강철 품질 최적화: 탈산 공정의 결정적 역할

강철 탈산(Deoxidation)

제강 공정은 산화 분위기 하에서 용선을 강철로 정제하는 것으로 구성. 정제 공정 중 산소가 강철에 용해. 강철 내 산소 주요 공급원:

• 산소 분사
• 제강 공정 중 산화성 슬래그 및 철광석 사용
• 주입 조업 중 용강이 대기 산소 포집
• 라이닝 산화성 내화물
• 녹슨 스크랩 및 습윤 스크랩

탈산은 제강 최종 단계. 강철 제조 시 탭핑 시점 강욕은 400~800 ppm 산소 활성도 함유. 탈산은 탭핑 중 티밍 래들에 적정량 페로알로이 또는 특수 탈산제 첨가로 수행. 불취 끝 탄소 함량이 사양 미만이면 용강을 티밍 래들에서 재카버라이징도 수행. 그러나 래들 다량 첨가는 용강 온도에 악영향.

탈산 필요성 및 원리

강철 내 산소 용해도 극히 작음. 용강 응고 중 과량 산소는 응고 강철에 의해 배제됨. 액체 강철 내 산소 용해도 1700℃에서 0.23%. 냉각 중 감소 후 용강 응고 시 급격히 떨어져 고체 강철 0.003% 도달.

고용체에서 방출된 과량 산소는 강철 성분(C, Fe, 합금 원소) 산화시켜 블로홀(blowholes)과 비금속 개재물 주조 강철 구조 내 포착 유발. 둘 다 기계적 특성 상당한 영향, 강철 품질 악영향.

응고 중 강철 성분 산화 방지 위해 액체 강철 산소 함량 낮출 필요. 이는 강철 탈산으로 수행: 액체 강철 용해 산소 농도(활성도) 필요 수준으로 낮추는 제강 기술 조작. 블로홀 제거 및 비금속 개재물 최소화로 건전 강 생산 외에도, 탈산은 입자 크기 제어로 강철 인성 향상에도 사용.

탈산 전략 및 유형

강철 탈산 전략 여러 가지 개발. 탭핑 전후 액체 강철에 금속 탈산제 첨가, 또는 진공 처리(강철 용해 탄소 탈산제)로 수행. 금속 탈산제와 진공 탈산 외 확산 탈산법도 때때로 사용.

탈산 정도에 따라 완전 탈산에서 약탈산까지 4가지 유형. 어느 유형도 다른 것보다 낫지 않으며 각자 용도에서 유용. 탈산 정도에 따라 탄소강 4그룹 세분:

1. 리밍 강(Rimming Steel): 부분 탈산 또는 비탈산 저탄소강, 응고 중 일산화탄소 충분량 발생. 림드 강 잉곳: 좋은 표면 품질, 상당한 블로홀 특징. 보통 탈산제 첨가 없이 탭핑하거나 티밍 래들 소량 첨가만으로 몰드 내 탄소와 반응 원하는 가스 발생 유도. 정확한 절차는 탄소 함량 고범위(C=0.12~0.15%)냐 저범위(C=0.10% max)냐에 따라 다름. 잉곳 몰드 내 용강 응고 시작 시 일산화탄소(CO) 가스 활발 발생, 탄소 및 타 고용질 낮고 상대적으로 깨끗한 강철 외피 형성. 이런 잉곳 전극봉, 강판 제조에 최적.
2. 캡드 강(Capped Steel): 리밍 강 관행 변형. 리밍 작용 정상 시작되나 1분 이상 후 주철 캡으로 몰드 밀봉해 종료. 보통 탄소 함량 0.15% 초과 강 적용. 캡드 잉곳 관행 보통 판, 스트립, 와이어, 봉강 생산 적용.
3. 세미 킬드 강(Semi-killed Steel): 불완전 탈산 강, 일정 과량 산소 함유, 응고 중 탄소와 반응 충분 일산화탄소 형성으로 응고 수축 상쇄. 탄소 함량 보통 0.15~0.30% 범위, 형강류 광범위 적용.
4. 킬드 강(Killed Steel): 응고 중 일산화탄소 형성·발생 없을 정도 탈산. 킬드 강 잉곳·주물: 균질 구조, 가스 기공(블로홀) 없음. 알루미늄 탈산 사용, 망간·실리콘 페로알로이 함께. 경우에 따라 실리사이드 칼슘 등 특수 강 탈산제 사용. 파이핑 최소화 위해 거의 모든 킬드 강 핫톱 빅엔드업 몰드 주조. 연속 주조 위해 용강 완전 킬드 필요 결함 없는 주조. 균질 구조 필요 시 킬드 강 사용. 합금강, 단조강, 침탄강 이 유형(건전성이 필수 품질). 특정 초심드로잉 강 생산 시 저탄소(C=0.12% max) 강 킬드, 보통 상당한 양 알루미늄 래들, 몰드 또는 양쪽 첨가. 알루미늄 탈산은 응고 중 일산화탄소 형성 억제, 블로홀 억제하지만 알루미늄 킬드 강이 바람직하지 않은 많은 강 가공 조업 존재.

