제강 기술의 진화: 고대 유물에서 현대 공정까지

알려진 가장 이른 강철 생산 유물은 아나톨리아 고고학 유적지에서 발굴된 철기 조각으로, 약 4,000년 전인 기원전 1800년경으로 거슬러 올라갑니다. 호라티우스는 이베리아 반도의 팔카타 같은 강철 무기를 기록했고, 노릭 강철은 로마 군대가 사용했습니다.

남인도의 '세릭 철'(우츠 강철)은 그리스, 로마, 이집트, 동아프리카, 중국, 중동에서 명성이 높았습니다. 알렉산더 대왕(기원전 3세기)을 포함한 남인도와 지중해 기록에 이 강철이 그리스에 선물되고 수출되었다는 기록이 있습니다. 스리랑카의 금속 생산지는 계절풍을 이용한 풍력 노를 사용해 고탄소 강철을 생산했습니다. 6세기경 타밀라캄에서 도가니와 아바람 식물 같은 탄소원을 이용해 대규모 우츠 강철 생산이 이루어졌으며, 이는 현대 제강과 야금학의 선구적 선구자가 되었습니다. 스파르타에서는 기원전 650년경 대량의 강철이 생산되었습니다.

중국 전국시대(기원전 403~221년)에는 담금질 경화 강철이 있었고, 한나라(기원전 202년~기원후 220년)에는 단철과 주철을 함께 녹여 1세기 기원후에 탄소 중간 강철을 얻었습니다. 동아프리카 하야족은 약 2,000년 전 1,800°C에서 탄소 강철을 만드는 노를 발명했습니다. Richard Hooker에 따르면 동아프리카 강철은 기원전 1,400년까지 거슬러 올라갑니다.

인도 아대륙의 초기 고탄소 강철 생산

인도 아대륙에서 가장 이른 고탄소 강철 생산 증거는 타밀나두의 코다마날, 텔랑가나의 골콘다, 카르나타카, 스리랑카의 사마날라웨와 지역에서 발견됩니다. 기원전 6세기경 생산된 이 우츠 강철은 전 세계로 수출되었습니다. 이 기술은 기원전 326년 이전부터 상감 타밀 문학, 아랍어, 라틴어 문헌에 세계 최고의 강철(세릭 철)로 언급되며 로마, 이집트, 중국, 아랍 세계로 수출되었습니다. 기술이 남인도에서 유래했으므로 인도의 강철 기술 기원은 보수적으로 기원전 500~400년으로 추정됩니다.

다마스커스 강철로도 알려진 우츠 강철은 내구성과 날 유지력으로 유명합니다. 파노폴리스의 조시모스 기록에 따르면 이 강철은 다양한 미량 원소를 포함한 여러 재료로 만들어졌습니다. 기원전 326년 포루스 왕이 알렉산더 황제에게 강철 검을 선물할 때 이미 인도에서는 오래된 기술이었습니다. 본질적으로 철을 주성분으로 한 복잡한 합금이었습니다. 최근 연구에 따르면 탄소 나노튜브가 구조에 포함되어 전설적 특성의 일부를 설명할 수 있으나, 당시 기술로는 우연에 의한 것이지 설계에 의한 것은 아니었습니다. 철 함유 토양을 나무로 가열할 때 자연풍을 이용했습니다. 고대 싱할라인들은 토양 2톤당 1톤의 강철을 추출했는데 당시로서는 놀라운 업적이었습니다. 사마날라웨와에서 그런 노가 발견되었고 고고학자들이 고대 방식대로 강철을 생산해냈습니다.

인도 아대륙의 다양한 제강법

이슬람 문헌인 알-타르수시와 아부 라이한 비루니에 따르면 강철 간접 생산법 세 가지가 기술되어 있습니다. 중세 이슬람 역사가 아부 라이한 비루니(973~1050년)는 다마스커스 강철 생산에 대한 가장 이른 언급을 제공합니다. 그는 강철 생산법 세 가지만 기술합니다. 첫 두 방법은 중앙아시아와 인도 아대륙에서 오랜 역사를 가지며 세 번째는 남아시아 고유입니다. 이 세 방법은 일반적으로 인도 아대륙에서 유래한 것으로 봅니다.

첫 번째이자 가장 일반적인 전통적 방법은 단철의 고상 침탄(solid state carburization)입니다. 단철을 도가니나 화덕에 숯과 함께 넣고 가열해 탄소가 철로 확산되어 강철을 만드는 확산 공정입니다. 침탄은 우츠 강철 공정(시멘테이션 공정의 일종)의 기초입니다. 두 번째 방법은 주철에서 탄소를 제거하는 탈탄(decarburization)입니다(도가니 공정의 일종). 또 다른 간접법은 단철과 주철을 사용합니다. 이 공정에서 단철과 주철을 도가니에서 함께 가열해 융합으로 강철을 만듭니다. 이 방법에 대해 아부 라이한 비루니는 "이것이 화덕에서 사용된 방법이었다"라고 말합니다.

