ベッセマー法

ベッセマー法は、平炉が開発される前に、溶融銑鉄から鋼を大量生産する最初の安価な工業プロセスでした。主な原理は、溶融鉄に空気を吹き込み、鉄を酸化して不純物を取り除くことです。また、酸化により鉄塊の温度が上昇し、溶融状態が維持されます。

空気による脱炭処理は、ヨーロッパ以外では数百年にわたって行われてきたが、工業規模ではなかった。^{[1]こうしたプロセス（}パドリングに類似）の1つは、11世紀に東アジアで知られており、当時の学者である沈括が中国の鉄鋼業界での使用について記述している。^{[2] [3]} 17世紀には、ヨーロッパの旅行者による記録に、日本人による使用の可能性が詳述されている。^[4]

現代の製法は、発明者であるイギリス人のヘンリー・ベッセマーにちなんで名付けられ、彼は1856年にこの製法の特許を取得しました。 ^{[5]この製法は、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、 ^{[4] [6]}この主張は議論の余地があります。^{[7] [8] [9] [10]}

塩基性耐火ライニングを使用するプロセスは、イギリス人の発見者パーシー・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。

ベッセマー法に似たシステムは、11世紀から東アジアに存在していた。^{[2] [3]経済史家ロバート・ハートウェルは、}宋朝（西暦960～1279年）の中国人が、冷風で鋳鉄を繰り返し鍛造する「部分的脱炭素化」法を発明したと書いている。 ^[11] 中国学者 ジョセフ・ニーダムと冶金史家セオドア・A・ワータイムは、この方法を鋼鉄製造のベッセマー法の前身としている。^{[2] [12] [13]}この法は、多作な学者で博識な官僚の沈括（1031～1095年）が1075年に磁州を訪れた際に初めて記述された。^{[11]ハートウェルは、これが実践された最も古い中心地は、おそらく11世紀の}河南省と河北省の境界に沿った大規模な鉄生産地区であったと述べている。^[11]

15 世紀には、ヨーロッパで、ベッセマー法と同じく空気吹き込みの原理を持つ精錬法が開発されました。1740 年、ベンジャミン・ハンツマンは、シェフィールドのハンズワース地区にある工房で、鋼鉄製造用のるつぼ法を開発しました。この方法は、鋼鉄生産量と品質に多大な影響を及ぼしましたが、脱炭法を採用したベッセマー型法とは無関係でした。

日本人は、17世紀にヨーロッパの旅行者が観察したベッセマー法を利用した可能性がある。^[4]冒険家ヨハン・アルブレヒト・デ・マンデルスローは、 1669年に英語で出版された本の中でその製法について述べている。彼は次のように書いている。「彼らは、とりわけ、火を使わずに鉄を溶かす特別な発明をした。彼らは鉄を、内側に半フィートほど土を敷き詰めた釜に流し込み、絶えず吹き付けて保管し、ひしゃくでいっぱいに取り出して、好きな形にするのだ。」歴史家ドナルド・ワグナーによると、マンデルスローは日本を個人的に訪れたことはなく、そのため、彼の製法に関する説明は、日本を訪れた他のヨーロッパ人の話から得たものである可能性が高い。ワグナーは、日本の製法はベッセマー法に似ていた可能性があると考えているが、別の説明も妥当であると警告している。^[4]

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似た方法を実験した。ワグナーは、ケリーは1854年にケリーが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る。 ^[4]ケリーとベッセマーの両者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る。ベッセマーのこの方法の特許がScientific Americanで報じられたとき、ケリーは同誌に手紙を書いて反論した。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た。彼は「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る。多くのイギリスのパドラーがこの場所を訪れ、私の新しい方法を見たからだ。そのうち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ない」と書いている。^[4]ケリーの方法はベッセマーの方法ほど発展しておらず、成功もしなかったと示唆されている。^[14]

ヘンリー・ベッセマー卿は、 1890年に執筆した自伝の中で、この発明の起源について述べている。クリミア戦争が勃発すると、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った。ベッセマーによれば、この発明は1854年にナポレオン3世と、より優れた大砲に必要な鋼鉄に関する会話をしたことがきっかけとなった。ベッセマーは、「それは今世紀最大の革命の一つのきっかけとなった。なぜなら、その夜、ヴァンセンヌからパリまで馬車でひとり旅をしていたとき、銃の製造に使う鉄の品質を改善するためにできることをしようと決心したからだ」と主張した。^{[5]当時、鋼鉄は食器や道具などの小さな品物を作るためにしか使われておらず、大砲を作るには高価すぎた。1855年1月から、彼は}大砲に必要な大量の鋼鉄を生産する方法に取り組み始め、10月までにベッセマー法に関する最初の特許を申請した。彼は1年後の1856年にこの方法の特許を取得しました。^[5] ウィリアム・ケリーは1857年に優先特許を取得しました。^[15]

