제철

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1. 개요

제철은 철을 생산하는 기술과 산업을 의미하며, 인류 역사에서 중요한 역할을 해왔다. 초기에는 운석에서 얻은 운철을 사용했으며, 기원전 4000년경 고대 이집트와 수메르에서 장신구 등으로 사용되었다. 이후 철 제련 기술이 발전하면서 철은 더욱 널리 사용되었고, 특히 고대 근동, 인도 아대륙, 중국, 유럽 등지에서 다양한 제련 기술이 개발되었다. 산업 혁명 시기에는 코크스 제철법, 퍼들법, 베서머 전로, 평로 등의 기술 혁신을 통해 철강 생산량이 급증하며 현대 사회의 발전에 크게 기여했다. 현재는 중국이 세계 최대 철강 생산국이며, 철강 산업은 경제 발전에 중요한 지표로 여겨진다. 그러나 철강 생산은 많은 이산화탄소를 배출하기 때문에, 친환경적인 기술 개발이 중요한 과제로 남아 있다.

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제철
제철
설명	철 및 철 합금의 야금학
역사
기원	고대 이집트에서 운석철로 만든 철 구슬 (기원전 3200년경) 1 사하라 이남 아프리카에서 철기 시대의 시작은 기원전 2500년에서 2000년으로 추정 2 3 남인도 철기 시대는 기원전 1800년경부터 4
제철 시대
개요	철기 시대는 철을 광범위하게 사용하기 시작한 시대를 말함
저널	아이언 에이지라는 이름으로 발행된 저널이 존재함 5
초기 이용	기원전 3000년경 메소포타미아와 소아시아에서 철이 사용되었으나 귀금속으로 간주됨
주요 발전	제철 기술은 기원전 1200년경에 알려졌음 용광로는 철을 녹여 모양을 만들 수 있게 했음
철과 합금의 특성
철	순수 철은 부드러움 탄소를 첨가하면 강철이 됨 제철은 철의 가공 과정을 포함
철 합금	주철 탄소강 합금강 등 다양한 종류가 있음
주요 사용	철은 세계에서 가장 많이 사용되는 금속임 건축, 기계, 자동차 등 다양한 산업에 사용됨

2. 철의 초기 역사

철 운석은 대부분 니켈-철 합금으로 구성되어 있다. 이러한 운석에서 채취한 금속은 운석철로 알려져 있으며, 인류가 사용할 수 있었던 가장 초기의 철 원료 중 하나였다.

철은 철-니켈 합금에서 추출되었는데, 이는 지구에 떨어지는 모든 운석의 약 6%를 차지한다. 그러한 원료는 그 재료의 독특한 결정( 비드만스태튼 구조)로 인해 확실하게 식별할 수 있는 경우가 많으며, 이 구조는 금속을 냉간 가공하거나 저온에서 가공할 때 보존된다. 예를 들어, 이러한 유물에는 기원전 5천년경 이란에서 발견된 구슬^[15]과 기원전 4000년경 고대 이집트와 수메르의 창촉과 장신구가 포함된다.^[9]

이러한 초기 용도는 대부분 의식적이거나 장식적인 것으로 보인다. 운석철은 매우 드물며, 이 금속은 아마도 금보다 더 비쌌을 것이다. 초기 히타이트인들은 기원전 2천년기 초기에 아시리아와의 거래에서 철(운석철 또는 제련된 철)을 무게의 40배에 달하는 은과 교환했던 것으로 알려져 있다.^[10]

북극에서는 그린란드의 툴레인이 케이프 요크 운석의 조각으로 작살, 칼, 울루 및 기타 날카로운 도구를 만들기 시작하면서 운석철을 도구로 만들었다. 일반적으로 완두콩 크기의 금속 조각을 냉간 단조하여 원반 모양으로 만들고 뼈 손잡이에 맞췄다.^[15] 이러한 유물은 다른 북극 지역 사람들과의 무역품으로도 사용되었다. 케이프 요크 운석으로 만든 도구는 1600km 이상 떨어진 고고학 유적지에서 발견되었다. 미국 극지 탐험가 로버트 피어리가 1897년에 운석의 가장 큰 조각을 뉴욕시의 미국 자연사 박물관으로 운반했을 때, 그 무게는 여전히 33톤이 넘었다. 운석철의 후기 용도의 또 다른 예로는 스웨덴에서 발견된 서기 1000년경의 자귀가 있다.^[15]

2. 1. 운철

운석에서 발견되는 철-니켈 합금인 운철은 인류가 최초로 사용한 철의 원료 중 하나였다.^[15] 운철은 지구에 떨어지는 모든 운석의 약 6%를 차지하며, 독특한 비드만스태튼 구조를 통해 식별할 수 있다. 이러한 구조는 금속을 냉간 가공하거나 저온에서 가공할 때 보존된다.^[9]

고대 이집트와 수메르에서는 기원전 4000년경부터 운철을 창촉, 장신구 등에 사용했다.^[9] 이란에서는 기원전 5000년경에 운철로 만든 구슬이 발견되기도 했다.^[15] 초기 히타이트인들은 기원전 2천년기 초기에 아시리아와의 거래에서 운철을 무게의 40배에 달하는 은과 교환했을 정도로, 운철은 희소성 때문에 금보다 귀한 금속으로 여겨졌다.^[10]

