철의 종류와 철강 만드는 방법과 과정

철은 원소기호 Fe, 원자번호 26으로 철(鐵)입니다. 철은 인류 문명의 발전에 획기적으로 기여하였으며 '산업의 쌀'이라고 불립니다. 우리의 생활과 뗄 수 없는 관계를 가지고 있는 금속, '철'에 대하여 철의 종류, 철강을 만드는 방법, 과정,  합금강의 종류에 대해 적어보겠습니다. 

 

 

 

 

철강산업의 발달은 산업 강국의 역사와 흐름을 같이합니다. 산업 발전시기 영국과 독일을 중심으로 한 유럽에서 시작하여 미국으로 넘어갔다가 지금은 한국과 중국을 비롯한 아시아 국가가 철강산업을 주도합니다.

 

우리가 일반적으로 사용하는 철강은 화학적으로 순수한 철 원소(Fe)로만 구성돼 있는 것은 아닙니다. 철을 주성분으로 하여  탄소(C), 규소(Si), 망간(Mn), 인(P), 황(S) 등의 성분이 들어갑니다.

 

철은 우리 몸안에 핏속에도 존재합니다. 피가 붉은색을 띠는 것은 적혈구의 혈색소인 헤모글로빈에 있는 철성분 때문입니다. 그렇다면 영화 '에일리언'에 나오는 외계인의 피가 초록색인 것은 철 성분이 없기 때문이라고 생각하면 되겠습니다.

 

    철의 종류

 

철의 명칭은 기본적으로 탄소의 함량에 따라 달라지는데요, 철강의 성질 역시 탄소 함유량에 따라 좌우됩니다. 탄소 함유량이 적을수록 연하고 늘어나기 쉬운 성질을 가지며 탄소량이 많을수록 단단해지지만 탄성력은 떨어집니다. 순수한 철은 무른 편인데 탄소를 섞어줄수록 단단해지는 것입니다.  철이 단단하다고 생각했는데 철의 성질을 다소 잘 못 알고 있는 것이었습니다.  

 

▶ 순철(pure iron)

순철은 다른 원소는 거의 들어 있지 않은 순수한 철을 말합니다. 순철은 너무 무르고 잘 늘어나기 때문에 그  쓰임새가 많지 않습니다.

전자기 재료, 촉매, 철강의 성질을 알아보는 시험용으로 주로 쓰입니다.

 

▶ 선철(pig iron)

선철은 몰라도 '무쇠'는 많이 들어보았을 것입니다  그 무쇠가 선철입니다.  탄소의 함량이 1.7~4.5%로  단단하지만 강해서 깨지기 쉬운 단점이 있습니다. 오래전 만화영화 마징가Z의 주제가 중에 '무쇠팔 무쇠다리 로켓 주먹'이라는 가사가 나오는데요 아주 단단하고 강한 이미지로 익숙합니다. 

 

선철을 만들때는 틀에 부어서 주물로 만들 수 있습니다. 그러나 압력을 가해 얇게 한다든가 늘리는 가공은 할 수 없습니다.

선철의 쓰이는 곳으로는 무쇠솥, 철판, 화로 등이며, '솥뚜껑 삼겹살집'의 솥뚜껑이 바로 선철로 만들어진 것입니다.

그러고 보면 오래된 솥뚜껑이 깨진 것을 본 기억이 있습니다. 선철은 탄소함량이 높아 강하지만 상대적으로 깨지기 쉽습니다. 

 

▶ 강철(steel)

강철은 선철을 정련해 만든 철입니다. 탄소의 함량이 0.1~1.7%로 선철보다 적습니다.

강철은 단단하면서도 잘 늘어나는 성질을 가지고 있기 때문에 두들기고 늘여서 여러 용도로 사용할 수 있습니다.

이러한 강철의 특징으로 철 가운데 가장 광범위하게 많이 쓰입니다.

 

탄소강 · 보통강이라고도 불리는데 기계 부품용 · 공구용 등 철근, 자동차 차체, 선박 등 우리 주변의 철강 제품들은 강철로 만든 것이 대부분입니다.

