製鋼技術の進化：古代遺物から現代プロセスまで
製鋼プロセスの発展
最古の鋼生産は、アナトリアの考古学遺跡から出土した鉄製品で、約4000年前、紀元前1800年頃のものである。ホラティウスはイベリア半島のファルカタなど鋼製武器を記し、ノリクム鋼はローマ軍で使用された。
南インドの「セリック鉄」（ウーツ鋼）の評判は、ギリシャ、ローマ、エジプト、東アフリカ、中国、中東で高まった。南インドと地中海の史料（アレクサンダー大王（紀元前3世紀）を含む）には、この鋼がギリシャへ贈呈・輸出された記録がある。スリランカの金属生産遺跡では、モンスーン風で駆動する風炉を用い、高炭素鋼を生産していた。タミル地方での大規模ウーツ鋼生産は、坩堝とアヴァラム植物などの炭素源を用い、紀元前6世紀までに行われ、現代製鋼と冶金学の先駆的先駆けとなった。スパルタでは紀元前650年頃に大量の鋼が生産されていた。
中国の戦国時代（紀元前403年〜紀元前221年）には焼入れ鋼が存在し、漢時代（紀元前202年〜紀元後220年）には、鍛鉄と鋳鉄を溶かして炭素中間鋼を作る技術が1世紀までに確立されていた。東アフリカのハヤ族は、約2000年前に1800℃で炭素鋼を作る炉を発明した。リチャード・フッカーによれば、東アフリカの鋼は紀元前1400年まで遡る可能性がある。
インド亜大陸における高炭素鋼の初期生産証拠
インド亜大陸における高炭素鋼の最古の生産証拠は、タミルナドゥのコドゥマナール、テランガナのゴルコンダ、カルナタカ、スリランカのサマナラウェワ地域で見つかる。紀元前6世紀頃に生産されたこのウーツ鋼は世界的に輸出された。紀元前326年以前にこの地域で鋼技術が存在したことは、サンガム・タミル文学、アラビア語、ラテン語文献で「セリック鉄」として世界最良の鋼とされ、ローマ、エジプト、中国、アラブ世界へ輸出された記録からわかる。技術が南インドから伝わったため、インドにおける鋼技術の起源は保守的に紀元前500〜400年頃と推定される。
ウーツ鋼はダマスカス鋼としても知られ、耐久性と切れ味保持で有名。ゾシモス・オブ・パノポリスの文書によれば、様々な微量元素を含む複数材料から作られていた。紀元前326年、ポーラス王がアレクサンダー皇帝に鋼の剣を贈った時点で、インドではすでに古い技術だった。本質的に鉄を主成分とする複雑な合金である。最近の研究ではカーボンナノチューブが構造に含まれていた可能性が示唆され、その伝説的品質の一因かもしれないが、当時の技術では偶然の産物であり設計によるものではない。天然風を利用し、鉄含有土を木材で加熱した。古代シンハラ人は土2トンから鋼1トンを抽出し、当時としては驚異的偉業だった。サマナラウェワでそのような炉が発見され、考古学者が古代の方法で鋼を再現している。
インド亜大陸での多様な製鋼法
インド亜大陸では様々な製鋼法が用いられた。アル・タルシシやアブー・ライハン・ビルーニなどイスラム文献には、鋼の間接製造法が3つ記述されている。中世イスラム歴史家アブー・ライハン・ビルーニ（973〜1050年）はダマスカス鋼生産の最古の言及を提供し、3つの製法のみを記述している。最初の2法は中央アジアとインド亜大陸で長い歴史を持ち、第3法は南アジア特有である。これらは一般にインド亜大陸起源とされる。
- 最も一般的な伝統的方法は、鍛鉄の固相浸炭。炭を詰めた坩堝や炉床に鍛鉄を入れ、加熱して炭素を鉄に拡散させ鋼を作る拡散プロセス。浸炭はウーツ鋼プロセス（セメンテーション法の一種）の基礎。
- 鋳鉄から炭素を除去する脱炭法（坩堝法の一種）。
