［ENG강좌］새로운 제철기술의 전개

* 한국과학기술정보연구원 전문연구위원 심재동(sjd174@reseat.re.kr)

* 출처:田中英年, “新製鐵プロセスの展開”, 「ふぇらむ(日本)」, 14(12), 2009, pp.766~770

- 목차 -

1.머리말

2.신제철법

3.자원고갈에 대한 대응방안

4.신제철법의 장래 전망

가. 제철더스트의 재활용처리기술

나. 제선공정의 해외 이전과 전기로화

다. 해외산지에서의 분산형 제철

5. 맺음말

6. 전문가 제언

1. 머리말

일본의 경우 제철공장에서 배출하는 CO₂의 양은 전체의 16%를 차지하며 이중 60% 이상이 제선공정에서 배출되므로 일본의 CO₂배출량의 약 10% 정도가 제선공정에서 발생하는 셈이다. 따라서 제선분야에 대한 CO₂ 절감 압력이 점점 심해지고 있다.

중국의 철강수요 증대에 수반하여 2002년 이후부터 주원료인 철광석과 원료탄의 가격이 급등하여 왔다. 2009년도에는 금융위기로 인하여 가격은 약간 저하하였으나 원료공급의 과점화가 진행되고 있으므로 앞으로 다시 가격상승이 이어질 것으로 예상된다.

환경과 자원고갈의 관점에서 시장 형성의 근간이 되는 펀더멘탈이 어떻게 될 것인가를 고려하여 철강업의 패러다임 시프트를 실현하기 위한 신제철법의 역할과 향후의 전망을 살펴본다.

2. 신제철법

일본의 철강업은 일관제철소의 대형화를 추구해 왔기 때문에 자원에 대한 유연성과 생산 탄력성을 잃어 가고 있어 이제까지의 사업모델을 바꿔야 하는 전환기를 맞고 있다. 즉 원료 제약, CO₂삭감, 설비의 노후화, 자원보호정책 등에 대처할 수 있는 신제철법으로서 직접제철법, 환원철 제조법 등에 대한 필요성이 증대하고 있다.

직접제철법은 철광석을 저온에서 환원하여 직접 고체의 환원철(DRI:Direct Reduction Iron ore)을 제조하는 방법으로 간접제철법인 현재의 고로-전로법에 비하여 이론적인 에너지 소비량이 적고 연료로서 코크스를 사용하지 않는 것이 장점이다. 앞으로 CO₂삭감이나 소규모 광산의 활용이라는 명제에서 볼 때 직접제철법의 장래성이 기대된다.

천연가스를 환원제로 하는 직접제철법은 천연가스를 산출하는 개발도상국에서 소규모로 건설되어 왔으나 최근 선진국에서도 스크랩(고철)에 대체할 수 있는 철원으로서 환원철의 수요가 증대하여 2008년도의 세계 총생산량은 68.5백만 톤에 달하였다. 이러한 직접제철법에는 Midrex법과 HYL법이 있으며 장차 원자력제철법으로 응용될 가능성이 있다.

석탄을 환원제로 하는 직접제철법으로 로터리킬른법이 소규모로 이용되어 왔으나 1990년대에 탄재를 내장한 괴성광(briquett)의 고속환원법이 개발되어 이를 활용하는 정치식 회전상로가 제철소의 더스트 처리에 실용되고 있다. 이 방법은 천연가스의 이용이 곤란한 지역에서 미분광석에 의한 환원철 제조법으로 유망하다. 또 이 기술에서 파생한 ITmk3법은 선철과 동등한 철 너깃(iron nugget)을 제조할 수 있다는 점에서 차세대 제철법으로 주목되고 있다.

3. 자원고갈에 대한 대응방안

세계 철광상의 85%는 퇴적광상으로 이러한 유형의 대표적인 광석은 미국, 브라질, 인도, 호주, 아프리카 등지에서 밴드형태의 광석층으로 존재하며 세계 총매장량의 약 60% 이상을 차지한다. 이 중 고품위 광석은 극히 일부에 불과하여 장차 고갈될 우려가 있다. 광석의 요구품위를 낮추면 매장량은 크게 증가하나 Fe 품위의 저하에 수반하여 철강제조 비용이 높아지는 것이 문제이다. 저품위 광석의 이용에는 선광이 필요하므로 맥석의 분리를 위해서는 미세한 입도(-44㎛ >80%)로 분쇄해야 한다. 선광된 미분광은 소성펠릿(sintered pellet)으로 만들어 고로에 장입되나 소성펠릿과 철광석의 가격차는 근소하므로 상업화에는 생산규모의 확대가 필수적이다. 이에 수반하여 대형선박의 입항을 위한 항만인프라에 거액의 투자가 필요하다.

고품위 광석의 고갈에 대응하여 선광에 의한 미분광석의 사용이 소규모 제철설비에서도 채산성을 갖는 신제철법의 개발이 필요하다. 또한 고갈이 예상되는 원료탄을 사용하지 않는 제철법의 개발도 요망된다.

이러한 문제의 해결에 접근하고 있는 것이 ITmk3법에 의한 철 너깃의 제조이다. 이러한 신제철법에 의한 저품위 광석의 이용확대는 자원문제의 해결에 크게 기여할 것이다.

4. 신제철법의 장래 전망

가. 제철더스트의 재활용처리기술

일본의 고로-전로공정과 전기로공정에서 발생하는 제철더스트는 연간 약 480만 톤으로 여기에는Zn, Pb, Fe 등의 유가금속이 함유되어 있다. 이 중에 함유된 Zn은 약 16만 톤으로 추산되어 이는 일본의 연간 아연 소요량 45~50만 톤에 비해 무시할 수 없는 양이다.

