아르곤-산소 탈탄 공정(AOD)은 스테인리스강 및 실리콘강, 공구강, 니켈 합금, 코발트 합금 등 크롬과 알루미늄 같은 산화성 원소를 포함한 고급 합금 생산에 주로 사용되는 정련 공정입니다. 1954년 유니온 카바이드(Union Carbide)사의 린데(Linde) 사업부에서 발명되었으며, 1992년 프랙스에어(Praxair)로 사명이 변경되었습니다. 아래 그림 1은 AOD 전로의 모습을 보여줍니다.
오늘날 전 세계 스테인리스강의 75% 이상이 AOD 공정으로 생산됩니다. 이 공정은 금속 수율을 높이는 동시에 원재료 비용을 절감할 수 있어 경제적입니다. 귀금속 원소의 손실을 최소화하면서 스테인리스강을 생산할 수 있는 것이 가장 큰 특징입니다. AOD 공정은 이중 공정(duplex process)의 일부로, 스크랩이나 원료를 전기로(EAF) 또는 유도로(IF)에서 1차 용해한 후, 용융 금속을 AOD 전로로 이송해 탄소 함량을 0.05% 미만으로 탈탄 및 정련합니다.
AOD 전로의 핵심은 탈탄용 산소를 아르곤이나 질소 같은 불활성 기체와 혼합하여 침지식 취입구(tuyere)를 통해 용탕 하부로 분사하는 것입니다. 아르곤으로 산소를 희석하면 특수강에 포함된 크롬 등 귀금속 원소의 원치 않는 산화를 최소화할 수 있습니다. 이 밖에도 탄소 0.01% 이하의 정밀한 성분 제어, 0.001% 미만의 신속한 탈황, 0.001% 미만의 납 제거가 가능하여 청정한 강재를 고생산성으로 얻을 수 있습니다.
AOD 공정은 희석 기법을 이용해 강탕의 탈탄을 수행합니다. 불활성 기체(아르곤 또는 질소) 주입으로 용탕 내 CO의 분압을 낮추면, 더 높은 크롬 함량이 더 낮은 탄소 함량과 평형을 이룰 수 있게 됩니다. 침지식 취입구를 통해 분사되는 기체의 교반 에너지와 용탕 깊은 곳에서 생성되는 일산화탄소 기포 덕분에 AOD 전로는 가장 격렬하게 교반되는 야금 반응기 중 하나입니다. 이러한 기체-금속 간의 밀접한 접촉과 슬래그-금속의 탁월한 혼합이 정련 반응을 촉진합니다.
AOD 공정의 입력물은 EAF 또는 IF에서 나온 용강입니다. 목표 성분의 대부분을 차지하는 크롬과 니켈을 함유한 용강을 1,500~1,600°C에서 이송 래들로 탭아웃한 후 AOD 전로로 이송합니다. 전로는 측면 취입구가 용탕 레벨 위에 오도록 기울여 충전합니다.
EAF/IF에서 이송된 철, 크롬, 탄소, 니켈 함유 용강에 고탄소 페로크롬을 추가하고, 불활성 기체(아르곤, 질소)와 산소 혼합물을 분사해 취입을 시작합니다. 초기에는 산소-아르곤 비율을 5:1~3:1로 유지하다가 탈탄 진행에 따라 낮춥니다. 아르곤과 함께 분사하므로 더 낮은 온도에서 탈탄이 가능합니다. 탄소가 초기값의 30% 수준으로 떨어지면 비율을 2:1로 조정하고, 1:1이 되면 크롬 산화가 억제되면서 탄소만 선택적으로 산화됩니다. 이는 기체 혼합물의 산소 포텐셜이 매우 낮아지기 때문입니다. 최종적으로 0.09~0.012% C까지 탈탄을 진행합니다.
공정 가스는 측벽 또는 바닥에 설치된 침지식 취입구를 통해 주입됩니다. 측벽 분사는 최대 교반 에너지를 제공해 혼합 효율이 가장 높고, 바닥 분사는 전로 배럴 부위의 내마모성을 개선합니다. 취입구의 개수와 배치는 전로 크기, 히트 크기 범위, 공정 가스 유량, 정련 대상 합금 종류에 따라 결정됩니다.
