철광석

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1. 개요

철광석은 산화철을 주성분으로 하는 광물로, 제철 과정의 주요 원료로 사용된다. 적철광, 자철광, 갈철석 등이 주요 종류이며, 자철광은 상업적으로 이용 가능한 철광석 중 비중이 가장 크다. 철광석은 고품질일수록 철 함유량이 높으며, 전 세계적으로 매장량이 풍부하다. 주요 철광석 산지로는 호주, 브라질, 중국 등이 있으며, 한국은 철광석을 전량 수입에 의존하고 있다. 철광석 제철 과정은 용광로에서 코크스와 석회석을 사용하여 산화철을 환원하는 방식으로 이루어진다. 철광석에는 규소, 인, 알루미늄, 황 등의 미량 원소가 포함될 수 있으며, 이들은 철의 특성에 영향을 미친다. 철광석 채굴은 환경 문제를 야기할 수 있으며, 광미 재활용, 저품위 광석 활용 등 지속 가능한 개발을 위한 노력이 이루어지고 있다.

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철광석
기본 정보
구성 성분
주요 구성 광물	적철광(Fe2O3) 자철광(Fe3O4) 갈철광(FeO(OH)) 침철광(FeO(OH)·n(H2O)) 능철광(FeCO3)
설명
설명	철의 함량이 높은 광석

2. 철광석의 종류와 분포

철광석은 주로 산화철 형태로 존재하며, 적철광(Fe₂O₃), 자철광(Fe₃O₄), 갈철석(Fe₂O₃·nH₂O) 등이 대표적이다. 사철은 자철광의 입상 광물로, 과거 타타라 제철에 사용되었다. 이 외에도 침철광(FeO(OH)), 인철광(FeO(OH)), 능철광(FeCO₃) 등이 철광석에 포함된다.^[47] 황철광(FeS₂)과 같은 황화물은 제철에 적합하지 않아 철광석으로 사용되지 않는다.^[48]

철광석의 품질은 철 함유량에 따라 달라지며, 고품질 철광석은 50~65%의 철(Fe)을 함유한다. 전 세계적으로 약 2,000억 톤의 고품질 철광석이 매장되어 있으며, 저품질 철광석은 이보다 5배 이상 많아 총 1조 톤을 넘는다.^[50] 과거에는 사철(자철광)이 제철에 주로 사용되었으나, 현대에는 노천 채굴로 대량 채취가 가능한 적철광을 고로에서 제련한다.^[49]

철광석은 지구 탄생 초기 바다에 용해된 철 이온이 시아노박테리아 등 광합성 생물의 활동으로 산화, 침전되며 형성되었다. 이후 조산 운동으로 해저 광상이 융기하여 현재의 철광석 광산이 되었다. 지하에서는 철이 자철광으로 변하기도 한다.

세계 주요 철광석 산지로는 미국의 메사비, 에스파냐의 빌바오, 중국의 다예와 안산, 프랑스의 로렌, 러시아의 크리보이록, 스웨덴의 키루나, 영국의 클리블랜드 등이 있다.^[60] 랴오닝성 안산은 중국 최대 철강 생산 기지 중 하나이다. 2005년 기준 철광석 산출량은 브라질(22.3%), 호주(19.6%), 중국(16.6%), 인도(10.9%), 러시아(6.8%) 순이다.^[60]

2005년 주요 철광석 산출국
국가	산출량 (%)
브라질	22.3
호주	19.6
중국	16.6
인도	10.9
러시아	6.8

2. 1. 호상철광층

호상철광층(BIF)은 15% 이상의 철을 포함하고, 주로 얇은 층의 철 광물과 석영(실리카)으로 구성된 퇴적암이다. 호상철광층은 선캄브리아기 암석에서만 발견되며, 일반적으로 약하거나 강하게 변성작용을 받는다.^[5] 철광석으로 채굴되는 호상철광층에서는 산화물 광물(자철석 또는 적철석)이 주요 철 광물이며, 탄산염(사철석 또는 앵커라이트) 또는 규산염(미네소타이트, 녹알라이트 또는 그루네라이트)을 포함하기도 한다. 북미에서는 호상철광층을 타코나이트라고 부른다.^[5]

