この記事の内容は、下記の質問にお応えます。
- 鉄の製造プロセスとは?(鉄の種類は色々あるが、どのように作り分けてるのか、解説)
- 鉄の原料とは?(コークスと焼結鉱はどのように製造されているのか、解説)
- 還元作用とは?(鉄を作り出すためのに必要な化学変化、還元作用について、解説)
- 転炉の重要性とは?(転炉ではどんな働きがあるのか、解説)
- スラグの正体とは、(不純物はどうして出てしまうの?)
- 炭素含有量は、どのように調整されているの?
- 圧延加工とは?(鉄板 形鋼 丸鋼 角鋼 どのように製造されてるのか、解説)
- 熱間圧延加工と冷間圧延加工の違いとは?
- 黒皮=酸化被膜とは?(圧延鋼材の黒皮の正体とは?)
![組立君](https://kikaiyacircle.com/wp-content/uploads/2023/05/23265285-150x150.jpg)
監督〜!
今回は、鉄の製造工程の解説なんですよね〜
質問が2つありました。
1)鉄の炭素含有量は、どのように調整しているのか?
2)圧延加工とは、どのような加工なのか?
詳しく解説をお願いします。
前回の解説で、浸炭焼入れを解説してもらいましたが、
木炭の炭を、炭素(C)として、抜き出して、鉄(Fe)に、固溶させれば、
Fe Cの出来上がりじゃないですか〜!?
その時に、多くの炭素を固溶させれば、鋳鉄になるし、少なくすれば、鋼のレンジに
なるんじゃないでしょうか?
![現場 監督](https://kikaiyacircle.com/wp-content/uploads/2023/05/aa3fe89ddaca2c63ea288ff475fb3faf-150x150.png)
いいポイントに着目しとるやないか〜
確かに、木炭から炭素を抜き出して、
鉄(Fe)に、ぶっ込む発想は、悪くないと思うで〜!
やりよるな! 組立君!
しか〜し、ちょっと違うんやな〜!
今回は、鋼の種類を解説する前に、鉄の製造工程をザザ〜と解説して、
レベルを上げていこうか〜
機械屋としては、鉄の製造プロセスには、あまり興味がないかと思うが、
必要な分だけでも、知識として、入れとこうと思うんや!
ほな早速、解説いくで〜!
レベル1 鉄の原料とは
一般社団法人日本鉄鋼連盟 https://www.jisf.or.jp/kids/shiraberu/index.html
まず、この資料から解説するで〜
鋼材が出来るまでのプロセスをまとめた図解や!
鉄の主原料は、コークスと焼結鉱やな!
まず、コークスとは、石炭をコークス炉で、蒸し焼きにしたものを言うんや!
石炭をそのまま燃やせば良いのにな〜!って、思うけどな〜
普通に燃やすと、ガスが発生して、燃えまくるんやけどな! 煙もでんねんな〜
学生時代にこんな実験した事ないか〜!?
![](https://kikaiyacircle.com/wp-content/uploads/2023/10/a2da79a7262a528837f110de4ab7e5df-1024x576.jpg)
左上の試験管の中で、割り箸(まき)を、蒸し焼きにする実験やで〜
薪の中身は、酸素、窒素、水素、炭素を含む有機物なんやけどな!
薪に火をつけて、燃やすと、キャンプファイヤーやな!
ガスが発生して、ボーボーー燃えよるんや!
化学反応で言うとやな!水素は、酸化して、水になり、蒸発すんねん!
炭素は、燃えて、酸化して、二酸化炭素へ化学変化するんや!
残りの炭素は、カルシウムと一緒になり、灰になるねん!
蒸し焼きにする理由は、酸素が少ない状態で、蒸し焼きにすると、料理で言うとグリルやな!
酸素があれば、酸化して、CO2の大発生や! 酸素がなければ、CO2の発生がなく
一酸化炭素は発生するが、炭素が残るねん
だから、木炭には、炭素(C)が、ぎょうさん入っとんねん!
