고고학에 의하면 철의 기원은 인류가 불을 사용하여 철보다 상대적으로 낮은 가공온도를 갖고 있는 청동을 가공하면서부터 시작되었다고 한다. 그러나 철은 부식하기 쉬운 성질 때문에 오래된 유품이 별로 없고 따라서 정확한 철기문화의 시작시기를 추정하는데 어려움이 많다. 신석기시대의 인류는 돌을 갈아서 무기나 도구를 만들어 사용하였으나 그 후 불을 사용하여 동, 청동을 가공하여 돌을 대신하여 사용하였다. 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. 한편으로는 고대 원시림의 산불에 의해 철광석이 환원되어 반용융상태로 굳어진 것을 산불이 지나간 후에 장인들이 채취하여 철기로 시작했다는 설도 있다. 고대 희랍인들은 철을 '와에베'라고 불렀다고 한다. 이것은 '하늘의 산물'이라는 뜻으로 '운석'을 의미한다고 한다. 운석은 철(Fe)과 니켈(Ni)의 합금으로 되어 있다. 운석을 분석해 본 결과 그 안에는 철 이외에도 니켈성분이 4-20% 함유되어 있고 코발트(Co) 성분이 0.3-1.6%로 구성되어 있는 것으로 보고 되어 있다.
고대 중국에서도 기원전 14세기의 유물에서 청동기의 칼날 부분에 운석을 붙여 사용한 제품이 나온 것으로 알려져 인류가 최초에 사용했던 철은 운석이었음을 뒷받침하고 있다. 이와 같은 설에 의해 철이 탄생되었다고 볼 수 있으나 철을 광물에서 제련하게 된 것은 훨씬 후대의 일이다. 왜냐하면 이전까지 철을 녹이기 위한 온도를 쉽게 얻을 수 없었기 때문이다.
2. 철의 역사
철을 제련하는 방법은 처음에는 광산에서 캐낸 철광석 덩어리 위에 장작을 태워서 얻은 열로 녹이는 단순한 방법에서부터 시작되었다. 그 후 장작대신 목탄을 쓰게 되었으며 온도를 높이기 위하여 풍구를 이용하거나 또는 간단한 노를 사용하게 되었다. 이와 같이 철의 역사는 철광석을 녹여서 철기를 만들었던 기간이 대부분 차지하고 있으며 오늘날 우리들이 사용하고 있는 것과 같은 선철이나 강철을 만들기 시작한 것은 그리 오래되지 않았다.
14세기 초에 처음으로 목탄을 사용하는 용광로로 이용하여 선철을 만들기에 이르렀으며 18세기에 비로소 목탄 대신에 코크스(Cokes)를 사용하는데 성공하였다. 그러나 이와 같은 방법으로 만들어 낸 선철은 단단하기는 하지만 잘 늘어나거나 펴지지가 않았기 때문에 두드려서 일정한 형태의 모양으로 만들기가 어려웠다. 따라서 철을 좀 더 여리게 하는, 즉 기계적, 물리적 성질을 향상시키는 여러 가지 방법이 연구되었다. 대표적인 것으로 석탄을 사용하여 선철을 연하게 하는 교련법(Puddle Process)이 1784년 영국의 헨리 코트(Henry Cort)에 의해 발명되었다. 이후 1856년에 영국의 베세머(Henry Bessemer, 1813-1898)는 용해된 선철에서 강철을 대량 생산할 수 있는 전로(Converter)를 개발하였다. 1864년에는 영국인 지멘스(Wilhelm Siemens, 1823-1883 / Friedrich Siemens, 1826-1904) 형제가 평로제강법을 특허로 얻은 것을 프랑스인 마틴(Pierre Martin, 1824-1915)이 이를 더욱 발전시켜 19세기 후반에 1,600℃이상의 고온에서 정련된 강을 대량으로 제조할 수 있는 근대적 제련법의 기반이 확립되었다.
그 후 제강기술이 급속히 발전하여 1954년 오스트리아의 린스(Linz)와 도나비츠(Donawitz) 두 개의 공장에서 산소전로(두 공장의 머리글자를 따서 LD전로라고도 부름)가 상업화 됨에 따라 근대적 제련법이 획기적으로 개선되었다.
3. 제철기술의 발달과정
철로 만들어진 도구가 출현한 시기는 대략 기원전 1100년 이후로 추정하고 있다. 그 당시 제철기술은 내화성이 있는 돌로 만든 연로(Bloomery)에서 숯불로 철광석을 환원시켜 철을 녹였던 것으로 추측된다. 그러나 가열온도가 지금처럼 높은 상태로 만들기 불가능했을 것이라는 점을 감안할 때 이 당시 만들어진 철은 철광석이 반쯤 용해된 상태로써 두드려서 철 이외의 성분을 제거, 단철을 만들었을 것으로 보인다.
그 이후 오랜기간이 흘러 14-15세기 무렵 유럽 독일지역에서 목탄을 원료로 하는 고로가 만들어졌는데 수차를 이용하여 바람을 일으켜 고로 안에 강한 바람을 불어넣어 온도를 높여서 선철을 만들어냈다. 선철은 탄소를 1.7%이상 함유하며 보통 3-4%를 차지하고 있고 순철의 용융점이 1,520℃인데 반해 선철은 1,200℃까지 낮아진다. 이렇게 하여 선철을 쉽게 만들수 있는 용광로(고로)가 탄생하였다. 그러나 선철은 탄소성분이 높아서 주조는 가능했으나 단조는 어려움이 많앗기 때문에 목탄고로에서 만든 선철을 연로속에 목탄과 함께 넣고 다시 연소시켜 탈탄하는 방법이 고안되었다. 이것을 정련로라고 하는데 이와 같이 고로에서 선철을 만들고 정련로에서 탈탄시켜 가단철을 만드는 2단계 제철법이 현재 제철법의 기본이 되었다. 그 후 이 제철법은 유럽대륙에서 영국으로 넘어가면서 전성기를 맞이하게 된다.
영국에서 고로에 의한 제철소는 물동력 이용과 자재운반의 편리성 때문에 강의 물줄기를 따라 세워졌고 셰필드(Sheffield)가 그 한 예이다. 그러나 목탄을 사용하는 고로는 목탄공급이 큰 문제였다. 영국 잉글랜드지역에서 석탄이 많이 나왔고 16세기부터 석탄을 일반연료로 쓰고 있었기 때문에 석탄을 제철원료로 이용할 생각을 하게 된 것이다.
