스테인리스강 생산: 제철소에서 완제품까지

제철소에서 공장까지, 고품질 스테인리스강이 만들어지는 과정

우리는 천 년 동안 강철을 제조해 왔지만, 스테인리스강은 상대적으로 새로운 물질입니다. 1913년 영국 금속학자 해리 브리얼리(Harry Brearley)에 의해 발명되었습니다. 화학자, 엔지니어, 재료 과학자들은 그 이후로 실험을 계속해 왔습니다. 녹에 강한 합금으로서, 알루미늄 같은 합금의 녹 저항성과 강철과 같은 물성 특성을 더 적은 비용으로 제공할 수 있습니다. 처음에는 스테인리스강이 수도 미터나 펌프 부품, 우수한 식기로 주로 소규모 응용 분야에 사용되었습니다. 요즘에는 더 많은 양으로 구조용 건축 자재로도 사용되고 있습니다.

스테인리스강 물체를 만드는 두 가지 방법이 있습니다: 원료 강철 조각을 망치로 치고, 압연하고, 결합하여 제품을 만들 수 있습니다. 또는 최종 제품 모양의 금형에 용융 강철을 부어 만들 수 있습니다. 어느 스테인리스강 생산 방법이 더 효율적인지는 제품이 무엇이고 무엇에 사용될지에 따라 다릅니다.

스테인리스강 생산 공정

스테인리스강 생산은 다단계 공정입니다: 강철 스크랩을 녹이고, 고체 형태로 주조하고, 열처리하고, 세척하고, 광택을 냅니다.

• 용해 및 주조
• 성형
• 열처리
• 스케일 제거
• 가공 경화
• 절단 또는 가공
• 마감

용해 및 주조

강철과 합금 금속이 전기로에 투입됩니다. 일단 용광로에 들어가면 금속은 용융점 이상의 특정 온도, 보통 2800°F 초과로 가열됩니다. 극한 온도, 정밀도, 대량 요구로 인해 용해 단계는 일반적으로 8~12시간이 필요합니다. 이 단계 전반에 걸쳐 강철 기술자들은 욕탕 온도와 화학 조성을 정기적으로 확인합니다.

강철 합금이 완전히 녹으면 혼합물이 정제됩니다. 아르곤 가스와 산소가 용광로에 펌핑되어 불순물을 가스로 전환하고 다른 것들이 슬래그를 형성하여 쉽게 제거되게 합니다. 대부분의 응용 분야에서 정제된 강철은 블룸(bloom), 빌렛(billet), 슬래브(slab), 봉(rod), 튜브 라운드(tube round) 등의 형태로 주조됩니다. 이들은 단조 제품의 원자재로 사용됩니다. 주조소는 해당 설계의 금형을 만들어 스테인리스강을 최종 의도된 모양으로 주조할 수 있습니다. 이 형태는 제조 단계가 아닌 마무리 단계로 약간의 가공을 거칠 수 있습니다.

성형

대부분의 주강은 열간압연으로 성형됩니다. 슬래브, 블룸, 빌렛을 가열하여 대형 롤러를 통과시켜 강철을 더 길고 얇은 형태로 늘립니다. 열간압연은 강철의 재결정 온도 위에서 발생합니다. 각 슬래브는 시트, 플레이트, 스트립으로 성형되고, 블룸과 빌렛은 와이어와 봉으로 성형됩니다.

더 정밀한 치수나 우수한 표면 광택이 필요할 때 냉간압연이 사용됩니다. 강철의 재결정 온도 아래에서 발생합니다. 냉간압연은 일련의 보조 휠이 있는 작은 직경 휠을 사용하여 엄격한 공차로 매끄럽고 넓은 스테인리스강 시트를 만듭니다.

열처리

열처리는 변형된 미세 구조를 재결정화하여 압연 스테인리스강을 강화합니다. 대부분의 스테인리스강은 어닐링(annealing)으로 열처리됩니다. 스테인리스강을 재결정 온도 이상의 정확한 온도로 가열하고 제어된 조건에서 천천히 냉각시킵니다. 이 공정은 내부 응력을 완화하고 스테인리스강을 부드럽게 합니다. 어닐링 온도, 시간, 냉각 속도 모두 완제품 강철의 특성에 영향을 미칩니다.

