본 연구에서는 인제 부평리유적 4-2지구 통일신라시대 제철유적에서 출토된 슬래그 5점에 대해 분석을 수행하였으며 그 결과를 통하여 당시의 제철공정을 밝히고자 하였다. 인제 부평리유적출토 슬래그의 전철량은 3.65~23.78%로 고대 제철에서 일반적으로 나타나는 전철량보다 상당히 낮았다. 조재량 또한 65.92~88.96%로 매우 높아 철과 슬래그의 분리가 원활하게 이루어졌을 것으로 보이며 그로 인해 철의 회수율이 상당히 좋았을 것으로 추정된다. 화합물 분석결과 대부분의 시료에서는 크리스토발라이트가 검출되었으며 FAS 상태도와 FCS 상태도에 분석된 데이터를 대입하여 추정한 노 내 온도 또한 1600℃ 이상으로 나타나 탄소를 포함한 철이 완전히 용융되어 주철을 생산하기에 충분한 온도로 조업이 이루어졌음을 확인하였다. 미세조직 관찰 결과 철편에서는 백주철 조직이 관찰되고 백주철 조직에서 철-탄소-인의 3원계 공정인 스테다이트가 함께 관찰되었다. 이는 제철부산물이 생성될 당시 주조 공정을 위한 간접제련이 이루어졌다는 증거가 된다. 분석결과를 토대로 인제 부평리유적은 철광석을 용해하여 선철을 생산한 간접제련유적인 것을 추정하였다.
본 연구에서는 인제 부평리유적 4-2지구 통일신라시대 제철유적에서 출토된 슬래그 5점에 대해 분석을 수행하였으며 그 결과를 통하여 당시의 제철공정을 밝히고자 하였다. 인제 부평리유적출토 슬래그의 전철량은 3.65~23.78%로 고대 제철에서 일반적으로 나타나는 전철량보다 상당히 낮았다. 조재량 또한 65.92~88.96%로 매우 높아 철과 슬래그의 분리가 원활하게 이루어졌을 것으로 보이며 그로 인해 철의 회수율이 상당히 좋았을 것으로 추정된다. 화합물 분석결과 대부분의 시료에서는 크리스토발라이트가 검출되었으며 FAS 상태도와 FCS 상태도에 분석된 데이터를 대입하여 추정한 노 내 온도 또한 1600℃ 이상으로 나타나 탄소를 포함한 철이 완전히 용융되어 주철을 생산하기에 충분한 온도로 조업이 이루어졌음을 확인하였다. 미세조직 관찰 결과 철편에서는 백주철 조직이 관찰되고 백주철 조직에서 철-탄소-인의 3원계 공정인 스테다이트가 함께 관찰되었다. 이는 제철부산물이 생성될 당시 주조 공정을 위한 간접제련이 이루어졌다는 증거가 된다. 분석결과를 토대로 인제 부평리유적은 철광석을 용해하여 선철을 생산한 간접제련유적인 것을 추정하였다.
In the present article, we have analyzed five slags excavated from the Unified Silla period iron smelting site, i.e., location 4-2 of the Inje Bupyeong-ri site, to investigate the iron smelting process. The total Fe content of the slag excavated from the Inje Bupyeong-ri site ranged between 3.65 and...
In the present article, we have analyzed five slags excavated from the Unified Silla period iron smelting site, i.e., location 4-2 of the Inje Bupyeong-ri site, to investigate the iron smelting process. The total Fe content of the slag excavated from the Inje Bupyeong-ri site ranged between 3.65 and 23.78 wt%, lower than that of typical slag, and deoxidation agent of the slag ranged between 65.92 and 88.96 wt%, higher than that of typical slag. These results suggest that the recovery rate of iron was significantly high. Furthermore, cristobalite was detected in most of the samples, and the furnace temperature, estimated by substituting the analyzed data into the FAS and FCS state diagrams, was confirmed as 1,600℃ or more. These results suggest that the operation at the Inje Bupyeong-ri site was performed at a temperature capable of producing cast iron by completely melting the carbon-containing iron. Observation of the microstructure showed that the iron fragments excavated at the Inje Bupyeong-ri site were identified as white cast iron. Steadite from the ternary iron-carbon-phosphorus system was observed in the white cast iron structure. These results show that indirect smelting was performed when the iron smelting by-products were produced. Based on the analysis results, it was confirmed that the Inje Bupyeong-ri site was the indirect smelting site in the Unified Silla period.