주요 탈산 원소

강철 탈산 주로 3원소 사용: 망간(Mn), 실리콘(Si), 알루미늄(Al). 망간과 실리콘은 고탄소 또는 저탄소 페로알로이 또는 실리코망간(Si-Mn) 합금 형태로 첨가. 탈산용 알루미늄 순도 약 98%. 때때로 칼슘(Ca)도 탈산용 사용.

칼슘은 가장 효율적 탈산제, Si는 Ca 대비 덜 효율. Al도 Si 대비 강한 탈산 원소. 하지만 Ca와 Al은 매우 효율적 탈산제이나 매우 빠르게 산화, 게다가 밀도 강철보다 훨씬 낮음. Ca 비등점 1485℃로 제강 온도에서 기체상. Ca 탈산 위해 적절한 주입법 또는 첨가법 필요.

탈산은 Si, Al, Mn 등 단일 원소 또는 Si+Mn, Ca-Si-Al 등 원소 혼합물로 수행. 단일 원소 탈산: 단순 탈산. 원소 혼합물 탈산: 복합 탈산. 단순·복합 탈산 모두 산화물 형성하므로 침전 탈산이라고도 함. 진공 하 탄소에 의한 탈산: 진공 탈산. 원소 페로알로이 Fe-Si, Fe-Mn, Fe-Si+Fe-Mn 등 형태로 첨가. 복합 탈산에서 Si+Mn, Ca+Si, Ca+Si+Al 혼합 사용 시 단순 대비 보고된 이점:

• 용해 산소 더 낮음.
• 액체 탈산 생성물 형성으로 큰 크기 응집 용이, 부상 용이.

Fe-Mn 탈산

Mn으로 부분 탈산 시 철도 반응 참여, 액체 또는 고체 Mn(Fe)O 탈산 생성물 형성.

[Mn] + [O] = MnO

[Fe] + [O] = FeO

탈산 생성물 Mn(Fe)O와 평형 상태 강철은 그림 1에 표시.

그림 1 FeO-MnO 액체 또는 고체 용액과 평형 상태 철의 망간 및 산소 함량

Si 및 Mn 탈산

Si 탈산이 Mn보다 훨씬 완전, 두 원소 동시 탈산 시 Si 활성도 감소로 용액 잔류 산소 훨씬 낮음. 티밍 래들 첨가 Si, Mn 농도에 따라 탈산 생성물 용융 망간 실리케이트(MnO·SiO₂) 또는 고체 실리카(SiO₂).

[Si] + 2[O] = SiO₂ (1)

[Mn] + [O] = MnO (2)

슬래그-금속 반응 평형 초기 선구적 연구: Korber와 Oelsen, 액체 철과 SiO₂ 포화 MnO-FeO-SiO₂ 슬래그 간 Mn, Si 평형 분포 측정. 1600±10℃ 실험 결과 그림 2.

그림 2 1600±10℃에서 SiO₂ 포화 망간 실리케이트 용융물과 평형 상태 액체 철 내 Mn, Si, O 농도

Si, Mn 및 Al 탈산

잔류 용해 산소 40~23 ppm 범위 세미 킬드 강: 티밍 래들 소량 알루미늄과 실리코망간 또는 페로실리콘+페로망간 조합 첨가로 탈산. 이 경우 탈산 생성물 3MnO·Al₂O₃·SiO₂ 조성 유사 액체 망간-알루미노-실리케이트. 소량 알루미늄 첨가(예: 100톤 히트당 약 15kg)와 Si/Mn으로 거의 모든 알루미늄 이 복합 탈산 소모. 강철 잔류 용해 알루미늄 10ppm 미만. Al₂O₃ 포화 탈산 생성물에서 Si, Mn 탈산 평형과 Al, Si, Mn 비교 그림 3.

그림 3 Al₂O₃ 포화 탈산 생성물에 대한 Si, Mn 탈산 평형과 Al, Si, Mn 비교

Al 탈산

알루미늄은 대부분의 제강 조업에서 사용되는 매우 효과적 탈산제. 보통 알루미늄 탈산은 티밍 래들 수행. 경우에 따라 잉곳 또는 연속 주조 중 몰드 내 Al 첨가도 수행. 순수 Al₂O₃ 및 CaO/Al₂O₃ 비율 1인 용융 칼슘 알루미네이트 탈산 생성물 겉보기 평형 관계 그림 4.

그림 4 Al₂O₃ 또는 CaO/Al₂O₃=1 액체 칼슘 알루미네이트와 평형 상태 Al 탈산

Al 킬드 강을 Ca-Si 처리 시 알루미나 개재물 용융 칼슘 알루미네이트로 전환. CaO/Al₂O₃ 비율 1에서 1500~1700℃ 온도 범위 순수 Al₂O₃ 대비 Al₂O₃ 활성도 0.064.