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製錬は、鉱石に熱と化学還元剤を加えて目的の卑金属製品を抽出するプロセスです。[ 1 ]これは、鉄、銅、銀、錫、鉛、亜鉛などの多くの金属を得るために使用される抽出冶金の一形態です。製錬では、熱と化学還元剤を使用して鉱石を分解し、他の元素をガスまたはスラグとして追い出し、金属を残します。還元剤は一般的に、コークスの不完全燃焼による一酸化炭素、または昔は木炭などの化石燃料由来の炭素源です。[ 1 ]二酸化炭素（CO2 ）の結合の化学ポテンシャルエネルギーが鉱石の結合の化学ポテンシャルエネルギーよりも低いため、鉱石中の酸素は高温で炭素と結合します。
銅、亜鉛、鉛などの製造に一般的に用いられる硫化物鉱石は、製錬前に焙焼処理を行い、硫化物を酸化物に変換します。酸化物は金属への還元が容易になるためです。焙焼処理では、鉱石を空気中の酸素存在下で加熱し、鉱石を酸化させて硫黄を二酸化硫黄ガスとして放出します。
製錬は主に高炉で行われ、銑鉄が生産され、それが鋼鉄に加工される。アルミニウムの電解還元を行う工場は、アルミニウム製錬所と呼ばれる。
製錬所は、そのビジネスモデルに応じて、カスタム製錬所と統合製錬所の 2 種類に分類できます。[ 2 ]カスタム製錬所は、顧客に代わって鉱石を処理するか、処理のために鉱石を購入する製錬所です。カスタム製錬所は、異なる所有者の鉱山から鉱石精鉱を入手します。[ 3 ]統合製錬所は、特定の鉱山操業に直接依存しており、鉱山の隣に位置している傾向があります。[ 2 ]
製錬とは、単に鉱石から金属を溶かすだけではありません。ほとんどの鉱石は、金属と酸素（酸化物）、硫黄（硫化物）、炭素と酸素の混合物（炭酸塩）などの他の元素との化合物から構成されています。金属を抽出するには、これらの化合物を化学反応させる必要があります。したがって、製錬とは、適切な還元剤を用いて酸化剤と結合させ、金属を分離する工程を指します。
硫化物や炭酸塩の場合、「焙焼」と呼ばれる工程で不要な炭素や硫黄が除去され、金属への還元に適した酸化物が残ります。焙焼は通常、酸化雰囲気下で行われます。具体的な例をいくつか挙げます。
硫化物鉱石の場合、焙焼によって硫化物が部分的にまたは完全に酸化物に置き換わります。モリブデンの主鉱石である二硫化モリブデンの場合、焙焼は次のように進行します。[ 4 ]
還元は製錬の最終段階である高温工程であり、酸化物が元素金属になる。還元環境（多くの場合、空気不足の炉内で不完全燃焼によって生成される一酸化炭素によって提供される）が、原料金属から最後の酸素原子を引き抜く。炭素源は化学反応物として働き、鉱石から酸素を除去し、精製された金属元素を製品として生成する。炭素源は2段階で酸化される。まず、炭素（C）が空気中の酸素（O₂）と燃焼して一酸化炭素（CO）を生成する。次に、一酸化炭素が鉱石（例えばFe₂O₃）と反応し、その酸素原子の1つを除去して二酸化炭素（CO₂ ）を放出する。一酸化炭素との連続的な反応の後、鉱石中のすべての酸素が除去され、原料金属元素（例えばFe）が残る。[ 5 ]ほとんどの鉱石は不純物を含んでいるため、石灰石（またはドロマイト）などの融剤を使用して、付随する岩石脈石をスラグとして除去することがしばしば必要となる。この焼成反応により二酸化炭素が放出される。
必要な温度は、絶対温度と基材金属の融点の両方で異なります。例：
フラックスとは、製錬中に鉱石に添加される物質で、目的とする反応を触媒し、不要な不純物や反応生成物と化学的に結合する働きをする。炭酸カルシウムや酸化カルシウム（石灰）は、硫黄、リン、ケイ素などの不純物と反応して、それらを容易に分離・除去し、スラグとして処分できるため、この目的でよく用いられる。フラックスは、粘度を調整したり、不要な酸を中和したりする役割も果たす。
フラックスとスラグは、還元工程完了後に二次的な役割を果たす。精製された金属を溶融状態で覆い、酸化しやすい高温状態にある間は酸素との接触を防ぐ。これにより、金属中に不純物が混入するのを防ぐことができる。
卑金属の鉱石はしばしば硫化物である。近世以降、反射炉は製錬される原料を燃料から分離するために使用されてきた。従来、反射炉は製錬の第一段階、すなわち2つの液体、すなわち不純物の大部分を含む酸化物スラグと、有価金属硫化物と一部の不純物を含む硫化物マットを生成するために使用されてきた。このような「反射炉」は現在、 長さ約40メートル、 高さ3メートル、 幅約10メートルである。炉の屋根の開口部から供給される乾燥した硫化物精鉱（通常は部分焙焼後）を溶かすために、一方の端で燃料が燃焼される。スラグはより重いマットの上に浮上し、除去されて廃棄またはリサイクルされる。その後、硫化物マットは転炉に送られる。プロセスの詳細な手順は、鉱床の鉱物組成に応じて炉ごとに異なる。