공융 과정의 변형은 페르시아와 중앙아시아에서 초기에 발견되었으나 인도 하이데라바드에서도 발견되었습니다. 탄소원으로 현대 이슬람 권위자들은 석류 껍질, 도토리, 오렌지 껍질 같은 과일 껍질, 잎, 달걀 흰자, 조개껍질 등 다양한 유기물을 지정합니다. 인도 자료에는 나무 조각이 언급되지만, 그 어떤 자료도 숯을 언급하지 않습니다.

도가니 강철

도가니 강철은 현대에서 두 가지 다른 방법으로 만들어진 강철을 지칭하지만 역사적으로 다양한 지역에서 생산되었습니다. 철과 다른 재료를 도가니에서 녹여 용탕을 주형에 부어 만듭니다. 중세 시대 남·중앙아시아에서 우츠 공정으로 고품질 강철 생산 기술이 개발되었습니다. 18세기 영국 벤자민 헌츠맨이 고품질 강철 생산 기술을 개발했습니다. 그의 공정은 철과 강철을 원료로 사용했습니다. 이 주강의 균질한 결정 구조는 이전 강철 형태보다 강도와 경도를 향상시켰습니다.

도가니 강철은 일반적으로 인도와 스리랑카의 생산 중심지에서 우츠 공정으로 생산된 것으로 보며, 다른 지역 출현은 장거리 무역 탓으로 봅니다. 최근 중앙아시아의 투르크메니스탄 메르브와 우즈베키스탄 악시켓이 도가니 강철 중요 생산 중심지였음이 발굴로 밝혀졌습니다. 중앙아시아 출토품은 모두 발굴품으로 8~12세기 기원후로 거슬러 올라가며, 인도/스리랑카 자료는 기원전 300년까지 거슬러 올라갑니다. 또한 인도 철광석에는 미량 바나듐(V)과 희토류가 포함되어 인도 도가니 강철의 경화성이 높아 중동에서 날 유지력으로 유명했습니다.

초기에는 도가니 강철이 중동에 더 많이 기인하지만, 유럽 특히 스칸디나비아에서도 검이 발견되었습니다. 이 검에는 '울버트(Ulberht)'라는 모호한 이름이 새겨져 있습니다. 이 검들은 9세기부터 11세기 초까지 200년간의 기간에 속합니다. 많은 이들이 블레이드 제조 공정이 중동에서 유래해 '볼가 무역로' 시절에 거래되었을 것으로 추측합니다.

이슬람 초기 세기에 검과 강철에 대한 과학적 연구가 나타납니다. 가장 잘 알려진 것은 자비르 이븐 아얀(8세기), 알-킨디(9세기), 아부 라이한 비루니(11세기 초), 무르다 알 타르수시(12세기 말), 파크르 이 무다비르(13세기)입니다. 이들 어느 것이든 고전 그리스와 로마 문헌 전체보다 인도와 다마스커스 강철에 대한 훨씬 많은 정보를 담고 있습니다.

벤자민 헌츠맨은 시계 태엽용 더 나은 강철을 찾던 시계 제작자였습니다. 수년간 비밀리에 실험한 후 1740년부터 강철을 생산했습니다. 헌츠맨의 시스템은 1,600°C에 도달하는 코크스 연소로를 사용했으며, 여기에 약 15kg 철을 담을 수 있는 점토 도가니 최대 12개를 넣었습니다. 도가니가 백열 상태가 되면 시멘테이션 공정으로 만든 침탄강(블리스터 강) 덩어리와 불순물 제거를 돕는 플럭스를 투입했습니다. 약 3시간 후 도가니를 꺼내 슬래그 형태의 불순물을 걷어내고 액체 강철을 주형에 부어 주괴로 만들었습니다. 강철의 완전 용융으로 냉각 시 고도로 균일한 결정 구조가 형성되어 당시 다른 강철보다 인장 강도와 경도가 높았습니다.

이 강철은 영국 셰필드의 '도가니 로(crucible furnace)'라 불리는 전문 작업장에서 생산되었습니다. 지상 작업장과 지하 저장고로 구성되었습니다. 로 건물은 크기와 건축 양식이 다양했으며, 19세기 후반 기술 발전으로 여러 도가니를 한 번에 '소성'할 수 있게 되고 가스 연료를 사용하면서 규모가 커졌습니다. 각 작업장에는 용해공, 주입 피트, 지붕 통풍구, 도가니 선반열, 소성 전 도가니를 준비하는 어닐링로 등 표준 설비가 있었습니다. 충전량 계량실과 점토 도가니 제조실은 작업장에 부속되거나 지하 단지에 위치했습니다. 원래 시계 태엽용이었으나 나중에는 가위, 도끼, 검 등 다른 용도로 쓰였습니다.

1880년대 미국에서 개발된 또 다른 방법에서는 철과 탄소를 직접 함께 녹여 도가니 강철을 만들었습니다. 19세기 내내 1920년대까지 대량의 도가니 강철이 절삭 공구 생산에 투입되어 공구강이라 불렸습니다.