북극에서는 그린란드의 툴레인이 케이프 요크 운석 조각으로 작살, 칼, 울루 등 날카로운 도구를 만들었다.^[15] 이들은 완두콩 크기의 금속 조각을 냉간 단조하여 원반 모양으로 만들고 뼈 손잡이에 맞춰 사용했다. 케이프 요크 운석으로 만든 도구는 1600km 이상 떨어진 고고학 유적지에서도 발견되었다. 로버트 피어리는 1897년 이 운석의 가장 큰 조각을 뉴욕시의 미국 자연사 박물관으로 운반했는데, 무게가 33톤이 넘었다. 스웨덴에서는 서기 1000년경 운철로 만든 자귀가 발견되기도 했다.^[15]

2. 2. 지구유래철

매우 드물게, 특정 현무암 암석에서 금속 상태의 원소 상태 철이 발견되기도 한다.^[15] 운석철 외에도 그린란드의 툴레인들은 디스코 지역의 원소 상태 철을 사용했다.^[15]

3. 철 제련 기술의 발전

철 제련은 산화철에서 사용 가능한 금속을 추출하는 과정으로, 주석이나 구리 제련보다 훨씬 어렵다. 주석과 구리 및 그 합금은 비교적 간단한 용광로에서 냉간 가공하거나 용융하여 주형에 부어 만들 수 있지만, 제련된 철은 열간 가공이 필요하며 특수하게 설계된 용광로에서만 용융할 수 있다. 철은 구리 광석에 흔한 불순물이며 철광석은 때때로 용융제로 사용되기도 했으므로, 인류가 수천 년 동안의 청동 야금술 이후에야 제련된 철의 기술을 습득한 것은 놀라운 일이 아니다.^[9]

철 제련의 발견 장소와 시기는 니켈 함유 광석에서 추출한 금속과 열간 가공된 운석 철을 구분하기 어렵기 때문에 알 수 없다.^[15] 고고학적 증거는 기원전 3천년기 청동기 시대의 중동 지역을 가리키는 것으로 보인다. 그러나 연철 유물은 기원전 12세기까지 희귀했다.

3. 1. 고대 근동

고대 근동의 광산 지역. 상자 색상: 비소 갈색, 구리 빨간색 (아라바, 팀나 및 파이난의 중요한 광산은 지도에 누락됨), 주석 회색, 철 적갈색, 금 노란색, 은 흰색, 납 검은색. 노란색 영역은 비소 청동기를 나타내고, 회색 영역은 주석 청동기를 나타냄

기원전 2500년경 아나톨리아의 하티 무덤에서 발견된 철 칼날을 가진 단검은 가장 초기의 용융 철 유물 중 하나이다.^[14] 기원전 1500년경에는 메소포타미아, 아나톨리아, 이집트에서 운석이 아닌 용융 철 유물이 증가하기 시작했다.^[15]

철은 원래 용광로에서 제련되었는데, 이는 풀무를 사용하여 철광석과 타는 숯 더미에 공기를 불어넣는 용광로였다. 숯에 의해 생성된 일산화탄소는 광석에서 산화철을 금속 철로 환원시켰다. 그러나 용광로는 철을 녹일 만큼 뜨겁지 않았기 때문에 금속은 용광로 바닥에 다공질 덩어리 또는 ''블룸''으로 쌓였다. 그러면 작업자들은 용융된 슬래그를 제거하기 위해 반복적으로 두들기고 접었다. 이처럼 힘들고 시간이 오래 걸리는 공정은 가단성이 있지만 상당히 부드러운 합금인 연철을 생산했다.^[18]

청동에서 철로의 전환과 동시에 침탄이 발견되었는데, 이는 연철에 탄소를 첨가하는 공정이다. 철 블룸에는 탄소가 어느 정도 포함되어 있었지만, 그 후의 열간 가공은 대부분을 산화시켰다. 근동의 대장장이들은 완성된 조각을 숯 더미에서 가열한 다음 물이나 기름에 담가 연철을 훨씬 더 단단한 제품으로 만들 수 있다는 것을 발견했다. 이 공정은 조각의 바깥층을 철과 탄화철의 합금인 강철로 만들고, 내부에는 덜 부서지기 쉬운 철을 남겼다.

철 제련의 발달은 전통적으로 후기 청동기 시대 아나톨리아의 히타이트족에게 귀속되어 왔다.^[19] 그들은 철 가공을 독점하고 있었고, 그들의 제국은 그러한 우위에 기반을 두고 있었다고 여겨졌다. 그 이론에 따르면, 후기 청동기 시대 말에 동부 지중해를 침략하여 히타이트 제국을 멸망시킨 고대 해양 민족이 그 지역에 그 지식을 퍼뜨린 장본인이었다. 그러나 히타이트의 독점에 대한 고고학적 증거가 없기 때문에 이 이론은 더 이상 주류 학계에서 받아들여지지 않는다.^[19]

좀 더 최근의 이론은 후기 청동기 시대 말 제국의 붕괴로 인한 구리와 주석 무역로의 붕괴가 철 기술 발전의 원동력이었다고 주장한다.^[19] 특히 주석과 같은 금속은 널리 이용 가능하지 않았고 금속 세공인들은 장거리로 수송해야 했지만, 철광석은 널리 분포되어 있었다. 그러나 초기 철기 시대에 청동이나 주석이 부족했다는 고고학적 증거는 알려진 바 없다.^[20] 청동기는 풍부하게 남아 있었고, 이러한 청동기의 주석 함량은 후기 청동기 시대의 것과 동일하다.

