내화물은 화학적·물리적 특성의 현저한 변화 없이 고온을 견디는 소재입니다. 전기로(EAF) 조업에서 내화물은 용강을 노 바닥(hearth)에 담아내면서 노 구조물이 손상되지 않도록 보호하는 핵심 역할을 합니다. EAF에는 다양한 내화물 제품이 필요하지만, 그중에서도 용강과 직접 접촉하는 내화물이 가장 중요합니다.
EAF 내화물 라이닝은 노의 설계에 따라 달라집니다. 조업 조건 또한 내화물 성능에 큰 영향을 미칩니다. EAF 조업 환경은 화학적으로 염기성인 내화물과 우수한 고온 내성 및 열충격 저항성을 요구합니다. 최신 EAF는 편심 바닥 탭홀(EBT) 설계를 채택하는 경우가 많아 이에 특화된 내화물이 필요합니다. EAF의 대표적인 단면도와 각 존(zone)은 그림 1과 같습니다.
사이드 탭핑 EAF는 노 측벽에 연결된 스파우트(spout)를 통해 용강을 래들에 주입합니다. 스파우트는 내화물로 라이닝되며, 노 측벽의 탭홀이 노 내부와 스파우트를 연결합니다. 이 방식은 약 45° 기울이기 때문에 탭핑 측 측벽에 더 높은 내화물 라이닝이 필요합니다.
바텀 탭핑 EAF는 노 바닥 헤스 영역에 탭홀이 있어 특수 탭홀 내화물이 필요합니다. 기울기 각도가 15~20°로 낮아 측벽 내화물 높이를 낮출 수 있습니다. 두 방식의 비교는 그림 2에 나타나 있습니다.
AC EAF는 3개의 전극 컬럼을 사용하며 아크 플레어(arc flare)가 심해 측벽에 핫스팟(hot spot)을 유발할 수 있습니다. 이는 내화물 설계로 대응해야 합니다. 또한 3개의 전극 구멍이 지붕에 필요하며, 전극 사이 중앙 지붕부가 성능 제한 요인이 되기도 합니다.
DC EAF는 단일 전극을 지붕으로 관통시키고, 아크가 직접 용강 표면에 형성되며 바닥 양극(bottom anode)을 통해 회로가 완성됩니다. 아크 플레어가 적어 측벽 핫스팟 문제가 없으며 지붕 설계가 단순합니다. 다만 바닥 전극을 수용해야 하므로 바닥 내화물 설계가 복잡해집니다.
산소 랜스와 버너로 용해율을 높이면 내화물 설계와 성능에 영향을 줍니다. 스크랩이나 장입물에 의해 산소 흐름이 편향되어 내화물 라이닝에 직접 부딪히면 국부 과열과 가속화된 마모가 발생합니다. 국부적인 산화 분위기가 조성되어 내화물 침식이 빨라질 수도 있습니다.
제강 과정에서 EAF 내화물은 여러 마모 메커니즘에 노출됩니다. 각 존에서 작용하는 메커니즘을 정확히 이해해야 적절한 내화물 시스템 설계와 관리가 가능합니다.
EAF 내화물에서 가장 중요한 마모 메커니즘입니다. 슬래그 내 금속 산화물(FeO, SiO₂, MnO)이 내화물과 화학 반응을 일으켜 발생합니다. 내화물 라이닝의 마그네시아(MgO)가 용융 슬래그에 용해되는데, 포화도는 FeO 함량과 욕온에 따라 6~14% 범위입니다. 부식 반응 생성물은 슬래그의 일부가 됩니다.
부식 억제 방안:
내화물 내 탄소가 슬래그 내 O₂ 또는 FeO와 반응하여 산화되면 탄소 함량이 감소하고 강도가 떨어져 씻겨 나갑니다. 강철 쉘에 구멍이 있으면 내화물 냉면(冷面)에서도 공기 중 산소가 탄소와 반응하여 후면이 분말화됩니다.
용강과 용융 슬래그가 내화물 표면을 흐르며 물리적으로 마모시키는 현상입니다. 탭홀, 슬래그 라인, 지붕 전극 구멍, 오프테이크 덕트에서 흔히 발생합니다.
차폐되지 않은 전극 아크는 많은 내화물의 녹는점보다 훨씬 높은 온도를 생성합니다. 내화물이 고체에서 액체로 상변화하고 액상 부분이 씻겨 나가는 현상입니다. 적시에 감지·조치하지 않으면 심각한 문제가 됩니다.