反射炉は銅をほとんど含まないスラグを生成する一方で、エネルギー効率が比較的悪く、低濃度の二酸化硫黄を放出し、それを回収するのが困難であったため、新世代の銅製錬技術がそれらに取って代わった。[ 9 ]より最近の炉は、浴式製錬、トップジェットランス製錬、フラッシュ製錬、高炉を利用している。浴式製錬炉の例としては、ノランダ炉、イサスメルト炉、テニエンテ原子炉、ヴニュコフ製錬炉、SKS技術などがある。トップジェットランス製錬炉には、三菱製錬原子炉がある。フラッシュ製錬炉は、世界の銅製錬炉の50%以上を占めている。キブセット、アウスメルト、タマノ、EAF、BFなど、製錬プロセスにはさらに多くの種類がある。
古代に知られていた7つの金属のうち、自然界に天然金属として定期的に産出するのは金だけです。他の金属、すなわち銅、鉛、銀、錫、鉄、水銀は主に鉱物として産出されますが、天然銅が商業的に重要な量で発見されることもあります。これらの鉱物は主に金属の炭酸塩、硫化物、または酸化物であり、シリカやアルミナなどの他の成分と混ざっています。炭酸塩や硫化物の鉱物を空気中で焙焼すると、酸化物に変化します。そして、その酸化物が精錬されて金属になります。精錬には一酸化炭素が還元剤として最もよく用いられてきました（そして現在も用いられています）。一酸化炭素は加熱工程で容易に生成され、ガスとして鉱石と密接に接触します。
旧世界では、人類は8000年以上前の先史時代に金属精錬の技術を習得しました。銅や青銅といった「有用な」金属、そして数千年後に発見された鉄は、人類社会に計り知れない影響を与えました。その影響はあまりにも広範囲に及んだため、学者たちは伝統的に古代史を石器時代、青銅器時代、鉄器時代に区分しています。
アメリカ大陸では、ペルーの中央アンデス山脈のインカ以前の文明が、16世紀に最初のヨーロッパ人が到着する少なくとも6世紀前に銅と銀の精錬技術を習得していたが、武器製造に使う鉄などの金属の精錬技術は習得していなかった。[ 10 ]
銅は最初に精錬された金属である。[ 11 ]この発見がどのように起こったのかについては議論がある。焚き火の温度は 必要な温度より約200℃低いため、銅の最初の精錬は陶器窯で行われた可能性があると提唱する人もいる。[ 12 ] （旧世界とは独立して起こったと考えられているアンデスにおける銅精錬の発展も、同様の方法で起こった可能性がある。[ 10 ]）
銅精錬の最古の現存する証拠は、 紀元前5500年から紀元前5000年の間に遡り、セルビアのプロチュニク とベロヴォデで発見されている。 [ 13 ] [ 14 ]トルコで発見され、紀元前5000年のものとされたメイスの頭部は、かつては最古の証拠と考えられていたが、現在では叩いて加工された天然銅であることが判明している。[ 15 ]
銅錫合金製の青銅器は、より硬く耐久性があり、 紀元前3500年頃に小アジアでも開発された。[ 16 ]
現在、銅製錬所の直接製品は、純度が98.5～99.8%の陽極銅である。 [ 17 ] [ 18 ]陽極銅は、電気精錬によって純度99.99%の陰極銅を生産することができる。 [ 17 ] [ 18 ]
最も古い鋳造鉛ビーズは、アナトリア（トルコ）のチャタルヒュユク遺跡で発見され、紀元前6500年頃のものとされている。[ 19 ]しかし、最近の研究では、これは鉛ではなく、鉛を豊富に含むが鉛とは異なる鉱物であるセルサイトと方鉛鉱であることが判明した。[ 20 ]
発見は文字の発明より数千年も前に起こったため、どのようにして作られたかの記録は残っていない。しかし、錫と鉛は鉱石を薪の火に入れることで精錬できるため、偶然に発見された可能性もある。[ 21 ]しかし、近年の研究ではこの発見に疑問が呈されている。[ 22 ]
鉛は一般的な金属ですが、古代世界ではその発見の影響は比較的小さかった。構造部材や武器に使用するには柔らかすぎるが、他の金属に比べて密度が高いため、投石器の投射物には最適である。しかし、鋳造や成形が容易であったため、古代ギリシャや古代ローマの古典世界の労働者は、水をパイプで送ったり貯蔵したりするために鉛を広く使用した。また、石造建築のモルタルとしても使用した。[ 23 ] [ 24 ]
