「技術史」講義シリーズ　----　製鉄技術の歴史(1)

古代のレン炉から近代の高炉・転炉まで

1.「製鉄技術」登場以前から存在していた鉄－－－天然鉄の古代における利用

隕鉄（鉄質隕石）
古代エジプトの墓の中から、鉄製の装身具がいくつか見つかっている。B.C.3000年以前のもので隕鉄を加熱してハンマーで加工したものと考えられている。
シュメール語（シュメール人はメソポタミア南部の最古の住民。B.C.3000年頃に都市国家を建設し、楔形文字を作成しことで知られる）で鉄は「天の金属」と呼ばれていた。

2.古代の製鉄技術 --- 一段階製鉄法の歴史(1) ---

(1)酸化鉄の「低温」還元（800℃程度の温度での還元）による低炭素濃度の鉄の製造法の歴史的展開

B.C.3500年頃からの銅精錬の開始、B.C.2000年頃からの青銅精錬の普及に対して、鉄精錬はB.C.1500年頃から始まったと考えられている。
　ただし実際に鉄製工具などが広く使用され、鉄器時代といえるようになるのは、鉄精錬法を独占していたヒッタイト王国が崩壊したB.C.1200年以降のことである。



(2)低シャフト炉（ルッペ炉、レン炉など） --- 人力による冷風送風（人力フイゴ）

炉の高さ１ｍ前後、直径40-50cm程度の大きさ
最初は谷から吹き上げてくる山腹の風を利用した自然送風、紀元前２ー３世紀頃よりフイゴを利用した手押し送風または足踏み送風へ

日産数ｋｇ
鉱石から得られる鉄の量は50%以下
レン炉の炉内温度は千度前後→半熔鉄（海綿鉄、ルッペ）を生成、それを「ハンマーで叩き割り適当な大きさにしてから、加熱して金床でたたき、中の不純物を取り出すとともに、鉄を適当な形に成形する」という鍛造過程を通して鉄を精錬。

＜参考図版＞ルッペ炉


図1	図2	図3

［出典］奥村正二『製鉄製鋼技術史』伊藤書店、1944年のp.17の図7,8,9


(3)人力ハンマーによる鉄の鍛錬
ルッペ（不純物を含むとともに海綿状態になった鉄）の生成
ルッペを熱しながらハンマーで鍛造することでスラグなど不純物を取り除き、塊状の鉄を生成

3.中世の製鉄技術 --- 一段階製鉄法の歴史(2) ---

(1)シュトゥック炉 --- レン炉(低シャフト炉)から高炉への移行期における製鉄炉


８世紀頃に登場、炉の高さ３ー４ｍ →→ この高さになると、手押しフイゴや足踏みフイゴでは送風力が不足するため、しだいに水車動力によるフイゴ送風がおこなわれるようになった
　
＜レン炉(古代) vs シュトゥック炉(中世)＞
　生成した半熔鉄（海綿鉄、ルッペ）を鍛造によって精錬するという点において、中世のシュトゥック炉と古代のレン炉の間に違いはない。古代と異なるのは、生成する半熔鉄が百キログラムのオーダーというように大きくなったことから、半熔鉄の大きい塊を炉から取り出すことや、半熔鉄の鍛造過程に水車動力を利用したこと（すなわちハンマーを水車で駆動した）にある。
　古代、中世ともに練鉄を直接に取り出していたため、「直接製鉄法」と呼ばれる。これに対して近代以降はいったん鋳鉄を生成してからその後でその中の炭素を取り除くことで練鉄を取り出していたので「間接製鉄法」と呼ばれる。
　ただし、もちろん部分的には製鉄炉の中で銑鉄も形成されていた。

