ベッセマー転炉、概略図

ベッセマー法は、平炉が開発される以前、溶融銑鉄から鋼を大量生産するための最初の安価な工業プロセスでした。主な原理は、不純物や不要な元素、主に銑鉄に含まれる過剰な炭素を、溶融鉄に空気を吹き込むことで酸化除去することです。過剰な炭素の酸化は鉄塊の温度を上昇させ、溶融状態を維持します。銑鉄中の炭素はほぼすべて転炉によって除去されるため、鋼を製造するにはプロセスの最後に炭素を追加する必要があります。0.25%の炭素含有量は、建設やその他の低応力用途で使用される低炭素鋼の典型的な値です

この現代のプロセスは、1856年に特許を取得した発明者であるイギリス人ヘンリー・ベッセマーにちなんで名付けられました。 [1]このプロセスは、1851年にアメリカの発明家ウィリアム・ケリーによって独立して発見されたと言われていますが[2] [3]、その主張は議論の的となっています。[4] [5] [6] [7]

塩基性耐火物ライニングを使用するこのプロセスは、イギリスの発見者パーシー・ギルクリストとシドニー・ギルクリスト・トーマスにちなんで、「塩基性ベッセマー法」またはギルクリスト・トーマス法として知られています。

歴史

ペンシルベニア州ベスレヘムのベスレヘム・スチールは、2003年に閉鎖されるまで、世界最大の鉄鋼メーカーの1つでした。
ベッセマー転炉、ケルハム島博物館、シェフィールド、イギリス（2010年）

特許

ウィリアム・ケリーは、ベッセマーの特許取得前に同様のプロセスを実験していたとされています

1850年代初頭から中頃にかけて、アメリカの発明家ウィリアム・ケリーはベッセマー法に類似した方法を実験しました。ワグナーは、ケリーが1854年に雇った中国人製鉄工が導入した技術に触発された可能性があると書いています。[2]ケリーとベッセマーの両方が同じ方法を発明したという主張は依然として議論の的となっています。ベッセマーのこの方法の特許がScientific American誌に報じられた際、ケリーは同誌に手紙を書いて反論しました。手紙の中で、ケリーは以前にこの方法を実験したことがあり、ベッセマーはケリーの発見を知っていたと主張しました。彼は「多くのイギリス人のパドラーが私の新しい方法を見るためにこの場所を訪れたことから、私の発見は3、4年前にイギリスで知られていたと信じる理由があります。彼らの何人かはその後イギリスに戻り、そこで私の発明について話したかもしれません。」と書いています。[2]ケリーの方法はベッセマーの方法ほど発展しておらず、成功もしていなかったことが示唆されています。[8]

ベッセマー法の原理

ヘンリー・ベッセマー卿は、 1890年に執筆した自伝の中で、発明の起源について述べています。クリミア戦争勃発の際、多くのイギリスの実業家や発明家が軍事技術に興味を持つようになりました。ベッセマーによると、彼の発明は1854年にナポレオン3世と、より高性能な大砲に必要な鋼材について交わした会話にヒントを得たとのことです。ベッセマーは、「それは今世紀に記録された最も偉大な革命の一つのきっかけとなった。なぜなら、ある夜、ヴァンセンヌからパリへ馬車で一人旅をしていた時、私は銃の製造における鉄の品質を向上させるためにできることを何でもしようと決心したからだ」と述べています。[1]当時、鋼材は刃物や道具といった小物の製造にしか使われておらず、大砲の製造には高価すぎました。1855年1月から、彼は大砲に必要な大量の鋼材を生産する方法の開発に着手し、10月にはベッセマー法に関する最初の特許を申請しました。彼は1年後の1856年にこの方法の特許を取得しました。[1] ウィリアム・ケリーは1857年に優先特許を取得しました。[9]

ヘンリー・ベッセマー

ベッセマーは4人の鉄鋼業者に[いつ？ ]合計27,000ポンドで彼の製鋼法の特許を供与しましたが、供与を受けた企業は彼が約束した品質の鋼を生産できませんでした。友人のウィリアム・クレイによると[10]、「ひどく熱く、ひどく冷たかった」とのことです。[11] 彼は後に32,500ポンドで買い戻しました。[11]彼の計画は、複数の地理的地域それぞれで1社にライセンスを1トンあたりのロイヤルティ価格で提供することでした。生産を促進するために、生産量の割合に対して低い税率が含まれていましたが、販売価格を下げるほど大きな割合にはしませんでした。この方法によって、彼は新しい製法の地位と市場シェアを獲得することを望んでいました。[10]

