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[재료공학] 철강제조 공정 종류 (제선, 제강, 주조, 압연)
제선공정 고로에 철광석을 넣고 코크스를 태워서 철광석중의 산소를 제거하고 용해시켜 … [재료공학] 철강제조 공정 종류 (제선, 제강, 주조, 압연).
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Date Published: 11/29/2022
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Date Published: 11/2/2021
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Date Published: 11/28/2021
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고로 | 생산공정 | 현대제철 – Hyundai Steel
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Date Published: 11/14/2022
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철강 제조 공정 및 생산 개선 – Thermo Fisher
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Source: www.thermofisher.com
Date Published: 3/16/2021
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- Author: 포스코TV
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- Date Published: 2018. 9. 20.
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[재료공학] 철강제조 공정 종류 (제선, 제강, 주조, 압연)
1. 제선공정
고로에 철광석을 넣고 코크스를 태워서 철광석중의 산소를 제거하고 용해시켜 선철로 만드는 공정이지만 철광석을 사전 처리하는 소결이나 코크스를 만드는 과정도 포함하여 넓은 의미의 제선이라 합니다.
공기가 코크스를 태우면서 일산화탄소(CO)가 발생하여 철광석이 환원되고 코크스로 직접 철광석중의 산소를 빼앗아 환원작용을 하고용. 환원된 철은 탄소를 흡수하여 선철이 되어 노바닥에 고인다고 합니다.
고로(高爐)는 문자 그대로 높이 우뚝 솟은 고대한 노(爐)를 말하여 제철소의 상징입니다. 본체는 길쭉한 원통형으로 바깥쪽은 두터운 철판으로 되어 있고 안쪽은 내화벽돌로 두껍게 쌓여 있습니다. 노의 높이는 40~50m 정도이며, 부속설비까지 포함하면 100m를 넘습니다.
또한 고로는 그 자체가 거대한 설비와 방대한 원료를 소비하므로 원료를 받아들이기 위한 항만설비나 하역설비 등도 완비되어 있지 않으면 안된다고 합니다. 우리나라에는 이러한 시설과 입지를 갖추고 있는 고로업체로서는 POSCO와 현대제철이 있죠.
2. 제강공정
고로에서 생산된 쇳물(용선)은 탄소(C) 함유량이 많고 인(P), 유황(S)과 같은 불순물이 포함되어 있어 부스러지기 쉽습니다. 이러한 쇳물을 강인한 강(鋼)으로 만들려면 탄소의 양을 줄이고 불순물을 제거하는 과정이 필요한데 이러한 과정이 제강공정에서 이루어진다고 합니다. 제강공정은 용선예비처리, 전로제강, 2차 정련이라는 세 가지 과정으로 구분할 수 있습니다.
첫째, 용선예비처리는 쇳물에 포함된 불순물 인과 유황 성분을 제거하는 공정입니다. 둘째, 전로제강공정은 전로에 쇳물을 부은 후 고압, 고순도의 산소를 불어넣어 탄소를 태우고 불순물을 없애는 공정으로서 철강의 기본적인 품질을 결정하는 공정입니다. 마지막으로 2차정련은 최종제품 내부품질(성분, 재질 등) 요구조건에 맞게 제어하는 공정입니다.
연속주조 공정
연속주조법은 제강공정을 거친 쇳물(용강)을 주형(Mold)에 주입하여 일정한 모양을 만들고 연속주조기를 통과하면서 냉각, 응고시켜 연속적으로 슬래브나 블룸, 빌릿 등을 제조하는 방법입니다.
3. 압연공정
강에는 연성과 전성이 있으므로 힘을 가하면 상온에서도 길게 늘리거나 얇게 넓힐 수가 있으며 빨갛게 되도록 가열하면 상온에서 보다 더욱 쉽게 형태를 바꿀 수 있다. 이와 같은 특성을 이용하여 사용목적에 맞도록 편리한 모양으로 가공 변형한 것이 강재(鋼材)이다. 강괴를 1차 가공하여 필요한 강재로 제조하는 방법에는 압연, 단조, 주조 등 크게 3가지 방법이 있다.
