錬鉄

棒鉄は、鋳鉄と区別するために用いられる一般的な用語です。これは、鋳造金属のインゴットに相当するもので、取り扱い、保管、輸送、そして最終製品への加工が容易な形状になっています。

これらの棒は通常、精錬鍛冶場で生産される製品であったが、必ずしもその工程で作られたとは限らなかった。

• 棒鉄は、平鋼をスリット加工機で切断して作られ、釘や鋲の原材料となった。
• 箍鉄 ― 樽の箍に適したもので、棒鉄を圧延金型に通して作られる。
• 鉄板 ― ボイラー用鋼板として適した板材。
• 黒板鋼板―ブリキ製造工程の黒圧延段階で得られる、おそらく鉄板よりも薄い板状の鋼板。
• 航海用鉄とは、特定の重量の棒状に加工または切断された、細長い平棒状の鉄で、大西洋奴隷貿易のためにアフリカで販売された商品である。1トンあたりの棒の本数は、1660年代の1トンあたり70本から、1685年には1トンあたり75～80本、1731年には「1トンあたり92本近く」へと徐々に増加した。^{[ 14 ]： 163～172}

• 木炭鉄――18世紀末まで、錬鉄はブルームリー法を用いて鉱石から木炭で精錬されていた。また、銑鉄を原料として精錬炉やランカシャー炉で製造されることもあった。得られた金属は、化学組成とスラグ含有量の両面で非常にばらつきがあった。
• 精錬鉄―精錬法は、錬鉄を生産する最初の大規模プロセスでした。精錬法では、銑鉄は反射炉で精錬され、石炭やコークスに含まれる硫黄による鉄の汚染を防ぎます。溶融した銑鉄は手動で攪拌され、鉄が大気中の酸素にさらされることで脱炭されます。鉄が攪拌されると、錬鉄の塊が攪拌棒（攪拌棒または攪拌棒）によって球状に集められ、精錬作業員によって定期的に取り除かれます。精錬法は1784年に特許を取得し、1800年以降広く使用されるようになりました。1876年までに、英国だけで精錬鉄の年間生産量は400万トンを超えました。その頃、平炉で構造用途に適した品質の鋼を生産できるようになり、錬鉄の生産は衰退していきました。
• 鉱石粉砕鉄とは、スウェーデンのダンネモラ鉱山産の鉄鉱石を原料として製造される、特に純度の高い棒鉄の一種である。その最も重要な用途は、製鋼におけるセメンテーション工程の原料としてであった。
• ダンクス鉄とは、元々はグダニスクからイギリスに輸入された鉄のことだが、18世紀には、かつてグダニスクから来ていた鉄（スウェーデン東部産）の方が可能性が高い。
• 森林鉄――イングランドのディーンの森で産出される鉄。そこでは赤鉄鉱鉱石のおかげで丈夫な鉄が生産できた。
• ルーク鉄とは、オランダ語で「Luik」と呼ばれるリエージュから輸入された鉄のことである。 ^{[ 15 ]}
• エイムズ鉄またはエイミス鉄は、北ヨーロッパからイングランドに輸入された鉄の一種です。その起源はアミアンであると示唆されていますが、 15世紀にはフランドルから、その後オランダから輸入されたようで、ライン川流域が起源である可能性を示唆しています。その起源については依然として議論の余地があります。^{[ 15 ]}
• ボトルフ鉄またはブータル鉄 ―ビトフ（ポーランド領ポメラニア）またはビトム（ポーランド領シレジア）産。^{[ 15 ]}
• セーブル鉄（またはオールドセーブル）—ロシアの鉄工職人デミドフ家の刻印（セーブル）が入った鉄で、ロシアの鉄の中でも優れたブランドの一つである。^{[ 16 ]}

頑丈な鉄

「tuf」とも綴られるこの素材は脆くなく、工具に使用できるほど丈夫である。

ブレンド鉄

様々な種類の銑鉄を混合して作られています。

最高のアイロン

鉄は、積み重ねと圧延の複数の工程を経て、（19世紀には）最高品質とみなされた段階に達する。

刻印入りの鉄棒

マークドバー協会の会員によって製造され、品質の証として製造者のブランドマークが刻印されている。^{[ 17 ]}

錬鉄は、炭素含有量が0.10%未満、硫黄、リン、ケイ素、マンガンなどの不純物の合計が0.25%未満、スラグ含有量が重量比で2%未満の市販の鉄の一種です。^{[ 18 ] [ 19 ]}

