지속가능한 재활용을 위한 철스크랩 선별·전처리 최적화

철스크랩 및 스크랩 선별·전처리 공정

철스크랩 재활용은 자원 채굴 저감·환경 영향 감소 효과로 최근 환경 이니셔티브 확산과 함께 탄력받고 있습니다. 철스크랩 재활용은 철자원 현명한 관리의 일환. 세계철강협회 자료: 고로-전로(BF-BOF) 일관제철은 조강 1,000kg 생산에 철광석 1,400kg, 석탄 800kg, 석회석 300kg, 재생 강철 120kg 소요. 전기로(EAF) 루트는 평균 재생 강철 880kg + 기타 원료(DRI, 용선, 과립철 등), 석탄 16kg, 석회석 64kg으로 조강 1,000kg 생산. 평균 스크랩 1톤 회수 시 철광석 1,030kg, 석탄 580kg, 석회석 50kg 절약. 철스크랩 재활용은 에너지 소비도 절감. 제강 시 용해 스크랩 99.9%가 신규 강철 생산에 소모, 환경 유해 폐기물 거의 미발생.

스크랩 발생 시점별 3대 분류

1. 홈 스크랩(Home scrap): 제철소 내 신제품 제조 중 내부 발생 스크랩. 런어라운드 스크랩(Runaround scrap)이라고도 함. 철강 생산 공정 중 트리밍, 불량품 등 형태. 제철소 생산 구역 벗어남 드묾. 제강로 현장 반환 재용해. 물성·성분 알려져 있음. 기술 발전으로 발생량 대폭 감소.
2. 뉴 스크랩(New scrap, 프롬프트/인더스트리얼 스크랩): 철강 제품 가공·제조 업체 발생. 절단, 인발, 압출, 가공 시 발생. 주조 공정도 과잉 금속 스크랩 발생. 선반 깎이, 클리핑, 스탬핑 잔재 등. 스크랩 프로세서/딜러 또는 직접 제철소로 신속 이송(보관 공간·재고 관리비 절감). 공급량은 산업 활동 함수(활발할수록 다량 발생). 성분·물성 잘 알려짐. 통상 청정(타 물질 혼입 안됨). 원칙적으로 용해 전 별도 전처리 불필요(크기 절단만 필요할 수 있음).
3. 올드 스크랩(Old scrap, 포스트 컨슈머/폐기 스크랩): 산업·소비재 철강 제품(자동차, 가전, 기계, 건물, 교량, 선박, 캔, 철도 차량 등) 수명 다해 폐기된 강철. 소비 사이클 후 수집(별도/혼합), 출처·수집 체계 따라 오염도 다양. 제품 수명 10년~50년 이상(건축 제품 등) → 대량 철강 제품 사용 중 축적. 수년~수십년 사용 물질로 성분·물성 미지 다수. 타 쓰레기 혼입 빈번. 올드 스크랩이 재사용 가장 어렵고 비용 많이 듬. 재활용 제품 편입 위해 세척, 선별, 코팅 제거 등 전처리 필요.

스크랩 선별·전처리 공정

다양한 출처·형태 스크랩 → 오염물 제거 및 타 유가 금속(비철금속) 회수 위해 다수 선별·전처리 공정 필요.

홈 스크랩·대부분 뉴 스크랩

거의 전처리 불필요. 단, 대형 조각은 랜싱/가스 절단으로 제강로 투입 적정 크기 조정 필요.

대형 아이템 처리

선박, 자동차, 가전, 철도 차량, 구조용 강재 등 대형품 → 제강로 투입 위해 절단 필요. 전단기, 휴대용 절단 토치, 크러셔, 슈레더 사용. 수동 선별: 스크랩서 부품 수작업 제거(자동차 라디에이터, 라디에이터 플라스틱 엔드 탱크 등). 금속/비금속 분리도 수동 수행 빈번.

대형 스크랩 크기 축소 장비·공정

기계적 공정

일반적 기계적 공정: (1) 베일링(Baling), (2) 브리케팅(Briquetting), (3) 전단(Shearing), (4) 슈레딩(Shredding). 화학적 공정도 일부 케이스 적용.

