콘스틸(Consteel): 특허받은 EAF 스크랩 예열·연속 공급 기술로 에너지 절감 실현

콘스틸 전기로 공정

콘스틸(Consteel) 공정은 특허받은 혁신적 에너지 절약 기술로, 전기로(EAF) 스크랩 예열을 위해 '인터스틸 테크놀로지(Intersteel Technology Inc., 미국 노스캐롤라이나 샬럿, 1994년부터 테킨트/테노바 그룹 소속)'가 개발했습니다. 첫 산업 적용은 1989년 게르다우-아미스틸 샬럿(미국)에서 이뤄졌으며, 이후 꾸준히 산업계 수용이 확대돼 현재 콘스틸 EAF 공정은 검증되고 신뢰받는 제강 기술입니다. 에너지·원료 효율 극대화, 쉬운 조작·유지보수, 환경 친화성을 모두 갖췄습니다.

콘스틸 공정 적용 EAF에서는 예열 터널을 이동하는 컨베이어로 스크랩을 연속 공급·예열하며, EAF에서 나온 배가스가 금속 장입물과 대향류로 흐르며 터널 내 주입 공기에 의해 연소됩니다. 이 연속 공급·예열은 기존 EAF 배치 장입 대비 여러 잠재적 이점을 제공합니다.

콘스틸 공정은 최소 환경 영향으로 생산성 증대와 에너지 효율 향상을 동시에 달성합니다. 주요 이점: (1) 로 배가스 열 회수로 장입 전 스크랩 예열, (2) 단위 전력량 감소, (3) 산소(O₂)와 탄소(C) 사용량 감소, 버너 연료 소비 제로, (4) 탭-투-탭 시간 단축으로 생산 속도 향상, (5) 전력망 전기적 교란 대폭 감소, (6) 전극 소모와 전극 파손 감소, (7) 스크랩 수율 증가, (8) 백하우스로 배출되는 분진 감소, (9) 물류·인력·유지보수·폐기물 관리 비용 절감.

기존 스크랩 예열과의 차별성

낮은 전력 소요와 거품 슬래그 하 평탄욕(flat-bath) 안정 운전 덕분에 콘스틸 공정은 전력망이 상대적으로 약해 아주 낮은 교란만 허용할 때 이상적인 EAF 기술입니다. 콘스틸 공정은 소음, 분진, 오염 배출을 최소화합니다(독하우스 불필요). 기존 EAF와 달리 배가스 시스템을 버스트 배출 처리용으로 오버사이징할 필요도 없습니다.

기존 스크랩 예열은 전기 요금이 높은 국가에서 오래전부터 쓰였습니다. 기존 방식은 뜨거운 가스로 버킷 내 스크랩을 가열한 뒤 EAF에 장입합니다. 열원으로는 EAF 배가스 또는 연료 가스 연소 가스를 씁니다. EAF 4번 홀에서 배가스를 배관해 장입 버킷 위 특수 후드로 보내는 방식이 일반적입니다. 보통 가스는 EAF에서 1200℃로 나와 버킷에 815℃로 들어가 200℃로 나옵니다. 예열 정도는 스크랩 크기와 온도 체류 시간 함수인 열전달량에 달렸습니다. 통상 스크랩을 350~450℃로 예열하며, 이는 에너지 소비 40~60kWh/t, 전극 소모 약 0.35kg/t, 내화물 소모 약 1.2kg/t, 탭-투-탭 시간 5~6분 단축 효과가 있습니다. 기존 방식 단점: (1) 조작 불편(스크랩 버킷 부착, 버킷 수명 단축), (2) EAF 운전 단계별 배가스 온도·유량 변동으로 예열 제어성 나쁨, (3) 탭-투-탭 시간 70분 미만이면 기존 예열 물류상 에너지 절감 효과가 미미해 예열 설비 투자비 정당화 어려움.

콘스틸 공정 원리와 플랜트 특징

콘스틸 공정은 금속 장입물(스크랩, 선철 등)을 연속 예열·공급하면서 가스 배출을 동시에 제어합니다. 관성 컨베이어(inertial conveyor)로 스크랩을 야드에서 장입 구간(크레인 장입) → 폐쇄 구간(터널, EAF 배가스 대향류로 가열) → EAF로 연속 이송합니다. 예열 에너지는 EAF에서 나온 뜨거운 가스가 터널 내 주입 공기로 후연소(post-combustion)돼 공급됩니다. 예열된 스크랩은 EAF에 연속 공급돼 용강 내 침지 용해됩니다. EAF는 상시 평탄욕 조건 운전하며, 이는 배치 공정에서 전호가 고체 스크랩을 직접 녹이는 것과 대조되는 핵심 이점입니다. EAF 배가스는 일산화탄소(CO) 등 오염물질이 연료 소비 없이 완전 연소될 수 있는 조건으로 배가스 정화 설비로 보내집니다. 콘스틸 공정 개념은 그림 1에 나와 있습니다.

