전기로(EAF) 제강 공정: 원리, 장점 및 영향

전기로(Electric Arc Furnace, EAF) 제강 기술은 100년 이상의 역사를 가지고 있습니다. 드 라발(De Laval)이 1892년 철의 용해 및 정련을 위한 전기로 특허를 출원했고, 에루(Heroult)가 1888~1892년 사이 페로 합금의 아크 용해를 시연했지만, 제강용 최초의 산업용 전기로는 1900년에야 가동되었습니다. 이후 발전은 급속하여 1910년부터 1920년까지 생산량이 10배 증가하여 1920년에는 50만 톤 이상을 기록했으나, 당시 세계 철강 생산량의 극히 일부에 불과했습니다. 초기에는 스크랩 및 페로 합금 등 고체 형태의 원료를 사용하여 특수 강종을 생산하기 위해 개발되었습니다. 고체 원료는 직접 아크 용해로 녹이고, 적절한 플럭스 첨가를 통해 정련한 후 후속 공정을 위해 탭아웃(Tapping)했습니다. 그림 1은 일반적인 EAF의 평면도와 단면도를 보여줍니다.

그림 1 전기로(EAF)의 일반적인 평면도 및 단면도

전기로의 용량은 수 톤에서 최대 400톤까지 다양하며, 제강 공장에는 단일 로에서 최대 3~4기까지 설치될 수 있습니다. 간단히 말해, 이 로들은 흑연 전극을 통해 스크랩 차지에 교류 전류를 가하여 강을 용해합니다. 막대한 전력이 필요하며, 용해 공정은 짧은 시간에 대량의 에너지를 사용하므로 경우에 따라 전력망에 교란을 일으키기도 합니다. 이러한 교란은 주로 '플리커(Flicker)'(50~60Hz 주기의 일부분 길이인 전압의 순간적인 불규칙)와 '고조파(Harmonics)'(50~60Hz 주기와 반복적인 패턴을 보이는 불규칙)로 특징지어집니다. 불과 30~35년 전만 해도 탭투탭(Tap-to-tap) 시간이 3시간을 넘는 경우가 흔했고, 특정 전력 소비량은 열역학적 요구치(350~370kWh/톤)의 거의 2배인 700kWh/톤을 넘기도 했습니다.

EAF 작동 주기

EAF는 액체 강의 배치(Batch)를 생산하는 배치 용해 공정으로 작동합니다. EAF 작동 주기를 탭투탭 주기 또는 '히트(Heat)'라고 하며, 다음 단계로 구성됩니다: (i) 로 차지(Charging), (ii) 용해 단계, (iii) 정련 단계, (iv) 탈슬래깅(Deslagging), (v) 액체 강 탭아웃, (vi) 로 턴어라운드(Turnaround).

최신 EAF에서 탭투탭 시간은 일반적으로 60분 미만입니다. 일부 트윈 쉘(Twin-shell) 로 조업에서는 35~40분의 탭투탭 시간을 달성하기도 합니다.

로 차지(Charging of the Furnace)

EAF에서 한 히트를 생산하는 첫 단계는 생산할 강종을 선정하는 것입니다. 스크랩 야드에서 해당 강종 사양을 충족하도록 스크랩 버킷을 준비합니다. 차지용 스크랩 버킷 준비는 적절한 용해 화학 성분 보장뿐만 아니라 좋은 용해 조건 확보를 위해서도 중요한 작업입니다. 스크랩은 크기와 밀도에 따라 버킷에 층층이 쌓아 로 바닥(Hearth)에 액체 강 풀(Pool)이 빠르게 형성되도록 하면서, 전기 아크의 복사열로부터 측면 벽과 지붕을 보호해야 합니다. 기타 고려사항으로는 전극 파손을 일으킬 수 있는 스크랩 붕괴(Cave-in) 최소화, 버너 포트 바로 앞에 크고 무거운 스크랩 조각이 놓여 화염이 수냉 패널로 역류(Blow-back)하는 현상 방지 등이 있습니다.

차지 재료에는 석회와 탄소가 포함될 수 있으며, 이들은 히트 도중 로에 주입될 수도 있습니다. 많은 현장에서는 스크랩 버킷에 석회와 탄소 일부를 넣고 주입으로 보충하는 방식을 사용합니다.

