용광로

Shaft Furnace

2번째 사진은 폭죽에 불 붙인거 같다

1 소개

고로(高爐)라고 불리기도 한다.

보통 높이가 10~25미터에 이르는 높은 원통형이므로 이런 이름이 붙었다.(높을 高, 영어명의 Shaft는 수직갱을 의미함) 흔히 용광로(鎔鑛爐, Blast Furnace)라고 부른다.

일본에서는 고로라는 표현을 주로 쓰는데 비해 한국 국내에서는 주로 용광로라는 용어를 쓴다. 하지만 정작 현업에서는 대부분 고로라는 용어를 사용한다. 사실 용광로는 공정이나 노 형태, 생산하는 금속의 종류를 막론하고 환원용융을 통해 광석에서 조금속을 생산하는 모든 노를 가리키는 말이기 때문에, 용광로보다는 고로가 좀 더 정확한 표현이다.

중국에서는 선진국들의 철강 생산량을 따라잡기 위해 농민들에게 간단하게 고로를 만들라고 하여 철을 생산하려는 운동을 하기도 했다. 일종의 인해전술이었던 셈.

2 원리

꼭대기에 소결광과 코크스를 장입하고 아래쪽에서는 열풍로에서 생성한 고온의 바람을 불어넣어 철광을 환원용융한다. 녹은 선철은 아래쪽으로 모여 출선구로 빠져나온다. 여기서 소결광은 땅에서 캐낸 철광석과 잡다한 첨가물 약간을 섞어 구운 덩어리를 말하는데, 이렇게 직접 철광석을 넣지 않고 구워서 덩어리를 만드는 과정을 거치는 이유는 용광로의 구조와 관련이 있다. 산화철로 이루어진 철광석에서 철을 떼어내려면 적당한 화학적 반응과 함께 많은 열 이 필요한데, 현대 산업에서 무지막지한 양이 소요되는 철을 싸게 대량으로 생산하기 위한 가장 효율적인 방법은 엄청난 크기의 용광로를 건설하고 위에서 부터 원료인 철광석과 열을 낼 수 있는 연료를 섞어서 마구 투입해 주며 아랫부분에서 연료를 태워서 철을 얻는 것이다. 아래위로 길쭉한 생김새 때문에 이런 방식으로 철을 뽑아내면 연료가 타면서 내는 열에너지를 굉장히 효율적으로 활용할 수 있으며, 이 경우 철광석을 가루나 작은 돌멩이 등의 형태로 투입하면 뜨겁게 달아오르기 전에 아래로 가라앉기도 하거니와, 촘촘하게 서로 밀착해서 아랫쪽에서 올라오는 뜨거운 가스를 위로 분출시키지 못하게 된다. 때문에 충분한 시간을 두고 뜨겁게 될 때 까지 천천히 아래로 내려가면서 가스가 위로 잘 빠져나갈 수 있도록 덩어리 형태의 소결광을 만들어 준다. 깔대기에 쌀을 넣어서 내리는 것과 콩을 넣어서 내리는 경우를 비교해 보자. 또, 소결하지 않은 분철광석을 노내에 그대로 장입하면 원료의 비산, 통기성 악화등의 문제로 행잉 이 발생할 수 있다. 이 때문에 장입 시에는 덩어리로 뭉쳐진 코크스와 소결광을 사용하는 것이다.

기실 상당히 어줍잖은 방법으로 보일 수 있지만, 포스코나 현대제철에서 쓰이는 현대식 용광로는 여러 나라에서 이제까지 최소 수백~수천번의 시행착오를 겪으며 경험과 지식의 축적을 통해 얻은 공밀레의 결정판이라 할 수 있겠다. 참고로 용광로에서 연료 역할을 하는 것은 코크스인데, 다른 연료 대신 코크스를 넣어주는 이유는 점결성이 강한 유연탄을 구운 것이므로 쉽게 가루로 부서지지 않으며(앞서 언급된 것처럼 가루는 용광로의 바람을 막아버리기 때문에 기피된다) 철의 환원반응까지 일으키는 일석이조의 연료이기 때문이다. 물론 전기나 석유등 기타 연료에 비해 코크스 (석탄)의 가격이 저렴한 점도 매우 이점. 철을 생산하는 방법은 아주 많지만 현대식 용광로가 발명된 후에 어느 정도 안정된 품질의 철을 생산하기 시작한 이래로, 철광석으로 철을 생산하는 거의 유일한 방법이 되었다. DRI(직접환원철, Direct Reduced Iron)-EAF(전기로, Electric Arc Furnace)법 등 다른 방법이 아예 없는 것은 아니지만, 용광로의 생산성을 따라잡을 수 있는 제철법은 아직 없다.

