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J. Conserv. Sci > Volume 40(4); 2024 > Article
충주 칠금동 제철유적 출토품의 분석을 통한 제련실험 생성물의 재현성 평가

초 록

이 연구는 국립중원문화유산연구소에서 이루어진 고대 제철기술 복원실험 중 제련실험에 중점을 두어 유적에서 확인되는 제련 생성물과 실험 생성물을 비교⋅분석함으로써 실험이 유적의 현상을 얼마나 충실히 재현하고 있는지 점검하고자 하였다. 그리하여 충주 칠금동 제철유적 제련 생성물의 특징을 확인하고 제련실험 생성물을 비교한 결과 미환원 철광석과 반환원괴 시료 등에서 유사성을 확인할 수 있었다. 유출 슬래그의 경우에도 미세조직과 화합물 분석 결과를 통해 유적의 현상을 어느 정도 반영하는 것으로 나타났다. 반면 노 내 슬래그에서는 다소 차이가 나타났다. 또한 실험과정에서 슬래그의 유출을 유도하기 위해 온도를 상승시킨 것이 결과적으로는 슬래그의 유동성을 저하시킨 요인으로 확인되었다. 따라서 제철기술을 복원하기 위해서 온도 조절 기술이 중요한 변수임을 확인할 수 있었으며 노 내 온도를 1,100∼1,300℃ 범위로 유지한다면 환원철의 과도한 침탄을 방지하면서도 제련 슬래그의 유동성을 확보해 유적 현상을 재현하는 데 도움이 될 것으로 기대한다.

ABSTRACT

This study focuses on the bloomery process experiments conducted as part of the ancient iron making technology restoration by the National Jungwon Research Institute of Cultural Heritage. By comparing and analyzing bloomery products identified from archaeological sites with those produced in the experiments, this study purpose to evaluate how accurately the experiments replicate the site phenomena. Through analysis of the bloomery products from the Chilgeum-dong iron making site in Chungju and evaluation of the bloomery process experiments, similarities were observed between the unreduced iron ore and the partially reduced bloom samples. In the case of the tapped slag, fayalite and wüstite were detected, and the microstructure also showed some similarity to the archaeological site phenomena. However, there were slight differences in the slag within the furnace. Additionally, increasing the temperature in the latter part of the experiment to induce slag outflow was found to have ultimately reduced slag fluidity. Thus, temperature control was confirmed as an important variable during operation. Specifically, maintaining the furnace temperature within a range of 1,100–1,300℃ is expected to prevent excessive carburization of reduced iron while ensuring the fluidity of the smelting slag. This approach is anticipated to help more accurately reproduce the site phenomena.

1. 서 론

한반도의 고대 제철1)기술을 복원하기 위한 실험적 연구는 1991년 한국과학기술원에서 최초로 시도한 이래 유적에서 확인되는 고고학적 자료들을 기반으로 다양한 기관에서 수행하였다(Jungwon National Research Institute of Cultural Heritage, 2017). 다만 제철기술과 관련하여 노의 높이나 전체적인 형태, 조업방식 등 여전히 많은 부분이 명확히 밝혀진 바 없기 때문에 실험을 통한 검증과정이 필요하다.
고대 제련로에서 생산하는 괴련철은 현대의 저탄소강에 해당한다. 비교적 저온에서 고체 상태로 환원이 이루어지기 때문에 철을 생산할 수 있었지만 많은 기공과 이물질을 포함하고 있어 단조작업을 거쳐 물성을 개선해 철기를 제작하였다. 따라서 고대 제철기술을 복원하는 데 있어 주 소재인 괴련철의 생산은 필수적이다.
이 연구는 발굴조사결과를 통해 AD 2세기경부터 백제인에 의해 장기간 제련조업이 이루어진 것으로 확인된 충주 칠금동 제철유적에서 출토된 제련 관련 생성물에 대한 4차례의 분석 결과를 정리해 이곳에서 이루어진 삼국시대 백제의 제련기술을 확인하였다. 이를 국립중원문화유산연구소에서 실시한 제련실험 생성물의 분석 결과와 비교함으로써 실험연구가 얼마나 유적의 현상을 충실하게 재현하고 있는지 점검하고자 한다.