錬鉄は、硫黄を過剰に含むと赤鉄鉱または熱鉄鉱と呼ばれる。冷間時は十分な靭性があるが、赤熱状態で曲げたり仕上げたりすると割れる。 ^{[ 5 ]： 7}熱鉄鉱は市場価値がないと考えられていた。^{[ 1 ]}

冷間短鉄（コールドシャー、コルシャーとも呼ばれる）はリンを過剰に含んでいる。冷間時は非常に脆く、曲げると割れる。^{[ 5 ]： 7、215}ただし、高温で加工することができる。歴史的に、冷間短鉄は釘として十分であると考えられて^いた。

リンは必ずしも鉄に有害ではありません。古代近東の鍛冶屋は炉に石灰を加えませんでした。スラグに酸化カルシウムがないことと、製錬中にリン含有量の高い木材を意図的に使用することで、現代の鉄（<0.02～0.03%）よりも高いリン含有量（通常<0.3%）が生じます。 ^{[ 1 ] [ 20 ]}デリーの鉄柱の分析では、鉄に0.11%のリンが含まれています。^{[ 1 ] : 69}錬鉄に含まれるスラグは耐食性も与えます。

大量生産された炭素鋼が入手可能だった時代に製造された古いミュージックワイヤーは、炭素含有量が少なくリン含有量が多いことが判明しました。リン含有量が多い鉄は、通常、冷間加工時に脆くなりますが、ミュージックワイヤーに容易に引き伸ばすことができました。^{[ 21 ]}当時、リンは鉄の成分として容易に識別できるものではありませんでしたが、この種の鉄は鋼への転換には不適格と判断されたものの、引き伸ばしのテストで優れた性能を発揮したのではないかと推測されました。^{[ 21 ]}

漢王朝時代（紀元前202年～紀元後220年）には、新しい製鉄プロセスにより、多管式種まき機や鉄製の鋤など、農業用として新しい錬鉄製の器具が製造されるようになった。^{[ 22 ]}古代中国のドーム炉で空気を過剰に注入することで偶然に低炭素錬鉄の塊が生成されたほか、古代中国人は少なくとも紀元前2世紀までに精錬炉を使用して錬鉄を製造しており、錬鉄や鋼鉄に精錬された鋳鉄や銑鉄の最古の標本は、初期の漢王朝の遺跡である鉄勝国で発見されている。^{[ 23 ] [ 24 ] : 186}ピゴットは、精錬炉が以前の戦国時代（紀元前403～221年）に存在していたと推測している。これは、その時代に中国から出土した錬鉄製品があり、中国でブルームリーが使用されたという文書による証拠がないためである。 ^{[ 24 ] : 186–187}精錬工程では、鋳鉄を精錬炉で液化し、酸化によって溶融鋳鉄から炭素を除去した。^{[ 24 ] : 186}ワグナーは、精錬炉と考えられている漢王朝の炉に加えて、紀元1～2世紀の山東の墓の壁画にも精錬炉の絵画的証拠があり、紀元4世紀の道教の文献『太平経』にも書面による証拠の手がかりがあると述べている。^{[ 25 ]}

錬鉄は何世紀にもわたって使用されており、西洋史を通じて言及される「鉄」は錬鉄である。もう一方の形態の鉄である鋳鉄は、古代から中国で使用されていたが、15世紀まで西ヨーロッパには導入されなかった。しかも、その脆さのため、限られた用途にしか使用できなかった。中世の大部分において、鉄は手動式の製鉄所で鉱石を直接還元することによって生産されていたが、 1104年までには水力が使用され始めていた。^{[ 26 ]}

間接製鉄法で生産される原料はすべて銑鉄である。銑鉄は炭素含有量が高いため脆く、金物類の製造には使用できない。オスモンド製鉄法は間接製鉄法の最初のもので、1203年までに開発されたが、多くの場所では引き続き製鉄所による製鉄が行われていた。この製鉄法は高炉の発展に依存しており、中世の高炉の例はスウェーデンのラッフィッタンやドイツで発見されている。