EAF의 새 히트는 스크랩 차지로 시작됩니다. 지붕과 전극을 들어 올리고 로 옆으로 스윙하여 차지 크레인이 만재된 스크랩 버킷을 로 위로 이동시킵니다. 버킷 바닥은 보통 조개껍데기(Clam-shell) 설계로 되어 있어, 바닥의 두 구간을 당겨 열면 스크랩이 로 안으로 떨어집니다. 차지 크레인이 빈 버킷을 치우고 나면 지붕과 전극을 다시 로 위로 스윙하여 제자리에 놓습니다.

한 히트당 필요한 스크랩 버킷 수는 주로 스크랩 밀도와 로 용량에 따라 달라집니다. 최신 로는 백차지(Back-charge, 추가 차지) 횟수를 최소화하도록 설계됩니다. 이는 차지 시간이 데드 타임(전력 투입 없음, 용해 안 함)이기 때문에 유리합니다. 데드 타임 최소화는 EAF 생산성 극대화에 도움이 됩니다. 또한 로 지붕을 열 때마다 약 10~20kWh/톤의 에너지가 손실됩니다. 많은 로에서 스크랩 배합을 통해 히트당 2~3 버킷을 목표로 하며, 일부 조업은 단일 버킷 차지를 달성하기도 합니다. DRI(직접환원철)나 HBI(열간브리켓철)의 경우 호퍼를 이용한 연속 차지가 일반적입니다. 스크랩의 경우도 '콘스틸(Consteel)' 또는 샤프트 퍼니스(Shaft furnace)를 통해 연속 충전이 가능합니다.

용해 단계(Melting Phase)

EAF 차지가 완료되면 지붕을 내리고 전극을 내려 스크랩에 아크를 일으킵니다. 이로써 히트의 용해 단계가 시작되며, 이는 EAF 조업의 핵심입니다.

EAF는 고효율 용해 설비이며, 최신 설계는 용해 능력 극대화를 기반으로 합니다. 용해는 로 내부에 에너지를 공급하여 수행합니다. 이 에너지는 전기적 에너지 또는 화학적 에너지일 수 있습니다. 전기적 에너지는 흑연 전극을 통해 공급되며, 용해 단계에서 매우 큰 비중을 차지합니다. 처음에는 중간 전압 탭을 선택하여 전극이 스크랩 속으로 파고들게(Bore-in) 합니다. 보통 경량 스크랩을 차지 상단에 놓아 보어인을 가속화합니다. 초기 보어인 기간(수 분) 동안 전체 스크랩의 약 15%가 용해됩니다. 이후 전극이 스크랩에 충분히 파고들면, 지붕 복사열 손상 우려 없이 장아크(고전압) 탭을 사용합니다. 장아크는 스크랩으로의 전력 전달을 극대화하여 로 바닥(Hearth)에 액체 강 풀을 형성합니다.

이 단계 초반에는 아크가 불안정하고 불규칙합니다. 전극의 급속한 움직임과 함께 전류의 큰 변동이 관찰됩니다. 로 내부 환경이 가열되면 아크가 안정화됩니다. 용융 풀이 형성되면 아크는 매우 안정적이 되고 평균 전력 투입량이 증가합니다.

화학적 에너지는 산소-연료 버너(Oxy-fuel burners)와 산소 랜스(Oxygen lances) 등 다양한 공급원을 통해 제공됩니다. 산소-연료 버너는 산소(O₂) 또는 농축 공기를 사용하여 연료 가스를 연소시킵니다. 열은 화염 복사와 연소 생성물의 대류를 통해 스크랩에 전달되고, 스크랩 내부에서는 전도에 의해 전달됩니다. 큰 스크랩 조각은 작은 조각보다 용해되어 배스(Bath)에 녹아드는 데 더 오랜 시간이 걸립니다. 경우에 따라 소모성 파이프 랜스를 통해 산소를 주입하여 큰 스크랩 조각을 절단하기도 합니다.

로 내에 용융 풀이 생성되면 산소를 보통 용융 배스에 직접 랜싱합니다. 이 산소는 배스 내의 알루미늄(Al), 실리콘(Si), 망간(Mn), 인(P), 탄소(C), 철(Fe) 등 여러 원소와 반응합니다. 이러한 반응은 발열 반응으로 추가 에너지를 공급하여 스크랩 용해를 돕습니다. 생성된 금속 산화물은 슬래그로 들어갑니다. 배스 내 탄소(C)와 산소(O₂) 반응으로 일산화탄소(CO)가 생성되는데, 충분한 산소가 있으면 로 내에서 연소하고/또는 직배기 시스템을 통해 배출되어 연소 후 오염 제어 시스템으로 이송됩니다. 산소 랜싱은 용해 말기에 배스 탄소 함량을 탭아웃 시 목표 수준으로 낮추기 위해 수행되기도 합니다.

