쌀겨회(insulation powder)인 rice husk ash (RHA) 단열분말 및 RHA+CaO-Al 2 O 3 플럭스(RCA)와 같은 다양한 플럭스의 첨가로 인한 MgO 기반 슬래들(tundish) 내화 라이닝의 부식에 대해 1773 K에서 손가락 회전 시험(finger rotating test, FRT)을 사용하여 조사하였다. 이 시험은 스테인리스강 제조에 관련된 산업용 슬래들 야금 공정을 모사하였다. MgO 기반 내화 라이닝의 열화(degradation) 메커니즘을 규명하기 위해 열화학 계산 소프트웨어 FactSage™(ver. 8.2)를 사용하였다. RHA 단열분말을 60분 동안 첨가한 후, 슬래그-금속 계면에서 국부 부식이 관찰되었다. 그러나 RCA 다중 플럭스를 첨가한 이후에는 내화 로드가 파절되었다. RHA 단열분말에 의해 내화물이 부식될 때는 올리빈(olivine), (Mg,Fe,Ca) 2 SiO 4 및 크롬 스피넬(chromium-spinel), (Mg,Mn,Fe)Cr 2 O 4 상이 슬래그-내화물 계면에서 형성될 것으로 예측되었고, RCA 다중 플럭스에 의해 부식될 때는 알루미늄 스피넬(aluminum-spinel), (Mg,Fe)Al 2 O 4 상이 형성되는 것으로 모사되었다. 액상 슬래그의 상이한 물리화학적 성질은 내화 라이닝의 부식에 크게 영향을 주었다. RHA 단열분말 및 RCA 다중 플럭스의 첨가 후 각각 60분 경과 시의 액상 슬래그 조성은 RHA-S의 경우 SiO 2 -MnO-MgO-10%Cr 2 O 3 계, RCA-S의 경우 SiO 2 -Al 2 O 3 -CaO-10%MgO 계로 분류할 수 있었다. RCA-S와 액상 스테인리스강 사이의 계면장력은 RHA-S와 액상 스테인리스강 사이의 계면장력보다 높았다. 그럼에도 불구하고 RHA-S는 RCA-S에 비해 더 큰 접촉각과 점도를 나타냈다. 이러한 결과는 고정된 모세관 반경과 고정된 침투 시간 하에서 RCA-S의 내화물로의 침투 깊이가 RHA-S보다 더 크며, 그로 인해 RCA-S가 RHA-S보다 더 심각한 내화물 부식을 유발함을 시사한다.

Ti를 함유한 페라이트계 스테인리스강(Ti-FSS)의 청정도는 진공-산소-탈탄소화(vacuum-oxygen-decarburization, VOD) 및 주걱 처리(ladle treatment, LT) 공정을 통해 향상되었다. 그러나 주걱에서 연속 주조용 팅디시(tundish)로 용융강을 이송하는 과정에서 재산화 현상은 불가피하게 발생하며, 이로 인해 재산화성 개재물(reoxidative inclusions)의 형성과 더불어 티타늄 수율이 손실된다. 따라서 본 연구는 서로 다른 팅디시 플럭스(tundish fluxes)가 Al 탈산(t Al-killed) Ti-FSS 용탕의 재산화 거동에 미치는 조합적 영향을 체계적으로 조사하는 것을 목적으로 한다. 실험에는 왕겨회(rice husk ash, RHA) 및 MgO(M) 절연 분말, 그리고 CaO–Al2O3(CA)를 기반으로 한 칼슘 알루미네이트(calcium aluminate, CaO–Al2O3, CA) 계 플럭스를 사용하였다. 용융강이 M + CA 플럭스로 덮였을 때 개재물의 평균 크기는 감소하였다. 반면 RHA + CA 플럭스를 첨가했을 경우, 개재물의 평균 크기는 감소하였으나 RHA 내 SiO2에 의한 재산화 반응으로 인해 개재물의 총 개수는 유의하게 증가하였다. 또한 M + RHA + CA의 조합 플럭스를 첨가했을 때 개재물의 크기는 감소하였고, 개재물의 개수는 M + CA 및 RHA + CA 조건 사이의 값을 나타냈다. 결과적으로 Ti-FSS의 총 산소 함량을 감소시키는 데 가장 효과적인 조합은 M + CA 플럭스인 것으로 확인되었다.

