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高炉は、一般的に銑鉄などの工業用金属を製錬するために使用される冶金炉の一種ですが、鉛や銅などの他の金属も製造されます。 送風とは、大気圧以上の圧力で燃焼用空気を供給することを指します。[ 1 ]
高炉では、燃料（コークス）、鉱石、およびフラックス（石灰石）が炉の上部から連続的に供給され、一方、（酸素が豊富な場合もある）高温の空気が羽口と呼ばれる一連のパイプを通して炉の下部に吹き込まれるため、材料が下方に落下するにつれて炉全体で化学反応が起こります。最終生成物は通常、底部から取り出される溶融金属とスラグ相、および上部から排出される排ガスです。 [ 2 ]鉱石とフラックスの下方への流れが、上昇する高温の一酸化炭素を豊富に含む燃焼ガスと接触することは、向流交換および化学反応プロセスです。[ 3 ]
対照的に、空気炉（反射炉など）は、通常、煙突の煙道内の高温ガスの対流によって自然に吸引されます。この広義の定義によれば、鉄のブルームリー、錫のブローイングハウス、鉛の製錬工場は高炉に分類されます。しかし、この用語は通常、鉄鉱石を製錬して銑鉄（商業用鉄鋼の製造に使用される中間材料）を製造するために使用されるもの、および卑金属の製錬で焼結プラントと組み合わせて使用されるシャフト炉に限定されています。[ 4 ] [ 5 ]
高炉は1900年から2015年の間に世界の温室効果ガス排出量の4%以上を占めたと推定されており、脱炭素化は困難である。[ 6 ]
高炉は化学還元という原理に基づいて稼働し、一酸化炭素が酸化鉄を元素鉄に変換する。
高炉は、ブルーム炉や反射炉とは異なり、排ガスが鉱石や鉄と直接接触するため、一酸化炭素が鉱石中に拡散して酸化鉄を還元します。高炉は向流交換方式で運転されますが、ブルーム炉はそうではありません。また、ブルーム炉はバッチ式で運転されるのに対し、高炉は長時間連続運転されます。高炉は起動・停止が難しいため、連続運転が好まれます。さらに、銑鉄に含まれる炭素は、鋼鉄や純鉄よりも融点を下げますが、ブルーム炉では鉄は溶融しません。
銑鉄からシリカを除去する必要がある。シリカは酸化カルシウム（焼成石灰石）と反応してケイ酸塩を形成し、溶融銑鉄の表面にスラグとして浮上する。歴史的に、硫黄汚染を防ぐために鉄は木炭とともに生産されていた。[ 7 ]
高炉では、下降する鉱石、フラックス、コークス（または木炭[ 7 ]）およびそれらの反応生成物の柱は、排ガスが上方に通過できるように十分な多孔性を持つ必要があります。この透過性を確保するには、コークスまたは木炭の粒子サイズが非常に重要です。したがって、コークスは、その上にある材料の重みで押しつぶされないように十分な強度が必要です。粒子の物理的な強度に加えて、コークスは硫黄、リン、灰分も低くなければなりません。[ 8 ]
溶融鉄を生成する主な化学反応は次のとおりです。
この反応は複数の段階に分けられる可能性があり、最初の段階では、炉内に吹き込まれた予熱された空気がコークスの形で存在する炭素と反応して一酸化炭素と熱を生成する。
高温の一酸化炭素は鉄鉱石の還元剤であり、酸化鉄と反応して溶融鉄と二酸化炭素を生成します。炉内のさまざまな部分の温度（底部が最も高温）に応じて、鉄はいくつかの段階で還元されます。通常、温度が200 ～ 700 °C (392 ～ 1,292 °F)の範囲にある上部では、酸化鉄は部分的に還元されて酸化鉄 (II,III) Fe 3 O 4になります。
炉のさらに下層部では、温度が850 ℃（1,560 °F）に達し、鉄(II,III)はさらに還元されて酸化鉄(II)となる。
高温の二酸化炭素、未反応の一酸化炭素、および空気中の窒素は、新鮮な原料が反応ゾーンへと下降するにつれて、炉内を上昇します。原料が下降するにつれて、向流ガスは原料を予熱すると同時に、石灰石を酸化カルシウムと二酸化炭素に分解します。
