탄소강이 연강보다 나을까요? 함정 질문입니다! 연강은 탄소강의 한 종류입니다. 탄소 원소는 모든 강철에 존재합니다. 이 탄소가 주요 합금 원소일 때 그 합금을 탄소강이라 부릅니다. "저탄소강"이 연강의 또 다른 이름입니다. 탄소 함량이 다른 다른 탄소강들도 있습니다. 어느 것이 더 나은지는 강철이 사용될 용도에 따라 다릅니다.
매년 15억 톤 이상의 강철이 재봉 바늘부터 초고층 빌딩 구조용 빔까지 다양한 제품을 만드는 데 생산됩니다. 탄소강은 가장 일반적으로 사용되는 강철 합금으로, 미국 전체 생산량의 약 85%를 차지합니다. 제품의 탄소 함량은 0~2% 범위입니다. 이 탄소는 강철의 미세조직에 영향을 주어 전설적인 강도와 인성을 부여합니다. 이들 합금에는 소량의 망간, 실리콘, 구리도 포함됩니다. 연강은 탄소 함량 0.04~0.3% 범위의 저탄소강을 지칭하는 상업적 용어입니다.
탄소강은 제품의 화학 조성과 특성에 따라 분류할 수 있습니다. 연강도 비슷한 탄소 함량으로 저탄소강 범주에 속합니다. 합금 원소가 없는 평탄소강은 네 가지 범주로 나눌 수 있습니다:
저탄소강은 0.04~0.3% 탄소 함량을 가지며 가장 일반적인 탄소강 등급입니다. 연강도 0.05~0.25%의 낮은 탄소 함량을 가지므로 저탄소강으로 간주됩니다. 연강은 연성이 높고 성형성이 좋아 자동차 차체 부품, 판재, 와이어 제품에 사용됩니다. 저탄소 함량 범위의 상한에서 망간이 최대 1.5% 첨가되면 기계적 특성이 프레스 성형, 단조, 이음매 없는 튜브, 보일러 판재에 적합해집니다.
중탄소강은 탄소 범위 0.31~0.6%, 망간 범위 0.6~1.65%를 가집니다. 이 강재는 열처리와 담금질을 통해 미세조직과 기계적 특성을 추가로 조정할 수 있습니다. 대표적 용도로 축, 액슬, 기어, 레일, 철도 차륜 등이 있습니다.
고탄소강은 탄소 범위 0.6~1%, 망간 함량 0.3~0.9%를 가집니다. 고탄소강의 특성은 스프링과 고강도 와이어 용도에 적합합니다. 이들 제품은 용접 시 열처리 상세 프로그램이 용접 절차에 포함되지 않는 한 용접할 수 없습니다. 고탄소강은 절삭 공구, 고강도 와이어, 스프링에 사용됩니다.
초고탄소강은 탄소 범위 1.25~2%로 실험적 합금으로 알려져 있습니다. 템퍼링을 통해 매우 높은 경도의 강철을 만들 수 있어 칼, 액슬, 펀치 같은 용도에 유용합니다.
탄소강과 연강은 세 단계로 제조됩니다:
이후 최종 제품 특성에 직접 영향을 미치는 다양한 마무리 공정이 따릅니다.
강철은 100% 재활용 재료로 만들거나 재활용 재료와 버진 강철의 조합으로 만들 수 있습니다. 버진 강철은 철광석, 코크스(석탄에서 생산), 석회를 사용하여 고로에서 생산됩니다. 원료는 고로 상부에 투입되며, 고로는 3000°F에서 작동합니다. 철광석이 녹아 연소하는 코크스와 섞이면서 탄소가 용융물에 방출됩니다. 불순물은 석회에 흡수되어 표면의 슬래그가 되어 액체 강철에서 걷어낼 수 있습니다. 이 단계 제품은 약 4% 탄소를 함유하며 여전히 일부 불순물이 있습니다. 용융 버진 강철은 이미 재활용 스크랩 금속을 포함한 기초산소로(Basic Oxygen Furnace, BOF)로 이송됩니다. 순수 산소를 액체 강철에 불어넣어 과잉 탄소를 산화시켜 최대 1.5% 탄소 함량의 완제품을 만듭니다.
재활용 스크랩 강철은 버진 강철 추가 없이 전기로에서 재처리할 수 있습니다. 고출력 전기로 금속을 최대 3000°F에서 녹입니다. 스크랩 강철이 녹으면서 추가 배치를 로 용량까지 넣을 수 있습니다. 평평한 용융강 욕조가 형성되면 BOF와 같은 방식으로 산소를 불어넣습니다. 두 경우 모두 용융 강철은 래들 또는 강철 욕조로 뽑아내 추가 공정을 진행하고, 불순물을 포함한 표면 슬래그는 제거됩니다.
