I.

プロローグ

溶鉱炉で、鉄鉱石から銑鉄をとりだす工程を製鉄、とくに銑鉄にするとき製銑といい、さらに炭素の含有量をさげて、鋼にしていく工程を製鋼というが、製鉄というときには、製鋼までをふくむことも多い。現在の高炉会社は、製鉄所の中に、製鋼、圧延(→ 圧延機)、表面処理(→ 表面処理鋼板)など、一貫した設備をもっている。そのため、銑鋼一貫体制という。炭素やケイ素、リンなどの含有量を少なくする工程は、とくに吹錬(すいれん)という。

II.

製鉄の歴史

鉄は、銅にくらべると、融点が高く、鉱石からの製錬がむずかしい。そのため、人類が利用した金属としては、銅のほうが先だった。銅は、水や酸素と反応しても長期にわたって原形がのこるが、鉄は、条件によっては、完全になくなってしまう。そのため、正確に鉄の起源を確定しにくいということもある。→ 金属器時代：青銅器時代：鉄器時代

1.

鉄使用の起源

人類が、鉄鉱石から鉄を製造する技術を、いつごろ発見したかは不明である。おそらく前4000～前3000年には、すでに鉄という材料を知っていたと考えられている。エジプトで発見された鉄製の道具は、前3000年ごろのもので、装飾品としては、それ以前からつかわれていたと推定される。しかし、初期の鉄器は、成分分析の結果、自然の状態で鉄合金になっている隕鉄(→ 隕石)を原料にしたものが多い。

2.

製鉄のはじまり

鉄鉱石から鉄をとりだす方法は、前3000年ごろには発見されており、現在のトルコ中部のアナトリア(→ 小アジア)地方では前1400年ごろに製鋼技術が発見されていた。鉄で道具や武器をつくるようになると、銅や青銅にかわっていった。

小アジアより西では、中世まで錬鉄がつかわれたが、中国では紀元前から銑鉄を材料とした鋳物(鋳鉄)などがつくられ、鋳造技術が発達した。その理由はさまざま推測されているが、中国では、青銅の溶解や陶器の製作で、炉を高温にする技術が発達していたことや、石炭をつかうことが原因だと考えられている。

錬鉄は、完全に溶融させて精錬するのではなく、高温でやわらかくなった鉄を、ハンマーでたたいて不純物を除去するもので、炭素がとけている量は少なく、やわらかい鉄しかできない。これにくらべ高温で完全に溶融してつくる銑鉄は、多量の炭素をとかすことができ、かたい材料になる。

日本列島では、各地の発掘調査から、縄文時代終末期に大陸から鉄器がつたわってきた。やがて製鉄がはじまり、九州から中国地方、近畿へとつたわっていったと推定されている。本格的な製鉄は古墳時代の5世紀ごろにはじまる。→ たたら

3.

ヨーロッパ中世の製鉄

14世紀ごろまでに、鉄職人がつくった鉄合金は、今日の基準ではすべて錬鉄(鍛鉄)に分類される。そのような合金は、鍛冶場(かじば)や通風口のある炉で、大量の鉄鉱石と木炭(→ 炭)をもやしてつくられた。この工程で鉄鉱石は、金属の不純物と木炭の灰がかたまった鉱滓(こうさい：→ スラグ)とスポンジ状の金属鉄に変化する。このスポンジ状の鉄は白熱しているうちに炉からとりだされ、大きなハンマーでたたいて、鉱滓をのぞき鍛造する。

こうした条件で製造された鉄には、ふつう鉱滓の粒子が約3%と、ほかの不純物が0.1%ふくまれていた。この製鉄技術により偶然に、鋼ができることもあった。その後、鉄職人は、粘土でつくった入れ物の中で、数日間錬鉄と木炭をもやして鋼をつくるようになった。この操作で、鉄はじゅうぶんに炭素を吸収して、本物の鋼になる。

3.A.

高炉の誕生

14～15世紀にかけて、ライン川の中流域で高炉法(→ 高炉)が誕生し、16世紀にはイギリス、フランス、スイスなどに広まった。これは縦に長い炉で、木炭を燃料として下から送風する。高炉が大きくなるにつれ、原料を混合した装入物全体に燃焼によるガスが吸収されるように、通風量をふやすことが必要になり、水車がつかわれた。

大型の炉では、上の鉄鉱石は、はじめに金属鉄に還元され、次に送風されるガスから多くの炭素をとりこんでいく。このような炉からできたのが銑鉄であり、鋼や錬鉄より低い温度で融解する。銑鉄は、鋼をつくるためさらに精錬される。

III.

