제강

전로법은 철광석을 코크스와 함께 고로에서 환원시켜 얻은 선철을 주원료로 사용하는 제강 방식이다. 이 방법은 평로법을 대체하여 19세기 후반에 본격적으로 도입되었으며, 현대 제강 산업의 주류 공정으로 자리 잡았다. 전로법의 핵심은 용해된 선철에 공기를 불어넣어 과잉 탄소와 같은 불순물을 산화시켜 제거하는 데 있다.

전로법의 대표적인 형태로는 베서머 전로와 톰스 전로가 있다. 베서머 전로는 산성 내화물을 사용하며, 저인 선철의 정련에 적합하다. 톰스 전로는 염기성 내화물을 사용하여 고인 선철의 정련이 가능하도록 개선된 방식이다. 두 방식 모두 외부 열원을 추가로 공급하지 않고, 선철 내 불순물의 산화 반응에서 발생하는 반응열만으로 공정을 진행하는 자가발열 방식이다.

이 공정에서는 선철을 용해시킨 후 전로 내부로 공기를 강력하게 불어넣는다. 이때 선철에 다량 포함된 탄소, 규소, 망간, 인 등이 산화되어 제거되거나 조절된다. 특히 산소와의 반응으로 생성된 일산화탄소가 격렬하게 연소하면서 공정에 필요한 고온을 유지하고, 강력한 교반 효과를 일으켜 정련을 촉진한다.

전로법은 평로법에 비해 공정 시간이 매우 짧고 대량 생산이 가능하다는 장점이 있다. 그러나 원료로 고로에서 생산된 선철에 의존해야 하며, 공정 제어가 상대적으로 어렵고 특정 불순물 제거에 한계가 있을 수 있다. 이후 보다 정밀한 조절이 가능한 산소 전로법 등이 개발되면서 전통적인 공기 불어넣기 방식의 전로법은 그 비중이 줄어들었다.

전기로법은 전기 에너지를 열원으로 사용하여 강철을 제조하는 방법이다. 주로 전기 아크로 또는 유도 가열 방식을 통해 고온을 발생시켜 철 스크랩을 녹여 강괴를 생산한다. 이 방법은 평로법이나 전로법과 달리 코크스와 같은 화석 연료를 직접 연소하지 않아 공정 중 배출가스 발생이 상대적으로 적다는 특징이 있다.

전기로법의 핵심 장비는 전기 아크로이다. 대형 전극을 통해 강력한 전류를 흘려보내 아크 방전을 일으키고, 이때 발생하는 고열(약 3,000°C 이상)로 내부에 장입된 철 스크랩을 빠르게 용해시킨다. 용해된 철액에서도 탄소 함량 조절과 불순물 제거를 위한 정련 과정이 필요하며, 이를 위해 산소를 불어넣거나 합금 원소를 첨가하기도 한다.

이 공정의 가장 큰 장점은 원료로 철광석 대신 재활용된 철 스크랩을 주로 사용할 수 있다는 점이다. 이는 천연 자원인 철광석과 코크스의 소비를 줄이고, 에너지 절약 및 탄소 배출 감소에 기여한다. 또한 공정 시작과 정지가 비교적 용이하여 소량 다품종 생산에 적합하며, 합금강 생산 시 합금 원소의 손실을 최소화할 수 있다.

따라서 전기로법은 특히 철 스크랩의 재활용이 중요한 미국이나 일본 등에서 널리 사용되며, 전 세계 제강 생산에서 차지하는 비중이 점차 증가하고 있다. 최근에는 태양광이나 풍력 등 재생 에너지로 생산된 전력을 사용함으로써 공정의 탄소 중립을 추구하는 연구도 활발히 진행되고 있다.

산소 전로법은 현대 제강 산업에서 가장 널리 사용되는 제강 방식이다. 이 방법은 고로에서 생산된 선철을 주원료로 사용하며, 선철 속에 다량 포함된 탄소와 규소, 망간, 인 등의 불순물을 고순도의 산소를 불어넣어 산화시켜 제거하는 원리를 기반으로 한다. 산소를 강력하게 분사함으로써 반응 속도를 크게 높여, 대량 생산에 매우 적합한 공정이다.

산소 전로법의 핵심 장비는 상부가 열려 있는 용기 형태의 전로이다. 이 전로에 고온의 액상 선철을 넣고, 상부에서 수냉식 랜스를 통해 순도 99% 이상의 산소를 고속으로 분사한다. 분사된 산소는 선철 내의 불순물과 격렬하게 반응하며, 이 과정에서 발생하는 반응열로 인해 강괴가 액체 상태로 유지된다. 불순물은 산화되어 슬래그 형태로 표면에 떠오르거나 가스로 배출된다.

