鉄鉱石

ブラジルの鉱山で採掘される主な鉄鉱石、ヘマタイト
このような鉄鉱石ペレットの備蓄は鉄鋼生産に使用されます。
オハイオ州トレドの港で鉄鉱石が荷降ろしされている様子のイラスト

鉄鉱石[ 1 ]は、金属鉄を経済的に抽出できる岩石や鉱物です。鉱石は通常、鉄酸化物を豊富に含み、色は濃い灰色、明るい黄色、濃い紫色から赤錆色まで様々です。鉄は通常、磁鉄鉱（Fe3O4、72.4% Fe）、ヘマタイト（Fe2O3、69.9% Fe）、ゲーサイト（FeO(OH)、62.9% Fe）、褐鉄鉱（FeO(OH)·n(H 2 O)、55% Fe）、または菱鉄鉱（FeCO 3、48.2% Fe）。

非常に高濃度のヘマタイトまたはマグネタイト（通常、鉄含有量が約60%以上）を含む鉱石は、天然鉱石または直送鉱石と呼ばれ、製鉄用の高炉に直接投入することができます。鉄鉱石は銑鉄の原料であり、銑鉄は鋼鉄の主要原料の一つです。採掘された鉄鉱石の98%は鋼鉄の製造に使用されています。[ 2 ] 2011年、フィナンシャル・タイムズ紙は、バークレイズ・キャピタルの鉱業アナリストであるクリストファー・ラフェミナ氏の言葉を引用し、鉄鉱石は「おそらく石油を除けば、世界経済にとって他のどの商品よりも不可欠なもの」であると述べています。[ 3 ]

出典

元素鉄は、隕石やマントル深部捕獲岩の散発的な形態に含まれる鉄ニッケル合金を除いて、地球表面にはほとんど存在しません。鉄は地殻中で4番目に豊富な元素であり、重量比で約5%を占めていますが[ 4 ] 、その大部分はケイ酸塩鉱物、あるいはより稀に炭酸塩鉱物に結合しており、これらの鉱物から純粋な鉄を製錬するには膨大なエネルギーが必要となります。そのため、人間の産業が利用するすべての鉄源は、比較的希少な酸化鉄鉱物、主にヘマタイトを利用しています。

先史時代の社会では、鉄鉱石の供給源としてラテライトが利用されていました[ 5 ] 。産業革命以前は、アメリカ独立戦争やナポレオン戦争など、鉄の大部分は広く入手可能な針鉄鉱や沼地鉱石から得られていました。歴史的に、工業化社会で利用された鉄鉱石の多くは、主に鉄品位70%程度のヘマタイト鉱床から採掘されてきました。これらの鉱床は一般に「直送鉱石」または「天然鉱石」と呼ばれています。第二次世界大戦後、鉄鉱石需要の増加と米国における高品位ヘマタイト鉱石の枯渇により、主にマグネタイトとタコナイトを用いた低品位鉄鉱石の開発が進みました。

鉄鉱石の採掘方法は、採掘される鉱石の種類によって異なります。現在、採掘されている鉄鉱石鉱床は、鉱床の鉱物学的特性と地質学的特性に応じて、主に4種類あります。これらは、磁鉄鉱、チタン磁鉄鉱、赤鉄鉱、およびピソライト鉄鉱です。[ 2 ]

鉄の起源は、究極的には恒星における核融合反応による生成にまで遡ることができます。鉄の大部分は、超新星爆発を起こすほどの大きさを持つ、死にゆく恒星に由来すると考えられています。[ 6 ]地球の核は主に鉄で構成されていると考えられていますが、地表からはアクセスできません。一部の鉄隕石は、直径1,000 km (620 mi) 以上の小惑星に由来すると考えられています。 [ 7 ]

縞状鉄鉱層

縞状鉄鉱石。推定21億年前のものです
製鋼に使用される、表面が赤みがかった酸化処理されたタコナイトペレット。スケールとして、米国の25セント硬貨（直径：24 mm [0.94インチ]）が示されています。

縞状鉄鉱層（BIF）は、鉄を15%以上含む堆積岩で、主に薄層鉄鉱物とシリカ（石英）で構成されています。縞状鉄鉱層は先カンブリア時代の岩石にのみ見られ、通常は弱変成から強変成を受けています。縞状鉄鉱層には炭酸塩（シデライトまたはアンケライト）またはケイ酸塩（ミネソタ石、グリーナライト、またはグルネライト）の形で鉄が含まれていますが、鉄鉱石として採掘される場合は酸化物（マグネタイトまたはヘマタイト）が主な鉄鉱物です。[ 8 ]縞状鉄鉱層は北米では タコナイトとして知られています。

採掘には、膨大な量の鉱石と廃棄物の運搬が伴います。廃棄物には、鉱山内の鉱石以外の岩盤（表土または中間土、地元ではマロックと呼ばれます）と、鉱石自体の本質的な一部である不要な鉱物（脈石）の2つの形態があります。マロックは採掘され、廃棄物集積場に積み上げられます。脈石は選鉱工程で分離され、尾鉱として除去されます。タコナイトの尾鉱は、主に化学的に不活性な石英鉱物です。この物質は、規制された大規模な沈殿池に保管されます。

