산소는 제철 과정에서 필수적인 요소이면서 동시에 해로운 요소이기도 합니다. 산소 불어넣기는 탄소, 인, 규소를 제거하기 위한 염기성 산소로(BOF) 및 전기로(EAF) 정련의 기본 공정이지만, 수원지 채취 후 남아있는 용존 산소량은 엄격하게 관리되어야 합니다.제어되지 않은 산소는 가스 기공, 취성, 그리고 가장 심각하게는 기계적 특성, 피로 수명 및 표면 품질을 저하시키는 비금속 개재물 형성을 초래합니다.
현대 제강 공정에서는 산소 활성, 탈산 평형 및 개재물 관리 공학에 대한 깊이 있는 이해가 필수적입니다. 본 논문에서는 용존 산소가 개재물 형성에 미치는 영향을 살펴보고, 다양한 강종에 적용 가능한 최적의 탈산 공정 전략을 제시합니다.
산소 문제: BOF에서 턴디시까지
BOF 또는 EAF 공정이 끝나면 용융강에는 400~800ppm의 용존산소가 함유되어 있으며, 이는 주로 탄소와 평형을 이룹니다. 참고로 대부분의 완제품 강철은 산소 함량이 30ppm 미만이어야 하며, 중요 용도(베어링강, 스프링강)의 경우 총 산소 함량이 10ppm 미만이어야 합니다. 탈산 공정(산소 친화도가 높은 원소를 첨가하는 공정)은 이러한 산소의 대부분을 제거하는 동시에 필연적으로 발생하는 개재물의 양을 관리해야 합니다.
기본적인 탈산화 반응은 다음과 같이 나타낼 수 있습니다. x[M] + y[O] → MₓOy (s 또는 l)탈산제의 선택은 포획물의 화학적 성질, 형태 및 제거 거동을 결정합니다. 가장 일반적인 탈산 시스템을 살펴보겠습니다.
알루미늄 탈산: 높은 효율, 높은 불순물 혼입 위험
알루미늄은 용존 산소를 감소시킬 수 있는 가장 강력하고 비용 효율적인 탈산제입니다. 2~5ppm 평형 상태에서. 반응식은 다음과 같습니다: 2Al + 3[O] → Al₂O₃(s)하지만 이렇게 생성된 알루미나(Al₂O₃) 개재물은 고체 상태이며 단단하고, 종종 덩어리를 형성하여 완전히 제거하기 어렵습니다. 이러한 개재물은 피로 수명, 가공성 및 표면 조도에 악영향을 미칩니다. 연속 주조 공정에서 수중 주입 노즐(SEN)에 알루미나가 축적되는 것은 지속적인 운영상의 문제점입니다.
알루미늄 탈산 공정의 최적 방법: 산소 함량이 매우 낮은 완전 탈산강의 경우, 강재 1톤당 알루미늄 0.5~1.2kg을 사용하십시오. 아르곤 교반을 통해 개재물 부유를 촉진하고, 가능하면 칼슘 처리를 통해 알루미나를 액체 칼슘 알루미네이트로 개질하십시오.
실리콘-망간 탈산: 액체 개재물 제거, 더욱 깨끗한 강철 생산
실리콘과 망간의 조합은 뚜렷한 이점을 제공합니다. 탈산 생성물은 다음과 같습니다. 액체 망간 규산염(MnO·SiO₂) 제강 온도에서 액체 개재물은 고체 산화물보다 더 쉽게 응집되어 더 빨리 부유합니다. 반응식은 다음과 같습니다. [Si] + 2[Mn] + 4[O] → (MnO)2·SiO2(l)실리콘-망간 탈산은 알루미늄 탈산만큼 낮은 산소 함량(일반적으로 잔류 산소 20~40ppm)을 달성하지는 못하지만, 생성되는 개재물의 크기가 더 작고 구형에 가까우며 유해성이 낮습니다. 많은 구조용 강종의 경우, 실리콘-망간 탈산은 청정도와 비용 측면에서 최적의 균형을 제공합니다.
실용적인 팁: 액체 산화물 형성을 보장하기 위해 Mn/Si 비율을 3:1~5:1로 유지하십시오. 고품질 재료를 사용하십시오. 실리콘-망간 합금(SiMn) 일관된 화학적 성질을 이용하여 재현 가능한 결과를 얻습니다.