두 번째 차지를 수용할 만큼 충분한 스크랩이 용해되면 차지 과정을 반복합니다. 최종 스크랩 차지까지 용해되면 로 측면 벽이 전기 아크의 강한 복사열에 노출되므로 전압을 낮춰야 합니다. 대안으로 거품 슬래그(Foamy slag)를 생성하여 아크를 매몰(Bury)시키면 로 쉘을 보호할 수 있습니다. 또한 다량의 에너지가 슬래그에 보유되어 배스로 전달되므로 EAF의 에너지 효율이 향상됩니다.

최종 스크랩 차지까지 완전히 용해되면 평탄 배스(Flat bath) 조건에 도달합니다. 이 시점에서 보통 배스 온도와 시료를 채취합니다. 배스 화학 성분 분석을 통해 정련 단계에서 필요한 산소 랜싱량을 결정합니다. 이 시점에서 운영자는 탭아웃 시 첨가할 페로 합금 준비를 시작하며, 정확한 양은 정련 기간 후 확정합니다.

정련 단계(Refining Phase)

정련 단계에서는 강에서 Al, Si, Mn, C, P, 황(S) 등을 제거합니다. 정련 조업은 평탄 배스 조건 달성 후 용해 단계에 이어 수행됩니다.

정련 반응은 산소(O₂) 가용성에 의존합니다. 정련 중 제거 대상 원소들은 탄소(C)보다 산소에 대한 친화력이 더 높습니다. 따라서 산소는 이들 원소와 우선적으로 반응하여 산화물을 생성하고, 이는 부유하여 슬래그로 들어갑니다. 이전 히트에서 남은 용융 강과 슬래그(Hot heel)를 보유한 최신 EAF에서는 거의 히트 전체 기간 동안 배스에 산소를 분사합니다. 결과적으로 일부 용해와 정련 조업이 동시에 발생합니다.

로 차지의 인(P)과 황(S) 함량이 제품 사양 요구치보다 높으면 이를 제거해야 합니다. 일반적으로 인 제거에 유리한 조건은 황 제거에 필요한 조건과 정반대입니다. 따라서 일단 이들 원소가 슬래그상으로 들어가면 다시 강으로 환원(Reversion)될 수 있습니다.

슬래그 내 인 보유는 배스 온도, 슬래그 염기도(Basicity), 슬래그 내 FeO 함량에 따라 달라집니다. 고온이거나 FeO 함량이 낮으면 인이 슬래그에서 배스로 환원됩니다. 인 제거는 히트 초기에 가능한 한 빨리 수행합니다. 핫 힐(Hot heel) 조업은 배스 온도가 아직 낮을 때 산소 랜싱이 가능하므로 인 제거에 매우 유리합니다. 히트 초기에 슬래그는 이전 히트에서 이월된 높은 FeO 함량을 포함하므로 인 제거를 돕습니다. 높은 슬래그 염기도(CaO/SiO₂ 비율)도 인 제거에 유리하지만, 석회로 슬래그가 포화되지 않도록 주의해야 합니다. 이는 슬래그 점도를 높여 효과를 떨어뜨릴 수 있습니다. 때때로 형석(CaF₂)을 첨가하여 슬래그를 유동화하기도 합니다. 불활성 가스로 배스를 교반하면 슬래그/금속 계면을 갱신하여 반응 속도를 개선하므로 유리합니다. 일반적으로 특정 강종에서 저인(P) 함량이 요구되면, 용해 시 낮은 인 함량을 갖도록 스크랩을 선정합니다. 슬래그 내 인과 배스 내 인의 분배 비율(Partition ratio)은 보통 5~15 범위입니다. 일반적으로 EAF에서 인은 20~50% 감소합니다.

황은 주로 슬래그에 용해된 황화물 형태로 제거됩니다. 슬래그와 금속 간 황 분배는 슬래그 화학 성분에 의존하며, 낮은 강 산화도에서 유리합니다. 현대 조업에서 배스 산화도가 꽤 높기 때문에 EAF에서의 황 제거는 어렵습니다. 일반적으로 EAF 조업에서 분배 비율은 3~5 사이입니다. 보통 강 제조의 환원 단계에서 탈황(Desulfurization)을 수행하는 것이 더 효과적입니다. 즉, 탭아웃 직전(칼슘 알루미네이트 슬래그 형성 시)과 래들 퍼니스 조업 중에 탈황을 수행합니다. 배스 산소 활성이 훨씬 낮은 환원 조건에서는 황 분배 비율이 20~100 사이로 달성될 수 있습니다.