상업용 페로합금인 고탄소 페로망간(High-carbon ferromanganese, HCFeMn), 저탄소 페로크롬(Low-carbon ferrochromium, LCFeCr), 페로나켈(FeNi) 합금을, 제조 공정의 비용 효율성과 효율성 때문에 서로 다른 탄소 함량을 갖는 FeCrCoMnNi 기반 고엔트로피 합금(HEA)의 지속가능한 제조를 위한 원료로 선택하였다. 본 방법으로 제조된 HEA에서의 탄소 함량은 ‘자기합금화(self-alloying)’로 불리는 페로합금 자체로부터 기원한다. 탄소 함량이 3종의 HEA에서 상(phase) 조성, 결정립 크기, 미세경도에 미치는 영향을 조사하였다. 이에 따라, 탄소 함량이 상이한 FeCrCoMnNi HEA(0.3, 0.7 및 1.8 at%)에 대해 페로합금 기반 용융 및 정련 과정에서의 불순물 제어(탈황 및 탈산)를 CaO-Al 2 O 3 -MgO(CAM) 삼원 슬래그를 사용하여 1773 K의 유도 용해로에서 체계적으로 조사하였다. 본 방법으로 제조된 합금에서 황 함량은 6 ppm 미만이었고, 산소 함량은 13 ppm 미만이었다. 세 종류의 HEA에 대한 황의 전체 질량이동 계수는 1773 K에서 2.0×10 -6 m/s에서 3.0×10 -6 m/s 범위였다. 또한 CAM 슬래그로 정련된 HEA의 탈산에 대한 동역학 모델을 수립하였으며, FeCrCoMnNi- x C HEA의 서로 다른 조성에서 1773 K의 산소 질량이동 계수( )는 2.0×10 -7 m/s에서 4.0×10 -7 m/s 범위로 나타나, HEA의 산소는 강, Ni계 합금 등 다른 금속계에 비해 제거가 더 어려움을 시사하였다. • 상업용 페로합금 공급원을 이용하여 C-합금화된 HEA를 제조하기 위한 새로운 공정을 제안함. • 고탄소 페로합금을 활용한 자기합금화 메커니즘으로 탄소를 도입함. • 유도 용해로에서 슬래깅(slagging) 방법을 통해 불순물 황과 산소를 각각 약 6 ppm 및 약 13 ppm까지 효과적으로 제거함.

CaO–Al2O3계 진공 산소 탈탄(VOD) 슬래그에서 TiO2의 열역학적 거동은, 스테인리스강 정련을 위해 용융강 중의 티타늄과 TiO2 및 VOD 슬래그 사이의 반응 평형을 정량화하기 위해 반드시 이해되어야 한다. 이에 따라 본 연구에서는 CaO–Al2O3–MgO–TiO2 슬래그에서 TiO2의 열역학적 활성도를 pO2 = 10−16 atm, 1823 K에서 용융 은과 슬래그 사이의 평형 실험을 통해 측정하였다. 라만 분광법을 이용하여 칼슘 알루미네이트 용융물에서 TiO2의 안정성을 구조적 관점에서 조사하였다. 본 VOD 슬래그에서의 티타늄 산화물은 주로 TiO2로 존재하며, 이는 X-ray photoelectron spectroscopy 분석을 수행하여 규명하였다. CaO–Al2O3–MgO–TiO2 슬래그에서 TiO2의 활성도 계수는 슬래그 염기도(CaO/Al2O3 = 0.7~1.3) 및 슬래그 내 TiO2 함량(2~10 wt%)이 증가함에 따라 감소하였다. 티타네이트 수용량(titanate capacity) 개념을 적용함으로써, 본 칼슘 알루미네이트 용융물에서 티타늄이 이온 형태로 안정화될 수 있음이 확인되었다. 슬래그 염기도가 증가하면 Al–O–Al 결합의 감소로 인해 [TiO3]– 단위가 안정화되었고, 그 결과 알루미네이트 네트워크 내에서 TiO2의 포집이 향상되었다. TiO2 함량이 증가하면 [TiO3]– 단위가 구조 단위의 비가교 산소(non-bridging oxygen)를 대체하여, 칼슘 알루미네이트 네트워크 구조에서 TiO2가 추가로 안정화되었다.

본 연구는 롤러 하스(hearth) 킬른(keiln)에서 리튬이온 배터리 양극 소재의 소성(calcination)을 위한 전산유체역학(computational fluid dynamics, CFD) 모델의 개발 및 검증을 기술한다. 본 연구의 주요 목적은 고온 고상 합성 공정에서의 에너지 소비를 정량적으로 예측하고 최적화하는 것이다. 해당 모델은 소성 과정에서의 복잡한 물리·화학적 현상을 반영하기 위해 세 가지 필수 하위 모델을 포함한다. 즉, 산업용 히터의 비선형 열응답을 재현하며 실험 측정값과의 편차가 5% 미만인 히터 제어 알고리즘, 수치적 안정성을 유지하기 위해 계산 격자(mesh) 변형 없이 연속적인 소재 이동을 효과적으로 모사하는 데이터 전송 방법, 열처리 중 리튬 수산화물 전구체에서 기인하는 상당한 흡열 거동을 다루는 탈수(dehydration) 반응 동역학 모델이다. 검증 결과, 시뮬레이션 결과와 실험 관측치 간에 강한 일치가 확인되어, 동시에 발생하는 결합 열전달, 물질 수송, 화학 반응 현상을 정확히 재현함을 입증하였다. 제안된 접근법은 내부 열 조건과 열유동 동역학에 대한 정밀한 제어를 제공함으로써 양극 소재 생산에서 소성의 균일한 품질을 보장하고 에너지 효율 향상을 위한 신뢰할 수 있는 전산 플랫폼을 마련한다. 이 방법은 지속가능한 공정 설계 및 최적화에 유용한 통찰을 제공하며, 산업 규모 제조 환경에서의 실시간 공정 제어에 잠재적 적용 가능성을 가진다.

