エッフェル塔,錬鉄の一種
パドル鉄製
パドル鉄製
インドの
デリーの鉄柱
錬鉄を 98 % 含んでいる。
錬鉄を 98 % 含んでいる。
以下は
Wrought iron - Wikipedia (錬鉄)
の部分訳です。「錬鉄」とは「鍛錬された鉄」の意味で訳語を造語したのだと思われます。 対応する日本語は「包丁鉄」です。但し、日本の「包丁鉄」は随分不純物を含んでいた。 「錬鉄」も不純物を含んでいますが、できる限り不純物を取ることを目的として作られたもので、 「鍛錬することを目的」として作られたわけではありません。
錬鉄は鉄の合金で、 鋼と比較すると炭素成分が極めて少なく、 繊維質を含んでおり、これはスラッグである。 これにより木に似た木目があり、彫り込んだり、折れそうになるまで 曲げると目で見ることができる。錬鉄は、タフ (tough) で、 マリーアブル (槌で成形可能、malleable) で、延性があり (ductile)、 容易に溶接ができる。 歴史的には「商業上の純粋な鉄」として知られていた。 しかしながら、もはやこの資格がなくなった、 というのは現在の「商業上の純粋な鉄」は炭素量が重さで 0.008% 以下であることが必要だからである。
効果的な製鋼法が発展して、鋼が大量に利用できるようになるまでは、 錬鉄はマリーアブル (槌で成形可能、malleable) な鉄で最も普通なものであった。 限られた量の錬鉄は鋼を作るための原料にされ、鋼は主に剣、食卓用金物 (cutlery, ナイフ、フォーク、スプーン)、 ノミ、斧、そしてこれ以外の刃物類 (edge tool) を製造したり、はたまた バネ (spring) やヤスリを製造するために使用された。 錬鉄の需要は 1860 年代にピークを迎え、 これは「鉄を着せた戦艦」 (装甲艦、iron-clad warship) と鉄道に使用されたことによる。 しかしながらマイルド・スチールがもっと利用可能となるにつれ衰退した。
マイルド・スティールが使用されるまでは、 錬鉄から製造されたものは： リベット、ワイヤー、チェーン、 レール、鉄道の連結器、水と蒸気のパイプ、ナット、ボルト、 蹄鉄、手すり、木造屋根の トラスの固定帯 (strap) や装飾用の鉄細工。
錬鉄は商業規模ではもはや製造されていない。 手すり (guard rail)、庭園家具 (garden furniture) や門などの 多くの製品が錬鉄であるとされているが、これはマイルド・スティール でできている。 この名前を使用しているのは、これらの製品が手作業で加工 (= wrought, worked) されているからである (訳注：wroght iron (錬鉄) の直訳は「加工鉄」ないしは「作業鉄」)。
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用語の "wrought" は動詞の "work" の古風な過去分詞である。 従って "wrought iron" (錬鉄) とは文字通りの意味では "worked iron" (加工鉄、作業鉄) である。 錬鉄は商品としての一般用語であるが、 もっと特別に、鉄鍛冶屋 (blacksmith) や鍛冶屋 (smith) によって製造された 鉄の完成品を指すこともある。 英国税関の記録ではこの狭い意味で使用され、 このように製造された鉄製品は、加工していない鉄よりは高い関税が課せられた。 鋳鉄は錬鉄とは違い、もろくて、 高温状態でも冷温状態でも加工できない。 鋳鉄は、ハンマーで打てば砕けてしまう。
17, 18, 19 世紀には錬鉄は型式と起源と品質により、とても 色々な用語で流通した。
塊鉄炉は鉄鉱石から直接に錬鉄を製造するが、 精製炉 (finery forge) や パドル炉を使用する場合には、鋳鉄や銑鉄が出発点である。 銑鉄や鋳鉄は炭素成分が高く、とてももろい。しかし、鉄や鋼よりは融点が低い。 鋳鉄、とりわけ銑鉄はスラッグを多大に含み、質の高い錬鉄を製造するには、 部分的にせよ除去する必要がある。
転炉や平炉の導入に続く数年の間、鉄と鋼の違いに関しての異なる意見があり、 あるものは化学成分であると考え、あるものは鉄を十分に加熱した時に溶けて溶融するか否かだと考えた。 まもなく炭素成分が少ないか否かよりも、 溶融の方が一般的に比較的重要なことであると認められるようになった。 別の違いは鋼は熱処理で硬くなることである。
