간단히 말하면: 전로 출강구는 매 용해마다 같은 세 가지 손상이 연달아 일어나 빠르게 마모됩니다. 뜨거운 공기와 노 가스가 구멍 벽면의 탄소를 태워 없애고, 이어지는 용강 흐름이 약해진 층을 씻어 내며, 출강 끝에 통과하는 슬래그가 남은 부분을 공격합니다. 열충격과 거친 취급은 균열과 파손을 더합니다. 마모를 늦추려면 네 가지를 관리해야 합니다. 고밀도 고순도 탄소 결합 슬리브를 사용하고, 구멍을 매끄럽게 가공해 빈틈없이 깨끗하게 설치하며, 산소와 FeO, 슬래그 유입을 줄이는 출강 방법을 쓰고, 매 용해마다 구멍을 측정해 이상 출강이 발생한 뒤가 아니라 계획된 시점에 교체하는 습관을 들이는 것입니다.
용기에서 출강구가 가장 혹독한 부위인 이유
전로 내화물은 수천 회의 용해를 기준으로 수명을 평가합니다. 출강구는 그보다 훨씬 적은 횟수를 기준으로 평가합니다. 제철소에서는 전로 한 차례 수명 동안 출강구 슬리브를 여러 번 교체하며, 교체할 때마다 가동 중단과 인력이 필요하고 첫 출강이 잘못될 위험도 따릅니다.
출강구가 하는 일을 보면 이유는 간단합니다. 용기 내부의 다른 곳에서는 내화물이 고여 있거나 천천히 움직이는 슬래그와 용강을 마주합니다. 하지만 출강구에서는 용강 한 용해분 전체가 폭이 수백 밀리미터에 불과한 구멍을 통과합니다. 전로 출강을 연구한 한 사례에서는 직경 200~220 mm의 출강구를 모사했습니다(Materials, 2023). 간단히 수두를 계산해 보면 유속을 짐작할 수 있습니다. 출강구 위에 용강이 1~2 m 높이로 차 있을 때 이상적인 유출 속도는 약 4.4~6.3 m/s입니다. 손실 때문에 실제 속도는 더 느리지만, 대략적인 규모는 분명합니다. 탄소 결합 벽면을 향해 빠르고 뜨거우며 마모성이 강한 흐름이 쏟아지는 것입니다.
출강구는 가동 주기도 가장 혹독합니다. 용강이 흐를 때는 뜨겁고, 그다음에는 공기와 가스에 노출된 채 열려 있다가, 닫히거나 채워진 뒤 다시 가열됩니다. 제철소에서 한 용해 때마다 이처럼 상태가 바뀌는 곳은 거의 없습니다.
발표된 논문 두 편은 두 가지 주요 마모 경로를 뒷받침합니다. 2013년 전로 출강구 슬리브 연구는 내화물이 견뎌야 하는 주요 메커니즘으로 용강 흐름에 의한 침식과 산화를 꼽습니다(ABM Proceedings, 2013). LD 전로의 마모 영역을 검토한 논문은 출강 및 슬래그 영역이 화학적 공격, 즉 부식과 산화의 영향을 받는다고 설명합니다(ABM Proceedings). 두 논문 모두 초록만 공개되어 있어, 수치가 아니라 마모 메커니즘을 설명하는 데 참고했습니다.
출강구의 한 용강 사이클
한 번의 용강 사이클을 따라가 보면 손상이 어디서 비롯되는지 알 수 있습니다.
- 출강 후. 전로가 다시 수직으로 돌아옵니다. 내경은 뜨겁고 비어 있으며, 공기와 노 가스가 그 안을 통과할 수 있습니다.
- 출강구 폐쇄 및 장입. 작업 방식에 따라 출강구를 청소한 뒤 채우거나 덮습니다. 고철과 용선을 장입하고 전로를 앞뒤로 기울입니다.
- 취련. 출강구는 내화물 뒤에 자리하며, 내부에서 열이 스며들어 고온 상태를 유지합니다.
- 취련 종료 및 시료 채취. 전로가 다시 기울어지고, 시료 채취 중 출강구에 슬래그나 가스가 닿을 수 있습니다.
- 출강. 출강구가 열립니다. 먼저 용강이 흐르고, 마지막에 슬래그가 따라옵니다. 때로는 와류에 의해 슬래그가 일찍 유입되기도 합니다.
1, 2, 4단계에서는 탄소가 손실됩니다. 5단계에서는 약해진 표면이 벗겨지고 슬래그가 작용합니다. 그다음 사이클이 반복됩니다.
