기본산소로(BOF) 제강에서 초음속 산소(O₂) 제트가 뜨거운 금속 욕조 표면에 분사됩니다. 욕조 내 불순물 원소인 탄소(C), 규소(Si), 망간(Mn), 인(P)이 주입 O₂에 의해 산화돼 CO(일산화탄소), CO₂(이산화탄소), SiO₂(실리카), MnO(산화망간), P₂O₅(오산화인), 산화철 형태로 욕조에서 제거됩니다. 기체 산화물(90% CO, 10% CO₂)은 소량 FeO와 석회(CaO) 분진과 함께 로 상부에서 배출. 다른 액체 산화물은 첨가 플럭스와 녹아 액체 슬래그 형성, 욕조 정련 추가 촉진.
폼핑은 점성 액체에 기체 분사 시 흔히 나타나는 현상. BOF 제강에서 정련 공정 여러 면에서 도움돼 유익합니다. 정련 반응 표면적 증대, 용탕-대기 직접 접촉 차단, 반응 속도·열전달·에너지 효율 향상, 후연소·열전달 매체 형성, 내화물 라이닝 극한 연소 효과 차단(내화물 보호·수명 연장), 산화 제거된 Mn·Si·P 산화물 싱크 역할, 용탕 산화 방지·조성 제어, 용탕-주변 열 차단 단열재 역할로 주요 에너지 손실 방지. 단, BOF 슬래그 폼핑은 제한된 부피로 제어해 이득 취해야 할 현상으로 간주.
보통 화학 반응 기체 → 미세 기포 폼핑(안정적). 기체상 주입(O₂, Ar 등) → 대형 기포, 덜 안정적 폼.
폼은 BOF에서 흔히 발생. 슬래그 층에 기체 포집돼 형성. 불어넣기(blow) 진행될수록 슬래그 양과 생성 기체량 증가 → 슬래그 폼핑 증가. 슬래그 폼핑이 대량 형성돼 컨버터 입구에서 넘쳐흐르면 불리·위험 → 슬로핑(slopping). 따라서 슬래그 폼핑을 적절히 제어해 연속·효율 생산 공정 유지 필요. 폼과 폼핑 공정 철저히 이해해 슬래그 폼핑 최소화로 공정 최적화 필요.
슬래그는 제강 공정 중 산화 반응 생성물(SiO₂, MnO, P₂O₅, FeO)과 용해 플럭스(석회, 소석회)가 녹아 생성된 비금속 물질. 산화물 화합물, 용해 가스, 용해 내화물, 미용해 플럭스/석출 산화물 화합물 고체 입자도 포함 가능.
슬래그 밀도 낮아 용탕 위 부유. BOF 제강 슬래그 주 요건: 산화 제거된 불순물 산화물 회수 풀(pool) 기능. 이 슬래그 풀 조성·온도가 컨버터 내 정련 반응 진행 돕음. 슬래그 층 추가 이점: 용탕 대기 차단, 컨버터 내화물 용해 지연, 욕조 온도 제어.
슬래그 조성(보통 CaO-MgO-SiO₂-FeO-Al₂O₃계)은 점도, 열전도도, 밀도 등 물성에 직접 영향 → 슬래그 불순물 제거 능력 좌우. 슬래그 일반적으로 고점도·저밀도 → 용탕 위 부유. 물리적 물성 결과 기체 기포(화학 반응 생성 + 주입 O₂) 포집 → 슬래그 폼 생성.
슬래그 폼(그림 1)은 CO 가스 생성·슬래그 포집으로 형성. 강 탈탄이 폼 생성 원천. O₂ 제트 욕조 표면 충돌 → 높은 운동량으로 금속 방울 떨어져 폼 상부에 도달 → 슬래그-기체-금속방울 에멀전 형성. 에멀전 내 슬래그 큰 금속방울 표면적 보유 → 반응 속도 향상. 에멀전 없으면 공정 훨씬 오래 걸림. 에멀전 공정 중요 → 적정 슬래그 조성으로 폼핑 제어(너무 높지도 낮지도 않게) 필수. 체류 시간이 에멀전 상 이동 방울-슬래그 간 반응 가능 시간 결정.
