鋳鋼。発明と生産の歴史

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鋳鋼。発明と生産の歴史

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鉄冶金の歴史の中で、人類の歴史全体に大きな影響を与えた XNUMX つの革命的な大変動がありました。 XNUMX つ目は、改変プロセスが発見された後の中世に発生しました。 XNUMX つ目は XNUMX 世紀後半に発生し、鋳鋼の生産開始に関連していました。

鋼は、工具、武器、機械部品の製造に必要な硬度と強度を備えているため、常に鉄冶金の最も必要で望ましい製品であり続けました. しかし、鉄鋼製品になる前に、金属は多くの労働集約的な操作を受けなければなりませんでした。まず、鉄は鉱石から製錬されました。その後、鋳鉄は軟鉄に還元されました。最後に、鉄のリングを長時間鍛造することにより、必要な鋼の部品が得られました（または、そのためのブランクのみが金属切断機で最終仕上げされました）。

軟鉄の生産、特に鍛造は、長い間、鉄加工プロセスのボトルネックでした。彼らは最も多くの労力と時間を費やし、結果は必ずしも満足できるものではありませんでした。この問題は、安価な鉄鋼の需要が急増した XNUMX 世紀に特に深刻になりました。当然のことながら、多くの科学者や発明者はアイデアを思いつきました。ベッセマーは後にそれを表現しました。それは、鋳造に使用できるように、鉄と鋼の特性を備えた金属を液体の形で取得する方法でした。この問題を解決するには、多くの冶金学者が数十年にわたって懸命に努力する必要がありました。その過程で、いくつかの重要な発見と発明がなされ、それぞれが鉄加工の歴史の時代を形成しました。

XNUMX 世紀末まで、鋳鉄から可鍛性軟鉄への変換は、ブルマリー炉でのみ行われていました。しかし、この方法は多くの点で不便でした。その間に得られた金属は不均一でした-場所によっては可鍛性鉄に、場所によっては鋼に近づきました。さらに、この作業には多くの時間と体力が必要でした。

燃料（石炭）は鉄と直接接触するため、不純物が最終製品の品質に影響を与えるため、非常に高い要件が課せられました。石炭の消費量は非常に多かった (平均して、1 kg の鉄を回復するのに最大 4 kg の石炭が必要だった)。最大の鍛冶場では、24 時間で得られる鉄は 400 kg 以下でした。その間、市場はますます多くの鉄鋼を要求しました。これらの要求に応えるには、鋳鉄をより完璧にリメイクする方法を見つける必要がありました。

この道を大きく前進させたのは、1784 年にイギリス人のコートが特別に設計されたオーブンでパドリングするプロセスでした。

パドリング炉

パドリングは、鋳鉄を柔らかい低炭素鉄（錬鉄）に変える冶金プロセスです。このプロセスの本質は、燃料と接触させずに特殊な炉で鋳鉄を溶解し、特殊な棒で溶融金属をかき混ぜることにあり、その上に溶融鉄の粒子が付着し、重量が最大40〜60kgの生地のような皮が徐々に形成されます。代かきオーブンからの出口で、得られたクリツァは鍛造され、平らにするために送られます。プリン鉄は溶接性に優れ、延性が高く、不純物（リン、硫黄、非金属介在物）がほとんどありません。

パドリングオーブンの主な装置は次のとおりです。燃料は炉で燃やされました。石の敷居を通る燃焼生成物は炉の作業スペースに落ちました。そこでは、鉄のスラグを積んだ鋳鉄が炉床に置かれていました。炎の作用下にあるスラグはペースト状になり、部分的に溶けました。温度が上がると、鋳鉄が溶け始め、スラグに含まれる酸素のために不純物が燃え尽きました。したがって、鋳鉄は脱炭されました。つまり、海綿状の鉄の叫び声になりました。パドリング炉とブルマリー炉の重要な違いは、安価な未精製石炭を含むあらゆる燃料を燃料として使用でき、その容積がはるかに大きかったことです。