2. 연구 방법

2.1. 연구 대상 및 방법

충주는 한반도 3대 철산지 중 한 곳으로 다수의 제련로가 확인된 칠금동 제철유적과 중간소재인 철정이 출토된 탄금대 토성, 철기 생산에 필요한 도구들이 출토된 탑평리유적 등 제철과 관련된 유적들이 분포한다. 또한 주변에는 연수 철산, 하구암리 탄요 유적 등 제철 조업에 필요한 원료를 공급했을 것으로 추정되는 광산과 탄요도 다수 확인된다. 본 연구에서는 그중 충주 칠금동 제철유적에서 출토된 제련 관련 생성물을 연구대상으로 하였다. 유적은 400-1번지와 392-5번지 두 곳에서 발굴 조사가 실시되었으며 두 유적 간 거리는 약 100 m로 매우 가깝다.
칠금동 400-1번지에서는 배재부가 잔존하는 제철로 1기와 철광석 배소 작업장, 철광석분이 확인된 구덩이 등이 발견되었다. 절반만 남은 제철로의 내경이 150 ㎝로 확인되어 제련로로 추정했으며 출토유물을 통해 AD 4세기경 백제에 의해 조업이 이루어진 것으로 보았다(Jungwon Cultural Properties Institute, 2008).
칠금동 392-5번지에서는 총 28기의 제련로와 철 생산과 관련된 소성유구, 폐기장, 철광석 파쇄장 등이 확인되었다. 제련로의 내경은 110∼150 cm이며 방사성탄소연대 측정 결과 하층은 AD 2세기 중후반, 중층은 AD 3세기, 상층은 AD 4세기 후반까지 사용한 것으로 확인되었다(Jungwon National Research Institute of Cultural Heritage, 2020).
본 유적에서 출토된 제철 관련 생성물의 분석 결과는 현재까지 총 4차례 보고되었다. 그중 칠금동 400-1번지에서 출토된 제련 생성물을 철광석, 반환원괴, 유출재, 노내재 등으로 분류한 다음 MM(Metallurgical Microscope), SEM-EDS(Scanning Electron Microscope with Energy Dispersive X-ray Spectrometry), WD-XRF(Wavelength Dispersive X-ray Fluorescence Spectrometry), XRD(X-Ray Fluorescence Spectrometry) 분석을 실시했다(Sin et al., 2008; Jungwon National Research Institute of Cultural Heritage, 2014). 칠금동 392-5번지에서 출토된 생성물은 출토 유구별 및 시료의 성격에 따라 철광석, 반환원괴, 슬래그 등으로 분류한 다음 MM, SEM-EDS, XRF, XRD, ICP-MS(Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry)분 석을 실시했다(Jungwon National Research Institute of Cultural Heritage, 2018; 2020).

2.2. 실험 대상 및 방법

국립중원문화유산연구소에서는 2011년부터 고대 제철기술 복원실험을 통해 철 생산의 기원과 발전양상을 규명하는 학술연구를 진행하고 있다. 1∼3차 제련실험은 잔존 상태가 양호한 진천 석장리유적의 노를 모델로 하였다가 충주 칠금동 제철유적의 발굴조사가 진행됨에 따라 칠금동 392-5번지에서 확인된 3호 노를 기반으로 4차부터 7차까지 실험하였다. 이후 8차 제련실험부터는 지하 목조 구조가 잘 남아있던 동일 유적의 5호 노를 참고해 구조변화를 주었다. 본 연구에서는 이 중 충주 칠금동 제철유적의 제련로를 모델로 하여 현재까지 보고서로 발간된 4∼10차 제련 본실험(이하 ‘제련실험’)의 분석 결과를 유적의 현상과 비교할 대상으로 삼았다.
실험에 사용하는 원료 철광석2)은 국내에서 유일하게 채광되는 양양산을 사용하며 분석을 통해 유적과 같은 magnetite 위주의 고품위 철광석인 것을 확인하였다. 연료는 분석을 통해 황 성분이 0.008wt.%로 적게 검출된 참나무 백탄을 사용하고 있다. 송풍은 4인용 발풀무를 이용하였다가 8차 실험부터는 기계 송풍기를 개발해 사용하고 있으며 제련로에 열전대를 설치해 실시간으로 조업온도를 확인한다(Jungwon National Research Institute of Cultural Heritage, 2017; 2019; 2021; 2023). 각 차수별 실험 목표와 방법은 Table 1로 정리하였다(Table 1).
실험 생성물의 분석은 각 차수별로 미환원 철광석, 유출 슬래그, 노 내 슬래그, 환원철, 유출 선철 등으로 분류한 다음 각 시료의 특성에 맞추어 MM, SEM-EDS, WD-XRF, XRD, ICP-MS, CS(Carbon⋅Sulfer), 적정분석을 실시하였다(Jungwon National Research Institute of Cultural Heritage, 2017; 2019; 2021; 2023). 그중 본 연구에서 다룰 시료의 종류와 수량은 Table 2로 정리하였다.

