HOME 教育状況公表 令和2年10月24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  立花和宏・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

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
材料の分類例
鉄鋼材料(金属材料)

非鉄金属材料金属材料

非金属材料複合材料
材料の例炭素鋼

アルミニウム

マグネシウム

ケル

チタン

亜鉛

木材

プラスチ

セラミックス

繊維

セメント

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。

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
金属のイオン化傾向
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

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-

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
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).

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