연철

3. 제조

철광석을 저온에서 환원하여 직접 만드는 방법과 선철이나 고철을 원료로 하여 교련법 등을 사용해 간접적으로 만드는 두 가지 방법이 있다. 오늘날에는 기술 발달로 주로 후자가 사용된다. 해면철 제조법이나 크릅렌법과 같은 회전로를 이용한 저온환원법을 사용하면 철광석에서 직접 강을 얻을 수 있지만, 생산비가 비싸고 황이 빠지지 않는 등의 결점이 있어서 특수한 경우에만 사용한다.

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높은 온도의 용광로에서 철을 만들면 반응 온도가 높아 탄소를 충분히 흡수하여 선철이 된다. 선철은 단단하고 부러지기 쉬워 단련 등의 가공을 할 수 없다. 따라서 제강로에 넣어 탄소를 빼내어 강으로 만든다. 간접적인 연철 제조법에는 스웨덴에서 시작된 숯을 쓰는 방법과 영국의 H. 코트가 개발한 교련법이 있다. 교련법은 석탄을 연료로 하는 반사로 속에 선철을 넣고 뒤집어서 반죽하는 조작을 되풀이하여 연철 또는 연강을 만드는 방법이다. 1840년경 개발된 반사로는 고온의 연소 가스를 벽돌 천장에 쬐어 그 복사열과 연소 가스에 포함된 산소로 탄소를 연소시켜 제거했다. 탄소가 빠지면 철의 녹는점은 상승하고 점도가 높아진다. 선철의 녹는점은 1200°C이지만 탄소를 거의 포함하지 않는 철은 녹는점이 1500°C 이상이다. 반사로 측면에서 철 막대를 삽입하여 내부를 정성껏 저어 최종적으로 그 철 막대에 달라붙은 철을 꺼낸 것이 '''연철'''(wrought iron^영어)이다. 이 방법을 패들법(Puddling process^영어)이라고 하는데, 마치 배를 젓는 패들을 움직이는 것과 같기 때문이다. 초기의 연철은 슬래그 성분을 포함하는 순도가 낮은 것이었지만, 반사로 구조와 규모가 개량되어 순도가 높은 제품을 얻을 수 있게 되었다.

강철은 베세머법이 도입된(1865년 이후) 직후부터 철도 레일에서 철을 대체하기 시작했다.^[9] 1880년대까지는 질소 유입, 높은 탄소 함량, 과도한 인 함량 또는 과도한 온도로 인한 급속한 압연 등으로 인한 취성 강의 문제로 구조용으로는 철이 주로 사용되었다.^[9] 1890년까지는 구조용으로 강철이 철을 대부분 대체했다.

1960년대에는 재활용으로 인해 강철 생산 가격이 하락했고, 아스톤 공정을 사용하더라도 연철 생산은 노동 집약적이었다. 연철 생산 비용은 저탄소강 생산 비용의 약 두 배에 달하는 것으로 추산된다.^[7] 미국의 마지막 연철 생산 공장은 1969년에 문을 닫았다.^[7] 세계에서 마지막으로 문을 닫은 공장은 영국 볼턴에 있는 토마스 월름슬리 앤 선스의 아틀라스 포지(Atlas Forge)로 1973년에 문을 닫았다. 1860년대 시대의 장비는 보존을 위해 아이언브리지 협곡 박물관 신탁의 블리스트 힐 부지로 이전되었다.^[42] 현재 일부 연철은 문화재 복원 목적으로 생산되고 있지만, 고철을 재활용하여 생산된다.

