제강로 관련 -앙큼한 천사님.

[환타]

제1부 철강이란?
1.1 철의 기원
1.2 철의 성질
1.3 철의 가공

제2부 철강의 분류와 제조
2.1 철강의 분류
2.2 철강의 원료
2.3 철강의 제조

제3부 철강의 제조공정
3.1 제선공정
3.2 제강공정
3.3 압연공정
3.4 조관공정
3.5 특수강제조공정

제4부 철강제조기술의 동향
4.1 국내기술의 개발동향
4.2 세계기술의 개발동향
4.3 혁신철강기술의 개발동향

제5부 철강제품의 종류와 용도
5.1 철강제품의 종류와 용도
5.2 제품의 형상별 분류
5.3 제품의 강종별 분류
5.4 철강제품 규격
 

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제1부 철강이란?

1.1 철의 기원

고고학에 의하면 철의 기원은 인류가 불을 사용하여, 철보다 상대적으로 낮은 가공온도를 갖고 있는 청동기를 가공하면서부터 시작되었다고 한다. 신석기시대의 인류는 돌을 갈아서 무기나 도구를 만들어 사용하였으나 그 후 불을 사용하여 동, 청동을 가공하여 돌 대신 사용했다. 이후 청동보다 강하고 날카로운 날을 세울 수 있는 철의 사용이 시작되었다.
최초로 철을 알게 된 것은 청동기 시대에 철광석을 동광석으로 착각하여 용해로에 장입, 용해하는 과정에서 발견하게 되었다는 설이 있다. 또 고대 원시림의 산불에 의해 철광석이 환원되어 반 용융상태로 굳어진 것을 산불이 지나간 후에 장인들이 채취하여 철기로 제작했다는 설도 있다.
고대 희랍인들은 철을 "외에베"라고 불럿다. 이것은 "하늘의 산물"이라는 뜻으로 "운석"을 의미한다고 한다. 운석은 철과 니켈(Ni)의 합금으로 되어 있다. 운석을 분석해본 결과 니켈성분이 4~20%이고 코발트(Co)성분이 0.3~1.6%로 구성되어 있는 것으로 보고 되어 있다.

고대중국에서도 기원 전 14세기의 유물에서 청동기의 칼날부부에 운석을 붙여서 사용한 제품이 나온 것으로 알려져 인류가 최초에 사용했던 철은 운석이었음을 뒷받침하고 있다.
이것은 설에 의해 철이 탄생되었다고 불 수 있으나 철을 광물에서 제련하게 된 것은 훨씬 후대의 일이다. 왜냐하면 철을 녹이기 위한 온도를 쉽게 얻을 수 없었기 때문이다.

철의 발전과정은 14세기에 처음으로 목탄을 사용하는 용광로로 선철을 만들기에 이르렀으며 18세기에 비로소 목탄대신에 코크스(Cokes)를 사용하는데 성공하였다. 그러나 이와 같은 방법으로 만들어 낸 선철은 단단하기는 하지만 잘 늘어나거나 펴지지가 않았기 때문에 두두려서 일정한 형태의 모양으로 만들기가 어려웠다. 따라서 철을 좀더 여리게 하는 여러가지 방법이 연구되었다. 대표적인 것으로 석탄을 사용하여 선철을 연하게 하는 교련법(Puddle Process)이 1784년 영국의 헨리코트(Henry Cort)에 의해 발명되었다. 이후 1856년에는 벳세머(Bessemer)는 용해된 선철에서 강철을 대량생산할 수 있는 전로를 개발하였다. 1864년에는 영국인 시멘스(Siemens)가 평로제강법을 특허로 얻은 것을 프랑스인 마틴(Martin)이 이를 더욱 발전시켜 19세기후반에 1600c 이상의 고온에서 정련된 강을 대량으로 제조할 수 있는 근대적 제련법에 기반이 확립되었다.

그 후 제강기술이 급속히 발전하여 1954년 오트리아의 린스(Linz)와 도나비츠(Donawitz)의 두개의 공장에서 산소전로(두 공장의 머리글자를 따서 LD전로라고도 함)가 상업화 됨에 따라 제련법이 획기적으로 개선되었다.

1.2 철의 성질

철은 소위 "카멜레온 금속"의 하나이다. 즉, 온도에 의하여 결정형이 달라진다. 고순도 철을 천천히 가열하여 어느 정도 온도에 도달하면 열은 가해져도 온도가 상승하지 않는 기묘한 현상이 나타난다. 그것은 결정의 변환에 에너지가 소모되기 때문이며 처음에는 768C, 두번째는 910 C, 세번째는 1,410 C에서 일어나고, 마지막으로 1,537 C에서 용해된다. 768C에서의 승온정지는 알파철(체심입방격자)이 자성을 잃고 베타철이 되기 때문이며 910 C에서는 베타철(체심입방격자)이 감마철(면심입방격자)로 구조가 변화하기 때문에 일어난다.
1410 C에서 이 감마철은 다시 구조변형을 하여 델타철(체심입방격자)이 된다. 이들의 변화는 모두 에너지를 필요로 하므로 열이 연속적으로 가해 저도 시편의 온도는 상승치 않는 것이다. 물론 용융된 철을 서서히 냉각시키면 앞에서 말한 순서와 정반대로 변태가 일어난다.
(그림 1-2참조)

철의 강도를 결정하는 것은 탄소로서 주철과 대부분의 강은 철과 탄소의 합금이다. 철(Fe)에 0.05%~0.3% 탄소(C)가 함유된 것을 "보통강"이라고 한다. 이중에서도 비교적 탄소량이 적은 강은 기계의 구조부분이나 축에 사용되며, 탄소량이 많은 것은 레일 등에 사용된다.

"공구강"의 탄소함유량은 일반적으로 0.7%~1.3%가 함유되어 있으며 담금질 열처리가 잘되기 때문에 쉽게 단단해 진다. 감마철 중에 용해 가능한 최대 탄소량은 약 2%, 이것보다 탄소를 많이 포함한 것은 "강"이라 하지 않고 주철 이라 한다. 주철에도 여러 종류가 있으나 탄소의 대부분이 흑연의 형태로 포함된 것을 "회주철"이라 하고, 탄소가 철의 화합물(시멘타이트, Fe3C)의 형태로 포함된 것을 "백주철"이라 한다. 회주철은 대단히 연하며 가공이 쉬우나 백주철은 단단하며 여린성질을 갖고 있다.

펄라이트 및 페라이트

펄라이트란 0.8%의 탄소를 포함한 강을 감마철이 되는 온도까지 가열하면 탄소는 감마철에 용해되어 고용체를 만든다. 이것을 서서히 냉각하면 철은 재차 알파철이 되고 탄소는 "탄화철"이  되어 고용체로 분해된다. 이 때 생성되는 알파철(소량의 탄소를 포함)과 시멘타이트가 샌드위치 모양으로 적층된 구조를 일반적으로 "펄라이트"라 부르며, 그 외의 알파철(0.01% 정도의 탄소를 포함)의 부분을 "페라이트라 한다.

1) 오스테나이트

0.8%의 탄소를 포함한 강을 가열하였다가 찬물에 넣어서 급속히 냉각하면 앞과는 전혀 다른 현상이 일어난다. 냉각이 빠르기 때문에 탄소원자가 확산되지 못하고 구조변형이나 시멘타이트로 분해가 진행되기 전에 철은 고온에서의 구조 그대로 냉각되고 만다. 이때 고온에서 안정한 감마철을 "오스테나이트"라 하며 상온에서 남아있는 오스테나이트를 "잔류 오스테나이트"라 한다.

2) 마르텐사이트

감마철, 즉 오스테나이트의 구조는 저온에서 불안정한 상태이므로 그 격자를 조금 늦춘 것 같은 형의(알파철의 구조를 당겨 놓은 것 같은)새로운 결정체가  생기는데 이 결정격자는 흔히 감마철에서만 볼 수 있는 다량의 탄소를 포함시킬 수 있다. 이 새로 생긴 결정은 담금질(Quenching)강의 기본적 구조를 이루게 되는데 이것을 "마르테사이트"라 함.

철의 조직이 마르텐사이트가 되면 금속입자가 막대한 수의 미소부분으로 분활 되고 그크기는 약 200~300A이 된다. 여기에 형성된 다수의 경계면이 전위의 이동을 막는다. 오스테나이트내의 탄소원자도, 경계면에 생성된 탄화철의 미립자도 모두 전위의 이동을 강하게 규제한다.

그래서 담금질한 강은 경도와 강도를 함께 갖게 되는 것이다. 마르텐사이트는 약 200C 에서 발생하게 되므로 강의 담금질은 가열한 재료를 이 온도까지 급냉 하는 것이 필요하다.

1.3 철의 가공

1) 표면가공(표면처리법)

철면에 고주파 장치를 쓰면 강제품 표면의 아주 엷은 층만을 급속히 가열할 수 있다. 그리고 이제품을 물에 급냉시키면 표면만 담금질이 된다. 이렇게 되면 표면은 대단히 단단하고 내마모성이 있으나 그 중심부는 연하고 소성이 있다. 이와 같은 방법은 침탄이나 질회에 의해서도 가능하다. 또한 표면에 알루미늄(Al)을 침투시키면 내열성이, 붕소(B)에 의하면 내마모성이, 규소(Si)에 의하면 내식성이 제품의 표면에 주어진다. 이러한 것을 총칭하여 표면처리법이라 한다.

2) 어닐링(Annealing)

앞에서 언급한 마르텐사이트는 대단히 단단하고 여려서 부서지가 쉽다. 그것이 생성될 때 결정격자내에 생긴 내부응력이 너무도 크기 때문이다. 그래서 담금질한 강을 재차 150 C ~ 200 C로 가열한다. 이렇게 하면 마르텐사이트의 일부가 분해되어 페라이트의 소결강과 소판상의 시멘타이드가 혼합된 연하고 질긴 조직을 만든다. 이와 같이 재 가열하는 것을 일반적으로 "어닐링(Annealing)"이라 한다. 어닐링을 함으로써 경도를 너무 잃지 않고 여리게 되는 결점을 개량할 수 있다.

경도는 그렇게 중요하지 않으나 소성과 강성을 갖는 것이 필요한 기계, 건축물등에 사용하는 구조용강은 어닐링을 500 C~600C에서 행한다. 이러한 어닐링을 "고온어닐링"이라 하며, 마르텐사이트가 완전히 분해된다. 이와같이 하여 생겨난 페라이트와 시멘타이트의 혼합물은 대단히 미세하며 강도가 높다. 담금질과 어닐링을 행함으로써 강은 4~5배의 경도와 2배에 가까운 강도를 높일 수 있다.

3) 구상주철

주철이 강과 다른 점은 탄소 함유량 뿐이다. 보통 주철 안에는 탄소가 편상흑연의 모양으로 석출되어 있다. 주철이 강도가 낮은 것은 이 흑연이 금속에 많은 균열처럼 존재하기 때문이며, 만일 흑연을 구상화 하면 주철의 강도가 크게 증가한다. 이처럼 주철의 강도를 높이기 위하여 용융주철에 소량의 마그네슘(Mg) 또는 세륨(Ce)를 첨가하여 만든 주철을 말한다.

강을 강화할 목적으로 사용되는 원소

강의 강도를 높일 목적으로 사용되는 원소는 텅스텐(W), 몰리브텐(Mo), 니켈(Ni), 규소(Si), 크롬(Cr), 망간(Mn)등으로 텅스텐은 경도를 몰리브덴은 내열성, 니켈은 질감, 규소는 탄성, 크롬은 내산화성, 망간은 내마모성을 높이기 위하여 사용된다. 특히 철의 불순물을 제거하기 위하여 유황(S)을 사용하게 되는데 이 원소는 적은 미량이라도 고온강도를 저하시키고, 수소, 질소, 산소 및 탄소는 강이 저온에서 여려지는 주원인이 된다.

4) 합금강의 가공과 경화

합금강의 가공과 경화를 하기위해서는 우선 소재를 가열하여 고용체로 만들고, 다음은 염욕(Salt Bath)등  처리를 하여 300 C ~ 550 C부근까지 급냉 한다. 이 온도에서 마르텐사이트는 생성되 않으며 감마구조는 그 대로이다. (합금화에 의하여 감마철은 안정된 온도영역이 변화한다.) 이 온도에서 압연, 프레스 등의 소성가공을 행하면 마르텐사이트가 생성된다. 열간가공으로 감마철이 이미 미세화된 상태에서 다시 미세한 마르텐사이트의 결정이 생성된다. 이와 같은 결정의 미세화는 강의 강도를 크게 증진시킨다. 여러 종류의 강은 300 C~550C 에서도 충분히 연해지지 않고 소성가공이 곤란한 경우가 있다. 이때에는 800 C~900C에서 열간가공한 다음, 같은 방법으로 급냉 시킨다.  앞에 말한 방법에 비하여 소성변형에 의한 미세화의 효과가 고온이기 때문에 감소되지만 같은 이치로 강의 강도와 가소성을 증가시키며, 저온 취성이나 응력집중에 대한 강도를 감소시킨다.(그림 1-2참조)
 
 

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제2부 철강의 분류와 제조

2.1 철강의 분류

철은 화학기호 Fe, 원자번호 26, 원자량 55.85, 비중 7.85의 금속원소로서 순수한 철은 제1부에서 언급한 바와 같이 제조가 곤란할 뿐만 아니라 너무 물러서 실용적이지 못하다. 일반적으로 사용하고 있는 철강재료는 화확적으로 순수한 철(Fe)이 아니고 철(Fe)을 주성분으로 하여 각종 성분 즉, 탄소(C), 규소(Si), 망간(Mn), 인(P), 황(S)등을 포함한다.
 
 

표 2-1  철강의 분류

구 분	성 분	성 질
선 철 (주철)	C 2.0~4.5%  Si 0.5~2.0% Mn 0.5~2.0% P 0.01~0.1% S 0.02~0.5%	인성이 낮아 단조가 곤란함 용융점이 낮고 유동성이 좋음
강	C 0.02~2.0%  Si 0.01~0.3% Mn 0.3~0.8% P 0.01~0.05% S 0.01~0.05%	강도및 인성이 높음 가공성이 양호함
순 철	C  0.02% 이하	기계적 성질이 낮음 용접, 단접성이 우수함

1) 순철(Pure Iron)

순철은 성분이 거의 100%가 철(Fe)로만 되어 있으며 그 밖의 원소는 거의 함유되어 있지 않다. 천연적으로 유성이 지구에 떨어진 그대로인 운석이 형태로 존재한다.
순철의 질은 너무 연해서 전자기 재료, 촉매, 합금용 등 그 용도가 매우 한정되어 있어 공학적으로 조금밖에 생산되지 않고 있으며, 암코(Armco)철이라고 불리고 있다.

2) 선철(Pig Iron)

선철은 용광로(고로 : Blast Furnace)에서 철광석을 녹여 만든 철로서 철의 5대원소(C, Si, Mn, P, S)가 많고 단단하지만 강하여 부서지기 쉽다. 따라서 주형에 부어 주물로 만들 수는 있지만 압력을 가해 얇게 하든가 늘리는 등의 가공은 어렵다.

선철은 이와 같은 성질로 인해 주물에도 이용하지만 대부분은 강을 만들기 위한 원료로 사용된다. 용광로에서 나와 녹아 있는 상태의 선철을 용선이라고도 한다.

3) 강(Steel)

선철을 제강로에 넣어 거의 대부분의 탄소나 기타 성분을 감소시켜 정련한 것이다. 강은 질기고 늘어나는 성질이 있기 때문에 달구어 해머로 두들기든지 롤(Roll)사이로 통과시켜 여러가지 형의 판이나 각봉, 봉, 관 등을 만들 수 있어 가공성이 양호하다. 또한 외력에 견디는 힘이 높다.

강은 탄소 함유량에 따라 저탄소강, 중탄소강, 고탄소강으로 구분한다.  강에 특수한 성질을 주기 위하여 특수원소 즉 니켈(Ni), 크롬(Cr), 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo) 등을 첨가하거나 5대 원소 중 일부 원소를 첨가하여 내열강, 내마모강 및 고장력강 등을 만드는데 이것을 특수강이라고 한다.
 

2.2 철강의 원료

1) 제선원료

선철을 만드는데 필요한 원료 중에서 중요한 것은 철광석, 코크스, 석회석이며 그 밖에 소량이기는 하지만 사철, 망간광석 등이 사용되고 또한 연료로는 코크스로가스와 고로가스, 중유 등이 사용된다.

가) 철광석 (Iron Ore)

철광석에는 많은 종류가 있는데 일반적으로 사용되고 있는 것은 적철광, 자철광 등이 있다.
양질의 적철광은 철분함유량이 70%, 자철광은 72%정도이나 실제로는 암석성분 등이 포함되어 있기 때문에 품질이 떨어진다.

철광석을 사용하는데 요구되는 조건으로는 무엇보다 철분이 풍부할 것과 동시에 환원성이 좋을것, 황(S), 인(P), 동(Cu)과 같은 유해성분이 적을것, 입도가 적당할 것 등이다. 그러나 이와 같이 이상적인 철광석은 소량에 불과하며 또한 산지에 따라 품질, 성부, 형상이 각기 다르므로 그대로 고로에 장입할 수는 없다.

능률적인 고로조업을 위하여 여러가지 광석을 배합하여 품질을 평준화하거나(Ore Bedding) 분상의 철광석류를 석회석 및 분 코크스와 혼합하여 일정한 크기의 소결광으로 만들든가 또는 미분광으로 큰 구슬모양으로 굳힌 펠릿(Pellet) 형태로 장입하는 등의 각종 방법이 취해지고 있다.

나) 코크스 (Cokes)

코크스는 고로내에서 펄광석을 용해하는 열원인 동시에 철광석의 환원제로서 필수 불가결한 것이며, 고로내의 가스 통풍을 양호하게 하는데 중요한 역할을 한다.

코크스는 용도에 따라 여러 종류가 있으나 고로용 코크스로서 중요한 조건으로는

    - 경도와 강도가 높을 것
    -입도가 적당한 크기로 균일할 것
    - 탄, 수분, 기타 불순물(특히 유황)이 적을 것 등 이다.

이와 같은 성질을 갖춘 코크스를 만들기 위해서는 원료로 결정성이 양호한 석탄을 선택하여야 한다.
코크스용 원료탄도 철광석의 배합(Ore Bedding)하여 분석 정립한 후에 강결정탄과 약결정탄을 적당히 배합한다. 이와 같이 미리 처리된 석탄을 코크스로에 장입하고 1,000~1,300C의 고온으로 장시간 구어 이를 노내에서 추출한 후 물을 뿌려 소화한다.

석탄을 굽는 과정에서 발생하는 가스로부터 암모니아, 경유, 타르(Tar)를 회수하여 각종 화학제품의 원료로 이용하다. 그리고 이러한 물질을 회수한 후에 이 가스(Coke Oven Gas)는 제철소내의 중요한 열원으로 사용한다.

다) 석회석 (Lime Stone)

석회석은 고로 내에서 철광석중의 암석성분이나 그 밖의 불순물과 배합 용해되기 쉬운 스래그로 배출되는 역할을 하며, 또한 선철 중에 유황분 제거 작용을 한다.

2) 제강원료

강을 만드는 데는 전로, 전기로, 평로에 의한 세가지 방법이 있고, 주원료로는 선철과 고철 및 해면철을 사용한다.
전로는 주로 선철과 소량의 고철을 사용하는데 비하여 전기로는 고철을 주로 사용하며 일부 선철이나 해면철을 배합할 수도 있다.

해면철이란 철광석을 원료로 연화되거나 용융되지 않도록 1,000C이하의 비교적 저온에서 천연가스등의 환원제로 직접환원 하여 만든 다공성 해면상의 철이다.

주원료 이외에 부원료나 부자재로서 합금철, 생석회, 마그네시아 크링커(Magnesial Clinker), 망간광석, 백운석(Dolomite) 등이 사용된다.

가) 고철

고철은 자가발생고철 (Home Scrap)과 가공고철(Prompt Industrial Scrap), 노폐고철(Obsolescent Scrap)으로 분류하고 있다.

