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신(新) 철기시대를 열어가는 차세대 내화물 기술

탄소중립을 위한 ‘신(新)철기시대’가 도래하고 있다. 포스코퓨처엠은 이러한 변화를 선도하기 위해 친환경성과 기능성을 잡은 내화물 기술 개발과 AI 기술을 접목한 스마트 공장 도입 등으로 사업 경쟁력을 강화하고 있다. 신(新)철기 시대를 열어갈 포스코퓨처엠의 차세대 내화물 기술을 살펴본다.

포스코퓨처엠 기초소재연구소 내화물솔루션 그룹, 이지언 수석연구원


인류 근대화와 산업화의 중요한 동력이었던 철강 산업은 글로벌 기후위기에 대응해 신(新)철기시대로의 도약을 준비하고 있다. 철강 공정의 필수 소재인 내화물을 생산하는 포스코퓨처엠 역시 저탄소 철강 공정기술인 ‘브릿지(Bridge) 기술’ 상용화를 위한 ‘차세대 내화물 연구’에 박차를 가하고 있다.

철강 산업의 변화 – 탄소중립 전환을 위한 브릿지 기술

철강 산업은 고로(용광로)에서 *코크스 연소 시 발생하는 일산화탄소와 철광석의 *환원 반응을 통해 철(Fe)을 생산한다. 이 과정에서 발생하는 이산화탄소를 줄이기 위해 *환원제를 코크스(석탄)에서 수소로 전환하기 위한 노력이 이어지고 있다.

*코크스 : 석탄을 가공해 만든 연료 / *환원 : 물질에서 산소가 제거되는 화학반응 / *환원재 : 다른 물질의 산소를 제거해주는 물질

철을 만들 때 석탄 대신 수소를 사용하면 철광석과 산소의 환원반응으로 이산화탄소가 아니라 물이 만들어지기 때문에 탄소배출 없이 철을 생산할 수 있는 것이다. 이러한 방식을 ‘수소환원제철’이라고 부른다.

포스코도 ‘2050 탄소중립’ 목표 하에 수소환원제철 상용화를 추진하고 있지만, 이를 위한 차세대 기술 개발과 수소 생산 등이 선결되어야 하기 때문에 탄소중립 전환기의 기술로서 고로와 전로 등의 기존 설비를 활용해 저탄소 철강 제품을 생산하는 ‘브릿지(Bridge) 공정 기술’ 을 개발하고 있다.

‘브릿지(Bridge) 기술’은 ▲고순도 철강재 생산이 가능하나 탄소 배출량이 상대적으로 많은 고로 방식과 ▲고철(철 스크랩)을 녹여 탄소배출량을 줄이는 전기로 방식을 배합한 것이다.

이를 위해서는 *전로 안에 고로에서 생산된 용선(쇳물)의 양은 줄이고 고철(철 스크랩) 사용량을 늘릴 수 있는 상저취전로와 대형 *전기로가 핵심 설비인데, 이를 위해서는 新 내화물이 필요해 포스코퓨처엠은 저탄소 공정 및 설비를 위한 내화물을 개발하고 있다.

*전로 : 고로에서 생산된 쇳물인 용선을 담는 항아리 모양의 설비, 용선에 산소를 불어넣어 불순물을 제거하고 원하는 온도와 성분으로 정제한 쇳물인 용강을 생산 / *전기로 : 전기의 힘으로 열을 얻어 물체를 용해하고 제련하는 시설.

특히 상저취전로는 고철 투입 비율을 높여 탄소배출량을 저감할 수 있기 때문에 탄소중립 산업 핵심기술개발 국책과제로 선정되어 포스코퓨처엠과 포스코가 2028년 상용화를 목표로 R&D 역량을 결집해 개발하고 있다.

철강 산업의 저탄소 전환을 위한 포스코퓨처엠의 내화물 기술

○ 상저취전로용 내화물 연구

상*저취전로는 고철(철 스크랩) 투입량을 늘리고 용해 속도를 높이기 위해 전로 상하부에서 산소를 동시에 불어넣어 열원을 추가로 확보하는 기술이다. 전로의 상부에서만 산소를 불어넣는 기존 상취전로 보다 진일보한 설비이다.

*저취 : 하부에서 가스를 취입하는 것

전로는 용선의 불순물을 산소로 태워 열원으로 활용하기 때문에 탄소배출량 저감을 위해 고로에서 생산되는 용선을 줄이고 고철 투입량을 늘리면 열원 부족 문제가 발생한다. 이를 보완하기 위해 추가 열원을 공급하는 것인데, 이 과정에서 전로의 내화물에 열충격이 있을 수 있어 포스코퓨처엠은 아래 3가지 방향에서 상저취전로용 내화물 연구를 진행하고 있다.

첫째, 특수처리 된 흑연과 나노카본 기술을 접목해 내구성이 뛰어나며 고온에서도 성능을 발휘할 수 있는 내화물을 개발하고 있다.

300톤 이상의 쇳물을 제련할 수 있는 상저취전로에 중량물인 고철이 상부에서 투입되어 낙하하면 극심한 충격을 주게 되고, 세라믹 · 흑연 등 탄소소재로 이뤄진 기존의 내화물은 뜨겁게 달궈진 벽돌을 망치로 내려칠 때처럼 부서질 우려가 있다. 이러한 충격도 견딜 수 있는 내화물이 필요한데, 흑연을 산(Acid)에 침적시킨 후 고온에서 부풀린 흑연을 원료로 활용하면 열충격 저항성과 강도 등을 강화할 수 있다. 또한, 액상의 불순물인 *슬래그에도 손상되지 않는 화학적 *내식성도 갖춰야해 나노카본(CNT 등)을 활용해 고온에서의 부식과 침식을 견딜 수 있는 내화물 기술도 적극 개발하고 있다.

