철강 혁명: 베세머, 지멘스, 토마스의 세 가지 공정

1. 철강의 정의와 역사적 배경

강철(steel)은 철과 탄소의 고체 용액으로, 탄소 함량이 최대 1.7%이다. 이는 탄소 함량 2.5~4%의 주철(cast iron)과, 탄소 0.1% 미만의 연철(wrought iron) 사이의 중간 소재다. 고대인들도 강철의 존재를 알고 있었으며, 중세 장인들은 시멘테이션(cementation) 공정—연철을 숯과 함께 10~14일간 고온 가열하는 방법—으로 소량의 강철을 생산하여 톨레도의 검, 다마스쿠스 강철, 셰필드 강철을 만들었다. 1740년경 셰필드 인근의 벤자민 헌츠맨(Benjamin Huntsman)이 도가니(crucible) 공정을 개발해 균일한 고탄소 주조 강철을 생산했지만, 이 역시 소량 고가의 특수 용도에 그쳤다.

 

19세기 중반까지 대규모 철강 생산 방법은 없었고, 산업혁명의 수요는 여전히 비용이 높은 연철로 충당되었다. 당시에는 두 가지 철 기반 건설 소재만이 존재했다: 취성(脆性)이 강해 교각과 엔진 부품에만 적합한 주철, 그리고 거더와 레일에는 사용할 수 있지만 주조가 불가능한 연철이었다. 진정한 대량 생산 강철을 향한 돌파구는 세 발명가에 의해 마련되었다.

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2. 헨리 베세머 — 포탄이 만든 철강 혁명

2.1 발명의 계기: 총포와 강철

헨리 베세머(1813~1898)는 철강업자가 아닌 전업 발명가였다. 크림 전쟁 중 그는 비행 중 회전하는 길쭉한 포탄을 개발했다. 그러나 프랑스군의 시험 후 요새 사령관은 "이런 무거운 탄환을 견딜 수 있는 대포를 만들 수 있겠는가?"라고 물었다. 베세머는 자서전에 이 순간이 "20세기에 기록된 가장 위대한 산업 혁명 중 하나를 촉발한 불꽃"이었다고 회고했다. 파리에서 귀환하는 추운 12월 밤, 그는 탄환의 압력을 견딜 수 있는 우수한 철강 생산에 헌신하기로 결심했다.

2.2 베세머 전로(Bessemer Converter)의 원리

베세머 공정은 용융 선철(pig iron)에 압축 공기를 불어넣어 과잉 탄소와 불순물을 산화·제거하는 방식으로, 외부 연료 없이도 스스로 높은 온도를 유지할 수 있었다.

 

베세머가 셰필드에서 독립적으로 공정을 개발하여 1856년 특허를 출원한 것과 거의 동시에, 미국의 윌리엄 켈리도 피츠버그에서 1847년부터 유사한 실험을 진행했다는 사실이 알려져 있다. 켈리는 공기를 주입하면 불순물이 산화 분리되고 이 반응열로 금속이 용융 상태를 유지한다는 이론을 세웠으며, 1857년 미국 특허를 획득했다.

 

초기에는 심각한 문제가 있었다. 공기 주입 후 탈탄된 금속에 산소가 잔류해 강철이 부서지기 쉬웠고, 영국의 선철 대부분에 포함된 인(phosphorus)이 강철을 취약하게 만들었다. 이 문제는 철-망간 합금을 활용한 로버트 머셋(Robert Mushet)의 도움으로 산소 제거 문제가 해결되면서 극복되었다.

2.3 산업적 파급 효과

베세머 공정의 도입으로 강철과 연철의 가격이 비슷해졌고, 이후 모든 제조업이 강철로 전환되었다. 값싼 강철의 공급으로 대형 교량, 철도, 고층 건물, 대형 선박 건조가 가능해졌다. 첫 번째 베세머 강철 레일은 1857~1858년에 압연되었으며, 1884년에는 시카고의 홈 보험 빌딩(Home Insurance Building)에 최초로 강철 보강재가 사용되었다.

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3. 윌리엄 지멘스 — 버려진 열을 되살리다

3.1 재생식 용광로의 발명

독일 출신 영국인 윌리엄 지멘스(Carl Wilhelm Siemens, 1823~1883)의 출발점도 철강과 무관했다. 1847년 그는 증기 엔진 배기 증기의 열을 회수하기 위한 금속 호흡기를 개발했다. 성공하지 못했지만, 이 경험에서 형 프레드릭과 함께 '폐열을 다른 공정에 재활용한다'는 재생 원리를 발전시켰다.

 

지멘스의 재생식 용광로는 배출 가스가 내화 벽돌로 채워진 챔버를 통과하며 열을 저장했다가, 방향이 바뀔 때 유입 연소 가스를 예열하는 방식이었다. 지멘스는 1857년 이 방법으로 연료의 70~80%를 절약할 수 있다고 주장했다. 초기에는 유리 제조와 고로 공기 가열에 주로 사용되었다.

