高炉製鉄の進化をたどる：古代から現代まで

高炉製鉄の進化

最初の製鉄起源は、人類文明未記録歴史に隠されている。古代に鉄製品使用された最初証拠はエジプトから、ピラミッド2石継ぎ目間から鉄製工具発見。多く先史鉄製品起源は隕鉄と推定。隕鉄はニッケル(Ni)5〜26%含有、製錬鉄はNi微量のみ、隕石由来鉄製品と製錬鉄製品区別可能。

4000年以上前、人類隕鉄発見。しかし鉱山鉄鉱石から鉄生産開始までさらに2000年要した。インド最古製錬鉄出土品紀元前1800年頃。鉄製錬はアルメニアのカリベス人(ヒッタイト帝国臣民)で紀元前1500年頃実施とされる。帝国崩壊紀元前1200年頃、諸部族が製鉄知識携え欧州・アジアへ拡散。欧州・西アジア全域鉄加工知識究極的にはこの源泉遡る。鉄器時代は鉄製錬発見で始まる。

製鉄開始

銅硫化鉱石還元同様、鉄酸化物最初還元おそらく偶然。古代冶金学者(当時の鉱夫・化学者・技術者)観察力により、単純炉で酸化鉱石直接炭素(C)還元で鉄生産可能と認識。製錬プロセス最古記録描写、エジプト墓壁画約紀元前1500年発見(図1)。シンプル穴に鉱石・未知燃料、足踏みふいごで火勢強化。以降3000年、鉄生産技術大きく変わらず、酸化物炭素還元で鉄スポンジ生成、スポンジ叩き鉄製品製造。

鉄酸化鉱石は地球多く地域存在。エジプトで鉄鉱石還元進行時、ほぼ同時期に他地域でも実施。インド、中国、アフリカ、マラヤが初期製鉄実践舞台。これら国開発炉が機能的に同一だったことは示唆的。形状・サイズ差異あるが機能同一。化学還元で溶融伴わず鉄生成、結果金属比較的純粋・軟質「鍛鉄」と呼ばれる。ハンマーで有用形状加工可能。槍、矢尻、短剣、他工具・武器鍛鉄から製作。

約2000年間、紀元後1千年紀末頃まで、小規模局地炉床「ブルームリー法」で鉄生産。考古学調査で構造サイズ不明だが、ブルームリー炉現代再現内部寸法300mm径×1000mm高。ブルームリー法: 炉床構築、木炭・鉄鉱石交互層積み上げマウンド形成。周囲粘土・レンガケーシング構築、頂部排ガス孔、底部ふいご空気吹込み孔残す。木炭着火、ふいご操作木炭尽きるまで。ケーシング破壊開放、プロセス順調ならスポンジ鉄堆積・スラグ水溜まり。熱スポンジ鉄ハンマー叩き鉄塊・鉄製品製造。ブルームリー法製錬中反応: 木炭火一酸化炭素(CO)生成、熱で沼鉱石水分追い出し赤鉄鉱生成。CO赤鉄鉱還元酸化鉄(II)(ヴュスサイト)。COさらにヴュスサイト還元元素鉄。反応平衡位置まで進行、結果ガスCO・二酸化炭素(CO2)混合物。しかしヴュスサイト砂反応鉄オリビン(フェイライト)生成、スラグ主要成分。フェイライト製錬プロセス行き止まり、炉条件下元素鉄還元不能。鉄融点約1540℃、スラグ融点約1100℃。到達温度スラグ溶融十分、鉄溶融不十分。プロセス充分機能、残留スラグ尚多鉄含有、しばしば60%以上FeO(酸化鉄(II))。スラグ2種: 沼鉱石ドロス多孔質性部分的、赤鉄鉱由来硬質難熔性部分的。

製鉄プロセス発展

最初期製鉄プロセス改良: 製錬穴石・泥裏打ち、木・革ふいご使用(図2)。中国鉄使用約紀元前600年出現、紀元前403〜222年期広範拡大。中国優れた製鉄技術開発、紀元前200年頃鋳鉄器具発見基に液体鉄生産。中国・インド古文書に製鉄言及。他遺物: 剣、斧、鎌、鋤。紀元310年までにデリー・ダール有名鉄柱建立可能十分鉄生産。デリー鍛鉄柱高18m、径410mm、重量17トン。日本伝統製鉄製鋼「たたら」完全発展17世紀CEまで待つ。北米・南米・オーストラリア古代住民製鉄知らず、ヨーロッパ人により技術伝来。

地中海周辺発展製鉄プロセス欧州北上拡散。フェニキア人・ケルト人・ローマ人技術拡散貢献。ローマ人により英国北部まで拡散技法に初期ボウル/シャフト炉。鉢形容器/円筒シャフト高2m、丘斜面築造。炉内火煽る空気、ボウル底部付近開口部、支配風向き配置。炉頂部開口部から木炭・鉄鉱石層状充填、下部開口部から着火。

鉄製錬駆動2理論: 1)底部開口部風吹込み空気供給加熱、2)頂部開放上風吹き付け内部前壁負圧生成、下部開口部吸気誘導(図2)。両ケース風依存、通年信頼性なし。製品再びスポンジ鉄塊、下部開口部取出しハンマー最終形状加工。

別初期製鉄炉: 蜂巣炉(図2)。平地炭・鉄鉱石交互層積み上げマウンド形成。厚粘土層覆い、下部側壁貫通ブローパイプふいご接続。底部木炭着火、ふいご加圧空気供給。バッチ式製錬終了時粘土ドーム崩壊。崩壊蜂巣炉からスポンジ鉄掘り出し叩き加工。これら炉生産少量鉄塊、生産毎炉解体再構築必要。

