전기슬래그 재용해(ESR): 중요 용도를 위한 정밀 강재 정제

전기슬래그 재용해 공정

전기슬래그 재용해(ESR)는 전기슬래그 소모성 전극 재용해 및 2차 정제 공정의 약칭입니다. 항공기, 화력 및 원자력 발전소, 방위 장비 등 중요 용도에 사용되는 강재와 특수 합금의 재용해 및 정제에 사용되는 2차 제강 공정입니다. ESR 공정의 주된 목적은 강재의 비금속 개재물을 제어하고 편석 및 수축을 제거하며, 더욱 균질한 잉곳을 생산하는 것입니다. ESR 공정은 대형 강재 잉곳에 일반적으로 필수적입니다.

ESR은 1930년대부터 알려졌으나, 고품질 잉곳의 대량 생산 공정으로 인정받기까지 약 30년이 걸렸습니다. 1960년대 말에는 대형 단조용 잉곳 제조를 위한 ESR 플랜트 개념이 받아들여졌습니다. 대형 발전기 및 터빈 샤프트 제조를 위해 100톤 이상의 단조용 잉곳이 필요하게 되면서 ESR 기술은 공구강 및 초합금의 소형 잉곳뿐만 아니라 대형 단조용 잉곳 생산에도 관심을 끌게 되었습니다. 1970년대 초반에 가동된 대형 ESR로는 직경 2,300mm, 길이 5,000mm, 중량 최대 165톤의 잉곳 제조가 가능합니다. 이 로는 4개의 소모성 전극을 대형 주형에서 동시에 재용해하고, 소모된 전극을 후속 전극으로 교체하며 원하는 잉곳 중량에 도달할 때까지 반복하는 잉곳 인출 방식으로 운전됩니다.

ESR 공정은 개발된 가장 중요한 신공정 중 하나입니다. 이 공정의 주요 장점은 조성이 제어된 슬래그를 통한 용해로 정제가 가능하고, 응고에 대한 특별한 제어가 가능하다는 점입니다. 이러한 제어는 수상 돌기 간격을 줄이고 미세 편석과 기공을 감소시켜 건전한 잉곳을 만듭니다. 또한 고유한 특징, 조작 용이성, 제어의 정확성과 반복성을 갖춘 자동 용해 제어 시스템(AMC)은 다음을 포함한 우수한 특성을 가진 잉곳 생산에 기여합니다: (i) 균질하고 건전하며 방향성 있게 응고된 조직, (ii) 높은 청정도, (iii) 내부 결함 없음(예: 수소 플레이크), (iv) 거시 편석 없음, (v) 매끄러운 잉곳 표면으로 인한 높은 잉곳 수율.

따라서 ESR 공정은 다음과 같은 고품질 소재에 적합한 공정입니다: (i) 볼 베어링강, 강철 롤러, 공구강, 저온 및 고온 내마모강, 고성능 고속강, (ii) 고합금 스테인리스강, 내식 및 내산강, 고온용 강재, (iii) 방위, 항공 및 우주 기술용 강재, (iv) 의료, 제약 및 화학 산업용 강재, (v) 해양, 발전 및 항공우주 공학, 원자로 부품용 강재.

기존 주조 잉곳에 비해 ESR 공정의 다양한 장점은 다음과 같습니다: (i) 내부 수축공이나 기공이 없는 치밀한 잉곳 조직, (ii) 높은 청정도(적고 작은 개재물), (iii) 잉곳 전체 길이에 걸친 균질한 조직과 화학 성분, (iv) 재용해 재료에서 최종 제품까지의 높은 수율, (v) 기계적 특성의 전반적 개선, (vi) 매끄러운 표면(일반적으로 열간 가공 전 표면 처리 불필요), (vii) 제어된 응고(향상된 거시 및 미세 조직), (viii) 슬래그 욕에 의한 재용해 재료의 산화 분위기로부터 보호.

오늘날 제강 기술이 크게 향상되어 고순도 용강 생산이 가능해졌습니다. 그러나 잉곳 주조 과정에서 용강의 재산화가 일어나 개재물 함량이 증가합니다. 거시 및 미세 규모의 편석도 잉곳 주조의 특징입니다. 이들은 강재의 기계적 특성에 이방성을 초래합니다. ESR 공정은 대형 강재 잉곳에서 거시 편석 현상을 거의 완전히 제거하며, 주조 잉곳보다 더 균질한 화학 성분과 더 미세한 미세 조직, 더 적고 균일하게 분포된 비금속 개재물을 보장합니다. ESR 공정의 낮은 재용해 속도와 수냉식 구리 주형의 조합은 특히 균질하고 균형 잡힌 안정한 응고를 보장합니다. 따라서 ESR 공정으로 생산된 잉곳의 편석은 개방형 연속 주조 빌릿이나 기존 주조 잉곳에 비해 훨씬 낮거나(심지어 제거됨) 있습니다. 이러한 이유로 대부분의 편석 민감성 강재는 균질화를 위해 ESR 공정을 거칩니다. ESR이 재용해 강재에 미치는 영향은 그림 1에 나와 있습니다.

