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성질

철

강철의 주성분은 철인데, 철은 순수한 상태에서 구리보다 경도가 크게 높지 않다.

철은 다른 모든 금속처럼 고체상태에서 많은 결정들이 서로 연결되어 있는 다결정질(多結晶質)이다. 하나의 결정 내에서 구성원자들은 매우 질서있게 배열되어 있으며, 이것은 서로 접촉하고 있는 구(球)로서 가장 잘 묘사된다. 이들은 격자(格子)라고 부르는 평면 내에 배열되어 있으며, 격자들은 서로 특별한 방식으로 서로 연결되어 있다. 격자배열은 8개의 철원자들이 꼭지점에 위치하는 단위입방체(單位立方體)로서 묘사된다.

강철의 독특한 특성에서 중요한 것은 철의 동질이상(同質異像), 즉 2가지 결정형태가 존재한다는 점이다.

체심입방배열(體心立方配列 : bcc)은 각 입방체 중심에 철원자가 하나 더 있다. 면심입방배열(面心立方配列 : fcc)은 단위입방체의 여섯 면 중심에 철원자가 하나씩 더 존재한다. 면심입방배열은 격자 사이의 거리가 체심입방배열보다 약 25％ 더 크다는 사실이 중요하다. 이는 고용체(固溶體) 내에 합금원자(合金原子)가 들어갈 수 있는 공간이 체심입방구조보다 면심입방구조에서 더 크다는 것을 의미한다.

철은 912℃ 이하에서, 그리고 1,394℃부터 용융온도(熔融溫度)인 1,538℃ 사이에서 체심입방구조로 존재한다.

페라이트라고 부르는 체심입방구조의 철은 저온에서는 알파(α)철로, 고온에서는 델타(β)철로 불린다. 철은 912℃와 1,394℃ 사이에서 면심입방구조로 존재하며, 감마(γ)철로 알려져 있다.

강철

철의 동질이상 현상은 다른 원소를 상당량 함유하고 있는 강철에서도 나타난다.

순철은 공학재료로 사용하기에는 너무 무르다. 철의 강도를 높여 강철로 전환시키는 주된 방법은 소량의 탄소를 첨가하여 금속의 미세구조를 변환시키는 것이다. 강철 내에 있는 철(페라이트)은 용해상태인 미량의 탄소를 함유한 철로 구성되어 있다. 강철 내에 다른 합금원소를 포함하는 경우도 있다. 강철 내의 탄화철을 가리키는 시멘타이트는 강철 내에 탄소가 나타나는 형(形)으로 탄소 6.67％와 철 93.33％로 구성되어 있다.

이것의 성질은 매우 단단하고 부서지기 쉽다는 것 외에는 알려진 것이 거의 없다. 오스테나이트는 강철의 고온상(高溫相)이며, 강철을 790℃ 이상으로 가열할 경우 형성된다. 이것은 면심입방구조인 감마철 내에 탄소가 고용체 형태로 존재하는 균질한 상(相)이다. 약 0.08％의 탄소를 가진 강철을 냉각할 경우, 페라이트와 시멘타이트는 동시에 침전되어 펄라이트라고 알려진 특징적 엽상구조(葉狀構造)를 형성한다. 펄라이트는 순수한 철보다 약 3배 더 단단하다.

철 융제(融濟)의 탄소함량이 증가함에 따라 고화(固化)온도는 떨어진다.

예를 들면 0.77％의 탄소를 함유하는 용융(熔融)된 강철은 약 1,475℃에서 결정화되기 시작하여 약 1,400℃에서 완전히 고체가 된다. 이 온도 이하부터 철 결정은 모두 오스테나이트, 즉 면심입방구조로 존재하며, 모든 탄소는 고용체 상태로 존재하게 된다. 냉각이 더 진행됨에 따라 약 727℃에서 오스테나이트 결정이 펄라이트로 천이(遷移)하는 급격한 변화가 일어난다. 약 0.25％ 정도의 낮은 탄소함량을 갖는 강철을 냉각할 경우 펄라이트와 페라이트가 거의 반반인 미세구조가 형성된다.

이런 강철의 강도는 펄라이트의 약 절반 수준이다. 탄소함량이 1.05％인 강철은 펄라이트와 시멘타이트의 미세구조를 가지며, 펄라이트보다 더 단단하다.

