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Puddling (metallurgy) - Wikipedia

の翻訳です。

パドル工程 (Puddling (metallurgy))

パドル工程は鉄と鋼を製造するための産業革命の手段である。 元々のパドル工程の技術では、反射炉で溶けた鉄を棒でかきまぜ、 棒はその過程で消費された。 これはヨーロッパでは、木炭を使用せずに棒鉄を作るための最初の工程の一つであった。 もっとも、それ以前に、コークスを基礎とする工程が中国にあった。

これは木炭を使用せずに棒鉄を製造するための最初の工程ではなかったが、 パドル工程ははるかに最も成功したもので、 これ以前の 壺入れと粉砕 に取って代わったのみならず、 もっと古い木炭の 精製炉に取って代わった。 これにより、英国で鉄の製造の大拡張が起きることとなった。 この拡張が製鉄産業に関する限りでは、産業革命を構成していたのである。 大半の 19 世紀の錬鉄の使用例、 例えば エッフェル塔 自由の女神像の元々の骨組み (orginal framework) には パドル鉄が使用された。

訳注
自由の女神像は表面は銅製ですが、骨組みは元々は錬鉄でできており、 現代の高層建築の方式であるカーテン・ウォール方式の最も初期の 実例の一つで、 風や温度変化による金属疲労を防止するように作られています。 デザインの協力者にエッフェル塔を作成した エッフェルもいます。

後には質の高いカーボン・スティールを製造するためにも使用された。 これには高度に熟練した技術が必要であるが、ハイカーボン・スティールとローカーボン・スティールの どちらも小規模で、成功裏に製造でき、とりわけ剣、ナイフ等の武器を製造できた。


パドル炉の概念図

  1. 歴史
  2. 工程
  3. パドル炉
歴史

木炭を使用せずに銑鉄から板鉄を製造する方法は 18 世紀後半の英国には 幾つかあり、パドル工程はその一つであった。 それ以前の精製炉 (finery forge) で実行される木炭を使用する工程は 徐々にパドル工程に取ってかわられた。

パドル工程は 1783 - 84 年に ハンプシャー (Hampshire) のフォントレー (Fontley) で ヘンリー・コート (Henry Cort) によって発明され、1784 年に特許が取られた。 表面的には類似の (しかし恐らくは効果が薄い) 工程がその前年に ピーター・オニオン (Peter Onion) によって特許取得さられた。 コートの工程は酸化状態の反射炉で溶けた銑鉄をかきまぜ、脱炭素をした。 鉄が「本来の姿になるとき」、すなわち、糊状の状態になったとき、パドル・ボールとして 集められ (以下に述べるように) シングルされ、ローラーに通した。 このローラーの使用もコート の発明である。

訳注
  1. 鉄が「本来の姿になるとき」は「the iron 'came to nature' 」の訳で、少し代わった言い方で came nature が引用符で囲まれているので、参考文献に書かれているままに引用したと思われます。 多分、脱炭素が起きて「純粋の鉄になる時」の意味で使用していると思います。
  2. の最初に出てくる「鉄-鋼 状態図」を見れば、 温度を例えば 1400° で脱炭素をすれば、最初は液体であったものが、液体と固体の混合状態となり、 その後で固体となります。この固体となった状態が「糊状の状態」だと思われます。 温度が 1500° ぐらいであれば、脱炭素を完全にすることができる。
  3. シングル (shingle) に関しては 塊鉄炉を参照のこと

(特許取得された) コートの工程は白鋳鉄にしか適用できず、 灰色鋳鉄には適用できなかった。 ところが灰色鋳鉄は当時のフォージの普通の原材料であった。(訳注:パドル炉は精製フォージの代わりに使用) この問題は恐らく Merthyr Tydfil によって解決され、 それは、それより少し前の一つの工程の一部とパドル炉を組み合わせることであった。 これには「精錬」(refinery) とも「火投げ」(running out fire) とも呼ばれる別の種類の炉床 (hearth) が必要であった。 銑鉄はここで溶融され、槽 (そう, trough) に投げ出された。 スラッグが分離して、溶けた鉄の上に浮き、槽の端の堰 (せき, dam) を下げることによって、 除去された。

訳注
trough の意味は「かいばおけ」のような細長い入れ物の意味で、 訳語に窮して、槽としました。当然これは石などでできているはずです。

この工程の効果は金属からシリコンを抜くことであり、 「精製屋の金属」(finers metal) として知られる白いもろい金属が残る。 これはパドル炉に充填 (charge) するのに理想的な物質であった。 工程のこのバージョンはドライ・パドル (dry puddling) と呼ばれ、 場所によっては 1890 年代の後半に至るまで使用され続けた。

灰色鋳鉄を精錬する代替方式は「ウェット・パドル」(wet puddling) とも「わかし」(boiling) あるいは「豚わかし」(pig boiling) をも呼ばれた。

訳注

boil は「沸騰する」の意味ですが、「わかし」と訳しました。 銑鉄 (pig iron、豚鉄) を「沸騰させる」ことを pig boiling と言っているので 「豚わかし」と訳しています。原語は滑稽な言い方なのでそれにあわせたつもりです。

