제강

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1. 개요
2. 제강법의 종류
3. 제강의 역사
4. 현대 제강 공정
5. 친환경 제강 기술 및 탄소 배출 저감
- 5.1. 주요 기술
- 5.2. 국가별 동향
참조

1. 개요

제강은 철광석이나 고철을 녹여 불순물을 제거하고 탄소 함량을 조절하여 강철을 만드는 공정이다. 제강법은 직접 제강법과 간접 제강법으로 나뉘며, 현대 제강은 1차, 2차, 3차 제강의 세 단계로 이루어진다. 베서머 공정, 평로, 전로 제강법 등 다양한 기술이 발전해 왔으며, 최근에는 탄소 배출 저감을 위한 친환경 제강 기술 개발이 활발히 진행되고 있다.

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제강
개요
정의	강철 생산 과정
목적	철에서 불순물을 제거하고 합금 원소를 첨가하여 원하는 강철 조성 만들기
주요 공정	제선 공정: 철광석에서 선철을 추출 제강 공정: 선철에서 불순물을 제거하고 강철로 전환 압연 공정: 강철을 원하는 형태로 가공
제강 공정
제선	용광로에서 철광석을 녹여 선철 생산
제강	전로 제강: 산소를 불어 넣어 선철 중 탄소 제거 평로 제강: 평로에서 고철과 선철을 녹여 강철 생산 (현재는 거의 사용 안 함) 전기로 제강: 전기를 사용하여 고철을 녹여 강철 생산
탈산	강철 중 산소 제거
합금	강철에 필요한 합금 원소 첨가
정련	강철의 불순물 제거 및 조성 조정
연속 주조	액체 강철을 슬래브, 블룸, 빌릿 등 원하는 형태로 주조
압연	주조된 강철을 원하는 두께와 모양으로 가공
제강 기술의 발전
과거	도가니 제강 평로 제강
현재	전로 제강 전기로 제강
미래	수소 환원 제철: 석탄 대신 수소를 사용하여 제철 과정에서 탄소 배출 줄임 탄소 포집: 제철 과정에서 발생하는 탄소 포집 기술
환경 문제
주요 문제	대량의 이산화탄소 배출 에너지 소비
해결 노력	수소 환원 제철 기술 개발 탄소 포집 및 저장 기술 개발 고철 재활용 증가
추가 정보
참고 도서	E.T. 터크도건, 《제강 기초》, Institute of Materials, 1996
참고 기사	마이클 풀러, "유럽, 강철 생산 '친환경화' 주도", Financial Times, 2020년 11월 11일
참고 웹사이트	맥킨지, "강철의 탈탄소화"
참고 도서 (일본어)	다나카 가즈아키, 《알기 쉬운 최신 "철"의 기본과 구조》, 슈와 시스템, 2009, 23쪽
참고 도서 (일본어)	다나카 가즈아키, 《알기 쉬운 최신 "철"의 기본과 구조》, 슈와 시스템, 2009, 22쪽 (그림 1-12)

2. 제강법의 종류

제강법은 크게 직접 제강법과 간접 제강법으로 나눌 수 있다. 직접제철법은 탄소 농도가 낮은 련철에서 강철을 얻는 반면, 간접제철법은 먼저 탄소 농도가 높은 선철을 만든 후 이를 탈탄하여 강철을 얻는다.^[51] 일반적으로 후자에서 선철을 탈탄하여 강철을 만드는 공정을 제강이라고 한다.^[50]

강철은 철과 탄소로 만들어지는데, 주철은 단단하고 잘 부서지는 재료로 가공이 어렵지만, 강철은 연성이 있고 비교적 쉽게 성형할 수 있으며 다용도로 사용할 수 있다. 철 자체는 강하지 않지만, 강철의 종류에 따라 1% 미만의 낮은 농도의 탄소가 강철에 강도와 기타 중요한 특성을 부여한다.