これら製鉄プロセス、現代初期まで数百年大きな改良なし使用。8世紀頃、スペイン北東カタルーニャ山中小鍛冶場、製鉄初期重要冶金進歩代表。初期カタルーニャ鍛冶場(図2)石造り炉床「ハース」高さ約910mm、径760mm。ベース前面短距離上に小開口部、ノズル「チュイエール」設置可能。チュイエールノズルふいご接続空気供給。ハース木炭塊チュイエーレベルまで充填。鉄鉱石チュイエール上配置、さらに木炭層積み。木炭着火、ふいご空気強制、熱CO鉱石通過鉄鉱石還元熱塊状鉄塊生成。「ブルーム」と呼ばれる鉄塊最大160kg、トングで鍛冶場炉床取出し石造構造破壊せず。この鉄量5時間生成、従来技術5時間約23kgのみ。カタルーニャ鍛冶場以降200年拡大、フランス・ベルギー・イングランド・ドイツ拡散。炉床サイズ1m角、長方形石ブロック構築。チュイエール供給空気量、「トロンペ」呼ばれる空気アスピレーター使用で増加。水トロンペコラム落下時空気チューブ吸入、箱底部吐出。カタルーニャ鍛冶場組込時、チュイエールブラスト圧力0.10〜0.14kg/cm²、手足ふいご産生量大幅超過。追加ブラスト圧力製錬プロセス加速、生産増大。

10〜14世紀、カタルーニャ鍛冶場さらなる進化。手足ふいご水車ふいご置換、空気ブラスト量・圧力増大。次に鍛冶場スタック排熱回収試み、スタック高さ増加、頂部から鉄鉱石・木炭投入、鉱石予熱。石造スタック高さ1.8〜4.8m。スタック高さ・原料充填高さ増加可能: 水車ふいごでより高ブラスト圧力、これらスタック強制送風可能になったため。

シュトッコフェン炉(図3)最高4.8mスタック、スタック幾何形状変更。2切頭円錐最大径接続形状。水車2基ふいご駆動、常時1基圧縮ブラスト供給ため2チュイエール標準化。炉底スラグ排出口、石造除去で最終製品取出し、依然約318kgブルーム鉄塊。シュトッコフェン炉年産100〜150トン、カタルーニャ鍛冶場生産能力超過。副産物液体鉄生成。鉄鉱石炉内滞留時間長化、化学反応進行・高温曝露、鉄より多炭素吸収、融点低下。ブルーム取出し時液体鉄も除去。最初脆くハンマー加工不能で有害視、再投入や廃棄例も。シュトッコフェン炉は現代高炉(BF)先駆けと見なされる。さらに「ブラウオーフェン」(吹き込み炉)へ改良、液体鉄または鍛造グレードスポンジ鉄、製鉄師裁量で生産可能。製品切替: 燃料充填量10〜15%変更、チュイエール位置500mm低くし炉深く押し込み。16世紀これら炉高さ6.7m、日産約1.8トン鉄、燃料率木炭約250kg/100kg鉄。炉寿命約45日。

常時液体鉄生産へ次ステップ: 「フルッソフェン」(流れ炉)。フルッソフェン/第1高炉開発14世紀、ライン川流域・隣国フランス・ベルギー・ドイツ。しかし戦争技術・製鉄技術変化、溶鉄大砲鋳造がスポンジ鉄剣鍛造より主要産業に。1300年CE早期、鉄師積極的液体鉄生産求め銃鋳造。確実記録初既知高炉1340年CE、ベルギーMarche Les Dames建設炉。フルッソフェン/高炉拡散比較的遅速。欧州大陸諸国、カタルーニャ鍛冶場原始的鉄塊生産法から高炉完全発展功績。現代高炉はシャフト炉、シュトッコフェン・フルッソフェンから漸進進化。

木炭高炉の進化

欧州大陸開発木炭高炉(図3)間もなく英国拡散、英国で次期製鉄技術進化発生。1565年CEモンマスシャー建設高炉、ディーン森林最初炉、主要製鉄中心地に。この高炉高さ4.6m、ボッシュ(炉内最幅部、2切頭円錐接点)1.8m。1615年CEまで300基高炉、平均日産約2トン/基。成長速度速く、木炭生産のため土地完全森林伐採結果。1600年代、残存森林保護法的制限、多く高炉閉鎖。

北米最初高炉1622年バージニアフォーリングクリーク。全作業員殺害、鉄工場ネイティブアメリカン破壊、操業未実施。北米初成功木炭高炉1645年マサチューセッツソーガス開始。スタック高6.4m、外壁立ち上がり内傾斜、ベース7.9m角。花崗岩・地元石粘土モルタル接着。平地設置、地下排水システム掘削、大水車駆動水へ特有湿気対策。スタック内部卵形概略、最大径ボッシュトップ1.8m。下向き傾斜ボッシュ、鉱石・溶剤・木炭負荷支持。ボッシュ底下方正方坩堝「ハース」、砂岩裏打ち(図3)。内壁・外壁間砂・粘土・ガレキ、加熱冷却サイクル膨張収縮クッション。外壁2箇所大深アーチ。小アーチ通過2基5.5mふいごノーズ・2チュイエール、ブラスト高炉内送入。大アーチ下ハース作業エリア・鋳造床。坩堝/ハース液体鉄貯留槽機能。ハースベース460mm角、全高1.1mまで530mm拡大。下部突出部「フォアハース」、2壁・フォアストーン/ダム構成。セットバック上部ストーンカーテンウォール「ティンプ」、底端ダムより低位。ティンプ・ダム間隙からオペレーター鉄汲み取り型鋳造、鉄バー「リンガー」で壁付着・チュイエールノーズ周辺蓄積スラグこじ開け。摩耗保護でティンプ・ダム鉄板張り。スラグ除去: ダムストーン越え液体材料掻き出し「シンダーノッチ」位置。鉄タッピング: フォアハース側壁片端・ダム一端間狭隙間「タップホール」挿入粘土栓破壊必要。