- 鍛鉄と鋳鉄を用いる別の間接法。坩堝で両者を一緒に加熱し、溶融により鋼を製造。ビルーニは「これが炉床で用いられた方法である」と述べている。
共融プロセスの変種はペルシャと中央アジアで初期に見られ、インドのハイデラバードでも確認されている。炭素源として、現代イスラム当局はザクロの皮、ドングリ、オレンジ皮など果皮、葉、卵白、貝殻など多様な有機材料を指定。インド文献には木片の記述もあるが、どの文献も木炭には言及していない。
坩堝鋼は、純鉄と炭素（通常木炭）を坩堝で徐々に加熱冷却し製造され、9〜10世紀にメルブで生産された。11世紀には宋中国で2つの技術による鋼生産証拠がある。(i)「ベルガネスク」法で劣った不均質鋼を生産、(ii)冷風下での繰り返し鍛造による部分脱炭を用いるベッセマー法の先駆け。
セメンテーション法による鋼生産は、1574年プラハで出版された論文に記述され、1601年からニュルンベルクで使用された。
セメンテーション法による製鋼
セメンテーション法は、鉄の浸炭により鋼を作る旧式方法。現代製鋼とは異なり、鉄中の炭素量を増やす。17世紀以前に開発されたと見られる。1720年建造のダーウェントコート製鋼炉が、現存最古のセメンテーション炉例。16世紀初頭に確実に存在した2基のセメンテーション炉がイングランドで発掘されている。
プロセスは鍛鉄と木炭から始まる。炉内に1つ以上の長い石製ポットを使用。典型的サイズは14フィート（4.27m）×4フィート（1.22m）×深さ3.5フィート（1.07m）。鉄棒と木炭を交互に層状に詰め、最上層を木炭、さらに耐火物で密封。一部製造者は粉末木炭、すす、鉱物塩を混ぜた「セメント粉」を使用。大規模工場では1サイクルで最大16トンの鉄を処理。
標準的な鍛鉄棒をセメンテーション炉に入れ、セメンテーション鋼またはブリスタ鋼へ変換。炉は砂岩製の大型チェスト形で蓋付き、鉄棒を層状に配置し大量の良質木炭を挟む。満載後、蓋を置きモルタルで密封。炉下の火床から石炭火で加熱、最大1週間加熱し、さらに1週間冷却してから開封・取り出し・再充填。
セメンテーション炉の一般的設計は、2つのチェストを並べ、中央に火口を設け、全体をガラス窯や陶器窯に似た瓶形構造で覆い、風雨を防ぎ煙突として機能。2炉を並べることで、一方を加熱中に他方を冷却・再充填可能。
長時間緩やかな加熱中、木炭からの炭素が鉄棒に吸収される。炉から取り出すと鋼はブリスタ（水泡）外観を呈する（別名の由来）。これら水泡には高炭素鋼が含まれるが、棒中心部はまだ低炭素鍛鉄のため、ブリスタ鋼はそれ自体ではほぼ無用で、さらなる加工が必要。
ブリスタ鋼を加熱しハンマーで鍛造し、棒を自己折り返しさせる。これにより「シアー鋼」が得られ、2回目の折り返し鍛造で「ダブルシアー」と呼ばれるより良質な製品に、さらに繰り返すとより高級鋼となる。典型的セメンテーション炉の平面図と立面図は図1参照。
坩堝鋼
坩堝鋼は、現代では2つの異なる製法で作られる鋼を指すが、歴史的に様々な地域で生産されてきた。鉄と他材料を坩堝で溶かし、溶湯を鋳型に注ぐ。中世には南・中央アジアでウーツ法により生産された。18世紀、イングランドのベンジャミン・ハンツマンが高品質鋼製造技術を開発。彼のプロセスは鉄と鋼を原料とし、この鋳鋼の均質結晶構造が従来鋼より強度と硬度を向上させた。
