전로 제강 산소 취입: 순도 향상과 효율 극대화 기술

전로 제강에서 산소 취입(Blowing of Oxygen)

전로 제강 시 용선에 산소(O₂) 취입해 불순물 제거: 탄소(C), 규소(Si), 망간(Mn), 인(P) 등. 수냉 랜스로 초고속 산소 분사→용강 생산. 1950년대 탑블로잉 컨버터 상용화·최대 50톤 시절 단일 홀 랜스 팁 사용. 시간 경과→컨버터 대형화→랜스 팁 홀 수 증가→더 넓은 욕조 표면 산소 분배.

고품질 강(저불순물) 수요 증가→초고순도 산소 필요. 제강용 산소 ≥99.5%, 이상적 99.7~99.8%. 잔여: N₂ 0.005~0.01%, 나머지 Ar.

탑블로운 컨버터에서 산소는 수렴-발산 노즐로 수냉 랜스 팁에서 초음속 분사. 강력한 가스 제트 슬래그 관통→용탕 표면 충격→제강. 현재 대부분 컨버터 랜스 팁 3~6개 노즐. 8노즐도 사용. 다공 랜스 팁 각 노즐 축=랜스 축 기울어짐·등간격 배치. 랜스 팁=구리, 랜스 강관에 용접.

컨버터 크기별 산소 설계 유량·유속·배관 치수

표 1 참조.

표 1: 컨버터 랜스 설계 유량
컨버터 히트 크기 (톤)	산소 유량 (N㎥/hr)	내경×두께 (mm)	산소 유속 (m/sec)
250-300	58,000-66,000	245×8	43.5-49.5
210	48,000-54,000	219×8	45.8-51.5
180	39,000-44,000	194×6	46.3-52.2
150	30,000-33,000	168×6	48.4-53.3
120	26,000-28,000	159×6	47.3-50.9
80	18,000-20,000	133×5	46.8-51.9
60	14,000-16,000	121×5	44.7-51.0
50	11,000-13,000	114×5	40.0-47.3

전로 제강에서 초음속 산소 용선 분사→C, Si, Mn, P 등 불순물 제거. 취입 중 랜스 높이 낮춤→욕조 내 산소 가용성↑→탈탄 촉진. 취입 시간 ~15-20분. 탭투탭 시간 50-60분(산소 유량, 용선 성분, 랜스 프로파일, 강 화학성분 의존). 흥미롭게 산소 취입 시간·탭투탭 시간은 컨버터 용량 의존도 낮음.

수냉 랜스(~8-10m), 라발 노즐, 고압(11-14 kg/㎠), 초음속(Mach>1) 분사. 초음속 제트→욕조 내 산소 포집↑. 취입 중 3상 분산(슬래그/금속 미립/가스 기포) 형성. 랜스 핵심=노즐 팁. 비합체 자유 산소 제트 생성 설계. 노즐 기능:

• 산소 공급·분배
• 가스 제트 생성
• 욕조 교반 유도
• 금속 미립 생성

전 히트 탭핑·슬래그 배출 후 라이닝 점검. 스크랩·용선 투입. 컨버터 수직 틸트→랜스 강하→산소 취입 시작. 초기 랜스 높이 선정: 욕조 면 힘 집중→미세 철입자 비산(스파킹) 방지, 동시에 산소 제트 최대 욕조 표면 커버.

초기 소프트 블로(Soft blow, 랜스 높이 높게)→슬래그 형성 촉진, 미립자 비산 방지(용선 슬래그 미피복 상태). 석회 보통 취입 초반+취입 중 투입. ~15-20분 취입, 랜스 높이 점진 저하→슬래그 발포 제어, 산화 반응 중단 없음.

자유 가스 제트 형태 산소 공급=탑블로운·각종 복합 취입 컨버터 제강 핵심 특징. 이 형태서 총 산소 취입 시간≒컨버터 용량·산소 취입률·바닥 교반 무관. 무차원 운동량 유량 vs (취입 시간/총 취입 시간) 평가로 30-400톤 범위 컨버터서 확인.

