ベッセマー工程 (bessermer process)

の翻訳です。Bessemer converter はベッセマー転炉と訳されますが、こう訳すと理解しにくくなります。直訳すればベッセマー変換器なので、ベッセマー転炉[変換器]のように訳することにします。

ベッセマー工程は溶けた銑鉄から、鋼を大量生産するための最初の安価な産業工程 (industrial process) である。この工程を発明したヘンリー・ベッセマー (Henry Bessemer) の名にちなんだもので、彼は 1855 年にこの工程に関しての特許を得ている。この工程は 1851 年にウィリアム・ケリー (William Kelley) により独自に発見されていた。この工程はヨーロッパ以外では何百年にもわたり使用されていたが、産業規模 (industrial scale) では実施されていたわけではない。鍵となる原理は溶けた鉄の中に空気を吹き込むことによって、鉄の不純物を酸化により除去することである。酸化により鉄の温度も上がり、溶融状態が保持される。

ベッセマー工程は粘土やドロマイト (dolomite) で裏打ちをした大きな卵形の鋼の容器 (container) で実施され、この容器はベッセマー転炉[変換器]と呼ばれる。容器の中身は 8 トンから 30 トンの溶けた鉄であり、通常は 15 トン程度である。転炉[変換器]の上部には開口部があり、通常溶けた鉄を注ぎ込んだり、完成品を取り出すために、容器は通常横向きに傾けられた。

底部にはチュイエール (tuyéres) と呼ばれる数多くの (空気の) 通り道となる穴があけられていた。転炉[変換器]は軸 (trunnion) の周りに回転するように作られ、溶けた鉄を受け取るために傾けられ、変換中は上向きにされ、最後に溶けた鋼をそそぐために再び傾けられた。

酸化により、シリコン、マンガン、炭素が酸化物となって除去される。これらの酸化物はガスとして遊離するか、固体のスラッグとなる。転炉[変換器]の耐火性の裏打ちは変換にも役割を持ち、粘土の裏打ちは酸性ベッセマー工程 -- 原料にリンがあまり含まれない場合 -- に使用される。ドロマイトが使用されるのはリンが原料に多く含まれる場合である。 (石灰やマグネサイト (magnesite) も時々ドロマイトの代わりに使用される。) このとき、転炉[変換器]は塩基転炉[変換器]と呼ばれるが、発明者であるシドニー・ギルクリスト・トーマス (Sidney Gilchrist Thomas) の名にちなんで、ギルクリスト・トーマス転炉[変換器]とも呼ばれる。鋼に望ましい性質を与えるために、変換が完了した時点で他の成分を溶けた鋼に加えることもある。例えばスピーゲル (spiegeleisen、鉄-炭素-マンガンの合金) を加えることもある。

必要とされる鋼が形成されると、取鍋 (とりべ, ladel) に注ぎ込まれ、次に型に移されて、より軽いスラッグが後に残る。「吹き込み」(blow) と呼ばれる変換はおよそ 20 分で完結する。この間に不純物の酸化の度合いの進展は転炉[変換器]の開口部からの火炎の見え方によって判断される。炎の特徴を記録するために光電効果 (photoelectric) を利用する現代的な方法は、吹き込み器が製品の最終品質を制御する上で大いに助けとなる。吹込みが終了すれば、望ましい段階まで浸炭され、他の合金の材料が加えられるが、これは何を作るかに依存している。

ベッセマー工程より以前の英国には銑鉄から炭素成分を除去するための効果的な方法がなかった。通常はスウェーデンから輸入された炭素を含まない錬鉄に炭素を加える逆工程によって鋼が製造された。この製造工程はセメント工程 (cementation process, 浸炭工程) と呼ばれ、長い石の箱の中で錬鉄の板を木炭と共に、一週間をめどとして、一定期間加熱することであった。これにより気泡鋼 (blister steel) が製造され、貴重なコークス 3 トンが鋼 1 トンを製造するために使用された。このような鋼はローラーで板状に成型され、1 トンあたり 50 ポンドから 60 ポンドで販売された。この工程で最も困難で労働力が必要とされる部分は、しかしながら、スウェーデンの精製炉でなされる錬鉄の製造である。

