1. 서 론

시멘트 산업은 전 세계 온실가스 배출의 약 7%를 차지하며, 시멘트 제조 공정 중 발생하는 온실가스의 65% 이상은 석회석을 고온에서 소성하여 클링커를 생산하는 과정에서 발생한다^1,2). 석회석의 열분해 과정에서 발생하는 이산화탄소는 시멘트 제조 공정 중 발생하는 전체 이산화탄소 배출량의 대부분을 차지하며 주요 환경적 문제로 지적되어 왔다. 따라서 석회석 대체 원료 개발은 온실가스 저감을 위한 핵심 전략으로 평가되고 있다^3,4,5).

슬래그는 철강 제조공정에서 발생하는 공업 부산물로, 높은 강도와 내마모성 등 물리적 강점과 함께 CaO, SiO₂, Fe₂O₃ 등의 산화물이 주성분인 화학적 안정성을 지니고 있어 순환자원으로서 활용 가능성이 높다. 유해 화학 성분의 용출이 거의 없어 안정적인 친환경 자원으로 평가받고 있으며, 특히 시멘트 산업에서 석회석 일부를 대체함으로써 원료 투입량과 이산화탄소 배출량을 동시에 줄일 수 있다는 강점이 있다. 한국철강협회에 따르면 2023년 기준 총 슬래그 발생량은 연간 약 2,529만 톤으로, 슬래그를 석회석 대체 원료로 사용할 시 기존 대비 최대 59% 이상의 온실가스를 저감할 수 있다⁶⁾. 그중 전로슬래그는 고온 공정 중 생성되는 복합 산화물 외에도 Fe, Cr 등의 금속 성분을 포함하고 있어, 이를 적절히 분리하지 않으면 분쇄 효율 저하 및 수화 특성 저하 등 시멘트 원료로 활용하는 데 한계가 있다⁷⁾. 특히 Fe 성분은 제철 공정에서 재활용 자원으로 간주되므로, 자원 순환 측면에서도 금속 성분의 효율적 분리가 중요하다^8,9). 이에 본 연구에서는 전로슬래그를 대상으로 자력선별 방법을 적용하여 실질적인 자원화 가능성을 검토하였다.

기존 연구들은 주로 단일 공정으로 강자석을 이용한 자력선별 방식을 적용해 왔으나, 이러한 방식은 분리 효율이 낮고, Fe 함유량이 낮은 슬래그에 대한 선별 정확도가 떨어지는 한계가 있다^10,11). 본 연구는 이러한 문제점을 개선하기 위해 약자석을 이용하여 연속식 다단 자력선별 방법론을 개발 및 적용하였다. 약자석을 이용한 연속식 다단 선별 공정은 강자석을 이용한 배치식 단일 선별 공정에 비해 Fe 함유량에 따른 슬래그를 보다 정밀하게 분리할 수 있다. 이를 통해 기존의 자력선별 방식 대비 선별의 정밀도와 효율성을 동시에 향상시켰으며, 파일럿 플랜트 규모에서 실험을 수행하여 실용화 가능성을 검증하였다.

본 연구에서는 연속식 다단 자력선별 공정을 통해 전로슬래그를 5종류로 구분하였으며, 각각의 물리적, 화학적 특성을 분석하여 시멘트 산업 내 원료 활용의 가능성을 평가하였다. 특히 Fe 함량이 높은 자착분은 철스크랩 대체 자원으로, CaO가 풍부한 비자착분은 석회석 대체 원료로서 각각의 산업적 활용 방안을 제시함으로써 제철 부산물의 자원화 및 탄소 배출 저감에 기여할 수 있음을 확인하였다¹²⁾. 이를 통해 제철 부산물의 효율적인 자원화와 원료 비용 절감뿐만 아니라, 철강·시멘트 산업 전반의 탄소 배출 저감에도 기여할 수 있는 가능성을 제시하였다. 나아가, 본 연구의 연속식 다단 자력선별 공정은 슬래그의 정밀 분리와 산업적 재활용을 동시에 달성할 수 있는 실질적 기술로서, 향후 제철 부산물 처리 및 산업 자원 순환 체계 구축에 중요한 기반이 될 것으로 기대된다.