도가니 공정은 특수강에 계속 사용되었으나 현재는 구식입니다.

1837년 러시아 기술자 파벨 아노소프가 또 다른 형태의 도가니 강철을 개발했습니다. 그의 기술은 가열과 냉각보다는 적절한 결정 구조가 형성되었을 때 액체 강철을 급랭하는 담금질 공정에 더 의존했습니다. 그는 자신의 강철을 '불라트(bulat)'라 불렀습니다. 공정의 비결은 그와 함께 묻혔습니다. 미국에서는 윌리엄 멧칼프가 도가니 강철을 개척했습니다. 도가니 강철은 매우 고품질이었으나 비쌌으며, 1950년대까지 특수 용도로 쓰인 것이 품질의 징표였습니다.

베세머 공정으로 비중요 용도의 도가니 강철 시대가 끝났습니다.

베세머 공정과 현대 제강

현대 제강의 역사는 19세기에 시작됩니다. 프랑스의 레오뮈르(1772년), 미국의 켈리(1850년), 영국의 베세머(1856년)가 철 합금의 탄소 함량을 제어해 선철을 개선하는 방법을 발견하며 진정한 강철이 탄생했습니다. 화학자였던 레오뮈르는 과학적 호기심에 이끌렸지만, 엔지니어였던 켈리와 베세머는 산업혁명의 직기, 증기기관, 기계, 철도가 창출한 더 많은 양과 더 나은 품질의 강철 수요에 대응했습니다. 이로써 과학과 기술의 변증법적 관계가 시작되었고, 용선(선철)에서 탄소를 산화시켜 정련하는 기본 개념이 이때 발명되었습니다.

19세기 유럽과 미국의 철도 성장은 여전히 비효율적 생산 공정에 시달리던 철강 산업에 큰 압박을 가했습니다. 강철은 구조용 금속으로 입증되지 않았고 생산은 느리고 비쌌습니다. 1856년 헨리 베세머가 액체 철에 산소를 불어넣어 탄소 함량을 줄이는 더 효과적인 방법을 고안하기 전까지 말입니다.

1855년 1월부터 그는 포병과 대규모 수요에 필요한 강철을 대량 생산하는 방법을 연구하기 시작해 10월 베세머 공정 관련 첫 특허를 출원했습니다. 베세머는 처음에 일반 반사로에서 작업했으나 시험 중 선철 주괴 두 개가 레들 옆으로 빠져 용광로의 뜨거운 공기 속에 놓이게 되었습니다. 베세머가 그것들을 레들로 밀어 넣으려 할 때 그것들이 강철 쉘이 되어 있음을 발견했습니다: 뜨거운 공기만으로 주괴 외부가 강철로 변한 것입니다. 이 결정적 발견으로 그는 고압 공기를 특수 공기 펌프로 액체 철을 통해 불어넣도록 용광로를 완전히 재설계했습니다. 직관적으로는 철을 식히는 것처럼 보이지만, 실리콘(Si)과 탄소(C)가 과잉 산소와 발열 산화 반응을 일으켜 주변 용철을 더 뜨겁게 만들어 강철로의 전환을 촉진합니다.

이제 베세머 공정으로 알려진 이 공정에서 베세머는 배 모양의 용기, 즉 '컨버터(converter)'를 설계했습니다. 여기에서 철을 가열하면서 산소를 용융 금속을 통해 불어넣을 수 있습니다. 산소가 용융 금속을 통과하면 탄소와 반응해 이산화탄소(CO2)를 방출하고 더 순수한 철을 만듭니다.

베세머 공정은 액체 철에서 강철을 대량 생산하는 최초의 저렴한 산업 공정이었습니다. 이 공정은 발명가 헨리 베세머의 이름을 따서 명명되었으며, 그는 1855년 공정 특허를 받았습니다. 핵심 원리는 공기를 용융 철을 통해 불어넣어 산화로 철에서 불순물을 제거하는 것입니다. 산화는 철 덩어리 온도를 높여 용융 상태를 유지합니다. 이 공정은 점토나 돌로마이트로 라이닝된 큰 타원형 강철 용기, 즉 베세머 컨버터에서 수행됩니다. 컨버터 용량은 8~30톤의 용철이며 통상 충전량은 약 15톤입니다. 컨버터 상단에는 보통 본체에 비해 옆으로 기울어진 구멍이 있어 이곳으로 철을 넣고 완제품을 꺼냅니다. 바닥에는 튜에르(tuyere)라고 불리는 여러 채널이 뚫려 있어 공기를 강제로 컨버터 내로 불어넣습니다. 컨버터는 트러니온에 축착되어 충전을 위해 회전하고, 전환 중에는 직립했다가 마지막에 다시 회전해 액체 강철을 쏟아냅니다.

