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鉄鉱石[ 1 ]は、金属鉄を経済的に抽出できる岩石および鉱物です。これらの鉱石は通常、酸化鉄を豊富に含み、色は濃い灰色、鮮やかな黄色、濃い紫色から錆びた赤色まで様々です。鉄は通常、磁鉄鉱（Fe）の形で存在します。3 O4、72.4 % Fe）、ヘマタイト（Fe2 O3、69.9% Fe)、ゲータイト(FeO(OH)、62.9% Fe)、リモナイト(FeO(OH)·n(H2O)、55% Fe)、またはシデライト(FeCO3、48.2% Fe)。
赤鉄鉱または磁鉄鉱を非常に多く含む鉱石（通常、鉄の含有量が約 60% 以上）は、天然鉱石または直接出荷鉱石として知られており、製鉄用の高炉に直接投入することができます。鉄鉱石は銑鉄の製造に使用される原料であり、銑鉄は鋼鉄の製造に使用される主要な原料の 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 年にフィナンシャル 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とって不可欠なもの」であると述べています。[ 3 ]
元素鉄は、隕石由来の鉄ニッケル合金や、深部マントルのゼノリスの散発的な形態を除いて、地球の表面には事実上存在しない。鉄は地球の地殻で4番目に豊富な元素であり、重量の約5%を占めているが[ 4 ] 、その大部分はケイ酸塩鉱物、あるいはよりまれに炭酸塩鉱物に結合しており、これらの鉱物から純鉄を精錬するには膨大なエネルギーが必要となる。そのため、人間の産業で使用される鉄の供給源はすべて、比較的希少な酸化鉄鉱物、主に赤鉄鉱を利用している。
先史時代の社会は鉄鉱石の供給源としてラテライトを使用していた。 [ 5 ]産業革命以前は、鉄の大部分は広く入手可能な針鉄鉱や沼鉄鉱から得られており、例えばアメリカ独立戦争やナポレオン戦争の頃もそうであった。歴史的に、工業化された社会で使用された鉄鉱石の多くは、鉄の含有率が約70%の赤鉄鉱が主となる鉱床から採掘されてきた。これらの鉱床は一般的に「直接出荷鉱石」または「天然鉱石」と呼ばれている。鉄鉱石の需要の増加と、米国における高品位赤鉄鉱の枯渇が相まって、第二次世界大戦後には、主に磁鉄鉱やタコナイトといった低品位鉄鉱石の供給源の開発につながった。
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、鉱床の鉱物組成と地質に応じて、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、豆状鉄鉱床です。[ 2 ]
鉄の起源は、最終的には恒星内部での核融合による形成に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大きな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。鉄隕石の中には、直径1,000 km（600マイル）以上の小惑星 に由来するものもあると考えられています。 [ 7 ]
縞状鉄鉱層(BIF) は、鉄を 15% 以上含む堆積岩で、主に薄い層の鉄鉱物とシリカ(石英など) から構成されています。縞状鉄鉱層は先カンブリア時代の岩石にのみ存在し、一般的に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) の鉄が含まれている可能性がありますが、鉄鉱石として採掘されるものには、酸化物(磁鉄鉱または赤鉄鉱) が主要な鉄鉱物です。[ 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。
採掘作業には、膨大な量の鉱石と廃棄物の移動が伴います。廃棄物は2種類あります。鉱山内の非鉱石岩盤（表土または中間土、地元ではマロックと呼ばれる）と、鉱石自体に内在する不要な鉱物（脈石）です。マロックは採掘されて廃棄物堆積場に積み上げられ、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鉱物である石英です。この物質は、大規模で管理された沈殿池に貯蔵されます。