• 자가발생고철 (Home Scrap)

자가발생고철은 제강공장 또는 철강재 제조공정에서 발생하는 고철로서 대부분 강괴, 블룸, 빌릿, 팡프, 봉강 등의 양단절단, 용강의 흘림(Spills), 흐름(Runnings), 판제의 절단(Plate Shearing), 강판의 측부절단(Trimmings), 탕도강(Gates), 압탕(Riser), 불합격품, Scale등이며, 별도의 가공처리나 유통거래 없이 대부분 전량 회수 사용되고 있으며 그 발생량은 제강공장이나 주물공장의 용해량과 최종제품의 양에 정비례하고 있다. 이는 일명 환원고철(Return Scrap)이라고도 한다.

• 가공고철 (Prompt Industrial Scrap)

가공고철이란 기계공장 및 철강재 가공공장, 조선, 자동차공장 등에서 철강재를 사용하여 공업용 또는 소비자용 제품을 제조하는 과정에서 발생하는 고철을 말하며, 재사용을 위해 제강공장 및 주물공장으로 되돌아 오는 분배경로 및 주기가 노폐고철에 비해 짧은 것이 특징이다.

그종류는 절단고철(Cuttings), 선삭고철(Turnings), 압연고철(Stampings) 및 Borings, Punchings, Trimmings, Drillings 등이 있으며 이러한 종류는 재활용을 위한 고철의 가공작업이 필요한 것이다.

• 노폐고철 (Obsolescent Scrap)

노폐고철이란 이미 유용성이 소멸되어 소유자로부터 처리된 철강폐기물로서 재사용에 적합하도록 가공처리 되는 고철을 말한다. 이 고철은 전국에 걸쳐 다양한 형태로 산재되어 있으며 상이한 경제가치기준을 가지고 있다.

노폐고철의 발생은 대부분이 폐기자동차, 가구류, 철도부문, 기계, 선박, 건축자재, 파괴공사, 기타 소비자용 및 공업용 제품의 폐품 등에서 발생되고 있다.

나) 합금철

합금철이란 철강 제련과정에서 용탕의 탈산 혹은 탈류등 불순물을 제거하거나 철강의 성질을 개선하기 위해 철이외의 성분원소 첨가를 목적으로 사용되는 각종의 철합금이다. 따라서 합금철은 강의 제조나 주철의 제조에 필수적을 사용되는 부원료이다.

철강제조에서 순철을 사용하지 않고 철과 합금한 합금철을 사용하는 이유는 순금속은 가격이 높기 때문이며, 철합금은 용융점(Melting Point)이 낮아 저온에서 쉽게 녹고 용탕에 균일하게 분포되기 때문이다.

• 합금철의 종류

합금철의 종류는 용도 및 철과 합금하는 원소에 따라 종류가 수십 가지에 이르며 철과 한가지 금속원소 혹은 2가지 이상의 금속원소와 결합된 합금철도 제조에 이용되고 있다.

종류를 간단히 분류하면 아래와 같다.

    O 제강에서 공통적으로 탈산, 탈류용으로 사용되는 것

        Fe-Si, Fe-Mn, Fe-Si-Mn

    O 강의 성질을 개선하기 위해 성분 첨가용으로 사용되는 것

        * 스테인리스강(Stainless Steel)의 주원료로 사용되는 것

        Fe-Cr, Fe-Si-Cr, Fe-Ni

        * 특별한 성질을 부여하기 위하여 청분 첨가용으로 사용되는 것

        Fe-Mo, Fe-V, Fe-Nb, Fe-B, Fe-W 등 다수

이외에 탄소와 치련이 강한 원소(예로 Mn, Cr등)를 함유한 합금철은 탄소 함유량에 따라 고탄소, 중탄소, 저탄소품으로 구별하고 용도는 철의 특성에 따라 선택되어지며 이 합금철의 제조법은 상당한 차이가 있다.

합금철에 대하여는 성분이 KS규격에 지정되어 있으며 각국마다 성분 규격이 다소차이는 있다. 그러나 사용에 지장을 줄 정도는 않이며 성분이 다소 차이가 있더라도 철강공정에서 성분량에 따라 가감 사용하기 때문에 큰 문제는 없다.

• 합금철의 제조공정

합금철은 금속산화물(광석)을 환원제(코크스, 석탄등)로 산소를 제거하여 금속을 얻는 공정으로 공정 특성상 철광석을 코크스로 환원하는 고로의 원리와 동일하다. 이때 필요한 에너지는 고로의 경우 와 마찬가지로 코크스의 산화열이나 전기로의 전기에너지이다.

비교적 저온에서 환원되는 Mn산화물이나 Si산화물은 탄소(코크스, 석탄, 목탄 등)로 환원이 가능하나 공온에서 환원되는 Mo(몰리브덴)산화물, V(바나듐)산화물 등 특수금속 산화물은 탄소에 의한  환원이 어려워 금속 환원제인 알루미늄, 규소금속을 이용하게 된다.

Fe-Mn(HC), Fe-Si, Si-Mn, Fe-Cr 등은 탄소 환원이 가능하며, Fe-Mo, Fe-V, Fe-W 등은 Al 또는 Si로 환원하여 제조한다. 이 Al 또는 Si가 산화되면서 다량의 에너지를 방출하므로 이 방법은 전기로를 이용하지 않고도 시행할 수 있다. 이러한  방법을 Thermic Process라고 한다.

KS 혹은 JIS규격의 제품을 제조하기 위하여 고로에서는 Fe-Mn(HC), (Mn 75%)제조는 가능하나 Fe-Si(Si 75%), Si-Mn(Si 15%, Mn65%)의 제조는 불가능하며 전기로에서만 가능하다. 만약 고로에서 Fe-Si 제조를 시도한다면 Si 10%수준의 저급 Fe-Si밖에 생산되지 않는다.

중, 저탄소 합금철을 제조하기 위해서는 광석을 전기로 또는 고로에서 단순환원하여 제조하는 방법은 불가능하며 일단 Si 가 함유된 합금철을 제조하여 탄소를 낮춘 후 이 합금철에서 Si 를 산회 제거하여 제조할 수있다.(즉 2단계로 제조해야 된다.)

예를 들어 탄소 2%의 중탄소 Fe-Mn을 제조하기 위해서는 전기로에서 Si-Mn을 제조한 후 Si-Mn을 다른 전기로에서 Mn고아석(Mn산화물)과 혼합하여 규소(Si)를 망간(Mn)과 치환하여 제조할 수 있다. 근래 AOD(Argon Oxygen Decarburization)법의 발달로 Fe-Mn(고탄소)에서 탄소를 산화 제거하여 Fe-Mn(중탄소, 저탄소)을 제조하는 방법이 개발되어 시행되고 있다. (그림2-3참조)

• 제조법의 분류

표2-4 합금철제조법의 분류

제 조 법	환원법	설 비	제 품
전기로법	탄소환원법	전기로	Fe-Si, Si-Mn Fe-Cr(HC), Si-Cr
2 단법	Si 환원법	전기로	Fe-Mn(HC,LC) Fe-Cr(MC, LC)
고 로 법	탄소환원법	고  로	Fe-Mn(MC)
Thermic 법	Al, Si환원법	레들(Laddle)	Fe-Mo, Fe-V, Fe-W
산소 산화법	산소화원법	AOD, 전로	Fe-Mn(MC, LC) Fe-Cr(MC, LC)

• 기술발전과정

국내 합금철공업은 1960년대 소규모 설비로 생산하던 시대에서 1970년대 수요의 급증에 따라 설비를 증설하게 되었다. 이때 설비의 설계 및 주요기기는 주로 일본에서 도입하여 근대적인 설비를 갖추게 되었다.

1980년대 들어서 전기로를 대형으로 개체하고 공해방지를 목적으로 전기로를 Open-Type에서 Semi-Closed Type으로 개조하고 집진설비를 완비하여 작업환경도 개선하였다. 이때수요가 증가하는 Fe-Mn(MC)(중탄소 훼로망간)을 개발하였고 이 중탄소 훼로망간의 공법을 개량하기 위하여 Cold원료 장입을 Hot원료 장입법(동부산업)으로, 고정 Ladle법을 Shaking Ladle법(동일산업)으로 대체하는 기술이 개발되었다.

이러한 신공법에 의하여 생산성이 향상되고 전력에너지가 절감되는 효과를 보았다. 1980년대 말부터 1990년까지 인건비 상승에 의한 원가압박을 해소하기위해 설비에너지의 자동화를 위한 투자가 계속되었다. 특히 합금철제품 최종공정(Casting and Sizing)이 기계화를 위해 주선기(Casting Machine)를 설치하여 인력을 절감하였다. 또 제품 크기를 균일화하여 제강공정에서의 수율 향상을 기했다.

최근 수요가 증가하고 있는 Fe-Mn(MC, LC) 및 Si-Mn(LC)등 중저탄소품을 효율적으로 생산하기 위하여 스테인리스 제련에 이용되는 AOD(Argon Oxygen Decarburization)법을 이용한 중-저탄소 합금철을 생산하고 있다. 일부업체에서는 전량수입에 의존해 왔던 Fe-V를 국산화 개발에 성공하여 수입대체 및 안정적이 공급의 기반을 마련하기도 했다.

• 철강과 합금철의 관계

합금철은 철강제조에 필수 불가결한 원료로서 성분 첨가용이 아닌 탈산, 찰류용으로 가장 많이 사용되는 합금철(Fe-Si, Fe-Mn, Si-Mn)의 비용은 철강 제조비용의 2~3%에불과하다.

합금철 제조공정 및 설비는 선철을 제조하는 공정과 유사하나 근본적인 차이가 있다. 즉 규모가 작고 , 작업환경이 나쁠 뿐아니라 규모의 경제성과 고도의 기술을 요하지 않으며 아울러 대규모 투지비가 소요되지 않는다.

다) 고철대체재

세계각국의 전기로 조강생산 증가로 고철 수요가 급증하고 있는 반면 안정된 공급은 매우 불확실하고 또한 저급고철에서 야기되는 불순원소의 효과적인 제거가 인건비상승 및 제거기술상의 문제로 인해 매우 어려운 실정에 있기 때문에 불순원소가 거의 없는 고철대체재인 DRI/HBI(Direct Reduction Iron/Hot Briquetted Iron : 직접환원철)의 사용증대 방안이 대두되고 있다.

직접환원제철법은 철광석을 고체상태에서 환원가스(CO, H)를 이용해서 환원하여 철원을 제조하는 기술로, 생산된 직접환원철은 불순물이 적어 고급고철의 대용으로 사용된다.  직법환원철은 DRI(Direct Reduction Iron), HBI(Hot Briquetted Iron), Iron Carbide의 세가지로 나눌 수 있다.
 
 

표2-5 직접환원철의 종류

종 류	DRI	HBI	Iron Carbide
개 요	철광석을 가스로 환원한 고체상태의 환원철	DRI를 열간 상태에서 단광처리	분광석을 환원가스를 이용 Fe3C상태로 합성
주요성분	Fe 93%, C 1.2%,  P 0.04% S 0.015%	좌 동	Fe 93%, C 6.7%
입도 및 형상	6~16mm Pallet	110mm*50mm*30mm	Fine Powder
주 용 도	전기로 및 전로	전로에주로 사용	전기로 및 전로
주요프로세스	MIDREX법, HYL III 법 FASTMET법 등	좌 동	Iron Carbide
기타	발화성	장거리 수송에 유리 (산화방지기능)	Fe3C 분말로 성형이 불필요

대부분의 직접환원제철법, 즉 천연가스를 변성하여 환원가스화 하거나 석탄을 직접투입 하여 철광석을 환원하여 얻어진 DRI는 철(Fe)함유량 90~95%의 분말상태이다. 그러나 DRI는 수분과 반응하여 산화하기 쉬운 형태를 띠고 있어 보관이나 운반이 용이하지 못한 단점을 갖고 있다. 따라서 이를 열간에서 단광처리(Briquetting)하여 산화를 방지토록 한 것이 HBI다. Iron Carbide는 순수한 철(Fe)이 아니고 탄화철(Fe3C)형태로 재한화가 되지 않는 특징을 갖고 있으며 포함된 탄소가 제강공장에서 에너지원으로 활용될 수 있는 특징을 갖고 있다.

당초 직접환원제철법은 고철이 부족하고 천연가스가 풍부한 지역에서 철원공급을 위해 사용되던 특수한 것이었다. 그러나 세계적으로 미니밀(Mini Mill)방식의 전기로 설비증설과 함께 판재류로 제품생산 영역이 확대되면서 고급고철의 안정적 확보가 과제로 떠오르고 있다. 이에 직접환원철이 이를 해결할 수 있는 철원으로 부각되면서 최근 활발한 기술개발이 이루어지고 있다. 실제 직접환원철공법은 이미 1970년대 초반에 몇 가지 공법이 상업화 되었으나 그 후 도태과정을 거쳐 현재 MIDREX, HYL법등이 활용되고 있다.

직접환원철 제조공법은 철광석을 환원하기 위한 환원제로 천연가스를 사용하는 가스 환원법과 석탄을 사용하는 석탄환원법으로 나누어진다.(그림 2-4참조)

가스환원법은 천연가스(CH)를 환원가스(H+CO)로 개질하여 800~900C에서 환원하는 방법으로 MIDREX, HYL법등의 샤프트로 방식과 유동층로를 사용하는 FIOR법등이 있으나 샤프트로 방법이 대량 생산에 적합하다.

석탄환원법은 석탄과 철광석을 로타리킬른(Rotary Kiln)에 장입하여 버너로 1,200C까지 가열, 환원철을 제조하는 방법이다. 석탄이 자원적으로 천연가스를 크게 능가하여 석탄환원법으로의 요청이 크지만, 로타리킬른법은 투자비용이 높고, 또한 규모 확대에 한계가 있어 대폭적인 적용이 지연되고 있다.

직접환원철 설비는 향후 고품질 고철의 대체용으로 꾸준한 증가추세를 유지할 것이나 고철가격에 따라 생산량이 변동되는 보완적인 관계를 유지할 것으로 보인다. 또한 철광석, 천연가스, 전력 등이 원가의 80~90%를 차지함으로써 입지의 제한이 있기 때문에 향후 석탄 및 분광이 사용 가능한 공법으로 발전될 것으로 전망하고 있다.

• MIDREX, HYL 법

1969년 미국의 Midland Ross사와 1980년 멕시코 HYL 사가 각각 개발하였으며 상용화된 가장 보편적인 기술이다. 원료도 괴광과 Pellet를 사용하여 환원매체로 천연가스를 사용하고, 설비형식은 샤프트형의 공통점을 갖고 있다. 그러나 HYL III의 경우 환원로에 천연가스를 추가로 주입하여 탄소함유량이 높은 DRI를 제조하는 특징을 갖고 있다.

• FIOR 법

오스트리아의 VAI사가 1976년 개발하였으며 환원매체로 천연가스를 사용하는 것은 MIDREX와 동일하나 원료로 분광을 사용할 수 있는 유동층로 설비가 구성되어 있는것이 다른 점이다. 설비규모가 최대 연산 40만 톤 규모로 작고 전력소모량이 많으며 초기투자비가 높아 현재 상용화 되지 못하고 있다.

• FASTMET 법

오스트리아 VAI사의 기술로 미국의 MIDREX와 일본의 Kobe사에서 1, 2차 오일쇼크 후 천연가스비 폭등에 대비하여 석탄을 환원매체로한 기존 MIDREX법을 개선하기 위해 개발하고 있다.
원료 역시 괴광 위주에서 분광을 사용할 수 있도록 설비를 샤프트방식에서 로타리형식으로 개선하였다.

종래의 로타리킬린법보다 규모확대가 가능하여 상업화에 성공할 경우 종래의 직접환원제철법이 천연가스 생산지역에 편재되고 있는 상황에서 탈피하여 자원이 풍부한 석탄을 사용하는 환원철 제조공법의 보편적으로 선호될 것으로  예상되기도 한다.

• Iron Carbide 법

미국의 Hazon Research사에서 개발한 공법으로 분광을 원료로, 가스를 환원매체로 사용하고 있으며 설비는 유동층로로 되어 있다. 분광석 사전처리 공정생략으로 투자비 침 제조원가 측면에서 상당히 유리한 편이다.
여타 직접환원제철법이 순수한 철(Fe)를 생산하는데 비해 Iron Carbide법은 분상의 시멘타이드(Fe3C)를 생산한다. 유도층을 이용하여 분상의 철광석을 환원, 탄화시켜 재산화가 없고 발생되는 탄소가 에너지원으로 활용되어 생산성을 향상시켜 준다.

2.3 철강의 제조

철광석에서 여러 가지 강재를 만들기 까지는 여러 공정이 필요하지만 크게 나누어 제선, 제강, 압연공정의 3단계로 나눈다.

제선공정은 철광석과 소결공장에서 분광석을 사전처리하여 만든 소결광 그리고 코크스공장에서 건류한 코크스를 고로(용광로)에 장입한 다음 열을 가하여 철광석을 녹여서 용선을 만드는 공정이다. 물론 고로의 출선능력 향상을 위한 과정인 철광석 소결공정, 코크스 제조공정도 포함하고 있다.

제선공정의 주요설비로는 고로본체와 원료장입설비, 열풍로, 가스정정설비등의 부속설비가 있다. 고로의 크기는 고로의 내용적으로 표현되며 대표적인 것은 3,800m3 정도 크기이다. 또한 고로의 능력은 일일 출선량으로 나타낸다.

제강공정은 고로에서 토페도가(Torpedo Ladle Car)로 이송된 용선, 고철 및 부원료를 전로에 장입한 후 산소를 불어 넣어 용선중의 불순물을 제거 시키고 필요한 성분을 첨가 시켜 목표성분과 적정온도의 용강을 만드는 공정이다. 주설비로는 용선 예비처리설비, LD전로, 노외정련설비 등이 있다.

연속주조공정은 제강공정에서 생산된 용강을 주형(Mold)에 주입하고 연속적으로 인발하면서 냉각시켜 직접 소정의 반제품 슬래브(Slab), 불룸(Bloom), 빌릿(Billet)을 제조하는 공정이다. 이 방법은 종래의 조괴- 분괴공정을 생략하여 생산성 향상에 기여하였고 균질의 반제품을 생산할 수 있어 현재는 일부 고급합금강을 제외하고 대부분의 강종을 연주공정에서 생산하고 있다. 주요설비는 래들터릿(Ladle Turret), 턴디시(Tundish), 주형, 롤(Roll) 및 2차냉각대, 핀피롤(Pinch Roll)등으로 구성되어 있다.

압연공정은 연주기에서 생산된 반제품을 열연, 후판, 선재, 형강, 봉강공장으로 이송 시켜 재가열 후 각 각의 열간압연기에서 소정의 형상 및 치수를 갖는 제품을 생산하는 공정 즉, 반제품을 가열하여 두개의 롤(Roll)사이에 밀어 넣고 압착시켜 여러가지 형태의 강재를 만드는 공정이다. 형태에 따라 판재압연과 봉재, 선재압연으로 나누고, 압연온도에 따라 열간압연과 냉간압연으로 나눈다.

이와 같이 철을 만드는 순서는 제선-제강-압연순서로 이루어지며 이와 같은 공정에 필요한 설비를 경제적이고 합리적으로 배치함으로써 생산능률을 높이는 한편 수송비를 절약하고 열효율을 좋게하는 등 생산비 절감을 고려하여 3단계 공정이 하나의 장소에서 이루어 지도록하는 제철법을 일관제철법이라 한다.(그림 2-5참조)

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제3부 철강의 제조공정

3.1 제선공정 | 제선공정도 참조 |

고로에 철광석을 넣고 코크스를 태워서 철광석중의 산소를 제거하고 용해 시켜 선철로 만드는 공정이지만 철광석을 사전처리 하는 소결이나 코크스를 만드는 과정도 포함하여 넓은 의미의 제선이라 한다.