BOF 출강구가 마모되는 다섯 가지 방식
1. 산화와 침식: 주요 사이클
탄소는 마그네시아-카본 슬리브를 결합해 슬래그가 스며들지 않도록 합니다. 출강 사이 공기나 고온 가스가 내경 벽에 닿으면 표면 근처의 탄소가 타서 사라집니다. 그러면 결합재가 없는 얇고 다공성인 마그네시아 입자층만 남습니다.
그 층은 오래가지 않습니다. 용강이 흐르기 시작하면 몇 분 만에 그 층을 벗겨 냅니다. 그러면 그 아래의 다음 표면이 다음 출강 사이 공기와 가스에 노출됩니다. 매 사이클마다 조금씩 제거되고, 내경이 커집니다. 산화와 침식이 함께 일어나기 때문에 이를 산화·침식이라고 부릅니다. 산화가 없다면 용강은 탄소 결합이 단단한 재료와 접촉하게 됩니다. 용강의 흐름이 없다면 산화된 층은 그대로 남아 나머지 부분을 보호했을 것입니다.
적절한 산화방지제와 낮은 기공률을 갖춘 슬리브가 도움이 되는 이유도 여기에 있습니다. 원리는 백서에서 설명한 MgO-C 벽돌의 탄소 손실 과정과 같습니다. 탄소 손실을 늦추면 세척 작용으로 제거되는 양도 줄어듭니다.
2. 입구 가장자리의 유동 침식
구멍의 고온면 쪽 끝은 용강 흐름이 처음 가속되는 곳입니다. 이곳의 가장자리는 가장 큰 전단력을 받습니다. 날카롭거나 고르지 않은 입구 가장자리는 흐름을 깨뜨리고 난류를 키워 가장자리를 더 빠르게 마모시키며, 그 결과 흐름이 더 나빠집니다. 매끄럽고 둥근 입구는 이러한 악순환을 늦춥니다.
3. 출강 종료 시 슬래그
슬래그에는 FeO가 많이 포함되어 있어 마그네시아와 탄소를 모두 침식합니다. 가장 심한 침식은 출강이 끝날 무렵, 구멍 위의 용강 수위가 낮아지고 와류가 형성될 때 발생합니다. 전로 출강에 관한 시뮬레이션 연구에서는 90도 기울기에서 약 43초 후 슬래그가 구멍을 빠져나갔고, 약 50초 후 안정적인 와류가 형성되었습니다. 100도 및 105도 기울기에서는 와류 형성이 각각 약 71초와 74초까지 늦춰졌습니다. 구멍이 클수록 와류가 더 일찍 발생했습니다. 200 mm 구멍에서는 68.8초, 210 mm에서는 62.6초, 220 mm에서는 57.1초에 와류가 시작되었습니다(Materials, 2023). 이는 한 전로를 대상으로 한 모델 결과이지 모든 전로에 적용되는 규칙은 아니지만, 경향을 파악하는 데 유용합니다. 구멍이 클수록 와류가 더 일찍 시작되고, 그만큼 슬리브를 통과하는 슬래그가 늘어납니다.
4. 열충격
보어는 냉각되어 때로는 막힌 상태에서 1,600 °C가 넘는 온도의 용강이 가득 흐르는 상태로 바뀝니다. 균열은 슬리브를 가로지르고 접합선을 따라 진행됩니다. 균열이 생기면 공기와 슬래그가 본체로 들어오고, 용강 흐름에 의해 조각이 떨어져 나갈 수 있습니다.
5. 취급 및 설치
봉으로 뚫기, 세척, 장입물 기울이기, 슬리브와 주변 라이닝 사이의 틈은 모두 재료 등급만으로는 막을 수 없는 손상을 일으킵니다. 용강은 틈을 빠르게 찾아냅니다. 슬리브가 제대로 안착되지 않으면 보어는 멀쩡해 보여도 바깥쪽에서 안쪽으로 손상될 수 있습니다.
서로 영향을 주는 방식: 용강의 침식과 세척 작용으로 보어가 넓어집니다. 보어가 넓어지면 강철 헤드가 더 일찍 낮아지고, 이에 따라 와류가 더 일찍 발생하며, 구멍을 통과하는 슬래그가 늘어납니다. 슬래그가 늘면 슬리브가 더 빨리 마모됩니다. 어느 지점에서든 이 악순환을 끊으면 나머지 과정도 느려집니다.
