鉄鋼業をより効率的で持続可能なものにするためには、工場の先端技術がこれまで以上に重要になっている。人工知能は、"鉄鋼はどのように作られるのか "を変革しようとしている。
「鉄はどうやって作られるのですか？その手順はわかりやすい。このページでは、"鋼鉄はどのようにして作られるのか "の各ステップを示しながら、そのプロセスを説明する。
鉄鋼製造と市場概要
スチールは、今日の世界で最も広く使われている金属のひとつです。安価で、長持ちし、用途が広い。鉄鋼は、セメントに次いで世界第2位の大量生産品目であり、年間生産量は約7億5,000万トンである。
"鉄はどうやって作られるのか？"それは1日24時間行われているプロセスである。その上、原料の絶え間ない供給と大量のエネルギーを必要とする。
世界鉄鋼協会によると、世界の粗鋼生産量は2001年の8億5,100万トンから2013年には16億600万トンに増加した。一方、国民1人当たりの世界平均鉄鋼使用量は、2001年の150kgから2013年には225kgへと着実に増加している。
スチールの炭素含有量は0.08～1.5％。その組成上、錬鉄よりも加工が難しい。しかし、鋳鉄ほど脆くはありません。
スチールは、硬度、柔軟性、引張強度を併せ持つユニークな素材である。鉄鋼は完全にリサイクル可能で、エネルギー消費量も少ない。鉄鋼業界の努力のおかげで、エネルギー消費量とCO2排出量は1960年代の半分以下になっている。この技術の結果、鉄鋼はより環境にやさしく、長持ちするようになった。
鉄鋼製品としては、鉄道、石油・ガスパイプライン、鉄塔、エレベーター、地下鉄、橋、自動車、船舶、ナイフ・フォーク、カミソリ、手術器具などが挙げられる。
鋼鉄はどのようにして作られるのか
「鉄はどのようにして作られるのか」鉄鉱石を熱し、炉で溶かして不純物を取り除き、炭素を加えて鋼を製造する。このプロセスでは、高炉または電気アーク炉の2つの方法のいずれかで鋼鉄の大部分を生産します。
高炉は原料を使用し、鉄スクラップも混ぜるが、電気炉は主に鉄スクラップを使用する。
高炉とは何か？
1850年代半ば、ヘンリー・ベッセマーが高炉を開発した。ベッセマーは、溶けた鉄に空気を送り込んで酸化させ、不純物を除去して鋼を製造する手段を考え出した。
現代の高炉は、耐熱レンガを円筒状に並べた巨大な鋼鉄製の円筒である。炉の上部から鉄鉱石、コークス、石灰石が投入される。そして、徐々に熱くなりながら底に落ちていく。
燃焼するコークスからのガスが、炉の上部で鉄鉱石から酸素を放出する。石灰石は鉱石やコークス中の不純物と相互作用し、炉の下部でスラグを生成する。
炉底の温度は華氏3000度以上に達する。炉のスラグ切り欠き部から溶融スラグが排出される。このスラグは溶鋼の上に浮いている。その後、炉の炉床から溶鋼を出鋼孔から排出する。
電気アーク炉とは？
EAFは主に、鉄鋼生産において他の金属と合金化した高品質の鋼を作るために使用される。通常のEAFは、非合金鋼を製造することもある。炉とは異なり、このプロセスは溶銑を使用しない。EAFでは、リサイクル可能な材料から出る鉄スクラップを利用する。
天井クレーンが鉄スクラップをEAFに投入する。炉が満杯になると、機械は炉の上部を覆う蓋を閉める。そして、蓋を開けて電極を炉内に落とす。この工程では、電極に強い電流を流す。これにより熱が発生し、スクラップが溶かされる。
鉄鋼の製造では、鋼鉄が溶ける間に合金鉄を加えて適切な化学組成にする。その後、機械が炉内に酸素を送り込み、鋼を浄化する。石灰と蛍石を不純物に加え、融合させてスラグを生成させる。