この工程は 1700 年代のベンジャミン・ハンツマン (Benjamin Huntsman) の「るつぼ鋼」の導入により、更に精製に磨きがかかった (refined)。これにより、余分の 3 時間の加熱時間が必要となり、更に余分のコークスが必要となった。「るつぼ鋼」の製造では「気泡鋼」は細かくされ、各々 20 kg 程度を含んだ「るつぼ」で溶融された。これにより、より高い品質の「るつぼ鋼」が製造されたが、コストが増大した。この程度の品質の鋼を製造するのに必要な時間は、ベッセマー工程により、およそ半時間となり、一方、必要となるコークスは最初に銑鉄を加熱するのに必要な量に過ぎなくなった。最も初期のベッセマー転炉[変換器]の製造する鋼 (のコスト) は 1 トンあたり 7 ポンドであったが、最初は 1 トン当たり 40 ポンドで販売された。

歴史学者のロバート・ハートウェル (Robert Hartwell) の指摘によると、 11 世紀中国の宋朝で、加熱していない爆風 (cold blast) のもとで、繰り返し鋳鉄をフォージすることにより部分的に脱炭する方法が考案されていた。歴史家のジョゼフ・ニーダム (Joseph Needham) とワータイム (Wertime) が認めたことは、これは鋼を作るベッセマー工程の先駆をなすものである。多くの書を著した学者であり、博学な政府の役人である沈括 (しん・かつ, Shen Kuo) が磁州 (Cizhou) を訪れたときに、以上のことが始めて記載された。「これが実際に行われた最も初期の中心地は 11 世紀の河南省 (Henan) と河北省 (Hebei) の境界の一大製鉄地方であろう」とハートウェルが述べている。

訳注

沈括は日本語の Wikipedia にも記載があります (沈括 - Wikipedia) しかし、以上の事実に関連する言及は一つもありません。古代中国における技術に関しては日本人よりは欧米人の方がはるかに詳しいようです。

1740 年にベンジャミン・ハンツマンはハンズワース (Handsworth) 地方の彼の仕事場で鋼製造のための「るつぼ」技術を開発した。この工程は鋼製造の量と質に著しい影響を及ぼした。

ヘンリー・ベッセマーは彼の自叙伝の 11 章と 12 章で彼の発明の起源を述べている。この本によると、クリミア戦争が勃発したときに、多くの英国の工業家や発明家は軍事技術に興味を持ち、ベッセマー自身も大砲の発射体に溝をつける方法を開発し、発射体が大砲の内腔にライフルがなくてもスピンするようにした。彼は 1854 年にこの方法の特許を取り、フランス政府と共同で開発を始めた。フランスのポリゴン (Polygon) で彼の方法のテストが成功してから、彼はクロード・エティエンヌ・ミニエ (Claude-Etienne-Minié) と会話を交わしている。ミニエは「より大きく、より重いスピンする発射体の鍵となる障害は大砲の強さで、特に....」と述べて、12 ポンド用の鋳鉄製の大砲から 30 ポンドの砲弾を発射することは現実的に安全でないと述べている。彼の述べた実際の問題は「どのような大砲もそのような発射体に耐えることができるか ?」ということであった。このことからベッセマーは鋼のことを考え始めた。当時、鋼は製造することが困難で高価で、その結果刃物類や道具に使用されたのみであった。 1855 年の 1 月から、ベッセマーは大砲に必要とされる大量の鋼を製造する方法に取り組み、 10 月までにベッセマー工程に関して最初の特許の申請をした。

彼の自伝によると、ベッセマーは最初は普通の反射炉で取り組んだが、テストの最中に幾つかの銑鉄の延べ金が取鍋 (とりべ, ladle) の横に落ちて、その上で溶鉱炉の熱気にさらされていた。ベッセマーがそれらを取鍋 (とりべ) に押し込もうとしたとき表面が鋼になっていることに気が付いた、熱気のみで鋼の延べ金の表面が変換されたのである。この極めて重大な発見により、溶鉱炉のデザインを基本的に変更し、特別な空気ポンプを使用して、溶けた鉄の中に高圧空気を強制的に通したのである。直感的には、これは愚かしいことのように見える、というのはこれでは鉄は冷却してしまうように見えるからである。しかし余剰の空気が鉄の中のシリコンや炭素と酸化、発熱し、これが周囲の溶けた銑鉄をより加熱し、鋼に変換する助けになるのである。

