西洋文明史Ⅱ

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25.4.3: 鉄鋼生産

1860年以前は、鉄鋼は高価で少量生産でしたが、1740年代にベンジャミン・ハンツマンによるるつぼ鋼技術、1850年代にベッセマー法、1850年代～60年代にはシーメンス・マルティン法の開発により、第二次産業革命の重要な進歩の1つである鉄の大量生産に成功しました。

学習目標

鉄鋼生産の向上が産業の進展に与えた影響を推測する。

ポイント

  • 鉄は鉄とその他の元素（主に炭素）との合金で、引っ張り強度が高く安価なので建築などに広く使用されます。 鋼の母材は鉄です。
  • 1740年代にベンジャミン・ハンツマンが、るつぼ鋼の技術を開発した。 彼は、それぞれが約34ポンドのブリスター鋼を保持する土鍋るつぼで、満足のいく鋳造鋼を作ることができました。 フラックスを加え、蓋をしてコークスで3時間ほど加熱した。 そして、溶けた鋼を鋳型に流し込み、るつぼを再利用した。 長い間、ハンツマンは、地元の生産者がすでに使用していたものより硬い鋼を扱うことを拒否したため、全生産量をフランスに輸出していました。
  • 鋼は、しばしば、第二次産業革命を特徴づける、産業大量生産のいくつかの新しい分野の最初のものとして挙げられます。 1860年頃までは、鉄はまだ高価な製品でした。 安価な鋼を大量に生産するという問題は、1855 年に Henry Bessemer がイギリスのシェフィールドにある彼の製鉄所でベッセマー転炉を導入することで解決されました。 Göran Fredrik Göransson と Robert Forester Mushet による更なる実験により、Bessemer は後に Bessemer プロセスとして知られるようになるものを完成させた。
  • 当初は反発を受け、自らプロセスの利用を引き受けざるを得なかったが、最終的にはライセンスが多数申請され、ベッセマーは 100 万ポンド以上のロイヤリティを受け取ることになった。 1870年には、ベッセマー鋼は船舶用鋼板として広く使用されるようになった。 ベッセマー製法は、鉄道用鋼材の価格競争力を高めることにもつながった。 経験上、鋼の強度と耐久性がはるかに高く、より重く高速なエンジンや車両を扱うことができることがすぐに証明されました。
  • 1890年以降、ベッセマー法は徐々に平炉製鋼に取って代わられました。 カール・ヴィルヘルム・シーメンスは、1850年代にシーメンス再生炉を開発した。 この炉は、燃料と燃焼用空気の再生予熱を利用して高温で操業するものであった。 1865年、シーメンスからライセンスを受けたピエール・エミール・マルタンは、再生炉を鉄鋼の製造に応用した。 ジーメンス・マルタンのプロセスは、速度が遅く、制御が容易であった。 また、大量の鉄スクラップの溶解と精錬が可能になり、鉄鋼の生産コストをさらに下げ、厄介な廃材を再利用することができた。 安価な鉄が手に入ることで、橋や鉄道、高層ビル、船舶の大型化が可能になった。 その他の重要な鉄鋼製品は、鋼索、鋼棒、鋼板で、大型高圧ボイラーや機械用の高張力鋼を可能にした。

