何千年にもわたって、人類はさまざまな形で成長し、進化してきました。注目すべき進歩の 1 つは、古代文明から現代社会に至るまで、金属加工に対する私たちの理解と使用法が進化したことです。平炉での鉄鉱石の燃焼から、鉄鋼のリサイクルと電気炉の使用への飛躍は非常に大きなものです。

Over thousands of years, humanity has grown and evolved in many ways. One advancement of note is our evolved understanding and usage of metal processing from ancient civilizations to modern society. The jump from burning iron ore over an open hearth to recycling steel and using electric furnaces is a huge one.
 

金属加工の歴史

鉄の始まりは何世紀にも遡ります。鉄の使用が初めて記録されたのは、紀元前 1800 年にカリュベ人として知られる民族によるものでした。カリュベ家は比類のない武器を作りたいと考えていました。当時は青銅が主に使用されていましたが、鉄よりも柔らかいため理想的ではありませんでした。そこでカリュベ家は、炉に鉄鉱石を入れ、ハンマーで叩いて、繰り返し焼いていました。この金属鉱石の加工方法により、現代の鋼の前身である錬鉄が生み出されました。

紀元前 500 年に、中国人は別の方法を開発しました。彼らは木材を使った高い炉で鉄を精錬し、得られた液体を型に注ぎました。これは鋳鉄の最初の実例の 1 つであり、現代の鋼のもう一つの前身です。

紀元前 400 年のインドの鉄工たちは、炭素と鉄を完璧に組み合わせて鋼を作る製錬方法を偶然発明しました。彼らはるつぼを使用しました。るつぼは、鉄鉱石と木炭を入れることができる小さな粘土のカップで、その後、るつぼを炉で焼成し、冷却すると純粋な鋼のインゴットが得られます。しかし、この方法は他の地域では普及しなかったため、鋼の秘密は世界のほとんどの人に知られていないままでした。

大きな進歩は数世紀後に現在のドイツでもたらされました。高炉。高炉は、規模が大きい点を除いて中国人が使用した方法と似ていました。この高炉は大量の鉄を生産することができました。

この技術革新は非常に人気がありましたが、鉄を製錬するために大量の木材が必要でした。エイブラハム・ダービーというイギリスの鋳鉄鍋職人が発見するまでは。

ダービーは、石炭を焙煎し、それを鉄の精錬に使用すると、石炭がはるかに長く熱を保持し、銃の金型などのより精密な製品に使用できる薄い鉄が可能になることに気づきました。ただし、この方法はまだ完全には完成されていませんでした。

そして1740年頃、ベンジャミン・ハンツマンというイギリスの時計職人がこの世界に参入しました。ハンツマンは、現在生産されている鉄のばらつきが時計のバネの製造には多すぎることに気づいたために、鉄の生産の実験を始めました。この実験により、彼は古代インドのるつぼと同様の発見に至りました。 ２つの主な違いは、熱源として焙煎した石炭を使用することと、燃料と鉱石をるつぼの中で混合する代わりに、混合物を石炭の上で加熱することです。その結果は世界を震撼させました。ハンツマンは、今日私たちが認識しているような鋼を作成しました。

HISTORY OF METAL PROCESSING

Iron’s beginnings date back many centuries. The first recorded use of iron was in 1800 BC by a people known as the Chalybes. The Chalybes wanted to make unparalleled weapons. At the time, bronze was primarily used but it wasn’t ideal as it was softer than iron. So the Chalybes would put iron ore into a hearth, hammer it, and then fire it repetitively. This method of metal ore processing created wrought iron, a predecessor to modern steel.

In 500 BC, the Chinese had developed a different method. They smelted the iron in tall furnaces using wood and the resulting liquid was poured into molds. This is one of the first instances of cast iron, another predecessor to modern steel.

Indian ironworkers in 400 BC happened to invent a method for smelting that created the perfect combination of carbon and iron for steel. They used crucibles. Crucibles were small clay cups that iron ore and charcoal could be put into, then the crucible was fired in the furnace and once it cooled, pure steel ingot resulted. However, this method did not gain traction elsewhere and thus the secrets of steel remained unknown to most of the world.

