HOME 教育状況公表 令和3年10月18日

04. 1500℃ が作る東京スカイツリー―鉄鋼―

山形大学  理工学研究科(工学系)  化学・バイオ工学科  伊藤智博

講義ノート

材料の変遷(出典: 野村正勝・鈴鹿輝男 最新工業化学 ―持続的社会に向けて― 講談社サイエンティフィク


41 材料
金属材料非金属材料複合材料
鉄鋼材料非鉄金属材料 セラミックス
ガラス
高分子
炭素鋼
合金鋼
鋳鉄
鋳鋼
金・銀 ・
アルミニウム
マグネシウム
ニッケル
チタン
亜鉛
石材
セラミックス
木材 ・皮・ 繊維
繊維強化プラスチック
繊維強化金属
鉄筋コンクリート
金属強化セラミックス
01.無機工業化学 08.工業概論

石器から鉄器へ

はもっとも身近な金属だ。 金属はカタチを自由に変えることができ、しかも強くしなやかだ。石斧で田んぼを耕すのがいかに困難かを想像すれば、鉄器が農耕を飛躍的に進歩させたことがうなずける。 日本では、 弥生時代 に鉄器が普及し、 稲作がはじまり、定住生活がはじまりした。

登呂遺跡博物館 石から鉄へ、道具の変化が生活に何をもたらしたか?
Nakagawa Farm
日本鉄鋼連盟

を作ろう。 は自然に産出する。 は卑な金属だ。 から 鉄鉱石 に含まれる鉄を取り出すにはコークスで還元する。 コークスは、 石炭ポリエチレンなどの 廃プラスチックを加熱して作る。 石炭には硫黄分が含まれるので、転炉で酸素を吹き込む。


ご飯を炊こう-おこわ、お粥から炊飯まで-

1.3 羽釜の歴史

 平安時代、現代のご飯とほぼ同じ「姫飯(ひめいい)」が上流 階級で食べられていた。それはまだ土鍋で炊かれていた。金 属製の羽釜が作られるのは、鎌倉時代である。 日本における 臨済宗の開祖、栄西が鎌倉時代の初期に宋から禅とともに茶 を持ち帰り、博多の 聖福寺を創建して茶の健康効果を布教し た。その後、京都の建仁寺を中心に喫茶の習慣が日本全国に 広まった。「お茶を濁す」という慣用句の由来との関係は定か ではないが、青銅釜で沸かした湯より、鉄釜で沸かした湯の 方がお茶の香りを損ねないと言う。お茶に含まれるタンニン との反応で生成するコロイドの状態が、銅イオンと鉄イオン で異なるからであろう。鎌倉時代にお茶の香りを損ねない鋳 鉄の茶釜が普及し、それを美味しいご飯を炊くのに流用して 鋳鉄の羽釜が開発されたのは想像に難くない。 鋳物羽釜に使う鋳鉄には2 %以上の炭素が含まれる。炭素に 熱が加わると遠赤外線を放射し、それでご飯が美味しく炊ける。 羽釜は、側面上部にツバがあり、本体は半球状である。羽釜を 包み込むかまどとの組合せにより熱効率が上がり、さらに美味 しさが増す。このように鋳物羽釜は、禅と茶の湯の精神を受け 継ぎ、日本の食文化に無くてはならない米を、美味しく炊き続 けて800年ものあいだ生き残ってきた調理器具だ。

超薄肉鋳鉄製羽釜・かまど「内匠」の開発 ―次世代へ伝えたい「和食;日本人の伝統的な食文化」の担い手として― 羽釜 科学・技術研究 第 6 巻 2 号 2017 年 川島 浩一、重野 勝利、松原 史尚、関口 理希、赤間 未行、伊藤 智博、立花 和宏

石炭の採掘が盛んでなかった 産業革命の前は木炭を使って還元した。 日本でもたたら製鉄として知られる。軽くて強度がある鉄器は農耕だけでなく、武器としても重宝されたため、その製法は門外不出であった。


鉄を作るプロセス

Example fillrule-evenodd - demonstrates fill-rule:evenodd -3-2.5-2-1.5-1-0.500.511.522.53 Al Fe Zn Cu Li
イオン化傾向

電位が卑なほど、 腐食しやすく、 還元しにくくなります。 電位が貴なほど、 腐食 しにくく、還元しやすいです。


55 金属のイオン化傾向
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鉱物

1000 °C くらいで溶けるのに、 ときたらそう簡単には溶けない。 炭素を溶解させてモル凝固点降下を使って融点を下げるヒッタイトの知恵。 近代製鉄は産業革命後の歴史にも大きく影響を与えた。 鉄と 石炭。 現代のコークス炉は廃プラスチックの処理にも一役買っていてさながら石油コンビナートのようだ。 海外の生産量が増す中、日本の製鉄の将来はいかに?