이 공정의 주요 장점은 짧은 제강 시간과 높은 생산성이다. 1회의 작업(Heat)에 약 300톤의 선철을 처리하는 데 불과 40분 정도가 소요되며, 이는 기존의 평로법에 비해 월등히 빠른 속도이다. 또한, 석회석을 첨가하여 인과 황을 효과적으로 제거할 수 있어 품질 관리가 용이하다. 이러한 효율성 덕분에 산소 전로법은 자동차, 조선, 건설 등 다양한 분야에 사용되는 탄소강 생산의 주류 공정으로 자리 잡았다.

산소 전로법은 1950년대 초 오스트리아에서 개발되어 전 세계적으로 빠르게 확산되었다. 초기에는 LD 전로법으로 알려졌으며, 기술의 지속적인 발전을 통해 현재는 대부분의 일차 제강 공장에서 이 방식을 채택하고 있다. 공정 중 발생하는 배기가스를 회수하여 에너지로 재활용하는 등 환경 개선 기술도 함께 발전해 왔다.

제강 공정에서 탄소 조절은 가장 핵심적인 목적 중 하나이다. 선철에는 약 3~4%의 높은 탄소 함량이 포함되어 있어, 이는 재료를 매우 단단하지만 동시에 깨지기 쉽고 가공하기 어렵게 만든다. 따라서 강의 용도에 맞는 적절한 기계적 성질을 부여하기 위해, 제강 과정에서는 이 탄소 함량을 대부분의 경우 2% 미만, 보통은 0.02%에서 1.5% 사이로 정밀하게 낮추는 조절 작업이 필수적으로 수행된다.

탄소 함량을 낮추는 주요 방법은 산화 반응을 이용하는 것이다. 제강로 내에 산소를 불어넣거나 산화성 슬래그를 형성하면, 선철에 포함된 탄소가 산소와 반응하여 일산화탄소 가스 형태로 빠져나간다. 이 반응은 격렬하게 일어나며, 노내에서 불꽃과 거품을 동반하는 것이 특징이다. 전로법이나 산소 전로법과 같은 현대적 제강법은 고순도 산소를 강력하게 분사하여 이 탈탄 반응을 효율적으로 진행시킨다.

최종적으로 생산되는 강의 종류와 그 용도는 이렇게 조절된 탄소 함량에 크게 좌우된다. 일반적으로 탄소 함량이 낮을수록 연성과 인성이 좋아 성형 가공이 쉬운 연강이 되며, 탄소 함량이 높을수록 경도와 강도가 증가하는 고탄소강이 된다. 따라서 자동차 차체용 강판, 선박용 구조강, 공구용 공구강 등 다양한 제품은 각각 요구되는 탄소 함량으로 정밀하게 제조된다.

제강 공정에서 불순물 제거는 매우 중요한 단계이다. 고로에서 생산된 선철에는 약 3~4%의 탄소와 함께 규소, 망간, 인, 황 등 다양한 불순물이 다량 포함되어 있다. 이러한 불순물들은 강의 연성과 인성을 크게 저하시키고, 취성을 증가시켜 제품의 품질을 떨어뜨린다. 따라서 제강 과정에서는 이러한 불순물을 산화 반응을 통해 제거하여 순수한 철의 기초를 마련한다.

불순물 제거는 주로 산화 반응에 의해 이루어진다. 제강로에 투입된 선철에 산소를 불어넣거나 산화성 슬래그를 접촉시키면, 철보다 산소와 쉽게 결합하는 불순물 원소들이 먼저 산화된다. 예를 들어, 규소와 망간은 각각 이산화규소와 산화망간이 되어 슬래그로 제거된다. 인도 산화되어 오산화이인이 되며, 이는 석회와 반응하여 슬래그에 포집된다.

특히 인과 황의 제거는 까다로운 공정이다. 인은 산화 조건에서 제거되지만, 탄소가 많이 남아 있는 초기 단계에서 제거해야 효율적이다. 반면 황은 석회와 반응하여 황화칼슘을 형성해 슬래그로 제거되는데, 이는 환원 조건에서 더 잘 진행된다. 따라서 제강 작업자는 용강의 온도와 화학적 조성을 정밀하게 제어하며, 이러한 불순물을 효과적으로 제거하기 위한 타이밍과 방법을 결정한다.

불순물이 효과적으로 제거되면, 남아 있는 것은 주로 철과 소량의 탄소가 된다. 이후 정련 과정을 통해 목표하는 탄소 함량으로 조절하고, 필요에 따라 크롬, 니켈, 몰리브덴 등의 합금 원소를 첨가하여 다양한 등급의 강철을 생산하게 된다. 불순물 제거의 정밀도는 최종 강재의 기계적 성질과 내구성을 직접적으로 결정하는 핵심 요소이다.

제강 공정에서 철속의 불순물을 제거한 후에는 강에 원하는 기계적 성질과 물리적 성질을 부여하기 위해 다양한 합금 원소를 첨가한다. 이 과정을 합금화 또는 탈산 합금화라고 부르며, 최종 강의 등급과 용도를 결정하는 핵심 단계이다. 첨가되는 원소의 종류와 양은 생산하려는 강종에 따라 정밀하게 조절된다.