3. 2. 인도 아대륙

인도 아대륙에서 철 야금술의 역사는 기원전 2천년으로 거슬러 올라간다. 갠지스 평원의 고고학 유적지에서는 기원전 1800년에서 1200년 사이의 철기가 발견되었으며,^[21] 기원전 13세기 초에는 인도에서 대규모로 철 제련이 이루어졌다.^[21] 남인도(현재의 마이소르)에서는 기원전 12세기에서 11세기에 철이 사용되었다.^[3] 철 야금 기술은 정치적으로 안정된 마우리아 제국 시대^[22]와 기원전 1천년대 평화로운 정착 시대에 발전했다.^[3]

기원전 600년에서 200년 사이의 못, 칼, 단검, 화살촉, 그릇, 숟가락, 냄비, 도끼, 끌, 집게, 문 장식 등의 철 유물이 인도의 여러 고고학 유적지에서 발견되었다.^[23] 그리스 역사가 헤로도토스는 인도에서 철의 사용에 대한 최초의 서구 기록을 남겼다.^[23] 인도의 신화적 텍스트인 우파니샤드에도 직조, 도자기, 야금술에 대한 언급이 있다.^[24] 로마 제국 시대 굽타 제국 당시 로마인들은 인도산 강철의 우수성을 높이 평가했다.^[28]

단검과 칼집, 인도, 17세기~18세기. 칼날: 금을 박은 다마스커스 강철; 손잡이: 옥; 칼집: 새겨지고, 쫓겨나고, 금박으로 장식된 강철

기원전 500년경, 혹은 서기 200년까지는 남인도에서 도가니 강철 기법으로 고품질 강철이 생산되었다. 이 기법에서는 고순도 연철, 목탄, 유리를 도가니에 섞어 철이 녹아 탄소를 흡수할 때까지 가열했다.^[26]

우츠 강철은 기원전 300년경부터 인도와 스리랑카에서 생산되었으며,^[26] 고전 고대부터 내구성과 날카로움으로 유명했다. 알렉산드로스 대왕이 포루스 왕에게 선물을 고르라고 했을 때, 알렉산드로스는 금이나 은 대신 30파운드의 강철을 선택했다고 한다.^[28] 우츠 강철은 원래 철을 주성분으로 하는 다양한 미량 원소가 혼합된 복합 합금이었다. 최근 연구에 따르면 그 특성은 금속 내 탄소 나노튜브의 형성 때문일 수 있다고 한다.^[27]

세계적으로 가장 주목할 만한 야금술의 신비 중 하나는 쿠트브 콤플렉스의 델리에 위치한 델리의 철주이다. 이 기둥은 연철(98% Fe)로 만들어졌으며, 높이가 거의 7미터이고 무게는 6톤이 넘는다.^[33] 이 기둥은 찬드라굽타 2세 빅라마디티아에 의해 세워졌으며, 1600년 동안 폭우에 노출되었음에도 불구하고 부식이 거의 없었다.

3. 3. 중국

중국에서는 기원전 9세기 후반에 풀무를 이용한 철 유물이 발견되었다.^[37] 기원전 5세기경 오나라에서는 주조 기술이 발달하여 섭씨 1130도의 고온에서 철을 녹여 주형에 부어 제품을 만들었다. 한나라(기원전 202년~서기 220년) 시대에는 정부가 철 제련을 국가 독점으로 운영하였고, 허난성에는 대형 용광로가 건설되어 하루 수 톤의 철을 생산했다.^[39]^[40]^[41] 또한, 연철과 주철을 결합하여 강철을 만드는 기술도 개발되었다. 전설에 따르면 초대 황제 유방의 칼도 이러한 방식으로 만들어졌다.

용광로에서 생철을 가공하여 연철을 만드는 모습. 오른쪽 그림은 용광로에서 작업하는 사람들을 보여준다 (''천공개물'' 백과사전, 1637년)

한나라 시대부터 남양은 철강 산업의 주요 중심지였다.^[42]

왕전의 ''농서''(1313년, 원나라 시대 중국)에 나오는 수차로 작동되는 용광로 풍구의 그림

서기 31년에는 중국 기계 공학자이자 정치인인 두식이 수력을 이용하여 용광로의 풍구를 작동시켰다.^[44] 11세기 송나라 시대에는 철 산업의 발달로 대규모 벌목이 이루어졌으나, 이후 역청 코크스를 사용하면서 우량한 삼림이 보존되었다.^[47]

3. 4. 유럽

유럽에서 가장 오래된 용융 철기는 현재 우크라이나에 있는 카타콤 문화에서 발견된 칼날로, 기원전 2500년경으로 거슬러 올라간다.^[48] 유럽의 중기 및 후기 청동기 시대 대부분 동안 철은 존재했지만 희귀했다. 철은 개인 장신구와 작은 칼, 청동 수리, 이중 금속 제품에 사용되었다.^[49] 중앙 유럽에서 발견된 초기 용융 철기에는 슬로바키아 가노브체(Ganovce)의 철 칼이나 낫(아마 기원전 18세기)^[50], 독일 보어볼데(Vorwohlde)의 철 고리(기원전 15세기경)^[51], 그리고 독일 헤거뮐레(Heegermühle)의 철끌(기원전 1000년경)^[52]^[53]이 있다.

