강철
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1. 개요
강철은 철과 탄소의 합금으로, 탄소 함량에 따라 다양한 특성을 나타낸다. 일반적으로 탄소 함량이 0.02%에서 2.14% 사이인 탄소강은 현대 강철 생산량의 90%를 차지하며, 다른 합금 원소를 첨가하여 특성을 개선한 합금강도 존재한다. 강철은 구조물, 가전제품, 자동차 등 다양한 분야에 널리 사용되며, 재활용률이 높다. 철광석에서 철을 제련하는 과정에서 탄소량을 조절하여 강철을 생산하며, 베세머법, 평로법, 전로법 등 다양한 제강법이 개발되었다.
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| 강철 | |
|---|---|
| 지도 정보 | |
| 개요 | |
| 정의 | 철과 탄소의 합금 |
| 영어 | steel |
| 일본어 | 鋼 (はがね) |
| 한국어 | 강철 |
| 설명 | 탄소 함량에 따라 다양한 특성을 가짐. 일반적으로 탄소 함량이 2% 이하인 철합금. |
| 역사 | |
| 초기 역사 | 고대부터 사용, 제철 기술 발전과 함께 대량 생산 시작 |
| 1850-1913년 국제 경쟁 | 로버트 C. 알렌의 연구에 따르면 이 시기에 국제 경쟁이 치열했음. Robert C. Allen의 "International Competition in Iron and Steel, 1850–1913" 논문 참고. |
| 산업 혁명 | 산업 혁명 시기 대량 생산 기술 발달 |
| 현대 | 현대 사회의 기반을 이루는 핵심 소재 |
| 재료 과학 | |
| 위상 | 알로트로프 페라이트 오스테나이트 시멘타이트 마르텐사이트 흑연 |
| 미세 구조 | 구상화 조직 펄라이트 베이나이트 레데뷰라이트 템퍼링된 마르텐사이트 비드만스테텐 조직 |
| 분류 | |
| 종류 | 도가니강 탄소강 스프링강 합금강 마레이징강 스테인리스강 고속도강 내후성강 공구강 |
| 기타 철 기반 재료 | |
| 관련 재료 | 주철 회주철 백선 주철 구상흑연주철 가단주철 연철 |
| 제조 및 환경 | |
| 제조 과정 | 철광석 제련 탄소 첨가 필요에 따라 합금 원소 추가 압연, 단조 등의 가공 과정 |
| 탄소 배출 | 제조 과정에서 상당량의 탄소 배출, 탈탄소화 노력 진행 중. 맥킨지의 "Decarbonization in steel" 보고서 참고 |
2. 정의 및 관련 재료
강철은 탄소 함량에 따라 그 특성이 크게 달라지는 철-탄소 합금이다. 일반적으로 탄소 함량이 0.02%에서 2.14% 사이인 철-탄소 합금을 강철이라고 부른다. 탄소 함량이 이보다 낮으면 연철, 높으면 주철로 분류된다. 합금강은 강철의 특성을 더욱 향상시키기 위해 망간, 니켈, 크롬, 몰리브덴 등 다른 합금 원소를 첨가한 것이다.[4]
철은 지구의 지각에서 자철석이나 적철석과 같은 산화철 광석 형태로 발견된다. 철은 제련 과정을 통해 철광석에서 추출되는데, 이 과정에서 산소를 제거하고 탄소와 결합시켜 이산화탄소 형태로 배출한다. 제련은 청동기 시대부터 사용된 고대 기술로, 800°C 이상에서는 철의 산화 속도가 급격히 증가하므로 저산소 환경에서 이루어져야 한다.[5]
탄소를 사용하여 산화철을 환원하는 과정에서 너무 많은 탄소가 남으면 주철이 생성되는데, 주철은 강철보다 녹는점이 낮고 주조성이 우수하지만, 고온에서 연성이 없다.[4]
강철의 인장 강도를 높이고 오스테나이트 형태를 안정적으로 만들기 위해 니켈과 망간을 첨가하기도 한다. 크롬은 경도와 녹는점을 높이고, 바나듐은 경도를 높이면서 피로 파괴에 대한 저항성을 높인다.[6] 스테인리스강은 부식을 억제하기 위해 11% 이상의 크롬을 첨가하여 표면에 단단한 산화물 수동 피막을 형성시킨 것이다.
일본어 「はがね」(하가네)는 날카로운 도구에 사용하는 금속을 의미하는 「刃金(はがね)」(하가네)에서 유래했다. 철강(鐵鋼, 뎃코)이라는 명칭은 일본 운백철강합자회사(현 프로테리얼 안라이 공장)의 사명에서 기원한 것으로 여겨진다.
철광석을 환원하여 만든 선철은 4~5%의 탄소를 포함하며, 이를 주형에 부어 만든 것이 주철이다. 주철은 약하고 가소성이 없어 쉽게 깨진다. 선철에서 탄소를 제거하면 강철이 되는데, 강철은 강인하고 가소성이 있어 다양한 가공이 가능하다.
2. 1. 탄소강
탄소강은 철과 탄소의 합금으로, 무게 기준으로 0.02%에서 2.14% 사이의 탄소를 함유한다.[3] 탄소 함량이 너무 적으면 철은 매우 무르고 약해지며, 탄소 함량이 2.1%를 초과하면 주철로 알려진 취성이 강한 합금이 된다.[4]탄소강은 포함된 탄소량에 따라 다음과 같이 나뉜다.[122]
- 저탄소강: 탄소 함유량이 약 0.3% 이하
- 중탄소강: 탄소 함유량이 약 0.3% - 0.7%
- 고탄소강: 탄소 함유량이 약 0.7% 이상
탄소량이 적을수록 부드럽고, 많을수록 단단해진다.[122]
또한, 탄소강은 조성(표준 조직) 및 탄소 농도에 따라 다음과 같이 분류할 수 있다.
