열풍

열풍(hot blast)은 용광로에 주입하거나 기타 야금 공정에 사용하기 위해 예열된 공기를 말한다. 연료 소비를 크게 줄여주는 이 기술은 산업혁명 기간에 개발된 가장 중요한 기술 중 하나였다. 열풍은 또한 노 내부의 온도를 높여 용광로의 생산 능력을 증대시켰다.

초기에 개발된 방식은, 내화벽돌로 내벽을 두른 다중 챔버 용기에 용광로 연도 가스의 열을 교대로 저장한 뒤, 가열된 챔버를 통해 연소용 공기를 불어넣는 원리였다. 이를 축열식 가열(regenerative heating)이라 한다. 열풍은 1828년 스코틀랜드의 윌슨타운 제철소에서 제임스 보몬트 닐슨이 철 용광로용으로 발명하고 특허를 취득했으며, 이후 후기 블루머리(bloomery) 등 다른 분야에도 적용되었다. 후에는 연도 가스 속 일산화탄소를 연소시켜 추가적인 열을 공급하는 방식이 도입되었다.

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역사

발명과 확산

이전에 글래스고 가스 공장의 현장 감독이었던 제임스 보몬트 닐슨은 용광로에 주입하는 송풍을 예열하는 시스템을 발명했다. 그는 유입 공기의 온도를 149°C(300°F)까지 올리면, 생산된 철 1톤당 연료 소비량을 석탄 8.06톤에서 5.16톤으로 줄일 수 있으며, 온도를 더 높이면 소비량이 더욱 감소한다는 사실을 발견했다. 그는 찰스 매킨토시 등 동업자들과 함께 1828년에 이 기술의 특허를 취득했다. 초기에는 가열 용기를 연철판으로 제작했으나 산화 문제가 발생하자, 주철 용기로 교체하였다.

1828년 1월 특허를 근거로, 토머스 보트필드도 열풍 공법의 발명자로서 역사적 주장을 갖고 있다. 닐슨이 열풍의 발명자로 인정받는 것은 특허 소송에서 승소했기 때문이다. 닐슨과 그의 동업자들은 특허 침해자들을 상대로 상당한 규모의 소송을 벌였다. 이 기술의 영국 내 확산은 비교적 느린 편이었다. 1840년까지 58명의 제철업자가 라이선스를 취득하여, 연간 3만 파운드의 로열티 수입이 발생했다. 특허 만료 시점에는 80건의 라이선스가 존재했다. 특허가 만료된 직후인 1843년, 사우스스태퍼드셔의 80기 용광로 중 42기가 열풍을 사용하고 있었으며, 사우스웨일스에서의 도입은 이보다도 더 느렸다.

열풍의 또 다른 장점은 코크스 대신 생탄(raw coal)을 사용할 수 있다는 것이었다. 스코틀랜드에서는 품질이 비교적 낮은 "블랙 밴드" 철광석을 수익성 있게 제련할 수 있게 되었다. 또한 용광로의 일일 생산량도 증가했다. 칼더 제철소의 경우, 1828년 하루 5.6톤에서 1833년 8.2톤으로 증가하여, 1830년대 스코틀랜드를 영국 내 최저 비용의 철강 생산 지역으로 만들었다.

초기 열풍로(hot blast stove)는 열팽창과 수축으로 인한 배관 파손 등의 문제가 빈번했다. 이 문제는 배관을 롤러 위에 지지하는 방식으로 어느 정도 해결되었다. 또한 가죽을 더 이상 사용할 수 없게 되면서, 송풍관을 풍구(tuyère)에 연결하는 새로운 방법을 고안할 필요도 있었다.

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궁극적으로 이 원리는 카우퍼 축열로(Cowper stove, 연도 가스의 폐열로 유입 송풍 공기를 예열하는 장치로 현대 용광로에 사용됨)와 같은 축열식 열교환기, 그리고 지멘스-마르탱법에 의한 평로(open hearth furnace, 제강용)에 훨씬 더 효율적으로 적용되었다.

이와 독립적으로, 웨일스 이니스케드윈 제철소의 조지 크레인과 데이비드 토머스도 같은 아이디어를 착안하였으며, 크레인은 1836년에 영국 특허를 출원했다. 이들은 1837년 2월 5일에 새로운 공법으로 철 생산을 시작했다. 크레인은 이후 게센하이너의 특허를 매입하고 추가 특허를 등록하여, 영국과 미국 양국에서 이 공법의 사용을 통제했다. 크레인은 웨일스에 남았고, 토머스는 리하이 석탄 항만 회사(Lehigh Coal & Navigation Company)를 대리하여 미국으로 건너가 리하이 크레인 아이언 컴퍼니(Lehigh Crane Iron Company)를 설립하여 이 공법을 활용하였다.

제철에서의 무연탄 사용

열풍은 제철 제련에서 무연탄의 사용을 가능하게 했다. 또한 연료 사용량이 줄어들어 황과 재의 비율도 상대적으로 감소하므로, 저품질 석탄의 사용도 가능해졌다.

이 공법이 발명될 당시, 양질의 코크스용 석탄은 영국과 서부 독일에서만 충분한 양이 확보 가능했기 때문에, 미국의 철 용광로들은 목탄을 사용하고 있었다. 이는 개별 용광로마다 목탄 생산을 위해 광대한 산림 면적이 필요하다는 것을 의미했으며, 인근 산림이 벌채되면 대개 조업을 중단해야 했다. 무연탄을 연료로 사용하려는 시도는 냉풍 조건에서 무연탄이 점화를 거부하여 실패로 끝나곤 했다. 1831년, 프레더릭 W. 게센하이너 박사는 열풍과 무연탄을 이용한 제철 제련에 대해 미국 특허를 출원했다. 그는 1836년 펜실베이니아주 포츠빌 인근의 밸리 용광로에서 이 방법으로 소량의 무연탄 철을 생산했으나, 설비 고장과 자신의 병환, 그리고 1838년 사망으로 인해 이 공법을 대규모 생산으로 발전시키지 못했다.

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남북전쟁 이후 미국에서 무연탄은 코크스로 대체되었다. 코크스는 다공성이 높아 19세기 후반의 훨씬 대형화된 용광로에서 더 무거운 장입물을 지탱할 수 있었기 때문이다.