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平炉法

鋼をつくる方法の一つに平炉法があります。
平炉法は現在もよく使われている方法で、イギリスのジーメンスが考えだしたものです。

平炉は、平らな丈の低い炉で、左の図のような構造をもった反射炉です。
この中で、銑鉄・酸化鉄・くず鉄などを原料として重油やコークス炉ガスなどを燃焼させて熱します。

この燃焼ガスは、廃ガスによって、あらかじめ熱せられるようになっているので、炉内の温度を1700℃ぐらいにあげることができます。

原料中の不純物は、ガスの炎で熱せられ、酸化されて取り除かれます。
このようにして、原料は精練されて鋼になります。

平炉法でできた鋼の成分と、原料銑鉄の以分の違いは、表のようになります。

転炉法

転炉法は、イギリスのべッセマーが発明したものです。
これはべッセマー法ともいわれ炉の底の穴から、酸素や空気をふきあげる方法です。

しかし、現在、日本においては、LD転炉という炉を使う方法がもっともよく使われています。

これは、耐火性の物質で内張りした炉の中央に管を入れ、この管から酸素を吹き込んで洗練します。
炉は中央を軸にして回転できます。

原料としては、溶鉱炉からとりだされたばかりの銑鉄が、おもに使われます。
銑鉄は溶けたまま転炉の中に入れられ、上から純粋な酸素がおくられます。

すると、銑鉄にふくまれていたマンガンやケイ素などは少量の鉄とともに酸化して燃えはじめ、つぎに炭素が燃えます。

これらが燃える熱によって、炉の中の温度は下がらず銑鉄は溶けたままでいます。
そのため、不純物の燃焼はそのまま続きます。

つまり、転炉では不純物を燃料として利用するわけで、ほかの燃料を必要としません。



こうして、銑鉄中の炭素がほとんど取り除かれてしまったとき炉の上から、フェロマンガンをくわえ、さらに空気をおくります。

フェロマンガンというのはマンガンや炭素を多くふくむ鉄でこれをくわえるのは、2つの目的があります。

その1つは、炭素がほとんど燃焼してなくなってしまっているので適当な炭素分をくわえて、鋼を良質だものにするためです。

もう1つの目的は空気を通したことによって不純物だけでなく鉄分も多少酸化されているので、これにマンガンを作用させ鉄を還元して回収するためです。

こうしてできた鋼は、良質なもので、適当な型にいれて固めます。

電気炉法

特殊鋼をつくったり、さらに良質な鋼をつくる方法に、電気炉法とよばれるものがあります。

電気炉は、ほかの炉にくらべて、とくに高温（2500～2700℃ぐらい）をだせるうえ温度調節がかんたんにできます。

そのほか、できた鋼の不純物が非常に少ないとか操作がわりあいにかんたんである、などの利点があります。

電気炉は、鋼の製造のほか、合金の製造にも使われています。

鉄の性質

鉄の性質は、ふくまれている不純物の種類と量によって、いろいろと違ってきます。
とくに、鉄にふくまれる炭素は、その量によって鉄の性質をいろいろとかえるはたらきをします。

ここでは、純粋な鉄について、その性質を調べてみましょう。

純粋な鉄は白色のつやをもち、展性・延性のある金属です。
また、強磁性があり、左の表のような物理的性質をもっています。

鉄は、希塩酸や希硫酸にはよく溶け、水素を発生して塩をつくります。
いっぽう、鉄と硝酸の反応は非常に複雑で、希硝酸には溶けますが水素を発生せず、二酸化窒素などの窒素の酸化物を発生します。

また、濃硝酸に鉄を浸すと、非常に安定した鉄となりほかの物質と化合しにくくなります。

このような状態を不動態といい、不動態になった鉄はもう希硝酸の中に入れてもとけません。

鉄は、酸素とよく化合するほか塩素・イオウ・リン・炭素・ケイ素などとも直接化合します。

軟鋼と銑鉄

溶鉱炉からとりだした銑鉄を、酸化鉄といっしょに反射炉に入れて熱すると硫黄・リン・炭素などの不純物が酸化されて、取り除かれます。

こうしてできた鉄を軟鋼といい、ふつう使われている鉄のなかではもっとも炭素をふくむ量の少ない鉄です。
したがって、性質は、非常に純鉄に近いものです。

軟鋼は、融点が高く溶けにくいので、鋳物にすることはできませんが熱すると柔らかくなるので、叩いていろいろな形にすることができます。

また、軟鋼は展性・延性が大きいので針金・鎖・農器具などをつくるのに使われます。

しかし、最近では、鋼を使ってそういう物をつくることが多くなり軟鋼の使用量は次第に減ってきました。

これにたいして、銑鉄はもっとも不純物を多くふくむ鉄ですから性質も純粋な鉄とにかなり違います。

不純物の中でも、鉄の性質を加えるはたらきの強いものは炭素でいっぱんに炭素をふくむ量が多い鉄ほど、かたくてもろくなります。

また、鉄の融点は、ある一定の限度までは、炭素をふくむほど低くなります。

銑鉄はかたくてもろいために叩いたり引きのばしたりして加工することはできませんが1100～1200℃ぐらいの、わりあい低い温度で溶けますから鋳物をつくるのに適しています。

