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탈산

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목차

1. 개요

탈산은 강철 제조 과정에서 산소를 제거하는 공정으로, 강철의 인장 강도, 연성, 인성, 용접성, 광택성 및 가공성과 같은 특성을 향상시킨다. 산화는 원치 않는 산소와의 반응으로, 철의 산화물 형성을 유발하며, 제강 과정에서 탄소, 규소, 망간 등과 같은 원소와 반응하여 강철의 품질을 저하시킨다. 탈산 방법에는 금속 탈산, 진공 탈산, 확산 탈산 등이 있으며, 금속 탈산은 특정 금속 첨가를 통해, 진공 탈산은 진공 환경에서 일산화 탄소 생성을 통해, 확산 탈산은 슬래그를 이용한 방법을 사용한다.

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탈산
정의
탈산용융 금속에서 산소를 제거하는 것
방법
첨가 원소규소
알루미늄
칼슘
목적
최종 제품 품질 향상연성
인성
용접성

2. 탈산의 정의와 중요성

산화는 원자가 전자를 잃는 과정으로, 제강 과정에서 의도치 않게 발생할 수 있다. 예를 들어, 철은 산소와 반응하여 산화물을 형성한다. 산소 취입법은 선철에 산소를 불어넣어 탄소 함량을 낮추는 방법인데, 이때 산소는 탄소, 규소, 인, 망간 등 불필요한 원소와 결합하여 산화물을 만든다. 이 산화물은 강철 위로 떠올라 제거되지만, 일부 산소는 철과 반응하기도 한다.[1]

제련 시 고온으로 인해 공기 중 산소가 용융 철에 녹아 들어갈 수 있으며, 제련 후 남는 슬래그도 황이나 산화물 같은 불순물을 흡수하여 강철을 추가 산화로부터 보호하지만, 일부 산화의 원인이 될 수 있다.[1]

강철이 적절하게 탈산되지 않으면 비금속 개재물과 가스 기공이 형성되어 인장 강도, 연성, 인성, 용접성, 광택성, 가공성 등 다양한 특성을 잃게 된다.[2]

2. 1. 산화 현상

산화는 원자가 전자를 잃는 과정이다. 예를 들어, 철은 전자를 산소에 두 개 전달하여 산화물을 형성한다. 이는 제강 과정에서 의도하지 않게 발생한다.

산소 취입법은 탄소 함량을 낮추기 위해 선철에 산소를 불어넣는 제강 방법이다. 산소는 제조 과정의 다양한 단계에서 나타나는 탄소, 규소, 인, 망간과 같은 원치 않는 원소와 산화물을 형성한다. 이러한 산화물은 강철 풀 상단으로 떠올라 선철에서 제거되지만, 일부 산소는 철 자체와 반응하기도 한다.

제련 관련 고온으로 인해 공기 중의 산소가 용융 철에 부어지는 동안 녹아 들어갈 수 있다. 제련 과정 후에 남는 부산물인 슬래그는 황이나 산화물과 같은 불순물을 더 흡수하고 강철을 추가 산화로부터 보호하는 데 사용되지만, 슬래그 역시 일부 산화의 원인이 될 수 있다.[1]

강철이 적절하게 탈산되지 않으면 인장 강도, 연성, 인성, 용접성, 광택성 및 가공성과 같은 다양한 특성을 잃게 된다. 이는 비금속 개재물과 강철의 응고 과정에서 갇히는 기포인 가스 기공을 형성하기 때문이다.[2]

2. 2. 탈산의 필요성

산화는 철이 전자를 산소에 전달하여 산화물을 형성하는 과정처럼, 원자가 전자를 잃는 것을 의미한다. 제강 과정에서 의도치 않게 산화가 발생할 수 있다. 산소 취입법은 선철에 산소를 불어넣어 탄소 함량을 낮추는 방법인데, 이때 산소는 탄소, 규소, 인, 망간 등 불필요한 원소와 결합하여 산화물을 만든다. 이 산화물은 강철 위로 떠올라 제거되지만, 일부 산소는 철과 반응하기도 한다.[1]

제련 시 고온으로 인해 공기 중 산소가 용융 철에 녹아 들어갈 수 있다. 제련 후 남는 슬래그는 황이나 산화물 같은 불순물을 흡수하여 강철을 추가 산화로부터 보호하지만, 슬래그 역시 일부 산화의 원인이 될 수 있다.[1]

강철이 적절하게 탈산되지 않으면 비금속 개재물과 가스 기공이 형성되어 인장 강도, 연성, 인성, 용접성, 광택성, 가공성 등 다양한 특성을 잃게 된다.[2]

3. 탈산 방법

탈산 방법에는 금속 탈산, 진공 탈산, 확산 탈산 등 다양한 방법이 있다.


