안녕하세요. 김도건 과학전문가입니다. 자연계에 있는 철의 대부분은 산화 철(Ⅱ)(Fe2O3)과 사산화 삼철(Fe3O4)의 산화물의 형태로 존재하고 있습니다. 광산에서 캐낸 적철광, 자철광, 갈철광 등의 철광석으로부터 철을 얻기 위해서는 이들 철광석으로부터 산소를 떼어 내는 환원 반응을 거쳐야 합니다. 잘게 부순 철광석과 탄소가 주성분인 코크스, 그리고 석회석을 용광로에 넣고 뜨겁게 가열한 공기를 불어 넣으면 철이 환원됩니다. 용광로 밑의 열풍관을 통해 약 800 ℃로 가열한 공기를 불어 넣으면, 열풍관 가까이에 있는 코크스는 산화 철과 반응하여 불완전한 연소를 일으켜 일산화 탄소가 되는데, 이때 발생하는 연소열로 온도는 2000 ℃까지 올라갑니다. 이 과정에서 생긴 일산화 탄소가 산화 철에서 산소를 빼앗아 철을 환원시키게 됩니다.
Fe2O3 + 3C → 2Fe + 3CO 일산화 탄소는 용광로 위에 올라가면서 철광석을 가열시켜 반응하기 쉬운 액체 상태로 만듭니다. 그리고 다시 산화 철과 반응하여 철로 환원시키고, 이산화 탄소가 됩니다. Fe2O3 + 3CO → 2Fe + 3CO2 이 과정을 통해 철광석은 산소를 잃어버리고 액체 상태의 철이 되어, 불순물인 찌꺼기와 함께 아래쪽으로 모이게 됩니다. 그러나 찌꺼기는 액체 상태의 철 위에 떠 있으므로 철과 찌꺼기를 따로 분리할 수 있습니다. 뽑아 낸 철을 선철이라고 하는데 선철은 용선차에 쏟아 넣어 제강 공장으로 운반합니다. 거기서 탄소나 불순물을 더 제거하여 강철을 만드는 것입니다. 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.  제련과정에서 탄소량과 온도 등 노 내의 분위기에 따라 탄소량이 높은 선철과 탄소량이 낮은 괴련철이 생산되는데 중간 단계인 반환원괴가 생산되기도 한다. 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.
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| 연번 | 공정 | 내용 | 생산품 | 유물 |
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| 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.