分解によって生成された酸化カルシウムは、鉄中の様々な酸性不純物（特にシリカ）と反応して、本質的にケイ酸カルシウムであるファヤライト質スラグ（Ca Si O）を形成する。3 : [ 9 ]
酸化鉄(II)が1,200 ℃（2,190 °F）までの高温領域に移動するにつれて、さらに還元されて金属鉄になる。
この過程で生成された二酸化炭素は、コークスによって再び一酸化炭素に還元される。
炉内のガス雰囲気を制御する温度依存平衡は、ブードア反応と呼ばれる。
高炉で生産される銑鉄は炭素含有量が約4～5％と比較的高く、通常は硫黄分が多すぎるため非常に脆く、すぐに商業的に使用できる用途は限られています。一部の銑鉄は鋳鉄の製造に使用されます。高炉で生産される銑鉄の大部分は、炭素と硫黄の含有量を減らし、建築材料、自動車、船舶、機械に使用されるさまざまなグレードの鋼を製造するために、さらに処理されます。脱硫は通常、溶鋼を製鉄所に輸送する際に行われます。これは、銑鉄に含まれる硫化鉄と反応して硫化カルシウムを形成する酸化カルシウムを添加することによって行われます（石灰脱硫と呼ばれます）。[ 13 ]さらに、いわゆる塩基性酸素製鋼と呼ばれる工程では、溶銑鉄に酸素を吹き付けて炭素を酸化し、粗鋼を形成します。
鋳鉄は紀元前5世紀に中国で発見されているが、現存する最古の溶鉱炉は中国では紀元1世紀、西洋では中世盛期に遡る。[ 14 ]溶鉱炉は15世紀後半にワロン地方（ベルギー）のナミュール周辺から広まり、1491年にイングランドに導入された。これらの溶鉱炉で使用された燃料は、常に木炭であった。木炭の代わりにコークスを使用することに成功したのは、1709年にイギリスの発明家アブラハム・ダービーによるものと広く考えられている。このプロセスの効率は、 1828年にイギリスの発明家ジェームズ・ボーモント・ニールソンによって特許取得された、燃焼空気を予熱する（熱風）方法によってさらに向上した。 [ 15 ]
考古学的証拠によれば、鉄の精錬技術とブルームリーは紀元前 800 年頃に遊牧民によって中国にもたらされた。錬鉄製の遺物は当初は北西部でのみ発見されていたが、紀元前 6 世紀までには錬鉄製の剣やナイフなどの高級品が中国全土に広まった。[ 16 ]ブルームリー製鉄は、錬鉄技術が中国に伝わった直後に発明された高炉や鋳鉄とかなり長い間共存していた。紀元前 9 ～ 8 世紀の山西省では錬鉄とともに鋳鉄製品が発見されているが、これらの鋳鉄製品が鉄の精錬過程の偶発的な副産物であったかどうかは不明である。脱炭した鋼の層を持つ鋳鉄で作られた手斧が、紀元前 5 世紀の洛陽で発見されている。脆さを軽減するために焼きなまし処理を施した鋳鉄製の農具が、紀元前4世紀に遡る埋葬地や製錬所跡から発見されている。中国では、新疆を除いて、3世紀以降、ブルーム製鉄は姿を消した。新疆では、9世紀までブルーム製鉄の遺物が発見されている。中国では、高炉で鋳鉄が生産され、その後、キュポラ炉で完成品に加工されるか、精錬炉で錬鉄に加工された。[ 17 ] [ 18 ]
紀元前5世紀までに中国では鋳鉄製の農具や武器が広く普及していたが[ 18 ] 、 3世紀以降は製鉄所で200人以上の労働者が働いていたものの、最古の高炉は紀元1世紀の漢王朝時代に建設されたとされている[ 19 ]。これらの初期の高炉は粘土の壁を持ち、リンを含む鉱物を融剤として使用していた[ 20 ]。中国の高炉の高さは地域によって2メートルから10メートル程度まで様々であった。最大の高炉は現在の四川省と広東省で発見され、「矮小」高炉は大別山で発見された。建設技術はどちらもほぼ同じレベルである[ 21 ] 。
