[철 Fe] 철의 역사, 철(Fe) 이야기

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자료출처 : 산업통상자원부 / 정책브리핑

 

'산업의 쌀', 철(Fe) 원자번호 26번
지구 핵의 대부분을 이루고 있는 원소로 알루미늄(Al) 다음으로 많아 지각에 약 5% 정도 함유되어 있습니다.

 

 

철기시대는 기원전 1200년 전부터 시작되는데, 우리는 여전히 철기시대에 살고 있다고 할 수 있습니다.
현재 인류가 사용하고 있는 금속의 90% 이상이 철로 이루어져 있기 때문입니다.

 

인류가 최초로 사용한 철은 '운석철'

 

철이 자연 상태에서 순수한 금속의 형태로 산출되는 일은 극히 드물며, 운석이나 수백 개의 광물에서 다른 원소의 결합된 상태로 발견됩니다. 운석은 철과 규산 광물의 함량에 따라 철질운석, 함철석, 석질운석으로 나뉘며 중요한 철광석으로는 적철설, 자철석, 갈철석, 황철석 등이 있습니다.

인류가 최초로 사용한 철은 '운석철'이었습니다. 운석은 별똥별, 즉 유성이 지구의 대기와 충돌하면서 타다 남은 것으로, 지구로 떨어진 운석의 약 6%는 철-니켈 합금의 운석 철로 되어 있습니다. 현재 전해지는 가장 오래된 운석 철 유물은 이집트에서 발굴된 BC 3500년경의 쇠구슬들인데 고대인들은 이를 가공하여 무기, 장신구, 장식품 등을 만들었습니다. 이 운석에서 철을 분리해 최초로 사용한 것은 서아시아의 아나톨리아 지방에서부터 입니다. BC 1500년경 이 지역의 히타이트인들이 처음으로 철광석에서 철을 야금하는 기술을 터득했으며, BC 1200년경 히타이트 왕국이 멸망하면서 야금 기술이 다른 나라로 전파된 것으로 보입니다. 동양에는 춘추전국시대인 BC 700년경부터 중국이 철을 만들어 사용하기 시작했고, 한반도에는 전국시대 연(燕) 나라로부터 철기문화가 전파되었습니다. 이후 한국인들이 독자적으로 철을 생산할 수 있게 된 때는 BC 100년경부터라고 합니다.

※ 야금 광석에서 금속을 추출·정련해 사용 목적에 적합하게 만드는 공정

 

 

☞ 인류가 철을 발견하고 활용하게 된 기원에는 크게 세 가지 가설이 있다.

첫 번째는 ‘채광(採鑛)착오설’입니다. 청동의 원료인 황동석을 채광하던 중 비슷한 색깔을 내는 적철광을 잘못 채광한 후 제련과정을 거치면서 철을 발견했다는 설입니다. 두 번째는 지표에 존재하는 철광석이 산불에 녹아 철의 존재를 알렸다는 ‘산불설’이며, 세 번째는 하늘에서 떨어진 운석에서 철이 발견됐다는 ‘운석설’입니다. 학자마다 견해의 차이가 있지만, 가장 가능성 있게 받아들여지는 가설은 ‘채광착오설’입니다.

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세상의 발전에 앞장서다

 

18세기 후반, 코크스* 제조법이 확산되고 20세기에 다양한 전로법**이 개발되며 품질과 생산량에서 엄청난 성장을 하게 됩니다.
건축물 골재, 기계, 선박, 가전제품, 자동차 등 산업 전반에 사용되면서 ‘산업의 쌀’이라 불려 왔죠.

*코크스 : 불순물이 거의 포함되지 않은 고순도 탄소로 구성된 연료
**전로법 : 회전로를 사용하여 강철을 제조하는 방법

 

철의 제조방법

 

고대인들에게 철은 자연상태에서 구할 수 있는 가장 강한 금속으로, 때론 금이나 은보다 귀한 대접을 받았습니다. 고대 히타이트에서는 운석 철을 40배의 은을 주고 거래한 기록이 있다고 합니다. 또 야금으로 만들어진 철은 신이 부여한 기술을 가진 소수의 사람들만 만들 수 있는 신성한 물건이었습니다.