그림 1 ESR 공정이 재용해 강재 특성에 미치는 영향

ESR 공정

ESR 공정은 연속 공정입니다. 이 공정에서 소모성 전극의 재용해 중 정제와 강재의 응고가 동시에 일어납니다. 주조, 압연 또는 단조 강재 잉곳을 소모성 전극으로 사용할 수 있습니다. ESR 공정은 전극에서 액체 슬래그와 잉곳을 통해 전류가 흐르는 원리입니다. 슬래그의 높은 전기 저항으로 인해 슬래그가 가열되어 용해됩니다. 전체 재용해 공정은 수냉식 구리 주형에서 수행되며, 이는 재용해된 잉곳이 빠르고 매우 균일하게 응고되도록 합니다.

소모성 전극은 수냉식 주형의 액체 슬래그 풀에 담그어지며, 슬래그 열이 전극 끝단을 점차 녹입니다. 전류(일반적으로 교류)가 전극과 형성 중인 잉곳 사이 슬래그를 통과하여 슬래그를 과열시키고, 전극에서 금속 방울이 용해되어 떨어집니다. 이 방울들은 슬래그를 통과하여 수냉식 주형 바닥에서 응고됩니다. 슬래그 풀이 있는 주형은 새로운 잉곳이 형성됨에 따라 위로 이동합니다. 정제된 재료의 새로운 잉곳은 주형 바닥에서부터 천천히 쌓아 올려집니다. 이는 균질하고 방향성 있게 응고된 덩어리로, 기존 주조 잉곳이 외부에서 내부로 응고될 때 발생할 수 있는 중심부 불건전성이 없습니다.

잉곳 단면과 길이 전체에 걸쳐 방향성 응고를 보장하여 거시 편석, 수축 공동, 개재물의 불균일 분포 같은 내부 결함을 방지해야 합니다. 적절한 재용해 속도와 슬래그 온도를 유지하면 매우 큰 직경의 잉곳에서도 방향성 응고를 달성할 수 있습니다.

일반적으로 ESR 공정은 매우 높고 일관되며 예측 가능한 제품 품질을 제공합니다. 정밀하게 제어된 응고는 건전성과 구조적 무결성을 향상시킵니다. 재용해 작업 중 잉곳과 주형 벽 사이에 응고된 얇은 슬래그 피막이 형성되어 잉곳 표면 품질이 향상됩니다. 이것이 ESR이 고성능 강재의 선호 생산 방식으로 인정받는 이유입니다. 액체 강철이 전극 끝에서 방울져 떨어지고 액체 슬래그를 통과할 때 정제되며, 산화물과 황이 슬래그에 결합됩니다. 슬래그를 통과한 후 강철은 냉각되어 재용해 잉곳으로 다시 응고됩니다.

주형 설계는 고정 장대 주형 또는 칼라형 주형 형태일 수 있습니다. 이동식 주형이나 이동식 베이스 플레이트를 갖춘 칼라형 주형을 사용하면 필요한 길이의 잉곳을 생산할 수 있습니다(그림 2). 또한 ESR 공정은 (i) 재용해 에너지로 교류 사용(3kA~92kA), (ii) 재용해되는 재료에 따라 100kg~200톤 이상의 잉곳 중량, (iii) 80mm~2,000mm 이상의 잉곳 직경 범위를 가능하게 합니다. 원형, 사각형, 직사각형(슬래브) 형태의 잉곳도 생산할 수 있습니다.

그림 2 ESR 공정의 개략도

과열된 슬래그가 전극 끝단과 지속적으로 접촉함에 따라 전극 끝에 액체 금속 피막이 형성됩니다. 발달하는 방울들이 슬래그를 통과할 때, 비금속 불순물이 슬래그와의 화학 반응이나 용융 풀 상단으로의 물리적 부상에 의해 제거되어 강철이 정제됩니다. ESR 잉곳에 남는 개재물은 크기가 매우 작고 재용해 잉곳 전체에 균일하게 분포합니다.

방향성 수상 돌기 응고에도 불구하고, 재용해 잉곳에는 트리 링 패턴과 프렉클(freckles) 같은 다양한 결함이 발생할 수 있습니다. ESR 잉곳에는 일반적으로 화이트 스팟이 발생하지 않는다는 점이 중요합니다. 전극에서 온 수상 돌기 골격이나 작은 파편들은 과열된 슬래그를 통과하며 응고 전선에 도달하기 전에 용융될 충분한 시간을 갖습니다. 이것이 잉곳 내 화이트 스팟을 방지합니다.

