문서의 임의 삭제는 제재 대상으로, 문서를 삭제하려면 삭제 토론을 진행해야 합니다. 문서 보기문서 삭제토론 판타지를 여행하는 현대인을 위한 안내서/생산업 (문단 편집) ==== 제강법 ==== [[강철]]의 대량생산이 산업혁명의 중요한 업적으로 꼽힐 정도로 옛부터 [[철(원소)|철]]을 비롯한 [[금속]]의 양산은 세상을 바꿀 수준으로 중요했다. [[대약진운동]] 시절 대표 오류로 치부된 [[토법고로]]조차도 (유럽 기준으로) 중세 중~후기가 돼서야 만들 수 있었다는 것을 알아두자. 따라서 고대부터 이쪽으로 연구를 정진한 사람들이 한둘이 아니라는 것을 알고, 이 길을 선택했다면 진짜로 진지하게 작업에 임해야 한다. 그래서 세계관의 현재 제강법 수준을 보고 개입할만한 부분, 테크트리를 주도해나갈 수 있는 부분이 여러군데 생기게 된다. 판타지 세계관의 이미지는 대충 [[대장장이]]가 쇳덩어리를 두들겨서 물건을 만든다는 이미지가 강하지만, 현실은 이미 고대 시절부터 광산에서 광석을 캐서 그것을 금속괴로 정련하는 것은 광산 자체 혹은 광산 근처에 사는 정련업자가 하는 일이었고, 대장장이는 그 정련된 금속괴를 사서 가공해서 물건으로 만드는 분업이 이루어져 있었다. 물론 중간 비용 아끼려고 광석을 사서 정련하고 물건으로 만드는 과정을 전부 하는 업자도 있었지만... 일단 서양 기준으로 제강법의 테크트리는 대충 이러하였다. * '''고대, 중세 초''' 철의 1회 생산량 1~10kg 급 원시적인 자연흡기식 소형 괴철로(Bloomery)에 목탄과 석회와 철광석을 혼입한 후 가열하면 철광석이 완전히 녹지 않아 스펀지 구조로 녹은 슬래그와 철이 섞인 괴가 된다. 이렇게 생산된 괴철을 망치로 두들겨서 슬래그를 부숴버리고 철만 남기면 연철[* 練鐵. 연할 연자가 아니라 단련할 연자다. 망치질을 해서 단련해 강하게 만들었다고 해서 때문에 단철(鍛鐵)이라고도 불렸다. 탄소가 적은 철로, 전통적으로는 강철이 되기 전의 순수한 철이라고 생각되었다. 하지만 실제론 공정 상 아무리 단련 과정을 반복해도 2% 정도의 슬래그가 섬유 같은 형태로 섞여 있어 강도가 낮았다. 탄소도 슬래그도 안 섞인 순수한 철을 만들 수 있게 된 건 현대의 일이다.]이 된다. 이걸 또 녹여서 괴철로 만든 후 다시 망치질을 하는 과정을 반복해서 슬래그를 더 제거해 철의 순도를 높힐 수 있었다. 최종적으로 만들어진 철을 목탄불에 달구면서 표면침탄[* 탄소를 불어넣어 강도를 높이는 행위]시키고, 가열해서 때리고 접고 꼬아주어서 [[접쇠|속의 연철층과 겉의 강철층이 서로 켜켜히 겹치게 해서]] [[다마스쿠스 강#s-3.1|패턴웰딩]]해서 강철을 만들었다. * '''중세 중기''' 수차(물레방아)를 이용해서 강제과급[* 공기를 불어넣는다는 뜻이다]하여, 규모를 최대 300kg급까지 키운 발전형 대형 괴철로로 연철을 생산하여 [[접쇠|패턴웰딩]]으로 강철화시켰다. 만일 수차과급을 하기 힘들 정도로 환경이 진짜 영 아니다 싶으면 고대 왕국인 [[히타이트]]를 본받아서 높고 바람이 세게 부는 지역에서 철을 만들어보는 것도 좋다. 