- 공석강: 펄라이트만으로 구성되며, 탄소 농도는 0.77%이다.
- 아공석강: 초석 페라이트와 펄라이트로 구성되며, 탄소 농도는 0.02% - 0.77%이다.
- 과공석강: 초석 시멘타이트와 펄라이트로 구성되며, 탄소 농도는 0.77% - 2.11%이다.
현대 강철의 90%는 탄소강이 차지한다.[4]
2. 2. 합금강
합금강은 탄소강에 망간, 니켈, 크롬, 몰리브덴, 붕소, 티타늄, 바나듐, 텅스텐, 코발트, 니오브 등의 원소를 첨가하여 특정한 성질을 개선한 강철이다.[4] 예를 들어, 스테인리스강은 최소 11%의 크롬을 함유하고, 종종 니켈과 결합하여 부식을 방지하는 합금강이다.[77]합금강은 포함된 금속의 양에 따라 합금 성분 5% 이하의 저합금강과 5% 이상의 고합금강으로 나뉜다.[122] 특수강은 첨가하는 금속에 따라 니켈크롬강, 니켈크롬몰리브덴강, 크롬강, 크롬몰리브덴강, 망간강 등 다양한 종류가 있다.[121]
다음은 합금강의 종류와 그 특성을 나타내는 표이다.
| 합금강 종류 | 첨가 원소 | 주요 특성 | 예시 |
|---|---|---|---|
| 스테인리스강 | 크롬(최소 11%), 니켈 | 부식 방지, 내열성 | 페라이트계 스테인리스강, 오스테나이트계 스테인리스강 |
| 공구강 | 텅스텐, 코발트 등 | 고용체 강화, 석출 경화, 내열성 향상 | 도끼, 드릴 등 |
| 내후성 강 | (다양한 원소) | 안정적인 녹슨 표면 형성, 도색 불필요 | 코르텐 강[78] |
| 마레이징강 | 니켈 등 (탄소 함량 낮음) | 매우 강하고 연성이 좋음 | |
| 에글린강 | 12가지 이상의 다양한 원소 | 비교적 저렴, 높은 강도 | 벙커버스터 무기[80] |
| 헤드필드강 | 망간(12~14%) | 마모 시 변형 경화, 매우 단단한 피막 형성, 내마모성 | 전차 궤도, 불도저 날 가장자리, 재난 구조용 장비의 절단날[80] |
| 저합금강 | 몰리브덴, 망간, 크롬 또는 니켈 (최대 10%) | 두꺼운 단면의 경화성 향상 | [4] |
| 고강도 저합금강 | 다른 원소, 일반적으로 망간 1.5% | 추가적인 강도 제공 | [72] |
철은 지각에서 광석, 보통 자철석이나 적철석과 같은 산화철의 형태로 발견된다. 철은 철광석에서 제련을 통해 추출하는데, 이 과정에서 산소를 제거하고 탄소와 결합시킨 후 이산화탄소 형태로 대기 중으로 배출시킨다.[5] 제련은 주석 (약 250°C)이나 구리 (약 1100°C)와 같이 녹는점이 낮은 금속에 먼저 적용되었다. 청동과 같은 혼합물은 1083°C 보다 낮은 녹는점을 가진다.[5] 고대에는 숯불에서 광석을 가열하고 망치로 두드려 불순물을 제거하는 방식으로 철을 제련했다. 숯불에서 옮기는 과정을 통해 탄소 함량을 조절할 수 있었다.
3. 철강의 특성
철의 산화 속도는 800°C를 넘으면 급격히 증가하기 때문에 저산소 환경에서 제련하는 것이 중요하다. 탄소를 이용해 산화철을 환원하는 제련 과정에서 너무 많은 탄소가 남으면 주철과 같은 합금이 생성된다.[5] 과량의 탄소와 기타 불순물은 후속 단계에서 제거된다.
원하는 특성을 가진 강철을 만들기 위해 철/탄소 혼합물에 다른 재료를 첨가하기도 한다. 스테인리스강은 부식을 억제하기 위해 11% 이상의 크롬을 첨가하여 표면에 단단한 산화물을 형성시킨 것이다. 텅스텐은 시멘타이트 형성을 늦춰 고속도강을 만들고, 납과 황은 가공을 쉽게 하지만 강철을 취성 및 부식에 취약하게 만든다. 황, 질소, 인, 납과 같은 p-구역 원소는 강철을 더 취성으로 만드는 불순물로 간주되어 제련 과정에서 제거된다.[6]
근대에는 철광석을 용광로에서 환원시켜 선철을 얻는 것으로 강철 생산을 시작한다. 용광로 상부에 철광석, 코크스, 석회석을 넣고 하부에서 고온 가스와 공기를 불어넣어 800°C 이상으로 유지하면 코크스에서 발생한 일산화탄소가 산화철을 환원시켜 선철을 얻는다. 이 공정은 용광로의 내구성이 허락하는 한 계속해서 진행된다.[100]
용광로에서 얻은 선철에 포함된 규소, 인, 황 등의 불순물은 제강 공정에서 제거하고, 탄소 함량을 0.5~1.7% 정도로 조정한다. 여기에는 전로와 평로가 사용되었다.[100]
금속 재료의 항복강도를 향상시키는 방법으로는 "고용강화", "석출강화", "전위강화", "결정립 미세화 강화"가 있다. 이러한 방법들은 결정 내 전위의 이동을 어렵게 하여 강철을 강화시킨다.
