유도로 제강: 소규모 철강 생산을 위한 핵심 운영 인사이트

유도로(Induction Furnace)의 개발은 소규모 강 생산자들에게 큰 혜택이 되었습니다. 이 로들은 설치, 조작, 유지보수가 용이합니다. 히트 크기(Heat size)가 작고 투자 비용이 낮아 저용량 강철 공장에서 선호됩니다. 이 로에서는 전자기장이 생성하는 열을 이용하여 차지 재료를 용해하여 강을 생산합니다.

유도로의 구성

유도로는 기본적으로 도가니(Crucible), 유도 코일(Inductor coil), 쉘(Shell), 냉각 시스템, 틸팅 메커니즘(Tilting mechanism)으로 구성됩니다. 도가니는 내화물로 형성되며, 로 코일이 내화물로 라이닝되어 있습니다. 이 도가니는 차지 재료를 담고 이후 용융 금속을 담습니다. 내화물 선택은 차지 유형에 따라 달라지며, 기본적으로 산성(Acidic), 염기성(Basic), 중성(Neutral) 내화물로 구성됩니다.

유도 코일은 특정 턴 수를 가진 관형 구리 코일입니다. 교류(AC)가 흐르면 도체 내에 자속(Magnetic flux)이 발생합니다. 발생한 자속은 와전류(Eddy currents)를 유도하여 도가니 내 가열 및 용해 공정을 가능하게 합니다.

쉘은 로의 외부 부분입니다. 도가니와 유도 코일을 감싸며 더 높은 열용량을 가집니다. 저탄소 강판으로 만든 직육면체 형태이며, 모서리는 비자성 금속의 앵글 조각과 스트립으로 된 엣지 캐리어(Edge carriers)로 결합됩니다.

냉각 시스템은 일반적으로 관형 구리 코일을 유연한 고무 호스를 통해 수원(Water source)과 연결하는 일방향 흐름 시스템입니다. 냉각 공정은 로 회로가 저항성으로 나타나 실제 전력이 차지 재료뿐만 아니라 코일 저항에서도 소비되기 때문에 중요합니다. 이 코일 손실과 차지에서 내화물 도가니를 통해 전도되는 열 손실로 인해 구리 코일의 과도한 온도 상승을 방지하기 위해 물을 냉각 매체로 사용해야 합니다.

원료 및 에너지원

강 용해 스크랩, 직접환원철(DRI), 선철/주철이 유도로의 투입 원료입니다. 이들 품목의 비율과 용해 기술은 원료 가용성과 공장 위치에 따라 달라집니다. 특정 품질의 강 생산을 위해서는 선별된 원료가 필요합니다. 유도로에서 더 우수하고 효율적인 용해 조업을 위해서는 원료 차지가 다음 기준을 충족해야 합니다.

• 가능한 한 조밀해야 함. 스크랩 압축은 균일하고 빠른 가열 및 에너지 절약을 위해 중요함.
• 청결해야 함. 녹, 오일, 그리스, 모래 등은 가급적 없어야 함.
• 야금학적으로 청결해야 함. 즉, 슬래그 덩어리, 산화물 등이 없어야 하며, 특히 DRI, 스컬(Skull), 페로 합금의 경우 중요함.
• 날카로운 모서리가 없거나 적어야 함. 특히 중량 및 대형 스크랩의 경우.
• 유해 성분(폭발물, 밀폐 용기, 휘발성 물질 등)으로부터 분리되어 있어야 하며, 작업장에서 차지 가능한 크기로 즉시 사용 가능해야 함.

전기는 유도로 강 용해의 유일한 에너지원입니다. 유도로는 처음부터 최대 파워로 운전해야 합니다. 처음에는 낮은 탭으로 운전하다가 점차 높은 탭으로 올린다는 오해가 있습니다. 최대 전력 투입은 용해 속도를 높여 히트 사이클 타임을 단축시킵니다. 역률(Power factor)은 1에 가깝게 유지해야 합니다.

