Lime JuiceLimeの活動日記
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溶けた金属の入れ物 01:18
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    ※2018年11月13日 文章と誤字の修正を入れました。 

     

    季節が大きく変わり始める・・・日本海側に寒気が入り始めた・・・しかしながら今年は冬の訪れが遅いような気がしてならない。

     

    まぁ、いつも見ていてくれる方はもうご存じだと思うが、銅の精錬ネタが熱い・・・これまた色んな意味で・・・暑いし熱い!!

     

    なんか凄い事をやっているように見えるが、それこそ電気も無かった時代に、坑道の奥深く酸欠の恐怖におびえながら「鯨油を満たした螺灯(らとう)を灯して」採掘した鉱石を運び・・・焼いて精錬していた時代の事思ったら、ブワーッと電気を使って風を送り、いとも簡単に高温を得れるのが、当時「鞴(ふいご)」を踏んでいた時代の人から見れば、「やってらんねえよ!!」と思うだろう!!

     

    その当時としてはスリーナインとはいかないが、技術の進んだ海外の国でも、こぞってこの国の銅や銀を買いあさっていたという事実があるだけだ。

     

    私たち素人がこういった物に手を出すとまず困るのが「熱物の存在」である。

    その熱さは・・・ばあちゃんが、ジジイに入れたチンチンに熱いお茶どころの騒ぎでない、うっかりすると入れ歯がはずれてカテキンで熱湯消毒するどころでも無い。

     

    一つは高温の炉の問題、燃費、そして最終的にドロドロに熔融した金属「溶湯(ようとう)」を扱う方法

    最終的に製品にされる際は、何らかの決まった大きさや形状にされて出荷されていたのは今も昔も変わり無い・・・

    その際、「坩堝(るつぼ)」と呼ばれる容器で溶かされ、型に流されて冷却固化されている。

     

    さて前置きが長くなったが、こういった冶金の作業にはこの「坩堝」が欠かせない。

    前回の七輪を使った銅の精練作業でも鉱石を焙焼したり、熔融していた容器を流し込む時に使っていた、一見「志野焼き茶碗の釉」がかかったような容器である。

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    理系の職場や学生さんなら坩堝と言えば、真っ白のアルミナ坩堝が思い浮かぶだろうが・・・

    真っ白なぐい飲みにしか見えませんが、高純度の酸化アルミニウム(アルミナ)でできています。 一般的な分析業務だと、これですべて事足りるんですが、金属や高活性な物を高温でドロドロに溶かした溶液は、通常では考えられないような反応性を示すものもあるので、この酸化アルミニウムでできた坩堝さえ損耗させるものも存在します。

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    なので・・・金属を溶かす際には熱の効率や、溶けた金属との反応を避けるためにも、比較的活性が低い「黒鉛坩堝」という容器を使う事になる・・・

     

    さて話は変わるが、地質図を見ていて鉱産地や鉱山に「黒鉛」が採れる所があるのは気づかれているだろうか? あえてここでは割愛するが、石炭と黒鉛の違いを解からなければ、ダイヤモンドの話をしても意味が通じないので、そういう方はまずはで調べてみてください。

     

    黒鉛と冶金は切っても切れない関係です。 電気炉で凄まじいほどのアークを飛ばして、固体の金属スクラップをドロドロの溶けた金属にするにも、その雷のようなスパークを取り出すための電極もこの黒鉛でできています。 電気を良く通して数千度の高温に耐えれる特性があります・・・しかも溶けた金属と接触しても付着しにくかったり、伝導率が高いので内容物をすばやく高温にする事が可能です。軟らかいので手に持っただけでも黒い黒鉛が付着します。

    IMGA0235.JPG 

    黒鉛も炭も元素記号は「C」の炭素・・・絵画で使う鉛筆にも濃い物になればなるほど沢山含まれています。 乱暴な言い方ですがそして最終的には結合が強固になるとダイヤモンドになる訳です。なので火災になればダイヤは燃えて無くなります。