15世紀以降、ブルームリー法とオスモンド法は徐々にフィナリー法に取って代わられ、フィナリー法にはドイツ式とワロン式の2種類があった。さらに18世紀後半からは、パドリング法に取って代わられ、スウェーデンのランカシャー式などのいくつかの変種も存在した。しかし、これらの製法も現在では廃れており、錬鉄はもはや商業的に製造されていない。

錬鉄はもともと、今日「ブルームリー」と呼ばれる様々な製錬法によって製造されていました。場所や時代によって、異なる形態のブルームリーが使用されていました。ブルームリーには木炭と鉄鉱石が投入され、点火されます。送風口から空気が送り込まれ、ブルームリーは鉄の融点よりやや低い温度まで加熱されます。製錬の過程で、スラグが溶けて流れ出し、木炭から発生する一酸化炭素が鉱石を鉄に還元します。鉄と鉱石から溶けたケイ酸塩鉱物（スラグ）を含むスポンジ状の塊（「ブルーム」と呼ばれる）が形成されます。鉄は固体のままです。ブルームリーが鉄を溶かすほど高温になると、炭素が鉄に溶け込み、銑鉄または鋳鉄が形成されます。しかし、これは意図されたことではなかったため、ブルームリーの設計は鉄の融点に達することを困難にし、一酸化炭素の濃度が高くなるのを防いでいました。^{[ 1 ]： 46-57}

製錬が完了すると、ブルームが取り除かれ、その後、工程を再開することができた。したがって、これは高炉のような連続式ではなく、バッチ式であった。ブルームは機械的に鍛造して固め、棒状に成形する必要があり、その過程でスラグが排出された。^{[ 1 ]： 62-66}

中世には、水力が製鉄工程に利用され、おそらく最初はふいごを動かすために、そして後にはブルームを鍛造するためのハンマーを動かすために使われた。しかし、水力が使われたことは確かだが、詳細は不明のままである。^{[ 1 ] : 75–76}これは製鉄の直接プロセスの頂点であった。それはスペインと南フランスではカタルーニャの鍛冶場として19世紀半ばまで、オーストリアではシュトゥックホーフェンとして1775年まで^{[ 1 ] : 100–101}、イギリスのガースタング近郊では1770年頃まで存続した。^{[ 27 ] [ 28 ]} 1880年代にはニューヨークで熱風とともにまだ使用されていた。 ^{[ 29 ]}日本では、主に刀剣製作に使われる伝統的な玉鋼の生産に使われていた古いたたら製鉄所は1925年にようやく消滅したが、20世紀後半には職人刀鍛冶に鋼を供給するために小規模で生産が再開された。

オズモンド鉄は、銑鉄を溶かして滴を棒に集め、それを空気の吹き出しの前で回転させてできるだけ多くの部分を空気にさらし、炭素を酸化させることで作られた錬鉄の球で構成されていた。^{[ 30 ]}結果としてできた球は、ハンマーミルで棒鉄に鍛造されることが多かった。

15世紀、溶鉱炉は現在のベルギーにまで広がり、そこで改良が加えられた。そこからノルマンディー地方との境界にあるペイ・ド・ブレイを経て、イングランドのウィールド地方へと伝播した。それに伴い、精錬炉も普及した。精錬炉では銑鉄を再溶解し、（実質的に）炭素を焼き尽くしてブルームを生成し、それを鍛造して棒鉄にした。棒鉄が必要な場合は、スリッティングミルが使用された。

精錬工程には、わずかに異なる2つの形態が存在した。イギリス、フランス、スウェーデンの一部では、ワロン方式のみが使用されていた。この方式では、2つの異なる炉、すなわち鉄を仕上げるための精錬炉と、鉄を棒状に引き抜く過程で再加熱するための加熱炉が使用された。精錬炉は常に木炭を燃やしたが、加熱炉は鉱物炭で燃焼させることができた。これは、鉱物炭の不純物が固体状態の鉄に害を与えないためである。一方、ドイツ、ロシア、スウェーデンの大部分で使用されていたドイツ方式では、すべての工程に単一の炉が使用された。^{[ 31 ]}