물론 효율이 꽝이므로 진짜로 다급할 때나 하자. * '''중세 말기''' 대형 괴철로에서 용광로(= 고로)로 발전하여서, 철광석과 고철을 목탄과 함께 완전히 녹여서 탄소와 슬래그 함량이 높은 선철(pig iron)을 생산하였다. 이것을 다시 녹여 괴철로 만들고 수력 망치로 두들겨서 연철/강철화시킨다. * '''근세''' 정련로의 개량이 이루였으며, 용광로의 연료에 코크스를 이용하여 철의 대량양산이 이루어졌다. 밀폐 석관에 목탄과 철괴를 넣고 가열하여 강철화하는 삼탄강 방식, 도가니강 제련법도 등장했다. 이로 인해 좀 더 균질한 강철을 제철소급에서 만들어 보급할 수 있게 되었다. * '''근대~현대''' 열풍로와 베세머 전로, 지멘스-마르탱 평로, 베이직 산소 제강법, 그리고 전기 아크로가 등장하였다. 특히 제강기술사에게 있어서 크게 제강법의 전기라고 할 수 있는 시기는 다음 세 가지다. * 노의 덩치를 늘린다. 자연과급식 소형 괴철로에서 강제과급식 대형 괴철로를 거쳐 용광로로 전환. * 노의 연료를 목탄에서 코크스로 바꾸어, 목탄 소모율이 환경재난급으로 큰 제철산업의 약점을 보완하고 철의 대량양산이 가능하게 바꾼다. * 강철화 기법의 발전. 우연히 발견한 표면침탄 → 표면침탄한 철을 접고 꼬아서 패턴웰딩 → 선철을 정련, 혹은 연철을 삼탄강, 도가니강 제련법으로 탄소가 균질하게 분배된 강철화하여 제공. 만일 [[대장간]]에서 철기를 만들고 있는 수준이라면 연철의 제조 정도는 어떻게든 해 내고 있는 동네란 이야기다. 중세 초중기 수준의 세계라면 아직 용광로가 등장하기 전일 것이고, 선철(무쇠)을 만들기보다는 노의 온도를 철이 녹지 않는 정도로 유지해서 산화환원 반응만 일으켜 슬래그 섞인 괴철(Bloom)을 만든 다음 망치질을 해서 덩이쇠로 만들고 있을 것이다. 일단 고대에는 노 내의 온도를 철이 녹는 1500℃까지 올릴 능력이 없기도 하거니와, 철이 녹는 온도까지 올리면 연료와 철광석을 함께 집어넣는 노의 구조상 녹은 쇳물이 연료(목탄)와 섞여 탄소 함유량 3~4% 급의 무지막지한 선철이 되어 나온다. 이건 인력으로 가공이 거의 불가능한 깨지기만 쉬운 무쇠라서 쓰기가 매우 좋지 않았고, 필히 탈탄 과정을 거쳐서 연철화, 혹은 강철화해야 했는데, 전로가 없는 유럽의 전통적인 탈탄 작업은 쇠를 녹을 정도로 달궜다가 접었다가를 셀 수 없이 반복해야했기 때문에 고객(개별 대장장이)이 직접 하기에는 너무도 고되고 효율이 없는 작업이다. 때문에 일부러 탈탄을 할 필요가 없는 괴철(성분 상 연철) > 강철화를 더 선호 한 것. 사실 제철 기술을 발전 시키려면 '''서양 기준의 기술 발전 순서를 그냥 무시'''하는 것이 낫다.[* 천 수백년 가까이 강철을 마음대로 뽑아낼 수 없었던 유럽, 원시적 침탄로를 오랫동안 썼던 일본 등의 서적이나 논문은 강철 제조법의 어려움을 쓸데없이 과장하는 경향이 강하다. 중세말까지도 꾸준히 쓰였던 단련강 제조법은 인도-중국에선 기원전 7세기 무렵에 이미 완성되어 있었으니... ] 유럽에서는 도가니 제강법, 반사로 기술, 베세머 전로법 등이 18세기~19세기에야 개발되었지만, 세계적으로 보면 원리적으로 같거나 아예 비슷한 수준의 제강 기술이 고대부터 나타난 경우가 여럿 있기 때문이다. 