I. 철강이란 무엇인가

철강은 철(Fe), 탄소(C), 실리콘(Si), 망간(Mn), 인(P), 황(S) 및 소량의 다른 원소로 구성된 합금입니다. 이 중 철(Fe)을 제외한 탄소 함량은 철강의 기계적 성질을 결정하는 데 중요한 역할을 하므로, 이들은 통칭하여 철-탄소 합금이라고 불립니다. 이들은 공학 기술에서 가장 중요하고 널리 사용되는 금속 재료입니다.

2. 강철의 의미

강철은 탄소 함량이 0.03%에서 2% 사이인 철-탄소 합금입니다. 탄소강은 가장 일반적으로 사용되는 일반 강철로, 용해 및 가공이 용이한 특징이 있습니다. 탄소 함량의 차이에 따라 탄소강은 저탄소강, 중탄소강 및 고탄소강으로 추가로 나뉩니다. 합금강은 특수강이라고도 하며, 탄소강에 하나 이상의 합금 원소를 추가하여 강철의 미세 구조와 특성을 변경하여 만듭니다. 강철에 추가되는 일반적인 합금 원소로는 Si, Mn, Cr, Ni, Mo, V, Ti 등이 있습니다.

3. 주철의 의미

철-탄소 합금 중 탄소 함량이 2%에서 4.3% 사이인 것을 주철이라고 합니다. 주철은 단단하고 부서지기 쉬우며, 좋은 압력 저항성과 마모 저항성을 가지고 있습니다. 주철은 백주철, 회주철, 연성주철로 나뉩니다. 백주철은 은백색의 외관을 가지고 있으며, 단단하고 부서지기 쉬워 가공할 수 없습니다; 이는 제강의 원료이므로 제강 주철이라고도 불립니다. 회주철은 은회색의 파단면을 가지고 있으며, 절단 및 주조가 용이하고 좋은 마모 저항성을 가지고 있습니다. 연성주철은 강철과 유사한 특성을 가지고 있습니다. 특수 주철은 주철에 특수 합금 원소를 추가하여 얻을 수 있습니다.

II. 철강 생산 과정

현대 철강 제련 과정은 철광석을 고로에서 주철로 제련하고, 용융된 철을 변환로 또는 전기로에 부어 강철로 제련한 다음, 용융된 강철을 연속 주조 빌렛 또는 강철 주괴로 주조하고, 이를 압연과 같은 소성 변형 방법을 통해 다양한 용도의 강철 제품으로 가공하는 과정을 포함합니다.

2. 통합 철강 공장

통합 철강 공장은 일반적으로 원자재 가공, 제철, 제강, 압연, 에너지 공급 및 운송과 같은 생산 링크를 포함합니다. 이는 복잡하고 대규모 생산 시스템입니다. 중국의 대부분의 철강 기업은 이러한 전 과정 통합 기업입니다.

III. 제철 원료 및 공정

고로 제련의 주요 원료에는 철광석(자연 고철광과 인공 고철광), 연료(코크스와 주입 연료), 그리고 플럭스(석회석과 백운석)가 포함됩니다. 주철 1톤을 제련하기 위해서는 약 1.60-1.65톤의 63% 등급 철광석, 0.3-0.6톤의 코크스, 그리고 0.2-0.4톤의 플럭스가 필요합니다.

2. 제철 과정

고로 제철은 코크스를 에너지로 사용하는 전통적인 제철 방법입니다. 변환로 제철과 협력하여 현재 철 생산의 주요 방법입니다. 고로 제철의 선도적인 위치는 상당한 기간 동안 변하지 않을 것으로 예상됩니다. 고로 제철의 본질은 철 환원 과정으로, 이 과정에서 코크스는 연료 및 환원제로 작용하여 철광석 또는 산화물 또는 광물 상태의 철 함유 원료에서 고온에서 액체 주철로 환원됩니다.

