Vacuum Square 융합카페 Steel Degassing에 사용되는 진공 기술 주장헌 진공기술이 다양한 산업 분야에 사용되고 있다는 사실 ppm 이하인 소위 IF(interstitial-free) 스틸을 만들 수 을 잘 모르는 사람들이 많다. 여기서는 철강 제조

Vacuum Square 융합카페 Steel Degassing에 사용되는 진공 기술 주장헌 진공기술이 다양한 산업 분야에 사용되고 있다는 사실 ppm 이하인 소위 IF(interstitial-free) 스틸을 만들 수 을 잘 모르는 사람들이 많다. 여기서는 철강 제조 공정 중 있다. 즉 용해된 금속에 대한 진공 탈포는 고품질의 스틸 steel vacuum degassing 공정에 이용되는 진공 기술에 관 을 만드는 것을 방해하는 불순물 원소들을 제거 또는 조 해서 건식 진공 펌프 측면에서 간단하게 설명하고자 한다. 절하는 중요한 단위 공정이다. 용해된 금속의 진공 탈포 과정에서 용해되어 있는 가스 성분들 즉 수소와 질소가 먼저 감소되는데 탄소는 CO 가스로 그리고 황(sulphur) 서론 은 슬래그(slag)로 제거된다. 고청정 그리고 고품질의 철강 제품 수요는 매년 증가되 그림 1은 용광로 외부를 진공 chamber로 둘러싼 후 고 있는데 특히 자동차 산업에 사용되는 IF(interstitial- 그 내부에서 용해된 액체 금속에서 기체 성분을 제거하 free) 스틸, 유류와 기체 운반용 배관, 건축용 자재 등으 는 tank degasser의 예를 보여 주고 있다. 그림 1에서는 로 사용되는 HSLA, 선박 건조, 타이어 코드(tire cord), 필요에 따라 합금을 만들 수 있도록 합금 재료를 첨가할 깡통과 전선 등 다양한 분야에서 그 수요가 증가되고 있 수 있는 장치가 진공 chamber 상부에 장착되어 있는 것 다. 또한 공구용 강철 생산에서도 그 수요가 계속 증가 을 알 수 있다. 용해된 재료를 저어 주기 위해 induction 하고 있는데 공구용 스틸의 경우 강도(hardness), 인성 stirring coil을 사용하거나 용광로 하부에서 아르곤 가스 (toughness) 그리고 광택(polishability) 등이 중요한 특 를 불어 넣는 방식을 이용하고 있다. 징들이다. 이러한 특징들을 구현하기 위해서는 스틸의 청 결(cleanliness of steel)이 매우 중요하며, 여기서 말하 는 청결은 불순물뿐만 아니라 비금속성 함유 성분들에 의 해 결정된다. 철강 제조 공정에서 녹아있는 액체 금속 성분에 포함 된 여러 불순물들을 제거하기 위해 진공 탈포(vacuum degassing) 공정이 이용되는데 그 이유는 생산되는 최 종 제품의 품질을 향상시키고 특수한 용도의 품질을 가 져야 하는 스틸(steel) 제품을 만들기 위해서이다. 진 공 탈포를 통해 탄소(carbon)의 함량이 30 ppm 이하인 ULC(Ultra-Low Carbon) 스틸, 탄소와 질소 함량이 30 [Fig. 1] Tank degassers for steel degassing <저자 약력> 주장헌 박사는 1996년 연세대학교 물리학과 박사학위를 받고 에드워드 코리아주식회사에 입사하여 현재까지 근무하고 있으며, 2005년 제 1회 반도체 기술 대상 산업자원부 장관상을 수상하였으며 저서로 <진공기술 실무>와 <진공 이해하기>가 있다. (jh. joo@edwardsvacuum.com) 34 진공 이야기 Vacuum Magazine 2015 09 September

융합카페 [Table.1] 진공도에 따른 용해된 금속내의 잔류 수소 농도 진공도 수소 농도 mbar Torr ppm[h] 1000 760 25.8 100 76 8.1 10 7.6 2.56 1 0.76 0.81 [Fig. 2] 공정 진공도(압력) 측면의 secondary metallurgy 분류 반응하여 CO와 CO2 형태로 탄소를 제거한 후 다시 하부 그림 2는 secondary metallurgy 분야에 이용되는 공 chamber로 보내는 것을 볼 수 있다. 이때 발생하는 CO 정들을 진공 사용 여부에 따라 대기압 공정과 진공 공정 와 CO2 및 다른 기체 성분들은 진공 펌프를 통해 외부로 으로 분류하여 놓은 것이다. 