산화 공정은 Si, C, 망간(Mn) 같은 불순물을 산화물로 제거합니다. 이 산화물은 기체로 빠져나가거나 고체 슬래그를 형성합니다. 컨버터 내화 라이닝도 전환에 역할을 합니다. 내화 점토 라이닝은 원료 인 함량이 낮은 산성 베세머 공정에 사용됩니다. 인 함량이 높으면 염기성 베세머 공정에서 돌로마이트를 사용합니다(석회석이나 마그네사이트 라이닝도 가끔 사용). 전환 완료 후 원하는 강철 특성을 위해 슈피겔아이젠(철-탄소-망간 합금) 같은 다른 물질을 용강에 첨가할 수 있습니다.

필요한 강철이 형성되면 레들로 부어 주형으로 이송하고 가벼운 슬래그는 남겨둡니다. '블로우(blow)'라 불리는 전환 공정은 약 20분 만에 완료됩니다. 이 기간 동안 컨버터 입에서 나오는 불꽃 모양으로 불순물 산화 진행도를 판단합니다. 블로우 후 용융 금속을 원하는 탄소점까지 재침탄하고 원하는 제품에 따라 다른 합금 원소를 첨가합니다. 베세머 공정은 이 품질의 강철 제조 시간을 약 30분으로 단축했으며 초기 선철 용해에 필요한 코크스만 필요했습니다. Fig 2는 베세머 컨버터를 보여줍니다.

베세머는 공정 특허를 5명의 제철업자에게 총 27,000파운드에 라이선스했지만, 그들이 약속한 품질의 강철을 생산하지 못해 나중에 32,500파운드에 되샀습니다. 그는 문제가 철의 불순물에 있음을 깨닫고 공정에서 공기 흐름을 언제 차단할지 아는 것이 해법이라고 결론지었습니다. 불순물이 다 타버리되 적절한 양의 탄소만 남도록 말입니다. 하지만 수만 파운드를 실험에 쏟아부어도 답을 찾지 못했습니다. 단순하지만 우아한 해법은 로버트 포레스터 머셋이 수천 번의 과학적으로 타당한 실험 끝에 처음 발견했습니다. 그의 방법은 먼저 가능한 모든 불순물과 탄소를 태워 없앤 다음, 정확한 양의 슈피겔아이젠을 첨가해 탄소와 망간을 재도입하는 것이었습니다. 이는 완제품 품질을 개선하고 연성과 고온 압연 및 단조 내성을 높여 광범위한 용도에 적합하게 만들었습니다.

베세머 공정은 강철 제조 비용을 도입 당시 롱톤당 40파운드에서 6~7파운드로 낮추고, 이 필수 원자재의 생산 규모와 속도를 크게 높임으로써 강철 제조에 혁명을 일으켰습니다. 이 공정은 제강 노동력도 줄였습니다.

베세머 공정 도입 전 강철은 다리나 건물 골격 제작에 너무 비싸 산업혁명 내내 단철이 사용되었습니다. 베세머 공정 도입 후 강철과 단철 가격이 비슷해져 대부분의 제조사가 강철로 전환했습니다. 저렴한 강철 공급으로 대형 교량 건설이 가능해졌고 철도, 마천루, 대형 선박 건설이 가능해졌습니다. 영국인 헨리 베세머가 완성한 대규모 강철 생산 공정은 19~20세기에 관찰된 대량 산업화의 길을 열었습니다.

이 방법의 상업적 강철 생산은 1974년 워킹턴에서 중단되었습니다. 최종 화학 성분 제어가 더 나은 염기성 산소 공정 등으로 대체되었습니다. 베세머 공정은 너무 빨라(히트당 10~20분) 강철의 화학 분석이나 합금 원소 조정에 시간이 거의 없었습니다. 베세머 컨버터는 용강에서 인을 효율적으로 제거하지 못했으며, 저인 광석이 비싸지면서 전환 비용이 증가했습니다. 공정은 제한된 양의 스크랩만 충전할 수 있어 비용을 더 높였습니다. 특히 스크랩이 싸질 때 전기로(EAF) 기술이 베세머 공정과 유리하게 경쟁해 베세머 공정을 구식으로 만들었습니다.

이 공정은 빠르고 저렴해 철에서 탄소와 실리콘을 몇 분 만에 제거했지만 너무 성공적이어서 문제였습니다. 탄소가 너무 많이 제거되고 최종 제품에 산소가 너무 많이 남았습니다. 베세머는 결국 탄소 함량을 높이고 원치 않는 산소를 제거하는 방법을 찾을 때까지 투자자들에게 상환해야 했습니다.

평로 제강 공정

평로(OH) 제강 공정은 평로로를 사용합니다. 이 공정은 장점 덕분에 곧 베세머 공정을 대체했습니다. 1908년 평로로 생산 강철 연간 생산량이 베세머 공정 생산량을 넘어섰습니다. 대부분의 평로로는 1990년대 초반까지 폐쇄되었으며, 느린 조업 탓에 기본 산소로(BOF)나 전기로(EAF)로 대체되었습니다. 여전히 일부 제철소에서 평로 공정으로 강철을 만듭니다. 평로 공정의 주된 장점은 강철이 과도한 질소에 노출되지 않아(질소는 강철을 취성화함), 제어가 더 쉽고, 대량의 철스크랩과 강스크랩을 용해 정련할 수 있다는 점이었습니다.

