CLU 공법: 스테인리스강의 효율적 탈탄 및 합금화

스테인리스강 생산 공정에는 탄소(C) 제거, 탈산, 탈황 같은 기본 특징이 있습니다. 생산 공정에서 이러한 작업은 일반적으로 고체 재료와의 합금화와 질소(N₂) 제어와 결합됩니다. 이러한 요구사항은 스테인리스강 생산에 배치된 다양한 공정에서 다른 방식으로 충족됩니다.

CLU 공법은 스테인리스강 제조를 위한 AOD(아르곤 산소 탈탄) 공법과 유사합니다. CLU는 스테인리스강 생산을 위한 크레우소-루아르 우데홀름(Creusot-Loire Uddeholm) 공법을 의미합니다. 이 공법도 전기 아크로(EAF) 또는 기타 유사한 1차 제강로에서 나온 용강을 사용합니다. CLU 공법 개발의 주요 동기는 AOD 공정에서 사용되는 아르곤(Ar) 가스 대신 과열 증기를 희석 가스로 사용한다는 아이디어였습니다. 과열 증기는 이 기술이 스웨덴 우데홀름스 데게르포르스 제철소에서 개발된 1970년대 초부터 스테인리스강 생산에 공정 가스로 사용되었습니다. 프랑스에서는 크레우소-루아르 그룹 내에서 유사한 개발이 이루어졌습니다. 개발된 공정은 크레우소 루아르 우데홀름(CLU) 공법으로 명명되었습니다.

CLU 공법의 역사와 장비

CLU 공정에서 원래 사용된 컨버터는 바닥 취련 컨버터로, 측면 취련 AOD 컨버터와 구별되었습니다. 그러나 현재는 측면 취련 컨버터를 사용하는 CLU 공법도 가능합니다.

CLU 공법을 사용한 최초의 상업 플랜트는 1973년 우데홀름에 의해 건설되었습니다. 1973년부터 2003년까지 우데홀름스 데게르포르스 제철소에서 80톤 컨버터에서 과열 증기, Ar, N₂, 산소(O₂), 압축 공기를 공정 가스로 사용하여 스테인리스강이 생산되었습니다. 데게르포르스 제철소의 컨버터는 2003년 폐기되기 전까지 30년간 CLU 공법으로 스테인리스강 생산에 운전되었습니다. CLU 바닥 취련 컨버터의 단면도는 그림 1에 나와 있습니다.

그림 1 CLU 컨버터 단면도

수년에 걸쳐 이 기술은 적당한 확장을 보였습니다. 총 7개 플랜트에서 과열 증기를 공정 가스로 산업적으로 사용했습니다. 이 공정은 남아프리카의 사만코르 페로 메탈스에서도 중탄소(Fe-Cr) 페로크롬 생산에 사용됩니다. 남아프리카 미들버그의 아세리녹스 콜럼버스 스테인리스는 두 기 110톤 컨버터의 스테인리스강 플랜트에 이 공정을 선택했습니다. 1995년부터 2002년까지 콜럼버스 스테인리스는 정련 공정 중 컨버터에서 과열 증기를 사용했습니다. 그러나 2002년 시장이 현지 수요를 충족할 만큼 충분한 Ar을 제공하고 동시에 원래 보일러 장비 일부가 마모되어 증기 분사 능력을 제거하기로 결정했습니다. 컨버터에서의 과열 증기 분사 관행은 2008년에 재도입되어 콜럼버스 스테인리스가 두 컨버터를 증기로 동시에 운전할 수 있게 되었습니다. 콜럼버스 스테인리스 경영진에 따르면 컨버터에 증기 분사 능력을 재설치한 주된 동기는 Ar 피크를 줄이고 전체 Ar 소비를 현지 시장의 Ar 공급과 더 잘 맞추기 위함이었습니다.

CLU 공정

AOD 공정과 마찬가지로 CLU 공정도 희석 기술을 사용합니다. 이 공정은 탄소-크롬 평형이 탈탄 동안 생성되는 가스 기포 내 일산화탄소(CO)의 분압에 크게 의존하므로 탈탄이 CO의 감소된 분압에서 이루어져야 한다는 원리에 기반합니다. 두 가지 다른 온도와 압력에서의 탄소-크롬 평형은 그림 2에 나와 있습니다.

그림 2 두 가지 다른 온도와 압력에서의 탄소-크롬 평형

불활성 가스 사용은 용강 내 CO의 분압을 낮추어 더 높은 크롬(Cr) 함량이 더 낮은 C 함량과 평형을 이루도록 합니다. CLU 기술 개발의 초기 동기는 더 저렴한 불활성 가스로 퍼징을 지원하여 CO의 분압을 낮추고, 비싸고 가용성도 희귀한 대량의 Ar 필요성을 줄이는 것이었습니다.