기체 생성율은 폼 형성·성장 중요 역할. 기체는 탈탄 공정 산물. 경로: (1) 핫스팟 금속 표면 직접 산화: [C] + ½O₂(g) = CO(g), (2) 폼 내부 간접: 금속방울 탄소 + 슬래그 FeO 반응: [C] + (FeO) = CO(g) + {Fe}, 여기서 (FeO) = {Fe} + ½O₂(g) = (FeO) 순수 O₂ 철 산화 생성물, (3) 용탕 내: 용해 O₂ + C 반응: [C] + [O] = CO(g).
(1) 반응 탈탄, (2) 두 번째 Fe 산화 반응은 즉시 시작해 불어넣기 내내 지속. (1) 경우 C 표면 함량 지속 감소로 속도 감쇠. Fe 산화율 더 일정하나 결과 FeO 슬래그 함량은 (2) 첫 반응 소비 증가로 결국 감소. 불어넣기 말기 FeO 함량 다시 증가(저 C 함량으로 FeO 탈탄 참여 감소). 불어넣기 최말기 조절 탈탄 반응은 용탕 내 C-용해 O₂ 반응(3). 불어넣기 말기 탈탄율은 용탕 하부→상부 C 질량전달, 반대 방향 용해 O₂ 질량전달 의존. BOF 컨버터 용탕 탈탄 주요 반응 원리 그림 1 우측에 표시.
그림 1 우측 보듯 최대 탈탄율(최대 기체 생성율) 불어넣기 25~30% 지점 도달, (2) 첫 반응으로 폼 내부 상당 부분 진행. 속도 꽤 일정, 수준은 FeO 가용성과 O₂ 충격 구역 배출 금속방울 공급 의존. 불어넣기 80% 지점서 기체 생성율 급감(용탕 저 C 함량).
슬래그 폼: 넓은 표면적 형성, 용탕-대기 직접 접촉 차단으로 제강 공정 이점. 보통 슬래그 물리적 물성 불어넣기 중 폼핑 유리하게 진화, 고 기체 생성율(화학 반응)과 맞물리면 슬래그 폼핑 제어 불능 → 컨버터 넘침 → 슬로핑 발생. 슬로핑: 수율 손실, 보건·안전 비용, 설비 손상, 환경 오염 등 해악.
슬래그 조성, 표면 기체 속도, 욕조 온도, 기포 크기, 슬래그 염기도, 밀도, 점도, 표면장력. 표면 기체 속도 단위 m/s, 실제 기체 속도 × 기체 체적분율.
슬래그 조성: 폼핑 영향 최중요 공정 변수, 불어넣기 중 폼핑 유리하게 진화. 물리화학적 물성(밀도, 점도, 표면장력, 염기도)이 슬래그 조성 따라 변하기 때문. BOF 제강 같은 고 표면 기체 속도(>1m/s)에서는 액체가 기체 흐름에 의해 부양(held up). 이 상황 보이드 분율(VF)이 표면 기체 속도 강의존, 슬래그·액체 물리적 물성 약의존. 기체 홀드업 형성·존재는 중력과 기체가 액체에 가하는 항력 지배.
슬래그 폼: 정련 반응 주입·생성 기체 슬래그 포집 형성. 슬래그 폼에서 슬래그 포집 기체량 = VF(기체 분율) 측정, VF 통상 0.7~0.9 범위. 그림 2 대표 폼 컬럼, VF별 층 구조.
불어넣기 중 진화하는 슬래그 물리적 물성 복합 효과 → 폼 안정화 유리. 불어넣기 전반부 고 탈탄율과 맞물려 슬래그 폼 부피 급증.
