製鉄法に関する背景説明(後書きに替えて)

 此処で、この後も続く物語を理解する上で重要な背景となる製鉄法について、少し詳しくお話したいと思います。


 この第1部で登場した“踏鞴製鉄”は、鉄鉱石を還元して純度の低い鉄を製造する“製錬”プロセスだけの直接製鉄法に分類されます。その最大の弱点は大量生産に向かない事でした。

 一方、古代中国の華北地方で盛んだった製鉄法、及び現代で一般的となっている製鉄法は間接製鉄法に分類されますが、“製錬”の後工程として、純度の高い鉄とするための“精錬”プロセスを伴います。

 この“精錬”プロセスは、鉄の純度を高めると同時に、大量生産を可能とする鍵を握っています。


 その理由を説明する前に、1つ別の話をしなくてはなりません。

 純粋な鉄の融点は1,538℃です。ところが、鉄に他の元素が混じっていると融点は下がります。ちょうど、真水の融点(水が氷になる温度)は0℃なのに、塩水の融点がマイナスの温度になるのと同じ現象だと思ってください。

 鉄の場合、最も強く影響が現れる相手の元素は、炭素です。

 炭素の含有率が2%の状態での融点は1,400℃弱まで下がり、炭素の含有率が4%の状態での融点は1,200℃弱まで下がります。つまり、相対的に低い温度でも鉄が溶けた状態を維持するという事です。それ以上に融点が下がる事はありません。

 但し、固体状態の酸化鉄における炭素の含有率は最大2%だそうです。だから、酸化鉄の溶融炉の温度を1,400℃程度まで上昇させなければなりません。

 出雲の“踏鞴製鉄”で使用する真砂砂鉄の融点は1,420℃、赤目砂鉄の融点は1,390℃だそうです。赤目砂鉄はズク押し法で液体になり、真砂砂鉄はケラ押し法で固体のままなので、“踏鞴製鉄”の溶融炉の温度は正に1,400℃程度なのでしょう。

 ズク押し法で液体になった赤目砂鉄は、1,200℃まで温度を下げる過程で炭素を取り込みます。炭素の含有率を4%近くまで高め、鋳造に適した“鋳鉄”となります。


 さて、製鉄プロセスは、石炭や木炭という炭素を使って鉄鋼石なり砂鉄という酸化鉄を還元していく化学反応です。平たく言うと、錆びた鉄を真更な鉄に戻していく化学反応です。

 ところで、酸化鉄の還元反応は、鉄が溶け出す前、固体の状態でも進み始める事を知っていますか?

 密閉した窯で木炭と鉄鉱石を燃焼すると、一次的には窯の中の空気が二酸化炭素ではなく、一酸化炭素で充満します。作品中で卑弥呼が自殺したシーンを想い出してください。この一酸化炭素が酸化鉄の酸素と結合して二酸化炭素となります。

 この還元反応が始まるのに必要な温度は400~800℃だそうです。

 製鉄プロセスでは石炭や木炭を燃やして実現するのですが、焚火でも実現可能です。だから、原始社会においても、大量生産を求めなければ、鉄の製造は可能だったのです。実際、19世紀の探検家が記したアフリカや東南アジアの紀行文書には、その様な文章やスケッチが載っています。

 話を本題に戻すと、一酸化炭素による還元反応は不完全なので、酸素含有率が多少落ちたとしても、酸化鉄である事には変わりがありません。

 更に溶融炉の温度を上昇させて950℃以上の状態になると、石炭や木炭の炭素を使った還元反応が始まります。こうして、酸化鉄を鉄に戻して行くのです。

 ところが、還元反応が進む反面、炭素は酸素と結合するだけでなく、鉄にも溶け込み始めます。但し、先にも書いた通り、固体の鉄に炭素が溶け込むのは含有率2%迄です。

 この炭素の含有率が2%迄の状態の鉄を“鋼”と呼びます。この炭素という元素は曲者で、含有率が上昇すると、鉄は脆くなります。叩くと割れるようになるのです。含有率が2%以上の状態の鉄を“鋳鉄”と呼びます。

