급속한 디지털화가 진행되는 제철산업

아르셀로미탈로부터 티센크루프에 이르기까지, 디지털화의 물결은 제철산업에서도 거세다. 한편으로는 마진을 증대시키기 위한 것이고 다른 한편으로는 탈탄소화의 과제를 해결하기 위한 것이다. 제철업계의 어젠다에 새롭게 등장한 디지털화는 무엇보다도 기존 방식을 대체하는 비즈니스 모델이라기보다는 수익을 개선하고 기존 서비스 포트폴리오를 확장하려는 노력의 일환이다. 용광로의 변화에서 제철소 자동화의 비전에 이르기까지, 디지털 용융 작업에서 파운드리 4.0까지. 새로운 디지털화 솔루션들이 2023년 6월 12일부터 16일까지 뒤셀도르프에서 열리는 금속산업전시회인 GIFA, METEC, THERMPROCESS, NEWCAST의 핵심 주제가 될 것이다.

고도로 자동화된 제철산업에서 데이터는 오랫동안 중요한 역할을 담당해왔다. 티센크루프 스틸의 예를 보면, 뒤스부르크의 핫 스트립 밀 한 군데에서만 16,500톤의 스틸 슬랩 뿐만 아니라 12억 단위의 측정 데이터도 처리한다. 제철업계 종사자들은 빅데이터, 디지털 트윈, 머신 러닝과 같은 오늘날의 용어들을 태핑이나 슬랩 캐스팅이라는 말만큼이나 잘 알고 있다. AI 전문가들과 앱 프로그래머들이 용광로나 열간 압연 밀 등의 전통적인 사업장에 합류하고 있다. 전 공정을 커버하는 디지털 트윈은 생산 공정을 처음부터 끝까지 매핑하며 제품, 공장 및 서비스의 모든 밸류 체인 단계에서 실제 스틸 밀과 나란히 이용될 수 있다.

디지털화의 핵심 목적 중 하나는 제품과 기계 데이터를 다양한 공정 단계에 걸쳐 분석하는 것이다. 두께 변화, 조도와 강성 등 데이터 분석을 통해 물성을 보다 정확하게 예측하고 오차 허용치를 더 철저히 준수할 수 있다. 이러한 목적을 위해 수 천개 센서들이 전체 평강 프로세스 체인에 걸쳐 품질과 생산 데이터를 수집한다. 이 데이터는 생산 프로세스의 실시간 관리 및 분석의 기반이 된다. 도르트문트에 있는 티센크루프의  8번 핫 딥 코팅 라인에서는 데이터 분석 결과를 이용하여 스킨 패스 밀 관리의 수학적 모델을 만든다. 이 데이터 모델을 통해 스틸 스트립의 조도 값이 원하는 수준에 이르도록 관리하며 필요시 운전 모드를 온라인을 통해 조정할 수 있다. 이렇게 하면 철강 업체들은 새로운 서비스를 제공할 가능성이 열린다. 티센크루프 스틸의 로타르 팟베르크 혁신팀장은 이렇게 말한다. “미래에는 자신이 주문한 제품의 현 상황을 고객들이 추적할 수 있을 뿐만 아니라 생산 과정에서의 품질 데이터를 받아 보고 이에 따라 코일이 납품 되기 전에 고객 공장의 프로세스를 조정할 수 있을 것이다.”

수소와 재생 에너지를 이용한 무탄소 생산 기술로의 전환은 디지털화에 더욱 힘을 실어주었다. 컨설팅 업체 엑센츄어에 따르면, 2030년까지 제조업 생산에서 최고 61메가톤의 탄소가 절감될 수 있을 것이라고 한다. SMS, 프리메탈스, 다니엘리 등 금속 관련 공장 건설 업체들은 이러한 가능성을 일찍이 포착하고 기존의 사업을 강화하면서 새로운 사업 분야를 개척할 기회로 보았다.

