합금철
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1. 개요
합금철은 철과 다른 원소의 합금으로, 강철 제조에 사용되는 중요한 재료이다. 주요 종류로는 페로알루미늄, 페로보론, 페로크롬, 페로망가니즈, 페로몰리브덴, 페로니켈, 페로실리콘 등이 있으며, 각 합금철은 특정 원소를 첨가하여 강철의 특성을 향상시킨다. 합금철은 고로 또는 전기로에서 생산되며, 탄소 열 환원 반응이나 직접 환원 공정을 통해 제조된다. 페로크롬, 페로망가니즈, 페로몰리브덴, 페로니켈, 페로실리콘 등은 세계적으로 생산 및 소비가 활발하며, 특히 페로크롬은 스테인리스강 제조에, 페로실리콘은 주철 및 강철 생산의 탈산제로 사용된다.
합금철은 철과 다른 원소의 합금으로, 다음과 같은 종류가 있다.
2. 종류
2. 1. 페로알루미늄 (FeAl)
페로알루미늄은 철과 알루미늄의 합금이다.
2. 2. 페로보론 (FeB)
페로보론(FeB)은 철과 붕소의 합금이다. 붕소 함량은 12~20%이며, 최대 3%의 규소, 최대 2%의 알루미늄, 최대 1%의 탄소를 포함한다.[1]
2. 3. 페로세륨 (FeCe)
페로세륨은 철과 세륨의 합금이다.
2. 4. 페로크롬 (FeCr)
페로크롬(FeCr)은 철과 크롬의 합금이다.
2. 5. 페로마그네슘 (FeMg)
페로마그네슘은 철과 마그네슘의 합금이다.[1]
2. 6. 페로망가니즈 (FeMn)
페로망가니즈는 철과 망간의 합금이다.
2. 7. 페로몰리브덴 (FeMo)
페로몰리브덴(FeMo)은 철과 몰리브덴의 합금으로, 몰리브덴(Mo) 함량이 최소 60% 이상이며, 최대 1%의 규소(Si)와 최대 0.5%의 구리(Cu)를 포함한다.
| 성분 | 함량 |
|---|---|
| 몰리브덴(Mo) | 60% 이상 |
| 규소(Si) | 최대 1% |
| 구리(Cu) | 최대 0.5% |
2. 8. 페로니오브 (FeNb)
페로니오브는 철과 니오브의 합금이다.2. 9. 페로니켈 (FeNi)
페로니켈은 철과 니켈의 합금이다.2. 10. 페로인 (FeP)
페로인은 철과 인의 합금이다.2. 11. 페로실리콘 (FeSi)
페로실리콘(FeSi)은 철과 규소의 합금으로, 규소 함량은 15~90%이다.2. 12. 실리코망간 (FeSiMn)
페로망간보다 규소 함유량이 많은 합금이다.[1]2. 13. 페로티타늄 (FeTi)
페로티타늄(FeTi)은 철과 티타늄의 합금으로, 티타늄 함량은 10~30% 또는 65~75%이며, 알루미늄은 최대 5~6.5%, 규소는 최대 1~4% 포함된다.2. 14. 페로우라늄 (FeU)
페로우라늄 (FeU)는 철과 우라늄의 합금이다.2. 15. 페로바나듐 (FeV)
페로바나듐(FeV)은 철과 바나듐의 합금이다.2. 16. 페로텅스텐 (FeW)
페로텅스텐(FeW)은 철과 텅스텐의 합금이다.3. 생산
합금철은 일반적으로 고로 또는 전기로를 통해 생산되며, 직접 환원 공정을 통해서 생산되기도 한다.
3. 1. 생산 방식
합금철은 일반적으로 고로 또는 전기로를 사용하여 두 가지 방법으로 생산된다. 20세기 동안 고로 생산은 지속적으로 감소한 반면, 전기로 생산은 계속 증가하고 있다. 오늘날에도 고로에서 페로망간을 효율적으로 생산할 수 있지만, 이 경우에도 전기로가 확산되고 있다. 더 일반적으로, 합금철은 철의 존재하에 탄소(코크스 등)를 사용하여 산화물을 환원시키는 탄소 열 환원 반응을 통해 생산된다. 일부 합금철은 용융 철에 원소를 첨가하여 생산된다.또한 직접 환원 공정을 통해 일부 합금철을 생산하는 것도 가능하다. 예를 들어, 크루프-렌 공법은 일본에서 페로니켈을 생산하는 데 사용된다.[4]
4. 주요 합금철 생산 및 소비 현황
2008년을 기준으로 합금철의 주요 생산 및 소비 현황은 다음과 같다.
