개요편집이의 제기
제련(製鍊, smelting)은 열과 화학적 환원제를 광석에 가하여 원하는 기초 금속 제품을 추출하는 공정이다. 추출 야금의 한 형태로, 철, 구리, 은, 주석, 납, 아연 등 다수의 금속을 얻는 데 사용된다. 제련은 광석을 분해하고 다른 원소들을 가스나 슬래그 형태로 몰아내어 금속을 남기는 과정이다. 환원제로는 일반적으로 코크스의 불완전 연소로 생성되는 일산화탄소와 같은 화석 연료 기반 탄소원이 쓰인다. 이산화탄소(CO₂) 결합의 화학적 위치 에너지가 광석 결합의 화학적 위치 에너지보다 낮기 때문에, 광석에 있는 산소는 고온에서 탄소와 결합한다[1][2][3].
제련을 수행하는 시설은 제련소(製鍊所)라고 부르며, 알루미늄을 전해환원하는 공장은 알루미늄 제련소라고 한다[2].
역사·유래편집이의 제기
고대 금속의 발견과 시대 구분
고대에 알려진 일곱 금속 중 금만이 천연 금속 상태로 규칙적으로 산출된다. 나머지 구리, 납, 은, 주석, 철, 수은은 주로 광물 형태로 존재하며, 이 광물들은 금속의 탄산염, 황화물, 산화물이 실리카, 알루미나 등의 성분과 혼합된 것이다. 탄산염과 황화물 광물을 공기 중에서 구우면 산화물로 변환되고, 이 산화물들을 제련하여 금속을 얻는다. 일산화탄소는 제련에 쓰이는 대표적인 환원제로, 가열 과정에서 쉽게 생성되며 기체 상태로 광석과 밀접하게 접촉한다[3].
"유용한" 금속들인 구리와 청동, 그리고 수천 년 뒤 철의 발견과 이용은 인간 사회에 막대한 영향을 미쳤다. 그 영향이 너무나 광범위하여 학자들은 전통적으로 고대사를 석기 시대, 청동기 시대, 철기 시대로 구분한다[3].
구리와 청동
구리는 최초로 제련된 금속이다. 발견 경위는 논쟁 중인데, 모닥불 온도가 구리 제련에 필요한 온도보다 약 200°C 낮기 때문에, 최초의 구리 제련이 도가마에서 일어났을 가능성도 제기된다. 안데스 산맥 지역에서 구리 제련이 구세계와 독립적으로 발달한 것도 비슷한 경위일 수 있다[3].
현재까지 확인된 가장 이른 구리 제련 증거는 세르비아의 플로치크(Pločnik)와 벨로보데(Belovode)에서 출토되었으며, 기원전 5500년에서 5000년 사이로 추정된다. 터키에서 발견되어 기원전 5000년으로 추정되던 곤봉 머리는 과거 가장 오래된 증거로 여겨졌으나, 현재는 제련된 구리가 아닌 천연 구리를 두드려 만든 것으로 판단된다[3].
구리와 주석의 합금인 청동은 더 단단하고 내구성이 뛰어나 기원전 3500년경 소아시아에서 개발되었다. 현대 구리 제련소의 직접 생산물은 양극동(anode copper)으로, 순도 98.5~99.8% 범위이며, 이를 전기정련하여 순도 99.99%의 음극동(cathode copper)을 얻는다[3].
주석과 납
가장 이른 주조 납 구슬로 알려졌던 터키 차탈회위크(Çatalhöyük) 출토 유물(기원전 6500년경)은 최근 연구에서 납이 아닌 연백광(cerussite)과 방연광(galena) 등 납 함유 광물로 밝혀졌다. 문자 발명 수천 년 전에 발견되었으므로 기록이 없으나, 주석과 납은 광석을 모닥불에 넣는 것만으로도 제련될 수 있어 우연히 발견되었을 가능성이 있다. 다만 이 발견 자체도 최근 학계에서 의문이 제기되고 있다[3].
납은 흔한 금속이나 고대 세계에서 상대적으로 영향이 적었다. 구조물이나 무기에 쓰기엔 너무 무르지만, 높은 비중 덕분에 투석구 탄환으로는 적합했다. 주조와 성형이 쉬워 고대 그리스와 로마에서는 수도관과 물 저장 용기, 석조 건물의 모르타르로 널리 쓰였다. 주석은 납보다 희귀하고 경도도 약간 높을 뿐이어서 단독으로는 큰 영향을 미치지 못했다[3].
