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冶金コークス

イギリスのコークスへの移行

鉄製錬のための冶金コークスの採用は、木材への依存を切断し、炉容量の巨大な成長と年間生産量の増加への道を開き、製錬場所を炉ベローズに電力を供給することができるストリームへの近接から解放したため、現代の最大の技術革新の一つであった。 英語とウェールズの炉でのコークスによる木炭の交換がかなり長引く事件であった理由はいくつかありました。 当初は、バルト海の鉄の手頃な価格の輸入に簡単に英国のアクセスだった(ロシアの製錬は主にウラルで行われたが、出荷はサンクト-ペーターバーグを経由して行われた)、燃料の最初の商業的使用は、コークスベースの製錬が財政的に魅力的ではないことを示した(Harris、1988;Hyde、1977)。コークスは1640年代初頭にイギリスで麦芽を乾燥させるために最初に使用され(石炭ではできなかった)、金属製錬での使用(および石炭と泥炭の使用)は17世紀後半に行われたが、1709年にエイブラハム・ダービー(1678年-1717年)がコークスによる鉄鉱石製錬の唯一の先駆者となった。 Hyde(1977)は、1750年代初頭までにダービーの例に従わなかった理由を説得力のある説明を提供した(コールブルックデールの二つの炉は1720年以降にのみコークスを使用し、ワイリーの一つは1733年以降にコークスのみを使用した)。

いくつかの25の木炭燃料炉は1720年から1755年の間に閉鎖されたが、木炭製錬された鉄の総生産量は約19,000からほぼ増加した。25,000t介入の間に35年。 その理由は、ダービーの革新を取り巻く秘密でもなく、コークス製錬鉄の品質が劣っていたが、コークス燃料炉の運転コストが大幅に高く、新しい炉の資本コストに大きなコスト差がなかったためであった。 Hyde(1977)は、2つのプロセスの運営コストは1730年代後半までに等しくなったかもしれないと計算したが、大量のコークスが消費されたため、全体のコストは1750年代初頭まで木炭炉に有利であった。

Darbyと彼の後継者は、コークスベースの製錬を収益性の高いものにすることができました”新しいプロセスのコストが高いにもかかわらず、コークス銑鉄-薄肉鋳物の新しい副産物から平均収入よりも高い収入を受け取ったため”(Hyde、1977、40)。 ダービーがコークス製錬を開始する前の1707年に特許を取得したこの技術は、Siに富むコークス製錬鉄の流動性が高く、欠陥が少ない(炭製錬鉄の半分の質量を持つ)はるかに薄いポットを製造するために使用できることから恩恵を受けた。 さらに、Hyde(1977)は、コークス銑鉄から棒鉄を作ることは、前者の液体金属がより多くのケイ素を含んでいるため、炭鋳鉄から作るよりも高価であると結論づけた。

King(2011)はHyde(1977)の説明とCoalbrookdaleの事業記録の詳細な検討を再訪し(四つの会計帳簿に現存する)、コークスで製錬された銑鉄のコストに関する結論を確認したが、同じ議論が棒鉄の生産には適用されないことを発見した。 会計帳簿には、1720年代のコークスの大量消費と1730年代の漸進的な減少が示されているが、コークス製錬銑鉄の固有の問題によるものではなく、小規模で非効率的に運営されている企業であるという明白な事実によるものであることが示されている。

広範なコークスの採用の遅延は、このように主にバー鉄の価格の問題でした: 「1720年代初頭に鍛冶場でコークス銑鉄を使用する際にどのような技術的困難が存在していたとしても、これらは明らかにその10年の終わりまでに克服されましたが、1750年代の景気の好転から産業が恩恵を受けるまで、鉄貿易の低迷はコークス製錬銑鉄の市場への導入を落胆させました。その好転は、数年前に始まったスウェーデンの鉄生産の制限に一部起因する可能性があります」(King、2011、154)。 イギリスの生産者は、1750年代半ば以降に新しいコークス燃料炉を建設することによってほぼすぐに対応した。 1750年から1770年の間に30近くのコークスベースの炉が建設され、銑鉄の生産量のシェアはわずか10%から46%に上昇しました(King、2005)。