「（１２ー１３世紀の）シュタイエルマルク、ケルンテンの製鉄炉は高さ３ー４メートル程度の堅型炉（シュテュック炉）で、頂部から鉄鉱石と木炭を交互に装入し、下部の羽口(ハグチ)からフイゴで空気を吹き込んだ。炉温が上がった後、羽口の脇の出滓口から鉱滓を時々流し出した。１８時間操業を続けると炉底に十分な大きさの鉄塊が生成してくる。そこでフイゴをはずし、炉下部に穴を開け、残っている鉱滓や炭をかき出した後、鉄塊（３００キログラム）を鉄鋏で水車の動力も利用して引き出した。中世のヨーロッパ各地の製鉄炉はシュテュック炉の他にスペインのカタラン炉、スウェーデンのオスモンド炉など、地方によってさまざまな鉄塊炉が使用されていた。」原善四郎『鉄と人間』新日本新書,1988年,pp.91-92


(2)炉形とフイゴ能力との関連 --- 製鉄炉の二つの発展方向(高さの増大→高炉 vs 断面積の増大→たたら製鉄）

日本のたたら製鉄はフイゴ能力が低いため（人力によるフイゴ駆動）、鉄の大量生産のためには炉床を横に伸ばしてフイゴの数を増加させるしかなかった




(3)たたら製鉄（たたら炉＋人力送風＋冷風送風）
初期は鉄１トンに対し６トンの木炭を消費
明治７年（1874年）の時点でも製造コストの約45％が木炭および薪、鉄鉱石のコストは約9.4％に過ぎなかった。
また、たたら炉の炉内温度は、10世紀に1100℃－1200℃、江戸時代に1200℃－1300℃であったと推定されている。

4.二段階製鉄法（高炉と精錬炉）の歴史的展開過程の基本的構造

銑鉄の製造方法	錬鉄・鋼鉄の製造方法
鉄鉱石＋木炭による木炭高炉	銑鉄（鋳鉄）＋木炭による木炭精錬炉
鉄鉱石＋コークスによるコークス高炉(18世紀）	銑鉄（鋳鉄）＋木炭による木炭精錬炉
鉄鉱石＋コークスによるコークス高炉(18世紀）	銑鉄（鋳鉄）＋コークスによる反射炉＋パドル法
鉄鉱石＋コークスによるコークス高炉(18世紀）	銑鉄（鋳鉄）による転炉

(1)鋳鉄製造工程としての高炉


木炭高炉（ヨーロッパ中世末期） [木炭を還元材・燃料源とした精錬]

↓

製鉄にともなう木炭の大量消費にともない 木炭価格が上昇した。しかし、木炭の代わりに 石炭を利用可能にするためには石炭中の不純物 への対処などの技術的問題があった

↓

コークス高炉(18世紀前半)

↓

銑鉄生産量のさらなる増大



(2)鋳鉄の練鉄・鋼鉄への変換工程としての精錬炉

銑鉄の溶融温度の高さに対して、どのようにして対応するのかが問題であった
木炭を燃料源とした精錬

木炭精錬炉


石炭を燃料源とした精錬

反射炉＋パドル法(18世紀後半)

パドル法＝反射炉で溶解させた鋳鉄を撹拌(puddle)することで空気との接触により鋳鉄中の炭素を除去。攪拌時間で炭素含有量を調節（熟練による制御）。


「外部」燃料を必要としない精錬 --- 転炉



(3) 鉄の再利用（リサイクル）のための技術 --- 平炉、電炉

二段階製鉄法の歴史的展開(1)

5.近代の製鉄技術（１）－－－木炭高炉

「木炭高炉」＋「動力水車によるフイゴ送風」＋「冷風送風」


砂の鋳型が１４ー１５世紀に登場・・・鋳鉄鋳鉄（溶融銑鉄）の生成の登場にともなう技術革新を示すもの

鉄の生産性の急激な向上・・・一日に8ー10kg（レン炉）からトン・レベル（木炭高炉）の産出量へ

「西ヨーロッパではじめて高炉が出現したのは14世紀半ばであった。／15世紀の高炉は、高さ4.5ｍ、内径約1.8ｍで、１昼夜に約1600kgの銑鉄を生産した。これにたいしてレン炉では、１昼夜にせいぜい8ー10kgの鉄しか生産できなかった。」ソ連科学アカデミー編（金光不二夫他訳）『世界技術史』大月書店、p.156


