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제철 기술의 공정

삼국이 각축을 벌였던 고대에는 철의 생산이 국가의 힘과 직결되는 중요한 사항이었던 만큼 각국은 철의 생산에 많은 공력을 투입하였으며 당시의 최첨단의 기술들이 제철공정에 집약되어 사용되었다. 그 결과 고대인들은 효율적인 제철기술을 개발하고자 하였으며 생산품의 성격과 용도에 맞추어 각기 다른 복잡한 공정들을 만들어 냈다.
따라서 이번 절에서는 제철조업의 공정을 간단히 서술해보도록 하겠다.
우선 제철작업의 시작은 철광석(혹은 토철, 사철)을 채취하는 채광 작업부터 시작된다. 제철에 주로 쓰이는 철광석은 황철석(Pyrite, FeS2), 자철석(Magnetite, Fe3O4), 적철석(Hematite, Fe2O3), 갈철석(Limonite, FeO(OH) · nH2O) 등이 있으며 한반도에서는 주로 자철석과 적철석이 사용되었다. 사철砂鐵은 해안이나 강변 등에서 주로 채취되는데 자철광이 주성분을 이루고 있으며 그 밖에는 적철광, 갈철광, 티타늄철석(Ilmenite, FeTiO3)혼합되어 있다.1 채광된 철광석들은 철 성분이 높은 광석을 선별하는 과정인 선광(選鑛, Mineral dressing)작업이 이루어졌던 것으로 보인다.2 제련에 앞서 광석을 선광하면 운송 노동력의 절감, 제련 공정에서의 금속 손실 감소, 총 제련비 감소 등의 여러 가지 이점이 있다.
그 다음 공정으로는 배소(焙燒, Roasting)작업에 들어간다. 배소는 광석이 용해되지 않는 정도의 고온으로 철광석 표면에 화학반응을 일으켜 환원이 잘 이루어질 수 있도록 하고 광석 표면에 균열을 일으켜 파쇄하기 용이하게 하는 공정이다.3 철광석이 쉽게 파쇄되면 제련로까지 운반이 용이해져 전반적인 생산의 효율을 높일 수 있다는 장점이 있다.
이후 제련공정을 거치게 되는데 이는 철광석을 노 내에서 철광석을 목탄을 매개로 환원시켜 철을 얻는 과정이다. 이 과정에서 철광석에 있는 맥석 등의 불순물들이 노 밖으로 배출되는데 이를 철재(鐵滓, 슬래그Slag)라고 한다.
철광석이 환원하는 과정을 화학식으로 나타내면 다음과 같다.4


철광석이 환원하는 과정-화학식 이미지

제철조업의 공정과정과 생산물과 파생품 이미지

제련과정에서 탄소량과 온도 등 노 내의 분위기에 따라 탄소량이 높은 선철과 탄소량이 낮은 괴련철이 생산되는데 중간 단계인 반환원괴가 생산되기도 한다.
형성된 철괴는 다음 단계로 정련공정에 들어가는데 괴련철은 정련단야를 통해 철괴에 남아있는 불순물들을 반복하여 제거하게 된다. 이후 정련된 소재는 단련단야공정에서 반복단련 후 성형단조를 통해서야 단조철기로 만들어지게 된다. 이 과정에서 침탄浸炭이 이루어지게 되는데 이 과정을 통해 소재가 개선되고 추가적으로 강화열처리를 통해 표면을 강화시키기도 하였다.
한편 선철은 탄소함유량 3~5%정도로 높은 철로 다음 공정인 용해정련 과정을 거치게 된다. 용해는 제련과정에서 생성된 환원괴를 융해시켜 액체화 시키는 작업으로 이 과정에서 만들어지는 쇳물을 용범에 부어 주조철기를 생산하게 된다. 주조철기는 주로 단조철기에 비해 기형이 복잡한 철기들을 제작하는데 이용되었다. 추가적인 열처리를 통해 주조철기에서 부족한 연성을 증가시키게 되는데 그 종류로는 담금질(Quenching), 뜨임(Tempering), 풀림(Annealing), 불림(Normalizing) 등이 있다.

