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パドリングは、石炭を燃料とする反射炉で銑鉄を棒鉄（錬鉄）に変えるプロセスです。1780年代にイギリスで開発されました。溶けた銑鉄は反射炉で攪拌され、酸化環境で炭素が燃焼して錬鉄になります。[1]これは、木炭を使わずに初めて大量に貴重で有用な棒鉄（可鍛性錬鉄）を製造するための最も重要なプロセスの一つでした。最終的に、この炉は少量の特殊鋼の製造に使用されるようになりました。
パドル法は木炭を使わずに棒鉄を製造する最初の方法ではなかったが、最も成功した方法であり、それ以前のポッティング法やスタンピング法、さらにそれより古い木炭精錬法やブルーム法に取って代わった。これにより、イギリスで鉄の生産が大きく拡大し、その後まもなく北米でも拡大した。鉄産業に関する限り、この拡大は産業革命の始まりを構成している。エッフェル塔、橋、自由の女神像の元の骨組みなど、19世紀の錬鉄の用途のほとんどでパドル法の鉄が使用された。
歴史
現代のパドリングは、木炭を使わずに銑鉄から棒鉄を生産するために 18 世紀後半にイギリスで開発されたいくつかのプロセスのうちの 1 つです。これは、精錬炉で行われていた木炭燃料の以前のプロセスに徐々に取って代わりました。
泥流しの必要性
銑鉄は遊離炭素を多く含み、脆い。使用する前に、また鍛冶屋が加工する前に、より展性のある棒鉄、つまり錬鉄の初期段階に変換する必要がある。
1709年、アブラハム・ダービーがコールブルックデールの高炉でコークスの使用に成功したことで[2]鉄の価格が下がったが、このコークス燃料の銑鉄は、既存の方法では鉄の棒に変換できなかったため、当初は受け入れられなかった。[3]コークスに含まれる硫黄不純物により、コークスは「赤く短い」、つまり加熱すると脆くなるため、精錬プロセスは機能しなかった。 1750年頃、蒸気駆動の吹込みにより炉の温度が上昇し、硫黄を除去するのに十分な石灰を追加できるようになったため、コークス銑鉄が採用され始めた。[4] また、それを精錬するためのより優れたプロセスも開発された。[3]
発明
高炉発明者の息子であるエイブラハム・ダービー2世は、1749年に銑鉄を鉄の棒に変えることに成功したが、その方法の詳細は知られていない。[ 5 ] 同じくセヴァーン川沿いで働いていたクラネージ兄弟は、石炭を燃料とする反射炉を使用して実験的にこれを達成したとされている。この炉では鉄と硫黄を含んだ石炭を分離しておくことができたが、商業的に利用されることはなかった。[5]彼らは、熱の作用だけで鉄を銑鉄から鉄の棒に変えることができるという仮説を最初に立てた。彼らは空気中の酸素が必要な効果については知らなかったが、少なくとも燃料からの材料との混合が必要であるという以前の誤解を捨てていた。彼らの実験は成功し、1766年に特許番号851が与えられたが、彼らの方法は商業的に採用されなかったようである。
1783年、ダウレイスのピーター・オニオンズは、より大きな反射炉を建設した。[5]彼はこれで商業的なパドリングに成功し、特許番号1370を取得した。この炉は、 1783年から1784年にかけてハンプシャーのフォントリーのヘンリー・コートによって改良され、1784年に特許を取得した。コートは煙突にダンパーを追加し、鉄が過熱して「燃える」リスクをいくらか回避した。[5]コートの方法は、反射炉で溶解した銑鉄を酸化雰囲気下でかき混ぜ、脱炭するというものである。鉄が「自然」、つまりペースト状になると、パドリングされたボールに集められ、重ね合わされ、圧延された（以下に説明）。溝付きローラーを圧延機に適用して狭い棒鋼を圧延することは、大陸に存在していた圧延機をコートが採用したことでもあった。[6]コルト社がこの製法のライセンスを取得しようとしたが、木炭で精錬した銑鉄でしか使えなかったため失敗に終わった。リチャード・クロウシェイがマーサー・ティドビルのシファースファにある製鉄所で改良を加え、隣のダウライスで開発された初期の精錬法を取り入れた。
コートの発明から 90 年後、アメリカの労働新聞は彼のシステムの利点を次のように振り返っています。
「鉄を単に溶かして鋳型に流し込むと、その組織は粒状になり、非常に脆いため、引張強度を必要とする用途にはまったく適さない。パドリングのプロセスは、パドルに流れ出た溶融鉄をかき混ぜることであり、その解剖学的配置を変化させ、圧延プロセスをより効率的にする効果があった。」[7]