미국 25센트 동전(직경: )과 비교한 적갈색 표면 산화 처리된 타코나이트 펠릿. 제철에 사용됨

호상철광층 채굴에는 막대한 양의 광석과 폐기물을 이동시키는 작업이 필요하다. 폐기물은 광산의 비광석 기반암(덮개층 또는 현지에서는 뮬록(mullock)으로 알려진 층간 덮개층)과 광석 자체에 내재된 원치 않는 광물(맥석)의 두 가지 형태로 발생한다. 뮬록은 채굴되어 폐기장에 쌓이고, 맥석은 선광 과정에서 분리되어 미부로 제거된다. 타코나이트 미부는 대부분 화학적으로 불활성인 석영 광물이며, 대규모의 규제된 물 정착지에 저장된다.

2. 2. 자철광 광상

자철광 광상은 자철석의 결정성, 띠철 형성 숙주암 내 철의 함량, 자철광 정광 내에 존재하는 불순물 원소 등에 따라 경제성이 결정된다.^[6] 띠철광 형성은 두께가 수백 미터, 타격을 따라 수백 킬로미터 연장될 수 있고, 함유된 광석이 30억 톤 이상으로 쉽게 도달할 수 있기 때문에 대부분 자철광 자원의 크기와 스트립 비율은 무관하다.

자철광 함유 띠철 형성이 경제화되는 일반적인 철 함량은 약 25%이며, 일반적으로 자철광을 33~40% 회수하여 64% 이상의 철을 초과하는 정광을 생산할 수 있다.^[6] 일반적인 자철광 정광은 인 0.1% 미만, 이산화규소 3~7% 미만, 알루미늄 3% 미만이다.

현재 자철광은 미국 미네소타주와 미시간주, 캐나다 동부, 스웨덴 북부에서 채굴되고 있다.^[6] 자철광이 함유된 띠철광층은 현재 브라질에서 광범위하게 채굴되고 있으며, 아시아로 상당량 수출되고 있다. 오스트레일리아에서는 초기의 대형 자철광 산업이 있다.

2. 3. 적철광 광상 (직송광석)

남극을 제외한 모든 대륙에서 직접 선적 철광석(DSO) 광상이 채굴되고 있으며, 남아메리카, 호주, 아시아에서 가장 활발하게 채굴되고 있다. 대부분의 대규모 적철광 철광석 광상은 변질된 줄무늬철광층(BIF)과 (드물게) 마그마성 퇴적물에서 유래한다.^[7]

DSO 광상은 주요 원암 또는 원암인 자철광 함유 BIF 또는 다른 암석보다 일반적으로 더 드물지만, 철 함량이 더 높기 때문에 농축 처리가 덜 필요하여 채굴 및 처리 비용이 훨씬 저렴하다. 그러나 DSO 광석에는 페널티 원소의 농도가 상당히 높을 수 있으며, 일반적으로 인, 수분 함량(특히 피소라이트 퇴적물), 알루미늄(점토가 피소라이트 내에 존재)이 더 높다. 수출용 DSO 광석은 일반적으로 Fe 함량이 62~64% 범위이다.^[7]

2. 4. 마그마성 자철광 광상

화강암과 초염기성 화성암은 때때로 자철석 결정을 분리하여 경제적 농축에 적합한 자철석 덩어리를 형성하기도 한다.^[8] 특히 칠레의 일부 철광석 매장지는 상당량의 자철석 반정을 포함하는 화산암류에서 형성된다.^[9] 아타카마 사막 내의 칠레 자철석 철광석 매장지는 이러한 화산암에서 나오는 하천에서 자철석의 충적층을 형성하기도 했다.

일부 자철석 스카른 광상과 열수 광상은 과거에 거의 농축 처리가 필요 없는 고품위 철광석 매장지로 채굴되었다. 말레이시아와 인도네시아에는 이러한 성격의 화강암 관련 매장지가 여러 곳 있다.