전원에서 전압 강하도 모니터링하여 에너지 효율을 높여야 합니다. 전력 소비율은 로 크기에 의존하며, 로 용량이 약 15~17톤까지 증가함에 따라 낮아지고 이후에는 약 600kWh/톤에서 거의 일정하게 유지됩니다.

운영의 중요 측면

액체 강은 유도 코일에 흐르는 전류와 반대 방향의 전류에 의해 자극되어 중심부 표면이 상승합니다. 액체 강 표면은 주파수가 낮아질수록 더 높게 상승하므로, 저주파 로에서 고주파 로보다 액체 강 교반이 더 강하게 일어납니다. 이 교반 효과는 액체 강의 균일한 온도와 품질을 보장하고, 투입 재료의 포착 및 화학 성분 조절제(특히 탄소 첨가)의 용융을 촉진합니다. 반면 과도한 교반은 액체 강의 산화 마모, 내화물 용출, 액체 강 비산 등의 문제를 일으킬 수 있습니다.

용해가 완료되면 슬래그를 걷어냅니다. 용해 중 생성된 슬래그는 로 벽에 달라붙는 경향이 있어 로 용적을 줄여 히트당 금속 산출량을 감소시킵니다. 금속을 더 높은 온도에서 과열(Superheating)하고 몇 분간 유지하면 슬래그가 로 라이닝에 퇴적되는 것을 억제하여 로를 깨끗하게 유지하고 최대 용적을 확보할 수 있습니다.

슬래그 조성은 사용 공정과 생산 강종에 따라 달라집니다. 로 및 래들 슬래그 조성은 매우 복잡한 경우가 많습니다. 형성된 슬래그는 실리카, 강 스크랩에서 온 산화철, 용해 중 기타 산화 부산물, 내화물 라이닝과의 반응 등 복잡한 반응의 결과입니다. 슬래그는 철, 망간, 마그네슘, 실리콘의 산화물, 실리케이트, 황화물의 복합 액상과 알루미나, 칼슘 산화물 및 황화물, 희토류 산화물 및 황화물 등 다양한 화합물로 구성됩니다.

강 생산 중 최종 제품의 화학 성분을 제어합니다. 모든 투입 재료의 화학 분석을 수행하여 차지 배합을 결정합니다. 투입 재료의 50% 차지 완료 후 배스 시료를 분석합니다. 이 단계에서 배스 시료 분석 결과를 바탕으로 추가 금속 투입량을 계산합니다. 이 단계 시료에서 탄소, 황, 인 함량이 높게 나오면 차지의 DRI 비중을 높입니다. 80% 용해 완료 시 최종 배스 시료를 채취합니다. 이 분석 결과를 바탕으로 다시 차지 조정을 합니다. 시료의 낮은 탄소 함량은 선철/주철 차지량을 늘려 보정합니다. 규소와 망간은 DRI의 산화철에 의해 산화됩니다. 황도 DRI에 의해 희석됩니다. DRI 사용으로 유도로 생산 강의 미량 원소가 관리됩니다.

액체 강은 유도로의 목표 산출물입니다. 수량은 로 용량에, 품질은 원료와 강 성분에 따라 달라집니다. 탭아웃 온도는 강종과 액체 강의 최종 용도에 필요한 과열도에 따라 달라집니다. 고온 탭아웃은 내화물 침식과 전력 소비를 증가시킵니다.

액체 강을 불필요하게 고온으로 과열하면 에너지 비용이 크게 증가합니다. 용융 배스 과열 최소화로 에너지를 절약합니다. 강 사양과 연속 주조기로의 이송 중 온도 손실에 따라 과열 온도를 결정합니다. 매 히트마다 액체 강 배스 온도를 측정 및 모니터링하여 최적의 에너지 절감을 도모합니다. 포텐쇼미터 조정이 가능한 적절한 전력 제어 시스템을 갖춰 과열로 인한 에너지 손실을 최소화해야 합니다.

