錬鉄

錬鉄の様々な例

錬鉄は、鋳鉄（2.1%～4.5%）、あるいは低炭素「軟鋼」の0.25%と比較して、炭素含有量が非常に低い（0.05%未満）鉄合金です。錬鉄は、高炭素鋳鉄を木炭またはコークスの開放炉で加熱・溶解する「パドル法」と呼ばれる方法で製造されます。高温によって過剰な炭素が酸化されるため、この工程では鉄を攪拌（パドル法）しながら溶解させます。炭素含有量が減少するにつれて鉄の融点は上昇し、最終的には炉で溶解できる温度を超えるため、錬鉄は完全に溶解せず、多くの不純物が残ります。

鋳鉄に対する錬鉄の主な利点は、その展性です。鋳鉄は脆すぎて、曲げたり形を変えたりすると壊れますが、錬鉄は非常に展性が高く、はるかに簡単に曲げることができます。

錬鉄は、繊維状のスラグ （重量比最大2%）を含んだ半溶融鉄の塊で、エッチング、錆び、あるいは曲げて破損させた際に木目のような「木目」が現れます。錬鉄は強靭で、展性、延性、耐腐食性を備え、鍛造溶接は容易ですが、電気溶接は困難です。

効果的な製鋼法が開発され、大量の鋼鉄が利用可能になる以前は、錬鉄が最も一般的な可鍛性鉄でした。錬鉄は、溶融スラグを排出できるほど高温で叩いたり、圧延したり、その他の加工が施されていたため、「錬鉄」と呼ばれていました。現代において錬鉄の機能上同等のものは軟鋼であり、低炭素鋼とも呼ばれています。錬鉄も軟鋼も、加熱や焼き入れによって硬化するのに十分な炭素を含んでいません。[ 1 ] : 145

錬鉄の特性は、使用される鉄の種類と、比較的粗雑で労働集約的な製造工程に内在するばらつきによって変化します。一般的に錬鉄は比較的純粋な鉄で、炭素含有量は非常に低く、少量のケイ酸塩スラグ（主にケイ酸塩スラグ）を含みます。このスラグは、長い棒やロッドに成形するための熱間圧延工程によって繊維状または層状の介在物を形成します。これらのケイ酸塩介在物は鉄の層を分離し、弱化面を形成するため、錬鉄は異方性を持ち、その強度は方向によって異なります。錬鉄は通常、質量比で約99.4%の鉄で構成されています。[ 2 ]スラグの存在は、ケイ酸塩介在物がフラックスとして作用し、材料に独特の繊維状構造を与えるため、鍛造溶接などの鍛冶作業に有益です。 [ 3 ]スラグ中のケイ酸塩繊維は、鉄を腐食から保護し、衝撃や振動による疲労の影響を軽減する効果もあります。[ 4 ]

歴史的に、少量の錬鉄が鋼に精錬され、主に刀剣、刃物、ノミ、斧、その他の刃物、そしてバネやヤスリの製造に使用されました。錬鉄の需要は1860年代にピークに達し、装甲艦や鉄道用途で大きな需要がありました。しかし、鉄冶金学の進歩により軟鋼の品質が向上し、ベッセマー法やシーメンス・マーチン法によって鋼の製造コストが大幅に削減されたため、錬鉄の使用は減少しました。

軟鋼で作られるようになる以前は、リベット、釘、ワイヤー、チェーン、レール、鉄道連結器、水道管や蒸気管、ナット、ボルト、蹄鉄、手すり、荷馬車のタイヤ、木製屋根トラスのストラップ、装飾用の鉄細工など、多くの品物が錬鉄で作られていました。[ 5 ] [注1 ]

錬鉄はもはや商業規模で生産されていません。ガードレール、ガーデンファニチャー[ 6 ]、門扉など、錬鉄と呼ばれる製品の多くは軟鋼で作られています。[ 7 ]これらの製品が「錬鉄」と呼ばれるのは、かつて鍛冶屋によって手作業で作られていた物に似せて作られているためです（ただし、フェンスや門扉を含む多くの装飾的な鉄製品は、錬鉄ではなく鋳造されることが多かったです）。[ 7 ]

用語

「wrought（鍛造）」という言葉は動詞「work（加工する）」の古語過去分詞であり、「wrought iron（鍛鉄）」は文字通り「加工された鉄」を意味します。[ 8 ]鍛鉄は商品全般を指す用語ですが、より具体的には鍛冶屋によって製造された完成鉄製品を指すこともあります。英国税関の記録では、この用語は狭義の意味で使用されており、そのような製造された鉄は「未加工」鉄と呼ばれるものよりも高い関税が課されていました。鋳鉄は鍛鉄とは異なり、脆く、熱間加工も冷間加工もできません。

17 世紀、18 世紀、19 世紀には、錬鉄はその形状、起源、品質に応じてさまざまな名称で呼ばれていました。

塊鉄法では鉱石から直接錬鉄を生産していましたが、精錬炉やパドル炉では鋳鉄または銑鉄が原料として使用されていました。銑鉄と鋳鉄は錬鉄よりも炭素含有量が高いですが、融点は鉄や鋼よりも低いです。鋳鉄、特に銑鉄には過剰なスラグが含まれており、高品質の錬鉄を生産するには、少なくとも部分的に除去する必要があります。鋳造所では、鋳物の物理的特性を向上させるために、錬鉄スクラップを鋳鉄に混合することが一般的でした。

ベッセマー鋼と平炉鋼の導入後数年間、鉄と鋼の違いについては様々な意見がありました。化学組成の違いであると考える人もいれば、鉄が十分に加熱されて溶けて「融着」するかどうかであると考える人もいました。最終的に、ある低炭素濃度以下では、組成よりも融着の方が相対的に重要であると一般的に認められるようになりました。[ 9 ] : 32–39 もう一つの違いは、鋼は熱処理によって硬化できることです。