2. 5. 기타 광상

태즈메이니아주 Savage River|새비지 강^영어과 같이 변성 작용에 의해 형성된 대규모 자철광 광상도 존재한다. 층상 관입암체 내 마그마 축적에 의해 형성된 광상은 철, 티타늄, 바나듐을 함께 생산하는 특수 제련소의 원료로 사용된다.^[8]

2. 6. 주요 철광석 산지

세계의 주요 철광석 산지로는 미국의 메사비, 에스파냐의 빌바오, 중국의 다예(大治)와 안산(鞍山), 프랑스의 로렌, 러시아의 크리보이록, 스웨덴의 키루나, 영국의 클리블랜드 등이 있다.^[60] 특히 안산은 랴오닝성(辽宁省)에 있는 도시로, 중국 최대의 철강 생산 기지 중 하나이며, 1918년에 설립된 안산강철집단공사(鞍山钢铁集团公司, Anshan Iron and Steel Group Corporation)가 있다.

2006년 기준 철광석 매장량(1800억 톤)의 약 73%는 러시아, 호주, 우크라이나, 중국, 브라질 상위 5개국에 집중되어 있다. 이들 국가 외에는 캐나다, 인도 등에서 상업적 광산 운영이 가능하다. 이들 국가는 노천 채굴 방식으로 철광석을 채굴하며, 특히 호주와 브라질의 철광석은 Fe 함량이 약 65%로 품질이 높다.

2005년 기준 철광석 산출량은 브라질(22.3%), 호주(19.6%), 중국(16.6%), 인도(10.9%), 러시아(6.8%) 순으로, 상위 5개국이 전체의 76%를 차지한다.^[60]

2005년 주요 철광석 산출국
국가	산출량 (%)
브라질	22.3
호주	19.6
중국	16.6
인도	10.9
러시아	6.8

3. 철광석의 경제적 측면

철광석은 세계 경기에 따라 수요와 가격이 변동한다. 호황기에는 철광석 수급이 타이트해져 중요한 자원으로 주목받으며, 주요 무역국인 호주와 브라질의 지정학적 지위가 높아진다. 2004년 중국이 브라질에 경제적으로 접근한 것도 브라질의 자원에 주목했기 때문이다.^[57]

최근 중국의 급격한 경제 성장으로 철광석이 부족해졌다. 그러나 광산 개발에는 광산뿐만 아니라 철도, 항만 등 시설도 필요하여 완공까지 수년이 걸려 증산이 쉽지 않다. 철도·항만 건설 비용은 광산 개발 전체 비용의 50%에 달하며, 채굴 시 적재 비용 20%, 운송 비용 30%가 소요된다.^[57]

발레, 리오 틴토, BHP 등 철광석 메이저 3사가 수출 시장 점유율 80%를 차지하는 과점 산업이기 때문에, 시장 상황에 따라 가격을 인상하여 세계 경기 확장기에 철광석 가격이 폭등하기도 한다.

2005년 일본 철강 업체와 철광석 메이저 간 협상으로 결정된 가격은 전년 대비 70%를 넘는 역대 최고 상승률을 기록했다. 이는 일본 철강 업체에 1조 엔의 원가 상승을 가져왔고, 철강 제품 가격 인상이 최종 제품 가격 인상으로 이어졌다. 수년 전부터 진행된 광산 개발이 2006년에 가동될 예정이어서 수급이 완화될 것으로 예상되었다. 철광석 가격 급등과 사용자의 자원 확보는 브라질·호주의 대형 메이저의 지정학적 지위를 향상시켰다.

2010년 호주의 길러드 총리는 철광석 신세(新稅) 도입에 업계와 합의했다.^[58] 2012년 7월 시행 예정이었으며, 시행 후에는 호주산 철광석 수입 의존 국가 경제에 파급 효과가 예상되었다.

한국은 철광석을 거의 전량 수입에 의존하며, 2022년 기준 수입량은 약 6600만ton으로 세계 3위이다.^[55]^[56] 2006년 기준 주요 수입국은 오스트레일리아(61%), 브라질(22%), 인도(7%) 등이다.^[56] 2017년에는 저품위 광석과의 가격 차이가 톤당 20달러에 달해, 저품위 철광석 활용 기술 개발 필요성이 제기되기도 하였다.^[53]

3. 1. 생산 및 무역 현황

2021년 기준 세계 철광석 생산량은 약 26억ton이며, 오스트레일리아, 브라질, 중국, 인도, 러시아 등이 주요 생산국이다.^[41] 철광석은 무역에서 중요한 자원 중 하나이며, 거래량은 석유 다음으로 많다. 주요 수입국은 중국, 일본, 한국 등이며, 특히 중국은 세계 최대 철광석 소비국이자 수입국이다.^[22]

