鋼はどのように作られていますか？
鋼合金の製造と特性の概要
世界鉄鋼協会によると、2019年には1億8,690万トンの鉄鋼が生産されました。これは、2018年から3.4％の生産量の増加に相当し、1999年の生産量の2倍以上になります。世界では鉄鋼のニーズがますます高まっています。建設、産業、製造で使用されています。強力で安価であるため、あらゆる種類の製造に理想的です。
鋼は何でできていますか？
鉄鋼の主要な元素成分である鉄は、地球の地殻で最も豊富な元素の1つです。すべての合金鋼は主に鉄であり、0.002〜2.1重量％の炭素です。この範囲では、炭素が鉄と結合して強力な分子構造を作成します。結果として得られる格子微細構造は、引張強度や硬度など、鋼で信頼されている特定の材料特性を実現するのに役立ちます。
すべての鋼は鉄と炭素でできていますが、鋼の種類が異なれば、各元素の割合も異なります。鋼には、ニッケル、モリブデン、マンガン、チタン、ホウ素、コバルト、バナジウムなどの他の元素も含まれます。鋼合金の「レシピ」にさまざまな要素を追加すると、その材料特性に影響します。鋼の製造と処理の方法は、これらの能力をさらに高めます。
鋼合金の注目すべきグループの1つにクロムが含まれています。このような合金はすべて、一般にステンレス鋼として知られています。
鋼の作り方
最も基本的に、鋼は非常に高い温度（2600°F以上）で炭素と鉄を混合することによって作られます。
一次製鋼 「銑鉄」と呼ばれる製品から鋼を作ります。銑鉄は鉱石からの製錬鉄であり、鉄鋼よりも多くの炭素を含んでいます。
製鉄会社は、銑鉄を溶かして酸素を泡立たせるシステムを使用しています。このプロセスにより、溶融金属全体に均等な酸化が生じます。酸化により余分な炭素が除去されます。また、シリコン、リン、マンガンなどの元素でできた不純物を気化または結合させます。
二次製鋼 「おたまで」行われます。これは、鋼を精製して合金化するプロセスです。二次製鋼は、スクラップを溶かすことから始めることも、一次プロセスを継続することもできます。特定の合金を得るために元素を追加することができます。鉄鋼労働者は、表面の不純物を取り除くこともできます（スラグ除去）。取鍋は、必要な化学プロセスに必要な温度まで加熱および冷却されます。
仕上げ鋼
鋳造所では、鋼は砂またはインベストメント鋳造でパターン化された形状になります。製鉄所では、鋼は連続鋳造機によって原材料の建材に鋳造されます。連続キャスターは、ほぼ完成した部品ではなく、標準化された生の鋼の形状を作成します。生鋼は機械加工または加工されて最終製品になります。製鉄所は通常、シート、ビレット、バー、ブルーム、パイプ、インゴット、ワイヤーを鋳造して成形します。
ミルはまた、生産中に鋼を熱間圧延または冷間圧延する場合があります。これらのプロセスは、さまざまな形状と仕上げを作成します。出荷前に、鋼は工場を出る前に切断、スプール、または束ねられる場合があります。
鋳造所や工場では、鋼を熱処理することができます。焼入れ、焼き戻し、焼ならし、焼きなましなどの最終ステップは、アプリケーションでの合金の動作を形作ることができます。
鋼の発明
考古学者は、トルコで4、000年前にさかのぼる現場で最も初期の鋼を発見しました。有名な南インドのウーツ鋼のようなるつぼ鋼は、早くも4番目の で一貫して製造されていました。 紀元前1世紀。しかし、1800年代半ばまで、製鋼は非常に困難でした。
鋼は約2700°Fで溶けます。この高熱を維持することは、るつぼ鋼を製造する古代の炉にとっての課題でした。さらに、不純物は、シリコンやマンガンなどの元素でできている合金鋼に含まれています。これらを管理することは依然として課題です。古代の製鋼では、彼らは長い、多段階のプロセスのために作られました。創設者は、合金の加熱、攪拌、スラグ除去、および再加熱に長い一日を費やしていました。鋼が鋳造された後、それは鍛冶屋によって加工されるようになりました。アンビルを叩かれることで、最終的な形が生まれました。また、炭素の変動、細孔、または介在物の分散と緩和にも役立ちました。
1856年、ヘンリーベッセマーは、新しい方法で鋼を製造するプロセスの特許を取得しました。従来の溶融容器ではなくベッセマーコンバーターを使用することで、製鉄会社は溶融金属を通して空気を泡立たせることができました。空気に反応して、不純物が酸化してガスを放出します。酸化はまた、製鋼に必要な高熱を生み出し、維持するのに役立ちました。
