原題は『Non-technical chats on iron and steel, and their application to modern industry』、著者は La Verne W. Spring です。
　例によって、プロジェクト・グーテンベルグさまに深謝いたします。

　図版は省略しました。索引が無い場合、それは私が省いたか、最初から無いかのどちらかです。
　以下、本篇。（ノー・チェックです）

*** プロジェクト・グーテンベルク電子書籍「鉄と鋼に関する非技術的な雑談、そして現代産業への応用」の開始 ***
鉄鋼
と現代産業への応用に関する非技術的な雑談
による
ラバーン・W・スプリング、アルバータ州
シカゴのクレーン社、主任化学者兼冶金学者
294点のイラストと図表付き
[ロゴ]
ニューヨーク
フレデリック・A・ストークス社
出版社
著作権 1917年
フレデリック・A・ストークス社
翻訳を含むすべての権利は留保されています
外国語に
に
私の同僚の皆さん
広大な鉄鋼業界において
この本は
愛情を込めて
七
序文
著者は長年、ここに示した興味深いデータを技術的な知識のない形で提示したいと願ってきました。この国の大手鉄鋼会社の一つに数年間勤め、最初は研究所、その後は圧延工場で勤務しました。その間、著者はこの産業に深い愛情を抱き、それは今でも深く根付いています。当時もその後も、余暇を惜しまず、その巨大な工場の様々な場所や、その他可能な限り多くの場所を視察してきました。その中で、この極めて興味深いテーマは、鉄鋼および鉄鋼製品の製造についてこれまでほとんど何も知らなかった人々にとっても、きっと心を奪われるに違いないと感じていました。その後、ねずみ鋳鉄、可鍛鋳鉄、そして鋳鋼に関する研究に携わることで、視野が広がり、恵まれない境遇にある人々ともこれらの興味深い事柄を共有したいという強い思いがさらに強くなりました。

こうしたインスピレーション（そう呼ぶべきならば）こそが、これらの記事の掲載の理由です。ここに転載されている通り、最初の13本は1915年から1916年にかけて、シカゴのクレーン社の機関紙「バルブ・ワールド」に連載されました。筆者は同社と長年関係がありました。これらの記事が大変好評を博したことは大変喜ばしいことです。また、多数の好意的な感想を寄せてくださった手紙は、我々にとって最も有用な金属である鉄の冶金学が極めて幅広い関心を集めているという判断の正しさを証明しています。

本書の記述の中には、詳細がほとんど述べられていない、あるいは例外が設けられており、厳密には正確ではないものがあると指摘する人もいるかもしれない。これは 8確かにその通りですが、著者が意図した目的を達成するために必要な大胆さで主要な事実を際立たせるためには、そうすることが必要不可欠だと考えました。各章は、このテーマの百科事典となることを意図したものではありません。全体を通して、要点のみを提示し、原材料から製品がどのように得られるか、そしてそれらの相互関係を示すことを目指しています。言い換えれば、本書はあくまで概要を示すことを目的としています。さらに深く知りたいという関心を持つ方が参照すべき文献の選択に役立つよう、参考文献を付記しています。

クレーン社のご支援とご協力、そして鉄鋼業界内外の友人たちの温かいご尽力なしには、この小冊子の出版は実現しませんでした。特に、IM・ブレゴウスキー氏、JA・マシューズ氏、C・D・カーペンター氏をはじめとする皆様には、原稿の一部を読み、ご指摘いただき、大変助かりました。また、本書に掲載されている情報や写真をご提供くださった多くの個人および企業の皆様にも、心より感謝申し上げます。

LWS
9
イラストは以下のソースから引用されています。
AM Byers Co.、ピッツバーグ。—National Tube Co.、ピッツバーグ。—US Steel Corporation、ニューヨーク。—Tennessee Coal, Iron & Railroad Co.、アラバマ州バーミングハム。—Shenango Furnace Co.、ピッツバーグ。—Pickands, Mather & Co.、ピッツバーグ。—米国地質調査所。—Wellman-Seaver-Morgan Co.、オハイオ州クリーブランド。—Lackawanna Steel Co.、バッファロー。—Cleveland-Cliffs Iron Co.、ミシガン州イシュペミング。—JH Hillman & Sons Co.、ピッツバーグ。—Harbison-Walker Refractories Co.、ピッツバーグ。—By-Products Coke Corporation、シカゴ。—H. Koppers Co.、ピッツバーグ。—Federal Furnace Co.、シカゴ。—Crucible Steel Company of America、ピッツバーグ。—Crane Co.、シカゴ。—Interstate Iron & Steel Co.、シカゴ。—LaBelle Iron Works、オハイオ州スチューベンビル。—Morgan Construction Company、マサチューセッツ州ウースターの。—JA Matthews。ニューヨーク州シラキュース—マクレインズ システム、ウィスコンシン州ミルウォーキー—アリス チャーマーズ社、ウィスコンシン州ミルウォーキー—JH ウィリアムズ & カンパニー、ニューヨーク—グリフィン ホイール社、シカゴ—US モールディング マシン社、クリーブランド—ブラッドリー マニュファクチャリング社、イリノイ州ブラッドリー (シアーズ ローバック & カンパニー、シカゴ)—スナイダー エレクトリック ファーネス社、シカゴ—コモンウェルス スチール社、セントルイス—ジョン A. クロウリー & カンパニー、デトロイト—イリノイ スチール社、シカゴ—ピカンズ ブラウン & カンパニー、シカゴ—アレクサンダー ウィンチェル著『創造のスケッチ』、ハーパー & ブラザーズ、ニューヨーク—S. グローブス著『鉄の記述的冶金学』—RH サーストン著『工学材料』 John Wiley & Sons、ニューヨーク。—『Chambers’ Encyclopedia』。JB Lippincott、フィラデルフィア。—『Cast Iron in the Light of Recent Research』、WH Hatfield 著。Charles Griffin & Co.、ロンドン。—『Handbook of Chemical Technology』、Wagner-Crookes 社。D. Appleton & Co.、ニューヨーク。—『The Ore Deposits of the United States and Canada』、JF Kemp 著。McGraw-Hill Book Co.、ニューヨーク。—『The Valve World』。Crane Co.、シカゴ。—『The Romance of Steel』、H. Casson 著。AS Barnes & Co.、ニューヨーク。—『The Metallurgy of Steel』、Harbord & Hall 著。Chars. Griffin & Co.、ロンドン。—『Metallurgy of Steel』、HM Howe 著。McGraw-Hill Book Co.、ニューヨーク。—Tomlinson の『Encyclopedia of Useful Arts』 (1854 年)。 G. Virtue & Co., ニューヨーク.—E.G. Carnegie著「Liquid Steel」。Longmans, Green & Co., ニューヨーク.—James Swank著「Iron and Steel in All Ages」。American Iron & Steel Association, フィラデルフィア.—「The ABC of Iron and Steel」。Penton Publishing Co., クリーブランド, O.—「The Iron Age」。David Williams, ニューヨーク.—「The Iron Trade Review」。Penton Publishing Co., クリーブランド, O.—「High Speed Steel」。McGraw-Hill Book Co., ニューヨーク.

11

コンテンツ
章 ページ
私 鉄の初期の歴史 1
II 原材料 17
3 原材料（続き） 37
IV 高炉 52
V 今後の展望 69
6 錬鉄 91
7章 セメンテーションおよびるつぼ鋼 106
8章 ベッセマー鋼 123
9 平炉法 142
X 鋳鉄 160
XI 鋳鉄（続き） 178
12 可鍛鋳鉄 195
13 鋳鋼 214
14 合金鋼 233
15 高速度鋼 240
16 鋼の機械的処理 245
17 圧延工程 259
18世紀 ロッドの転がし 277
19 ワイヤーとワイヤードローイング 284
XX パイプとチューブの製造 292
21 シームレス鋼管の製造 302
XXII 鋼の変態と構造 310
XXIII 鉄-炭素合金の平衡図 335
参考文献 350
索引 355
鉄鋼に関する非技術的な雑談
1
第1章
鉄の初期の歴史

先史時代の人間

想像の中で、昔の鉄工師が、空気取り入れ口のスリットと竹のノズルが付いたヤギ皮で作られた 2 つの粗雑なふいごの間にある作業台にあぐらをかいて座り、それらを交互に動かして、炉として使われていた粘土の塊の側面の穴に哀れなほど小さな空気の流れを送り込んでいる姿を思い浮かべると、私たちは彼の忍耐力に驚かされます。そして、そのような長時間の努力の後で、彼が得た報酬は、わずか数ポンドの鉄でした。

これと、高さ100フィートにも及ぶ現代の高炉、4つの巨大な加熱炉、毎分5万立方フィートの送風を炉に送り込む巨大な送風エンジン、そしてこの現代の冶金装置の王様の必須設備である集塵機、ガス洗浄機、そして自動鉱石・コークス処理装置の数々を比べてみてください。 2古代の炉の出力は、今日のこの巨大な炉の 1 日の産出量 500 トンと比べると驚異的です。

これはどうして起こったのでしょうか?

最初のカミソリ

何世紀も遡ると、何千年も前の時代、原始人は洞窟などの粗末な住居に住み、現在私たちが不可欠と考えるような道具を全く持っていなかったことが分かります。野獣や好戦的な隣人から妻や子供たちを守るために使われた武器は、棍棒、おそらく骨や貝殻の先端が付いた木製の槍、そして割った石を皮紐で括り付けた斧でした。彼らは巧妙な罠と粗雑な武器を駆使して、家族を養うための獲物や魚を確保していました。

彼は頻繁に髭を剃ることはなかった。妻は現代の女性ほど彼の外見にこだわっていなかったからだ。しかし、髭を剃る必要がある時は、貝殻の破片が彼の剃刀代わりになった。良妻は、粗末な衣服を作るための皮を縫い合わせるための鋼鉄の針を持っていなかった。彼女が夫の靴下を繕ったかどうかは記録に残っていないし、客間のテーブル用の「ドイリー」を作るのに鋼鉄のかぎ針を使ったこともなかった。

野生の狩猟肉、果物、ベリー類に加えて穀物が加わると、平らな石の間で砕いたり、石臼ですり潰したりした。火は、乾いた木片を2本、長時間、骨の折れる作業で回転させたり擦り合わせたりして起こした。彼は石の手斧を使い、火で木片を焼き尽くすことで、倒木の幹からカヌーを作り上げていた。

これは「石器時代」であり、鉄と鋼は知られておらず、何千年もの間聞かれることもありませんでした。

世界の様々な地域で、銅は常に「天然」、つまり金属の形で存在し、土や鉱石として他の元素と結合していない状態で存在してきました。 3何世紀も経ち、人類はついに、この柔らかい赤い金属を叩いて薄い刃の道具を作ることができ、祖先から教えられた石の道具よりも便利な道具を作ることができることを知った。これらの金属の道具の中には、偶然あるいは意図的に錫が含まれていたために硬く、かなり切れ味のよいものもあった。そして、20世紀に埋もれていた青銅の道具が発見され、その粗雑な合金をこれほどまでに素晴らしいと感じ、「失われた銅の焼き入れの技術」と敬虔に語るとは、夢にも思わなかった。

石器時代の道具

金もまた、彼が知るようになったのは、それが「自然発生的」に産出するためです。金の融点は低かったため、装飾品や偶像、その他の宗教的な用途の品々に加工することができました。しかし、「石器時代」の数百世紀、そしてその大半の「青銅器時代」においては、銅、青銅、そして金だけが使われていました。鍛冶屋たちはこれらの金属の鋳造と成形に非常に熟練していましたが、鉄や鋼についてはまだ知りませんでした。

青銅器時代の道具

幾世紀にもわたって、彼らの周りには、色とりどりの土や岩石のように、様々な金属の鉱石が転がり込んでいた。彼らは、すぐそばにある重たい赤土、黄土、黒土などから、適切に処理すれば、最も有用な金属である鉄が得られるとは夢にも思っていなかった。そのような物質の存在を知る者さえいなかった。なぜなら、銅や金とは異なり、鉄は「自由」な状態では存在せず、あまりにも多くの元素を含んでいるからだ。 4他の元素、例えば空気中の酸素と化学的に結合しやすい性質があり、湿気の多い気候では容易に「鉄錆」を形成します。さらに、その融点が高く、鉱石から「還元」するには大量の熱と炭素が必要となるため、過去数千年の間、鉄は産出されませんでした。

鉄を溶かすための原始的な炉

しかしある日、豊富な鉱石、高熱、そして木炭として得られる大量の炭素という幸運な偶然が重なり、強風で激しく燃えた薪の山の下に、金属鉄の塊ができました。この新しい重金属は、二つの石の間に挟んで砕くと、展性があり、これまで知られていたどんな槍の穂先よりも優れたものに加工できました。誰もが興味を持ち、観察力のある者はすぐに、特定の土壌からこの新しい金属、鉄が得られることを「発見」しました。

鉄の抽出技術はゆっくりと広がり、職人たちは互いに学び合いました。多くの地域で豊富な鉱石が埋蔵されていたため、鉄の生産はますます一般的になりました。これは一つの国だけでなく、エジプト、カルデア、ボルネオ、インド、中国など、多くの国でほぼ同様の製法と粗雑な炉が使われるようになったことが、証拠から明らかです。

トバル・カインは、紀元前4000年頃の人物とされ、聖書では「鉄と真鍮の職人」として言及されており、錬鉄製のくさびが紀元前3500年頃にクフ王のピラミッドに埋められていた。このくさびは 5最近発見され、現在は大英博物館の所蔵となっています。中国ではキリスト教時代より何世紀も前から鉄が利用されていましたが、この金属を本当に大規模に利用したのはアッシリア人だと考えられています。

インド、デリーの柱

インドのデリーにある、今なお驚くほど良好な保存状態で残る話題の柱は、高さ22フィート（約7.7メートル）あり、複数の錬鉄製の部材を巧みに溶接して作られています。地元の人々はこれを宗教的な畏敬の念をもって崇めているため、冶金学者による徹底的な調査や化学分析は未だに不可能です。建立年代は不明瞭ですが、西暦4世紀か5世紀頃と考えられています。

しかし、現代の視点から見ると、初期の製鉄炉は奇妙なものでした。初期のものは、丘の頂上に鉱石と木材、あるいは木炭を積み上げ、爽やかな風が熱い火を起こす程度でした。後に、最も粗雑なふいごが発明されると、粘土の山の側面に小さな穴を開けて製錬が行われ、森林の木から作った木炭が燃料として使われました。実際、この種の炉は今もなお存在し、西インドなどの見過ごされた地域で稼働しており、数時間の退屈な作業を経て、5ポンドから100ポンドほどの小さな鉄球を生産しています。

ローマ人がブリテン島（現在のイングランド）を侵略したとき、彼らは 6イギリス人はブルームリーと呼ばれる粗雑な炉で鉄を製造していましたが、エリザベス女王の時代まで、規模の拡大を除いて大きな進歩はありませんでした。当時、燃料用としてはまだ生産されていなかった、よく知られている木炭やコークスの生産のために伐採されていた森林の破壊を防ぐために厳しい法律を制定する必要がありました。

ミレディの針

カタラン・フォージ

しかし、現代の高炉の真の先駆けは、スペイン北部カタルーニャ地方で開発され、その起源となったカタルーニャ式高炉でした。しかし、カタルーニャ式高炉をはじめとする、これまで説明したものも含め、初期の原始的な高炉はすべて、現在「錬鉄」として知られる様々な種類の鉄を生産していました。現代の「鋳鉄」は、1350年頃まで現れませんでした。この頃、ドイツ人は大型の高炉、過剰な木炭、より高い熱、そしてその他の好条件を用いて、粘り気があり溶けにくい金属に炭素を十分に吸収させ、容易に溶けるようにできることを発見しました。 これが秘密でした。

簡単に言えば、鉄鉱石、つまり本質的には天然の「鉄サビ」は、金属である鉄が、私たちが呼吸する空気の5分の1を構成するガスである酸素の強力な化学的結合によって保持されたものです。ご指摘のとおり、この組み合わせによって物質が形成されます。 7鉄も酸素も全く異なる物質ですが、どちらも化学的手法によって鉱石から再生することができます。高熱（ちなみに、これは化学的手法の一つです）の影響下では、この鉄の束縛は炭素によって破られます。炭素の最も身近な例としては、ランプブラック、グラファイト、木炭、コークスなどが挙げられます。その結果、昔の小さく粗雑で非効率な炉では、期待はずれに小さな粗鉄の塊ができました。最高熱でも粘り気がありほとんど溶けず、冷めると柔らかく展性がありました。前述のように、これは現在一般的に「錬鉄」と呼ばれているものの一種でした。

イタリアのトロンペ（水吹き機）を備えたカタルーニャの鍛冶場

古代人はここまで到達した。

しかし、これは「鋳鉄」ではありませんでした。高温の炉の中に、鉱石中の酸素と結合するのに十分な量を超える量の炭が存在すると、遊離した鉄は貪欲にも余分な炭素を吸収し、その性質を変えてしまいます。それまでは、はるかに高い温度、いや白熱状態でさえ粘り気があり硬かった鉄は、非常に流動性を持つようになりました。この液体鉄は「鋳造」、つまり鋳型に流し込むことで、様々な用途に使える形に成形することができました。そのため、この性質から「鋳鉄」と呼ばれるようになりました。

例えば、私たちのキッチンレンジにある脆い金属（鋳鉄）は、金属の初期の可鍛性形態に過ぎない。 8鋳鉄は、その組成中に炭素（3.5～5%）を過剰に含有する、あるいは多量に含有する。この超炭素含有量が、高温時の流動性と冷間時の極度の脆性をもたらす。現代の鋳鉄には他にも重要な成分が含まれていることは事実だが、ここではそれらについて触れる必要はない。

古代人は錬鉄の球状鋼までしか到達できなかったと言われています。しかし、インドの「ウーツ鋼」、シリアの「ダマスカス鋼」、そして後にスペインの「トレド鋼」といった、非常に優れた刀身鋼が示すように、彼らは実際にはさらに進歩していました。彼らはこれらの鋼を、非常に小さな密閉坩堝で、豊富な鉱石を適量の炭素（木片や緑の葉）と共に加熱することで製造しました。これは、現在「炭素工具鋼」と呼ばれる鋼を作るのにちょうどよい量の炭素を含んだ鉄に 過ぎないためです（前述の鋳鉄は3.5%から5%の炭素を吸収する過飽和状態にあるため、全く異なります）。彼らは少量で製造することができました。水中で急冷して硬化させたこの鋼で鍛造した刃は、刃先が鈍ることなく鉄片を切断し、空中に投げられた真綿の束をもきれいに切り裂くと言われます。これらの鋼は、当然の名声を得ました。

当時の製品の多くは、その時代を考えると驚くほど優れており、誰もそれを少しでも貶めたいとは思わないでしょう。しかし、少し考えてみると、現代の製品はそれらと比べて劣るどころか、実際にははるかに優れていることが分かります。古代の人々は、道具の適切な品質の理由をほとんど、あるいは全く知らず、様々な材料から粗雑な方法で金属を製造し、しかも非常に少量しか生産しなかったため、均一なものはほとんどありませんでした。製品の中には確かに優れたものもありましたが、その多くはそれほど魅力的ではなかったに違いありません。

現代の発見と発明、そして偉大な機械 9過去3世紀の進歩と、わずか半世紀前に導入された化学的制御の応用により、近年、極めて均一で驚くべき品質の製品が生み出されています。1台のベッセマー転炉から、1日24時間、17分ごとに3万ポンド、つまり合計1300トン（260万ポンド）の鋼が生産され、主要な制御元素である炭素だけでなく、ケイ素、マンガン、硫黄、リンという4つの微量元素も極めて狭い範囲内に抑えられていることと、24時間で100万ポンドを生産する現代の高炉が、同様の確実な制御で稼働していることに、何が匹敵するでしょうか。毎日製造されている現代の高速度鋼は非常に高品質で、それらから作られた工具は、毎分200～300フィートの旋盤速度で赤熱した状態で何時間も稼働し、労働者が持ち帰るよりも速く深い切削片を「耕して」取り除くことができます。

ドイツのシュトゥックオーフェン

最近大々的に宣伝されている現代の戦争兵器は、現代の冶金学が何世紀も前のものより進んでいるかどうかについて十分な答えを与えてくれる。

このような比較が必要なのは、私たちの祖先が他の点では私たちよりも賢く優れていたと考えるのが多くの人の間違いであるように思われるからだ。 10数年前、エジプトの考古学発掘調査で、設備の整った電話システムが発見されたという誤った発表がありました。もちろん、その発表で伝えられようとしていたのは、ベルによる電話の発明は何百年も前のことだったという推論でした。

50年前のドイツの高炉

近代鋼の先駆けはるつぼ鋼で、18世紀半ば頃にハンツマンによって初めて作られました。それ以前の鋼は「セメンテーション」法によって作られていました。これは、鍛鉄の棒を叩き伸ばし、木炭または骨粉で赤熱させることで硬い鋼皮を付ける方法です。ハンツマンの製品は非常に均一で高品質になり、競合他社は大きく引き離されました。ある時、競合他社の一人が激しい嵐に乗じてハンツマンの森の鍛冶場への入場を許可されたという逸話があります。ハンツマンは、そのような時期に避難所を断ることはできないと知っていました。彼が目にしたのは、非常に単純な光景でした。粘土製の鍋の中でセメンテーション鋼の破片が溶けていくのです。

今日でも、品質が重視される分野では、るつぼ法は独自の地位を築いています。 11今日の工具鋼、自動車鋼、その他の特殊鋼のほぼすべてがこの方法で製造されており、その評価は高く評価してもしすぎることはない。新たに発明された電気炉法は、現在目に見える唯一の競合相手である。もちろん、量産性と低コストという点ではベッセマー法と平炉法しか利用できないが、るつぼ鋼は世界の商業発展において強力な要因となってきた。少なくとも、前世紀後半に他の2つの方法が独自の地位を獲得し始めるまではそうだった。しかし、るつぼ鋼が「高品質」の鋼としての重要性を大きく損なうことはなかった。

アメリカで初めて作られた鉄鋳物

その後の鉄の歴史は「6つのベストセラー」のどれよりも興味深いものですが、今回は割愛させていただきます。私たちが今挙げることができるのは、現代の鉄と鋼の量と優秀さにつながり、その絶対的な基礎となっている、非常に偉大で革命的な発見と発明だけです。すなわち、イギリスのダッド・ダドリーが坑内石炭からコークスを製造する試みとその失敗 (1713年頃) は、1世紀後 (1713年頃) にエイブラハム・ダービーによって大成功に転じました。1770年のワットの蒸気機関の発明により、強力な連続送風が可能になりました。1784年頃、コートによる鉄の「パドリング」法と圧延機の発明。1830年頃、ニールソンが冷風に代わって熱風を導入し、高炉の生産量を4倍に増加。フレデリックとウィリアム・シーメンスが発明した炉の再生加熱システム。そしてベッセマー法とシーメンス・マーティン法、あるいは平炉法の発明によって、非常に大規模な製鋼法が確立され、この貴重な 12資料は一般の目的で利用可能になりました。

繰り返しになりますが、今述べた発明は鉄鋼産業にとって極めて重要であり、それらによって初めて今日の鉄鋼産業の発展がもたらされました。それらがなければ、素晴らしい鋼鉄橋、高層ビル、巨大な鋼鉄船、全鋼鉄製の鉄道車両など、そして今日あまりにも豊富で、私たちの周りに絶えず溢れているために存在を無視するほどの数百もの鉄製品は存在しなかったでしょう。このように、これらを無視することは困難ですが、そのほとんどについては後の章で言及されるため、無視せざるを得ません。

アメリカにおける初期の製鉄は私たちにとって興味深いので、簡単に説明する必要があります。

入植者たちは周辺に鉄鉱床があることを知っており、サンプルをイギリスに送りました。そこで非常に良質な鉄が採掘されました。1619年、「ロンドン・コロニー」として知られる一団がイギリスから派遣され、バージニア州ジェームズタウン近郊のフォーリング・クリークで鉄の製造に従事しましたが、3年後にはインディアンによって全員が虐殺されました。バージニアで再び鉄の製造が試みられるまでには、何年もかかりました。

1637年頃、マサチューセッツ州議会はエイブラハム・ショーに「国が処分できる共有地で見つかるあらゆる石炭または鉄鉱石」の利益の半分を与えました。この高尚な許可から、ほとんど何も得られなかったようです。

アメリカにおける本格的な製鉄は、ジョン・ウィンスロップ・ジュニアと彼の「鉄工所葬儀屋会社」によって6年後に始まりました。この会社は長年にわたりニューイングランド諸州のいくつかの地域で操業していました。彼らの炉から出た灰の山は今でも見ることができ、彼らの大規模な操業を物語っています。ウィンスロップの部下にはジョセフ・ジェンクスがおり、「トバル・カイン」として知られるようになりました。 13ニューイングランドの。西大陸で初めて鋳造されたとされるこの壺は、彼によって作られたとされている。それは小さな壺で、ヘンドリック・ハドソンの子孫であるトーマス・ハドソンの家族が入手し、現在も所有していると言われている。

現在使用されている砂型成形は、独創的なイギリス人ジェレミー・フローリスによって導入されたもので、それまで使用されていた粘土による成形方法よりもはるかに優れています。この頃から、ホローウェアが広く生産されるようになりました。

国が発展するにつれ、あちこちに製鉄所が出現し、様々な製品が定期的に製造されるようになりました。初期の工場としては、ニューヨーク州ウォーリックのスターリング製鉄所が挙げられます。ここは、ウェストポイント近くのハドソン川に架けられた、186トンの巨大な鎖（各リンクの重さは140ポンド）を製造しました。この鎖は1816年にアメリカ初の大砲が鋳造された場所です。また、ニューヨーク州のシャープ＆カーテニウス鋳造所では、最初の蒸気シリンダーが鋳造されました。そして、耐火構造材として初めて鉄を圧延したトレントン圧延工場も挙げられます。

独立戦争以前、植民地はヨーロッパに相当量の棒鉄と銑鉄を輸出しており、1791年には早くもイギリスはヨーロッパがやがて強力なライバルとなることを予見し始めていた。

ピッツバーグが鉄鋼業の中心地として大きな利点を有していたのは、隣接する郡に広がる瀝青炭と鉱石の層に近接していたこと、そして五大湖に非常に近い立地であったため、スペリオル湖の鉱石を安価な水上輸送で輸送できたことによる。ピッツバーグで最初の製鉄所は、1790年に設立されたターンブル・アンド・カンパニーであった。

フランス人のリアムールは鋳鉄の可鍛性化プロセスの発見者として認められているが、ニュージャージー州ニューアークの小さな店で可鍛性鋳鉄を商業的に成功させたのはセス・ボイデンであった。

14
スキップホイスト、鋳造室、ストーブ、鉱石山を備えた2つの近代的な高炉

15ペンシルベニア州東部のコネルズビル地区として知られる高品位の原料炭の豊富な鉱床の利用と、スペリオル湖の鉱床の発見と開発により、アメリカ合衆国は世界有数の鉄鋼生産国となりました。アラバマ州バーミングハム地区の開発もまた、非常に重要な章となっていますが、紙面の都合上、現時点では詳述できません。

文明が鉄にどれほどの恩恵を受けているか、私たちはほんのわずかしか理解できません。なぜなら、私たちが目にしたり、日々触れたりするほとんどすべてのものは、何らかの形で鉄の使用によってできているからです。調理器具や調理器具（ホーローや錫メッキのものも含む）、台所のレンジ、水道管や排水管、そして家の炉や暖房設備は、大部分が鉄でできているのではないでしょうか。高層ビルや橋の鉄骨といった主要な建築材料は、木やレンガ、石、セメントでさえ、鉄の機械によって形作られたり、型に入れられたり、あるいは必然的に作られたりしているわけではありません。私たちが移動する乗り物、つまり馬車、自動車、路面電車、蒸気鉄道、蒸気船は、鉄や鋼鉄なしにどのようにして存在できたでしょうか。工場の発電所、ガスや電灯の発電所、水道や鉱山などの揚水機や配水システムを考えてみてください。今日、私たちの電力や照明の多くを供給する電流は、鉄の磁性がなければ、存在していたでしょうか。あるいは、存在していたでしょうか。そして、私たちが身に付け、使い、常に持ち歩いている材料や品物のうち、生産に必要不可欠な豊富な鉄鋼機械や工具がなければ、どれほどのものが実現可能だったでしょうか。

16鉄産業はしばしば、ある民族の文明のバロメーターと称されます。もしすべての鉄と鉄製品、そしてそれらが世界に及ぼす影響が消滅してしまったら、私たちは文明への道を歩み始めることさえ不可能に思えます。

おそらく、どれほど努力しても、鉄鋼産業の巨大さと重要性を理解する人は誰もいないでしょう。ここには、約460基の巨大な高炉、5000基の鋳鉄および可鍛鋳鉄工場、約1000基のベッセマー型および平炉鋼、そして約3000基のパドル炉があり、そして何千もの工場が日々、これらの製品からレール、鋼板、ワイヤー、パイプ、そして私たちの文明に不可欠な、そしてその強力な要素である無数の完成品を生み出しています。しかし、これらの高炉、鍛冶場、工場がすぐ近くにあるにもかかわらず、私たちの99.9%は、その騒音と煙に煩わされる以外、その驚異とその存在に全く気づいていません。鍛冶屋とその仕事さえも、私たちはほとんど意識していません。彼らは日々、私たちのために「世界の七不思議」のどれよりもはるかに重要で素晴らしい素材を作り出しているにもかかわらずです。

17
第2章
原材料
ある牧師が動物学者の友人を訪ねた時の話があります。牧師は、三層の皮膚、消化管、腎器（排泄器）、生殖器、粗大な神経系、そして移動のための剛毛を持つ、いかに高度に組織化された生き物であるかを初めて理解し、こう叫びました。「素晴らしい！ミミズは皮とカボチャだけだと思っていた」

輸送シーズンになると、ミシガン州北部やミネソタ州から何百万トンもの赤褐色の重い土が絶えず私たちの家の前を通り過ぎていきます。私たちのほとんどは、牧師とミミズの境遇に非常に似ています。何かが起こっていることは分かっていても、その重要性や規模の大きさに気づいていないのです。

鉄鉱石
現在のミシガン州北部にあたるスペリオル湖岸には、広大な銅鉱床があることは、ほとんど誰もが知っています。17世紀には、この鉱床に関する噂がヨーロッパに何度か伝わり、古文書には、インディアンが斧で切り刻んだ巨大な銅塊について記されていました。当時、この地域の地図は驚くほど正確で、1世紀半にもわたって、冒険家たちがこの恵まれた地域で富を得ようと試みました。

18
アメリカの鉄鉱石分布地図

19しかし、そこに相当な鉱物資源があることは確実に知られており、さらに多くの鉱物資源があるという噂もあったにもかかわらず、1836年に合衆国に加盟したミシガンは、インディアナ州北部とオハイオ州にまたがる幅10マイルの帯状の地域の代わりに、現在の北部半島を領土に含めることに激しく反対し、抵抗のために戦争寸前まで行ったと伝えられています。鉄鉱石の鉱床が発見された後も、この地域の鉱物資源の重要性を真に理解した者は誰もいませんでした。

典型的なメサバ鉱床を示す。土砂が除去されると露天掘り鉱山となる。

スーセントマリー運河建設に連邦政府の援助を求める長年の運動の間、年間100万ドルの価値がある漁業が運河を建設すべき主な理由として挙げられた。そして、この目的のための予算配分に反対して、この計画とその地域を「月ではないにしても、最も辺鄙な集落の向こう側」と呼んだのがヘンリー・クレイのような人物であった。

現在、その時代から 80 年以内に、スーセントマリー運河を通過する船舶の年間トン数は、ニューヨーク、ロンドン、リバプール、アントワープ、ハンブルクの各港からの合計トン数に匹敵し、漁業の価値 100 万ドルに対して、この地域から出荷される鉱石の鉱山での価値だけでも年間約 1 億ドルに達します。

20
ミネソタ州チザムのシェナンゴ露天掘り鉱山。

硬質鉱石または塊状鉱石鉱山の内部

21銅鉱床は主に湖岸沿いにあり、豊富な鉄鉱床は7マイル以上内陸にあるため、鉄鉱石層は11キロメートル以上も内陸にあることが発見されたのは1844年9月19日、米国副測量士ウィリアム・A・バートが、自らが発明した太陽コンパスの針が不正確になっていることに気付いた時でした。磁力変動の原因であるに違いない磁気源を探していたバートのグループは、現在のミシガン州ニーゴーニー付近の土壌の真下で鉱石を発見しました。発明家らしいバートの唯一の関心事は、将来的に磁束が外乱として流れるのを防ぐ方法を見つけることでした。彼は単に、ここに鉄鉱石の鉱床があり、彼自身もグループの誰もこの発見から利益を得たり、利益を得ようとしたりしなかったと記したに過ぎませんでした。

鉱体と坑道採掘法の表示

インディアンたちはこれらの鉱床についてこれまで何も知らなかったようです。

当然のことながら、最初の鉱石の出荷は、後にジャクソン鉱山として知られるようになった鉱山から採取されたサンプルであり、ミシガン州ジャクソン（この町から最初の本格的な開拓者、フィロ・M・エヴェレットが生まれた）とククッシュ・プレーリーの鍛冶屋の炉で試掘された。その後すぐに、ペンシルバニア州シャロンの高炉で試掘された。

最初の計画は、鉱山の近くに鍛冶場を建設し、鉄を製造することでした。そこで、冬季に地面が凍結する時期に鉱石を運ぶための鍛冶場がカープ川に建設されました。しかし、ここでは非常に良質の棒鉄が製造されたものの、鉄の品質を維持することは不可能でした。 22ピッツバーグに1トンあたり200ドル未満のコストで配達されました。当時の鉄の市場価格は1トンあたり80ドルだったため、この計画は経済的に成功しませんでした。

竪坑の導火線に火をつける

鉱石をコークスの供給と市場の観点からより有利な立地にある炉へ輸送することに焦点が当てられました。この事業を収益性の高いものにするには、鉱石の取り扱いと輸送を安価に行う必要がありました。そのため、今日では、他の原料よりも省力装置による取り扱いと劣化のない輸送に適した鉱石が、コークスと石灰石に加工され、市場に出荷されています。使用されるコークスの重量は精錬される鉱石の半分に過ぎませんが、その嵩高さ、大量処理による破損による損失、そして露出による劣化のため、鉱石に加工するために必要な方法での取り扱いが困難です。

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ミネソタ州ヒビング近郊のハルラスト鉱山の眺め。

24この地域が世界最大の鉱石生産地へと驚異的な発展を遂げたことは、ラバの背中に最初の小さな積荷を載せて運搬したこと、板張り鉄道、そして「つり革」鉄道が建設されたこと（その勾配はあまりにも急で、小型トラックがしばしば轢いてラバを轢き殺したこと）、蒸気鉄道の建設、スーセントマリー運河の水門の建設と拡張（スペリオル湖とミシガン湖を結ぶ）によってますます大型化する鉱石船が利用できるようになったこと、そして鉱石船団が急速に成長し、出荷シーズン中はダルースからミシガン湖とエリー湖沿いの製鉄所までの全長800マイル（約1300キロメートル）の航海中、ほとんど船が他の船と見分けがつかないほどになったことなど、今を生きる人々の記憶に刻まれています。初期の頃はマルケットが積荷の拠点であり、20世紀後半のこの地域と周辺地域の歴史は、開拓時代の色彩において、初期の西部開拓時代や、より近年のユーコン準州の鉱山キャンプに匹敵します。

スペリオル湖の鉱石が炉に運ばれるルート

最初の二つの鉱山、ジャクソン鉱山とマルケット鉱山は、歴史的に特によく知られています。これらの鉱山や、ミシガン州北部とミネソタ州の他の山脈、特にメノミニー山脈、ゴゲビック山脈、バーミリオン山脈などの開発、そして1890年以降はメサバ山脈とクユナ山脈の開発は、鉱石の採掘、取り扱い、輸送において、次々と驚くべき速さで革命をもたらしました。例えば、鉱石運搬船は長さが300フィートから600フィートに飛躍したと言っても過言ではありません。また、スーセントマリー運河の閘門は、何度もすぐに手狭になってしまいましたが、何度も再建され、そのたびに以前よりもはるかに規模が大きくなり、手狭になることは不可能とみなされました。

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露天掘り鉱山での鉱石の積み込み

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その他の典型的な鉱体、縦坑採掘

メサバを除くほぼすべての鉱床は、硬質鉱石または塊状鉱石を産出します。そのほとんどは坑道採掘であり、採掘は地下で行われ、鉱石は爆破されて下方に運ばれます。ミネソタ州メサバ地区として知られる地域で、長さ100マイルに及ぶ地表直下に広大な軟質鉱床が発見されるまで、高炉は塊状鉱石しか使用していませんでした。これらの軟質鉱石は非常に入手しやすく、非常に豊富であったため、全国の製鉄業者の注目を集めました。しかし残念なことに、他の点では完全に優れていたものの、それらは単なる乾燥粉末であり、高炉法には適していませんでした。これらの軟質鉱石鉱山に投資した人々の間で、あるいは投資した人々に対して、激しい議論、興奮、そして嘲笑が起こりました。もちろん、最終的には高炉業者は、軟質鉱石、いわゆる「メサバ山脈」鉱石を高炉で鉄に変換する実現可能な方法を開発しました。嘲笑をものともせずメサバの土地に投資し開発することを敢えてした勇敢な人々は、長年にわたって経済的報酬を得ており、その報酬は今もなお減少する兆しを見せていない。「メサバ山脈」の鉱山は今日の「代表的な」鉱山だからである。

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フーバー＆メイソンのアンローダーのクローズアップ

28実行は可能ですが、塊鉱石や硬鉱石が入手可能で、それらと混合できる限り、軟鉱石だけで「装填物」または炉装填物の全部を構成することは望ましくないことがわかっていますが、多くの場合、半分以上が軟鉱石です。

露天掘り鉱山の採掘開始。覆土が除去される

「オールドレンジ」鉱石と呼ばれる竪坑鉱山の鉱石は、時には地下3,000フィート（約900メートル）まで地下に潜り、岩に穴を掘り、鉱石を爆破し、バギーに積み込んで地上まで引き上げます。一方、「メサバレンジ」鉱石は、薄い土を「剥ぎ取る」だけで採取され、ケービングまたは蒸気ショベルで柔らかい鉱石を貨車に積み込みます。掲載されているイラストの中には、鉱石列車とショベル、そして段々畑の露天掘りの様子が描かれているものもあります。

採掘した鉱石をダルース、スーペリア、トゥーハーバーズ、マルケット、アッシュランド、エスカナバなどの港まで運び、鉱石運搬船に積み込み、蒸気機関でミルウォーキー、シカゴ、ゲーリー、デトロイト、クリーブランド、ピッツバーグ、バッファローといった多くの鉄鋼産地まで輸送し、利益を上げて鉄鋼に加工できるのだろうかと、当然ながら不思議に思う人もいるでしょう。もちろん、これは人間の発明の天才性があってこそ可能になったのです。あらゆる作業において、独創的な機械が開発され、作業コストは最小限に抑えられてきました。

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現代のカーダンプカーがあれば、石炭や鉱石を積んだ車の荷降ろしは簡単です

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鉱石車は重力によってドックで荷降ろしされ、その後シュートによって鉱石は鉱石ポケットから船倉へと運ばれます。

近代的な方法により、鉱山から鉱石を運ぶ貨車は、桟橋の上の高い位置にある鉱石貯蔵庫の上に架台を登って運ばれます。巨大な鉱石運搬船は、船首と船尾に乗組員と機械室があり、ハッチの間隔が正確に 12 フィート (約 3.6 メートル) であるだけの鋼鉄製の船殻でできています。鉱石運搬船は桟橋の脇に係留され、同じく 12 フィート (約 3.6 メートル) 間隔で設置された長い鋼鉄製のシュートが船の全長にわたって降ろされ、鉱石は船倉に均一に滑り込みます。そうしないと、船の軽い部分の浮力によって脆い外殻が破損する可能性があります。通常、10,000 トンの鉱石全積載量は 1 時間以内に船に積み込まれます。船はすぐに引き上げられ、スペリオル湖、スーセントマリー運河、ミシガン湖、またはヒューロン湖とエリー湖を状況に応じて横断し、目的地の桟橋に係留されます。昔は、バケツや手押し車で荷降ろしをしていたでしょう。せいぜい数日かかっていました。しかし今では、ハッチが開かれ、巨大な貝殻型のバケツをつけた数人の鉱石積み下ろし人が、一度に15トンもの鉱石を「一口」で運び、まるでハゲタカのように船に降り立ちます。4、5時間もすれば、船は再び空っぽになります。 31鉱石を鉱山から炉の山に運ぶのに、鉱石荷降ろし人が届かない船倉の隅に鉱石を少し積み上げることを除いて、手作業は一切行われていなかった。

イリノイ州サウスシカゴにあるイリノイスチール社のフーバー＆メイソン製荷降ろし機。

昔、アレクサンダー・E・ブラウンという若者は、鉱石が不格好に荷降ろしされるのを見かね、1880年に鉱石荷降ろし装置の一式を開発しました。現在ではいくつかの優れた鉱石荷降ろし装置があり、中でもブラウンホイスト、フーバー＆メイソン、そしてヒューレットがおそらく最もよく知られています。ヒューレット荷降ろし装置では、オペレーターはグラブバケットの真上にいるため、飛行士でなければなりません。オペレーターはバケットを持って船倉に降り、バケットを持って上昇し、船倉からダンプまで、そして再び船倉に戻るまで、バケットと共に移動します。それはきっと目が回るほどの仕事でしょう。

ヒューレット・アンローダー。グラブのすぐ上の白い部分にオペレーターの頭が写っているのがわかる。

時間は貴重ですから、船を桟橋に停泊させて、バケツ一杯のゴミを最終容器に直接運ぶ時間を確保するのは大変です。バケツは荷降ろし場のすぐ後ろに降ろされます。 32機械から出た鉱石は再び別のバケットに拾い上げられ、炉へと運ばれ、セメント製の鉱石トラフに貯められます。鉱石トラフは鉱石保管庫へと運ばれ、そこから炉へと送られます。空の鉱石船は、車積みダンプカーから燃料庫へと続くシュートに投棄された燃料を車一杯に積み込み、すぐに石炭を積み込み、鉱山へと戻り、次の鉱石を積み込みます。積み込みと積み下ろしを含めた往復の行程はわずか7日間です。

現代の鉱石船のハッチシステムと作業中の4台のヒューレットアンローダーのよく見える景色

今日の多くの商業活動と同様に、スピードと大きな積載量が目標とされてきましたが、鉱石の取り扱いと搬送装置においては限界に近づいたように思われます。大型蒸気ショベル、重力式ドック、鉱石タンクまたはボート、荷降ろしおよび石炭供給装置、そして低コストの水上輸送が、現代の鉄鋼業における卓越性を可能にしました。この水上輸送の重要性を示す例として、スペリオル湖の鉱石港からエリー湖の製鉄所までの鉱石輸送コストが1トン1マイルあたり0.0007ドルと非常に低かったのに対し、当時、適切に運営されていた鉄道輸送コストは1トン1マイルあたり0.005ドル以上、つまり7倍以上であったことを指摘しておきます。

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後部に貯蔵鉱石山と高炉を備えた再処理橋

ここ数年、米国で使用される鉄鉱石の4分の3以上がミシガン州北部の半島とミネソタ州に隣接する7、8の鉱山から産出されているが、スペリオル湖の鉱山が米国唯一の鉱床であると誤解してはならない。数字が示すように、そのような推論は真実からかけ離れている。しかし、米国が世界有数の鉄鉱石生産国となったのは、これらの鉱山のおかげであることは事実である。スペリオル湖山脈には、まだ膨大な量の採掘が残されている。当然のことながら、安価に処理される高品位の鉱石が大量に生産されているため、同様に豊富な天然資源を有する他の地域の開発は阻害されている。例えば、アラバマ州バーミングハム地域は、主要な鉄鉱石と鉄の産地であり、現在、全米で3番目に多い生産量を誇っている。 34国中で最も鉄鉱石が豊富な州。近い将来、鉄鉱石、石炭、その他の天然資源の豊富な埋蔵量を誇るアラバマ州が、その存在感を強めることになるだろう。ニューヨーク州、ペンシルベニア州、テネシー州、バージニア州は、ミネソタ州、ミシガン州、アラバマ州に次ぐ鉄鉱石生産地であり、他のいくつかの州も鉄鉱石資源に恵まれている。

鉱石船の船倉に置かれたヒューレットグラブバケット

自国の鉱石供給と鉄生産に熱狂するあまり、他国にはそのような資源がないと考えるべきではありません。文明国はほとんどすべて、自国で十分に生産できるだけの鉱石を保有しています。しかし、多くの国では、鉱石に好ましくない成分が含まれていたり、安価な燃料が供給されなかったりすることが問題となっています。ドイツには豊富な鉄鉱石の埋蔵量がありますが、1870年頃にベッセマー法という基本的な製鉄法が発明されるまで、鉄鉱石に含まれるリン含有量の高さがハンディキャップとなっていました。ベッセマー法と平炉法という基本的な製鉄法は、鉄鋼への転換時にこのリンを除去することを可能にし、ドイツを鉄生産国として世界のトップに押し上げたのです。

スウェーデンの鉄鋼の優秀さは、古くから世界中で知られています。スウェーデンは世界の鉄鋼総生産量の約1%を生産していますが、その鉱石の品質は非常に高く、 35スウェーデン鉄は、最高級のるつぼ鋼の製造における標準としての地位を維持してきました。刃物や工具に使用される最高級の鋼、さらには北西ヨーロッパのより軟質の鋼でさえ、スウェーデン鉄をベースとして製造されてきました。

もちろん、鉄鉱石は地質学者や化学者によって、赤鉄鉱、磁鉄鉱、菱鉄鉱などの名前で種類に分類されますが、ここではあまり関係ありません。

採算が取れるように採掘するには、鉄分を多く含み、リン、硫黄、シリカといった望ましくない不純物を可能な限り少なくする必要があります。しかし、石灰のように、フラックスとして作用し、望ましくない不純物の影響を中和する、望ましくないわけではない不純物も存在します。こうした理由から、鉄鉱石の価格は鉄分含有量を基準とし、望ましくない不純物と望ましい不純物の相対量によって調整されます。リンはほぼ決定的な要因であり、現在、ベッセマー鉱石（リン含有量が0.050%未満）は、ベッセマー鉱石以外の鉱石よりも1トンあたり約50セント高くなっています。当然のことながら、最良の鉱石が最初に使用され、品位は着実に低下しています。数年前の 66 パーセントの鉄鉱石とは異なり、現在採掘される鉱石には鉄が 59 パーセント強しか含まれておらず、前述のベッセマー鉱石も少なくなってきている。そのため、ここ数年、実質的にすべての炉では、混合物のリン含有量が許容限度を超えない範囲で、できるだけリン含有量の高い鉱石をベッセマー鉱石に混ぜている。

地球上の鉄鉱石がすべて使い果たされたらどうなるのかと人々が推測するのをよく耳にします。資源の在庫を数えることは決して悪いことではなく、今回の場合は私たちにとって非常に有益です。利用可能な鉄鉱石と、将来的に不足する鉄鉱石を数えるたびに、 36より良い作業方法を活用できれば、以前の報告書で示されていたよりもはるかに恵まれた状況になり、将来への不安も軽減されます。前回の調査は、1910年にスウェーデンのストックホルムで開催された、非常に野心的な国際地質学会議で実施されました。それによると、世界にはまだ101億9,200万トンの鉄を生産するのに十分な豊富な鉱石があり、さらに531億3,600万トンの鉄を生産するのに十分な鉱石があり、必要に応じて利用できることが示されています。

だから、私たちはまだしばらく仲良くやっていけるでしょう。

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第3章

その他の原材料

ミシガン州ネガウニー近郊の古い木炭窯。

製鉄業の始まり以来、木炭は好んで使われる燃料でした。過去2世紀の間にコークスが主流となり、一部の地域では無煙炭や瀝青炭も使用されるようになりましたが、少なくとも近年までは、木炭こそが製鉄業の発展を支えた燃料であったと言えるでしょう。

木炭
ご存知の通り、木炭は完全に炭化した木材で、通常は硬材ですが、樹脂質の木材やその他の軟材が使われることもあります。十分に乾燥した木材の重量の50%以上は水分です。水分とその他の特定の成分は、空気のない状態で加熱によって蒸発します。このプロセスは一般に「破壊蒸留」と呼ばれます。

原始的な方法では、木炭を作る過程でかなりの量の木材が完全に燃やされ、無駄になっていました。切り出された木材は山積みにされたり、長い列に並べられたりして、上部の小さな開口部を除いて土でしっかりと覆われていました。そこから中央に向かって火が灯されていました。 38薪の山の底に空洞を残した。上部の開口部から入ってくる空気は、薪をくすぶり続けるのに十分だった。経験上、最良の結果が得られると判明していた一定時間後、開口部を閉じ、火を消火した。

ビーハイブコークス炉

後世には、大量の木炭を生産するために、蜂の巣型のレンガ窯が作られました。これらは、 前述のメイラー窯、つまり土で覆われた薪の山とほぼ同じ原理で稼働していました。火は、中央の空洞にある薪の底で点火され、最初は上から空気が入るだけでした。しかし、工程の後半では、壁の穴から少量の空気が入るようになりました。約10日後、ガスの放出が止まると、窯はさらに20日間しっかりと閉じられ、火が消えて木炭が冷めました。

これら両方のプロセスによって、貴重な成分が燃焼または熱によって蒸発し、失われました。これらの成分は主にメチルアルコール、酢酸、木タールでした。

現代の産業は、いかなる物質の無駄も極端に嫌うため、副産物の回収も同時に可能な木炭製造装置が考案されている。米国で木炭産業が産業として存続している事実上唯一の地域であるミシガン州北部では、固定式ボイラーのように、両端にレンガ造りの火室を備えた長い鋼管、すなわちレトルトが建設されている。これらのレトルトには、木材を積んだ鋼鉄製の貨車が進入する。レトルトが閉じられると、熱によって水分とガス状化合物が凝縮装置に接続されたパイプを通して蒸発または蒸発する。木材が炭化されるまで約20時間かかると、窯の扉が突然開かれ、貨車は冷却のために他の同様のレトルトに急いで移される。その間、最初のレトルトには新しい木材が積まれる。

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標準ビーハイブコークス炉

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ビーハイブオーブン

ご想像のとおり、大規模な木炭製造には膨大な量の木材と木材生産地が必要であり、これが木炭製造業者にとって最も深刻な問題となっています。大規模な工場を収益性の高い状態で運営するには、毎年数平方マイルの森林地を伐採し、木材を効率的に輸送する必要があります。

銑鉄を副産物として得るという のはかなり斬新な発想ですが、スペリオル湖地域で生産される木炭銑鉄は、まさにこの副産物です。複数の企業が木材蒸留工場を操業し、メチルアルコール、酢酸、酢酸石灰などを生産しています。そして、その木炭を、至近距離にある鉱石から木炭銑鉄を製造するために利用しています。

硫黄含有量が非常に低く、灰分も少ないことが、木炭が他の固形燃料に比べて持つ大きな利点です。こうした特性から、木炭銑鉄はかつてはチルド自動車ホイールなどの特定の製品の製造に好まれ、コークス銑鉄よりも高い価格で取引されていました。しかし近年、石炭の厳選とコークス化プロセスの改良により、コークスの硫黄と灰分は大幅に減少しました。 41炭化物が大幅に減少したため、木炭は以前ほど大きな優位性を持っていません。今日では、木炭鉄はコークス鉄より1トンあたり約1.50ドル高いだけです。一方、数年前にはその差は1トンあたり5ドルから6ドルにも達しました。

木炭は非常に脆く構造的に弱いため、木炭を使用する高炉は60フィート（約18メートル）以上高く建設することができません。一方、コークスは強度が高いため、100フィート（約30メートル）を超える高さの高炉を建設でき、それに応じて生産量も増加します。これが何を意味するかは、現代産業の要求に精通している人なら誰でも理解できるでしょう。