*슬래그 : 용광로에서 철광석으로부터 선철을 만들 때 생기는 철 이외의 불순물이 모인 것 / *내식성 : 어떤 물질이 부식이나 침식에 잘 견디는 성질

둘째, 내화물의 산화를 방지할 수 있는 특수첨가제 · 이차연소 대응 내화물을 개발하고 있다. 고철 용해를 위한 열원 보충을 위해 상저취전로 상부에 산소를 불어넣어 *이차연소를 일으키면 고온의 산화가스가 발생해 이차연소부의 내화물이 산화 휘발되는 문제가 발생할 수 있다.

*이차연소 : 쇳물 내부의 탄소를 제거하는 과정에서 탄소와 산소가 만나 일차연소가 일어나며 이때 완전 연소되지 않은 일산화탄소가 다시 한번 산소와 반응해 연소되어 이산화탄소가 되는 과정

이러한 문제 해결을 위해 산화가스와 선제적으로 반응해 가스가 침입하는 통로를 차단할 수 있는 ‘산화 방지 특수첨가제’ 연구를 진행하고 있다. 또한, 내화물 내 탄소(carbon)가 상저취전로의 고온 · 이차연소 중 내화물 소실을 야기할 수 있기 때문에 탄소는 줄이면서 내식성을 유지할 수 있는 내화물을 개발하고 있다.

셋째, 열충격에 특화된 원료 활용 · 바닥교환용 내화물 시공 기술을 개발 중이다. 상저취전로의 바닥부에서는 산소와 쇳물의 반응으로 고온의 화점이 형성되고, 상온의 산소와 접촉하는 부분은 냉각되어 수축하지만 고온의 쇳물이 닿는 부분은 팽창해 내화물이 파손되는 문제가 발생할 수 있다. 또한 강력한 *교반으로 마모 우려도 있어 열충격 등에 특화된 내화원료와 특수 공법을 활용한 기능성 내화물 개발을 진행중이다.

*교반 : 물리적 또는 화학적성질이 다른 2종 이상의 물질을 외부적인 기계 에너지를 사용하여 균일한 혼합상태로 만드는 일, 전로 내 쇳물을 섞는 일

또한, 바닥부는 손상된 내화물을 열간에서 교체할 수 있는 바닥교환형 구조로 설계하기 때문에 교환 시 간극부에 고압으로 내화물을 주입할 수 있는 “신속 열간교체“ 시공 기술도 함께 개발하고 있다.

○ 대형 전기로용 내화물 연구

상저취전로용 내화물에 이어 초대형 전기로용 내화물 개발에도 박차를 가하고 있다. 친환경 전기로 비중을 높이기 위해서는 초대형 전기로가 필요하며, 설비 규모 확대로 인한 조업 및 쇳물 유동 변화에 대응할 수 있는 내화물 개발이 필수다.

전기로는 *전극봉의 저향열을 열원으로 활용해 고철을 용해하며, 효과적 용해를 위해 질소와 같은 불활성가스를 하부에 취입하여 쇳물을 혼합하거나, *EMS(Electro Magnetic Stirring)의 전자기장 기반의 교반 기술이 필요하다. 그러나, 강력한 교반은 측면부 내화물의 마모와 고열에 의한 복합 손상을 유발할 수 있어 고압성형 기술을 통해 내화물 내부 기공을 줄이고, 서로 다른 입자 크기의 원료를 배합해 치밀화하는 기술을 개발하고 있다.

*전극봉 : 전기의 아크 저항열을 발생시키는 흑연 막대 / *EMS(Electro Magnetic Stirring) : 전기로에 전자석 등을 부착해 자기장을 이용해 교반

또한, 현재 대부분 유럽에서 수입하고 있는 전기로 바닥용 특수내화물 국산화를 위해서도 노력하고 있다. 기술 개발 완료 후 실제 설비를 활용한 기능성 테스트를 진행하는 단계로, 2024년 국산화를 목표로 하고 있다.

품질 · 생산효율 · 안전 증진을 위한 스마트 공장 구축

포스코퓨처엠은 AI 기술 기반 스마트 공장을 구현해 내화물 사업 경쟁력과 리얼밸류를 강화해 나가고 있다. 스마트 공장은 자동화 · 지능화 · 정보화를 통해 표준화된 자동 생산을 가능케한다. 로봇을 공정 등 작업에 투입해 인력 운영을 합리화하고 직원들이 보다 안전하게 근무할 수 있는 인프라를 조성해 나가고 있다.

또한, 전 공정 Data 를 연결해 조업 – 품질 – 설비 간 연계 분석이 가능한 공장을 구축할 계획이다. 필요한 Data를 실시간 자동 수집하고 AI 분석을 통해 제품의 품질을 예측하거나 설비 고장을 예지해 사전에 대처할 수 있는 시스템을 개발하고 있다.

포스코퓨처엠 기초소재연구소는 글로벌 탄소중립 달성 로드맵과 신(新) 철강시대로의 전환에 발맞춰 친환경 · 기능성 내화물 기술 개발과 AI 기술 접목한 스마트 공장 도입 등에 박차를 가해 국내 시장 점유율 확대 뿐만 아니라 신규 시장 · 고객과의 소재 파트너십을 확장해 나갈 전망이다.