독일 태생 엔지니어 칼 빌헬름 지멘스가 1850년대 지멘스 재생로(Siemens regenerative furnace)를 개발했고 1857년 열의 70~80%를 회수한다고 주장했습니다. 이 로는 연료와 공기를 재생 예열해 연소에 사용함으로써 고온에서 작동했습니다. 재생 예열에서 로 배가스를 벽돌이 든 챔버로 펌핑해 가스에서 벽돌로 열을 전달합니다. 로 흐름을 역전시켜 연료와 공기가 챔버를 통과하며 벽돌 열로 가열됩니다. 이 방법으로 평로로는 강철을 녹일 만큼 충분히 높은 온도에 도달할 수 있었지만 지멘스는 처음에 이를 제강에 쓰지 않았습니다.

1865년 프랑스 엔지니어 피에르-에밀 마르탱이 지멘스 라이선스를 받아 재생로를 처음 강철 제조에 적용했습니다. 지멘스 재생로의 가장 매력적 특징은 대량의 염기성 강철을 신속히 생산하는 것입니다. 평로로 일반 크기는 50~500톤입니다.

평로 공정은 배치 공정이며 한 배치를 '히트(heat)'라 부릅니다. 로는 먼저 손상 여부를 검사합니다. 준비되거나 수리되면 경량 스크랩(판금, 파쇄 차량, 폐금속)으로 충전합니다. 가스 연소로 가열합니다. 녹으면 중량 스크랩(건설, 토목, 제철 스크랩)과 고로에서 온 용선(HM)을 함께 넣습니다. 모든 강철이 녹으면 석회석 같은 슬래그 형성제를 첨가합니다. 산화철과 다른 불순물의 산소가 탈탄해 과잉 탄소를 태워 강철을 만듭니다. 히트 산소 함량을 높이기 위해 철광석을 첨가합니다.

이 공정은 베세머 컨버터 공정보다 훨씬 느려 제어와 품질 평가를 위한 시료 채취가 쉽습니다. 히트 준비는 보통 8~9시간 걸려 강철이 됩니다. 공정이 느려 베세머 공정처럼 모든 탄소를 태울 필요 없이 원하는 탄소 함량에 도달하면 공정을 중단할 수 있습니다.

로는 고로와 같은 방식으로 탭아웃합니다. 즉, 로 바닥 옆면에 구멍을 뚫어 생강철이 흘러나오게 합니다. 모든 강철을 탭아웃하면 슬래그를 걷어냅니다. 생강철은 잉곳으로 주조할 수 있으며 이 과정을 '티밍(teeming)'이라 부르거나 연속 주조기로 주조할 수 있습니다.

재생장치는 로의 독특한 특징으로, 벽돌을 세워 가장자리에 놓고 그 사이에 수많은 작은 통로가 생기도록 배열한 내화 벽돌 플루로 구성됩니다. 벽돌은 나가는 폐가스에서 열을 대부분 흡수해 나중에 들어오는 차가운 가스에 연소용으로 돌려줍니다. Fig 3은 1895년 지멘스-마르탱로 단면도를 보여줍니다.

지멘스-마르탱 공정은 베세머 공정을 대체하기보다 보완했습니다. 더 느려 제어가 쉽습니다. 대량의 강스크랩 용해 정련도 가능해 강철 생산비를 더 낮추고 골칫거리 폐기물을 재활용했습니다. 최악의 단점은 한 차지 용해 정련에 수 시간이 걸린다는 점이었습니다. 이는 20세기 초반에는 장점이었는데, 플랜트 화학자들이 강철을 분석하고 얼마나 더 정련할지 결정할 시간을 주었기 때문입니다. 하지만 1975년경 원자흡광분광광도계 같은 전자 기기로 강철 분석이 훨씬 쉽고 빨라졌습니다.

전기로 제강

전기 제강에 사용되는 로는 두 가지입니다. (i) 전기로(EAF), (ii) 유도로(IF). 이 두 로의 제강 역사적 발전은 다음과 같습니다.

EAF 제강 기술은 100년 이상 되었습니다. 드 라발이 1892년 철 용해 정련용 전기로 특허를 냈고, 에루가 1888~1892년 페로알로이 전아크 용해를 시연했지만, 제강용 최초의 산업용 EAF는 1900년에야 가동되었습니다. 발전이 빨라 1910~1920년 생산이 10배 증가해 1920년 50만 톤 이상 생산되었으나 당시 세계 강철 생산량의 아주 작은 비율이었습니다.

