高炉のソースを表示

{{出典の明記|date=2016年4月}}

[[Image:Alto horno antiguo Sestao.jpg|thumb|スペイン、[[セスタオ]] (Sestao) の高炉]]
'''高炉'''（こうろ、blast furnace）は[[製鉄所]]の主要な設備で、[[鉄鉱石]]を熱処理して、鉄を取り出すための炉。'''鉄溶鉱炉'''（てつようこうろ）と呼ばれることもある（「溶」は「熔」の常用漢字による書き換え）。大型のものでは高さ 100 メートルを超え、製鉄所のシンボル的存在となっている。1世紀以前に中国で発明された。

鉱石から[[銑鉄]]を取りだす高炉、その銑鉄を[[鋼鉄]]に処理する[[転炉]]、生産された鉄を[[圧延]]や[[連続鋳造]]で製品加工する設備を持つ、'''銑鋼一貫製鉄所'''のみが高炉を所有している。このような大規模施設を持つ鉄鋼会社は[[高炉メーカー]]と呼ばれている。

== 高炉による銑鉄生産 ==
[[Image:Blast furnace NT.PNG|thumb|300px|right|1.焼結鉱、石灰石 2.コークス 3.ベルトコンベヤ 4.投入口 5.焼結鉱、塊鉱石、石灰石 6.コークス 7.熱風管 8.スラグ 9.溶銑 10.スラグ車 11.トーピードカー 12.ガス分離器 13.熱風炉 14.煙突 15.冷風 16.微粉炭 17.粉砕機 18.分配器]]
高炉の頂部から[[鉄鉱石]]による金属原料と[[コークス]]などの燃料を兼ねる還元材、不純物除去の目的で[[石灰石]]を入れ、下部側面から加熱された空気を吹き入れてコークスを燃焼させる。頂部から投入される原料等はあらかじめ簡単に焼かれて固塊状に加工されており、炉内での高温ガスの上方への流路と原料等の流動性が確保されている。高炉内部ではコークスの炭素が鉄から酸素を奪って熱と一酸化炭素、二酸化炭素を生じる。この反応が熱源となり鉄鉱石を溶かし、炉の上部から下部に沈降してゆく過程で必要な反応が連続的に行なわれ下部に到達する頃には燃焼温度は最高となり、炉の底部で高温液体状の[[銑鉄]]が得られる。不純物を多く含む高温液体状の[[スラグ]]は銑鉄の上に層を成してたまる。銑鉄とスラグは底部側面から適時、自然流動によって取り出される。

高炉頂部からは一酸化炭素、二酸化炭素等を多く含む高温の[[高炉ガス]]がパイプによって取り出され、粉塵等がサイクロンで除去された後、随時切り替えられる複数組の熱風炉の1つへと送られる。高温ガスは熱風炉内のレンガ等を加熱した後、煙突より排気される。十分に加熱された熱風炉の1つが排気経路とは別に切り替えられて、外気より取り込まれた冷風が熱風炉により加熱される。熱くなった空気は炉下部の側面より粉砕された微粉末炭と共に圧入され、炉内を上昇する内に酸素が燃焼に寄与する。これらの流れにより一連のガスサイクルを形成する。

高炉にはコークス炉や鉄鉱石焼結炉が常に併設され、投入原料の事前加工が行なわれている。一度、火が入れられた高炉は常に稼動されて、数年に一度の程度の炉内壁の修理等の時以外に停止されることはない。

高炉で作られた銑鉄は保温効率と移送の利便性を兼ね備えた「トーピードカー」（[[混銑車]]）と呼ばれる細長いタンク車両に流しこまれて、次の工程へと送られる。送られた銑鉄は[[溶銑予備処理]]を施した後、転炉へ入れられ、[[鋼|鋼鉄]]へと変換される。

=== 主な反応 ===
{{製鋼過程}}
炭素（コークス）の燃焼によって、[[一酸化炭素]]、[[二酸化炭素]]が生成する。
:<chem> C + \frac{1}{2}O2 -> CO</chem>
<br />
:<chem> C + O2 -> CO_2</chem>
:<chem> CO2 + C \ <-> \ 2CO</chem>