^{ベッセマーは}、彼の製法の特許を4人の鉄鋼業者に^合計27,000ポンドでライセンスしたが、ライセンスを受けた業者は彼が約束した品質の鋼を生産できなかった。友人のウィリアム・クレイによると、それは「熱くてひどく冷たかった」ものだっ^た[16]。その後、彼は32,500ポンドで買い戻した。^[17]彼の計画は、いくつかの地理的地域にそれぞれ1社ずつ、生産を促進するために生産量の割合を低く抑えた1トン当たりのロイヤルティ価格でライセンスを提供することだったが、販売価格を下げるほどの割合は多くはなかった。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高めることを期待した。^[16]

彼は、技術的な問題が鉄の不純物によるものであることに気づき、解決策は、不純物が燃え尽きて炭素がちょうど良い量残るように、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、実験に何万ポンドも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。^[18]特定の等級の鋼鉄は、鋼鉄を通過する空気の噴射に含まれる 78％の窒素に敏感です。

この解決策を最初に発見したのは、ディーン森林で何千もの実験を行ったイギリスの冶金学者ロバート・フォレスター・ムシェットである。彼の方法は、まず不純物と炭素を可能な限り燃やし、次に正確な量のシュピーゲライゼン（微量の炭素とシリコンを含む鉄とマンガンの合金）を追加して炭素とマンガンを再導入するというものである。これにより、完成品の品質が向上し、展性（高温での圧延と鍛造に耐える能力）が向上し、幅広い用途に適したものになった。^{[19] [20]}ムシェットの特許は、特許料を支払えなかったために最終的に失効し、ベッセマーが取得した。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]を獲得した。 [21]}

この製法のライセンスを最初に取得した会社はマンチェスターのW&Jギャロウェイ社で、1856年にチェルトナムでベッセマーが発表する前に取得した。ギャロウェイ社はライセンス料を返金した4社には含まれていない。しかし、ギャロウェイ社はその後1858年にライセンスを取り消し、ベッセマーらとのパートナーシップに投資する機会を得た。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た。これが最初の商業生産であった。^{[16] [22]}

ベッセマー特許の20%の株式は、1857年にロンドンを訪れたスウェーデンの貿易商で領事のヨーラン・フレドリック・ヨーランソンによっても、スウェーデンとノルウェーで使用するために購入された。 1858年前半、ヨーランソンは少数の技術者とともに、スウェーデンのホフォルス近郊のエドスケンでベッセマー法の実験を行い、最終的に成功した。1858年後半、ヨーランソンはロンドンでヘンリー・ベッセマーと再会し、法の成功を納得させ、イギリスで鋼を販売する権利を交渉した。エドスケンでの生産は続いたが、必要とされる工業規模の生産には規模が小さすぎた。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た。同社はサンドビケン鉄工所に改名され、成長を続け、1970年代にサンドビックとなった。 ^[23]

アレクサンダー・ライマン・ホーリーは、米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『武器と装甲に関する論文』^[24]は、当時の兵器製造と製鋼の実践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、米国でこの製法を使用するライセンスを取得することに興味を持った。米国に戻ったホーリーは、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い、彼らから英国に戻ってイングランド銀行と交渉するよう依頼された。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製法を使用するライセンスを取得し、1863年後半に米国に戻った。^[25]

3 人は 1865 年にニューヨーク州トロイに製鉄所を設立し始めました。この工場には、シェフィールドのベッセマーの工場よりも生産性を大幅に向上させたホーリーの革新的技術が数多く取り入れられ、所有者は 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、新しいプロセスを使用して鋼鉄レールを製造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 スチールの子会社の一部としてホーリーの 2 番目の製鉄所に資金を提供しました。1866 年から 1877 年にかけて、3 人は合計 11 のベッセマー製鉄所のライセンスを取得できました。

彼らが引き付けた投資家の一人がアンドリュー・カーネギーで、1872年にベッセマーを訪れた後、新しい鉄鋼技術に大きな可能性を感じ、それが彼の既存のビジネスであるキーストン・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になると考えた。ホー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善を続けた。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の主要な鉄鋼生産国として成長するきっかけとなった。^[26]ベッセマー法を使用することで、カーネギー鉄鋼は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ができた。鉄鋼の価格は下がり続け、1890年代にはカーネギーはレールを1トンあたり18ドルで販売していた。カーネギーのトムソン工場が開設される前、米国の鉄鋼生産量は年間約157,000トンでした。1910年までに、アメリカの企業は年間2,600万トンの鉄鋼を生産していました。^[27]