금속 용해 과정에서 진공 탈 배출되게 된다. 포가 광범위하고 중요하게 사용되고 있다는 것을 보여 주 고 있다. 그림 3는 용해된 액체 금속에서 기체 잔류물을 제거하 Steel degassing 공정 중 고체 금속에 용해되어 있는 가스 농도는 다음과 같이 주어지는 Sievert의 법칙을 이 용하여 얻을 수 있다. 기 위해 순환 방식을 이용하는 RH(Ruhrstahl-heraeus) chamber 설치 상태와 그 내부에서의 용해된 액체 금속 의 순환, 아르곤 가스 공급 위치, 진공 배기구 등을 보여 주고 있다. 그림에서 용해된 액체 금속에 담겨 있는 두 개 여기서 C는 압력 P인 기체와 평형 상태인 용해된 기 의 노즐 중 한쪽에서 아르곤 가스를 이용하여 용해된 액 체의 농도이며 s는 Sievert 변수이다. 표1은 1600 C에 체 금속을 진공 상태인 상부 chamber로 끌어 올린 후 진 서 압력에 따라 용해된 수소의 평형 농도(equilibrium 공 상태에서 산소(O2)와 용해된 액체 금속 내부의 탄소가 concentration)는 다음과 같다. 표 1에서 알 수 있듯이 진공도가 좋아지면(압력이 낮아질수록) 잔류 수소 농도 [Fig. 3] 용해된 액체 금속의 순환시키는 방식의 RH chamber [Fig. 4] 탄소와 산소의 무게비율에 따른 일산화탄소의 부분압 Vacuum Square 35

Vacuum Square 량이 감소되는 것을 알 수 있다. 1 mbar보다 진공도가 좋 계식 진공 펌프가 보조하는 방식으로 구성된다. 아지면(압력이 낮아지면) 잔류 수소 농도가 0.81 ppm이 됨으로 양질의 강철 제품을 얻을 수 있다. 표 2는 전형적인 steel degassing 진공 펌프 시스템의 기본적인 성능 인자들이다. 스팀 이젝터(steam ejector) 그림 4는 탄소와 산소의 무게비율에 따라 일산화탄소의 는 사용 중 이젝터 성능 저하와 공기 누설(leak)로 인하 부분압이 달라지는 것을 보여 주고 있다. 즉, 용해된 금속 여 성능 인자들에 대해 충분한 여유를 가져야 한다. 공기 내의 탄소 성분을 제거하기 위해 산소를 용해된 액체 금 누설은 최적화된 진공 펌프 시스템 구성을 위해 잘 유지/ 속에 공급하는 경우 탄소와 산소의 무게 비율을 적절하게 관리되어야 하는데 그렇지 못 한 경우 과도하게 진공 펌 맞추어 주어야 일산화탄소의 부분압을 제어할 수 있고 이 프 배기 시스템 용량을 설정하여야 하기 때문이다. Steel 것은 탄소를 일산화탄소 형태로 얼마나 잘 제거할 수 있 degassing을 위한 압력에서 필요한 큰 진공 배기 용량을 는지를 결정하는 조건을 설정하는데 있어 중요하다. 충족하기 위해 적절한 수의 대용량 부스터 펌프들을 이용 하여 각 부스터 펌프들 간의 최적화된 압력비(pressure 건식 기계식 진공 펌프들(Dry mechanical vacuum pumps) ratio)를 유지하여야 한다. 이때 부스터 펌프들은 충분한 용량을 갖는 보조 펌프를 필요로 한다. 진공 배기 시스템은 대기압( 1 atm)에서 약 1 mbar까 건식 기계식 진공 펌프들은 1920년대부터 금속 산업에 지 통상 6 ~ 8분 사이에 도달해야 하는데 그 이유는 스 이용되어 왔지만 제조 비용의 절감과 대용량 건식 보조 틸이 과도하게 냉각되는 것을 피하면서 동시에 100 ~ 펌프의 개발을 통해 최신 스틸 탈포(steel degassing) 공 20 mbar 사이의 압력 영역을 지날 때 발생하는 슬래 정에 광범위하게 이용되고 있다. 그(slag) 생성을 피하기 위해 감압율(rate of pressure VD(Vacuum Degassing)과 VOD(Vacuum Oxygen descent)를 제어할 필요가 있기 때문이다. 그림 5는 액체 Decarburishing) 공정은 엄청난 양의 용해 금속성 기체 상태의 용해된 금속에 대한 진공 탈포 공정으로 공정 후 들, 금속 미세 분말 그리고 금속 산화물 먼지 등을 발생시 반부에 알루미늄을 첨가하는 단계가 포함되어 있다. 키기 때문에 대용량, 강한 기계적 내구성을 갖는 진공 배 기 시스템이 필요로 한다. 