폼핑 지수(FI): 폼핑 정도 지표, 폼 높이/표면 기체 속도 비율. 단위 시간(초), 통상 0.6~1.3초. FI = 기체 수직 통과 시간 측정치 해석 가능. 일정 O₂ 공급률 가정 시 기체 속도 주 탈탄 기간 중 대략 일정 → 폼 높이 FI 정비례.
FI 관련 중요 물성: 에멀전 겉보기 점도(apparent viscosity). 겉보기 점도 높을수록 FI 높음. 겉보기 점도 증가 → 폼 높이 자동 증가. 충분히 높은 겉보기 점도면 폼 결국 컨버터 넘침 → 슬로핑. 겉보기 점도 강영향 인자: 고체 입자 존재. 연구에 따르면 고체 입자 분율 10% 증가 → 겉보기 점도 50% 증가, 폼 높이 최소 동등 증가.
CaO-SiO₂-FeO 슬래그 1250~1400℃, 알루미나 도가니, Ar 가스 주입 폼핑 실험. FI(수계 최초 사용)로 결과 표현. FI = Δh/ΔVg, Vg = Qg/A. Δh=슬래그 높이 변화, Vg=표면 기체 속도, Qg=기체 유량, A=용기 단면적. FI 유효 조건: 폼 VF가 폼 높이 독립. 야금 슬래그 조성별 FI 0.3~56초 관측. FOAMINESS 정의에 FI 빈번 사용.
FI 다른 계산: '폼 부피 변화율 = 기체 생성/주입율 - 기포 파열 부피 변화율'. FI = 1/(k·e), k=기포 감쇠율 상수, e=평균 VF. 단, 이 정의들은 정상 상태(일정 기체 유량·화학 조성)용. BOF 슬래그 폼니스 설명 위해 동적 기체 생성·슬래그 조성 고려 동적 FI 필요: FI(d) = f(r)·FI, f(r) = (기체 생성율 + 슬래그 부피 변화율)/슬래그 부피 변화율. FI는 불어넣기 중 시간 따라 변하며 최대치 통과하는 슬래그 물성.
다른 연구: FI는 슬래그 물리적 물성 관련. FI는 슬래그 점도 증가 시 증가, 밀도·표면장력 증가 시 감소.
CaO-SiO₂-FeO 슬래그 Ar 가스 주입 폼핑 연구. 폼 높이 표면 기체 속도 증가에 선형 증가 관측.
용융환원 공정 컨버터 표면 기체 속도 0.3~3.0m/s 운전. 저속·고속 폼 차이. 고속(>1m/s) 폼 = 팽창 슬래그, 액체 전체 균일 팽창(난류·교반), 혼합 높이·VF 표면 기체 속도 증가와 함께 증가, 기체 정지 시 즉시 붕괴. 저속(0.01~0.1m/s) 폼 = 비누 폼, 기체 정지 시 점진적 붕괴. 미용해 산화물로 점도 변질 없을 때 고속 영역에서도 유효.
다른 연구: BOF 제강 같은 고 표면 기체 속도(>1m/s) 폼핑에서 액체 기체 흐름에 부양. VF 강의존 표면 기체 속도, 약의존 슬래그·액체 물리적 물성. 기체 홀드업 형성·존재 = 중력 + 기체 액체 항력 지배.
슬래그 조성: 폼핑 영향 최중요 인자, 불어넣기 중 폼핑 유리하게 진화. 물리화학적 물성(밀도, 점도, 표면장력, 염기도) 조성 따라 변함.
한 연구: P₂O₅ 첨가 시 FI 약간 감소, S 첨가 시 FI 미미 감소. CaF₂(형석) 첨가 시 FI 유의미 감소, MgO 첨가 시 FI 현저 증가. CaO-SiO₂-FeO 슬래그 1400℃ Ar 가스 주입 폼핑 실험. 고체 입자 농도 증가 시 FI 증가도 관측.
FeO·MgO 첨가 효과: CaO-SiO₂-FeO-MgO 슬래그 FI. FeO 증가 시 FI ~20% FeO 질량까지 감소 후 ~32% FeO까지 정체. MgO 첨가도 35%CaO-35%SiO₂-30%FeO 슬래그에서 FeO와 유사 경향(FI 감소).