これを、石炭でも同じことが言えて、炭素がぎょうさん詰まったのが、コークスやねん!
試験管の実験のように、ガスは発生してるけどな、コークス炉で、ガスjは、回収されてるんや!
木炭もコークスも、特徴としては、
煙が少なく、長時間、熱を保持して、火力が安定してるんや!
そして、焼き固めてるから、コークスは、硬いねんな!
この硬くて、壊れにくいが、重要やねん!
コークス炉では、図解の右側のように、木炭を窯に入れて、窯の中を密閉して、最小限の酸素で
窯を外から燃やし、中の薪を、蒸し焼きにすることで、木炭ができるんやけど、
コークス炉では、同じことを、石炭で行ってるんや!
焼結鉱(鉄鉱石)は、粉状の鉄鉱石と粉コークスを、焼き固めることで、製造されてんねん!
焼結とは、焼き固めること!
JFEスチール株式会社 https://www.jfe-steel.co.jp/release/2018/02/180227.html
焼結設備は、上記の感じやな!
パレットに、焼結原料(粉鉄鉱石と粉コークス)を、敷き詰
めて、バーナーで点火して
燃やすねん! パレットの下側は、5mm以下の隙間があり、風通しがいいねん!
左側の点火炉で、着火すると、コークスが燃えて、バチバチ温度が上がるんや
パレットの下から空気を吸うことで、上から酸素が吹き込まれ、
コークスが鉄鉱石の中で、よく燃えながら、左から右へパレットは進んでいくんやけど、
右側に進むにつれて、だんだん、冷めて固まっていくんや!
パレットが右の端まで進むと、焼き固められた焼結鉱が、冷めてやな〜
パレットから落ちた時に、破砕機で破砕されて、次の工程で、規定の大きさに、篩い分けられて、
高炉へ運ばれるんや! 5㎜以下の粉の焼結は、高炉にはいかず、再度、リサイクルされんねん!
要は、鉄鉱石もコークスも粉状のものは、必要なく、破砕と篩い分けにより、
規定の大きさ(5mm以上)を揃えることが、重要やねん!
レベル2 高炉の還元作用
![](https://kikaiyacircle.com/wp-content/uploads/2023/09/e65c5b12e8a354f741db64221b9d97d4-2-1024x576.jpg)
鉄の原料である(焼結鉱とコークス)を、高炉内に、層になるように、敷き詰めんねん!
その時に、重要なんは熱風が充満するように、敷き詰めた焼結鉱やコークスとの隙間が
必要やねん! 敷き詰めるからな! 硬度(硬さ)も必要やねんな〜!
重ねて敷き詰めるからな、押しつぶされると粉状になるやろ!
そしたらな! 熱風が通り難くなり、温度が上がらへんねん! だから、硬さが重要やねん
高炉内は、化学反応のオンパレードや!
酸素を含んだFe2O3が、還元されて、鉄となるんや!
還元とは、酸化の逆で、酸素がなくなることや!
①コークスは、高炉内で燃えて、酸素と反応して、二酸化炭素になり、
②二酸化炭素と炭素(C)の反応で、一酸化炭素ができる
③一酸化炭素と鉄の還元反応で、鉄と二酸化炭素ができるねん!
まとめると、図解の右下を見て欲しいんや
鉄にくっつていた酸素(O)は、一酸化炭素と結びつき、二酸化炭素となることで、
鉄が現れるんや!
まさに、浸炭焼き入れの時の、化学反応のオンパレードと同じやな!
浸炭焼入れも、高炉の還元作用も、鉄にくっ付いている酸素が反応して、
(還元)されて、鉄が出てくんねん!
この高炉の下から出てきたのが、ドロドロに溶けた銑鉄やねん!
この時の銑鉄(ドロドロに溶けた鉄)には、炭素が4%〜5%含まれてるんや!