강철의 역학적 성질을 바꾸는 또다른 방식은 열처리에 의해 이루어진다. 강철을 매우 빨리 냉각시킬 경우, 탄화물 형성이 완전히 억제되어 새로운 미세구조인 마르텐사이트가 형성된다. 이것은 강철 중에서 가장 단단하고 깨어지기 쉬운 형(形)이다.

마르텐사이트 강철의 담금질(tempering : 온도를 어느 점까지 상승시켜 일정 시간 방치하는 것)은 경도와 이쇄성(易碎性)을 감소시켜 단단하고 강한 강철을 만든다. 이런 '급냉(急冷)담금질' 처리는 강철의 성질을 조절하는 매우 중요한 방법이다.

강철의 성질을 바꾸는 다른 방법은 단순한 탄소강(炭素鋼)에서 얻을 수 없는 특성을 갖도록 합금원소를 첨가하는 것이다. 합금강(合金鋼)에 사용되는 원소는 약 20가지이며, 이 원소 각각은 미세구조의 변화를 일으키는 온도·유지시간·냉각속도에 있어 서로 다른 영향을 미친다.

이렇게 첨가된 원소는 천이점(遷移點)을 변경시키며 탄화물 같은 금속간화합물(金屬間化合物)을 형성하는 다른 원소와 특성을 달리한다. 합금효과의 한 예는 고강도저합금(高强度低合金 : HSLA) 강철의 제조이다.

강화제로서 탄소만을 사용할 경우 좋은 용접성(鎔接性)을 가진 강한 강철을 만드는 것이 불가능하다. 왜냐하면 탄소는 용접 부위에 깨어지기 쉬운 부분을 형성하기 때문이다. 그러나 탄소의 함량을 낮게 하고 규소·망가니즈·몰리브데넘·나이오븀 또는 타이타늄 같은 강화원소(强化元素)를 약간 첨가할 경우 금속이 강화된다.

이런 원소들은 미세한 입자로 된 강한 강철을 만드는 효과를 낸다.

합금원소들은 철 격자를 통해 탄소가 확산되는 것을 늦추어 동질이상 천이를 지연시키기 때문에 열처리에 강한 영향을 끼친다. 예를 들면, 정상적으로는 급냉에 의해 형성되는 아주 단단한 마르텐사이트가 냉각속도가 느린 경우에도 형성될 수 있다는 것이다. 이것은 내부응력(內部應力)을 작게 하고, 가장 중요한 점으로 제품(workpiece)의 깊은 곳까지 단단한 부분을 형성시키기 때문이다.

망가니즈·몰리브데넘·크로뮴 같은 원소를 첨가할 경우 경화성을 증진시킬 수 있다. 이런 합금은 더 높은 온도에서 담금질이 가능하므로 같은 경도와 강도를 가지면서 더 우세한 연성(延性)을 갖는다.

종류

화학조성

강철은 화학조성에 기초하여 탄소강·저합금강(低合金鋼)·고합금강(高合金鋼)으로 구분된다.

탄소강은 가장 많이 생산되고 소비되는 것으로서, 전세계 강철생산량의 약 90％를 차지한다.

탄소강은 탄소함량이 0.5％ 이상인 고탄소강(高炭素鋼)과 0.2~0.49％인 중탄소강(中炭素鋼), 0.05~0.19％인 저탄소강(低炭素鋼), 0.015％ 이하인 초저탄소강(超低炭素鋼)으로 분류한다. 저합금강은 합금원소를 8％까지 함유하며, 고합금강은 합금원소를 8％보다 더 많이 함유한 경우를 말한다.

응용

강철의 광범위한 응용성은 강철의 다양한 성질을 대변해준다.

대부분의 소비자가 필요로 하는 것은 탄소강이다. 저탄소강은 얇은 박판(薄板)을 만드는 데 널리 사용되고, 중탄소강과 강판은 모든 형태의 구조물에 사용되며, 고탄소강은 철로건설에 쓰인다. 철사는 여러 종류의 탄소강으로 만든다. 탄소강으로 필요한 특성을 낼 수 없을 경우 합금을 첨가한다. 파이프·선박·저장탱크에 사용되는 강철은 높은 강도, 좋은 용접성, 높은 내부식성(耐腐蝕性)을 필요로 하므로 고강도저합금강(HSLA)으로 만든다. 암석가공용 기계와 동력삽에 사용되는 내구성 강철(耐久性鋼鐵)은 약 1.2％의 망간을 포함하는 오스테나이트 강철이다.

