전로 제강법의 진화: 태동에서 현대적 실천까지

전로 제강법의 역사

전로 제강(BOS, Basic Oxygen Steelmaking)은 용융 금속 욕조에 순수 산소(O₂)를 불어넣어 강을 제조하는 공정으로, 사용되는 용기를 전로(BOF, Basic Oxygen Furnace), LD 변환로(LD converter), 또는 단순히 컨버터라 부릅니다.

제강 기술의 태동과 패러다임 전환

제강 역사는 19세기 프랑스 레오뮈르(Reaumur, 1772), 미국 켈리(Kelly, 1850), 영국 베세머(Bessemer, 1856)가 철 합금의 탄소 함량을 제어해 선철을 강으로 개량하는 방법을 발견하면서 시작되었습니다. 레오뮈르는 화학자로서 과학적 호기심에서, 켈리와 베세머는 산업혁명이 요구하는 대량·고품질 강재 수요에 대응해 기술적 해결책을 제시했습니다. 이로써 과학과 기술의 변증법적 관계가 시작되었고, 용융 선철에서 탄소(C)를 산화시켜 정련하는 기본 개념이 정립되었습니다.

이는 선철을 목탄으로 환원하는 샤프트로(고로의 전신)의 기체-고체 반응이나, 고체 상태에서 단조·정련하던 퍼들링(puddling) 공정과 근본적으로 달랐습니다. 19세기 후반 혁신의 강도는 대단했고 패러다임 전환을 가져왔습니다. 1856년 베세머 컨버터 제강, 9년 뒤 1865년 개방형 노(오픈 허스, Open Hearth) 발명, 12년 뒤 1877년 염기성 토마스 컨버터 등장. 토마스 컨버터는 공기를 사용해 용융 금속을 정련했습니다.

공기 취입 컨버터에서 산소 취입으로

1856년 베세머가 발명한 공기 취입 컨버터는 최초의 근대 제강 공정으로 평가받습니다. 1877년 토마스 공정(변형 베세머 공정)은 고인산 선철 처리를 가능하게 했습니다. 토마스 공정에서는 탄소 대부분이 제거된 후 '후취(after blow)' 단계에서 인(P)을 산화시킵니다. 지멘스-마르틴(SM) 공정으로도 불리는 오픈 허스 공정은 토마스 공정과 거의 동시에 개발되었습니다. 재생식 열교환으로 연소 공기를 예열해 고철과 선철을 용해·정련하는 반사로(reverberatory furnace) 방식입니다.

1950년대 전로 제강이 등장하기 전까지 제강은 주로 오픈 허스 기술에 의존했습니다. 선철과 고철을 대형 수평로에 장입하고 버너로 고철을 용해했으며, 산소 랜스로 버너 효율을 높이고 선철의 C, Si를 제거했습니다. 오픈 허스는 타열(allothermic) 공정이라 외부 에너지 공급이 필수였습니다. 일반적인 탭투탭 시간은 200~250톤 규모에서 8시간이 소요되었습니다.

전기로(EAF)의 등장과 산소 제강의 선구적 개념

전기 발명 직후인 1900년경 에루(Heroult)가 알프스 계곡 라 프라(La Praz)에서 전기로(EAF) 제강을 도입했습니다. 당시 장거리 송전이 불가능해 수력 발전소 인근에 입지했습니다. EAF는 석탄 대체 에너지를 활용하고 오픈 허스보다 더 많은 고철을 용해할 수 있었으며, 리사이클링 경제의 시초가 되었습니다.

전로 제강의 개념은 1856년 헨리 베세머가 액체 철 탈탄을 위한 산소 취입 공정을 특허(영국 특허 2207)로 출원하면서 거슬러 올라갑니다. 하지만 당시 대량 산소 공급 기술이 없어 상용화되지 못했습니다. 1928년 린데(Linde)사가 린데-프랭클(Linde-Fränkl) 공정으로 대량 순수 산소 공급에 성공하면서 산소 가격도 저렴해져, 전로 제강의 두 전제 조건(대량 공급 가능, 저렴한 가격)이 충족되었습니다.

