용 가능. 자본비 운영비 결정 여러 요인 기반 선택. 공정 루트 선택 영향: 원료 가용성, 희망 제품, 하류 가공, 기존 설비 물류, 자본 경제성. 또한 이들 요인 추후 변동 가능하므로 공정 루트 일정 유연성 바람직. 일반적으로 스테인리스강 제조 공정 흐름 이중 또는 삼중 분류. 이중 공정(EAF 제강 후 컨버터 정제) 원료 선택 유연성 경향. 삼중 공정(EAF 제강, 컨버터 정제 후 진공 시스템 정제) 최종 제품 매우 낮은 탄소 질소 규격 시 바람직. 삼중 공정 컨버터→진공 유닛 추가 이송으로 전체 사이클 타임 이중 공정보다 길 경향. 탈탄 수행 2개 로로 내화물 비용 약간 높 경향.

최대 유연성 위해 공장 공정 흐름 이중 삼중 루트 모두 포함 바람직. 최대 원료, 생산 능력, 공정 흐름 유연성 제공. 이 경우 진공 정제 경제적/품질 이유 필요 제품만 삼중 루트 사용.

희석 정제 공정

컨버터서 탈탄 희석 원리 사용. 사용 가스 따라 다른 컨버터. 컨버터 측면 취입(side-blown) 또는 바닥 취입(bottom-blown). 측면 취입 컨버터 사용자 주장: 측면 취입 더 긴 불활성 기체 기포 체류 시간과 개선된 혼합으로 0.1~0.005% 탄소 범위 높은 탄소 제거 효율(탄소 반응 산소/총 취입 가스), 0.005%~0.001% 미만 황 범위 개선된 탈황. 대표적 컨버터 희석 공정 아래 설명.

