전로 제강 공정 필수 원자재: 종류별 특성과 관리 포인트

전로(Basic Oxygen Furnace, BOF) 제강 공정 필요 원자재

전로 제강 공정에서 용강 생산에 필요한 원자재는 크게 6가지로 나뉩니다(그림 1).

• 주원료: 용선, 스크랩, 석회 등
• 부원료: 탈산제, 탄소재
• 유틸리티 가스: 산소, 질소, 아르곤 등
• 내화물 및 내화 재료: 라이닝 재료, 건닝재, 패칭재 등
• 소모성 프로브: 온도 프로브, 시료 채취 프로브 등
• 냉각수: 산소 랜스 및 배가스 냉각용

주원료(Basic Raw Materials)

전로 컨버터 제강 주원료: (1) 고로 용선, (2) 강 스크랩/기타 금속 철원, (3) 철광석, (4) 플럭스. 스크랩은 스크랩 박스로 가장 먼저 투입. 용선은 용선 래들로 주입 후 산소 취입 시작. 플럭스는 보통 덩어리 형태로 산소 취입 후 빈 시스템으로 투입. 분말 형태로 바닥 튜예르로 주입하기도 함. 구성과 투입량은 제강공장별 가용성과 경제성에 따라 다름.

용선(Hot Metal / Liquid Iron)

철 단위와 에너지의 1차 공급원. 고로에서 오픈 톱 또는 토르피도 카로 수송. 오픈 톱 래들인 경우 용선 믹서에 부어 전로 투입 전 온도 유지. 일반 화학 성분(대표치): C 3.8~4.5%, Si 0.5~1.5%, Mn 0.25~1.5%, P 0.05~0.15%, S 0.03~0.08%.

용선 탈황 플랜트에서 S 0.001%까지 저감 가능. 성분은 고로 운전과 부담 영향. 고로 냉간 운전 시 Si 감소, S 증가 경향. 고로 부담 P 높으면 용선 P 증가.

C, Si는 주 에너지원. 용선 Si는 전로 투입 가능 스크랩량에 영향. Si 높으면 산화 열량↑ → 스크랩 더 투입 가능. Si는 슬래그량, 석회 소비, 철 수율에도 영향.

용선은 보통 C 포화 상태. C 농도는 온도, Si, Mn 등 타 용질 농도 의존. 온도↑, Mn↑ → C↑. Si↑ → C↓.

전로 투입 시 용선 온도와 C 함량 파악이 공정 제어에 중요. 용선 온도는 투입 전 래들에서 측정. 대표 1300~1350°C.

용선 탈황(Desulphurization)

고온·저산소 포텐셜에서 유리. 용선 내 C, Si 등 타 용질 존재 시 황 활성도↑ → 탈황 촉진. 저산소 포텐셜+고C+고Si 조건이 전로 내 강 탈황보다 용선 탈황에 유리. 전 강종 탈황 아니며, 엄격한 S 규격 강종만 탈황 플랜트에서 0.001%까지(보통 0.004~0.005%) 저감. 탈황 후 슬래그 스키밍으로 효과적 제거 필수. 이 슬래그 고S 함유. 전로로 이월 시 탈황 불리 조건에서 강 S 재흡수(Pickup) 유발.

용선 계량은 전로 투입 전 계량 또는 투입 중 계량. 정확한 중량 필수(오차 시 턴다운 화학성분, 온도, 히트 크기 문제). 정적 차지 모델 중요 입력값.

스크랩(Scrap)

용선 다음 철 단위 2대 공급원. 제철소 내부 발생(연주기 크롭, 압연 스크랩, 제강공장 폐기물 회수, 정비 스크랩) 또는 외부 구매.

스크랩 박스에 종류별 정확량 적재 필수. 박스 계량으로 정확량 파악. 스크랩 믹스와 중량은 전로 턴다운 성능에 직접 영향.

일반적으로 가벼운 스크랩을 앞쪽, 무거운 스크랩을 뒤쪽에 적재. 박스 기울일 때 가벼운 것 먼저 떨어져 내화물 라이닝 충격 최소화. 무거운 스크랩은 잘 안 녹으므로 위에 놓아 산소 제트 직충 영역 가깝게 해 빠르게 녹임. 너무 큰 조각은 전단, 플레임 커팅, 산소 랜싱으로 절단. 얇고 작은 조각(시어링, 펀칭 스크랩)은 유압 프레스로 베일 압축. 일반적으로 크고 무거운 조각이 더 녹기 어려움. 미용해 스크랩은 고온 또는 턴다운 화학성분 불일치 등 공정 제어 문제 유발.