고로는 문자 그대로 높이 우뚝 솟은 거대한 노를 말하며 제철소의 상징이다. 본체는 길쭉한 원통형으로 바깥쪽은 두터운 철판으로 되어 있고 안쪽은 내화벽돌로 두껍게 쌓여 있다.
노의 높이는 40~50m 정도이며, 부속설비까지 포함하면 100m를 넘는다. 노의 정상에서 지면을 향하여 경사진 원료장입용 콘베어벨트가 설치되어 있으며, 노의 상부에는 원료를 균등히 배분하여 노안으로 넣기 위한 장입장치와 노정가스의 압력, 온도, 성분을 측정하는 계기류 및 장입원료의 하강도를 측정하는 장치등 여러 가지 창치가 부착되어 있다. 고로 옆에는 열풍로가 있어 예열된 공기는 고로 하부의 풍구에서 노안으로 불어 넣는다.

공기가 코크스를 태우면서 일산화탄소(CO)가 발생하여 철광석이 환원되고 코크스로 직접 철광석중의 산소를 빼앗아 환원작용을 한다. 환원된 철은 탄소를 흡수하여 선철이 되어 노바닥에 고인다.
광석이나 코크스중의 불순물은 따로 장입된 석회석과 결합되어 유동의 광재(Slag)가 되어 선철위에 뜨고 일부는 환원되어 선철속으로 녹아 들어간다. 이러한 용선을 하루 10~15회정도 뽑아낸다. 또한 고로는 그 자체가 거대한 설비와 방대한 원료를 소비하므로 원료를 받아들이기 위한 항만설비나 하역설비 등도 완비되어 있지 않으면 안 된다. 우리나라에는 이러한 시설과 입지를 갖추고 있는 고로업체로는 유일하게 포항종합제철주식회사가 있으며 포항과 광양에 각각 제철소가 있다.(그림 2-6참조)

3.2 제강공정 | 제강공정도 참조 |

1) 개요

   제선공정을 거처 나온 선철은 탄소함유량이 많고 상당량의 인(P).유황(S).규소(Si)와 같은 불순물이 함유되어 있어 경도가 높고 취약한 성질이 있다. 이러한 선철을 잘 늘어나면서 강인한 강(강)으로 만들려면 다시 정련하여 탄소(C)의 양을 줄이고 유해한 불순물을 제거하지 않으면 안 된다.

유해한 불순물을 제거하기 위하여 예로부터 여러 가지 방법이 시도되어왔다. 그러나 철은 탄소량이 감소하는데 따라 융융점이 높아지므로 겨우 선철을 용해하였더라도 다시 굳어져 버리는 난점이 있어 근세에 이르기까지 철의 대량생산이 불가능 하였다.

1784년 영국의 헨리코드(Henry Cort)가 교련(교련:Puddle)로에서 정련된 반용융상태의 철피를 노 밖으로 빼내어 이것을 여러 개의 작은 괴로 나누는 교련법(Pudding Process)을 발명하였다. 이 방법은 철의 이용확대에 크게 기여한바 있으나 제조된 연철에는 다량의 찌꺼기가 혼입되어 있어서 이를 제거하기 위해 단련을 되풀이 하지 않으면 안 되는 결점이 있었다. 따라서 철괴에 혼입되어 있는 찌꺼기(Slag)를 제거하기 위해서 해머로 때리는 작업을 하여 1회 제조시간이 24시간 정도나 소비되었다.

근대적인 제강기술이 확립된 것은 19세기후반으로 벳세머(Bessemer) 및 토마스(Thomas)전로, 시멘스 (William Siemens)평로,전기로가 계속 발명되어 1.600'c 이상의 고온에서 정련된 강을 대량으로 제조하는 방법이 비로소 완성된 것이다.

그 후 이러한 제강법은 여러가지 개량이 이루어지고 새로운 기술이 개발되어 오늘에 이르렀다. 특히 1954년 오스트리아의 린츠(Linz)와 다나비츠(Danawitz)의 두 공장에서 공업화된 LD전로 (두 공장의 첫자를 따서 LD로 명명함)의 출현은 재래의 제강법을 획기적으로 개선시켰다. 현재의 제강법은 LD전로와 전기로가 주류을 이루고 있으며, 평로는 점차 감소하고 있다.
 

2)제강법의 종류

가) 평로(평로- Open Hearth Furnace)

   영국인 시멘스(William Siemens)는 축열식(축열식)가스로를 연구하여 이를 제강로에 적용하는 기술을 개발하였고 프랑스에서 마틴(Martine)은 1864년 이 노(爐)에 의해 용강을 제조하는데 성공하였다. 이것이 평로제강법의 시초이며 용해실이 평탄한 선저형(선저형)을 이루고 있어 평로라고 명명되어 왔으며 양시조의 이름을 따서 시멘즈-마틴노라고도 불리 운다.(그림2-7참조)

평로제강법은 일찌기 제강로의 주류를 형성하고 있을 때도 있었으나 그 후 전로 및  전기로가 발달됨에 따라 정련시간이 길고 열효율이 낮아 세계적으로 자취를 감추고 있다.

나) LD전로(LD전로)

•    원리 :

노(노)내에 용선 및 소량의 고철,소석탄 등을 장입한 후 순도 높은 산소가스를 위해서 고압으로 취입하여 선철에 함유되어 있는 탄(C),망간(Mn),규소(Si),인(P),유황(S),등을 산화연소 시켜, 그 산화물은 슬래그 (Slag)화하여 제거한다.

•   노(노)의 구조 :

노는 항아리 모양으로 생겼는데 바깥은 두꺼운 철판으로 되어 있고 내부는 내화 벽돌과 그 밖의 특수내화물로 쌓여있으며 노(노)를 기울일 수 있게 되어 있다. 또한 고압산소를 흡입하기 위한 수냉파이프(Lance Pipe)는 노의 상부에서 노안에 수직으로 내릴 수 있는 장치로 되어 있다.

•    작업방법 :

먼저 노를 뉘어서 노상부의 장입구로 소량의 고철을 장입한 다음 용선을 유입하고 필요량의 장입이 끝나면 노를 바로 세워서 석회를 넣고 산소를 취입한다. 산소가 직접 흡입되는 부근의 용강온도는 1.500'c내외로 상승하여 선철중의 탄소를 비롯한 불순물이 급속히 산화되어 산화물은 석회와 화합하여 슬래그(Slag)가 되어 제거 된다.

산소취입개시후 30~40분 후에 노를 기울여 출강하는데, 이때에 성분조절과 탈산을 위하여 망간철(Fe-Mn), 규소철(Fe-Si), 알루미늄등을 첨가한다. 취련 중에 일산화탄소를 주성분으로 하는 대량의가스가 발생 하는데 이를 미 연소상태로 회수하여 연료가스로 이용하는 기술이 개발되어 널리 사용되고 있다. 이 방법은 노의 출구에서 공기에 의하여 페가스를 연소하는 것과 비교할 때 설치비가 저렴하고 전로의 대형화를 위해서도 매우 유리한 장점이 있다.

•    전로의 특징 :

전로는 99.5% 이상의 고순도 산소를 사용하므로 강중의 질소 함유량은 평로강 보다 낮으며 또한 산소취련에 의한 고온 유지가 가능하며 석회에 의한 슬래그화도 신속할 뿐만 아니라 탈인과 탈탄이 병행되므로 언제나 인과 산소함유량이 낮은 강을 제조할수 있는 장점이 있다. 즉 불순물이 낮은 양질의 강을 불과 30~40분  (평로는 4~5시간)이라는 단 시간내에 얻을 수 있고 건설비가 비교적 저렴한것 외에도 생산성이 작아 작업비가 싸다는 장점이 있다. 이 외에도 용선이 대부분이고 고철장입량은 10~20% 정도로 낮으므로 일관제철소에서는 제철소 내에서 발생하는 고철로 대부분 그 소요량을 메꿀 수 있다. 따라서 고철을 외부에서 구입할 필요가 없는 이점도 있다.(그림 2-7참조)

다) 전기로(Electric Arc Furnace)

전기로는 전열을 이용하여 강을 제조하는 노(노)로서, 전기양도체인 전극에 전류를 통하여 고철과의 사이에 발생하는 아크(Arc) 열에 의하여 고철을 녹이는 아크로와 도가니의 주위를 감은 코일에 전열을 통해서 유도전류에 의한 저항열로 정련하는 유도로의 두 가지 방식이 있다. 따라서 전기로는 제강시, 특히 고철용해 시에 막대한 전력이 소요된다는 것이 특징이다. 이에 따라 전기로 공장내에는 고전압 수전설비가 필수적으로 설치되어 있다.

아크로는 1878년에 독일인 시멘스(William Siemens)가 발명하였고 1899년 프랑스인 에루(Heroult)가 에루식 전기루를 완성시켰다. 현재 흔히 쓰이고 있는 아크로는 대부분 에루식 또는 그 개량형이다. 한편 유도로는 1861년 에이작스(Ajax Noslap)가 발명한 것으로서 노의 용량이 10톤 미만의 소규모이므로 내열강, 고속도강등의 고급 특수강이나 주물을 제조하는데 사용하고 있으며, 사용하는 전류의 주파수에 따라 고주파유도로와 저주파유도로로 구분한다. 그러나 아크로 만큼 일반화되어있지 않기 때문에 대체로 전기로라 할 때는 아크로를 지칭할 때가 많다. (그림2-7참조)

•      원리 :

아크로에서는 주원료인 고철을 아크열로 용해하여 산화 정련한 후 환원성의 슬래그(Slag)로 환원정련함으로써 탈산,탈류작업을 하는데 이러한 환원정련은 이 방식이 지닌 최대의 특징이다. 유도로는 전술한 바와 같이 고철을 장입한 도가니로 주위에 감긴 코일에 전류을   통하면 고철사이를 흐르는 유도전류가 발생하고 그 저항열로 고철이 용해된다.

•     전기아크로(Electic Arc Furnace) 의 구조 :

솥모양으로 되어 있으며, 바깥쪽은 두꺼운 철판으로 되어 있다. 안쪽은 내화벽돌로 내장되어 있으며, 앞뒤로 기울일 수 있다. 천정의 중앙에는 전극을 수직으로 삽입할 수 있도록 구멍이 있다. 전극은 노옆에 부착되어 있는 전극승강장치에 의해 자동적으로 전극이 오르내리도록 되어 있다. 최근의 전기로 내에는 노내 용강의 교반을 촉진시키기 위해 노밑에 유도교반장치를 설치한 것이 많고 직류전기로 및 1전원 2로방식 등 신기술을 적용한 전기로가 있다.

•     작업방법 :

주원료인 고철을 장입기로 천정을 열거나 노옆면의 장입구로 장입한 후 전류를 통하면 전극과 고철사이에 아크가 발생하여 그 열에 의해 고철이 용해된다.  산소를 불어 넣어 산화 정련한 후 생성된 슬래그는 밖으로 긁어 내고 별도로 배합준비한 조재게(조재제 : 코크스가루,석회석,형석)를 첨가하여 환원성의 강재를 만든다. 이때에 석회와 분(분)코크스는 아크의 고열로 인하여 카바이트(CaC )가 되고 카바이트를 함유한 슬래그가 강력한 탈산, 탈류작용을 한다. 또 계속 환원성을 지니면서 탈산, 탈류작용을 촉진시키기 위하여 적시에 분코크스,규소철(Fe-Si)을 첨가하고 염분을 좋게 하기 위하여 형석을 투입하여 강재를 조절한다. 이와 같은 방법으로 목적하는 강을 만들고 노을 기울이거나 노 바닥의 구멍으로 출강하는데 제강시간은 보통50~80분이 소요된다.

3) 조괴작업(조괴작업)

제강로에서 만들어진 용광은 바로 주형에 주입하여 주강품이 될 수 도 있으며 강괴(Ingot)로도 주조된다. 강괴는 압연강재나 단강품의 소재로 사용된다. 용강을 강괴로 만드는 작업을 조괴라 하는데 래들(Ladle)에 받아서 주형에 주입한 후 냉각시켜 주형을 벗겨내고 강괴를 얻는 작업이다. 이 강괴를 분괴공장에서 압연하여 슬래브(Slab)나 블륨(Bloom)으로 만든다.

•     주입방법 :

용강을 주형에 주입하는 방법에는 위와 밑에서 주입하는 방법이 있다. 위에서 주입하는 상주법은 용강을 주형의 상부에서 주입하는 방법이고 밑에서 주입하는 하주법은 주로 몇개의 주형을 정반위에 두고 중앙 주입관에서 용강을 주입하는 방법이다. 이두개의 주입법은 어느것을 채용하는 가는 제품의 품질에 따라 결정되지만 보통 상주법이 간단해서 많이 사용되며, 특수강인 대부분 하주법을 사용하고 있다 (그림2-8참조)

4)연속주조기의 개요

  가) 연속주조법 :

연속주조법이라 함은 종래의 조괴에서 분괴압연을 거쳐 슬래브나 블륨을 만드는 방법에 비하여 잉곳케이스(Ingot Case)의 주조, 형발,균열, 분괴압연을 생략하고 직접 용강을 주형에 주입하여 냉간, 응고시켜 연속적으로 슬래브나 블륨, 빌릿 등을 제조하는 방법이다. 이 방법은 분괴공정을 생략한 연주법으로 특징은 설비비의 삭감 외에 에너지절감, 제품실수율 향상, 제품생산원가절감, 납기단축 등 큰 이점이 있으며 자동화, 기계화가 용이해서 작업환경을 개선시킬 수 있다.

  나) 주조방법

   연속주조설비는 위에서 주입되는 용강이 주형을 통하여 아래로 흐름에 따라 주형의 단면형상으로 응고되면서 연속 생산하는 방식으로 되어 있다. 정밀하게 온도를 맞추어 출강된 용강을 래들(ladle)에 의해 연주기 주상으로 이송한 다음 중간 용기인 턴디시(Tundish)로 주입한다.

턴디시에서는 용강중 게재물을 부상 분리시키며 몰드(Mold)내로 용강을 주입한다. 여기서 다시 여러가닥의 주형에 주입하는데 주형은 냉각수를 통하게 되어 있어 내부의 용강은 점차 응고된다. 주입된 용강은 주형의 밑바닥에 미리 받쳐져 있는 더미바(Dummy Bar)의 선단에 응고,고착되고 더미바를 펀치롤(Pinch Roll)로 잡아당겨 늘림으로서 응고된 주변도 내려가며 주형을 상하로 운동시켜 강편이 주형에 부착되는 것을 방지한다.

주형은 용착을 방지하기위해 강제 진동 시켜서, 주입된 용강을 소정의 단면 크기로 신속하고  균일하게 외측으로부터 응고시키기 위하여 냉각수를 사용하여 강제로 냉각시킨다. 주형에서 나온 주편은 2차 냉각대로 들어가며 2차 냉각대에서는 주편 중심의 응고를 가급적 신속히 진행시키기 위해 주편 표면에 물을 분사 시킨다. 주편의 변형을 방지하기 위해 롤러가이드(Roller Guide)가 설치되어 있다. 롤러가이드를 통과한 후 벤딩디바이스(Bending Device)에 의해 소정의 곡률로 굽어진다. 냉각대의 여러 가지 핀치롤이 설치되어 있어 여기서 주편의 전중량을 지탱하면서 소정의 주입상태에 맞춰서 주편을 인발한다. 굽어진 주편은 교정기에서 똑바로 펴서 가스절단기에서 소정의 길이로 자른다.
(그림 2-9 참조)

  다) 연속주조의 분류

   주형내 용광 탕면으로부터 응고완료 위치까지의 거리를 Metallurgical Length라고하며 이것은 냉각강도와 인발속도에 의해 결정된다. 주조속도가 빨라지면 Metallurgical Length가 길어지고 설비높이는 높아진다. 연주기 형태는 수직형(1960년대), 수직만곡형(1970년대), 만곡형으로 구분된다. 초기에는 수직형 연주기가 사용되었으나 건물높이가 높아 설비비가 많이 소요되기 때문에 널리 사용되지 못했고 이런 문제를 개선한 것이 수직만곡형 연주기다. 초기의 수직 만곡형 연주기는 수직상태에서 주편을  완전히 응고시킨 후 벤딩롤(Bending Roll)시켜주기 때문에  Bending 부하 및 품질 측면에서의 문제로 슬래브(Slab)연주기로는 널리 채용되지 못했다.

그 후 1963년에 주형으로부터 곡률을 갖는 만곡형 연주기가 개발되었고, 대단면 슬래브(Slab) 연주기의 고속화가 가능하게 되었다. 즉, 종래에는 주조속도를 올려 생산성을 향상시키기 위해서는 건물 높이 등의 설비제약에 한계가 있었으나 만곡형연주기에는 연주속도 증가에 따른 Metallurgical Length증가를 수평부의 Roll대를 연장함으로써 해결이 가능하기 때문에 경제적으로 연주속도 증가가 가능하다.

만곡형연주기의 단점은 주형내의 혼입된 게재물이 부상 분리 과정에서 응고하여 셸(Shell)내측에 포집되어 집적되는 것이다. 이런 게재물 집적문제를 해결하기 위해 수직만곡형연주기가 다시 주목을 받기 시작했다.

개선된 수직 만곡형 연주기는 주형직하까지 수직으로 주조된 후 미응고 용강이 남아있는 상태에서 Bending및 교정을 진행시킴으로써 주편의 변형응력을 최소화시켰다. 또 한 Bending Point를 다점화(다점화)시켜 응력집중을 분산시켰고 주편 Bulging에 의한 내부크랙을 방지하기 위해서 소정(소정)분할률(Roll)을 채용했다. (그림2-10 참조)
 

라) 연속주조 설비의 특징

•    턴디시 (Tundish)

용강을 주형에 주입시킬 때 래들(Ladle)로부터 직접 주입시키면 용강류 제어 및 온도관리 측면에서 대단히 분리하다. 따라서 래들(Ladle)에서 용강을 일단 받아서 용강류를 안정화 시킨 후 주형으로 보내는 용기를 설치하는 것이 보통이다. 이것을 턴디시(Tundish)라고 한다.

•   몰드(Mold)

주형은 용강을 주편으로 응고시키는 첫 단계이다. 용강은 주형과 접촉에 의해 응고가 시작되고 이때 일정두께의 응고 셸(Shell)이 형성된다. 주형은 동(Cu)으로 되어 있으며 냉각수에 의해 응고 된다. 주형에서의 냉각을 1차 냉각이라고 한다. 냉각강도에 따라 응고 Shell 두께가 결정되기 때문에 일정압을 견딜 수 있는 강도를 갖도록 설계해야 한다. 또한 주편의 품질은 모두 주형내에서 결정됨으로 주형 진동조건, 몰드(Mold) 유입조건 및 몰드(Mold)내에서의 용강유동제어 등은 매우 중요하다

•    2차 냉각대

주형을 빠져 나온 주편은 연주기 말단까지를 통과하면서 고속의 수냉분사장치(Water Jet)에 의해 급냉된다. 이 구역을 2차 냉각대라 하며 내부품질에 큰 영향을 미치므로 2차 냉각 요소를 적절히 선택하는 것이 중요하다.  2차 냉각 강도를 표시하는 척도로 {비수량}이라는 개념을 사용하고 있는데 이것은 단위주편에 단위시간량 살수 되는  분사(Spray)량으로 정의한다. (단위 : L/Kg Steel).

강종별 냉각강도는 중탄소강 (0.09~0.14% C)에서의 약냉형을 사용하고 있는데 저탄소강및 고탄소강에서는 강냉형을 사용한다. 도한 주속이 증가할수록 비수량을 증가한다.

•    Strand Guide

2차 냉각대는 실제적으로는 가이드롤(Guide Roll)로 지지 되어 있으며 상부부터 벤더(Bender), Casting Bow, Straightener, Horizontal Zone으로 나뉘어진다. 각각의Roll 들은 주편을 지지해서 Bulging (부풀음) 발생을 방지한다.

•    절단기

연속주조된 주편이 연주기를 빠저나온 후 지지된 일정 길이로 주편을 절단해 주는 설비로 고압산소와 LPG를 혼합 사용한다.

•   더미바(Dummy Bar)

연주기주형은 조괴주형과 달리 밑바닥이 없다. 따라서 주조 초기 주형에 용강을 주입할 때 용강이 누출되지 않도록 막아주는 바닥이 필요하며 그 역할을 하는 것이 더미바(Dummy Bar)이다. 더미바의 끝부분 즉, 주형바닥에 상당하는 부분을 더비바 헤드(Dummy Bar Head)라 하며 초기 용강은 이 부분에서 응고되어 더미바와 결합하고 구동롤에 의해 인발한다.
더미바는 장입(Feeding )방법에 따라 상부장입(Top Feeding )와 하부장입(Bottom Feeding)이 있으며, 최근에는 주조 준비시간 단축을 위해서 상부장입 방식이 많이 채택되어 있다.

