製 鉄 技 術 史 の た め の 基 礎 知 識

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１．元素としての鉄・・・地殻中の鉄の含有量は、5.00％で４番目

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地球における地表から16kmの範囲内までの地殻中の元素含有量



元　素　名 含有量 (重量%) １ 酸素 46.6 ２ ケイ素（シリコン） 27.7 ３ アルミニウム 8.1 ４ 鉄 5.0 ５ カルシウム 3.6 ６ ナトリウム 2.8 ７ カリウム 2.6 ８ マグネシウム 2.1 ９ チタン 0.4 10 水素 0.1



上記の表の数値は、アメリカの地球化学者クラーク(1847ー1931)が1924年に発表したものに基づくものである。
[引用元]田口勇『鉄の歴史と化学』裳華房,1988,p.3の表１

　このように鉄元素の含有量が多いことに関して宇宙のビッグバンによる元素の宇宙進化および地球上での鉄鉱石の歴史的生成という視点から説明をおこなったものとして、新日本製鐵(2004)「鉄の起源;宇宙の創造から生物の進化まで」『NIPPON STEEL MONTHLY』2004年10月号,pp.9-14が図も多くわかりやすい。



なお同論文のp.12によると、右表のように、鉄鉱石の可採埋蔵量は2,320億トンと、銅・亜鉛・鉛･ニッケルなどの金属と比べてと桁外れに多い。アルミニウムの原料であり、酸化アルミニウムAl2O3を主成分とするボーキサイトの可採埋蔵量も相対的に多いが、280億トンであり、鉄鉱石の約8分の１に過ぎない。		鉄鉱石	2,320億トン
		ボーキサイト	280億トン
		銅	6.1億トン
		亜鉛	3.3億トン
		鉛	1.2億トン
		ニッケル	1.1億トン

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２．鉄の生産プロセス

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(1)鉄鉱石

鉄は一般的には酸化鉄としてしか存在せず、自然金、自然銀、自然銅に相当する自然鉄は存在しない。

赤鉄鉱（Ｆｅ₂Ｏ₃）
褐鉄鉱（Ｆｅ₂Ｏ₃・nＨ₂Ｏ）
磁鉄鉱（Ｆｅ₃Ｏ₄）・・・・FeO・Fe₂O₃

　　　　　　　　↓
　　　　　　　　↓
(2)＜酸化鉄の高温状態下での還元プロセス＞としての、鉄の生産プロセス

還元プロセスの進行のためには、高温状態にする必要がある。

「（還元過程は）四〇〇度から八〇〇度あれば進行でき、温度が低ければ固体のまま還元して酸素を失った孔だらけの海綿上の鉄になり、もっと温度が高ければ、粘いあめ状の塊になる。これを鍛錬して鉄でない部分を十分に除去すれば、立派な鉄となる。」中沢護人『鋼の時代』岩波新書,p.24


(3)＜炭素の添加過程＞としての、鉄の生産プロセス

産業用素材としての鉄は、純鉄ではなく、炭素を一定量含んだものである。



(4)鉄鉱石の還元過程 --- 化学反応的視点からの理解

1> 炉の下部における木炭（あるいはコークス）の燃焼

Ｃ＋Ｏ₂→ＣＯ₂

空気供給すなわち酸素供給に関わる技術的問題として送風問題の強調（自然送風→人力によるフイゴ送風→水車動力によるフイゴ送風→蒸気動力による送風→酸素吹き込み）


2> ＣＯ₂は赤熱されている木炭（あるいはコークス）に触れて、すぐに、ＣＯに還元される。

ＣＯ₂＋Ｃ→２ＣＯ



3> 鉄鉱石がＣＯによって還元される --- 950度以上の高温ではＣ（炭素）それ自体によって還元される


[還元反応１］	３Ｆｅ2Ｏ3＋ＣＯ→２Ｆｅ3Ｏ4＋ＣＯ2	（２００−８００℃で）
[還元反応２］	Ｆｅ3Ｏ4＋ＣＯ→３ＦｅＯ＋ＣＯ2	（３００−８００℃で）
[還元反応３］	ＦｅＯ＋ＣＯ→Ｆｅ＋ＣＯ2	（４００−１０００℃で）
[還元反応４］	ＦｅＯ＋Ｃ→Ｆｅ＋ＣＯ	（９５０℃以上で）
現代の高炉の内部では、高炉の上部から投入された鉄鉱石が徐々に下に降りていく中で、還元反応１→還元反応２→還元反応3または4というように順に進行し鉄が生成されることになる。 [右図の出典]新日本製鐵(2004)「鉄鉱石から鉄を生み出す(上) 『NIPPON STEEL MONTHLY』2004年1･2月号.p.13の図2-1を一部変更



