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パドル法は、石炭を燃料とする反射炉で銑鉄を棒状（錬鉄）に変換するプロセスです。これは1780年代にイギリスで開発されました。溶融銑鉄は反射炉内で酸化環境下で攪拌され、炭素が燃焼して錬鉄が生成されます。 [ 1 ]これは、木炭を使用せずに、貴重で有用な棒状鉄（可鍛錬鉄）を初めて相当量製造するための最も重要なプロセスの1つでした。最終的には、この炉は少量の特殊鋼の製造にも使用されるようになりました。
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ものの、パドル法は群を抜いて成功を収め、それまでの鋳造法やプレス法、そしてさらに古い木炭精錬法や製鉄法に取って代わりました。これにより、イギリス、そして間もなく北米において鉄生産が大幅に拡大しました。この拡大は、鉄産業における産業革命の始まりと言えるでしょう。エッフェル塔、橋梁、自由の女神像の原型となる骨組みなど、19世紀の錬鉄の用途のほとんどは、パドル法で製造された鉄を使用していました。
近代的なパドル法は、18世紀後半にイギリスで開発された、木炭を使用せずに銑鉄から棒鉄を製造するためのいくつかの製法の一つである。これは、精錬炉で行われていた、それまでの木炭を燃料とする製法に徐々に取って代わっていった。
銑鉄は遊離炭素を多く含み、脆い。そのため、使用する前、そして鍛冶屋が加工する前に、より展延性のある棒鉄、つまり錬鉄の初期段階へと加工する必要がある。
1709年にアブラハム・ダービーがコールブルックデールの高炉でコークスをうまく利用したことで[ 2 ]、鉄の価格は下がったが、このコークスを燃料とする銑鉄は、既存の方法では棒鉄に転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って加熱時に「赤く脆くなる」ため、精錬工程は不可能だった。蒸気による送風で炉の温度が十分に上昇し、硫黄を除去するために十分な量の石灰を添加できるようになった1750年頃になって初めて、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良いプロセスも開発された[ 3 ] 。
高炉の革新者の息子であるエイブラハム・ダービー2世は、1749年に銑鉄を棒鉄に変換することに成功したが、そのプロセスの詳細は不明である。 [ 5 ]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実現したとされている。この炉では鉄と硫黄を含む石炭を分離しておくことができたが、商業的に使用されることはなかった。[ 5 ]彼らは、熱の作用だけで銑鉄から棒鉄に鉄を変換できるという仮説を最初に立てた。彼らは空気から供給される酸素の必要な効果に気づいていなかったが、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が付与されたが、彼らのプロセスが商業的に採用されることはなかったようだ。
1783年、ダウライスのピーター・オニオンズは、より大きな反射炉を建設した。[ 5 ]彼はこれを用いて商業的なパドル製造に成功し、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、過熱して鉄が「焼ける」リスクの一部を回避した。[ 5 ]コートのプロセスは、反射炉で酸化雰囲気下で溶融銑鉄を攪拌し、脱炭することから成り立っていた。鉄が「自然の状態」、つまりペースト状の粘稠度になると、それをパドルボールに集め、瓦状にし、圧延した（後述）。狭い棒を圧延するために、この溝付きローラーを圧延機に適用したことは、大陸の既存の圧延機を採用したことでもあった。[ 6 ]コルトはこの方法を自ら開発したのではなく、奴隷にされたジャマイカの黒人冶金学者から学び、1873年に特許を取得した。 [ 7 ]コルトはこの製法をライセンス供与しようとしたが、木炭で精錬した銑鉄にしか使えなかったため、成功しなかった。マーサー・ティドフィルのサイファースファにある製鉄所のリチャード・クローショーが改良を加え、ダウライスの隣人が開発した初期の精錬プロセスを取り入れた。
コルトの発明から90年後、あるアメリカの労働新聞は彼のシステムの利点を回想した。
