大学教育の質の保証・向上ならびに 電子化及びオープンアクセスの推進の観点から 学校教育法第百十三条に基づき、 教育研究活動の状況を公表しています。
第百十三条 大学は、教育研究の成果の普及及び活用の促進に資するため、その教育研究活動の状況を公表するものとする。
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A.①鉄の冶金について主に学習した。高炉の構造や、コークスの作り方も学習した。 ②フェライト:体心立方格子、オーステナイト:面心立方格子、セメンタイト:Fe3C斜方晶固体 ③鉄鋼の冶金とは、鉄鉱石から鉄を取り出し、さらに鋼として利用可能な性質に加工する一連の工程である。主に高炉を用いて鉄鉱石をコークスとともに還元し、銑鉄を得る。その後、転炉などで炭素や不純物を除去し、所定の成分を調整して鋼を製造する。鉄鋼は強度や加工性に優れ、建設や機械、自動車など幅広い分野で用いられている。
A.①バッチ生産からフロー生産への理由やそれらの歴史や背景について、具体的にどのようなことがあって変化していったのか話し、鉄鋼について鉄鋼材料の種類やそれらの使用されているものな歴史の中でどのように変化していき、それらで作られたものができてあったのか話し、ステンレスと合金の違いやそのメリット、デメリット、それぞれ使われるものとその理由について話し、石炭 と 炭素材料の種類や歴史について話した。 ②鉄の状態図について調べた。 ③復習の内容 今回の講義では工業製品の材料の部分に焦点を当てていて、その種類や歴史について学んだのでその復習として具体的にどのような材料で作られているのか身近なものについて調べた。また、鉄の状態図について調べたのでその状態図がどこでどのような状態なのか理解できるようにした。そして他の材料でも状態図がどのようなものなのか調べた。
A.①冶金について学び鉱石から金属にすることに着目した。特に鉄について製造の方法について学んだ。固体であるため層状であると分かった。石炭だと不純物を多く含むため、より炭素を多く含むコークスを利用して1500℃まで加熱して鉄を製造していると分かった。木炭は木を乾留して作っていると学んだ。グラファイトは日本語で材料名は黒鉛といい鉱物名は石墨と言うと分かった。②鉄の相図について調査し議論した。炭素の量によってオーステナイトや黒鉛などが使われそれによって温度は大きく変化すると分かった。７００℃ではフェライトだと分かった。固相線や液相線などによって鉄の相図は分けられていると分かった。③冶金とは、鉱石などの原料から有用な金属を採取、精製、加工して、実用的な金属材料や合金を製造する技術のことだと分かった。具体的には、鉱石から金属を取り出す「採鉱冶金」と、金属の性質を変化させたり、合金を製造する「製造冶金」に分けられると分かった。相図は物質や系の相と熱力学的な状態量との関係を表しているものであり状態図ともいうと分かった。?
A. 鉱石から金属を精製するする方法を冶金といい、精製されたものは鉄鋼と非鉄金属に分けられる。鉄鋼は高炉で鉄鉱石とコークスを層状にして製造される。それは原料が固体であるため、混ぜにくくいため、層状の方が工程を楽にできるからである。また、コークスを用いるのは普通の石炭では不純物が多すぎて1500度まで達せないため、あらかじめ不純物を取り除いておいたコークスを利用している。 グループワークでは鉄鋼の温度と金属組織の関係図をまとめた。温度が700度以下だとフェライトとセメンタイト、温度が高く1600度付近になると液層の構造にになっている。その間の温度で、炭素の含有率が低いとオーステナイトの構造をとることが確認できた。 事後学習では鉄の合金について学んだ。鉄に炭素を微量含んだ鋼のうち、ステンレス鋼を選んだ。用途としては多岐に渡り、家庭用品では、調理器具・冷蔵庫など、建築土木では、屋根材・外壁材など、自動車輸送機系では、燃料タンク・排気系部品など、産業機械では、化学プラント・医療機器などに利用されている。ステンレス鋼の最も重要な特徴は錆びにくいという点である。クロムを含むことで表面に緻密で安定した不動態被膜を形成し、酸素や水分・酸からの腐食を防いでいる。また、強度も高く、さらに低温下での靱性にも優れており、耐熱性・耐低温性にも優れている。表面が滑らかであることから、清掃が容易で、雑菌の繁殖を抑える効果もあるため、医療機器、食品関係の機械の材料として適している。
A.①?③を以下に示す。 ①金属結合を取り出すにはどうするのか。鉱石から金属を取り出すことを冶金という。また冶金（やきん）によって鉄鋼と非鉄鋼を分離することもできる。 では鉄はどのように作られるのかというと鉄は製銑工程（鉄鉱石から鉄分を抽出し、溶けた鉄を作る）と製鋼工程（溶けた鉄を顧客ニーズに基づいて調整・加工する）によって作られる。英語ではiron（アイアン）、steal（スチール）を作るといわれる。 コークスは精錬の際に酸化鉄を還元するのに使われる。なぜ石炭ではコークスが使われるのかというと精錬には1500℃を要するため石炭の不純物が反応して鉄を還元するのに使えないからである。これは鉄と炭素すなわち無機・有機物が密接にかかわっていることを表す。炭素の同素体についてコークス、石炭、木炭などがある。同素体とは同じ元素からなるが性質が違う単体である。また炭素の同素体であるグラファイトは黒鉛・石墨といわれ材料・鉱物を指し文脈により言い分けられる。 鉄は我々の生活に欠かせないが錆びるという弱点がある。ステンレスはCr Ni Feが使われている（Crが酸化膜を形成）。 炭素と鉄の例を通して金属は組成が同じでも結晶構造が違えば性質も違うことを学んだ。この性質の違いは相図によって表すことができる。 ②演題 鉄を使った製品 グループ名 左前 役割 責任著者 共著者 加藤さなみ、大坂琉音、島貫乃愛、鈴木結惟 純鉄では、温度を上げていくと、α鉄（アルファ鉄）、?鉄（ガンマ鉄）、δ鉄（デルタ鉄）とよばれる状態に変化し、さらに温度を上げると液体状態となる。 結晶構造の違いとしては、α鉄とδ鉄は体心立方格子構造で、?鉄は面心立方格子構造である。 α鉄とδ鉄の違いは温度の違いである。温度の高い方がα鉄、低い方がδ鉄となっている。 ?鉄の結晶構造の方が原子間空隙が大きく、炭素などの原子を取り込みやすい構造となっている。 このような状態変化は、鉄に炭素を加えることにより変化する。 Fe3Cは、鉄と炭素の化合物であり、炭化鉄分子ではなく、結晶格子にFeとCを含む結晶で、原子の比が3:1である。 ③トピック名 石器と鉄器の違い 石器とは石を材料として、それを加工して制作した道具、利器、武器の総称。 鉄器とは鋳鉄を素材として鋳造された鉄製の器具、道具の事。 どちらも、硬度、強度、耐久性に優れる。筒の場合はさびやすいという弱点があるが、汎用性が高く、様々な分野で使用されている。
A.第四回目の授業では鉄を作る工程について学びました。鉄をつくるには鉄鉱石から不純物を取り除き、純粋な鉄を得る必要があります。鉄鉱石は石炭を蒸し焼きにしたコークスによって還元することで純粋な鉄になることができることがわかった。 グループディスカッションでは鉄の状態図を描きました。状態図を見ることで鉄とほかの元素の組み合わせが、温度や組成によってどのような状態で存在するのかを知ることができます。純鉄の場合、温度によって結晶構造が変化し、それぞれα鉄、γ鉄、σ鉄と呼ばれる分野に分かれており、同じ温度でもそれぞれ状態が異なることがわかった 復習の内容として、鉄の精錬の起源について調べました。紀元前2400年ごろから鉄器の利用が始まったとされており、紀元前1700年から1100年ごろにはヒッタイト人が鉄の精錬技術を確立し、王国を築きました。ヒッタイト人は鉄鉱石を直接還元して錬鉄を造る直接製鉄法を用いて鉄を精錬したと言われており、製鉄炉は700?800℃と低い温度での操業であると考えられています。