마모된 구멍이 출강에 미치는 영향
슬리브가 손상될 때까지 기다리지 않아도 그 영향을 느낄 수 있습니다.
- 출선 시간이 달라집니다. 내경이 넓으면 용기가 더 빨리 비워집니다. 내경이 거칠거나 중심에서 벗어나 있으면 용강 흐름이 느려지거나 불안정해질 수 있습니다.
- 용강 흐름이 퍼집니다. 넓고 난류가 심한 용강 흐름은 래들까지 이동하는 동안 공기를 더 많이 끌어들이는 경향이 있어 산소와 질소 혼입에 좋지 않습니다. 그 영향은 후공정까지 이어집니다. 래들에 더 깨끗한 강이 들어가면 이후 턴디시 작업이 수월해집니다. 자세한 내용은 턴디시 유동 제어와 산소 관리에 관한 글에서 설명합니다.
- 슬래그 혼입이 증가합니다. 와류가 더 일찍 발생하고 멈추기도 어려워집니다. 래들에 슬래그가 더 많이 들어가면 래들 슬래그 처리 작업이 늘고 래들 슬래그 라인에 문제가 생길 위험도 커집니다.
- 용강 흐름 방향이 달라집니다. 내경이 고르지 않으면 용강 흐름이 래들 립 쪽으로 치우치거나 중앙에서 벗어날 수 있습니다.
- 합금 첨가의 안정성이 떨어집니다. 출선이 빨라지거나 불규칙해지면 합금이 용해되는 방식과 슬래그로 손실되는 양이 달라집니다.
대부분의 공장은 출선구 크기나 출선 시간에 한도를 둡니다. 더 중요한 것은 한도에 얼마나 빠르게 다가가고 있는지 파악하는 것이며, 이를 위해서는 측정이 필요합니다.
출선구 상태 직접 파악하기
매 가열마다 데이터를 수집하면 출선구에서 데이터를 얻을 수 있습니다. 아래 계획은 간단하며 특별한 장비도 필요하지 않습니다.
매 가열마다, 또는 적어도 몇 회마다 한 번씩 측정하세요. 게이지나 교정된 막대로 내경을 측정하세요. 측정값과 함께 가열 횟수 및 출선 시간도 기록하세요.
가열 횟수에 따른 직경을 그래프로 그리세요. 직선은 일정한 마모를 뜻합니다. 위쪽으로 휘는 선은 무탄소층이 깊어지거나 슬래그가 주된 원인이 되고 있음을 뜻합니다. 갑작스러운 변화는 균열, 유입구의 깨짐 또는 접합부 파손을 뜻합니다.
마모가 어디에 집중되는지 살펴보세요. 슬리브를 교체할 때 유입구 가장자리, 내경 벽면, 출구를 촬영하세요.
| 관찰되는 현상 | 가능성 높은 원인 | 가장 먼저 확인할 항목 |
|---|---|---|
| 둥글게 마모된 유입구 가장자리 | 흐름 침식과 조기 슬래그 혼입 | 유입구 모양, 틸팅 속도, 슬래그 차단 |
| 매끄럽고 균일하게 넓어진 내경 | 연소 및 침식 | 출선 간 대기 시간, 슬리브 밀도와 탄소 함량 |
| 한쪽이 다른 쪽보다 더 많이 마모됨 | 한쪽으로 치우치는 용강 흐름 또는 정렬 불량 | 설치 각도와 접합부 안착 |
| 내경 또는 출구를 가로지르는 균열 | 열충격 | 냉각 및 가열 절차, 슬리브 내 흑연 함량 |
| 슬리브 접합부를 따라 생긴 강철 자국 | 간극 또는 헐거운 안착 | 뒷채움재, 접합부 충전, 예열 |
| 슬래그 색을 띠는 유리질의 내경 표면 | 출선 종료 시 슬래그 | 슬래그 혼입, 종점 FeO |
슬리브 하나만 보면 오해할 수 있습니다. 결론을 내리기 전에 연속으로 두세 개를 비교하세요.
마모 늦추기: 슬리브, 설치, 작업 방식, 유지보수
한 가지 조치만으로는 충분하지 않습니다. 출선구 수명을 늘리는 공장들은 보통 아래 네 가지 항목을 모두 관리합니다.
슬리브 재질
- 입자 품질. 실리카와 석회 함량이 낮은 고순도 마그네시아, 특히 전융 마그네시아는 슬래그에 더 잘 견딥니다. 당사가 제조하는 등급은 MgO-C 벽돌 페이지를 참조하세요.