• AOD 컨버터 공정 – 별도 문서 https://www.ispatguru.com/argon-oxygen-decarburization-process/ 참조
• K-BOP 및 K-OBM-S – 가와사키 제강 K-BOP 공정 통상 탑 산소 취입 BOF 시작. 7개 OBM(Q-BOP) 타입 바닥 튜이어(tuyere) 수정. 튜이어 산소 프로판 취입(튜이어 냉각용). 분말 석회 튜이어 주입 가능. K-OBM-S 공정 포스트 알파인 인더스트리알렌바우(Voest Alpine Industrieanlagenbau, 현 지멘스 VAI) 개발, 가와사키 K-BOP 진화. K-OBM-S 컨버터 바닥 튜이어로 시작. 일부 설치 측면 취입 반응기. 즉 K-OBM-S 컨버터 랜스 탑 취입 + 바닥/측면 튜이어 취입. 현대 AOD와 매우 유사. 그러나 K-OBM-S 공정 튜이어 보호용 탄화수소(천연가스, 프로판) 사용, 내화물 수명 증가 도움.
• 금속 정제 공정(MRP) 컨버터 – 만네스만 데막 휘텐테크닉(Mannesmann Demag Hüttentechnik, 현 SMS 지맥) 개발. 크롬 니켈 함유 용강 MRP 컨버터 장입. 산소 불활성 가스 탈탄. 초기 개발 단계 가스 컨버터 바닥 튜이어 번갈아 취입. 산소 불활성 가스 희석 없이 용융물 직접 취입. 희망 산소 취입 후 불활성 가스만 취입. 산소 취입 후 불활성 취입 사이클 '순환 정제(cyclic refining)' 또는 '펄싱(pulsing)', 개발자 주장 순수 불활성 가스 플러싱 저 CO 분압 달성, 더 빠른 탈탄, 크롬 산화 감소, 환원용 실리콘 소비 감소. 원본 컨버터 이제 MRP-L 공정 진화: 모든 산소 탑 취입, 불활성 가스 바닥 다공성 요소 주입. 바닥 튜이어 교체 가능 바텀 교환으로 용이. 바닥 튜이어로 컨버터 측면벽 침식 덜 발생. 최근 MRP-L 유닛 진공 유닛 결합 삼중 공정 일부로 스테인리스강 제조, 특히 더 낮은 탄소 질소 수준 필요 강종.
• 크루소-루아르-우데홀름(CLU) 컨버터 – CLU 공정 스테인리스강 제조 AOD 공정 유사. EAF 용강 사용. 개발 주요 동기 아르곤 대신 증기 희석 가스 대체 아이디어. 컨버터 바닥 취입, 측면 취입 AOD 컨버터 차별화. CLU 공정 최초 상용 플랜트 1973년 건설. 탈탄 기간 산소-증기 혼합물 주입. 증기 용강 욕조 반응 흡열로 에너지 비효율. 탈탄 0.18% 탄소 이하 계속 시 크롬 산화 AOD 공정보다 높음. 원래 목표 아르곤 소비 감소 달성 가능하나 환원 단계 실리콘 요구 증가 반드시 전체 비용 절감 아님. 전체 기간 증기 사용 바람직하지 않은 수소 함량 정제 강 유발. 따라서 공정 증기, 아르곤, 질소 다양한 양 사용 관행 진화.
• 크루프 복합 취입 스테인리스(KCB-S) 공정 – AOD 공정 등장 전 BOF 컨버터 랜스 탑 취입 스테인리스강 생산 관행. AOD 도입 후 크루프 슈탈 AG 컨버터 수정 랜스와 튜이어 복합 취입 스테인리스강 정제 가능. 공정명 크루프 복합 취입 스테인리스 KCB-S. 동시 공정 가스 도입 탈탄율 증가. 탑 랜스 취입과 욕조 표면 아래 튜이어 취입 매우 높은 탈탄율 달성. 탈탄율 증가로 통상 AOD 단독 대비 정제 시간 최대 30% 단축. EAF 용강 컨버터 장입. 취입 시작 순수 산소 랜스와 측벽 튜이어 동시 주입. 희망 공정 온도 도달 후 취입 중 다양한 첨가. 첨가물: 석회, 페로알로이, 스크랩. 임계 탄소 수준 도달 후 공정 가스 산소 함량 불활성 가스(질소, 아르곤)로 감소. 산소/불활성 가스 비율 4:1, 2:1, 1:1, 1:2, 1:4 낮은 수준 탈탄 추구 시 사용. 탄소 0.15% 도달 시 랜스 사용 중단, 공정 가스 튜이어만 도입. 희망 목표 탄소 수준 도달 시 산소 취입 중단, 실리콘 페로실리콘 첨가 슬래그 크롬 산화물 환원, 요구 실리콘 규격 달성. 석회 타 플럭스제 페로실리콘과 첨가 용해 산소 함량 낮추고 탈황 강화.
• 아르곤 2차 용해(ASM) 컨버터 – MAN GHH 독일 개발. AOD 공정 유사하나 튜이어 용기 바닥 위치. 탑 취입 산소 사용 시 ASM-L 공정 명명.
• 스미토모 탑 바텀 취입(STB) 컨버터 – 스미토모 금속 공업 개발. 순수 탑 또는 순수 바닥 취입 단점 극복 두 개념 결합. AOD 공정 당시 단점 튜이어 침식, 제한된 산소 유량 극복 시도. 탑 랜스 산소 풍부 가스 추가 공급 탈탄 시간 단축.
• 탑 혼합 바텀 불활성(TMBI) 컨버터 – 이 공정 컨버터 바닥 튜이어 장착 불활성 가스(아르곤, 질소)만 주입. 공정 가스 대부분 탑 랜스 도입. 탑 랜스 희망 가스 혼합물 도입 가능. 공정명 탑 혼합 바텀 불활성 TMBI. 컨버터 복합 가스 취입 유사 다른 공정 유사. 이 공정 운용 알레게니 루들럼(Allegheny Ludlum) 플랜트 코어리스 유도로(coreless induction furnace) 탄소강 스크랩 용융 크롬 프리 핫 메탈 BOF 컨버터 공급.
• 컨버터+진공 유닛 결합 – 위 컨버터 공정 단점: 매우 낮은 탄소 질소 잔류 스테인리스강 생산 어려움. 희망 탄소 질소 수준 감소 시 탈탄 기간 길어지며 크롬 산화와 아르곤 소비 증가. 일부 제강사 탈탄 후기 단계 컨버터 진공 적용 시도. 개념 라이볼트-헤라우스(Leybould-Heraus) AOD 또는 VOD 대안으로 촉진. 컨버터 진공 적용 개념 다이도(Daido) 시부카와(Shibukawa), 치타(Chita) 플랜트 AOD/VCR 설치, 일본제철 히카리(Hikari) 공장 추구. AOD-VCR 통상 AOD 0.08~0.10% C까지 운전. 시료 채취 정지, 진공 뚜껑 설치. 뚜껑 컨버터 원추 구간 중간 플랜지 밀봉. 진공 당겨 잔여 탈탄과 환원용. 탈황 이송 레들 AOD 장입 전 수행. 컨버터 공정 대비 주요 이점: 아르곤과 실리콘 소비 감소. 단점: 내화물 소비 증가, 스크랩 용해 능력 감소, 증기 생산 관련 추가 유지보수 비용. 별도 컨버터 VOD 유닛 대비 AOD-VCR 운영비 높음(실리콘, 내화물, 아르곤), 생산성 낮음, 질소 함량 높음. 자본비 두 별도 유닛 대비 다소 낮을 수 있음.

