鉄は地殻の中にアルミニウムの次に多く存在する金属で、他のすべての金属を合わせたよりも多く作られている。 主に酸化物である鉱石は、高炉の中で炭素（コークス）と共に高温で鉄に還元されます。 このうち98％以上は、作られた炉を出た後、凝固させることすらなく、直接鉄に変わる。 4558>
鉄の用途
鉄のうち、鋳鉄として利用されるのはごく僅かである。 純度は約92％で、もろくなる炭素（2～5％）を若干含み、不純物として少量のケイ素（1～3％）、マンガン、リン、硫黄を含んでいます。 従来は暖房用のラジエーターや暖炉、雨どい、ボラード、灯台などに使われていた。
鍛鉄は炭素が0.15％以下で、鉄鉱石を固体の状態で還元し、ハンマーで叩いてスラグを除去して作られたものである。 曲げたり、槌で打ったりして形を作ることができるため、「伝統的な」門や庭の家具、その他の装飾品に使われた。
鉄の年間生産量
中国の急速な経済成長に伴い、鉄鋼業も拡大しました。 世界で生産される鉄のほぼ50％が中国製で、英国製は1％程度です。
| 世界 | 1億1000万トン |
| 中国 | 1億1000万トン |
| 日本 | 84百万トン |
| インド | 54百万トン |
| ロシア | 51百万トン |
| 韓国 | 47百万トン |
| ブラジル | 30百万トン | ドイツ | 2800万トン |
| 米国 | 2600万トン |
データ出典。
U.S. Geological Survey, Mineral Commodity Summaries, 2016.
Manufacture of Iron
鉄は酸化物の混合物が多い鉄鉱石を炭素、一酸化炭素、水素を用いて還元して生産されます。 高炉が主要な還元プロセスである一方、より小規模で操業する他の技術も出現しています。 これらは、天然ガスまたは低品位石炭の豊富な供給がある場所に関連している。
鉄の製造には、原料の準備と、酸化鉄を鉄に還元する2段階がある。
（a）原料の準備
鉄は地球上で最も豊富な元素の一つで、その鉱物は通常、酸素とケイ素とマンガンとリン、硫黄を含む。 鉱石に含まれる主な鉱物には、ヘマタイト（Fe2O3）、マグネタイト（Fe3O4）などがあります。 鉱石の多くはオーストラリア、ブラジル、中国、インド、ロシア、アメリカで採掘される。
ほとんどの鉱石は60%以上の鉄分を含み、鉱石のまま高炉で使用される。 これ以下の含有量の鉱石は、まず粉砕して粉末にし、浮遊選鉱で濃縮する。 これをボール状に丸めて炉で加熱し、大理石ほどの大きさのペレットを作る。 この工程は鉱山の近くで行われるため、廃棄物（粘土などの珪酸塩）の長距離輸送を減らすことができる。
コークスという多孔質の固体は還元反応に炭素を供給し、炉で使う主燃料でもある。 コークス炉は、石炭を空気のない状態で約1200Kまで加熱し、コークス炉の中で20時間かけて製造される。 残渣はコークスであり、さまざまな揮発性化合物が排出される。 また、ガスである石炭ガス（主に一酸化炭素と水素）と、ベンゼンなどの有用な化合物が得られる黒色タールも生成される。 石炭ガスは現場で燃料として使われます。
図1 オランダ・アムステルダム近郊のイミュデンで高炉の使用を待つ鉄鉱石と石炭
By kind permission of World Steel Association.