特許を取得したコートの方法は、当時の鍛冶場の通常の原料であったねずみ鋳鉄ではなく、白鋳鉄にしか使えなかった。この問題は、おそらくマーサー・ティドビルで、少し前の方法の1つの要素とパドリングを組み合わせることで解決された。これには、「精錬所」または「流出火」として知られる別の種類の炉が関係していた。[8]銑鉄はこれで溶解され、樋に流出した。スラグは分離して溶融鉄の上に浮かび、樋の端にあるダムを下げることで除去された。この方法の効果は、金属の脱珪化であり、「精錬金属」として知られる白い脆い金属が残る。これはパドリング炉に投入する理想的な材料であった。このバージョンの方法は「ドライパドリング」として知られ、1890年になっても一部の場所で使用され続けた。
ねずみ鋳鉄の精錬におけるさらなる進歩は、「ウェット パドリング」として知られ、「ボイリング」または「ピッグ ボイリング」としても知られています。これは、ティプトンのジョセフ ホールという名のパドラーによって発明されました。彼は、スクラップ鉄を装入物に加え始めました。後に、彼は鉄スケール(実際には、FeO、Fe 2 O 3、またはFe 3 O 4などの鉄酸化物) の追加を試みました。その結果は驚くべきもので、炉が激しく沸騰し、一酸化炭素の泡が発生しました。これは、スケール内の鉄酸化物と銑鉄に溶解した炭素との化学反応によるものでした。 C + Fe 2 O 3 → CO + 2 FeO。驚いたことに、結果として得られたパドル ボールから良質の鉄が生産されました。
パドリングの大きな問題の一つは、砂をベッドに使用したため、鉄の最大15％がスラグと一緒に除去されたことであった。ホールはベッドの代わりに焙焼したタップの燃え殻を使用し、この廃棄物を8％に削減し、世紀の終わりには5％に減少した。[9]
ホールはその後、1830 年にティプトンにブルームフィールド鉄工所を設立する共同経営者となり、1834 年からはブラッドリー、バローズ、ホール社となった。これは 19 世紀中期から後期にかけて最も一般的に使用されたプロセスのバージョンである。ウェット パドリングには、ドライ パドリング (またはそれ以前のプロセス) よりもはるかに効率的であるという利点があった。ドライ パドリングで得られる最高の鉄の収率は 1.3 トンの銑鉄から 1 トンの鉄 (収率 77%) であるが、ウェット パドリングの収率はほぼ 100% であった。
パドル炉による軟鋼の生産は、1850年頃[要出典]にドイツのウェストファリアで実現され、ローハーゲ、ブレム、およびレーアキントの代理で英国で特許を取得しました。この方法は、特定の種類の鉱石から作られた銑鉄でのみ機能しました。鋳鉄は急速に溶解する必要があり、スラグはマンガンを豊富に含まなければなりませんでした。金属が自然に出ると、脱炭がさらに進む前に、すぐに取り除いて敷き詰めなければなりませんでした。この方法は、1851年にヨークシャー州ブラッドフォード（イングランド）のロー・ムーア製鉄所で、1855年にはフランスのロワール渓谷で採用され、広く使用されました。
パドル法は、鋼鉄を生産するベッセマー法の導入により置き換えられ始めました。これは、アストン法を使用して、わずかなコストと時間で錬鉄に変換できました。比較すると、パドル炉の平均サイズ充填量は800〜900ポンド（360〜410 kg）[10]であるのに対し、ベッセマー転炉の充填量は15ショートトン（13,600 kg）でした。パドル法は、パドラーが処理できる量に制限されるため、スケールアップできませんでした。拡張するには、より多くの炉を建設するしかありませんでした。
プロセス
この工程は、パドル炉を準備することから始まります。これには、炉を低温にしてから整えることが含まれます。整えるとは、火格子とその周囲の壁を酸化鉄、通常はヘマタイトで塗装する工程です。[11]これは、溶融金属が炉を通り抜けないように保護コーティングとして機能します。ヘマタイトの代わりに細かく砕いた燃え殻が使用されることもあります。この場合、炉を4〜5時間加熱して燃え殻を溶かし、その後冷却してから装入する必要があります。
