鉄の歴史

鉄器時代から電気アーク炉まで

ブエナビスタ画像/ゲッティイメージズ

の開発 鋼 4000年前の鉄器時代までさかのぼることができます。これまで最も広く使用されていたブロンズよりも硬く、強いことを証明し、 鉄 武器や道具で青銅を置き換え始めました。

しかし、その後数千年間、生産される鉄の品質は、生産方法と同じくらい入手可能な鉱石に依存していました。

17 世紀までに、鉄の特性は十分に理解されていましたが、ヨーロッパで都市化が進むにつれ、より用途の広い構造用金属が求められました。そして 19 世紀までに、鉄道の拡大によって消費される鉄の量は、 冶金学者 鉄のもろさと非効率的な生産プロセスの解決策を見つけるための金銭的インセンティブを持っています。

間違いなく、鉄鋼の歴史における最も画期的な出来事は、ヘンリー・ベッセマーが酸素を使用して鉄の炭素含有量を減らす効果的な方法を開発した 1856 年に訪れました。近代的な鉄鋼産業が誕生しました。

鉄の時代

非常に高温になると、鉄は炭素を吸収し始め、金属の融点が下がり、鋳鉄 (2.5 ～ 4.5% 炭素) になります。高炉の開発は、紀元前 6 世紀に中国人によって最初に使用されたが、中世の間にヨーロッパでより広く使用され、鋳鉄の生産を増加させた.

銑鉄は、溶鉱炉から流れ出た溶鉄で、メイン チャンネルと隣接する鋳型で冷却されます。中央の大きなインゴットと隣接する小さなインゴットは、雌豚と子豚に似ていました。

鋳鉄は強いですが、炭素含有量のためにもろくなり、加工や成形には理想的ではありません.冶金学者は、鉄の高い炭素含有量がもろさの問題の中心であることに気付くと、炭素含有量を減らして鉄をより加工しやすくする新しい方法を実験しました。

18 世紀後半までに、製鉄業者はパドリング炉 (1784 年にヘンリー コートによって開発された) を使用して、鋳銑鉄を低炭素含有量の錬鉄に変換する方法を学びました。炉は溶鉄を加熱し、長い櫂型の道具を使って水たまりで攪拌しなければならず、酸素が炭素と結合してゆっくりと除去されました。

炭素含有量が減少すると、鉄の融点が上昇するため、鉄の塊が炉内で凝集します。これらの塊は取り除かれ、パドラーによって鍛造ハンマーで加工されてから、シートまたはレールに丸められます。 1860 年までに、英国には 3000 を超えるパドリング炉がありましたが、そのプロセスは労働と燃料の集約性によって妨げられたままでした。

鋼の最も初期の形態の 1 つであるブリスター鋼は、17 世紀にドイツとイギリスで生産が開始され、セメンテーションとして知られるプロセスを使用して溶融銑鉄の炭素含有量を増やすことによって生産されました。この工程では、錬鉄の棒と粉末炭を石箱に入れ、加熱しました。

約1週間後、鉄は炭の炭素を吸収します.加熱を繰り返すと、炭素がより均一に分布し、冷却後のブリスター スチールができあがります。炭素含有量が高いため、ブリスター鋼は銑鉄よりもはるかに加工しやすくなり、プレスや圧延が可能になりました.

ブリスター鋼の生産は 1740 年代に進歩し、イギリスの時計職人ベンジャミン ハンツマンが時計のバネ用の高品質の鋼を開発しようとしていたときに、粘土るつぼで金属を溶かし、特殊なフラックスで精錬してセメンテーション プロセスで残されたスラグを除去できることを発見しました。 .その結果、るつぼ、または鋳造鋼ができました。しかし、製造コストがかかるため、ブリスター鋼と鋳鋼の両方が特殊な用途にしか使用されていませんでした.

その結果、パドリング炉で作られた鋳鉄は、19 世紀のほとんどの間、英国の工業化における主要な構造用金属であり続けました。

ベッセマープロセスと現代の製鋼

19 世紀のヨーロッパとアメリカでの鉄道の成長は、鉄産業に大きな圧力をかけましたが、鉄産業は依然として非効率な生産プロセスに苦しんでいました。鋼鉄は構造用金属としてまだ証明されておらず、製品の生産は時間とコストがかかりました。それは、1856 年にヘンリー ベッセマーが溶鉄に酸素を導入して炭素含有量を減らす効果的な方法を考案するまで続きました。

現在ベッセマー プロセスとして知られているベッセマーは、「コンバーター」と呼ばれる西洋ナシ型の容器を設計しました。これは、酸素を溶融金属に吹き込みながら鉄を加熱することができます。酸素が溶融金属を通過すると、炭素と反応して二酸化炭素が放出され、より純粋な鉄が生成されます。

