砂鉄

砂鉄は、鉄砂とも呼ばれ、鉄分を多く含む砂の一種です。通常は濃い灰色または黒っぽい色をしています。

主に磁鉄鉱（Fe ₃ O ₄ ）で構成されており、少量のチタン、シリカ、マンガン、カルシウム、バナジウムも含まれています。^[1]

鉄砂は直射日光で熱くなりやすく、高温になると軽い火傷を引き起こす。そのためニュージーランドのピハなどの西海岸の人気のサーフィンビーチでは危険な場所となっている。^[2]

砂鉄は世界中で発見されています。砂鉄の鉄鉱物組成は主に磁鉄鉱ですが、砂は通常、山岳または海中の堆積物から下流または海岸に流れ着いた他の種類の砂と混合されています。^[3]砂混合物の正確な組成は、同じ地理的地域であっても大幅に異なる場合があります。一部の地域では砂は主に石英を含みますが、他の地域では砂は主に玄武岩などの火山岩でできています。これは、水路に沿った鉱物の種類によって異なります。砂鉄は通常、砂の堆積物からかなり離れた場所から発生する磁鉄鉱の床、鉱脈、または包含物から途中で拾われ、残りの砂とともに下流または流れに沿って洗い流されます。^[4]他の砂よりも重いため、川の拡張や波が海岸線に押し寄せるなど、水の方向や速度が突然変化する場所に堆積することがよくあります。^[5]

砂鉄は、黒または濃紺の磁鉄鉱の小さな粒として他の砂と混合されます。採掘に使用される砂には、通常、19%から2%程度の磁鉄鉱が含まれています。通常、砂鉄は砂の混合物から分離する必要がありました。磁鉄鉱は通常、石英、長石、またはその他の鉱物よりも重いため、分離は通常、水門箱で洗浄することによって行われました（金のパンニングに似ていますが、より大規模な方法です）。水門分離では、砂の種類と方法に応じて、通常、30〜50%の磁鉄鉱濃度が得られました。20世紀初頭には、70%もの濃度を生成できる磁気分離プロセスが開発されました。^[6]濃縮された磁鉄鉱粒は、さまざまな形の鉄に精錬することができます。しかし、鉱石のゆるい粒状の性質は、一般的な塊鉱炉や高炉に閉じ込めておくのが難しく、粒状の流れ（より大きなスケールで液体を模倣する）になりがちで、送風機の爆風で簡単に吹き飛ばされるため、鉄鋼生産の一般的な方法で処理することは不可能でした。そのため、鉱石を精錬する革新的な方法が開発されました。しかし、磁鉄鉱の粒には、クロム、ヒ素、チタンなどの他の金属不純物が含まれていることがよくあります。^[7]砂の性質上、採掘作業はめったに動かず、頻繁に場所を移動して行われました。^[8]

歴史的に、砂鉄は主に東アジアの文化、特に中国と日本で使用されていました。

中国では、産業革命後期には砂鉄が適度に局地的に使われていたが、中国の製鉄業の長い歴史を通じてはあまり重要でない商品だった。ユーラシアやアフリカの他の地域とは異なり、古代中国でブルームリー製錬が使われていたことを示す考古学的証拠はほとんどない。^[9]中国の田舎には、高温で燃える燃料である石炭と、リンを多く含む鉄鉱石の両方を含む鉱床が豊富にあった。紀元前1200年頃、中国人は岩石の鉱石を製錬して銑鉄を作り、それを再溶解して鋳型に流し込んで鋳鉄を作る方法を開発しました。この金属は非常に脆かったが、この方法はブルームリー製錬よりもはるかに大量の鉄を生産することができ、鉱石あたりの金属の収量もはるかに高かった。紀元前1世紀までには、中国の鉄産業は世界で群を抜いて最大かつ最も先進的だった。 1世紀までに、彼らは軟鋼の生産のためのパドリング、刀剣や武器の製造のためのるつぼ鋼、硝石の酸化特性を利用して溶融銑鉄を急速に脱炭して錬鉄を作る化学プロセス（ヒートン法と呼ばれ、 1860年代にジョン・ヒートンが独自に発見した）を開発しました。 ^[10]中国は11世紀まで世界最大の鉄生産国であり、比較的安価な鋼と鉄を大量に製造しました。^{[11] [12]}