공정 설명과 플랜트 특징

콘스틸 공정은 금속 장입물을 EAF에 연속 공급·예열하는 공정입니다. 스크랩은 스크랩 야드에서 차지 컨베이어로 직접 장입된 뒤, 예열 컨베이어(터널)를 통해 자동 연속 이송되며 예열됩니다.

예열 에너지는 EAF에서 나온 뜨거운 가스가 터널 지붕에 의도적으로 배치된 인젝터로 주입되는 공기로 후연소돼 공급됩니다. 주입 공기 외에 비제어 공기(uncontrolled air)도 EAF와 터널로 유입되며, 주로 EAF-터널 연결부인 커넥팅 카 영역에서 들어옵니다. 비제어 공기도 EAF 배가스 후연소에 기여합니다.

터널 출구 가스는 배가스 정화 시스템으로 이송됩니다. 터널 끝단에 팬과 기계식 커튼 시스템(다이내믹 씰)을 설치해 외부 공기 유입을 차단합니다.

콘스틸 공정은 EAF에서 나온 가스 후연소에 기반하므로 EAF 내 제강 공정과 밀접히 연계돼 있습니다. 공정 최적화를 위해 EAF와 터널로 구성된 전체 시스템을 함께 고려해야 합니다.

각 인젝터 유량 관리가 가능합니다. 공기 주입은 자동 제어 또는 수동 설정 가능. 자동 제어는 터널 출구 가스 O₂ 농도 측정값을 목표치로 유지하도록 플랜트 제어 시스템이 6개 인젝터 유량을 적절히 관리해 달성합니다. 그림 2는 콘스틸 공정 개략도입니다.

콘스틸 공정의 특장점

콘스틸 공정은 스크랩 야드와 EAF를 연결하는 컨베이어 시스템으로 스크랩을 EAF에 연속 장입합니다. 기존 버킷 장입은 없습니다. 스크랩 야드 크레인이 컨베이어에 스크랩을 올리면, 컨베이어는 느린 전진과 빠른 후진을 반복하는 진동 운동으로 스크랩을 전진시킵니다(전진 시 스크랩과 함께 이동, 후진 시 컨베이어 표면에서 슬라이드하며 순전진).

로 진입 전 일정 거리에서 스크랩은 예열 구간(터널)에 진입하고, EAF에서 나온 뜨거운 가스가 스크랩 이동 방향과 반대(대향류)로 흐릅니다. 예열 구간에서 배가스 중 CO가 자동 제어되는 공기 주입으로 연소돼 더 많은 에너지가 스크랩으로 회수됩니다. 연속 장입 운전 중 EAF 강욕은 액체 상태 유지되며, 로 진입 스크랩은 용강 침지로 녹습니다. 전호는 배치 장입 때처럼 고체 스크랩 위가 아닌 항상 액체 욕(평탄욕) 위에서 작동해 안정적이며 고체 스크랩 영향을 받지 않습니다.

콘스틸 EAF는 기존 EAF 장입 가능한 모든 강 스크랩과 금속 원료 사용 가능. 스크랩 최대 치수는 일반 강 스크랩 규격(1.5m×0.5m×0.5m)과 호환됩니다. 핵심 규칙: 최대 스크랩 조각이 콘스틸 컨베이어 팁과 전극 사이 거리를 초과하지 않아야 전기적 브리지 방지 가능. 이 규칙으로 소형 로에서는 최대 조각 길이 제한될 수 있으나 대형 로는 더 관대. 실제 시중 스크랩은 최소형 콘스틸 EAF와도 이미 호환됩니다.

콘스틸 공정은 스크랩 장입이 연속이므로 스크랩 밀도가 기존 탑차지 로처럼 운영에 큰 영향을 주지 않습니다. 기존 로에서는 너무 가벼운 스크랩은 버킷 장입 횟수 증가로 효율·생산성 저하, 너무 무거운 스크랩은 초기 용해 지연, 대형 스크랩 케이브인(cave-in)으로 잦은 전극 파손 유발.

