[현장] 전기로로 저탄소 쇳물 생산…전지소재·희귀가스 공급망도 지킨다

▲전남광주 광양시 포스코 광양제철소에 위치한 연산 270만톤 규모의 제1 전기로 전경. 사진=포스코

2일 전남광주 광양시에 위치한 포스코 광양제철소. 제철소 내 대로를 사이에 두고 고로 5기가 줄지어 서 있는 구역 반대편에 연산 250만톤 규모로 지난 6월 준공한 제1 전기로가 모습을 드러냈다. 고로 방식이 섭씨 약 1500도의 뜨거운 용광로에서 석탄을 태워 만든 일산화탄소 분자가 철광석의 산소를 떼어내 순수한 쇳물을 생산한다면, 전기로는 철스크랩(고철)을 모아 대형 도가니에 담은 뒤 전기를 흘려 쇳물로 다시 녹인다.

전기로는 쇳물을 만들 때 석탄을 태우지 않기 때문에 탄소 배출량을 줄일 수 있다. 포스코는 조강 기준 스코프 1·2(직접배출) 탄소 배출량을 2017~2019년 대비 최대 75% 줄일 수 있다고 계산했다. 다만 철스크랩 상태와 전력 발전원, 생산 조건 등에 따라 실제 감축율이 달라진다.

전기로로 들어가는 입구 한켠에는 고로부터 이어지는 철길이 놓여 있다. 고로에서 부은 쇳물을 철길을 통해 전기로로 이동시키기 위해서다. 품질이 낮은 철스크랩을 거르더라도 고철이라는 한계 때문에 차량용 열·냉연강판처럼 두께가 얇으면서도 강도가 우수한 철강제품은 아직 전기로 쇳물로만 가공·생산하기 어렵다.

그래서 고로와 전기로의 쇳물을 140톤씩 섞는 '합탕' 방식의 설비도 같이 도입했다. 합탕 비율은 요구 품질·물성에 따라 조절이 가능하다. 고로에서 부은 쇳물을 덜 쓰는 만큼 탄소 배출량을 줄일 수 있다. 특히 포스코 광양제철소는 신모빌리티용 강재에 특화시키는 방향을 잡고 강재 연구개발에 힘을 쏟고 있는 만큼 합탕 방식을 적용한 저탄소 고급강 생산이 필요하다.

신종훈 포스코 광양제철소 전기로추진사업반 전기로공장장은 기자들에게 “전기로공장 내 6개의 철 스크랩 베이에서 니켈과 크롬 등의 금속을 첨가한 고급강을 생산하기 위해 강재 브랜드별로 스크랩을 12종류로 분류한다"며 “고로 쇳물과 전기로 쇳물을 반반씩 섞으면 대부분의 고급강을 생산할 수 있고, 고로로만 쇳물을 생산할 때보다 탄소 배출량을 30% 저감할 수 있다"고 말했다.

전남광주 광양시 포스코 광양제철소에 위치한 연산 270만톤 규모의 제1 전기로 내부. 사진=포스코

▲2일 전남광주 광양시 포스코 광양제철소에 위치한 연산 270만톤 규모의 제1 전기로 철스크랩 장입(투입) 설비. 사진=포스코

포스코는 전기로로 쇳물을 생산하는 과정에서 에너지를 절약하기 위해 철스크랩을 일정량만큼 조금씩 투입하는 '콘스틸(continuous steel)' 방식을 도입했다. 전기로를 가열하는 과정에서 발생한 고온의 배기가스를 철스크랩 위로 흘려보내 250~300도로 예열하고, 예열된 철스크랩을 전기로에 한꺼번에 투입하는 대신 측면에서 조금씩 연속적으로 투입해 열손실을 최소화한다. 전극에서 온도가 5000도에 달하는 아크(전자의 열방출)를 발생시켜 철스크랩을 1530~1630도의 온도에서 녹이고, 자기장을 발생시켜 쇳물을 골고루 섞어주는 '전자기 교반'으로 열을 골고루 분산시킴으로써 불필요한 에너지 소비를 줄인다.

준공한지 얼마 안 된 데다 고비용의 저탄소 철강제품에 대한 수요가 크게 늘지 않아 포스코 광양 제1 전기로는 아직 최저 수준인 15%의 가동률을 유지하고 있다. 그러나 향후 유럽연합(EU)의 저탄소 철강 인증 같이 글로벌 시장의 탄소 규제가 강화되면 저탄소 강재 수요가 늘어날 것으로 예상되기 때문에 전기로의 상용화 준비(램프 업)를 꾸준히 해나가고 있다.

