鉄鉱石

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、濃い紫色からさびた赤色までさまざまです。鉄は通常、磁鉄鉱（Fe
₃お
₄、72.4% Fe）、ヘマタイト（Fe
₂お
₃、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）です。

非常に高濃度の赤鉄鉱または磁鉄鉱を含む鉱石（通常、鉄含有量が約60%以上）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できます。鉄鉱石は銑鉄の原料であり、銑鉄は鋼鉄を製造するための主要原料の1つです。採掘された鉄鉱石の98%は鋼鉄の製造に使用されます。^[2] 2011年、ファイナンシャルタイムズは、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「おそらく石油を除いて、他のどの商品よりも世界経済に不可欠なもの」であると述べました。^[3]

金属鉄は、隕石や非常に稀なマントル深部捕獲岩に含まれる鉄ニッケル合金を除いて、地球の表面ではほとんど知られていない。鉄は地殻で4番目に多い元素で、約5%を占めるが、その大部分はケイ酸塩鉱物、またはより稀に炭酸塩鉱物に結合されており、これらの鉱物から純粋な鉄を製錬するには法外な量のエネルギーが必要となる。したがって、人間の産業が使用する鉄源はすべて、比較的希少な酸化鉄鉱物、主にヘマタイトを利用している。

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使用されていました。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、鉄のほとんどは広く入手可能な針鉄鉱または沼地鉱石から得られていました。歴史的に、工業化された社会で利用された鉄鉱石の多くは、主に鉄の品位が約 70% 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。鉄鉱石の需要の増加と米国での高品位ヘマタイト鉱石の枯渇により、第二次世界大戦後は、主に磁鉄鉱とタコナイトを使用する低品位の鉄鉱石供給源の開発につながりました。

鉄鉱石の採掘方法は、採掘す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の鉱床は、鉱床の鉱物学と地質学に応じて、主に 4 種類あります。これらは、磁鉄鉱、チタン磁鉄鉱、塊状赤鉄鉱、およびピソライト鉄鉱床です。

鉄の起源は、究極的には恒星の核融合による形成にまで遡ることができ、鉄のほとんどは超新星として爆発する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る。^[4]地球の核は主に鉄で構成されていると考えられているが、これは地表からはアクセスできない。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る。^[5]

縞状鉄鉱層（BIF）は、主に薄層鉄鉱物とシリカ（石英）からなる、鉄を15％以上含む堆積岩です。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（菱鉄鉱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）の形で鉄が含まれることがありますが、鉄鉱石として採掘されたものでは、酸化物（磁鉄鉱または赤鉄鉱）が主な鉄鉱物です。^[6]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、鉱山内の非鉱石岩盤（表土または中間土、現地ではマロックと呼ばれます）と、鉱石岩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て廃棄物置き場に積み上げられ、脈石は選鉱プロセス中に分離されて尾鉱として取り除かれます。タコナイト尾鉱の大部分は化学的に不活性な鉱物石英です。この物質は、規制された大規模な水沈殿池に保管されます。

磁鉄鉱が経済的であるかどうかの重要なパラメータは、磁鉄鉱の結晶度、縞状鉄鉱層の母岩内の鉄の品位、および磁鉄鉱濃縮物内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があり、走向に沿って数百キロメートルに広がり、含まれる鉱石は簡単に 30 億トン以上になる可能性がある ため、ほとんどの磁鉄鉱資源のサイズと剥ぎ取り比は無関係です。

磁鉄鉱を含む縞状鉄鉱層が経済的になる典型的な鉄の品位はおよそ 25% で、通常、重量で 33% ～ 40% の磁鉄鉱を回収でき、重量で 64% を超える鉄の品位の精鉱を生産できます。典型的な磁鉄鉱鉄鉱石精鉱には、リンが0.1% 未満、シリカが3 ～ 7% 、アルミニウムが 3% 未満含まれています。

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。^[7]磁鉄鉱を含む縞状鉄鉱石は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、オーストラリアでは初期段階の大規模な磁鉄鉱鉱石産業があります。

直送鉄鉱石（DSO）鉱床（通常はヘマタイトで構成）は現在、南極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、アジアでの採掘が最も盛んです。大規模なヘマタイト鉄鉱石鉱床のほとんどは、変質した縞状鉄鉱床と（まれに）火成岩の堆積物から産出されます。

