철(Fe)

회백색의 금속. 원소기호 Fe, 원자번호 26, 원자량 55.85, 밀도 7.87g/cm3(20℃).

현대의 공업재료 중에서 가장 많이 쓰이고 있는 금속재료로서, 세계 중에서 연간 약7억톤, 일본에서는 약1억톤이 생산되고 있다.

 

이 중 약7천만톤이 교량이나 건축 등의 구조물용 재료 또는 각종기계나 선박, 자동차, 차량 등의 재료로 쓰이고, 약3천만톤이 특수강으로 예를들면 강도를 요구하는 기계부품이나 녹에 강한 스테인리스강 등이다.

 

철의 녹는점은 1538℃로 910℃ 이하와 1394℃ 이상에서는 체심입방, 그 사이는 면심입방의 결정구조를 갖는다. 또 780℃에 퀴리점*이 있어 이 온도 이하에서 강자성을 나타낸다. 체심입방이란 입방체 8개의 각과 중앙에 1개의 원자가 배열하고 있는 원자구조이고, 면심입방이란 8개의 각과 6개 면의 중앙에 각각 1개의 원자가 배열하고 있는 원자구조를 말한다.

철은 단독으로는 사용하지 않고 다른 다양한 원소와의 합금으로 쓰인다. 주요한 합금원소는 탄소, 망간, 실리콘으로 하여 보통강으로 불리우고 있다.

탄소를 4% 이상 함유 한 것은 선철이라고 하여 매우 단단하고 무르므로 롤로 압연하거나 단조할 수 없다.

여기에 실리콘을 첨가하여 탕흐름을 좋게 한 것이 주철이라고 하여 다양한 형태로 주조할 수 있으므로 기계부품 등이 만들어지고 있다. 탄소 0.15% 이하의 강은 부드럽고 가공이 쉬우므로 박판 등을 만들 수 있어 주로 자동차용 강판이나 캔 등에 쓰이고 있다. 탄소 0.6～1.0%의 강은 800℃ 정도로 가열하므로 물 등에 급냉하는 담금질이라고 하는 열처리를 하면 매우 단단해 지므로 공구나 베어링 등에 쓰인다.

스테인리스강은 이들 원소 외에 니켈과 니롬을 각각 8～10%와 18～20% 함유하고 있다.

강의 성질은 합금원소의 첨가 외에 열처리 등 재료 내부의 조직을 억제함으로써 다양하게 변화시킬 수 있다. 예를들면 결정을 미세하게 함으로써 큰 강도를 얻을 수 있다.

 

일본 세토(瀨戶)대교에 쓰이고 있는 와이어는 인장강도가 보통강의 4배인 1.6GPa로서 고강도강으로 불리우는 피아노선으로 되어 있다. 로켓이나 고층건축 등에도 쓰인다. 실리콘을 함유하는 철은 자속을 효율적으로 닫혀두는 성질이 있고, 가공하기 쉬우므로 실리콘을 3%로 억제한 판재를 전자기강판이라고 하여 모터나 발전기, 변압기 등에 쓰이고 있다. 이 밖에 박판의 표면을 아연이나 주석으로 도금하여 내식성을 향상시킨 토탄이나 함석판 등이 있어 이것을 표면처리강판으로 불리우고 있다.

 

인류가 최초로 철을 얻는 것으로 운철이라는 설과, 산불 등의 재에서 우연히 발견되었다는 설이 있다. 이집트의 기자에 있는 피라미드에서 발견된 목걸이나 터키의 알라자후유크유적에서 발견된 철핀과 철의 식판(飾板)은 운철에서 만들어진 것으로, 각각 기원전 2750년과 기원전 2500년부터 2200년 사이에 작제된 것으로 추정되고 있다.

운철에는 니켈이 수% 함유되고 있다. 운철은 별의 종말이라고 불리우는 초신성(超新星)의 폭발에 따라 우주에 비산된 원소가 단시간에 핵융합한 결과 생성한다는 설이 유력하다. 철의 원자액이 가장 안정하기 때문이다.

