전기로 MgO-C 벽돌: 마모 메커니즘과 산화 방지제 설계

1. 이 백서를 작성한 이유

마그네시아-탄소 벽돌은 처음에는 전기로의 고온부용으로 개발되었고, 이후 1970년대 후반에 전로에도 사용되기 시작했습니다. 따라서 이 소재의 역사가 가장 긴 곳은 EAF입니다. 구매 및 엔지니어링 팀이 여전히 이 소재를 두고 가장 많은 논쟁을 벌이는 곳이기도 합니다. 흑연 함량이 높은 벽돌이 더 나을까요? 탄화붕소는 가격만큼 가치가 있을까요? 같은 브랜드의 벽돌이 인접한 전기로에서는 왜 두 배나 오래 갔을까요?

저희는 내화물을 제조하기 때문에 나름의 관점을 가지고 있습니다. 또한 어떤 설명이 발표된 연구에 근거하고 어떤 설명이 저희의 해석인지 밝히려고 합니다. 확실한 수치가 없으면 그렇다고 말하고 임의로 수치를 만들어내지 않습니다.

이 문서에서 다루는 내용:

• EAF MgO-C 벽돌의 네 가지 마모 방식, 알기 쉽게 설명;
• 각 산화방지제의 역할과 문제를 일으킬 수 있는 상황;
• 전기로의 각 구역에 맞춰 벽돌을 조정하는 방법;
• 사용한 벽돌을 판독하는 방법과 공급업체에 보낼 자료;
• 톤당 비용 계산법과 명쾌한 답변이 담긴 18가지 질문.

2. EAF 마그네시아-탄소 벽돌의 구조

세 가지 역할, 세 가지 재료

MgO-C 벽돌은 여러 재료가 역할을 나눠 맡는 조합입니다.

• 마그네시아 입자는 슬래그와 열에 강합니다. 벽돌의 대부분을 차지합니다.
• 흑연은 슬래그에 젖지 않고 열전도율이 높으며 열팽창이 작습니다. 덕분에 슬래그가 침투하지 않고 벽돌이 가열과 냉각을 견디는 데 도움이 됩니다.
• 탄소 결합재(주로 수지)가 벽돌을 결합하고, 첫 가열 후에는 탄소 망상 구조를 남깁니다.

문제는 흑연이 연소한다는 점입니다. 이 문서의 나머지 내용은 모두 여기서 비롯됩니다.

문헌에 제시된 범위

이는 발표된 리뷰에 나온 일반적인 수치이며, 특정 로의 사양이 아닙니다. 실제 수치는 공급업체의 데이터시트와 해당 로의 자료를 기준으로 확인해야 합니다.

용융 마그네시아와 소결 마그네시아

발표된 한 참고 표에서는 해수 용융 마그네시아 하나(99.07% MgO, 겉보기 기공률 2.6%)와 천연 소결 마그네시아 하나(95.46% MgO, 겉보기 기공률 8%)를 비교합니다. 이는 단일 사례이지 일반적인 법칙은 아닙니다. 하지만 경향은 보여 줍니다. 용융 결정립은 일반적으로 순도가 높고 치밀해 슬래그가 침투할 경로가 적습니다. 결정립 내 SiO2와 CaO 같은 불순물은 산화철과 저융점 상을 형성하므로 중요합니다.

저희는 사용 구역에 따라 결정립을 선택해야 한다고 봅니다. 구역별 표에서 다시 다룹니다.

3. EAF용 MgO-C 벽돌의 네 가지 마모 방식

1. 슬래그가 마그네시아를 용해한다

슬래그는 두 가지 방식으로 마그네시아를 공격합니다. 실리카와 석회가 결정립 사이의 경계에 침투해 결합을 약화시킵니다. 산화철(FeO)은 마그네시아 결정립 자체로 확산되어 마그네시아-산화철 고용체를 형성하는데, 이 고용체는 순수한 마그네시아보다 낮은 온도에서 녹습니다.

25% FeO 슬래그를 사용한 1,600 °C 실험에서 염기도가 0.5일 때 마모가 가장 심했고, 약 2.0 이상에서는 마모가 거의 없었습니다. 따라서 내화물만큼이나 로 조업 조건과 슬래그 조성도 중요합니다. 염기성 MgO 포화 슬래그에서 잘 견디는 벽돌도 슬래그가 산성으로 변하면 심하게 손상될 수 있습니다.