歴史的には、錬鉄は「商業的に純粋な鉄」として知られていましたが、[ 10 ] [ 11 ] 、現在の商業的に純粋な鉄の基準では炭素含有量が0.008重量％未満であることが求められているため、もはや適格ではありません。[ 12 ] [ 13 ]

種類と形状

棒鉄は、鋳鉄と区別するために使われる一般的な用語です。鋳鉄の塊に相当するもので、取り扱い、保管、輸送、そして完成品への加工に便利な形状をしています。

棒鋼は通常、精錬所の鍛冶場で作られる製品ですが、必ずしもその工程で作られたわけではありません。

  • 棒鉄は、スリット工場で平らな棒鉄から切り出され、スパイクや釘の原料として利用されました。
  • タガ鉄 - 樽のタガに適しており、棒状の鉄を転造金型に通して製造されます。
  • 板鉄 -ボイラープレートとして使用するのに適したシート。
  • 黒色鋼板-ブリキ板製造の黒色圧延段階で作られる、おそらく鉄板よりも薄いシート。
  • 航海鉄 — 細く平らな棒鉄。特定の重量の棒状に加工または切断され、アフリカで大西洋奴隷貿易のために販売された商品。1トンあたりの棒鉄の数は、1660年代の70本から1685年には75～80本、そして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

起源

  • 木炭鉄 - 18世紀末まで、錬鉄は木炭を用いて鉱石から製錬されるブルームリー法によって製造されていました。また、精錬炉やランカシャー炉を用いて銑鉄から錬鉄が製造されることもありました。得られた鉄は、化学組成とスラグ含有量の両方において非常に多様な性質を持っていました。
  • パドル製鉄—パドル製鉄法は、錬鉄を生産する最初の大規模製鉄法でした。パドル製鉄法では、石炭やコークスに含まれる硫黄による鉄の汚染を防ぐため、反射炉で銑鉄を精錬します。溶けた銑鉄を手で撹拌し、大気中の酸素に触れさせることで脱炭反応が起こります。鉄が撹拌されると、錬鉄の塊が撹拌棒（ラブルアームまたはロッド）によってボール状に集められ、パドラーによって定期的に取り除かれます。パドル製鉄法は1784年に特許を取得し、1800年以降は広く使用されるようになりました。1876年までに、英国だけでパドル製鉄の年間生産量は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鉄を生産できるようになり、錬鉄の生産は衰退しました。
  • 鉱石鉄—スウェーデンのダネモラ鉱山産の鉄鉱石から作られた、特に純度の高い鉄棒。その最も重要な用途は、製鋼におけるセメント化工程の原料としてでした。
  • ダンクス鉄 - もともとはグダニスクからイギリスに輸入された鉄ですが、18 世紀には、かつてグダニスクから輸入されていた種類の鉄 (スウェーデン東部産) である可能性が高くなります。
  • 森林鉄 - イギリスのディーンの森で採掘された鉄。赤鉄鉱によって強固な鉄が生産された。
  • ルーク鉄 -リエージュから輸入された鉄。オランダ語名は「Luik」。[ 15 ]
  • エイムズ鉄またはアミス鉄は、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。起源はアミアンとされていますが、 15世紀にはフランドルから、その後はオランダから輸入されたと考えられており、ライン川流域が起源と考えられます。起源については依然として議論が続いています。[ 15 ]
  • ボトルフ鉄またはブタル鉄—ビトゥフ（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）—ロシアの鉄工業者デミドフ家の刻印（セーブル）が入った鉄。ロシアの鉄の中でも高級ブランドの一つ。[ 16 ]

品質

丈夫な鉄
「tuf」とも綴られ、脆くなく、道具として使用できるほど強度があります。
ブレンド鉄
異なる種類の銑鉄を混合して製造されます。
最高のアイロン
鉄は積み重ねと圧延のいくつかの段階を経て、（19 世紀に）最高品質とみなされた段階に達します。
マーク付き棒鉄
マークドバー協会の会員によって製造され、その品質の証としてメーカーのブランドマークが付けられています。[ 17 ]

欠陥

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が合計で0.25%未満、スラグ含有量が重量比で2%未満の商業用鉄の一種です。[ 18 ] [ 19 ]

錬鉄は、硫黄を過剰に含む場合、赤短鉄または熱短鉄と呼ばれます。冷間状態では十分な強度がありますが、赤熱状態で曲げたり仕上げたりすると割れが生じます。 [ 5 ] : 7 熱短鉄は商品として流通しないと考えられていました。[ 1 ]

冷短鉄（コールドシア、コルシャーとも呼ばれる）は、過剰なリンを含有しています。冷間時には非常に脆く、曲げると割れてしまいます。[ 5 ]：7, 215 しかし、高温での加工は可能です。歴史的には、冷短鉄は釘には十分であると考えられていました。

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含まれていないこと、そして製錬中にリン含有量の高い木材を意図的に使用していたため、現代の鉄（<0.02～0.03%）よりもリン含有量が高く（通常<0.3%）、鉄のリン含有量は0.02～0.03%でした。 [ 1 ] [ 20 ]デリーの鉄柱の分析では、鉄中のリン含有量は0.11%でした。[ 1 ] : 69 錬鉄に含まれるスラグは耐食性も付与します。

炭素鋼が大量生産されていた時代に製造されたアンティークミュージックワイヤーは、炭素含有量が低くリン含有量が高いことが分かりました。リン含有量の高い鉄は通常、冷間加工すると脆くなりますが、ミュージックワイヤーには簡単に引き抜くことができました。[ 21 ]当時、リンは鉄の成分として簡単に特定できませんでしたが、この種類の鉄は鋼への変換には不合格だったものの、引き抜き加工のテストでは優れた特性を示したと推測されました。[ 21 ]