 

    철강 만드는 방법

 

철강 만드는 방식은 크게 2가지가 있으며 고로방식과 전기로 방식입니다.

 

▶ 고로방식(철강 만드는 방법 1번째)

고로는 말 그대로 우뚝 솟은 용광로를 말합니다. 용광로에 철광석을 넣고 녹여서 철강을 만드는 것으로 대량으로 고품질의 철강을 만드는 데 유리합니다.

 

국내에서 철광석을 원료로 쇳물을 생산하는 업체는  포스코와 현대제철이 있습니다.

원료인 철광석에서 최종 제품까지 생산한다고 하여 일관제철소라고 합니다.

 

고로 방식으로 철강을 만드는 주원료는 철광석, 코크스 , 석회석 세가지입니다. 

 

- 철광석 : 고로에 사용되는 철광석은 철 함유량이 70% 정도이고 붉은색인 적철광을 많이 사용합니다.

- 코크스 : 유연탄을 덩어리로 만든 후 코크스로라는 곳에서 장시간 구워서 만듭니다.

- 석회석 : 철광석의 각종 불순물을 제거하기위해 사용합니다.

 

철강을 만드는 과정 3단계

 

제선- 제강- 압연

 

1. 제선(철강 만들기 1단계)

철광석과 코크스, 석회석을 넣고 1200도 이상의 뜨거운 바람을 불어넣습니다.  그 뜨거운 바람에 코크스가 타면서 철광석이 녹아 쇳물이 됩니다. 이때 용광로 온도는 무려 섭씨 1500도에 이릅니다.

이 공정을 제선이라고 하고 이 뜨거운 쇳물을 용선이라고 합니다.

 

2. 제강(철강 만들기 2단계)

철광석을 녹이면 비중의 차이로 쇳물은 용광로 아래쪽에 모이고 기타 불순물은 석회석과 합쳐져 쇳물 위에 뜹니다.  용광로에 석회석을 함께 넣는 이유가 바로 이 불순물을 없애기 위한 것으로 이 찌꺼기들을 슬래그라고 합니다.

찌꺼기, 불순물이라고 하여 버려지는 것은 아닙니다. 슬래그도 시멘트 원료 등에 사용이됩니다.

 

이렇게 철광석에서 녹여 분리해낸 쇳물은 아직 탄소 함량이 높아 단단합니다. 그래서 부러지기는 쉬우면서 변형하기는 어렵습니다. 인(P)이나 황(S) 같은 불순물도 많이 섞여 있는 상태입니다.

 

그래서 이 쇳물에 남아있는 불순물도 없애고 탄소의 양을 줄여 '강'을 만드는 과정을 거치는데 이 과정이  '제강'입니다.

이렇게 제강 작업을 거친 강(강철)은 선철(무쇠)과 달리 힘을 가하면 늘어나고 펴지는 성질을 가지게 됩니다.

 

3. 압연(철강 만들기 3단계)

압연은 쇳물을 고체화한 반제품을 압연 설비 롤러에 넣어 원하는 두께의 강판으로 늘리거나 얇게 만드는 과정입니다. 이렇게 나온 것이 판재류로 중후판, 열연강판, 냉연강판 등이 있습니다.

 

- 중후판은 선박, 교량, 각종 산업기계 등에 널리 사용됩니다.

- 열연강판은 냉연강판의 소재가 되거나 석유 수송용 강관(*)의 소재 등으로 쓰입니다.

- 열연강판은 소비용도에 따라 두께를 조정합니다.

 

*강관은 각종 파이프류를 말합니다.

얇게 편 열연강판을 둘둘 만 것을 열연코일이라고 합니다.

냉연강판은 열연코일을 얇게 만들고 표면을 미려하게 가공한 것입니다. 가공방식에 따라 자동차나 세탁기, 냉장고 등 각종 제품에 사용됩니다. 각종 음료의 캔에 쓰이는 주석도금강판 등의 원판으로 쓰이기도 합니다.