초기 EAF 제강은 스크랩과 페로알로이 같은 고체 원료로 특수강 생산용으로 개발되었습니다. 고체 재료를 직접 아크 용해로 녹이고 적절한 플럭스 첨가로 정련해 탭아웃 후 추가 가공했습니다. 불과 30~35년 전만 해도 탭투탭 시간이 3시간 이상인 경우가 흔했고 비전력 소비량은 종종 700kWh/톤을 넘어 열역학적 요구량의 거의 2배였습니다. 20세기 대부분 동안 EAF 제강은 비싸고 느린 공정으로 특수강과 부가가치 강철에만 적합한 것으로 여겨졌습니다. 1960년대 이후 기술이 급속히 발전해 기본 산소 제강 기술에 이어 두 번째로 큰 제강 기술이 되었습니다.

EAF는 지배적인 고로-기본산소로(BF-BOF) 루트의 대안인 생산 루트의 핵심입니다. EAF 평면도와 단면도를 Fig 4에 보여줍니다. EAF는 주로 페로 스크랩 재활용으로 탄소강과 합금강을 생산합니다. EAF에서 스크랩과/또는 제조 철원(DRI, 선철, 철 카바이드 등)을 음극과 양극 1개(DC) 또는 3개(AC) 사이에 형성되는 고출력 전기로 녹여 고품질 강철로 변환합니다. 스크랩은 전 세계 EAF 금속 원료의 약 80%를 차지하는 가장 중요한 자원입니다.

전 세계 EAF 생산과 기술 증가는 다음 이유들 때문입니다.

• 평로 공정이 경쟁력 있는 제강 공정으로 중단됨
• 대규모 일관제철의 막대한 설비/운영비에서 벗어나 소규모, 저자본 미니밀을 선호함
• 전기 기술 급속 향상으로 대규모 전기 설비 비용 하락과 전기 기기 제어 대폭 개선
• 많은 국가에서 스크랩 쉽게 구할 수 있고 금속 재활용에 대한 강한 사회적 압력
• 대체 철원, 특히 개발도상국에서의 공급 증가
• EAF에서 용선과 산소 연료 사용
• EAF 기반 제강 기술의 운영, 제어, 효율, 제품 품질 대폭 개선

유도로(IF)는 페로와 비페로 금속 용해에 사용됩니다. 연소 없이 청정하게 열을 발생시킵니다. 마이클 패러데이가 발견한 전자기 유도 원리로 작동합니다.

1870년 드 페란티가 유럽에서 유도로 실험을 시작했습니다. 금속 용해용 최초 유도로는 1900년 에드워드 앨런 콜비가 특허냈습니다. 미국에서 유도로로 처음 강철을 만든 것은 1907년 필라델피아 인근 콜비로에서였습니다. 최초의 3상 로는 1906년 독일에서 로흘링-로덴하우저가 만들었습니다. 유도로가 오래전부터 사용되었으나 연강 생산은 비교적 최근 현상입니다.

유연하고 정전력 추적 중주파 유도 전원 개발로 배치 용해법이 널리 보급되었습니다. 이 전원장치는 헤비듀티 실리콘 제어 정류기를 내장해 배치 용해에 필요한 주파수와 전류를 생성하며 97% 초과 전기 효율을 달성해 1970년대 유도 전원의 대표적 85% 효율을 크게 개선했습니다. 새 설계로 용해 사이클 내내 로 전력을 최대 활용하면서 교반 제어도 잘 됩니다. 무심 유도로 개요도를 Fig 5에 보여줍니다.

여러 유형의 IF가 있지만 모두 로를 감은 코일에 전류를 통과시켜 강한 자기장을 생성하는 원리로 작동합니다. 이 전류는 내화물을 통과해 로 내부의 전도성 금속 차지와 결합하는 전자기장을 만듭니다. 자기장은 차례로 금속에 전압을 유도하고 이어서 전류를 흐르게 합니다. 금속의 전기 저항이 열을 발생시켜 금속을 녹이고 설정 온도에 도달시킵니다.

IF는 다양한 크기로 제작됩니다. 차지와 에너지 매개체 간 접촉이 없으므로 적합한 라이닝 재료만 있으면 강철, 주철, 비철금속 용해에 일반적으로 적합합니다. IF 용해로 산업에서 만드는 제품에는 구조용 연강 잉곳/빌렛, 식기용 스테인리스 잉곳/빌렛, 선재와 와이어, 엔지니어링용 저합금강 주물, 내열/내식 부품용 스테인리스 주물, 단조업 및 연삭 매체용 합금강 등이 포함됩니다.

