제선로(블루머리 용광로)에서 늪철 제련하기 — 철광석에서 연철까지

구조물이나 가연성 물질로부터 최소 5미터 떨어진 평평하고 건조한 땅을 선택하십시오. 화로는 강한 열을 복사하고 몇 시간 동안 짙은 연기를 발생시킵니다. 반경 3미터 이내를 맨땅이 드러나도록 정리하십시오. 바람이 막히는 낮은 지대는 피하십시오. 자연 통풍이 풀무를 보조합니다.

지름 40 cm, 깊이 30 cm의 그릇 모양 구덩이를 파십시오. 이 화덕은 제련 중 슬래그를 모으고 위의 노 샤프트를 지지합니다. 구덩이 벽을 단단히 다지십시오. 토양이 모래질이라면 붕괴를 막기 위해 구덩이 안쪽에 2 cm 두께의 점토층을 깔아 주십시오.

내화 점토, 고운 모래, 잘게 자른 짚을 부피 기준으로 대략 3:1:0.5 비율로 섞으세요. 모래는 열 저항성을 높이고 건조 수축으로 인한 균열을 줄여 줍니다. 짚은 소성 중에 타서 열충격을 흡수하는 기공을 남기며, 이것이 없으면 가마 벽이 가열 시 갈라집니다. 혼합물이 균일해질 때까지 충분히 반죽하고, 빵 반죽과 비슷한 뻣뻣하고 다루기 쉬운 농도가 되도록 물을 조금씩 더하세요.

화덕 피트의 중심에 원통형 샤프트를 만드세요. 점토 혼합물의 굵은 코일이나 판을 사용하여 위로 쌓아 올리며, 각 층은 두께 5-8cm로 합니다. 목표 치수: 내경 30cm, 높이 60-80cm, 벽 두께 5-8cm. 내부는 매끄럽게 유지하고 벽은 최대한 고르게 만드세요. 바닥 근처(지면에서 10cm 위)에 송풍구 개구부를 위한 틈을 남기세요 — 이 구멍은 막지 마세요.

튜이어는 풀무 노즐이 노에 들어가는 공기 유입구이다. 지름 5~7cm의 원형 개구부를 만들고, 노 샤프트 바닥에서 10cm 위에 위치시킨다. 바람이 노 바닥 중앙에 닿도록 약 15도 아래쪽으로 약간 기울인다. 튜이어는 벽을 관통하는 구멍이거나, 벽에 끼워 넣는 별도의 점토관일 수 있다. 풀무 노즐이 단단히 맞으면서도 분리할 수 있도록 한다.

용광로를 최소 24시간 이상 자연 건조시키십시오. 시간이 허락한다면 2~3일이 더 좋습니다. 급속 건조는 균열을 일으킵니다. 표면이 마르면 내부에 작은 불(불쏘시개와 나뭇가지 몇 개)을 피우고 2~3시간 동안 유지하여 벽의 수분을 날려 보내십시오. 불의 크기는 점차 늘리십시오. 벽에서 증기가 빠져나오는 것은 정상입니다. 균열은 새 점토로 메울 수 있습니다. 갇힌 증기로 인한 폭발적 박락을 피하기 위해 본격적인 제련 전에 용광로가 완전히 건조되어야 합니다.

제련하기 전에 광석을 노천 불에서 볶아야 합니다. 건조된 늪철 덩어리를 타고 있는 장작 위에 펼치고, 1-2시간 동안 강한 불을 유지하세요. 볶는 과정은 침철석(limonite)에 화학적으로 결합된 물(FeOOH → Fe₂O₃ + H₂O)을 제거하여 수화된 광석을 무수 산화철로 바꿉니다. 광석의 색은 황갈색에서 짙은 붉은색 또는 자흑색으로 변합니다. 볶은 광석은 다공성이 더 높아 용광로에서 더 빠르게 환원됩니다.

식으면 볶은 광석을 평평한 돌 표면에서 망치를 사용해 지름 1-2 cm 크기의 조각으로 부숴라. 더 작은 조각은 용광로 내부의 환원 가스에 노출되는 표면적을 늘려 철 수율을 크게 향상시킨다. 가루 형태의 먼지는 버려라 — 공기 흐름을 막는다. 부순 볶은 광석 약 5 kg을 골라 따로 보관하라.

경목 덩어리숯을 지름 2-3 cm의 균일한 조각으로 부수십시오. 크기가 고르면 용광로 기둥 내부로 공기가 고르게 흐릅니다. 조각이 너무 크면 냉각 지점이 생기고, 가루가 많으면 통풍을 막습니다. 크기를 맞춘 숯을 약 15 kg 준비하십시오. 늪철광(bog iron)에 대한 숯과 광석의 중량비는 대략 3:1입니다. 즉, 연료가 광석보다 훨씬 더 많이 필요합니다.