中国の人力および馬力による高炉の効率は、この時期に、鋳鉄の鍛造に水車の動力をピストン式ふいごに利用した技術者である杜氏（紀元31 年頃）によって向上した。 [ 22 ]高炉を稼働させるための初期の水力式往復動装置は、既に存在していた馬力式往復動装置の構造に基づいて作られた。つまり、馬力式であろうと水力式であろうと、車輪の円運動は、ベルト駆動、クランクとコネクティングロッド、その他のコネクティングロッド、およびさまざまなシャフトの組み合わせによって、プッシュ式ふいごを作動させるのに必要な往復運動に伝達された。[ 23 ] [ 24 ]ドナルド・ワグナーは、初期の高炉と鋳鉄の生産は、青銅を溶かすために使用された炉から発展したと示唆している。確かに、秦国が中国を統一した頃（紀元前221年）には、鉄は軍事的成功に不可欠であった。高炉とキュポラ炉の使用は宋代と唐代を通じて広く行われていた。[ 25 ] 11世紀までに、宋代の中国鉄工業は鉄鋼鋳造の原料を木炭からコークスに切り替え、数千エーカーの森林伐採を免れた。これは紀元4世紀にはすでに起こっていた可能性がある。[ 26 ] [ 27 ]
初期の高炉の主な利点は、大規模生産が可能になり、鉄製の道具が農民にとってより入手しやすくなったことである。[ 28 ]鋳鉄は錬鉄や鋼鉄よりも脆く、製造にはさらに精錬とセメント化または共融が必要であったが、農業などの単純作業には十分であった。高炉を使用することで、鋤の刃などの道具を製鉄所よりも効率的に大量に生産することが可能になった。戦争など品質が重要な分野では、錬鉄や鋼鉄が好まれた。斧の刃を除いて、漢時代の武器のほぼすべてが錬鉄または鋼鉄で作られており、斧の刃の多くは鋳鉄で作られている。[ 29 ]
金属加工はメロエで行われていたと考えられており、おそらくアフリカで最も早く使用された溶鉱炉や高炉を通して行われたと考えられています。現代のスーダンにあるクシュ王国の古代の首都メロエは、サハラ以南のアフリカで最大かつ最も影響力のある鉄生産中心地の1つでした。[ 31 ]アーチボルド・セイスはそれを「アフリカのバーミンガム」と呼んだと伝えられています。 [ 32 ]
最も単純な鍛冶場は、コルシカ式として知られています。改良されたブルーム炉の例としては、シュトゥッコーフェン[ 33 ]（狼炉[ 34 ]とも呼ばれる）があり、19世紀初頭まで使用されていました。自然通風の代わりに、トロンプで空気を送り込むことで、より高品質の鉄が得られ、生産能力も向上しました。この送風機による空気の送り込みは冷風と呼ばれ、ブルーム炉の燃料効率を高め、歩留まりを向上させます。また、自然通風式のブルーム炉よりも大きく建設することもできます。
西欧で最も古い高炉として知られているのは、スイスのデュルステル、ドイツのメルキッシェ・ザウアーラント、スウェーデンのラッフィッタンで、ラッフィッタンでは1205年から1300年の間に複合施設が稼働していた。[ 35 ]スウェーデンのヤーンボース教区のノラスコグでは、さらに古い高炉の痕跡が発見されており、おそらく1100年頃のものと思われる。[ 36 ]これらの初期の高炉は、中国の例と同様に、今日使用されているものと比べて非常に非効率的だった。ラッフィッタン複合施設の鉄は、オスモンドとして知られる錬鉄の球の製造に使用され、これらは国際的に取引されていた。1203年のノヴゴロドとの条約にその可能性のある記述があり、1250年代と1320年代のイギリスの風習に関する記録にはいくつかの確実な記述がある。13世紀から15世紀の他の炉は、ヴェストファーレンで確認されている。[ 37 ]
高炉に必要な技術は、中国から伝来したか、あるいは土着の革新であったかのどちらかである。13世紀のアル・カズヴィニやその後の旅行者たちは、カスピ海の南にあるアルブルズ山脈に鉄産業があることを記録している。ここはシルクロードに近いので、中国由来の技術が使われた可能性は考えられる。ずっと後の記述では、高さ約3メートルの高炉が記録されている。[ 38 ]スカンジナビアのヴァリャーグ・ルーシの人々が（ヴォルガ交易路を使って）カスピ海と交易していたため、この技術がこの方法でスウェーデンに伝わった可能性もある。[ 39 ]ヴァイキングは二重ふいごを使用していたことが知られており、これにより送風の体積流量が大幅に増加する。[ 40 ]
