선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 단야실험의 목적은 탄금대토성 출토 철정과 같이 탄소함량이 낮은 철정을 제작하는데 두었다. 또한 노의 형태에 따른 공정별 효율성을 확인하기 위해 반지하식 단야로와 지상식 단야로 2기를 축조하였다.
- 본 연구를 통해 고대 중원지역의 제련-단야 공정의 재현실험을 실시하였으며 각 공정별 조업특징 및 문제점을 확인하였다. 또한 실험을 통해 생산된 철괴, 철정 및 파생된 다양한 부산물들을 실제 출토된 사례와 비교하였으며 실험을 위한 원료 및 연료의 사용에 대해서도 검토하였다.
- 국립중원문화재연구소에서도 고대 제철문화 복원 연구사업의 일환으로 2014년부터 20여회의 제련실험과 4회의 단야 실험을 실시하였으며 그 결과 원료 철광석에서 유통단계 소재인 철정까지의 공정에서 나타난 기술체계에 대한 유의미한 정보를 확보하였다. 본 연구에서는 직접제련에 이은 제련-단야의 공정에 대한 복원실험 중 일부 실험과정 및 결과를 정리하고 기술적인 측면에서 특징 및 문제점을 검토하고자 한다.
- 직접제련법의 특성상 내부에 존재하는 불순물이 최종적으로는 비금속재재물로 남게 되는 것이기 때문이다. 이를 근거로 단타가공이 가능한 저탄소 철괴를 생산하는 것을 제련실험의 목적으로 하였다.
- 제련실험의 경우 고대 제철유적에서 나타나는 현상의 복원을 위해 전철량이 높은 슬래그를 노 외부로 배출시키고 단조가능한 양질의 철괴를 생산하는 것을 목적으로 하였다. 20여회의 제련 실험 중 절반의 경우만 슬래그가 노 외부로 배출되었는데 대부분 수지상 및 입상의 뷔스타이트-주상의 파얄라이트-유리질 바탕 또는 주상의 파얄라이트-유리질 바탕로 확인되었다.
- 실험에 따라 노의 규모나 조업방식 등의 변동이 있지만 기본적인 조업 프로세스는 철광석과 목탄을 1:1의 비율을 기본으로 번갈아 장입하는 방식으로 진행되었으며 실험 목적은 고대의 일반적인 조업 형태인 원형 제련로에서 철광석을 원료로 사용하여 철을 생산하는 것으로 일정하게 진행하였다. 철은 용융된 선철이 아닌 직접제련법을 통해 고체 상태로 환원된 철로서 탄소량이 적어 단타 가공이 가능한 철을 목표로 하였다.
제안 방법
- 배소 전 · 후 물리적 강도는 철광석을 동일한 규격의 코어로 제작하여 일축압축 및 간접인장강도를 측정하였다. 각 시료는 조건별로 3개씩 제작한 후 측정값을 평균치로 산출하였다. 실험 조건은 실내 전기로에서 400℃, 600℃로 설정한 두 가지와 야외에서 화목, 목탄 배소한 두 가지를 비교하였다.
- 단야실험의 목적은 탄금대토성 출토 철정과 같이 탄소함량이 낮은 철정을 제작하는데 두었다. 또한 노의 형태에 따른 공정별 효율성을 확인하기 위해 반지하식 단야로와 지상식 단야로 2기를 축조하였다. 불순물이 많고 크기가 큰 초기 철괴는 반지하식 단야로(Figure 11A)를 이용하였고 불순물이 상당량 제거된 소재는 지상식 단야로(Figure 11C)에서 가공하였다.
- 본 연구를 통해 고대 중원지역의 제련-단야 공정의 재현실험을 실시하였으며 각 공정별 조업특징 및 문제점을 확인하였다. 또한 실험을 통해 생산된 철괴, 철정 및 파생된 다양한 부산물들을 실제 출토된 사례와 비교하였으며 실험을 위한 원료 및 연료의 사용에 대해서도 검토하였다.
- 또한 정련-단련-성형으로 세분화된 단야 공정별 부산물의 형태 및 미세조직에서 확인된 특징을 통해 단야 단계를 추정 할 수 있는 근거자료를 확보하였다.