坩堝鋼は一般にインドとスリランカの生産拠点（ウーツ法）に帰属され、他地域での出現は長距離貿易によるものと考えられてきた。最近になって、トルクメニスタンのメルブやウズベキスタンのアクシケトなど中央アジアの地も、坩堝鋼の重要な生産拠点だったことが判明。中央アジアの出土品は8〜12世紀、インド/スリランカ物は紀元前300年まで遡る。さらにインド鉄鉱石には微量バナジウム(V)や希土類が含まれ、インド坩堝鋼の焼入れ性を高め、中東で切れ味保持力で有名だった。
初期には中東に帰属される坩堝鋼だが、ヨーロッパ、特にスカンジナビアでも「ウルベルト」と刻まれた剣が発見されている。これらは9〜11世紀初頭の200年間のもの。ブレード製造プロセスが中東で起源し、「ヴォルガ交易路」時代に貿易されたと推測される。
イスラム初期には剣と鋼に関する科学的研究が現れる。最も知られるのはジャービル・イブン・ハイヤン（8世紀）、アル・キンディ（9世紀）、アブー・ライハン・ビルーニ（11世紀初頭）、ムルダ・アル・タルシシ（12世紀末）、ファフル・アル・ムダッビル（13世紀）。これらはギリシャ・ローマ古典文学全体よりもインド・ダマスカス鋼について多くの情報を含む。
ベンジャミン・ハンツマンは時計職人で、時計バネ用のより良い鋼を求めていた。数年の秘密実験後、1740年に鋼生産を開始。ハンツマンのシステムは1600℃に達するコークス焼成炉を用い、最大12個の粘土坩堝（各約15kg鉄収容）を投入。坩堝が白熱したら、セメンテーション法で作られたブリスタ鋼（鉄炭素合金）と不純物除去用フラックスを投入。約3時間後坩堝を取り出し、スラグとして不純物を除去、溶鋼を鋳型に注ぎ鋳塊とする。鋼の完全溶融により冷却時に高度に均質な結晶構造が得られ、当時の他鋼より引張強度と硬度が向上した。
鋼は「坩堝炉」と呼ばれる専門工房で生産された。イングランド・シェフィールドには地上作業場と地下貯蔵室からなる。炉建屋はサイズと建築様式が多様だが、19世紀後半には技術進歩により複数坩堝を一度に「焼成」可能となり、ガス燃料使用で大型化した。各工房には溶解孔列、注湯ピット、屋根通気口、坩堝棚列、焼成前の坩堝準備用焼鈍炉など標準設備を備えた。秤量室と粘土坩堝製造室は工房付属または地下複合施設内に配置。当初は時計バネ用だった鋼は、後にハサミ、斧、剣などにも用いられた。
別法として、1880年代米国で開発された方法では、鉄と炭素を直接溶融し坩堝鋼を製造。19世紀〜1920年代にかけ、大量の坩堝鋼が切削工具生産（工具鋼と呼ばれた）に向けられた。
坩堝プロセスは特殊鋼用に継続使用されたが、現在は旧式化している。
別形態の坩堝鋼は1837年、ロシア技師パベル・アノソフにより開発。彼の技法は加熱冷却より、適切な結晶構造形成時に溶鋼を急冷する焼入れプロセスに重点を置いた。彼の鋼を「ブラート」と呼んだ。プロセスの秘密は彼と共に死んだ。米国ではウィリアム・メトカーフが坩堝鋼を先駆けた。坩堝鋼は極めて高品質だが高価。1950年代まで専門用途に使用されたことが品質の証左。
ベッセマー法の登場により、それほど重要でない用途での坩堝鋼は終焉を迎えた。
ベッセマー法と現代製鋼
現代製鋼の歴史は19世紀に始まる。フランスのレオミュール（1772年）、米国のケリー（1850年）、英国のベッセマー（1856年）が、鉄合金の炭素含有量を制御して銑鉄を改良し、真の鋼を作る方法を発見。レオミュールは化学者として科学的好奇心から、ケリーとベッセマーは技術者として、産業革命（織機、蒸気機関、機械、鉄道）が生み出した大量かつ高品質な鋼の需要に応えた。これにより科学と技術の弁証法的関係が始まり、熱した銑鉄中の炭素を酸化することで精錬する基本概念が発明された。