コーラ

炉に石炭を投入する

木炭が完全に炭化した木材であるように、類推的にコークスも完全に炭化した石炭と言えるでしょう。瀝青炭を真っ赤な熱で「焼く」ことで、その揮発性成分は、ほとんどすべての小さな町でよく知られている「石炭ガス」として蒸発し、強固で脆く多孔質の物質、つまりコークスの残留物が残ります。レトルトに空気を一切入れずに焼くと、石炭はほとんど燃えず、残った「ケーキ」、つまりコークスには、元の石炭の灰と「固定炭素」と呼ばれるものが含まれます。固定炭素とは、空気を入れれば燃えるものの、熱だけでは蒸留したり蒸発させたりできない炭素です。

42発生するガス、すなわち揮発性成分は、主に水分と「炭化水素」と呼ばれるガス状化合物の混合物で構成されています。これらには、コークス中に「固定炭素」として残っていない、元の石炭の炭素の一部が含まれています。

石炭をコークス化した後の急冷

化学者の分析結果と明らかに同じ組成の石炭がコークス化する一方で、コークス化せず、硬くて脆い塊の代わりに茶色や黒色の粉の塊を残す石炭が存在する理由は、未だ明確に解明されていません。化学者にとって、水素、窒素、酸素、炭素、硫黄などの元素の量を正確に測定することは容易です。しかし、これらの元素が、私たちが知る最も複雑な物質の一つである非常に複雑な鉱物、石炭の中でどのように「結びついている」のかを特定するのは困難であり、おそらく不可能なことです。

コークス化の性質を説明するために、様々な理論が提唱されてきました。米国地質調査所の報告書では、石炭中の水素と酸素の相対的な割合がコークス化の性質を決定すると主張しています。また、タール状またはアスファルト状の化合物の存在がコークス化の性質を決定するとする説もあります。しかし、問題なくコークス化する石炭もあれば、全くコークス化しない石炭もあるのが現状です。今のところ、新しい種類の石炭がコークス化するか否かを見分ける唯一の方法は、実際に試してみることです。

1713年、イギリスのアブラハム・ダービーが 43高炉で急速に姿を消しつつある木炭の代替としてコークスが導入されたことで、コークスは標準的な燃料となりました。コークスは非常に強度が高く、炉に装填される鉄鉱石や石灰石の大きな重量にも耐えることができます。そのため、コークスを使用する炉は、木炭を燃料とする炉よりもはるかに大型に建設できます。コークスは多孔質であるため、高熱で急速に燃焼するため、製鉄所の生産量が大幅に増加します。これは、大型化が進む現代において非常に望ましいことです。もちろん、コークスには欠点もあります。主に硫黄含有量が高いこと、そして灰分が多く、これをフラックスで除去する必要があることです。しかし、全体として、コークスは高炉やその他の冶金用途にとって非常に望ましい燃料であり、現在生産される鉄鋼の約99%の製造に使用されているという事実がそれを示しています。

コーラを描く

アパラチア炭鉱地域として知られる地域は、米国で生産されるコークスの75%以上を占める石炭を産出しています。この地域には、ペンシルベニア州西部とオハイオ州からテネシー州、ジョージア州、アラバマ州に至る帯状の地域が含まれます。有名なコネルズビル地区もこの地域の一部です。

イリノイ州とインディアナ州には豊富な石炭があるが、そのコークス化特性はそれほど高くない。 44これらの半粘結炭をコークス化させるための実験が絶えず続けられてきました。これまでのところ、最も優れた方法は、これらの炭を相当量使用し、コークス化に適した石炭と混合することです。このような混合物から、非常に良好なコークスが得られます。

ビーハイブオーブンプロセス

大きなコーラの塊

昔は、石炭資源の無駄を避けようという欲求も動機もありませんでした。コークス化の過程で炉に空気が入り込み、石炭の一部が燃えてしまったり、発生したガスがすべて無駄になったりしても、問題ではありませんでした。石炭は豊富にあり、必要なコークスを最も早く、最も安価に得ることが求められていたのです。

石炭を粉砕してコークス用に混合する場所

ペンシルベニア州西部、オハイオ州、バージニア州には、良質のコークス炭が豊富に埋蔵されていました。この地域、特にピッツバーグ周辺には、数多くの高炉と製鉄所が築かれました。これらのコークスは、最も簡便な方法、つまり無駄の多いビーハイブオーブンで作られました。

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副産物コークス炉群、ガス収集メイン

名前が示すように、これらのオーブンまたはレトルトは、蜂の巣のような形をしたレンガ造りの部屋です。大規模なプラントでは、長い丘に沿って 1 列に並べるか、背中合わせに 2 列に並べます。各列のオーブンの上部には、充填「ローリー」と呼ばれる車が走ります。石炭は、前の充填でまだ熱いうちに、この車の底から各オーブンの上部にある穴を通して注ぎ込まれます。オーブン上部の穴と、コークス化プロセスが完了したときにコークスが吸い込まれる片側ドアの上に残された小さなスリットから入る空気以外は、空気は入りません。オーブンの熱によって水分と揮発性化合物の蒸留が始まり、オーブン上部の穴から逃げ出します。入り込む少量の空気によって石炭とガスが少し燃え、オーブンの温度がコークス化に必要な温度まで上がります。

48時間または72時間後、燃えている石炭に水を噴射して消火します。冷却途中のコークスは開いた扉から取り出され、選別されて車に積み込まれ、出荷されます。

このコークス製造法は非常に無駄が多いものの、それでも米国で生産されるコークスの大部分は、この方法で生産されています。しかし、状況は急速に変化しており、無駄の少ない「副産物」プロセスが主流になるのもそう遠くないでしょう。1914年には、この方法で生産されるコークスの総量の約25%が既にこの方法で生産されており、それ以降、その割合は急速に増加しています。

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副産物プロセス

オーブンの上部、奥に投入容器とトラックあり

このコークス化システムにより、コークスの収量が増加し、副産物の大部分が節約されます。副産物の価値は、もちろん、輸送費、原材料費、人件費、コークス炉ガスの市場価格といった地域の状況に大きく左右されます。これらの価値は通常、コークス化された石炭1トンあたり1.50ドルと見積もられており、これは米国におけるコークス化石炭の年間総額7,100万ドルに相当します。

炉に石炭を詰めるトラック

必要なオーブンや装置は相当に高価ですが、この産業は過去 22 年間にこの国で発展し、製造されるコークスの 4 分の 1 が副産物プロセスによって作られるまでになったため、これは利益の出る提案であり、最終的には無駄の多い蜂の巣型オーブンは過去のものとなることは間違いありません。

現在使用されている副産物コークス炉のほとんどすべての種類は、ドイツやベルギーで開発されたもので、状況により、より早い時期に資源の節約が求められた。 47この国で最もよく知られている3つの型式は、セメット・ソルベイ、オットー・ホフマン、そしてコッパーズ（後者は最近登場した）です。これらの型式は主に構造と操作の詳細が異なります。

コークスをオーブンから押し出す機械

一般的に、コークス炉の「バッテリー」は、40から80個の細長いレンガ壁の炉室から構成され、炉室の間には加熱用の煙道、つまり「チェッカーワーク」が設けられています。焼成工程のための火は、相互に連結されたこれらの煙道で焚かれ、発生した熱はレンガ壁のすぐ向こう側にある狭い炉室の石炭に含まれる水分と揮発性物質を蒸発させるのに十分です。石炭の装入は、ビーハイブ法と同様に「ローリー」で行われます。17時間から24時間、赤熱状態で加熱された後、コークスは炉の一方の端から挿入された電動ラムによって次々と炉から「押し出され」ます。反対側の端からは、30×7×1.5フィートの赤熱したコークスの塊が排出され、自重で適当な大きさに砕けながら、真下の線路を走る鋼鉄製の貨車に落下します。水噴射によって急冷され、貯蔵庫に運ばれ、選別されます。

濃厚な石炭ガスが主な副産物です。最初の7時間で分離するガスは最も濃厚で、照明用、あるいは「キャンドル」効果が最も高くなります。塵、タール、アンモニアなどを洗浄した後、ガスは通常、ホルダーやタンクに送られ、照明や暖房用に分配されます。コークス化期間の後半に分離するガスは、はるかに濃度が低くなります。 48照明価値を与える成分のことです。しかし、このガスは発熱量が高く、炉をコークス化温度まで維持するために燃料が必要となるため、コークス化室から排出されるこの低品質のガスは、前述のようにコークス化室間の煙道に切り替えられ、燃焼します。

したがって、ガスの大部分は、通常、オーブンが設置されている都市の顧客に販売され、残りの部分は、オーブンや工場を稼働させる蒸気ボイラーの加熱に利用されます。

荷物を待つ消火車

ドイツの化学者たちが、ほぼ無限の種類の美しい染料の製造によって有名にしたコールタールは、この方法で回収される副産物の一つですが、ビーハイブオーブンの工程では燃焼または失われます。タールは、オーブンの上部を流れる長いガス管からガスとともに洗浄・ガス浄化プラントへと流れ、そこで非常に複雑な操作によって他の物質から分離されます。

この国では、タールの多くは建築用などに、また一部は燃料としても利用されていますが、ドイツが誇る化学製品にはあまり利用されていません。長年にわたり、石炭タールから染料やその他の化合物が少量生産されてきました。ヨーロッパで戦争が勃発し、このため石炭タールの輸入が停止して以来、石炭タールは化学製品として利用されてきました。 49ここでの製造の大幅な拡大についてですが、これらのコールタール「誘導体」、特に非常に広範囲にわたる種類の染料の製造に全面的に参入する時期がまだ熟しているかどうかは疑わしいです。

副産物の中には、軍需品だけでなく他の多くの化学物質の原料となるナフタレンやベンゾールも含まれています。

コーラを消す

街角のドラッグストアで売られているアンモニアのほとんどは、コークス製造の副産物から作られています。しかし、その過程で生成されるアンモニアの大部分は、よく知られた肥料である硫酸アンモニウムに加工されます。

石炭
無煙炭、すなわち無煙炭は、アメリカ合衆国の一部地域、特にニュージャージー州とペンシルベニア州東部で使用されてきました。しかし、無煙炭は固体であるため急速に燃焼できず、熱によって剥離したり割れたりして爆風を阻害するため、理想的な燃料とは言えません。1860年にコークスが利用可能になって以来、石炭の使用量はかなり減少しましたが、コークスと混合して使用されることは今でもあります。タール分をほとんど含まない瀝青炭も、同様に使用されてきました。

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フラックス
フラックス用途で一般的に使用される石灰岩は、私たちにとって説明の必要がないほどです。彫像の大理石、牡蠣などの貝殻、そして墓地の白い墓石の材料として、石灰岩はよく知られています。これらの種類の石灰岩はいずれもフラックス用途に使用できますが、通常は石灰岩が採石されるか、建築用ブロックの破片や砕片として得られます。

コークスが消火車から容器へ

貨車にコーラを積む

高炉内で化学反応、すなわちフラックス作用を生み出す活性剤は、炭酸カルシウム（石灰）であり、石灰岩には約98%の炭酸カルシウムが含まれています。ドロマイトは、石灰とマグネシウムの炭酸塩の混合物で、石灰が約53%、マグネシウムが約45%含まれており、石灰岩の代わりに使用されることもあります。 51フッ素スパーはカルシウムとフッ素からなる岩石で、一部の冶金工程で少量使用されます。非常に強力なフラックスです。

52
第4章
高炉
暗い塔の上を、コークスの「バギー」を積んだエレベーターが駆け上がる。その速度は、人間にとって快適なものではない。人間は乗客ではない。バギーを押すという任務のため、頂上で12時間交代制で働く労働者がたまにいるだけだ。だから、探索癖のせいで、オフィスで溶鉱炉への通行許可を得るために命を差し出すような私たちは、暗闇の中を駆け上がる最初の猛ダッシュで息が止まってしまう。あの石造りの塔は、下から見るとずっと無邪気に見えたのに。

しかし今、ガタガタのエレベーターは突然再び光の中に現れ、割れ目を横切って炉の頂上まで伸びる充填床で急に停止した。

煙で汚れた荷馬車の押し手たちがコークスを積んだ荷馬車を炉のベルへと急がせている間、私たちは地上30メートルもの高さにいることに気づく。まさにここに、まるで手が届くほど近くに、一列に並んで、送風を予熱するための4つの炉の丸い鋼鉄製の屋根が並んでいる。巨大なパイプ、集塵機、タンク、そして建物など、工場に欠かせないものは、私たちの高い場所から見るとまるで絡み合った塊のように見える。一方、私たちが立っている装入床、それを囲む肩までの高さの鋼鉄製のフェンス、炉の屋根、隣接する炉、そして実際には半マイル（約800メートル）にわたるすべてが、 53私たちの周囲は、鉄粉で黄赤色に染まっています。その理由は、コークスを取り除いた鉱石のバギーが、中央の円錐形のベルの周りの漏斗状の窪みに投入される様子から分かります。巨大なベルが下げられ、装入物が滑り込むと、細かい鉱石の粉が勢いよく吹き出されます。実際、内部の爆風の強い圧力によって、あらゆる隙間から鉱石の粉が絶えず「滲み出ている」のです。

手給湯式高炉

昼夜を問わず、来る月来る月、炉の耐火レンガの寿命が尽きるまで、まずコークス、次に理論上正しい量の分析済み鉄鉱石、そして石灰石を順番に投入するというこの一連の作業が繰り返される。午前6時から午後 6時まで、そして午後6時から午前6時までの12時間シフトで、労働者たちは交代でバギーを炉頂​​まで押し、荷降ろしをし、既に別の荷物を積んでいるエレベーターに戻す。

足元の鉄板が絶え間なく震え、この怪物の内部から轟音と呻き声が響き渡り、不安を掻き立てる。そして、常にこんな考えが頭をよぎります。「もしこの強大な生き物が、もし今まさに反乱を起こしたらどうなるだろう？ 昔、その感情がまだ十分に理解されていなかった頃、ごく稀に起こったように」。この冶金機械の王は、適切な治療を受けた子羊のように温厚で従順だが、介添人が食事への配慮を怠った時に起こる消化不良の際には、猛烈な怒りを露わにする。「炉の蓋のすぐ下にある爆発防止扉は、ちゃんと機能しているのだろうか？ 果たして十分なのだろうか？」しかし、記録に残る例のように、その怒りの証として炉の蓋全体が引き裂かれるにせよ、あるいは不快感がもっと穏やかな形で示されるにせよ、私たちはむしろその場を離れたい。この考えは不安を掻き立てるが、私たちは喜んでそこを去る。

54
取鍋に流れ込む燃え殻またはスラグ

55
シンダーノッチの「花火」

エレベーターで下へ降りるのをもう一度試す気はなかったので、炉の上から地上へと続く狭い鉄の階段を降りた。しかし、これはエレベーターよりもひどい。階段の踏み面は非常に狭く、3本の細い鉄棒でできているだけだ。ドキドキする心臓には、階段は足場としていかにも頼りなく、隙間から見えるのは、足元は地面だけで、その下には100フィートもあるということだ。さらに悪いことに、ゆっくりと半分ほど降りる頃には、下から来た何人かの訪問者が立ち止まり、私たちのゆっくりと震える足取りと、低く「けちけち」した手すりに神経質にしがみつく様子をじっと見ていた。彼らが無邪気に、なぜ私たちがこんなにゆっくりと歩くのか尋ね合っているのが聞こえてくる。特に同行の女性たちの前では、勇敢に見えればいいのにと思うが、 56もし我々の命がそれにかかっているなら、もっと迅速に行動すべきだ。

息を整えて再び下界へ降りると、事態はより興味深いものになった。削り出されたばかりの真っ赤な溶融スラグが、炉から長い溝を伝って流れ出し、高さ6フィートの取鍋へと流れ込んでいる。取鍋は、炉の下部を収容する巨大な構造物「鋳造所」の脇にある線路上の貨車の上に設置されている。この煙を上げる溶融スラグの流れは強烈な硫黄臭を放ち、周囲を不気味な光で照らしている。

スラグダンプ

炉長は、2号炉が数日間「宙吊り」状態にあり、依然として危険であることを相手方に説明しているところです。「あの炉の中にあるコークス、鉱石、石灰石の重量を考えれば」と彼は言いました。「もしあなたが、この閉塞した橋渡し部分がその上にあるものごと炉の『炉床』の溶融池に突然落ちたら、どんなにひどいことになるか想像がつくでしょう。2年前、1号炉で爆発が起こり、溶けた金属が作業員1人を巻き込んで焼死させ、​​その他数名を負傷させました。『宙吊り』は炉が正常に動いているときには起こりませんが、装填物が均等に流れ落ちないと、時として非常に深刻な事態を招きます。高炉はコケットの女性のようなもので、正確に取り扱わなければなりませんが、それでも次に何をするか常に予測できるわけではありません。

57「ああ、そうだな。鉄はどこから来るんだ？ そうだな、近頃は男と彼の『親和性』の話をよく読むんだ。」化学者は長年、「親和性」という言葉を、ある化学的「元素」が別の化学的「元素」に惹かれる性質や魅力を表現するために使ってきました。実際、この言葉が近年口語的に使われるようになったのは、まさにこのためです。鉄鉱石は、私たちが呼吸する空気の5分の1を構成するもう一つの元素である酸素と化学的に結合した金属鉄に他なりません。高炉で生成される条件下では、何世紀にもわたって鉄と結びついてきた酸素が、鉄を離れ、「親和性」を持つ炭素（コークス、石炭、木炭としてよく知られています）へと移行します。こうして自由になった鉄は、高温（約2800～3000°F）で溶融し、「炉床」、つまり炉の底へと下降します。一方、酸素とその新しいパートナーは、ガス状の形で炉の上部から排出されます。溶融鉄が炉床に必要な量まで溜まると、すぐにわかるように、取り出されます。

高炉の概略図

「投入された石灰岩は、溶融鉱石中の汚れやその他の不純物に対して『親和性』があり、 58取鍋に流れ込む「燃え殻」または「スラグ」と呼ばれる物質が存在します。冷えた状態のこの燃え殻は、濃い緑がかった黒色のガラス質の物質で、近年ではポルトランドセメントの製造にある程度使用されるようになりましたが、主に充填材として使用されています。一部は粉砕され、コンクリート混合物や道路建設に利用されています。シカゴでは、湖にスラグを投棄することでかなりの土地が「造成」されており、南シカゴは製鉄所から出たスラグで埋め立てられた沼地にあると言われています。

昔ながらの豚小屋

この巨大な炉は、厚さ2～3フィートの強固な鋼鉄製の殻に耐火レンガを敷き詰めただけのものです。最も熱が発生する「ボッシュ」と呼ばれる部分では、内張りのレンガの間に中空の青銅板が挟まれており、そこを冷水が循環することでレンガの融解を防いでいます。

「炉の上部からレンガで覆われた『ダウンカマー』を通って導かれる高温のガスは、3つの『ストーブ』で燃焼してそれらを加熱しています。一方、送風エンジンからの冷たくきれいな空気は、もう1つのストーブから流れ込んでいます。10分前に点火された時は、4つの中で最も高温でした。今、そのストーブは蓄積された熱の一部を放出しています。 59炉へ向かう途中の送風に熱を加える。冷風を、部分的に冷却された炉からより高温の炉へと少しずつ切り替えながら、前者を再加熱することで、800°Fから1400°Fの温度の送風を連続的に供給できる。「熱風」というアイデアは、1830年頃、イギリスのガス技師ジェームズ・ニールソンによって考案され、その導入は高炉産業に革命をもたらし、非常に効率的な近代的な方法を可能にした。

鉄を生産するための炉と砂床の準備

「頭上にある、炉を取り囲むこの大きなパイプは『バッスルパイプ』です。これも耐火レンガで内張りされています。この『バッスルパイプ』から熱風がここにある羽口（L字型のパイプ）に送られ、そこから直接炉内に吹き込まれます。羽口の覗き穴から、まばゆいばかりの炉内を垣間見ることができます。熱風によってコークスが激しく燃え、炉のさらに上層部で鉄が酸素と分離して溶けているのです。先ほども説明しましたね。」

60
高炉プラントのレイアウト

61しかし今、6人の男が長い鉄棒を手に、巨大な溶鉱炉の「出湯口」を塞ぐ2、3フィートの粘土を突き破り始めており、情報提供者は急いで立ち去った。

スキップホイストの作業中。スキップをホッパーに投棄する

10分間、強力な杓子の音とともに、タッパーたちは焼けた粘土の塊を突き破ろうと奮闘する。その間も、バッスルパイプと羽口に吹き込む激しい風の単調な笛のような音が鳴り響き、水冷プレートの排出管から、内部のレンガが溶けるのを防ぐために循環していた水が炉底の溝に流れ出す。

62
充填配置、ビン、鉱石橋を示す高炉の断面図

63そして今、叫び声と鋳造所全体の強い赤い光が、出銑口が開いて鉄が砂床の主通路を流れ落ちていることを私たちに知らせます。側方の枝への塞がれた入り口を通り過ぎて、溶けた鉄の流れは鋳造所のほぼ 100 フィート離れた端まで流れ、そこで分岐して両側の側方通路を満たし、そこから櫛の歯のように配置された多くの開いた鋳型に流れ込みます。これらの鋳型はそれぞれ約 5 フィートの長さです。これらは「ピグ」を形成し、側方は「ソウ」として知られています。各側方通路とその鋳型が満たされると、その前の側方通路が開き、このプロセスが繰り返され、側方通路とピグは主通路の反対側で同時に満たされ、ついには鋳造所の床全体が赤く煙を上げる金属で炉のほぼ上まで満たされます。

砂型鋳鉄

ベッドに金属がぎっしりと詰まった鋳物小屋ほど壮麗な光景はそう多くない。特に夜はなおさらだ。炉から噴き出す燃え盛る金属の強烈な黄赤色の光と、ベッドに既に存在する金属の強烈な輝きが、建物内外を照らし出す。しかし、炉が空になる前に、作業員たちは既に鋳造された最初の豚に水を撒いている。豚に軽く砂を敷き詰め、厚底の靴を履いてその上に乗り込み、スレッジハンマーで「豚」と「雌豚」を分けていく。

これは昔ながらの「砂型鋳造」の銑鉄です。近隣の町のキューポラ炉で再溶解され、ストーブ部品などに鋳造された後、「鋳鉄」と呼ばれます。反射炉や特殊な炉で「パドリング」すると「錬鉄」になります。脱炭処理すると「錬鉄」になります。 64様々なデザインの製鋼炉で処理することで「鋼」と呼ばれる素晴らしい素材に生まれ変わります。

したがって、銑鉄は、実質的にすべてのさまざまな鉄鋼製品が作られる中間材料または半原材料であり、それらが通過する遷移製品です。

機械鋳造銑鉄

しかし、手作業で鉄を投入する炉や鋳造時の見事な美しさを誇る鋳床のロマン時代は急速に過ぎ去りつつあり、事実、ほぼ過ぎ去ったと言えるでしょう。現代の「スキップホイスト」は、自動的に鉄を投入するバケツや荷車を運び、低賃金労働者でさえも不可能なほど経済的に炉に鉄を投入します。2台の荷車が交互に鉄を投入し、1台はストックハウスの底部に鉄を投入し、もう1台は炉上部の二重ベルから鉄を投入します。現在では、動力駆動のドリルで鉄を溶かす技術が普及し、かつては困難だった作業も迅速に行えるようになりました。現在では、炉から出た鉄は砂床に流し込むのではなく、前述の灰と同様に、鋳造棟の横にある取鍋に流し込まれます。鉄が鋳物に加工される場合は、鋳物鋳造機に送られ、そこで移動する鋳型によって、鋳物全体が瞬時に「チルド鋳物」の鋳物へと変化します。斜面の頂上では、水の噴射下で冷却されていた豚が移動中の型から下の貨車に落ち、消費者に届けられます。

65
銑鉄が移動する鋳型に鋳造される仕組み

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鋳型から鋳片を鉄道車両に投棄する鋳造機の上部

大規模な製鉄所では、溶鉄の大部分は鋳型に流し込まれることなく、平炉やベッセマー炉に直接投入され、そこで直ちに鋼鉄に変換されます。鋼鉄の大部分は、冷却される前に板、レール、その他の形状に加工されます。今日では、ガスさえも回収されます。ガスは「集塵機」を通過することでほとんどの粉塵が除去され、その後、フィルターと洗浄機によって徹底的に浄化されます。炉の加熱に不要なガスは、工場内の蒸気ボイラーの燃料として、また大規模な工場では安価な電力を生成するために設置されている巨大なガスエンジンのバッテリーの燃料として使用されます。

現代の実践では、鉄の採掘、積込み、炉への輸送、荷降ろし、装入、銑鉄にしたり鋼鉄に加工したり、さらには完成品にしたりする作業は、実質的に手作業なしで行われ、すべての作業が機械によって行われていることに留意すべきである。

鉱石を錬鉄や鋼鉄に変える「直接的な」方法は長い間求められてきましたが、昔の鉄工たちが粗雑な炉でごく小規模に行なった方法以外には、未だに発見されていません。 67中間段階として高炉で銑鉄を製造し、次に第 2 段階でそれを錬鉄、鋼鉄などに変換することは、常に商業的に有利であることが証明されています。つまり、鉱石は鉱山から高炉に運ばれ、コークスと石灰石は他の地域から到着し、国中の巨大な高炉の群れでそれらから銑鉄が製造されます。

高炉データと年間銑鉄生産量
年 平均身長[1]高炉の 高炉の平均容積（立方フィート） 平均日産量（トン） 年間生産銑鉄トン数
アメリカ合衆国 イギリス ドイツとルクセンブルク
1850 30分 2000 29 56万5000
1860 92万
1870 1,865,000 5,963,000 1,391,000
1880 70分 8200 117 3,835,000 7,749,000 2,729,000
1890 90分 18200 360 9,000,000 7,904,000 4,658,000
1900 100フィート 24000 600 13,790,000 9,003,000 7,550,000
1905 90～100フィート 24000 600 23,000,000 9,746,000 10,988,000
1910 90～100フィート 24000 600 27,300,000 10,380,000 14,495,000
1912 90～100フィート 24000 600 30,000,000 9,037,000 17,869,000
1913 90～100フィート 24000 600 31,000,000 10,654,000 19,292,000
1.高さが110フィートを超える炉では利点は見つかっていない。

化学実験室は製鉄において非常に重要な役割を果たします。買手側の炉化学者が車や船に積まれた鉱石を一つ一つ分析するとともに、売手側の鉱山化学者が行った分析結果を綿密に検証する必要があります。なぜなら、鉱石1トンあたりの価格は、鉄分、リン含有量、そしてその他の特定の成分の割合に基づいて決まるからです。炉への「負荷」、つまり装入量を計算する際には、これらの成分はそれぞれ装入量あたりに実際に含まれるポンド数で推定され、炉内を通過する際の増減が考慮され、様々な鉱石を組み合わせることで、最終的に得られる鉄が特定の望ましい組成になるように装入量が調整されます。 68計算結果と実際の構成の差は驚くべきものです。

まさに今は効率の時代です。

このシリーズの記事では、読者の皆様に技術的な情報や統計を過度に押し付けるつもりはありませんが、1850年から現在に至るまでの炉の高さと容量の増加を示す興味深い数値表を一つ示しておくのは適切でしょう。この期間、アメリカ合衆国における銑鉄の年間生産量は56万5000ロングトンから3100万ロングトン（2240ポンド）に増加しました。1887年にイギリスを抜いて以来、アメリカ合衆国は世界最大の銑鉄生産国であり続けていることは注目に値します。

これまでの高炉単体の生産量記録は、ペンシルバニア州デュケインにある米国スチール社の高炉の生産量であり、1日で900トンの銑鉄を生産した。

69
第5章
今後の展望
道の分岐点に到着しました。広大な鉄鉱石層、炭田、コークス炉、そして石灰岩の採石場から、すべての道は高炉へと続いています。私たちは高炉を訪れ、銑鉄がどのように作られるかを知りました。

ここからいくつかの道が分岐します。私たちは、それぞれの道をたどり、それらが横断する興味深い国や、それらが導く地域について理解を深めていきます。しかし、最初の旅にこれらの道のいずれかを選ぶ前に、少し立ち止まり、私たちの位置を確認し、私たちの前方にある国の概要を把握することが有益です。私たちは、これから訪れる場所の相対的な位置と重要性を知っておく必要があります。なぜなら、この鉄の世界の全体的な計画を包括的に理解することによってのみ、錬鉄、鋼、鋳鉄、可鍛鉄などの主要製品のそれぞれの位置づけを最もよく理解し、それらについて十分な知識を得ることができるからです。前章では、銑鉄は鉱石と完成した鉄製品の中間段階と呼ばれていましたが、示されているスケッチはまさにその通りです。銑鉄は中間製品としてのみ価値がある。なぜなら、商業の世界では、化学的、構造的に他の材料に変換され、それ自体がそれ以上加工することなく使用される材料としてのみ使用されるためである。 70鉄鋼の変容。商業生活に直接利用できる精製鉄製品の研究に一歩ずつ進む前に、この非常に重要な半原料である銑鉄の位置づけを十分に理解しておくことが望ましい。

電気アーク、顕微鏡、カメラ、金属組織検査装置の一部

表A（ 71ページ）から、高炉金属から様々な精錬プロセスを経て、いくつかのよく知られた製品が生成されていることがわかります。これらの精製方法はそれぞれ、生成される材料に特定の一般的な組成と構造をもたらし、それがその特性と性質を付与すると言えます。

金属組織学的分類法
顕微鏡の助けにより、実際にこれらの物質の構造を観察することが可能になります。

71
表A

1912年のアメリカ合衆国の鉄鋼生産

72
年間6,000件のサンプルを分析する化学研究所の一部

73金属または合金片を任意の方向に切断し、露出した表面を非常にきれいに滑らかに磨き、その後、酸でわずかにエッチング（腐食）すると、十分に拡大すると露出した金属の粒子が見えることがあります。金属の粒子だけでなく、存在する他の成分の一部も見ることができます。顕微鏡にカメラを取り付ければ、写真を撮ることもできます。「金属組織学」として知られるこの分析方法は、岩石や地質学的標本の分析に応用された際に地質学者にとって有益であったのと同様に、冶金学者にとっても有益なツールであることが証明されています。

鉄鋼棒の強度を測定する機械

錬鉄、鋳鉄、可鍛鉄、鋼の金属組織学では、顕微鏡で撮影した写真と呼ばれる添付の顕微鏡写真を見ればわかるように、これらをかなり正確に区別することができます。

これらの製品の相対的な位置に関する一般的な知識を得るという当面の目的にとって、この分析方法に勝るものはおそらくないでしょう。

後の章でこれらの材料の製造方法を一つずつ取り上げると、顕微鏡写真が今よりもさらによく理解できるようになり、合金の化学組成や強度、硬度、脆さ、鍛造品質などの物理的特性の違いも理解できるようになります。この時点で顕微鏡写真が示されているのは、材料の構造が非常に異なっていることを示し、一般的な分類を支援するためです。

比較のため、すべては 74直径 70 倍の同じ拡大率。つまり、顕微鏡は、表示されているすべてのものを合金内の実際の大きさの 70 倍に拡大しました。

No. 198.砂型鋳鉄の顕微鏡写真。太い黒い線は黒鉛片です。

前述の通り、合金銑鉄には通常3～5.5%の炭素が含まれています。これは高炉を通過する際に吸収されます。鉄が溶融している限り、この炭素はすべて「結合」した状態、すなわち鉄自体と化学的に結合した状態にあります。しかし、冷たい鉄は溶融鉄ほど多くの炭素を化学的に結合した状態で保持することができないため、合金の凝固および冷却の過程で、多かれ少なかれ炭素が析出、すなわち溶液から、そして鉄との化学的結合から遊離します。その量は主に冷却速度に依存します。析出した炭素は「遊離」炭素（結晶質黒鉛）として合金全体に分散したまま残り、顕微鏡写真198に漆黒の薄片として見られます。

すべての純金属は、凝固および冷却の際の厳しい内部圧力によって歪ま​​なければ真の立方形状をしていたであろう結晶または粒子で構成されていると考えられています。

顕微鏡写真99bは、純金属を非常によく表しています。平炉で特殊な方法で作られた極めて軟らかい鋼です。 75精錬が進み、鋼と呼ぶには程遠いため、「平炉鉄」や「インゴット鉄」と呼ばれることが多い。今日、商業的に市場に出回っている鉄の中ではおそらく最も純度の高い鉄だろう。化学実験室ではこれよりはるかに純度の高い鉄を作ることも可能だが、商業製品としては非常に純粋で、金属である鉄以外の元素が1/4%以上含まれることは稀である。

No. 99b.平炉鉄。おそらく最も純粋な市販鉄製品

結晶または粒の境界線がはっきりと見えます。それぞれの粒はほぼ白色に見えます。暗い平行線、点、灰色の部分は、研磨とエッチングの不均一性によって生じています。

No. 1d.錬鉄の棒材を縦方向に切断した断面。黒い斑点と繊維状の部分は「スラグ」または「シンダー」です。

ほぼ純鉄の顕微鏡写真99bの外観を見れば、銑鉄と鋼が単純な金属ではなく合金であることは容易に理解できるでしょう。実のところ、私たちが研究しているよく知られた鉄製品の中には、あらゆる合金の中でも、真鍮、青銅、バビット、洋白などの非鉄合金よりもはるかに複雑なものがいくつかあります。

76
毎年15,000個の検体を検査する物理試験室

77しかし、私たちはこれを心配する必要はありません。なぜなら、私たちは彼らの複雑な状況まで追及するつもりはないからです。

No. 3b.炭素含有量0.10%の鋼。炭素は黒い部分にあります

重要なのは、この顕微鏡写真No.198に見られる、歪んだ黒い結晶質黒鉛片を観察することです。銑鉄や鋳鉄が非常に脆いのは、主にこれらの脆く柔らかい黒鉛片のためです。金属をあらゆる方向に切り裂くこれらの薄片が、特に急激な衝撃に対して金属の構造的な脆弱性を生み出していることは容易に理解できます。

No. 1dは、圧延された棒鋼を縦方向に切断した典型的な錬鉄断面を示しています 。顕微鏡写真No. 99bと同様に、黒鉛片は見られません。

錬鉄の製造工程では、元の銑鉄に含まれる炭素はほぼ全て燃え尽き、鉄そのものと粘性の燃え殻、あるいはスラグがわずかに残ります。この白熱した「ブルーム」を圧延またはハンマーで叩き出す際に、圧搾工程後に残ったスラグの塊が棒材の長手方向に引き伸ばされます。棒材の長手方向に切断した錬鉄の断面を顕微鏡で観察すると、スラグの繊維がはっきりと見え、すべて平行、あるいはほぼ平行です。このようなスラグの繊維が 78縦断面で識別できる場合、問題の材料が錬鉄であることがほぼ確実に示されます。

No. 22c.炭素含有量0.50%の鋼

No. 36a.炭素含有量1.98%の鋼

顕微鏡写真No.3bは、炭素含有量が0.10%（⅒%）の軟鋼のものです。No.198のような黒鉛片もNo.1dのようなスラグ繊維も見られません。結晶粒の境界線がはっきりと見えます。全体に均一に分布する不規則な黒色の斑点は、この鋼の特徴です。化学的・機械的な組み合わせとも言えるこれらの黒色の斑点は、炭素鋼に明確な特性を与える微量の炭素をすべて含んでいます。

この合金の製造過程において、少量の炭素を除いてすべては、錬鉄と同様に燃焼除去されます。しかし、鋼は完成時には溶融 または流動状態にあり、形成されたスラグは表面に浮かんでおり、これも除去されます。これは錬鉄では起こりません 。79仕上げ温度では厚く粘り気のある鉄です。

No. 74.ねずみ鋳鉄。曲がった黒い線は黒鉛の薄片です

したがって、鋼にはグラファイトもスラグも含まれておらず、貴重な特性を与えるために意図的に添加されたわずかな割合の炭素のみが含まれています。

No. 92d.セミスチール、より強度の高いねずみ鋳鉄

顕微鏡写真No.22cは、炭素含有量が0.50%（1/2%）の鋼の典型的な例です。炭素を含む不規則な斑点ははるかに大きく、より頻繁に見られます。したがって、金属組織学によって、様々な鉄合金をかなりの程度まで分析し、分類できることがわかります。

顕微鏡写真74と92dは、それぞれ軟質および高強度の普通ねずみ鋳鉄を示しています。どちらも銑鉄に非常によく似た構造であることがすぐに分かります。当然のことですが、キューポラで単に再溶解しても、組成や構造に大きな変化は見られません。

80時折、高炉から直接溶鉄を鋳物に使うこともありますが、これはあまり満足のいくものではなく、ほとんど行われていません。これは、銑鉄は精錬工程によって別の物質に転換される以外には商業の世界では有用な用途がないという前述の主張に対する唯一の例外と言えるでしょう。

No. 132. 200年前のねずみ鋳鉄

No. 109.焼鈍前の可鍛鋳鉄

よく知られている鋳鉄の再溶解は、通常、目的の用途に最適な鋳鉄が得られるように厳選された銑鉄と鋳物スクラップから行われます。得られた合金には、依然として3%または3.5%の炭素が含まれています。

興味深いのは、No.132です。これは約200年前の鋳鉄片の顕微鏡写真です。冶金学者の視点から見ると、他の鋳鉄の顕微鏡写真と同様で、外観の違いは鋳造条件などに起因すると考えられます。

81可鍛鋳鉄はねずみ鋳鉄とほぼ同じように作られますが、溶解した鋳物を破断すると断面が白色の破断点を示すような組成に調整されます。ねずみ鋳鉄の鋳物は当然灰色の破断点を示します。ねずみ鋳鉄は非常に硬く、長時間の焼鈍、つまり熱軟化工程を慎重に行うまではガラスのように脆いです。空気から遮断し、60時間以上、真っ赤な熱で保持し、ゆっくりと冷却することで「可鍛性」、つまり全く脆くなく、割れることなくかなりの変形が可能な状態になります。

No. 35.可鍛鋳鉄（焼きなまし）

展延性の観点から見ると、可鍛鋳鉄はねずみ鋳鉄と鋼鉄の中間の位置を占めると考えられます。

顕微鏡写真109と35は、焼鈍処理前後の可鍛鋳鉄の顕微鏡写真である。前者は白鋳鉄の典型的な組織を示しており、後者は焼鈍処理によって分離された純炭素の微細な塊と周囲の純鉄の粒を明瞭に示している。この「焼戻し炭素」には多量の炭素が含まれているが、結晶質黒鉛炭素のように粒が切断されて合金が脆くなることはないことに注意されたい。

上記は、構造的観点から鉄鋼を分類する上で最も重要な点をごく簡単に述べたものである。確かに、これは広範な分野には及ばない。 82高炭素鋼や工具鋼には複雑な性質があり、「焼き戻し」が必要となる。つまり、工具鋼は高温から水中に焼き入れすることで硬化する性質がある。これらのより単純な点については後ほど取り上げる。しかし、主要な主要製品の相対的な位置づけ、その理由、そしてそれらの一般的な構造についてある程度理解するには十分な説明ができた。

No. 8. スクラップから圧延された棒鋼。錬鉄と鋼の両方を含む

これらの標本は顕微鏡写真によって明確に区別できることが確認されており、おそらく誰もこれらの標本を認識し、命名することに困難を感じることはないでしょう。これを裏付けるものとして、顕微鏡写真8号に注目してみるのも興味深いかもしれません。この顕微鏡写真の材料は、2種類の異なる鉄合金から構成されています。この棒は、スクラップ金属を加熱・圧延して作られたものと思われます。このような材料は市販されています。顕微鏡写真から、使用されたスクラップの一部は錬鉄であり、一部は炭素含有量約0.08%の軟鋼であることが分かります。

化学分析と物理試験による分類
これまで、合金の組成については、合金の構造と物理的特性が組成に大きく依存するということ以外、あまり語られてきませんでした。組成と物理的特性は、合金の公正な品質を確保する上で、構造だけでなく、重要なものです。

83
表B—化学組成と物理的性質
シリコンの割合 グラファイトカーボンの割合 パーセント 総炭素含有量の割合 凍結の始まり[2] 抗張力[3] 伸長[4] 溶接特性 主な用途

1. 砂型鋳鉄 2.50 3.75 .25 4.00 2100 さらなる改良。
2. 機械鋳造銑鉄 2.50 3.00 1.00 4.00 2100 さらなる改良。
3. 平炉鉄 .03 .00 .02 .02 2740 5万 2½インチ 良い バー、パイプ、シート。
4. 錬鉄 スラグ .00 .05 .05 2740 52,000 2¼インチ 大丈夫 バー、パイプ、ボイラーチューブ、ステーボルト。
5. 軟鋼 .05 .00 .10 .10 2740 55,000 2½インチ 良い バー、パイプ、ワイヤー、シート、シャフト、チューブ。
6. ミディアムスチール .05 .00 .25 .25 2720 6万5000 2¼インチ 良い バー、プレート、構造。
7. レール鋼 .05 .00 .60 .60 2680 9万 1¾インチ 公平 レール、ギア。
8. 低炭素工具鋼 .15 .00 .75 .75 2660 10万 1¼インチ 公平 ハンマー、冷間ノミ、のこぎり、バネ。
9. 中炭素工具鋼 .15 .00 1.00 1.00 2630 12万 1インチ 貧しい 旋盤工具、ノミ、ドリル、ダイス、スプリング。
10. 高炭素工具鋼 .15 .00 1.25 1.25 2600 13万5000 1⅛インチ わずか 旋盤工具、ノミ、ヤスリ、のこぎり。
11. 超高炭素工具鋼 .15 .00 1.50 1.50 2560 124,000 ¼インチ わずか カミソリ、ランセット、彫刻刀、鋼鉄用の鋸。
12. ハイスチール .00 1.75 1.75 2530 0 なし 伸線加工用のダイスです。
13. ホワイトアイアン .00 2.50 2.50 2460 0 なし 伸線加工用のダイスです。
14. 白鋳鉄 .70 .10 2.65 2.75 2400 41,000 0 なし 車輪を可鍛性にする。
15. 焼鈍可鍛鋳鉄 .70 2.70 .05 2.75 4万 1/2インチ なし 鉄道および農業用鋳物、継手。
16. チルド鋳物用鋳鉄 1.00 1.00 2.00 3.00 2330 3万5000 0 なし ロール、ギア、ブレーキシュー。
17. セミスチール 1.75 2.80 .40 3.20 2300 3万5000 0 なし ギア、蒸気シリンダー、バルブ。
18. ねずみ鋳鉄 2.00 3.10 .30 3.40 2200 2万5000 0 なし 機械部品、火格子、ラジエ​​ーター、バルブ、排水管。
19. 軟質ねずみ鋳鉄 2.50 3.30 .15 3.45 2200 23,000 0 なし ストーブ、ホーローウェア、パイプ継手、その他
    2 . 華氏度。ここでは合金の融点と同じ。

3 . 1インチ四方の棒を縦方向に引き離すのに必要なポンド数。

4 . 長さ 8 インチの棒が破断するまでに伸びるインチ数。

84
鉄鋼の試験片と寸法、弾性限界、伸びの測定に使用する機器

85主題の理解を深めるため、議論中の合金の化学組成と物理的特性のおおよその比較値を示す表を示します。

表 B に示されている数値はあくまでも概算であり、平均、またはむしろ典型的な数値であることを意図していることを明確に理解する必要があります。

実際には、表に示されている数値は様々な条件によって変化するため、ここで必要だった限定的な記述の一部については、当然ながら批判される可能性がある。この分類は、相当な躊躇を伴って示されているが、それは、このように分類することで、そうでなければ見過ごされてしまうであろう、そして見過ごすことのできない既存の関係性が明らかになるからに他ならない。

しかし、これらの合金が明確に区分されているという印象を持たないでください。境界線などありません。あるグループが別のグループに徐々に融合していくため、どこで終わり、どこで始まるのかを見分けることは不可能です。

表Bのかなり複雑な数値を一気に理解しようとして、誰もが苦痛を味わうことがないように願っています。これらの数値は主に比較と参考のために示されています。注目すべき類似点と相違点を注意深く確認した後、各種合金の製造工程を一つずつ説明するまで、これらの数値は保留することをお勧めします。製造工程の説明の際にこれらの数値を参照することは有益です。

現時点で注目すべき主なポイントは以下のとおりです。

1. 平炉鉄は実質的に純粋な鉄であり、その特性に重大な影響を与える成分やスラグ介在物は含まれていません。
2. 錬鉄は、実用上は純鉄である。 86スラグの含有量を除けば、鉄族の中でスラグを通常含むのは鉄だけです。
3. 平炉鉄にも錬鉄にも、感知できる量の炭素は含まれていません。
4. 鋼種の特徴的な活性元素は炭素です。炭素量の増加に伴い、合金の硬度と引張強度は増加しますが、延性（伸び）は低下します。
5. 他の条件が同じであれば、合金に含まれる炭素量が多いほど、より容易に融解します。つまり、より低い温度で融解します。そのため、平炉鉄、錬鉄、軟鋼（炭素含有量が低い鋼、通常0.15%未満）などの純度の高い鉄は比較的融点が高く、鋳鉄は融点が低くなります。

表C—いわゆる「半金属」の重量および体積による割合
シリコン マンガン 硫黄 リン 総炭素 鉄[5] 総半金属
重量 巻 重量 巻 重量 巻 重量 巻 重量 巻 重量 重量 巻
ねずみ鋳鉄 2.50 10.0 .70 .7 .09 .36 .75 3.2 3.45 12.1 92.5 7.5 26.4
セミスチール 1.75 7.0 1.00 1.0 .10 .40 .35 1.5 3.20 11.2 93.6 6.4 21.1
可鍛鋳鉄 .70 2.8 .50 .5 .15 .60 .17 .7 2.75 9.6 95.7 4.3 14.3
鋳鋼 .30 1.2 .50 .5 .05 .20 .04 .17 .35 1.2 98.8 1.2 3.3
軟鋼 .05 .2 .40 .4 .04 .16 .03 .13 .10 .35 99.4 .6 1.2
平炉鉄 .03 .1 .02 .02 .01 .06 .01 .06 .02 .07 99.9 .1 .3
錬鉄 1.20 5.0 .08 .08 .01 .04 .15 .65 .05 .17 97.7 2.3 5.9
5 . これらの合金には微量の他の元素が含まれているため、鉄の含有率は若干高めですが、おおよそ正しい値です。平炉鉄の純度（鉄の含有率が高いこと）にご注目ください。

6. 鋳鉄中の炭素は、1種類だけではなく、2種類の異なる形態で存在します。すなわち、一般にグラファイト（Gr. C）と呼ばれる黒鉛状炭素と、その複合形態（CC）です。これらの合計は通常3.00%から3.50%の範囲です。上記1と2、および16と17で述べた構造と物理的特性の違いは、炭素の総量ではなく、これら2種類の炭素の相対的な含有量の違いによって生じます。

87
4種類のよく知られた鉄合金とその半金属を展示したケース

887. 炭素の増加に伴い、鋼がいつ鋼でなくなり白鋳鉄になるのかは誰にも分かりません。化学的性質にも物理的性質にも明確な境界線はありません。変化はスケール全体にわたって極めて緩やかです。顕微鏡の助けを借りて、現代の物理化学は、鉄と炭素の合金が溶融状態から固体状態へと「凍結」する際に、2つの異なる法則に従うという事実を明らかにしました。第22章で説明するように、一方の法則からもう一方の法則への変化は、炭素含有量が1.7%から2.2%の間で起こります。これが、炭素含有量が2%未満の合金を鋼、それ以上の合金を鋳鉄と呼ぶ唯一の根拠です。
888. その他の「半金属」あるいは構成物質は、当面の目的においては二次的な重要性しか持たないため、ここでは取り上げません。だからといって、冶金学者や炉の技術者がこれらの元素を軽視してよいと解釈すべきではありません。軽視すべきではありません。これらの元素はすべて重要であり、最終製品に反映されなければ、問題が生じます。

鉄合金の体積分析
これらの合金の相対的な構成を視覚的に非常に詳細に把握できる方法があります。

写真に掲載されているキャビネットは4つのセクションに仕切られており、各セクションには棒鋼1本と標本瓶6個が収められています。ラベルから読み取れるかどうかは分かりませんが、棒鋼はすべて全く同じ大きさで、軟質鋳鉄、半鋼（より強度の高い鋳鉄）、焼きなまし可鍛鋳鉄、そして鋳鋼です。各棒鋼の上にある6つの瓶には、その下の棒鋼に含まれる鉄以外の様々な成分が、正確な量で入っています。

マンガン以外の成分は 89鉄のように重い物質は、重量当たりの体積もそれに応じて大きくなります。おおよその数値に換算すると、重量と体積の割合は表Cのようになります。

これはもちろん、調理用コンロや蒸気・温水器の鋳鉄板の4分の1（体積比26%）は鉄ではなく、ほとんど強度のない脆い物質であることを意味します。これらの元素、すなわちケイ素、硫黄、リン、炭素は、一般に「半金属」と呼ばれます。最初の3つは合金中で「自由」な状態ではないため、必要な体積については多少の疑問が生じますが、示されている数値はそれほど正確ではないと考える十分な根拠があります。

これほど多くの弱化成分が存在し、特に顕微鏡写真が示すように黒鉛片が鉄の粒子を切り裂いて分離している状況では、鋳鉄が鋼鉄や錬鉄よりも脆いのも不思議ではないでしょう。

要約すると、最もよく知られている合金と、特に大胆に際立つそれぞれの 2 つまたは 3 つの限定的特徴だけを挙げると、次のようになります。

銑鉄— 炭素含有量が非常に高い。脆い。

ねずみ鋳鉄— 高炭素。脆い。

可鍛鋳鉄- 高炭素。焼鈍処理により可鍛性を高めます。

錬鉄— スラグ。炭素はほとんど、あるいは全く含まれていない。焼きなましなしでも非常に展性が高い。

軟鋼— 炭素含有量が非常に低く、スラグが発生しません。焼鈍処理なしでも非常に展延性があります。

炭素工具鋼- 中炭素鋼。スラグなし。中程度の延性。

つまり、「鉄」とは全く呼ばれない鋼は、ねずみ鋳鉄や可鍛鋳鉄と比較すると非常に純粋な金属であり、 90通常、すべての原料となる化学元素である鉄の割合は、よく知られている錬鉄自体の割合よりも高くなります。

91
第6章
錬鉄
私たちアメリカ人、特に西部の人々は、系図の研究に特に熱心に取り組んだことはありません。しかし、ほとんどの人は、マサチューセッツ州やニューヨーク州にあった、祖先の故郷である小さな田舎町を、一度は心の中で思い浮かべたことがあるのではないでしょうか。遠い昔、祖父があなたを膝に乗せ、少年時代の思い出話を延々と語ってくれたあの頃以来、あなたは幾度となく、時の父があなたを150年前に連れて行って、風変わりな服装と習慣を持つ善良な人々の間を数時間歩くことを許してくれたらと願ったことはありませんか？あなたの宝物の一つである大叔母の自筆アルバムの黄色いページを飾る、150年前の日付が記された奇妙な詩を、親戚や友人が奇妙に書き写していたら、どれほど興味をそそられることでしょう！

感傷に浸りきれない現代社会において、私たちは錬鉄の産地で何世紀も前に作られた道を辿るとき、同じような畏敬の念を抱きます。そこには私たちを古代のものと結びつけるものがあり、私たちは「帽子を脱ぎ、軽やかに」、この原始的な素材である錬鉄が生み出されてきた土地と時代を思い起こします。

92しかし、ここで改めて明確な説明に戻りましょう。鉄が知られるようになってから40世紀以上にわたり、何らかの形で錬鉄が作られてきたという事実を見逃してはなりません。錬鉄は疑いなく鉄の仲間の先駆者であり、何世紀にもわたってその重要性を維持してきました。初期の数世紀には、錬鉄を基盤として、古代人が名声を博した鋼が作られ、同様の製造方法が初期の時代から今日に至るまで広く行われてきました。

錬鉄棒鋼には「繊維」がないので、この方法で分割することはできません。

古代人が作った鉄は、実は、現在私たちが錬鉄と呼んでいるものの一種であったと言われています。錬鉄の 3 つの主な要件、つまり、製造中に必ずしも溶かされる必要がなく、展性のある金属であり、燃え殻やスラグは含まれているものの、炭素はほとんど含まれていなかったという要件を満たしていたからです。