① 압연 (Rolling)
강괴 또는 강편과 같은 소재를 회전하는 2개의 롤(Roll) 사이에 끼우고 롤의 간격을 점차 좁히면서 연속적인 힘을 가하여 늘리거나 얇게 성형하는 소성가공이다.
마치 밀가루 반죽을 방망이로 미는 것과 같은 원리이며 이 방법으로 만들어진 제품을 압연강재라 한다. 단조, 압출, 인발 등의 가공에 비해 비교적 단순한 형상의 제품을 능률적으로 만들 수 있는 매우 우수한 방법이다.
② 단조 (Forging)
강괴를 강력한 프레스(Press)기계로 누르거나 또는 해머(Hammer)로 때려서 원하는 형상으로 만드는 것으로 그 제품을 단조품 또는 자유 단조품이라 하며 재질이 치밀하고 단단하다. 단조의 목적은 형을 만드는 것, 성장한 결정입자를 파괴해서 인성을 부여하는 것으로 재료의 낭비를 없애고 양질의 기계적 성질을 만들어 내기 위한 것이다.
③ 주조 (Casting)
용강을 각종 주형에 주입하여 원하는 형상으로 만든 제품을 주강품이라고 하며, 압연으로 제조할 수 없는 복잡한 형상의 기계부품과 같은 것을 만드는데 적합하다. 그러나 제품의 기계적 성질이나 신뢰성 면에서 다소 뒤 떨어진다.
이상의 세가지 방법으로 만들어진 제품을 모두 강재라 하며, 그 중 압연강재의 생산량이 압도적으로 많기 때문에 일반적으로 강재라 하면 압연강재를 지칭하는 경우가 많다. 이 외에도 압출, 인발등의 가공방법도 있다.
철강 제조 공정
철강 제조 공정 함볼까???
철강의 제조 공정
철강의 공정은 크게 제선, 제강, 압연의 3단계로 구분하고 이 3단계의 공정이 하나의 장소에서 이루어지는 것을 일괄 제철 공정이라고 한다. 국내에서는 포항종합제철이 이 공정에 의해 생산하고 있다.
1) 제선 공정
원료인 철광석과 소결 공정을 거친 소결광, 코크스 공정으로부터 코크스를 이동시켜 고로(용광로)에 장입 후 가열, 철광석을 녹여 용선을 추출하는 공정.
(1)제선 공정의 원료
철광석 : 요구되는 품질로는 철분이 풍부해야 하며, 황,인,동과 같은 유해성분이 적어야 한다.
적철광(양질)과 자철광(저품질-암석성분 포함)이 있다.
코크스(cokes) : 철광석을 용해하는 열원이며 동시에 철광석의 환원제이다. 고로내의 가스 통풍을 양호하게 하는 중요한 역할을 한다. 유연탄을 장입하고 약 1,300도의 고온에서 구워 로내에서 추출한 후 물을 뿌려 소화 한다.
석회석 : 고로내에서 암석 성분이나 기타 불순물과 혼합하여 용해되기 쉬운 슬래그로 배출되는 역할을 한다. 선출 중의 유황분 제거 작업을 한다.
(2) 고로
고로는 문자 그대로 우뚝 솟은 거대한 노를 말하며 제철소의 상징이다. 본체는 길쭉한 원통형으로 바깥쪽은 두터운 철판으로 되어 있고 안쪽은 내화벽돌로 두껍게 쌓여 있다. 노의 높이는 40~50M정도이고 부속설비까지 포함하면 100M를 넘는다.
노의 정상에서 지면을 향하여 경사진 원료 장입용 콘베이어벨트가 설치되어 있으며, 노의 상부에는 원료를 균등히 배분하여 노안으로 넣기 위한 장입장치와 노정 가스의 압력, 온도, 성분을 측정하는 계기류 및 장입 원료의 하강도를 측정하는 여러가지 장치가 있다.
고로 옆에는 열풍로가 있어 예열된 공기를 고로 하부의 풍구에서 노안으로 불어 넣는다. 우리나라에서 이러한 시설과 입지를 갖추고 있는 고로업체는 유일하게 포항제철의 포항 제철소와 광양 제철소이다.
