キュポラ炉

キュポラまたはキュポラ炉は、鋳鉄、ニッケル耐性鉄、および一部の青銅を溶かすために鋳造工場で使用される溶解装置です。キュポラは、ほぼ任意の実用的なサイズで作ることができます。キュポラのサイズは直径で表され、1.5 フィートから 13 フィート (0.5 メートルから 4.0メートル)の範囲になります。^{[ 1 ]}全体の形状は円筒形で、装置は通常 4 本の脚で支えられ、垂直に配置されます。全体的な外観は、大きな煙突に似ています。 

円筒の底部には、下方に開き「底開き」する扉が取り付けられています。ガスが排出される上部は、開放することも、雨がドーム内部に入り込むのを防ぐためのキャップを取り付けることもできます。排出ガスを制御するために、ドームには、ガスを冷却し微粒子を除去する装置にガスを引き込むように設計されたキャップを取り付けることができます。

通常は鋼鉄製のキューポラの外殻には、耐火レンガとプラスチック製の耐火補修材^{[注1 ]} が内張りされている。底部も同様の方法で内張りされているが、この内張りは一時的なものであるため、粘土と砂の混合物（「ボッド」）が使用されることが多い。細かく砕いた石炭（「海炭」）を粘土の内張りに混ぜると、加熱時に石炭が分解し、ボッドがわずかに脆くなり、出湯口の開口部が開きやすくなる^{[ 3 ]} 。底部の内張りは圧縮または底扉に「押し付けられる」。一部のキューポラには、側面を冷却するための冷却ジャケットと、コークス火をより高温で燃焼させるための酸素注入装置が取り付けられている。

キューポラ炉は、戦国時代（紀元前403～221年）にはすでに中国で建設されていましたが、 ^{[ 4 ]}ドナルド・ワグナーは、高炉で溶かされた鉄鉱石の一部は鋳型に直接流し込まれた可能性があると書いています。漢王朝（紀元前202年～紀元後220年）には、高炉で精錬された鉄のほとんど、あるいはすべてがキューポラ炉で再溶解されました。この炉は、底部から注入された冷たい風が上部の羽口管を通って、装入物（つまり、木炭とスクラップまたは銑鉄）が投入される場所まで移動し、炉の底部に到達する前に熱い風となり、そこで鉄が溶かされて適切な鋳型に流し込まれて鋳造されるように設計されていました。^{[ 5 ] [ 6 ]}近代的なキューポラ炉は、フランスの科学者で昆虫学者のルネ＝アントワーヌ・フェルショー・ド・レオミュールによって1720年頃に作られました。^{[ 7 ]} 

「キューポラ操業」と呼ばれる生産工程を開始するには、炉にコークスを層状に敷き詰め、トーチで点火します。小型のキューポラでは、木材でコークスの燃焼を開始することもあります。コークスに点火すると、側面の送風口からコークス層に空気が送り込まれます。キューポラの燃料としては、木材、木炭、バイオマスなども使用できます。また、可燃性ガスを空気に混ぜて送風口から吹き込むことで、燃焼を促進することもできます。

コークスが非常に高温になると、上部の開口部から固体の金属片が炉に投入されます。金属は、新しいコークスの層と交互に投入されます。石灰石は融剤として添加されます。炉内の熱が上昇するにつれて金属が溶融します。溶融金属はコークス層を滴り落ち、底部の扉のすぐ上の底部のプールに溜まります。溶融プロセス中、燃料、送風空気、金属の間で化学反応が起こります。コークス中の炭素は空気中の酸素と結合して一酸化炭素を生成します。一酸化炭素はさらに燃焼して二酸化炭素を生成します。炭素の一部は、落下する溶融金属の液滴に取り込まれ、鉄の炭素含有量が上昇します。炭化ケイ素、フェロマンガン、フェロシリコン、またはその他の合金剤が、多くの場合ブリケットの形で、装入材料に添加されることがあります。炭化ケイ素は解離し、炭素とケイ素が溶融金属に取り込まれます。同様に、フェロマンガンも溶融し、ドーム底部の「井戸」にある液状鉄のプールに混ざり合う。

鉄、銅、鉛などの金属鉱石、さらには貴金属を含む鉱石は、エンドウ豆ほどの大きさで、キュポラ炉や高炉で溶かすことができます。ヴァンノッチョ・ビリングッチョは、溶鉱炉から小さなプールに溶かした鉱石を注ぎ、冷えて固まるにつれて上部からスラグや金属の層を剥がすことで、金属とスラグを分離する方法を説明しています。

キュポラの操作者は「キュポラテンダー」または「炉長」と呼ばれます。出湯式キュポラ（この点に関してキュポラは異なる場合があります）の操作中、テンダーはキュポラのウェルに上昇する鉄の量を監視します。金属レベルが十分に高くなると、キュポラテンダーは「出湯口」を開けて、溶融金属を取鍋または溶融金属を保持する他の容器に流し込みます。十分な量の金属が取り出されたら、「出湯口」は粘土製の耐火プラグで塞がれます。^{[ 8 ]}

キュポラの作業員は、羽口にあるサイトグラスまたは覗き穴を通して炉内を観察します。スラグは、生成中の鉄のプールの上部に上昇します。炉の円筒の上部、通常は出湯口の後ろまたは横にあるスラグ穴を開けて、スラグを流し出します。粘度は低く（適切なフラックス処理が行われていれば）、赤く熱した溶融スラグは容易に流れます。スラグ穴から流れ出たスラグは、小さなカップ状の道具で集められ、冷えて固まるまで放置されます。その後、スラグを割って目視検査します。酸性耐火材で内張りされたキュポラでは、緑色のスラグはフラックス処理が適切かつ十分であることを意味します。塩基性耐火材で内張りされたキュポラでは、スラグは茶色です。

作業が終了すると、爆破を停止し、底扉の下にある支柱を倒して底板を開放します。これにより、キューポラの残骸が床またはバケツに落下します。この残骸は冷却または急冷され、その後キューポラの下から取り除かれます。

「キャンペーン」は数時間、1日、数週間、あるいは数ヶ月続くこともある。ドームは繰り返し使用できる。

製造工程では、金属からサンプルを採取し、小さな鋳型に流し込むことがあります。鉄の品質を監視するために、しばしばチルウェッジが流し込まれます。これらの小さな、幅約18 mm ( + 3/4 インチ) × 高さ約38 mm ( 1  + 1/2インチ)の三角形 のピースは、金属が凝固するまで冷却されます。その後、砂型から取り出され、幅の広い端から水で急冷されます。このように冷却された後、ウェッジは破断され、金属の色が評価されます。典型的な破断では、ウェッジの薄い部分に向かって白っぽい色になり、幅の広い端に向かって灰色になります。白と灰色の領域の境界点におけるウェッジの幅が測定され、特定の鉄の引張強度に対する通常の結果と比較されます。この視覚的な方法は、管理測定として機能します。