A major advancement came centuries after in present-day Germany. The blast furnace. The blast furnace was similar to the method used by the Chinese except on a larger scale. This blast furnace was capable of producing mass amounts of iron.

This innovation was incredibly popular however it required copious amounts of timber for smelting the iron. Until a British cast iron pot maker by the name of Abraham Darby made a discovery.

Darby realized that by roasting coal and then using it to smelt the iron, the coal held its heat for far longer which allowed for thinner iron which could be used for more precise products like gun molds. However, this method wasn’t quite perfected yet.

Then around 1740, a British clockmaker named Benjamin Huntsman entered the scene. Huntsman began experimenting with iron production because he found that iron produced at present varied too much for the fabrication of clock springs. This experimentation led him to a discovery similar to that of the ancient Indian crucible. The two key differences being the use of roasted coals as a heat source and instead of combining fuel and ore in a crucible, he heated the mixture over the coals. The results shook the world. Huntsman had created steel as we recognize it today.

鉄鋼時代の始まり

1850 年代の有名なイギリスの発明家ヘンリー ベッセマーは、鉄鋼生産の最大の問題は経費であると認識していました。そこで彼は、ベッセマー転炉と呼ばれる新しい鉄鋼製造方法を開発しました。転炉は卵型で、内側は粘土で裏打ちされ、外側は鋼で覆われていました。転炉は、溶融鉄化合物に熱酸素を吹き付けて空気を噴き出しました。鉄化合物の炭素が酸素と結合して、純粋な鉄が残ります。その後、彼らがしなければならなかったのは、鉄に炭素化合物を添加することだけであり、その結果、完璧な鋼が完成しました。唯一の問題は、鋼が脆すぎるということでした。

BEGINNING OF STEEL ERA

Henry Bessemer, a renowned British inventor in the 1850s, recognized the biggest issue with steel production was expense. So he developed a new method for the production of steel called the Bessemer converter. The converter was egg-shaped, lined with clay on the inside, and covered with steel on the outside. The converter blasted molten iron compounds with hot oxygen in bursts of air. The carbon in the iron compound bonded with the oxygen to leave behind pure iron. All they had to do then was add carbon compounds to the iron and the result was perfect steel. The only issue was that steel was too brittle.

 

その後、イギリスのシドニー・ギルクリスト・トーマスが現れました。 実験を通じて、彼は鋼がそれほど脆くならないようにリンを添加する必要があることに気づきました。 この問題を解決するために、彼はベッセマー転炉の粘土ライニングを石灰石に置き換えました。 このわずかな調整が特効薬となり、転炉はこれまでよりもはるかに多くの鋼を生産できるようになりました。

鉄鋼生産は 1800 年代初頭に初めてアメリカに伝わりましたが、アンドリュー・カーネギーがベッセマー転炉を使用して鉄鋼生産を開始するまで、生産性や人気は高まりませんでした。 米国では鉄鋼産業が急速に爆発的に成長し、すぐに米国は世界の鉄鋼生産のリーダーになりました。

ヨーロッパに戻ったウィリアム・シーメンスというドイツの科学者は、最高温度をより長く保つために、炉から発生する熱風を再利用できる炉を開発しました。 シーメンスのアイデアが注目を集めるまでに 20 年かかりました。 1860 年代にフランスの技術者ピエール-エミール マルタンはシーメンスの炉設計を採用し、より大規模に建設しました。 彼は、ピーク温度が長いほど、鉄工が鋼を製造するために鉄に正確な量の炭素を加えるのにより多くの時間を費やすことができることを発見しました。

また、鉄くずを溶かすことも可能になりました。 この設計はシーメンス・マーチン・プロセスとして知られるようになりました。

 20 世紀に、ロバート デューラーというスイスの技術者がシーメンス マーティン プロセスをさらに改良しました。 彼は、通常の空気ではなく純粋な酸素を炉内に吹き込むことによって、鉄から炭素がより効果的に分離されることを発見しました。 さ

