제강

Steelmaking
아크로 2개가 있는 제철소

제강은 철광석 및/또는 고철로 강철을 생산하는 과정이다.제강에서는 소싱철에서 질소, 실리콘, 인, 황, 과잉 탄소(가장 중요한 불순물) 등의 불순물을 제거하고, 망간, 니켈, 크롬, 탄소, 바나듐 등의 합금 원소를 첨가하여 다른 등급의 강철을 생산한다.액체강철에서 주조되는 제품의 품질을 보장하기 위해서는 질소, 산소 등 용존가스와 철강의 내부 불순물('침입물'이라고 함)을 제한하는 것도 중요하다.[1]

제강은 수 천년 동안 존재했지만, 14세기 후반까지 대규모로 상업화되지 않았다.고대의 제강 과정은 도가니 과정이었다.1850년대와 1860년대에 베세머 공정과 지멘스-마틴 공정이 제철업을 중공업으로 변모시켰다.오늘날 강철을 만드는 상업적 공정은 크게 두 가지인데, 용광로와 고철에서 나온 액체 피그철을 주 공급 재료로 하는 기본 산소 제강과 고철 또는 직접 환원 철(DRI)을 주 공급 재료로 사용하는 전기 아크로(EAF) 제강이 그것이다.산소 제강은 주로 용기 내부의 반응의 발열 특성에 의해 연료가 공급된다. 반대로 EAF 제강에서는 고체 고철 및/또는 DRI 물질을 녹이는 데 전기 에너지가 사용된다.최근 들어 EAF 제강 기술은 그 과정에 화학 에너지가 더 많이 도입되면서 산소 제강과 더 가까워지고 있다.[2]

제강은 세계에서 가장 탄소배출 집약적인 산업 중 하나이다.2020년 현재, 제철은 모든 직접 화석 연료 온실 가스 배출의 7~9%를 책임지고 있는 것으로 추정된다.[3]지구온난화를 완화하기 위해서는 산업계가 배출량 감소를 찾아내야 할 것이다.[4]맥킨지는 2020년 수소 사용, 탄소 포획 및 재사용, 청정에너지로 구동되는 전기아크로 사용 극대화 등 탈탄소화 기술을 다수 확인했다.[4]

역사

펜실베이니아 베들레헴에 있는 베들레헴 스틸은 2003년 폐업 전까지 세계에서 가장 큰 철강 제조업체 중 하나였다.

제강은 고대, 중세, 현대 기술 사회의 발전에 결정적인 역할을 했다.강철 제조의 초기 과정은 고대 이란, 고대 중국, 인도, 로마에서 고전 시대에 만들어졌다.

주철은 단단하고 부서지기 쉬운 재료로 작용하기 어려운 반면, 강철은 유연성이 있고 비교적 쉽게 형성되며 다용도 재료가 된다.인류 역사의 많은 부분에서 강철은 소량만 만들어졌을 뿐이다.19세기 영국에서 베세머 공정이 발명되고 그에 따른 주입기술과 공정관리의 기술개발이 있은 이후, 철강 대량생산은 세계 경제의 필수적인 부분이자 현대 기술개발의 핵심 지표가 되었다.[5]강철을 생산하는 가장 초기 수단은 꽃밭에 있었다.

강철을 생산하는 초기 근대적 방법은 흔히 노동집약적이고 고도의 기술을 요하는 기술이었다.참조:

산업혁명의 중요한 측면은 단조 금속(철 또는 강철)을 대량으로 생산하는 방법의 개발이었다.이 웅덩이는 처음에는 연철 생산의 수단이었으나 후에 철강 생산에 적용되었다.

현대 제강에서의 진정한 혁명은 1850년대 말에야 베세머 공정이 고화로에 이은 최초의 성공적인 제강 방법이 되었을 때 시작되었다.

현대적 과정

방법에 의한 세계 철강 생산의 분포

현대 제강 공정은 1차, 2차, 3차 세 단계로 나눌 수 있다.

