철: 특성, 역사, 일상 응용

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배경

철은 지구상에서 가장 흔한 원소 중 하나입니다. 인간이 만든 거의 모든 구조물에 최소한 약간의 철이 들어갑니다. 또한 가장 오래된 금속 중 하나로 최소 3,500년 전부터 유용하고 장식적인 물체로 가공되었습니다.

순철은 부드럽고 회백색 금속. 철이 흔한 원소지만 자연에서 순철 거의 발견 안 됨. 자연 순철은 떨어진 운석에서만 알려짐. 대부분 철은 철과 다른 원소 결합 광물에서 발견. 산화철이 가장 흔함. 지표 근처 철 함량 최고 광물을 철광석이라 하며 상업 채굴.

철광석 여러 공정 거쳐 다양한 철로 변환. 가장 흔한 공정은 고로로 선철 생산, 철 92~94%, 탄소 3~5% 기타 원소 소량. 선철 용도 제한적, 대부분 제강소로 가서 탄소 더 줄이고 망간·니켈 등 첨가해 특정 성질 강철 합금 만듦.

역사

역사가들은 이집트인들이 5~6천 년 전 소량 철 최초 가공했다고 봅니다. 사용 금속 운석에서 추출한 듯. 철 채굴·제련 최초 증거는 현재 터키 지역 고대 히타이트 문화. 철이 무기·도구 제작에 타 어떤 금속보다 훨씬 우수해 제조법 철저 비밀로. 하지만 기본 기술 단순해 철 사용 점차 확산. 타 재료 대비 유용했지만 철엔 단점도. 도구 품질 철광석 산지·추출법 따라 들쭉날쭉. 추출 중 화학적 변화 본질 이해 못 함, 특히 탄소가 금속 경도에 중요함 인식 못 함. 지역별 관행 큰 차이. 예: 중국인들 일찍이 철 녹여 주물 도구 만들 수 있었고, 일본인들 소량 강철로 놀라운 결과, 수세기 전 가보 검으로 입증. 중동·인도서도 유사 돌파구 나왔으나 세계 타 지역 전파 안 됨. 수세기 유럽인들 철 녹이는 방법 전혀 모름. 철광석 나무와 점토 가마서 천천히 태워 철 생산. 철이 주변 암석 분리되나 완전 녹진 않음. 대신 껍질 같은 슬래그 형성, 망치로 두드려 제거. 반복 가열·두드림으로 산소·산화철 반응해 철 생성, 금속서 탄소 제거. 결과 거의 순철, 망치·집게로 쉽게 성형되나 좋은 날 세우고 유지엔 너무 부드러움. 금속이 망치질로 성형(단조)돼 연철(wrought iron) 불림.

동방서 가져온 도구·무기 녹여 주조한 철. 탄소 더 머금어 연철보다 단단하고 날 유지. 하지만 연철보다 부서지기 쉬움. 유럽 철공들은 동방인들 더 좋은 철 가진 건 알지만 더 강한 철 제품 만드는 공정 모름. 국가 전체가 공정 발견에 나섬.

주철 생산 유럽 최초 돌파구(실용 강철로 직결)는 1740년. 벤자민 헌츠맨 시계용 강철 스프링 소재 녹이는 특허 취득. 이후 20년 걸쳐 절차 널리 채택. 헌츠맨 고로로 연철 점토 도가니서 녹여 정확히 측정한 순수 목탄 첨가. 결과 합금 주조 시 강하면서 유연한 스프링. 헌츠맨 본래 더 나은 시계 만들려 했으나 도가니 강철이 해양 시계(크로노미터) 개발 직결, 선원들이 동서 위치 정밀 측정 가능해 세계 항해 가능케 함. 현대 야금술 발명 부수효과였으나 본인 인식 못 한 듯.

원재료

고로 선철 생산 원료: 철광석, 코크스, 소결광, 석회석. 철광석 주로 산화철: 자철석, 적철석, 갈철석 등. 철 함량 70%~20% 이하. 코크스: 석탄 가열해 거의 순수 탄소 만든 물질. 소결광: 저급 미분 철광석 코크스·석회와 로스팅해 불순물 대량 제거. 석회석: 천연 존재, 탄산칼슘 공급원.

기타 금속 크롬, 니켈, 망간, 몰리브덴, 텅스텐 등 철과 혼합해 다양한 강철 생산.

광석 채굴 및 정제 공정

철광석 고로 사용 전 지표 채굴·부분 정제로 대부분 불순물 제거.

긴 집게 기대어 선 이 젊은 철 퍼들러 조수가 1860년대 초 사진 포즈, 불칸의 아들들 노조 결성 초기. (헨리 포드 박물관 & 그린필드 빌리지 소장.)

역사적으로 철 생산 핫블라스트법, 나중 앤트라사이트 용광로. 어느 쪽이든 철 만들기 핵심 활동: 작업자가 소량 선철·신더 저어 철이 슬래그 분리될 때까지. '퍼들링(puddling)'이라 불림, 고숙련 작업이나 뜨겁고 고되며 위험. 풍부한 경험·강건한 체질 필요. 퍼들러들 자부심 강하고 독립적, 고임금.