A.①鉄鋼について学んだ。工場の仕組みp26を参考に、鉄の作り方を学んだ。コークスは鉄を還元するために用いることを学んだ。金属を取り出す際には、原料が固体だと簡単に混合することができないため、層状にしてから用いることが重要であった。鉄の融点は、1500℃であるため、それに耐えられるコークス炉が必要となる。また、鉄はさびやすいため、合金にすることで耐腐食性にすることができ、新たな性質を持たせることにも繋がっていると知った。 ②鉄の相図から、各温度での鉄の状態を調査した。石墨というグループで、白澤拓磨、松田天、矢萩陽向、青木優菜と議論し、私は調査を行った。炭素量を横軸にとり、０?７％の範囲で描かれる。フェライトと呼ばれる相では、体心立方格子、オーステナイトと呼ばれる相では、面心立方格子である。パーライトでは、フェライトとセメンタイトが層状に交互に並んだ組織となる。 ③石器と鉄器の違いを調査した。石器は、石英、チャートなどを原料にして割ったり、削ったりすることによって作成する。そのため、脆く、欠けやすいのが特徴である。鉄器は、鉄を原料にして、加熱、鋳造、鍛造などの治金技術を用いて作成する。金属でできているため、丈夫で、曲げやすく、再加工が可能であるため、日用品、農具等幅広く使用されると考える。 また、溶鉱炉の温度計測には、サーモグラフィが使用される。測定視野内の最高温度を常に測定するホットスポット測定が行われている。また、色温度計やスペクトル分析、比色計によって計測する方法がある。MACHINEMFGによると、色温度計では、測定プローブを測定対象物に当て、光源から放射されるすべての波長光の強度を直接測定し、色温度を求める。比色計には、フィルター式測色計は特定の波長の光をフィルターにかけることで色温度を測定し、結晶式測色計は異なる波長の光に対する結晶の反応を測定することで色温度を決定する。 さらに、合金を調査した。ステンレス鋼は、耐腐食性があり、さびにくく、耐熱性があり、強度が高いため、湿気や化学物質にさらされる環境でも使用することができる。このことから、機械部品や、家電、スプーンなどにも使用されていると考える。
A. 鉄と炭素の状態図は、鉄合金の温度と炭素含有量に応じた相の変化を示し、鋼や鋳鉄の性質を理解する上で重要である。ステンレス鋼は鉄にクロムやニッケルを加えた合金で、酸化被膜により高い耐食性を持つ。特にキッチンシンクでは、ステンレス鋼製は鉄製やプラスチック製に比べて耐久性・衛生面で優れており、長期的な使用に適している。 鉄器は石器に比べて硬度が高く、加工が容易で複雑な形状が可能なため、農具や武器などに広く利用された。鉄製の鍬は耐久性と作業効率に優れ、プラスチック製に比べて強度面で優位性がある。鉄器の普及により、石器や青銅器は次第に使われなくなった。 鍛冶職人が鉄の色で温度を見分ける技術は黒体放射の原理に基づいており、鉄の色の変化から温度を判断する。赤色は約700?900℃、オレンジ色は1000℃以上を示す。近年では、色温度計や感温紙などのツールも活用され、職人の経験と科学的測定を組み合わせることで、より精密な温度管理が可能となっている。
A.①鉄は還元剤を使って鉱石から取り出され、高炉で銑鉄、転炉で鋼になる。また、炭素との相性が良く、合金化により性質が変わる。そして、炭素は凝固点を下げ、構造や強度に影響する。さらに、鉄は磁石にくっつき、ニッケルやコバルトも同様である。最大の弱点は錆だが、鉄を主成分にクロムやニッケルを含んだステンレスで防ぐ事ができる。 今回のグループワークでは、鉄の相図は温度と炭素含有量の関係からオーステナイトなどの相が示される事が示された。 ②演題は鉄についての相図の概略図と説明でありグループ名はモノタロウ、属した人は、小笠原大地、坂本彩夏、後藤将太、鈴木奏逞、須藤春翔、五十嵐稔二であり、役割は調査係。 今回はモノタロウのサイトから調べて、鉄鋼材料を熱処理するうえで特に重要な箇所について、平衡状態での変態点の名称や金属組織を詳細に示したものである。ここから共析点とは、固体状態において、冷却中一定の温度で1つの相から新しい2つ以上の相を析出あうる点である事が読みとれた。 ③私は、ステンレス鋼について調べた。ステンレス鋼は鉄を主成分とし、炭素1.2％以下、クロム10.5％以上を含む合金鋼で、不動態被膜により錆びにくい。これはクロムが鉄より酸素と結びつきやすく、表面に保護膜を作るためである。食器や医療機器、建築材など幅広い分野で使われる。 耐食性があることはメリットではあるが、熱伝導性が低いため切削加工時に熱が逃げにくく、加工しづらい点はデメリットとして挙げられた。
A.【講義の再話】 鉄を精錬するにあたって、製銑工程と製鋼工程があります。製銑工程では高炉内に鉄鉱石とコークスを交互に重ね、溶かして銑鉄を作ります。コークスを加えることで、鉄の凝固点を降下させることができます。 その後、製鋼工程で炭素や硫黄などの不純物を取り除き、また合金とするために元素を添加します。鉄製品はさびるという欠点があります。これを克服したのがステンレス鋼で、合金成分のクロムが不導態膜を作ることで、錆を防ぎます。 【発表の要旨】 演題:鉄を使った製品 グループ名：スチール 共著者名：石毛翼、宮入丈、鈴木佑涼 役割：調査 鉄の相について調査した。鉄は相図から、フェライト、セメンタイト、オーステナイト、液体の形で存在する。フェライトは体心立方格子、オーステナイトは面心立方格子であり、セメンタイトは斜方晶固体である。 【復習の内容】 ステンレスを使用した製品について調査した。ステンレスは耐食性を利用し、配管やドアロックなどの建築分野、食器などの厨房分野などで利用されている。 配管について、ステンレス配管とアルミ配管について比較した。 ステンレスは強度が高いため、水道などで用いられる。 アルミ配管は空調に使われ、軽量である、リサイクルが容易であるなどの利点がある。
A.① 授業では、冶金の分野から鉄鋼と非鉄金属の製造について学んだ。鉄の製錬ではコークスを用いて酸化鉄を還元し、鉄を取り出す。このとき鉄の融点は約1500℃で、高温環境が必要である。また、高炉の構造が示され、炉内での還元・溶融の流れが視覚的に理解した。グラファイト電極が高温電気炉などに使用され、グラファイトは電気をよく通し、高温にも強い炭素の結晶体であり、電気炉や電解槽の電極材料として使われていることが紹介された。 ② 石墨 松田天、青木優菜、白澤拓磨、笹原里音 鉄と炭素の合金の状態図について、縦軸に温度、横軸に炭素量をとり、鋼や鋳鉄がどのような組織を持つかをまとめた。自分は調査役として、状態図を調べた。この相図を用いて、オーステナイトやフェライトなどの組成を学び、班で共有した。状態図を理解することで、鉄鋼材料の熱処理や機械的性質への応用が可能になると考えた。 ③鉄鋼製造では、酸化鉄にコークスを加えて高温で還元し、鉄を取り出す。鉄の融点は約1500℃で、高炉を用いる。「最新工業化学」P78にはその高炉構造の図があり、炉内での反応や温度変化の様子が示されていた。非鉄金属も同様に冶金的手法で得られるが、鉄とは異なる工程が多い。「現代の電気化学」P105では、グラファイト電極の性質や用途が述べられており、電気炉などで高温環境に耐える材料として利用される。鉄の相図では温度と組成の関係を確認した。
A.①鉱石は金属となりその過程で冶金をしなければならない。鉄を製造するには1500℃の温度が必要である。では、なぜコークスを加えるのだろう。それは高温にするためであり、石炭よりも不純物が少ないからである。グラファイトは黒鉛や石墨ともよばれ同素体が多く存在する。 ②「鉄を使った製品」グループ名モノタロウ、鈴木、五十嵐、後藤、坂本、須藤、役割分析 鉄の温度による炭素量の変化を描いた。炭素量が少ないとき多くはフェライトで存在し、炭素量が多くなるとオーステナイト＋フェライト、フェライト＋バーライトが多くなる。また、同時にオーステナイト相が増える。共析点でオーステナイトが急激に減少傾向が見られ、オーステナイト＋Fe3C、バーライト＋Fe3Cが主を占める。 ③私はステンレスフライパンを選びました。丈夫で錆びにくく、また一度熱すると冷めづらいため予熱調理も可能です。ステンレス鋼とは鉄にクロムを含有した合金で、耐食性に優れています。 比較としては鉄フライパンを選びました。鉄フライパンはステンレスフライパンに比べて、熱伝導が良いので焦げ付きに注意しないといけないというデメリットがあります。
