鉄

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背景

鉄は地球上で最も一般的な元素の1つです。人間のほぼすべての構造には、少なくとも少量の鉄が含まれています。また、最も古い金属の1つであり、少なくとも3、500年前に最初に有用で装飾的なオブジェクトに形作られました。

純鉄は柔らかく灰色がかった白色の金属です。鉄は一般的な元素ですが、純粋な鉄は自然界ではほとんど見つかりません。自然に存在することが知られている唯一の純粋な鉄は、落下した隕石から来ています。ほとんどの鉄は、鉄と他の元素の組み合わせによって形成されたミネラルに含まれています。酸化鉄が最も一般的です。鉄含有量が最も高い地表近くの鉱物は鉄鉱石として知られており、商業的に採掘されています。

鉄鉱石は、いくつかのプロセスを経てさまざまな種類の鉄に変換されます。最も一般的なプロセスは、高炉を使用して銑鉄を製造することです。銑鉄は、鉄が約92〜94％、炭素が3〜5％で、他の元素が少量です。銑鉄の用途は限られており、この鉄のほとんどは製鉄所に送られ、そこで炭素含有量をさらに減らし、マンガンやニッケルなどの他の元素を加えて鋼に固有の特性を与えることにより、さまざまな鋼合金に変換されます。

歴史

歴史家は、エジプト人が約5000年から6000年前に少量の鉄を使って働いた最初の人々であったと信じています。彼らが使用した金属は明らかに隕石から抽出されたものです。鉄の採掘と製錬の最初の例であると信じられているものの証拠は、現在のトルコの古代ヒッタイト文化を示しています。鉄は他の既知の金属よりも武器や道具の製造にはるかに優れた材料であったため、その製造は厳重に守られた秘密でした。しかし、基本的な技術は単純で、鉄の使用は徐々に広がりました。他の材料と比較した場合と同様に、鉄には欠点がありました。それから作られた道具の品質は、鉄鉱石が取られた地域と鉄を抽出するために使用された方法によって大きく異なりました。抽出中に起こる変化の化学的性質は理解されていませんでした。特に、金属の硬度に対する炭素の重要性。慣行は世界のさまざまな地域で大きく異なりました。たとえば、中国人は非常に早い段階で鉄の道具を溶かして鋳造することができ、何世紀にもわたる家宝の剣によって証明されるように、日本人は少量の鋼で驚くべき結果を生み出したという証拠があります。中東とインドでも同様の突破口が開かれましたが、そのプロセスが世界の他の地域に出現することはありませんでした。何世紀にもわたって、ヨーロッパ人は鉄を融点まで加熱する方法をまったく欠いていました。鉄を生産するために、彼らは粘土で裏打ちされたオーブンで鉄鉱石を木でゆっくりと燃やしました。鉄は周囲の岩から分離しましたが、完全に溶けることはありませんでした。代わりに、それは無愛想なスラグを形成し、それをハンマーで取り除く。この繰り返される加熱とハンマーのプロセスは、酸素を酸化鉄と混合して鉄を生成し、金属から炭素を除去しました。その結果、ほぼ純粋な鉄になり、ハンマーやトングで簡単に成形できましたが、柔らかすぎて良好なエッジを維持できませんでした。金属はハンマーで形作られた、または鍛造されたため、錬鉄と呼ばれるようになりました。

東からヨーロッパに持ち帰られた道具や武器は、溶けて形に鋳造された鉄でできていました。より多くの炭素を保持する鋳鉄は、錬鉄よりも硬く、最先端を保持します。ただし、錬鉄よりも脆いです。ヨーロッパの鉄工労働者は、東洋人の方が鉄の方が優れていることを知っていましたが、より強力な鉄製品の製造に関わるプロセスについては知りませんでした。全国がプロセスを発見するための努力を開始しました。