19世紀の欧米における鉄道成長は、非効率な生産プロセスに苦しむ鉄鋼業界に大きな圧力をかけた。鋼は構造材として未検証で、生産は遅く高コストだった。1856年、ヘンリー・ベッセマーが溶鉄に酸素を効果的に導入し炭素含有量を低減する方法を考案するまで。
1855年1月から大量砲弾製造向け鋼生産方法に着手し、10月にはベッセマー法関連の最初の特許を出願。最初は普通の反射炉で実験したが、テスト中に数個の銑鉄インゴットがレードル横の炉内熱風にさらされ、ベッセマーがレードルへ押し込もうとしたとき、それらが鋼の殻になっているのを発見。熱風だけでインゴット外部が鋼化したのだ。この重要な発見により、特殊空気ポンプで高圧空気を溶鉄に強制通過させるよう炉を完全再設計。直感的には鉄を冷やすように見えるが、シリコン(Si)と炭素が過剰酸素と発熱酸化反応し、周囲の溶鉄をさらに高温にし、鋼への転換を促進した。
現在ベッセマー法として知られるこの方法で、ベッセマーは洋梨形容器「コンバーター」を設計。鉄を加熱しながら酸素を溶湯に吹き込む。酸素が溶湯を通過するとき炭素と反応し、二酸化炭素(CO2)を放出し、より純粋な鉄を生成。
ベッセマー法は、溶鉄から鋼を安価に大量生産する最初の工業プロセスだった。発明者ヘンリー・ベッセマーにちなみ名付けられ、1855年特許取得。核心原理は、溶鉄に空気を吹き込み酸化により不純物を除去すること。酸化は鉄塊温度も上昇させ溶融状態を維持。プロセスは粘土またはドロマイトで裏打ちされた大型卵形鋼容器「ベッセマー・コンバーター」で実施。容量8〜30トン、通常チャージ約15トン。頂部に開口部（通常本体に対して傾斜）があり、そこから鉄を投入し製品を取り出す。底部にはチュイエールと呼ばれる複数の孔があり、そこから空気を強制送入。コンバーターはトリニオンで支点され、受け入れ位置→立て直しで転炉→再度回転で溶鋼排出が可能。
酸化プロセスでSi、C、マンガン(Mn)など不純物が酸化物として除去。これらはガスとして逃げるか固体スラグとなる。コンバーター耐火裏打ちも転換に役割。酸性ベッセマーでは耐火粘土裏打ち（原料リン(P)低）、塩基性ベッセマーではドロマイト（リン高時、石灰石やマグネサイト裏打ちも使用）。転換完了後、シュピーゲルアイゼン（鉄炭素マンガン合金）など添加し所望特性付与。
所望鋼が得られたらレードルへ注ぎ、鋳型へ移し、軽いスラグを残す。転換プロセス「ブロー」は約20分で完了。この間、コンバーター口から出る炎の様子で不純物酸化進行度を判断。ブロー後、溶湯を所望点まで再浸炭し、製品に応じて他合金元素添加。ベッセマー法により、この品質の鋼製造時間が約半分に短縮され、銑鉄初期溶解に必要なコークスのみで済むようになった。図2にベッセマー・コンバーターを示す。
ベッセマーは特許を5人の製鉄師に総額27,000ポンドでライセンス供与したが、約束品質が出ず、後に32,500ポンドで買い戻した。問題は原料鉄の不純物にあり、空気吹き込み停止タイミングを知れば解決すると気づいた。不純物が燃え尽き、適切な炭素が残るタイミングだ。しかし数万ポンド費やしても答え見つからず。シンプルでエレガントな解決策を最初に見つけたのはロバート・フォレスター・ムシェット。数千回の科学的実験により、まず不純物と炭素を可能な限り燃やし尽くし、次に正確な量のシュピーゲルアイゼンを添加して炭素とマンガンを再導入する方法を発見。これにより製品品質向上、延性改善、高温圧延・鍛造耐性向上、用途大幅拡大が実現。