현대 EAF에서 냉각수 누수 시 발생합니다. 내화물 내 MgO나 석회 성분이 수화되면 입자가 팽창·파열되어 라이닝이 파괴됩니다.
급격한 가열 또는 냉각으로 라이닝에 응력이 발생하고, 이것이 내화물 고유 강도를 초과하면 균열이 생깁니다. 균열이 교차하면 내화물 덩어리가 탈락합니다. 주기적 가열·냉각에 노출되는 지붕 내화물에서 자주 관찰됩니다.
조업 조건에 따라 EAF는 특정 존으로 구분되며, 각 존마다 내화물 요구사항이 다릅니다. 주요 존은 그림 1, 2에 표시된 바와 같이 (i) 헤스(hearth), (ii) 슬래그 라인(slag line), (iii) 상부 측벽(upper side wall), (iv) 탭홀(taphole), (v) 지붕(roof/delta)입니다.
최신 EBT 전기로는 용강 접촉 존에 마그네사이트(MgO) 또는 마그네사이트-카본(Mag-C) 내화물을 주로 사용합니다. 지붕/델타, 탭홀, 스파우트/러너에는 열충격 저항성이 우수한 특수 내화물을 적용합니다. 존별 일반적인 내화물 권장사항은 다음과 같습니다.
헤스는 고온 용강을 담고 중량 장입물의 충격을 견뎌야 하며, 탭핑 시 용융 슬래그의 부식에도 저항해야 합니다. 일반적인 EAF 헤스는 2중 구조로, 바닥 강철 쉘 위에 약 230mm의 벽돌 안전 라이닝(서브 바텀)과 300~600mm의 단괴형 마그네사이트 작업 라이닝으로 구성됩니다. 일부 전기로는 전면 벽돌 헤스를 채택하기도 합니다.
안전 라이닝에는 타르 함침 MgO 벽돌(90~97% MgO)을 사용하며, 작업 라이닝이 관통되어 용강이나 슬래그가 닿더라도 버틸 수 있는 강도와 내슬래그성을 갖춥니다. 안전 라이닝은 영구 라이닝으로 빈번한 교체가 필요 없습니다.
단괴형 작업 라이닝도 고농도 MgO(60~95%)를 함유하며, 설치 시 진동기로 쉽게 다져지도록 입도 조정이 되어 있습니다. FeO 등 불순물 산화물을 포함해 소결을 촉진합니다. 초기 히트 고온으로 단괴 라이닝이 소결(결합, 치밀화, 강도 향상)되어 강하고 침투 저항성이 높은 층이 형성됩니다. 설계상 상단 1/3은 완전 소결, 중간 1/3은 부분 소결, 하단 1/3(안전 라이닝 인접)은 비소결 상태로 남겨두어, 훗날 손상 부위를 파내고 새 단괴재로 보수할 때 다음 히트에서 소결되도록 합니다.
최신 EAF 바닥 설계에는 가스 교반 요소가 포함되어 다공성 내화물이나 튜에르가 필요하며, 교반 가스가 헤스 내화물을 침식시켜 정기 보수가 필요합니다.
헤스와 측벽 사이의 전이 영역으로, 전극 아크 노출, 산화, 보조 산소 화염 직사, 고온 슬래그(FeO, SiO₂, MnO 함유)의 공격이 집중됩니다. 내화물 선정 시 예상 슬래그 화학성분과의 조화가 필수적입니다.
슬래그 라인 설계는 벽돌과 단괴 내화물의 조합입니다. 일반적인 설계: 두께 300~450mm, 탄소 10~20%의 Mag-C 벽돌. 탄소상은 흑연과 탄소계 수지 본드로 구성되어 내슬래그성과 내열성이 우수합니다. 다만 탄소는 산화되기 쉬워 Al, Si, Mg 등 금속 분말을 첨가해 탄화물을 생성, 산화 저항성과 강도를 높입니다. Mag-C 벽돌 위에는 단괴 내화물로 추가 보호하며, 조업 중 마모되면 MgO 기반 거닝 믹스로 건식 분사(guniting)하여 보호층을 쌓습니다. 이 보수 작업은 조업 조건에 따라 빈번히 수행됩니다.
슬래그 라인과 유사한 Mag-C 벽돌(탄소 5~20%)을 사용합니다. 아크 플레어(초고온), 장입 시 스크랩 충격, 탭핑 시 틸팅으로 인한 용강/슬래그 접촉, 슬래그 부식, 산소 랜스/옥시연료 버너 화염 직사 등에 노출됩니다. AC EAF의 핫스팟 구역에는 소결 마그네사이트보다 내열성이 우수한 퓨즈드 마그네시아 그레인 기반 고급 벽돌이 필요하나 비용이 상당히 높습니다.