(4) 高炉法の模式図



鉄鉱石および木炭（あるいはコークス）を炉の上部から投入する
	↓
｜	↓	｜
｜	↓	｜
｜	↓	｜			炉を高くすることの意味
｜	○○○○	｜			↓
｜	▲▲▲▲▲	｜			a>一酸化炭素が鉄鉱石の還元に有効に働けるようにする
｜	○○○○	｜			b>高温の燃焼ガスで鉱石の予熱ができる
｜	▲▲▲▲▲	｜			c>製鉄炉の体積を増大させて一度に大量の鉄が製造できるようにする＜注＞
｜	○○○○	｜
｜	▲▲▲▲▲	｜
｜	○○○○	｜
｜	▲▲▲▲▲	｜
｜	↑	｜
｜	CO	｜
｜	↑	｜
｜	▲○▲↑	~~	~~~~~~~｜	／
｜	▲○▲↑	←	←←←＜	←←動力水車や蒸気動力機関で動く送風装置で高炉内に空気を送り込む
｜	~~~~~~~~	~	~~~~~~	＼




＜注＞　製鉄炉の体積を増加させると、一度に大量の鉄を生産することができる。「体積」は「断面積」×「高さ」で決まるので、製鉄炉の体積増加には、高炉法のように「高さを増大させる方法」と、たたら製鉄法のように「断面積を増加させる方法」の二種類がある。
現代における高炉による製鉄プロセスに関しては、新日本製鐵(2004)「鉄鉱石から鉄を生み出す(上) 『NIPPON STEEL MONTHLY』2004年1･2月号.pp.11-14が図も多くわかりやすい。


(5)木炭（or 石炭）が、鉄の製造過程において果たす三つの役割・・・・熱源、還元剤、構成材

鉄の製造工程における木炭（or 石炭）消費量の巨大さ

製鉄過程は(2)(3)(4)で論じたように、「酸化鉄を高温状態で炭素や一酸化炭素によって還元させる化学的プロセス」であるとともに、「そうした還元プロセスの中で炭素が鉄の中に取り込まれることによって、人間にとって役に立つ「鉄」となるプロセス」でもある。
　それゆえ、炭素は製鉄過程において
(a)「高温状態」を作り出す熱源
(b)「酸化鉄を還元する」還元材
(c)「有用物[商品]としての鉄」を構成する材料（添加物）

という三つの役割を果たしていることになる。そのため製鉄過程で大量の木炭（or 石炭）が消費されることになる。


(6)送風能力を増大させる必要性とその意味

(4)の化学反応式 Ｃ＋Ｏ₂→ＣＯ₂ からもわかるように、炭素を燃焼させるために大量の酸素が必要とされる。そのため、製鉄反応をスムーズに進ませるためには高炉内に大量の酸素（空気）を強制的に送り込む必要がある。高炉以前の製鉄法では人力送風でも構わなかったが、高炉では十分な送風を人力で行うことはできない。
　そのため、動力水車など機械的動力による送風が必要とされるようになった。

水車送風と大量生産との関連（融点と炭素含有量、燃焼反応と空気供給）
自然送風→人力送風→水力送風→蒸気動力送風

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Ｃ＞三種類の鉄・・・炭素含有量の違いによる性質の違い

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	炭素 含有量	硬　度	展　性	融　点
練鉄 wrought iron (鍛鉄、軟鉄)	小	低	大きい （粘る）	高い
鋼鉄 steel	中間	中間	中間	中間
銑鉄 pig iron (鋳鉄 cast iron)	大	大	小さい （もろい）	低い



純鉄の融点＝1535度
参考文献
　ベック『鉄の歴史』1-(1)pp.11-15

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Ｄ＞製鉄法の歴史的変化の技術論的理解

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直接製鉄法から間接製鉄法への転換としての製鉄技術の歴史的発展