生成した一酸化炭素によって一連の鉄の還元反応が起こる。これをまとめて書くと以下の式となる。
:<chem> Fe2O3 + 3CO -> 2Fe + 3CO2</chem>
<br />
ただし実際には、還元反応は以下のような３段階のプロセスを経る。
:<chem>Fe2O3 -> Fe_3O_4 -> FeO -> Fe</chem>
<br />
この反応過程は、温度 ''T'' による。即ち、

320{{℃}} &lt; ''T'' &lt; 620{{℃}}
:<chem>3Fe_2O3 + CO -> 2Fe3O4 + CO2</chem>
620{{℃}} &lt; ''T'' &lt; 950{{℃}}
:<chem>Fe_3O4 + CO -> 3FeO + CO2</chem>
950{{℃}} &lt; ''T''
:<chem>FeO + CO -> Fe + CO2</chem>

===不純物の除去===
原料鉱石には {{chem|SiO|2}} などの不純物が存在する。これを取り除くために高炉中に[[石灰石]]（主成分 {{chem|CaCO|3}}）を入れ、以下の反応により[[粘度|粘性]]が小さく除去しやすい[[スラグ]]を生成する。スラグは {{chem|CaSiO|3}} などの組成を持つ。

:<chem>SiO2 + CaCO3 -> CaSiO3 + CO2</chem>

この反応のプロセスは以下のとおりである。

:<chem>CaCO3 -> CaO + CO2</chem>
:<chem>CaO + SiO2 -> CaSiO3</chem>

== 歴史 ==
[[File:HautfourneauXVIII 1nb.jpg|thumb|18世紀の高炉]]
鉄は、石を積んだような低温しか出せない原始的な[[ブルマリー炉]]（[[:en:Bloomery|Bloomery]]）でも[[海綿鉄]]などを鉄鉱石から半固体状で取り出し、鍛冶屋が鎚で鍛えれば器具にすることができる。古代の鉄器はそうして作られた。しかし高温で完全に溶解させ、液状にした[[銑鉄]]は、[[鋳型]]に流し込んで自由な形に造型することができた。そのためには高温を得るための、[[水車]]を[[動力]]にする強力な[[鞴]]を装備した高炉が必要であった。

現在知られている最も古い高炉は[[中国]]の[[前漢]]時代（紀元1世紀頃）のものとみられる<ref>{{Cite journal|last=Chang|first=Tien S.|last2=Needham|first2=Joseph|date=1961|title=The Development of Iron and Steel Technology in China|url=https://doi.org/10.2307/3101417|journal=Technology and Culture|volume=2|issue=2|pages=170|doi=10.2307/3101417|issn=0040-165X}}</ref>。しかし紀元前5世紀頃と見られる[[鋳鉄]]が中国で発見されており、それよりも古い高炉があった可能性がある。初期の高炉は内壁が粘土で作られており、[[リン]]を含む鉱石を使用していたと見られる。

初期の高炉は大量の[[木炭]]を消費した。中国では1世紀に木炭に代えて石炭の使用が始まり11世紀までにはコークス利用へと置き換わった事に由り、膨大な木材を必要としなくなったことで森林資源の消費が回避された<ref>{{Cite journal|last=Wagner|first=Donald B.|date=2001-08-13|title=Blast Furnaces in Song-Yuan China|url=https://doi.org/10.1163/26669323-01801008|journal=East Asian Science, Technology, and Medicine|volume=18|issue=1|pages=41–74|doi=10.1163/26669323-01801008|issn=1562-918X}}</ref><ref>{{Cite book |title=East Asia: a cultural, social, and political history |url=https://www.worldcat.org/title/ocm61446526 |publisher=Houghton Mifflin |date=2006 |location=Boston |isbn=978-0-618-13384-0 |oclc=ocm61446526 |first=Patricia Buckley |last=Ebrey |first2=Anne |last2=Walthall |first3=James B. |last3=Palais}}</ref>。

[[西洋]]における最初の高炉は[[スウェーデン]]で[[1150年]]から[[1350年]]の間に作られたらしい。この高炉が、独自の技術で作られたのか、中国からモンゴルを経てもたらされた技術によって作られたのかははっきりしていない。高炉は中世を通じ、[[ヨーロッパ]]中の鉄鉱石のある地域へと伝播していったが、のち高炉で製造した銑鉄を精錬して[[鋼鉄]]とする技術が考案され、製鉄における高炉の役割は不動のものになった。