2. 산화철이 내부에서 탄소를 태운다

슬래그가 벽돌 안으로 스며들면 산화철이 흑연과 만나 반응 FeO + C → Fe + CO를 일으켜 탄소를 제거합니다. 벽돌은 다공성으로 변해 약해지고, 더 많은 슬래그가 스며들면서 손상이 빨라집니다. 발표된 한 리뷰에서는 이 반응을 벽돌의 구조적 취화 원인으로 꼽습니다.

3. 공기와 CO2가 슬래그가 덮지 않는 부분의 탄소를 태운다

전기로 벽의 고온면이 항상 슬래그에 잠겨 있는 것은 아닙니다. 벽돌이 노내 공기나 CO2에 노출되는 곳에서는 탄소가 직접 연소됩니다. 발표된 연구에 따르면 약 1,400 °C 미만에서는 직접 산화가, 그 이상의 온도에서는 마그네시아나 슬래그에 의한 간접 산화가 일어납니다. 따라서 슬래그 침식이 심하지 않은 곳이라도 하부 측벽과 자주 노출되는 부분에는 내산화성이 필요합니다.

4. 벽돌이 스스로를 침식하는 현상

고온에서는 마그네시아와 탄소가 반응할 수 있습니다. MgO + C → Mg(기체) + CO(기체). 표준 조건에서 이 반응은 약 1,850 °C에서 시작됩니다. 실제 벽돌에서는 기체가 기공을 통해 빠져나갈 수 있으므로 훨씬 낮은 온도에서도 반응이 진행될 수 있습니다. 벽돌 내부에서 재료가 손실되어 구조가 약하고 다공성으로 변합니다. 공개된 시험 결과에 따르면 매우 미세한 마그네시아(0.1 mm 이하)를 사용하면 이런 종류의 손상이 줄어듭니다.

열 사이클과 기계적 마모

이 네 가지 요인에 더해 전기로 벽돌은 반복적으로 가열·냉각되고, 고철에 부딪히며, 흐르는 용강에 씻깁니다. 가열 사이클이 반복되면 시간이 지나면서 구조가 느슨해집니다. 공개된 전로 연구에 따르면, 1,500 °C를 넘는 온도로 반복 가열한 뒤 500 °C 미만으로 냉각하면 실험실에서도 실제 벽돌 손상을 재현할 수 있습니다. 용강의 흐름으로 인한 마모는 벽돌의 고온 강도가 높을수록 줄어듭니다.

손상 요인이 서로 영향을 주는 이유

네 가지 손상 메커니즘은 좀처럼 단독으로 작용하지 않습니다. 탄소 손실로 기공이 열립니다. 열린 기공으로 슬래그가 침투합니다. 슬래그는 더 많은 FeO를 끌어들입니다. FeO가 늘면 탄소가 더 많이 소모됩니다. 이 부분에서 한 가지만 기억한다면, 벽돌은 대개 한 가지 원인이 아니라 악순환 때문에 수명을 다한다는 점입니다. 가장 취약한 고리에서 악순환을 끊으면 벽돌 전체의 수명이 늘어납니다.

4. 전기로에서 벽돌이 손상되는 위치

많은 전기로에서는 상부 벽에 수냉 패널을 사용하므로, 벽돌은 주로 하부 셸, 슬래그 라인, 열점에서 작용합니다. 구조는 전기로마다 다르므로 해당 설비를 확인하세요(자세한 내용은 전기로 내화물 라이닝 솔루션 참조).

정확한 마모 순서는 전기로의 설계, 전력 투입량, 슬래그 운용 방식, 고철 배합에 따라 달라집니다. 일반적인 수명 수치는 제시하지 않습니다. 조건을 따지지 않고 수치를 알려주는 경우에는 신중하게 받아들이세요.

5. 산화방지제가 하는 일과 할 수 없는 일

산화방지제는 흑연보다 산소와 더 쉽게 반응하거나, 산소가 벽돌 안으로 들어오는 경로를 막는 재료입니다. 탄소를 보호하지만, 품질이 낮은 벽돌을 좋은 벽돌로 바꾸지는 못합니다.

