2차 제강

제2차 세계 대전 이후 강철의 특성을 개선해야 할 필요성과 함께 중요한 발전은 강철을 용해로에서 태핑한 후에도 레이들에서의 정련이 계속된다는 것이었습니다. 1950년에서 1960년 사이에 이루어진 초기 개발은 레이들의 액체를 아르곤을 불어 휘젓는 것이었습니다. 이것은 금속의 온도와 조성의 변화를 감소시키고, 고체 산화물 포함물이 표면으로 올라와 슬래그에 통합될 수 있도록 하며, 수소, 산소, 질소와 같은 용해된 가스를 제거하는 효과가 있었습니다. 그러나 가스 교반만으로는 대형 주괴를 주조할 때 수소를 허용 수준까지 제거할 수 없었습니다. 1950년 대형 진공 펌프가 상용화되면서 레이들을 대피된 대형 챔버에 배치하고 이전처럼 아르곤을 불어 수소를 2ppm 미만으로 제거하는 것이 가능해졌습니다. 1955년과 1965년 사이에 이러한 유형의  개선된 탈가스 시스템이 독일에서 개발되었습니다.

가장 오래된 레이들 첨가법은  1933년에 개발된 Perrin 공정이었습니다. 액체 환원 슬래그가 이미 들어있는 레이들에 강을 부어 격렬한 혼합이 발생하고 황이 금속에서 슬래그로 이동했습니다. 이 과정은 비용이 많이 들고 효율적이지 않았습니다. 전후 기간에는 불활성 가스를 사용하여 랜스를 통해 칼슘, 규소, 마그네슘 계열의 탈황 분말을 레이들에 있는 액강에 주입했습니다. 이 방법은 가스 및 송유관용 강재를 생산하기 위해 일본에서 개척되었습니다.

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합금

강도, 마모 및 내식성과 같은 특정 특성을 향상시키기 위해 강철에 합금 원소를 첨가합니다. 합금 이론이 개발되었지만 대부분의 상업용 합금강은 가끔 영감을 받은 추측을 통해 실험적 접근 방식으로 개발되었습니다. 강철에 합금을 첨가하는 것에 대한 최초의 실험적 연구는 1820년 영국인 James Stodart와 Michael Faraday에 의해 이루어졌는데, 이들은 부식 저항성을 개선하기 위해 강철에 금과 은을 첨가했습니다. 혼합물은 상업적으로 실현 가능하지 않았지만 강철에 크롬을 첨가하는 아이디어를 시작했습니다(아래 스테인리스강 참조).

경화 및 강화

(Ronert F. Mushet)
 

최초의 상업용 합금강은 일반적으로 1868년에 강철에 텅스텐을 첨가하면 공기 냉각 후에도 경도가 크게 증가한다는 것을 발견한 영국인 Robert F. Mushet에 기인합니다. 이 재료는 금속 가공을 위한 공구강 개발의 기초가 되었습니다.

1865년경 Mushet은 또한 Bessemer 강철에 망간을 추가하여 블로우홀 없이 잉곳을 주조할 수 있음을 발견했습니다. 그는 또한 망간이 황의 존재로 인한 취성을 완화한다는 것을 알고 있었지만 1882년에 12~14%의 망간과 1%의 탄소를 함유한 강철을 개발하여 내마모성을 크게 개선하엿습니다.

합금강 개발의 진정한 원동력은 군비였습니다. 1889년경에 탄소 0.3%와 니켈 4%로 강철이 생산되었습니다. 그 후 얼마 지나지 않아 크롬을 첨가하여 더욱 개선되었으며 전함의 장갑판으로 널리 사용되었습니다. 1918년에 이 강철이 몰리브덴을 첨가함으로써  취성이 개선된 것을 만들 수 있다는 것이 발견되었습니다.

합금 원소가 경화 깊이(경화성)에 영향을 미치는 이유 또는 방법에 대한 일반적인 이해는 1930년대에 주로 미국에서 수행된 연구에서 나왔습니다. 템퍼링에 따라 특성이 변하는 이유에 대한 이해는 투과형 전자 현미경을 사용한 후인 1955년에서 1965년 사이에 이루어졌습니다.

​미세합금강

제2차 세계 대전 직후의 중요한 발전은 쉽게 용접될 수 있는 판 및 섹션의 강철 조성을 개선한 것입니다. 이 작업의 원동력은 전쟁 중 리벳팅보다 제작 속도가 빠른 용접으로 대량 생산된 Liberty 함선의 후판 파손이었습니다. 망간 함량을 1.5%로 늘리고 탄소 함량을 0.25% 미만으로 유지함으로써 개선이 이루어졌습니다.

일반적으로 HSLA(고강도 저합금) 강철이라는 제목이 붙은 강철 그룹은 비용을 크게 증가시키지 않는 소량의 합금 원소를 추가하여 연강의 일반 특성을 개선하는 유사한 목표를 가지고 있었습니다. 1962년까지 니오븀이 0.01~0.05% 첨가된 연강 조성에 미세합금강이라는 용어가 도입되었습니다. 바나듐을 함유한 유사한 강철도 생산되었습니다.