- 페로크롬 (FeCr)
2014년 세계 주요 크롬철광 생산국은 남아프리카 공화국(1,200만 톤), 카자흐스탄(370만 톤), 인도(350만 톤), 터키(260만 톤)였다. 대부분의 크롬철광은 전기로에서 제련되어 페로크롬으로 생산되었다. 같은 해 세계 주요 페로크롬 생산국은 중국(450만 톤), 남아프리카 공화국(360만 톤), 카자흐스탄(120만 톤), 인도(90만 톤)였다. 전 세계적으로 생산된 1,170만 톤의 페로크롬 대부분은 스테인리스강 제조에 사용되었다.[1]
| 국가 | 크롬철광 생산량 (톤) | 페로크롬 생산량 (톤) |
|---|---|---|
| 중국 | 4,500,000 | |
| 남아프리카 공화국 | 12,000,000 | 3,600,000 |
| 카자흐스탄 | 3,700,000 | 1,200,000 |
| 인도 | 3,500,000 | 900,000 |
| 터키 | 2,600,000 |
- 페로망가니즈 (FeMn)
중국은 망간 철합금의 세계 최대 생산국(270만 톤)으로, 브라질(34만 톤), 남아프리카 공화국(61만 톤), 우크라이나(38만 톤) 등 다른 3개 주요 생산국의 생산량을 합한 것보다 많다.[6] 페로망가니즈는 제강의 핵심 재료이다.
- 페로몰리브덴 (FeMo)
칠레(16,918t), 중국(40,000t), 미국(2008년에 세계 몰리브덴 원광 생산량의 78% 차지)이 주요 생산국이며,[1] 캐나다, 멕시코, 페루가 그 나머지를 차지했다.[1] 몰리브덴 정광은 로스팅되어 몰리브덴 산화물을 형성하며, 이는 페로몰리브덴 등으로 전환될 수 있다.[1] 2008년 미국은 세계 2위의 몰리브덴 생산국이었지만, 페로몰리브덴 요구량의 70% 이상을 수입했다.[1]
- 페로니켈 (FeNi)
2014년 세계 연간 신규 니켈의 약 33%가 페로니켈이었다.[12] 2014년 세계 연간 페로니켈 생산량은 약 250000ton이었다.[12] BHP와 Société Le Nickel이 가장 큰 생산자였다.[12]
2008년 주요 페로니켈 생산국은 다음과 같다.
이 세 나라는 중국을 제외하고 세계 생산량의 약 51%를 차지했다. 우크라이나, 인도네시아, 그리스, 마케도니아는 총 중량 생산량 순으로 페로니켈을 68000ton에서 90000ton 사이로 생산하여 중국을 제외하고 추가로 31%를 차지했다. 중국은 상당량의 니켈 피그 아이언을 생산하여 총 590000ton으로 추정되므로 통계에서 제외되었다.
미국에서는 2008년에 강철 산업이 소비된 페로니켈의 거의 전부를 차지했으며, 98% 이상이 스테인리스강 및 내열강에 사용되었다. 2008년에는 미국에서 페로니켈이 생산되지 않았다.[6]
니켈 피그 아이언은 중국에서 만들어진 저품위 페로니켈이다.
- 페로실리콘 (FeSi)
실리콘 철 합금 소비는 주철 및 강철 생산에 의해 주도되며, 여기서 실리콘 합금은 탈산제로 사용된다.