망간은 강철이 상온에서도 오스테나이트 구조를 유지하게 해준다. 내구성은 높은 가공경화(加工硬化)에 의해 발생된다. 즉 강철의 무게가 무거울수록 강도가 더 커진다.

스테인리스강은 크롬을 10.5％ 이상 첨가할 때 생기는데 눈에 보이지 않으며, 스스로 복원력을 갖는 산화크롬 막 때문에 녹이 슬지 않는 성질이 있다.

스테인리스강에는 오스테나이트 스테인리스강, 페라이트 스테인리스강, 마르텐사이트 스테인리스강 등 3가지 형이 있다. 가장 강한 내부식성을 갖는 것은 오스테나이트 스테인리스강이다. 이것의 미세구조는 모든 합금원소가 고용체 안에 포함된 매우 깨끗한 결정으로 구성되어 있다.

이런 강철은 16~26％의 크롬과 매우 강한 오스테나이트 구조를 형성하게 해주는 니켈을 35％까지 포함한다.

페라이트 스테인리스강과 마르텐사이트 스테인리스강은 둘 다 체심입방 미세구조로 되어 있다. 마르텐사이트강은 높은 탄소함량(1.2％까지)을 갖고 있고, 가공경화를 할 수 있으며, 칼과 공구 제조에 사용된다. 페라이트강은 탄소 함량이 0.12％에 불과하다. 이런 2가지 강철은 주요 합금원소로 크롬을 11.5~29％ 포함하며, 니켈은 포함하지 않는다. 이들의 내부식성은 중간 정도이며, 모두 강자성(强磁性)을 갖고 있다.

형태와 표면

강철은 평평하거나 길쭉한 제품으로 만드는데, 어떤 경우에나 열간압연(熱間壓延)되고 냉각성형(冷却成型)된 표면이나 피복(被服)된 표면을 갖는다.

평평한 제품에는 평판(平板 plate), 열간압연된 스트립과 박판 그리고 냉각압연(冷間壓延)된 스트립과 박판이 있다. 이들 모두는 상이한 표면특성을 가질 수 있다. 이들은 큰 슬랩(slab 板用鋼板)으로부터 압연되는데, 이 슬랩은 연속주조기에 의해 또는 판재용 강판압연기에 의해 주괴(鑄塊)로부터 만들어진다. 평판은 슬랩 또는 주괴를 열간압연하여 만드는데, 보통 소비자의 요구에 맞추어 적은 양을 만들며 때로는 내부식성 박판으로 피복하기도 한다.

길쭉한 제품은 정사각형 대형강편(大型鋼片)이나 소형강편으로 만들어지는데, 이 재료들은 연속적으로 주조하거나 분괴압연기(分塊壓延機)로 만든다. 봉(捧), 막대, 철사, 구조용 형강(形鋼), 철도용 레일, 관(官)은 모두 길쭉한 제품에 속한다. 봉의 단면은 4각형·평면 또는 원형인데, 원형 단면을 가지는 것이 가장 많다.

열간압연된 신선재(伸線材)는 냉각압연시켜 철사를 만들기도 한다. 철사의 이용범위는 띠를 두른 타이어의 끈에서부터 현수교용(懸垂橋用) 케이블에 이르기까지 다양하다. 흔한 구조물로는 I-빔(beam)과 H-말뚝(piling)이 있다.

제강의 역사

철

철 생산은 소아시아에서 BC 2000년경에 시작되었으며, 철기시대(鐵器時代)인 BC 1000년에는 완전히 정착되었다.

철은 BC 500년에 이르러 서유럽에 도달하였고, BC 400년까지는 중국에 전파되었다. 철은 작은 용광로에서 고체 덩어리로 만들어졌고, 이것은 다시 뜨겁게 단조(鍛造)되어 슬래그(slag)와 목탄(木炭) 조각을 포함하는 전성(展性)이 있는 물질인 연철봉(練鐵捧)으로 만들어졌다.

