페로실리콘(Fe-Si) 산업 생산 공정: 제조법, 등급, 용도 상세 분석

페로실리콘(Fe-Si)은 철(Fe)과 실리콘(Si)을 주성분으로 하는 페로합금으로, Si 함량 15~90% 범위. 시판 일반적 Si 함량: 15%, 45%, 65%, 75%, 90%. 나머지는 Fe, 약 2% 알루미늄(Al), 칼슘(Ca) 등 타 원소.

Fe-Si 용도

Fe-Si(대표적 품질 65%, 75%, 90% Si)는 제강과 주조에서 탄소강, 스테인리스강 제조 시 탈산제와 강·주철 합금화용으로 주로 사용. 전기강판(실리콘강) 생산에도 사용. 주철 생산 시 접종제로 그래파이티제이션 촉진. 아크 용접 시 일부 전극 코팅에 포함.

생산 공정 개요

Fe-Si는 철 함유 물질과 Si 함유 물질(보통 석영암 덩어리)을 탄소질 물질(석탄/석유 코크스), 부피제(우드칩)와 함께 SAF에서 제련해 생산. 이상적 환원 반응: SiO₂ + 2C = Si + 2CO. 하지만 SAF 내 온도 구역 차이로 실제 반응은 복잡. 최 고온 구역 가스에 SiO(실리콘 일산화물) 고농도 포함, 외부 충전층에서 회수해야 Si 회수율 높음. 외부 충전층에서 Si 회수 반응이 일어나며 충전물을 고온으로 가열, 점성 충전물 형성해 고온 구역 유입 방해. 노 출구 가스에 SiO₂ 분진 다량 포함. 액상 Si 형성은 여러 중간 단계를 거쳐 이루어짐(후술).

Fe-Si 생산 주요 특징 3가지:

• 최 고온 구역 가스 내 Si 함유 가스 고농도, 외부 충전층 회수 필수
• 외부 충전층 Si 회수 반응이 충전물 고온 가열, 점성 충전물 형성해 유동 저해
• 노 출가스에 SiO₂ 분진 다량 포함

원료

Fe-Si는 Fe 함유 물질(철광석, 강스크랩, 밀스케일)과 Si 함유 물질(석영암 덩어리)을 탄소질 물질(석탄/석유 코크스), 부피제(우드칩)와 결합해 SAF에서 제련. 석영암은 카보서믹 공정 Si 공급원. 석영암 순도는 타 석영 광상보다 낮으나 Fe-Si 생산엔 통상 적합.

퍼내스어빌리티(Furnaceability): 석영암의 국제적 산업 품질 용어. 화학적·물리적 기준 모두 충족해 고Si Fe-Si 고성과 생산에 적합한 실리카 원료일 때 '퍼내스어빌리티 양호'. 절대적 품질 요건(공정 최적화 필요 조건): (1) 화학 조성, (2) 입도(통상 10~150mm), (3) 기계적 강도, (4) 열적 강도, (5) 연화 특성.

화학 조성과 입도가 전 생산자가 석영암 지정 시 쓰는 공통 사양. 화학 요건은 불순물 원소(Al, Ca, Ti, B, P) 함량 관련. Si보다 귀금속적 원소(Al, Ca 등)는 제품 잔류, 휘발성 성분은 오프가스행. 하지만 노 내 반응이 더 복잡해 원소 분포도 행선지 결정. 알칼리(Na, K) 등은 석영암 융점 낮춤. 일반적으로 원료 요건은 제품 요건과 연계. Fe-Si 생산은 통상 난해 원소 허용치 높음.

입도 요건은 플랜트별 상이, 10~150mm 범위. 일부 생산자는 더 좁은 입도 지정. 기계적·열적 강도 중시하나 보통 사양 미포함. 연화 특성 중시 생산자도 있음. 개별 생산자별 추가 요건 정의 가능.

석영암 기계적 물성은 광산·수송·저장·투입 단계 입도 감소 영향. 미세분 생성은 충전층 투과성 저하, 노 하부→상부 가스 흐름 방해(SiO 가스 + 미반응 C → SiC 반응 중요). SiO 가스 일부 응축해 SiO₂-액상 Si 점성 혼합물 형성. 충전층 투과성 저하 → SiO 가스 오프가스 채널 유출, Si 회수율 저하.

미세분 정의 두 기준: (1) 2mm 미만(공정상 가장 치명적, 투과성 저하), (2) 사양 미만 덩어리 크기(예: -10mm). 열기계적 물성도 주로 미세분 생성 관련, 노 내 극한 열로 석영암 분해→미세분 생성. 이상적으로 덩어리 석영암은 충전층 하강 중 원입도 유지, 공동 벽 근처 하부에서 연화·용융 시작.