磁鉄鉱鉱石

磁鉄鉱鉱石が経済的であるための重要なパラメータは、磁鉄鉱の結晶度、縞状鉄鉱層の母岩中の鉄の品位、そして磁鉄鉱精鉱中に存在する汚染元素です。縞状鉄鉱層は数百メートルの厚さになり、走向に沿って数百キロメートルに広がり、含まれる鉱石の量は容易に30億トンを超えるため、 ほとんどの磁鉄鉱資源のサイズと剥土比は無関係です

磁鉄鉱を含む縞状鉄鉱層が経済的に採算が取れる典型的な鉄品位は、鉄分約25%です。この場合、通常、重量比で33%から40%の磁鉄鉱回収率が得られ、重量比で鉄分64%以上の精鉱が得られます。典型的な磁鉄鉱精鉱は、リン0.1%未満、シリカ3～7% 、アルミニウム3%未満を含みます。

2019年現在、磁鉄鉱はアメリカのミネソタ州とミシガン州、カナダ東部、スウェーデン北部で採掘されています。[ 9 ]磁鉄鉱を含む縞状鉄鉱層は2019年現在ブラジルで広く採掘されており、アジアに大量に輸出されています。また、オーストラリアには初期段階の大規模な磁鉄鉱鉱石産業があります。[ 10 ] [ 11 ]

直送鉄鉱（ヘマタイト）

直送鉄鉱（DSO）鉱床（通常はヘマタイトで構成）は現在、南極大陸を除くすべての大陸で採掘されており、南米、オーストラリア、アジアで最も盛んに採掘されています。大規模なヘマタイト鉄鉱床のほとんどは、変質した縞状鉄鉱層と（まれに）火成岩の堆積物から産出されます

DSO鉱床は、磁鉄鉱を含むBIFやその他の主要な供給源となる岩石、あるいは原岩よりも一般的に希少ですが、鉄含有量が多いため選鉱工程が少なく、採掘と処理がかなり安価です。しかし、DSO鉱石はペナルティ元素の濃度が著しく高い場合があり、典型的にはリン、水分含有量（特にピソライト堆積層）、アルミニウム含有量（ピソライト中の粘土）が高くなります。輸出グレードのDSO鉱石は、一般的に鉄含有量が62～64%です。[ 12 ]

マグマ性磁鉄鉱鉱床

花崗岩や超カリウム質火成岩は、磁鉄鉱結晶を分離し、経済的な濃縮に適した磁鉄鉱の塊を形成するために時々使用されました。 [ 13 ]チリに見られるいくつかの鉄鉱石鉱床は、磁鉄鉱斑晶の重要な蓄積を含む火山流から形成されています。[ 14 ]

鉱山の尾鉱

鉄鉱石精鉱1トン生産されるごとに、約2.5～3.0トンの鉄鉱石尾鉱が排出されます。統計によると、毎年1億3000万トンの鉄鉱石尾鉱が排出されています。たとえば、鉱山尾鉱に平均約11％の鉄が含まれている場合、年間約141万トンの鉄が廃棄されることになります。[ 15 ]これらの尾鉱には銅、ニッケル、コバルトなどの他の有用な金属も多く含まれており、[ 16 ]舗装材や充填材などの道路建設資材、セメント、低品位ガラス、壁材などの建築資材に使用できます。 [ 15 ] [ 17 ] [ 18 ]尾鉱は比較的品位の低い鉱石ですが、採掘する必要がないため、収集コストも安価です。このため、マグネテーションなどの企業は、鉄鉱石の尾鉱を金属鉄の供給源として利用する再生プロジェクトを開始しました。[ 15 ]

鉄鉱石尾鉱から鉄をリサイクルする主な方法は、磁化焙焼と直接還元の2つである。磁化焙焼では、700～900℃（1,290～1,650°F）の温度で1時間未満加熱して、鉄の製錬に使用する鉄精鉱（Fe 3 O 4 ）を生成する。磁化焙焼では、Fe 2 O 3は磁性が低く分離が難しいため、酸化とFe 2 O 3の生成を防ぐために還元雰囲気にすることが重要だ。 [ 15 ] [ 19 ]直接還元では、1,000℃（1,830°F）を超える高温と2～5時間の長時間加熱を行う。直接還元は、製鋼に使用するスポンジ鉄（Fe）を生成するのに用いられる。直接還元では、温度が高く時間が長いためより多くのエネルギーが必要となり、磁化焙焼よりも多くの還元剤が必要となる。[ 15 ] [ 20 ] [ 21 ]

抜粋

低品位の鉄鉱石は通常、破砕、粉砕、重力分離または重質媒体分離、ふるい分け、シリカフロス浮選などの技術を用いた選鉱処理によって鉱石の濃度を高め、不純物を除去する必要があります。その結果得られる高品質の微細鉱石粉末は、微粉と呼ばれます。