• 베일링: 유압/기계 프레스로 스크랩 압축→고밀도 직육면체 베일(Bale) 생산. 베일링 프레스: 고표면적·저밀도 스크랩(선반 깎이 등) 압축. 최대 3개 유압 램 사용. 600마력 최대 프레스는 엔진 없는 납작한 자동차 3대 2분 내 2.5톤, 1m×0.5m×2m 베일 생산. 장점: (1) 트럭 적재 중량 증대→운송비 절감, (2) 공간당 저장량 증대, (3) 취급·보관 용이·체계화→취급비 절감, (4) 고밀도 로 차지 획득.
• 브리케팅: 소형 스크랩 역회전 드럼 사이 포켓 압축 성형. 재료 따라 열 보조 가능.
• 전단(Shearing): 유압 길로틴 전단기 날로 스크랩 절단. I빔, 선박 플레이트, 파이프, 철도 왜건 측면 등 중량물 절단. 전단기 헤드 포스 300~2000톤 이상. 최저가 악어 전단기 200mm 두께 중량 스크랩 절단. 대형 전단기 더 강력.
• 슈레딩(Shredding): 타 물질(유리, 플라스틱, 고무, 비철금속 등) 함유 스크랩(자동차, 가전)에 적용. 거대 전동 모터 구동 경화강 해머/나이프로 파쇄→자석으로 강스크랩 분리. 슈레더 고자본비·고운영비 → 정기적 대량 스크랩 공급 시만 정당화. 프래그먼타이저(Fragmentizer)라고도 함. 매시브 해머밀로 주먹 크기 파쇄. 주원료 자동차 차체, '백색 가전'(스토브, 세탁기, 건조기, 냉장고) 등 대형품도 슈레딩 가능. 규모 따라 월 1,500~20,000톤 이상 처리. 슈레딩 산출물 3종: (1) 페로스 메탈(철강), (2) 경량 슈레더 잔재, (3) 중량 슈레더 잔재. 두 잔재 단독/통합 '슈레더 잔재(SR)' 호칭. '슈레더 플러프(Shredder fluff)': 사이클론 공기 분리 중 수집 저밀도·경량 물질. 자석 분리 페로스 메탈 회수. SR 중량분: 알루미늄, 스테인리스, 구리, 아연, 납 위주. 중량분서 비철·철금속 회수. 중량 매체 분리, 와전류 분리가 주 기술.

자기 분리 공정

대량 페로스 스크랩 타 물질 분리용. 영구자석·전자석 사용(전자석 온오프로 픽업·드롭). 벨트형·드럼형 가능. 드럼형: 회전 쉘 내 영구자석, 벨트 위 물질 통과. 벨트 세퍼레이터: 풀리 사이 연속 벨트 이동, 자석 중간에 위치. 한계: 니켈·자성 스테인리스와 철강 분리 불가. 철 함유 복합 부품 수집→용강 오염 우려. 수동 선별 병행으로 방지.

와전류 분리 공정

비철금속 폐기물·SR 분리용. 1차 자기 분리 후 수행. 비자성 금속 전기 전도성 이용. 공급 스트림에 자기 전류 통과→자기장과 금속 내 와전류 반발력 상호작용 활용. 경사 램프 세퍼레이터: 비자성 슬라이딩 표면(스테인리스 등) 경사판 위 자석 배열. 혼합 물질 공급 시 비금속 직하, 금속 측면 편향→두 스트림 별도 수집. 변형: 회전 디스크 분리(자석 회전축 배열), 헤드 풀리 자석 장착 컨베이어. 모두 자기장 영향/비영향 물질 궤적 차이 이용 분리.

중량 매체 분리 공정(Heavy Media Separation, HMS)

슈레더 잔재 비철금속 회수용. 미분 마그네타이트/페로실리콘+물 매체 사용. 고체 비율 조절로 매체 비중 조정. 분리 대상 두 물질 밀도 중간값으로 비중 설정 통상. 분리 후 드레인, 매체 회수→재사용. 제품 부착 매체 물 분사 제거. 결과 용액 자석 분리→매체 회수. 폐수 분사수 재사용. HMS 보통 개방 욕조(중력=분리력). 미세 입자 매체 점성력 분리력 방해→사이클론 세퍼레이터로 중력 수배 분리력 확보.

