용융환원(Smelting Reduction, SR) 공정은 용선(액체 철) 생산 기술의 최신 발전입니다. 비코크스 석탄 가스화와 철광석 용융 환원을 결합합니다. 코크스 제조 불필요, 철광석 전처리 필요성 감소로 고로(BF) 대비 에너지 집약도 낮음.
SR 제철 공정 개념은 1930년대 후반 구상. 개발 역사는 1950년대 거슬러 올라감. 1951년 댄시(Dancy)가 실험실 규모 SR 기초 연구 시작. 본격적 노력은 1980년대 이후.
20세기 후반 1차 제철 기술의 두 가지 개발 라인
제1 라인: 고로(BF) 중심 진화
고로는 용선 생산 주력 공정으로 잔존. 로 자체 급진적 변화 없이 점진적 진화:
로 크기 증대
부담 제조 개선
로 상부 압력 증대
열풍 온도 상승
벨리스 차지(bell-less charging) 및 부담 분포 개선
내화물·냉각 시스템 개선
보조 연료 주입(연료 가스, 액체 연료, 미분탄) 및 산소 풍부 열풍
자동화, 계측·제어 기술 발전
대형 고로에서는 규모의 경제 효과 더해져 높은 열·화학적 효율과 원가 우위 달성.
고로 공정의 한계
고로 용선 생산 기술은 연산 200만~300만 톤 대규모 운전에서 기술적·경제적 효율 극대화 단계 도달. 코크스 제조, 철광석 분광 소결 설비 등 막대한 부대 인프라 필요 → 현대 고로 콤플렉스 고자본 집약적, 장시일 건설, 근용량 운전해야 경제성 확보.
제2 라인: 소규모 유연 생산 루트 개발
고로와 병행하여 저투자비 소규모 유연 제조 루트 개발 노력 병행. 1960년대 말~1970년대 초 대체 1차 제철 기술로 직접 환원(Direct Reduction, DR) 기술 등장. 철산화물 원료를 철 용점 이하 온도에서 환원 가스로 금속 철로 환원. 생성물 DRI(직접 환원 철)는 원료 형태(보통 덩어리광/펠릿)와 유사, 원광 강광물질 포함. 스펀지 아이언(Spponge Iron)이라고도 함. 제강 시 스크랩 대체재로 적합, 저잔류 성분·취급 용이성 등 스크랩 대비 품질 우위.
DR 공정의 한계
경제적 운전 규모 작음(통상 연산 60만 톤 미만)
부대 인프라 적음, 고로 대비 저자본 집약적
일부 공정은 천연가스 원료 사용 → 천연가스 매장지 제한적
석탄基 DR 공정은 주로 회전로 기반, 기술·경제적 이유로 소수 국가에서만 보급
중간 제품(DRI) 생산 → 스크랩과 직접 경쟁(전기로/유도로 용해·정련 필요). 고전력비로 전기로 용해 매력 저하. 불황기 스크랩 가격 하락 → DRI 가격 하락 → 대부분 국가에서 DR 공정 저조
DR 공정 저조함이 SR 제철 공정 루트 개발 동기 부여. 고로 공정과 경쟁하면서 고로 직면 문제점 회피 가능한 공정 개발에 역량 집중.
SR 제철 공정 개발 목표
원가 절감: 고로는 열·화학적으로 효율적 → 원료·에너지비 절감 여지 적음. 하지만 코크스 제조·소결 플랜트 등 고자본 부대 설비 회피로 고비용 구조 개선 가능. 비코크스 석탄 직접 연료·환원제 사용, 철광석 분광 직접 사용으로 응집 플랜트 생략, 대량 산소 활용(고압 산소 사용으로 대형 송풍기 불필요, 열풍로 불필요).
소규모 운전: 부대 설비 의존도 낮추면 전체 투자비 절감 → 경제적 운전 규모 축소 가능(연산 약 50만 톤). 소규모 SR 공정은 덜 복잡, 건설 기간 단축, 조업 단순. 대규모 자금 조달 곤란 국가, 야금용 석탄 수급 곤란 국가에 매력적.
유연성 증대: 저자본비, 비코크스 석탄 사용으로 운전 유연성 향상. 소규모 자립형 공정 유닛은 대형 일관 제철소(코킹, 소결, 고로) 대비 물류·관리 유연성 우위. 다양한 공급처 석탄 사용 가능 연료 유연성 추가 이점.