磁鉄鉱

磁鉄鉱は磁性を持つため、脈石鉱物から容易に分離でき、不純物の極めて少ない高品質の精鉱を生産することができます

磁鉄鉱の粒径とシリカ基質との混合度合いによって、効率的な磁気分離を可能にして高純度の磁鉄鉱精鉱を得るために岩石を粉砕する必要がある粒度が決まります。これにより、粉砕操作に必要なエネルギー投入量が決まります。

縞状鉄鉱層の採掘には、粗い破砕とふるい分け、続いて粗い破砕と微粉砕が行われ、得られた粉末を磁気分離機に通したときに石英が残る程度まで、結晶化した磁鉄鉱と石英が細かくなるまで鉱石が粉砕されます。

一般的に、低シリカ磁鉄鉱精鉱を生産するには、ほとんどの磁鉄鉱縞状鉄鉱床を32～45μm（0.0013～0.0018インチ）に粉砕する必要があります。磁鉄鉱精鉱の品位は、一般的に重量比で70%以上の鉄を含み、リン、アルミニウム、チタン、シリカの含有量が低いため、高値で取引されます。

ヘマタイト

ヘマタイトは関連するケイ酸塩脈石に比べて密度が高いため、ヘマタイトの選鉱は通常、複数の選鉱技術を組み合わせて行われます。一つの方法は、細かく砕いた鉱石を磁鉄鉱またはフェロシリコンなどの他の物質を含むスラリーに通すことで密度を高めます。スラリーの密度が正しく調整されていれば、ヘマタイトは沈み、ケイ酸塩鉱物の破片は浮上して除去できます。[ 22 ]

生産と消費

カナダ、中国、オーストラリア、ブラジル、アメリカ合衆国、スウェーデン、ソ連、ロシア、そして世界における採掘された鉄鉱石の品位の推移。近年の世界の鉱石品位の低下は、低品位の中国産鉱石の大量消費によるものです。一方、アメリカの鉱石は、販売前に通常61%から64%の品位向上が行われます。[ 23 ]
2015年の使用可能な鉄鉱石生産量（トン）[ 24 ]
国生産量
オーストラリア8億1,700万トン（8億400万ロングトン、9億100万ショートトン）
ブラジル3億9,700万トン（3億9,100万ロングトン、4億3,800万ショートトン）
中国3億7,500万トン（3億6,900万ロングトン、4億1,300万ショートトン）[ a ]
インド1億5,600万トン（1億5,400万ロングトン、1億7,200万ショートトン）
ロシア1億100万トン（9900万長トン、1億1100万短トン）
南アフリカ7,300万トン（7,200万ロングトン、8,000万ショートトン）
ウクライナ67,000,000 t (66,000,000長トン、74,000,000短トン)
アメリカ合衆国4,600万トン（4,500万ロングトン、5,100万ショートトン）
カナダ4,600万トン（4,500万ロングトン、5,100万ショートトン）
イラン2,700万トン（2,700万ロングトン、3,000万ショートトン）
スウェーデン25,000,000 t (25,000,000長トン; 28,000,000短トン)
カザフスタン2100万トン（2100万ロングトン、2300万ショートトン）
その他の国1億3,200万トン（1億3,000万長トン、1億4,600万短トン）
世界合計22億8000万トン（2.24 × 10⁻⁻トン、2.51 × 10⁻⁻トン）

鉄鉱石は2021年に世界中で採掘された金属の93％を占めています。[ 26 ]鉄を主成分とする鋼鉄は、年間使用される金属のほぼ95％を占めています。[ 3 ]主に構造物、船舶、自動車、機械に使用されています。

鉄分を豊富に含む岩石は世界中で広く見られますが、鉱石グレードの商業採掘は、別表に記載されている国々で独占されています。鉄鉱石鉱床の経済性に対する主要な制約は、必ずしも鉱床の品位や規模ではありません。なぜなら、十分な量の岩石が存在することを地質学的に証明することはそれほど難しくないからです。主な制約は、市場における鉄鉱石の位置、市場に輸送するための鉄道インフラのコスト、そして輸送に必要なエネルギーコストです。

鉄鉱石の採掘は、鉄の価値が卑金属に比べて大幅に低いため、大量生産・低利益の事業である。[ 27 ]非常に資本集約的であり、鉱山から貨物船に鉄鉱石を輸送するために鉄道などのインフラに多額の投資が必要である。[ 27 ]これらの理由から、鉄鉱石の生産は少数の大手企業に集中している。

世界の鉄鉱石生産量は、年間平均20億トン（2.0 × 10⁻⁻トン、2.2 × 10⁻⁻トン）です。世界最大の鉄鉱石生産者はブラジルの鉱業会社ヴァーレで、これにオーストラリアのリオ・ティントとBHPが続きます。さらにオーストラリアの供給業者であるフォーテスキューも、オーストラリアの鉄鉱石生産量を世界一に押し上げる一翼を担っています。

