산소는 제강에서 필수적이면서도 해롭습니다. 산소 취입은 전로(BOF) 및 전기로(EAF) 정련에서 탄소, 인, 규소를 제거하는 기본 공정이지만, 출강 후 잔류하는 용존 산소는 엄격히 제어되어야 합니다. 제어되지 않은 산소는 기공, 취성, 그리고 가장 중요하게는 기계적 특성, 피로 수명 및 표면 품질을 저하시키는 비금속 개재물 형성을 초래합니다.

현대 제강은 산소 활성도, 탈산 평형 및 개재물 엔지니어링에 대한 깊은 이해를 요구합니다. 이 글은 용존 산소가 개재물 형성을 어떻게 유발하는지 살펴보고, 다양한 강종에 걸친 최적의 탈산 실무 전략을 제시합니다.

산소 문제: 전로에서 턴디시까지

전로 또는 전기로 공정 종료 시, 용강에는 주로 탄소와 평형 상태인 400–800 ppm의 용존 산소가 포함됩니다. 참고로, 대부분의 완제품 강재는 30 ppm 미만의 산소 수준을 요구하며, 베어링강, 스프링강과 같은 중요 용도는 총 산소 10 ppm 미만을 요구합니다. 탈산 단계(산소 친화력이 높은 원소 첨가)는 이 산소의 대부분을 제거하면서 결과적으로 발생하는 불가피한 개재물 군집을 관리해야 합니다.

“제거된 산소 1ppm당 약 3–5ppm의 산화물 개재물이 생성됩니다. 목표는 단순히 산소를 제거하는 것이 아니라, 결과적인 개재물을 무해하게 만드는 것입니다.”

기본적인 탈산 반응은 다음과 같이 나타낼 수 있습니다: x[M] + y[O] → MₓOy (고체 또는 액체). 탈산제의 선택은 개재물의 화학적 조성, 형상 및 제거 거동을 결정합니다. 가장 일반적인 탈산 시스템을 살펴보겠습니다.

알루미늄 탈산: 높은 효율, 높은 개재물 위험

알루미늄은 가장 강력하고 비용 효율적인 탈산제로, 평형 조건에서 용존 산소를 2–5 ppm 까지 낮출 수 있습니다. 반응은 다음과 같습니다: 2Al + 3[O] → Al₂O₃(s). 그러나 생성된 알루미나(Al₂O₃) 개재물은 고체이고 단단하며, 완전히 제거하기 어려운 클러스터를 형성하는 경우가 많습니다. 이러한 개재물은 피로 수명, 절삭성 및 표면 마감에 해롭습니다. 연속 주조에서 침지 노즐(SEN) 내 알루미나 축적은 지속적인 운영 과제입니다.

알루미늄 킬드강 내 알루미나 개재물 클러스터 현미경 사진 - Bright Alloys
그림 1: 알루미늄 킬드강 내 알루미나 개재물 클러스터(어두운 스트링거) — 일반적인 결함 원인.

Al 탈산 모범 사례: 매우 낮은 총 산소를 요구하는 완전 킬드강의 경우, 강 1톤당 0.5–1.2 kg의 Al을 사용하십시오. 이후 아르곤 교반을 통해 개재물 부상을 촉진하고, 가능한 경우 칼슘 처리하여 알루미나를 액상 칼슘 알루미네이트로 변형시키십시오.

실리콘-망간 탈산: 액상 개재물, 더 깨끗한 강

실리콘과 망간의 조합은 뚜렷한 이점을 제공합니다: 탈산 생성물이 제강 온도에서 액상 망간 규산염(MnO·SiO₂) 입니다. 액상 개재물은 고체 산화물보다 더 쉽게 합쳐지고 더 빨리 부상합니다. 반응은 다음과 같습니다: [Si] + 2[Mn] + 4[O] → (MnO)₂·SiO₂(l). 실리콘-망간 탈산은 알루미늄만큼 낮은 산소 수준(일반적으로 잔류 O 20–40 ppm)을 달성하지는 못하지만, 결과적인 개재물 군집은 더 작고, 더 구형이며, 덜 해롭습니다. 많은 구조용 강종에서 Si-Mn 탈산은 청정도와 비용 사이의 최적 균형을 제공합니다.

실용적인 팁: 액상 산화물 형성을 보장하려면 목표 Mn/Si 비율을 3:1에서 5:1로 유지하십시오. 재현성 있는 결과를 위해 일관된 화학 조성의 고품질 실리콘망간 합금(SiMn) 을 사용하십시오.