물리·화학적 특성 이용 분리

색상, 밀도, 자성, 스파크, 화학, 분광 시험 활용. 숙련 작업자(소터)가 제한적 물리·화학 테스트로 스크랩 식별. 색상, 겉보기 밀도, 시약 반응, 화학 분석, 자성, 연마숫돌 스파크 패턴, 분광 분석 기반 객체 인식.

• 색상, 밀도, 상대 경도 등 물리적 특성으로 특정 물질군 신속 분리 가능(예: 구리·황동 색상, 납 밀도·연도로 식별).
• 유사 합금 등급·성분 구별 어려움 → 자성 시험, 스파크 시험, 화학·분광 분석 병용.
• 자성 시험: 철, 니켈, 코발트, 저합금 스테인리스 강자성 → 합금 계열 분류 가능(등급 구별 불가).
• 스파크 시험: 연마숫돌로 합금 연마→스파크 색상·길이로 합금 식별. 스펙트로미터로 스파크 스펙트럼 분석·표준 비교 식별 가능하나 휴대성 낮아 널리 쓰이지 않음. 숙련 작업자 색상·길이 관측으로 구별.
• 광학·X선 분광기 합금 조성 식별용 사용. 열전 테스트(제베크 효과)로 물질 식별: 동일 금속 두 프로브(한쪽 가열, 한쪽 상온) 접촉→특성 전위차 발생. 화학 스팟 테스트: 산 등 시약 떨어뜨려 반응 관찰. 정량 화학 분석으로 정확 조성 확인.

디코팅(De-coating) 공정

스크랩 정제 공정이라고도 함. 트램프 원소(구리, 주석, 안티모니, 납 등) 제거 효과적. 제강 용융물서 철과 공존 시 산소 친화력 낮아 산화·슬래그 용해 제거 불가(규소, 망간, 알루미늄은 산화·슬래그 용해 제거 가능). 트램프 원소 제거 위해 고체 상태 저온 전처리 필요. 고체 상태 전처리 장점: 트램프 원소 순수 상태(페로스 부분 혼재 또는 스크랩 표면 존재) → 제거 용이.

다수 강철 제품 타 금속 코팅 사용(아연도금강판, 양철판 등). 이런 코팅 제품서 발생 스크랩은 제강로 투입 전 코팅 박리 필수. 현재 산업용 디코팅 공정 다수 존재.

스크랩 탈아연(Dezincing) 공정

주 아연 공급원: 아연도금강판 스크랩. 아연 코팅 스크랩 투입 → 배가스 산화아연 배출. 고증기압(1600°C에서 71 kg/cm²) → 제강 중 대부분 증발. EAF 아연 밸런스: 아연 입력 97.9% 흄 동반 배출, 2% 강철 잔류, 0.1% 슬래그. 용해 단계 아연 제거 문제없으나, 아연도금 스크랩 대량 재활용 문제 회피 위해 전처리 단계 탈아연 유용.

열적 탈아연 방법

• 아연도금 부품 900°C 이상 가열→아연 증발
• 코팅 취화 온도 가열→마모로 코팅 제거
• 가열 후 쇼트 블라스팅으로 코팅 제거

화학적 탈아연

암모니아 침출 또는 가성소다로 아연도금 스크랩 아연 코팅 용해.

전해 탈아연 연속 공정

호흐벤스(Hoogovens, 네덜란드) 개발, 프랑스 파일럿 플랜트 운전. 아연도금 스크랩 고온 가성소다액 침지→아연 용해, 강철 무영향. 용해 반응기 출구 탈아연 스크랩 세척·압축. 아연 농축액 전해 셀 순환→음극판 전기 증착 아연 회수. 고처리비·추가 운송비 단점. 단, 대량 아연도금 공정 스크랩 공급·신뢰성 제강 원료 수요 결합 니치 시장서 실질적 직접 재활용 솔루션 제공. 최근 열처리, Cl₂-O₂ 가스 혼합 처리, 열처리 후 기계적 후처리 등 타 탈아연법도 연구 중.

