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제강(철강)조사

조명 : Steel 제강에대한 조사■ 제강의 개요1. 제강의 정의제선 공정을 거쳐 나온 선철(용선)은 탄소 함유량이 많고 상당량의 규소, 망간, 인, 황과 같은 불순물이 함유되어 있어 경도가 높고 취약한 성질을 가집니다. 이러한 선철을 잘 늘어나면서 강인한 강으로 만들려면 다시 정련하여 탄소의 량을 줄이고 불순물을 제거하는 공정을 거쳐야 합니다. 선철은 불순물이 6~8%나 되므로 품질이 매우 나쁘다. 흔히 사용하는 탄소강은 불순물이 1%이내이다. 그러므로 선철의 불순물을 제거해야 하는 데 선철을 전로에 넣고 산소를 불어넣으면 불순물은 산화되어 제거된다. 그 결과 얻어진 99%이상의 순도를 가진 철을 탄소강이라 한다. 탄소강(강철)을 얻는 공정을 '제강'이라 한다.2. 제강기술의 발전고대 제철인은 일찍부터 불에 달군 후 급랭하면 강도가 높아지는 강이 있고 그렇지 않은 철이 있음을 알았고, 경험에 의해 여러 가지 방법으로 철을 강으로 만들어 썼다. 여기에는 중국에서 개발한 초강, 단강, 백련강, 인도의 웃즈강 등이 있다.18세기에는 연철을 강으로 전환하는 침탄법이 도입되었다. 석조용기에 목탄과 연철막대를 차례로 장입하고 침탄로를 800~1,100℃로 유지하였다. 일주 이상 걸려 침탄작업이 끝나면 연철 막대 표면에 기포가 발생하여 기포가 많은 강이 되는데, 기포가 없이 건전한 부위는 침탄강으로 각종 도구 제작에 이용되고, 나머지는 도가니강법의 원료로 쓰였다.1740년에 Huntsman은 침탄강보다 우수한 시계용 스프링강을 만들 생각으로 도가니강법을 개발하였다. 정선된 강의 원료를 절단하여 도가니에 장입하고 코크스불로 가열하여 완전 용해가 되도록 하였다. 약 6시간 걸려 용해가 완료되면 약 10Kg 정도 되는 용강을 주철제 주형에 주입하고, 응고 후 재가열 단조로 필요한 형태로 만들었다. 도가니강은 균일성에서나 재질면에서 그때까지 제조된 강과는 비교할 수 없을 정도로 뛰어났다. 강의 대량 생산이 시작되기까지 유일하게 용강을 제조할 수 있는 방법으로 유럽 전역에서 쓰였하며, FCC 결정구조를 가지고 있다. 탄소고용도는 그림 2.1에서 볼 수 있듯이 1148℃에서 2.08%로 최대이며, 온도가 내려감에 따라서 감소하여 723℃에서 0.8%로 된다. 따라서 탄소고용도는 α 페라이트보다 매우 크다. 또한 α 페라이트에서와 마찬가지로 오스테나이트중의 탄소는 침입형자리에 위치하는데, FCC의 8면체 틈자리인 및 의 크기가 8면체 틈자리인 보다 크고, 8면체틈자리에 들어갈 수 있는 구의 최대반경은 0.51Å이다. 그러므로 0.77Å의 반경을 갖는 탄소원자가 8면체틈 자리에 들어가면 α 페라이트에서와 마찬가지로 격자변형을 일으키게 되지만, 그 변형정도는 α 페라이트보다는 작다. 이것이 오스테나이트의 탄소고용도가 α 페라이트보다 크게 되는 중요한 이유이기도 하다.한편 이와 같이 오스테나이트와 α 페라이트의 탄소고용도가 차이나기 때문에 대부분의 강을 경화열처리하는데 있어서의 중요한 근거가 되는 것이다.3) 시멘타이트철탄화물(Fe3C)인 시멘타이트는 고용체라기보다는 금속간화합물로서, 6.67%의 탄소를 함유하고 있다. 결정구조는 그림 2.2와 같이 단위격자당 12개의 Fe원자와 4개의 C원자를 가지는 사방정(orthorhombic)이고, 매우 硬하고 취약한 성질을 가지고 있다.그림 2.2 시멘타이트(Fe3C)의 원자구조 (●:탄소원자, ??