鋳造所で1日1回、鍛造でより多くの時間を費やすプロセスが、5トンの鋼を作成できる20分のプロセスに置き換えられました。ベッセマーの鋼はまた、ほとんどの鉄鋼メーカーが期待できるよりも強く、高品質でした。この革新は産業革命を支えました。
鋼は磁性ですか？
ほとんどの鋼は磁性を帯びていますが、すべてではありません。鋼は主に鉄から作られ、鉄は磁性を帯びています。強磁性は、鉄の酸化物である磁鉄鉱でできた石である「ロードストーン」で自然界で最初に発見されました。コバルトやニッケルのような他の元素も強磁性です。これらの元素は、鋼にも含まれることがあります。
ステンレス鋼は非磁性であることが有名ですが、すべてのステンレス鋼には鉄が含まれており、多くのステンレス鋼にはニッケルが含まれています。正直なところ、一部のステンレス合金だけが非磁性です。ニッケルを含むオーステナイト系ステンレス鋼は、ほとんどの場合非磁性です（ただし、加工すると非常に穏やかに磁性を帯びることがあります）。鉄合金やマルテンサイト合金などの他のタイプは、ステンレス鋼と磁性です。
鋼の特性
鋼は、その特定の材料特性と比較的低コストのために、非常に一般的に使用されています。他の多くの建築および工具製造材料（木材、石、コンクリート、鋳鉄など）と比較して、鋼の合金は次のことを提供します：
- 硬度 ：徐々に圧力を上げながら押したときのくぼみに対する抵抗
- タフネス ：材料が変形するとき、靭性はそれが破壊する前にどれだけ進むかを表します
- 降伏強度 ：徐々に圧力を上げながら引っ張られている間、形状が変化することに対する抵抗
- 引張強度 ：破損する前に引っ張られることに耐える材料の能力
- 可鍛性 ：ハンマーで叩いたり、押したりして壊さずに形を整える能力
- 延性 ：靭性を失うことなく成形できる能力—金属を加工すると脆くなることがよくありますが、延性のある材料は作業中に脆くなりません。
これらの特性のテストされた範囲は合金によって異なりますが、全体として、鋼は他の多くの材料よりも硬く、丈夫（脆性が低い）です。
鋼の種類
鋼合金には、炭素鋼、工具鋼、合金鋼、ステンレス鋼の4つの主要なグループがあります。
- 炭素鋼 -中炭素鋼、中炭素鋼、高炭素鋼は、主に硬度と延性によって異なります。軟炭素鋼または低炭素鋼は、他の鋼に比べて延性が高い傾向がありますが、硬度も低くなります。範囲の反対側では、高炭素鋼はより硬いです。ただし、高炭素鋼は通常、延性が低くなります。
- 工具鋼 -工具鋼には、タングステン、バナジウム、モリブデンなどの元素が添加され、熱処理され、優れた硬度に急冷された高炭素鋼が使用されます。
- 合金鋼 -この鋼のファミリーは、一般に、他のファミリーに一般的に分類されるもの以外の、並外れた材料特性のために特定の元素と混合された鋼を指します。すべての鋼は合金であり、多くは余分な元素を持っています。ただし、合金鋼は特定の用途向けに製造された珍しい鋼であり、価値のある配合からジェットエンジンに使用されるエキゾチックな合金までさまざまです。
- ステンレス鋼 -これらの鋼はクロムと合金化されており、不動態化によって錆びにくくなっています。
鉄鋼生産：リサイクルの話
鋼（およびその他の金属）の最も優れた特徴の1つは、スクラップがまったく新しい高品質の金属になる可能性があることです。二次製鋼のプロセスは、銑鉄から来るものと同じくらい良い合金を作ります。金属製品は使用によって劣化する可能性がありますが、金属の元素化学は、溶融と合金化によってまったく新しい製品が作成されることを意味します。
したがって、製鋼生産量の増加は、新しい鉱石の製錬における一致する成長を必要としません（ただし、銑鉄の生産は依然として鉄鋼サプライチェーンの重要な部分です）。スクラップ鋼の再生と処理は、昨日の車のパネルが明日のIビームになる可能性があることを意味します。
鋼の98％が再生可能であるため、金属は世界で最もリサイクル可能な製品の1つです。それでも、環境への挑戦がないわけではありません。石炭の一種であるコークスは、通常、製鋼への炭素投入量として使用されます。さらに、溶融または精錬および酸化およびその他の製造プロセスに必要な高エネルギーは、化学物質および二酸化炭素を生成します。幸いなことに、生産の問題を軽減するために製鋼部門で多くの研究が行われています。二酸化炭素を炭素源として鋼自体にリサイクルし、コークスなどの他の供給源の必要性を減らすことを含むものもあります。
これらの技術が洗練され、実行されることで、製鋼は将来の主要産業の1つであり続けるでしょう。それは私たちの経済を支え、推進し、構築します。
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