타타라 제철은 직접 제강법(케라오시법)과 간접 제강법(즈쿠오시법)으로 나뉘지만,^[54] 직접 제철법이나 간접 제철법과 구별되는 별도의 제철 방식으로 분류되기도 한다.^[51]

2. 1. 직접 제강법

직접 제강법은 철광석을 비교적 저온에서 고체 상태로 직접 환원시켜 탄소 함량이 낮은 련철을 얻는 방식이다.^[51] 얻어진 연철은 가공 과정에서 고온에서 탄소를 흡수시켜 강철로 만드는데, 이러한 조작을 침탄이라고 한다.^[50]^[52]

HIsarna 제철 공정에서는 철광석이 거의 직접 액체 철 또는 용융철로 처리된다. 이 공정은 사이클론 전로 용광로를 기반으로 하며, 염기성 산소 제강법(BOS)에 필요한 용선 환원괴를 생략할 수 있어 HIsarna 공정은 에너지 효율이 높아지고 탄소 배출량이 감소한다.

2. 2. 간접 제강법

간접 제강법은 철광석을 용융시켜 탄소 농도가 높은 선철을 만든 후, 이를 다시 탈탄하여 강철을 얻는 방식이다.^[51]^[53] 제선 과정을 통해 액체 상태의 선철(용선)을 만들고, 부유된 불순물을 제거한다.^[50]^[51] 제강 과정에서 선철의 탄소 함량을 낮춰 강철을 생산한다.^[50]

간접 제강법에는 평로 제강, 전로 제강 등이 있다.

2. 2. 1. 평로 제강

평로에는 고철 부스러기, 석회석, 선철 등을 넣고, 축열실에서 예열된 공기와 가스 또는 중유를 뿜어 넣어 고온 화염의 방사열로써 녹인다. 이 가스의 방향을 보통 10분 간격으로 좌우로 번갈아 바꿈으로써 열이 유효하게 이용되도록 한다. 산소는 노 속의 열풍으로부터도 공급되지만 산화를 촉진시키기 위해서 다시 약간의 철광석을 넣는다. 이렇게 하면 탄소는 일산화탄소로서 제거되고 망간, 인, 규소도 각각 산화물로 되어 슬래그에 흡수된다. 이와 같은 공정으로 4∼5시간 동안 정련한 다음, 남아 있는 여분의 산소를 없애기 위하여 약간의 철-실리콘 합금이나 알루미늄을 탈산제로서 첨가하여 거푸집에 부으면 응고하여 잉곳(ingot：鑄坤)으로 된다.^[55]

2. 2. 2. 전로 제강

1855년 베서머가 발명한 전로 제강법은 용선에 공기를 불어넣어 불순물을 빠르게 산화시키는 방식이다. 이 방법은 선철 속의 불순물을 10~15분 만에 산화시켜 평로보다 빠르게 강철을 대량 생산할 수 있게 하였다.^[56] 1877년, 토머스는 불순물인 인(P)을 제거하는 기술을 개발하여 전로 제강법을 개량했고, 이는 유럽에서 널리 사용되었다.^[56] 그러나 평로에 비해 강철의 품질이 약간 떨어진다는 단점 때문에, 전로 제강법은 평로에 밀려 주류 제강법이 되지 못했다.^[56]

1946년, 베서머 전로 발명 90년 후, 오스트리아의 린츠(Linz) 공장과 도나비츠(Donawitz) 공장에서 용선 위로부터 순수 산소를 고압·고속으로 분사하는 염기성 산소 제강 방법, 즉 LD 전로를 개발하였다.^[56] LD 전로는 주둥이가 큰 병 모양으로, 용선을 넣고 석회와 고철 부스러기를 첨가한 뒤 산소관을 통해 고속으로 산소를 분사한다. 이 과정에서 선철 속 불순물이 급속도로 산화되고 탄소도 줄어들어 40분 정도면 정련이 끝난다.^[56] 순수 산소를 사용하는 LD 전로는 평로보다 질 좋은 강철을 생산하고 생산 효율도 높아, 1950년대부터 세계적으로 주요 제강 방법이 되었다.^[56]

기본 산소법은 로버트 두러가 1948년에 개발한 것으로, 공기 대신 순수 산소를 사용한 베세머 전로의 개량형이다.^[13] 이 공정은 플랜트 자본 비용과 용융 시간을 단축하고 노동 생산성을 향상시켰다. 1920년부터 2000년 사이에 노동 요건은 1000분의 1로 감소하여 1000톤당 3인시가 되었다. 2013년 기준으로 전 세계 강철 생산량의 70%가 기본 산소로에서 생산되었다.^[13] 전로는 평로에서 10~12시간 걸리는 것과 비교하여 40분 이내에 최대 350톤의 철을 강으로 전환할 수 있다.^[14]