複雑石造工事以外、高炉建設には木材・革工作業。高炉頂部・隣接崖間重量木材構造「チャージングブリッジ」連結。原材料株積み場崖上から手押し車、チャージングブリッジ経由高炉頂部へ。高炉頂部3面木製ウィンドスクリーン、煙・火花・時折炎噴出チャージングホールへ投入オペレーター安全避難所提供。高炉スタック地上レベル2面木製簡易構造「鋳造室」覆い。溝・型鋳造エリア、ふいごカバー提供。2ふいご、カムシャフト連結オーバーシュート水車相互往復駆動。ふいごカムメインシャフトでデフレート、カウンターウェイト(石詰木箱、可動ビーム搭載、鋳造室屋根穴通過)でインフレート。高炉消費: 鉄鉱石3トン、溶剤石2トン、木炭2.6トン/トン鉄生産。タップホール1日2回開放、各鋳造約450kg液体鉄除去。液体鉄単一溝流入、または砂型レードル注湯、鍋・フライパン・ストーブプレート等家庭用品製造。

上記木炭製鉄、1700年代まで向こう100年わずか変化。高炉スタック大型化、送風設備改良。典型的1700年代木炭高炉: 高さ9.1m、ボッシュ径2.4m増大。高炉大型化可能: 送風設備改良→高ブラスト圧力結果。ブラストシステム最初改良: 木製送風筒発明、角/丸、外部鋼バンド固定木樽類似。水車エキセントリッククランク、往復ピストンロッド・送風筒両側。筒内ピストン革シール。一方ピストン上昇一方筒空気圧縮時、他方ピストン他方筒下降。各筒頂部出口管共通ミキシングボックス接続、常時加圧。ミキシングボックス圧縮空気エアダクト/ブラストメイン供給、炉チュイエールへ。典型送風筒径1.8m、高1.8m、0.14kg/cm²ブラスト圧力生成。木製送風筒概念、1760年イングランドジョン・スミートンさらに前進。木製筒鋳鉄筒変換、最初水車駆動、1769年蒸気機関駆動。蒸気駆動送風機採用最初高炉1769年スコットランド建設。蒸気駆動送風機発明→高ブラスト圧力→鉱物燃料(コークス・石炭)更なる使用可能。1700年代改良で高炉生産1600年代1トン/日から1700年代末3〜5トン/日増大。鉱物燃料使用と合わせ欧州木炭炉急減、北米西部移住・豊富木材で木炭鉄能力増大。

1800年代、木炭鉄生産ピーク後衰退。1800年代半ば、ペンシルベニア・ミシガン上半島で高品質鉄鉱石発見、密林地帯。この地域建設木炭高炉最大・最高装備。スタック高13.7m、ボッシュ径2.9m。チュイエール2→3基増、炉3面各1、タップホール第4面。送風設備通常水平送風シリンダー、典型径1270mm、ストローク1.5m。エレベーター式プラットフォームホイスト、チャージングブリッジ置換、全鉄鉱石・溶剤標準チャージ一環計量。木炭尚大型手押し車体積充填。鉄製シェルプレート徐々に石造スタック置換、天然石裏打ちアルミナレンガ升級。

これら木炭炉導入主要技術改良: 装荷設備。元来原材料開口スタックトンネルヘッド通し投入。高炉操業者認識: 開口頂部炉2欠点。第一: スタック離脱可燃ガス捕集ボイラー燃焼不可。第二: 原材料分配炉操業非効率原因。1832年ドイツ最初試みガス捕集: チャージングホール上ヒンジ蓋設置、手押し車投入時のみ開放(図4)。炉側面上部スタック位置開口部追加、パイプ「ダウンカマー」装着、BFガス地上レベル搬送、補助機器燃焼用。

原材料充填非効率問題(BF操業非効率、高燃料率で記述)解決により複雑解必要、段階的進化。原因: 微細材料チャージングホール中心投入→炉中心部堆積、粗粒子炉壁方向転がり。結果炉周辺透過性高く、ガス・熱大部分壁面上昇。炉中心部材料ボッシュ領域未調整溶融到達、同時壁面過剰ガス流裏打ち摩耗増大。負荷分配問題解決最初試み: 「カップアンドコーン」充填装置導入(図4)。炉頂部給料チャージングホール固定逆円錐鋳鉄ファネル。コーン径喉部約50%。コーン内鋳鉄カップ、支点ビーム反対側カウンターウェイト吊り下げ。ウィンチカウンターウェイト接続手動カップ昇降。装置ガス捕集成功も粗粒子大量壁方向転がり残存。カップアンドコーン装置次改良: 炉内鋳鉄切頭コーン吊り下げ(図4)。原料ピーク壁寄り移動、粗粒子中心方向転がり可能、中心透過性・ガス流改善。

充填進化次のステップ: カップアンドコーン完全排除、下向き開口逆円錐吊り下げ(図4)。初ベル型高炉頂部。ベル壁面ピーク押し出し成功、周辺ガス流低減、中心ガス流増加、但ベル降下毎BFガススタック逃散。解決: ベルとチャージングホール蓋併用。手押し車投入時蓋開・ベル閉→ガス炉内保持。次蓋閉・ベル投下→ガス炉内保持、適正負荷分配同時達成。結果: 炉内物理化学反応効率向上、燃料必要量低減、生産性向上、耐火裏打ち摩耗低減。

