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요약 철의 원료물질로부터 강철을 만드는 과정의 첫번째 공정.
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.
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