철 야금술은 기원전 9세기부터 최소한 후기 북유럽 청동기 시대 동안 스칸디나비아(Iron Age Scandinavia)에서 시작되었다.^[54] 기원전 11세기에는 특히 그리스에서 남유럽에서 철검이 청동검을 대체했고, 기원전 10세기에는 철이 주요 금속이 되었다.^[55] 카르파티아 분지에서는 기원전 10세기부터 철기 출토량이 크게 증가했으며, 일부 유물은 기원전 12세기까지 거슬러 올라갈 수 있다.^[56] 기원전 10세기의 중앙 유럽에서 철검이 발견되었지만, 철기 시대는 기원전 800년 할슈타트 문화부터 본격적으로 시작되었다.^[57]

기원전 500년부터 라 텐 문화는 철 생산의 급증을 보였고, 남부 스칸디나비아에서도 철 야금술이 일반화되었다. 스웨덴 북부에서는 북쪽의 끝에서 사냥꾼-채집인들의 동서 이동을 통해 기원전 0년경까지 강철 제조가 이루어졌다.^[58]^[59] 중앙 및 서유럽에서 철 가공의 확산은 켈트족(Celts)의 확장과 관련이 있다. 켈트 대장장이들은 기원전 800년경부터 검 제작의 일환으로 강철을 생산했으며,^[60] 기원전 490년 이후 영국 브록스마우스(Broxmouth)에서 고탄소강 생산의 증거가 발견되었다.^[61] 기원전 1세기까지 노리쿰 강철은 그 품질로 유명했고 로마 군대에서 인기가 많았다.

로마 제국의 연간 철 생산량은 84,750톤으로 추산된다.^[62]

3. 5. 아프리카

고고학적 금속학적 과학적 지식과 기술 발전은 아프리카의 여러 중심지에서 시작되었다. 기원 중심지는 서아프리카, 중앙아프리카 및 동아프리카에 위치해 있었다. 따라서 이러한 기원 중심지가 아프리카 내부에 위치해 있기 때문에 이러한 고고학적 금속학적 발전은 아프리카 고유의 기술이다.^[63] 나이지리아 레자에서는 기원전 2631년~기원전 2458년, 중앙아프리카 공화국 오부이에서는 기원전 2136년~기원전 1921년, 니제르 치레 우마 147에서는 기원전 1895년~기원전 1370년, 토고 데크파산와레에서는 기원전 1297년~기원전 1051년에 철 야금술이 발달했다.^[63]

일부 불확실성이 있지만, 일부 고고학자들은 철 야금술이 사하라 이남 아프리카(아마도 서아프리카)에서 독자적으로 개발되었다고 믿고 있다.^[64]^[65] 니제르 동부 테르밋 주민들은 기원전 1500년경에 철을 제련했다.^[66]

니제르의 아이르 산맥 지역에서도 기원전 2500년에서 기원전 1500년 사이에 독자적인 구리 제련의 흔적이 있다. 이 과정은 발달된 상태가 아니었으며, 제련이 외래 기술이 아니었음을 나타낸다. 기원전 1500년경에 성숙기에 이르렀다.^[67]

철 제련로와 슬래그가 포함된 고고학 유적지는 현재 이보족 지역인 나이지리아 남동부 누스카 지역의 유적지에서도 발굴되었다. 레자 유적지에서는 기원전 2000년(Eze-Uzomaka 2009)^[68]^[65], 오피 유적지(오피)에서는 기원전 750년(Holl 2009)으로 거슬러 올라간다.^[65] 중앙아프리카 공화국의 그바비리 유적지에서는 환원로와 대장간에서 철 야금술의 증거가 발견되었는데, 각각 기원전 896년~기원전 773년과 기원전 907년~기원전 796년으로 가장 이른 시기가 나타납니다.^[69]

탄소강이 탄자니아 서부에서 하야족 조상들에 의해 기원전 300년 또는 그 직후(약 2300~2000년 전)에 "예열"이라는 복잡한 과정을 통해 용광로 내부 온도가 섭씨 1300~1400도에 도달하도록 만들어졌다는 증거도 있다.^[71]^[72]^[73]^[74]^[75]^[76]

철과 구리 작업은 아프리카 대륙 남쪽으로 퍼져 서기 200년경에 희망봉에 도달했다.^[5]^[6] 철의 광범위한 사용은 그것을 채택한 반투어족 사용 농업 공동체에 혁명을 일으켰으며, 그들이 더 넓은 사바나 지역을 경작하기 위해 확장함에 따라 만난 석기 사용 수렵 채집 사회를 몰아내고 흡수했다. 기술적으로 우수한 반투어 사용자들은 남아프리카 전역으로 퍼져 부유하고 강력해졌으며, 대량의 산업적 규모로 도구와 무기를 위한 철을 생산했다.^[5]^[6]

동아프리카에서 용광로 형태의 용광로에 대한 가장 초기 기록은 기원전 7세기와 6세기 사이로 거슬러 올라가는 누비아에서 제련된 철과 탄소의 발견이다.^[77]^[78]^[79] 특히 메로에에서는 누비아인과 쿠시트인을 위한 금속 도구를 생산하고 경제를 위해 잉여를 생산하는 고대 용광로가 있었던 것으로 알려져 있다.