ベッセマー法は鋼製造コストを1ロングトン当たり40ポンドから6〜7ポンドへ大幅削減し、この重要原材料の生産規模と速度を飛躍的に向上させ、製鋼労働力も削減することで製鋼に革命をもたらした。
ベッセマー法導入前、鋼は橋梁や建物フレームには高価すぎ、産業革命期は鍛鉄が使用された。導入後、鋼と鍛鉄が同価格帯となり、多くの製造業者が鋼へ転換。安価な鋼の入手により大型橋梁建設、鉄道、超高層ビル、大型船建造が可能になった。イギリス人ヘンリー・ベッセマーが完成させた大規模製鋼プロセス導入が、19〜20世紀に観察される大量工業化への道を開いた。
この方法による商業製鋼は1974年ワークingtonで終了。基本酸素プロセスなど、最終化学成分制御に優れたプロセスに置き換わった。ベッセマー法は非常に速い（1ヒート10〜20分）ため、化学分析や合金元素調整の時間がほぼない。ベッセマー・コンバーターは溶鋼からリンを効率的に除去できず、低リン鉱石が高騰すると転換コスト上昇。スクラップ投入量も限定的でコスト増。特にスクラップ安価時、電気炉(EAF)技術が有利に競合し、ベッセマー法は陳腐化した。
プロセスは高速・低コストで、数分で鉄から炭素とケイ素を除去するが、「成功しすぎた」弊害も。炭素が除去されすぎ、酸素が最終製品に残留。ベッセマーは投資家へ返済しながら、炭素含有量増加と不要酸素除去法を模索し続けた。
平炉製鋼法
平炉(OH)製鋼法は平炉を使用。その利点によりベッセマー法を駆逐。1908年には平炉製鋼量がベッセマー法を上回った。ほとんどの平炉は1990年代初頭までに閉鎖、操業が遅いため基本酸素炉(BOF)や電気炉(EAF)に置き換わった。現在も一部製鋼所で平炉法が継続。主な利点は、窒素過剰暴露（脆化原因）がない、制御が容易、大量スクラップ鉄鋼の溶解精錬が可能なこと。
ドイツ生まれのカール・ヴィルヘルム・ジーメンスが1850年代にジーメンス再生炉を開発、1857年に70〜80%燃料節約を主張。この炉は燃料と空気の再生予熱燃焼により高温運転。排ガスをレンガ室に導き熱をレンガに移し、流れを逆転させて燃料・空気をレンガで予熱。この方法で平炉は鋼溶解に十分な高温に達したが、ジーメンスは当初これを製鋼に用いなかった。
1865年、フランス人ピエール・エミール・マルタンがジーメンスからライセンス取得し、再生炉を製鋼に初適用。ジーメンス再生炉の最も魅力的な特徴は、大量の塩基性鋼を迅速生産できること。平炉の通常サイズは50〜500トン。
OH法はバッチプロセスで、1バッチを「ヒート」と呼ぶ。炉を損傷検査し、準備・修復後、軽スクラップ（薄板、シュレッド車両、金属くず）を投入。ガス燃焼で加熱。溶解後、重スクラップ（建設・製鋼スクラップ）と高炉銑鉄(HM)を追加。全溶解後、石灰石など造滓剤添加。酸化鉄中の酸素等不純物が銑鉄を脱炭し、余分な炭素を燃やして鋼化。酸素含有量増加のため鉄鉱石を追加。
ベッセマー・コンバーター法より遥かに遅く、制御・サンプリング・品質評価が容易。ヒート準備に通常8〜9時間。遅いためベッセマー法のように全炭素を燃やし尽くす必要なく、所望炭素含有量達成時点でプロセス終了可能。
出鋼は高炉と同様、炉床側面に穴を開け生鋼を流出。全鋼出鋼後スラグ除去。生鋼はインゴット鋳造（ティーミング）または連続鋳造機へ。
再生室は炉の特徴で、耐火レンガを縁立てし多数の小通路を形成。レンガが排ガス熱を吸収し、後の冷気燃焼用空気へ返す。図3に1895年型ジーメンス・マルタン炉断面図を示す。