콘스틸 공정은 로 전력 입력과 장입물 질량 유량 균형(DRI 공급 로 제어 로직과 유사)으로 수행되며, 필요 질량 유량은 공정 제어 로직이 컨베이어 공급 속도 조절로 자동 달성(가벼운 스크랩=빠른 공급, 무거운 스크랩=느린 공급). 질량 유량은 로 계량 시스템 또는 최신 설비의 차지 트래킹 시스템으로 제어.

컨베이어에서 방출된 스크랩은 대량 용융 금속 풀(핫 힐)에 침지 용해돼 번들 같은 무거운 스크랩 조각 용해에 최적 조건 제공. 유일한 요건은 무거운 조각을 장입물 길이에 균일 분포시키는 것.

일반적으로 콘스틸 EAF에서 무거운 스크랩 조각 용해가 동일 크기 기존 EAF보다 훨씬 쉽고, 핫 힐이 적정 크기로 유지되고 바닥 교반(N₂ 또는 Ar)과 결합되면 로 성능이 향상됩니다. 보통 핫 힐은 탭 무게의 42~50%로 설정. 이 용융 금속량은 여러 히트 걸쳐 유지되며 공정 안정화 '열 플라이휠(thermal flywheel)' 역할을 합니다. 로 캠페인 첫 히트에서는 버킷 장입 용해로 핫 힐 생성. 로 비울 때는 장입 줄이고 핫 힐로 풀 히트 탭. 그림 3은 콘스틸 공정 라인 개략도.

콘스틸 시스템을 타 EAF 기술과 구별하는 두 가지 핵심 특징: 예열과, 더 중요하게는 연속 장입의 결합. 예열은 에너지 절감에 중요하지만 연속 장입이 더 큰 이점: (1) 저생산비, (2) 고생산성, (3) 유연성, (4) 환경 영향 감소, (5) 안전성 향상.

연속 장입은 전력 투입 기간 내내 장입을 분산. 버킷 장입 없음, 컨베이어가 야드에서 EAF로 직접 공급. EAF 지붕 항상 닫힘 → 가스 흡입이 1차 회로로만 지속(2차 회로 캐노피 불필요). 로 내 스크랩은 침지 용해, 전호는 거품 슬래그 덮인 평탄욕에서 작동. EAF 제어 시스템이 컨베이어 속도 자동 조절로 강욕 목표 온도 유지, O₂·C 주입 제어로 적정 거품 슬래그 유지.

장입물 예열은 에너지 소비 절감에 효과적. 절감량은 예열 온도와 용해 효율 함수. 평균 예열 온도 400~600℃ 가정 시 탭 액강 톤당 80~120kWh 에너지 절감. 기존 콘스틸 설비 운영 경험으로 확인된 수치.

콘스틸 시스템 장착 EAF 대표 히트 사이클은 그림 4에 나와 있습니다. 이 특성들로 콘스틸은 운영비 절감과 환경 영향 감소에 상당한 이점. 작업 환경에서 소음 감소, 분진 감소, 버킷 장입에 따른 소음·수송·열손실·배가스 누출 없음.

야금적으로 로 내 용강이 더 좋은 평형 상태에 있어 격렬한 반응 발생 가능성 낮음. 로 수냉 사이드월, 지붕, 랜스는 아킹이나 스크랩 충격으로 인한 누수 문제 없어 로 내 물 유입 위험 최소화. 이 모든 것이 일반 제철소 기준보다 더 안전하고 쾌적한 작업 환경 조성에 기여.

최신 콘스틸 공정 핵심 특징은 공정 내 화학 에너지 양과 효율을 높이는 신규 솔루션 도입. 이는 실험실 시험과 광범위한 CFD 분석으로 개발. 신규 솔루션: 더 넓은 컨베이어(열교환 면적 증대), 다른 터널 프로파일(대류 열교환 개선), 버너 장착 신규 터널 구간(화학 에너지 입력 증대). 신규 솔루션으로 배가스 유량·온도·조성 연속 측정으로 화학 에너지 사용을 구간별 제어, 관련 운전 파라미터 자동 최적화. 결과: 더 효과적 장입물 예열과 낮은 운영비.

기존 EAF 제강과의 비교

기존 EAF 제강과의 가장 큰 차이는 수율 향상이나, 물류와 유지보수 측면도 여럿 있습니다.

