일본 토호티타늄, '녹색 티타늄' 제련법 개발

일본의 토호티타늄이 이산화탄소를 방출하지 않는 티타늄 금속에 대한 새로운 제련 방법의 개발에 도전하고 있다고 일본철강신문이 21일(현지 시간) 밝혔다. 목표는 1t의 스폰지 티타늄을 생산하고 현재 크롤링 방법에 따라 약 1~2t의 CO₂ 배출량을 제로로 줄이는 것이다.

또한 전력 소비도 70~80% 줄일 것으로 예상된다. 이미 양산 기술이 구축될 예정이지만 탄소가 없는 전력 및 제조 방법으로 만들어진 세계 최초의 ‘녹색 티타늄’을 실현할 수 있는 잠재력을 가지고 있어 업계 관계자들의 관심을 모으고 있다.
이 같은 개발을 주도하고 있는 후지이 히데키 씨는 "제조 비용은 크롤링보다 낮을 수 있다"면서 "2016년 도호티타늄은 티타늄 제련 연구를 수행하는 미국 중소기업으로부터 새로운 제련 방법을 기반으로 기술 제안을 받았으며, 저비용보다 탄소를 방출하지 않는 것에 더 끌렸고 가능성을 찾았다"고 회상했다.

현재 크롤링 방법하에서 산화 티타늄인 티타늄 광석은 염화물 용광로 또는 환원 용광로에서 사용되어 고온 환경에서 산소를 제거한다. 탄소는 주로 염소 가스와 염화물 용광로에 사용된다. 그러나 코크스 탄소는 산소와 연결하여 많은 양의 탄소를 생성하게 된다.

새로운 제련 방법에서는, 처음에 염화물 공정이 없고, 탄소는 사용되지 않는다. 새로운 제련 방법은 대략 두 개의 공정으로 나눈다. 첫 번째 단계는 티타늄 광석에서 대부분의 산소를 제거하는 감소 과정이다. 환감 물질은 알루미늄이다. 환원 반응을 촉진하는 칼슘 불소(불소)도 조합하여 사용된다. 산소에 연결된 알루미늄은 알루미나(알루미늄 산화물)가 되고, 이론적으로 탄소는 생성되지 않는다.

다음 전해질 정화 공정은 첫 번째 단계에서 추출된 금속 티타늄으로부터 알루미늄과 산소를 더 많이 제거하는 것이다. 용융염에 배치된 전극에 침전되는 '전해질 티타늄'이 점차 큰 덩어리가 되는 과정이다.

이 전해질티타늄은 현재 방법의 해면(스폰지)티타늄에 해당합니다. 처음에는 알루미늄 부품을 완전히 제거할 수 없다는 문제가 있었지만 독자적인 기술을 최대한 활용함으로써 순수한 티타늄(알루미늄이 포함되어 있지 않음)을 만들 수 있었다고 한다.

후지이는 "전력에서 파생된 CO₂는 공정에서 직접 CO₂ 이상을 무시할 수 없다. 스폰지 티타늄은 ‘전기의 질량’이라고 할 만큼 너무 많은 전력을 소비한다. 토호 티타늄에 따르면, 1t의 스폰지 티타늄이 크롤링 방법에 의해 생산될 때, 공정으로부터의 탄소배출은 1~2t이다. 다른 한편으로는, 전력에서 파생된 CO₂는 전력 공급 장치에 따라 7~8t이다. 새로운 제련 방법은 현재 제련 방법보다 20~30% 적은 전기를 소비한다"고 말했다.
후지이는 "이 수준에서 우리는 또한 미래에 재생 에너지 유래 전기를 사용할 수 있다"면서 "환원 재료에 사용되는 알루미늄은 말하자면 전기의 질량이 된다"고 말했다.

토호 티타늄은 새로운 제련 방법과 관련된 조달 네트워크 전반에 걸쳐 탄소가 없는 것을 목표로 하고 있으며, 탄소배출량이 낮은 전력 및 제조 방법에 의해 생산되는 ‘녹색 알루미늄의 조달 핵심 포인트가 될 가능성이 높다.

스폰지 티타늄의 일본 국내 생산 능력은 연간 약 2만5000t이다. 전체 생산의 경우 전기 배출을 포함한 탄소배출량은 25만t이 될 것이다. 후지이는 "철강 산업에 비해 총 물량이 적기 때문에 이미 눈에 띄지 않는다"면서 "항공기, 조선, 자동차 등 티타늄 수요 산업이 향후 자재 조달을 위한 탄소 중립 제품을 모색할 수 있다는 지적과 함께 탈탄소화의 중요성이 있다"고 말했다.

과제는 대량 생산 기술을 확립하는 것이다. 특히 초점을 맞춘 기술 개발의 두 번째 단계에서는 테스트에서 1㎏의 전해질 티타늄을 생산하는 데 성공했다. 현재 이 회사는 최초로 대규모 테스트 머신인 파일럿 플랜트를 설계하여 이를 50~100㎏으로 늘리고 있으며, 올해 말까지 테스트 생산을 시작할 예정이다.

이 새로운 제련 방법은 1946년 산업화 이후 70년 이상 지속되어 온 크롤링 방식의 변화를 가져올 혁신적인 기술이다. 이것은 글로벌 티타늄 산업의 탈탄소화를 위한 모델이 될 수 있을 것으로 보인다.


김종대 글로벌철강문화원 원장