재가열로 스케일 생성 방지: 강재 압연 효율을 위한 핵심 전략

재가열로 스케일 생성 개요

재가열로는 반제품 강재를 압연을 위한 소성 특성을 얻기 위해 원하는 온도로 가열하는 강재 압연에서 중요한 요소입니다. 반제품 강재를 압연하기 위해 가열하는 기본 목적은 (i) 압연에 적합하도록 강재를 연화하고, (ii) 압연 공정이 완전 오스테나이트 온도 영역에서 완료될 수 있도록 충분히 높은 초기 온도를 제공하는 것입니다.

재가열로에서 재가열 중 강재는 노를 따라 이동하며 온도가 침적대까지 점진적으로 상승합니다. 침적대에서는 강재의 열적·화학적 균질성을 위해 온도를 일정하게 유지합니다. 재가열로는 기체, 액체, 고체 연료와 공기를 사용하는 직화로입니다. 노 내 분위기 조성은 주로 질소(N₂), 이산화탄소(CO₂), 수증기(H₂O), 자유 산소(O₂)로 구성됩니다. 분위기 조성은 운전 중 급격히 변할 수 있으며, 이는 공기/연료 비의 함수이고, 이는 다시 노와 압연기 운전 조건에 의존합니다.

재가열로 구역별 분위기 제어

재가열로는 배출 단부터 시작하여 개념적으로 세 구역으로 나뉩니다: (i) 침적대, (ii) 가열대(들), (iii) 예열대. 침적대에서는 노 버너를 통해 정상 또는 감소된 1차 연료 화학량론비로 연료와 공기가 연소됩니다. 이 구역은 높은 노 온도를 가지며, 강재 온도는 단면 전체에서 균일해집니다. 이 구역 배기 가스는 가열대로 이동합니다. 예열대와 침적대 사이의 가열대에서는 강재 표면 온도를 압연 온도까지 올리기 위해 높은 복사 열전달이 필요합니다. 이 구역에서 연소 공기 O₂ 농축은 열전달을 촉진하고 노 체적 가스 유량을 감소시켜 생산성과 열효율 증가에 이바지합니다. 예열대에서는 선행 구역에서 오는 가스 흐름이 주로 대류로 유입 강재에 열을 공급합니다. 이 구역 시작부 또는 가열대 끝단에 추가 공기를 공급하여 잔여 연료를 완전 연소시킵니다. 배기 가스 현열은 강재 열전달 또는 회수기를 통해 회수됩니다. 이 구역 가스 유속은 강재로의 열전달을 위한 체류 시간을 더 확보하기 위해 가능한 한 낮게 유지해야 합니다.

스케일 생성의 영향과 메커니즘

재가열로에서 강재 가열 중 고온 강재 표면이 노 내 산화성 분위기와 반응하여 산화철 층인 스케일이 생성됩니다. 이로 인한 수율 손실은 재가열 강재의 1.0~3.0% 범위일 수 있습니다.

스케일 형성을 위한 강재 산화는 재가열로에서 재가열 공정의 기본적이고 일반적으로 불가피한 결과입니다. 스케일 생성의 주요 결과는 두 가지 주요 영역에서 상당한 경제적 손실이 발생한다는 것입니다: (i) 산화철로서 강재 수율 손실, (ii) 압연 유입 스케일 결함이나 거친 표면으로 인한 프라임 품질 제품 손실. 스케일은 귀중한 강재의 손실을 의미합니다.

스케일 생성은 재가열로에서 일어나는 복잡한 반응입니다. 재가열로 가열 처리 중 개발되는 형태와 미세조직은 스케일 생성과 변형에 의해 크게 수정됩니다.