초기 철 제련
철 제련의 가장 이른 증거는 터키 카만칼레회위크(Kaman-Kalehöyük) 원시 히타이트 층에서 적절한 탄소량을 포함한 철 파편 소수로, 기원전 2200~2000년으로 추정된다. 수코바-시골로바(Souckova-Siegolová, 2001)에 따르면 중앙 아나톨리아에서 기원전 1800년경 철 기구가 극소량 제작되었고, 신 히타이트 제국(기원전 1400~1200년) 시기에는 지배층이 일반적으로 사용했으나 평민은 사용하지 않았다[3].
고대 이집트에서도 제3중간기~제23왕조(기원전 1100~750년) 사이 철 가공 흔적이 발견되나, 근대 이전 어느 시기에도 철광석 제련 증거는 없다. 탄자니아 북서부에서 약 2000년 전(기원후 1세기경) 복잡한 예열 원리를 이용한 탄소강 생산 주장이 있으나 논란이 있다[3].
유럽과 아프리카 초기 공정은 주로 블루머리(bloomery)에서 철광석을 제련하는 방식이었다. 철이 녹지 않을 만큼 낮은 온도를 유지해 해면상 철 덩어리인 블룸(bloom)을 얻고, 이를 망치로 다져 단철(wrought iron)을 만들었다. 블루머리 제련의 가장 이른 증거는 요르단 텔함메(Tell Hammeh)에서 방사성탄소연대측정으로 기원전 930년경으로 확인된다[3].
후기 철 제련
중세부터 블루머리의 직접 환원 대신 간접 공정이 발달했다. 고로(blast furnace)에서 선철(pig iron)을 만들고, 이를 다시 가공해 단철을 얻는 방식이다. 2단계 공정에는 제련로(finery forge)에서의 파이닝(fining) 등이 쓰였다. 고로는 중국이 진나라(기원전 200년) 때부터 사용했고, 유럽에는 12세기 이탈리아, 독일, 스웨덴 등 여러 곳에서 나타났다. 유럽 고로가 독자 발달했는지 중국 기술에서 유래했는지는 불확실하며, 유라시아 횡단 전파를 입증할 직접 증거는 없다. 산업혁명기에 퍼들링(puddling) 공정도 도입되었다[3].
이들 공정은 현재 폐기되었으며 단철도 거의 생산되지 않는다. 대신 베세머 변로(Bessemer converter)나 코렉스 공정(Corex Process) 같은 제련환원 공정으로 연강(mild steel)을 생산한다[3].
아메리카 대륙
페루 중부 안데스의 잉카 이전 문명은 16세기 유럽인 도착 최소 6세기 전부터 구리와 은 제련을 숙달했으나, 철 제련을 무기 제작에 활용하는 수준에는 이르지 못했다[3].
작동 방식과 유형편집이의 제기
기본 원리
제련은 단순히 광석에서 금속을 녹여내는 것 이상이다. 대다수 광석은 금속과 산소(산화물), 황(황화물), 탄소와 산소(탄산염) 등의 화합물로 이루어져 있다. 금속을 추출하려면 이 화합물들에 화학 반응을 일으켜야 하므로, 산화 원소들과 결합해 금속을 유리시키는 적절한 환원 물질을 사용한다[3].
로스팅(구움)
황화물과 탄산염 광석의 경우, 원치 않는 탄소나 황을 제거해 산화물로 만드는 "로스팅(roasting)" 공정이 제련 전에 이루어진다. 로스팅은 일반적으로 산화 분위기에서 수행된다[3].
대표적인 예로 황화물 광석은 로스팅을 통해 황화물이 부분적 또는 완전히 산화물로 치환된다. 몰리브덴 황화물(MoS₂)은 주요 몰리브덴 광석으로, 다음과 같이 반응한다[3].
MoS₂ + 3O₂ → MoO₂ + 2SO₂
구리, 아연, 납을 얻는 데 쓰이는 황화물 광석도 제련 전 로스팅하여 황화물을 더 쉽게 환원되는 산화물로 바꾼다. 공기 중 산소 존재 하에 광석을 가열해 산화시키고, 황을 이산화황 기체로 방출한다[2][3].