鉄鉱石の海上貿易量、すなわち他国へ輸送される鉄鉱石の量は、2004年には8億4,900万トン（8億3,600万ロングトン、9億3,600万ショートトン）であった。[ 27 ]オーストラリアとブラジルが海上貿易を支配しており、市場の72％を占めている。[ 27 ] BHP、リオ、ヴァーレの3社でこの市場の66％をコントロールしている。[ 27 ]

オーストラリアでは、鉄鉱石は主に3つの産地から産出されます。1つはピソライト「チャネル鉄鉱床」と呼ばれる鉱石で、これは初生縞状鉄鉱層の機械的侵食によって生成され、パンナウォニカなどの沖積河川に堆積したものです。もう1つは、ニューマン、チチェスター山脈、ハマーズレー山脈、そして西オーストラリア州のクーリヤノブなどで見られる、交代作用によって変質した縞状鉄鉱床関連の鉱石です。最近では、西オーストラリア州のアーガイル湖付近のラテライト鉄鉱床に見られるような、酸化鉄含有硬質岩など、他の種類の鉱石も注目を集めています。

インドの鉄鉱石の回収可能な総埋蔵量は、ヘマタイトが約96億200万トン（9.450 × 10 9長トン、1.0584 × 10 10ショートトン） 、マグネタイトが34億800万トン（3.354 × 10 9長トン、3.757 × 10 9ショートトン）である。[ 28 ]チャッティースガル州、マディヤ・プラデーシュ州、カルナタカ州、ジャールカンド州、オリッサ州、ゴア州、マハラシュトラ州、アーンドラ・プラデーシュ州、ケララ州、ラジャスタン州、タミル・ナードゥ州がインドの主要鉄鉱石生産地である。世界の鉄鉱石消費量は平均して年間10％増加しており、主な消費者は中国、日本、韓国、米国、欧州連合である。

中国は現在、世界最大の鉄鉱石消費国であり、世界最大の鉄鋼生産国である。また、世界最大の輸入国でもあり、2004年には鉄鉱石海上貿易の52%を輸入した。[ 27 ]中国に次いで、日本と韓国が大量の鉄鉱石と冶金用石炭を消費している。2006年には、中国の鉄鉱石生産量は5億8,800万トン（5億7,900万ロングトン、6億4,800万ショートトン）で、年間成長率は38%であった。

鉄鉱石市場

鉄鉱石価格（月次）
  中国輸入鉄鉱石スポット価格[ 29 ]
  世界の鉄鉱石価格[ 30 ]
鉄鉱石価格（日次）2010年10月25日～2022年8月4日

過去40年間、鉄鉱石価格は、スポット市場と契約市場の両方を支配する少数の鉱山会社と鉄鋼会社の間の非公開の交渉で決定されてきました。 2006年までは、価格は大手鉄鉱石生産者（ BHP、リオティント、ヴァーレ）と日本の輸入業者の間で毎年行われるベンチマーク交渉で決定されていました。[ 31 ] : 31 2006年に、中国企業の宝鋼が輸入業者側の交渉を担当し始めました。[ 31 ] : 31 中国政府は、2009年に宝鋼に代わり中国鋼鉄協会を主導交渉者に任命しました。[ 31 ] : 109 伝統的に、主要な生産者と主要な輸入業者の間で達した最初の合意が、業界全体が従うベンチマークを設定します。[ 3

シンガポール商品取引所（SMX）は、幅広い業界関係者と、中国の独立系鉄鋼コンサルタント兼データプロバイダーである上海スチールホームの中国全土の鉄鋼生産者と鉄鉱石トレーダーの広範な連絡先ベースからの毎日の価格データを使用するメタル・ブレティン鉄鉱石指数（MBIOI）に基づく世界初のグローバル鉄鉱石先物契約を開始しました。 [ 32 ]先物契約は、取引開始から8か月を経て、月間取引量が150万トン（ロングトン150万、ショートトン170万）を超えています。[ 33 ]

この動きは、2010年初頭に世界三大鉄鉱石鉱山会社であるヴァーレ、リオ・ティント、BHPが40年続いたベンチマーク年間価格設定の伝統を破り、指数ベースの四半期価格設定に切り替えたことに続くものである。[ 34 ]

Feベンチマーク

世界の鉄鉱石市場では、歴史的に鉄（Fe）含有量62%の鉱石を基準として価格設定を行ってきました。しかし、近年、採掘された鉱石の平均鉄含有量は徐々に低下し、不純物の含有量が増加しています。その結果、62%のFeという基準は、市場で取引される典型的な鉱石（一般的には61%に近い鉄含有量）を正確に反映しなくなりました。こうした変化に対応して、鉄鉱石業界は2026年から61%のFe鉱石を基準とする新たな価格設定基準に移行する予定です。[ 35 ]