잉곳 표면은 얇은 슬래그 피막으로 덮여 있어 단조 전 컨디셔닝이 필요 없습니다. 재용해용 전극은 주조 상태 그대로 사용할 수 있습니다.

비금속 산화물 개재물의 세 가지 주요 공급원이 있습니다: (i) 전극 내부의 개재물, (ii) 용해 산소(O₂)와 알루미늄(Al), 실리콘(Si) 같은 탈산제, (iii) 전극과 공정 슬래그 사이의 반응.

강재에서 가장 중요한 개재물은 산화물입니다. 원칙적으로 개재물의 화학 조성은 그림 2에 표시된 7개의 정제 부위에 의해 영향을 받지만, 가장 중요한 3개 정제 부위는 1번부터 3번 부위입니다. 반응 부위 1은 운동론적 관점에서 가장 큰 정제 잠재력을 가진 상 경계로 생각됩니다. 개재물이 주변 물질로 용해된다고 제안되지만, 약 1,800°C~2,000°C의 온도가 필요합니다. 부위 1에 따르면 이러한 온도는 이 상 경계에서 도달되지 않습니다. 대신 금속 방울은 액상선 온도에 도달한 직후 분리되어 슬래그 욕에서 과열됩니다. 그러나 전극 아래 액체 강철의 체류 시간은 약 10초로 슬래그 욕 내 체류 시간(약 0.1초)보다 현저히 깁니다. 이로 인해 화학 정제 반응이 슬래그 욕보다는 전극 아래에서 발생할 충분한 시간이 있습니다. 따라서 정적 ESR 공정에서 반응 부위 2는 열등한 역할만 합니다.

정제 부위 3에 대해서는 개재물 거동 측면에서 다양한 현상을 고려해야 합니다. 한편으로는 슬래그/금속 풀 계면에서 산소와 탈산제의 교환이 일어나고, 다른 한편으로는 강철의 응고가 진행됨에 따라 머시 존(mushy zone)에서 산소의 용해도가 감소합니다. 따라서 특히 Al과 관련하여 개재물이 석출됩니다. 이러한 개재물의 머시 존 통과 수송과 슬래그 매질 내 용해 등 다양한 영향 요인에 의해 부상 같은 정제 메커니즘이 발생하는지는 확실하지 않습니다. 보호 가스 분위기 하에서 공정이 수행되지 않는 경우, 6번을 제외한 다른 정제 부위들은 잠재적인 산소 흡수와 그에 따른 산소 증가 때문에 중요합니다. 충분한 탈황을 위해서는 정제 부위 5가 중요한데, 여기서 슬래그가 흡수한 황이 SO₂를 형성하여 기상으로 이동하여 제거되기 때문입니다.

ESR 공정은 용해 개시, 전력 증대, 정상 용해 속도 기간, 풀 프로파일 유지를 위한 감속 용해 기간, 핫 탭핑 시퀀스, 용해 종료까지 자동화할 수 있습니다. 모든 재용해 매개변수의 엄격한 제어는 균질한 잉곳의 재현성 있는 생산에 필요합니다. 가장 엄격한 소재 품질 사양을 충족하기 위해 ESR로는 일반적으로 컴퓨터 제어 공정 자동화를 사용합니다. 논리 제어 기능, 잉곳 연속 계량, 공정 매개변수 폐루프 제어, 데이터 수집 및 관리는 전용 컴퓨터 시스템이 처리합니다. 이들 시스템은 필드버스나 전용 인터페이스를 통해 통신합니다. 제어 시스템의 마스터 역할을 하는 오퍼레이터 인터페이스 PC(OIP)가 오퍼레이터와 ESR 공정 사이의 인터페이스로 활용됩니다. OIP는 공정 시각화, 매개변수 표시, 그래픽 디스플레이, 오퍼레이터 명령용 소프트 키, 재용해 레시피 편집 및 관리, 데이터 수집 및 저장, 용해 기록 생성을 담당합니다.

ESR 공정의 변형

편석 민감성 강재의 재용해를 위해 완전 동축로 설계가 필요하며, 이는 유도 자기장에 의한 용융 교반을 방지합니다. 점점 더 엄격해지는 소재 특성 요구를 충족하기 위해 다양한 ESR 공정 변형이 개발되었습니다. 보호 분위기로 용융 공간을 차폐하는 것이 최근 몇 년간의 최신 트렌드입니다. 질소 함량을 늘리기 위해 가압 하에서 재용해하는 것도 ESR의 또 다른 변형입니다.

개발된 세 가지 ESR 공정 변형은 다음과 같습니다: (i) 불활성 가스 분위기 하 재용해(IESR), (ii) 가압 하 재용해(PESR), (iii) 감압 하 재용해(VAC-ESR).