재가열로에서 강재 재가열 중 스케일 생성량은 여러 요인에 따라 달라집니다: (i) 강재 조성, (ii) 초기 강재 표면 상태, (iii) 재가열 온도, (iv) 재가열로 분위기 조성(스케일 생성에 대한 공격성 결정), (v) 재가열 사이클에 의해 결정되는 노 내 체류 시간. 재가열 파라미터 변화가 결과적 스케일 생성에 미치는 영향을 예측하려면 다양한 노 조건에 해당하는 산화 데이터가 필요합니다. 또한 노 분위기 제어 개선으로 더 낮고 안정적인 O₂ 함량을 달성하여 스케일 생성을 통한 강재 손실을 줄일 수 있습니다.

재가열로에서 강재 재가열 중 강재 표면의 스케일 생성(산화) 현상은 불가피하고 제어하기 어렵습니다. 스케일 생성의 단점에는 강재 소비와 압연기 이송 경로에서의 스케일 낙하 퇴적이 포함되며, 이는 청소 필요와 보통 환경 문제를 야기합니다.

강재 고온 산화 메커니즘은 그림 1과 같습니다. 산화 메커니즘은 (i) 벌크 가스상에서 산화제 가스 수송, (ii) 가스/스케일 계면에서의 상계면 반응, (iii) Fe 양이온의 스케일/가스 계면으로 확산에 의존할 수 있습니다.

그림 1: 강재 고온 산화 메커니즘

연소 생성 기체 제품 존재 하 강재 스케일 생성은 재가열로에서 산화 공정의 복잡성을 더합니다. 이 복잡성의 주요 요소는 불일치성으로, 이는 다시 재가열로 내 상호작용 파라미터의 결과입니다.

노 내 과잉 공기를 70%에서 20%로 줄이면 강재 스케일 손실의 최대 35%를 절감할 수 있습니다. 또한 강재의 노 내 체류 시간이 길고 온도가 높으면 과도한 양의 스케일이 생성됩니다.

재가열로 내 O₂ 공급원은 보통 두 가지입니다: (i) 버너에 연료 연소용으로 공급되는 연소 공기, (ii) 다양한 이유로 생성되는 노 내 음압으로 인한 공기 유입.

강재를 압연 온도까지 가열하는 일반적 방법은 사용 연료의 화학량론비 또는 그 약간 위에서 운전하는 버너로 재가열로에서 강재를 가열하는 것입니다. 100% 화학량론비는 연료 완전 연소를 산출하는 공기/연료 비율로, 자유 O₂ 없이 N₂, CO₂, H₂O만으로 구성된 배가스 분위기를 만듭니다. 100% 화학량론비 약간 위의 공기/연료 비율 연소는 배가스에도 소량의 O₂가 존재하게 합니다.

강재 장입물이 재가열로를 통과하면서 온도가 상승합니다. 그러나 온도 상승률은 노 개별 구역의 연소율에 따라 달라집니다. 재가열 초기 단계에서는 열응력 발생을 피하기 위해 강재 장입물을 낮은 가열율에 노출시킵니다. 그런 다음 강재 장입물은 침적대까지 집중 가열에 노출되며, 후속 압연을 위해 균일한 강재 온도를 달성하고자 침적 온도를 유지합니다.

강재 표면 온도가 상승함에 따라 노 산화성 분위기(O₂, CO₂, H₂O 등)와 반응하여 산화물 층(스케일 층)을 생성합니다. 스케일 층 두께는 여러 요인에 따라 달라집니다.

스케일 생성의 장단점

강재 스케일 생성에는 여러 장단점이 있습니다. 장점: (i) 스케일은 연속 주조기에서 유입된 몰드 파우더 불순물, 산화물, 표면 크랙 등 표면 결함을 제거하여 매끄럽고 깨끗한 강재 표면 생성, (ii) 산화 공정이 발열 반응이어서 방출되는 열이 총 열공급량의 약 2~3% 차지, (iii) 스케일 층이 열전도율이 낮아 강재가 압연기로 이송될 때 강재에서 환경으로 열흐름 감소. 단점: (i) 노 운전 조건에 따라 1~3% 범위의 강재 손실, (ii) 노 내 및 가열 강재 이송 경로에 스케일 적체로 노 셧다운 청소 필요, (iii) 노 환경에서 강재로 열전달 지연으로 더 긴 가열 기간 필요.

