鉄鉱石から鉄を取り出す「鉄の製錬の歴史」についてご紹介
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今回は、鉄鉱石から鉄を取り出す「鉄の製錬の歴史」についてご紹介します。
鉄鉱石から鉄を取り出す「鉄の製錬の歴史」
鉄鉱石から鉄を取り出すことを「鉄の製錬」といいます。この歴史は極めて古く、また幾世紀もの歳月を要したと思われます。焼き入れや製鋼などの技術は、3000年前のギリシャ文明時代にすでに一般化していました。
人類初期の鉄を作り出す方法
人々が鉄を最初に発見したのは、赤みがかった岩石の近くで発生した大火の灰の中であろうと想像できます。鉄を意図的に作りだす初期の方法は、風向きに開かれた囲いの中で火を焚き、下方から空気を送り込む仕組みの穴を用いて、鉄鉱石を還元するというものでした。
錬鉄を作る方法
鉄鉱石と木炭を混ぜたものを数時間加熱すると、鉄鉱石中の鉄分が灼熱した海綿状の物質となります。これが冷えた後、鉄の塊を取り出し、ハンマーで叩いてできるだけ鉱滓を除去することにより、錬鉄が得られます。
木炭高炉による鉄の製錬技術の開発と進歩
ヨーロッパでは、火力増強のために空気を送り込む動力として水車が用いられました。これが大規模化したものは、14世紀初頭から見ることができます。
中世から1805年のトラファルガー海戦に至るまで鉄の生産が急増していきましたが、これらの海戦における大砲などの武器の近代化は、木炭高炉による鉄の製錬技術の開発と進歩に支えられたものでした。
1800年代前後、木炭高炉から石炭高炉へ移行
この木炭高炉の鋳鉄の需要のため、英国では特に海岸部の森林が伐採され、環境破壊が進んでいくことになります。英国政府はこれを防止するために、1581年にロンドンやサセックス海岸周辺における製鉄所および木炭製造の禁止令を発令。
英国では幸いなことに良質の石炭を豊富に産出していたので、これを高炉に使用する試みがなされていましたが、やがて1790年頃には「蒸気機関の発明」と相まって、木炭高炉から石炭高炉による製鉄へと移行していくことになります。
この変化が英国の森林を再生させると同時に、英国海軍を、七つの海を制覇する多数の鋳鉄砲(後には鋼鉄砲)を備えた艦隊へと成長させていくことになります。
鋼の製法
ご紹介したように鉄の塊までは容易に製造できます。この鉄は「錬鉄」と呼ばれますが、そのままでは脆く、農耕機器にしても刀剣などの武器にしても、強度が十分ではないのです。
鉄の変化「相転移」
純粋な鉄は、金と同様に空気中では酸化しませんが、軟らかすぎるのです。温度を上げて行くと、まず768°Cで「強磁性としての性質」を失います。さらに910°Cで「体心立方格子」から「面心立方格子」に相転移(あるいは相変態)してゆきます。そして1401°Cで再び「体心立方格子」に転移し、最後に1539°Cで「融解」します。
![鉄の相転移 温度 [°C] 1539°C 溶けた鉄 1401°C 体心立方格子 910°C 面心立方格子 体心立方格子](https://kopenguin.com/wp-content/uploads/2024/03/20240202-1050-2368.jpg)
軟らかすぎる「鉄の性質」を改良するための「合金」
この軟らかすぎる鉄の性質を改良するために、炭素が加えられ、合金としての鋼が作られます。棒状の「錬鉄」を木炭とともに数日間加熱すると、鉄は十分に炭素を吸収し、鋭利な刃物などに必要な硬さと強さをもった鋼に変わります。
炭素量により変わる鉄の特性「普通鋼」「工具鋼」
温度が800°Cを超えると、炭素拡散が容易になり、炭素含有量が1%程度に達します。炭素量が0.05〜0.3%までのものを普通鋼と言います。この普通鋼は常温でも曲がり、プレスもできます。
炭素量が0.7〜1.3%のものは「工具鋼」と呼ばれ、焼き入れが効いて硬くなります。焼き入れでは急冷却を行うため、高温における構造が残存します。
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炭素量が4%まで上がると、固くてもろい「銑鉄」に
さらに加熱した高温炉内の下部では温度が1200°C程度になり、還元された鉄が溶けるので、炭素量は一挙に4%程度まで上がってしまいます。これは固くてもろい「銑鉄」と呼ばれるもので、それなりの用途はあるものの鍛造はできません。
炭素含有量の少ない軟鋼にする手段
そこで、これを炭素含有量の少ない軟鋼にする手段が必要になってきます。例えば、木炭高炉から取り出した銑鉄塊を小型の木炭炉で強く送風加熱すると(銑鉄を酸化させることになる)、鍛造可能な鍛鉄ができます。しかし、大量生産ができないことが欠点でした。
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