전기로용 전극봉에 관하여
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요즘 경제계의 화두는 온통 저탄소 녹색성장이다.
일산화탄소는 생명에 심각한 지장을 초래하고 이산화탄소는 지구 온난화의 주범으로 낙인 찍혀 있다.
그렇다면 탄소는 우리 생활에 좋지 않은 영향을 미치는 물질인가?
탄소는 오래 전부터 인류의 생활에서 널리 사용해 온 재료이다.
요즘도 예전과 동일한 역할을 하는 것이 많고, 근래에는 새로운 기능을 가진 재료로 개발되어 첨단 소재로
활용 되기도 한다.
탄소 단독으로 뿐만 아니라 다른 원소와 결합한 화합물까지 고려하면 유기물 전체가 탄소로 이뤄졌다고 할 수
있다.
탄소가 주성분으로 되어 있는 탄소재료는 다른 원소들과 결합하는 형태에 따라 전기적, 기계적 특성이 달라져
다양하게 이용되고 있다.
전기로에서 철 스크랩을 용해하는 전극봉도 탄소가 주 성분이다.
현재 사용되는 전기로의 모습이 최초로 등장한 시기는 1879년이다.
그 후 탄소막대에 전류를 흐르게 하여 발생하는 아크열로서 철을 녹이는 실험을 거듭하면서 전기로 조업방법은
다양한 형태로 개조 또는 개량되었고, 토오쿄오 올림픽이 개최되었던 1964년도에는 현재까지도 사용되고 있는
UHP (Ultra High Power) 방식이 제안되면서, 전기로 조업의 생산성을 획기적으로 끌어올린 계기가 되었다.
전극봉은 연필심과 같은 흑연에 전류가 잘 흐르도록 한 것
전극봉은 흑연으로 구성되어 있으며 기본적으로는 연필심과 같은 구조와 성질을 가진다.
즉, 6개의 탄소원자가 6각형의 고리모양으로 연결된 것이 층층이 쌓여있는 구조를가지고 있는데, 연필심과 같은
일반흑연은 층과 층 사이에 전류가 잘 통하지 않지만 전극봉은 이들 층간 배열을 길이 방향으로 직선화 시킨
구조로 만들어 전류를 잘 흐르도록 한 것이다.
전극봉을 만드는 과정은 탄소 덩어리인 석탄을 가열하면 녹으면서 석탄 입자끼리 다시 뭉쳐져 높은 강도의
덩어리가 만들어지는데 이것이 용광로의 원료로도 사용하는 코크스이며, 이 코크스를 2,500°C 이상에서 재처리
하면 인조흑연이 만들어지며 이것으로 전극봉을 만든다.
즉, 양질의 석유 코크(petroleum coke)와 코울타르 피치(coal tar pitch)를 분쇄하여 채로 거르고, 혼합하고 가열한
다음, 압출 과정을 거쳐서 성형시킨 원통형 재료(생전극)를 길이 방향으로 절단한다.
이 생전극을 소성로 (baking furnace)에서 휘발분을 제거하고, 고착제 (binder)를 탄소화시키기 위해 3주 동안
800℃로 가열시키고 나면 내마모성과 내열저항성이 우수한 경질의 탄소 전극봉재가 되며, 이것을 3,000°C 내외
의 고온전기 저항로에 투입하여 흑연 결정체로 재조직화 시킨다.
이러한 흑연화 과정이 끝나고 로의 내용물이 식은 후, 기계 가공하면 아크로 전극봉이 만들어지는데, 원재료인
석탄으로부터 가공된 전극봉 완제품을 제조하기까지는 12~16주 정도 소요된다.
<그림 1. 인조흑연 전극봉 제조공정>
원료 ⇒ 파쇄 ⇒ 배합 ⇒ 압출성형 ⇒ 소성 ⇒ 함침 ⇒ 흑연화 ⇒ 가공 ⇒ 제품
(
전극봉은 다이아몬드와 같이 탄소가 주성분
흑연은 탄소에 비해 기계적으로 더 강하지만 가공하기 쉬우며, 더 적은 열팽창계수를 가지는 전도체가 되며,
본래 층상으로 된 흑연 조직의 강도는 고온이면 고온일수록 더 강하여진다.
흑연은 다이아몬드와 같이 탄소가 주성분이지만 다른 구조를 가지고 있다.
1기압 하에서 안정적인 결정구조를 갖는 흑연은 6개의 탄소원자가 6각형으로 배열되어 있다.
이 6각형을 벤젠고리라고 하고 이 고리들을 규칙적으로 깔아 층을 쌓았기 때문에 층층이 잘 분리된다.
그래서 층 내에서는 전기가 잘 통하지만 층과 층 사이에는 전기가 통하지 않는 특징을 갖는다.