3. 연구결과 및 고찰

3.1. 충주 칠금동 제철유적 출토 제련 생성물의 특징

신경환⋅이남규⋅장경숙⋅이재용은 칠금동 400-1번지에서 수습한 제철 관련 생성물을 분석하여 이곳에서 magnetite가 주성분인 철광석으로 제련조업을 실시했으며 환원철, 반환원괴, 산성의 유출슬래그 등이 생성되었음을 규명하였다(Sin et al., 2008). 이후 국립중원문화유산연구소에서는 중원지역 제철유적 출토유물 분석연구의 일환으로 동 유적에서 출토된 철광석과 슬래그의 분석을 실시해 고품위의 철광석을 사용했으며 Ca을 주성분으로 하는 조재제의 이용 가능성을 확인하였다(Jungwon National Research Institute of Cultural Heritage, 2014). 2016년부터는 칠금동 392-5번지 일대의 발굴이 이루어지면서 이곳에서 수습된 제철 생성물의 분석을 통해 유적에서 고품위의 철광석을 원료로 직접 제련법을 이용한 괴련철을 생산했으며 그 과정에서 Fe함량이 높은 슬래그가 생성되었음을 규명하였다. 또한 발굴조사가 연차적으로 진행되면서 새롭게 발굴된 생성물에 대한 추가 분석을 실시해 유적이 존속하는 동안 조업 기술의 개선 여지를 파악할 수 있는 변화 양상을 확인하였다(Jungwon National Research Institute of Cultural Heritage, 2018; 2020).
따라서 충주 칠금동 제철유적은 제련조업을 전문적으로 수행한 유적임이 고고학적 연구뿐만 아니라 과학적인 분석연구를 통해서도 규명되었다. 이곳의 제련방식은 고체저온환원 방식의 직접제련법을 이용하였으며 지속적인 발굴조사와 함께 분석연구도 진행됨에 따라 유적 내에서 기술적 변화가 있었을 가능성을 추가적으로 밝힐 수 있었다.

3.1.1. 철광석

칠금동 제철유적에서 확인되는 철광석은 육안관찰 시대부분 표면이 붉게 산화되어 있으며 맥석도 관찰된다. 미세조직 관찰 시 공통적으로 치밀한 광석 사이에 맥석이 소량 분포하는 것을 확인할 수 있으며 치밀한 조직 사이로 균열이 관찰되는데 이는 시간이 지나면서 풍화된 것인지 배소와 같은 인위적인 가공의 흔적인지 여부는 파악하기 어려웠다(Figure 1a, 1b). EDS 분석 결과 SEM image의 1은 철광석, 2는 맥석부위로 주성분은 각각 FeO와 SiO2이다(Table 4a). 철광석의 전철량 범위는 50.85∼69.07%이며 주성분은 FeO, 부성분은 SiO2, 기타성분은 1% 미만으로 확인되었다(Table 3a). 어떤 철 화합물이 철광석으로 분류되는 기준은 그 화합물로부터 철을 경제적으로 생산할 수 있는가 없는가에 달려있다. 일반적으로 철 함량 20% 이상의 화합물을 철광석이라 하며 철 함량 60% 이상을 부광, 40% 이하는 빈광이라고 정의하는데(Forbes, 2003) 이러한 기준에 따르면 충주 칠금동 제철 유적에서 출토된 철광석의 품위가 상당했음을 알 수 있다. XRD 분석 결과 magnetite(자철석)와 hematite(적철석)가 철광석의 주 구성 광물로 확인되며 일부 hematite이 우세한 시료도 확인할 수 있지만 대부분은 magnetite이 우세했다(Figure 2).

3.1.2. 슬래그

칠금동 제철유적에서 확인되는 슬래그의 미세조직은 전체적으로 fayalite가 크게 성장하였고 wüstite는 입상 또는 dendrite 형태이다(Figure 1e1l). EDS 분석 결과 SEM image의 1은 wüstite, 2는 fayalite, 3은 유리질 바탕 조직이다(Table 4b). XRD 분석 결과에서도 슬래그의 주 구성광물은 fayalite이며 wüstite 또는 magnetite가 검출되었다(Figure 2).
슬래그 시료 중 육안 관찰 시 유출상이 명확한 유출 슬래그와 그렇지 않은 부정형 슬래그 시료 간의 미세조직을 비교한 결과 특히 wüstite 조직 형태에서 차이점이 뚜렷하게 관찰되는데 이러한 현상은 슬래그가 냉각될 당시의 상황을 반영하는 것으로 추정된다. 유출 슬래그의 경우 노 밖으로 유출되면서 중첩되어 경계면이 생성되었고 노 내⋅외부의 온도 차로 인해 빠르게 냉각되면서 wüstite가 크게 성장하지 못하였다(Figure 1e1h). 반면 부정형 슬래그에서는 상대적으로 크게 성장한 wüstite가 관찰되는 것을 통해 이 시료가 노 내에서 서냉하여 조직이 성장할 충분한 시간적 여유를 가졌던 것으로 추정할 수 있다(Figure 1i1l).
칠금동 392-5번지 제련로 지하 목조구조물에서 채취한 시료의 방사성탄소연대측정 결과와 고고학적 층위 구분을 종합해 유적 내에서 하⋅중⋅상 3개의 층으로 조업 시기가 구분되는 것이 확인되었다. 이에 출토 위치가 명확한 슬래그를 대상으로 주성분 분석 결과를 비교하여 칠금동 유적의 기술 변화 양상을 확인한 결과 가장 이른 시기인 하층에서 이후 시기인 상층으로 갈수록 전철량과 염기 도는 감소하며 조재량은 증가하는 경향성이 나타났다(Table 3). 슬래그 내 Fe 성분의 감소가 조업에서의 Fe 회수율 증가로 해석한다면 이 유적에서 조업의 효율 상승과 같은 긍정적인 기술적 변화가 있었던 것으로 추측할 수 있다. 이에 400-1번지에서 출토된 슬래그의 주성분 분석 결과를 대입한다면 이 구역에서 가장 늦은 시기의 조업이 이루어진 것으로 해석할 수 있다.