- 본 실험에서 제작한 철정 4점의 미세조직은 모두 비드만스테튼 페라이트와 펄라이트가 나타나는 아공석강의 조직으로 확인되었다. 반면에 STE-2~4의 철정에서 다량의 비금속개재물과 단접경계면이 확인되었는데 이와 같은 결함이 성분적 요인보다 철정의 완성도에 더 중요한 요인으로 작용한 것으로 보고 추가적인 단야실험을 통해 개재물 및 단접경계면 등이 상당부분 제거된 STE-5 철정을 제작하였다. 이를 통해 철정 제작에 있어서 1차적으로는 철괴의 상태에 따른 충분한 불순물 제거와 적절한 온도와 가열을 통해 단접이 되어야하는 것이 가장 큰 영향을 미치며 여기에는 작업자의 기술적인 숙련도가 함께 반영될 수 있음을 확인하였다.
- 배소 전 · 후 물리적 강도는 철광석을 동일한 규격의 코어로 제작하여 일축압축 및 간접인장강도를 측정하였다.
- 2014년부터 실시한 수차례의 실험에 사용된 제련로의 하부구조는 진천 석장리유적 B-23호 제련로를 기본으로 동일한 형태의 반지하식 원형로에 황토와 모래 및 목탄을 사용하여 바닥을 축조하였다(Figure 4A). 상부구조는 출토사례가 매우 드물어 제작기법을 추정하기 어렵지만 밀양 임천리유적에서 내벽에 너비 2~3 cm 가량의 지지대 흔적이 존재하는 노벽체가 다량으로 확인된 사례(Samgang Institute of Cultural Properties, 2014)가 있어 이를 참고하여 대나무 골조에 점토를 붙이는 방식으로 제련로를 재현하였다(Figure 4B). 실험에 따라 노의 규모나 조업방식 등의 변동이 있지만 기본적인 조업 프로세스는 철광석과 목탄을 1:1의 비율을 기본으로 번갈아 장입하는 방식으로 진행되었으며 실험 목적은 고대의 일반적인 조업 형태인 원형 제련로에서 철광석을 원료로 사용하여 철을 생산하는 것으로 일정하게 진행하였다.
- 각 시료는 조건별로 3개씩 제작한 후 측정값을 평균치로 산출하였다. 실험 조건은 실내 전기로에서 400℃, 600℃로 설정한 두 가지와 야외에서 화목, 목탄 배소한 두 가지를 비교하였다. 야외 배소의 온도측정 결과 화목 배소는 600~700℃, 목탄 배소는 750~850℃의 온도대를 형성하였다.
- 상부구조는 출토사례가 매우 드물어 제작기법을 추정하기 어렵지만 밀양 임천리유적에서 내벽에 너비 2~3 cm 가량의 지지대 흔적이 존재하는 노벽체가 다량으로 확인된 사례(Samgang Institute of Cultural Properties, 2014)가 있어 이를 참고하여 대나무 골조에 점토를 붙이는 방식으로 제련로를 재현하였다(Figure 4B). 실험에 따라 노의 규모나 조업방식 등의 변동이 있지만 기본적인 조업 프로세스는 철광석과 목탄을 1:1의 비율을 기본으로 번갈아 장입하는 방식으로 진행되었으며 실험 목적은 고대의 일반적인 조업 형태인 원형 제련로에서 철광석을 원료로 사용하여 철을 생산하는 것으로 일정하게 진행하였다. 철은 용융된 선철이 아닌 직접제련법을 통해 고체 상태로 환원된 철로서 탄소량이 적어 단타 가공이 가능한 철을 목표로 하였다.
- 따라서 배소가 약간의 예비환원과 표면의 수분이나 결정수의 제거 등과 같은 효과는 있으나 고대에 행해진 철광석의 배소는 물리적 강도 저하를 통한 파쇄 편리성에 등에 주목적을 두었을 것으로 추정된다. 이러한 분석결과를 인지하고 화목 및 목탄 배소를 실시하여 제련실험에 사용하였다. 철광석은 당시 국내에서 유일하게 대량 수급이 가능하였던 강원도 양양광산의 자철광 중 입도크기가 1~2 cm에 해당하는 철광석을 사용하였다.
