I. 鉄と鋼とは何か

鉄と鋼は、鉄（Fe）、炭素（C）、シリコン（Si）、マンガン（Mn）、リン（P）、硫黄（S）、および少量の他の元素からなる合金です。これらの中で、鉄（Fe）を除いて、炭素含有量は鉄と鋼の機械的特性を決定する上で重要な役割を果たすため、これらは総称して鉄炭合金と呼ばれます。これらは、工学技術において最も重要で広く使用されている金属材料です。

2. 鋼の意味

鋼は、炭素含有量が0.03%から2%の鉄-炭素合金です。炭素鋼は最も一般的に使用される普通鋼で、溶解と加工が容易です。炭素含有量の違いに応じて、炭素鋼はさらに低炭素鋼、中炭素鋼、高炭素鋼に分類されます。合金鋼は特殊鋼とも呼ばれ、炭素鋼に1つ以上の合金元素を加えることで、鋼の微細構造と特性を変化させて作られます。鋼に添加される一般的な合金元素には、Si、Mn、Cr、Ni、Mo、V、Tiなどがあります。

3. 銑鉄の意味

鉄炭合金で、炭素含有量が2%から4.3%のものを鋳鉄と呼びます。鋳鉄は硬くて脆く、優れた圧力抵抗と耐摩耗性を持っています。鋳鉄は白鋳鉄、灰鋳鉄、ダクタイル鋳鉄に分けられます。白鋳鉄は銀白色の外観を持ち、硬くて脆く、機械加工ができません；これは製鋼の原料であるため、製鋼用鋳鉄とも呼ばれます。灰鋳鉄は銀灰色の破断面を持ち、切削や鋳造が容易で、優れた耐摩耗性を持っています。ダクタイル鋳鉄は鋼に近い特性を持っています。特殊鋳鉄は、鋳鉄に特殊な合金元素を添加することで得られます。

II. 鉄鋼生産プロセス

現代の鉄鋼製錬プロセスは、鉄鉱石を高炉で生鉄に精錬し、溶融した鉄を転炉または電気炉に注ぎ込んで鋼に精錬し、その後、溶融鋼を連続鋳造ビレットまたは鋼塊に鋳造し、圧延などの塑性変形方法を通じてさまざまな目的のために鋼製品に加工することを含みます。

2. 総合鉄鋼所

統合鉄鋼所は一般的に、原材料処理、製鉄、製鋼、圧延、エネルギー供給、輸送などの生産工程を含みます。これは複雑で大規模な生産システムです。中国のほとんどの鉄鋼企業は、このようなフルプロセス統合企業です。

III. 製鉄原料とプロセス

高炉冶炼的主要原料包括铁矿石（自然富矿和人工富矿）、燃料（焦炭和喷吹燃料）以及助熔剂（石灰石和白云石）。冶炼一吨生铁大约需要1.60-1.65吨品位为63%的铁矿石、0.3-0.6吨焦炭和0.2-0.4吨助熔剂。

2. 製鉄プロセス

高炉製鉄は、コークスをエネルギー源とする伝統的な製鉄方法です。転炉製鉄と協力して、現在の鉄の生産の主要な方法となっています。高炉製鉄の主導的な地位は、かなりの長期間変わらないと予想されています。高炉製鉄の本質は、鉄還元プロセスであり、コークスが燃料および還元剤として機能し、鉄鉱石や鉄を含む原材料を酸化物または鉱物状態から高温で液体生鉄に還元します。

3. 製鉄プロセスフロー

溶鉱プロセス中、炉充填物（鉱石、フラックス、コークス）は、所定の割合で充填装置を通じて上部から炉にバッチ投入されます。下部のターニアから吹き込まれる高温の熱風はコークスと反応して高温還元ガスを生成し、それが上昇して加熱され、還元され、溶融し、炉充填物からスラグを形成し、一連の物理的および化学的変化を引き起こします。最終的に、液体スラグと鉄が炉床に蓄積され、定期的に高炉から排出されます。上昇プロセス中、ガス流の温度は継続的に低下し、その組成は徐々に変化し、最終的に高炉ガスが形成され、炉の上部から排出されます。

IV. 鋼製造原料とプロセス

脱炭素化 → 脱リン化 → 脱硫化 → 脱酸化 → 脱窒素化、脱水素化など → 非金属 Inclusion の除去 → 合金化 → 温度上昇 → 固化と成形。

2. 製鋼の原理と原材料

製鋼プロセスは酸化プロセスです。不純物を除去する主な方法は、溶融プールに酸素を吹き込み、スラグ形成剤を加えて溶融スラグを形成し、除去することです。脱炭反応は製鋼プロセスの主要な手段であり、シリコン、マンガン、リン、硫黄などの元素も酸化反応を通じて除去されます。製鋼の原材料には、鋳鉄、スクラップ鋼、フラックス（石灰石）、脱酸剤（フェロシリコン、フェロマンガン、アルミニウムなど）、および合金材料が含まれます。

3. 鋼製造プロセス

ホットメタル前処理 → コンバータまたは電気アーク炉製鋼 → 二次精錬（ラドル精錬） → 連続鋳造。

V. 鋼製造プロセス（重要なリンク）

鋼の連続鋳造は、連続鋳造機を通じて溶融鋼を連続的に鋼ビレットに鋳造するプロセスです。鋳塊鋳造と比較して、連続鋳造には以下の利点があります：プロセスの簡素化とエネルギーの節約；ビレットのヘッドカット率の低下、鋳塊鋳造よりも金属収率が7-12%高い；効率的な凝固；および最適化された成形。