ベッセマーは 5 人の鉄の名匠 (ironmaster) に彼の工程を全部で 27000 ポンドでライセンスした。しかし、ライセンスにより、彼が約束した質の高い鋼を作ることに失敗をし、あとでライセンスを 32500 ポンドで買い戻した。彼は問題が鉄の中の不純物によっていることに気が付き、解決法は、何時空気の流れを止めるか、を知ることにあると結論した。こうすれば不純物が焼け落ちるが、丁度適切な炭素が残るからである。実験に何万ポンドも使ったが、しかしながら、解答が見つからなかった。

単純ではあるが、エレガントな解答が、英国の冶金学者であるロバート・フォレスター・ムシェット (Robert Forester Mushet) によって始めて見つけられた。彼はフォレスト・オブ・ディーンで科学的に正しい何千もの実験を実施した。彼の方法は最初に可能な限り、すべての不純物と炭素を焼け落とし、次にカーボンとマンガンを再導入し、正確な量のスピーゲルを加えることであった。これは完成品の品質を改善し、マレーアブル (malleable) な性質 -- 高温下でローラーとフォージに耐える性質 --を向上させた。これにより、非常に多くの用途に適したものとなった。

訳注

直接的には malleable とは malle (槌) で成型ができることを意味します。

ドウライス鉄会社 (Dowlais Iron Company) はベッセマー工程のライセンスを許諾されて、 1857 年に世界で最も強力なローラー工場を建設し、 1865 年に最初のベッセマー鋼を製造した。

米国における最初のベッセマー工程を使用した製鋼工場は 1855 年にミシガン州のワイアンドット (Wyandotte) に建設された。この工場があったのはデトロイトの南部 14 マイルの地点で、デトロイト川のそばであった。デトロイトが北米の初期の製鋼都市となったのは、 5 大湖の水運と、北部ミシガン州、ウィスコンシン州そしてミネソタ州の鉄鉱石を利用できたことによっている。これらは、デトロイトが自動車製造の有名な中心地として発展をした重要な因子であった。

ベッセマー工程はコストを下げることにより鋼の製造に革命をもたらし、 1 トン 40 ポンドであったものが、1 トンで 6-7 ボンドとなり、ひいては、この重要な原料の製造規模と速さを著しく増大した。この工程により鋼製造に必要な労働力を著しく減少した。ベッセマー工程が導入されるまでは、鋼を橋や建築物の骨格として使用するには高価でありすぎ、産業革命を通じて錬鉄が使用された。ベッセマー工程の導入後は鋼と錬鉄は同じような値段となり、大半の製造業者は鋼を使用するようになった。安価な鋼を利用できるようになったため、大きな橋、鉄道の建設、高層ビルそして大きな船を作ることが可能となった。

他の重要な鋼の産物は、又平炉工程 (open hearth process) を利用するものであり、これにはスティール・ケーブル、スティール・ロッド (棒)、スティール・シートがあり、これにより大きな高圧ボイラー、機械用の高張力鋼が可能となり、更には、より高性能なエンジン、ギアやアクセルが可能となった。これらは、これ以前には可能ではなかったのである。

多量の鋼が利用可能となり、より高性能な大砲、車両、戦車、武装戦闘車両を製造することが可能となった。

産業用の鋼は巨大なタービンと発電機の建設も可能とし、これにより水と蒸気の力を解き放つことが可能となった。

大規模な鋼の製造工程の導入は、英国人であるヘンリー・ベッセマーにより完成され、 19-20 世紀の大規模産業化の道を開いたのである。

米国においては、この方法による商用の鋼の製造は 1968 年に停止した。これは塩基純酸素 (basic oxygen, リンツ - ドナウィチ, Linz-Donawitz) 工程で置き換えられた。この方が最終的な化学特性を用意に制御できたのである。ベッセマー工程は非常に速く (加熱するのに 10-20 分)、そのため、鋼に合金にする成分を入れるときの化学分析や調節にほとんど時間がなかった。ベッセマー工程は、溶けた鋼からリンを効果的に除去しなかった。そのためリンの成分が少ない鉄鉱石の値段が上がり、変換コストが高くなった。この工程ではスクラップの鉄を少ししか加えることができなかった。とりわけ、スクラップの鉄の値段が安くなったため、これでコストが増えた。電気炉の技術はベッセマー工程と競合し、ベッセマー工程を衰退させた。