らに、（ベッセマー転炉のように）炉の底部ではなく上部に空気を吹き込むことにより、コールドスクラップ鋼を生産プロセスで使用することができます。 この概念は、適切にも塩基性酸素プロセスと名付けられました。

米国は決して塩基性酸素法を採用せず、最終的に米国鉄鋼産業の没落につながるシーメンス・マーチン法を継続したことに留意することが重要である。 1950 年代までに米国の鉄鋼産業は衰退し、家庭用品用のアルミニウムの発明によってさらに打撃を受けました。 1970年代までに米国は鉄鋼生産第一位ではなくなり、2016年現在では米国は第4位の鉄鋼生産国となっている。

 現代の鉄鋼生産

そして今日に至ります。 ミニミルの概念はステンレス鋼の製造のために導入されました。 ミニミルは、炭素電極を使用して動作し、金属を溶かすための電荷を生成する電気アーク炉を利用します。 ミニ工場は主にスクラップ鉄鋼のリサイクルを行っています。

 現在も世界中で使用されている基本的な酸素プロセスは、温室効果ガスを大量に排出しています。 大量の石炭が燃焼すると、大量の二酸化炭素が放出されます。 これは今日の気候においてますます大きな問題となっています。 また、電気炉は環境に優しいとはいえ、そのすべてが有限量しか存在しないスクラップ鋼に依存しています。

 これが、MIT が実施している研究の原動力です。 彼らは電気を利用した金属製錬技術を試みているが、鉄や鋼を溶かすのに十分な高温で製錬する方法はまだ発見されていない。

 

Then along came Sidney Gilchrist Thomas of Britain. Through experimentation, he realized that the steel needed the addition of phosphorus so it wouldn’t be so brittle. To solve this problem he replaced the clay lining in the Bessemer converter with limestone. This slight adjustment was the silver bullet that allowed the converter to churn out many magnitudes more steel than ever before.

 

Steel production first reached America in the early 1800s but didn’t grow in productivity/popularity until Andrew Carnegie began producing steel using the Bessemer converter. The steel industry quickly exploded in the US and soon, America became the leader in steel production worldwide.

 

Back in Europe, a German scientist named William Siemens developed a furnace that could recycle the hot air produced by the furnace in order to hold its peak temperature for longer. Siemens’ idea took two decades to gain traction. In the 1860’s French engineer Pierre-Emile Martin adopted Siemens’ furnace design and constructed it on a larger scale. He found that the longer peak temperature allowed ironworkers more time to add precise amounts of carbon to the iron to make steel. It also allowed for scrap steel to be melted down. The design became known as the Siemens-Martin process.

 

In the 20th century, a Swiss engineer named Robert Durrer further modified the Siemens-Martin process. He discovered that by blasting pure oxygen, rather than regular air into the furnace, carbon separated from the iron more effectively. Additionally, by blowing the air in the top of the furnace versus the bottom (like the Bessemer converter), cold scrap steel could be used in the production process. This concept was aptly named the basic oxygen process.

 

It is important to note that the United States never adopted the basic oxygen process, they continued with the Siemens-Martin process which would lead to the eventual downfall of the United States steel industry. By the 1950s the United States steel industry was on the decline, hurt even more by the invention of aluminum for home goods. By the 1970's the United States was no longer the top steel producer and as of 2016, the United States is the fourth largest steel producer.

 

MODERN STEEL PRODUCTION

And that brings us to today. The concept of the mini-mill was introduced for the production of stainless steel. Mini mills utilize electric arc furnaces that operate using carbon electrodes to create an electric charge to melt down metal. Mini mills operate primarily on the recycling of scrap steel.

 

The basic oxygen process that is still used around the world is a huge emitter of greenhouse gas. The mass amount of burning coal releases copious amounts of carbon dioxide. This has become a growing problem in today’s climate. And even though electric arc furnaces are environmentally friendly, they rely entirely on scrap steel, of which only a finite amount exists.

