직접환원철

땅에서 캔 철광석 속의 철은 산소와 단단히 붙어 있어요. 그래서 철을 얻으려면 먼저 이 산소를 떼어 내야 해요. 산소를 떼어 내는 일을 환원이라고 불러요.

고로에서는 코크스가 타면서 생긴 기체가 철광석에 붙은 산소를 떼어 가요. 그렇게 환원된 철이 녹아 바닥에 쇳물로 고이고, 그 쇳물을 받아 강철로 만들어요. 고로에서 흘러나온 쇳물이 굳은 것은 탄소가 많이 섞인 선철이고요. 산소를 떼는 일과 쇠를 녹이는 일이 한 노 안에서 이어져 있는 셈이에요. 그런데 두 일이 꼭 붙어 있어야 하는 것은 아니에요.

철이 녹는 온도보다 낮은 자리에서도 산소는 떨어져 나가요. 광석 덩어리를 탑처럼 생긴 노에 위에서 채우고, 뜨거운 가스를 아래에서 위로 통과시켜요. 가스가 산소를 안고 빠져나가면 덩어리는 고체인 채로 철만 남아요. 덩어리의 크기와 모양은 크게 달라지지 않아요.

산소가 있던 자리에는 아주 작은 구멍이 숭숭 남아요. 그 모습이 스펀지를 닮아서 스펀지철이라고도 불러요. 스펀지는 눌렀다 놓으면 되돌아오지만, 이 덩어리는 손에 쥐면 딱딱한 쇠예요. 직접환원철은 녹이지 않고 고체인 채로 산소만 뗀 것이고, 선철은 고로에서 뽑은 쇳물이 굳은 것이라, 둘은 거쳐 온 상태부터 달라요.

이렇게 얻은 철은 아직 강철이 아니에요. 구멍 속에 돌 성분과 미처 떨어지지 않은 산소가 남아 있고 탄소도 맞춰야 해서, 한 번 녹여 정련해야 판이나 봉이 돼요. 게다가 구멍이 많아 공기 중에서 다시 산소와 붙기 쉬워서, 멀리 실어 보낼 때는 뜨거울 때 눌러 굳히기도 해요. 녹이는 일은 뒤에 선 전기로가 맡아요.

전기로 하면 폐차장에서 온 고철을 떠올리기 쉬워요. 그런데 전기로에 고철만 들어가는 것은 아니에요. 광석을 가스나 수소로 환원해 고체 상태의 철로 만들어 두고, 그것을 전기로에서 녹이는 길도 있어요. 원료는 광석인데 녹이는 노는 전기로인 셈이에요.

그래서 고철과도 갈라 두어야 해요. 고철은 남이 쓰고 버린 강철이고, 직접환원철은 광석에서 막 산소를 떼어 낸 것이에요. 시작한 원료가 폐강철이냐 광석이냐가 둘을 가르는 축이에요.

고철이 넉넉하지 않고 천연가스처럼 환원에 쓸 연료를 싸게 구할 수 있는 곳에서는 이 길을 택하는 경우가 많아요. 강철을 오래 써 온 곳에는 고철이 쌓여 있지만, 이제 막 짓기 시작한 곳에는 쌓일 시간이 없었거든요. 두 길을 가르는 것은 기술의 새것과 헌것보다 원료와 연료 사정이에요.

산소를 떼어 가는 물질을 환원제라고 불러요. 지금 이 길에서 가장 널리 쓰는 환원제는 천연가스를 바꿔 만든 가스예요. 그 가스에는 일산화탄소와 수소가 섞여 있어요. 석탄을 써서 하는 길도 있고, 그쪽은 배출이 다시 달라져요.

그래서 수소환원 제철과 뭉개면 안 돼요. 직접환원은 녹이지 않고 산소를 떼는 방식 전체를 가리키고, 흔히 말하는 수소환원 제철은 대개 그 환원제를 수소 쪽으로 바꾼 갈래예요. 고로에 수소를 일부 불어 넣는 방식을 같은 이름으로 부르기도 해요. 지금 쓰는 가스에도 수소가 섞여 있어 그만큼은 이미 물로 나가요. 환원제를 수소 쪽으로 더 밀수록 이산화탄소로 나가는 몫이 줄어드는 거예요.

2021년 스웨덴에서 수소로 환원한 스펀지철이 만들어졌고, 그 철로 만든 첫 강재가 볼보 그룹에 인도됐어요. 작성 시점 기준으로 상업 규모로 꾸준히 돌아가는 설비는 아직 드물어요. 경제협력개발기구는 여러 저배출 사업이 미뤄지고 있다고 적어요.

배출을 견주면 이 길은 가운데에 있어요. 강철 1톤을 만들 때 나오는 이산화탄소가 광석에서 시작해 고로를 거치는 길은 2.34톤, 고철에서 시작하는 길은 0.69톤이에요. 이 길은 그 사이인 1.47톤이고요(2024년 활동 자료 기준). 다만 이 값은 세계철강협회 회원사가 자발적으로 낸 자료를 모은 것이고, 참여 기업의 생산량 합계가 세계 생산의 절반 남짓이에요.