 

▶ 전기로 방식(철강 만드는 방법 2번째)

 전기로라는 커다란 용기에 고철 (스크랩)을 넣고 녹여 다시 철을 만드는 방법입니다. 전 세계에서 생산되는 철강 제품의 30%가량이 이 방법으로 만들어냅니다.

 

전기로는 전기(아크)로 열을 발생시켜 쇠를 녹일 수 있는 거대 그릇을 말합니다. 처음 전기로가 나왔을 때는 용량이 10톤 내외였지만 지금은 100톤. 150톤, 300톤짜리 등 크기도 어마어마하게 커졌습니다.

 

전기로는 아크열로 쇠를 녹이는 만큼 전기 사용량이 많습니다. 보통 대형 전기로 업체의 1년 전기료가 1000억원이 넘고, 많은 곳은 4000억 원 선에 이릅니다. 전기로 업체로서는 전기료를 줄이는 것이 매우 중요한 만큼 공장에서 나오는 폐열을 이용해 고철을 미리 예열해 전기로에 넣는 등의 방법으로 전기료를 절감하기도 합니다.

 

한국에서 전기로 공법을 주력으로 철강제품을 만드는 회사는 현대제철 · 동부제철 · 동국제강 · YK스틸 등이 있습니다.

주로 건축 토목용 소재로 사용되는 철근, 건물이나 교량, 지하철이나 각종 철공 공사 소재로 사용되는 형강 등을 만들어 냅니다. 

 

고로방식과 전기로 방식은 쇳물을 만드는 방식만 다를 뿐, 쇳물의 성분을 조정하고, 제강, 압연 하는 과정은 같습니다.

 

    합금강의 종류

 

강철에 합금 원소를 첨가하거나 도금 등의 표면처리를 통해 강의 성질을 변화시켜 다양한 합금강 제품을 만들어 사용할 수 있습니다. 

 

▶ 스테인리스 스틸

대표적인 합금강으로 녹슬지 않는 철입니다.  스테인리스 스틸은 일반 탄소강에 크롬과 니켈 등을 첨가해 만듭니다.

20세기 초 스테인리스 스틸이 발명되면서 철제 용품은 비약적인 발전을 하게됩니다. 스테인리스 스틸은  내구성이 강하면서 녹이 슬지 않아 냄비와 칼, 그릇과 같은 주방용품에서 그야말로 혁신을 불러왔습니다.

 

▶ 몰리브덴강

탄소강에 몰리브덴을 다량 넣고 텅스텐 등도 함께 넣어 만듭니다. 강도와 내열성을 높인 몰리브덴 강은 드릴이나 커터 등 절삭공구의 소재로 많이 사용됩니다.

 

▶ 스펀지 금속

물에 뜨는 철도 있습니다. 철 안에 발포제(공기 방울이 생기게 하는 약품)를 넣어 부풀린 금속으로 '스펀지 금속'이라고 불립니다. 밀가루 반죽에 베이킹파우더를 넣어 빵을 부풀리는 것과 같은 원리입니다.

스펀지 금속은 충격이나 진동, 소리를 빨아들이는 성질이 있어서 엘리베이터의 방음판 등으로 사용됩니다.

 

▶ 형상 기억 합금

모양을 기억하는 합금인 형상기억 합금도 있습니다. 정해진 온도에서 일정한 모양으로 만들어 줍니다. 후에 힘을 가해 다른 모양으로 변형시키더라도 정해진 온도를 맞춰 주면 처음 만들어진 모양으로 돌아가는 합금이라 형상 기억 합금이라고 이름 지어졌습니다.

치열 교정용 와이어, 안경테, 속옷 와이어 등에 사용됩니다.  

 

오늘은 철에 대한 다소 생소한 이야기들을 전해 드렸습니다.

철의 탄소성분에 따른 세 가지 종류(순철, 선철, 강철)

철강을 만드는 방법 두 가지(고로 방식과 전기로 방식)

철강 만드는 과정 3단계 (제선-제강-압연)

합금강의 종류 4가지에 대해 적어보았습니다.

평소에 철의 원소기호 F2 정도는 알았어도 오늘 내용은 생소했다면 재미있게 보셨으면 좋겠습니다.