철강제조과정이랑 공정,철의 이야기

[방글이]

1. 제선공정

고로에 철광석을 넣고 코크스를 태워서 철광석중의 산소를 제거하고 용해시켜 선철로 만드는 공정이지만 철광석을 사전처리하는 소결이나 코크스를 만드는 과정도 포함하여 넓은 의미의 제선(製銑)이라 한다.

[철광석과 소결 공정] 철광석은 보통 30 ~ 70%의 철분(Fe)을 함유한 광석을 의미한다. 좋은 철광석이란 철분이 풍부하고 황(S), 인(P), 동(Cu)과 같은 유해성분이 적으며 크기가 일정한 것을 들 수 있는데 이와 같은 이상적인 철광석은 그리 흔하지 않고 원산지에 따라 품질, 성분, 형상이 각기 다르므로 그대로 고로에 투입할 수는 없다. 따라서 고로조업에 투입하기 전에 품질을 고르게 하고 철광석 가루를 일정한 크기로 만들어 내는데, 이를 소결공정이라 한다.

[석탄(원료탄)과 코크스 공정] 코크스는 석탄을 코크스로(爐)에 넣어 1,000 ~ 1,300℃의 고온으로 장시간 구운 것으로 철과 산소의 화합물인 철광석을 고로내에서 녹이는 열원인 동시에 철분을 철광석에서 분리시키는 환원제로서 필수 불가결한 역할을 한다.

[제선공정] 고로(용광로)는 제철소의 상징이며 심장으로 일컬어 진다. 철광석(소결광), 코크스, 석회석은 고로 윗부분에 넣어져 서서히 아래로 떨어진다. 이때 코크스는 고로 밑부분에 유입되는 열풍에 의해 연소되는데 이 과정에서 발생하는 일산화탄소(CO)가 철광석과 환원반응을 일으키면서 쇳물이 생산된다. 즉, 코크스는 철광석을 녹이는 열원으로서의 역할과 산화철인 철광석에서 산소와 쇳물을 분리시키는 역할을 한다. 고로에 장입된 철광석이 쇳물로 나오기까지는 5 ~ 6시간 정도가 소요되고, 이때 쇳물의 온도는 1,500℃ 정도이다.

공기가 코크스를 태우면서 일산화탄소(CO)가 발생하여 철광석이 환원되고 코크스로 직접 철광석중의 산소를 빼앗아 환원작용을 한다. 환원된 철은 탄소를 흡수하여 선철이 되어 노바닥에 고인다. 고로(高爐)는 문자 그대로 높이 우뚝 솟은 고대한 노(爐)를 말하여 제철소의 상징이다. 본체는 길쭉한 원통형으로 바깥쪽은 두터운 철판으로 되어 있고 안쪽은 내화벽돌로 두껍게 쌓여 있다. 노의 높이는 40~50m 정도이며, 부속설비까지 포함하면 100m를 넘는다. 또한 고로는 그 자체가 거대한 설비와 방대한 원료를 소비하므로 원료를 받아들이기 위한 항만설비나 하역설비 등도 완비되어 있지 않으면 안된다. 우리나라에는 이러한 시설과 입지를 갖추고 있는 고로업체로서는 유일하게 포항종합제철(주)가 있으며 포항과 광양에 각각 제철소가 있다.

2. 제강공정

(1) 개요 제선공정을 거쳐 나온 선철은 탄소함유량이 많고 상당량의 인(P), 황(S), 규소(Si)와 같은 불순물이 함유되어 있어 경도가 높고 취약한 성질이 있다. 이러한 선철을 잘 늘어나면서 강인한 강(鋼)으로 만들려면 다시 정련하여 탄소(C)의 양을 줄이고 유해한 불순물을 제거하지 않으면 안 된다. 유해한 불순물을 제거하기 위하여 예로부터 여러 가지 방법이 시도되어 왔다. 그러나 철은 탄소량이 감소하는데 따라 용융점이 높아지므로 겨우 선철을 용해하였더라도 다시 굳어져 버리는 난점이 있어 근세에 이르기까지 철의 대량생산이 불가능하였다.1784년 영국의 헨리코트(Henry Cort)가 교련법(Puddling Process)을 발병하였다. 이 방법은 철의 이용 확대에 크게 기여한 바 있으나 제조된 연철에는 다량의 찌꺼기가 혼입되어 있어서 이를 제거하기 위해 단련을 되풀이 하지 않으면 안 되는 결점이 있었다. 따라서 철 괴에 혼입되어 있는 찌꺼기(Slag)를 제거하기 위해서 해머로 때리는 작업을 하여 1회 제조시간이 24시간 정도나 소비되었다. 근대적인 제강기술이 확립된 것은 19세기 후반으로 베서머(Bessemer) 및 토마스(Thomas)전로, 지멘스(William Siemens)평로, 전기로가 계속 발명되어 1,600℃ 이상의 고온에서 정련된 강을 대량으로 제조하는 방법이 비로소 완성된 것이다. 그 후 이러한 제강법은 여러 가지 개량이 이루어지고 새로운 기술이 개발되어 오늘에 이르렀다. 특히 1954년 오스트리아의 린츠(Linz)와 다나비트(Danawitz)의 두 공장에서 공업화된 LD전로(두 공장의 첫 자를 따서 LD로 명명함)의 출현은 재래의 제강법을 획기적으로 개선시켰다. 현재의 제강법은 LD전로와 전기로가 주류를 이루고 있으며, 평로는 점차 감소하고 있다.