2. 2. 3. 전기로 제강

전기로는 고철이나 직접환원철을 주원료로 사용하여 제강한다. 용광로에는 철의 한 "열"(배치)이 장입되는데, 때로는 이전 열에서 나온 용융강인 "핫 힐"이 함께 들어가기도 한다. 가스 버너가 용융을 돕는 경우도 있다.^[14] 전로와 마찬가지로, 용기 내벽을 보호하고 불순물 제거를 돕기 위해 용융제가 첨가된다. 용광로는 일반적으로 100ton 용량이며 40~50분마다 강철을 생산한다. 이 공정은 기본산소법보다 더 많은 합금을 첨가할 수 있다.^[15]

2. 3. 타타라 제철

타타라 제철은 직접 제강법(케라오시법)과 간접 제강법(즈쿠오시법)으로 나뉜다.^[54] 일반적인 간접 제철법은 탄소 농도 4%의 선철을 얻지만, 타타라 제철에서 얻는 탐강은 탄소 농도가 더 낮다.^[49] 이러한 차이로 인해 타타라 제철은 직접 제철법이나 간접 제철법과 구별되는 별도의 제철 방식으로 분류되기도 한다.^[51]

3. 제강의 역사

고대 중국, 인도, 로마에서 초기 제철 기술이 발전했다. 가장 초기의 강철 생산 방법은 블루머리(bloomery)였다.

인류 역사의 대부분 동안 강철은 소량만 생산되었다. 초기 근대적인 강철 생산 방법은 종종 노동 집약적이고 높은 수준의 기술을 필요로 하는 예술이었다. 베서머법(Bessemer process)과 그 이후의 발전으로 강철은 세계 경제의 필수적인 부분이 되었다.^[4]

3. 1. 동아시아

11세기 동아시아에서 베서머 공정과 유사한 제강법이 개발되었다.^[5]^[6] 송나라(960~1279년)에서는 냉풍 하에서 주철을 반복 단조하는 "부분 탈탄" 방식이 사용되었다.^[7] 니덤과 워타임은 이 방법을 베서머 공정의 전신으로 보았다.^[5]^[8]^[9] 이 공정은 1075년 관리 신과(1031~1095)가 자주(磁州)를 방문했을 때 처음 기록되었다.^[7] 이 공정은 허난과 허베이 경계의 대규모 철 생산 지역에서 처음 실행되었을 것으로 추정된다.^[7]

3. 2. 유럽

15세기에 베서머 공정과 같은 공기 불어넣기 원리를 공유하는 핀리 제련법이 유럽에서 개발되었다.

고품질 강철은 탄소가 없는 연철(대개 스웨덴에서 수입됨)에 탄소를 첨가하는 역 공정으로도 제조되었다. 침탄법이라고 불리는 제조 공정은 연철 막대를 숯과 함께 최대 일주일 동안 긴 돌 상자에서 가열하는 과정이었다. 이렇게 하여 수포강이 생산되었다. 수포강은 연철과 함께 도가니에 넣고 녹여 도가니강을 생산했다. 생산되는 강철 1톤당 최대 3톤의 (당시 고가였던) 코크스가 연소되었다. 막대 모양으로 압연된 이러한 강철은 1장톤당 50GBP에서 60GBP에 판매되었다.^[11] 이 공정에서 가장 어렵고 힘든 부분은 스웨덴의 핀리 제련로에서 연철을 생산하는 것이었다.

1740년, 벤저민 헌츠먼은 잉글랜드 핸즈워스에 있는 자신의 작업장에서 강철 제조를 위한 도가니 기법을 개발했다. 이 공정은 강철 생산량과 품질을 크게 향상시켰다. 소성 시간이 3시간 더 추가되었고 많은 양의 코크스가 필요했다. 도가니강을 제조할 때 수포강 막대를 조각으로 부수어 각각 약 20kg을 담은 작은 도가니에서 녹였다. 이는 더 높은 품질의 금속을 생산했지만 비용을 증가시켰다.