高炉生産増大・設計改良多数で、液体製品(鉄・スラグ)除去課題化。木炭高炉生産期間1日1トン→25トン増大。高トン数、タップホール前単一溝1日2鋳造処理不能。鋳造室建屋サイズ約12m幅×21m長拡大。鋳造室鉄鋳造・スラグ除去別エリア分離。鉄除去側: 炉前面から鋳造室砂床へ下向き傾斜大型溝「トロフ」。2ランナー系分岐。各系メインランナー鋳造室長手方向平行。下り勾配ランナー定期ダム設置。各ダム手前直角小ランナー「ソウ」砂形成。ソウから多数空洞「ピッグ」派生。子豚母豚乳飲み列見える命名由来(図5)。鋳造室床湿砂D字木型押し付け複数平行列ソウ・ピッグ形成。鋳造時各ソウ・ピッグ液体鉄充填ごと、メインランナー砂ダムバー破壊、溶融金属下り次ソウ・ピッグベッド。2完結システム、高炉頻繁鋳造可能。片側充填中、他側ピッグ除去・ベッド再形成。

鋳造室他側スラグ除去用。スラグ常時ダム前面越えスラグランナー→スラグピット流入。炉前面スラグダム2分割、各半分別スラグランナー・スラグピット給料。スラグピット: 砂大窪地、底部リッジ。リッジ: スラグ凝固時除去時破砕点作用。一部鋳造室ジブ型木製クレーン、大型スラグ片吊り上げ使用。鋳造室オペレータースラグ層厚過ぎ認識時、液体スラグ中心バー差し込み。スラグバー周り冷却固縮時、ロープ/チェーン巻き付け大型スラグ片クレーン吊り上げ。スラグ除去も2完結システム、片側使用中他側清掃準備。

「鋳造」語源: 液体鉄が炉から「鋳出し(cast out)」される認識由来理解。鋳造操作2部分構成。第1部: 液体スラグ高炉内生成時、液体鉄上部浮遊、ティンプ・ダム間流入レベル到達→スラグランナー→ピット流入。第2部: 炉床ハース液体鉄除去。ブラスト停止→尖頭バータップホールへスレッジハンマー打ち込み開始。液体鉄トロフ流下各連続ソウ・ピッグ。液体鉄流停止→タップホール湿砂耐火粘土/砂石炭混合物手動栓塞。ブラスト炉復帰。

鋳造後、鋳造室オペレーターピッグベッド固化鉄除去。ピッグ冷却十分取扱可能→出荷派遣。サイクル1日6回繰返し、各鋳造4〜6トン生産。生産銑鉄種々グレード分類。木炭鉄低硫黄→タフ灰鉄鋳物→1800年代拡大鉄道必要レール・鉄道車輪製造用。

木炭高炉1800年代末期廃止、生産コスト鉱物ベース製鉄プラクティス競争対応不能になったため。

鉱物燃料ベース製鉄

木炭製鉄維持必要バージン森林枯渇で代替燃料源探索必要。代替燃料: ビタミナス炭、無煙炭、コークス、泥炭。コークス・無煙炭製鉄発展並行共存、1700〜1800年代木炭生産併存。ビタミナス炭・泥炭使用限定的、主要製鉄燃料に至らず。鉱物燃料製鉄開始: イギリス、木炭生産森林伐採最初発生地。

1708年アブラハム・ダービー、シュロップシャー小木炭高炉借受、1709年コークス生産開始。1709〜1718年、この炉でコークス木炭増加割合混合、1718年100%コークス使用。1750年まで定期コークス使用3基高炉ダービー家所有。1750〜1771年期間コークス使用拡大、計27基高炉コークス製鉄使用。コークス使用→鉄生産増大、木炭より強度高く、より多原料重量支持、高炉サイズ大型化可能。コークス高炉透過性改善、より大風量通過可能。大風量圧縮空気蒸気機関・送風シリンダー供給。

欧州大陸コークス使用緩慢拡散。ルクルーゾ(フランス)1785年、ゲヴィッツ(シレジア)1796年、セラン(ベルギー)1826年、ミュールハイム(ドイツ)1849年、ドネツク(ロシア)1871年、ビルバオ(スペイン)1880年。北米: 100%コークス燃料最初使用1835年ペンシルベニアハンティントン。ただし1797年から米国高炉コークス他燃料混合使用。

コークス・無煙炭効率的製鉄利用加速: 蒸気駆動送風設備使用、高炉吹込み空気予熱発明。19世紀初頭、寒風ブラストが銑鉄量質改善と信じられ(冬月生産多く、誤って低ブラスト温度理由と結論)。実際BF性能冬季改善: 空気湿度低く、与えられた風量でより多燃料燃焼支持されたため。

1828年ジェームズ・ニールソン、チュイエールへ予熱空気ブラスト供給発明特許。加熱装置: 簡易鍛鉄箱1.2m×0.9m×0.6m。外部加熱。この箱最大ブラスト温度93℃、チュイエール毎1箱必要。1832年ニールソン改良: フランジ接続大型炉、連続長30m、加熱面積22.3m²形成。固体燃料焚き、熱風温度140℃生成。以来熱風炉連続改良、1831年ディクソンより高炉、U字管採用、熱風温度315℃供給。1840年まで英国銑鉄約55%熱風生産。