3. 1. 전통적인 제조 방법

3. 1. 1. 직접 제철법

3. 1. 2. 간접 제철법

• 목탄철: 18세기 말까지 연철은 블루머리 제련법을 사용하여 목탄으로 광석에서 제련되었다. 정련로나 랭커셔 용광로를 사용하여 선철을 연철로 생산하기도 했다.
• 퍼들링 철: 퍼들링 공정은 연철을 대량 생산하는 최초의 공정이었다. 퍼들링 공정에서 선철은 반사로에서 정련되어 석탄이나 코크스의 황으로 인한 철의 오염을 방지했다. 1840년경 개발된 이 방법은, 고온의 연소 가스를 벽돌 천장에 쬐어 그 복사열과 연소 가스에 포함된 산소로 탄소를 연소시켜 제거하는 방식이었다. 탄소가 빠지면 철의 녹는점은 상승하고 점도가 높아진다. 용융된 선철을 수동으로 저어 대기 중의 산소에 철을 노출시켜 탄소를 제거했다. 1784년에 특허를 받았고 1800년 이후 널리 사용되었다.
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• 오레그라운드 철: 스웨덴 다네모라 광산의 철광석으로 만들어진 순도가 높은 봉철이다. 제강의 시멘테이션 공정을 위한 원료로 사용되었다.
• 단치히 철: 원래 그단스크에서 영국으로 수입된 철이지만, 18세기에는 동부 스웨덴산 철일 가능성이 높다.
• 숲 철: 영국의 딘 숲에서 채취한 철로, 적철석 광석을 사용하여 질긴 철을 생산하였다.
• 뤼크 철: 리에주에서 수입한 철.^[15]
• 에임스 철: 북유럽에서 영국으로 수입된 철이다. 아미앵이 기원으로 추정되었지만, 플랑드르, 네덜란드에서 수입된 것으로 보아 라인 계곡이 기원일 가능성이 있다.^[15]
• 보톨프 철: 비투프 또는 비톰산 철.^[15]
• 세이블 철: 러시아 데미도프 가문의 표식이 새겨진 최고급 러시아 철 중 하나였다.^[16]

3. 2. 현대적인 제조 방법 (애스턴 법)

4. 용어 (영어)

wrought iron^영어은 동사 "일하다"의 고어적인 과거분사형인 "wrought"에서 유래하며, 따라서 "단철"은 문자 그대로 "가공된 철"을 의미한다.^[8] 단철은 상품에 대한 일반적인 용어이지만, 대장장이가 제조한 완제품인 철제품을 더 구체적으로 지칭하는 데에도 사용된다. 주철은 단철과 달리 잘 부서지며, 고온 또는 저온에서 가공할 수 없다.

17세기, 18세기, 19세기에는 단철이 그 형태, 원산지 또는 품질에 따라 다양한 용어로 불렸다.

• 봉형 철(Rod iron^영어)—평철을 슬리팅 밀(slitting mill)에서 절단하여 못과 못의 원료로 사용했다.
• 환형 철(Hoop iron^영어)—통의 띠에 적합하며, 봉형 철을 압연 다이를 통과시켜 만들었다.
• 판형 철(Plate iron^영어)—보일러(boiler) 판으로 사용하기에 적합한 판재.
• 흑철판(Blackplate)—판형 철보다 얇을 수도 있는 판재로, 주석도금강판(tinplate) 생산의 흑압연 단계에서 생산된다.
• 항해용 철(Voyage iron^영어)—특정 무게의 막대기로 만들거나 절단한 좁은 평철로, 아프리카(Africa)에서 대서양 노예 무역(Atlantic slave trade)을 위한 상품이었다. 톤당 철괴 수는 1660년대 톤당 70개에서 1685년 톤당 75~80개, 1731년에는 "톤당 약 92개"로 점차 증가했다.^[14]
• 목탄철 (Charcoal iron^영어)— 18세기 말까지 연철은 블루머리 제련법을 사용하여 목탄으로 광석에서 제련되었다. 연철은 또한 용광로에서 생산된 선철을 정련로 또는 랭커셔 용광로를 사용하여 생산되었다. 그 결과 생성된 금속은 화학적 조성과 슬래그 함량 모두에서 매우 다양했다.
• 퍼들링 철 (Puddling iron^영어)— 퍼들링 공정은 연철을 대량 생산하는 최초의 공정이었다. 퍼들링 공정에서 선철은 석탄이나 코크스의 황으로 인한 철의 오염을 방지하기 위해 반사로에서 정련된다. 용융된 선철을 수동으로 저어 대기 중의 산소에 철을 노출시켜 탈탄시킨다. 철을 저으면 연철 덩어리가 저어주는 막대(래블 암 또는 막대)에 의해 덩어리로 모이고, 이것들은 주기적으로 퍼들러에 의해 제거된다. 퍼들링은 1784년에 특허를 받았고 1800년 이후 널리 사용되었다. 1876년까지 영국에서만 연간 4000000ton 이상의 퍼들링 철이 생산되었다. 그 무렵 평로가 구조용으로 적합한 품질의 강을 생산할 수 있게 되면서 연철 생산은 감소하기 시작했다.
• 오레그라운드 철 (Oregrund iron^영어)— 스웨덴의 다네모라 광산의 철광석에서 궁극적으로 만들어진 특히 순도가 높은 봉철. 가장 중요한 용도는 제강의 시멘테이션 공정을 위한 원료였다.
• 단치히 철 (Danzig iron^영어)— 원래 그단스크에서 영국으로 수입된 철이지만, 18세기에는 그단스크에서 한때 수입되었던 동부 스웨덴산 철일 가능성이 더 높다.
• 숲 철 (Forest iron^영어)— 영국의 딘 숲에서 채취한 철로, 적철석 광석을 사용하여 질긴 철을 생산하였다.
• 뤼크 철 (Lukens iron^영어)— 네덜란드어로 "Luik"인 리에주에서 수입한 철.
• 에임스 철 (Ames iron^영어) 또는 아미스 철 (Amis iron^영어)— 북유럽에서 영국으로 수입된 또 다른 종류의 철. 그 기원은 아미앵으로 추정되었지만, 15세기에는 플랑드르, 나중에는 네덜란드에서 수입된 것으로 보아 라인 계곡이 기원일 가능성이 있다. 그 기원은 여전히 논란의 여지가 있다.
• 보톨프 철 (Botolf iron^영어) 또는 부탈 철 (Butal iron^영어)— 비투프(폴란드 폼메렐 지역) 또는 비톰(폴란드 실레시아 지역)산 철.
• 세이블 철 (Sable iron^영어) (또는 구 세이블) — 러시아의 제철업자인 데미도프 가문의 표식(검은색 족제비)이 새겨진 철로, 최고급 러시아 철 중 하나였다.