재가열 중 스케일 생성을 유리한 수준으로 최소화하는 것이 중요합니다. 이는 재가열로 운전 중 모든 관련 파라미터를 모니터링하고 제어할 필요가 있음을 의미합니다.

고온 산화 이론과 스케일 층 구조

다양한 조건 하 강재 고온 산화 주제는 광범위하게 연구되었습니다. 순수 금속 산화 이론적 고찰에 따르면 두 가지 주요 제어 메커니즘이 있습니다. 초기에는 표면 화학 반응에 의해 산화 속도가 결정되는 선형 스케일 성장이 있습니다. 이는 일반적으로 스케일 층이 형성되고 반응물 중 하나의 스케일 층을 통한 확산 속도가 제어 메커니즘이 될 때까지 짧은 기간 지속됩니다. 순수 철의 경우 금속/스케일 계면에서 바깥으로 확산되는 철 확산이 산화 속도를 제어합니다. 이는 단위 면적당 산화 중량이 경과 시간의 제곱근에 비례한다는 포물선 법칙으로 직접 이어집니다.

재가열로에서와 같이 혼합 가스 분위기에서 강재를 가열하면 순수 철 거동에서 뚜렷한 편차가 관찰됩니다. 이는 강재 합금 원소에 기인할 수 있습니다. 이들은 고전적 성장 메커니즘에서 수많은 편차를 유발하며, 그중 더 분명한 하나는 스케일 성장에 의해 생성된 표면 응력 하에서 전위 이동 억제입니다. 이는 금속-스케일 계면에 기공 또는 갭 라인 생성을 촉진하여 철 확산을 억제하고 더 낮은 스케일링 속도를 초래합니다. 또한 전체 산화 기간 동안 포물선 법칙에서 상당한 편차가 자주 관찰되는 반면 초기 이산적 선형 산화 기간을 구별하기 어려운 경우가 많습니다.

강재에 형성된 스케일에는 종종 크랙이 포함되며, 금속-스케일 계면에 수직인 경우 산화 가스가 스케일을 통해 수송되는 대체 경로를 제공합니다. 이는 스케일 내 확산이 더 이상 제어 메커니즘이 아님을 의미하며 산화 촉진 결과를 낳을 수 있습니다. 이러한 크랙은 산화 생성 기체(일산화탄소 CO)가 스케일-금속 계면에서 탈출하거나 스케일 성장 중 생성된 응력 결과로 발생했을 수 있습니다. 강재 기하학도 스케일 크랙 생성에 영향을 줄 수 있습니다.

배가스 성분인 CO₂, H₂O, O₂는 강재 표면 온도가 약 750℃ 이상일 때 모두 강재에 산화성을 가집니다. CO₂와 H₂O 분위기에서 다양한 강재 산화의 경우, 한계 단계는 산화물 표면에서 CO₂ 또는 H₂O가 O₂와 CO 또는 H₂로 해리하는 속도로 밝혀졌습니다. 그러나 O₂ 분위기 산화에서 초기 산화 기간 동안 한계 단계는 가스상에서 반응 표면으로 O₂ 수송 속도인 것으로 밝혀졌습니다. 산화물 층이 일정 두께에 도달하면 산화는 포물선 속도 법칙을 따르며 산화 속도는 이온 종과 공공(空孔)의 산화물 층 내 확산에 의해 제어됩니다.

700℃, 800℃, 900℃에서 철 산화 속도에 미치는 O₂ 농도 영향은 포물선 산화 속도가 O₂ 비율 증가와 함께 증가하며, 특히 고온에서 현저함을 보여줍니다. 가장 유의미한 증가는 950℃에서 0.4~2% O₂ 사이에서 발생합니다.