인도에서 IF 사용은 1960년대 중반 시작되었습니다. 수입 중주파 유도로는 1970년대 중반부터 사용되었습니다. 인도 유도 용해로는 처음에 수입 스테인리스 스크랩으로 스테인리스 강철을 만들기 위해 설치되었습니다. 1981~82년 소형 유도로로 스테인리스 강철을 만들던 일부 기업가들이 강철 용해 스크랩으로 연강 제조를 실험해 성공했습니다. 이 성공으로 1980년대 초반부터 1990년대 중반까지 급성장했습니다. 이 기간 국내 유도로 제조도 시작되었습니다. 이 기간 유도로 제강이 국내 강철 생산 성장의 핵심 동력 중 하나로 부상했으며 현재 총 강철 생산의 32% 이상을 차지합니다. 오늘날 인도는 세계 최대 유도로 생산국이자 유도로 기술로 강철을 가장 많이 생산하는 국가입니다. IF 제강은 전체 용량뿐 아니라 로 크기 면에서도 성장했습니다. 현재 국내에서 40톤 용량 IF까지 가동 중입니다.

기본 산소 제강(BOS)

기본 산소 제강(BOS)은 기본 산소로(BOF), LD 컨버터, 또는 단순히 컨버터라 불리는 용기에 담긴 용융 금속 욕에 순수 산소를 불어넣어 강철을 만드는 공정입니다.

BOS 개념은 1856년 헨리 베세머가 액체 철 탈탄을 위한 산소 취련 공정 특허(영국 특허번호 2207)를 내면서 거슬러 올라갑니다. 당시 공정에 필요한 산소량을 공급할 방법이 없었습니다. 상업적 양의 산소는 전혀 없거나 너무 비싸 베세머의 발명은 종이 위에만 머물렀습니다. 1928년 린데사가 대량 순수 산소 공급 방법(린데-프랭클 공정)을 개발하며 순수 산소 취련 제강이 실용화되었습니다. 린데-프랭클 공정 성공으로 산소도 매우 저렴해져 BOS 공정 도입의 두 전제 조건(대량 공급 가능, 저렴한 산소)이 모두 충족되었습니다.

유럽과 미국에서 산소 실험이 반복되었습니다. 고순도 산소로 작업한 이들 중 오토 렐레프가 있었지만 '용융 철 욕에 수직으로 산소 불어넣기' 개념은 실패했습니다. 1936~1939년 구테호프눙슈테에서 근무한 후베르트 하우트만에 따르면, 컨버터 바닥 노즐로 순수 산소를 불어넣어 용선을 전환하려 했으나 이렇게 만든 강철은 형편없는 품질이었습니다.

제2차 세계대전 중 독일의 C.V. 슈바르츠, 벨기에의 존 마일스, 스위스의 뒤러, 독일의 하인리히 하일브뤼게가 각자 산소 취련 제강 버전을 제안했으나 뒤러와 헬브뤼게만 대량 생산 수준까지 끌어올렸습니다.

칼 발레리안 슈바르츠가 1939년 초음속으로 욕에 산소 불어넣기 특허를 출원했습니다. 하지만 이 방법도 '아직 사용 가능한 강철을 생산할 수 없었습니다'. 나중에 개발된 린츠-도나비츠(LD) 공정은 슈바르츠 특허와 유사했으나 특징은 달랐습니다(예: '중앙 수직 취련'). 제2차 세계대전 발발로 슈바르츠 특허 기술이 초기에 실용화되지 못했습니다. 1930년대 말 로베르트 뒤러(스위스)도 독자 실험을 시작했습니다.

전후 하인리히 헬브뤼게와 로베르트 뒤러(롤레셴 아이젠베르케 기술 이사)가 스위스 게를라핑엔 롤레셴 아이젠베르케에서 추가 실험을 진행했습니다. 게를라핑엔 최초 상취련 산소 컨버터 사진을 Fig 6에 보여줍니다.

게를라핑엔과 페스트(VÖEST) 간 산업 규모 기술 협력 연락이 닿자 뒤러가 기본 이론 원칙을 정립하고 페스트에 별도 용기에서 위에서 산소를 불어넣을 것을 조언했습니다. 1949년 6월 3일 페스트 구내에서 2톤 실험 컨버터를 사용한 일련의 실험이 시작되었습니다. 린츠 팀이 여러 초기 좌절을 겪은 후 1949년 6월 25일 돌파구가 마련되었습니다. 산소 압력을 낮추고 취련 랜스 팁을 욕에서 더 멀리 이동시켜 산소 제트가 너무 깊게 침투하지 않게 했습니다. 이 돌파구로 시트 압연에 문제없는 강철이 생산되었습니다. 페스트 실험 부서가 이 강철을 검토해 매우 긍정적으로 평가했습니다. 이것이 LD 컨버터 제강 공정 탄생의 순간이었습니다. 실험은 수백 히트의 2톤 생산까지 계속된 후 특수 제작된 15톤 실험 컨버터로 전환해 야외에 설치했습니다. 첫 배치는 1949년 10월 2일 생산되었습니다. 새 강종은 지속적인 야금 및 기타 시험을 거쳤습니다.

이 혁신의 핵심 요소는 용융 욕의 움직임이었습니다. 이전까지 산소를 더 깊게 불어넣지 않으면 충분한 욕 움직임을 얻기 불가능하다고 여겨졌습니다. 하지만 이 움직임은 일산화탄소(CO) 형성으로 매우 만족스럽게 달성되었습니다. '소프트 블로잉(soft blowing)' 원리도 FeO 형성을 촉진해 산화된 불순물을 흡수해 슬래그를 형성했습니다. 이는 훌륭한 새 강종 생산에 도움이 되었습니다.