쌀겨회(insulation powder)인 rice husk ash (RHA) 단열분말 및 RHA+CaO-Al 2 O 3 플럭스(RCA)와 같은 다양한 플럭스의 첨가로 인한 MgO 기반 슬래들(tundish) 내화 라이닝의 부식에 대해 1773 K에서 손가락 회전 시험(finger rotating test, FRT)을 사용하여 조사하였다. 이 시험은 스테인리스강 제조에 관련된 산업용 슬래들 야금 공정을 모사하였다. MgO 기반 내화 라이닝의 열화(degradation) 메커니즘을 규명하기 위해 열화학 계산 소프트웨어 FactSage™(ver. 8.2)를 사용하였다. RHA 단열분말을 60분 동안 첨가한 후, 슬래그-금속 계면에서 국부 부식이 관찰되었다. 그러나 RCA 다중 플럭스를 첨가한 이후에는 내화 로드가 파절되었다. RHA 단열분말에 의해 내화물이 부식될 때는 올리빈(olivine), (Mg,Fe,Ca) 2 SiO 4 및 크롬 스피넬(chromium-spinel), (Mg,Mn,Fe)Cr 2 O 4 상이 슬래그-내화물 계면에서 형성될 것으로 예측되었고, RCA 다중 플럭스에 의해 부식될 때는 알루미늄 스피넬(aluminum-spinel), (Mg,Fe)Al 2 O 4 상이 형성되는 것으로 모사되었다. 액상 슬래그의 상이한 물리화학적 성질은 내화 라이닝의 부식에 크게 영향을 주었다. RHA 단열분말 및 RCA 다중 플럭스의 첨가 후 각각 60분 경과 시의 액상 슬래그 조성은 RHA-S의 경우 SiO 2 -MnO-MgO-10%Cr 2 O 3 계, RCA-S의 경우 SiO 2 -Al 2 O 3 -CaO-10%MgO 계로 분류할 수 있었다. RCA-S와 액상 스테인리스강 사이의 계면장력은 RHA-S와 액상 스테인리스강 사이의 계면장력보다 높았다. 그럼에도 불구하고 RHA-S는 RCA-S에 비해 더 큰 접촉각과 점도를 나타냈다. 이러한 결과는 고정된 모세관 반경과 고정된 침투 시간 하에서 RCA-S의 내화물로의 침투 깊이가 RHA-S보다 더 크며, 그로 인해 RCA-S가 RHA-S보다 더 심각한 내화물 부식을 유발함을 시사한다.

Ti를 함유한 페라이트계 스테인리스강(Ti-FSS)의 청정도는 진공-산소-탈탄소화(vacuum-oxygen-decarburization, VOD) 및 주걱 처리(ladle treatment, LT) 공정을 통해 향상되었다. 그러나 주걱에서 연속 주조용 팅디시(tundish)로 용융강을 이송하는 과정에서 재산화 현상은 불가피하게 발생하며, 이로 인해 재산화성 개재물(reoxidative inclusions)의 형성과 더불어 티타늄 수율이 손실된다. 따라서 본 연구는 서로 다른 팅디시 플럭스(tundish fluxes)가 Al 탈산(t Al-killed) Ti-FSS 용탕의 재산화 거동에 미치는 조합적 영향을 체계적으로 조사하는 것을 목적으로 한다. 실험에는 왕겨회(rice husk ash, RHA) 및 MgO(M) 절연 분말, 그리고 CaO–Al2O3(CA)를 기반으로 한 칼슘 알루미네이트(calcium aluminate, CaO–Al2O3, CA) 계 플럭스를 사용하였다. 용융강이 M + CA 플럭스로 덮였을 때 개재물의 평균 크기는 감소하였다. 반면 RHA + CA 플럭스를 첨가했을 경우, 개재물의 평균 크기는 감소하였으나 RHA 내 SiO2에 의한 재산화 반응으로 인해 개재물의 총 개수는 유의하게 증가하였다. 또한 M + RHA + CA의 조합 플럭스를 첨가했을 때 개재물의 크기는 감소하였고, 개재물의 개수는 M + CA 및 RHA + CA 조건 사이의 값을 나타냈다. 결과적으로 Ti-FSS의 총 산소 함량을 감소시키는 데 가장 효과적인 조합은 M + CA 플럭스인 것으로 확인되었다.