- 밀도. 개기공률이 낮을수록 공기와 슬래그가 본체 안으로 침투하는 경로가 줄어듭니다.
- 탄소와 산화방지제. 탄소원과 산화방지제 조합은 슬래그 라인이 아니라 탄소 연소와 세척이 반복되는 조건에 맞춰 선택합니다. 출강 사이에 공기에 노출되는 슬리브는 슬래그 아래에 놓이는 벽돌과 다른 균형이 필요합니다.
- 주변 재료와의 조화. 슬리브는 접합부에 균열을 일으키지 않는 방식으로 팽창하고 수축해야 합니다.
형상 및 설치
- 매끄러운 내경과 둥근 입구는 최초 접촉 지점에서 난류를 줄여 줍니다.
- 슬리브 길이와 벽 두께는 마모 여유를 제공합니다. 일반 도면이 아니라 해당 전로에 맞는 도면을 요청하세요.
- 빈틈없이 채운 깨끗한 접합부. 백업재나 캐스터블이 빈틈없이 공간을 채워야 합니다. 공급업체의 권장에 따라 새 슬리브를 예열하세요.
- 중심 정렬과 각도. 슬리브가 몇 도만 어긋나도 한쪽이 마모되고 용강 흐름이 목표에서 벗어납니다.
출강 작업
- 종점 산소와 슬래그 FeO. 산화도가 높은 용강은 슬리브와 내화물 라이닝의 탄소를 공격합니다. 취련 종료 시 산소량을 줄이면 출강구뿐 아니라 모든 부분에 도움이 됩니다.
- 틸팅 각도와 속도. 위 시뮬레이션은 틸팅이 와류가 시작되는 시점에 영향을 미친다는 것을 보여줍니다. 자체 시험을 통해 전로에 적합한 조건을 확인하세요.
- 슬래그 차단. 효과적인 슬래그 스토퍼나 감지 시스템을 사용하면 슬래그가 슬리브를 통과하는 시간을 줄일 수 있습니다.
- 출강 간격. 공기와 가스에 노출되는 시간이 짧을수록 탄소가 덜 소모됩니다.
- 부드럽게 청소하고 폐쇄하기. 출강구를 조심스럽게 뚫고 청소하세요. 입구 가장자리가 깨지지 않도록 주의하세요.
유지보수
- 출강구 입구의 고온 보수는 공장 작업 방식이 허용하는 경우 실시하세요. 공급하는 보수 재료는 BOF 전로 내화물 페이지를 참조하세요.
- 계획 교체. 슬리브 교체 시점을 측정 가능한 한계치에 맞추고, 가능하면 다른 계획 정지 작업과 함께 진행하세요.
- 예비품을 준비하고 예열해 두세요. 교체 작업을 원활하게 진행하면 첫 출강을 보호할 수 있습니다.
열당 비용 계산하기
슬리브 가격만으로는 올바른 비용을 알 수 없습니다. 대신 이 계산식을 사용하세요:
열당 비용 = (슬리브 비용 + 설치 인건비 + 정지 비용) / 교체 전까지의 출강 횟수
정지에 따른 비용이 슬리브 비용보다 더 큰 경우가 많습니다. 따라서 더 저렴하지만 출강 횟수가 적은 슬리브는 출강당 비용이 더 많이 들 수 있습니다. 간단한 예를 들면, 슬리브 수명이 30% 늘어나면 출강당 비용은 기존의 약 77%로 낮아져 23%를 절감할 수 있습니다. 정지 횟수 감소와 불량 출강 감소의 이점은 포함하지 않은 수치입니다.
견적 문의 시 보내 주실 정보
당사는 자체 공장에서 탄소 결합 내화물을 제조합니다. 탕구 슬리브 견적을 위해 아래 목록에서 가능한 한 많은 정보를 보내 주시면 첫 제안의 정확도를 높일 수 있습니다.
- 전로 용량 및 탕구 도면(보어, 슬리브 길이, 주변 내화물 포함)
- 현재 사용 중인 슬리브 등급과 공급업체 데이터시트(보유한 경우)
- 교체 전 출강 횟수, 적용 중인 한도(직경 또는 출강 시간), 최근 슬리브 3개의 교체 사유
- 사용한 슬리브의 사진: 입구, 보어 벽, 출구와 마모 패턴
- 강종, 출강 온도, 일반적인 종점 산소 농도, 슬래그 스토퍼 사용 여부
- 세척 및 폐쇄 작업 절차와 출강 간 시간
문의 페이지를 통해 보내거나 sales@ykchanshine.com으로 이메일을 보내 주세요. 탄소 결합 제품의 제조 및 테스트 방법은 내화물 공장 페이지에서 확인하세요.