磁鉄鉱が経済的に採算が取れるかどうかの重要なパラメータは、磁鉄鉱の結晶度、縞状鉄鉱層母岩中の鉄の品位、および磁鉄鉱精鉱中に存在する不純物元素です。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及ぶこともあり、含有鉱石量が30億トン以上になることも容易にあり得るため、ほとんどの磁鉄鉱資源の規模や剥土比は関係ありません。
磁鉄鉱を含む縞状鉄鉱層が経済的に採算が取れるようになる典型的な鉄品位は、鉄分が約25%であり、この場合、重量比で33%から40%の磁鉄鉱を回収でき、重量比で64%以上の鉄分を含む精鉱が得られます。典型的な磁鉄鉱鉄鉱石精鉱は、リンが0.1%未満、シリカが3～7%、アルミニウムが3%未満です。
2019年現在、磁鉄鉱鉄鉱石はアメリカ合衆国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る。[ 9 ] 2019年現在、ブラジルでは磁鉄鉱を含む縞状鉄鉱層が大規模に採掘されており、アジアに相当量を輸出している。また、オーストラリアには新興の大規模な磁鉄鉱鉄鉱石産業が存在する。[ 10 ] [ 11 ]
直接出荷可能な鉄鉱石（DSO）鉱床（通常は赤鉄鉱で構成されている）は、現在、南極大陸を除くすべての大陸で採掘されており、特に南米、オーストラリア、アジアで盛んに採掘されている。大規模な赤鉄鉱鉱床のほとんどは、変質した縞状鉄鉱層、および（まれに）火成岩の集積物から産出する。
DSO鉱床は、その主要な供給源である磁鉄鉱含有BIFやその他の岩石、すなわち原岩よりも一般的に希少ですが、鉄含有量が高いため選鉱が少なくて済むため、採掘と処理のコストはかなり安くなります。ただし、DSO鉱石にはペナルティ元素がかなり高い濃度で含まれている場合があり、一般的にリン、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）の含有量が高くなります。輸出グレードのDSO鉱石は、一般的に鉄含有量が62～64%の範囲です。[ 12 ]
花崗岩や超カリウム質の火成岩は、磁鉄鉱の結晶を分離し、経済的に濃縮するのに適した磁鉄鉱の塊を形成するために使われることがあった。[ 13 ]特にチリにあるいくつかの鉄鉱石鉱床は、磁鉄鉱斑晶が大量に集積した火山溶岩流から形成されている。[ 14 ]
鉄鉱石精鉱1トンが生産されるごとに、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141万トンの鉄が無駄になっていることになります。[ 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 ]舗装や充填材などの道路建設材料や、セメント、低品位ガラス、壁材などの建築材料として使用できます。 [ 15 ] [ 17 ] [ 18 ]尾鉱は比較的低品位の鉱石ですが、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 つです。磁化焙焼では、700 ～ 900 °C (1,300 ～ 1,700 °F)の温度で 1 時間未満加熱して、製鉄に使用する鉄精鉱 (Fe 3 O 4 ) を生成します。磁化焙焼では、酸化とFe 2 O 3の生成を防ぐために還元雰囲気が必要です。Fe 2 O 3は磁性が低いため分離が困難です。[ 15 ] [ 19 ]直接還元では、 1,000 °C (1,800 °F)を超える高温で 2 ～ 5 時間という長時間加熱します。直接還元は、製鋼に使用するスポンジ鉄(Fe) を製造するために使用されます。直接還元は、温度が高く時間が長いため、磁化焙焼よりも多くのエネルギーと還元剤を必要とします。[ 15 ] [ 20 ] [ 21 ]
低品位の鉄鉱石は一般的に選鉱処理が必要であり、粉砕、製粉、重力分離または重液分離、ふるい分け、シリカ浮選などの技術を用いて鉱石の濃度を高め、不純物を取り除く。こうして得られる高品質の微粉末鉱石は微粉鉱石と呼ばれる。
磁鉄鉱は磁性を持つため、脈石鉱物から容易に分離でき、不純物の含有量が非常に少ない高品位の精鉱を生産することができる。
磁鉄鉱の粒径とシリカ基質との混合度合いによって、高純度磁鉄鉱精鉱を得るための効率的な磁気分離を可能にするために、岩石をどの粒度まで粉砕する必要があるかが決まります。これは、粉砕作業に必要なエネルギー投入量を決定します。
縞状鉄鉱層の採掘では、まず粗破砕とふるい分けを行い、次に粗破砕と微粉砕を繰り返して鉱石を細かく粉砕します。これにより、結晶化した磁鉄鉱と石英が十分に細かくなり、得られた粉末を磁気分離器に通した際に石英が残るようになります。