    上の写真、中央の物は新品の黒鉛坩堝・・・使っているとその隣に並んでいるような色と質感に変わります。

    IMGA0236.JPG

    燃焼環境によっては、左から順番に段々と損耗して薄く小さくなって行きます。 燃えたという言い方は適切ではありませんが、炭素と酸素が高温で結びついて無くなって行きます。 しかしこの黒鉛坩堝は実は純粋な黒鉛ばかりでできてはいなく、「Si=珪素:みんなが好きな水晶にも含まれている元素」を入れて加工する事で、強度と簡単に燃えてしまわないように工夫されているんです。 その珪素分が溶けた物がこの坩堝表面の皮膜になる訳なんです。 この外皮膜(釉)を形成する事で、燃焼環境から坩堝が極端に損耗する事を避けています。 なので、ある環境下では鉄を精錬すると鉄と珪素が反応してスラグ化がされます。

    なので、昔から黒鉛が採集できるという事は、日本は冶金を行う環境が整っていたわけなんです。

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    このように損耗してゆく坩堝もまた趣があるので私は好きですね。 コンタミさえ気にしなければ割れない限り小さくなるまで使う事は可能です。

    あと黒鉛坩堝は誘導加熱(高周波誘導加熱)でも使える事が出来るし、普通の電子レンジでも真赤になるまで加熱できるけど、でかいと放熱が半端無いのでレンジがぶっ壊れます。

    まるで長石釉がかかった志野茶碗のようです。

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    一番左は大きめの坩堝ですが、金属には使えません。中と右の物は高温用のムライト製(石英とアルミナの混合物)の坩堝です。これも高温には耐えますが、造滓用に入れるフラックスと反応しやすいので、気を付けた方がいいです。

     

    坩堝には溶けた金属を高温で保持する能力のほかに、清浄作用を持った坩堝も存在します。 坩堝を構成する成分が、鉄やその他の金属に含まれるリンや硫黄をそれ自体が吸収する役割を持った物も存在します。 たかが坩堝されど坩堝・・・比較的低温で熔融する青銅器しか作れなかった民族が滅んだのは、高温の熔融鉄を扱えるヒッタイトの技術力には及ばず、このような特殊な坩堝の存在が見え隠れしています。 

    仮説ではありますが「たたら」もあの炉体自体が巨大な坩堝で、炉体に含まれる成分が鉄を作るときに、砂鉄中の不純物をスラグ化させるための造滓材となって損耗してゆき、あの純粋なケラを生むといわれ、科学的な知見が無かった時代には炉自体に神が宿ると信じられていました。

    さてここで筆休めに、坩堝コレクションです。えっそんなの見たくねぇって・・・まぁそう言わずに・・・

    まず黒鉛坩堝・・・でかいやつ・・・大きな炉が必要で、こんなんで金属の溶湯を作ったら一人では持てません。

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    大きいでしょ!!

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    これの8分目までに金属が溶けた湯が入っていると、放熱量も半端無いので、耐熱面や耐熱服が必要になってきます。

    熱くてかなわん訳で・・・そんどもって誤ってその辺にぶちまけようなら、地面の水分と急激に反応してバッンと水蒸気爆発して溶けた金属が飛んできます。

    大きな坩堝には奥に見えるような、小さな注ぎ口が付けられています。 こんなんでいいのか?と感じますが・・・溶けた金属はまるで水銀のような凄まじいほどの表面張力で丸くなろうとしていますので、流動性が良く簡単にシャーと流す事が可能です。

    たぶん「当社比」ですが、その辺を歩いているジジイの小便よりも切れがいいのは間違いないと思いますので・・・ご心配は無用です・・・(笑)

     

    ただ人力だと二人で両方から掴む巨大な坩堝ばさみが必要になります。とにかく熱くて重くて怖くて・・・

     

    普通の坩堝だと、このままでは内容物の汚染が気になる所です。

    そんな時は、白金坩堝というとても高価な坩堝を使います。 

    プラチナ製で販売価格は「時価!!」毎日変動しており、高級な寿司屋で「大トロ」を頼むがごとく値段も半端無いです。

     