이러한 인조흑연은 원재료가 풍부하며 등방성(等方性)을 갖는 초미립자 구조로서, 고밀도 고강도뿐만 아니라
초대형 제품을 만들 수 있으며 다음과 같은 장점을 갖고 있다.
<표 1. 인조흑연의 장점>
|
장 점 |
내 역 |
|
내마모성이 강하다 |
전기 조건에 따라 구리의 1/3 ~ 1/10 수준 |
|
가공속도가 빠르다 |
전기 조건에 따라 구리의 1.5~3배, 거친 가공일수록 유리 |
|
기계 가공성 좋다 |
절삭 저항은 주철의 1/10, 가공 능률은 약 5배 |
|
가볍다 |
비중은 구리의 1/5, 대형 전극 사용 유리 |
|
내열성이 좋다 |
승화온도 3,650℃로 고온에서도 연화하지 않음 |
|
열팽창계수가 작다 |
구리의 1/4 수준으로 치수 안정성이 좋다 |
|
접착이 가능하다 |
순간접착제로 접착 가능, 도전성 접착제는 더욱 좋다 |
|
표면다듬질이 쉽다 |
가공표면의 tool mark를 sand paper로 쉽게 없앨 수 있다 |
세계 6대 메이저의 시장점유율 80%로 과점시장
그러면 이와 같은 장점을 갖고 있는 전극봉의 공급 측면에서 시장 현황을 알아 보기로 하자.
인조흑연 전극봉은 세계 50개 지역에서 연간 약 1백만톤 이상 생산되는 것으로 추산되며, 대략 메이저급 6개
생산업체 즉, UCAR (28%), SGL (25%) 및 일본 제조사(24%)가 전체의 80% 정도의 시장점유율을 차지하고 있는
것으로 파악된다.
국내에 유입되는 제조사별 점유비는 UCAR (18%), SGL (13%), SDK (24%), TDK (16%), Nippon Carbon (16%),
SEC (5%) 등으로 6대 메이저 업체가 90% 이상을 차지하고 있다.
그 외에도 HEG, CG Group, Electrode Plant, Superior Graphite 등이 있으나, 각국에 1개 혹은 2개 업체가 있거나,
아니면 우리나라처럼 아예 제조업체가 없는 경우가 많은데, 중국에는 약 70여 개 업체가 2, 3차 brand를 장악
하고 있는 실정이다.
물론 중국은 수요량에 비해 공급초과 상태에 있어 메이커들이 수출을 꾀하고 있으며 머지않아 세계시장 판도는
중국이 좌지우지하는 시장이 될 것으로 예상된다.
전극봉의 가격은 메이커에 의해 결정되는 공급자 우위시장 (seller’s market) 양상을 보이고 있으며, 특히 유가
상승 및 환율 변동 등 원가 상승에 따라 지속적인 가격 상승은 필연적인 것 같다.
그리하여 전기로 조업 및 제련 원가에 필요 이상의 경제적 부담을 주게 되고 결국엔 소비자 즉 우리 모두에게
부담을 가중시키고 있는 현실이다.
시장가격은 특히 원재료중 needle coke 확보 경쟁 및 가격시황에 대해 매우 민감하게 반응하므로 제조업체는
긴장을 늦출 수 없으며, 올해 초 needle coke 가격이 급등하여 전극봉 시장의 긴장은 계속될 것으로 예상된다.
Needle coke 가격과 시장변화에 관한 분석은 다음 기회에 서술하고자 한다.
또 신규 공장 설립에 대한 기존업체의 기득권을 유지하기 위하여 제조기술 및 제조설비의 이전 및 유출을 적극
적으로 억제하고 있으며, 제조기술이 경험의존도가 매우 큰 분야일 뿐만 아니라, 원료 및 설비 등에 따라 제조
조건 등에 상당한 차이가 있어서 철저히 견제하고 있다.
현재 전극봉의 주요 메이커에 대해서는 다음의 그림과 표를 참조하시기 바란다.
<그림 2. 전극봉 주요 생산업체>
<표 2. 주요 제조회사별 생산 현황>
|
회사명 |
입지 |
생산량(천톤) |
|
1. GTI (GrafTech International Ltd.) UCAR |
미국 오하이오 |
230 |
|
2. SGL Group |
미국 아리조나 |
210 |
|
3. TOKAI CARBON CO. LTD. |
일본 토오쿄오 |
100 |
|
4. SDK Graphite Electrodes CO. LTD. |
일본 니카타 |
100 |
|
5. GIL (Graphite Indian Limited) |
인도 콜카타,뭄바이 |
60 |
|
6. HEG Limited |
인도 델리 |
52 |
|
7. Nippon Carbon CO. Ltd. |
일본 토오쿄오 |
30 |
|
8. SEC Carbon CO. Ltd. |
일본 효고 |
25 |
|
9. CGE |
미국 |
20 |
|
10. Superior Graphite |
미국 일리노이,시카고 |
10 |
|
계 |
|
837 |
국내수요는 연간 6만톤 수준이나 전량 수입에 의존
이상으로 전극봉의 제조공정과 공급측면을 알아보았는데, 지금부터는 국내 수요 현황을 살펴 보기로 한다.