초기에 만들어졌던 철의 탄소함량은 다양했다.

강철의 탄소함량이 0.3％ 이상일 경우, 물 속에서 급냉시키면 단단하고 깨어지기 쉽게 된다. 그러나 이런 이쇄성(易碎性)은 강철을 재가열(담금질)하여 감소시킬 수 있다. 이집트인들은 BC 900년에 이르러 이러한 방법으로 열처리하여 칼과 단검을 만들었다. 로마인들은 철 제조기술을 널리 퍼뜨렸기 때문에 로마 시대에 연철제품이 크게 증가하였다. 철 제조는 중세 유럽에서 계속되었지만, 기술혁신의 증거는 거의 없다.

그러나 15세기에 이르러 노(爐)에 공기를 불어넣는 데 수력(水力)을 사용하였으며, 철의 용융점(熔融點) 이상으로 온도를 올릴 수 있게 되어 탄소가 많은 액체, 즉 주철(鑄鐵)이 만들어졌다.

주철의 탄소함량을 감소시켜 연철로 만들기 위해서는 목탄을 연료로 사용하여 고화된 주철을 재가열해야 했다. 산화성(酸化性) 공기로 탄소를 제거시켜, 반고체 조각을 만든 다음 일단 냉각시킨 후 망치질로 형태를 갖게 하였다.

블리스터강

연철을 강철로 바꾸기 위해, 즉 탄소함량을 증가시키기 위해 탄소첨가공정(炭素添加工程)을 이용한다.

큰 가마 내에 철강편을 탄소와 함께 넣어 밀봉(密封)한 후, 가마를 가열하여 탄소를 철 내부로 확산시킨다. 탄소가 확산된 철을 가마에서 꺼내 단조한 후, 목탄으로 가마를 재가열한다. 재가열하는 동안 일산화탄소는 강철 표면에 '기포'(氣泡)를 형성한다. 흔한 강철제품 중의 하나가 무기인데, 좋은 검을 만들기 위해서는 탄소첨가공정과 망치질공정을 약 20번 반복해야 한다. 이 공정은 느리고 비용이 많이 든다.

산업혁명은 연철의 수요를 증가시켰는데, 연철은 철로와 교량의 건설에 이용될 수 있을 만큼 충분했기 때문에 사용가능한 유일한 재료였다. 그러나 그당시 연철을 작은 배치(batch)에서 생산한다는 것이 해결되지 않은 중요한 문제였다.

이 문제는 18세기 말엽 개발된 교련법(攪鍊法)에 의해 해결되었다. 교련법은 용광로에서 나오는 철을 연철로 바꾸는 방법이다. 1860년 영국에서는 교련로(攪鍊爐)를 이용하여 160만t의 연철이 생산되었지만, 이중 6만t을 블리스터강으로 전환시켰다. 그 다음 10년 동안 블리스터강 생산은 급격히 감소하였다.

도가니강

코크스를 연료로 사용하여 1,500℃에서 블리스터강을 점토 도가니 내에서 녹이는 방법이 18세기 중엽 영국의 셰필드 제강공장에서 개발되었다.

용융된 금속은 주조되어 주괴로 만들어졌다. 도가니법은 유럽으로 널리 전파되었고, 1873년에는 전세계 강철생산량의 반을 이 방법으로 생산하게 되었다. 도가니법에 의해 처음으로 합금철(合金鐵)을 생산하였으며, 도가니법은 강철을 주조할 수 있는 최초의 방법이었다. 도가니강은 뛰어난 특성을 가졌지만 대량생산할 수는 없었다.

베서머강

1855년 헨리 베서머는 마침내 강철을 대량 생산할 수 있는 방법을 개발했다.

그는 공기를 바닥으로부터 용융된 철을 통하여 불어줄 수 있도록 내화물(耐火物)을 연결시킨 서양배(pear) 모양의 용기를 사용하였다. 그는 철 내에서 규소와 탄소를 산화시키면 열로 방출된다는 것을 깨달았으며, 충분히 큰 용기를 사용할 경우 발열반응(發熱反應)에 의해 생기는 열이 소모되는 열을 상쇄하고도 남는다는 사실도 알았다. 이 방법으로 1,650℃의 온도를 얻을 수 있었으며, 반t의 강철을 15분 이내에 제련(製鍊)할 수 있었다. 베서머법과 변형된 방법은 20세기에 들어 다음에 설명한 평로법·순산소법·전기아크로법으로 대체되었다.

