철의 제련은 철광석에서 순수한 철을 추출하는 과정으로, 고대부터 현대까지 중요한 금속 제조 공정입니다. 철은 강도와 내구성이 뛰어나 다양한 산업에서 필수적으로 사용됩니다. 철의 제련 과정은 여러 단계로 이루어지며, 각 단계는 철의 품질과 특성을 결정하는 데 중요한 역할을 합니다.
철기를 만드는 과정은 채광에서 철기 생산까지 일련의 종합적 공정과 기술을 필요로 하는 생산체계 입니다. 철제품을 만드는 제철공정은 크게 1차 공정인 제련(製鍊)과 2차 공정인 가공과정으로 나누어진다. 제련은 원료인 철광석을 연료를 이용해 철과 불순물(Slag)을 분리해 가는 과정이다. 가공은 추출된 철을 이용하여 철제품을 생산하는 단조(鍛造 또는 鍛冶)와 주조(鑄造, 鎔解) 공정으로 나누어집니다. [네이버 지식백과] 철의 제련
아무튼 철의 제련은 순순한 철을 만다는 과정을 의미합니다. 철 Fe은 아쉽게도 혼자 존재하지는 않습니다. 보통 철은 철광석을 통해서 추출할 수 있는데 이 철광석은 산화철(Fe2O3) 형태로 존재합니다. 여기서 필요한 건 Fe뿐이기에 산소를 떼어내야 합니다.
1. 철광석 채굴
철 제련의 첫 번째 단계는 철광석을 채굴하는 것입니다. 주요 철광석에는 자철광, 적철광, 갈철광 등이 있으며, 주로 철 함량이 높은 광석이 채굴됩니다. 채굴된 철광석은 분쇄 및 선별 과정을 거쳐 제련에 적합한 크기와 형태로 가공됩니다.
철광석의 종류에는 자철광(磁鐵鑛, Magnitite, Fe3O4), 적철광(赤鐵鑛, Hematite, Fe3O3), 갈철광(褐鐵鑛, Limonite, Fe2O3) 등이 있다. 이밖에도 사철(砂鐵 또는 沙鐵)이 있는데, 주로 계곡이나 해변가에서 채취한다.
철광석은 이미 한국식동검의 자루끝장식으로 이용되고 있지만, 당시에 제철의 원료로 인식되었는지는 의문이다. 하지만 창원 다호리무덤유적에 대장도구와 함께 철광석이 부장되고 있어 기원전후부터는 철광석이 제철의 원료로 사용되었음을 알 수 있다. 하지만 당시와 고대의 채광방법에서 대해서는 구체적으로 알려진 바가 없다.
광산에서 캔 철광석은 맥석을 비롯한 무가치한 비금속 광물이 포함되어 그대로는 사용할 수 없는 경우가 많다 때문에 광산에서 채광한 철광석을 작업장으로 운반한 후 광석에서 관입된 불순물인 맥석(脈石)을 제거하고 일정한 크기로 고르기 위한 선별작업을 한다. 이러한 과정을 선광(選鑛)이라고 한다.
선광방법에는 직접선광, 광석의 비중을 이용한 비중수세선광(比重水洗選鑛), 광물 표면의 계면화학적(界面化學的) 성질의 차를 이용하는 부유선광(浮遊選鑛), 광물의 자기적(磁氣的) 성질의 차를 이용하는 자력선광(磁力選鑛), 광물의 전기적 성질의 차를 이용하는 정전선광(靜電選鑛) 등의 방법이 있다. 고대의 선광법은 진천 석장유적과 양산 물금유적을 통해서 볼 때 직접선광과 비중수세선광이 이루어진 것을 알 수 있다. 진천 석장리에서는 철광석을 5~10cm 정도의 크기로 파쇄하여 맥석을 제거하는 직접선광을 한 것으로 추정된다. 양산 물금에서는 완만한 경사면에 U자형 구덩이를 파고 돌을 박은 후 광석무지에 물을 흘려 비중으로 광석을 선별한 것으로 추정하고 있다. 자력선광과 정전선광은 현대의 선광방법이다.
다음으로 선광된 광석은 연료의 소모를 줄이기 위해 일정한 공간에서 예비 가열을 하게 되는데, 이를 배소(焙燒)라고 한다. 이러한 배소유구는 진천 석장리와 양산 물금유적에서 확인되었다.
배소를 거친 광석은 용융점을 낮추고 유동석을 좋게 하기 위해 석회나 조개가루를 넣게 된다. 중국에서는 서한부터 철광석에 일정한 양의 석회석을 알카리 용제(溶劑) 배합하였는데, 실제로 석회석을 섞는 배료지(配料池)가 발견되기도 한다. 우리나라에서는 양산 물금유적에서 조개를 굽는 유구가 발견되고, 진천 석장리에서 석회석과 조개껍질이 발견되고 있어 알카리 용제를 사용하였음을 알 수 있다.