 

지구 중심의 핵은 철을 주성분으로 한다고 전해지고 있다. 가벼운 원소는 지표에 모이고 그 존재비율은 대략 산소 50%, 규소 25%, 알루미늄 10%, 철 5% 등이다. 따라서 지표에는 규소나 알루미늄의 산화물에 섞여 철이 산화물이나 황화물 형태로 함유되고 있다.

 

인류가 지표에 있는 철화합물로부터 철을 얻는 시대는 명확하지 않으나, 중국에서는 춘추시대(기원전 770년～476년)에 시작되어 감숙성(甘肅省) 출토의 양인검(兩刃劍)은 기원전 7세기 정련에 의해 작제되었다. 중국에서는 전국시대(기원전 476년～221년)에 이미 철의 주조기술이 발전되었다. 서유럽에서는 14세기에 들어서부터 개시된 것을 생각하면 놀라울 정도이다. 인류가 이렇게 하여 철광석에서 금속철을 정련하는 방법을 발견한 것이 밝혀지지 않고 있으나, 기원전 1000년경에는 중동에서 히타이트가 철을 정련하는 것으로 알려지고 있다.

일본에서 철기는 승문시대 말기인 기원전 4세기경 중국에서 우리나라를 거쳐 전해졌다. 야요이(彌生)시대 전기의 유적에서는 철도끼나 판 모양의 철편이 다수 전국적으로 발견되고 있고, 이 시대에 이미 철기가 널리 보급되었다.

 

일본의 철제련은 6세기후반부터 시작되어 7세기중반에는 니시니혼(西日本) 각지에서 왕성하게 이루어지게 되었다. 이 때는 지면에 구멍을 파서 점토로 상자형의 노를 구축하고 풀무 등으로 송풍하여 목탄을 연소시켜서 고온을 얻었다. 여기에 사철을 삽입하여 환원하고 노저(爐底)에 고체상태의 철괴(鐵塊)를 얻었다. 이 기술은 일본에서 독자적으로 발전하여 에도(江戶)중기에는 영대골풀무라고 하는 상업생산을 하였으나, 메이지(明治)에 들어 서양식 철강생산방식이 도입되자 생산성이 나쁜 골풀무는 차츰 구축되어 버렸다. 

 

수차동력을 이용한 송풍방식이 개발되자 고온이 얻어지게 되어 생상성은 한단 높아지게 되었다. 온도가 1154℃를 넘으면 철은 탄소를 흡수하고 용해되어 선철이 된다. 노는 차츰 높아져서 고로(용광로)라고 불리우게 되었다.

방적기술의 혁신으로 시작된 영국의 산업혁명은 철의 수요를 증가시키고, 이어서 목탄 부족이 심각한 사태가 되었다. 더비부자(父子)는 1709년 고로에 목탄을 건류하여 얻어지는 코크스를 이용하는 것에 성공하였다. 이것으로 고로의 생산능력은 더욱 높아졌다.

 

1785년 헨리코트는 수kg의 선철을 반사로로 용해하고 인력으로 단련하여 공기와 접촉시켜 탈탄하여 연철을 얻는 퍼들법을 발명하였다. 연철은 단조나 단접이 가능하여 레일 등을 만들 수 있으나, 퍼들법은 고로의 선철생산능력에 비해 그 생산성은 현저하게 떨어졌다.

 

1856년에 베세머는 노의 바닥에서 공기를 흡입한 전로를 발명하였다. 이 방법은 공기 중의 산소가 탄소나 인, 규소를 연소하여 발열하므로 연료가 불필요 할 뿐만 아니라 탈탄도 수십분으로 끝나므로 당시의 사람들을 크게 놀라게 했다. 그러나 베세머전로는을 감추었다.

 

현재는 노의 바닥에서 산소가스를 흡입하는 저취전로(底吹轉爐)나 바닥에서 탄산가스를 흡입하여 용강을 교반하고 위에서 산소를 흡입해 탈탄하는 상저취전로가 발명됨으로써 성분농도 조정의 정밀도가 향상되었다. 그리고 유해한 불순물원소인 인, 유황, 질소 등을 진동으로 빨아 제거하는 진공용해법이 발명되고, 현재는 이들 불순물 농도의 합계를 50ppm 이하로 할 수 있게 되었다.