1차 제강

원리

제강에 사용되는 철을 포함하는 원료물질 가운데 중요한 것에는 용광로를 1차로 거친 철·고철, 환원과정을 거친 철인 직접환원철(直接還元鐵 : DRI)이 있다.

현재는 3가지 제강법, 즉 순산소법·평로법·전기아크법이 사용된다. 앞의 두 방법은 액체상태 용광로철과 고철을 원료로 사용하며, 3번째 방법은 고철과 직접환원철의 고체 원광(原鑛)을 원료물질로 사용한다. 원료물질에서 일어나는 가장 중요한 화학반응은 탄소가 일산화탄소로, 규소가 실리카로, 망간이 산화망간으로, 인(燐)이 인산염(燐酸鹽)으로 산화되는 것이다.

위 반응에서 생기는 산화물은 융제(融劑)로서 첨가되는 산화칼슘(태운 石灰)과 함께 슬래그를 형성한다.

고철을 사용하여 제강할 경우 황(黃)을 융제로 종종 사용하는데, 이런 강철의 황 함유량을 낮추기 위해서는 환원과정을 통해 탈황(脫黃)시켜야 한다. 제강과정에서 탄소는 일산화탄소 기체로 산화되므로, 일산화탄소 발포(發泡)현상이 발생한다. 이런 발포현상은 화학반응을 증가시키고 수소와 질소를 씻어내며, 열전달을 증가시킨다.

강철의 탄소함량은 매우 중요한데, 탄소는 산화되어 필요한 양 이하로 떨어지는 경우가 종종 발생하므로 탄소분말을 주입시켜 필요한 양만큼 탄소양을 증가시킨다. 용융된 강철 내에서 탄소함량이 감소함에 따라 용존산소(溶存酸素)의 양은 증가한다. 용존산소의 양이 높을 경우 고체 강철에 불필요한 흠이 발생되므로, 보통 제강공정 끝(tapping 단계)에서 알루미늄이나 규소를 첨가하여 액체 강철을 환원시키고 알루미늄과 규소는 산화물이 되어 슬래그와 함께 제거된다.

순산소제강법

전세계 강철생산량의 반 이상을 순산소법(純酸素法 BOP)으로 생산하고 있다.

이 방법은 액체 철과 고철을 강철로 전환하기 위해 순수한 산소를 사용한다. 순산소로(純酸素爐)는 내화물로 만든 기울일 수 있는 전환로(轉換爐)이며, 원광에 초음속으로 산소를 불어넣을 수 있도록 수직으로 움직이는 수냉식(水冷式) 봉이 삽입되어 있다. 산소가 액체 철과 접촉할 경우, 이때 생기는 발열반응에 의해 상당한 양의 열이 발생한다. 따라서 뜨거운 금속을 첨가하기 전에, 온도가 너무 높아지는 것을 방지하기 위해 찬 고철을 노(爐)에 넣는다.

슬래그 형성을 쉽게 하기 위해 태운 석회를 초기에 불어넣는다. 약 8분간 불어넣을 경우 일산화탄소가 발포하기 시작한다. 모든 공정에서 적절한 온도와 화학조성에 도달했을 때 산소 불어넣기 중단시점은 컴퓨터로 제어되는 센서에 의해 감지된다. 태핑이란 전환로를 기울여서 레이들(ladle : 쇳물목)에 강철을 쏟아붓는 것을 말한다.

태핑 온도는 주괴를 붓거나 계속적인 주조를 할 수 있도록 적절한 범위 내에서 선택해야 한다. 슬래그는 전환로를 뒤로 기울여 슬래그 용기로 흘려보내 제거한다.

전기 아크 제강법

전세계 강철의 약 27％는 전기아크로(EAF)법에 의해 생산된다.