2) 제강 공정
제선 공정을 거쳐 나온 선철(용선)은 탄소 함유량이 많고 상당량의 인,유황,규소와 같은 불순물이 함유되어 경도가 높고 취약한 성질이 있다. 이러한 선철을 잘 늘어나면서 강인한 강으로 만들려면 다시 정련하여 탄소의 량을 줄이고 불순물을 제거하는 공정을 거쳐야 한다. 이러한 공정을 제강이라 한다.
(1) 제강 공정 원료 : 용선, 고철, 황금철
(2) 제강 공정 : 평로법, LD전로, 전기로 등의 제강법이 있는데 현재는 LD전로와 전기로가 주류를 이룸
A. LD전로
노내에 용선, 소량의 고철, 소석탄등을 장입한 후 순도 높은 산소 가스를 위에서 고압으로 취입하여 선철에 함유되어 있는 탄소, 망간, 규소, 인, 유황 등을 산화연소 시키며 그산화물을 슬래그화하여 제거한다.
특징: 불순물이 적은 양질의 강을 불과 30~40분(평로는 4~5시간)이라는 단 시간내에 얻을 수 있고, 건설비가 비교적 저렴하며 생산성이 높아 작업비가 싸다. 또한 원료로는 용선이 대부분이고 고철 장입량은 10~20%정도로 낮으므로 일괄 제철소에서는 제철소내에서 발생하는 고철로 그 소요량을 메꿀수 있어 외부에서 별도로 고철을 구매할 필요가 없다.
B.전기로
전기로는 전열을 이용하여 강을 제조하는 노로써 전기 양도체인 전극에 전류을 통하여 고철과의 사이에서 발생한 아아크열에 의하여 고철을 녹이는 아크로와 도가니의 주위를 감은 코일에 전열을 통하여 유도전류에 의한 저항열로 정련하는 유도로 등 두가지 방식이 있다. 전기로는 제강시 막대한 전력이 소모 되므로 공장내에 고전압 수전 설비가 필수적이다.
3) 연속주조 공정
연속 주조 공정은 종래의 조괴에서 분괴 압연 공정을 거쳐 슬래브나 블룸을 만드는 방법에 비해 주조, 형발, 균열, 분괴 압연등의 공정을 생략하고 직접 용강을 주형에 주입하여 냉각, 응고 시켜 연속적으로 슬래브나 블룸, 빌릿 등을 제조하는 공정이다.
(1) 연주기 공정
용강 – 래들 이송 – 연주기 주상 – 턴디쉬 주입 – 게재물 부상 분리 – Mold내 주입(1차 냉각) – 주형주입(강제진동,용착방지) – 주편 – 2차냉각 – 롤러가이드 통과 – 인발작업 – 교정기 – 절단 – 반제품
(2) 연속주조 설비의 특징
a. 턴디시(Tundish) – 래들에서 용강류를 안정화 후 주형으로 내보내는 용기
b. 몰드(Mold) – 용강을 주편으로 1차응고, 냉각수에 의한 냉각
c. 2차냉각대
주형을 빠져나온 주편은 연주기 말단까지 통과하면서 고속의 수냉 분사장치에 의해 급냉된다.
이 구역을 2차 냉각대라 하며 내부 품질에 큰 영향을 미치는 구간이다. 2차 냉각 강도를 표시하는 척도로 “비수량” 이라는 개념을 사용하고 있는데 이것은 단위 주편에 단위 시간당 살수되는 분사량으로 정의한다. (단위: L/Kg Steel)
강종별 냉각 강도는 중탄소강(0.09~0.14% C)에서는 약냉방형을 사용하고 저탄소강 및 고탄소강에서는 강냉형을 사용한다.
d. Strand Guide – 주편을 지지하는 Roll들로 부풀음 발생을 방지한다.
e. 절단기 – 주편을 일정 길이로 절단(산소 및 가스 절단)
f. 더미바 -주조 초기 주형에 용강을 주입할 때 용강의 누출을 막아주는 역할을 한다.
4) 압연 공정
강의 성질인 연성과 전성을 이용하여 사용용도에 따라 가공, 변형을 주는데 강괴를 Roll사이에 끼워 간격을 좁히면서 늘리거나 얇게 성형하는 공정이다.