2. 재료 및 실험 방법

본 연구에 사용된 시료는 국내 제철소 P社의 제강공정에서 발생한 전로슬래그(Basic Oxygen Furnace Steelmaking Slag)로 서냉, 파쇄, 철원 회수 등 1차 처리를 거친 이후의 비자착분에 대해 입자의 크기가 20 mm 이하인 슬래그를 사용하였다. 실험에 사용된 슬래그의 입자 크기 분포는 다음과 같다(Fig. 1).

Fig. 1.

Particle size weight distribution of sample slag.

실험에 사용한 전로슬래그 샘플 시료의 화학적 및 광물학적 조성을 파악하기 위해 X선 회절 분석(XRD, RIGAKU), X선 형광 분석(XRF, SIMULTIX12), 유도결합 플라즈마 분광 분석(ICP-OES, Thermo ICAP 6000)을 수행하였다.

시료의 주요 산화물 조성을 파악하기 위해 전로슬래그 샘플 시료의 XRF 분석을 실시한 결과를 Table 1에 나타냈다. 슬래그 시료는 CaO 성분이 32 wt% 이상, Fe₂O₃ 성분이 35 wt% 이상 함유되어 있으며, 이외에도 Si 산화물 등 다양한 산화물 성분이 포함되어 있는 것으로 나타났다. 보다 정밀한 정량 분석을 위해 ICP-OES 분석을 추가로 수행하였으며, 그 결과 Fe 성분이 30 wt% 이상, CaO 성분이 29 wt% 이상 함유되어 있음이 확인되었다(Table 2).

한편, XRD 분석을 통해 전로슬래그의 대표적인 광물 상인 2CaO·SiO₂(C₂S, belite), 2CaO·Fe₂O₃(C₂F, dicalcium ferrite), FeO가 주로 존재하는 것으로 나타났다(Fig. 2). 이 중 Cr과 Fe가 농축되어 존재하는 C₂F 및 FeO는 C₂S에 비해 상대적으로 높은 자성을 나타내므로, 자력선별 방법론을 적용하여 CaO가 풍부한 비자착분과 Fe가 풍부한 자착분으로의 분리를 시도하였다¹³⁾.

Fig. 2.

The result of XRD analysis of sample slag.

본 연구에서는 슬래그 내 Fe 함유량에 따른 분류를 목적으로 연속식 다단 자력선별 장치를 구축하여 실험을 수행하였다. 슬래그 내 철 성분을 효과적으로 분리하는 것은 자력 세기가 1000 Gauss 미만, 특히 200~800 Gauss 범위의 약자석을 활용하는 것이 효과적이다¹⁴⁾. 이에 본 연구에서는 기존의 단일 강자석을 이용한 배치식 자력선별 방식과는 달리, 약자석을 적용한 다단 연속식 자력선별 공정을 설계·구축하여 그 가능성을 검증하고자 하였다.

설비의 규모는 Pilot plant 규모(4 ton/hr)이며, 설비의 구조 및 구성은 Fig. 3과 같다. 설비는 총 4개의 자석으로 이루어져 있으며, 투입된 슬래그는 자석 세기에 따른 분류에 따라 Magnetic 1(M1), Magnetic 2(M2), Magnetic 3(M3), Magnetic 4(M4), Non-Magnetic(NM)으로 분류된다. 슬래그 투입 후 분류되는 첫번째 자석은 벨트 자석으로 M1을 분류하기 위해 가장 앞 단에 배치되어 있다. M1단 자석의 세기는 자석과의 거리와 자석 세기 조절에 따라 약 130 Gauss에서 550 Gauss로 설정할 수 있는 전자석이며, 1단에서 4단까지 단수에 따라 Magnetic voltage (V)가 50~110으로 조정된다. 본 연구에서는 자석과의 거리를 11.5 cm로, 자석의 세기를 1단으로 하여 M1단의 자석 세기를 262 Gauss로 설정하였다. 다음 두번째 자석은 선단 자석으로 M2를 분류하기 위해 원료 컨베이어의 끝 쪽에 배치되어 있으며, M2단 자석의 세기는 500 Gauss로 고정된 영구자석이다. 세번째 자석과 네번째 자석은 드럼 자석으로 각각 M3와 M4를 분류하기 위해 M2 자석 뒤에 배치되어 있으며, M3단 자석의 세기는 1,000 Gauss, M4단 자석의 세기는 1,500 Gauss로 두 자석 모두 고정식 영구자석이다. 원료의 공급과 집진분의 회수를 위해 호퍼와 집진기를 배치하여 설비를 구축하였다.

