製鋼プロセス解説：鉄鉱石から合金へ
鋼合金の生産と特性入門
世界鉄鋼協会によると、2019年に18億6990万トンの鋼が生産されました。これは2018年から3.4%の増加で、1999年の出力の2倍以上です。世界にはますます増える鋼の需要があります。建設、産業、製造で使用されます。強く安価なため、あらゆるタイプの製造に理想的です。
鋼は何でできているか？
鉄は鋼の主要元素成分で、地殻で最も豊富な元素の一つです。すべての鋼合金は主に鉄と、重量比0.002〜2.1%の炭素です。この範囲で炭素が鉄と結合し、強力な分子構造を作ります。結果として得られる格子微細構造が、引張強さや硬度など、鋼で頼りにする特定の材料特性を達成するのを助けます。
すべての鋼は鉄と炭素でできていますが、異なる種類の鋼は各元素の異なる百分率を含みます。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ることがあります。「レシピ」に異なる元素を加えることで鋼合金の材料特性に影響を与えます。製造方法と鋼の処理がそれらの能力をさらに高めます。
注目すべき鋼合金グループの一つはクロムを含むものです。これらすべての合金は一般にステンレス鋼として知られています。
鋼の作り方
最も基本的には、鋼は非常に高温（2600°F以上）で炭素と鉄を混ぜて作られます。
一次製鋼は「銑鉄」と呼ばれる製品から鋼を作ります。銑鉄は鉱石から製錬された鉄で、鋼に適した量より多くの炭素を含みます。
製鋼者は溶融銑鉄に酸素を吹き込むシステムを使用します。このプロセスは溶融金属全体で均等な酸化を生みます。酸化で余分な炭素を除去します。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。
二次製鋼は「レードル内」で行われます。鋼の精製と合金化のプロセスです。二次製鋼はスクラップ溶解から始まるか、一次プロセスを継続します。特定の合金を得るために元素を添加できます。製鋼者は表面不純物も除去できます（脱スラグ）。レードルは必要な化学プロセスのための温度に加熱・冷却されます。
鋼の仕上げ
鋳造所では、鋼は砂型またはインベストメント鋳造でパターン形状に鋳造されます。製鉄所では、連続鋳造機によって鋼が原料形状に鋳造されます。連続鋳造機はニア完成部品ではなく標準化された原料鋼形状を作ります。原料鋼は機械加工や加工で最終製品になります。製鉄所では一般的にシート、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・成形します。
製鉄所は生産中に鋼を熱間圧延または冷間圧延することもあります。これらのプロセスは異なる形状と仕上げを作ります。出荷前、鋼は切断、スプール、バンドルされて製鉄所を出ます。
鋳造所でも製鉄所でも、鋼は熱処理されることがあります。焼入れ、焼戻し、正規化、焼鈍などの最終ステップが合金の用途での振る舞いを形作ります。
鋼の発明
考古学者はトルコの遺跡で4000年前の最古の鋼を発見しました。ルツボ鋼、有名な南インドのウーツ鋼のようなものは、紀元前4世紀には一貫して作られていました。しかし19世紀半ばまで、製鋼は信じられないほど困難でした。
鋼は約2700°Fで溶けます。この高熱を維持することは、ルツボ鋼を作る古代炉にとって課題でした。さらに、シリコンやマンガンのような元素でできた不純物が鋼合金に見られます。これらの管理は今でも課題です。古代製鋼では、長い多段階プロセスになりました。創業者は一日中加熱、攪拌、脱スラグ、再加熱に費やしました。鋼が鋳造された後、鍛冶屋によって加工されました。金床で叩くことで最終形状が作られました。また炭素変動、気孔、介在物の分布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作る特許を取得しました。ベッセマー転炉を伝統的な溶解容器の代わりに使用することで、製鋼者が溶融金属に空気を吹き込めるようになりました。空気と反応して不純物が酸化し放散します。酸化はまた製鋼に必要な高熱の創造と維持にも役立ちました。