인조흑연 전극봉 (artificial graphite electrodes)은 앞에서 알아 보았듯이 전기로 방식의 제강공장에서 철스크랩을
녹이거나 강을 정련할 때 강한 열을 발생시키기 위하여 사용하는 원기둥 형태의 재료이다.
전극봉 제조과정은 고도의 기술(know how)을 필요로 할 뿐 아니라, needle coke(석유, 석탄의 부산물), coal tar
pitch 등 주원료비가 생산원가의 약 50%를 차지하고 있으며 제조시장 진입이 어려워서 우리나라에는 생산회사
가 없고 전량을 수입에 의존하고 있다.
전극봉은 전기로 제강이나 비철금속의 제련 등에 사용되고 있으며, 국내 업체들은 전기로와 같은 중요 설비엔
1차 brand 업체인 일본산이나 미국산을 사용하고, 2차 정련 설비엔 2차 brand 업체인 중국산을 사용하는 것이
보편적이나, 향후에는 중국산 제품의 점유율이 점차 증대될 것으로 예상된다.
그 이유는 중국산 제품의 품질이 갈수록 향상되는 면모를 보여주고 있으며, 가격 면에서도 경쟁력이 있어 국내
업체의 원가절감 기대에 부응할 것으로 예상되기 때문이다.
국내 전극봉 사용량 추이와 전극봉 사용하는 업체를 사용량 순으로 나열해 보면 각각 아래의 표와 같을 것으로
추정된다. 이외에도 비철금속 제련 업체 혹은 다른 용도의 전극봉 사용량도 다소 있겠지만 제외하였다.
단, 전극봉 사용량은 조강 생산량에서 유추할 수밖에 없는데, 국가별 조강 생산량으로부터 전극봉 사용량은 각
국가별 고로업체 비율을 감안하여 조강 1톤당 약 1 Kg 정도의 수준으로 환산하여 추산한다.
<표 3. 국내 조강생산량 및 전극봉 사용량 추이>
|
구 분 |
2007 |
2008 |
2009 |
2010 |
2011 |
|
조강 생산량(천톤) |
51,500 |
53,600 |
48,600 |
53,200 |
62,700 |
|
전극봉 사용량(천톤) |
50 |
52 |
49 |
51 |
60 |
<표 4. 국내 업체별 전극봉 사용량 추정>
|
업체명 |
전기로 수 |
2차 정련설비 수 |
사용량(톤/년) |
비 고 |
|
현대제철 |
15 |
14 |
20,000 |
|
|
포스코 |
5 |
5 |
10,000 |
|
|
세아베스틸 |
3 |
3 |
4,000 |
|
|
동국제강 |
3 |
2 |
4,000 |
|
|
포스코특수강 |
2 |
2 |
3,000 |
|
|
대한제강 |
2 |
2 |
3,000 |
|
|
한국철강 |
3 |
2 |
2,500 |
|
|
YK 스틸 |
2 |
1 |
2,000 |
|
|
기 타 |
12 |
5 |
|
동부제철… |
국내산업의 국제경쟁력 확보 위해 수입관세 무세화돼야
이상에서 우리는 전극봉의 제조공정과 국내외 시장 현황을 살펴 보았다.
국제철강협회(WSA)에 따르면 2010년도 세계철강 시황은 전체적으로 약 9.2% 성장회복(worldsteel, WSD 10.1%, Morgan Stanley 12%)을 예측하고, 2011년에는 대폭 성장을 예상하고 있어서 전극봉 시장은 더욱 활기찰 것으로 보이며, 조강 생산량이 증가됨에 따라 각 업체들은 원가관리 측면에도 지속적으로 여러 방법의 원가절감 수단을 행할 것으로 예상된다.
흑연 전극봉은 전기로 방식의 철강생산을 위한 필수자재로서, 전극봉 구매비용은 생산원가 중에서 약 2~2.5%를
차지하고 있다.
그리하여 국내에서도 원가절감 차원에서 전극봉 제조회사를 설립하려는 움직임이 있었다.
1980년도부터 국내 대기업을 중심으로 여러 차례 사업검토를 시도했으나 번번히 실패로 이어졌다.
그 이유는 제조공정 상에서 발생하는 환경문제, 석탄 등 원재료 확보난, 규모의 경제에 미치지 못하는 시장수요,
과다한 초기투자비, 기술확보미비 등의 여러가지 요인을 제대로 해결하지 못하여 진전이 없었던 것으로 보인다.