彼は技術的な問題が鉄に含まれる不純物によるものであることに気づき、解決策は、不純物を燃やしながらも適切な量の炭素が残るように、工程中の空気の流れをいつ止めるかを知ることにあると結論付けました。しかし、実験に数万ポンドを費やしたにもかかわらず、彼は答えを見つけることができませんでした。[12]特定の等級の鋼は、鋼を通過する空気の噴射に含まれる 78%の窒素に敏感です

この解決策は、ディーンの森で何千もの実験を行った英国の冶金学者ロバート・フォレスター・マシェットによって初めて発見されました。彼の方法は、まず不純物と炭素を可能な限り燃やし尽くし、次に正確な量のシュピーゲライゼン（鉄とマンガンの合金で微量の炭素とシリコンを含む）を加えることで炭素とマンガンを再導入するというものでした。これにより、完成品の品質が向上し、展性（高温での圧延や鍛造に耐える能力）が高まり、幅広い用途に適したものになりました。[13] [14]マシェットの特許は、最終的にマシェットが特許料を支払えなかったために失効し、ベッセマーが取得しました。ベッセマーは特許使用料として500万ドル以上[説明が必要]を獲得しました。[15]

このプロセスのライセンスを最初に取得した企業はマンチェスターのW&Jギャロウェイ社で、ベッセマーが1856年にチェルトナムで発表する前にライセンスを取得していました。ベッセマーがライセンス料を返金した4社のリストにはギャロウェイ社は含まれていません。しかし、その後、1858年にベッセマーらとのパートナーシップに投資する機会と引き換えに、ライセンスを取り消しました。このパートナーシップは1858年からシェフィールドで製鉄を開始し、当初はスウェーデンから輸入した木炭銑鉄を使用していました。これが最初の商業生産でした。[10] [16]

1857年にロンドンを訪れたスウェーデンの貿易商兼領事ヨーラン・フレドリック・ヨーランソンは、ベッセマー特許の20%の株式をスウェーデンとノルウェーで使用するために購入しました。1858年前半、ヨーランソンは少数の技術者と共に、スウェーデンのホーフォース近郊のエドスケンでベッセマー法の実験を行い、最終的に成功しました。1858年後半、彼はロンドンで再びヘンリー・ベッセマーと会い、ベッセマー法の成功を納得させ、イギリスで鋼鉄を販売する権利を交渉しました。エドスケンでの生産は継続されましたが、必要な工業規模の生産には規模が小さすぎました。1862年、ヨーランソンはストルション湖畔にホグボ製鉄所の新工場を建設し、サンドビケンの町が設立されました同社はサンドビケン製鉄所と改名され、成長を続け、1970年代にサンドビックとなりました。 [17]

産業革命

アレクサンダー・ライマン・ホーリーは、アメリカ合衆国におけるベッセマー鋼の成功に大きく貢献した。彼の著書『兵器と装甲に関する論文』[18]は、当時の兵器製造と製鋼技術に関する重要な著作である。1862年、彼はベッセマーのシェフィールド工場を訪れ、その製法をアメリカ合衆国で使用できるようにするライセンス取得に興味を抱いた。アメリカに帰国後、ホーリーはニューヨーク州トロイ出身の鉄鋼業者、ジョン・F・ウィンスローとジョン・オーガスタス・グリズウォルドと会談し、彼らからイギリスに帰国してイングランド銀行との交渉を依頼された。ホーリーはグリズウォルドとウィンスローにベッセマーの特許取得済み製法を使用するライセンスを取得し、1863年後半にアメリカ合衆国に帰国した。[19]

3人は1865年、ニューヨーク州トロイに製鉄所の設立を開始しました。この工場には、シェフィールドのベッセマー工場よりも生産性を大幅に向上させたホリーの革新技術が数多く取り入れられ、オーナーたちは1867年に公開展示会を開催して成功を収めました。トロイ工場は、新しい製鉄プロセスを鋼鉄レールの製造に利用したいと考えていたペンシルバニア鉄道の注目を集めました。同社は、ペンシルバニア製鉄子会社の一部としてホリーの2番目の製鉄所に資金を提供しました。1866年から1877年の間に、3人は合計11のベッセマー製鉄所のライセンスを取得することができました。