반사로와 같은 구조의 제철로는 중세 일본에도 존재했고, 도가니 제강법과 같은 원리의 제강법은 고대 인도에도 있었고, 베세머 전로법과 원리가 같은 제강기술(초강법)은 고대 중국에 이미 존재했다. 한나라 시대에 발명된 초강법은 한국도 [[원삼국시대]]에 이미 한성 백제가 수입하여 운용했다. 세계 문명은 일반적으로 청동기에서 철기로 넘어갔지만, 사하라 이남 아프리카는 청동기 없이 외부에서 전파된 철기를 바로 사용하기도 했다. 원시 기술을 사용하는 [[Primitive Technology]] 및 유사 유투브에서도 청동기 기술을 생략하고 바로 철기를 사용하는 영상들이 여럿 올려져 있으며 대체로 도가니법을 이용하고 있다. 사실 이건 청동기를 위한 동과 주석이 별로 흔치 않은데 철은 흔해서 촬영지에서도 쉽게 조달할 수 있는 탓도 있다. 하여간 현대적 제강 기술이야 차원이 전혀 달라서 일반인에게는 불가능하지만, 묘하게 기술이 불균형하게 발달한 케이스라면 전근대적인 제강 기술의 범위 내에서도 개량할 구석이 많다는 것이 의의다. 하여간 아직 자연과급식 소형 괴철로만 사용하고 있으면, 물레방아 등을 통해 기계적으로 풀무질해서 강제과급하는, 규모가 커진 용광로를 소개해서 일단 철광석을 녹이게 하자. 가루로 빻은 철광석(산화철)과 석회와 숯가루(탄소)를 섞어 반죽한 것을 높게 쌓은 기둥 구조의 고로에 넣어 녹이면 선철이 나온다. 풀무질을 해서 산소를 공급해줘야 열기가 내부까지 닿고 잉여 탄소가 산소와 결합해서 [[이산화탄소]]가 되어 배출되니 풀무질을 빡세게 해줘야한다. || [youtube(RZGAYzItazw)] || 위에서 언급한 [[Primitive Technology]]에서 철을 만드는 영상. 영상 말미에 슬래지를 부숴서 철 알갱이를 찾는 모습이 나온다. 저 철 알갱이가 선철에 해당된다. 철 비중이 너무 적은거 아닌가 싶을 수 있는데, 수율이 낮은 철세균을 반죽한 것을 원료로 해서 당연히 적을 수 밖에 없다. 현대 산업에서 쓰는 철광석은 저품위 광석도 (질량 상)철 성분이 50% 에 달하고 진짜 높은건 90%에 달한다. 철 성분이 너무 낮아 취급도 안 되는 중국 철광도 30%는 된다. 다만 철의 밀도는 나머지 슬래그(주로 산화규소)보다 2배 가까이 높기 때문에, 철 성분이 50% 라고 해도 막상 녹여서 추출하면 부피 상으로는 30% 정도가 철, 70% 정도는 슬래그 형태로 뽑혀 나온다. 그래도 위 영상처럼 알갱이가 드문드문 있는 것보다는 훨씬 나을테니, 이 항목에서는 고대~중세 정도의 문명을 전재하니 철광의 존재 정도는 이미 알려져 있을 것이니 그걸 쓰자. ~~아니면 위에서 말한 탐광법으로 직접 찾자~~ 하여간 그렇게 철광석을 녹여 나온 선철(pig iron)은 탄소 함량 3~4%에 10% 이상의 슬래그(불순물)이 섞인 것으로, 그냥 잘 깨지는 돌맹이 수준이라 실용적으로 아무 쓸모가 없다. 지금이야 기술이 좋아져서 고로에서 용선을 뽑을 때 슬래그를 거의 다 분리하고 탄소 함량도 4% 미만으로 조절해서 바로 주철로 쓸 수 있게 뽑는 것도 어렵지 않지만 전근대의 기술로 대충 굴뚝 높게 쌓아서 만든 고로로는 무리일 것이다. 사실 지금도 선철은 철광석을 유통하기 좋은 형태로 가공하는 정도의 목적이고, 대부분은 다시 한번 정련해서 강철화 하여 실제로 사용된다. 