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A.石器は昔ながらに使われていたが加工が簡単ではない。そこで、鉄器が使われるようになった。鉄器は石器に比べて硬度が高く加工が容易で可能なため、生活用具、農具や武器などに幅広く利用された。鉄製の鍬は耐久性に優れ、プラスチック製に比べて強度の面で優れている。鉄器の普及により、石器や青銅器は次第に使われなくなっていった。 また、鉄と炭素の状態図は、鉄合金の温度と炭素含有量に応じた相の変化を示し、鋼や鋳鉄の性質を理解する上で重要である。ステンレス鋼は鉄にクロムやニッケルを加えた合金で、酸化被膜により高い耐食性を持つ。ステンレス鋼製は鉄製やプラスチック製に比べて耐久性・衛生面で優れており、また安価で長期的な使用に適している。 鍛冶職人が鉄の色で温度を見分ける技術は黒体放射の原理に基づいており、鉄が赤くなるのは、物理現象であり、黒体放射と言われる。原理は、高温になると可視光を放出し、温度が上がるにつれて光の色が変化する。見分け方は、赤外線センサーや放射温度計を使用するが、職人は発行の色を目安にしている。（赤→オレンジ→黄色→白）鉄の色の変化から温度を判断する。赤色は約700?900℃、オレンジ色は1000℃以上を示す。近年では、色温度計や感温紙なども用いられ、より精密な温度管理が可能になった。。
A.1.金属について 鉄について、 昔の金属をしろがね、くろがね あかがね、などよぶ、 鉄は自分たちに最も身近な金属である。 鉄は、溶かすのに1500℃程度の温度が必要である。これに達するためにはたくさんの努力が必要である。 2発表について グループ名 いちごみるく メンバー 松本碧衣 今山華百 鈴木純奈 久田 光希 平方誠二郎 福田悠馬 炭素と鉄の相関図を示した。 オースラナイトと液体 オースラナイト オースラナイトとセメンタイト フェライトとセメンタイト に変化し、炭素量関わらず、723℃までは、主にフェライトで構成されている。 ということをまとめた。 3.復習の内容 身の回りの合金について、調べた。 自転車についても調べた ステンレス製のものは錆びにくいということがわかった。ステンレスはニッケルとクロムの合金である。軽くて強いが製造コストが高いことが難点である。 錆びにくい。
A. 金属は鉱石から得られ、冶金により鉄鋼や非鉄金属が作られる。鉱物には石炭などの有機物と、鉄鉱石などの無機物がある。材料と鉱物の例として、黒鉛と石墨、石灰石と大理石、砂鉄と方解石、石炭と鉄が挙げられる。特に、鉄は鉄鉱石を高炉で鉄の融点である約1500℃まで加熱し、石炭から生成したコークスから不純物を除去して製造される。低炭素では鋼、高炭素では鋳鉄となる。製鉄プロセスでは、高炉で銑鉄を得た後、精錬により鋼へと変換される。 鉄鋼の性質は炭素含有量と温度により変化し、鉄?炭素系状態図ではα鉄、γ鉄、δ鉄、液相、Fe?C（セメンタイト）との組み合わせで示される。α鉄とδ鉄は体心立方格子構造、γ鉄は面心立方格子構造をとる。また、α鉄とγ鉄は温度の違いによりその性質を変えることができる。 金属のスプーンは、一般的にステンレスでできている。特にオーステナイト系ステンレス鋼が多く、これは18%クロム鋼にニッケルを8％以上加えたもので、相図ではγ鉄に分類される。温度変化や耐食性に強いため、家庭用品や建築内外装、液化天然ガスタンクなどと幅広く利用されている。
A. 冶金には鉄鋼と非鉄金属がある。鉄をつくる工程は、焼結、コークス、高炉、溶銑予備処理、転炉、2次精錬、連続鋳造の7工程である。それを大きく2つの工程に分けると、鉄鉱石から鉄分を抽出し溶けた鉄をつくる製銑工程と、溶けた鉄を顧客ニーズにもとづいて調整・加工する製鋼工程の2つである。 演題は「鉄を使った製品」、グループ名はいちごミルク、共同著者は松本碧衣、鈴木純奈、久田光稀、平方誠二郎、福田徳馬、私は発表を担当した。グループワークでは鉄の相図を書いた。鉄の相図からは、鉄が温度や炭素の含有量によってさまざまな状態（フェライト、オーステナイト、セメンタイトなど）に変化することがわかった。また、鉄と炭素の合金である鋼や鋳鉄の性質や加工方法を理解する手がかりにもなり、熱処理や材料選びの重要な指針となることを学んだ。 復習として、錆びない鉄を作り出していることについて述べる。錆びない鉄であるステンレス鋼は、鉄にクロムなどを加えることで錆びにくくなっていると知り、その工夫に感心した。見た目がきれいなだけでなく、キッチン用品や建築材など身近なものに広く使われていることから、私たちの生活を支える重要な材料であると実感した。
A.1/講義の再話：当日の授業では主に冶金について話してもらった。冶金は国の工業に対して非常に重要だ。この冶金では主に２種類に分かれている。それは鉄と非鉄金属だ。特に鉄の冶金では1500oCが必要だ。鉄の冶金ではコークスも使う。この過程は「かんりゅう」という。日本でのコークス炉は1970年代に建てられた。 2/発表の要旨：「鉄を使った製品」 鉄を製造する際には、まず鉄鉱石を高炉で還元し、銑鉄と呼ばれる高炭素鉄を得る。この工程では主にコークス（炭素を多く含む固体燃料）が燃料として使用され、炉内温度は約1500℃に達する。高炉内では鉄鉱石の酸化鉄が一酸化炭素によって還元され、同時に炭素が鉄に吸収されるため、生成される銑鉄の炭素含有量はおよそ4%に達する。その後、転炉などで酸素を吹き込むことで炭素を除去し、鋼へと精製する。温度が上昇すると炭素は徐々に減少し、例えば約1600℃の転炉処理でグラフとのように炭素が1%以下程度まで減らされる。最終的に、用途に応じた炭素量（例えば0.2%前後の低炭素鋼など）に調整された鋼が得られる。 3/復習の内容：冶金とは、鉱石から金属を取り出し、目的に応じて加工する技術のことであり、大きく鉄系（金属）と非鉄金属に分類される。鉄の冶金では、鉄鉱石を主原料とし、高炉でコークス（炭素を多く含む燃料）と一緒に加熱して還元反応を行うことで、銑鉄を得る。コークスは高温で安定した熱源となるだけでなく、一酸化炭素を発生させて酸化鉄を還元する重要な役割も果たす。一方、非鉄金属にはアルミニウム、銅、鉛、亜鉛などがあり、それぞれ異なる方法で精錬される。特にアルミニウムはボーキサイトからアルミナを取り出し、さらに融解塩電解によって製造されるが、この過程ではコークスではなく電力が主なエネルギー源となる。
A.今回のテーマは鉄鋼です。鉱石から金属にすることを冶金といい、今回は鉄に注目してみます。工場では、鉄はコークスと層状に積んで表面積を増やして製銑します。コークスを使う理由は鉄の融点にあります。鉄の融点はおよそ1500℃ですが、ただ石炭を使うだけでは不純物が多くて上がり切りません。そこで石炭を加熱して不純物を取り除いたのがコークスです。同様に不純物が少ない燃料として木炭があり、木炭を作る過程は乾留といいます。コークスは別名黒鉛、石墨といいますが前者は材料名、後者は鉱物名です。鉄の合金としてステンレス鋼が有名です。ステンレス鋼はクロムと鉄の合金であり、クロムが酸化被膜を作ることでそれ以上の酸化を防ぎます。鉄と炭素を混ぜて加熱すると組成が変化します。これを表したのが相図といいます。 今回のワークショップは相図です。実際に相図を班員で書きました。温度、炭素の量によって鉄の性質が変化します。オーステナイト相、フェライト相、セメンタイト相があります。それぞれ高温、低温、およそ1000℃かつ炭素量多めの場合の状態です。性質の違いを利用した製品が作られています。 ステンレスを使用した製品として、厨房器具を紹介します。状態図ではオーステナイトを冷却する過程で生じ、余分な炭素を排出します。それがセメンタイトとして析出します。これがフェライト系ステンレス鋼です。耐食性にあまり優れていないため、腐食があまり起きない環境で使われています。セラミック製の調理器具は焦げ付きにくいなどの特徴がありますが、急激な温度変化に弱いです。