초기 산소 취입 실험과 좌절

유럽과 미국에서 산소 취입 실험이 반복되었습니다. 오토 렐레프(Otto Lellep)도 고순도 산소 실험을 했으나 '용융 철 욕조에 수직으로 산소 분사' 개념은 실패했습니다. 후베르트 하우트만(Hubert Hauttmann)에 따르면 1936~1939년 구테호프눙스휘테(Gutehoffnungshütte)에서 렐레프 실험에 참여했는데, 컨버터 바닥 노즐로 순수 산소를 불어넣어 선철을 정련하려 했으나 생산된 강 품질이 형편없었습니다.

2차대전 중 독일 C.V. 슈바르츠(Schwartz), 벨기에 존 마일스(Miles), 스위스 로베르트 뒤러(Durrer), 독일 하인리히 헬브뤼게(Heilbrugge)가 각자 산소 취입 제강안을 제안했으나, 뒤러와 헬브뤼게만 양산 수준까지 발전시켰습니다. 슈바르츠는 1939년 초음속 산소 분사 특허를 냈으나 '사용 가능한 강을 생산하지 못함'으로 평가되었습니다. 훗날 LD 공정과 유사점도 있으나 특징(중앙 수직 취입 등)은 달랐습니다. 2차대전 발발로 슈바르츠 특허 기술이 초기 실용화되지 못한 것도 한 원인입니다. 1930년대 말 뒤러도 독자 실험을 시작했습니다.

게를라핑엔 실험과 LD 공정의 탄생

전후 하인리히 헬브뤼게와 로베르트 뒤러(롤슈 에이젠베르케 기술 이사)는 스위스 게를라핑엔 롤슈 에이젠베르케에서 추가 실험을 진행했습니다. 그림 1은 게를라핑엔 최초 상부 취입 산소 컨버터 사진입니다.

뒤러가 기본 이론을 정립하고 VÖEST에 별도 용기에서 상부 취입할 것을 자문했습니다. 1949년 6월 3일 VÖEST 구내에서 2톤 실험 컨버터로 연쇄 실험 시작. 초반 난항을 겪었으나 6월 25일 산소 압력을 낮추고 랜스 팁을 욕조에서 더 멀리 떨어뜨려 제트 침투 깊이를 줄인 '부드러운 취입(soft blowing)'으로 돌파구를 마련했습니다. 이 방식으로 압연 가능한 양질의 강 생산에 성공했습니다. VÖEST 실험부가 이 강을 검토해 매우 긍정적으로 평가한 순간, LD 컨버터 제강 공정이 탄생했습니다.

수백 회 2톤 히트 생산 후 옥외 설치 15톤 실험 컨버터로 전환, 1949년 10월 2일 첫 히트 생산. 신강종은 지속적인 야금·기타 시험을 거쳤습니다.

핵심 혁신: 욕조 운동과 '부드러운 취입'

이 혁신의 핵심은 용융 욕조의 운동이었습니다. 당시에는 깊은 산소 분사 없이는 충분한 욕조 운동을 얻기 불가능하다고 여겨졌습니다. 하지만 CO(일산화탄소) 생성으로 매우 만족스러운 욕조 운동이 달성되었습니다. '부드러운 취입' 원리는 FeO 생성을 촉진해 산화 불순물을 슬래그로 흡수시킴으로써 우수한 신강종 생산을 가능하게 했습니다.

린츠-도나비츠 협력과 산업화

게를라핑엔 롤슈 에이젠베르케, VÖEST 외에 만네스만(Mannesmann AG, 뒤스부르크-후킹엔)과 오스트리아-알파인 몬탄게젤샤프트(ÖAMG, 도나비츠)도 1949년 5월 산소 취입 공정 또는 산소 야금 일반에 관심을 표명했습니다. 린츠 실험과 시연 후 1949년 6월 17일 정확한 역할 분담 합의: VÖEST는 더 큰 정련 용기로 린츠 조강 정련 지속, 만네스만은 토마스 강 산소 취입 실험, 롤슈 에이젠베르케는 전기로 산소 활용 연구, ÖAMG는 저축 선철로 산소 테스트 수행. 합의로 산소 정련 세부 사항을 자사 외부에 누설하지 않기로 의무화.