제철원료로 석탄이 사용되기 어려웠던 점은 석탄속에 함유된 유황(S)성분이 철에 흡수되면서 철이 물러져 못쓰게 되기 때문에 유황성분 제거가 문제가 되었다. 또한 석탄은 목탄보다 연소가 힘들고 회분이 많은 것도 있기 때문에 고로내부가 막힐 염려가 있었으며 고온에 견디는 노의 건설도 문제였다. 이러한 문제점은 1709년 에이브라함 레비 I세(1677-1717)가 처음으로 코크스를 사용한 고로제철에 성공함으로써 해결되었다.
코크스로 제조된 선철은 인(P)과 유황이 아직도 많이 함유되어 주철로 사용할 수는 있었지만 목탄철에 비해 품질이 떨어졌다. 1735년 레비 II세는 단철용 선철제조에 성공했으며 1776년 제임스 와트의 증기기관 원리를 이용하여 기존 수차를 대신하여 강한 바람을 고로에 불어 넣을 수 있게 되었고 같은 해 헨리 코트에 의해 정련법의 대혁명인 퍼들법이 발명되면서 코크스고로는 점차 증가되어 18세기말에는 코크스고로가 중요한 위치를 차지하게 된다. 그러나 철제품을 만드는 원료인 단철은 그 때까지도 선철을 목탄으로 정련하여 만들었기 때문에 고로에 코크스를 사용했어도 전체적으로는 목탄소비가 많았었다.
18세기 이후 주철주조에 반사로에서 주철을 재용해하는 기술이 상업화되어 철주조에 많이 이용되었고 콜부룩데일(Coalbrookedale)제철소의 기술자였던 크레이니지(G.&T. Cranage)와 오니온(Peter Onions)에 의해 반사로에서 석탄을 사용하여 선철을 정련하는 방법이 기초되었고 1784년 헨리 코트가 이 선철정련기술을 완성시켰다.
노내부의 선철은 화염의 반사열로 용해되므로 석탁과 직접 접촉되지 않으며 용해한 선철은 화염의 산소에 의해 탄소가 산화되어 제거되는 한편 철은 탄소를 잃으면 용융점이 높아져서 유동성을 잃게 되어 쇳물이 스스로 섞여지는 능력을 잃게 되므로 휘저어서(Puddling) 반응을 진행시켰다. 따라서 이러한 방법을 퍼들법이라고 부르게 되었다. 헨리 코트는 이 정련법을 종래의 두드림에 의한 단조가 아닌 증기기관에 의한 압연공정과 결합시켜 판이나 봉을 강력한 롤러사이로 여러번 통과시켜 단조하는 방법을 확립시켰다. 퍼들법에 의해 정련된 단철은 품질이 우수해 퍼들철 또는 연철이라고 불리우며 주철 대신 구조물에 많이 사용하게 되었고 1850-1860년 이후 약 50여년동안 연철의 시대를 누렸다.
19세기 접어들어 유럽의 제철은 영국을 선두로 각국이 코크스고로, 퍼들압연법 등을 도입하면서 급속히 발전했고 유럽내 철도의 확장에 의해 더한층 가속화되었다. 1828년 닐슨(James B.Nielson)은 종래의 냉풍을 대신해 열풍을 이용한 고로조업법을, 나스미스(James Nasmyth)는 증기해머를 발명하여 제철규모는 더욱 확장되었다. 그러나 철생산에 커다란 문제점이 발견되었다. 즉, 고로는 냉풍대신 열풍으로 이용하게 만들 수 있었으나 이 고로와 압연기 사이에 있는 퍼들로는 더 크게 만들 수 없었기 때문이었다. 퍼들로의 작업은 사람의 손에 의한 것이었기 때문에 고로와 같은 진보는 불가능했었다.
이러한 문제점은 1856년 베세머에 의한 전로의 발명으로 해결되었다. 퍼들법은 정련의 특수성 때문에 일반적으로 탄소성분이 적은 연철이 제조되었으나 베세머 전로는 노밑에서 공기를 계속 불어넣어 얻어지는 높은 정련온도에 의해 탄소성분이 높은 선철을 만들 수 있었을 뿐 아니라 탄소성분이 적은 단철도 쉽게 만들 수 있었다. 베세머전로의 발명은 고로와 더불어 정련로를 원하는 크기로 만들 수 있게 하였고 이후부터 고로, 제강로, 압연기 등이 갖추어진 근대제철소가 탄생하게 된 것이다.
그 후 평로가 발명되었다. 강의 정련을 위해 기존 퍼들법으로는 1,500-1,600℃까지 올리지 못했다. 1864년 마틴은 1856년 런던에서 지멘스형제가 발명한 축열로를 이용하여 강을 제조하는 지멘스 마틴법, 즉 평로법을 발명했다. 전로법과 평로법은 근대 제강법의 두 축이다. 그러나 이것으로 해결이 안되는 것이 인(P)이었다. 인은 철강에 함유되어 품질을 저하시키는 역할을 하기 때문에 인이 많이 함유된 유럽의 철광석은 퍼들법으로도 정련되지 못했다. 이러한 문제를 재판소 서기직으로 일하면서 독학으로 화학을 공부한 토마스(Sidney Gilchrist Thomas, 1850-1885)에 의해 해결되었다. 토마스는 돌로마이트(Dolomite)와 타르(Tar)로부터 내구성있는 염기성 내화재 제조에 성공했던 것이다.
이 내화재를 전로내부에 붙여 정련할 때 석회를 넣어 슬러지를 강한 염기성으로 만들면 노바닥으로부터 공기가 뿜어나와 용철이 강이 되고 탄소가 줄어들면서 강중의 인이 단번에 슬러지에 흡수되어 석회와 결합하게 된다. 토마스는 이 연기성 내화재, 연기성법 및 후취 등 세가지를 결합하여 새로운 제강법으로 탈인을 해결했으며 이 방법을 토마스법이라고 한다. 이렇게 하여 19세기초부터 강의 시대가 열린 것이다.
