강철

강철(steel)은 철과 탄소의 합금으로, 순수한 형태의 철에 비해 향상된 기계적 성질을 보인다. 높은 탄성계수, 항복강도, 파괴강도와 더불어 낮은 원자재 비용 덕분에 강철은 세계에서 가장 많이 생산되는 재료 중 하나다. 강철은 구조물(콘크리트 보강용 철근이나 강철 빔으로), 교량, 사회기반시설, 공구, 선박, 기차, 자동차, 자전거, 기계, 전기제품, 가구, 무기 등에 사용된다.

강철은 철과 탄소, 그리고 흔히 다른 원소들의 합금으로 정의되며, 탄소 함량은 2%를 크게 넘지 않는다. 철과 탄소는 언제나 강철의 주요 원소이지만, 다른 원소들을 사용하여 다양한 등급의 강철을 생산하면 변화된 재료적·기계적·미세조직적 성질을 나타낼 수 있다. 예를 들어 스테인리스강은 일반적으로 18%의 크로뮴을 함유하며, 탄소강에 비해 향상된 내식성과 내산화성을 보인다. 아연 도금강(갈바강)은 아연층으로 코팅되어 유사한 효과를 얻는다. 대기압 하에서 강철은 일반적으로 두 가지 결정 형태, 즉 체심입방구조와 면심입방구조를 띤다. 그러나 열이력과 합금 조성에 따라 미세조직에는 왜곡된 마르텐사이트상이나 탄소가 풍부한 시멘타이트상이 포함될 수 있는데, 이들은 각각 정방정계와 사방정계 구조를 가진다. 합금화된 철의 경우 강화는 주로 철이 주를 이루는 격자 내에 탄소가 도입되어 기계적 응력 하에서의 변형을 억제하는 데서 비롯된다. 합금화는 또한 기계적 성질에 영향을 주는 추가적인 상을 유발할 수도 있다. 대부분의 경우 이렇게 설계된 기계적 성질은 순수한 철 상태의 연성과 신율을 희생하여 얻어지며, 이들은 탄소가 첨가되면서 감소한다.

강철은 수천 년 동안 블루머리(괴철로)에서 생산되어 왔으나, 대규모 산업적 사용은 17세기에 보다 효율적인 생산 방법이 고안된 이후, 즉 용광로의 도입과 도가니강([crucible steel](/wiki/crucible-steel)) 생산이 이루어진 뒤에야 시작되었다. 그 뒤를 이어 19세기 중반 영국에서 베서머 공정이 등장했고, 이어 평로(open-hearth furnace)가 나왔다. 베서머 공정의 발명으로 대량생산 강철의 새로운 시대가 열렸다. 연강(mild steel)이 단철(wrought iron)을 대체했다. 19세기 유럽에서는 독일 지역의 여러 국가들이 주요 강철 생산지였다. 미국의 강철 생산은 20세기 후반까지 펜실베이니아주의 피츠버그와 베슬리헴, 오하이오주의 클리블랜드를 중심으로 이루어졌다. 현재 세계 강철 생산은 중국을 중심으로 이루어지며, 중국은 2023년 세계 강철의 54%를 생산했다.

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염기성 산소 제강법(BOS) 같은 공정의 추가적인 개선은 생산 비용을 더욱 낮추고 최종 제품의 품질을 높임으로써 이전 방법들을 대부분 대체했다. 오늘날에는 연간 16억 톤 이상의 강철이 생산된다. 현대의 강철은 일반적으로 여러 표준화 기구가 정의한 다양한 등급으로 식별된다. 현대 철강 산업은 세계 최대 제조 산업 중 하나이지만, 동시에 가장 에너지 집약적이고 온실가스 배출이 많은 산업 중 하나로, 전 세계 배출량의 8%를 차지한다. 그러나 강철은 또한 재사용성이 매우 높아, 전 세계 재활용률이 60%를 넘는 세계에서 가장 많이 재활용되는 재료 중 하나다.

정의 및 관련 재료

명사 'steel'은 '강철로 만든'을 뜻하는 게르만조어 형용사 *stahliją 또는 *stakhlijan에서 유래했으며, 이는 '굳건히 서 있는'을 뜻하는 *stahlaz 또는 *stahliją와 관련이 있다.

일반 탄소강(철-탄소 합금)의 탄소 함량은 무게 기준으로 0.02%에서 2.14% 사이다. 합금강은 강철의 특성을 변화시키기 위해 다른 합금 원소들을 의도적으로 첨가한 강철이다. 흔히 쓰이는 합금 원소로는 망가니즈, 니켈, 크로뮴, 몰리브데넘, 붕소, 타이타늄, 바나듐, 텅스텐, 코발트, 나이오븀 등이 있다. 대개 바람직하지 않다고 여겨지는 추가 원소들 또한 강철에서 중요한데, 인, 황, 규소, 그리고 미량의 산소·질소·구리가 그것이다.