In the present article, we have analyzed five slags excavated from the Unified Silla period iron smelting site, i.e., location 4-2 of the Inje Bupyeong-ri site, to investigate the iron smelting process. The total Fe content of the slag excavated from the Inje Bupyeong-ri site ranged between 3.65 and 23.78 wt%, lower than that of typical slag, and deoxidation agent of the slag ranged between 65.92 and 88.96 wt%, higher than that of typical slag. These results suggest that the recovery rate of iron was significantly high. Furthermore, cristobalite was detected in most of the samples, and the furnace temperature, estimated by substituting the analyzed data into the FAS and FCS state diagrams, was confirmed as 1,600℃ or more. These results suggest that the operation at the Inje Bupyeong-ri site was performed at a temperature capable of producing cast iron by completely melting the carbon-containing iron. Observation of the microstructure showed that the iron fragments excavated at the Inje Bupyeong-ri site were identified as white cast iron. Steadite from the ternary iron-carbon-phosphorus system was observed in the white cast iron structure. These results show that indirect smelting was performed when the iron smelting by-products were produced. Based on the analysis results, it was confirmed that the Inje Bupyeong-ri site was the indirect smelting site in the Unified Silla period.
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문제 정의
본 연구에서는 기 분석된 인제 부평지구 하천환경정비사업 구간 내 통일신라 생활유적 출토 제철 부산물을 분석 결과를 재검토하고 해당 시료를 보완 분석하여 해당 유적에서 수행 된 제철과정에 대해 연구하고자 한다.
제안 방법
1 슬래그는 유출재로 금속현미경 관찰결과(Figure 3A) 대부분 완전한 유리질 바탕기지로 구성되어 있으며 일부 용융되지 않은 석영과 함께 다수의 기포가 관찰된다. SEM-EDS를 이용하여 슬래그를 확대 관찰하고 성분 분석을 실시하였다(Table 3, Figure 3B). 분석지점 1은 유리질 바탕기지로 FeO, Al2O3, SiO2, CaO 조성을 환산하여 FAS(FeO-Al2O3-SiO2) 상태도와 FCS(FeO-CaO-SiO2) 상태도에 도시하여 산출한 조업온도는 1650-1700℃로 추정된다.
건조한 시료를 분말화한 뒤에 파장분산형 X-선 형광분석기(Wavelength Dispersive X-ray Fluorescence Spectroscopy, WD-XRF)(S4 Pioneer, Bruker, DEU)로 주요 성분을 분석하였으며 분석된 결과는 준정량분석으로 계측하여 나타내었다. 송풍관 편이 부착된 시료는 송풍관 편과 슬래그를 분리하여 분석하였으며 철편의 경우 분말화가 불가능하여 제외하였다.
그 후 3 μm와 1 μm(DP-Spray, Struers, DEU)를 사용하여 미세연마를 실시하였다.
연마한 시료는 금속현미경(Metallurgical Microscope)(DM 2500M, Leica, DEU)으로 미세조직을 관찰하였다. 그 후 시료를 백금(Pt)코팅하여 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope, SEM)(MIRA3, TESCAN, CZE)으로 세부 미세조직을 관찰하였으며 미세 조직의 화학조성은 에너지 분산형 분광분석기(Energy Dispersive Spectrometer, EDS)(QUANTA300, BRUKER, DEU)로 분석하였다.
회색의 바탕기지에 용융되지 못한 석영과 함께 밝은 금속 입자가 관찰된다. 백색 조직을 확대 관찰하기 위해 SEM-EDS 분석을 실시하였다. Figure 4B는 SEM image이며 분석 위치를 나타내었고, 그 결과를 Table 4에 정리하였다.