国別の埋蔵量

世界の利用可能な鉄鉱石資源

鉄は地球上で最も豊富な元素ですが、地殻には存在しません。[ 36 ]利用可能な鉄鉱石埋蔵量は不明ですが、ワールドウォッチ研究所のレスター・ブラウンは2006年に、需要が年間2%増加すると仮定すると、鉄鉱石は64年以内（つまり2070年までに）に枯渇する可能性があると示唆しました。[ 37 ]

オーストラリア

2018年、ジオサイエンス・オーストラリアは、同国の鉄の「経済的に実証された資源量」が現在33ギガトン、つまり330億トン（3.2 × 10⁻⁻トン、3.6 × 10⁻⁻トン）であると計算しました[ 38 ] 2021年の別の推計では、オーストラリアの鉄鉱石埋蔵量は52,000,000,000トン（5.1 × 10 10長トン、5.7 × 10 10短トン）とされており、これは世界の推定埋蔵量170,000,000,000トン（1.7 × 10 11長トン、1.9 × 10 11短トン）の30%に相当し、そのうち西オーストラリア州が28,000,000,000トン（2.8 × 10 10長トン、3.1 × 10 10短トン）を占めています。[ 39 ]西オーストラリア州ピルバラ地域の現在の生産量は、年間およそ8億4,400万トン（8億3,100万ロングトン、9億3,000万ショートトン）で、増加傾向にあります。[ 40 ]ギャビン・マッド（RMIT大学）とジョナサン・ロー（CSIRO）は、それぞれ30～50年と56年以内に枯渇すると予想しています。[ 41 ]これらの2010年の推定値は、低品位鉄鉱石への需要の変化や採掘・回収技術の向上（地下水面下のより深い採掘を可能にする）を考慮して、継続的な見直しが必要です。

ブラジル

ブラジルはオーストラリアに次ぐ世界第2位の鉄鉱石生産国であり、世界の鉄鉱石生産量の16%を占めています。2010年から2020年にかけては、 2015年のマリアナダム災害、そして2019年のブルマジーニョダム災害による両鉱山の生産停止の影響もあり、生産量はやや低迷しましたが、2021年には4億3,100万トン（ロングトン4億2,400万トン、ショートトン4億7,500万トン）と着実に増加しています。 2022年には4億3,500万トン（4億2,800万ロングトン、4億8,000万ショートトン）に増加し、2023年には4億4,000万トン（4億3,000万ロングトン、4億9,000万ショートトン）に増加する。[ 42 ]

ブラジルの生産量は2023年から2027年の間に年平均成長率2％で増加すると予想されており[ 43 ]、業界アナリストのフィッチ・ソリューションズは2021年に、ブラジルの年間生産量は2030年までに5億9,200万トン（5億8,300万ロングトン、6億5,300万ショートトン）に達すると予測した[ 44 ]。

カナダ

2017年、カナダの鉄鉱山は4,900万トン（4,800万ロングトン、5,400万ショートトン）の精鉱ペレット鉄鉱石と1,360万トンの粗鋼を生産しました。1,360万トン（1,340万ロングトン、1,500万ショートトン）の鋼鉄のうち、700万トン（690万ロングトン、770万ショートトン）が輸出され、4,310万トン（4,240万ロングトン、4,750万ショートトン）の鉄鉱石が46億ドル相当輸出されました輸出された鉄鉱石のうち、38.5%は鉄鉱石ペレットで23億ドル、61.5%は鉄鉱石濃縮物で23億ドルであった。[ 45 ] カナダの鉄鉱石の46%はニューファンドランド島ラブラドールシティにあるアイアンオアカンパニーオブカナダの鉱山から産出され、二次的な産地としてはヌナブト準州のメアリーリバー鉱山などがある。[ 45 ] [ 46 ]

インド

米国地質調査所の2021年鉄鉱石報告書によると、[ 47 ]インドは2020年に5900万トン（5800万ロングトン、6500万ショートトン）の鉄鉱石を生産すると推定されており、オーストラリア、ブラジル、中国、ロシア、南アフリカ、ウクライナに次いで世界第7位の鉄鉱石生産拠点となっています

2023年のインドの鉄鉱石生産量は2億8500万トンで、世界第4位の生産量となった。[ 48 ]

ウクライナ

米国地質調査所の2021年の鉄鉱石に関する報告書によると、[ 47 ]ウクライナは2020年に62,000,000トン（61,000,000ロングトン、68,000,000,000ショートトン）の鉄鉱石を生産したと推定されており、オーストラリア、ブラジル、中国、インド、ロシア、南アフリカに次いで世界第7位の鉄鉱石生産地となっている。ウクライナの鉄鉱石生産者には、フェレックスポ、メティンベスト、アルセロール・ミッタル・クリヴィーイ・リーフなどがある。