이 방법은 고철을 용융시켜 액체 철로 전환하기 위해 고전류 전기아크를 사용한다. 전기아크 용융은 BOP보다 열조절을 더 용이하게 할 수 있으므로, 많은 양의 합금원소를 첨가할 수 있다. EAF는 수력으로 조작할 수 있는 로커(rocker) 위에 놓인 동체(同體)로 구성되어 있다. 로커는 태핑 때 노를 앞쪽으로 기울일 수 있고, 슬래그 제거 때 뒤쪽으로 기울일 수 있게 되어 있다. 화로(火爐) 바닥은 내화벽돌로 쌓여 있으며 한쪽에 탕출구(湯出口 : 쇳물빼기구멍)와 주둥이가 하나씩 있다.

벽과 지붕은 수냉식 내화 패널(panel)로 되어 있다.

지붕에는 원통형 흑연전극(黑鉛電極)을 주입할 수 있는 구멍이 3개 있으며, 공정이 진행되는 동안 발생하는 가스를 제거하기 위한 구멍이 하나 더 있다. 지붕은 고철을 장전하기 위해 움직일 수 있게 되어 있다. 기중기로 노에 고철을 넣는 것으로 공정은 시작되며, 그 다음 전극을 내리고 용융을 시작한다.

일반적으로 공정이 시작된 후, 고철을 한 번 더 첨가한다. 필요할 때마다 강철의 탄소함량을 점검하고 산소를 불어넣어 감소시키거나 탄소를 주입하여 증가시킨다.

모든 조건이 맞을 경우, 노를 앞쪽으로 기울여 강철을 탭 구멍을 통해 레이들로 흘려보낸다. 노를 뒤쪽으로 기울여 슬래그를 슬래그 용기에 부어 제거한다. 탄소 또는 알루미늄을 포함하는 슬래그 형성제를 환원제로 첨가한다. 이때 쉽게 산화되는 합금을 첨가한다. 왜냐하면 환원 슬래그가 만들어내는 조건으로 인해 합금은 산화에 의해 소모되지 않기 때문이다.

EAF에서 강철을 만드는 데에는 1~4시간이 걸린다.

평로제강법

일본·북아메리카·서유럽에서는 BOP와 EAF 방법으로 거의 대체되었지만, 전세계 강철생산량의 1/6은 아직도 평로법에 의해 생산되고 있다.

평로(平爐 : OHF)는 고철과 액체 철을 강철로 바꾸기 위해 액체 또는 기체연료의 연소열(燃燒熱)을 사용한다. 연소공기는 노 아래에 장치된 점검연소실(點檢燃燒室 checker chamber)이라는 큰 난로 비슷한 축열실(蓄熱室)에서 예비가열된다. 축열실에는 점검벽돌이 쌓여 있어, 노에서 발생한 가스가 연소실을 통해 움직이는 동안 가스로부터 열을 흡수할 수 있도록 되어 있다.

가마가 가열된 후 발생가스는 다른 연소실로 보내지고, 이와 동시에 가열된 가마로 공기가 들어가도록 되어 있다.

연소공기가 노의 한쪽 벽 끝을 통해 들어간 후 연료를 연소시킨다. 연소불꽃은 장전된 원료를 가열시키며, 발생가스는 노를 가로질러 벽의 다른쪽 끝으로 이동한 후 다른 연소실을 가열시키기 위해 움직인다. 입구가 출구로 바뀌는 순환과정은 약 20분마다 역전된다. OHF 자체는 얕은 사각형 노(爐)로 되어 있다.

앞쪽의 긴 벽에는 3~7개의 구멍이 있어 고철과 철 원료를 장전하고, 용제와 합금용 원소를 첨가하거나 슬래그를 제거할 수 있도록 되어 있다. 출구는 뒤쪽 벽에 있다. 고품위 내화벽돌로 만든 아치형 지붕은 용액으로 열을 되반사시킨다.

가열이 시작되면 노는 석회암(石灰岩) 융제로 덮이고, 고철이 노의 상부에 장전된다. 다음에는 용광로 철이 장전된다. 철 내에 있는 탄소는 산화된 용융고철과 반응하여 일산화탄소 기포를 발생시킨다. 이런 현상은 탄소가 산화되어 함량이 낮아지는 2~3시간 동안 지속된다.

계속하여 더 많은 양의 융제와 합금이 첨가되고, 태핑 전에 탄소함량을 조절하기 위해 산소 또는 탄소를 주입하기도 한다. 이런 방법으로 강철을 만드는 데 6~9시간이 소요된다.