수증기와 CO₂가 철 산화에 미치는 영향: 750℃에서 수증기는 철 스케일 생성률에 영향을 주지 않으나 850℃와 950℃에서는 각각 1.2배, 1.6배로 증가합니다. CO₂는 수증기보다 작은 증가를 보입니다. 600~1100℃ 범위에서 CO₂에 의한 철 산화의 경우 단기/장기 노출 시간에 대해 각각 선형/포물선 시간 법칙을 따름을 알 수 있습니다.

산화 속도 온도 의존성은 아레니우스 관계(반응 속도 온도 의존성 나타냄)를 따르는 것으로 잘 알려져 있습니다. 일반적으로 산화는 (i) 선형 타입 산화 특징 초기 단계, (ii) 포물선 산화 최종 단계, (iii) 선형에서 포물선 메커니즘으로 전이하는 중간 단계 3단계로 분류됩니다. 스케일 생성은 강재 표면 온도와 노 내 체류 시간, 연소 생성물 중 O₂ 비율에 강하게 의존합니다.

온도와 O₂ 농도 영향

온도는 강재 산화에 영향을 미칩니다. 저온(900℃ 이하)에서는 O₂ 함량이 강재 산화에 거의 영향을 주지 않습니다. 고온(1150℃ 이상)에서는 노 분위기 O₂ 함량이 0.3%에서 3%로 증가할 때 산화 속도가 50% 증가합니다. O₂ 레벨이 3% 이상으로 더 증가하면 산화에 미치는 영향은 적습니다.

재가열로에 존재하는 것과 같은 복잡한 분위기에서의 산화는 다성분 가스 산화가 세 가지 산화 메커니즘을 모두 동시에 유발할 수 있음을 보여줍니다.

철(Fe)은 반응 속도론에 의해 결정된 비율로 세 가지 잘 알려진 산화물, 즉 뷔스티트(FeO), 마그네타이트(Fe₃O₄), 헤마타이트(Fe₂O₃)로 산화되며, 주요 산화물은 마그네타이트입니다. 산화 기본 이해: 초기 단계 후 공정은 재가열 중 노 분위기에서 공급되는 산소와 반응하여 바깥쪽으로 철(Fe²⁺)이 확산됨으로써 진행됩니다. 공정은 포물선 성장 속도로 진행되어 금속 표면에서 바깥쪽으로 FeO, Fe₃O₄, Fe₂O₃ 세 가지 산화물 층이 점진적으로 형성됩니다.

스케일 3층 구조와 특성

뷔스티트(FeO): 금속 바로 옆에 형성되는 스케일 최내층으로 Fe 풍부상입니다. O₂ 함량 최저. FeO로 표현되며 약 570℃ 이하에서 불안정. 그러나 스케일 내 함량은 온도 상승과 함께 증가하며 강재 온도 700℃ 이상에서 스케일 층의 약 95% 차지. 밀도 약 5.87g/cm³. 비화학양론 조성은 온도 상승과 함께 증가하며 화학양론 조성 FeO에 도달하지 않는 듯. 다른 스케일 상과 강재 자체에 비해 뷔스티트 상은 상대적으로 낮은 융점(1370~1425℃) 가짐. 뷔스티트 층 용융(세척)은 스케일 생성률 가속, 입계 침투 증가. 이는 표면 품질 저하뿐 아니라 노 연료 소비 증가, 수율 감소 초래.

마그네타이트(Fe₃O₄): 스케일 중간상. 500℃ 이하 스케일 주요 평형 성분. 밀도 범위 5.0~5.4g/cm³. 금속 결핍 산화물이나 뷔스티트보다 훨씬 낮은 수준. 다양한 연구에서 양이온과 음이온 모두 Fe₃O₄에서 확산함이 밝혀짐. 온도 약 700℃ 상승 시 뷔스티트 형성이 마그네타이트 상 희생 하에 일어나 고온에서 마그네타이트는 전체 스케일 층 약 4%만 차지. 마그네타이트는 뷔스티트보다 더 단단하고 마모성 강함.