古代中国の冶金学の専門家であるドナルド・B・ワグナーは、中国における砂鉄の歴史をたどる試みは決定的な結果に終わらない、と指摘している。ある資料では、早くも唐の時代（紀元後700～900年）に砂鉄が使用されていたと示唆しているが、他の資料はこの解釈に矛盾しているようだ。[ ^13]戦争、侵略、飢饉、政府への不信、人口過剰、アヘンの流行の拡大、さまざまな鉱夫たちの衝突などにより、11世紀から19世紀にかけての産業に関する情報はほとんど残っていない。19世紀にヨーロッパの鉱夫フェリックス・テゲングレンは、河南省と福建省で地元の農民が砂鉄を採掘し、木炭で精錬して道具を作ったが、それは大変な労力を要し、非常に高価だった、とテゲングレンは指摘している。そのため、中国ではこの物質は経済的に重要ではないと考えられていました。^{[14] [15]}しかし、採掘は安全な屋外作業であったため、採掘が可能な地域では地元の農民が収入を補うために行っていました。19世紀には、1,000ポンド（450kg）の砂は通常50〜60米ドル（2016年の為替レートで約900〜1000米ドル、または700〜800ユーロ）で販売されていました。^[16]

しかし、現代では砂鉄は中国南東部の海岸沿いで砂鉱として採掘され、製鉄に使用されています。 ^{[17] [18]}この砂鉄の典型的な組成は、金属鉄48.88%、シリカ25.84%、リン0.232%、硫黄0.052%です。^[19]

インドネシアでは、砂鉄はジャワ島の南海岸に多く産出されます。

日本では7世紀か8世紀まで大規模な鉱山採掘は行われていなかった。それ以前は、金属は中国や朝鮮から日本によく輸入されていた。^{[20]日本では}鉄鉱石の埋蔵量が少なかったと考えられており、8世紀頃には砂鉄を原料とする製鉄技術が発達した。砂は固まりにくいため、通常の塊鉄炉で製錬したり、高炉で銑鉄を製造したりすることが困難だったため、日本人はたたらと呼ばれる上部が開いた塊鉄炉を開発した。たたらは低い桶のような形で建てられ、水平方向の高炉に似ており、その中に砂鉄を注ぎ込んで段階的に製錬した。他の方法とは異なり、木炭は砂の上に積み上げられ、ふいごの風で木炭が飛ばされないように上から製錬された。たたらはレンガや石ではなく粘土で作られていたため、簡単に壊して金属の塊を取り出すことができました。この方法により、他の種類の塊精錬法よりもはるかに大量の鉱石を精錬することができました。

日本における砂鉄には2つの形態がある。マサ砂鉄は花崗岩の山から流れ落ちる石英砂と混ざった状態で見つかる。砂鉄に含まれる磁鉄鉱には不純物や他の金属酸化物がほとんど含まれていない。マサ砂鉄は錬鉄や鋼の製造に使用され、工具から調理器具まであらゆるものに使われた。砂鉄は日本では鉄の生産、特に伝統的な日本刀の製造に広く使われていた。^[21]

アコメ砂鉄は、閃緑岩と呼ばれる火成岩からできた砂と混ざった状態で見つかる。砂に含まれる磁鉄鉱には、しばしば5%を超える二酸化チタンが含まれており、これが製錬温度を下げる。アコメ砂鉄はたたらで銑鉄を作るのに使われ、その後、鋳鉄（鍋金）から製品を作るのに使われる。鋼鉄の製造では、アコメは製錬の初期段階でたたらに加えられ、鋼鉄生産のための結合剤および触媒として機能し、その後の段階でその上にマサ砂鉄が注がれた。 ^{[22] [23]}銑鉄に製錬すると、1,000ポンド（450 kg）または120貫目）から通常約200ポンド（91 kg）の銑鉄、20ポンド（9.1 kg）の鋼鉄、および70ポンド（32 kg）のスラグが得られる。鋼鉄を製錬すると、1,000ポンド（450kg）の砂から約100ポンド（45kg）の鋼鉄、100ポンド（45kg）のスラグ、90ポンド（41kg）の銑鉄が得られた。使用に適さないスラグと銑鉄は一緒に溶かして錬鉄を作り、1,000ポンド（450kg）を混ぜて約500ポンド（230kg）の鉄を生産した。^[24]