대부분 석영암 어느 정도 분해되나, 과도 미세분으로 투과성 저해 안 되게 해야. 극단적 경우 '파핑 효과'로 석영암 파편 튀어 오름. 열적 안정성 낮은 석영암이 충전층 내 분해되면 슬래그 형성 기여도 됨.

석영암 연화 특성은 열기계적 물성 다른 측면. 연화 온도/구간 = 석영암 녹기 시작 온도, 석영암 융점(1,723°C)보다 낮음. 연화 온도가 석영암 융점에 가까울수록 이상적: 석영암이 공동 벽까지 내려가 녹고, 용융 방울이 공동 내로 낙하해 Si 생성 반응 발생. 알칼리 원소(알칼리 토류도 일부)가 석영암 융점 영향. 석영암이 노 상부에서 연화/용융 시작하면 점성 덩어리 형성, 타 입자 응집, 전기 전도성 띠게 되어 노 내 전기 경로 변경, 아크 전력 저하 유발.

Fe-Si 생산용 침지 아크로(SAF)

15% Fe-Si 상용품은 산성 내화벽돌 내장 고로(BF) 생산. 고Si Fe-Si는 SAF 생산. SAF 크기는 전기 부하로 표시, 1-2MVA~40MVA 이상. 직경 10m, 깊이 3.5m 수준. 3상 교류(AC)로 심부 전극 3개에 전기 에너지 공급. 단위 에너지 소비: 75% Fe-Si 기준 9~10MWh/톤. 고정비 절감 위해 24시간 연속 운전 필수.

고흡열 SiO₂ 환원 반응 열은 SAF 충전물 내 전류 흐름 저항 발열과 전극 팁 근처 가스 챔버 아크 발열로 직접 생성. 노 내부 구조와 반응 구역 온도 분포는 저항/아크 발열 비율과 밀접. Fe-Si로 중요 구조 요소: 충전물 내 침지된 자가 소성 '쇠데르베리(Soderberg)' 전극이 공정 전력 공급. 아크 발열과 반응 구역 온도 조건은 전극 팁 위치와 밀접. 전류로 충전물 일부 ~2,000°C 가열, 이 고온에서 SiO₂→액상 Si 환원.

반응 구역 온도 분포 직접 측정 불가, 올바른 전기·온도 조건 위해 전극 슬리핑 체계적 수행 필요. 최적 전극 위치는 공정 경제 지표 최소화. SAF 안정 운전 시 반응 구역에서 SiO₂ 환원 신생 성물 지속 생성, 주기적 성격, 액상 SiO₂ 아크 챔버 주기적 관통과 연관.

SAF 상부 후드로 고온 가스 굴뚝→가스 정화 시스템 유도. 원료(석영암, Fe 함유물, C 함유물) 컨베이어→데이빈 별도 저장. 배합 배치(석영암, C 환원제, Fe 캐리어) 계량→비율 혼합→투입관으로 노 투입. 투입관은 전극 향해 배치, 전극 주변 관 개수 노별 상이. 투입물 레벨은 노 외부 바닥 레벨과 동일, 후드에 스토킹 게이트 다구간, 스토킹 기간 중 개방.

Fe-Si 생산 공정

원료 노 상부 투입. 고전류 저전압 전기가 트랜스→C 전극→노 공급. 공정 고에너지 집약적, 75% Fe-Si 1톤당 약 9,000~10,000kWh 전력 소요.

Fe-Si용 SAF는 스토킹, 투입, 출강 주기 운전. 스토킹 시 충전물 상부 얇은 껍질 깨고 구원료 전극 쪽으로 밀고, 신규 원료 위에 얹음.

스토킹-투입 주기 = 운전 주기. 스토킹은 전면에 스토킹 로드 장착 특수 이동 장비로 수행. 불균일 충전된 부담을 스토킹 게이트 통해 분배. 전극 주변 함몰부(공동 내 고온 반응대 형성)로 구충전물 표면 분배.

노 내 충전물 ~1,815°C 가열. 이 온도에서 석영암이 환원제 C와 결합해 CO 가스 발생, Si 방출→용융 Fe와 합금화. 용융 Fe-Si 노 바닥 집적. 원료 미량 원소(석영암, 환원제, 전극 포함) 제품 이행.

주기적(대략 등간격)으로 액상 페로합금 탭홀 통해 래들 출강. 탭홀은 노 측면-바닥 라이닝 이행부에 위치, 개수 노별 상이. 탭홀 통상 기계적 개방, 특수 점토 혼합물로 폐쇄.

오프가스 가스 정화 플랜트 통과, 분진 제거(주성분 비정질 응축 SiO₂). 이 분진은 콘크리트, 세라믹, 내화물, 고무 등 충전재 활용. 페로합금 1톤당 0.2~0.4톤 SiO₂ 분진 발생. 정제 오프가스 주성분: CO, SO₂, CO₂, NOx. 가스 열 회수 시스템에서 열 회수.