인류역사의 각 단계는 노동에 사용되는 도구를 만드는 재료에 의해서 석기시대, 청동기시대, 철기시대라는 이름이 붙여졌다. 이 관습에 따르면 우리가 살고 있는 현재도 당연히 철기시대라고 볼 수 있다. 왜냐하면 구조용 재료의 90% 이상이 철을 기본소재로 사용하여 만들어지고 있기 때문이다. 일부 역사가들은 철기시대가 금세기 초에 끝난 것으로 보고 있지만 철의 본격적인 발전은 19세기부터 시작되었다. 사실상 1800년대의 연간 세계 철의 생산량은 50만톤에도 미치지 못하였다. 그러던 것이 19세기 말에는 약 350만톤이 되었으며 앞으로 2000년에는 연간 약 8억-9억톤에 달할 것으로 전망되고 있다.
현재 철의 용도는 수력발전소, 송전탑, 고층건물의 철골, 선박, 자동차, 비행기 등은 물론 수도관, 송유관, 가스관, 하수도관 및 화학공장의 반응탑 등에 다양하게 사용되고 있다. 또한 철은 모든 공업의 핵심이 되는 금속가공용 공구 뿐만 아니라 가정에서 사용하는 통조림통, 칼, 못, 바늘 등 어디에서도 사용된다. 그러나 철은 전차, 대포, 기관총, 군함, 로켓 등 군사용 무기에도 사용되어 많은 파괴와 살인을 자행하는 도구로 사용되기도 한다. 따라서 한 국가의 군사력과 경제력이 주요 재료인 철의 생산량에 의해 결정되어지고 있다.
지구상에는 철의 매장량이 77경 5천조톤 이상이라고 추정되어지고 있다. 향후 철을 부분적으로나마 대체할 수 있는 재료들, 즉 비철금속, 합성수지, 신소재합금 등이 등장하고 있지만 철을 완전히 대체할 수 있는 재료가 나오기까지 상당기간이 걸릴 것으로 보이며 그 때까지는 철의 시대는 계속될 전망이다.
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.
(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 안된다.
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 안되는 결점이 있었다. 따라서 철괴에 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
<그림> 노의 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 표준출강량으로 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 아크로는 대부분이 에루식 또는 그 개량형이다.
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.
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.
③ 주조(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.
순수한 철은 질김과 가단성이 풍부한 금속이다. 연하여 압연(壓延)이 잘 되기 때문에 얇은 종이보다 더 얇은 판으로도 만들 수도 있다. 철의 용융점은 1,538℃이며, 비등점은 3,000℃보다 약간 낮다. 자연에는 철의 동위원소가 8종류 있으며, 그 중 원자량 56의 것이 가장 많이(91.64%) 존재한다.
철원자의 최외각 궤도에는 전자다 2개 존재하며 밖에서 두 번째 궤도에는 전자가 14개 존재한다. 그러나 이 14개 전자중 1개가 궤도를 이탈하여 화학반응에 참여함으로써 철은 화학적으로 2가 또는 3가로 행세한다. 고순도의 철은 금(Au)과 같이 공기중에서 산화되지 않는다. 그러나 너무 연하여 강도가 없기 때문에 일반적으로 제찰(製鐵)이라고 하는 모든 철강제품은 사실상 강(鋼) 또는 주철(鑄鐵), 즉 철과 탄소의 합금으로 되어 있다.
철은 소위 카멜레온 금속중 하나이다. 즉, 온도에 의하여 결정형이 달라진다. 고순도 철을 천천히 가열하여 어느 정도 온도에 도달하면 열이 계속 가해져도 더 이상의 온도로 상승하지 않는 기묘한 현상이 나타난다.
2. 철의 강도를 결정하는 탄소
고순도의 철은 연하기 때문에 기계나 건축물의 구조재로 사용하기에는 부적합하다. 여기에 강도를 주기 위해 탄소(C)를 첨가한다. 즉, 목탄, 코크스 등은 철을 단단한 강이나 주철로 변환시킨다.
결국 철강의 성질은 0.01~0.7% 정도 함유되어 있는 탄소(C)의 양에 따라 크게 좌우되는데 탄소의 함유량이 적을수록 연하고 늘어나기 쉬우며 탄소량이 증가할수록 경도와 강도는 증가하지만 탄성력과 신장률은 감소하는 경향을 나타내고 있다.
주철과 대부분의 강은 철과 탄소의 합금이다. 철(Fe)에 0.05~0.3%의 탄소가 함유된 것을 보통강이라고 부른다. 이중에서도 비교적 탄소량이 적은 강은 기계의 구조부분이나 축(軸)에 사용되며, 탄소량이 많은 것은 레일 등에 사용된다.
탄소량 0.7~1.3%의 것은 공구강이라고 하며, 금속가공용의 공구가 이것으로 만들어진다. 공구강은 담금질 열처리가 잘 되기 때문에 쉽게 단단해 진다.
탄소량이 2%이상인 것은 강(降)이라 하지 않고 주철이라고 부른다. 주철에도 여러 종류가 있으나 탄소의 대부분이 흑연의 형태로 포함된 것을 회(색)주철이라 하고 탄소가 철의 화합물(시멘타이트, Fe3C)의 형태로 포함된 것을 백주철이라 한다. 회주철은 대단히 연하며 가공이 쉬우나 백주철은 단단하며 여린 성질을 갖고 있다. 주철의 용도는 매우 다양하다 기계의 받침부분, 엔진 몸체, 수도관 등 많은 것이 주철로 만들어진다. 비교적 저온에서 용해되며 주조가 용이하여 공원의 울타리나 조각에도 사용된다.
3. 강의 성질에 미치는 합금원소
함금원소중에는 강의 성질을 개선시키기 위해 인위적으로 첨가시키는 것도 있지만 미량 잔류량으로도 강의 성질을 해치는 것도 있다. 강에 함유된 여러 가지 주요 원소들이 강에 미치는 여향을 살펴보면 다음과 같다.
탄소(C) 강의 강도를 높이는데 가장 효과적이며 중요한 원소이다. 오스테나이트에 고용되어 담금질시 마르텐사이트조직을 형성시킨다. 탄소량 증가에 따라 담금질 경도를 향상시키지만 담금질시 변향 가능성을 크게 만든다. 철, 크롬, 몰리브덴, 바나듐 등의 원소와 화합하여 탄화물을 형성, 강도와 경도를 향상시킨다.
망간(Mn) 강중에는 보통 0.35~1.0%가 함유되어 있다. 그중 일부는 강속에 고용되어 일부는 강중에 함유된 황과 결합하여 비금속개재물인 MnS를 형성하는데 이 MnS는 연성이 있어서 소성가공시 가공방향으로 길게 연신된다. 그러나 MnS의 형성으로 강속에 있는 황성분이 감소하면서 결정립이 취약해지고 저융점화합물인 FeS의 형성을 억제시킨다.
