강철 제조 공정 완전 해설: 철광석에서 합금까지

강철 합금의 생산과 특성 입문

세계철강협회에 따르면 2019년 18억 6,990만 톤의 강철이 생산되었습니다. 이는 2018년 대비 3.4% 증가한 수치로, 1999년 생산량의 2배가 넘습니다. 세계는 강철에 대한 끊임없는 수요를 가지고 있습니다. 건설, 산업, 제조에 쓰입니다. 강하면서 저렴해 모든 유형의 제조에 이상적입니다.

강철은 무엇으로 만들어지는가?

강철의 주요 원소 성분인 철은 지구 지각에서 가장 풍부한 원소 중 하나입니다. 모든 강철 합금은 주로 철과 중량 기준 0.002~2.1% 탄소로 이루어집니다. 이 범위에서 탄소는 철과 결합해 강한 분자 구조를 만듭니다. 결과적인 격자 미세구조가 우리가 강철에 의존하는 인장 강도, 경도 같은 물성 달성을 돕습니다.

모든 강철이 철과 탄소로 만들어지지만, 강철 종류마다 각 원소 비율이 다릅니다. 강철은 니켈, 몰리브덴, 망간, 티타늄, 붕소, 코발트, 바나듐 같은 다른 원소도 포함할 수 있습니다. '레시피'에 다른 원소를 추가하면 강철 합금의 물성에 영향을 줍니다. 제조 방식과 강철 처리도 그 능력을 더 향상시킵니다.

주목할 만한 강철 합금 그룹 중 하나는 크롬을 포함합니다. 이런 모든 합금은 흔히 스테인리스 강철로 불립니다.

강철 만드는 법

가장 기본적으로 강철은 매우 높은 온도(2600°F 이상)에서 탄소와 철을 섞어 만듭니다.

1차 제강(Primary steelmaking)은 '선철(pig iron)'이라 불리는 제품에서 강철을 만듭니다. 선철은 광석에서 제련된 철로, 강철에 적합한 것보다 더 많은 탄소를 함유합니다.

제강사는 용융 선철에 산소를 불어넣는 시스템을 사용합니다. 이 공정은 용융 금속 전체에 균등한 산화를 만듭니다. 산화는 과잉 탄소를 제거합니다. 실리콘, 인, 망간 같은 원소로 된 불순물도 기화되거나 결합됩니다.

2차 제강(Secondary steelmaking)은 '래들(ladle, 주강 주머니)'에서 수행됩니다. 강철을 정제하고 합금화하는 공정입니다. 2차 제강은 스크랩을 녹여 시작하거나 1차 공정을 이어갈 수 있습니다. 특정 합금을 얻기 위해 원소를 추가할 수 있습니다. 강철 작업자는 표면 불순물도 제거할 수 있습니다(탈슬래깅). 래들은 필요한 화학 공정을 위해 가열되고 냉각됩니다.

강철 마무리

주물공장에서 강철은 사형 주조나 정밀 주조로 패턴 형상에 주조됩니다. 제강소에서 강철은 연속 주조기로 원재료 형상으로 주조됩니다. 연속 주조기는 표준화된 원재료 강철 형상을 만들며 니어넷셰이프 부품을 만들진 않습니다. 원강은 가공되거나 가공돼 최종 제품이 됩니다. 제강소는 시트, 빌렛, 바, 블룸, 파이프, 잉곳, 와이어를 흔히 주조하고 성형합니다.

제강소는 생산 중 열간 압연이나 냉간 압연도 할 수 있습니다. 이 공정들은 다른 형상과 마감을 만듭니다. 출하 전 강철은 절단, 스풀링, 번들링될 수 있습니다.

주물공장이나 제강소에서 강철은 열처리될 수 있습니다. 퀜칭, 템퍼링, 노멀라이징, 어닐링 같은 최종 단계가 합금의 애플리케이션 거동을 형성합니다.

강철의 발명

고고학자들은 터키의 4,000년 전 유적지에서 가장 이른 강철을 발견했습니다. 남인도 우츠 강철(Wootz steel) 같은 도가니 강철(crucible steels)은 기원전 4세기부터 꾸준히 만들어졌습니다. 하지만 1800년대 중반까지 제강은 엄청나게 어려웠습니다.

강철은 약 2700°F에서 녹습니다. 이 고열 유지가 도가니 강철을 만드는 고대 용광로에 도전이었습니다. 게다가 실리콘, 망간 같은 원소로 된 불순물이 강철 합금에 남아있습니다. 이것들을 관리하는 건 여전히 과제입니다. 고대 제강에선 길고 다단계 공정이 되었습니다. 주조사들은 하루 종일 가열, 교반, 탈슬래깅, 재가열을 반복했습니다. 주조 후 강철은 대장장이에게 가서 가공되었습니다. 모루 위에서 두드려 최종 형상을 만들었고, 탄소 편차, 기공, 개재물 분산과 완화에도 도움이 되었습니다.

1856년 헨리 베세머(Henry Bessemer)가 새로운 강철 제조 공정 특허를 냈습니다. 기존 용해 용기 대신 베세머 컨버터를 사용해 용융 금속에 공기를 불어넣을 수 있게 했습니다. 공기 반응으로 불순물이 산화돼 기체로 빠져나갔습니다. 산화는 강철 제조에 필요한 고열 생성과 유지에도 도왔습니다.