初期の鉄鋼は、言うまでもなく比較的希少で、戦争の道具や特定の用途にしか利用できませんでした。さらに、当時製造されていた鋼はすべて高炭素鋼で硬質な種類であり、軟鋼や軟質鋼として知られる低炭素鋼は一切存在しませんでした。軟鋼や軟質鋼は、1855年のベッセマー法と、その数年後のシーメンス・マーチン法（平炉法）の発明以降に発明されました。

ご存知のとおり、鉄鋼産業の次の発展は、より大きな高炉とより多くの燃料の使用、そしてより高い温度と生産量の増加でした。 93鋳鉄は燃料から相当量の炭素を吸収するため、炉から流れ出せるほど流動性がありました。そして、ご存じのとおり、この高炉金属は、鉄鋼製造の間接法として知られる工程における重要な中間製品となりました。

弱酸で酸洗いすると錬鉄の「繊維」が露出する

銑鉄には 3.5% 以上の炭素が含まれるのに対し、錬鉄にはこの脆化元素がまったく含まれていないか、比較的少量しか含まれていないため、銑鉄を錬鉄に変換するプロセスでは炭素を除去する必要があります。

銑鉄が商業製品として登場した後、それを錬鉄に変える様々な炉と工程が開発されました。これらはすべて、空気中の酸素の存在下で炭素を燃焼させることで炭素を除去するという酸化法に基づいていました。

最もよく知られているのは、ワロン法（スウェーデン・ランカシャー法）、サウス・ウェールズ法、ファイナリー・ファイア法、ランニング・アウト・ファイア法、そしてチャコール・ファイナリー法（ノブリング法）です。スウェーデンで広く使用されているワロン炉は、94ページの図解に示されています。

今日一般的に使用されている方法では、錬鉄はより簡単かつ安価に生産されますが、 94上記の製法によって、これまでに生産された中で最も良質な鉄が作られました。るつぼ法で製造される高品質の鋼は、刃物や工具などで広く好意的に知られているシェフィールドの製造業者は、多くの場合、高品質のスウェーデン産鉱石から作られるワロン法の鉄を製品の原料として要求しています。

鉄棒は傷がついた後でも、激しい曲げに耐えます

スウェーデン・ワロン炉　反射

炉に先立って存在した数種類の炉の一つ。現在も使用されているものもある。

これらの炉は主に浅い炉床で構成され、赤熱した木炭が詰められ、送風用の羽口が備え付けられていました。そこで銑鉄は溶融するまで加熱されました。高温では、銑鉄の半金属は送風によって容易に燃焼します。吹き付けられた空気によって溶融金属の主要な半金属である炭素の大部分が燃え尽きると、精製された金属の融点は非常に高くなり、炉の熱では溶融状態を維持できなくなります。そのため、金属はますます粘稠で硬くなっていきます。これは製鉄業者が「自然化」と呼ぶ現象です。これは炭素がほぼなくなり、注意を怠ると鉄の品質が低下するという合図です。 95この段階で彼は、ペースト状の鉄の塊が、取り出されて槌で叩いたり棒状に加工するまで、燃え盛る木炭によってしっかりと保護されていることを確認します。

これは一般的に、14 世紀頃から 1783 年に Cort が反射炉を発明するまで使用されていたプロセスであり、それ以来このタイプの反射炉が一般的に使用されています。

上で述べたプロセスはすべて非常に似ていますが、鉄が燃料と接触するため、燃料は硫黄がほとんどまたは全く含まれていない木炭でなければならないことに注意する必要があります。

コート反射炉

これは現在一般的に使用されているタイプの炉です。

木炭は高価な燃料であり、しかも生産に必要な森林の大規模な破壊により供給が不足していました。当然のことながら、豊富に存在していた石炭で代用する必要がありました。しかし、石炭に含まれる硫黄分は鉄を腐らせてしまいます。

これは 1783 年まで大きな障害となっていましたが、この年にイギリスのヘンリー・コートが、鉄を 1 つの区画で精錬し、燃料は別の区画から熱を供給するという新しいタイプの炉で錬鉄を製造することに成功しました。つまり、燃料と金属は接触せず、精錬された金属は石炭の硫黄分の影響を受けないのです。

コートの炉を描いた図は、これがどのように実現されたかを明確に示しており、今日使用されている炉とほぼ同じように再現されています。設計から133年が経過しましたが、彼の炉は細部が変更されただけで、2つの重要な変更点があります。 96彼の製法には変更が加えられ、1804年にSBロジャースが砂床の代わりに鉄底を使用し、1830年にジョセフ・ホールが「豚の煮沸」を導入しました。

コートの製法は「ドライ・パドリング」として知られていますが、砂底の使用と適切な炭鉱の不在により、鉄分の損失が大きすぎることが問題でした。損失は投入した鉄の50%から70%に及んだと言われています。つまり、錬鉄1トンを製造するのに約2トンの銑鉄が必要だったのです。当時、鉄の需要が非常に高く、安価な燃料である石炭を使用していたため、彼の製法は経済的に成功を収めました。

初期の鉄ロール

コートがこのアイデアを考案したわけではないが、圧延工程を初めて成功させたのは彼であり、したがって、発明の功績は彼に帰せられる。

しかし、コートの探求はそこで終わりませんでした。彼は、それまで用いられていたハンマーによる叩き加工よりも、より迅速かつ経済的な方法で「ブルーム」と呼ばれる鉄の塊を棒鋼やその他の完成品に加工する方法が必要だと気づきました。彼は、この切抜き図に示されているような動力駆動のロールを用いることで、この方法を実現しました。

コートのこの 2 つの発明は画期的なものであったが、その中でより重要なのは、現代の圧延工場の発展の源となったロールの発明であった。

今日行われている錬鉄の製造について、もう少し詳しく説明する必要があります。パドル炉には、石炭を燃やすための格子が備えられています。長い炎は防火壁を越え、屋根に反射して、炉床に積み上げられた銑鉄の装填物に降り注ぎます。 97炉床の底と側面を形成する空冷または水冷の鉄板の上に、鉄酸化物（鉄鉱石または製鉄​​スケール）を「フィッティング」またはライニングすること。

「パドラー」（熟練した作業員）は長い鉄棒を使って、銑鉄を回転させ、銑鉄を投入されたスラグまたは燃え殻の浴槽に溶かし込みます。この燃え殻は、鉱石または銑鉄由来の鉄と、砂やその他の不純物との化学反応によって絶えず生成されます。この燃え殻は主に鉄のケイ酸塩で、溶融鉄浴槽を保護する役割を果たし、過度の酸化や金属の損失を防ぎます。

装入物の溶解中は、熱は可能な限り高温に保たれ、溶けた鉄は「パドラー」またはその助手によって「ラブラー」または鉄の棒で「かき混ぜ」られます。最良の結果を得るには、炭素が除去される前にリンと硫黄を除去する必要がありますが、そのためには、すべての鋳鉄が溶けたらすぐに炉の温度をいくらか下げ、溶けた鉄と燃え殻の「浴槽」に酸化鉄を混ぜます。リンと硫黄の大部分は化学反応を起こし、鉄を覆っている燃え殻へと移行します。まもなく、塊は沸騰し始め、小さな青い炎が燃え殻を突き破ります。これは、投入された鉄鉱石の酸素によって炭素が酸化されていることを示しています。高炉と同様に、酸素は鉄よりも炭素との「親和性」が高いのです。

この「豚の煮沸」は20分から30分続き、その間に「パドラー」は反応を早め、溶融金属槽のすべての部分が均一に酸化条件にさらされるようにするために、投入物を「かき混ぜる」。

98
今日の錬鉄製造。銑鉄の装入

99やがて金属は「自然化」し始め、浴槽のあちこちに散らばる純鉄の小さな塊が、小さな粘り気のあるボール状に固まります。浴槽の灰の層から突き出ているものもあれば、底からラブラーで引き剥がさなければならないものもあります。この「ボール化」の期間は15分から20分続き、その間にすべての鉄が「自然化」します。

反射炉の石炭山と火室

豚を回して均一に溶かす

練鉄工は、約400ポンドの海綿状の鉄を、素早く2、3個の白熱した球に分ける。燃え殻で満たされ、滴り落ちるこれらの球は、長いトングで一つずつ掴まれ、炉から取り出されて回転式スクイザーへと急行され、そこでねじり回される。球は次第に長くなり、直径が小さくなっていき、反対側の狭い側から出てくるときには、元々含まれていた燃え殻はほとんど残っていない状態で、非常に圧縮された状態になっている。冷却する時間も与えられず、塊は掴まれ「マックロール」に押し込まれる。数回通過した後、非常に粗く不完全な、長く平らな棒状になって出てくる。

100短く切断された後、「マックバー」と呼ばれるこの塊は、ワイヤーで束ねられ、「箱積み」にされます。これらは仕上げ工場の炉に投入されます。白熱した後、箱積みは仕上げロールに送られ、そこで棒鋼、ロッド、板材、その他希望の形状に圧延されます。切断、積み上げ、加熱、圧延を繰り返すことで、二度精錬された鉄やその他の高級錬鉄が作られます。もちろん、積み上げと圧延を繰り返すたびに、より緻密で高品質な製品が生まれます。

溶けた電荷を溜める

「沸騰」段階でかなりの量の灰が溢れ出る

錬鉄には「繊維」があり、これは図示されている2つの図からも明らかです。「自然界に戻る」過程で、鉄の小さな粒子が結晶化し、純度が増します。これらの粒子の直径は、おそらく¹⁄₃₂インチまたは¹⁄₁₆インチです。これが圧搾機に送られると、球状の「スポンジ」は、このような鉄の粒子が緩く接合され、隙間に燃え殻が詰まった状態になります。圧搾機、そして後にロールが伸長します。 101鉄の粒子を糸状にして溶接し、棒を作ります。

顕微鏡で見るには薄すぎる燃え殻の膜が鉄の各繊維を取り囲み、それが錆から鉄を守り、錬鉄に優れた溶接品質を与えていると考える人もいます。

炉からボールを​​1つ取り出す

「スクイーザー」への道

鋼には繊維がないので、 92ページの図に示されている錬鉄棒のように分割することはできません。

一度に精錬できる鉄の量はごくわずかであることに気づいたでしょう。これはまさに錬鉄製造の残念な点です。なぜなら、1/4トンという少量のロットで鉄を生産しようとすると、機械で製造される製品が主流の現代において、人件費がほとんど法外な額になってしまうからです。炉の生産量が少ないだけでなく、高品質の製品を製造するには高度な技術と判断力が必要です。非常に 102代かき作業員も頑丈で力強い男性が必要である。なぜなら、仕事は重労働であり、極度の暑さや寒さにさらされるため、丈夫な体力のある男性が必要となるからである。

「スクイーザー」の断面

この素材は、棒鋼、エンジンステーボルト、突合せ溶接および重ね溶接されたパイプ、その他特定の製品において、長年高い地位を占めてきました。鋼鉄ほど強度は高くないものの、優れた溶接特性と、長時間の振動や突然の衝撃を受けても「結晶化」や破損の危険性が比較的少ないことから、ステーボルト、チェーンリンク、ケーブルフック​​など、破損が深刻な結果をもたらす可能性のある製品への応用が進んでいます。また、パイプ、シート、その他の錬鉄製品は、湿った空気や土壌などの腐食作用に特に優れていると多くの人が考えています。こうした保護効果は、繊維を包んでいるとされるシンダーフィルムによるものとされています。

再加熱炉の準備が整った「箱積み」

この製品は常に鉄のユーザーに好まれてきましたが、製造コストの高騰により、この 60 年間、業界は苦境に立たされてきました。そのため、錬鉄の用途は、初期コストが主要な要素ではない特定の用途に大きく制限されてきました。

錬鉄製レールの生産は 1880 年以降急速に減少し、その年からベッセマー鋼製のレールに置き換えられ始めました。

103
ボールが「スクイーザー」に入る

泥土を短い長さに切断して「積み上げ」

スクイーザーから出たブルームは「マック」ロールに送られ、「マックバー」へと転がり落ちます。

仕上げ工場で、再加熱された「箱積み」がパイプ用の「スケルプ」に巻かれる

104
クロスパイリングにより、完成したバーにクロス繊維が生まれ、望ましい品質が得られます。

近年、軟鋼は錬鉄の強力な競争相手となっている。ベッセマー鋼や平炉鋼の製造業者は、驚異的なエネルギー、技術、そして莫大な資本を投入し、自社製品を鉄鋼ユーザーのニーズに見事に適合させてきた。また、独創的な炉やその他の装置を用いて短期間で膨大な量を生産することで、生産コストの低減も実現している。

錬鉄の製造のために考案されたいくつかの機械式パドル炉のいずれかが本当に成功していたら、この非常に優れた材料の商業的状況はよりバラ色になっていたかもしれない。

アメリカ鉄鋼協会の 1916 年の統計報告によれば、この国における錬鉄および鋼の棒、板、シート、パイプ用スケルプの近年の年間生産量は総トン数で次のとおりです。

マーチャントバー プレートとシート パイプ用スケルプ
鉄 鋼鉄 鉄 鋼鉄 鉄 鋼鉄
1905 1,322,439 2,271,162 72,156 3,460,074 452,797 983,198
1906 1,481,348 2,510,852 74,373 4,107,783 391,517 1,137,068
1907 1,440,356 2,530,632 74,038 4,174,794 444,536 1,358,091
1908 685,233 1,301,405 54,033 2,595,660 297,049 853,534
1909 952,230 2,311,301 76,202 4,158,144 370,151 1,663,230
1910 1,074,163 2,711,568 91,118 4,864,366 350,578 1,477,616
1911 835,625 2,211,737 89,427 4,398,622 322,397 1,658,276
1912 944,790 2,752,324 75,044 5,800,036 327,012 2,119,804
1913 1,026,632 2,930,977 64,729 5,686,308 312,746 2,189,218
1914 563,171 1,960,460 56,590 4,662,656 264,340 1,718,091
1915 657,107 3,474,135 20,253 6,057,441 262,198 2,037,266
1916 993,948 5,625,598 13,303 7,440,677 355,445 2,572,229
105今日の市場には、真の錬鉄ではない、いわゆる錬鉄がかなり存在します。ここで言う錬鉄とは、銑鉄から「練り上げられた」鉄のことです。

ブシェル鉄
薄い板またはその他の軟鋼と錬鉄スクラップの混合物を反射炉で溶接熱で加熱した後、パドル法で作られた真の錬鉄の場合と同様に、それを丸めてスクイーザーやマックロールなどに通します。このスクラップの操作はブッシェリング プロセスと呼ばれ、製品は「ブッシェリング アイアン」または「スクラップ バー」と呼ばれます。スクラップ バーを外側の層に使用し、古い錬鉄バーを長さに合わせて切断して内側に使用すると、箱型の山が作られます。これを加熱して圧延すると、パドル法の鉄ほどではありませんが、非常に優れた材料になります。市販されている特定の等級の鉄、たとえば普通の棒鉄には、このブッシェリング アイアンが多かれ少なかれ含まれていますが、より高級な等級の精錬錬鉄、二重精錬錬鉄、エンジン アイアンやステーボルト アイアンは、通常、純粋なパドル法の製品です。

後者と同様に、せん断、積み重ね、圧延を繰り返すことで品質が向上します。

ブッシェル鉄は、主に錬鉄の生産コストを削減する努力の成果です。この素材は正当な用途があり、かなりの量が使用されています。

106
第7章

セメントとるつぼ鋼
初期には、事実上唯一認められた鋼、そして間違いなく唯一求められていた鋼は、高炭素鋼または硬化鋼でした。これらは刀剣やその他の軍需品、工具などの製造に必要であり、その多くは硬く鋭い刃を持つ必要がありました。

より柔らかく脆くない金属が求められた場合は錬鉄が利用可能でしたが、おそらく最も広く使用された材料は高炭素鋼でした。

鉄合金は2種類しかなく、しかも性質が全く異なるため、両者を区別するのは難しくありませんでした。金属片を赤熱させ、冷水に浸すと、冷めてガラスのように硬くなる場合は鋼、それでもまだ柔らかい場合は鉄であることが証明されました。

しかし、今日では問題はそれほど単純ではありません。中硬鋼、軟鋼、そしてさらに軟らかい鋼、そして鋼の特性を持つその他の合金が登場し、大量に使用されています。これらの登場は、かなりの複雑さをもたらしました。

したがって、私たちの主題である「セメンテーションとるつぼ鋼」と、それに続くいくつかの鋼を取り上げる前に、今日定義されている「鋼」とは何か、最もよく知られている種類は何か、そしてそれらの特性は何かを、私たち全員ができる限り理解しておくことがよいでしょう。

大まかな分類としては、 107鉄鋼業界は、大きく分けて以下の4つの区分に分けられます。

1. 工具や金型などに使用される、より硬い高炭素鋼。
2. ワイヤー、ロッド、バー、プレート、パイプ、橋梁、船舶、高層ビルなどの構造用形状物の製造に使用される軟鋼および中鋼。

工具鋼の硬化。焼入れ準備完了

3. ニッケル、マンガン、クロムなどの金属が特定の特性と名前を与える合金鋼。
4. 「自己硬化性鋼」や「高速度鋼」として知られるその他の現代的な材料。

鋼管で作った蝶結び

最後に挙げた2つのクラスは、単純な鉄-炭素合金ではなく、その特性は炭素に直接由来するものではなく、また炭素にそれほど明確に依存しているわけでもありません。したがって、冶金学的には、これらはまさに以前の意味での鋼ではありません。しかし、炭素を必要としますが、その量はおそらくより少ないため、通常の製鋼工程で製造され、鋼の特性のほとんどを備え、同じ用途で使用されるため、「鋼」という名称にふさわしいのは疑いありません。しかし、区別するために、通常は「合金鋼」と呼ばれます。

ここでは、第一種および第二種の鋼、すなわち炭素鋼についてのみ考察します。前章で説明したように、これらは炭素含有量が2%以下の鉄合金です。

108
高炭素工具鋼（1.25パーセントC）鋳造

（倍率70倍）

低炭素工具鋼（0.50パーセントC）焼きなまし

（倍率70倍）

低炭素工具鋼（0.50パーセントC）鋳造

（倍率70倍）

中炭素工具鋼（炭素含有量0.86％）鋳造品

（倍率400倍）

109炭素は、鉄に水や油で焼入れするなど、高温から急冷すると硬化する性質を与える元素です。鋼に含まれる炭素の含有量が0.4%未満の場合、この処理では硬化力はほとんど、あるいは全くありません。しかし、炭素の含有量が0.6%以上の鋼は、焼き入れ状態ではわずかに延性があるものの、急冷後には非常に硬く脆くなるという素晴らしい特性を持ちます。いわば二重の生命を持つ鋼なのです。

低炭素工具鋼（0.50パーセントC）硬化

（倍率100直径）

硬化した鋼は、よく知られている焼きなまし処理によっていつでも元の柔らかい状態に戻すことができます。焼きなまし処理では、鋼を再び同じ真っ赤な熱に加熱し、ゆっくりと冷却します。

鍛冶屋や金属加工業者の意志により、表面的な劣化なしに硬化と軟化を何度も繰り返すことができます。

（１）鋼中の炭素の割合と（２）冷却の完全性と急速性に応じて、様々な程度の硬度が得られる。

金属は焼入れによって必然的にかなりの脆さと内部歪みを生じるため、通常は425～550°F（華氏約220～260度）というはるかに低い温度に慎重に再加熱することで、硬度を「焼き戻し」または「低下」させます。この温度から2回目の焼入れを行うことで、鍛冶屋が選択した温度で鋼が保持する元の硬度のいずれかに焼き戻しを「固定」します。 110二度目の焼き入れです。こうすることで、脆さの多くが軽減されます。鍛冶屋はこれを鋼の「強化」と呼んでいます。このように処理された工具は、破損しにくくなります。

硬化する鋼（以下「炭素工具鋼」と呼ぶ）は、通常、ハンマーや冷間ノミなどに使用される炭素含有量0.60%のものから、カミソリ、メス、その他高温焼入れを必要とする工具に使用される炭素含有量1.50%のものまで様々である。これらの多様な等級の鋼は、熟練した作業者の手によって多様な焼き入れが可能であり、熟練した作業者は鋼を選定し、その工具の用途に最適な焼き入れを施す必要がある。

軟鋼管（0.10パーセントC）

（倍率70倍）

鍛冶屋やその他の工具職人は、鋼の種類や、それぞれの鋼を焼き入れし「引き延ばす」（焼き戻し）する適切な温度を判断することに非常に長けています。彼らは加熱時の鋼の色だけで温度を判断します。5～10度の温度差で、鋼は鍛冶場の火の中で熱くなり、あるいは焼き入れの直前には冷たくなり、わずかに色合いが変わります。

腕利きの鍛冶屋が仕事をしている様子を観察し、彼と彼の「技」について数分でも会話を交わせば、炭素工具鋼に関する膨大な文献を読むよりも、その知識と理解が深まるだろう。同時に、サロンでは決して披露されず、文明と繁栄の多大な恩恵を受けているにもかかわらず、世間ではほとんど耳にする機会のない、こうした優れた職人たちの技に対する尊敬の念も深まるだろう。

111
高炭素工具鋼は、硬化すると非常に脆くなり、焼きなましすると延性がほとんどなくなります。

112機械や適切なツールがなければ、何がどれだけできるでしょうか?

1/4インチの軟鋼板を二重に折り曲げ、わずかなひび割れもなく冷間折り加工

約60年前、炭素含有量がはるかに低い鋼が登場しました。それらは次第に柔らかくなり、現在「軟鋼」として知られるもの、さらには前の章で「平炉鉄」または「インゴット鉄」と呼んだ、ほぼ炭素を含まない、あるいは実質的に炭素を含まない材料に至りました。これらは硬化特性はありませんが、高炭素鋼に常に欠けている柔らかさ、延性、そして脆さのなさを備えています。20世紀の文明の証である巨大な橋、船舶、建物などには、これらの鋼は不可欠です。なぜなら、切断、曲げ、その他の加工が容易で、用途に応じて十分な強度と柔軟性を兼ね備えているからです。このような鋼は、過負荷がかかると破損する前に曲がるため、危険を知らせてくれるので、望ましいのです。

これらの軟鋼と中硬鋼は工業的に極めて重要です。1912年にアメリカ合衆国で製造された3,100万トンの鋼鉄のうち、おそらく99%は軟鋼と中硬鋼でした。

「例外は規則を証明する」と言われています。セメンテーション鋼は、鋼鉄は製造時に必ず溶かされるという第6章で示した規則の例外です。

薄い鉄片を粉末炭に詰めて弱火でしばらく加熱すると、金属は 113冷却後、硬化特性を獲得していることがわかります。言い換えれば、炭素の吸収によって、鋼鉄の特性をすべて備えた鋼鉄になります。鉄も、それを取り囲んでいた炭素も溶けていませんが、何らかの形で炭素が鉄に浸透しており、加熱時間が十分であれば、棒の中心部にも炭素が見られます。しかし、常に棒の外側の層には、より内側の層よりも多くの炭素が存在し、つまり、中心に近づくにつれて炭素の量は減少します。

シェルビーシームレス鋼管（端面圧潰）

これから説明する鋼鉄製造のためのセメンテーション法が、どのようにして、そしていつ発見されたのかは、正確には分かっていません。13世紀に大陸ヨーロッパで発展しつつあった大型高炉の不均一な稼働が原因だったのかもしれません。ドイツの「天然鋼」は、彼らが製造しようとしていた錬鉄には炭素含有量が多すぎ、後に高炉の高度化と高温化によって実際に製造される流動鋳鉄には炭素含有量が少なすぎたため、このアイデアが生まれたのかもしれません。より可能性の高いのは、薄い錬鉄片が偶然、燃え盛る木炭の中に埋め込まれ、炭素を吸収するまで放置されたことです。

114
るつぼ溶解室。左手の床にある四角いカバーの下に「溶解穴」があります。棚の上で乾燥中の新しいるつぼと、右手のインゴット鋳型に注目してください。

115セメンテーション鋼に関する最初の言及は、1540年にイタリアの冶金学者ヴァンヌッチョ・ビリンッチョによるものと思われます。彼は、軟鉄の塊を溶融鋳鉄中で長時間加熱することによって鋼を製造する方法について記述しました。現代の方法、すなわち錬鉄を粉末木炭中で加熱する方法は、16世紀には確実に知られており、このセメンテーション法は17世紀以降、フランス、イギリス、ベルギー、ドイツで実践されてきました。

シェフィールド（イギリス）のセメント炉

フランス人レオミュールは、鋳鉄を焼鈍によって軟らかくする製法を考案し、その名を冠し、現在もヨーロッパで広く用いられています。彼は、セメント化のプロセスを初めて研究し、ある程度まで理解した人物です。1722年頃、彼が鉄のセメント化に関する完全な方法を出版したことで、この製法による鋼鉄製造は大きく前進しました。しかし、運命は冷酷で、彼の祖国フランスは、この製法に適した鉄の産出量が少なく、彼の発見から大きな利益を得ることができませんでした。スウェーデン、イギリス、ドイツは、はるかに大きな恩恵を受けました。

初期のころには、この研究のために数多くの秘密の素晴らしい混合物や化合物が提供されましたが、その中で、何らかの形の炭素だけが唯一必要な要素でした。

116細かく砕かれた、または粉末状の木炭や骨粉が主に使用されてきました。

ハンツマンるつぼ炉—オリジナルタイプ

石油燃焼るつぼ炉の一種

イギリス、シェフィールドの鉄鋼メーカーは、セメンテーション鋼の製造で大きな成功を収めています。彼らの通常の製法は、幅約4フィート、高さ約90センチ、長さ約4.3メートルの長方形の石箱に、最高級のスウェーデン産ワロン鉄の平板を木炭で包み込むというものです。この箱に、小さめの木炭と細い鉄棒を交互に積み重ね、箱がいっぱいになるまで入れます。鉄棒同士が接触しないようにします。箱がいっぱいになったら、上部の鉄板を箱に接着して気密性を高めます。

下部の火室に火が灯され、徐々に温度が上昇し、炉と箱が真っ赤になるまで加熱されます。この熱は、望ましい硬度、つまり吸収させたい炭素量に応じて、7日から11日間、あるいはそれ以上維持されます。その後、炉を閉じ、ゆっくりと冷却します。これにはさらに7日間以上かかります。

炉を開梱すると、棒は柔らかく展性のあるものではなく、脆く鋼鉄のような割れ方をしていることがわかった。 117入れた材料です。高炭素鋼になりました。

熟練した職人は、破断部を観察することで鋼鉄の硬さを非常に正確に判断することができ、そのようにして棒鋼を分類し、同様の硬さの棒鋼を積み重ねます。

ハンツマンコークス燃焼るつぼ炉（近代型）

こうして作られた棒鋼は表面に多数の膨れが見られ、このことから「ブリスター鋼」として知られるようになりました。これらの膨れの原因は、1864年頃まで解明されていませんでした。著名なイギリスの冶金学者パーシー・パーシーは、膨れは錬鉄に含まれるスラグと炭素の化学反応によって引き起こされることを証明しました。発生したガスが棒鋼の膨れを引き起こしました。この説明は、スラグを含まない軟鋼や鉄の棒鋼には膨れが生じないという事実によって裏付けられています。

ブリスターバーは、鍛造熱で加熱され、ハンマーで引き抜かれたり、棒鋼に圧延されたりして、「スプリング鋼」または「メッキ棒」として知られています。

錬鉄製造と同様に、長さに合わせて切断し、重ね重ねし、加熱し、溶接し、そして再びハンマーや圧延で引き伸ばすことで、より均質で信頼性の高い鋼が製造されます。このように重ね重ね加工された鋼は、「せん断」鋼と呼ばれるようになりました。これは、毛織物を刈り取る鋏の刃が常にこのように作られていたためです。

118私たちの多くは、セメント化のプロセスにおいて、長時間にわたる「表面硬化」を経験したことがあるでしょう。表面硬化は、鉄鋼業従事者によって広く行われており、鉄鋼業従事者は、鉄や軟鋼を所望の形状に鍛造または機械加工した後、わずか数時間で、硬化して耐久性に優れた薄い鋼の外層を形成することができるのです。

シーメンスのガス燃焼るつぼ炉 – 再生システム

チェッカーワークチャンバー（kh）の1組は高温の炎と排ガスによって加熱され、もう1組は流入するガスと空気によって加熱されます。これらのチャンバーは交互に作動します。

このせん断鋼は大量に生産され、非常に満足のいくものでしたが、前述の通り、シェフィールドの時計職人ハンツマンが、せん断鋼のブリスターバーまたはバーを鍋またはるつぼで一緒に溶解するというアイデアを思いつきました。これは、セメント化プロセスだけでは決して達成できなかった炭素含有量の均一化と製品の均一性を実現するためでした。

1740年の創業以来、るつぼ法はわずかな改良のみを受け、今日では最高級の鋼材を生産しています。事実上、高級工具鋼のほとんどがこの方法で生産されています。

ハンツマンの炉の形状も、図解が示すように、大きく変わっていません。燃料としては石炭だけでなく、ガスや石油も使われることが多いですが、炉の基本的な設計は変わっていません。

一世紀もの間、るつぼは粘土を成形し、ゆっくりと乾燥させ、非常に丁寧に焼成して作られていました。通常、各鋼鉄職人は独自のるつぼを製作していました。それらは3回しか使用できず、使用すると非常に薄く柔らかくなってしまいます。 1193バッチ分の鋼材に使用できたとしても、4バッチ目には使用できないというケースもありました。現在ではグラファイトるつぼが広く使用されています。グラファイトるつぼは耐熱性が高く、5～6回使用できます。粘土るつぼでもグラファイトるつぼでも、費用は大きな割合を占めます。

頑固なメルター

るつぼに細片状のブリスター鋼またはせん断鋼を充填した後、炉ピット内で石炭またはコークスで完全に囲みます。鋼が急速に溶解しないように、火力は適切に制御されます。るつぼの周囲には、2回、場合によっては3回、新しい石炭またはコークスを注ぎ足す必要があります。

鋼が溶けたと思われると、「溶解工」と呼ばれる熟練の作業員がるつぼのぴったりと閉まっている蓋を素早く外し、鉄の棒を使って溶けていない部分が残っていないか確認します。

鋼が完全に溶解した後は、「キリング」を行わなければなりません。そうしないと、鋳型に流し込んだ際に鋼が沸騰し、スポンジ状、あるいは十分に固まらない「インゴット」、つまり鋼の塊が残ってしまいます。この鋼の「キリング」は、かなり奇妙な現象です。これは、鋼を炉内でさらに30分ほど静かに放置することで実現されます。この静寂化は、間違いなく 120これは、充填物に含まれるガスまたは不純物が逃げ、化学元素であるシリコンがるつぼの壁から吸収された結果です。

冶金学の旅の中で、私たちはこの元素、シリコンにこれまでにも出会っており、おそらく今後も何度か出会うことになるでしょう。冶金学者にとって、シリコンは炭素に次いで重要な元素です。

るつぼを引き抜く

鋼が適切に溶解され、キルド処理されると、鋳込みの準備が整います。助手が溶解孔の蓋を持ち上げ、「引き抜き工」が円形のトングでるつぼの膨らみのすぐ下を掴み、周囲のコークスから引き抜きます。上部のスラグをすくい取り、鋼を鉄の鋳型に流し込み、通常2～4インチ四方、長さ2フィート以上になる小さな「インゴット」を形成します。

工程のあらゆる部分、注ぐ作業も含めて、極度の技術と注意を払って行わなければ、製品の品質は低下します。

インゴットは鋳型から取り出された後、加熱され、工具などに必要なサイズになるまで圧延またはハンマーで叩かれます。

前述の通り、るつぼ鋼は、人件費とるつぼ本体価格の両面から、必然的に高価な材料となります。そのため、多くの人がこのプロセスを採用しています。 121ウーツ鋼の製造（るつぼで炭素とともに錬鉄棒または軟鋼を溶かす）に、前述のとおりごく少量使用されています。

ウーツ法では、細断された木材と緑の葉が使用されていました。現在では、木炭が代わりに使用されるか、適量の鋳鉄が添加され、錬鉄または軟鋼に所要量の炭素が供給されます。溶解中に、鉄は木炭を吸収し、合金を形成します。

インゴットを鋳塊に流し込む。その後、インゴットは鍛造または圧延されて棒材となり、工具が作られる。

適量のシリコン、マンガン、その他の有益な材料も投入され、これらは合金自体の一部となるか、合金に対して洗浄作用やフラックス作用を発揮します。

この方法で製造された鋼は、適切に選択されたセメンテーションバーを溶融して製造された鋼とほぼ同等の品質ですが、完全に同じ品質ではないかもしれません。この方法は、その直接性と、長く費用のかかる予備セメンテーション工程を省くことができるため、非常に広く使用されるようになりました。

ベッセマー鋼と平炉鋼が市場に登場したとき、高級るつぼのベースとして錬鉄の代わりにそれらを使用する試みがなされました。 122鋼。一見十分に純粋で、錬鉄よりも純度が高いように見えるこれらの金属も、この用途では錬鉄に匹敵するものではありません。何らかの理由（未だ十分に説明されていない）により、15トン、35トン、50トンのバッチで製造されるこれらの新素材をベースとして使用した場合、500ポンドのロットで時間と労力をかけて製造されるパドル錬鉄ほど高品質の工具鋼は得られません。これらの材料は相当量使用されていますが、それはやや低品質のるつぼ鋼に使用されています。

長年にわたり、鋳物用の軟鋼の大部分はるつぼ法で製造されてきました。るつぼ法は最高品質の鋼材の一つですが、るつぼと人件費が通常非常に高額であるため、現在の市場では競争に勝つことができません。

123
第8章
ベッセマー鋼
「燃料を使わない可鍛性鉄と鋼の製造」は、1856年に英国科学振興協会で発表された科学論文の衝撃的なタイトルでした。これは、ヘンリー・ベッセマーによる鉄鋼製造法の発明を世界に知らしめ、世界史上最大の商業的発展につながったものでした。

製造ラインでの経験がほとんどない、あるいは全くない私たちにとって、この発表は十分に奇妙に思えますが、燃料費の問題がいかに深刻であるかを知っている冶金学者、技術者、製造業者は、ベッセマーの主張が当時の人々にとっていかに革命的なものに見えたかをすぐに理解します。

多くの新しい物事と同様に、このアイデアも嘲笑された。ベッセマーの計画は「無償で何かを得る」ことを目的としたものであり、実際それは不可能だった。

それはばかげていた！

当時まであらゆる冶金工程で燃料が必要とされていたことを考えると、なぜそれが奇妙に思えないのか。古いカタルーニャ式溶鉱炉やそれ以前のタイプの溶鉱炉、ファイナリー炉、ワロン炉、その他いくつかの精錬炉では、燃料は惜しみなく供給されなければならなかった。70年間の実験と実践を経て、コルトのパドル法で得られた最小の燃料比率は、鉄1トンに対して石炭1トンだった。 124一方、高炉では、生産される銑鉄 1 トンあたり少なくとも 5 分の 4 トンのコークスが必要でした。

ケリー初の傾斜コンバーター

「ニューマチック」法というアイデアを最初に思いついたのは、フランス系イギリス人のベッセマーか、ケンタッキー州エディビル出身のアイルランド系アメリカ人ウィリアム・ケリーのどちらなのかは、議論の余地がある。後者が最初にこの構想を思いつき、1846年から1856年の10年間で開発にかなりの成功を収めたという主張を裏付ける証拠は数多くある。ベッセマーはケリーの実験について聞いていたのかもしれない。彼が聞いていたという証拠はない。いずれにせよ、彼がイギリスで全く独自に、そして非常に完成度の高いこの法を開発し、卓越したビジネスセンスと精力によって、現在の成功へと導いたという事実は変わらない。

幸運のせいでケリーとこの国に当然与えられるべき名誉が奪われてしまったので、1 つの炉で 24 時間で 1,000 トンの銑鉄を鋼鉄に変換し、軟鋼を初めて建築材料として利用できるようにしたこのプロセスの開発において彼が果たした役割について簡単に述べておくことが望ましい。

1846年、ケリーは兄弟と共にケンタッキー州エディビル近郊のスワニー鉄工所を買収した。約1年後、彼らは 125木炭鉄製造業者が通常直面するのと同じ困難、つまり燃料供給の途絶です。実業家というよりは発明家として優れていたケリーは、この困難を予見していなかったようです。鉄を精錬する別の方法が見つからなければ、彼の事業は危うくなりました。

ベッセマーの最初の実験に使用されたるつぼ

ある日、彼は製鉄炉の稼働状況を観察していたとき、羽口から吹き出す空気の噴流が、溶鉄が他の部分よりも白く、明らかに熱くなっていることに気づきました。他の製鉄業者と同様に、彼は冷風が溶鉄を冷やすと常々考えていました。

ケリーはすぐに真実を推測したようだ。数日のうちに彼は粗雑な装置を組み立て、軟鉄を作り、鍛冶屋に蹄鉄と蹄鉄釘を作らせた。

1856年製、側面に6つの羽口を備えた固定転炉

保守派であったケリーの顧客は、「古き良き製法」以外で鉄を製造することは望んでいないとすぐに彼に伝え、ケリーは彼らの要求に応じなければ取引を失うことになる、と告げた。

しかし、ガリレオと同じく、彼も完全に屈服したわけではなかった。近くの森で、ベッセマー鋼を製造する炉を「転炉」と呼び、7基を次々と製作し、実験を重ねた。

イギリスのベッセマーが 1261856年に米国特許が付与された後、ケリーは特許庁に赴き、数年前に同じ方法を用いていたことを証明した。彼の発明の優先権が認められ、1857年に彼自身にも特許が付与された。

底吹き傾斜コンバータ

財政難と最終的には破産に追い込まれましたが、ペンシルベニア州ジョンズタウンのカンブリア製鉄会社が興味を示し、自社工場で彼の製法を実験させました。1857年、彼はここで最初の「傾動式」転炉を製作しました。最初の公開実験は失敗に終わり、嘲笑されましたが、数日後には成功を収めました。製鉄会社は彼の特許権を買い取り、1870年の期限切れ時に米国特許庁によって更新されましたが、ベッセマーの特許は更新を拒否されました。

1858年、ベッセマーは今日一般的に使用されている形式の最初の転炉を建設した。

ケリーの特許に基づいて設立されたケリー・ニューマチック・プロセス社は、ミシガン州ワイアンドットの製鉄所に転炉を建設しました。ここで、米国で初めて空気圧プロセス鋼が製造されました。 1271864年に実験的な方法が「吹き飛ばされた」よりも。

一方、アメリカ人技術者のアレクサンダー・L・ホーリーは、ベッセマーの特許に基づき、別のアメリカ企業のためにこの地での鉄鋼製造権を取得していた。彼はニューヨーク州トロイに工場を建設し、1865年に鉄鋼生産を開始した。

修理を容易にするために取り外し可能な底部もベッセマーによって考案され、1863年に特許を取得しました。

すぐに両社の利益を統合することが決定され、1866年にそれが実現しました。このプロセスはその後、ベッセマー法として知られるようになりました。このプロセスの初期段階で、ホリーは非常に有名になりました。彼はコンサルタントエンジニアとして、最初の10年から15年の間に建設されたベッセマー工場のほぼすべてを設計しました。

今日、米国の大多数の人々にとって、ケリーと彼がこの偉大な発明で果たした役割はほとんど知られておらず、そのため、ケリーだけでなく米国も、我々が受けるべき功績を認められていない。

幸運なことに、ケリーは発明家によくあるように、金銭的に全く利益を得られないというわけではなかった。彼は総額約50万ドルを受け取った。ベッセマーは、この方法で得た利益は約1,000万ドルとされ、英国君主からナイトの称号を授与された。

ケリーと彼の仕事に関するより詳しい詳細は、 1906 年 4 月の『マンジーズ マガジン』に掲載されています。この雑誌では、H. カソンがケリーと知り合い、一緒に働いていた数人から直接受け取った情報を掲載しています。

明らかにこのプロセスの創始者ではないが、ベッセマーは間違いなくその功績の大部分を負う資格がある。 128彼が受け取ったもの。彼が自身の実験を始めた際にケリーの実験について聞いていた、あるいはケリーの発見に助けられたという証拠はない。彼はケリーと同様に独自にプロセスの詳細を考案し、それを商業ベースに乗せたのはベッセマーだった。

他の新しい製法と同様に、ベッセマーの最初のライセンシーたちは特に成功しませんでした。彼の製法を使用する権利を購入した人々が、その使用に失敗に終わり、ほとんどの人がそうであったように落胆したとき、彼はひそかに彼らの権利を買い戻し、製法の開発を進めました。おそらく、ヘンリー・ベッセマーほど、非常に困難な状況下で実験と開発を継続した人物はいないでしょう。彼には信念がありました。

空気ダクトと羽口を示す現代のコンバーターの断面図

彼は発明の才能に恵まれ、実験にも徹底的でした。彼が考案し、試作しなかったタイプのコンバーターは、その後ほとんど開発されず、その工程は、その後数年の間に、わずか1つか2つの重要な点において改良されたに過ぎません。

ベッセマー法の重要な部分は、前述したように、鋳鉄と鋼鉄との違いである半金属を除去するために、溶けた鋳鉄に空気を吹き込むことです。

これが重要な点であり、燃料の不足は一見奇妙に思えるので、ベッセマーの「吹き抜け」中に何が起こるかを説明する必要があります。

129
溶融銑鉄を転炉に注入する

130技術的に言えば、半金属は「酸化」されます。酸化とは、一般的に空気中の酸素（この元素を21%含む）が、鉄、ケイ素、炭素、木材、石炭などの他の元素または物質と化学的に結合することです。鉄が「錆びる」ように酸化が遅い場合、発生する熱は発生するのと同じ速さで放散し、変化はほとんど目立ちません。しかし、反応が急速かつ十分に激しく起こる場合、物質は「燃える」と言います。後者の種類の酸化は「燃焼」と呼ばれます。

半金属と酸素の親和性については以前にも指摘されていますが、その場合、酸素のほとんどは別の供給源から来ていました。

錬鉄工程では、そのほとんどは、金属に混ぜ込まれた鉄鉱石やスケール、あるいは「浴」を覆うスラグによって供給されました。ベッセマー法、あるいはアメリカで初めて「ケリーの空気吹き込み法」として知られたこの方法では、溶融金属に吹き込まれた空気中の酸素が、炭素、ケイ素、マンガンを直接酸化、あるいは燃焼させます。これらの極めて急速な酸化が熱を生み出します。

すると、鉄は自ら燃料を供給し、外部の可燃物は必要ありません。

どうしてこんなことが起こるのでしょうか?

溶解した鋳鉄 1 トンあたりには、およそ 70 ポンドの炭素、25 ポンドのシリコン、15 ポンドのマンガンが含まれており、通常の製鉄所の転炉に投入される 15 トンの溶解金属には、合計で約 2,000 ポンドのこれらの半金属が含まれています。

この1トンの高品質燃料を炉で燃焼させると、かなりの熱が発生することは周知の事実です。溶融金属の塊の中で燃焼すると、まさに同じ量の熱が発生します。そして、その熱は非常に迅速かつ直接的に、そして効率的に供給されるため、例えば投入時に2300°F（約1140℃）の温度だった溶融鉄は、わずか9～10分で 1314 ～ 6 パーセントの半金属が急速に酸化されることによって、約 3000° F の温度で鋼鉄になります。

図には、1平方インチあたり15～30ポンド以下の噴射が現代の「転炉」の底にある小さなノズルを通してどのように適用されるか、またベッセマーが研究の過程で実験した数種類の容器が示されています。

金属に空気を吹き込む必要もありません。表面に空気を吹き込むことで実質的に同じ効果が得られ、今日多くの製鉄所では、この「表面吹き」型の小型転炉が鋳物用の鋼の製造に使用されています。一方、大規模な製鉄所では、より大型の「底吹き」転炉が使用されています。この転炉2～3基が「ミキサー」から供給される適切な金属を操業することで、24時間ごとに膨大な量の鋼を生産しています。

「ミキサー」は極めて重要です。高炉から75トンから300トン、あるいはそれ以上の量の鉄を貯蔵し、保温する大型の容器、あるいは炉です。様々な成分の鉄を混合・均一化することで、転炉は均一な高温の鉄を操業できるという利点を得られます。

さらに、この金属は「精錬」の用途にも使用されます。金属にマンガンを混ぜることで、含まれる硫黄（有害物質）のかなりの部分が除去されます。

製鉄所の大きな卵形の転炉で 15 トンの金属を 15 分から 20 分かけて吹き出す作業は、一度見たら忘れられない光景です。

小さな「ちっぽけな」エンジンが、「ミキサー」から溶けた鉄を取鍋に注ぎ込み、転炉棟に突進してくるのが見える。アメリカの時間節約術のおかげで、水平になった転炉に溶鉄を注ぎ込む間、一分たりとも無駄にしない。取鍋が邪魔にならないようにする間もなく、転炉は既に送風を開始した状態で直立姿勢に旋回する。さもなければ、溶鉄は底部の羽口に流れ込んでしまうからだ。

132
インゴットの比較

A. 4 ポットるつぼ炉の場合: 4 時間で 400 ポンド、または 1 時間あたり 100 ポンドの加熱、1 回の加熱で 3 × 3 × 36 インチのインゴット 4 個を鋳造します。B. 15 トンのベッセマー転炉の場合: 20 分で 30,000 ポンド、または 1 時間あたり 90,000 ポンド、1 回の加熱で 19 × 20 × 62 インチのインゴット 6 個を鋳造します。C. 50 トンの平炉の場合、8 時間で 100,000 ポンド、または 1 時間あたり 12,500 ポンド、1 回の加熱で 24 × 32 × 72 インチのインゴット 6 個を鋳造します。

133転炉からは赤褐色の煙と火花が散り、徐々に炎へと成長していきます。

爆発は、鉄自体や他の半金属よりも、シリコンとマンガンという半金属を優先的に燃焼させるという、かなりの偏りを示します。3分から5分後には、シリコンとマンガンの半分が燃え尽きます。金属の温度やその他の条件が適切であれば、次に炭素が燃焼し始めます。これにより炎の性質が変化し、炎は大きくなり、まばゆいばかりの白さになります。

金属は非常に高温で、冷やすために冷たい鋼片を投入しなければならないことも少なくありません。これは「スクラッピング」と呼ばれています。

経験豊富な吹き付け工は、作業の各段階を通じて金属の状態と作業の進行状況を判断することができます。

数分後、炎は揺らぎ始め、やがて「消える」。つまり、炎はほとんど消えてしまう。経験豊富な人にとっては非常に明確なこの合図を軽視するわけにはいかない。酸素は鉄だけでなく半金属とも親和性があり、これまで鉄をほとんど無視してきたのは、酸素がケイ素、マンガン、炭素との親和性が高いからに他ならない。半金属は既に燃え尽きており、炎が消えた時点で既に燃えている状態なので、鉄は燃え始める。もし「吹き続ける」と、すぐに鉄は消え、代わりに酸化鉄とスラグの塊が残るだろう。

このように、吹錬の最初の数分間で、ケイ素とマンガンの半分以上が燃焼していることがわかります。残りのケイ素と炭素はすべて、その後の5～6分で除去されます。この短い吹錬期間の終わりには、ほぼ純粋な鉄が得られます。

134
2基の転炉が稼働中、3基目の転炉が注湯中

135しかし、この金属はまだ鋳込みやすい状態ではありません。これは主に、溶解した空気とガスを含んでいるためです。るつぼ鋳造工程で観察された鋼鉄の「キリング（死滅）」に似た何かが起こらなければ、この金属から得られるインゴットはスポンジ状になります。そして、炭素がほとんど含まれていないため、まだ「鋼」とは言えません。

ベッセマーは、完成した鋼には炭素が含まれているはずであることを知っていたので、炎が消える前に吹き止めて、この元素を必要な量だけ残そうと試みました。しかし、これは困難で不確実でした。炎が消えるまで吹き続け、その後、適切な組成になるように十分な量の炭素を戻す方がはるかに効果的であることが判明しました。

イギリスの冶金学者マシェットは、マンガンを添加すると金属から有害なガスや酸化物、そしていわゆる「赤熱化」が除去されることを発見しました。マンガンなしでは困難な時期が続きましたが、ベッセマーはマンガンの必要性を認め、その使用を採用しました。マンガンはすでにるつぼ鋼に使用されていました。

炎が落ちて転炉の温度が下がると、送風が止められ、上部のレールを通って小さな取鍋が投入されます。これにより、通常「シュピーゲル」または「シュピーゲルアイゼン」と呼ばれる溶融鉄混合物がもたらされます。この混合物には、転炉内の溶融金属全体に、所望の組成の鋼を作るために必要な量の炭素、マンガン、ケイ素が含まれています。この添加により、金属の「脱酸」も達成されます。脱酸とは、送風によって残留した酸素とガスが鉄から除去されることを意味します。これは、鋳込みに適した流動性と、完成した鋼に最良の物理的特性を与えるために不可欠です。

136このマンガン・シリコン・炭素金属の添加は「再炭化」と呼ばれ、その後、鋼とスラグは、その下で待機している取鍋に素早く注ぎ出され、そこから鋼が「注入」され（つまり、注ぎ込まれ）、建物内を走る鉄道の線路上の台車に並べられたインゴット鋳型に、底の「ノズル」または穴を通して流し込まれます。

完成した鋼を鋳型に流し込む

鋳型が満たされ、鋼鉄上に強固な皮膜が形成されると、鋼車は「ストリッパー」まで引かれ、そこで鋳型が取り外され、白熱したインゴットが鋼車の上に残ったままになります。

「セメンテーションとるつぼ鋼」の章で言及したインゴットは、通常、鋳型に100ポンドの金属を1ポット分入れられるほど小型でした。したがって、4ポット炉では400ポンドの鋼が生産されました。ここで初めて、トン数で話します。1バッチの鋼から、それぞれ100ポンドの3インチ×3インチ×36インチのインゴットを4本製造する代わりに、15トン転炉から得られる通常のベッセマー鋼の「加熱」では、約18インチ×20インチ×60インチの大きさのインゴットが6～7本得られます。これらのインゴットはそれぞれ約2トンの重さで、合計で30,000ポンドになります。

ストリッパーからインゴットはガス加熱均熱炉へと送られ、そこで溶融したインゴット内部は冷却され徐々に固化し、同時に外殻は再加熱されます。こうして外部と内部の温度が均一化された後、インゴットは再び白熱し、圧延の準備が整います。

137
インゴットから鋳型が剥がされる

138当然のことながら、鋼材の用途によって、インゴットの形状とサイズは圧延されます。レール用の場合は、インゴットは直接圧延され、1本のインゴットから約6本のレール（長さ33フィート）が製造されます。その他のほとんどの用途では、インゴットはスラブ圧延機で中間形状・サイズのビレットまたはスラブに圧延され、再加熱された後、さらに圧延されて車軸、棒鋼、形鋼、線材などの製品に加工されます。

一方、私たちが見た空になった転炉は、休んでいたわけではなかった。アメリカの鉄鋼技術者は機械効率の天才であり、巨大な製鉄所のあらゆる部分が巧みに連携しているため、膨大な量の原料を一瞬たりとも無駄にすることなく処理できるのだ。鋼の取鍋が転炉の口から離れる直前に、さらに傾けて転炉から残ったスラグを排出し、転炉は受入位置に戻り、ミキサーから戻ってきた取鍋車は次の原料を投入した。

こうして、時間を無駄にすることなく、次々と打撃を与えることができます。

修理は必要最低限​​の時間しかかかりません。羽口周囲のライニングが空気と金属の作用でひどく損傷した場合は、底部を取り外し、すぐに別のライニングに交換して製鋼を続行します。

送風工、取鍋工、クレーン工、注ぎ手、継ぎ手、容器工、サンプル作業員、その他の作業員は、シフト終了ごとに「パートナー」に交代します。各人は交代するまで、12時間、24時間、あるいは36時間も働く必要があります。なぜなら、遅滞があってはならないからです。こうして、月曜日の朝6時に仕事を始め、翌週の日曜日の朝6時まで、一週間中、昼夜を問わず働き続けます。 139工場が短期間停止している間も、コンバーターは1時間あたり3ヒート、つまり1週間あたり400～500ヒートを生産し続けます。

ベッセマー社の最初のライセンス取得者のほとんどが、この新しい製法で失敗したことは既に述べられています。その理由は様々ですが、特に一つには、多くの企業がリン含有量の高い金属を使用しようとしたことが挙げられます。ベッセマー社はすぐに、「吹き込み」工程でリンが除去されないこと、そして0.1%を超えるリンは鋼に有害であることに気づき、リン含有量の少ない原料を使用する必要があることを知りました。