Fig. 3.

Continuous multi-stage magnetic sorting pilot plant.

호퍼로 투입된 슬래그 시료는 원료 컨베이어를 따라 이동하며, 자착분이 많이 함유된 슬래그는 가장 약자석인 M1단 자석에 붙어 M1으로 분류된다. M1단 자석에 붙지 않은 슬래그 시료는 컨베이어를 따라 이동한 후 원료 컨베이어의 끝 쪽에 위치한 M2단 자석으로 이동하며, M2단 자석에 붙은 슬래그는 M2로 분류된다. 이후 M2단 자석에 붙지 않은 슬래그는 중력에 의해 아래로 이동하여 M3단 자석, M4단 자석을 통해 각각 M3, M4로 분류되고 어떠한 자석에도 붙지 않은 슬래그는 NM으로 분류된다. 투입 슬래그의 크기에 따라 호퍼 출구의 간격을 조절할 수 있으며, 원료 컨베이어 속도를 조절할 수 있다. 본 연구에서는 투입되는 슬래그의 입자 크기 분포를 고려하여 호퍼 출구의 간격을 30 mm, 원료 컨베이어 속도를 13.5 m/min으로 설정하여 실험을 진행하였다.

3. 결과 및 고찰

약자석을 사용한 연속식 자력선별을 진행하여 슬래그를 M1~M4, NM로 분류하였으며, 분류된 각각의 슬래그의 중량과 비중 측정 결과를 Table 3에 나타냈다. 앞서 입도 분포에 사용한 전로슬래그와 동일한 시료이며, 약 6 kg의 시료를 사용하여 실험을 진행하였다.

철은 슬래그에 비해 비중이 높기 때문에 분류된 슬래그 내 Fe 함량에 따라 비중 값에 영향을 미친다. 분류된 슬래그의 중량비에 따르면 M1의 중량비가 0.03 wt%로 매우 낮게 나타났으며, 이를 통해 현재 진행되고 있는 철강 제조 공정이 효율적으로 운영되고 있음을 간접적으로 확인할 수 있다. 또한 M2와 M3, NM이 각각 18.41 wt%, 17.09 wt%, 60.50 wt%로 슬래그의 자착 성질에 따라 분류되었음을 보여준다. 비중 측정 결과에 따르면 자착 성질이 낮은 NM으로 갈수록 비중이 감소하는 추세를 보였다. 이는 Fe, Cr 등의 자착분의 비중이 CaO, SiO₂등에 비해 크기 때문에 슬래그 내부에 함유된 자착분 함량이 비중값에 영향을 미친 것으로 볼 수 있다. 따라서 약자석을 이용한 연속 자력선별 공정이 효과적으로 수행되었음을 시사한다.

다음으로 자력선별을 거친 슬래그 시료의 화학적 조성을 파악하기 위해 ICP-OES 분석을 실시하였다(Table 4). 분석은 Fe, Ca, Cr에 대한 정량분석 결과이며, 비탄산염 원료로서의 비교 분석을 위해 Ca 성분은 CaO 산화물 기준으로 변환하였다.