물론 향후에도 이러한 이유로 전극봉 제조회사 설립은 불가능할 것으로 보이며 계속해서 수입에 의존해야 할
것 같다. 이윤추구가 아닌 연구목적 차원이라면 모를까.
전극봉은 철스크랩 용해 및 정련설비로서 대체품이 없고, 우리나라는 국내 공급자가 없어서 전량 수입에 의존할
수 밖에 없는 상황이며, 전 세계적으로 조강 생산량 증가에 따른 수급 악화 및 고유가에 따른 원료가격 급등으로
전극봉 가격은 지속적으로 상승할 것으로 예상되어 국내의 전기로 및 중소 비철금속 제련업계의 국제 경쟁력
확보를 위하여 전극봉 수입에 대해서 미국, 일본, EU, 대만 등과 같이 수입관세를 무세화하여야 할 것이다.
더 자세한 내용을 보시려면 블로그를 참조하세요 http;//kr.blog.yahoo.com/jjathene2005/1 <저자 주>
<전극봉 사용자를 위한 TIP>
전극봉은 소중한 자산, 자식처럼 다루어야
사용자들은 전극봉을 어떻게 해야 보다 더 효율적으로 사용할 수 있을까?
용해 조업 중 전극봉은 가끔 절손, 탈락되기도 한다. 그 원인은 로내의 녹지 않은 철스크랩이 무너지면서 전극봉과 충돌하거나, 전극봉 조립을 완벽하게 하지 않은 경우 연결부위에서 탈락되는 등의 관리적인 원인이 대부분이다. 또 전극봉 제조 중에 발생되는 불량품도 하나의 원인이라 할 수 있다.
전극봉이 조업 중 절손되면, 전극봉의 탄소성분이 산화되어 용강의 탄소 함량을 증가시키고, 이는 탄소 함량을 극히 제한하는 강종에 있어서는 성분불량의 원인이 되기도 하며, 또한 전극봉의 소비 원단위를 상승시키게 하는 원인이다. 따라서 전극봉 절손에 항상 주의해야 하는 것은 제강작업의 기본이다.
따라서 제강 작업 중에는 다음 사항을 주의하여야 한다.
1. 고온의 전극봉이 로내 과다한 공기유입으로 인한 산화(흑연은 400°C에서 산화시작)
2. 고전류, short arc로 유도된 전극봉 선단은 급속한 승화
3. 장입 원료와 그 구성에 따른 타당한 전력(300~375kWh)과 아크 길이의 선택
4. 전력과 상전류, 에너지소비와 아크 길이에 대한 매개변수를 포함하는 적절한 전력을 정기적으로 조정
5. 소켓과 결속 핀 사이의 접촉 면이 편평하고 손상이 없어야 하며 먼지와 쪼개진 조각들을 제거
6. 나삿니 접촉부와 두 개의 선단 부위간의 접촉 압력이 꼭 맞아야 한다.
또 전극봉을 취급시에 주의사항은 다음과 같다.
1. 최대한 포장 상태를 유지해야 한다.
2. 컨테이너, 제품창고, 조업장 간의 운반은 지게차 운반을 원칙으로 한다.
3. 운반시에는 바닥 면의 포장상태에 유의하여 조심스럽게 운반한다.
4. 적재높이는 지게차의 용량, 적재장 상황에 따라 결정하나 일반적으로 6단이 최대 허용높이이다.
5. 적재장에서 전극봉을 세워 두어선 안되며, 습기를 피해야 하고, 불순물을 피해야 한다.
6. 특히 소켓과 단면부위를 선단 보호 캡이 부착되어 있는 상태에서 보호될 수 있도록주의해야 한다.
7. 조업장에서 전극봉 연결시 소켓부위의 청결을 재확인한 후 니플을 단단히 죄어야 한다. (300 ft/lb)
8. 소켓 연결 작업은 압축 에어호스와 와이어 브러쉬를 사용하여 연결부위를 확인 후 작업한다.
그외 자료
1. 인조흑연 전극봉 제조기술 - 전극봉 제조 방법
2. electrodes digest
3. 세계의 전기로용 전극봉 제조 maker list (일본, 미국, 중국, 기타)
4. 탄소재료의 수요와 전망
5. 한국 철강 통계
6. 일본 철강 통계
7. 미국 고로, 전기로 업체 list
8. 일본 고로, 전기로 업체 list
9. 국내외 철강산업 동향 및 전망
10. 2010년 수출입 환경 전망
11. needle coke 의 세계시장 가격추이 및 현황
12. needle coke 의 제조 process
13. needle coke 의 사용용도
14. needle coke 제조업체 현황 및 동향
15. coke 가격과 시장추이