환원
환원은 제련의 마지막 고온 단계로, 산화물이 원소 금속이 되는 과정이다. 일산화탄소(공기 부족 상태의 용광로에서 불완전 연소로 생성)가 제공하는 환원 분위기가 산화물에서 마지막 산소 원자들을 떼어낸다. 탄소원은 화학 반응물로 작용해 광석에서 산소를 제거하고 정제된 금속 원소를 생성한다. 탄소원은 두 단계로 산화된다. 첫째, 탄소(C)가 공기 중 산소(O₂)와 연소해 일산화탄소(CO)를 생성한다. 둘째, 일산화탄소가 광석(예: Fe₂O₃)과 반응해 산소 원자 하나를 떼어내며 이산화탄소(CO₂)를 방출한다. 일산화탄소와의 연속적 반응으로 광석 내 모든 산소가 제거되어 원소 금속(예: Fe)이 남는다[3].
대다수 광석은 불순물을 포함하므로, 석회석(또는 돌로마이트) 같은 플럭스(flux)를 써서 수반 암석 맥석(gangue)을 슬래그(slag)로 제거한다. 이 소성 반응에서도 이산화탄소가 발생한다[3].
필요 온도는 절대값과 기초 금속 녹는점 양쪽 측면에서 다양하다. 예시[3]:
- 산화철은 약 1250°C에서 금속 철이 된다. 철 녹는점 1538°C보다 약 300도 낮다.
- 산화수은은 약 550°C에서 기체 수은이 된다. 수은 녹는점 -38°C보다 약 600도 높고, 끓는점보다도 높다.
플럭스(Fluxes)
플럭스는 제련 중 광석에 첨가해 원하는 반응을 촉진하고, 원치 않는 불순물이나 반응 생성물과 화학적으로 결합해 슬래그 형태로 쉽게 분리·폐기하게 하는 물질이다. 석회(calcium oxide)나 탄산칼슘(calcium carbonate) 형태의 석회가 흔히 쓰이며, 황, 인, 실리콘 불순물과 반응해 슬래그로 분리한다. 플럭스는 점도 조절과 원치 않는 산성 중화 역할도 한다[3].
플럭스와 슬래그는 환원 단계 완료 후에도 2차 기능을 한다. 정제된 금속 위에 용융 피막을 형성해, 아직 산화되기 쉬운 고온 상태에서 산소 접촉을 차단함으로써 금속 내 불순물 생성을 막는다[3].
황화물 광석 제련과 용광로 유형
비철금속 광석은 흔히 황화물이다. 최근 수세기 동안 반사로(reverberatory furnace)는 제련 중인 원료(charge)와 연료를 분리하는 데 쓰였다. 전통적으로 제련 1단계인 두 액체 형성에 사용되었는데, 하나는 대부분의 불순물을 포함한 산화물 슬래그이고, 다른 하나는 가치 있는 금속 황화물과 일부 불순물을 포함한 황화물 매트(matte)다. 현대 반사로는 길이 약 40m, 높이 3m, 폭 10m 규모다. 연료를 한 쪽 끝에서 태워 (부분 로스팅 후) 건조 황화물 정광을 지붕 투입구로 공급한다. 슬래그는 더 무거운 매트 위에 떠서 제거·폐기·재활용된다. 황화물 매트는 변환로(converter)로 보내진다. 공정 세부 사항은 광체 광물학에 따라 용광로마다 다르다[3].
반사로는 구리 함량이 극히 낮은 슬래그를 생산했으나, 에너지 효율이 상대적으로 낮고 저농도 이산화황을 배출해 포집이 어려웠다. 이에 신세대 구리 제련 기술이 이를 대체했다. 최근 용광로들은 욕로 제련(bath smelting), 상부 분사 랜스 제련(top-jetting lance smelting), 플래시 제련(flash smelting), 고로 제련(blast furnace)을 활용한다. 욕로 제련소 예로 노란다(Noranda) 노, 아이사멜트(Isasmelt) 노, 테니엔테(Teniente) 반응로, 뷘유코프(Vunyukov) 제련소, SKS 기술이 있다. 상부 분사 랜스 제련소로는 미쓰비시 제련 반응로가 있다. 플래시 제련소는 세계 구리 제련소의 50% 이상을 차지한다. 이 밖에도 키브셋(Kivset), 아우스멜트(Ausmelt), 타마노(Tamano), EAF, BF 등 다양한 제련 공정이 존재한다[3].
알루미늄 제련의 특수성
알루미늄은 구리나 철 같은 대다수 금속과 같은 방식으로 제련할 수 없다. 알루미늄은 산소와 매우 안정한 화합물을 형성하며, 산화알루미늄 녹는점이 약 2072°C(3762°F)에 달한다. 알루미늄이 탄소보다 반응성이 커서 탄소로 제련할 수 없다. 알루미늄은 녹은 크라이오라이트(cryolite)에 녹인 산화알루미늄을 전해환원하여 제련한다. 이 전해환원 공장을 알루미늄 제련소(aluminium smelters)라고 부른다[3].