2015년 사용 가능한 철광석 생산량 (백만 톤)^[19]^[20]
국가	생산량
오스트레일리아	8.17억ton
브라질	3.97억ton
중국	3.75억ton
인도	1.56억ton
러시아	1.01억ton
남아프리카 공화국	7300만ton
우크라이나	6700만ton
미국	4600만ton
캐나다	4600만ton
이란	2700만ton
스웨덴	2500만ton
카자흐스탄	2100만ton
기타 국가	1.32억ton
세계 총계	22.8억ton

2022년 국가별 철광석 수출량은 오스트레일리아가 55.9%(8.88억ton), 브라질이 21.8%(3.46억ton), 남아프리카 공화국이 3.7%(5800만ton) 순이다. 수출 점유율은 브라질의 발레(Vale), 오스트레일리아·영국의 BHP 그룹(BHP Group)과 리오 틴토(Rio Tinto) 등 철광석 3대 메이저가 약 80%를 차지하고 있다.

2022년 국가별 철광석 수입량은 중국이 71.0%(11.08억ton), 일본이 6.7%(1.04억ton), 한국이 4.3%(약 6600만ton)으로, 일본, 중국, 한국 3개국이 80%를 차지한다.

일본은 2016년 시점에서 일본도 제작에 사용되는 사철과 사료나 탈취제 등에 사용되는 갈철광(리모나이트)을 소량 생산할 뿐, 거의 전량을 수입한다. 2006년에는 1.3429억ton을 수입했으며, 오스트레일리아(61%), 브라질(22%), 인도(7%)에서 수입했다.^[56] 한국은 철광석을 거의 100% 수입에 의존한다.^[55]

2021년 철광석 생산량 순위^[50]는 다음과 같다.

# 오스트레일리아 - 약 5.6억ton

# 브라질 - 약 2.72억ton

# 중국 - 약 2.46억ton

# 인도 - 약 1.69억ton

# 러시아 - 약 6670만ton

# 우크라이나 - 약 5240만ton

# 이란 - 약 4790만ton

# 남아프리카 공화국 - 약 4659만ton

# 캐나다 - 약 3450만ton

# 미국 - 약 3010만ton

3. 2. 가격 변동 요인

철광석의 수요와 가격은 세계 경기에 따라 변동한다. 호황기에는 철광석의 수급이 타이트해지면서 철광석이 중요한 자원으로 다시 주목받는다. 주요 무역국인 호주와 브라질은 지정학적 지위를 높이고 있다. 2004년 중국이 브라질에 대해 국가적으로 경제 분야에서 접근을 시도한 것은 브라질의 자원에 주목한 것도 그 요인 중 하나로 꼽힌다.^[57]

최근, 중국의 급격한 경제 성장으로 인해 철광석이 부족해졌다. 그러나 철광석 광산 개발에는 광산뿐만 아니라 철도·항만 등의 시설도 필요하기 때문에 완공까지 수년의 시간이 걸려 단순히 증산할 수는 없다. 철도·항만 건설 비용은 광산 개발 전체 비용의 50%에 육박하며, 채굴 시 적재 비용 20%, 운송 비용 30%가 소요된다.^[57]

발레, 리오 틴토, BHP 등 철광석 메이저 3사가 수출 시장 점유율 80%를 차지하는 전형적인 과점 산업이기 때문에, 시장 상황을 보고 가격을 인상하는 측면도 있어 세계 경기 확장기에 철광석 가격이 폭등하는 경우도 있다.

2005년 일본 철강 업체와 철광석 메이저 간의 협상으로 결정된 가격은 전년 대비 70%를 넘는 역대 최고 상승률을 기록했다. 이는 일본 철강 업체에게 다른 철강 원자재와 합쳐 1조 엔의 원가 상승으로 이어졌고, 철강 제품 가격 인상이 최종 제품 가격 인상까지 이어지는 양상을 보였다. 일반적으로 수년 전부터 진행된 광산 개발이 2006년에 가동될 것이기 때문에 그 무렵에는 수급이 완화될 것으로 예상되었다. 철광석 가격 급등과 사용자의 자원 확보는 브라질·호주에 있는 대형 메이저의 지정학적 지위를 향상시키는 데까지 이르렀다.