DSO鉱床は、通常、磁鉄鉱を含むBIFやその主な供給源となる他の岩石、または原岩よりも希少ですが、鉄含有量が多いため選鉱が少なくて済むため、採掘と処理がかなり安価です。ただし、DSO鉱石にはペナルティ元素の濃度がかなり高い場合があり、通常はリン、水分含有量（特にピソライト堆積物）、アルミニウム（ピソライト内の粘土）が多くなります。輸出グレードのDSO鉱石は、通常、鉄含有量が62〜64％の範囲です。^[8]

花崗岩やカリウム含有量の 高い火成岩は、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。 ^[9]チリに代表されるいくつかの鉄鉱石鉱床は、磁鉄鉱斑晶の顕著な蓄積を含む火山流から形成されています。^[10]アタカマ砂漠内のチリの磁鉄鉱鉱床も、これらの火山層から流れる小川で磁鉄鉱の沖積堆積物を形成しています。

いくつかの磁鉄鉱スカルン鉱床と熱水鉱床は、選鉱をほとんど必要としない高品位の鉄鉱床として過去に採掘されたことがある。マレーシアとインドネシアには、この種の花崗岩関連の鉱床がいくつかある。

磁鉄鉱石の他の供給源としては、タスマニアのサベージ川にあるような、オフィオライト超塩基性岩の剪断によって形成された、塊状の磁鉄鉱石の変成集積地などがあります。

鉄鉱石のもう 1 つのマイナーな供給源は、層状の貫入岩中のマグマ堆積物です。この堆積物には、通常チタンを含む磁鉄鉱が含まれており、バナジウムも含まれることが多いです。これらの鉱石はニッチ市場を形成しており、鉄、チタン、バナジウムを回収するために専門の製錬所が使用されています。これらの鉱石は、基本的に縞状鉄鉱石と同様に選鉱されますが、通常は破砕とふるい分けによってより簡単に品質が向上します。典型的なチタン磁鉄鉱濃縮物の品位は、57% Fe、12% Ti、0.5% Vです。
₂お
₅. ^[要出典]

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1億3千万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。^[11]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、^{[12]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。 ^{[11] [13] [14]}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。^[11]

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 つです。磁化焙焼では、700 ～ 900 °C (1,292 ～ 1,652 °F) の温度で 1 時間未満加熱して、鉄精錬に使用する鉄濃縮物 (Fe ₃ O ₄ ) を生成します。磁化焙焼では、Fe 2 O 3は磁性が低いため分離が困難であるため、酸化とFe ₂ O ₃^{の形成を防ぐために還元雰囲気にすることが重要です。 [11] [15]}直接還元では、1,000 °C (1,830 °F) を超える高温と 2 ～ 5 時間の長時間が使用されます。直接還元は、製鉄に使用するスポンジ鉄(Fe) を生成するために使用されます。直接還元では、磁化焙焼よりも温度が高く、時間がかかり、還元剤が多く必要になるため、より多くのエネルギーが必要です。^{[11] [16] [17]}

低品位の鉄鉱石源は、一般的に、破砕、粉砕、重力または重媒体分離、ふるい分け、シリカフロス浮選などの技術を使用して鉱石の濃度を高め、不純物を除去する選鉱が必要です。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。

磁鉄鉱は磁性を有するため、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濃縮物を生産することができます。

磁鉄鉱の粒度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濃縮物を得るために岩石を粉砕する必要がある粉砕サイズが決まります。これにより、粉砕操作を実行するために必要なエネルギー入力が決まります。

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、結晶化した磁鉄鉱と石英が十分に細かくなり、結果として生じ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の鉱床を 32 ～ 45 μm (0.0013 ～ 0.0018 インチ) に粉砕する必要があります。磁鉄鉱精鉱のグレードは、通常、重量の 70% を超える鉄を含み、リン、アルミニウム、チタン、シリカの含有量が低いため、高額になります。

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、ヘマタイトの選鉱には通常、複数の選鉱技術が組み合わされます。1つの方法は、細かく砕いた鉱石を磁鉄鉱やフェロシリコンなどの密度を高める物質を含むスラリーに通すことです。スラリーの密度が適切に調整されると、ヘマタイトは沈み、ケイ酸塩鉱物の破片は浮いて除去できます。^[18]