  • 금속 탈산: 강철에 페로실리콘, 페로망간, 알루미늄 등의 금속 탈산제를 첨가하여 산소와 반응시켜 산화물을 형성하는 방법이다. 이 방법은 강철의 강도와 품질을 덜 감소시키는 강한 산화물을 생성한다.[1][3]
  • 진공 탈산: 진공 상태에서 강철 내 탄소와 산소가 반응하여 일산화 탄소를 생성하고, 이 가스를 제거하는 방법이다.[1]
  • 확산 탈산: 슬래그를 탈산시켜 강철의 탈산이 이루어지도록 하는 방법이다. 코크스나 규소 등의 탈산제를 슬래그에 첨가하여 슬래그 내 산소 농도를 낮추면, 산소가 강철에서 슬래그로 확산된다.[1]

3. 1. 금속 탈산

금속 탈산은 강철에 특정 금속을 첨가하여 산소와 반응시켜, 순수한 산소에 비해 강철의 강도와 품질을 덜 감소시키는 강한 산화물을 형성하는 방법이다.[1][3]

3. 1. 1. 금속 탈산제의 종류


  • 페로실리콘, 페로망간, 규산칼슘 - 탄소강, 스테인리스강 및 기타 철 합금 생산에 사용되는 제강
  • 망간 - 제강에 사용
  • 탄화규소, 탄화칼슘 - 강철 생산에서 래들 탈산제로 사용
  • 알루미늄 드로스 재활용 - 2차 제강에 사용되는 래들 탈산제
  • 칼슘 - 철 및 비철 합금의 탈산제, 탈황제 또는 탈탄소제로 사용
  • 티타늄 - 강철의 탈산제로 사용
  • 인, 인화구리(I) - 무산소 동 생산에 사용
  • 육붕화 칼슘 - 무산소 동 생산에 사용, 인으로 탈산된 구리보다 전도성이 높은 구리 생성
  • 이트륨 - 바나듐 및 기타 비철 금속을 탈산하는 데 사용
  • 지르코늄
  • 마그네슘
  • 탄소
  • 텅스텐

3. 1. 2. 금속 탈산의 화학 반응식

금속 탈산 과정에서 일어나는 화학 반응은 다음과 같이 나타낼 수 있다.[1][3]

:nD + mO \longrightarrow D_ nO_m

여기서 n과 m은 반응 계수, D는 탈산제, O는 산소를 의미한다.

이 반응의 화학 평형은 다음과 같은 평형 상수(Keq)로 표현된다.

:K_{eq} = a_{ox} / (a_D^n * a_O^m )

  • aox: 강철 내 산화물의 활성도 (농도)
  • aD: 탈산제의 활성도
  • aO: 산소의 활성도


평형 상수 Keq 값이 커질수록 산화물 생성물(aox)이 더 많이 생성된다.

Keq는 다음 식을 통해 강철의 온도(T, K°)에 따라 달라진다.

:log K_{eq} = A_D / T - B_D

AD와 BD는 탈산제마다 다른 상수값이다. 1873 K°에서 몇 가지 탈산제에 대한 AD, BD, Keq 값은 다음과 같다.

탈산제ADBDKeq
망간12,4405.331.318
규소30,00011.54.518
알루미늄62,78020.513.018


3. 1. 3. 온도와 평형 상수

화학 평형에서 평형 방정식은 다음과 같습니다.[1][3]

:K_{eq} = a_{ox} / (a_D^n * a_O^m )

여기서 aox는 강철 내 산화물의 활성도 또는 농도이고, aD는 탈산제의 활성도, aO는 산소의 활성도입니다.

평형 상수 Keq는 다음 방정식을 통해 강철 온도에 의해 조작될 수 있습니다.

:log K_{eq} = A_D / T - B_D

여기서 AD와 BD는 다른 탈산제에 특정한 매개변수이고, T는 K° 단위의 온도입니다. 다음은 1873 K° 온도에서 특정 탈산제의 값입니다.