3 트리비아

• 고로의 노체 구조 자체는 단순히 내화 벽돌로 안을 바른 빈 통에 불과하며 전혀 복잡하지 않다. 위에서 장입한 원료가 아래로 내려옴에 따라 가열되는 부피 팽창을 고려하여 아래가 넓고 위가 좁은 구조를 하고 있으며, 일정 구간 이하에서는 철의 환원에 따른 부피 감소를 고려하여 다시 아래가 좁아지게 된다.

• 한 번 불이 붙은 고로를 껐다가 다시 불을 붙이는 것은 대단히 어렵다. 아니, 거의 불가능에 가깝다. (애초에 장입물이 덜 빠져나온 상태에서 불이 꺼져서 식어버리면 대개는 고로를 못 쓰게 된다.) 이는 철을 생산해 내는 동안에 고로 안이 녹은 철+반응이 덜된 철광석 등으로 채워져 있는 것을 생각해 보면 당연한 일로, 어떤 연유로 철저한 준비과정 없이 고로가 완전히 식어버리게 되면 고로는 이미 로가 아니라 빌딩만한, 안에 이런 저런 돌덩이가 덕지덕지 섞여있는 큰 쇳덩이가 된다. 이에 따라 대부분의 제철소는 24시간 쉬지 않고 교대로 돌아가며, 고로는 몇 년에 한 번 대규모 보수가 예정된 경우를 제외하면 휴일도 없다.

• 용광로는 한번 가동을 멈추면 쇳물 온도를 다시 1500도로 끌어올리는 데에 5개월이 넘게 걸리기도 한다. 기사.

4 용선 생산 공정

고로는 용선(鎔銑, 녹은 선철)을 생산하는데, 이 용선은 대략 다음과 같은 하공정 중 하나를 거치게 된다.

• 1. 녹은 상태로 전로로 옮겨져 강철로 제련된다. (현재 대부분의 제철소는 용선을 전부 전로에서 제련한다.)
• 2. 녹은 상태로 평로로 옮겨저 강철로 제련된다. (평로는 현 시점에서 사실상 용도폐기된 구식 공정이지만 일부 후진국이나 옛날 설비를 그대로 운용하는 구소련지역에서는 평로제강이 여전히 큰 비중을 차지한다.)
• 3. 그대로 식혀서 괴상의 냉선(식힌 선철)으로 만들어진다. 이 냉선은 소형 주물공장에서 사용하는 큐폴라로 등의 원료로 쓰이거나, 전기로 제강의 원료가 되기도 한다.

5 고로의 단점

고로는 상기한 바와 같이 14세기경 서양에서 출현한 이래 개선을 거듭하여 현존하는 환원제철법 가운데 가장 효율이 높은 제철법이나, 다음과 같은 단점이 있다.

• 1. 고로의 원료장입환경은 매우 가혹한데, 장입되는 원료는 장입 및 낙하과정에서 부서지거나 가루가 되어서는 안된다. 가루가 된 장입물은 점차적으로 원료 사이의 공간을 막아서 열풍이 원료 덩어리 사이로 빠져나가기 어렵게 된다.
• 2. 1과 같은 이유로 고로에서 무연탄이나 갈탄, 분체탄 등의 석탄을 사용하는 것은 곤란하며, 높은 점결성을 가진 역청탄을 구워서 단단하게 만든 코크스를 주로 사용할 것이 요구된다.
• 3. 같은 이유로 고로에서 분철광석을 직접 사용하는 것은 불가능하며, 가급적 괴상의 철광석을 이용하고 분철광석은 소결하여 사용해야 한다.
• 4. 따라서 고로의 설치와 운용에는 역청탄의 코크스화 설비(화성공장), 철광석의 소결 설비(소결공장) 등의 대규모 부대설비에 많은 투자비용이 소모된다. (제철소에 가보면 화성공장과 소결공장이 고로 자체보다 더 크다...) 또한 이러한 설비는 에너지를 추가적으로 더 소모하게 된다.

이러한 단점은 역청탄이 풍부하게 매장된 유럽에서, 양질의 괴광이 쉽게 산출되던 과거의 제철산업 발달기에는 크게 문제가 되지 않았다. 그러나 전세계적으로 양질의 괴상 철광은 이미 상당히 고갈되었기 때문에 최근에는 고로의 대안 공정이 연구되고 있다. 예컨대 포스코와 지멘스-VAI가 공동개발한 파이넥스 공법은 직접환원법을 기반으로 하고 있다.