전로 산소 취입 랜스: 고효율 전로의 핵심 장치

산소 취입 랜스와 전로에서의 역할

전로(Basic Oxygen Furnace, BOF) 제강에서 수냉 랜스로 초음속 산소 제트를 용탕에 분사해 정련합니다. 산소 제트 속도/운동량은 슬래그와 금속 액체층을 관통해 좁은 영역에서 산화 반응 촉진. 제트 속도와 관입 특성은 노즐(랜스 팁) 설계에 따라 결정됩니다.

탑블로잉 랜스 산소 제트는 전로 내 산소·에너지 공급원이자 용탕 교반 동력. 랜스 산소 제트 관련 주요 현상: 산소 제트-용탕 물리적 상호작용에 의한 캐비티 형성, 용탕 교반, 스피팅/분진 발생, 탈탄 생성 CO 가스 후연소(산소와 반응). 전로 운전 최적화와 위 현상 제어를 위해 랜스 설계·운전 개선 다수 적용. 예: 라발 노즐로 압력 에너지를 제트 운동 에너지로 고효율 변환→용탕 교반 촉진, 다공 랜스로 고속 산소 공급하면서 제트 분산으로 스피팅/분진 억제.

복합 취입(Combined blowing) 도입으로 탑블로잉 랜스 제트의 용탕 교반 에너지원으로서 역할 감소했으나, 설계·운전 유연성 크게 증대.

산소 취입 목적과 주요 반응

주 목적: 용탕 탄소(C)를 목표 사양까지 제거. 산소 취입 시 주 반응: C 제거 → CO 생성(발열 반응, 시스템에 열 공급). 소량 CO₂(보통 <10%)도 생성(전로 내 CO 연소→후연소). 타 원소 산화 반응도 발생: Si, Mn, P 등 산화→슬래그층 흡수. 이들도 발열→용탕 열 공급·온도 상승 기여. Si 산화 특히 중요(초기 발생, 생성 SiO₂가 투입 석회와 결합→액체 슬래그 형성). 산소 취입 산화 반응(자유 에너지 변화량, 1600°C 기준 kcal/mol):

• C + ½O₂ = CO (-66)
• 2CO + O₂ = 2CO₂ (-57.4)
• Si + O₂ = SiO₂ (-137.5)
• Mn + ½O₂ = MnO (-58.5)
• 2P + 2.5O₂ = P₂O₅ (-148.5)

산화 반응은 산소 제트 충격 구역(캐비티)에서 발생. 캐비티는 산소 충격으로 생성된 용탕 함몰부. 함몰 깊이는 산소 제트 운동량/추력 함수. 계산식:

F = W (Ve/g)

F: 힘, W: 질량 유량, Ve: 출구 속도, g: 중력가속도. 제트 추력과 충격 각도는 노즐 설계로 최적화해 원하는 화학 반응과 욕조 교반 달성.

랜스 노즐 설계

노즐은 특정 산소 유량(N㎥/min), 출구 속도(마하 수), 제트 프로파일, 슬래그층 관통·캐비티 영역 용탕 반응 위한 제트 힘 갖도록 설계.

고운동량 산소 제트 라발 노즐 출구에서 음속 약 2배 속도 배출. 특성 파라미터: 마하 수(국부 가스 속도/음속 비). 노즐 내 팽창으로 산소 약 -100°C 냉각→노즐 수냉/산소 측 양쪽 집중 냉각.

라발 노즐: 수렴 입구 + 발산 출구 덕트. 수렴-발산(CD) 노즐이라고도 함. 초음속 제트 생성. 정체 산소 저장소 압력 P₀ 유지. 수렴부에서 음속(Mach=1) 도달(원통형 스롯 존). 발산부에서 팽창→온도·밀도·압력 감소, 속도 초음속(Mach>1)으로 증가.

산소 제트 노즐 출구→전로 내 진입 시 확산·감쇠. 일정 거리까지 초음속 코어 유지. 초음속 제트 확산각 = 라발 노즐 각도(보통 10~16°, 일부 설계 23°까지).

적정 노즐 설계와 올바른 운전 모두 제강 반응 효율과 랜스 수명 극대화에 필수.

• 과다 취입(Overblowing): 산소 제트 노즐 출구 시점 미완전 팽창. 노즐 밖 팽창 중 충격파 발생→유용 에너지 손실. 이상적 팽창 제트보다 용탕 충격력 약함.
• 과소 취입(Underblowing): 제트 팽창→주위 압력 도달 후 노즐 출구 전 팽창 정지. 산소 유동 노즐 내부면에서 분리. 전로 내 고온 가스 역류/노즐 출구부 침식. 수명 단축+제트 힘 손실→소프트 블로잉 상태.

산소 랜스 주요 구성품

산소 입구 피팅, 산소 출구(랜스 팁) – 고열전도도 주조/단조 구리, 정밀 가공 노즐로 목표 유량·제트 파라미터 달성. 랜스 배럴: 동심관 구조(외관, 중간관, 중앙 산소관). 열팽창/수축 보상 설계. 외관 고온 노출→팽창 시 내부 O링 씰·조인트로 흡수. 응력 없는 설계, 제철소 운전 조건 견딜 제작 품질 필수.

냉각수 필수(랜스 연소 방지). 구리 노즐·강관 랜스 모두 순환 냉각수(~6 kg/㎠) 냉각. 핵심: 냉각수 노즐 중심 유입→외부 파이프 배출. 노즐 영역(최고 온도)에서 냉각수 유속 최대화 설계.

라발 노즐 설계 시 공정 변수(취입 중)가 설계 파라미터와 일치해야. 설계 압력보다 높게 운전→제트 비효율. 낮게 운전→급속 마모, 초음속 제트 비효율.

