月刊ポピュラーサイエンス/第19巻/1881年10月号/鉄鋼製造の進歩

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ロンドン芸術協会での講演から抜粋

鉄鋼製造の進歩

芸術や科学の進歩は、鉄や鋼の生産方法を徐々に修正し、その反動として芸術や科学が影響を受けてきた。鉄や鋼の製造におけるすべての改善は、製品の品質を向上させることよりも、科学の進歩が示す原則を適用し、優れた機械を使用することによって生産を安価にすることにあった。このような安価化の直接的な結果として、製品の芸術分野への応用が拡大したのである。

鉄の発見は、鉱石から鉄を還元する方法の発見に自然に続いて起こったと思われる。原始的な製鉄法では、多かれ少なかれ鋼鉄は必然的に生産される。このような方法は、太古の昔から今日に至るまで、インドやアフリカで行われてきた。スペインのカタルーニャ地方でも、同じような原始的な炉が何世紀にもわたって使われてきた。

この炉では、鉱石はハンマーで砕かれ、篩い分けによって塊(マイン)と非常に粗い粉(グレヤード)とに分けられる。炉は最後の作業でまだ赤熱しているので、木炭でほぼテュイエールまで満たし、次にテュイエールから約3分の2の距離の地点で炉床を広いシャベルで2分割し、送風側にはさらに大量の石炭を加え、反対側の石炭はしっかりと突き固めてから、炉のその部分を埋めるように鉱石を加え、その上に湿った木炭埃を最上部を除いて置く。その上に湿らせた木炭の屑を上部を除いて置く。その後、良い送風をかけると、全体が正常であれば、青い炎が鉱石の覆われていない部分からすぐに噴き出す。

この間、短い間隔で灰汁と木炭を加え、水でよく湿らせ、燃焼が早くなりすぎないようにする。開始から約2時間後、鉱石の壁、すなわち塊の鉱石をテュイエールの下によく押し出し、こうしてできた空間にさらに鉱石を投入する。この工程はその後、必要な大きさの鉄塊またはマッセを形成するのに十分な量が加えられるまで、間隔を置いて繰り返される。この工程は、必要な大きさの鉄の塊(マッセ)ができるまで、一定時間ごとに繰り返される。この工程が終わると、約300kgの金属の塊ができ、その一部は必ず軟鉄、一部は鋼鉄で構成されている。

炉の片側にある鉱石は塊状なので、爆風が木炭に作用して生じた高温の炭酸ガスがその塊を自由に通過し、熱で水を追い出した後、金属鉄に還元することができる。同時に、鉱石は装入された気体の分解によって生じた炭素を含浸するようになる。このため、スラグの量は砥粒の量によって変化します。スラグは常に鉄の酸化物に富んでいる。この工程では、鉱石の塊が徐々に還元され融合することによって浸炭鉄が生成され、これが炉の底で酸化鉄を非常に多く含むスラグと接触することによって、一方の炭素が他方の酸素と結合し、酸化物が多いか少ないかによって、炭素の多いまたは少ない鉄が生成されると思われる。

この製法で鋼を生産するためには、できるだけ浸炭を起こすようにあらゆる注意が払われる。スラグに酸化鉄が含まれていることは避けられないし、温度が低いので、事実上、鋳鉄の形成は妨げられ、前者は鋼を得ることを非常に困難にしているのである。

この工程を見ると、鋼がどのようにして初めて得られたのか、またその製造に必要な条件は何であるかがよくわかる。高炉の大型化とそれに伴う温度の上昇により、鋳鉄が唯一の生産物となったとき、当然この物質を処理して鋼を生産することになった。この処理はまず精錬炉で行われ、シュタイヤーマーク、カ燐シア、チロルなどで重要な産業となり、そのうちのいくつかでは現在も続けられている。この作業は、鉄の生産に使われるのと似た構造の炉で行われ、実際、鉄と鋼は同じ炉で交互に生産されることが多い。この炉は、鋳鉄の板でできた浅い四角形の炉床からなる最も単純なものである。片側には、10°から15°の角度で傾斜したテュイエールがある。底には木炭を敷き詰めておく。ジーゲン地方では、50から60ポンドの重さの銑鉄を、あらかじめ加熱しておいた竈の上に置き、竈の3分の1を燃える炭で満たし、その上に、前回の作業で生じたケーキの一部を置き、燃える炭で熱く保ったものを炉の後部に置きます。そして、炉の残りの部分は木炭で埋め尽くされる。その上に、前回のケーキを分割した残りの6、7個を載せる。この工程では、鋼の生産と、ハンマーで加工する前の最後の作業で得られた鋼の再加熱が一緒に行われる。送風機をかける。次に、前工程の後半で生成された酸化鉄を多く含む燃えかすを投入し、重さ約100ポンドの2番目の銑鉄を加え、その後、重さ約100ポンドのシュピーゲライゼン(マンガンを含む鋳鉄)を4、5個、順次加えていきます。金属が脱炭しすぎていると判断した場合は、さらにシュピーゲルを追加する。この工程では、カタロニア式と同様に、均質な製品を得ることは不可能である。どちらも原理は同じで、鉄の酸化物による脱炭です。マンガンはスラグ中の鉄を置換し、鉄だけを含むスラグよりも液体の多いスラグを形成するため、他のすべての鉄鋼製造工程と同様に、この工程でも非常に有利に使用される。