강의 내산성과 내산화성을 저해하지만 펄라이트가 미세해지고 페라이트를 고용강화시킴으로써 항복강도를 향상시킨다. 담금질시 경화깊이를 증가시키지만 다량 함유시에는 담금질균열이나 변형을 유발시킨다. 또한 강에 점성을 부여하기 때문에 1.0~1,5%의 망간이 첨가된 강을 강인강(强靭鋼)이라고 부른다. 특히 1.3% 탄소와 13% 망간이 함유된 오스테나이트강을 헤드필드(Headfield)강이라고 부른다.
황(S) 보통 망간, 아연, 티타늄, 몰리브덴 등과 결합하여 강의 피삭성을 개선시키며 망간과 결함하여 MnS개재물을 형성한다. 강중에 망간의 양이 충분하지 못할 경우 철과 결합하여 FeS를 형성한다.
이 FeS는 매우 취약하고 용융점이 낮기 때문에 열간 및 냉간 가공시에 균열을 일으킨다. 따라서 이러한 FeS개재물 형성을 피하기 위해 망간과 황의 비는 5대 1로 하고 있다.
인(P) 강중에 균일하게 분포되어 있으면 별 문제가 되지 않지만 보통 Fe3P의 해로운 화합물을 형성한다. 이 Fe3P는 극히 취약하고 편석되어 있어서 풀림처리를 해도 균질화되지 않고 단조, 압연 등 가공시 길게 늘어난다. 충격저항을 저하시키고 뜨임취성을 촉진하며 쾌삭강에서는 피삭성을 개선시키지만 일반적으로 강에 해로운 원소로 취급된다.
규소(Si) 선철과 탈산제에서 잔류된 것으로 SiO2와 같은 화합물을 형성하지 않는 한 페라이트 속에 고용되므로 강의 기계적 성질에 큰 영향을 미치지 않는다. 또한 강력한 탈산제로써 4.5%까지 첨가하면 강도가 향상되지만 2%이상 첨가시는 인성이 저하되고 소성가공성을 해치기 때문에 첨가량에 한계가 있다. 뜨임시 연화 저항성을 증대시키는 효과도 있다.
질소(N) 극히 미량으로도 강의 기계적 성질에 큰 영향을 미치는데 인장강고, 항복강도를 증가시키는 반면 연신율을 저하시킨다. 특히 충격치의 감소 및 천이온도의 상승이 현저하다.
질소는 침입형 원소로써 확산속도가 빠르고 페라이트에 대해 최대 0.1%에서 0.003%까지 연속적으로 용해도 변화를 나타낸다. 이 때문에 강의 각종 취성이나 시효 경화성을 나타낸다. 담금질 시효, 냉간가공에 의한 변형시효, 200~300℃에서의 청열취성에 의해 인장강도, 항복강도는 증가하고 충격치는 저하하여 강의 취하를 일으킨다. 이를 방지하기 위해 친화력이 큰 알루미늄, 티타늄, 바나듐, 붕소 등을 첨가하여 취하현상을 방지한다.
다른 원소와 결합하여 질화물을 형성하는데 AlN이 강중에 미세하게 석출되어 있으면 오스테나이트 결정립이 미세하게 되어 세립강 제조가 가능하지만 다량 존재하면 고온 인성이 저하되며 특히 단조시 오스테나이트입계에 AlN이 석출되어 입계취성을 일으키고 고온크리프강도를 저하시킨다. 이밖에 티타늄, 지르코늄, 바나듐, 니오븀 등과 질화물을 형성하여 결정립을 미세화시킨다.
수소(H) 원자반경이 매우 작아 강중에 침입형으로 존재하며 다른 원소에 비해 확산속도가 빠르다. 백점(白点), 헤어크랙, 선상조직, 용접시 비드균열 등 여러 가지 결함의 원인이 되며 이와 같은 결함을 방지하기 위해 진공용해 또는 진공처리에 의해 탈수소를 행하고 있다.
산소(O) 철에 거의 고용되지 않기 때문에 강중에 주로 비금속개재물로 존재한다. 이중 SiO2, Al2O3, Cr2O3, TiO2등은 철에 대해 고용도를 갖지 않지만 FeO, MnO등은 고온에서 약간 고용되며 이들 비금속개재물은 강의 기계적 성질, 피로특성 등을 저하시킨다. 강중에 산소가 다량 존재하면 침탄시 이상조직의 원인이 되며 경화능을 저하시키고 가열에 의한 오스테나이트 결정립의 성장을 촉진시킨다.
구리(Cu) 철광석에서 쉽게 혼입되므로 강에는 보통 0.1~0.3%정도가 함유되어 있다. 상온에서 페라이트에 0.35%까지 고용되며 고용강화효과를 나타내므로 강모 및 경도는 약간 개선되나 연신율을 저하시킨다.
구리를 함유한 강은 열간가공성이 문제가 되며 특히 0.5%이상 함유되었을 경우 적열취성의 원인이 된다. 이것은 고온가열시 철보다 구리의 산화속도가 작으므로 강표면에 편재하여 열간가공중에 강재내부로 침투하기 때문이며 니켈이나 몰리브덴을 첨가시켜 이러한 현상을 개선시킬 수 있다. 또한 구리가 소량 함유되어 있어도 대기나 해수중에서 내식성이 현저히 증가하며 인과 공존할 경우 내식성이 더욱 향상된다.
0.4% 이상 첨가시에는 구리의 미세석출에 의한 석출경화 효과가 나타나므로 실제 스테인리스강에서는 4%정도 첨가석출시켜 강력한 스테인리스강을 만들고 있다.
알루미늄(Al) 강력한 탈산제이지만 너무 많이 첨가되면 강을 취약하게 만든다. 탈진, 탈산용으로는 0.1% 이하로 첨가하는 것이 보통이며 질화물인 AlN은 미세석출하여 강의 결정립 미세화에 효과적이므로 극미세 결정립을 갖는 강인강을 제조할 수 있다. 또한 고온산화방지 및 내황화성에 극히 효과적이다.
비소(As) 제선제강공정에서 제거하는 것이 거의 불가능하며 강의 재질향상을 위해서 인위적으로 첨가시키는 경우는 거의 없다. 함유량 0.2%이상에서는 충격치를 저하시키고 충격천이온도를 상승시킬 뿐만 아니라 열간가공성을 해치고 적열취성을 일으킨다. 그러나 이러한 악영향은 보통강이 함유하고 있는 비소의 양만으로는 거의 문제를 일으키지 않는다.