3. 제철 공정 흐름

제련 과정에서 용광로 충전물(광석, 플럭스, 코크스)은 정해진 비율로 충전 장비를 통해 상단에서 용광로에 배치됩니다. 하부 튜이어에서 불어넣어진 고온의 뜨거운 공기는 코크스와 반응하여 고온의 환원 가스를 생성하며, 이는 상승하여 가열되고, 환원되고, 녹아 용광로 충전물에서 슬래그를 형성하며 일련의 물리적 및 화학적 변화를 촉발합니다. 마지막으로, 액체 슬래그와 철이 용탕로에 축적되고 주기적으로 용광로에서 배출됩니다. 상승 과정에서 가스 흐름의 온도는 지속적으로 감소하고 그 조성은 점차 변화하며, 결국 용광로 가스가 형성되어 용광로 상단에서 배출됩니다.

IV. 제강 원료 및 공정

탈탄화 → 탈인화 → 탈황 → 탈산소화 → 탈질화, 탈수소화 등 → 비금속 포함물 제거 → 합금화 → 온도 상승 → 고화 및 성형.

2. 제강 원리 및 원료

강철 제조 과정은 산화 과정입니다. 불순물을 제거하는 주요 방법은 용융 풀에 산소를 불어넣고 슬래그 형성제를 추가하여 용융 슬래그를 형성하여 제거하는 것입니다. 탈탄화 반응은 강철 제조 과정의 주요 수단이며, 실리콘, 망간, 인, 황과 같은 원소도 산화 반응을 통해 제거됩니다. 강철 제조를 위한 원료에는 주철, 고철, 플럭스(석회석), 탈산제(페로실리콘, 페로망간, 알루미늄 등) 및 합금 재료가 포함됩니다.

3. 제강 공정

열간 금속 전처리 → 변환기 또는 전기 아크 용광로 제강 → 2차 정련(용강 정련) → 연속 주조.

V. 제강 공정 (핵심 연결)

연속 주조는 연속 주조기를 통해 용융 강철을 연속적으로 강철 빌렛으로 주조하는 과정입니다. 주괴 주조와 비교할 때, 연속 주조는 다음과 같은 장점이 있습니다: 간소화된 공정 및 에너지 절약; 빌렛 헤드 절단 비율 감소, 금속 수율이 주괴 주조보다 7-12% 높음; 효율적인 고형화; 및 최적화된 형성.

연속 주조 공정 흐름은 다음과 같습니다: 용융 강철이 텐디쉬를 통해 몰드에 주입되고, 일정 두께의 고체화된 쉘을 형성하기 위해 빠르게 냉각되며, 내부는 액체 상태(반고체 빌렛)로 유지됩니다. 빌렛의 하단 부분은 몰드 바닥으로 확장된 더미 바에 연결되어 있습니다. 주조가 시작되면, 빌렛 인출 기계가 더미 바를 통해 몰드 내의 빌렛을 일정 속도로 끌어당깁니다. 빌렛이 연속 주조의 2차 냉각 구역을 통과할 때, 물 분사에 의해 추가로 냉각되어 완전히 고체화됩니다. 완전히 고체화된 후, 빌렛은 스트레이트너에 의해 곧게 펴지고, 지정된 길이로 절단되어 컨베이어를 통해 운반됩니다.

2. 강철 압연

압연 과정은 압연된 조각과 롤 사이의 마찰이 서로 다른 방향으로 회전하는 롤 사이의 공간으로 압연된 조각을 끌어당겨 플라스틱 변형을 겪게 하는 과정입니다. 일반적인 강철 압연 과정은 다음과 같이 나눌 수 있습니다: 가열로, 거칠게 압연, 중간 압연, 마무리 압연 및 마감.

VI. 철강의 기계적 성질 (주요 지표)

철강은 우수한 물리적, 기계적 및 기술적 특성을 가지고 있으며, 다음과 같은 여섯 가지 주요 지표가 있습니다:

강철 재료나 샘플이 늘어날 때, 응력이 탄성 한계를 초과하면, 응력이 더 이상 증가하지 않더라도 강철 재료나 샘플은 계속해서 뚜렷한 소성 변형을 겪게 됩니다. 이 현상을 항복이라고 하며, 항복이 발생하는 최소 응력 값은 항복점이라고 합니다.

2. 항복 강도

일부 금속 재료의 항복점은 뚜렷하지 않아 측정이 어렵습니다. 따라서 재료의 항복 특성을 측정하기 위해 영구적인 잔여 소성 변형을 유발하는 응력이 특정 값(일반적으로 원래 길이의 0.2%)에 도달하는 것을 조건부 항복 강도 또는 간단히 항복 강도로 정의합니다.