3.2 지멘스-마르탱 공정

1865년 프랑스 엔지니어 피에르-에밀 마르탱(Pierre-Émile Martin)이 지멘스로부터 특허 허가를 받아 이 재생 용광로를 강철 제조에 최초로 적용했다. 이로써 두 사람의 이름을 딴 지멘스-마르탱 공정, 즉 평로(open-hearth) 방식이 탄생했다.

 

지멘스-마르탱 공정은 베세머 공정보다 느렸지만 제어가 쉬워 두 방법은 경쟁보다 상호 보완적으로 발전했다. 용광로 한 기의 처리 용량은 보통 50~100톤이었다.

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4. 시드니 길크리스트 토마스 — 인(燐)의 저주를 풀다

4.1 발명의 동기: 쓸모없는 광석

베세머 공정과 지멘스-마르탱 공정에는 공통적인 치명적 약점이 있었다. 두 공정 모두 선철에 흔한 불순물인 인(phosphorus)을 제거하지 못했고, 이로 인해 인이 함유된 광석으로 만든 강철은 취약해 쓸모가 없었다. 그 결과 영국, 프랑스, 독일, 벨기에의 철광석 대부분이 강철 제조에 사용될 수 없었다.

 

시드니 길크리스트 토마스(1850~1885)는 런던의 경찰청 하급 서기였다. 의학을 공부하려다 아버지의 죽음으로 진로를 바꿔 법원 사무직으로 생계를 유지하면서, 야간에 왕립광업학교에서 야금학을 공부했다.

4.2 염기성 공정 (Basic Process)의 발견

1875년 토마스는 베세머 전로에서 인을 제거하려면 전로 내벽을 강한 염기성 물질(소석회 등)로 라이닝해야 한다는 이론을 확립했다. 인이 이 염기성 물질과 결합해 슬래그로 제거되는 원리였다. 토마스는 사촌 퍼시 길크리스트(Percy Gilchrist)와 함께 자비로 실험을 거듭했고, 1877년 특허를 출원했다. 1878년 3월 철강연구소 회의에서 공식 발표된 이 '염기성 공정(Gilchrist–Thomas process)'은 특히 유럽 대륙에서 인 함유 광석 비율이 높아 혁명적인 영향을 미쳤다. 토마스는 부산물인 '염기성 슬래그'가 인산염 비료로도 활용될 수 있다는 것도 발견했다.

 

12년간 경찰법원의 하급 서기로 일하면서 이루어낸 이 발명은 기술사에서 토마스의 위상이 그의 생전 생활수준과 전혀 어울리지 않았음을 보여준다. 그는 발견 후에도 1879년 공정이 상업적으로 실용화될 때까지 서기직을 유지했다. 그는 35세의 나이에 사망했다.

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5. 세 발명가의 공통점: 철강 업계 밖의 이방인들

이 세 인물이 공유하는 놀라운 사실이 있다. 베세머는 전업 발명가, 지멘스는 전기·열공학자, 토마스는 법원 서기였다. 누구도 본업이 철강업자가 아니었다. 베세머의 동기는 포병 장비, 지멘스의 동기는 열효율 개선, 토마스의 동기는 야금학에 대한 순수한 지적 호기심이었다. 그러나 이들이 만들어낸 3가지 공정—베세머 전로, 지멘스-마르탱 평로, 길크리스트-토마스 염기성 공정—은 19세기 후반 세계 철강 생산의 폭발적 성장을 이끌었고, 철도, 선박, 고층 건물, 근대 도시 인프라의 토대를 놓았다.

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참고문헌

1. Encyclopaedia Britannica. "Henry Bessemer." https://www.britannica.com/biography/Henry-Bessemer
2. Encyclopaedia Britannica. "Bessemer Process." https://www.britannica.com/technology/Bessemer-process
3. Encyclopaedia Britannica. "Sidney Gilchrist Thomas." https://www.britannica.com/biography/Sidney-Gilchrist-Thomas
4. Encyclopaedia Britannica. "Open-Hearth Furnace." https://www.britannica.com/technology/open-hearth-furnace
5. Wikipedia. "Bessemer Process." https://en.wikipedia.org/wiki/Bessemer_process
6. Wikipedia. "Open-Hearth Furnace." https://en.wikipedia.org/wiki/Open-hearth_furnace
7. Wikipedia. "Sidney Gilchrist Thomas." https://en.wikipedia.org/wiki/Sidney_Gilchrist_Thomas
8. Wikipedia. "Carl Wilhelm Siemens." https://en.wikipedia.org/wiki/Carl_Wilhelm_Siemens
9. Grace's Guide. "Bessemer Process." https://www.gracesguide.co.uk/Bessemer_Process
10. EBSCO Research. "Bessemer's Steel-Processing Method." https://www.ebsco.com
11. Encyclopedia.com. "Thomas, Sidney Gilchrist." https://www.encyclopedia.com