製鉄技術史(1) --- 古代のレン炉から近代の高炉・転炉までの歴史

「製鉄技術」登場以前から存在していた鉄−−−天然鉄の古代における利用

1.隕鉄（鉄質隕石,Iron meteorite）
隕鉄の利用を開始した古代人にとっては地球誕生以来の40数億年分の隕鉄、石鉄隕石が最初には存在していたので、量的にはかなりの量があったと考えれる。実際、古代エジプトの墓の中からも、鉄製の装身具がいくつか見つかっている。これは人類が人工的に鉄を作り出すことができるようなる以前のもの（約B.C.3000年以前のもの）なので、隕鉄を加熱してハンマーで加工したものと考えられている。
シュメール語（シュメール人はメソポタミア南部の最古の住民。B.C.3000年頃に都市国家を建設し、楔形文字を作成しことで知られる）で鉄は「天の金属」と呼ばれていた。
　隕鉄の量はかなり大きい場合がある。例えば、アメリカのアリゾナ州キャニオンディアブロにある大隕鉄孔（クレーター）の周辺からは30トンにも及ぶ多数の隕鉄の破片が発見されている。
　なお田口勇『鉄の歴史と化学』裳華房,1988によると、1966-1970年の５年間に地球上に落下し発見された隕鉄と隕石の合計数は、59個（隕鉄１１個、10,651kg、隕石47個、1,056kg）であるから、１年間に落下する隕鉄の数は約１個程度と極めて少ない。
　このように１年間に世界中で確認される隕石落下の数は極めて少ないが、「人間の目の届く範囲は全地表面のごく１部分なので、実際には１日に数個、１年では２０００個程度の隕石が落ちている」（村山定男「隕石」『万有百科大事典　宇宙・地球』p.28）と推定される。
　隕石は鉄、ニッケルなどの合金でできた＜隕鉄＞、カンラン石、輝石などの珪酸塩鉱物からなる＜石質隕石＞、鉄と石質部分が混じった＜石鉄隕石＞の３種類に大別されるが、数的には石質隕石が全体の約９２％、隕鉄が約５−６％、石鉄隕石が約２％（村山定男「隕石」『万有百科大事典　宇宙・地球』p.28）なので、隕鉄は年間に約百数十個地上に落下していると考えられる。
　それゆえ隕鉄の利用を開始した古代人にとっては地球誕生以来の40数億年分の隕鉄、石鉄隕石が最初には存在していたので、量的にはかなりの量があったと考えれるのである。


2.自然冶金

地表面に露出した鉄鉱石の上での焚火（たきび）や山火事などによって鉄鉱石が「自然」に還元されて、鉄ができることもある。

一段階製鉄法の歴史的展開(1)

古代の製鉄技術

酸化鉄の「低温」還元（800℃程度の温度での還元）による低炭素濃度の鉄の製造法の歴史的展開

B.C.3500年頃からの銅精錬の開始、B.C.2000年頃からの青銅精錬の普及に対して、鉄精錬はB.C.1500年頃から始まったと考えられている。
　ただし実際に鉄製工具などが広く使用され、鉄器時代といえるようになるのは、鉄精錬法を独占していたヒッタイト王国が崩壊したB.C.1200年以降のことである。



低シャフト炉（ルッペ炉、レン炉など） --- 人力による冷風送風（人力フイゴ）

炉の高さ１ｍ前後、直径40-50cm程度の大きさ
最初は谷から吹き上げてくる山腹の風を利用した自然送風、紀元前２ー３世紀頃よりフイゴを利用した手押し送風または足踏み送風へ

日産数ｋｇ
鉱石から得られる鉄の量は50%以下
レン炉の炉内温度は千度前後→半熔鉄（海綿鉄、ルッペ）を生成、それを「ハンマーで叩き割り適当な大きさにしてから、加熱して金床でたたき、中の不純物を取り出すとともに、鉄を適当な形に成形する」という鍛造過程を通して鉄を精錬。


人力ハンマーによる鉄の鍛錬
ルッペ（不純物を含むとともに海綿状態になった鉄）の生成
ルッペを熱しながらハンマーで鍛造することでスラグなど不純物を取り除き、塊状の鉄を生成

一段階製鉄法の歴史的展開(2)