- 이를 근거로 활엽수는 제련 및 정련 작업, 침엽수는 단기간에 고온의 조절이 용이하므로 단련 작업에 적합하다고 보고 있다(Leon and Yoshihara, 2012). 이러한 연구결과를 바탕으로 제련실험에는 참나무 목탄, 단야실험에는 소나무 목탄을 사용하였다. 수종별 목탄에 대한 공업분석을 실시한 결과 두 수종의 목탄 모두 철기제품의 결함요인인 황(S)성분이 낮게 검출되었다(Table 2).
- 제련조업 과정에서 조성되는 노 내부 온도의 측정을 위하여 온도센서(Thermocouple, WJCT-2100-RUS-0.5-300)를 설치하여(Figure 5A), 위치에 따른 실시간 온도를 측정하여 실험과정에 참고하였으며 높이 및 위치에 따른 온도형성에 관한 정보를 확보하였다. 노의 형태는 모두 원형로지만 축소 제작된 노(18th smelting experiment, SME-18)로 조업할 경우 송풍 조건에 따라 민감하게 반응한 반면 위치에 따른 온도는 균일하게 조성되었다(Figure 6A).
- 철광석의 배소효과를 확인하기 위한 배소 전·후의 성분조성 및 물리적 강도측정을 실시하였으며 예비환원 효과 여부를 확인하기 위해 양양산 철광석을 이용하여 배소 전·후 T·Fe, M·Fe 및 FeO의 함량을 적정분석으로 확인하였다.
- 철정을 제작하는 과정에서 철정의 표면에서 분리된 입상재와 형태가 다른 단조박편 3종류에 대해 주사전자현미경 촬영과 미세조직을 관찰하였다(Figure 15, 16). 우선 입상재의 경우 내부 기공이 다수 존재하며 수지상 뷔스타이트, 주상 파얄라이트 및 유리질 바탕으로 이루어진 상태로 일부 환원된 철 입자도 존재한다.
- 한편 불순물이 상당량 제거된 철 소재를 단접하는 과정에서 단접면의 접합이 원활하게 이루어지지 않고 갈라지는 현상이 나타난 원인을 파악하기 위해 강의 기계적 성질에 영향을 주는 성분인 C, P, S, Mn 등의 원소에 대한 화학성분분석을 실시하였다. 전체적으로 C의 함량은 0.
대상 데이터
- 2014년부터 실시한 수차례의 실험에 사용된 제련로의 하부구조는 진천 석장리유적 B-23호 제련로를 기본으로 동일한 형태의 반지하식 원형로에 황토와 모래 및 목탄을 사용하여 바닥을 축조하였다(Figure 4A). 상부구조는 출토사례가 매우 드물어 제작기법을 추정하기 어렵지만 밀양 임천리유적에서 내벽에 너비 2~3 cm 가량의 지지대 흔적이 존재하는 노벽체가 다량으로 확인된 사례(Samgang Institute of Cultural Properties, 2014)가 있어 이를 참고하여 대나무 골조에 점토를 붙이는 방식으로 제련로를 재현하였다(Figure 4B).
- 중원지역에는 단야로의 분명한 형태를 찾지 못해 상대적으로 상태가 양호한 제철유적의 단야로를 대상으로 복원하기로 하였다. 단야 목적에 따른 노의 구조도 다를 것으로 예상되어 반지하식 단야로인 밀양 임천리 금곡유적 C구역 27호로(Figure 9A)와 지상식 단야로인 동해 망상동유적의 단야로(Figure 9B)를 복원대상으로 선정하였다. 밀양 임천리 금곡제철유적 C구역 27호로는 크기 56×54 cm, 깊이 26 cm, 노벽 두께 15 cm로 양쪽에 송풍구가 확인되는 반지하식 단야로이다.
- 또한 노의 형태에 따른 공정별 효율성을 확인하기 위해 반지하식 단야로와 지상식 단야로 2기를 축조하였다. 불순물이 많고 크기가 큰 초기 철괴는 반지하식 단야로(Figure 11A)를 이용하였고 불순물이 상당량 제거된 소재는 지상식 단야로(Figure 11C)에서 가공하였다. 동일한 송풍량이라도 반지하식 단야로에서 고온 조성이 용이했으며 작업이 안정되면서 대략 100~200℃의 차이를 보였다.