[제강공정] 고로에서 생산된 쇳물(용선)은 탄소(C) 함유량이 많고 인(P), 유황(S)과 같은 불순물이 포함되어 있어 부스러지기 쉽다. 이러한 쇳물을 강인한 강(鋼)으로 만들려면 탄소의 양을 줄이고 불순물을 제거하는 과정이 필요한데 이러한 과정이 제강공정에서 이루어진다. 제강공정은 용선예비처리, 전로제강, 2차정련이라는 세가지 과정으로 구분할 수 있다.
첫째, 용선예비처리는 쇳물에 포함된 불순물 인과 유황 성분을 제거하는 공정이다. 둘째, 전로제강공정은 전로에 쇳물을 부은 후 고압, 고순도의 산소를 불어넣어 탄소를 태우고 불순물을 없애는 공정으로서 철강의 기본적인 품질을 결정하는 공정이다. 마지막으로 2차정련은 최종제품 내부품질(성분, 재질 등) 요구조건에 맞게 제어하는 공정이다.

[연속주조 공정] 연속주조법은 제강공정을 거친 쇳물(용강)을 주형(Mold)에 주입하여 일정한 모양을 만들고 연속주조기를 통과하면서 냉각, 응고시켜 연속적으로 슬래브나 블룸, 빌릿 등을 제조하는 방법이다.

(2) 제강법의 종류

① 평로(平爐, Open Hearth Furnace) 영국인 지멘스(William Siemens)는 축열식 가스로를 연구하여 이를 제강로에 적용하는 기술을 개발하였고 프랑스에서 마틴(Martine)은 1864년 이 노(爐)에 의하여 용강을 제조하는데 성공하였다. 이것이 평로제강법의 시초이며 용해실이 평단(平袒)한 선저형(船低形)을 이루고 있어 평로라고 명명되어 왔으며 양시조의 이름을 따서 지멘즈-마틴노(爐)라고도 불리운다. 평로의 연료로는 중유 또는 중유와 코크스가스의 혼합방식이 대부분이며 평로의 용량은 보통 조업 1회당 표준 출강 량으로 표시되며 대형일수록 생산능률이 높고 생산비용이 낮아진다. 평로제강법은 일찍이 제강로의 주류를 형성한 때도 있었으나 그 후 전로 및 전기로가 발달함에 따라 정련시간이 길고 열효율이 낮아 세계적으로 자취를 감추고 있다.

② LD전로(LD轉爐)   전로내에 용선 및 소량의 고철, 소석탄 등을 장입한 후 순도 높은 산소가스를 위에서 고압으로 취입하여 선철에 함유되어 있는 탄소(C), 망간(Mn), 규소(Si), 인(P), 황(S) 등을 산화연소시키며, 그 산화물은 슬래그(Slag)화하여 제거한다.

전로는 99.5%이상의 고순도 산소를 사용하므로 강중의 질소함유량은 평로강보다 낮으며 또한 산소가 집적 탕면에 충돌하는 부근에서의 온도가 2,000~3,000℃가 되어 석회에 의한 슬래그화도 신속할 뿐만 아니라 탈인과 탈탄이 병행되므로 언제나 인과 산소함유량이 낮은 강을 제조할 수 있는 장점이 있다. 즉 불순물이 적은 양질의 강을 불과 30~40분(평로는 4~5시간)이라는 단 시간내에 얻을 수 있고, 건설비가 비교적 저렴한 것 외에도 생산성이 높아 작업비가 싸다는 이점이 있다. 이 외에도 원료로는 용선이 대부분이고 고철 장입량은 10~20% 정도로 낮으므로 일관제철소에서는 제철소내에서 발생하는 고철로 대부분 그 소요량을 메꿀 수 있다. 따라서 고철을 외부에서 구입할 필요가 없는 이점도 있다.