2010년 호주의 길러드 총리와 업계 간에 철광석 신세(新稅) 도입에 합의했다.^[58] 2012년 7월 시행 예정이었으며, 시행 후에는 호주산 철광석 수입에 의존하는 국가 경제에 파급 효과가 예상되었다.

3. 3. 한국의 철광석 수급 현황

한국은 철광석을 거의 전량 수입에 의존하고 있으며, 2022년 기준 수입량은 약 6,600만 톤으로 세계 3위 수준이다.^[56] 2006년 기준 주요 수입국은 오스트레일리아(61%), 브라질(22%), 인도(7%) 등이다.^[56] 2017년에는 저품위 광석과의 가격 차이가 톤당 20달러에 달해, 저품위 철광석 활용 기술 개발의 필요성이 제기되기도 하였다.^[53]

4. 제철 과정

산화철 형태로 채굴된 철광석에서 순수한 철을 얻기 위해서는 환원 과정이 필요하다. 용광로(고로)에 코크스, 석회석과 함께 철광석을 넣고 뜨거운 바람을 불어넣으면, 코크스가 연소하면서 일산화탄소(CO)를 생성하고, 이 일산화탄소가 산화철을 환원시켜 철을 추출한다.^[49] 석회석은 불순물인 규소(Si)를 슬래그 형태로 제거하는 역할을 한다. 반응식은 다음과 같다.

: $\mathrm{2C + O_2 \ \to\ 2CO}$

: $\mathrm{CaCO_3 \ \to\ CaO + CO_2}$

: $\begin{align}\mathrm{3Fe_2O_3 + CO} &\to& \mathrm{2Fe_3O_4 + CO_2} \\\mathrm{ Fe_3O_4 + CO} &\to& \mathrm{3FeO + CO_2} \\\mathrm{ FeO + CO} &\to& \mathrm{ Fe + CO_2}\end{align}$

: $\mathrm{CaO + SiO_2 \ \to\ CaSiO_3}$

생성된 $\mathrm{CO_2}$ 는 방출되고, 순수한 선철(Fe)과 슬래그가 빠져나온다. 이때 슬래그의 밀도가 선철보다 낮아 쉽게 분리할 수 있다.

과거에는 사철(자철광)을 타타라 제철 방식으로 제련하였으나, 현대에는 적철광을 용광로(고로)를 이용해 제철하는 것이 주류이다.

5. 철광석의 미량 원소

철광석에는 다양한 미량 원소가 포함될 수 있으며, 이들은 제련 과정과 최종 철 제품의 특성에 큰 영향을 미친다. 어떤 원소들은 용광로의 효율을 높이기 위해 의도적으로 첨가되기도 하지만, 대부분의 미량 원소는 철의 품질에 부정적인 영향을 미치기 때문에 제거해야 할 대상이다.

규소(Si): 철광석에는 거의 항상 규소가 이산화규소(SiO₂) 형태로 존재한다. 대부분 제련 과정에서 슬래그로 제거되지만, 일부는 철에 남아 회주철 형성을 촉진한다. 회주철은 백주철보다 가공이 용이하지만, 규소 함량이 너무 높으면 철이 취약해진다.^[5]
인(P): 인은 철의 경도와 강도를 높이지만, 0.2% 이상 함유되면 저온에서 철이 쉽게 부서지는 저온 취성을 유발한다.^[7] 주조 과정에서는 액상선을 낮춰 유동성을 좋게 하는 장점도 있지만, 강도가 약해 하중을 지탱하기 어렵다. 길크리스트-토마스 제강법과 같은 제강 기술 발전으로 인 함량을 조절할 수 있게 되었다.
알루미늄(Al): 알루미늄은 철광석에 소량 존재하며, 제련 과정에서 철에 큰 영향을 주지 않지만, 슬래그의 점성을 높여 용광로 작동을 방해한다.^[51]^[52] 알루미늄 함량이 높은 광석 사용을 피하거나, 석회석 투입량을 늘려 슬래그 점도를 낮추는 방식으로 문제를 해결할 수 있다.^[53]^[54]
황(S): 황은 철을 고온에서 취약하게 만드는 적열취성을 유발하는 대표적인 불순물이다.^[44]^[45] 극소량의 황도 철의 품질에 큰 영향을 미치기 때문에, 역사적으로 제철업자들은 황 함량이 낮은 광석을 찾거나, 제련 및 세척을 통해 황을 제거해왔다. 현대 제철에서는 망간(Mn)을 첨가하여 황의 부정적인 영향을 중화시킨다.^[44]

