철판

철판(iron plate)

철판(iron plate, plate of iron)은 쇠로 된 넓은 조각으로 철로 만든 판재를 가리킨다.

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생산공정

철판을 만들려면 우선 철을 제조할 수 있는 광물인 철광석이 필요하다. 철광석에도 적철광, 자철광, 갈철광 등 다양한 종류가 따르는데 평균 약 60%의 철분을 함유하고 있다. 철광석은 바로 용광로로 투입되는 것이 아니라 소결 공정을 거치는데, 이를 통해 철광석의 들쭉날쭉한 성분을 균일화하고, 용광로에 넣기 좋은 크기로 만든다. 이렇게 정돈된 철광석을 '소결광'이라고 한다. 소결광 이외에도 일부는 광산에서 채굴할 때부터 넣기 좋은 크기로 생산된 정립광과 극미분의 철광석을 동글동글하게 소성 시켜 만든 펠릿까지 총 3가지 원료를 용광로에서 함께 사용한다. 석회석 등 부원료도 소량 들어간다. 원료를 녹여 철 성분을 얻는데 열을 제공하는 역할은 코크스와 미분탄이 하게 된다.

철판의 재료

코크스는 석탄을 1,000도 내외로 가열하여 만드는 고체 원료이다. 이는 용광로 안에서 원료를 녹이는 열원의 역할을 함과 동시에 철광석 중의 산소을 분리느하는 환원제의 역할을 한다. 미분탄은 석탄을 0.125mm 이하의 크기로 파쇄한 연료로 코크스 대비 원가가 저렴해서 경제적인 조업에 도움을 준다. 코크스가 연소되며 원료를 녹일 열을 만들어낼 수 있도록 약 1,200도의 바람, 즉 열풍을 용광로 안으로 불어 넣으면 층층이 쌓인 원료가 부분적으로 최대 2,300도에 달하는 뜨거운 용광로로 만들어진다. 이 과정에서 쇳물, 슬래그 부생가스들이 복합적으로 발생해 섞여있다가, 가스는 용광로의 위쪽으로 올라가고 쇳물과 슬래그는 바닥으로 떨어지게 된다. 가스는 집진기에서 먼지가 제거된 후에 다시 동력원으로 변환되고, 슬래그와 쇳물은 분리 되어 각각 수재 처리 시설과 제강공정으로 넘겨진다. 원료가 투입되어 쇳물로 배출되기까지는 약 6시간 30분이 걸린다. 이후 배출된 쇳물을 원하는 형성에 맞게 틀에 식히거나 늘리는 방법을 통해 철판이 만들어진다.

두께

자동차 외판은 0.7mm 혹은 0.8mm의 두께를 가진 철판이 주축을 이루며 노면으로부터 충격을 직접 받는 부분이라고 볼 수 있는 쇼바가 차체에 장착되는 부분에는 2.3mm 정도의 철판을 사용한다. 그리고 철판의 강도를 보완하기 위한 강화 철판은 1.2mm 에서 1.6mm 정도의 강판을 사용한다. 즉, 자동차의 차체는 0.7mm 혹은 0.8mm의 큰 철판과 1.2t에서 1.6mm에 이르는 작은 철판 조각이 두 겹 혹은 세 겹씩 겹쳐 용접으로 결합하여 구성된다. 자동차의 철판은 두꺼우면 두꺼울수록 탑승자를 보호하기 용이하며 안전하다는 생각이 들 수도 있지만, 자동차 철판의 두께를 마냥 두껍게 할 수 없는 이유가 있다. 최근에는 자동차 연비를 높이기 위한 방편으로 경량화가 최대 과제로 떠오르면서 자동차 소재 분야에도 변화가 생겼다. 일부 내장재를 뺀 대부분의 부품을 철로 만들던 과거와 달리 가벼운 소재의 고장력강판 및 알루미늄의 사용이 증가되고 있다.

성형성

자동차의 차체 형상을 디자인대로 제작하기 위해서는 철판을 금형으로 찍어내야 한다. 금형에 철판을 찍어내는 프레스 작업은 철판의 늘어가는 성질인 전성과 꺾이지 않고 변형되는 성질인 연성을 이용한 것이다. 하지만 철판이 일정 두께 이상 두꺼워지면 프레스 작업이 불가능해진다. 0.7mm에서 1.6mm 사이의 철판으로 두세 겹 겹쳐 용접으로 붙여 철판을 만든다고 하지만 그것으로 그 무거운 차체의 형상을 유지하고 주행 시에 노면으로 받는 충격에 견디면서 진동과 소음의 확산을 방지하는 튜닝 작업을 쉽게 할만한 충분한 강성을 만들어내기에는 불충분하다. 그래서 금형 작업 시 추가하는 중요한 작업이 포밍 작업인데, 포밍 작업은 평평한 철판에 길게 볼록한 형상을 주어 얇은 철판 자체의 강성을 높여주는 기술이다. 그리고 큰 철판이 외력을 받아 변형된 후, 원래의 형상으로 돌아가는 현상인 스프링백(spring back) 현상을 막아주기 위해서도 포밍 작업은 필요하다. 철판 두께와 포밍 작업에 의한 강성을 기본적으로 충분히 확보하면 이후의 튜닝 작업이 그만큼 쉬워진다.

