현대 제강 공정에서 아르곤은 용융강을 보호하고, 정화하며, 균질화하는 다목적 도구로 사용됩니다. 아르곤의 주요 기능은 화학적 불활성에서 비롯되며, 이는 액체 금속이 대기 중의 산소 및 질소와 반응하는 것을 방지하지만, 용융물을 교반하고 용해된 가스 및 불순물을 제거하는 물리적 용도로도 사용됩니다.
아르곤은 제강 공정에서 단순한 수동적 보호막이 아니라 능동적인 도구입니다. 이를 통해 생산자는 강철의 최종 화학적 조성과 청결도를 높은 정밀도로 제어하여, 거친 공정을 정교한 제조 과학으로 변화시킬 수 있습니다.
핵심 원리: 불활성이 중요한 이유
제강 공정의 근본적인 과제는 1600°C(2900°F)를 초과하는 온도에서 용융강이 극도로 반응성이 높다는 것입니다. 주변 공기와의 접촉은 몇 초 만에 강철 배치를 망칠 수 있습니다.
산화 및 질화 방지
고온에서 강철의 철과 귀중한 합금 원소는 공기 중의 산소 및 질소와 쉽게 반응합니다. 이는 비금속 불순물인 산화물과 질화물을 형성합니다.
이러한 불순물은 강철이 응고될 때 강철 내부에 갇혀 약점을 생성하여 최종 제품의 취성, 균열 및 불량한 성능으로 이어질 수 있습니다. 아르곤은 비활성 기체이므로 거의 완전히 비반응성이며 공기를 대체하여 보호 분위기를 조성합니다.
용융 금속 흐름 차폐
용융강이 한 용기에서 다른 용기로 옮겨질 때마다—예를 들어, 용광로에서 래들로, 또는 래들에서 연속 주조기로—노출됩니다.
차폐(shrouding) 또는 커튼(curtaining)이라고 알려진 이 공정은 아르곤 흐름을 사용하여 액체 강철 흐름 주위에 보이지 않는 보호 장벽을 만듭니다. 이는 이 매우 취약한 단계에서 공기가 금속과 접촉하는 것을 방지합니다.
물리적 도구로서의 아르곤: 교반 및 정화
아르곤 가스를 용융강에 기포로 불어넣는 물리적 행위는 보호 화학적 특성 외에도 제품 정제에 매우 중요합니다. 이는 래들 야금로(LMF)와 같은 용기에서 수행됩니다.
균질성 촉진
강철 래들에는 수백 톤의 액체 금속이 담길 수 있습니다. 바닥에서 아르곤을 기포로 불어넣으면 강력하고 지속적인 교반 작용이 생성됩니다.
이 교반은 용융물 전체에 온도와 화학적 조성이 균일하도록 보장합니다. 뜨겁거나 차가운 지점을 제거하고 추가된 합금이 완벽하게 혼합되도록 하여 일관된 제품을 보장합니다.
용해된 가스 제거
용융강은 유해한 가스, 특히 수소를 용해할 수 있습니다. 강철이 냉각됨에 따라 수소의 용해도가 감소하고, 내부 공극과 플레이크를 형성할 수 있으며, 이는 수소 취성으로 알려진 결함입니다.
아르곤 기포가 용융물을 통해 상승함에 따라 용해된 수소와 질소가 기포로 확산되어 무해하게 표면으로 운반됩니다. 이 탈기(degassing) 공정은 고품질의 깨끗한 강철을 생산하는 데 중요합니다.
개재물 부상 제거
아르곤 기포에 의해 생성된 교반 운동은 또한 작고 고체 불순물(앞서 언급된 산화물 및 질화물)이 충돌하고 뭉치도록 돕습니다.
이러한 더 크고 응집된 개재물은 더 부력이 강하여 표면으로 더 쉽게 떠오릅니다. 거기서 불순물의 액체 층인 슬래그 층에 흡수되어 제거될 수 있습니다.
AOD 컨버터에서 아르곤의 중요한 역할
스테인리스강 생산을 위해 아르곤 산소 탈탄(AOD) 공정이 필수적이며, 아르곤은 그 이름의 유래입니다.
스테인리스강에는 값비싼 크롬이 다량 함유되어 있어 보호해야 합니다. 과도한 탄소를 제거하기 위해 순수한 산소를 용융물에 불어넣지만, 이는 또한 크롬을 빠르게 산화시킬 것입니다.
산소를 아르곤으로 희석함으로써 산소의 부분압이 낮아집니다. 이를 통해 탄소가 우선적으로 산화되어 일산화탄소 가스로 제거되는 동시에 강철 내의 귀중한 크롬이 보존됩니다.
장단점 이해
아르곤은 매우 효과적이지만, 그 사용은 품질 요구 사항과 비용의 균형에 의해 결정됩니다.
비용 요소
아르곤은 액체 공기의 분별 증류에 의해 생산되며, 이는 에너지 집약적이고 값비싼 공정입니다. 아르곤 비용은 모든 제철소에서 중요한 운영 고려 사항입니다.
더 저렴한 대안으로서의 질소
질소는 아르곤보다 약 10배 저렴합니다. 질소가 유해한 불순물로 간주되지 않는 (그리고 심지어 원하는 합금 원소일 수도 있는) 많은 일반 탄소강 등급의 경우, 아르곤 대신 교반 및 차폐에 자주 사용됩니다.
선택은 등급에 따라 다릅니다
아르곤, 질소 또는 둘의 혼합 사용 결정은 최종 강철 등급에 따라 결정됩니다. 순도가 가장 중요한 고가 스테인리스강 또는 특수 합금의 경우 아르곤은 필수적입니다. 범용 구조강의 경우 질소로도 충분한 경우가 많습니다.
목표에 맞는 올바른 선택
아르곤 사용 전략은 생산되는 강철의 종류와 요구되는 품질에 전적으로 달려 있습니다.
- 고가, 특수강에 중점을 둔다면: 크롬과 같은 값비싼 합금을 보호하고 필요한 초저수준의 불순물을 달성하기 위해 아르곤이 필수적입니다.
- 비용 효율적인 범용강에 중점을 둔다면: 질소는 일반적인 교반 및 차폐에 선호되는 가스이며, 아르곤은 가장 중요한 단계에만 사용됩니다.
- 우수한 기계적 특성에 중점을 둔다면: 아르곤으로 구동되는 탈기는 수소 취성을 방지하고 가능한 한 가장 깨끗한 강철을 만들기 위한 핵심 공정입니다.
궁극적으로 아르곤의 통제된 사용은 제강을 단순한 용융 공정에서 정밀한 엔지니어링 분야로 격상시킵니다.
요약표:
| 기능 | 아르곤이 돕는 방법 | 주요 이점 |
|---|---|---|
| 보호 | 공기와의 반응을 방지하는 불활성 차폐막 생성 | 산화 및 질화 방지, 합금 원소 보존 |
| 정화 | 용융물을 통해 기포를 발생시켜 용해된 수소/질소 제거 | 취성 감소 및 강철 청결도 향상 |
| 균질화 | 교반 작용으로 균일한 온도 및 화학적 조성 보장 | 최종 제품의 일관된 품질 및 특성 보장 |
| 개재물 제거 | 불순물을 뭉치게 하여 슬래그로 쉽게 제거 | 결함이 적은 깨끗한 강철 생산 |
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