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선철

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목차

1. 개요

선철은 용광로에서 생산되는 철의 중간 생산물로, 주괴 모양이 어미 돼지가 새끼 돼지를 젖 먹이는 모습과 유사하여 이름 붙여졌다. 고대부터 생산되었으며, 중국에서는 기원전 256년경부터 선철을 만들었다는 기록이 있다. 선철은 연철, 회색 주철, 구상흑연 주철 등 다양한 형태로 가공되며, 강철 생산의 기초 재료로 사용된다. 현대에는 용융선철을 제강로에서 바로 사용하거나, 주철괴로 주조하여 재사용 및 재판매한다. 선철 생산량은 중국이 압도적으로 많다.

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선철

2. 어원

선철 주괴에 사용되는 거푸집의 전통적인 모양은 모래에서 형성된 가지 구조이며, 많은 개별 주괴가 중앙수로 또는 "달리기"에 직각으로 형성되어 있다. 이는 마치 어미 돼지가 새끼 돼지들을 돌보는 모습과 유사하다. 쇠가 식고 굳으면 작은 솥(돼지)이 단순히 주자(어미 돼지)에서 떨어져 나오는데, 여기서 '선철'이라는 이름이 붙었다.[3] 선철은 다시 녹여 쓰기 위한 것이므로 솥의 크기가 고르지 않고 모래가 소량 포함되어 있어도 주조와 취급이 용이하다는 점에서 별문제가 되지 않는다.[4]

3. 역사

고대 유럽과 중동에서는 연철 제련 및 생산 기술이 알려져 있었지만, 이는 직접 환원에 의한 괴철로 생산 방식이었다. 모든 철로에서 슬래그에 분산된 선철의 작은 프릴이 생산되었으나, 용광로에서 철이 액체로 상전이 되는 것은 피해야 할 현상이었다. 이 작은 선철 덩어리들은 가단성이 없어 한 조각으로 망치질할 수 없었고, 선철을 강철로 탈탄하는 것은 중세 기술로는 매우 힘든 과정이었기 때문에, 중세 이전 유럽에서는 슬래그와 함께 폐기되었다.[8]

중국에서는 주 왕조 말기(기원전 256년)에 이미 선철을 만들고 있었다.[5] 스웨덴의 라피탄과 같은 용광로는 12세기, 일부는 13세기까지 거슬러 올라가며, 현재 독일 웨스트팔리아의 일부인 마르크 현에 위치한다.[6] 이러한 북유럽의 발전이 중국에서 비롯된 것인지는 아직 밝혀지지 않았다. 바그너는[7] 실크로드를 통한 중국과 페르시아의 접촉, 바이킹과 페르시아의 접촉을 통해 연결되었을 가능성을 제시했지만,[5] 바이킹과 라피탄 사이에는 시간적 차이가 존재한다.

1890년에서 1901년 사이 시카고의 이로쿼이 제철소에서 주철 주조

3. 1. 고대 및 중세

고대 유럽과 중동에서는 연철을 제련하고 생산하는 것이 알려졌지만, 직접 환원에 의해 괴철로에서 생산되었다. 슬래그에 분산된 선철의 작은 프릴은 모든 철로에서 생산되지만, 용광로에서 철이 액체로 상전이 되는 것은 피할 수 있는 현상이었다. 이 구상체들은 가단성이 없어서 한 조각으로 망치질할 수 없고, 선철을 강철로 탈탄하는 것은 중세 기술을 사용하는 매우 지루한 과정이었기 때문에 중세 이전의 유럽에서는 슬래그와 함께 프릴이 폐기되었다.[8]

중국에서는 이미 후주 왕조 (기원전 256년에 끝났음)에 선철을 만들고 있었다.[5] 스웨덴의 라피탄과 같은 용광로는 12세기로 거슬러 올라갈 수 있고, 일부는 13세기로 거슬러 올라가며, 현재 독일 웨스트팔리아의 일부인 마르크 현에 있다.[6] 이러한 북유럽의 발전이 중국의 발전에서 비롯된 것인지는 아직 밝혀지지 않았다. 바그너는[7] 실크로드를 따라 중국과의 페르시아 접촉, 바이킹과 페르시아의 접촉을 통해 가능한 연결고리를 상정했지만,[5] 바이킹과 라피탄 사이에는 시간적인 차이가 있다.