これは可能だったが、本来は良好な銑鉄の多くが利用できなくなってしまった。幸いにもスウェーデンとイギリスの銑鉄の多くはリン含有量が低かった。しかし、ドイツの広大な高リン鉱石層は、この目的には役に立たなかった。

この状況は20年間続き、その間、多くの冶金学者がこの方法を高リン含有鉄にも適用できるかどうか模索しました。長年の研究と数々の実験を経て、この問題を解決したのはイギリスの冶金学者シドニー・トーマスでした。彼は従弟のパーシー・ギルクリストと共に、わずか8ポンドの鉄しか入らないおもちゃの転炉で何百回も打撃を与えました。

ベッセマーのライニングは、化学的に「酸性」物質として知られる砂、粘土、その他の土でできていました。転炉のライニングには石灰岩、ドロマイトなどの「塩基性」物質を使用し、吹錬前と吹錬中に石灰岩または生石灰を装入物に添加してスラグを「塩基性」に保ち、炭素を除去した後にリンを燃焼させることができました。そのため、炭素炎が「消えた」後、3～4分間の「アフターブロー」でリンを除去し、再び熱を発生させました。

このプロセスには酸性ベッセマー法と塩基性ベッセマー法の2種類がありますが、実際に使用されるのは前者のみです。 140この国では高リン鉱石がほとんどないため、この国では同様の平炉法が採用されています。次に説明する類似の平炉法はどちらもこの国で採用されていますが、基本的な平炉法が圧倒的に優勢です。

しかし、トーマスとギルクリストの基本的なベッセマー法は、ドイツの偉大な産業発展を可能にしたと考えられています。

年 表1
レールに使用される材料[6] 表2
工程別鋼材総生産量[6]
錬鉄 ベッセマー鋼 平炉鋼 ベッセマー鋼 平炉鋼 るつぼ鋼
1849 21,710
1850 39,360
1855 124,000
1860 183,000 データなし
1865 31万8000
1867 41万 2,280 2,679
1868 445,970 6,450 7,589
1869 521,370 8,620 10,714 893
1870 52万3000 30,360 37,500 1,339
1875 448,000 ↘ 26万 335,000 8,080 35,180
1880 44万1000 ↘ 852,000 12,160 1,074,000 110,850 64,660
1885 13,000 959,000 4,280 1,515,000 13万3000 57,600
1890 14,000 1,868,000 3,590 3,689,000 51万3000 71,200
1895 5,810 130万 700 4,909,000 1,137,000 68,700
1900 695 2,384,000 1,330 6,685,000 3,398,000 100,500
1905 318 3,192,000 183,000 10,941,000 8,971,000 102,200
1906 15 3,391,000 186,000 12,276,000 10,980,000 127,500
1907 925 3,380,000 25万3000 11,668,000 ↘ 11,550,000 13万1000
1908 71 1,349,000 57万2000 6,117,000 ↘ 7,837,000 63,600
1909 1,767,000 1,257,000 9,331,000 14,494,000 107,400
1910 230 1,884,000 ↘ 1,751,000 9,413,000 16,505,000 122,300
1912 110万 ↘ 2,105,000 10,328,000 20,780,000 121,500
1913 81万8000 2,528,000 9,546,000 21,600,000 121,200
1914 324,000 1,526,000 6,221,000 17,175,000 89,900
1915 327,000 1,775,000 8,287,000 23,679,000 113,800
1916 44万 2,270,000 11,059,000 31,415,000 129,700
6 . アメリカ合衆国では、2,240ポンドのロングトン。

リン含有量から肥料として需要がある有名な「トーマススラグ」は、塩基ライニング転炉の副産物です。

ベッセマー法の発明が鉄道の発展にどのような意味を持つのかを知るには、 141表1を少し調べてみましょう。レールの最初の材料は錬鉄でしたが、非常に柔らかいため、長くは使えませんでした。しかし、鋼鉄が利用可能になると、ベッセマー鋼がレールの材料として錬鉄に取って代わるのには時間がかかりました。ベッセマー鋼は均一性、強度、硬度に優れていたため、耐摩耗性に優れていたため、1880年以降、鉄製のレールはほとんど敷設されませんでした。

近年、鉄道車両の重量、速度、運行頻度の急速な増加に対応するため、レールの強度と硬度がますます高くなってきており、鋼鉄は特性が大きく変化しやすい。

現在、ベッセマー鋼は、さらに優れた特性を示す他の製品に取って代わられつつあるようです。

表2の数字が示すように、鉄道業界で起こったことは、他の地域でもほぼ同様に起こっています。これらは、我が国の産業発展と文明の進歩を示すバロメーターです。

142
第9章
平炉法
ベッセマー法は素晴らしい方法でしたが、冶金学の分野で大きな発展を遂げる機が熟していたように思われました。彼が考案した銑鉄を鋼に変える方法は、すぐに競合相手が現れ、最終的に鉄鋼生産のトップに躍り出る運命となりました。ベッセマー法の年間生産量が新しい方法に匹敵するまでには長い年月がかかりましたが、前章で述べたように、1907年にはシーメンス・マーチン法、すなわち平炉法がより大きな生産量を達成しました。それ以来、シーメンス・マーチン法はトップの座を維持しており、おそらく今後もその地位を維持するでしょう。

ジョン・マーシャル・ヒースは、1845年に、古いパドル法を模倣した製鋼法の特許を取得しました。ある意味では、彼は平炉法を考案、あるいは予見したと言えるでしょう。しかし、要求を満たす炉を入手するには乗り越えなければならない大きな障害があったため、彼は計画を実行することができませんでした。パドル炉では、精製された金属は融点が高いため、ペースト状になったことをご記憶でしょう。必要な熱量が非常に高かったため、1860年にCWシーメンスが蓄熱システムを発明して初めて平炉法が可能になりました。シーメンスの炉は、鉄を溶かした状態に保つことができる最初の炉でした。初めて平炉が実用化されたのは、イギリスのバーミンガムでした。

143
alt=’ガス発生炉と再生システム’

初期のガス発生炉、再生炉、平炉。空気、ガス、燃焼生成物の流れが明確に示されており、流れの方向を反転させるバルブも示されている。

144ベッセマー法ほど速くも大量にも生産できず、見栄えも劣りますが、平炉法にはいくつかの利点があります。

酸性ベッセマー銑鉄は、リン含有量が0.1%未満の銑鉄が必要であったため、常に不利な条件下にあった。ほとんどの鉱石にはこの量以上が含まれている。塩基性ベッセマー銑鉄には、リン含有量が2%以上の銑鉄が必要である。これらの範囲内のリン含有量を持つ大量の原料は、ベッセマー法においては役に立たない。

銑鉄を効果的に使用するには、その組成をさらに制限する必要があります。ベッセマー化に必要な熱を与えるのに十分な量のシリコン、マンガン、炭素を含まなければなりません。これらの半金属の燃焼は、鋼への転化と最終的な合金に適切な流動性を与えるために不可欠だからです。

さらに、多量の空気が鋼浴をある程度「過剰酸化」させ、脱酸がどれだけ完全であっても、一部のガスは鋼に機械的に保持されます。また、急速な空気流が炎とともに金属とスラグの一部を機械的に鋼浴外に運び出すため、避けられない「スピッティング」による金属損失も発生します。

一方、平炉法では、様々な性質や組成の銑鉄を使用でき、さらに、安価な鉄スクラップを大量に投入することができる。金属に空気を吹き込む必要がなく、接触するものもほとんどないため、変換は静かにスムーズに行われ、酸化による損失もはるかに少ない。鋼の収率は、ベッセマー法の収率83～87％に対して、通常は投入した金属の90～97％である。また、金属中の過酸化やガス発生も少なく、 145転化率の制御が非常に容易で、必要に応じて試験用のサンプルを採取できるため、転化率に利点があります。試験によって、溶解炉は鋼材を溶鋼する際に、それが所望の組成であることを確信できます。

典型的な固定式平炉の断面図。炉、ライニング、浴槽、空気およびガスポートの構造を示しています。

平炉での溶解は主に間接熱または放射熱によって行われ、炎が浴槽の表面に直接当たることは想定されていません。

炉の後ろの投入扉の前にある鉄スクラップの箱と電気投入機

炉に投入された銑鉄やその他の材料を溶解する間を除いて、炎と空気は半金属の実際の除去にはほとんど関与しません。その主な役割は必要な熱を供給することです。炎と空気は間接的に（主に屋根や壁からの放射によって）使用されるため、非常に多くの熱を消費しなければならず、特別な対策を講じなければ多くの熱が無駄になります。 146それを救出するための予防措置が講じられなかった。金属を精錬した後も溶融状態を保つには、浴槽を十分に高温に保つ必要があるが、錬鉄製のパドル炉ではそれができなかった。

長方形の炉の両端の下には、耐火レンガを格子状に積み上げた2つの炉室があります。これらの炉室は2組あり、それぞれ空気室とガス室が1つずつあります。

スクラップの箱を装填した機械が炉の半分まで挿入されている

このように、平炉は一種の空洞の四角形を占め、炉本体が片側、蓄熱室が両側、煙突と煙道が残りの側面を形成していることがわかります。「逆転」バルブは、入ってくるガスと空気を、それぞれの高温の蓄熱室からポートを通って炉内に強制的に送り込み、そこで合流して非常に熱い炎で燃焼します。高温のガスは炉の反対側にある同様のポートから出て、煙突に向かう途中で蓄熱室の格子模様を加熱します。15分から20分ごとにバルブが逆転し、流れの方向が変わります。このようにして、入ってくるガスと空気は予熱され、炉内では冷たいガスと冷たい空気よりもはるかに熱い炎で燃焼します。送風は必要なく、煙突による通風で十分です。

屋根を高熱から守るため 147浴槽の金属が過度に酸化されるのを防ぐため、空気ポートは通常ガスポートの上に配置されています。空気の流れは、天井を炎から保護すると同時に、浴槽の金属に直接当たって過度に酸化するのを防ぎます。

図示のスケッチは、炉、再生室、ポートなどを大まかに示しています。

「熱い」金属を充填する

当初の目的は、銑鉄を溶かして還元すること、すなわち炎と鉄鉱石の添加によってシリコン、マンガン、炭素を燃焼させることでした。これはイギリスでシーメンス社が開発した方法です。フランスでは、P.とE.マーティン社がこの方法を改良し、シーメンス社の炉内で溶融銑鉄を鉄スクラップで溶解することで希釈する方法を考案しました。すぐに、この2つの方法を組み合わせた方がどちらか一方だけよりも優れていることがわかり、平炉法は「シーメンス・マーティン法」という名称を得ました。

米国では、基本的な平炉法で年間約 2,000 万トンの鋼鉄が製造されている一方、酸性平炉法ではわずか 110 万トンしか生産されていません。

2つのプロセスは、基本プロセスによってリンだけでなく、ケイ素、マンガン、炭素も還元または除去される点を除けば、実質的には同じです。リンを除去するために、石灰（酸化カルシウムまたは炭酸カルシウム）を添加することもあります。 148基本的なベッセマー法と同じように作られます。

酸性ライニングが施された炉に石灰を使用すると、「塩基性」である石灰の多くがライニングの「酸性」（シリカ）レンガと反応し、中和されて本来の役割を果たさなくなります。したがって、基本的なベッセマー法と同様に、ここでは「塩基性」または「中性」ライニングのいずれかを使用する必要があります。

一般的に使用される材料は、「マグネサイト」として知られる焼成炭酸マグネシウムです。カルシウムとマグネシウムの炭酸塩の混合物であるドロマイトが使用されることもあります。通常の中性材料であるクロム煉瓦は、広範囲に使用するには高価すぎます。最高品質のマグネサイトはオーストリア産ですが、通常それほど安くはありません。酸性材料（シリカまたは粘土のもの）の方が安価で機械的強度が高いため、炉の底には塩基性材料を使用し、側壁と天井には酸性煉瓦を使用するという妥協策がよく取られます。スラグの作用が最も激しい槽の縁とその上に、数列のクロム煉瓦を入れて中性境界線を形成することもあります。これは塩基性材料と酸性材料を分離し、相互の反応を防ぐ役割も果たします。

投入の開始時には、白熱した炉の底、つまり「炉床」に石灰岩または場合によっては焼石灰がシャベルで投入されます。

冷たい金属を装入する際、溶解作業員と助手は「ピール」と呼ばれる長い柄の平らな鉄の道具を使って、鉄銑を炉に運びます。続いて、装入物となる鉄くずまたは鉄の一部または全部を装入します。

15トンや25トンの小型炉でも、手作業による投入には6時間から8時間もかかる場合があり、労働コストと熱損失は 149したがって、1時間以内に充電できる最新の機械が極めて望ましい。

ピット側または出湯側を示す平炉の列

投入されたスクラップで銑鉄を溶解する過程で、空気と炎によって金属中のシリコンとマンガンの約半分が燃え尽きます。残りのこれらと投入物の炭素を除去するために、浴槽を「沸騰」状態に保つのに十分な量の鉱石が随時追加されます。この現象は、鉄鉱石の酸素と金属中の炭素から一酸化炭素ガスが発生することによって生じます。これは、錬鉄製造のパドラー（鋳鉄炉の鋳型作業者）が炉内で鉄鉱石を使用した際に起こる現象とよく似ています。浴槽を炎から保護するスラグの層は、間違いなく炉内ガス中の酸素を浴槽へと移動させ、炭素の燃え尽きを助けます。

投入された石灰は鉄中のリンと結合し、浴を覆うスラグにリンを取り込み、溶解と「ワークダウン」（半金属の除去）の過程で必要に応じて石灰を随時追加します。スラグがアルカリ性に保たれている限りリンは保持されますが、酸性に変化した場合は浴中の鉄がリンを再び取り込みます。

これらの反応はすべて化学的であり、 150木や石炭の燃焼、そして化学実験室で起こる何千もの反応。

鉱石は時折追加され、浴槽はかき混ぜられます。長柄の鉄のスプーンやひしゃくで時々サンプルが採取され、鋳型に流し込まれて小さな鋼棒が作られます。そして、急冷後、破砕されます。

平炉「タッピング」

溶解作業員は、これらの破片の破片から浴中の金属の組成を判断することに非常に熟達しています。採取したサンプルを用いて、半金属の消失を観察します。反応が十分に進行したと判断した時点で、最後のサンプルを採取し、化学者に急いで送ります。化学者は、金属を炉内に保持したまま、炭素とリンの「対照」分析を急いで行います。この分析結果で浴の組成が規定値に達していれば、鋼を流し込みます。反応が完了していない場合、化学者の報告では炭素、そしておそらくリンの含有量がまだ高すぎることが示されます。その場合、さらに投入量を減らす必要があります。

いくつかの溶解炉はかなり均一で満足のいくものを作ることができる。 151化学者がいなくても鋼鉄を加工することは可能ですが、最良の結果を得るには化学実験室が望ましいです。

出鋼の準備が整うと、大きな取鍋がクレーンで吊り下げられ、炉の噴出口の下に設置されます。出鋼棒を使って出鋼口から粘土の塊が取り除かれ、溶けた鋼が取鍋へと噴出します。最後に、浴槽を覆っていたスラグが排出されます。多くの場合、スラグは取鍋から溢れ出し、周囲を伝って床下まで流れ落ち、美しい滝を作ります。特に夜は、その光景は壮観です。

インゴット鋳型に鋼を流し込む

再炭化はベッセマー法ほどには行われません。平炉では炭素の除去速度が遅く、制御性もはるかに優れているため、通常、炭素含有量が最終鋼の所望の割合まで減少した時点で炉から出鋼します。炭素を添加する必要がある場合は、鋼を投入する際に、溶鋼槽に銑鉄を投入するか、秤量した量の石炭またはコークスを取鍋に投入します。溶融鉄と鋼は炭素を非常に多く吸収し、容易に溶解します。鉄マンガンは、赤熱脆化を防ぎ、金属を脱酸するために使用されます。これもまた、通常は鋼材に投入されます。 152炉内に追加すると損失が大きくなりすぎるため、取鍋に入れないでください。

炉の背面にある装入扉から鋼材が再び装入される間、鋼材は大型の取鍋のノズルから待機しているインゴット鋳型に流し込まれます。インゴット鋳型は、ベッセマーインゴットと同様に、ストリッパー、均熱炉、そして分塊圧延機のロールへと送られます。

「ストリッパー」で

酸でライニングされた炉では、リンの還元は行われません。それは無駄だからです。そのため、投入する原料はリンと硫黄の含有量が非常に低くなければなりません。石灰は添加せず、炎は銑鉄とスクラップを溶解するだけです。その後、試験片で炭素、ケイ素、マンガンが十分に除去されたことが示されるまで、沸騰を維持するために酸化鉄を随時追加します。その後、上記のように出湯します。

冷えた原料を溶解するには通常3時間以上かかります。残りのシリコン、マンガン、炭素の除去にはさらに4～5時間かかります。そのため、平炉では1回の加熱につき8～12時間かかります。 153充電と溶融の速度に大きく依存します。

近年、冷銑鉄の代わりに高炉の溶融金属を使用する際の困難は大幅に克服されました。ベッセマー法の記事で述べたように、「ミキサー」からの均一な金属の使用は、平炉法にも役立っています。もちろん、溶融金属を投入する場合、溶融時に冷金属を投入した場合のように炎によってシリコンやマンガンは還元されません。そのため、装入される溶融金属は通常、これらの元素の含有量が低く抑えられます。「高温」（溶融）金属を使用することで、鋼鉄の「熱」を生成するのに必要な時間が大幅に短縮されます。

建設中の最初の、そしておそらく大多数の炉は「固定式」です。しかし、傾けて金属を取鍋に流し込むことができる炉を建設することが有利だと気づいた人もいます。これは「傾斜式」炉として知られています。ある炉設計者は、鋼鉄鋳造用の小型炉において、炉自体を取り外し可能にし、取鍋を完全に廃止しました。大型クレーンが、ポートを含むハウジングの間から炉全体を持ち上げます。炉はそのまま鋳型まで運ばれ、そこから直接鋳型に流し込まれます。

平炉はますます大型化しており、50トン級の炉も数多く建設され、1回の加熱で80トン以上の生産量を誇る炉も珍しくありません。

タルボット型の炉は 200 トン、さらには 300 トンもの金属を処理できる大きさに作られていますが、一度に取り出されるのは完成した鋼鉄の一部だけで、残りは取り出された鋼鉄の代わりに追加される新しい材料を溶かすために残されます。

圧延業界は、 154そして、それぞれが他のものを参考にして設計される製鉄方法と設備に依存します。

ベッセマー鋼は、レール、棒、ワイヤ、パイプ、商用棒などの製造に広く使用されており、平炉鋼は鋼板、ボイラー管、構造用形材、車軸用ビレットなどに使用されています。最近では、レールや、以前はベッセマー鋼で製造されていた製品の多くに使用されています。

現代のガス生産者の「バッテリー」の下半分

このことから、ベッセマー鋼の需要がなくなったとか、良質の鋼ではないと推論すべきではありません。前章の表からわかるように、ベッセマー鋼の生産量は、ほとんど、あるいは全く減少していません。実際には、平炉鋼の生産量は大幅に増加しているのに対し、ベッセマー鋼の生産量は横ばいです。ベッセマー化に適した銑鉄の原料となる鉱石の不足が進むにつれ、平炉法はコスト面でベッセマー法と競合できるようになりつつあります。用途によっては、ベッセマー鋼の方がやや好ましいと考えられていますが、多くの良質の鋼の場合と同様に、振り子が大きく振れ過ぎ、平炉鋼がしばしば不当に評価されることは間違いありません。 155ベッセマー鋼が同等かそれ以上に優れた目的に求められ、使用されました。

ベッセマー法は長年「終焉を迎える」と言われてきました。これはもちろん、低リン鉱石の希少性が原因です。どれほど「終焉を迎える」のかは、おそらく断言できません。確かに、ベッセマー法は依然として非常に活発なプロセスであり、「デュプレックス化」などのプロセス統合によって、その寿命はおそらく延びるでしょう。

「デュプレックス法」では、ミキサーから出た高炉溶銑をベッセマー転炉で「脱珪」します。炭素が過剰に燃焼する前に、溶銑は平炉に移され、残りの炭素とリンの大部分が除去されます。この方法により、平炉の利点とベッセマー法の速度の大部分が融合されます。こうして、平炉の生産量が大幅に増加します。

今日では、ベッセマー炉、平炉、電気炉のあらゆる組み合わせが計画されており、どのプロセスの将来も予測するのは困難であり、おそらく不可能である。

複数の章に散在する冶金学的事実が曖昧にならないように、少し要約しておきましょう。大まかに言えば、各工程に必要な材料と能力は以下のとおりです。ここでは、シリコン、マンガン、炭素、リン、硫黄の化学記号を簡潔に使用しています。

プロセス 精製能力 必要な材料
るつぼプロセス。 半金属は除去されず、単に再溶解されます。 Si が非常に低い。PS および C。
酸性ベッセマー法。 Si、Mn、Cを除去します。 非常に低いP.およびS.（0.1%未満）。
基本的なベッセマー過程。 Si、Mn、CPおよび一部のSを取り除きます。 非常に高いP（2％以上）。
酸性平炉法。 Si、Mn、Cを取り出します。 P. と S. が非常に低い (それぞれ 0.1% 未満)。
基本的な平炉プロセス。 Si、Mn、CPおよび一部のSを取り除きます。 より幅広い多様性。
電気炉プロセス。 Si、Mn、CP、Sを取り出します。 より幅広い多様性。
156ベッセマー鋼と平炉鋼の品質競争についてさらに説明すると、酸性ベッセマー炉と酸性平炉のどちらにおいても、投入した量に見合った品質の鋼が得られるということを理解する必要があります。用途によってはリンと硫黄の含有量が0.1%まで許容されますが、他の用途では0.025%または0.03%を超えてはなりません。後者の高品質の鋼を生産するには、これよりわずかに少ない硫黄とリンを含む原料を投入する必要があり、これらの原料は通常、これらの半金属の含有量が多い銑鉄やスクラップよりもはるかに高価です。

石炭を徐々に投入するための揺動アームを備えたガス生産設備の充填フロア

2.5 ～ 3 パーセントのリンを含む材料が入手できる場合 (一般的に言って国内にはない)、基本的なベッセマー鋼では、基本的な平炉と同じくらい低リン鋼が製造されるはずです。

したがって、基本的な平炉法の大きな利点は、酸性平炉法やベッセマー法のいずれかよりもはるかに幅広い種類の原材料を利用できること、そして特にここでは、少なくとも適切な材料が容易に入手できることです。

使用される燃料は、もちろん、量、品質、価格を考慮して、最も入手可能なものに応じて異なります。 157天然ガスは石油と同様に、燃料として広く利用されてきました。しかし、多くの地域では天然ガスが全く採掘できず、また、天然ガスに恵まれていた地域でも供給が枯渇しています。副産物であるコークス炉ガスとタールは、現在実験的に利用されており、ある程度の成功を収めています。

平炉はサイズが大きいため、主に代かき炉に使用できる石炭などの固形燃料は適応できません。

1839年には、石炭を燃焼させて灰にし、そのガス状生成物を工業用途に利用するという試みがなされました。これらの試みは成功し、このプロセスは非常に高度な開発段階に達しました。今日では、一般工業用途にガスを供給する効率的な「ガス発生装置」が数多く存在し、今日の鉄鋼の多くはこの「発生ガス」を利用して製造されています。

これらの記事では、化学の大部分と、明瞭性を保つ限り技術的な詳細を省くよう努めていますが、燃焼と「ガス発生装置」の化学は非常に興味深いため、炭素（石炭、コークス、木材など）は一段階または二段階で燃焼できることを説明しておくとよいでしょう。居間の石炭ストーブや、通風の少ないその他の炉で石炭が青い炎を上げて燃えるのを見たことがある人はほとんどおり、そのような火から発生するガスによって、不運にも閉め切った部屋で眠っていた多くの人が窒息死したことを、ほとんどの人が覚えているでしょう。煙突からの通風が不十分だったり、ストーブの漏れによって未燃焼のガスが部屋に充満したりしたためです。

このガスは一酸化炭素で、化学の教科書ではCOと表記されています。これは、空気が不足した状態で石炭を燃焼させた結果です。化学的には、以下の化学式のうち2番目の式で説明されます。3番目の式は燃焼の2段階目を説明しています。 158炉の上部にさらに空気または酸素が流入した場合にも、このような現象が発生します。

十分な空気による通常の一段燃焼：

1. C（炭素）+ 2O（酸素）は燃焼してCO 2（二酸化炭素）になります。無毒です。

空気不足による二段燃焼：

2. C + O は燃焼して CO（一酸化炭素）になります。有毒です。
3. CO + O は燃焼して CO 2になります。無毒です。

一酸化炭素は血液中のヘモグロビンと化合物を形成して窒息を引き起こし、その結果、生命維持に必要な酸素が体に供給されなくなります。

二酸化炭素は、炭酸水に含まれているガスであり、アイスクリームソーダでアイスクリームと一緒に提供されるのが一般的であることを思い出せば推測できるかもしれませんが、それほど有毒な製品ではありません。

さて、ガス発生装置では、十分に厚い白熱石炭層を維持し、主に一酸化炭素ガスを生成するのに必要な量の空気のみを導入することで、燃焼価値の高い生成物が得られます。1キログラム（2.2ポンド）の炭素がCからCOに燃焼して発生するカロリーまたは熱量はわずか2450カロリーですが、完全に燃焼してCO 2になると8080カロリーになります。したがって、燃焼の第一段階の生成物である一酸化炭素ガスをレンガで裏打ちされたパイプで炉に導き、炉内で空気を加えてCO 2に燃焼させることで、より多くの熱量（つまり、8080から2450を引いた5630カロリー）が炉内で発生します。もちろん、この方法で炉で利用できる理論上の3分の2の一部は、少量のCO 2が生成されるため失われ、使用される空気中の窒素が常にガスを大幅に希釈します。しかし、石炭の燃える層から発生する高温ガスによって運ばれる大量の熱や、蒸気から生成される水性ガスによって運ばれる大量の熱など、利益もある。 159つまり、ガス発生装置の「バッテリー」で生成されるガスは、平均的な組成を維持するために、すべてのガスが1つの大きなメインまたはヘッダーに排出されるため、全体として非常に満足のいく燃料となります。

160
第10章

鋳鉄
これまでの章で、鋳鉄が鉄の仲間の中でどのような位置を占めているかをかなりよく理解できたと思います。高炉と銑鉄について論じた章に続く章では、るつぼ鋼を除くすべての製品が、製品の組成、組織、特性を大きく変える「精錬」工程を経て生産されています。鋳鉄は、この意味での精錬工程の結果ではありません。鋳鉄は、様々な組成の銑鉄を単純に混ぜ合わせることで生産されます。通常は、産業界で役目を終え、スクラップとして再溶解される、同様の組成の鋳鉄が混ざったものです。

鋳鉄は精錬工程を経て製造されないと述べるからといって、再溶解中に組成に変化が生じないということではありません。多少の変化はありますが、特にシリコンとマンガンが少量、空気噴射によって酸化されて失われます。これに加えて、溶解に使用したコークスから、酸化された炭素を補うのに十分な量、あるいは場合によってはそれ以上の量の炭素が吸収されます。通常、燃料から硫黄も吸収されます。しかしながら、錬鉄や鋼の製造に必要な、半金属の燃焼による組成の変化は、実際には、あるいは意図的には起こりません。

161しかし、だからといって、チルドロール、車輪、機械部品、バルブ、継手などに使用される鋳鉄の製造が容易だと考えるべきではありません。後述するように、ロール、車輪、そして耐摩耗性に優れた鋳物には、適切な「チル」深さを保つための金属の正確な制御が求められます。また、高蒸気、空気、アンモニア、水などを扱うバルブ、継手、その他多かれ少なかれ複雑な鋳物に使用される金属は、均一で緻密な結晶粒を持ち、強度が高く、同時に現代の効率的な工具や方法が要求する超高速加工にも耐えられるほど柔らかくなければなりません。このような用途に最適な金属を製造するには、適切に選択された材料の使用、賢明な混合、そしてキューポラ炉の巧みな操作が必要です。鋳型への注湯のために鋳造工場に供給される溶融金属が、高温で流動性があり、特定の作業に適した組成になるようにするためです。

高シリコン銑鉄のサンプリング車

原料の状態から完成品に至るまでの過程を追うことは常に興味深く、また有益です。そこで、鋳鉄製品を製造する会社の受入場から、高炉から運ばれてきたばかりの銑鉄の車を見たり、材料のサンプルを採取したり、 162分析を待つ間保管され、サンプルが分析される研究室に送られ、その後材料が降ろされる貯蔵ビンに送られ、その後、計量された装填物とともにキューポラに送られ、そこで高品質の鋳造に適した組成と品質の溶融鋳鉄に変換されます。

その他の銑鉄のサンプリング

シリコン含有量の低い銑鉄はそりで簡単には壊すことができず、通常は高いところから鉄のブロックの向こうに投げて壊します。

20年前、鉄鋳物は科学的手法に道を譲る「経験則」の最後の砦の一つであるかのように見えました。今日ではそうは見えませんが、多くの鋳物工場はいまだに 割れ具合を基準に銑鉄を購入し使用しています。つまり、鋳物師は銑鉄の新しい割れ目における色や結晶の密集度、その他の特徴を判断することによって、それが自分の目的にどの程度適しているか、そしてそれらをどの程度の割合で混ぜるべきかを推測します。熟練した職人がこのようにしてまともな結果を得ることができるのは、自分が完全に熟知している少数の銘柄の銑鉄を使用している限りであり、その場合でも、使用する鉄の組成にあまり変動があってはならず、生産する鉄の品質にかなりの幅が認められていなければなりません。

この方法で成功することは、10年前よりもさらに困難になっています。多くの新しい高炉の出現と、そこから生産される製品の多様化により、この経験則による混合は、以前よりもはるかに不確実なものになったからです。 163かつてはそうではありませんでした。現在市場に広く出回っている機械で作られた豚は、その組成についてほとんど何も教えてくれないほどのひび割れを生じます。

サンプルの掘削

油やその他の潤滑剤の使用は許可されておらず、掘削物は磁石で採取されるため、砂やその他の不純物が
分析用サンプルに入り込むことはありません。

一部の鋳造所は今でもこの困難で時には不可能な偉業を達成しようと試みていますが、現在では大多数の鋳造所は鋳鉄の製造にもっと科学的な方法を適用しています。

破砕片から、装入物に使用されている鉄の組成や品質を目で見て確実に判断することはできませんが、化学分析によって確実に情報を得ることができます。そのため、当社が購入する銑鉄車はすべてサンプリングされ、分析されます。また、混合物に使用されている他のすべての材料の組成も決定されます。破砕片の有無は、組成の真実性を示すかどうかに関わらず、原料は半金属の実際の含有量のみに基づいて装入されます。生成された溶銑は毎日分析され、その正確性が確認されます。 164混合物を調整し、翌日の装入物の一部として使用される「湯口」の分析結果を提供します。また、約1時間ごとに物理試験用の棒が鋳造され、引張強度、横方向強度、硬度、収縮率などが試験機で正確に測定され、記録されます。このようにして、偶然や推測に頼ることは一切なく、ご想像のとおり、望ましい組成からのわずかな逸脱もすぐに表示され、鉄を正常に戻すために必要な範囲で混合物が即座に変更されます。炉の操業を常にこのような監視下で行うことで、組成と物理的特性を非常に狭い範囲に維持できることは驚くべきことです。

分析のための分量の計量

細かく砕いた混合ドリルを、薄刃のスパチュラで天秤皿に振り落とします。天秤の梁に取り付けられた長い指針が、中央の白い目盛りの中心線を挟んで両側で同じ数の目盛りを振るまで、ドリルの量を加減します。精度は常用ポンドの1/453,000です。これは、長さ1インチの「鉛筆の目盛り」の芯の重さとほぼ同じです。

鋳鉄の原料として、毎年数千トンもの銑鉄が高炉から直接供給されます。原料は貨車または船で運ばれてきます。冶金部門を代表する検査官が各貨車に入り、原料を検査し、各貨車から代表的なサンプルを採取して分析します。銑鉄の場合、 165鉄の場合、これは4～8個の半豚になります。これは経験上、貨車の積載量に非常によく合致することが分かっています。そのため、各貨車は、検査と分析によって鉄の購入仕様に完全に準拠していることが確認されるまで、荷降ろしせずに保管されます。

研究所に到着すると、各車両から採取した半分のピグに穴が開けられ、等量の穴が開けられ、鉄のブランド名、車両番号、日付などが記入された封筒に混ぜられます。各車両から採取したサンプルのピグも同様に処理され、各車両は個別に処理されます。

掘削サンプルが入った封筒は化学者へと送られます。多くの場合、15～20両分の銑鉄サンプルと、それと同数の様々な由来のサンプルが、冶金学者が極めて満足のいく製品を生み出すために把握し、管理しなければならない4～6種類の成分について、同時に分析されます。100種類もの分析が同時に行われていることもあり、作業の詳細を熟知していない人にとっては「大混乱」に陥るかもしれませんが、サンプルがどのように分析されるかを具体的に簡単に説明することは興味深いでしょう。

計量の様子を詳しく見る

このような分析作業では、すべてが重量に基づいて行われます。つまり、成分は重量パーセントで測定され、報告されます。化学実験室での作業では、どこでも 166煩雑な英国の度量衡システムは事実上不可能であるため、メートル法が用いられています。したがって、メートル法は国際的な科学標準です。単位はグラムで、これは1常用ポンドの1/453に相当します。銑鉄の掘削屑1グラムは、通常の10セント硬貨に収まる量です。

非常に少量のサンプルを扱うには、正確さと熟練した技術が極めて重要です。使用する天秤は必然的に非常に繊細です。宝石商がダイヤモンドを計量した天秤と同じくらい繊細だったことをご存じでしょう。この天秤を使えば、普通の鉛筆でつけた1インチの線も計量できます。

酸で溶解する

これは、刺激性のガスが室内に放出されないようにフードの下で行われます。

車両を滞留させないためには、3～4時間以内に分析結果を知る必要があります。滞留とは、車両を許容時間を超えて滞留させた場合に課されるペナルティです。そのため、各サンプルを個別に計量し、シリコン、マンガン、硫黄、リン、黒鉛状炭素、複合炭素を定量します。これらは、鉄が規定の品質を満たしていることを確認するために必要です。 167購入契約を締結し、また鋳鉄品の製造において最も効率的に使用できるようにすることを目的としている。

正確に計量されたサンプルは、番号が振られた清潔なビーカーに入れられます。ビーカーは、急激な熱や冷気に耐えられる高級ガラス製の小片です。これらのサンプルの一部は硝酸、一部は塩酸、その他の一部は複数の酸の混合物に溶解されます。いずれの場合も、掘削片は酸に溶解され、煮沸、蒸発、濾過など、化学の専門家にはよく知られている様々な処理を経て、目的の結果が得られます。場合によっては、濾過され、一定の既知の組成を持つ灰になるまで焼却された成分を実際に計量することもあれば、既知の組成を持つ標準品と色を比較することもあれば、その他の方法を用いることもあります。

ろ過シリコン

過剰な酸を蒸発させ、乾燥させ、冷却し、より弱い酸に再溶解した後、形成されたケイ素化合物を濾過します。溶解した鉄やその他の可溶性成分は、純粋な多孔質の艶出しされていない紙でできたフィルターを通過します。

このすべての分析作業において、化学者は溶液を一滴も、燃焼した「沈殿物」（いわゆる「濾過された」成分）の灰を一粒も失わないように注意しなければなりません。

銑鉄は常に、一定の割合のシリコン（鋳鉄では「軟化剤」として知られている元素）が含まれていることを保証されて購入されます。しかし、これは 168購入する鉄に必要なのは、マンガン、リン、炭素だけではありません。これらも鉄鋳物にとって非常に望ましい元素であり、また望ましくない元素である硫黄は可能な限り少なくなければなりません。そのため、鉄はシリコン、マンガン、リン、炭素の含有量に応じて価格を支払い、硫黄については販売者に罰金を課します。

シリコンを「焼き尽くす」

小さなるつぼに入れられた紙と内容物は、真っ赤に熱せられたマッフル炉に入れられます。紙は純粋なセルロースなので、計量できる灰は残りません。燃焼後に残るのは、真っ白で細かい砂である酸化ケイ素です。これを非常に慎重に計量します。（通常の砂は酸化ケイ素で、通常は鉄分でわずかに着色しています。）

研究所は、これらの原材料を購入した契約書のコピーを保管しています。比較の結果、得られた分析結果が契約条件を満たしている場合、荷降ろし承認票が発行され、受入部門に荷降ろし先を指示します。荷降ろし先は、受入棟内のどの原材料保管庫にするかです。契約で定められた基準を完全に満たしていない場合は、購買部門に通知され、当該車両は不合格となるか、製品に支障をきたさずに使用できる場合は、適切な調整条件を付して受入れられます。

コークス、石灰石、蛍石などの原料も同様に検査、分析、処理されるため、推測に頼る必要は一切ありません。試験室で測定された組成は、合否判定の基準となるだけでなく、合格した原料の分析結果は直ちに冶金担当者に送られ、冶金担当者はそれに基づいてキューポラに使用する配合を決定します。

受入棟内のラベルの付いた容器に分析済みの原材料を大量に保管し、鉄の混合と溶解を監督する冶金学者は、数学的計算によって、鋳物に最適な組成と特性を持つ溶融鉄を得るために、どの鉄をどれだけの量使用する必要があるかを決定します。

169
硫黄の滴定

掘削孔からは硫黄がガス（硫化水素）として発生します。これは塩化亜鉛溶液に吸収されます。硫黄の量は、ビュレットから、正確に濃度がわかっているヨウ素溶液をゆっくりと注ぎ入れることで測定されます。ヨウ素は硫黄化合物が残っている限り硫黄化合物と結合しますが、その後に最初の一滴を加えると、指示薬としてあらかじめ加えたデンプン糊と過剰のヨウ素が反応して溶液全体が青色に変わります。精度は硫黄の約0.005%です。

170投入する鉄原料の総量には、シリコン、マンガン、リン、そして炭素が一定量含まれていなければなりません。例えば、軟質鋳鉄を4,000ポンド投入する場合、投入する原料中のシリコンの総量は約118ポンド、マンガンとリンはそれぞれ約30ポンドである必要があります。もちろん、これらの原料は酸化によって通常失われることは分かっており、最終的な組成が望ましいものになるよう、十分な余剰分が確保されています。

リンの滴定

リンを含む黄色の沈殿物をろ紙で濾し取る。これをアルカリに再溶解し、硫黄の場合と同様に硝酸標準液で滴定する。リンを測定後、最初の滴をフラスコに加えると、溶液はピンク色に変わる。

定期的に点検され、常に注意深く調整された複数の秤で、計量員は規定量の原材料を計量する。約1トンの重量を積載できる「バギー」に、コークス、適量の銑鉄、鋳鉄スクラップ、前日の鋳物工場の鋳物から出た湯口、そして適量の石灰石フラックスが順番に積み込まれる。2トンの鉄を1回運ぶには、4台のバギーが必要となる。 171原材料容器や秤からキューポラまで。

昔は労働者がキューポラに材料を投入し、手作業で材料を広げていましたが、現代の鋳造工場ではより優れた方法が採用されています。ここでは、圧縮空気で作動する投入機が、コークスやその他の材料を積んだバギーを1台ずつ炉内に運び込み、中身を投入した後、バギーは受入棟に戻され、再び材料を充填します。

したがって、1 時間あたりに大量の充填物がキューポラの大きな充填ドアを通過し、充填ドアの底部とほぼ同じレベルを維持するのに十分な速度で充填されます。

炭素を読む

結合炭素量が多いほど、鉄または鋼の硝酸溶液は暗くなります。溶液は水または弱酸で希釈し、「既知の」試料または標準品の色と一致するまで希釈します。正確な目盛りが付いた比較試験管を使用します。

始動にあたっては、キューポラの砂底に薪を焚きます。この上にコークスを適切な量だけ敷き詰め、金属を装入する準備が整うと、羽口から30～60センチほど上まで赤熱したコークスの柱が伸びます。この「層」の上に、前述の通り、計量した銑鉄、湯口、スクラップ、石灰石を交互に積み重ねます。装​​入後は、 172鉄の投入物を溶解する際に燃え尽きる「ベッド」コークスを置き換えるのに十分な量のコークスの層。これにより、一日を通してコークスのベッドの上部がほぼ同じ高さに維持されます。

グラファイトカーボンの重量測定

グラファイトは、穴あき白金るつぼ内のアスベストパッド上で濾過されます。水分が完全になくなるまで乾燥させた後、重量を測定し、強熱し、再度重量を測定します。重量減少は、サンプル中のグラファイトの重量に相当します。

午前7時、12～16オンスのブラスト圧力がかけられて以来、装入物は装入口から徐々に下降し続けている。羽口より少し上のコークス層上部にある「溶融帯」の高熱に晒され、鉄は溶けて3～5フィートの赤熱コークス層を伝って砂のキューポラ底、あるいは炉床へと流れ落ち、そこに堆積する。タッパーは鉄棒と「ボッドスティック」を使って、 173湿った耐火粘土の小さな球状の塊が、必要に応じて炉底の出銑口を開閉しますが、10時間以上続く一日を通して、ほぼ常に噴出口から鉄が流れ出ています。鉄を受け取った大きな「ブルレードル」は、次に小さな「シャンクレードル」へと鉄を送り、さらに小さなレードルへと運ばれ、そこから砂型に流し込まれて鋳物が形成されます。

別のクローズアップビュー

高炉の場合と同様、液体にするために石灰石がフラックスとして加えられ、砂、土、スケールなど有害な物質を除去します。石灰石とこれらの不純物が結合してできた液状のスラグは、鉄自体の半分以下の重さしかないため、キューポラの炉床で溶けた鉄の上に浮かびます。スラグは、炉の後ろ、羽口の真下にある「スラグホール」と呼ばれる高い穴からほぼ絶え間なく流れ出ています。スラグは、充填材などとして使用する以外にはほとんど価値がありません。いわゆる「スラグウール」は、これに空気を吹き込むことで作ることができます。キューポラからの送風によってスラグが吹き出され、純白の「ウール」が形成されてキューポラのスラグホールから吹き出すこともあります。クリスマスの時期になると、職人の中には、装飾用や「サンタクロース」の耐火ウィスカー用に大量のスラグを持ち帰る人もいます。

これらの作業は一日中継続して行われ、各キューポラは、鋳造される鋳物、サイズ、形状、目的に最も適した特定のグレードの鋳鉄または「半鋼」を製造します。

174
直接燃焼による炭素の測定

電気炉に純酸素を流すと、掘削くずは木の破片のように燃えます。発生するガスから、総炭素量を非常に正確に測定します。

キューポラ用の銑鉄の計量

1回の装入で3～6種類の銑鉄が使用されます。

175
レシーバービル

ここでは、異なる成分の銑鉄が番号とラベルが付けられたビンに別々に保管されています。銑鉄の荷降ろしと取り扱いに使われる磁石が見えます。砂用のグラブバケットは右側にあります。

コーラの料金を計量する

10 ポンドまたは 15 ポンドの差がキューポラの動作に影響を与える可能性があるため、厳密な計量が必要です。

176鋳造が3つの主な決定要因です。

キューポラの断面図

一日の終わりが近づくと、装入は停止し、装入扉が閉じられます。最後の装入物は徐々に下降し、約1時間後に溶解してブルレードルに流れ込みます。ブルレードルが空になるとすぐに、それは邪魔にならない場所に移動され、キューポラからすべての鉄と相当量のスラグがタップホールから排出されます。そして、キューポラの下部扉は、それらを固定していた「支柱」を引き抜いて下ろされます。すると、大量のコークス床が、猛烈な熱、光、そして炎とともに噴出します。これは水流で素早く鎮められ、除去されます。冷めたら、スラグと堆積物をキューポラの内張りから削り取り、焼けた部分はレンガと硬質の耐火泥で補修し、下部扉を上げて所定の位置に固定します。そして、8インチの砂底を詰めて、翌日の操業に備えます。火を起こし、十分に赤熱したコークスの「床」ができたら、キューポラは再び鉄の装入に備えます。

177
稼働中のキューポラ

キューポラの噴出口から流れ出た鉄は「ブルレードル」に流れ込み、そこから「シャンクレードル」へと流れ込みます。ブルレードルは貯蔵庫とミキサーの役割を果たします。

鋳型から取り出した鋳鉄の鋳物。

「湯口」は取り除かれていません。

178
第11章
鋳鉄（続き）
現代のベッセマー炉、平炉、その他の鋼製品が再加工、すなわち圧延、鍛造などされるのとは異なり、鋳鉄は数世紀前に遡る比較的古い合金です。圧延、鍛造、その他の再成形が不可能なため、最終的な形状を得るには、溶けた金属を鋳型に流し込む、つまり「鋳造」する必要があります。鋳鉄は、数百もの用途があり、非常に優れた性能を発揮します。比較的安価で、少量でも大量でも容易に複製でき、軟質鋳鉄であれば機械加工も容易です。

これらの鋳鉄合金は、鋼鉄や錬鉄の3分の1から半分の強度しか持たず、比較的脆い性質を持っています。強い衝撃に耐えなければならない場合には、これらの合金は使用すべきではありません。また、一部の鋳鉄は、加熱と冷却を繰り返すと大きくなる「習性」があります。この「永久膨張」は、赤熱以上の加熱と冷却を交互に行う場合に特に顕著です。鋳鉄片は長さ寸法が15%増加するように作られており、わずかに小さすぎる鋳鉄片は加熱によって永久的に膨張する可能性があることは、機械工の間では周知の事実です。

しかしながら、鋳鉄は広く正当な用途を有し、非常に有用です。現在重要な用途のほとんどにおいて、鋳鉄がすぐに置き換えられる可能性は低いでしょう。

179
非常に大きな鋳物用の鋳型は、その大きさゆえに、鋳造工場の床面、または部分的にピット内で製作する必要がある。

180鋳鉄には、 83ページの表に掲載されている合金番号 14 から 19 に示されているように、非常に多様な組成と物理的特性のものがあります。ここでもその一部が引用されています。合金番号 3 から 13 では炭素が物理的特性に大きな影響を与えており、これは鋳鉄にも当てはまります。しかし、後者はすべて炭素の総含有量が 2.5 % 以上であり、特定の条件下では、炭素の一部が鋼の場合とは異なる形状になります。この変化した形状が「黒鉛」で、薄片状で黒く、油のような感触の物質としてよく知られており、柔らかく非常に脆いです。鉄合金内の黒鉛は当然鉄を弱めますが、黒鉛自体が非常に優れた潤滑剤であるため、十分な量が存在すると鋳鉄の機械加工が容易になります。

鋳鉄製品の一部
シリコン、
パーセント グラファイト、
パーセント 複合炭素、
パーセント 総炭素量（
パーセント）
No. 14. 白鋳鉄 .70 .10 2.65 2.75 非常に難しい
No. 15. 焼鈍可鍛鋳鉄 .70 2.70 .05 2.75 機械加工可能
No. 16. チルド鋳物用鋳鉄 1.00 1.00 2.00 3.00 非常に難しい
No. 17. セミスチール 1.75 2.80 .40 3.20 機械加工可能
No. 18. ねずみ鋳鉄 2.00 3.10 .30 3.40 機械加工可能
No. 19. 軟質ねずみ鋳鉄 2.50 3.30 .15 3.45 機械加工可能
上記はあくまでも典型的な組成例です。もちろん、あらゆる中間組成の鉄も存在します。総炭素量、黒鉛状炭素量、複合炭素量は概ね上記に示した値とほぼ同じですが、大きなばらつきが生じる可能性があります。

さまざまな化学的および物理的 181どのような特性が生み出されるかを知るために、ある鋳鉄に含まれる炭素の総量が 3.25 パーセントだと仮定しましょう。この炭素がすべて化学的に結合した形（つまり、鉄と結合して金属組織学者が「セメンタイト」と呼ぶ非常に硬い化合物を形成）であれば、破壊は白色で合金は非常に硬くなります。この炭素がまったく結合せず、すべてが合金全体で黒鉛片の形である場合、破壊は「灰色」で、合金は柔らかく機械加工可能になります。これら 2 つの状態のいずれか、または実質的に任意の中間段階を作り出すことが可能です。つまり、3.25 パーセントの炭素をさまざまな割合の黒鉛状炭素と結合炭素にほぼ自由に分割することができ、合計は常に 3.25 パーセントになります。

No. 30.非常に柔らかい鋳鉄。大きな黒鉛片に注意

No. 31.中硬鋳鉄

丸みを帯びた黒い部分が「結合炭素」です。鋳鉄や鋼の強度を高めるのは、この「結合炭素」です。

柔らかさに必要なグラファイトの「沈殿」は主に以下の影響によってもたらされます。 182我々が以前「軟化剤」と呼んだシリコン。他の条件が同じであれば、シリコンの含有量が多いほど（4％を超えない場合）、黒鉛が多くなり、結合炭素は少なくなります。逆にシリコンが少ないほど、黒鉛が少なくなり、結合炭素は多くなります。黒鉛の沈殿後に残る「結合炭素」のおかげで、合金は強度、硬度が高く、結晶粒が緻密になります。つまり、炭素が増えるほど鋼は強く硬くなるのと同じように（鋼では炭素はすべて結合しています）、他の条件が同じであれば、鋳鉄の強度と硬度は通常の限度内で、結合炭素が増えるにつれて増加します。

No. 92d.セミスチール。より緻密な粒子でありながら、より強度の高い鋳鉄

No. 33e.まだら鋳鉄

白鉄とねずみ鋳鉄が混ざっていることからこう呼ばれています。

ここで、金属組織学の観点から鋳鉄は単に鋼である ということを覚えておくことは興味深い。183そこには、いわゆる不純物、あるいは混入物である黒鉛結晶が含まれています。顕微鏡写真No.74、No.92d、No.30、No.31に示されている鋳鉄からこれらの黒鉛結晶を取り除くことができれば、77ページと78ページに掲載されている顕微鏡写真No.3bとNo.22cに示されている鋼と外観が非常によく似た合金が得られることがすぐにわかります。[7]

7 . 倍率70倍。

No. 7.白鋳鉄

そのため、バルブや継手、機械部品、ラジエーター、中空容器などに使用される軟質鋳鉄は、シリコン含有量が高いです。機械加工を必要としない部品は、「より硬い」鉄、つまりシリコン含有量の少ない鉄で作られることがあります。

鋳鉄の硬度を変化させる方法は、シリコン含有量の操作だけではありません。黒鉛が「析出」（つまり、鋳物全体にわたって分離）するには、十分な時間が必要です。つまり、鋳込み後の鋳物の冷却は十分に遅くなければなりません。砂型の中で鉄はしばらく溶融状態を保ち、凝固後には炭素の大部分が黒鉛として分離するのに十分な速度で冷却されます。したがって、砂型で作られた適切な組成の鋳物は柔らかく、加工しやすいのです。

表面が鉄でできた鋳型に鉄を流し込むと、溶けた金属は鋳型に入ると 184鋳型に成形されるとすぐに固体となり、急速に冷却されます。このような条件下では、合金中の炭素が黒鉛状に変化するのに必要な時間が与えられず、鋳造物は白割れを起こし、非常に硬くなって機械加工が不可能になります。

白い鉄のリムが見える、冷却された車のホイールの断面。

合金が極めて高い硬度と、それに伴う優れた耐摩耗性を備えていなければならない用途は数多くあります。例えば、ギア、ブレーキシュー、ロール、車輪などの摩耗面は硬くなければなりません。こうした製品には、前述のように合金の極めて硬い性質である白鋳鉄が利用されます。このような鋳物は通常、表面は白鋳鉄で、内部はねずみ鋳鉄でできています。ねずみ鋳鉄は脆性が低く、衝撃や負荷を受けても破損しにくいからです。例えば、自動車の車輪は、レールに接する表面に約2.5cmの深さの白鋳鉄層を有しています。