カスピ海地域は、フィラレーテ[ 41 ]が記述したフェリエーレの炉の設計の源泉であった可能性もある。この炉は、1226年に北イタリアのヴァルディデントロにあるセモゴで水力式のふいごを使用していた。2段階の工程で、溶けた鉄を1日に2回水に叩き込み、粒状にした。[ 42 ]
シトー会修道士の総会は、ヨーロッパ中にいくつかの技術的進歩を広めた。これには溶鉱炉も含まれていた可能性があり、シトー会は冶金に長けていたことで知られている。[ 43 ]ジャン・ギンペルによれば、彼らの高度な工業技術が新しい技術の普及を促進した。「どの修道院にも模範的な工場があり、教会と同じくらいの大きさで、わずか数フィートしか離れておらず、その床にあるさまざまな産業の機械は水力で動いていた。」鉄鉱石の鉱床は、鉄を抽出するための鍛冶場とともに修道士に寄贈されることが多く、しばらくすると余剰分が販売された。シトー会は、13世紀半ばから17世紀にかけてフランスのシャンパーニュ地方で鉄生産のリーダーとなり、 [ 44 ]また、溶鉱炉から出るリン酸塩を豊富に含むスラグを農業用肥料として利用した。[ 45 ]
考古学者は今もなお、シトー会の技術の広がりを解明し続けている。[ 46 ]リーヴォー修道院の分院であり、イギリスでこれまでに確認されている唯一の中世の溶鉱炉であるラスキルでは、生産されたスラグの鉄分含有量が低かった。[ 47 ]当時の他の溶鉱炉からのスラグにはかなりの量の鉄が含まれていたが、ラスキルでは鋳鉄が非常に効率的に生産されていたと考えられている。[ 47 ] [ 48 ] [ 49 ]その年代はまだ明らかになっていないが、 1541年にラトランド伯爵との間で交わされた「鍛冶屋」に関する協定（その直後）でブルームに言及されていることから、おそらく1530年代後半のヘンリー8世による修道院解散まで存続しなかったと思われる。[ 50 ]それにもかかわらず、中世ヨーロッパで溶鉱炉がどのように広まったのかは、まだ最終的に解明されていない。
大砲の鋳造に必要な鉄の需要が高まったため、15世紀半ばにフランスで溶鉱炉が広く使われるようになった。[ 51 ] [ 52 ]
フランスとイングランドで使用された炉の直接の祖先は、現在のワロン地方（ベルギー）のナミュール地方にあった。そこから、まずノルマンディーの東端にあるペイ・ド・ブレイに広がり、そこからサセックスのウィールド地方へと広がった。ウィールド地方では、1491年頃にバクステッドに最初の炉（クイーンストックと呼ばれる）が建設され、続いて1496年にアッシュダウン・フォレストのニューブリッジに炉が建設された。1530年頃までは炉の数は少なかったが、その後数十年の間にウィールド地方に多数建設され、同地の鉄産業はおそらく1590年頃に最盛期を迎えた。これらの炉から得られた銑鉄のほとんどは、棒鉄の製造のために精錬所に運ばれた。[ 53 ]
ウィールド地方以外で最初のイギリスの溶鉱炉が登場したのは1550年代で、その世紀の残りの期間と次の世紀に多くの溶鉱炉が建設された。この産業の生産量は恐らく1620年頃にピークを迎え、その後18世紀初頭まで緩やかに減少していった。これは明らかに、イギリスのより辺鄙な地域で鉄を生産するよりも、スウェーデンなどから鉄を輸入する方が経済的だったためである。この産業で経済的に入手可能な木炭は、おそらくその原料となる木材が成長するのと同じ速さで消費されていたのだろう。[ 54 ]
ロシアで最初の高炉は1637年にトゥーラ近郊で開設され、ゴロディシチェ製鉄所と呼ばれた。高炉はそこから中央ロシアへと広がり、最終的にはウラル地方にまで達した。[ 55 ]