彼らが引き付けた投資家の1人はアンドリュー・カーネギーでした。彼は1872年にベッセマーを訪れた後、新しい製鉄技術に大きな可能性を感じ、既存の事業であるキーストーン・ブリッジ・カンパニーとユニオン・アイアン・ワークスの有用な補助としてそれを見ました。ホリーはカーネギーのために新しい製鉄所を建設し、プロセスの改良と改良を続けましたエドガー・トムソン製鉄所として知られる新しい工場は1875年に開設され、アメリカ合衆国が世界有数の鉄鋼生産国として成長するきっかけとなった。[20]カーネギー製鉄はベッセマー法を用いて、 1873年から1875年の間に鉄道レールのコストを1トンあたり100ドルから50ドルに削減することに成功した。鉄鋼価格は下落を続け、1890年代にはカーネギーはレールを1トンあたり18ドルで販売するようになった。カーネギーのトムソン製鉄所が開設される前、アメリカ合衆国の鉄鋼生産量は年間約15万7000トンであった。1910年までに、アメリカ企業は年間2600万トンの鉄鋼を生産していた。[21]

ペンシルベニア州スクラントンのラカワナ鉄炭会社の経営者兼オーナーであったウィリアム・ウォーカー・スクラントンも、ヨーロッパでこの製法を研究していました。彼は1876年にベッセマー法を用いて鋼鉄レールを製造する製鉄所を建設し、生産量を4倍に増やしました。[22]

ベッセマー鋼はアメリカ合衆国で主に鉄道レールに使用されていました。ブルックリン橋の建設中、より安価なベッセマー鋼の代わりにるつぼ鋼を使用すべきかどうかをめぐって大きな論争が起こりました。1877年、エイブラム・ヒューイットはベッセマー鋼の使用に反対する手紙を書きました。[23] [24]るつぼ鋼とベッセマー鋼の両方に入札が行われ、ジョン・A・ローブリング・サンズ社がベッセマー鋼の最低価格を提示しましたが、[25]ヒューイットの指示により、契約はJ・ロイド・ヘイ社に授与されました。[26]

技術詳細

ベッセマー転炉部品

ベッセマー法を用いると、3～5トンの鉄を鋼に変換するのに10～20分かかりました。以前は、これを達成するには加熱、攪拌、再加熱に少なくとも丸一日かかっていました。[21]

酸化

溶融銑鉄に空気を吹き込むと、溶鋼に酸素が導入されます。これにより、ケイ素、マンガン、炭素などの不純物が酸化されます。これらの酸化物はガスとして放出されるか、固体のスラグを形成します。転炉の耐火ライニングは転化において重要な役割を果たします。原料にリンがほとんど含まれていない場合は、粘土ライニングが使用されることがあります。ベッセマー自身は酸性ベッセマー法で鉄砂岩を使用しました。リン含有量が高い場合は、基本的なベッセマー石灰石法でドロマイトまたはマグネサイトライニングが使用されます。その後、シュピーゲライゼン（鉄マンガン合金）などの材料を溶鋼に添加することで、特定の特性を得ることができます。

プロセス

必要な鋼が形成されると、取鍋に流し込まれ、その後、（より軽い）スラグが残された状態で鋳型に移されます。「ブロー」と呼ばれるこの転化プロセスは、当初は約20分かかりました。この間、不純物の酸化の進行は、転炉口の炎の出現によって判断されます。人間の目は後に光電式による炎の監視に置き換えられ、最終的な精度が向上しました。ブロー後、液体金属に炭素が再添加され、他の合金材料が添加されます。

ベッセマー転炉は、一度に5トンから30トンの「ヒート」（溶銑のバッチ）を処理できました。[27]通常、転炉は2台1組で稼働し、一方がブローされている間にもう一方が充填または出銑されました

「塩基性」ベッセマー法と酸性ベッセマー法

工業化学者のシドニー・ギルクリスト・トーマスは、鉄中のリンの問題に取り組みました。その結果、低品位の鋼が生産されるようになりました。解決策を発見したと信じて、彼はブレナヴォン製鉄所の化学者であった従兄弟のパーシー・ギルクリストに連絡を取りました。そこのマネージャーであるエドワード・マーティンは、トーマスに試験装置を提供し、1878年5月に発行された特許の作成を支援しました。トーマスの発明は、ベッセマー転炉に粘土ではなくドロマイトまたは石灰岩のライニングを使用することで、「酸性」ベッセマー法ではなく「塩基性」ベッセマー法として知られるようになりました。さらなる利点は、このプロセスによって転炉内でより多くのスラグが生成され、これを回収して肥料として有益に使用できることでした。[28]