錬鉄は商業用鉄で最も純粋なもので、 炭素量は 0.10% から 0.25% で、 不純物は 0.25% であり、 不純物にはイオウ、リン、シリコン、マンガンのようなものがある。 錬鉄はイオウ成分が多すぎると、赤欠損 (red short) と呼ばれる。 これは冷却状態では十分に粘り強いが、灼熱状態では曲げたり、 成形するとひび割れる。そのため溶接したり、フォージ (成形) することができない。
冷却欠損 (coldshort) は冷却せん断 (coldshear), colshire あるいは充血 (blood shot) とも呼ばれ、リン成分が多すぎる鉄のことである。 これは低温状態ではとてももろく、曲げるとひび割れをする。 しかしながら高温では作業が可能である。 歴史的には冷却欠損の鉄はクギには十分であると考えられた。
しかしながらリンは必ずしも鉄にとって有害ではない。 古代インドの鍛冶屋は炉に石灰を加えなかった： スラッグの中に CaO がない。 精錬中に意図してリン成分の高い木材を使用することにより、 P (訳注：リンのこと、元素記号) は現代の鉄よりも高い成分比 (0.1% 以上、平均で 0.25%) となっている。 「デリーの鉄柱」(訳注：このページの冒頭の写真を参照) の分析から (P は) スラッグには 0.10% で鉄自身には 0.18% で、 全体では 0.28% となり、腐食に強い主な理由となっている。 更には (炭素がない時に) リンが存在すれば、 ピアノ線のようなワイヤを張るのに適した延性がある (ductile な) 鉄が製造される。
錬鉄は何世紀もの間使用され、 西洋の歴史を通じて鉄と言えば錬鉄のことであった。 鉄のもう一つの形態である鋳鉄は 15 世紀に至るまで西洋に導入されなかった。 そのときでさえ、もろかったため限られた用途に使用されたのみである。 中世の大半を通じて、鉄は手動による 塊鉄炉で鉱石を直接還元することで製造された。 もっとも 1104 年までに水力が使われ始めるようになった。
間接工程の (錬鉄の) 原料はすべて銑鉄である。 銑鉄は炭素成分を高く含み、 その結果もろくて金属製品 (hardware) を作るのに使用することができない。 オズモンド工程は 1203 年までに開発された最初の間接工程である。 しかし塊鉄炉による製造は多くの場所で継続した。 オズモンド工程は高炉の開発に依存した。高炉の中世の実例が スウェーデンの ラップヒッタン (Lapphyttan) とドイツで見つかっている。
塊鉄炉とオズモンド工程は 15 世紀頃から 精製工程 (finery process) に次第に取って代わられるようになった。 精製工程には、ドイツ工程とワロン (Walloon) 工程があった。 次に、これらは 18 世紀に パドル工程 (puddling process) で置き換えられた。 パドル工程にはスウェーデンのランカシャー (Lancashire) 工程のようなある種の変形がある。 これらも今や時代遅れなものとなり、もはや商業的には生産されなくなった。
銑鉄から錬鉄を作るパドル工程
挿絵の右半分 (ここでは表示せず) に高炉の作業がある
1637 年に宋応星 (1587-1666) により書かれた百科辞典「天工開物」
詳細は塊鉄炉を参照
錬鉄はもともと今日一括して塊鉄炉と呼ばれる色々な精錬工程で製造された。 色々な形式の塊鉄炉が色々な場所と時代で使用された。 塊鉄炉を木炭と鉄鉱石で満たして火をつけた。 空気が羽口 (チュイエール、tuyere) に吹き込まれ、鉄の溶融温度を若干下回るまで塊鉄炉を加熱した。 精錬の過程でスラッグが溶けて抜け出し、木炭からの一酸化炭素が鉱石を還元して鉄となり、 スポンジ状の塊となった。 鉄は固体のままである。もしも塊鉄炉が熱くなりすぎて鉄が溶けるようなことになれば、 炭素がそれに溶け込み、銑鉄か鋳鉄となってしまう。しかしこれは意図することではない。
精錬 (smelting) が完成すると、塊鉄が取り出され、再び同じ作業を繰り返すことができる。 従って、これは高炉のような連続的作業ではなく、一括作業 (batch process) である。 スポンジ状の塊は鉄を含んでいるが、鉱石の中の珪酸塩 (スラッグ) も含んでいる。 これは鉄の花であり、これが塊鉄の名の由来である。 (訳注 bloom を塊鉄と訳していますが、直訳すると「花」です。) 塊鉄はかたまりにするために機械的にハンマーでフォージ (forge) して、板状に整形する必要があり、 その過程でスラッグが追い出される。