IESR 공정은 대기압에서 완전 밀폐된 불활성 가스 보호 분위기 하에서 전기슬래그 재용해를 수행합니다. 불활성 아르곤(Ar) 가스가 슬래그와 강재를 산화와 공기 중 질소(N₂)와 수소(H₂) 흡수로부터 보호하는 ESR 공정의 변형입니다. 불활성 가스 분위기는 ESR 공정의 H₂ 흡수 문제와 계절적 대기 변화의 영향을 없애줍니다. 또한 산소 없는 불활성 가스 하에서 재용해가 가능합니다. 전극의 산화가 거의 완전히 방지되어 잉곳의 청정도가 향상됩니다. 그러나 로 분위기에 산소가 없으면 탈황이 최적화되지 않습니다. 두 가지 로 개념이 있습니다: 상대적으로 기밀한 보호 후드 시스템과, 재용해 공정 시작 전 공기를 불활성 가스 분위기로 완전히 교체할 수 있는 완전 진공 기밀 보호 후드 시스템.

PESR은 가압 하 전기슬래그 재용해입니다. 최근 질소(N₂)가 강재 특성 향상을 위한 저렴한 합금 원소로 점점 더 매력적으로 부상하고 있습니다. 오스테나이트강에서 용해된 형태의 N₂는 과포화 고용체를 형성하여 항복 강도를 높입니다. 페라이트강에서는 담금질 및 템퍼링한 철(Fe)-탄소(C)강과 유사한 미세 조직인 질화물의 미세 분산을 목표로 합니다. 이러한 신소재 생산을 위해서는 정상 압력에서 용해도 한계 이상의 충분히 많은 양의 N₂를 용강에 도입하고 응고 중 N₂ 손실을 방지하는 것이 필수적입니다. N₂ 용해도가 분압의 제곱근에 비례하므로, 용융물에 많은 양의 N₂를 도입하고 고압 하에서 응고시키는 것이 가능합니다. 이는 42kg/cm²의 운전 압력에서 전기슬래그 재용해 공정으로 확립되었습니다.

재용해 중 액체 상태인 금속 방울의 체류 시간이 극히 짧기 때문에, 기상을 통한 N₂ 흡수는 불충분합니다. 따라서 N₂는 재용해 중 고체 N₂ 함유 첨가제 형태로 지속적으로 공급됩니다. 시스템 내 고압은 용강에 도입된 N₂를 유지하는 데만 독점적으로 기여합니다. 압력 수준은 강재 조성과 원하는 재용해 잉곳의 N₂ 함량에 따라 달라집니다.

진공 하 전기슬래그 재용해(VAC-ESR)는 또 다른 신개발 공정입니다. 이는 진공 탈가스도 제공하는 ESR의 변형입니다. VAC-ESR 공정에서는 슬래그를 사용하여 진공 하에서 재용해를 수행합니다. 용융물의 산화 문제는 발생하지 않습니다. 또한 H₂와 N₂ 같은 용해 가스를 제거할 수 있고 화이트 스팟 위험이 최소화됩니다. 이 공정은 초합금과 티타늄 합금의 재용해에 적합합니다.

공정 매개변수

ESR 공정 운전에 필요한 열은 슬래그 욕에서 줄 효과(Joule effect)에 의해 생성됩니다. 재용해 잉곳 품질은 (i) 전기적 특성, (ii) 열 균형, (iii) 전극/잉곳 직경에 의해 영향을 받습니다. ESR 공정의 에너지 입력 요구량은 일반적으로 강철 톤당 1,000~1,500kWh 범위입니다. 슬래그 욕은 가변 저항기로 간주됩니다. 그 저항은 전극 거리, 유효 슬래그 비저항, 전류 경로에 의해 결정됩니다. 정상적인 슬래그 깊이는 보통 약 100mm입니다.

액체 풀의 형상은 공정의 열 입력에 의해 영향을 받습니다. 소모성 전극과 재용해 잉곳 사이의 거리가 멀수록 슬래그 내 열 분포가 더 부드러워집니다. 전극 거리를 결정할 때, 더 짧은 전류 경로는 전극 끝단 아래에 집중된 열 발생과 높은 전류, 바람직하지 않은 금속 풀 심화를 나타냅니다. 반면 더 긴 전류 경로는 높은 전압을 필요로 하여 더 균일한 열 발생과 더 평평하고 유리한 풀 프로파일을 만듭니다.

ESR 공정의 운전 전압은 일반적으로 40V 이하입니다. ESR 공정의 전기 회로는 교류(AC) 또는 직류(DC)일 수 있습니다. 단상 AC-ESR 공정은 직경 200mm 이상의 잉곳에 최적의 정제와 용해 속도를 제공합니다. DC-ESR 공정은 강재 정제를 위해 더 낮은 용해 속도를 필요로 합니다. 그러나 강재 정제가 주된 요구사항이 아닐 때, DC-ESR 공정은 소비 전력 단위당 가장 높은 용해 속도를 제공합니다. 현재 관행은 단상 교류 전원 사용과 낮은 전극/잉곳 직경 비율(일반적으로 0.4~0.7 범위)입니다. 일반적으로 AC 운전에 50Hz 또는 60Hz 주파수가 사용됩니다. 그러나 반응성이 더 중요한 초대형 잉곳의 경우, 효율 향상을 위해 저주파 전력(5~10Hz 범위)을 사용하는 것이 좋습니다.