FAQ: BOF 전로 탕구 마모
BOF 탕구는 왜 이렇게 빨리 마모되나요?
탕구는 매 출강 때마다 연소와 침식을 겪습니다. 출강 사이에는 공기와 가스가 보어 벽의 탄소를 태워 없애고, 강류가 약해진 층을 벗겨내며, 출강 말기에 슬래그가 남은 부분을 침식합니다. 열충격과 거친 취급도 손상을 더합니다.
전로 탕구는 몇 회 출강까지 사용할 수 있나요?
정해진 수치는 없습니다. 수명은 전로 크기, 슬리브 등급, 설치 방법, 출강 방식, 그리고 구멍 크기나 출강 시간에 대해 설정한 한도에 따라 달라집니다. 중요한 수치는 직접 기록한 값입니다. 출강 횟수에 따른 직경을 기록하고 단계적으로 개선하세요.
전로 탕구 슬리브는 어떤 재료로 만들어지나요?
대부분 마그네시아 기반의 MgO-C 계열 탄소 결합 내화물로, 도면에 맞게 성형한 뒤 주변 내화물에 설치합니다. 정확한 입자, 탄소 및 산화 방지제 배합은 공급업체와 사용 조건에 따라 달라집니다.
탕구를 언제 교체해야 하는지 어떻게 알 수 있나요?
보어 직경이나 출강 시간을 기준으로 한도를 설정하고 매 출강마다 두 항목을 모두 기록하세요. 한도에 도달하기 전에, 가능하면 계획된 정지 시점에 교체하세요. 직경 곡선의 굴곡은 조기 경고 신호입니다.
더 큰 탕구 구멍은 슬래그 혼입을 늘리나요?
한 시뮬레이션 연구에서는 구멍이 클수록 와류가 더 일찍 발생했습니다. 와류 발생 시점은 직경 200 mm 구멍에서 68.8 s, 220 mm 구멍에서 57.1 s였습니다. 특정 용기를 대상으로 한 모델 결과이지만, 구멍을 설계 크기에 가깝게 유지해야 하는 이유가 됩니다.
출강 중 경사각이 중요한가요?
같은 연구에서 경사각이 커질수록 와류 발생이 늦어졌습니다. 모델 결과가 모든 용기에 적용되는 것은 아니므로, 변경 사항은 사용하는 전로에서 시험해 보세요.
용강의 산소가 출강구 마모에 영향을 주나요?
종점 산소 농도와 슬래그 FeO가 높은 고산화 용강은 슬리브와 내장재의 탄소를 공격합니다. 취련 종료 시 산소를 제어하면 출강구뿐 아니라 용기 전체에 도움이 됩니다.
출강구가 마모되면 왜 용강 흐름이 퍼지나요?
구멍이 넓고 거칠어지면 흐름이 깨집니다. 퍼지는 용강 흐름은 래들로 가는 동안 공기를 더 많이 빨아들이는 경향이 있어 산소와 질소의 유입을 늘릴 수 있습니다.
출강구를 열간 보수할 수 있나요?
많은 공장에서 손상 정도와 작업 방식에 따라 구口 주변을 열간 보수합니다. 깊은 균열이나 접합부 파손이 발생하면 보통 슬리브를 교체해야 합니다.
더 나은 슬리브를 받으려면 공급업체에 무엇을 알려야 하나요?
도면, 교체 전 출강 횟수, 직전 변경 사유, 사용한 슬리브 사진, 강종, 종점 산소 농도 및 슬래그 차단 방식을 보내 주세요. 실제 마모 사진과 수치가 일반적인 설명보다 더 유용합니다.
출처 및 참고 문헌
- 전로 출강 유동장 시뮬레이션: 경사각, 와류 및 출강구 직경, Materials 2023, 16(8), 3209: 와류 발생 시점, 경사각 및 출강구 직경(200, 210, 220 mm) 시뮬레이션.
- 전로 출강구용 MgO-C 내화물 부품의 특성 평가, ABM 제44회 제강 세미나, 2013: 슬리브의 마모 메커니즘인 침식과 산화(초록).
- LD 전로의 각 구역에서 나타나는 마모 메커니즘, ABM Proceedings: 출강 구역과 슬래그 구역의 화학적 침식(초록).