要は、炭素の含有量が、この時点で、4〜5%あり、鉄の分類で言うとやな!
鋳鉄のレンジにあるんや!
鉄鉱石を高温で加熱すると、コークスの炭素が、鉄と固溶して、
炭素含有量が多い、鋳鉄系の材料の出来上がりやねん!
重要なんは、次の工程や!
レベル3 転炉(炭素量の調整と不純物の除去)
![](https://kikaiyacircle.com/wp-content/uploads/2023/09/8065a2f4339f34c549a87958acf40f7c-1024x576.jpg)
転炉の役割は、2つあるんや!
1つ目が、精錬にあるんや! 精錬とは、不純物の除去の意味やな!
鉄には、リンや硫黄などの炭化物があるのは、前に説明したと思うけど
5大元素の中の2つの元素や! この2つの元素は、鋼になる過程では、含まれる量に、
規定があるんやったな! 多く含まれると、強い鋼にはならないんや!
右側の図解を見て欲しいんや
転炉内では、生石灰が入れられ、この2つの元素と化学反応を起こして、不純物のスラグとして
浮き上がってくるんや! 要するに、純度のいい鉄と、不純物のスラグに分けられるんや
これが、めっちゃ重要やねん!この反応が上手くいかないと、不純物が混ざった鉄になり、
炭化物(リンや硫黄)が混ざると鉄は強くならないんやな〜
2つ目が、炭素含有量の調整や! 転炉ないに酸素を吹きこむ事で、FeCの炭素(C)が、
酸素(O)と反応して、抜き取られて、炭素含有量の少ない鋼のレンジになるんや!
![組立君](https://kikaiyacircle.com/wp-content/uploads/2023/05/23265285-150x150.jpg)
監督〜! わかりましたよ〜!
製鉄のプロセスの高炉では、
鉄の中の酸素を化学反応(還元)によって、取り除くんですね。
2200度になった銑鉄は、高温状態で、炭素と固溶してるんですね。
その時の炭素含有量が、4%〜5%なんですね。
と言うことは、銑鉄は、硬くて脆い状態なんですね。
![現場 監督](https://kikaiyacircle.com/wp-content/uploads/2023/05/0d8f1ae7021ad4fbdb1b2b84d4c9d028-150x150.png)
そう言うこっちゃな! やはり、よく理解しとるやんか! さすがやな〜!
Fe C系の平衡状態図の解説は、鋼材編で、詳しくやってるけどな、
転炉内で、炭素の含有量の調整が行われて、鋼の炭素含有量になるんや!
例えば、S45Cなら、炭素含有量が、0.42〜0.48%のように調整され、
SCM435なら、炭素含有量の調整とモリブデンの添加物の添加も
この転炉で行われてるんや!
![組立君](https://kikaiyacircle.com/wp-content/uploads/2023/05/23273891-150x150.jpg)
そうだったんですね!
鉄鉱石を高温で溶かすと、鉄(Fe)とコークスの炭素(C)とが、固溶して、
高い含有量の鋳鉄系のレンジになるんですね。
1つ目の質問だった 炭素の含有量の調整は、この転炉での精錬にあるんですね。
![現場 監督](https://kikaiyacircle.com/wp-content/uploads/2023/05/aa3fe89ddaca2c63ea288ff475fb3faf-150x150.png)
そうゆうこっちゃな!
なので、入れていくんじゃなくて、抜いていくのが、答えだったんやな〜!
転炉内で、炭素の含有量の調整や、精錬(不純物の除去)、添加物の調整を行なった鋼を
連続鋳造設備で、ビレットやブルームやスラブと言った形の綱片に鋳造加工されるんや!
鋳造加工は、鋳物(いもの)の製造方法だったな! 鉄をドロドロに溶かして、型枠に流し込んで、
型枠内で、冷やすことによって、整形する加工方法やったな!
ここまでが、製鉄の第一段階やな! この鋼片が、最終加工前の鋼の半製品状態や!