일차 제강은 철을 제련하여 강철로 만드는 것을 포함한다.2차 제강에는 합금제 및 용존가스와 같은 다른 원소를 추가하거나 제거하는 것이 포함된다.3차 제강은 시트, 롤 또는 다른 형태로 주조하는 것을 포함한다.각 단계마다 여러 기법을 사용할 수 있다.[6]

1차 제강

주요기사 : 기본산소 제강 및 전기아크로

기본 산소

기본산소 제강은 탄소가 풍부한 돼지 철을 녹여 강철로 바꾸는 1차 제강 방식이다.녹은 돼지철을 통해 산소를 불어 넣으면 철의 탄소의 일부가 CO와−
CO로 변환되어
2 강철로 변한다.산화칼슘과 산화마그네슘은 용해된 금속과 슬래그의 고온과 부식성을 견딜 수 있도록 용기에 선을 긋는다.금속에서 실리콘, 인 등의 불순물이 제거되도록 공정의 화학작용을 제어한다.

현대적 과정은 1948년 로버트 더러에 의해 개발되었는데, 베세머 변환기의 정교화로 공기가 보다 효율적인 산소로 대체되었다.공장 자본비용과 제련시간을 줄이고 노동생산성을 높였다.1920년과 2000년 사이에, 산업에서의 노동 요구량은 1,000배 감소하여 톤당 0.003명의 노동시간에 불과했다.2011년에는 전 세계 강철 생산량의 70%가 기본 산소 용해로를 사용하여 생산되었다.용광로는 개방된 난로에서 10~12시간에 비해 40분 이내에 최대 350톤의 철을 강철로 변환할 수 있다.[7]

전호

전기아크로 제강은 전기아크로에 의해 녹인 고철이나 직접 환원철로 강철을 제조하는 것이다.전기 아크로에서는 철의 배치("열")가 용해로에 적재되고, 때로는 "핫 힐"(이전의 열에서 용해된 강철)이 장착되기도 한다.가스 버너는 용융을 돕기 위해 사용될 수 있다.기본적인 산소 제강과 마찬가지로 플럭스(융제)도 첨가되어 용기의 안감을 보호하고 불순물 제거에 도움을 준다.전기 아크로 제강은 일반적으로 약 100톤의 용적로를 사용하여 매 40분에서 50분마다 강철을 생산한다.[7]이 과정은 기본 산소 방식보다 더 큰 합금을 첨가할 수 있다.[8]

히사르나 공정

주요 기사:히사르나 제철 공정

HISARNA 제철 공정에서 철광석은 액체 철이나 뜨거운 금속으로 거의 직접 가공된다.이 공정은 사이클론 컨버터 용광로라는 용광로 종류를 중심으로 이뤄져 있어 기본적인 산소 제강 공정에 필요한 돼지 철제 펠릿 제조 공정을 생략할 수 있다.이러한 준비 단계가 필요하지 않은 HIsarna 공정은 기존의 제강 공정보다 에너지 효율이 높고 탄소 발자국이 낮다.[citation needed]

수소감소

강철은 직접 저감된 철로 생산될 수 있으며, 수소와 함께 화학적 감소를 거치면서 철광석에서 생산될 수 있다.재생 가능한 수소는 화석 연료를 사용하지 않고도 제강을 할 수 있다.2021년 스웨덴의 한 시범공장이 이 과정을 시험했다.직접 감속은 1,500 °F(820 °C)에서 발생한다.철은 전기 아크로에 탄소를 주입한다전기분해에 의해 생성되는 수소는 약 2600 kWh가 필요하다.비용은 기존 방식보다 20~30% 높을 것으로 추정된다.[9][10][11]다만 이산화탄소 배출 비용은 기본산소 생산가격을 더하고, 2018년 사이언스 매거진 연구결과에 따르면 2030년대에는 이 가격이 CO2당 68 €일 때도 가격이 깨질 것으로 추정되고 있다.