アメリカ合衆国

2014年、アメリカ合衆国の鉱山では5,750万トン（5,660万ロングトン、6,340万ショートトン）の鉄鉱石が生産され、推定価値は51億ドルでした。[ 49 ]アメリカ合衆国の鉄鉱石採掘は、世界の鉄鉱石生産量の2%を占めると推定されています。アメリカ合衆国には12の鉄鉱石鉱山があり、そのうち9つは露天掘り、3つは再生採掘です。また、2014年にはペレット化工場が10か所、選鉱工場が9か所、直接還元鉄（DRI）工場が2か所、鉄ナゲット工場が1か所稼働していました。[ 49 ]アメリカ合衆国では、鉄鉱石採掘の大部分はスペリオル湖周辺の鉄鉱石地帯で行われていますこれらの鉄鉱石地帯はミネソタ州とミシガン州に存在し、2014年に米国で生産された利用可能な鉄鉱石の93%を占めました。米国で稼働中の露天掘り鉱山9ヶ所のうち7ヶ所はミネソタ州にあり、尾鉱再生事業3ヶ所のうち2ヶ所もミネソタ州にあります。他の2ヶ所の露天掘り鉱山はミシガン州にあります。2016年には、この2ヶ所のうち1ヶ所が閉鎖されました。[ 49 ]ユタ州とアラバマ州にも鉄鉱山がありましたが、ユタ州の最後の鉄鉱山は2014年に閉鎖され[ 49 ]、アラバマ州の最後の鉄鉱山は1975年に閉鎖されました[ 50 ]。

製錬

鉄鉱石は酸素と鉄の原子が分子状に結合して構成されています。金属鉄に変換するには、製錬するか、直接還元プロセスに送って酸素を除去する必要があります。酸素と鉄の結合は強く、酸素から鉄を取り除くには、より強い元素結合を酸素に結び付ける必要があります。炭素が使用されるのは、高温では炭素と酸素の結合の強度が鉄と酸素の結合の強度よりも大きいためです。そのため、鉄鉱石は粉末状にされ、コークスと混合されて製錬プロセスで燃焼されます

一酸化炭素は、鉄から酸素を化学的に除去するための主成分です。したがって、鉄と炭素の製錬は、炭素の燃焼を促進してCOを生成するために、酸素欠乏（還元）状態に保つ必要があります。2。

  • 空気噴射と木炭（コークス）：2C + O2 → 2CO
  • 一酸化炭素 (CO) が主な還元剤です。
    • ステージ 1: 3 Fe 2 O 3 + CO → 2 Fe 3 O 4 + CO 2
    • ステージ 2: Fe 3 O 4 + CO → 3 FeO + CO 2
    • ステージ3：FeO + CO → Fe + CO 2
  • 石灰石の焼成：CaCO 3 → CaO + CO 2
  • フラックスとして作用する石灰：CaO + SiO 2 → CaSiO 3

微量元素

微量元素を含むだけでも、鉄の挙動特性や製錬所の操業に大きな影響を与える可能性があります。これらの影響には良いものと悪いものがあり、中には壊滅的な害を及ぼすものもあります。高炉の効率を高めるフラックスなど、意図的に添加される化学物質もあります。また、鉄の流動性を高めたり、硬くしたり、その他の望ましい特性を与えたりするために添加される化学物質もあります。鉱石、燃料、フラックスの選択によって、スラグの挙動や生産される鉄の操業特性が決まります。理想的には、鉄鉱石には鉄と酸素だけが含まれています。実際には、そうであることは稀です。一般的に、鉄鉱石には現代の鉄鋼には望ましくない多くの元素が含まれています

ケイ素

シリカ（SiO2）は鉄鉱石にほぼ必ず含まれています。そのほとんどは製錬工程でスラグとして除去されます。1300℃（2370℉）以上の温度では、一部は還元され、鉄と合金を形成します。炉の温度が高いほど、鉄に含まれるケイ素の量が多くなります。16世紀から18世紀のヨーロッパの鋳鉄には、最大1.5%のケイ素が含まれていることも珍しくありません

シリコンの重要な効果は、ねずみ鋳鉄の形成を促進することです。ねずみ鋳鉄は白鋳鉄よりも脆くなく、仕上げも容易です。そのため、鋳造用途では好まれます。英国の冶金学者トーマス・ターナーは、シリコンが収縮と鋳巣の形成を抑制し、不良鋳物の数を減少させると報告しています。しかし、鉄中のシリコン含有量が多すぎると、脆性が増し、硬度が中程度になります。[ 51 ]

リン

リン（P）は鉄に4つの重要な効果をもたらします。硬度と強度の増加、固相線の低下、流動性の向上、そして冷間脆性です。鉄の用途に応じて、これらの効果は良いものにも悪いものにもなります。湿原鉱石はしばしばリン含有量が高いです。[ 52 ]

鉄の強度と硬度は、リンの濃度とともに増加します。錬鉄に 0.05% のリンが含まれると、中炭素鋼と同程度の硬度になります。高リンの鉄は、冷間鍛造によっても硬化できます。硬化効果はリンの濃度に関わらず当てはまります。リンが多いほど鉄は硬くなり、鍛造による硬化の度合いも大きくなります。現代の鉄鋼メーカーは、リンのレベルを 0.07 ～ 0.12% に保つことで、耐衝撃性を犠牲にすることなく硬度を 30% も増加させることができます。また、焼き入れによる硬化の深さも深くなりますが、同時に、高温での鉄内の炭素の溶解度も低下します。そのため、炭素の吸収速度と量が最優先事項となる ブリスター鋼 (セメンテーション) の製造における有用性は低下します。

