철의 역사는 인류 문명의 역사다. 기원전 3000년경부터 장신구나 간단한 도구에 사용되기 시작한 철은 곧 인류의 가장 중요한 자원이 됐으며, 철을 다루는 기술을 가진 집단은 현재에 이르기까지 강력한 힘과 경제력으로 다른 집단 위에 군림해 왔다. 또한 초고층빌딩, 튼튼한 교량, 비행기, 기차, 자동차 등 현대 문명의 이기들은 철이 있었기에 존재하는 산물들이다. 철이 없었다면 인류는 지금처럼 놀라운 발전을 이룩할 수 있었을까? 인류 문명을 가꿔온 ‘강한’ 철. 그 무한한 힘의 세계를 들춰보자.

제철 기술의 시작은 산소와의 싸움

지구상에서 철을 비롯한 대부분의 금속광물은 순수한 금속으로 존재하지 않고 산소와 결합한 형태인 산화금속의 형태로 존재한다. 그래서 금속을 사용하려면 일단 산소를 떼어내는 과정을 거쳐야 한다. 산소는 높은 온도에서 떨어져 나간다. 철 역시 마찬가지. 철광석에서 산소를 떼어내려면 최소한 수백도 이상의 고온으로 장시간 가열해야 한다. 그 과정에서 탄소와 접촉하고, 탄소를 함유한 철이 만들어진다. 철은 함유하고 있는 탄소의 양에 따라 그 성질이 달라지는데, 탄소를 많이 함유하면 할수록 단단해지고 강해진다.

그림 1 당진제철소의 용광로. 사진 제공 : 동아일보

제철 기술이 발달하지 않았던 초기에는 장작을 태워 얻은 열로 철광석의 산소를 제거하고 철을 얻는 단순한 방법이 사용됐다. 이때 만들어진 철이 400~800도의 낮은 온도에서 만들어지는 단철이다. 단철은 연하고 물러 농기구 같은 도구로 만들기가 쉬웠다. 하지만 너무 연하고 무른 탓에 무기처럼 강한 도구에는 적합하지 않았다. 이후 장작 대신 목탄을 연료로 쓰고, 풀무를 이용해 온도를 높일 수 있은 뒤에야 보다 단단한 철을 만들어낼 수 있었다. 하지만 안정적으로 고온을 유지하기는 여전히 어려운 일이었다.

14세기에 독일 지역에서 목탄을 연료로 하는 고로(용광로)가 만들어졌다. 이어 고로에 수차가 적용되면서 고로에 강한 바람을 안정적으로 공급할 수 있게 됐다. 그 결과 고로의 내부 온도를 높일 수 있었고, 탄소 함량이 높은 선철을 만들어낼 수 있게 됐다. 선철은 탄소 함량이 높아 매우 단단하다. 하지만 모양을 변형시키기 어렵고 쉽게 부러지는 단점이 있다. 이 때문에 당시에는 건축물의 장식이나 기둥, 난간 등에 주로 사용됐다.


18세기에 시작된 제철 기술의 혁명

그림 2 1801년 영국의 필립 야곱(Loutherbourg d. J. Philipp Jakob)이 그린 콜브룩데일 제철소 전경.

제철의 주도권은 유럽 대륙에서 질 좋은 철광석이 풍부했던 영국으로 넘어갔다. 영국의 제철소들은 지나친 벌목으로 목탄 공급이 한계에 다다르자 석탄을 연료로 사용하기 시작했다. 그러나 석탄은 타고 난 뒤 남는 찌꺼기 성분이 많아 고로 내부가 막힐 염려가 있었다. 또한 석탄 연소로 얻어지는 고온을 견디는 고로 건설도 어려웠다. 이런 문제점은 1709년 에이브러햄 다비 1세(Abraham Darby I, 1677~1717)가 코크스를 사용한 고로 제철에 성공함으로써 해결됐다. 코크스는 발열량이 크고, 연기가 없어 제철 연료로 안성맞춤이었다. 코크스 제철법의 등장은 선철을 보다 저렴한 값에 얻을 수 있게 했다. 하지만 코크스로 제조된 선철은 목탄을 연료로 한 철에 비해 인과 유황 같은 불순물이 다량 포함됐다.  그 결과는 품질이 떨어지는 철이었다.

그림 3 프랑스의 상징인 에펠탑은 연철을 사용한 대표적인 작품이다. 사진제공 : 동아일보

그림 5 베세머 전로가 설치된 공장의 모습(위)과 영국 셰필드 산업박물관에 전시된 베세머 전로

1856년에는 ‘위대한 강철왕’으로 불리는 영국의 헨리 베세머(Henry Bessemer, 1813~1898)가 베세머 전로를 발명한다. 그의 전로는 고로에서 얻어진 액체 상태의 선철에 다시 한 번 공기를 공급하며 가열해주면 탄소가 산화돼 탄소량이 감소한다는 사실을 바탕으로 개발됐다. 이때 나오는 철이 강철로, 탄소 함량이 높은 고로의 철(iron 또는 pig iron)과 구별하기 위해 강철(steel)이라 불렀다.

그는 또 철 생산과정을 제철공정과 제강공정으로 나누고, 제철공정에 고로를, 제강공정에 전로를 사용했다. 베세머 전로의 발명은 이후 ‘고로제련-전로정련’으로 이어지는 철강제련의 표준이 됐으며, 근대 제철소가 탄생하는 배경이 된다.

1864년에는 프랑스의 피에르 마르탱(Pierre Martin, 1824~1915)과 영국의 윌리엄 지멘스(William Siemens, 1823~1883)가 평로법을 개발해 강철을 제조하는 또 다른 방법이 생겨났다. 그러나 근대 제강의 두 축인 전로법과 평로법의 발명에도 불구하고 강철의 품질을 떨어뜨리는 철광석 안의 인은 여전히 해결되지 않는 고질적인 문제였다. 그리고 그 문제는 재판소 서기로 일하며 독학으로 화학을 공부한 시드니 토머스(Sidney Gilchrist Thomas, 1850~1885)의 토머스법에 의해 해결된다.




생산성 향상을 위한 20세기의 질주

화학 공업에서 발달한 순산소 제조기술도 철의 생산성 향상에 크게 이바지했다. 고로나 전로는 모두 반응을 위해 산소를 필요로 한다. 하지만 공기를 불어넣으면 21퍼센트의 산소만 사용될 뿐 79퍼센트의 질소는 사용되지 않는다. 질소가 노에서 나갈 때 생기는 막대한 열 손실도 문제였다. 이 문제는 산소가 100퍼센트인 순산소를 사용함으로써 해결됐다. 이 방식은 1954년 오스트리아의 린츠(Linz)와 도나비츠(Donawitz) 두 제철소에서 산소전로가 가동되면서부터 본격화됐다. 두 공장의 머리글자를 따 LD제강법으로도 불리는데, 이 방식으로 생산된 강철은 품질이 우수하고 생산성도 높았다. 현재는 전기로 제강을 제외하면 모든 제철소에서 산소제강법을 이용해 강철을 생산한다.

더 순수하게, 더 단단하게 

그림 6 녹슬지 않는 강철인 스테인리스강. 사진제공 : 동아일보