제련소 사업 모델 분류
제련소는 사업 모델에 따라 맞춤 제련소(custom smelter)와 일체형 제련소(integrated smelter)로 나뉜다. 맞춤 제련소는 고객을 대신해 광석을 처리하거나 광석을 구매해 처리한다. 서로 다른 소유 광산에서 정광을 조달받는다. 일체형 제련소는 특정 광산 작업에 직접 의존하며 광산 인근에 위치하는 경향이 있다[3].
사례편집이의 제기
자료에 등장하는 주요 제련 대상 금속과 공정 사례는 다음과 같다[2][3].
- 철: 고로에서 제련해 선철 생산 → 강철로 변환
- 구리: 황화물 광석 로스팅 후 제련, 플래시 제련소 등 현대 기술 적용
- 아연, 납: 황화물 광석 로스팅 후 제련
- 은: 고대부터 제련
- 주석: 모닥불 수준 온도에서도 제련 가능
- 알루미늄: 크라이오라이트 용융염 전해환원 (알루미늄 제련소)
- 몰리브덴: 황화물(MoS₂) 로스팅 후 산화물 환원
역사적 유적 사례로는 세르비아 플로치크·벨로보데(구리, 기원전 5500~5000년), 터키 차탈회위크(납 오인 유물, 기원전 6500년), 터키 카만칼레회위크(철, 기원전 2200~2000년), 요르단 텔함메(블루머리 철 제련, 기원전 930년), 중국 진나라 고로(기원전 200년), 유럽 12세기 고로(이탈리아, 독일, 스웨덴), 페루 안데스 잉카 이전 문명(구리·은, 16세기 유럽 도착 전 6세기) 등이 있다[3].
규제·논란·평가편집이의 제기
환경 및 직업 건강 영향
제련은 폐수와 슬래그를 배출하고 구리, 은, 철, 코발트, 셀레늄 등 유독 금속을 대기로 방출해 심각한 환경 영향을 미친다. 제련소는 기체 이산화황도 배출해 산성비를 유발하며, 토양과 수계를 산성화한다[3].
캐나다 플린플론(Flin Flon) 제련소는 20세기 북미 최대 수은 점오염원 중 하나였다. 제련소 배출이 대폭 줄어든 후에도 경관 재방출(landscape re-emission)이 주요 지역 수은 공급원으로 남았다. 호수는 빗물로 돌아오는 재방출 수은과 토양에서 용출되는 금속으로 인해 수십 년간 수은 오염을 받을 가능성이 크다[3].
대기 오염
알루미늄 제련소 대기 오염물질: 카르보닐 설파이드(carbonyl sulfide), 불화수소(hydrogen fluoride), 다환 화합물(polycyclic compounds), 납, 니켈, 망간, 폴리염화비페닐(polychlorinated biphenyls), 수은[3].
구리 제련소 배출 물질: 비소, 베릴륨, 카드뮴, 크로뮴, 납, 망간, 니켈[3].
납 제련소 대표 배출 물질: 비소, 안티모니, 카드뮴, 각종 납 화합물[3].
폐수
제철소 폐수 오염물질: 가스화 생성물인 벤젠, 나프탈렌, 안트라센, 시안화물, 암모니아, 페놀, 크레졸, 그리고 다환방향족탄화수소(polycyclic aromatic hydrocarbons, PAH)라 불리는 복잡한 유기 화합물군[3].
처리 기술: 폐수 재활용; 침전지, 정화조, 여과 시스템을 통한 고형물 제거; 유분 제거기 및 여과; 화학적 침전과 여과로 용해 금속 제거; 활성탄 흡착과 생물학적 산화로 유기 오염물 처리; 증발[3].
기타 제련소 오염물질은 기초 금속 광석에 따라 달라진다. 예시[3]:
- 알루미늄 제련소: 불화물, 벤조(a)피렌, 안티모니, 니켈, 알루미늄
- 구리 제련소: 카드뮴, 납, 아연, 비소, 니켈, 구리
- 납 제련소: 안티모니, 석면, 카드뮴, 구리, 아연, 납
건강 영향
제련 업종 종사자들은 업무 수행에 필요한 육체 노동 능력을 저해하는 호흡기 질환을 호소해왔다[3].
규제
미국에서 환경보호청(Environmental Protection Agency)이 제련소 오염 통제 규정을 공표했다[3].
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