철

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배경

철은 지구상에서 가장 흔한 원소 중 하나입니다. 인간의 거의 모든 건축물에는 최소한의 철이 들어 있습니다. 그것은 또한 가장 오래된 금속 중 하나이며 적어도 3,500년 전에 유용하고 장식적인 물건으로 처음 만들어졌습니다.

순철은 부드럽고 회백색의 금속입니다. 철은 흔한 원소이지만 순수한 철은 자연에서 거의 발견되지 않습니다. 자연적으로 존재하는 것으로 알려진 유일한 순철은 떨어진 운석에서 나옵니다. 대부분의 철은 철과 다른 원소가 결합하여 형성된 광물에서 발견됩니다. 산화철이 가장 일반적입니다. 철 함량이 가장 높은 지구 표면 근처의 광물은 철광석으로 알려져 있으며 상업적으로 채굴됩니다.

철광석은 여러 과정을 거쳐 다양한 종류의 철로 변환됩니다. 가장 일반적인 공정은 용광로를 사용하여 약 92~94%의 철과 3~5%의 탄소로 구성된 선철을 생산하는 것입니다. 선철은 용도가 제한적이며, 이 철의 대부분은 탄소 함량을 더욱 줄이고 망간 및 니켈과 같은 다른 원소를 첨가하여 강철 고유의 특성을 부여함으로써 다양한 강철 합금으로 변환되는 제철소로 이동합니다.

연혁

역사가들은 이집트인이 약 5천 ~ 6천 년 전에 소량의 철로 작업한 최초의 사람들이라고 믿습니다. 그들이 사용한 금속은 운석에서 추출한 것으로 보인다. 철 채광 및 제련의 첫 번째 사례로 믿어지는 것에 대한 증거는 현재 터키에 있는 고대 히타이트 문화를 가리킵니다. 철은 알려진 어떤 금속보다 무기와 도구 제조에 훨씬 우수한 재료였기 때문에 철의 생산은 철저히 비밀로 유지되었습니다. 그러나 기본 기술은 간단하고 철의 사용은 점차 보급되었습니다. 철은 다른 재료에 비해 유용한 만큼 단점도 있었다. 철광석을 채취한 지역과 철을 추출하는 방법에 따라 도구의 품질은 매우 다양했습니다. 추출하는 동안 일어나는 변화의 화학적 성질은 이해되지 않았습니다. 특히 금속의 경도에 대한 탄소의 중요성. 관행은 세계 여러 지역에서 광범위하게 다양했습니다. 예를 들어, 중국인은 매우 일찍 철 도구를 녹여서 주조할 수 있었고 일본은 수세기 전의 가보 검에서 알 수 있듯이 소량의 강철로 놀라운 결과를 얻었다는 증거가 있습니다. 중동과 인도에서도 비슷한 돌파구가 있었지만 그 과정은 세계의 나머지 지역에 나타나지 않았습니다. 수세기 동안 유럽인들은 철을 녹는점까지 가열하는 방법이 전혀 없었습니다. 철을 생산하기 위해 그들은 점토로 덮인 화덕에서 천천히 철광석을 나무와 함께 태웠습니다. 철은 주변 암석과 분리되었지만 완전히 녹지는 않았습니다. 대신, 그것은 망치질로 제거된 딱딱한 슬래그를 형성했습니다. 이 가열과 망치질을 반복하는 과정에서 산화철과 산소가 혼합되어 철이 생성되고 금속에서 탄소가 제거됩니다. 결과는 거의 순수한 철이었으며 망치와 집게로 쉽게 모양을 만들 수 있었지만 너무 부드러워서 좋은 날을 가져갈 수 없었습니다. 금속은 망치질로 모양을 만들거나 가공했기 때문에 연철이라고 불리게 되었습니다.

동방에서 유럽으로 가져온 도구와 무기는 녹여서 주조된 쇠로 만들어졌습니다. 더 많은 탄소를 보유하는 주철은 연철보다 단단하고 최첨단을 유지합니다. 그러나 그것은 또한 연철보다 더 부서지기 쉽습니다. 유럽의 철제 노동자들은 동양인이 더 나은 철을 가지고 있다는 것을 알고 있었지만 더 강한 철 제품을 만드는 과정은 몰랐습니다. 전 국가가 그 과정을 발견하기 위한 노력에 착수했습니다.

최초의 실용적인 강철로 빠르게 이어진 주철 생산의 유럽 최초의 돌파구는 1740년이 되어서야 이루어졌습니다. 그 해에 Benjamin Huntsman은 강철 스프링 생산을 위한 재료 용융에 대한 특허를 취득했습니다. 시계 제작에 사용됩니다. 그 후 20여 년 동안 이 절차는 더 널리 채택되었습니다. Huntsman은 용광로를 사용하여 점토 도가니에서 단철을 녹였습니다. 그런 다음 그는 녹은 금속에 조심스럽게 측정한 양의 순수한 목탄을 첨가했습니다. 결과 합금은 스프링으로 주조될 때 강하고 유연했습니다. Huntsman은 원래 더 나은 시계를 만드는 데만 관심이 있었기 때문에 그의 도가니 강철은 해상 크로노미터의 개발로 직접 이어졌으며, 그 결과 선원들이 동쪽/서쪽 위치를 정확하게 결정할 수 있게 하여 전 세계 항해를 가능하게 했습니다. 그가 현대 야금술도 발명했다는 사실은 그가 분명히 알아차리지 못한 부작용이었다.