一般的に、ほとんどの磁鉄鉱帯状鉄鉱床は、低シリカの磁鉄鉱精鉱を製造するために、 32～45μm （0.0013～0.0018インチ）に粉砕する必要がある。磁鉄鉱精鉱の品位は、通常、重量比で70%以上の鉄を含み、リン、アルミニウム、チタン、シリカの含有量が少なく、高値で取引される。
関連するケイ酸塩脈石に比べて赤鉄鉱の密度が高いため、赤鉄鉱の選鉱には通常、複数の選鉱技術の組み合わせが用いられます。一つの方法は、細かく粉砕した鉱石を、磁鉄鉱や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、鉱石の密度を高めるというものです。スラリーの密度が適切に調整されると、赤鉄鉱は沈み、ケイ酸塩鉱物の破片は浮上して除去することができます。[ 22 ]
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 ]鋼鉄は主に構造物、船舶、自動車、機械に使用されます。
鉄分を豊富に含む岩石は世界中で広く分布していますが、鉱石グレードの商業採掘事業は、表に挙げた国々が中心となっています。鉄鉱石鉱床の経済性を阻害する主な要因は、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、鉄鉱石が市場に対してどの位置にあるか、市場まで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、鉄の価値が卑金属の価値よりも著しく低いため、大量採掘で利益率の低いビジネスです。[ 27 ]非常に資本集約的で、鉱山から貨物船まで鉱石を輸送するための鉄道などのインフラに多額の投資が必要です。[ 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ます。
世界の鉄鉱石生産量は年間平均20億トン（20億ロングトン、22億ショートトン）である。世界最大の鉄鉱石生産企業はブラジルの鉱業会社ヴァーレで、次いでオーストラリアのリオ・ティントとBHPが続く。オーストラリアの鉄鉱石供給会社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のに貢献している。
鉄鉱石の海上貿易、つまり他国へ出荷される鉄鉱石の貿易量は、2004年には8億4900万トン（8億3600万ロングトン、9億3600万ショートトン）でした。 [ 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%を占めています。[ 27 ] BHP、リオ、ヴァーレの3社でこの市場の66%を支配しています。[ 27 ]
オーストラリアでは、鉄鉱石は主に3つの供給源から採掘されています。1つ目は、パンナウォニカなどの沖積河川に堆積した、縞状鉄鉱層の機械的侵食によって形成されたピソライト（チャネル鉄鉱床）鉱石です。2つ目は、西オーストラリア州のニューマン、チチェスター山脈、ハマーズリー山脈、クーリャノビングなどの、交代作用を受けた縞状鉄鉱層に関連する鉱石です。近年では、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など、酸化鉄質の硬質岩体といった他の種類の鉱石も注目されています。
インドにおける鉄鉱石の回収可能埋蔵量は、赤鉄鉱が約96億トン（94億ロングトン、106億ショートトン）、磁鉄鉱が約34億トン（33億ロングトン、37億ショートトン）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、カルナータカ州、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、ラージャスターン州、タミル・ナードゥ州は、インドにおける鉄鉱石の主要生産地である。鉄鉱石の世界消費量は平均して年間10%増加しており、主な消費国は中国、日本、韓国、米国、欧州連合である。
中国は現在、鉄鉱石の最大の消費国であり、これは世界最大の鉄鋼生産国であることを意味します。また、最大の輸入国でもあり、2004年には海上鉄鉱石貿易の52%を購入しています。[ 27 ]中国に次いで、日本と韓国が相当量の鉄鉱石と冶金用石炭を消費しています。2006年、中国は5億8800万トン（5億7900万ロングトン、6億4800万ショートトン）の鉄鉱石を生産し、年間成長率は38%でした。