3. 1. 합금 원소의 영향
망간은 강철의 강도와 오스테나이트 안정성을 높이는 데 사용되는 일반적인 합금 원소이다.[4] 니켈 또한 강도와 오스테나이트 안정성을 향상시킨다.[4] 크롬은 강철의 경도, 내열성, 그리고 부식을 방지하는 내식성을 향상시킨다.[4] 바나듐은 경도를 높이고 피로 파괴에 대한 저항성을 높인다.[4]
다음은 합금 원소들이 강철에 미치는 영향을 정리한 표이다.
3. 2. 열처리
강은 풀림, 담금질, 뜨임 등의 열처리를 통해 그 특성을 변화시킬 수 있다.[13][11][14]풀림은 강을 높은 온도로 가열하여 재료 내부의 응력을 완화하는 공정이다. 풀림은 회복, 재결정, 결정립 성장의 세 단계를 거치며, 필요한 온도는 풀림의 종류와 합금 성분에 따라 달라진다.[13]
담금질은 강을 오스테나이트 상이 될 때까지 가열한 후 물이나 기름에 담가 급랭시키는 방법이다. 이 과정을 통해 단단하지만 부서지기 쉬운 마르텐사이트 구조가 형성된다.[11]
뜨임은 담금질된 강철의 취성을 줄이기 위해 사용되는 특수한 풀림 공정이다. 뜨임은 마르텐사이트의 일부를 시멘타이트나 구상세멘타이트로 변환시켜 내부 응력과 결함을 줄인다. 그 결과, 연성이 향상되고 파괴 저항성이 높은 강철을 얻을 수 있다.[14]
4. 철강의 종류
철강은 다양한 기준에 따라 분류된다. 철강 재료는 여러 관점에서 다양한 이름으로 불리며, 분류법에 따라 같은 것이 다른 이름으로 불리는 경우가 있다. 강은 용도에 따라 강종의 개량이 진행되어 왔다.
JIS의 분류는 구리 등의 합금이 비교적 성분의 계열에 따라 명명되는 것과 달리, 용도, 제법, 강도 구분, 탄소량을 나타내는 등 알기 어려운 부분이 있다. 예를 들어 S45C라는 강종은 탄소량 0.45%의 강을 의미하며, SUJ(軸受鋼)는 볼베어링의 내외륜에 사용되는 강종임을 나타낸다. 각국의 규격에서 강종의 명칭은 다르다. 예를 들어 S45C (JIS), 1045, (SAE/American Iron and Steel Institute|미국철강협회영어) , C45 (DIN)와 같이 표현된다.
철강은 성분에 따라 탄소강과 합금강으로 분류할 수 있다. 탄소강은 탄소 함유량에 따라 저탄소강, 중탄소강, 고탄소강으로 나뉜다. 합금강은 첨가하는 금속에 따라 니켈크롬강, 니켈크롬몰리브덴강 등 다양한 종류가 있다.
용도에 따라서는 구조용 강, 공구강, 특수 용도강으로 분류할 수 있다. 구조용 강은 건물, 교량 등에 사용되며, 공구강은 절삭 공구, 금형 등에 사용된다. 특수 용도강은 스테인리스강, 내열강 등 특수한 환경에서 사용되는 강철이다.
형태에 따라서는 형강, 강판, 강관으로 분류된다. 형강은 다시 레일, 봉강, 선재 등으로 세분화된다. 강판은 두께에 따라 박판(3mm 미만), 중판(3mm 이상 6mm 미만), 후판(6mm 이상)으로 나뉜다.
4. 1. 성분에 따른 분류
탄소강은 철과 탄소를 주성분으로 하는 합금으로, 일반강이라고도 불린다. 탄소강은 강철 생산량의 약 80%를 차지하며, 포함된 탄소량에 따라 다음과 같이 분류된다.[121] Carbon steel영어- 저탄소강: 탄소 함유량이 약 0.3% 이하
- 중탄소강: 탄소 함유량이 약 0.3% ~ 0.7%
- 고탄소강: 탄소 함유량이 약 0.7% 이상
탄소량이 적을수록 부드럽고, 많을수록 단단한 강철이 된다.[122]
또한, 탄소강은 조성(표준 조직) 및 탄소 농도에 따라 다음과 같이 분류할 수 있다.
- 공석강: 펄라이트만으로 구성되며, 탄소 농도는 0.77%이다.
- 아공석강: 초석 페라이트와 펄라이트로 구성되며, 탄소 농도는 0.02% ~ 0.77%이다.
- 과공석강: 초석 시멘타이트와 펄라이트로 구성되며, 탄소 농도는 0.77% ~ 2.11%이다.