레이들을 이용한 2차 제강

중금속판(重金屬板)과 내화물로 만든, 상부가 열려 있는 원통형 컨테이너인 레이들은 액체 철을 보관하고 이동시키는 데 쓰인다. 모든 2차 야금작업(冶金作業)이 이 안에서 일어난다.

강철의 유동속도를 조절하기 위해 대부분의 레이들은 바닥에 설치된 깔때기 모양의 밀폐된 장치를 갖고 있으며, 이것은 수직개폐(垂直開閉) 막대에 의해 열리고 닫혀진다. 태핑 후 노를 용융실(熔融室)로 이용하고 레이들 내 강철의 화학조성과 온도를 조절하는 것은 비용을 줄이는 효율적 방법이다. 또 야금반응 중 어떤 것은 레이들 내에서 가장 효율적으로 진행된다. 탈산제(脫酸劑), 슬래그 형성제, 합금제(合金劑)가 레이들 내에서 강철에 첨가되기도 한다.

탈산소반응[還元反應]은 발열반응(發熱反應)이므로 강철의 온도를 증가시키지만, 강철의 표면복사(表面輻射)에 의해 열을 발산한다. 적절한 온도에서 태핑하는 것은 주물작업에서 매우 중요하다. 레이들 내의 온도를 조절하기 위해 작은 전기로를 사용한다. 온도를 상승시키기 위해 레이들 내에 알루미늄을 공급하고 산소를 주입시켜 강한 발열반응을 일으킨다.

이러한 2가지 기술은 온도의 유지시간(維持時間)을 늘리고, 연속 주물작업을 향상시킨다. 산화물이 그들의 원소형으로 전환되는 것을 방지하기 위하여, 슬래그는 긴 유지시간 동안 제거되어야 한다. 슬래그는 갈퀴로 긁어버리거나 진공청소기로 제거한다. 탈황작업은 종종 레이들 내에서 수행된다. 칼슘 합금과 마그네슘-라임 혼합물은 효과적인 탈황제이다.

주조

액체 철을 고화시키는 가장 간단한 방법은 무겁고 두꺼운 벽이 있는 철로 된 주형에 붓는 것이다. 그러나 전세계 강철의 약 55%는 연속 주물작업에 의해 고화된다. 가장 널리 사용되는 방법은 액체 철을 구리로 된 수냉식의 짧은 주형에 부은 후, 이와 동시에 액체 철을 포함하고 있는 고화된 표피를 연속적으로 회수하는 방법이다. 용융된 강철을 소형강편·대형강편·슬랩 같은 보통의 반제품 형태로 연속 주물하는 것은 주괴를 생산하지 않고 압연강철 생산의 1차 분쇄과정을 생략시키므로 상당한 장점을 갖고 있다. 또 비용이 훨씬 싸고, 야금조절을 개선하고, 주물을 되도록 완제품 형태로 마무리지으려는 방법을 찾기 위해 새로운 연속주물법이 중간시험 공장에서 많이 시도되고 있다.

성형

성형공정은 고화된 철을 원하는 형태로 제조하거나 강철의 물리적 특성을 개선, 또는 특별한 용도에 맞는 적당한 표면으로 만들어 건설업에 필요한 제품으로 전환시키도록 하는 것이다. 부숴지기 쉬운 주철(鑄鐵) 내에 존재하는 큰 결정을 연성이 있고 질긴 강철의 특성을 내는 작고 긴 결정으로 전환시키기 위하여, 주철의 단면을 원래 크기의 1/8 이하로 감소시키는 것이 필요하다. 중요한 성형공정은 약 1,200℃에서 이루어진다. 냉간성형(冷間成型)은 박판과 철사를 제조하는 2차 공정으로 종종 이용되기도 한다. 가장 중요한 성형과정은 압연(壓延)이다. 강철조각을 롤 틈(roll gap)으로 밀어넣고 롤러로 강철조각의 위와 아래에 압력을 가하여, 롤 틈을 빠져나갈 때까지 단면의 크기가 작아지고 길이가 늘어나도록 계속적으로 성형이 이루어진다.