한편 중국에서는 선철괴를 탈탄脫炭하는 초강炒鋼법으로 제강공정을 거쳐 숙철熟鐵을 생산17했다고 하지만 한반도에서 초강로가 나온 명확한 사례가 없어 초강법이 실제로 사용되었는지는 정확하게 밝혀진 바 없다. 다만 오산 수청동18, 포천 중리19 등에서 초강계 철기가 나온 것으로 보아 초강제강법이 있었을 가능성은 충분히 있다.


제철조업의 공정(김권일, 2012 수정)
연번 공정 내용 생산품 유물
1 채광 광산에서 원료인 철광석을 채굴하는 일로 강가나 바닷가에서는 사철을 채취하기도 한다. 파쇄도 함께 이루어진다. 철광석 -
2 선광 채굴한 철광석을 선별하는 작업으로 선광작업은 노동력과 제련비 감소의 효과를 가져다준다. 선별광석 -
3 배소 금속을 녹는점 이하로 가열하여 물리 · 화학적 성질을 변화시키는 일, 광석의 배소는 조직에 균열을 만들어 준다. 배소광 -
4 파쇄 철광석을 제련로에 장입에 편하도록 부수는 일을 말한다. 파쇄함으로써 운송에도 이점이 생긴다. - -
5 제련 철광석, 사철, 토철 등의 원광에서 1차적으로 철을 추출해 내는 공정, 노에 원료와 목탄을 장입한 후 송풍하여 1,200℃ 전후의 고온으로 가열하면 철보다 녹는점이 낮은 불순물들이 먼저 녹아내리고 철은 일부 잔존한 불순물과 뒤섞인 괴상으로 남게되어 이를 수거한다. 철괴 · 판상 철기 제련재 (유출재, 유리질 · 철괴형 철재)
6 정련 1차 제련공정에서 생산된 철괴 등의 철 소재를 정련로에서 재차 가열 및 단타하여 불순물이 제거하고 형태를 잡아가는 공정, 선철 정련은 철괴를 재차 정제하는 순수정련으로, 연철 정련은 정제과정에서 단타를 통해 불순물을 타출시키고 일정한 규격으로 성형하는 정련단야의 의미로도 사용된다. 정련단야 : 괴련철 정련
용해정련 : 선철 정련
소철괴, 판상 · 봉상 철기, 철정 정련재 (철괴형 · 유리질 철재, 완형재)
7 단야 정선된 철 소재를 가열 · 단타 · 성형하여 단조철기를 제작하는 공정, 철기의 인부나 첨부에 담금질 등의 열처리를 통해 부분적인 성질개선을 할 수 있다. 단조철기 단야재 (입상재, 단조박편, 철편)
8 용해 선철(주철)을 완전히 용융시킨 용선을 준비된 용범에 흘려 부어 주조철기를 제작하는 공정이다. 주조철기 용해재 (유동재, 유리질철재, 폐용법)
9 제강 선철을 탈탄하거나 연철을 침탄하여 강鋼의 성질로 개선하는 공정, 연철은 탄소를 투입시키는 침탄제강법, 선철은 탄소를 제거하는 탈탄제강법이 이용된다. 철괴, 판상 · 봉상 철기, 철정 철재 (유리질 철재)

  • 각주
    1. 이창진, 2010, 『기본 광물 · 암석 용어집』, 한국학술정보
    2. 신경환 · 이남규 · 최영민 편저, 2013, 『한국고대 제철기술』, 금속기술연구소. p. 21.
    3. 배소과정을 통해 철광석에 탄소를 흡착시켜 환원이 원활하게 이루어진다고 보고 있다.
    4. 신경환 · 이남규 · 최영민, 2013, 위의 편저. p. 23.
  • 정보제공부서 : 국립중원문화재연구소
  • 담당자 : 한지선
  • 문의 : 043-850-7813
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