精錬法と水溜め法の本質的な違いは、反射炉を使用することで、金属の操作と温度調節が非常に容易になることである。脱炭は圧延中に生成される酸化鉄の添加と、金属がゆっくりと溶けるときに炉に入る空気によって部分的に行われ、マンガンは工程中に添加される。温度を低く保つことが重要である。この鋼を完璧に溶接するのは難しい。おそらく、加工温度が低すぎて、マレブル・アイアンの場合と同じようにハンマーで叩いて絞り出すことができるほど、燃えかすが液体化しないからだろう。しかし、この難題は、加工前に鋼を完全に溶かし、スラグを完全に分離させることによって克服された。この方法で製造された金属は、クルップ社で多く使用されている。

このような方法による鋼の製造を規定する原理は、ウカティウス法にも生かされている。ウカティウス法では、まず銑鉄を溶かしたまま冷水に流し込んで粒状にする。この粒状化した金属に、約20パーセントの焙煎したスパティク鉱石を細かく砕いたものを混ぜ、必要に応じてフラックスを少し加えた混合物を、粘土のるつぼの中で溶かす。非常に軟らかい鋼が必要な場合は、錬鉄のスクラップを加える。

最後に、このカテゴリーには、鋳鉄を加熱する工程があるが、軟化させるほどではなく、鉱石や鉄片の形の酸化鉄の中で加熱する。この方法では、金属の部分的な脱炭、あるいは全体的な脱炭を自由に行うことができる。

これまで、鉄と鋼の違いは、単に浸炭の度合いによるものと考えられてきた。これまで述べてきた方法は、実は可鍛鉄の製造に用いられてきた方法を改良したものに過ぎない。ここで、可鍛鉄に一定量の炭素を付与することを目的としたさまざまな工程を考えてみよう。ヒンズー教徒は、太古の昔からその一つを実践してきた。彼らは、1パイントの容量の素焼きの粘土製るつぼに、可鍛鉄の一部、刻んだ木材、ある植物の葉を数枚入れ、るつぼの上部を粘土で閉じ、全体を火に当ててよく乾燥させる。このルツボの数個を、地中の空洞の中で、木炭とふいごによる送風で4時間ほど強く加熱する。この炉の温度で金属を溶かすには、最も硬い鋼を作るのに必要な量を超える炭素を加えなければならない、という説がある。このようにして得られた金属の塊は、棒状に引き抜かれる前に、数時間、炭火の中で融点より少し低い温度にさらされ、その間、送風にさらされる。これは、余分な炭素を取り除くためであることは間違いない。

1800年、デービッド・ミュシェ(David Mushet)は、あらゆる点で前述の製法に類似しているとして特許を取得した。しかし、彼はこの製法を炭素の少ない、つまり鉄と鋼の中間の性質を持つ金属の製造に適用したようである。

1540年にBiringuccioが言及した別の方法では、溶けた鋳鉄の中に可鍛鉄を糊状になるまで入れておくことで鋼を製造し、検査の結果、鋼の性質を持つことが判明した。この製鋼法は、製鋼理論との関連で非常に興味深いものである。浸炭が溶存ガスによって行われると仮定しない限り、強く加熱された状態の鉄は、直接接触することによって炭素を吸収することが可能であることを示している。

1722年にRéaumurによってよく説明されたセメンテーション法では、鉄の棒を赤く輝く熱に保ち、空気が入らないようにした箱の中で木炭で囲む。この作業は、必要とされる鋼鉄の質に応じて、7日から10日ほどで終了する。この棒鋼は決して均一な浸炭ではなく、しかも金属が溶けていないため、燃えかすが含まれている。しかし、この製法は長い間使われていたが、ある時、鋼を溶かして均質にすることを思いついた人がいた。これは1760年頃、ハンツマンによって行われた。