重要用語

第二次産業革命 19世紀末から20世紀初頭にかけて急速に起こった工業化の段階を指し、技術革命とも呼ばれる。 工作機械産業の確立、互換部品の製造方法の開発、ベッセマー法の発明など、それ以前の製造業の技術革新に起因する出来事も多いが、一般的には1870年から1914年、第一次世界大戦が始まるまでの間とされる。 ベッセマー法 溶けた銑鉄から鉄を大量生産するための安価な工業プロセスとして、平炉の開発以前に初めて考案されたもの。 溶けた鉄の中に空気を吹き込んで酸化させ、鉄の中の不純物を取り除くのが主原理。 また、酸化によって鉄の塊の温度が上がり、溶けた状態を保つことができる。 るつぼ鋼 近代に2種類の方法で作られ、歴史上さまざまな地域で生産された鋼を指す言葉。 鉄などを溶かして作る。 中世には南アジアや中央アジアで生産されていたが、18世紀にイギリスのベンジャミン・ハンツマンによって高品質な鋼を生産する技術が開発された。 ただし、ハンツマンのプロセスは、後のベッセマープロセスのように鋳鉄から直接転換するのではなく、鉄と鋼を原料にしたものである。 この鋳鋼は、結晶構造が均一であるため、先行する鋼に比べて強度や硬度が向上した。 セメンテーション 鉄を浸炭して鋼を作る時代遅れの技術。 現代の製鋼とは異なり、鉄の中の炭素量を増加させる。 17世紀以前に開発されたようである。 1720年に建設されたDerwentcote Steel Furnaceがこの技術を用いた炉の現存する最古の例である。 浸炭 炭や一酸化炭素などの炭素を含む物質の存在下で鉄や鋼を加熱し、炭素を吸収させる熱処理法。 金属をより硬くすることを目的としている。 現代の製鉄とは異なり、この処理によって鉄に含まれる炭素の量が増加する。

鉄は、鉄と炭素を主とする他の元素の合金で、引張強度が高く、安価なため、建築などに広く利用されている。 鉄の母材は鉄で、温度によって体心立方（BCC）と面心立方（FCC）という2つの結晶形態をとることができる。 鉄は温度によって体心立方（BCC）と面心立方（FCC）の2つの結晶形をとることができ、これらの同素体と合金元素（主に炭素）との相互作用により、鋼や鋳鉄にさまざまな特性を与えているのである。 BCC配列では、各立方体の中心に鉄原子があり、FCCでは、立方体の6つの面の中心にそれぞれ1つずつある。

鉄（銑鉄より低いが鍛鉄より高い炭素含有量）は古代に初めて作られたが、産業革命の20年前に鉄の生産に改良が加えられた。 1740年代にベンジャミン・ハンツマンが、るつぼ鋼の技術を開発したのだ。 ハンツマン氏は多くの実験の後、1個あたり約34ポンドのブリスター鋼を入れた土鍋るつぼで、満足のいく鋳鋼を作ることに成功した。 フラックスを加え、蓋をしてコークスで3時間ほど加熱した。 そして、溶けた鋼を鋳型に流し込み、坩堝を再利用した。 地元の刃物メーカーは、ハンツマンの鋳鋼は使い慣れたドイツの鋼鉄より硬いので、買うのを拒んだ。 ハンツマン氏は長い間、生産量のすべてをフランスに輸出していた。 ハンツマンが原料として使用したブリスター鋼は、鉄のセメンテーション法または浸炭法で作られたものである。 浸炭とは、鉄や鋼を木炭や一酸化炭素などの炭素を含む物質の存在下で加熱しながら、炭素を吸収させる熱処理のことである。 金属を硬くするのが目的である。

第二次産業革命

鉄は、1850 年頃から始まる第二次産業革命の特徴である、工業的大量生産のためのいくつかの新しい分野の最初のものとしてよく挙げられますが、鉄の大量生産のための方法は 1860 年代まで発明されず、より均一な品質を作り出すためにプロセスが修正され 1870 年代に広く利用可能になったのです。

1860年頃までは、鉄は高価な製品で、少量しか作られず、主に剣、道具、刃物などに使われていました。 大きな金属構造物はすべて錬鉄か鋳鉄でできていました。 1855年、ヘンリー・ベッセマーが英国シェフィールドの製鉄所でベッセマー転炉を導入し、安価な鋼の大量生産という問題を解決した。 ベッセマー法では、高炉で溶かした銑鉄を大きなルツボに入れ、下から空気を吹き込んで溶けた鉄にコークスから出る溶存炭素に点火する。 炭素が燃え尽きると融点が上がるが、燃える炭素の熱で溶融を維持することができる。 そして、溶融物の炭素分が所定のレベルまで下がると、エアドラフトを停止させる。 典型的なベッセマー転炉は、25トンの銑鉄を30分で鋼に変えることができた。