합금강은 탄소강에 다른 원소를 첨가하여 성질을 개선한 합금으로, 특수강이라고도 불린다. Alloy steel영어 특수강은 첨가하는 금속에 따라 니켈크롬강, 니켈크롬몰리브덴강, 크롬강, 크롬몰리브덴강, 망간강 등 다양한 종류가 있다. 특수강은 강철 총생산량 중 약 20%를 차지하고 있다.[121] 합금강은 포함된 금속의 양에 따라 다음과 같이 나뉜다.[122]
- 저합금강: 합금 성분 5% 이하
- 고합금강: 합금 성분 5% 이상
4. 2. 용도에 따른 분류
현대의 강철은 다양한 목적을 달성하기 위해 다양한 비율의 합금 금속을 조합하여 제작된다.[6] 용도에 따라 강종의 개량이 진행되어 왔으며, 크게 구조용 강, 공구강, 특수 용도강으로 분류할 수 있다.- 구조용 강: 건물, 교량, 선박 등 구조물에 사용되는 강철이다.
- 일반구조용강
- 건축용구조용강
- 자동차용강판
- 배관용강관
- 유정용강관
- 공구강: 절삭 공구, 금형 등 제작에 사용되는 강철이다.
- 절삭공구강
- 탄소공구강
- 다이스강 (옛 분류에 존재하며, 현재에도 많이 사용됨)
- 고속도공구강 (하이스)
- 합금공구강
- 특수 용도강: 내열강, 내식강, 고속도강 등 특수한 환경에서 사용되는 강철이다.
- 스테인리스강
- 전자강
- 내후성강
- 내해수강
- 내산성강
- 내화강
- 저온용강
- 비자성강
- 쾌삭강
- 질화강
- 표면경화강
- 고강도강
- 스프링강
- 베어링강
- 피아노선
JIS 규격에서는 이 분류법이 사용되고 있다. 예를 들어 S45C라는 강종은 탄소량 0.45%의 강을 의미하며, SUJ(軸受鋼)는 볼베어링의 내외륜에 사용되는 강종임을 나타낸다.[123]
4. 3. 형태에 따른 분류
압연으로 생산된 강재는 형태에 따라 형강, 강판, 강관으로 분류되며, 형강은 다시 레일, 형강, 봉강, 선재로 분류된다.[123] 강판은 두께에 따라 다음과 같이 나뉜다.[123]| 종류 | 두께 |
|---|---|
| 박판 | 3 mm 미만 |
| 중판 | 3 mm 이상 6 mm 미만 |
| 후판 | 6 mm 이상 |
5. 제강법
철의 성질은 포함된 탄소의 양에 따라 크게 달라진다. 철광석을 환원한 것을 선철이라고 하며, 4~5%의 탄소를 포함한다. 이것을 그대로 주형에 흘려 넣은 것이 주철이다. 주철은 약하고 가소성이 없어 망치로 두드리거나 구부리면 깨진다.
약한 선철에서 탄소를 제거하면 철은 강인해질 뿐만 아니라 가소성을 가지게 되어, 두드려 성형(단조)하거나 구부리거나 늘이는 등의 가공이 가능해진다. 이 탄소가 적은 철이 강철이다.
현재의 금속학적 정의에서는, Fe-C계 2원 합금에서 C 함량이 0.0218%~2.14% 범위에 있는 부분이다. 다시 말해, 페라이트의 C 최대 고용량(0.0218%)에서 오스테나이트의 C 최대 고용량(2.14%)까지의 범위에 있는 부분이라고도 정의할 수 있다. Fe-C계 2원 합금에서 C 함량이 0.0218% 이하인 것을 철이라고 하고, 2.14% 이상인 것을 주철이라고 한다. 한편, 극저탄소강이나 스테인리스강처럼 탄소의 첨가가 이루어지지 않는 철도 ‘강’이라고 불린다.[88]
5. 1. 제선
철광석에서 철을 제련하면 원하는 것보다 더 많은 탄소를 함유하게 된다. 강철이 되려면 탄소량을 적절한 수준으로 줄이기 위해 재처리해야 하며, 그 후에 다른 원소를 첨가할 수 있다.
5. 2. 제강
현대 제강은 1855년 헨리 베세머(Henry Bessemer)의 베세머법 도입으로 시작되었으며, 그 원료는 주철이었다.[56] 그의 방법은 대량의 강철을 저렴하게 생산할 수 있게 해주었다.[57] 길크리스트-토마스법(또는 기본 베세머법)은 베세머법을 개량한 것으로, 전로에 인을 제거하기 위해 염기성 물질을 사용하여 내벽을 처리한 것이다.또 다른 19세기 제강 공정은 지멘스-마르틴법이었다.[55] 이 공정은 괴철(또는 강철 고철)과 주철을 함께 용융하는 것이었다.
이러한 제강 방법들은 1952년에 개발된 기본산소로 제강법(BOS)[58] 및 기타 산소 제강 방법에 의해 구식이 되었다. 기본 산소로 제강법은 이전의 제강 방법보다 우수한데, 그 이유는 용광로에 산소를 주입하여 이전에는 사용된 공기에서 유입되었던 불순물, 주로 질소를 제한했기 때문이며,[59] 평로 공정과 비교하여 BOS 공정으로 동일한 양의 강철을 12분의 1의 시간에 생산할 수 있기 때문이다.[58]
오늘날 전기 아크로(EAF)는 새로운 강철을 만들기 위해 고철을 재처리하는 일반적인 방법이다. 주철을 강철로 전환하는 데에도 사용할 수 있지만 많은 전력(톤당 약 440kWh)을 사용하므로 일반적으로 저렴한 전력이 풍부할 때만 경제적이다.