1709年、イングランドのシュロップシャー州コールブルックデールで、アブラハム・ダービーは高炉の燃料として木炭の代わりにコークスを使い始めた。コークスの当初の利点は、主にコークスの製造には木を切って木炭を作るよりもはるかに少ない労力で済むため、コストが低いことだったが、コークスを使うことで、特にイギリスやヨーロッパの他の地域での木材の局所的な不足も解消できた。冶金用コークスは木炭よりも重い重量に耐えられるため、より大きな炉を使用できる。[ 56 ] [ 57 ]欠点は、コークスには木炭よりも多くの不純物が含まれており、特に硫黄は鉄の品質に悪影響を与えることである。コークスの不純物は、熱風によって必要なコークスの量が減る前や、炉の温度が石灰石からスラグが自由に流れるほど高くなる前は、より大きな問題だった。 （石灰石は硫黄を固定する。硫黄を固定するためにマンガンを添加することもある。）[ 58 ]： 123-125 [ 59 ] [ 60 ] [ 51 ]： 122-123
コークス銑鉄は当初、鍋やその他の鋳鉄製品を作る鋳造作業にのみ使用されていました。鋳造作業は業界の小さな部門でしたが、ダービーの息子は近くのホースヘイに新しい炉を建設し、棒鉄の製造のために精錬鍛冶屋の所有者にコークス銑鉄を供給し始めました。この頃には、コークス銑鉄は木炭銑鉄よりも安価に生産されていました。鉄産業における石炭由来の燃料の使用は、英国産業革命の重要な要素でした。[ 61 ] [ 62 ] [ 63 ]しかし、世界の多くの地域では、産業革命後も木炭の方が安価で、コークスの方が高価でした。たとえば、米国では、木炭を燃料とする鉄の生産は、1850年頃にはシェアが約半分に減少しましたが、絶対値では1850年頃まで増加し続けました。1890年、[ 64 ] [ 65 ]一方、ブラジル高地のジョアン・モンレヴァーデでは、木炭を燃料とする高炉が1930年代まで建設され、2000年にようやく段階的に廃止された。[ 66 ]
ダービーの元の溶鉱炉は考古学的に発掘され、アイアンブリッジ渓谷博物館群の一部であるコールブルックデールで現地見学が可能です。この溶鉱炉で鋳造された鋳鉄は、1779年に世界初の鋳鉄橋の桁材として使用されました。アイアンブリッジはコールブルックデールでセヴァーン川に架かり、現在も歩行者用橋として利用されています。
蒸気機関は送風の動力源として利用され、石炭や鉄鉱石が産出される地域での水力不足を克服した。これは、1742年にコールブルックデールで蒸気機関が馬力ポンプに取って代わったのが最初である。 [ 67 ] このような機関は、炉の上にある貯水槽に水を汲み上げるために使用された。シリンダーに直接送風するために使用された最初の機関は、ボルトンとワットによってジョン・ウィルキンソンのニュー・ウィリー炉に供給された。[ 68 ]これは、彼の父アイザック・ウィルキンソンが発明した鋳鉄製の送風シリンダーを駆動した。彼は、すぐに摩耗する革製のふいごに代わるものとして、1736年にこのようなシリンダーの特許を取得した。[ 69 ]アイザックは、1757年に送風シリンダーに関する2番目の特許を取得した。 [ 70 ]蒸気機関と鋳鉄製の送風シリンダーは、18世紀後半のイギリスの鉄生産の大幅な増加につながった。[ 51 ]
熱風は、高炉の燃料効率における最も重要な進歩であり、産業革命中に開発された最も重要な技術の 1 つです。[ 71 ] [ 72 ]熱風は、 1828 年にイギリスのウィルソンタウン製鉄所のジェームズ・ボーモント・ニールソンによって特許が取得されました。導入後数年以内に、熱風は、コークスを使用した場合の燃料消費量を 3 分の 1、石炭を使用した場合の 3 分の 2 に削減できるほどに発展し、同時に炉の容量も大幅に増加しました。数十年以内に、炉の隣に炉と同じ大きさの「ストーブ」を設置し、炉からの排ガス (CO を含む) をそこに送り込んで燃焼させるのが一般的になりました。結果として生じる熱は、炉に吹き込まれる空気を予熱するために使用されました。[ 73 ]熱風により、着火が困難であった未処理の無煙炭を高炉で使用できるようになりました。無煙炭は、1837年に南ウェールズのイニスセドウィン製鉄所でジョージ・クレーンによって初めて成功裏に試されました。[ 62 ]アメリカでは、1839年にペンシルベニア州カタソーカのリーハイ・クレーン鉄鋼会社によって採用されました。1870年代にコークスを必要とする非常に大容量の高炉が建設されると、無煙炭の使用は減少しました。