チルド鋳鉄

白い縁は、上に示した車輪の白い縁と同様に、鉄の冷気による急速な冷却によって生じたものです。

これらは「チル鋳物」として知られています。これらの鋳型は通常砂で作られ、白鉄を生成する部分に鉄片（チルと呼ばれる）が埋め込まれます。砂の表面に近い溶融鉄は通常の方法で冷却され、灰色で柔らかくなりますが、「チル」の近くの溶融鉄は白く非常に硬くなります。 185硬い。チル層の「深さ」は、使用する鉄製の「チル」の厚さ、その温度、そして鋳型に流し込む溶融鋳鉄の組成と温度によって増減します。

溶融鋳鉄中の硫黄と総炭素も、「チル」の深さに大きな影響を与えます。

2部成形フラスコ

鋳鉄合金には、通称「セミスチール」と呼ばれるものがあります。これは単に高品質で強度の高い「ねずみ鋳鉄」であり、180ページの表に 示すように、鋳鉄に分類されます。鋳鉄に一般的に使用される材料から製造することも可能ですが、実際には、シリコン、リン、総炭素含有量を望ましい値に抑えるために、一定量の鉄スクラップを投入して製造されます。

中空の円筒。

これから作る鋳造品です。

鋼は鋳鉄よりも引張強度が高いため、多くの人が、鋼を添加することでセミスチールが通常の軟質鋳鉄合金よりも強くなったと推測しています。「セミスチール」というやや不名誉な名称は、使用されている鋼と、その結果得られた製品が持つ中程度の強度に由来しているようです。

しかし、投入物の溶解中に鉄スクラップは溶け、その成分は 186投入された他の鉄材料の混合物です。キューポラから出てくるのは、ブラストによる空気や燃料などによる損失と利益を除けば、投入された材料の平均です。したがって、もはや鋼鉄は生成されず、より柔らかい鋳鉄よりもシリコン、リン、炭素の含有量がいくらか低い鋳鉄になります。この合金の強度が高いのは、その組成によるものであり、製造に鋼が使用されたという事実は間接的にしか影響しません。投入された鋼鉄の物理的特性は、溶解プロセスによって完全に失われています。

木の割紋、表面はシェラックニスでコーティング

半鋼の強度増加は鋼材の投入によって間接的にしか得られないというこの見解は、79ページの74番と92d番、そして本稿で示した顕微鏡写真に示されているように、顕微鏡下での構造的外観、そしてハンマー打撃に対する極めて脆い性質によって裏付けられています。このような衝撃に対しては、鋳鉄とほとんど変わらない耐性しか持ちません。

鋳造時に穴を開けるコア

この「衝撃」に対する弱さは、以下の表を作成するための試験によって明らかになった。1インチ四方、長さ13インチの棒を、ちょうど12インチ間隔で支持台に置き、その中央に25ポンドの重りをぶつけた。鋳鉄棒が折れるまでに7回の打撃を要したのに対し、半鋼棒は11回、鋳鋼は92回の打撃に耐えた。しかし、この数値は鋳鋼（まだ議論していない別の合金）の優れた耐性を十分に表しているとは言えない。なぜなら、打撃ごとに「落下」の高さが1インチずつ増加し、鋳鋼棒は曲がるため、定期的に回転させる必要があったからである。打撃によって生じた総フィートポンドは、以下の表に示されている。

187
パターンが引き抜かれた後のドラッグ、または金型の下半分

コアとコープを配置した状態でドラッグするか、型の上部半分を閉じる準備を整えます。

コア、鋳物、スプルーなどの相対位置を示す透明な金型。

188
合金 抗張力 打撃数 合計フィートポンド
鋳鉄 23,400 7 102
セミスチール 35,050 11 206
可鍛鋳鉄[8] 37,140 22 1,580
鋳鋼[8] 72,120 92 10,112
8 . 曲げ加工のため、可鍛鋳鉄と鉄棒は複数回旋削加工する必要がありました。

セミスチールは、鋳鉄よりも1平方インチあたり1万～1万2千ポンド高い強度を持つ、非常に緻密な結晶粒の合金です。かつて鋳鉄が使用されていた中型および大型の鋳物に最も適した材料です。

鋳鉄製T字継手、コックプラグ、リターンベンド（スプルーとゲート付き）

鋳鉄は非常に脆いと言いましたか？確かに、比較すればその通りです。しかし、化学者が「絶対に溶けない物質は存在しない」と言うように、鋳鉄が極めて脆いように見えるのは、それよりはるかに脆くない鉄合金と比較した場合だけです。

輪状にねじれた鋳物の3枚の写真は、絶対的なことを言うことがいかに愚かであるかを示している。数年前、190ページと 192ページに掲載されている鋳物は、ヨーロッパを訪れた旅行者が持ち込んだ。彼は、この国で生産される鋳鉄は、他の鋳鉄のような弾力性を持っていないことを残念に思っていた。 189海外製の鉄。すると、有名な鋳造所の所長が、鉄の配合やキューポラの作り方を一切変えずに、提出された鋳物と全く同じ鋳物を製作した。後に示す3枚の写真（図A、B、C）は、これらの鋳物のうちの1枚である。もちろん、折れることなく曲げられるのは、主にその形状によるものである。

金型から取り出されたプラグとホイール 場合によっては

、1 つの金型で 200 個もの鋳造品が作られることがあります。

成形機の種類

実際、このような鋳物は我が国では全く目新しいものではなく、アメリカの鋳物工場では長年にわたり電気工事用に供給されてきました。鋳鉄製のバネ、ピストンリング、その他多くの鋳鉄製品は、このような弾性特性を示すため、日常的に製造されています。

「キャスティング」について、私たちはかなり詳しく話してきました。私たちは一般的にキャスティングが何であるかを知っていますが、一部の人にとっては、少し不安な点があるかもしれません。 190それらがどのように生産されるかについて。

多種多様な成形機の1つ

鋳型製作ほど高度な判断力と技能を必要とする人間の仕事はほとんどありません。長年の経験に基づく的確な判断力、目の前の作業を行うべき状況に関する知識、観察力、そして失敗の原因に関する正確な演繹的推論は、成功に不可欠です。

鋳造は、その長さと小さな断面のため、非常に流動性の高い鋳鉄を必要とします。（図A）

一般的に、鋳型は、大型の鋳物の場合は「ピット」または「床」で、小型の鋳物の場合は「ベンチ」で、あるいは「機械」で行われると言われています。ピット、床、ベンチによる鋳型は、あらゆるサイズや種類の鋳物の製造に適しており、この「手作業による鋳型」と呼ばれる一般的な方法は、最も長く行われてきた方法です。鋳型機は比較的最近発明されたもので、特定の標準形状の鋳物の製造を可能にしました。 191需要の高い鋳物やそのサイズは、熟練していない職人でも大量に生産できるため、従来の手作業による方法よりも低コストで生産できます。

鋳造のデザインはそれぞれ個別に対応する必要があると言えるでしょう。そして、鋳型製作者は、おそらく唯一成功しそうな方法を選択しなければなりません。このテーマは非常に広範囲にわたるため、ここでは鋳型と鋳物の製作における主要な点を説明と図解で示すにとどめます。ここでは、模型、鋳型、中子、そして鋳物の関係を明確にするために、単純で典型的なベンチモールディングの例を取り上げます。

鋳型砂は通常、多かれ少なかれ粘土を含む天然砂で、湿っていると砂粒の「結合剤」として機能します。乾燥させずに鋳型を作製した場合は「生砂型」、乾燥させた場合は「乾燥型」または「焼成型」と呼ばれます。大半は「生砂型」です。

少数または複数の複製が必要な通常の鋳造の場合、「分割」パターンが一般的に最も便利です。

鋳型の2つの半分、「コープ」（上）と「ドラグ」（下）は、「フラスコ」または鋳型箱の2つの部分で別々に作られます。適切に選別され「テンパリング」（湿らせ、混ぜ、ふるいにかけた）された砂を、型枠の半分に「突き固める」ことで作られます。このうち、ドラグはまず、底板の上に平らな面を下にして置いた分離可能な型枠の下半分に作られます。「突き固める」、つまり砂を適度に、しかし固すぎない程度に詰めた後、この半分の鋳型を裏返し、型枠の上半分を下半分の上に置きます。今度はドラグの上面に平らな面を上にして置きます。次に作られる上半分が、 192下半分には貼り付かず、適切なタイミングで剥がすことができます。

簡単に二重に曲げても壊れません。(図B)

2つのパーツからなる「フラスコ」のコープ側を取り付け、砂を充填して押し固めます。これはドラグ側と同じです。余分な砂は直定規で削り取り、「スプルーカッター」で適切な位置に、コープから「パーティング」までまっすぐに穴を開けます。この「スプルー」穴は、コープ製作時に砂を詰めた木製の「スプルー」棒を引き抜くことで開けられることが多いでしょう。この穴から、溶けた金属が鋳型に流し込まれます。

曲げや180度ねじれにも耐えられることから、「ゴム鋳物」とも呼ばれています。（図C）

上型、つまり上半分を持ち上げて上下を反転させ、下型に「湯口」と鋳物をつなぐ「ランナー」または「ゲート」を切り込んだ後、砂が乱れないように慎重に型枠の半分を描きます。鋳物に穴を開けるために、下型に残った空洞に、小麦粉、ロジン、または「乾性」油で固めた砂の「中子」を吊り下げます。上型を慎重に下型の上に戻し、鋳型を「閉じる」。

図面からわかるように、コアと金型の間には全周に空間が残されており、 193鋳物を流し込むと、鋳物の金属が充填されます。そのため、中子の表面が鋳物の内側を形作り、鋳型自体が鋳物の外側と端面を形成します。

垂直の「湯口」から入った溶融金属は、「湯道」に沿って流れ、「ゲート」と呼ばれる、ある程度狭まった入口から鋳型に入ります。鋳込み時に発生したガスと鋳型内に充填された空気は、鋳型と中子の多孔質の砂層を通して排出されます。鋳型を強く押し込みすぎると、ガスが砂層を通過できず、不完全な鋳造物になってしまいます。

鋳型は、金属が十分に固まり冷えるまで放置され、その後「振り出し」されます。砂は再び鋳型に返され、再利用されます。鋳物からスプルーとランナーが取り外され、回転ミルなどで他のものと一緒に「タンブリング」して洗浄された後、機械加工と組立工程へと送られます。

上記の一般的な方法の何らかの形は、金型のコストが低い機械で製造できるものを除き、あらゆる種類の鋳物の製造にどこでも使用されています。

この種の鋳型は、いわゆる「手作業」であり、熟練した鋳型職人を必要とし、需要が常に高く、数百種類もの標準的な形状・サイズの鋳物を製造するには、時間がかかり、費用もかさみます。鋳型は、圧縮空気またはレバー操作による手作業で作動する、巧妙に設計された鋳型機で製造されます。鋳型は機械に取り付けられ、熟練した技師によってセットされ、非常に正確に調整されます。その後、砂が押し固められ、ランナーが形成され、機械自体によって鋳型が描かれます。これらの非常に重要な動作はすべて、熟練していない労働者によって迅速かつ確実に、必要な回数だけ再現できます。 194それは、「フラスコ」の部品を取り付け、砂を入れ、中子をセットし、型を閉じて取り外し、次の作業を始めるだけです。

時には 1 個だけの場合もありますが、小さいサイズの場合には 10 個または 20 個、時には 1 つの鋳型に 200 個もの部品または鋳造品が入っていることもあります。

195
第12章
可鍛鋳鉄
言うまでもなく、「展性」という用語の意味であり、また使用される理由も、破損することなく変形に耐える能力であることは明らかです。しかし、錬鉄は軟鋼と同様に展性があり、50年前のヨーロッパでは（現在では一般的にはそうではありませんが）、いわゆる「展性鉄」という用語は、私たちが錬鉄と呼ぶものを指し、理解されていました。ベッセマーが自身の偉大な製法を発表した論文のタイトルが「燃料を使わない展性鉄と鋼の製造」であったことを覚えているでしょう。最初に言及されたのは錬鉄でした。ベッセマーは彼の製法では鋼の製造には成功しませんでしたが、鋼の製造における彼の成功は計り知れません。したがって、日常会話ではおそらくそのような明確さは必要ではなく、またここでは一般的ではありませんが、安全のためには「展性鋳鉄」と言うべきであり、単に「展性鉄」と言うべきではありません。なぜなら、後者は多くのヨーロッパ人が依然として錬鉄を意味すると理解しているからです。

『アンクル・トムの小屋』の「トプシー」のように、鉄の家族は「ただ成長した」だけである。したがって、厳密に論理的な分類や命名法はほとんど期待できない。

以前の記事で、脆い白鋳鉄を延性化する方法がフランス人のレオミュールによって1722年頃に発見、あるいは少なくとも記述されたと述べられました。彼の発見や知識は、 196それは彼がセメント鋼を使った長期にわたる実験を通じて実現しました。

可鍛鋳鉄棒

可鍛鋳鉄

レオミュールが自らの研究を自発的に公表したことは、当時の製造業者があらゆる企業秘密を厳重に守るのが常だった当時の慣習とは一線を画す、顕著な例外であった。これらの秘密は父から子へ、あるいは事業に深く関わる他の者へと受け継がれた。そのため、レオミュールによる可鍛鉄に関する発表を除けば、18世紀にはその製造方法に関する詳細はほとんど明らかにならなかった。ここ100年ほどの間でも、ヨーロッパとアメリカにおいてこれほど秘密が厳守された分野はほとんどない。焼鈍処理中に起こる反応と、その可鍛性の真の原因を明らかにするための真の科学的研究が行われたのはこの30年ほどのことである。

この国における可鍛性鉄の父は、ニュージャージー州ニューアーク出身のセス・ボイデンであり、非常に独創的な人物であり、彼の名誉のために記念碑が建てられるにふさわしい人物である。 197市の住民たちは、当然ながら彼を誇りに思っている。

テストスプルー、白色、わずかにまだら模様、中程度のまだら模様、灰色の破損が見られる

ボイデンはヨーロッパに可鍛性付与法が存在することを知らなかったようである。しかし、かつて脆かった鋳鉄が、どうやら熱の作用によって、むしろ可鍛性を持つようになったことに気づき、錬鉄よりも安価に製造できる可鍛性材料の製造実験に着手した。銑鉄を鍛冶場で溶かし、その溶湯から鋳造した棒鋼を台所の暖炉にある小さな炉で焼きなましすることで、1826年までに可鍛性鋳鉄を製造する方法を確立した。1831年には鋳造所を設立し、需要のある1000種類以上の製品を製造した。この創業から、この国で巨大な産業が発展していった。

片方の端を「チル」に当ててテストする

混合物の組成は、チルの深さとテストスプルーの外観に応じて調整されます。

後ほど述べるように、この国で生産される可鍛鋳鉄はヨーロッパの可鍛鋳鉄とは全く異なる、異なる性質のものであることを忘れてはなりません。ですから、私たちの巨大な産業は私たち自身のものであり、模倣されたものではありません。

適切な熱処理によって延性を持たせることができる鋳鉄類は限られています。合金No.14とNo.15は、これらの合金の1つであり、熱処理前と熱処理後の合金です。 198焼鈍処理後。No.14は白鋳鉄の可鍛性化における典型的な分析値として示されていますが、組成は記載されている値から大きく変化しても支障がないことを理解する必要があります。

しかし、絶対に必要なことが一つあります。それは、合金中の炭素の全て、あるいは実質的に全てが、焼鈍工程の前に結合した状態になっていることです。これは、合金が白鋳鉄であり、遊離黒鉛を含まないことを意味します。なぜなら、黒鉛片は焼鈍工程中および焼鈍工程後も残留し、ねずみ鋳鉄を弱めるのと同様に、合金を弱めるからです。

石炭燃焼空気炉のスケッチ

この白鋳鉄の製造には、一般的に「キューポラ」と「空気炉」という2つの方法が用いられます。後者が主流です。

可鍛鋳鉄用のキューポラの操作には、高度な技術と細部への細心の注意が必要です。なぜなら、容易に可鍛化し、最良の結果を得るためには、合金の組成を非常に狭い範囲内で制御する必要があるからです。この制限は、ねずみ鋳鉄の場合よりもはるかに狭い範囲です。しかし、これは完全に可能であり、可鍛鋳鉄用のキューポラは、ごくわずかな変動を伴いながらも10時間以上連続運転されます。

一般に、操作は鋳鉄の場合と非常に似ていますが、装入物の組成が必然的に異なり、必要なシリコンの量がはるかに少なく、溶解にはより多くのコークスを使用する必要があります。

ほとんどの可鍛鋳鉄は砂型で作られており、前述のように、注入される鉄は次のような組成でなければならない。 199鋳物の破砕が白くなるように、鋳型と温度を調節します。鋳込み前の鉄の状態を素早く知るには、すべて同じ方法で試験片を作製します。試験片は冷却・破壊後、破砕することで金属のおおよその組成を示します。「スプルー」と呼ばれるこれらの試験片は、時には5分から10分おきに鋳造され、それに基づいて混合物が調整され、均一な製品が製造されます。

空気炉の燃焼

例を挙げましょう。直径が常に7/8インチの丸い湯口、つまり試験片を砂の中に流し込み、低温で赤熱するまで冷却し、水で急冷した後、破断すると、破片は白色で、わずかに黒色の斑点が見られるはずです。ねずみ鋳鉄の破断はシリコン含有量が高すぎることを示しており、このような鉄は通常「低」鉄と呼ばれます。中型または大型の鋳物は砂の中でゆっくりと冷却されますが、シリコン含有量が高すぎる、つまり「低」鉄で流し込んだ場合、冷却中に少量の黒鉛が析出する可能性があります。一方、同じ鉄でも、より薄い断面の鋳物ははるかに速く冷却されるため、白く​​なります。

特に大型の鋳物にはほぼ白色の湯口を与える鉄が必要ですが、通常の可鍛鋳物の砂の中で白色になることを確認するには、わずかにまだら模様のあるテスト用の湯口が必要です。

200また、片側が鉄の「チル」に鋳込まれたテストブロックが注がれ、チルの深さが測定されます。また、焼鈍し後の引張強度、ねじり、その他の物理的特性をテストするために、さまざまな形状のテストバーが定期的に作成されます。

「エア炉」は、より長いパドル炉に似ています。容量は10トンから45トンまで様々ですが、稀に3トンや5トンといった小型のものもあります。

スラグの除去

通常の燃料は軟質石炭です。長い炎は片端の火格子から炉壁を越えて天井に反射し、その下の炉床に降り注ぎます。出口の煙突が通風を提供します。炉床は通常レンガ造りで、その上に少量の石灰と砂を混ぜたフリット（軽く溶融）が敷かれています。溶解する材料の投入を容易にするため、屋根は通常「バンズ」と呼ばれる部品ごとに取り外し可能です。バンズは鉄製の骨組みで、炎に触れる耐火レンガを固定します。投入時には、これらのバンズは1つずつ持ち上げられ、開口部から鉄材料が排出されます。炉床のすぐ上側面にある小さな扉は、投入材料を「かき混ぜる」、つまりかき混ぜ、発生するスラグをすくい取る役割を果たします。また、耐火レンガと粘土で裏打ちされた1つまたは複数の噴出口が、 201金属を注ぐ準備ができたら、それを叩き出すために使用します。

タッピング

パドル炉や平炉とは異なり、シリコン、マンガン、炭素の燃焼は望ましくありません。ただし、もちろんある程度は燃焼するため、混合比を計算する際には考慮する必要があります。目的は、長年の経験から最終製品に適切な品質を与えることが分かっている平均的な最終組成となるような材料を、可能な限り損失なく混合して溶解することです。

装入物は通常、一定の割合のリンを含有しない銑鉄、前回の溶鉱炉からの湯口、程度の差はあれ良質な可鍛鉄スクラップ、そして少量の鋼スクラップから構成されます。これらは可能な限り速やかに溶解されます。時折、堆積したスラグをすくい取り、ラブル（粉砕）した後、破砕片から試験用プラグを採取し、鉄の組成を判断します。

シリコン含有量が適切であると判断されるか、またはシリコン含有量が高すぎる場合は炎の作用を長くして調整し、低すぎる場合は高シリコン合金の形でシリコンを追加して調整した後、鉄が十分に熱くなったら出湯します。

202可鍛鋳鉄は主に極小鋳物に使用されます。これらの鋳物には非常に高温で流動性のある金属が必要です。そのため、たとえ適切な組成であっても、鋳込みが適切に行われるのに十分な温度になるまで炉内に保持する必要があります。長時間かつ強い加熱により、鉄は容易に酸化、つまり「焦げ」てしまうため、炉を適切に操作するには高度な技術が必要です。

叩いた後、できるだけ早く鉄を鋳型に入れなければなりません。

前述のプロセスで述べたように、鉄をコークスや石炭と接触させて溶解すると、多かれ少なかれ硫黄による汚染が生じます。このため、可鍛性キューポラ鋳鉄は、空気炉で製造された可鍛鋳鉄よりも硫黄含有量がかなり高くなります。キューポラと空気炉にはそれぞれ長所と短所があります。強度と伸びは空気炉の方が可鍛性キューポラよりも若干高くなりますが、どちらも焼鈍処理が良好で、本来の用途に十分な材料が得られます。

キューポラ金属の利点は、加熱中ずっと温度と組成をほぼ一定に維持できることです。これはおそらく空気炉よりも優れていると言えるでしょう。空気炉では、浴槽上部の金属が下部よりも高温になり、炎と空気の作用により、特に大型の空気炉では、すべての熱を注ぎ込む前にシリコンがいくらか低下します。金属は細心の注意を払わないと簡単に「焦げる」可能性があります。キューポラでは鉄を継続的に非常に高温にすることができるため、空気炉で発生するような燃焼の危険を伴う加熱時間の延長は不要です。

空気炉で焼鈍された鉄は、キューポラで焼鈍された鉄よりも容易に焼鈍され、強度と展性も通常はより高くなります。前者は約1350°F（約740℃）の温度が必要ですが、後者は1500°F（約840℃）の温度が必要です。 203約 150° F の差があります。これがキューポラ可鍛性材料の硫黄含有量がやや高いことだけに起因するのかどうかははっきりとわかっていませんが、総炭素量がわずかに高いことも鉄炭素化合物がより強く残留する傾向を与えていると考えられます。

可鍛鋳鉄の製造には、平炉が用いられることがあります。空気炉は炉の大きさにもよりますが、1回の加熱に3時間半から9時間かかりますが、平炉はそれよりもはるかに速く溶解します。平炉で生産される鋳鉄の品質は最高ですが、連続運転が必要なため、このタイプの炉はあまり広く使用されていません。可鍛鋳鉄はベッセマー転炉でも製造され、また稀にるつぼ炉でも製造されていますが、この国では全く一般的ではありません。ドイツでは、多くの可鍛鋳鉄がるつぼ炉で製造されています。

鋳型から取り出された鋳物は非常に脆いため、鋳口は叩き落とされ、タンブリングミル（回転式回転機）に送られます。そこでは、鋳口ごと、硬質鉄（白鉄）のショット、または星形の鉄片を使ってタンブリングされます。タンブリングにより、鋳物から砂が素早く除去され、滑らかできれいな表面が得られます。

チッピング・選別ベンチでは、鋳物を手作業で選別・選別しながら、残ったゲートの破片やその他の突出部を除去します。白銑は脆いため割れやすく、小さな突出部は、鋳物を焼鈍処理して強化した後よりも、焼鈍処理前に除去する方が容易かつ安価です。

204
焼鈍炉。鋳物を焼鈍するポットまたは「サガー」のセットが展示されている。

205適切な組成の白鉄鋳物を洗浄した後、「焼きなまし」と呼ばれる熱処理を施すことで、展性を持たせることができます。十分な期間、真っ赤な熱を加えることで、白鉄の中で化学的に結合している鉄と炭素が徐々に分離し、完全な焼きなましを経ると、鋳物は自由鉄で構成され、その中にコークス状の炭素の非常に小さな粒子が埋め込まれていることがわかります。この熱処理前は、衝撃を受けると粉々に砕け散るほど脆く、ガラスに傷が付くほど硬かった鋳物が、この熱処理によってかなりの変形にも耐え、針で引っ掻けるほど柔らかくなります。

最適な焼鈍には適切な温度が必要であるだけでなく、前述の通り、炭素と鉄の分離に十分な時間が必要です。分離には長い時間を要し、鋳物を水中で冷却したり、その他の方法で急速冷却した場合には必ず炭素と鉄が再結合してしまうため、焼鈍温度からの冷却はゆっくりと行う必要があります。

ほとんどのメーカーは、鋳物を大量に生産するため、焼鈍処理を大量に行う必要があります。赤熱以上の鉄はスケール化により急速に劣化するため（実際、十分に高温であれば空気中でも発火します）、焼鈍処理中に少しでも空気に触れると鋳物の品質が多少低下します。そのため、鋳物は通常、鉄製の容器に封入されます。容器の蓋はロウ付けされ、隙間には硬質の耐火泥が充填され、空気の侵入を防ぎます。

これらの鉄製ドラム缶は、4フィートから6フィートの高さまで積み重ねられる適切な大きさと形状をしています。「サガー」と呼ばれるこれらの積み重ね、あるいは「セット」は、レンガで覆われた大きなレトルト室に送り込まれます。レトルト室は、火格子から出る石炭、粉炭、石油、発生炉ガス、その他の燃料で加熱されます。炉が大きく、加熱しなければならない鉄の量が多いほど、炉と鋳物を焼きなましに必要な真っ赤な熱まで加熱するのに必要な時間は長くなります。そのため、大型の炉ほど、 206小型の炉に比べて多少時間がかかりますが、鋳物自体の焼鈍時間はそれほど長くありません。国内の通常サイズの炉では、焼鈍作業には通常約1週間かかります。これには、炉と鋳物の加熱、そして再び黒熱状態になるまでの冷却が含まれます。

No. 109.白鋳鉄の顕微鏡写真

しかし、一部のメーカーはポットを使用せずに焼きなましを行っていますが、その目的は鋳物を炎と空気から保護することです。

No. 110.数時間焼鈍した後のNo. 109の顕微鏡写真

炉への積み込みと積み下ろしを容易にするハンドリング装置が設計されています。これにより、炉内に収納された多数のポットやサガーを非常に迅速に装填したり取り出したりすることができます。

冷却されたポットから鋳物を振り出した後、タンブリングミルで鉄のショット、革片、またはその他の研磨材と一緒に「タンブリング」して暗いコーティングを除去し、その後、 207必要となるあらゆる加工に対応可能です。

75倍の倍率でサンプルを撮影した顕微鏡写真109、110、113、および35は、焼鈍処理の過程を示しています。109は焼鈍処理を行っていない鋳物から採取したものです。110は、同じ鉄を炉内で約30時間加熱した後のものです。113は約45時間後、鉄と炭素の化合物のほぼ全てが分解し、遊離炭素の黒い斑点が形成され、その周囲を純鉄の白い部分が取り囲んでいる様子を示しています。約60時間後には、鉄と炭素が完全に分離し、焼鈍処理が完了します。これは顕微鏡写真35に示されています。

No. 113.ほぼ焼きなましされたNo. 109の顕微鏡写真

No. 35.完全焼鈍可鍛鋳鉄

熱だけで炭素と鉄を分離させるのは焼鈍処理の本質的な部分ですが、多くの場合、化学的助長作用と呼ばれるものによって助けられます。 208手段。1722年頃に焼鈍し法を発見したレオミュールは、この目的で酸化鉄を使用しました。白鉄は鉄鉱石または製粉スケールに詰められました。高温で、当時ははっきりとはわかっていなかった何らかの方法で鉱石の酸素が利用され、鋳物から大量の炭素が徐々に除去されました。固体の酸化鉄が別の固体の白鉄の塊を取り囲み、それらが溶けたり混ざったりしないのに、どのようにして後者から炭素を取り除くことができるのかは、常に科学的な難問でした。鉱石からの酸素の一部が鉄に浸透して炭素を燃やすのか、それとも鋳物自体の炭素が移動するのかはまだ明確に決まっていません。炭素が鋳物から徐々に除去されることは確かであり、最初は表面から、時間が経つにつれてより深いところから除去されます。

No. 390b。脱炭化した外層を示す顕微鏡写真。

この顕微鏡写真では、この鋳造品が完全に焼きなましされていないこともわかります。

ヨーロッパの慣習では、可鍛鋳鉄は今でもこの方法、すなわち炭素を焼き尽くすことによって可鍛化されています。鋳物は可能な限り薄くされ、「パッキング」（鉄鉱石または製錬所のスケール）の中で1～2週間焼鈍されます。この期間が経過すると、鋳物は白く鋼のような割れ目が現れます。これは、通常の可鍛鋳鉄の割れ目とは全く異なります。 209この国で製造されたものです。このような可鍛鋳鉄の顕微鏡写真では、No.35に見られるような黒点はほとんど見られず、この方法で焼鈍された鋳物の分析では炭素含有量が非常に低いという結果が出ています。

レオミュール法焼鈍により実質的にすべての炭素が除去された可鍛鋳鉄

我が国ではレオミュール法による焼鈍は行われていませんが、鉱石またはスケールによる「パッキング」が一般的に用いられています。砂などの不活性パッキングを用いる場合もあれば、前述のように全くパッキングを用いない場合もあります。実際、現在用いられている「パッキング」の主な目的の一つは、焼鈍中にポット内で鋳物が反るのを防ぐことです。焼鈍温度はヨーロッパほど高くなく、焼鈍時間もそれほど長くありませんが、パッキングを短時間のみ行うと、表面の炭素の一部が除去され、鋳物の中心部全体にコークス状の炭素が析出します。これは「テンパーカーボン」と呼ばれ、顕微鏡写真35に示されている黒鉛と区別されます。そのため、このような鋳物の破断面は、中心部が黒く、縁が白く見えるため、「ブラックハート」鋳物と呼ばれ、我が国で製造される可鍛鋳鉄の大部分を占めています。

黒心鉄の骨折

白い縁と黒いコークスのような内部に注目してください。アメリカの可鍛鋳鉄の大部分はこの「ブラックハート」と呼ばれる種類のものです。

210つまり、一般に可鍛鋳鉄には 3 つの種類があると言えます。「パッキング」なしで焼きなましされた「全黒」、パッキングして焼きなましされた「黒心」、そしてこの国やヨーロッパでは最も一般的な種類ですが、日本では非常にまれな「焼きなまし」で実質的にすべての炭素が燃焼した「白心」です。

可鍛鋳鉄製スイベル。部品番号 2 は部品番号 1 の周りにしっかりと鋳造されており、焼きなまし時にのみ緩みます。

181ページに掲載されている顕微鏡写真No.35とNo.30を比較すると、可鍛鋳鉄の延性がはるかに高い理由の一つがすぐに分かります。両鋳鉄に存在する炭素の総量はほぼ同じですが、物理的形状の違いが両者の延性に大きな違いをもたらします。ねずみ鋳鉄No.30では、炭素は結晶質で、長く脆い薄片状になっており、鉄の粒を切り裂いて分離させます。こうして「劈開面」が形成され、合金は激しい衝撃に耐えられなくなり、延性は全く失われます。しかし、焼鈍された可鍛鋳鉄ではそうではありません。ここでは、炭素は小さなペレット状になっており、純鉄の粒の間に埋め込まれており、「純鉄」構造の連続性により、その延性は著しく損なわれません。可鍛鋳鉄の延性が高い二つ目の理由は、 211衝撃に耐えるという点では、鋳物の外側部分の炭素が燃え尽きる際に、非常に小さな空洞が残る。そのため、鋳物自体に大きな負担をかけることなく、連続した衝撃によって表面が大きく変形し、傷つく可能性がある。

これまで、鋳造に使用されるすべての鉄、そしてほとんどの金属や合金に共通するある特性について何も述べてきませんでした。それは、鋳物の金属が凝固し冷却される際に「収縮する」という性質です。鋳物の外側の部分が内側の金属よりも先に凝固するため、内部の金属が冷却されると、必ず空洞が生じます。そのため、内部に流動性のある金属が通過できる通路を設けて空洞の形成を防がなければなりません。ここでは、鋳型製作者にとって大きな悩みの種となる収縮の問題や、ひけ巣のない鋳物を作るための工夫や戦略については触れません。この問題を克服するための方法の一つは、次の「鋳鋼」の章で説明します。

しかし、収縮には別の種類があります。それは、凝固後に金属が徐々に冷却される際に、金属全体が収縮する現象です。これは、非常に奇妙で興味深い事例です。

鋳造業者や鋳型製作者の間ではよく知られていることですが、ねずみ鋳鉄は冷却中に1フィートあたり約⅛インチ、白鋳鉄は1フィートあたり¼インチ、鋳鋼は1フィートあたり⁵⁄₁₆インチ収縮します。つまり、ちょうど1フィートの長さの棒を鋳造した場合、冷間時にねずみ鋳鉄の場合は⅛インチ、白鋳鉄の場合は¼インチ、鋳鋼の場合は⁵⁄₁₆インチ短くなります。この収縮を考慮して、鋳型は希望する鋳物よりも大きく作らなければなりません。

しかし、焼きなまし中に白鋳鉄は1フィートあたり1/4インチの収縮の半分を失い、その結果、可鍛性は失われます。 212鋳鉄の正味収縮率は 1 フィートあたり 1/8 インチであり、これはねずみ鋳鉄の収縮率と同じです。

焼き戻し炭素の析出により、ねずみ鋳鉄の場合のように、片状黒鉛がゆっくりと冷却されて析出した場合とほぼ同じ寸法まで棒全体が膨張するようです。

この特性は、図に示すような可鍛鋳鉄製のスイベルの製造業者によって巧みに利用されています。まず内側の部分を別々に鋳造し、徹底的に洗浄した後、別の鋳型に埋め込みます。次に外側の部分をその周囲に鋳造しますが、内側の部分に非常に密着するため、回転させることができません。しかし、焼きなまし処理を施すと、外側の部分は緩んで容易に回転させることができますが、同時に分離できないほどしっかりと固定された状態を保ちます。

炭素が除去されていない可鍛鉄は、たとえ焼鈍処理が施されていても、赤熱状態から急冷することで硬化し、鋼鉄のような破断性を得ることができます。また、脱炭された可鍛鉄は、浸炭処理によって容易に再炭化することができます。これらの特性は、可鍛鉄製の工具の製造によく利用されています。ハンマー、木工用のノミ、歯車などは、かなり広く製造されています。これらの工具が、より高品質な鋼製工具よりも安価で、虚偽表示もなく販売されている場合、異議を唱えることはほとんどありませんが、鋼鉄として流通してしまうこともあります。

可鍛鋳鉄は、多くの場合、「永久鋳型」と呼ばれる鉄鋳物で作られます。これらは実際には「チル鋳物」です。これらの鋳物は通常の方法で焼鈍されます。このような鋳物は非常に滑らかで美しい表面を持ちますが、鉄鋳型の初期費用が高いため、売上高が費用に見合う場合にのみ使用されます。

213焼鈍した可鍛鋳鉄は、錬鉄や軟鋼に比べると延性ははるかに劣るものの、かなりの延性を有しています。大きな衝撃にも耐え、激しく叩いたり曲げたりしても破損しません。引張強度は軟鋼の約75%以上で、鋳物のコストが安いため、可鍛鋳鉄産業は飛躍的に発展しました。この製品は、現在、約100万トン生産されています。

自然に可鍛性のある鋳鉄は、鋳鉄と鋼の中間の特性を持つ材料で十分な場合に使用されます。例えば、鉄道車両、刈取機、バインダーなどの農業機械、配管継手、そして安価な工具などの鋳物です。

214
第13章
鋳鋼
原始人が棍棒、弓矢、石の手斧以上の道具や武器を持たずに狩りや戦いをしていたこと、そして妻が平らな岩の間や石のすり鉢で穀物を砕き、すり潰していたことを私たちは見てきました。続く「青銅器時代」には、銅や銅合金である青銅で作られた装飾品、偶像、道具が発見されました。さらに大きな進歩を遂げて初めて、人類は文明のために鉄を利用するようになりました。私たちにとって非常にありふれたこの金属は、当時は非常に高価で、戦争や王への贈り物としてしか使うことができませんでした。

しかし、世界は急速に進歩し、鉄と炭素の合金である鋼が生産されるまでには、そう時間はかかりませんでした。しかし、ヘンリー・ベッセマーとシーメンス兄弟の偉大な発明によって、現在の素晴らしい時代が到来するまでには、何百年もの歳月が流れました。刀剣や道具に使われる良質の鋼は人類の発展に計り知れないほど大きな影響を与えましたが、ベッセマー鋼と平炉鋼の大量生産によって、船舶、橋梁、建築物、そして鉄道の建設資材として広く使用されるようになり、この時代を「鋼の時代」と呼ぶに至ったのです。

発電所の立場から言えば、今は「鋳鋼の時代」でもある。25年前、メーカーと発電所の経営者は、 215彼らの「飽和」蒸気の温度と圧力は、鋳鉄製のバルブと継手によって十分に整備されていました。

フランジのライザーが見える鋼鋳物

蒸気、アンモニア、水道管などに使用する鋳物は、非常に緻密な金属で作られる必要があり、それほど厳密でない用途の鋳物よりもはるかに大きなライザーが必要です。

しかし、世界は立ち止まりませんでした。ボイラー内で水と接触させない蒸気を加熱すると、蒸気は水分を失い乾燥し、必要なだけ熱を加えることができることが知られるようになりました。この「過熱」蒸気は、当然のことながらより多くの仕事をこなすだけでなく、従来の「飽和」蒸気にはなかったいくつかの利点もありました。

しかし、鋳鉄製の継手は、例えば華氏450度程度の温度までは問題なく機能していたものの、明らかに高い温度と圧力を必要とする新しい条件下では機能不全に陥りました。また、しばしば必要となる加熱と冷却の繰り返しにより、これまで知られていなかった欠点が明らかになりました。それは、鋳鉄のいわゆる「永久成長」であり、強度の低下を伴いました。そして、過熱蒸気を使用する場合は、従来の条件下で使用されていたものよりも高品質の材料が適していることがすぐに判明しました。

216
焼鈍炉内の鋳鋼品

217過熱蒸気は急速に普及しました。新型機関車の一部と現代の発電所のほとんどは、200°（華氏約600°）の過熱に耐えられるよう設​​計されています。

鋳鋼製のバルブや継手は、このような用途に「高級」な品物であるだけでなく、必需品とみなされるようになり、その利点がようやく認識され始めたところです。

我が国の最も高貴な科学団体は、すべての鉄系金属を包含し、かつ適切に定義する分類システムを提案し、議論しているが、満足のいくものはまだ開発されておらず、鉄冶金学の複雑さとほぼ毎日なされている発見を考慮すると、厳密に論理的な分類の見通しはまだ明るいとは言えない。

「鋳鋼」という用語もまた、冶金学上の命名法に誤りがあります。現在「鋼鋳」と呼ばれるものが知られるようになる以前は、るつぼ鋼をインゴットに流し込み、現在と同じように「鍛造」して工具に加工していました。そして、同時代の素材である錬鉄と区別するために、「鋳鋼」という名称で呼ばれることが多かったのです。そのため、今日では「鋳鋼」という名称の工具や器具を多く購入しますが、それらは最終的な形に仕上げる際に鍛造されたことが分かっています。

しかし、私たちが「鋳鋼」という言葉で指しているのは、これらの鋼材ではなく、流動状態から鋳型に「鋳造」されて最終形状を得る鋼材のことです。「鋳鋼」という言葉が使われるようになったのは、こうした鋼材のことです。

鋳鋼品に適する金属は、3種類か4種類の炉のいずれかで製造できますが、前述のように、鋳型の製造は高度な技術を要するだけでなく、そこに投入する金属の準備も同様です。さらに、水、蒸気、空気圧に耐える特殊な鋳物の製造は、全く異なる技術です。 218他の目的のための鋼鋳物の製造とは異なるものであり、このことはしばしば忘れられています。

前者には、特に緻密な粒子の鋳物、つまり欠陥やスポンジ状の斑点のない鋳物が必要です。大きな圧力がかかると、そのような欠陥は確実に漏れの原因となります。

鋳鋼製フランジおよび継手

鋳鋼の製造方法がどのようなものであれ、金属は鋳型に流し込まれ、最終的な形に成形されます。鋼は非常に高温になるため、鋳型の材料として使用できるのは、耐火性（耐熱性）の高い砂のみです。そのような材料の一つである白珪砂は、通常、十分な量の粘土と糖蜜水と混ぜて「結合力」を高めて使用されます。一部の鋳鋼品の鋳型は「生砂」（乾燥していない、または焼成していない砂）で作られていますが、仕上がりが美しく確実な結果を得るには、焼成した鋳型が好まれます。通常の方法で鋳型を製作した後、少量の糖蜜水と混ぜた非常に細かい粉末状の白砂または石英を吹き付けます。その後、オーブンで完全に乾燥させます。

鋳鋼は可鍛鋳鉄よりも冷却中に収縮するため、型と鋳型はこれを考慮して作らなければなりません。鋳物の表面が凝固すると、 219結果として剛性が達成されるため、最後に凝固する内部には、回避手段が講じられない限り空洞が生じる可能性があります。このため、後に切断可能なより重い部品が、鋳物の「収縮孔」が生じやすい部分に鋳造されます。これらの部品は、流動金属で満たされた容器に例えることができます。この容器は、鋳物全体を覆うように「供給」される部品よりも大きく、鋳物全体が凝固するまで余分な金属を流動状態で保持します。このような部品は通常「ライザー」、またはヨーロッパでは「ロストヘッド」と呼ばれ、その中の溶融金属は鋳物の内部に流れ込み、形成される収縮孔を埋めます。ライザーは、内部の金属が最後に凝固するのに十分な大きさであるだけでなく、鋳物から十分に高い位置に構築され、収縮する部品に鋼材が確実に進入するのに十分な圧力がかかるようにする必要があります。

鋳型から取り出した鋼鋳物の表面の結晶粒

焼鈍後の鋼鋳物の結晶粒

（倍率60倍​​）
焼成鋳型は、もちろん比較的剛性が高い。鋳物のフランジやその他の高い部分の上に設置された押湯は、金属の「硬化」中および硬化後に長尺鋳物が自然に縮むのを防ぐのに役立つため、 220まだ赤熱した鋳物は、その長さのどこかで割れる可能性が非常に高い。そのため、鋳物の金属が固まったらすぐに、特に押湯の間で、鋳型の砂を棒でほぐし、中子の砂を砕く必要がある。砂が固まったまま放置されると、中子の周りで収縮する金属が割れる可能性がある。

鋳物を鋳型から取り出した後、洗浄し、鋸引きまたはより現代的な酸素アセチレントーチの炎のいずれかでライザーを切り取ります。

その他の代表的な鋼鋳物

鋳鋼品は、金属の結晶粒を微細化し、冷却中に鋳物に生じる「ひずみ」を均一化するために焼鈍処理を施す必要があります。粗大な結晶粒と内部ひずみは鋳物を脆くする傾向があります。しかし、可鍛鋳鉄の場合のように長時間の焼鈍処理は必要ありません。なぜなら、鉄から炭素を分離させて遊離炭素を分離することは不可能だからです。鋳物は華氏約1600～1700度まで慎重に加熱し、ゆっくりと冷却します。

焼きなまし後、鋳物は洗浄され、削り取りによって突出部分が除去され、その後、鋳物の目的に応じてタップ立て、穴あけ、その他の機械加工が行われます。

221
過熱蒸気用鋳鋼製バルブ、蒸気セパレーター、ダイレクトリターントラップ

222バルブ、継手、その他の鋳鋼製品は、鋳鉄製品よりも製造・設置コストは高くなりますが、現在のところ、実質的に永久的に使用できます。その優れた耐衝撃性は、188ページから転載した以下の表によく示されています。

底注ぎ鍋から鋳型に鋼を注ぐ

注目すべきは、この特性において可鍛鋳鉄は「半鋼」をはるかに凌駕する一方で、引張強度は通常ほぼ同等であるのに対し、鋳鋼は可鍛鋳鉄の6倍以上の耐衝撃性、そして引張強度はほぼ2倍であるということです。この優れた強度と耐衝撃性、耐熱性、耐圧力性、そして加熱と冷却を繰り返しても「永久変形」しないという特性こそが、鋳鋼が今日鋳物が使用される様々な用途において非常に貴重な材料となっている理由です。毎年、何百万個もの鋳鋼品が様々な用途で使用されています。

合金 抗張力 打撃数 合計フィートポンド
鋳鉄 23,400 7 102
セミスチール 35,050 11 206
可鍛鋳鉄 37,140 22 1,580
鋳鋼 72,120 92 10,112
223特に現代の発電所やその他の商用蒸気・油圧設備では、鋳鋼品が通常指定される材料となっており、今日の厳しい条件下で満足に機能するほぼ唯一の材料となっています。

口から注ぐおたまから注ぐ

最初の鋳鋼品はるつぼ鋼から鋳造されたことは疑いようがありません。しかし、るつぼは溶解炉であり、精錬炉ではないことを忘れてはなりません。これは当然のことでした。るつぼの中では金属は非常に高温で流動性があり、適切な組成で適切に「キルド」されたるつぼ鋼であれば、非常に優れた鋳物を作ることができます。しかしながら、るつぼ鋼鋳物は、この高級素材を使った他の製品ほど恵まれた状況にはありません。工具鋼は通常、製造コストが必然的に高くなるにもかかわらず、製造業者に利益が残るほどの高価格をもたらします。しかし、鋼鋳造分野では競争がはるかに激しく、るつぼ鋼はその地位を維持するのにかなりの苦労をしてきました。それは価格だけの問題であるように思われます。

平炉鋼は鋼鋳物に広く使用されている。 224国内で製造される鉄鋼の3分の2以上がこの素材で作られています。これらの約半分は塩基性平炉鋳物から、残りの半分は酸性鋳物から作られています。一般的に、酸性ライニングされた炉で製造された鉄鋼は、過酸化がやや抑えられると考えられています。

2トンの鋼鋳物用石油燃焼平炉の出湯側

平炉鋼は、一般的に他の種類の炉で製造される鋼ほど高温で流動性が高くありません。この理由と、通常の平炉が大型であることから、この鋼から小型鋳物が鋳造されることはほとんどありません。平炉が適しているのは、かなりの大きさの鋼鋳物で、かつ安定した大量生産を保証するのに十分な注文がある場合です。確かに、現在ではより小型の平炉も製造されており、その中には容量がわずか2トンから3トンのものもありますが、一般的に、鋼鋳物用の標準的な平炉は容量15トン以上で、第9章で説明した平炉と同様のタイプです。

本来の用途では非常に満足のいくものですが、昼夜を問わず継続的に稼働させる必要があり、大規模な修理が必要になるまで冷却させてはならないという点で「非弾力性」があります。

平炉法では、 225炉は常に内部の金属よりも高温であり、鋼に注入できる熱量は、天井と側壁を覆う耐火物の耐熱性によって制限されます。ベッセマー法では、金属自体に含まれる特定の半金属の燃焼によって熱が発生するため、金属は炉よりも高温になります。鋳物用の金属は非常に高温で流動性が高くなければならないため、ベッセマー法は鋳物用の鋼の製造に非常に適しています。

30 トンの基本平炉の出銑。

取鍋からピットに溢れ出たものはスラグです。

また、「弾力性」という利点もあります。金属の供給は実質的に連続的であり、1つの炉で昼間だけで1回から18回、あるいはそれ以上の加熱を行い、夜間またはそれ以上の期間停止した後、再生炉を備えた平炉の停止に伴うような損失なく再稼働させることができます。

鋼鋳物の原料となる金属の製造には、1回の吹き込みで1トンから3トンの金属を生産する非常に小型のベッセマー転炉が用いられます。中には0.5トンほどの容量を持つ転炉も存在します。中には既に述べた「底吹き」型のものもありますが、大多数は「表面吹き」または「側面吹き」と呼ばれるものです。これらの転炉では、直径約1.5インチの円形の羽口が4つから8つ、レンガを貫通します。 226転炉は、浴槽の表面のすぐ上に酸でライニングされた転炉である。転炉は浴槽に向かってわずかに下向きに傾斜しているため、転炉を直立または吹き出し位置に傾けると、空気の噴射が金属の隣接する端に当たり、表面を吹き抜ける。この 3 ～ 4 ポンド / 平方インチの空気噴射により金属が循環し、同時に、より大きな底吹き転炉と同様に、シリコン、マンガン、炭素が燃焼される。表面吹き転炉では底吹き転炉よりも高温の金属が生成され、その金属から非常に良質の鋳鋼が作られる。これらの転炉は、実質的にすべてが酸でライニング (つまり、シリカまたは粘土レンガまたはガニスターを使用) されており、リンと硫黄の含有量が少ない金属が、この目的のために特別に稼働しているキューポラから定期的に取り出される。

鋳物用鋼を製造する小型横吹き転炉

鋳鋼用の炉として現在認識されている残りのタイプは、比較的新しい電気炉です。

電流による金属の商業的溶解は半世紀にわたって模索されてきました。1879年、ウィリアム・シーメンス卿によって最初の有望な炉の特許が取得されました。 227平炉、ガス発生装置、その他多くの冶金技術における偉大な業績で広く知られるようになったシーメンス兄弟の一人。シーメンスは彼の炉で1時間あたり最大22ポンドもの鉄を溶解しましたが、当時の電力コストはあまりにも高く、平炉法、ベッセマー法、るつぼ法と競合する鋼鉄製造には実質的に法外なものでした。

吹込み位置にある横吹き転炉の図。羽口列と金属のエッジが揃っている。

その後の19年間、電気炉の分野では目立った進展はほとんどありませんでした。1898年、イタリアのローマでスタッサーノが、3つの炭素が浴の表面上に電気アークを発生させる炉を製作しました。ほぼ同時期に、フランス人のエルーが、今日この国で広く知られるようになり、彼の名を冠した電気炉を開発していました。アーク式炉としては、他にグロンウォール・ディクソン、スナイダー、ジロ、レンネルフェルトなどが知られています。

一般的に、電気炉は、浅いレンガ、マグネサイト、または砂で裏打ちされた炉床と、側壁、そして取り外し可能なレンガ製の屋根を備えた、多かれ少なかれ円形の鋼鉄製の炉殻で構成されています。もちろん、熱は電気で供給されます。ほとんどの電気炉では、長い炭素電極が屋根の穴から下ろされています。 228下端が炉床上の金属にアークを当てるまで加熱します。炭素原子の数は、炉の形式と大きさ、および電気接続の方法に応じて、1個から4個、あるいはそれ以上になります。前述の炉はすべて鋳物用の鋼材の製造に使用されており、エルー炉とジロ炉は大型でレールやその他の製品用の電気鋼材の製造に使用されています。鋼材はまずインゴット鋳型に鋳造され、その後、棒鋼などに圧延されます。

グロンウォール・ディクソン5トン電気炉出湯機

最初の実験的なアーク電気炉は、1879年にウィリアム・シーメンス卿によって特許を取得しました。

上記の炉はすべて炭素電極を使用し、「アーク炉」として知られています。商業規模で使用されている、明確に異なるタイプの炉があります。それは「誘導炉」です。この炉では、電気技師が二次電流と呼ぶものが浴自体に「誘導」され、金属を加熱します。このタイプの中で、ケルリン炉とロッホリング・ローデンハウザー炉は国内で最もよく知られています。これらの炉は大型のインゴット用鋼の製造に使用されていますが、あまり一般的ではありません。 229鋼鋳物の金属として広く使用されてきました。

鋳造用の金属を鋳造する炉の構造の詳細はそれぞれ多少異なりますが、私たちにとって特に興味深いものではありません。動作はどれも似ており、一般的な説明で十分でしょう。

スナイダー電気炉の図面

小型スナイダー電気炉タッピング

炉が冷状態か熱状態かに関わらず、溶融状態、あるいはより一般的には「冷状態」の材料が、炉の浅い炉床に投入されます。投入扉を閉じ、通電を開始し、炭素電極を下げていきます。上部電極と炉床上の金属との間にアークが発生し、このアークが何らかの方法で負極と接続されます。前述のタイプのうち1つか2つでは、アークは炭素間で発生し、炭素はすべて炉床より上にあります。

最初は、炉床上のスクラップ鋼の表面が不均一なため、電流値に大きな変動が生じます。しかし、すぐに電流は安定します。アークの高熱によって、冷たい鋼はすぐに溶融状態になります。