1709年にアブラハム・ダービー（あるいはそれより少し前に他の誰かが）が高炉にコークスを導入したが、当初は錬鉄生産にほとんど影響を与えなかった。コークス銑鉄が精錬炉の原料として本格的に使用されるようになったのは1750年代になってからのことである。しかし、精錬炉の燃料としては引き続き木炭が使われていた。

1750年代後半から、製鉄業者たちは木炭を使わずに棒鉄を作る製法を開発し始めた。そのための特許取得済みの製法がいくつかあり、今日では「ポッティング・アンド・スタンピング」と呼ばれている。最も初期の製法は、ウェンズベリーのジョン・ウッドと、エグレモントのロウ・ミルのチャールズ・ウッド兄弟によって開発され、1763年に特許を取得した。^{[ 32 ] : 723–724}また、別の製法は、コールブルックデール社のためにクラネージ兄弟によって開発された。 ^{[ 33 ]}さらに重要な製法として、ウェスト・ブロムウィッチのジョン・ライトとジョセフ・ジェソンによるものもあった。^{[ 32 ] : 725–726}

18世紀後半に産業革命が始まると、木炭を使わずに錬鉄を作るための様々な方法が考案された。その中で最も成功したのが、 1784年にヘンリー・コートが発明したパドル炉（反射炉の一種）を用いたパドル法である。 ^{[ 34 ]}その後、ジョセフ・ホールをはじめとする人々によって改良され、ホールは初めて装入物に酸化鉄を加えた。このタイプの炉では、金属は燃料と接触しないため、不純物によって汚染されない。燃焼生成物の熱は溶融池の表面を通過し、炉の天井が炉の火橋上の溶融池に熱を反射する。

原料が白鋳鉄でない限り、銑鉄などの精錬原料はまず精錬されて精鉄、すなわちより細かい金属に加工される必要があった。この精錬は製錬所で行われ、そこでは石炭を用いて原料中のケイ素を除去し、黒鉛の形で存在する炭素を鉄と結合させてセメンタイトと呼ばれる物質に変換する。

（ホールの）完全に開発されたプロセスでは、この金属は溶融炉の炉床に置かれ、そこで溶かされました。炉床には、赤鉄鉱や酸化鉄などの酸化剤が敷かれていました。^{[ 35 ]}混合物は、作業扉を通して、パドリングバーまたはラブルと呼ばれる長い棒でかき混ぜられ、強い空気の流れにさらされました。^{[ 36 ] : 165 [ 37 ] [38] : 236–240空気、かき混ぜ}、および金属の「沸騰」作用により、酸化剤が銑鉄から不純物と炭素を酸化除去しました。不純物が酸化されると、溶融スラグを形成するか、ガスとして漂い、残りの鉄はスポンジ状の錬鉄に固まり、溶融池の表面に浮かび上がり、パドルバーを使用して溶融池の球として取り出されました。^{[ 35 ]}

パドル法の利点は、燃料として木炭ではなく石炭を使用することであった。しかし、石炭が不足していたスウェーデンでは、それはほとんど利点とはならなかった。グスタフ・エクマンはウルヴェルストンで木炭精錬所を観察したが、それはスウェーデンのものとは全く異なっていた。1830年代にスウェーデンに戻った後、彼はパドル法に似たプロセスを開発し、薪と木炭を使用する方法を実験した。この方法は、その後数十年にわたりベルグスラーゲンで広く採用された。 ^{[ 41 ] [ 14 ]： 282-285}

1925年、アメリカのジェームズ・アストンは、錬鉄を迅速かつ経済的に製造するプロセスを開発した。このプロセスでは、ベッセマー転炉から溶鋼を取り出し、より低温の溶融スラグに注ぎ込む。鋼の温度は約1500  ℃で、溶融スラグは約1200  ℃に保たれる。溶鋼には大量の溶解ガスが含まれているため、溶鋼が溶融スラグの低温表面に触れるとガスが放出される。その後、溶鋼は凝固して、約1370  ℃のスポンジ状の塊となる。^{[ 35 ]}このスポンジ状の塊は、パドル法（上記）で説明したように、重ねて圧延して仕上げる。この方法では、1バッチあたり3～4トンの錬鉄を製造できる。^{[ 35 ] [ 42 ]}