베서머 공정은 저급 강철을 만드는 데 필요한 시간을 약 30분으로 단축하는 동시에 주철을 녹이는 데 필요한 코크스만 사용했다. 초기 베세머 전로는 1장톤당 7파운드의 강철을 생산했지만, 처음에는 1톤당 약 40GBP에 판매되었다.

3. 3. 일본

17세기 유럽 여행객들의 관찰에 따르면 일본에서는 베세머법과 유사한 제철법을 사용했을 가능성이 있다.^[10] 모험가 요한 알브레히트 데 만델슬로는 1669년 영어로 출판된 책에서 이 과정을 다음과 같이 기술했다. "그들은 다른 것들 중에서도 불을 사용하지 않고 철을 용융하는 독특한 발명품을 가지고 있는데, 약 반 피트 두께의 흙으로 안쪽을 둘러싼 통에 철을 넣고 계속해서 바람을 불어넣어 녹인 후, 국자로 떠내어 원하는 형태로 만든다." 와그너(Wagner)는 만델슬로가 일본을 방문하지 않았기 때문에 그의 기술은 다른 기록에서 유래했을 가능성이 높다고 주장했다. 와그너는 일본의 제철법이 베세머법과 유사했을 수도 있지만, 다른 설명도 가능하다고 경고했다.^[10]

3. 4. 산업화

1855년 베서머가 전로제강법을 발명하여 평로법보다 먼저 강철 대량생산의 길을 열었다.^[56] 1877년 토머스가 이 방법을 개량해 인을 제거할 수 있게 되었으나, 강철 품질이 평로보다 약간 떨어진다는 단점 때문에 평로가 제강의 주류가 되었다.^[56]

1946년 염기성 산소 제강 방법(LD 전로)이 발명되었다. 이는 용선 위에서 순수 산소를 고압, 고속으로 분사해 정련하는 방식이다. LD 전로는 오스트리아 린츠(Linz) 공장과 도나비츠(Donawitz) 공장의 이름을 따서 붙여졌다.^[56] LD 전로는 주둥이가 큰 병 모양으로, 용선을 넣고 석회와 고철 부스러기를 첨가한 후 산소를 분사하면 선철 속 불순물이 급속도로 산화되어 40분 정도면 정련이 끝난다. 순수 산소를 사용하는 LD 전로는 평로보다 질 좋은 강철을 생산하고 생산 능률도 높아 1950년대부터 세계 제강 방법의 주류가 되었다.^[56]

현대 제강은 1850년대 후반 베서머법이 대량 생산에 성공한 최초의 제강법이 된 이후 평로가 뒤를 이으면서 시작되었다.

4. 현대 제강 공정

현대 제강은 1차 제강, 2차 제강, 3차 제강의 세 단계로 이루어진다.^[19]

1차 제강: 철을 제련하여 강으로 만드는 과정이다. 전로 제강, 전기로 제강 등의 방법이 있다.
2차 제강: 합금 원소 첨가 및 제거, 불순물 제거 등의 과정으로, 용강로 작업을 통해 이루어진다. 용강로 작업에는 탈산(또는 "킬링"), 진공 탈가스, 합금 첨가, 개재물 제거, 개재물 화학적 변형, 황 제거 및 균질화가 포함된다. 용광로 뚜껑에 전기 아크 가열을 사용하는 가스 교반식 용강로에서 용강로 작업을 수행하는 것이 일반적이다. 용강로 야금을 정밀하게 제어하면 좁은 공차를 가진 고품질 강을 생산할 수 있다.^[19]
3차 제강: 용융 금속을 주조하여 제품 형태로 만드는 과정이다.