ペンシルバ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るウィリアム・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た。彼は1876年にベッセマー法を使って鉄レールを製造する工場を建設し、生産量を4倍に増やした。^[28]

ベッセマー鋼は、米国では主に鉄道の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るべきかどうかで大きな論争が起こりました。1877年、エイブラム・ヒューイットはブルックリン橋の建設にベッセマー鋼を使用しないよう求める手紙を書きました。^{[29] [30]}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・ローブリングの息子がベッセマー鋼に最低入札額を提示しましたが、^[31]ヒューイットの指示により、契約はJ・ロイド・ヘイグ社に授与されました。^[32]

ベッセマー法では、3～5トンの鉄を鋼鉄に変えるのに10～20分しかかかりませんでした。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。^[27]

溶融銑鉄に空気を吹き込むと、溶融物に酸素が導入され、酸化が起こり、銑鉄に含まれるシリコン、マンガン、炭素などの不純物が酸化物の形で除去されます。これらの酸化物はガスとして逃げるか、固体のスラグを形成します。転炉の耐火ライニングも転化に役割を果たします。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、ベッセマー自身はガニスター砂岩を使用しました。これは酸性ベッセマー法として知られています。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、または場合によってはマグネサイトのライニングが必要です（以下を参照）。望ましい特性を持つ鋼を製造するために、不純物が除去された後、シュピーゲライゼン（フェロマンガン合金）などの添加剤を溶融鋼に加えることができます。

必要な鋼が形づくられると、取鍋に流し込まれ、軽いスラグが残されたまま鋳型に移されました。「ブロー」と呼ばれるこの変換プロセスは、約 20 分で完了しました。この間、不純物の酸化の進行は、転炉の口から出る炎の外観によって判断されました。炎の特性を記録する光電式方法が現代的に導入されたことで、ブローワーは最終製品の品質を管理するのに大いに役立ちました。ブローの後、液体金属は必要な点まで再炭化され、目的の製品に応じて他の合金材料が追加されました。

ベッセマー転炉は、一度に5〜30トンの「熱」（熱い金属のバッチ）を処理できました。^[33]これらは通常、ペアで操作され、一方が吹き込まれている間にもう一方が充填または出湯されていました。

19世紀初頭までに、パドリング法は広く普及した。技術の進歩により高温での作業が可能になるまで、スラグの不純物を完全に除去することはできなかったが、反射炉により鉄を直接火にかけずに加熱することが可能となり、燃料源の不純物からある程度保護された。したがって、この技術の出現により、石炭が木炭燃料に取って代わるようになった。ベッセマー法では、鉄の不純物を利用して必要な熱を発生させ、燃料なしで鋼鉄を生産することが可能になった。これにより鋼鉄生産コストは大幅に削減されたが、必要な特性を持つ原材料を見つけるのは困難であった。^[34]

高品質の鋼は、通常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という逆のプロセスで作られました。セメンテーションプロセスと呼ばれる製造プロセスでは、錬鉄の棒を木炭と一緒に長い石の箱の中で最大1週間加熱します。これにより、ブリスター鋼が生成されます。ブリスター鋼は錬鉄とともにるつぼに入れられ、溶解され、るつぼ鋼が製造されます。生産された鋼1トンにつき最大3トンの高価なコークスが燃焼されました。このような鋼は棒状に巻かれた後、 1ロングトンあたり50〜60ポンド（2008年に約3,390〜4,070ポンド）で販売されました^{[35] 。しかし、プロセスの中で最も困難で労働集約的な部分は、スウェーデンの}精錬所で行われる錬鉄の製造でした。

この方法は、18 世紀にベンジャミン ハンツマンのるつぼ製鋼技術の導入により改良されましたが、これにより焼成時間がさらに 3 時間追加され、大量のコークスも必要になりました。るつぼ製鋼では、粗鋼棒を細かく砕き、それぞれ約 20 kg の小さなるつぼで溶かしました。これにより、高品質のるつぼ製鋼が製造されましたが、コストは増加しました。ベッセマー法では、低品位の鋼の製造に必要な時間を約 30 分に短縮し、必要なのは最初に銑鉄を溶かすために必要なコークスだけです。初期のベッセマー転炉では、1ロング トンあたり 7 ポンドで鋼を製造しましたが、当初は 1 トンあたり約 40 ポンドで販売されていました。