230溶解が均一に行われているか、また外側の鋼鉄片が溶けるべき中心に押し込まれているかを、作業員が時々確認する必要がある。

エルー三相電気炉のスケッチ

3つの電極があり、すべて浴槽の上にあります。ここでは2つだけ示されています。

塩基ライニング炉では、通常、冷たい鋼鉄とともに石灰が投入されます。時折添加される酸化鉄と相まって、非常に酸化力の高いスラグが形成されます。このスラグは鋼鉄からリンを奪い取った後、すくい取られます。

ご記憶の通り、他の工程はこの時点で停止し、それ以上の精錬はほとんど不可能です。しかし電気炉では、石灰をさらに追加し、より高い熱を加えることで、硫黄をほぼ任意の量まで低減することができます。硫黄を極めて低い濃度まで低減できるだけでなく、過剰に酸化された浴を中性状態に戻し、緑色または黒色のスラグを白色にすることで、マンガンと鉄を浴に戻すことができます。これは、少量の粉末コークスまたは石炭を添加することで実現されます。工程全体は非常に正確に制御されています。

実質的に白いスラグは、 231鋼浴の脱酸が完了し、硫黄が減少すれば、鋼は十分に熱せられていれば注湯できる状態になります。注湯の試験は通常、小さな鍋から少量の鋼を注いでその流動性を観察するか、鉄棒の先端を炉内の鋼に突き刺した際に溶け落ちる速さを観察することによって行われます。

エルー電気炉

冶金用鋼炉の中でも、電気炉は最も精密な制御が可能です。可能な限りクリーンな方法で、すなわち石炭灰や送風ガス、空気を一切介さずに金属に直接熱を加えることで、密閉された電気炉内の雰囲気を「酸化性」、「中性」、「還元性」に自在に制御できます。金属を炉内に保持し、添加物やサンプル採取など、あらゆる操作を制御性と確実性をもって行うことができます。

この新しく考案された冶金装置は、工具鋼の製造に広く利用され始めています。最高品質の鋼の製造においてるつぼ法に取って代わったわけではありませんが、非常に限られた年数の中で、この方向へ大きく前進しました。 232導入以来、るつぼは工具鋼においても強力な競争相手となることは間違いありません。今日では、多種多様な工具鋼が電気炉で極めて満足のいく品質で製造されており、近い将来、この方法で最高品質の鋼が製造されるようになる可能性も否定できません。

233
第14章

合金鋼
鋼は基本的に鉄と炭素の合金であり、つまり炭素が特徴的な元素であることを学びました。ここで、この規則にしばしば例外となると思われるものについて触れておきます。実際には鋼はまさにこの鉄と炭素の合金ですが、炭素以外の元素によって非常に強い特性が付与され、炭素が全く決定的な構成要素ではないように見える「鋼」と呼ばれる合金も存在します。実際、これらの中には炭素含有量が非常に少ないものもあり、炭素鋼シリーズに関する経験から判断すると、これらの合金鋼の一部が示すような物理的特性は期待できないかもしれません。

昔、錬鉄と鋼を区別するために、製品を真っ赤な熱水に浸して焼き入れをしていたことを覚えているでしょう。この処理によって製品が硬化して脆くなった場合、それは「鋼」であることが証明されました。また、硬化した鋼を焼きなまし処理（通常は真っ赤な熱水にしばらく浸した後、ゆっくりと冷却する処理）を行うことで、鋼は柔らかくなることが一般的に知られています。

それでは、これらの新しい合金の一つ、ハドフィールドのマンガン鋼についてはどうだろうか。この鋼は焼入れによって脆さがかなり軽減され、やや柔らかくなるが、焼鈍処理では完全に軟化しない。言い換えれば、これらの主要な特徴において、私たちが鋼として知っているものとはほぼ正反対である。ニッケル鋼は 234ニッケルを 15 パーセント含むこの合金も、まさにこの特性を示し、焼き入れにより軟化しますが、焼きなましでは軟化しません。

また、鉄、炭素鋼、そして鉄含有量が約72%の磁性酸化物でさえも強い磁性を示すのに対し、鉄含有量が85%のマンガン鋼は非常に非磁性であるため、完全に非磁性の材料が求められる場合に真鍮や青銅の代わりに使用されることがあります。ニッケル含有量が24%以上のニッケル鋼も非磁性ですが、これらの構成金属は単独でも磁石に強く引き付けられます。

これらは、鉄族の論理的な分類を非常に困難にしている要因の一部です。私たちが知っている鋼から派生し、マンガンという成分の含有量が多い、あるいは場合によっては他の元素を1～2種類加えている点を除けば同じ材料から作られているにもかかわらず、結果として得られる合金は著しく異なり、しばしば矛盾する特性を示します。

しかし、誤解してはいけません。おそらく炭素は依然として必要な構成要素ですが、他の元素が存在する場合、結果を得るために必要な炭素の量ははるかに少なくなります。しかしながら、「マンガン鋼」や「ニッケル」、「クロム」、「タングステン」、「シリコン」、「バナジウム」、「チタン」などの合金鋼においては、添加元素が非常に強い修飾効果を発揮し、時には炭素の影響を覆い隠してしまうことは間違いありません。

まず第一に、添加元素を「スカベンジャー」と呼び、これらの鋼の一部を直ちに処分した方がよいでしょう。そのような鋼には、通常「チタン」鋼や「アルミニウム」鋼が挙げられます。これらは通常、通常の炭素鋼に微量のチタンまたはアルミニウムを添加し、合金から特定のガス状元素やその他の有害元素を除去したものです。分析の結果、このように処理された鋼には、多くの場合、何ら異常は見られません。 235鋼鉄を加工するために添加された元素の痕跡は、そのすべてがスラグ中に排出され、有害物質を帯びています。もしそれらが残留していたら、鋼鉄の品質を損なっていたでしょう。ベッセマー法の議論で金属の脱酸剤として言及されたマンガンとシリコンも、まさに同じ影響を及ぼします。ただし、これらは通常、完成した鋼鉄に一定の割合で残る程度に添加されます。バナジウムとチタンは酸素と窒素と、アルミニウムは酸素と特に親和性があります。これらは金属中のこれらのガスと化学的に結合し、また場合によっては他の影響も受けることにより、非常に優れた物理的特性を持つ健全な鋼鉄の製造に貢献します。しかし、バナジウムは単に「スカベンジャー」以上の存在であり、これについては後ほど説明します。

マンガン鋼
マンガン鋼は、1882年頃、イギリスのシェフィールドでロバート・ハドフィールドによって発見され、高度に発展しました。彼が開発したマンガン鋼は、炭素含有量が約1%で、11～14%の鋼で、非常に硬く、工具で穴を開けたり切断したりすることはできません。鍛造品や鋳造品として、鉱石処理用の粉砕機に使用されます。また、急曲線や「フロッグ」などに挿入されるマンガン鋼レールは、過酷な使用条件下でも、通常の鋼製レールの3～4倍の耐久性を誇ります。さらに、様々なロールや破砕機の部品、蒸気ショベルや浚渫ショベル、グラブバケット、砂ポンプ、歯車、ピニオンなど、激しい摩耗に耐えなければならない部品にも使用されています。また、防犯金庫の材料としても広く使用されています。この合金は、穴を開けるには硬すぎる一方で、破壊するには強靭で頑丈です。マンガン鋼製の金庫に穴を開けたり、無理やり押し入ったりした例はないと言われています。

マンガン鋼は不規則な形状に成形するには鋳造し、研磨仕上げする必要がありますが、通常の棒鋼やレールであれば圧延可能です。「生」の状態では、非常に 236脆く、極めて硬い。チェリーレッドの熱から焼き入れすることで、大幅に強度が増し、延性も増す。ハンマーで叩いたり、ヤスリで跡をつけたりすることはできるが、それでも非常に硬いため、いかなる工具でも加工することはできない。通常の焼き入れ処理では、合金の軟化効果はない。

シリコン鋼
鋼に一定量のシリコンを合金化すると、望ましい特性が得られます。1～2%のシリコンを含む鋼は、焼き戻し状態で非常に強靭です。このため、自動車のスプリングの板材にはシリコンが使用されることがよくあります。3～5%のシリコンを含む鋼は、磁気特性が向上するため、電気機器に多く使用されています。

モリブデン鋼
永久磁石の製造には、ある程度、金属モリブデンを3～4%、炭素を1～1.5%含む鋼が使用されています。モリブデンは現代の銃器にも使用されていると言われており、火薬ガスの腐食作用に対する耐性が長くなっています。また、一定量のモリブデンが高速度鋼にも使用されており、タングステンの一部または全部を代替しています。しかしながら、モリブデンの使用量は期待外れで、増加するどころか減少しているようです。

タングステン鋼
炭素とタングステンをそれぞれ約0.5%ずつ含む鋼は、バネの製造に時々使用され、また、炭素の0.35%とタングステン5%または7%といったより高い含有量の鋼は永久磁石に使用され、最も優れた材料として知られている。 237工具鋼（高速度鋼以外）におけるタングステンの使用は相当なものである。

ニッケル鋼
ニッケル鋼は、その高い強度から広く使用されています。おそらく最も一般的な合金は、約3.5%のニッケルを含むものです。これは、0.15%から0.5%の範囲で変化する炭素に加えて添加されます。この3.5%のニッケルは、鋼の強度を1平方インチあたり数千ポンド増加させ、焼き入れを行うことで強度と靭性の両方が大幅に向上します。

これらの組成のニッケル鋼は、鍛造および圧延が容易です。ドロップフォージング、機械部品、エンジンおよび自動車部品、シームレスチューブ、および大スパンの橋梁部材などに使用されます。

ニッケルは錆びないので、ニッケル含有量が22%以上の鋼が通常の腐食にほぼ耐性を持つことは驚くべきことではありません。ニッケル含有量が25%から46%の鋼は、抵抗線、バルブステム、モーターのバルブなど、様々な用途に使用されています。ニッケル含有量が36%の鋼は「インバー」と呼ばれる合金で、熱や冷気による膨張と収縮が非常に小さいため、時計の振り子、腕時計の部品、計測機器の部品などに使用されています。

ニッケル含有量46%の鋼は「プラチナイト」と呼ばれます。熱や冷気に対する膨張・収縮率がガラスとほぼ同じであるため、白熱電球に広く使用されています。この合金のワイヤーはガラスの口金に溶着され、フィラメントと接続されます。この接続には、かつて使用されていた高価なプラチナが使用されています。

前述のように、13～15%のニッケル-鉄合金は焼入れにより軟化しますが、焼鈍処理では軟化しません。15%ニッケル鋼は最も高い強度を有します。 238ニッケル・鉄・炭素系。ニッケルと鉄はそれぞれ強い磁性を持つが、ニッケルを24%以上含む合金は磁性を持たない。

クロム鋼およびニッケルクロム鋼
「単純な」クロム鋼は、ボール、ローラーベアリング、やすり、ロール、五層金庫、スタンプシュー、発射体など、高い硬度が求められる製品の材料として広く知られています。また、熱処理されたクロムバナジウム鋼は、自動車やその他の機械の鍛造フレームやシャフトに広く使用されていますが、ニッケルとクロムを組み合わせると、非常に人気のある鋼が生まれます。ニッケルが 2 ～ 3.5 %、クロムが 3 % 以下、炭素が 0.5 % のこれらの鋼は、熟練した熱処理を施すと、脆性にほとんど影響されずに、1 インチ当たり 40,000 ～ 250,000 ポンドの「弾性限界」を実現できます。自動車のギア、車軸、その他の部品、装甲板、発射体、その他多くの目的で広く使用されています。

これらの合金は鋳造にも使用されます。

クロムバナジウム鋼
比較的短期間のうちに、クロムバナジウム鋼は広く使用されるようになり、多くの場合、クロム鋼やニッケルクロム鋼の代替として使用されています。バナジウムは「脱酸剤」であるのに対し、ニッケルはそうではないため、クロムバナジウム鋼はニッケルクロム鋼よりも欠陥が少なく、圧延、鍛造、機械加工にも優れています。

これらは自動車のフレーム、シャフト、その他鍛造・圧延品、熱処理された装甲板などに使用されています。内務省が最近発行した公報によると、この比較的新しい素材は1913年に約9万トン製造されました。

もちろん、何かを伝えることさえ不可能だ 239建設用途における合金鋼の特性と重要性について、適切な認識を持つこと。既に述べたように、合金鋼は特殊な用途のための特殊鋼であり、その用途は多岐にわたる。合金に新しい元素を組み込むことで、独特で価値ある特性が付与される。例えば、マンガン12%は優れた硬度と靭性、ニッケル23%は耐腐食性と優れた強度、クロム、ニッケルとクロム、またはクロムとバナジウムは強度と高い弾性限界（変形に対する抵抗力）に加え、必要に応じて優れた硬化能を発揮する。もちろん、これは通常、高温からの焼き入れによって行われる。

多くの場合、単一の定義元素ではなく、2つ、3つ、あるいは4つの元素の組み合わせが用いられます。もちろん、このような鋼は、当然予想される特性の組み合わせを持つ、かなり複雑な鋼となりますが、結果として得られる特性は予想とは異なる場合が非常に多くあります。実際、合金中の新しい金属の組み合わせがどのような特性を生み出すかを事前に予測することは誰にもできません。また、同じ構成金属の新たな割合が、全く異なる独自の結果をもたらすことも少なくありません。

新しい合金がどのような特性や性質を持つかを確認する唯一の確実な方法は、それを開発して調べることです。

これらの合金の特殊かつ極めて重要なクラスである「高速度鋼」について説明すると、新しい合金のプロセス開発がいかに手間がかかり、時間がかかり、費用がかかるか、また予期せぬ結果が得られることがあるかがわかります。

240
第15章
高速度鋼
初期の数世紀において、金属切削技術は、より大きな駆動力の応用とより優れた機械の使用に関する限りを除いて、ほとんど進歩しませんでした。旋盤は少なくとも紀元前6世紀から知られていましたが、もちろん、機械加工に十分な動力を与える最初の発明であったワットによる蒸気機関の発明以前には、比較的わずかな進歩しか成し遂げられませんでした。ハンツマンの時代の後の世紀において、製鋼業者と鍛冶屋は炭素鋼の製造と焼き戻しに非常に熟達しました。旋盤の工具は、唯一入手可能な材料であったこれらの炭素鋼で作られましたが、19世紀のより優れた機械工場の実践をもってしても、現在私たちが非効率的と考える結果しか生み出すことができませんでした。問題は、炭素工具鋼は赤熱状態で焼き入れし、その後再加熱して400°F（約200～500°F）からゆっくり冷却することで焼き入れ強度を「引き伸ばす」ことで硬度を得るため、旋盤の速度が速すぎる場合など、刃先が過度に加熱されると、炭素工具鋼で作られた工具は硬度を維持できないことでした。そのため、通常の切削速度は毎分6～9メートル（約6～9メートル）でした。この速度を超えると工具の焼き入れ強度が失われ、すぐに使い物にならなくなります。

1868年頃、イギリスのシェフィールドの冶金学者ロバート・F・マシェットは、重大な発見をしました。彼は、 241空気中で冷却した工具鋼の一部が、彼が焼き入れした工具鋼の一部と同じくらい硬くなった。研究者であった彼は、この前例のない現象の原因を解明しようと試みた。分析の結果、この特定の棒鋼には、工具鋼の通常の成分に加えて、比較的新しい金属であるタングステンが含まれていることが判明した。彼は数百種類の混合物で実験を行い、工具に使用した場合、炭素鋼の2倍の速度の機械にも耐えられる合金を開発した。この新しい合金は焼き入れを必要としないことから、「空気硬化型」工具鋼または自己硬化型工具鋼として知られるようになった。

これらの新しい鋼の主な用途は、これまで切断可能であったよりも硬い金属の切断であり、機械の速度を上げてより大きな生産量を得ることにはほとんど注意が払われなかったようです。

ここで、「効率」で名声を博したフレデリック・W・テイラーが登場します。前世紀の1990年代、ベツレヘム製鉄所の所長を務めていた彼は、後にその名を馳せることになる効率性に関する研究に取り組んでいました。研究の中で、彼はマンセル・ホワイトと共に、工場作業​​に最適な鋼種を決定するため、様々な空気硬化鋼の実験を行いました。結果には一貫性がないものもありましたが、彼らは最終的に、非常に長期にわたる体系的な研究へと発展させました。その徹底的かつ包括的な研究は、テイラーとホワイトの名を高速度鋼の歴史に刻み込むほどのものでした。

彼らは、何世紀にもわたって工具メーカーが破壊的だと考えてきた、そして実際に炭素工具鋼にとって致命的である温度をはるかに超える温度で焼入れできる新しい組成を開発しました。最良の結果は、新しい鋼を融点近くの油に浸して焼入れすることで得られました。これはいわゆる滴り落ちる熱、あるいは「汗をかく」熱です。これは全く新しいものでしたが、適切な引抜き加工を施すことで、 242このような極端な温度で焼き入れされた鋼は、毎分 200 フィートまたは 300 フィートもの旋盤速度にも耐えることができます。

これを、最高品質の炭素鋼の平均的な性能である毎分 20 フィートまたは 30 フィートという悲惨な速度と比較してください。

テイラーとホワイトの処理の秘密はすぐに明らかになり、すぐにヨーロッパとアメリカの高速度鋼メーカーは、より微細な高速度鋼の生産で互いに競い合うようになりました。

過去20年間、特に過去10年間の進歩は驚異的でした。構成、製造、熱処理の改良が次々と進み、今日では炭素鋼工具では毎分30フィートという高い切削速度を誇っていましたが、現代の旋盤やシェーバー工具は毎分300フィート、400フィート、あるいはそれ以上の速度で稼働しています。十分なパワーがあれば、やや低速でも深さ1/2インチ、幅3/4インチの切削片を非常に速く切り出すことができるため、機械を清潔に保つために切削片を除去するのは容易ではありません。このように、1つの工具で毎時2,000ポンドもの材料を切削できる場合も少なくありません。

前述の通り、新しい鋼は、炭素鋼工具のように工具と金属の摩擦によって発生する熱によって焼き入れ性が低下することはありません。実際、高速度鋼工具は「ウォーミングアップ」後に最も優れた性能を発揮し、工具先端が赤熱した状態でもかなり長時間使用できますが、これは推奨されません。

ご覧の通り、高速度鋼の本質的な特性は、いわゆる「赤硬度」、つまり赤熱状態でも硬度を維持する能力です。これは、炭素工具鋼が急速に「焼き戻し」を失ってしまう温度よりも数百度高い温度です。

ムシェットの予測によれば、 243新しい鋼の主力は金属タングステンです。しかし、タングステンだけでは望ましい特性は得られません。ご存知のとおり、ムシェットは冶金学者で、鋼にマンガンを使用する特許を取得していました。ベッセマーは、この金属が以前からるつぼ鋼に使用されていたにもかかわらず、彼の特許を認めざるを得ませんでした。ムシェットの鋼の空気硬化性は、タングステンとこの同じ金属であるマンガンの偶然の組み合わせによるものでした。後に、タングステンとクロムが最良の硬化元素であることが判明し、これらはその地位を維持していますが、ここ数年の改良でバナジウムが使用され、さらに最近ではコバルトも使用されています。通常の含有量は、タングステン14～25％、クロム2～7％、バナジウム0.5～1.5％、コバルトはおそらく4％程度でしょう。炭素含有量は通常0.6～0.8%です。高速度鋼では、タングステンの一部に代えて、比較的希少な金属であるモリブデンが使用されることもありますが、その使用量は増加傾向にありません。

メーカーによって配合は大きく異なります。

合金中に鉄が最大でも70～80%しか含まれないことがわかる。ある観点から見ると、炭素の重要性がほとんどないため、高速度鋼は一見「鋼」と呼ぶべきではないと思われるかもしれない。これらは、炭素と鉄をほとんど含まず、主にコバルトとクロムで構成される、新しい「ステライト」（工具の材料となる合金）に似た低炭素合金と考えられるかもしれない。しかしながら、これらは20年にわたって発展してきた鉄炭素合金の一般的かつ非常に包括的な分類体系に適合しており、冶金学者や金属組織学者の間では、前述の合金鋼と同様に、これらが鉄炭素合金であることに疑いの余地はない。言い換えれば、 244ステライト鋼は、他の元素の存在によって特性が大きく変化した鋼です。したがって、炭素は必須元素ですが、炭素工具鋼に比べると含有量ははるかに少ないです。また、硬化特性と軟化特性も、これらの合金を明確に「工具鋼」に分類します。ステライトは軟化できません。

炭素工具鋼と同様に、高速度鋼のほとんどはるつぼ法で製造されますが、最近では電気炉での生産も少量ながら増加しています。小さなインゴットに丁寧に鋳込み、冷却した後、インゴットは鉄の鋳型から取り出され、「パイプ」と呼ばれる不健全な部分を取り除くために「トッピング」されます。その後、欠陥がなく、分析結果も良好であれば、ゆっくりと慎重に鍛造温度まで加熱し、棒鋼へと打ち抜きます。この方法により、ほぼ希望する最終サイズまで削り取られます。棒鋼は、所定のサイズに圧延されて仕上げられます。そして、丁寧に焼きなまし処理を行った後、工具メーカーへ出荷されます。

今日の工具は、重切削を行う際に、被切削金属に最大10トンもの圧力をかけることがあります。この優れた工具材料の登場により、旋盤などの機械は、はるかに重く、より強力なものへと進化しました。これらの機械だけが、それらの切削に必要なパワーを供給できるようになったのです。このように、高速度鋼は金属切削の実践と作業方法に革命をもたらし、作​​業効率を大幅に向上させました。

245
第16章
鋼の機械的処理
溶融鋼は、ほとんどの場合、直立した鋳鉄製の鋳型に流し込まれ、断面が正方形または長方形で、わずかに先細りの細長い金属塊に成形されます。鋳型から鋼塊を取り出した後、まだ赤熱した鋼塊をそのままロールに通すことはできません。外側は圧延に適した温度に達していても、鋼塊の内部はまだ液体である可能性があるからです。鋼塊は、圧延時に全体が均一な温度である必要があります。そのため、鋼塊は適切な温度に保たれた密閉されたピットまたは炉に入れられ、そこで鋼塊の中心部は冷却され、外側は高温に保たれるか、必要に応じて再加熱され、圧延の準備が整うまで加熱されます。

鋼鉄の専門家であっても、鋼塊やインゴットに起こりうる、そして実際に起こりうる、本来の用途への適用性に影響を与える不幸な事象をすべて説明するには長い時間がかかるでしょう。中でも最も深刻なもの、「パイプ」「ひび割れ」「偏析」などは、鉄道レールの破損やそれに起因する事故の調査報告書を通してご存知でしょう。これらについて一言二言。

インゴット鋳型では、当然のことながら、鋼塊の外側が最初に固まります。外側の層が凍結してから、内側が十分に冷えて固まるまでには数時間かかることもあります。鋼は、ほとんどの鋼と同様に、 246他の金属や合金と同様に、「凍結」した状態では溶融状態よりも体積が小さくなりますが、地殻は固体であまり収縮しないため、内部に空洞が生じます。この空洞は通常、インゴットの上部4分の1の軸に沿って伸びる、多かれ少なかれ細長い空洞の形をとります。これは「パイプ」と呼ばれます。

鋼塊のパイプと吹き穴

また、鋼を構成する半金属は必ずしも本来あるべき場所に留まるわけではありません。鋼が鋳造時に均一な化学組成を有していたとしても、冷却後の鋳塊内部には、表面に近い部分よりも硫黄、リン、炭素の量が多く含まれることが分かります。このように鋼の成分が密集する現象は「偏析」と呼ばれます。

鉄鋼業界の発展と、ますます大きな生産量への需要の高まりに伴い、インゴットはますます大型化してきました。大きな鋼塊では、配管や偏析などが自然に目立ちます。

大型鋼塊に起こりやすいこれらの欠陥やその他の欠陥を克服するために、膨大な労力が費やされてきました。溶融した鋼塊の上部を木炭で覆うこと、完全に凝固する前に追加の溶融金属を充填すること、そして強力なガス炎を当てて鋼塊の上部を溶融状態に保つことは、おそらく最も有効な方法でした。

しかし、それでも、大きな改善が得られたものの、パイピングと分離は完全に防止されたわけではありません。

この問題を回避する通常の方法は、各インゴットの下部（または最良の半分）のみが機関車やエンジンなどの最も重要な製品に使用されるようにすることです。 247車の車軸、火室やボイラーの板、レールなどです。残りの4分の1、あるいは3分の1、あるいはそれ以上の部分は、それほど厳密な用途ではない製品に利用されます。例えば、一般的な水槽の板、床材、船舶の板などです。パイプを含む上部は切り落とされ、再び溶解するために炉に戻されます。これは「廃棄」と呼ばれます。

大手鉄鋼メーカーは、生産した鋼材の大部分をレール、板、棒、線材といった完成品に加工しています。また、インゴットから「ブルーム」「ビレット」「バー」などの中間製品に加工し、車軸、鍛造品、そして私たちが日々目にする数百もの製品の製造に利用しています。

幸いなことに、無炭素鉄やほとんどの鋼は、チェリーレッドまたは白熱で容易に製品に加工できます。よく知られているように、これらの金属を高温で機械的に成形する最も一般的な方法は、ハンマー、圧延、そしてプレスによる鍛造です。

十分な電力と適切な設備があれば、軟鋼および中硬鋼は冷間加工でかなりの程度まで成形できますが、当然ながら、この状態では再成形に対する抵抗力は著しく高くなります。これらの金属の冷間加工は、通常、何らかの形の管引きまたは線引き加工によって行われます。

押し出し、紡糸などの他の方法も使用されており、それらによって、他の方法では形成が難しい製品が製造されています。

以前の章の一つで、焼鈍処理によって鋳鋼品の結晶粒が微細化（細かくなる）し、物理的特性が向上することを説明しました。精錬を目的とした焼鈍処理は他の鋼製品にも行われ、同様に効果的な結果が得られます。

しかし、鋼をチェリーレッドまたは白熱状態で機械的に成形すると、結晶粒がより微細になり、強度が向上し、 248合金の延性。熱間鍛造または圧延された鋼は「熱間加工」されたと言われます。鋼は通常「熱間加工」されます。これは、「冷間加工」法が一般的に適用可能ではなく、製品がより過酷な処理を受ける可能性が高いためです。低炭素鋼および中炭素鋼は、適切な温度で「熱間加工」を行うことで、結晶粒度と物理的特性を改善しつつ、かなりの量の加工に耐えることができます。

いずれにせよ、金属を有用な器具やその他の製品に加工する必要があるため、このプロセスによって金属の品質が向上するのは幸運です。

No. 69a.冷間加工による結晶の歪みを示す冷間引抜鋼線の顕微鏡写真

熱間加工では歪みは生じません
が、結晶粒は微細化されます。焼鈍処理により、
この歪みは大幅に軽減されます。

（倍率70倍）

鍛造
[男]
鉄（鉄）金属の最も古い加工法は、小さな金属球を槌で叩いて棒、槍、剣などを作ることであったことは疑いようがありません。おそらく石槌が使われていたと思われますが、後に鉄槌に取って代わられました。鉄槌は十分な硬度を持ち、加工目的に十分に役立ちました。

249何百世紀にもわたって、鉄、鋼、その他の金属を道具や武器に加工するのは、こうした鍛造法によって行われてきたに違いありません。初期の鍛冶屋たちが、粗末な炉で作り出した鉄やウーツ鋼の塊を、苦労しながらも非常に巧みに叩き出して槍の穂先や剣の刃を作り上げていた姿を、私たちは容易に想像できるでしょう。

オールドオリバーのフットパワーハンマー

古い鍛冶屋のハンマー

ほぼ同じ方法で、規模ははるかに大きく、より重く、より優れたハンマーと道具が用いられていたものの、1783年頃のコートの圧延法の発明まで、同じ作業が行われていました。様々なタイプのハンマーが使用され、足で次の打撃をするためにバネ棒が取り付けられたものや、「ヘルブ」ハンマーまたは「シングリング」ハンマーと呼ばれるものがあり、回転するホイールの歯が持ち上がり、ハンマーヘッドが落ちることで周期的に打撃を与えました。重いハンマーは75回も打撃を与えることもあり、「ティルティング」（鍛造）せん断に使用された軽いハンマーは、 250毎分300回の打撃で鋼鉄を棒や器具に変えます。

スクイーザーはハンマーの代わりに使われることもあった

古いティルトハンマー

コートのロールは、パドル炉から出た鉄の球を棒状に成形するのに非常に役立ちましたが、鉄鋼製品の完成品を作るには、ハンマーで叩く方法や鍛造する方法が依然として使用されていました。

2511835年頃、新しい船に非常に大きなプロペラシャフトが必要になりました。あまりに巨大なため、発明家で知られるイギリスの鉄工ジェームズ・ナスミスに持ち込まれるまで、それを鍛造できる人はいませんでした。ナスミスは蒸気で作動させる巨大なハンマーのスケッチを描きました。しかし、プロペラシャフトの注文が入らなかったため、実際に製作する機会はありませんでした。しかし、蒸気ハンマーのアイデアはフランスの技術者たちの耳目を集め、ナスミスがフランスの製鉄所を訪れた際に偶然見つけたハンマーを製作しました。ナスミスは自身の発明の重要性を認識しましたが、幸いなことにフランス人はまだ特許を取得していませんでした。特許はナスミスに与えられました。

今日のベルト駆動式パワーハンマー

蒸気ハンマーは、その基本的な構造は今もほとんど変わっていませんが、ほとんどの人にとって非常によく知られており、卵を割っても卵カップを割らないという光景を目にしたことがある人もいるでしょう。この巨大なハンマーの調整と制御は非常に精密で、熟練した技師はほぼ連続的に打撃を加えることで、鉄片を平らにし、時計の風防ガラスを割ることが可能です。しかも、時計に損傷を与えることはありません。言うまでもなく、蒸気ハンマーは大型部品の鍛造において唯一効率的なハンマー装置であることが証明されています。

252
2つのボードハンマーとトリミングプレス

253しかし、村の鍛冶屋の小さな工房で作られるにせよ、大型のヘルベ、ティルト、ブラッドリー、あるいは巨大な蒸気ハンマーで作られるにせよ、鍛造品は金型で作られない限り、特別な形に作られているとみなされ、完成品は二つとして同じものはありません。それらは常に「手作り」の品なのです。

ドロップフォージング
そのため、何年も前は、複製部品や互換性部品と呼ばれるものは全く知られておらず、有名なイギリスのエンフィールドライフルの部品は文明世界のさまざまな場所で作られ、ロンドン塔に送られ、そこで組み立てられたと言われています。しかし、組み立ての際には、2 つの部品がまったく同じではなかったため、さまざまな部品を手作業でやすりで削り、慎重に調整する必要がありました。しかし、ニューイングランドの「ヤンキー工具メーカー」は、多数の複製が必要な部品を「金型」または鋼鉄のブロックの型で鍛造することでこの問題を解決しました。もちろん、鍛造された部品は「金型」の正確な型を取り、こうして作られた連続した部品はサイズと形状が同じでした。ニューイングランド州からロンドンに送られた完成した複製部品から、エンフィールドライフルは「カットアンドトライ」のような最終仕上げをほとんど行わずに組み立てられました。

最初は鍛冶屋の金床の上の金型と軽いハンマーを使用して行われていたこの有望な方法は、すぐに熟練の「金型職人」（金型メーカー）を育成しました。彼らは「ヤンキー ツール メーカー」という言葉からもわかるように独創的な人々でした。

この作業に関連して、「ドロップ 254ハンマーは「板金ハンマー」とも呼ばれ、広く使われるようになりました。その中でも重要な種類は「板金ハンマー」で、滑車の間に立てられた板の下端に重い鋼鉄のハンマーヘッドが取り付けられていました。滑車が板を挟み込み回転すると、ハンマーヘッドは滑車の間を上昇し、滑車が板を緩めると、任意の高さまで落下します。ハンマーヘッドは、下にある金床に向かって高速かつ周期的に上昇・下降し、白熱した鉄を金床上の「型」に素早く押し込み、後に「ドロップフォージング」として知られるようになったものを形成しました。

ナスミスの蒸気ハンマーは鉄鋼加工に革命をもたらした

通常、ハンマー面自体には、成形する製品の上部部分の印象が付けられます。つまり、ハンマーには上部の「ダイ」があり、金床には下部の「ダイ」があります。

255
自動車クランクシャフトの現代的鍛造

256もちろん、上下の金型の間から押し出された余分な金属には、あちこちに「ひれ」が残ります。その後すぐに、トリミング用に成形されたもう一つの金型を使うことで、この余分な金属（通称「バリ」）を鍛造時に除去できるということが判明しました。

ナスミスの蒸気ハンマーもまた、ドロップフォージング作業に広く使用されてきた。

「鋳造」された金属は、「加工」された金属ほど密度が高くなく、穴やスポンジ状などの欠陥がなく、強度も高くありません。生産コストの点では鋳造ほど安くはないものの、「ドロップフォージング」は通常、鋳造よりもはるかに優れており、より好ましい選択肢です。しかし、多数の部品を製造しない限り、金型を作るのは採算が合いません。「鋳造」は1つ、あるいは複数であれば、大きな費用をかけずに製造できます。

油圧プレスによる大型部品の鍛造
近年、鍛造はハンマーによる突発的な打撃で表面を浅く削る方法ではなく、油圧プレスなどのプレス機を用いて高温の材料をゆっくりと圧縮し、より小さく長い形状に成形する手法が主流となっています。ヘンリー・ベッセマー卿は、プレス機による鋼材加工の利点をいち早く認識し、活用した人物の一人です。

ハンマーとは異なり、プレスは作品に深い加工を施します。ハンマーのように表面だけに生じるのではなく、応力によって作品全体に流れが見られるのが分かります。これは非常に望ましいことです。なぜなら、外側よりもはるかに粗い木目を持つとされる内部は、特に「加工」する必要があるからです。簡単に言えば、プレスはパン職人が生地をこねるように素材をこねるのに対し、ハンマーによる方法は単に外側を叩き潰すだけです。熟練した目を持つ人なら、鍛造品の端の外観を一目見れば、それがプレス加工かハンマー加工かを見分けることができます。

257
最新の油圧鍛造プレス

258油圧プレスでは 1 平方インチあたり 8,000 ポンドもの圧力が使用されますが、それよりはるかに低い圧力が一般的です。

鍛造と圧延
圧延機やその製品についてはまだ検討していませんが、一般的に、規則的で均一な断面を持ち、かなりの長さの製品のみが容易に圧延できることは理解しています。満足のいく形状と寸法の製品が得られる場合、圧延工程で成形された鋼製品は非常に望ましく、通常は鍛造工程で製造される製品よりも安価です。圧延工程で製造される製品と比較すると、鍛造製品は通常、労働コストと時間コストが非常に高くなります。

しかし、圧延工場の建設と設備費は、蒸気ハンマー設備を備えた工場の建設費よりもはるかに高額であるため、大量に需要のある製品を除いて、圧延工程では採算が取れません。不規則で奇妙な形状の製品は当然鍛造する必要がありますが、特に小型の製品の場合、必要な金型の費用を賄うのに十分な量であれば、ドロップフォージング工程が利用可能であり、非常に満足のいく結果が得られます。

鍛造品には、見逃してはならないもう一つの利点があります。鍛造によって付与される物理的特性は、ロールによって付与される物理的特性よりも幾分優れています。しかしながら、ロールによって付与される物理的特性も非常に満足のいくものです。

259
第17章
圧延工程

初期のロール

1783 年頃、当時としてはかなりの生産量を誇るパドル炉が発明された後、コートはハンマー法では目的を達成できないと感じ、炉で生産されるより大きな鉄球の加工を容易にするロールを考案しました。

彼のロールには一連の溝が刻まれており、鉄球を徐々に長くなり、直径が比例して小さくなる破片へと系統的に粉砕した。ロールは動力駆動式で、パドル炉やるつぼ炉で生産される量以下の鉄鋼生産量であれば、非常によく機能した。

当然のことながら、ベッセマー製鋼法の発明によって強制されるまで、圧延機の設計の本質はほとんど、あるいは全く変化しませんでした。 260問題が発生し始めた。続いて平炉法が登場し、この方法を採用した製鉄所の鋼材生産量が増えるにつれて、次々と必要性が生じ、今日の高度に発達した圧延工場が誕生した。

[ミル]
「2段式」ミル
コートが発明した製粉機にはロールが2つしかなく、これらはフライホイールによって駆動されていました。ロールは常に一方向に回転し、圧延される材料は一方向にしか通過できませんでした。つまり、通常「パス」と呼ばれる通過ごとに、材料は製粉機の後方から前方に戻される必要がありました。これは、製粉機の後方にいる屈強な男「キャッチャー」が材料を掴み、片方の端を上部のロールの上まで持ち上げ、そこから材料を多少の困難と不器用さを伴いながら「ローラー」の元へと運びました。ローラーは、 261それを前方に掴み、ロールの次の次の、またはより小さな溝に再び入れます。

2ハイロールと作品への影響

「三高」製粉所

3ハイロールの​​アクション

1857年、ジョン・フリッツはペンシルベニア州カンブリア製鉄所の二段式製鉄所で、作業員たちが低速で疲労困憊の作業に追われているのを見守っていました。そこで、上部にもう一つ、あるいは三つ目のロールを追加すれば、前のローラーに戻るたびに、部品を再びローラーに通すことができるのではないか、とフリッツは考えました。ロールは当然部品を貫通させるので、作業員の負担は軽減されます。また、両方向から部品を通すことで、従来の約半分の時間で全数処理できます。そして何よりも重要なのは、部品が冷えるまでの時間が短くなり、より適切な温度で仕上げることができるということです。これは大きな利点です。

不思議なことに、彼がそのアイデアを口にした瞬間にそれは実行不可能だと判断され、試行の許可を得るのに長い戦いを強いられることになった。

実験は最初から成功していたが、ある土曜日の夜、工場は火事になった。 262失業を恐れた労働者たちによって火事になったが、再建され、新たな労働者が加わり、成功を収めた。

その後の10年間で、「三高」型の圧延機がアメリカとヨーロッパの両方で広く使用されるようになりました。その後、昇降式または傾斜式のテーブルが設置され、圧延品を機械的に上部ロールまで持ち上げるようになりました。これにより、作業員の作業負担が軽減されました。インゴットや圧延品のサイズが飛躍的に増大するにつれ、この作業はすぐに非常に重労働となりました。今日でも、「三高」圧延機はこれまで以上に重要な役割を担っています。

逆転するミル
動力を蓄えるフライホイールを備えているため、ロールは一定方向に連続的に回転し続ける必要があります。イギリスでは、蒸気ハンマーを発明したナスミス氏が、フライホイールを廃止し、2段ロールを各パスごとに反転させることを提案しました。被削材はローラー側に戻り、途中で3段ロールと同様に、一定のパスで加工を受けることになります。このアイデアは、ロンドン・アンド・ノースウェスタン鉄道会社のラムズボトム氏によって考案されました。十分に強力なエンジンを使用することで目的が達成され、このタイプのロールは現在、3段ミル工程でテーブルを傾けて持ち上げるのが経済的ではない非常に重いインゴットの加工に広く使用されています。他にもいくつかの利点があります。

上記は一般的な 3 種類の工場です。

インゴットを「分解」する
中間形状で販売されるか、さらに圧延されて完成品になるかに関わらず、すべてのインゴットは「コグ」または中間サイズのスラブに分割される必要があります。 263ブルームまたはビレット。インゴットには、単一のプレート、レール、ロッド、またはその他の完成品にするには多すぎる鋼が含まれています。

コギングまたは最初の圧延は、すでに説明した 3 種類のロールのいずれかで実行されますが、ここではより一般的には可逆ミルで実行されます。

「浸漬ピット」から出てくるインゴット

大型の天井クレーンのトングが均熱ピットから白熱したインゴットを持ち上げると、インゴットはロールの間を前後に動かされます。ロールは「ねじ込み」作業員によってどんどん近づけられるため、インゴットは通過するごとにどんどん薄く、ずっと長くなります。歯車で連結された小さなローラーでできたテーブルが、ロールから出てくる長いインゴットを受け取ります。通過するごとに、テーブルはインゴットをロールに戻します。ロールは反対方向に回転します。反対側のテーブルでも同じプロセスが繰り返され、インゴットは定期的に端を回転させたり、必要に応じてテーブルのローラーの間に上げることができるスチール ガイドによってロールの一方から他方へスライドさせられます。これらの方向とロール自体の方向は、工場の片側に立つ 2 ～ 3 人の作業員がレバーで操作します。

264各パスの後に逆転し、大きなインゴットが回転して、次の進入に最も有利な位置まで自ら滑り込む様子から、この巨大なエンジン、ミル、およびロールトレインは、ほとんど人間のように見えます。

ロール内のインゴット

鋼板の圧延
よく知られている多くの製品の圧延工程を詳細に説明することは、紙面の都合上、明らかに不可能です。しかし幸いなことに、板材、パイプ、チューブ、そして棒材や線材の製造工程を説明した後には、レール、棒材、そしてI形鋼、チャンネル、アングル、Z形鋼などの構造用形状物の圧延工程についても容易に想像できるため、その必要はありません。

鍛造用またはその他の目的のための鋼ビレット

契約部門から工場の事務員に、サイズと厚さの詳細なリスト、化学的および物理的要件などの点での明確な品質仕様を含む鋼板の注文が届きます。

265
インゴットをスラブに圧延する

これらを検討した後、事務員は平炉に、目的に十分な在庫を供給できると見積もった様々な組成の鋼鉄を必要なトン数だけ要求します。鋼はできるだけ早く製造され、インゴットに鋳造されます。インゴットはスラブ工場の均熱炉に移され、化学研究所が採取したサンプルの分析を行い、その結果を材料を発注した事務員に電話で報告するとすぐに処分されます。注文した組成に十分近い場合、事務員はスラブ工場に要求書を送り、「加熱」された4～6個のインゴットを圧延して、顧客の注文に応じた板材にそれぞれ所定の重量のスラブに切断するよう指示します。

スラブ工場の事務員は、要求書で注文された特定の重量のスラブを提供するために、各インゴットをどの幅と厚さに圧延し、どの長さに切断するかを決定します。

インゴットを適切な幅と厚さに圧延した後、「パイプ状」の端は切り落とされ、「廃棄」されます。スラブは切断され、小さな平らな鋼鉄製の台車に規則的に積み上げられます。 266鋼材は、まだ赤熱したまま、小さなダミーエンジンの甲高い音とともに、スラブ工場からヤードを通り、厚板工場の炉へと引き出され、そこで適切な順序で投入されます。鋼材はここで、再び白熱し、厚板工場のローラーが準備できるまで放置されます。

一方、鋼板工場の担当者には、ヒート番号、インゴット番号、そしてスラブの重量を積み重ね順に記した記録用紙が届きます。担当者はこれらの記録と鋼材分析結果に基づき、製造する鋼板の圧延指示書を作成します。

板材の原料となるスラブ

固体のインゴットを得るのがいかに難しいか、そしてインゴットの上部8分の1（時にはそれ以上）が通常「パイプ」状に切り出され、廃棄されることをご存知でしょう。残りのインゴットから切り出されたスラブは、車両に積み上げられ、厚板工場の炉に装入されます。インゴットの上部（廃棄された部分の隣）の部分は、それほど要求の厳しくない品質の板材に使用されます。インゴットの下部、つまり最も硬く品質の良い部分だけが、「火室」や最高級の「フランジ」鋼などに使用されます。残りの4分の1は、フランジ材、船舶用鋼板、そして「タンク」鋼板に使用されます。後者は、水タンクや鋼製床材などに使われる、様々な低価格の鋼板です。「火室」と呼ばれる鋼材は、もちろん非常に高品質でなければなりません。機関車などの部品に使用され、接触して劣化する可能性があります。 267炎や煙などから保護します。最高の「フランジ」は、成形するためにかなりの曲げに耐えなければならないボイラープレートやその他の製品に使用されます。

圧延指示書を作成するにあたり、事務員は番号の付いた各スラブが、その製品に適した製品にのみ圧延されるように注意を払います。顧客の注文書に明記されている化学組成、想定される強度、その他の物理的特性を考慮に入れなければなりません。また、鋼材の物理的特性は、圧延時の温度と速度、そして冷却速度に大きく左右されるため、事務員は工場の実務に精通し、顧客や顧客を代表する検査員のために「引き抜かれた」鋼板から切り出された棒材から物理試験室で得られる結果を常に把握しておかなければなりません。

熱くなったスラブは、炉から一枚ずつ、規則正しくロールへと送られます。圧延指示に従い、ローラーと助手たちはスラブを一枚ずつ、板圧延機のロールに通します。まず、切り出す板の幅より数インチ広い幅までスラブを引き伸ばし、次にそれを四分の一回転させ、適切な厚さ、つまり「ゲージ」になるまでロールに通します。

店員の計算が正しければ、皿の長さはこれで正しいはずです。しかし、特にロールがかなり摩耗している場合は、注文した板の重さが足りなかった可能性があります。

注文された板の幅と厚さが、工場が注文されたスラブから取り出すトリミングされた板の「割合」にどれほど影響するかは、ほとんど理解されていないでしょう。圧延された板の両端には「フィッシュテール」と呼ばれる切れ端があります。薄く幅広の板の場合、これはかなり深刻な問題となります。

店員は可能な限り2枚か3枚の皿を端に置く 268端から端まで、あるいは狭いものを並べて作ることもできますが、「鋏」が「割る」ことができる幅を超えてはなりません。また、圧延するには冷たくなりすぎたり、取り扱いが不便になるほど長いプレートをミルに渡したりしてはなりません。

84インチ厚板ミル

工場の作業員たちは、緊張した訪問者が製粉所の案内係がロールにできるだけ近づけば近づくほど、気分転換に皿に塩を多めに振りかけてスケールを落とすのを楽しんでいる。普段の量の塩で起こる爆発音は格段に大きくなり、女性たちの悲鳴が聞こえたり、訪問者の中に驚きと落胆の表情を浮かべる男性たちがいるのを見るのも珍しくない。

厚板圧延機は通常3段式で、両側に小さなローラーが配置されたテーブルが設けられています。これらのテーブルは傾斜しており、厚板をロールに送り込み、反対側で受けて、そこから再びロールに送り込みます。送り込みは、状況に応じて上下に行います。厚板は平坦でなければならないため、完全に平らなロールが使用されます。非常に幅広の厚板の場合、これらのロールは長さ140インチ以上、直径3フィートにもなります。

もちろん、ロールは冷却のために常に水で満たされています。一見すると、水はロール中の板を冷却するだろうと思われるかもしれませんが、実際にはそうではありません。非常に高い熱によって、水が板に直接接触していないようです。 269したがって、厚さ 3 インチの厚板から ³⁄₁₆″、¼″、または ⅜″ に圧延され、6″、8″、10″、または 12″ の厚板からは ½″、¾″、場合によっては 1″ または 1 ¼″ のプレートに圧延されます。

皿の転がり

すべての板材は、非常に正確に圧延されなければなりません。許容差は、多くの場合、100分の1インチから200分の1インチを超えてはいけません。圧延作業員は、スラブの製作において、経験豊富で優れた判断力を持つ人でなければなりません。なぜなら、ほとんどすべての板材は、様々な厚さや長さの板材から作られるからです。圧延作業員は、温度、圧延速度、そして各パスにおける圧下率を把握していなければなりません。特に薄く幅広の板材の場合は、ロールの状態も把握していなければなりません。ロールは2、3日使用すると、端よりも中央部が厚くなります。上部の「ねじ締め」作業員が、各パスごとにロールを少しずつ締め付け、ローラーの指示の下の「フッカー」が板材がロールに正しく入るようにするため、圧延作業員は、完成に近づくにつれて、非常に正確なゲージを用いて板材の厚さを測定しなければなりません。特に、板材が平方フィートあたりの平均重量で注文され、支払われる場合、測定できない板材の中央部の厚さを正確に判断し、端を十分に引き下げなければなりません。 270完成したプレートをせん断すると平均が正しくなります。

メートル法の利点を知らないこの国の製鉄工場の労働者にとって、厚さ1インチの鋼板の重さが1平方フィートあたり40.8ポンドに非常に近いことは幸運です。これは分かりやすい数字であり、事務員、ローラー、ホットベッドの職長、計量士、そして関係者全員が、1平方フィート、厚さ1インチの鋼板を基準に「考え」ます。したがって、1/2インチの鋼板は1平方フィートあたり20.4ポンド、1/4インチは10.2ポンド、3⁄16インチは7.66ポンドです。

伸線加工や冷間引抜シームレスチューブを考えてみるとわかるように、鋼鉄の強度やその他の物理的特性は、まずその組成、そして次に、叩き、圧延、その他の「加工」を行う際の温度に依存します。したがって、鋼板は、選択した温度で仕上げることで、物理的特性を大きく変えることができます。例えば、炭素含有量が0.19%、マンガン含有量が0.45%の鋼板の場合、通常の温度で仕上げると、1インチの鋼板では1平方インチあたり約55,000ポンド、1/2インチでは58,000ポンド、1/4インチでは62,000ポンドの引張強度が得られますが、わずかに「冷間圧延」を行うことで、強度を大幅に高めることができます。もちろん、延性は多少低下しますが、適度な冷間圧延であれば、それほど問題にはなりません。

これらすべてと他の多くの詳細は、プレート作業者にとって念頭に置くだけでなく、第二の性質にする必要があります。

最終パスの後、プレートは「ホットベッド」に乗せられ、圧延された順に並べられます。この時点で、プレートには、切断される小さなプレートまたはピースの境界が刻まれているはずです。ホットベッドの監督は、ローラーのシートの複製から、各プレートの端に並べる部分を印します。そして、古いベルトやその他の安価な非導電性素材でできた厚底の靴を履いた少年や男性が、チョークと「方眼紙」を使ってその上に進み始めます。 271大工の定規に似たもので、脚の長さが6フィート、12フィート、あるいは15フィートもある。靴底はまだ熱い鉄板に触れて煙をあげているが、彼らはホットベッドの監督が指示した模様を、非常に素早く正確に鉄板の表面に刻み込む。

通常、並べられるプレートは長方形で標準サイズですが、少年たちはしばしば奇妙なサイズや形のプレートを並べなければならず、時には、幾何学の学生が幾何学図形を描くように、円弧、弦、半径などを使用していわゆる「スケッチ」を描かなければなりません。プレート工場の用語では、ボイラーヘッド、タンクエンドなどに使われる円形のプレートは「ヘッド」と呼ばれます。これらには、紐とチョークで印が付けられます。白いペンキの入った壺を持った少年が続いて、並べられた各プレートの表面に、サイズ、厚さ、顧客の名前、注文番号、加熱番号を描きます。厳しい使用や天候にさらされた後でも、プレートが常に識別できるように、鋼鉄スタンプを持った別の少年が続いて、鋼鉄に加熱番号を刻印します。

磁石またはフック付きのクレーンが、長尺の鋼板を「グースネック」と呼ばれる小さなローラーの上を通り、鋏に引き込まれます。鋏では、強力な蒸気または油圧駆動の角刃ナイフが、チョーク線に沿って端面や不規則な縁を、マークされた寸法に合わせて容易に切り取ります。注文寸法より1/4インチ以上または不足、あるいは厚さが0.2インチでも異なると、鋼板は不良品となる可能性があり、実際に不良品となる可能性が高いため、あらゆる場面で精度が求められます。

計量と記録が終わると、プレートは出荷場に運ばれ、そこで電磁石によって車に積み込まれて出荷されます。

上述のプレート圧延工程では、例えば幅 30 ～ 120 インチのプレートを圧延することができます。 272そして、前述の通り、側面の多少不規則なエッジは「切り落とされる」ことになります。この余分な余裕は当然ながら「スクラップ」になります。

細長い板材を圧延する際には、「ユニバーサル」と呼ばれる板材圧延機がよく用いられます。この圧延機は、2本の水平ロールのすぐ後ろに垂直ロールを備えており、これらのロールは調整可能なため、板材の厚さだけでなく幅も調整可能です。このような圧延機で圧延された板材は、端面のみをトリミングすればよく、側面は非常に滑らかです。

出荷ヤードからの積載プレート

板材の圧延についてここまで詳細に説明してきたことで、現代の製鉄所の業務に不可欠な、その精緻さと細部へのこだわりを、少しでもご理解いただけたかと思います。アメリカの生産量は12時間あたり数百トンにも達しており、あらゆる作業が「時計のような」精度で進むことが求められています。しかし、これほどの膨大なトン数に加え、ロールや機械部品の破損、電動クレーンの遅延、主要人物の病気といった様々なハンディキャップを抱えながらも、作業は重大な遅延なく進められなければなりません。そして、通常はそれが実現しています。

