알기 쉬운 철강이야기 : 순환경제 실현하는 철강산업 3R 트렌드

포스코그룹 대표 사업 분야의 동향을 전문가가 직접 알기 쉽게 알려드립니다. 3편은 철강산업에서 순환경제를 실현하는 최신 트렌드 3R에 대한 이슈를 포스코경영연구원 이종민 수석연구원과 함께 짚어봅니다. 전 세계 철강산업에 지대한 영향을 미치고 있는 순환경제 3R 트렌드와 포스코의 에너지 절감 사례 등 다양한 이야기를 살펴봅니다.

최근 천연자원을 절약하고 환경에 미치는 영향을 적은 친환경 산업을 구현하고자 하는 사회적, 경제적 목소리가 커지고 있습니다. 이에 따라 철강산업도 혁신적이고 지속가능한 솔루션 개발로 철강제품 생산과정에서 생기는 부산물 회수율을 높이고 품질을 향상하고자 노력하고 있는데요.

3R 캠페인은 2008년 영국 웨일스에서 처음 나타난 환경운동입니다. 쓰레기를 줄이고(Reduce), 버릴 물건을 다시 사용하고(Reuse), 재활용 제품(Recycle)을 적극적으로 사용하자는 취지에서 Reduce, Reuse, Recycle 개념으로 출발했습니다. 이 개념이 산업 속으로 들어오면서 산업에서의 3R 기술은 새로운 개념인 Recover, Replace, Rot 등을 추가해 4R을 구분하기도 합니다.

예를 들어, 화학산업에서는 ‘Rot’ 개념을 적용해 플라스틱 제품이 잘 썩도록 만드는 기술을 개발함으로써 환경 피해를 최소화하기도 하고, ‘Replace’ 개념을 도입해 환경오염의 위험이 있거나 인체에 유해한 물질을 새로운 것으로 대체하는 기술을 개발하기도 합니다. 하지만 기존 3R과 명확한 구분이 어렵거나, 산업에 따라 적용하기 어려운 상황도 있죠.

최근 철강산업에서도 순환경제가 강조되면서 3R 트렌드의 바람이 거셉니다. 철강산업에서 사용하는 3R 기술은 ‘Reduce(감소)’, ‘Recover(회수)’, ‘Recycle(재활용)’ 종류로 구분할 수 있는데요. Reduce 기술은 철강제품 생산 과정에서 사용하는 에너지와 원료의 사용량을 감축하는 기술로, 효율적인 제품 설계, 생산공정의 최적화, 에너지 효율성 향상 기술 등입니다. Recover 기술은 생산과정에서 발생하는 부산물이나 폐기물을 회수해 재사용하거나 다른 용도로 사용하는 기술입니다. 마지막으로 Recycle 기술은 사용한 제품이나 원자재를 분해해 재사용하거나, 다른 용도로 활용하는 기술을 의미합니다.

철강산업은 에너지 소비가 많은 제조업이라 에너지 소비 축소에 중점을 두고 기술을 개발합니다. 특히 철강 제조 프로세스 중 에너지 사용 비중이 가장 높은 고로(Blast furnace) 공정을 중심으로 다양한 기술을 개발하고 있습니다. 대표적인 기술은 미국 DOE(에너지부 : Department of Energy) 등에서 주도하는 Hot Oxygen Injection 기술로 현재 Pilot 수준의 기술 진척을 보이고 있는데 고로에 고온 산소를 주입함으로써 기존 고로 대비 생산성을 15% 증가시키는 기술로, 단위 에너지 당 철강 생산량을 극대화하는 기술입니다. 고로의 배출가스를 다시 고로의 연소 가스를 미리 예열하는 데 사용해 연료비를 절감하는 Blast Furnace Heat Recuperation 기술과 화학⋅금속산업에서 광범위하게 사용되는 Plasma를 고로 공정에 이용해 Metal Loss를 최소화하는 기술인 Plasma Blast Furnace 기술도 에너지 절감 기술의 대표적 사례라고 할 수 있습니다.

스마트 팩토리 기술은 철강제품 제조 시 수율을 향상시켜 원자재, 에너지 절감 효과를 얻을 수 있습니다. 스마트 팩토리를 구현해 불량률 저감, 의사 결정 시간 단축, 불필요한 재고나 설비장애발생 감축, 사고발생건수 감소, 이상대응시간 단축 등 다양한 효과를 기대할 수 있습니다.

포스코 제강공정은 용선의 온도, 성분, 원료가 달라도 조건에 맞춰 AI가 학습하도록 설계해 온도 적중률을 80%에서 90% 이상으로 높여 원료 사용량을 60% 정도 감축했습니다.