 “踏鞴製鉄”に当て嵌めると、ケラ押し法で製造した鉄は“鋼”、ズク押し法で製造した鉄は“鋳鉄”です。

 “鋳鉄”は割れ易いので、薄っペラな形状で打ち合う刀剣の類、つまり武器には不向きです。その替わり、炭素含有率次第では1,200℃の温度で液体になるので、鋳造により変幻自在の形状に仕立てる事が出来ます。だから、農具や工具、鍋等の厚みの有る鉄器に加工されます。

 一方のケラ押し法で製造した“鋼”も、そのままでは使い物に成りません。何故なら、固体の鉄鉱石の状態で酸素を抜いたに過ぎず、スポンジ状の“鋼”なのです。だから、“踏鞴製鉄”には“大鍛冶”という工程が不可欠です。

 この“大鍛冶”は、“鋼”を1,200℃前後の温度まで再加熱します。“鋼”なので固体のままですが、赤熱した状態の“鋼”は強い力を加えると変形します。製鉄工場のニュース映像で赤褐色に輝く鉄の塊を御覧になったことは無いでしょうか? あの状態です。

 鍛冶ですから、この高温状態になった“鋼”を金槌で何度も叩くのです。

 この行為の目的の1つは、スポンジ状の“鋼”を圧縮し、鉄の組織同士を密着させる事に有ります。

 2つ目の目的は、不純物を“鋼”から叩き出す事に有ります。

 鉄鉱石なり砂鉄における鉄正味の構成比は60%前後です。残りは不純物なのですが、特に硫黄、燐、珪素、マンガンの化合物は鉄を脆くさせる悪玉の不純物です。

 私も専門家ではないので漠然としたイメージしか湧かないのですが、強いて言うと、暖めたピーナッツ入りチョコバーを木槌で打ち付け、ピーナッツを外に押し出すイメージでしょうか。

 こうやって製造する“鋼”を“錬鉄”と呼びます。ケラ押し法で製造する最終的な鉄は“錬鉄”です。


 まずは“踏鞴製鉄”の説明をしましたが、次に、中国華北地方で始まった間接製鉄法を説明します。

 間接製鉄法では“大鍛冶”の替わりに“精錬”というプロセスを施します。繰り返し述べますが、これが大量生産の鍵となります。

 間接製鉄法では、溶融炉の温度を1,400℃以上にまで上げ、鉄を完全に液体とします。不純物も含めて全てを液体とします。全てが液体となれば、比重の違いを活かして、鉄と不純物を簡単に分離できます。

 鉄より比重の軽い不純物は水面に浮上するのですが、効率良く除去するために酸化カルシウムを溶融炉の中に降り掛けます。酸化カルシウムとは生石灰の事です。本作品でも登場しました。

 生石灰と結合した不純物は、肉や魚を煮る時に鍋の中でグツグツと浮き出るアクの様な感じに成ります。そのアクを“鉄滓”と呼び、その鉄滓を溶融炉から掻き出します。

 不純物を分離する生産性は、“大鍛冶”より“精錬”の方が圧倒的に良好だと解って頂けるでしょうか。

 ところが、温度が上昇しているので炭素は益々鉄に溶け込み、含有率が上がってしまいます。そのままでは“鋼”ではなく、割れ易い“鋳鉄”となってしまいます。

 つまり、鉄から炭素を抜くプロセスが、新たに必要となるのです。


 この炭素を抜くために酸素を吹き込みます。酸素を吹き込む事で炭素の酸化反応が進み、二酸化炭素が発生します。

 戸惑いますよね。

――酸化鉄から酸素を取り除くために炭素を加えて来たんでしょ? それって逆行パターンじゃないのか?