SMS 디지털: 대기업들의 시장 개척

METEC 2023에 참가하는 디지털화 분야의 개척자 중에는 뒤셀도르프에 기반을 둔 SMS 그룹이 있다. 수 년 전부터 자동화 기술은 SMS 그룹 DNA의 일부였다. 인더스트리 4.0이 대중에게 알려지기 훨씬 전부터 SMS의 엔지니어들은 가상현실(VR), 증강현실(AR)과 디지털 트윈을 제철소 공정 개선에 활용해왔다. 과거에는 압연 공장과 같은 개별 부문이 자동화되었으나 오늘날의 디지털화는 용광로에서부터 모든 종류의 철강 제품에 이르기까지 총체적 수준에서 생산 라인을 연결한다. SMS는 디지털화로 개발할 수 있는 새로운 비즈니스 라인의 가능성을 초기에 파악한 업체 중 하나로, 2017년에 SMS 디지털이라는 스타트업을 세웠다. 직원 열 명의 소규모로 출발한 이 회사는 현재 야금 분야의 소프트웨어를 선도하고 있다.  SMS 디지털은 전세계 350명 이상의 전문가를 고용하고 있다. 공학 박사이자 전직 대학 교수인 SMS 그룹 이사회 CDO(Chief Digital Officer) 카티야 빈트는 자신이 창업한 회사에서 고객들과 협력하며 디지털 전환의 핵심 분야를 담당해왔다.

빈트 박사는 야금 분야에서 쌓아온 150년 동안의 공정 노하우가 경쟁사, 또는 이 업계를 오랫동안 주시하면서 진입의 기회를 노리는 구글과 아마존 등 디지털 챔피언들에 대한 비교 우위의 기반이라고 말한다. 프로세스 최적화와 에너지 관리의 디지털화는 SMS 그룹의 새로운 비즈니스 라인의 핵심 부분이기도 하다. 이산화탄소 배출 저감과 순환 경제의 글로벌 업체로서 SMS 그룹은 탈탄소화 리사이클링 기술에 성공적으로 투자해왔다. 수소에 기반한 기후중립적 강철 생산, 배터리 재활용과 폐가전에서 귀금속을 회수하는 도시 광산 솔루션으로부터 그린 합성 가스와 합성 연료 생산을 위한 공장에 이르기까지 투자 분야는 다양하다.

빅 리버 스틸(Big River Steel): ‘학습하는 제철소’는 시작에 불과하다

디지털화는 철강산업에 초점을 맞춘다.  METEC 2019 세계 야금 전시회 및 국제회의가 개최되었을 당시 이미 SMS는 빅 리버 스틸과 함께 세계 최초로 “학습하는 제철소”를 선보였다. SMS가 미국에 지은 제철소는 파트너사인 Noodle.ai와 협력하여 디지털화됨과 동시에 AI가 장착되었다. 이 제철소는 현재 자원 및 에너지 절감 분야에서 최첨단을 달리고 있다. Noodle.ai의 인공지능은 과거 데이터와 5만 개 이상의 센서가 수집한 일련의 고빈도 신호들을 분석한다. 제철소 자체 데이터와 함께 외부 데이터원을 이용하여 제조프로세스를 추적하고 예측하며 문제 해결 방안도 제시한다. 다시 말하면 인공 지능은 수율을 극대화하고 제품의 품질을 높이며 안전 관련 리스크를 줄인다는 뜻이다. 엄청난 양의 데이터를 바탕으로 인공 지능이 생산하는 지식을 이용하여 빅 리버 스틸은 비용을 줄이고 고품질의 제품을 더 빨리 출시할 수 있다. 미국에 있는 이 학습하는 제철소는 시작에 불과하다. SMS의 CDO인 빈트 박사에게 있어 목표는 ‘스스로 관리하는 생산’이다. 학습하는 알고리즘의 도움을 받아 자동으로 운영되는 제철소 혹은 알루미늄 공장이 최종 목표라는 뜻이다. SMS의 모듈형 디지털 키트의 디지털화 관련 핵심 상품은 이른바 ‘데이터 팩토리’로, 센서 데이터를 수집하고 편집하는 기능이 있다. 고객의 요구와 원하는 실적 향상 정도에 따라 이 소프트웨어 플랫폼에 다양한 애플리케이션을 연결할 수 있다. 기존의 생산 방식에서는 제품 생산 후 불량 여부를 확인한다. 불량품이 발견되면 원인을 찾아 이를 제거해야 한다. 그러나 인더스트리 4.0 로직을 이용하면 지속적인 모니터링에 의해 불량을 사전에 방지할 수 있고 따라서 시간과 비용이 절약된다.

고객들은 이를 달성하기 위해 새로운 장비를 구매할 필요는 없다. “서비스로서의 장비”는 SMS가 제공하는 새로운 비즈니스 모델이다. “고객들은 우리와 생산 공정 일부, 예를 들어 압연 공장 일부 또는 연속 주조 라인 등의 서비스 계약을 체결한다.” 빈트의 말이다. 이렇게 해서 SMS는 장비를 판매하지 않으며 고객은 계약된 장비의 운전 및 투입된 디지털 애플리케이션에 대해 대금을 지불한다.