3. 인장 강도

재료의 신장 시작부터 파단까지 도달한 최대 응력 값입니다. 이는 강철이 파단에 저항하는 능력을 나타냅니다. 인장 강도에 해당하며, 압축 강도, 굽힘 강도 등도 있습니다.

4. 신장

강철의 파단 후 플라스틱 신장 길이의 비율을 샘플의 원래 길이에 대해 '신장' 또는 '퍼센트 신장'이라고 합니다.

5. 수익률

강철의 항복점(항복 강도)과 인장 강도의 비율을 항복 비율이라고 합니다. 항복 비율이 높을수록 구조 부품의 신뢰성이 높아집니다. 일반적으로 탄소강의 항복 비율은 0.6-0.65, 저합금 구조강의 항복 비율은 0.65-0.75, 합금 구조강의 항복 비율은 0.84-0.86입니다.

6. 경도

경도는 재료가 표면에 단단한 물체의 압입을 저항하는 능력을 의미합니다. 이는 금속 재료의 중요한 성능 지표 중 하나입니다. 일반적으로 경도가 높을수록 마모 저항성이 더 좋습니다. 일반적인 경도 지표로는 브리넬 경도, 로크웰 경도, 비커스 경도가 있습니다.

VII. 철강의 성질에 영향을 미치는 요인

화학 조성이 철과 강의 특성에 미치는 영향

탄소는 철 다음으로 가장 중요한 원소입니다. 탄소 함량이 증가함에 따라 강철의 강도는 증가하지만, 가공성과 인성(특히 저온 충격 인성)은 감소합니다. 동시에 용접성, 내식성 및 냉간 굽힘 성능이 크게 저하됩니다. 따라서 구조용 강철의 탄소 함량은 일반적으로 0.22%를 초과하지 않으며, 용접 구조물의 경우 0.2% 미만이어야 합니다.

2. 망간

망간은 약한 탈산제입니다. 적절한 망간 함량은 강철의 강도를 효과적으로 개선하고 황과 산소가 강철에 미치는 열적 취성 효과를 제거할 수 있으며, 강철의 가공성과 인성을 크게 감소시키지 않습니다. 탄소 구조 강철의 망간 함량은 0.3%-0.8%이며, 저합금 강철에서는 일반적으로 1.0%-1.7%입니다.

3. 실리콘

실리콘은 강력한 탈산제입니다. 적절한 실리콘 함량은 강도의 저하 없이 강철의 강도를 향상시킬 수 있습니다. 그러나 실리콘 함량이 너무 높으면 강철의 가공성, 인성, 내식성 및 용접성을 저하시킵니다.

4. 바나듐, 니오븀, 타이타늄

바나듐, 니오븀, 그리고 티타늄은 모두 강철의 결정립 크기를 정제할 수 있습니다. 중국의 저합금 강철은 모두 이 세 가지 원소를 포함하고 있습니다. 망간 외의 합금 원소로서, 이들은 강철의 강도를 향상시킬 뿐만 아니라 좋은 가공성과 인성을 유지할 수 있습니다.

5. 산소, 질소

산소와 질소는 또한 해로운 불순물로, 금속이 용융 상태일 때 공기 중에서 금속으로 들어올 수 있습니다. 산소는 강철의 열적 취성을 유발할 수 있으며, 그 영향은 황보다 더 강합니다; 질소는 강철의 냉간 취성을 유발할 수 있으며, 이는 인과 유사합니다.

VIII. 철강의 분류

일반 강철 (P ≤ 0.045%, S ≤ 0.05%)

고품질 강철 (P 및 S ≤ 0.035%)

고급 고품질 강철 (P ≤ 0.035%, S ≤ 0.03%)

2. 화학 조성에 의한 분류

탄소강

저탄소강 (C ≤ 0.25%)

중탄소강 (C: 0.25%-0.6%)

고탄소강 (C > 0.6%)

합금강

저합금강(총 합금 원소 함량 ≤ 5%)

중간 합금강 (총 합금 원소 함량: 5%-10%)

고합금강(총 합금 원소 함량 > 10%)