침지 아크로에서 실리코망간(Si-Mn) 생산 최적화: 공정, 원료, 반응 메커니즘

실리코망간(Si-Mn)은 제강 시 저탄소(C) 조건에서 규소(Si)와 망간(Mn)을 용강에 동시에 첨가하는 합금. 표준 Si-Mn: Mn 65~70%, Si 15~20%, C 1.5~2%. 등급: 중탄소(MC), 저탄소(LC). 소비처는 제강 산업 단일. 고탄소 Fe-Mn과 Fe-Si 혼합 대신 Si-Mn 사용은 경제성 고려.

Si-Mn 제강 용도

Mn, Si 모두 제강 핵심 원소. 탈산제, 탈황제, 합금 원소. Si 주 탈산제. Mn은 Si보다 약한 탈산제이나 안정적 망간 실리케이트/알루미네이트 형성으로 효과 증대. 탈황제 역할도 함. Mn 거의 모든 강종 합금 원소로 사용. 특히 Fe-C계 경화능 향상 효과 주목.

Si-Mn 생산 공정 개요

Si-Mn은 산화성 원료 카보서믹 환원으로 3상 AC SAF에서 생산(Fe-Mn 생산용과 동일 설비). Fe-Mn 생산보다 고온 필요해 운전 난도 높음. Si-Mn용 SAF 통상 9~40MVA, 일산 45~220톤.

카보서믹 환원에서 열은 C만큼 환원 필수(흡열 반응, 열 부족 시 불완전). 양호한 전극 침투로 반응 완결 열 확보 필수.

원료와 슬래그 특성

Si-Mn 주원료: Mn 광석, 고탄소 Fe-Mn 슬래그, 석영암, 코크스/석탄, 플럭스(돌로마이트/방해석). Mn 주공급원: Mn 광석, 고탄소 Fe-Mn 생산 Mn 풍부 슬래그. 원료별 가열·C 반응 거동 달라 코크스/전력 소비, 슬래그 양·조성, 노 생산성 영향.

Si-Mn 1톤당 슬래그 발생량은 광석/슬래그 비율 주결정. Fe-Mn 슬래그 비중 높일수록 Si-Mn 공정 슬래그/금속 비율 증가. 슬래그 과다→에너지 소비 증가, 최종 슬래그 금속 함유 손실 증가 우려.

Mn 광석 불순물 채광·가공 단계서 미제거. P(인) 함량 중요(시판 Si-Mn 합금 엄격 규격). Fe, P, As(비소) Mn보다 쉽게 환원→금속 선행 이행→최종 합금 함량은 광석 선별로 제어. 고탄소 Fe-Mn 슬래그는 고순도 Mn 공급원(광석 내 쉬운 환원 불순물이 고탄소 Fe-Mn 생산 시 금속 이행). Si-Mn 합금 불순물(P 등) 함량은 Mn 광석 선별뿐 아니라 Mn 광석/고탄소 Fe-Mn 슬래그 배합 비율로도 제어.

Si 1,600~1,650°C 공정 온도 필요(충분한 Si 함량 Si-Mn, 저MnO 폐기 슬래그 생성). Fe-Mn 슬래그 융점 상대적 낮음(~1,250°C) vs Mn 광석(~1,350°C 용융 시작). 고 Fe-Mn 슬래그 비중→공정 온도 저하 경향. Mn 광석 1,350°C 용융 시작, 고체-액체 혼합(고체상 MnO). 1,550°C 이상 추가 가열·환원 후 슬래그와 혼합 자유 유동. 고 Mn 광석 비중→표면·코크스 베드 구역 공정 온도 상승.

SAF Si-Mn 생산: C(코크스/석탄) 환원제, 열은 전기 공급. 전류 충전물 통과, P=R·I² 열 생성(P=열, R=충전물 저항, I=전류 밀도).

SAF 전극 팁 다공성 충전물 매몰, 미세 아크로 슬래그 풍부 코크스 베드(용융 합금욕 상부 부유)에 전기 에너지 방출. 열은 전기 에너지 공급, 코크스 이중 역할(환원제+전기 저항체). 원형 노, 40MVA 기준 외부 직경 11.6m, 높이 6.2m 대표적.

