최근 수정 시각 : 2022-06-03 14:39:20

제철

1. 개요

제철(製鐵)이란, 철광석 또는 토철,사철에서 철을 추출하여, 각 종 철재를 만드는 공정을 말한다.

철기문화는 동서고금을 막론하고 민족의 융성과 밀접한 관계를 가지고 있다. 철기는 생활도구에서 무기류에 이르기까지 문화적인 중요성이 높았다. 특히 삼국이 각축을 벌였던 고대에는 철의 생산이 곧 국가의 힘과 직결되는 중요한 사항이였던 만큼 각국은 철의 생산에 많은 인력을 투입하였으며, 제철공정에 다양한 기술들이 접목 되었고, 그 결과 고대 원 삼국시대에는 효율적인 제철 기술을 개발하고자 하였고 상품의 용도와 성격에 맞춰 다양하고 복잡한 공정들을 만들어 내었다.

제철이라는 것은 야금의 한 분야이고, 철광석 또는 사철로부터 철을 추출하고 정련해서 각종 용도와 성격에 맞게 철의 조직을 필요한 형태로 만드는 기술을 말한다.

이러한 제철기술은 고대부터 시작해서 현대에 이르기까지 매우 중요한 분야 이며, 이와 같은 야금의 기초가 되는 학문을 야금학 또는 금속 공학이라고 하며, 제철,야금 기술을 주체로 하는 공업을 금속공업이라고 한다. 금속공업은 현대에 이르러서도 우리 나라에서 중요 산업 중 하나이며, 특히 그 가운데서 철강공업은 매우 큰 생산량을 보유하고 있다.

국립중원재단문화연구원에 따르면 우리나라의 철강생산량은 전 세계 생산량의 10%를 차지하고 있다고 한다.

2. 제철 원리

3. 한국 시대별 제철

3.1. 삼국시대

한국 고고학에서 철기시대란 철기가 사용되기 시작한 서기전 300년경부터 삼국이 정립된 서기 300년경까지를 말하는 만큼, 기원전 1세기에서 4세기에 철의 제련과 제조를 전역에서 다양하게 사용하고 있었다.

제철작업의 시작은 우선 철광석 또는 사철이나 토철을 채취하는 채광 작업부터 시작되고, 제철에 주로 쓰이는 철광석은 자철석, 황철석, 갈척석, 적철석 등이 있으며, 한반도에서는 주로 자철석과 적철석이 사용되었다. 사철같은 경우 해안이나 강변 등에서 주로 채취였는데, 주로 자철광이 주성분을 이루고 있으며, 그 밖에는 적철광이나 갈철광, 티타늄 철석이 혼합 되어 있다.

삼국시대 제철소 유적지를 통하여 추론해보면, 채광된 철광석들은 철 성분이 높은 고급 철광석, 사철을 선별하는 과정인 선광 작업이 이루어졌던 것으로 추정된다. 제련에 앞서서 광석을 선광하면 운송의 노동력이 절감되고 제련 공정에서 금속 손실과 제련비 감소 등의 여러가지 이점이 있었다.

다음 공정으로는 배소 작업에 들어가는데, 배소는 광석이 용해되지 않는 정도의 고온으로 철광석 표면에 화학 반응을 일으켜 환원이 잘 이루어 질수 있또록 하고, 광석 표면에 균열을 일으켜서 파쇄하기 용이하게 하는 공정이다. 철광석이 쉽게 파쇄되면, 제련을 할때 철광 내부까지 쉽게 온도가 전달이 되고 이는 제련 비용을 감소 시키며 운송비용을 감소시키는 효과가 있었다.

배소과정이 끝나면 제련공정을 거치게 된다. 철광석을 용광로 내에서 목탄[1]을 매개로 환원시켜 철을 얻는 과정이다. 이러한 과정에서 철광석 안에 있는 불순물이 배출되는데 이를 슬러그라구 부른다.

제련공정에서 철의 탄소량과 온도등 용광로의 조건에 따라 탄소량이 높은 선철과 탄소량이 낮은 괴련철이 생산된다. 그 중간단계인 반환원괴가 생성되기도 한다.

이렇게 형성된 철괴는 정련공정에 들어가게 된다. 제련공정에서 나온 괴련철은 정련단야를 통해 철괴에 남아있는 불순물들을 반복해서 배출하게 한다.정련된 철괴는 단련단야공정에서 반복단련 후 성형단조를 통하여 단조철기로 만들어 진다. 이 과정에서 침탄이 이루어진다. 소재가 개선되기도하고 추가적으로 강화열처리를 통하여 표면을 강화시키기도 하였다.

철광석에 탄소를 넣고 가열하긴 하지만 온도는 높지 않은 로의 경우 이때의 탄소는 산소를 빼내는 역할 밖에 하지 못하였다. 철은 일정량의 탄소를 가지고 있어야 탄화철이 되고 그렇게 연성보다 취성을 높여 강도가 높아진다.