砂鉄はヨーロッパの多くの場所で発見されているが、精錬に使われることはほとんどなかった。砂鉄は火山性砂や玄武岩質砂と関連して発見されることが多い。例えば、スペインのテネリフェ島では、磁鉄鉱の粒子に非常に高い量のチタンやその他の不純物が含まれている。典型的な成分は、酸化鉄79.2%、二酸化チタン14.6%、酸化マンガン1.6% 、シリカと酸化アルミニウム0.8% 、および微量のクロムである。また、スコットランドのアバディーンシャーのディー川でも発見されており、酸化鉄85.3%、二酸化チタン9.5%、ヒ素1.0% 、シリカと酸化アルミニウム1.5%が含まれている。^[25]

ニュージーランド北島の西海岸には砂鉄が広く分布している。^[26]砂は北島の黒砂のビーチや周囲の海底の大部分を占めている。砂に含まれる磁鉄鉱には相当量のチタンが含まれており、チタン磁鉄鉱と呼ばれることもある。これは更新世に起きた火山噴火によって生成されたもので、波によって海岸に打ち上げられ、黒砂のビーチの砂丘を形成した火山岩が海洋浸食されて形成されたものである。磁鉄鉱は安山岩と流紋岩からなる砂と混合されている。^[27]砂の混合物には通常 5 ～ 40% の磁鉄鉱が含まれている。^[28]

ニュージーランドの鉄鉱石の埋蔵量は限られていたが、砂鉄の埋蔵量は膨大であった。初期の入植者の中には砂鉄を使って鋼鉄や銑鉄を製造していた者もいたが、砂鉄は一般的な塊鉄炉や高炉では精錬できなかった。^[29] 19世紀後半から20世紀初頭にかけて製錬会社が数社設立されたが、砂質でチタン含有量が多く、鋼鉄に硬くて脆い炭化物を形成しがちだったため、経済的に成功することができなかった。1939年、砂鉄の特性を研究し、工業規模で製錬する方法を考案する委員会が結成された。委員会は、砂を焼結してより大きな塊やペレットにすることで、高炉で砂を精錬する際の問題を解消できると判断した。^[30]しかし、当時第二次世界大戦が始まったため、さらなる開発は中断され、1960年代後半まで再開されず、1969年に初めて鉄鋼が生産されました。^[31]

砂鉄はワイカト・ノース・ヘッドで採掘される砂鉱石である。ニュージーランド・スチール社は、独自の製造工程で120万トンの鉄を生産している。タハロアでの採掘では、輸出用に最大400万トンが生産されている。以前は南タラナキのワイピピに鉱山があった。タラナキ沖でのさらなる砂鉄採掘に関するアイアン・オア・NZ社の提案は、ニュージーランドの前浜および海底論争を受けて、2005年に一部のマオリ族などから抵抗を受けた。^[32]大量に中国と日本に出荷されているが、2011年までにニュージーランド唯一の製造工場は年間65万トンの鉄鋼を生産していた。^[33]ニュージーランドは、工業用製錬に砂鉄を使用する唯一の国である。^[34]磁鉄鉱の典型的な成分は、82％の酸化鉄、8％の二酸化チタン、8％のシリカである。硫黄0.015% 、リン0.015% 。100%の磁鉄鉱濃度では最大で約58%の金属鉄が得られる可能性があるが、チタンは現代の技術では回収できない。^[35]

砂鉄は米国全土、特にニューヨーク、南カリフォルニア、ニューイングランド、五大湖の地域で広く産出され、長石砂や時には明るいガーネットの粒と混ざっていることが多い。これらの地域の磁鉄鉱には、クロムとチタンが多量に含まれていることが多い。^{[36] 19世紀には、砂鉄はコンクリートや石工の吸い取り砂として使われることがあり、まれに鉄鋼生産の原料としても使われた。}コネチカット州のある鍛冶屋は、棒鋼を作るために砂鉄を使っていた。^[37]

OEDのオンライン版砂鉄の項目によると、ジェディディア・モース（1761-1826）は『アメリカ万国地理学』（新版、1796年（全2巻））の中で、ジャレッド・エリオット（1685-1763）が1761年に砂鉄、つまり黒砂から鉄を作ることを発明したと述べています。 ^{[38]しかし、日本の職人は少なくとも1200年前から}刀を作る のに砂鉄を使ってきました。レンガと粘土でできた「たたら」製錬所で砂鉄を作ることは、今日でも日本の職人によって行われています。

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