○:철원자)4) δ페라이트δ철의 탄소고용체를 δ페라이트라고 하며, α 페라이트와 마찬가지로 BCC 결정구조를 가지지만 격자상수가 다르다. δ페라이트내의 최대탄소고용도는 1495℃에서 0.09%이다.?4. Fe-Fe3C 상태도의 해설탄소는 철과 화합하여 시멘타이트(Fe3C)의 형태로 되는 경우와 또는 탄소單體의 흑연(黑鉛, graphite)으로 되는 경우가 있다. 강의 경우는 주로 시멘타이트의 형태로 존재하지만 주철에서는 흑연과 시멘타이트의 두가지 형태가 나타난다. 보통 시멘타이트는 고온으로 가열하면 철과 흑연으로 분해되므로 준안정상이라고 할 수 있고, 오히려 흑연이 안정상으로 간주된다. 그림 2.1중에서 이트는 계속 성장해 가면서 오스테나이트에 있는 탄소를 고갈시키게 된다. 이 냉각과정이 평형냉각이라고 가정할 때에 j점의 온도에서 남아있는 오스테나이트의 탄소량은 1.2%에서 0.8%로 감소하게 될 것이다. 따라서 이 오스테나이트는 Ａ1 변태온도 이하로 냉각되면서 공석반응에 의한 펄라이트로 변태하게 된다. 펄라이트를 구성하고 있는 시멘타이트는 초석시멘타이트와 구별하기 위해서 共析시멘타이트(eutectoid cementite)라고 부른다.Ａ1 변태온도 직상인 그림 2.3의 j점에서 지렛대법칙을 사용하면 초석시멘타이트와 오스테나이트의 중량분율을 구할 수가 있다. ?즉,????????????초석시멘타이트 분율 (wt%) = ???????????????오스테나이트 분율 (wt%) ??=아공석강에서와 마찬가지로 공석온도인 723℃ 직상에서 남아있는 오스테나이트는 723℃ 이하로 냉각시 펄라이트로 변태하므로 그림 2.3에서 Ａ1 변태온도 직하인 d 점에서의 펄라이트의 중량분율은 Ａ1 변태온도 직상인 k점에서의 오스테나이트의 중량분율과 같게 될 것이다. 따라서 1.2%C의 과공석강에 있어서 723℃ 직하의 온도에서 존재하는 펄라이트의 중량분율은 93.2%가 된다. 한편 Ａ1 변태온도와 상온에서 페라이트의 탄소 고용도한계의 차이는 미미하므로 상온에서의 초석시멘타이트와 펄라이트의 상대적인 양은 k점에서 계산된 값과 비교해서 큰 차이가 없다.그림 2.7은 1.4%C의 과공석강을 970℃에서 오스테나이트화한 후 서냉(100℃/hr)한 조직을 보여주는 것으로서, 초석시멘타이트가 오스테나이트 결정립계를 따라서 망상으로 형성되어 있는 것을 볼 수 있다.■ 제강법의 종류1. 제강법1) 평로(平爐, Open Hearth Furnace)영국인 지멘스(William Siemens)는 축열식 가스로를 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)한산소와 생석회 분말 등 다양하게 쓰고 있다. 1980년대에는 복합취련전로가 급속히 전파되었고, 전세계적으로도 산소제강법의 대부분이 복합취련을 활용하고 있다.2. 특수제강법의 종류1) AODAOD법은 1964년 미국의 Union Carbide에 의해 저탄소 스테인리스강의 정련법으로 개발되어 1968년에 실용화되었다. AOD 노체는 그림에 나타낸 바와 같이 전로와 매우 흡사하다. 노저 부근의 측벽에 2중관 구조의 풍구를 설치하여 Ar과 O2 혼합가스를 용탕 중에 취입한다. 풍구의 외관에는 냉각용 Ar 가스가, 그리고 내관에는 취련용 혼합가스가 공급된다. 경우에 따라서는 고가의 Ar 대신에 N2가스를 사용하기도 한다. 