4. 중세 및 근대 유럽의 철 제련 기술

유럽의 철 생산 기술은 수 세기 동안 큰 변화 없이 용광로(bloomery)에서 철을 생산하는 방식이었다. 그러나 중세 시대에는 두 가지 중요한 발전이 있었는데, 여러 지역에서 용광로 공정에 수력을 사용하기 시작했고, 주철이 유럽에서 처음으로 생산되기 시작했다는 점이다.

; 동력 제철소

중세 시대에는 수력을 이용한 동력 제철소가 등장하여 생산성이 크게 향상되었다.^[84] 시토회의 클레르보 수도원에서 1135년 초에 이미 사용되었을 가능성이 있지만, 13세기 초 프랑스와 스웨덴에서는 확실히 사용되었다. 잉글랜드에서는 1408년 더럼 주교의 베드번 근처 대장간 기록에서 최초로 확인된다.^[84] 잉글랜드 퍼니스 지역에서는 18세기 초까지, 가스탕 근처에서는 1770년경까지 동력 블루머리가 사용되었다. 19세기 중반 뉴욕주 북부에서는 열풍을 사용한 블루머리가 사용되었다.

; 용광로

유럽에서 선호되었던 철 생산 방식은 1783년에서 1784년 사이 용융법이 개발되기 전까지 철괴를 연철로 가공하여 생산하는 방식이었다.^[86] 그러나 주철 개발은 유럽에서 뒤처졌는데, 이는 연철이 원하는 제품이었고, 주철 생산에는 값비싼 용광로와 돼지철을 주철로 정련하는 과정이 필요했으며, 그 후 연철로 전환하는 데 많은 노동력과 자본이 필요했기 때문이다.^[86]

서유럽에서 가장 초기의 주철 주조는 스웨덴의 라프히탄과 비나르히탄 두 곳에서 1150년에서 1350년 사이에 이루어졌다.^[86] 일부 학자들은 이러한 관행이 몽골을 따라 러시아를 거쳐 이 지역으로 전파되었다고 추측하지만, 이 가설을 명확하게 증명하는 것은 없으며, 이는 많은 철 생산 중심지의 몽골 이전 시대를 설명하지 못할 것이다.^[86] 14세기 후반에는 주철 포탄에 대한 수요가 생겨나면서 주철 제품에 대한 시장이 형성되기 시작했다.

; 정련로

15세기 나뮈르 지역에서 고안된 정련로는 주철을 탈탄하여 연철로 전환하는 효율적인 방법이었다. 15세기 말까지 이 왈롱 제철법은 노르망디의 동쪽 경계인 ''Pay de Bray''로 퍼져나갔고, 그 후 영국으로 전파되어 1600년까지 영국에서 주철을 만드는 주요 방법이 되었다. 17세기 초 루이 드 게르에 의해 스웨덴에 소개되었고, 영국 제강업체들이 선호하는 오레그라운드 철을 만드는 데 사용되었다.

이것의 변형으로 독일식 정련로가 있다. 이것은 스웨덴에서 철괴를 생산하는 주요 방법이 되었다.

; 침탄법

17세기 초, 서유럽의 철공들은 연철에 탄소를 첨가하는 침탄 공정을 개발하였다.^[85] 연철 막대와 숯을 돌 상자에 채워 점토로 밀봉한 후, 산소가 없는 상태에서 거의 순수한 탄소(숯)에 담가 최대 일주일 동안 붉은 열을 유지했다. 이 기간 동안 탄소가 철의 표면층으로 확산되어 '시멘트강' 또는 '수포강'을 생성했다. 이는 표면 경화로도 알려져 있으며, 철로 감싼 부분(곡괭이 또는 도끼날)이 도끼 머리나 자루 소켓처럼 점토로 절연되어 탄소원으로부터 보호된 부분보다 더 단단해졌다.^[85] 이 공정이 영국에서 처음 사용된 곳은 1619년 콜브룩데일이었는데, 바실 브룩 경이 두 개의 침탄로를 보유하고 있었다.^[85] 1610년대 한때 그는 이 공정에 대한 특허를 소유했지만 1619년에 이를 포기해야 했다. 그는 아마도 딘 숲의 철을 원료로 사용했지만, 곧 광산 철이 더 적합하다는 것을 알게 되었다.^[85] 소둔을 통해 강철의 품질을 향상시켜 소위 쉬어 강철을 생산할 수 있었다.