鉄は世界で最も一般的に使用されている金属であり、鉄鉱石を主成分とする鋼鉄は、年間使用される金属全体の約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一般的ですが、鉱石グレードの商業採掘は、別表に挙げた国々で主に行われています。鉄鉱石鉱床の経済性に対する主な制約は、必ずしも鉱床のグレードや規模ではありません。十分な量の岩石が存在することを地質学的に証明するのはそれほど難しいことではないからです。主な制約は、鉄鉱石の市場に対する位置、市場に届けるための鉄道インフラのコスト、そしてそのため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、大量生産で利益率の低い事業である。^[22]非常に資本集約的であり、鉱山から貨物船まで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。^[22]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、平均して年間20億トン（2.0 × 10 ⁹長トン、2.2 × 10 ^{9短トン）である。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、オーストラリアのリオ・ティント・グループとBHPがそれに続く。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・メタルズ・グループ社は、オーストラリアの生産量を世界一にするのに貢献した。

鉄鉱石の海上貿易、つまり他国に輸送される鉄鉱石の貿易量は、2004年には8億4,900万トン（8億3,600万長トン、9億3,600万短トン）であった。^[22]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。^[22] 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。^[22]

オーストラリアでは、鉄鉱石は主に 3 つの産地から採掘されます。西オーストラリア州パナウォニカなどの沖積溝に堆積し、一次縞状鉄鉱層の機械的浸食によって生成されたピソライト「溝鉄鉱床」鉱石と、西オーストラリア州ニューマン、チチェスター山脈、ハマーズレー山脈、クーリヤノブなどの交代作用で変質した縞状鉄鉱層関連の優勢な鉱石です。他の種類の鉱石が最近注目され始めています。^{[いつ? ]}たとえば、西オーストラリア州アーガイル湖近くのラテライト鉄鉱床などの酸化鉄ハードキャップなどです。

インドの鉄鉱石の回収可能埋蔵量は、赤鉄鉱が約96億200万トン（9.450 × 10 ⁹長トン、1.0584 × 10 ¹⁰短トン） 、磁鉄鉱が約34億800万トン（3.354 × 10 ⁹長トン、3.757 × 10 ⁹短トン）である。^[23]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^{[要出典]、}主な消費者は中国、日本、韓国、米国、欧州連合です。

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年には鉄鉱石の海上貿易の52％を購入した。 ^[22]中国に続いて日本と韓国が、大量の鉄鉱石と冶金用石炭を消費している。2006年、中国の鉄鉱石生産量は5億8800万トン（5億7900万長トン、6億4800万短トン）で、年間成長率は38％であった。

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メーカーの間の非公開の交渉で決定されてきました。2006年までは、主要な鉄鉱石生産者（ BHPビリトン、リオティント、ヴァーレSA）と日本の輸入業者との間で毎年行われるベンチマーク交渉で価格が決定されていました。 ^{[26] : 31} 2006年に、中国の宝鋼集団が輸入業者側の交渉を担当し始めました。^{[26] : 31}中国政府は、2009年に宝鋼集団に代わって中国鋼鉄協会を主導交渉者に任命しました。 ^{[26] : 109}伝統的に、これらの主要な生産者と主要な輸入業者の間で達した最初の取引が、業界の残りの部分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との広範なコンタクト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。[ ^27]先物契約は、取引開始から8か月で月間取引量が150万トン（150万ロングトン、170万ショートトン）を超えています。^[28]

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。^[29]

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。^[30]利用可能な鉄鉱石の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）に枯渇する可能性があると示唆しました。^[31]

ジオサイエンス・オーストラリアは、オーストラリアの鉄の「経済的に実証された資源量」が現在24ギガトン、つまり24,000,000,000t（2.4 × 10 ¹⁰長トン、2.6 × 10 ¹⁰短トン）に達すると計算している。^[要出典]別の推定では、オーストラリアの鉄鉱石埋蔵量は 52,000,000,000 t (5.1 × 10 ¹⁰長トン、5.7 × 10 ¹⁰短トン) で、世界の推定埋蔵量 170,000,000,000 t (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 t (2.8} × 10 ¹⁰長トン、3.1 × 10 ¹⁰短トン)を占めています。^[32]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。^[33]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年以内に鉄鉱石がなくなると予想しています。^[34]これらの2010年の推定値は、低品位鉄鉱石への需要の変化と採掘・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。