탈탄 기간은 산소-증기 혼합물 주입으로 구성됩니다. 컨버터에서 증기 사용의 근본적 배경은 다음 방정식으로 표시되는 증기 환원에 있습니다.

H₂O (g) + 241.9 kJ/mol = H₂ (g) + 0.5 O₂ (g)

증기는 강철에서 해리되며, 수소(H₂)는 AOD 공정의 Ar과 같은 방식으로 플러싱 가스 역할을 하고, O₂는 정제 매체 역할을 합니다. 증기 해리 공정은 흡열성이며 강철 욕조에서 열을 가져옵니다. 이는 강철 욕조 온도 제어에 도움이 됩니다.

크레우소-루아르는 연료 보호 기능이 있는 튜이어를 사용할 가능성도 조사했는데, 이는 순수 O₂ 분사와 탄소강 정련을 위한 현대 기술 채택을 허용할 것입니다. 따라서 매우 높은 초기 C와 실리콘(Si) 함량에서 고속 정련이 가능할 것입니다.

과열 증기 1kg 사용은 공정 가스 측면에서 1.25 N㎥의 Ar(또는 N₂), 0.625 N㎥의 O₂를 대체하며, 냉각 능력 측면에서 10kg의 스크랩을 대체합니다. 과열 증기는 적용된 전략이 컨버터를 최대 용량 근처에서 운전하도록 의미하는 경우 전술적 냉각제를 대체하는 데 주로 사용됩니다. 과열 증기는 적절한 냉각제가 없거나 물류상으로 처리할 수 없는 경우 냉각에도 사용될 수 있습니다.

증기에서 나온 수소(H₂)는 N₂와 유사하게 강철에 용해됩니다. 그러나 N₂와 달리 제거는 스테인리스강에서 임계 수준 이하로 매우 빠릅니다. H₂가 많은 강종에 문제가 될 수 있지만, 스테인리스강에서는 문제가 되지 않으며 표준 스테인리스강 304 등급에서 CLU 또는 AOD 공정과 무관하게 컨버터 탭핑 시 5~6 ppm(ppm)의 H₂ 수준이 정상입니다. 일반적인 스테인리스강 주조는 10ppm 이상에서도 잘 수행될 수 있습니다.

장점 및 기타 공정 특성

CLU 공정의 주요 장점은 AOD 공정에 비해 컨버터 내 운전 온도가 더 낮다(50°C~100°C 낮음)는 것입니다. 이 공정이 수반할 수 있는 추가 크롬(Cr) 손실은 페로실리콘(Fe-Si)을 슬래그 환원에 추가로 사용하여 상쇄할 수 있습니다. 이 공정의 기타 주요 장점은 다음과 같습니다.

• O₂와 증기 비율 변화를 통해 냉각 첨가제 없이 탈탄 중 온도 제어 가능
• 희석 가스 비용이 낮아 스테인리스강 생산 원가에 상당한 영향
• 고 Si와 C 함량의 저가 페로크롬(Fe-Cr) 사용 가능
• 낮은 운전 온도와 바닥 취련 방식으로 인한 더 높은 라이닝 수명과 낮은 내화물 비용

탈황 조건은 AOD 공정과 거의 같습니다. 탈황 관점에서 높은 Si 함량은 전기로 조업에 유리합니다. 그러나 용강 내 높은 Si 함량은 최적 슬래그 염기도를 유지하기 위해 추가 석회로 보상해야 합니다.

정련 기간 말에 강철에 용해된 H₂를 제거하기 위해 강철 톤당 약 1.5㎥의 Ar을 주입합니다.

탈탄이 0.18% C 이하로 계속될 때 Cr 산화는 AOD 공정보다 높습니다. 공정에서 Si 요구량이 증가하지만 여전히 고가 Ar 소비 감소로 비용 절감이 있습니다. 또한 전체 기간 동안 증기 사용이 적절히 제어되지 않으면 정제 강철에 바람직하지 않은 H₂ 함량이 생길 수 있습니다. 따라서 증기, Ar, N₂의 다양한 양 사용을 위한 적절한 관행과 제어 메커니즘을 공정에 구축해야 합니다.

대표적 파라미터

CLU 공정의 스테인리스강 304 및 409 등급에 대한 대표적 파라미터와 조건은 표 1에 나와 있습니다.

표 1 304 및 409 등급의 대표적 파라미터와 조건
파라미터	단위	304 등급	409 등급
목표 탄소	%	0.03	0.01
목표 질소	ppm	350	100
용입 탄소	%	1.65	0.96
용입 실리콘	%	0.2	0.13
산소	N㎥/톤	27.7	22.4
질소	N㎥/톤	13.5	1.7
증기	N㎥/톤	10.4	6
수소	ppm	5.9	3.8
아르곤	N㎥/톤	7	17.1
실리콘(환원)	kg/톤	15.5	15.9