 

성분을 조정한 용강은 주형에 주입하여 응고시켜서 잉곳이라고 하는 큰 덩어리로 된다. 이 때 용해산소가 탄소와 반응하여 일산화탄소가스를 방출하므로 미리 용해산소를 실리콘이나 망간, 알루미늄을 첨가하여 산화물로 고정하고, 산소농도를 조정하는 탈산처리를 하여야 한다.

이 탈산의 정도에 따라 림드강, 세미킬드강, 킬드강 등으로 불리우고 있다. 이 잉곳은 다시 균열로에서 가열되어 압연되므로 봉이나 판 등에 가공된다.

 

1940년대 후반에 강의 연속주조가 실용화됨에 따라 용강에서 각재나 후판이 직접 만들어지고 있고, 생산성이 향상됨과 동시에 에너지의 절약에도 한 몫을 하고 있다. 최근 일본에서 생산되는 보통강의 90% 이상이 연속주조기로 제조되고 있다. 현대의 선강일관의 철강생산프로세스를 그림에 나타내고 있다.

 

철의 제조에는 이 밖에 천연가스를 환원가스에 사용하여 직접 선광석을 환원하고 해면철을 제조하는 방법이 있다.

 

라이닝에 규산질의 산성내화물을 사용하여 왔기 때문에 강 속의 인을 제거할 수 없었다. 1878년에 재판소의 서기였던 토머스는 돌로마이트의 염기성내화물을 발명하고 이것을 해결하였다. 철은 일반적으로 스크랩으로 회수되어 현대에서는 전기로에서 재용해되고 있으나 당시 이것은 평로가 적합하였다.

 

전로에서는 공기를 사용하기 때문에 질소가 열을 빼앗을 뿐만 아니라 용강에 용해하는 질소가 문제가 되었다. 평로는 배가스의 현열을 축열로로 회수하고 그 열로 석탄연소가스를 가열하여 고온을 얻는 노이다. 이 때문에 강의 정련에는 주로 평로가 쓰이게 되었다.

 

1952년에는 오스트레일리아에서 산소가스를 흡입하여 탈탄하는 LD전로가 발명되자 평로에 비해 압도적으로 생산성이 좋기 때문에 제강로는 차츰 LD전로로 대체되자 일본에서는 1972년에 평로는 모습을 감추었다. 현재는 노의 바닥에서 산소가스를 흡입하는 저취전로(底吹轉爐)나 바닥에서 탄산가스를 흡입하여 용강을 교반하고 위에서 산소를 흡입해 탈탄하는 상저취전로가 발명됨으로써 성분농도 조정의 정밀도가 향상되었다. 그리고 유해한 불순물원소인 인, 유황, 질소 등을 진동으로 빨아 제거하는 진공용해법이 발명되고, 현재는 이들 불순물 농도의 합계를 50ppm 이하로 할 수 있게 되었다.

 

성분을 조정한 용강은 주형에 주입하여 응고시켜서 잉곳이라고 하는 큰 덩어리로 된다. 이 때 용해산소가 탄소와 반응하여 일산화탄소가스를 방출하므로 미리 용해산소를 실리콘이나 망간, 알루미늄을 첨가하여 산화물로 고정하고, 산소농도를 조정하는 탈산처리를 하여야 한다.

 

이 탈산의 정도에 따라 림드강, 세미킬드강, 킬드강 등으로 불리우고 있다. 이 잉곳은 다시 균열로에서 가열되어 압연되므로 이나 판 등에 가공된다.

 

1940년대 후반에 강의 연속주조가 실용화됨에 따라 용강에서 각재나 후판이 직접 만들어지고 있고, 생산성이 향상됨과 동시에 에너지의 절약에도 한 몫을 하고 있다.

 

철의 제조에는 이 밖에 천연가스를 환원가스에 사용하여 직접 선광석을 환원하고 해면철을 제조하는 방법이 있다.