ベッセマー法による製造法が採用されると（1865年以降）、鉄道レールの鉄は鋼に取って代わられ始めた。鉄は、窒素の混入、高炭素、過剰なリン、圧延中の過熱、または圧延速度が速すぎることによる脆性の問題のため、1880年代まで構造用途で主流であった。 ^{[ 9 ]： 144-151 [注2 ]} 1890年までに、構造用途では鉄がほぼ完全に置き換えられた。

鉄板（Armco社製、純度99.97%の鉄）は、ホーロー加工や溶接に適しており、錆びにくいなど、家電製品への使用に適した優れた特性を持っていた。^{[ 9 ]： 242}

1960年代には、リサイクルにより鉄鋼生産価格が下落し、アストン製法を使用しても錬鉄の生産は労働集約的でした。錬鉄の生産は低炭素鋼の約2倍のコストがかかると推定されています。^{[ 7 ]}米国では、最後の工場が1969年に閉鎖されました。^{[ 7 ]}世界で最後に残ったのは、英国ボルトンのトーマス・ウォルムズリー・アンド・サンズのアトラス・フォージで、1973年に閉鎖されました。1860年代の設備は、保存のためにアイアンブリッジ渓谷博物館のブリッツ・ヒル敷地に移されました。^{[ 43 ]}遺産修復目的で錬鉄がまだ生産されていますが、スクラップのリサイクルのみで行われています。

ほとんどの場合、錬鉄の品質を測る上で、引張強度よりも延性の方が重要な指標となる。引張試験において、最良の錬鉄は破断する前にかなりの伸びを示す。引張強度の高い錬鉄は脆い。

1800年代初頭に蒸気船でボイラー爆発事故が多発したため、米国議会は1830年にこの問題の解決のための資金を承認する法律を可決した。財務省はフランクリン研究所に1500ドルの契約を与え、調査を実施させた。調査の一環として、ウォルター・R・ジョンソンとベンジャミン・リーブスは、スウェーデンのラゲルヘルムの設計に基づいて1832年に製作した試験機を使用してボイラー鉄の強度試験を行った。引張強度と延性に関する誤解があったため、彼らの研究は故障を減らすのにほとんど役立たなかった。^{[ 5 ]}

管状ボイラーの開発のごく初期段階から、延性の重要性は一部の人々によって認識されており、サーストンの以下の発言がそれを裏付けている。

製造者が主張するような「鉛のように機能する」良質の鉄で作られていれば、破裂した際に裂けて中身を放出し、ボイラー爆発の通常の悲惨な結果を引き起こすことはないだろうと、製造者は主張している。^{[ 62 ]}

19世紀に行われたボイラー爆発に関する様々な調査、特に保険会社による調査では、原因として最も多かったのは、より多くの出力を得るためにボイラーを安全圧力範囲を超えて運転したこと、またはボイラーの圧力逃がし弁の欠陥や圧力と水位の信頼できる表示を得るのが困難であったことであった。製造不良もよくある問題であった。^{[ 63 ]}また、蒸気ドラムの鉄の厚さは、現代の基準からすると薄かった。

19世紀後半になると、冶金学者が良質な鉄を作るための特性やプロセスをよりよく理解できるようになり、蒸気機関では鉄が鋼鉄に取って代わられ、火管を備えた古い円筒形ボイラーは本質的に安全な水管ボイラーに取って代わられた。^{[ 63 ]}

2010年、ジェリー・マクドネル^{[ 64 ]は}、イギリスで分析により、伝統的な製錬で得られた錬鉄の塊を、炭素の痕跡が全くない99.7%純鉄に加工できることを実証した。他の錬鉄によく見られる筋状の模様が見られないため、鍛冶屋が熱間加工と冷間加工の両方で非常に柔軟に加工できることがわかった。純鉄は市販されており、鍛冶屋はこれを伝統的な錬鉄やその他の新世代の鉄系金属の代替品として使用している。