가장 중요한 작업은 스크랩 야드에서 로까지 스크랩 흐름 관리. 기존 EAF는 버킷 준비, 콘스틸은 연속 장입 시스템. 기존 EAF 원료 취급은 보통 천정 크레인 다수로 수행(고장 대비 안전 마진). 크레인 수는 로 히트 크기, 스크랩 밀도, 버킷 크기 고려해 주어진 시간 내 준비할 버킷 수 기준으로 결정. 콘스틸은 충전 컨베이어 옆에 원료 보관하는 다른 스크랩 야드 구성 채택. 충전 크레인 크기·대수는 로 필요 최대 스크랩 공급률 기준(그림 3). 콘스틸은 스크랩 이동 최소화로 물류 단순화.

유지보수 관행은 스크랩 야드 설비, 로 베이 설비, EAF 로, 슬래그·분진 처리에 따라 달라짐. 콘스틸은 컨베이어 장입용 천정 크레인만 있어 계량 작업도 겸함. EAF 유지보수는 용해 공정 영향 강함. 로 소비성 부품에 가해지는 열·화학적 스트레스는 주로 용해 공정 파라미터에 좌우(그림 5).

전극 소모가 최대 유지보수 비용이나, 콘스틸은 로 내 후연소율 낮아 산화율 저하로 약 15% 덜 소모. 전극 침식은 멜트샵 생산성에도 의존. 동일 조건에서 콘스틸 생산성 더 높으므로, 저생산성 기존 EAF와 전극 소모 동일선상 비교 가능. 평탄욕 운전으로 전호 안정성 좋아 전극 파손 사실상 제거.

콘스틸은 내화물 라이닝 마모도 낮음. 운전 조건 더 평탄하고 슬래그 내 산화철 적게 생성. 슬래그 거품이 잘 일면 전호가 보호층 아래 거의 전력 투입 기간 내내 완전히 덮여 내화물 아크 복사 감소. 로 지붕과 쉘 전기 방전도 제거돼 패널 유지보수 대폭 감소.

콘스틸 스크랩 컨베이어 유지보수는 매우 단순, 기계 구조·전기 모터·유압 장비 정기 점검, 핵심 부품 계획 정비 수준. 예열 구간 내화 라이닝 특수 스트레스 없어 통상 연 1회 재시공.

커넥팅 카 팁은 용융욕 열응력과 스크랩 컨베이어 기계적 하중 모두 받는 컨베이어 시스템 최고 응력 부품. 계획 정비 프로그램 포함, 운영 경험상 평균 수명 4개월. 서스펜션 로드(suspension rod) 교체 용이, 보통 로 턴어라운드 때 교체. 잘 관리된 컨베이어 기준 연평균 100회 서스펜션 로드 파손.

분진·슬래그 처리에 대해 콘스틸은 연속 장입과 금속 장입물 예열이라는 공정 핵심 특성 덕에 기존 EAF 대비 낮은 슬래그·분진 발생. 버킷 장입 제거로 캐노피 후드 분진 생성 감소, 컨베이어 예열 구간이 침강실 역할로 분진이 스크랩에 퇴적돼 로 내 분진 재활용 촉진. 전체 분진 배출량 5~9kg/t 액강으로 기존 EAF보다 적음.

장입 원료 유연성

현재 EAF 제강에서 원자재 비용 시나리오와 시장 수요 변동에 맞춰 금속 장입 구성을 쉽게 조정할 수 있는 것은 매우 중요. EAF는 본질적으로 장입 원료 유연성 보유. 콘스틸 공정 EAF는 스크랩, 선철, DRI, 용선(hot metal) 모든 조합·비율로 최대 유연성 제공. 연속 장입이라 버킷 불필요, 컨베이어가 금속 장입물 직접 연속 공급.

연속 장입 공정은 대량 DRI/HBI 처리 EAF에서 일반적으로 쓰임. 배치 공정(버킷 탑차지)으로 이 원료들 처리하는 건 비현실적임이 입증됐기 때문. 이 개념이 콘스틸 도입으로 스크랩 처리로 확장됨. 일부 국가 스크랩·전력 부족으로 스크랩 장입에 용선 결합. 경험상 콘스틸이 EAF 제강에서 용선 활용 최적 옵션. 콘스틸은 용해 전 기간에 걸쳐 탈탄을 분산시킬 수 있어, 기존 탑차지 EAF에서 용선 비율 30% 초과 시 생산성 제한하는 탈탄 지연 없이, 1차 배가스 시스템 큰 변경 없이 용선 활용 가능.

콘스틸 EAF 용선 경험은 20%~86% 범위. 전력 없이 기본 산소 전로처럼 운전(파워온/산소 분사 시간 약 32분)하면서 필요 시 100% 스크랩 장입도 가능한 수준까지 도달.