진공 정제 공정

강 탈탄 진공 사용 독일 개발. 초기 공정 RH 탈가스, DH 탈가스, 알레게니 진공 정제(AVR) 이중 공정 2단계. 이 공정들 강 욕조 위 압력 낮춰 일산화탄소 기체 발생 촉진. 진공 공정 진입 액체 스테인리스강 보통 탄소 0.5% 이하 함유. 대부분 진공 공정 별도 정제 용기(희석/컨버터 공정 사용) 아닌 챔버 내 레들 가득 금속 수행.

1960년대 중반 알레게니 루들럼 스틸(Allegheny Ludlum Steel Corporation) 진공 탈탄 개념 알레게니 진공 정제 공정 개발. AOD 공정 도입으로 비경쟁적 되어 중단.

초기 진공 처리 2단계 이중 공정 너무 느리고 원료 사용 유연성 매우 제한. 진공 공정 EAF 생산성 향상 따라잡지 못하고 운영비 높음. 따라서 후속 개발 EAF서 컨버터 2단계 탈탄, 진공 탈가스 마무리 단계 집중. 삼중 공정(triplex processes)으로 스테인리스강 제조, 3공정 희망 최종 화학 달성.

일본제철 RH-OB 공정 스테인리스강 제조 도입. 고로 쇳물 BOF 컨버터 공급 크롬 합금화, 0.5~0.6% 탄소 수준 불어내림. 최종 탈탄 RH-OB 공정 수행. 일본제철 기존 탄소강용 RH 탈가스 개조 산소 진공 주입 가능케 함.

티센(Thyssen) 독일 1960년대 중반 진공 산소 탈탄(VOD) 공정 개발. 초기 개발 단계 VOD EAF 용융 합금 탈탄용. 후기 예비 탈탄 BOF 수행, EAF-BOF-VOD 삼중 공정 더 생산적. 1970년대 초 가와사키 제강 다중 다공성 플러그 버블러(bubbler) 레들 VOD 수정, 강제 교반 VOD(SS-VOD) 공정 명명. 1988년 ALZ 벨기에 EAF 용융, MRP-L 컨버터, VOD 공정 삼중 공정 스테인리스강 제조 설비 개조.

진공 공정 주요 이점: 최종 저탄소 탈탄 시 아르곤 저소비, 크롬 저산화. 후자 슬래그서 크롬 회수 환원 원소 소비 감소. 진공 공정 사용 레들서 강 틸팅(teeming) 컨버터 탭핑(tapping) 관련 공기 질소 산소 픽업(pickup) 제거. SS-VOD 공정 레들 다중 버블러 강한 교반으로 더 낮은 탄소 질소 수소 수준 높은 크롬 수준 달성 능력 추가 향상.

VOD 처리 주요 단점: AOD 또는 타 컨버터 공정 대비 원료 사용 유연성 낮음.

많은 제강사 진공 공정 종종 고운영비, 상압 컨버터 공정 운용 용이함과 경쟁 못 함 인식. 그러나 진공 공정, 특히 SS-VOD 공정, AOD 또는 타 컨버터 공정으로 쉽게 달성 못 하는 스테인리스강 더 낮은 탄소 질소 수준 달성 독특 능력 보유.

직접 스테인리스강 제조

최근 페로알로이 대신 크롬 니켈 광석 스테인리스강 제조 사용 노력. 일본 여러 회사 상용 개발 사용.

직접 스테인리스강 제조 공정 스크랩 페로알로이 덜 필요, 스테인리스강 스크랩 페로알로이 충분량 가용 안 할 때 고려 가능. 그러나 크롬 니켈 광석 필요, 쇳물 가용 통합 제철소 사용 가능. 공정 다른 공정보다 자본 집약적. 따라서 타 플랜트 위치 구현 제한적일 듯.