5. 1. 규소 (Silicon)

규소 (SiO₂)는 철광석에 거의 항상 존재한다. 대부분은 제련 과정에서 슬래그로 제거되지만, 일부는 환원되어 철과 합금을 형성한다. 용광로 온도가 높을수록 철에 포함되는 규소의 양이 많아진다. 16세기부터 18세기까지 유럽의 주철에서 최대 1.5%의 규소를 발견하는 것은 드물지 않다.^[5]

규소는 회주철(회색 주철) 형성을 촉진한다. 회주철은 백색 주철보다 취성이 적고 가공이 용이하여 주조에 적합하다. 영국의 야금학자 토마스 터너는 규소가 수축과 기포 형성을 감소시켜 불량 주물 수를 줄인다고 보고했다.^[5] 그러나 철에 규소가 과도하게 포함되면 취성이 증가하고 경도가 다소 높아진다.

5. 2. 인 (Phosphorus)

인은 철의 경도와 강도를 높이는 역할을 한다. 연철에 인이 0.05% 함유되면 중탄소강만큼 단단해지며, 냉간 단조로도 경화될 수 있다. 현대 제강업체는 인 함량을 0.07~0.12%로 유지하여 충격 저항성을 유지하면서 경도를 최대 30%까지 높인다. 또한 담금질에 의한 경화 깊이도 증가시키지만, 고온에서 철에 대한 탄소의 용해도는 감소시킨다.^[7]

그러나 인은 0.2% 이상의 농도에서 철의 저온 취성, 즉 저온에서 부서지기 쉬운 성질을 증가시킨다. 이는 특히 상온에서 강도, 가요성, 충격 저항성이 요구되는 봉철에 중요한 문제이다. 망치로 쳤을 때 부서지는 못이나 바위에 부딪혔을 때 부러지는 마차 바퀴는 상품성이 떨어진다. 저온 취성의 영향은 온도에 따라 증폭되므로, 여름에는 사용 가능한 철이 겨울에는 매우 취약해질 수 있다. 중세 시대에는 부유층이 계절에 따라 다른 인 함량의 검을 사용했다는 증거도 있다.^[7]

인은 주조 공정에서 액상선을 낮춰 철이 더 오래 용융 상태를 유지하고 유동성을 증가시키는 이점도 있다. 1% 첨가하면 용융 철의 유동 거리가 두 배가 될 수 있다. 최대 효과는 10.2%의 농도에서 달성된다. 19세기에는 일부 장식용 주철 생산업체에서 인을 최대 5%까지 함유한 철을 사용했지만, 강도가 약해 하중을 지탱할 수 없었다.^[7]

고인 함량 철 문제를 해결하는 방법으로는 광석에서 인을 제거하는 방법이 있다. 이는 19세기의 퍼들링과 관련이 있으며, 이전에는 알려지지 않았을 수도 있다. 인은 강을 취성으로 만들기 때문에, 일반적으로 해로운 불순물로 간주된다. 1870년대 길크리스트-토마스 제강법을 통해 주철에서 다량의 인을 제거할 수 있게 되었지만, 용융제 또는 제련으로 모든 불순물을 제거하는 것은 복잡하므로, 철광석은 처음부터 인 함량이 낮은 것이 바람직하다.^[7]

5. 3. 알루미늄 (Aluminium)

알루미늄(Al)은 철광석, 모래, 일부 석회석 등 많은 광석에 소량 존재한다. 용광로에서 알루미늄은 환원되기 어렵기 때문에 철의 오염 문제는 발생하지 않지만, 슬래그의 점도를 높여 용광로 작동에 부정적인 영향을 미친다.^[51]^[52]

알루미늄 함량이 높은 슬래그는 다음과 같은 문제를 야기한다.