これまで見てきたような方法で、良質の鋼鉄を作ることはできたが、その量は少なく、費用も莫大なものであった。そのため、鋼の用途は非常に限られていた。事実、事実上、鋼の用途は刃先を持つ道具に限られていた。

1845年、ヒースはある製法の特許を取得した。これが成功すれば、鋼鉄を大量に生産できるようになるはずであった。彼は、ガスの噴射によって加熱される反射炉の中で、溶けた銑鉄の浴中で鉄くずを溶かすことを提案した。この方法には2つの条件があり、それは十分に高い温度と、使用するガスの性質を簡単に調節する力であった。しかし、この提案の中に、今日の最も重要な2つのプロセスのうちの1つの萌芽を見出すことができる。

鋳鉄を鋼鉄に加工する際の主要なアイデアは、常に大気中の空気の作用によって金属を精錬することであり、これは送風装置または煙突の引き込み作用によって、金属の表面に空気の流れを衝突させることで実現されるものであった。鉄の表面に空気を吹き付けるだけでなく、鉄の中に空気を吹き込んで精錬することを思いつく人がいるとすれば、これほど自然なことはないだろう。このアイデアは、1855年、遠く離れた数人の人間に思い浮かんだことが分かる。

この年、ジョン・ギルバート・マルティエンが、高炉またはキューポラから水溜め炉に流れる空気を強制的に通して鉄を精錬する特許を取得した。特許に詳しく書かれているように、このプロセスは実用的ではなく、製造規模では実施されていないことが内部的に示されていた。この特許が取られた直後、Ebbw Yale 工場の George Parry が、反射炉の炉床で、粘土の底に埋め込んだ穴あきパイプを使って溶融鋳鉄に空気を送り込む実験を行ったことが記されている。しかし、ある事故によって金属が炉から抜け出し、専務はこれ以上の試行を思いとどまったという。この実験から2、3ヵ月後、ヘンリー・ベッセマーは、溶融した鋳鉄に空気を吹き込んで鋳鋼を製造するという、今では有名な特許を取得した。彼はまず、炉の中に置かれたルツボを使い、底から型に流し込むことができるように工夫して、この方法を実行した。そして、蒸気または空気を、別々に、あるいは一緒に、好みに応じて高温にして、パイプを通してるつぼの中に送り込んだ。特許には、蒸気は金属を冷やすが、空気は金属の温度を急速に上昇させ、赤熱から白熱へと変化させる、と書かれている。ベッセマーは当初、工程を開始する際、あるいは工程進行中に外的な熱を利用していたが、これは空気を吹き込むだけで十分な熱が得られるという認識がなかったことを示している。次の特許では、るつぼの周りに炉を設けることをやめ、るつぼを底から叩く代わりに、トラニオンに取り付け、機械で傾けて口から中身を注いだ。この装置は、現在使われているものと基本的に同じである。この製法で鉄を作るには、マンガンを添加しなければならないことがすぐにわかった。マンガンがない場合、硫黄と酸素がごく微量以上含まれていると、赤熱で加工したときに鋼がつぶれてしまう。酸素の場合はマンガンが結合してスラグになるが、硫黄の場合は反応が異なり、その有害な作用はマンガンによって打ち消されるだけで、鋼から除去されることはない。しかし、この方法では、必要な量のマンガンを添加するために十分な量のシュピーゲルを添加すると、炭素が多くなりすぎるという問題があり、そこで、マンガンを多く含む合金(フェロマンガン)を探し出し、工程の最後に既知量の炭素を含むシュピーゲルやフェロマンガンを加えることによって、どんな硬度の鋼でも得ることができるようになった。

ベッセマー法が誕生したこの年は、シーメンス博士によって初めて再生加熱方式が導入された年でもあり、二重の意味で注目すべき年であった。この方法は、原理的には非常に単純なものだが、技術の進歩に大きな役割を果たすことになった。この方法は、炉から出る排ガスに含まれる熱を蓄え、炉で燃焼させる前にガスと空気の温度を上げるために使うというものであった。これは、炉から出る排ガスを、レンガを敷き詰めた2つの部屋を通過させることで実現された。この部屋が高温になったところで、廃ガスが別の同じような部屋を通り、炉での燃焼に必要な空気とガスが高熱の再生器を通過するようにするのである。入ってきたガスを適当な間隔で交互に一対の再生器を通過させることにより、炉内を非常に高い温度で、同時に均一な温度にすることができ、従来の方法よりも燃料を多く消費することがない。この方法の成功は、まず燃料を可燃性ガスに変換することにかかっている。このガスは管で一方の再生器に送られ、加熱された後、炉に送られ、もう一方の再生器を通過した空気と接触して燃焼し、強烈な熱を発する。

