• 보존과학회지
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• 제34권6호
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• pp.581-593
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• 2018

최근 고대 제철기술 연구를 위한 복원실험이 활발하게 이루어짐에 따라 세부 기술체계나 조업방식 등에 대한 해석이 가능해지는 등 성과를 이루었다. 이에 본 연구에서는 고대 제련-단야기술 복원실험을 위한 적정 온도조건을 확인하여 고대 기술의 복원에 근접하기 위한 적정한 실험 방향을 제시하고자 하였다. 복원대상은 고대 중원지역의 출토 사례를 기본으로 하였으며 기존의 연구 자료를 참고하여 최대한 변수를 통제한 실험을 설계하였다. 저온으로 조업한 실험A와 고온으로 조업한 실험B를 실시한 결과 실험A에서 생성된 철은 탄소함량이 적고 단야조업에도 적합한 것으로 확인되었다. 또한 슬래그의 미세조직 및 성분조성과 노벽의 침식 등 전반적인 양상도 실험A가 고대 제련기술에 근접한 결과를 보였다. 실험을 통한 고대 제철기술의 복원은 유적에서 나타나는 현상의 복원될 때 이루어질 수 있으므로 고대제련-단야 기술체계의 복원을 위한 실험은 실험A와 같은 저온조업을 중심으로 진행되는 것이 적절할 것으로 판단된다.

• 보존과학회지
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• 제35권4호
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• pp.373-383
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• 2019

We characterized the smelting process and smelting furnace through scanning electron microscopy-energy dispersive spectroscopy, wavelength dispersive X-ray fluorescence, X-ray diffraction, and raman micro-spectroscopy with 13 relics including slags and furnace walls excavated from square-shaped building sites and pits of the Three Kingdoms site at the Ungyo site section I. Our results revealed that the principal components were FeO and SiO₂; and CuO, PbO, and ZnO were contained in small quantities. Furthermore, fayalite, magnetite, augite, copper, and cuprite were found. High contents of FeO or SiO₂ components seem to have been added to form fayalite to remove gangue in the smelting process. The relatively low content of S detected in the copper prills suggests that roasting was performed well. Cristobalite and mullite, which are minerals that indicate high-temperature found in the furnace wall, show that the smelting temperature was higher than 1,250℃. The findings of this study show a high possibility that the Wanju Ungyo site is smelting remains of copper ores, which are nonferrous metals, rather than iron. Various smelting byproducts excavated in this area in the future will help us better understand the copper smelting process that may have been performed since ancient times.

• Nuclear Engineering and Technology
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• 제53권5호
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• pp.1619-1625
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• 2021

This paper demonstrates the possible nondestructive analysis of iron artifacts' metallurgical characteristics using neutron imaging. Ancient kingdoms of the Korean Peninsula used a direct smelting process for ore smelting and iron bloom production; however, the use of iron blooms was difficult because of their low strength and purity. For reinforcement, iron ingots were produced through refining and forge welding, which then underwent various processes to create different iron goods. To demonstrate the potential analysis using neutron imaging, while ensuring artifacts' safety, a sand iron ingot (SI-I) produced using ancient traditional iron making techniques and a sand iron knife (SI-K) made of SI-I were selected. SI-I was cut into 9 cm², whereas the entirety of SI-K was preserved for analysis. SI-I was found to have an average grain size of 3 ㎛, with observed α-Fe (ferrite) and pearlite with a body-centered cubic (BCC) lattice structure. SI-K had a grain size of 1-3 ㎛, α-Ferrite on its backside, and martensite with a body-centered tetragonal (BCT) structure on its blade. Results show that the sample's metallurgical characteristics can be identified through neutron imaging only, without losing any part of the valuable artifacts, indicating applicability to cultural artifacts requiring complete preservation.

• 보존과학회지
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• 제34권4호
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• pp.273-281
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• 2018

$Ji{\check{u}}di{\grave{a}}n$ iron production site in China is a relic smelting site, which in the past produced pig iron. In this study, scientific analysis of the smelting furnace and collected slag was conducted to reveal some aspects of the ancient Chinese smelting technique. A 3D model of the smelting furnace showed a narrow lower part and an upper section which increased in diameter upwards. Although the smelting furnace relic does not include the upper part and its complete shape cannot be predicted, the remaining part suggests that the furnace had a larger diameter in the central part compared to the upper and lower parts. Most of the collected slag was completely vitrified. Long prismatic fayalite was observed in the matrix of some samples. The iron particles contained phosphorus, which could not be discharged during smelting work. In addition, as the $CaO/SiO_2$ ratio was 0.42 or lower in the results of the content analysis, no CaO slag former had been added. However, the ratio of $CaO/SiO_2$ to $Al_2O_3/SiO_2$ did not have a constant trend. This needs to be investigated in a further study.