「鉄を単純に溶かして型に流し込むと、粒状の質感になり、非常に脆いため、高い引張強度を必要とする用途には全く適さない。パドル法は、流し込んだ溶融鉄をかき混ぜて水たまり状にすることで、鉄の解剖学的構造を変化させ、圧延工程をより効率的にする効果があった。」[ 8 ]
コルトの製法（特許取得済み）は白鋳鉄にしか使えず、当時の鍛造工場で一般的に使われていたねずみ鋳鉄には使えませんでした。この問題は、おそらくマーサー・ティドフィルで、パドル法と少し前の製法の要素を組み合わせることで解決されました。この製法では、「精錬炉」または「流し出し炉」と呼ばれる別の種類の炉が使われました。[ 9 ]銑鉄はこの炉で溶かされ、樋に流し出されました。スラグは分離して溶けた鉄の上に浮かび、樋の端にある堰を下げることで取り除かれました。この製法の効果は、金属からケイ素が除去され、「精錬金属」と呼ばれる白くて脆い金属が残ることでした。これはパドル炉に投入するのに理想的な材料でした。この製法は「乾式パドル法」として知られ、1890年頃まで一部の場所で使われ続けました。
ねずみ鉄の精錬におけるもう一つの発展は、「湿式パドリング」、別名「沸騰」または「銑鉄沸騰」として知られていました。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。彼はまず、スクラップ鉄を原料に加え始めました。その後、彼は鉄スケール（実質的には、FeO、Fe₂O₃、またはFe₃O₄などの酸化鉄）を加えることを試みました。その結果は驚くべきもので、炉は激しく沸騰し、一酸化炭素の泡が発生しました。これは、スケール中の酸化鉄と銑鉄に溶解した炭素との間の化学反応によるものでした。C + Fe₂O₃ → CO + 2 FeO。驚いたことに、結果としてできたパドルボールからは良質の鉄が得られました。
パドル法の大きな問題点の1つは、ベッドに砂を使用していたため、鉄の最大15%がスラグとともに引き抜かれてしまうことでした。ホールはベッドの代わりに焙焼したタップシンダーを使用することで、この廃棄物を8%に削減し、世紀末には5%まで減少させました。[ 10 ]
その後、ホールは1830年にティプトンにブルームフィールド製鉄所を設立するパートナーとなり、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世紀中頃から後半にかけて最も一般的に使用された製鉄法である。湿式パドル法は乾式パドル法（またはそれ以前の製鉄法）よりもはるかに効率的であるという利点があった。乾式パドル法で得られる鉄の最高収率は、銑鉄1.3トンから鉄1トン（収率77％）であるが、湿式パドル法では収率がほぼ100％であった。
パドル炉による軟鋼の製造は、 1850年頃にドイツのヴェストファーレン地方で実現し、イギリスではローヘーゲ、ブレム、レールキンドによって特許が取得されました。この製法は、特定の種類の鉱石から作られた銑鉄にのみ適用されました。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んでいなければなりませんでした。金属が自然界に現れたら、脱炭がさらに進行する前に、速やかに取り除いてスラグを敷き詰める必要がありました。この製法は、1851年にイギリスのヨークシャー州ブラッドフォードのロウ・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、広く普及しました。
パドル法は、鋼鉄を製造するベッセマー法の導入により取って代わられ始めた。鋼鉄は、アストン法を用いて、はるかに少ないコストと時間で錬鉄に変換できた。比較のために、パドル炉の平均装入量は800～900ポンド（360～410kg）[ 11 ]であったのに対し、ベッセマー転炉の装入量は15ショートトン（13,600kg ）であった。パドル法は、パドル製造者が処理できる量に制限されるため、スケールアップすることができなかった。拡張するには、炉を増設するしかなかった。
