염기성 산소 제강(Basic Oxygen Steelmaking, BOS)은 용융된 선철(용선)에 고순도 산소를 불어넣어 탄소 및 불순물을 산화 제거함으로써 저탄소강을 생산하는 1차 제강 공정이다. 이 공정은 1856년 헨리 베서머가 발명한 베서머 법을 순산소와 염기성 첨가물을 이용하여 개량한 방식으로, 전 세계 조강 생산량의 약 60~70% 이상을 차지하는 현대 제강의 주류 공정이다.
염기성 산소 제강은 BOS, BOP(Basic Oxygen Process), BOF(Basic Oxygen Furnace) 또는 LD(Linz-Donawitz) 공정이라고도 불린다. '염기성'이라는 명칭은 전로의 내화 라이닝이 염기성 재료(돌로마이트, 마그네사이트)로 만들어져 있으며, 염기성 플럭스(석회, CaO)를 첨가하여 불순물을 제거하고 슬래그를 형성하는 데서 유래한다.
역사
염기성 산소 제강의 기원은 1940년대 스위스의 엔지니어 로베르트 뒤러(Robert Durrer)에 의해 시작되었다. 1948년 뒤러는 2.5톤 규모의 실험용 전로에서 최초로 순산소 취입 제강에 성공하였고, 이후 오스트리아의 국영 철강 회사인 VÖEST(린츠)와 ÖAMG(도나비츠)가 이 공정을 상업화하였다. 1952년 린츠 공장과 1953년 도나비츠 공장에서 각각 30톤 규모의 산소 전로가 가동되면서 LD(Linz-Donawitz)라는 명칭이 붙게 되었다. 이 공정은 기존의 베서머 전로(공기 취입)와 달리 순수 산소를 사용함으로써 질소에 의한 강질 저하 문제를 해결하고, 생산 시간을 획기적으로 단축시켰다.
공정 원리
염기성 산소 제강은 다음과 같은 단계로 진행된다.
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장입(Charging): 전로를 기울인 상태에서 먼저 철 스크랩(전체 장입량의 약 20~30%)을 투입한 후, 고로에서 생산된 약 1,300~1,400°C의 용선을 붓는다. 석회(CaO)와 같은 염기성 플럭스도 함께 투입된다.
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취입(Blowing): 전로를 수직으로 세운 후, 수냉식 구리 팁이 달린 산소 랜스를 용선 표면 가까이로 내려 초음속(마하 2 이상)의 고순도 산소(99.5% 이상)를 분사한다. 산소는 용선 속의 탄소(C), 규소(Si), 망간(Mn), 인(P) 등과 발열 반응을 일으켜 이들을 산화시킨다. 이때 발생하는 반응열은 공정에 필요한 열에너지를 자체적으로 공급하므로(자생적 공정, autogenous), 외부 연료가 필요하지 않다.
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슬래그 형성: 산화 생성물(SiO₂, MnO, P₂O₅, FeO 등)은 투입된 석회와 결합하여 염기성 슬래그를 형성한다. 이 슬래그는 불순물을 흡수하고 전로 내벽을 보호하는 역할을 한다.
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출강(Tapping): 약 15~20분간의 취입이 완료되면 전로를 기울여 용강을 레들(ladle)에 쏟아낸다. 이후 슬래그는 별도로 분리 제거된다.
특징 및 장점
염기성 산소 제강은 기존의 평로(Open Hearth Furnace) 공정에 비해 생산성이 월등히 높다. 200~400톤 규모의 전로에서 40분 이내에 한 번의 용해(heat)가 완료되는 반면, 평로는 동일한 양을 처리하는 데 10~12시간이 소요되었다. 또한 순수 산소를 사용함으로써 강 중의 질소 함량이 낮아져 품질이 우수하며, 자본 비용과 노동 생산성 측면에서도 큰 이점을 가진다.
변형 공정
초기의 LD 공정은 상부 취입(top-blowing) 방식이었으나, 이후 하부 취입(bottom-blowing) 방식과 상하 복합 취입(combined blowing) 방식이 개발되었다. 현대의 전로는 대부분 상하 복합 취입 방식을 채택하여 교반 효율을 높이고 정련 속도를 개선하였다. 또한 용선 예비 처리(pre-treatment)를 통해 전로에 투입되기 전에 탈규, 탈인, 탈황을 수행함으로써 공정 효율을 더욱 향상시키고 있다.
현황
염기성 산소 제강은 20세기 후반부터 전 세계 철강 생산의 주류 공정으로 자리 잡았다. 1970년에는 세계 철강 생산량의 절반, 일본 철강 생산량의 80%가 이 공정으로 생산되었다. 2000년대 이후 전기로(Electric Arc Furnace) 공정의 비중이 증가하면서 점유율이 다소 감소하였으나, 여전히 전 세계 조강 생산의 약 60~70%를 담당하는 핵심 제강 기술이다.
