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추가: ## 개요
추가: 용광로(鎔鑛爐, blast furnace)는 금속 제련을 통해 선철(pig iron) 등 공업용 금속을 생산하는 야금로(metallurgical furnace)의 한 종류다. 다른 노(평로 등)에 비해 매우 높게 우뚝 선 형태를 띠어 고로(高爐, shaft furnace)라고도 불린다[1][2]. 연료(코크스), 광석, 플럭스(석회석)를 노 꼭대기에서 지속적으로 투입하고, 하부의 풍구(tuyere)를 통해 고온의 풍압(blast)을 불어넣어 물질이 아래로 내려가며 상승하는 연소가스와 역류(countercurrent) 반응하게 한다. 최종 산물은 노 바닥에서 뽑아내는 용선(鎔銑, molten iron)과 슬래그(slag), 노 상부로 배출되는 배기가스다[3].
추가: ## 역사
추가: ### 기원과 초기 확산
추가: 용광로 제련 기술의 기원은 기원전 5세기 중국으로 거슬러 올라간다. 현존하는 가장 이른 중국 용광로는 1세기(한대)로 추정되며, 서유럽에서는 중세 후기(12~13세기)에 나타난다[3]. 중국에서는 기원전 800년경 유목민을 통해 제철 기술과 블루머리(bloomery)가 전래되었고, 기원전 5세기에는 주철 농기구·무기가 널리 쓰였다. 한대(1세기) 용광로는 점토 벽체에 인광물을 플럭스로 썼으며, 높이는 지역별로 2~10m 정도였다. 두시(杜詩, 31년경) 같은 기술자는 수차(水車)를 피스톤 풀무에 연결해 생산성을 높였다[3].
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추가: ### 아프리카·유럽 독자 전개
추가: 아프리카에서는 쿠시 왕국의 수도 메로에(Meroë)가 사하라 이남 최대 제철 중심지 중 하나로, 블루머리와 용광로를 함께 운용했다[3]. 유럽에서 가장 오래된 용광로 유적은 스위스 뒤르스텔(Durstel), 독일 마르키셰 자우어란트(Märkische Sauerland), 스웨덴 라피탄(Lapphyttan) 등에서 12~13세기 것으로 확인된다. 나라스코그(Noraskog)에서는 1100년경 것으로 보이는 더 이른 흔적도 발견됐다. 이들 초기 유럽 용광로는 중국 것과 마찬가지로 현대의 것에 비해 효율이 매우 낮았다. 라피탄 단지에서 생산된 철은 오스몬드(osmond)라 불리는 단철 덩어리로 가공돼 국제 교역됐으며, 1203년 노브고로드 조약과 1250·1320년대 영국 세관 기록에 그 흔적이 남는다[3]. 유럽 용광로가 중국 기술에서 파생됐는지 독자 발명됐는지는 아직 확정되지 않았다[3].
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추가: ### 시토회 수도원의 역할
추가: 시토회(Cistercian) 수도원은 중세 유럽 전역에 제철 기술을 확산시킨 주요 주체였다. 장ジアム펠(Jean Gimpel)에 따르면 모든 수도원에 교회 규모의 모형 공장이 있었고 수력이 각종 기계를 돌렸다. 철광석 매장지가 수도원에 기증되면 제련소를 지어 철을 뽑았고, 잉여분은 판매했다. 13세기 중반~17세기 시토회는 프랑스 샹파뉴 지방의 선도적 철 생산자가 됐으며, 인산 풍부한 슬래그를 비료로 재활용하기도 했다[3]. 영국에서는 리보울스 수도원(Rievaulx Abbey) 별원 라스킬(Laskill)에서 중세 용광로로서는 드물게 철 함량이 낮은 슬래그(즉 주철을 효율적으로 생산했음)가 출토됐으나, 1530년대 헨리 8세의 수도원 해체 전까지 존속했는지는 불확실하다[3].
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추가: ### 근세 용광로의 조상과 코크스 전환
추가: 15세기 중반 대포 주조 수요 폭증으로 프랑스에서 용광로 이용이 본격화됐다. 프랑스·영국 계열 용광로의 직계 조상은 오늘날 벨기에 왈롱 나뮈르(Namur) 지방의 것이었다. 이곳에서 노르망디 동쪽 페이드브레이(Pays de Bray)를 거쳐 서식스 윌드(Weald of Sussex)로 전파돼, 1491년 벅스티드(Buxted) 퀸스톡(Queenstock) 노, 1496년 애시다운 숲(Newbridge) 노가 차례로 세워졌다. 1530년경까지는 수가 적었으나 이후 급증했다[3].
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추가: 이들 초기 노는 모두 목탄을 연료로 썼다. 1709년 영국 에이브러햄 다비(Abraham Darby)가 코크스로 목탄을 대체하는 데 성공하면서 연료 혁명이 일어났다. 1828년 제임스 보몬트 닐슨(James Beaumont Neilson)이 연소 공기 예열(열풍, hot blast) 특허를 내면서 열효율이 한층 개선됐다[3].