주물공장에서 하루 종일 걸리던 공정이 더 이상 공정의 포지 시간 더해 20분 만에 5톤 강철을 만드는 공정으로 대체되었습니다. 베세머 강철은 대부분의 제강사가 희망할 수 있는 것보다 더 강하고 고품질이었습니다. 이 혁신이 산업혁명을 뒷받침했습니다.

강철은 자석에 붙나?

대부분 강철은 자석에 붙지만, 전부는 아닙니다. 강철은 주로 철로 만들어지고, 철은 자석에 붙습니다. 강자성은 자연에서 '자석 돌(lodestones, 자철석)'에서 처음 발견되었습니다. 코발트, 니켈 같은 다른 원소들도 강자성입니다. 이 원소들도 강철에서 종종 발견됩니다.

스테인리스 강철은 유명하게 비자성이지만, 모든 스테인리스 강철이 철을 포함하고 많은 것들이 니켈을 포함합니다. 사실만 말하면 일부 스테인리스 합금만 비자성입니다. 니켈을 포함한 오스테나이트 스테인리스 강철은 대부분 비자성입니다(가공 시 매우 약하게 자성될 수 있음). 페라이트나 마르텐사이트 합금 같은 다른 종류는 스테인리스면서 자석에 붙습니다.

강철의 특성

강철이 그렇게 흔히 쓰이는 건 특정 물성과 상대적 저렴한 비용이 결합됐기 때문입니다. 다른 많은 건축·공구 재료(목재, 석재, 콘크리트, 주철)와 비교해 강철 합금은 다음을 제공합니다:

• 경도(Hardness): 점진적으로 증가하는 압력으로 눌렀을 때 눌림에 저항
• 인성(Toughness): 소재가 변형될 때 파단 전까지 얼마나 버티는지
• 항복 강도(Yield strength): 점진적으로 증가하는 압력으로 당길 때 형상 변화에 저항
• 인장 강도(Tensile strength): 끊어지기 전 당기는 힘 견디는 능력
• 가단성(Malleability): 망치질이나 압착으로 부러지지 않고 성형되는 능력
• 연성(Ductility): 인성 잃지 않고 성형되는 능력—금속 가공은 보통 더 취성되게 하지만, 연성 소재는 가공으로 덜 취성됩니다.

이 특성들의 검증된 범위는 합금마다 다르지만, 전체적으로 강철은 많은 다른 소재보다 더 단단하면서 더 인성적(덜 취성)입니다.

강철의 종류

강철 합금에는 네 가지 주요 그룹이 있습니다: 탄소강, 공구강, 합금강, 스테인리스 강철.

• 탄소강(Carbon Steel)—저탄소, 중탄소, 고탄소강은 주로 경도와 연성에서 차이가 납니다. 저탄소강은 다른 강철보다 연성이 더 좋지만 경도도 더 낮습니다. 반대편 끝인 고탄소강은 더 단단합니다. 하지만 고탄소강은 보통 연성이 더 낮습니다.
• 공구강(Tool Steel)—텅스텐, 바나듐, 몰리브덴 같은 첨가 원소가 있는 고탄소강으로, 열처리와 퀜칭으로 우수한 경도를 만듭니다.
• 합금강(Alloy Steel)—이 강철 군은 일반적으로 다른 군에 흔히 속하지 않는 특별한 물성을 위해 특정 원소들과 혼합된 강철을 말합니다. 모든 강철은 합금이고 많은 것들이 추가 원소를 가집니다. 하지만 합금강은 특정 애플리케이션을 위해 만들어진 특이한 강철로, 가성비 조합부터 제트 엔진용 이국적 합금까지 범위가 넓습니다.
• 스테인리스 강철(Stainless Steel)—패시베이션으로 녹에 강하게 만들기 위해 크롬과 합금된 강철들입니다.

강철 생산: 재활용의 이야기

강철(과 다른 금속들)의 최고 장점 중 하나는 스크랩이 완전히 새롭고 고품질 금속이 될 수 있다는 점입니다. 2차 제강 공정은 선철에서 나온 것과 똑같이 좋은 합금을 만듭니다. 금속 제품은 사용으로 열화될 수 있지만, 금속의 원소 화학은 용융과 합금화로 완전히 새로운 제품을 만듭니다.

강철 생산량 증가가 반드시 새 광석 제련 증가를 요구하진 않습니다(선철 생산은 여전히 강철 공급망의 필수적 부분). 스크랩 강철 회수와 가공으로 어제의 자동차 패널이 내일의 I빔이 될 수 있습니다.

강철의 98%가 회수 가능해, 금속은 세계에서 가장 재활용 가능한 제품 중 하나입니다. 여전히 환경적 과제는 있습니다. 코크스(석탄 형태)가 보통 강철 제조의 탄소 입력으로 쓰입니다. 또한 용융/제련과 산화 등 생산 공정의 높은 에너지 요구량이 화학물질과 이산화탄소를 만듭니다. 다행히 강철 제조 부문에서 생산 이슈 완화 연구가 많이 진행 중입니다. 일부는 이산화탄소를 강철 자체로 재활용해 탄소 공급원으로 써 코크스 같은 다른 소스 필요를 줄이는 걸 포함합니다.

이 기술들이 정제되고 구현되면, 강철 제조는 미래의 주요 산업 중 하나로 계속될 것입니다. 우리 경제를 지탱하고, 움직이고, 건설합니다.