합의에 따라 도나비츠 실험에서 샤프트로 산소 사용이 무가치함이 밝혀지자 대안 모색. 산소 취입으로 고망간 슬래그 회수 공정 개발 과정에서 순수 산소 취입 공정만이 도나비츠 증설·합리화 계획에 부합함이 확인되었습니다. 5~10톤 실험 설비(초기 산소는 실린더 직렬 공급)로 성공적 개발 후 신규 제철소 건설 결정(2년 내 가동 목표). 도나비츠 기술진은 자사 공정을 'SK'(독일어 'Sauerstoff-Konverter' 약자)로 명명해 VÖEST와 구별.

1949년 12월 9일 VÖEST 하인리히 리히터-브롬(Heinrich Richter-Brohm) 사장이 리스크 감수하며 최초 LD 제철소 건설 결정. 경질 강종 생산 방법 확정 후 도나비츠에도 LD 플랜트 건설 결정. 1950년 최초 특허 출원.

LD 강종 품질 우위와 세계적 확산

1951년 연례 연구·품질 보고서에서 "LD 강종은 품질 면에서 큰 잠재력, 특히 우수한 표면 품질과 양호한 냉간 성형성을 겸비한 강 생산 가능. 이는 박판 생산에서 종래 킬드 강(killed steel)에서만 가능하던 냉간 성형성을 표면 결함 수용 없이 구현할 수 있음을 의미. 산소 정련 공정으로 고항복강도 강도 매우 유리하게 생산 가능"이라고 기록.

1951년 린츠에서 순수 산소로 선철을 정련해 양질 강을 대량 생산하는 혁신적·조업 신뢰성 있는 공정 확립. 1951년 12월 오스트리아 야금학회 '순수 산소 제강' 컨퍼런스에서 최초 공표. 뒤러 박사는 린츠와 도나비츠 두 제철소가 고순도 산소로 자국 선철을 취입하는 개념을 실용적 산업 공정으로 발전시켰음을 선언하고 축하. 이로써 오스트리아가 선철에서 순수 산소 취입으로 산업 규모 강을 생산한 최초 국가가 되었습니다. 그림 2는 산소 취입 전후 LD 컨버터 단면도.

1952년 11월 27일 린츠 LD 제철소 1호기(그림 3) 가동으로 산소 취입 제강의 이정표 수립. 1953년 1월 5일 세계 최초 LD 제철소 정식 개소. 1953년 6월 17일까지 10만 톤, 12월 초 25만 톤 생산. 1953년 5월 22일 도나비츠 ÖAMG 제2 LD 제철소 가동. 완전 성숙한 공정은 강 품질과 경제성 모두에서 기대를 초과 달성.

이 공정의 탁월한 야금 조건으로 탈산 불필요한 무산소 조강 생산, 저가스·저질소·무인·무황·불순물 없는 강 생산. 기술적 특성, 특히 냉간 성형성에서 오픈 허스 강을 명백히 앞섰습니다. 구조용 강종 우수 품질 공급 가능. LD 강으로 제작된 용접 구조물이 극한 하중 조건에서 우수한 성적. 광폭 강판 코일이 독일 내외 냉간압연공장에 대량 공급.

린츠-도나비츠 약자인 'LD' 명칭은 1958년 공식 채택. VÖEST(린츠)와 ÖAMG(도나비츠)가 산업 규모로 성숙시켰기 때문입니다.