Si-Mn 생산 반응식

Si, Mn 환원 다단계:

(SiO₂) + 2C = Si + 2CO(g)
(SiO₂) + 2SiC = 3Si + 2CO(g)
(MnO) + C = Mn + CO(g)
(SiO₂) + 2Mn = Si + 2(MnO)
(SiO₂) + Si = 2SiO(g)
Mn = Mn(g)

괄호=슬래그상 존재, 밑줄=합금상 존재. C=탄소원(합금 용해 또는 고체 코크스).

슬래그/합금/가스 완전 평형 위한 주 평형 반응:

(MnO) + C = Mn + CO(g)
(SiO₂) + 2C = Si + 2CO(g)

두 반응 동시 평형 필요. 둘 다 온도·CO 분압 강의존. 고온→합금 Si 평형 함량↑, 슬래그 MnO↓. 저 CO 분압→합금 Si↑, 슬래그 MnO↓. 통상 SAF CO 분압 ~1기압. 두 반응 결합→부분 슬래그/합금 평형 반응:

2(MnO) + Si = 2Mn + (SiO₂)

이 반응은 온도 의존성 적고 기체상 분압·조성 독립.

로 내부 구역 구조 (발굴 조사 기반)

3상 16MW Si-Mn 로 발굴로 반응 구역 상 분포 정보 획득. 노 내부는 두 주영역: (1) 예열·예비 환원 구역(충전물 고체상), (2) 코크스 베드 구역(광석, 슬래그, 플럭스 용융). Fig 1은 상기 16MW 로 발굴 기반 구역도.

발굴 조사: 전극 팁 위치 금속욕 상부 ~600mm가 양호 운전에 적합. MnO₂ 광석서 조기 Mn₂O₃ 분해, Mn₃O₄ 추가 환원(CO 가스/열분해)은 미미. 유의미한 MnO 예비 환원: 충전물 미세분만 관찰. MnO 풍부 Fe-Mn 슬래그, Mn 광석 실질적 용융·환원 시작 전 거의 최종 Si-Mn 슬래그 조성까지 환원. MnO 환원 거의 코크스 베드 상부서 완료. 석영 용해·환원, Mn 산화물 주환원 완료 후 코크스 베드 구역서 명백 발생. 액상 금속이 코크스 베드 통과→합금욕 낙하 시 Si '픽업' 꽤 빠름.

MnO₂ 환원 4단계(Fe-Mn편 동일): (1) MnO₂→Mn₂O₃ 450~500°C↑, (2) Mn₂O₃→Mn₃O₄ 900~950°C↑, 둘 다 열분해만으로 가능. Mn 산화물 안정성 범위. (3) Mn₃O₄→MnO: CO 가스/고체 C 필요. (4) 상압 MnO+C 환원: 1,410°C↑서만 가능, 완전 환원엔 더 고온. 문제: Mn 고증기압→강한 증발. MnO 우선 슬래그상 용해→고체 C 환원→금속상 이행. 비이상 슬래그·합금 용액 중요. 최신 열역학법으로 상·에너지 밸런스 결정 필요.

Si 분배 제어 인자

Si-Mn 합금과 다성분 MnO-SiO₂-CaO-Al₂O₃-MgO 슬래그 간 Si 분배 주결정: 공정 온도, 슬래그 SiO₂ 함량, R-비율=(CaO+MgO)/Al₂O₃. 예: 일정 온도·SiO₂서 R-비율 2→1 감소 시 합금 평형 Si ~6%p 상승. 온도 효과도 큼: 1,550~1,700°C 구간 50°C 상승당 평형 Si ~6%p 상승. 슬래그 평형 MnO 함량 1순위 온도, 2순위 SiO₂ 함량. 1,600°C서 SiO₂ 포화~9%→SiO₂ 40~45%로 저감 시 3~4% 최저.