過去 40 年間、鉄鉱石の価格は、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製鉄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、価格は主要な鉄鉱石生産者 ( BHP、リオ ティント、およびヴァーレ) と日本の輸入業者との間の年次ベンチマーク交渉で決定されていました。[ 31 ] : 31 2006 年、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 2009 年に、中国政府は宝鋼に代わって中国鉄鋼協会を主たる交渉者として任命しました。[ 31 ] : 109従来、主要生産者と主要輸入業者の間で最初に合意された取引が、業界の残りの人々が従うべきベンチマークとなります。[ 3 ]
シンガポール・マーカンタイル取引所（SMX）は、幅広い業界参加者からの日々の価格データと、中国の独立系鉄鋼コンサルタントおよび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および鉄鉱石トレーダーの広範な連絡先ベースを使用するメタル・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発売しました。[ 32 ]この先物契約は、取引開始から8か月で月間取引量が150万トン（ロングトン換算で150万トン、ショートトン換算で170万トン）を超えています。 [ 33 ]
この動きは、世界最大の鉄鉱石採掘会社3社（ヴァーレ、リオ・ティント、BHP）が2010年初頭に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、40年間続いたベンチマーク年間価格設定の伝統を破ったものである。[ 34 ]
世界の鉄鉱石市場では、これまで鉄（Fe）含有量62％の鉱石を基準として価格設定基準が定められてきました。しかし、ここ数十年で、採掘された鉱石の平均鉄含有量は徐々に低下し、不純物の存在が増加しています。その結果、62％Feの基準は、市場で取引される典型的な鉱石（実際には61％Feに近いものが多い）を正確に表さなくなっています。こうした変化に対応するため、鉄鉱石業界は2026年から61％Fe鉱石を基準とした新しい価格設定基準に移行する予定です。[ 35 ]
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 ]採掘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、年間2%の需要増加に基づくと、鉄鉱石は64年以内（つまり2070年まで）に枯渇する可能性があると示唆しました。[ 37 ]
2018年、オーストラリア地球科学局は、同国の鉄の「経済的に実証された資源」は現在330億トン（320億ロングトン、360億ショートトン）に達すると計算した。[ 38 ] 2021年の別の推定では、オーストラリアの鉄鉱石の埋蔵量は520億トン（510億ロングトン、570億ショートトン）で、世界の推定埋蔵量1700億トン（1700億ロングトン、1900億ショートトン）の30%を占め、そのうち西オーストラリア州が280億トン（280億ロングトン、310億ショートトン）を占めている。[ 39 ]西オーストラリア州のピルバラ地域からの現在の生産量は年間約8億4400万トン（8億3100万ロングトン、9億3000万ショートトン）で増加している。 [ 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測している。[ 41 ]これらの2010年の推定値は、低品位鉄鉱石に対する需要の変化や、採掘および回収技術の向上（地下水位より深い場所での採掘を可能にする）を考慮に入れるために、継続的な見直しが必要である。