ブラジルはオーストラリアに次ぐ世界第2位の鉄鉱石生産国で、世界の鉄鉱石生産量の16%を占めています。2015年のマリアナダム災害や2019年のブルマジーニョダム災害により両鉱山の生産が停止したこともあり、2010年から2020年にかけて生産量はやや低迷しましたが、2021年には4億3,100万トン（4億2,400万ロングトン、4億7,500万ショートトン）を生産し、着実に生産量が増加しています。 2022年には4億3,500万トン（4億2,800万長トン、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（4億3,000万長トン、4億9,000万ショートトン）に増加する。^[35]

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^[36]、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が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。^[37]

米国地質調査所の2021年鉄鉱石報告書によると、^[38]インドは2020年に5900万トン（5800万長トン、6500万短トン）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位の鉄鉱石生産地となっている。

2023年のインドの鉄鉱石生産量は2億8,500万トンで、世界第4位の生産国となった。^[39]

米国地質調査所の2021年鉄鉱石報告書によると、^[38]ウクライナは2020年に62,000,000トン（61,000,000長トン、68,000,000,000短トン）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、南アフリカに次ぐ世界第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・リフなどがある。

2014年、米国の鉱山では57,500,000トン（56,600,000ロングトン、63,400,000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。^[40] 米国の鉄鉱石採掘は、世界の鉄鉱石生産量の2％を占めていると推定されています。米国には12の鉄鉱石鉱山があり、9つは露天掘りで、3つは再生採掘です。また、2014年には、ペレット化工場10か所、濃縮工場9か所、直接還元鉄（DRI）工場2か所、鉄ナゲット工場1か所が稼働していました。^[40]米国では、鉄鉱石採掘の大半はスペリオル湖周辺の鉄鉱山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あり、2014年に米国で生産された使用可能な鉄鉱石の93%を占めています。米国で稼働中の露天掘り鉱山9か所のうち7か所はミネソタ州にあり、尾鉱再生事業3か所のうち2か所もミネソタ州にあります。他の2か所の稼働中の露天掘り鉱山はミシガン州にあります。2016年に、2か所のうち1か所が閉鎖されました。^[40]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^[40]、アラバマ州の最後の鉄鉱山は1975年に閉鎖されました。^[41]

2017年、カナダの鉄鉱山は、4,900万トン（4,800万長トン、5,400万ショートトン）の精鉱ペレットの鉄鉱石と1,360万トンの粗鋼を生産しました。1,360万トン（1,340万長トン、1,500万ショートトン）の鋼鉄のうち、700万トン（690万長トン、770万ショートトン）が輸出され、4,310万トン（4,240万長トン、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。^{[42]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、二次産出源にはヌナブト準州のメアリーリバー鉱山が含まれる。^{[42] [43]}

鉄鉱石は、酸素と鉄の原子が分子状に結合してできています。これを金属鉄にするには、精錬するか直接還元処理して酸素を除去する必要があります。酸素と鉄の結合は強力で、酸素から鉄を取り除くには、酸素に付着するより強力な元素結合が必要です。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強いためです。したがって、鉄鉱石は粉末にしてコークスと混ぜ、精錬工程で燃やす必要があります。

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ではなくCOを生成するために、酸素欠乏（還元）状態に保たれなければなりません。
₂。

• エアブラストと木炭（コークス）：2 C + O ₂ → 2 CO
• 一酸化炭素 (CO) が主な還元剤です。
  • 第一段階: 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

元素の中には、たとえ少量でも含まれると、鉄の挙動特性や製錬所の操業に重大な影響を及ぼすものがあります。これらの影響は良い場合も悪い場合もあり、中には壊滅的に悪いものもあります。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。鉄の流動性を高めたり、硬くしたり、その他の望ましい性質を与えるために添加されるものもあります。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のみが含まれます。実際には、そうなることはめったにありません。通常、鉄鉱石には現代の鋼鉄には望ましくない元素が多数含まれています。

シリカ（SiO
₂鉄鉱石には、ほとんど常にシリコンが含まれています。そのほとんどは、製錬工程でスラグとして除去されます。1,300 °C (2,370 °F) を超える温度では、一部が還元され、鉄と合金を形成します。炉が高温であるほど、鉄に含まれるシリコン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最大 1.5% のシリコンが含まれていることは珍しくありません。

シリコンの主な効果は、ねずみ鋳鉄の形成を促進することです。ねずみ鋳鉄は白鉄よりも脆くなく、仕上げも簡単です。このため鋳造には好まれます。英国の冶金学者トーマス・ターナーは、シリコンは収縮と鋳巣の形成も減らし、鋳物の不良数を減らすと報告しました。しかし、鉄に含まれるシリコンが多すぎると、脆さが増し、硬度が中程度になります。^[44]