무차원 운동량 유량 수 = 일정 체적 유량 산소 자유 제트 작용 기술. 랜스 높이↓→수치↑. 랜스 높이↓=하드 블로, ↑=소프트 블로. 랜스 프로파일=초기 소프트→점진적 하드 블로 생성 설계.

랜스 프로파일 근본 요건(전 컨버터 제강 공통): 초기 FeO 풍부 슬래그 형성 → C, P 제거 위해 산소 욕조 가용성 점진 증대(슬래그 과산화 방지). 전자=소프트 블로(얕은 관입), 후자=하드 블로(깊은 관입) 점진적 달성. → 소프트/하드 블로=컨버터 용량·제강 관행(순수 탑블로잉/복합 취입) 불문 필수→총 산소 취입 시간 대동소이.

산소 가용성(Availability of Oxygen)

정련 공정 중 산소 에너지적 가용성 = 일정 유량 산소 노즐 통과로 획득.

전로 제강 산소=라발 노즐 취입. 라발 노즐=수렴-발산 노즐. 유로 단면적 흐름 방향 감소→최소 단면(목, throat)→증가. 최소 단면=노즐 목. 라발 노즐→가스 초음속 가속(Mach>1). 출구 속도≒Mach 2.0~2.4.

자유 가스 제트 거동(Behaviour of Free Gas Jet)

단일 라발 노즐 출구 공기 중 분사 거동: 제트 주위 확산→자유 가스 제트(Free gas jet)(확산 비구속). 자유 제트 특성: 포텐셜 코어 길이(PCL), 초음속 코어 길이(SCL).

• 포텐셜 코어: 주위 포집(entrainment) 없음→축/반경 방향 속도=출구 값 유지.
• 포텐셜 코어 이후: 반경/축 방향 속도 주위 포집→감소 시작.
• 자유 제트 내 음속(M=1) 도달점 존재. 초음속 코어 내: 축/반경 방향 속도 초음속. 초음속 코어 이후: 아음속.

→ 반경 확산·축 속도 감쇠(포텐셜 코어 이후)가 자유 가스 제트 주 특성.

확산→제트 질량 증가(주위 포집)→평면 P=0 농도 감소. O₂ 노즐 통과 시 평면 P2 농도P1. 축 속도=노즐 출구부터 축거리 함수.

자유 제트 중요 특성: 운동량 유량 동반→액체 충격시 힘 변환→관입. 제트 내 운동량 유량=보존. 중요: 상류 변수(압력, 노즐 수·직경)만 의존, 하류 조건 무관.

다공 팁 제트 거동=노즐 수·랜스 축 기울기 각도 의존. 컨버터 제강 노즐 수=용량 따라 3~6개 일반. 3공 팁 기울기 10-12°, 5-6공 15-16° 일반.

다중 자유 가스 제트 하류 합체(Coalesce) 여부=기울기 각도·노즐 수·상류 압력·유량 함수. 합체 제트≒단일 제트. 3공 10-12°→일정 거리 하류까지 비합체. 비합체 제트 액체 충격→제트 수만큼 관입.

축 속도 감쇠·반경 확산=주위 밀도/O₂ 제트 밀도 비 의존. O₂ 제트 밀도>주위 밀도→주위서 느린 확산. 확산 속도=비율 값 의존. → 제트 속도 하류 거리서 느린 감쇠. 냉각 제트 고온 금속 주위 방출→PCL, SCL 길어짐(밀도 비=1 대비). 밀도 비<1(O₂ 제트<주위)→O₂ 제트 가벼움→빠른 확산→PCL, SCL 단축. 냉각 산소 제트 슬래그 내 방출 사례.