A.固体材料は、金属材料と非金属材料に区別される。金属には、鉄や金、銀、銅、アルミニウムなどがあり、その中でも鉄は鉄鋼材料、金、銀、アルミニウムは非鉄金属材料と呼ばれている。また、純物質の状態の金属は柔らかいため、炭素などを混ぜて、混合物である合金にすることで、より固くなり、組み合わせを変化させ、いろいろな用途にあった性質に変化させている。 鉄と炭素の状態図から0-850度の状態をフェライト0.765mass%を共析点といい、パーライトともいう。共析点は、固体状態で冷却中一定の温度で一つの相から新しい２つ以上の相を析出する点をいう。 この鉄と炭素を使った製品として、鉄製のフライパンがある。鉄のフライパンは純鉄や低炭素鋼が使用され、フェライト領域にあるが高温にすることでオーステイトに変化する。そのため、柔らかく延性に優れており、加工しやすく成型性が高いという特徴を持っている。そして、比較として鋳鉄のフライパンがあり、鋳鉄のフライパンは薄く、熱伝導性が高いが冷めやすいという特徴を持ち、鋳鉄のフライパンは、分厚く熱保持力が高いという特徴を持っている。そのため、鉄製のフライパンは炒め料理などの比較的早く調理するものに適していて、鋳鉄のフライパンは煮込み料理などの時間をかけて行われる料理の調理に適している。
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A.今回の授業では鉄を作る際に層状で作るということが分かりました。これは層状にすることによって反応の表面積が広がり、混ざることが大事なためと分かりました。また、ほかにも様々な元素の利用について学び、CaCO3は、石灰石、方解石、大理石になっているということも分かりました。鉄、ニッケル、コバルトは磁石になっているということもわかりました。 今回の発表では炭素含有量と、温度における鉄の変化についての図を描いた。鉄にはいく つかの種類があって、γ鉄は粘り気があり錆に強く、オースラナイトともいう。鋳鉄は炭素 含有量2.14%以上の鉄のことを言う。また、α鉄は溶解度が低く、フェライトともいう。δ 鉄は純鉄が 1392℃から 1536℃(融点)までの温度で安定な体心立方構造をとるときの鉄の ことを指す。 コークスについてさらに調べました。コークスは高温で長時間燃焼できるため、鉄の製造工程である高炉での還元剤として利用されます。また、ガラスや陶磁器の焼成、発電などにも使われる重要な燃料と分かりました。
A.①冶金（やきん）、鉄の製銑工程などについて学びました。冶金（やきん）とは、鉱石から金属を取り出す工程のことで、鉄鋼と非鉄金属があります。ほとんどの金属は、鉱石を高温で燃やして作るので、製造に大量の二酸化炭素排出が伴ってしまうのが現状の課題です。鉄は鉄鉱石を焼結させて作ります。この工程を製銑工程といいます。鉄の融点は1500℃であり、この温度まで加熱するのは難しいです。そこで、コークス（C）を加えることによって融点を下げます。また、コークスは鉄鉱石を炭素によって還元して鉄分を取り出す役割もあります。コークスの元は石炭です。しかし、普通の石炭では不純物が多くて熱が逃げてしまいます。そこで、乾留（蒸し焼き）して石炭の純度を高めてからコークス炉に用いています。つまり、石炭の質が鉄の質を決めているといえます。鉄は延性、展性を持つため、様々な製品に用いられています。ただし、さびやすいので酸化被膜を作れる金属でめっきをすることが多いです。また、鉄、ニッケル、コバルトなどは磁性を示すため、新幹線チケット、お札などに使って偽造防止をしています。 ②グループ名は右前です。グループメンバーは内藤樹、小野翔太、鈴木晴琉、黒沢行博です。鉄の相図について調べ、発表用紙に図を描いて、その図について議論しました。横軸に炭素量、縦軸に温度をとり、鉄の融点をグラフに描きました。フェライト、セメンタナイト、液相の3つの領域があることが理解できました。また、炭素の量を多くしていくと確かに鉄の融点が低くなっていることが確認できました。 ③復習では、鉄の融点降下について調べました。これは、2つ以上の物質（今回は鉄と炭素）を混ぜることで、個別の融点よりも低い温度で溶ける合金を作れる現象のことで、共晶反応とも言います。今回学んだ鉄の製銑工程では、鉄とコークスを混ぜて焼結することで、鋼、鋳鉄を作っています。鋼は、鉄に炭素（カーボン）を0.02~2.1%混ぜた合金のことで、加工性、強度のバランスが良いです。鋳鉄（ちゅうてつ）は、カーボンの含有量が2.1%以上の合金のことで、カーボンが多いのでもろいが溶けやすく鋳造に向いています。共晶反応は、原理的には凝固点降下に似ています。凝固点降下は、溶質を液体に溶かすことで、液体の凝固点が下がる現象です。共晶反応では、目的の固体に他の固体を混ぜることで固体の融点が下がっています。
A.①鉱石から金属を取り出すことを冶金という。冶金には鉄鉱と非鉄金属に分けられる。鉄の作るときは層状構造の炉で行われる。鉄を作るときにはコークスが必要である。これは鉄鉱を還元する際に使う。その理由は1500℃という高い温度を作るためである。鉄鉱のみだと不純物が多いため温度が上がらない。もともと日本では木炭を使っていた。鉄の製造工程において炉は大切である。特にコークス炉においては石炭を蒸し焼きにしており、炉の寿命は約５０年である。 ② 鉄の相図を書いた。炭素含有量と温度によって鉄の状態が変化すると分かった。アルファ鉄、ガンマ鉄、デルタ鉄という状態に変化する。アルファとガンマは体心立法格子で、温度の違いによって使い分ける。デルタは面心立法格子である。 ③石器は主に火打石や黒曜石などの硬くて割れやすい石を使用し、石を打ち砕くことで鋭利な刃を作る技術が発展した。石器は割ることで自然な鋭利な刃を作り出せるため、狩猟や採集に適していた。一方、鉄器は鉄鉱石を原料としており高温で加熱して鍛造することで、より丈夫で加工しやすい道具を作ることができるようになった。加熱して叩くことで形を自由に変えることができ、農耕や建築に適した道具として発展した。鉄の温度を測る方法には黒体放射の原理が使われており、物質が加熱されると特定の波長の光を放射し、鉄は約600～700℃で暗赤色、1000～1200℃で黄色、1300℃以上で白色になる。鉄の合金よりステンレス鋼を選んだ。 ステンレス鋼は鉄にクロムを約10%以上加えた合金で、錆びにくく耐食性が高いことが特徴である。クロムが酸素と結びついて表面に保護膜を形成するため、水や空気にさらされても錆びにくくなる。キッチン用品、例えば包丁・シンク・調理器具、外装や手すりなどの建築材料、医療機器、さらには化学プラントなどで使用されている。
A. 第４回の講義では、主に鉄の製造方法について学んだ。鉄は大きく分けて製銑工程と製鋼工程という２つの工程により精製される。製銑工程は、焼結（鉄鉱石を押し固めて焼結鉱を製造）、高炉（焼結鉱とコークスを交互に装入し熱風を送る）といった操作である。続く製鋼工程は、転炉、二次精錬（不純物除去）、連続鋳造を行う。コークスの役割には、鉄の還元、鉄の凝固点の降下（1200℃まで下げる）などが挙がられ、コークスの質が鉄の質を決めている。炭素は最も同素体の多い元素として知られ、コークスの他に石炭、木炭、ダイヤモンド、グラファイトなどがある。 グループディスカッションでは、「演題：鉄を使った製品（グループ名：左前、共著者名：大濱風花、近ありす、山根寿々、役割：発言者）」について議論を行い、鉄―炭素系平衡状態図についての理解を深めた。この図は、鉄に炭素がどのぐらい含まれているかによって、各温度における金属組成がどう変化するかを表した図である。例えば、炭素量３％の状態を見ていくと、600℃ではα鉄＋Fe?C、727℃を超えるとγ鉄＋Fe?C、さらに1147℃を超えると融液＋γ鉄の状態へと変化する様子が見て取れる。この図により、熱処理によって鉄の物性がどのように変化するかが分かり、材料開発や用途において役立てることができる。 鉄と炭素の合金は鋼と呼ばれる。この鋼についてさらに詳しく調べてみた。先ほども述べたように、鋼は炭素の含有量と熱処理（温度や冷却速度）によって金属組成の状態が変わり、その強度や靭性を変化させて他の金属にはない多彩な特性を生み出すことができる。例えば、高温状態の鋼を急冷すると鉄原子より小さな炭素原子が鉄結晶の隙間に閉じ込められ、非常に硬い材質になる。日本刀づくりはこの原理を利用している。しかし、現時点で加工性（軟らかさ）とのバランスを考慮した実用鋼の最高強度は、理論上の強度の約20％しか達成していない。より高い強度を実現するには、鉄の転位（原子配列の乱れ）をコントロールすることが要点だということが分かった。