퍼들러들 1858년 피츠버그서 철강 업계 최초 노조 '불칸의 아들들' 결성. 1876년 타 3개 노동조합 합병해 '아말가메이티드 철강 노동자 협회' 결성. 앤드루 카네기가 1892년 홈스테드 파업서 이 노조 격파, 노조 와해·업계 1930년대까지 사실상 무노조.

윌리엄 S. 프레처

채굴

• 1 세계 철광석 대부분 노천 채굴로 순철은 부드럽고 회백색 금속. 철은 흔한 원소지만 자연에서 순철 거의 발견 안 됨. 지표 근처 철 함량 최고 광물 철광석으로 상업 채굴. 지표면 대형 기계로 광범위 제거해 아래 광석 노출. 표면 제거 비경제적 경우 갱도 파고 측갱으로 광층 추적.

정제

• 2 채굴 광석 파쇄·선별. 최상급 60% 이상 철 함량. 저급은 처리(정제)해 여러 오염물 제거 후 고로 이송. 이 정제법들 통칭 베네피시에이션(beneficiation): 추가 파쇄, 물 세척으로 모래·점토 부유 분리, 자력 선별, 펠렛화, 소결. 세계 알려진 고철분 광석 고갈될수록 정제 기술 중요도 증가.
• 3 정제된 광석 열차/선박 실어 고로 현장 이송.

제조 공정

고로 장입

• 1 처리 후 광석 타 광석과 블렌딩해 고로 투입. 고로 탑형 구조, 강철로 만들고 내화(내열) 벽돌 라이닝. 원료 혼합물(차지) 상단 투입. 하단 매우 뜨거운 공기 노즐(튜예르) 통해 불어넣음(블라스팅). 코크스 뜨거운 공기 중 연소. 공기 중 산소 코크스 탄소와 반응해 일산화탄소 생성. 일산화탄소 철광석과 반응해 이산화탄소와 순철 생성.

철과 슬래그 분리

• 2 녹은 철로 바닥 가라앉음. 석회석 광석 내 암석·불순물과 결합해 철보다 가벼운 슬래그 형성, 위로 뜸. 차지 부피 줄어들면 상단 지속 투입. 철과 슬래그 하단 별도 배출. 녹은 철 추가 합금 공정 가거나 주조해 피그(돼지) 잉곳 만듦. 슬래그 폐기 처리.

가스 처리

• 3 화학 반응 생성 뜨거운 가스 상단서 뽑아 가스 정제 플랜트서 세정(스크러빙) 후 재투입, 특히 잔여 일산화탄소로로 화학 반응 유지에 유용. 고로 보통 수년 주야 연속 가동. 결국 벽돌 라이닝 부스러져 정비 위해 셧다운.

품질 관리

고로 조업 고도 계측·지속 모니터링. 시간·온도 기록. 각 광산서 온 철광석 화학 성분 검사, 원하는 차지 위해 타 철광석과 블렌딩. 각 출탕 시 샘플 채취해 화학 성분·기계적 특성(강도·경도) 검사.

부산물/폐기물

철강 산업 환경 영향 다양. 첫째 노천 채굴: 광활한 땅 나지 드러냄. 오늘날 고갈 채굴지 흔히 매립지 후 복토·조경. 일부 매립지 자체 환경 문제, 최근 과거 고독성 물질 매립으로 토양·수질 오염.

광석서 철 추출 과정 대량 유독·부식성 가스 발생. 실제론 스크러빙·재활용. 불가피하게 소량 유독 가스 대기 방출.

철 정제 부산물 슬래그 대량 발생. 대체로 불활성이나 매립지 처리 필요.

제철 막대한 석탄 소비. 석탄 직접 안 쓰고 코크스(거의 순수 탄소)로 환원. 코킹 화학 부산물 거의 모두 독성이나 상업적 유용. 암모니아(다수 제품), 페놀(플라스틱, 절삭유, 살균제), 크레졸(제초제, 살충제, 의약품, 사진 화학제), 톨루엔(용제, 폭약 등 복잡 화학 제품 원료).

스크랩 철강(폐차, 가전, 강철 골조 건물 등) 환경 우려. 대부분 재활용, 강철 스크랩 제강 필수 자원. 재활용 안 된 스크랩 결국 산화철(녹)로 돌아가 지표로.

미래

표면상 철 생산 미래(특히 미국) 어두워 보임. 경제적 채굴 가능 지역 고급 광석 매장량 상당 고갈. 오래된 제철소 다수 폐쇄.

하지만 겉모습 속임수. 신규 광석 농축 기술로 저급 광석 활용 매력 커짐, 방대한 저급 광석 공급 존재. 최근 수십 년 많은 제철소 폐쇄했으나 필요 적어져서. 고로 효율만 봐도 놀랍게 향상. 금세기 초 미국 최대 고로 일일 644톤 선철 생산. 곧 단일 고로 가능 생산량 일일 4,000톤 도달 전망. 이런 현대 플랜트 다수 해외 건립돼 노후 미국 공장 생산보다 해상 운송이 경제적 경우 생김.