사이드/바텀 탭핑 모두 필요합니다. 직경 125~200mm 탭홀로 고속 흐르는 용강(및 일부 슬래그)에 의한 침식이 주 마모 요인입니다.
탭홀 내화물은 최고 품질이 요구됩니다. 강관 맨드럴 주변에 거닝 믹스를 분사하는 경우 최고 강도·내침식성 믹스를 써야 합니다. 내화물 슬리브 방식이면 고순도 마그네사이트 또는 퓨즈드 마그네사이트 그레인에 탄소 10~15%, 금속 분말 강화된 Mag-C 블록을 사용합니다.
사이드 탭핑로에는 탭홀에서 래들까지 용강을 유도하는 스파우트(러너)가 있습니다. 프리캐스트 단괴 러너 형상을 러너 강철 쉘에 설치합니다. 조업 관행상 슬래그가 탭홀/러너로 유입되면 MgO 기반 캐스터블을, 슬래그 유입이 제한되면 고강도·고알루미나 캐스터블을 사용합니다. 고알루미나 러너는 열충격 저항성과 강도가 더 우수해 수명이 깁니다.
특수 설계된 탭홀 슬리브와 엔드 블록(end block)이 필요합니다. 탭홀 슬리브는 헤스 내 탭홀 시팅 어셈블리(직경 ~450mm)에 장착되며, 슬리브와 시팅 블록 사이 환형 공간에 염기성 캐스터블이나 래밍 믹스를 충전합니다. 슬리브는 고순도/퓨즈드 마그네사이트, 탄소 10~15%, 금속 분말 첨가 Mag-C 블록입니다. 탭홀 하단은 노 쉘 밖으로 엔드 블록 형태로 연장되며, 외부 환경에 노출되어 내산화·내침식성이 매우 중요합니다. 엔드 블록은 탭홀 수명의 제한 요인이 되는 경우가 많으며, 마모로 탭핑 스트림이 퍼지면 재산화되어 용강 품질 저하를 초래하므로 핫 리페어로 교체해야 합니다.
AC/DC 공통으로 고알루미나(Al₂O₃ 70~90%) 프리캐스트 형상을 사용합니다. 지붕은 장입 시 개폐되므로 열충격이 심한데, 고알루미나 캐스터블은 염기성 캐스터블보다 열팽창이 적고 강도가 높아 열충격 저항에 유리합니다. 지붕 내화물은 일반적으로 수명이 깁니다.
지붕을 통해 배기가스가 덕트로 빠져나가는데, 직출부는 수냉식이지만 덕트 시스템 내에는 내화물 라이닝 구간이 있습니다. 덕트 내화물은 고속으로 이동하는 분진 함유 배기가스의 슬래그 비산과 마모를 견뎌야 합니다. 알루미나 벽돌(Al₂O₃ 50~70%) 또는 내화점토/알루미나 거닝 믹스(Al₂O₃ 40~60%)가 사용되며, 열충격 저항성과 내슬래그성을 겸비합니다.
DC 전기로는 리턴 전극이 보통 노 바닥에 설치되어(일부 2전극 방식 제외) 특수한 내화물 요구사항이 있습니다. 전도성 바닥 설계 시 노 바닥 중앙의 내화물 라이닝이 양극(anode) 역할을 합니다. 구리 플레이트가 전도성 내화물 하부에 연결되고 리턴 구리 버스바가 플레이트에 연결됩니다. 이 경우 내화물은 (i) 낮은 전기 저항(바람직하게 0.5 mΩ/m 미만), (ii) 낮은 열전도율, (iii) 높은 내마모성이 요구됩니다.
바텀 전극을 수용하는 설계가 필요합니다. 바텀 전극 표면에는 국부 고온과 강한 난류가 발생하므로 고온 안정성과 강도가 높은 내화물이 필요합니다.
존 패턴, 헤스 형상, 슬래그 라인 위치, 노 강철 용량, 탭홀 위치·크기·각도, 지붕/델타 방향, 팽창 여유, 버너 포트 위치, 슬래그 도어 구조, 바닥 교반 요소, DC 노 바닥 전극 등이 중요합니다.
전기로 완전 신규 라이닝 설치의 대표적 절차는 다음과 같습니다.