現代の冶金および圧延工場の実践は驚異的です。

273
シート

シーツの巻き方

ほとんどの鋼板は、幅約 36 インチの厚板から圧延されますが、「シート」と呼ばれる厚さ ³⁄₁₆ インチ未満の鋼板は、「シートバー」と呼ばれるはるかに小さいサイズの厚板から圧延されます。シートに「引き伸ばし」た後、これらは 1 回または複数回折り畳まれる場合があり、2 枚から 8 枚の薄いシートが一度に圧延されます。強い圧力でシートが溶接またはくっつかないように、単独の鋼板よりも低温で圧延する必要があります。その後、シートはトリミングされ、引き離されます。一部の工場では、シートごとに個別のピースであるより小さなサイズのシートバーから開始し、ある程度引き伸ばした後、2 枚、3 枚、4 枚、または 5 枚の高さに積み重ねます。間に石炭または木炭の粉末 (乾燥または水と混合) を挟み、加熱して圧延します。木炭と石炭の粉末により、シートがくっつかないようになります。焼きなまし、酸洗いなどを行った後、冷間仕上げして研磨ロールにするか、または目的に応じてその他の処理を行います。矯正後、亜鉛メッキ、錫メッキ、ブルーイング、塗装が施されるものもあります。ほとんどの鋼は「黒」、つまりコーティングなしの状態で販売されています。テルネプレートは、鉛75%と錫25%のコーティングが施されています。

レールの転がりと構造形状
上記を読めば、鋼製レールを圧延する圧延機では、平ロールを使用する代わりに、 274I形鋼、チャンネル材、アングル材、Z形鋼、ロッドなどには、溝付きロールが必要です。これらの製品の場合、最初のパスはブルームまたはビレットよりわずかに小さい溝を通過します。その後、同じロールセット内の他の溝を通過し、徐々に溝が小さくなり、圧延対象物は完成品の形状に近づきます。

仕上げロールのレール

私たちの目の前で、白熱したブルームが三段式圧延機に入り、ロールの間を前後に往復しながら、あっという間に望みの形状に成形されます。その後、ロールを通過させるたびに、レールは完成形に近づいていきます。例えばレールは、ブルームから圧延され、長さ約42メートルの一本の長いレールとなります。このレールは巨大な蛇のように滑るように、高速で回転する「熱い」鋸へと進みます。鋸の間隔は十分に広く、そこから同時に33フィートのレールが4本切り出されます。レールが鋸から冷却床へと送られる際、回転する刻印が押されます。冷却されたレールは矯正場へ送られ、矯正、穴あけ、検査が行われ、その後、出荷用の貨車に積み込まれます。

過去28年間のアメリカ合衆国におけるあらゆる種類の圧延鉄鋼製品の生産量は以下の表に示されており、 275我が国の圧延産業は広範囲にわたり、その発展は急速に進んでいます。

年 鉄鋼レール プレートとシート 爪甲 線材 構造形状 その他すべての完成ロール製品。 総トン数
1887 2,139,640 603,355 308,432 2,184,279 5,235,706
1890 1,885,307 809,981 251,828 457,099 2,618,660 6,022,875
1895 1,306,135 991,459 95,085 791,130 517,920 2,487,845 6,189,574
1899 2,272,700 1,903,505 85,015 1,036,398 850,376 4,146,425 10,294,419
1901 2,874,639 2,254,425 68,850 1,365,934 1,013,150 4,772,329 12,349,327
1903 2,992,477 2,599,665 64,102 1,503,455 1,095,813 4,952,185 13,207,697
1905 3,375,929 3,532,230 64,542 1,808,688 1,660,519 6,398,107 16,840,015
1907 3,633,654 4,248,832 52,027 2,017,583 1,940,352 7,972,374 19,864,822
1909 3,023,845 4,234,346 63,746 2,335,685 2,275,562 7,711,506 19,644,690
1911 2,822,790 4,488,049 48,522 2,450,453 1,912,367 7,316,990 19,039,171
1913 3,502,780 5,751,037 37,503 2,464,807 3,004,972 10,030,144 24,791,243
1915 2,204,203 6,077,694 31,929 3,095,907 2,437,003 10,546,188 24,392,924
仕様と検査
もちろん、顧客には仕様が満たされていることを確認する権利があります。かつては製鉄所が意図的に顧客の仕様を厳密に満たさない製品を販売していた可能性もありましたが、今日では一般的にはそうではありません。現在では、製鉄所の検査官は、顧客が派遣する検査官よりも厳しく製品を不合格とするのが一般的です。製鉄所の研究所では、製造された鋼の各ヒートまたはバッチについて慎重かつ正確な分析を行うだけでなく、注文に適用された後、そこから圧延された鋼板、形鋼、レールの片を検査、測定し、物理試験研究所で鋼材の試験片を採取します。

製粉所は、製品の水準を高く保つことが自社の利益になるということを正しく認識しています。

大型製鉄所の一つ、炉、分塊圧延機、スラブ圧延機、レール圧延機、板圧延機、構造用圧延機、線材圧延機を見学するのは、最も興味深い体験の一つです。煙や埃、あるいは不快な暑さを恐れないのであれば、 276暖かい日には、彼は新しい世界を発見するでしょう。工場をふらっと訪れる人には特に注意は払われませんが、本当に興味を示す人には、工場長からサンプル採取の少年まで、鉄鋼マンたちが温かく迎え入れてくれます。

277
第18章

ロッドの巻き方
鋼棒、そしていわゆる太線は、長くてほぼ正方形の鋼塊であるビレットから圧延されます。使用されるビレットのサイズと形状は、圧延工程と圧延される鋼棒のサイズによって異なります。完成した鋼棒の多くは、丸鋼が求められる様々な用途にそのまま販売され、小型サイズの鋼棒は大量に、線材を伸線するための中間原料として使用されます。

ロッドミルには非常に興味深い歴史があります。ちなみに、これは鉄鋼プロセスと製品の発展の歴史のほんの 1 つに過ぎず、冶金、機械、ビジネスの発展における人類の天才を誇りに思うべきものです。

ベルギーの製粉所
最初の棒鋼と線材は旧式の2段圧延機で圧延されました。2段圧延機では、各パスごとに線材が上部ロールに引き戻され、2段圧延機の通常の動作と同様に、ローラーによって次の溝に挿入されました。その後、3段圧延機が登場し、線材圧延は他のラインよりも大きな利点を持つようになりました。3段圧延機は、線材圧延にとって他のラインよりも大きな利点をもたらしました。

しかし、長くて細い棒やロッドは、白熱やローリングヒートでは非常に柔らかくなるため、「キャッチャー」はすぐに時間を節約し、トン数を増やす方法を発見しました。彼は棒の先端が来ると、巧みにそれをキャッチしました。 278それを4分の1回転させて、バー全体が自分の側まで通るまで待たずに、正しい戻り溝に差し込んだ。もちろん、当時の低速であれば、これは容易に可能だった。

当然、片側から通って反対側に戻るロッドがループを形成します。

先頭のローラーは、長いロッドでも同じことができることをすぐに発見したので、すぐにロッドは同時に 3 回以上通るようになりました。

350年前の伸線

すぐに、3回目以降のパスでは、最初のロールと端を繋げて配置した2組目のロールを使用する方が効果的であることが判明しました。これは、ローラーが戻り時にロッドをループさせて次のパスを開始するスペースと時間がほとんどないためです。この2組目のロールは同じシャフトに接続されていたため、最初のロールと同じ速度で回転するようになりました。このような追加のロールセットと1～2個の補助ロールを使用することで、同じ長いロッドを一度に6～7パスも通過させることができ、時間を大幅に節約することができました。

最終パスから出てくる完成品の先端は、少年がトングで掴み、ロールから離れて床に伸ばして冷ましました。複数のロールが同じ駆動軸に接続され、同じ速度で回転していたため、パス間で形成されるループは絶えず変化しました。 279糸は長くなった。ここでも、鉄のフックを持った少年たちがループを制御するのに役立った。後に、後続の製粉所を、前の一対のロールが送り出したロッドを受け止められるだけの速度にするのが賢明だと分かった。そうすれば、ループの長さはほぼ一定に保たれる。

現代のループ型工場の平面図（ギャレット工場）

生産量を増やすため、製糸場の稼働速度はますます速くなっていった。長い糸が巻かれるようになると、手動のリールが考案され、少年が糸の先端をリールに取り付け、もう一人がリールを回すという仕組みになった。しかし、製糸場の速度は主にリールの速度が遅く、糸をリールに取り付ける方法が不便だったため、制限されていた。

ベドソン連続工場
1867年頃、イギリスのジョージ・ベドソンが最初の「連続式」製粉機を発明しました。

ロッドをロールの周りでループさせる代わりに、彼はロールを数セットずつ前後に並べた。 2801組おきに垂直にロールを配置した。この水平と垂直のロールの交互配置は、ビレットまたはロッドの圧下がロールの軸に垂直な方向にしか行われないため必要だった。ローラーとキャッチャーは、ビレットまたはロッドを2段ロールに送り込むたびに、ロールに1/4回転ねじりを与えていた。ベドソンの連続するロールは互いに近接して配置され、各ロールは前のロールが送り出したのと全く同じ速度でロッドを受け止めるように速度が調整されていた。そのため、ビレットまたはロッドはロールを直線的に通過した。

この連続プロセスは、言うまでもなく、かなりの速度を達成できるという大きな利点がありました。ベルギーミルの長いループで発生していた急速な冷却や、空気への露出によるスケールの付着による損失も発生しませんでした。これは大きな進歩でしたが、仕上げ工程と、リールがロッドを十分な速度で巻き取ることができないという問題によって、速度は依然として制限されていました。

最大の発展は、チャールズ・モーガンとジョージ・ギャレットという二人の発明家たちの天才的な発明によってもたらされました。彼らは、今日の棒鋼圧延産業を形作った二種類の異なる圧延機を開発しました。二人の研究は、この国で行われました。

モーガン連続製粉所
モーガンの製法もまた連続式だった。ビレットはモーガンが考案した新型の加熱炉の一端に投入され、徐々に反対側の端へと押し進められた。この第二の端、つまり出口から、細長く白熱したビレットは、互いに近接して配置された複数対の二段ロールを通過する。各ロールの溝は、前のロールよりも小さく、複数のロールを通過した後、最後のロールから一直線に通過した棒材が出てくる。

281手巻きでは遅すぎたため、モーガンは2種類の高速自動巻き取り機を発明しました。今日の高速製鉄所では、これらの巻き取り機は毎分0.5マイル以上の速度で仕上げ工程から出てくる線材を巻き取ります。ビレットとロッドがロール上を非常に高速に通過し、非常に速くかつ強く圧力がかかるため、仕上げ工程から出てくるロッドは、ロールに入ったビレットよりも高温になっていると言われています。

ビレットはモルガン連続圧延機を高速で通過し、最後のロールから完成した棒材として出てくる。

既に説明したように、ロールの溝の側面によって厚さが減少することはありません。したがって、ベドソンの水平・垂直交互ロールを使用しない限り、棒材は各パスごとに旋削加工する必要があります。モーガンは、連続するロール群の間に挿入された螺旋状のチューブ（すべて水平）でこの旋削加工を行いました。これらのチューブは、銃身の「ライフリング」のように、棒材を旋削加工する役割を果たします。

282ベドソンの製粉所では、水平と垂直のロールが交互に配置されていたため、一度に1本のロッドしか圧延できませんでした。一方、すべてのロールが水平に配置されたモーガンのシステムでは、複数のロッドが並んで製粉所内を横切ることができました。

高速リールと、ビレットやロッドをフルスピードで任意の長さに切断できる「フライングシャー」と呼ばれる装置により、モーガンの製材所は高度な開発段階に達し、事実上自動化されていました。

ギャレットミル
モーガンが連続圧延機を開発していた頃、ウィリアム・ギャレットは古いベルギー製圧延機の改良に取り組んでいました。ギャレットは、適切な作業工程を経れば、これまで使用されていた細長いビレットよりもはるかに直径が大きく、重量も重いビレットから棒鋼を圧延できると信じ、それを強く主張しました。最終的に、より大きなビレットを使用することで、中間圧延工程を廃止しました。

ベルギーの製鉄所では「キャッチャー」が棒材をロールにループ状に巻き戻していたことを覚えているでしょう。この作業を自動的に行うため、ギャレット社はロール間にループ状のトラフを挿入しました。このトラフは棒材の先端をロールの次の溝に誘導し、次の溝へと導きます。これらのトラフは「リピーター」と呼ばれています。リピーターは、正方形と呼ばれる断面のループ加工には非常に効果的でしたが、1パスおきに生産される楕円形の断面のループ加工にはあまり適していないことがわかりました。これらの作業は、古い方法、つまり手作業で行う方が効率的かつ安全でした。今日では、一般的にこの方法で行われています。モーガン社の高速リール、ループ加工を容易にする傾斜した床、そして前後のロールがそれぞれ前のロールよりも高速で回転する構造により、ギャレット社の製鉄所はモーガン社と歩調を合わせているようです。

それぞれに利点があり、それぞれ特定の用途に使用されます 283様々な作業クラスに対応します。同一サイズの棒鋼を長時間連続して生産する場合、モーガンミルはより安価に生産でき、製品の質別均一性も高く、ミル内で露出する棒鋼が少ないため、スケールによる損失も少なくなります。モーガンミルの最初の一対のロールは炉の近くに設置されているため、ミル内には一度にビレットの4分の1以下しか入っておらず、ビレットの先端は最後のビレットが炉から出る前に完成した棒鋼としてリールに巻き取られます。どの工程でも、何かがうまくいかず、棒鋼が意図した経路をたどらないことが時々あります。そのような場合、棒鋼は変形したり絡まったりします。このように不良になったビレットまたは棒鋼は「コブル」と呼ばれます。モーガンミルでは、ビレットまたは棒鋼が高速で移動しながら切断する「フライングシャー」と呼ばれる装置を使用して、棒鋼または棒鋼の後部を切り取って、コブルが発生した場合に備えて保存することができます。このため、モーガンミルはギャレットミルよりもスクラップの発生が少ないと言われています。

一方、ギャレットミルは、形状と直径が全体にわたってより均一なロッドを生産し、製品の変更に迅速に対応できるという大きな利点があります。モーガンミルのように複雑で細かな調整を必要としません。そのため、ローラーの周囲を回転するループが時折制御不能になることでローラーに大きな損傷を与える危険性があるにもかかわらず、ギャレットミルは広く使用されています。

284
第19章
線材および線材伸線
現代人は既に進歩を遂げたと信じている熱心な人たちにとって、私たちが生み出したとされる新製品の多くが、実は遥かに時代遅れだったという事実は、むしろ当惑させるかもしれません。ワイヤーの場合も、実に30世紀も時代遅れでした。しかし、古代人が製造したワイヤーは、通常、金や銀といった貴金属でできていました。私たちが知っているワイヤーのように金型を通して引き伸ばされたのではなく、細長い金属片を槌で叩いて形作られていました。「ドロープレート」法が初めて使用されたのは、14世紀のドイツで、確かな記録が残っているところでは、ワイヤーは手作業で引き伸ばされていました。機械引きワイヤーは、1565年にはイギリスで既に生産されていました。

アメリカ合衆国では、17世紀半ばまでに伸線産業がかなり確立されていました。当時、コートは棒鋼やロッドの圧延工程を発明していなかったため、伸線に使用できる金属は非常に不均一な帯板しかありませんでした。しかし、高度に発達したロッドミルと、現在非常に優れたNo.5線材を保有しているにもかかわらず、我が国の伸線技術は未だに未熟であり、鉄鋼業界の他の分野で達成された大きな進歩と比較すると、進歩の度合いは小さいと言わざるを得ません。

鍛造や圧延などの工程とは異なり、線材の引抜きは冷間で行われます。この状態では、鋼は最も高い引張強度を持ちます。 285張力に耐える強度。棒またはワイヤーは非常に硬い鋳鉄または鋼鉄の型に通されます。この工程は、小さな結び目の穴にロープを通すのとよく似ています。

鋼板の圧延加工で見られるように、「冷間加工」は強度を高め、延性を低下させ、鋼を脆化させます。これは、鍛造および圧延工程で通常行われるチェリーレッドまたはホワイトヒートでの通常の「熱間加工」よりも顕著です。非常に低い赤または黒色温度でのいわゆる「冷間仕上げ」が鋼板の物理的特性に影響を与えるのであれば、線材および継目無管を70～100°F（約21～38℃）の常温で冷間引抜加工すると、これらの影響が著しく強まることは容易に理解できます。このため、引抜加工された線材および管材は頻繁に焼きなまし処理、すなわち金型を通す合間に一定時間、良好な赤色温度で加熱する必要があります。焼きなまし処理は、線材の破損につながるような延性の低下と脆性の増加を相殺する効果があります。場合によっては、各パスまたはドラフト後に線材を焼きなまし処理する必要がありますが、多くの場合、焼きなまし処理が必要になる前に複数パス処理が可能です。これは、使用される鋼の品質と、各パスで試みられる「削減」の量に大きく依存します。

原料となるNo.5軟質線材は、厚さ約1/5インチで、棒鋼工場から伸線工場に運ばれます。このNo.5線材は、工場が圧延コストを低く抑えられると判断された最も細い線材であるため、さらに細くするには「伸線」加工が最適です。

286
ワイヤーに引き抜く前に、酸で「酸洗い」してロッドからスケールを除去する必要があります。

赤熱から空気中で冷却されたすべての鉄鋼材料は、硬くて脆い酸化鉄の鱗片で覆われているため、まずは線材を「酸洗」、つまり高温の弱硫酸で処理する必要があります。10～15分で硬い表面が溶解して緩み、容易に揺すり落として洗い流せるようになります。酸洗された線材は、沸騰した石灰乳の入った桶に浸漬することで石灰の皮膜が形成され、残留酸が中和されます。乾燥すると、線材がダイスを通過する際の潤滑に大きく貢献します。「ベーキング」と呼ばれる徹底的な乾燥は、乾燥室で300～400°F（約175～220℃）で行われます。そこから、柔らかく鱗のない石灰で覆われた表面を持つ線材は「絞り」ベンチへと送られます。酸洗液から洗い流した後、線材に水を吹きかけ、湿らせておくことで、柔らかい錆の膜が形成されることがよくあります。 287石灰槽に入れる前に、しばらく空気に触れさせてください。この錆、つまり「サル」と呼ばれる層自体が潤滑性を高めます。しかし、製品の色は「サル」層がない場合ほど良くないため、このようなワイヤーは通常、色が濃くても問題のない製品に使用されます。

単線引抜ブロック

伸線ダイス

正確な直径の漏斗状の穴を持つ金型が垂直に設置されている。金型は、過酷な使用条件にも耐えられるよう、極めて硬い素材で作られている。過酷な摩耗によって穴が大きくなり、金型はやがて使えなくなる。そうなると、金型は取り外して廃棄するか、鋼製の金型の場合は、穴をハンマーで叩いて小さくし、再度ドリルで穴を開ける必要がある。 288摩耗した鋳鉄や鋼の金型を次の大きなサイズに拡大して使用します。

ワイヤーの描画

各コイルのワイヤロッドの緩んだ端は、ハンマーなどで叩き伸ばされ、ダイの穴に通してトングや「ペンチ」でしっかりと掴める長さに調整されます。ダイがしっかりと固定された後、ペンチも含まれる引き抜きヘッドが、回転ブロックまたはドラムに取り付けられるのに十分な長さになるまで引き抜かれます。その後、回転ブロックまたはドラムは、ワイヤをダイに通して連続的に引き抜き、毎分400フィートもの速度でワイヤをブロックの周りに巻き付けます。

ロッドがダイが固定されているボックスを通過する際、石灰や硫黄のコーティングの他に、石鹸、グリース、獣脂などの他の潤滑剤が塗布され、吸収されることがあります。

289ワイヤーのコイルはドラムから持ち上げられて結ばれるか、より小さいサイズのワイヤーに再引き伸ばされます。

条件に応じて1回から複数回の圧下後、線材は数時間焼鈍処理され、形成されたスケールを除去するために再度酸洗され、洗浄、石灰塗布、乾燥されます。小型線材と同様に、複数回の圧下やパスが必要となる線材は、所定のサイズになるまでに、複数回の絞り加工、焼鈍、洗浄を経る必要があります。

ダイスを速く切りすぎると穴が急激に広がり、ワイヤーの後端と先端の太さが異なってしまうため、適切な作業を行うには、ロッドまたはワイヤーを極限まで柔らかくする必要があります。洗浄不足または過剰洗浄は金属を硬くし、乾燥炉での焼き入れ不足も同様に金属を硬くします。彼らはロッドを準備する際に、これらを避けるよう努めています。

他の潤滑剤を使用したり、特定の仕上げや色をワイヤーに施したりする場合もあります。例えば、石灰コーティングの代わりにスズや硫酸銅溶液を使用することで、白から赤まで様々なコーティングが施されます。これは、太いワイヤーよりも細いワイヤーでよく行われます。特定の「パテンティング」工程では、最終焼鈍後に空気中で冷却することでワイヤーを焼き戻す様々な方法が用いられます。

線材はサイズだけでなく、多くの場合、特定の質別、つまり硬度や剛性の等級も指定されます。これらの様々な質別は、主に鋼材の化学分析と、最終焼鈍後の圧下回数によって決定されます。

ピアノ線は非常に高い強度を持つことで知られており、1平方インチあたり40万ポンドに達することもあります。ばね用線は、通常の線よりも高炭素鋼を圧延・伸線加工し、熱処理を施すことで、最高の特性が得られます。

この形態で様々な目的に使用されるほか、 290毎年何千トンものワイヤーが、ワイヤー釘、ステープル、金網フェンス、有刺鉄線などに加工されています。これらの製品はすべてアメリカ産ですが、ワイヤー釘だけは例外かもしれません。しかし、ワイヤー釘でさえ、もともとアメリカ産ではないとしても、私たちは膨大な生産量を通じて自国で生産しています。これらはすべて、ワイヤー（単数または複数）が送り込まれる自動機械によって非常に高速に生産されています。製品は下の箱に落とされるか、金網フェンスや有刺鉄線の場合のようにコイル状に巻かれます。機械の速度は非常に速く、目で追うことができないほどです。

ワイヤーはあまりにもよく知られているので、その用途について述べる必要はありませんが、この鉄鋼製品の膨大な生産量について触れておくのは興味深いでしょう。例えば、1915年に生産された3,200万トンの鉄鋼のうち、300万トン以上が棒鋼とワイヤーでした。1ポンド、100ポンド、あるいは1トンの鉄鋼を作るのに必要な、細い、あるいは平均的なサイズのワイヤーの長さを考えると、生産され使用されたワイヤーの量がいくらかは容易に想像できます。金網や金網、ワイヤーロープ、ケーブル、ピアノの弦、あらゆる種類のバネ、ピン、針、釘、フェンス、有刺鉄線、その他無数の製品の材料として、ワイヤーはまさに我が国の重要な産品の一つです。

ピアノ線は1平方インチあたり40万ポンドもの引張強度を持つものが作られていたと述べられていました。これは、同等の断面積の鋼製レールや鋼板の6～7倍の強度に相当します。ワイヤーは、鋼鉄で作られた製品の中で間違いなく最も強度の高いものです。だからこそ、ワイヤーロープやケーブルは非常に強いのです。ワイヤーロープやケーブルは、多数の細いワイヤーを撚り合わせて作られています。

世界史の観点から見ればごく最近のことですが、ローブリング家による有名なブルックリン橋の建設は、かなり昔のことなので、4つの大きな15¾インチの橋のそれぞれが、 291ケーブルは 5,296 本の個別のワイヤが束ねられて構成されています。

鉄鋼の腐食防止に最も効果的なのは、間違いなく「溶融亜鉛めっき」です。多くの電線に溶融亜鉛めっきが施されています。この処理では、電線を弱酸に浸してスケールを除去し、さらに弱い塩酸に浸して乾燥させることで、柔らかい赤色の被膜を形成します。20 本または 30 本並んだ電線のより線を、溶けた亜鉛の釜に通します。アスベスト パッドに通して余分な亜鉛を拭き取り、滑らかにします。こうして、電線の表面に亜鉛の連続被膜が永久に残り、非常に効果的に錆を防ぎます。厳しい気象条件に耐える必要がある電線では、余分な亜鉛を拭き取らない場合があります。電線や電話線には、より厚い被膜、つまり拭き取らない被膜が付いていることがよくあります。

当然のことながら、線材の伸線には棒材の圧延よりもはるかに大きな電力が必要であり、伸線速度は棒材の圧延に遠く及びません。そのため、線材のコストは圧延製品のコストよりもはるかに高くなります。時計のバネの場合、製品のコストは線材の伸線に使用した鋼材の5万倍になるという計算もありました。

「連続」伸線加工は、棒鋼の連続圧延ほど成功しておらず、また有利でもありません。小規模ではありますが、特定のグレードの製品においては連続加工が可能でしたが、主に機械的な困難さから、伸線加工は比較的重要ではないようです。

292
第20章
パイプおよびチューブの製造
人類は太古の昔から、何らかの管を用いてきました。自然は、ハンノキや竹といった低木の中空の幹という形で、最初の管を提供しました。初期の鍛冶屋たちは、山羊皮のふいごから吹き出した空気を、丘の斜面に築かれた粗雑な粘土製の炉に送り込むために、こうした管を用いていました。

粘土、石、鉛、そして穴をあけた丸太で作られた管も使われました。ずっと後になって、鋳鉄製の管が水の輸送にかなり広く使われるようになりました。火薬の普及により、銃身用の小さな管の製造が飛躍的に加速しました。鍛冶屋たちは、長く赤熱した錬鉄の細片を丸棒、つまり「マンドレル」の周りに叩きつけて溶接することで、これらの管を製造していました。1815年頃、イギリスでは照明用ガスが住宅の照明に使用されるようになりました。これにより、かなり長い管の需要が生じ、当初は当時非常に豊富だった古い銃身をねじ止めするなどして固定することで作られました。

現在知られている溶接管の製造方法に関する最初の特許は 1824 年と 1825 年に取得されました。後者は、ベル形の穴から「スケルプ」と呼ばれる細い鉄板を引き抜き、板を丸めて縁を溶接する突合せ溶接法に関するもので、これは今日のこの方法とほぼ同じです。

当社の最新のパイプは突合せ溶接と重ね溶接の両方に対応しています 293錬鉄または軟鋼から製造されます。

突合せ溶接プロセス

alt=’竹の棒は水を運ぶのに使われていた’

初期の水道管

突合せ溶接パイプの製造方法

錬鉄の場合は二度精錬されたパドル鉄、あるいは軟質ベッセマー鋼や平炉鋼のビレットから、細長い板が圧延されます。これらの板（「スケルプ」と呼ばれます）の幅と厚さは、所望の直径とゲージのパイプを作るのにぴったり合うように作られています。溶接部が全体的にしっかりと固定されるように、ロールから出てくるスケルプの端は、完全に直角ではなく、わずかに斜めにカットされています。そのため、パイプの内側となる面は、もう片方よりもわずかに狭くなっています。

貝殻の端を、トングで引っ掛ける部分のような尖った形に整えた後、加熱炉の中に並べて置く。 294白熱するまで放置します。

炉のすぐ前に「ベル」があり、その前に少し小さいもう一つのベルがあります。作業員は丈夫なトングを使って炉の中に手を伸ばし、白熱したスケルプの先端を固定します。トングの柄を引き鎖に引っ掛けると、スケルプは最初のベルと2番目のベルの間を通されます。最初のベルでスケルプはほぼ管状に曲げられ、2番目のベルで作業が完了し、ベル上部の板の端が溶接されるほどしっかりと押し付けられます。

「スケルプ」と呼ばれる板を最初に巻く

パイプは次に、クロスロールと呼ばれるロール軸を通ります。クロスロールの軸はパイプの軸とほぼ平行です。クロスロールの中でパイプは高速で回転し、表面を洗浄され、矯正されます。その後、冷却斜面を登り、テーブルに送られ、そこで両端が切断され、製品が検査されます。

検査の非常に重要な部分は水圧検査である。 295または水圧試験。部品を2つの防水キャップの間に1つずつしっかりと取り付け、パイプに水を流し込み、仕様に従って1平方インチあたり600ポンド以上の試験圧力まで徐々に圧力を高めます。

スケルプを加熱炉に投入する

突合せ溶接パイプの製図

296直径が ⅛ インチから 3 インチまでのパイプは、通常、突合せ溶接法で製造されます。

重ね溶接パイプ
3インチを超えるパイプ、および2インチ以上のボイラー管やその他の特に高品質の溶接管は、通常「重ね溶接」されます。この方法は、突合せ溶接よりもはるかに信頼性の高い製品を生み出します。その理由は容易に理解できます。

重ね溶接パイプの製造方法

重ね溶接用の曲げスケルプを炉に投入中

重ね溶接用のスケルプは、突合せ溶接用のスケルプと全く同じ方法で圧延されますが、両端が「スカーフ」または明確に面取りされているため、壁のその部分の厚さを増やすことなく、2つの端がかなり重ね合わせることができます。これらのスケルプは、突合せ溶接の場合と同様に加熱炉に投入されます。 297この工程を経て、白熱した後、ベル型またはダイス型のような装置に通され、一方の端がもう一方の端とかなり重なるように曲げられます。そして、炉に戻され、失われた熱を取り戻します。適切に溶接するには、スケルプを覆っていたスケールが滴り落ちるほど十分に熱くなければなりません。

マンドレルを装着した重ね溶接ロール

溶接ロールは非常に短いロールで、ほぼ「シーブ」または車輪のようであり、成形するパイプの外径と正確に一致する凹状のエッジを備えています。この2つのロールの間には、長くまっすぐな棒の先端に、マンドレル、つまり発射体のような形状の高速度鋼の球が取り付けられており、その上に白熱したパイプを押し込みます。

再加熱された湾曲したスケルプは炉から引き出され、先端がロールに押し込まれ、マンドレルを貫通して高速で押し出され、かつて板だったものの重なり合った縁が高圧で押し付けられて溶接される。騒音と飛び散る火花の中、何も知らない傍観者は、その突然の出来事に愕然とする。

パイプは熱いうちに「サイジング」ロールに送られ、内径と外径のばらつきが修正されます。次に、クロスロールまたは矯正ロールでパイプを滑らかにし、きれいにします。 298パイプやボイラーチューブをまっすぐにする際に表面を研磨します。

ボイラー管やその他の高級パイプは、最初の溶接ロール通過後、再び炉に戻され、再加熱されます。そして、しっかりとした溶接を確実にするために、再び溶接ロールに通されます。

冷却後、各パイプの端部は切断されます。エッジの「スカーフィング」とロールの強力な圧力により、肉厚がほぼ均一であるため、溶接箇所の判別は困難です。この方法で、最大36インチ径の重ね溶接パイプが製造されています。

サイジングとクロスロールのパイプ

すべての重ね溶接管には、水圧試験、引張強度、ねじり強度、そして破損せずに扁平化する能力に関する試験が実施されます。ボイラー管の場合は、各管の両端からそれぞれ1片を切り出し、フランジングまたは「冷間」での広がりに耐え、試験機で加えられる高圧下で端面が押しつぶされても、溶接部が破損したり開いたりしないことを確認する必要があります。

パイプは注文に応じて「ねじ切り」されるか、テストベンチから出荷されるままになります。

299
最後の仕上げ

前述のように、突合せ溶接管と重ね溶接管は両方とも、通常は錬鉄と鋼から製造されます。

パイプの水圧試験

錬鉄の製造に関する議論の中で、主に労働コストの高さから、 300錬鉄は軟鋼との競争に苦戦していました。錬鉄は溶接性に優れていることで知られ、常に熱心な愛好者がいました。「棒鉄」としての用途は、多くの金属加工業者が様々な用途で常に好んで使用しており、現在もなお好まれています。また、るつぼ鋼メーカーは、スウェーデン棒鉄、あるいは低リン溶解棒として製品のベースとして使用しています。さらに、錬鉄は、第6章の表に示されているように、パイプの材料としても、おそらく最も好まれているでしょう。

錬鉄管は水圧試験では鋼管ほど強くないものの、多くの配管ユーザーは、おそらくスラグの包囲体とシンダーフィルムが繊維を包み込み保護すると考えられているため、腐食を誘発する条件下での使用においては鋼管よりも耐用年数が高いと主張しています。一方で、この主張を強く否定する人々もおり、錬鉄管と鋼管の腐食比較という問題は依然として非常に重要な問題となっています。この問題は長年にわたり調査が続けられており、学会やその委員会によって数百件もの試験が行われ、議論されてきました。大手配管メーカーやその顧客の研究所や試験部門も、詳細な調査を行ってきました。

しかし、パイプの使用条件は非常に多様であり、真に決定的な試験には長い時間がかかるため、真に決定的な結果は得られていません。他の材料の場合、それぞれの条件と腐食の影響は概ね「独自の法則」であり、これらの材料についても同様のことが言えるのではないかと考えられます。ご指摘のとおり、このテーマに特に関心のある方のために、比較試験に関する膨大な公開情報が用意されています。生産量と総スケルプ量の割合の減少のうち、約30%増加したスケルプがどの程度減少したかは、どの程度の減少によるものでしょうか。 301錬鉄管のコストと競合他社の性能がどの程度満足できるものであるかは、あなたに判断を委ねる必要があります。

幸いなことに、両方の種類のパイプが入手可能なので、好みに応じてどちらかを選ぶことができます。

パイプの用途はほぼ無限です。水、油、ガスの輸送、製氷・冷蔵、建物の暖房・排水、乾燥窯、病院のベッドや器具、電灯、鉄道・電信柱、パイプの手すり、導管工事などに大量に使用されています。しかし、これらの用途の多くでは、現在ではシームレスパイプが利用されています。

様々な用途において、コーティングされたパイプは非常に望ましいものです。コーティングには、高温アスファルトなどの液体による浸漬、表面電気亜鉛めっき、あるいは溶融亜鉛に浸漬する高温亜鉛めっき法などがあり、おそらくコーティングされたパイプの大部分は高温亜鉛めっき法で処理されています。その他の保護コーティングも、限られた範囲で使用されています。

302
第21章
シームレス鋼管の製造
自転車の普及は、近年の強靭で軽量、そして完璧なチューブへの大きな需要を生み出し、シームレスチューブ産業の発展に大きく貢献したと言えるでしょう。この産業は、ここ25年ほどで「急成長」したと言えるでしょう。かつて入手可能な鉄鋼パイプやチューブは、長い金属片に縦方向に穴を開けて作るものを除いて、「突合せ溶接」または「重ね溶接」のいずれかでした。もちろん、この穴あけ加工によるチューブの製造は、非常に困難で費用もかかります。

鋼材のビレットは、より短く厚い方が穴あけが容易です。油圧プレスで、より大きく、より先端の長いラムを押し込んで穴を広げた後、マンドレル上で圧延し、適切なサイズに仕上げます。重ね溶接管の圧延と似ていますが、重ね溶接管の場合は複数回通管し、直径を大幅に縮小します。このようにして、シームレスチューブが製造されます。

シームレス鋼管のすべての工程における重要な出発点は穿孔作業であり、仕上げ工程である熱間圧延と冷間引抜工程は古くから知られているため、工程間で異なるのは主にビレットに最初の穴を開ける方法です。

シームレスチューブの最も重要な現代プロセスの一つであるマンネスマンは、 303白熱した丸鋼棒を「クロスロール」の間で高速回転させると、中心にほぼ穴のような縦方向の破裂が生じる。ロール内での棒の動きは、鉛筆を両手のひらでくるくる回すような動きに例えることができる。ただし、もちろん、棒は一方向にのみ回転し続ける。外側の2点に圧力を加えると棒が中心に沿って開くという、このような傾向は鍛冶屋には知られていたようだが、マンネスマン兄弟は偶然、ロールの作用下で同様の傾向を発見した。

彼らはドイツの工具鋼メーカーでした。ある厳しい顧客は、真円で表面が研磨された鋼棒を求めていました。彼らは、鋼棒を機械内をゆっくりと通過させながら、クロスロールで高速回転させることで、この完璧な形状と滑らかさを実現しようと試みました。製品は外見的には完璧でしたが、鋼メーカーにとって非常に残念なことに、顧客から以前受け取っていた鋼の品質が満足のいくものではないという報告がありました。調査の結果、この圧力下でのクロスロール加工により、鋼棒の中心に小さな穴が開き、その周囲に微細な亀裂が生じる傾向があることが判明しました。

この偶然の発見に基づいて、棒材を突き刺すマンネスマン法が生まれました。この方法では、中心が弱くなった棒材が横ロールを通過するときに、突き刺しヘッドの上に押し込みます。

マンネスマン穿孔法の改良型も 1 つまたは 2 つ使用されています。

シームレス鋼管の材料として一般的に使用されるのは、炭素含有量0.15～0.25%の中軟質平炉鋼です。ビレットとして受領され、圧延されて工場で切断されるか、または3～6インチの「丸鋼」として購入され、適切な鋼量となる長さに切断されます。 304成形される管。通常、管用に切断される棒材の長さは3フィートから5フィートです。

炉で加熱し、中心部分をへこませたあとロール状に巻きます。

マンネスマン法による固体ビレットの穿孔

穴の開いたチューブを転がり落ちる

ロールは棒鋼の先端を掴み、ゆっくりと引き込まれると同時に高速で回転させる。ロール間には、パイプ圧延工程で見たのと同じように、硬いマンドレルの先端に取り付けられた高速度鋼のピアシングヘッドが伸びている。高速で回転する白熱した棒鋼の先端がこのピアシングヘッドに押し付けられ、中心線に沿って弱くなった部材が穴を開けられる。ロールもピアシングヘッドも抵抗できないため、 305管はロールに押し込まれ、支持バーとともにピアシングヘッド上で擦り減り、白熱した管の壁は薄くなり、部品は大幅に長くなります。

出来上がった管は、厚く不規則な壁を持つ粗い管です。次の管を圧延するための別の冷たいピアシングヘッドが設置された圧延機のバーから取り外された後、別のロールに送られます。最初はマンドレルを装着せずに、後にマンドレルを装着して、所定のサイズに近づき、壁が適切な厚さになるまで圧延されます。もちろん、マンドレルは管の内径を、ロールは外径を決定します。

端部を取り除いてまっすぐにし、長さに合わせて切断した後、熱間仕上げチューブとしてこの形で販売されるものもあります。

製造されるシームレス チューブの多くは冷間仕上げが施されます。つまり、ワイヤの製造でロッドが引き抜かれるのと同じように、ダイスを通して引き抜かれます。

冷間引抜では、各管の片方の端を鍛造などの方法で数インチの長さに渡って縮めます。ここで「ペンチ」を使います。

鋼を加熱すると、金属そのものよりもはるかに硬く粗い脆い酸化物、つまりスケールが表面に形成されます。そのため、加熱炉内やロールを通過する間に、各鋼管の表面は硬くて脆く、これを除去してから「引抜」する必要があります。このスケールを除去する最も実用的な方法は、鋼管を弱酸、通常は硫酸（硫酸）に浸漬することです。酸はスケールの一部を溶解し、残りのスケールを緩めて洗い流すことができます。鋼管に付着した余分な酸を中和し、潤滑性を高めるために、鋼管を石灰水に浸してから乾燥させます。

306管は次に、長い鋼鉄製のフレームである引張ベンチへと送られます。このフレームに沿って、重い鋼鉄製の引張チェーンが中心から端に向かって連続的に移動しています。ベンチの反対側の端には長いバーが固定されており、このバーにマンドレルまたはボールが固定されています。このボールが、圧延工程でロール間のマンドレルが行ったのと同様に、引張工程で管の内径を決定します。

チューブ引きベンチ

引き伸ばされる管は、所定の位置に固定された長いロッドに通され、鍛造された小さい方の端は、ベンチの中央付近にしっかりと固定された「ダイ」に押し込まれます。ペンチは、管の鍛造された端を万力のようなグリップで掴み、次に引き伸ばしチェーンに引っ掛けます。こうして、管はダイの穴を通してゆっくりと引き伸ばされます。これらのダイは非常に硬い材料（硬質鋳鉄または硬化鋼）で作られており、穴は管の外側よりわずかに小さいため、心棒の内側で管を圧縮して壁の厚さを調整し、余分な金属を絞り出すことで管を大幅に長くすることができます。石灰コーティングされた獣脂またはグリースが管を潤滑します。この潤滑剤は、やや漏斗状のダイに少しずつ引き込まれ、通過します。

板金の「冷間仕上げ」の場合と同様に、 307線材の伸線加工では、この冷間加工により鋼の弾性限界と引張強度が向上します。そのため、冷間仕上げされた管は熱間仕上げされた管よりも強度が高くなります。多くの用途において、このような強度の向上は非常に望ましいものです。また、伸線加工により管の外面は非常に滑らかになり、直径も均一になります。

チューブの描き方

しかし、冷間引抜加工には欠点があります。強度の増加からも分かるように、鋼は多少脆くなります。しかし、冷間引抜加工が過剰でない限り、これは深刻な問題ではありません。

しかし、より小さなサイズのチューブの場合、鋼材を必要なサイズに絞り込むために、多くの絞り加工が必要になります。チューブが最終サイズに達するまでに、10パス、あるいは15パスもの加工が必要となることもあります。そのような場合、鋼材の延性を回復させるために、1パスまたは2パスごとにチューブを焼きなまし、酸洗、石灰処理、乾燥処理する必要があります。これを行わないと、チューブは最終的に金型内で破損してしまいます。

最後のパスは、正確な「サイジング」ダイを通過し、内径または外径の変動を修正します。

鋼が耐えられる引張応力には限界があるため、1 回のパスでサイズを大幅に縮小することは避けなければなりません。

焼きなまし、酸洗い、乾燥など 3081パスまたは2パスごとに行う必要があるため、ビレットのピアシングから小管としての最終パスまでの間には相当の時間がかかります。取り扱いを効率化するため、管は個別に検討したり扱ったりすることはできず、大量に処理する必要があるため、ビレットのピアシングから最終パスまでの期間は2週間、場合によってはそれ以上になることもあります。

次に、管を矯正する必要があります。これは、重ね溶接管の製造で述べたようにクロスロール、あるいはその他の様々な機械で行われます。

プレートからのシームレスチューブのカッピングと引き抜き

シームレスチューブは、自動車、自転車、その他様々な製品に多く使用されており、これらの製品には高品質で完璧な素材が求められます。シームレスチューブの多くの興味深い用途の一つとして、非常に細いサイズの注射針への使用が挙げられます。

シームレスチューブは、材質が延性があり、開く溶接部がないため、簡単に曲げたり、スエージ加工したり、据え込んだり、回転したり、その他の形状変更が可能です。

非常に大きな管は、今述べたような方法では作られません。むしろ、平らな円形の鋼板を金型に通して「カップ型」に成形することで作られます。カップ型は、その後、複数の段階に分けて小さな金型に通されます。この工程で、カップ型は成形されるたびに長さが伸び、壁は薄くなっていき、最終的に片方の端が閉じられた長い管になります。開口型管の場合は、この端と上部の開口端を切断またはトリミングします。

ここでの冷間引抜では、他の部分と同様に延性を回復するために焼鈍処理が必要であり、各焼鈍処理の後には形成されたスケールを除去するための酸洗いが必ず行われます。

旋盤などの機械で大きなチューブを高速回転させることにより 309適切な工具と潤滑剤を用いて圧力を加えることで、チューブの壁を変形させることができます。こうして、チューブの端部を広げたり、小さくしたり、あるいは完全に閉じたりすることができます。このような「スピニング」操作によって、大きなチューブから様々な形状の製品が作られます。

平らでよく潤滑された軟鋼板を同じように「カッピング」または油圧引抜き加工することによって、継ぎ目のない高圧ガスシリンダー、スチールドラム、樽などが作られます。

310
第22章
鋼の変態と組織
「ペリシテ人を倒す方法を知らない者は、倒さない方がましだ」あるいはそれに類する言葉を残していたのは「アリ・ババ」だったと伝えられている。

さて、これらの章を通して、私たちは提示された主題を全く専門的ではない方法で議論しようと試みてきました。そのため、非常に重要で興味深いものの、科学用語や理論を用いずに説明するのが多少なりとも難しい多くの事柄については、議論を省略せざるを得ませんでした。その一つが、鋼鉄の硬化の「メカニズム」と、その反対である焼鈍による軟化です。この「不思議の国」を垣間見たいと願う人々にとって、この主題が専門的で難解であり、興味を抱く理由がほとんどない人にとって退屈なものになるかもしれないという理由だけで、簡潔な議論を控えるのは、公平とは言えません。

したがって、鉄鋼の真の冶金学という主題に少なくとも「ほのめかす」ために、このより技術的な章を1、2章追加することが望ましいと思われる。「ほのめかす」というのは、非常に長い話であり、長年にわたる真剣な研究の後でも、まだ誰も最後まで読んでいないため、慎重に述べたものである。しかし、これは決して落胆させるような言い方ではない。なぜなら、精力的な実験と研究を通して明らかにされた数多くの事実は、疑いの余地がほとんどないからである。 311何百人もの研究者たちが、この自然界の大きな問題の一つを解決するための道を順調に歩ませてくれました。

しかし、鋼鉄の硬化と軟化が「どのように」そして「なぜ」可能か、そして純鉄や軟鋼の硬化がなぜ起こらないのか、あるいは起こり得ないのかといった既知の詳細に興味がない人々に対しては、「アリババ」のようにこう言わざるを得ない。「研究しようと思わない者は、研究しない方がましだ」。いずれにせよ、このやや複雑な主題の研究は「頭痛の種」となる可能性があり、これらの記事の非技術的な観点から見ると、それほど重要ではないかもしれない。

文明が鉄鋼の構造材料、機械、工具、特に刃先が硬化した工具に負っている恩恵については、これまで幾度となく言及してきました。刃先が硬化するのは、高温の熱から水や油で急激に冷却することによって工具が硬化すること、ほとんど誰もが知っています。鍛冶屋が再び同じ高温で加熱し、ゆっくりと冷却することで、工具を再び柔らかくできることも、おそらく私たちのほとんどが知っているでしょう。彼はこれを焼きなましと呼んでいます。この軟化、つまり焼きなましされた状態の工具は、容易に鋸で切ったりやすりで削ったりできますが、硬化した状態では、鋸ややすりで削っても何の効果もありません。

さて、合金である鋼鉄のこの二重の寿命の事実、意味、原因は何でしょうか。それがなければ私たちは非常に不利な立場に立たされるでしょう。

答えをよりよく理解できるように、鋼鉄の性質を詳しく観察することで明らかになった、付随的かつ密接に関連した 3 つまたは 4 つの現象について考えてみましょう。

「再熱点」
加熱炉に入れる予定の炭素工具鋼の小片に穴を開け、 312この穴に電気高温計の先端部を挿入します。この熱測定器は、炉の真っ赤に熱せられたマッフルまたはチャンバー内で鋼片が加熱されるにつれて、鋼片の温度上昇を常に表示します。

ピースが赤くなっていくのを見ていると、高温計は 900°、1000°、1100°、1200° F を示し、徐々に均一に温度が上がっていくことを示しています。

鋼の臨界点を決定する装置

しかし、なんと！何かがおかしい！高温計の針は前に進まず、止まったままです。高温の炉の中で、物体は以前と同じ速度で熱を吸収しているはずなのに、高温計の針はびくともしません！

しかし、私たちの驚きが増し、意味がまだわからないまま、針は再び進み始め、まるで休暇をとったことがなかったかのように、規則的に均一にどんどん高い温度まで進み続けます。

313部品が白熱状態になったので、加熱は十分に進みました。

炉への電流を止め、冷却炉内の試料の温度が徐々に下がる様子を再び観察します。針は常にほぼ一定の速度で下がり、どんどん下がります。

しかし再び突然停止し、数秒間動かず、あるいはわずかに上昇した後、何も起こらなかったかのように均一なタイミングで下降を再開します。

はい、これらの針の停止は、高温計の目盛りのほぼ同じ位置で発生しましたが、全く同じ位置ではありませんでした。上昇時は華氏1350度、下降時は華氏1250度でした。そして、この2つの点が密接に関連しているという推測は正しいです。いわば、これらは同じものの一部であり、実際には、両者のほぼ中間に位置する1つの点を表しています。この乖離は、「ヒステリシス」または「ラグ」と呼ばれるものによって生じており、これはもちろん「遅れ」や「遅延」を意味します。

現時点では、鋼の加熱または冷却中に高温計の針が一時停止することで示されるように、すべての炭素鋼にはこの「臨界」範囲があると言えます。

さて、鋼鉄片は炉内で熱を吸収し続け、炉が冷えるにつれて均一に熱を放出していることは間違いありません。したがって、上昇中の針の停止は、鋼鉄片自身の内部的な何らかの原因によるものと判断せざるを得ません。つまり、針が上昇する過程で停止したのは、まさにその段階で、鋼鉄片が（自らを熱する以外の）目的のために炉から供給される熱を必要とし、利用していたからであり、そして下降する過程で、まさにその時点で、鋼鉄片は同じ熱を再び放出したのです。それは、 314閉じ込められた熱（とでも言いましょうか）から解放されたのです。この熱が、数分間、鋼鉄片を通常の速度で冷却させなかったのです。実際、もし実験をかなり暗い部屋で行い、鋼鉄片を注意深く観察していれば、高温計の停止中に鋼鉄片がいくらか明るくなり、あるいは輝き、何らかの隠れた熱源から余分な熱を帯びていることに気づいたでしょう。高温計が示す鋼鉄のこの「自己発熱」と輝きから、この現象が発生する温度は「再熱点」と名付けられました。これは、鋼鉄片が自発的に温度が上昇する点を意味します。

磁性の喪失
さて、もし私たちが気づいていたら、もう一つの奇妙なことが起こっていたでしょう。

鉄と鋼が最も磁力の強い物質であることは、誰もが知っています。子供の頃から、ピン、針、鋼のペン、その他様々な鋼や鉄の物体が磁石に近づくと跳ねるのを見てきました。

さて、炉の中の鋼鉄片が赤熱またはそれ以上の熱で、強力な磁石の引力にまったく反応しない、またはまったく反応しないことがわかったらどうなるでしょうか?