熱風温度上昇→燃料必要量減少、高炉生産増大。しかし熱風設備多メンテナンス必要。レンガ炉内支持鋳鉄管、異なる膨張特性、複数割れ管発生。別問題: 寒風ブラスト用供給設備(ソリッドチュイエール、管間革継手)高温耐えられず。元来熱風システム問題: 固体燃料加熱炉コスト増大。これら問題さらなる熱風設備改良促進。第一: 固体燃料BFガス置換。初期原始熱交換器型熱風設備高炉頂部建設、廃熱単純利用鋳鉄管通過寒風予熱。次に炉頂BFガス熱風炉搬送燃焼熱生成。このタイプ熱風炉複雑化、垂直管多数列。鋳鉄管割れ問題: 管排除・耐火物使用解決。この方法で高炉1基当たり2〜4基ストーブ設置。1基加熱(BFガス燃焼)中、他基寒風加熱用熱放出。1854年カンブリア鉄工場、米国初再生式ストーブ採用。ストーブ: 鉄殻、内部耐火裏打ち、ブラスト用複数通路耐火物含有。典型設計ストーブ加熱面積186〜232m²。1857年カウパー・ホイットウェル製代表的。1875年建設ホイットウェルストーブ: 径6.7m、高9.1m、総加熱面積8546m²。六角形耐火チェッカー、鋳鉄チェッカーサポート、半楕円燃焼室初採用、チェッカー通過ガス分布改善。これらストーブ熱風温度454〜566℃供給可能。ストーブ設計基本今日まで継続、耐火物タイプ・チェッカー形状・ストーブサイズ小改良のみ。

熱風使用必要他設備改良: チュイエール・チュイエールストック設計。寒風炉用ソリッド鋳鉄/鋳銅チュイエール→中空円錐形鋳造水冷却チュイエール置換、内部水循環。送風機〜チュイエール管、寒風炉革継手→金属対金属シート再設計。熱風温度上昇→ブラストメイン・チュイエールストック内部耐火裏打ち必要、全体サイズ増大結果。

熱風使用コークス・無煙炭炉双方適用。新送風機ブラスト圧力増大→無煙炭木炭混合充填BF生産性改善発見。1886年(原文1986年誤植と思われる)東フランス寒風炉無煙炭使用最初試み。着火無煙炭微粒子化ブラスト遮断失敗。コークス製鉄・無煙炭製鉄進化1800年代米国並行。1826年ペンシルベニア小高炉無煙炭専用建設。そこでも他米国地でも失敗。1833年フレデリック・ガイセンハイナー博士、熱風実験無煙炭製鉄成功。1836年ペンシルベニアバレーファーネス100%無煙炭、1837年ジョージ・クレイン、南ウェールズ自高炉1基週産36トン無煙炭鉄生産。デビッド・トーマス、高炉無煙炭使用最成功製鉄師。1838年来米、1840年カタソークア高炉建設(図6)。炉ベース10.7m角、ボッシュ3.6m、高13.7m。石炭焚き熱風ストーブ、ブラスト315℃加熱可能。週産50トン良好鋳物鉄生産成功、無煙炭燃料高炉建設モデル採用。1856年まで米国121基無煙炭炉稼働。

他燃料も高炉製鉄試行。泥炭・ビタミナス炭。泥炭高炉木炭炉類似、典型6.7m超えず。泥炭物理的弱く、泥炭堆積地近接立地、製鉄進化主要役割果たさず。ビタミナス炭熱風導入前木炭補助使用。1830年代スコットランド熱風炉スプリントコール使用。1856年ペンシルベニア6基、オハイオ13基ビタミナス炭使用。ビタミナス炭製鉄時代実質1895年終了。高炉大型化・高ブラスト圧力で石炭微粒子化、主要勢力とならず。コークス最強・最入手容易燃料で100%コークス炉進化継続。初期挫折(低強度コークス probable)。1840年代蜂巣炉使用でコークス品質改善。1867年ノートン(イングランド)「モンスター」高炉建設。コークス炉高25.9m、ボッシュ7.6m、有効内容積735m³。米国大型コークス炉例1884年ピッツバーグ近郊エトナ炉。高21.3m、ボッシュ径6.1m、ハース径3.4m、7基178mmチュイエール、3基ホイットウェルストーブ、3基径2.1m送風シリンダー。日産: 1881年115トン、1882年161トン、1883年182トン。当時コークス炉設計、同期無煙炭炉と非常に類似(図6)。

コークス高炉更なる進化

100%コークス使用高炉進化、1872〜1913年主要改良。複数技術改良、ハードドライビングBFプラクティス中心: より強力送風機、高熱風温度、大型炉、優れた装荷設備、改良原料調整、クリーンBFガス生産。

送風設備設計・能力: ハードドライビングBF高生産化主要ステップ。送風シリンダー→大型蒸気往復動送風機置換、大幅大風量・高ブラスト圧力供給可能。ウォーキングビーム型蒸気凝縮式。蒸気シリンダーピストンロッド→ギャロウズビーム→クランク→重大径フライホイール連結。送風シリンダーピストンロッド→ギャロウズビーム他端連結、蒸気シリンダー1ストローク→送風シリンダー対応1ストローク。フライホイール蒸気シリンダー復行ストローク運動量供給。垂直配置送風シリンダー両端コールドブラスト管接続、行程両方向空気圧縮。此様圧縮空気コールドブラスト管離脱、コールドブラストメイン入、熱風ストーブ接続。此型送風機前: 通常ブラスト量210m³/分、ブラスト圧力0.28kg/cm²。此送風機: 456m³/分、0.64kg/cm²達成。1910年最終主要ステップ: ターボブロワー導入。最初ターボブロワー、ニュージャージー帝国製鋼高炉設置、636m³/分エアブラスト供給可能。此ターボブロワー現代ターボブロワー直系祖先、最大7500m³/分ブラスト量、4.00kg/cm²ブラスト圧力供給可能。

高生産性BF他主要改良: 装荷能力増大。1870年代水駆動エレベーター装備。1883年初スキップホイスト設置。スキップ20世紀大型化・高速化、バケット/車輪搭載カー両形態存在。1960年代初期一部スキップ充填システム大型コンベアベルト置換。