Mn 회수율 영향 인자 (온도 외)

• 슬래그 염기도 [(CaO+MgO)/SiO₂]
• CaO/MgO 비율
• 슬래그 Al₂O₃ 함량

고온→흡열 환원 반응 열역학·동역학 모두 유리. 슬래그 화학 효과 복잡. 염기성 슬래그→MnO 활성도 계수 높음→Mn 회수율 높음. 석회 투입→동일 MnO 함량서 슬래그 MnO 포화 농도↓, 활성도↑→평형 MnO 농도↓, 환원 속도↑. 염기도 1.1 초과 시 Mn 회수 추가 효과 미미. 과다 CaO, MgO→슬래그 점도↑→Mn 환원 약화. Al₂O₃도 점도↑→Mn 환원 반응 지연. 슬래그 양호 유동 위해 Al₂O₃ 20% 초과 금지.

돌로마이트/방해석 투입→슬래그 염기도↑→유동성 개선→슬래그서 MnO 환원 촉진. Si-Mn 슬래그 대표 SiO₂ 35~45%. 액상선 온도 1,300~1,380°C(슬래그 조성 의존). 온도↑, SiO₂↑, (CaO+MgO)/Al₂O₃↓ 모두 Si 금속-슬래그 분배 계수↑.

슬래그 유동성 개선 위해 MgO 7% 초과 필요. 슬래그 MgO 비중 증대로 MnO 함량 유의적 저감→Mn 회수 개선.

Si-Mn 제련 3단계

1. 고체상 가열·예비 환원 (1,100~1,200°C): Mn 산화물→MnO, 철 산화물→금속 Fe 환원
2. 액상 슬래그 형성·Mn 산화물 환원: 코크스 베드 상부 완료(온도 불확실, 평가: 1,500°C서 Fe-Mn 환원 전 슬래그 평형 MnO 10~25% 범위, 조성 의존). 발굴 시 코크스 베드 상부 채취 슬래그 샘플 MnO ~10%. 1,550°C↑ 예상. 저점도 슬래그 코크스 베드 투과 필요→코크스 베드 상부 온도 1,550~1,600°C 예상
3. 슬래그서 SiO₂ 환원·추가 MnO 환원 (1,550~1,650°C): 코크스 베드 슬래그 SiO₂ 40~45%(최종 슬래그와 동일)→석영 용해율≈SiO₂ 환원율→슬래그 SiO₂ 농도 상대적 일정. MnO 추가 저감 5~10%. 이 슬래그 통상 폐기

가스상 조성

노 내부 가스 주성분 CO. SiO, Mn 증기 소량만 존재. 저온부(노 상부) CO₂, 수증기 포함.

환원에 따른 광석 특성 변화

환원 반응→광석 조성 변화→융점 등 물성 변화. 변화율=환원율 의존, 환원율은 온도, 광석 조성·형태, 탄소질 물질 물성 등 다수 파라미터 영향.

경제성 최적화

Si-Mn 1톤당 슬래그량 주결정: 광석/슬래그 비율. Fe-Mn 슬래그 비중↑→슬래그/금속 비율↑. 과다 슬래그→에너지 소비↑, 최종 슬래그 Mn 함유 손실↑ 우려.

Si-Mn 제련 경제성: Mn 금속 함유 손실 최소화, 슬래그 용해 MnO 최소화, 고Si·저C 합금 생산으로 극대화.

저탄소 Si-Mn(~30% Si)은 표준 합금에 Fe-Si 산업 Si 폐기물 첨가해 업그레이드 생산.

Mn 광석, 고탄소 Fe-Mn 슬래그, Si 풍부 금속 재용해물 혼합 표준 Si-Mn 생산 단위 전력 소비: 통상 3,500~4,500kWh/톤(투입 금속량 1순위 의존). 전력 소비: 생산 Si-Mn Si 함량↑, Si-Mn 1톤당 슬래그량↑ 시 증가. 슬래그 100kg 추가당 ~50kWh 추가 소모. 광석 분율을 상승 CO 가스로 MnO 환원 시 Si-Mn 1톤당 ~100kWh와 코크스 절감.