2차 제강

2차 제강은 레이들(ladle)에서 가장 일반적으로 행해진다.레이들에서 수행되는 일부 작업에는 탈산화(또는 "킬링", 진공 제거, 합금 첨가, 포함 제거, 포함 화학 수정, 탈설화, 균질화가 포함된다.이제 용광로 뚜껑에 전기 아크 가열로 기체 경화 레이들에서 레이들 금속 작업을 수행하는 것이 일반적이다.레이들 야금의 엄격한 제어는 화학적 및 일관성의 공차가 좁은 높은 등급의 강철을 생산하는 것과 관련이 있다.[6]

이산화탄소 배출량

제강은 전 세계 이산화탄소 배출량의 7~9%를 차지하는 것으로 추정된다.[12]1톤의 강철을 만들면 약 1.8톤의 이산화탄소가 발생한다.이러한 배출의 대부분은 석탄이 용광로에서 발생하는 다음과 같은 화학 반응에서 철광석의 산소를 제거하는 탄소의 원천으로 사용되는 산업 공정에서 발생한다.[13]

FeO23 + 3 CO(g) → 2 Fe(s) + 3 CO2(g)

기본적인 산소 제강, 석회화, 뜨거운 폭발로 인해 추가적인 이산화탄소 배출이 발생한다.탄소 포획과 활용 또는 탄소 포획과 저장은 철강산업에서 이산화탄소 배출량을 줄이고 탄소보다는 녹색수소를 이용한 철광석 감축을 위한 기법이 제안되고 있다.[12]

용광로

주요기사 : 용광로

순수한 강철을 만들기 위해서는 철과 탄소가 필요하다.그 자체로 철은 그리 강하지는 않지만 낮은 탄소 농도 - 강철의 종류에 따라 1% 미만이 강철에 중요한 특성을 부여한다.강철의 탄소는 석탄에서 얻고 철광석에서 철을 얻는다.그러나 철광석은 철과 산소, 그리고 다른 미량 원소의 혼합물이다.강철을 만들려면 철을 산소와 분리하고 소량의 탄소를 첨가해야 한다.둘 다 매우 높은 온도(섭씨 1,700도 또는 화씨 3,000도 이상)의 철광석을 (공기로부터) 산소와 코크스라는 석탄의 종류로 녹여 완성한다.그 온도에서 철광석은 산소를 방출하는데, 이것은 이산화탄소의 형태로 콜라에서 나오는 탄소에 의해 운반된다.

FeO23 + 3 CO(g) → 2 Fe(s) + 3 CO2(g)

이 반응은 산화철에 비해 이산화탄소의 에너지 상태가 낮기 때문에 발생하며, 이 반응에 대한 활성화 에너지를 얻기 위해서는 고온이 필요하다.철과 소량의 탄소 결합으로, 탄소 함량이 너무 높기 때문에 철 이전의 매개체인 돼지 철을 형성한다 - 약 4%.[14]

디카르부르화

주요 기사:탈탄부화 및 기본산소 제강

돼지 철의 탄소 함량을 줄이고 원하는 강철의 탄소 함량을 얻기 위해, 돼지 철을 다시 녹이고 레이들(ladle)에서 발생하는 기초 산소 제강이라고 하는 과정으로 산소를 불어 넣는다.이 단계에서 산소는 원치 않는 탄소와 결합하여 추가적인 배출원인 이산화탄소 가스의 형태로 그것을 운반한다.이 단계 후, 돼지 철의 탄소 함량을 충분히 낮추고 강철을 얻는다.

석회화

주요기사 : 석회화 및 슬래그

추가적인 이산화탄소 배출은 석회암을 사용함으로써 발생한다. 석회암은 석회암이라는 높은 온도에서 용해되며, 이는 다음과 같은 화학 반응을 보인다.

CaCO3 → CaO + CO2(g)

이산화탄소는 이 반응에서 추가적인 배출원이다.현대 산업은 대체물로 산화칼슘(CaO, 퀵라임)을 도입했다.[15]슬래그 형태로 불순물(황 또는 인(apatite 또는 fluorapatite) 등)[16]을 제거하여 화학적2 유동성의 역할을 하며 CO 배출량을 낮게 유지한다.예를 들어 산화칼슘은 산화 실리콘 불순물을 제거하기 위해 반응할 수 있다.

SiO2 + CaO → CaSiO3

유속을 제공하기 위해 석회석을 사용하는 것은 용광로(돼지 철을 얻기 위해)와 기본 산소 강철 제조(철강을 얻기 위해)에서 모두 발생한다.