- 연료로 사용한 목탄은 기존 연구자료를 근거로 목탄의 연소 특성을 구분하여 제련에는 참나무, 단야에는 소나무목탄을 사용하였다. 공업분석결과 실험에 사용하기에 문제없는 수준의 황(S) 성분이 함유된 상태로 확인되었다.
- 위의 분석결과에서 확인된 바와 같이 철정의 성분조성보다는 개재물 및 결함의 제거가 우선적인 부분임을 인지하여 STE-5의 철정 제작 시 물성개선에 주안점을 둔 단야조업을 실시한 결과 이전의 실험보다 무게가 상당량 감소한 147 g의 철정을 제작하였다(Figure 14A). 앞의 철정 STE-2~4와 비교하여 단면의 미세조직은 크게 다르지 않지만 단접경계면과 비금속개재물이 상당량 감소한 상태로 확인되었다(Figure 14B).
- 이 유적에서 확인되는 대부분의 제련로는 공통적으로 대형의 원형로에 단일의 대구경 송풍관을 사용하였으며 철의 함량이 높은 유출 슬래그도 대량으로 확인되고 있다. 이러한 제련로 중에서 하부구조 상태가 비교적 잘 확인되는 진천 석장리 B-23호 제련로를 복원 대상으로 선정하였다(Figure 2).
- 이러한 분석결과를 인지하고 화목 및 목탄 배소를 실시하여 제련실험에 사용하였다. 철광석은 당시 국내에서 유일하게 대량 수급이 가능하였던 강원도 양양광산의 자철광 중 입도크기가 1~2 cm에 해당하는 철광석을 사용하였다. 해당 지역의 광상은 선캄브리아기 변성 퇴적암류 내에 층상으로 배태한 퇴적 변성형 광상으로 보고되어 있는 곳이다(Lee et al.
성능/효과
- 제련실험의 경우 고대 제철유적에서 나타나는 현상의 복원을 위해 전철량이 높은 슬래그를 노 외부로 배출시키고 단조가능한 양질의 철괴를 생산하는 것을 목적으로 하였다. 20여회의 제련 실험 중 절반의 경우만 슬래그가 노 외부로 배출되었는데 대부분 수지상 및 입상의 뷔스타이트-주상의 파얄라이트-유리질 바탕 또는 주상의 파얄라이트-유리질 바탕로 확인되었다. 일부 유리질 바탕에 환원된 철입자가 다수 존재하는 슬래그도 확인되었는데 노 내부에서 지나치게 환원이 많이 이루어진 결과로 볼 수 있다.
- 연료로 사용한 목탄은 기존 연구자료를 근거로 목탄의 연소 특성을 구분하여 제련에는 참나무, 단야에는 소나무목탄을 사용하였다. 공업분석결과 실험에 사용하기에 문제없는 수준의 황(S) 성분이 함유된 상태로 확인되었다. 목탄을 사용한 제철실험에서 문제가 된 점은 함수율이 높은 목탄의 경우 고온 연소 시 터짐 현상이 발생한 것으로 특히 단야실험의 경우 작업성을 현저히 떨어뜨린 요인이 되었다.
- 그 결과 배소 철광석의 T·Fe가 약 5wt% 증가한 결과를 확인하였는데 이는 결정수 및 유기물감소에 의한 것으로 볼 수 있다.
- 다만 Mn이 미량으로 함유되어 있어 우수한 기계적 특성을 갖기에는 한계가 있는 것으로 보인다(Table 3). 또한 EPMA(Field Emission-Electron Probe Micro Analyzer, JXA-8530F, JEOL Co. Ltd., Japan)를 이용한 mapping 분석을 실시하였는데 그 결과 모든 철정에서 크랙과 슬래그가 다수 존재하는 것으로 확인되었다(Figure. 13). 이를 통해 본 실험에서 제작된 철정은 인(P)이나 황(S)등에 의한 성분적인 문제보다는 철정 내부에 존재하는 슬래그 및 기공이 가공에 결함을 일으키는 주요원인으로 확인되었다.