철광석을 바로 환원 및 강철화하는 기술은 아직도 미래 기술의 과제로 남아있다. 하여간 선철은 최소한 쓸만한 주철이나 강철이나 연철로 만들려면 한번 더 정련을 거쳐야 한다. || [[파일:Cupola-Furnace-1.jpg]] || || 용선로(熔銑爐, Cupola Furnace) || 선철을 녹여 단순한 주철로 만드는 로의 예시는 용선로가 있다. 구조 자체는 그냥 높게 쌓은 굴뚝 수준이다. 점토 벽돌로 쌓은 로에, 내부에 다시 점토 모르타르를 발라서 내화성을 갖게 만들면 된다. 바닥 부분에 모래를 비스듬히 깔고, 슬래그를 뺄 높은 구멍 하나, 녹아서 나오는 주철을 뺄 구멍 하나를 내준다. 그리고 녹은 쇠가 나오는 바닥 바로 위에 구멍을 숭숭 뚫어서 재료들은 빠져나가지 못하고 녹은 쇠는 흘러나올 수 있는 망 구조 바닥을 하나 얹어주면 된다. 그리고 그 망구조 바로 위 옆에 불기운이 들어갈 구멍을 뚫어주고, 풀무 화로를 연결해주면 완성. 이 안에 선철-코크스-석회석을 번갈아서 깔아 넣고 화로에서 불바람을 넣어주면 된다. 이런 용선로에서 나오는 무쇠는 탄소 함량이 높은 주철이라 단단하고 잘 깨진다. 유럽에서는 냄비 등 생활도구를 만들 때나 사용했고, 무기로는 구리가 부족해서 급하게 대포를 만들 때나 사용했다. 창, 검, 갑옷 등 냉병기로는 거의 쓸모가 없다. 철을 녹일 수 있을 정도로 온도를 높일 기술이 있으면, 크게 두가지 정련 기술을 소개할 수 있다. 첫째는 반사로법이고, 둘째는 도가니 정련법이다. || [[파일:반사로.png]] || || 반사로(反射爐, Reverberatory furnace) || 반사로는 쇠를 연철 혹은 강철로 전환하는 전로의 역할이 가능한 로다. 위의 괴철로처럼 철광석과 연료를 함께 굴뚝 속에 쌓은 형태가 아니라, 마치 전통 [[온돌]] 같은 구조의 로에 철과 연료를 분리해서 철에 탄소가 흡수되지 않게 하는 것이다. 상기한 그림의 좌측이 연소실이고, 중앙의 길다란 복도쪽이 철광석을 놓는 반응실이다. 우측 위는 굴뚝, 우측 아래는 작업용 구멍. 녹은 철을 빼는 구멍은 로의 측면에 설치하면 된다. 불과 함께 공급되는 산소와, 철의 탄소가 결합해서 녹은 철에서 탄소가 빠져나가게 된다. 일단 반사로 내부에 내화물을 바르는 준비 과정이 필요하다. 내화물을 반사로 내부에 바른 후 한번 4~5 시간 가량 예열을 해서 내화물이 [[세라믹]]화 되도록 하고, 반사로를 식힌다. 그 뒤 선철과 고철 등을 장입한다. 밑의 초강법 이야기에서도 말하지만 이때 석회를 같이 장입해도 된다. 이제 철들을 가열하는데, 이 과정에서는 철을 저어서 반응을 더 촉진시킬 필요가 있다. 철들의 상단 표면이 녹으면 이후 온도를 더 높여서 철을 완전히 용해시키고, 위에 떠오르는 슬래그를 남기고 밑의 철만 사출구로 빼면 된다. 반사로에서 정련한 철은 강하게 탈탄되어서 탄소 함유량이 낮은 연철이 된다. 탈탄 과정을 중간에 멈추면 강철을 만들 수 있다. 두명이 붙잡고 12시간 동안 작업하면 1500kg 의 연철 혹은 강철이 생산된다. 