안녕하세요. 정리남입니다.
철을 만드는 과정에는 '철'이라는 제품 이외에 '밀크스케일(Mill Scale)'이란 쓸모없는 부산물이 발생됩니다. 그런데 이러한 밀스케일은 사실 제철소와 시멘트사에서 재활용 가능한 중요한 순환자원이 된다고 하는데요, 오늘은 밀스케일에 대해 알아보겠습니다.
밀스케일이란?
'밀스케일'은 철강을 만드는 과정에서 '철 표면에 생기는 얇고 단단한 산화철층을 말합니다. 발생 공정은 '압연, 열처리, 단조' 등의 공정이 있는데요, 밀스케일은 '고온 공정에서 철이 공기와 접촉할 때 생성' 된다고 합니다.
각 공정에서 밀스케일이 발생되는 과정을 대략적으로 살펴볼까요. 예컨대, '압연공정'이란 뜨거운 철 덩어리를 롤러 사이에 넣고 밀고 당겨서 얇고 길게 만드는 작업인데요 가열된 철이 롤러 사이를 지나가면서 얇아지는데, 이때 뜨거워진 철이 공기와 반응하여 생기는 게 바로 밀스케일인 것입니다. '열처리공정'은 철을 뜨겁게 가열했다가 원하는 성질*을 만들기 위해 천천히 식히거나 또는 빠르게 찬물에 담가 식히는 공정이고, '단조'는 뜨거운 철을 망치로 두들기거나 기계로 눌러 원하는 모양으로 성형하거나 강도를 높이기 위해 하는 작업입니다. 이 두 공정 역시 공기와 뜨거워진 철이 접촉할 때 밀스케일이 표현에 생기기 쉬운 공정입니다.
*원하는 성질이란, : 열처리 공정의 목적은 다음과 같다. 경도나 항장력의 확대, 내구성 향상, 표면 경화, 조직 연화 등
밀스케일과 녹(Rust)은 같은 거 아니야?
'밀스케일'과 '녹(Rust)' 둘 다 철 표면에 생기는 녀석들이지만 사실 이 둘을 완전히 다른 물질입니다. 먼저 '밀스케일'은 고온에서 철이 산소와 반응해 생기는 '산화철'입니다. 색상은 짙은 회색~검은색이고 단단하며 철 표면에 달라붙어 외부 유해 물질에 의해 철이 산화되거나 부식되는 것을 일시적으로 막아주는 방어막 역할을 합니다. 반면 녹은 녹(rust)은 '습기나 물이 철과 반응하여 생기는 적갈색의 산화물로서 녹은 철을 부식시켜 약하게 만듭니다.
그런데 웃기죠. 철을 보호하는 밀스케일을 왜 쓸모없는 부산물이라 할까요? 이는 철을 생산하여 제품화하기 위한 과정에서 품질 문제를 일으킬 수 있기 때문에 결국 제거해 줘야만 하기 때문입니다. 예를 들어 도장(painting)은 철 표면에 페인트를 발라 녹(rust) 발생을 방지하는 작업인데요, 밀스케일이 거칠게 철 표면에 남아있다면 그 위에 페인트가 제대로 붙지 않아 나중에 벗겨질 수 있습니다. 따라서 도장을 하기 전에는 밀스케일을 잘 제거해 주는 것이 중요합니다. 용접공정에서도 철에 밀스케일이 남아있다면 용접부위가 약해질 수 있기 때문에 용접 부위에 강도를 유지하려면 사전에 밀 스케일을 잘 제거해 줘야 합니다.
[정리]
1. 밀스케일 : 고온에서 철이 산소와 반응하여 생기는 짙은 회색~검은색 산화철층, 단단하며 철 표면에서 철의 산화나 부식으로부터 일시적으로 보호
2. 녹 : 수분과 철이 반응하여 철이 부식되면서 생성되는 산화철, 적갈색으로 철을 약하게 만듦.
밀스케일의 재활용 : 제철소에서 시멘트 공장까지
밀스케일은 일시적으로 철의 외부에 단단히 붙어 철의 외부 물질들과 반응하여 부식하는 것을 막아주는 역할을 합니다. 하지만 결국에는 자연스럽게 철의 표면에서 일부 떨어져 나가 철을 부식의 위험성으로 노출시키죠. 따라서 장기적인 부식 방지를 위해서는 도장, 도금 등의 표면처리를 해줘야하는데, 밀스케일의 거칠고 불균일한 상태는 철강 표면에 도장재료가 제대로 접착되지 않도록 방해를 하여 철강제품 품질에 영향을 주므로 '제거' 해야 하는 대상이 됩니다.
제거된 밀스케일은 제철소나 시멘트 공장에서 재활용될 수 있습니다. 철을 만드는 제철소는 철광석 가열해 쇳물을 만드는데 밀스케일은 이 철광석을 일부 대체할 수 있습니다. 이유는 밀스케일에는 철 성분이 이 약 70% 이상 포함되어 있기 때문입니다. 밀스케일은 이미 산화된 형태로 제철 과정 중에 발생되는데요, 하지만 다시 제련을 통해 철로 환원활수 있다고 합니다. 밀스케일은 제철소에서 발생되는 부산물이자 버려지는 폐기물이죠. 하지만 이를 재활용 함으로써 원재료 절감과 환경 보호 가능한 것입니다.