분말화한 시료로 X-선 회절분석(X-ray Diffraction, XRD)(X’pertPROMPD, Philips, NLD)을 실시하여 화합물 상태를 분석하였다.
시료의 미세조직을 관찰하기 위해 에폭시 수지에 마운팅하여 220 mesh에서 4000 mesh까지 순차적으로 연마하였다. 그 후 3 μm와 1 μm(DP-Spray, Struers, DEU)를 사용하여 미세연마를 실시하였다.
그 후 3 μm와 1 μm(DP-Spray, Struers, DEU)를 사용하여 미세연마를 실시하였다. 연마한 시료는 금속현미경(Metallurgical Microscope)(DM 2500M, Leica, DEU)으로 미세조직을 관찰하였다. 그 후 시료를 백금(Pt)코팅하여 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope, SEM)(MIRA3, TESCAN, CZE)으로 세부 미세조직을 관찰하였으며 미세 조직의 화학조성은 에너지 분산형 분광분석기(Energy Dispersive Spectrometer, EDS)(QUANTA300, BRUKER, DEU)로 분석하였다.
인제 부평리유적의 제철공정을 규명하기 위해 인제 부평리유적 4-2지구 제철유적에서 출토된 슬래그와 철편을 분석한 결과를 토대로 다음과 같은 결론을 도출할 수 있었다.
대상 데이터
42보다 높은 값을 보이면 CaO 성분의 조재제가 첨가된 것으로 판단된다(Lee, 2017). 본 연구에서 유리질 바탕기지가 관찰되는 시료는 총 4개이며 Table 8에 각 시료의 CaO, SiO2함량과 CaO/SiO2 비율을 정리하였다. 인제 부평리유적 출토 슬래그는 CaO/SiO2 비율이 0.
본 연구의 대상유적인 인제 부평리유적은 2012년 표본조사와 2013∼2014년 발굴조사 결과 지점을 달리하여 구석기유적, 통일신라 주거지, 통일신라에서 고려시대에 이르는 제철유적과 건물지, 조선시대 건물지 등이 확인된 유적군이다.
분석 대상 시료로는 인제 부평리유적 4-2지구 제철유적 폐기장에서 출토된 제철부산물 중 슬래그 4점과 철편 1점을 선정하였다(Table 1, Figure 1). No.
03 deg, 전류는 30 mA, 전압은 40 kV 조건으로 분석하였다. 분석 시 Target은 Copper를 사용하였다.
SEM-EDS 분석 결과(Table 5, Figure 5B) 백색의 광물이 관찰되었다. 분석지점 1은 백색 광물의 미세성분을 분석한 것으로 인이 주성분이고 희토류 원소를 포함한 것으로 보아 희토류 원소를 포함한 인산염광물로 추정된다. 분석지점 2는 유리질 바탕기지이며 FAS 상태도와 FCS 상태도를 통한 추정 조업온도는 1650-1700℃이다.
슬래그의 세부 미세조직 및 조직별 성분을 알아보고자 SEM-EDS 분석을 실시하였으며, Figure 6B에 SEM-EDS분석 위치를 나타내었고 그 결과를 Table 6에 정리하였다. 분석지점 1은 유리질 바탕기지로 FAS 상태도와 FCS 상태도를 통한 추정 조업온도는 1650-1700℃이다. 분석지점 2는 용융되지 않은 석영 입자로 확인되었다.
SEM-EDS를 이용하여 슬래그를 확대 관찰하고 성분 분석을 실시하였다(Table 3, Figure 3B). 분석지점 1은 유리질 바탕기지로 FeO, Al2O3, SiO2, CaO 조성을 환산하여 FAS(FeO-Al2O3-SiO2) 상태도와 FCS(FeO-CaO-SiO2) 상태도에 도시하여 산출한 조업온도는 1650-1700℃로 추정된다. 분석지점 2는 용융되지 않은 석영 입자이다.
벌집모양 조직이 함께 확인되어 Ledeburite로 추정하였으나 SEM-EDS를 이용한 철편의 세부 미세조직 및 조직별 성분 분석 결과(Table 7, Figure 7B) 분석지점 1에서 P2O5가 검출되는 것으로 보아 벌집모양 조직은 철-탄소-인 3원계 공정인 Steadite 조직임을 확인하였다. 분석지점 2는 Cementite이다.