酸素は燃料の燃焼（高温化）に必要ですが、炉の反応にも関与しています。 炉の温度を維持するために、空気は炉を一周するパイプ（バスルパイプ）を通り、ノズル（羽口）を通って約1500Kで炉に入ります（図3）。現在多くの炉では酸素富化空気を使用しており、炉を通るガスの量を減らすとともに、反応を確実に完了させます。
一部の炉では石油または天然ガスを予熱空気と共に注入し、最大40％のコークスを代替している。 これにより石炭への依存度が下がり、コークス炉から出る副産物を処理する必要がなくなるが、副産物は売るのが難しい場合もある。 また、微粉炭を流体として直接炉に注入することで、コークス炉を不要にすることも可能である。 廃材やプラスチックを燃料として使う実験をしているメーカーもある。
(b) 酸化鉄を鉄に還元する（高炉）
高炉は主要な工学構造物で、その一部は30mにも達する高さの鉄製シリンダーで、非常に高い温度に耐えられる特殊レンガで裏打ちしている。 また、水冷式である。 炉の最も広い部分、炉底のハースの直径は通常9mだが、もっと大きい場合もある。 炉は5気圧の圧力と2000Kを超える炉内温度で15年以上連続操業する。1日に1万トン、炉の寿命では5000万トンの溶鉄を生産することができる。
高炉では高品位の鉄鉱石または鉄鉱石ペレットとコークスおよび石灰石が使用されます。 最新の高炉では、各成分の質量と添加のタイミングがコンピュータで制御され、その時の炉の状態に合わせて自動的に反応します。
炉内の圧力を約1.7気圧にすることで、コークスなどの燃料をよりよく燃焼させ、より多くの鉄を生産する。
酸素を多く含んだ熱い空気が、パイユと呼ばれるパイプを通して、底部に吹き込まれる（図3）。
コークスは送風の中で酸素と反応し、還元剤である一酸化炭素を生成する。
石油や天然ガスを使用すると、炭化水素が第2の還元剤である水素を生成する。
図3 鉄鉱石から鉄に還元する高炉。
温度は炉内で変化し、最高温度は底部で、最低温度は上部で、したがってさまざまな反応は炉内の異なるレベルで起こる。
炉の上部付近、約750K（鉄の融点以下）で、鉄（III）化合物は一酸化炭素と水素によって鉄（II）（たとえばFe2O3からFeO）へ還元される。
還元反応の全体式は次のように表される：
溶けた鉄は流れ落ち、炉の底に溜まる。
炉内の温度が1150K以上の領域では、石灰石が解離して酸化カルシウムを生成する。
酸化カルシウムは塩基性であり、鉱石中の酸性不純物と反応してアルミノシリケート・スラグを形成する。 これはまた、さまざまな原料に含まれる硫黄の多くを吸収する。
溶融鉄（純度90～95％、主な不純物は炭素約4％）と液体スラグは、炉の底にある出水孔から炉外に取り出される。
通常、溶けた鉄は耐火物で覆われた魚雷型の運搬用取鍋で300トンの負荷として製鉄所に直接送られます。
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スラグは、数時間ごとに流出して冷却され、セメントや断熱製品などの副産物にしたり道路建設に使用するために処理に送られます。
炉頂から出るガスには窒素、一酸化炭素、二酸化炭素、水素、水の蒸気とほこりが含まれています。 ダストを除去した後、天然ガスと混合されたガスは、「ストーブ」に詰められたレンガを加熱する燃料として使用されます。
図5 レンガストーブは、廃炉ガスからの熱を利用して、
流入空気がバスル管
と羽口を通って高炉に入る前に予熱するために使用します。 これらの省エネルギー対策は、高炉操業全体の経済性に大きな影響を与えます。 その他の対策としては、送風に酸素富化空気の使用、補助燃料としての炭化水素の使用、炉の高圧運転、石灰石の使用の最小化、炉内の化学工程がより迅速に行われ最小量の燃料を使用するための原料の調合などがある。
硫黄の除去
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一部の鋼は非常に低い濃度の硫黄を必要とし、これが脆くして構造破壊につながる可能性がある。 酸素転炉での酸化によって溶銑から除去される他の不純物と異なり、溶銑から硫黄を除去する最も経済的な方法は、製鋼工程の前である。 これは試薬の添加によって行われる。 石灰が使われることが多いが、マグネシウムの方が何倍も効果がある。 試薬は窒素をキャリアーガスとして、溶融鉄の表面よりかなり下に注入される。 例えば、
プロセス中に発生する硫黄を多く含むスラグは、形成されたスカムを迅速にすくい取ることによって除去される。 図6 ニューヨーク市ローワーマンハッタンにあるワンワールドトレードセンターには4万トン以上の高い構造鋼が使われており、西半球で最も高いビルは夕暮れのこの写真に見られるように、このビルは高い。 By kind permission of Marco Vetch (Wikimedia Commons) |
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Date last amend: 2016年10月3日