歴史

中国

漢王朝（紀元前202年-紀元後220年）の間に、新たな鉄の製錬方法によって、多管式種まき機や鉄製の鋤など、農業用の新しい錬鉄製の器具が製造されるようになりました。[ 22 ]古代中国のキューポラ炉に過剰に空気を注入することで偶然生成された低炭素錬鉄の塊に加えて、古代中国では少なくとも紀元前2世紀までには精錬炉を使用して錬鉄が作られており、鋳鉄と銑鉄を精錬して錬鉄と鋼にした最も古い標本は、初期漢王朝の鉄生果遺跡で発見されています。[ 23 ] [ 24 ] : 186 ピゴットは、中国からその時代の錬鉄製品が出土していること、また、中国で鋳塊炉が使われていたことを示す文書化された証拠がないことなどから、その前の戦国時代(紀元前 403-221 年) には精錬炉が存在していたと推測している。 [ 24 ] : 186–187 精錬工程では、精錬炉で鋳鉄を液化し、酸化によって溶けた鋳鉄から炭素を取り除くことが行われていた。[ 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、西暦 1 世紀から 2 世紀の山東省の墓の壁画にも精錬炉の絵画的証拠があり、また、西​​暦 4 世紀の道教の文献『太平経』にも文書による証拠のヒントがあると書いている。[ 25 ]

西洋世界

1637 年に出版された宋応興の『天宮開鑿』百科事典に描かれた、銑鉄から錬鉄を作るために鉄鉱石を精錬するパドル法。

錬鉄は何世紀にもわたって使用され、西洋史において「鉄」と言及されるのは錬鉄です。もう一つの鉄である鋳鉄は、古代中国では既に使用されていましたが、西ヨーロッパに導入されたのは15世紀になってからでした。当時でさえ、その脆さゆえに限られた用途にしか使用できませんでした。中世の大部分において、鉄は手作業の塊鉄炉で鉱石を直接還元することによって生産されていましたが、 1104年には水力発電が利用され始めていました。[ 26 ]

すべての間接製法で生産される原料は銑鉄です。銑鉄は炭素含有量が高いため脆く、金物の製造には適していません。オスモンド法は間接製法の最初のもので、1203年までに開発されましたが、その後も多くの地域で塊鉄生産が続けられました。この製法は高炉の開発に依存しており、その中世の事例はスウェーデンのラフィッタンとドイツで発見されています。

15世紀以降、ブルーマリー法とオズモンド法は徐々に精錬法に取って代わられました。精錬法にはドイツ法とワロン法の2種類がありました。さらに18世紀後半には、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法などの派生法も登場しました。これら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ません。

ブルームリープロセス

錬鉄は元々、様々な製錬法によって生産されていました。今日ではこれらはすべて「ブルームリー」と呼ばれています。ブルームリーには、場所や時代によって様々な形態のもの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装填され、点火されます。羽口から空気が吹き込まれ、鉄の融点よりわずかに低い温度まで加熱されます。製錬の過程でスラグが溶融して流出し、木炭からの一酸化炭素が鉄鉱石を還元して鉄となり、鉄と鉱石から溶融したケイ酸塩鉱物（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、炭素が鉄に溶解して銑鉄や鋳鉄になりますが、これは本来の目的ではありません。しかし、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、一酸化炭素濃度の上昇も防ぎました。[ 1 ] : 46–57

製錬が完了すると、ブルームが取り除かれ、再びプロセスが開始されました。これは高炉のような連続プロセスではなく、バッチプロセスでした。ブルームを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ました。[ 1 ]：62–66

中世には、水力が製鉄工程に応用された。おそらく最初はふいごの動力として、そして後には鋳片を鍛造するためのハンマーに利用されたと考えられる。しかし、水力が使われたことは確かであるものの、詳細は不明である。[ 1 ]：75–76 これが直接製鉄法の集大成であった。この方法は、スペインと南フランスではカタルーニャ・フォージズとして19世紀半ばまで、オーストリアではスタックオーフェンとして1775年まで、[ 1 ]：100–101 、イギリスのガルスタング近郊では1770年頃まで存続した。[ 27 ] [ 28 ]ニューヨークでは1880年代にも熱風炉と共に使用されていた。 [ 29 ]日本では、主に刀剣製造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の最後のものは1925年に消滅したが、20世紀後半に職人の刀剣職人に鋼を供給するために小規模で生産が再開された。

オズモンド過程

オスモンド鉄は、銑鉄を溶かしてその滴を棒で捕らえ、できるだけ空気に触れさせて炭素分を酸化させるようにして作られた錬鉄の球体でした。[ 30 ]結果として得られた球体は、ハンマーミルで棒鉄に鍛造されることがよくありました。

仕上げ工程

15世紀には、高炉は現在のベルギーに広がり、そこで改良されました。そこからノルマンディーとの境界にあるペイ・ド・ブレイ地方を経て、イングランドのウィールド地方へと広がりました。それに伴い、精錬炉も普及しました。精錬炉は銑鉄を再溶解し、（実質的に）炭素を燃焼させてブルーム（鋼片）を生成し、これを鍛造して棒鉄に加工しました。棒鉄が必要な場合は、スリットミルが使用されました。

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、そしてスウェーデンの一部では、ワロン法のみが用いられていた。この方法では、鉄を仕上げるための精錬炉と、ブルームを棒状に引き抜く過程で再加熱するためのチェーファリー炉という、2つの異なる炉が用いられた。精錬炉は常に木炭を燃焼させたが、チェーファリー炉は固体鉄であれば不純物が鉄に悪影響を与えないため、石炭で燃焼させることができた。一方、ドイツ、ロシア、そしてスウェーデンの大部分で用いられたドイツ法では、全工程で単一の炉が用いられた。[ 31 ]