MnO·P₂O₅ 첨가 효과: CaO-SiO₂-30FeO-MgO포화 슬래그. MnO 증가 시 FI 약간 감소. P₂O₅ 첨가 시 3%까지 FI 증가 후 추가 첨가 시 감소.
슬래그 온도 상승 → 35%CaO-35%SiO₂-30%FeO-10%MgO 슬래그 FI 감소(1400~1550℃ 연구). 표면장력 양 온도 계수, 점도 음 온도 계수 탓. 표면장력 증가 → 폼 불안정화, 점도 증가 → 폼 안정화. 두 물성 복합 효과 → 온도 상승 시 FI 감소.
슬래그 폼핑 기포 크기 반비례 일반 관찰. 대형 기포 폼 더 일찍 붕괴. 단일 오리피스 노즐 Ar 주입(평균 기포 직경 13.5mm) vs 다중 오리피스 노즐(약 7.5mm) 비교 연구. 다중 오리피스 폼 높이 단일 대비 ~70% 더 높음. 단일 오리피스 대형 기포: 다면체 형상. 계면 반응 CO 생성 미세 구형 기포 → 상대적 안정적 폼. 두 경우 모두 기포 크기 FI 반비례(그림 3).
기포 크기 증가 → 배수 증가 설명. 그림 3 플라토 보더(plateau border) 횡단면적이 배수 속도 영향. 대형 기포 횡단면적 더 커 배수 증가. 기포 직경-FI 역비례 관계 확인(영향 정도 차이 존재). 단, BOF 제강에서 슬래그 폼 주된 CO 가스 포집 형성 → CO 생성율·량, 난류 유동, 표면장력이 기포 크기 주 영향 인자.
CaO-SiO₂-FeO 슬래그 염기도-폼핑 관계 연구. FI 염기도 증가에 따라 최솟값 통과. 초기 염기도 증가 → 점도 감소·표면장력 증가(FI 음영향) → FI 감소. CaO 조성 최솟값 FI = 액상선 조성, 초과 시 침전. 액상선 넘어 추가 CaO → 고체 2CaO·SiO₂ 입자 석출 → 점도 증가 → 폼 안정화.
밀도: 슬래그 폼핑 상당한 영향 중요 물리적 물성. 그림 4 슬래그 밀도. FeO, MnO, MgO 축적 시 밀도 증가, SiO₂ 증가·온도 상승 시 감소.
따라서 FI FeO, MnO, MgO 축적 시 감소, SiO₂ 증가 시 증가. FeO 함량 증가 시 점도 저하도 유발. 여러 연구서 FI-슬래그 밀도 반비례 확인, 영향 정도 차이 존재.
슬래그 점도와 불어넣기 중 진화도 슬래그 폼핑 중요 역할. 슬래그 점도 주 지배: 네트워크 포머 SiO₂, FeO, MgO, MnO, CaO 등 금속 산화물 첨가 → 네트워크 구조 파괴 → 점도 저하.
BOF 제강 초반 몇 분 슬로핑 빈발 관찰. 원인: 저온·미용해 석회 입자 존재로 초기 슬래그 점도 증가, 동시에 고 탈탄율. 슬래그 경로 액상선 온도 이하 내려가면 제2상 입자 석출. 폼 기포보다 작은 제2상 입자 → 액체 슬래그 점도 증가 → 폼 안정화. 단, 폼 부피 점도 증가와 함께 늘다가 임계 점도 넘어가면 기체 채널링(channeling) 발생, 폼핑 안 됨. 여러 연구서 FI 점도 증가와 함께 증가 입증.
기본적으로 점도 효과: 폼 내 기포막 배수·파열. 점도 증가 → 기포막 두께 증가→ 기포 합병 지연, 액체 하향 흐름(액체 배수) 플라토 보더 통해 감소 → 폼 안정화.