열풍

주요 기사:열풍

더 많은 이산화탄소 배출은 용광로의 열을 증가시키기 위해 사용되는 뜨거운 폭발로 인해 발생한다.뜨거운 송풍은 철광석이 돼지철로 환원되는 용광로 안으로 뜨거운 공기를 펌핑해 높은 활성화 에너지를 달성하는 데 도움을 준다.열풍 온도는 난로 설계 및 상태에 따라 900 °C ~ 1300 °C(1600 °F ~ 2300 °F)가 될 수 있다.석유, 타르, 천연가스, 분말 석탄, 산소 등도 용광로에 주입해 코크스와 결합해 추가 에너지를 방출하고 현재 존재하는 가스를 줄이는 비율을 높여 생산성을 높일 수 있다.뜨거운 폭발의 공기가 화석 연료를 태워서 가열된다면, 이것은 이산화탄소 배출의 추가적인 원천이다.[17]

참고 항목

참조

  1. ^ Deo, Brahma; Boom, Rob (1993). Fundamentals of Steelmaking Metallurgy. New York: Prentice Hall International. ISBN 9780133453805. LCCN 92038513. OCLC 473115765.
  2. ^ Turkdogan, E.T. (1996). Fundamentals of Steelmaking. London: Institute of Materials. ISBN 9781907625732. OCLC 701103539.
  3. ^ Pooler, Michael (11 November 2020). "Europe leads the way in the 'greening' of steel output". Financial Times. Retrieved 2020-11-20.
  4. ^ a b "Decarbonization in steel McKinsey". www.mckinsey.com. Retrieved 2021-04-03.
  5. ^ Sass, Stephen L. (August 2011). The Substance of Civilization: Materials and Human History from the Stone Age to the Age of Silicon. New York: Arcade Publishing. ISBN 9781611454017. OCLC 1078198918.
  6. ^ a b Ghosh, Ahindra. (December 13, 2000). Secondary Steelmaking: Principles and Applications (1st ed.). Boca Raton, Fla.: CRC Press. ISBN 9780849302640. LCCN 00060865. OCLC 664116613.
  7. ^ a b Fruehan, Richard J., ed. (1998). The Making, Shaping and Treating of Steel: Steelmaking and Refining Volume (11th ed.). Pittsburgh: AIST. ISBN 978-0-930767-02-0. LCCN 98073477. OCLC 906879016.
  8. ^ "Steel - Electric-arc steelmaking Britannica".
  9. ^ "HYBRIT: The world's first fossil-free steel ready for delivery". vattenfall.com. Vattenfall. 2021-08-18. Retrieved 2021-08-21.
  10. ^ Pei, Martin; Petäjäniemi, Markus (2020-07-18). "Toward a Fossil Free Future with HYBRIT: Development of Iron and Steelmaking Technology in Sweden and Finland". Metals. 10 (7): 972. doi:10.3390/met10070972.
  11. ^ Hutson, Matthew (2021-09-18). "The Promise of Carbon-Neutral Steel". The New Yorker. Retrieved 2021-09-20.{{cite magazine}}: CS1 maint : url-status (링크)
  12. ^ a b De Ras, Kevin; Van De Vijver, Ruben; Galvita, Vladimir V.; Marin, Guy B.; Van Geem, Kevin M. (2019-12-01). "Carbon capture and utilization in the steel industry: challenges and opportunities for chemical engineering". Current Opinion in Chemical Engineering. 26: 81–87. doi:10.1016/j.coche.2019.09.001. ISSN 2211-3398. S2CID 210619173.
  13. ^ "Blast Furnace". Science Aid. Archived from the original on 17 December 2007. Retrieved 2007-12-30.
  14. ^ Camp, James McIntyre; Francis, Charles Blaine (1920). The Making, Shaping and Treating of Steel (2nd ed.). Pittsburgh: Carnegie Steel Co. pp. 174. OCLC 2566055.
  15. ^ Vola, G; Sarandrea, L; Mazzieri, M; Bresciani, P; Ardit, M; Cruciani, G (2019). "Reactivity and overburning tendency of quicklime burnt at high temperature" (PDF). Italy.{{cite web}}: CS1 maint : url-status (링크)
  16. ^ Pereira, Antônio Clareti; Papini, Rísia Magriotis (September 2015). "Processes for phosphorus removal from iron ore - a review". Rem: Revista Escola de Minas. 68 (3): 331–335. doi:10.1590/0370-44672014680202. ISSN 0370-4467.
  17. ^ 미국철강연구소(2005년).용광로 작동 방식. steel.org

외부 링크