중등교실 3

“철강의 제조공정”

철강은 어떤 과정을 거쳐서 우리 곁에 올까? 그 과정을 간단하게 살펴보자.

철강을 만드는 방법에는 ‘고로방식’과 ‘전기로방식’이 있다.

1. 고로 방식

‘고로’는 흔히 ‘용광로’라고 부르는 것으로, 철광석을 ‘고로’에 넣고 녹여서 철강을 만드는 방법이다.

고로의 발명시기나 장소는 불분명하나, 14~15세기에 목탄 고로의 기록이 있으며 20세기 이후 고로 높이가 급격히 높아졌다. 최근 고로는 바닥에서 제일 높은 설비까지의 높이가 무려 100ｍ 이상이 된다.

① 제선

용광로에 철광석와 코크스, 석회석을 넣고 1200℃의 뜨거운 바람을 불어넣는다. 그 뜨거운 바람에 코크스가 타
면서 철광석이 녹아 쇳물이 된다. 이 공정을 ‘제선’이라고 하고, 쇳물이 바로 ‘용선’이다. 용광로에 들어간
철광석이 쇳물이 되기까지 5-6시간이 걸리며, 이 때 용광로 안의 온도는 1500℃에 이른다. 철광석을 녹이면 비
중의 차이때문에 쇳물은 용광로의 아래 쪽에 모이고, 나머지 불순물은 석회석과 합쳐져 쇳물 위에 뜨게 된다.
용광로에 석회석을 넣는 이유는 불순물을 없애기 위한 것으로, 이 찌꺼기를 ‘슬래그’라고 부른다.

② 제강

철광석에서 뽑아낸 쇳물(용선)은 탄소가 많아서 부러지기 쉽고, 단단해서 변형하기도 어렵다. 또한 인(P), 황
(S)과 같은 불순물도 많다. 그래서 필요한 과정이 바로 ‘제강’이다. 쇳물에서 불순물을 없애고 탄소(C)의 양
을 줄여서 ‘강(鋼)’을 만드는 것이다.

③ 압연

제강작업을 거친 강은 선철과 달리 힘을 가하면 늘어나고, 펴지는 성질을 갖게 된다. 압연은 탄소와 불순물을
없앤 깨끗한 쇳물에서 고체로 변한 반제품 상태의 강을 롤 사이에 넣어 원하는 두께의 강판으로 늘리거나 얇게
만드는 과정이다. 압연과정은 크게 열연압연과 냉간압연으로 나뉜다.

2. 전기로 방식

현재 강철을 대량으로 생산하는 데에는 LD 제강법과 같이 고로법을 주로 이용하지만 소량이면서도 양질의 강철을 생산하는 데에는 전기로 제강법이 널리 쓰이고 있다.

전기로(electric furnace)는 전열을 이용해 강을 제조하는 것으로, 전기로는 철 스크랩을 재활용해서 쇳물을 만드는데 아주 효과적이다. 전극에 전류를 통과시킴으로써 고철 사이에서 발생하는 아크열로 산화정련하는 아크로와, 도가니 주위에 감은 코일에 전류를 통과시킴으로써 유도전류에 의한 저항열을 이용하는 유도로가 있다. 전기로는 제강할 때 막대한 전력이 소모되므로, 전기로 공장 내에는 고전압 수전설비가 필요하다.

19세기 말에 발명된 전기로는 다른 제강법에 비해 특수강과 고급강을 만드는 데 훨씬 유리했으며, 20세기 초까지 그것은 확실히 시대에 앞선 발명 가운데 하나였다. 제1차 세계대전 동안 군수 공장에서는 많은 양의 고철을 만들었고, 이를 녹여 양질의 강철로 만들 수 있었다. 또한 전기를 값싸게 생산할 수 있는 발전 설비가 개발되면서 발전 속도는 더더욱 빨라졌다. 한편 1980년대 후반부터는 직류 전기로가 개발돼 90년대부터 널리 공급됐다.

직류 전기로는 기존 교류 전기로보다 전극의 소모량이 적고 소음발생과 가스배출이 적어 경제적인 면이나 환경적인 면에서 여러 가지 장점이 있다. 오늘날 전기로는 스테인리스강, 도구강 등 특수한 용도로 쓰이는 철강을 만드는 데 광범위하게 이용되고 있다.

3. 파이넥스 방식

그리고 하나 더 덧붙이자면, 최근에 새롭게 개발된 ‘파이넥스 방식’이 있다.

철광석을 녹여 쇳물로 만들어 내기 위해서는 철광석에 결합된 산소를 제거하는 절차, 즉 환원반응을 반드시 거쳐야 한다. 이 반응을 위해 반드시 필요한 것이 바로 ‘코크스’이고, 코크스를 쓰기 위해서는 코크스공정이 또 필요하였다.

그러나 새로운 개념의 쇳물생산 공정인 파이넥스공정에서는 더 이상 코크스가 필요하지 않다. 석탄을 코크스로 만들지 않고도 환원반응을 일으킬 수 있기 때문이다. 이뿐 아니라 고로공정에서 사용되는 소결광도 필요하지 않다. 파이넥스공정에서는 철광석을 가공하지 않고 그대로 사용할 수 있기 때문이다.

코크스공장, 소결공장이 필요하지 않으니 기존 고로공정보다 적은 비용으로 쇳물을 만들 수 있다. 설비 투자비는 연산 300만 톤 규모의 고로보다 원가 경쟁력 측면에서 유리하다. 공해방지 면에서도 환경오염 물질인 황산화물(SOx),질소산화물 (NOx), 이산화 탄소 (CO2) 배출이 고로보다 적어 매우 유리한 것으로 평가되고 있다.

파이넥스공정은 가루 형태의 철광석을 환원가스로 환원시켜 순수한 철 성분으로 바꾸어 주는 유동환원로, 환원된 철광석과 석탄을 일정한 모양으로 만드는 HCI 설비 및 성형탄 설비, 그리고 철광석과 석탄을 녹이고 환원에 필요한 일산화탄소와 수소를 만들어 내는 용융로로 구성되어 있다.

<철강제조 공정도(일관제철)>

<철강제조 공정도(전기로)>