鉄鉱石とは｜成分・種類・採掘・製鉄・歴史をわかりやすく解説

鉄鉱石の成分・種類・採掘方法・製鉄工程・歴史を図解とともにやさしく解説。初学者から業界人まで必読。

鉄鉱石は、金属鉄を経済的に抽出することができる岩石や鉱物である。

鉄（Fe）は、最も多く存在する岩石形成元素の一つである。地殻の約5％を占めている。鉄は2番目に多く、広く分布している金属である（アルミニウムが最も多い）。人々は3,000年以上前からこの金属を利用してきた。しかし、その利用が広まったのは、鍛冶屋に代わって溶鉱炉（溶鉱炉の前身）が使われ始めた14世紀以降である。

鉱石は通常、酸化鉄を多く含み、色は濃い灰色、明るい黄色、濃い紫、錆びた赤などさまざまである。

成分と品質指標

鉄鉱石の主成分は酸化鉄で、代表的な鉱物には以下がある。

• 赤鉄鉱（ヘマタイト）：主成分はFe2O3。高品位（Fe含有量が高い）で、製鉄原料として重要。
• 磁鉄鉱（マグネタイト）：Fe3O4。磁性を持ち、磁力選別で効率的に濃縮できる。
• 針鉄鉱（ゴーサイト）・褐鉄鉱（リモナイト）：水和酸化鉄を含み、含水率が高くLOI（Loss on Ignition：焼失率）が高くなる。
• 方解石性鉄鉱（シデライト）：FeCO3を主成分とし、酸処理や焙焼が必要になる場合がある。

鉄鉱石の品質は主に以下で評価される：Fe含有率（%Fe）、不純物としてのSiO2（珪酸）、Al2O3（アルミナ）、P（リン）、S（硫黄）、および含水率（LOI）。高品位の鉱石ほど製鉄コストが低く、環境負荷も小さい。

鉱石の形状と品種

• Lump（ラブ）/ Lump ore：大きな粒状のままで使える鉱石。
• Fines（微粉）：細かい粒状。直接高炉へ投入するには凝集（ペレット化やシンター化）が必要。
• Concentrate（濃縮鉱）：選鉱で不純物を除きFe濃度を高めたもの。
• Pellets（ペレット）：細かい鉱石を焼結して球状にしたもの。高炉や直接還元炉で広く使用。
• Sinter（シンター）：粉状鉱石を焼結して塊にしたもので高炉原料として多用される。

採掘と選鉱（採掘から製品までの流れ）

鉄鉱石の採掘は主に露天掘り（オープンピット）で行われることが多いが、埋蔵深度や地質によっては地下採掘になることもある。採掘後は以下の工程を経て鋼の原料となる。

• 破砕・粉砕：鉱石を小さく砕く。
• 選鉱：磁力選別、浮遊選鉱、比重選別などでFe濃度を高める。
• 濃縮：不純物を除去して高品位化。
• 結球（ペレット化）・焼結（シンター）：細粒を高炉で使える形に加工する。
• 輸送：鉱山から製鉄所へは鉄道、船舶、トラックで輸送される。大規模鉱山では港湾設備が整備されることが多い。

製鉄プロセスの概要

鉄鉱石は主に高炉（blast furnace）で還元されて銑鉄（pig iron）になり、さらに転炉や電気炉で鋼に精錬される。代表的な流れは次の通り：

• 高炉法：石炭をコークス化したコークスを燃料兼還元剤として用い、シンターやペレット、コークス、石灰石を層状にして高温で還元する。主反応の一つは、Fe2O3 + 3CO → 2Fe + 3CO2。高炉からは銑鉄とスラグが得られ、銑鉄は転炉（BOF）や連続鋳造工程へ送られる。
• 直接還元法（DRI）：天然ガスや水素を還元剤として使用し、低温で酸化鉄を金属鉄に還元する方法。生成物はスポンジ鉄（Direct Reduced Iron）で、電気炉での製鋼原料として重要。COやH2を用いる方式があり、将来的には水素還元がCO2削減策として注目されている。

歴史的背景

鉄の利用は古代にさかのぼり、初期は小規模な鍛冶（ブロム炉や炉）の技術で鉄器が作られていました。産業的な大量生産は中世以降に進展し、14世紀から15世紀にかけて溶鉱炉の発展で鉄生産が拡大しました。19世紀にはコークス高炉やベッセマー法など製鋼技術の革新で鉄鋼産業が飛躍的に成長しました。20世紀以降は電気炉や連続鋳造、無煙コークスや環境対策技術の導入が進んでいます。

世界の生産と資源

鉄鉱石の主要生産国はオーストラリア、ブラジル、中国、インド、ロシア、南アフリカなどです。特にオーストラリアとブラジルは高品位の鉱石を大量に輸出しており、世界の供給に大きな影響を与えます。鉄鉱石の埋蔵量は豊富ですが、品位や採掘コスト、地政学的要因が供給に影響します。

環境面と持続可能性

鉄鉱石の採掘・製鉄は環境負荷を伴います。主な問題点は以下の通りです：

• CO2排出：高炉・転炉プロセスは大量の化石燃料を使うためCO2排出が大きい。水素還元や電気炉＋再生エネルギーへの移行が脱炭素の鍵。
• 土地や生態系への影響：露天掘りは広範囲な土地改変を伴うため、採掘後の復元や生態系保全が重要。
• 排水・ダスト・廃棄物（テールings）：酸性排水や有害物質の漏出、粉塵対策が必要。

対策としては、排水処理、乾式テールings、鉱山再生、電力の脱炭素化、製鋼プロセスの高効率化などが進められています。

用途とリサイクル

鉄鋼は建設、自動車、造船、機械、家電など社会インフラに不可欠な材料です。鉄鋼はリサイクル性が高く、スクラップを電気炉で溶かして再利用することで、鉄鉱石の需要を一部代替できます。リサイクルはエネルギー消費とCO2排出の削減に寄与します。

まとめ：鉄鉱石の重要性

鉄鉱石は現代社会の基盤である鉄鋼製品の原料であり、鉱物学的・経済的に重要な資源です。品質（Fe含有率や不純物）、採掘・選鉱・製鋼の各工程、環境対策が供給と持続可能性を左右します。今後は脱炭素技術や効率的な選鉱・製鋼法の普及が、鉄鉱石産業の課題解決に向けた鍵となるでしょう。

質問と回答

Q:鉄鉱石とは何ですか?

Q:どの程度の鉄分を含んでいれば「天然鉱石」「直送鉱石」と判断されるのでしょうか?

Q:鉄はいつ頃から広く使われるようになったのですか?

Q:地球の鉄の供給はどこから来ているのですか?

Q: 火山が形成した島々には、金属鉱石が多く含まれているのですか?

Q:日本の鉄鋼はどこから調達しているのですか?

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