プリンオーブン装置: 1 - 火室; 2 - 石の敷居; 3 - 炉の下。 4 - 炉の作業スペース。 5と6 - パイプ

プリンオーブンは鉄を安くしました。同時に、絶叫ホーンとは異なり、コルトのオーブンは強制的に吹き飛ばす必要がありませんでした。ハイパイプのおかげで、エアアクセスと良好なドラフトが達成されました。これが、プリンオーブンが世界中に広まった理由のXNUMXつです。しかし、これらの炉の重大な欠点は、空気が鋳鉄の上部だけを吹き飛ばすことでした。鉄の還元が体積全体で均一に進行するためには、定期的に炉を開いて鋳鉄を攪拌する必要がありました。大変な手作業でした。また、労働者の力と能力は限られているため、炉を大きくすることはできませんでした。（攪拌を可能にするために、コルトはXNUMX本のパイプを提供しました。そのうちのXNUMX本は炉の下にあり、XNUMX本目は炉の端にありました。温度を下げる必要がある瞬間にパイプが開かれました。）

XNUMX 世紀半ばまでに、パドリングオーブンは業界の新しいニーズを満たせなくなりました。需要に対応するために、大型の溶鉱炉ごとに複数の溶鉱炉を建設する必要がありました (平均して、XNUMX つの溶鉱炉に XNUMX 基のパドル炉が使用されていました)。これにより、コストが増加し、生産がより困難になりました。多くの発明者は、水たまりを鉄を回収するためのより良い方法に置き換える方法を考えてきました. 他の人よりも先に、この問題は英国のエンジニア、ベッセマーによって解決されました。

ベッセマーは、大砲と砲弾の改良に長年取り組んだ後、冶金学を学びました。彼は、大砲を鋳造できる高品質の鋳鋼を生産する方法を見つけるという目標を設定しました。鋳鉄の溶解を何度も観察していると、ブロワーパイプの近くでまず固体の還元鉄が形成されることに気付きました。これにより、彼は溶融した鋳鉄に集中的に空気を吹き込んで鋼を得るという考えに至りました。ベッセマーは最初の実験を閉じた坩堝で行い、コークスを入れて炉で加熱しました。その結果は、予想をはるかに上回るものでした。 45 時間もかからずに、彼は鉄を一流の鋼に変えました。さらに、さらなる実験により、外部から冶金プロセスに熱を導入する必要がないことが示されました。事実、鋳鉄には不純物として独自の可燃性物質が含まれています。シリコン、マンガン、炭素など、鋳鉄XNUMXトンあたり合計約XNUMXkgの可燃性物質です。それらを燃焼させることにより、溶融温度を大幅に上昇させ、液体状態の鋼を得ることができました。

1856 年、ベッセマーは彼が発明した固定変換器を公に実演しました。コンバーターは、ガスの出口用の穴のあるボールトで上部が閉じられた、低い垂直ストーブの形をしていました。炉の側面には、鋳鉄を注ぐための 20 つ目の穴がありました。完成した鋼は、炉の下部にある穴から放出されました（転炉の運転中に、粘土が詰まっていました）。送風管 (羽口) は、炉床の近くに配置されていました。転炉は静止していたので、鉄を流し込む前にパージを開始した。そうしないと、金属が羽口にあふれてしまいます。同じ理由で、すべての金属が放出されるまで吹き飛ばす必要がありました。プロセス全体にかかった時間は 1860 分もありませんでした。リリースのわずかな遅れが結婚をもたらしました。この不便さ、および定置式転炉の他の多くの欠点により、ベッセマーはロータリーキルンに切り替えることを余儀なくされました。 XNUMX 年に、彼は新しい変換器の設計の特許を取得し、それは今日まで一般的に存続しています。

1856 年に、るつぼに入った金属に空気を吹き込み、炉に入れたベッセマーの経験

ベッセマー法は、冶金の分野における真の革命でした。 8 ～ 10 分で、彼の転炉は 10 ～ 15 トンの鋳鉄をダクタイル鋳鉄または鋼に変えました。これまではパドリング炉で数日、以前の溶鉱炉で数か月の操作が必要でした。しかし、ベッセマー法が工業的条件で適用され始めた後、その結果は実験室よりも悪いことが判明し、鋼の品質は非常に低くなりました。