錫は鉛よりもはるかに希少で、硬度もわずかに高い程度であり、単体での影響力はさらに小さかった。
鉄器製造の最古の証拠は、カマン・カレホユクの原ヒッタイト層で発見された、適切な量の炭素が混入した少数の鉄片であり、紀元前2200～2000年のものとされている 。[ 25 ]ソウコヴァ＝シエゴロヴァ（2001）は、鉄器は紀元前1800年頃に中央アナトリアでごく少量製造され、新ヒッタイト帝国（紀元前1400～1200年頃）の間、一般庶民ではなくエリート層によって広く使用されていたことを示している。[ 26 ]
考古学者は、古代エジプトで鉄器製造の痕跡を発見しており、それは第三中間期から第23王朝（紀元前1100年頃～750 年頃）の間である。しかし重要なことに、彼らは（近代以前の）どの時代にも鉄鉱石の精錬の証拠を発見していない。さらに、非常に初期の炭素鋼は、約2000年前（1世紀頃）にタンザニア北西部で複雑な予熱原理に基づいて生産されていた。これらの発見は冶金学の歴史にとって重要である。[ 27 ]
ヨーロッパとアフリカの初期の製鉄工程のほとんどは、鉄鉱石をブルーム炉で精錬することであった。ブルーム炉では、鉄が溶けないように温度を十分に低く保つ。これにより、ブルームと呼ばれるスポンジ状の鉄の塊が生成され、これをハンマーで固めて錬鉄を作る必要がある。ブルーム炉による鉄の精錬に関する現在までの最も古い証拠のいくつかは、ヨルダンのテル・ハメで発見されており、放射性炭素年代測定により紀元前930年頃とされている。[ 28 ]
ナイジェリアのエヌグ州ンスッカにあるレジャ村では、紀元前2000年以前から鉄の精錬が行われていたことが記録されている。[ 29 ]
中世以降、製鉄所での直接還元に代わって間接法が用いられるようになった。これは高炉で銑鉄を製造し、その後さらに加工して鍛造可能な棒鉄を作るという方法である。第2段階の工程には、精錬炉での精錬が含まれる。13世紀の盛期中世 には、紀元前200年の秦王朝時代から高炉を使用していた中国が高炉を導入した。パドル法も産業革命期に導入された。
現在ではどちらの製法も廃れており、錬鉄が製造されることはほとんどない。代わりに、ベッセマー転炉や、コレックス製法などの製錬還元法を含む他の方法によって軟鋼が製造されている。
製錬は環境に深刻な影響を与え、廃水やスラグを発生させ、銅、銀、鉄、コバルト、セレンなどの有毒金属を大気中に放出します。[ 30 ]また、製錬所は二酸化硫黄ガスを放出し、酸性雨の原因となり、土壌や水を酸性化します。[ 31 ]
カナダのフリン・フロンにある製錬所は、 20世紀の北米における水銀の最大の発生源の一つでした。 [ 32 ] [ 33 ]製錬所からの放出が大幅に削減された後も、景観からの再放出は地域における水銀の主要な発生源であり続けました。湖は、雨水として戻ってくる再放出と土壌からの金属の溶出の両方によって、今後数十年にわたって製錬所からの水銀汚染を受ける可能性が高いです。 [ 32 ]
アルミニウム製錬所から発生する大気汚染物質には、硫化カルボニル、フッ化水素、多環式化合物、鉛、ニッケル、マンガン、ポリ塩化ビフェニル、水銀などがある。[ 34 ]銅製錬所からの排出物には、ヒ素、ベリリウム、カドミウム、クロム、鉛、マンガン、ニッケルなどがある。[ 35 ]鉛製錬所からは通常、ヒ素、アンチモン、カドミウム、さまざまな鉛化合物が排出される。[ 36 ] [ 37 ] [ 38 ]
鉄鋼工場から排出される廃水汚染物質には、ベンゼン、ナフタレン、アントラセン、シアン化物、アンモニア、フェノール、クレゾールなどのガス化生成物と、多環芳香族炭化水素（PAH）として総称されるより複雑な有機化合物群が含まれます。 [ 39 ]処理技術には、廃水のリサイクル、固形物除去のための沈殿槽、清澄槽、ろ過システム、オイルスキマーとろ過、溶解金属の化学沈殿とろ過、有機汚染物質の炭素吸着と生物酸化、蒸発などがあります。 [ 40 ]
他の種類の製錬所から発生する汚染物質は、ベースメタル鉱石によって異なります。たとえば、アルミニウム製錬所は通常、アルミニウムに加えて、フッ化物、ベンゾ(a)ピレン、アンチモン、ニッケルを生成します。銅製錬所は通常、銅に加えて、カドミウム、鉛、亜鉛、ヒ素、ニッケルを排出します。 [ 41 ]鉛製錬所は、鉛に加えて、アンチモン、アスベスト、カドミウム、銅、亜鉛を排出する場合があります。 [ 42 ]
米国では、環境保護庁が製錬所に対する汚染防止規制を公表している。