    子どもの頃、親に「あの値段が書いてない御寿司食べてみたいよう!!」と札を指差していうと、「値段が入ってないのは売り切れなんだよ・・」て優しく言ってくれた思い出がよみがえります。 大人になると、今度はどこに座っても皿が流れてくる所が定位置になっていますが・・・(笑)

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    金属を溶かすというよりも、不純物の混入を嫌うような精密な化学分析や、とても高温に耐えれて余計な物が混じりにくいので、合成宝石を作る際の坩堝としても使用されています。

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    ぱっと見は、今日の弁当箱に入っていたアルミホイル製のカップにしか見えませんが・・・

    ただこいつの弱点は、とても軟らかいいんです。

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    軽く指で押さえただけで、このように簡単に変形します。

    そうそう世の女性陣・・・旦那さんからもらった、ちっちゃなダイヤが付いた・・・もとい!!くそっでかいダイヤが付いた婚約指輪のプラチナには、少し混ぜ物がしてあって硬度を保てるようになっています。

    中にはステンレスとか磨いて適当にごまかしているヤツも多いそうなので、注意が必要ですが、うっかり磁石に付いたりしたら、寝てる時に外して鼻の穴にネジこんであげましょうね・・・(笑)

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    小さな方もこのように簡単にクシャといきます・・・(笑)

    知らないと錫製のぐい飲みかと思いますが、錫はプラチナに比べると意外と硬いです。

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    でもアルミホイルのように弱く無く、簡単に元の形に戻せます。なにしろズシリと重いので、アルミとは絶対に区別が付きます。

    このままでも使えますが、基本的な使い方は、先の酸化アルミニウム製の坩堝の中に入れて、インナーとして使う方法もあります。

     

    これ1個持ってると、フラックス法でエメラルドを作ったり、自宅でチョクラルスキー法でYAGを合成したり、そのたもろもろの合成宝石を作ったりと高温で色んな実験ができるのでありがたいです。 

    でも一番単純に簡単なのは、資産運用になるかは相場次第かもしれませんね!

     

    では少しは坩堝が好きになってくれましたか・・・学生のみなさん来週の漢字の書き取りテスト「坩堝」出題されても大丈夫ですね

    「冶金学のテスト」では、「医療用のチタン合金を精錬する際に適切とされる坩堝を選択しなさい!」という選択の問題が出たら、選択項目に「カルシア坩堝」があればこれを選んでおけば正解です。

     

    さてさて今回も長文読んでいただきまして、誠にありがとうございました。

     

    ではでは・・・

    | 科学・実験 | comments(8) | - | posted by Lime (ライム)
    Comment








    毎度Limeさんの知識には驚かされるばかりですね。知識だけならともかく実物の坩堝コレクションも何処から出てくる事やら驚きの連続です。
    それにしてもこれだけの知識、経験を積み重ねるために先人はどれだけの苦労をしてきたのだろうと思うと気が遠くなりますね。
    最初は近場にある焼物から少しずつステップアップしていったのでしょうが、昔の技術レベルで人1人が一生をそれだけのためにかけても黒鉛の坩堝に辿り着けそうにありません。そもそも近くで黒鉛が取れるとも限らないという。
    posted by 黄色いゲッコー | 2018/11/13 9:17 AM |
    黄色いゲッコー様

    いつもコメントで盛りあげて頂きましてありがとうございます・・・(^O^)/

    >毎度Limeさんの知識には驚かされるばかりですね。
    いゃいゃ・・・解らない事はいくらでもあるので、たまたま分野別に強い所だけなんです。

    今まで色々と勉強をしてきましたが・・・もう人生の折り返し地点を通過した事もあって・・・知っていても使える所が見つからないと気が付き始めました。
    なので・・・その引き出しの中身をとりあえずブリグ上でぶちまけて、興味を持った人がそこからいい物だけを拾って何かの役に立てるか、自らの知識として肉盛りして新しい物を作るときの参考にしてもらえればと思っています。 まぁ〜私の中のガレージセールのようなものだと思ってください。
    なので・・・かなりとっつきやすく書いてますので、詳しいことは自分で調べて知識を上書きしてくれると助かります。