포스코 연주공정은 기존에 수많은 소재 중 대표 소재만 의무적으로 100% 표면 검사 후, 이상 발생 시 모든 소재 대상으로 검사를 확대해서 결함을 제거했는데요. 스마트 팩토리 도입 후 품질 이상에 대한 기준을 AI에 입력하고 결함이 있는 소재만 선별해서 원인을 분석하는 표면 품질 예측 모델을 적용해 연간 6억 원의 원가를 절감했습니다.

포스코 도금공정에서는 딥러닝으로 제품의 강종⋅두께⋅폭⋅조업조건과 목표 도금량을 스스로 학습해 정확하게 제어하도록 해서, 기존 도금 제어 적중률을 89%에서 99% 이상으로 끌어올렸습니다.

탄소중립 실현을 목표로 신공정을 개발하고 있지만 수소환원기술 상용화까지는 상당한 시간이 걸릴 것으로 보입니다. 매몰비용 등을 따지면 기존 고로 설비를 계속 활용할 수밖에 없습니다.  따라서 현재 사용 중인 고로에 대한 에너지 절감 기술 개발이 활발하게 이뤄질 전망입니다. 스마트 팩토리 기술은 Al 기술 발전과 맞물려 철강사들이 경쟁적으로 도입하면서, 기술 경쟁이 가장 뜨겁게 이뤄질 분야가 될 것으로 보입니다.

철강산업 Recover 기술은 생산과정에서 발생하는 부산물이나 폐기물을 회수해 재사용하거나 다른 용도로 사용하는 기술입니다. 글로벌 철강산업은 이로 인해 전 세계적으로 97.3%의 효율성을 보여주고 있습니다.

세계적으로 철강 생산 시 생기는 철강제품, 부산물, 폐기물 비율은 각각 64.4%, 32.9%, 2.7% 수준입니다. 이 중 철강생산과정의 대표적 부산물인 슬래그(slag)는 시멘트, 비료 산업의 원료로 사용하거나 로드스톤 또는 아스팔트에 쓰입니다. 분진(dust) 등에서는 아연(Zinc)이나 철(Iron) 성분을 회수합니다.

슬래그
철강제품 생산 시 발생하는 부산물 중 가장 대표적인 것은 슬래그인데요. 매년 4억 톤 이상 만들어지며, 이 가운데 고로슬래그는 시멘트 또는 비료의 원료로 사용합니다. 철광석으로부터 철을 분리하고 남은 물질인 슬래그는 어디에서 발생했는지에 따라 고로슬래그와 제강슬래그로 구분할 수 있습니다. 고로슬래그는 고로에서 쇳물을 만들 때 생성된 암석 성분의 뜨거운 용융슬래그입니다. 이를 밀폐된 설비에 넣고 고압의 물을 분사해 급속 냉각하면 모래 형상의 수재슬래그가 되고, 야드에서 서서히 냉각하면 괴재슬래그가 되죠.

고로에서 생성된 수재슬래그를 시멘트의 주원료이자 천연자원인 석회석 대신 사용해 친환경 시멘트를 만듭니다. 석회석 대신 슬래그 사용 비율을 높이면 석회석 사용량을 45% 가량 절감할 수 있고, 시멘트가 물과 결합하면서 발생하는 수화열(水和熱)이 낮아 콘크리트 균열을 줄일 수 있으며 내구성과 강도도 높일 수 있습니다. 괴재 슬래그 와 제강슬래그는 토목용 골재로 사용해 석산(石山) 개발을 억제하고 골재 채취⋅가공 공정 등에 사용할 에너지를 절감하는 효과가 있습니다.

부생가스
코크스 오븐의 COG(Coke Oven Gas), 고로의 BFG(Blast Furnace Gas), 전로의 LDG(Linz-Donawitz converter Gas)와 같은 부생가스에는 메탄(CH4), 일산화탄소(CO) 등의 성분이 포함되어 있습니다. 이런 부생가스는 연료로 사용하기에 충분한 에너지를 보유하고 있기 때문에 재사용되는데요. 발전소에서는 가스 압축기로 부생가스를 압축해 가스터빈에서 1차 전력을 생산한 후, 배출되는 고온의 배기가스를 회수해 스팀터빈에서 2차 전력을 생산합니다. 부생가스는 99% 회수해 재이용하거나 발전시설에서 전력 생산에 사용하는 것이죠!