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추가: ### 중국에서의 코크스 전환과 송·당대 운용
추가: 중국에서는 11세기 송대(宋代)에 이미 목탄에서 코크스로 연료 전환이 이뤄져 막대한 산림 벌채를 막았다는 기록이 있으며, 일부 학자는 4세기경으로 보기도 한다[3]. 당·송대 내내 용광로와 쿠폴라로(cupola furnace) 조업이 널리 행해졌다. 주철은 단철이나 강철보다 부서지기 쉬워 추가 정련(파이닝·시멘테이션·코퓨전)이 필요했으나, 농기구 등 일상 용품으로는 충분했다. 블루머리보다 대량 생산에 유리해 쟁기날 같은 도구를 더 효율적으로 공급할 수 있었다. 전쟁용 등 품질이 중요한 분야에서는 단철·강철이 선호됐으며, 한대 무기 거의 전부가 단철·강철이었으나 도끼머리 다수는 주철이었다. 송대에는 주철 포탄·대포 같은 화약 무기도 용광로에서 생산됐다[3].
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추가: ## 특징과 기능
추가: ### 구조와 연속 조업
추가: 용광로는 벽돌로 쌓아 올린 굴뚝 형상이며 내부에 복잡한 장치가 없다. 노 꼭대기로 철광석·코크스·석회석을 연속 투입하고, 하부 측면에 뚫린 20여 개 풍구로 800°C 안팎의 열풍을 불어넣는다. 한번 불을 지피면 수 년간 주야로 조업이 계속되며, 원료는 위에서, 용선과 슬래그는 2~3시간 간격으로 아래에서 뽑아낸다[2]. 블루머리 등 배치식(batch) 노와 달리 연속 조업이 원칙이며, 기동·정지가 어렵기 때문에 가급적 멈추지 않고 운전한다[3].
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추가: ### 화학 반응과 역류 공정
추가: 노 내부에서 일어나는 핵심 반응은 일산화탄소(CO)에 의한 산화철 환원이다. 풍구로 불어든 고온 공기가 코크스(C)와 반응해 CO와 열을 생성한다(2 C + O₂ → 2 CO). 이 CO가 상승하며 하강하는 광석과 접촉해 역류 교환·반응을 이룬다[3].
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추가: 온도대에 따라 단계적 환원이 진행된다.
추가: - 200~700°C(노 상부): 3 Fe₂O₃ + CO → 2 Fe₃O₄ + CO₂
추가: - 850°C 부근: Fe₃O₄ + CO → 3 FeO + CO₂
추가: - 1,200°C까지(노 하부): FeO + CO → Fe + CO₂
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추가: 생성된 CO₂는 코크스와 반응해 다시 CO로 재생된다(C + CO₂ → 2 CO). 이 평형(2 CO ⇌ CO₂ + C)을 부두아르 반응(Boudouard reaction)이라 한다[3].
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추가: 동시에 석회석(CaCO₃)은 열분해돼 산화칼슘(CaO)과 CO₂가 되고, CaO는 광석 내 산성 불순물(주로 실리카 SiO₂)과 반응해 규산칼슘(CaSiO₃) 주체의 파얄라이트계 슬래그를 생성한다(SiO₂ + CaO → CaSiO₃). 슬래그는 비중 약 3.5로 용선(비중 약 7) 위에 떠서 분리된다[2][3].
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추가: ### 코크스 품질 요구 조건
추가: 코크스는 하중을 견디며 가스 투과성을 유지할 물리적 강도와, 황·인·회분 함량이 낮을 화학적 순도가 동시에 요구된다. 입도 분포도 투과성에 결정적이다[3].
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추가: ### 예열과 열효율
추가: 상승 가스가 하강 원료를 예열(preheat)하고 석회석 분해를 촉진하는 예열 작용은 열효율의 핵심이다. 1828년 열풍 특허 이후 예열 온도와 풍압 제어 기술이 지속 발전했다[3].
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추가: ### 생산물과 후처리
추가: 용광로 직출 선철은 탄소 4~5%, 황 과다로 매우 부서지기 쉽다. 일부는 주철 주물용으로 쓰이나, 대부분은 제강 공정(탈황·전로 제강 등)으로 넘어가 탄소·황을 낮춰 각종 강재로 재탄생한다. 탈황은 액체 강 이송 중 산화칼슘 첨가로 황화칼슘을 생성시키는 석회 탈황법이 일반적이다. 전로(BOS)에서는 산소 취입으로 탄소를 산화시켜 조강(crude steel)을 얻는다[3].
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추가: ### 환경 영향
추가: 1900~2015년 사이 전 지구 온실가스 배출량의 4% 이상을 용광로 제철이 차지한 것으로 추정되며, 탈탄소화가 어려운 공정으로 꼽힌다[3].
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추가: ## 평가
추가: 자료는 용광로를 "대량 생산과 농민에게 철제 도구를 널리 보급한 1차적 이점"이 있다고 평가하면서도, "주철은 단철·강철보다 부서지기 쉬워 추가 정련이 필요하며 전쟁용 등 고품질 용도에는 부적합"하다고 지적한다[3]. 환경 측면에서는 "온실가스 배출 기여도가 크고 탈탄소화가 어렵다"는 부정적 평가가 병기돼 있다[3]. 기술사적으로는 "중세 유럽 확산 경로(독자 발명 vs 중국 전파)가 아직 확정되지 않았고, 시토회 수도원의 기여도는 크나 유일한 전파 경로인지는 불확실"하다는 학계 논쟁이 진행 중임을 보여준다[3].
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