3. 2. 근대

중국에서는 이미 후주(周) 왕조 말기(기원전 256년 종결)에 돼지철을 생산하고 있었다.[5] 스웨덴의 라프히탄(Lapphyttan)과 같은 용광로는 12세기까지 거슬러 올라갈 수 있으며, 현재 독일 베스트팔리아(Westphalia)의 일부인 마르크(County of Mark)의 일부 용광로는 13세기까지 거슬러 올라간다.[6] 이러한 북유럽의 발전이 중국에서 유래한 것인지는 아직 밝혀지지 않았다. 바그너(Wagner)는[7] 실크로드(Silk Road)를 따라 중국과 페르시아의 접촉, 그리고 페르시아와 바이킹의 접촉을 통한 가능성 있는 연관성을 제기했지만,[5] 바이킹 시대와 라프히탄 사이에는 시간적 간격이 존재한다.

고대 유럽과 중동에서는 연철 제련 및 생산이 알려져 있었지만, 블루머리에서 직접 환원 방식으로 생산되었다. 모든 용광로에서 슬래그(slag)에 분산된 소량의 돼지철이 생산되지만, 블루머리 작업자는 용광로 내에서 철의 액체로의 상전이를 일으키는 조건을 피해야 했다. 왜냐하면 작은 돼지철 덩어리 또는 그 결과 생성되는 돼지철은 가단성이 없어 한 조각으로 두들겨 펼 수 없기 때문이다. 또한 중세 기술을 사용하여 돼지철을 강으로 탈탄하는 것은 매우 지루한 과정이었기 때문에, 중세 이전 유럽에서는 작은 돼지철 덩어리는 슬래그와 함께 버려졌다.[8]

3. 3. 현대

중국에서는 이미 후주(周) 왕조 말기(기원전 256년 종결)에 선철을 생산하고 있었다.[5] 스웨덴의 라프히탄(Lapphyttan)과 같은 용광로는 12세기까지 거슬러 올라갈 수 있으며, 현재 독일 베스트팔리아(Westphalia)의 일부인 마르크(County of Mark)의 일부 용광로는 13세기까지 거슬러 올라간다.[6] 이러한 북유럽의 발전이 중국에서 유래한 것인지는 아직 밝혀지지 않았다. 바그너(Wagner)[7]는 실크로드를 따라 중국과 페르시아의 접촉, 페르시아와 바이킹의 접촉을 통한 가능성 있는 연관성을 제기했지만,[5] 바이킹 시대와 라프히탄 사이에는 시간적 간격이 존재한다.

고대 유럽과 중동에서는 연철 제련 및 생산이 알려져 있었지만, 블루머리에서 직접 환원 방식으로 생산되었다. 모든 용광로에서 슬래그(slag)에 분산된 소량의 돼지철이 생산되지만, 블루머리 작업자는 용광로 내에서 철의 액체로의 상전이를 일으키는 조건을 피해야 했다. 왜냐하면 작은 돼지철 덩어리 또는 그 결과 생성되는 돼지철은 가단성이 없어 한 조각으로 두들겨 펼 수 없기 때문이다. 중세 기술을 사용하여 돼지철을 강으로 탈탄하는 것은 매우 지루한 과정이었기 때문에, 중세 이전 유럽에서는 작은 돼지철 덩어리는 슬래그와 함께 버려졌다.[8]

4. 용도

선철은 주로 제강과 주물에 사용된다.