日本における最初の近代高炉は、安政元年（[[1854年]]）7月に、[[薩摩藩]]による[[集成館事業]]によって完成した<ref>{{Cite journal|和書|url=https://hdl.handle.net/10232/00030734  |year=2016 |title=日本最初の洋式高炉に挑んだ薩摩藩と近代化への寄与 |author=長谷川雅康 |journal=金属 |ISSN=0368-6337 |publisher=アグネ技術センター |volume=86 |issue=4 |pages=11-18 |naid=120006647627 |accessdate = 2022-06-06}}</ref>。[[島津斉彬]]は[[反射炉]]で作られる[[たたら製鉄]]で生産した和鉄が、大砲鋳造に不向きなことを知っており、いち早く熔鉱炉建設に踏み切った<ref>{{Cite web|和書|url = http://www.shuseikan.jp/word/factory06.html|title = 溶鉱炉（ようこうろ）|publisher = 尚古集成館|accessdate = 2017-09-24}}</ref>。
[[File:Kobe Steel, Ltd-神戸製鋼所加古川製鉄所 1172657.jpg|thumb|260px|right|'''高炉'''（[[神戸製鋼所加古川製鉄所]]）]]
2004年7月現在、世界で高炉のある製鉄所は、
* [[ミッタル・スチール]]
* [[ポスコ]]
ほか

日本において高炉のある製鉄所は、
* [[日本製鉄]] - 7（北日本([[日本製鉄室蘭製鉄所|室蘭]])・東日本([[日本製鉄東日本製鉄所鹿島地区|鹿島]]・[[日本製鉄東日本製鉄所君津地区|君津]])・[[日本製鉄名古屋製鉄所|名古屋]]・関西([[日本製鉄関西製鉄所和歌山地区|和歌山]])・九州[[日本製鉄九州製鉄所八幡地区|（戸畑地区]]・[[日本製鉄九州製鉄所大分地区|大分]]）
* [[JFEスチール]] - 4（[[JFEスチール東日本製鉄所|東日本製鉄所（京浜地区・千葉地区）]]・[[JFEスチール西日本製鉄所|西日本製鉄所（倉敷地区・福山地区）]]）
* [[神戸製鋼所]] - 1（[[神戸製鋼所加古川製鉄所|加古川]]）
の合計12か所で、2022年9月現在21基の高炉が稼働している。

== 高炉の耐火煉瓦の劣化状況の把握 ==
耐火煉瓦の劣化状況を調べるためにかつては[[耐火煉瓦]]内に[[コバルト60]]を入れて製品への含有量から劣化状況を間接的に把握していた<ref>富永在寛, 八塚健夫, 庄野四朗、「[https://doi.org/10.2355/tetsutohagane1955.46.1_7 ラジオアイソトープによる高炉炉壁の侵蝕調査(I)]」『鉄と鋼』 1960年 46巻 1号 p.7-11, {{doi|10.2355/tetsutohagane1955.46.1_7}}</ref><ref>飯島弘, 山口哲夫、「[https://doi.org/10.2109/jcersj1950.67.764_C259 製鉄用耐火物に対するラジオアイソトープの応用]」『窯業協會誌』 1959年 67巻 764号 p.C259-C264, {{doi|10.2109/jcersj1950.67.764_C259}}</ref>。

炉底の[[耐火煉瓦]]の劣化状況など、稼働中の溶鉱炉の内部を外部から透視することは長年できなかったが、現在では[[分解能]]は低いものの、溶鉱炉内の様子を[[ミュー粒子]]で透視する[[ミュオグラフィ]]の開発が[[産学連携]]で進められる<ref>[http://www.nssmc.com/company/publications/monthly-nsc/pdf/2008_11_183_01_04.pdf 高炉内測定の新たな可能性を拓く宇宙線ミュオン]</ref><ref>[https://www.enaa.or.jp/GEC/report/youshi/20R8.PDF ミュー粒子の工学応用による地中空洞化調査システムに関する調査研究報告書（要旨）]</ref>。

コバルト60を用いたことから現代の鉄鋼製品には極微量のコバルト60が環境に拡散された。無論、人体や生態系に影響を及ぼすものではないものの、微量放射能検出の際には障害となるため、太平洋戦争前に金属鉄となった鉄が環境放射能の遮蔽材として使われる。日本における代表例が[[陸奥 (戦艦)|戦艦陸奥]]の船体引き上げで得られた[[陸奥 (戦艦)#引き揚げ展示品と展示場所|'''陸奥鉄''']]である。