배스 내 금속 성분 제어는 강의 사양 요구사항 충족에 중요합니다. 보통 EAF 운영자는 최종 제품 사양보다 낮은 수준으로 이들 성분을 목표로 합니다. 산소는 Al, Si, Mn과 반응하여 금속 산화물을 생성하며, 이들은 슬래그 구성 성분이 됩니다. 이들 금속 성분은 탄소보다 먼저 산소와 반응하는 경향이 있습니다. 또한 FeO와 반응하여 배스 내 철(Fe) 단위 회수에 기여합니다. 예를 들어 다음과 같은 반응이 있습니다.

Mn + FeO = MnO + Fe

Mn은 일반적으로 배스에서 약 0.06% 수준으로 감소합니다.

배스 내 탄소(C)와 산소(O₂) 반응으로 CO를 생성하는 것은 배스에 저렴한 형태의 에너지를 공급하고 여러 중요한 정련 반응을 수행하므로 중요합니다. 최신 EAF에서 산소와 탄소의 결합은 로 순열 입력의 약 30~40%를 공급할 수 있습니다. CO 발생은 슬래그 발포(Slag foaming)에 매우 중요합니다. 염기성 슬래그와 결합하면 CO 기포가 슬래그에 갇혀 발포시키고 전기 아크를 매몰시키는 데 도움을 줍니다. 이는 열효율을 크게 개선하고 평탄 배스 달성 후에도 고아크 전압으로 조업할 수 있게 합니다.

용해 가스, 특히 수소(H₂)와 질소(N₂)는 제강사들의 관심사입니다. 아크 매몰은 질소가 아크에 노출되어 해리되어 강으로 유입되는 것을 방지하는 데도 도움이 됩니다. CO가 강 배스 내부에서 발생하면 강에서 N₂와 H₂를 탈거(Stripping)하는 데 도움이 됩니다. 탭아웃 전 로 내 강의 N₂ 농도를 50ppm까지 낮출 수 있습니다. 바텀 탭핑(Bottom tapping)은 탭아웃이 빠르고 타이트한 탭 스트림이 유지되므로 저질소 수준 유지에 유리합니다. 강 내 높은 산소 포텐셜은 저질소 수준에 유리하며, 킬링(Killing, 탈산 강하게 함)하지 않고 오픈 탭(Open tap)해야 합니다. 1600°C에서 순철 내 N₂ 최대 용해도는 450ppm입니다. 일반적으로 탭아웃 시 강의 N₂ 수준은 80~100ppm 범위입니다. 탈탄(Decarburization)도 H₂ 제거에 유리합니다. 시간당 1% 탈탄 속도로 10분 만에 강 내 H₂ 수준을 8ppm에서 2ppm으로 낮출 수 있음이 입증되었습니다.

정련 말기에 배스 온도 측정과 시료 채취를 수행합니다. 온도가 너무 낮으면 배스에 전력을 가할 수 있습니다. 최신 제강 공장에서는 래들 퍼니스에서 온도 조정이 이루어지므로 저온은 큰 문제가 아닙니다.

탈슬래깅 조업(Deslagging Operation)

탈슬래깅 조업은 불순물을 슬래그 형태로 로에서 제거하기 위해 수행됩니다. 용해 및 정련 조업 중 배스 내 일부 유해 원소가 산화되어 슬래그로 들어갑니다. 인을 가능한 한 히트 초기에 슬래그로 많이 제거하는 것이 유리합니다. 로를 후방으로 기울여 슬래그 도어를 통해 슬래그를 배출합니다. 슬래그 제거는 인 환원(Reversion) 가능성을 제거합니다.

슬래그 발포 조업 중 탄소를 슬래그에 주입하면 FeO를 금속 Fe로 환원하면서 CO를 생성하여 슬래그를 발포시킵니다. 이 단계 이전에 고인 슬래그를 제거하지 않으면 인 환원이 일반적으로 발생합니다. 슬래그 발포 중 슬래그가 EAF의 실(Sill) 레벨을 넘어 슬래그 도어로 유출될 수 있습니다.