칼슘 처리: 우수한 성능을 위한 내포물 변형
칼슘은 높은 가격과 낮은 회수율 때문에 주요 탈산제로 거의 사용되지 않지만, 포함 수정자로서 일치하지 않음알루미늄 탈산강에 첨가될 때(일반적으로 칼슘 실리콘 합금 코어 와이어를 통해), 칼슘은 고체 알루미나 개재물과 반응하여 저융점 칼슘 알루미네이트(예: 12CaO·7Al₂O₃, 융점 약 1455°C)를 형성합니다. 이러한 구형 개재물은 기계적 특성에 미치는 악영향이 적고 연속 주조 시 노즐 막힘 현상을 크게 줄여줍니다.
칼슘 첨가 지침: 최적의 조정을 위해서는 Ca/Al 비율을 0.10~0.15로 맞추는 것이 좋습니다. 칼슘이 과다하면 CaS가 생성되어 재응고되고 다른 주조 문제를 일으킬 수 있습니다. 정밀도가 매우 중요하며, 현대적인 제조 공정에서는 다음과 같은 방법을 사용합니다. 칼슘 실리콘 합금 코어드 와이어 주입 실시간 피드백을 제공합니다.
산소 활성도 측정 및 모니터링
현대 제철업은 다음에 의존합니다. 전기화학적 산소 센서 (ZrO₂ 기반)을 사용하여 레이들에서 용존 산소 활성도를 직접 측정합니다. 이 측정값을 바탕으로 탈산제 첨가량을 조절하여 과잉 처리 및 과소 처리를 줄입니다. 공정 단계별 주요 산소 목표치는 다음과 같습니다.
- BOF/EAF 종료: 400~800ppm (탈산 전)
- Al 또는 SiMn 첨가 후: 10~30ppm (활성산소)
- 칼슘 처리 후: 5–15 ppm + 안정적인 포함 변형
- 턴디시(연속 투기): 총산소량(Otot)은 등급에 따라 일반적으로 15~30ppm입니다.
최적의 탈산화 공정을 위한 전략
일관된 강철 청결도를 달성하려면 체계적인 접근 방식이 필요합니다. 다음 프레임워크는 대부분의 탄소강 및 저합금강에 적용됩니다.
- 슬래그 공학: 탈산 생성물을 흡수하기 위해 염기성 슬래그(CaO/SiO₂ > 2.5)를 유지하십시오. 슬래그의 FeO 함량을 1% 미만으로 낮추면 산소 역반응을 최소화할 수 있습니다.
- 강력한 아르곤 교반: 탈산 후 최소 5~10분 동안 아르곤 가스를 약하게 주입하면 포유물 부유를 촉진합니다.
- 순차적 덧셈: 산소 함량이 매우 낮은 등급의 경우, Si-Mn을 이용한 사전 탈산 처리 후 Al 마무리 처리, 그리고 Ca 개질 처리를 고려하십시오.
- 국자 덮개: 용탕 주입 및 주조 과정에서 용탕 슬래그 또는 공기 혼입으로 인한 재산화를 방지하십시오.
사례 연구: 베어링 강 품질 혁신
SAE 52100 베어링강을 생산하는 특수강 제조업체는 초음파 검사에서 알루미나형 개재물이 검출되어 높은 불량률에 직면했습니다. 이에 따라 다음과 같은 조치를 시행했습니다. 2단계 탈산화 프로토콜 (실리콘-망간 사전 탈산 → 알루미늄 마무리 → 칼슘실리콘 코어 와이어 처리) 공정을 적용하고 레이들 교반 시간을 12분으로 최적화함으로써, 해당 제조업체는 총 산소 함량을 18ppm에서 8ppm으로 감소시켰습니다. 개재물 등급은 60% 향상되었고, 베어링 피로 수명(L10)은 두 배 이상 증가했습니다. 이 사례는 산소 제어가 단일 조치가 아니라 통합적인 공정 전략임을 강조합니다.
전기 자동차 구동계부터 해상 풍력 발전 기초에 이르기까지 철강 제품에 대한 성능이 점점 더 요구됨에 따라 산소 제어 기술은 경쟁력의 핵심 요소가 되고 있습니다. 용존 산소, 개재물 형성 및 탈산 화학 간의 관계를 이해함으로써 철강 제조업체는 더욱 깨끗하고 강하며 신뢰할 수 있는 철강을 일관되게 생산할 수 있습니다. Bright Alloys는 페로실리콘, 실리콘-망간 및 칼슘 실리콘 합금 코어 와이어를 포함한 다양한 탈산 합금 포트폴리오를 제공하며, 고객의 생산 공정 최적화를 지원하는 야금 전문 지식을 보유하고 있습니다.