③ 전기로(Electric Arc Furnace)  전기로는 전열을 이용하여 강을 제조하는 노(爐)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 두가지 방식이 있다. 따라서 전기로는 제강시, 특히 고철용해시 막대한 전력이 소요된다는 것이 특징이다. 이에 따라 전기로 공장내에는 고전압 수전설비가 필수적으로 설치되어 있다. 아크로는 1878년에 독일인 지멘스(William Siemens)가 발명하였고, 1899년 프랑스인 에루(Heroult)가 에루식 전기로를 완성하였다. 현재 흔히 쓰이고 있는  크  로는 대부분이 에루식 또는 그 개량 형이다. 한편 유도로는 1861년 에이젝스(Ajax Noslap)가 발명한 것으로서 노의 용량이 10톤 미만의 소규모이므로 내열강, 고속도강 등의 고급 특수강이나 주물을 제조하는데 사용되고 있으며, 사용하는 전류의 주파수에 따라 고주파유도로와 저주파유도로로 구분한다. 그러나 아크로만큼 일반화되어 있지 않기 때문에 대체로 전기로라고 할 때에는 아크로를 지칭하는 경우가 많다.

3. 압연공정

(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 사용목적에 맞도록 편리한 모양으로 가공 변형한 것이 강재(鋼材)이다. 강괴를 1차 가공하여 필요한 강재로 제조하는 방법에는 압연, 단조, 주조 등 크게 3가지 방법이 있다.

① 압연(Rolling) 강괴 또는 강편과 같은 소재를 회전하는 2개의 롤(Roll) 사이에 끼우고 롤의 간격을 점차 좁히면서 연속적인 힘을 가하여 늘리거나 얇게 성형하는 소성가공이다. 마치 밀가루 반죽을 방망이로 미는 것과 같은 원리이며 이 방법으로 만들어진 제품을 압연강재라 한다. 단조, 압출, 인발 등의 가공에 비해 비교적 단순한 형상의 제품을 능률적으로 만들 수 있는 매우 우수한 방법이다.

[열간압연 공정] 압연이란 연속주조 공정에서 생산된 슬래브, 블룸, 빌릿 등을 회전하는 2개의 롤(Roll) 사이에 끼우고 롤의 간격을 점차 좁히면서 연속적인 힘을 가하여 늘리거나 얇게 만드는 과정을 말한다. 열간압연은 슬래브를 압연하기에 적당한 온도인 1,100℃ ~ 1,300℃까지 가열한 후 고객이 원하는 두께와 폭으로 압연하는 과정이다. 열연강판은 자동차, 건설, 조선, 파이프, 산업기계 등 산업 전분야에 없어서는 안될 중요한 소재이다. 열간압연 공정을 거쳐 완성된 열연 제품은 그대로 제품으로 판매되기도 하며, 일부는 냉연공장에서 가공되어 다양한 제품으로 생산된다.

[후판 공정] 열간압연 공정과 마찬가지로 슬래브 가열후 압연하는 동일한 공정을 거치게 되고 생산된 제품은 두께가 6mm ~ 200mm, 폭이 1,000mm ~ 4,500mm이며, 길이가 3m에서 최대 25m가 되는 두껍고 평평한 판이다. 이렇게 생산된 제품은 건축용, 교량용, 조선용, LNG 탱크용 등으로 사용된다.

[선재 공정] 막대기 모양의 빌릿을 가열한 후  27 ~ 29개의 압연기를 연속으로 통과시켜 단면을 축소하고 길이를 증대시키는 방식으로 철사모양의 선재가 생산된다. 선재는 스프링, 피아노선, 타이어의 소재, 볼트·너트, 베어링 등의 소재가 된다

[냉간압연 공정] 냉간압연이란 열연공정을 마친 열연강판을 화학처리하여 표면의 녹을 제거하고 상온에서 다시한번 압연하는 과정이다. 냉연강판은 두께가 얇고 표면이 미려하며 가공성이 뛰어나 자동차, 가전, 가구, 사무용품 등에 사용된다.

[소둔 공정] 냉간압연을 거치면 강판의 경도가 높아지고 가공성이 떨어지게 된다. 이러한 문제는 냉연 강판을 600℃ ~ 850℃로 가열하고 일정시간 유지시켜서 부드럽게 만들어 주는 소둔공정을 통해 해결할 수 있다. 소둔 공정에는 소량생산에 적합한 상자식 소둔법과 대량생산에 적합한 연속식 소둔법이 있다.

[전기도금 공정] 전기도금 공정은 전류를 이용해 금속을 코팅하는 공정이다. 즉 도금하려는 금속(강판)을 음극으로 설정해 도금액을 넣고 전류를 통하면 도금액중의 금속 이온이 음극면으로 이동하는 전기 화학적 반응을 이용한 것이다. 주로 가전제품에 사용되는 아연-철 합금도금강판 및 아연-니켈 합금도금강판, 자동차 연료탱크 등에 사용되는 납-주석 합금도금강판 등이 있다.