ブラジルはオーストラリアに次いで世界第2位の鉄鉱石生産国であり、世界の鉄鉱石生産量の16%を占めている。2010年から2020年にかけては、 2015年のマリアナダム決壊と2019年のブルマジーニョダム決壊により、関係する2つの鉱山での生産が停止したこともあり、生産量はやや低迷したが、2021年にブラジルが4億3100万トン（4億2400万ロングトン、4億7500万ショートトン）を生産して以来、生産量は着実に増加している。2022年には4億3500万トン（4億2800万ロングトン、4億8000万ショートトン）に増加し、2023年には4億4000万トン（4億3000万ロングトン、4億9000万ショートトン）に増加した。[ 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が2030年までに5億9200万トン（5億8300万ロングトン、6億5300万ショートトン）に達すると予測した[ 44 ]。
2017年、カナダの鉄鉱石鉱山は、精鉱ペレットとして4,900万トン（4,800万ロングトン、5,400万ショートトン）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（1,340万ロングトン、1,500万ショートトン）の鉄鋼のうち、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46億ドルの金額で輸出されました。輸出された鉄鉱石のうち、38.5%が鉄鉱石ペレットで23億ドル、61.5%が鉄鉱石精鉱で23億ドルでした。[ 45 ] カナダの鉄鉱石の46%は、ニューファンドランド州ラブラドールシティにあるカナダ鉄鉱石会社の鉱山から産出され、二次的な供給源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 ]
米国地質調査所の2021年鉄鉱石報告書[ 47 ]によると、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、世界で7番目に大きな鉄鉱石生産拠点となっている。
2023年のインドの鉄鉱石生産量は2億8500万トン（2億8000万ロングトン、3億1400万ショートトン）で、世界第4位の生産量だった。[ 48 ]
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6,200万トン（6,100万ロングトン、6,800万ショートトン）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、鉄鉱石生産の世界第7位の拠点となっている。ウクライナの鉄鉱石生産者には、Ferrexpo、Metinvest、ArcelorMittal Kryvyi Rihなどがある。
2014年、米国の鉱山では推定51億ドル相当の鉄鉱石5,750万トン（ロングトン換算5,660万トン、ショートトン換算6,340万トン）が生産された。[ 49 ]米国の鉄鉱石採掘量は、世界の鉄鉱石生産量の2%を占めると推定されている。米国には12の鉄鉱石鉱山があり、そのうち9つは露天掘り鉱山、3つは鉱山跡地再生事業である。また、2014年にはペレット化工場が10ヶ所、精鉱工場が9ヶ所、直接還元鉄（DRI）工場が2ヶ所、鉄塊工場が1ヶ所稼働していた。[ 49 ]米国では、鉄鉱石採掘の大部分はスペリオル湖周辺の鉄鉱床地帯で行われている。これらの鉄鉱石地帯はミネソタ州とミシガン州にあり、両州を合わせると2014年に米国で生産された使用可能な鉄鉱石の93%を占めた。米国で稼働中の9つの露天掘り鉱山のうち7つはミネソタ州にあり、3つの尾鉱再生事業のうち2つもミネソタ州にある。残りの2つの稼働中の露天掘り鉱山はミシガン州にあった。2016年に、2つの鉱山のうち1つが閉鎖された。[ 49 ]ユタ州とアラバマ州にも鉄鉱石鉱山があったが、ユタ州の最後の鉄鉱石鉱山は2014年に閉鎖され[ 49 ]、アラバマ州の最後の鉄鉱石鉱山は1975年に閉鎖された。[ 50 ]
鉄鉱石は、酸素原子と鉄原子が分子状に結合したものです。金属鉄に変換するには、製錬するか、直接還元法によ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、酸素から鉄を除去するには、より強い元素結合を酸素に与える必要があります。炭素は、高温下では鉄と酸素の結合よりも強いため、用いられます。したがって、製錬工程では、鉄鉱石を粉末状にしてコークスと混合し、燃焼させる必要があります。
一酸化炭素は、鉄から酸素を化学的に除去する際の主成分である。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）状態に保つ必要がある。2 .