알루미늄

알루미늄은 일산화탄소 및 벽돌 속 탄소와 반응합니다. 아르곤 분위기에서 진행한 한 공개 실험실 연구에서는 저온에서 알루미늄과 마그네슘을 함유한 액상이 생성된 다음, 약 850 °C 이후에는 얇은 판상 결정의 탄화알루미늄이 생성되었습니다. 1,000 °C 이상에서는 탄화알루미늄이 마그네시아와 반응해 알루민산마그네슘 스피넬(MgAl2O4)을 형성하며, 이 물질은 마그네시아 및 탄소와 모두 잘 어울립니다. 전반적으로 기공을 채우고 산소 유입을 늦춥니다.

주의 사항(당사의 조업 참고 사항): 탄화알루미늄은 수분과 반응할 수 있습니다. 보관 및 운송 중 벽돌을 건조하게 유지하세요.

규소

규소는 탄소와 반응해 탄화규소를 형성합니다(Si + C → SiC). 새로 생성된 SiC는 기공을 채우고 흑연을 보호합니다. 규소는 알루미늄과 함께 사용되는 경우가 많습니다. 발표된 리뷰에 따르면 알루미늄과 규소는 효과가 뛰어나고 가격이 낮아 가장 널리 사용되는 산화방지제입니다.

탄화규소(SiC 형태로 첨가)

분말 형태로 첨가한 SiC는 두 가지 방식으로 작용합니다. 자체적으로 산화를 막고 기공도 채웁니다. 발표된 전로 조업 사례에서는 기상 산화가 문제인 노구와 원뿔부에 SiC를 첨가합니다. 슬래그가 자주 덮이지 않는 노벽에도 같은 원리를 적용할 수 있습니다.

탄화붕소

탄화붕소는 일산화탄소와 반응해 액상의 산화붕소를 형성하고, 이 산화붕소는 마그네시아와 결합해 액상의 MgO-B2O3 상을 만듭니다. 발표된 리뷰에 따르면 이 액상은 중간 온도에서 기공을 채우고 공기 유입을 제한합니다. 이것이 탄화붕소의 장점입니다.

주의 사항(당사의 해석이며, 발표된 수치가 아님): 작업면 온도가 매우 높으면 액상이 벽돌을 연화할 수 있습니다. 가장 뜨거운 구역에 탄화붕소를 사용하기 전에 면밀히 검토하고, 공급업체에 고온 강도 데이터를 요청할 것을 권합니다.

산화방지제로 할 수 없는 일

• 마그네시아를 녹이는 슬래그를 막아 주지는 않습니다. 이를 위해서는 순도가 높고 치밀한 입자와 안정적인 슬래그 조업이 필요합니다.
• 잘못된 승온을 바로잡아 주지는 않습니다. 벽돌이 젖어 있거나 빠르게 가열되면, 어떤 재료가 들어 있든 균열이 생깁니다.
• 많다고 항상 더 좋은 것은 아닙니다. 너무 일찍 반응하거나 약한 상을 남기는 산화방지제는 고온 강도를 떨어뜨릴 수 있습니다. 첨가제 하나보다 전체 설계가 더 중요합니다.

6. 구역에 맞는 벽돌 설계

단일한 최상의 EAF 벽돌은 없습니다. 용광로 각 구역에 가장 적합한 벽돌은 슬래그, 스크랩, 조업 방식에 맞춰 만들어집니다.

“중간”과 “높음”은 자체 벽돌 범위 내에서의 상대적인 수준을 뜻합니다. 적절한 수치는 전기로와 공급업체의 배합에 따라 달라지므로 고정된 비율을 제시하지 않습니다.

알아둘 만한 세 가지 상충 관계

1. 흑연 함량이 높으면 열충격 위험은 낮아지지만 산화 반응으로 소모될 탄소도 늘어납니다. 탄소를 늘리려면 양만 늘릴 것이 아니라 보호 성능도 높여야 합니다.
2. 순도가 높은 마그네시아는 비용이 더 들지만, 슬래그 침식으로 손실이 커지는 열점과 슬래그 라인에서는 대개 그만한 가치가 있습니다. 측벽에서는 비용 절감 효과가 크지 않을 수 있습니다.
3. 금속계 산화방지제는 벽돌을 강화하지만 비용과 취급 부담을 높일 수 있습니다. 효과가 있는 곳에만 사용하세요.