 当然の疑問です。

 不純物を取り除くために還元反応の最適地点を通り過ぎ、少し元に戻るみたいな作業をするのが製鉄プロセスなのです。

 間接製鉄法では、神経質なまでに不純物を取り除く結果、鉄鉱石における鉄正味の構成比ぎりぎりまで“鋼”を採取できます。100㎏の鉄鉱石から60㎏の“鋼”です。歩留60%ですね。

 一方、“踏鞴製鉄”では100㎏の鉄鉱石から30㎏の“鋼”だそうです。歩留30%ですね。

 ちょっと脱線しました。

 現代の高炉製鉄業では、工業用酸素を転炉という溶融炉に高圧で吹き込みます。でも、工業用酸素の無い古代では、空気中の酸素を利用するしか手段は有りません。古代中国人は溶融炉の中で鉄の棒を手で掻き混ぜ、この化学反応を進めたと言われています。

 このプロセスでの解決すべき課題は、酸化反応での発熱作用への対処に有ります。現代製鉄業の転炉内部の温度は1,600℃まで上昇します。古代中国人が直面した温度は定かではありませんが、1,400℃よりは遥かに高温だったでしょう。

 この超高温に耐えうる溶融炉を築炉するために、耐火煉瓦が不可欠だったのです。

 本作品でも田川集落が偶然に発明したという筋書きで耐火煉瓦を登場させましたが、鉄の文化と石灰石の文化は表裏一体だったはずです。

 また、田川集落が出雲集落への耐火煉瓦の供給を止めましたが、直接製鉄法である踏鞴製鉄での溶融炉の温度は間接製鉄法、特に“精錬”プロセスに比べて低いので、大したダメージを被りません。耐火煉瓦のニーズは間接製鉄法において顕著なのです。

 こうして、間接製鉄法で製造される鉄は、正真正銘の“鋼”となるのです。


 色々と話してきましたので、此処で頭の整理をしましょう。


 鉄には、2%という炭素含有率を基準にした“鋳鉄”と“鋼”の2種類が有ります。それぞれ、直接製鉄法と間接製鉄法の製鉄工場の双方で生産されます。

 但し、間接製鉄法の工場で“鋳鉄”を製造する場合、前工程の“製錬”だけで、後工程の“精錬”はしません。“精錬”の目的は炭素含有量を下げる事です。だから、実質的に直接製鉄法だと言えます。

 “鋼”の場合は、直接製鉄法と間接製鉄法の違いが明確です。特に直接製鉄法で製造する“鋼”を“錬鉄”と呼びます。踏鞴製鉄におけるズク押し法とケラ押し法に対応した、“鋳鉄”の対義語です。


 さて、直接製鉄法で使う鉄鉱石と間接製鉄法で使う砂鉄にも、違いが有ります。

鉄鉱石の形成プロセスは、30億年前の太古の昔まで遡ります。恐竜の生まれる遥か以前です。

 地球上に光合成を行うバクテリアが出現し、光合成で発生した酸素が海中に溶けていた鉄イオンと結合しました。結合した酸化鉄が海底に蓄積され、気の遠くなるような年月の地殻変動を経て、地表付近に浮かび出てきた結果が鉄鉱石の採掘現場なのです。

 一方の砂鉄ですが、こちらは火成岩、つまり火山活動により吹き出したマグマが固まって形成されます。形成時期も鉄鉱石に比べれば非常に近い過去です。

 この形成プロセスの違いに起因して、不純物としての化合物が鉄鉱石と砂鉄とで微妙に違うそうです。

 “踏鞴製鉄”で製造する“錬鉄”は、間接製鉄法で製造する“鋼”よりも多くの不純物を含んでいるはずですが、“錬鉄”には悪く作用しないそうです。

 “錬鉄”の1つである“玉鋼”を鍛造して日本刀を製造できる理由は、そういう事らしいです。


 ところで、どうやって古代中国人は間接製鉄法を習得していったのでしょうか?

 青銅器文明を礎として、鉄器文明は育まれてきました。

 中国の銅鉱山は黄河中流域に集中しています。具体的には、長安(現陝西省西安)と洛陽(現河南省洛陽)の間です。少なくとも考古学遺跡の分布はそうなっています。

 作品中でも紹介した中国湖北省大冶県銅緑山の孔雀石鉱山ですが、黄銅鉱が一次鉱床で、孔雀石は黄銅鉱に付随する二次鉱です。純粋な黄銅鉱の組成は、銅が約35%、鉄が約30%、硫黄が約35%だそうです。

 銅の融点は1,085℃ですが、青銅とは銅と錫の合金であり、その錫を混ぜると融点が800℃前後まで下がります。鉄と炭素の関係に似ていますよね?