おかしいですね！磁石の力が失われてしまったのでしょうか？

見てみましょう。

火を止めた後、約 1 分ごとに高温計の針がゆっくりと下がるのを見ながら、磁石を鋼鉄に当てるとします。

作品の温度はどんどん下がっていきます。1500°、1400°、1375°、1350°、1325°、1300°、1275°F（華氏）と。するとなんと、作品は急上昇し、そこから磁石の引力に反応して冷たくなります。「幻覚」ではないことを確認するために、再び炉を始動します。 315そして、鋼鉄が熱くなったら磁石でテストします。

今のところ、それが磁性を持つことに疑いの余地はありません。

900°F（約470℃）で、鋼片は濃い赤色になり始め、1000°、1100°、1150°、1200°、1250°と、赤色はどんどん濃くなっていきます。これらの温度全てで鋼は引き寄せられます。つまり、1275°F（約800℃）と1300°F（約840℃）でも同様です。

しかし、私たちが以前間違っていたに違いないと考えていると、再び鋼鉄が突然磁石の引力に対して「無力」になっていることに気づきます。

では、温度は何度だったのでしょうか？高温計は1320° Fを示しています。しかし、これは高温計の針が上昇中に止まった温度と同じ、あるいはほぼ同じ値ではありませんでしたか？また、下降中に止まった温度は1250° Fを少し下回った温度だったことを覚えていませんか？そして、この2つの温度の不一致は「時間差」によるものだと考えたのではないでしょうか？

いいえ、間違いではありません。鋼鉄は「臨界範囲」で磁性をすべて失い、それ以上は磁性を持ちません。

膨張と伝導
ここでは、他の大きな変化も起こります。

ほとんどの物質は加熱すると均一に膨張し、冷却すると収縮することが知られています。鋼鉄も例外ではありませんが、加熱すると臨界温度域に達すると不安定になり、均一な膨張を続ける代わりに、一時的に収縮します。一方、冷却時には均一な収縮が止まり、臨界温度域に達すると突然膨張します。その後、温度が下がると、再び均一な収縮に戻ります。

電気伝導性も同様です。臨界域では、鋼材が高温になると電気伝導性が急激に異常に低下し、帰路で臨界域を過ぎると電気伝導性が異常に増加します。

316この特定の温度またはその付近では他の特定の現象も発生しますが、ここでは考慮しません。

明らかに、これらすべてには深い意味があります。

再熱は硬化点を示す
温度計の針が上がる時と下がる時のずれは、遅刻や遅れによるものだと言ったのを覚えていますか？人間にとって、習慣的な遅刻は望ましい特性とは考えられていませんが、まさにこの遅れや遅れがあるからこそ、鋼鉄は私たちにとってこれほど役立つものとなるのです。

炭素含有量0.9%の鋼の加熱・冷却曲線

この遅れは、鋼の加熱または冷却速度が遅いほど小さくなるという点で特異であり、加熱または冷却速度が十分に遅い場合、遅れはほぼ完全に消えます。つまり、高温計の針の停止は、上昇時と下降時で同じ温度で発生します。逆に、温度の上昇または下降速度が速いほど、この不一致または分裂は大きくなります。

ここに重要な点があります。

水冷などの急激な冷却では、遅れが大きくなり、全く追いつかなくなり、 317高温によって鋼鉄に生じた構造とそれに伴う特性は、鋼鉄が冷えた後も凍結または固定され、「持続」するようになります。

まさにこの点、「再熱点」において、鋼は柔らかく展性のある状態から、極めて硬く脆い状態へと変化します。この点以上の温度で焼き入れすると極めて硬くなり、この点よりわずかに低い温度でも、柔らかく延性のある状態になります。鍛冶屋はこの点よりわずかに高い温度、通常は1350°Fから1500°Fの間で、道具を冷水に浸して硬化させます。

炭素含有量0.46%の鋼の加熱・冷却曲線

その他の組成の鋼
ここで特に注目すべき点は、我々が実験に用いた試料は炭素含有量が約0.90%の工具鋼であるということです。これは重要な点です。なぜなら、すべての炭素鋼は再熱点となる同じ臨界温度を示す一方で、炭素含有量が0.45%から約0.85%の鋼は別の臨界温度を示すからです。 318温度スケール上ではやや高い温度で、炭素含有量が0.10%から0.45%の鋼には他に2つの点、つまり合計3つの点があります。さらに、炭素含有量が0.10%未満の鋼と炭素を全く含まない鉄には、上側の2つの点がありますが、1290° Fには点がありません。この下側の点は消失しています。

つまり、0.90% 炭素鋼の代わりに 0.60% 炭素鋼を使用した場合、高温計が停止する 2 つの異なる臨界範囲またはポイント、つまり 1290° F で停止し、もう 1 つは 1360° F に達したときであったことになります。鋼の炭素含有量が 0.30% であった場合、1290° F、1395° F、および 1480° F の 3 つの異なるポイントで停止が検出されたことになります。炭素含有量が非常に低い鋼または錬鉄の場合、高温計は 1395° F 付近と 1650° F 付近の 2 つの停止を記録したことになります。

例えば、25度ごとの温度上昇と温度下降のそれぞれの期間における、温度上昇または温度下降にかかる時間を注意深く記録し、それを「プロット」すると、星印と点印を通していわゆる「加熱曲線」と「冷却曲線」を描くことができ、これは目盛り上の各温度における高温計の針の挙動の記録となります。このような曲線の図を2つ示します。[9]

9 . 臨界点、加熱曲線、冷却曲線を決定するための特別な装置が現在入手可能である。

さて、これらの様々な合金を表す適切な間隔の点線上に、「冷却」曲線で示される3、2、1の点を描き、最上部の点を3とすると、これらの点が関連していることは容易に分かります。線と、それらが表す合金は以下のとおりです。

（ア）
錬鉄、
（イ）
0.15%炭素鋼、
（ハ）
30%炭素鋼、
（エ）
0.45%炭素鋼、
（ホ）
60%炭素鋼、
（女性）
0.75%炭素鋼、および
（グ）
0.90%の炭素を含む鋼。
319
純鉄と鋼の臨界点図

320もちろん、特に炭素含有率の異なる鋼の冷却曲線がもっとあれば望ましいのですが、配置した点を通る水平線と斜線、Ar 1、Ar 2、Ar 3、Ar 3·2 、および Ar 3·2·1を描くのに十分な曲線があります。

便宜上、冶金学者はどこでも、これらの点を Ar 1、 Ar 2、 Ar 3と表記します。最初の点が下限、 Ar 3が 上限です。 Ar cm は、炭素含有量が 0.9% を超える鋼に見られる上限点を表します。文字「r」はフランス語の「refroidissement」に由来し、「冷却」を意味します。加熱中に露出する対応する点は、「加熱」を意味する「chauffage」に由来し、Ac 1、Ac 2、Ac 3·2·1などと表記されます。「A」は明らかに「偶然に起こった」ものです。上限臨界点が知られるようになる前は、鋼が硬化する温度を示すために Tschernoff によって使用されていました。

しかし、我々が構築した骨格が、他の研究者によって何百回も検証されない限り、完全に真実であるとは考えるべきではない。多くの研究者が、これらの臨界点や様々な合金の「凝固点」曲線について研究してきた。もちろん、彼ら全員が全く同じ方法で、全く同じ材料を用いて決定を下すことは不可能だった。彼らの研究を検証し、得られた結果を考慮すると、予想通り、いくつかの矛盾が見られる。これは主に、試験した材料の純度の違いによるものと考えられる。マンガン、ニッケル、シリコン、硫黄、リンなどの不純物は、より多くのものを変化させる。 321あるいは、得られた結果よりも少ない。我々が発見したように、加熱速度と冷却速度も結果に影響を及ぼす。高温における金属および合金の測定には困難が伴うことを考えると、これほど近い一致が得られるのは驚くべきことである。こうした観点から見ると、公表された結果に存在する差異は極めて小さいように思われる。

最初の概略が描かれたのはわずか20年前で、次章で示す鉄-炭素合金の「溶融性」あるいは「平衡図」全体がこの間にほぼ完成しました。しかし、この20年ほどの間に、これらの線Ar 1、Ar 2、Ar 3、Ar 3·2 、およびAr 3·2·1 の根拠となる点は何度も検証され、現在では十分に裏付けられています。これらの線は、完全な「鉄-炭素図」のほんの一部に過ぎません。

ポイントの意味
錬鉄および炭素含有量が0.10%未満の鋼ではAr 1点が見られなかったことをご記憶の通りです。また、他の鋼では炭素含有量が増えるにつれてこの点が強くなっていきます。Ar 1点が 存在するか、あるいは合金中の炭素に起因して生じたものであることはほぼ間違いありません。錬鉄には炭素が含まれていないため、Ar 1点は存在しません。極端に炭素含有量の少ない鋼にAr 1点があったとしても 、それは非常に弱いため検出できません。

もし0.45%炭素鋼の磁性を試験していたら、0.90%炭素鋼が非磁性になる1290° F（約730℃）ではなく、約1395° F（約800℃）で磁性を失うことが分かっていたでしょう。つまり、点Ar 2 は磁性の喪失または獲得が起こる温度を示しています。電気伝導率の変化は、これらの点Ar 1でもAr 2でもなく、Ar 3で起こります。

しかし、炭素が増加すると、Ar 3の線は 322点を通る線 Ar 3は急激に下降します。炭素含有量が約0.45%または0.50%のところで、導電率の変化を表すこの線 Ar 3は線 Ar 2と合流します。したがって、炭素含有量が0.45%以上の鋼には共通点、あるいは実際には両方の点から構成される共通点があります。この共通点において、それぞれの点に特有の現象が発生します。

現在 Ar 3·2と呼ばれるこの共通線は、炭素がさらに増加すると低下し、約 0.90% の炭素を含む鋼では、単一の点 Ar 3·2·1のみが存在し、3 つの点すべてに対応する現象が、1290° F のこの 1 つの点で発生することが、私たちの実験で確認されています。

炭素を含まない鉄にAr 2点とAr 3点が存在することから、これらの点は炭素に起因するものではなく、鉄そのものに関係していると考えられます。化学者や物理学者は、他の物質での経験から、Ar 2 点やAr 3点における熱の発生をよく知っています。これらの熱吸収と熱発生、そして急激な膨張、伝導率の増加などは、鉄自体に何らかの内部変化または再組織化が生じていることを示唆しています。

このような変化は、「同素体」変化と呼ばれるものを示しているように思われます。物質の同素体形態のより身近な例を挙げてみましょう。例えば、リンは、有毒で非常に燃えやすいため常に水中に保管しなければならない「黄色」のリンと、無毒で燃えない「赤色」のリンのいずれかとして存在する可能性があります。また、炭素は、非晶質炭素（すす）、グラファイト、ダイヤモンドなど、いくつかの形態のいずれかで存在する可能性があります。鉄自体は、3つの同素体状態で存在すると考えられています。これらは「アルファ鉄」、「ベータ鉄」、「ガンマ鉄」と呼ばれています。常温およびAr 2までは、Ar 2とAr 3の間にあるアルファ鉄、ベータ鉄、ガンマ鉄が存在することを述べれば、 この重要な主題のこの部分には立ち入る必要はありません。323そしてAr 3より上にはガンマ鉄があります。ベータ鉄とガンマ鉄はどちらも非磁性ですが、アルファ鉄は強い磁性を持っています。Ar 3、つまりガン​​マ鉄からベータ鉄への冷却過程において、鉄分子の再配列が起こり、前述の膨張または膨張と導電率の変化が生じます。

化学分析によれば、ある鋼材は硬化後も未硬化状態と同じ組成を持つはずであるという事実から、化学分析によって鋼材に関する完全な情報が得られると期待するのはいかに無駄なことかが容易に理解できる。また、引張強度やその他の一般的な物理的試験では、知りたい情報をすべて得ることはほとんどできない。しかし、顕微鏡分析や金属組織学は、適切に作製された硬化済みまたは未硬化の合金片の内部構造を明らかにし、成分の実際の状態や集合を観察することができる。化学的、物理的、金属組織学的という3つの方法すべてから得られる知見は、当然のことながら、いずれか1つまたは2つの方法だけよりもはるかに優れている。

焼入れ鋼と非焼入れ鋼の構造

冷却速度が速いほど、遅れ、つまり遅延が大きくなることを見てきました。急速な冷却によって生じるこの大きな遅れに加え、温度が下がるにつれて、遅れ、つまり追いつく能力が低下します。したがって、焼入れは非常に大きな遅れを生み出し、起こるべき変化を非常に遅くし、全く変化が起こらないようにします。つまり、高温時に部品が持っていた構造は変化せず、冷却の速さによって固定または固定されます。

いかなる急激さも、非常に高い温度で存在する構造を完全に固定するのに十分ではないが、現在の目的においては、冷水で急冷することにより、あらゆる構造を凍結または固定することができると言える。 324鋼片を焼き入れすると、冷えた状態では焼き入れ前の温度に応じた、またはその温度から生じた構造になります。

もしそうなら、顕微鏡が助けになるはずです。

顕微鏡下でのサンプルの照明

焼き入れした部品を折り取り、内部部品の表面を加熱せずに非常に慎重にゆっくりと研磨すると、エッチング後に、部品が焼き入れされた温度に対応する種類の構造を実際に見ることができることがわかります。

顕微鏡写真No.80は、硬化した炭素鋼片の外観を示しています。顕微鏡で直径400倍に拡大した状態で、針状の構造が見られます。これは特徴的な構造です。

この針状の外観を持つ成分は、著名なヨーロッパの冶金学者A.マルテンスにちなんで「マルテンサイト」と名付けられました。これは「ベータ」鉄、つまり鉄の最も硬い同素体の一種で、合金中の炭素を溶解して保持すると考えられています。 325炭素は単独、または極めて硬い化合物である炭化鉄 Fe 3 Cとして存在します。

マルテンサイトは、極めて硬い組織で、必然的に溶解した炭素または炭化鉄を多く含み、これが炭素工具鋼に硬度と優れた有用性を与えます。

未硬化鋼は決してこのような外観にはなりません。その外観は顕微鏡写真3b、5、22、24aに示されています。

第80号硬化鋼の成分マルテンサイト

（倍率400倍）

炭素含有量が 0.90% 未満の非硬化鋼には 2 つの成分が含まれています。

「フェライト」とは、柔らかく延性のある成分である純鉄に付けられた名称です。通常のエッチングでは、フェライトは通常、黒い線で区切られた淡色または白色の粒として現れ、パッチが大きい場合は魚網のような外観になります。フェライトは銅と同様に柔らかく延性があります。純鉄と純銅の展延性と延性は、想像されるほど大きくは違いません。

フェライト粒の角にある、より暗く、ほぼ三角形の斑点は「パーライト」です。これは、顕微鏡で見ると「真珠のような」外観を呈することから名付けられました。この真珠のような外観がどのようにして生じるのかは、400倍の倍率で撮影された顕微鏡写真No.23eを見れば容易に理解できます。これは、黒と白の層が交互に重なり合うことで生じていることがわかります。

もう一度、我々は、 326私たちが学んだこと、あるいは学んだと思っていること。例えば、フェライトは通常、明るい色か白色であることを学びました。ところが、パーライトでは、顕微鏡写真23eに示されているように、2枚おきにフェライトの板が見られますが、白い板ではなく黒い板です。

No. 23e. 400倍の倍率で観察したパーライト

金属顕微鏡で観察される色は、材料自体の色よりも、光の反射率に大きく依存することを、これまでは理解していなかったかもしれません。金属組織観察には非常に強い照明が必要です。通常、アークからの強力なビームは、集光レンズによって斜反射鏡と呼ばれる薄いガラス板に集光され、顕微鏡の対物レンズの下にある研磨・エッチングされた試料にビームが向けられます。プリズムが用いられることもよくあります。この強く照らされた観察対象の「視野」から戻ってきた光線は、顕微鏡の鏡筒と接眼レンズを通って再び上方に戻り、観察に便利な小さなスクリーン、または写真撮影に使用したカメラのすりガラスに焦点を合わせることができます。観察対象の試料の表面が完全に平坦でない限り、試料に照射された垂直光線のすべてが鏡筒と接眼レンズを通って上方に反射されるわけではありません。垂直光線に対して完全に直角な視野の部分は、接眼レンズまたはスクリーン上で白または淡い色で表示されます。 327研磨またはエッチング中に削られたり、腐食されたりした部分は、光を不完全に反射したり、顕微鏡の鏡筒の上方向以外の方向に反射したりするため、そのような部分は暗い部分または黒い部分として表示されます。

パーライトは、柔らかいフェライトの小さな板と、それよりはるかに硬い成分の板が交互に重なり合ってできています。硬い板は、柔らかいフェライトの板に比べて研磨やエッチングによる影響がはるかに少ないため、浮き彫りになり、豊富な光線を反射します。一方、「くり抜かれた」フェライト板は光を不完全に、あるいは全く反射しないため、暗い線として現れます。

パーライトのこれらの白く硬い板には、低炭素合金の炭素がすべて含まれています。これが「セメンタイト」という別の成分で、「セメンテーション」法で作られた鋼鉄で初めて発見されたことから、この名前が付けられました。これは非常に硬くて脆い物質で、ガラスに傷がつくほど硬いです。化合物（Fe 3 C）であり、化合物が常にそうであるように、その組成は不変です。鉄原子3個（重量比93.4%）と炭素原子1個（重量比6.6%）で構成されています。

したがって、パーライトとは、フェライトまたは純鉄と、この化合物である鉄の炭化物（セメンタイト）という2つの別々の成分からなる一種の機械的混合物です。パーライトは、低炭素含有量、中炭素含有量、高炭素含有量を問わず、すべての非焼入れ鋼に共通しており、特徴的な性質とみなすことができます。

焼鈍鋼の構造を明確に理解するために、まず純鉄から始めて、徐々に炭素を添加し、より高炭素鋼へと変化させてみましょう。328ページと329ページに、この一連の変化が示されています。

写真No.99bは平炉鉄で、完全に遊離フェライトでできています。No.3bには相当量のパーライトが含まれており、黒く見えますが、この鋼サンプルにはまだ炭素が0.10%しか含まれていません。No.5では、 328これは炭素含有量が0.30%の鋼で、パーライトが多く見られ、炭素含有量が0.50%の鋼22cではさらに多く見られます。この速度でパーライトの面積が拡大していくことは明らかで、まもなくフェライトが全く存在しない領域がなくなるでしょう。23gではこれが起こっています。これは炭素含有量が0.86%の鋼の顕微鏡写真ですが、再熱点、磁性の喪失、電気伝導率の低下、そして膨張率のすべてが一点で起こっていることが確認された鋼の一つです。

No. 99b.カーボンレス鉄

No. 3b.炭素含有量0.1%の鋼

No. 5.炭素含有量0.3%の鋼

No. 22c.炭素含有量0.5%の鋼

（倍率60倍​​）
炭素含有量がさらに高くなると、つまり0.86%を超えると、白色の成分が出てきます。 329パーライトの粒子の周囲に細胞壁として現れ始め、炭素量の増加とともに増加します。炭素含有量が約3%の合金では、パーライトの量は比例して少なくなり、白い部分が増加し、多かれ少なかれ丸いパーライトの斑点が白い湖に浮かんでいるように見えます。最初は細胞壁として現れ、後に量が増えるこの白い部分は、遊離セメンタイトです。

No. 23g. 0.9パーセントの炭素を含む鋼

No. 24a.炭素含有量1.25%の鋼

No. 36b.炭素含有量2%の鋼

No. 109.炭素含有量3%の白鋳鉄

（倍率60倍​​）
これらは、それぞれ1.25%、1.98%、3.00%の炭素を含む顕微鏡写真24a、36b、109に示されている。典型的な白色の遊離フェライト鋼は、 330炭素含有量が 1.25% を超える部分は、針先で溝を掘れるほど柔らかいですが、自由セメンタイトが過剰であるため傷がつきにくく、特殊な目的以外には使用できないほど脆くなっています。

オーステナイト（白）とマルテンサイト（黒）を実寸大の1,000倍に拡大

したがって、溶融合金からの通常の冷却、あるいは焼鈍工程における鋼のより緩やかな冷却過程において、マルテンサイト組織は再熱温度において、鋼の炭素含有量が約0.90%未満の場合はパーライトとフェライト（軟鉄）に分解し、鋼の炭素含有量が0.90%を超える場合はパーライトともう一つの非常に硬い成分である「セメンタイト」に分解します。炭素含有量が0.90%程度であれば、顕微鏡で観察できる視野全体を占めるのに十分な量のパーライトが存在します。

商業的には全く関心がないものの、科学的には非常に興味深いもう一つの成分が「オーステナイト」です。高炭素鋼を非常に高い温度から非常に急激 かつ完全に急冷することで、「オーステナイト」構造を固定することができます。この構造はマルテンサイトよりも高い温度でのみ存在します。つまり、オーステナイトは合金中の炭素が固溶したガンマ鉄であり、おそらく炭化鉄として存在しています。一方、マルテンサイトはベータ鉄の固溶体であり、おそらくガンマ鉄が混ざっていると考えられます。

331通常の焼入れは構造をかなりしっかりと固定しますが、オーステナイトがマルテンサイトへと滑り落ちるのを防ぐほど速くはありません。しかし、炭素はこのような滑りを抑制するため、高炭素含有量をブレーキとして利用すれば、非常に高い温度から急激かつ完全に冷却することで、ある程度の滑りを抑制できます。これを実現するには、通常、炭素含有量1.5%の鋼と2000°F（約1137℃）以上の温度が必要です。

しかし、オーステナイトは採取後もマルテンサイトほど硬くなく、商業的にはあまり利用されていません。前述の通り、マルテンサイトは炭素鋼工具にとって有用かつ適切な組織です。

No. 73.焼鈍鋼は微細結晶構造を有する

（倍率70倍）

焼き入れまたは絞り
「焼き戻し」は、マルテンサイト焼入れ後の鋼の強い脆さを軽減するために行われます。硬度を犠牲にすることは避けたいものですが、工具メーカーの言葉を借りれば「焼き戻し」（鋼を400°Fから570°Fの間で再加熱する）は、鋼を焼戻し、あるいは「強化」する効果があります。

温度が高いほど、ある組織から別の組織への変化はより自由かつ迅速になります。例えば、オーステナイトからマルテンサイトへの変化です。引抜温度が低い場合、マルテンサイトからパーライト組織への変化は、ゆっくりと進むと言えるかもしれません。その後、2回目の焼入れによって新しい組織が固定され、硬度はわずかに低下しますが、より強靭な鋼になります。ご想像のとおり、顕微鏡で見ると、いわゆる「遷移」が見られます。 332あるいは「壊れやすい」外観と、全く明確ではない構造。もちろん、これらは鋼に様々な硬さや脆さ、そして実用上非常に望ましいその他の特性を与える。実用工具製作者や鍛冶屋がこれらの微妙な焼き入れの色合いを作り出すことは、ほとんど芸術と言えるかもしれない。

鋼鉄はなぜ、どのように硬化するのでしょうか?
さて、これらすべての事実から、鋼鉄が硬化する原因は何であると言えるでしょうか?

最も一般的に受け入れられている説明は、鉄の3つの同素体のうち、ガンマ鉄とベータ鉄は、常温で焼鈍された鋼に含まれるアルファ鉄よりもはるかに硬く、この2つのうちベータ鉄はガンマ鉄よりも硬い、というものである。また、炭素はおそらく鉄の炭化物として、焼入れ後にガンマ鉄またはベータ鉄に固溶し、鋼中の炭素含有量の増加に比例して硬度を高めると考えられている。この炭素または鉄炭化物の固溶体自体は鋼にさらなる硬度を与える可能性があり、実際にそうしている可能性もあるが、その主な機能はガンマ鉄からベータ鉄およびアルファ鉄への変化を遅らせることである。炭素を含まない鉄や低炭素鋼におけるこの変化は非常に強固かつ急速であるため、氷水や液体空気のような最も強い焼入れでさえも、それを阻止したり止めたりすることはできない。炭素が 1​​% 以上存在して非常に高い温度から非常に低い温度に急冷するまで、ガンマ鉄であるオーステナイトを得ることができないだけでなく、少なくとも 0.30% の炭素がなければ、そして実用的な硬化のために完全に 0.60% の炭素がなければ、次に低い同素体であるベータ鉄での変化を止めることさえできません。

幸いなことに、このベータ型の鉄は 333欲しいです。ガンマ形式よりも難しくて便利です。

最も有用な構成物質であるマルテンサイトは、ベータ鉄に炭素または炭化鉄が固溶したものです。マルテンサイトは磁性を示しますが、これはおそらく、焼入れによって変化が完全に停止しなかったためにアルファ鉄がいくらか含まれていることに起因しています。

すでに述べたように、「焼き戻し」とは、400° F、500° F、または 600° F に慎重に再加熱することを意味し、これにより、再熱点以下の温度で常にアルファ状態に戻ろうとするベータ溶液のわずかな「滑り」が可能になり、硬化した鋼の過度の脆さが軽減されます。

No. 72.焼鈍後に空気を吹き付けて冷却することで「ソルバイト」粒子が生成されます。優れた耐摩耗性が得られます

（倍率70倍）

焼鈍とは、ベータ鉄と「閉じ込められた」炭素を完全に放出し、アルファ鉄を含むパーライトの通常の状態に戻すことです。これを実現するために、焼入れ鋼は再熱点以上に加熱され、冷却速度は一定でなくても一定でなければなりません。冷却速度の違いによって、結晶粒度、組織、物理的特性が異なります。

この硬化の説明は「同素体」理論として知られていますが、決定的な証拠が複数の点で欠けているため、普遍的に受け入れられているわけではありません。

また、硬化の「同素体理論」を主張する人の中には、ベータ層の存在を疑う人もいることを述べておく必要がある。 334鉄。これらの研究者は、いわゆるベータ鉄とマルテンサイトは、ガンマ鉄とオーステナイトの分解または遷移形態に過ぎないと主張しています。

他にも2、3の説が多かれ少なかれ強く支持されてきたが、これらも証拠不足に悩まされている。支持者数でおそらく次に多いのは「炭素説」だろう。支持者​​たちは、焼入れによってアルファ鉄に炭素または炭化鉄が固溶し、この炭素または炭化鉄の固溶体によって鋼の硬度が炭素含有量に比例して増加すると主張している。一方で、焼入れ鋼の密度やひずみが大きいことが硬度の原因であると主張する者もいる。

宇宙の他の多くの大問題と同様に、この問題も未だ決定的に、あるいは満足のいく形で解明されていません。自然もまた、その秘密を渋々明かすのです。しかし、自然はすべての「理由」や「背景」を解明したわけではないかもしれませんが、研究者たちの研究は、合金の製造方法と品質の大幅な向上をもたらし、私たちの文明をより偉大なものにし、この時代をより素晴らしいものにしています。

335
第23章
鉄-炭素合金の平衡図
溶融混合物が、私たちの通常の液体溶液を支配するのと同じ自然法則に支配されていることが発見されたとき、冶金学にとって偉大な日が訪れました。おそらく、ほとんどの金属合金が常温では固体で、非常に高い温度でのみ液体となるため、私たちは長い間、それらの類似性に気づかなかったのでしょう。

通常の溶液や徐々に冷却される溶融合金に高感度高温計を挿入すると、凝固（凍結）が始まった最初の瞬間と、凝固期間の終了点が分かります。水や純金属の凍結とは異なり、完全な凝固は通常、特定の温度で起こるのではなく、温度範囲の広い範囲で起こります。例えば、二元合金（2つの金属）の様々な組成比でこのような上限および下限の凝固点を測定することで、これらの2つの金属のあらゆる組み合わせ（すなわち合金）の挙動を正確に示す曲線を描くことができます。

これらは「凝固点」曲線と呼ばれ、後ほど説明するように、その研究によって多くの貴重で興味深い情報が得られます。

このような曲線は、水溶液の挙動との類似性が発見されて以来、多くの合金について構築されてきました。 336物理化学者が常温溶液の研究に非常に満足のいく方法を見出したのと同じである。二元合金、すなわち二金属合金の研究はしばしば非常に困難であるため、三、四、あるいはそれ以上の金属を含む合金の曲線の決定と解釈がなぜはるかに深刻な問題となるのかは容易に理解できる。その多くは、各系列の様々な合金の凍結とその後の冷却中に採取された無数の試料の急冷と顕微鏡観察といった、長くて退屈な方法によって行われなければならない。結果の価値は、研究を遂行する者の技能、献身、そして明晰な洞察力にかかっている。

鉄-炭素合金の凝固点曲線

337鉄-炭素系合金の「凝固点」曲線と「分解」曲線は、多くの国々の研究者による約20年にわたる研究を経て、現在の開発段階に至りました。345ページの図を見ると、これらの曲線が極めて複雑であることが一目瞭然です。しかし、これらの曲線は鉄と炭素のあらゆる割合の組み合わせについて網羅されているわけではなく、この研究に多大な時間と研究を費やしてきた人々でさえ、これまでの発見のすべてを関係者全員にとって完全に納得のいく形で解釈できていません。

製造方法の詳細な説明は、時間と紙面の都合上、膨大な予備調査が必要となるため、ここでは割愛する。そこで、現在開発中の鉄炭素合金の凝固曲線について、早速検証することにする。第22章と第23章の参考文献として354ページに掲載されている文献は、様々な種類や製造方法、そして凝固曲線の説明について、研究を希望する方々にご参照いただきたい。

336ページの凝固点図を参照すると、上部の、すなわち太いV字型の線ABCは、鉄と炭素の様々な割合の合金が凝固し始める温度を示し、下部の線AEDは、これらの合金の凝固が終了する温度を示しています。この図から、純粋な鉄（100%）は非常に高い凝固点を持ち、すぐに凝固することが容易にわかります。約2%の炭素を含む鉄は、はるかに低い温度で凝固を開始し、凝固期間が長くなります。一方、4.3%の炭素を含む鉄は、系列の中で最も低い凝固点を持ち、凝固期間または凝固範囲が極めて短くなります。

凍結曲線の構築方法と技術について十分に検討して、その一般的な分類を理解することができなかったので、 338鉄-炭素系列の曲線は実際には二重の曲線であるという主張を受け入れてください。336ページの図の分割線UVの左側にある部分は、 「液体溶液」からいわゆる「固溶体」に凝固する液体によって示されるタイプであり、顕微鏡の助けを借りると結晶の均質な混合物であることがわかります。一方、UVの右側にある合金は、「共晶」を形成するタイプです。これについては後で説明します。約1.7％の炭素で発生するこの分割線UVは、鉄-炭素合金をこれらの2つの自然な区分に分けます。これが、炭素含有量が2％以下のものを「鋼」、この量を超えるものを「鋳鉄」と呼ぶ根拠でした。

溶融鉄は炭素を非常に貪欲に吸収するため、炭素を得られる場合、7%から10%の炭素を容易に溶液中に保持することができます。しかし、固体（凍結）鉄は、これほどの量の炭素を保持することはできません。前章で学んだように、ガンマ鉄は、導電性、磁性、再熱性の消失線（Ar 3、Ar 3·2など）より高温で存在できる唯一の鉄種です。また、ガンマ鉄は固体鉄の中で唯一、溶液中に炭素を保持できる鉄種であり、保持できる炭素量はわずか約1.7%です。

例えば、炭素含有量が1.5%の溶融鋼を、線ABで表される温度（1.5%炭素の線との交点では約2582°F）まで冷却すると、粒子または結晶が凝固し始め、溶融合金中に浮遊します。温度が下がるにつれて、より多くの結晶が分離し、1.5%炭素の線と下側の凝固曲線AEの交点によって決まる温度に達すると、柔らかくなった合金の最後の部分が凝固します。

炭素含有量が1.7%未満の他のすべての組成の合金も同様に凝固するが、凝固の開始温度と終了温度はそれぞれ異なり、特徴的である。 339構成。[10]凍結すると、いずれも液体または溶融溶液中に含まれていた炭素を「ガンマ」鉄中に「固溶体」として保持します。しかし、前述のように、1.7%を超えることはできません。

10 . 凝固の開始温度と終了温度は、凝固点線図上で、目的の組成を表す垂直線が凝固点曲線の線と交差する点（この場合はABとAE）を特定することで常に確認できます。

UV線より右側の組成を持つ鉄炭素合金については、状況が異なります。なぜなら、いずれも「ガンマ」鉄が保持できる最大量である1.7%以上の炭素を含んでいるからです。さて、鉄炭素合金が凍結せずに存在できる最低温度は華氏2066度をわずかに上回る程度で、この低温に達するまで耐えられる組成は、鉄95.7%、炭素4.3%の1つだけです。つまり、炭素含有量4.3%は、自然界がこの最低温度まで溶融状態を維持できる最大かつ最小の濃度です。この炭素4.3%の組成は最も融点が低く、つまり最も溶けやすい合金であり、「よく溶ける」という意味のギリシャ語にちなんで「共晶」合金と呼ばれています。この共晶組成により、この合金群は炭素含有量が 1.7% ～ 4.3% のグループと 4.3% 以上のグループの 2 つのグループに分けられる、あるいはさらに細分化されると言えます。

前述の通り、凍結は瞬間的なものではなく、進行するプロセスです。1.7%以上の炭素を含むこれらの合金の凍結期間中、凍結後に残る液体部分は、凍結が進むにつれて「固溶体」グループの合金と同様に、次第に減少していきます。そして、自然は最低温度における最高濃度として4.3%の炭素濃度を許容するため、あらゆる合金の残りの液体は最終的に 340合金が凝固する直前に、この共晶組成にまで到達します。共晶組成、つまり正確に4.3%の組成より左側の組成では、最大量、つまり1.7%の炭素を含む鉄が徐々に凝固します。つまり、鉄は炭素よりも速く除去されるため、残りの液体中の炭素は徐々に濃縮されます。この状態は4.3%に達するまで続きます。線WXより右側の組成では、6.6%の炭素を含む化合物Fe 3 Cが除去されます。これにより、炭素は鉄よりも速く除去され、逆方向から目的の4.3%炭素合金が得られます。

例えば、炭素3%、鉄97%の組成を示す垂直線を例に挙げてみましょう。溶融合金は冷却され、2330°F（約1137℃）の温度に達します。この温度で、炭素3%の組成を示す垂直線が線ABと交差します。ここで合金は、一定量の炭素を含む小さな鉄結晶が凝固し、凝固を始めます。[11]しかし、このようにして凍結した鉄の結晶に取り込まれる炭素は常に1.7％未満であるため、合金の凍結していない部分から除去される鉄の量は炭素の量に比例して多くなり、残りの液体または凍結していない部分には、元の3％をわずかに超える炭素が残ります。

11 . 凝固範囲の特定の温度で凝固する鉄粒子に含まれる炭素の割合は、図から決定できますが、その方法と説明については参考文献に記載されている文献を参照してください。

ここで、凝固点がより低い別の合金について考えてみましょう。その理由は、もちろん、炭素含有量が多いためです。さらに低い温度では、炭素を含む鉄がさらに凝固し、残った液体は再び炭素含有量が以前より少し高くなります。このようにして、減少し続ける残りの液体は濃縮され続け、それによって連続的な連続体が形成されます。 341温度が継続的に低下するにつれて、炭素含有量がますます高くなる合金になります。

もちろん、最終的にこの残留液の炭素濃度は、2066° F での凍結が完了する直前に 4.3% になります。

最後に凝固する合金部分「共晶」

（倍率700倍）

炭素含有量が4.3%を超える合金では、ほぼ逆のことが起こります。炭素含有量が5%、鉄含有量が95%の合金を考えてみましょう。この溶融合金は、2215°F（約1137℃）まで冷却され、溶融物中に小さな結晶が凍結し始めます。しかし、液体にはすでに好ましい4.3%以上の炭素が含まれているため、凍結するのは遊離鉄ではなく、6.6%の炭素を含む化合物、Fe 3 Cです。もちろん、これは鉄よりも炭素を速く奪い去ります。そのため、温度がわずかに下がるごとに、凍結せずに残っ​​た液体の炭素含有量は、前の液体よりもわずかに少なくなります。このように、残留液体の量は絶えず減少し、それぞれが前のものよりもわずかに少ない炭素含有量を持つ一連の組成を経て、最終的に凍結直前に炭素含有量が4.3%の混合物に戻ります。もちろん、この時点で凍結していないのはごくわずかです。 342合金のものであり、これが記載された組成を有するものである。

「共晶」
さて、炭素含有量が4.3%より低い合金からでも高い合金からでも、自然はまさに望む組成を得ると、この組成を、合金の先に凍結した結晶の周囲や結晶の間に並置する薄い交互の板状に瞬時に凍結させます。この典型的な共晶形成の顕微鏡下での外観は、341ページに掲載されています。

4.3% の合金自体を選択した場合、鉄の炭素固溶体も化合物 Fe 3 C も凍結せず、塊全体が 2066° F まで液体のままになり、その温度で全体が先ほど説明した板状の共晶構造ですぐに凝固します。

まとめると、炭素含有量が1.7%未満の鉄炭素合金、つまり鋼は、ガンマ鉄中の炭素の固溶体として凝固します。これは言うまでもなく、オーステナイトと呼ばれる金属組織成分です。1.7%までの炭素を含むため、明確な組成ではありません。炭素含有量が1.7%から4.3%の合金では、この固溶体であるオーステナイトが徐々に凝固し、凝固合金中にオーステナイトがますます形成され、残りの液体の炭素濃度が4.3%に達すると、後者もまた、既に形成されたオーステナイトの結晶の周囲や結晶間に、この同じ成分であるオーステナイトと鉄の炭化物Fe 3 Cが交互に積層された共晶として凝固します。炭素含有量が4.3%を超える合金では、温度が下がるにつれて炭化鉄（Fe 3 C）が徐々に凍結し、炭素含有量が4.3%になると、残りの炭化物とオーステナイトの共晶が形成されます。 343合金の元の組成に関係なく、常に同じ温度 (2066° F) で、先に凍結した炭化物結晶の周囲および結晶間に形成されます。

再加熱すると、成分は逆の順序で溶解し、共晶が最初に 2066° F で液化し、合金の残りの部分は、この温度と冷却中に最初の凝固が始まった温度の間で徐々に液体になります。

変換と分解
これまで、鉄炭素合金が溶融状態から固体状態へと凍結する過程のみを検討してきました。では、2066°F（約1137℃）以下の温度ではどうなるのでしょうか？完全に冷えるまで、そして冷えた後も、上で述べた状態のままなのでしょうか？

319ページで作成した小さなスケッチ（Ar 1、Ar 2、Ar 3の点をプロットしたもの）と、先ほど検討してきた凝固点図を組み合わせなければなりません。0%から1.7%の合金（鋼）では、1290° F（約730° C）、1395° F（約800° C）、1650° F（約840° C）付近で様々な変化が起こることを覚えているでしょう。同様に、これらの他の合金も凝固温度から冷却されるにつれて、様々な変化が起こります。

344
凝固点曲線と臨界点曲線は平衡図を構成する

しかし、今のところは鋼だけ、つまり図の 1.7% 炭素線の左側から 3 分の 1 だけを考えてみると、合金の凝固が完了すると、鉄に含まれるすべての炭素が凍結した溶液になるだけだったことを思い出します。344 ページの図のこの左側 3 分の 1 の下部では、線 GOSE は凝固線 ABC とそれほど違いがないように見えますね。見た目だけでなく、実際の経験でも似ています。ただし、この場合は液体から固体への凝固ではなく、分解、またはおそらくより正確には変態を表しています。炭素含有量が 0.9% 未満の固溶体または合金は、線 GOS に沿った温度まで下がると、オーステナイトが徐々に分解して、過剰な純鉄を放出します。この0.9%炭素の垂直線より右側に位置する合金では、SE線に達してそれを通過すると、オーステナイトは固溶体から化合物Fe 3 Cを放出することで過剰な炭素を除去します。つまり、凍結時に起こるのと同様に、固体の低炭素合金では、純粋な鉄結晶が徐々に排除され、残りの質量が正確に0.9%の炭素になるまで、あるいは高炭素合金に 濃縮されます。345炭素含有量を0.9%まで減らすため、 Fe 3 Cを排出するタイプのものもある。いずれの場合も、温度1290°Fに達するまでにこの工程は完了し、炭素含有量がわずか0.9%となった残りの未分解オーステナイトは、何らかの形で341ページの切り抜きに示されているように、交互に並んだ板状の成分に分裂する。

現在暫定的に受け入れられている平衡図と解釈

この板状の成分は、他の合金と同様に、長い間固体であったため、共晶合金や「よく溶ける」合金と呼ぶことはほとんどできません。しかし、 346溶融合金の凝固時に形成される共晶に由来と外観が似ていることから、次善の策として「共析物」と呼ぶことが提案されています。しかし、実際には共晶と呼ばれることも多いです。

ここまで読んで、炭素含有量が0.9%未満の鋼から遊離した自由鉄が軟鋼で見られるフェライトであり、高炭素鋼の化合物Fe 3 Cが極めて硬い成分であるセメンタイトであることはお分かりいただけたでしょう。共析組織、つまり板状の構造は、言うまでもなくパーライトです。パーライトは、前章でフェライトとセメンタイトが交互に積層した板状組織であることが分かりました。

鋳鉄
UV 線の右側にある合金はすべて 1.7% を超える炭素を含み、したがって当社の分類によれば「鋳鉄」となります。

溶融合金の元の組成に応じて、共晶単体、共晶を含むオーステナイト結晶、あるいは共晶を含むセメンタイト（Fe 3 C）結晶として凝固する様子を見てきました。ED線で示される温度およびそのすぐ下の温度では、間違いなくこの状態が再現されます。

この温度から常温まで合金に何が起こるかは、条件によって異なります。実際に何が起こるのか、そしてそのメカニズムは、実際に試してみる以外には明確には分かりません。確かに、鋳鉄が通常の用途で使用できるためには、遊離炭素の「析出」が必要です。これは、最初の冷却中に軟化を伴う場合もあれば、「硬質鉄」として鋳造され、その後軟化される場合もあります。

第11章では、シリコンは「軟化剤」であると述べました。シリコンが存在すると、鋳鉄全体に炭素が黒鉛として沈殿し、それによって鋳鉄が軟化します。 347グラファイトの柔らかい薄片が存在すること、そして炭素が「結合」した状態、つまり硬化状態のままほとんど残らないことが、シリコンの優れた点です。そのため、シリコンは合金が冷却される際に、高温構造の分解を容易に引き起こす手段となります。

冷却速度もまた、分離する黒鉛の量を決定する上で非常に大きな影響を与えます。他の条件が同じであれば、冷却速度が遅いほど、分解が進み、黒鉛が生成されます。鋳型から鋳物をほぼ白熱状態または高熱の状態で取り出すような急速な冷却は、黒鉛の生成量が少なく、本来であればより硬い金属になってしまいます。非常に高温の鋳物を冷たい床や冷気流の中で冷却すると、合金の組成上、非常に柔らかく機械加工しやすい金属であっても、かなりの硬化効果が得られます。非常に興味深い極端な事例として、日常的に生産される数千個の通常は柔らかい鋳物の中に、非常に硬い鋳鉄製のフランジが毎日数個見つかったことがあります。高価な「タップ」が、不可能と思われる作業、つまり外見上は他のものと何ら変わらないこれらの硬化鉄片を機械加工しようとしたために、毎日2、3個も無駄にされていました。間もなく、正午と夕方に2、3人の鋳型排出作業員が、鋳型から排出された後も白熱したフランジを1、2個バケツに落とし、「洗い物」用の水を温めていたことが発覚しました。作業員たちに悪意はなかったものの、その温水の製造方法が発覚するまでに、数百ドルもの費用がかかっていました。

シリコンと冷却速度は硬度に最も大きな影響を与える2つの要素ですが、シリコン以外の特定の元素の存在も硬度にある程度影響を与えます。シリコンは強い軟化作用を持つのに対し、マンガンと硫黄は逆の、つまり硬化作用を持ちます。 348このため、後者の元素の使用または許可される量は厳しく制限されなければなりません。

上記のことから、非常に硬く、セメンタイト含有量が高く、シリコン含有量の少ない白鋳鉄から、主にシリコン含有量が高く、冷却が遅いために生じる非常に柔らかいねずみ鋳鉄まで、あらゆる種類の鋳鉄を製造できることがわかります。

白鉄は多かれ少なかれ不安定であり、これは第 12 章の可鍛鋳鉄の説明で述べたように、硬い白鉄鋳物が焼きなましによって「可鍛性」を持つようになる分解によって示されています。

No. 31.フェライト、パーライト、グラファイト片を含むねずみ鋳鉄

（倍率70倍）

ねずみ鋳鉄ははるかに安定しています。これは、以前の章で「不純物である黒鉛片を含む鋼」と呼んだもので構成されています。つまり、ねずみ鋳鉄は、遊離した軟鉄（フェライト）、一定量の鋼の成分であるパー​​ライト、そして軟質の黒鉛片で構成されています。

この組成は、冷却中にオーステナイトとセメンタイトの構造が分解することによって得られるが、そのメカニズムは十分に解明されていない。この問題については一貫した研究が行われており、完全な平衡状態図のこの部分については、これまでに得られたデータに基づいて、独自の、そして長年研究されてきた説明がいくつか提案され、議論されてきた。この主題については多くの情報が得られているものの、依然として議論が続いているため、我々は敢えて結論を出すのが最善である。 349変化がどのように起こるのかについては、明確なことは何もない。この章の参考文献（354ページ参照）には、これまでに入手可能なデータ、理論、説明がほぼ網羅されている。

鋼と比較すると、鋳鉄は非常に複雑です。鋼には実質的に無視できるほど微量の元素が含まれています。例えば、市販の鋳鉄には、シリコンが0.5%から3%、リンが0.10%から2%、黒鉛が0%から3.50%、そして炭素（パーライトまたはセメンタイト）が3.50%から0.10%含まれています。これらが鋳鉄の大部分を占めるとすれば、シリコン含有量が2%、5%、8%、10%、あるいは15%の銑鉄、マンガン含有量が1%から2%、時にはそれよりもはるかに多い銑鉄、そしてリン含有量が大きく異なる銑鉄はどうでしょうか？金属組織学的および物理化学的観点から見ると、銑鉄は鋳鉄です。

実験に用いる完全に純粋な鉄-炭素合金は入手不可能であり、シリコン、ニッケル、リンなどの他の元素の含有量が、得られる結果を多少なりとも損なう。仮にそのような純粋な合金を入手できたとしても、実際に使える合金はそのような純粋なものではないため、大きな助けにはならない。添加元素が増えるごとに複雑さは増し、研究が本格的に開始されてからわずか20年しか経っていないにもかかわらず、冶金学がこの大きな問題を完全に解決できていないのも不思議ではない。

350
参考文献
一般およびその他
「鉄と鋼のABC」、ペントン出版社、クリーブランド。

「The Steel Foundry」、JH Hall、McGraw-Hill Book Co.、ニューヨーク。

「鋼の冶金学」HM Howe、The Scientific Publishing Co.、ニューヨーク。

「鉄と鋼の製造と特性」HH Campbell、Hill Publishing Co.、ニューヨーク。

「鉄と鋼の冶金学」B. ストートン著、McGraw-Hill Book Co.、ニューヨーク。

「鋼の冶金学」、ハーバード・アンド・ホール、チャールズ・グリフィン社、ロンドン。

「液体鋼」、EGカーネギー、ロングマンズ、グリーン＆カンパニー、ロンドン。

「クルップの製鉄所」、FCGミュラー、ウィリアム・ハイネマン、ロンドン。

「By Bread Alone」（小説）、IK Friedman、McClure、Phillips & Co.、ニューヨーク。

第1章
「全時代における鉄製造の歴史」、ジェームズ・スワンク、アメリカ鉄鋼協会、ペンシルベニア州フィラデルフィア

「エンジニアリングの材料 – 鉄と鋼」、ロバート・サーストン、ジョン・ワイリー・アンド・サン、ニューヨーク。

第2章
「ピーター・ホワイト名誉教授」、R・D・ウィリアムズ、ペントン出版、オハイオ州クリーブランド。

351「世界の鉄鉱石資源」、国際地質学会、ストックホルム、1910年。

「アラバマ州の石炭と鉄の物語」、エセル・アームズ、アラバマ州バーミングハム商工会議所

第3章
「現代のコーキングの実践」TH Byrom、C. Lockwood & Son、ロンドン。

「石炭とコークス」フレデリック・H・ワグナー（1916年）、マグロウヒル書店、ニューヨーク。

「石炭の洗浄およびコークス化試験」、AW Belden、GR Delamater、JW Groves、米国地質調査所紀要 368、1909 年。

「石炭の洗浄およびコークス化試験とコークスのキューポラ試験」、R. モルデンケ、AW ベルデン、GR デラメーター、米国燃料試験工場、ミズーリ州セントルイス、米国地質調査所、会報 336、1908 年。

「コークスおよびその他の調製燃料の製造と副産物の節約」、ジョン・フルトン、1905 年、International Text Book Co.、ペンシルバニア州ピッツバーグ。

第4章
「高炉と銑鉄の製造」ロバート・フォーサイス、D.ウィリアムズ＆カンパニー、ニューヨーク。

「高炉の研究」、ハービソンウォーカー耐火物会社、ペンシルバニア州ピッツバーグ

「鉄鋼製造の原理」、サー・I・L・ベル、ジョージ・ラウトレッジ・アンド・サン社、ロンドン。

第6章
「錬鉄棒のビジネスメッセージ」、インターステート鉄鋼会社、シカゴ。

「あらゆるプロセスにおける品質管理」AM Byers Co.、ペンシルバニア州ピッツバーグ

第7章
「鉄と鋼のセメント化」ジョレッティ、マグロウヒルブック社、ニューヨーク。

352「高級鉄鋼産業」、JA マシューズ、ハルコム スチール社、ニューヨーク州シラキュース。

第8章
「サー・ヘンリー・ベッセマー自伝」、オフィス・オブ・エンジニアリング、ロンドン。

「鉄と鋼のロマンス ― 千人の億万長者の物語」、HN カソン、『マンジーズ マガジン』、1906 年 4 月、以降。書籍は AS バーンズ アンド カンパニー、ニューヨーク。

第9章
「平炉鋼鋳物の製造」WM Carr、Penton Publishing Co.、クリーブランド。

「基本的な平炉製鋼プロセス」、C. Dichmann、Constable & Co.、Ltd.、ロンドン。

「平炉の研究」、ハービソン・ウォーカー耐火物社、ペンシルバニア州ピッツバーグ

第10章と第11章
「最近の研究から見た鋳鉄」WH Hatfield、Charles Griffin & Co.、Ltd.、ロンドン。

「Cast Iron」、WJ Keep、John Wiley & Sons、ニューヨーク。

「鋳鉄の冶金学」、TD West、Cleveland Printing & Publishing Co.、オハイオ州クリーブランド。

「American Foundry Practice」、TD West、John Wiley & Sons、ニューヨーク。

第12章
「可鍛鋳物の製造」、リチャード・モルデンケ、ペントン出版社、クリーブランド。

「可鍛鋳鉄」、SJパーソンズ、A.コンスタブル＆カンパニー社、ロンドン。

第13章
『鉄鋼産業における電気炉』、ローデンハウザー＆シェーナワ（フォン・バウアー訳）、ジョン・ワイリー・アンド・サンズ、ニューヨーク。

353「電気炉」A.スタンスフィールド著、マグロウヒル書店、ニューヨーク。

「鉄鋼製造用の電気炉」、ライオンとキーニー、米国鉱山局、会報第67号（1914年）。

第14章と第15章
「合金鋼の製造と用途」、H.D.ヒバード、米国鉱山局、公報第100号（1915年）。

「ハイスピードスチール」OM Becker、McGraw-Hill Book Co.、ニューヨーク。

「ニッケル鋼 – アメリカ合衆国における実用的開発」HFJ ポーター、Cassier’s Magazine、1902 年、480 ページ。

「クロムバナジウム鋼」、WEギブス、Cassier’s Magazine、1910年6月、174ページ。

「バナジウム鋼」、J. ケント スミス、アメリカンバナジウム社、ペンシルバニア州ピッツバーグ

「自動車製造における合金鋼」JAマシューズ、フランクリン研究所ジャーナル、1909年5月、379ページ。

「金属切削技術について」FWテイラー、Trans. Am. Soc. Mech. Eng. 1906–28 No. 3。

「高速度工具鋼および炭素工具鋼」、機械参考シリーズNo.117、インダストリアルプレス、ニューヨーク。

「合金鋼」、機械参考シリーズNo.118。

第16章
「鋼製工具のドロップフォージング、ダイシンキングおよび機械鍛造」、JV Woodworth、NW Henley Publishing Co.、ニューヨーク。

「金属加工」、ハスラック、デイヴィッド・マッケイ、1907年。

「ドロップフォージング」、機械参考シリーズ第45号。

「金属のプレス加工」、オバーリン・スミス、ジョン・ワイリー・アンド・サンズ（1913年）。

第17章
「圧延工場産業」、F. Kindl、Penton Publishing Co.、オハイオ州クリーブランド。

354
第18章と第19章
「ワイヤーの製造と用途」、JB Smith、John Wiley & Sons、ニューヨーク。

第20章と第21章
「モダン溶接パイプ」、ナショナル チューブ社、ペンシルバニア州ピッツバーグ

「あらゆるプロセスにおける品質管理」AM Byers Co.、ペンシルバニア州ピッツバーグ

「シームレスチューブ、公告 No. 17–A」、National Tube Co.、ペンシルバニア州ピッツバーグ。

「鉄鋼管の製造」、ECR Marks、Van Ostrand & Co.、ニューヨーク。

第22章と第23章
「鋼と鋳鉄の金属組織学」HM Howe、McGraw-Hill Book Co.、ニューヨーク。

「鉄と鋼の組織学と熱処理」、アルバート・ソヴェール、ソヴェール・アンド・ボイルストン、マサチューセッツ州ケンブリッジ。

「金属合金：その構造と構成」GH Gulliver、Charles Griffin & Co.、Ltd.、ロンドン。

転写者のメモ
明らかな誤字を静かに修正し、非標準のスペルと方言はそのまま残しました。
番号を使用して脚注のインデックスを再作成しました。
*** プロジェクト・グーテンベルク電子書籍「鉄と鋼に関する非技術的な雑談、そして現代産業への応用」の終了 ***
《完》