次に、白鋳鉄または精錬鉄のいずれかを炉床に入れる。このプロセスは装入と呼ばれる。湿式パドル法では、スクラップ鉄および/または酸化鉄も装入される。この混合物は、酸化物が混ざり始めるように、上部が溶けるまで加熱される。これには通常30分かかる。この混合物は、パドルバーまたはラブルと呼ばれる、一端にフックが付いた長い棒で炉の扉を通して強い空気流にさらされ、撹拌される。[10] [12 ]これにより、酸化物からの鉄III（酸化剤として作用するFe 3+種）が銑鉄内の不純物、特にシリコン、マンガン（スラグを形成）、およびある程度の硫黄とリンと反応し、ガスとなって炉の排気とともに逃げる。
その後、さらに燃料を追加して温度を上げます。鉄は完全に溶け、炭素が燃え始めます。ウェット パドリングでは、追加された酸化鉄との反応により一酸化炭素(CO) と二酸化炭素(CO 2 ) が生成され、泡が形成されて塊が沸騰しているように見えます。このプロセスによりスラグが上部で膨らみ、燃焼の進行を視覚的に確認できます。炭素が燃え尽きるにつれて、混合物の融点は 1,150 °C から 1,540 °C (2,100 °F から 2,800 °F) に上昇します。[14] [15]そのため、このプロセス中は炉に継続的に燃料を供給しなければなりません。混合物内の炭素原子が溶液中の溶質として作用し、鉄混合物の融点を下げるため (氷の上の道路の塩のように)、 融点が上昇します。
2人1組で作業し、パドラー1人と助手1人は12時間交代で約1500kgの鉄を生産することができた。[16] 過酷な労働、暑さ、煙のため、パドラーの寿命は非常に短く、ほとんどが30代で死亡した。[17] パドラーは鉄球が「自然に戻った」ことを感知する必要があったため、パドリングは自動化できなかった。
パドル鋼
1840年代後半、ドイツの化学者フランツ・アントン・ローハーゲハーゲンのハスペ製鉄所で、鉄ではなく鋼を生産するためにパドル法の改良法を開発しました。これはその後、1850年代にドイツ、フランス、イギリスで商業化され、パドル鋼は1870年代にすでにクルップ鋳鋼の主原料でした。 [18]基本的な耐火ライニング（酸化マグネシウム、MgOを使用）が開発され、 1880年頃にギルクリスト・トーマス法が広く採用される前は、酸性ベッセマー転炉（ SiO2製の耐火物を使用）と平炉を補完するものでした。なぜなら、パドル炉はそれらとは異なり、大陸ヨーロッパに豊富にあるリン鉱石を利用できるからです。[19]
パドル炉
パドリング炉は、高炉で生産された銑鉄から錬鉄や鋼鉄を作るために使用される金属製造技術です。炉は、燃料が鉄に直接接触することなく、鉄の上に熱い空気を引き寄せるように構築されており、一般に反射炉または平炉として知られています。このシステムの主な利点は、燃料の不純物を装入物から分離しておくことです。
炉床は、鉄を投入し、溶かして、たたき合わせる場所です。炉床の形は通常楕円形で、長さ 1.5～1.8 メートル (4.9～5.9 フィート)、幅 1～1.2 メートル (3.3～3.9 フィート) です。炉が白鉄をたたき合わせるように設計されている場合、炉床の深さは 50 センチメートル (20 インチ) 以下です。炉がねずみ鉄を沸騰させるように設計されている場合、平均的な炉床の深さは 50～75 センチメートル (20～30 インチ) です。投入物を溶かすのに大量の熱が必要なため、火格子も投入物と一緒に溶けてしまわないように、火格子を冷却する必要がありました。これは、火格子に一定の冷気を流すか、火格子の底に水をかけることによって行われました。
燃料を燃やす暖炉には鋳鉄製の火格子が使われており、その大きさは燃料によって変わります。瀝青炭を使用する場合、平均的な火格子の大きさは 60 cm × 90 cm (2.0 フィート × 3.0 フィート) で、25～30 cm (9.8～11.8 インチ) の石炭が積まれます。無煙炭を使用する場合、火格子の大きさは 1.5 m × 1.2 m (4.9 フィート × 3.9 フィート) で、50～75 cm (20～30 インチ) の石炭が積まれます。
ダブル パドリング炉はシングル パドリング炉に似ていますが、大きな違いは作業扉が 2 つあり、2 人のパドラーが同時に炉を操作できることです。この設定の最大の利点は、錬鉄の生産量が 2 倍になることです。また、シングル パドリング炉に比べて経済的で燃料効率も優れています。
参照
脚注