高炉は現代の鉄生産において依然として重要な役割を果たしている。現代の高炉は、送風空気を予熱するカウパーストーブや、炉から排出される高温ガスから熱を回収する回収システムなど、非常に効率的である。業界内の競争が生産量の増加を促している。世界最大の高炉は韓国にあり、容積は約6,000 m 3 (210,000 cu ft)である。年間約5,650,000トン (5,560,000 LT)の鉄を生産できる。 [ 74 ]
これは、18世紀の典型的な溶鉱炉の年間平均生産量が約360トン（350ロングトン、400ショートトン）であったことを考えると、大幅な増加である。スウェーデンの電気溶鉱炉など、高炉の改良型は、石炭資源を持たない国々で開発されてきた。
Global Energy Monitorによると、二酸化炭素排出量を削減するという気候変動の目標を達成するためには、高炉は時代遅れになる可能性が高いが[ 75 ]、BHPはこれに反対している[ 76 ]。直接還元鉄（DRI） を用いた代替プロセスがそれに取って代わる可能性が高いが[ 77 ] 、鉱石の品質が非常に高くない限り、鉄を溶かして脈石（不純物）を取り除くためにも高炉を使用する必要がある[ 76 ] 。
1970年代から1990年代にかけて開発された酸素高炉（OBF）プロセスは、有望な省エネルギーとCO2排出量削減の可能性から、理論的に広く研究されてきた。[ 78 ]このタイプはCCSと併用するのに最も適している可能性がある。[ 76 ]主高炉は3つのレベルからなり、還元ゾーン（523～973 K（250～700 °C、482～1,292 °F））、スラグ形成ゾーン（1,073～1,273 K（800～1,000 °C、1,472～1,832 °F））、燃焼ゾーン（1,773～1,873 K（1,500～1,600 °C、2,732～2,912 °F））である。
OBFは通常、上部ガスリサイクルと組み合わせて使用されます。この方式の問題点は、酸素消費量が多いことに加えて、炉の上部から中央部へのリサイクルガスの分布が不均一で、下部からの高温ガスと衝突することです。2023年現在、この技術はスウェーデン、日本、中国で実験レベルでのみ実施されています。[ 79 ]
高炉は現在、銅の製錬ではほとんど使用されていませんが、現代の鉛製錬高炉は鉄の高炉よりもはるかに短く、長方形の形状をしています。[ 80 ]現代の鉛高炉は、壁に水冷式の鋼または銅のジャケットを使用して構築されており、側壁には耐火ライニングがありません。[ 81 ]炉の底は耐火材（レンガまたはキャスタブル耐火物）の炉床です。[ 81 ]鉛高炉は、鉄の高炉で使用される装入ベルではなく、多くの場合、上部が開放されています。[ 82 ]
Nyrstar Port Pirie鉛製錬所で使用されている高炉は、通常使用される単列の羽口ではなく、二列の羽口を備えている点で、他のほとんどの鉛高炉とは異なります。[ 80 ]炉の下部シャフトは椅子のような形状をしており、シャフトの下部は上部よりも狭くなっています。[ 80 ]羽口の下列はシャフトの狭い部分に配置されています。[ 80 ]これにより、シャフトの上部は標準よりも広くなっています。[ 80 ]
インペリアル製錬法（ISP）で使用される高炉は、標準的な鉛高炉から開発されたものですが、完全に密閉されています。 [ 83 ]これは、これらの炉で生産される亜鉛が気相から金属として回収されるため、排ガス中に酸素が存在すると酸化亜鉛が形成されるためです。[ 83 ]
