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高炉(こうろ、blast furnace)は製鉄所の主要な設備で、鉄鉱石から銑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。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。

銑鋼一貫製鉄所という、鉄鉱石から高炉、転炉、連続鋳造工程を経て最終製品(主として各種鉄板、パイプ類)を生産する大規模な製鉄所のみが高炉を所有している。このような製鉄所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

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」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、鋼鉄へと変換される。

◇ 主な反応

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。

:$\backslash rm\; C\; +\; \backslash fracO\_2\; \backslash longrightarrow\; CO$

:$\backslash rm\; C\; +\; O\_2\; \backslash longrightarrow\; CO\_2$

:$\backslash rm\; CO\_2\; +\; C\; \backslash \; \backslash overrightarrow\backslash longleftarrow\; \backslash \; 2CO$

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。

:$\backslash rm\; Fe\_2O\_3\; +\; 3CO\; \backslash longrightarrow\; 2Fe\; +\; 3CO\_2$

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。

:$\backslash rm\; Fe\_2O\_3\; \backslash longrightarrow\; Fe\_3O\_4\; \backslash longrightarrow\; FeO\; \backslash longrightarrow\; Fe$

この反応過程は、温度 T による。即ち、

320 < T < 620

:$\backslash rm\; 3Fe\_2O\_3\; +\; CO\; \backslash longrightarrow\; 2Fe\_3O\_4\; +\; CO\_2$

620 < T < 950

:$\backslash rm\; Fe\_3O\_4\; +\; CO\; \backslash longrightarrow\; 3FeO\; +\; CO\_2$

950 < T

:$\backslash rm\; FeO\; +\; CO\; \backslash longrightarrow\; Fe\; +\; CO\_2$

◇不純物の除去

原料鉱石には SiO₂ 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 CaCO₃)を入れ、以下の反応により粘性が小さく除去しやすいスラグを生成する。スラグは CaSiO₃ などの組成を持つ。

:$\backslash rm\; SiO\_2\; +\; CaCO\_3\; \backslash longrightarrow\; CaSiO\_3\; +\; CO\_2$

この反応のプロセスは以下のとおりである。

:$\backslash rm\; CaCO\_3\; \backslash longrightarrow\; CaO\; +\; CO\_2$

:$\backslash rm\; CaO\; +\; SiO\_2\; \backslash longrightarrow\; CaSiO\_3$

◆ 歴史

現在知られている最も古い溶鉱炉は、中国の前漢時代(紀元前1世紀頃)のものとみられる。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、それよりも古い溶鉱炉があった可能性がある。初期の溶鉱炉は、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。西洋における最初の溶鉱炉は、スウェーデンで1150年から1350年の間に作られたらしい。この溶鉱炉が、独自の技術で作られたのか、モンゴルから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。

コークスを使う近代的な高炉が最初に作られたのは1709年で、エイブラハム・ダービーによって開発された。ヨーロッパの森林破壊によって木炭が減少し、そのために石炭が使われたのであるが、その結果製鉄のコストが大幅に下がることになった。しかし、高炉は産業界でもっとも多くCO2を排出する装置であり最近では木炭からコークスへの転換が逆に地球温暖化への歯止めを失ったという反省点も浮上している。

日本における最初の近代高炉は、釜石市の大橋高炉である。大島高任が設計・操業に携わり、安政4年(1857年)11月26日火入れ、12月1日初出銑に成功する。この日は(大島が日本鉱業会の初代会長だったため)のちに鉄の記念日に制定された。

これが日本の近代製鉄の始まりである。なお、大島はオランダ人ヒューゲニンの著作を「鉄熕鋳鑑」として翻訳したが、この際に "hoog oven" を「高炉」と訳し、以後この表記が現在に至るまで使用されている。

2004年7月現在、世界で高炉のある製鉄所は、

・ミッタル・スチールほか

日本において高炉のある製鉄所は、

・新日本製鐵系5(室蘭・君津・名古屋・八幡・大分)

・JFEスチール4(京浜・千葉・倉敷・福山)

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