最終加工では、板状や棒状、パイプ状などに、最終加工されるんやけど、
ここ(連続鋳造設備)では、最終加工しやすい形状と大きさに粗加工されるんや!
それが、スラブ、ブルーム、ビレットやねん!
![組立君](https://kikaiyacircle.com/wp-content/uploads/2023/05/23265285-150x150.jpg)
このスラブは、鋳造加工で、一度、ドロドロの液状になるけど、
整形されて、冷やされた状態では、平衡状態図の鋼のレンジになり、
組織は、フェライト組織とセメンタイト(Fe3C)になってるんですね。
![現場 監督](https://kikaiyacircle.com/wp-content/uploads/2023/05/8783d37f64547c5bff69e11e34333d67-150x150.png)
そうゆうこっちゃ! またまた、理解が爆裂の炸裂やんけ〜
俺の解説が、追いついとらんやんけ〜!
その通りや、スラブやビレットは、各材質によって、炭素含有量や
添加物によって、材質は、違うけどな! 組織は、セメンタイト組織なんや!
炭素の含有量によって、パーライトやセメンタイトの量が違ってくるんや!
最後に、出てくるのが、圧延加工なんや!
これが、質問の2つ目の答えや! どんな加工かと言うとやな!
レベル4 圧延加工
圧延加工とは、半製品であるスラブやビレットを加熱炉で、再び熱した状態で、2つのローラーの間を
通すことで、整形していく加工方法や! 加熱するが、加工しながら、徐冷されてんねん!
一般社団法人日本鉄鋼連盟 https://www.jisf.or.jp/kids/shiraberu/index.html
鉄板は、この様に、大きな上下のローラーを通すことによって、規定の厚さに加工されてんねん!
H鋼の様な、形鋼も、この圧延機によって、整形されてるんや!
http://www.jfe-21st-cf.or.jp/jpn/chapter_3/3d_1.html KAWASAKI STEEL 鉄鋼プロセス工学入門
熱間圧延加工と比較される加工方法に、冷延(れいえん)加工があるんや!
読んで字の如くなんや! 熱間圧延加工は、加熱炉で加熱してから圧延機にかけるけど、
冷延加工は、加熱炉に入れないで、そのまま延ばして、加工するんや!
一般社団法人日本鉄鋼連盟 https://www.jisf.or.jp/kids/shiraberu/index.html
違いは、温めた状態の方が、ビヨ〜〜んと伸びていくがな〜!
冷たい状態だと、伸びにくいんや! だからな! ゆっくる、少しずつ伸ばしていくんや!
要は、加工に必要な力と時間が、熱間圧延加工の方が小さくて、少なくて済むんや!
他の違いはと、言うとやな〜!
![組立君](https://kikaiyacircle.com/wp-content/uploads/2023/05/23273885-150x150.jpg)
その違いは、熱影響にあるんじゃないでしょうか????
材料によっては、熱膨張してしまい、加工精度にバラツキが
出てしまうとか???
![現場 監督](https://kikaiyacircle.com/wp-content/uploads/2023/05/aa3fe89ddaca2c63ea288ff475fb3faf-150x150.png)
その通りや! ホンマ! やりよるな!
詳しく、解説するで〜!
まず、予想の通り、加工精度は、冷間圧延加工の方が、精度はいいんや!
熱間圧延だと、熱影響があるので、材料によって、線膨張係数があり、
熱影響を受けまくるんやったな!
要は、熱を入れると、歪みが出るんやったな!
あとは、900度から1200度まで加熱するからな、加工中に、鋼材の表面は、空気中の酸素と反応して
酸化被膜ができてしまうねん! 鋼の表面は、綺麗な光沢がなくなり、寸法精度も落ちる原因に
なってしまうんや! この酸化被膜が、黒皮ちゅうやつやな!
冷間圧延加工は、酸化被膜ができないので、表面は、綺麗な光沢があるんやで〜!