최적 용해 속도와 에너지 입력은 잉곳 직경에 따라 달라집니다. 최저 전력에서 최대 허용 용해 속도의 최적 조건은 일반적으로 '용해 속도 = 상수 × 전력 × 충진 비율(면적) × 주형 면적 / 전극 거리' 공식으로 결정됩니다. 많은 운전 관행에서는 용해 속도가 잉곳 직경에 비례한다고 보며, 약 0.004kg/min/mm의 용해 속도에서 얻습니다. 그림 3은 직경 240mm 잉곳에 대한 전압과 전류가 용해 속도에 미치는 영향을 보여줍니다. 주어진 전류와 잉곳 크기에서 최대 용해 속도에 해당하는 최적 전압이 있음을 알 수 있습니다.

그림 3 전압과 전류가 용해 속도에 미치는 영향

ESR 공정에서 슬래그의 역할

슬래그는 개재물 제어 관점에서 ESR 공정에서 중요한 역할을 합니다. 슬래그의 화학적, 물리적 특성도 개재물 제거에 큰 영향을 미칩니다. 슬래그의 역할은 다음과 같습니다: (i) 전극 용해를 위한 줄 열 발생, (ii) 비금속 개재물 흡수를 통한 액체 강철 정제, (iii) 강철 탈황, (iv) 강철 오염 방지, (v) 구리 주형/응고 강철 쉘 계면의 윤활 제공, (vi) 응고 강철과 주형 사이의 수평 열전달 제어.

ESR용 슬래그는 일반적으로 플루오르화칼슘(CaF₂), 산화칼슘(CaO), 산화알루미늄(Al₂O₃)을 기반으로 합니다. 재용해할 강재에 따라 산화마그네슘(MgO), 산화티타늄(TiO₂), 이산화규소(SiO₂)도 첨가할 수 있습니다. 슬래그 내 CaF₂는 슬래그의 염기성 성분(CaO, MgO)의 용해도를 높여 슬래그의 유효 황화물 용량을 증가시킵니다.

제 기능을 수행하기 위해 슬래그는 다음과 같은 명확한 특성을 가져야 합니다: (i) 용융점이 재용해할 금속보다 낮을 것, (ii) 전기적으로 효율적일 것, (iii) 원하는 화학 반응을 보장하도록 조성이 선택될 것, (iv) 재용해 온도에서 적절한 점도를 가질 것. 표 1은 다양한 유형의 ESR 슬래그 특성을 보여줍니다.

표 1 다양한 유형의 ESR 슬래그 특성
	슬래그 조성					특성
일련 번호	CaF₂	CaO	Al₂O₃	MgO	SiO₂
%	%	%	%	%
1	100					전기적으로 비효율적, 산화물이 허용되지 않는 곳에 사용
2	70	30				시동 어려움, 높은 전도도, Al이 허용되지 않는 곳에 사용, 높은 H₂ 흡수
3	70	20	10			중간 비저항의 좋은 만능 슬래그
4	70	15	15
5	50	20	30			높은 비저항의 좋은 만능 슬래그
6	70		30			Al 흡수 위험, H₂ 흡수 가능성 적음, 높은 비저항
7	40	30	30			범용 좋은 슬래그
8	60	20	20
9	80		10	10		상대적으로 불활성, 중간 비저항
10	60	10	10	10	10	낮은 용융점, '긴' 슬래그
11		50	50			시동 어려움, 전기적으로 효율적

표 1에서 볼 수 있듯이 CaF₂ 농도는 질량 분율의 0%~100%까지 다양할 수 있습니다. 나머지 슬래그 성분들은 주로 염기도를 낮추는 데 사용됩니다. 슬래그 화학 조성은 휘발성 플루오라이드 형성, 고융점 상 석출, ESR 공정 내 반응으로 인해 공정 중에 변화합니다. 조성 변화는 슬래그의 야금적 특성에 영향을 미치고 결국 재용해 잉곳 품질에 영향을 줍니다. 강철 톤당 소비되는 슬래그 양은 재용해 잉곳 직경에 따라 달라집니다.