• 헤리티지:역사와 과학
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• 제48권4호
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• pp.126-137
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• 2015

우리나라에서의 청동기 연구는 출토 유물의 분석을 통해 제작기술을 추정하는 연구가 주를 이루고 있으나 그 중 제련에 대한 연구는 부족하다. 이는 구리 제련과 관련된 문헌의 부족 및 제련 유적이 발견되지 않은 원인이 가장 크다고 할 수 있다. 구리 제련기술이 독자적으로 발전되었을 가능성도 있지만 다른 나라로부터의 영향도 무시할 수 없으므로 국내 외에서 보고된 연구 자료를 비교해보는 것은 우리나라의 구리 제련기술을 추정하는데 많은 도움을 줄 것이라 생각된다. 따라서 본 연구에서는 국내 외 구리 제련기술과 관련된 문헌 연구를 통해 제련방법에 대해 정리하고 각 국의 구리 제련 유적을 비교함으로써 제련기술에 대한 기초적 자료를 제공하고자 하였다.

• 보존과학회지
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• 제33권6호
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• pp.519-532
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• 2017

고대 제철기술에 대한 연구는 고고학적 조사와 자연과학적 분석 자료를 기본으로 하며 복원실험 결과와의 비교분석을 통해 기술체계를 연구하게 된다. 현재까지의 고고학적 조사를 통한 고대 중원지역의 제철기술은 직접제련법을 통한 탄소량이 낮은 1차 철소재를 생산하고 이를 단타가공하여 철기를 제작하는 체계로 확인된다. 이에 본 연구에서는 제련에서 단야로 이어지는 철 생산기술의 연구를 목적으로 20여회의 제련실험과 4회의 단야실험을 실시하였으며 생산한 철괴 및 부산물의 자연과학적 분석을 통해 제철유적에서 출토되는 유물과 비교하고자 하였다. 실험 및 분석의 종합적 연구결과 제련 및 단야공정에서 나타나는 물리화학적 성질의 변화 및 각 공정별 특징을 확인할 수 있었다. 제련의 경우 적절한 노 내 환원분위기 조성과 원활한 슬래그 분리를 통해 철의 회수율을 높이는 것이 중요하며 이러한 양질의 1차 철소재의 생산은 다음 공정의 효율성을 위해 중요한 것으로 확인된다. 직접제련을 통해 만들어진 철괴는 내부에 불순물이 존재할 수밖에 없어 정련단야를 통해 추가적으로 불순물을 제거하는 공정이 불가피하며 실험을 통해 단야 공정별 효과적인 노의 구조와 온도를 확인 할 수 있었다. 또한 본 실험을 통해 제작된 철정의 자연과학적 분석 결과는 성분조성보다 1차적으로는 비금속개재물이나 기공 등 물리적 결함요인의 감소를 통한 품질의 개선이 더 중요한 것으로 확인되었다. 이외에도 다양한 제철공정 부산물들의 비교연구 자료를 확보하였으며 추후 제철유적 출토유물 연구에 활용될 것으로 보인다.

• 보존과학회지
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• 제37권1호
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• pp.34-42
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• 2021

This study analyzes six slags excavated from the iron making site in Gogi-ri, Namwon, Korea to understand the characteristics of the ruins, and to confirm the iron making process performed at the time. The chemical components of the iron making by-products from the Gogi-ri site were analyzed, and the findings indicate total Fe contents between 23.24% and 37.56%, which are lower than the typical total Fe content found in ancient iron making processes. The deoxidation agent contents of the slags ranged from 43.88% to 58.13%, which are higher than the typical deoxidation agent content of ancient iron making processes. The high content suggests smooth separation between iron and slags, and TiO₂ detected from the site suggests the use of materials with high titanium content in the iron making in the region. As for the microstructures of the slags, some slags have long pillar-shaped fayalites, while others have pillar-shaped wüstite along with ulvöspinel. Slags from the forging furnace show hammer scales created by both the earlier stages and later stages of forging work. The findings suggest that the iron making site in Gogi-ri, Namwon, Korea used to be an iron making facility where a full range of iron making process was carried out ranging from smelting to forging, and the ironmakers used a wide array of technologies to manufacture iron products.

• 보존과학회지
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• 제35권2호
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• pp.145-152
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• 2019

The metal-manufacturing method and smelting temperature of ancient metal-production processes have been studied by analyzing the principal elements and microstructures of slag. However, the microstructure of slag varies according to the solidification cooling rate and types and relative amounts of various oxides contained within the smelting materials. Hence, there is a need for accurate analysis methods that allow slag to be distinguished by more than its composition or microstructure. In this study, the microstructures of slag discharged as a result of smelting iron sands collected from Pohang and Gyeongju, as well as the slag excavated from the Ungyo site in Wanju, were analyzed by using metalloscopy, scanning election microscopy-energy dispersine X-ray spectroscopy(SEM-EDS) and wavelength dispersive X-ray fluorenscence(WD-XRF). Furthermore, the microcrystals were accurately characterized by performing Raman micro-spectroscopy, which is a technique that can be used to identify the microcrystals of slags. SEM-EDS analysis of Pohang slag indicated that its white polygonal crystals could be Magnetite; however, Raman micro-spectroscopy revealed that these crystals were actually $ulv{\ddot{o}}spinel$. Raman micro-spectroscopy and SEM-EDS were also used to verify that the coarse white dendritic structures observed in the Gyeongju-slag were $W{\ddot{u}}stites$. Additionally, the Wanju slag was observed to have a glassy matrix, which was confirmed by Raman micro-spectroscopy to be Augite. Thus, we have demonstrated that Raman micro-spectroscopy can accurately identify slag microcrystals, which are otherwise difficult to distinguish as solely based on their chemical composition and crystal morphology. Therefore, we conclude that it has excellent potential as a slag analysis technique.