가스 제어 시스템은 톤당 1.0~3.0 Nm³/분의 공정 가스를 공급하며, 유량 제어와 주입량 모니터링을 통해 운전자가 공정을 제어하고 총 산소 주입량을 측정할 수 있게 합니다.
탈탄은 용해된 탄소가 생성된 크롬 및 철 산화물을 환원하면서 일어납니다. 주요 반응은 다음과 같습니다.
3O₂(g) + 4Cr = 2Cr₂O₃ Cr₂O₃ + 3C = 2Cr + 3CO(g)
탈탄은 주입된 불활성 기체 기포 표면이나, 환원되면서 CO를 생성하는 크롬 산화물 입자 표면에서 일어납니다.
탈탄 단계에서 최종 성분 조정을 위해 고탄소 페로크롬, 스테인리스 스크랩, 탄소강 스크랩, 니켈, 철, 고탄소 페로망간, 산화몰리브덴 등을 첨가합니다. 이들 첨가물은 탄소와 크롬 산화가 발열 반응이므로 욕온 저하 역할도 겸합니다. 일반적으로 욕온은 1,720°C 이하로 제어하며, 총 합금 첨가량은 탭 중량의 5~30% 범위입니다. 취입 말기에는 산소-아르곤 비율을 1:3~1:2로 낮춰 목표 탄소(0.03% 미만)를 달성합니다.
환원 단계에서는 환원제를 투입하고 불활성 기체로 교반합니다. 환원제는 페로실리콘이나 크롬-실리콘 같은 실리콘 합금, 알루미늄 등으로 슬래그 내 금속 산화물을 환원하고, 석회, 돌로마이트, 형석 같은 플럭스제를 포함합니다. 불활성 기체로 5~8분간 교반합니다.
Cr₂O₃ + 2Si = 3Cr + 2SiO₂
일부 스테인리스강의 규소 사양을 맞추기 위해 추가적인 실리콘 첨가가 필요할 수 있습니다. 반응으로 생성되는 슬래그를 세심하게 조작하는 것이 중요하며, 탄소로 환원되지 않은 크롬 산화물은 슬래그에 남아 복잡한 스피넬을 형성할 수 있습니다. 환원 효율은 슬래그 염기도와 조성, 온도, 전로 내 혼합 조건, 고체 첨가제의 용해 속도 등에 좌우됩니다.
고염기도 슬래그 형성과 금속 욕내 산소 포텐셜 저하는 황 제거에 유리한 조건입니다. 예를 들어, 초기 황 0.03%에서 알루미늄 2~3 kg/톤, 형석 2~3 kg/톤, 최종 슬래그 염기도 1.7, 온도 1,700°C 조건으로 환원 처리하면 최종 황 0.003~0.005%를 달성할 수 있습니다.
취입 시간은 AOD 전로에 장입된 용선의 초기 탄소와 규소 함량에 따라 결정됩니다. 현대식 전로에서는 탈탄 시간이 20~35분 소요됩니다(초기 1.5~2.5% → 목표 0.04%). 보통 탄소 0.1% 수준에서 전로를 수평으로 기울여 시료를 채취해 분석합니다.
질소 제어는 기체-금속 반응입니다. 최종 강종 사양에 따라 탈탄 초기 단계에 불활성 기체로 질소를 사용하다가, 일정 탄소 수준 도달 후 아르곤으로 전환합니다. 이는 아르곤 사용량과 비용을 절감하면서 목표 질소 사양을 맞추기 위함입니다. 질소→아르곤 전환 후에는 발생하는 CO와 아르곤에 의해 욕내 질소가 제거됩니다. 납, 아연, 비스무트 등 증기압이 높은 휘발성 원소는 탈탄 기간 중 제거됩니다.
고염기도 슬래그와 낮은 산소 활도 조건에서 황 제거 반응이 일어납니다.
S(욕) + CaO(슬래그) = CaS(슬래그) + O(욕)
석회 첨가로 욕내 황을 희석하고, 알루미늄이나 실리콘으로 산소를 제거합니다. 초저황 강종(0.001% 이하)이 필요한 경우 환원 단계 후 탈슬래그하고 새로운 염기성 슬래그를 첨가해 이중 슬래그 공정으로 추가 탈황합니다. 현대 공정에서는 이중 슬래그 공정으로 0.001% 이하 황 달성이 용이합니다. 황 목표 달성 후 슬래그를 제거하면 탭아웃 준비가 완료됩니다.