베서머가 1855년에 발명한 전로제강은 선철 속의 불순물을 10∼15분 동안에 산화 정련하여 강철을 대량생산하는 길을 열었다.^[56] 1877년에는 토머스에 의해 불순물인 인을 제거할 수 있도록 개량되었다.^[56] 1946년에는 용선 위로부터 순수한 산소를 고압·고속으로 분사하여 정련하는 염기성 산소 제강 방법(LD전로)이 발명되었다.^[56] LD전로는 주둥이가 큰 병과 같은 모양으로, 용선을 넣고 석회와 고철 부스러기를 첨가한 다음 산소관을 넣어 고속으로 산소를 분사하면 선철 속의 불순물이 급속도로 산화되고 탄소도 줄어들어 40분 정도면 정련이 끝난다.^[56]

강철은 철과 탄소로 만들어지는데, 주철과 달리 연성이 있고 비교적 쉽게 성형할 수 있으며 다용도로 사용할 수 있다. 강철의 종류에 따라 1% 미만의 낮은 농도의 탄소가 강철에 강도와 기타 중요한 특성을 부여한다. 질소, 규소, 인, 황, 그리고 과량의 탄소와 같은 불순물은 제거되고, 망간, 니켈, 크롬, 탄소, 바나듐과 같은 합금 원소가 첨가되어 다양한 강철 등급을 생산한다.

5. 친환경 제강 기술 및 탄소 배출 저감

제철 산업은 전 세계 이산화탄소 배출량의 상당 부분을 차지한다. 2021년 기준으로 전 세계 이산화탄소 배출량의 약 11%, 온실가스 배출량의 약 7%를 차지하는 것으로 추산되었으며,^[20]^[21] 강철 1톤을 생산할 때마다 약 1.8톤의 이산화탄소가 배출된다.^[22]

이러한 탄소 배출은 주로 용광로에서 철광석의 산소를 제거하는 과정에서 석탄이 사용되기 때문에 발생한다.^[23] 이 외에도 광산 채굴, 정련, 선적, 전로제강, 소성, 열풍 등 다양한 공정에서 이산화탄소가 발생한다.

제철 산업의 탄소 배출량을 줄이기 위해 탄소 포집 및 저장 기술, 그린 수소를 사용하여 철광석을 환원하는 방법 등 다양한 기술들이 연구 및 개발되고 있다.^[24]

5. 1. 주요 기술

그린 수소를 사용하는 수소 환원 제철(HDR) 방식은 철광석을 환원하고 부산물로 물만 배출한다.^[38] 2021년 아르셀로미탈(ArcelorMittal), 보에스타르핀(Voestalpine), 타타스틸(Tata Steel) 등이 철 생산에 그린 수소를 사용하기로 약속했으며,^[39] 2024년 스웨덴 HYBRIT 프로젝트에서 HDR을 사용하고 있다.^[40] 유럽연합은 HDR에 필요한 수소 수요를 충족하기 위해 180GW의 재생에너지 용량이 필요할 것으로 추산한다.^[41]

전기를 이용해 철광석을 직접 환원하는 철광석 전해(Iron ore electrolysis) 기술도 개발 중이다.^[36] 용융 산화물 전해(molten oxide electrolysis)는 불활성 양극, 액체 산화물 전해질(CaO, MgO 등), 용융 광석으로 구성된 전지를 약 1,600°C로 가열해 광석을 철과 산소로 환원하는 방식이다. 2022년 보스턴 메탈(Boston Metal)은 이 공정을 준산업 단계에서 연구 중이며, 2026년까지 상용화할 계획이다.^[42]^[43] 사이더윈(Siderwin) 연구 프로젝트에서는 아르셀로미탈(ArcelorMittal)이 약 110°C에서 작동하는 다른 유형의 전해 방식을 시험했다.^[44]^[45]

고로 상부 가스를 포집하여 CO₂를 제거하고 환원제를 다시 고로에 주입하는 상부 가스 회수 기술을 통해 이산화탄소 배출량을 줄일 수 있다. 2012년 연구에서는 이 공정으로 고로 CO₂ 배출량을 75%까지 줄일 수 있다고 제시했으며,^[34] 2017년 연구에서는 탄소 포집 및 저장을 병행하면 56.5%, 환원제 재활용만으로는 26.2%를 줄일 수 있다고 분석했다.^[35] 상부 회수 터빈을 이용해 전기를 생산하여 상부 가스를 활용할 수도 있다.^[36]

고철 제강은 수명이 다했거나 강철 부품 제조 과정에서 생긴 잉여 금속을 재활용하는 방식이다. 강철은 자성 덕분에 분리 및 재활용이 쉽고, 고철 1톤 사용 시 1.5톤의 배출량을 줄일 수 있다.^[46] 2023년 기준 강철은 재활용률이 가장 높은 재료 중 하나로, 전 세계 강철의 약 30%가 재활용 부품에서 생산된다.