일반적인 EAF 슬래그 조성은 CaO 45~58%, SiO₂ 5~15%, FeO 10~28%, MgO 5~8%, MnO 2~5%입니다. 이외에도 CaF₂, S, P 등을 포함합니다.

액체 강 탭아웃(Tapping of Liquid Steel)

로 내에서 목표 강 성분과 온도에 도달하면 탭 홀(Tap hole)을 열고 로를 기울여 강을 티밍 래들(Teeming ladle)에 부어 2차 제강 공정으로 이송합니다. 탭아웃 과정에서 배스 분석 결과와 목표 강종에 따라 페로 합금 첨가를 수행합니다. 탈산제(Deoxidizing agent)를 첨가하여 후속 공정 전 강 내 산소 함량을 낮춥니다. 일반적인 탈산제는 Al, 페로실리콘, 실리코 망간입니다. 탄소강 히트 생산 시 최소한의 슬래그 이월(Carry-over)을 목표로 합니다. 탭아웃 중 새로운 슬래그 커버를 형성합니다. 래들 퍼니스 조업 시 황(S) 제어를 위해 칼슘 알루미네이트 슬래그가 좋은 선택입니다. 슬래그 형성제를 탭아웃 시 래들에 첨가하여 래들 퍼니스 이송 전 슬래그 커버를 형성합니다.

로 턴어라운드(Furnace Turnaround)

로 턴어라운드는 탭아웃 완료부터 다음 히트 차지를 위한 로 준비 완료까지의 기간입니다. 이 기간 동안 전극과 지붕을 들어 올리고 로 내화물 라이닝 손상 여부를 검사합니다. 필요시 바닥(Hearth), 슬래그 라인, 탭 홀, 스파우트(Spout)를 보수합니다. 바텀 탭핑 로의 경우 탭 홀을 모래로 충전합니다. 로 보수는 모놀리식 내화물(Monolithic refractories) 건닝 믹스(Gunning mixes)를 사용합니다. EAF에 수냉 패널(Water-cooled panels) 사용이 증가하면서 히트 간 패칭(Patching) 또는 페틀링(Fettling) 필요량이 감소했습니다. 많은 제강 공장에서 로 바닥을 2~6주 주기로 예비 바닥(Spare bottom)으로 교체합니다. 교체된 바닥의 유지보수는 오프라인에서 수행하여 EAF 파워 오프 시간을 줄이고 로 생산성을 극대화합니다. 로 턴어라운드 시간은 보통 탭투탭 주기에서 가장 큰 데드 타임(파워 오프) 구간입니다. 로 조업 기술 발전에 따라 이는 20분에서 최신 설치 로의 경우 5분 미만으로 단축되었습니다.

EAF 열량 균형(Heat Balance)

강 스크랩 용해의 이론적 최소 필요 에너지는 300kWh/톤입니다. 용융점 1520°C 이상의 과열(Superheat) 제공을 위해서는 추가 에너지가 필요하며, 일반적인 탭아웃 온도 요구사항을 고려하면 총 이론 필요 에너지는 보통 350~370kWh/톤 범위입니다. 그러나 EAF 제강 효율은 51~64% 범위이므로, 최신 로에서 총 등가 에너지 투입량은 보통 550~700kWh/톤 범위입니다. 이 에너지는 전기 에너지, 산소-연료 버너(다양한 연료 공급원), 화학 반응을 통해 공급될 수 있습니다. 에너지 분배는 현지 원자재 및 소모품 비용에 크게 의존하며, 각 제강 공장 조업 고유의 특성을 가집니다. 일반적인 EAF 열량 균형도는 그림 2와 같습니다.

그림 2 EAF의 일반적인 열량 균형도

에너지 소비는 개별 조업에 따라 크게 달라지며 공장 간 차이가 큽니다. 원료 조성, 전력 투입률, 조업 관행(예: 후연소, 스크랩 예열) 등의 요인이 에너지 균형에 큰 영향을 미칠 수 있습니다. 차지 탄소 또는 고탄소 원료를 다량 사용하는 EAF 조업에서는 오프가스 내 에너지의 최대 60%가 미연소 일산화탄소 다량으로 인해 발열량(Calorific) 형태일 수 있습니다. 이 에너지를 EAF에서 회수하면 에너지 투입을 8~10% 증가시킬 수 있습니다. 따라서 특정 로 조업의 에너지 균형 평가 시 이러한 요인들을 고려하는 것이 중요합니다.