게를라핑엔 롤레셴 아이젠베르케와 페스트 외에 만네스만 AG(뒤스부르크-하킹엔)와 오스트리아-알파인 몽탄게젤샤프트(ÖAMG, 도나비츠)도 1949년 5월 산소 취련 공정이나 산소 야금 일반에 관심을 표명했습니다. 린츠 실험 중 공정 시연 후 1949년 6월 17일 정확한 분업 협정이 체결되었습니다. 페스트는 더 큰 정련 용기에서 린츠 조강으로 작업을 계속하고, 만네스만은 토마스 강 산소 취련 실험을 하며, 롤레셴 아이젠베르케는 EAF 산소 사용을 조사하고, 오스트리아-알파인 몽탄게젤샤프트는 저축 선철로에서 산소 시험을 수행하기로 했습니다. 협정은 1949년 6월 17일 린츠 논의에서 알게 된 산소 정련 세부 사항이나 도달한 결론을 자기 회사 밖에서 발설하거나 전달하지 말 것을 모든 관련자에게 의무화했습니다.

협정 기반으로 도나비츠 실험에서 축로 산소 사용이 무가치함이 곧 드러나자 회사는 다른 접근법을 탐색했습니다. 산소 취련으로 고망간 슬래그 회수 공정을 개발한 도나비츠에서는 순수 산소 취련 공정만이 도나비츠의 강철 생산 확장과 합리화 계획에 고려되어야 함을 인식했습니다. 광범위한 조사와 5톤 또는 10톤 실험 설정에서의 성공적 개발 작업(초기 시험 시 산소는 직렬 실린더로 공급) 후 회사 경영진은 2년 내 가동 가능한 신규 제철소 건설을 결정했습니다. 도나비츠 엔지니어들은 처음에 공정을 'SK'(독일어 '산소 컨버터' 이니셜)로 명명했습니다. 이 용어는 페스트와 오스트리아-알파인 몽탄게젤샤프트 활동을 어느 정도 구분하는 데 도움이 되었습니다.

1949년 12월 9일 당시 페스트 전무 하인리히 리히터-브롬이 위험을 무릅쓰고 최초 LD 제철소 건설을 결정했습니다. 얼마 후 더 단단한 강종 생산 방법 문제가 해소되자 도나비츠에도 LD 플랜트 건설이 결정되었습니다. 공정 첫 특허는 1950년 출원되었습니다.

1951년 연례 연구 및 품질 보증 보고서에서 '검토 연도 동안 LD 강종에 광범위한 연구 작업을 수행했고 간행물이 발행되었다. 이 강종은 품질 면에서 큰 잠재력을 가지며 특히 우수한 냉간 성형성과 고품질 표면을 겸비한 강철 생산을 가능케 할 것으로 기대된다. 이는 지금까지 양호한 냉간 성형성이 킬드 강종에서만 가능했던 박판 생산에 특히 중요하다. 산소 정련 공정으로 높은 항복 강도 강철도 매우 유리하게 생산할 수 있다'고 기록되었습니다.

1951년까지 린츠에서 순수 산소로 용선을 정련해 혁신적이고 운영 신뢰성 높은 대량 양질 강철 생산 공정이 가능해졌습니다. 새 공정 첫 발표는 1951년 12월 오스트리아 야금학회 레오벤 '순수 산소로 강철 정련' 회의에서 이루어졌습니다. 회의에서 로베르트 뒤러는 두 야금 플랜트(린츠와 도나비츠)가 고순도 산소로 자국 용선을 별도 용기에 불어넣는 개념을 실용적 산업 공정으로 개발했으며 이 큰 성공을 축하한다고 밝혔습니다. 이 발표로 오스트리아는 순수 산소 취련으로 용선에서 산업 규모 강철을 생산한 첫 국가가 되었습니다. Fig 6에 산소 취련 전후 LD 컨버터 단면도가 나와 있습니다.

1952년 11월 27일 린츠 LD 제철소 1호기 첫 컨버터가 가동되어 산소 취련 원리 강철 생산의 이정표가 되었습니다. 1953년 1월 5일 세계 최초 LD 제철소가 공식 개장했습니다. 1953년 6월 17일까지 린츠 LD 제철소 1호기에서 이미 10만 톤 LD 강철을 생산했고 1953년 12월 초까지 25만 미터톤을 생산했습니다. 제2 LD 제철소는 1953년 5월 22일 도나비츠 오스트리아-알파인 몽탄게젤샤프트에서 가동되었습니다. 완전 성숙한 공정은 생산 강철 품질과 경제성 모두에서 모든 기대를 초과했습니다. 2015년 세계 강철의 73.4%가 BOF 제강으로 생산되었습니다.