中世には水力が使用された、恐らくは最初は「ふいご」に使用され、 その後は塊鉄をフォージ (成形、forge) するためのハンマーに使用された。 しかしながら、水力が使用されたことは確実であるが、その詳細は不明である。 これは製鉄における直接工程の最高点であった。 これは 19 世紀中ごろまでスペインと南フランスでカタロニア炉として生き延び、 オーストラリアでは 1775 年までシュトゥック炉 (シュトゥックオーフェン, stuckofen) として生き延び、 英国では 1770 年頃までガースタング (Garstang) の近くで生き延び、 1880 年にはニューヨーク州で (加熱爆風工程の) 高炉と共にまだ使用されていた。
詳細はオズモンド工程を参照
オズモンド鉄は錬鉄のボールである。これは銑鉄を溶かし、 滴りを落とし棒で受け止め、これを爆風の前でぐるぐる回して、 なるべく空気にさらし、中身の炭素を酸化させた。 その結果生じるボールはしばしばハンマー工場で板鉄にフォージ (成形、forge) した。
詳細は精製工程を参照
15 世紀には高炉[爆風炉]は現在のベルギーに広まって改良された。 そこからノルマンジーの国境のペイ・ド・ブレイ (Pays de Bray) に広まり、 英国のウィールド (Weald) に広まった。 それと共に精製炉 (finery forge) も広まった。 精製炉で銑鉄が再溶融されて (実質的に) 炭素を燃やし、塊鉄を作り、 板鉄 (bar iron) にフォージした。もしも棒鉄 (rod iron) が必要であれば 細断機 (splitting machine) が使用された。
精製工程には 2 つの少し異なる方法があった。 英国、フランス、そしてスウェーデンの一部ではワロン (Walloon) 工程が使用された。 これでは 2 つの異なる炉床 (hearth) が使用され、精製するための「精製炉床」と 塊鉄を板の形に引き出す過程で再加熱する「引きずり炉床」(chafery hearth) である。精製では常に木炭を使用した。しかし「引きずり炉床」では 石炭を使用することもできた。 それは不純物は鋼が固体状態の時には鉄に害を与えないためであった。
一方、ドイツ工程は、ドイツ、ロシアとスウェーデンのほとんどすべての 地域で使用され、全ての段階で唯一つの炉床を使用した。
コークスが高炉[爆風炉]の使用に導入されたのは 1709 年のエイブラハム・ダービー (Abraham Darby) によるとされているが (恐らくは、それより少し前に別人により導入されている)、これは当初は 錬鉄の生産にほとんど影響を与えなかった。 1750 年代になって始めて、コークスによる銑鉄が精製炉の原料として 多大に使用されるようになった。しかしながら精製では木炭が使用され続けた。
1750 年代の後半から、鉄の名匠 (ironmaster) 達は 板鉄を製造するために木炭を使用しない工程を開発し始めた。 これには幾つかの特許がとられた工程があり、 これは今日「壷入れと粉砕」(potting and stamping) と呼ばれている。 ウェンズベリー (Wednesbury) のジョン・ウッド (John Wood) により 開発され、エグルモント (Egremont) のロー工場 (Low Mill) に所属していた 彼の兄弟のチャールズ・ウッド (Charles Wood) が 1763 年に特許をとった。
別の工程がクラネージ兄弟により、コールブルックデール会社のために開発された。 もう一つ重要なものは、ウェスト・ブロミッジ (West Bromwich) の ジョン・ライト (John Wright) とジョゼフ・ジェッソン (Joseph Jesson) によるものである。
Fining before Cort に 「potting and stamping」の説明があります。Wood の工法を説明した本から引用しています。
と引用しています。従って「potting and stamping」の訳としては 「粉砕と壷入れ」の方がよいようにみえますが、ウッド兄弟以後にどのように改良されたかが わからないので用心して原語の順番どおりに「壷入れと粉砕」としておくことにします。 また「セメント工程」で直方体の入れ物もポットと呼んでいるので、ポットは壺でないかもしれません。 そのため「壷入れ」と訳すのは不適かもしれませんが、言葉が浮かばない。
詳細は パドル工程
木炭を使用せずに錬鉄を製造するための幾つかの方法が産業革命で考案された。 これは 18 世紀後半のことである。 この中で最も成功した物はパドル工程で、パドル炉 (反射炉の一種) を使用するものであった。 これは 1784 年に ヘンリー・コートにより発明された。後に多くの人により改良が加えられた。 これにはジョセフ・ホール (Joseph Hall) がいる。 この形式の溶鉱炉では金属が燃料と接することがなく、 そのため燃料の不純物で汚染されることがない。炎からの熱が反射されて、 溶鉱炉の火床 (fire bridge) の金属に到達した。
