'꿈의 기술' 수소환원제철 아직 먼 길
고급강 위한 탄소제철법 지속 불가피
탄소저감, 전로-철스크랩 투입량 관건
현대제철 당진 '혼선차 단열재' 적용 주목

글로벌 철강업계가 저(低)탄소 생산체제 전환에 속도를 내면서 국내에서도 탄소저감을 위한 구체적인 사업 구조 개편에 박차를 가하고 있다.

철강산업에서 탄소중립을 위한 가장 확실한 방법으로 '꿈의 기술' 수소환원제철법이 지목되지만 상용화까진 아직 시동 단계 수준이다.

저탄소 원료인 철스크랩(고철)을 투입해 쇳물을 만드는 전기로 공정은 고로 공법 대비 탄소배출을 최대 75% 줄일 수 있어 정량적인 측면에서 탄소감축에 가장 효율적인 대안으로 평가받고 있으나, 불순물 문제 등 고급강 적용에는 여전히 한계가 있다는 지적이 나온다.

앞으로도 상당 기간 기존 탄소제철법으로 생산 지속이 불가피한 이유다. 이에 따라 국내 고로사들은 기존 탄소제철법을 유지하면서 탄소저감을 위해 철스크랩 사용 확대, 열효율 고도화, 탄소 재순환 기술인 CCUS(이산화탄소 포집·저장 및 활용) 기술 적용 등을 검토하고 있다.

수소환원제철법 이전 과도기 단계에서 탄소감축 효과와 함께 고품질 철강 생산을 위해서는 전로에서 철스크랩 사용 확대하는 것이 가장 현실적인 방법인 셈이다.

일관제철소에서 제품 생산은 크게 '고로 제선→혼선차(TLC, 토페도카)→전로 제강→연주→압연' 과정을 거친다. 이 중 전로 제강에서 용선 대신 저탄소 원료인 철스크랩 투입량을 늘리는 게 핵심이다.

문제는 전로에서 철스크랩 사용을 늘리려면 충분한 열 확보가 필요한데 혼선차 이송 과정에서 온도강하가 발생하면서 스크랩 사용 확대에 제한이 걸린다는 것.

혼선차는 용선레이들(Ladle)을 대차에 달아 놓은 수단으로 고로에서 직접 전로로 용선을 운반한다. 일반적으로 고로 쇳물은 1,500℃ 수준에서 생산되나 전로로 이동하는 과정에서 열 방산으로 통상 1,300℃ 이하로 떨어지게 된다.

쇳물 이송 과정에서 열 방산을 저지할 수 있다면 열효율 고도화와 함께 그만큼 철스크랩 사용을 늘릴 수 있어 탄소감축 효과까지 연결되는 셈이다.

이처럼 친환경과 경제성 두 마리 토끼를 잡기 위해 해외에선 이미 아르셀로미탈과 타타스틸, 블루스코프스틸 등 글로벌 철강사들은 혼선차 내화물에 단열재를 사용하고 있으며, 특히 국내에선 현대제철이 2020년부터 업계 최초로 적용하고 있어 주목된다.

현대제철 당진제철소는 2020년 2월 혼선차 내수 축로 작업을 시작으로 같은 해 3월부터 실조업에 나섰으며, 설비 안정성 등 단계적 확인을 통해 현재 50여대 중 30대 이상에서 단열재가 적용된 혼선차를 운용하고 있다.

기존 혼선차는 설비 안정성 측면에만 집중되면서 열 방산 억제를 위한 단열은 거의 고려되지 않았다. 이를 위해 당진제철소는 용선과 맞닿은 부분에는 내화도가 높은 내화물을 사용하고 상대적으로 용선 접촉이 적은 외곽 부위는 단열성이 우수한 내화물로 축조해 열 방산을 최대한 억제토록 설계했다.

현대제철에 따르면 혼선차에 단열재 사용 전후로 열 방산율은 20% 가까이 저감된 것으로 나타났다. 통상 이송 과정에서 온도강하가 200℃가량 발생한다는 점을 감안하면 단열재 적용 시 열 방산 저지 효과는 최대 40℃로 추산된다.

용선 온도 상승 20℃ 당 철스크랩 투입이 2~3% 늘어나는 점을 고려할 때 투입량을 최소 5% 이상 늘릴 수 있는 셈이다. 아울러 단열재 적용으로 혼선차 철피 온도는 최대 30℃ 가까이 내려갔으며 설비 안정성 측면에서 보수 주기도 차이가 없다는 평가다.

열효율 고도화가 경제성과 함께 탄소배출 관리로 이어지면서 최근엔 빅데이터와 인공지능(AI) 기술을 이용한 고온·고압 설비 모니터링 서비스도 주목받고 있다.

국내에선 스타트업 엑셀로(Exello)가 세계 최초로 제강사 설비의 실시간 상태를 추출·분석하는 솔루션을 개발해 상업화에 박차를 가하고 있다.

엑셀로는 Heat DX(Digital Transformation) 전문 기업으로 고온 설비 환경에서 실시간으로 데이터를 추출하고 이를 기반으로 딥러닝 학습 분석이 가능한 기술을 보유하고 있다.

그간 내화물 관리는 작업자의 목측과 경험에 의존하는 방식이 지속되면서 DX화에 대한 요구가 꾸준했다.

이에 엑셀로는 지난 6월 포스코퓨처엠과 업무협약을 맺고 엔지니어링 기술, Heat DX 기술력을 융합한 내화물 스마트 관리 솔루션을 공동 개발하기로 했다. 양사는 연구개발(R&D)과 함께 글로벌 마케팅 협업에도 나선다는 방침이다.

엑셀로는 최근 일본 제강사에도 스마트레이들 시스템을 적용했다고 밝힌 바 있다. 회사는 향후 미국, 유럽 등 글로벌 시장에도 본격 진출한다는 계획이다.

박성재 엑셀로 대표는 "이번 시스템 적용 성공은 고온 환경 데이터 분석 기술의 우수성을 입증한 중요한 사례"라며 "철강산업의 스마트 팩토리화와 함께 앞으로도 다양한 산업 분야에서 설비 안전성과 효율성을 높이는 데 기여하도록 노력하겠다"고 밝혔다.