슬래그가 두꺼워져 하강 속도가 느려지고 공정 시간이 길어진다.
액체 슬래그를 빼내기 어려워진다.
극단적인 경우 용광로가 고착될 수 있다.

이러한 문제를 해결하기 위해 다음과 같은 방법을 사용할 수 있다.

알루미늄 함량이 높은 광석이나 석회석 원료 사용을 피한다.
석회석 투입 비율을 높여 슬래그의 점도를 낮춘다.^[53]^[54]

5. 4. 황 (Sulfur)

황(Sulfur|설퍼^영어)은 석탄에서 자주 발견되는 불순물이다. 많은 광석에 소량 존재하지만, 소성을 통해 제거할 수 있다.^[44]^[45] 황은 제철 과정에서 존재하는 온도에서 액체 및 고체 철 모두에 쉽게 용해된다. 아주 소량의 황이라도 그 영향은 즉각적이고 심각하며, 이는 제철업자들이 가장 먼저 연구한 문제 중 하나였다. 황은 철을 적열취약(赤熱脆弱)하게 만든다.^[44]^[45]

적열취약한 철은 고온에서 취성을 띤다. 이는 17세기와 18세기에 사용된 대부분의 철이 괴철 또는 연철이었기 때문에 심각한 문제였다. 연철은 고온에서 망치로 반복해서 두드려 모양을 만든다. 적열취약한 철은 망치로 작업하면 금이 간다. 고온의 철이나 강철이 갈라지면 노출된 표면이 즉시 산화된다. 이 산화층은 용접을 통한 균열 복구를 방지한다. 큰 균열은 철이나 강철이 부서지게 하고, 작은 균열은 사용 중에 물체가 파손될 수 있다. 적열취약의 정도는 존재하는 황의 양에 정비례한다. 오늘날에는 황 함량이 0.03%를 넘는 철은 사용하지 않는다.

적열취약한 철도 가공할 수 있지만, 저온에서 작업해야 한다. 저온에서 작업하려면 대장장이 또는 제련공이 더 많은 노력을 기울여야 한다. 같은 결과를 얻으려면 더 자주, 더 세게 타격해야 한다. 약간의 황이 오염된 철봉도 가공할 수 있지만, 훨씬 더 많은 시간과 노력이 필요하다.

주철에서 황은 백주철의 생성을 촉진한다. 0.5%만으로도 느린 냉각과 높은 실리콘 함량의 영향을 상쇄할 수 있다.^[44] 백주철은 더 취성이지만 더 단단하다. 일반적으로 가공이 어렵기 때문에 피하지만, 중국에서는 석탄과 코크스로 만든 황 함량이 0.57%에 달하는 고황 주철을 종과 방울을 만드는 데 사용했다.^[44]^[45] 좋은 주물용 철은 황 함량이 0.15% 미만이어야 한다. 세계 다른 지역에서는 고황 주철을 주물 제작에 사용할 수 있지만, 연철 제작에는 부적합하다.

황 오염을 막기위한 여러 가지 해결책이 있다. 역사적이고 선사시대의 작업에서 가장 많이 사용된 첫 번째 방법은 회피이다. 유럽에서는 (중국과 달리) 황을 함유하고 있기 때문에 적열취약한 철을 생성하는 석탄을 제련 연료로 사용하지 않았다. 광석으로 인해 적열취약한 금속이 생성되면, 제철소장들은 다른 광석을 찾았다. 광물성 석탄이 1709년(혹은 그 이전)에 유럽의 용광로에서 처음 사용되었을 때, 코크스화되었다. 1829년 열풍이 도입되면서야 원료 석탄이 사용되었다.

황은 제련 및 세척을 통해 광석에서 제거될 수 있다. 제련은 황을 산화시켜 이산화황(SO₂)을 생성하는데, 이는 대기 중으로 방출되거나 세척될 수 있다. 따뜻한 기후에서는 황철석 광석을 빗속에 방치하는 것이 가능하다. 비, 박테리아, 그리고 열의 결합된 작용은 황화물을 황산과 황산염으로 산화시키는데, 이들은 수용성이므로 침출된다.^[44] 그러나 역사적으로 (적어도) 철 황화물(철 황철석)은 흔한 철 광물임에도 불구하고 철 금속 생산을 위한 광석으로 사용되지 않았다. 스웨덴에서는 자연 풍화 작용도 이용되었다. 같은 과정이 지질학적 속도로 진행되면 고산광체 갈철광 광석이 생성된다.