このプロセスは、まずパドル炉の準備から始まります。これには、炉を低温にしてから、炉を仕上げる作業が含まれます。仕上げ作業とは、炉格子とその周囲の壁を酸化鉄（通常は赤鉄鉱）で塗装する工程です。 [ 12 ]これは、溶融金属が炉を焼き尽くすのを防ぐ保護コーティングとして機能します。赤鉄鉱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した。この場合、炉を4～5 時間加熱して燃え殻を溶かし、その後、装入前に冷却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の炉床に投入します。この工程は装入と呼ばれます。湿式パドル法では、鉄くずや酸化鉄も投入されます。この混合物は、上部が溶けて酸化物が混ざり始めるまで加熱されます。通常、これには30分かかります。この混合物は、炉の扉を通して 、片端にフックが付いた長い棒（パドル棒またはラブルと呼ばれる）[ 11 ] [ 13 ]によって強い空気の流れにさらされ、かき混ぜられます。 [ 14 ]これにより、酸化物中の鉄(III)（酸化剤として作用するFe3 +種）が銑鉄中の不純物、特にケイ素、マンガン（スラグを形成）、そしてある程度は硫黄とリンと反応し、ガスを形成して炉の排気とともに排出されます。
さらに燃料が加えられ、温度が上昇します。鉄は完全に溶け、炭素が燃焼し始めます。湿式パドル法では、添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（CO₂ ）が生成され、泡が発生し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、パドル工/ラブラー工は燃焼の進行状況を視覚的に確認できます。炭素が燃焼すると、混合物の融点が1,150～1,540 ℃（2,100～2,800 °F）に上昇するため、[ 15 ] [ 16 ]このプロセス中は炉に燃料を継続的に供給する必要があります。混合物中の炭素原子は溶液中の溶質として作用し、鉄混合物の融点を低下させるため（氷上の道路塩のように）、融点が上昇します。
2人1組の作業員として働くことで、パドラーと助手は 12時間のシフトで約1500kgの鉄を生産することができた。[ 17 ] 過酷な労働、熱、煙のため、パドラーの平均寿命は非常に短く、ほとんどが30代で亡くなった。[ 18 ] パドリングは、ボールが「自然に」なったことをパドラーが感知しなければならなかったため、自動化することはできなかった。
1840年代後半、ドイツの化学者フランツ・アントン・ローゲは、ハーゲンのハスペ製鉄所で鉄ではなく鋼を製造するためにパドル法の改良を開発した。その後、1850年代にドイツ、フランス、イギリスで商業化され、1870年代になってもクルップ鋳鋼の主要原料はパドル鋼であった。 [ 19 ]塩基性耐火ライニング（酸化マグネシウム、MgOを使用）の開発と1880年頃のギルクリスト・トーマス法の広範な採用以前は、酸性ベッセマー転炉（ SiO2製の耐火材料を使用）や平炉を補完していた。なぜなら、それらとは異なり、パドル炉は大陸ヨーロッパに豊富に存在するリン鉱石を利用できたからである。[ 20 ]
パドル炉は、高炉で生産された銑鉄から錬鉄や鋼を製造するために用いられる製鉄技術です。この炉は、燃料が鉄に直接接触することなく、熱風を鉄の上に送り込むように設計されており、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、燃料中の不純物を原料から分離できることです。
炉床は、鉄を投入し、溶かし、練り上げる場所です。炉床の形状は通常楕円形で、長さ1.5～1.8m 、幅1～1.2mです。白鉄を練り上げるように設計された炉の場合、炉床の深さは50cmを超えることはありません。ねずみ鉄を煮沸するように設計された炉の場合、平均的な炉床の深さは50～75cmです。
燃料を燃やす暖炉には、使用する燃料に応じて大きさが異なる鋳鉄製の火格子が使われていました。瀝青炭を使用する場合、平均的な火格子の大きさは60cm × 90cmで、 25 ～30cmの石炭が詰められます。無煙炭を使用する場合は、火格子は1.5m × 1.2mで、 50 ～75cmの石炭が詰められます。燃料を溶かすのに非常に高い熱が必要なため、火格子も燃料と一緒に溶けないように冷却する必要がありました。これは、火格子に一定の冷風を当てたり、火格子の底に水をかけたりすることで行われました。
二重式精錬炉は単一式精錬炉と似ていますが、大きな違いは作業扉が2つあり、2人の精錬作業員が同時に炉内で作業できる点です。この方式の最大の利点は、錬鉄の生産量が2倍になることです。また、単一式精錬炉に比べて経済的で燃料効率も優れています。