1709年、エイブラハム・ダービー（あるいはそれより少し前に他の研究者も）が高炉用のコークスを導入しましたが、当初は錬鉄生産にほとんど影響を与えませんでした。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年代になってからでした。しかし、精錬炉の燃料としては木炭が引き続き使用されました。

ポッティングとスタンピング

1750年代後半から、鉄工たちは木炭を使わずに棒鉄を製造する方法の開発を始めました。この方法には、今日ではポッティングとスタンピングと呼ばれる、特許取得済みの方法が数多くありました。最も初期のものは、ウェンズベリーのジョン・ウッドと、エグレモントのロー・ミルのチャールズ・ウッド兄弟によって開発され、1763年に特許を取得しました。 [ 32 ] : 723–724 もう一つの方法は、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ました。[ 33 ]もう一つの重要な方法は、ウェスト・ブロムウィッチのジョン・ライトとジョセフ・ジェッソンによるものでした。[ 32 ] : 725–726

パドリングプロセス

パドル炉の概略図

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方法が数多く考案された。その中で最も成功したのは、ヘンリー・コートが1784年に発明したパドル炉（反射炉の一種）を使ったパドル法だった。 [ 34 ]これは後にジョセフ・ホールなど他の人たちによって改良され、ホールは初めて投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、不純物で汚染されない。燃焼生成物の熱はパドルの表面を伝わり、炉の天井で熱が炉の火橋にある金属パドルに反射（反射）される。

原料が白鋳鉄でない限り、銑鉄やその他のパドル処理で得られた原料は、まず精錬鉄、つまりファイナーズメタルに精錬する必要がありました。これは精錬所で行われ、そこでは原料石炭を用いてシリコンを除去し、原料中の黒鉛状の炭素を鉄と結合したセメンタイトへと変換します。

ホール法が完成すると、この金属はパドル炉の炉床に投入され、そこで溶解されました。炉床はヘマタイトや酸化鉄などの酸化剤で覆われていました。[ 35 ]混合物は強い空気流にさらされ、パドルバーまたはラブルと呼ばれる長い棒で攪拌されました。[ 36 ] : 165 [ 37 ]作業扉を通して攪拌されました。[ 38 ] : 236–240 空気、攪拌、そして金属の「沸騰」作用は、酸化剤が銑鉄中の不純物と炭素を酸化するのを助けました。不純物は酸化されると溶融スラグを形成するか、ガスとなって漂流し、残りの鉄はスポンジ状の錬鉄に固まり、パドルの上部に浮かび上がり、パドルバーを用いてパドルボールとして溶湯から引き上げられました。[ 35 ]

シングルリング

パドルボールにはまだスラグが残っていたため、まだ熱いうちにシングルリング[ 39 ]を施し、残りのスラグと燃え殻を取り除きました[ 35 ] 。これは、ボールをハンマーで鍛造するか、機械でブルームを圧縮することで行われました。シングルリングの最後に得られた物質はブルームと呼ばれます[ 39 ] 。ブルームはそのままでは役に立たないため、最終製品に圧延されました。

ヨーロッパの製鉄所では、シングルリング工程を完全に省略し、パドルボールを転造することもありました。この方法の唯一の欠点は、粗鋼の端が十分に圧縮されないことです。粗鋼が再加熱されると、端が剥がれて炉の中に失われる可能性がありました。[ 39 ]

ローリング

ブルームはローラーに通されて棒鋼が製造されました。錬鉄の棒鋼は品質が悪く、マックバー[ 39 ] [ 36 ] : 137 またはパドルバー[ 35 ]と呼ばれていました。品質を向上させるために、棒鋼は切断され、積み重ねられ、ワイヤーで結束されました。この工程はファゴッティングまたはパイリングとして知られています。 [ 39 ]その後、溶接状態まで再加熱され、鍛造溶接され、再び棒鋼に圧延されました。この工程を数回繰り返すことで、目的の品質の錬鉄を製造することができました。複数回圧延された錬鉄は、マーチャントバーまたはマーチャントアイアンと呼ばれます。[ 37 ] [ 40 ]

ランカシャー法

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した。しかし、石炭が不足していたスウェーデンでは、この利点はあまりありませんでした。グスタフ・エクマンはウルヴァーストンで木炭の製錬所を見学しましたが、それはスウェーデンのどの製錬所とも全く異なっていました。1830年代にスウェーデンに戻った後、彼はパドル法に似た方法で、薪と木炭を使用する製錬法を実験・開発しました。この製錬法はその後数十年にわたり、ベルグスラゲン（ベルグスラゲン）で広く採用されました。 [ 41 ] [ 14 ] : 282–285

アストンプロセス

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ました。このプロセスは、ベッセマー転炉から溶鋼を取り出し、より冷たい溶融スラグに注ぐというものでした。鋼の温度は約1500℃で、溶融スラグは約1200℃に保たれます。溶鋼には大量の溶存ガスが含まれているため、溶融鋼が溶融スラグのより冷たい表面に接触すると、ガスが放出されます。その後、溶鋼は凝固し、約1370℃のスポンジ状の塊となります。[ 35 ]このスポンジ状の塊は、上記のパドリングで説明したように、重ね塗りと圧延によって仕上げられます。この方法では、1バッチあたり3～4トンの鋼を転炉で処理することができました。[ 35 ] [ 42 ]

衰退

1865年以降、ベッセマー法が鉄道レールの製造に採用されるとすぐに、鉄に代わって鋼が使用されるようになった。1880年代まで、構造用途では鉄が主流であったが、これは窒素の混入、高炭素、過剰リン、あるいは圧延中の高温や急速すぎる圧延による脆化の問題が生じたためである。 [ 9 ] : 144–151 [注 2 ] 1890年までに、構造用途では鉄がほぼ鋼に取って代わった。