3.1.3. 반환원괴

반환원괴란 철광석이나 슬래그 시료와는 다른 성격을 나타내는 것을 따로 분류한 것이다. 일반적으로 작은 덩이 형태로 존재하며 약간의 자성도 가지고 있어 육안 관찰만으로는 그 속성을 구별하기 어려우므로 대부분은 분석 결과를 통해 새롭게 분류된다. 충주 칠금동 제철유적에서 반환원괴로 분류된 시료들 역시 슬래그⋅환원철 등과는 다른 형태의 조직이 확인된다(Figure 1c, 1d). EDS 분석 결과 SEM image의 1은 Fe 주성분의 철산화물이며 2는 fayalite에 가깝고 3은 유리질 바탕 조직이다(Table 4c). 미소부위 성분분석 결과는 슬래그와 크게 다르지 않은 것을 알 수 있는데 모두 제련 과정에서 파생되는 생성물인 만큼 유사점이 나타나는 것으로 생각된다.

3.2. 고대 제철기술복원 제련실험 결과

충주 칠금동 제철유적의 제련로를 모델로 한 4차부터 10차까지의 제련실험 결과는 다음과 같다(Table 5). 4차 실험에서 저탄소의 괴련철을 생산했으나 크게 응집하지 못했고 조재제 첨가로 슬래그의 유동성은 확보했으나 염기도가 증가하였다. 따라서 슬래그의 유동성을 높이기 위해 조재제의 사용보다는 안정적인 조업방식을 통한 적정 온도 유지가 더 중요하다고 판단해 이후 실험부터는 조재제를 사용하지 않았다. 또한 다음 공정인 단조 효율성을 높이기 위해서는 환원철과 슬래그의 분리가 더 원활하게 이루어져야 할 필요가 있다고 보았다(Jungwon National Research Institute of Cultural Heritage, 2017).
5차 실험은 상부에 부분적으로 생성된 저탄소강을 제외하면 전체적으로 선철이 생산되었다. 냉각 속도의 차이로 인해 노 내 선철은 회주철, 유출 선철은 백주철 조직이 관찰되며 하부로 갈수록 탄소 함량이 증가하였다. 또한 선철의 영향으로 슬래그의 전철량은 낮아지고 표준편차도 커졌다. 이 실험은 직경 30 cm의 대형 송풍관을 사용해 송풍관과 배재구 간 온도 차가 가장 적었기 때문에 노 내에 안정적인 환원 분위기가 만들어졌을 것으로 기대했지만 분석 결과는 전체적으로 유적 현상과 다르게 나타났다. 6차 실험 역시 탈탄된 상부 일부를 제외하면 선철 위주로 생산되었으며 슬래그의 전철량도 낮아 유적의 현상과 다른 결과를 얻었다(Jungwon National Research Institute of Cultural Heritage, 2019).
7차 실험에서는 괴련철의 생산량이 증가했지만 주성분 분석 결과 슬래그 시료간의 표준편차가 큰 것으로 나타났다. 이는 실험 당일 태풍으로 인해 노 내 환경이 불안정해져 일어난 결과로 추정하였다. 8차 실험은 충주 칠금동 제철유적에서 확인된 지하 목조구조를 추가하고 송풍관의 높이를 조정한 결과 pearlite 위주의 공석조직이 확인되는 괴련철을 생산하였다. 슬래그의 주성분은 유적의 전철량⋅조재량 범위를 다소 벗어났으나 이는 하부에 생성된 선철의 영향으로 추정했으며 표준편차도 고른 성분비를 나타냈다(Jungwon National Research Institute of Cultural Heritage, 2021). 이 실험은 슬래그 유출에는 실패했지만 분석 결과를 통해 그동안의 실험 중 가장 안정적인 방식으로 괴련철을 생산한 것으로 평가하였다.
9차 실험에서는 전면 보조송풍을 시도한 결과 송풍관 측을 중심으로 큰 환원대를 형성했으며 cementite가 발달한 과공석강 위주의 괴련철이 생성되었다. 그러나 과공석강은 단조시 뭉치지 않고 흩어져 사용하기 부적절한 소재임을 실험으로 확인(Jungwon National Research Institute of Cultural Heritage, 2019)한 바 있기 때문에 ‘단조 가능한’ 양질의 괴련철을 생산한 것으로 보기 어렵다고 판단하였다. 10차 실험에서는 측면 보조송풍을 시도한 결과 환원대가 양분되어 배재부측과 송풍관측에 각각 작은 환원대가 생성되었다. 이 중 배재부측에 생성된 환원대가 슬래그 유출을 방해해 강제유출을 시도했는데 그 결과 슬래그와 함께 환원철과 철광석 등이 배출되는 문제가 생겼다. 이 실험에서는 단조 가능한 저탄소의 괴련철을 생산하는 것에는 성공했지만 8% 미만의 매우 낮은 철 회수율을 보여 경제성까지 고려한다면 그다지 성공적인 실험은 아니었다(Jungwon National Research Institute of Cultural Heritage, 2023).

