1. 내화물의 정의 및 역사

내화물(Refractory Material)은 고온에서 연화(軟化) 또는 용융(溶融)하기 어려운 비금속 무기재료이다. 고온재료(High Temperature Materials) 혹은 내열세라믹(Refractory Ceramics)라고 말하는 경우도 있다. 쉽게 말하면 고온(1,000℃)이상의 고온에서 녹거나, 휘거나 하지 않는 재료를 내화물이라고 한다. 이러한 내화물은 일상생활 주변에서 쉽게 볼 수 있는데, 불을 사용하는 대부분에서 사용되고 있다. 예를 들면 가정용 보일러 연소실, 도자기 가마 등이 있으며, 산업용으로는 쇳물을 만드는 제철제강, 비철금속, 시멘트, 석유화학 산업 등에 널리 사용되고 있다.
일반적으로 내화물은 종류로는 형태를 가진 것을 정형내화물(Refractory Bricks), 형태를 갖추지 않은 부정형내화물(Unshaped Refractories)로 크게 구별할 수 있다. 정형내화물은 보통 벽돌 형태를 가지고 있으며, 부정형내화물은 분말상이며 사용시에 물을 첨가하거나 래밍(Ramming)을 하여 원하는 형태로 시공한다.
이러한 실생활에서 쉽게 볼 수 있는 내화물의 역사는 고대 석기시대로 거슬러 올라간다.
고대 이집트에서는 기원전 1,500년경, 많은 유리 장식품이 만들어 졌기 때문에 내화물이 사용되었을 것이라 추측된다. 그리고 청동기, 철기시대에는 정련에 필요한 내화물로는 석재나 점토를 활용하였다. 19세기 산업혁명을 계기로 많은 제강로와 유리용해로가 개발 및 발전함에 따라 내화물도 점토질벽돌, 규석질벽돌, Ganister벽돌, 크롬벽돌 등이 사용되었다.
19세기 후반부터는 유럽, 미국, 일본 등의 철강산업 발전이 급속도로 이루어 졌다. 1860년대에 Bessemer전로(그림 1)가 개발되면서 마그네시아내화물이 사용되기 시작하였다. 그 후 마그네시아벽돌은 염기성평로 및 전기로의 주요한 내화물로 자리잡게 된다. 20세기 초반에 크롬광과 마그네시아를 조합한 마그크로벽돌이 개발되면서 염기성 내화물의 사용분야는 현저히 확대된다.
한편 각종 요로의 고온화에 동반하여 알루미나질 내화물의 필요성이 증대되고 Bauxite, Diaspore, Silimanite 등의 원료를 이용한 고알루미나질 벽돌이 개발된다. 또한 Zircon Sand, 흑연이 내화물로서 중요시되어 나갔다. 그러나 이러한 것들은 천연원료이므로 사용량증대에 동반한 양적, 품질적으로 종종 한계가 있어, 소결알루미나, 뮬라이트등의 인조원료가 개발되어 고온을 이용하는 산업분야에 큰 공헌을 미치게 된다.1)

2. 내화물 사용 현황

쇠를 만드는 제철제강 회사로는 일관제철소와 전기로업체로 나눌 수 있다. 일관제철소는 제선, 제강, 압연의 세 공정으로 이루어져 있으며, 제선은 원료인 철광석과 유연탄 등을 커다란 고로에 넣어 액체상태의 쇳물을 뽑아내는 공정을, 제강은 이렇게 만들어진 쇳물에서 각종 불순물을 제거하는 작업을, 압연은 쇳물을 슬래브(커다란 쇠판) 형태로 뽑아낸 후 여기에 높은 압력을 가하는 공정이며, 국내 대표적인 일관제철소는 포스코와 현대제철이 있다. 전기로업체는 고철을 원료로 하여 전극봉을 통하여 전기저항열로서 녹여내는 방법이다.
2013년 국내에서 판매된 내화물은 54만톤이 판매되었으며, 그 중 체철제강용으로는 전체의 83%인 45만톤이 판매되어 내화물의 대부분은 제철제강용으로 사용된다고 할 수 있다.
그 밖에 비철금속, 소각로, 시멘트용 순으로 사용되었다(그림 2). 일본도 마찬가지로 같은 해에 전체 내화물 판매량 94만톤 중, 81%인 76만톤이 제철제강용으로 사용되었다.2)
또한 제철제강용 내화물 사용량은 조강생산량에 따라 변동되며, 사용량 지표로는 조강생산에 사용된 내화물 사용량을 나타내는 내화물원단위(kg/t)로 표현이 가능하다. 그림 3의 그래프에서와 같이 전세계 내화물 원단위는 1950년 이후 급속도로 저하되고 있으며, 1950년 60kg/t에서 2014년 15kg/t, 2020년에는 5kg/t까지 전망되고 있다.3)
이러한 내화물 원단위 감소경향은 내화물제조 기술력의 급격한 향상과 더불어 내화물 사용자(제철소 등)의 사용기술(시공기술, 조업기술, 보수기술 등)도 동반하여 향상되었기 때문이다. 내화물 관련 기술자는 내화물 원단위에 미치는 주된 요인으로는 내화물 품질 50%, 사용기술 50%라고 일반적으로 말하지만, 일각에서는 사용기술이 70%의 영향을 미친다라는 의견도 있다.
특히 일관제철소에서 사용되는 내화물은 제선공정에서 사용하는 제선용 내화물과 제강공정에서 사용하는 제강용 내화물로 나눌 수가 있다. 특히 제강용 내화물은 전로, 전기로, RH, 티밍래들에 사용되며, 제선용 내화물에 비하여 사용조건이 가혹하여 수명도 제선용 내화물에 비하여 상당히 짧다. 예를 들면 제선공정의 대표적인 내화물로 고로벽체용 내화물은은 10~15년 사용하는데 비하여 전로는 1~3개월, RH, LD은 길게는 1~2개월, 짧게는 1주일 정도 사용하는 경우도 있다.
제강용 내화물의 사용기간이 상대적으로 짧은 이유는 제선공정에서 제조된 용선 중에 존재하는 각종 불순물(S,P등)을 제거하기 위해 산소를 취입하거나, 전극봉으로 가열하고, 각종 부원료 투입하는 과정 중에 열적, 화학적, 기계적 손상을 받게 된다. 따라서 제철제강에 있어서 제강공정에서 내화물 사용량(원단위)이 많으며 이에 따라 제강공정에서의 가혹한 조업조건을 견디는 보다 더 긴 수명을 가지는 내화물을 개발하기 위해 다양한 내화물 종류와 원료의 조합기술과 제조기술이 개발되어 왔다.
제강공정에 있어서 각 설비별로 사용되는 내화물의 발전과정과 앞으로의 과제를 정리하면 다음과 같다.

* 자세한 내용은 세라믹 코리아 4월호에서 보실 수 있습니다.