橋野高炉跡:資料映像
橋野高炉跡 ( ストリートビュー

遠野から六角子山へ向かい、笛吹峠をちょっとくだったくぼ地に日本最古の高炉があります。釜石から国道45号線を北上し、分岐したうねうねと続く狭い道を登っていくと青看板があって、ややもすると見失いそうな「ここから入るの?」みたいな入り口から折れていくと山里には似つかわしくない整備された公園があり、誰が使うのかともわからないテニスコートがあったりします。ほんとにここでいいのだろうかと一番奥まで行ってみると、ありました、ありました、 鉄の歴史館で見たジオラマの原寸大(ってあたりまえか)の風景が。

韮山反射炉 ( ストリートビュー

近代製鉄-転炉による組成制御と酸素の製法-

近代製鉄

コークス炉

高炉

転炉


温室効果ガスと人間活動

46 温室効果ガス
温室効果ガス 地球温暖化係数 原因となる人間活動
二酸化炭素 1 エネルギー アンモニア 製造、ソーダ石灰ガラス又は 鉄鋼製造ソーダ灰の製造、 エコキュート
メタン 25 稲作など
一酸化二窒素(亜酸化窒素)N2O 298 廃棄物等の焼却もしくは製品の製造 の用途への使用・廃棄物燃料の使用
HFC(R32) 675 最近の エアコン ネオキュート エコワン
HFC(R410A) 2090 古い エアコン
06.技術者倫理 未来へ向けて
平常演習 Web Class

鉄を使った製品


4.0 バッチ生産からフロー生産へ

先生:「まずは鉄鉱石の分布を調べてみよう」
[検索]鉄鉱石+分布
[検索]砂鉄の分布
[検索]もののけ姫+たたら場
[検索]橋野高炉跡
[検索]大島高任
[検索]三鬼隆

鉄の還元反応

4.1 鉄鋼

登場人物
三鬼隆
近代製鉄の父 大島高任

4.2 材料としての鉄と合金

元素としての鉄と材料としての は違う。 例えていうなら、水を凍らせるとき、ちょっと混ぜ物をするだけでシャーベットになったりソフトクリームになったりするようなものだ。 炭素の濃度と冷却の仕方でいろいろな性質を持った鉄ができる。 その様子を表現したものが相図だ。

超合金

相図

ものすごい強度を持つスチール材料はどこに使われているか? はたまた磁力を持つという鉄の特性はどんな風に応用されるか? 錆びるという鉄の宿命を大きく変えた ステンレス とはどんな材料か?

プールベイ図

鉄合金
合金 規格 組成(%) 特性 用途
18-8 ステンレス SUS304 Cr 18 Ni 8 錆びない 食器、化学器具

磁性材料

ピカッとさいえんす 「電気と磁石の深~い関係」

磁気機能性材料は、ハード磁性材料とソフト磁性材料に分類される。 ハード磁性材料はモーターなどに使われ、金属系と酸化物系に分類される。 ソフト磁性材料は磁気ヘッド、 磁気ディスクなどに使われ金属系と酸化物系に分類される。

ステンレス-錆びない鉄の誕生-

電気化学 腐食と防食 (山下正通、小沢昭弥, 現代の電気化学, 丸善)

建築材料-東京タワー、スカイツリー-


308
送電に使われる 鉄塔(鉄鋼)電線(銅、アルミ)碍子(陶磁器)
© K.Tachibana

4.3 近代製鉄と石炭

[検索]ベッセマー転炉

鉄の 融点  Tm はおよそ 1538 °C 。 とても容器が持たない。 だからコークスと混ぜて高炉に入れる。

応力 融点 石炭

4.4 コークス炉とリサイクル

エコレールマーク
エコレールマーク
輸送機関別二酸化炭素排出量

電車も自動車も車輪を持つ。車輪は平らな地面でこそ役に立つ。 アスファルトとコンクリートで地面を埋め尽くして走る自動車と、地面に鉄のレール2本を敷く電車と、利便性、ヒトとの相性、環境との相性から議論しなさい。

回答

鋳造

マツバラ

腕のいい職人は鉄の色で温度を見分けるという。 真っ赤になった鉄の温度を測る方法にはどんなものがあるか?

材料を3次元的な形状を持つに加工する方法には機械加工、鍛造、鋳造などの方法がある。 このうち鋳造は、金属の可融性を利用して、作ろうとする製品と同じ形状に作られた空洞部に、 溶かした金属を流し込んで固めてつくる方法である。 鋳造法の代表的な種類として砂型鋳造法、シェルモールド鋳造法、インベストメント鋳造法、ダイカストなどがある。 このうちシェルモールド鋳造法は、熱硬化性の合成樹脂を被覆した鋳型砂を加熱した金型に振りかけ、硬化させて鋳型を作る寸法精度の高い方法である。

羽釜
大仏の鋳造 米沢市観光ナビ あづま~る 羽釜 カハク 和食
  1. 野村正勝・鈴鹿輝男, 最新工業化学―持続的社会に向けて― , 講談社サイエンティフィク , p.70 (2004).
  2. 小沢昭弥, 現代の電気化学,新星社, p.105 (1990).
  3. 松林光男、渡辺弘, イラスト図解工場のしくみ , 日本実業出版社 , p.23 (2004).

無機工業化学
  1. 明治43年、旧米沢高等工業学校の設立―産業革命と化学工業の歴史―
  2. 1000気圧が生み出す肥料と食料―酸・アルカリ工業と水資源―
  3. 3ボルトが生み出す洗剤と水素―電気化学工業―
  4. 1500℃が作る東京スカイツリー―鉄鋼―
  5. 1000℃、4Vが作る新幹線―非鉄金属―
  6. 3000℃が作る航空部材―窯業―
  7. ひとり毎日1キログラムの廃棄物―資源と環境とサプライチェーン―
  8. 太陽がくれた1キロワット毎平米―エネルギープラント―
  9. トイレットペーパーがなくなったら?-パルプ、紙、繊維―
  10. 自動車がなくなったら―目指せカーボンニュートラル―
  11. マンガ本がなくなったら―印刷技術と半導体―
  12. スマホがなくなったら―インターネットと光と音―
  13. 電池がなくなったら―生活に役立つ工業製品を作ろう―
  14. 食べ物がなくなったら―環境、持続可能な社会に向けて―
  15. ヒトはなぜモノを作らねばならないのか?-ひとりひとりの幸せを大切にするために-


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