ジーメンス・マルタン法はベッセマー法を補完するもので、置き換えるものではない。遅いため制御容易。大量スクラップ溶解精錬可能で、製鋼コストさらに低減、厄介な廃棄物をリサイクル。最大欠点は溶解精錬に数時間要すること。20世紀初期は利点だった（検化学者が分析し精錬延長判断可能）。しかし1975年頃、原子吸光分光光度計など電子機器で鋼分析が迅速・容易になり、この利点は薄れた。
電気炉製鋼
電気製鋼用炉は2種類。(i)電気アーク炉、(ii)誘導炉。両炉の歴史的発展を以下に記す。
電気アーク炉(EAF)製鋼技術
EAF製鋼技術は100年以上の歴史。ド・ラバルが1892年鉄溶解精錬用電気炉特許、エルーが1888〜1892年フェロアロイ電気アーク溶解実証。しかし最初の工業用EAF製鋼炉が稼働したのは1900年。発展急速で、1910〜1920年に生産10倍増、1920年には50万トン超生産、当時世界鋼生産のごく小割合。
当初、EAF製鋼はスクラップ・フェロアロイなど固形原料で特殊鋼種生産向けに開発。固形材料を直接アーク溶解、適切フラックス添加で精錬、タッピング後さらなる加工。わずか30〜35年前までタップ・ツー・タップ3時間超が普通、比電力消費700kWh/トン超（熱力学必要量のほぼ2倍）も珍しくなかった。20世紀大半でEAF製鋼は高コスト・低速と見られ、特殊・付加価値鋼のみ適するとされた。1960年代以降技術急速発展し、基本酸素製鋼に次ぐ第2位製鋼技術に。
EAFは、主流の高炉-転炉(BF-BOF)ルートの代替生産ルートの中核。図4にEAF平面図と断面図。EAFは主にフェロスクリップリサイクルで炭素鋼・合金鋼生産。EAFではスクラップ・製造鉄ユニット(DRI、銑鉄、炭化鉄等)を、陰極と陽極1本(DC)または3本(AC)間の高出力電気アークで溶解・高品質鋼へ変換。スクラップは世界全EAF金属原料の約80%を占め最重要資源。
世界的なEAF生産・技術向上の理由：
- 平炉法が競争力ある製鋼プロセスとして終了
- 大規模一貫製鋼の巨大設備・運転コストから脱却し、小規模・低資本集約ミニミルへ移行希望
- 電気技術急速向上、大規模電気設備コスト低下、電気機器制御大幅改善
- 多くの国でスクラップ容易入手可能、金属リサイクルへの強い社会的圧力
- 代替鉄源（特に開発途上国産）の入手性向上
- EAFでの銑鉄・酸素燃料使用
- EAFベース製鋼技術の操業・制御・効率・製品品質の大幅改善
誘導炉(IF)
誘導炉(IF)は鉄・非鉄金属双方の溶解に使用。燃焼なしで清浄に熱生成。マイケル・ファラデー発見の電磁誘導原理で作動。
1870年、デ・フェランティが欧州で誘導炉実験開始。金属溶解用IF最初特許は1900年エドワード・アレン・コルビー。米国初IF製鋼は1907年、フィラデルフィア近郊コルビー炉。初3相炉は1906年ドイツ、ロヒリング・ローデンハウザー製。長年使用されてきたが、マイルド鋼IF生産は比較的最近の現象。
フレキシブルな定電力追従・中周波誘導電源開発により、バッチ溶解法が普及。これら電源は耐久性サイリスタを組み込み、バッチ溶解に必要な周波数と電流を生成、電気効率97%以上達成（1970年代典型的誘導電源効率85%から大幅改善）。新設計で溶解サイクル全域で炉電力最大活用、良好な攪拌制御可能。コアレス誘導炉概略図を図5に示す。
IFには複数タイプあるが、全て炉周りに巻かれたコイルに電流を流し強力磁場を生成する原理で作動。電流が電磁場生成、耐火物を透過し炉内導電性チャージと結合。磁場が溶解対象金属に電圧を誘起、その後電流流れる。金属電気抵抗で発熱、金属溶解・設定温度到達。