3.3. 유적 출토 생성물과 실험 생성물의 비교

일반적으로 유적에서 출토되는 제철 생성물은 조업 후 폐기된 것들이 대부분이기 때문에 중간소재인 철정이나 최종 생산품인 철기와 같이 제철공정을 명확히 구분할 수 있는 출토품은 잘 확인되지 않고, 출토된다 하여도 문화 유산의 특성상 파괴 분석을 시도하기 어려운 경우가 많다. 그러므로 제철 생성물의 분석은 유적에서 가장 많이 확인되는 슬래그와 노벽편을 주 대상으로 한다. 반면 실험의 경우 시료 채취에 제약이 없어 다양한 시료에 대한 분석이 가능하며 양적 한계도 없다는 장점이 있다. 이 연구에서는 이러한 차이점을 감안하여 유적과 실험에서 공통적으로 확인할 수 있는 슬래그의 분석 결과를 중점적으로 비교하였다. 노벽의 경우 시료 채취 방식에 차이가 있어 비교 대상에서 제외하였다.

3.3.1. 슬래그

유적과 실험 시료의 유출 슬래그의 미세조직을 비교한 결과(Figure 3a, 3b) 전체적으로 fayalite가 크게 성장해 주상으로 확인되며 유출 과정에서 시간 차를 두고 적층되면서 생성된 경계면이 관찰되는 등 동일한 특징을 보여준다. 그러나 선철 위주로 생성된 5⋅6차 실험의 슬래그는 확연히 다른 조직을 보여주는데 비중 차로 철과 슬래그가 원활하게 분리되면서 슬래그는 조직이 거의 관찰되지 않을 정도로 유리질화되었다. 또한 노 내 슬래그의 미세조직에서도 유적과 실험 시료 간 차이점이 관찰되는데(Figure 3c, 3d, 3i3l) 노 내에서 생성된 것으로 추정되는 부정형 슬래그는 wüstite의 성장이 두드러지지만 실험으로 생성된 노 내 슬래그에서는 magnetite가 관찰되거나 환원철 입자가 산포한 것을 관찰할 수 있다. 철 회수율이 가장 낮았던 10차 실험의 노 내 슬래그가 오히려 유적의 현상과 가장 유사한 미세조직을 보여준다(Figure 3l). 이러한 결과는 슬래그 시료의 주성분 비교 시 더욱 명확하게 나타나는데 실험 슬래그의 전철량이 더욱 낮은 값을 나타내며 편차도 더 큰 것을 확인할 수 있다(Table 6a). 반대로 조재량과 염기도는 실험 슬래그가 더 높은 값을 나타낸다(Table 6b, 6c). 4차 실험 이후로는 조재제를 사용하지 않았음에도 불구하고 염기도에서 조재제를 사용한 실험과 그렇지 않은 실험 간 유의미한 차이를 확인할 수 없었다.
실험과정에서 슬래그 유출과 관련한 문제도 발생했는데 6⋅7⋅8차 실험에서는 슬래그가 유출되지 않았으며 10차 실험에서는 인위적인 방법을 동원해 유출에는 성공했으나 시료 내부에서 미환원 철광석이 확인되는 등 유적의 현상과 동떨어진 생성물을 얻었다. 슬래그 유출을 위해 시도한 여러 방법 중 대표적인 것으로 송풍량 증가를 통한 노 내 온도 상승이 있다. 온도 상승을 통해 슬래그의 유동성 증가를 유도한 것이다. 그러나 고체저온환원방식에서 슬래그의 유동성은 온도뿐만 아니라 포함된 Fe 성분의 함량에 의해서도 좌우된다. 주철과 함께 생성되는 유리질 슬래그는 1,350℃ 이하에서는 유동하지 않는 반면에 SiO2-FeO-Fe2O3 성분을 갖는 슬래그는 1,200℃ 이하에서도 충분한 유동성을 가지며 전철량이 50% 이하로 떨어지면 제련 조업에 영향을 미친다(William R. and Bennet B., 1990). 또한 노 내 용융상태의 슬래그는 불순물 제거 외에도 응집하지 못한 상태의 환원철 입자들 사이에서 Fe 원자간 이동경로가 되는 액체소결의 역할을 하는 것으로 추측한다(William R. and Bennet B., 1990). 이러한 점을 감안한다면 실험 후반부에 슬래그를 유출하기 위해 온도를 상승시킨 것이 침탄과 환원에 영향을 미쳐 슬래그 내 Fe성분이 줄어들면서 유동성을 떨어트리는 원인이 된 것으로 추정된다. 유적과 실험 시료 간 전성분 분석 결과를 비교하면 유적에서 출토된 슬래그의 평균 전철량은 50%에 가깝거나 그 이상으로 확인되는 반면 실험 생성 슬래그의 전철량은 이보다 훨씬 낮은 것을 확인할 수 있다(Table 6a). 따라서 조업 후반부에 슬래그 유출을 위해 온도 상승을 유도하기보다는 일정한 조업온도 유지를 목표로 하는 것이 유적 현상을 재현하는 데 보다 적절한 방법일 것이다.