전로 랜스 성능 영향 요인

랜스 성능·효율에 영향 주는 다수 요인. 전로 내 조건 의존.

• 용선 Si 함량 – 매우 중요. 슬래그량, 제트 슬래그 관입량, 슬로핑량 제어.
• 랜스 작동 높이 – 노즐 설계 계산 포함 필수. 너무 낮으면 초고온 노출→냉각수 열전달 부족→랜스 팁 조기 용융/소모. 너무 높으면 제트 추력 효율 저하→정련 시간 연장, 탈탄·목표 온도 위해 더 많은 산소 필요.
• 산소 유량 – 설계 파라미터. 산소 공급 시스템/배출 규제 제약받을 수 있음.
• 출구 마하 수 – 설계 시 고려. 마하 수 높을수록 제트 더 강력.
• 노즐 개수·각도 – 초기 단일 노즐(수직 하향)→슬로핑 심함, 액체 물질 전로 입구 직상 분출. 3공 노즐 소각도→슬로핑 저감, 고수율. 현재 4, 5, 6공 구성 다수.

충격 면적(Impact area) = 노즐 홀 개수·노즐 각도 함수. 산소 유량 565㎥/min, 마하 2, 랜스 높이 1.8m 조건 비교:

• 3공 12°: 1.41㎡
• 4공 12°: 1.52㎡
• 5공 12°: 1.61㎡
• 5공 14°: 1.67㎡

노즐 각도↑ → 수직 성분보다 수평 성분↑ → 교반·교반 증대. 단, 수평 성분 과도 시 내화물 마모↑.

랜스 수명 영향 요인

긴 노즐 수명은 전로 경제 운전에 유리. 단, 정상 운전 중 다수 개별 파라미터 공정 영향: 용선 화학성분, 슬래깅 관행, 석회 품질, 랜스 패턴, 동적/정적 랜스 제어, 산소 공급 압력 제한, 컨버터 형상/용적. 공장별 편차 커 이상적 관행 기준 일반적 관계만 기술 가능.

최취약 부위: 랜스 헤드 크라운 – 사용 시 2000°C 이상 노출. 전기전도도 ~100% 근접 구리 필요. 단조 구리만 가능. 주조 구리 최소 ~90% 전도도(주조 제약). 전기전도도 ∝ 열전도도.

랜스 수명 공장별 편차: 대표 200 히트, 400 히트 달성 공장도, 100 히트 미만 공장도 존재.

• 냉각수 유량 설계치 유지 필수. 출구 온도 60~65°C 이하.
• 수질 중요. 산화물/오염물→배관·노즐 내부 침전→열전달 저하→수명 단축.
• 작동 높이 중요(제트 관입). 단, 너무 낮으면 노즐 팁 면 침식/용융 위험.
• 과소 취입(Underblowing)→노즐 출구 침식·파손.
• 과도한 스컬(skull) 축적→기계적 제거 또는 연소 제거 필요. 둘 다 랜스 손상 위험.

수명 단축 핵심 2요인

1. 압력 손실 불확실성: 산소 취입 정압(노즐 설계용)은 밸브 스테이션에서 조정(노즐 입구 아님). 밸브 스테이션~노즐 사이 마찰·굴곡 손실 압력 미지수(보통 0.3~1.5 kg/㎠, 배관 형상 의존). 노즐 설계 위해 압력 손실 추정→입구 압력 결정. 압축성 유체 압력 손실 이론 계산 난해(전 가스 네트워크 구성 요소 커버 필요). 입구 온도, 컨버터 내 정압도 미지. → 공정 변수 근사치로 설계. 설계 모드 벗어난 운전 시 급속 마모 징후, 취입 조건 불안정·비효율.
2. 운전 중 공정 변수 변동: 운전원 예상치 못한 사건(슬로핑, 산소망 압력 변동, 주 취입 중 냉광석 첨가) 및 현재 공정 이벤트(취입 중 서브랜스 시료 채취) 대응으로 변수 변동. 노즐 유량 이상 설계 조건 이탈 장시간 지속. 노즐 안팎 복잡·비정상 유동 패턴(다이아몬드 웨이브 패턴: 압축/팽창파 형태) 발생→노즐 에지 마모 유도.

전로 랜스 최신 개발 동향

1. 후연소 랜스(Post-combustion Lance)

산화 반응 가스 90%가 CO → 추가 연소로 CO₂ 생성 바람직. 고발열 반응→제강 추가 열 공급. 스크랩/용선 비율 높은 전로에서 적용. 이중 유량 산소 랜스 필요(산소 출구 2개). 주 산소는 기존 랜스처럼 팁 분배, 보조 산소 별도 제어·고위치 분사. 보조 산소 기능: 용탕서 발생 CO와 반응→추가 열에너지 생성→추가 스크랩 용해, 전로 입구 스컬 축적 제어.

2. 슬래그 스플래싱용 랜스 활용

MgO 고함유 보호 슬래그 코팅을 전로 벽에 형성하는 슬래그 스플래싱(Slag splashing) 공정. 용강 탭핑 후 잔류 슬래그 남긴 상태서 수행. 잔류 슬래그 조성·온도 컨디셔닝(두 파라미터 모두 성공 핵심). 산소 차단→질소 공급. 랜스 하강(전로 바닥 위 ~1m). 질소 분사→액체 슬래그 전로 상부(콘)에 부착→내화물 위 보호 슬래그 코팅 생성. 이 코팅으로 내화물 라이닝 수명 20,000 히트/캠페인 이상 달성. 건닝량도 강톤당 0.5kg 미만으로 감소.