전로(BOF) 제강 공정 마스터: 핵심 운전 기술과 인사이트

전로(Basic Oxygen Furnace, BOF) 제강은 기본산소제강(BOS)이라고도 하며, 세계 조강의 ~71%를 차지하는 최강·최효율 제강 기술입니다. 1950년대 초 오스트리아 린츠(LD)와 도나비츠 양 제철소에서 개발돼 LD 제강법으로도 불립니다.

공정 변형과 기본 원리

주요 변형: 상부 취련(top blowing), 하부 취련(bottom blowing), 복합 취련(combined blowing).

자열(autogenous) 공정: 고순도 산소(≥99.5%, N₂ 흡수 방지)를 초음속으로 불어넣어 선철(Hot Metal, HM) 내 불순물(C, Si 등) 산화열로 스크랩 용해·제강. 산화열 주기여: C, Si. 부차: Fe, Mn, P. 플럭스는 소성 석회(CaO ≥92%, 저SiO₂ 석회석 소성). 일산화탄소(CO) 후연소열도 욕조 환원. 생산물: 지정 성분·약 1,650°C 용강.

'염기성' 의미: 내화물(돌로마이트·마그네사이트)이 알칼리성. 고온·강산화·염기성 슬래그 부식, 장입·취련 마모 견뎌야 함. 염기성 슬래그로 P, S 제거.

전로 설비 구조

배럴형 강철 셸+내화물+틸팅 메커니즘. H/D=1.0~1.3. 셸 3부: 구형 바닥, 원통부, 상부 콘. 트러니언(trunnion) 장착 지지링으로 안정 지지, 수직면 360° 회전(전기 모터), 임의 위치 고정. 조업 중 틸팅 필수. 유효 용적 8~12%만 용강 충전, 욕심 1.2~1.9m.

용량 30~400톤(주류 100~250톤). 제강쇼프 1~3기. 탭투탭 40~50분(취련 50%). 연속주조 연계로 수율·품질 대폭 개선.

상부 취련 랜스: 수냉, 다공(3~6) 구리 팁. 유량 6~8 Nm³/min·t, 압력 12~16 atm. 6층 건물 필요(합금/플럭스 빈, 장대 랜스 승강). Fig 1 단면도 참조.

히트(Heat) 운전 시퀀스

1. 장입 전: HM 계량·채취·온도 측정→성분·온도·목표 강종 기반 스크랩·플럭스·O₂량 계산. 현대: 컴퓨터 차지 모델로 최적 배합·랜스 높이·취련 시간 산출.
2. 장입(2~3분): 전로 45° 틸팅→스크랩 박스 투입→전로 로 HM 직탕→휴즈·키시(흑연 박편) 발생→집진 포집.
3. 취련 개시: 전로 수직→랜스 하강(바닥 위 2.5~3.0m)→초음속 O₂ 분사→반응 개시→수초 내 CO 연소로 광휘 화염 형성. O₂ 소요 55~60 Nm³/t-조강. 랜스 높이: 초기 하이 블로우(용면 위 ~3m)→플럭스 투입·슬래그 형성 후 로우 블로우.
4. 플럭스 투입: 소성 석회/돌로마이트 오버헤드 빈 투입. 형석(fluorspar) 병용로 슬래그 유동성 촉진. 초기 유동 슬래그 형성으로 스파킹(금속 비산) 방지. 생석회 사용 시 소성 열흡수 악영향. 철광석(온도 조절용) 잔여 플럭스와 동시 투입. 복합 플럭스 초기 수분 내 완료.
5. 취련 중 현상: 귀청 찢는 소음→Si 산화→SiO₂+염기성 플럭스→발포성 용융 슬래그 랜스 피복. 가스 주성분 CO( HM 중 C). 가스 발생량 전로 용적 다배→슬래그 오버플로(슬로핑) 빈번(점도 과고 시). 예정 시간(15~20분, 충전 성분·목표 강종 기준) 취련, 랜스 높이 사전 프로그램 다단 제어.
6. 턴다운(시료·온도 확인): 랜스 상승→전로 충전 베이 측 틸팅→시료 채취(뉴매틱 튜브 이송), 일회용 서모커플 온도 측정. 정적 차지 모델만으론 턴다운 C·온도 일관성 곤란(HM 분석·충전 중량 불확실, 0.2% C 이하 Fe 산화 변동). 화염 쇠퇴로 저탄소 감지하나 온도 ±30~50°C 편차.
7. 조정: 쿨런트(석회석·스크랩·철광석·신터·DRI) 투입 온도 하향, 또는 재취련(짧은 O₂) 성분·온도 보정. 현대: 경험 축적·컴퓨터 모델 고도화·금속 투입 품질 관리·LF(래들 퍼니스) 온도 조정으로 턴다운 일관성 향상. 서브랜스(sublance)로 종료 2분 전 C·온도 측정→코스 수정·블로우-탭 간격 단축. 단, 고가·센서 고장 리스크.
8. 탭핑: 예열 STL(steel teeming ladle) 래들카 위치→전로 탭핑 베이 틸팅→부유 슬래그 하부 탭홀로 용강 유출. 탭홀: 상부 콘 측벽. 슬래그 스토퍼(슬래그 다트) 병용·목시 감시 주도로 슬래그 유입 차단(슬래그 유입→P 재역·탈황 지연·청정도 저하). 래들 첨가제로 FeO 저감 가능하나 P 불가.
9. 슬래그 탭·후처리: STL 탭 후 전로 180° 전도→슬래그 포트 배출→정위 복원. 캠페인 말기 고마모부 건닝(gunning). 슬래그 스플래싱(N₂ 분사로 배럴·트러니언 코팅, 수명 연장) 병행. 차기 히트 준비 완료.

복합 취련 이점

다공성 플러그/튜이어로 불활성 가스 하부 주입→혼합 촉진·슬로핑 감소·수율 향상. (슬로핑: 취련 중 슬래그·용강 비산)

슬래그·내화물·합금

• BOF 슬래그: 산화성→탈황 한계(분배계수 max ~10, 고CaO 슬래그서 달성).
• 목표 CaO/SiO₂ ≥3. 경험칙: 석회 첨가 = 투입 Si 중량 ×6. MgO 첨가: 탭 온도 1,650°C 기준 최종 슬래그 중량 8~10%로 MgO 포화→MgO계 내화물 화학적 침식 억제.
• 페로알로이드(페로망간, 실리코망간, 페로실리콘) 오버헤드 빈→STL 투입.
• 내화물: 마그네시아-카본 벽돌 주류.

환경 대책

1차 가스: 밀도 높은 갈색 FeO 퓸. 억제 연소 시스템(미연소 상태 처리·전기집진기/습식 스크러버→고체/슬러리 회수, 청정 가스 스택/가스홀더). 발열량 1,700~2,000 kcal/Nm³로 연료 재활용, 에너지 회수 가능.

2차 비산: 장입·탭핑·취련 중 후드 누설→로컬 후드/하이 캐노피 후드+백필터. HM 이송·탈황 등 부대 설비도 로컬 후드+백필터.

회수 먼지/슬러지: 습식 슬러지 건조 후 브리케팅/펠릿화→고로/신터 재순환(유해 폐기물 비지정).

슬래그: 고CaO로 신터/고로 재순환, 철도 노반재 활용.