冷間圧延加工のデメリットは、加工(延ばす)の難しさと、もう1つは、
冷たい状態と言っても、冷やすわけではなく、常温で加工するんやけどな〜
何度も加工機にかける必要があり、時間も必要とするんやけどな!
加工硬化してしまうねん!
加工硬化とは、加工途中に、硬度が上がってしまうことなんや!
![組立君](https://kikaiyacircle.com/wp-content/uploads/2023/05/23265303-150x150.jpg)
え〜〜〜! 熱影響を受けていないのに、硬くなるんですか〜〜!!??
![現場 監督](https://kikaiyacircle.com/wp-content/uploads/2023/05/0d8f1ae7021ad4fbdb1b2b84d4c9d028-150x150.png)
加工硬化は、熱影響とは、ちょっと違うんや!
例えば、組立君は、針金を切るときに、ニッパーや切断器がない時に
どうやって、切る??
![組立君](https://kikaiyacircle.com/wp-content/uploads/2023/05/23273894-150x150.jpg)
うむ〜〜! 難しいですね。
ニッパーで切るのが、簡単ですが…
クネクネ、何度も同じところを曲げて、強引に切断したことがあるます。
![現場 監督](https://kikaiyacircle.com/wp-content/uploads/2023/05/aa3fe89ddaca2c63ea288ff475fb3faf-150x150.png)
それが、加工硬化や!
同じ箇所を、何度もクネクネ=加工しているとやな、鉄は、硬くなるんや!
硬くなる=脆くなるんやったな!
あの針金の切断、クネクネ & ボキッとは、
加工硬化して、硬くなり→脆くなる
脆性破壊なんや! 脆性とは、脆くなることやったな!
![組立君](https://kikaiyacircle.com/wp-content/uploads/2023/05/23273891-150x150.jpg)
そうだったんですね。
その脆性が起こってしまうんですね。
それは、冷間圧延加工の製品にとっては、よくないじゃないですか?
使用中に、ポキッと破壊してしまうんじゃないですか〜!?
わかりました! 硬化したのなら、弱くすればいいんじゃないですか??
あれですね。強いから弱いのイメージの熱処理!!
![現場 監督](https://kikaiyacircle.com/wp-content/uploads/2023/05/aa3fe89ddaca2c63ea288ff475fb3faf-150x150.png)
そうや〜〜〜〜!
そ〜れ〜は! 完〜全〜に〜〜
焼きなましやな〜!
なます=怠ける=弱くするんやったな!
やりよるな! 組立君 答え言うてもうたやないか〜〜〜!
![組立君](https://kikaiyacircle.com/wp-content/uploads/2023/05/23265285-150x150.jpg)
監督〜! 思いだしましたよ!
熱処理の4つのうちの1つでしたね。
焼きなましですね。
これで、圧延加工もクリアーになりました。
ここでも、熱影響が関わってくるんですね〜!
あと、炭素の含有量についても、完〜全〜に、理解しました。
ありがとうございます。なんか、スッキリした感じです。
![現場 監督](https://kikaiyacircle.com/wp-content/uploads/2023/05/0d8f1ae7021ad4fbdb1b2b84d4c9d028-150x150.png)
とうとう、ここまできたか〜〜って、感じやな!
これまでの解説の理解があれば、鋼材に関しては、
ほぼ完了したも同然や!
次は、鋼材の種類を解説するで〜!
鉄の製造プロセスは、組立工に関係がないと思うけどな、
転炉での不純物を取り除く為の精錬は、溶接で重要な要素となるんや!
生石灰と炭化物(リンや硫黄)とを化学反応させて、分離する方法やけど、
これが、めっちゃ重要なんやな〜
覚えといてや〜 では、次の解説も期待しといてや〜
鉄の分類とは、純鉄、鋼、鋳鉄に分類されること、鉄の炭素含有量によって分類されている