ごく少量の元素が混入するだけでも、鉄のバッチ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。これらの影響は良い場合も悪い場合もあり、中には壊滅的な害をもたらすものもあります。フラックスのように、高炉の効率を高めるために意図的に添加される化学物質もあります。また、鉄の流動性や硬度を高めたり、その他の望ましい特性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ています。しかし実際には、そうであることは稀です。一般的に、鉄鉱石には現代の鋼鉄では望ましくない多くの元素が含まれています。
シリカ（SiO₂）2 ) 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。1,300°C (2,400°F)を、一部が還元されて鉄と合金を形成します。炉の温度が高いほど、鉄中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では、最大 1.5% のケイ素が見つかることは珍しくありません。
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、仕上げやすいです。このため、鋳造用途ではねずみ鋳鉄が好まれます。英国の冶金学者トーマス・ターナーは、シリコンは収縮と気泡の形成も抑制し、不良鋳物の数を減らすと報告しました。しかし、鉄中にシリコンが多すぎると、脆性が増し、硬度が中程度になります。[ 51 ]
リン（P）は鉄に4つの重要な影響を及ぼします。硬度と強度の増加、固相線温度の低下、流動性の向上、および冷間脆性です。鉄の用途によっては、これらの影響は良い場合も悪い場合もあります。沼鉄鉱はリン含有量が高いことが多いです。[ 52 ]
鉄の強度と硬度はリンの濃度とともに増加します。錬鉄中のリン濃度が0.05%になると、中炭素鋼と同等の硬度になります。高リン鉄は冷間鍛造によっても硬化させることができます。この硬化効果は、リンの濃度に関係なく当てはまります。リンの濃度が高いほど鉄は硬くなり、鍛造による硬化効果も高まります。現代の製鉄会社は、リン濃度を0.07～0.12%に維持することで、耐衝撃性を損なうことなく硬度を最大30%向上させることができます。また、焼入れによる硬化深さも増加しますが、同時に高温での鉄中の炭素溶解度も低下させます。これは、炭素吸収の速度と量が最重要視されるブリスター鋼（浸炭鋼）の製造において、その有用性を低下させることになります。
リンの添加には欠点がある。濃度が0.2%を超えると、鉄は低温でますます冷間脆くなる。冷間脆さ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、その用途によっては、室温でも丈夫で曲げやすく、衝撃に強いことが求められる。ハンマーで叩く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。リンの濃度が高すぎると、どんな鉄でも使えなくなる。[ 53 ]冷間脆さ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でも、冬には非常に脆くなる可能性がある。中世には、非常に裕福な人々は夏用に高リンの剣、冬用に低リンの剣を持っていたという証拠もある。[ 53 ]
リンを注意深く制御することは、鋳造作業において大きな利点となる。リンは液相線を低下させ、鉄がより長く溶融状態を保つことを可能にし、流動性を高める。1%の添加で溶融鉄の流れ距離を2倍にすることができる。[ 53 ]最大効果は、約500 ℃（930 °F）で、濃度10.2%で達成される。[ 54 ]鋳造作業に関して、ターナー[ 55 ]は、理想的な鉄は0.2～0.55%のリンを含むものだと考えた。その結果、空隙の少ない鉄充填鋳型は収縮も少なかった。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した者もいた。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、最も安価な方法は、その鉄鉱石を避けることです。鉱石から得られる鉄が冷間不足であれば、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てリンを酸化することです。この技術は通常19世紀のパドル法と関連付けられており、それ以前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オーナーであるアイザック・ゼーンは、1772年にはこの技術を知らなかったようです。ゼーンが最新の技術動向に常に精通していたことを考えると、この技術はバージニア州やペンシルベニア州の製鉄業者には知られていなかった可能性が高いでしょう。
リンは、たとえ濃度が0.6%と低くても鋼を脆くするため、一般的に有害な不純物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を多く含んでいたため、画期的な進歩でした。しかし、フラックス処理や製錬によってすべての不純物を除去するのは複雑なため、望ましい鉄鉱石はそもそもリン含有量が低いものでなければなりません。
鉄鉱石、砂、一部の石灰石など、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。鉄鉱石は製錬前に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、アルミニウムの混入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、炉床や高炉内部にレンガが使用されるようになると、溶融スラグによる炉内張りの浸食が原因で、アルミニウムの混入量が劇的に増加しました。