これは、再生可能な資源への依存から、すでに多くの地域で供給不足にあり、その最大の現実的な搾取は、豊富な石炭鉱床から安価に生産することができ、その出力は、鉄産業の予見可能な拡大に合わせてスケールアップすることができる再生不可能な燃料への依存に、鉄生産の将来の拡大をサポートすることができませんでした。 Madureira(2012)は、1820年にベルギーの森林面積の52%が冶金炭を生産するために使用され、はるかに大きく森林に覆われたフランスとスウェーデンでさえ、1840年までに約15%

木炭への長期的な依存の不可能性は、非常に木材が豊富な米国の関連する計算で容易に説明されています。 米国の全国の鉄生産統計は、1810年に49,000tの銑鉄の製錬が消費されたときに始まりました(5kgの木炭または20kg以上の木材の平均速度を仮定して)、約1Mtの木材が消費された。 たとえその木材がすべて250t/ha(Brown,Schroder,&Birdsey,1997)の周りに貯蔵されている天然の古生代の広葉樹林から来ていたとしても、地上の植物マスがすべて炭 豊かなアメリカの森林はさらに高い割合を支えることができ、1840年までにすべての米国の鉄はまだ木炭で製錬されていたが、その後のコークスへの急速な切り替えが1880年までに鉄生産のほぼ90%を通電し、将来の鉄生産の増加は木炭に基づくことができず、1910年には鉄の生産量が25Mtであり、1.2kgの木炭と5kgの木材の電荷が大幅に減少していても、年間125Mtの木材が必要であった。

その要件だけで(さらなる金属加工のためのすべての木炭の必要性を除いて)、約180,000km2の森林からの年間木材収穫が必要になりました(Smil、1994)。 その面積はミズーリ州またはオクラホマ州(またはフランスの三分の一)に等しく、正方形であればフィラデルフィアからボストン、またはパリからフランクフルトに行くだろう。 明らかに、森の豊かなアメリカでさえこれを行うことができませんでした。 さらに、冶金燃料としての優位性については疑いの余地はありません。 この熱分解(破壊蒸留)は、実質的にすべての揮発性物質を追い払い、わずか0.8–1g/cm3の低い見掛け密度でほぼ純粋な炭素を残しますが、31-32MJ/kgでより高い発熱量を持ち、空気乾燥木材の約2倍のエネルギー密度ですが、最高の木炭よりもわずかに多くのエネルギー密度しかありません。

ほとんどの技術的進歩と同様に、初期のコークス製造方法の効率は非常に悪かった。 一世紀以上にわたり、コークスを作るための標準的な方法は、密閉された蜂の巣オーブンにあった(Sexton、1897;Washlaski、2008)。 これらの半球状の構造(アメリカの蜂の巣の直径は約3.8m)は、通常、銀行(バッテリーと呼ばれ、最終的には200から300の蜂の巣を持つアメリカの電池)、しばしば丘の中腹に建てられ(土で覆うことが容易になる)、常に強い正面擁壁で建てられた。 予熱の4または5日後(最初に木材で、次に石炭で)スターター燃料を除去し、正面玄関をその高さの3分の2までレンガ造りにし、オーブンに石炭を充填した。 標準的なオーブンの平均料金は5-5.5tであり、積み込まれた石炭は鉄の棒で平らにされ、ドアはレンガで固められ、粘土で密封され、次の2-3日間(燃焼期間は40-75hの間で変化した)ゆっくりと燃える蜂の巣のオーブンはオレンジ色の赤みを帯びた輝きで夜空を照らし、開いた頂部(トランネルヘッド)を通して熱いガスを放出した。

制御された燃焼終了コークスが水で急冷することによって終了した後、ドアが壊れ、燃料が高炉に輸送されるために蜂の巣から除去されました。 初期の蜂の巣コークスは、コークスのトン当たり2トンの石炭を消費し、後に収量は60%に増加し、最終的には約70%に増加した。 コークスの鉱石や石灰岩の重い電荷をサポートする能力は、より大きな容量とより高い出力を持つ背の高い高炉を建設することを可能にし、これはコークスの需要を増加させた。 これらの初期のコークス炉のいくつかはニューコメンの非効率的な蒸気機関を使用しており、1776年以降、より強力なベローズの駆動者としてワットの蒸気機関を採用することによって、コークスベースの製錬の普及が大きく助けられた:それらは1782年にそのように使用され、1790年までにイングランドとウェールズには83のコークス燃料炉が運転され、71は蒸気動力のベローズを持っていた(Hyde、1977)。 しかし、木炭を燃料とする炉は消えませんでした:1810年に彼らはまだ英語とウェールズの鉄の三分の一を製錬しました。

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