디지털화의 힘은 코로나 바이러스 사태로 인해 더욱 분명해졌다. 증강현실을 이용하여 SMS는 제철소를 원격 운영할 수 있게 되었다. 과거처럼 현장에 서비스 엔지니어가 상주하지 않아도 된다는 뜻이다.

스마트 제철 기술: 급부상하는 스타트업

스마트 제철 기술(SST)은 AI와 머신 러닝을 이용해 철강 생산에 관련된 에너지 소비와 이산화탄소 같은 온실 가스 배출 절감을 약속한다. 베를린의 팔크-플로리안 헨리히 박사가 2017년에 창립한 이 스타트업은 모든 레벨에서 프로세스를 최적화 해준다. 앞서 말한 목적을 달성하기 위해 철강 산업은 제어 기반 생산에서 인공 지능 기반 생산으로 변화할 준비가 되었다.

제철업체들은 재래식 생산 프로세스를 에너지 절감형 및 탄소 저감형 공정으로 대체하고 있다. 환원제를 석탄에서 수소로 차츰 대체하면서 용광로에서의 이산화탄소 배출은 이미 줄어들었다. 이에 더해 제강에서 직접 환원하는 탈탄소화 과정도 있는데, 이 과정에서 초기에는 천연 가스를 이용했으나 나중에 수소를 투입하기 시작했다. 이 때문에 제철소들은 모든 생산 방식의 이산화탄소 효율성을 평가하고 관리할 솔루션이 필요함과 동시에 철강 제품별로 탄소 발생량과 에너지 소비량을 분석해야 한다. 이러한 요구는 주로 고객에게서 나온다. 자동차 업계에서 탄소 발자국은 철강 제품의 구매 결정시 점점 더 중요한 평가 기준이 되고 있다. “정확한 에너지와 이산화탄소 데이터를 통해 제철소는 이러한 변환 노력에 대해 보상을 받고 감사를 성공적으로 통과할 수 있다. 여기서는 인공지능 기반의 자동화된 이산화탄소와 에너지 분석 모델이 열쇠”라고 헨리히는 말한다. SST의 AI 기반 소프트웨어 패키지를 이용하면 소비된 에너지와 이산화탄소배출량을 각 평강 및 스트립 제품별로 정확히 문서화하고 추적할 수 있다고 헨리히는 설명한다. 인공지능은 원료의 품질, 제품 믹스, 유지 보수 등 에너지 효율성에 영향을 미치는 다양한 요소들을 고려한다.

SST의 창립자 헨리히는 페랄피와 발루렉 뿐만 아니라 세계 최대의 철강 제조업체인 아르셀로미탈 등의 고객사들에게 인공 지능 솔루션의 강점을 납득시켰다. 예를 들어 아이젠휘텐슈타트에서 인공지능과 머신 러닝 방법을 통해 자동차용 고급 철강 제품군의 표면 품질을 50% 이상 개선했다. AI 소프트웨어는 표면 품질을 예측하고 불량이 발생하는 것을 방지하는데 쓰인다. 아이젠휘텐슈타트에서의 성공적인 테스트 이후 아르셀로미탈은 SST 제품군의 소프트웨어를 브레멘, 함부르크와 뒤스부르크 등의 생산 현장에 도입했다. 

페로 랩스(Fero Labs): 실시간으로 원료 조성 변경

미국의 스타트업인 페로 랩스는 유럽 비즈니스 유닛장인 팀 에셔트의 말처럼 탈탄소화와 그린 스틸에서 성과를 올리려고 한다. 페로 랩스의 인공지능은 원료 배치 조성을 실시간으로 변경할 수 있으며 따라서 제조 공정에서의 불량 발생 확률을 현저히 낮춰준다고 에셔트는 말한다. “브라질 철강업체인 게르다우는 중간 정도의 생산량 수준에서 불량 발생률을 연간 9% 줄였다.”

저자: 게르트 크라우제, 메디아콘쳅트(뒤셀도르프)

[미디어 담당]

Larissa Browa

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국제 금속산업대전 GMTN 2023이 오는 6월 12일 - 16일에 독일 뒤셀도르프에서 개최된다. 전 세계 금속 산업의 트렌드와 혁신 기술이 모두 모이는 자리로, GMTN은 주조전시회 GIFA(기파), 야금전시회 METEC(메텍), 열처리전시회 THERMPROCESS(썸프로세스), 캐스팅전시회 NEWCAST(뉴캐스트)를 일컫는다.

전시회 방문 희망 시, 공식홈페이지(www.gifa.com)에서 입장권을 구매하면 된다. 전시회 참가 및 참관 문의는 전시회 공식한국대표부 라인메쎄(02-798-4343, info@rmesse.co.kr)로 연락하면 된다.