リンの添加には欠点がある。濃度が0.2%を超えると、鉄は低温で脆くなり、冷間脆性が高まる。冷間脆性は特に棒鉄にとって重要である。棒鉄は通常高温で加工されるが、その用途では室温で強靭で、曲げやすく、衝撃に強いことが求められることが多い。ハンマーで叩くと砕ける釘や、岩にぶつかると壊れる馬車の車輪では売れないだろう。リン濃度が高すぎると、どんな鉄も使えなくなる。[ 53 ]冷間脆性の影響は温度によって増幅される。そのため、夏には全く問題なく使える鉄片が、冬には非常に脆くなる可能性がある。中世には、非常に裕福な人が夏用にリン含有量の高い剣、冬用にリン含有量の低い剣を持っていたという証拠がある。[ 53 ]

鋳造工程において、リンの慎重な管理は大きな利点となる。リンは液相線温度を低下させ、鉄の溶融状態を長く保ち、流動性を高める。1%のリン添加で、溶融鉄の流動距離を2倍にすることができる。[ 53 ]最大効果は約500℃（932℉）で、濃度10.2%で達成される。[ 54 ]鋳造作業において、ターナー[ 55 ]は理想的な鉄はリン含有量0.2～0.55%であると考えた。その結果、空隙の少ない鉄充填鋳型が得られ、収縮も少なくなる。19世紀には、装飾鋳鉄の製造業者の中には、最大5%のリンを含む鉄を使用する者もいた。この極めて高い流動性により、非常に複雑で繊細な鋳物を作ることができたが、強度がないため、重量を支えることはできなかった。[ 56 ]

高リン鉄の対策は2つあります。最も古く、最も簡単で、最も安価なのは、鉄鉱石を避けることです。鉄鉱石から生産された鉄が冷間欠乏症を患っていた場合、新たな鉄鉱石の供給源を探します。2つ目の方法は、精錬工程で酸化鉄を添加し、リンを酸化させる方法です。この技術は19世紀のパドリングと関連付けられることが多く、それ以前には理解されていなかった可能性があります。例えば、マールボロ製鉄所の所有者であるアイザック・ゼーンは、1772年にはこの技術について知らなかったようです。ゼーンは最新の技術動向に常に通じていたことで知られていたため、バージニア州とペンシルベニア州の製鉄業者にはこの技術は知られていなかったと考えられます。

リンは、わずか0.6%の濃度でも鋼を脆くするため、一般的に有害な汚染物質と考えられています。 1870年代にギルクリスト・トーマス法によって鋳鉄から大量のリンを除去できるようになったことは、当時ヨーロッパ大陸で採掘されていた鉄鉱石のほとんどがリンであったため、大きな進歩でした。しかし、フラックス処理や精錬によってすべての汚染物質を除去するのは複雑なため、望ましい鉄鉱石は一般的にリン含有量が低いものでなければなりません。

アルミニウム

鉄鉱石、砂、一部の石灰岩など、多くの鉱石には微量のアルミニウム（Al）が含まれています。アルミニウムは、製錬前に鉱石を洗浄することで除去できます。レンガで内張りされた炉が導入されるまでは、アルミニウムの汚染量は鉄やスラグに影響を与えないほど少量でした。しかし、炉床や高炉の内部にレンガが使われるようになると、アルミニウムの汚染量は劇的に増加しました。これは、溶融スラグによる炉内壁の侵食が原因でした

アルミニウムは還元が困難です。そのため、鉄へのアルミニウムの汚染は問題になりません。しかし、スラグの粘度は上昇します。[ 57 ] [ 58 ]これは炉の操業にいくつかの悪影響を及ぼします。スラグが厚くなると、装入物の降下速度が遅くなり、処理時間が長くなります。また、アルミニウム含有量が多いと、溶融スラグの取り出しが困難になります。極端な場合には、炉の凍結につながる可能性があります。

高アルミニウムスラグへの解決策はいくつかあります。まず、アルミニウム含有量の高い鉱石や石灰源を使用しないことです。石灰フラックスの比率を高めると粘度が低下します。[ 58 ]

硫黄

硫黄（S）は石炭によく含まれる不純物です。多くの鉱石にも少量含まれていますが、焼成によって除去できます。硫黄は、鉄の製錬温度において、液体鉄にも固体鉄にも容易に溶解します。たとえ少量の硫黄であっても、即座に深刻な影響を及ぼします。これは製鉄業者が最初に発見した原因の一つです。硫黄は鉄を赤熱させたり、熱間短絡させたりします。[ 59 ]

