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04.
１５００℃
が作る東京スカイツリー―鉄鋼―
しろがね（銀）、くがね（金）、あかがね（銅）、くろがね（鉄）
そーらに、そびえる、くろがねのしろ♪ マジンガーＺ超合金は、4.00ごろ。
人類は、 産業革命で、さまざまな 材料を手にして飢餓から解放されるかわりに、劣悪な労働環境を受け入れました。 1 ) 同時に大気中の 二酸化炭素が増え始めました。
| 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 |
||
|
炭素鋼
合金鋼
鋳鉄
鋳鋼
|
金・銀
・
銅
マグネシウム
ニッケル
チタン
亜鉛
|
🏞
石材
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繊維強化プラスチック
繊維強化金属
金属強化セラミックス
|
|
材料は、その材質の違いにより金属材料と非金属材料に分類されます 2 ) 。
狭い意味で、材料といったとき、常温常圧で固体の 状態の 物質を指すことがあります。
純物質としての 金属は、柔らかすぎるので、混合物の合金が使われます。広い意味での混合物の固体材料を複合材料と呼ぶことがあります。
機能性材料と 建築材料があります。 機能性材料には、 良導体、絶縁材料、誘電材料、 磁性材料、半導体材料などがあります。
| 状態 | 密度 | 粘性／弾性 | 物質（材料）の例 | コメント | |
|---|---|---|---|---|---|
| 超臨界流体 | 密度大 | 粘性 小 | ボンベの中、火力発電のボイラー、ハーバーボッシュ法の反応器 | ||
| 気体 | 密度小 | 粘性 小 | 🏞 空気 水素 アンモニア | ||
| 液体 | 密度大 | 粘性 大 | 水、海水 石油 スラリー | ||
| 固体 | 密度大 | 弾性 | 石炭 鉄鋼 非鉄金属（銅・アルミニウム） セラミックス（ガラス、陶磁器） プラスチック 材料 |
気体や液体のような流体は、備蓄や輸送にタンクやパイプの設備を必要とします。
レオロジー| 用途 | ||||
|---|---|---|---|---|
| 重金属 | 鉄鋼 | 鉄鋼 | ⚛ 鉄 | 鉄合金 モーター |
| 非鉄金属 |
🏞
非鉄金属 （狭義） |
⚛ 🏞 銅 | 🏞 銅合金 | |
| 鉛 | ||||
| 🏞 亜鉛 | ||||
| スズ | ||||
| 貴金属 | ⚛ 🜚 金 | |||
| ⚛ 🜛 銀 | ||||
| 白金族 | ||||
| 軽金属 | 🜀 🏞 🧪 ⚛ アルミニウム | 🏞 ジュラルミン | ||
| マグネシウム | ||||
| チタン | ||||
| 希少金属 | リチウム | |||
| ウラン |
鉄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。
ニラコ
はじめ刃物は石でした。 石から鉄へ。 刃物は大切な暮らしの文化。 間違った使い方は、文化も人の心も傷つけます。 👨🏫 堺ＨＡＭＯＮＯミュージアム＠大阪府堺市
鉄を作ろう。 金は自然に産出する。 鉄は卑な金属だ。 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、 石炭や 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。
溶液の凝固点は、溶媒の凝固点よりも低くなります。 この現象を、凝固点降下と言います。 製鉄では、融点1500℃の鉄に炭素を混ぜて融点を下げます。 ホールエルー法 では、融点2050℃のアルミナに氷晶石を混ぜて融点を下げます * 。 1mol/kgの溶液の凝固点降下度をモル凝固点降下と呼びます。
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
薪、木炭、石灰岩、鉱石、 耐火煉瓦などを使って製鉄します。 🔷 鉄の歴史館＠岩手県釜石市
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。
たたらパーク 砂鉄 奈良平安の製鉄遺跡錆びにくい金属を貴金属と言います。 イオン化傾向は、金属と金属イオンの平衡反応の酸化還元電位に関係があります。 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。
金 も 銅 も 1000 °C くらいで溶けるのに、 鉄 ときたらそう簡単には溶けない。 炭素を溶解させて 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？
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。
鉄の 融点は１５００度。 近代製鉄では、 その 温度を光の 色から正確に測ろうとします。 量子力学の誕生です。
ロウソクは、熱エネルギーで煤を高温にして、黒体放射で光エネルギーに エネルギー変換します。 白熱電球は、タングステンフィラメントで、電気エネルギーでを熱エネルギーに変換し、 高温のフィラメントから黒体放射で、光エネルギーに エネルギー変換します。