탄소 함량이 2.1%를 넘는 단순 철-탄소 합금은 주철(cast iron)이라 한다. 분말 금속 성형 같은 현대 제강 기술을 사용하면 탄소(및 기타 합금 재료) 함량이 매우 높은 강철을 만들 수 있으나, 이는 흔하지 않다. 주철은 뜨거울 때조차 가단성이 없지만, 강철보다 녹는점이 낮고 주조성이 좋아 주조로 성형할 수 있다. 특정 조성의 주철은 용해와 주조의 경제성을 유지하면서도 주조 후 열처리를 거쳐 가단주철이나 구상흑연주철 제품으로 만들 수 있다. 강철은 (현재 대부분 쓰이지 않는) 단철과 구별되는데, 단철은 소량의 탄소(0.1% 미만)를 함유할 수 있으나 다량의 슬래그(약 1~2%)를 포함한다.

생산

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철을 코크스나 숯과 함께 광석에서 제련하면 그 결과물은 탄소 함량이 높으며 이를 선철(pig iron)이라 한다. 강철이 되려면 탄소를 적정량으로 줄이도록 재처리해야 하며, 이 시점에서 다른 원소들이 첨가될 수 있다. 이 과정을 정련(refinement)이라 하는데, 용융된 철에 산소를 주입하여 과잉 탄소를 제거한다. 산소가 탄소와 반응하여 이산화탄소 가스를 생성하는 것이다.

역사적으로 이 과정은 냉각된 제품을 끊임없이 시행착오로 시험하여 그 재료가 강철의 성질을 가질 만큼 적정량의 탄소가 들어 있는지 평가하는 일을 수반했다. 오늘날에는 화학 분석을 수행하여 합금의 정확한 조성을 알아낼 수 있으며, 이와 더불어 로크웰 경도 시험, 초음파 탐상 시험, 샤르피 충격 시험, 3점 굽힘 시험 같은 재료 성질에 대한 실용 시험도 함께 이루어진다. 과거에는 제강 시설에서 원료 강철 제품을 잉곳(ingot)으로 주조하여 보관했다가, 완제품으로 이어지는 추가 정련 공정에 사용할 때까지 저장했다. 현대 시설에서는 초기 제품이 이미 최종 조성에 가깝고, 연속적으로 긴 슬래브로 주조된 뒤 절단되어 봉재와 압출재로 성형되며 열처리를 거쳐 최종 제품이 만들어진다. 오늘날 강철의 약 96%는 연속 주조되며, 잉곳으로 생산되는 것은 4%에 불과하다. 잉곳은 균열로(soaking pit)에서 가열된 뒤 열간압연되어 슬래브, 빌릿, 블룸이 된다. 슬래브는 열간 또는 냉간압연되어 판금이나 강판이 된다. 빌릿은 열간 또는 냉간압연되어 봉재, 선재, 와이어가 된다. 블룸은 열간 또는 냉간압연되어 I형강이나 레일 같은 구조용 강이 된다. 현대 제철소에서는 이러한 공정들이 흔히 하나의 조립 라인에서 이루어져, 광석이 들어가고 완성된 강철 제품이 나온다. 때로는 강철의 최종 압연 이후 강도를 위해 열처리를 하기도 하지만, 이는 비교적 드물다.

재료 성질

기원과 생산

철은 흔히 지각에서 광석 형태로 발견되는데, 대개 자철석이나 적철석 같은 산화철이다. 철은 환원 조건에서 철광석으로부터 추출되며, 이때 산소가 연료 속 탄소와 반응하여 일산화탄소를 생성하고, 이 일산화탄소가 산화철을 금속 철로 환원시킨다. 제련(smelting)이라 불리는 이 과정은 처음에는 녹는점이 더 낮은 금속에 적용되었다. 약 250°C(482°F)에서 녹는 주석, 약 1,100°C(2,010°F)에서 녹는 구리, 그리고 녹는점이 1,083°C(1,981°F)보다 낮은 이들의 합금인 청동이 그 예다. 이에 비해 철은 약 1,540°C(2,800°F)에서 녹는데, 이는 철기 시대 초기에는 도달할 수 없는 온도였다. 고대에는 소량의 철을 반액체 상태로 제련했는데, 숯불에서 광석을 반복해 가열한 뒤 그 결과로 생긴 덩어리들을 망치로 단접(welding)하는 방식이었다. 이 과정은 불순물의 상당 부분을 제거하여 단철을 생산했다. 풀무의 개선으로 공기 흐름이 늘어나면서 노가 더 높은 온도에 도달함에 따라, 탄소 함량이 더 높은 철을 생산할 수 있게 되었다. 구리나 주석과 달리, 액체 또는 고체 상태의 철은 탄소를 상당히 쉽게 용해한다.

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이 모든 온도는 도달할 수 있었다.