ESR에 사용되는 많은 슬래그는 삼원계 CaF₂-CaO-Al₂O₃ 시스템으로 설명할 수 있습니다. 주요 특징은 CaO와 Al₂O₃가 대략 같은 비율에 해당하는 공융점입니다. 이는 액상선 온도 1,350°C~1,500°C 범위의 슬래그를 식별하며, 강재와 초합금을 포함한 다양한 합금 용해에 적합합니다. 70% CaF₂와 30% Al₂O₃ 슬래그의 경우, H₂ 흡수를 방지하기 위해 CaO를 최대한 배제하는 반면 두 액체 상의 존재에 문제는 없습니다. 반면 이원계 CaO-Al₂O₃ 시스템은 적절한 용해 특성을 가진 슬래그 범위가 제한적이며, 이원계 CaF₂-CaO 시스템은 높은 탈황도가 필요할 때 사용됩니다.

그러나 그 단점은 낮은 비저항입니다. 높은 CaO 함량은 수분 보유나 H₂ 흡수 위험도 증가시킵니다. 인발 잉곳형 ESR 공정의 경우 ESR 슬래그에 일정량의 SiO₂ 첨가는 윤활 성능 향상, 액체 강철 내 Si와 Al 함량 제어, 산화물형 개재물 변형에 중요합니다. 또한 SiO₂ 첨가는 CaF₂-Al₂O₃-CaO 슬래그의 결정화 온도를 낮춥니다. 나아가 CaF₂ 함유 슬래그 내 MgO와 SiO₂는 슬래그의 표면 장력에 영향을 미칩니다.

CaF₂는 모든 ESR 슬래그에서 필수 구성 요소이며 슬래그 시스템의 용융 온도를 크게 낮추지만, 산화물 상에는 불용성입니다. 전기 전도도, 열 전도도, 밀도, 점도, 표면 장력 같은 슬래그 특성은 효과적인 용해와 금속 정제에 중요한 역할을 합니다. 슬래그 비저항은 ESR 공정의 운전 특성과 경제성에 영향을 미칩니다. Al₂O₃는 슬래그 비저항을 높이고 양호한 열 발생을 촉진하여 슬래그 벌크 함량 감소로 이어지며, 이는 슬래그와 주형 벽 사이의 접촉 면적 감소로 인한 열 손실 감소도 가져옵니다.

슬래그 점도를 고려할 때 슬래그는 때때로 '긴' 슬래그와 '짧은' 슬래그로 불립니다. 긴 슬래그는 넓은 온도 범위에서 유동 상태를 유지하며 얇은 슬래그 피막과 양호한 잉곳 표면을 제공할 가능성이 높습니다. 짧은 슬래그는 냉각 시 급격히 점성이 높아지며 두꺼운 슬래그 피막과 불량한 잉곳 표면을 초래할 가능성이 높습니다. 높은 CaF₂ 함량은 짧은 슬래그를 촉진하는 반면, SiO₂와 MgO 함량은 긴 슬래그를 선호합니다.

ESR 공정의 열역학

공기 분위기에서 강재의 ESR 공정 시 화학 반응이 일어나 주조 잉곳의 화학 조성이 변화합니다. 코발트(Co), 니켈(Ni), 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 탄소(C) 같은 일부 원소의 수준은 재용해 후에도 변하지 않습니다. 그러나 Si(실리콘), O₂, S 함량은 10%~80%까지 변할 수 있으며, Al과 Ti(티타늄) 함량은 용해 조건에 따라 변할 수 있습니다(감소 또는 증가). 따라서 원소 손실을 방지하기 위한 조치가 필요합니다. 이는 특수 ESR 변형 공정을 사용하거나, 안정적인 용해 조건을 위해 슬래그 조성을 정기적으로 첨가하여 제어함으로써 달성할 수 있습니다.

용해 공정 중 탈산 슬래그를 사용한 Al 첨가로 원소 산화를 방지할 수 있습니다. 슬래그의 산소 잠재력이 ESR 공정의 화학을 결정합니다. 이는 황 제거와 비금속 개재물 제거에 영향을 미칩니다. 산소는 강철 내 일부 원소와 반응하여 H₂ 흡수를 억제합니다. 슬래그에서 산소는 주로 FeO, MnO, SiO₂ 형태로 결합되어 있습니다. 강철의 산소 함량을 결정하기 위해서는 슬래그 내 FeO와 재용해 잉곳 내 O₂ 사이의 관계를 찾는 것이 필수적입니다. 그러나 CaF₂ 슬래그에서 FeO의 용해도가 매우 낮아 그 활성도가 매우 높습니다. 산소 함량은 산소와 활성 성분 간 반응의 열역학적 분석으로 결정할 수 있습니다.