(1) 조강류 압연공정
a. 조강류 압연 소재 : 빌릿(Billet) -정방형의 한면 160mm이하의 각형 강편
b. 조강류 압연 공정
빌릿 – Scale제거 – 검사 – 가열로 – 철근압연기, 봉강압연기, 선재압연기
(2)판재류 압연공정
슬래브(Slab)를 소재로 재가열하여 열간 압연하거나, 열간압연 소재를 냉간 압연하는 공정을 말한다.
a.열간압연공정 : 슬래브를 재가열 후 고압 냉각수로 스케일을 제거하면서 조압연기, 다듬질 압연기로 압연하고 권취기, 전단, 절단을 거쳐 조질 압연기에서 형상(평단도)교정, 단중 분할한 다음 코일로 감는다.
슬래브 – 재가열 – 스케일제거 -조압연기 – 다듬질 압연기 – 권취기 – 전,절단 – 조질압연기 – 열연코일
b.냉간압연공정 : 열연코일에 산세척하고 표면 스케일 제거 후 상온에서 냉간 압연하고 어닐링 및 조질 압연 공정을 거쳐 제조된다.
Hot Coil – 산세처리 – PO강판 – 연속냉간압연 – 미소둔강판 – 전기청정라인 – 소둔로 – 조질압연 – 냉연코일
c.표면처리강판 : 철강의 방청, 방식 기능을 주고 표면을 미려하게 하기 위해 용융도금법이나 전기도금법으로 표면 처리하는 공정
미소둔강판 – 열처리 – 아연욕통과 – 아연부착량조절 – 표면사상 – 후처리 – GI
냉연강판 – 전처리 – 전기도금조 – 후처리 – EGI
석도원판 – 전처리 – 전기도금표 – 재용해로 – 후처리 – 석도강판
GI, EGI – 전처리 – 1차코팅 – 열처리 -2차코팅 – 검사 – 코일감기 – 착색강판
(3) 강관류 압연공정
열연강판을 소재로 절단, 성형, 용접, 비드제거, 정형, 검사, 교정, 시험공정을 거친다.
a.전기저항 용접법 : 상온에서 조관롤에 의해 성형 후 접착부를 전기저항에 의한 발열을 이용하여 용접, 조관하는 방법
Hot Coil – 슬리팅 – 성형 – 전기용접 – 비드제거 – 용접부 소둔 – 절단 – 직관교정 – 시험 (평탄도,초음파,압력) – 흑관 – 아연욕 통과 – 백관
b. 단접법 : 접합부분을 성형롤로 압착시켜 접합시키는 방법.
Hot Coil – 가열 – 연속식단접기 – 인발 – 성형 – 롤압착 – 강관
c. 스파이럴(spiral)강관 제조공정 : 대구경강관 생산용. 나선형으로 감으면서 성형 부분 아크용접.
원소재 – 나선형 감기 – 내,외면 용접 – 절단 – 초음파,X-Ray시험 – 관단면취 – 구조관,강관말뚝 – 수압시험 – 내,외면 블라스트 크리닝 – 비도복 배관용강관 – 내면 1차 주도장 – 1차도장 – 2차도장,도복 – 검사 – 도복장강관
d. UOE 프레스법 : 외경 18인치 이상 대구경관 생산시 사용, U형 프레스 후 O형 성형하고 접합부를 아크용접하는 방법
원소재 – U형프레스 – O형 성형 – 내,외면 용접 – 강관
e. 무계목 강관 : 이음매가 없는 강관. 특수 빌릿에 구멍을 뚫고 가열 후 열연과정을 거친다.
특수빌릿 – 천공 – 유도가열 – 압출 – 열처리 – 교정 – 산세처리(열간제품) – 냉간압연 – 탈지 – 열처리 -교정 – 와료,초음파,수압시험 – 냉간제품
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철강 생산공정 3가지 – 제선,제강,압연(단조/주조)
철강 생산공정 3가지 – 제선,제강,압연(단조/주조)
강재를 만드는 공정은 크게 제선공정, 제강공정, 압연공정의 3단계로 나뉩니다.