A.①鉄の作り方について工場の仕組みの本を読むと、焼結、コークス、高炉、転炉、2次精錬、連続鋳造の流れがあるということが分かった。この過程において、高炉内では、鉄鉱石とコークスとが層状に積み重ねられるということが最新工業化学の76ページから分かった。また、コークスについて教科書をもとに調べるとコークスとは高炉内で3つの役割を担っていて、主なコークスの目的は鉄を還元することであることが分かった。ここでは、コークスでなければいけない理由について考え、1500度の鉄の融点は普通の石炭では不純物が多すぎてその温度に達さないため、コークスを使っている。昔は木炭を使っており、蒸し焼きにしていた。この操作を乾留という。これら三つの物質は化学的に言うと元素が炭素でできている。また、これのことを同素体という。同素体とは同じ種類の元素からできていてこれらは単体である。他の例でグラファイトが挙げられる。グラファイトは最新工業化学の89ページによると黒鉛という日本語訳になる。炭素材料を3000度程度の高音で熱処理をすることで得られる。 ② 授業中にでた言葉として、石墨が出たが黒鉛と石墨の違いについた調査すると石墨は鉱物であるということである。炭素を中心とした化合物は有機物と呼ばれ、炭素が含まれていない化合物は無機物と呼ばれている。 ③今回の授業の復習としては、鉄の作り方について学んだ。鉄の作り方は具体的にいくつかの手順を踏んで行われる。焼結、コークス、高炉、転炉、2次精錬、連続鋳造の流れである。また、鉄の製造の中でコークスは高炉内でとても重要な働きをしており、グループワークではその理由などについてディスカッションした。
A.①第四回は冶金についての授業だった。鉱石から金属にする工程のことを冶金といい、金属には鋼鉄と非鉄金属があげられる。鉄鋼を製造した理由として、農業の道具や鉄道、鉄筋に利用するための硬い材料が欲しかったことがあげられる。鉄を作る過程において、コークスを用いている。コークスは還元剤およびモル凝固点降下を利用して鉄の融点を１２００℃くらいまで下げるために利用されており、他の物質に比べて不純物が少なく、鉄の精度を高いまま製造できるという利点があるためコークスが用いられている。製鉄において、鉄鉱石とコークスは層状に積み重ねられている。これは気体材料と固体材料の大きな違いであり、気体だと混ぜることは簡単であるが、固体だと混ざることは難しいため層状に積み重ね、互いの接地面積を大きくしている。製鉄には本来１５００℃もの温度が必要であり、高炉ではこの温度に耐えられないため製鉄用の炉の内壁はレンガで覆われている。鉄の錆を防ぐ技術として、ステンレスがある。また、同素体の話もあった。同素体とは同じ種類の元素からできていて性質が異なる単体のことを指し、炭素は最も同素体が多く存在する元素としてあげられた。炭素の同素体にはグラファイトがあり、黒鉛や石墨と呼ばれているが、黒鉛は材料名、石墨は鉱物名である。 ②授業最後の演習では鉄の温度と炭素量の関係図を書いた。メンバーは大濱風花、近ありす、立花小春、山根寿々の四人であり、班名は左前、役割は発言であった。固相が2つ以上の異なる固相に同時に変化する共析点が約727℃に存在することや、液体が温度一定のまま2つ以上の固相に変化する現象である共晶点が約1147℃に存在することが分かった。 ③復習として石器と鉄器の違いについて調べた。石器は石を加工して作られた道具であり、主に打製と磨製がある。特徴として硬いが脆く欠けやすい点があげられ、欠けてしまうと修復不可である。鉄器は鉄を加工して作られた道具であり、鉄鉱石を還元し鉄を取り出し、加熱・鍛造して形成している。特徴として硬く靭性があり壊れにくいという点があげられ、壊れても研いだり打ち直して修復することが可能である。
A. 現在の私たちの生活において鉄鋼はとても重要なものである。鉄は製銑工程、製鋼工程をへて人々に使用されるようになる。このとき、石炭を蒸し焼きにしたものであるコークスを使用し、鉄の還元、乾留を行っている。また、固体であり、簡単には混合することができないためコークスと鉱石を層状にして反応を進めている。また、鉄は、形作ることが可能であり、合金にしてサビなくしたり、軽量にすることができ、使いやすい金属である。 「鉄を使った製品」「グループ名：ダイアモンド班」「共著者名：HUYNHVINH KHANG、佐藤 優生、畑中 勝浩、前田 悠斗」「役割：案だし」。鉄の相図を調べると炭素重量、温度によって液体、オーステナイト相、フェライト相、セメンタイト、黒鉛と状態が変化するということが分かった。また、製品としては食器などに用いられており、他の食器に使用される素材と比べ、耐久性が高く、衛生的であるといえる。 鉄の合金には様々あり、ステンレスやクロムモリブデン鋼などというものがある。クロムモリブデン鋼は高い硬度や強度、加工のしやすさが特徴であり、大型の乗り物や建物のフレームなどに用いられている。工業において幅広く用いられており、住や現在では欠かせない移動に大きくかかわっており、利用価値の高い合金であるといえる。このように、鉄の合金は様々な利点があり、工業において重要であることが分かる。
A.鉄鋼を作る際に石炭を用いるが、石炭からなぜわざわざコークスにするのか。石炭のままじゃだめなのか。それは鉄から鉄鋼を生成するには1500℃の温度が必要であるためだ。石炭をコークスにすることを乾留といい、この高温で製造された鉄鋼は、強度と加工性に優れ、東京スカイツリーの構造材にも使われている。 これを踏まえて班での発表の際は鉄ー炭素系平衡状態図について調べ、それぞれの位置にある鉄の状態がどのようになっているのかが調べられた。(グループ名：りかちゃむ 共同発表者 榎本理沙 川端萌菜 羽生胡桃 遠藤由里香 白坂茉莉香 ）その結果、温度が低いと炭素含有量にかかわらずα鉄（フェライト）が含まれ、炭素含有量が2.5wt％以下で温度が900℃ー1500℃あるとγ鉄（オーステナイト）とδ鉄が生成されることを学んだ。α鉄、γ鉄、δ鉄にはそれぞれ特徴があり、溶解度が低い、粘り気があり錆に強い、安定な立方構造をとるなどの特徴がある。 復習としてJIS G規格について調べたところ鉄鋼の品質や寸法、成分は「JIS G」規格で細かく定められており、建築や橋梁などの安全性を支えていることが分かった。たとえばJIS G 3101（一般構造用圧延鋼材）などがあり、鋼材は厳格な規格に基づき選定・使用され、巨大構造物の信頼性を保証している。
A.鉱石から金属を取り出す方法として知られている。鉄の作り方は大きく分けて製銑工程と製鋼工程がある。製銑工程では焼結、コークス製造、高炉の３工程からなり、製鋼工程では溶鉄予備処理、転炉、２次精錬、連続鋳造の4工程からなっている。コークスを用いる理由として鉄の融点は1500℃で、その高温を維持することが可能であるためである。また、高炉は層状になっており、個体であり混合しにくいためである。 ワークショップの演題は鉄を使った製品であった。グループ名は石墨で共著者名は、白澤拓磨、松田天、矢萩陽向、笹原里音であり、自分の役割として調査者であった。私たちの班は縦軸を温度（℃）、横軸を炭素量（％）として鉄-炭素平衡状態図の書き取りを行った。実線ABCDは液相線でありこの温度以上に達すると液体であることや、その他の実線は変態点を表していることが分かった。 復習として、石器と鉄器の違いを調べ、石器は珪質頁岩や堆積岩を材料とし、打ち砕いたり磨いたりして成形したが、鉄器は鉄鉱石等を材料にし加工が容易で鋭利な製品製作に適していることが分かった。生きるために知恵を最大限に使っていたと考えられる。また、鉄の合金を選び、用途と特徴を調べた。ステンレス鋼は耐食性、耐熱性を有し管材や家具、刃物などに用いられ、私たちの生活において合金は必要不可欠な存在であると考える。