中世の製鉄技術

シュトゥック炉

＜高炉とレン炉の中間形態＞
８世紀頃に登場、炉の高さ３ー４ｍ →→ この高さになると、手押しフイゴや足踏みフイゴでは送風力が不足するため、しだいに水車動力によるフイゴ送風がおこなわれるようになった
　
＜レン炉(古代) vs シュトゥック炉(中世)＞
　生成した半熔鉄（海綿鉄、ルッペ）を鍛造によって精錬するという点において、中世のシュトゥック炉と古代のレン炉の間に違いはない。古代と異なるのは、生成する半熔鉄が百キログラムのオーダーというように大きくなったことから、半熔鉄の大きい塊を炉から取り出すことや、半熔鉄の鍛造過程に水車動力を利用したこと（すなわちハンマーを水車で駆動した）にある。
　古代、中世ともに練鉄を直接に取り出していたため、「直接製鉄法」と呼ばれる。これに対して近代以降はいったん鋳鉄を生成してからその後でその中の炭素を取り除くことで練鉄を取り出していたので「間接製鉄法」と呼ばれる。
　ただし、もちろん部分的には製鉄炉の中で銑鉄も形成されていた。

「（１２ー１３世紀の）シュタイエルマルク、ケルンテンの製鉄炉は高さ３ー４メートル程度の堅型炉（シュテュック炉）で、頂部から鉄鉱石と木炭を交互に装入し、下部の羽口(ハグチ)からフイゴで空気を吹き込んだ。炉温が上がった後、羽口の脇の出滓口から鉱滓を時々流し出した。１８時間操業を続けると炉底に十分な大きさの鉄塊が生成してくる。そこでフイゴをはずし、炉下部に穴を開け、残っている鉱滓や炭をかき出した後、鉄塊（３００キログラム）を鉄鋏で水車の動力も利用して引き出した。中世のヨーロッパ各地の製鉄炉はシュテュック炉の他にスペインのカタラン炉、スウェーデンのオスモンド炉など、地方によってさまざまな鉄塊炉が使用されていた。」原善四郎『鉄と人間』新日本新書,1988年,pp.91-92


炉形とフイゴ能力との関連 --- 製鉄炉の二つの発展方向(高さの増大→高炉 vs 断面積の増大→たたら製鉄）

日本のたたら製鉄はフイゴ能力が低いため（人力によるフイゴ駆動）、鉄の大量生産のためには炉床を横に伸ばしてフイゴの数を増加させるしかなかった




たたら製鉄（たたら炉＋人力送風＋冷風送風）
初期は鉄１トンに対し６トンの木炭を消費
明治７年（1874年）の時点でも製造コストの約45％が木炭および薪、鉄鉱石のコストは約9.4％に過ぎなかった。
また、たたら炉の炉内温度は、10世紀に1100℃−1200℃、江戸時代に1200℃−1300℃であったと推定されている。

高炉と精錬炉による二段階製鉄法（間接製鉄法）の歴史的展開過程の基本的構造--- 製「鉄」技術と製「鋼」技術

A＞鋳鉄製造工程としての高炉


木炭高炉（ヨーロッパ中世末期） [木炭を還元材・燃料源とした製鉄法]

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銑鉄生産量の劇的増大 それ以前が一つの炉で日産数kgから数十kgであったのが、初期のものでも日産約２ｔ近く程増大した。

↓

銑鉄生産量の約２倍の木炭を消費するので、 銑鉄生産量の劇的増大にともなって木炭の大量消費が生じた。 これが木炭価格上昇の一つの要因となった。

製鉄過程で木炭の代わりに石炭を利用可能にするためには 石炭中の不純物（イオウなど）除去という技術的問題があった。

その技術的問題の解決は、石炭の蒸し焼きによって可燃ガスとともに イオウなどの不純物を取り除いた石炭、すなわち、コークスを利用することであった。 石炭をコークスにするプロセスの副産物が石炭ガスであり、 これがロンドンではガス灯による照明に利用された。

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コークス高炉(18世紀前半) [コークスを還元材・燃料源とした製鉄法]

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コークスは木炭よりも固いので高炉の高さをさらに高くすることができたことや、 単位重量あたりの発熱量がコークスは木炭よりもかなり大きいので、 銑鉄生産量のさらなる増大が生じた。 最近では１日に１万トン以上の鉄を生産する高炉も登場している。





B＞鋳鉄の練鉄・鋼鉄への変換工程としての精錬炉
銑鉄の溶融温度の高さに対して、どのようにして対応するのかが問題であった

木炭を燃料源とした精錬

木炭精錬炉


石炭を燃料源とした精錬

反射炉＋パドル法(18世紀後半)