3.3 압연공정  | 압연공정도 참조 |

1) 개요

강에는 연성과 전성이 있으므로 힘을 가하면 상온에서도 길게 늘리거나 얇게 넓힐 수가 있으며 빨갛게 되도록 가열하면 상온에서 보다 더욱 쉽게 형태를 바꿀 수 있다. 이와 같은 특성을 이용하여 사용 목적에 맞도록 편리한 모양으로 가공 변형한 것이 강재 (강재)이다. 강괴를 1차 가공하여 필요한 강재로 제조하는 방법에는 압연, 단조, 주조 등의 3가지 방법이 있다.

가) 압연(Rolling)

강괴 또는 강편과 같은 소재를 회전하는 2개의 롤(Roll)사이에 끼우고 롤의 간격을 점차 좁히면서 연속적인 힘을 가하여 늘리거나 얇게 성형한다. 마치 밀가루 반죽을 방망이로 미는 것과 같은 원리이며 이 방법으로 만들어진 제품을 압연강재라 한다.(그림2-11참조)

나) 단조(Forging)

강괴를 강력한 프레스(Press)기계로 누르거나 또는 해머(Hammer)로 때려서 원하는 형상으로 만든 제품을 단조품이라 하며 재질이 치밀하고 단단하다.

다) 주조(Casting)

용강을 각종 주형에 주입하여 원하는 형상으로 만든 제품을 주강품이라 하며 압연으로 제조 할 수 없는 복잡한 형상의 기계부품과 같은 것을 만드는데 적합하다.

이상의 세가지 방법으로 만들어진 제품을 일괄하여 강재라 하며, 그 중 압연강재의 생산량이 압도적으로 많기 때문에 일반적으로 강재라 하면 압연강재를 지칭하는 경우가 많다. 이 외에도 압출,인발 등의 가공방법도 있다.

2) 압연강재

압연에는 소재를 고온으로 가렬한 후에 압연하는 열간압연과 상온상태에서 압연한 냉간압연이 있다. 압연 가공온도가 재료의 재결정온도 이상일 때를 열간압연 이라고 하는데, 열간압연은 가소성(가소성)이 양호한 상태에서 압연하기 때문에 변형을 쉽게 할 수 있고, 단조품과 같은 좋은 성질을 압연재에 준다. 그러나 산화 때문에 표면이 아름답지 못하고 정도도 낮으며,또 얇은 것을 만들 수 없는 결점이 있다. 한편 압연 가공온도가 재료의 재결정온도보다 낮은 온도를 냉간압연이라고 하는데 냉간압연은 제품의 표면이 아름답고 정도가 높고 극히 얇은 것도 만들 수 있다. 따라서 냉간압연제품은 열간압연제품에 비하여 제품의 정밀도가 높고 표면이 아름답다 할 수 있다.

강괴 또는 강편에서 강재를 만들 때는 먼저 열간 압연을 한 후에 필요에 따라 다시 냉간 압연을 한다. 또 압연강재에는 (봉강,형강,선재,레일 등),강판(중후판, 박판 등), 강대, 강관 등이 있으며, 그밖에 철도차량의 차륜과 같이 특수한 형상의 것도 포함된다.
강괴를 압연하여 만드는 각종의 강편(슬래브, 블륨, 빌릿 등)도 당연히 압연강재의 일종이지만 이들은 모두 그 후의 압연공정 소재로 사용되는 것이므로 {반제품}이라는 명칭으로 다른 강재와 구별되고 있다.

압연기는 롤(Roll)조립법에 따라 2중식, 3중식, 4중식, 다중식으로 분류할 수 있으며 롤의 수가 많을 수록 설비의 생산성 및 제품의 정밀도가 우수한 장점이 있다. 주로 열간 압연에서는 4중식이 많이 쓰이며 스테인리스강과 같은 고정밀도를 요하는 냉간압연에서는 다중식이 쓰이고 있다. 또 롤(Roll)의 배치에 따라 가역식압연과 연속식압연으로 분류한다. 일직선으로 여러대의 압연기를 배열하여 소재의 장입부터 제품가지 한 공정에 완료하는 것을 연속식(Tandem)압연이라 하여 한대의 압연기에는 소재의 왕복으로 반복하여 압연하는 방식을 가역식(Reversing)압연이라 한다. 주로 슬래브,블륨 등을 분괴하는 공정에서는 가역식을 사용한다.
(그림 2-12 참조)
 

3) 반제품( 반제품, Semi-Finished Steel Products)

가)  반제품의 정의

강괴 가운데 일부는 그대로 강재나 단강품 등 최종 제품으로 가공되는 것도 있지만 대부분은 분괴압연기를 거쳐서 압연, 단조, 프레스의 다음 공정에 적당한 크기나 모양으로 압연된다. 분괴, 조압연된 중간 단계의 소재를 총칭하여 강반제품이라 한다. 강반제품을 용도에 따라 나누면 각종 강재의 재료가 되는 강편(블룸, 빌릿), 강판의 재료가 되는 슬래브, 시트바(Sheet Bar), 틴바(Tin Bar), 틴바 인 코일(Tin Bar in Coil), 강관재료로 사용되는 슬켈프(Skelp), 후프(Hoop), 관제봉강 등이 있다. (그림2-13 참조)

나) 분괴압연(Blooming)공정

소규모의 공장에서는 압연강재를 작은 강편으로 직접 만들 수도 있으나 일괄제철소와 같은 대규모 공장에서는 강괴를 균열로에서 장시간 가열하여 그 내부와 외부의 온도를 균일하게(1,150~1,300'C)가열한 후 에 분괴압연기로 강편을 만든다. 큰 강괴로 부터 직접 강재를 만들려고 해도 도중에 온도가 내려가기 때문에 일단은 중간 크기로 강편을 만들어야 한다. 분괴압연은 대형의 롤(Roll)과 큰 동력의 모터를 사용하여 강한 힘으로 압연하기 때문에 강질을 보다 좋게 하는 효과도 있다. 강편의 형태는 최종제품을 만드는데 편리하도록 결정되며, 대략 다음과 같은 세가지 즉, 슬래브(후팜 및 강대용), 블룸(대형 조강류용), 빌릿(소형 조강류용)등이 있다.

다) 반제품의 종류

•    조강류 반제품

블룸(Bloom) : 블룸은 장방형의 대강편으로써 절단면은 거의 정방향이고 모서리는 약간 둥글다. 한변이 160mm이상 480mm까지,  단면적은 25,600mm2이상이며 길이는 최소 1m부터 최대6m까지 있다. 용도는 대부분 압연공장에서 대형, 중형조강류로 압연되지만  일부는 다시 분괴, 조압연하여, 빌릿, 시트바, 스켈프, 틴바 등 소형의 반재품으로 만들어 지는 경우도 있다.

빌릿(Billet) : 빌릿은 단면이 정방형으로 한변이 160mm 이하,단면적25,600mm2 이하의 각형강편으로서 소강편이라고 한다. 각형강괴 또는 블룸을 분괴, 조압연하여 만들거나 연속주조에 의해 만든다. 용도는 소형조강류, 선재 등의 재료로 사용 된다.

단순압연업체의 대부분은 빌릿으로 소형의 조강류, 선재를 만들므로 시트바와 함께 사용량이 많은 반제품이다. 또 일부는 차량피스톤 , 크랭크샤프트 등의 단조용 강편으로 사용한다.

•    강관용 반제품

슬래브(Slab) : 슬래브는 연속주조에 의해 직접 주조하거나 편평강괴 또는 블룸을 조압한 것으로서 단면은 장방형이고 모서리는  약간 둥글다. 치수는 여러가지이며, 보통 두께가 50mm를 초과하고 폭은 두께의 2배 이상의 강편, 강판 및 강대의 압연소재로 사용한다.

•   시트바(Sheet Bar)

각형강괴 또는 블룸을 분괴, 조압연한 것으로서 판을 옆으로 절단한 것과 같은 모양의 가늘고 긴 형태로 되어 있다. 치수는 두께 7.6mm 부터 16.8mm, 폭은 250mm, 길이는 최대 10m이다. 박판, 규소강판 등 박판류의 재료로 사용되며, 빌릿과 함께 생산량에 대한 판매량의 비율이 가장 큰 반제품이다. 또 일부는 차량피스톤, 크랭크샤프트 등의 단조용 강편으로 사용한다.

•   틴바(Tin Bar)

블룸을 분괴, 조압연한 것으로서 석도원판의 재료이며, 형상 및 시트바와 같기 때문에 시트바에 포함시키기도 한다. 외판용은 길이  5m 정도의 것이 많고 이것을 구입하는 단순압연업체는 소요 원판의 치수에 따라서 적당히 절단하여 석도원판으로 압연한다.

•    틴바인코일(Tin Bar in Coil)

석도원판용 소재를 연속 압연하여 코일모양으로 감은 것이다, 두께 1.9~1.2mm, 폭200mm정도, 중량 2~3톤 정도의 것이 많이 만들어 진다.

•   강관용반제품

스켈프(Skelp)   에 편리하도록 88'~85' 로 경사져 있다. 강괴는 극연강으로서 두께 2.2~3.4mm, 폭56~160mm, 길이 5m 전후의 것이 많다.

•   후프(Hoop)

 강판을 폭이 좁은 형상의 띠 모양으로 절단 가공하여 감아놓은 강대를 말한다. 주로 포장용으로 사용되며 용접강관, 전봉강관용 강대로 스켈프도 같은 강대이지만 코일로 되어 있어 점이 스켈프와는 다르다. 강질은 연강, 반경강에 해당된다.

4)조강류압연공정

가) 개요

연속주조 또는 분괴, 강편압연으로 제조된 빌릿(Billet)은 제품 생산을 위한 압연공정에서 여러가지 요인에 의한 표면결함과 내부결함을 수반할 수 있으므로 후공정으로 공급하기 전에 표면 스케일(Scale)등을 미리 제거한다. 자분탐상 및 육안검사로 결함부위를 검사하고 내부품질의 보증을 위하여 초음파탐상을 실시한다. 치수, 형상 등의 검사를 거쳐, 후공정에 적합한 소재를 공급한다.(그림 2-14,15 참조)

•    가열로 :

표면검사 및 정정을 거친 빌릿은 압연공장의 가열로에 장입하여 재료의 원활한 변형이 가능한 950~1.250'C정도의 온도로 가열하는데 강종 및 용도에 따른 재질확보를 위하여 가열온도 및 시간 등을 제어하게 된다.

가열온도가 너무 높으면 표면탈탄, 조도불량 등의 품질악화를 초래할 수 있으며, 너무 낮으면 표면터짐 발생, 압연 소요동력의 증가, 형상불량등의 문제를 일으킬 수 있다. 따라서 비교적 저온에서 충분히 예열한 후, 압연 가능 온도로 신속한 가열 및 균열이 필요하며 가열로내 압력, 연료/공기 비를 적적하게 관리하여야 하는 과정이다. 여기서 가열로 압력이 낮으면 외부공기의 침입으로 탈탄이 심화된다.

연료/공기 비는 낮을 수록 탈탄은 감소되나 연소효율이 떨어지므로 강종에 따라 적정기준을 설정 관리해 주는 것이 중요하다.

•    압연 :

압연은 일정한 형상을 갖고 있는 2개의 롤(Roll)사이에 소재를 진입시켜 단계별로 단면을 축소시키며, 수요가가 원하는 치수의 제품을 제조하는 동시에 건전한 압연조직을 확보하는 방법으로, 후속의 냉각공정과 함께 상호 보완적인 작업조건에 의하여 용도에 맞는 재질특성을 확보하는 공정이다.

•    냉각 :

압연된 제품은 압연직 후 수냉대에서 수냉하거나 공냉한다. 철근, 봉강의 경우 일반적으로 냉각상에서 공냉을 실시하고 선재의 경우 권취온도, 공냉대 송풍량 및 송풍기(Blower)개도율, 서냉덮개의 조건 등, 냉각 조건을 제어하여 수요가 용도에 맞는 강종별 품질 특성을 확보하게 된다.

선재 냉각은 수요가의 열처리, 산세 등의 생략 또는 생산성을 높이기 위한 목적으로 실시한다.  고탄소 경강선재의 경우는 양호한 신선성 확보를 위하여 균열, 급냉으로 미세조직을 확보하여 연욕처리(Lead Patenting)를 생략할 수 있다. 합금강, 저탄소강의 경우는 서냉 실시로 연화조직을 확보함으로서 수요가의 가공정 연화어닐링 열처리를 생략할 수 있는 공정이다.
 

5)판재류 압연공정

가) 개요

열연제품은 일반적으로 연속 열간압연기(Hot Strip Mill)에 의하여 제조된 균일상태의 열연강대와 이를 절단한 열연강판을 말한다. 연속주조 또는 분괴압연에 의해서 제조된 슬래브를 재가열한 후, 고압 냉각수로 스케일(Scale)을 제거하면서 조압연기 및 다듬질압연기에서 고속으로 압연하고 코일(Coil)상태로 감는다. 열연제품은 냉연소재 이외에 각종 소재로 사용된다. (그린2-16 참조)

 나) 후판 제조공정

•   가열로 :

일반재 가열시 가열온도가 높으면 (1,250'C) 스케일(Scale)박리성 및 압연성은 양호하나 인성면에서 불리하다. 또한 저온가열(1,150'C_+2C)시 인성 향상 및 재질 편차는 감소하나 스케일 (Scale)박리성은 불리하다.

•   후판 압연 :

일반압연과 제어압연(Controlling Rolling)과정이 있다. 일반압연은 압연온도, 압하비 등을 제어하지 않고 최종제품의 두께만 관리하는 것으로 일반강, 인성무보증강 열처리재등에 적용한다. 제어압연법은 압하비, 압연온도를 제어하여 상온의 조직을 미세화 하여 인성 및 가공성을 개선시킬 수 있는 압연법으로 열처리공정중 노멀라이징(Normalizing)을 대체할 수 있다.

•    가속냉각 :

압연직 후 온라인상에서 수냉방식으로 냉각속도를 제어하여 저온변태조직을 조절 함으로서 강도와 인성을 향상시키는 공정이며, 종래강에 비해 용접성과 저온인성이 우수하다. 또한 냉각개시온도, 종료온도, 냉각속도 등을 조절하여 동일 성분계에서도 다양한 강도 수준 확보가 가능하며 가속냉각 후 제품 평탄도 확보를 위해 균일냉각기술이 절대 필요하다.

포항제철에서는 TMCP(Thcermo Mechanical Control Process)로 공정 중 압연과정 직후의 강판을 온라인상에서 급속 냉각하여 급속조직을 미세하게 제어함으로써 강의 인성과 강도를 향상시키는 기술을 적용하고 있다.

•     교정 :

제조과정 중 발생한 굴곡현상을 제거하기 위해 열간 또는 냉간 교정기를 통해 평탄도 를 향상시키는 공정이다.

•    냉각대 :

압연공정을 거친 제품을 공기 중에서 서냉하여 이동 시 긁힘을 방지하기 위한 공정이다.

  다) 열처리로 (Anealing Furnace):

•    노멀라이징(Normalizing) :

강관조직의 균일화, 세립화를 도모하기 위해 오스테나이트(Austenite)상태에서 공냉하는 열처리 방법.

•    담금질(Quenching :

강판의 강도, 인성을 개선하기 위하여 오스테나이트(Austenite) 상태에서 수냉하는 열처리 방법.

•    템퍼링(Tempering) :

Quenching에 의하여 발생한 강의 취성을 개선하고 소정의 강도를 얻기 위하여 변태점이하 온도에서 실시하는 열처리 방법이다. 재질 연화는 가열시간보다 가열온도에 더 민감하므로 적정온도 설정이 매우 중요하다.

 라) 전단(Shear) :

최종제품의 수요가 주문치수로 맞추기 위한 가장자리 다듬기(Side trimming) 및 길이 분할작업을 말하며 보통 40mm이하 재는 기계절단, 40mm초과 재는 가스절단을 실시한다.
 

6) 열연강판제조공정

열연 제품은 일반적으로 연속 열간압연기(Hot Strip Mill)에 의하여 제조된 코일상태의 열연강대와 이를 절단한 열연강판을 말한다. 열간압연기능은 1900년대초 미국에서 개발된 강판제조방법이다. 대량생산이 가능하고, 품질정도가 우수한 제조설비로써 연속주조 또는 분괴압연에 의해서 제조된 슬래브를 재가열한 후 고압냉각수에 의하여 스캐일(Scale)을 제거하면서 조압연기(Rough Mill)  및 다듬질 압연기(Finishing Mill)에서 초고속으로 압연하고 코일상태로 감는다.

  가) 가열로(Reheating Furnace) :

입구로부터 출구로 이송되는 동안에 약 1,300'C 정도로 가열시켜 주며, 적정온도를 유지해준다.

  나) Scale Breaker :

가열로에서 가열된 슬래브의 표면은 산화철의 피막으로 덮여 있는데 이것을 제거하기 위한 장치이다. 즉, 가열로에서 나온 슬래브를 수직형 롤(Roll)에서 약간의 압하율로 압연되어 스케일을 분쇄, 고압수에 의해 제거하는 과정이다.

  다) 조압연기(Roughing Mill) :

압연스탠드로 구성되어 있는 조압연기는 소재인 슬래브를 제품수치에 따라 1차로 거칠게 압연해 주는 설비이다.

 라) 다듬질압연기(Finishing Mill) :

사상압연기라고도 하는 이 설비는 조 압연기에서 슬래브가 압연되어 만들어진 소재를 다시 이 압연기에서 연속압연하여 상품의 최종 두께 및 폭으로 압연하는 설비이다.

  마) 권취기(Down Coiler) :

다듬질 압연기에서 압연된 열연강판을 Hot run table을 통과, 권취기의 멘드릴 (Mandrel) 에 감아 코일형태로 만들어주는 설비이다.

  바) 절단(Shear) :

코일을 소재로 하여 상,하 환도로 구성된 슬리터(Slitter)에서 길이 방향으로 절단하여 폭이 좁은 코일 형태인 강대를 만들거나, 코일을 다시 스트립 상태로 풀어서 전단기(Flying shear)에서 폭 방향으로 전단하여 시트(Sheet)를 만드는 과정이다.

  사) 조질압연기(Rough Mill) :

열간 압연된 코일의 형상(평탄도)교정, 단중, 분할, 곱쇠방지 등을 목적으로 약1.0%정도의 연신율로 냉간압연하는 설비이다.
 

7) 냉연 강판 제조공정  | 냉간압연공정도 참조 |

냉연강판은 열연코일을 소재로 하여 산세처리에 의하여 표면스케일을 제거한 후, 상온에서 보통 두께0.15~3.2mm로 냉간압연하고, 어닐링 및 조질압연공정을 거쳐 제조한다.

  가) 산세공정(Pickling Process) :

열연코일은 800~900'C의 마무리온도로 열간압연 되기 때문에, 표면에 다량의 산화철(Scale)이 생성된다. 이 산화철은 냉간압연 작업에 지장을 줄 뿐만 아니라 제품표면의 미관을 해치며, 도금성, 도장성을 저해한다. 따라서 산세공정에서는 우선 열연코일의 표면스케일을 분리 ,제거하고 종료된 코일은 냉간압연공정으로 이송되거나 산세강판(PO Coil & Sheet)으로 출하되기도 한다.

  나) 냉간압연(Cold Rolled Mill) :

스케일이 제거된 열연코일은 수요가가 원하는 두께를 맞추기 위하여 상온에서 실시하는 연속냉간 압연기에서 압연한다. 냉간압연공정에서 압하 된 강판(Strip)은 다음 공정으로 이송되거나 풀하드(Full Hard: 미소둔강판)강판으로 출하한다. 냉간압연된 스트립(Strip)은 전기 청정라인 (Electrolytic Cleaning Line)에서 표면에 붙어 있는 각종오일, 철분 및 먼지 등의 오염을 제거한다.