鋳鉄の製造における最初のヨーロッパでの画期的な進歩は、1740年まで実現しませんでした。その年、ベンジャミンハンツマンは、鋼のばねを製造するための材料の溶解に関する特許を取得しました。時計製造で使用されます。次の20年かそこらで、この手順はより広く採用されるようになりました。ハンツマンは高炉を使用して、粘土るつぼで錬鉄を溶かしました。次に、彼は注意深く測定された量の純粋な木炭を溶けた金属に加えました。得られた合金は、ばねに鋳造されたときに強くて柔軟でした。ハンツマンはもともとより良い時計を作ることにしか興味がなかったので、彼のるつぼ鋼は航海用クロノメーターの開発に直接つながり、それは船員が東西の位置を正確に決定できるようにすることでグローバルナビゲーションを可能にしました。彼が現代の冶金学も発明したという事実は、彼が明らかに気づかなかった副作用でした。

原材料

高炉で銑鉄を製造するために使用される原料は、鉄鉱石、コークス、焼結鉱、および石灰石です。鉄鉱石は主に酸化鉄であり、磁鉄鉱、赤鉄鉱、リモナイト、および他の多くの岩石が含まれます。これらの鉱石の鉄含有量は70％から20％以下の範囲です。コークスは、石炭をほぼ純粋な炭素になるまで加熱することによって作られる物質です。焼結鉱は、グレードの低い細かく分割された鉄鉱石でできており、コークスと石灰で焙焼して鉱石中の不純物を大量に除去します。石灰岩は自然に発生し、炭酸カルシウムの供給源です。

他の金属は、クロム、ニッケル、マンガン、モリブデン、タングステンなどのさまざまな形の鋼の製造で鉄と混合されることがあります。

鉱石の抽出および精製プロセス

高炉で鉄鉱石を使用する前に、鉄鉱石を地面から抽出し、部分的に精製してほとんどの不純物を除去する必要があります。

1860年代初頭、この若い鉄の代かきの助手は、長いトングに寄りかかってこの写真のポーズをとりました。バルカンの息子たちが若い組合だったとき。 （ヘンリーフォード博物館とグリーンフィールドビレッジのコレクションから。）

歴史的に、鉄は熱風法、または後に無煙炭炉によって製造されていました。いずれにせよ、製鉄の基本的な活動は、鉄がスラグから分離するまで、銑鉄と燃えがらの小さなバッチをかき混ぜる労働者を含みました。 「代かき」と呼ばれる、これは非常に熟練した仕事でしたが、熱く、精力的で、危険でもありました。たくさんの経験と心のこもった体質が必要でした。パドラーは誇り高く、独立していて、高給でした。

パドラーは、1858年にピッツバーグで鉄鋼業界で最初の労働組合であるバルカンの息子を設立しました。1876年に、この組合は他の3つの労働組織と合併して、鉄鋼労働者の合併協会を結成しました。これはアンドリュー・カーネギーが1892年のホームステッド・ストライキで敗北した組合であり、組合は混乱状態にあり、業界は1930年代まで本質的に組織化されていませんでした。

ウィリアム・S・プレッツァー

抽出

• 1世界の鉄鉱石の多くは、露天掘りで採掘されています。 純鉄は、柔らかく灰色がかった白色の金属です。鉄は一般的な元素ですが、純粋な鉄は自然界ではほとんど見つかりません。鉄分が最も多い地表近くの鉱物は鉄鉱石と呼ばれ、商業的に採掘されています。地面の表面は、重機によって、多くの場合非常に広い領域で除去され、下の鉱石が露出します。地表を除去するのが経済的でない場合は、鉱石の層をたどるサイドトンネルを備えたシャフトが地中に掘られます。

精製

• 2採掘された鉱石は粉砕され、選別されます。最高級の鉱石には60％以上の鉄が含まれています。鉱石が高炉に送られる前に、さまざまな汚染物質を除去するために、より低いグレードが処理または精製されます。総称して、これらの精製方法は選鉱と呼ばれ、さらなる粉砕、砂と粘土を浮かび上がらせるための水での洗浄、磁気分離、ペレット化、および焼結が含まれます。世界で知られている高鉄含有量の鉱石の供給が枯渇するにつれて、これらの精製技術はますます重要になっています。
• 3精製された鉱石は、列車または船に積み込まれ、高炉サイトに輸送されます。

製造
プロセス

高炉の充電

• 1処理後、鉱石は他の鉱石と混合され、高炉に送られます。高炉は塔型の構造で、鋼でできており、耐火性または耐熱性のレンガで裏打ちされています。原料の混合物、または装入物は、高炉の上部から入ります。炉の底では、 tuye'resと呼ばれるノズルから非常に熱い空気が吹き込まれるか、吹き込まれます。 コークスは熱風の存在下で燃焼します。空気中の酸素はコークス中の炭素と反応して一酸化炭素を形成します。一酸化炭素 は、鉄鉱石と反応して二酸化炭素と純鉄を形成します。