3.3.2. 반환원괴

유적에서 슬래그로 수습되었지만 분석 과정에서 성격이 다른 시료 중 일부는 반환원괴로 새롭게 분류하였는데 이들의 특징은 성분조성은 슬래그와 유사해 보여도 미세조직은 매우 다른 형태로 나타난다. 특히 칠금동 제철유적에서 출토된 생성물 중 반환원괴로 분류된 시료의 미세조직은 철광석이나 철괴 시료와도 구별되는 공통적인 특징이 있다(Figure 4a4d). 일반적으로 제철 슬래그에서 철산화물은 wüstite 형태로 존재하므로 입상 또는 dendrite 상으로 관찰된다. 그러나 이 유적에서 확인된 반환원괴 시료의 철산화물은 슬래그와 성분은 유사하지만 매우 길고 정형화되지 않은 형태를 하고 있어 다른 과정을 거쳐 생성된 조직임을 유추할 수 있다. 실험 시료 중 이와 유사한 조직을 보여주는 것으로 미환원 철광석 시료가 있다(Figure 4e4h). 다만 다른 점은 길고 정형화되지 않은 밝은색의 조직이 환원된 철이라는 점이다.
미환원 철광석이란 육안상으로는 장입한 철광석과 같은 형태를 유지하고 있지만 미세조직은 환원철과 철산화물, 슬래그, 맥석 등이 분리되지 못하고 혼재한 상태로 남아있는 것을 분류한 것이다. 연구자마다 반환원괴라는 용어의 정의도 조금씩 다르게 해석하는 만큼 반환원괴로 분류된 모든 분석데이터를 일반화할 수는 없겠지만 칠금동 제철유적에서 확인된 반환원괴 시료에 한해서는 이 시료들이 완전하게 환원되지 못한 철광석의 일부인 것으로 추정된다. 최초에는 특유의 형태를 가진 철산화물이 환원철 형태로 잔류했지만 시간이 지나 환원철이 부식되어 현재 상태로 확인되는 것으로 보인다.
대부분의 실험에서 미환원 철광석 시료가 꾸준히 확인되는데 마지막에 장입한 철광석이 환원이 이루어질 만큼의 충분한 시간을 얻지 못해 대체로 이러한 형태로 잔류하는 것으로 추정하고 있다. 실제로 실험 종료 후 시료 수습과정에서 미환원 철광석은 항상 노 내 생성물의 최상단에서 확인되기 때문이다. 따라서 칠금동 제철유적에서 이루어진 제련조업에서도 이와 동일한 현상이 있었던 것으로 추측할 수 있다.

3.4. 복원실험의 재현성을 높이기 위한 적정 조업온도 추정

실험으로 생성된 슬래그에서 ferrite 위주의 환원철 입자들이 관찰되어 실험로 내의 CO 또는 CO2에 의한 Fe 환원 분위기는 어느 정도 적절했던 것으로 판단된다. 그러나 환원된 철이 응집되어 하나의 큰 환원대를 형성하기 위해서는 환원 이후의 과정도 중요하다. 우선 슬래그와 환원철 간의 원활한 분리가 이루어져야 하는데 이를 위해서는 슬래그의 유동성을 확보해야 한다. 상술한 바와 같이 노 내 온도의 상승은 괴련철 제련조업에서 슬래그의 유동성을 높이는 데 효과적이지 못한 것을 확인하였으므로 적절한 온도 유지를 통해 슬래그 내 Fe 유출을 방지하는 방법을 강구해야 할 것이다. 이를 통해 SiO2-FeO-Fe2O3 성분의 슬래그가 생성되면 1,200℃ 이하에서도 슬래그의 유동성을 충분히 유지할 수 있다. 이 외에도 고려할 수 있는 점으로는 슬래그의 주조직으로 관찰되는 fayalite의 용융점이 있다. fayalite의 알려진 용융점은 1,205℃이지만 FeO-SiO2 2원계 상태도에서는 FeO 비율에 따라 최대 1,178℃까지 떨어질 수 있기 때문이다(William and Bennet, 1990). 이러한 점을 모두 종합한다면 고대 제련기술을 복원하기 위한 괴련철 제련의 적정 온도대는 최대 1,200℃ 부근으로 생각할 수 있다. 다만 실제 제련 과정에서 발생하는 열손실 등을 감안한다면 적정 온도대를 1,100∼1,300℃까지 확장할 수 있을 것이다. 이 이상을 벗어날 경우 슬래그의 형성과 노 내 환경 유지에 방해요인이 될 가능성이 높다. 또한 실험에서 자연적으로 유출된 슬래그는 비교적 유적의 현상을 잘 재현하고 있으므로 슬래그 유출을 유도하기보다는 실험 전반에 걸친 안정적인 온도를 유지하는 것이 유적현상의 재현성을 높이는 방법일 것이다.
이러한 결과를 바탕으로 4∼10차 제련실험에서 열전대로 측정한 노 내 온도 데이터를 C-Fe 평형상태도에 대입해 보았다(Table 7, Figure 5). 슬래그를 기준으로 설정한 1,100∼1,300℃ 온도구간을 고려한다면 조업 시 송풍관과 배재부의 온도대를 조정할 필요가 있다. 배재부의 온도대는 적어도 1,000℃ 이상 상승해야 하며 송풍관의 온도대는 1,400℃ 미만으로 낮춰야 할 필요가 있다.