세계적 라이선스 확대

1954년 8월 캐나다 도미니언 파운드리 앤드 스틸(Dominion Foundries & Steel)이 독일 외 최초 LD 제철소 가동(60톤 컨버터 2기). 같은 해 미국 맥라우드 스틸(McLouth Steel Corp.)이 VÖEST 플랜트 디렉터 루돌프 리네슈(Rudolf Rinesch) 지원으로 가동. 1956년 9월 프랑스 퐁페이 제철소(Société des Aciéries de Pompey)가 15톤 컨버터로 3번째. 1957년 서독·일본·브라질·미국 5기, 1958년 5기 추가, 1959년 인도 루르켈라 2기, 1960년 8기 가동. 1960년엔 미국·일본·스페인·포르투갈·이탈리아(증설)·서독·브라질·영국·스코틀랜드·노르웨이·아르헨티나·호주(1961)·프랑스에서 추가 건설 중.

지속적 기술 개선: 하부 취입, 복합 취입, 가스 회수

원래 LD 공정은 수직 랜스 수냉 노즐로 용융 철 상부에 산소 취입. 1960년대 하부 취입 컨버터와 불활성 가스 취입(교반·인 제거) 연구 시작. 1970년대 초 탄화수소 가스나 연료유로 보호되는 튜이어(tuyere)로 하부 산소 취입 개발. 상부·하부 취입 경험 축적 후 복합 취입 컨버터 개발. 1970년대 말 컨버터에 혼합 취입 도입. 현재 세계 대부분 컨버터는 복합 취입형.

상부 취입 컨버터에서는 산소 취입 중 욕조 혼합 부족으로 조성·온도 불균일 발생. 제트 캐비티 직하에 상대적 데드존 형성. 이를 개선하려 복합 취입 공정 개발. 최초 상용화된 복합 취입은 ARBE-IRSID 개발 LBE(Lance Bubbling Equilibrium) 공정. BOF 공정과 유사하게 모든 산소를 상부 랜스로 공급하되, 컨버터 바닥에 다공성 엘리먼트 설치해 아르곤/질소 취입으로 복합 취입 구현. LBE 공정은 취입 대부분 구간에서 질소 가스(3~11 Nm³/min) 사용, 후기 질소 흡수 우려 시 아르곤으로 전환. 취입 후 교반 시 아르곤 거의 단독 사용(10~17 Nm³/min).

컨버터 가스 회수와 환경 대응

LD 컨버터 초기에는 상부 가스를 컨버터 입구 개방 후드에서 완전 연소 후 스택에서 수냉 또는 증발 냉각. 당시 조강 톤당 약 300kg 증기, 250 Nm³ 배가스 발생.

1950년대 산업화 당시 컨버터 배가스 미세 분진이 심각한 환경 과제. 컨버터 분진 1g당 가시 표면적 300~500 m². '갈색 연무' 시각적 영향 방지를 위해 분진 농도 100 mg/Nm³ 미만으로 저감 필요. 습식·건식 집진 시스템 모두 사용. 환경 이슈 증가는 도전이자 기회가 되어 연소 억제 가스 회수 시스템 개발로 이어짐. 오늘날 경제·환경 요구로 컨버터 가스 에너지와 철분 함유 분진 회수·재활용 필수.

1960년대 초 고열량 컨버터 상부 가스 회수 공정 개발로 플랜트 내 기체 연료로 활용. 컨버터 입구 상부 장비로 가스 냉각·정제·연소 억제 회수 수행. 연소 억제로 조강 톤당 70~100 Nm³ 컨버터 가스 회수(발열량 1,600~2,000 kcal/Nm³). 증발 냉각 채택 시 톤당 80kg 증기 추가 생산.

초기 컨버터 굴뚝 갈색 연무가 가동 표시였다면, 오늘날 가스 회수·정화 시스템으로 플레어 스택만으로 가동 여부 확인 가능.

현대적 개선과 위상

1977년 이후 컨버터 용기 설계, 내화물 재료·시공 기법, 산소 랜스·로 바닥 노즐 설계 등 다방면 개선으로 제강 효율 대폭 향상, 단위 원료·내화물 소비 저감, 수명 수천 히트 연장 달성.

오늘날 컨버터 용량은 350톤급까지 대형화. 2014년 세계 조강 생산 16억 6,900만 톤 중 전로 공정 12억 2,900만 톤으로 전체 73.7% 점유.