2008년 미국의 페로실리콘 및 기타 실리콘 합금 순 생산량은 148000ton이었다. 중국이 주요 공급국이며, 2008년에 다른 국가를 모두 합친 것보다 더 많은 페로실리콘(4900000ton)을 생산했다. 다른 주요 제조업체는 노르웨이(210000ton), 러시아(850000ton) 및 미국(230000ton)이다.[6]
- 페로티타늄 (FeTi)
티타늄은 제강에 사용되며, 페로티타늄 형태로 도입된다. 주요 페로티타늄 생산국으로는 브라질, 중국, 인도, 일본, 러시아, 우크라이나, 영국 및 미국이 있다.[4]
- 페로텅스텐 (FeW)
페로텅스텐은 텅스텐이 많이 포함된 합금철이다. 2008년 중국은 전 세계 페로텅스텐 생산을 주도하였다.[6]
- 페로바나듐 (FeV)
2008년에는 중국, 러시아(12,000톤), 남아프리카 공화국(17,000톤)이 전 세계 바나듐 광산 생산량의 98%를 차지했다. 2008년 미국에서 소비된 5090ton의 바나듐 중 84%는 페로바나듐에서 나왔으며 거의 모두(99%) 철강 생산에 사용되었다.[6]
4. 1. 페로크롬 (FeCr)
2014년 세계 주요 크롬철광 생산국은 남아프리카 공화국(1,200만 톤), 카자흐스탄(370만 톤), 인도(350만 톤), 터키(260만 톤)였다. 대부분의 크롬철광 생산량은 전기로에서 제련되어 야금 산업용 페로크롬으로 생산되었다. 2014년 세계 주요 페로크롬 생산국은 중국(450만 톤), 남아프리카 공화국(360만 톤), 카자흐스탄(120만 톤), 인도(90만 톤)였다. 전 세계적으로 생산된 1,170만 톤의 페로크롬 대부분은 2014년 총 4,170만 톤에 달하는 스테인리스강 제조에 사용되었다.[1]| 국가 | 크롬철광 생산량 (톤) | 페로크롬 생산량 (톤) |
|---|---|---|
| 중국 | 4,500,000 | |
| 남아프리카 공화국 | 12,000,000 | 3,600,000 |
| 카자흐스탄 | 3,700,000 | 1,200,000 |
| 인도 | 3,500,000 | 900,000 |
| 터키 | 2,600,000 |
4. 2. 페로망가니즈 (FeMn)
페로망가니즈는 제강의 핵심 재료이다. 중국은 망간 철합금의 세계 최대 생산국(270만 톤)으로, 그 생산량은 브라질(34만 톤), 남아프리카 공화국(61만 톤), 우크라이나(38만 톤) 등 다른 3개 주요 생산국의 생산량을 합한 것보다 많다.[6]4. 3. 페로몰리브덴 (FeMo)
페로몰리브덴의 주요 생산국은 칠레(16,918t), 중국(40,000t), 미국(2008년에 세계 몰리브덴 원광 생산량의 78% 차지)이다.[1] 캐나다, 멕시코, 페루가 그 나머지를 차지했다.[1] 몰리브덴 정광은 로스팅되어 몰리브덴 산화물을 형성하며, 이는 페로몰리브덴, 몰리브덴 화학 물질, 몰리브덴 금속으로 전환될 수 있다.[1] 2008년 미국은 세계 2위의 몰리브덴 생산국이었지만, 페로몰리브덴 요구량의 70% 이상을 수입했는데, 이는 주로 철강 산업(소비된 페로몰리브덴의 83%)을 위한 것이었다.[1]4. 4. 페로니켈 (FeNi)
2014년에 세계 연간 신규 니켈의 약 33%가 페로니켈이었다.[12] 1991년에 Swartzendruber 등이 페로니켈에 대한 광범위한 검토 논문을 발표했다.[8] 지구에 떨어지는 많은 운석은 페로니켈로 밝혀졌으며, 카마사이트 및/또는 테나이트의 형태를 띤다. 페로니켈은 면심 입방 격자 구조를 갖는다.[9] 페라이트, 마르텐사이트, 또는 오스테나이트 형태를 취할 수 있다. 이원 Fe-Ni 시스템은 오스테나이트계 스테인리스강 및 마레이징강과 같은 고합금강에서 니켈이 존재할 때 체심 입방 페라이트에서 면심 입방 오스테나이트로의 전이가 일어나는 주요 요인이 되기 때문에 강철과 유사한 목적으로 연구되었다.[10]20세기 후반에 니켈 생산량의 60%가 황화물 광석의 매트 용융을 기반으로 하였는데, 이는 페로니켈 생산에 적합하지 않았다.[11] 2003년 데이터에 따르면, 1차 니켈 생산에서 라테라이트의 점유율은 42%였다.[11] 2014년 세계 연간 페로니켈 생산량은 약 250000ton이었다.[12] BHP와 Société Le Nickel이 가장 큰 생산자였다.[12] 라테라이트 광석은 종종 생산 공정에 사용된다.[13][14] RKEF 공정이 종종 사용된다.[15] 저품위 원료로 인해 제품 1톤당 에너지 소비가 높아서 많은 폐기 슬래그와 가스 오염을 발생시킨다.[16] 일반적으로 용광로 출력의 90% 이상이 슬래그 형태이다.[12] 용융 페로니켈을 정련하는 기술은 전문가의 주제이며,[17] 광석 성분 변동성 때문에 공정이 원산지에 따라 맞춤화되어야 할 수도 있다. 예를 들어 그리스 광석의 Larco 공정이 있다.[18] 철 합금에 니켈을 첨가하는 주요 이유는 오스테나이트 조직을 촉진하기 위한 것이다. 니켈은 일반적으로 연성, 인성 및 내식성을 증가시킨다.[19] 니켈 피그 아이언은 니켈의 낮은 중량 분율(4–10%)과 높은 탄소 함량(>3%)으로 페로니켈과 구별된다. 반대로, 페로니켈은 비교적 순수한 이원 합금이다.[19]
2008년 주요 페로니켈 생산국은 다음과 같다.