붕소(B) 0.0005~0.003%의 미량 첨가로도 경화능이 현저히 증가되니만 너무 많이 첨가되면 Fe3B를 형성하여 적열취성을 일으킨다.
코발트(Co) 다른 금속원소와는 달리 소량으로도 강의 경화능을 저하시키며 가격이 비싸기 때문에 일반강에 사용하지 않고 자석, 고급절삭공구, 내열재료 등에 첨가하여 성질을 개선시키는데 사용된다. 특히 고온강도를 개선하는데 효과적이다.
크롬(Cr) 13%까지 첨가함으로써 오스테나이트 영역을 확장시키고 대량 첨가해도 취화를 일으키지 않는 탄화물을 형성시킨다. 10%이상 첨가하면 스테인리스강이 되며 내산화성을 향상시키고 내황화성을 개선하므로 구조용강, 공구강, 스테인리스강, 내열강 등에 거의 모두 함유되어 있는 가장 보편적인 합금원소이다.
몰리브덴(Mo) 0.1~0.3% 첨가로써도 니켈보다 경화능을 10배까지 향상시킬 수 있으며 뜨임취성을 방지하여 뜨임취성 저항성을 부여한다. 탄화물을 형성하므로 고급절삭공구의 함금원소로도 우수한 효과가 있으며 결정립 조대화온도를 상승시킨다. 경화능 향상을 위해 단독으로 사용되기보다는 크롬과 같이 사용하면 그 효과가 더욱 좋지만 가격이 고가인 것이 단점이다.
니켈(Ni) 크롬과 함께 가장 중요하고 보편적인 함금용 원소이다. 강의 조식을 미세화시키고 오스테나이트와 페러이트에 잘 고용되므로 기지강화에 이용된다. 크롬이나 몰리브덴과 공존하면 우수한 경화능을 나타내며 대형 강재의 열처리를 용이하게 만들며 오스테나이트 안정화 원소이므로 크롬과 조합하여 오스테아니트계 스테인리스강, 내열강 등을 형성한다. 강의 저온인성을 강화시켜 용접성, 가단성을 해치지 않는다. 탄소나 질소의 확산을 느리게 만들기 때문에 내열강의 열화(劣化)을 방지하고 팽창률, 강성률, 도자율 등이 향상된다.
티타늄(Ti) 산소, 질소, 탄소, 황, 수소 등과 친화력이 강하며 탈산, 탈질, 탈황을 위해 사용된다. 탄화물형성능은 크롬보다 강하며 결정립을 미세화시키기 때문에 스테인리스강이나 절삭공구강의 개량에도 이용된다. 또한 타금속원소와도 화합물을 형성하여 석출경화효과가 현저하기 때문에 석출경화형 스테인리스강이나 영구자석 등에 이용된다.
주석(Sn) 고철로부터 혼입되어 제강과정에서 거의 제거하지 못하는 원소로써 페라이트에 약 8%까지 고용된다. 강의 인장강도 및 항복강도를 증가시키고 연신율, 충격치를 감소시키는 등 인(P)의 영향과 유사하나 인만큼 현저하지는 못하다. 그러나 열간가공시 적열취성, 뜨임취성, 저온취성 등의 원인이 되고 내식성이 약간 향상되지만 일반적으로 강에는 유해한 원소이다.
4. 철강의 분류
철은 화학기호 Fe, 원자번호 26, 원자량 55.85, 비중 7.85의 금속원소로서 순수한 철은 위에서 언급한 바와 같이 제조가 곤란할 뿐만 아니라 너무 물러서 실용적이지 못하다. 일반적으로 사용하고 있는 철강재료는 화학적으로 순수한 철(Fe)이 아니고 철을 주성분으로 하여 각종 성분 즉, 탄소(C), 규소(Si), 망간(Mn), 인(P), 황(S)등을 포함하고 있다.
구분
성분
성질
선철
(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%
강도 및 인성이 높음 가공성이 양호함
순철
C 0.02% 이하
기계적 성질이 낮음 용접, 단접성 우수함
순철(純鐵, Pure Iron) 순철은 성분이 거의 100%가 철(Fe)로만 되어 있으며 그 밖의 원소는 거의 함유되어 있지 않다. 천연적으로 유성이 지구에 떨어진 그대로인 운석의 형태로 존재한다. 대정제방법으로 99.99% 이상의 순철을 제조할 수 있으나 공업용 순철은 통상 99.9%이사이다.
순철의 물리적 성질은 각 변태점에서 불연속적으로 변화하는데 가열시 910℃에서 체심입방격자에서 면심입방격자로 결정구조가 변화하면서 수축을 일으키고 1,403℃에서는 반대로 팽창이 일어난다.
순철은 상온에서 연성과 전성이 우수하고 용접성이 좋으며 탄소강에 비해서 내식성이 우수하다. 그러나 너무 연해서 전자기 재료, 촉매, 합금용 등 그 용도가 매우 한정되어 있어 공업적으로 조금밖에 생산되지 않고 있으며, 전해철, 암고(Armco)철, 카아보닐철, 환원철은 순철로 취급되고 있다.
순철은 인장강도가 낮아서 기계구조용 재료로 사용되지 않으며 투자율(透磁率)이 높기 때문에 박판형태로 변압기나 전동기에 사용되고 카보닐철분은 소결시켜 고주파용 압분철심 등에 사용된다.
선철(銑鐵, Pig Iron) 선철은 용광로(고로 : 高擄)에서 철광석을 녹여 만든 철로서 철의 5대원소(C,Si,Mn,P,S)가 많고 단단하지만 강하여 부서지기 쉽다. 특히 선철은 탄소가 많이 함유되어 있기 때문에 철 본래의 인성, 가단성을 상실하고 있어 주형(鑄型)에 부어 주물로 만들 수는 있지만 압력을 가해 얇게 하든가 늘리는 등의 가공은 어렵다. 선철은 이와 같은 성질로 인해 주물에도 이용하지만 대부분은 강(鋼)을 만들기 위한 원료로 사용된다. 보통 생산되는 선철은 탄소(C) 3.0~4.5%, 규소(Si) 0.2~3.0%, 망간(Mn) 0.5~2%, 인(P) 0.02~0.5%, 황(S) 0.01~0.1%등이다. 용광로에서 나와 녹아 있는 상태의 선철을 용선이라고도 한다.