パドル法＝反射炉で溶解させた鋳鉄を撹拌(puddle)することで空気との接触により鋳鉄中の炭素を除去。攪拌時間で炭素含有量を調節（熟練による制御）。


「外部」燃料を必要としない精錬 --- 転炉

転炉を解説した参考Webページ
「転炉」『学研学習事典データベース』学研,1999
http://db.gakken.co.jp/jiten/ta/316470.htm



Ｃ＞鉄の再利用（リサイクル）のための技術 --- 平炉、電炉

二段階製鉄法の歴史的展開(1)

近代の製鉄技術（１）−−−木炭高炉

木炭高炉＋動力水車によるフイゴ送風＋冷風送風

砂の鋳型が１４ー１５世紀に登場・・・鋳鉄鋳鉄（溶融銑鉄）の生成の登場にともなう技術革新を示すもの
１５世紀から１６世紀にかけての大きさは、炉の高さが4.5mぐらいで内径1.8m程度
鉄の生産性の急激な向上・・・一日に8ー10kg（レン炉）からトン・レベル（木炭高炉）の産出量へ
大型の木製フイゴが17世紀に登場した以降に炉の高さはさらに大きくなり、18世紀の木炭高炉の中には10ー14mの高さのものも登場、そして日産10トンを超える高炉も登場

「西ヨーロッパではじめて高炉が出現したのは14世紀半ばであった。／15世紀の高炉は、高さ4.5ｍ、内径約1.8ｍで、１昼夜に約1600kgの銑鉄を生産した。これにたいしてレン炉では、１昼夜にせいぜい8ー10kgの鉄しか生産できなかった。」ソ連科学アカデミー編（金光不二夫他訳）『世界技術史』大月書店、p.156

二段階製鉄法の歴史的展開(2)

近代の製鉄技術（２）−−−コークス高炉

コークス高炉＋蒸気動力送風＋温風送風

二段階製鉄法の歴史的展開(3)

製「鋼」技術（精錬技術）の歴史的展開 --- るつぼ製鋼法、パドル法、転炉法、平炉法

精錬過程[炭素含有量の低減による、鋳鉄（銑鉄）から練鉄・鋼鉄への転換過程]

(1) 木炭精錬法

(2) 反射炉＋パドル法

反射炉で撹拌puddleすることで空気との接触により鋳鉄中の炭素を除去
ヘンリー・コート(1784)によれば、パドル法で一度に処理できる限界量は400-500ポンド（180kg−227kg）である。

パドル法の技術的利点

炉内温度が一定のある適当な温度ならば、炭素含有量の変化に応じて溶融した鉄の粘り具合が変化すると考えられる。すなわち炭素含有量の減少にともなって融点が上昇するが、それに応じて鉄が溶融状態から固体により近い状態に移行すると考えられる。それによって炭素含有量が推定できる。


(3) 転炉法(1856)

原理的には熱源不要
転炉法＝空気 or 酸素の吹き込みによる炭素除去。
吹込時間で炭素含有量を調節することができる。 炭素含有量の数値的制御を、吹き込み時間の調整によって間接的におこなうことが技術的に可能となる）。





空気 or 酸素の吹き込みによる炭素除去・・・・吹込時間で炭素量を調節
a>ベッセマー転炉法(1856)
b>塩基性転炉法・・・トーマス(S.G.Thomas)（1877）
c>酸素吹き転炉法・・・酸素上吹き(ウワブキ)転炉（1946）

オーストリアのリンツ(Linz)工場とドナビッツ(Donawitz)工場で溶融銑鉄の上から純酸素を高圧、高速度で吹き付けて精錬する上吹(ウワブキ)転炉が発明された。両工場の頭文字を取りＬＤ転炉(Linzer D゛ussen Verfahren)とも呼ばれる。４０−５０分で一挙に１００−１５０トンの鋼を精錬できる。



(4) 平炉法(1864)

屑鉄の再利用
平炉法＝炭素含有量の高い鉄(鋳鉄)と炭素含有量の低い鉄(練鉄)を混ぜ合わせて溶融することで炭素含有量を調節。中国のA.D.5世紀の共融解法がその先駆。

シーメンス平炉法
マルタン平炉法
トーマス平炉法（塩基性平炉法）

鋳鉄と練鉄を一緒に溶解・・・・中国のA.D.5世紀の共融解法がその先駆
炭素含有量の高い鉄と炭素含有量の低い鉄を混合溶融させて、炭素含有量を調節