  • 제강: 전로나 평로를 이용하여 탄소 함량을 4% 전후에서 2% 이하로 낮추는 공정(제강)을 거쳐 강을 생산한다. 전기로 제강법에서 성분 조절용으로도 첨가된다.
  • 주물: 성분을 조절하여 주형에 부어 주철을 만든다.


일본 제국 육군은 야포·산포용 유탄을 보충하는 대용품으로 탄피를 선철로 만든 "선철제 유탄"을 사용했다. 선철은 단단하지만 잘 부서지기 때문에, 파편이 강철제 유탄보다 미세해져 살상 능력은 떨어졌다. 하지만, 다른 나라의 선철제 유탄과 마찬가지로 두껍게 만들어 효력을 높이도록 설계되었다.

4. 1. 제강용 선철

전통적으로 용광로에서 생산된 선철은 연철로 가공되었는데, 초기에는 용광로에서, 후에는 퍼들링 용광로에서, 그리고 최근에는 강철로 가공되었다.[9] 이러한 과정에서 선철은 용융되고 강한 공기 흐름이 선철 위로 향하게 되며, 동시에 선철은 교반되거나 휘저어진다. 이로 인해 용해된 불순물(예: 실리콘)이 완전히 산화된다. 퍼들링의 중간 생성물은 ''정련 선철'', ''정련 금속'' 또는 ''정련철''로 알려져 있다.[10]

선철은 회색 주철을 생산하는 데에도 사용될 수 있다. 이는 선철을 재용융하여, 종종 상당량의 강철과 고철과 함께 불필요한 오염 물질을 제거하고, 합금을 첨가하며, 탄소 함량을 조정함으로써 달성된다. 특정 고순도 선철을 사용하여 구상흑연 주철을 생산할 수도 있다.

용광로에서 녹인 선철은 과거에는 대부분 액체 상태로 도랑을 통해 용기에 담아 제철소로 옮겼다. 이 상태의 선철을 "용융선철"이라고 불렀다. 그런 다음 용융선철을 제강로(전기로, 유도로 또는 전로 등)에 부어 넣어 제강을 했다. 이때 과도한 탄소가 제거되고 합금의 조성이 조절되었다. 초기에는 정련로, 용융로, 베세머법, 평로 등의 공정이 사용되었다.

현대의 제철소와 직접환원제철소에서는 용융된 철을 용기에 옮겨 제강로에서 바로 사용하거나, 주철괴 제작기에 주철괴로 주조하여 재사용하거나 재판매한다. 현대의 주철괴 제작기는 작은 4~10kg의 괴철로 부서지는 막대형 주철괴를 생산한다.

제강용 선철은 전로나 평로를 이용하여 탄소 함량을 4% 전후에서 2% 이하로 낮추는 처리가 가해진다. 이 공정(이것을 "제강"이라고 한다)에 의해 강이 생산된다. 또한, 전기로에서 스크랩(고철)을 녹여 제강할 때에도 성분 조절용으로 첨가된다.

4. 2. 주물용 선철

선철은 용광로에서 생산되어 연철이나 강철로 가공되거나, 회색 주철 생산에 사용된다.[9] 회색 주철은 선철을 재용융하여 불순물을 제거하고 탄소 함량을 조정하여 만든다. 특정 고순도 선철은 구상흑연 주철 생산에 사용되는데, 이 선철은 실리콘, 망간, 황, 인 등의 원소 함량이 낮아야 한다. 고순도 선철은 구상흑연 주철 용해물 속의 다른 원소들을 희석하는 역할을 한다.

주물용 선철은 성분을 조절한 후 주형에 부어 주철을 만드는 데 사용된다. 일본 제국 육군은 야포·산포용 유탄을 보충하기 위해 탄피를 선철로 만든 "선철제 유탄"을 사용하기도 했다. 선철제 유탄은 강철제 유탄보다 파편이 작아 살상력은 떨어졌지만, 포탄을 두껍게 만들어 위력을 보완했다.