- 무게는 STE-2는 483 g, STE-3은 360 g, STE-4는 304 g으로 다소 차이가 있는데 최초 소재의 불순물 정도에 따라 정련단야에서 나타나는 손실율의 차이가 있기 때문이다. 미세조직 관찰결과 모두 비드만스테튼 페라이트와 펄라이트조직으로 확인되며 개재물은 유적에서 출토된 철정이나 유물에 비해 다소 많이 존재하는 것으로 나타난다.
- 본 실험에서 제작한 철정 4점의 미세조직은 모두 비드만스테튼 페라이트와 펄라이트가 나타나는 아공석강의 조직으로 확인되었다. 반면에 STE-2~4의 철정에서 다량의 비금속개재물과 단접경계면이 확인되었는데 이와 같은 결함이 성분적 요인보다 철정의 완성도에 더 중요한 요인으로 작용한 것으로 보고 추가적인 단야실험을 통해 개재물 및 단접경계면 등이 상당부분 제거된 STE-5 철정을 제작하였다.
- 이러한 연구결과를 바탕으로 제련실험에는 참나무 목탄, 단야실험에는 소나무 목탄을 사용하였다. 수종별 목탄에 대한 공업분석을 실시한 결과 두 수종의 목탄 모두 철기제품의 결함요인인 황(S)성분이 낮게 검출되었다(Table 2).
- 야외 배소의 온도측정 결과 화목 배소는 600~700℃, 목탄 배소는 750~850℃의 온도대를 형성하였다. 실험 결과 배소 온도가 증가함에 따라 물리적 강도가 감소하는 경향을 확인 할 수 있었다(Figure 3).
- 우선 원료인 철광석의 경우 기존에 제시된 연구자료를 근거로 배소 실험을 실시한 결과 물리적 강도가 감소한 것을 확인하였다. 하지만 적정법에 의한 분석결과 배소 전·후 철광석의 Fe2O3 비율이 약간 증가하였으나 FeO 함량은 변화가 없는 것으로 나타나 예비환원의 효과는 미미한 것으로 확인되었는데 조직이 치밀한 양양산 자철광의 물리적 특성과 관계된 것으로 추정된다.
- 이러한 이유로 양질의 철괴를 생산하고 이를 위해 유동성 높은 유출 슬래그를 배출하는 것에 중점을 두었는데 20여 차례의 실험 중 절반의 실험에서만 유적에서 확인되는 형태의 슬래그를 유출시킬 수 있었으며 특히 소형로를 이용한 실험에서 다량의 슬래그가 유출되었다. 고대에서 확인되는 유출 슬래그의 미세조직은 백색 수지상의 뷔스타이트(wüstite)-주상의 파얄라이트(fayalite)-유리질 바탕(glass phase)으로 확인되는 것이 가장 일반적이며 일부 환원철 입자가 존재하기도 한다.
- 13). 이를 통해 본 실험에서 제작된 철정은 인(P)이나 황(S)등에 의한 성분적인 문제보다는 철정 내부에 존재하는 슬래그 및 기공이 가공에 결함을 일으키는 주요원인으로 확인되었다.
- 반면 지상식 노의 경우 단련 및 성형을 위해 노에서 내용물의 출입이 잦기 때문에 빠른 온도상승이 용이한 작은 노가 적합했을 것으로 보인다. 이를 통해 소재의 상태와 작업 목적에 따라 노의 구조적 차이가 구분됨을 알 수 있었다. 한편 적외선온도계를 이용하여 노 반출 직후 철소재 표면의 온도를 측정한 결과 1,050~1,150℃ 정도로 가열된 것으로 확인되었다.
- 반면에 STE-2~4의 철정에서 다량의 비금속개재물과 단접경계면이 확인되었는데 이와 같은 결함이 성분적 요인보다 철정의 완성도에 더 중요한 요인으로 작용한 것으로 보고 추가적인 단야실험을 통해 개재물 및 단접경계면 등이 상당부분 제거된 STE-5 철정을 제작하였다. 이를 통해 철정 제작에 있어서 1차적으로는 철괴의 상태에 따른 충분한 불순물 제거와 적절한 온도와 가열을 통해 단접이 되어야하는 것이 가장 큰 영향을 미치며 여기에는 작업자의 기술적인 숙련도가 함께 반영될 수 있음을 확인하였다. 본 실험에서 제작한 철정에 함유된 황이나 인은 크게 문제되는 수준은 아니었지만 향후 실험에서 성분적인 부분도 면밀한 검토하여 전체적인 완성도를 높일 필요가 있다.