이 세 나라는 중국을 제외하고 세계 생산량의 약 51%를 차지했다. 우크라이나, 인도네시아, 그리스, 마케도니아는 총 중량 생산량 순으로 페로니켈을 68000ton에서 90000ton 사이로 생산하여 중국을 제외하고 추가로 31%를 차지했다. 중국은 다양한 종류의 일반적인 페로니켈 등급 외에 상당량의 니켈 피그 아이언을 생산하여 총 590000ton으로 추정되므로 통계에서 제외되었다. 개별 중국 제품의 니켈 함량은 고객의 최종 사용 용도에 따라 약 1.6%에서 최대 80%까지 다양했다.[6]
미국에서는 2008년에 강철 산업이 소비된 페로니켈의 거의 전부를 차지했으며, 98% 이상이 스테인리스강 및 내열강에 사용되었다. 2008년에는 미국에서 페로니켈이 생산되지 않았다.[6]
니켈 피그 아이언은 중국에서 만들어진 저품위 페로니켈로, 2010년대 이후 매우 인기가 있다.
4. 5. 페로실리콘 (FeSi)
실리콘 철 합금 소비는 주철 및 강철 생산에 의해 주도되며, 여기서 실리콘 합금은 탈산제로 사용된다. 일부 금속 규소는 철과 합금제로도 사용되었다.
실리콘 함량 기준으로 2008년 미국의 페로실리콘 및 기타 실리콘 합금 순 생산량은 148000ton이었다. 중국이 주요 공급국이며, 2008년에 다른 국가를 모두 합친 것보다 더 많은 페로실리콘(4900000ton)을 생산했다. 다른 주요 제조업체는 노르웨이(210000ton), 러시아(850000ton) 및 미국(230000ton)이다.[6]
4. 6. 페로티타늄 (FeTi)
티타늄은 탈산, 입도 제어, 탄소 및 질소 제어와 안정화를 위해 제강에 사용된다. 제강 과정에서 티타늄은 비교적 낮은 용융 온도와 높은 밀도로 인해 일반적으로 페로티타늄 형태로 도입된다. 티타늄 함량이 비교적 높은 강철에는 간극 원자 없는 강, 스테인리스강 및 고강도 저합금강이 있다. 페로티타늄은 일반적으로 티타늄 스크랩을 철 또는 강철과 함께 유도 용융하여 생산되지만, 티타늄 광물 농축액으로부터 직접 생산되기도 한다.[4] 페로티타늄의 표준 등급은 30% 및 70% 티타늄이다. 규소와 티타늄을 동시에 첨가할 수 있도록 페로실리콘-티타늄도 생산된다. 주요 페로티타늄 생산국으로는 브라질, 중국, 인도, 일본, 러시아, 우크라이나, 영국 및 미국이 있다.[4]4. 7. 페로텅스텐 (FeW)
페로텅스텐은 텅스텐이 많이 포함된 합금철이다. 텅스텐은 고속도강 및 기타 공구강의 중요한 합금 원소이며, 일부 스테인리스강 및 구조용 강철에도 소량 사용된다. 텅스텐은 종종 최대 80%의 텅스텐을 함유할 수 있는 페로텅스텐 형태로 강철 용융물에 첨가된다. 2008년 중국은 전 세계 페로텅스텐 생산을 주도하였으며, 4,835톤(총 중량)의 합금을 수출했다.[6] 페로텅스텐은 비교적 비싸며, 함유된 텅스텐 1kg당 가격이 약 31USD~44USD이다.[6]4. 8. 페로바나듐 (FeV)
2008년에는 중국, 러시아(12,000톤), 남아프리카 공화국(17,000톤)이 전 세계 바나듐 광산 생산량의 98%를 차지했다. 이 세 국가에서 바나듐은 주로 선철 생산을 위해 처리된 티타늄 함유 자철광에서 회수되었다. 이 공정은 오산화 바나듐, 알루미늄(산화물 제거제) 및 철 스크랩의 알루미늄 열 환원을 수반한다.[1] 이로 인해 20%에서 24%의 오산화 바나듐을 함유하는 슬래그가 생성되며, 이는 40%에서 50%의 바나듐을 함유하는 페로바나듐으로 추가 처리될 수 있다. 2008년 미국에서 소비된 5090ton의 바나듐 중 84%는 페로바나듐에서 나왔으며 거의 모두(99%) 철강 생산에 사용되었다.[6]
5. 한국의 합금철 산업
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