== 日本の高炉の詳細 ==
{| class="wikitable"
|-
!会社!!製鉄所!!高炉番号!!炉容積<br>(m&sup3;)!!最近の火入れ
|-
| rowspan="17" style="text-align:center" |日本製鉄
|北日本(室蘭)||第2高炉|| 3,014||2020年11月22日<ref>{{Cite web|和書|title=北海製鉄 第２高炉の火入れについて|url=https://www.nipponsteel.com/news/20201124_100.html|website=日本製鉄ニュースリリース|date=2020-11-24|accessdate=2020-11-24|publisher=日本製鉄}}</ref>
|-
|東日本(君津)||第2高炉|| 4,500||2012年5月28日
|-
|東日本(君津)|| style="background-color:#AAAAAA" |第3高炉|| 4,822||(2016年3月12日休止)
|-
|東日本(君津)||第4高炉|| 5,555||2003年5月8日
|-
|東日本(鹿島)||第1高炉|| 5,370||2004年9月29日
|-
|東日本(鹿島)||第3高炉|| 5,370||2007年5月22日(2024年度末休止予定)<ref name="ir210305">{{Cite web|和書|url=https://www.nipponsteel.com/ir/pdf/20210305_100.pdf|title=日本製鉄グループ中長期経営計画について |accessdate=2021-03-05|publisher=日本製鉄株式会社}}</ref>
|-
|名古屋||第1高炉|| 5,443||2007年4月25日
|-
|名古屋||第3高炉|| 4,425||2022年8月27日<ref>{{Cite web|和書|title=日本製鉄、名古屋第3高炉火入れ |url=https://www.japanmetal.com/news-t20220830120993.html |website=鉄鋼・非鉄金属業界の専門紙「日刊産業新聞」 |access-date=2022-08-31 |language=ja}}</ref>
|-
|関西(和歌山)|| style="background-color:#AAAAAA" |第5高炉|| 2,700||1988年2月22日(2019年1月18日休止)<ref name="nssmc1">[https://headlines.yahoo.co.jp/hl?a=20190220-00010000-tekkou-ind 新日鉄住金、和歌山の新第2高炉が稼働。第5高炉、世界最長寿で吹き止め] - 鉄鋼新聞（2019年2月20日）</ref>
|-
|関西(和歌山)|| style="background-color:#AAAAAA" |第1高炉|| 3,700||2009年7月17日(2020年4月25日休止)<ref name="ir210305" /><ref>{{Cite web|和書|title=高炉の再稼動（バンキング解除）について|url=https://www.nipponsteel.com/news/20201006_050.html|website=日本製鉄ニュースリリース|date=2020-10-06|accessdate=2021-10-04}}</ref>
|-
|関西(和歌山)||第2高炉|| 3,700||2019年2月15日<ref name="nssmc1" />
|-
|瀬戸内([[日本製鉄瀬戸内製鉄所呉地区|呉]])|| style="background-color:#AAAAAA" |第1高炉|| 2,650||1995年4月(2021年9月29日休止)<ref name=":0">{{Cite web|和書|url=https://www.nipponsteel.com/common/secure/news/20200207_700.pdf|title=生産設備構造対策と経営ソフト刷新施策の実施について|accessdate=2020-04-15|publisher=日本製鉄株式会社}}</ref><ref name=":1">{{Cite web|和書|title=日本製鉄・瀬戸内製鉄所呉地区／高炉の火消える／きょう５９年の歴史に幕 {{!}} 日刊鉄鋼新聞 Japan Metal Daily|url=https://www.japanmetaldaily.com/articles/-/92570|website=日本製鉄・瀬戸内製鉄所呉地区／高炉の火消える／きょう５９年の歴史に幕 {{!}} 日刊鉄鋼新聞 Japan Metal Daily|accessdate=2021-10-04|language=ja}}</ref>
|-
|瀬戸内(呉)|| style="background-color:#AAAAAA" |第2高炉|| 2,080||2003年11月(2020年2月15日休止)<ref name=":0" /><ref name=":1" />
|-
|九州(八幡)||戸畑第4高炉|| 5,000||2014年4月20日
|-