このプロセスは迅速かつ安価で、炭素を除去し、 ケイ素 数分で鉄から抜け出しましたが、成功しすぎて苦しんでいました。あまりにも多くの炭素が取り除かれ、あまりにも多くの酸素が最終製品に残りました。ベッセマーは最終的に、炭素含有量を増やして不要な酸素を除去する方法を見つけるまで、投資家に返済しなければなりませんでした。

ほぼ同じ頃、英国の冶金学者ロバート・ムシェットは、鉄、炭素、および マンガン 、シュピーゲライゼンとして知られています。マンガンは溶鉄から酸素を除去することが知られており、シュピーゲライゼンの炭素含有量を適切な量で添加すれば、ベッセマーの問題を解決することができます。ベッセマーはそれを変換プロセスに追加し始め、大きな成功を収めました。

1つの問題が残りました。ベッセマーは、鋼をもろくする有害な不純物であるリンを最終製品から除去する方法を見つけることができませんでした。その結果、スウェーデンとウェールズのリンを含まない鉱石しか使用できませんでした。

1876 年、ウェールズ人のシドニー・ギルクリスト・トーマスは、化学的に塩基性のフラックスである石灰岩をベッセマー法に加えることで解決策を思いつきました。石灰岩は銑鉄からリンをスラグに取り込み、不要な元素を除去することができました。

この革新により、最終的に、世界中のどこからでも鉄鉱石を使用して鋼を製造できるようになりました。当然のことながら、鉄鋼生産コストは大幅に減少し始めました。 1867 年から 1884 年の間に鋼製レールの価格が 80% 以上下落したのは、新しい鋼製造技術の結果であり、世界の鉄鋼産業の成長が始まりました。

オープンハースプロセス

1860 年代、ドイツ人技師のカール ヴィルヘルム シーメンスは、平炉プロセスを考案することで鉄鋼生産をさらに強化しました。平炉プロセスは、大型の浅い炉で銑鉄から鋼を製造しました。

高温を使用して余分な炭素やその他の不純物を燃焼させるこのプロセスは、炉床の下にある加熱されたレンガ室に依存していました。再生炉は、後に炉からの排気ガスを使用して、下のレンガ室で高温を維持しました。

この方法により、はるかに大量の生産 (1 つの炉で 50 ～ 100 トンの生産が可能)、特定の仕様を満たすように溶鋼を定期的にテストすること、およびスクラップ鋼を原材料として使用することが可能になりました。 .プロセス自体ははるかに遅くなりましたが、1900 年までに平炉プロセスが主にベッセマー プロセスに取って代わりました。

鉄鋼業の誕生

安価で高品質な素材を提供する鉄鋼生産の革命は、当時の多くのビジネスマンに投資機会として認識されました。アンドリュー・カーネギーやチャールズ・シュワブを含む 19 世紀後半の資本家たちは、鉄鋼産業に数百万ドル (カーネギーの場合は数十億ドル) を投資して儲けました。 1901 年に設立されたカーネギーの US スチール コーポレーションは、10 億ドル以上の価値を持つ最初の企業でした。

電気アーク炉製鋼

世紀の変わり目の直後、鉄鋼生産の進化に強い影響を与える別の開発が行われました。 Paul Herault の電気アーク炉 (EAF) は、帯電した材料に電流を流すように設計されており、その結果、発熱酸化と 3272 までの温度が発生します。 ° F (1800 ° C)、鋼鉄生産を熱するのに十分すぎる。

最初は特殊鋼に使用されていた EAF は使用が拡大し、第二次世界大戦までに合金鋼の製造に使用されるようになりました。 EAF ミルの設置に伴う投資コストが低いため、特に炭素鋼や条鋼で、US Steel Corp. や Bethlehem Steel などの主要な米国の生産者と競争することができました。

EAF は 100% スクラップ、または冷たい鉄の供給材料から鉄鋼を生産できるため、生産単位あたりのエネルギーが少なくて済みます。基本的な酸素ハースとは対照的に、操作を停止したり、関連するコストをほとんどかけずに開始したりすることもできます。これらの理由から、EAF による生産は 50 年以上にわたって着実に増加しており、現在では世界の鉄鋼生産の約 33% を占めています。

酸素製鋼

現在、世界の鉄鋼生産の大部分である約 66% は、塩基性酸素設備で生産されています。1960 年代に工業規模で窒素から酸素を分離する方法が開発されたことで、塩基性酸素炉の開発が大幅に進歩しました。

塩基性酸素炉は、酸素を大量の溶鉄とスクラップ鋼に吹き込み、平炉法よりもはるかに迅速に装入を完了できます。最大 350 トンの鉄を保持する大型容器は、1 時間以内に鉄鋼への変換を完了できます。

酸素製鋼のコスト効率は、平炉工場を競争力のないものにし、1960年代の酸素製鋼の出現に続いて、平炉操業は閉鎖され始めました.米国の最後の平炉施設は 1992 年に閉鎖され、中国は 2001 年に閉鎖されました。