たたら製鉄の物質収支と熱収支

摘要

たたら炉は炉高1.2mの箱型の低い炉であるがために，送風空気中の酸素を有効に利用できず，熱交換も十分でない．また，砂鉄は羽口前まで低い還元率で降下するのでノロはファイヤライト系の酸化鉄の多い組成となって歩留まりは悪い．しかし，酸素分圧は酸化鉄が還元する程度に高く保持されるので他の不純物酸化物は還元されず結局，不純物成分濃度の低い銑や拇ができる．砂鉄は微粉のため10％程度が飛散するが，反応は速く30～40分で終了する．このように，たたら炉は木炭を燃焼して高温ガスと還元ガスを同時に作り酸化鉄の還元反応と浸炭·溶融を行わせている．この高温ガスを装入原料の加熱に用いていることが送風空気中酸素の利用効率を悪くし，不十分な熱交換を起こしている．高炉は炉高を高くすることによってこの点を解決しているが，塊鉄鉱石しか利用できず反応に時間がかかる．さらに圧壊粉化を避けるために強度のある優良な鉄鉱石やコークスを必要とする．また，送風圧が高くなって酸素分圧は下がり銑鉄中の不純物濃度が高くなる．これらの諸問題のため高温ガスで原料を加熱する方法には限界があり，その一つとして1m3当たり1日に生産する銑鉄のトン数を表す出銑比は，たたら製鉄で約0.5トン，18世紀の木炭高炉で約1トン，現在の高炉でも2トン程度である．これは本質的に4000年の間製鉄原理が変化してこなかったことを意味している．高温ガスによらないエネルギーの供給方法が開発されると新しい原理の製鉄法が出現するであろう．