連続鋳造プロセスの流れは次のとおりです：溶融鋼はトンディッシュを通じて型に注入され、一定の厚さの固化したシェルを形成するために迅速に冷却されますが、内部は液体（半固体ビレット）のままです。ビレットの下部は型の底に延びるダミーバーに接続されています。鋳造が始まると、ビレット引き抜き機がダミーバーを通じて型内のビレットを一定の速度で引き抜きます。ビレットが連続鋳造の二次冷却ゾーンを通過すると、水スプレーによってさらに冷却され、完全に固化します。完全に固化した後、ビレットはストレートナーによって真っ直ぐにされ、指定された長さに切断され、コンベヤーを通じて運ばれます。

2. 鋼の圧延

圧延プロセスは、圧延された部品とロールの間の摩擦が、異なる方向に回転するロールの間の空間に圧延された部品を引き込むプロセスであり、それによって塑性変形を受けることを引き起こします。一般的な鋼の圧延プロセスは、加熱炉、粗圧延、中間圧延、仕上げ圧延、仕上げに分けることができます。

VI. 鉄と鋼の機械的特性（主要指標）

鉄鋼は優れた物理的、機械的、技術的特性を持ち、以下の6つの主要指標があります：

鋼材または試料が引っ張られるとき、応力が弾性限界を超えると、応力がこれ以上増加しなくても鋼材または試料は明らかな塑性変形を続けます。この現象は降伏と呼ばれ、降伏が発生する最小の応力値は降伏点です。

2. 降伏強度

一部の金属材料の降伏点は明確ではなく、測定が難しい。そのため、材料の降伏特性を測定するために、永久的な残留塑性変形を引き起こす応力が特定の値（通常は元の長さの0.2%）に達することを条件降伏強度、または単に降伏強度と定義する。

3. 引張強度

材料の引張り開始から破断までに達した最大応力値。これは鋼が破断に抵抗する能力を表します。引張強度に対応して、圧縮強度、曲げ強度などもあります。

4. 伸長

鋼の破断後のプラスチック伸長長さの割合を試料の元の長さに対して呼び、これを伸びまたは百分率伸びと呼びます。

5. 利回り比率

鋼の降伏点（降伏強度）と引張強度の比率を降伏比と呼びます。降伏比が高いほど、構造部品の信頼性が高くなります。一般的に、炭素鋼の降伏比は0.6-0.65、低合金構造鋼は0.65-0.75、合金構造鋼は0.84-0.86です。

6. 硬度

硬度とは、材料がその表面に硬い物体の圧痕に抵抗する能力を指します。これは金属材料の重要な性能指標の一つです。一般的に、硬度が高いほど耐摩耗性が優れています。一般的な硬度指標には、ブリネル硬度、ロックウェル硬度、ビッカース硬度があります。

VII. 鉄と鋼の特性に影響を与える要因

化学成分が鉄と鋼の特性に与える影響

炭素は鉄に次いで最も重要な元素です。炭素含有量が増加するにつれて、鋼の強度は増加しますが、塑性と靭性（特に低温衝撃靭性）は減少します。同時に、溶接性、耐食性、冷間曲げ性能も大幅に低下します。したがって、構造用鋼の炭素含有量は一般に0.22%を超えず、溶接構造物の炭素含有量は0.2%未満であるべきです。

2. マンガン

マンガンは弱い脱酸剤です。適切なマンガン含有量は、鋼の強度を効果的に改善し、硫黄や酸素が鋼に与える熱脆性効果を排除し、鋼の延性や靭性を大幅に低下させることなく実現します。炭素構造鋼におけるマンガン含有量は0.3%-0.8%であり、低合金鋼では一般的に1.0%-1.7%です。

3. シリコン

シリコンは強力な脱酸剤です。適切なシリコン含有量は、塑性、靭性、冷間曲げ性能、溶接性に明らかな悪影響を与えることなく、鋼の強度を向上させることができます。しかし、シリコン含有量が高すぎると、鋼の塑性、靭性、耐食性、及び溶接性が低下します。

4. バナジウム、ニオブ、チタン

バナジウム、ニオブ、チタンはすべて鋼の粒径を精錬することができます。中国の低合金鋼はすべてこれらの三つの元素を含んでいます。マンガン以外の合金元素として、これらは鋼の強度を向上させるだけでなく、良好な延性と靭性を維持することもできます。

5. 酸素、窒素

酸素と窒素も有害な不純物であり、金属が溶融状態にあるときに空気から金属に侵入する可能性があります。酸素は鋼の熱脆性を引き起こすことができ、その影響は硫黄よりも強いです。窒素は鋼の冷脆性を引き起こすことができ、リンに似ています。

VIII. 鉄鋼の分類

普通鋼 (P ≤ 0.045%、S ≤ 0.05%)

高品質の鋼（PおよびS ≤ 0.035%）

高級高品質鋼 (P ≤ 0.035%、S ≤ 0.03%)

2. 化学組成による分類

カーボン鋼

低炭素鋼 (C ≤ 0.25%)

中炭鋼 (C: 0.25%-0.6%)

高炭素鋼 (C > 0.6%)

合金鋼

低合金鋼（合金元素総含有量 ≤ 5%）

中程度合金鋼（合金元素の総含有量：5%-10%）

高合金鋼（合金元素総含有量 > 10%）