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令和6年11月8日 (金)

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  🔋 C1 伊藤智博 📛 立花和宏

講義ノート

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。


軽金属 ガラス 繊維
  1 213 材料の変遷
© K.Tachibana * , C1 Lab.
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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。


  1 41 固体 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
🏞 ゴム
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
🏞 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

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。


石器から鉄器へ

金属材料の産業上の分類

  2 金属材料の産業上の分類
用途
重金属 鉄鋼 鉄鋼 鉄合金 モーター
非鉄金属 🏞 非鉄金属
(狭義)
🏞 🏞 銅合金
🏞 亜鉛
スズ
貴金属 🜚
🜛
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

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

登呂遺跡博物館

  2 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?
©2016K.Tachibana
3 ) 4 ) 🔷 静岡市立登呂博物館@静岡県静岡市

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。


凝固点降下と炭素

  3 凝固点降下
©2017 K.Tachibana

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。


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

鉄の歴史館

  4 鉄の歴史館
© 2009 K.Tachibana * , C1 Lab.

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


和鋼博物館

  5 和鋼博物館
© 2008 K.Tachibana * , C1 Lab.

たたらを踏んで、空気を送り込みます。 高塚くん、一生懸命踏んでいます! 🔷 和鋼博物館@島根県 5 )

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
鉄を作るプロセス

Example fillrule-evenodd - demonstrates fill-rule:evenodd -3.0-2.5-2.0-1.5-1.0-0.50.00.51.01.52.02.53.0 Al Fe Zn Cu Li
  6 金属の イオン化傾向
©K.Tachibana

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。


金属のイオン化傾向

  7 55 金属のイオン化傾向
© 2008 K.Tachibana

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 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?


  8 橋野高炉跡:資料映像

  9 橋野高炉跡 ( ストリートビュー
©2009K.Tachibana

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。

  10 韮山反射炉 ( ストリートビュー

黒体放射

  11 194 黒体放射
© K.Tachibana * , C1 Lab.

融点は1500度。その 温度を光の 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

工場見学-新日鉄君津工場@千葉県

  12 新日鉄君津工場@千葉県
© 2007 K.Tachibana

8 )


近代製鉄-転炉による組成制御と酸素の製法-

  13 近代製鉄の製造フロー
©2017 K.Tachibana

9 )


鉄の原料

  3 近代製鉄の 原料
原料 説明
鉄鉱石 ( 磁鉄鉱 FeFe2O4 先カンブリア時代 にできた酸素で、 海水中の鉄分が沈殿しました。(化学的沈殿鉱床)
🏞 石炭 コークス炉でコークスにする。 廃プラスチックをリサイクルします。
🏞 酸素 空気冷却液化、蒸留して作ります。 銑鉄を転炉で鋼にするとき吹き込みます。

鉄鋼は、ビルや橋、自動車などに使われます。 鉄鋼業の 二酸化炭素排出量は日本全体の14%と言われています。


石炭の乾留

  4 石炭の乾留
説明 用途
石炭ガス 水素 メタン 一酸化炭素 燃料
コールタール 軽油
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 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。 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。 コストから日本では採掘されなくなりましたが、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。


コークス炉

高炉

Example fillrule-evenodd - demonstrates fill-rule:evenodd 010002000300040005000600070008000900010000 絶対零度 室温 ハーバーボッシュ法 ロウソクの炎 高炉 鉄の融点 黒鉛化 タングステンの融点 太陽の表面温度 蛍光灯の電子温度
  14 🔥 🌡 温度 T/K
© K.Tachibana * , C1 Lab.

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。


転炉


日本酸素記念館@山梨県

  15 日本酸素記念館@山梨県
© 2017 K.Tachibana * , C1 Lab.

リンデサイクル で空気を液化し、酸素を製造します。 10 )


温室効果ガスと人間活動

  5 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

熱サイクルでは、冷媒を必要とします。

✍ 平常演習

鉄を使った製品

鉄と炭素の 状態図(相図)をネットで調べて描きましょう。


これからの製鉄-高炉から電炉へ-

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。 11 ) 鉄鉱石の価格も急落している。 12 ) 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。


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

010020030040050060070080025002000150010005000 温度 T / K 圧力 p / Pa
  16 状態図
© 2023 K.Tachibana * , C1 Lab.

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 状態図(Phase Diagram) と言います 13 ) 。 固体に複数の結晶系があるとき、多形(Polymopism)と言います。

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?

プールベイ図


  6 鉄合金
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
18-8 ステンレス SUS304 Cr 18 Ni 8 錆びない 食器、化学器具
04 無機工業化学 11 エネルギー化学

14 )


磁性材料

  17

ピカッとさいえんす 「電気と磁石の深~い関係」


モーター

  7 モーター
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 15 ) 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。

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。


  8 電子と磁気
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
半導体レーザー LED
04 11 無機工業化学

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-


電線、碍子、鉄塔

  18 308 送電に使われる 鉄塔(鉄鋼)電線(銅、アルミ)碍子(陶磁器)
© 2017 K.Tachibana * , C1 Lab.

住宅の材料

  9 住宅 の躯体 材料
分類 材料 工法 特徴
鉄材 (金属) 鉄鋼 軽量鉄骨
鉄鋼 重量鉄骨
🏞 木材 木材 軸組工法
木材 2×4工法 気密、 断熱、耐震性
石材 ( セラミックス 瓦、 レンガ コンクリート 瓦、 レンガ 、コンクリート


4.3 近代製鉄と石炭


いわき市石炭・化石館(ぽるる)@福島県いわき市

  20 いわき市石炭・化石館(ぽるる)@福島県いわき市
© 2017 K.Tachibana * , C1 Lab.

化石燃料 🔷 いわき市石炭・化石館(ぽるる)@福島県いわき市

[検索]ベッセマー転炉


  10 炭素材料
分類 細目 説明
天然炭素材料 石炭 16 )
天然黒鉛 (グラファイト、石墨 17 ) 鉛筆、 リチウムイオン二次電池負極
合成炭素材料 木炭 たたら製鉄
人造黒鉛 18 ) 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)
無機工業化学 エネルギー変換特論 有機工業化学 m電池

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 19 ) 。 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アノード食塩電解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
応力 融点 石炭

コークス炉とリサイクル

  21 エコレールマーク
  22 エコレールマーク
  23 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

  11 金属加工
加工方法 特徴など
鋳造 砂型鋳造法(鋳鉄)、ダイカスト法(ADC12)
接合 溶接 (ガス溶接、アーク溶接)、リベット接合、接着接合
塑性加工 鍛造、プレス(しぼり、せん断、曲げ、圧延、押し出し)、引き抜き
切削加工(マシニング) マシニングセンター、 旋盤、ボール盤、フライス盤、放電加工、研削加工
表面処理 塗装、めっき、 アルマイト加工
3Dプリンタ CADデータを直接造形できる

工場見学-マツバラ@岐阜県

  24 マツバラ@岐阜県
© K.Tachibana,C1, MATSUBARA Co.,Ltd

キューポラからほとばしる湯を鋳込む マツバラ のエンジニア

🔷 岐阜県

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。

精密鋳造された羽釜

  25 精密鋳造された 羽釜
©2015 H.Kawashima, C1, MATSUBARA Co.,Ltd

精密鋳造された 羽釜 20 ) CADCAEで設計されます。

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).

参考文献


無機工業化学


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