가장 널리 이용되는 건식 진공 배기 시스템은 금속 산화물 먼지에 대한 강한 내구성을 보이는 루츠(Roots) 방식의 부스터 진공 펌프를 건식 기 [Table.2] Basic performance parameters of a typical steel degassing pump system for VD and VOD Parameter 36 Value Heat mass(capacity) Tonnes of liquid metal System volume 2 ~ 3 m3 per tone(typical) System air leakage Target 1 kg/hr(air @ 20 C) per 10 tones Initial pump down time to VOD 7 ~ 10 mins VD process pressure 1 mbar to < 0.67 mbar(0.5 Torr) VD suction capacity 1.0 ~ 1.2 kg/hr/tonne(air @20 C) or 1,250 ~ 1,500 m3/hr/tonne VD line diameter 800 ~ 1,000 mm VD gas dust load to pump system Low VD gas temperature at pump system inlet Should be 65 C VOD process pressure 80 ~ 200 mbar(60 ~ 150 Torr) VOD suction capacity Variable, typically : 20 ~ 30 kg/hr/tonne(air @20 C) or 75 ~ 150 m3/hr/tonne VOD line diameter 800 ~ 1,000 mm VOD gas dust load at pump system inlet Can be high if filtration is poor VOD gas temperature at pump system inlet Should be 60 C(gas coolers typically required) 진공 이야기 Vacuum Magazine 2015 09 September

융합카페 [Fig. 5] 용해된 액체 상태의 금속에 대한 진공 탈포 공정 예 진공 배기 시스템 용량 결정 요인들 들면 60 톤 등)에 따라 진공 탈포를 위한 진공도를 유지 하고 이때 발생하는 기체와 증기의 양에 따라 이 기본 진 Steel degassing에 필요한 진공 배기 시스템의 용량을 선정하는 요인들은 공정에 대한 이론적 검토뿐만 아니라 공 배기 시스템들을 병렬로 여러 대 연결하여 사용하게 된다. 경험적인 요인들도 고려되어야 한다. 원론적으로 진공 배 기 시스템이 감당해야 할 가스 부하(gas load)는 다음과 같다. 금속 재질 내부의 잔류 수소(H)량 금속 재질 내부의 잔류 질소(N)량 금속 재질 내부의 잔류 탄소량과 산소간의 반응에 의해 생기는 이산화탄소(CO2)량 용해된 금속을 교반하는데 필요한 아르곤(Ar) 가스량 전 체 시 스 템 내 부 로 유 입 되 는 공 기 누 설 ( a i r leakage)량 그림 6은 Edwards가 공급하고 있는 steel degassing 공정에 사용되는 기본 진공 배기 시스템과 건식 진공 펌 프를 보여 주고 있으며 2대의 대형 부스터 펌프와 1대의 건식 진공 펌프(보포 펌프)가 직렬로 연결된 것을 볼 수 있다. 실제 steel degassing 공정에서는 금속의 양(예를 [Fig. 6] 진 공 탈포 공정에 사용되는 기본 진공 배기 시스템 구성 예 (Edwards) Vacuum Square 37

Vacuum Square [Fig.7] 폭발 상한과 하한 범위 [Fig. 8] 같 은 체적의 물질의 표면적 비교 (a) bulk, (b) 작은 조각으로 나눈 경우 안전문제(Safety consideration) 하는 화재 또는 폭발이 일어날 수 있다. 모든 금속 증기들 은 H2와 CO보다 산소(O2)에 대해 더 큰 친화성(affinity) Steel degassing 공정에서는 발화성 가스들인 일산화 를 갖기 때문에 제한된 산소량 때문에 완전 산화되지 않 탄소(CO)와 수소(H2)가 발생하는데 탄소 제거를 위해 사 고 부분적으로 산화된 상태임으로 추가적으로 산화제가 용되는 산소(O2)가 섞여 적절한 농도가 되면 폭발성 기체 존재하는 환경이 되면 연소될 가능성이 상존한다. 