철

한국어	철
영어	Iron
원자번호	26
원소기호	Fe
평균원자량	55.845u

개요

산업의 쌀이라 불릴 정도로 많이 사용되는 원소. 지구에서는 알루미늄 다음으로 흔한 금속이다. 당장 인근의 학교 운동장이나 모래밭에 가서 자석을 들이대면 철가루가 붙어서 나올 정도. 지각 무게의 약 5%를 차지하며, 지구 핵의 주요 구성물질이기도 하다. 그만큼 흔할 뿐더러 강도등의 물리적 성질이 적절하여, 고대에 철을 도구로 쓰기 시작한 이래로부터 지금까이 우리는 철기 시대에 살고 있다고 할 수 있다.

순수한 철의 경우 상온에서 BCC구조의 α-iron이며, 910°C에서 FCC구조의 β-iron으로, 1395°C에서 다시 BCC의 δ-iron으로 동소변태하였다가, 1535°C에 녹아 액체가 된다. 또한 상온의 고압에서 HCP구조의 ε-iron이 되기도 한다.

일상에서는 철과 강철을 구분하지 않고 혼용해서 사용하나, 실질적으로 철(Iron)이라 함은 원소로서의 철, 순수한 철을 의미하고, 강(steel)이라 함은 철에 탄소나 기타원소를 첨가함으로서 얻어지는 합금을 이야기한다. 즉, 우리가 일상에서 흔히 접하는 것은 Iron이 아니라 Steel인 것.

동위원소

⁵⁴Fe : 5.8%
⁵⁶Fe : 91.72%
⁵⁷Fe : 2.2%
⁵⁸Fe : 0.28%

특성

항성의 일반적인 핵융합 반응으로 생성되는 가장 무거운 원소이다. 이보다 무거운 원소가 생성되려면 초신성 폭발을 거쳐야 한다.

생산

제선

용광로 및 전기로를 이용하여 철광석을 녹여 선철을 뽑아내는 과정.

고로에 재료인 철광석와 연료인 코크스 및 환원재인 석회석을 넣고 가열하면 내부의 화학반응에 의하여 온도가 계속적으로 증가하서 철의 녹는점인 1500°C를 넘기게 된다. 그 과정에서 석회석에 포함되어 있는 탄소가 산화철에 포함되있는 산소를 잡아 먹음으로써, 산화철을 순수한 철로 환원시키게 된다. 또한 철광석에 포함되어 있는 Si 등의 불순물도 O와의 반응을 통해 슬래그가 되어 비중이 높은 액체 철 위로 뜨게 된다.

여기서 생산되는 것은 아직 가공되지 않은 선철이며, 합금원소 첨가 및 불순물 제거를 위한 제강공정으로 넘어가게 된다.

제강

고로에서 생산된 선철에 합금원소를 첨가하고 불순물을 조절하는 과정.

고로에서 생산된 선철은 연료로 사용된 코크스에 포함된 탄소와 기타 황, 인등의 불순물을 다량 포함하고 있다. 철에 탄소가 너무 많으면 철이 매져 쉽게 깨지는 특성을 가지고 있으므로 산소를 불어넣어 탄소를 이산화탄소 형태로 산화시켜 제거한다.

이렇게 산소를 불어넣으면 당연히 용융된 철 내부에 다량의 산소가 남게되는게 다시 이를 제거하기 위해(...) 산소에 대한 친솨도가 높은 Al등의 탈산제를 넣어 산소를 빼낸다.

황과 인 등은 연주시에 철화합물을 형성하여 물성을 나쁘게 한다. 그러므로 Mn같은 원소를 통해 철 대신 망간화합물을 형성하게 하여 성능을 향상한다.

또 특수한 용도억 사용되는 특수강재에 필요한 합금원소의 첨가등도 이 과정에서 이루어진다.

연주

제강과정이 끝난 강을 연속적으로 주조하여 제품의 형태를 만드는 과정.

제강과정이 끝난 용융 철을 전로에서 빼내어 바로 굳혀가며 동시에 제품은 두께, 넓이등을 조절하는 단계. 최종 생산품의 형태에 따라 과정이 조금씩 다를 수 있다.

용도

무궁무진하다.

현재 사용되고 있는 금속재료 중 철을 뛰어넘을 수 있는 것은 거의 없다고 보아도 좋을 정도이다. 적당한 강도에 적당한 가공성을 가지고 있어서 변형시켜 제품을 생산하는데 무리가 없고 합금원소를 첨가함으로서 여러 특수목적에 적합한 기능을 얻을 수 있는데다 무엇보다가 값이 싸다. 그래서 일상생활에서 볼 수 있는 금속은 알루미늄 캔 같은 것을 제외하면 대충 철이라고 우겨도 거의 맞다고 보면 된다.

다만 단점은 무겁다는 것과 녹이 슬기 쉽다는 점이다. 그러므로 항공기 등 가벼운 재료를 필요로 하는 분야나 고온의 전해질 같은 극한 상황에서는 철 이외의 다른 금속을 사용하게 되는 경우가 있다.

각주