제조 공정 혁신: 티타늄의 "베서머 순간(Bessemer Moment)"?

미국의 자금 지원을 받아 건설된 유타주 솔트레이크시티의 IperionX 파일럿 티타늄 시설... [+] 에너지부의 ARPA-E 프로그램.

저는 항상 주요 제조 프로세스 혁신에 주목하고 있습니다. 왜냐하면 기존 기업에 큰 혼란을 가져올 수 있기 때문입니다. 그들은 종종 더 작은 규모 또는 더 저렴한 생산 방법을 허용함으로써 경제를 변화시킵니다. 아마도 에너지를 덜 사용하거나 원치 않는 부산물을 덜 생산함으로써일 수 있습니다. 프로세스 혁신이 특히 흥미로울 수 있는 또 다른 이유는 기존 제조업체가 아직 완전히 감가상각되지 않은 기존 생산 장비를 보유하고 있기 때문에 일반적으로 새로운 프로세스를 채택하는 데 시간이 걸리기 때문입니다. 또는 완전히 감가상각되어 사용에 따른 한계 비용이 매우 낮을 수도 있습니다. 이는 신생 기업이 고통과 고통을 겪을 수 있는 분야를 열어두는 것입니다. 왜냐하면 신규 이민자에게는 판단을 흐리게 할 수 있는 보호할 기존 자산이 없기 때문입니다. 전략적인 금속 티타늄 생산에서 이런 일이 일어날까요?

저는 최근 새로운 생산 공정을 확장하고 있는 티타늄 스타트업 IperionX의 창립자이자 CEO인 Anastasios "Taso" Arima와 이야기를 나눌 기회가 있었습니다. Arima는 프로세스 혁신의 중요성에 대한 예를 이야기하면서 토론을 시작했습니다. 그는 강철이 3,000년 동안 존재해 왔지만 1856년까지는 만드는 데 비용이 많이 들었기 때문에 틈새 제품이었다고 설명했습니다. 일반적으로 칼과 갑옷을 만드는 데 사용할 수 있는 것은 전 세계의 군대였지만 사람들은 칼, 도끼, 톱과 같은 절단 도구에도 사용했습니다. 18세기와 19세기 초에 웅덩이 용광로의 발명으로 영국은 비록 노동력과 에너지 집약적 방식이기는 했지만 세계 철강의 중심지가 되었습니다. 1854년 크리미아 전쟁 발발 당시 군사적 필요에 따라 연구하던 헨리 베서머(Henry Bessemer)는 녹은 철에 공기를 불어넣으면 철이 빠르게 강철로 변환된다는 사실을 발견했습니다. 하지만 그것은 폭력적인 과정이었고 Bessemer는 변환기라고 부르는 원통형 강철 냄비 내부에서 이를 실행하여 이 문제를 해결했습니다. 이로 인해 생산성이 7배 증가하고 철강 가격이 대폭 절감되었습니다. 그러나 남북전쟁이 끝난 후 철도 건설로 인해 철강 수요가 급증하면서 실제 규모 확대가 이루어진 곳은 미국이었습니다. 1864년에서 1876년 사이에 미국 철강 생산량이 87배 증가함에 따라 미국에는 13개의 Bessemer 공정 공장이 건설되었습니다. 그리고 강철 가격이 떨어지면서 이 훌륭한 소재가 훨씬 더 널리 사용되었습니다.

Bessemer 철강 공정 - 변환기 비우기. Bettmann 아카이브의 삽화.

나는 Taso에게 티타늄 제조 공정 혁신에 대해 이야기하기 위해 전화했습니다. 이는 탄소 대신 수소를 사용하는 새로운 방법인 HAMR(수소 보조 금속열 환원)입니다. HAMR은 Arima가 티타늄의 "Bessemer 순간"이라고 부르는 환경 친화적일 뿐만 아니라 훨씬 저렴한 비용을 약속합니다. 이 프로세스는 미국 에너지부의 ARPA-E 프로그램(DARPA 버전)의 후원을 받아 유타 대학교 금속공학 교수인 Z. Zak Fang 박사에 의해 개발되었습니다. Arima는 유타에 있는 프로토타입 시설에 대해 "우리의 파일럿 공장은 연간 6톤을 생산하고 있습니다"라고 설명했습니다. "하지만 그 용광로는 활성 냉각 기능이 없는 오래된 용광로입니다. 새로운 용광로의 경우 용량을 3배로 늘릴 뿐만 아니라 사이클 시간을 3일에서 1일로 단축할 것입니다." 새로운 용해로는 연간 125톤을 생산할 예정이며, 확장 전략은 단지 용해로를 병렬로 추가하는 것입니다. 대규모 공장을 짓기 위해 투자한 다음 이를 계속 운영하기 위해 고객을 찾아야 하는 대신 회사가 수요 보증에 따라 용량을 추가할 수 있기 때문에 이러한 손쉬운 확장성이 중요합니다.

내가 최근에 러시아(우리가 티타늄을 많이 얻은 곳)가 우크라이나를 침공한 후 쓴 것처럼 티타늄은 매우 독특한 금속입니다. 이 합금과 그 합금은 가볍고 부식에 대한 저항력이 뛰어나며 고온을 견딜 수 있고 무게 대비 강도 비율이 매우 높습니다. 이로 인해 항공우주 산업에서는 매우 인기가 있지만 일반적으로 소비자 제품에 사용하기에는 너무 비쌉니다. 기존 생산 비용이 비싼 이유는 ​​Kroll 공정을 사용하여 먼저 코크스(야금 석탄에서 나온)와 염소를 사용하여 티타늄 광석을 사염화티타늄(TiCl4)으로 변환하기 때문입니다. 그런 다음 TiCl4를 진공 증류하여 정제해야 하며, 증기는 불활성 아르곤 가스로 덮힌 용융 마그네슘이 들어 있는 반응 용기에 공급되어 약 2일 동안 800 - 1000°C로 가열됩니다. 이렇게 하면 마그네슘 염을 제거하기 위해 분쇄해야 하는 티타늄 스폰지가 생성됩니다. 대조적으로 HAMR 공정은 에너지를 절반으로 사용하고, 용광로에 전력을 공급하기 위해 배출량을 30% 이상 줄입니다(재생 에너지를 사용하는 경우 잠재적으로 0이 될 수도 있음). 티타늄 생산 비용을 크게 절감합니다. 대부분의 절감 효과는 염소화 단계와 진공 증류를 모두 제거함으로써 발생합니다.