銑鉄の製造

銑鉄の製造に使用される基本原料は鉄鉱石、コークス、石灰石(→ 石灰岩)である。コークスは、もやされて炉を加熱するとともに一酸化炭素を放出し、その一酸化炭素が鉄鉱石の酸化鉄と反応し金属鉄にかえる。これが高炉内でおこる基本的な化学反応であり、次のような化学反応式であらわされる。

Fe2O3 + 3CO = 3CO2 + 2Fe

炉の中で、石灰石は一酸化炭素の追加発生源として、また、鉄鉱石の中に存在する不溶解性の二酸化ケイ素と化合して、溶解性のカルシウムケイ酸塩をつくるための溶剤(→ フラックス)としてつかわれる。石灰石がないと鉄ケイ酸塩が生成され、鉄の収量がさがる。カルシウムケイ酸塩とほかの不純物は、炉の上部にうかぶ鉱滓を生成する。高炉で製造された通常の銑鉄には、鉄約92%、炭素3～4%、ケイ素0.5～3%、マンガン0.25～2.5%、リン0.04～2.0%、そのほか微量の硫黄や酸素、窒素がふくまれている。

1.

錬鉄

錬鉄は、強靭(きょうじん)で鍛造できるが、その生産にもちいられたパドル法では多大な手作業を必要としたために大量生産は不可能であった。その後、平炉や転炉が開発され、小さな製造コストで均質な鋼が大量に製造されるようになり、ほぼすべての分野でとってかわられた。

1.A.

パドル法

18世紀後半に開発されたパドル法の炉は、低いアーチ形の屋根がつき、原料がおかれるくぼんだ炉床は、石炭がもやされる燃焼室とは1枚の壁でへだてられている。燃焼室の炎はその壁をのりこえアーチ形の屋根に達し、炉床の原料に「反射する」。炉が点火されて適当な温度になると、パドラーとよばれるパドル炉の作業者は、炉床と炉壁に、赤鉄鉱などの酸化鉄をペースト状にしたものをぬって、内壁をつける。次に炉には、300kgほどの銑鉄が装入され、装入口が閉められる。約30分後に鉄が溶解すると、パドラーは原料にさらに酸化鉄をくわえ、まがった鉄の棒で、それを銑鉄とまぜあわせる。この動作がパドルで船をこいでいるようなので、パドル法という。

銑鉄にふくまれていたケイ素とマンガンの大部分は酸化し、硫黄とリンの一部が除去される。それから炉内の温度がわずかに上昇し、炭素は燃焼、酸化してガスとなり、ガスが放出されるにつれ、鉱滓がふくれて分離する。炭素が燃焼してガスとしてぬけてしまうと融点は高くなり、流動性をます。

鉄の純度が高まるにつれ、成分が均一になり粒子がよく結合するように、パドラーは鉄の棒で原料をかきまわす。その結果できあがったスポンジ状の鉄は、ボールとよばれる100kg弱の塊にわけられる。ボールは火箸(ひばし)で炉からかきだされ、すぐに絞り機にかけられる。絞り機では、ボールにまじっているケイ素質のスラグが大部分とりのぞかれ、鉄の粒子が完全に結合する。この状態の鉄を平板に切断したものをつみかさね、加熱して個々の板が接合したところで、それを圧延して1枚の鉄板にする。この圧延工程は錬鉄の品質を高めるため、何度かくりかえされることもある。

2.

ほかの製鉄法

現代の世界各国で製造される鉄と鋼は、ほとんど高炉で生産された銑鉄を原料にしてつくられたものだが、このほかにも鉄を精製する製法があり、かぎられた範囲内でつかわれている。

2.A.

直接還元法

銑鉄をつくらず、鉄鉱石から鉄と鋼をつくる直接還元法がある。この製法では、たとえば、鉄鉱石とコークスを回転する炉の中でまぜあわせ、約950°Cに加熱する。高炉法と同じように、熱せられたコークスから一酸化炭素が放出され、その作用で酸化した鉄鉱石が金属鉄にかわる。しかし、高炉でおこる炭素を吸収する2次反応はない。この製法で製造された鉄は、銑鉄よりはるかに純度が高い。→ 直接製鉄法

2.B.

電解法

塩化第一鉄(→ 塩化鉄)などの溶液に電流をとおし、電気分解で純鉄をつくる方法もある。電気分解法は、試薬などで高純度の鉄が必要なときや、特殊な用途の鉄をえるために利用される。