. 철강의 제조공정철광석에서 여러 가지 강재를 만들기까지는 여러 공정이 필요하지만 크게 나누어 제선, 제강, 압연공정의 3단계로 나눈다.{그림 철강제품 생산공정. 제선공정고로에 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 고인다스로를 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 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.. 강의 성질에 미치는 합금원소함금원소중에는 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 결. 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 있으광로(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.. 철의 용도현대의 철의 용도는 수력발전소, 송전탑, 철골, 선박,자동차,가전은 물론 수도관, 송유관, 가스관,하수도관및 화학공장의 반응탑등에 다양하게 사용되고 있습니다. 자동차자동차 재료의 요구조건일반적으로 자동차의 구조상 또는 기능상으로부터 바람직한 요구조건으로는 기계가공성 및 열처리성 등이 좋아야 하는 내구성, 소성 표면처리성등이 양호한 외관성, 경량화, 안정성 및 경제성 등입니다.내구성강인성, 내마모성 및 내열성이 있어야 하며 특별히 피로한계가 높은 재료가 되어야 합니다. 조직의 균일성이 높은 것을 사용하여 외적 응력에 감
● 금속의 특성금속은 일반적으로 아래와 같은 특성을 지닌다.① 고체상태에서 결정구조(結晶構造)를 형성한다.② 열 및 전기의 양도체(良導體)이다.③ 연성(延性) 및 전성(展性)을 갖는다.④ 금속광택을 갖는다.⑤ 상온에서 고체이다(수은(Hg) 제외)즉, 이상과 같은 특성을 갖는 것이 금속이며, 이들 중 부분적인 성질을 갖는 것을 아금속(牙金屬) 또는 준금속(準金屬) 이라 하고 이 같은 성질이 전혀 없는 것을 비금속(非金屬)이라 한다.이들 금속이 갖는 특성 중에서 가장 중요한 것이 ①항에 해당하는 것이며, 다른 특성들은 이 결정구조의 특성에 의해 설명될 수 있는 것이다. 전기와 열의 양도체인 것도 금속이 비금속과 다른 특성의 하나이며, 같은 전도도를 갖는다.금속의 종류는 매우 많아 현재 자연에 존재하는 92번까지의 원소중에서 금속원소는 68종, 비금속원소는 17종, 아금속원소는 7종이다.이들 금속원소들에 대해 중요한 성질인 금속의 용융온도(熔融溫度)를 비교해 보면 최고 텅스텐(W)의 3410℃에서 최저는 상온에서 액체인 수은(Hg)의 -38.4℃까지의 넓은 분포를 보이고 있다. 또한 중요한 금속들의 비중(比重)을 비교하여 보면 최소는 리튬(Li)의 0.53으로 물보다 가벼우며 최대는 이리듐(Ir)의 22.5까지 있다. 따라서 금속을 대별할 때 편의상 비중이 5 이하인 것을 경금속(輕金屬)이라 하고 비중이 5 이상인 것을 중금속(重金屬)이라 한다. Al, Mg, Be, Ti 등은 대표적인 경금속 들이며, Fe, Ni, Co, W, Cn 등은 대표적인 중금속들이다.● 금속의 특성금속의 공업적특성을 두가지 형태로 분류설명하면 조직에 관계없는 재료 특성과 조직의 형태에 따라 변화하는 특성으로 나눌 수 있다. 조직의 형상과 관계없는 재료의 특성으로는 무엇보다도 용융온도와 밀도를 들 수 있으며 이밖에도 구조물에서 중요한 재료특성중의 하나인 탄성계수도 합금첨가원소나 조직상태에 의해 고려할만한 영향을 받지는 않는다. 즉 탄성계수는 격자형태와 원자구조에 의해 결정되는 것으로 합금첨은 전혀 용융되지 않는다. 이러한 금속을 비정질상의 액체상태로 용융시키기 위해서는 각 원자가 인접한 격자점으로부터 뛰쳐나올 수 있도록 상당한 양의 열에너지가 요구된다. 