高温の短鉄は、高温になると脆くなります。これは深刻な問題でした。17世紀から18世紀にかけて使用されていた鉄のほとんどは棒鉄または錬鉄だったからです。錬鉄は、高温の状態でハンマーで繰り返し叩くことで成形されます。高温の短鉄は、ハンマーで加工すると割れてしまいます。高温の鉄や鋼に割れが生じると、露出した表面はすぐに酸化します。この酸化物層は、溶接による割れの修復を妨げます。大きな割れは鉄や鋼を破壊し、小さな割れは使用中に破損する原因となります。高温脆さの程度は、含まれる硫黄の量に正比例します。今日では、硫黄含有量が0.03%を超える鉄は避けられています。

高温の短鉄は加工可能ですが、低温で加工する必要があります。低温での加工は、鍛冶屋や鍛冶職人の肉体的な負担が大きくなります。同じ結果を得るには、より頻繁に、より強く金属を叩く必要があります。硫黄でわずかに汚染された延べ棒も加工可能ですが、はるかに多くの時間と労力を必要とします。

鋳鉄では、硫黄は白鉄の形成を促進する。わずか0.5％の硫黄でも、緩やかな冷却と高シリコン含有量の影響を打ち消すことができる。[ 60 ]白鋳鉄は脆いが、より硬い。加工が難しいため、一般的には避けられるが、中国では例外である。中国では、石炭とコークスから作られた、硫黄含有量が0.57％にも達する高硫黄鋳鉄が鐘やチャイムの製造に使用されていた。[ 61 ] Turner（1900 、pp.200）によると、良質の鋳鉄は硫黄含有量が0.15％未満であるべきである。世界のその他の地域では、硫黄含有量の高い鋳鉄は鋳物の製造に使用できるが、錬鉄としては質の悪いものになる。

硫黄汚染への対策は数多く存在します。まず第一に、そして有史以前および先史時代の操業において最も多く用いられてきたのは、硫黄汚染の回避です。石炭は硫黄を含み、高温の短鉄を引き起こすため、ヨーロッパでは（中国とは異なり）製錬の燃料として使用されませんでした。ある鉱石から高温の​​短鉄が生成される場合、製鉄業者は別の鉱石を探しました。1709年（あるいはそれ以前）にヨーロッパの高炉で初めて鉱石炭が使用された際、石炭はコークス化されていました。1829年に熱風炉が導入されて初めて、生の石炭が使用されるようになりました。

鉱石焙煎

硫黄は、焙焼と洗浄によって鉱石から除去できます。焙焼により硫黄は酸化されて二酸化硫黄（SO 2）となり、大気中に放出されるか、洗い流されます。温暖な気候では、黄鉄鉱を雨にさらしておくことも可能です。雨、バクテリア、熱の複合作用により、硫化物は硫酸と硫酸塩に酸化され、水溶性で浸出されます。[ 62 ]しかし、歴史的には（少なくとも）、硫化鉄（黄鉄鉱FeS2）は一般的な鉄鉱物ですが、鉄金属の生産のための鉱石としては利用されていません。スウェーデンでは自然風化も利用されていました。地質学的な速度で同じプロセスが進むと、ゴッサン褐鉄鉱鉱石が生成されます

低硫黄鉄の重要性は、16世紀から18世紀にかけてスウェーデン、ロシア、スペインで鉄が一貫して高値で取引されていたことからも明らかです。今日では、硫黄はもはや問題ではありません。現代の解決策はマンガンの添加ですが、硫黄を中和するには少なくとも5倍のマンガンを添加する必要があるため、作業者は鉄に含まれる硫黄の量を把握しておく必要があります。歴史的な鉄の中にはマンガン濃度が表示されているものもありますが、そのほとんどは硫黄を中和するために必要な濃度をはるかに下回っています。[ 60 ]

硫化マンガン(MnS)などの硫化物介在物も、 AISI 304 鋼などの低品質ステンレス鋼で深刻な孔食腐食問題の原因となることがあります。[ 63 ] [ 64 ]酸化条件下および水分の存在下で硫化物が酸化されると、中間種としてチオ硫酸陰イオンが生成され、チオ硫酸陰イオンは二重負電荷のために塩化物陰イオンよりも高い当量電気移動度を持ち、ピットの成長を促進します。[ 65 ]実際、ピット内の陽極領域でのFe酸化によって溶液中に放出されたFe 2+陽イオンによってもたらされる正電荷は、キャピラリーピット内の陰イオンの電気運動学的移動によってもたらされる負電荷によってすばやく補償/中和される必要があります。 キャピラリーピットで発生する電気化学プロセスの一部は、キャピラリー電気泳動で発生するプロセスと同じです。陰イオンの電気泳動移動速度が速いほど、孔食の発生速度も速くなります。孔食内部におけるイオンの電気泳動輸送は、孔食の成長速度を制限する要因となる可能性があります。

参照

注記

  1. 中国の鉱山生産量の推定値は、他の国で報告されている使用可能な鉱石ではなく、中国国家統計局の粗鉱石統計に基づいて推定されています。 [ 25 ]

引用

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