자유 산소 제트 작용(Action of Free Oxygen Jet)

자유 O₂ 제트 속도 중요. 축 속도=노즐 하류 거리↑→주위 포집→감소. 컨버터 취입 시작→주위=고온 분위기. 취입 진행→주위 CO→슬래그 변화. 대부분 기간 제트 슬래그 내 잠김. 주위=동적. 제트 속도=상류 압력, 하류 축거리, 주위 함수. 주위 변화 시 제트 속도 계산 난해. 단, 제트 내 운동량 유량=하류 거리 무관→계산 가능.

제트 운동량 유량→욕조 충격시 힘 변환. → 자유 제트 작용=무차원 유량 수로 기술. 무차원 유량 수=랜스 높이↓→증가. → 랜스 높이 동적 변동 기술용. 무차원 운동량 유량 수=중력 대비 O₂ 제트 욕조 작용 의미.

제트 관입성(Jet Penetrability)

무차원 유량 수=랜스 높이 제트 관입성 영향 기술. 높은 랜스 얕은 관입=소프트 제트. 낮은 랜스 깊은 관입=하드 제트.

→ 일정 체적 유량·일정 압력 산소 노즐 방출→소프트 충격 가능, 점진적 하드화 가능. → 컨버터 제강 관행 '자유 제트' 형태 산소 공급=물리화학 반응 측면 매우 효과적.

반응성 소프트 제트 효과: (1) Fe 산화, (2) 얕은 관입, (3) 슬래그/금속 반응, (4) 슬래그 형성 촉진→P 제거 용이. 과도 소프트 제트→과산화→슬래그 슬로핑.

반응성 하드 제트 효과: (1) 욕조 깊은 곳 산소 가용, (2) 탈탄 촉진·P 제거 저해, (3) 욕조 깊은 곳 CO 발생·탈출→욕조 교반, (4) 미립 생성→슬래그 내 에멀션화.

컨버터 내 반응(Reactions in the Converter)

O₂ 제강: C 포화 용선 + 순수 O₂ 초음속 취입. 반응·혼합 강렬. O₂→용존 Si, Mn, Fe 산화→액체 FeO 함유 슬래그 생성. O₂→용존 C 반응→CO 가스 발생→탈탄. 산화 경로: O₂ 철 용액 불입→액체 욕조 내 농도 특정 불순물 원소 평형 허용치 초과→용존 O₂+불순물 결합→CO 기체(C 경우) 또는 액체 SiO₂(Si 경우) 생성. 두 생성물 모두 액체 철 내 용해도 극히 제한적→별상 핵생성·응집·고결→강렬 교반 작용으로 부상 분리.

강렬 O₂ 취입 중 일부 액체 Fe 산화→FeO→액체 금속 욕조와 강렬 혼합→에멀전 형성→용존 불순물과 직접 반응:

• 2Fe(용탕) + O₂(기체) = 2FeO(액체 슬래그)
• FeO(액체 슬래그) + C(용탕 용존) = CO(기체) + Fe(용탕)
• 2FeO(액체 슬래그) + Si(용탕 용존) = SiO₂(액체) + Fe(용탕)

이 산화 반응 고발열. Si 산화 열+타 불순물 산화열+Fe 자체 산화 엔탈피→냉스크랩 용해(히트 크기 증대)+용강 온도 상승(하류 공정용).

제강 컨버터 욕조 내 CO₂ 생성 안 됨(미량 제외). CO₂ 생성돼도 잔존 용존 C와 즉시 반응→CO 전환. 용존 C 완전 산화 후면 Fe 산화로 CO₂→CO 환원. → 제강 온도서 CO₂=산화제. Fe/C 산화 깁스 자유 에너지 계산→평형 생성물 CO 강우세, CO₂ 미량. C=FeO 환원제(위 식)→Fe 산화 지연/방해 요인도 됨.

제강 중 일부 Fe 산화→액체 슬래그 상 FeO% 증가(금속과 공존). 불순물 산화 종점 넘어 O₂ 취입→Fe 과산화. → Fe 슬래그 수율 손실 측정 가능, 액체 산화철(FeO) 고농도 슬래그 예측·계산 가능. C→CO 산화 완료 후 추가 O₂→Fe 결합→슬래그 FeO 생성.