용융 금속을 부어주기 위한 로 틸팅(Tilting)은 주조 전 마지막 조업 활동입니다. 로는 보통 90도 이상의 각도로 기울여 액체 강을 완전히 부어냅니다.

유도로 제강의 기타 측면

설치 전력 밀도와 용해 관행에 따라 유도로의 열효율은 80%를 초과할 수 있으나, 보통 60~78% 범위입니다.

유도로는 보통 용해 과정 전체 동안 개방된 상태에서 작업자들이 슬래그 스키밍(Slag skimming)과 용융 배스 품질 모니터링을 수행합니다. 그러나 이는 상당한 열손실을 초래하므로 특수 커버나 뚜껑을 설치하여 열손실을 줄여야 합니다. 특히 용해 중 뚜껑 개방 시간을 단축하면 상당한 에너지 절감 효과를 얻을 수 있습니다.

철 용해의 이론적 필요 에너지는 톤당 340kWh이나 실제 필요 전력은 약 600kWh입니다. 이 차이는 두 가지 요인 때문입니다: (i) 유도로 용해 원리에 내재된 비효율(전기 버스바 손실, 와전류 손실, 내화물 손실, 냉각수 손실 등), (ii) 조업상 손실(주로 유도로 내 액체 강을 불필요하게 과도하게 보유).

유도로 설비는 배선 손실을 줄이기 위해 설비 간 거리를 최소화하여 배치해야 합니다. 배선 손실을 크게 줄이기 위해서는 로 본체와 역률 개선 콘덴서 간의 거리를 단축하는 것이 필수적입니다. 이들 사이에는 매우 큰 전류가 흐르기 때문입니다.

유도로 효율은 전기적 및 열전달 손실을 공제한 총합으로 표현됩니다. 고주파 및 중주파 도가니형 유도로의 일반적인 열량 균형도는 그림 1과 같습니다. 전기적 손실은 변압기, 주파수 변환기, 콘덴서, 배선, 케이블, 코일 등에서 발생합니다. 코일 손실은 로 용량을 결정하는 필수 요소입니다. 유도로 열손실은 로 벽에서 코일 측으로 빠져나가는 전도 손실, 용융 표면에서 방출되는 복사 손실, 링 후드 흡수 손실, 슬래그 용해 손실 등으로 구성됩니다. 로 코일은 수냉식으로 이 또한 열손실을 유발합니다. 고주파 및 중주파 로의 열효율(60~78%)은 저주파 로(58~71%)보다 약간 높습니다.

그림 1 도가니 유도로의 일반적인 열량 균형도

유도로 제강 공정에서 가장 치명적인 문제 중 하나는 인(P) 함량을 원하는 한도 이하로 낮추는 정련 능력의 한계입니다. 유도 용해 중 인 함량 증가와 질소 픽업(Pick-up)은 최종 제품을 단단하고 부서지기 쉽게 만들어 많은 중요 용도에 부적합하게 만듭니다. 게다가 주로 석탄 기반 생산 단위에서 조달되는 스펀지 철(DRI)의 품질도 야금도(Metallization)와 인 함량 측면에서 열악한 경우가 많습니다. 이러한 단점들로 인해 유도로에서 DRI 사용 비중이 높으면 수율 저하, 에너지/전력 소비 증가, 강 내 인 함량 증가로 이어집니다.

환경 배출

유도로에서는 석탄이나 연료를 연소시키지 않고 정련 공정도 수행하지 않으므로, 배출물은 전적으로 차지 재료의 청결도와 조성에 의존합니다. 두 가지 주요 배출 범주를 구분할 수 있습니다. 첫째, 주요 범주는 차지 청결도와 관련됩니다. 녹, 먼지, 주물사, 페인트, 오일, 아연도금 또는 납땜된 금속 등은 분진 및 흄(유기 또는 금속성) 배출을 유발하는 요소들입니다. 둘째, 고온에서의 화학 반응(예: 금속 성분 보유 또는 조정 시)과 관련되며, 이는 산화에 의한 야금 흄 발생을 유발할 수 있습니다.