A.１．工業は、大きく冶金鉄鋼業と非金属工業の二つに分けられる。今回は、冶金鉄鋼業についてお話していく。まず、金属をとってくるには鉱物を砕いて鉄を採取しなければならない。しかし、鉄の１５００℃と融点は非常に高く石炭では、不純物が多いため、一度石炭をコークスにし、還元させる操作をすることで鉄を得ることができる。昔は、木炭を使っていたためこの操作を乾留とも言う。炭素は、同素体が多くその中の一つであるグラファイトは、材料名は黒鉛、鉱物名では、石墨と表す。鉄は金属の性質である、延性・展性をもち、炭素との合金をつくることで非常に強い構造となり、これは東京タワーにも使われている。 ２．私たちのグループでは、グループ名を右前とし、鉄の温度との相関図について調査しディスカッションした。ここで分かったことは、低温度帯ではフェライト、黒鉛の配合量を増やしていくと同じ温度帯でもセメンタナイトやオーステナイトなど様々な形態をとることである。また、議論では、私たちの生活に必要な鉄はどのあたりの相関図の形態をとるか、また、用途によっても変わってくるのではないかなど、話し合った。 ３.鉄の用途について考察した。需要の多い鉄だが、具体的にどのようなことに使われているのか気になったので調査していくと、メッキさせ、さびにくく加工したり、磁石につく性質を用いて、紙幣の偽造防止にも使用されていることが分かった。
A.①鉄の作り方について。鉄は焼結、コークス、高炉、溶銑予備処理、転炉、2次精錬、連続鋳造の工程から製造できる。製鉄をする際の層状化について。気体や液体は混ぜやすいが個体を混ぜるためには個体を上から重ねることで効果が出る。 乾留をしないと純粋な鉄は作れない。 ②発表では、炭素量と温度の関係について相図を調査した。炭素量にかかわらず723℃までは主にフェライトを構成する。 ③復習ではステンレス鋼の種類について調査した。主にオーステナイト系、フェライト系、マルテンサイト系、二相系、析出硬化系の5種類に分類される。オーステナイト系はクロムとニッケルを主成分、フェライト系はクロムを主成分(ニッケルは少量)、マルテンサイト系はクロムを主成分とし、炭素を添加することで硬さを調整できる、二相系はオーステナイト相とフェライト相の両方を持つ。そして、析出硬化系は特定の元素を添加する。
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A. 鉄は金属結合で他原子と結び、製造には製銑・製鋼工程が必要。高炉で銑鉄1tを作るには鉄鉱石1.6t、コークス0.8tなどが必要で、コークスは還元と高温維持に不可欠。鉄はCO?排出が多い産業でもある。同素体は性質の異なる同元素の単体で、炭素にはダイヤモンドや黒鉛がある。黒鉛は材料名、石墨は鉱物名。CaCO?も石灰石（材料）と方解石（鉱物）で呼び分けられる。 今回の発表では炭素含有量と、温度における鉄の変化についての図を描いた。鉄にはいくつかの種類があって、γ鉄は粘り気があり錆に強く、オースラナイトともいう。鋳鉄は炭素含有量2.14%以上の鉄のことを言う。また、α鉄は溶解度が低く、フェライトともいう。δ鉄は純鉄が1392℃から1536℃(融点)までの温度で安定な体心立方構造をとるときの鉄のことを指す。 隔膜法は、食塩水を電気分解して塩素・水酸化ナトリウム・水素を得る方法で、隔膜により陰極側への塩素の侵入を防ぎつつNa?を通過させる。環境負荷が小さく、現在主流。 水銀法は、水銀陰極でナトリウムをアマルガムとして回収し、水と反応させて水酸化ナトリウムを得る。高純度だが水銀汚染の問題があり、現在はほぼ廃止されている。
A.①今回の講義では、1500℃という極めて高い温度が、いかにして現代社会の巨大建造物、例えば東京スカイツリーを支える鉄鋼を生み出すかについて深く学びました。これは冶金という技術分野の核心であり、特に製鉄方法に焦点が当てられました。鉄鋼生産のプロセスでは、鉄鉱石から不純物を取り除き、炭素などの元素を適切に添加することで、強度や耐久性に優れた鉄を作り出します。この過程で、還元剤として重要な役割を果たすのがコークスです。コークスは、石炭を蒸し焼きにして作られ、高温の炉内で鉄鉱石から酸素を奪い、純粋な鉄を分離するのに貢献します。また、鉄の性質が温度や炭素量によってどのように変化するかを示す鉄の相図についても解説され、これが鉄鋼の品質管理や新素材開発にいかに重要であるかが示されました。 ②今回の講義では、1500℃という高温下での鉄鋼生産において、鉄の相図が果たす極めて重要な役割が強調されました。この相図は、鉄と炭素の合金である鋼が、温度や炭素含有量の変化によってどのような結晶構造（相）に変化するかを示すものであり、特定の強度や靭性を持つ鉄鋼を製造するための羅針盤となります。東京スカイツリーのような大規模な構造物を支える鉄鋼の特性を精密に制御するためには、この相図を深く理解し、適切な熱処理や合金成分の調整を行うことが不可欠です。相図は、単なる理論図ではなく、現代の冶金技術者が望む性能を持つ鉄鋼を設計・製造するための実践的な指針として機能しています。 ③今回の講義で復習すべきは、まず1500℃という温度が鉄鋼生産における中心的な要素であること、そしてそれが冶金という技術分野に属することを理解することです。次に、鉄鉱石から鉄を取り出す主要な製鉄方法と、その過程で還元剤として不可欠なコークスの役割を再確認します。さらに、鉄の様々な状態や性質を視覚的に示す鉄の相図が、鉄鋼の特性制御や材料開発においてどのように活用されるかを整理することが重要です。これらの知識は、鉄鋼が現代社会のインフラを支える上でいかに重要な材料であるかを理解する上で不可欠となります。
A. 第４回のテーマは「鉄鋼」であった。産業革命以降、人類は様々な材料を手に入れた。そして、同時に大気中の二酸化炭素も増え始めた。金属は強くてしなやかであることから幅広く使われるようになった。鉄は鉄器として生活の一部になり、稲作などにも使われるようになったことで農業を大きく発展させた。鉄の作り方は大きく分けて２つあり、鉄鉱石から鉄分を抽出し、溶けた鉄を作る製銑工程と、溶けた鉄を顧客ニーズに基づいて調整・加工する製鋼工程がある。製鉄の過程ではコークスを使用する。鉄の融点は１５００度であり、普通の石炭では熱が逃げてしまう。炭素には同じ元素からできていても性質が違う同素体が多い。同素体の中でもコークスは純度が高いため、乾留の過程ではコークスを使用することが望ましい。 グループワークでは、鉄の相図について調査した。温度が高く、炭素含有量が多いと液体状態が混じる。α鉄とδ鉄は体心立方格子構造、γ鉄は立方格子構造である。α鉄は温度が低い時、γ鉄は温度が高い時に見られる。
A.①今回の授業では鉄について学んだ。鉄の作り方はテキスト「工場のしくみ」のp26より鉄鉱石から鉄分を抽出し、溶けた鉄をつくる製銑工程と、溶けた鉄を顧客ニーズにもとづいて調整加工する製鋼工程の二つであることが分かった。また、鉄を作る過程で層状にする理由は液体・気体とは違い固体は混ぜるのが難しいためである。層状にすることより化学反応が活発的に起こる。 ②グループワークでは鉄と炭素の状態図を調べた。状態図より温度が高く、炭素の量が増えると液状に近づいていくことがわかった。温度、炭素の含有量によって鉄の種類が変わっていくことがわかった。 ③ コークスとは石炭をコークス炉の中で約1200℃の高温で乾留することによって製造される。コークスがなければ鉄は作れないことが分かった。コークスのない鉄の作り方が主流とされれば地球温暖化の原因である二酸化炭素の排出量を大幅に下げることができると考えた。しかし、コークスを使わない鉄づくりは欠点として大量生産に向かないという点がある。高炉に比べて電炉は1日当たりの生産量が少なく、国内外の鉄需要を満たすのは困難とされていることがわかった。
A.１．コークスについて学んだ。コークスは粘結性の原料炭を入れ、約1000℃で２４時間蒸し焼きすることで製造する。コークスは鉄の製造に使われる。通常の炭素を使用すると、鉄製造の際に不純物が混じってしまうため、コークスを製造している。また、鉄の製造法を学んだ。高炉で鉄鉱石1.6t、コークス0.8t、石灰石0.4t、少量のマンガン鋼を使用することで銑鉄１ｔを製造できる。 ２．演題：鉄と炭素の相図 共著者：山?紀々香、金子乃々楓、向田有稀 自身の役割：調査 鉄と炭素の相図を作成した。 ３．鉄を使った製品のうち、スチールたわしとステンレスたわしを調査した。スチールたわしは綿状の鋼鉄でできており、頑固な焦げ付きやさび落としに使われる。デメリットとしては、柔らかく弾力があるが、傷をつけやすくさびやすい性質がある点が挙げられる。一方、ステンレスたわしはステンレスからできており、さびにくい性質をもっており、こちらもさびを落としたり頑固な汚れを落としたりすることができる。この２つの製品は、状況によって使い分けされている。一見似た役割をもつ２つの製品だが、これまでのたわしの需要に応じて開発・発売されてきたのだと考えられる。