원자재

고로에서 선철을 생산하는 데 사용되는 원료는 철광석, 코크스, 소결석 및 석회석입니다. 철광석은 주로 산화철이며 자철광, 적철광, 갈철광 및 기타 많은 암석을 포함합니다. 이 광석의 철 함량은 70%에서 20% 이하입니다. 코크스는 석탄을 거의 순수한 탄소가 될 때까지 가열하여 만든 물질입니다. 소결은 철광석을 잘게 쪼개어 만든 철광석을 코크스와 석회와 함께 구워 광석에 있는 많은 양의 불순물을 제거하는 것입니다. 석회석은 자연적으로 발생하며 탄산칼슘의 공급원입니다.

크롬, 니켈, 망간, 몰리브덴 및 텅스텐과 같은 다양한 형태의 강철을 생산할 때 다른 금속이 철과 혼합되기도 합니다.

광석 추출 및 정제 과정

철광석을 고로에서 사용하려면 먼저 땅에서 추출하고 부분적으로 정제하여 대부분의 불순물을 제거해야 합니다.

1860년대 초, 이 어린 철물웅덩이 도우미는 긴 집게에 기대어 이 사진을 위해 포즈를 취했습니다. Sons of Vulcan이 젊은 연합이었을 때. (헨리 포드 박물관 및 그린필드 빌리지 컬렉션에서)

역사적으로 철은 열풍법이나 이후에는 무연탄로로 생산되었습니다. 어느 쪽이든, 제철의 기본 활동에는 철이 슬래그에서 분리될 때까지 작업자가 소량의 선철과 재를 휘젓는 것이 포함되었습니다. "웅덩이"라고 불리는 이것은 고도로 숙련된 작업이지만 동시에 덥고 힘들고 위험했습니다. 많은 경험과 탄탄한 체질이 필요했습니다. 퍼들러는 자랑스럽고 독립적이며 높은 급여를 받았습니다.

Puddlers는 1858년 피츠버그에서 철강 산업의 첫 번째 노동 조합인 Sons of Vulcan을 설립했습니다. 1876년 이 노동 조합은 3개의 다른 노동 조직과 합병하여 Amalgamated Association of Iron and Steel Workers를 형성했습니다. 이것은 앤드류 카네기가 1892년 홈스테드 파업에서 패배시킨 노조였으며, 노조는 1930년대까지 본질적으로 조직화되지 않았고 산업은 엉망이 되었습니다.

윌리엄 S. 프레처

추출

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1 세계 철광석의 상당 부분이 노천 채굴을 통해 추출됩니다. 순철은 부드러운 회백색 금속입니다. 철은 흔한 원소이지만 순수한 철은 자연에서 거의 발견되지 않습니다. 철 함량이 가장 높은 지표 근처의 광물을 철광석이라고 하며 상업적으로 채굴됩니다. 땅의 표면은 종종 매우 넓은 지역에 걸쳐 무거운 기계에 의해 제거되어 아래의 광석을 노출시킵니다. 표면을 제거하는 것이 경제적이지 않은 경우, 광석 층을 따라가는 측면 터널과 함께 갱도를 땅에 파냅니다.

정제

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2 채굴된 광석을 파쇄하여 선별한다. 가장 좋은 등급의 광석은 60% 이상의 철을 함유하고 있습니다. 광석이 고로로 선적되기 전에 다양한 오염 물질을 제거하기 위해 더 낮은 등급이 처리되거나 정제됩니다. 이러한 정련 방법을 총칭하여 선광이라고 하며 추가 분쇄, 물로 세척하여 모래와 점토를 띄우고 자기 분리, 펠릿화 및 소결을 포함합니다. 철 함량이 높은 광석에 대한 세계적으로 알려진 공급량이 더 많이 고갈됨에 따라 이러한 정제 기술은 점점 더 중요해지고 있습니다.

3 정제된 광석은 열차나 선박에 실려 용광로 현장으로 운반됩니다.

제조
프로세스

용광로 장입

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1 광석은 가공 후 다른 광석과 혼합되어 고로로 간다. 고로는 강철로 만든 탑 모양의 구조물에 내화벽돌이나 내열벽돌이 늘어서 있습니다. 원료의 혼합물 또는 장입물이 고로 상단에 들어갑니다. 용광로 바닥에서 tuye'res라고 하는 노즐을 통해 매우 뜨거운 공기를 불어 넣습니다. 코크스는 뜨거운 공기가 있는 곳에서 연소됩니다. 공기 중의 산소는 코크스의 탄소와 반응하여 일산화탄소를 형성합니다. 일산화탄소 그러면 철광석과 반응하여 이산화탄소와 순수한 철을 형성합니다.