강(鋼, Steel) 선철을 제강로에 넣어 거의 대부분의 탄소나 기타 성분을 감소시켜 정련한 것이 강이다. 강은 질기고 늘어나는 성질이 있기 때문에 불에 달구어서 해머로 두들기든지 롤(Roll)사이로 통과시켜 여러 가지 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 5대원소중 일부 원소를 첨가하여 내열강, 내마모강 및 고장력강 등을 만드는데 이것을 특수강이라고 부른다.
주거용 :현재 주거의 형태는 단독주택, 집합주택으로 분류할 수 있으며 단독주택은 많은 하중을 받지 않으므로 시공이 용이하고 경량화가 가능하며, 집합주택은 주거전용 및 주상복합 형태로 건설되고 있습니다. 또한 초고층 아파트의 경우 많은 하중을 받을 수 있는 고강도의 구조용강 및 합성구조를 필요로 합니다.
사무용 :사무소 건축물은 점차 첨단화, 초고층화 되어가고 있으며 장SPAN의 넓은 무주(無柱)공간을 필요로 하기 때문에 각 부재에 걸리는 하중이 매우 큽니다. 따라서 TMCP강과 같은 고강도 및 용접성이 우수한 구조용강이 요구됩니다. 각층 바닥의 거푸집 대용으로 사용되는 DECK PLATE의 경우는 구조재로 적용하여도 피복을 경감시킬 수 있는 공법이 개발되어 사용 중입니다.
산업 플랜트용 :주거용이나 사무소 건축물 또한 그러하지만 산업플랜트는 고강도의 성질 및 내화, 내산, 내진등 플랜트에 따라 요구 하는 성질이 많으므로 그에 부응하는 강재가 필요합니다. 내화강은 강재의 허용 온도를 획기적으로 개선한 것으로 법적인 인증을 취득할 경우 많이 사용할 것으로 예상됩니다.
레저 및 교육, 문화시설용 :삶의 질이 높아짐에 따라 많은 레저 및 문화 시설들이 요구되며 독특한 외관 및 장SPAN의 공간이 많이 요구됩니다. 따라서 강도와 함께 가공성이 우수한 강재의 사용이 점차 많아지고 있습니다.
강구조물, 교량의 새로운 흐름
STEEL HOUSE :스틸하우스는 전통적인 목조주택 공법인 2"X4" 목재골조를 철강재 즉, 두께 1mm내외의 경량철골로 대체하여 짓는 공법으로 건물구조가 튼튼하여 지진에 강할 뿐만 아니라 철강회사에서 대량 생산되는 아연도강판을 가공하여 건물 구조재(골조)로 사용하므로 시공이 용이하고 환경 친화적인 '21세기형 환경주택'으로 각광 받고 있는 최신형 주택입니다.
철골조 APT : 택지 고갈과 지가의 상승 및 도심 재개발에 따른 초고층 주거 전용 및 주상복합 아파트의 필요성이 대두되었고 구조적 해결을 위하여 고장력강의 BOX형 기둥 또는 CONC.충전 각형강관 기둥을 이용한 철골조 아파트가 확대될 것으로 전망됩니다.
철골조 학교 : 과거의 획일화된 교육에서 벗어나 다양화된 교육 욕구를 충족 시킬 수 있는 가변형의 평면구성이 가능하고 공기가 30%이상 짧은 철골조 학교가 확대될 것으로 예상되며 STEEL HOUSE에 사용되는 STEEL STUD를 이용한 건물 내외벽체의 적용으로 경제성 및 거주성능이 우수한 철골조 학교가 확대될 것으로 예상됩니다
무도장 내후성 교량 : 내후성강이란 대기환경에서의 녹발생량이 적은 성질을 갖는 강을 말하며, 이 의미로 내후성강이라 불리어 진다. 일반강에 비해서 4~8배의 내식성을 갖고 있으며 시간이 지남에 따라 안정화 피막을 형성하여 더 이상의 부식 진행이 억제되므로 재도장 작업등 구조물의 유지 관리에 소요되는 비용을 줄일 수 있습니다. 이 강을 사용하여 양평강변교등 교량을 건설하였고 향후에도 그 사용량이 늘어날 전망입니다.
특수 부유물 : Mega Float(초대형 부체식 해양구조물)로 불리는 이 구조물은 인공섬을 대신하여 바다에 대형 철구조물을 띄우고 교량으로 육지와 연결하는 것이며 협소한 국토의 사회간접시설을 해양 공간으로 전환과 매립에 대한 경제성, 공사기간, 환경문제를 해결하므로 일본에서 각광받고 있습니다. 향후 우리 나라에서도 공항, 피난시설 및 폐기물 처리시설등의 용도로 그 수요가 늘어날 것으로 보입니다.
스틸칼라방음벽 : 최근 국민소득의 증가와 함께 도시경관 및 거리의 미관을 개선하려는 추세에 맞추어 방음벽 부문에 있어서도 기존의 획일적이고 단조로움을 탈피하여 색상이 다양하고 미관이 우수한 방음벽이 요구되어 스틸칼라 방음벽을 개발하게 되었다. 스틸칼라 방음벽은 내구성이 뛰어난 아연도금강판을 성형가공하여 그 표면에 요구하는 다양한 색상으로 도장하므로 수요자들로 부터 호응이 높습니다.
기업은 당연히 많은 이익을 얻는 것이 기본적인 목표이며, 이 목표를 달성하기 위해서는 질 좋은 제품을 가장 적은 비용으로 생산해야 한다. 우리나라의 철강산업에서도 이러한 경쟁력 강화의 노력을 해왔으며 짧은 산업의 역사에도 불구하고 선진국과 거의 대등하게 경쟁할 수 있는 수준에 이르렀다. 이제는 이러한 경쟁력을 바탕으로 큰 수익을 올리고 있다.
경쟁력
경쟁력을 확보하지 못하면 제품을 해외에 수출하는데 어려움이 따를 뿐 아니라 국내 시장을 지킬 수도 없다. 이 경쟁력에는 기술경쟁력과 가격경쟁력이 있다.
원가요소별로 보면 우리나라는 주요 경쟁국에 비해 인건비는 낮으나, 재료비, 금융비는 매우 높은 수준이다. 고철의 해외 의존도가 높아 일본에 비해 고가구매가 불가피하며, 금융비용의 금리 및 차입금 의존도가 높아 일본에 비해 제조원가에서 차지하는 비중이 매우 크다. 급여 수준은 일본의 약 35.4%정도이다. 노동생산성, 자본생산성 등을 고려해 볼 때 국내 특수강의 생산성은 일본의 절반 수준이다.