リン（P）は鉄に対して、硬度と強度の増加、固相線の低下、流動性の増加、冷間脆性という4つの主な効果をもたらします。鉄の用途に応じて、これらの効果は良いか悪いかのどちらかになります。沼地の鉱石はリン含有量が高いことがよくあります。^[45]

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。高リン鉄は冷間ハンマーで硬化させることもできます。硬化効果は、リンの濃度に関係なく当てはまります。リンが多いほど、鉄は硬くなり、ハンマーで硬化させることができます。現代の鉄鋼メーカーは、リンのレベルを 0.07 ～ 0.12% に維持することで、耐衝撃性を犠牲にすることなく、硬度を 30% も高めることができます。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、高温での鉄中の炭素の溶解度も低下します。これにより、炭素吸収の速度と量が最も重要な考慮事項であるブリスター鋼 (セメンテーション) の製造における有用性が低下します。

リンの添加には欠点もある。濃度が 0.2% を超えると、鉄は低温で脆くなり、もろくなる。特に棒鉄では、冷間脆さが重要になる。棒鉄は通常、高温で加工されるが、その用途^[要例]では、常温で強靭で、曲げやすく、衝撃に強いことが求められることが多い。ハンマーで打つと砕けてしまう釘や、岩にぶつかると壊れてしまう馬車の車輪では売れないだろう。^[要出典]リンの濃度が高すぎると、どんな鉄も使えなくなる。^[46]冷間脆さの影響は温度によって拡大する。したがって、夏にはまった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を、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。^[46]

鋳造作業では、リンを注意深く管理することが非常に有益です。リンは液相線を下げ、鉄がより長く溶融状態を保つことを可能にし、流動性を高めます。1% の添加で、溶融鉄が流れる距離が 2 倍になります。^[46]最大効果は、約 500 °C (932 °F) で、濃度が 10.2% のときに達成されます。^[47]鋳造作業では、ターナー^[48]は、理想的な鉄は 0.2～0.55% のリンを含むと感じました。その結果、鋳型に充填される鉄の空隙が少なくなり、収縮も少なくなりました。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人もいました。非常に流動性が高いため、非常に複雑で繊細な鋳物を作ることができましたが、強度がないため、重量を支えることはできませんでした。^[49]

高リン鉄の対策は 2 つある^{[誰によると？ ]}。最も古く、最も簡単で、最も安価なのは回避である。鉱石から生産された鉄が冷間不足だった場合、新しい鉄鉱石源を探すことになる。2 つ目の方法は、酸化鉄を加えて精錬工程でリンを酸化させるというものである。この技術は、通常、19 世紀のパドリングと関連付けられており、それ以前には理解されていなかった可能性がある。たとえば、マールボロ製鉄所の所有者であるアイザック・ゼインは、1772 年にはこれを知らなかったようである。ゼインは最新の開発動向に遅れを取らないという評判^{[誰によると？ ]であったため、この技術はおそらく}バージニアとペンシルバニアの製鉄業者には知られていなかったと思われる。

リンは、濃度が 0.6% 程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とき、当時ヨーロッパ大陸で採掘された鉄鉱石のほとんどがリンを含んでいたため、これは大きな進歩でした。しかし、フラックス処理や精錬によって汚染物質をすべて除去するのは複雑な作業であるため、望ましい鉄鉱石は一般にリン含有量が低いものでなければなりません。

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、精錬前に鉱石を洗浄することで除去できます。煉瓦で覆われた炉が導入されるまでは、アルミニウム汚染の量は鉄にもスラグにも影響を及ぼさないほど少なかったのですが、炉床や高炉の内部に煉瓦が使用されるようになってから、アルミニウム汚染の量は劇的に増加しました。これは、溶融スラグによる炉のライニングの侵食が原因でした。

アルミニウムは還元が難しいため、鉄へのアルミニウムの混入は問題になりません。しかし、アルミニウムはスラグの粘度を高めます。^{[50] [51]}これは炉の運転にいくつかの悪影響を及ぼします。スラグが厚くなると、装入物の降下が遅くなり、プロセスが長引くことになります。アルミニウムの含有量が多いと、液体スラグを取り出すのも難しくなります。極端な場合、炉が凍結する可能性もあります。

高アルミニウムスラグに対する解決策はいくつかある。第一に回避策である。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ある。石灰フラックスの比率を増やすと粘度は低下する。^[51]