炉装荷能力改良含: 自動コークス充填システム、ストックハウススケールカー、2ベルトップ、回転式ディストリビューター(図6)。自動ストックライン測定1901年デビッド・ベイカー発明。1903年JEジョンソン、トップガス温度・分析測定開始。

1850年までに炉サイズ増大→炉頂閉鎖可能。単一ベル・ホッパー配置充填用、炉頂閉鎖密封維持。単一ベル・ホッパーシステム: 小ベル開放毎大量ガス逃散。すぐ第2ベル・ホッパー第1上部追加、2ベル間ガス密空間確保、小ベル開放時BFガス逃散防止。上部ベル・ホッパー下部同大必要なし、複数チャージ上部ベル経由下部ベル堆積、上部ベル閉鎖後下部ベル開放炉内投入可能。

負荷分配改善試み: 1990年代初期マッキー回転頂部。各スキップ材料小ベル充填後、小ベルホッパー60°/180°/240°/300°/0°回転。スキップブリッジ直下原料ピーク防止、不均一ガス分布・不均一裏打ち摩耗防止。次負荷分配改善試み: 1960年代末ドイツ。炉喉部可動パネル設置、鉱石/コークス別角度設定可能。可動アーマー多数高炉設置。

2ベルシステム長きにわたり世界高炉唯一充填システム、ルクセンブルクS.A.ポール・ヴルト社ベルレストップ(BLT)充填システム開発、BLT充填システム最初成功工業適用1972年。気密材料ホッパー、回転原料供給シュート、ホッパー排出時多数角度設定可能。結果: 各材料負荷表面ほぼ無制限配置可能、オペレーター最大燃料効率達成。

BLT充填システム2ベル充填システム置換、BFオペレーター多数利点提供。2003年ジーメンスVAIジンバルコンセプト充填導入。

BF継続改善・生産増大方向別試み: BFガス清浄化改善。チュイエールブラスト量圧力増大→炉頂排出ガス速度・量増大。更多フライアッシュ廃ガス搬送、除去不十分→ストーブチェッカーポ目詰まり→ブラスト量制限。ガス清浄化第1ステップ: 1880年代ダストキャッチャー導入。1892年軟質鉄鉱石導入→ドライタイプダストキャッチャー不十分。1909年アンブローズ・N・ディール、ウェットガス清浄化システム導入。9基高圧噴霧塔・4基ロータリーウォッシャー構成。1914〜1924年複数タワーウォッシャー(複数スプレーバンク・バッフル装備)各炉試行。ガスディスインテグレーター(高速回転ドラム含有)1907年試験。1929年静電集塵機USスチールサウスワークス成功使用。今日、タワー型ガスウォッシャー、ベンチュリスクラバー、ミストエリミネーター組合せ最一般的ガス清浄化設備。

最新ウェットガス清浄化設備: 環状隙間スクラバー、ガス清浄化兼トップ圧力制御。全ガス清浄化改良最終結果: ストーブチェッカーレンガ穴径減少・ストーブサイズ増大(汚れ目詰まり実質排除)。結果ストーブ加熱面積増大、現代ストーブ最大1270℃熱風温度供給可能。現代ガス清浄化設備可能トップ圧力制御→炉頂圧力最大2.3kg/cm²。高トップ圧力→ガス密度増大、ガス速度低下、炉内ガス滞留時間増大、ガス固体反応改善、還元ガス利用率向上、燃料率低減。

最近、新設・再建高炉、特に中国で、バグフィルターBFガスドライ清浄化広範適用。スクラバー・ベンチュリ管使用ウェットガス清浄化比ドライ清浄化複数利点。

1870年代後半以降高生産率追求→炉サイズ・構成変更強制。1870年代炉高22.9m。1880年BFサイズ高24.7m、ボッシュ径6.1m、ハース径3.4m。日産120トン、コークス率1574kg/トン。わずか10年1890年、スタック高28.0m、ボッシュ6.7m炉建設。日産325トン。さらに10年1901年、類似スタック・ボッシュ寸法、ハース径4.4m拡大炉稼働。日産463トン、コークス率1113kg/トン。サイズ増大伴う微妙変化: ボッシュ/スタック曲線低下、ボッシュ角度急峻化。この変化有害: 炉ボッシュ角度で負荷下降不良・スリップ発生。問題解決: これらサイズ炉ハース径1927年6.7mまで拡大。大ハース炉日産880トン、コークス率922kg/トン。初1000トン/日炉1929年稼働。ハース径7.6m装備。1955年グレートレイクスA炉世界最大、ハース9.2m、24チュイエール。次高炉サイズ増大飛躍: 1960年代日本旧式製鋼所再建期。今日、ハース径15m、40チュイエール、4〜5タップホール炉、欧州・アジアで一般的。

大型炉・高熱風温度・高駆動率伴う、優秀BF耐火裏打ち・冷却システム必要。1880年代典型: 高アルミナ40%・シリカ46%高耐火粘土レンガ。しかし1886年からドイツ高炉でC耐火物使用。

耐火技術比較的未知当時、裏打ち冷却が摩耗問題答えと見なされた。1880年頃同時並行、ボッシュ周囲パイプコイル/レンガ埋込冷却プレートで炉裏打ち維持努力複数。青銅ボッシュプレート最初使用: ジュリアン・ケネディ約1890年設置と信じられる。水冷ハースジャケット炉使用初期言及1882年。当時ハース側壁・ボッシュ冷却懸念、スタック冷却必要感じられず。