개발 초기의 설비에는 상부 랜스가 없었으나, 최근에는 랜스를 추가로 설치하여 대량의 산소를 공급함으로써 탈탄 능력이 크게 증대되었다. AOD에서의 탈탄반응은 전술한 바와 간이 용강 중에 산소가 공급되면 [Cr]이 먼저 산화되고, (Cr2O3)는 강 중 탄소와 반응하여 탈탄반응이 진행된다. AOD에서는 N2 또는 Ar과 같은 불활성 가스를 산소와 함께 취입함으로써 CO 가스의 분압을 낮추어 [Cr]의 비율을 감소시켜야 한다. 그림에 탈탄효율과 [C] 농도의 상관관계에 대한 O2/Ar비와 온도의 영향을 나타내었다. 조업 방법은 전기로에서 스크랩과 Fe-Cr, Fe-Ni을 배합하여[%C]=1.5~2.0의 용강을 용해한 후, 용강을 AOD로 옮겨 탈탄한다. 정련과정은 그림에서와 같이 탈탄기와 환원기로 구분되며 전체 정련시간은 70~90분 정도 소요된다. 산화기, 측 탈탄기에는 상부 랜스와 풍구를 통해 산소를 취입하며, 합금철 및 생석회 등의 부원료를 투입한다. 미세 탈탄기에서는 풍구를 통하여 Ar를 취입하여 용강을 강교 반함으로써 용강 중의 산소를 이용한 미세 탈탄을 한다. 환원 및 탈황기에서는 Fe-Si을 투입하여 용강을 탈산하고, 슬래그 중의 (Cr)과 (Mn) 등 유가금속을 회수하며, 슬래그 정련에 의한 탈황처리를 실시한다.?AOD의 모식도O2/Ar비에 대량을 비교적 단시간에 처리할 수 있어 경제적이다.제강법도 일종의 산화정련이며, 선철 중의 탄소를 산소, 또는 철광석으로 산화시켜서 탄소의 양을 감소시키면 강이 된다. 이때 전로, 평로 또는 전기로를 사용한다. 그러나 이때 생긴 FeO가 용강 중에 잔류하면 강의 성질을 저하시키므로, 망간철(ferromanganese Fe-Mn)을 넣어서 FeO +Mn = Fe + MnO 로 환원시킨다.산화법은 간단히 할 수 있으나 목적 금속도 어느 정도 산화되어 재가 되는 결점이 있다. 산화에는 공기뿐 아니라 수증기도 사용된다.제선 공정에서 생산된 용선을 정련하여 원하는 성분의 용강을 생산하는 과정이다. 철광석 환원을 통해 고로에서 생성되는 용선은, 그 속에 다량의 탄소와 각종 불순물이 포함되어 있어, 실질적인 제품으로의 활용이 거의 불가능하다. 따라서 원하는 특성의 철강 제품을 생산하기 위해서는, 정련과정을 통한 탄소함유량의 저하와 불순물 제거가 필수적이다. 그러므로 제강공정에서는 용선예비처리(Hot Metal Pretreatment Station, HMPS), Kanvara Reactor(KR), 전로에서의 순산소 복합취련과정, 노외정련 등을 통해 순수한 성분의 용강을 생산한다.4. 공정의 구성제강공정에서는 용선예비처리(Hot Metal Pretreatment Station, HMPS), Kanvara Reactor(KR), 전로에서의 순산소 복합취련공정, 노외정련 등을 통해 순수한 성분의 용강을 생산하고 있다. 전반적인 제강공정을 요약하면 다음과 같다.제강공정고로⇒HMPS⇒전로⇒노외정련⇒연주Kanvara reactor(KR)순산소 복합취련Ladle furnace (LF)Ruhrstalhl Heraus (RH)(1) 용선예비처리 (HMPS)용선예비처리는 용선 내부의 규소(Si), 유황(S), 인(P), 티탄(Ti) 등의 불순물 제거와 더불어 이후 공정을 위한 용선의 온도조절 처리까지를 통칭한다. 만약 전로 내부에서의 순산소 복합취련만을 통해 유황을 제거할 경우, 다량의 습니다.

공학/기술| 2011.05.06| 50페이지| 1,000원| 조회(214)

철강, 제강, 특수강, 제강법

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