|九州(八幡)|| style="background-color:#AAAAAA" |小倉第2高炉|| 2,150||2002年4月(3次)　(2020年7月18日休止)<ref>{{Cite web|和書|title=» 日本製鉄 九州製鉄所・八幡地区 小倉第2バンキング ｜ 鉄鋼・非鉄金属業界の専門紙「日刊産業新聞」|url=https://www.japanmetal.com/news-t2020072198228.html|accessdate=2020-10-21|language=ja}}</ref>
|-
|九州(大分)||第1高炉|| 5,775||2009年8月2日
|-
|九州(大分)||第2高炉|| 5,775||2004年5月15日
|-
|rowspan="4" style="text-align:center"|神戸製鋼所||加古川
|style="background-color:#AAAAAA"|第1高炉|| 4,550||(2007年5月20日休止)
|-
|加古川||第2高炉|| 5,400||2007年5月29日（3次）
|-
|加古川||第3高炉|| 4,844||2016年12月23日（3次）
|-
|[[神戸製鋼所神戸製鉄所|神戸]]|| style="background-color:#AAAAAA" |第3高炉||| 2,112||2007年12月16日(2017年10月31日休止)<ref name=神戸新聞20171031>{{Cite news |title=神鋼 神戸の高炉３１日停止 製鉄の火燃やし５９年 |newspaper=[[神戸新聞]] |date=2017-10-31|url=https://www.kobe-np.co.jp/news/keizai/201710/0010691402.shtml |accessdate=2017-11-02}}</ref>
|-
| rowspan="11" |JFEスチール
|東日本(千葉)
|第6高炉
|5,153
|2023年1月13日（3次）
|-
|東日本(京浜)
|style="background-color:#AAAAAA"|第1高炉|| 4,907||(2004年3月23日休止)
|-
|東日本(京浜)|| style="background-color:#AAAAAA" |第2高炉|| 5,000||2004年3月24日（2次)　(2023年9月16日休止)<ref>{{Cite web|和書|url=https://nordot.app/1075573488636723990|title=JFE、川崎の第2高炉休止 鉄鋼需要減り7基に集約|accessdate=2023-09-17|publisher=共同通信|archive-url=https://web.archive.org/web/20230929052305/https://nordot.app/1075573488636723990 |archive-date=2023-09-29 |url-status=dead |url-status-date=2024-09-26}}</ref>
|-
|西日本(倉敷)
|style="background-color:#AAAAAA"|第1高炉|| 2,564||(2002年1月23日休止)
|-
|西日本(倉敷)||第2高炉|| 4,100||2003年11月13日（4次）2027年度に電炉に転換の予定
|-
|西日本(倉敷)||第3高炉|| 5,055||2010年2月11日（4次）
|-
|西日本(倉敷)||第4高炉|| 5,100||2021年12月13日（4次）<ref>{{Cite web|和書|title=西日本製鉄所（倉敷地区）第4高炉（4次）火入れについて|url=https://www.jfe-steel.co.jp/release/2021/12/211214.html|website=www.jfe-steel.co.jp|accessdate=2022-01-01}}</ref>
|-
|西日本(福山)
|style="background-color:#AAAAAA"|第2高炉|| 2,828||(2011年5月12日休止)
|-
|西日本(福山)
||第3高炉|| 4,300||2011年5月14日（4次）
|-
|西日本(福山)||第4高炉|| 5,000||2006年5月5日（4次）
|-
|西日本(福山)||第5高炉|| 5,500||2005年3月31日（3次）
|}

== 脚注 ==
{{脚注ヘルプ}}
{{Reflist|30em}}

== 関連項目 ==
* [[製鉄所]]
* [[高炉メーカー]]

== 外部リンク ==
* 石井邦宜, 八木順一郎、「[https://doi.org/10.2355/tetsutohagane1955.87.5_207 高炉製銑プロセスの基礎研究概況と今後の展開]」『鉄と鋼』 2001年 87巻 5号 p.207-220, {{doi|10.2355/tetsutohagane1955.87.5_207}}
* {{Kotobank}}

{{commons|Blast furnace}}
{{日本の製鉄所}}

{{Normdaten}}
{{DEFAULTSORT:こうろ}}
[[Category:製鉄]]
[[Category:炉・燃焼機器]]
[[Category:中国の発明]]