; 도가니강

1740년대에 벤자민 헌츠먼은 시멘테이션 공정으로 만든 물집강을 도가니에서 용융하는 방법을 발견했다. 그 결과 얻어진 도가니강은 보통 주괴로 주조되었으며, 물집강보다 더 균질했다.^[86]

4. 1. 동력 제철소

중세 시대에는 수력을 이용한 동력 제철소가 등장하여 생산성이 향상되었다.^[84] 시토회의 클레르보 수도원에서 1135년 초에 이미 사용되었을 가능성이 있지만, 13세기 초 프랑스와 스웨덴에서는 확실히 사용되었다. 잉글랜드에서는 1408년 더럼 주교의 베드번 근처 대장간 기록에서 최초로 확인된다.^[84] 잉글랜드 퍼니스 지역에서는 18세기 초까지, 가스탕 근처에서는 1770년경까지 동력 블루머리가 사용되었다. 19세기 중반 뉴욕주 북부에서는 열풍을 사용한 블루머리가 사용되었다.

4. 2. 용광로

유럽에서 선호되었던 철 생산 방식은 1783년에서 1784년 사이 용융법이 개발되기 전까지 철괴를 연철로 가공하여 생산하는 방식이었다.^[86] 그러나 주철 개발은 유럽에서 뒤처졌는데, 이는 연철이 원하는 제품이었고, 주철 생산에는 값비싼 용광로와 돼지철을 주철로 정련하는 과정이 필요했으며, 그 후 연철로 전환하는 데 많은 노동력과 자본이 필요했기 때문이다.^[86]

서유럽에서 가장 초기의 주철 주조는 스웨덴의 라프히탄과 비나르히탄 두 곳에서 1150년에서 1350년 사이에 이루어졌다.^[86] 일부 학자들은 이러한 관행이 몽골을 따라 러시아를 거쳐 이 지역으로 전파되었다고 추측하지만, 이 가설을 명확하게 증명하는 것은 없으며, 이는 많은 철 생산 중심지의 몽골 이전 시대를 설명하지 못할 것이다.^[86] 14세기 후반에는 주철 포탄에 대한 수요가 생겨나면서 주철 제품에 대한 시장이 형성되기 시작했다.

4. 3. 정련로

15세기 나뮈르 지역에서 고안된 정련로는 주철을 탈탄하여 연철로 전환하는 효율적인 방법이었다. 15세기 말까지 이 왈롱 제철법은 노르망디의 동쪽 경계인 ''Pay de Bray''로 퍼져나갔고, 그 후 영국으로 전파되어 1600년까지 영국에서 주철을 만드는 주요 방법이 되었다. 17세기 초 루이 드 게르에 의해 스웨덴에 소개되었고, 영국 제강업체들이 선호하는 오레그라운드 철을 만드는 데 사용되었다.

이것의 변형으로 독일식 정련로가 있다. 이것은 스웨덴에서 철괴를 생산하는 주요 방법이 되었다.

4. 4. 침탄법

17세기 초, 서유럽의 철공들은 연철에 탄소를 첨가하는 침탄 공정을 개발하였다.^[85] 연철 막대와 숯을 돌 상자에 채워 점토로 밀봉한 후, 산소가 없는 상태에서 거의 순수한 탄소(숯)에 담가 최대 일주일 동안 붉은 열을 유지했다. 이 기간 동안 탄소가 철의 표면층으로 확산되어 '시멘트강' 또는 '수포강'을 생성했다. 이는 표면 경화로도 알려져 있으며, 철로 감싼 부분(곡괭이 또는 도끼날)이 도끼 머리나 자루 소켓처럼 점토로 절연되어 탄소원으로부터 보호된 부분보다 더 단단해졌다.^[85] 이 공정이 영국에서 처음 사용된 곳은 1619년 콜브룩데일이었는데, 바실 브룩 경이 두 개의 침탄로를 보유하고 있었다.^[85] 1610년대 한때 그는 이 공정에 대한 특허를 소유했지만 1619년에 이를 포기해야 했다. 그는 아마도 딘 숲의 철을 원료로 사용했지만, 곧 광산 철이 더 적합하다는 것을 알게 되었다.^[85] 소둔을 통해 강철의 품질을 향상시켜 소위 쉬어 강철을 생산할 수 있었다.

4. 5. 도가니강

1740년대에 벤자민 헌츠먼은 시멘테이션 공정으로 만든 물집강을 도가니에서 용융하는 방법을 발견했다. 그 결과 얻어진 도가니강은 보통 주괴로 주조되었으며, 물집강보다 더 균질했다.^[86]

5. 산업 혁명과 철강 산업

일부 용광로 제강의 생산을 제외하고, 영국의 강철은 시멘테이션 공정을 통해 계속 생산되었으며, 때로는 재용융하여 용광로 강철을 생산하기도 했다. 이들은 원료가 특히 스웨덴 광산 철인 덩어리 철을 사용하는 배치 기반 공정이였다.