이 외에도 주로 고철을 사용하는 전기로 생산 방식(전기로 제강법)이 있다. 1900년 폴 에루(Paul Héroult)에 의해 실용화되었으며, 일본의 생산 비율은 전로 제강법이 약 75%, 전기로 제강법이 약 25%이다.[113] 고로와 전로를 이용한 철광석 일관 제강에 비해 소규모 생산이지만, 이 때문에 다품종 소량 생산에 적합하다.[114]
6. 철강 강화법
일반적으로 금속 재료의 항복강도를 향상시키기 위한 방법으로는 "고용 강화", "석출 강화", "전위 강화", "결정립 미세화 강화"의 네 가지가 있다[1][2]. 이러한 방법을 적용하여 강철의 강화도 이루어진다[1]. 소성변형은 결정 내 전위의 이동에 의해 발생하며[2], 네 가지 강화 방법은 모두 전위의 이동을 어렵게 하여 강철을 강화시킨다[1].
7. 철강 산업
철강업(철강공업의 줄인 말)은 철광석, 석탄, 고철 및 그 밖의 여러 원료를 사용하여 여러 가지 철강재를 생산하는 중공업 중에서도 가장 기초가 된다. 산업 각 분야에 필요불가결한 생산재 또는 소비재를 공급하는 기간산업으로서 특히 기계공업, 건설업, 금속광업, 조선업 등 타 산업과의 연관 효과가 가장 큰 산업이다. 철강업의 주요 작업공정은 제선(製銑), 제강(製鋼) 및 압연(壓延)의 3부분으로 구별되며, 이 3대 주요 작업공정이 1개 공장에서 연속적으로 이루어지는 작업형태를 철강 일관작업이라 하여 철강업의 이상적인 경영형태로 되어 있다.[135]
산업의 근대화 내지 중공업화는 철강의 대량소비를 기초로 하고 있으므로 철강업의 성립과 발전은 산업근대화의 기본여건의 하나가 되고 있는데, 철강업은 대표적인 기간산업임과 동시에 막대한 건설비를 요하는 장치산업이기도 하다.
철강 산업의 특성은 다음과 같다.
# 철강제품은 일상생활의 모든 분야에 필요하며 군수병기의 주요한 소재로서 사용되는 등 전 산업에 관련되며 국민경제 성장과 확대재생산을 가능하게 하는 경제발전의 기초산업의 성격을 가지고 있다.
# 철강업은 거대한 설비와 그에 따른 거액의 고정자본 투하를 필요로 하고, 제품원가 중 고정설비에 따른 고정비 비율, 즉 제품단위당 자본계수가 타 산업에 비하여 매우 높은 '자본집약적 산업'이다. 예를 들어 현재 세계의 대철강기업은 신규 제철공장 건설에 조강(粗鋼)기준 연산(年産) 600만ton∼1000만ton을 최적규모로 잡고 있다.
# 철강업은 막대한 양의 각종 원료를 소비하는 산업이다. 철강재 1ton을 생산하기 위하여 철광석, 석회석, 고철 등 2.5ton의 원료가 사용되고 있으며, 따라서 철강재 원가(原價) 중 재료비 비중이 높다.
# 이러한 특성 때문에 철강업은 독점 내지 집중도가 중요하여 기업의 통합과 집중화 경향이 강하다. 현재 철강업이 발달한 주요 국가에서 철강생산의 70%∼80%가 몇 개의 기업에 집중되고 있으며, 특히 상위 4대 기업들의 집중도는 미국이 55%, 영국 91%, 서독 56%, 일본이 59%이다. 소련 등 사회주의 공산국가에서는 국영이고, 영국에서도 국유화되었으며, 인도 등 개발도상국에서도 대부분 국영이라는 국가적 성격이 강한 기업형태를 갖고 있다.[139]
# 국제적인 산업이다. 원료 수입, 제품 수출 등에서 국제간 상호관계 비중이 클 뿐만 아니라 수출시장에서 가격 유지, 무역 경쟁 회피를 시도하는 국제카르텔의 움직임 등 각국 철강업은 큰 영향을 받으며 발전하고 있다.[139]
2008년 말 철강 산업은 급격한 침체를 겪으며 많은 감산으로 이어졌다.[66]
2021년 전 세계 온실가스 배출량의 약 7%가 철강 산업에서 발생한 것으로 추산되었다.[67][68] 이러한 배출량 감소는 코크스를 사용하는 주요 생산 방식의 전환, 철강 재활용 증가 및 탄소 포집 및 저장 기술 적용을 통해 이루어질 것으로 예상된다.
7. 1. 세계의 철강 산업
20세기 초, 미국은 세계 철강 생산의 중심지였으나, 20세기 중반 이후 EU, 일본, 그리고 구 소련이 주요 생산국으로 부상했다. 21세기에는 중국과 인도가 급격한 성장을 이루며 세계 철강 산업을 주도하고 있다.[130][131]
철강 산업은 사회 기반 시설과 전반적인 경제 개발에 있어 철강이 차지하는 중요한 역할 때문에 종종 경제 발전의 지표로 여겨진다.[60] 19세기에는 세계 최초로 산업혁명을 일으킨 영국이 조강 생산량 최대국이었으나, 19세기 말에는 독일과 미국의 추격을 받았다. 1890년에는 미국이 세계 최대 조강 생산국이 되었고, 1895년에는 독일이 영국을 제치고 세계 2위 생산국이 되었다.[127] 이후 미국이 최대 조강 생산국이 되고, 서유럽 국가들과 소비에트 연방이 그 뒤를 잇는 상황이 20세기 내내 지속되었다.