溶融スラグは炉を傾けることで溶鋼の上に浮き、排出されることもある。様々な金属を混合して合金鋼を生成することにより、EAFは様々な高品質の鋼を生産することができる。ステンレス鋼、クロム、ニッケルは、最も広く使用されている耐食性品質である。
エンジニアリング、航空宇宙、装甲メッキに使用される鋼は、EAFで生産される他の特殊鋼のひとつである。
鉄鋼工場で鉄鋼はどのように作られるか
製鉄所では、鉄鉱石か金属スクラップから鉄を作る。鉄鉱石は、金属鉄に経済的に加工できる鉱物の集合体である。
鉄鉱石の成分によって品位が決まる。鉄の濃度が高く、硫黄とリンの濃度が低いものが望ましい。世界には鉄鉱石があふれているが、その鉄濃度は場所や生態学的要因によって異なる。
"鉄はどうやって作られるのか "は、まず鉄スクラップを回収し、何十年もの間、鉄鋼製造の貴重な原料として再利用する。
BFは主に原料を使用し、そのほかに鉄スクラップも使用するが、EAFは主に鉄スクラップを使用する。
製鉄プロセス
"鉄はどのようにして作られるのか "鉄を作るには溶けた鉄が必要である。鉄鉱石と石炭は、溶けた鉄を作るための2大原料である。製鉄所では、鉄鉱石を焼結工場で焼結鉱にし、石炭をコークス炉でコークスにします。
鉄鋼の製造では、処理された原料を高炉に投入する。底部から羽口によって送り込まれる熱風で1200℃まで加熱する。コークスを酸化させ、焼結鉱を還元することで溶けた鉄を作り出します。上の図を見てください。
コークス炉の準備
複数の炉が鉄鋼生産におけるコークス電池を構成する。鉄鋼はどのように作られるか」はコークス炉に装入する前に、石炭を粉砕し混合する。その後、製鉄は混合された石炭をラリー車で各炉に運ぶ。
このプロセスでは、コークス炉の中で石炭を1800°Fまで加熱する。この間、石炭はオフガスに押し出され、"コークス "として知られる純粋な炭素が残る。
製鉄過程でコークスが酸素に触れると、瞬時に発火して燃える。製鉄工程がコークスを炉から鉄道車両に押し出す際、コークスを冷却して燃焼プロセスを止めるために急冷する。
冷却後、"鉄鋼はどのように作られるか "はコークスを石炭ドックに堆積させる。その後、高炉に投入する前に、濾過・計量設備に運ばれる。
焼結
焼結は、鉄鋼生産工程における鉄鉱石微粉末の熱凝集技法である。このプロセスにより、製鉄製品、フラックス、スラグ形成剤、固形燃料が回収される。
焼結プロセスの目的は、高炉に投入するのに適した特性を持つ製品を作ることである。
このプロセスは、最も優れた焼結品質を得るための理想的な条件を決定するために、広範囲にわたって研究されてきた。焼結プロセスは、混合物が造粒され、焼結ストランドに供給された時点で行われます。
1300～1480℃の温度で、「鋼鉄はどのように作られるか」が焼結混合物を溶かす。一連の工程を経て焼結ケーキができる。そして、高炉に入れて銑鉄を作る。
高炉
鉄鋼の生産には、何よりもまず鉄と炭素が必要である。鉄はそれだけではあまり強くないが、炭素の含有量が少ない（鋼の種類にもよるが、1%以下）ことで、重要な性質を持つようになる。
鉄鋼は石炭から炭素を、鉄鉱石から鉄を得る。一方、鉄鉱石は鉄、酸素、その他の微量成分を含んでいる。鉄を酸素から分離し、少量の炭素を加えることで鉄鋼ができる。
しかし、このプロセスでは、酸素とコークスと呼ばれる石炭の存在下、高温で両方を溶かす。