酸化鉄の「低温」還元から、酸化鉄の「高温」還元への製鉄法の発展

１．一段階製鉄法（直接製鉄法）

酸化鉄の低温還元による低炭素濃度の鉄の直接的生成（古代のルッペ炉・低シャフト炉、中世のシュトゥック炉、日本のたたら製鉄炉 ）



炉高やフイゴの酸素供給能力の限定のため 製鉄炉において鉄鉱石（酸化鉄）が「低温」還元される

↓

炉内温度が低いため、炭素含有量の低い鉄が生成 (鉄鉱石→練鉄、鋼鉄) （シュトゥック炉やたたら製鉄などにおいては部分的には鋼鉄も生成）

↓

炭素含有量が低い鉄ほど融点は高い

↓

炉内温度が融点より低いため、固体状態の鉄が生成

↓

炉内で生成した鉄を取り出すには ヨーロッパ中世のシュトゥック炉や日本の たたら製鉄のように炉を破壊するなど いったん鉄生産作業を中止しなくてはならない

↓

鉄の連続的生産は不可能




刀剣類などは滲炭法によって、錬鉄の部分的な鋼鉄化が必要

2．二段階製鉄法（間接製鉄法）

［第一段階］	高　炉	鉄鉱石から銑鉄(鋳鉄)を製造	----	酸化鉄(鉄鉱石)の高温還元による「高炭素濃度の鉄」の生成
		［鉄鉱石→→→銑鉄（鋳鉄）］
［第二段階］	精錬炉	銑鉄から鋼鉄・練鉄を製造	----	高炭素濃度の鉄(銑鉄)の中の炭素の酸化（脱炭）による低炭素濃度の鉄(鋼鉄・錬鉄)の生成
		［銑鉄→→→鋼鉄 or 練鉄］

動力水車送風の木炭高炉 ［出典］奥村正二『製鉄製鋼技術史』 伊藤書店,1944年,p.27の図21

炉高やフイゴの酸素供給能力の向上によって 製鉄炉で鉄鉱石（酸化鉄）が「高温」還元される (酸化鉄を1200℃以上の温度で還元) ↓ 炉内温度が高いため、 炭素含有量の高い鉄(銑鉄)が生成 →→→→ 鋼鉄や錬鉄の製造には炭素含有量の低減が必要 ↓ ↓ 炭素含有量が高い鉄ほど融点は低い 精錬炉で脱炭 (鉄中の炭素を酸素と結合させて除去) ↓ 炉内温度が融点より高いため、 溶融状態の鉄が生成 ↓ 炉内で生成した鉄を取り出すのに 炉の破壊など作業を中断する必要はない ↓ 鉄の連続的生産が可能 高炉は，一度火を入れると，熱経済的観点からも、 炉内の耐火煉瓦の寿命（通常３〜５年）まで 昼夜を通じてノンストップで連続操業を続けるのが普通である。 ↓ 鉄の大量生産が可能

　鋳鉄の製造開始は、ヨーロッパでは中世末期（１４世紀頃）なのに対して、中国はそれよりも千数百年間も以前の紀元前４世紀頃と言われている。しかも中国では紀元前２世紀頃には、製造された鋳鉄から酸素を取り除くことによって鋼鉄を製造していた、と言われている。[このことについては、別稿「中国の製鉄技術史」を参照のこと。]
　現代日本における一九七〇年代以後の超大型高炉は、全高130mに達し、日産約１万トンの溶融銑鉄を製造する能力を持つまでになっている。

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E＞製鉄法の関連サイト

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1. 新日本製鐵「モノづくりの原点 − 科学の世界」Vol.1-15(NIPPON STEEL MONTHLY』2003年5月号~2004年10月号)
   http://www.nsc.co.jp/science/index.html
   
2. 新日本製鐵(2011)「鉄鋼製造の主要プロセス」『アニュアルレポート2011』pp.18-19
   http://www.nsc.co.jp/ir/finance/pdf/anu11_12_33.pdf
   
3. 新日本製鐵(2011)「鉄鋼製造プロセス」『新日鐵ガイド2011』pp.55-56
   http://www.nsc.co.jp/company/pdf/nscguide2011_j_55.pdf
   
4. 彼島秀雄(2010)「高炉技術の系統化」『国立科学博物館技術の系統化調査報告』第15集, pp.79-159
   http://sts.kahaku.go.jp/diversity/document/system/pdf/061.pdf