1960-80년 기간은 미세합금강의 상당한 발전 중 하나였습니다. 압연 중 온도 제어와 합금화를 연결하여 항복 강도를 기존 연강의 거의 두 배까지 높였습니다.

​스테인리스강

합금 원소를 추가하여 강철의 내식성을 개선하려는 시도가 이루어진 것은 놀라운 일이 아니지만, 상업적으로 성공한 소재가 1914년까지 생산되지 않은 것은 놀라운 일이었습니다. 이것은 0.4 퍼센트의 탄소와 13 퍼센트의 크롬으로 구성되어 있으며, 식기류를 생산하기 위해 셰필드의 Harry Brearley가 개발했습니다.

크롬은 1798년경에 화학 원소로 처음 확인되었으며 철-크롬-탄소 합금으로 추출되었습니다. 이것은 1820년 Stodart와 Faraday가 합금 실험에서 처음 사용했던 재료입니다. 동일한 재료가 1872년 John Woods와 John Clark에 의해 30~35%의 크롬을 함유한 합금을 만드는 데 사용되었습니다. 내식성이 향상된 것으로 언급되었지만 강철은 결코 생산되지 않았습니다. 독일에서 일하는 Hans Goldschmidt가 1895년에 저탄소 페로크롬을 만드는 방법을 발견했을 때 성공이 가능해졌습니다.

크롬 강의 탄소 함량과 내부식성 사이의 연관성은 1911년 필립 모나르츠(Philip Monnartz)에 의해 독일에서 확립되었습니다. 전쟁 기간 동안 철 매트릭스에 적어도 8%의 크롬이 용해되어야 한다는 것이 명확해졌습니다. 탄화물 형태의 탄소와 결합하여 공기에 노출되면 산화크롬의 보호막이 강철 표면에 형성됩니다. Brearley의 강철에서는 크롬의 3.5%가 탄소와 묶여 있었지만 내식성을 부여하기에 충분한 크롬이 남아 있었습니다.

스테인리스강에 니켈을 첨가하는 것은 1912년 독일에서 특허를 받았지만, 1925년에 이르러서야 그 재료가 개발되었는데, 그 때 크롬 18%, 니켈 8%, 탄소 0.2%를 함유한 강철이 사용되기 시작했습니다. 이 재료는 1929년부터 화학 산업에 의해 이용되었으며 18/8 오스테나이트 등급으로 알려지게 되었습니다.

1930년대 후반까지 오스테나이트계 스테인리스강이 고온에서 사용하는 데 유용하다는 인식이 높아졌고 제2차 세계 대전 중에 생산된 초기 제트 항공기 엔진에 수정된 구성이 사용되었습니다. 그 기간의 기본 구성은 여전히 ​​고온 서비스에 사용됩니다. 듀플렉스 스테인리스강은 내식성 및 내마모성과 연계된 고강도에 대한 화학 산업의 요구를 충족시키기 위해 1950년대에 개발되었습니다. 이 합금은 약 절반의 페라이트와 절반의 오스테나이트로 구성된 미세 구조와 25% 크롬, 5% 니켈, 3% 구리 및 2% 몰리브덴의 조성을 가지고 있습니다.

​성형 및 주조

초기 금속 셰이퍼인 대장장이는 수공구를 사용하여 철을 완성된 모양으로 만들었습니다. 기본적으로 이것들은 금속을 모루에 고정하기 위한 집게와 그것을 두드리기 위한 망치로 구성되었습니다. 철 블룸을 연철 막대로 전환하려면 상당한 망치질을 해야 했습니다. 독일에서는 15세기까지 수력 망치가 사용되었지만 100kg의 블룸을 처리할 수 있는 무거운 망치는 18세기에야 사용되었습니다. 얇은 스트립을 만들어 못으로 만드는 슬리팅 밀과 막대를 평판으로 만들기 위한 압연기가 그 무렵 도입되었습니다. 철막대를 생산하기 위한 홈이 있는 롤은 1766년 John Purnell에 의해 특허를 받았습니다. 이것들은 35마력의 물레방아에 의해 구동되었습니다.

​강철 성형 작업은 베세머 공정이 도입되기 전까지 비교적 소규모였습니다. 액체 금속을 레이들에서 정사각형 단면이 700mm이고 길이가 1.5~2m인 대형 주철 잉곳 주형에 부었습니다. 그러한 주괴의 무게는 약 7톤입니다. 응고 후, 잉곳을 주형에서 벗겨내고, 재가열한 다음, 1차(블루밍) 밀에서 열간 압연하여 크기를 줄여 약 100mm 단면의 빌렛을 얻었습니다. 빌릿은 3~4미터 길이로 절단되었으며, 이들은 막대, 빔, 막대 및 스트립으로 압연되기 위한 시작 재료를 형성했습니다.