기존 기술과 통합성: 기존 제강 공정 사용 가능한 철 생산. 플랜트 내 기존 제철 공정 간섭 없음. 제품은 온도·화학 조성 면에서 고로 용선과 유사해야 함.
환경 영향 우위: 환경 의식 고조로 저영향 공정 선호. 고로 대비 저배출·저폐기물 배출 목표.
공정 컨셉
고로와 보완/경쟁하기 위해 비코크스 석탄 주연료·환원제, 액체 철 제품 목표 신세대 SR 공정 개발 중. 다수 공정은 톤급 산소 사용해 석탄 연소로 공정 열량 충족. 일부는 대규모 전기 가열을 열원으로 구상.
고로 외 용융 환원으로 액체 철 생산은 오래전부터 기술적 타당성·매력 인정, 다수 공정 컨셉 제안. 대부분 상업화 못 함.
SR 공정 현재 개발 수준 이해 위해 초기 컨셉 출발점 파악 필요.
주요 공정 컨셉 유형
전로(BOS) 기반 컨셉: 1970년대 말~1980년대 초 전로 스크랩 용해 능력 향상으로 비용 절감 관심. 저가 스크랩 자극. 석탄 투입 후 추가 산소 취입으로 열 발생시켜 추가 스크랩 용해 방식 개발. 단, 로 내 에너지 회수 비효율적, 연료 에너지 상당 부분 배가스로 손실. 이 배가스가 직접 환원용 환원 가스로 적합함 인지. 환원철을 전로 금속 원료로 공급하여 자립적 용해·환원 공정 구축 개념 대두. 초기에는 환원로에서 냉각 DRI 배출 고려했으나, 고온 이송 에너지 효율 이점이 공학적 난제 상회함 인정 → 현재 컨셉은 고온 이송 기반. 개발자별 공정 특수 기능 있으나 기본 컨셉과 열화학 설계는 실질적 동일.
직접 환원 기반 컨셉: 천연가스基 DR 공정 비경제화(가용성·가격) → 비코크스 석탄을 DR 플랜트 환원 가스원으로 활용 노력. DR 공정+석탄 가스화 연계 기술적 타당하나 석탄 가스화 고자본비로 비경제적. 그러나 개념 발전시켜 혁신적 설계 멜터-가스파이어(melter-gasifier)를 종래형 환원 샤프트와 연계 제안. 멜터-가스파이어는 유동층(석탄·DRI 공급), 산소 랜스 유동층 내 침지. 석탄 유입 시 탈휘발, 잔여 차(char)가 유동층 주성분 및 DRI 용해 연료 역할.
고로 허스(Hearth) 기반 컨셉: 코크스층에서 용해·가스화, 고로 최종 용해 단계와 유사. 산소·주입 코크스 충전 반응기에 DRI 공급. 용융 철·슬래그 코크스층 통과하여 로 하부 집적, 고온 가스 코크스층 통과 배출. 코크스는 개방층 형성·가스 배출용, 주연료는 산소 연소 비코크스 석탄. 코크스 소비 최소화 목표. DRI를 석탄·산소와 함께 로 하부 주입 또는 코크스와 함께 상부 투입(반응기 내 소모 코크스 보충). 추가 발전으로 환원 단계를 용해로 상부에 통합 → 연속 대향류 산소/석탄 용융 환원 공정. 고로 수준 열·화학 효율 접근 추구.
전기 에너지 입력 컨셉: 여러 공정 기초. 전기를 열원, 석탄/탄화수소는 환원제로만 사용. 핵심 가정: 원자력 발전으로 풍부한 저가 전기 에너지, 화석 연료 고갈로 가격 상승. 그 외 반응기 설계는 산소/석탄 공정과 유사. 열원 연소냐 전기냐 불문하고 C/H/O/Fe 화학계 열화학적 제약 동일 적용.
전기로 용해 + 화석 연료 주에너지 컨셉: 전기로 용해·최종 환원, 화석 연료(주로 비코크스 석탄) 주에너지원. 연료 환원 단계 투입, 환원 배가스·타 폐열로 전력 생산해 용해에 사용. 환원·용해 조작 분리 가능(전력 수입/수출로 밸런스 조정). 부분 환원 물질+일부 연료(차)를 환원 유닛에서 멜터로 이송, 멜터에서 최종 환원 겸함.