Bessemer converter, print published in 1867 in Great Britain.Bessemer converterは、1856年にプロセスを実証し、1864年までに操業を成功に導いた。

ベッセマー法は現在では商業的に使用されていませんが、その発明当時は、鋼の生産コストを下げ、鋼が広く鋳鉄に取って代わられるようになったため、産業上非常に重要なものでした。

ベッセマーは、銃の構造を改善するために、鋼鉄製造の問題に注目しました。

ベッセマーは、彼のプロセスの特許を5つの鉄工所にライセンスしましたが、当初から、各社は良質の鋼を作るのに非常に苦労していました。 スウェーデンの鉄工所、ヨーラン・フレドリック・ヨーランソンは、同国の純度の高い炭銑を使って、この製法で初めて良質の鋼を作ったが、多くの試練の後であった。 ベッセマーはこの結果を受けて、カンバーランド産のヘマタイトを原料とする純度の高い鉄を試みたが、炭素量の調節が難しく、限られた成功にとどまった。 Robert Forester MushetはDarkhill Ironworksで何千回もの実験を行い、鉄から炭素をほとんど取り除き、正確な量の炭素とマンガンをシュピーゲライゼン（フェロマンガン合金）という形で加えることで、炭素の量をコントロールできることを示したのだ。

ベッセマーは、自分の改良した方式を採用するようメーカーを説得しようとしましたが、大反対にあい、結局、自分でこの方式を採用することになりました。 彼は、W & J Galloway & Sons などと事業提携してシェフィールドに製鉄所を建設し、鉄の製造を開始しました。 当初、生産量は微々たるものであったが、次第に事業規模が拡大し、競争が激化し、鉄鋼商はヘンリー・ベッセマー& 社が1トン10～15英国ポンドも安く売っていることに気が付くようになった。 この懐柔策はすぐに効果を発揮し、多くのライセンスが申請され、ベッセマーは製法使用料として100万ポンドを大幅に超える金額を手にすることになった。 1870年には、ベッセマーは船舶用鋼板として広く使用されるようになった。 1850年代には、鉄道の輸送速度、重量、量が、錬鉄製のレールの強度によって制限されるようになった。 そこで、ベッセマー法によって価格競争力のある鋼鉄製レールに切り替えることにした。

しかし、ミュシェは何も受け取らず、1866年には貧窮し、体調を崩してしまったのです。 この年、16歳の娘メアリーは単身ロンドンに渡り、ベッセマーの事務所で、自分の成功は父の仕事の成果によるものだと主張し、ベッセマーと対決した。 ベッセマーはミュシェに年間300ポンドという非常に多額の年金を支払うことを決め、20年以上それを続けたが、おそらくミュシェ夫妻を法的措置から遠ざけるためであった。

1890年以降、ベッセマー法は徐々に平炉鋼製造に取って代わられた。 カール・ヴィルヘルム・シーメンス卿は、1850 年代にシーメンス再生炉を開発し、1857 年には燃料の 70 ～ 80% を節約できるほど熱を回収していると主張しました。 この炉は、燃料と燃焼用空気の再生予熱を利用し、高温で操業していた。 再生予熱では、炉からの排ガスをレンガの入った室に送り込み、ガスからレンガに熱を伝える。 その後、炉の流れを逆転させ、燃料と空気がチャンバー内を通過し、レンガで加熱されるようにする。 この方法で、平炉は鉄を溶かすのに十分な高温に達するが、シーメンスは当初、その用途には使わなかった。 1865年、フランス人技師ピエール・エミール・マルタンは、シーメンスからライセンスを受け、初めて再生炉を鉄鋼製造に応用した。 ジーメンス式再生炉の最大の魅力は、高層ビルの建設などに使われる基礎鋼材を大量に短時間で生産できることである。