분석 결과, M1 시료는 Fe 함량이 89.0 wt%로 매우 높았으며, 이는 일반적으로 전로 공정에 투입되는 철스크랩과 유사한 수준(Fe 함량 약 90% 이상)으로, 전로 공정에 재투입하여 철스크랩을 대체할 수 있는 자원 재활용 가능성을 확인하였다. M2 시료 또한 Fe 함량이 46.8 wt%로 비교적 높은 수준을 나타내었으며, 이는 일반적으로 소결 원료로 사용되는 소결광(Fe 함량 약 50 wt% 이상)에 근접한 수치로, 소결 공정의 원료로 활용될 수 있는 가능성이 확인되었다. M3와 M4 시료는 Fe, CaO, Cr함량이 유사한 경향을 보였으며, 전반적인 조성 특성이 기존 전로슬래그 시료와 유사하게 나타났다. 이에 따라, M3와 M4 시료는 중금속 용출 특성 및 환경 관련 법규 기준을 충족하는 경우, 기존 전로슬래그의 일반적인 활용 방식인 도로 기층재 또는 매립재 등 비금속 자원으로의 활용될 수 있다. 또한 NM 시료는 비탄산염 성분인 CaO 함량이 35.4 wt%로 비교적 높게 나타났으며, 이는 주로 CaCO₃로 이루어진 석회석을 대체할 수 있는 원료로, 시멘트 제조 공정 중 클링커 생산 단계에 활용될 수 있다. 석회석은 클링커 생산 시 CaO를 공급하는 역할을 하며, NM 시료의 높은 CaO 함량은 이러한 기능을 대체할 수 있음을 의미한다. 특히 슬래그는 비탄산염 계열 물질이기 때문에 이를 활용할 경우 공정 내 CO₂ 배출 저감 효과를 기대할 수 있다¹⁵⁾. 따라서 본 연구에서 제안한 연속식 다단 자력선별 공정은 슬래그의 효율적인 자원화 및 다양한 활용 방안을 제공할 수 있음을 확인하였다.

다음으로 슬래그 자력선별의 효과를 시각적으로 확인하기 위해 Micro 3D X-CT 기술을 활용해 슬래그 내부 Fe 분포를 분석하였다(Table 5, Fig. 4). M1~M4, NM으로 선별된 각 슬래그 시료의 양과 Fe 함량을 고려하여 M2와 NM에 대한 비교, 분석을 실시하였다.

Fig. 4.

The result of BOF Steelmaking slag (-20 mm) X-CT analysis.

Fig. 4는 실험에 사용된 전로슬래그 시료 샘플과 자력선별 이후 M2 및 NM 시료에 대해 X-CT 기술을 활용하여 3차원으로 시각화한 결과이며, 각각의 색상은 슬래그 내 Fe 입자의 부피에 따라 구분된다. 파란색은 약 1.75 mm³, 초록색은 약 7.52 mm³, 노란색은 약 13.28 mm³의 입자 부피를 가지는 것으로 탐지되었다. Fig. 4(a)에서 전로슬래그 시료 샘플의 전체적인 Fe 입자 분포를 확인할 수 있으며, Table 5에 따르면 해당 시료의 Fe 함량은 약 13.94 wt%로 측정되었다. 이는 실험에 사용한 전로슬래그 시료 샘플 내 상당량의 철이 존재함을 보여주며, 자력선별 공정을 통한 자원 회수가 가능함을 보여준다. 또한 약자석을 이용한 연속식 자력선별 공정을 통해 분리된 M2 및 NM 시료에 대한 X-CT 분석 결과 M2와 NM을 비교하였을 때 슬래그 내부 Fe 함량이 35.65 wt%에서 5.99 wt%로 감소한 것을 볼 수 있다. 이러한 결과를 통해 본 연구의 자력선별 공정이 효과적으로 수행되었음을 정량적, 정성적으로 확인할 수 있다.

4. 결 론

본 연구는 철강 제조공정에서 발생하는 산업 부산물인 슬래그를 효과적으로 자원화하고, 동시에 시멘트 생산공정에서 발생하는 온실가스 배출 저감을 위한 대안으로 활용하기 위해 약자석을 활용한 연속식 다단 자력선별 방법론을 제시하고 그 효율성과 가능성을 정량적, 정성적으로 검증하였다. 기존 자력선별 공정의 한계를 개선하기 위해 고안된 본 연구는 슬래그 내 Fe 함량에 따라 슬래그를 선별하여 보다 정밀하고 고도화된 분리를 가능하게 하였다.