  다) 어닐링(Annealing Furnace or Annealing Line) :

냉간압연된 강판자체는 냉간압연시 형성된 강판내부의 응력 증가로 인해 경도가 높고, 가공성도 떨어지기때문에 어닐링로에서 600~850'c로 가열하고, 일정시간을 유지함으로써 재결정 현상에 의해 경도가 내려가고 가공성을 개선한다. 어닐링의 방식은 BAF(상자어닐링설비 : Batch Annealing Furnace)와 CAL(연속어닐링설비 : Continuous Annealing Line )로 구분하고 있다.

  라) 조질압연(Temper Pass Mill(TPM) or Skin Pass Mill(SPM) :

판의 형상을 교정하여 양호한 형상으로 개선하는 공정이다.
 

8) 전기 강판제조공정

전기강판 제조의 첫 단계는 제강공정에서 필요한 성분을 조절하여 연속주조기로 슬래브를 제조한다. 제조된 슬래브를 품질확보를 위하여 열편 상태로 가열로에 장입하며, 이때 자성을 확보하기 위하여 방향성을 적정온도에서 열간압연을 실시하여 전기강판용 열연코일(Hot Coil)을 제조한다.

냉간압연성 확보를 위해 열연코일을 산세처리하고 소정의 두께로 냉간압연 한다. 이어 어닐링, 표면처리 및 권취 또는 전, 절단 공정을 거처 판두께 0,3mm정도의 전기강판을 생산한다. 전기 강판은 제강공장에서 규소(SI)를 3%정도 첨가한 강으로서 전자기적 성질이 우수한 강판이다.

전기강판에는 두가지 종류가 있는데 변압기 철심에 사용하는 방향성(방향성) 전기강판 (GO: Grain Oriented Silicon Steel)과 회전체(회전체 : Motor )에 사용하는 무방향성(무방향성)전기강판(NO:Non-Oriented Silicon Steel)이 있다.
 

9) 표면처리 강판 제조공정

  가) 개요

산화철이나 황화철을 큰 에너지를 사용하여 환원시킨 것이 금속으로서의 철(Fe)이므로 특별한 보호가 되지 않는 한 본래의 안정한 상태(즉,산화상태)로 되돌아가려고 하는 성질을 부식이라 한다. 따라서 변화과정을 정지시키고자 하는 노력 즉, 가능한 표면을 환경으로부터 보호하여 변화과정을 늦추든가 혹은 준 안정상태로 나아가게 하는 것이 필요하며 일반적으로 부식을 제어하는 것을 도금방식이라 한다.

이 부식제어에는 공기중의 산증기 제거를 이용한 환경조건의 제어방법이 있고, 표면상태를 안정화하는 재료 또는 표면반응의 요소를 억제하는 재료를 적절하게 선택하는 방법이 있다. 또 피복 즉, 도금이나 도장을 이용하여 표면을 환경으로부터 차단하는 방법, 희생전극을 이용한다든지 불활성 전극등을 이용하는 전기화학적 제어방법이 있다.

이 가운데 철강의 부식방지를 위해서는 표면상태를 안정화하는 재료를 철강제조 시 첨가하는 것으로 스테인리스강 등이 있고, 그 외에는 표면에 피복을 입히는 도금, 도장 방법이 가장 널리 사용되고 있다.

표면처리 공정에서 수세, 탈지, 산세, 건조 등의 전처리 작업을 거쳐 규정 부착량의 도금작업이 행해지면서 철의 단점인 녹 발생을 방지하거나 또는 표면을 아름답게 하고 인쇄를 용이하게 한다. 철강은 대기중이나 수중에서 녹슬기 쉽고 부식되기 쉬운 약점이 있으며 부식이 진행되면 기계적 성질, 특히 피로 강도가 급격히 저하되기 때문에 철강의 방청방식은 매우 중요하다.

방청방식을 위한 피복은 피복하는 금속, 그 자체의 내식성이 요구되는 것은 물론이지만 그 위의 피복금속이 본질적으로 소지인 철강을 전기화학적으로 즉 음극적으로 보호하는 성질이 있는가 없는가를 고려하여야 한다. 따라서 철소재가 노출된 경우 피복금속이 희생양극으로 작용하여 철강을 음극(Cathode)으로 하여 전기화학적으로 보호하여야 하는데 이 철강 표면의 방청방식 피복을 입히는 방법중 비교적 경제성도 있으며 조업도 간단하고 능률적인 방법으로 용융도금법이 있다. 특히, 철에 대해 음극방식적 보호작용을 가지고 있으며 가격도 저렴하여 효과적이고 경제적인 방법으로 아연도금이 가장 많이 사용되고 있다.

알루미늄도금은 아연도금보다 내식성 특히 내유화성(내유화성)이 우수하고 또 내열성도 있지만 도금 작업상의 문제점이 아직 많이 남아 있다. 용융주석도금 특히 석도강판 제조는 대량생산에 따른 능률화와 박막도금의 요구에 따라 전기도금으로 변해 오고있다. 그러나 주석도금은 Tin(N)산지의 편재와 세계적으로 Tin의 고갈때문에 TFS(Tin Free Steel : 얇은 금속크롬과 크롬수산화산화물층의 2층 피복)이 개발되어야 한다는 것과 납도금 역시 플라스틱이나 고무의 발달에 따라 그 용도가 좁아져 특수한 것에 제한 된는 문제가 있다.

나) 용융아연도금 강판 제조공정

  용융아연도금강판(GI : GalvanizedIron)은 일반적으로 냉간압연코일을 거친 미소둔강 산세처리후 냉간압연을 거친 미소둔강판(Full Hard)을 연속아연도금라인 (CGL : Continuous Galvanizing Line)에서 열처리하여 소정의 재질을 확보한 후, 아연욕(Zinc Pot) 을 통과시키는 핫디핑 방식(Hot Dipping Type)에 의한 아연도금 방식으로 제조된다.

아연도금은 내식성이 우수하고 또 아연(Zn)은 철(Fe)과 공존하여 갈바닉 셀(Galvanic Anode)으로 되어 철(Fe) 을 전기 화학적으로 보호하기 때문에 철강의 방청방식상 효과가 매우 커서 널리 이용되고 있다.
(그림 2-17참조)

용융아연도금강판은 전처리공정(Pre-treatment,Pre-claning)에서 압연유등 이물질을 우선 제거한다. 어닐링(Annealing)을 거쳐 아연욕을 통과 한 후 공기 (Air)또는 가스(Gas)를 사용하여 소정의 아연부착량을 조절한다. 공냉 및 수관 공정을 거쳐 표면조도를 부여하고 형상교정을 한다. 내식성을 부여하기 위하여 크롬산, 인산염 등 후처리를 하여 제품을 만든다. 아연부착량은 보통 50g/m2로 되어 있다.

다) 전기아연도금강판 제조공정

냉연강판을 원료로 하여 알카리탄지,전해탈지, 산세 등 전처리 공정을 거친 후 전기도금조를 통과하면 아연이 부착된다. 후처리를 위하여 Activation, 인산염처리, 크롬산처리, 크롬산 실링처리, Anti-Finger Print, Resin Coating 등의 공정을 거쳐 제품을 제조한다. 아연부착량은 보통 10g/m2~100g/m2정도이다.

아연(Zn)을 포함한 일반 금속의 고속도 전기도금은 음극(Cathode)면에 도금 금속층을 형성하는 3가지 과정으로 이루어진다.
첫째, 환원된 금속이온이 용액 본체에서 전극면에 수송되는 과정인 물질 이동과정
둘째. 전극면에서 금속이온이 전자를 받아 원자로 되는 전하 이동과정
셋째. 환원된 원자가 도금층으로 결정화되는 과정. 물질 이동이 지배적인 전기도금의 한계전류 밀도를 크게 하기 위해서는 확산상수가 큰 전해액의 사용 및 전해액의 온도 상승, 금속이온의 농도증대 등의 수단이 있다.

라) 알루미늄도금강판(Aluminum Steel Sheets) 제조공정

  용융아연도금강판 생상공정과 동일하나 도금소재를 아연 대신 알루미늄을 이용하는 것이 다르다. (그림2-17참조)

마)아연, 알루미늄합금 도금강판(Zinc-Aluminum Alloy Coated Steel Sheets) 제조공정

갈판(Galfan)과 갈바륨(Galvalume)의 두 종류가 있다. 갈판은 보통 5~10%의 알루미늄, 갈바륨은 55%의 알루미늄을 사용하여 아연과 합금한 것을 말한다. 제조공정은 용융아연도금 공정과 동일하나 도금소재가 다르다.

바) 착색강판(Prepainted Steel Sheets) 제조공정

냉연강판, 용융아연도금강판, 전기아연도금강판, 알루미늄도금강판, 갈바늄강판 등을 원료로 하여 전처리 과정을 거친 후 각종 수지를 부착하는 착색라인(Color Coating Line)에서 롤(Roll)방식의 도장과 오븐(Oven)을 통과하면서 밀착성을 증대하고 건조시키는 과정을 두세번 반복하여 제조한다, 또한 VC라미네이트(Laminate)강판은 별도 적층성형(Laminating)공정을 거치면서 PVC필름(Film)을 부착하여 제조한다. (그림 2-18참조)

사) 주석도금강판(Tin Plate)제조공정

전기도금아연강판 생산공정과 동일하나 도금소재가 주석(Tin)인 점과 도금 후 후처리에 앞서 재용해로 (Remeating Furnace)를 통과하는 점이 다르다.

아) 기타표면처리강판 제조공정

크롬산, 인산염과 각종 수지 등을 강판표면에 처리하여 만든 제품들로 제조공정은 다른 표면처리강판과 비슷하다.

3.4  조관공정

1) 개요

강관(Pipe)은 가스, 물, Oil, 증기 등의 액체의 수송 및 용기로 사용되는 길고 좁은 형체로서 흙, 시멘트, 목재, 납, 청동, 구리, 플라스틱, 알루미늄, 주철 및 강(Steel)으로 만들어지는데 일반적으로 강(Steel)이 가장 많이 사용된다. 또 제조원가가 싸고 강한 강도 유지뿐만 아니라 절단과 용접이 용이한것 외에 많은 장점이 있기 때문에 배관용, 구조용, 우물용, 유정관용, 전선관용, 등 용도는 광범위하다.

강관생산을 위한 첫 공정은 원자재인 열연강판(Hot Coil)을 규정한 폭으로 절단(Hoop Slitting)하는 작업이다.  그 다음은 형성롤(FormingRoll)를 거쳐 용접을 한 후 비드(Bead)를 제거하고 정형롤(Sizing Roll)에서 외경을 공차이내로 정형한다. 이후 정척으로 절단, 조관검사를 거치고 교정기에서 직선도를 교정한다. 관의 끝단면을 용도에 따라 수직(Plain)이나 경사(Bevel)지게 면취한  후 각 규격에 따라 그 압력을 조정실시하는 수압시험을 거친다. (그림 2-19참조)

2)강관 제조공정

가) 전기저항 용접법(ERW)

강대를 상온에서 조관롤(Roll)에 의해 관 상태로 성형하고 그 접합부를 전기저항에 의한 발열을 이용해서 용접, 조관하는 방법이다. 고주파 저항용접법, 고주파 유도용접법, 저주파 저항용접법, 직류저항 용접법, TIG용접법 등이 있다. (그림 2-20 참조)

나 ) 단접법

강대를 약 1,400'c로 가열하고 연속식 단접기로 다이스(Dice)의 구멍을 통하여 인발하여 성형롤 (Forming Roll)에 의해 성형함과 동시에 양단을 롤(Roll)로써 압착시켜 제조하는 방법이다.

다) 스파이럴(Spiral)강관 제조공정

스파이럴용접관은 대구경관을 생산할 때 쓰이며 강대(Strip)를 나선형(Spiral)으로 감으면서 서브머지드아크 (Submerged Arc)용접하는 방법으로 외경을 마음대로 선택할 수 있고 강도가 높은 것이 장점이다. (그림 2-21 참조)

라) UOE Press)법

외경 18인치 이상 대구 경관을 생산할 때 쓰이며 상온에서 U형 프레스(Press)로 U자형으로 구부린 다음 O형 Press에서 원형으로 성형하고 그 접합부를 내외면에서 용접하는 방법으로 서브머지드 아크용접(Submerged Arc Welding)을 하며 건설용으로 광범하게 사용된다.

마) 롤벤더(Roll Bender)강판 제조공정

롤벤더강관은 후판을 규격에 맞게 절단한 다음 용접할 부위 단면을 밀링 가공한 후 롤 벤딩기계로 원형상태로 성형한다. 원형상태에서 가접을  한 후 다음 내외면 용접을 실시 한 후 각종 시험을 거쳐 완성한다.(그림 2-22 참조)
 

3) 무계목(무계목)강관(Seamless Pipe)제조공정

원주에 이음매가 없는 강관으로서 특수빌릿(Billet)에 구멍을 뚫은 다음 소재를 가열하여 압연과정을 거쳐 생산한다. 무계목강관은 건설, 건축, 기계구조용 및 화학, 석유화학 용으로 많이 사용한다. (그림 2-23참조)

3.5 특수강 제조공정

1)특수강제조공정

가) 개요

국내특수강 조강류의 제조공정은 제강시 고철, 합금철, 부원료를 첨가하여 전기로 (Electic Arc Furnace) 및 전기에서 제강을 하는데 이 방법은 보통강을 생산하는 것과 동일하다. 그러나 특수강은 반드시 래들정련이나 진공탈탄장치를 거쳐 불순물을 아주 낮은 수준으로 제한하고 재질별 특성에 맞게 화학성분을 규격대로 맞춰야 하는 점이 보통강과 다르다. 정련이 모두 끝난 후 연속주조 또는 강괴주조를 통하여 블룸(Bloom) 및 강괴(Ingot)를 생산하게 된다. 블룸 및 강괴를 재질별 특성에 맞게 적정온도로 가열한 후 분괴압연이나 대형압연을 거쳐 빌릿 및 대형, 중형봉강을 생산하게 된다.

중대형 봉강은 정정 및 2차 가공을 거쳐 중장비 부품 단조업체나 실수요업체, 대리점등으로 판매된다. 연속주조나 분괴압연에 의해 생산된 빌릿은 다시 가열로를 거쳐 소형봉강이나 형강압연기를 통하여 제품을 생산하고 소형압연기에 갈라져 선재압연기를 거치면 바인코일(Bar in Coil), 와이어로드(Wire Rod)형태의 제품이 생산된다.

봉강은 열처리 및 2차 가공을 통하여 판매가 되고 선재는 열처리, 산세, 2차가공공정등을 통하여 주로 대리점이 자동차 부품생산업체, 볼트, 너트제조업 등으로 판매된다. (그립 2-24 참조)

나) 제강공정

특수강 제강공정은 보통강과 비슷하나 합금원소 첨가 등으로 강의 고유 성질을 부여하기 위해 용해 및 정련시간이 많이 걸리는 특징이 있다. 따라서 철근, 형강 등 보통강에 비해 생산성이 낫다.

제강은 전로, 전기로, 평로에 의한 방법이 있으나 최근 평로는 세계적으로 자취를 감추고 있으며 국내에서는 포항제철의 전로 및 삼미특수강, 기아특수강, 강원산업, 서울제강 등 전기로 제강업체에서 특수강을 생산하고 있다.
전로제강법은 노(노)외정련기술의 발달 및 2차 정련의 보급과 노외 예비처리기술의 진보에 따라 전기로제강의 품질수준을 상회하는 고급강을 제조할 수 있다. 전로에 의해 제조 가능 한 특수강은 고탄소강, 기계구조용강, 고장력강, 규소강등 특수용도강에 이르기까지 범위가 넓다.

전기로 제강법은 노내에 일정량의 고철을 장입하고 전극봉을 이용하여 전기아크를 발생시켜 고철을 용해한다. 전기로 제강기술의 발달은 특수강업체가 선도하고 있으며 UHP(Ultra High Power :초고전력)에 의한 고능률조업 및EBT(Eccentric Bottom Tapping  : 편심로저출강)출강, 진공조업을 통한 고청정강제조, 배가스를 이용한 고철 예열 기술 등이 시행되고 있다.

전기로에서 용해된 쇳물은 불순물이 많아 원하고자 하는 특수강의 성분이 대부분 미달인 상태이다. 따라서 별도의 용기 (래들: Ladle)에 받아서 불순물을 제거하고 성분을 조절하여 원하는 강을 얻어내는 과정을 거친다. 이것을 노외 정련이라 하며 특수강의 온도 및 화학성분의 엄밀한 관리, 용강내의 탈황 및 탈가스를 통한 고청정도 유지를 통해 고급특수강을 만든다.

노외정련법은 VD(Vacuum Degasing :진공탈가스), VOD(Vacuum Oxygen Deacarburization :진공탈환), AOD(Argon Oxygen Decarburization), (아르곤,산소 탈탄)등 진공탈가스 및 산소나 아르곤 가스를 이용하여 강의 불순물을 제거하는 여러가지방법이 있다. 최근에는 설비의 종류를 불문하고 특수강업체 뿐만 아니라 보통강업체에도 설치를 늘리고 있다.

최근 노외정련법은 몇 가지 새로운 정련원리를 구사하여 그것을 조합시켜 신기술로서 이미 고도로 발달하고 있는 상태이기 때문에 경제성에 큰 비중을 두고 있는 추세이다. 정련을 마친 용강을 응고시키는 방법으로는 일정한 모양의 주형에 부어 응고시켜 만드는 잉곳(Ingot)과 연속주조에 의한 블룸(Bloom)이 있다.

최근에는 연속주조방법의 발달로 잉곳주형이 거의 자취를 감추고 있으며 생산성 향상을 높이기 위해 연속주조기술개발이 꾸준히 진행되고 있다. 용강의 균일한 응고와  전자교반(Electro Stirring : EMS장치)에 의한 내부품질의 균일화로 고품질의 특수강 블룸 및 빌릿을 만드는 기술이 시행되고 있다.

다) 압연공정

특수강조강류 압연공정은 보통강 제조공정과 방법 및 기술적으로 상당한 차이를 보이고 있다. 제강공정에서 생산된 블룸 및 빌릿을 가열로에 장입하여 가열한 다음 압연기를 통해 일정규격의 제품을 압연, 냉각과정을 거치는 순서는 동일하나 다품종 특성상 세부적인 조업기술 및 설비면에서는 완전히 다르다.

가열로에서는 강종별로 소재의 적정 가열온도 유지 및 열효율을 극대화, 자동연소 제어를 통한 최적온도 유지가 중요하며 이를 위해 대차식보다는 워킹빔(Walking Beam)식이 주종을 이루고 있다.

압연라인은 분괴, 조압연(Roughing Mail),다듬질압연(Sizing Mill)등이 일렬로 연속 배열된 템덤(Tandem)방식이 대부분이며 분괴압연기에는 가열된 잉곳 및 블룸(Bloom):최대 370   480mm)을 빌릿(Billet : 규격160   160mm)으로 1차 압연한다.

수직수평(V.H)식 조압연기(Roughing Mill)는 여러대의 압연기를 수직, 수평으로 서로 엇갈리게 배치하여 비틀림 압연을 방지하고 인장응력을 제어한다.

봉강제품의 최종규격을 결정하는 다듬질 압연기는 3방롤방식과 V.H 방식이 있는데 3방롤방식은 국내 유일하게 삼미특수강이 채용하고 있으며, 3개의 롤(Roll)이 120도 각도로 배치되어 치수 정밀도 향상 및 고강성 제어압연이 가능하다. 특히 압연과 동시에 냉각온도를 자동조절 함으로서 열처리 효과도 누릴수 있는 압연방식을 적용하고 있다. 특수강업체에서는 대부분 봉강압연 후속라인에 선재압연라인을 두고 있으며  5.5mm이상의 선재를 생산한다. 선재압연기는 정밀압연기로 고속, 고강성, 연속제어압연이 가능한 설비가 주종을 이루고 있다.

선재압연을 거친 제품은 제어냉각대에서 다양한 제어냉각으로 조직을 개선하고 제조공정중에서 열처리를 시행하여 물성차를 개선한다.
 