저황 철에 대한 중요성은 16세기부터 18세기까지 스웨덴, 러시아, 스페인의 철에 지속적으로 더 높은 가격이 지불되었다는 사실로 입증된다. 오늘날 황은 더 이상 문제가 되지 않는다. 현대적인 해결책은 망간을 첨가하는 것이지만, 운영자는 철에 얼마나 많은 황이 포함되어 있는지 알아야 한다. 왜냐하면 중화를 위해 최소 5배의 망간을 더 첨가해야 하기 때문이다. 일부 역사적인 철에는 망간 수준이 나타나 있지만, 대부분은 황을 중화하는 데 필요한 수준보다 훨씬 낮다.^[44]

황화망간(MnS)과 같은 황화물의 포함은 AISI 304 강과 같은 저급 스테인리스강에서 심각한 점식 부식 문제의 원인이 될 수도 있다.^[44]^[45]^[46] 산화 조건 하에서 그리고 수분이 존재할 때, 황화물이 산화되면 중간 종으로 티오황산염 음이온을 생성하고, 티오황산염 음이온은 이중 음전하로 인해 염화물 음이온보다 더 높은 등가 전기 이동도를 가지므로 구멍 성장을 촉진한다.^[46] 실제로, 구멍 내부의 양극 영역에서 Fe 산화에 의해 용액에서 방출되는 Fe²⁺ 양이온에 의해 생성된 양전하는 모세관 구멍 내 음이온의 전기운동 이동에 의해 전달되는 음전하에 의해 신속하게 보상/중화되어야 한다. 모세관 구멍에서 발생하는 일부 전기화학적 과정은 모세관 전기영동에서 발생하는 과정과 동일하다. 음이온 전기운동 이동 속도가 높을수록 점식 부식 속도가 높아진다. 구멍 내부의 전기운동 수송은 구멍 성장 속도의 속도 제한 단계가 될 수 있다.

6. 환경 문제 및 지속 가능한 개발

철광석 채굴은 대규모 토지 훼손, 분진 발생, 수질 오염 등 다양한 환경 문제를 야기할 수 있다. 특히 채굴 과정에서 발생하는 폐기물인 광미(tailings)는 심각한 환경 문제로 이어진다. 철광석 정광 1톤을 생산할 때마다 약 2.5~3.0톤의 철광석 광미가 배출되는데^[10], 통계에 따르면 매년 1억 3천만 톤의 철광석 광미가 배출된다. 광미에는 철 성분(약 11%) 뿐 아니라 구리, 니켈, 코발트 등 유용한 금속도 포함되어 있어 자원 낭비 문제를 야기하기도 한다.^[10]

최근에는 이러한 환경 문제를 해결하고 지속 가능한 철광석 개발을 위한 노력이 이루어지고 있다. 광미를 도로 건설용 자재나 시멘트, 벽돌 등의 건축 자재로 재활용하거나^[10]^[12]^[13], 광미에서 철을 다시 추출하는 기술(자화 로스팅, 직접 환원)이 개발되고 있다.^[10] 자화 로스팅은 700°C에서 900°C의 온도에서 철 정광(Fe₃O₄)을 생산하는 방식이고,^[10] 직접 환원은 1000°C 이상의 온도에서 해면철(Fe)을 생산하는 방식이다.^[10]

저품위 철광석 활용 기술 개발도 진행 중인데, 2017년에는 저품위 광석과의 가격 차이가 20달러/톤에 달해 저품위 광석의 활용이 요구되기도 하였다.^[53] 저품위 철광석은 일반적으로 선광 과정을 거치는데, 파쇄, 분쇄, 중력 선별, 체질, 실리카 기포 부상법 등의 기술을 사용하여 광석의 농도를 높이고 불순물을 제거한다. 그 결과물인 고품질의 미세 광석 분말을 미세광(fines)이라고 한다. 자철석은 자성을 띠므로, 모암 광물에서 쉽게 분리되며 불순물이 매우 적은 고품위 정광을 생산할 수 있다.

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