鉄板（アームコ99.97%純鉄）は、ホーロー加工や溶接に適しており、錆びにくいという特徴があり、家電製品に使用するのに優れた特性を持っていました。[ 9 ]：242

1960年代には、リサイクルにより鉄鋼生産の価格が下落し、アストン法を用いても錬鉄生産は労働集約的であった。錬鉄の生産コストは低炭素鋼の約2倍であると推定されている。[ 7 ]アメリカ合衆国では、最後の工場が1969年に閉鎖された。[ 7 ]世界最後の工場はイギリスのボルトンにあったトーマス・ウォルムズリー・アンド・サンズのアトラス・フォージで、1973年に閉鎖された。1860年代の設備は保存のため、アイアンブリッジ渓谷博物館のブリストル・ヒルの敷地に移された。[ 43 ]一部の錬鉄は現在でも文化遺産の修復目的で生産されているが、スクラップのリサイクルのみである。

プロパティ

錬鉄の微細構造。フェライト中の暗いスラグ介在物を示す。

錬鉄には1平方インチあたり約25万個のスラグ介在物（ストリンガー）が含まれており、他の鉄金属には見られない特性を持っています。[ 7 ]新鮮な破砕片は、絹のような光沢と繊維状の外観を持ち、澄んだ青みがかった色をしています。

錬鉄には熱処理による硬化に必要な炭素含有量が不足しているが、鋼が一般的ではなかったり知られていなかったりする地域では、工具を冷間加工して硬化させることがあった（したがって冷間鉄）。炭素含有量が低いことの利点は、溶接性に優れていることである。[ 7 ]さらに、錬鉄板は冷間加工しても鋼板ほど曲げることができない。[ 44 ] [ 45 ]錬鉄は溶かして鋳造することができるが、溶解すると錬鉄の特徴であるスラグストリンガーが消失するため、その製品はもはや錬鉄ではなく、不純な鋳造ベッセマー鋼に似ている。より安価な鋳鉄や鋼を使用する場合と比べて、錬鉄を溶かして鋳造することには工学的利点はない。[ 46 ] [ 47 ]

鉄鉱石の産地や製鉄方法の多様性により、錬鉄は他の鉄合金に比べて耐食性が劣ったり優れたりすることがある。[ 7 ] [ 48 ] [ 49 ] [ 50 ]耐食性の背後には多くのメカニズムがある。チルトンとエバンスはニッケルの濃縮帯が腐食を減らすことを発見した。[ 51 ]彼らはまた、パドル処理、鍛造、堆積処理された鉄では、金属の加工により銅、ニッケル、スズの不純物が広がり、腐食を遅らせる電気化学的条件が生まれることを発見した。[ 49 ]スラグ介在物は腐食を均一な膜に分散させることが示されており、鉄が孔食に耐えられるようにしている。[ 7 ]別の研究では、スラグ介在物が腐食の経路になることが示されている。[ 52 ]他の研究では、錬鉄中の硫黄が耐食性を低下させ、[ 50 ]リンが耐食性を高めることがわかっている。[ 53 ]塩化物イオンは錬鉄の耐食性を低下させる。[ 50 ]

錬鉄は軟鋼と同じ方法で溶接できますが、酸化物や介在物が存在すると不良な結果になります。[ 54 ] 錬鉄は表面が粗いため、滑らかな鋼よりもメッキやコーティングがよく付きます。例えば、錬鉄に施された電気亜鉛メッキは、鋼に施された同じメッキよりも約25～40%厚くなります。[ 7 ]表1では、錬鉄の化学組成を銑鉄および炭素鋼の化学組成と比較しています。錬鉄と普通炭素鋼の化学組成は似ているように見えますが、それは誤解です。錬鉄に含まれるマンガン、硫黄、リン、シリコンのほとんどはスラグ繊維に取り込まれるため、錬鉄は普通炭素鋼よりも純粋になります。[ 39 ]

表1：銑鉄、普通炭素鋼、錬鉄の化学組成の比較
材料鉄炭素マンガン硫黄リンシリコン
銑鉄91～943.5～4.50.5～2.50.018～0.10.03～0.10.25～3.5
炭素鋼98.1～99.50.07～1.30.3～1.00.02～0.060.002～0.10.005～0.5
錬鉄99～99.80.05～0.250.01～0.10.02～0.10.05～0.20.02～0.2
すべての単位は重量パーセントです。出典：[ 39 ]
表2：錬鉄の特性
財産価値
最大引張強度 [psi (MPa)] [ 55 ]34,000～54,000 (234～372)
極限圧縮強度 [psi (MPa)] [ 55 ]34,000～54,000 (234～372)
最大せん断強度 [psi (MPa)] [ 55 ]28,000～45,000 (193～310)
降伏点 [psi (MPa)] [ 55 ]23,000～32,000 (159～221)
弾性係数（引張）[psi (MPa)] [ 55 ]28,000,000 (193,100)
融点 [°F (°C)] [ 56 ]2,800 (1,540)
比重 7.6～7.9 [ 57 ]
7.5～7.8 [ 58 ]

錬鉄は、他の特性の中でも、赤熱すると柔らかくなり、容易に鍛造や鍛造溶接が可能です。[ 59 ]一時的な磁石の形成に使用できますが、永久に磁化することはできません。[ 60 ] [ 61 ]また、延性、展性、靭性を備えています。[ 39 ]

延性

多くの場合、錬鉄の品質を測る指標としては、引張強度よりも延性の方が重要です。引張試験において、最高品質の錬鉄は破断するまでにかなりの伸びを示します。引張強度が高い錬鉄は脆くなります。