    >それにしてもこれだけの知識、経験を積み重ねるために先人はどれだけの苦労をしてきたのだろうと思うと気が遠くなりますね。

    とにかく色々な事に興味を持って、それは金勘定では達しえない境地だったんだと思いますね。当時の技術では原料すら分析できるわけでなくできた物の判断も実際に使ってみての・・・試行錯誤の繰り返しだったので、ほんと途方もない時間がかかっていると思っています。

    黒鉛坩堝に関してはほんとよく考えられています。 広義の坩堝は古くからあるアイテムですが、産業にはとても大切な物です。
    普通の生活をしていればみる事も触る事も無い人がほとんどなので、このように紹介しておくと、こういった技術や産業が後世に残っていく事になるので大切だと思います。

    まぁ簡単に書きましたが、黒鉛単体でなくとも、石炭からも精製して作る事が出来ますが、黒い塊の炭素自体は世の中になくてはならない物なんです。
    炭素が無ければ有機物は存在しなくて、私たちが生きてゆくこともできなかったと思います。

    これからも精錬に関する記事は更新しますので、また何かあれば宜しくお願い致します。

    ではでは・・・
    posted by Lime | 2018/11/13 1:15 PM |
    へぇ〜、白金坩堝がそんなに柔らかいなんて、
    はさみで摘まんでる写真くらいしか見たことがないから
    鉄くらいには堅いと思ってたなぁ。
    学生時代、理科の先生に取り入って理科準備室に入り込んだりしてたけど
    アルミナ坩堝しか見なかったし、それも使われていなかったな・・・
    いろいろ揃えてるLimeさんて何屋さんなんだろ?って疑問も出てきます。

    あと、使い込んだ黒鉛坩堝は植木鉢に使ったら趣がありそうw
    posted by 草喰ひ猫 | 2018/11/14 11:40 PM |
    坩堝をお持ちだなんて。と驚きました。
    SICはSiよりもギャップバンドが広い分、小型化でき高温作動での使用可能な半導体が出来るということで、注目を浴びているという事は知っていましたが、高級坩堝にも使用されるのですね。
    鉄は銅よりも融点が高いので、鉄器を作るのは難しく、それが出来た民族は鉄の武器や農具を持生き残る事が出来たいう事は、遠い昔に学校で習いましたが、なるほど その溶融温度まで持つ 坩堝を作る事が出来るか否かポイントであると、言われると、なるほどガッテンです。
    白金皿は、直径5mm程度の物は何度も分析作業で使用した事がありますが、こんなに大きな白金の容器もあるのですね。まだまだ知らない事が多いです。
    posted by えな | 2018/11/15 12:53 PM |
    草喰い猫 様

    こんにちは、いつもコメントありがとうございます。
    炎色反応に使う白金線は案外身近ですが、白金坩堝となると普通に生活していれば、お目にかかる事は無いかと思いますね。

    そうそう!私も学生のころは理科の準備室などは、宝の部屋に見えていましたね・・・坩堝に限らず色々と置いてあるので・・・

    「金」が軟らかいのは意外と知られていますが、プラチナは接する機会が少ないので、しょうがないかもしれませんよね!
    偉そうな事を書いてますが・・・そういう私も、会社の研究室で見た時は「おぉコイツ重たい割には、なんか軟らけぇなぁ〜」と感動を覚えましたね・・・

    使い込んだ黒鉛坩堝が植木鉢というのはいいかもしれませんよ・・・アルミナとかに比べれば穴あけも簡単そうだし・・・
    興味本位で、ヤフオクを調べたら使用済みの黒鉛坩堝を売っていた人がいましたよ・・・入札は入ってませんでしたが・・・