철을 망치질해서 정련하던 시대에 비해서 철 생산량이 급격하게 상승할 것이다. 1770-1820년의 1차 [[산업 혁명]]기의 영국의 철 생산량의 급증은 이 반사로법의 보급에 의한 것이었다. || [[파일:도가니로.jpg]] || || 도가니로(crucible furnace) || [youtube(q-BVuQZSm08)] ▲ 1949년, 영국 [[요크셔]] 애터클리프의 '헌츠맨 철강'에서 도가니로를 통해 철을 생산하는 모습. 도가니로를 최초로 개발한 벤자민 헌츠맨이 18세기에 세운 회사이다. 사실상 도가니로의 본가. 도가니 정강은 대량 생산에는 무리가 있지만 난이도가 낮은 편이기 때문에 제철업자들에게 바로 알려주기 좋다. 점토를 구워 만든 도가니[* 사실 점토는 내열 한계가 좀 낮기 때문에 비철금속 제련에 사용하고, 강철 제련을 위한 도가니는 흑연으로 만드는 편이다.]에 선철, 고철 등을 넣고 코크스로(이미지 상 d)에서 1600℃ 정도로 3시간 구워준 다음, 위에 뜬 규소 등 불순물(슬래그)을 버리면 아래쪽의 강철을 얻을 수 있다. 만일 당신 동네의 철광석이 특이한 것이었다면 다마스쿠스 강이 나오겠지만, 이건 운 좋은 경우고 보통은 제거하기 힘든 불순물이 섞여있기 때문에 나중에 애로사항이 꽃피게 된다. 밑에 서술한대로 석회와 망간, 탄산소다를 철과 함께 넣어서 정련이 가능하지만, 그게 어려운 사업 초반이라면 그냥 고급 철광석으로 평판이 좋은 것을 원료로 사용하자. 이 도가니 정강은 양이 적긴하지만 생산 과정을 쉽고 정확하게 제할 수 있기 때문에 고급 강철을 만들기 좋다. 또 생산량이 적다지만 이전에 비해서는 혁신적이라, 1차 산업 혁명기 영국은 도가니법으로 1840년 8만톤에 달하는 강철을 생산하며 유럽의 철강 산업의 거의 절반을 점유했다. 위의 반사로법도 강철을 만들 수 있긴한데, 산업의 과학화가 이뤄지지 않아 숙련된 기술자들이 주먹구구식으로 진행했던 당시 산업계 상황 상 숙련된 제철업자들만 가능했고 반사로법은 주로 연철 생산에 쓰였다. || [[파일:BessemerConverter.jpg]] || || 베세머 전로(Bessemer converter) || 더 일을 키우고 싶다면 베세머 전로법을 참고해서 더더욱 강철을 대량생산 할 수 있다. 바닥에 구멍이 숭숭 뚫린 도가니와 풀무를 이어 두고 용융된 선철을 부어준 후, 밑바닥으로 공기를 불어넣어주면 된다. 들어간 공기가 선철을 뚫고 올라오면서 탄소와 결합해서 불덩어리가 되어서 전로의 입으로 일산화탄소 가스가 뿜어져 나온다. 근데 베세머 전로를 만들 때는 [[실린더]]와 [[피스톤]]을 이용한 고압 펌프가 필요하다. 쇳물의 무게와 압력을 이겨내고 공기를 뿜어낼 강력한 힘이 필요하기 때문. 못이기면 쇳물이 아래의 구멍으로 줄줄 흘러내릴 것이다. 예를 들어 주철 1톤을 전환할 때는 1cm^2 당 2~3kg 의 압력이 필요하다. 그냥 바람을 불어넣는 수준인 기존의 풀무로는 안된다. 성공만 한다면 톤 단위의 강철을 20분 가량이면 생산 가능하다. 베세머 전로법은 강철 생산 산업화의 첫 기술이었다고 불릴 정도로 큰 의의를 가지지만, 사실 여러모로 불완전한 기술이었다. 공기를 불어넣는 과정에서 쇳물이 풀무쪽으로 흘러나온다던가, 뿜어져 나오는 [[일산화탄소]] 가스로 화재와 인명사고가 발생한다던가 많이 위험했다. 