중요한 압연제품의 하나는 열간압연(熱間壓延) 스트립이다. 뜨거운 스트립의 압연은 먼저 가스로에서 슬랩을 약 1,200℃로 예비가열하는 것으로 시작된다. 그후 슬랩을 강철 표면의 산화 때문에 생긴 노의 비늘을 고압 물분사기(噴射機)로 지우는 구름 스탠드(rolling stand)를 통하여 이동시킨다. 강철조각은 일련의 구름 스탠드를 통과하여 최종 두께가 1.5~10㎜로 점차 감소된다. 온라인 컴퓨터 센서(on-line computer sensor)는 스트립의 두께·온도·폭·다른 요소를 감지한다. 스트립은 냉각되고 고속으로 감긴다. 압연온도와 감는 온도의 조절은 야금작업에서 매우 중요하다. 왜냐하면 뜨거운 스트립으로 만든 열간압연된 스트립과 냉간압연된 스트립의 물리적 성질은 서로 큰 차이를 보이기 때문이다.

찬 스트립의 압연과정에서는 냉각되고 비늘이 제거된 뜨거운 스트립을 스탠드당 4개의 롤러가 있는 4~6개의 구름 스탠드를 포함하는 냉각축소분쇄기로 이동시킨다. 입구에는 뜨거운 스트립을 풀어주는 얼레가 있으며, 출구에는 다시 감는 얼레가 있다. 스트립 두께는 전 축소과정에서 약 50% 정도 감소된다. 탈출속도는 빠르며, 스트립 온도가 약 200℃에 이르기 때문에 강력한 윤활제(潤滑劑)로 적절한 냉각과 윤활을 해 주는 것이 필수적이다.

처리

열처리

모든 열처리과정은 특별한 미세구조와 특성을 만들 수 있도록 계획된다. 공정·온도·유지시간·가열 및 냉각속도는 강철의 화학조성과 형태에 따라 변화된다. 강철이 계속적인 성형과정을 거치는 데 필요한 연성을 갖도록 하기 위해 어닐링(annealing) 처리를 적용한다.

강철을 특정온도에서 몇 시간 둔 후 서서히 냉각시킨다. 이런 과정에 의해 탄화물을 침전·응고시켜 큰 페라이트 결정을 만든다. 평판·관·레일을 만드는 데 쓰이는 가장 흔한 열처리는 급냉-담금질법이다. 이 방법은 특수한 연소실에서 강철을 가열하고 급냉시킨 후 저온로에서 담금질하는 방법이다. 강철을 변형시키는 잔류응력(殘留應力)을 방지하기 위해 균일한 가열·급냉·담금질이 필요하다. 내부응력과 내부변형을 최소화하기 위해 기름·물 또는 염수(鹽水) 같은 급냉제를 신중하게 선택하여야 한다.

표면처리

강철의 표면처리는 실제로 열간압연 동안 시작된다. 왜냐하면 재가열·압연온도·냉각은 모두 강철의 표면에 비늘을 형성시키기 때문이다. 열간압연된 강철은 냉각성형하는 동안 비늘을 없애야 하는데, 산세척이 가장 흔하게 사용되는 방법이다. 예를 들면 뜨거운 스트립은 뜨거운 염산을 함유한 연속된 탱크에 넣는 방법을 사용한다. 마지막 세척 탱크를 빠져나온 스트립을 헹구고, 말리고, 검사한 후 기름을 바른다.

수송되는 모든 강철의 약 1/3은 금속피복제, 유기피복제 또는 무기피복제로 표면이 피복된다. 냉각압연된 스트립의 부식을 방지하기 위해 아연으로 피복하는데 이때 사용되는 장치의 크기가 가장 크다. 이 과정은 아연도금이라고도 한다.

아연도금을 위해 스트립은 처음에 세척하는 구간을 통해 이동하고 비산화로)에서 가열된다. 그후 가열된 스트립은 약 450℃의 액체 아연 중탕에 담그어진다. 이때 스트립 내의 아연과 철은 강한 금속결합을 하여 표면이 반짝거리는 보호피복을 형성한다. 전해아연도금법은 직류를 사용하여 전해액(電解液) 내에 존재하는 아연이온을 스트립 표면에 침전하는 아연원자로 전환시킨다.