Si와 Mn은 강철 내 산소와 슬래그로부터의 산소와 반응할 수 있는 원소들입니다. Si가 가장 강력한 탈산제일 때, 강철의 산소 함량은 Si 함량에 의해 결정됩니다. 일정한 온도와 강철 내 Si 함량에서, 슬래그 내 SiO₂ 활성도가 높거나 슬래그의 염기도를 낮추면 강철의 산소 함량이 높아집니다. 재용해 잉곳의 Al 손실은 적으며, 특히 슬래그 내 Al₂O₃ 함량이 높을 때 그렇습니다. 반면 슬래그 내 Al₂O₃ 존재는 Si의 산화를 감소시킵니다. 전극 내 Si와 슬래그 내 Al₂O₃ 간 반응도 재용해 잉곳 내 Al 산화를 제어합니다. 따라서 재용해 잉곳 내 Al 함량은 슬래그 내 Al₂O₃ 함량, 전극 내 Si 함량, 온도, 강철 화학 조성에 의존합니다.

재용해 잉곳 내 Al 함량은 SiO₂ 함량이 증가한 CaF₂-Al₂O₃-CaO 슬래그 사용 시 감소합니다. Al을 탈산에 사용할 때, 첨가된 Al의 최대 15%가 액체 강철로 이동합니다. 재용해 강철 내 Ti 함량은 소모성 전극 내 Al과 Ti 함량, 슬래그 내 Al₂O₃와 TiO₂ 함량, 슬래그 위 기상 내 산소 잠재력에 의존합니다. 다른 TiO₂ 함량에서 전극 내 Al과 Ti 함량의 평형은 그림 4에 나와 있습니다. 전극 내 주어진 Al 함량에 대해 슬래그에 TiO₂를 첨가하면 Ti 손실을 최소화할 수 있습니다. 높은 Al 함량에서 슬래그 내 TiO₂가 Al에 의해 환원되므로 Al도 Ti/TiO₂ 비율을 조절합니다.

그림 4 슬래그 내 다른 TiO₂ 함량에서 전극의 Al과 Ti 함량 평형

ESR 공정 개발 초기 단계에서 황 제거는 주요 목표 중 하나로 여겨졌습니다. 탈황 속도는 슬래그 염기도와 함께 증가합니다. 황 이동은 주로 두 계면에서 일어나며, 두 반응인 (i) 슬래그/금속 반응, (ii) 기체/슬래그 반응(그림 5)에 따릅니다.

그림 5 황 이동을 위한 계면

그림 5에 주어진 반응의 열역학적 분석에 따르면 탈황은 (i) 슬래그 내 산소 이온 농도, (ii) 기상 내 산소 분압, (iii) 강철 화학 조성과 관련이 있습니다. 강철에서 슬래그로의 황 이동은 높은 슬래그 염기도와 강철 내 낮은 산소 농도에 의해 촉진됩니다. 반면 슬래그에서 기체로의 황 이동은 기상 내 높은 산소 분압과 낮은 슬래그 염기도에 의해 촉진됩니다. 슬래그의 황 흡수 능력은 황 용량으로 정의됩니다. CaF₂-CaO-Al₂O₃ 시스템의 황 용량은 CaF₂ 함량 증가와 CaO 포화 한계까지의 첨가량 증가에 따라 증가합니다.

보호 불활성 가스 분위기 하 ESR의 경우, 황이 슬래그에 남아 공정 진행에 따라 축적됩니다. 이러한 경우 황 용량이 지배적 요인이며, 공정 종료까지 탈황 작용을 지속하기 위해 슬래그 조성을 조정해야 합니다. 이는 슬래그/금속 비율이 더 중요해진다는 것을 의미합니다.

잉곳의 응고와 조직

ESR 공정으로 생산된 잉곳의 응고 조직은 국부 응고 시간과 액체/고체 계면의 온도 구배 함수입니다. 완전한 재용해 기간 동안 응고 전선에서 상대적으로 높은 온도 구배를 유지하여 방향성 수상 돌기 일차 조직을 달성해야 합니다.

ESR 공정으로 생산된 잉곳의 거시 조직은 열전달과 열제거 방법이 다르기 때문에 기존 주조 잉곳의 거시 조직과 다릅니다. 수상 돌기 성장 방향은 응고 중 금속 풀의 함수입니다. 따라서 수상 돌기의 잉곳 축에 대한 기울기는 용해 속도와 함께 증가합니다. 극단적인 경우 방향성 수상 돌기 성장이 정지할 수 있습니다. 잉곳 중심이 등축정으로 비방향성 있게 응고되어 편석과 미세 수축을 초래합니다. 방향성 수상 돌기 응고의 경우에도 미세 편석은 수상 돌기 팔 간격과 함께 증가합니다. 잉곳 축과 평행한 수상 돌기를 가진 응고 조직이 최적의 결과를 낳습니다. 그러나 이는 항상 가능한 것은 아닙니다.