고려시대에는 노두광산의 채광에 관한 기사가 있지만 구체적 방법은 알 수 없다. 조선초기에는 갱채굴(坑採堀)이 주류를 이루고, 갱을 파는데 화약을 이용하였다. 「세종실록 지리지」에는 석철광산지가 15개 읍, 사철광산지가 21개 읍으로 기록되어 있다. 조선시대에는 각 포(浦)의 수군(水軍)이나 농민을 동원하여 사철을 채취하는데, 김종서는 한 사람이 하루에 6되 가량 채취한다고 말하고 있다.
조선후기에는 국가의 통제를 벗어나 개인의 채광을 법적으로 승인하게 되어 더 많은 광산이 개발되었고, 채광과 제련이 분리되었으며, 철광석도 상품으로 거래되었다. 그 외에 채광에서도 규모가 커져 분업화되었고 갱도의 깊이도 더욱 깊어졌다.
선광법에 있어서는 사금이나 사철과 같이 물로 일구는 수도법(水道法)을 썼으며, 정약용이 지은「목민심서(牧民心書)」에는 광석을 가루로 만들어 구멍의 크기가 다른 채로 쳐서 가루의 크기를 분류하는 화도법(火淘法)으로 분류하여 맥석보다 비중이 큰 금속광석을 선별할 수 있었다고 적혀 있다. [네이버 지식백과] 철의 제련
2. 고로 제련
철광석을 용광로에서 제련하는 과정은 고로 제련이라고 합니다. 고로 제련은 철광석, 석회석, 코크스를 고로에 넣고 고온에서 가열하여 철을 추출하는 방법입니다. 기본적으러 철광석을 가열하여 철을 추출할때는 가열과 동시에 산화/환원 반응을 통해 철을 추출하게 됩니다.
주요 단계는 다음과 같습니다
1) 철광석, 석회석, 코크스 투입: 철광석은 고로에 투입되기 전에 분쇄되고, 석회석은 철광석의 불순물을 제거하기 위해 사용됩니다. 코크스는 연료로 사용되며, 고온에서 연소하여 철광석을 녹입니다.
2) 환원 반응: 고온에서 철광석의 산화철이 환원되어 순수한 철로 변환됩니다. 이 과정에서 산소는 CO2로 변환되어 배출됩니다.
3) 용철과 슬래그 분리: 제련된 용철은 슬래그(불순물)와 분리됩니다. 슬래그는 가벼워서 위로 뜨고, 용철은 아래로 가라앉습니다.
용광로는 키가 높은 화로로 '고로'라고 불립니다. 고로안에서 철광석과 코크스 그리고 석회석을 넣은 뒤 1,200도 이상의 뜨거운 바람을 이용해 철을 만들어 냅니다. 과정은 다음과 같습니다.
3. 전로 제강
고로에서 생산된 용철은 아직 탄소와 불순물이 많이 포함되어 있어, 이를 제거하는 과정이 필요합니다. 전로 제강은 이러한 불순물을 제거하고 원하는 강철을 생산하는 과정입니다.
1) 전로에 용철 주입: 용철을 전로에 주입한 후, 고순도의 산소를 불어넣어 불순물을 산화시킵니다.
2) 불순물 제거: 산화된 불순물은 슬래그로 분리되며, 이를 제거한 후 순수한 철이 남습니다.
4. 연속 주조
제강 과정이 완료된 철은 연속 주조기를 통해 빌렛, 슬래브 등의 형태로 주조됩니다. 이러한 형태는 이후 추가 가공을 통해 다양한 철 제품으로 생산됩니다.
5) 추가 가공 및 제품 생산
주조된 철은 압연, 단조, 주조 등의 추가 가공을 거쳐 다양한 철 제품으로 제조됩니다. 이 과정에서 철의 물리적 특성과 화학적 성질이 결정됩니다.
4. 철의 제련 관련 기술
현대의 철 제련 기술은 매우 발전되어 있으며, 에너지 효율성, 환경 보호, 품질 향상을 목표로 지속적으로 개선되고 있습니다. 주요 기술로는 다음이 있습니다:
- 고로 개량 기술: 고로의 구조와 운영 방식을 개선하여 에너지 효율성을 높이고, CO2 배출을 줄이는 기술.
- 전로 제강 기술: 불순물 제거와 강철 생산을 최적화하는 기술로, 품질 좋은 강철을 생산하는 데 중요합니다.
- 전기 아크로 제강: 전기를 사용하여 철을 제련하는 방법으로, 고효율 에너지 사용과 친환경 제련이 가능합니다.