IFは幅広いサイズで製造。チャージとエネルギーキャリア間に接触がないため、適切な裏打ち材があれば鋼、鋳鉄、非鉄金属溶解に適する。IF溶解製品には、構造用マイルド鋼インゴット/ビレット、食器用ステンレス鋼インゴット/ビレット、線材・ワイヤ、工学用低合金鋼鋳物、耐熱・耐食ステンレス鋼鋳物、鍛造・研削媒体用合金鋼等。
インドでのIF使用は1960年代半ば開始。輸入中周波誘導炉は1970年代半ばから。インド初IFは輸入ステンレススクラップからステンレス鋼製造用に設置。1981〜82年、小型IFでステンレス鋼製造していた起業家数名が、スクラップからマイルド鋼製造実験し成功。この成功により1980年代前半〜1990年代半ばに急成長。この時期国産IF製造も開始。IF製鋼は同期間、国内鋼生産成長の主要ドライバーの一つとなり、現在総鋼生産の32%以上を占める。今日、インドはIF最大生産国かつIF技術最大鋼生産国。IF製鋼は総能力だけでなく炉サイズでも成長。現在40トン級IFまで稼働。
基本酸素製鋼(BOS)
基本酸素製鋼(BOS)は、基本酸素炉(BOF)、LDコンバーター、または単にコンバーターと呼ばれる容器内の溶湯に純酸素を吹き込み鋼を製造するプロセス。
BOS概念は1856年、ヘンリー・ベッセマーが溶鉄脱炭用酸素吹き込み製鋼プロセス特許(英国特許番号2207)取得時に遡る。当時、プロセスに必要な酸素量供給方法がなく、商業量酸素は入手不能または高価すぎ、ベッセマー発明は紙上に留まり未使用。1928年、リンデ社が大量純酸素供給法(リンデ・フレンキル法)開発成功により、純酸素吹き込み製鋼が実用化。同法成功で酸素も大幅安価化、大量入手性と安価酸素の両前提条件が満たされた。
欧米で酸素実験繰り返し実施。高純度酸素使用者にオットー・レレップいたが、「溶鉄浴へ垂直に酸素吹き込み」概念は失敗。フーベルト・ハウトマン(1936〜1939年グーテホフヌングヒュッテ勤務)によれば、レレップ実験ではコンバーター底部ノズルから純酸素吹き込みで溶鉄転換意図。この方法で製造された鋼は悲惨な品質。
第二次世界大戦中、ドイツのC・V・シュワルツ、ベルギーのジョン・マイルズ、スイスのデュラー、ドイツのハインリヒ・ヘルブリュッゲが各自酸素吹き込み製鋼版提案。しかしデュラーとヘルブリュッゲのみ量産レベルまで到達。
カール・ヴァレリアン・シュワルツが1939年、超音速で浴へ酸素吹き込み特許出願。しかし「未だ使用可能鋼生産不能」。後のリンツ・ドナヴィッツ(LD)法はシュワルツ特許と類似点あるが、典型的特徴異なる(例：「中央垂直吹き込み」)。第二次世界大戦勃発によりシュワルツ特許技術は当初実用化されず。1930年代末、スイスのロバート・デュラーも独自実験開始。
戦後、ハインリヒ・ヘルブリュッゲとロバート・デュラー(ロール社アイゼンヴェルケ技術ディレクター)がスイス・ゲルラフィンゲンのロール社で更なる実験。最初のトップブロー酸素コンバーター写真を図6に示す。
デュラーが基本理論原則を定め、ゲルラフィンゲンとフェスト(VÖEST)間で産業規模技術協力連絡確立後、フェストに別容器で上吹き酸素吹き込みを助言。1949年6月3日、フェスト構内で2トン実験コンバーター使用実験シリーズ開始。リンツチームが初期挫折複数経験後、1949年6月25日早々にブレークスルー達成。酸素圧力低下、吹き込みランス先端を浴から遠ざけ、酸素ジェットが深く貫入しないようにした。この突破で、問題なく圧延シートへ加工可能な鋼生産成功。フェスト実験部門がこの鋼検査、非常に肯定的観察。LDコンバーター製鋼プロセス誕生の瞬間。数百ヒート(2トン)生産後、特製15トン実験コンバーター(屋外設置)に切替。初バッチ1949年10月2日製造。新鋼種連続冶金・その他試験実施。