보통강의 경우, 일반강의 조업기술은 선진국수준과 대등하나 제품의 기술향상 및 고부가가치화를 위한 기술은 선진국에 비해 열위에 있는 것으로 분석되고 있다.
특수강의 경우에는 생산기술은 저급강(기계구조용 탄소강, 합금강)의 경우는 대등한 수준인 반면, 고급강(공구강, 특수용도강)의 경우는 제강, 정련기술의 열세로 분석된다.
수익성
철강산업 부가가치 구성비
일관제철 ----- 63.1%
경상이익 ----- 13.9%
전기로 ------- 16.5%
인건비 ------- 33.3%
특수강 -------- 6.1%
금융비용 ----- 15.5%
냉연 ---------- 7.5%
감가상각비 --- 34.9%
강관 ---------- 3.8%
세금, 공과금 -- 1.1%
재압연 -------- 0.7%
임대비용 ----- 1.3%
와이어로프 ---- 1.8%
합금철 -------- 0.4%
철강업 총제조비용의 구성
재료비 ----- 65.6%
전력비 --------- 2.8%
노무비 ----- 7.0%
감가상각비 ---- 10.6%
경비 ------- 27.4%
외주가공비 ----- 2.7%
1966년 철강산업의 매출액 경상이익율은 3.6%로 제조업의 평균 1.3%에 비하면 아주 높은 수준이다. 다른 나라와 비교해 보면 일본의 2.6%보다 높은 수준이다. 특히 일관제철의 매출액 경상이익율은 9.3%로 아주 높은 수준이다.
철강소비
우리나라의 철강소비는 철강재를 필요로 하는 산업, 즉, 건설, 조선, 자동차 산업 등의 발전과 더불어 급격하게 증가되어 왔다.
1997년 우리 나라의 철강 총공급량은 4,951만톤으로 그 가운데 4,473만톤 정도를 국내에서 생산하고 377만톤 정도를 수입하고 있다. 총 수요량에서 3,815만톤 정도는 내수용이고, 10,365톤 정도는 수출용이다.
철강소비의 움직임은 개별 수요 산업의 경기 변화와 매우 밀접한 관계가 있다.
산업별 철강소비의 비율(1996)
건설 46,4%, 자동차 13.1%, 조선 6.6%, 전기기계 8.8%, 산업기계 9.4%, 기타 15.7%
철강산업은 물류비가 높은 기초 소재 산업으로, 경기 변동에 대해 생산이 매우 비탄력적이다. 일반적으로 수출보다는 자국 수요산업의 안정적인 생산활동을 지원한다는 측면에서 내수우선 정책을 펴고 있다. 이러한 철강 산업의 특성으로 인해 경기하향국면에서는 내수는 줄고 수출은 늘게 되는 한편 수입이 감소하는 현상을 보인다. 따라서 수입이 내수의 증가에 따라 함께 증가하는 현상을 보인다.그러나 기술적으로 국내에서 생산이 불가능한 일부 특수강 및 고급강은 일정한 수입경향을 보인다.
철강수급 동향
년 도
1970
1975
1980
1985
1990
1995
1997
1998
조 강 생 산
전 로
0.0
1.3
5.9
9.3
16.0
22.9
24.2
23.8
전기로
0.5
1.2
2.6
4.2
7.2
13.9
18.4
16.1
계
0.5
2.5
8.5
13.5
23.2
36.8
42.6
39.9
조 강 수 급
총수급
1.8
4.2
11.3
17.6
29.1
46.9
51.5
43.6
국내소비
1.7
3.0
6.1
11.3
21.5
37.3
39.9
26.0
수 출
0.1
1.2
5.2
6.3
7.6
9.6
11.6
17.5
생 산
0.5
2.5
8.6
13.5
23.2
36.8
42.5
39.9
수 입
1.3
1.7
2.7
4.1
5.9
10.1
9.0
3.7
인당소비(Kg)
51
84
160
277
502
827
868
560
우리나라 철강산업
철강교역
수출입
우리나라는 철강을 전세계에 수출하고 또한 수입한다. 이러한 교역은 내수시장의 경기 동향에 영향을 받으며 품목별로 제품의 경쟁력에 따라 차이가 있다.
우리나라의 철강산업은 원재료를 제외하면 금액면에서 수출이 수입보다 크지만, 고철등과 같은 원재료를 포함할 경우 수입이 수출보다 크다.
우리나라 주요 수출품목은 판재류로 전체 수출의 2/3 이상을 차지하고 있다. 우리나라의 열연/냉연제품은 품질과 가격면에서 세계시장에서 충분한 경쟁력을 갖추고 있는 것으로 평가된다. 반면 수입품목은 고철, 선철, 합금철, 반제품(발레트, 블룸, 슬라브)등 주로 원료나 중간 반제품등 기타 제품이 큰 비중을 차지한다.
우리나라 철강재 수출은 지역별로 보면 동남아시아 지역에 대한 비중이 높으며 다음으로 일본, 중국등에 대한 비중이 높다. 이중 중국, 동남아는 역내 자급도가 계속 향상됨에 따라 수출환경이 험난해지고 있어 우리나라는 고부가가치강 위주로 수출 구조를 고도화하고 있다.
지역별 수입 동향(1996년) 미국 11.5% 일본 33.2% 중국 15.3% 유럽 22.7% 중남미 6.7% 아프리카 2.8% 오세아니아 3.3%
철은 인류의 역사에서 아주 중요한 역할을 해왔다. 미래사회에서도 철은 그 중요성을 더해갈 것으로 보인다. 많은 재료중에서 어떻게 철이 지금과 같이 중요한 역할을 차지하고 또 유지할 수 있었을까?
그 이유는 다음과 같다.
대부분의 경우에 철강은 다른 재료보다 적은 비용으로 좋은 기계적 특성을 얻어낼 수 있다. 철강의 가격대 성능비가 뛰어난 가장 중요한 이유는
1. 철강을 만드는데 있어 가장 중요한 원료인 철(철광성, 산화철)이 지구 표면 가까이 집중적으로 많이 분포되어 있으며, 광석을 채취하고 그것으로부터 순수한 철을 생산하는데 드는 비용이 다른 재료에 비해 상대적으로 저렴하다.
