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철강이란

by #또바기 2024. 6. 8.
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철강이란

금속이 좋아서 금속재료를 전공했고, 현재도 철강 관련 일에 종사하고 있습니다. 제가 아는 정보를 공유하고자 합니다.
아래에 기초정보부터 공유하겠습니다.

1. 철의 기원

고고학에 의하면 철의 기원은 인류가 불을 사용하여 철보다 상대적으로 낮은 가공온도를 갖고 있는 청동을 가공하면서부터 시작되었다고 한다. 그러나 철의 *부식하기 쉬운 성질 때문에 오래된 유품이 없고, 정확한 철기문화의 시작시기를 추정하는데 어려움이 많다. (* 부식은 산소와 결합하여 산화철로 변화는 과정입니다.) 
신석기시대의 인류는 돌을 갈아서 무기나 도구를 만들어 사용했고, 그 후 불을 사용하여 동, 청동을 가공하여 동을 대신하여 사용했다. 이후 청동보다 강하고 날카로운 날을 세울 수 있는 철의 사용이 시작되었다.
 
최초로 철을 알게 된 것은 청동기시대에 철광석을 동광석으로 착각하여 용해로에 장입, 용해하는 과정에서 발견하게 되었다는 설이 있다. 한편으로는 고대 원시림의 산불에 의해 철광석이 환원되어 반용융상태로 굳어진 것을 산불이 지나간 후에 장인들이 채취하여 철기로 제작했다는 설도 있다. 
 
고대 희랍인들은 철을 [와에배]라고 불렀다. 이것은 하늘의 산물이라는 뜻으로 운석을 의미한다고 한다. 운석은 철과 니켈의 합금으로 되어 있다. 운석을 분석해 본 결과 그 안에는 철 이외에도 니켈성분이 4~20%함유되어 있고 코발트 성분이 0.3~1.6%로 구성되어 있는 것으로 보고 되어 있다.
 
고대 중국에서도 기원전 14세기의 유물에서 청동기의 칼날 부분에 운석을 붙여서 사용한 제품이 나온 것으로 알려져 인류가 최초에 사용했던 철은 운석이었음을 뒷받침하고 있다. 
 
이와 같은 설에 의해 철이 탄생되었다고 볼 수 있으나 철을 광물에서 제련하게 된 것은 훨씬 후대의 일이다. 왜냐하면 철을 녹이기 위한 온도를 쉽게 만들기 어려웠기 때문이다.

A photo of a meteorite falling to Earth
떨어지는 운석

 

2. 철의 역사

철을 *제련하는 방법은 처음에는 광산에서 캐낸 철광석 덩어리 위에 장작을 태워서 얻은 열로 녹이는 단순한 방법에서부터 시작되었다. 그 후 장작대신 목탄을 쓰게 되었으며 온도를 높이기 위하여 풍구를 이용하거나 또는 간단한 노를 사용하게 되었다. 이와 같이 철의 역사는 철광석을 녹여서 철기를 만들었던 기간이 대부분 차지하고 있으며 오늘날 우리들이 사용하고 있는 것과 같은 선철이나 강철을 만들기 시작한 것은 그리 오래되지 않았다. (*제련은 철의 화학적 성분을 조정하여 필요한 금속을 만드는 공정입니다)
 
14세기 초에 처음으로 목탄을 사용하는 용광로를 이용하여 선철을 만들기에 이르렀으며 18세기에 비로소 목탄 대신에 코크스를 사용하는 데 성공하였다. 그러나 이와 같은 방법으로 만들어 낸 선철은 단단하기는 하지만 잘 늘어나거나(연성) 펴지지가 않았기 때문에 두드려서 일정한 형태의 모양으로 만들기가 어려웠다.
 
따라서 철을 여리게 하는 즉 기계적· 물리적  성질을 향상시키는 여러가지 방법이 연구되었다. 대표적인 것으로 석탄을 사용하여 선철을 연하게 하는 교련법이 1784년 발명되었고 이후 1856년에 용해된 선철에서 강철을 대량 생산할 수 있는 전로를 개발했다. 그리고 19세기 후반에 1,600℃ 이상의 고온에서 정련된 강을 대량으로 생산할 수 있는 근대적 제련법의 기반이 확립되었다. 그 후 제강기술이 급속히 발전하여 1954년 오스트리아의 린스와 도나비츠 두 개의 공장에서 산소 전로가 상업화됨에 따라 근대적 제련법이 획기적으로 개선되었다.

A photo of a blacksmith's forge
대장간 사진

 

3. 제철기술의 발달과정

철로 만들어진 도구가 출현한 시기는 대력 기원전 1100년 이후로 추정하고 있다. 당시 제철기술은 내화성이 있는 돌로 만든 연로에서 숯불로 철광석을 환원시켜 철을 녹였던 것으로 추측된다. 그러나 가열온도가 지금처럼 높은 온도로 만들기는 불가능했을 것이라는 점을 감안할 때 이 당시 만들어진 철은 철광석이 반쯤 용해된 상태로써 두드려서 철 이외의 성분을 제거하고 단철을 만들었을 것으로 예상한다.
 
그 후 오랜 시간이 흘러 14~15세기 무렵 독일지역에서 목탄을 원료로 하는 고로가 만들어졌는데 수차를 이용하여 바람을 일으켜 고로 안에 강한 바람을 불어넣어 온도를 높여서 선철을 만들었다. 선철은 탄소를 1.7%이상 함유하며 보통 3~4%를 차지하고 있고 순철의 녹는점이 1,520℃인데 반해 선철은 1,200℃까지 낮아진다. 이렇게 하여 선철을 만들 수 있는 용광로(고로)가 탄생하였다.
 
그러나 선철은 탄소성분이 높아서 주조는 가능했으나 단조는 어려움이 많았기 때문에 선철을 연로 속에 목탄과 함께 넣고 다시 연소시켜 탈탄하는 방법이 고안되었다. 이것을 정련로라고 하는데 이와 같이 고로에서 선철을 만들고 정련로에서 탈탄시켜 가단철을 만드는 2단계 제철법이 현재 제철법의 기본이 되었다. 
 
오늘 여기까지 철강의 기원과 역사에 대하여 간략하게 설명드리도록 하겠습니다. 다음글에서는 철의 의의와 철의 성질에 대하여 이야기하도록 하겠습니다.
 

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