전기로
Electric Furnace
1. 개요
전기가 발생하는 열로 금속을 녹여 정련하는 로를 의미한다. 종류는 구체적으로 전기를 어떻게 사용하느냐에 따라 크게 전기아크, 전기저항, 유도가열로 나누어진다.
현재 산업적으로 압도적으로 많은 생산량을 차지하는 것은 전기아크로에 의한 철강의 생산이며, 유도가열로는 일부 고순도가 필요한 특수강 및 실험용 노 등으로 소량 사용된다. 유도가열로로 만드는 대표적인 제품이 바로 실리콘 웨이퍼 단결정 괴(잉곳).
1.1. 전기아크로
전기아크로는 고전압이 걸린 전극에서 발생하는 아크 방전의 열로 철을 가열하여 녹이는 로이다. 주된 원료는 고철을 사용한다.
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그림 : 삼상교류전기아크로의 개요
영상 : 고철을 녹이는 삼상교류전기아크로
전기로의 노체는 크게 나누어 내화벽돌과 내화물 라이닝으로 된 하부와, 수냉식 철피로 된 측벽 및 지붕으로 되어 있다. 전기로의 하부만 내화물 라이닝으로 만들어지는 이유는, 실제 용강이 닿는 부분이 하부 뿐이기 때문이다. 전기로의 주원료인 고철은 장입시 필연적으로 용강보다 부피가 훨씬 크기 때문에, 전기로 내부에 꽉 차게 장입해도 녹여놓고 보면 아랫부분에만 고이게 되는 것이다. 지붕 역시 측벽과 마찬가지로 수냉식 철피로 되어 있으며, 상부 전극을 꽂기 위한 구멍이 나 있다.
상부전극은 삼상교류전기로의 경우 세 개, 직류전기로의 경우 한 개를 쓴다. 전극은 흑연으로 만드는데, 자연 흑연으로는 자원량도 부족하고 값도 비싸서 충당할 수 없으며 대부분 역청, 타르 등을 더욱 탄화시켜 고열로 가열하여 결정화시킨 인조흑연을 사용한다. 전극은 소모성인데, 우선 조업중의 초고온으로 인해 조금씩 승화되어 소모되고, 열응력에 의해 깨져나가거나, 녹으면서 무너져내리는 고철과 충돌하여 부러지는 경우도 있다. 직류전기로는 상부전극을 하나만 쓰므로, 상대적으로 적은 전극을 소모하며 많은 강철을 녹일 수 있다. 다만 대전력을 직류로 얻기 위해서는 Thyristor 같은 대전력을 다룰 수 있는 전력반도체 소자가 충분히 발전해야 했다.
전기로는 전기아크의 열을 주된 열원으로 사용하지만, 최근에는 전력비용의 증가 등에 대응하여 약간의 보조 버너를 사용하는 경우가 있다. 이러한 버너는 산소와 함께 분탄을 취입하여 보조 열원으로 고철을 녹이게 된다.
전기로에는 여러가지 부대설비가 딸려오는데, 먼저 주열원인 전기를 적절한 전압 또는 형태(직/교류)로 변환하기 위한 변압기 설비, 주원료인 고철을 장입하기 위한 바스켓, 부원료를 장입하기 위한 호퍼, 조업중 발생하는 먼지를 제거하기 위한 집진기, 수냉설비, 녹여낸 고철을 받아내기 위한 래들(Ladle) 등이 딸려있다.
1.2. 전기저항로
전류가 흐를때 금속의 저항으로 인해 생기는 발열을 이용하는 전기로이다.
출력과 보온 대책을 제외하고 원리를 따지면 전기 히터와 별 차이가 없기에 제작이 간단하고 사용 방법도 간단하나 고온을 얻기위해 너무 강한 전류를 흐르게 할 경우 열원이 되는 열선이 녹아버리기에 사용온도에는 한계가 존재한다.
그러나 아크로나 유도전기로와는 다르게 열원이 열선이라는 점 덕분에 전류가 용해된 금속에는 영향을 끼치지 않기에 매우 안정적인지라 상시로 용해된 금속을 투입해야하는 비철금속 다이캐스팅 업계에서 주로 사용된다.
기본적으로 원리가 열원으로 열선을 사용하는것이기에 LPG와 같은 연료가 싼 경우 LPG 가열로와 대체되는 경향이 존재한다.
1.3. 전기유도로
인덕션방식과 동일하게 전자기장을 만들어 전자기유도로 인해 발생하는 전류를 이용해 재료가 스스로 녹아내리게 만드는 원리를 사용하는 전기로다.
전기 저항로에 비해 전자기를 발생시키는 코일이 직접 발열하지 않기에 코일에서 열이 발생하지 않기에 전기로 자체의 수명은 길고 재료 자체에서 발열이 발생하기에 사용온도가 높다.