4. 3. 기타 용도

전통적으로 용광로에서 생산된 선철은 연철이나 강철로 가공되었다.[9] 선철은 회색 주철을 생산하는 데에도 사용될 수 있는데, 이는 선철을 재용융하여 불순물을 제거하고 탄소 함량을 조정하여 만든다. 특정 고순도 선철은 구상흑연 주철 생산에 사용되기도 한다.

용광로에서 녹인 선철은 과거에는 대부분 액체 상태("용융선철")로 제철소로 옮겨져 제강로에서 강을 만드는 데 사용되었다. 현대의 제철소와 직접환원제철소에서는 용융된 철을 제강로에서 바로 사용하거나, 주철괴로 주조하여 재사용 또는 재판매한다.

선철은 탄소 함량이 높아 단단하지만 잘 부서지므로 구조용 재료로는 사용되지 않는다. 용융된 선철을 급냉하면 세멘타이트가 주성분인 "백선철"이 된다.

선철은 제조 방식에 따라 "고로선"과 "전기로선"으로 나뉜다. 현대 일본에서는 고로선이 주류를 이룬다. 고로나 전기로에서 꺼낸 채 용융된 선철은 "용선", 식혀서 굳힌 선철은 "냉선"이라고 한다.

선철의 용도는 주로 제강과 주물이다. 제강용 선철은 전로나 평로를 이용하여 강을 생산하며, 전기로 제강법에서 성분 조절용으로도 첨가된다. 주물용 선철은 주철 제조에 사용된다.

일본 제국 육군은 야포·산포용 유탄을 보충하는 대용품으로 탄피를 선철로 만든 "선철제 유탄"을 사용했다. 선철제 유탄은 강철제 유탄보다 파편이 미세하여 살상 능력은 떨어지지만, 두껍게 설계하여 효력을 높였다.

5. 생산

선철은 세계 여러 나라에서 생산되지만, 생산량은 중국이 압도적으로 많다.

1993년에는 1위인 중국이 9000만ton이 조금 못 미쳤으나, 경제 성장에 힘입어 2000년에는 약 1.3억ton에 달했고, 2000년 이후 생산량이 급증하여 2005년에는 약 3.3억ton에 이르렀다. 2위인 일본이나 3위인 구 소련 국가들과 비교하면 그 차이는 약 4배에 달한다.

2005년 기준 생산량 2위는 일본으로 8200만ton이 조금 넘었고, 3위는 구 소련 국가들(독립국가연합)로 약 8000만ton이었다.[11]

참조

[1] 서적 The Making, Shaping and Treating of Steel https://archive.org/[...] Carnegie Steel Co.
[2] 웹사이트 Reminiscences of the early anthracite-iron industry http://www.thehopkin[...] 2016-12-05
[3] 서적 Glossary of Metalworking Terms https://books.google[...] Industrial Press 2003-01-01
[4] 서적 The Making, Shaping, and Treating of Steel: Ironmaking volume https://web.archive.[...] AISE Steel Foundation 1999-01-01
[5] 서적 Iron and Steel in Ancient China Brill Publishers
[6] 간행물 The importance of ironmaking: technical innovation and social change: papers presented at the Norberg Conference, May 1995 Jernkontorets Berghistoriska Utskott
[7] 학술지 Donald B. Wagner : Iron and Steel in Ancient China https://www.persee.f[...]
[8] 웹사이트 Medieval Iron in Society II. Papers and discussions presented at the symposium in Norberg, May 6–10, 1985. https://www.jernkont[...] 2023-12-15
[9] 서적 A history of metallurgy Institute of Materials
[10] 서적 Engineering Materials S. Chand
[11] 서적 大学教材 鉄鋼工学 プロセス編 財団法人JFE21世紀財団
[12] 서적 鉄鋼年鑑 鉄鋼新聞社


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