 しかも、青銅を製造するに必要な温度は、鉄に比べれば随分と低いです。原始的な窯が有れば実現できるレベルです。だから、中国の青銅器文明は殷王朝よりも古い時代、紀元前2千年から紀元前1千年の大昔から栄えたのです。

 中国で鉄器文明が黎明期を迎えた時期は、春秋時代から戦国時代に移り変わる紀元前400年前後。中国人は気の遠くなるような長い時間を掛けて築炉技術を磨き、超高温を必要とする鉄の冶金技術を育てていったのです。

 こういう背景に加え、鉄鉱石の鉱山は華北以北に偏在しているので、間接製鉄法が栄えたのは中国の中でも華北地方に限られます。本作品の時代ならば、魏の支配するエリアです。

 一方、呉の支配する長江流域では鉄鉱石を産出しないので、間接製鉄法が根付きませんでした。替りに、砂鉄を原料とする直接製鉄法が一般的でした。

 魏の曹操が圧倒的な軍備を揃えて、呉の孫権と蜀の劉備の連合軍に対峙できた背景には、製鉄法の違いが有ったはずです。大量生産できたという事は、武器に限らず、農具の普及度合いをも左右します。戦費調達力に直結します。実際、当時の中国における穀倉地帯は黄河流域だったそうです。

 また、出雲地方で“踏鞴製鉄”が始まった端初は、長江流域の古代中国人が対馬海流に流されて出雲に漂着したからではないか? と私は睨んでいます。

 隣の朝鮮半島では間接製鉄法が主体です。陸伝いに中国華北の技術が伝播していった事に加えて、火山帯の無い朝鮮半島には良質な砂鉄の採掘地が無いからです。


 青銅器が鉄器に取って変られた背景にも言及させてください。

 鉄器は間接製鉄法の普及で大量生産が可能となった。つまり、相対的には安く供給できるようになったという理由が最大だと思いますが、もう1つ理由が有ります。

 青銅とは銅と錫の合金です。銅が主で錫が従の関係なのですが、この錫の含有率次第で青銅の性質が変わります。

 錫の含有率を低く抑えたままだと硬さが鉄製武器に負けます。刀剣の類で打ち合うと、青銅製の武器の方が早く歯毀れしたでしょう。

 純銅に近い、つまり錫含有量の少ない合金で製造した硬貨が十円玉です。DIYで使うドリルを使えば容易に疵付けられるのではないでしょうか。鉄釘や針金ならば、その素材は“鋼”の中でも炭素含有率の低い軟鉄なので、大した疵は付かないかもしれません。

 錫の含有率を高くすれば硬くなるのですが、一方で脆くなります。刀剣の類で打ち合うと、青銅製の武器は折れてしまいます。武器としては使用に耐えません。また、融点が下がります。ちょうど炭素含有率の高い“鋳鉄“と同じ様な特長を持っているのです。

 特に武器という領域では、“精錬”を経た鉄は硬さと強靭性を両立するので、青銅を駆逐できたという側面が強いはずです。

 なお、青銅の色は、錫が少ないと十円玉の様な赤銅色、錫の増加に従い黄色味を帯びて金色となり、更に錫を増やすと白くなります。本作品で登場する銅鐸は金色、銅鏡は銀色です。


 最後に。第2部は本作品から約100年後の神功皇后の時代を描きますが、石炭の替わりに“コークス”を登場させます。

 コークスとは、石炭を1,300℃以上の高温で蒸し、硫黄、タール等の不純物を石炭から分離して、炭素だけを残した状態の物です。現代の高炉製鉄業でもコークスが使用されています。

 石炭の替わりにコークスを製鉄プロセスで利用すると、燃焼効率が良くなり、溶融炉の加熱スピードが速まります。また、“鋼”の品質を劣化させる硫黄の影響を軽減できます。但し、鉄鉱石自体にも硫黄が含まれているので、不純物除去のプロセスは引き続き必要とします。

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卑弥呼とスサノオの系譜〜邪馬台国隠滅記1〜 時織拓未 @showfun

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