복합 취입(Combined blowing)은 혼합 특성 향상시켜 대형 스크랩 용해 개선. 스크랩 내 Cu, Mo, Sn, Ni 등은 산화 제거 불가 → 용탕에 균일 용해. Al, Si, Zr 등은 취입 중 완전 산화→슬래그 편입. P, Mn, Cr 등 중간 반응성 원소는 금속-슬래그 분배. Zn, Pb는 증기화 제거. 보통 금속 차지의 10~35% 스크랩 사용(현지 조건·경제성 따라). 기술적으로 스크랩/용선 비율은 용선 Si, C, 온도, 후연소 랜스 사용 여부 등 영향.

직접환원철(DRI, Direct Reduced Iron)

일부 제강공장에서 냉각재 겸 철원료로 사용. 대표 성분: T.Fe 89~94%(금속화율 88~96%), C 0.1~4%, Al₂O₃+SiO₂ 2.8~6%, FeO 3~8%, 소량 CaO, MgO. P 0.005~0.09%, S 0.001~0.03%, N 낮음(보통 <20 ppm).

덩어리 또는 브리켓(25~30mm) 형태로 빈 시스템 통해 투입. 브리켓은 자연 발화 방지 위해 패시베이션 처리해 취급 편의성 확보.

선철(Pig Iron)

일부 공장에서 철원료로 사용. 용해 열 필요하나 녹으면 전로 내서 용선과 동일 거동. 스크랩 박스로 타 스크랩과 함께 투입.

철광석(Iron Ore)

보통 덩어리 형태로 냉각재 겸 스크랩 대체재로 투입. 잔류 원소(Cu, Zn, Ni, Mo) 적어 좋은 스크랩 대체재. 냉각 효과는 스크랩의 ~3배. 산화철 환원 발열 흡수(흡열) → 용선 더 많이, 스크랩 덜 필요. 취입 초반(용탕 C 고농도일 때) 투입해야 산화철 효과적 환원. 산화철 환원 시 다량 가스 발생 → 슬래그 발포·슬로핑 경향↑. 후기 투입은 철 수율·턴다운 슬래그 화학성 악영향. 탭 직전 냉각용만 쓰면 슬래그 고산화·유동화→래들 슬래그 이월↑. 미환원 철광석 냉각 반응 지연→급격 온도 저하 또는 격렬한 래들 반응→용강 과산화.

밀스케일(Mill Scale)

적정량 냉각재로 사용 가능. 용선/스크랩 비율 증가에 매우 효과적. 단, 심한 슬로핑 유발. 밀스케일 등 산화철 첨가 시 주 취입 중 환원→Fe+O₂ 방출. 추가 O₂가 탈탄 가속→전체 반응 가속. 슬로핑 원인: 용선 증량에 따른 슬래그량 증가(Si, C 산화→SiO₂, CO 생성↑) 및 반응 속도 증가.

소성석회(Calcined Lime)

전로 내 소성석회 소비량: 용선 Si, 용선/스크랩 비, 초기/최종 S·P 함량에 의존. 석회석 소성으로 생산. 전로 제강용 품질은 별도 기사 참조(링크).

단시간 대량 투입 → 용해도 향상 위해 품질 선별 중요. 일반적으로 소형·고다공성=고반응성=빠른 슬래그 형성 촉진. 주요 품질 문제: 미소성 코어, 수화, 과다 미분, 저반응성.

소성 돌로마이트(Calcined Dolomite)

소성석회와 함께 투입해 슬래그 MgO 포화→로 내화물 MgO 용출 억제. 대표 성분: MgO 36~40%, CaO 54~58%. 슬래그 MgO 포화 상한 유지 투입량 조절. 슬래그 MgO 포화 이상이면 부식성 낮아져 내화물 화학적 침식 감소/제거.

일부 공장 생 돌로마이트 직접 투입. 냉각재 겸 MgO 공급원이나 소성 반응 전로 내 발생→지연 효과. 가열 시 흡열 소성 반응→전로 온도 저하.

슬래그 스플래싱 전 슬래그 컨디셔닝용 소성 돌로마이트도 투입. 화학성분·크기 관리 중요.

석회석/생 돌로마이트 냉각재 활용

일부 공장 플럭스 대신 냉각재로 빈번 사용. 턴다운 온도 과고 시 석회석 냉각용. 가열 시 흡열 소성(CaO+CO₂)→온도 저하. 150톤 히트 기준 석회석 1톤 투입 시 ~12°C 강하(히트 크기·슬래그 상태 따라 변동).

형석(Fluorspar, CaF₂)

슬래그 유동제(점도 저하). 전로 투입 시 라임 입자 주변 2CaO·SiO₂ 층 용해→라임 슬래그 용해 촉진. 근래 내화물(전로·래들) 강한 부식성, 폐가스계 강산 형성(구조물 부식, 유해 배출) 문제로 극소량만 사용.