위 목표·컨셉 기반 다수 공정 개발 수행. BSC, CIG, Hoogovens, Kobe, Krupp, Korf, BSC Oxy/Coal BF, Kawasaki, Pirogas, Plasmasmelt, Sumitomo, DSS, Combismelt, Elred, Inred 등. 일부 실험실 단계서 소멸, 일부 파일럿 단계 도달 후 중단. 대규모 M&A로 개발 통합되며 명칭 변경되기도 함. 이들 개발 축적 지식이 SR 공정 추가 발전에 기여.
최근 약 20개 SR 공정 전세계 개발 중. 기본 원리: 예비 환원 철광석/소결/펠릿을 비코크스 석탄과 산소/열풍으로 반응기에서 용해. 모든 SR 공정 목표: 비코크스 석탄·산소 최소 소비로 연료 효율 극대화.
SR 공정 분류
크게 두 범주: (1) 석탄+전기 이용 공정, (2) 산소+비코크스 석탄 이용 공정.
석탄+전기 이용 공정
전기 에너지원, 비코크스 석탄 환원제. 단계 수 기준 두 유형:
단일 단계: 예비 환원 없는 냉간 철광석과 비코크스 석탄을 전기 용해로 투입. 환원·용해 동일 로에서 수행. 용해로 배가스 내부 발전용 활용. 타 산소-석탄 공정 대비 높은 유연성.
2단계: 환원 유닛 생산 DRI를 전기 용해로에서 용해. 환원 유닛 배가스 내부 발전용 활용. 타 산소-석탄 공정 대비 높은 유연성.
그림 1 석탄+전기 이용 단일/2단계 공정 컨셉
산소+석탄 이용 공정
산소-석탄 연소로 에너지원 겸 환원용. 열화학 설계 기준 단계 수로 3유형:
단일 단계 공정: 가장 단순한 철욕 공정, 이론적 이상 설계. 단일 반응기에서 철광석, 석탄, 산소 투입, 액상 욕조 발생 가스 고도 후연소(약 75%), 열량 대부분 욕조로 환원. 습식 석탄·철광석 예비 환원 없이 투입 → 고에너지 소요. 총에너지 석탄-산소 연소로 공급. 환원 가스 활용 가능성 제한으로 산소·석탄 소요량 많음. 일반적으로 비효율·비경제적(고부가가치 고온 고환원력 배가스 충분한 크레딧 없는 한). 산화 전위·고비등 특성 거품 슬래그 제어, 내화물 침식 문제. 장점: 저자본비, 미조제 철광석·비코크스 석탄 사용, 저급 광석·석탄 수용 가능. 로멜트(Romelt), 아우스멜트(Ausmelt) 예시. 컨셉 그림 2 참조.
2단계 공정: 예비 환원용 별도 반응기, 용융 환원용 별도 반응기. 용해 단계 배가스 예비 환원 활용 → 최종 환원·용해 에너지 소요 저감. 예비 환원도·후연소도 따라 두 그룹:
그룹 1: 고예비 환원도, 극저 후연소도. 용해 공정 엄밀 제어 필요(배가스 조성·량 고금속화 DRI 생산에 딱 맞게). 코렉스(Corex) 공정 해당.
그룹 2: 저예비 환원도, 고후연소도. 고온 예비 환원 산화철을 비코크스 석탄·산소/예열 공기와 함께 용해로 투입. 욕조 발생 가스 용해로 내부에서 산소/예열 공기로 후연소. 후연소 열 기상→액상 욕조 효율 전달. HIsmelt, DIOS, AISI-DOE 등 해당.
2단계 공정 효율은 가스 반응 존과 용해 존 분리로 개선 가능. 멜터 배가스 1600°C→800°C 냉각 후 환원용 사용 시 열손실 발생. 단, 가스 반응 존에 탄소 존재 시 흡열 반응(C+CO₂=2CO, C+H₂O=CO+H₂)으로 배가스 온도 저감하며 에너지 손실 방지. 컨셉 그림 3 참조.
3단계 공정: 별도 가스화기, 용해 유닛, 예비 환원 유닛 결합. 용해로-예비 환원로 사이 가스화/가스 개질 추가 단계 필요. 가스화 존 탄소 존재로 에너지 손실 없이 용해로 배가스 온도 저감 가능. 컨셉 그림 4 참조.