액체 표면장력: 표면 분자 결속력 결과. 물방울 형성, 액체 분자 탈출 지연 역할. BOF 제강에서 슬래그/금속 에멀전·폼 형성에 슬래그 표면장력 영향. 슬래그-금속 질량전달에도 상당한 영향. 순수 액체 철 표면장력 ~1.8N/m(1550℃), 물 약 25배. 반면 순수 액체 산화물·슬래그 표면장력 0.20~0.70N/m로 매우 낮음.
슬래그 표면장력 온도·조성 따라 변동. 비금속 S, P, O₂, N₂(질소) 액체 철서 표면활성(강도 차이). 산화물 중 SiO₂, P₂O₅, MnO 슬래그 표면장력 저하, Al₂O₃(알루미나) 약간 증가.
금속-슬래그 계면장력도 표면장력 비슷하게 중요. 계면장력도 금속/슬래그 에멀전·폼 형성, 금속-슬래그 질량전달 영향. 슬래그/금속 계면 계면장력 낮으면 계면 질량전달·폼/에멀전 형성 도와 정련 유리. 단, 낮은 계면장력 → 슬래그 방울 금속 포집 유도, 슬래그-금속 강부착 → 탭핑 단계 슬래그-금속 물리적 분리 어려움.
용탕 첨가 원소들 계면장력 영향 각기 다름. 일반적으로 거의 모든 첨가 원소 액체 철 계면장력 감소. BOF 제강에서 O₂, S 금속 내 최강 표면활성 원소로 계면장력 현저 감소. FeO, MnO 슬래그 표면활성 산화물 성분으로 금속-슬래그 계면장력 감소.
욕조 제련 슬래그 폼핑 위해 P₂O₅, CaF₂, Fe₂O₃(산화제이철), V₂O₅(오산화바나듐), Na₂O(산화나트륨) 등 표면활성 성분 필수. 표면활성 화합물: 점도 저하, 무엇보다 슬래그 표면장력 저하 → 기체 포집·폼 생성 가능.
표면/계면장력 영향 한 측면: 슬래그/금속 계면 생성 기포 크기 결정 능력. 슬래그 표면장력·계면장력 증가 → 기포 직경 증가 → 폼 불안정화. 반대로 금속 표면장력 증가 → 미세 기포 생성 → 폼 안정화. 이미 생성된 폼 기포막 배수 증가 → 표면장력 증가 시 기포막 곡률 증가 → 플라토 보더 방향 액체 흡인 증가.
제조공정
전기로 슬래그 폼핑(Foaming of Slag in EAF) 슬래그 폼핑(거품 슬래그 형성)은 현대 전기로(EAF)에서 중요하고 필수적인 관행이 되었습니다. 좋은 폼핑 슬래그는 공정 효율과 여러 이점에 크게 기여하기 때문입니다. 슬래그 폼핑 품질은 EAF 제강 공정의 중요 요소로, 액체 욕조 열이 EAF 벽으로 손실되지 않게 보장합니다. 슬래그 폼은 넓은 표면적 형성과 용탕-대기 직접 접촉 차단으로 EAF 제강에 이롭습니다. 슬래그 폼핑은 유용하면서 경제적인 기술입니다. 에너지 절약뿐 아니라 여러 이점으로 널리 쓰입니다: (1)
기본산소로(BOF) 슬래그 슬로핑(Slopping) BOF 제강은 용선에서 강을 만드는 배치 공정입니다. 탄소(C), 망간(Mn), 인(P) 농도가 강 품질 영향. 주조 위해 미리 정한 온도·조성 달성 위해 내화물 라이닝 컨버터 내 용선에 산소(O₂) 분사. O₂가 욕조 내 여러 원소 산화 → 온도 상승, 유해 원소 농도 저하. 생성 액체 산화물 욕조 상부 떠올라 슬래그 층 형성. BOF 제강 효과 위해 상당한 슬래그 부피 필요하나, 컨버터 크기 한계로 슬래그 부피 제한됨. 컨버터 내 극대 표면적 덕에 반응 속도 매우 빠름. O₂