칼슘 처리: 우수한 성능을 위한 개재물 변형

칼슘은 높은 비용과 낮은 회수율로 인해 1차 탈산제로 거의 사용되지 않지만, 개재물 변형제로서 비교할 수 없습니다입니다. 알루미늄 킬드강에 첨가될 때(일반적으로 CaSi 코어드와이어를 통해), 칼슘은 고체 알루미나 개재물과 반응하여 저융점 칼슘 알루미네이트(예: 12CaO·7Al₂O₃, 융점 ~1455°C)를 형성합니다. 이 구형 개재물은 기계적 특성에 덜 해롭고 연속 주조 중 노즐 막힘을 크게 줄입니다.

“칼슘 처리는 알루미늄 탈산의 아킬레스건인 알루미나 클러스터를 관리 가능한 구형 개재물 상으로 변환시킵니다.”

칼슘 첨가 지침: 최적의 변형을 위해 Ca/Al 비율을 0.10–0.15로 목표하십시오. 과도한 칼슘은 CaS 형성을 유발하여 재응고되어 다른 주조 문제를 일으킬 수 있습니다. 정밀도가 중요합니다. 현대 실무에서는 CaSi 코어드와이어 주입 을 실시간 피드백과 함께 사용합니다.

칼슘 처리 후 구상 칼슘 알루미네이트 개재물 - Bright Alloys
그림 2: 구형 칼슘 알루미네이트 개재물 — 적절한 칼슘 처리 후 원하는 형상.

산소 활성도 측정 및 모니터링

현대 제강은 레이들 내 용존 산소 활성도를 직접 측정하기 위해 전기화학적 산소 센서 (ZrO₂ 기반)에 의존합니다. 이러한 측정은 탈산제 첨가를 안내하여 과잉 처리 및 부족 처리를 줄입니다. 공정 단계별 주요 산소 목표:

  • 전로/전기로 종료: 400–800 ppm (탈산 전)
  • Al 또는 SiMn 첨가 후: 10–30 ppm (활성 산소)
  • 칼슘 처리 후: 5–15 ppm + 안정적인 개재물 변형
  • 터디시(연속 주조): 총 산소(Otot) 일반적으로 15–30 ppm, 강종에 따라 다름

최적의 탈산 실무 전략

일관된 강 청정도를 달성하려면 체계적인 접근이 필요합니다. 다음 프레임워크는 대부분의 탄소강 및 저합금강 등급에 적용됩니다:

  1. 슬래그 엔지니어링: 탈산 생성물을 흡수하기 위해 염기도가 높은 슬래그(CaO/SiO₂ > 2.5)를 유지하십시오. 슬래그 내 FeO를 1% 미만으로 낮추면 산소 재전이를 최소화할 수 있습니다.
  2. 강한 아르곤 교반: 탈산 후 최소 5~10분간 부드러운 아르곤 버블링을 실시하면 개재물 부상이 촉진됩니다.
  3. 순차적 첨가: 매우 낮은 산소가 요구되는 등급의 경우, Si-Mn으로 사전 탈산한 후 Al 마무리 탈산, 이어서 Ca 개질 처리를 고려하십시오.
  4. 레이들 커버링: 출강 및 주조 중 레이들 슬래그 또는 공기 유입으로 인한 재산화를 방지하십시오.

사례: 베어링강 품질 혁신

SAE 52100 베어링강을 생산하는 특수강 제조사는 초음파 검사에서 검출된 알루미나계 개재물로 인해 높은 불량률에 직면했습니다. 다음의 2단계 탈산 프로토콜 (Si-Mn 사전 탈산 → Al 마무리 탈산 → CaSi 코어드 와이어 처리)를 도입하고 레이들 교반 시간을 12분으로 최적화한 결과, 총 산소 함량을 18ppm에서 8ppm으로 낮췄습니다. 개재물 등급은 60% 개선되었고, 베어링 피로 수명(L10)은 두 배 이상 증가했습니다. 이 사례는 산소 제어가 단일 조치가 아닌 통합 공정 전략임을 강조합니다.

전기차 구동계부터 해상 풍력 기초까지 강재 응용 분야에서 더 높은 성능이 요구됨에 따라, 산소 제어의 숙달은 경쟁력의 차별화 요소가 되고 있습니다. 용존 산소, 개재물 형성 및 탈산 화학 간의 관계를 이해함으로써 제강사는 더 청정하고, 더 강하며, 더 신뢰할 수 있는 강을 일관되게 생산할 수 있습니다. Bright Alloys는 페로실리콘, 실리콘망간, CaSi 코어드 와이어를 포함한 전체 탈산 합금 포트폴리오를 제공하며, 야금 전문 지식을 바탕으로 귀사의 공정 최적화를 지원합니다.