스케일 제거

압연된 스테인리스강 조각은 산화된 '밀 스케일(mill scale)' 층을 얻어 빛나는 표면 마감을 복원하기 위해 씻어내야 합니다. 밀 스케일은 보통 전기 세척과 산세(pickling) 같은 화학적 수단으로 제거됩니다. 산세에서 스테인리스강은 질산-불산 욕조에 담급니다. 전기 세척은 양극과 인산을 사용하여 스테인리스강 표면에 전류를 통과시킵니다. 탈스케일된 금속은 고압 물 세척으로 마무리되어 밝고 빛나는 마감을 남깁니다.

가공 경화

가공 경화는 변형을 통해 재료를 강화하는 공정입니다. 스테인리스강은 전체적으로 빠르게 경화되며, 정확한 비율은 특정 등급에 따라 결정됩니다. 오스테나이트강이 다른 등급보다 더 쉽게 경화됩니다.

절단 또는 가공

스테인리스강은 지정된 모양과 크기로 절단됩니다. 스테인리스강은 원형 칼로 전단하거나 고속 블레이드로 톱질하거나 펀치로 블랭킹할 수 있습니다. 화염, 플라즈마, 워터젯 절단 같은 대체 방법도 때때로 사용됩니다.

주조소에서 주조되어 이미 최종 형태에 가까운 물체의 경우, 이 절단/가공 단계는 접합선을 정리하거나 측정을 정밀 공차로 맞추거나 표면 마감을 만드는 것일 수 있습니다.

마감

스테인리스강은 다양한 표면 마감으로 만들 수 있습니다. 선택된 표면 마감은 순전히 심미적인 것이 아닙니다. 특정 마감은 스테인리스강을 더 내식성 있게, 더 세척하기 쉽게, 또는 제조에 더 쉽게 사용되게 합니다. 마감 유형은 의도된 응용 분야에 의해 결정됩니다.

표면 마감은 제조 공정과 마감 방법의 결합된 결과입니다. 열간압연, 어닐링, 탈스케일링은 무광 마감을 생성합니다. 열간압연 후 연마 롤에서 냉간압연하면 밝은 마감이 생성됩니다. 냉간압연, 어닐링, 미세 표면으로 버핑(buffing) 조합은 반사 표면을 만듭니다. 연마, 광택, 버핑, 샌드블라스팅 장비 배열이 스테인리스강 표면 마감에 사용됩니다.

품질 관리 및 검사

스테인리스강 제조 및 제작 전반에 걸쳐 공정 내 통제가 존재하지만, 일반적으로 국제 품질 표준을 충족하기에는 충분하지 않습니다. 출하 전 각 스테인리스강 배치는 원하는 사양을 충족하는지 확인하기 위해 화학적 및 기계적 시험을 거쳐야 합니다.

기계적 시험

기계적 시험은 하중, 응력, 충격을 견디는 스테인리스강의 물리적 능력을 측정합니다. 기계적 시험에는 위에서 설명한 인장, 브리넬, 인성 시험이 포함됩니다.

화학적 시험

화학적 시험은 스테인리스강 등급을 인증하기 전에 시료의 정확한 화학성을 확인합니다. 화학적 시험은 보통 비파괴 분광화학 분석으로 수행됩니다. 내식성은 스테인리스강에 특히 중요합니다. 제철소는 염수 분무 시험으로 내식성을 시험하고 측정합니다. 염수 분무 노출 후 강철이 부식 없이 더 오래 유지될수록 내식성이 더 높습니다.

전 세계 스테인리스강 생산

스테인리스강이 발명된 후 엔지니어와 발명가들은 빠르게 응용 분야를 찾았습니다. 브리얼리가 자신의 크롬-강철이 녹에 강하다는 것을 깨달은 지 5년 후 식기 생산이 시작되었습니다. 1926년, 스테인리스강이 13살이 되었을 때 수술용 임플란트에 사용되기 시작했습니다. 1935년에는 첫 스테인리스강 클래드 비행기가 나왔습니다. 전쟁 노력은 스테인리스강 제조 능력을 증가시키는 데 도움이 되었습니다.

2005년과 2018년 사이에 스테인리스강 생산은 두 배로 증가하여 전 세계 생산량 5,070만 톤에 달했습니다. 중국은 세계 최대 금속 생산국입니다.

건축 자재의 상대적 신참으로서 스테인리스강은 여전히 더 많은 가능성을 가진 소재입니다. 듀플렉스 스테인리스강 같은 혁신 여전히 발생하고 있습니다. 새로운 화학이 탐구됨에 따라, 우리가 아직 상상하지 못한 응용 분야를 위해 새로운 등급의 스테인리스강이 계속 발견될 가능성이 있습니다.