4. 결 론

이상으로 충주 칠금동 제철유적과 고대제철기술복원 제련실험 생성물의 분석 결과 비교를 통해 실험이 유적의 현상을 얼마나 충실하게 재현하고 있는지 확인해 보았다. 유적에서는 제련 조업 시 철광석으로 50% 이상의 품위를 가지는 magnetite와 hematite를 사용하였으며 조업 과정에서 완전하게 환원되지 못한 철광석들이 반환원괴 형태로 확인된다. 슬래그는 fayalite와 wüstite 조직이 관찰되는 전형적인 제련 슬래그로 노 내⋅외부에서 각각 냉각되는 과정에서 미세조직의 형태에서 차이가 나타났다. 또한 주성분 분석을 통해 하층⋅중층⋅상층의 제련로 시기 구분에 따라 조업 기술의 변화를 유추할 수 있는 차이점이 확인되었다.
제련실험의 경우 유출 슬래그와 같이 어느 정도 유적과 유사한 부분도 있었지만 완벽하게 유적의 현상을 재현하지는 못한 것으로 확인되었다. 이를 해결하기 위해서는 보다 면밀한 온도 조절기술이 요구된다. 이번 연구 결과를 바탕으로 앞으로의 실험에서 발전된 결과를 기대한다.
유적에서 출토된 제철 생성물의 분석을 통해 제철 과정 전반을 이해하고 해석하기에는 여전히 불명확한 부분이 존재한다. 그러나 지속적인 분석으로 축적된 데이터가 유적의 현상을 해석할 수 있는 가능성을 높여줌을 확인하였다. 실제로 4회에 걸친 칠금동 제철유적 슬래그의 전성분 분석 결과를 종합해 유적에서 행해진 제련 기술의 변화를 추정할 수 있는 데이터의 변화 양상을 확인할 수 있었다.
유적과 실험 생성물에 시도된 모든 분석 결과를 반영하지 못한 점은 이번 연구의 한계점이지만 처음 시도한만큼 점차 나은 결과를 도출할 수 있을 것으로 기대한다. 앞으로도 유적에서 확인되는 생성물에 대한 다양한 분석과 실험을 통해 한반도의 고대 제철기술을 복원해나가고자 한다.

사 사

이 내용은 국립중원문화유산연구소의 「강철백제, 철 생산의 중심지 충주 학술대회」 발표자료집(2023)의 내용을 수정⋅보완하여 작성하였음을 명기합니다. 또한 이 연구는 중원문화권 제철기술 복원 연구과제(R&D)사업의 일환으로 수행되었으며 이에 감사드립니다.

Notes

1) 본 연구에서 ‘제철’이란 철의 생산부터 철기의 제작까지 포함하는 공정 전반을 아우르는 의미로 사용하였으며 세부공정은 제련⋅단조⋅주조 등으로 구분하여 표기하였다.

Notes

2) 배소는 예비실험을 통해 철광석의 성분변화에 미치는 영향 은 미미하나 파쇄에는 용이함을 확인하였다. 실험에서는 이미 파쇄된 철광석을 납품받아 사용하므로 6차 실험부터 는 별도의 배소작업 없이 사용하고 있다(Jungwon National Research Institute of Cultural Heritage, 2017; 2019).