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A.①今回の授業では、鉄について学んだ。金属は鉱石から作られる。冶金は鉄銅と非金属に分けられる。またコークスについて学んだ。コークスは、製鉄で還元するのに使われるものである。現代は日本では製鉄業が行われていないため、コークスの需要は下がっている。鉄の融点は、1500度である。そのため高い温度が求められる。上質なコークスでなければ、熱が水蒸気と一緒に逃げてしまう。またコークスからCの同素体について学んだ。グラファイト、コークス、石炭、木炭ダイヤモンドなどが挙げられた。 ② グループワークでは鉄と炭素の状態図を調べた。状態図より温度が高く、炭素の量が増えると液状に近づいていくことがわかった。温度、炭素の含有量によって鉄の種類が変わっていくことがわかった。コークスとは石炭をコークス炉の中で約1200℃の高温で乾留することによって製造される。コークスがなければ鉄は作れないことが分かった。コークスのない鉄の作り方が主流とされれば地球温暖化の原因である二酸化炭素の排出量を大幅に下げることができると考えた。 ③今回の授業では製鉄業について学んだ。鉄の作り方はテキスト工場の仕組みから学んだ。鉄鉱石から鉄分を抽出することにより鉄は作られる。また鉄を作る過程で層状にすることを学んだ。層状にすることで、化学反応が活発的に起こることがわかった。またグループワークで鉄とタンスの状態図より炭素の量が増えると、液状に近づくことを学び、炭素の含有量によって鉄の種類が変わることを学んだ。
A. 鉱石から金属を取り出すことを冶金という。大きく２つに分類すると、鉄鋼、非鉄金属となる。二酸化炭素を放出するが、鉄がないと、コンクリートなどができない。 鉄の作り方は２つの工程に分けられる。鉄鉱石から鉄分を抽出し、溶けた鉄をつくる製洗工程、溶けた鉄を顧客ニーズに合わせて調整・加工する製鋼工程がある。層状構造で作り出される。コークスは鉄を還元するのに使われる。なぜ石炭ではなく、コークスを使うのか。 不純物を取り出し、1500℃の高温で反応させるためであり、コークスでないと反応できない。石炭を蒸し焼きにして、木炭を取り出すことを乾留という。コークス、石炭、木炭は原子記号Cと表され、同素体となる。コークス炉は寿命が50年であり、プラスチックを使用している。 鉄は形成しやすく、強度を保つことができる。鉄は炭素と相性がよく、合金となる。炭素を加えることでモル凝固点を下げる。 相図は物質や系の層と熱力学的な状態量との関係を表していて、アナターゼは光触媒で用いることができない。 グループワークでは鉄と炭素の関係図についてまとめた。α鉄、δ鉄の立体構造は同じだが、温度が高いときにδ鉄となると分かった。
A. ① 日本において、鉄は弥生時代にもたらされ、鍬などの進化によって農耕の革命をもたらした。当時は、木炭を用いたたたら製鉄が製鉄の方法であったが、現在では、製鉄は、製銑工程と、精錬工程に分かれている。製銑工程では、炉に鉄鉱石と石灰石、純粋な炭素であるコークスを交互に加え層状に詰めた後、1500℃で加熱し銑鉄を合成する。この際コークスを利用するのは、純粋な炭素でなければ、1500℃を維持できないためである。精錬工程では、銑鉄が電気炉でさらに不純物が取り除かれ鋼鉄となる。 ② グループで、温度と炭素量の変化による鉄の状態の変化を示す、F-C平衡状態図について調べた。温度変化においては温度が上昇すると、フェライトとセメンタイトから、オースティナイトとセメンタイト、オースティナイトと液体、液体のみの順に、状態が変化していく傾向が見られた。また、炭素量が少ないと、フェライトとセメンタイト、液相のみの間に、オースティナイトのみの状態が見られた。 ③ 復習として、合金に使われる元素と性質変化の特徴について調べた。合金の際には、主に炭素、ケイ素、マンガン、リン、硫黄が使われており、炭素を加えると延性、靭性が減少する代わりに、硬度、強度が増加する傾向があり、ケイ素を加えると、少量において延性、靭性を損なうことなく、強度を上げることができるが、多量加えると、もろくなる傾向があるなど、物質により特徴があることを学び、使用目的によって合金をかえるべきだと考えた。
A.冶金（やきん）とは金属を取り出すことである。金属は鉄鋼と非鉄金属の2つに分類される。今回は特に鉄鋼について焦点を当てる。鉄を作るには鉄鉱石を焼き固めて焼結鉱を作り、石灰石でガスの流れを作りながら一定の大きさで焼き固め、ガスや鉄や熱を取り出すため、炉の中でコークスを製造し、焼結鉱とコークスを交互に入れて焼結鉱を還元させてからリンや硫黄などの不純物を取り除いて酸素を吹き込むことで炭素分を除去し、水素や酸素といった不純物も取り除くことで出来る。また、高炉は銑鉄を鉄鉱石から作り出すものに対して転炉は鋼を銑鉄から作り出すことを指す。 演習は鉄と炭素の状態図をネットで調べて描き、状態図の中から鉄、鋼、鋳鉄の領域を確かめるものだった。また、鉄、鋼、鋳鉄あるいは、合金鉄のどれかを使った製品を1つ選び鉄以外を使った同等品と比較した。製品としてカトラリーを上げた。製品として食器を取り上げた。食器はステンレス製のものが一般的だが、鉄は腐食するのに対してステンレスは腐食に対する耐性を持っている。これは鉄に一定量以上のクロムを含ませているためである。 ほかの演習として腕のいい職人が鉄の温度を見分ける原理は何かを調べた。炭素鋼は黄色が220℃、紫色が260℃、淡青色が320℃、暗赤色が600℃、紅色が750℃、橙色が900℃、黄色が1100℃、白が1300℃と温度で色が変わる性質があるためそれを用いて温度を見分けることが出来る。
A.①講義で鉄鋼について学んだ。鉱石から金属を取り出す冶金は鉄鋼と非鉄金属に分類される。鉄の融点は約1500℃で石炭を蒸し焼きにして得られたコークスを用いて製鉄をする。日本では古来たたら製鉄が行われた。炭素は同素体が多く、グラファイトは黒煙や石墨とも呼ばれる。石灰石は精錬に用いられ、シリコンは高い屈折率により光沢を放つ。また、冶金と窯業の両分野で炉が用いられる。 ②グループワークでは鉄の相図を書き、詳しく調査を行った。相図では縦軸に温度、横軸に炭素量を示している。これらの違いによって鉄が、フェライト、オーステナイト、セメンタイトなどの状態へ変化することが分かった。共析点とは固体状態で冷却中に一定の温度で1つの相から新しい2つ以上の相を析出する点のことを指している。 ③復習では、鉄の種類が違うことによって効果が変わる製品について調査した。私はステンレス製のものと炭素鋼の包丁の違いについて調べました。2つの主な違いは、切れ味と錆びやすさにあります。炭素鋼では炭素を置く含むため焼き入れで硬度を高くし、鋭く研ぐことができるため切れ味が良くなる。ただ、ステンレスには含まれるクロム（不働態皮膜を形成）がほとんど含まれないためステンレスよりも錆びやすくなっている。