フリッツ・W・ルルマン(当時著名高炉技師)1892年「いわゆる耐火材料使用如何にかかわらず、高炉壁維持最良手段は冷却水」と意見。冷却水循環クーラー、高炉シェル・耐火裏打ち間上部設置、熱放射からこれらコンポーネント保護。一部炉ではシェルハース隣接部・炉底部も外部水噴霧冷却。

高炉冷却システム機能: 炉シェル冷却、過熱・後続バーンスルー防止。高炉内発生余剰熱除去、他weiseシェル負荷。冷却システム→シェル・裏打ち温度上昇防止。高炉シェル冷却様々方法存在。初期: 種々サイズ・数・設計冷却ボックス、外部冷却(噴霧冷却、二重シェル)併用、炉熱冷却媒体移転。鋳鉄冷却ステーブ高炉1900年代半ば稼働。鋳鉄ステーブ冷却元来ソ連発見、インド・日本初期伝播。1970年代鋳鉄冷却ステーブ世界的受容達成。鋳鉄ステーブクーラー導入以来、高炉冷却開発加速、今日現代大型高性能高炉極限応力条件適合多種クーラー利用可能。

高充填率も炉喉部摩耗加速。1872年炉喉部レンガ組み込み鉄/鋼アーマー建設。以降ストックラインエリア各種アーマー使用。

レンガ製造技術重要発展1900年代まで発生せず。1917年初機械製レンガ導入、密度・強度向上結果。1935年真空圧搾レンガ更なる品質向上。1939年超高耐火アルミナレンガ(アルミナ60%含有)初登場。1930年代ドイツ炉ハース炭素ブロック使用。今日多様アルミナ・炭素・炭化ケイ素耐火物BF裏打ち用利用可能。炉冷却・裏打ち改良で典型キャンペーン寿命: 1880年代2年→1990年代10年超延長。今日BFキャンペーン寿命さらに20年へ延長。

BF別領域: 生産増大強制変更鋳造操作。旧式ティンプ・ダム開放炉前不十分。1867年ルルマンフロント特許、ティンプ・ダム排除。水冷鋳鉄パネル、鉄除去用別開口部(依然タップホール称)、スラグ除去用別開口部(スラグ/シンダーノッチ称)。1880年代までにスラグノッチタップホールから90°回転変更。タップホールパネル・スラグノッチパネル両方水冷。2液体タッピングポイント分離→高生産率必要鋳造数増大対応、タップホール前面エリア完全ピッグベッド用利用可能、スラグピット炉側面周り移動(図5)。通常操業: 液体スラグレベルチュイエール接近時バーでスラグノッチ開放。スラグピット/特殊スラグカー流入。スラグノッチ風吹出し時手動ストッパー栓塞。鉄タップ間スラグタッピング→ハース液体鉄利用容積増大→大鋳造トン数結果。1880年代鉄鋳造プロセス前操業大差なし、ピッグベッド大型化、1909年スラグスカマー設置、トロフ流下鉄から浮上スラグ除去。

1896年EA・ウーリング発明PCM設置→鋳造室ピッグベッド完全廃止。次開放上部耐火レンガ張りレードル導入。約10〜100トン溶銑搬送、炉・鋳造室地上高架レードル鋳造室床下配置必要。ピッグベッド廃止もトロフ・ランナー残存、レードル用スパウト鋳造室追加。1915年初魚雷型レードル使用。鉄道搭載レードル90トン、1925年150トン増強。今日鉄レードル設計類似、最大400トン容量利用可能。開放型レードル鉄道搭載今日尚使用。

1890年以前タップホールバー・スレッジハンマー開放。1890年初空気岩盤ドリル使用。タップホール手動風停止炉栓塞→1914年HA・バーグ遠隔操作マッドガン開発、風オン状態粘土栓押し込み。1906年初酸素ランス、タップホールスカル溶解使用。現代高炉: 遠隔操作タップホールドリル、油圧マッドガン、鋳造室スラグ造粒ユニット、無制限鉄レードル供給用鉄チルティングスパウト進化。高炉サイズ依存1〜4タップホール、2〜6スラグピット装備。鋳造室ボトルネック除去→1929年初1000トン/日操業、1990年代12,000トン/日生産レベル導く。

1800年代末期開始急速進化平行改善活動線: 鉄鉱石調製。製鉄用鉄鉱石: 赤鉄鉱、鏡鉄鉱、磁鉄鉱、褐鉄鉱、化石鉱石、沼鉱石、炭酸塩等多地質形態。金属鉄含有量: 沼鉱石約30%〜一部赤鉄鉱72%範囲。全鉄鉱石地球他化合物混合、製錬プロセス望ましくない。1700年代鉄鉱石木炭露天/密閉窯焙焼/焼成開始。焙焼/焼成目的: 揮発成分(水、炭酸、ベタミナス物質)放出、鉱石軟化・亀裂、還元ガス透過性向上。1800年代鉄鉱石スクリーニング導入、炉内ガス透過性改善向け粒度厳密化。最初手動スクリーニング機器、1870年代蒸気駆動鉱石洗浄機: 1〜2ドラム、穴/スロット穿孔、微細物洗浄水と排出、最終粒度洗浄鉱石ドラム内部→手押し車/ストックパイル排出。

鉄生産増大→多地域純粋鉄鉱石枯渇→低品位鉱石採掘必要。望ましくない不純物含有、これら鉱石高鉄%濃縮法必要。1880年トーマス・エジソン、電磁分離器特許取得。ミシガン実証プラント建設、1889年磁性精鉱893トン生産。

タコナイト精鉱ペレット化パイロットプラント1948年建設。1956年商業規模タコナイト採掘・加工2操業ペレット生産。初ストレートグレートペレットマシン1956年、初グレートキルンペレットマシン1960年稼働。ペレット化技術米国から世界拡散。ペレット化最新進展: 生石灰・ドロマイト・オリビンペレット内導入、冶金特性改善→BF生産性・燃料率改善。