반응 메커니즘

Fe-Si 생산 공정은 SiO₂를 C로 환원해 Si, CO(g) 생성하는 고온 공정. 전체 공정 전체 반응은 카보서믹 반응 기반, 이상화하면:

SiO₂(s) + 2C(s) = 2Si(l) + 2CO(g)  ΔH@2000°C = 687 kJ/mol

Fe-Si로는 통상 내부 고온 구역과 외부 저온 구역 두 구역. Si 생성은 내부 구역. Si 생성 평형 조건:

SiO(g) + SiC(s) = 2Si(l) + CO(g)

Si 생성 온도 ~2,000°C. 1기압에서 위 반응 평형 SiO 분압 0.5기압. 고 Si 회수 위해 이 SiO를 저온부에서 회수해야. SiO 회수: C와 반응 또는 응축. 미회수 SiO는 SiO₂ 분진으로 손실.

C 물질의 SiO 반응 능력을 '반응성'이라 함. 고반응성 시 외부 구역에서 다량 C가 SiO와 반응해 SiC 형성. 저반응성 시 유리 C 내부 구역 도달, Si 감소·SiO/CO 증가. 외부 구역 저반응성 시 SiO 응축 증가. 응축이 열 공급하므로 응축 한계 존재. 한계 초과 시 SiO 노 외부로 유출. 저반응성 시 충전물 C 밸런스 낮춰 SiC 퇴적 방지 필요, 이 경우 Si 회수율 감소.

실제 운전 시 항상 기체상 Si 손실 존재, 주원인 SiO 가스 종 손실. SiO가 충전물 위 과잉 공기서 CO와 연소. 더 정확한 공정 기술은 다수 중간 반응 관여로 위 반응식보다 훨씬 복잡. SAF 내부는 고온대(~2,000°C, 전극 팁 주변)와 저온대(1,815°C 미만)로 구분, 다른 반응 지배.

고온대(전극 팁 주변) 주요 반응:

2SiO₂(s,l) + SiC(s) = 3SiO(g) + CO(g)  ΔH@2000°C = 1364 kJ/mol
SiO₂(s,l) + Si(l) = 2SiO(g)           ΔH@2000°C = 599 kJ/mol
SiO(g) + SiC(s) = Si(l) + CO(g)       ΔH@2000°C = 167 kJ/mol

이 중 SiO(g) 생성 반응이 가장 느려 전기 에너지 대부분 소모. Si는 1,815°C 이상에서 반응 생성 가능. SiO 가스 노 상부 이동, C와 반응 회수 또는 충분히 저온(1,800°C 미만)에서 응축 회수. 하위 두 반응 가역.

SiO(g) + 2C(s) = SiC(s) + CO(g)           ΔH@1800°C = -78 kJ/mol
3SiO(g) + CO(g) = 2SiO₂(s,l) + SiC(s)     ΔH@1800°C = -1380 kJ/mol
2SiO(g) = SiO₂(s,l) + Si(l)               ΔH@1800°C = -606 kJ/mol

후자 두 응축 생성 반응은 강발열, 노 상부 열수송 주 요인. 타 반응 평형 조건 Fig 2.

노 충전물 상부 온도 1,000~1,700°C 변동. 양호 운전 노 산업적 Si 수율 ~85%. SiC 형성 반응은 1,512°C 이상 선호 SiO 회수 반응. 이하 온도서 SiO 가스 통상 후자 두 응축 반응으로 포집. 온도 영향 큼. 상부 온도 ~1,620°C(SiO 분압 0.1atm)이고 주 회수가 응축이면 Si 수율 ~80%.

Fe-Si 정련 및 주조

액상 페로합금 내 불순물(Al, Ca)은 래들 내 용융 상태에서 O₂와 공기로 제거 가능. 액상 페로합금 노→내화물 라이닝 강철 래들 출강.

액상 Fe-Si를 대형 평평한 주철 금형에 주입. 금형 표면에 Fe-Si 미분층 깔아 준비. 주조물 충분히 냉각돼 강도 확보 시 금형서 꺼내 적재 추가 냉각. 냉각·고화 후 Fe-Si 분쇄·선별해 규격 덩어리 크기 생산. 분쇄 중 미세분 발생, 추가 분쇄→분말→바인더 결합→브리켓 성형 가능. 용융물 과립화도 가능.

전 등급 Fe-Si 기본 공정 동일, 고순도 등급은 추가 단계 필요. 저불순물 원료 사용, 래들 내 액상 Fe-Si 정련(불순물 제거)과 특수 합금 원소 첨가. 이 후처리를 '래들 야금(Ladle Metallurgy)'이라 함. 특수 15% Fe-Si(중밀도 매체용)은 통상 75% Fe-Si를 강스크랩과 전기로 재용해, 고압 수분무 주조로 생산.