ウェールズ人の父を持つロンドン出身のシドニー・ギルクリスト・トーマスは工業化学者で、鉄に含まれるリンの問題に取り組むことを決意した。このリンの問題は低品質の鋼鉄の生産につながっていた。解決策を発見したと信じた彼は、ブレナヴォン製鉄所の化学者だった従兄弟のパーシー・ギルクリストに連絡を取った。当時のマネージャー、エドワード・マーティンはシドニーに大規模試験用の装置を提供し、1878年5月に取得された特許の作成を手伝った。シドニー・ギルクリスト・トーマスの発明は、粘土ではなくドロマイトまたは時には石灰岩をベッセマー転炉のライニングに使用するというもので、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った。さらなる利点は、このプロセスによって転炉でより多くのスラグが形成されることであり、これを回収してリン酸肥料として非常に有益に使用できることであった。^[36]

1898年、サイエンティフィック・アメリカン誌は「ベッセマー鋼鉄と世界への影響」という記事を発表し、安価な鋼鉄の供給増加が経済に及ぼす重大な影響について説明した。同誌は、国内の以前は人がまばらだった地域への鉄道の拡張により、それらの地域に入植者が生まれ、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た。^[37]

ベッセマー法は、鉄鋼製造コストを1ロングトンあたり40ポンドから6～7ポンドに下げ、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た。この方法はまた、製鉄に必要な労働力も削減した。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鉄鋼は高価すぎたため、産業革命の間中、錬鉄が使用されていた。ベッセマー法の導入後、鉄鋼と錬鉄は同価格となり、鉄道を中心に一部のユーザーが鉄鋼に目を向けた。吹き付け空気中の窒素による脆さなどの品質上の問題により、^[38]ベッセマー鋼は多くの構造用途に使用できなかった。^[39] 平炉鋼は構造用途に適していた。

鉄は鉄道の生産性を大幅に向上させました。鉄のレールは鉄のレールの10倍も長持ちしました。価格が下がるにつれて重くなった鉄のレールは、より重い機関車を運ぶことができ、より長い列車を牽引できるようになりました。^[40]鉄の鉄道車両はより長く、貨物と車両の重量を1：1から2：1に増やすことができました。

1895 年という早い時期に、英国ではベッセマー法の全盛期は終わり、平炉法が主流になったと指摘されていた。鉄・石炭貿易評論は、この法は「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」と述べた。当時も最近も、この原因は、法自体に固有のものではなく、訓練を受けた人材と技術への投資の不足にあると示唆されている。^{[41]たとえば、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因の 1 つは、技術の向上に失敗したことである。^{[42]基本法であるトーマス・ギルクリスト法は、特に鉄鉱石のリン含有量が高く[43]}、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た。 1950年代から1960年代にかけて、ドイツでは安価な建築用鋼材のほとんどがこの製法で生産されました。^{[44]この製法は最終的に}酸素製鋼に取って代わられました。

米国では、この方法を使用した商業的な鉄鋼生産は1968年に停止しました。最終的な化学反応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）法などのプロセスに置き換えられました。ベッセマー法は非常に高速（1加熱あたり10〜20分）であったため、化学分析や鋼の合金元素の調整にほとんど時間がかかりませんでした。ベッセマー転炉は溶融鋼からリンを効率的に除去せず、リンの少ない鉱石がより高価になるにつれて、変換コストが増加しました。このプロセスでは、限られた量のスクラップ鋼しか投入できず、特にスクラップが安価な場合はコストがさらに増加し​​ました。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時代遅れになりました。

酸素製鋼法は、本質的にはベッセマー法（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）の改良版である。純酸素製鋼法が空気製鋼法よりも優れていることはヘンリー・ベッセマーにも知られていたが^[要出典]、19世紀の技術は、経済的に製造するために必要な大量の純酸素を生産できるほどには進歩していなかった。

• セメンテーション（冶金）プロセス
• るつぼ鋼の製造方法

• アンスティス、ラルフ（1997年）『マン・オブ・アイアン、マン・オブ・スティール：デイヴィッドとロバート・マシェットの生涯』アルビオンハウス、ISBN 0-9511371-4-X
• ジャクソン、アルバート（1964）、鉄鋼メーカーのための酸素製鋼法、ジョージ・ニューネス社、ISBN 978-0408073523
• Baggley, P.; Sanderson, N. (2002) 『ワーキングトンにおける製鉄業の写真アーカイブ』、ISBN 0-9538447-1-4

ウィキメディア・コモンズには、ベッセマー転炉に関連するメディアがあります。

•  「鋼鉄製造の進歩」ポピュラーサイエンスマンスリー第19巻、1881年10月
• 「ベッセマーのプロセスの説明」。エンジニア誌。1856年8月15日。2014年10月28日時点のオリジナルよりアーカイブ。2011年4月2日閲覧。
• 「現代の製鉄炉はどのように機能するのか」。ポピュラーサイエンス：30～31ページ。1919年2月。