헤마타이트(Fe₂O₃): 스케일 최외층으로 산소 함량 최고. 약 800℃ 이상에서 형성. 밀도 약 5.24g/cm³. 고온에서 전체 스케일 층 약 1% 차지. 마그네타이트 상과 마찬가지로 단단하고 마모성 강함.

재가열로 주요 반응과 분위기 제어

재가열로는 직화로 타입입니다. 재가열 중 많은 반응이 일어날 수 있으나 노에서 열을 공급하는 주요 반응은 다음과 같습니다.

C + O₂ = CO₂
2C + O₂ = 2CO
2CO + O₂ = 2CO₂
CH₄ + 2O₂ = CO₂ + 2H₂O
S + O₂ = SO₂
2H₂ + O₂ = 2H₂O

연소 생성물은 항상 강한 산화성을 띠며 스케일 생성률은 강재 표면 온도 상승과 노 분위기 내 O₂, CO₂ 부분 농도 증가에 따라 증가합니다. CO 부분 압력 증가 시 감소합니다. 연소 생성물 중 O₂ 비율은 보통 스케일 손실 최소화를 위해 1~2% 수준으로 유지합니다.

연소 생성물 레벨은 사용 연소 공기 비율에 따라 달라집니다. 완전 연소 시 완전 연소 생성물 발생. 연소 공기 비율이 감소하면 산화제 H₂O, CO₂ 감소하고, CO, H₂ 등 노에 환원 분위기 제공하는 성분 증가. 공기/연료 비도 단열 화염 온도에 큰 영향. 일반적으로 높은 연소 공기 온도는 화염 온도 극적 상승 초래.

재가열로에서 공기/연료 비가 강재 산화에 미치는 영향에 대한 다양한 연구가 수행되었습니다. 이들 연구에 따르면 공기/연료 비를 1.1에서 0.9로 감소시키면 강재 산화가 상당히 감소합니다. 추가 공기/연료 비 감소는 제한적 효과만 있습니다.

보통 모든 노 구역 버너는 100% 화학량론 연소 수준 또는 그 약간 위에서 운전하며, 생성물이 노를 통과할 때 시간, 온도, 분위기 프로파일은 그림 2 그래프 (a)로 표현됩니다. 강재를 압연 온도까지 가열하면서 재가열로 스케일 생성을 실질적으로 줄이려면, 사용 연료 화학량론비 훨씬 아래에서 운전하는 버너로 노를 가열해야 합니다(예: 화학량론비 80~90% 범위). 침적대에서 배가스 분위기가 CO, H₂뿐 아니라 N₂, CO₂, H₂O 포함. 연소되지 않은 가연성 물질(CO, H₂)을 연소시키기 위해 노 앞단에 필요 공기 도입. 생성물이 노를 통과할 때 시간, 온도, 분위기 프로파일은 그림 2 그래프 (b)에 표시.

그림 2: 재가열로 내 시간, 온도, 분위기 프로파일

배가스 성분 CO, H₂는 강재에 환원성. 다른 배가스 성분 CO₂, H₂O, O₂와 함께 고려 시 배가스 혼합물은 CO/CO₂, H₂/H₂O 비율과 강재 표면 온도에 따라 강재에 환원성 또는 산화성. CO/CO₂, H₂/H₂O 비율은 연소 화학량론비에 반비례. 따라서 침적대에서 환원 분위기 생성 후 강재 온도 낮을 때 산화 분위기로 전환하면 스케일 감소 가능.

환원 조건 하 연소는 노 분위기에 CO, H₂를 동량 생성. 이는 화학량론 연소 하 생성되는 CO₂, H₂O에 추가됨. 스케일 생성 감소를 위한 CO/CO₂, H₂/H₂O 필요 비율은 강재 표면 온도 함수. 이 비율들은 다시 주어진 가열 지점에서 필요한 실제 공기/연료 비 정의. 관행 가열로에서 연소가 화학량론 조건 또는 그 약간 위에서 이루어지면 CO/CO₂, H₂/H₂O 비율은 0(노 분위기에 CO, H₂ 없음). 결과 분위기는 강재에 산화성/스케일링성.