Figure 1.
Microstructure of samples from the Chilgeum-dong iron making site in Chungju(a⋅b: iron ore, c⋅d: partially reduced bloom, e∼h: tapped slag, i∼l: irregular slag; Sin et al., 2008; Jungwon National Research Institute of Cultural Heritage, 2014; 2018; 2020).
JCS-2024-40-4-10f1.jpg
Figure 2.
XRD result of samples from the Chilgeum-dong iron making site in Chungju(F: fayalite, H: hematite, M: magnetite, Mo: monticellite, Q: quartz, W: wüstite; Jungwon National Research Institute of Cultural Heritage, 2014; 2020).
JCS-2024-40-4-10f2.jpg
Figure 3.
Microstructure comparison of slag samples from the Chilgeum-dong iron-making site in Chungju and bloomery process experiments(aㆍb: tapped slag, cㆍd: irregular slag, e: 4th tapped slag, f: 5th tapped slag, g: 9th tapped slag, h: 10th forced tapped slag, I: 4th internal slag, j: 6th internal slag, k: 8th internal slag, l: 10th internal slag; Jungwon National Research Institute of Cultural Heritage, 2014; 2017; 2018; 2019; 2020; 2021; 2023).
JCS-2024-40-4-10f3.jpg
Figure 4.
Microstructure comparison of partially reduced blooms from the Chilgeum-dong iron-making site in Chungju and unreduced iron ore samples from bloomery process experiments(a∼d: partially reduced bloom, e: 5th unreduced iron ore, f: 7th unreduced iron ore, g: 9th unreduced iron ore, h: 10th unreduced iron ore; Sin et al., 2008; Jungwon National Research Institute of Cultural Heritage, 2014; 2018; 2019; 2021; 2023).
JCS-2024-40-4-10f4.jpg
Figure 5.
Fe-C phase diagram (Hiroyasu S., 2020; Image reprocessing).
JCS-2024-40-4-10f5.jpg
Table 1.
4∼10th smelting experiments method from Jungwon National Research Institute of Cultural Heritage(Jungwon National Research Institute of Cultural Heritage, 2017; 2019; 2021; 2023)
JCS-2024-40-4-10i1.jpg
Table 3.
XRF comparison of slag samples from the Chilgeum-dong iron making site in Chungju (Sin et al., 2008; Jungwon National Research Institute of Cultural Heritage, 2014; 2018; 2020)
JCS-2024-40-4-10i3.jpg
Table 4.
SEM-EDS result of samples from the Chilgeum-dong iron making site in Chungju(a: iron ore, b: slag, c: partially reduced bloom; Jungwon National Research Institute of Cultural Heritage, 2018; 2020)
JCS-2024-40-4-10i4.jpg
Table 5.
4∼10th bloomery process experiments result from Jungwon National Research Institute of Cultural Heritage(Jungwon National Research Institute of Cultural Heritage, 2017; 2019; 2021; 2023)
JCS-2024-40-4-10i5.jpg
Table 6.
XRF comparison of slag samples from the Chilgeum-dong iron-making site in Chungju and smelting experiments(Sin et al., 2008; Jungwon National Research Institute of Cultural Heritage, 2014; 2017; 2018; 2019; 2020; 2021; 2023)
JCS-2024-40-4-10i6.jpg
Table 7.
average temperature of bloomery furnace lower part(Jungwon National Research Institute of Cultural Heritage, 2017; 2019; 2021, 2023)
4th 5th 6th 7th 8th 9th 10th
Bloomery process start∼end time 12:31∼17:30 13:50∼17:25 13:25∼15:20 12:10∼14:35 13:30∼16:55 09:00∼20:40 08:30∼21:35
Average temperature (℃) Blast pipe 1,272 1,295 1,484 1,238 1,450 1,232 986
Tapping hole 930 1279 1199 1043 941 1,026 964
Temperature gap between blast pipe-tapping hole 342 20 285 195 509 206 22

REFERENCES

Hiroyasu, S., 2020, Introduction to Phase diagrams in materials science and engineering, World Scientific Publishing Company, 67.(in Japanese)

Jungwon Cultural Properties Institute, 2008, Chilgeum-dong iron making site in Chungju, 1–122. (in Korean)

Jungwon National Research Institute of Cultural Heritage, 2014, Scientific analysis report on artifacts excavated from iron making sites in the Jungwon region. 1–207. (in Korean with English abstract)

Jungwon National Research Institute of Cultural Heritage, 2017, Restoration experiments(3rd and 4th) of ancient iron production technologies. 1–255. (in Korean with English abstract)

Jungwon National Research Institute of Cultural Heritage, 2018, Excavation report of Chilgeum-dong 392-5 iron making site in Chungju Ⅰ. 1–481. (in Korean with English abstract)

Jungwon National Research Institute of Cultural Heritage, 2019, Restoration experiments(5th and 6th) of ancient iron production technologies. 1–271. (in Korean with English abstract)

Jungwon National Research Institute of Cultural Heritage, 2020, Excavation report of Chilgeum-dong 392-5 iron making site in Chungju Ⅱ. 1–327. (in Korean with English abstract)

Jungwon National Research Institute of Cultural Heritage, 2021, Restoration experiments(7th and 8th) of ancient iron production technologies. 1–255. (in Korean with English abstract)

Jungwon National Research Institute of Cultural Heritage, 2023, Restoration experiments(9th and 10th) of ancient iron production technologies. 1–195. (in Korean with English abstract)

Robert, J., 2003, Forbes’ history of ancient technology, Vol. 1, Metals, Asakura Publishing, (in Japanese)

Sin, K,H., Lee, N.G., Jang, K.S. and Lee, J.Y., 2008, Analytical study of samples from the Chilgeum-dong iron-making site in Chungju, Chilgeum-dong iron making site in Chungju. Jungwon Cultural Properties Institute, 93–122. (in Korean)

William, R. and Bennet, B., 1990, PRE-INDUSTRIAL IRON: Its technology and ethnology, Archeomaterials, 195–195.

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