また溶けた銑鉄は、かたまるときに、少し膨張します。この性質も、鋳物をつくるときに役に立ちます。

しかし、銑鉄は、そのままで加工品をつくるよりもむしろ、鋼の原料として、非常に重要なのです。

鉄のさび

鉄を塩水の中につけておいたり、水がついたままほうっておいたりすると表面に赤かっ色をしたものができます。

これは、ふつう赤さびといわれるさびで、純鉄よりも不純物をふくむ鉄のほうが早くさびます。
また、湿り気が多いといっそう早くさびます。

このさびは、鉄が空気中の酸素平水蒸気と作用してできたものですがこの反応はただの酸化ではなく、非常に複雑な変化です。

したがって、さびの成分もただの酸化鉄だけではありません。
さびには、酸化第二鉄をはじめとして塩基性炭酸第一鉄や塩基性炭酸第二鉄などのような化合物がふくまれています。

このような化合物ができるためには、炭酸が必要です。
つまり、赤さびができるときには、空気中の酸素のほかに水蒸気や二酸化炭素も関係しているわけです。

赤さびは、空気や水分を通しやすいので長い間ほうっておくとしだいに鉄の内部までさびていきしまいには、すっかり腐ってしまいます｡

いっぽう空気中で鉄を強く熱すると表面が黒色にかわります。
これは、鉄が酸化して、黒色の四三酸化鉄ができたためで、黒さびとよばれます。

黒さびは、目が細かいので、これが表面にできるとかえって鉄を赤さびから守るようになります。

また、赤熱した鉄に、水蒸気を通しても鉄は酸化されて、四三酸化鉄となります。

このような方法で、鉄の表面に四三酸化鉄をつくって鉄のさびどめにすることがあります。

鉄鉱石

鉄は、地球上のあらゆる場所の、岩石や砂・粘土などにふくまれていますが実際に鉄をとりだすことのできる鉱石、つまり採算のとれる鉱石の種類はそれほど多くありません。

代表的な鉄鉱石には赤鉄鉱･磁鉄鉱・かっ鉄鉱・炭酸鉄鉱（りょう鉄鉱）黄鉄鉱などがあります。

鉄鉱石は日本には少なくアメリカ・ソ連・フランス・スウェーデンなどの国にたくさん産出します。

溶鉱炉

鉄鉱石から鉄をとりだすには、溶鉱炉を使います。
溶鉱炉は、高さ15～30メートルのやや円すい形の炉で高炉ともいわれ、内側は耐火レンガではられています。

この溶鉱炉の上部から赤鉄鉱や磁鉄鋼のような鉄の酸化物からできている鉱石とコークス・石灰石をかわるがわる入れ、熱風炉で熱した空気を炉の下部（羽口）からふきこみます。

溶鉱炉の中では、まずコークスが燃えて1500℃ぐらいの高い温度になります。

温度が高いのでコークスは、二酸化炭素にはならずすべて一酸化炭素になり、それが炉の上のほうへあがっていきます。

いっぽう、上からは鉄鉱石がおりてきて、それが二酸化炭素にあうと還元されて、溶けた鉄になります。

そして、溶鎔炉の下部のほうへ流れおちます。
いっぽう、石灰石は溶鉱炉の中をおちてきて、900℃ぐらいのところまでくると分解して酸化カルシウムになります。

酸化カルシウムは、鉱石中の岩石分や二酸化ケイ素と化合してケイ酸カルシウムとなるので、やはりとけて流れおちます。

これをスラグといいます。

鉄もスラグも、溶けた状態になっていますが鉄のほうが比重が大きいので、まざりあわず鉄はスラグの下に沈んでおりてきます。

この鉄とスラグは、炉の下部からとりだされるいっぽう原抖はつぎつぎと上部から入れられて、作業がおこなわれます。

こうしてとりだした鉄を銑鉄といい、かなりの量の炭素をふくんでいます。
ふつう一基の溶鉱炉からは一昼夜に2000～4000トンぐらいの銑鉄が生産されます。

いっぽう。スラグは、高炉セメント・スラグレンガなどの製造に利用されます。
また、溶鉱炉の上部からは、窒素・一酸化炭素・二酸化炭素などの混合ガスがでますがこれは、高炉ガスとよばれ、熱風の予熱に利用されています。

銑鉄

銑鉄は鋳鉄ともよばれ、2.2～5パーセントの炭素をふくみます。
炭素のほかの元素もかなりふくまれていてケイ素を0.1～4パーセント、マンガンを0.16パーセントリンを0.01～2.5パーセント、イオウを0.01～6パーセソトぐらいふくんでいます。

ですから、ふつう使われている鉄材のなかでは銑鉄はもっとも不純な鉄といえます。

溶鉱炉からとりだしたばかりの銑鉄は、このように不純ですから軟鉄や鋼は、この銑鉄を原料としてさらにいろいろな工程をとおって、つくられます。