일례로 1kg의 Al을 20℃로부터 660℃로 가열하기 위해서는 670 kJ의 열량이 필요하며 (용해열은 금속의 비열로부터 계산할 수 있으며 비열은 1g의 금속을 1°k 상승시키기 위한 에너지로서 단위는 KJ이다) 다시 660℃에서 온도의 상승없이 고체로부터 액체로 변화하는데는 g당 396 J이 요구된다 (용융잠열).Al원자는 고체-액체의 용융과정에서 상당한 에너지를 얻게 되며 이로 인하여 원자의 운동이 활발해진다. 따라서 원자는 고체상태에서보다 액처상태에서 높은 운동에너지를 갖는다. 이와는 반대로 용액의 응고과정을 보면 원자가 낮은 에너지를 갖는 결정상태로 돌아가기 위해서는 용융점에서 냉각이 진행되는 동안 396J/g을 방출해야 한다. 이 응고잠열은 그 양에 있어서 용융잠열의 양과 똑같다. 금속의 용해곡선과 응고곡선을 그리면 이들은 서로 경면대칭이 된다. 한편 금속의 용융점(혹은 응고점)에서의 온도-시간관계는 시간적으로 지연되는 것을 볼 수 있는데 이는 금속이 용융 또는 응고되는 동안 전체 용융잠열을 흡수하거나, 전체응고잠열을 방출할 때 까지 온도가 변화하지 않음을 말한다.◆ 과냉평형상태에서 순금속은 일정한 온도에서 응고한다. 즉 열전대를 순금속의 용액에 넣고 서서히 냉각시키면 응고점까지는 온도가 서서히 하강하다가 응고점에 이르면 순금속이 응고되면서 방출한 용융잠열(latent heat)로 말미암아 잠시 일정온도를 유지한다. 그리고 응고가 끝나면 다시 서서히 온도가 하강한다. 그러나 실제로 용융금속을 냉각시키면 열역학적 평형융점보다 낮은 온도에서 응고가 시작된다. 즉 응고점에서 고상의 생성이 억제되는 경우가 있다. 이와같은 평형응고온도 이하까지 액상이 냉각되는 현상을 과냉(supercooling, undercooling)이라 한다. 응고온도 이하 ΔT만큼 과냉되면 고상의 핵생성이 급속히 일어나이라 한다. 만일 순금속의 융액중에서 균질핵생성이 일어난다면 고상과 액상의 단위체적당의 자유에너지는 같을 것이다.그러나 TM이하의 온도에서는 온도가 낮을수록 액상과 고상의 체적에너지의 차 ΔGV(=GL-Gs)는 커진다. 지금 미소한 반지름(r)의 고상이 될 수 있는 원자집단(cluster)이 용액중에 형성되었다면 식 (1-1)과 같은 ΔGV의 체적에너지가 감소한다.(1-1)여기서 G : 자유에너지, g : 단위체적당 자유에너지즉 평형응고점보다 ΔT만큼 낮은 온도에서 반지름 r인 미소한 고상이 정출한다면 체적에너지는 ΔGV만큼 적어진다. 한편 새로 형성된 고상의 표면에는 고액계면이 생기게 되므로 계면에너지가 새로이 첨가된다. 이 계면에너지를 ΔGB라 하면(1-2)여기서 σ : 단위면적당의 계면에너지따라서 체적에너지의 감소와 계면에너지의 증가로 전체 자유에너지의 변화 ΔG는(1-3)이 관계를 고상의 반경 r의 함수로 나타내면 그림 3-9와 같이 된다.고상의 반경 r이 r*로 증대될 때 ΔG는 극대로 되나 그 이상에서는 급격히 감소한다. 따라서 융액내에 생긴 고상의 원자집단(cluster)이 반지름 r* 이상으로 된 것은 안정한 핵으로 될 수 있으며 r* 이상의 크기를 갖는 고상을 결정의 핵(nucleus)이라 부른다. 결정의 핵은 다음 관계로 성장한다. 즉 r*값은 식(1-3)을 미분하여 기울기간 0인 곳의 값이므로(1-4)(1-5)반지름 r*의 임계점은 ΔT가 클수록, 즉 온도가 낮을수록 작게 된다. 따라서 융액내에 존재하는 원자집단(Cluster)의 반지름이 임계반지름보다 크게 되는 온도로 과냉될때 비로서 핵생성이 일어난다.◆ 불균일 핵생성융체내의 불순입자나 주형벽에 의하여 불균일 핵생성이 일어난다는 것은 이미 설명하였다. 이 경우 결정핵은 액상온도에서 용해되지 않은 다른 입자의 표면에 접촉하여 생성되는 것이므로 계변 에너지의 발생량은 균열핵성상시보다 훨씬 적다. 따라서 핵생성에 필요한 과냉도는 매우 작아서 불과 수 ℃에 지나지 않는다.그림 11. 이물입자 표 응고과정을 살펴 보았다. 하지만 금속은 일반적으로 수 %의 합금원소를 함유하며 따라서 이들 용질원자들이 응고과정에 어떠한 작용을 하는지 살펴보지 않을 수 있다. 액상금속에서의 이들 관계는 아주 간단하다. 즉 상태도에 따라 고용화된 용질금속은 용매금속의 원자 사이를 무질서하게 움직인다. 