    これからも色々とアップしてゆくので楽しみにしててください・・・なにか自分でやられるときの参考になればと思います。

    ではでは・・・ 
    posted by Lime | 2018/11/15 3:23 PM |
    えな様

    いつもコメントを頂きありがとうございます。

    バンドギャップの話になるという事は、多分近年のパワトラ(パワートランジスタ)かスイッチングトランジスタの事だと理解しておりますが・・・
    この黒鉛坩堝に関してはそこまで精度のいいものでなくて、単純に黒鉛とシリカがを混ぜているような物を、ルツボ型に成形していると考えて頂ければいいと思いますよ・・・(^O^)v
    電気自動車が今よりも普及すれば前者のスイッチングデバイスはSiC型になるというセミナーを昨年受けたことがありましたので、なんとなく知っていましたよ・・・(笑)

    >溶融温度まで持つ 坩堝を作る事が出来るか否かポイントであると、言われると、なるほどガッテンです。
    そうですね・・・ヒッタイトの鉄の精錬に関しては諸説あるようですが、いまだはっきりとした事が解っていないだけにロマンが広がりますよね・・・でも何事も始まりは戦争の道具というところで、技術革新があるところが、よくある話なんですが・・・

    >白金皿は、直径5mm程度の物は何度も分析作業で使用した事がありますが、こんなに大きな白金の容器もあるのですね。まだまだ知らない事が多いです。

    ひょっとして分析機器はTG−DTAでしょうか? 昔使ったことがありましたが記憶が定かではないですね・・・(笑)あれについてたのも白金だったような・・・

    私が持っている坩堝の用途は、自前で持っている旋盤やフライス作業での、掴みしろや端材部分の際溶解してロッドを作ったりするのにまとめて購入しています。あとは自前でのしょうもない研究用ですね! それが今回・・・このような精錬作業に役に立っている訳ですが、面白いですがもう手間暇がかかりすぎですね・・・(笑)

    ではまた宜しくお願い致します。

    ではでは・・・ 
    posted by Lime | 2018/11/15 4:01 PM |
    はい、パワートランジスタです。とういう私もそれの関連講習会に参加して詳細を知った次第です。すでにメトロ銀座線には使用されているとの事で、技術の進歩に驚きました。
    坩堝の方は、炭化ケイ素ではなく、黒煙にシリカを物理的にブレンドした物なのですね。勘違いしていました。
    はい、TGAです。アーカイブを過去から順に読ませて頂いているのですが、蛍光X線とか、SEMーEPMAなどの分析装置も出てきて、懐かしく読ませて頂きました。最近は自分では測定しなくなって、人に頼んでばかりですが。。。
    話は変わりますが、物理や化学は受験に必要なので高校でも授業がありましたが、地学はなかったです。鉱物に興味を持つ様になって、ようやく最近 高校生が使用する地学図録を読み始めていますが、結構面白いですね。
    posted by えな | 2018/11/16 12:51 PM |
    えな様

    こんにちは・・・いつもコメントありがとうございます。(^O^)/

    しかしパワートランジスタだけでなく、SiC坩堝というモノが存在するのは事実ですよ・・・私は揃えていませんが、半導体分野での基盤焼成で使われることが多いみたいです。

    えな様は機器分析の経験もおありになるのですね! それじゃあ鉱物を趣味にすると、色々と公私混同できて自分の探究心を満たすことができますよ・・・
    もうこのブログを見れば一目瞭然なんですが、職場の機器なので必要最小限「うまいことヤル」テクニックは、これまた機器を扱うテクニック以上に必要だと感じていますよ・・・(笑)

    えな様の職場は、たぶん機器を扱う専門の方がいるんだなぁと感じました。 人に頼めれるのはうらやましいです・・・うちは基本フリーなのでいいですが、全部自分でやらないといけないのが面倒に感じる事も多いですが・・・

    私の通っていた時代?では地学はありましたが、科学の先生が担当していて、ほんとサラっと流しただけでした・・・実験室で当時でも古臭かった岩石標本を見せられましたが、興味がありそうなだったのは私含めもう一人だけでしたね・・・
    「地学図録」思わず調べました!えっ!!こんなんがあるんですね! 初めて知りました・・・これっだったら親しみやすいですね。こういう物って初めのとっかかりがとても大切ですよね・・・

    なんか欲しくなってきた! ありがとうございます。

    ではでは・・・



    posted by Lime | 2018/11/17 9:00 AM |
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