A. 鉄鋼について学んだ。鉄の作り方には、製銑工程と製鋼工程の2つがある。コークス炉はコークスと鉄鉱石が層状に積み重ねられている。コークスとは石炭を蒸し焼きにしたものであり、その役割は鉄鉱石を還元して金属鉄を生成する還元剤である。気体とは違って固体であるため、層状が一番良い方法である。普通の石炭では不純物が多すぎて熱が逃げるため1500度が得られない。コークスの品質が鉄の品質に繋がっている。また、温度のコントロールも必要であるため、炉の種類も大切である。 グループで議論した演題は、鉄と炭素の状態(相図)を調べようで、グループ名は左前、メンバーは近ありす、大濱風花、立花小春、山根寿々であった。自分の役割は、発言であった。横軸が炭素量、縦軸が温度で、鉄と炭素の相図を描くことができた。α鉄は911℃以下で安定、γ鉄は727℃以上で安定、σ鉄は1392℃?融点で安定であることが分かった。純鉄の結晶構造が温度によって変化し、フェライトα、オーステナイトγ、σ鉄になる。炭素鋼は炭素濃度約2％以下の鉄-炭素合金である。 鉄でできている製品としてフライパンがある。鉄フライパンは炭素量が0.02％未満で、しなやかさがあり、薄く加工できる。また、蓄熱性が高く、材料がおいしく焼けることや耐熱性、耐久性に優れているというメリットがある。デメリットとしては、さびやすいことや焦げ付きやすいことが挙げられる。鉄以外では、ステンレスフライパンがある。ステンレス製は保温性が高く、余熱調理が可能である。また、丈夫でさびにも強いので長く使うことができる。しかし、熱伝導率が低く温まりにくいというデメリットがある。
A.①テーマは鉄鋼についてである。鉄の作り方は大きく製銑工程と製鋼工程の2つに分けられる。製銑工程の中で焼結鉱とコークスが層状になっている理由は、固体は簡単には混ざり合わないからである。また、コークスを用いる理由は鉄鉱石を還元するためである。鉄の弱点は錆びることであるが、メッキをすることで防ぐことができる。例えばクロム、ニッケル、鉄の合金であるステンレスは錆びにくくなっている。 ②発表では鉄の相図を調べた。グループ名はスチールで、グループのメンバーは私を含めて宮入丈、久保明裕、鈴木佑涼であり、私の役割は原稿作成であった。鉄の相図では横軸に炭素量、縦軸に温度をとり、体心立方格子のフェライト、面心立方格子のオーステナイトと斜方晶固体であるセメンタイトの領域があることが調べられた。 ③【平常演習】04-01「石器と鉄器の違い」に取り組んだ内容を次に示す。石器は石をたたいて割ったり、磨いたりして作られている。主な用途としては、狩猟や農耕である。それに対して、鉄器は砂鉄や鉄鉱石を原料として製鉄を行って作られている。主な用途としては、石器と同様に狩猟や農耕に加えて武器などである。
A.① 鉄鋼製造工程の焼結から高炉・転炉・二次精錬・連続鋳造までの流れとコークスの還元剤・熱源・形状保持という三 役割、さらに炭素同素体の違いを学び、②高炉内の還元反応 と1500℃以上の温度生成に向け た木炭からコークスへの歴史的変遷を発表し、③コークス使用の必要性を復習しました。
A.① 鉄がどのように作られるのか、その製造工程と材料の性質について学んだ。鉄の製造は、鉄鉱石をコークスと一緒に高炉で加熱して還元する「製銑工程」と、不純物を取り除いて鋼にする「製鋼工程」の2段階で行われる。 コークスは、石炭を加熱して不純物を除いた炭素材料で、高温を保ちつつ鉄鉱石から酸素を奪う役割を果たす。また、鉄にクロムを加えたステンレス鋼は、酸化被膜によってさびにくくなるなど、用途に応じた合金化も行われている。 ② 鉄と炭素の相図を描きながら、温度と炭素量によって変わる鉄の構造について調べた。α鉄は低温で安定し、γ鉄は高温で安定するなど、条件によって鉄の性質が大きく変わることがわかった。 これらの違いは、調理器具の素材にも関係している。鉄フライパンは蓄熱性が高く料理に向いているが、さびやすい。一方、ステンレス製は耐久性に優れ、保温性が高いが、熱伝導がやや劣るなど、それぞれに特徴がある。 ③ 鉄を製造する過程には、化学反応だけでなく温度制御や材料の組み合わせといった多くの要素が関わっている。相図を使うことで、見た目ではわからない内部構造の変化と性質の関係を理解することができた。 また、冶金には無機・有機の知識がどちらも必要であり、化学と工業の結びつきを深く感じる内容だった。鉄という素材の奥にある科学の工夫に気づくことで、ものづくりへの理解が一段と深まった。
A.?金属は鉱石から取り出され、冶金によって鉄鋼や非鉄金属へと精製されます。鉄の製造は、まず鉄鉱石から鉄分を抽出する「製銑工程」と、溶けた鉄を調整・加工する「製鋼工程」に分かれます。高炉内では鉄鉱石とコークスを層状に積み、コークスで還元して鉄を得ます。石炭では不純物が多く高温を保てないため、コークスが用いられ、その品質が鉄の品質に直結します。銑鉄は高炉から、鋼は転炉からつくられます。金や銅は自然界でも還元された状態で存在しますが、ほとんどの金属は還元して取り出す必要があります。また、炭素の同素体であるグラファイト（黒鉛）は有機物の一種で、石灰石は炭酸カルシウムを主成分としています。錆びにくい貴金属の一例として、ステンレス鋼があり、ルチル型やアナターゼ型の結晶構造が知られています。 ?「鉄の相図について」 シスフレンド 山中麻央(執筆)、荒井巴瑠、渡邉陽菜、宮内大樹 ?鉄の相図は、温度と炭素含有量の関係を示した図であり、鉄鋼の組織制御や熱処理の基礎となる重要な資料である。鉄は純鉄の状態であっても温度変化により結晶構造が変化し、これを相変態と呼ぶ代表的な相には、常温付近の体心立方構造（フェライト）、約912℃から1394℃までの面心立方構造（オーステナイト）、そして1394℃以上での体心立方構造（δ-鉄）がある。炭素が鉄に溶け込むことで、それぞれの相における溶解度や組織の性質が変わり、鋼や鋳鉄など多様な材料が形成される。例えば、オーステナイトは高温で炭素を多く溶かし込み、冷却時にマルテンサイトやパーライトなどの硬く強い組織に変化する。相図には共晶点や共析点といった特異点も存在し、これらは合金の凝固や変態挙動を決定づける。鉄の相図を理解することは、鉄鋼の熱処理条件の最適化や機械的性質の調整に不可欠であり、鉄鋼材料の設計・製造において基本的かつ重要な役割を果たす。
A. 鉄の作り方やコークスの役割の鉄鉱石を還元し、金属鉄の溶融に必要な熱を供給することについて学びました。また、材料の材質の違いによって変化するものや、物質の状態などについても知りました。その他にも石器や鉄器の違いや、溶鉱炉の温度・鉄の合金などについて調べました。 グループワークでは鉄の相図に関して議論しました。鉄の温度によって体心立方格子か面心立方格子かに分類できたり、炭素含有量の最も安定な状態や実用材料としては使用できずに黒鉛と鉄が分離してしまう状態などを学ぶことができました。また鉄器と石器の違いでは石器は石を材料とし、削るなどの加工をして作られた道具、武器で、鉄器は鋳鉄を素材として鋳造された鉄製の道具や武器です。代表的な例として鍋や釜などの調理器具があげられます。 鉄の方が強度、耐熱性、耐久性に優れているがその反面錆びやすい、衝撃に弱く割れやすい欠点があることがわかりました。 今回の講義を通して、自分たちの生活に必ずしも使用されている鉄についての昔と今の作り方や性質について詳しく学ぶことができてよかったです。
A.冶金とは、鉱石から金属を取り出し、実用に適した材料にする技術であり、鉄鋼産業をはじめとする現代社会の基盤を支えている。冶金には、加熱や還元などの物理・化学的処理が用いられる。鉄鋼は代表的な金属材料であり、鉄を主成分とし、炭素や他の元素を添加して性質を調整する。これに対し、アルミニウムや銅などの鉄以外の金属は非鉄金属と呼ばれ、電気伝導性や耐食性などで重宝される。鉄の製造には、まず鉄鉱石（主に酸化鉄）を高炉に入れ、コークスと呼ばれる炭素材料と一緒に加熱する。コークスは石炭を乾留（空気を遮断して加熱）することで得られるもので、還元剤として働き、鉄鉱石中の酸素を除去して金属鉄を得る。この反応ではCOやCO?が発生する。金属結合とは異なり、イオン結合は陽イオンと陰イオンの静電的引力による結合である。鉱石中の酸化物や塩類はイオン結合をしており、これを切り離すために高温や還元剤が必要となる。得られた鉄は、温度や処理によって異なる結晶構造（層状構造）をとり、たとえば常温では体心立方格子（α鉄）、高温では面心立方格子（γ鉄）になる。このような構造の違いは鉄の同素体と呼ばれ、物性や加工性に影響を与える。また、コークスや石炭は炭素を含む有機物に由来し、冶金は有機化学とも関わりを持つ分野である。金属製錬の背後には、こうした有機物と無機化合物の反応制御がある。
A.
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第百十三条 大学は、教育研究の成果の普及及び活用の促進に資するため、その教育研究活動の状況を公表するものとする。
