철강의 제조방법
제철법
제철법은 철광석을 제련하여 철을 뽑아내는 방법으로, 주로 선철을 만들 때까지의 공정을 말합니다.
제철법은 철광석을 석회석, 코크스와 함께 용광로에 넣고 열풍으로 용융시켜 비중차에 의해서 철분을 분리하고 평로나 전로를 써서 탄소나 불순물을 제거하여 강을 만드는 방식입니다.
제철법에는 간접제철법과 직접제철법이 있습니다. 간접제철법은 철광석에서 고로를 통하여 선철을 얻고 선철을 다시 제강로에 넣어 산화정련해서 강을 얻는 방식입니다. 직접제철법은 철광석을 환원하여 환원철(해면철 ·철분) 또는 강을 얻는 방식입니다.
자연 상태의 철은 철광석이라고 불리는 적철광(Fe2O3)이나 자철광(Fe3O4)처럼, 산소와 결합된 산화물 형태로 존재합니다. 따라서 철광석을 녹여 철을 만드는 공정은 화학반응인 환원공정에 의해 이루어집니다.
선철
선철(銑鐵, 영어: pig iron)은 철광석을 용광로에서 녹여 만든 철입니다. 선철은 탄소가 3.5%~4.5% 함유되어 있어 단단하고 부서지기 쉽습니다. 강철의 원료로 쓰이며, 용융점이 1,150℃~1,250℃로 비교적 낮고 용해하기 쉬워 각종 주물을 만드는 원료로 사용됩니다.
선철은 철광석의 제련과정에서 열원으로 코크스가 사용되기 때문에 많은 탄소가 포함됩니다. 따라서 전성과 연성이 거의 없어 그대로는 가공할 수 없다는 단점이 있습니다.
제강법
제강법은 용선 예비처리, 전로제강, 2차정련의 세 가지 과정으로 구분할 수 있습니다. 현재의 제강법은 LD전로와 전기로가 주류를 이루고 있으며, 평로는 점차 감소하고 있습니다.
제강법에는 베세머법, 토마스법 등이 있습니다:
- 베세머법은 1855년 영국의 H.베세머가 발명한 제강법으로, 고급재료에 사용됩니다.
- 토마스법은 베세머 전로법으로 제어할 수 없는 탈린의 문제를 해결한 제강법으로, 1850년 토마스(Sidney Gilchrist Thomas)가 개발했습니다.
- 토마스법은 베세머법으로 안되는 탈황과 탈린의 문제를 해결하여 고린선(高燐銑)을 쓰게 되자 평로에서도 염기성 내화물을 활용하게 되었습니다.
철강의 분류
순철
순철은 철(Fe)에 포함된 탄소 함유량이 0.02% 이하인 철을 말합니다. 순철은 철의 이상적인 특성에 가장 가까운 철이지만, 연하고 약해서 흔히 생각하는 철의 이미지와는 다릅니다. 순철은 천연적으로는 유성이 지구에 도달한 운석의 형태로 존재한다고 합니다.
순철은 전기용 재료나 실험용으로 주로 사용됩니다. 순철은 탄소 함량이 0.035% 이하이고, 불순물(규소, 망간, 인, 유황 등)이 거의 없는 순도 99.9% 이상의 철입니다. 순철은 항장력이 낮고 투자율이 높아서 변압기, 발전기용 철심으로 사용됩니다.
순철은 특수한 공업용 소재로 사용되거나 고급 합금용 소재로 사용되고 있습니다. 순철은 정밀주조합금, 합금철, 희토합금, 정열합금 등의 주요 원료입니다.
주철
주철(cast iron)은 1.7% 이상의 탄소를 함유한 철의 합금입니다. 주철은 보통 2.06~6.7%의 탄소량을 함유하고 있지만, 흔히 사용되는 것은 3~4%입니다. 주철은 약 1,150℃에서 녹기 때문에 주물을 만드는 데 사용할 수 있습니다.
주철은 주조에 주로 사용되며, 쇳물 선을 써서 선철(銑鐵, pig iron)이라고도 부릅니다. 실생활에서는 단순히 1.7% 이상의 탄소가 들어간 걸 선철이라고 하고, 선철에 코크스(Cokes)를 넣어 만든 걸 주철이라고 합니다.
주철은 탄소 함유량에 따라 보통 주철, 고급 주철, 합금 주철, 특수 주철 등으로 분류합니다. 주철에 Ni, Cr, Mo, Al, Ti, V 등을 첨가하여 우수한 기계적 성질, 내마멸성, 내식성, 내열성 등을 향상시킨 주철을 합금 주철(aIloy cast iron) 또는 특수 주철이라고 합니다.
주철은 흑연 형상에 따라 회주철, 구상흑연주철, 가단주철 또는 C.V. 흑연주철 등으로 구분됩니다. 흑연이 존재하여 주철이 쾌삭성을 가지며, 흑연의 형상과 양이 절삭공 정으로 얻을 수 있는 표면 마무리와 필요한 절삭력을 보증합니다.
강(Steel)
강(steel)은 철(Fe)과 2% 이하의 탄소(C)가 합쳐진 합금으로, 탄소 함유량이 0.035~1.7%인 철을 말합니다. 강은 열처리에 따라 성질을 크게 변화시킬 수 있어 여러 가지 기계, 기구의 재료로 쓰입니다.
강의 종류에는 다음이 있습니다:
- 탄소강(Carbon Steel)
- 저 합금강(Low Alloy Steel)
- 합금강(Alloy Steel)
- 스테인리스강(Stainless Steel)
- 주강(Cast Steel)
탄소강은 철과 탄소를 제외한 다른 원소의 비율이 높습니다. 다른 소량으로 포함된 원소로는 실리콘, 망간, 황, 인산 등이 있습니다. 일반적으로 탄소강은 강도가 높지만 용접성이 떨어집니다.
마무리
오늘은 철강재료의 제철법, 제강법, 선철 및 철강의 분류(순철/주철/강)에 대해 알아보았습니다.
순철은 거의 철 원소만으로 구성된 철금속을 말합니다. 순도가 높고 부드러운 성질을 가지고 있지만 강도가 약하다는 단점이 있습니다.
주철은 탄소 성분이 2-4% 정도 포함된 철합금입니다. 순철보다 견고하지만 여전히 강도가 낮다는 약점이 있습니다.
강은 탄소 성분을 1-2% 정도 포함한 철합금입니다. 탄소 함량을 적절히 조절하여 순철이나 주철보다 훨씬 강도가 높습니다. 현대의 대부분 철강재료가 강에 속합니다.