1895年のジーメンス炉

ジーメンス再生炉は、高層ビルなどの基礎鋼を大量に早く生産できることが一番の魅力であった。 シーメンスの方法によって、平炉は鋼を溶かすのに十分な高温に達することができたが、シーメンスは当初そのために使用したのではない。

ジーメンス-マーティンプロセスは、ベッセマープロセスに取って代わるのではなく、むしろそれを補完するものであった。

ジーメンス・マルティン・プロセスはベッセマー・プロセスを置き換えるのではなく、補完するものであった。 また、大量の鉄スクラップの溶解と精錬を可能にし、鉄鋼の生産コストをさらに下げ、厄介な廃棄物を再利用することができました。 しかし、1チャージの溶解・精錬に数時間かかるのが難点である。

ジーメンス・マルタン方式は、20世紀初頭には主要な製鋼方法となりました。

シーメンス・マルティン製法は、20世紀初頭には鉄鋼の主要な製法となり、安価な鉄鋼の入手により、橋、鉄道、高層ビル、船舶の大型化が可能になりました。 Other important steel products—also made using the open hearth process—were steel cable, steel rod, and sheet steel which enabled large, high-pressure boilers and high-tensile strength steel for machinery, creating much more powerful engines, gears, and axles than were previously possible. With large amounts of steel, it also became possible to build much more powerful guns and carriages, tanks, armored fighting vehicles, and naval ships.

Attributions

  • Steel Production
    • “Carburizing.” https://en.wikipedia.org/wiki/Carburizing. Wikipedia CC BY-SA 3.0.
    • “Industrial Revolution.” https://en.wikipedia.org/wiki/Industrial_Revolution. Wikipedia CC BY-SA 3.0.
    • “Second Industrial Revolution.” https://en.wikipedia.org/wiki/Second_Industrial_Revolution. Wikipedia CC BY-SA 3.0.
    • “Benjamin Huntsman.” https://en.wikipedia.org/wiki/Benjamin_Huntsman. Wikipedia CC BY-SA 3.0.
    • “Crucible steel.” https://en.wikipedia.org/wiki/Crucible_steel. Wikipedia CC BY-SA 3.0.
    • “Open hearth furnace.” https://en.wikipedia.org/wiki/Open_hearth_furnace. Wikipedia CC BY-SA 3.0.
    • “Ferrous metallurgy.” https://en.wikipedia.org/wiki/Ferrous_metallurgy. Wikipedia CC BY-SA 3.0.
    • “History of the steel industry (1850–1970).” https://en.wikipedia.org/wiki/History_of_the_steel_industry_(1850%E2%80%931970). Wikipedia CC BY-SA 3.0.
    • “Cementation process.” https://en.wikipedia.org/wiki/Cementation_process. Wikipedia CC BY-SA 3.0.
    • “Spiegeleisen.” https://en.wikipedia.org/wiki/Spiegeleisen. Wikipedia CC BY-SA 3.0.
    • “Bessemer process.” https://en.wikipedia.org/wiki/Bessemer_process. Wikipedia CC BY-SA 3.0.
    • “Henry Bessemer.” https://en.wikipedia.org/wiki/Henry_Bessemer. Wikipedia CC BY-SA 3.0.
    • “Steel.” https://en.wikipedia.org/wiki/Steel. Wikipedia CC BY-SA 3.0.
    • “Reverberatory furnace.” https://en.wikipedia.org/wiki/Reverberatory_furnace. Wikipedia CC BY-SA 3.0.
    • “ConverterB.jpg.” https://commons.wikimedia.org/wiki/File:ConverterB.jpg. Wikimedia Commons Public domain.
    • “Siemensmartin12nb.jpg.” https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Siemensmartin12nb.jpg. Wikimedia Commons Public domain.