건축물을 짓는데 도움이 되는 철의 종류와 제조과정

건축물을 짓는데 도움이 되는 철의 종류와 제조과정

 

근대 이후 철, 알루미늄, 스테인레스 등 금속을 건축물에서 자주 볼 수 있을 것이다. 

현대 건축물에서 금속은 건물의 구조물부터 인테리어 소품까지 사용되는데,

 이번 시간에는 그 중 철에 대해 알아보고자 한다.

 

건축가가 철을 생산하는 것도 아닌데, 그것까지 알 필요가 있나 싶지만서도, 

건물을 계획하고 실제로 지어지는 과정을 지휘하고 감독하는 건축가에게,

철의 종류와 제조과정에 대해 이해하는 것은, 발주와 실시설계하는 과정에서 큰 도움이 될 것이다.

예산문제나 코로나 바이러스 영향으로 국가 간 수출 수입이 쉽지 않은 문제가

 건축물이 세워지는 데도 큰 영향을 끼쳐, 

애초에 계획된대로 진행되지 않는 경우가 있는데,

이 경우 기초적인 지식을 이해하고 있는 것이 다른 해결책을 찾는데 도움이 될 것이다. 

 

철의 종류

 

철의 종류는 탄소 함유량을 기준으로 나눈다. 

탄소 함유량에 따라 

순철(Armco) (탄소 함량은 0.035% 이하)

주철(Pig Iron) (선철이라고도 하며 탄소 함량은 1.7∼4.5%), 

강철 (Steel) (탄소 함량 0.035∼1.7%), 

로 나누어진다. 

 

철은 탄소가 적게 들어 있을수록 부드럽고 잘 늘어나는 성질을 가지는 반면, 탄소가 많으면 경도(硬度)가 높아지고, 강해지기 때문에 부서지거나 부러지기 쉽다. 건축과정에서 자주 쓰는 것은 강철(Steel)인데, 일단 각 종류별로 간단한 설명을 붙여놓는다. 포스코경영연구원 자료를 참고했다.

 

순철

순철은 탄소 함량이 0.035% 이하이고, 불순물(규소, 망간, 인, 유황 등)이 거의 없는 순도 99.9% 이상의 철이다. 우리는 사실상 거의 볼 일이 없는 철이다.  불순물이 거의 없는 순철은 재질이 너무 연해서 그 용도가 한정되어 전기용 재료나 실험용으로 주로 쓰인다. 

 

선철

사실 일반적으로 철이라 부르는 것의 대부분이 바로 선철과 강인데, 그 중 선철은 탄소 함량이 1.7% 이상 들어있는 제품으로 무쇠 혹은 주철로 불린다. 프랑스 파리의 에펠탑이 선철로 만들어졌다.

선철은 철광석을 원료로 고로에서 만들어지는데 철광석의 제련과정 중 코크스가 열원으로 사용되기 때문에 비교적 많은 탄소가 포함된다. 일반적으로 사용하는 선철은 3.5%~4.5%의 탄소를 함유하고 있으며, 전성과 연성이 거의 없어 그대로는 가공할 수 없다는 단점이 있다. 충격을 주면 부서지기 쉽다.

 

강

강은 선철을 재정련하여 탄소 함량을 0.035%~1.7% 수준으로 낮춘 것이다. 강은 충격에 강하고, 질기며, 늘어나는 성질이 있어 자동차, 조선, 기계, 건축, 가전제품, 공업용 소재 등 산업 현장에서 가장 많이 사용된다. 주로 탄소 함량이 0.04%~0.6% 정도인 것이 많이 쓰인다.

한편 강은 탄소강과 특수강이 있는데, 강에 다른 금속 원소가 많이 포함되지 않고 주로 탄소만 함유된 것을 탄소강 또는 보통강이라 하고, 니켈, 크롬, 망간, 텅스텐, 몰리브덴 등의 특수한 금속 원소가 포함된 강을 특수강 또는 합금강이라 한다. 녹이 잘 쓰지 않도록 만든 스테인레스가 합금강이다.

 

철의 제조과정

 

철광석에서 여러 가지 강재를 만들기까지는 여러 공정이 필요하지만 크게 나누어 제선, 제강, 연주, 압연공정의 4단계로 나눈다.

제선공정

철광석을 원료로, 자재준비 후 바로 용광로에 철광석을 넣는 것이 아니라,

철광석의 들쭉날쭉한 성분을 균일화하고 용광로에 넣기 좋은 크기로 만든다. 이것을 소결공정 이라 하고,

소결공정을 거친 후, 제선공정에 들어간다.

제선공정은 쇳물을 생산하는 기초공정이다. 철광석을 원료탄 유연탄을 고로에 넣어 높은 열로 녹여내어 쇳물을 만든다. 

제강공정

제선공정을 통해 철광석을 쇳물로 녹여낸 후, 쇳물에서 불순물을 제거해 강철로 만드는 공정이다. 

쇳물을 전로에 넣은 후 깨끗한 산소를 불어 넣어서 인이나 유황,탄소성분 등을 걸러낸다. 

불순물을 제거한 깨끗한 쇳물을 용강이라 한다.

연주공정

액체상태의 철이 고체가 되는 공정이다. 

위 과정에서 만들어진, 아직 액체상태인 용강을 주형(mold)에 주입하여

연속주조기를 통과하면서 냉각, 응고돼 연속적으로 슬래브나 블룸,빌릿 등의 중간 소재로 만든다.

압연공정

철을 강판이나 선재로 만드는 공정이다.

압연이란 연속주조 공정에서 생산된 슬래브, 블룸, 빌릿 등을

회전하는 여러 개의 롤 사이를 통과시켜 연속적인 힘을 가함으로써 늘리거나 얇게 만드는 과정이다.

압연공정은 크게 열간압연과 냉간압연 두가지의 방법으로 나누어진다.

이때, 철골구조의 구조용강재를 정해진 형태로 만든다.