분석지점 1은 유리질 바탕기지로 FeO, Al2O3, SiO2, CaO 조성을 환산하여 FAS(FeO-Al2O3-SiO2) 상태도와 FCS(FeO-CaO-SiO2) 상태도에 도시하여 산출한 조업온도는 1650-1700℃로 추정된다. 분석지점 2는 용융되지 않은 석영 입자이다.
분석지점 1은 백색 광물의 미세성분을 분석한 것으로 인이 주성분이고 희토류 원소를 포함한 것으로 보아 희토류 원소를 포함한 인산염광물로 추정된다. 분석지점 2는 유리질 바탕기지이며 FAS 상태도와 FCS 상태도를 통한 추정 조업온도는 1650-1700℃이다.
성능/효과
송풍관편의 경우 장석류인 Anorthite와 Microcline이 검출되었다. 대부분 바탕기지 조직은 모두 유리질화되어 있으므로 XRD를 통해 분석된 결과 용융되지 않은 광물 입자들이 주로 검출되었으며, 송풍관에 사용된 장석들이 주로 검출됨을 확인할 수 있었다.
미세조직 관찰 결과 슬래그는 대부분 완전히 유리질화되어 있었으며 유리질 바탕기지의 분석결과를 FAS 상태도와 FCS 상태도에 도시한 결과 추정 조업온도는 1350-1700℃로 나타났다. 이는 철광석을 완전히 용융시키기에 충분한 온도이다.
밝은 회색으로 보이는 장주상의 조직은 Cementite이며, 구상의 검은 조직은 Pearlite이다. 벌집모양 조직이 함께 확인되어 Ledeburite로 추정하였으나 SEM-EDS를 이용한 철편의 세부 미세조직 및 조직별 성분 분석 결과(Table 7, Figure 7B) 분석지점 1에서 P2O5가 검출되는 것으로 보아 벌집모양 조직은 철-탄소-인 3원계 공정인 Steadite 조직임을 확인하였다. 분석지점 2는 Cementite이다.
Figure 4B는 SEM image이며 분석 위치를 나타내었고, 그 결과를 Table 4에 정리하였다. 분석결과 백색 조직은 수지상의 Magnetite임을 확인하였다. 분석지점 1은 Magnetite를 분석한 결과이며 분석지점 2는 유리질 바탕기지이다.
슬래그 및 유물퇴적층은 노지의 남서쪽에 위치하며 구하도의 중심 쪽으로 길이 약 20 m, 너비 5∼8 m, 깊이 20∼40 cm의 규모로 퇴적된 양상으로 확인되었다.
인제 부평리유적 출토 슬래그의 주요 성분 분석 결과 전철량은 3.65∼23.78%로 일반적인 고대 슬래그의 전철량에 비해 매우 낮았으며 이를 통해 제련작업에서 철의 회수율이 상당히 높았을 것을 알 수 있다.
슬래그의 화합물 분석결과를 Figure 2에 나타내었다. 주요 상으로 Quartz가 검출되었으며 No.1, 2 슬래그에서는 Magnetite, No.1, 3, 4 슬래그에서는 Cristobalite가 함께 확인되었다. 송풍관편의 경우 장석류인 Anorthite와 Microcline이 검출되었다.
화합물 분석결과 주요 상으로는 Quartz가 나타나며 고온에서 생성되는 Cristobalite가 동정되는 것으로 보아 1470℃ 이상의 높은 온도를 겪었음을 알 수 있다.
후속연구
본 연구에서는 인제 부평리유적에서 출토 된 슬래그를 분석하여 그 특성을 통해 간접제련유적의 특징을 확인하였으며, 직접제련에 비해 국내 간접제련에 대한 연구 사례가 적고 충분한 데이터베이스가 확보되지 않았기에 본 연구를 토대로 다양한 제련 과정 연구가 활성화되기를 기대한다.
참고문헌 (13)
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