1. 제선공정
철광석을 넣고 코크스를 혼합하여 고로에 투입하고 열을 가하면 코스스가 타면서 고열을 발생시킵니다. 이때 철광석을 녹여 선철이라는 쇠가 만들어 집니다. 철광석의 산소를 제거하고 용해시켜 선철로 만드는 공정이지만, 철광석을 사전 처리하는 소결이나 코스스를 만드는 과정도 포함됩니다.
2. 제강공정
제선공정에서 만들어진 선철은 인(P), 황(S), 규소(Si)와 같은 불순물이 함유되어 있어 경도가 높고 취약한 성질이 있으며, 탄소 함유량이 많기 때문에 탄소의 양을 줄이고, 유해한 불순물을 제거하여 잘 늘어나지 않고 강인한 강을 만듭니다. 선철이나 고철 등을 전기로에 투입 후 전기의 합선(아크)을 이용하여 철제품을 원료로 만드는 공정을 말합니다. 사용되는 노의 종류로는 평로, LD전로, 전기로 등이 있습니다.
3. 압연공정
제강공정에서 만들어진 원료를 가지고 1,200도 정도의 열을 가하여 로울러로 눌러서 철근, 철판 등을 만드는 공정입니다. 강에는 연성과 전성이 있어, 힘을 가하면 상온에서도 길게 늘리거나 얇게 넓힐 수가 있으며, 고온으로 가열하면 쉽게 형태를 바꿀 수 있습니다. 이와 같은 특성을 이용하여 사용목적에 맞도록 편리한 모양으로 가공 변형한 것이 강재이다. 강괴를 1차로 가공하여 필요한 강재로 제조하는 방법에는 압연, 단조, 주조 등 그케 3가지 방법이 있습니다.
1) 압연
강괴 또는 강편과 같은 소재를 회전하는 2개의 롤 사이에 끼우고 롤의 간격을 점차 좁히면서 연속적인 힘을 가하여 늘리거나 얇게 성형하는 소성가공법입니다.
2) 단조
강괴를 강력한 프레스 기계로 누르거나 해머로 때려서 원하는 형상으로 만드는 것입니다. 단조의 경우에는 재료의 낭비를 없애고 조직이 치밀해지기 때문에 우수한 기계적 성질을 만들어 낼 수 있는 특징이 있습니다.
3) 주조
용강을 틀에 주입하여 원하는 형상으로 만드는 것으로써, 제품의 특성을 고여해, 철의 화학성분을 변화시킨 후 만들고자 하는 모양으로 틀에 쇳물을 부어서 성형하는 공정입니다.
사진출처 : 훼비오스 http://febios.com/base/febios_example/business01.php?sub=06
철강 플랜트 #2 철강생산공정 1 제선공정,고로방식
우리가 사용하는 금속 제품 대부분은
철강플랜트를 통해 생산된다.
출처 포스코
제선-제강-연주-압연 공정을 거쳐 생산되고,
철강을 제조하는데는 아래와 같이 고로방식과 전기로방식, 파이넥스 방식이 있다.
출처 한국철강협회
출처 한국철강협회
고로 공정부터 알아보자.
1. 제선공정
출처 한국철강협회
전체 제선공정은 크게 3가지로 구성되어 있는데,
소결공정, 코크스공정, 제선공정으로 구성되어 있다.
1.1 소결공정
철광석은 보통 30~70%의 철분을 함유한 광석을 의미한다.
질 좋은 철광석이란 철분이 풍부하고 황(S), 인(P), 동(Cu)과 같은
유해성분이 적으며 크기가 균일한 것이다.
하지만 철광석은 원산지에 따라 품질, 성분, 형상이 각기 다르기에
그대로 고로에 투입할 수 없다. 따라서 고로조업전에 품질을 고르게 하고
철광석 가루를 일정한 크기로 만들어 내는데, 이를 소결공정이라 한다.
철광석의 성분을 균일화하고, 일정한 크기로 제조된 철광석을 소결광이라고 한다.
소결광 이외에도 광산에서 채굴할 때부터 사용하기 좋은 크기로 생산된 정립광과
극미분의 철광석을 소성시켜 만든 펠렛까지 3가지 원료를 용광로에 함께 사용한다.
물론 부산물을 제거하기 위한 석회석등의 부원료도 소량 들어간다.
구성 설비로는 혼합기, 점화로, 소결기, 배열회수설비 등으로 구성되어 있다.