부원료(Secondary Raw Materials)

탈산제(Deoxidizers)와 탄소재(Carburizers). 보통 전로 탭핑 시 래들에 투입.

탈산(Deoxidation)

제강 최종 단계. 탭핑 시 강탕 용존 산소 400~800 ppm. 래들에 적정량 페로알로이/특수 탈산제 투입해 탈산.

탈산제는 주로 벌크 페로알로이: 페로실리콘(FeSi), 실리코망간(SiMn), 페로망간(FeMn). 탈산 겸 합금 원소 투입용. 합금 원소 투입 가장 경제적. 페로알로이는 강에 독자적 품질 부여.

결정립 크기 제어, 기계적 물성 개선용으로도 첨가. 제강 공정·강종 따라 필요 페로알로이 다양. 내식·내산화성 향상, 고온 인장강도, 내마모성(탄소 첨가로), 크리프 강도 등 원하는 특성 부여. 모든 강종 생산에 필수 입력재. 합금강·스테인리스강 원료.

탄소재(Carburizers)

취입 종료 시 C 함량 미달이면 래들에서 통제된 탄소재 첨가로 재탄소화(Recarburization). 대표: 코크스 브리즈, 석유 코크스. 단, 래들 대량 첨가 시 용강 온도 악영향.

유틸리티 가스(Utility Gases)

전로 제강에서 수냉 랜스로 초고속 산소 분사해 제강. 고품질 강(저불순물) 수요 증가로 초고순도 산소 필요. 제강용 산소 ≥99.5%, 이상적 99.7~99.8%. 잔여: N₂ 0.005~0.01%, 나머지 Ar.

전로에서 산소는 수렴·발산(라발) 노즐로 초음속(Mach>1) 분사. 강력한 가스 제트 슬래그 관통→용탕 표면 충격→제강. 현재 대부분 전로 랜스 팁 4~5개 노즐, 유량 640~900 N㎥/min.

질소(Nitrogen)

전로 복합 취입(Combined blowing)과 슬래그 스플래싱용. 욕조 교반용 질소는 바닥 튜예르/투과성 요소로 분사. 고탄소 영역에서 교반. 바닥 유량 보통 <0.2 N㎥/t·min. 통상 산소 취입 초반 60~80% 구간에서 바닥 분사. 초기 급속 CO 발생이 강 질소 픽업 방지.

슬래그 스플래싱: 탭핑 후 컨디셔닝된 잔류 슬래그를 질소로 전로 벽에 분사→내화물 보호 슬래그 코팅층 형성.

아르곤(Argon)

복합 취입용. 바닥 튜예르/투과성 요소로 분사. 저탄소 영역에서 교반. 바닥 유량 보통 <0.2 N㎥/t·min. 통상 산소 취입 후반 20~40% 구간에서 바닥 분사.

내화물 및 내화 재료(Refractories and Refractory Materials)

전로 제강용 내화 재료 3종:

1. 기본 벽돌(보통 마그네시아-카본 내화물)
2. 마그네시아 베이스 건닝 컴파운드(손상 부위 건닝용)
3. 패칭 재료(보통 사용済 벽돌 파쇄물, 컨버터 바닥 침식부 패칭용)

상세 내용 별도 기사 참조(링크).

소모성 프로브(Consumable Probes)

전로 제강용 소모품: 취입 후 강 분석용 시료 채취 프로브(일회용), 용선 래들/전로 취입 후 용강 온도 측정용 프로브(일회용).

냉각수(Cooling Water)

산소 취입 랜스·노즐 냉각, 배가스 냉각용.

랜스 냉각: 랜스 연소 방지 필수. 구리 노즐·강관 랜스 모두 순환 냉각수(약 6 kg/㎠)로 냉각. 랜스 핵심: 냉각수 노즐 중심 유입→외부 파이프 배출. 노즐 영역(최고 온도 노출)에서 냉각수 유속 최대화 설계. 고수명 랜스 위해 냉각수 유량 설계치 유지 필수. 출구 온도 60~65°C 초과 금지.

배가스 냉각: 컨버터 후드에서 CO 풍부 가스 간접 냉각(냉각수 또는 증발 냉각 시스템 ECS). 1600~1700°C → ~900°C 강하. ECS 경우 탈염수 필요(열회수→증기 생성).

일부 공장 전로 탑콘 물냉각. 탑콘 원추 쉘과 립링(콘 상단 모서리 링)이 수냉 혜택.

수질 중요: 산화물/오염물 함유 시 배관 내 침전→열전달 악영향.