- 한편 불순물이 상당량 제거된 철 소재를 단접하는 과정에서 단접면의 접합이 원활하게 이루어지지 않고 갈라지는 현상이 나타난 원인을 파악하기 위해 강의 기계적 성질에 영향을 주는 성분인 C, P, S, Mn 등의 원소에 대한 화학성분분석을 실시하였다. 전체적으로 C의 함량은 0.3~0.5% 수준으로 단야작업 및 강도 확보에 충분한 수준이다. 다만 Mn이 미량으로 함유되어 있어 우수한 기계적 특성을 갖기에는 한계가 있는 것으로 보인다(Table 3).
- 제련실험에서 생성된 철은 실험마다 송풍관 하부를 중심으로 집중되어 있었으며 슬래그와 목탄이 혼재한 양상이 공통적으로 확인되었다. 대체로 페라이트-펄라이트의 아공석강으로 볼 수 있으며 펄라이트-흑연조직을 갖는 선철이 대량으로 형성된 실험도 있으나 용선이 형성되어 노밖으로 흐른 경우는 없다.
- 하지만 적정법에 의한 분석결과 배소 전·후 철광석의 Fe2O3 비율이 약간 증가하였으나 FeO 함량은 변화가 없는 것으로 나타나 예비환원의 효과는 미미한 것으로 확인되었는데 조직이 치밀한 양양산 자철광의 물리적 특성과 관계된 것으로 추정된다.
- 이를 통해 소재의 상태와 작업 목적에 따라 노의 구조적 차이가 구분됨을 알 수 있었다. 한편 적외선온도계를 이용하여 노 반출 직후 철소재 표면의 온도를 측정한 결과 1,050~1,150℃ 정도로 가열된 것으로 확인되었다. 단순단타를 위해서는 1,050℃ 정도의 온도에서 형태가공이 가능하며 표면 산화 스케일의 손실이 적었다.
후속연구
- 하지만 아직 국내의 실험고고학적 연구는 경험적 측면에서 시작단계라고 볼 수 있으며 특히 과학적 분석의 경우 다양한 자연과학 분야의 접목과 새로운 분석방법의 시도가 필요한 상황이다. 기존 실험에서 나타난 문제점을 보완하여 제련-단야 이외에 주조, 탄소 조절, 열처리 등과 같은 다양한 공정은 향후 연구에서 다루고자 한다.
- 이를 통해 철정 제작에 있어서 1차적으로는 철괴의 상태에 따른 충분한 불순물 제거와 적절한 온도와 가열을 통해 단접이 되어야하는 것이 가장 큰 영향을 미치며 여기에는 작업자의 기술적인 숙련도가 함께 반영될 수 있음을 확인하였다. 본 실험에서 제작한 철정에 함유된 황이나 인은 크게 문제되는 수준은 아니었지만 향후 실험에서 성분적인 부분도 면밀한 검토하여 전체적인 완성도를 높일 필요가 있다. 탄소량은 STE-2~4 철정 모두 0.
- 대체로 페라이트-펄라이트의 아공석강으로 볼 수 있으며 펄라이트-흑연조직을 갖는 선철이 대량으로 형성된 실험도 있으나 용선이 형성되어 노밖으로 흐른 경우는 없다. 용선이 형성되지 않은 원인으로는 목탄과 철광석의 비율보다는 노의 구조 및 전체적인 온도가 충분하게 조성되지 않은 것으로 여겨지며 향후 진행될 주조실험에서 이러한 내용에 대해 검토할 계획에 있다.
- 2 m인 대형로(SME-19)의 경우 배재부측에 비해 송풍관측의 온도가 높게 조성되어 균일한 온도조성에 어려움을 겪었다(Figure 6B). 이는 단일 송풍관을 사용한 대형 원형로에서 나타나는 특징으로 추가적인 실험을 통해 노 내에 균일한 온도대를 조성할 수 있을 것으로 판단된다. 송풍은 4인용 발풀무(Figure 5C)와 기계 송풍 두 가지 중에서 실험목적에 따라 선택적으로 적용하였다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.