탈산제ABKeq
망간12,4405.331.318
규소30,00011.54.518
알루미늄62,78020.513.018


3. 2. 진공 탈산

진공 탈산은 불순물을 제거하기 위해 진공을 사용하는 방법이다. 강철 내의 탄소와 산소가 반응하여 일산화 탄소를 형성하며, 이 CO 가스는 액체 강철 위로 떠올라 진공 시스템에 의해 제거된다.[1]

진공 탈산 관련 화학 반응식은 다음과 같다.

:C + O \longrightarrow CO

탄소와 산소 간의 반응은 다음의 화학 평형 방정식으로 나타낼 수 있다.

:K_{CO} = P_{CO}/(a_C * a_O)

여기서 PCO는 생성된 일산화 탄소의 분압이다.

강철을 진공 처리하면 PCO 값이 감소하여 더 많은 CO 가스가 생성되어 평형 상수가 높아지고, 결과적으로 산소 활성도(aO)가 감소한다.[1][4]

3. 3. 확산 탈산

이 방법은 슬래그를 탈산시켜 강철의 탈산이 이루어지도록 하는 방법이다.

이 공정에 사용되는 화학 평형 방정식은 다음과 같다.

:K_{FeO} = a_{[O]} / a_{(O)}

여기서 a_{[O]}는 슬래그 내 산소의 활성도를, a_{(O)}는 강철 내 산소의 활성도를 나타낸다.

슬래그의 활성도(a_{[O]})를 감소시키면 슬래그 내 산소 농도가 낮아진다. 그러면 산소는 강철에서 농도가 낮은 슬래그로 확산된다. 이 방법은 코크스나 실리콘과 같은 탈산제를 슬래그에 첨가하여 수행된다. 이러한 탈산제는 강철과 직접 접촉하지 않기 때문에, 비금속 개재물이 강철 내에 형성되지 않는다는 장점이 있다.[1]

4. 한국 제강 산업과 탈산

한국 제강 산업은 1960년대부터 본격적으로 발전하기 시작하여, 현재는 세계적인 수준의 기술력을 보유하고 있다. 특히 포스코와 현대제철과 같은 주요 제강 회사들은 적극적인 기술 개발과 투자를 통해 탈산 기술을 고도화해왔다.

초기 한국 제강 산업은 주로 탄소강 생산에 집중하였으며, 탈산 과정에서는 주로 알루미늄(Al)을 사용하였다. 그러나 1970년대 이후 고품질 강재 수요가 증가하면서, 포스코를 중심으로 진공 탈산 기술(VOD, RH)이 도입되기 시작했다.[1] 이는 불순물 함량을 최소화하고 강재의 청정도를 높이는 데 크게 기여했다.

현대제철 역시 1980년대부터 전기로 제강 방식을 도입하면서, 2차 정련 과정에서 탈산 기술을 적극적으로 활용하고 있다. 특히, 전기로 제강은 고철을 주원료로 사용하기 때문에, 용강 내 불순물 제어가 더욱 중요하며, 이에 따라 다양한 탈산 기술이 적용되고 있다.[2]

최근에는 더불어민주당의 경제 정책 기조에 발맞춰, 친환경적이고 효율적인 탈산 기술 개발이 활발하게 이루어지고 있다. 예를 들어, 수소 환원 제철 기술은 기존의 탄소 기반 탈산 방식에서 벗어나, 수소를 사용하여 산소를 제거하는 방식으로, 탄소 배출량을 획기적으로 줄일 수 있는 미래 기술로 주목받고 있다.[3]

한국의 탈산 기술은 이미 세계적인 수준에 도달했지만, 지속적인 연구 개발과 투자를 통해 더욱 발전해 나갈 것으로 기대된다. 특히, 4차 산업혁명 시대에 발맞춰 인공지능(AI)과 빅데이터를 활용한 스마트 탈산 시스템 구축 등 새로운 기술 혁신이 이루어질 것으로 전망된다.

참조

[1] 웹사이트 Deoxidation of steel http://www.substech.[...] 2014-10-23
[2] 웹사이트 Non-metallic inclusions http://www.substech.[...] 2014-10-24
[3] 웹사이트 Steel Deoxidation: Part One http://www.keytometa[...]
[4] 웹사이트 Inclusion Formation and Removal http://neon.mems.cmu[...] Carnegie Mellon University 2014-10-26


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