ISPで使用される高炉は、標準的な鉛高炉よりも激しい操業を行い、炉床面積1平方メートルあたりの送風速度が高く、コークスの消費量も多い。 [ 83 ]
ISPによる亜鉛生産は電解亜鉛プラントよりもコストがかかるため、近年この技術を採用している製錬所のいくつかが閉鎖された。[ 84 ]しかし、ISP炉は電解亜鉛プラントよりも鉛含有量の高い亜鉛精鉱を処理できるという利点がある。[ 83 ]
ロックウールまたはロックウールは、断熱材や水耕栽培に使用される紡績鉱物繊維です。金属酸化物の含有量が非常に少ない輝緑岩を原料とする高炉で製造されます。生成されたスラグを引き抜き、紡績してロックウール製品を形成します。[ 85 ]ごく少量の金属も生成されますが、これは望ましくない副産物です。
現代の溶鉱炉には、効率を高めるためのさまざまな補助設備が備えられており、例えば、はしけから荷揚げされる鉱石貯蔵ヤードなどがあります。原料は、鉱石橋、レールホッパー、鉱石運搬車によってストックハウス複合施設に運ばれます。レールに取り付けられた計量車またはコンピューター制御の重量ホッパーがさまざまな原料を計量し、目的の溶銑とスラグの化学組成を得ます。原料は、ウインチまたはコンベアベルトで駆動されるスキップカーによって高炉の上部に運ばれます。[ 86 ]
高炉に原料を投入する方法はいくつかあります。一部の高炉では、「ダブルベル」システムを使用して、2 つの「ベル」で原料の高炉への投入を制御します。2 つのベルの目的は、高炉内の高温ガスの損失を最小限に抑えることです。まず、原料は上部または小型のベルに投入され、次にベルが開いて原料が大型のベルに投入されます。その後、小型のベルが閉じて高炉を密閉し、大型のベルが回転して原料を特定の分布にしてから高炉に投入します。[ 87 ] [ 88 ]より新しい設計では、「ベルレス」システムを使用します。これらのシステムでは、複数のホッパーを使用して各原料を収容し、バルブを通して高炉に排出します。[ 87 ]これらのバルブは、スキップシステムやコンベアシステムと比較して、各成分の投入量をより正確に制御できるため、高炉の効率が向上します。これらのベルレスシステムの中には、（ポール・ヴュルトのトップのように）炉の喉部に排出シュートを設けて、装入物の配置場所を正確に制御するものもあります。[ 89 ]
製鉄用高炉自体は、耐火レンガで内張りされた背の高い構造物として建設され、装入物が下降中に加熱されて膨張し、その後溶融が始まるとサイズが縮小するように形状が付けられています。コークス、石灰石フラックス、鉄鉱石（酸化鉄）は、炉内のガスの流れと化学反応を制御するのに役立つ正確な充填順序で炉の上部に装入されます。4 つの「排出口」により、一酸化炭素含有量の高い高温で汚れたガスが炉の喉から排出され、「ブリーダーバルブ」によって炉の上部が急激なガス圧サージから保護されます。排ガス中の粗大粒子は「集塵機」に沈殿し、廃棄のために鉄道貨車またはトラックに投棄されます。一方、ガス自体はベンチュリスクラバーおよび/または電気集塵機とガス冷却器を通過して、浄化されたガスの温度が下げられます。[ 86 ]
炉の下半分にある「鋳造所」は、「ボッシュ」から始まります。これは、送風口の上、煙突の下にある高炉の部分です。[ 90 ]逆円錐台のような形をしており、[ 91 ]鉱石が溶融する高炉の部分です。[ 92 ]次に、バッスルパイプ（送風口に加圧された加熱空気を送るための大径の環状パイプ[ 93 ]）と、溶銑とスラグを鋳造するための装置があります。耐火粘土の栓に「出銑口」が開けられると、溶銑とスラグは「スキマー」開口部を通って樋を流れ落ち、鉄とスラグが分離されます。現代の大型高炉には、最大で4つの出銑口と2つの鋳造所がある場合があります。[ 86 ]銑鉄とスラグが出銑されると、出銑口は再び耐火粘土で塞がれます。