重要性

イギリスとフランスにおける錬鉄（パドル鉄）、銑鉄、鋼鉄の生産の変遷。両国における各金属間の移行は、これらのグラフで確認できます。
1941年、オハイオ州ヤングスタウンで稼働中のベッセマー炉

1898年、サイエンティフィック・アメリカン誌は、政治家であり製鉄業の実業家でもあるエイブラム・S・ヒューイット[29]による1890年の演説「ベッセマー鋼と世界への影響」を掲載しました。この演説では、安価な鋼鉄の供給増加が経済に及ぼす大きな影響について説明されていました。彼らは、以前は人口がまばらだった地域への鉄道の拡張が、それらの地域への入植につながり、以前は輸送コストが高すぎた特定の商品の取引が利益を生むようになったと指摘しました。[30]

ベッセマー法は、鉄鋼製造のコストを1ロングトンあたり40ポンドから6～7ポンドに削減し、この重要な原材料の生産規模と速度を大幅に向上させることで、鉄鋼製造に革命をもたらしました。この法則はまた、製鋼に必要な労働力も削減しました。ベッセマー法が導入される前は、橋や建物の骨組みを作るには鋼鉄は高価すぎたため、産業革命の間ずっと錬鉄が使用されていました。ベッセマー法の導入後、鋼鉄と錬鉄の価格は同程度になり、主に鉄道会社などの一部のユーザーは鋼鉄に目を向けました。吹き付け空気中の窒素によって引き起こされる脆さなどの品質上の問題[31]により、ベッセマー鋼は多くの構造用途に使用できませんでした[32] 。 平炉鋼は構造用途に適していました

鉄は鉄道の生産性を大幅に向上させました。鉄レールは鉄レールの10倍の耐久性がありました。鉄レールはより重い機関車を運ぶことができ、機関車はより長い列車を牽引することができました。[33]鉄製の貨車はより長く、貨車重量に対する貨車の重量比を1:1から2:1に増加させることができました。

陳腐化

1895年には早くもイギリスで、ベッセマー法の全盛期は終わり、平炉法が主流になっていることが指摘されていました。『鉄炭貿易評論』は、ベッセマー法は「半ば瀕死の状態にある。年々進歩が止まっただけでなく、完全に衰退している」と述べました。当時も最近も、その原因はプロセス自体に固有のものではなく、訓練を受けた人員と技術への投資の不足にあると示唆されています[34]例えば、ミドルズブラの巨大製鉄会社ボルコウ・ヴォーンの衰退の主な原因の一つは、技術の向上に失敗したことでした。[35]基本的な製法であるトーマス・ギルクリスト法は、特に鉄鉱石にリンの含有量が多く[36]平炉法ではリンを完全に除去できなかった大陸ヨーロッパで、より長く使用され続けました。1950年代と1960年代には、ドイツで安価な建築用鋼材のほとんどすべてがこの製法で生産されました。[37]最終的には、この製法は塩基性酸素製鋼に取って代わられました。

アメリカ合衆国では、この方法を用いた商業的な鉄鋼生産は 1968 年に停止した。この方法は、最終的な化学組成をより適切に制御できる塩基性酸素 (リンツ・ドナウィッツ) 法などの方法に取って代わられた。ベッセマー法は加熱時間が短すぎた (1 回の加熱に 10 ～ 20 分) ため、鋼の化学分析や合金元素の調整にほとんど時間が取れなかった。ベッセマー転炉では溶鋼からリンを効率的に除去できなかったため、リン含有量の少ない鉱石がより高価になると、転化コストが増加した。この方法ではスクラップ鋼の投入量に限りがあり、特にスクラップが安価な場合にはコストがさらに増加し​​た。電気アーク炉技術の使用はベッセマー法と有利に競合し、その結果ベッセマー法は廃止された。

塩基性酸素製鋼法は、本質的にベッセマー法（酸素を運ぶ物質を熱源に加えて余分な炭素を燃焼させるのではなく、酸素をガスとして熱源に吹き込むことで脱炭する法）の改良版です。純酸素送風が空気送風よりも優れている点はヘンリー・ベッセマーにも知られていましたが[要出典]、19世紀の技術は、それを経済的にするために必要な大量の純酸素を生産できるほど進歩していませんでした。

参照

参考文献

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参考文献

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