5. 품질 및 결함 (영어)

; 강철

: "tough"라고도 불리며, 잘 부서지지 않아 도구로 사용하기에 적합하다.

; 혼합철

: 여러 종류의 주철을 섞어 만든 철이다.

; 최상급 철

: 19세기에 최고 품질로 여겨질 정도의 여러 단계의 가공을 거친 철이다.

; 마크 바 철

: 마크 바 협회 회원들이 제작하고 제작자의 상표를 품질 표시로 새긴 철이다.^[17]

다른 특성 중에서 단조철은 적열에서 부드러워지며 쉽게 단조 및 단조 용접할 수 있다.^[58] 일시적인 자석을 형성하는 데 사용할 수 있지만 영구적으로 자화될 수 없으며,^[59][60] 연성, 전성 및 인성이 있다.^[39]

6. 성질

연철은 탄소 함량이 0.10% 미만이고, 황, 인, 규소, 망간 등의 불순물 총 함량이 0.25% 미만이며, 슬래그 함량이 2% 미만인 상업용 철의 한 형태이다.^[18][19]

연철은 슬래그 개재물(스트링거)이 있어 다른 철 금속에는 없는 특성을 가지는데, 1평방인치당 약 250,000개의 개재물이 존재한다.^[7] 신선한 파면은 광택이 높고 섬유질 외관을 가진 맑은 청색을 띤다.

연철은 열처리를 통해 경화될 수 있는 탄소 함량이 부족하지만, 강철이 드물거나 알려지지 않은 지역에서는 냉간 가공을 통해 경화시키기도 했다. 낮은 탄소 함량 덕분에 용접성이 우수하다.^[7] 또한, 냉간 가공 시 강판만큼 많이 구부러지지 않는다.^[43][44] 용융 및 주조는 가능하지만, 슬래그 스트링거가 사라지므로 생성물은 더 이상 연철이 아니며 불순한 주조 베세머 강과 유사해진다. 주철이나 강철 대신 연철을 용융 및 주조하는 것은 공학적 이점이 없으며, 둘 다 더 저렴하다.^[45][46]

철광석의 기원과 제철 방법의 차이로 인해, 연철은 다른 철 합금에 비해 내식성이 우수하거나 열등할 수 있다.^{[7][47][48][49]} 내식성에 관한 여러 연구 결과가 있는데, 어떤 연구에서는 니켈이 풍부한 띠가 부식을 감소시키고,^[50] 구리, 니켈, 주석 불순물을 확산시켜 부식을 늦추는 전기화학적 조건을 생성한다고 한다.^[48] 슬래그 개재물이 부식을 고르게 분산시켜 철의 피팅(pitting)을 방지한다는 연구 결과도 있다.^[7] 반면, 슬래그 개재물이 부식 경로가 된다는 연구 결과도 있으며,^[51] 황은 내식성을 감소시키고,^[49] 인은 내식성을 증가시킨다는 연구 결과도 있다.^[52] 염화물 이온 또한 연철의 내식성을 감소시킨다.^[49]

연철은 연강과 같은 방식으로 용접할 수 있지만, 산화물 또는 개재물이 존재하면 결함이 생길 수 있다.^[53] 거친 표면을 가지고 있어 매끄러운 강철보다 도금과 코팅을 더 잘 유지한다. 예를 들어, 연철에 적용된 아연 도금 마감은 강철에 대한 동일한 마감보다 약 25~40% 더 두껍다.^[7]

다음 표는 연철, 선철, 탄소강의 화학 성분을 비교한 것이다. 연철은 대부분의 망간, 황, 인, 실리콘이 슬래그 섬유에 포함되어 있어 일반 탄소강보다 더 순수하다.^[39]

다음 표는 연철의 특성을 나타낸다.