연속식 다단 자력선별 공정을 통해 전로슬래그를 M1부터 M4, NM까지의 5종류로 구분하여 각각의 비중, 화학적 조성에 따른 산업적 활용 가능성을 평가하였다. M1 시료는 Fe 함량이 89.0 wt%로 상용 철스크랩 수준의 품질을 나타내며, 이는 전로 공정에서 재활용할 수 있는 고부가가치 자원으로서의 가능성을 보여준다. 그러나 M1으로 분류되는 중량비가 0.03 wt%로 매우 낮기 때문에 수율과 경제성을 고려하였을 때 후속 연구가 필요하다. 또한 M2 시료의 Fe 함량은 46.8 wt%로 소결 원료로 활용 가능한 수준을 보였다. 특히 M2는 소결 공정에 사용되는 소결광과 석회석의 역할을 동시에 할 수 있기 때문에 투입비 조정을 통해 소결 원료로 사용할 수 있으며, 비탄산염 원료이므로 소결 시 발생하는 이산화탄소 배출량 저감에도 기여할 수 있다. NM 시료는 CaO 함량이 35.4 wt%로 전로슬래그 시료 샘플 대비 CaO 35.4 wt%로 약 18.8% 증가하여, 비탄산염계 CaO 공급원으로서 유의미한 개선을 보였다. 이를 통해 석회석의 대체 원료로 시멘트 제조 공정의 클링커 생산 시 석회석을 대체하여 투입될 수 있는 가능성을 확인하였다. 다만 Fe 성분이 24.6 wt% 포함되어 있어 시멘트 제조 시 발생하는 분쇄 난이에 대한 후속 연구가 필요하다. 또한 3D X-CT 분석 결과를 통해 자력선별 전후 슬래그 내 Fe 입자의 부피 및 분포의 변화를 정량적, 정성적으로 확인할 수 있었으며, 대표적으로 M2 시료와 NM시료를 비교하였을 때 Fe 부피 비율이 각각 35.65 wt%, 5.99 wt%로 뚜렷한 차이를 보였다.

따라서 본 연구에서 개발한 연속식 다단 자력선별 공정은 다음과 같은 기술적·환경적 의의를 가진다. 1) M2시료로 선별된 슬래그를 소결 공정의 원료로 사용함으로써 철강 산업의 자원 순환성과 경제성을 향상시킬 수 있다. 2) NM 시료로 선별된 슬래그를 시멘트 산업의 대체 원료로 활용함으로써, 이산화탄소의 직접 배출 감축 효과를 기대할 수 있다. 3) 본 공정은 기존 자력선별 방식 대비 처리량, 분리 정밀도, 산업 적용 가능성 측면에서 우수한 성능을 나타내며, 향후 대규모 상용화 가능성도 기대할 수 있다. 다만 본 연구는 Pilot 규모의 실험에 기반하고 있으며, 실제 산업 현장에 적용되기 위해서는 대규모 공정 최적화, 연속 운전 시 신뢰성 확보, 슬래그의 입도 및 수분 변화에 따른 처리 안정성 평가 등 후속 연구가 필요하다. 또한, 슬래그에 존재하는 Cr, P와 같은 미량 유해 원소의 제거 또는 안정화 방안에 대한 기술적 검토도 병행되어야 할 것이다.

결론적으로, 본 연구는 철강 부산물인 전로슬래그의 고부가가치 자원화와 시멘트 제조 공정의 탄소 배출 저감이라는 두 가지 산업적, 환경적 문제에 대한 대안으로 활용할 수 있는 방법론을 제시하였으며, 향후 본 공정이 국내외 제철 및 시멘트 산업에 실질적으로 도입될 경우 자원순환 사회 구축과 탄소중립 실현에 기여하는 핵심 기술로 자리매김할 것으로 기대된다.