제2차 세계 대전 이후 일본의 조강 생산량이 증가하여 1960년에는 세계 5위[128], 1965년에는 세계 3위가 되었다.[129] 그러나 1990년대 이후 중국이 급속히 철강 생산량을 늘려 1996년에는 일본과 미국을 제치고 세계 1위 생산량을 기록한 이후 최고 자리를 유지하고 있다.[130] 20세기 말부터 인도, 한국, 브라질, 터키 등 신흥국의 철강 생산이 증가하여 2018년에는 인도가 세계 2위 철강 생산국이 되었다.[131]
2000년부터 2005년까지 세계 철강 수요는 6% 증가했다. 2000년 이후 타타 스틸(2007년 코러스 그룹을 인수), 바오스틸 그룹, 샤강 그룹 등 여러 인도[62] 및 중국[63] 철강 회사들이 수요 충족을 위해 확장했다.
2018년 조강 최대 생산국은 중국이며, 세계 생산량 18억 톤의 51%를 차지하고 있다. 다음으로 인도, 일본, 미국, 한국, 러시아, 독일, 터키, 브라질, 이탈리아 순이다.[132]
7. 1. 1. 미국
미국의 철강 산업은 20세기 초반까지 세계 최대 규모였으나, 이후 구조조정을 거치면서 효율성을 높이는 방향으로 변화했다.[139]1987년 이후 철강 산업의 설비 합리화 및 경영 다각화와 더불어 자동차, 기계 등 관련 산업의 경기 호조에 힘입어 회복세를 보이기 시작했다. 달러 약세에 따른 국제 경쟁력 회복과 설비 투자의 활성화로 미국 경제가 연평균 3%의 성장을 유지하면서 철강 소비도 증가하기 시작했다. 1988년 철강 소비는 1억 1,100만 톤에 달해 전년 대비 17.1%의 높은 성장률을 기록했다. 이러한 소비 증가세에 따라 조강 생산량도 1989년에는 8,840만 톤을 기록, 1986년 대비 19.5% 증가했다.[139]
경영 여건이 좋아지면서 미국 철강업계는 재무 구조를 흑자 기반으로 전환하기 위해 경영 합리화를 추진했다. 노후한 고로 설비를 폐쇄하고 미니 밀(Mini-mill) 설비를 확대하여 생산 설비의 효율성을 높이고, 인력 감축을 통해 생산성 향상을 도모했다. 또한 수익 기반 확대를 위한 경영 전략으로 화학, 항공, 우주, 석유 사업 분야에 진출하는 등 업종 다각화를 적극 추진하여 1987년 흑자 구조로 전환했다.[139]
미국 정부도 철강 산업의 구조 전환을 원활하게 하기 위해 철강 수출국들과 자율수출규제협정(VRA)를 체결하여 수입 물량을 일정 수준에서 제한했다. 한편, 한국, 일본 등 주요 철강 수출국 업체와 자국 철강 기업 간의 합작 투자를 유도하여 철강 업체들의 경영 합리화를 촉진하고 내수 물량 공급 확대를 지원했다.[139]
1994년 미국의 경기가 호조를 보이고 철강업계가 구조 개편 및 경량화를 통해 효율성을 높이면서 철강 산업이 호황을 맞았다. 철강 생산은 8,900만 톤에 이르렀고, 내수도 생산과 함께 전년보다 2.2% 증가한 9,900만 톤에 달했다.[139]
7. 1. 2. EU
1980년부터 철강산업 합리화를 추진한 EU 철강업계는 수요 부족에 따른 설비 과잉이라는 구조적 불황을 겪었다. 1986년 추가적인 합리화 사업 계획을 수립하여 철강 산업을 회생시키기 위한 구조 개편 작업을 계속했다.[140] 1987년부터 세계 경제 환경이 좋아지면서 EU 각국의 경제도 급속히 회복세를 보였고, 만성적인 수요 부족으로 침체되었던 철강 산업도 흑자 전환의 전기를 마련하였다.EU 지역의 철강재 소비는 1986년 이후 철강 산업의 회복세와 더불어 1988년 1.202억ton으로 1986년 대비 14.9% 증가하였으나, 1990년 1.1167억ton을 기록한 이후 지속적으로 감소하여 1993년에는 9188만ton으로 감소하였다. 조강 생산은 1989년 1.525억ton에 도달한 이후 오랫동안 비슷한 수준을 회복하지 못하다가 1994년에 1.5168000000000001억ton으로 회복되었다.[140]
EU 철강 산업의 조강 기준 설비 능력은 1980년 연간 2.194억ton에서 1989년에는 1.7409999999999999억ton으로 20.6% 감축되었으며 종사자 수 또한 대폭 축소되었다. 반면에 설비 가동률은 1980년 64.0%에서 1989년 80.4%로 상승함으로써 생산성 제고와 함께 인건비 절감 등을 통한 원가 관리로 국제 경쟁력 강화의 계기를 마련하였고, 철강 제품의 고부가가치화를 도모하여 특수강 부문에 대한 설비 투자에 주력하였다. 그 결과 각국의 전체 철강 생산에서 특수강의 비중이 점차 상승하고 있다.[140]
이와 같은 합리화 노력과 수요 신장세의 지속으로 EU 주요 철강 기업들의 영업 실적도 대폭 개선되는 추세를 보였다. 서독의 Thyssen·Mannesmann, 영국의 BSC, 프랑스의 Usinor-Sacilor 등 주요 철강 기업들의 순이익은 1986년을 기점으로 증가 추세를 보이고 있다. 또한 EU의 경제 통합은 철강 제품의 역내 교역 활성화, 철강 소비 산업 경기 호조에 따른 수요 급증 등 EU 철강 산업에 긍정적 효과를 미칠 것으로 평가됨에 따라 철강업계는 이에 대비해 다각적인 경영 전략을 수립하고 있다. 이러한 경영 전략은 주로 국가 경쟁력 강화에 집중되고 있는데, 노후 설비의 폐쇄와 기업 간 M&A 등에 의한 적정 설비의 확보, 고부가가치강 및 신공정 기술의 개발을 위한 R&D의 강화 등에 집중되고 있다.[140]
7. 1. 3. 일본
1985년 이후 엔화 강세로 인한 수요 감소와 설비 과잉으로 어려움을 겪었으나, 1987년부터 시작된 철강 산업 합리화 사업을 통해 경영 위기를 극복하고 활성화되었다.[141] 합리화 사업은 설비 및 인원 감축을 통한 경영 합리화와 비철강 부문으로의 사업 확대를 통한 경영 다각화로 나누어 추진되었다.설비 감축으로 조강 생산 능력이 1985년 연간 1억 5220만 톤에서 1989년 1억 4320만 톤으로 6% 감소하였는데, 이는 주로 신일본제철, 일본강관 등 주요 철강 회사와 기타 전기로 업체의 설비 감축에 따른 것이다. 생산 능력 축소와 반대로 설비 가동률은 1985년 69.1%에서 1989년 75.3%로 상승하여 조강 생산은 9830만 톤에서 1억 790만 톤으로 9.8% 증가하였다.