現在、反射炉または平炉と呼ばれる炉で鉄鋼を生産するには、2つの方法がある。フランスでは銑鉄と屑鉄を一緒に溶かし、イギリスでは銑鉄を鉄鉱石で脱炭し、屑鉄を利用するために屑鉄を加えるのが一般的である。ベッセマー法と同様に、シュピーゲライゼンやフェロマンガンによって必要な量の炭素を金属に付与します。この製法は、船舶やボイラー用の鋼板の製造に多く用いられている。この製法は、金属を炉の上で流動的に保ち、必要な組成になるまで調整できるという大きな利点がある。

1876年、M.ペルノが特許を取得した。この特許では、垂直に対して5°または6°傾いた回転床を持つ平炉で鋼を製造することが提案されている。あらかじめ赤熱しておいた銑鉄を炉床に置き、鉄くずで覆う。炉床をゆっくり回転させ、銑鉄を徐々に溶かし、スクラップを交互に炎の強い熱にさらし、溶けた銑鉄の下に沈める。このようにすると、融解は比較的早く、2時間程度で全体が流動的になる。その後、通常の方法で完成する。ペルノ氏によると、彼は自分の炉に圧力をかけたガスを使用できるような配置の特許を取ったばかりで、この数ヶ月の間に、この手段でかつてないほどの結果を得たとのことである。

ポンサル炉は、ベッセマー法と平炉法の長所を併せ持つことを目的としている。この炉は、斜めの軸で半回転させることで、炉に備えられたテュエールを金属浴の下にも上にも持っていけるような構造になっている。これにより、ベッセマー転炉のように金属を素早くほぼ完全に脱炭し、その後、金属の下から羽口金を取り出して、シーメンス法のように炭素の最終的な調整を行うことができるのである。この工程では、鉄鉱石が急速に破壊されるため、実用化には大きな障害となる。

ベッセマー法の重要な欠点は、燐が全く除去されないことであった。しかし、ここ3年の間に、この難点を克服したトーマス・ギルクリスト法(ベーシック法)が考案された。通常のベッセマー転炉では、内張りは珪酸質のガニスターで形成されており、その化学的効果で燐酸の除去を防いでいた。トーマスとギルクリストは、ガニスターに代わる塩基性物質を探し、マグネシウム石灰石を発見した。その結果、燐は敵から味方に変わり、必要な温度の生成と維持に役立っている。また、ケイ素は可燃物として、金属が凝固する際に気体が抜けてハニカムになるのを防ぐのに役立つ。これは酸素と結合し、酸素が炭素と結合して気体状となるのを防ぐためである。

ベッセマー法でも平炉法でも、非常に高い温度が得られるので、炭素を実質的に含まない、あるいは必要な量の炭素を含む金属を溶融状態で得ることが可能である。これらの製品はすべて鋼と呼ばれているが、実質的には新しい金属であり、鋼とはかなり異なる性質を持つ。

その結果、鋼鉄製の船、鋼鉄製のボイラー、鋼鉄製のレールが生まれたのである。船板の材料となる金属の含有量は約13/100の炭素を含み、ボイラーの場合は約 24/100、 一方、レールは通常約 4/10で最初のものと2番目のものは、それほど硬くすることができず、3番目のものは、以前なら鋼とみなされていたものよりもかなり低いものである。

現在のところ、鋼鉄が錬鉄に取って代わることができない理由は、ただ一つで鉄の方が安いからである。統計によれば、現在では膨大な量の鋼鉄が生産されているが、錬鉄の生産に影響を与えたことはほとんどない。しかし、これは時間の問題であると私は確信している。鋼鉄が錬鉄と同じくらい安く生産される日がくれば、文明国の間では錬鉄は過去のものになるだろう。

大陸では非常に多く使われていて、この国でもかなりの程度使われているものの、このような近代的な方法で作られた鋼鉄を刃物に使うことについて、一言申し上げておく。私は、適切な鉱石と製造上の適切な配慮があれば、刃物に適した鋼は平炉でも転炉でも作れると躊躇なく断言できる。鉱石には燐を含まないことが肝要で、燐が少しでもあると、良い刃先は得られない。

ベッセマー法は、立派な子孫ではあるが、精錬法の自然な子孫に過ぎず、その起源は、これまで見てきたように、原始的な高炉の改良に起因する。全体として完璧な連続性があり、結局のところ、これ以上自然なことがあるだろうか?