저렴한 강철을 대량 생산하는 문제는 1855년 헨리 베서머가 영국 셰필드의 제철소에 베서머 전로를 도입하면서 해결되었다. (초기 전로는 도시의 켈햄 아일랜드 박물관에서 여전히 볼 수 있다.) 베서머법에서는 용광로에서 나온 용융 주철을 큰 용기에 넣은 다음, 아래에서 용융철에 공기를 불어넣어 코크스에서 용해된 탄소에 불을 붙였다. 탄소가 연소되면서 혼합물의 녹는점이 증가했지만, 타는 탄소에서 나오는 열이 혼합물을 용융 상태로 유지하는 데 필요한 추가 에너지를 제공했다. 용융물의 탄소 함량이 원하는 수준으로 떨어지면 공기 송풍을 중단했다. 일반적인 베서머 전로는 25톤의 주철을 30분 만에 강철로 전환할 수 있었다.

1860년대에는 재생로와 고온 내화물 라이닝의 개발을 통해 평로에서 강철을 용융할 수 있게 되었다. 이것은 느리고 에너지 집약적이었지만, 제품의 화학적 구성을 더 잘 제어하고 철 스크랩을 재활용할 수 있게 해주었다.

베서머 전로와 초기 평로의 산성 내화물 라이닝은 석회를 사용하여 강철에서 인을 제거할 수 없었기 때문에, 유럽 대륙에 풍부한 인 철광석을 이용하기 위해 용광로 제강로의 수명이 연장되었다. 그러나 1870년대에는 길크리스트-토마스법이 개발되었고, 나중에는 평로에도 기본 라이닝이 채택되었다.

마지막으로, 1952년 보에스트-알파인 제철소에서 전로법이 도입되었다. 기본 베서머법을 수정한 이 방법은 강철 위에서 산소를 분사(아래에서 공기를 거품으로 발생시키는 대신)하여 강철로의 질소 흡수량을 줄였다. 전로법은 모든 현대 제철소에서 사용되고 있으며, 미국의 마지막 베세머 전로는 1968년에 폐기되었다. 또한, 지난 30년 동안 스크랩 강철만을 전기로로 용융하는 소규모 제철소 사업이 크게 증가했다. 이러한 제철소는 처음에는 봉형 제품만 생산했지만, 이후 통합 제철소의 독점 영역이었던 평판 및 중량 제품으로 확장되었다.

19세기의 이러한 발전 이전까지 강철은 값비싼 상품이었으며, 공구의 날카로운 부분이나 스프링과 같이 특히 단단하거나 유연한 금속이 필요한 제한된 용도로만 사용되었다. 저렴한 강철의 광범위한 이용 가능성은 우리가 알고 있는 제2차 산업혁명과 현대 사회에 힘을 실어주었다. 연강은 결국 거의 모든 용도에서 연철을 대체했으며, 연철은 더 이상 상업적으로 생산되지 않습니다. 사소한 예외를 제외하고, 합금강은 19세기 후반에 이르러서야 생산되기 시작했다. 스테인리스강은 제1차 세계 대전 직전에 개발되었고 1920년대까지는 널리 사용되지 않았다.

5. 1. 코크스 제철법

18세기 초, 에이브러햄 더비 1세는 코크스를 연료로 사용하는 제철법을 개발하여 철의 대량 생산의 길을 열었다. 이 방법은 이전까지 유일한 야금용 연료였던 목탄의 부족 문제를 해결하고, 석탄 매장량이 풍부한 영국의 제철 기술 발전에 중요한 토대가 되었다.

고대와 중세에는 철광석을 충분히 녹일 만한 높은 온도를 얻기 어려웠고, 광재(鑛滓)가 철과 분리되지 않아 반용융 형태의 철을 여러 번 단련해야 했다. 이를 연철이라 했다. 14세기 초 라인강 유역에서 목탄을 연료로 사용하는 용광로가 발명되면서 철을 용융 상태로 대량 생산할 수 있게 되었고, 이는 판철 생산으로 이어졌다.

16세기부터 뉴캐슬의 석탄이 대륙으로 대량 수출되었고, 석탄을 연료로 철을 제조하는 방법이 연구되기 시작했다. 더드 더들리는 《석탄에 의한 제출》(1665)에서 석탄을 이용한 제철법을 제시하기도 했다.

에이브러햄 더비 1세는 1709년 슈롭셔주 콜브룩데일(Coalbrookdale)에서 코크스를 사용하여 철을 제조하는 데 성공했다.^[90] 그는 모래형(砂型) 주조법을 발명하여 특허를 받았으며, 코크스를 질 좋은 숯과 배합하거나 가루 코크스와 이탄만을 사용하기도 했다. 그의 아들 에이브러햄 더비 2세는 코크스 제철법을 계승, 발전시켜 1735년 본격적인 코크스 고로 제철을 확립했다. 1755년 에이브러햄 더비 2세는 호스헤이(Horsehay)에 새로운 코크 사용 용광로를 건설했고, 이후 다른 용광로들이 건설되었다. 이들 용광로는 전통적인 방식의 정련로에 코크 돼지철을 공급하여 판철을 생산했다.^[91]

5. 2. 퍼들법

18세기 후반, 헨리 코트는 퍼들법을 발명하여 선철을 연철로 전환하는 효율적인 방법을 제시했다.^[92] 코트는 런던에서 철을 수입하여 해군에 납품하는 일을 하다가, 1775년 포츠머드항에 제철공장을 건설하고 선철을 연철로 만드는 연구를 시작하였다. 1784년, 그는 퍼들로(puddling furnace)라고 불리는 반사로를 발명하여, 석탄을 연료로 선철을 가단철(연철)로 바꾸는 데 성공하였다.