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では液体鉄にも固体鉄にも容易に溶解します。少量の硫黄でも即座に深刻な影響が現れます。これは鉄製造業者が最初に解明した問題のひとつです。硫黄は鉄を赤くしたり、熱く焦げたりさせます。^[52]

高温の短鉄は、高温になると脆くなります。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が棒鉄または錬鉄であったため、これは深刻な問題でした。錬鉄は、熱いうちにハンマーで繰り返し打撃して成形されます。高温の短鉄は、ハンマーで加工すると割れてしまいます。高温の鉄または鋼に割れが生じると、露出した表面が直ちに酸化します。この酸化物層により、溶接による割れの修復が妨げられます。大きな割れが生じると、鉄または鋼が破損します。小さな割れが生じると、使用中に破損する原因になります。高温脆さの程度は、存在する硫黄の量に正比例します。今日では、硫黄含有量が 0.03% を超える鉄は使用されません。

高温の短鉄は加工できますが、低温で加工する必要があります。低温で加工するには、鍛冶屋や鍛冶職人の肉体的な労力がさらに必要になります。同じ結果を得るには、金属をより頻繁に、より強く打たなければなりません。硫黄でわずかに汚染された棒も加工できますが、非常に多くの時間と労力が必要です。

鋳鉄では、硫黄が白鉄の形成を促進する。わずか0.5％の硫黄でも、冷却が遅いこととシリコン含有量が多いことの影響を打ち消すことができる。^[53]白鋳鉄はより脆いが、より硬い。加工が難しいため、一般的には避けられているが、中国では石炭とコークスで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。^[54]ターナー（1900、pp. 200）によると、良質の鋳鉄は硫黄が0.15％未満でなければならない。世界の他の地域では、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。

硫黄汚染に対する対策は数多くあります。最初の、そして有史以前および有史以前の操業で最も多く使われていたのは、回避することです。石炭は硫黄を含み、高温の短鉄の原因となるため、ヨーロッパでは（中国とは異なり）精錬の燃料として使用されませんでした。鉱石から高温の​​短鉄が生じた場合には、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石炭が使用されたとき、石炭はコークス化されていました。1829年から 高温の​​高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。

硫黄は焙焼と洗浄によって鉱石から除去できる。焙焼により硫黄が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、洗い流される。温暖な気候では、黄鉄鉱を雨の中に放置しておくことも可能である。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、水溶性で浸出する。^[55]しかし、歴史的には（少なくとも）、硫化鉄（黄鉄鉱FeS
₂) は一般的な鉄鉱物ですが、金属鉄の生産のための鉱石としては使用されていません。スウェーデンでは自然風化も利用されました。地質学的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、スペインで鉄に対して支払われた価格が一貫して高かっ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を添加することですが、鉄に硫黄がどれだけ含まれているかをオペレーターが知っておく必要があります。なぜなら、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からです。歴史的な鉄の中にはマンガンレベルを示すものもありますが、そのほとんどは硫黄を中和するのに必要なレベルをはるかに下回っています。^[53]

硫化マンガン（MnS）などの硫化物介在物も、 AISI 304鋼などの低品位ステンレス鋼における深刻な孔食問題の原因となる可能性がある。^{[56] [57]}酸化条件下および水分の存在下では、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の負の電荷のために塩化物陰イオンよりも等価電気移動度が高いため、孔食の成長を促進する。[58] 実際、孔食内の陽極領域でのFeの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の電荷は、毛細管孔食内の^陰イオンの電気運動^学的移動によってもたらされる負の電荷によってすぐに補償/中和されなければならない。毛細管孔食で発生する電気化学プロセスの一部は、毛細管電気泳動で発生するプロセスと同じである。陰イオンの電気運動学的移動速度が高いほど、孔食の速度も速くなる。ピット内部のイオンの電気運動輸送は、ピットの成長速度を制限する段階となる可能性があります。

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• 歴史文書
  • 五大湖における鉄鉱石貿易の歴史 (1910 年湖沼運送協会年次報告書、クリーブランド州立大学マイケル シュワルツ図書館によりオンラインで公開)
  • ジェームズ・スティーブン・ジーンズ『クリーブランド鉄業の先駆者たち』（1875年）
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  • 国際通貨基金（IMF）の鉄鉱石の世界価格データは、連邦準備制度の経済データを通じて入手可能です。
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