2) 스테인리스강판 제조공정

가) 스테인리스강의 제조공정

스테인리스강판의 일관제조공정을 갖추고 있는 곳은 국내 포항제철밖에 없으므로 포항제철의 제조공정에 대하여 알아본다.
스테인리스강은 주성분으로(Fe)철 이외 크롬(Cr), 니켈(Ni), 몰리브덴(Mo) 등 다량의 합금원소가 첨가되기 때문에 고가의 합금철이 대량으로 사용된다. 주로 사용되는 원료로는 스테인리스 고철, 훼로크롬(Fe-Cr), 훼로니켈(Fe-Ni),일반강 고철과 기타 합금철 이며,이러한 주원료들은 전기로에 장입하여 용해한다.

전기로는 고전류를 전극봉에 통전할 때 발생하는 전기아크(Arc)열을 이용하여 용해한다. 전기로에서 용해된 용강은 전련로에 장입하여 산소 취련을 실시하여 탈탄작업을 수행하며, 성분과 온도를 조정하기 위하여 합급철 등을 투입한다.

정련로에서 래들(Ladle)에 출강된 용강은 아르곤 가스(Argon Gas)에 의한 노저버블링(Bottom Bubbling)을 실시하여 용강온도를 균일하게 하고 용강중에 잔존하는 비금속게재물을 분리, 부상시킨다. 이외에도 합금철이나 냉각제를 투입하여 성분과 온도를 미세조정한다. 2차정련이 완료된 용강은 연속주조되어 슬래브(Slab)로 된다.. (그림 2-25 참조)

나) 스테인리스 열연 강판 제조공정

주로 생산하는 오스테나이트(Austenite)계의 경우 열간가공성이 일반강보다 불량하기 때문에 슬래브(Slab)는 가열로에서 숙열을 요한다. 따라서, STS304강의 경우 1,300'c정도의 분위기에서 200분동안 가열한 후 열간압연을 한다.

조압연에 의해 200mm두께의 슬래브(Slab)를 약 30mm정도의 바(Bar)로 만들며, 다듬질압연기를 거쳐서 2.0~8.0mm 두께의 흑피상태로 감는다. 압연폭은 800~1,600mm이며, Coil단중은 최대 23톤까지 생산이 가능하나 보통 15톤 수준이다. 특히, 마르덴사이트(Martensite)계와 일부 페라이트Ferrite)계 슬래브(Slab)의 경우 합금성분에 따른 조직 특성에 의해 가열로에 장입되기 전에 200'C이하로 냉각이 되면 슬래브(Slab)표층부에 균열이 발생되기도 한다. (그림 2-25 참조)

다) 스테인리스어닐링.산세공정

열연공장에서 열간압연된 흑피코일(Black Coil)은 어닐링산세공정으로 운반되어 어닐링과 산세공정을 거쳐 백피코일(White Coil)로 된다. 대부분의 백피코일(WITE Coil)은 열연제품으로 국내외 수요가에서 공급되고, 일부는 자가 냉연공장의 소재로 공급된다.

어닐링산세공정의 주요공정으로는 열연공정에서 운반된 코일을 수요가의 주문폭으로 코일의 양쪽 가장자리를 원형의 나이프(Knife)로 절단(Trimming)하는 CPL(Coil Preparation Line), 페라이트계와 마르겐사이트계 강종을 불황성 분위기에서 장시간 어닐링하는 BAF(BatchAnnealing Furnace), 오스테나이트계 강종을 연속어닐링하고 모든 강종의 스테인레스강을 산세하는 APL(Annealing & Pickling Line),코일의 표면에 발생한 결함을 제거하는 CGL(Coil Grinding Line), 최종제품을 평량하고 포장하는 CPE (Cpil Packing Equipment)등이 있다.

열간압연판에는 크롬(Cr)탄화물이 형성되어 있기 때문에 그대로 산세하게 되면 크롬(Cr)탄화물의 석출에 따른 크롬(Cr)결핍부가 산용액에 의해 부식을 받게 되어 표면이 거칠게 된다. 이 상태에서 냉간압연을 하게 되면 양호한 제품표면을 얻을 수가 있다.

STS 304강의 보통 탄소량은 0,03~0,08%정도에서의 1,000'c이상으로 가열하면 탄호물은 고용화된다. (그림 2-26 참조)

라) 스테인리스 냉연강판 제조공정

스테인리스 냉연강판을 제조하는 설비에는 소재인 열연코일(Hot  Coil)을 수요가가 요구하는 두께로 압연하는 냉간압연기 (ZRM :Sendzimir Mill)와 냉간압연된 강판을 열처리하여 용도에 맞도록 품질 특성을 부여하는 어닐링산세 설비(Apl :Annealing & Picking Line), 강판의 평탄도와 기계적 성질을 개선하는 조질압연 설비(SPM: Skin PASS mILL), 어닐링산세후 표면의 결함제거와 일반건축 내. 외장재 등에 사용하기 위해 강판을 연마하는 연마설비(CPL : Coil Polishing Line), 강판의 최적 평탄도 확보, Side Trimming 과 냉연코일 제품 생산을 위한 평탄설비(TLL : Tension Levelling Line), 박판,(Sheet)을 생산하는 절단설비(SHL : Shearing Line), 후프(Hoop)를 생산하는 절단설비(STL : Slitting Line)등의 설비에서 스테인리스 냉연제품이 생산되고 있다. (그림 2-27참조)

스테인리스는 보통강에  비해 가공경화가 크므로 같은 롤(Roll)경을 갖는 워크롤(Work Roll)로 압연하는 경우 금방 압연한계에 도달되며, 롤 직경이 작을 수록 압연가능 범위는 넓어진다.  최신압연기로 20단 Sendzimir Mill 의 롤 배치는 기존압연기와 거의 같지만 지지방법이 크게 다르다. 즉, 압연하중이 워크롤에서 중간롤 (Roll), 백업(Back up)베아링, 세드(Saddle)을 거쳐 일체구조인 하우징((Housing)에 전해지는 방법이다. (그림 2-28참조)
 

3.6)  제조부산물

1)슬래그(Slab)

• 매립, 도로포장등 골재 대체용, 시멘트 제조원료, 흑연원료 등으로 사용된다.

2)코크스(Cokes)

• 고로원료, 주물용원료, 소결용, 가탄제, 카바이트 제조, 성형탄원료 등으로 사용된다.

3) 화성품

•  유안 : 유안비료
•  유황 : 인산질 비료
•  타르 : 의약,  농약, 염료, 향료의 재료
• 조경유 : 농약, 경유, 향료의 재료
• 중결타르 : B-C유 대체원료

4) Gas류

• 연료용가스 : COG(Coke Oven Gas), LDG(Linz Donawitz Gas ), BFG(Blast Furnace Gas)
• 공업용가스: 질소, 아르곤, 수소, 기체산소, 액체산소

5)산화철

• 영구자석, 전자석, 페인트원료, 보도블록원료

6)아연류

• 페아연아노드: 아연다이캐스팅(Diecasting)
• 아연드로스 : 아연화
• 아연재(Ash):고료비료, 아연화
• 아연더스트 :고로비료, 아연화

7) 스팀(Steam)

• 전기로 진공탈가스조업, 난방용

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제4부 철강제조기술의 개발동향

4.1 국내기술개발동향

1) 제선기술

국내유일의 일관제철소인 포항제철은 세계적인 제선기술을 보유하고 있으며 제조원가 및 제품 품질면에서 경쟁력이 가장 우수한 것으로 평가받고 있다.
제선분야에서 국내외적으로 가장 큰 관심을 끄는 기술인 코크스 대신 값싼 일반탄을 미분쇄하여 고로에 직접 사용하는 미분탄 취입기술을 적용하여 미분탄 사용량을 늘리고 있다. 미분탄의 다량 취입을 위해 포항제철은 미분탄 연소성향상을 위한 Oxy-Coal 취입기술과 Swirl(소용돌이) 형 미분탄 취입랜스 기술을 개발하였다. 또 고로내의 통기성 확보를 위한 고로 중심부에 Coke 장입기술과 중괴 Coke 장입기술등도 개발하였다.

소결분야에서는 가격이 저렴한 연료 및 원료 사용량을 증가시키기 위해 갈철광을 30% 배합하고 소결연료인 분코크스를 값싼 무연탄으로 대체하는 기술과 소결 회수율을 높이는 한편 품질안정화를 위해 소결기 Wind Box 의 온도를 측정하여 소결기 원료장입량을 자동제어하는 균일소성 시스템을 개발하여 광양제철소와 포항제철소 소결기에 확대적용하고 있다. 또 소결공장에서 발생하는 공해물질을 최소화할 목적으로 배기가스중 NOx, SOx, 분진 등을 제고하는 기술이 중점 개발되었다.

한편 신제선기술인 연산 60만톤규모의 코렉스(COREX)설비를 도입하여 1995년11월말 포항제철소가 역사적인 준공식을 가진바 있다. 코렉스 제선법의 단점을 보완하는 분광석 사용기술확보를 위행 시험용 파일럿 설비규모의 유동층 예비환원시험설비를 건설, 1998년까지 연구개발을 추진할 방침이다.

2) 제강기술

국내 일관제철의 제강기술 방향은 설비가동율 및 생산성 향상에 중점을 두고 있다. 다품종 소량 생산체제인 포항제철소의 경우 소재의 품질안정화에 주력하고 있고 소품종 대량생산 체제로 냉연판재류가 주생산품인 광양제철소는 고청정강의 안정조업을 통해 제품품질의 고급화를 도모했다.

제강부문의 기술개발은 대표적인 고순도, 고청정성이 요구되는 극저탄소강의 탄소제어능력을 1993년 20ppm 수준에서 1994년 15 ppm까지 향상시켜 Super EDDQ급 강재의 개발능력을 확보했다.

베어링강 및 타어코드재 등 고청정강을 요하는 강재의 제조공정을 개선하고 탈가스공정에서의 가감압 정련과 블룸 연주공정에서의 Soft Reduction, Tundish Plasma Heater 등 신기술을 적용하여 80kg급 타이어코드강의 단선율을 신일본제철 수준이하로 낮추었다.

래들(Laddle) 와류방지 댐(Dam) 및 슬래그 개질제를 개발하여 적용했으며, 광양제철소에서는 RH(Rheinstahl Heraus 머릿글자)환류관경을 확대하여 탈탄능력을 크게 증대시켰다. 극저탄소강의 청정도를 대폭 개선하여 종래의 저탄소강 냉연 상자어닐링(BAF : Batch Annealing Furnace)고정을 통해  제조하던 심가공(D&I : Drawing & Ironing) 용 소재를 연속어닐린(CAL : Continuous Annealing Line)공정을 통해 제조할 수 있는 극저탄소강 CAL 용 D&I소재를 개발함으로서 품질개선 및 실수율 향상에 크게 기여했다.

제강시간 단축을 위해 소량슬래그조업을 확대하였고 전로 출강구의 형상을 변경 및 산소랜스노즐의 개선을 통해 전로 취련시간을 단축했다.

연속제조부문은 1994년 블룸연주기에 주편경압하 및 턴디쉬 플라즈마 예열기술을 적용하여 타이어코드 및 베어링강 등 고급선재용 연주주편의 편석저감에 크게 기여했다. 주조성개선을 위해 고티타늄강 노즐막힘 개선, 고 내후성강의 Break Out방지 기술을 확립했다.
한편 1996년 10월 준공목표로 연산 180만톤규모의 박슬래브(Thin Slab Casting)열연설비를 건설중에 있으며 스트립캐스팅의 상용화를 위해 연구개발중이다.

3) 제품제조기술

가) 열연강판 제조기술

열연부문의 주요 기술개발 내용은 1980년대 후반 상하 작업롤의 이동이 가능한 워크롤 시프트밀(Work Roll Shift Mill)을 설치하고 롤 크라운(Roll Crown)및 평탄도 등을 제어하는 요소기술을 개발했다. 이로써 열연강판의 칫수, 형상 등의 개선 및 고급강생산능력을 향상시켰다.

1991년에는 온라인 롤 연마(On Line Roll Grinding) 기술을 개발하여 칫수, 형상 등의 품질향상 및 Schedule Free Rolling 실시로 직송압연율을 증대 시켰다.

1994년도에는 두께 프로파일 제어기술의 향상을 위해 FSU(Finisher Set Up)시스템을 개발했으며 선단  Mass Flow 학습기능을 개발하여 스크립 선단부 과장력에 희한 두깨, 폭의 불량방지를 도모했다. 또 극박재 형상제어기술 향상을 위한 요소기술로서 판Crown 학습방법 개선으로 판 가장자리부의 급격한 두께 변화량을 축소시켰다. 제품의 가공성 향상을 위해 ROT(Run Out Table)상에서 제어냉각을 실시하여 자동차 휠 디스크 및 가스실린더용 고가공성 강판에 가공크랙이 발생하는 문제점을 해결했다.
 

4.2 세계기술개발동향

1) 제선기술

최근 제선기술 개발환경은 원료 및 연료의 수급상황과 환경공해에 대한 규제강화에 따라 변화하고 있다. 즉 단위 공정별로 저가의 원료, 연료를 사용하여 안정적으로 조업할 수 있는 기술개발과 유해물질인 SOx, NOx, 분진 및 폐수의 배출량 절감을 위한 활동을 계속하고 있다.

코크스 제조공정에서 설비의 가동효율을 높이기 위해 코크스로 전후 처리설비의 신설과 에너지 절감 그리고 저가원료의 적극적인 사용을 위한 기술개발을 추진하고 있다.
특히 사전처리를 위한 석탄조습설비(CMCP ; Coal Moisture Control Process)와 후처리설비인 건식소화설비의 채용이 증가되고 있는 추세이다.

소결공정의 경우 저가원료의 괴상화, 고결정수 광석의 서용량 증대와 회수율향상,ㅡ 저 SiO2 조업 등 제조원가 절감을 위한 활동이 계속되고 있으며 배가스 순환기술과 소결생산성향상을 위한 신기술로서 소결기 상부에 자장을 걸어 소결층을 부양하는 자기부양 하중제어 소결법이 개발되어 주목 받고 있다.

2) 제강기술

최근 제강기술의 개발동향은 원가절감, 정련반응 효율의 향상 맟 설비의 자동화, 그리고 환경문제에 대처하기 위한 기술개발이 활발히 증진되고 있다.
일본의 각 제철소에서는 가격이 싸고 낮은 유황농도 영역까지 탈류가 가능한 금속 마그네슘(Mg)계 탈류제를 이용한 용선탈류기술이 개발되어 실공정에 적용하고 있다. 이에 낮은 Flux원단위로 10ppm 이하의 황(S)농도를 얻을 수 있으며, 발생슬래그가 적고, 온도강하가 적은 이점이 있다.

전로분야에서는 소량 슬래그 조업기술을 지속적으로 적용하여 생석회 사용량을 절감하고 극저린강을 효율적으로 제조하고 있다. 한편 전로조업의 자동화를 위하여 인공지능 기술 및 전문가 시스템을 도입한 자동제어기술의 개발도 활발히 추진되고 있으며 또한 철강 스크랩의 발생량 증가 및 환경문제에의 대응 측면에서도 전로에서의 스크랩 대량 용해기술이 개발, 응용되고 있다. 이러한 스크랩 대량 용해기술을 적용하기 위해서는 동(Cu), 주석(Sn) 등과 같은 불순원소 함량이 적은 스크랩을 사용할 필요가 있다. 그러므로 스크랩중의 불순원소를 제거하기위한 스크랩 처리 및 용강으로 부터의 제거기술 개발이 진행되고 있다.

전로업계에서는 전세계적인 미니밀(Mini Mill)의 확산과 함께 양질의 스크랩 수급 및 가격 불안정에 따른 철원의 대체재로서 직접환원철(DRI/HBI : Direct Reduction Iron/Hot Briquetted Iron)의 사용량과 생산량이 증가하고 있다. 또 다른 철원 대체재로서 자체 내에 함유되어 있는 탄소의 연소열 때문에 고가의 전기 에너지를 절감할 수 있는 Iron Carbide도 주목 받고 있다.

용융 전로 슬래그는 다량의 열량과 유용성분을 함유하고 있으므로 이를 환원처리 하여 철분을 회수하고 환원된 슬래그 성분을 조정하여 Flux로 재사용하는 적극적인 폐기물 재활용 기술이 주목되고 있다.

제강공정에서 발생되는 슬러지도 많은 유용성분을 함유하고 있으며 펠릿(Pellet)을 제조하여 냉각제등의 제철원료로 재활용하는 방법도 추진되고 있다.

연소주조분야에서는 주편품질 향상과 박슬래브 주조설비의 확대 적용이 지속적으로 추진되고 있으며 최근에는 턴디시(Tundish)내에 전자력을 이용하여 게재물의 부상을 족진하는 기술개발활동이 활발하다.

3) 압연기술

제품정밀도향상을 위해 다듬질압연기에 유압자동화를 추진하고 있고, 제어모델 측면에서도 온도, 변형저항, 롤(Roll)마모 등을 고려한 수식모델을 적극적으로 개발하였고, 품질의 안정화를 위해서 폭방향 특히 가장자리(Edge)부의 온도저하를 방지하여 실수율을 대폭 증가시키고 있다.  그리고 제조원가절감을 위한 에너지절감 부분에서도 스래브(Slab) 보온기술의 개선과 제강-열연간의 생산동기화의 최대 난제인 폭집약을 위해서 Sizing Press를 개발하여 종래 100mm 폭 집약에서 300mm까지 가능하게 하여 공정간의 Chance-Free화를 도모하고 있다. 이와 아울러 내마모성, 내표면결함성이 우수한 HSS(High Speed Steel)Roll 을 공정에 적용하여 표면품질의 개선, 롤(Roll)단위의 확대를 도모하고 있다.

후판압연분야에서는 압연판 실수율향상을 위한 TFP(Trimming Free Plate)압연기술과 압연판 앞 끝부분의 휨 제어를 위한 자동제어 시스템이 개발, 실용화 되었다.

선재압연은 롤(Roll)편마묘의 억제, 압연시 자유표면이 많기 때문에 Scale취입의 억제, 균일한 압연에 의한 표면결함 대폭개선, 연속압연에 따라 각 공정간의 단순화가 가능하도록 개선하고 있다.

4) 제품제조기술

가) 열연강판 제조기술

열연제품분야에서는 고강도 고 가공성을 확보하기위한 노력이 지속적으로 추진되고 있으며, 고합금계의 강관소재 제조기술이 개발되고 있다.
최근에는 일본 고베제강에서 티타늄(Ti)을 메트리스(Matrix)에 석출시킨 석출강화형 Dual Phase강의 개발과 이 소재을 사용하여 휠(Wheel)가공을 성공시킴으로서 자동차용 열연강판에 80k/mm2급 강의 사용이 점차 증대되는 추세이다. 또한 스미토모에서는 고온강도가 우수하고 내식성이 우수한 보일러용강(Cr 첨가)을 개발하여 Boiler Tube에 적용토록 하고 있으며, 환경문제의 해결방안으로 제시되고 있는 소각로에서 사용되는 열교환기용 강관에 대한 고온내식성 향상과 용접성 향상 등을 꾀하는 한편, 환경문제의 해결방안으로 제시되고 있는 소각로에서 사용되는 열교환기용 강관에 대한 고온내식성 향상과 용접성 향상등에도 노력을 기울이고 있다.

건설분야에 이용되는 후판은 초고층화, 노동력 부족에 대한 대처 및 인장강도의 내진성이 우수한 고장력 저항복비강이 개발되어 실용화 되고 있으며 내화피복의 감소, 생략을 위한 내화강의 사용이 점차 확대되고 있는 추세이다.

나) 냉연강판 제조기술

자동차용 강판의 경우 제조원가가 높은 극저탄소 알루미늄 길드(Al-Killed)강 대신 저탄소 Al-Killed강을 사용하려는 경향이 강해지고 있음에 따라 일부에서는 연속어닐링라인의 급속냉각속도를 현저히 증가시키고 급속냉각 종점온도를 엄격히 제어한 후 연속어닐링라인을 이용하여 성형성이 우수하면서 비시효성인 냉연강판을 저탄소 Al-Killed강에 의해 제조하고 있다. 용기용 철강재 기술개발은 제조원가의 절감은 물론 환경오염에 적극 대처할 수 있는 석도강판 또는  Tin Free Steel에 수지를 융착 또는 접착시킨 라미네이트(Laminate)강판이 개발되어 적용하고 있으며 용접기술의 발달에 따라 극 박판화 추세가 가속화 될 전망이고 극 박판재에 대한 용접성 개선도 크게 대두될 것이다.

