전기로 전극봉 (탄소막대) 전기로를 움직이는 심장 전극봉

전기로  전극봉 (탄소막대) 전기로를 움직이는 심장 전극봉

현재와 같은 전기로의 모습이 최초로 등장한 것은 1879년으로 거슬러 올라간다.
비록 실험실 수준이었지만, 탄소막대에 전류를 흘려 아크열을 발생시키고 쇠를 녹이는 실험이 이 때 있었다. 이 후 전기로 조업방법은 점점 개량되었고, 1964년 지금의 UHP(Ultra High Power) 방식이 제안되면서, 전기로 조업의 생산성을 획기적으로 끌어올린 전기를 맞았다.
이같은 전기로의 심장이 바로 전극봉(탄소막대)인데, 이번호에는 전극봉에 관한 각종 궁금증을 풀어보자.

 

<<소재에 직접 닫지 않는데도 고열이 날까?>>

용접작업을 살펴보면 그 원리를 쉽게 이해할 수 있다. 용접봉과 용접재료에 전극단자를 연결하고 용접봉을 재료에 붙였다 때면 섬광과 함께 고열이 발생하면서 용접작업이 진행된다. 전기로 전극봉 또한 같은 원리이다. 전극봉과 스크랩 사이에서 용접 때와 같은 현상이 발생되는데 이것을 '아크(Arc)'라 한다.

다시말하면 전극봉 끝부분에서 튀어나온 전자가 전극봉과 스크랩 사이에서 전류가 흐를 수 있는 '플라즈마' 상태를 만든다. 마치 형광등 내부의 빈 공간에 전류가 흘러 빛이 나고, 북극의 밤하늘에 '오로라'가 빛나는 것도 모두 이같은 '플라즈마' 현상이다. 일단, 전극봉과 스크랩 사이에 전류가 흐르기 시작하면 전극봉에서는 더 많은 열전자가 방출되고 이들 전자들은 충돌을 일으킨다. 이 때 많은 에너지가 축적되면서 스크랩을 녹일 수 있을 만큼 온도가 올라가게 되는 것이다.

 

<<왜 텅스텐 막대 이어야 할까?>>

앞서 언급한 용접작업으로 다시 돌아가 '피복아크용접'과 '텅스텐아크용접'을 살펴보자.
'아크용접'이란 용접봉인 금속막대를 직접 녹여 두 접합재를 용접시킨다.
반면, '텅스텐 아크용접'은 용접봉으로 텅스텐막대를 사용하는데, 텅스텐은 녹는점이 아주 높아 쉽게 녹지 않으므로 용접제가 스스로 녹아 서로 접합하는 방식이다. 전기로의 전극봉이 탄소 막대인 이유는 바로 '텅스텐 아크용접'처럼 전극봉이 녹을 필요가 없기 때문이다.
또한 주성분인 '흑연'은 2천도 이상의 고온에 견디며 단단하기 때문에 전극봉으로는 안성마춤이다.

 

<<연필심과 같은 성분인가?>>

전극봉이 '흑연'이라면 기본적으로는 연필심과 같은 구조와 성질을 가진다.
즉, 6개의 탄소원자가 6각형의 고리모양으로 연결된 것이 층층이 쌓여있는 흑연의 구조를 똑같이 가지고 있다. 하지만 연필심과 같은 일반 흑연은 층과 층 사이에 전류가 잘  통하지 않기 때문에 전극봉은 이들 층의 배열을 길이 방향으로 직선화 시킨 구조로 만들어 전류를 잘 흐르게 한 것이다.

전기로에 사용하는 흑연 탄소막대를 만드는 기초원료는 같은 탄소덩어리인 '석탄'이다.
석탄을 가열하여 녹이면 석탄입자끼리 다시 뭉쳐져 강도가 높은 덩어리가 만들어지는데 이것이 용광로의 원료로도 사용하는 '코크스'이다. 이 코크스를 2500℃ 이상에서 재 처리하면 '인조흑연'이 만들어지고 이것으로 전극봉을 만든다.

 

<<왜 전극봉은 3개인가?>>

전극봉이 3개인 이유는 '3상 교류전류'를 사용하기 때문이다.
일반적으로 전기적인 특성만 보면 '교류(AC)'보다 '직류(DC)'가 안정적이다. 그럼에도 교류를 사용하는 이유는 전압을 바꾸는 변압이 용이하기 때문이다. 즉, 한전에서 전압 변경이 용이한 3상 교류전류를 생산하면 우리회사는 전압만 변경하여 곧바로 전기로 전극봉 3개에 연결할 수 있는 것이다.
90년대 이후에는 일반강을 생산하는 업체 중심으로 전극봉이 1개만 있는 'DC전기로'가 늘어나고 있느나, 보다 고온이 필요한 STS를 주 품목으로 하는 업체에서는 조업안정성이 높은 'AC전기로'를 택하고 있다.

 

<<전극 절손 방지>>

전극봉은 조업중 가끔 절손되기도 한다.
그 원인은 로내에 녹지 않은 스크랩이 무너지면서 적극봉과 충돌하거나, 전극봉 조립을 완벽하게 하지 않은 경우 연결부위에서 탈락되는 등의 관리적인 원인이 대부분이다. 전극봉이 조업중 절손되면, 전극봉의 탄소성분이 산화되어 용강의 C%를 증가시키고 이는 C%를 극히 제한하는 강종의 성분불량 원인이 되기도 한다. 또한 값비싼 전극봉의 원단위를 상승시키는 것은 물론이다.
따라서 전극봉 절손에 항상 주의해야 함은 제강작업의 기본이다.

<출처 : 포스코특수강>