 

This is the driving force behind the research being conducted by MIT. They are trying electricity-based technologies for smelting metals but they haven’t discovered a method for smelting at high enough temperatures to melt iron or steel.

初期の金属圧延

私たちが知っている金属圧延についての最初の言及は、レオナルド・ダヴィンチがステンドグラス用の鉛を圧延する金属圧延機のスケッチを作成した 1480 年でした。

ただし、このマシンが実際に製造されたという証拠はありません。 15 世紀には、金のような柔らかい金属を扱う圧延工場がありました。 17 世紀初頭までに、圧延技術はさらに普及し、鉛と錫が 2 段の圧延機で鋳鉄ロールで圧延されたという証拠があります。 これらの小さな工場は、これ以上大きな工場を建設するためのエネルギー能力がなかったため使用されました。 しかし、17 世紀の終わりまでに、馬や水車を動力源とするより重い工場で、より大きな圧延金属製品を製造できるようになりました。

ミドルメタル圧延

レオナルド・ダ・ヴィンチの圧延機の設計

 18 世紀の終わりまでに蒸気動力が導入され、圧延機に利用されるようになりました。 これらの工場は、現代の工場と同様に見え始めました。 これらの製粉所には、電動機械が登場するおよそ 1900 年まで目立った変化はありませんでした。 電力は発電機からモーターに伝達され、工場内の回転ロールに動力を供給しました。 この頃、鉄圧延に加えて鋼圧延の需要が高まり、船舶などの板金プレス加工の洗練が望まれていました。

 

最新の金属圧延技術

数年前に使用されていたものと同じ基本設計が、今日の圧延機で使用されています。

主な違いは、ロールに使用される材料とロールスタックの設計です。 これは、より耐久性のあるロールとロールスタックを意味し、圧延プロセスでの制御と力を強化することができます。

 

今日の工場は、さまざまな種類の金属を扱うことができ、進化した板金加工方法により、金属のシート、コイル、スラブなど、多数の最終製品を作成できます。 そのため、圧延機は、寸法精度、表面、材料特性に関する厳格な基準に従って設計されています。

HISTORY OF METAL ROLLING

Metal rolling is a process adjacent to metal processing. The key difference being metal processing centers around the formation of steel whereas metal rolling centers around the manipulation of steel. The metal rolling process is when metal is forced between two rolls and compressed, like rolling dough with a rolling pin.

 

EARLY METAL ROLLING

The first mention of metal rolling that we know of was in 1480 when Leonardo DaVinci made a sketch of a metal rolling machine that would roll lead for stained glass. There is no evidence that this machine was ever built though.

In the 15th century, there were rolling mills that worked with soft metals like gold. By the beginning of the 17th century, rolling techniques were more widespread and there is evidence that lead and tin were rolled with cast iron rolls in two-high mills. These small mills were used because they didn’t have the energy capabilities to construct mills that were any bigger. However, by the end of the 17th century, larger rolled metal products could be made by heavier mills powered by horses or water wheels.

MIDDLE METAL ROLLING

Leonardo Da Vinci’s Design for a Rolling Mill Leonardo Da Vinci’s Design for a Rolling Mill Image Source

 

By the end of the 18th century, steam power was introduced and thus utilized in the rolling mills. These mills began to look similar to their modern counterparts. There were not notable changes to these mills until roughly

1900 with the advent of electric powered machines. The electric power was transferred from generators to motors that powered the turning rolls in the mills. Around this time, there was a growing demand for steel rolling over iron rolling as well as a desire for a refined sheet metal pressing process for things like ships.

 

MODERN METAL ROLLING TECHNOLOGY

The same basic design is used today in rolling mills as was used years ago.

The primary differences are the materials used for the rolls and the design of the roll stack. This means more durable rolls and roll stacks that are capable of more control and force in the rolling process.

 

Today’s mills are capable of working with different types of metals and can create numerous end products, whether it is a sheet, a coil, or a slab of metal through evolved sheet metal processing methods. As such, rolling mills are designed with exacting standards pertinent to dimensional accuracy, surface, and material properties.