이러한 유형의 빌렛 생산은 1960년대까지 지속되었으며, 이때 연속 주조기의 발달로 큰 변화가 일어났습니다. 용광로에서 주조기로 직접 이동하는 액강을 사용하면 큰 잉곳을 붓거나 많은 에너지를 필요로 하는 잉곳을 재가열할 필요가 없습니다. 잉곳을 주조에 의해 직접 생산되는 형태로 줄이는 데 매우 비싼 블루밍 밀도 필요하지 않았습니다. 연속주조는 1930년대에 비철금속에 처음 사용되었으며 1950년대 초에는 영국, 미국, 소련의 제철소에서 실험을 하였다. 유나이티드 스틸 컴퍼니. 1965년에는 전체 철강 생산량의 2%가 연속 주조되었습니다. 1970년에는 이 비율이 5%로 증가했고 1990년에는 세계에서 생산되는 모든 철강의 64%가 연속 주조되었습니다(일본에서는 90% 이상).

연속 주조는 1970년 이후에 개발된 새로운 유형의 제철소인 소위 미니 밀(mini-mill)에 부분적으로 기여했습니다. 그곳에서 강철은 고철 장입물을 사용하여 전기로에서 만든 다음 막대로 압연하거나 와이어로 끌어오기 위해 계속해서 작은 직경의 빌렛으로 주조되었습니다. 소형 제철소는 스크랩이 발생하는 산업 지역에 건설된 반면, 기존 철강 공장의 위치는 철광석 및 저비용 에너지의 가용성과 연결되어 있었습니다.

도가니 공정의 도입으로 강철 주물을 처음으로 생산할 수 있게 되었습니다. 철강 제품은 1824년부터 독일과 스위스에서 주조되었고, 1855년에는 철강 기어 휠이 셰필드에서 주조되었습니다. 미국에서 강철 주물은 1871년 피츠버그에서 처음 생산되었습니다.

도가니 공정은 1893년까지 주요 용융 방법이 계속되었는데, 이때 측면 취입된 Bessemer 유형 용기인 Tropenas 변환기가 Sheffield에서 개발되었습니다. 산성 용광로에서의 전기 용해는 1907년 스위스에서 개척되었으며 현재 전기로 용해는 강철 주물을 만드는 데 주로 사용됩니다.

주물품의 품질에 큰 영향을 미치는 주물사에 대한 연구는 1919년 미국에서 시작되어 1924~1928년 사이에 주물재에 대한 국제표준이 발간되게 되었습니다. 1920년대 소련에서는 주강의 건전성을 평가하는 X선법이 도입되었고, 1930년대에는 자기균열 검출법이 도입되었습니다.

​튜브

19세기 초 가스 산업이 발달하면서 가스를 전달하는 튜브에 대한 수요가 증가했습니다. 1824년에 가열된 곡선 스트립의 압력 맞대기 용접 방법이 영국에서 개발되었으며 1832년에는 미국에서 튜브 생산 공장이 설립되었습니다. 솔기 튜빙을 생산하기 위해 유사한 공정이 여전히 사용되고 있었습니다. 열압 버트 용접에 대한 개선 사항은 1921년경 미국에서 전기 저항 용접으로 솔기가 결합된 때 개발되었습니다. 연속 스트립을 나선형으로 감고 나선형 솔기를 아크 용접하여 형성된 대구경 튜브를 포함하여 대부분의 봉합된 튜브는 여전히 이 방식으로 생산됩니다.

이음매 없는 튜빙에는 둥근 빌릿의 피어싱이 포함되었습니다. 이 공정은 1841년 영국에서 개발되었습니다. 1886년 독일의 Mannesmann 회사에서 크게 개선된 공정을 개발했습니다. 이것은 빌릿을 세로로 굴리는 것과 동시에 맨드릴이라고 하는 피어싱 바에 밀어 넣는 작업을 포함했습니다. 이 방법은 철 및 비철 금속 모두에 널리 사용됩니다.

​단조

19세기 후반에 주괴의 크기가 증가함에 따라 초기 대장장이의 망치질 동작을 모방한 대형 망치 단조가 개발되었습니다. 정말 큰 부품의 경우 1861년 영국에서 최초의 프레스 단조가 제작되어 1877년에 미국에 도입되었습니다. 이 단조에서 상부 단조 금형은 유압 작동 피스톤에 의해 하부 앤빌의 공작물에 대해 눌려집니다.

​플레이트 및 시트 

후판은 19세기 초에 개발된 기술인 열간 압연으로 생산됩니다. 판재를 판재로 만들기 위해서는 강재를 냉간압연하고, 압연대를 한 번 통과시켜도 두께를 줄이는 데 한계가 있어 일련의 대를 직렬로 배치한다. 이 유형의 첫 번째 공장은 미국에서 1904년에 설치되었습니다.

넓고 얇은 판재를 만들 때 얇은 재료를 생산하는 데 필요한 작은 직경의 롤은 사용 중에 구부러지는 경향이 있어 가장자리보다 가운데가 두꺼운 판재를 제공하기 때문에 어려움이 발생합니다. 이 문제는 제2차 세계 대전 이후 대구경 백업 롤의 도입으로 극복되었습니다. 극단적인 경우 클러스터 밀인 각 작은 작업 롤은 9개의 더 큰 직경의 지지 롤로 뒷받침됩니다.