このダジャレは銑鉄のことを英語で pig iron (豚鉄) と呼ぶ理由を知っていないとわけがわかりません。 銑鉄のインゴットを作る鋳型は、砂の中に作り、中央に枝があり、 そこから直角に枝が出て、その先に個々のインゴットができるようになっています。 完成すると枝を折ることで小さなインゴットに分けることができます。 溶けた鉄を流し込むと一度に小さなインゴットが出来るようになっている。 この鋳物は、多くの子豚が母豚 (sow 雌豚) の乳を吸っている姿に似ているので、ここから英語で銑鉄のことを豚鉄 (pig iron) と呼ぶようになりました。 あんまりはっきりした記憶がないのですが、昔の映画で、この鋳物を見たことがあります。次のような形だったと思います。 そして、この鋳物のことを雌豚 (sow) と呼びます。

これはティップトン (Tipton) のパドル屋 (puddler) である ジョセフ・ホール (Joseph Hall) により発明された。 彼は最初は処理材料 (charge) にスクラップの鉄を入れた。 後には鉄の金ゴケ (iron scale) (実のところ、これは「サビ」) を入れる試みをした。 結果は壮観で、炉が激しく沸騰した。 これは実の所、金ゴケの中の酸化鉄と銑鉄に溶融する炭素との化学反応であった。 彼にとって再度驚きとなったことは、 その結果生じるパドル・ボールは質の高い鉄であった。

訳語
ティップトン (Tipton) の Google マップ

ホールはその後、1830 年にティップトン (Tipton) で設立される 「ブルーム・フィールド鉄工場」 (Bloomfield ironworks) の共同出資者 (partner) となり、この会社は 1834 年には名称が 「ブラッドレイ、バローズ、ホール」(Bradley, Barrows and Halls) となった。 これが、19 世紀中頃から後期にかけて最も普通に使用された工程のバージョンである。 ウェット・パドルはドライ・パドル (あるいはそれ以前の工程) よりは、もっと効率が良かった。 ドライ・パドルで可能な、最も良い生産量は、1.3 トンの銑鉄に対して 1 トンであるが、 ウェット・パドルでは 100% に近かった。

パドル炉でマイルド・スティールの生産が実現できたのは、 ようやく1850 年頃のドイツのウェストファリアであり、 英国で Lohage, Bremme, Lehrkind によって特許が獲得された。 これは特殊な鉱石から製造された銑鉄に有効なだけであった。 銑鉄はすばやく溶融する必要があり、スラッグにはマンガンが豊富である必要があった。 金属が本来の姿になるときに、更なる脱炭素が起きる前に、すばやく取り出してシングルする必要があった。 この工程は 1851 年の英国の ヨークシャー (Yorkshire) の ブラッドフォード (Bradford) のロー・ムーア鉄工所 (Low Moor Ironworks) で取り上げられ、 1855 年のフランスの ロワール峡谷 (Loire valley) で取り上げられた。 これは広範囲で使用された。

パドル工程は鋼を製造するための ベッセマー工程の導入により、取って代わられ始めた。 鋼は アストン工程 (Aston process) で、 わずかなコストと時間で錬鉄に変換することができた。 比較すれば、パドル炉の普通の原材料は 360 - 410 kg であるが ベッセマー変換器 (converter) では 13600 kg であった。 パドル工程では規模を大きくすることができず、 パドル屋 (puddler) の処理できる量に限定された。 これを拡張するには、より多くの溶鉱炉を作る以外に方法がなかった。

工程


一重パドル炉の外見図
A:ダンパー、B:作業用窓

工程はパドル炉を準備することから始める。 これには「溶鉱炉」を低温にして、 「炉床の修理補修」(fettling) をする。 fettling とは鉄格子やそのまわりの壁を酸化鉄で塗る工程である。 典型的には赤鉄鉱 (hematite) が使用され、これが保護膜となり、 溶けた鉄が溶鉱炉に穴を開けないようにするのである。 赤鉄鉱の代わりに、時々、 木炭を燃料とするフォージ、パドル炉、再加熱炉あるいは高炉の 燃え殻 (cinder) を細かく砕いて使用することもあった。 この場合には溶鉱炉は燃え殻を溶かすために、4 - 5 時間加熱して、 材料を充填する前に冷却する必要があった。 そして白鋳鉄もしくは精錬された鉄を溶鉱炉の炉床に充填した。 ウェット・パドルの場合には、スクラップの鉄 [と共に/もしくは] 酸化鉄も充填した。 そしてこの混合物を上部が溶けるまで加熱し、酸化剤を混合した。 これは通常 30 分必要であった。 この混合物を空気の強い流れに曝し、作業用の扉から、 端にフック (hook) の付いた長い棒でかきまぜた。この棒を パドル板あるいはラブル (rabble) と呼ぶ。 これにより、酸化剤の酸素が銑鉄の中の不純物と反応することを促進した。 除去される不純物は、主に、シリコン、マンガンでこれらはスラッグとなり、 ある程度のイオウ、リンとも反応し、ガスとなって溶鉱炉から排出された。