괴련철은 취성보다 연성이 높아 단단하질 못하였다. 보다 강한 철을 만들기 위해서 여기에 강제로 탄소가 들어가도록 해줘야했다. 철을 숯이 든 아궁이에 넣었다 뺴고 다시 두들겨 펴 주는 과정인 접쇠단조가공을 반족하여 칼 등을 만들어주는데 이렇게 탄소가 강제로 철에 스며들게 하여 단단하게 만드는 것을 괴련 강이라고 한다. 이런 공정을 반족하면 불순물 제거에도 도움이 되고 조직이 치밀해 진다. 정련된 철괴는 단련단야공정에서 반복단련 후 성형단조를 통하여 단조철기로 만들어 진다. 이 과정에서 침탄이 이루어진다. 소재가 개선되기도하고 추가적으로 강화열처리를 통하여 표면을 강화시키기도 하였다.

철을 액체 상태로 만들기 위해서는 철광석을 녹이는 용기인 노의 온도가 섭씨 1500도 가까이 올라갸아 한다. 그리고 그정도 온도를 낼 수 있또록 가열한 기구 또한 필요했다. 고대 삼국시대에는 철광석을 녹인다 해도 이런 조건들을 만족시키기 쉽지 않았기 때문에 보통 괴련 철을 사용 한것으로 추정 된다.

한편, 제련공정을 통해서 나온 선철은 탄소함유량이 3~5%정도로 높은 철로, 용해 정련과정을 거치게 된다. 용해는 제련과정에서 생선된 환원괴를 융해,액체화 시키는 작업이다. 이 과정에서 만들어진 쇳물을 용범에 부어 주조철기를 생산하게 된다.

주조철기는 주로 단조철기에 비해 생김새가 복잡한 구조의 철기들을 제작하는데 사용되었다. 추가적인 열처리를 통해 주조철기에서 부족한 연성을 증가시키게 되는데 그 종류로는 담금질,풀림,불림,뜨임 등이 있다.

선철괴를 탈탄하는 초강법으로 제강공정을 거쳐 사용되었다고도 하는데, 한반도에서 초강로가 나온 명확한 사례가 아직 없어 실제로 사용되었는지는 정확하게 밝혀지지 않고 연구중에 있다. 다만 오산 수천동, 포천 중리 등에서 초강계 철기가 나온 것으로 보아 초강제법이 있었을 가능성을 높게 보고있다.

백제시대 제철소 용광로에서 사철과 철광석을 사용한 흔적이 발견 되었다. 백제에서 당시에 생산된 괴련강의 강도는 현대에도 흔히 보이는 공구강의 품질과 거의 동일하거나 더 좋은 수준의 강재를 만들어 냈다고 한다.

백제 장인들의 기술을 접쇠단조가공이라고 말한다. 접쇠단조가공이란 말 그대로 가열한 쇳덩이를 단조로 편 다음, 접어서 다시 두들기를 반복하는 방식이다. 쇠의 불순물을 제거하고 쇠 내의 탄소량을 조절하는 것이 목적이다. 하지만 이러한 방식을 초강법이 개발되면서 줄어들기 시작 하였다.

일본 정창원에서 소유하고 있는 신라 도검으로 추정되는 유물의 경우 소량의 티타늄이 섞여있다고 한다. 이러한 경우로 보아 신라 또한 사철로 된 철기 또한 만들었음을 추정할 수 있다.

현재 문화재청 산하기관에서 고대 삼국시대 용광로를 복원하고 제련과정을 연구하고 있는 중이고 민간에서도 소수나마 다양하게 고증을 거쳐 연구하고 있다.

3.2. 남북국 ~ 고려시대

현재 고려시대 철광석을 이용한 제철소로 진척 석장리,밀양 사촌 유적지, 충주 다인철소가 발견되었다. 이은철 전통제철연구가는 해당 유적지의 연구 결과로 현재 학계에서 전통적으로 생각하고있는 화로를 만들고, 처인성에서 발견된 고려칼을 연구,복원하였다.

3.3. 조선시대

고려가 망하고 조선이 이성계에 의하여 건국이 되자, 조선은 초기부터 광물을 채굴하는데 박차를 가하였다. 세종실록 지리지에 의하면 철장은 안동·합천·용궁·산은·무주·영덕·무안·고산 등 17개소가 있었고, 이들 철장은 제련소에서 농한기에 광석을 취련하여 상납하게 하였다. 세종 당시 조선의 철의 산지는 34개소인데 이 가운데 사철을 생산하는 곳이 21개소라고 하였다.

3.4. 근대·현대


[1] 용광로 유적지에 흔적이 발견된다.

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