거기에 아크로와 다르게 탄소 전극이 필요하지 않고 자기장의 유도로서 용해시키기에 밀폐된 환경을 만들어 재료에 불순물이 혼합될 가능성을 줄이는게 가능하다.
그러나 전자기장을 효율적으로 발생시킬 저항이 낮은 금속이 녹일 재료보다 녹는점이 낮은 경우가 잦아 코일에 대한 냉각을 수행해야 고온을 낼수 있으며 재료 자체에 전자기로 유도된 전류를 흐르게 만든다는 점에서 제대로 제작된 전자기 컨트롤러가 필요하기에 제작의 어려움과 동시에 안전상에 큰 문제점을 가지며 근본적으로 재료의 온도가 올라갈수록 전기전도도가 낮아진다는 약점을 가지고 있다.
전자기장을 통해 유도전류를 만들어내는 방식이기에 스테인레스와 같이 전도도가 낮은 금속에 있어선 효율이 매우 낮아 탄소도가니 같이 전도성을 가진 도가니를 사용해야한다는 단점을 가진다.[1]
일단 전자기유도로 재료가 녹는 방식이 재료에 아크를 발생시키는 아크로와 별 차이가 없는데 아크로가 전원과 접지가 확실하게 정해졌다면 이쪽은 정해져있지 않기에 스파크가 심상치 않게 발생하며 전자기 유도로 인해 발생되는 전자파가 어마어마하단점이 문제로서 작용된다.
그렇기에 보온 상태나 용해중인 상태에서 외부에서 접촉시 접촉점을 따라 전류가 흐를 가능성과 전자파로 인한 공해의 발생 가능성이 있어 재료의 상시 투입을 요구하는 공정에는 거의 사용되지 않으며 불순물이 섞이면 안되는 공정이나 재료의 상시투입을 가정하지 않는 공정 그리고 작업자의 전자파피해를 감안하지 않는 공정에서 주로 사용된다.
2. 전기로의 원료
전기로의 주원료는 일반적으로 고철이며, 일부 대용스크랩으로서 냉선[2], 직접환원철[3] 등을 사용한다.
고철은 크게 세가지로 나눠서 자가발생고철, 생철, 노폐고철로 나누어진다. 자가발생고철은 제철소에서 제품 제작중에 제품에서 떼어낸 것(철괴를 압연할때 나오는 끄트머리 부분을 잘라낸 것 등) 내지는 제작중 발생한 불량품 등을 다시 원료로 되돌린 것이다.
생철은 철강소비산업(금속가공, 자동차, 조선소 등)에서 제품을 생산하고 남은 것들, 예컨대 프레스나 펀칭기에서 나오는 쇳조각이나 철판에서 일정한 모양을 잘라내고 남은 잔여물, 제품 생산 도중 발생한 가공불량품 등을 가리킨다.
노폐고철은 우리가 일상생활에서 사용하고, 사용이 종료되어 폐기된 철제 제품을 다시 수집한 것이다. 예컨대 폐건축물에서 뜯어낸 철근이나 철골, 폐기된 자동차, 자전거, 사무용품, 주방용품 등이 노폐고철이다.
위와 같은 고철 중에 자가발생고철 및 생철은 성분과 출처가 명확하여 전기로의 원료로 쓰는 데 큰 문제가 없으나, 노폐고철은 발생원의 특성상 각종 불순물을 포함하고 있어 전기로에서 생산되는 철강의 품질에 악영향을 준다. 예컨대 자동차 고철에서 전선 등을 주의깊게 제거하지 않은 채로 전기로에 넣으면 구리가 섞여들어가서 철강의 품질을 악화시킨다. 고철에 흔히 섞여들어가는 원소 중에서 특히 화학적으로 제거불가능한 것으로는 구리, 주석, 니켈, 안티몬[4] 등이 있는데, 이렇게 불순물이 섞여서 재순환된 강철이 다시 재순환되는 식으로 악순환을 반복하게 된다. 이러한 원소를 Tramp Element라고 하는데, 이들을 제거하기 위해 고철을 선처리하는 방법으로 연구되고 있다는 것들이 알루미늄 용탕에 담궈서 구리를 용해시키기 등등 하나같이 배보다 배꼽이 큰 것들 뿐이다. 현재로써는 재활용되는 철의 품질을 위해서는 버리는 단계에서부터 주의깊게 분리, 분류하는 것이 필수적이다.
[1] 이부분은 출력을 높여서 해결하면 되긴 하다.[2] 용광로에서 나온 선철을 식혀서 굳힌 것[3] 가루상태의 철광석을 고체상태에서 직접환원시켜 만들어진 철. 가루상태이나 보통 브리켓 상태로 압착해서 판매됨[4] 모두 철보다 산화서열이 뒤처지는 원소들이다. 제강 공정에서 산소를 불면 보통의 원소들은 태워서 제거할 수 있지만 이러한 원소들은 불가능하다.