[용융 아연도금 공정] 냉연강판을 녹아있는 아연 포트(Pot)에 통과시켜 아연을 한겹 입히는 과정이다. 아연도금강판은 대기중에서 극히 얇은 산화막을 형성, 강판 표면을 보호하며 녹발생을 방지한다. 그리고 가공성, 용접성이 뛰어나고 외관이 미려해 자동차, 가전, 건축 등의 용도에 사용된다.

[석도강판 공정] 전기도금 공정과 동일하나 도금소재가 주석인 점이 다르다. 석도강판은 주로 음료용 캔의 소재로 사용된다. 캔을 만드는 데 소요되는 에너지량은 알루미늄에 비해 8배나 적게 들고 분리수거 또한 철의 자성을 이용하기 때문에 재활용이 쉬워 환경보호에 적합한 소재이다.

[전기강판 공정] 첨단의 제조기술을 요구하는 고부가가치 제품인 전기강판은 제강공정에서 규소(Si)를 3% 정도 첨가한 강으로서 전자기적 성질이 우수한 강판이다. 전기강판에는 두가지 종류가 있는데 변압기 철심에 사용하는 방향성 전기강판과 모터에 사용하는 무방향성 전기강판이 있다.

② 단조(Forging) 강괴를 강력한 프레스(Press)기계로 누르거나 또는 해머(Hammer)로 때려서 원하는 형상으로 만드는 것으로 그 제품을 단조품 또는 자유 단조품이라 하며 재질이 치밀하고 단단하다. 단조의 목적은 형을 만드는 것, 성장한 결정입자를 파괴해서 인성을 부여하는 것으로 재료의 낭비를 없애고 양질의 기계적 성질을 만들어 내기 위한 것이다.

③주조(Casting) 용강을 각종 주형에 주입하여 원하는 형상으로 만든 제품을 주강품이라고 하며, 압연으로 제조할 수 없는 복잡한 형상의 기계부품과 같은 것을 만드는데 적합하다. 그러나 제품의 기계적 성질이나 신뢰성 면에서 다소 뒤 떨어진다. 이상의 세가지 방법으로 만들어진 제품을 모두 강재라 하며, 그 중 압연강재의 생산량이 압도적으로 많기 때문에 일반적으로 강재라 하면 압연강재를 지칭하는 경우가 많다.

건축에 사용되는 철 이야기 (철 좀 들어라!)

철은 탄소의 함량에 따라 선철, 연철, 강철, 등으로 나누어진다. 철기시대 초기, 철은 400℃~800℃의 낮은 온도에서 만들어졌다. 단철이라고 불리는 이 정도 수준의 철은 문고리 등 간단한 도구를 만드는 데는 적절할지 몰라도, 건축 구조재로서는 쓸모없는 것이다. 철을 이용한 새로운 건축문화가 태어나려면 아직도 오랜 세월이 필요했다.15세기에 이르러서야 비로소 길이 열리기 시작했다. 유럽의 독일 지방에서 목탄(숯)을 연료로 1200℃까지의 고온을 얻어 탄소 함량이 비교적 높은 선철을 만들어낸 것이다. 여기서 나온 선철이나 주철은 건축물의 부품과 장식을 겸한 주철 기둥, 출입구의 인방보, 계단의 난간 등에 사용되었다. 그러나 목탄을 이용한 제철법은 연료인 나무 부족으로 인해 한계에 부딪치고 만다.
그후 1784년 콜브루크데일(Coalbrookdale)제철소 직원이었던 헨리 코트(Henry Cort)가 목탄 대신에 석탄을 사용하고 끓는 쇳물을 휘젓는 방법(퍼들법)으로 더욱 품질이 좋은 철을 만들었는데 이것이 바로 연철이다. 연철은 곧바로 주철을 밀어내고 건축 구조물에 쓰이기 시작한다. 이후부터 강철이 등장하는 19세기 말까지 연철의 시대가 계속된다.
그러다가 1856년에 미국의 윌리엄 켈리와 영국의 헨리 베서머에 의해 강철을 값싸고 대량으로 생산할 수 있는 방법이 개발되자, 강철이 연철을 밀어내고 가장 중요한 재료로 자리잡았다. 강철은 다른 구조 재료에 비해 인장강도, 압축강도, 전단강도가 크게 높고 또 고른 편이다. 어떤 무게나 힘에도 견디는 강력한 재료로 철을 따라갈 만한 것이 없다는 뜻이다.
또한 강철은 단위 체적에 대한 단가가 다른 재료보다 훨씬 비싼 편이지만, 단위 무게에 대한 강도를 비교하면 강철이 훨씬 유리하다. 비중이 2.4인 철근 콘크리트가 단위 면적당 70kg의 무게를 받을 수 있다. 강철이 약 7배가량 유리한 셈이다. 그러므로 무게가 가중되는 고층건축물이나 긴 다리에는 강철 구조가 가장 알맞다.