철강산업 부산물 회수 기술개발은 수십 년간 이어져오면서 주목할 만한 성과를 냈습니다. 시멘트, 비료 산업 등 타산업의 원료로 사용하면서 모범적인 공급사슬을 구축했고, 토목용 골재로 사용하는 괴재와 제강슬래그는 무리한 석산(石山) 개발을 줄여 환경 파괴를 최소화하는 효과를 냈습니다. Recover 기술은 철강산업의 친환경성을 극대화한 분야로, 앞으로도 꾸준한 기술 고도화와 개발이 필요한 분야입니다.

Recycle 기술은 사용한 제품이나 원자재를 분해해 재사용하거나, 다른 용도로 사용하는 기술입니다. 현재 철강산업에서는 철스크랩에 관련한 다양한 Recycle 기술이 개발 중인데요. 철스크랩은 전기로 제강의 주요 원료로 사용되고 있으며, 고로 프로세스에서도 저HMR(Hot Metal Ratio) 조업으로 이산화탄소 배출을 줄이는 재활용 기술을 집중적으로 개발하고 있습니다.

순환성 원소 제거 기술
대표적인 철강산업 Recycle 기술로 철스크랩의 순환성 원소(tramp element) 제거 기술을 들 수 있습니다. 철스크랩에 포함된 구리(Cu)나 주석(Sn) 같은 순환성 원소는 쉽게 제거하거나 분리할 수 없는 한계가 있어, 이들 원소가 들어가면 고순도 철강제품 제품을 생산하기 어렵습니다. 따라서 전기로 공정에서 구리와 주석 등을 효과적으로 제거하는 기술에 초점을 맞춰 연구개발이 이뤄지는데요. 구리에 관해서는 저온 슈레더(shredder) 법, 알루미늄 용액 침적법, 아민 이온을 함유하는 암모니아 용액으로 구리를 분리하는 습식 기술 등을 개발 중입니다. 주석 제거에도 다양한 물리적, 화학적 방법을 적용한 기술을 시도하고 있습니다.

AI 활용 철스크랩 검수 시스템

인공지능을 활용한 철스크랩 검수 시스템도 개발 중입니다. 최근에는 철스크랩 재활용 효과를 높이는 Al 활용 화상 검수 자동화가 활발히 이뤄지고 있습니다. 철스크랩은 재활용하기 전 경량, 중량, 생철 등 다양한 등급으로 분류하고 불순물 함량 정도를 분석하는 과정을 거칩니다. 지금까지는 현장 작업자들이 육안에 의존해 작업했기 때문에 판별 오류, 안정성 이슈가 자주 제기됐는데요. Al를 활용한 화상 검수 자동화 시스템을 도입하면 데이터를 기반으로 철스크랩 등급 비율, 품질 등을 자동으로 분류하고 검수할 수 있어 판별 정확도도 높아지고 비용 절감도 가능해집니다. 2~3년 전부터 일본과 중국 등에서 경쟁적으로 기술을 개발하고 있으며, 한국에서는 아직 철스크랩 분류 시스템이 업계에 보편적으로 적용된 상태는 아니지만 개발 실증 단계에 돌입했습니다.

블록체인 기술
블록체인 기술 역시 아직 쉽게 찾아볼 수는 없지만, 앞으로 관련 철스크랩 산업의 추적성, 투명성과 인증 관련 문제를 해결할 대안 기술로 주목받고 있습니다. 블록체인을 활용하면 거래와 운송 현황이 기록되고 문서화되므로, 수집에서 처리에 이르기까지 각 단계에서 신뢰할 수 있는 기록이 남는다는 장점이 있습니다.

드론 활용 기술
드론을 활용하면 상공에서 실시간으로 현장을 관찰함으로써 철스크랩 야적장에서 일어나는 안전 문제를 사전에 해결하고 사고 위험을 최소화할 수 있습니다. 또, 드론에 카메라와 센서를 장착해 혁신적인 재고 관리도 가능합니다.

최근 들어 가장 기술개발이 활발한 분야는 스마트 팩토리 기술과 철스크랩 관련 분야입니다. Reduce 관점에서 스마트 팩토리 기술은 수율 향상과 에너지 소비 절감 등의 효용이 확실하고, 관련 기술의 발달로 적용 분야의 폭도 넓어지고 있습니다. 저탄소 시대에 특히 각광받는 분야인 철스크랩 산업은 수집, 분류 등에 Al 및 드론기술을 적용해 재활용률을 높이려는 노력과 투자가 매우 활발합니다.

포스코 역시 순환경제의 흐름 속에서 빠르게 변해가는 철강산업, 3R의 관점에서 밝은 미래를 그려가고 있습니다.