物体からは、熱や光となって 放射 します 6 ) 。 黒体からの放射エネルギーは、ある波長で極大があり、その極大波長は、物体の温度が高くなると短い方へずれる 7 ) 。
色温度toRGB 黒体放射熱エネルギーの示強因子です。
熱エネルギー＝温度×エントロピー
温度を長さに変換するには、物質の体積膨張を使う。それが 液体封入ガラス温度計だ。
温度計を検索してみましょう。
君津製鉄所第四高炉見学台から撮影した記念写真です。 背景には高炉の建屋が見えています。
広い埋め立ての敷地には高炉、転炉、 コークス炉、熱延、冷延などの工程がひしめいています。
製銑の高炉、製鋼の転炉などの設備ばかりでなく、大量の電力を使うため、発電設備も備えています。
地図 製鉄所は発電所 👨🏫 新日本製鐵株式会社 君津製鐵所＠千葉県君津市
近代製鉄は、 石炭を コークス炉で乾留して コークスを作ります。
製銑では、高炉を使って鉄鉱石を還元して銑鉄を得ます。
製鋼では、転炉を使って鉄鋼を得ます。
近年、石油 に替わる資源として 石炭 の有効利用が再認識されている 13 ) 。
石炭 は、エネルギー源や化学原料として 第二次大戦までは資源でした 14 ) 。
1954年に通産省が石炭合理化計画大綱を作成し、 石炭から 石油 へとエネルギーが変わっていきます 15 ) 。 二酸化炭素は、さらに急激に増加していきます。
| 例 | 説明 | 用途 | |
|---|---|---|---|
| 石炭ガス | 水素 メタン 一酸化炭素 | 燃料 | |
| ガス液 | アンモニア | 硫安 | 肥料 |
| ベンゼン | |||
| コールタール | 軽油 | ベンゼン、トルエン、キシレン | 溶剤、合成樹脂、合成ゴム、合成繊維 |
| 中油 | |||
| 重油 | |||
| アントラセン油 | |||
| ピッチ（残渣） | カーボン 、ピレン | 電極、 炭素繊維 | |
| コークス | 石炭を コークス炉で 乾留して得ます。 製鉄 、カーバイト |
石炭は、 産業革命のきっかけとなる 蒸気機関の 燃料 でした 16 ) 。 日本では明治時代から各地で 炭鉱が掘られて、黒いダイヤと呼ばれました。 1954年 に通産省が石炭合理化計画大綱を作成し、 石炭から石油へとエネルギーが変わっていきます 17 ) 。 オーストラリアなどから輸入された石炭は、いまでも 火力発電の 燃料です。
👨🏫 日本のエネルギー革命（昭和３０年代）| 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 の製造、ソーダ石灰ガラス又は 鉄鋼 の製造、 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 |
熱サイクルでは、冷媒を必要とします。
温室効果ガス排出量tCO2は、 鉄鋼業、 石油製品 ・ 石炭製品製造業、 窯業・ 土石製品製造業、化学工業、 パルプ・ 紙・紙加工品製造業などで多くなっています。
👨🏫 三井デュポンフロロケミカル清水工場＠静岡県静岡市 👨🏫 ダイキン淀川製作所＠大阪府摂津市鉄と炭素の 状態図（相図）をネットで調べて描きましょう。
地球温暖化 を避けるため、鉄鉱石と石炭を使った近代製鉄が、 スクラップ鉄を使った電炉による生産に舵を切っている。 19 ) 鉄鉱石の価格も急落している。 20 ) 鉄筋コンクリートの建物が、近い将来、姿を消すかもしれない。
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
元素としての鉄と材料としての 鉄 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。
1成分系では、相律においてn=1であるから、F=3-pで、自由度の最大値は2となります。
F=2のときに変えられるのは、温度と
圧力です。
よって、1成分系では、
温度と
圧力によって、物質が固体、液体、気体、超臨界流体のいずれの
状態を示した図を
2成分系では、自由度の最大値は3となります。 鉄ー炭素系平衡状態図などは、よく使われます。
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？
| 合金 | 規格 | 組成（％） | 特性 | 用途 |
|---|---|---|---|---|
| 高マンガン鋼 | C (1-1.3) Mn(11-14) | きわめて硬い | レールの分岐点 | |
| ＭＫ鋼 | Ni (20-30) Al(10-15) | 強い磁性を持つ | 磁石 | |
| 🏞 パーマロイ | 磁石 | |||
| 🏞 １８－８ ステンレス | ＳＵＳ３０４ | Cr 18 Ni 8 | 錆びない | 食器、化学器具 |
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。
ピカッとさいえんす 「電気と磁石の深～い関係」
| 大分類 | 小分類 | 性質や特色 | 応用例 | |
|---|---|---|---|---|
| ＡＣモーター | インダクションモーター 24 ) | 単純な構造でコストが安く、大型化するほど高効率になる | 化学プラント 機械の動力、鉄道、扇風機 | |
| ＤＣモーター | ||||
| ステッピングモーター | フィードバックなしの位置決め制御 |