ベッセマーは 15 年間この問題を解決しようと試み、最終的に彼の実験で鋳鉄にはリンがほとんど含まれていないことを発見しましたが、イギリスではリン含有量の高い鉄鉱石から製錬された鋳鉄が広く使用されていました。その間、リンと硫黄は他の不純物と一緒に燃え尽きませんでした。鋳鉄から、それらは鋼に落ち、その品質を大幅に低下させました。これは、コンバーターの高コストに加えて、ベッセマー法が生産に非常にゆっくりと導入されるという事実につながりました. そして XNUMX 年後のイギリスでは、ほとんどの鋳鉄がパドリング炉で溶かされました。コンバーターは、ドイツと米国でより広く使用されています。

ロータリーベッセマーコンバーター

鉄鋼生産のベッセマー法とともに、平炉法はすぐに大きな役割を獲得しました。その本質は、鋳鉄が特別な再生炉でスクラップ鉄と融合したことでした。この炉は、1861 年にドイツの技術者であるフリードリヒとウィリアムシーメンスによって、ガラス産業の必要性から発明され、建設されましたが、冶金で最も広く使用されていました。炉の構成には、ガス生成器 (またはガス発生器)、ガスと空気を加熱するための熱再生器 (または再生器) を備えた炉自体、および鋳造室 (ヤード) が含まれていました。

再生炉

発電機と再生機は、ガス、空気、および燃焼生成物用の特別なチャンネルシステムによって相互接続されていました。後者は、必要なドラフトを提供する高さ 40 m までの煙突に排出されました。発電機は、炉床の下または炉の側面に配置されていました。再生器は、ガスと空気を加熱するための特別な部屋でした。特別な可変バルブがガスと空気をいずれかのチャンバーに導き、燃焼生成物がパイプに排出されました。

燃焼は次のように行われた。ガスと空気はそれぞれのチャンバーで加熱され、その後、燃焼が行われる溶融スペースに入ります。炉の底を通過した燃焼生成物は再生器に突入し、ここで再生器の敷設に熱の大部分を放棄し、煙突に入りました。プロセスが継続的に進行するために、バルブの助けを借りて、空気とガスが最初に1600組の再生器に送られ、次に別の再生器に送られました。このような熱交換の結果、炉内温度はXNUMX度に達し、純カーボンフリー鉄の溶融温度を超えました。

高温炉の作成により、冶金の新しい地平が開かれました。 1864 世紀半ばまでに、すべての工業国は大量のスクラップ鉄を保有していました。耐火性が高いため、生産には使用できませんでした。フランスのエンジニア、エミールとピエールマルタン (父と息子) は、再生炉でこのスクラップ鉄を鋳鉄と融合させて鋼を得る方法を提案しました。 XNUMX 年、シーメンスの指導の下、シレイユ工場で最初の製錬に成功しました。その後、この方法はいたるところに適用され始めました。

平炉は転炉よりも安価であったため、より広く使用されました。しかし、ベッセマー法でも平炉法でも、硫黄やリンを含む鉱石から高品質の鋼を得ることができませんでした。この問題は、1878 年に英国の冶金学者シドニー・トーマスが転炉に最大 10 ～ 15% の石灰を追加するというアイデアを思いつくまで、XNUMX 年半の間未解決のままでした。この場合、強力な化合物にリンを保持できるスラグが形成されました。その結果、リンは他の不要な不純物とともに燃え尽き、鋳鉄は高品質の鋼に変わりました。トーマスの発明の意義は計り知れないものでした。これにより、ヨーロッパで大量に採掘されたリン含有鉱石から鋼を大規模に生産することが可能になりました。

一般に、ベッセマーと平炉プロセスの導入により、鋼を無制限に生産することが可能になりました。鋳鋼はすぐに業界での地位を獲得し、70 世紀の 60 年代以降、錬鉄はほぼ完全に使用されなくなりました。平炉とベッセマー生産が導入されてから最初の XNUMX 年間で、世界の鉄鋼生産量は XNUMX% 増加しました。

著者：Ryzhov K.V.

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