퍼들법은 새로운 기계 제작에 필요한 연철을 대량으로 생산하여 19세기 초 공업 발전에 크게 기여했다. 코트는 1783년에 홈 롤러를 갖춘 압연기를 발명하여 퍼들 압연법이라는 새로운 기술 체계를 창시하기도 했다.^[92] 이는 "조그만 노와 수차, 해머에 의한 목가적인 산업"에서 "커다란 반사로와 증기 기관, 압연기에 의한 대량 생산"으로의 전환을 이끌었다.

1760년대에 고안되어 1770년대에 개량된 용광로에 넣고 찍어내는 공정은 1785년경부터 웨스트 미들랜즈 지역에서 널리 채택되었으나, 1790년경 헨리 코트의 용융 공정으로 대체되었다.^[92] 19세기 초, 홀은 산화철을 첨가하면 주철이 탈탄되는 '습식 용융'을 발견했다.^[92]

5. 3. 열풍법

19세기 초, 스코틀랜드의 제임스 보먼트 닐슨이 열풍법으로의 변화에 대한 특허를 받으면서 용광로의 효율이 향상되었다.^[87] 이는 생산 비용을 더욱 절감하는 결과를 가져왔다. 수십 년 안에, 용광로 옆에 용광로만큼 큰 '가열로'를 설치하여 용광로에서 나오는 폐가스(CO 포함)를 유입시켜 연소시키는 것이 일반적인 관행이 되었다.^[93] 발생한 열은 용광로에 불어넣는 공기를 예열하는 데 사용되었다.

5. 4. 베서머 전로

1855년 헨리 베서머는 베서머 전로를 발명하여 강철 대량 생산 시대를 열었다. 베서머 전로는 용융 주철을 큰 용기에 넣고 아래에서 공기를 불어넣어 탄소를 연소시키는 방식으로 작동했다. 탄소가 연소되면서 발생하는 열은 혼합물을 용융 상태로 유지하는 데 필요한 에너지를 제공했고, 탄소 함량이 원하는 수준으로 떨어지면 공기 송풍을 중단했다. 일반적인 베서머 전로는 25톤의 주철을 30분 만에 강철로 전환할 수 있었다. 초기 전로는 영국 셰필드의 켈햄 아일랜드 박물관에서 볼 수 있다.

5. 5. 평로

1855년 헨리 베서머의 취정제강법 특허 이후, 연철에서 강철로의 새로운 시대가 시작되었다. 1860년대에는 평로에서 강철을 용융할 수 있게 되었는데, 이를 통해 강철의 화학적 구성을 더 잘 제어하고 철 스크랩을 재활용할 수 있었다. 평로는 느리고 에너지 집약적이었지만, 제품의 화학적 구성을 더 잘 제어할수 있게 하였다.

6. 현대의 철강 산업

철강 산업은 사회기반시설 및 전반적인 경제 개발에 있어 철강이 차지하는 중요한 역할 때문에 종종 경제 발전의 지표로 여겨진다.^[94] 1980년에는 미국 철강 노동자 수가 50만 명이 넘었지만, 2000년에는 22만 4천 명으로 감소했다.^[95]

20세기 후반, 중국과 인도의 경제 호황으로 인해 철강 수요가 급증했다. 2000년부터 2005년까지 세계 철강 수요는 6% 증가했다. 2000년 이후 타타 스틸(2007년 코러스 그룹 인수), 바오강 그룹, 사강 그룹 등 여러 인도^[96] 및 중국 철강 회사들이 두각을 나타냈다. 하지만, , 아르셀로미탈이 세계 최대 철강 생산 업체이다.^[97] 2005년 영국 지질 조사소는 중국이 세계 시장 점유율의 약 1/3을 차지하며 최대 철강 생산국이라고 밝혔다. 일본, 러시아, 미국이 그 뒤를 이었다.^[98]

철강의 대량 생산은 주요 생산 방식과 관련된 상당한 양의 이산화탄소 배출을 초래한다. 2019년에는 세계 이산화탄소 배출량의 7~9%가 철강 산업에서 발생한 것으로 추산되었다.^[99] 이러한 배출량 감소는 코크스를 사용하는 주요 생산 방식의 전환, 철강 재활용 증가, 그리고 탄소 포집 및 저장 또는 탄소 포집 및 활용 기술의 적용을 통해 이루어질 것으로 예상된다.

2008년, 철강은 런던금속거래소에서 상품으로서 거래되기 시작했다. 2008년 말, 철강 산업은 급격한 경기 침체를 겪었고 많은 감축으로 이어졌다.^[100]

7. 한국의 철기 시대와 철강 산업

7. 1. 고대 한국의 철기 문화

7. 2. 고려시대와 조선시대의 철 생산

7. 3. 현대 한국의 철강 산업

8. 철강 산업의 미래와 과제

9. 같이 보기

10. 주해

11. 외부 링크

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