使用される原料が白鋳鉄 (white cast iron) でない限り、 銑鉄あるいは他の原料は精製しなければならない。 これは精製炉でなされ、 生の石炭がシリコンを除き、 炭素を黒鉛 (graphite) の型式から結合型式に変換する。
この金属がパドル炉の炉床に置かれ、ここで溶融される。 炉床は赤鉄鉱 (haematite) や酸化鉄のような酸化剤で裏打ちされている。 このような混成物が強い空気の流れにさらされ、 作業用の扉から長い板 (bar) でかき混ぜられる。 この板はパドル板 (puddling bar) あるいはラブル (rabble) と呼ばれた。
空気と「かきまぜ」と金属の「沸とう」から、酸化剤の助けにより不純物が 酸化され、銑鉄から可能な限り炭素が除去されるのである。 不純物が酸化されるにつれ、残りの物質はスポンジ状のボールにかたまり、 パドル・ボールと呼ばれた。
パドル・ボールにはまだ少々スラッグが残されており、熱いうちに 残りのスラッグと燃え殻 (cinder) を除去するためにシングル (shingle) する必要がある。 これは、ボールをパワー・ハンマーでフォージ (forge) したり、 機械で搾り取ることによって実現できる。 シングルの最後の段階で得られる物質は塊鉄と呼ばれ、まだ灼熱の状態である。 塊鉄はこの形では有用ではなく、ローラーに通して最後の完成品となる。
幾つかのヨーロッパの製鉄所はこの段階を完全に省略して、パドル・ボールをローラーに通した。 こうすることの唯一の欠点は、荒作りの板の角 (かど) が十分に固まっていないことであった。 荒作りの板を再度加熱すると、角が分離して溶鉱炉の中に失われてしまうことがあった。
塊鉄は溝のついたローラーに通して、平らな板となった。 これらの錬鉄の板は品質が貧弱で、「こやし板」(muck bar) とか「パドル バー」(puddle bar) と呼ばれた。 錬鉄の質を向上させるために、これらの板は切断されて、積み上げられ、ワイヤーで くくられた。これは「たばね」(fagotting) とか「積み上げ」(piling) と呼ばれた工程 (process) である。 これらは再び加熱され、商業用ローラー (merchant roll) に通した。 この工程は望ましい品質の錬鉄を得るために何度も繰り返された。 複数回ローラーを通した錬鉄は商用板 (merchant bar) もしくは商用鉄 (merchant iron) と呼ばれた。
パドル工程の有利な点は燃料として、木炭ではなく石炭を使った点である。 しかしながらスウェーデンではこれはちっとも有利ではないのである。 スウェーデンには石炭がないのである。 グスタフ・エックマン (Gustaf Ekman) はウルバーストン (Ulverstone) の木炭の 精錬所を見た、これはスウェーデンのものと全く違っていた。 1830 年代にスウェーデンに帰ってから、彼はパドル炉と類似の工程ではあるが、 たきぎや木炭を使用する工程を実験し、開発した。これは その後、数十年間ベルグスラーゲン (Bergslagen) で広く採用された。
1925 年にアメリカのジェームス・アストン (James Aston) は 錬鉄をすばやく経済的に製造する工程を開発した。 これはベッセマー転炉 (Bessemer converter) から (得られた) 溶けた鋼を使用し、 より冷えた液体のスラッグの上に流し込むものであった。 鋼の温度はおおよそ 1500度C で、液体のスラッグはおよそ 1200度C に維持された。 溶けた鋼は大量の溶解したガスを含み、 液体の鋼がより冷えた液体のスラッグの表面に触れるとガスが放出された。 そうして溶けた鋼は冷えて固まり、およそ 1370度C の温度のスポンジ状のかたまりと なった。このスポンジ状のかたまりをパドル工程で述べたシングルとローラーの 処理をして完成品にした。この方法では 1 度に 3, 4 トンの錬鉄ができた。
錬鉄はもはや商業的に生産されなくなった。 最後の錬鉄の施設は 1969 年に閉鎖した。 1960 年代に鋼の値段はリサイクルにより下がり、 錬鉄製造のアストン工程でさえ労働力を随分必要とする (labor intensive) 工程であった。 当時の錬鉄の製造コストは低カーボン鋼の製造のおよそ 2 倍であると評価された。