１５世紀から１６世紀にかけての高炉の大きさは、高さが4.5m程度で内径が1.8m程度のものが多かった

大型の木製フイゴが17世紀に登場した以降に炉の高さはさらに大きくなり、18世紀の木炭高炉の中には10ー14mの高さのものも登場、そして日産10トンを超える高炉も登場


動力水車送風の木炭高炉
［出典］奥村正二『製鉄製鋼技術史』伊藤書店,1944年,p.27の図21

二段階製鉄法の歴史的展開(2)

6.近代の製鉄技術（２）－－－コークス高炉

コークス高炉＋蒸気動力送風＋温風送風

二段階製鉄法の歴史的展開(3)

7.精錬法の歴史

精錬過程[炭素含有量の低減による、鋳鉄（銑鉄）から練鉄・鋼鉄への転換過程]

(1) 木炭精錬法

(2) 反射炉＋パドル法

反射炉で撹拌puddleすることで空気との接触により鋳鉄中の炭素を除去
ヘンリー・コート(1784)によれば、パドル法で一度に処理できる限界量は400-500ポンド（180kg－227kg）である。

パドル法の技術的利点

炉内温度が一定のある適当な温度ならば、炭素含有量の変化に応じて溶融した鉄の粘り具合が変化すると考えられる。すなわち炭素含有量の減少にともなって融点が上昇するが、それに応じて鉄が溶融状態から固体により近い状態に移行すると考えられる。それによって炭素含有量が推定できる。


(3) 転炉法(1856)　----　鋳鉄から鋼鉄・錬鉄への転換装置としての転炉

空気 or 酸素の吹き込みによる炭素除去・・・・吹込時間で炭素量を調節
空気（酸素）をドロドロに熔けた鋳鉄の中に強制的に吹き込むことによって、鋳鉄中に高濃度で存在する炭素が酸素と反応して、鋳鉄から取り除かれることになる。そのようにして炭素濃度を減少させることで、鋳鉄を鋼鉄・錬鉄へと転換させることができる。
　炭素と酸素の反応（Ｃ＋Ｏ₂→ＣＯ₂）はいわゆる燃焼反応であるから、多量の燃焼熱が発生する。そのため、木炭精錬炉や反射炉などの精錬法と異なり、外部熱源は不要である。
　また吹込時間を調節することで、鋳鉄への酸素の供給総量を調節することができるので鋳鉄中の炭素含有量を調節することができる。これによって、炭素含有量の数値的制御を、吹き込み時間の調整によって間接的におこなうことが技術的に可能となった。


a＞ベッセマー転炉法(1856)
b＞塩基性転炉法・・・トーマス(S.G.Thomas)（1877）
c＞酸素吹き転炉法・・・酸素上吹き(ウワブキ)転炉（1946）

オーストリアのリンツ(Linz)工場とドナビッツ(Donawitz)工場で溶融銑鉄の上から純酸素を高圧、高速度で吹き付けて精錬する上吹(ウワブキ)転炉が発明された。両工場の頭文字を取りＬＤ転炉(Linzer D゛ussen Verfahren)とも呼ばれる。４０－５０分で一挙に１００－１５０トンの鋼を精錬できる。


(4) 平炉法(1864)

炭素含有量の高い鉄(鋳鉄あるいは鋼鉄)と炭素含有量の低い鉄(練鉄)を混ぜ合わせて溶融することで炭素含有量を調節することができる。
鋳鉄と練鉄を一緒に溶解させる方法の先駆としては、中国のA.D.5世紀の共融解法がある。
屑鉄の再利用も可能。

シーメンス平炉法
マルタン平炉法
トーマス平炉法（塩基性平炉法）