高炉

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スペイン、セスタオ (Sestao) の高炉

高炉(こうろ、blast furnace)は製鉄所の主要な設備で、鉄鉱石から銑鉄を取り出すための炉。鉄溶鉱炉(てつようこうろ)と呼ばれることもある。大型のものでは高さ 100 メートルを超え、製鉄所のシンボル的存在となっている。

銑鋼一貫製鉄所という、鉄鉱石から高炉、転炉連続鋳造工程を経て最終製品(主として各種鉄板、パイプ類)を生産する大規模な製鉄所のみが高炉を所有している。このような製鉄所を持つ鉄鋼会社は高炉メーカーと呼ばれている。

高炉による銑鉄生産[編集]

1.焼結鉱、石灰石 2.コークス 3.ベルトコンベヤ 4.投入口 5.焼結鉱、塊鉱石、石灰石 6.コークス 7.熱風管 8.スラグ 9.溶銑 10.スラグ車 11.トーピードカー 12.ガス分離器 13.熱風炉 14.煙突 15.冷風 16.微粉炭 17.粉砕機 18.分配器

高炉の頂部から鉄鉱石による金属原料とコークスなどの燃料を兼ねる還元材、不純物除去の目的で石灰石を入れ、下部側面から加熱された空気を吹き入れてコークスを燃焼させる。頂部から投入される原料等はあらかじめ簡単に焼かれて固塊状に加工されており、炉内での高温ガスの上方への流路と原料等の流動性が確保されている。高炉内部ではコークスの炭素が鉄から酸素を奪って熱と一酸化炭素、二酸化炭素を生じる。この反応が熱源となり鉄鉱石を溶かし、炉の上部から下部に沈降してゆく過程で必要な反応が連続的に行なわれ下部に到達する頃には燃焼温度は最高となり、炉の底部で高温液体状の銑鉄が得られる。不純物を多く含む高温液体状のスラグは銑鉄の上に層を成してたまる。銑鉄とスラグは底部側面から適時、自然流動によって取り出される。

高炉頂部からは一酸化炭素、二酸化炭素等を多く含む高温の高炉ガスがパイプによって取り出され、粉塵等がサイクロンで除去された後、随時切り替えられる複数組の熱風炉の1つへと送られる。高温ガスは熱風炉内のレンガ等を加熱した後、煙突より排気される。十分に加熱された熱風炉の1つが排気経路とは別に切り替えられて、外気より取り込まれた冷風が熱風炉により加熱される。熱くなった空気は炉下部の側面より粉砕された微粉末炭と共に圧入され、炉内を上昇する内に酸素が燃焼に寄与する。これらの流れにより一連のガスサイクルを形成する。

高炉にはコークス炉や鉄鉱石焼結炉が常に併設され、投入原料の事前加工が行なわれている。一度、火が入れられた高炉は常に稼動されて、数年に一度の程度の炉内壁の修理等の時以外に停止されることはない。

高炉で作られた銑鉄は保温効率と移送の利便性を兼ね備えた「トーピードカー」(混銑車)と呼ばれる細長いタンク車両に流しこまれて、次の工程へと送られる。送られた銑鉄は溶銑予備処理を施した後、転炉へ入れられ、鋼鉄へと変換される。

主な反応[編集]

製鋼過程の例
鉄鉱石
高炉 - 鉄鉱石から銑鉄を取り出す
溶銑予備処理 - 不純物を酸化させる
転炉 - 不純物を取り除き鉄鋼にする
二次精錬 - 成分を微調整する
連続鋳造 - 一定の形の半製品をつくる
圧延 - 半製品を加工して製品にする
出荷

炭素(コークス)の燃焼によって、一酸化炭素二酸化炭素が生成する。

\rm C + \frac{1}{2}O_2 \longrightarrow CO


\rm C + O_2 \longrightarrow CO_2
\rm CO_2 + C \ \overrightarrow\longleftarrow \ 2CO

生成した一酸化炭素によって一連の鉄の還元反応が起こる。これをまとめて書くと以下の式となる。

\rm Fe_2O_3 + 3CO \longrightarrow 2Fe + 3CO_2


ただし実際には、還元反応は以下のような3段階のプロセスを経る。

\rm Fe_2O_3 \longrightarrow Fe_3O_4 \longrightarrow FeO \longrightarrow Fe


この反応過程は、温度 T による。即ち、

320°C < T < 620°C

\rm 3Fe_2O_3 + CO \longrightarrow 2Fe_3O_4 + CO_2

620°C < T < 950°C

\rm Fe_3O_4 + CO \longrightarrow 3FeO + CO_2

950°C < T

\rm FeO + CO \longrightarrow Fe + CO_2

不純物の除去[編集]

原料鉱石には SiO2 などの不純物が存在する。これを取り除くために高炉中に石灰石(主成分 CaCO3)を入れ、以下の反応により粘性が小さく除去しやすいスラグを生成する。スラグは CaSiO3 などの組成を持つ。

