중국의 새로운 철 생산 방법, 시간을 몇 초로 단축

철은 여전히 금속의 왕이다

When discussing manufacturing innovation, the attention tends to be concentrated on high tech (로봇공학, 3D 프린팅) or on rare metals and materials, like 텅스텐, 티타늄, 로드뮴, etc. (follow the links for detailed investment reports for each).

결국, 이러한 발전이 중요하긴 하지만, 우리가 사용하는 대부분의 재료가 훨씬 단순하다는 사실은 변하지 않으며, 현대 생활에 철만큼 필수적인 금속은 없습니다.

철과 강은 인프라(다리, 철근 콘크리트 등), 물류 및 운송(자동차, 철도, 기차, 항구, 선박) 그리고 무수히 많은 산업용도(파이프, 저장 탱크, 용광로 등)에서 대량으로 필요한 핵심 재료입니다.

철산화물은 적철석, 황철석, 자철석, 황철석, 황철석 등과 같은 광물에서 추출될 수 있으며, 현재 정제되는 금속의 약 90%가 철입니다.

출처: FTM Machinery

다행히도 철은 지구(지각 무게의 5%)와 우주 전반에 매우 풍부합니다. 그러나 이를 사용 가능한 형태로 전환하는 데는 많은 에너지와 시간이 소요됩니다. 따라서 중국 연구원들이 철 생산의 핵심 단계 생산성을 3,600배 향상시키는 방법을 발견했다고 발표했습니다는 큰 뉴스입니다.

철은 어떻게 만들어지는가

순수한 철은 철 함량이 높은 광석에서 생산되며, 제련 과정을 통해 더 순수한 금속으로 전환됩니다.

고대의 원시적 저온 제련소에서 시작해 중세와 현대에 이르러 보다 효율적인 고온(섭씨 1,400°~1,500°, 화씨 2,550°~2,700°)에서 철을 생산할 수 있는 고급 용광로가 개발되었습니다. 이 뜨겁고 정제된 철은 종종 열 손실을 줄이기 위해 직접 제강 공장으로 보내집니다.

현대적인 방법을 사용하더라도, 용광로에서의 철 제련은 5~6시간이 걸리는 긴 과정입니다. 이는 전체 과정 동안 높은 온도를 유지해야 하므로 에너지 소모가 크며, 보통 석탄이나 천연 가스로 가열합니다.

이로 인해 철과 강 생산은 화석 연료의 대규모 소비자이자 온실가스 배출량도 크게 차지합니다. 철강 생산은 전체 CO2 배출량의 약 7%를 차지하며, 이는 EU 전체 배출량보다 많습니다.

현재 전 세계 강 생산의 대부분은 중국에 위치해 있으며, 전 세계 강 생산량의 55% 이상을 차지하고, 그 다음이 인도(전체의 7%)입니다.

출처: GMK Center

중국과 인도는 주로 석탄을 사용해 철과 강을 생산하므로, 이들의 생산 과정은 특히 CO2 배출량이 많습니다.

석탄을 대체할 수 있는 수소?

석탄을 대체하기 위해, 친환경 강 제조 방법이 제안되었으며, 가장 유망한 후보는 석탄 대신 수소를 사용해 필요한 고온을 달성하는 것입니다.

문제는 현재까지 수소와 함께 사용할 수 있는 철광석은 매우 고품질인 경우에만 가능하다는 점입니다. 수소가 석탄보다 비용이 높기 때문에, 저렴하고 철 함량이 낮은 광석이 필요합니다.

이는 최소한 용광로에서는 사실이지만, ‘플래시 철 제련’이라고 불리는 새로운 공정은 다를 수 있습니다.

플래시 철

이 공정은 중국 연구원 장원해 교수와 그의 팀이 피어 리뷰 저널 ‘비철금속’에 발표한 논문에서 설명되었습니다. 전통적인 용광로가 5~6시간이 걸리는 반면, 이 공정은 3~6초만에 철 생산 과정을 완료한다고 주장합니다.

핵심 아이디어는 작은 철광석 펠릿 대신 매우 작은 입자의 먼지 형태로 분쇄한다는 것입니다. 이를 통해 철광석이 순수한 철로 변하는 반응이 거의 즉시 일어나며, 광석이 천천히 녹는 것보다 폭발에 가깝습니다.

그 결과 입자는 몇 초 안에 급속 산화됩니다.

출처: MDPI

철 와류 랜스

철광석을 미세 입자로 분쇄하는 것은 그리 어렵거나 복잡한 기술이 아닙니다. 보다 까다로운 부분은 이를 제련소에 안전하고 효율적으로 주입하는 것입니다.

이 문제를 해결하기 위해 장 교수팀은 시간당 450톤의 철광석 입자를 주입할 수 있는 와류 랜스를 개발했습니다. 이러한 랜스 3개가 장착된 반응기는 연간 711만 톤의 철을 생산합니다.

더 중요한 것은 이 기술이 단순한 실험실 실험이 아니라 이미 상업 생산 단계에 들어섰다는 점입니다.

이는 일시적인 성공이 아니라, 2013년에 장 교수팀이 직접 액체 철을 생산할 수 있는 플래시 제련 기술에 대한 특허를 획득하면서 시작된 장기적인 노력의 결과입니다. 방법을 다듬고 파일럿 플랜트로 규모를 확대하는 데 10년이 걸렸으며, 안전한 대규모 생산이 가능함을 입증했습니다.

