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製鉄に石灰石を使用するのはなぜ?

一つ前のエントリーのコメント欄でismax4fさんから、以下のような質問がありました。

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私は仕事で世の中の成り立ちや仕組みを教えることが多いです。
その中で「銑鉄」を作る仕組みとして「鉄鉱石+コークス+石灰石」と教えるのですが、これらは高炉の中でどのような反応をしているのでしょうか?
また、銑鉄に柔軟性を持たせるために「鉄屑(酸化鐵?)」を混ぜるのですが、これもどうしてなのかよくわかりません。
大雑把な質問で(しかもこの記事に関係ない質問で)申し訳ありませんが、おしえていただけませんか。
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なんだか楽しそうなお仕事ですね(笑)。

以下に、なんとか回答を試みてみました。



製鉄とは鉄鉱石から鉄を製造することです。
鉄鉱石の主成分は酸化鉄です。
化学式は、Fe₂O₃(赤鉄鉱)、Fe₃O₄(磁鉄鉱)ですが、他にも様々な酸化数の酸化鉄が混在しています。
ですから、製鉄の主な目的はこれらの酸化鉄から酸素をはずすこと(還元)です。
そこで鉄よりも酸素と結びつき易い炭素を投入します。
炭素源としては、コークスや木炭が使われます。
ここで酸化鉄の還元過程を少し詳しく見てみましょう。

炭素は熱せられ、空気中の酸素と結びつき、二酸化炭素になります。
   C + O₂ → CO₂

二酸化炭素はさらに炭素と反応し、一酸化炭素になります。
   CO₂ + C → 2CO

皆さんは「一酸化炭素中毒」という言葉を聞いたことがあると思います。
冬に屋内で換気をせず石油ストーブなどで暖房していると、酸素不足による不完全燃焼で一酸化炭素が発生します。
この一酸化炭素は非常に不安定で、他の物質と強力に化合し安定しようとします。
これがヒトのヘモグロビンと強力に結びついてしまうと、赤血球は酸素と結びつくことができなくなり、組織が酸欠状態に至り、死んでしまいます。
これが一酸化炭素中毒です。
このように不安定で他の物質とくっつきたがる性質を、酸化鉄の還元に利用するのです。
つまり、一酸化炭素に酸化鉄の酸素を奪ってもらうわけです。
   3Fe₂O₃ + CO → 2Fe₃O₄ + CO₂ 
     (赤鉄鉱が磁鉄鉱に変化しました。鉄に対する酸素の割合が下がってます。)
   Fe₃O₄ + 4CO → 3Fe + 4CO₂ 
     (磁鉄鉱から酸素がすべて取り除かれ、鉄(Fe)に変化しました。)

これが製鉄の反応のすべてであれば、石灰石を使用する必要はありません。
しかし、鉄鉱石は自然が人間の工業のために用意してくれたものではありませんから、決して純粋な酸化鉄ではありません。多量の不純物を含んでいるのです。
それらの不純物も取り除かなければなりません。
ここではケイ素(Si)の除去を考えます。
鉄鉱石中のケイ素の多くは二酸化ケイ素(SiO₂、石英)の形で存在します。
これを石灰石(CaCO₃)と反応させるのです。
    SiO₂ + CaCO₃ → CaSiO₃ + CO₂

CaSiO₂は、珪酸カルシウム、珪灰石、ウォラスナイトなどとよばれる物質です。
融点が低いため、高温になると流動性の高い液体になります。
また比重が軽いため、融けて液体になった鉄の上に浮きます。
流動性が高く浮くため、鉄との分離が容易になるのです。

また不純物としての硫黄(S)は、石灰石(CaCO₃)と反応し、石膏(CaSO₄、硫酸カルシウム)として回収され、販売されます。

このように、鉄鉱石に含まれる不純物は石灰石と反応させることで、鉄と分離されます。
分離されたものを「スラグ」と言います。
石灰石は、スラグを形成するために使われるのです。

以上です。
本当は他にも、リン(P)、マンガン(Mn)なども不純物として取り除かなければいけないはずで、それにも石灰石は活かされていると思うのですが、具体的にどう反応しているのか、正直、私にもよくわかりません。
こんなところで勘弁願います。

テーマ : 自然科学
ジャンル : 学問・文化・芸術

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