제철에 사용되는 현대식 용광로인 고로의 모습. 보다시피 뭔가 파이프가 덕지덕지 붙은 큰 탑 같이 생겼다.
이것은 고로가 아니라 전로에 용강을 장입중인 모습으로, 제철이 아닌 제강 공정이다. 대부분의 제강/제철소 사고가 여기서 발생하는데, 자세한건 전로 문서 참고.
고로에서 제작된 쇳물을 밖으로 빼낼 때 가장 먼저 만나는 경로인 대탕도 주변 광경이다.
1. 개요
'용광로(鎔鑛爐, Blast Furnace)는 환원용융을 통해 광석에서 조금속을 생산하는 설비를 가리키는 말이다. 문자 그대로 광을 녹이는 화로라는 뜻으로, 생산하는 금속의 종류를 막론하고 환원용융을 쓰면 그게 바로 용광로다. 이런 용광로중 현대식 용광로는 특별히 고로(高爐, Shaft Furnace)라고 불리는데, 보통 높이가 10~25미터에 이르는 높은 원통형이므로 이런 이름이 붙었다.(높을 高, 영어명의 Shaft는 수직갱을 의미함)한국에서는 고로를 포함해 용광로라는 표현을 주로 쓰는 데 비해 일본에서는 고로와 용광로를 따로 구분해 쓴다. 현업에서는 고로라는 용어를 사용한다. 사실 고로라고 해서 제대로 된 현대식 용광로를 의미하는 것은 아니고, 그냥 용광로들을 죄다 고로라고 하기도 한다. 예를 들면 토법고로가 대표적이다.
2. 원리
기실 상당히 어줍잖은 방법으로 보일 수 있지만, 포스코나 현대제철에서 쓰이는 현대식 용광로는 여러 나라에서 이제까지 최소 수백~수천 번의 시행착오를 겪으며 경험과 지식의 축적을 통해 얻은 공밀레의 결정판이라 할 수 있겠다. 용광로에서 연료 역할을 하는 것은 코크스인데, 다른 연료 대신 코크스를 넣어주는 이유는 점결성이 강한 유연탄을 구운 것이므로 쉽게 가루로 부서지지 않으며[3] 철의 환원반응까지 일으키는 일석이조의 연료이기 때문이다.[4] 물론 전기나 석유 등 기타 연료에 비해 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. 여담
- 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.
- 한번 불이 붙은 고로를 껐다가 다시 불을 붙이는 것은 대단히 어렵다. 아니, 거의 불가능에 가깝다. 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 빌딩만 한, 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.[5]
- 용광로는 한번 가동을 멈추면 쇳물 온도를 다시 1500도로 끌어올리는 데에 5개월이 넘게 걸리기도 한다.
- 1973년부터 48년동안 쇳물을 생산해온 포스코 포항 1고로의 퇴역식 겸 종풍식[6]이 2021년 12월 29일에 진행되었다. 한국에서 첫번째로 건립된 고로라는 역사적인 가치를 인정받아서 철강 역사 박물관으로 활용하려는 계획이 있다. 기사
4. 용선 생산 공정
고로는 용선(鎔銑, 녹은 선철)을 생산하는데, 이 용선은 대략 다음과 같은 하공정 중 하나를 거치게 된다.- 녹은 상태로 전로로 옮겨져 강철로 제련된다. (현재 대부분의 제철소는 용선을 전부 전로에서 제련한다.)
- 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.)
- 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 전국시대의 중국, 중세 후기(14세기 경) 서양에서 출현한 이래 개선을 거듭하여 현존하는 환원제철법 가운데 가장 효율이 높은 제철법이나, 다음과 같은 단점이 있다.- 고로의 원료장입환경은 매우 가혹한데, 장입되는 원료는 장입 및 낙하 과정에서 부서지거나 가루가 되어서는 안 된다. 가루가 된 장입물은 점차적으로 원료 사이의 공간을 막아서 열풍이 원료 덩어리 사이로 빠져나가기 어렵게 된다.
- 고로에 무연탄이나 갈탄, 분체탄 등의 석탄을 그대로 사용하는 것은 곤란하다. 높은 점결성을 가진 역청탄을 구워서 단단하게 만든 코크스가 필요하다. 코크스의 원료인 역청탄의 매장량은 전세계적으로 매우 많고 석탄 중 1위의 매장량을 보이지만, 자원의 분포는 고르지 못한 편이다. 특히, 대한민국에는 역청탄이 전혀 매장되어 있지 않아서 전량을 수입에 의존하는 상황이다.[7]
- 마찬가지로 고로에 분철광석을 직접 장입하는 것은 불가능하다. 가급적 괴상의 철광석을 이용하고 분철광석은 소결하여 사용해야 한다.
- 결과적으로 고로의 설치와 운용에는 역청탄의 코크스화 설비(화성 공장), 철광석의 소결 설비(소결 공장) 등의 대규모 부대 설비를 같이 설치해야 하므로 많은 투자 비용이 소모된다. 대부분의 제철소는 이 부대 설비가 본 설비인 고로보다 더 크다. 당연히 부대 설비 운용에 추가 비용과 에너지가 들고 오염물질도 더 나오게 된다.
이러한 단점은 제철산업 발달기에는 크게 문제가 되지 않았다. 근현대 제철산업이 태동한 유럽에는 역청탄이 풍부하고 괴상으로 채굴 가능한 철광도 많았다. 그러나 세월이 지나고 전세계적으로 제철산업이 세워지며 양질의 괴상 철광은 이미 상당히 고갈되었다. 이에 따라 고로의 대안 공정이 연구되고 있다. 예컨대 포스코와 지멘스-VAI가 공동개발한 파이넥스 공법은 직접환원법을 기반으로 하고 있다.
[1] 아래쪽에서 반응에 의해 발생된 열이 위로 올라가며 뒤늦게 투입된, 비교적 차가운 철광석을 덥힌다.[2] 장입물이 30분 이상 현 위치에서 내려오지 않는 현상.[3] 앞서 언급된 것처럼 가루는 용광로의 바람을 막아버리기 때문에 기피된다.[4] 그러나 실제로 용광로에서 일어나는 환원반응은 탄소가 아닌 일산화탄소의 산화에 따른 것이다. 고체 사이에서 접촉면을 통해 실제로 물질이동이 일어나는 것은 매우 어렵기 때문.[5] 대규모 보수 중에도 안전사항이나 시운전 때문에 쉬는 일은 없다. 오히려 일이 더 늘어난다. 대개 고로를 완전가동정지시키고 설비를 오버홀 하는 시기를 가동 후 15년에서 20년 정도로 보고 가동한다. 가동 후 15~20년이 지나기 전에는 멈출 일이 없다는 뜻이다. 결론은 망하지 않는 한, 고로 공장에 사람이 없는 날은 없다.[6] 종풍 : 산소공급을 중단해서 고로의 온도를 낮추는 것. 이 날은 포항 1고로의 마지막 오버홀 이후 28년만에 가지는 종풍식이었다.[7] 때문에 고로제선법이 가장 우수한 품질의 결과물을 얻을 수 있음에도 불구하고 코크스가 아닌 무연탄을 성형탄으로 만들어 사용하는 파이넥스 공법이 개발되었다.