바이오매스인 목탄이나 목재 펠릿은 화석 연료를 대체하는 용광로 연료로 사용할 수 있지만, 여전히 탄소를 배출한다. 바이오매스 사용 시 배출량은 5%~28% 감소한다.^[36]

5. 2. 국가별 동향

호주는 세계 철광석의 약 40%를 생산한다. 호주 재생에너지 기관(ARENA)은 온실가스 배출 감소를 위해 직접 환원 제철법(DRI)을 포함한 연구 프로젝트에 자금을 지원하고 있다. 리오틴토, BHP, 블루스코프(BlueScope)와 같은 기업들은 친환경 철강 프로젝트를 개발하고 있다.^[33]

HYBRIT, LKAB(루카브), 보에스타르핀(Voestalpine), 티센크루프(ThyssenKrupp)의 유럽 프로젝트들은 온실가스 배출 감소 전략을 추진하고 있다.^[36] HYBRIT는 친환경 철강을 생산한다고 주장한다. 무탄소 전력(그린 수소)에서 생산된 수소를 이용한 수소 직접 환원(HDR)은 산화철과 수소의 반응에서 물이 유일한 부산물이기 때문에 무탄소 제철을 가능하게 한다.^[38]

2021년 기준, 아르셀로미탈(ArcelorMittal), 보에스타르핀(Voestalpine), 타타스틸(Tata Steel)은 철 생산에 그린 수소를 사용하기로 약속했다.^[39] 2024년 스웨덴의 HYBRIT 프로젝트는 HDR을 사용하고 있다.^[40] 유럽연합의 경우 HDR에 필요한 수소 수요는 180GW의 재생에너지 용량을 필요로 할 것으로 추산된다.^[41]

참조

_[1] 서적 Fundamentals of Steelmaking Institute of Materials 1996
_[2] 뉴스 Europe leads the way in the 'greening' of steel output https://www.ft.com/c[...] 2020-11-11
_[3] 웹사이트 Decarbonization in steel https://www.mckinsey[...]
_[4] 서적 The Substance of Civilization: Materials and Human History from the Stone Age to the Age of Silicon https://www.skyhorse[...] Arcade Publishing 2011-08
_[5] 서적 Science and civilisation in China, Volume 5, Part 7 https://books.google[...] Cambridge University Press
_[6] 서적 China: A History https://books.google[...] Hackett Publishing
_[7] 학술지 Markets, Technology, and the Structure of Enterprise in the Development of the Eleventh-Century Chinese Iron and Steel Industry 1966-03
_[8] 서적 The coming of the age of steel https://archive.org/[...] University of Chicago Press
_[9] 서적 The Genius of China: 3000 years of science, discovery and invention https://archive.org/[...] Prion
_[10] 서적 Science and Civilisation in China: Vol. 5, Part 11: Ferrous Metallurgy https://books.google[...] Cambridge University Press
_[11] 웹사이트 Purchasing Power of British Pounds from 1264 to Present http://www.measuring[...]
_[12] 학술지 The Composition of Iron and Steel Products, 1869–1909 1963
_[13] 간행물 Remaking the global steel industry https://www2.deloitt[...] Deloitte 2013-06
_[14] 서적 The Making, Shaping and Treating of Steel: Steelmaking and Refining Volume https://www.asminter[...] AIST 1998
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_[16] 웹사이트 HYBRIT: The world's first fossil-free steel ready for delivery https://group.vatten[...] Vattenfall 2021-08-18
_[17] 학술지 Toward a Fossil Free Future with HYBRIT: Development of Iron and Steelmaking Technology in Sweden and Finland 2020-07-18
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_[20] 웹사이트 The Race to Remake the $2.5 Trillion Steel Industry With Green Steel https://singularityh[...] 2022-08-04
_[21] 웹사이트 Global Steel Industry's GHG Emissions https://www.globalef[...] 2021-01-06
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