양호한 잉곳 표면은 최소 에너지 입력과 따라서 최소 용해 속도를 필요로 합니다. 용해 속도 증가는 응고선과 액상선 등온선의 구배 차이를 증가시키고 풀 깊이를 깊게 만듭니다. 이로 인해 입자 성장이 수직 방향 대신 방사 방향으로 일어납니다. 용해 속도 증가는 더 미세한 입자 구조를 만들고 기둥상 조직의 성장 방향을 축 방향에서 방사 방향으로, 매우 높은 용해 속도에서는 더 깊은 액체 풀로 변화시킵니다. 슬래그 온도 증가도 더 조대한 기둥상 입자 구조와 ESR 잉곳 표면 및 바닥의 정제된 등축정층 두께 감소를 초래합니다. 방향성 수상 돌기 응고에도 불구하고 트리 링 패턴, 프렉클, 화이트 스팟 같은 결함이 재용해 잉곳에 발생할 수 있습니다.

잉곳 중앙의 거시 편석과 기공 구조는 ESR 잉곳에서 일반적으로 드뭅니다. ESR 공정의 주요 특징은 미세 편석이 감소된 강재 생산 능력입니다. 이는 국부 응고 시간과 수상 돌기 팔 간격과 연관됩니다. ESR 공정의 강재는 일반적으로 기둥상 방식으로 응고되며, 이는 등축정 구조보다 미세 편석이 적습니다. 온도 구배가 클수록 수상 돌기 팔 간격이 작아지고 미세 영역의 화학적 이질성이 낮아집니다. ESR 공정에서 온도 구배는 기존 잉곳 주조보다 큽니다. 따라서 이차 수상 돌기 팔 간격은 ESR 공정에서 기존 주조보다 작습니다.

편석 감소 효과는 그림 6에 나와 있으며, 열간 가공 공구강에 대해 ESR 처리 전후 미세 조직을 비교했습니다. 두 경우 모두 미세 조직은 템퍼드 마르텐사이트입니다. 편석 띠의 차이가 명확합니다. 소모성 전극에서는 편석이 뚜렷하지만 재용해 잉곳에서는 거의 완전히 제거됩니다.

그림 6 ESR 공정으로 재용해된 열간 가공 공구강의 편석

국부 응고 시간이 수상 돌기 간격에 미치는 영향은 냉각 속도 증가에 따라 수상 돌기 팔 간격이 감소함을 보여줍니다. 더 균질한 조성과 치밀한 응고 조직 외에도 비금속 개재물 제거는 ESR 공정의 중요한 특징입니다. 일반적으로 개재물은 개재물/강철 계면에서 미세 보이드와 균열을 쉽게 유발하며, 이는 피로 파괴나 다른 결함의 기원이 될 수 있습니다. ESR 처리 강재도 예외는 아닙니다. 로 분위기, 소모성 전극 내 개재물 함량, 슬래그 양과 조성, 전력 입력, 용해 속도, 충진 비율 등 많은 요인이 ESR 처리 강재의 비금속 개재물 형성에 영향을 미칩니다. 대부분의 비금속 개재물은 산소와 Mn(망간), Si, Al 같은 원소 간 반응으로 발생합니다. 전기슬래그 중 슬래그 탈산은 ESR 처리 잉곳의 비금속 개재물 형성에 중요한 영향을 미칩니다. 최저 점도와 최고 계면 장력에서 최저 개재물 수가 달성됨을 알 수 있습니다. 그러나 큰 개재물이 없는 것이 ESR 공정의 전형적 특징입니다.

ESR 공정 중 비금속 개재물 제거는 주로 흡수와 용해가 일어나는 전극 끝단에서 발생합니다. 전극 끝단이 용융점을 향해 가열됨에 따라 전극 내 개재물은 강철이 녹기 전에 재용해됩니다. 전극 내 다른 큰 외생 개재물은 고체 금속에 용해되지 않고 전극 끝단이 용융될 때 슬래그에 노출됩니다. 슬래그 조성이 적절하고 온도가 충분히 높고 체류 시간이 충분히 길면 비금속 개재물이 슬래그에 용해됩니다. 다만 이 시점에서 평형 상수 차이와 큰 개재물의 부상 가능성으로 추가 반응이 있을 수 있습니다. 이 시점의 강철은 비금속 개재물이 없지만, 동결 시간 동안 반응으로 개재물을 생성하는 원소들을 용액 상태로 가질 수 있습니다(황 제거 반응). 개재물 제거 효율은 용해 속도 감소와 함께 증가합니다. 다성분 슬래그(CaF₂, CaO, Al₂O₃, SiO₂, MgO)가 개재물 양 제어에 더 좋은 용량을 가짐을 알 수 있습니다. 다성분 슬래그에서는 대부분 MgO-Al₂O₃ 개재물인 반면, 기존 70% CaF₂-30% Al₂O₃ 슬래그에서는 주로 Al₂O₃ 개재물이 존재합니다. 또한 다성분 슬래그의 최대 개재물 크기가 기존 이원계 슬래그보다 작음이 밝혀졌습니다.