스크랩 탈주석(Detinning) 공정

주석 저융점→열간 강철 약점 구역(hot shortness) 등 유발. 주석 함유 스크랩(식품 캔, 자동차 베어링 등) 재활용 시 주석 결정계 편석→표면 스캡(surface scabs) 발생→제품 표면 품질 저해. 양철 스크랩 탈주석 공정: 전해법, 알칼리법 등.

전해 탈주석

오래전 상업화. 양철 스크랩 1.2 t/m³ 이상 밀도 번들 압축→번들 양극, 85°C 가성소다욕 침지. 주석 스펀지 형태로 강철 음극 석출→스크랩 제거→대형 알약 압축→주석 산업 폐기. 탈주석 후 잔류 주석 0.02%까지 달성 가능. 연간 3만 톤 이상 처리 용량 시 경제적. 뉴 스크랩 적합, 올드 스크랩 문제점.

기타 탈주석 연구

• 기계적 처리(슈레딩)로 주석 코팅 제거 불가.
• 400~550°C 황화 처리(황 포텐셜 반응 가스)→취성 황화물상 제거: 실험실 규모 성공.
• 산업 조건 강철 용융물서 주석 제거 현재 불가능. 실험실: Ca 함유 슬래그 환원 조건 처리, 1 kg/m² 진공 처리 성공.

스크랩 탈동(Decopperization) 공정

구리 통상 제련법으로 스크랩基 용융물서 제거 불가. 구리 저감 접근: (1) 스크랩 선별 개선, (2) DRI로 오염 차지 희석, (3) 기계/화학적 전처리 불순물 제거. 황화 플럭스 처리로 구리 제거 실험실 규모 확인. 더 유망: 기상 감압 하 강철 용융물 처리(구리 선택적 증발). 실험실 규모 성공. 현재 슈레더 조작 최적화(슈레더 그리드 개도 조절로 구리 함량 제어) 연구 중. 선별 측면: 수작업 핸드 피킹이 구리 제거 가장 효과적.

소각(Incineration)

유분, 그리스, 페인트, 윤활유, 접착제 등 가연물 제거용 소각 공정 활용.

최신 스크랩 선별 기술

휴대용 광학 방출 분광기(Portable OES)

현장 스크랩 금속 선별·식별 중요 도구로 부상. 실험실 설치형 대비 정밀도·정확도 낮으나 선별·등급 검증용 충분. 휴대용 분광기로 강종별 분리 + 각 강종 구성 개별 등급 90~95% 이상 분리 가능.

색상 선별 공정(Color Sorting)

최초 산업 적용 자동 선별 공정 중 하나. 세계 최대 비철 스크랩 선별사 허론 밸리 스틸(HVSC) 개발. 10년간 아연, 구리, 황동, 스테인리스 선별 활용. 컴퓨터 영상 분석 기반: 각 금속 조각 색상 검출→지정 범위 내 색상 조각 자동 선별. 이미지 디텍터 전 싱글링 메커니즘으로 체인형 입자 프로파일 생성 필수.

HVSC 색상 선별 정확도 높음(금속 순도 98% 이상). 입자 크기·형상 독립적이라 가능. 컴퓨터 기술 발전으로 실시간 영상 분석 속도 대폭 향상. 산업용 색상 선별기 발전으로 미세 색상 차이 금속 효과적 선별 능력 비약적 향상.

레이저 유도 파괴 분광법(LIBS) 활용 공정

각 스크랩 조각 실제 화학 조성 신속·경제적 분석→최고 품질 스크랩 확보. LIBS: 1980년대 초 로스알라모스 국립연구소 개발(다양한 응용). 1990년대 초 메탈게젤샤프트와 공동 프로젝트로 고체 금속 조각 분석 적용. 실용적 측면에서 금속 스크랩 원소 조성 정확 측정 확인. 단, 프로젝트 초점은 모원소 식별, 전체 스펙트럼 분석 아님. 표면 도료, 윤활유, 접착제 없어야 함(펄스 레이저 침투 깊이 30옹스트롬 이하). 큰 제약.

레이저 대신 X선으로 스크랩 표면 조사 가능. X선 형광(XRF) 합금 식별용 사용, 휴대용/핸드헬드 상용 기기 다수 존재.