출처: News.com.au

또한 장 교수는 금속공학 분야를 혁신한 경험이 있습니다. 그는 1970년대에 구리 생산에 적용한 유사한 플래시 제련 기술로 구리 생산을 혁신했습니다. 그는 2000년에 국가 과학기술 진보상 1등상을 수상했으며, 2003년에 중국 공학원에 선출되었습니다.

중국의 전략적 목표

탄소 배출

중국이 세계적인 강 생산 선두국인 만큼, 이 공정이 석탄에 과도하게 의존하고 있어 탄소 배출 감소 목표를 방해하고 있습니다. 또한 호주 등에서 수입한 석탄에 크게 의존하게 됩니다.

따라서 중국은 대체 방식을 개발하고 신속히 도입할 강력한 동기가 있으며, 특히 수소 사용이 가능해진다면 더욱 그렇습니다. 친환경 에너지 생산의 선두주자로서의 역할과 결합해, 중국은 녹색 강 생산의 선두주자가 될 좋은 위치에 있습니다.

전 세계 철 시장을 재편할까?

이 방법이 독특한 또 다른 점은 저품질 또는 중간 품질 광석에서도 매우 잘 작동한다는 것입니다. 이는 전 세계 철 시장을 완전히 재편할 수 있습니다.

현재 호주산 고품질 고철 함량 광석이 중국 제련소와 제강 공장의 주요 철 공급원입니다.

출처: S&P Global

수소를 이용한 플래시 철 제련이 석탄 기반 용광로를 대체한다면, 국내의 저품질 철광석 공급을 활용할 수 있습니다.

지난 10년간 중국과 호주 간의 관계는 꾸준히 악화되었습니다, despite China’s dependence on Australian iron. For example, in the 2020 trade war with Australia, 철이 제재 대상에서 제외되었습니다 due to the country’s high dependence on it. So, solving this vulnerability could be seen as a strategic imperative by China, regardless of the economic calculus.

철 채굴 기업

철 제련 비용과 탄소 배출량이 감소하면 강은 오늘날보다 더욱 인기 있는 소재가 될 수 있습니다. 채굴 분야에서는 규모와 좋은 지질이 모든 것을 좌우하며, 낮은 생산 비용은 수익성을 높이고 원자재 시장의 불가피한 침체기에도 안전성을 확보합니다.

브라질 기업 Vale은 세계 최대의 철 및 니켈 생산업체이며, 2024년에 총 3억 2300만~3억 3000만 톤을 생산했습니다.

이 회사는 구리와 같이 ‘에너지 전환’에 중요한 금속도 생산합니다. 이러한 금속이 미래에 중요할 수 있지만, 현재는 철이 회사의 핵심입니다.

이 회사는 과거에 더 다양했지만 최근 몇 년간 철 중심으로 재편했으며, 20억 달러 규모의 다양한 금속 광산 및 팜유와 같은 다른 원자재를 매각했습니다.

출처: Vale

대규모 자산 기반

Vale은 중형 유틸리티 기업으로, 자체 철도, 열차, 항구 및 선박을 운영해 광석을 채굴 현장에서 고객에게 전달합니다.

또한 원격 지역에서 운영되기 때문에 자체 에너지를 많이 생산하며, 특히 막대한 전력 수요를 고려할 때 브라질 정부에 의존할 수 없습니다.

이는 주로 수력발전을 통해 이루어졌으며, 채굴 사업은 수력발전 건설(토목 작업, 폭약을 이용한 암석 채굴, 대규모 콘크리트, 중장비, 대형 건설 프로젝트, 강우 관리 등)과 크게 다르지 않습니다.

이러한 인프라는 회사의 연구개발 센터, 실험실, 수백 명의 지질학자, 교육 센터 등으로 보완됩니다.

과거 책임 극복

Vale과 같은 대규모 채굴 기업에 큰 위험은 대형 사고가 발생해 막대한 피해를 초래하는 것입니다.

2015년에 Vale이 건설한 댐이 붕괴된 후 대형 재해가 발생했으며, 2019년에도 유사한 사고가 있었습니다.

그 홍수는 브라질 사상 최악의 환경 재해를 일으켰으며, 19명이 사망하고 두 주에 걸쳐 39개 지방자치단체가 광산 폐기물에 매몰되는 피해를 입혔습니다.

그 이후로 많은 유사 댐이 복구 및 개선되어 우기 동안 또 다른 재앙을 방지하고 있습니다.

또한 회사는 운영 방식을 바꾸어 25억 달러를 투자해 4개의 여과 플랜트를 구축, 습식 폐기물 대신 건조 폐기물(분쇄된 암석, 먼지, 진흙)을 생산하도록 했습니다. 따라서 앞으로 철 채굴 활동은 댐이 필요할 정도의 폐기물을 만들지 않을 것입니다.

회사는 또한 이미지 회복에 적극 나서며, 회사가 자금을 지원하는 대규모 자연 보호구역과 결합된 채굴 활동이 브라질 열대우림 보전에 크게 기여하고 있다고 주장합니다. 다른 지역은 목초지로 전환되었습니다.

출처: Vale

전반적으로 Vale은 과거의 환경 재해 문제를 극복하고 브라질에서 가장 가치 있는 자산 중 하나이자 전 세계, 특히 브라질이 BRICS 상업 네트워크를 통해 더 깊은 관계를 구축하고 있는 중국에 철을 공급하는 핵심 공급업체로 변모하고 있습니다.