신 공장장은 “이탈리아 전기로 설비 브랜드 테노바(Tenova)를 도입해 전기로 내 장치들을 밀리미터(mm) 단위로 움직이는 자동화 시스템을 적용했다"며 “6월 준공한 이후 진행 중인 램프 업 작업 진도가 계획의 102% 수준으로 나간 만큼 정상 조업까지 잡은 1년이라는 기간보다 조금 빨리 상업 가동 단계에 이를 것 같다"고 설명했다.

광양제철소 전기로는 포스코의 수소환원제철 '하이렉스' 개발 및 상용화 전까지 저탄소 강재 생산의 핵심 설비 역할을 맡을 예정이다. 포스코는 경북 포항제철소에서 연산 30만톤 규모의 하이렉스 실증 설비를 지난 4월 착공했고, 2030년까지 하이렉스 상용 기술을 확보한다는 목표를 세웠다.

장인화 포스코그룹 회장은 지난 7월 CEO 인베스터 데이 행사에서 국내 철강 전략에 관해 “포항과 광양에서 각각 미래 에너지, 모빌리티 영역에 기술 역량을 집중해 시장을 선도할 8대 전략제품을 육성할 것"이라며 “광양 전기로와 포항 하이렉스 실증 설비로 적기에 저탄소 공정 전환을 추진하겠다"고 말했다.

포스코그룹은 지난달 열린 대통령 주재 '한국형 녹색대전환(K-GX) 전략' 행사에서 하이렉스를 중심으로 청정에너지 공급부터 저탄소 철강 활용까지 아우르는 생태계를 정부와 협력해 구축한다는 '철강 GX 기반 탈탄소 산업 생태계 구축' 계획을 내놓은 바 있다. 장기적으로 포항 중심의 동남권과 전남광주통합특별시 중심의 서남권을 아우르는 철강 탈탄소 클러스터를 구축해 제조업 전반의 GX에 기여한다는 것이 포스코그룹의 구상이다.

이차전지 소재·희귀가스로 전략자원 공급망 토대도 준비 중

▲전남광주 광양에 위치한 포스코퓨처엠 공장 전경. 사진=포스코퓨처엠

포스코그룹은 △포스코퓨처엠의 양·음극재 생산 △포스코필바라리튬솔루션의 수산화리튬 추출 △포스코HY클린메탈의 폐배터리 재활용 △포스코에어솔루션의 첨단산업용 고순도 희귀가스 생산 능력 등을 중심으로 한 전략자원 분야도 키우고 있다.

포스코퓨처엠은 국내에서 유일하게 배터리 핵심 소재인 양극재와 음극재를 함께 생산하고 있다. 광양에 단일 공장 기준 세계 최대 규모인 연산 9만톤 양극재 공장을 운영 중이고, 세종과 포항에는 음극재 공장을 구축했다. 지난해에는 전구체 공장을 준공해 양극재 공급망을 내재화했다.

포스코홀딩스와 호주 PLS그룹이 각각 82%, 18%의 지분을 투자에 설립한 포스코필바라리튬솔루션은 호주 광석을 들여와 연간 4만3000톤의 전기차 배터리용 수산화리튬을 생산한다. 전기화학법을 적용한 포스코홀딩스 자체 개발 공정과 수산화나트륨 첨가 화학반응을 이용한 상용 공정을 각각 운영 중이다.

포스코HY클린메탈은 전기차 폐배터리와 배터리 제조공정에서 발생한 스크랩을 전처리해 얻은 블랙매스에서 니켈, 코발트, 리튬 등 핵심 유가금속을 회수해 다시 전구체와 양극재 원료로 공급한다. 생산 과정에서 회수되는 구리, 망초, 저품위 흑연 등의 부산물도 재판매한다.

포스코리튬솔루션은 포스코홀딩스가 2018년 인수한 아르헨티나 옴브레무에르토 염호에서 확보한 염수리튬으로 수산화리튬을 생산한다. 포스코홀딩스는 아르헨티나에서 염수리튬 1공장을 준공한 뒤 가동률을 지속적으로 높이고, 2공장은 지난달 상공정을 준공했다.

포스코그룹은 우량 리튬자원 확보에도 투자를 단행하고 있다. 지난해 호주 워지나·마운트마리온 리튬광산에 지분을 투자해 연간 27만톤의 리튬정광를 확보할 길을 열어놨고, 아르헨티나에서는 캐나다 LIS의 현지 법인을 인수해 옴브레무에르토 염호 인근 광권을 추가 확보했다.

이차전지 외에도 반도체와 우주·항공 산업의 필수 소재인 희귀·특수가스를 생산하는 신사업은 포스코에어솔루션이 맡고 있다. 포스코에어솔루션은 포스코에서 나온 부생가스를 활용해 고순도 희귀가스를 만든다. 초저온 증류기술을 적용해 국내 최초로 제논과 크립톤, 네온, 헬륨 등 희귀가스 4종을 원료 조달부터 제품 생산까지 전 밸류체인에 걸친 양산 체제를 확보했다.