냉연제품 생산기술로 유도가열어닐링기술을 보면 연속어닐링에 유도가열방식을 도입한 새로운 냉연열처리 기술을 파일럿(Pilot)규모로 실험완료하여 곧 상업화할 것으로 보인다. 이 열처리기술은 라인길이를 대폭 단축하여 설비투자비용을 크게 절감하고 열처리재의 조직제어가 균일, 용이하다는 특징을 갖고 있다.

다) 선재제조기술

선재제품 개발은 크게 두가지 방향으로 진행되고 있다. 주로 고탄소강에서 탄소의 중심편석 감소와 고강도화 기술, 중-저탄소강인 냉간압조 또는 열간단조용으로서 비조질화에 의한 공정생략을 위한 제품의 개발이다. 고탄소강에서 탄소의 중심편석 감소를 위한 새로운 기술인 연속 단압법은 주조말기에 경사진(Tapered)금형에 의해 중심부의 농화된 용강을 미응고 측으로 배출하여 응고 완료점을 강제적으로 형성하는 방법이다.  따라서 큰 하중에 의한 압연이 가능하여 종래의 낮은 하중에 의한 압연보다 중심편석감소능력이 훨씬 우수한 기술이다.

선재 2차가공 기술중에 최근에 발표된 획기적인 기술인 염수전해법은 1차로 염수전해에 의하여 밀착되어 있는 스케일을 이완시키고, 2차로 Dyanmotive사가 개발한 고주파의 초음파 발신기를 사용하여 스케일을 완전히 제거하는 기술이다.

라) 전기강판 제조기술

변압기의 철심재로 사용되는 방향성전기강판의 경우는 특성이 우수한 신제품의 개발보다는 원가철감을 위한 공정기술의 개발이 주로 진행되었다. 그 중에서도 특히 괄목할 만한 것은 수십년 동안 풀지 못했던 저온 재가열기술이 실험적인 단계를 지나 대량생산 기술로서의 면모를 갖추기 시작했다는 점이다. 특성으로는 자구미세화에 의해 철손을 저감 시키려는 노력이 계속되어 기존의 레이저를 사용하여 강판위에 스크렛치를 형성시키는 기술외에 톱니형의 롤(치차법)이나 선상으로 부식 (프린트법)시키는 시술이 일본을 중심으로 개발되었다. 이 시술에 의한 특성은 기존의 자구미세화 제품과 유사하지만 수요가의 응력제거열처리에도 견딜 수 있는 제품의 제조가 가능해졌다.

마) 표면처리강판제조기술

표면처리기술은 전기도금, 용융도금, 화성처리 및 연속도장으로 구분되며 최근에는 기상도금기술의 실용화가 진전되고 있다.

전기도금분야에서는 일본 고로5사를 중심으로 성력화 하여 아연도금과 합금도금의 병용 측면에서 불용성 양극방식이 선호되고 있다. Ti 기판에 IrO2을 코팅한 전극이 실용화되어 Pb계 양극과 같은 불순물 용출 문제가 없을 뿐만 아니라 사용수명도 우수한 것으로 보고되고 있다.  제품측면에서는 열화되어 실용화에는 다소 문제가 있는 것으로 알려졌다.

용융도금분야의 특기사항으로는 자동차용으로 많이 사용되는 합금화 용융아연도금강판의 가공성과 표면품질 향상을 위해 합금화로의 길이증대, 가열방식을 복사가열에서 직화가열 혹은 고주파 유도가열방식으로 변경, X 선 회절에 의한 On-Line합금화도 측정, Zinc Pot의 깊이 증대 및 Dougle Pot System도입, 내구성 향상 및 Strip의 진동감소를 위한 각종 Roll의 세라믹 용사코팅 등을 들 수 있다.

화성처리 혹은 연속도장 강판은 특히 가전용의 품질 요구조건이 엄격해짐에 따라 표면품위 향상과 소Lot 대응기술이 주요과제로 대두되었다. 화성처리는 기존의 내식성, 도장성 외에 유활성, 접합성 등이 요구되면서 도포형 크로메이트 처리기술의 중요성이 부가되었다.

연속도장 혹은 수지처리에서는 도장기와 Baking로의 정확한 제어가 필요하며, Zn-Ni 유기피복강판의 경우 Model식을 이용한 수지두께 제어, BH(Bakered Hardening: 소부경화성)성 확보를 위한 고정도 판온 제어기술 등이 개발 되고 있다.

전기도금, 연속도장, 기상도금분야에서는 고기능성의 다양한 제품개발과 아울러 소 로트(Lot)에 대응 가능한 공정개발이 진전될 것으로 예상된다.
 

4.3 혁신철강기술 개발동향

1) 용융환원제철기술

용융환원제철법은 예비환원로와 용융환원로로 구성되어 있다. 용융환원로에서 발생한 고온가스를 냉각, 청정화하여 예비환원로에서 환원용가스로 이용하는 기술로서 고로형(Shaft)과 전로형으로 구분된다. 이 기술은 전처리 공정을 생략한 철광석과 일반탄을 직접 사용할 수 있는 신체철법으로, 설비투자가 적고 저가의 원료 및 연료를 사용 함으로서 생산원가를 절감하면서 환경문제도 해결할 수 있다. 차세대 제철법 연구개발이 시작되어 현재 예비환원된 광석과 석탄을 용융가스화로 상부에 장입, 용융환원하여 용선을 제조하는COREX기술이 개발되었다.

용융환원로에서 발생하는 고온이 고산화성 가스를 분탄을 사용하여 개질한 후, 유동층 예비환원로의 환원가스로 사용하여 8mm이하의 분광석을 약 30%까지 예비환원한 다음, 용융환원하는 DIOS법도 있다.
또 철욕식 용융환원로와 순환 유동층 예비환원로를 조합시킨 형태로 용선을 생산하는 HI-Smelt법, 용융환원로와 탈탄로를 조합시켜 용융환원로에서 용선을 제조하고 탈탄로에서 연속적으로 탈탄하는 DirectSteelmaking Process법등 많은 연구개발이 이루어지고 있다. (그림4-1참조)

가) COREX법

오스트리아의 Voest Alpine사가 개발한 Coal Ore Reduction법은, 1981~1984년까지 독일 Kehl사에서 8톤규모의 피일럿(Pilot)설비의 시험조업 후 1987년에 남아프리카공화국 Iscor사 Pretoria 제철소에 연산 30만톤(C-1000)규모의 상용설비를 준공하였으며, 계속적인 보완 작업이후 1992년 2월부터 정상조업하고 있다. (그림 4-2참조)

원료 및 연료는 8~30mm의 철광석, 펠릿(Pallet)등과 0~50mm의 고휘발분 일반탄을 사용한다. Shaft형 예비환원로에서는 용융환원로에서 발생한 1,000~1,200 C의 가스를 800 C로 낮춰 광석을 90%까지 환원시킨다. 용융환원로에서는 100% 산소를 이용, 석탄을 연소시켜 환원 광석을 용융하여 용선을 제조하게 된다. (그림4-3참조)

우리나라 뿐만 아니라 COREX법은 세계 여러나라에서 가장 선호하고 있는 용융환원제철법으로 현재 10여 개의 설비도입계획이 추진되고 있으며 그 규모도 C-2000에서 C-3000이상(연산 100만 톤 이상 가능)까지 확대되고 있어, 향후 용광로의 대체설비로 대두될 가능성을 갖고 있다.

현대 경제성을 확보하기 위한 규모의 확대와 분광 사용비율을 증가시키는 것이 이미 상용화된 COREX법의 향후 주요 발전과제이다.

나) FINEX법

8mm 이상의 괴광을 사용토록 되어 있는 COREX법의 단점을 보완, 예비환원로를 유도층로로 개조하여 100%분광을 사용토록 하는 기술이다.
현재 포항제철 및 산업과학기술연구소(RIST)와 오스트리아의 Voest Alpine사가 공동으로 개발 계획을 진행시키고 있다. 1단계로 COREX에서 최대 30% 분광을 사용가능토록 하는 조업기술을 개발하고, 2단계로 100% 분광 사용이 가능한 파일럿 플랜트(Pilot Plant)건설 및 테스트를 시행할 예정이다.

다) DIOS법

Direct Iron Ore Smelting의 약자로 1988년부터 일본철강연맹과 NSC, NKK를 비롯한 고로 6사 등 총 8개사가 참여하여 공동으로 추진 중에 있다.

원료 및 연료는 8mm이하의 분광석과 일반탄의 직접 사용이 가능하고 설비가동, 정지가 용이한 장점을 갖고 있으며, 일본내 가장 우수한 고로와 비교해도 약 10%에 가까운 용선 생산원가를 주릴 수 있는 것은 물론 이산화탄소 발생량도 5~10%감소될 것으로 전망하고 있다.

공정순서를 보면 예열로가 유동층로로서 최초의 예비환원로 역할을 하여 철광석을 500 C까지 가열하여 약 5%를 환원시킨 후, 예비환원로에서 800 C까지 가열시켜 20%를 환원시키며, 최종적으로 전로형 유동층로 인 용융환원로에서 산소를 취입, 용선을 제조한다. 

일본에서는 1965~1975년 사이에 건설된 대부분의 코크스로가 2,000~2015년 사이에 교체되어야 할 상황으로, 2000년 초반에 가서는 연산능력 100~150만 톤의 DIOS설비가 상업생산 될 것으로 전망하고 있다.

라) Direct Steelmaking법

미국철강협회(AISI)주관으로 8개 제철소, 4개 대학이 공동 참여하여 1988년 12월부터 연구를 진행해 왔다.
총 4,590만 달러의 투자비중 에너지성이 77%를 보조하여 1992년 4월 USS사 Universal 지역에 시간당 10톤 규모의 수평용융로(Horizontal Smelter)를 건설하여 시험을 시작, 1993년 11월에 종료하였다.

원료는 분광, 펠릿(Pellet) 및 고철을 사용하며, 연료는 일반탄 또는 천연가스를 사용토록 되어 있다. 특징은 용융환원로와 탈탄로를 조합 시켜 용융환원로에서 용선을 제조하고 탈탄로에서 연속적으로 탈탄하여 저탄소용강을 직접 제조하는 것이다.

공정순서는 순환유동층로 인 예비환원로에서 용융환원로로부터 발생된 고온가스를 이용하여  철광석을 0~92%까지 환원하고, 이어 2개의 Smelter에서 탈탄반응이 진행된다. (그림4-4참조)

개발현황을 보면 시험플랜트의 시험결과가 용강품질 불안정 등으로 성공을 거두지 못했으나, 제반문제들이 시험 기간중 확인되거나 해결되는 과정에 있다. 당초 관심 있는 철강업체들은 년 산 35만톤규모의 시범공장건설을 현재까지 검토해왔으며 설계 및 건설에 2년, 시범조업에 2년이 소요될 것으로 보고 있다. 그러나 시범공장을 건설하기 위해서는 Performance Gap을 줄여야 하기 때문에 도출된 시험설비의 설비보완을 추가로 실시한 후 연구를 계속할 예정이다.

마) Hi-Smelt법

High Intensity Smelting법은 당초 독일의 Kloeckner사의 상저취 전로에 의한 석탄이용 Scrap 용해법으로 호주 CRA 사가 참여하여 공동연구를 시작했다. 1984년 Kloeckner공장에 10톤 규모의 실험로를 설치, 시험을 실시하였으나 연구체제에 대한 재고로 독일측이 철수하였다. 이후 1989년 3월 CRA는 미국의 MIDREX사와 공동출자로 Hi-Smelt사를 설립하여 1991년부터 연간능력 10만 톤을 지닌 파이럿 플랜트를 서부 호주 Kwinana에 건설, 1993년 11월부터 기술개발을 위한 시험조업을 실시하고 있다.

연료로는 일반탄, 원료는 분광을 사용하여, 순환유동층 형태의 예비환원로와 전로 형태의 수평원통형 용융환원로롤 상부에서 산소와 고온의 예열공기를 취입하고 하부에서는 석탄을 취입하는 것이 DIOS법과 상이하다. 특히 용융환원로는 수평축 중심으로 회전 가능한 특징을 갖고 있다.

현재 상태로 시험조업이 이루어질 경우 2000년대 초에 실용화될 것으로 전망하고 있다.

바) CCF법

유럽의 EDS(The European Direct Steelmaking)그릅 주관하에 네델란드 Hoogovens사가 개발한 기술인 CCF(Converter Cyclone Furnace)에 대해 Hoogovens, 영국의 BS, 이탈리아의 Ilva사가 공동으로 현재 시간당 20톤 규모의 시험설비로 기술개발을 추진하고 있다.

원료는 분광을, 연료는 고휘발분 일반탄을 사용하며, Single Reactor방식으로 Converter 형태의 용기 위에 직결된 Melting Cyclone으로 분광과 산소를 취입하여 용선을 제조하게 된다.

현재 시험설비의 시험완료 단계로 향후 연산 3만톤 규모의 파일럿 플랜트를 Ilva의 주도로 이탈리아 Taranto에 건설할 계획이다.
 

2) Near Net Shape Casting

최근 주요부문의 기술개발 동향은 용융금속으로부터 최종제품에 가까운 형상을 직접주조 함으로서 중간공정(가열, 압연 등)을 대폭 생략하여 에너지 및 설비투자비, 조업비등 제조원가 절감에 역점을 두고 개발되고 있다. 현재 가장 활발하게 기술개발이 추진되고 있는 기술은 The Slab Casting 과  Strip Casting이 있다.(그림 4-5참조)

가) 박슬래브 주조기술(Thin Slab Casting)

세계 철강업은 현재 미국을 중심으로 미니밀(Mini Mill)이 현저하게 대두되고 있으며, 기술면에서  Thin Slab연주기, 직류식 전기로, 2차 정련로 및 각종 제어기술 등의 진보로 종래 고로업계의 전유물인 판재류의 생산이 가능케 되었다. 이 가운데 가장 혁심적인 기술의 하나가 박슬래브 주조기술로 유럽의 SMS, MDH, VAI에 의해 이미 CSP, ISP, CONTROL 등 3가지 공법이 상용화 되어 있다. 현행 슬래브 연주에 비해 슬래브 두깨를 200~300mm에서 20~50mm로 얇게 하여 열간압연 공정에서의가열 및 조압연공정을 수행 함으로서 조업시간단축 및 에너지 소비를 절감할 수 있다. (TS/FR : Thin Slab Flat Rolling의 개념) (표4-1참조)

특히 철원으로는 용융환원제철법에 의한 용선이나 직접환원철을 사용한 전기로-Thin Slab 연주가-열간압연의 공정을 도입 함으로서 미니밀 위주로 각국의 설비도입이 늘어나고있다. 그러나 앞서 이야기했던 신기술, 신설비가 속속 도입되어 품질개선은 물론 고급강 생산과 광폭, 박물, 중량물 생산도 곧 가능해질 것으로 예상되고 있다. 또한 TS/FR의 신기술들은 대부분이 슬래브 주조공정에서 두께를 중간(70~125mm)에서 좀더 엷은 단계(15~25mm)로 2차례에 걸쳐 주조 함으로서 내부, 표면품질을 향상시키면서 압연부문의 부하를 감소시키는 방향으로 전개되고 있다.

특히 볼래 박슬래브 연주 자체 기술개발과 실용화에 중점을 두었던 기술개발 방향이 최근에는 점차 압연기와 직결된 새로운 Mill(TS/FR)의 개발로 방향이 바뀌어 가고 있다. 이는 곧 Strip Casting 기술에 접근해가고 있음을 보여주는 것이다.

이러한 품질개선과 투자, 생산원가면에서의 우위, 100만 톤 내외에서의 경제규모 확보 등의 매력은 앞으로 지속적인  TS/FR 설비도입을 활발하게 할 것이며, 특히 새로운 철원확보 기술인 용융환원제철법이나 직접환원제철법과 연계된 설비방식이 등장할 것으로 예상된다.

일부 전무가들은 향후2000년대 초에는 선진국, 개도국을 막론하고 세계 21개국에서 52기가 건설되어 그  생산량이 5,300만 톤으로 세계 천체 열연 생산량 3억 9,300만 톤의 13.3%를 점유하게 될 것으로 전망하고 있다. (표 4-2 주요 TS/FR기술비교)

• CSP

독일의 SMS사가 세계최초로 개발한 CSP(Compact Strip Production)는 1989년 7월 미국 Nucor사의 Crawfordsville공장에서 성공적으로 가동을 시작하였다. 슬래브는 Funnel(깔때기)형태의 몰드(Mold)를 통해 분당 5.5m의 속도로 두께 40~50mm, 폭 1,350~1,560mm까지 생산할 수 있다.(그림 4-6참조)

현재까지 생산이 가능한 강종은 일반 중저급재 탄소강 위주이다. 치수정도, 형상에는 문제가 없어 주로 강관, 건재용 등으로 사용되고 있으나 최근 자료에 의하면 표면품질이 떨어져 자동차 외판 등 고급냉연용으로는 아직 사용할 수 없다고 한다.

현대까지 뉴코어 4기를 포함하여 7기가 이미 가동 중에 있으며, 국내 한보철강이 정상가동을 포함하여 공사 진행 건도 7기에 달하는 등 가장 활발하게 설비도입이 이루어지고 있다.

• ISP

In-Line Strip Production은 독일의 MDH사가 박판용 연주분야에서의 기술혁신을 위해 낮은 설비투자액, 품질향상, 낮은 조업방법을 목적으로 개발해 온 TS/FR기술이다.

1989년 5월 이탈리아 Arvedi사와 실용화 공동개발계약 이후 연산 50만 톤의 ISP 1호기가 1992년 Cremona 공장에서 조업을 시작하였다.

이 기술은 박슬래브 연주기술과 Rolling 기술을 접목한 것으로, 수직평행형 Mold를 통해 65~70mm 두께의 슬래브가 연주기 출구에서 4단 고압 Mill에 의해 15~20mm두께의 코일로 가공되며, 이어 Coil-Box방식으로 열연 Mill에 직결된다. ISP는 Mold와 최종 열연 Coiler사이의 길이가 대폭 축소되고 슬래브의 응고과정에서 Cast Rolling하며 Coil 상태의 가공 및 이동에 따라 내부 및 표면 품질개선 효과를 볼 수 있고 에너지 비용 및 설비투지비를 줄일 수 있다.

현재 열연강판의 최소두께 및 최대폭은 1.2mm*1,350mm까지 생산할 수 있는 것으로 알려졌으며  Arvedi외에 터어키 Cukurova사가 1995년 가동목표로 공사를 진행하다가 현재 중단 상태이고, 포항제철이 1996년 10월 가동목표로 공사를 진행하고 있다.

• Conroll

Conroll(Continuous Rolling)은 오스트리아의  VAI가 1980년대 이후 일관제철소의 건설이 일단락된 시점에서 Mini Mill에서도 채용가능한 혁신 공법의 기술로 박슬래브연주법으로 연구를 개시하여 1986년에 확립한 기술이다.

실용화는 VAI제강의 Linz제철소의 연주기를 개조하여 Conroll의 시범공장으로 1989~1990년에 걸쳐 조업상황이 공개되었고, 스웨덴의 스테인리스제조업체인 Avesta사가 1988년에 연주기를 개조하여 동 기술을 이용, 생산하고 있다.

본격적인 상용화는 역시 미국의 특수강 업체인 Armco사가  Mansfield공장에 최근 완공한 설비이다. 연산 100만 톤 규모로 전기로에서 생산된 보통강 및 특수강을 주조할 계획이며, 최초 스테인리스에 적용하기 위해 개발된 기술이지만 일반 탄소강 적용에 무리가 없는 것으로 알려지고 있다.