녹(rust)도 철의 산화물로서 철이 포함되어 있습니다. 하지만 밀스케일은 상대적으로 순수한 철 함량이 높고 불순물이 적지만, 녹(rust)은 수분이나 기타 오염물질이 포함된 경우가 많아 밀스케일에 비해 철의 순도가 낮습니다. 또한 밀스케일은 구조적으로 안정하여 단단하지만 녹(rust)은 부서지기 쉬운 형태라 재활용 효율이 떨어집니다.
밀스케일은 제철 공정 중에 900~1200도의 고온에서 철이 산소와 반응하여 형성되는데요, 고온에서 형성된 산화물은 결정구조가 안정화되어 더욱 치밀한 하고 단단한 결합 구조를 가지게 된다고 합니다. 이렇게 비교적 안정된 결정구조를 갖는 산화물이 바로 FeO(산화철 II)와 Fe3O4(자철석)인데 밀스케일은 이러한 산화물로 구성되어 있는 것이죠.
반면 녹(rust)은 철이 산소와 물과 반응해 주로 상온에서 형성됩니다. 밀스케일 대비 비교적 낮은 온도에서 생성되며, 이 과정에서 철의 결정구조가 덜 조밀하고 불안정하게 형성됩니다. Fe2O3(산화철 III)나 그 수화된 산화철(Fe2 O3 nH2 O)로 구성되는데, 녹(rust)의 Fe2O3는 결정구조가 상대적으로 느슨하며 물 분자와 결합된 수화된 산화철은 구조적으로 불안정하여 잘 부서진다고 하네요.
이러한 이유로 밀스케일은 철로 환원하여 재활용 가능하지만 녹은 같은 산화철이더라도 재활용되지 않는 것입니다. 물론 '철광석'도 녹(rust)처럼 Fe2O3로 구성되어 있다고는 합니다만, 철광석은 자연환경에서 굉장히 오랜시간 동안 지질학적 과정에 의해 형성된 안정된 광물 형태라 철 함량이 높고 불순물이 적어 제철 공정에서 이용하기 용이합니다. 하지만 녹(rust)의 Fe2O3는 대기 중의 물, 이산화탄소, 기타 오염물질의 영향을 받아 형성되므로 불순물이 많고 더욱 불안정한 구조를 가지며 철 함량이 낮아 철의 원료로 사용하기에는 어려운 점이 있는 것이죠.
시멘트 공장에서도 밀스케일은 시멘트 제조 과정에서 중요 대체 원료로 사용 가능합니다. 시멘트의 주성분인 클링커는 석회석, 점토, 규석 등과 함께 철을 포함한 다양한 산화물로 만들어지는데 이때 밀스케일이 철 성분을 대체하는 원료로 사용될 수 있습니다. 대체 과정에서 시멘트사는 이산화탄소 발생량을 줄일 수 있고 폐기물을 재활용하는 것이니 상대적으로 수급이 저렴하여 원가 절감에 도움을 주며 친환경적이라는 장점이 있습니다.
마무리 정리
1. 밀스케일
- 고온에서 철이 산소와 반응하여 생기는 짙은 회색~검은색 산화철층
- 단단하며 철 표면에서 철의 산화나 부식으로부터 일시적으로 보호
- 하지만 완제품 품질을 위해 제거해야하는 대상
- 고온에서 형성되어 결정구조가 안정화되어 있으며 더욱 치밀한 하고 단단한 결합 구조를 가짐.
- 이러한 안정된 결정구조를 갖는 산화물이 바로 FeO(산화철 II)와 Fe3O4(자철석)이며, 밀스케일은 이들로 구성
- 철 함량 70% 이상으로 높음. 따라서 제철소나 시멘트사의 철 대체보완재로 활용
2. 녹(rust)
- 녹(rust)도 철의 산화물로서 철이 포함
- 수분이나 기타 오염물질이 포함된 경우가 많아 밀스케일에 비해 철의 순도 낮음
- 녹(rust)은 부서지기 쉬운 형태라 재활용 효율이 떨어짐
- (rust)은 철이 산소와 물과 반응해 주로 상온에서 형성
- 밀스케일 대비 비교적 낮은 온도에서 생성되며, 결정구조가 덜 조밀하고 불안정하게 형성
- Fe2O3(산화철 III)나 그 수화된 산화철(Fe2 O3 nH2 O)로 구성
- 녹(rust)의 Fe2O3는 결정구조가 상대적으로 느슨하며 수화된 산화철은 구조적으로 불안정하여 잘 부서짐
3. 철광석
- '철광석'도 녹(rust)처럼 Fe2O3로 구성
- 하지만 철광석은 자연환경에서 굉장히 오랜시간 동안 지질학적 과정에 의해 형성되어 안정된 광물 형태임
- 철 함량이 높고 불순물이 적어 제철 공정에서 이용하기 용이
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