특수강 수명단축의 주범 '비금속개재물'을 제거하라

특수강 수명단축의 주범 '비금속개재물'을 제거하라

<<특수강 수명단축의 주범 '비금속개재물'>>

특수강도 사람처럼 수명이 있다. 사람의 수명을 단축시키는 주요인은 질병이지만, 특수강 재료는 반복되는 충격과 하중으로 인해 생기는 '피로'가 주범이다. 그런데 이 '피로'로 인한 수명단축을 급격히 촉진시키는 범인이 있다. 바로 '비금속개재물'이라 불리는 금속 내부의 불순물이다. '비금속개재물' 즉, '금속 성분이 아닌 성분'이라는 뜻인데, 쉽게 말하면 돌맹이와 같은 성분이라 생각하면 된다. 그럼 왜 비금속재재물이 특수강 속에 들어있으면 문제가 생기는 것일까?

<<비금속개재물의 성질>>

망치로 돌맹이를 두들겨 보자. 쉽게 금이 가거나 깨어지고 만다. 돌맹이는 강하기는 하지만 질긴 성질(인성)이 없기 때문이다. 반면 순순한 철강금속은 큰 힘에도 깨어지지 않고 늘어나거나(연성), 퍼지는(전성) 성질을 보인다. 바로 철강금속의 이러한 성질 때문에 복잡한 형태의 제품을 쉽게 만들 수 있어 각종 산업의 핵심 소재로 널리 쓰인다.

그런데 만약 '비금속개재물'이 많이 포함된 특수강 재료로 자동차의 축을 만들었다고 가정하자. 도로 여건의 변화나 가속과 정지동작의 반복으로 자동차 축에는 계속해서 충격이 가해질 것이다. 이러한 상황에서 특수강 재료 속에 금속과는 성질이 전혀 다르고 충격에 약한 비금속개재물들이 있다는 것은 마치 암 덩어리를 품고 있는 것과 같다. 시간이 지나면 암이 전이 되듯이 비금속개재물이 충격을 받아 균열이 생기고, 이것이 전파되어 마침내 차축이 부러지는 치명적인 상황으로 전개될 수 있다.

<<비금속개재물이 생기는 원인>>

비금속개재물이 만들어지는 이유는 크게 제강 과정에서 대기와의 접촉과 고철이 지닌 불순물(황, 인등) 때문으로 요약할 수 있다. 특수강 용강은 다양한 금속원소로 구성되어 있는데, 이들 원소는 종류에 따라 어떤 특정 기체 또는 황(S), 인(P) 성분을 더 좋아하여 결합하려는 성질이 있다. 이렇게 결합하여 새로운 화합물을 형성한 것이 바로 '비금속개재물'이다. 이때 산소와 결합하여 만들어진 비금속개재물을 '산화물(Oxides)'이라 하고, 탄소와는 '탄화물(Carbides)', 질소와는 '질화물(Nitrides)' 황(S)과는 '유화물(Sulphides)' 인(P)과는 '인화물(Phosphides)'이 된다.

그러나 불행하게도 특수강 제강 중에 이같은 비금속개재물을 100% 차단하여 완전히 청정한 강을 제조할 수는 없다. '산화물'만 예를 들어도, 공기의 약 20% 정도가 산소이므로 제강 과정에서 접촉을 피할 수 없다. 더군다나 고철을 신속히 녹여 생산성을 높이고 강 중의 불순물을 제거하기 위해 산소를 불어 넣고 있다. 이때 산소와 친한 용강 속의 원소(Al, Si, Mn, Ca 등)들이 산소와 만나 산화물계 비금속개재물을 만들게 되는 것이다.

<<비금속개재물 제거 방법은>>

그렇다면 이같은 상황에서 어떻게 비금속개재물을 제거해야 할까? 우리회사에서는 보통 세 가지 방법을 사용하고 있는데 하나씩 살펴보자.

- 첫째, 탈산제를 첨가한다. 이 방법은 탈산제로 알루미늄(Al)을 용강에 넣으면 알루미늄이 산소와 반응하여 알루미나 개재물을 먼저 만들게 하는 방법이다. 이렇게 만들어진 개재물은 쉽게 떠올라 슬래그와 함께 제거되고, 용강 속은 알루미늄이 산소를 잡아가므로 산소가 극도로 저하되어 산소와 친한 금속과의 만남을 차단하게 된다. 마치 독으로 독을 치료하는 원리라 할까?

- 둘째, 진공 중에 용강을 잘 저어준다.(교반시킨다) 정련에서 VD(Vacuum Degassing)라 불리는 작업으로, 용강 전체를 진공 분위기 속에 넣고 저어주면 용강 속 산소는 빠져나가고 개재물은 용강 속을 떠돌다가 슬래그에 부착되어 제거된다.

-세째, 개재물의 크기와 성질을 바꾼다. 비금속개재물은 보통 비중이 작으므로 오히려 크기를 크게하면 부력이 생겨 잘 떠오르게 된다. 마치 큰 고무풍선일수록 물 위로 떠오르는 힘이 큰 것과 같다. 즉, Ca를 첨가하여 작은 개재물들을 사이즈가 큰 복합개재물로 변형시키면 쉽게 떠올라 슬래그와 함께 제거가 가능하다.

최근 고객들의 입맛은 더욱 까다로워져 우수한 피로수명을 가진 고청정강을 요구하고 있다. 고청정강이란 결국 '비금속개재물' 같은 불순물을 엄밀히 제어한 강이다. 제강직원 모두가 '비금속개재물'을 잡는 특명을 수행해야 하는 이유가 여기에 있다.