スラグから鉄を分離する

• 2溶けた鉄は炉の底に沈みます。石灰岩は鉱石中の岩石やその他の不純物と結合して、鉄よりも軽く、上に浮かぶスラグを形成します。装入物の量が減少するにつれて、炉の上部にさらに多くが継続的に追加されます。鉄とスラグは炉の底から別々に引き抜かれます。溶けた鉄はさらに合金化するか、豚と呼ばれるインゴットに鋳造される可能性があります。スラグは処分のために運び去られます。

ガスの処理

• 3化学反応で生成された高温ガスは、上部で引き抜かれ、ガス洗浄プラントに送られ、そこで洗浄またはスクラブされて、炉に戻されます。特に残りの一酸化炭素は、炉内で行われる化学反応に役立ちます。

  高炉は通常、昼夜を問わず数年間稼働します。やがてレンガの裏地が崩れ始め、その後、メンテナンスのために炉が停止されます。

品質管理

高炉の運転は高度に装備されており、継続的に監視されています。時間と温度がチェックされ、記録されます。さまざまな鉱山から受け取った鉄鉱石の化学含有量をチェックし、その鉱石を他の鉄鉱石とブレンドして、目的の装入量を実現します。各注入からサンプルを採取し、化学的含有量と強度や硬度などの機械的特性をチェックします。

副産物/廃棄物

鉄産業からの非常に多くの可能な環境影響があります。最初で最も明白なのは、露天掘りのプロセスです。広大な土地がむき出しの岩に剥ぎ取られています。今日、枯渇した採掘現場は一般的に埋め立て地として使用され、その後覆われて造園されています。これらの埋め立て地のいくつかは、最近、土壌や水に浸出した毒性の高い物質の処分に使用されていたため、それ自体が環境問題になっています。

鉱石から鉄を抽出するプロセスでは、大量の有毒で腐食性のガスが発生します。実際には、これらのガスはスクラブされてリサイクルされます。しかし、必然的に、少量の有毒ガスが大気中に放出されます。

鉄の精製の副産物はスラグであり、これは大量に生産されます。この材料はほとんど不活性ですが、それでも埋め立て地に廃棄する必要があります。

製鉄は大量の石炭を消費します。石炭は直接使用されませんが、最初にほとんど純粋な炭素からなるコークスに還元されます。コークス化の多くの化学的副産物はほとんどすべて毒性がありますが、商業的にも有用です。これらの製品には、膨大な数の製品に使用されているアンモニアが含まれています。プラスチック、切削油、防腐剤の製造に使用されるフェノール。除草剤、農薬、医薬品、写真用化学薬品に使用されるクレゾール。トルエンは、溶剤や爆発物などの多くの複雑な化学製品の成分です。

鉄くずや鉄鋼（古い車、電化製品、さらには鉄鋼で覆われた建物全体）も環境問題です。ただし、鉄スクラップは製鋼に欠かせない資源であるため、この材料のほとんどはリサイクルされています。リサイクルされなかったスクラップは、やがて酸化鉄や錆になり、地面に戻ります。

未来

表面的には、特に米国での鉄生産の将来は問題を抱えているように見えます。高品質の鉱石の埋蔵量は、経済的に採掘できる地域でかなり枯渇しています。多くの長年の製鉄所が閉鎖されました。

しかし、これらの外観はだまされています。新しい鉱石濃縮技術により、低品位の鉱石の使用がはるかに魅力的になり、その鉱石は大量に供給されています。ここ数十年で多くの製鉄所が閉鎖されましたが、これは主に必要な製鉄所が少ないためです。高炉だけの効率が著しく向上しました。今世紀初頭、米国最大の高炉は1日あたり644トンの銑鉄を生産していました。間もなく、1つの炉の生産量は1日あたり4,000トンに達すると考えられています。これらのより近代的なプラントの多くは海外で建設されているため、実際には、古い米国のプラントで生産するよりも、海を越えて鋼を輸送する方が経済的である場合があります。