인원 감축 면에서는 비철강 부문으로 종업원을 재배치하고 타 업종으로 전직시키는 등의 노력을 통해 1985년 17만 9,785명이던 종사자 수가 1988년에는 14만 2,096명으로 21% 감소하였다. 이는 제조 원가에서 큰 비중을 차지하던 인건비 부담을 줄여 국제 경쟁력 회복에 기여하였다.
일본 철강 업계는 장기 경영 전략 차원에서 수익 기반 확대를 위해 철강 전업도를 낮추고 화학, 플랜트, 엔지니어링 사업 등 비철강 부문으로 경영 다각화를 적극 추진하였다. 그 결과, 주요 5개 철강 회사의 전체 매출액 중 비철강 부문 비중이 평균 20%를 넘어섰고, 이는 철강 업계의 수익 구조 개선에 크게 공헌하였다.
이러한 합리화 노력과 세계 철강 경기 회복, 엔고 현상 극복에 힘입어 일본 경제가 견실하게 성장하면서 철강 수요가 급증하였고, 경영 실적도 크게 개선되었다. 주요 5개 철강 회사의 매출액은 1986년 608.95억엔에서 1989년 722억엔으로 18.6% 증가하였으며, 같은 기간 경상 이익도 554억 엔 적자에서 5.38조엔 흑자로 전환되었다.
1993년 일본의 조강 생산량은 9,962만 톤으로 세계 총 조강 생산량의 13.7%를 차지하여 1위를 기록하였으며, 1인당 조강 소비량도 647kg으로 세계 4위를 기록하였다. 철강 수출에 있어서도 3,350만 톤으로 세계 1위를 차지하여 세계 제1위의 철강 국가로서의 면모를 굳건히 하였다.[141]
2020년 현재 일본의 고로 제철소는 합병을 통해 일본제철, JFE스틸, 고베제강소 3개사만 남아있다.[133] 반면 일반강 전기로 제철소는 소규모 업체가 많으며, 최대 업체인 도쿄제철을 비롯하여 2015년 기준 약 30개사가 영업하고 있다.[134]
7. 2. 한국의 철강 산업
대한민국은 1970년대부터 포항제철(현 포스코)을 중심으로 철강 산업을 육성하여 세계적인 철강 생산국으로 성장하였다. 2018년 대한민국의 조강 생산량은 세계 5위를 기록하였다.[132]8. 철강의 역사
철의 사용은 고대 이집트(기원전 3000년경)나 아나톨리아(기원전 2500~2200년경)에서부터 시작되었지만, 이는 주로 운철을 가공한 것이었다.[89] 본격적인 제철은 아나톨리아 지방에서 구리 제련 과정 중 우연히 발견되었고, 이후 히타이트 시대에 비법으로 철 생산이 이어졌다고 여겨진다. 히타이트는 숯을 사용하여 철을 단조하는 방식으로 강철을 제조했다.[90]
산업혁명 이전에는 여러 나라에서 강철이 제조되었는데, 그중 인도의 우츠 강이 유명했다. 우츠강은 도가니에 나무 조각을 넣고 가열하여 탄소를 흡수시키는 방식으로 만들어졌으며,[91] 다마스쿠스에서 도검으로 가공되어 다마스쿠스 강철이라는 이름으로 널리 알려졌다.[92] 일본에서도 타타라 제철을 통해 와강이라 불리는 강철이 생산되어 일본도 등의 원료로 사용되었다. 타타라 제철에서는 양질의 강철을 만들 수 있었고, 특히 양질의 부분은 탐강이라고 불리며 일본도의 재료로 가장 적합하다고 여겨졌다.[95] 그러나 이러한 전통적인 방법으로는 강철을 대량으로 생산하는 것은 불가능했다.