지금까지 제철더스트는 소결광이나 펠릿의 제조에 재활용되어 왔으나 Zn이나 알칼리의 농도가 높아지면 고로원료로 사용이 곤란하므로 더스트의 탈아연기술이 요구되고 있다. 이를 해결하는 방법으로서 환원철로부터 Zn을 회수하는 FASMET법이 개발되어 상업화하고 있어 고농도의 Zn을 함유하는 전기로더스트의 처리에도 적용이 기대된다.

나. 제선공정의 해외 이전과 전기로화

제선공정의 철광석 환원에 가장 많은 에너지가 소모되므로 일본에서 해외로 수출되는 연간 700만 톤의 철스크랩을 전기로제강에 활용하면 일본의 철강업에서 배출되는 CO₂의 4%를 줄일 수 있다. 그러나 철스크랩에는 불순물로서 Cu와 Sn이 함유되어 고급강의 제조에는 사용량이 제한되므로 불순물이 없는 철원으로서 환원철이나 철 너깃의 이용 가능이 기대된다.

제선부문의 일부를 해외로 이전하여 고로의 큐폴라(cupola)화 또는 전기로화를 꾀함으로써 CO₂의 저감화, 제선설비의 노후화, 고로의 생산탄력성 문제 등을 해결할 수 있다. 특히 고급강의 제조에 필요한 철원으로서 환원철이나 철 너깃의 안정공급은 전기로강 비율의 향상에 의한 CO₂의 저감화에 크게 기여할 것이다.

다. 해외산지에서의 분산형 제철

제선공정의 해외 이전을 촉진하려면 저렴한 철원의 안정 공급이 필수적이다. 따라서 ITmk3와 같이 소규모에서도 에너지 효율이 좋은 제철법을 해외의 철광석 산지에 보급시키는 것이 중요하다.

가격이 저렴한 저품위 광석을 이용하는 소규모의 해외분산형 철원제조공정이 실현되면 철원의 안정 공급이 가능해진다. 또 장차 철원의 국제 거래를 위한 시장 개방화도 실현되어 철원의 유동성 증가에 따른 공급 안정성도 기대할 수 있다.

5. 맺음말

세계의 철광석자원은 증가하는 철강수요에 대응하기에는 안정 공급에 한계가 있다. 따라서 대형의 임해일관제철소를 건설하여 고품위 수입자원에 의존해 온 일본의 철강업은 이제까지의 사업모델에서 방향을 전환할 시기에 이르고 있다.

철광석의 저품위화와 원료탄의 고갈에 대응하기 위해서는 선광설비의도입과 코크스를 사용하지 않는 신제철법의 개발이 필요하다. 회전상로를 이용하여 탄재내장 철광석을 환원하는 신제철법은 분광석과 일반탄을 원료로 하는 점에서 매우 유망하다.

신제철법은 ①제철더스트의 처리에 활용 ②제선공정의 해외 이전과 전기로화 ③해외산지에서의 분산형 제철 등을 가능케 하는 점에서 일관제철소의 고도화에 기여할 것이다.

6. 전문가 제언

2008년도 세계의 총 철강생산량은 조강기준으로 약 13억 톤으로 이 중 약 50%는 고로에서 제조된 선철을 원료로 하는 전로(BOF)에서 생산되었다. 고로조업에서는 선철 1톤당 약 17,000kJ의 에너지가 소비되고 약 400N㎥의 CO₂가 발생하며, 분광석의 소결과정과 코크스의 제조과정에서도 다량의 CO₂가 배출되어 일관제철소에서 배출되는 CO₂의 60% 이상이 제선공정에서 발생한다.

세계의 총 선철생산량은 약 9억 2,800만 톤으로 이중 약 90% 이상이 고로에서 제조되었다.

대부분의 고로에서는 Fe 60% 이상의 고품위 철광석과 코크스용 원료탄을 사용하고 있으나 중국을 비롯한 후진국의 철강산업 신장으로 제철원료의 가격상승과 함께 고품위 철광석의 확보가 어려워지고 원료탄은 머지않아 고갈의 우려도 커지고 있다. 따라서 고로제철법이 안고 있는 CO₂배출문제와 원료공급문제를 해결할 수 있는 새로운 제철법의 개발에 대한 요구가 심각하게 대두되고 있다.

고로법에 대체하는 제철법으로 주목되고 있는 것은 직접환원제철법이다. 직접제철법에는 Midrex법, HyL법, SL/RN법 등 각종 방법이 세계 각지에서 이전부터 가동되어 왔으며 총 설비능력은 현재 연산 약 7,800만 톤으로 추정된다. 이들 설비는 선철이 아니라 Fe 함량 90% 내외의 환원철(DRI)을 제조하는 설비이므로 큰 관심을 끌지 못하였으나 근래에 오면서 고로제철법의 한계에 대한 돌파구로서 그리고 제강용 철스크랩에 대체하는 철원의 제조법으로 중요시되고 있다.

일본의 Kobe Steel에서는 일반탄을 환원제로 하는 직접제철법(ITmk3)을 개발하여 Fe 함량 97%의 철 너깃(iron nugget)을 생산하는 연산 50만 톤의 상업화설비를 가동하고 있다. 또 유사한 방법으로 제철더스트를 처리하여 Zn을 회수하는 동시에 Fe 함량 82%의 DRI를 제조하는 FASMET법도 실용화하고 있다. 국내의 경우에는 POSCO에서 분광석과 일반탄을 사용하는 용융환원제철법으로 FINEX법을 개발하여 연산 150만 톤 설비가 가동되고 있다. 용융환원제철법(FINEX)과 직접환원제철법은 현재의 고로제철법이 갖고 있는 환경문제와 원료문제를 해결하는 점에서 향후의 제철기술로서 발전해 나갈 것으로 전망된다.

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