주요 합금 원소로는 탄소, 망간, 크롬, 니켈, 몰리브덴, 바나듐, 텅스텐, 실리콘 등이 있다. 탄소는 강의 경도와 강도를 높이는 가장 기본적인 원소이다. 망간은 강의 경화 능력을 향상시키고 황과의 반응을 통해 취성을 줄이는 역할을 한다. 크롬은 내식성과 내마모성을 크게 향상시켜 스테인리스강의 주요 구성 성분이 된다. 니켈은 인성과 내충격성을 높이며, 몰리브덴은 고온 강도와 크리프 저항성을 증가시킨다.

이러한 원소들은 순수한 형태 또는 페로합금의 형태로 용강에 첨가된다. 페로합금은 철과 목표 합금 원소가 결합된 중간 합금체로, 예를 들어 페로망간, 페로실리콘, 페로크롬 등이 있다. 이 형태로 첨가하면 원소가 용강에 더 쉽고 균일하게 용해되며, 반응을 조절하기가 용이하다. 합금 원소 첨가는 주로 정련 공정이 끝난 후, 주조 직전에 이루어진다.

합금 원소의 첨가는 자동차 부품, 건설 자재, 공구강, 항공기 부품 등 특수 목적용 고성능 강철 생산에 필수적이다. 이를 통해 일반 탄소강으로는 달성할 수 없는 높은 강도, 내열성, 내식성, 내마모성 등의 특성을 구현할 수 있다.

탄소강은 철과 탄소를 주요 합금 원소로 하는 강철의 가장 기본적이고 널리 사용되는 종류이다. 철과 탄소의 합금으로 정의되며, 일반적으로 탄소 함량이 0.02%에서 2.1% 사이인 강을 가리킨다. 이 범위 내에서 탄소 함량의 변화는 강의 경도, 강도, 가공성 등 기계적 성질에 결정적인 영향을 미친다. 탄소강은 그 생산량과 사용량 측면에서 가장 대표적인 강철 제품이다.

탄소강은 탄소 함유량에 따라 다시 저탄소강, 중탄소강, 고탄소강으로 분류된다. 저탄소강은 연성이 뛰어나고 성형 가공이 쉬워 자동차 차체나 철근 등의 용도로 널리 쓰인다. 중탄소강은 적절한 강도와 탄성을 갖추어 기계 부품이나 레일 등에 사용된다. 고탄소강은 높은 경도와 내마모성을 가지므로 공구강이나 스프링, 강선 등의 제조에 활용된다. 이러한 다양한 특성 덕분에 탄소강은 건설, 자동차, 조선, 기계 공업 등 거의 모든 중공업 분야의 핵심 소재로 자리 잡고 있다.

탄소강의 제조는 기본적으로 제강 공정을 통해 철속의 불필요한 불순물을 제거하고 원하는 수준까지 탄소 함량을 조절하는 과정이다. 이는 주로 산소 전로법이나 전기로법을 통해 이루어진다. 최종적으로는 압연 공정을 거쳐 판재, 봉재, 선재, 형강 등 다양한 형태의 제품으로 가공되어 공급된다. 비록 특수한 성능을 요구하는 곳에는 합금강이 사용되지만, 비용 대비 성능이 효율적이고 대량 생산이 용이한 탄소강은 현대 산업을 지탱하는 기초 소재로서 그 중요성이 매우 크다.

합금강은 탄소강에 특정한 합금 원소를 의도적으로 첨가하여 기계적 성질, 내식성, 내열성 등의 특성을 향상시킨 강종이다. 탄소강의 기본 성질은 주로 탄소 함량에 의해 결정되지만, 합금강은 이 외에도 크롬, 니켈, 몰리브덴, 망간, 실리콘, 텅스텐, 바나듐 등의 원소를 첨가하여 원하는 특성을 부여한다. 이러한 합금 원소의 종류와 함량에 따라 합금강은 그 용도와 특성이 크게 달라진다.

합금강은 주로 첨가하는 합금 원소의 종류에 따라 분류된다. 대표적인 예로 크롬과 니켈을 주로 첨가하여 내식성과 강도를 높인 스테인리스강, 크롬과 몰리브덴 등을 첨가하여 고온에서의 강도를 유지하는 내열강, 망간을 많이 함유하여 내마모성과 인성이 뛰어난 고망간강 등이 있다. 또한 공구강은 경도와 내마모성을 극대화하기 위해 텅스텐, 크롬, 바나듐 등을 조합하여 제조된다.

이러한 합금강은 자동차 부품, 항공기 구조재, 발전소 터빈, 화학 플랜트 장비, 의료 기기, 건설 기계 등 고강도, 내구성, 특수 환경 내성이 요구되는 다양한 첨단 산업 분야에서 필수적으로 사용된다. 합금 원소의 정밀한 조합과 제어를 통해 기존 탄소강으로는 달성하기 어려운 성능을 구현할 수 있어 현대 공업의 발전을 뒷받침하는 핵심 소재이다.