스크랩 가격 하락과 CO₂ 배출 저감 압력이 커지면 콘스틸 EAF 유연성으로 용선 줄이고 스크랩 늘릴 수 있음. 콘스틸 유연성 예: 브라질 발루렉-스미토모 140t 콘스틸 EAF(2012년 가동), 스크랩 + 최대 40% 선철 + 최대 40% 용선 믹스 설계.

한국 설치 콘스틸 EAF에서는 스크랩 연속 장입에 DRI/HBI 연속 공급 결합. 따라서 콘스틸은 스크랩 연속 장입을 용선, 선철, DRI, HBI 어떤 처녀철(virgin iron) 형태와도 매끄럽게 결합 가능(그림 6).

일반 원칙: DRI/HBI는 기존 방식대로 로 지붕 직접 공급. 용선은 도어 또는 사이드월 러너로 주입. 선철은 스크랩과 섞어 충전 컨베이어 장입 가능. 선철처럼 대형 철스크랩(수 톤 단위)도 스크랩과 함께 콘스틸 공정으로 장입 가능.

콘스틸 공정 효과

검증된 콘스틸 공정 이점: (1) 빠른 투자 회수, (2) 높은 유연성, (3) 환경 친화성, (4) 운영 요원 안전, (5) 전력망 최소 교란, (6) 물류·유지보수·인력 비용 절감, (7) 화학 에너지 활용도 향상, (8) 전극 소모 감소, (9) 배치 장입 로 대비 스크랩 수율 증가, (10) 운전 파라미터 연속 제어·최적화, (11) 자동화된 스크랩 수량·품질 추적으로 장입 관리 개선.

환경 이점 추가: 기존 버킷 장입 EAF 분진 발생 약 20kg/t 액강. 동급 콘스틸 EAF 분진 발생 30~40% 저감. 예열 터널 내 스크랩 퇴적 분진 자연 재활용, 공정 기술 허용 낮은 탈탄율 덕분. 분진 감소 = 처리비 절감(환경 규제 강화로 처리비 급증 중).

PCDD/F(다이옥신/퓨란)와 NOx 배출 감소. 스크랩에 오일, 페인트, 플라스틱 등 제강 공정 중 오염물질 전구체 함유 가능. 일부 물질은 폴리염화 디벤조-파라-다이옥신(PCDD), 폴리염화 디벤조-파라-퓨란(PCDF), 폴리염화 비페닐(PCB) 전구체로, 배출이 신규 환경 규제로 엄격 제한. 이들 오염물질 배출은 스크랩 장입 전구체 양, 로 공정 유형, 최종적으로 배가스 추출 시스템(배출 측정 지점인 스택에서 핵심 역할) 등 복합 요인 영향.

동일 PCDD/F 전구체 함량(예: PVC 플라스틱) 스크랩 장입 시, 콘스틸 공정이 동급 비연속 배치 장입 공정 대비 배가스 중 PCDD/F 배출량 유의미하게 낮음 입증.

NOx 배출 관심도 증가. 전호가 EAF 공정 NOx 주요 발생원. 기존 버킷 장입 EAF 톤당 NOx 약 250g, 연속 장입 시 120g/t 액강. 거품 슬래그 하 전호 작동으로 대기 중 O₂·N₂와 전호 상호작용 감소 때문.

버킷 장입 스크랩 용해 EAF가 DRI 연속 장입 용해 EAF보다 훨씬 시끄러움. 전호가 평탄욕 위 거품 슬래그 아래서 타기 때문. 콘스틸이 이 운전 방식을 스크랩 처리로 확장해 플랜트 소음 배출 대폭 감소. 콘스틸 운전 중 로 근방 소음 강도 약 85dBA, 버킷 장입 EAF는 일반적으로 90dBA 이상.

운영 플랜트 달성 운전 파라미터 예: (1) 분진 배출 30~40% 감소, (2) 98% 가동률, (3) 고생산성 2.7t 액강/시간/MW, (4) 저전력 소비 300kWh/t 액강, (5) 스크랩 수율 1~2% 증가, (6) 생산성 33% 향상, (7) 전극 소모 40% 감소, (8) 분진 배출 약 30% 감소, (9) 리트로핏 기준 전기 절감 약 60kWh/t, (10) 연간 운영비 절감 약 1.90달러/t 조강(생산성 향상, 전극 소모 감소, 수율 증가 포함). 이 외 전력망 전기적 교란 감소, 스크랩 사용 감소, 버너 연료 소비 제로.