- ^ 「製錬科学 - 1. 炉」www.tf.uni-kiel.de。キール大学工学部。2023年5月22日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2024年8月2日閲覧。
- ^ シューベルト（1958年）、99ページ。
- ^ ab Schubert (1958)、100ページ。
- ^ Tylecote, RF (1992).冶金学の歴史、第2版。ロンドン：Maney Publishing、材料研究所向け。ISBN 978-0901462886。
- ^ abcd シューベルト（1958）、106ページ。
- ^ シューベルト（1958年）、105-106頁。
- ^ 「鉄のパドリング」『ワーキングマンズ・アドボケイト』[シカゴ]第9巻第9号（1873年1月25日）、1ページ。
- ^ オーバーマンはこれを「精錬所」や「火の尽き」と呼んでいますが、精錬所の精錬所の精錬所と混同しないでください。
- ^ ランデス（1969）、33ページ。
- ^ ab オーバーマン、フレデリック（1854）。鉄の製造、そのさまざまな部門すべて。フィラデルフィア：HCベアード。pp. 267、268、287、283、344。
- ^ Rajput, RK (2000). エンジニアリング材料. S. Chand. p. 223. ISBN 81-219-1960-6。
- ^ WKV Gale, The Iron and Steel Industry: a Dictionary of Terms (David and Charles, Newton Abbot 1971), 165 ページ。
- ^ RF Tylecote、「産業革命における鉄」、RF Tylecote著『金属における産業革命』（金属学会、ロンドン、1991年）、236-40ページ。
- ^ スミス、キャロル(1984)。エンジニアが勝つ。モーターブックス/MBI出版社。pp.53-54。ISBN 0-87938-186-8。
- ^ WKVゲイル『イギリスの鉄鋼産業』（デイビッドとチャールズ、ニュートンアボット、1967年）、70-79ページ。
- ^ マクニール、イアン（1990）。技術史百科事典。ロンドン：ラウトレッジ。p.165。ISBN 0415147921。
- ^ ランデス（1969）、218ページ。
- ^ 「Puddled Steel – Graces Guide」.
- ^ 「初期の製鉄プロセスの発展 - 技術史に関するエッセイ」ケネス・チャールズ・バラクロフ著。シェフィールド大学に哲学博士号取得のために提出された論文、1981年5月
- 出典
- ランデス、デイビッド・S. (1969)。『束縛されないプロメテウス：1750年から現在までの西ヨーロッパにおける技術変化と産業発展』ケンブリッジ、ニューヨーク：ケンブリッジ大学出版局。ISBN 0-521-09418-6。
- シューベルト、HR（1958）。金属の抽出と生産：鉄と鋼。技術史IV：産業革命。オックスフォード大学出版局。
さらに読む
Wikisource にはこの記事に関連する原文があります:
パドリング（冶金）
ウィキメディア・コモンズには、パドリング炉に関連するメディアがあります。
- WKV ゲイル『鉄と鋼』（ロングマンズ、ロンドン 1969 年）、55 ページ以降。
- WKV ゲイル『英国鉄鋼産業：技術史』（デイビッド＆チャールズ、ニュートンアボット、1967年）、62-66ページ。
- RA Mott、「乾式および湿式パドリング」、ニューコメン協会訳、 49（1977–78）、153–58。
- RA Mott (編著 P. Singer)、Henry Cort: the great finer (The Metals Society、ロンドン、1983 年)。
- K.バラクロフ「製鉄：1850-1900」（ロンドン材料研究所、1990年）、27-35ページ。
- オーバーマン、フレデリック（1854）。『鉄の製造、そのさまざまな分野すべて』フィラデルフィア：HCベアード。pp.259-302。
- ポール・ベルフォードのN. ヒングリー＆サンズ社に関する論文
- 『鉄のパドラー：圧延工場での私の人生とその後』ジェームズ・J・デイビス著ニューヨーク：グロッセット・アンド・ダンラップ、1922年（CL・エドソンが代筆）