더 높은 품질의 강철 제품과 일관된 특성에 대한 시장 수요가 2차 제강 공정 개발을 촉진했습니다.
전기로에서 개별 성분 추가/제거 또는 온도 조작으로 강철 조성을 변경합니다.
2차 제강의 중요한 측면은 산소 제거입니다. 응고되기 시작하는 용융 강철에 산소가 있으면 탄소와 반응해 일산화탄소 가스를 방출합니다. 탈산 제어는 완제품 특성을 변경하여 다양한 용도에 대한 강철 적합성을 바꿀 수 있습니다.
전통적 주조 방법은 크레인으로 래들을 들어 올려 용융 강철을 레일카에 장착된 개별 금형에 붓는(티밍) 방식입니다. 잉곳 금형은 응고 후 잉곳 제거를 용이하게 하기 위해 약간 테이퍼져 있습니다. 잉곳은 침탄 피트(soaking pit)로 이송되어 열간 압연을 위해 재가열됩니다.
주조기는 용융 강철을 후공정에 더 적합한 형상으로 연속 주조할 수 있게 합니다. 래들을 높은 플랫폼으로 들어 올려 툰디시(tundish)에 방출하면, 툰디시가 주조기에 공급합니다. 용융 강철은 툰디시에서 이동식 바닥판이 있는 수냉식 금형으로 공급됩니다. 강철 껍질이 응고되면 바닥판이 천천히 내려가 더 많은 용융 강철이 금형에 들어가게 합니다. 연속주조기에서 강철은 슬래브, 블룸, 빌릿 형태로 만들어집니다. 응고된 제품은 롤러에 의해 당겨진 후 교정되고 기계 끝단에서 절단됩니다. 이 공정은 중단 없이 며칠 또는 몇 주간 지속될 수 있습니다.
탄소강 제조 공정이 완료되면 압연, 열처리, 표면 처리, 또는 후공정 2차 가공을 통해 마무리됩니다.
고체 주조 잉곳은 연속 주조로 생산되는 것과 같은 더 유용한 형상과 크기로 압연되어야 합니다. 강철은 회전 롤에 의해 압축되고 당겨집니다. 롤은 강철이 기계에 진입할 때보다 더 빠른 속도로 회전하므로 강철을 앞으로 밀어내며 압축합니다.
강철을 재결정 온도 이상으로 가열해 주조 시 미세조직을 분해합니다. 이로 인해 더 균일한 결정립 크기와 강철 내 탄소의 고른 분포를 얻습니다.
냉간 성형은 재결정 온도 이하에서 수행됩니다. 이 공정은 변형 경화를 통해 강도를 최대 20% 높이고, 표면 마무리를 개선하며, 더 엄격한 공차를 허용합니다. 강철은 압연 공정에서 블룸, 빌릿, 슬래브 형태의 반제품으로 나옵니다. 블룸은 매우 두꺼운 직사각형 슬래브, 빌릿은 비슷한 두께지만 더 좁은 폭, 슬래브는 더 얇고 넓은 제품입니다.
반제품은 압연기에서 중간 제품으로 추가 가공되어 제조 및 하류 기업의 최종 가공 준비가 됩니다.
| 냉간 성형 제품 | 용도 |
|---|---|
| 블룸 | 구조용 응용 |
| 레일 | 가드레일, 핸드레일, 맞춤 레일 |
| 압연 봉강 | 기계 제작, 건설 |
| 후판 (두께 1/4인치 이상) | 중공업, 보일러, 교량, 산업용 용기, 탱크, 선박 |
| 박판 (두께 1/4인치 미만) | 자동차 차체, 가전제품, 사무기기, 음료 캔 |
| 원형/사각 봉 | 건설 프레임워크, 버팀대, 샤프트, 액슬 |
강철이 압연기를 떠나면 하류 기업들이 다양한 2차 가공 기술로 원자재를 완제품으로 가공합니다. 금속 부식 방지와 금속 특성 개선을 위한 주요 기술은 열처리입니다.
강철 열처리의 목적은 제품 내 탄소 분포와 내부 미세조직을 변경하여 기계적 특성을 조작하는 것입니다. 강철 기계적 특성을 조작할 때 연성 증가는 경도와 강도 감소를, 그 반대의 경우도 마찬가지입니다.