かつて鋳造所で丸一日、鍛冶屋でさらに時間がかかったプロセスが、5トンの鋼を作れる20分のプロセスに置き換わりました。ベッセマー鋼はまた、ほとんどの製鋼者が望めるより強く、高品質でした。この革新が産業革命を支えました。
鋼は磁石につくか？
ほとんどの鋼は磁性がありますが、すべてではありません。鋼は主に鉄でできており、鉄は磁性です。強磁性は自然界で「磁鉄石」で初めて発見されました—磁鉄鉱、鉄の酸化物でできた石です。コバルトやニッケルなど他の元素も強磁性です。これらの元素も鋼で見られることがあります。
ステンレス鋼は有名な非磁性ですが、すべてのステンレス鋼は鉄を含み、多くはニッケルを含みます。真実は、一部のステンレス合金のみが非磁性です。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（加工されると非常に弱く磁性を持つことがあります）。フェライト系やマルテンサイト系合金のような他のタイプはステンレスでありながら磁性です。
鋼の特性
鋼がこれほど一般的に使用されるのは、その特定の材料特性と相対的な低コストの組み合わせのためです。木材、石材、コンクリート、鋳鉄など多くの他の建築・工具材料と比較して、鋼合金は：
- 硬度: 徐々に増加する圧力で押されたときの圧痕への抵抗
- 靭性: 材料が変形するとき、破断するまでどの程度進むかを表す
- 降伏強度: 徐々に増加する圧力で引っ張られたときの形状変化への抵抗
- 引張強度: 材料が破断する前に引っ張りに耐える能力
- 延展性: 破断せずにハンマーやプレスで形作られる能力
- 展延性: 靭性を失わずに形作られる能力—金属加工はしばしば脆くさせますが、展延性材料は加工で脆くなりにくい
これらの特性の試験範囲は合金間で異なりますが、全体として鋼は多くの他の材料より硬く、かつタフ（脆くない）です。
鋼の種類
鋼合金には4つの主要なグループがあります：炭素鋼、工具鋼、合金鋼、ステンレス鋼。
- 炭素鋼—低炭素、中炭素、高炭素鋼は主に硬度と延性で異なります。低炭素鋼は他の鋼より延性が高い傾向がありますが、硬度も低くなります。反対側では高炭素鋼はより硬いです。しかし高炭素鋼は通常延性が低くなります。
- 工具鋼—タングステン、バナジウム、モリブデンなどの添加元素を持つ高炭素鋼、熱処理と焼入れで優れた硬度にされ、工具鋼に使用されます。
- 合金鋼—この鋼ファミリーは一般に、他のファミリーに一般的に含まれない特定の元素と混ぜられた、特別な材料特性のための鋼を指します。すべての鋼は合金であり多くは追加元素を持ちます。しかし合金鋼は特定用途向けに構築された異色の鋼で、バリューフォーミュレーションからジェットエンジン用エキゾチック合金まで範囲は広いです。
- ステンレス鋼—これらの鋼はクロムと合金化され、不動態化により耐錆性を持ちます。
鋼生産：リサイクルの物語
鋼（および他の金属）の最高の特徴の一つは、スクラップが完全に新しい高品質金属になれることです。二次製鋼プロセスは銑鉄から来るものと同等の合金を作ります。金属製品は使用により劣化しますが、金属の元素化学により、溶解と合金化で完全に新しい製品が生まれます。
したがって製鋼出力の成長は、新鉱石の製錬の成長を必要としません（ただし銑鉄生産は鋼サプライチェーンの重要な部分のままです）。スクラップ鋼の回収と処理により、昨日の車パネルが明日のIビームになります。
鋼の98%が回収可能で、金属は世界で最もリサイクル可能な製品の一つです。それでも環境課題はありません。コークス（石炭の一種）が通常製鋼の炭素入力として使用されます。また、溶解・製錬に必要な高エネルギーと酸化やその他生産プロセスが化学物質と二酸化炭素を生成します。幸い、製鋼部門で生産課題を緩和する研究がたくさん進められています。一部は二酸化炭素を鋼自体にリサイクルし、炭素源としてコークスなど他の源の必要性を下げます。
これらの技術が洗練され実装されれば、製鋼は未来の主要産業の一つであり続けます。経済を支え、駆動し、構築します。
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