AOD 전로는 기본 내화물로 라이닝된 배 모양 용기이며, 탈착 가능한 원뿔형 커버를 가집니다. 가장 중요한 특징은 측면 취입식(side-blown)이라는 점입니다. 질소 허용 강종의 경우 산소-질소 혼합 분사도 가능합니다. 용융 스테인리스강은 발포하지 않고 대부분 측면 또는 바닥 취입식으로 정련하므로, 동급 BOF 전로보다 크기가 작습니다. 일반적인 AOD 전로 내부 용적은 톤당 0.4~0.8 m³입니다.
취입구는 구리관 외부에 스테인리스 외관을 씌운 이중관 구조로, 사이 공간(annulus)에 냉각 가스를 불어 취입구 팁에 금속 또는 산화물 부착물(버섯)을 형성해 취입구와 주변 내화물을 보호합니다. 공정 가스는 내측 사이 공간으로 분사됩니다. 취입구 크기와 개수는 공정 파라미터에 따라 결정되며, 보통 2~9개가 설치됩니다.
최근에는 측면 취입구 외에 상부 랜스를 추가해 산소를 분사하는 변형 공정이 일반적입니다. 랜스는 탈탄 속도 향상과 후연소용으로 사용되며, 혼합 가스 분사도 가능합니다. 초기 탈탄 단계에 상부 랜스로 산소를 분사하면 히트 타임을 단축해 생산성(톤/시간)을 높일 수 있습니다. 또 다른 변형인 AOD-VCR은 전로에 진공을 걸어 저탄소 강종 생산 시 아르곤과 실리콘 소모량 및 공정 시간을 줄입니다.
취입구 팁의 고온과 격렬한 욕 교반은 내화물에 큰 부담을 줍니다. 일반적인 BOF 내화물 수명이 수개월~수년인 반면, 스테인리스 전로는 수일~수주에 불과해 내화물 비용이 운영비의 큰 비중을 차지합니다.
내화물은 마그네사이트-크로마이트와 돌로마이트 두 계열로 나뉩니다. 마그네사이트-크로마이트는 내마모성이 우수하나 단가가 높고 크롬 픽업 가능성이 있으며, 엄격한 슬래그 조성 관리가 필요합니다. 돌로마이트는 저렴하고 크롬 픽업 우려가 없으며, 고염기 슬래그 사용이 용이해 초저황 탈황에 유리합니다.
전로는 마모가 심한 취입구 측벽, 슬래그 라인, 이송 패드 등을 두껍고 고품질 내화물로 존닝(zoning)해 수명 연장과 비용 절감을 도모합니다.
제조공정
아크 용접 공정의 종류 오늘은 아크 용접 공정과 그 종류에 대해 알아보겠습니다. 아크 용접은 금속을 접합하기 위해 산업 현장에서 널리 사용되는 용접 방식 중 하나입니다. 금속을 녹여 접합부를 형성하는 융접(fusion welding)의 일종으로, 공작물을 녹이는 데 필요한 에너지를 전기 아크에서 얻기 때문에 아크 용접이라 부릅니다. 아크 용접의 주요 장점 중 하나는 높은 온도를 쉽게 생성할 수 있다는 점으로, 이는 용접에 매우 바람직합니다. 용접 온도는 약 6,000~7,000℃에 달합니다. 보충재를 사용하는 경우와 사용하지 않는
산소-연료 절단이란? 산소-연료 용접과 산소-연료 절단은 연료 가스(또는 가솔린/휘발유 같은 액체 연료)와 산소를 사용하여 금속을 용접하거나 절단하는 공정입니다. 프랑스 엔지니어 에드몽 푸슈(Edmond Fouche)와 샤를 피카르(Charles Picard)가 1903년 산소-아세틸렌 용접을 처음 개발했습니다. 공기 대신 순수 산소를 사용하여 실온 환경에서 공작물 재료(예: 강철)의 국부적 용융을 허용하도록 화염 온도를 높입니다. 일반적인 프로판/공기 화염은 약 2,250K(1,980°C, 3,590°F), 프로판/산소 화염은 약