羽口は、高炉の効率を高めるために使用される熱風を吹き込むために使用されます。熱風は、基部近くの羽口と呼ばれる水冷式の銅製ノズルを通して炉内に送られます。熱風の温度は、炉の設計と状態によって900 ～ 1,300 °C (1,650 ～ 2,370 °F)になります。処理される温度は2,000 ～ 2,300 °C (3,630 ～ 4,170 °F)になる場合があります。油、タール、天然ガス、粉炭、酸素も羽口レベルで炉内に注入され、コークスと結合して追加のエネルギーを放出し、生産性の向上に必要な還元ガスの割合を増加させます。 [ 86 ]
高炉の排ガスは、慣性分離器、バグハウス、静電集塵機などの集塵装置で一般的に浄化されます。各タイプの集塵装置には長所と短所があり、微粒子を収集するもの、粗粒子を収集するもの、帯電粒子を収集するものなどがあります。効果的な排ガス浄化は、複数の段階の処理に依存します。[ 94 ]廃熱は通常、さまざまな熱交換器であるカウパーストーブ などを使用して排ガスから回収されます。
高炉での化石燃料（コークス、天然ガス）の使用は温室効果ガス排出源であり、高炉は製鉄工程の中で最も排出量の多い段階である。[ 95 ] [ 96 ]総合製鉄所で生産される鋼鉄1トンあたり、1.6～2.2トンのCO2が排出され、その70%は高炉の操業に起因する。[ 96 ]プラスチック廃棄物[ 97 ]、バイオマス[ 98 ]、水素[ 99 ]などの燃料や還元剤は、製鉄業者[ 100 ]によって化石燃料の代替として使用されているが、コストと入手可能性が課題であり、導入は限られている。
電気アーク炉（EAF）は、高炉の使用を避ける代替の鉄鋼生産方法として挙げられていますが、必要な鉄鋼製品の特性によっては、この2種類の炉は必ずしも互換性があるとは限りません。さらに、EAFは鉄スクラップを原料として使用しますが、将来の鉄鋼需要を満たすのに十分なスクラップが入手できないと推定されています。[ 101 ]鉄鉱石から水素ガスを還元剤として使用してDRI（いわゆるH2-DRI）を製造し、それをEAFの原料として使用すると、高炉に代わる技術的に実現可能で低排出の代替手段となります。[ 99 ] H2-DRI EAF生産ルートはまだ初期段階にあり、稼働中のプラントは1つだけです。[ 102 ]
ULCOS（超低CO2製鋼）[ 103 ]は、高炉からの排出量を少なくとも50%削減するプロセスを研究する欧州のプログラムでした。特定された技術には、二酸化炭素回収・貯留（CCS）や、水素、電気、バイオマスなどの代替エネルギー源および還元剤が含まれます。[ 104 ]
既存の高炉では、二酸化炭素回収・利用・貯蔵（CCUS）が排出量削減の潜在的な解決策となる。これは、炉の排ガスからCO2を放出前に回収し、それを永久地下貯蔵（CCS）のために輸送するか、他の製品の製造に利用する（CCU）ことを含む。 [ 105 ] 2025年初頭の時点で、主要な製鉄所で商業規模のCCUS施設が完全に稼働しているものはない。しかし、いくつかの大規模なパイロットおよび実証プロジェクトが進行中である。[ 106 ]産業用排出源の場合、CO2 1トンあたり50～100ドルと推定される高コストと、輸送および貯蔵インフラの不足は、普及の大きな障壁となっている。[ 107 ]
歴史的に、廃止された高炉は解体され、より新しく改良された高炉に置き換えられるか、敷地全体が解体され、その後の再利用のために処理されるのが一般的でした。近年、いくつかの国では高炉の歴史的価値が認識され、博物館として活用されています。その例としては、チェコ共和国、フランス、ドイツ、日本、ルクセンブルク、ポーランド、ルーマニア、メキシコ、ロシア、スペイン、イギリス、アメリカ合衆国などが挙げられます。
中国で発見された最古の溶鉱炉は紀元1世紀頃のものである。
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