출처 포스코
1.2 코크스 공정
철광석을 녹이기 위한 열원을 만드는 공정입니다.
석탄(대게 유연탄이다)은 coke oven에 넣어 약 1,000~1,300ºC의 고온으로 구운 고체연료이다
철과 산소의 화합물질인 철광석을 고로 내에서 녹이는 열원인 동시에,
철분을 철광석에서 분리시키는 환원제의 역할을 수행한다.
미분탄은 석탄을 0.125mm 이하로 파쇄한 연료인데,
코크스 대비 원가가 저렴해서 경제적인 조업에 도움을 준다.
구성 설비로는 coke oven, 수송설비, 소화설비 등이 있다.
1.3 제선공정
출처 포스코
철광석과 석탄을 높이 약 100m의 고로에 넣은 뒤
1,200ºC 정도의 뜨거운 바람을 불어 넣으면 연료탄이 타면서 나오는 열에 의해
철광석이 녹아 쇳물이 됩니다.
즉 연료탄(코크스)가 연소되면서 발생하는 일산화탄소가 철광석과
환원반응을 일으키면서 쇳물이 생산됩니다.
위에서 설명한 대로 연료탄은 철광석을 녹이는 열원인 동시에
산화철 상태인 철광석에서 산소와 쇳물을 분리시키는 역할을 수행합니다.
고로에 장입된 철광석이 쇳물로 나오는데 까지는 5~6시간이 소요되며
쇳물의 온도는 1,500ºC까지 올라갑니다.
물론 이 쇳물(용선)은 탄소나 유황등의 불순물이 함유되어 있는데 이를 슬래그(실리카+석회석)라고 부릅니다.
제선내의 불순물을 제거하기 위해 위에서 언급한 석회석 등의 부원료를 투입하고,
수재처리시설로 넘겨집니다.
여기서 발생한 가스는 집진기에서 먼지가 제거된 후 다시 동력원으로 변환됩니다.
화학반응식을 한번 살펴봅시다.
우선 철광석은 크게, 적철석 (Fe2O3)과 자철석 (Fe3O4)로 구분됩니다.
적철석이 코크스를 태우고 발생한 일산화탄소와 반응해 이산화탄소와 자철석을 생성합니다.
화학식 : 3Fe2O3 + CO → 2Fe3O4 + CO2
여기서 다시 자철석은 일산화탄소와 반응해서 이산화탄소와 철을 생성합니다.
화학식 : Fe3O4 + 4CO → 3Fe + 4CO2
이렇게 나온 철을 용선이라고 불리우며 다음 공정은 제강공정으로 토페도카를 타고 넘어갑니다.
출처 포스코
위에서 언급한 질소, 일산화탄소, 이산화탄소 등의 부생가스는
용관로 상단에 설치한 파이프를 통해 배출됩니다.
가스들은 1,2차 집진기를 통해 우선 먼지가 제거되고,
제철소 각 설비가동을 위한 전력을 생산하는데 사용됩니다.
좀더 디테일하게 확인해보면 아래와 같이 구성되어 있습니다.
출처 위키피디아
위와 같은 설비로 구성되어 있습니다.
1. 철광석, 소결광 (환원성, 부산물 제거를 원활히 하기 위해 석회석등과 혼합)
2. 연료탄 (석탄)
3. 컨베이어벨트
4. Opening Valve (고로 내부로의 직접 접촉을 막기 위한 장치)
5. 연료탄 (석탄) 층
6. 철광석, 소결광 층
7. 열풍로 (약 1,200ºC의 열풍이 불어들어옴)
8. 슬레그 (불순물로, 하부 용선의 재산화 방지)
9. 용선 (Pig Iron)
10. Mixer (슬러그를 모음)
11. 토페도카(Topedo Car – 용선을 제강공장으로 전달하는 설비)
12. Dust Cyclone (집진설비 : 15 → 7 → 16 → 12 → 13 → 14 순서로 흘러감)
13. Air Heater (열풍로에 불어넣을 공기를 데우는 설비)
14. 굴뚝
15. 공기 흡입기
16. 고로 가스 이동 파이프
다음에는 제강공정에 대해 알아보겠습니다.
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