고대 제철 공정에서 원광석 내의 철과 기타 광물의 분리가 원활하게 이루어질 수 있도록 조재제를 첨가하는 경우가 많다. 하지만 조재제 첨가 유무를 판단할 수 있는 정확한 기준이 될 만한 자료가 부족한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 조재제 첨가에 따라 달라지는 철재의 재료학적 특성을 파악하기 위해 제련 실험을 진행하였다. 총 3차례 진행된 실험에서 산출된 유출재와 노 내 잔류재 12점의 미세조직을 관찰하고 성분 분석하여 종합 고찰하였다. 또한 철재 내에 남아있는 비금속개재물의 비환원화합물(NRC) 성분비를 통해 칼슘 함량에 따른 제련 철재의 특성을 파악함으로써 고대에 시행되었던 제련 공정체계에 대한 기초자료를 제공하고자 한다.
실험에서 사용된 양양 철광석의 주성분 분석결과 전철량(T·Fe)은 55.87wt%, CaO의 함량은 3.25wt%로 확인되었다. 철광석에 조재제를 첨가한 2차 실험의 전철량과 CaO 함량은 54.57wt%, 12.9wt%이며, 3차실험의 경우 39.25wt%, 27.65wt%로 확인되었다.
1차 실험(CaO : 3.25wt%)에서 산출된 철재의 경우 전철량이 39.45∼52.94%로 확인되었으며, 2차 실험(CaO : 12.9wt%), 3차 실험(CaO : 27.65wt%)에서는 34.89∼38.92%로 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 이는 조재제 첨가에 따라 불순물이 원활하게 분리되어 철의 회수율이 높아진 것으로 확인된다.
미세조직 분석결과, 1차 실험 철재에서는 주요 화합물로 Fayalite, Magnetite 등의 철산화물이 확인되었다. 미세조직 관찰에서도 유리질 바탕에 장주상의 Fayalite와 견상·입상의 Wüstite가 관찰된다. 조재제 첨가 이후에는 철산화물 이외에 Calcite, Gehlenite, Hercynite와 같은 CaO 화합물이 나타난다. Gehlenite의 경우 비정질의 물질로 바탕기지의 유리질상과 혼합되어 정출된다.
제련실험에서 산출된 철재의 비금속개재물을 SEM-EDS로 분석하였다. 분석결과를 통해 비금속개재물의 성분 간 비율을 비교분석하였으며, 대표적 산화물 중 원료에서부터 기인하는 CaO, SiO2, Al2O3, TiO2의 분석값을 이용하였다. CaO의 경우 원료뿐 아니라 노벽 및 연료의 성분에서도 영향을 받기 때문에 비금속개재물에서 칼슘함량에 가장 많은 영향을 받는 바탕기지를 중심으로 성분 간 비율을 비교하였다.
성분 간 비율을 통해 조재제 첨가 여부를 파악한 결과, 1차 실험의 원료 및 철재의 CaO/SiO2 값이 0.42로 파악되었으며 조재제 첨가 이후에는 값이 1.41, 2.47로 CaO/SiO2의 비율이 2배가량 높아지는 것으로 나타났다. 이는 기존 연구와 유사한 수치로, 향후 고대 제철기술을 해석하는데 있어 조재제의 첨가 여부를 추정할 수 있는 지표로 활용할 수 있을 것으로 판단된다. Al2O3/SiO2-CaO/SiO2 비교 분석한 결과, 각 실험의 원료는 CaO 첨가에 비례하여 X축으로 넓게 퍼진 것을 볼 수 있으나, Al2O3-SiO2 성분 간에 큰 차이가 없었다. 이를 통해 Al2O3-SiO2 비율은 유사한 제련 공정 시스템(원광, 노벽, 연료)을 판단하는 지표로 활용할 수 있을 것으로 판단된다.
CaO 첨가유무에 따른 온도변화를 알아보고자 FCS계 상태도에 대입하여 고찰해보았다. 유리질바탕의 경우 1차 실험보다 2, 3차 실험의 용융최저온도가 높게 나타났는데, 이는 바탕기지 상에 조재제 첨가이후 발생한 Gehlenite가 혼합되어 상대적으로 최저온도가 상승한 것으로 추정된다.

In the ancient iron-making process, a slag former was often added, so that iron and other minerals in the ore could be smoothly separated. However, there are insufficient data, which can be accurate criteria for judging whether a slag former was added. Thus this study conducted a smelting experiment to understand the material characteristics of the steel structure that differs depending on the addition of a slag former. This study observed the micro-structures of 12 pieces of the leaked material produced in the experiment conducted three times in total and the remaining material in the furnace, analyzed and comprehensively studied the components. In addition, this study would provide basic data for the system for iron manufacture process carried out in the ancient times by understanding the characteristics of the smelting iron structure according to the calcium content through the composition of NRC of the non-metallic inclusion remaining in the steel structure.
As a result of an analysis of the main components of an iron ore from Yangyang used in the experiment, it was found that the total Fe content (T·Fe) was 55.87wt%, and the CaO content was 3.25wt%. The total Fe content and CaO content in the second experiment in which a slag former was added to the iron ore were respectively 54.57wt% and 12.9wt%, and 39.25wt% and 27.65wt% in the third experiment.
It was found that the steel structure produced in the first experiment (CaO: 3.25wt%) had the total Fe content of 39.45-52.94%, and it decreased to 34.89-38.92% in the second experiment (CaO: 12.9wt%) and the third experiment (CaO: 27.65wt%). It is confirmed that according to the addition of the slag former, impurities were smoothly separated, and the recovery of iron increased.
As a result of an analysis of the micro-structure, in the steel structure in the first experiment, iron oxides, such as Fayalite and Magnetite were identified as the main compounds. Also in an observation of the micro-structure, long columnar Fayalite and polygonal or granular Wüstite are identified on the vitreous base. CaO compounds such as Calcite, Gehlenite and Hercynite appear in addition to iron oxides after the addition of a slag former. Gehlenite is an amorphous substance, which is crystallized in combination with the vitreous form on the base.
An analysis was conducted with non-metallic inclusion SEM-EDS of the steel structure produced in the smelting experiment conducted in this study. Through the results of the analysis, this study would conduct a comparative analysis of the ratio between the components of the non-metallic inclusion and used the analyzed numerical values of CaO, SiO2, Al2O3 and TiO2 from the raw material of the typical oxide. Since CaO is affected by the furnace wall and fuel component as well as the raw material, this study compared the ratio between the components based on the base affected most by the calcium content of the non-metallic inclusion.
As a result of an assessment of whether a slag former was added through the ratio between the components, it turned out that the value of CaO/SiO2 was 0.42 in the raw material and iron in the first experiment while after the addition of a slag former, the value increased to 1.41 and 2.47, and the ratio of CaO/SiO2 increased by about two times. These are numerical values similar to those in the existing studies, and it is judged that they can be utilized as indices to estimate whether a slag former was added in analyzing the ancient iron manufacture technology. As a result of a comparative analysis of Al2O3/SiO2 and CaO/SiO2, it was noted that the raw material of each experiment spread widely to X-axis in proportion to the addition of CaO, but there was no big difference between Al2O3 and SiO2 content. Through this, it is judged that the ratio of Al2O3 and SiO2 can be utilized as an index to judge similar systems of smelting process (ore, furnace wall & fuel).
To study temperature change according to the addition of CaO, the temperature change was discussed by substitution to FCS system constitutional diagram. On a vitreous base, the minimum temperature of melting was higher in the second and third experiments than in the first experiment, and it is assumed that the minimum temperature rose relatively since Gehlenite generated after the addition of the slag former was mixed on the base.