슬래그에서 철 분리

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2 녹은 철은 용광로 바닥으로 가라앉습니다. 석회암은 광석의 암석 및 기타 불순물과 결합하여 철보다 가볍고 위에 떠 있는 슬래그를 형성합니다. 장입량이 감소함에 따라 용광로 상단에 계속해서 더 많이 추가됩니다. 철과 슬래그는 용광로 바닥에서 별도로 배출됩니다. 녹은 철은 추가 합금 공정을 거치거나 돼지라고 하는 주괴로 주조될 수 있습니다. 슬래그는 폐기를 위해 운반됩니다.

가스 처리

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3 화학 반응에서 생성된 뜨거운 가스는 상단에서 배출되어 가스 세정 공장으로 보내져 세정 또는 스크러빙된 후 다시 용광로로 보내집니다. 특히 남아 있는 일산화탄소는 용광로 내에서 진행되는 화학 반응에 유용합니다.

고로는 일반적으로 몇 년 동안 밤낮으로 가동됩니다. 결국 벽돌 안감이 부서지기 시작하고 용광로는 유지 보수를 위해 폐쇄됩니다.

품질 관리

고로 작업은 고도로 계측되며 지속적으로 모니터링됩니다. 시간과 온도를 확인하고 기록합니다. 다양한 광산에서 입수한 철광석의 화학적 함량을 확인하고, 다른 철광석과 혼합하여 원하는 장입량을 달성합니다. 각 주입에서 샘플을 채취하여 화학적 함량과 강도 및 경도와 같은 기계적 특성을 확인합니다.

부산물/폐기물

제철 산업이 환경에 미칠 수 있는 영향은 매우 많습니다. 첫 번째이자 가장 분명한 것은 노천 채굴 과정입니다. 거대한 땅이 맨암으로 벗겨졌습니다. 오늘날, 고갈된 광산 부지는 일반적으로 매립지로 사용되며 덮고 조경됩니다. 이러한 매립지 중 일부는 최근에 토양과 물로 침출되는 고독성 물질의 처리에 사용되었기 때문에 그 자체로 환경 문제가 되었습니다.

광석에서 철을 추출하는 과정은 다량의 유독성 및 부식성 가스를 생성합니다. 실제로 이러한 가스는 스크러빙되어 재활용됩니다. 그러나 불가피하게 소량의 유독 가스가 대기 중으로 누출됩니다.

철 정화의 부산물은 엄청난 양의 슬래그입니다. 이 물질은 대부분 불활성이지만 여전히 매립지에 폐기해야 합니다.

제철은 엄청난 양의 석탄을 사용합니다. 석탄은 직접 사용되지 않고 먼저 거의 순수한 탄소로 구성된 코크스로 환원됩니다. 코크스의 많은 화학적 부산물은 거의 모두 독성이 있지만 상업적으로도 유용합니다. 이러한 제품에는 수많은 제품에 사용되는 암모니아가 포함됩니다. 플라스틱, 절삭유 및 방부제를 만드는 데 사용되는 페놀; 제초제, 살충제, 의약품 및 사진 화학 물질에 들어가는 크레졸; 및 용제 및 폭발물과 같은 많은 복합 화학 제품의 성분인 톨루엔.

고철과 강철(오래된 자동차, 가전제품, 심지어 전체 강철 대들보 건물 형태)도 환경 문제입니다. 그러나 철스크랩은 제강의 필수 자원이기 때문에 이 재료의 대부분은 재활용됩니다. 재활용되지 않은 스크랩은 결국 산화철 또는 녹으로 변하여 땅으로 돌아갑니다.

미래

표면적으로는 특히 미국에서 철 생산의 미래가 불안해 보입니다. 고품질 광석 매장량은 경제적으로 추출할 수 있는 지역에서 상당히 고갈되었습니다. 많은 제철소가 문을 닫았습니다.

그러나 이러한 모습은 속임수입니다. 새로운 광석 농축 기술은 저품위 광석의 사용을 훨씬 더 매력적으로 만들었고 그 광석은 방대한 공급량을 자랑합니다. 많은 철강 공장이 최근 수십 년 동안 문을 닫았지만, 이는 주로 필요한 철강 공장이 더 적기 때문입니다. 고로 단독의 효율이 눈에 띄게 향상되었습니다. 금세기 초 미국에서 가장 큰 고로는 하루에 644톤의 선철을 생산했습니다. 곧 단일 용광로의 가능한 생산이 하루 4,000톤에 도달할 것으로 믿어집니다. 이러한 보다 현대적인 공장의 대부분은 해외에서 건설되었기 때문에 일부 경우에는 오래된 미국 공장에서 철강을 생산하는 것보다 바다를 건너 바다로 철강을 운송하는 것이 실제로 더 경제적이 되었습니다.