또한 내화물 라이닝(산성-SiO₂, 중성-Al₂O₃, 염기성-MgO)도 배출물에 소량의 분진 입자를 추가할 수 있습니다. 배출의 주요 원인인 차지 청결도가 장치마다 크게 다르므로 평균 배출 데이터를 얻기 어렵습니다.

유도로 배출률은 차지 재료에 의존하며, 이는 다시 해당 로에서 생산되는 제품에 따라 달라집니다. 양질의 주물 생산 시 배출량은 톤당 1~2kg 수준이나, 잉곳/빌릿 생산 시 톤당 10~20kg 배출이 일반적입니다. 최고 배출률은 차지 투입 시와 용해 사이클 초기에 발생합니다. 입자 크기는 1~100마이크로미터 범위이며, 50% 이상이 10~20마이크로미터 미만입니다. 차가운 로에 유분이 있는 스크랩이나 보링(Borings)을 투입하면 배기 가스에 유기 증기가 발생합니다.

유도로 조업 중 개방된 로 용기에서 다량의 고온 흄과 가스가 방출되어 작업장 바닥으로 퍼지며 작업자 건강에 영향을 미칩니다.

유도로의 오염 잠재력 측면에서 볼 때, 고체 및 기체 오염 물질의 양, 유해도는 전기로(EAF)에 비해 상당히 낮습니다. 설비도 전기로만큼 정교할 필요는 없어 소규모 유도로 설비에 비용 효율적입니다. 동시에 배출 오염 물질은 규정을 준수해야 합니다.

오염 제어 단계에는 적절히 설계된 흡입 후드(Suction hood) 메커니즘으로 흄을 포집하는 것이 포함됩니다. 후드는 전체 배기 가스를 흡입하여 사이클론 분리기(Cyclone separator)에서 1차 정화합니다. 미세 입자의 추가 정화는 백필터(Bag filter) 또는 습식 세정기(Wet scrubber)를 통해 수행한 후 청정 가스를 대기로 배출합니다. 흡입 후드 메커니즘은 사이드(Side), 스위블(Swivel), 캐노피(Canopy) 후드 타입이 가능합니다. 마지막 단계는 슬러지나 분진 형태로 남은 고체 물질의 폐기입니다.

액체 강 생산용 유도로 배출물의 분진 농도는 기준 조건(0°C, 101.325kPa, 건조 조건, 산소 함량 보정 없음, 희석 공기 효과 보상)에서 100mg/㎥를 초과하지 않아야 합니다.

안전과 유도로

용융 금속 작업은 항상 위험한 일입니다. 오늘날의 고효율 유도로는 연소 로와 관련된 열, 소음, 흄이 없어 용해 작업장을 더 시원하고 깨끗하며 일반적으로 덜 적대적인 작업장으로 만들어 작업 조건을 개선했습니다. 그러나 이 로들도 액체 금속 근처에서 작업하는 본질적 위험을 제거하지는 못했습니다.

유도로 용해 작업장에서 발생하는 대부분의 사고 원인은 다음과 같습니다: (i) 습기 찬 금속 투입으로 인한 수/금속 폭발, (ii) 온도 측정, 시료 채취, 페로 합금 첨가 시 운전자 숙련도 부족으로 인한 금속 튀김, (iii) 대형 차지 재료가 용융 배스로 낙하하여 금속 튀김 발생, (iv) 차지 작업 부주의로 인한 브리징(Bridging) 현상, (v) 안전선 뒤 미준수로 인한 끼임 사고, (vi) 전기 도체 접촉, 안전 인터록 스위치 무효화, 불완전 방전된 커패시터 접촉으로 인한 감전 또는 사망, (vii) 적절한 운전자 교육 부족.