2. 다른 합금 원소들을 첨가하고 여러 종류의 열처리를 함으로써 철강의 성질은 다양해질 수 있다. (인장강도, 압축 강도, 강도, 인성, 온도 저항, 내식성 등)
3. 철강은 재사용된다. 즉 낡은 철강 구조물들은 철강 생산의 주요 원료로 다시 사용할 수 있다. 이는 새로운 철강을 만드는데 비용면에서도 매우 효과적이다.
철강이 가진 가장 큰 단점이라면 무겁다는 것이다. 즉 철강의 비중은 상대적으로 밀도 (약 7.8)가 높다. (그러나 이것이 항상 단점은 아니다.) 따라서 강도가 더 높으면서도 가벼운 새로운 철강에 대한 개발에 힘을 쏟고 있다.
철강은 앞으로도 이러한 지배적 역할을 융지할 것이고 철강으로 만들어지는 새로운 세계가 기다리고 있다.
철강은 많은 다른 재료들, 즉 알루미늄과 같은 비철금속, 플라스틱, 그리고 세라믹 등과 함께 널리 사용될 것이다. 이런 재료들은 현재도 신제품을 개발 중에 있고, 생산자들은 경쟁력을 더욱 더 높이기 위해 노력하고 있다. 철강 생산자들도 같은 목적을 가지고 노력하고 있다. 고객들은 당연히 철강이 좀 더 좋은 품질들의 값싼 재료가 되기를 바란다.
마찬가지로, 우리 모두 철강이 환경 친화적 재료가 되기를 원할 뿐만 아니라 생산과정도 환경 친화적이기를 원한다. 이것이 앞으로 해결해야 할 과제이자 중요한 요구사항이다. 철강 산업은 철강의 품질과 철강 생산 공정을 개선하여 그러한 요구사항을 충족시켜야 한다. 환경, 요구 사항들과 고객들의 요구를 충족시키기 위해 품지과 공정이 어떻게 개선될 수 있는지를 알아보자.
환경적 도전
철강에 대한 환경적 요구와 성질들
1. 철강은 항상 그래왔듯이 생물학적으로 안정된 물질이다.그래서 식품 산업과 같은 위생이 강조되는 곳에서는 어디서든 철강을 사용해 왔다. 이러한 관점에서 철강은 있는 그대로 환경친화적 재료이다.
2. 철강은 전형적인 재활용 재료이다. 모든 철강은 재용융을 통해서 재활용 할 수 있으며, 고철은 철강 산업의 주원료의 하나이다. 그러나 오래 된 모든 철강 제품이 공장으로 다시 돌아가게 할 수는 없다. 만일 고철을 자연상태에 그대로 두면 철강은 점차 철광석으로 변해 간다. 그러므로 철은 영구적인 순환과정에 포함되어 있다고 할 수 있다.
환경과 철강 산업을 위해 가장 좋은 것은 철이 포함된 모든 폐품이 철강 산업으로 돌아와 재활용되는 것이다. 우리 모두는 모든 고철이 100% 재활용될 수 있는 미래를 만들기 위해 각자의 자리에서 최선을 다해야 할 것이다.
환경적 요구와 생산공정
'철과 환경'에서는 우리 철강 산업이 어떻게 공해 물질의 배출을 현저하게 감소시켜 왔는가를 볼 수 있다. 제조공정과 정화 방법에 대한 새로운 기술들이 소개됨에 따라 모든 공해 물질 배출은 꾸준히 감소하고 있다. 그러나 아직 중요한 문제가 남아 있다.
현재로서는 이산화탄소를 정제할 수 있는 어떠한 산업 기술도 존재하지 않는다는 점이다. 이산화탄소의 발생을 줄이는 단 한가지 방법은 화석 연료의 사용을 줄이는 것이다. 지구의 가장 중요한 환경 문제로 여겨지는 '온실 효과'는 석유나 석탄을 연료로 사용하는 공장들과 자동차에서 배출되는 다량의 이산화탄소 때문에 발생한다.
철강 산업 또한 이러한 환경 문제의 원인이 되지만, 상대적으로 비교해볼 때 적은 범위이다. 철강산업에서 배출된 이산화탄소량은 전체 배출량의 10%에도 미치지 않는다.
품질개선에 대한 고객들의 요구
철강은 다른 재료에 비해 저렴하며 우수한 성질 - 강도, 가공성, 내식성 등 -을 갖는다. 현재사회에서 철강재료가 지배적 역할을 해 올 수 있었던 것은 철강의 우수한 특성 때문이었다. 철강이 가진 단점중 하나는 무겁다는 것이다. 즉, 철강은 비중이 약 7.8로 상대적으로 높은 밀도를 가지고 있다. 따라서 철강산업에서 연구 개발의 중요한 목표는 특정한 요구 사항을 만족시키면서 가벼운 철강을 개발하는 것이다.
강도는 건설에 사용되는 재료에서 가장 중요한 특성의 하나이다. 강도가 높을수록 건물을 짓는데 재료가 적게 든다. 개선된 성질을 갖는 새로운 철강을 개발하는 작업이 계속되고 있다. 예를 들어, 파괴 강도나 항복 강도로 측정되는 강도는 계속적으로 증가해 왔다. 옆의 그림은 용접 강판이 발전한 예를 보여주고 있다. 우리는 지금까지 자연 법칙에 의해 정해진 강도의 한계를 연구해 왔다. 이론적인 최대 강도는 약 13,000MPa로, 옆의 그림에서와 같이 지금 생산된 것 중에서 가장 높은 강도를 지니는 철강의 항복 강도보다 2-3배 높은 수준이다. 이상과 같이 여전히 철의 성질을 개서해야 할 과제가 많이 남아 있다.
더 싼 재료를 위한 구매자의 요구
이 요구는 생산비용을 낮추고 철강을 더 저렴하게 생산할 수 있는 더 효과적인 방법을 연구함으로써 만족시킬 수 있다.
철강은 수천년 동안 생산되어 왔다. 물론 이러한 긴 기간동안 생산방법도 발전되어 왔다. 발전은 매우 느리게 진행되었지만, 최근 100년 동안은 비약적으로 빨르게 진행되었다. 그리고 이러한 발전은 계속될 것이다.
100년 역사를 갖고 있는 고로 방식도 계속 발전하고 있으며, 더욱 더 효율적으로 되고 있다. 코크스 사용량을 줄이는 것도 시급한 과제중의 하나이다.