鉄鉱石は高温で酸素を放出し、二酸化炭素に含まれるコークスからの炭素によって運搬される。
Fe_2 O_3(s) + 3 CO(g) → 2 Fe(s) + 3 CO_2(g)
この反応は、二酸化炭素が酸化鉄よりもエネルギー状態が低いために起こる。その上、活性化エネルギーに達するには高温を必要とする。炭素含有量が多すぎる。その上、少量の炭素が鉄と結合し、鋼の前の中間体となる。
製鉄
魚雷車が溶けた鉄を製鉄所まで運び、転炉に送り込む。そして、"鋼鉄ができるまで "が転炉に酸素を吹き込み、不純物を焼き尽くす。純粋な溶鋼だけが残る。
連続鋳造
「鉄ができるまで」工程では、溶けた金属を鋳造機に流し込む。この連続鋳造プロセスにより、ビレット、ブルーム、スラブが作られる。これにより、一次圧延機や中間圧延機、浸漬ピット、膨大な量のインゴット鋳型を保管・利用する必要性が減少する。
また、所定の鋼材重量から使用可能な製品の歩留まりも向上する。この工程は、完成品に近い半製品形状に加工することで行われる。
天井クレーンで鋼の取鍋を連続鋳造設備に運ぶ。不活性ガスによる攪拌などの前処理を行った後、連続鋳造設備に搬入される。ただし、取鍋の開いた口は、熱損失を抑えるために断熱蓋で覆われている。
鋼材の製造では、クレーンを使って装置全体を回転ターレットに吊り上げます。機械を停止させることなく、同グレードの鋼材を連続鋳造することが可能になった。また、コスト削減にも大きく貢献している。
しかし、鉄鋼の製造工程では、鋳造工程の前に取鍋ノズルの外側にガス密閉チューブを接続する。これは、液体鋼が空気中の酸素や窒素を過剰に吸収するのを防ぐ仕組みだ。
その後、"鋼鉄はどのように作られるか "の工程で、取鍋のノズルが開く。そして、スプーンからタンディッシュに鋼が一定のペースで流れるようにする。その後、貯水池から鋳造工程の水冷銅鋳型が供給される。
鋼材は、湾曲した支持ローラーのネットワークを介して金型の底から下方にドラッグされます。その後、機械の排出端から水平に固い鋼板として出てくるまで、水を噴霧する。
インゴットの内訳
鋼鉄はどのようにして作られるのか」プロセスは、鋼鉄インゴットの浸漬直接圧延技術に依存し、以下のステップを含む：
- このプロセスは、理論的基礎として鋼塊の熱条件モデルを適用している。
- 鋼塊の上部と下部に同時に水を噴射すると、注湯完了までの時間が短縮される。そして、炉への装入が完了する。
- 製造工程では、グループ別に炉への装入と高密度炉への装入を行う。閉鎖型煙道シャッター、閉鎖型空気・ガスバルブ、閉鎖型空気・ガス煙道シャッターを作成します。最後に、浸漬期間が経過した鋼塊を圧延します。
仕上げ
美観と耐久性を高めるために品物の表面を変化させることは、金属仕上げとして知られている。電気めっきは、電着によって金属の薄い表面皮膜を形成する。
一次鍛造
仕上げ段階では、粗鋳片を熱間圧延によって型に成形する。型枠の欠陥をなくし、必要な鋼種を製造する。この方法では、シームレス・チューブ、長尺品、平板品、さまざまな特注品を製造することができる。
二次成形
コーティング、熱処理、接合、プレス、穴あけ、機械加工、リベット打ちは、鋼鉄に最終的な形を与える二次加工である。
結論
以上、「鉄鋼はどのように作られるのか」というプロセス全般について述べてきた。この記事は、あなたが鉄鋼プロジェクトに取り組んでいる場合に役立つだろう。また、どのような方法を使うべきか、あるいはどのような方法で作るべきかについて、専門家のアドバイスが必要かもしれません。 どんな 鋼を利用する。