1800年代初頭、蒸気船のボイラー爆発事故が多発したため、米国議会は1830年に問題解決のための資金拠出を承認する法案を可決した。財務省はフランクリン研究所に1500ドルの契約を交付し、調査を依頼した。この調査の一環として、ウォルター・R・ジョンソンとベンジャミン・リーブスは、スウェーデンのラガーヘルムの設計に基づいて1832年に製作した試験機を用いて、ボイラー用鉄の強度試験を実施した。しかし、引張強度と延性に関する誤解があったため、彼らの研究は事故の減少にほとんど役立たなかった。[ 5 ]

延性の重要性はチューブボイラーの開発の初期から一部の人々によって認識されており、サーストンのコメントからもそれが明らかです。

もし製造者が主張するように「鉛のように働く」良質の鉄で作られていれば、破裂した際には裂けて中身が漏れ出し、ボイラー爆発のような通常の悲惨な結果を引き起こすことはないはずだ。[ 62 ]

19世紀における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、あるいはボイラーの圧力逃し弁の欠陥により圧力と水位の信頼できる指標が得られなかったことなど、多岐にわたることが判明した。製造不良もまた、よくある問題であった。[ 63 ]また、蒸気ドラムの鉄板の厚さは、現代の基準からすると薄かった。

19世紀後半には冶金学者が良質な鉄を作るための特性と工程をより深く理解できるようになり、蒸気機関における鉄は鋼鉄に置き換えられ、一方、火管式の古い円筒形ボイラーは、本質的に安全な水管式ボイラーに置き換えられていった。[ 63 ]

純度

2010年、ジェリー・マクドネル[ 64 ]はイギリスで、伝統的な製錬法で得られた錬鉄ブルームを分析した結果、炭素の痕跡が全くない純度99.7%の鉄に加工できることを実証しました。他の錬鉄に見られるようなストリンガー（鉄筋）が存在しないことが分かり、鍛冶屋にとって非常に可鍛性が高く、熱間加工と冷間加工の両方において優れた加工性を示しました。純鉄は商業的に入手可能であり、鍛冶屋は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利用しています。

アプリケーション

錬鉄製家具の歴史は古く、ローマ時代にまで遡ります。ロンドンのウェストミンスター寺院には13世紀の錬鉄製の門があり、英国における錬鉄製家具の人気は17世紀、ウィリアム3世とメアリー2世の治世中にピークを迎えたようです。しかし、鋳鉄や安価な鋼鉄の出現により、錬鉄製造は徐々に衰退し、英国最後の錬鉄工場は1974年に閉鎖されました。

また、パンラック、ワインラック、ポットラック、エタジェール、テーブルベース、デスク、ゲート、ベッド、キャンドルホルダー、カーテンレール、バー、バースツール などの家庭装飾品の製造にも使用されます。

今日入手可能な錬鉄の大部分は再生材料から作られています。港湾から浚渫された古い橋や錨鎖が主な供給源です。錬鉄の優れた耐食性は、鉄鉱石に自然に含まれる珪酸質不純物、すなわち第一鉄珪酸塩によるものです。[ 65 ]

門扉やフェンス業界では、これらの「錬鉄」門の製造には軟鋼が使用されているにもかかわらず、錬鉄は数十年にわたり総称として使われてきました。 [ 66 ]これは主に、真の錬鉄の入手性が限られているためです。また、鋼は腐食を防ぐために溶融亜鉛メッキを施すこともできますが、錬鉄ではこれは不可能です。

参照

注記

  1. ^これらの項目の一部はGordon, RB (1996) [ 5 ]に記載されています。
  2. ^ Misa, TJ (1995)より: [ 9 ]「レールの品質問題によりベッセマー鋼の評判は悪くなり、技術者や建築家は構造用途への指定を拒否した。平炉鋼の評判は良く、1889年までに構造用鉄に取って代わった。」