モーターは、 電力から動力への エネルギー変換を します。 *
磁性材料が使われます。
ポンプで流体を輸送したり、 ファンで風を送ったりします。
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。
| 項目 | 電子 | 磁気 |
|---|---|---|
| 材料 | 半導体、 🏞 セラミックス | 鉄合金、酸化物 |
| デジタル記録 | フラッシュメモリ、ＳＤＤ | 磁気テープ、ＨＤＤ |
| アナログ記録 | 磁気テープ | |
| マイク | エレクトロレットマイク | ダイナミックマイク |
| スピーカー | 圧電スピーカー | ダイナミックスピーカー |
| 光 | 半導体レーザー ＬＥＤ |
| 分野 | 構造物 | 特徴 材料 |
|---|---|---|
| 土木 | トンネル、 橋梁、 ダム、河川、都市土木、鉄道、高速道路 | |
| 建築 | 住宅、オフィス、マンション、商業施設、 工場、病院、学校 | 木材、 鉄筋コンクリート |
日本では、江戸時代まで多くが木造建築でした。 明治時代になると レンガが多くなりました。 関東大震災で、 鉄筋コンクリートが多くなりました。
コンクリートの歴史 👨🏫 ＪＩＳ．Ａ―土木及び建築 一般・構造 👨🏫 橋の科学館＠兵庫県神戸市 👨🏫 綱木川ダム＠山形県米沢市| 分類 | 細目 | 説明 | ||
|---|---|---|---|---|
| 天然炭素材料 | 石炭 25 ) | |||
| 天然黒鉛 （グラファイト、石墨 26 ) ） | 鉛筆、 リチウムイオン二次電池（ 負極） | |||
| 合成炭素材料 | 木炭 | 木材を乾留して作ります。 たたら製鉄 火薬 | ||
| コークス | 石炭を乾留して作ります。 製鉄の高炉の還元剤と燃料になります。 | |||
| 人造黒鉛 27 ) | 石炭を乾留したざさの ピッチ を加熱して合成します。 | |||
| 活性炭 | ||||
| オイルファーネスブラック | ||||
| 気相合成炭素 | アセチレンブラック | 🧬 | ||
| カーボンクラスター | フラーレン | |||
| カーボンナノチューブ（ＣＮＴ） | ||||
| カーボンナノホーン（ＣＮＨ） |
黒鉛は、ダイヤモンド、無定形炭素とともに炭素の同素体である 28 ) 。 無定形炭素は、燃えるが、黒鉛は、燃えない。 だから、製鉄の高炉用炉材として使う。 化学的に安定で、耐熱性もあり、潤滑性もあるので、鉄砲の内張にも使われた。
黒鉛は、面内で高い 導電率を示す。 アルミニウム溶融塩電解の アノード、 食塩電解の アノードに使われます。
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。
👨🏫 石炭と炭素材料| 分類 | 交通機関 | ノード | ||
|---|---|---|---|---|
| 👨🏫 陸路 | 街道 | 徒歩、牛車、 馬車 | 宿場町 29 ) | |
| 鉄道 | 蒸気機関車 、電気機関車 | 駅 | ||
| 新幹線 | 🚅つばさ | 駅 | ||
| 一般道 | 徒歩、🚲自転車 🚗 自動車 🚌バス 🚕タクシー | 👨🏫 道の駅 | ||
| 高速道 | 🚂 🚗 自動車 🚌バス 🚕タクシー |
サービスエリア パーキンエリア インターチェンジ |
||
| 海路 | 船舶 | 港 | ||
| 空路 | 航空機 | 👨🏫 空港 |
人やモノを 輸送するには、道と移動手段が必要です。
交通手段が変わると、道も変わります。 鎌倉時代に馬が使われるようになると関所が移動しました。
しかし、車両を動かすには平な道が必要です。 動力を使った最初の車両は、蒸気機関車でした。それを走らせるために鉄道網が整備されました。 人荷を積み下ろしするための停車場や駅も整備されました。
自動車が普及するとアスファルトの道路網が整備されました。
👨🏫 境の明神＠福島県白河市 👨🏫 境の明神＠栃木県那須町 👨🏫 こころの歴史白河関の森公園＠福島県白河市 👨🏫 旧新橋停車場 鉄道歴史展示室＠東京都港区 👨🏫 日本橋・日本の道１００選＠東京都中央区 👨🏫 北前船の時代館：新潟市文化財急小澤家住宅＠新潟県新潟市中央区 👨🏫 豊橋市二川宿本陣資料館＠愛知県豊橋市
1872年、新橋から横浜へ、日本最初の鉄道が開業しました。 蒸気機関 は、 石炭 を 燃料とし ボイラー で蒸気を発生させ、シリンダーに送り熱エネルギーを動力に 変換します。 蒸気機関車は、その動力で、人や貨物を輸送します。 変換効率を上げるため、 ボイラー の圧力 は、1873年は8.3kg/cm2でしたが、1935年以降は、14kgf/cm2以上となります。 そのためボイラー は 鋼が使われました * 。 しかし、石炭を積載しなければなりません。昭和になると電車へと変わっていきます。
👨🏫 👨🏫 ＪＩＳ．Ｅ―鉄道、線路
1941（昭和16）年12月16日、世界最大で最強と謳われた戦艦「大和」が竣工しました。 重油を 燃料に、 ボイラーで蒸気温度３２５度、 圧 25kgf／cm2の蒸気を作り、 蒸気タービンエンジン （ランキンサイクル） で 15万馬力の動力を発生しました。
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
✍ ( 品質管理 )