맞춤 설계에 필요한 정보

더 많은 정보를 보내 주실수록 초기 설계를 더 정확하게 할 수 있습니다:

• 전기로 유형, 용량, 전력, 출강 간 시간;
• 구역별 내화물 시공 도면과 벽돌 두께;
• 스크랩 배합과 직접환원철 또는 용선 사용 여부;
• 슬래그 운용 방식(염기도, MgO 첨가량, 포밍, FeO 범위);
• 현재 벽돌, 사용 횟수와 구역별 손상 방식;
• 사용한 벽돌 사진과 가동 중인 용광로 사진.

7. 사용한 벽돌 읽기: 4단계 분석

사용한 벽돌은 무료 시험 보고서와 같습니다. 읽는 방법은 다음과 같습니다.

1단계. 먼저 열면 촬영하기

벽돌을 자르거나 세척하기 전에 사진을 찍습니다. 구역, 위치, 사용 횟수를 기록합니다.

2단계. 두께 방향으로 절단하기

열면에서 냉면까지 절단한 다음 절단면을 살펴봅니다.

3단계. 층 측정하기

열면에서부터 각 층의 두께를 밀리미터 단위로 기록합니다: 슬래그가 덮인 층, 치밀한 층, 탄소가 없는 층, 영향을 받지 않은 중심부.

4단계. 판단하기

시험으로 더 알아낼 수 있는 것

간단한 도구부터 시작하세요

사진, 자, 광학 현미경만으로도 많은 것을 알 수 있습니다. 미사용 벽돌의 부피 밀도와 겉보기 기공률은 표준 시험으로 측정합니다.

그다음 필요한 경우 장비를 추가하세요

성분 분석이 가능한 주사전자현미경(SEM/EDS)은 각 원소가 어떤 상에 포함되어 있는지 보여 줍니다. X선 회절(XRD)은 예를 들어 스피넬이나 탄화규소 같은 결정상을 식별합니다.

벽돌 하나만 보고 지나치게 판단하지 마세요

벽돌 하나만 보면 판단이 빗나갈 수 있습니다. 같은 로트의 미사용 벽돌 및 같은 구역에서 사용한 다른 벽돌과 비교하세요.

8. 철강 톤당 비용 계산하기

가격은 저렴하지만 사용 가능한 차지 횟수가 적은 벽돌은 톤당 비용이 더 많이 들 수 있습니다.

설명을 위한 가상 수치 예시:

이 가상의 사례에서는 더 비싼 벽돌이 더 유리합니다. 자체 기록에서 두 가지 항목을 더 추가하세요. 계획에 없던 가동 중단 1회의 비용과 해당 구역의 추가 보수 비용입니다. 계획에 없던 가동 중단으로 벽돌값보다 더 큰 비용이 발생할 수 있습니다.

9. 주문 전 확인할 6가지

10. YK Chanshine의 EAF 팀 협업 방식

당사는 자체 제조 시설에서 철강 공장용 마그네시아-탄소 벽돌 및 기타 내화물을 제조합니다. EAF 프로젝트 진행 절차는 간단합니다:

1. 노 데이터, 슬래그 작업 조건, 사용한 벽돌 사진을 보내 주세요.
2. 구역별 마모 양상을 함께 살펴봅니다.
3. 구역별 벽돌 설계를 제안하고, 변경 사항과 그 이유를 설명합니다.
4. 보관, 설치 및 가열에 관한 안내를 문서로 제공합니다.
5. 시운전 후에는 사용한 벽돌을 함께 살펴보고 조정합니다.

11. 자주 묻는 질문(FAQ)

12. 참고 자료

이 문서에 실린 사실은 다음 자료에 근거합니다. 자체 판단은 본문에 별도로 표시했습니다.

• 마그네시아-탄소 내화물, Ispatguru
• 전로용 마그네시아-탄소 내화물, Nippon Steel 기술 보고서 제125호, 2020
• 금속 산화 방지제를 함유한 MgO-C 내화물의 반응 화학 및 미세구조 발달, Guha와 Smith, 2006
• 취련 단계에서 슬래그 염기도와 조성이 ConArc 마그네시아-탄소 내화물에 미치는 영향, A. Muller, 남아프리카 광업 및 야금학회지, 2011