따라서 혼합물이 생성된다. 이 폭발성 기체 혼합물은 잠재적인 steel degassing 공정에서는 용광로 내부에서 증기 상태 점화원에 의해 점화되면 위험한 폭발을 유발할 수 있다는 로 존재하던 금속 성분들이 진공 배기 시스템쪽으로 배출 것을 명심해야 한다. 그림 7은 폭발성 혼합물 기체에 대 된 후 온도가 떨어지면 미세한 금속 분말 상태로 변하게 한 폭발 상한과 하한을 설명하는 그래프이다. 그림 8에서 됨으로 진공 펌프를 포함한 진공 배기 시스템 내부에서 알 수 있듯이 폭발 상한과 하한은 광범위한 농도와 압력 금속 분말에 의한 폭발 위험성이 매우 커진다. 범위에 걸쳐 있기 때문에 항상 주의를 기울여 안전과 관 련된 모든 조치들을 취하여야 한다. 38 예를 들면 알루미늄 분진 입자들이 생성될 때, 분진 제거 시스템 등을 이용하여 제거하게 되는데 포집 장치 또한 Steel degassing 공정에서는 고온으로 인한 휘 (trap)에 모여 있는 경우 다양한 이유로 스파크가 발생하 발성 금속 증기가 방출되는데 이 금속 증기들의 온도 는 경우 포집 장치 내부의 알루미늄 분진이 점화되고 폭 가 떨어지면서 응축되고 부분적으로 산화된 상태로 대 발이 시작되고 배관을 통해 전체 배기 시스템으로 퍼져 량의 미세한 금속 분말들이 생성되는데 이 금속 분말들 나간다. 이때 발생하는 충격파(shock wave)는 대기 중으 은 체적 대비 표면적 비율(surface-to-volume ratio) 로 분진을 방출하게 되고 폭발하면서 전체 공장에 심각한 이 매우 크기 때문에 덩어리 형태의 금속에 비해 반응성 훼손을 유발하게 된다. 이 매우 강하다(그림 8 참고). 분말의 양, 산화된 정도 그 그림 9는 화재 발생과 폭발이 일어나기 위해 필요한 조 리고 크기는 공정마다 다르다. 통상 VD 공정에서는 약 건들을 그림으로 나타낸 것으로 화재와 달리 폭발이 일 0.25 kg/tonne 정도의 분말이 생성되는데 탈탄화 공정 어나기 위해서는 두 가지 추가적인 조건들, 즉 반응 표면 (decarburizing process)의 공정인 경우 RHO 공정에 적으로 크게 만들어 주는 금속 분말의 분사(dispersion) 서는 0.6 kg/tonne, 그리고 VOD 공정에서는 약 4 ~ 과 폐쇄된 공간이 있어야 한다. 화재가 발생하려면 연료 8 kg/tonne의 분말이 생성된다. 분말의 크기는 VD 공 (분말), 충분한 산소(O2) 그리고 점화원이 있어야 한다. 정인 경우 0.2 ~ 1.5 um 크기가 50% 정도 차지하고 산 반면에 폭발이 발생하려면 화재 발생 조건인 연료(분말), 화 공정에서 약 5 um 정도가 된다. 이러한 금속 분말들 충분한 산소(O2) 그리고 점화원 이외에 분말이 분진 구 을 부주의하게 다루거나 또는 무시하는 경우 생명을 위협 름(dust cloud) 형태로 존재하여야 하고 폭발의 강도는 진공 이야기 Vacuum Magazine 2015 09 September

융합카페 석하고 적절한 폭발 방지 조건을 정하여야 한다. 다시 말 해서 사용자들이 기체 혼합물이 폭발성인지 그리고 폭발 할 가능성이 있는지를 직접 확인하고 필요한 안전 조치들 을 취하여야 한다. 맺음말 융합 카페라는 제목에 맞게 진공 기술이 다양한 산업 분야에 사용되고 있는 예로 여기서는 steel degassing 공 정에 사용되는 진공 기술을 간략하게 설명하였다. 이처럼 진공 기술은 거의 모든 산업 분야에서 광범위하게 이용되 고 있기 때문에 해당 산업 분야의 엔지니어들이 진공 기 술을 제대로 이해할 필요가 있음에도 불구하고 진공 기술 자체의 존재를 인식하지 못 하거나 심지어 무시하고 있는 실정이다. 진공 기술을 이용하는 산업의 더 나은 발전과 정확한 진공 기술의 이용을 통해 비용 절감 및 환경 친화 적 생산 공정을 위해서는 진공 기술 교육이 충실하게 진 [Fig. 9] Parameters for a Fire or Explosion 행되어야 할 필요가 있다는 말을 하고 싶다. 이 분진 구름이 특정한 공간에 갇혀 있을 때 더 강해진 다. 폭발이 발생하는 경우 폭연(deflagration, subsonic wavefron)과 폭음(detonation, supersonic wavefront) 에 의해 증폭된다. 