유럽에서는 18세기 초 저탄소 철에 침탄하여 강철을 만드는 방법이 개발되었지만, 큰 덩어리를 만들기 어려웠다.[97] 1740년대 벤자민 헌츠먼이 도가니법을 개발하여 양질의 강철을 비교적 대량 생산할 수 있게 되었으나, 여전히 생산량에는 한계가 있었다.[98] 19세기 후반까지 유럽에서 특수하고 고급 강철 제조에 사용되었지만, 산업적으로 대량 생산할 수 있게 된 것은 헨리 베세머의 전로법(1856년)이나 지멘스의 평로법 발명 이후였다.[99]
8. 1. 고대 ~ 중세
고대에는 운철을 가공하거나, 철광석을 환원시켜 철기를 제작했다. 히타이트는 숯을 사용하여 철을 단조하는 방식으로 강철을 제조하였고, 아나톨리아를 중심으로 철을 주력으로 하는 최초의 문명을 건설했다.[90] 히타이트의 제강 기술은 기원전 1200년의 격변으로 히타이트가 멸망하면서 주변 국가로 전파되었다.[89]인도에서는 기원전 6세기부터 도가니를 이용한 대규모 우츠 강 생산이 이루어졌는데, 이는 현대식 강철 생산과 야금 기술의 선구적인 전조였다.[18] 우츠강은 남인도와 스리랑카에서 개발되었으며,[18] 특히 스리랑카에서는 계절풍을 이용한 풍로를 사용하여 고탄소 강철을 생산했다.[43][44] 인도에서 생산된 우츠강은 다마스쿠스 강철이라는 이름으로 서양에 널리 알려졌으며, 다마스쿠스에서 도검으로 가공되어 높은 평가를 받았다.[92]
중국에서는 전국 시대 (기원전 403~221년)에 담금질 강철이 있었고,[25] 한나라 (기원전 202년~서기 220년) 시대에는 연철과 주철을 용융하여 혼합하는 방식으로 탄소 중간 강철을 생산했다.[26][27]
일본에서는 사철을 원료로 하는 타타라 제철을 통해 와강이라 불리는 강철이 생산되어 일본도 등의 원료로 사용되었다. 타타라 제철에서는 양질의 강철을 만들 수 있었고, 특히 양질의 부분은 탐강이라고 불리며 일본도의 재료로 가장 적합하다고 여겨졌다.[95]
8. 2. 근대
산업혁명 이후, 베세머 전로 등 새로운 제강법이 발명되어 철강 생산량이 비약적으로 증가했다. 17세기 이후 유럽의 제철 과정 첫 단계는 용광로에서 철광석을 용융하여 주철을 생산하는 것이었다.[50] 원래 목탄을 사용했지만, 현대적인 방법은 코크스를 사용하며, 이는 더 경제적인 것으로 판명되었다.[51][52][53]
9. 철강의 활용
철과 강철은 도로, 철도, 기타 사회 기반 시설, 가전제품 및 건물 건설에 널리 사용된다. 경기장과 마천루, 다리, 공항과 같은 대부분의 현대식 대형 구조물은 강철 골조로 지지된다. 콘크리트 구조물조차도 보강용으로 강철을 사용한다. 주요 가전제품과 자동차에도 널리 사용된다. 알루미늄 사용이 증가하고 있음에도 불구하고 강철은 여전히 자동차 차체의 주요 재료이다. 강철은 볼트, 못 및 나사와 같은 다양한 기타 건축 자재와 기타 가정용품 및 조리 기구에 사용된다.[83]
다른 일반적인 용도로는 조선, 파이프라인, 광업, 해양 건설, 항공우주, 백색 가전제품(예: 세탁기), 불도저와 같은 중장비, 사무 가구, 철수세미, 공구 및 개인용 방탄조끼 또는 차량 장갑(이 역할에서는 압연 균질 장갑으로 더 잘 알려짐) 형태의 방호복이 있다.
강의 활용 분야는 다음과 같다.
- 철근 콘크리트의 철근과 철망
- 철도 레일
- 현대 건물과 다리의 구조용 강철
- 철사
- 재단조 공정의 투입 재료
- 대형 가전제품
- 자심
- 자동차, 기차 및 선박의 내외부 차체
- 인터모달 컨테이너
- 야외 조각품
- 건축
- 하이라이너 열차 차량
강은 용도가 매우 넓어 기계와 건축자재에서부터 생활용품에 이르기까지 많은 것에 사용된다. 이 때문에 철강 소비량과 해당 국가의 생활 수준 사이에는 강한 상관관계가 있으며, 경제 지표의 하나로 사용된다.[124]
근대 이전 세계에서 강의 주된 용도는 경도가 요구되는 칼의 재료였지만, 16세기 이후 오스만 제국에서 강은 총의 포신에 사용되기 시작했고, 이 제법은 무굴 제국에도 전해졌다.[125] 전로법의 개발로 강이 대량으로 공급될 수 있게 되자, 그때까지 주철이나 연철을 이용하던 분야에서 강철로의 재료 변경이 잇따랐다. 일례로, 그때까지 주철을 이용하던 철도 레일은 1860년대 이후 강철제로 급속히 바뀌어 갔다.[126]
10. 철강의 재활용
철강은 세계에서 가장 많이 재활용되는 재료 중 하나이며, 전 세계적인 재활용률은 60%가 넘는다.[69] 2008년 미국에서만 82MT이 재활용되어 전체 재활용률은 83%에 달했다.[70]
폐기되는 양보다 더 많은 철강이 생산되기 때문에 재활용 원자재의 양은 생산된 철강 총량의 약 40%에 해당한다. 2016년에는 전 세계적으로 1628MT의 조강이 생산되었고, 그중 630MT이 재활용되었다.[71]
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