완전 신규 단괴 헤스 라이닝의 경우, 강판이나 경량 스크랩을 자석으로 헤스 바닥에 내려 소결 전 헤스 재료 보호. 쿠션 스크랩 투입 후 첫 버킷 장입하고 롱 아크(long arc)로 아크 기동하여 신규 모노리식 바닥이 파여 들어가는 것 방지. 보통 첫 히트 후 바닥 소결 완료. 단, 미소결 재료가 빠져나가 라이닝에 보이드 형성 여부 등 바닥과 뱅크스 검사 필수. 신규 라이닝은 수분이 거의 없어 초기 승온 시 롱 아크 사용 외 별도 예방 조치 불필요.
EAF 라이닝은 거닝(guniting), 페틀링(fettling), 벽돌 패칭(brick patching)으로 유지보수합니다.
마그네사이트 기반 거닝 믹스에 물 혼합해 라이닝 표면에 분사. 핫스팟, 슬래그 라인 침식, 탭홀, 도어 브레스트 영역 등 선택적 마모 부위 보수에 사용. 거닝은 임시 조치로 수 히트 내 재거닝 필요. 하지만 AC 전기로에서 마스트 전극 측 측벽 마모가 심한 부위에 거닝하여 전체 라이닝 수명 균형화에 기여. 대부분 가압 건(pressurized gun) 사용: 건조 재료를 공기압으로 물 혼합 노즐까지 이송, 습식 거닝 믹스 분사. 노즐 조작자 숙련도가 품질 좌우. 기계식 센터스로우 거닝 장치(크레인에 매달아 원형 패턴 분사)로 자동화 가능. 더 빠르고 쉽지만 불필요한 곳에도 재료 날려 낭비 발생.
기본 거닝 믹스 MgO 함량 40~95%. 고온/고출력 EAF는 고 MgO, 중온 조업은 저 MgO 믹스 사용.
단괴 바닥의 구멍 메우기 기법. 급속 소결형 입상 헤스 재료 또는 원제품 사용. 건식 재료를 구멍이나 헤스 경사면(뱅크스)에 삽이나 크레인 현수 슈트로 투입. 자석으로 패치 재료 평탄화 후 다음 히트에서 제자리 소결.
수주 조업 후 거닝만으로는 라이닝 유지 효율 저하. 노를 냉각해 측벽과 핫스팟의 30~80% 파내기. 잔해 제거 후 신규 벽돌로 핫스팟과 측벽 전 영역 재시공. 보통 초기 라이닝과 동일 품질/두께 재적용. 또는 약간 저품질/얇은 라이닝으로 패칭(완전 신규 라이닝 대비 약간 짧은 수명 수용). 패칭 완료 후 패칭 벽돌 공사 모든 보이드와 크랙에 MgO 거닝 믹스 주입.
벽돌 패칭 시 탭홀은 보통 완전 교체하거나 래밍/거닝 재료로 보수(벽돌 공사 미적용 시). 많은 조업 관행에서 정기 벽돌 패칭 스케줄 운영: 완전 측벽 작업 사이에 1~2회 중간 패칭 포함. 유지보수/패칭 결정은 조업 조건 심각도에 따름.
각 EAF마다 고유 특징/조건에 따른 특수 유지보수 필요. 지붕 델타 섹션은 파손 시 또는 정기 스케줄로 교체. 탭홀은 탭핑 시간이 너무 짧아지거나 슬래그 동반 시작 시 교체/보수. 일반 EAF 탭홀: 고 MgO 거닝 믹스를 강관 주변에 분사. EBT 탭홀: 노크아웃 후 신규 어셈블리 또는 일체형 튜브를 위에서 크레인으로 삽입. 바닥 교반 요소와 바닥 전극은 설계별 특수 보수 절차 필요.
제조공정
콘스틸 전기로 공정 콘스틸(Consteel) 공정은 특허받은 혁신적 에너지 절약 기술로, 전기로(EAF) 스크랩 예열을 위해 인터스틸 테크놀로지(Intersteel Technology Inc., 미국 노스캐롤라이나 샬럿, 1994년부터 테킨트/테노바 그룹 소속)가 개발했습니다. 첫 산업 적용은 1989년 게르다우-아미스틸 샬럿(미국)에서 이뤄졌으며, 이후 꾸준히 산업계 수용이 확대돼 현재 콘스틸 EAF 공정은 검증되고 신뢰받는 제강 기술입니다. 에너지·원료 효율 극대화, 쉬운 조작·유지보수, 환경 친화성을 모두 갖췄습니다. 콘스틸
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)