参考文献

  1. ^ a b c d e f g h Tylecote, RF (1992). 『冶金学の歴史（第2版）』ロンドン: Maney Publishing, 材料研究所. ISBN 978-0901462886。
  2. ^ 「錬鉄 - 特性、用途」 Azom.com AZoNetwork 2013年8月13日. 2019年10月27日閲覧。
  3. ^ Alex Walter (2018年10月31日). 「What is wrought iron?」 . Mechanical Site . 2019年10月27日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2019年10月27日閲覧。
  4. ^ 「錬鉄とは何か？」 Iron Gates N Railings Ltd. 2017年。 2023年2月7日時点のオリジナルよりアーカイブ。2019年10月27日閲覧。
  5. ^ a b c d eロバート・B・ゴードン（1996年）『アメリカの鉄 1607–1900』ボルチモアおよびロンドン：ジョンズ・ホプキンス大学出版局。ISBN 0-8018-6816-5。
  6. ^ 「鍛鉄：夢のパティオ家具」cnetレビュー。2010年1月23日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2009年9月29日閲覧。
  7. ^ a b c d e f g h iダニエル・トッド「錬鉄に関する混乱を解消する」 Fabricator誌1993年11/12月号、NOMMA、38ページ。2020年11月24日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2019年10月27日閲覧。
  8. ^ 「Wrought」 .アメリカで最も信頼されているオンライン辞書、メリアム・ウェブスターの辞書. メリアム・ウェブスター. 2020年11月27日閲覧。
  9. ^ a b c dミサ、トーマス・J. (1995). 『鋼鉄の国家：近代アメリカの形成 1865–1925』 ボルチモア：ジョンズ・ホプキンス大学出版局. ISBN 9780801849671。
  10. ^イムホフ、ウォレス・G. (1917). 「高炉鉄鉱石としてのパドルシンダー」 .クリーブランド工学会誌. 9 (621.76): 332.
  11. ^スコファーン、ジョン（1869年）『有用金属とその合金』（第5版）Houlston & Wright社、6ページ。
  12. ^マッカーサー、ヒュー、スポルディング、ダンカン (2004).工学材料科学：特性、用途、劣化、修復. Horwood Publishing. p. 338. ISBN 978-1-898563-11-2。
  13. ^ Campbell, Flake C. (2008).冶金学と工学合金の要素. ASM International. p. 154. ISBN 978-0-87170-867-0。
  14. ^ a bエヴァンス、C.; ライデン、G. (2007). 『18世紀の大西洋世界におけるバルト海鉄』ボストン、マサチューセッツ州: ブリル社ISBN 9789004161535。
  15. ^ a b c Childs, WR (1981). 「15世紀におけるイングランドの鉄鋼貿易」.経済史評論. 第2版. pp.  25– 47.
  16. ^ Kahan, A. (1985). 『鋤、槌、鞭打ち：18世紀ロシアの経済史』シカゴ大学出版局. ISBN 9780226422534。
  17. ^マトン、ノーマン（1976年）「マークド・バー協会：ブラック・カントリーの錬鉄産業における価格規制」ウェスト・ミッドランド研究（第9版）  2～ 8頁。
  18. ^ Baumeister; Avallone; Baumeister (1978). Marks' Standard Handbook for Mechanical Engineers (8th ed.). McGraw Hill. pp.  6– 18, 17. ISBN 978-0-07-004123-3。
  19. ^「錬鉄」.ブリタニカ百科事典（2009年デラックス版）. シカゴ. 2009年.{{cite encyclopedia}}: CS1 メンテナンス: 場所の発行元が見つかりません (リンク)
  20. ^ 「炭素鋼の特性に対するリンの影響：パート1」 Total Materia、2007年10月。 2019年10月27日閲覧。
  21. ^ a b Goodway, Martha (1987年5月). 「アンティーク鉄製ミュージックワイヤー中のリン」. Science . 236 (4804): 927– 932. Bibcode : 1987Sci...236..927G . doi : 10.1126/science.236.4804.927 . PMID 17812747. S2CID 45929352 .  
  22. ^カー、ゴードン（2013年）『中国小史』ポケットエッセンシャルズ、ISBN 978-1842439692。
  23. ^ニーダム、ジョセフ (1995). 「第3部：スパジリカルな発見と発明：辰砂エリキシルから合成インスリンまでの歴史的概観」. 『中国の科学と文明』第5巻：化学と化学技術. ケンブリッジ大学出版局. 105ページ. ISBN 9780521210287。
  24. ^ a b cピゴット、ヴィンセント・C. (1999). 『アジア旧世界の考古冶金学』 ペンシルベニア大学考古学博物館. ISBN 9780924171345。
  25. ^ワグナー、ルドルフ・G. (2001).中国評論家の技巧：王弼の『老子』論. pp.  80– 83.
  26. ^ Lucas, A. (2006).風、水、労働：古代および中世の製粉技術. ライデン（オランダ）およびボストン（マサチューセッツ州）: ブリル. pp.  251– 255, 347.
  27. ^リチャード・ポコック著、JJカートライト編『1750年、1751年、そしてその後のイングランド旅行記』、カムデン協会誌42、1888年、13ページ。
  28. ^ Lewis, W. (1775). 『鉄の化学と鉱物の歴史』（カーディフ中央図書館所蔵原稿）pp. iv, 76.
  29. ^ポラード、GC (1998). 「19世紀のブルーム鉄生産実験：ニューヨーク州アディロンダック山地の証拠」『Historical Metallurgy』第1号（第32版）pp.  33– 40.
  30. ^ HRシューベルト『紀元前450年から1775年までのイギリス鉄鋼産業の歴史』（Routledge and Kegan Paul、ロンドン、1957年）、299-304ページ。
  31. ^ A. den Ouden、「錬鉄炉における錬鉄の製造」 Historical Metallurgy 15(2) (1981)、63–87および16(1) (1982)、29–32。
  32. ^ a b Morton, GR; Mutton, N. (1967). 「Cortのパドリング法への移行」. Journal of the Iron and Steel Institute . 205 .
  33. ^ Hayman, R. (2004). 「クラネージ兄弟と18世紀の鍛冶技術」. Historical Metallurgy . No. 2 (第28版). pp.  113– 120.
  34. ^ RA Mott（編P. Singer）、 Henry Cort、『The Great Finer』（The Metals Society、ロンドン、1983年）。
  35. ^ a b c d e f Rajput, RK (2000).エンジニアリング材料. S. Chand. p. 223. ISBN 81-219-1960-6。