より多くの燃料が追加され、温度が上がった。 鉄が完全に溶け、炭素が燃え始める。 このとき、ウェット・パドルでは追加された酸化物によって沸騰が始まる。

この工程で作られた二酸化炭素はスラグを表面に浮かび上がらせ、 パドル屋には燃焼の進展が目で見て取れた。 炭素が燃えるにつれ、混合物の溶融温度は 1150°Cから1540°Cまで上昇し、 その間、溶鉱炉に連続的に原料を供給しなければならない。 その結果、炭素がほとんど焼却され、鉄が本来の姿になり、 スポンジ状の物質が形成され、工程が完了したことがわかり、 生成物を取り出すことができる。 棒の先端のフックが大きなパドル・ボール -- およそ 35 - 40 キロ、 直径 30 - 38 cm --をすくい上げることに使用でき、 ときには大きな金バサミ (tong) でパドル・ボールを取り出すこともある。

このようなパドル・ボールを次に鉄のスロープに沿って引きずり出して、 ハンマーや圧搾機 (squeezer) に運ぶか、 あるいはもっと一般的にパドル・ボールを鉄製の「手押しの一輪車」(wheelbarrow) に載せて目的の場所まで運んだ。 シングルによってスラッグが除去され、内部のひび割れが融合され、 一方で不純物のかたまりが分離された。 鉄は再加熱され ローラーで平坦な板あるいは丸い棒に成型された。 このためには溝が付いたローラーが使用され、 溝は連続的に小さくなり、板は徐々に望みの幅に縮小された。 (必要とされる) 酸化鉄の幾つかは シングルやローラーの工程で生じる金ゴケからのものである。 この工程の品質は束ね (fagot) により改善することができる。

パドル炉

パドル炉は高炉で製造される銑鉄から錬鉄や鋼を製造する金属製造の技術である。 溶鉱炉では熱気が鉄の上を流れるが、鉄が直接燃料と接しないように建設されており、 これは一般的に反射炉あるいは平炉工程 (open hearth process) として知られるものである。 このシステムの重要な利点は燃料の不純物が原料と分離されていることである。

米国で使用されたパドル炉は 2 種類あった。 最初のものは 一重パドル炉 (single puddling furnace) で、 これは英国で使用された同じデザインの炉に基づいている。 第二のものは 二重パドル炉(double puddling furnace) で これは アレゲーニー山脈 (Allegheny Moutains) の東部に最もよく見受けられたものである。


一重パドル炉の垂直方向と水平方向の断面図
A:炉の格子,B:耐火レンガ,C:十字結合,D:火床
E:作業用扉,F:炉床,G:鋳鉄製の保持プレート

一般的な、一重パドル炉のデザインは次のようになっている。 溶鉱炉は 3.3 - 3.6 メートルの長さで、1.5 - 2.1 メートル (炉床の大きさに依存) の幅で、 1.5 メートルの高さである。 外部の壁は 23 センチの厚さで、典型的なレンガで構成され、 鋳鉄のプレートで覆われている。 錬鉄の棒 -- 十字結合 (cross binder) と呼ばれる -- が 溶鉱炉の天井に沿って走っており、天井が崩れるのを防ぐために鋳鉄製の プレートにボルト付けされている。 煙突は 9 -12 メートルの高さで、40 センチ平方である。 火にアクセスすることができる小さな作業用の窓があり、 炉床にアクセスすることができる作業用の扉があった。 一般的な作業用の扉は 55 センチの幅で、68 センチの高さであり、 内部は耐火レンガで裏打ちされており、道具を使うための 小さな正方形の作業用の穴が付いていた。

炉床は鉄を充填し、溶融し、パドルする場所である。 炉床は通常楕円形で、大きさは 1.5 - 1.8 メートルの長さで、 1 - 1.2 メートルの幅である。 炉床が白鋳鉄をパドルするようにデザインされていれば、炉床は深さが絶対に 50 センチを 越えることはない。 炉床が灰色鋳鉄を沸騰させるようにデザインされていれば、炉床の深さは 50 - 75 センチである。 鉄を充填して溶融するために大量の熱が必要とされ、 鉄格子は冷却しなければならない。 そうでなければ、充填した燃料と共に溶融されてしまう。 このためには鉄格子は冷却用の空気が常に供給されるか、 鉄格子の底部が水で冷却される。

燃料が燃焼する炉では鋳鉄の鉄格子が使用され、 これは使用する燃料よって、サイズが異なった。 もしもビツマス石炭が使用されれば、 平均的な鉄格子は 60×90 センチで、25 - 30 センチに石炭を積み上げ、 もしも無煙炭が使用されれば鉄格子は 1.5×1.2 メートルで 50 - 75 センチに石炭を積み上げた。

二重パドル炉は一重パドル炉と全く同じであるが、大いに違っている点は パドル屋が同時に炉で作業するための作業窓が 2 つあることである。 この点で、最も有利とされる点は、2 倍の錬鉄が製造されることである。 一重パドル炉と比べれば、より経済的で燃料の効率が良い。


二重パドル炉のレイアウト