기술의 특징은 직선평행형 Mold에서 70~80mm두께의 슬래브를 주조하고 곧바로 연주기 출구에 설치된 압연기에서 50mm까지 압연하여 보다 얇은 슬래브로 만들어 압연밀의 부하를 경감하게 된다. 80mm의 Medium Slab로 품질향상, 표면결함 감소, 생산성 향상의 가장 적정한 영역을 추구하고 있다. 제품의 품질은 입자 크기가 작아 슬래브 품질개선으로 종래 방식의 생산제품과 기계적 성질이 동일한 수준을 나타내고 있으며, 스테인니스강의 경우 냉연심가공용이 품질도 양호한 것으로 평가하고 있다.

• TSP

1993년 가을 압연밀인 Steckel Mill로 유명한 미국의 엔지니어링회사인 Tippins가 투자비가 적게 소요되는 Compact공법인 TSP(Tippins Strip Process)를 발표했다. 이것은 새로운 기술개발이라기 보다는 기존기술을 효과적으로 조합한 것으로 1994년 1월 삼성중공업이 연주설비를, Tippins가 압연설비를 담당하는 공동판매 계약을 체결하면서 이름을 Tippins Samsung Process로 바꾸었다.

기존의 CSP, ISP가 두께 50mm이내의 박슬래브를 생산, 압연부문의 효율성을 높인데 비해 TSP는 두께 100~125mm 의 Medium Slab를 제조하여 표면품질을 개선할 수 있고 압연밀에 수직 Edging Mill을 설치하여 열연코일의 폭 조종이 가능한 것이 장점이다.

보통 열연코일은 두께 1.5mm부터 폭은 3,000mm의 광폭까지 생산 가능하고 또한 연주기와 Steckel Mill 이 독립적으로 운전될 수 있어 생산공정 중 어느 한쪽 끝에서 일어나는 생산손실을  줄일 수 있으며 광폭, 후판 등 다양한 수요를 소화할 수 있다.

투자비는 여타 TS/FR설비보다 25~50%정도가 저렴하여 년 산 100만 톤 정도의 설비를 시운전경비까지 포함하여 2억 달라 이하에 건설이 가능하다. 미국의 Worldclass사가 건설계획을 추진하다 사업을 포기 함으로서 현재 체코의 Nova Hut사가 추진하고 있는 연산 100만 톤 규모가 세계 최초의 상용화 설비가 될 전망이다.

이외에도 러시아, 태국, 인도 등 세계 10여 개 업체가 투자비의 저렴과 제품의 상대적 고품질, 후판-광폭재 등 다품종 생산가능 등의 장점으로 적극적인 설비도입을 검토하고 있으나 박판 생산성이 떨어져 본격적인 설비 건설은 아직 미지수인 상태다.

• CPR

독일의 Thyssen제강은 프랑스의 Usinor Sasilor사와 CSP를 개발한 SMS와 공동으로 CPR(Casting Pressing Rolling)공법을 개발중이다. 박슬래브 연주기 Mold는 CSP와 동일한 Funnel(깔대기)형을 사용하나 그 하부에 압연Roll을 설치하여 푹 1,200mm, 두께 50mm로 생산된 슬래브를 20~30mm로 더욱 얇게 만들어 품질을 유지하면서 압연부문의 부하를 감소시킨다.

1989년 파이럿 플랜트를 설치하여 연구해 오다가 1992년에 압연기를 설치하여 연속주조박판까지의 직결시험을 하고 있다. 아직 실용화 추진건은 없으며 미국의 Nucor가 계획중인 Oregan Steel에 동 기술의 도입 여부를 검토중이다.

• FTSC

이탈리아 Danieli사는 낮은 설비투자비, 에너지 절약형의 TS/FR 기술개발을 목표로 1984년부터 연구해 오고 있다. 최근 기존 기술에서 발생되고 있는 품질문제점을 개선시킨 FTSC(Flexible Thin Slab Caster)를 개발, 실용화를 추진하고 있다.

품질개선을 위해 Mold길이를 길게 하는데 착안하여 CSP의 700mm보다 3배 긴 2,100mm로 만든 고속 (주조속도 분당 7.5m), 고품질의 Mold를 개발한 것이다.

• 기타

1993년 미국의 Chaparrel Steel과 독일의 MDS사가 공동으로 연구, 발표한 UTHS(Ultral Thin Hot Strip)는 1차로 90mm두께의 슬래브를 주조하고 이어 특수압연밀(Planetary Mill)에 의해 4mm까지 대폭 강압한 후 열연밀에서 0.7mm까지 압연하는 기술이다.

열간압연밀에서 두께 1mm이하의 박판을 직접 제조하는 목적은 열연 박판으로 냉연강판을 대신 사용할 수 있는 수요처에 진출하려고 하는 것이다.

이외에 독일이 Krupp사가 박슬래브 연주기술과 고압하 밀을 조합시켜 적은 투자비로 고품질 박판을 제조할 수 있는 Krupp Ecco Mill을 발표하였다.
 

3) 박판 주조기술(Strip Casting)

박판주조기술은 슬래브를 제조하지 않고 용강에서 직접 핫코일을 제조하는 기술로서 열간압연공정 거의 전체를 생략할 수 있어 투자비는 물론 생산원가를 절감시킬 수 있는 획기적이 신주조기술이다.(그림4-7참조)

설비투지비 및 에너지 사용량 등 조업비의 대폭적인 절감은 물론 급속응고에 의한 성분원소 고용한계의 증대 및 결정립미세화 등으로 기계적 성질이 향상 됨으로서 고강도 및 고인성 재질의 생산이 가능하다. 이미 130여 년전 영국의 Bessemer에 의해 개발, 시도되었으나 필수 요소 기술인 청정강제조, 균일한 용융금속의 주입, 내열재료 개발, 계측 및 공정제어 기술 등 주변기술 미비로 개발되지 못하였다. 그러나 최근 이러한 기술들의 발전으로 1980년대 들어 본격적인 개발연구가 진행되고 있다.

기술의 개요는 용강을 직접 회전하는 Roll 또는 Molding Belt사이에 주입하여 두께 2~6mm이하의 강판을 제조하는 것이다. 현재 대부분 파일럿 플랜트 수준의 연구가, 프랑스, 독일, 영국, 미국, 이탈리아 등 철강선진 각 국에서 경쟁적으로 진행되고 있다.

일본의 경우 가장 먼저 쌍롤식 스트립케스팅 상용화 설비를 건설중에 있어 1998년중 연산 42만톤 규모의 스테인리스 제조설비를 가동시킬 계획이다.

현재 개발되고 있는 기술의 종류는 단롤(Single Roll)법, 쌍롤(Twin Roll)법, 벨트롤(Belt Roll)법 등이 있다. 1분에 수십 미터에서 100미터까지 고속으로 주조하는 기술이기 때문에 제품의 표면형상 및 품질제어에 어려움이 있으며 현재 1,000~1,300mm까지 주조 가능한 수준이다. 스테인리스의 경우는 1~2년 내, 일반탄소강의 경우 5~10년 정도 지나야 실용화 될 것으로 전망된다.

국내에서는 포항제철이 1차로 스테인리스제품을 대상으로 1998년 말까지 최종 상용화 설비의 설계를 마무리할 계획이다. 이를 위해 연구개발비 520억원을 투자하여 영국의 Davy사와 공동으로 폭 350mm 중형 Caster에서 1,300mm의 대형 Caster로, 이후에 상업화 설비를 건설한다는 단계별 연구개발이 추진되고 있다.

1996년 1월에는 산업과학기술연구소(RIST)에서 쌍롤식 스트립 캐스팅 10톤 용강주조에 성공, 상용화를 눈앞에 두고 있다.

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제5부 철강제품의 종류와 용도

5.1 철강제품의 종류와 용도

1) 개요

모든 산업의 기초소재인 철은 최초의 광물에서부터 노동용구로 처음 사용되기 시작했으며 끊임없는 제련기술의 발달을 통해 현대에는 가장 폭 넓게 사용되는 소재로써 모든 생활의 중심이 되고 있다. 앞으로도 지속적인 기술개발로 고부가가치 제품 생산과 신 강종 개발이 두드러질 전망이며 가장 편리하고 경제적인 기초소재로서의 확고한 위치를 계속 유지할 전망이다.

2) 철강제품의 종류와 용도

(표5-1)  철강제품의 종류와 용동

5.2 제품의 형상별 분류

1) 주강품(Steel Casting)

주강은 강의 주물로서 주철주물과는 외견이 비슷하나 재질이 전혀 다르며, 주철에 비하여 강하다.
주강은 전기로 및 유로에서 생산된 용강을 일정 형상을 갖춘 주형에 주입하여 만든 것으로 재질을 좋게 하기 위해서 충분히 정련된 용강을 적정온도에서 주입해야 하며 응고시의 수축을 방지하기 위해 압탕을 설치하고 가스방출을 쉽게 하는 등의 주조기술이 필요하다. 또 기계가동을 용이하게 할 목적으로 어닐링을 하여  재질을 연화하는 것이 보통이다.

최근에는 기계가동을 필요로 하지 않는 정밀 주조법이 채택되어 자동차 부품 등의 제조에 많이 사용되고 있다. 용도에 따라 특수강으로도 만드는데 내열용으로는 니켈(Ni), 크롬(Cr)이 함유된 스테인리스계가 사용되고 마모에 강한 것으로는 고망간 강이 있다.

주용도는 공작기계, 산업기계, 자동차 및 중장비부품, 선박부품, 밸브류, 제철 및 제강설비, 석유화학, 건축, 구조등에 사용된다.

2) 단강품(Steel Forgings)

단강품은 강괴, 빌릿 등 소재를 가열하여 프레스 또는 해머로 누르거나 두들겨서 만든 강으로 압연강재나 주강품 보다 강도면에서 우수하여 주강품의 사용이 곤란한 곳에 주로 사용된다. 특히 제조공정 상 용도에 적합하도록 화학성분을 고려하여 정련해야 하며 강괴 자체부터 특별한 관리를 해야 한다. 따라서 불순물이 많은 강괴 상하의 부분을 30%정도 절단하고 표면의 흠을 미리 제거한 후에 단조하기 때문에 실수율이 낮은 단점이 있다.

용도는 철도차륜 및 차축, 압연기롤 등 강도를 요하는 데에 쓰이며 각종 형태로 성형한 제품은 자동차, 선박, 철도차량의 부품, 압력용기 및 부품 등으로 사용된다.

3) 주철품(Iron Castings)

주물용 선철 및 고철을 전기로나 유도로에서 용해하여 주형에 주입하여 만든 제품을 주철이라고 한다. 주철은 강보다 탄소함유량이 높고 강괴는 판이 한 조직구조를 가지고 있어 인장강도가 낮고, 고온에서도 소성변형이 되지 않는 등의 결점이 있다.

그러나 복잡한 형상으로도 쉽게 제작할 수 있고 내 마모성과 내식성이 우수할 뿐 아니라 가격이 저렴하여 주철관을 비롯한 내연기관 실린더, 피스톤, 펌프, 농기구부분품 등에 널리 사용되고 있다.

주철에는 보통주철과 인장강도를 개선한 고급주철, 마그네숨(Mg) 또는 세륨(Ce)등을 첨가하여 강인성을 부여한 구상흑연주철, 표면에 경도를 높인 칠드(Chilled)주철 및 강의 중간성질을 갖게한 가단주철등이 있다.

주물용 선철 또는 여기에 강을 배합하여 제조한 주철관은 내부가 비어있는 것으로 형태에 따라 직관과 이형관으로 분류되며 상-하수도, 배수관으로 사용된다.

4) 압연제품

가) 보통강 열간압연강재

• 형강 (Section Mill)
• 봉강 (Bar)
• 철근 (Deformed Bar)
• 선재 (Wire Rod)
• 궤조 (Rail)
• 강판(중후판, 열연강판(Hot Rolled Steel Sheets))
• 강대(열연강대 ; Hot Rolled Steel Sheets in Coil, Hot Coil)
• P.O강판 (Pickled-Oiled Steel Sheets)
• 강시판 (Sheet Pile)
• 강륜 (Steel Wheel)

나) 보통강 냉간압연강재

• 미소둔강판 (Full Hard)
• 냉연박판 (Cold Rolled Steel Sheets)
• 냉연광폭강대 (Cold Rolled Steel Sheets in Coil)
• 냉연협폭강대 (Cold Rolled Steel Sheets in Coil)
• 석도용원판 (Black Plate)
• 전기강판 (Electric Steel Sheets)
• 표면처리강판 (석도강판(Tin Plate), 아연도금강판(Galvanized Iron)-전기아연도금강판(Hot Dipped Galvanized Iron 약칭 HDGI, CGI), 전기아연도금강판(Electrolytic Galvanized Iron 약칭 EGI), 크롬도금강판, 니켈도금강판, 전기도금강판, 전기동도금강판, 아연-알루미늄합금도금강판(Zinc-Aluminum Alloy Coated Steel Sheets), 착색강판(Color Coated Iron, Prepainted Steel Sheets))

다) 강관

• 보통강 제법별 강관(단접강관, 전기용접강관, 아크용접강관, 냉간인발강관, 포리에틸렌피복강관, 아연도금강관)
• 보통강 용도별 강관(배관용강관, 특수배관용 강관, 송유관 및 유정용 강관, 전선관, 구조용강관, 비닐하우스 용 아연도금강관)
• 특수강 제법별강관(무계목강관(Seamless Tube), 단접강관, 전기용접강관, 아크용접강관, 냉간인발강관)
• 특수강 용도별 강관(배관용강관, 구조용강관, 열교환기용강관)
• 주철관

라) 선재

• 보통강 선재(철선, 아연도금철선, 경강선, 아연도금경강선, 용접봉 심선)
• 특수강 선재(PC강선, 이형PC강선, 스테인리스 강선, 비드와이어, 냉간압조용 강선(CHQ : Cold Head Quality))
• 선재2차가공 제품 (와이어 로프, 항공기용 와이어로프, 강연선, 타이어코드, 스프링, 철망, 철조망, 어닐링선(Anealing), 철못, 전기용접봉)

5.3 제품의 강종별 분류

1. 보통강- 일반탄소강
2. 특수강- 공구강 ; 탄소공구강, 합금공구강, 고속도공구강

                 구조용 강; 기계구조용 탄소강, 구조용 합금강
                 특수용도 강 ; 스프링강, 베어링강, 스ㅌ인리스강, 내열강, 쾌삭강, 피아노선, 고장력강,            고망간강등

1) 탄소강

가) 아암코철(Armco Iron)
나) 극연강 (Very Mild Steel)
다) 연강 (Mild Steel)
라) 경강 (Hard Steel)
마) 최경강 (Very Hard Steel)
바) 탄소공구강 (Carbon Tool Steel)

2) 특수강

가) 개요

특수강은 자동차, 산업기계, 건설, 방위산업, 중장비, 화학 및 발전 플랜트, 가전제품, 항공우주산업 등에 이르기까지 폭 넓은 중화학공업의 기초소재로서 기계와 설비의 성능과 수명에 직결되는 핵심부품소재이다. 또한 자동차 및 철도차량의 경량화, 부품소형화에도 필수적인 소재로 개발 되고 있으며 저렴하고 양질의 특수강 소재는  자본재인 기계산업의 경쟁력을 뒷받침하는 바탕이 된다.

대부분의 고급 특수강은 다품종 소량이며 주문생산방식이므로 계획생산하는 일반강의 대량생산방식에 비하면 생산설비의 투자효율이 매우 낮은 편이다. 또 소비자의 요구가 까다로워 강종개발에 품목별로 3~8년 정도 장기간 소요되므로 인내심을 갖고 투자해야 빛을 보게 되는 어려운 산업이다.

우리나라 특수강업계는 대규모 시설투자를 통해 생산규모의 대형화, 공정의 연속화, 생산시설의 고속화 및 자동화를 달성한 것은 극히 최근의 일이다. 이는 무한경쟁속에 서 살아 남기 위한 불가피한 선택이었음과 동시에 제조업의 국제경쟁력 강화와 같은 국가목표달성을 위해 특수강업계가 해야 할 당연한 의무이기도 했다.

특수강은  자동차, 기계, 조선, 전자, 항공 등 각종 2차 산업 제품의 기초소재로 사용되기 때문에 최종제품의 원가, 품질, 성능을 크게 좌우하는 특성을 가지고 있다. 따라서 특수강 사업의 경쟁력은 철이 더 강하고, 가볍고, 가공하기 쉽고, 더 싸게 만들어 내느냐에 달려있는 바, 연구개발 능력이 바로 경쟁력 확보의 필수 조건이라 할 수 있다.

나) 특수강의 정의

일반적인 특수강의 개념으로 광의의 정의는 보통강 이외의 모든 강을 특수강으로 정의하며 협의의 정의는 합금강만을 특수강으로 간주한다고 볼 수 있다. 그러나 일반적으로 통용되는 개념을 정의하면 다음과 같다.

• 일반 탄소강에 비하여 1종이상의 합금원소를 첨가하여 특수한 성질을 부여한 강
• 특수한 제강방법을 통하여 불순물을 극히 낮은 수준으로 제어한 강
• 특수한 용도에 적합한 열처리를 통하여 소정의 성능을 발휘하는 강
• 품질상으로 균일하고 요구 특성에 대한 재현성이 보증되는 강

일반강과 특수강을 비교해 볼 때 특수강은 보통강에 비해 자동차, 산업기계, 방위산업, 항공우주산업 등 부품의 성능과 수명 등을 좌우하며 소형화, 경량화를 실현할 수 있다.

특수강을 분류하면 크게 형상과 강종별로 분류할 수 있다.
형상별로는 조강류(봉강, 형강, 선재), 판재류, 강관, 주강으로 분류하고 강종별로는 공구강, 구종용강, 특수용도강으로 분류하며 화학성분이나, 용도에 따라 재질을 세분화하고 있다.

다) 합금원소별 분류

강에 동(Cu), 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo), 바나듐(V)등의 특수원소를 1~2종 이상 첨가하여 성능을 향상시키거나, 탄소강에 함유해 있는 망간(Mn)이나 규소(Si)의 양이상으로 첨가하여 특수 기능을 부여한 강을 합금강이라 한다.
일반적으로 합금원소가 약 5%이하의 것을 저합금강, 스테인리스강과 같이 합금원소가 약 10%이상의 것을 고합금강이라 한다.

• 망간강 (Manganese Steel)
• 크롬강 (Chrome Steel)
• 텅스텐강 (Tungsten Steel)
• 니켈강 (Nikel Steel)
• 니켈크롬강 (Nickel-Chrome Steel)
• 몰리브텐강

라) 용도별 분류

• 구조용강의 종류 및 용도(기계구조용 탄소강, 구조용 합금강)
• 공구강의 종류 및 용도 (탄소공구강, 합금공구강, 고속도공구강, 중공강)
• 특수용도강의 종류 및 용도(스프링강, 베어링강, 내열강, 쾌삭강, 피아노선재, 고장력강, 고망간강, 냉간압조용탄소강, 스테인리스강)

5.4 철강제품 규격

1) 각국공업규격

• 한국공업규격 (KS : Korea Standards)
• 일본공업규격 (JIS : Japan Industrial Standards)
• 미국국가규격 (ANSI : American National Standards)
• 미국재료시험협회 (ASTM : American Society for Testin and Materials)
• SAE (Society of Automotive Engineers)
• API (American Petroleum Institute)
• ASME (American Society of Mechanical Engineers)
• UL ( Underwriters Laboratory)
• BS (British Standards)
• DIN (Deutxcher Normenausschus)
• NF (Norm Francaise)

2) 선급협회

• 일본해사협회 (NK : Nippon Kaiji Kyokai)
• 영국선급협회 (LR : Lloyd's Register of Shipping)
• 미국선급협회 (ABS : American Bureau of Shipping)
• 프랑스선급협회 (BV : Bureau Beritas)
• 노르웨이선급협회 (NV : Norske Veritas)
• 독일선급협회 (GR : Germainscher Lloyd's)
• 한국선급협회 (KR : Korean Register of Shipping)
• 중국시헙협회 (CR : China Corpolation Tetister of Shipping)
• 이탈리아선급협회 (RINA : Registro Italian Navale)
• 중국선박험험국 (ZC : Register of Shipping The People's Republic of China)

3) ISO(International Organization for Standadization)