강철을 상한 임계 온도보다 약 130°F 높은 온도로 가열합니다. 제품 전체가 균일하게 가열될 때까지 온도를 유지한 후 공랭합니다. 가장 일반적인 열처리 형태로 강철에 높은 강도와 경도를 부여합니다.
강철 온도를 고체 용해 상태에서 1시간 유지한 후 시간당 70°F 속도로 냉각합니다. 내부 응력 없이 부드럽고 연성이 있는 강철이 됩니다.
노말라이징과 유사하지만 물, 염수, 기름에 담가 냉각을 가속화합니다. 결과물은 매우 단단해 노말라이징 강철의 최대 4배 경도가 되지만 매우 취약해 파손과 균열에 취약합니다. 따라서 정해진 온도까지 담금질한 후 템퍼링 또는 응력 제거라고 하는 제어된 냉각 속도로 실온까지 식히는 과정이 보통 따릅니다. 열처리 중 온도와 냉각 속도 파라미터를 설계함으로써 강철 특성을 정밀하게 제어할 수 있습니다.
생산된 강철의 약 1/3은 부식 방지, 용접성, 도장성 개선을 위해 표면 코팅 처리를 합니다.
아연도금은 강철에 아연 표면 코팅을 입히는 공정입니다. 강철을 예열한 후 아연 욕조에 넣어 액체 아연이 제품 표면을 덮게 합니다. 코팅 두께는 가스 나이프로 제어합니다. 아연 코팅 균열 방지를 위해 소량의 알루미늄을 아연 용액에 첨가합니다.
전해 아연도금은 강철 제품에 아연 코팅을 입히는 또 다른 공정입니다. 전해질 용액에서 전류를 제어해 아연을 강철 표면에 증착시킵니다. 이 기술은 코팅 두께를 더 잘 제어할 수 있습니다. 제품 양면에 다른 두께의 차등 코팅이나 아연 합금 코팅을 적용해 원하는 특성을 최적화하는 데도 사용할 수 있습니다.
하류 기업들은 강철 원자재를 완제품으로 추가 가공합니다. 머시닝(기계 도구로 표면 금속을 균일하게 제거)이나 다양한 용접 기술을 이용한 강철 접합 등 다양한 가공 기술이 사용됩니다.
금속 재활용은 지속 가능한 생활과 인간 활동의 환경 영향 최소화의 성공 사례입니다. 강철은 지구상에서 가장 많이 재활용되는 재료로, 다른 모든 재료를 합친 것보다 많습니다.
재활용 강철 공급원에는 제강소 스크랩, 2차 제조업체, 제품 수명 주기가 끝난 강철 제품이 포함됩니다. 제조 수요를 충족할 만큼 충분한 재활용 강철이 없는 경우가 많아 완제품 생산에는 거의 항상 버진 강철과 재활용 강철이 결합됩니다.
강철 재활용은 완제품 비용을 낮추므로 경제적입니다. 이 때문에 강철 업계는 수명 종료 제품이 쉽게 재활용되도록 재활용 네트워크 구축과 촉진에 적극 참여해 왔습니다.
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금속
스테인리스강은 많은 용도에 선호되는 강철이지만, 중장비 제작에서는 큰 부품을 전량 스테인리스강으로 만들면 비용이 감당하기 어려울 수 있습니다. 비필수 부품과 프레임워크를 저렴한 탄소강으로 제작하면 대형 제작 프로젝트의 전체 비용을 줄이는 데 도움이 됩니다. 이로 인해 엔지니어는 고열 또는 부식성 영역 등 특정 영역에만 스테인리스강을 사용하고, 지정되지 않은 영역은 연강으로 매칭할 기회를 얻습니다. 탄소강과 스테인리스강을 접합하는 것은 완전히 독특한 것은 아니지만, 두 금속이 강한 결합으로 용접되도록 열, 필러 재료, 조인트 설계의
강철의 변신은 탄소로 가능합니다. 강철의 탄소 함량이 다양한 용도에 맞춰 강철의 특성을 변화시킵니다. 측정된 탄소 비율을 사용해 구부릴 수 있는 알루미늄 강철부터 충격에 강한 장갑판까지 인장 특성을 조절할 수 있습니다. 강철의 특성 철은 강철의 기본 금속이지만 너무 부드러워 생산적으로 사용할 수 없습니다. 오스테나이트와 페라이트(탄소의 형태)가 도입되면 다양한 형태의 강철이 구현됩니다. 시멘타이트 같은 다른 합금 원소도 강철의 구조적 가치를 변경하는 데 사용됩니다. 통제된 조건에서의 추가 가열 및 냉각이 재료를 굳힙니다. 생산 공