하지만 고체금속에서는 이들 용질금속의 배열에 따라 균질, 불균질조직으로 구분한다.(1) 균질조직균질조직이라 함은 모든 용매, 용질 원자가 조직의 전영역을 통하여 균일하게 혼합되어 있는 조직을 말한다. 이러한 균질조직은 고순도의 순금속에서 찾아볼 수 있다. 고순도 Al을 부식시키면 결정립계가 희미하게 나타나는데 이들 결정립계에 형성된 결자결합으로 인하여 이부분이 다른 부분보다 쉽게 부식되기 때문이다.실제로 상용되고 있는 금속재료는 대부분이 2종류 이상의 금속합금으로 순금속 그대로 쓰이는 예는 적다. 또 아무리 순수한 금속이라 해도 미량의 불순물을 함유하기 마련이다. 따라서 우리가 취급하는 금속은 모두 합금이라고 말할 수 있다. 2종류의 금속을 같이 녹였을때 액체상태에서 완전히 용합(溶合)한 것을 응고시키면 고체상태에서도 용합한 그대로 균일한 조성의 고체를 형성하는 경우가 있다. 예를 들면 고순도 Al에 2% Mg을 첨가시켰을 때의 조직을 보면 순금속에서와 별다른 차이를 보이지 않는 균일한 조직을 볼 수 있는데 이는 Mg 원자가 하나하나의 원자가 되어 용매금속인 Al 격자속에 들어가 조직사진에서는 한종류의 결정처럼 보이기 때문이다. 즉 개개의 Mg 원자는 너무 미세하여 이들 용질금속원자를 금속현미경으로는 관찰할 수 없기 때문이다. 이와같은 고체를 고용체(solid solution)라 한다.치환형고용체(substitutional solidsolution)에서 금속원자는 격자에 아무런 변화를 주지 않으면서 용질원자로 치환된다. 이 치환형고용체는 용질원자가 용매원자와 비슷한 크기를 갖으며 화학적으로 서로 친화력이 있을때 주로 이루어 지는데 Al에 있어서 Cu, Si, Mg 등의 금속이 em)를 이룬다. 한 물질 또는 몇개의 물질의 집합이 외부와 관계없이 독립해서 한 상태를 이룰때 그것을 물질의 계라 한다. 계의 상태를 전체가 게시적(macroscopic)으로 균질할 때와 몇개의 다른 종류의 상태가 공존할 때가 있다. 전자를 균질계 (homogeneous System) 혹은 단상계 (single phase system)라 하고, 후자를 불균질계 (heterogeneous system) 또는 다상계(polg phase system)라 한다. 하나의 계안에 있는 성분이 공존하여도 계가 열역학적으로 평형을 이루지 못하는 이유는 존재하는 성분이 재료의 불충분한 접촉으로 인하여 특징적인 금속적 반응과 충분한 농도평형이 진행될 수 없기 때문이다. 계가 평형에 도달하기 위해서는 성분의 혼합이 잘 이루어져야 한다. 이것은 일반적으로 모든 성분이 융체상태로 될때까지 계를 높은 온도로 가열하므로써 가능하며 여기서 완전히 혼합된다. 다시 계를 서서히 냉각시키며느 각각의 성분은 가역반응을 일으켜서 계의 평형을 이루고, 이에 상당하는 상이 생성된다. 『단일종의 원자로 구성된 금속의 상은 온도와 압력에 따라 결정된다. 그러나 압력 변화에 따라 융점의 변화는 매우 작은 값이므로(latm의 압력변화에 따라 2.7×10-3℃) 일반적으로 순금속의 상은 온도에 따라 결정된다. 즉 융점이상의 온도에서는 액상이 되며, 그이항에서는 금속 특유의 구조를 이룬 결정이 된다. 그러나 합금은 합금원소의 농도에 따라서도 상이 변한다. 즉 합금의 경우에는 온도 이외에도 저성이 상을 결정하는 변수가 된다. 불균일계의 상태를 명백히 설명하는 기본법칙에는 1878년에 W. Gibbs가 발표한 상률(Phase rule)이 있다. 한 성분계에서 자유도의 수(압력, 온도, 조성)를 F, 성분의 수를 C, 상의 개수를 P라 할 때 이들의 수적인 관계를 취급하는 Gibbs의 상률이론식은 대단히 복잡하나 결론은 P+F=C+Z의 관계가 있다.그러나 금속재료를 취급할 때에는 대기압 하에서 취급하게 되므로 기압 된다.
![[금속공학] 철의 제조과정](https://image4.happycampus.com/Production/thumbnail/2001/11/24/data1056488-0001.jpg)