용접성

자동차에 쓰이는 용접은 용접의 편의성과 신속성 때문에 스팟 용접을 주로 이용한다. 로봇 팔을 이용한 용접도 스팟 용접이 아니면 곤란하기 때문이기도 하다. 또한 차체 조립을 위한 용접 작업 후에 깨끗한 도장 표면을 확보하기 위해서는 용접똥에 의해 표면이 울퉁불퉁 한 모습으로 변하지 않는 스팟 용접 방법이 자동차 차체 조립을 위한 용접 작업으로는 가장 합리적인 용접 방법이다. 이 스팟 용접의 성능을 결정하는 것은 용접되는 재료의 용접성이 기본적으로 가장 중요하지만, 전류와 용접 철판의 두께가 용접의 품질을 좌우하는 중요한 변수가 된다. 그 때문에 철판의 두께가 일정 두께 이상이 되거나 겹치는 철판이 많아지면 용접을 할 때 철판끼리 충분히 녹아들지 않아 용접 불량이 될 수 있다. 이런 스팟 용접의 특성 때문에 철판의 두께를 어느 선 이상 두껍게 할 수 없다.

중량 증가

자동차 연료 소비의 약 23%는 차량 중량과 관련이 있는데, 무거울수록 연료 소비가 늘어난다고 볼 수 있다. 그러므로 기존의 내연기관 차량에 비해 연료 효율성이 떨어지는 문제를 극복하고 1회 충전당 주행거리 내연기관 자동차 수준으로 끌어올려야 하는 과제를 안고 있는 전기차의 경우 연료 효율을 늘리기 위해 차량 무게를 조금이라도 줄이는 것이 아주 중요하다. 한국자동차연구원에 따르면 1,500kg의 승용차 무게를 약 10% 줄일 경우 연비는 4~6%, 가속 성능은 8% 향상되고 이외에도 제동 정지거리 단축, 핸들 조향 능력 향상, 섀시 내구 수명 증가, 배기가스 감소 등 다양한 효과를 거둘 수 있다. 자동차 철판을 두껍게 제작하면 중량이 증가하고 중량이 증가하면 많은 문제가 연쇄적으로 돌출된다. 중량의 증가는 연비와 자동차의 수명 등 여러 요인에 부정적인 영향을 끼치므로 적절한 설계가 필요하다.

충돌 안정성

쇳덩어리 위에 엄청난 부피와 무게의 유압 장치를 쓰는 전투용 탱크가 아닌 이상 승용차는 충돌 사고 시의 승객의 안전성을 고려하지 않을 수 없다. 새로운 차를 설계하면 충돌 시험을 하면서 차체의 강성과 승객의 안전성을 절충하는 시험을 하게 된다. 충돌 시 차체가 안전하게 찌그러지면서 충격을 흡수하여 승객이 받는 충격을 최소화하는 개발 시험을 하는 것이다. 자동차 철판을 두껍게 제작하고 그 강도가 높다고 해서 사람을 잘 보호할 수 없으며 사고가 났을 때 자동차가 찌그러지면서 사람에게 전달되는 충격을 줄여주기 때문에 사람을 보호하려면 어느 정도 찌그러지는 것이 안전하다. 그렇다고 해서 자동차가 너무 많이 찌그러진다면 오히려 사람이 앉아 있는 좌석까지 그 힘에 밀려버려 사람을 다치게 할 수 있다. 그렇기 때문에 자동차 철판은 탑승자의 충격을 줄이기 위해 적당히 잘 찌그러져야 하며 또 너무 찌그러지지 않아야 하므로 고도의 기술적 설계가 필요한 부품이다.

참고자료

• 김재영 기자, 〈자동차 차체에 쓰이는 철판의 두께〉, 《오마이뉴스》, 2000-09-01
• 이형섭 기자, 〈'자동차 더 가볍게' 철판 몸체 버린다〉, 《한겨레》, 2011-03-09
• 〈찌그러지는 자동차강판이 좋은 거라고요?〉, 《포스코뉴스룸》, 2019-12-13
• BON엘이비, 〈철의 생산공정(제선-제강-연주-압연)〉, 《네이버블로그》, 2020-02-21
• 고우백 무역관, 〈자동차도 다이어트 시대! 차량 경량화 중요성 커진다.〉, 《코트라해외시장뉴스》, 2020-07-16

같이 보기

• 철
• 철광석
• 강판
• 강반

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