  36. ^ a b Gale, WKV (1971). 『鉄鋼産業用語辞典』 ニュートン・アボット: デイヴィッド・アンド・チャールズ.
  37. ^ a bオーバーマン、フレデリック（1854年）『鉄の製造、その様々な分野すべて』フィラデルフィア：HCベアード社、pp. 267, 287, 344。
  38. ^ Tylecote, RF (1991). 「産業革命における鉄」.金属における産業革命. ロンドン: 金属学会.
  39. ^ a b c d e f g hキャンプ、ジェームズ・マッキンタイア; フランシス、チャールズ・ブレイン (1920). 『鋼鉄の製造、成形、および処理』 ピッツバーグ: カーネギー鉄鋼会社. pp.  173– 174. ISBN 1-147-64423-3。{{cite book}}:ISBN / 日付の非互換性（ヘルプ）
  40. ^ゲイル, WKV (1967). 『イギリスの鉄鋼産業』 ニュートン・アボット: デイヴィッド・アンド・チャールズ. pp.  79– 88.
  41. ^ Rydén, G. (2005). 「石炭を使わない石炭技術への対応：19世紀スウェーデンの製鉄業」 Rydén, G.、Evans, C. (編著). 『鉄における産業革命：19世紀ヨーロッパにおけるイギリスの石炭技術の影響』アルダーショット：アッシュゲート. pp.  121– 124.
  42. ^アストン、ジェームズ、ストーリー、エドワード・B. (1957). 『錬鉄、その製造、特性、および用途（第4版）』ピッツバーグ：AM Byers Co. OCLC 1966102 . 
  43. ^スミス、スチュアート・B; ゲイル、WKV (1987). 「錬鉄再び：ブリスツ・ヒル製鉄所が正式に開業」『Historical Metallurgy』第1号（第21版）pp.  44– 45.
  44. ^ハズバンド、ジョセフ、ハービー、ウィリアム (1911). 『構造工学』 ニューヨーク: ロングマンズ・グリーン社 p. 21 . 2008年2月22日閲覧。
  45. ^ Byrne, Austin Thomas (1899). Inspection of the Materials and Workmanship Employed in Construction (第1版). New York: John Wiley & Sons. p. 105. 2008年2月22日閲覧。
  46. ^スコファーン、ジョン (1861). 『有用金属とその合金、鉱山換気、鉱山法学、冶金化学を含む』 ロンドン: ハウルストン・アンド・ライト社. p. 328. 2008年2月20日閲覧。
  47. ^ Adams, Henry (1891). Handbook for Mechanical Engineers (2nd ed.). New York: E. & FN Spon. p. 29. 2008年2月20日閲覧。
  48. ^ハドソン、JC、1931〜1943年、「腐食委員会の現場試験報告書」、鉄鋼協会。
  49. ^ a b「Dr. JP Chilton, 1929–2006」（PDF） . 『Material Eyes 』 （2007年春号）. ケンブリッジ大学材料科学・冶金学部：4. 2012年9月1日時点のオリジナル（PDF）からアーカイブ。 2008年11月29日閲覧。
  50. ^ a b c Walker VII, Robert (2002年4月). 「錬鉄の製造、微細構造、および特性」(PDF) . Journal of Chemical Education . 79 (4): 443– 447. Bibcode : 2002JChEd..79..443W . doi : 10.1021/ed079p443 . 2007年9月24日時点のオリジナルよりアーカイブ(PDF) .
  51. ^チルトン＆エヴァンズ、鉄鋼協会誌、1955年
  52. ^ハーヴェイ、L.、「錬鉄の腐食におけるスラグ介在物の役割」、ブラッドフォード大学の博士論文、1996年
  53. ^ Balasubramaniam, R. (2003年1月25日). 「デリーの鉄柱と現代技術との関連性」(PDF) . Current Science . 84 (2): 162–163 . 2009年3月4日時点のオリジナル(PDF)からアーカイブ。 2008年11月29日閲覧。
  54. ^ペンドレッド、ラフ（1945年）『ケンプのエンジニア年鑑』（第52版）ロンドン：モーガン・ブラザーズ、1278頁。ASIN B0033RUEVW。 
  55. ^ a b c d eオバーグ, エリック; ジョーンズ, フランクリン D.; リフェル, ヘンリー H. (2000). マコーリー, クリストファー J. (編). 『機械ハンドブック』（第26版）. ニューヨーク: インダストリアル・プレス, 社. p. 476. ISBN 0-8311-2666-3。
  56. ^スミス、キャロル(1984). 『エンジニア・トゥ・ウィン』 MotorBooks / MBI Publishing Company. pp.  53– 54. ISBN 0-87938-186-8。
  57. ^ 「固体と金属 - 比重」エンジニアリングツールボックス. 2008年2月20日閲覧。
  58. ^ポール、ウィリアム（1872年）『建築材料としての鉄：サウス・ケンジントン王立造船学校で行われた講義の素材』（改訂増補版）ロンドン：E. & FN Spon. pp.  136– 137 . 2008年2月20日閲覧。
  59. ^ Richter, Victor von; Smith, Edgar Fahs (1885). A Text-book of Inorganic Chemistry (2nd ed.). Philadelphia: P. Blakiston, Son & Co. p. 396 . 2008年2月21日閲覧。
  60. ^ Cyclopedia of Applied Electricity . 第1巻. American Technical Society. 1916年. p. 14. 2008年2月21日閲覧。
  61. ^ Timbie, William Henry; Bush, Vannevar (1922). 『電気工学の原理』ニューヨーク: John Wiley & Sons, Inc. pp.  318– 319. 2008年2月21日閲覧。
  62. ^サーストン、ロバート (1878). 「蒸気機関の成長の歴史」 p. 165. 1997年6月29日時点のオリジナルよりアーカイブ。
  63. ^ a bハンター、ルイス・C. (1985). 『アメリカ合衆国の産業動力史 1730-1930』 第2巻 蒸気動力. シャーロッツビル: バージニア大学出版局.
  64. ^ McDonnell, G (2010年9月9日). 「マスタークラフトシリーズのために製錬された鉄に関する冶金学的報告書」.転載（2010年春版）.
  65. ^工業化学。クリシュナ・プラカシャン・メディア。 1991.p. 1645.ISBN​ 8187224991. 2019年7月22日閲覧。
  66. ^ 「錬鉄製フェンスについて知る」 Lone Star、2016年4月8日。 2019年7月12日閲覧。

さらに読む

  • ビーラー、アレックス・W. (1995). 『鍛冶の芸術』 エジソン、ニュージャージー州: キャッスル・ブックス. pp.  28– 45. ISBN 0-7858-0395-5。
  • ゴードン、ロバート・B（1996年）『アメリカの鉄 1607–1900』ボルチモアおよびロンドン：ジョンズ・ホプキンス大学出版局。ISBN 0-8018-6816-5。
  • ウィキメディア・コモンズの錬鉄関連メディア
「 https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Wrought_iron&oldid=1308854616」より取得