• 보존과학회지
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• 제33권4호
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• pp.297-312
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• 2017

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 슬래그의 재료학적 특성을 파악하기 위해 제련 실험을 진행하였다. 총 3차례 진행된 실험에서 산출된 슬래그의 미세조직을 관찰하고 성분을 분석하였다. 1차 실험은 조재제를 첨가하지 않았으며, 산출된 슬래그의 전철량은 39.45~52.94 wt%로 확인되었다. 조재제를 첨가한 2, 3차 실험에서는 34.89~38.92 wt%로 감소하였다. 미세조직 분석 결과 2, 3차 실험에서는 철산화물 이외에 Gehlenite, Hercynite와 같은 CaO 화합물이 나타난다. 비금속개재물 성분 간 비율을 비교한 결과, 1차 실험의 유리질바탕의 $CaO/SiO_2$ 값이 0.42를 기준으로, 이보다 높을 경우 조재제를 첨가하였을 것으로 판단된다. $Al_2O_3/SiO_2-CaO/SiO_2$ 비교 분석한 결과, $Al_2O_3-SiO_2$ 비율은 유사한 제련공정 시스템(원광, 노벽, 연료)을 판단하는 지표로 활용할 수 있을 것으로 본다.

• 헤리티지:역사와 과학
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• 제57권2호
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• pp.6-25
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• 2024

본 연구에서는 8차례 진행된 국립중원문화유산연구소의 제련실험에 대한 결과 보고서를 중점적으로 검토하여 조업의 목표와 결과를 종합하고, 실험 내용의 변경 사항과 이에 따른 실험 결과물의 변화를 확인하였다. 먼저 조업 목표에 따른 원료:연료의 비율, 첨가제 유무 등 조업과 관련된 변화를 검토해 보았다. 이와 더불어 원료와 형성물, 부산물에 대한 금속학적 분석결과를 정리하여 유적에서 출토된 자료와 비교하여 검토를 진행하였다. 8차까지의 제련실험은 조업방식에 철광석 배소, 첨가제 투입, 원료:연료의 비율 등에 대하여 변화를 주었다. 그 결과들을 재검토한 결과, 탄소 함량이 낮은 순철이 금속학적 분석결과 확인되기 시작하였다. 이를 통해 생산목적에 따라 원료와 연료의 장입 비율이 중요한 역할을 한다는 점을 확인할 수 있었다. 또한 생산품 다수가 회주철인 점은 선철이 노 내에 장시간 방치되어 내부 조직이 변화된 것으로 파악하였으며, 탄소 함량이 공정반응이 일어나는 4.3%에 도달하지 못하였음에도 불구하고 용융상태를 거친 철괴인 점은 조업온도가 지나치게 높았던 것으로 파악된다. 앞서 검토한 결과들과 기타 제철복원실험에서 사용된 실험로의 구조와 형태를 참고하여 최종적으로 노 상부구조를 비롯한 고대 철 제련로 구조 복원을 시도해 보았다. 발굴조사된 철 제련로의 잔존상태와 송풍관의 성격 등을 종합적으로 참고하여 고대 철제련로 형태를 노벽 두께, 노의 높이, 송풍구 높이, 송풍관 규격, 노 내벽 형태 및 상단 형태의 6가지 항목으로 세분하여 복원안을 제시하였다. 구체적인 복원방법으로 우선 노의 높이를 낮추고, 상단의 형태를 하단 대비 1/3 크기로 축소하거나 직선형으로 조정하는 방안이 필요하다. 송풍시설은 충주 칠금동 유적 사례를 참고하여 노 바닥에서 70cm 위에 설치하거나, 1차 실험과 같이 20m 위에 설치하는 방식을 고려해야 한다. 또한 적정 조업온도를 유지하기 위해 송풍량 조절이 필요하다. 마찬가지로 충주 칠금동 유적 사례를 참고하여 송풍관 지름을 30m 내외로 제작하거나, 1차 실험 결과를 참고하여 지름 14m 내외로 제작하는 방안을 고려해야 한다. 이를 기반으로 제철복원실험을 통해 검증함으로써 고대 제철기술의 복원 방향을 제시하고자 한다.