この革新の鍵は溶湯浴運動。それまで、酸素を深く吹き込まなければ十分な浴運動不可と考えられていた。しかし、一酸化炭素(CO)生成により極めて満足いく形で達成。この「ソフトブロー」原理はFeO生成促進し、酸化不純物吸収しスラグ形成。優れた新鋼種生産に寄与。
ゲルラフィンゲンのロール社とフェストに加え、マンネスマンAG(デュイスブルク・フッキンゲン)とÖAMG(ドナヴィッツ)も1949年5月、酸素吹き込みプロセスまたは酸素冶金一般に関心表明。リンツ実験中とプロセス実演後、1949年6月17日精密な分業合意。フェストはリンツ粗鋼で大型精錬容器継続、マンネスマンはトーマス鋼酸素吹き込み実験、ロール社はEAF酸素利用調査、ÖAMGは低軸銑鉄炉酸素試験実施。合意で関係者全員、「1949年6月17日リンツでの議論で知り得た、または結論に達した酸素精錬詳細について、自社外へ声明発表も情報伝達も行わない」義務負担。
合意ベースで、ドナヴィッツ実験で軸炉酸素使用無価値と判明早々、同社異アプローチ探索開始。ドナヴィッツで開発された高マンガンスラグ回収酸素吹き込みプロセスにより、ドナヴィッツでの製鋼拡大合理化計画には純酸素吹き込みプロセスのみ検討すべきと認識。広範調査と5〜10トン実験設定での成功開発(初期テスト酸素は直列シリンダー供給)後、経営陣が2年で操業可能な新製鋼所建設決定。ドナヴィッツ技術者ら、プロセスをドイツ語「酸素コンバーター」頭文字から「SK」と命名。この用語でフェストとÖAMG活動を一定程度区別。
1949年12月9日、フェスト専務取締役ハインリヒ・リヒター・ブロームがリスク覚悟で最初LD製鋼所建設決定。ほどなく硬質鋼種製造法明確化後、ドナヴィッツでもLDプラント建設決定。プロセス最初特許1950年出願。
1951年年次研究品質保証報告で「本年度LD鋼種に広範研究実施、刊行物発行。この鋼種は品質面で大きな可能性、特に良好冷間成形性と高品質表面併せ持つ鋼生産可能。これは薄板生産で特に重要。これまで良好冷間成形性は特定表面欠陥許容(脱酸鋼種)時のみ可能だった。酸素精錬プロセスにより高降伏強度鋼も極めて有利に製造可能」と記載。
1951年までにリンツで、銑鉄を純酸素で精錬し、革新的・操業信頼性あるバルク品質鋼生産プロセス確立。新プロセス初発表は1951年12月、オーストリア冶金学会レオベンでの「純酸素による鋼精錬」会議。会議でロバート・デュラー、2冶金プラント(リンツ・ドナヴィッツ)が国内銑鉄へ高純度酸素吹き込みコンセプトを実用的工業プロセスへ開発成功、この大成功祝福。この発表でオーストリアが、銑鉄から純酸素吹き込み工業規模製鋼最初の国に。LDコンバーター酸素吹き込み前/中断面図を図6に示す。
1952年11月27日、リンツ第1LD製鋼所で最初コンバーター稼働、酸素吹き込み原理製鋼のマイルストーン。1953年1月5日、世界初LD製鋼所公式開所。1953年6月17日までにリンツ第1LD製鋼所で10万トンLD鋼生産、12月初旬までに25万トン達成。第2LD製鋼所1953年5月22日、ドナヴィッツのオーストリア・アルピーヌ・モンタンゲゼルシャフト(ÖAMG)で稼働。完全操業成熟度に達したプロセス、製鋼品質・経済性双方で全期待超過。2015年、世界鋼73.4%がBOF製鋼で生産。
製造プロセス