게다가 공기가 균일하게 주입되지 않으면 철의 품질도 불균일했다. 또 질소가 철에 유입되어서 철강의 품질이 떨어졌다. 또 생짜 공기를 그대로 투입했다가는 철강의 온도가 내려가 철강이 굳어버리는 문제도 있었다. 게다가 베세머 당대에는 탈인 탈황제를 몰라서 인을 제거할 수 없었기 때문에, 인과 황이 많이 섞인 영국산 철광을 쓰면 똥철이 나왔다. ~~문제가 지나치게 많은데~~ 베세머가 자신의 케이스에서 성공한 것은 망간이 많이 함유된 스웨덴산 선철을 사용했기 때문이었는데, 베세머에게서 기술을 사간 제철업자들은 그냥 영국산 철광을 썼다가 낭패를 보고 말았다. 때문에 베세머 전로법으로 만들어진 강철은 싸구려 강철로 사용되었고, 고급 강철은 위의 도가니법으로 주로 생산되었다. 결국 베세머법은 정작 고향인 영국에선 별 빛을 못봤고 영국 제철업자들은 그냥 반사로법을 계속 썼다. 베세머법이 빛을 본 것은 중화학 공업이 본격적으로 발전한 2차 산업 혁명기 독일과 미국에서였다. 이것은 20세기 들어서 영국이 두 나라에게 철강 산업의 우위를 뺏기게 된 원인이 되었다. 순수한 산소를 열풍으로 만들어서 주입하는 린츠-도나비츠 전로법, 줄여서 LD전로법이 개발되고서야 저런 문제들이 개선되어, 다시 강철 양산의 주역으로 자리잡았다. 베세머법의 바로 다음에 나온 기술은 현대까지도 큰 변화 없이 이어진 지멘스-마르탱의 평로법인데, 기계 구조적으로는 오히려 베세머법보다 간단하다. 때문에 오래된 제강 시설에서는 LD 전로보다 더 많이 쓰인다. 위에 있는 반사로 크기를 키우기만 하면 된다. 사실 반사로법을 과학적으로 통제해서 거대한 도가니법처럼 만든 것이라고 보면 된다. 굴뚝을 십 수미터 높이로 높게 쌓고 풀무 사이즈를 키워서 산소를 불어넣어서 온도를 1600도 까지 올리면 된다. 이 평로가 지나치게 탈탄된다는 성질을 역이용해서 반응로에 선철과 고철조각들, 코크스, 석회, 철광석을 섞어넣으면 된다. 다만 철을 녹이고 전환하는데 4~10시간 가량이나 걸려서 비용은 많이 든다. ~~영 어렵다면 [[레드 드래곤]]을 구해서 불을 지펴달라고 해보자~~ 어설픈 내화재로 만든 로라면 온도를 버티지 못하고 무너질 수도 있다. 하지만 베세머 전로법에 비해서 강의 품질이 좋은 편이다. 석탄을 펑펑 쓸 수 있을 정도로 사업이 커지기만 하다면, [[에펠탑]]도 만들 수 있을 것이다. 품질이 좋은 강철을 만들 때 주의해야하는 것은 탄소, 규소, 인, 황, 망간의 비율이다. 탄소는 위에서 소개한 반사로, 도가니법, 베세머 전로를 통해서 쉽게 제거할 수 있다. 반면 황과 인의 경우 철의 강도를 낮추는 주된 원인이기 때문에 반드시 제거해야한다. 가장 유용하고 널리 쓰이는 탈인, 탈황제는 [[석회]]다. [[망가니즈|망간]] 역시 황과 결합해서 탈황 작용을 한다. [[탄산소다]] 역시 탈황 작용을 한다. 도가니법, 베세머 전로법, 평로법을 사용할 때 이러한 탈탄제를 첨가해서 불순물을 제거하자.저장 버튼을 클릭하면 당신이 기여한 내용을 CC-BY-NC-SA 2.0 KR으로 배포하고,기여한 문서에 대한 하이퍼링크나 URL을 이용하여 저작자 표시를 하는 것으로 충분하다는 데 동의하는 것입니다.이 동의는 철회할 수 없습니다.캡챠저장미리보기