고대인들은 청동기 시대에 이미 구리와 주석을 숯과 함께 가열하면 단단한 청동을 얻을 수 있다는 사실을 알고 있었습니다. 그러나 철광석에서 철을 야금하는 데는 이보다 훨씬 높은 온도(1,535℃)가 필요합니다. 당시 기술로는 아무리 노력해도 목탄의 온도를 1,000℃ 이상으로 올릴 수 없었습니다. 이 방법으로는 해면철이라고 불리는 다공성의 스펀지 철밖에는 얻을 수 없습니다. 따라서 고대인들이 처음에 만든 철은 이 스펀지 철 덩어리를 달궈 가열과 두드림을 반복해 불순물을 제거해 얻은 연철(軟鐵)입니다. 

연철은 말 그대로 연하고 부드러운 철이나, 이것을 다시 숯불 위에서 가열해 단소를 흡수시키고, 물에 여러 번 담금질하면 비로소 매우 단단한 강철이 얻어집니다. 히타이트족이 터득한 이 야금 기술은 그리스와 로마로 전해져 용광로가 만들어지지 전까지 거의 그대로 사용되었습니다.

 

용광로에 바람을 불어넣는 방법을 개선해 온도를 올리면 철은 1,130℃ 정도에서 보다 많은 탄소와 결합하여 주철 이 됩니다. 주철은 부서지기 쉬운 단점이 있지만 거푸집에 부여 여러 형태로 쉽게 만들 수 있어 널리 사용되었습니다. 주철은 BC 550년경 중국에서 처음으로 생산되었으며, 유럽에서는 주철 생산이 중세에 시작되었습니다.

그 후 현대적 제철법인 고로법이 1855년 영국인 헨리베세머에 의해 개발됩니다. 베세머는 이전의 용광로를 개량해 불순물을 손쉽게 제거할 수 있는 베세머 전로를 발명했고, 이때부터 철강은 아주 값싸고 간단한 조작으로도 생산이 가능해졌습니다. 따라서 연철은 더 이상 생산하지 않게 되었고, 19세기 후반에는 기술이 더욱 발전해 합금강들이 만들어지기 시작했습니다. 1913년에는 스테인레스강이 처음으로 만들어져 1930년대부터 본격적으로 사용하게 되었습니다. 이로써 철의 최대 단점인 부식성도 해결할 수 있게 되었고, 1952년에는 염기성 산소법으로 짧은 시간에 많은 양의 강철을 만들 수 있게 되어 산업화가 세계적으로 촉진되었습니다.

 

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철을 생산하기 위해서는 1,500℃이상의 고온을 일정시간 유지할 수 있는 기술이 필요합니다. 인류가 철을 다루기 시작한 것은 무척 오래되었으나 찰을 지금과 같이 자유자재로 다루게 된 것은 200년이 채 안 됩니다. 베세머 전로가 개발된 이후 철은 저렴한 생산 가격과 원하는 모양으로 성형하기 쉽고, 다른 금속과 합금 형태로 새로운 특성을 부여할 수 있다는 점 때문에 전 세계 금속 생산량의 95%를 차지할 정도로 많이 생산되어 사용되고 있습니다. 철은 현재 각종 건축의 구조재료, 자동차, 선박, 기계 및 도구 등 산업 전반과 생활용품에서 철이 널리 사용되고 있습니다. 또 철로 만든 기계와 도구를 사용하지 않고 생산된 제품은 거의 찾아보기 어려울 정도입니다.

 

 

또한 철은 여러 화학반응의 촉매, 또는 환원제로 사용됩니다. 철은 암모니아 합성이나 합성 연료와 윤활유의 제조 과정에서 촉매로 사용되며, 니트로벤젠을 아닐린으로 환원시키는 환원제로 사용됩니다. 이밖에 여러 철 화합물들도 다양한 용도로 사용됩니다. 염화제1철(FeCl12)은 유기합성의 환원제로, 염화제2철(FeCl13)은 수질 관리와 하수 처리 응집제, 색소나 잉크로 사용되는 프러시안 블루의 제조와 청사진의 현상 등에 사용됩니다. 임상적으로는 단백질을 응고시키는 지혈제로 사용됩니다.

 

 

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