錬鉄にはスラッグが含まれているため、他の鉄の合金には見られない性質がある。 1 平方インチあたり、およそ 250,000 のスラッグがある。 新しい断面には高度な絹の光沢と繊維状の外見があり、 はっきりと青みがかった色が見える。
錬鉄の微細構造、フェライト (鉄)
の中に含まれる黒ずんだスラッグ
錬鉄は炭素の含有量が少ないため、焼入れすることができない。 しかし鋼が珍しかったり、知られていない場所では、時には錬鉄を 冷間加工 (cold work) して硬化させて道具類が作られる。
(錬鉄の) 炭素成分の含有量が低いため、優れた溶接可能性がある。 更には (冷間加工した場合には) 錬鉄の薄板 (sheet) は鋼の薄板ほど曲がることがない。 錬鉄は鋳造することができるが、技術的に鋳鉄と比較した場合に有利な点がない。 鋳鉄はもっと簡単に製造でき、廉価である。 そのため、(鋳造目的には) 錬鉄よりも鋳鉄が選ばれるのである。 鉄鉱石の原産地と製鉄業者の理由から、錬鉄は鉄の他の合金と比較して、 耐腐食性で不利となることも有利となることもある。 耐腐食性に関しては多くのメカニズムがある。 チルトン (Chilton) とエバンズ (Evans) はニッケルの豊富な帯領域が 耐腐食性を低減することを発見した。 彼らは更に発見したことは、 パドル工程、フォージの工程、たばねの工程における鉄の作業が、 銅、ニッケルやスズの不純物を拡散し、 腐食を低減させる電子化学的な状態を実現することである。 スラッグが含まれることにより腐食が均一化され、穴が開くことが防止される。 別の研究によれば、スラッグは腐食の通り道となる。 別の研究によれば、イオウの不純物は耐腐食性を低減させるが、 リンは耐腐食性を増大させる。
錬鉄は荒れた表面を持っており、メッキやコーティングをよく保持する。 例えば、亜鉛の電気メッキをすると、鋼にメッキするよりは仕上げで 25-45 % 厚くなる。
表 1 では、錬鉄の化学成分を、銑鉄やカーボン・スティールのものと比較している。 錬鉄とプレーン・カーボン・スティールが類似の成分を持っているように見えるが、 これは真実ではない。 マンガン、イオウ、リンやシリコンは錬鉄の場合にはスラッグの繊維の中にある。 そのため、錬鉄はプレーン・カーボン・スティールよりも、より純粋なのである。
| 物質 | 鉄 | 炭素 | マンガン | イオウ | リン | シリコン |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 銑鉄 | 91-94 | 3.5-4.5 | 0.5-2.5 | 0.018-0.1 | 0.03-0.1 | 0.25-3.5 |
| カーボン・スティール | 98.1-99.5 | 0.07-1.3 | 0.3-1.0 | 0.02-0.06 | 0.002-0.1 | 0.005-0.5 |
| 錬鉄 | 99-99.8 | 0.05-0.25 | 0.01-0.1 | 0.02-0.1 | 0.05-0.2 | 0.02-0.2 |
| 全て重量比 | ||||||
| 性質 | 値 |
|---|---|
| 引っ張り限度力 (Ultimate tensile strength) [psi (MPa)] | 34,000-54,000 (234-372) |
| 圧縮限度力 (Ultimate compression strength) [psi (MPa)] | 34,000-54,000 (234-372) |
| 剪断限度力 (Ultimate shear strength)[psi (MPa)] | 28,000-45,000 (193-310) |
| 降伏点 (Yield point) [psi (MPa)] | 23,000-32,000 (159-221) |
| (伸張状態の) 弾性率 (Modulus of elasticity (in tension)) [psi (MPa)] |
28,000,000 (193,100) |
| 融点 [°F (°C)] | 2,800 (1,540) |
| 比重 (Specific gravity) | 7.6-7.9 |
| 7.5-7.8 |
他の性質には、錬鉄は灼熱状態で柔らかくなり、容易に成型したり、成型溶接することができる。 錬鉄は一時的に磁石にすることはできるが、永久磁石にすることはできない。 錬鉄は「延性」(ductile)、マリーアブル(槌で成形可能、malleable) そして タフ (tough) である。