鉄鉱石凝集: ペレット化別ルート、1900年代早期焼結プロセス。焼結プロセス非鉄業界バッチプロセス起源、19世紀末。1950年代まで大部分焼塩基比1.0未満。しかし以降15年、塩基比1.0超塩基性焼結鉱→予め石灰分解済み溶剤源高炉導入→燃料率節約実現理解。

過去100年製鉄最終技術改良: チュイエールレベル注入剤。注入剤最初記録使用1871年、モルガン木炭炉チルドハース。ブラストチュイエール進入不能チルド材料、炉壁サラマンダー上部穿孔、大型チュイエール設置。コールオイル圧力トップからチュイエール通し管強制注入。6日7バレルオイル後サラマンダー溶解、炉順調稼働復帰。1900年代第1 decade ベルギー小高炉酸素注入初期試験。大規模酸素濃富化ブラスト最初使用1951年。純酸素注入メリット: 燃料燃焼能力増大→BF生産増大、炭化水素チュイエール注入剤更多使用可能。炭化水素注入剤進化1940〜50年代。1944年ウィリアム・L・ポーグ、石炭注入特許出願。1953年天然ガス注入実装。1960年代初期、1959年実験高炉試験大幅コークス節約実証後、多数製鋼社ランス通し油・タール注入開発。1967年まで多数高炉何らか燃料(主に粉砕石炭)注入使用。今日多く高炉燃料注入剤燃料率40〜45%使用。同時並行進化最終チュイエール注入剤: 水分注入。歴史的熱風温度制限: 過度高温燃焼帯→負荷下降不良。水分注入→コークス単独空気より急速消費、一酸化炭素・水素豊富・低密度ガス生成。これら因子→ガス固体間伝熱率、炉スタック負荷還元率向上→スムーズ運転炉結果。

水分注入・燃料注入・酸素注入組合せ→熱風温度増大許容、全チュイエールレベル変数活用→現代高炉生産性向上・燃料率低減さらに改善。

BF製鉄の科学としての進化

歴史的製鉄: 科学より技芸。初期製鉄師: 前世代から数年訓練で技術習得。製鉄実践多改良: 直感/純粋運基盤。しかし19世紀半ば、科学製鉄開発忍び寄る。

ドイツカール・シンツ: BF内部起こる化学物理現象初期研究者。BF操業定量的物質・エネルギーバランス試み、正確熱力学データ欠如で厳しく制約。実験室実験熱容量・生成熱決定、鉄鉱石還元性最初決定者と見られる。BF異なるゾーン定義、各ゾーン主要化学反応定義。成果1868年公表。

サー・ロシアン・ベル、1800年代末期、今日認識複数原理提唱。1872年著書出版、BF製鉄最初教科書認識。1884年、スラグ成分機能・融点影響文書化最初と見られる。BFスラグ複雑構造、良好流動性・脱硫能力もたらすスラグ組成範囲存在観察。最大貢献: 化学反応理解。CO・CO2重要性認識、Fe-O-C系平衡定義開始。さらにベル: 鉄鉱石予熱・予備還元、これら反応起こる炉スタック重要性論じる。BF操業炭素・酸素・窒素バランス作成、投入炭素一部「溶解損失」反応CO2でスタック消費示す。

ベル同時代人: フランス冶金学教授ML・グリュネル、ベルBF熱収支決定手法拡張、多数異なる炉操業比較。BF最小燃料率: 溶解損失排除達成時と信念。

JEジョンソン・ジュニア: BFプロセス探求初米国科学者、1900年代初頭BF設計・操作2著書出版。熱力学第1・第2法則製鉄適用、ブラスト温度燃料率影響説明。臨界炉温度存在仮定、最小熱量必要以上。此最小熱量「ハースヒート」命名。1913年出版著書: BF内化学反応・等温線図示。臨界温度・ハースヒート概念適用→炉操業者BFプロセス合理的・予測可能と確信深化。

1920〜1930年期間、BF内固体・ガス流れPH・ロイスター、SP・キニー、CC・ファーナス、TL・ジョセフグループ集中研究。物理化学現象BF内理解目的、操業炉サンプリング・プロービング必要と判断。小実験高炉開始、商業炉拡大。研究結果: ガス・固体流れ水平面何れも不均一、炉スタックガス固体接触改善→製鉄プロセス効率大幅向上可能示す。ファーナス・ジョセフ継続研究、原料サイズ・還元性ガス固体反応クリティカル決定。重要業績→負荷分配理解、還元性・透過性影響鉄鉱石粒度最適化へ導く。

1962年R・ステファンソン、溶解損失役割説明。以前: CO2と炭素反応CO生成=燃料浪費と考え。ステファンソン指摘: 鉄酸化物還元=間接還元+直接還元組合せ、間接還元後溶解損失=直接還元。これら考慮→全間接/直接還元組合せ炭素率、溶解損失関数としてプロット可能「炭素-直接還元図」。1960〜70年代初期、これらBF理論最良応用日本実践。現在日本改良大型高自動化高炉形で他地域拡散。

鉄製錬技術理論・実践、過去4000年長い道のり。鍛冶場スポンジ鉄→1300年代高炉液体鉄移行: 製鉄技術前進第1主要ステップ。寒風木炭炉→1800年代半ば熱風コークス炉移行: 製鉄現代時代到来。製鉄反応理解深化・設備改良→1880〜1900年代中心ハードドライビング炉操業進化。最後に、製鉄科学的応用革命、高度設備設置、電子制御システム出現→現在約12,000トン/日高炉、燃料率460kg/トン未満操業実証状態へBF製鉄加速。