분말 입자 크기 역시 중요한 요인인데 폭발이 시작되기 위해서는 분말 입자의 크기가 420 µm 보다 작아야 한다. 크기가 420 µm보다 크면 분말 입자의 질량이 heat sink로 작용할 정도로 충분히 크기 대문에 점화되기 어렵다. 그러나 폭발이 진행되는 과정에서는 큰 입자들이 먼저 소진된다. Steel degassing에서 발생하는 금속 분말은 그 크기가 420 um보다 휠씬 작기 때문에 크 기 측면에만 생각하면 폭발의 가능성이 매우 높다는 것을 인식하고 있어야 한다. 분진 입자의 조성은 폭발 중 방출 되는 에너지 양을 결정하는 중요한 요인이다(참고. 얼마 전 발생한 대만의 놀이 공원에서의 폭발 사고를 생각하 라). 그러나 실제 화재나 폭발 사고는 예측하기 힘든 다양 한 조건들에게 일어나기 때문에 항상 세심한 주의가 필요 하다. 이러한 폭발 위험성 때문에 건식 기계식 진공 펌프 내 부의 회전부는 잠재적인 점화원이 될 수도 있다. 따라서 건식 기계식 진공 펌프는 ATEX 규정을 따르게 되지만 ATEX 규정내에서 사용자들은 특정한 탈가스 공정을 분 References [1] Dry mechanical vacuum pumps for vacuum degassing, Vic Cheetham, BOC Edwards, Millennium Steel 2005 [2] Recent developments and experiences in modular dry mechanical vacuum pumping systems for secondary steel processing, Simon Bruce and Vic Cheetham, 9th European Electric Steelmaking Conference, 2008 [3] Safety considerations when handling metal powers, J.M. Benson, The Journal of The Southern African Institute of Mining and Metallurgy, Vol. 7A, July 2012 [4] Desulphurisation Process in RH Degasser for Soft-killed Ultra-lowcarbon Electrical Steels, Shengping HE, Guoxing Zhang and Qian Wang, ISIJ International, Vol. 52, No. 6(2012), pp. 977-983 [5] Removal of hydrogen, nitrogen and Sulphur from tool steel during vacuum degassing, K. Steneholm, M. Andersson, A. Tilliander and P.G. Jonsson, Ironmaking and Steelmaking, Vol. 40, No. 3, 199(2013) [6] Off-gas preparation for vacuum pumps, W. Burgmann, J. Davene, and J. Laffitte, La Metallurgia Italiana, No. 11/12(2013) [7] Understanding and preventing metal-dust hazards, Jayant Khambekar and Brian H. Pittenger, International Journal of Powder Metallurgy, Vol. 49, Issue 4, 39(2013) [8] Explosion protection safety concept for use in mechanical vacuum pump systems in secondary metallurgy steel degassing processes, Uwe Zoellig, et al., Oerlikon Leybold Vacuum GmbH [9] M itigation of explosion risk in vacuum degassing plants, Wilhelm Burgmann and Uwe Zoellig, www.steeltimesint.com, October, 2014 Vacuum Square 39