연철은 적열에서 부드러워져 쉽게 단조 및 단조 용접이 가능하다.^[58] 일시적인 자석을 형성하는 데 사용될 수 있지만, 영구적으로 자화될 수는 없다.^[59][60] 연성, 전성 및 인성을 가진다.^[39] 인장강도보다는 연성이 연철의 품질을 측정하는 더 중요한 지표인 경우가 많다. 최고급 연철은 인장 시험에서 파괴되기 전 상당한 신장을 보인다. 인장강도가 높은 연철은 취성이 강하다.

1800년대 초 증기선 보일러 폭발 사고가 빈번하게 발생하자, 미국 의회는 1830년 문제 해결을 위한 연구를 지원했다. 프랭클린 연구소는 이 연구를 수행하여 보일러용 철의 강도를 시험했지만, 인장강도와 연성에 대한 오해로 인해 사고 감소에 큰 기여를 하지 못했다.^[5]

19세기 후반, 야금학자들이 철의 특성과 제조 공정을 더 잘 이해하게 되면서 증기 기관의 철은 강철로 대체되기 시작했다. 또한, 화관 보일러가 있는 구형 원통형 보일러는 더 안전한 수관 보일러로 대체되었다.^[62]

7. 응용

기원전 2000년 무렵부터 연철은 청동을 대체하여 사용되기 시작했다. 기원전 3세기에는 중국, 인도 등에서 농업 도구, 무기, 갑옷 제조에 사용되었다.^[9] 19세기에는 건축 구조물에, 20세기에는 장식용으로 사용되었으며, 오늘날에는 골프채를 만드는 데에도 이용된다.

1840년경에는 석탄을 사용한 반사로가 발명되어 연철을 대규모로 생산할 수 있게 되었다. 이 방법은 패들법(Puddling process)이라고 불리며, 마치 배를 젓는 패들을 움직이는 것과 같았다. 가공이 용이한 연철은 강철의 대량 생산 방법이 발명되기 이전에는 널리 사용되었다.^[9] 증기 동력의 롤러로 압연하여 군함의 부재, 철교, 빌딩의 철골, 철도레일 등을 만들었다. 1889년에 완공된 파리의 에펠탑은 연철의 대표적인 건축물이다.

헨리 베세머 (Henry Bessemer)가 베세머법을 개발하여 강철의 대량 생산 기술이 확립되면서 연철의 시대는 막을 내리게 되었다.^[9]

1960년대에는 재활용으로 인해 강철 생산 가격이 하락했고, 연철 생산은 노동 집약적이었기 때문에 비용이 많이 들었다. 미국의 마지막 연철 생산 공장은 1969년에 문을 닫았고,^[7] 세계에서 마지막으로 문을 닫은 공장은 영국 볼턴에 있는 토마스 월름슬리 앤 선스의 아틀라스 포지(Atlas Forge)로 1973년에 문을 닫았다.^[42] 현재 일부 연철은 문화재 복원 목적으로 생산되고 있지만, 고철을 재활용하여 생산된다.

단조 철제 가구는 로마 시대까지 거슬러 올라가는 오랜 역사를 가지고 있다. 런던의 웨스트민스터 사원에는 13세기 단조 철제 문이 있으며, 단조 철제 가구는 17세기에 영국에서 최고의 인기를 얻었다. 그러나 주철과 저렴한 강철로 인해 단조 철 제조는 점차 감소하여 영국에서는 1974년에 마지막 단조 철 공장이 문을 닫았다.

오늘날 사용 가능한 단조 철의 대부분은 재활용 재료로 만들어진다. 항구에서 건져 올린 오래된 다리와 닻 체인이 주요 원천이다. 단조 철의 높은 내식성은 규산질 불순물(철광석에 자연적으로 존재함), 즉 규산 제1철 때문이다.^[64]

단조 철은 수십 년 동안 문과 울타리 산업 전반에서 일반적인 용어로 사용되어 왔지만, 이러한 "단조 철" 문의 제조에는 연강이 사용된다.^[65] 이는 진정한 단조 철의 가용성이 제한적이기 때문이다. 강철은 부식을 방지하기 위해 용융 아연 도금할 수도 있지만, 단조 철은 그렇게 할 수 없다.

참조

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