\rm SiO_2 + CaCO_3 \longrightarrow CaSiO_3 + CO_2

この反応のプロセスは以下のとおりである。

\rm CaCO_3 \longrightarrow CaO + CO_2
\rm CaO + SiO_2 \longrightarrow CaSiO_3

歴史[編集]

現在知られている最も古い溶鉱炉は、中国前漢時代(紀元前1世紀頃)のものとみられる。しかし、紀元前5世紀頃と見られる鋳鉄が中国で発見されており、それよりも古い溶鉱炉があった可能性がある。初期の溶鉱炉は、内壁が粘土で作られており、リンを含む鉱石を使用していたと見られる。西洋における最初の溶鉱炉は、スウェーデン1150年から1350年の間に作られたらしい。この溶鉱炉が、独自の技術で作られたのか、モンゴルからもたらされた技術によって作られたのかははっきりしていない。

コークスを使う近代的な高炉が最初に作られたのは1709年で、エイブラハム・ダービーによって開発された。ヨーロッパの森林破壊によって木炭が減少し、そのために石炭が使われたのであるが、その結果製鉄のコストが大幅に下がることになった。しかし、高炉は産業界でもっとも多くCO2を排出する装置であり最近では木炭からコークスへの転換が逆に地球温暖化への歯止めを失ったという反省点も浮上している。

日本における最初の近代高炉は、釜石市大橋高炉である。大島高任が設計・操業に携わり、安政4年(1857年)11月26日火入れ、12月1日初出銑に成功する。この日は(大島が日本鉱業会の初代会長だったため)のちに鉄の記念日に制定された。 これが日本の近代製鉄の始まりである。なお、大島はオランダ人ヒューゲニンの著作を「鉄熕鋳鑑」として翻訳したが、この際に "hoog oven" を「高炉」と訳し、以後この表記が現在に至るまで使用されている。

2004年7月現在、世界で高炉のある製鉄所は、

ほか

日本において高炉のある製鉄所は、

の合計15か所である

日本の高炉の詳細[編集]

会社 製鉄所 高炉番号 炉容積
 (m³)
最近の火入れ




新日鐵住金君津 第1高炉   (1976年2月-休止中)
新日鐵住金君津 第2高炉  3,273 2009年10月4日
新日鐵住金君津 第3高炉  4,822 2001年5月19日(2016年3月休止予定)[1]
新日鐵住金君津 第4高炉  5,555 2003年5月8日
新日鐵住金大分 第1高炉  5,775 2009年8月2日(世界最大)
新日鐵住金大分 第2高炉  5,775 2004年5月(世界最大)
新日鐵住金名古屋 第1高炉  5,443 2007年4月25日
新日鐵住金名古屋 第2高炉  5,443 (1979年4月13日休止、後に解体)
新日鐵住金名古屋 第3高炉  4,300 2000年4月
新日鐵住金八幡 戸畑第1高炉   (1998年休止、解体中)
新日鐵住金八幡 戸畑第4高炉  4,250 1998年2月
新日鐵住金室蘭 第2高炉  2,902 2001年11月(北海製鉄)
新日鐵住金鹿島 第1高炉  5,370 2004年9月
新日鐵住金鹿島 第2高炉   (1973年3月、2007年5月-休止)
新日鐵住金鹿島 第3高炉  5,370 2007年5月
新日鐵住金和歌山 第4高炉  2,700 1967年3月(2009年7月11日吹き止め)
新日鐵住金和歌山 第5高炉  2,700 1969年2月
新日鐵住金和歌山 新第1高炉  3,700 2009年7月17日
新日鐵住金和歌山 新第2高炉  3,700 建設中(稼働時期未定)[1]
新日鐵住金小倉 第2高炉  2,150 2002年4月(3次
日新 日新製鋼呉 第1高炉  2,650  
日新製鋼呉 第2高炉  2,080 2003年11月
神鋼 神鋼加古川 1号高炉  4,550 (2007年休止)
神鋼加古川 2号高炉  5,400 2007年5月29日
神鋼加古川 3号高炉  4,500 2007年
神鋼神戸 新第3高炉  2,112 2007年12月16日


JFE千葉 第6高炉  5,153 1998年5月
JFE京浜 第1高炉  4,907 (2004年3月23日-休止中)
JFE京浜 第2高炉  5,000 2004年3月24日
JFE倉敷 第1高炉  2,564 (休止中)
JFE倉敷 第2高炉  4,100 2003年11月(4次
JFE倉敷 第3高炉  5,055 2010年2月11日(4次
JFE倉敷 第4高炉  5,005 2002年1月(3次
JFE福山 第2高炉  2,828 (2011年5月休止)
JFE福山 第3高炉  4,300 2011年5月(4次
JFE福山 第4高炉  5,000 2006年5月(4次
JFE福山 第5高炉  5,500 2005年3月(3次

脚注[編集]

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  1. ^ a b 新日鐵住金グループの中期経営計画について - 新日鐵住金プレスリリース(2013年3月13日、PDF文書)

関連項目[編集]