アルミニウムは還元しにくい。そのため、鉄のアルミニウム汚染は問題にならない。しかし、スラグの粘度は上昇する。[ 57 ] [ 58 ]これは炉の操業にいくつかの悪影響を及ぼす。スラグが濃くなると装入物の降下が遅くなり、工程が長くなる。アルミニウム濃度が高いと、溶融スラグの排出も難しくなる。最悪の場合、炉が凍結する可能性がある。
高アルミニウムスラグにはいくつかの解決策があります。まず、回避策として、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上げると粘度が低下します。[ 58 ]
硫黄（S）は石炭によく混入する不純物です。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。硫黄は製鉄時の温度で液体鉄と固体鉄の両方に容易に溶解します。少量の硫黄でも影響は即座に現れ、深刻です。硫黄の影響は、製鉄業者によって最初に解明されたものの1つです。硫黄は鉄を赤くしたり、高温で焼損させたりします。[ 59 ]
高温の鉄は、熱い状態で脆い。17世紀から18世紀にかけて使われていた鉄のほとんどは棒状または錬鉄であったため、これは深刻な問題だった。錬鉄は、熱い状態でハンマーで繰り返し叩いて形作られる。高温の鉄片をハンマーで叩くと割れてしまう。熱い鉄や鋼に割れが生じると、露出した表面はすぐに酸化する。この酸化層によって、溶接による割れの修復が妨げられる。大きな割れは鉄や鋼の破損につながり、小さな割れでも使用中に破損する可能性がある。高温での脆さは、硫黄の含有量に正比例する。今日では、硫黄含有量が0.03%を超える鉄は避けられている。
高温の短鉄は加工できるが、低温で加工する必要がある。低温での加工は、鍛冶屋や鍛造工の肉体的な労力をより多く必要とする。同じ結果を得るためには、金属をより頻繁に、より強く叩かなければならない。わずかに硫黄が混入した棒も加工できるが、はるかに多くの時間と労力を要する。
鋳鉄では、硫黄は白鉄の形成を促進します。わずか0.5%でも、ゆっくり冷却することや高ケイ素含有量の影響を打ち消すことができます。[ 60 ]白鋳鉄はより脆いですが、より硬いです。加工が難しいため、一般的には避けられていますが、中国では石炭とコークスで作られた高硫黄鋳鉄（中には0.57%もの高硫黄のものもある）が鐘やチャイムの製造に使用されていました。[ 61 ]ターナー（1900年、200ページ）によると、良質な鋳鉄は硫黄含有量が0.15%未満であるべきです。世界の他の地域では、高硫黄鋳鉄は鋳造に使用できますが、質の悪い錬鉄になります。
硫黄汚染に対する対策は数多く存在する。まず、歴史的・先史時代の操業で最もよく用いられた対策は、汚染を避けることである。石炭は硫黄を含んだため高温短鉄を生成し、製錬の燃料としてはヨーロッパでは（中国とは異なり）使用されなかった。鉱石から高温短鉄が生成される場合、製鉄業者は別の鉱石を探した。1709年（あるいはそれ以前）にヨーロッパの溶鉱炉で初めて鉱物石炭が使用された際、それはコークス化されていた。1829年に熱風が導入されて初めて、未加工の石炭が使用されるようになった。
硫黄は焙焼と洗浄によって鉱石から除去できる。焙焼によって硫黄は酸化されて二酸化硫黄（SO₂ ）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することも可能だ。雨、バクテリア、熱の複合作用によって硫化物は硫酸と硫酸塩に酸化され、これらは水溶性で浸出される。[ 62 ]しかし、歴史的には（少なくとも）、硫化鉄（黄鉄鉱FeS₂ ）は2）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ています。同じプロセスが地質学的速度で進行すると、鉄帽状の 。
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、スペイン産の鉄の価格が常に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。現代の対策はマンガンを添加することですが、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、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含有量を示すものもありますが、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。[ 60 ]
硫化マンガン（MnS）などの硫化物介在物は、AISI 304鋼などの低グレードステンレス鋼の深刻な孔食問題の原因にもなり得る。[ 63 ] [ 64 ]酸化条件下、水分が存在する場合、硫化物が酸化されると、中間種としてチオ硫酸アニオンが生成され、チオ硫酸アニオンは二重負電荷のため塩化物アニオンよりも高い等価電気移動度を持つため、孔食の成長を促進する。 [ 65 ]実際、孔食内部の陽極領域でのFe酸化によって溶液中に放出されたFe2 +カチオンが持つ正電荷は、毛細管孔食内のアニオンの電気動的移動によってもたらされる負電荷によって迅速に補償/中和されなければならない。毛細管孔食で起こる電気化学プロセスの一部は、毛細管電気泳動で遭遇するものと同じである。陰イオンの電気動的移動速度が高いほど、孔食の進行速度も速くなる。孔食内部におけるイオンの電気動的輸送は、孔食の成長速度における律速段階となる可能性がある。