화로 축에 장작과 숯을 채우고 위에서부터 불을 붙입니다. 내부 벽이 주황색으로 빛날 때까지 화로를 30~60분 동안 자유롭게 타도록 둡니다. 이 단계는 내화벽을 점진적으로 작동 온도까지 올려 열충격으로 인한 균열을 방지합니다. 송풍구 입구에서 주황빛에서 적색을 띤 열이 방사되는 것이 보이면 화로가 제련을 시작할 준비가 된 것입니다.

벨로우즈 노즐을 송풍구에 끼워 넣는다. 공기가 새지 않도록 노즐 주변의 틈을 젖은 점토로 막는다. 분당 60~80회의 일정한 속도로 벨로우즈를 펌핑하기 시작한다. 강제 송풍은 노 내부의 연소를 강화하여 온도를 자연 통풍 시 약 800°C에서 강제 통풍 시 1100~1300°C로 높인다. 송풍이 효과를 나타내면 노에서 거센 소리가 들릴 것이다.

풀무를 작동시키고 용광로를 완전히 가열한 상태에서 숯을 더 넣어 샤프트를 가득 채웁니다. 그다음 첫 번째 광석 장입물인 약 500 g의 분쇄된 볶은 광석을 숯 위에 고르게 펼칩니다. 즉시 그 위에 5 cm 두께의 숯을 한 겹 더 덮습니다. 광석은 숯 기둥을 통과하며 천천히 가라앉고, 일산화탄소가 산소를 제거하는 환원 영역을 지나갑니다: CO + Fe₂O₃ → Fe + CO₂.

10~15분마다 광석 500 g을 추가로 투입한 뒤 숯을 넣어 샤프트를 가득 채운 상태를 유지하십시오. 숯은 계속 타들어가므로 기둥 높이가 내려앉습니다. 일정한 리듬을 유지하십시오: 투입, 풀무질, 투입, 풀무질. 제련에는 광석 양에 따라 3~5시간 동안 지속적인 투입이 필요합니다. 풀무는 중단 없이 계속 작동시키십시오. 잠깐이라도 멈추면 온도가 환원 한계점 아래로 떨어집니다.

1~2시간 동안 장입한 후, 노상(hearth)에 액체 슬래그가 형성되기 시작합니다. 슬래그는 금속 철과 분리되는 철 규산염(faylite, Fe₂SiO₄)의 유리질 혼합물입니다. 슬래그는 용광로 바닥에서 빛나는 주황-노란색 액체로 흘러나오거나 노상 구덩이에 고일 수 있습니다. 슬래그가 송풍구(tuyere)를 막으면 집게나 긴 막대기를 사용해 제거하세요. 슬래그가 흐르는 것은 좋은 신호입니다. 용광로가 충분히 뜨겁고 환원 반응이 진행되고 있다는 뜻입니다.

모든 광석 장입이 끝난 후, 풀무를 30~60분 동안 계속 작동시킵니다. 이 마지막 연소 과정에서 철 입자들이 노 바닥의 하나의 블룸으로 응집됩니다. 블룸은 슬래그 풀 바로 위에서 형성되며, 환원된 철 입자들이 완전히 용융되지 않은 상태에서 고온에 의해 서로 용접됩니다. 마지막 숯 장입분이 송풍구 높이까지 연소되면 풀무 작동을 멈춥니다.

집게와 망치를 사용해 노의 바닥 부분 앞면을 부숴 엽니다. 블루머리 노는 보통 일회용이라, 블룸에 접근하기 위해 노의 샤프트는 희생됩니다. 긴 손잡이 집게를 안으로 넣어 달아오른 블룸을 꺼냅니다. 블룸은 주황빛에서 백색으로 빛나는 거칠고 스펀지 같으며 불규칙한 덩어리로, 숯 조각과 갇힌 슬래그가 가득합니다. 블룸은 1000°C 이상이며 슬래그가 튈 수 있으므로 극도로 주의해서 다루십시오.

빛나는 블룸을 즉시 평평한 돌 슬래브나 모루 표면으로 옮긴다. 큰 망치로 단단하고 고르게 내리쳐라. 타격할 때마다 갇혀 있던 액체 슬래그가 짜져 나오며(뜨거운 불꽃으로 튀므로 보호 장비를 착용할 것), 열과 압력의 결합 작용으로 철 입자들이 서로 용접된다. 타격 사이마다 블룸을 돌려 모든 면을 가공한다. 주황색 열 아래로 식으면 계속하기 전에 숯불에서 다시 가열한다. 블룸이 조밀하고 대략 막대 모양의 빌렛으로 압축될 때까지 반복한다.

단조된 괴철이 하나의 단단한 막대로 다져지면, 이를 물통에 담가 담금질합니다. 급격한 냉각으로 철은 가공된 상태를 유지하게 됩니다. 표면을 살펴보십시오. 양질의 괴철은 은회색 금속 광택을 띠며, 파단면에서 섬유질 결이 보입니다. 일반적인 광석 5 kg 투입 시 사용 가능한 괴철은 500~1500 g이 생산됩니다(늪철광의 경우 수율 10~30%가 일반적입니다). 이제 이 연철로 도구, 무기, 못, 또는 기타 철제품을 단조할 수 있습니다.