製鋼
2つのアーク炉を備えた製鉄所

製鋼とは、鉄鉱石やスクラップから鋼鉄を生産するプロセスです。鋼鉄は数千年にわたって製造されており、1850年代と1860年代にはベッセマー法とシーメンス・マーチン法を用いて大規模に商業化されました。

現在、商業的に利用されている主な製鋼プロセスは2つあります。酸素製鋼（BOS）は、高炉から溶銑と鉄スクラップを主原料として用います。電気炉製鋼（EAF）は、鉄スクラップまたは直接還元鉄（DRI）を主原料として用います。酸素製鋼は、時間の経過とともに普及してきました。[ 1 ]

製鉄業は、最も炭素排出量の多い産業の一つです。2020年には、製鉄業がエネルギー部門の温室効果ガス排出量の7%を占めていると報告されました。[ 2 ]製鉄業は大幅な排出量削減を目指しています。[ 3 ]

鋼鉄

鋼は鉄と炭素から作られています。鋳鉄は硬くて脆く、加工が難しい素材ですが、鋼は展性があり、比較的容易に成形でき、用途が広いです。鉄自体は強度がありませんが、鋼の種類によっては1%未満の低濃​​度の炭素が鋼に強度やその他の重要な特性を与えます。窒素、ケイ素、リン、硫黄などの不純物や過剰な炭素（最も重要な不純物）が除去され、マンガン、ニッケル、クロム、炭素、バナジウムなどの合金元素が添加されることで、様々なグレードの鋼が作られます。

歴史

ペンシルベニア州ベツレヘムのベツレヘム・スチールは、2003年に閉鎖されるまで世界最大の鉄鋼メーカーの一つであった。

初期の歴史

初期の製鉄法は、古典時代に中国、インド、ローマ、そしてスウェーデン北部の狩猟採集民の間で発展しました。最も初期の鋼鉄生産方法は、塊鉄炉でした。

人類の歴史の大部分において、鋼鉄は少量しか生産されていませんでした。近世における鋼鉄生産方法は、しばしば労働集約的で高度な技術を必要としました。ベッセマー法とその後の発展により、鋼鉄は世界経済に不可欠な存在となりました。[ 4 ]

中国

ベッセマー法に似たシステムは、11世紀に東アジアで誕生しました。[ 5 ] [ 6 ]ハートウェルは、宋王朝（960-1279年）が冷風下で鋳鉄を繰り返し鍛造する「部分脱炭」法を発明したと記しています。 [ 7 ]ニーダムとワータイムはこの方法をベッセマー法の前身としています。[ 5 ] [ 8 ] [ 9 ]この法は、1075年に磁州を訪れた官僚の沈括（1031-1095）によって初めて記述されました。[ 7 ]ハートウェルは、この法が実践された最も古い中心地は、おそらく11世紀の河南省と河北省の境界に沿った大規模な鉄生産地域であったと述べています。[ 7 ]

ヨーロッパ

ヨハン・アルブレヒト・デ・マンデルスローは、日本におけるベッセマー法の利用について述べた。[ 10 ]

15 世紀には、ベッセマー法と同じ空気吹き込み原理を持つ 精錬法がヨーロッパで開発されました。

高品質の鋼は、通常スウェーデンから輸入された炭素を含まない錬鉄に炭素を加えるという逆のプロセスでも製造されていました。セメンテーション法と呼ばれるこの製造プロセスは、錬鉄の棒を木炭と一緒に長い石の箱で最大1週間加熱することで構成されていました。この方法で粗鋼が製造されました。粗鋼は錬鉄とともにるつぼに入れられて溶解され、るつぼ鋼が製造されました。生産された鋼1トンにつき最大3トンの（当時は高価だった）コークスが燃焼されました。棒に圧延された鋼は、1ロングトンあたり50〜60ポンド（2008年には約3,390〜4,070ポンド）で販売されました[ 11 ] 。プロセスの中で最も困難で骨の折れる部分は、スウェーデンの 精錬所で錬鉄を生産することでした。

1740年、ベンジャミン・ハンツマンはイギリスのハンズワースにある工房で、製鋼のためのるつぼ製法を開発しました。この製法は、鋼の生産量と品質を大幅に向上させました。しかし、焼成時間が3時間長くなり、大量のコークスが必要になりました。るつぼ製鋼では、粗鋼棒を細かく砕き、20kg程度の小さなるつぼで溶解しました。この製法はより高品質な金属を生産できましたが、コストは増加しました。

ベッセマー法は、低品位鋼の製造時間を約30分に短縮し、銑鉄を溶解するのに必要な量のコークスのみを必要としました。初期のベッセマー転炉は1トンあたり7ポンドで鋼を生産しましたが、当初は1トンあたり約40ポンドで販売されていました。

日本

17世紀のヨーロッパの旅行者が観察したように、日本人はベッセマー法を利用していた可能性がある。[ 10 ]冒険家ヨハン・アルブレヒト・デ・マンデルスローは、1669年に英語で出版された著書の中でこの製法について記述している。彼は次のように記している。「彼らはとりわけ、火を使わずに鉄を溶かすための特別な発明を持っていた。彼らは鉄を約半フィートの土で覆われていない内側の釜に注ぎ、絶えず吹き込みながら保持し、柄杓で取り出して好きな形に成形した。」ワーグナーは、マンデルスローは日本を訪れていないため、彼の製法に関する記述は他の記述から派生したものである可能性が高いと述べている。ワーグナーは、日本の製法はベッセマー法に類似していた可能性があると述べているが、別の説明も可能であると警告している。[ 10 ]

サンドビケンのヘグボ・ブルクにあるベッセマーコンバーター。

19世紀初頭までに、パドリング法は広く普及しました。当時は、スラグ中の不純物を完全に除去するには処理熱が低すぎましたが、反射炉によって鉄を直接火にかけることなく加熱することが可能になり、燃料源に含まれる不純物の影響をある程度防ぐことができました。その後、燃料として 木炭に代わって石炭が使用されるようになりました。

ベッセマー法は、燃料を使わずに鉄の不純物を利用して必要な熱を発生させ、鋼鉄を生産することを可能にした。これによりコストは大幅に削減されたが、必要な特性を持つ原材料の入手は必ずしも容易ではなかった。[ 12 ]

工業化

近代の製鋼は、ベッセマー法が初めて成功した大量生産の方法となり、平炉がそれに続いた1850 年代末に始まりました。

プロセス

世界の鉄鋼生産方法別分布

現代の製鋼は、一次、二次、三次の 3 つの段階から構成されます。

一次製鋼では、鉄を溶かして鋼を作ります。二次製鋼では、合金化剤や溶存ガスなどの他の元素を添加または除去します。三次製鋼では、溶融金属を板、ロール、その他の形状に鋳造します。各工程には複数の技術が利用可能です。[ 13 ]

一次製鋼

塩基性酸素

塩基性酸素製鋼（BOS）は、高炉で鉄鉱石を精錬して得られた炭素を豊富に含む銑鉄を溶解し、鋼鉄に変換するプロセスです。溶融銑鉄に酸素を吹き込むことで、炭素の一部がCOに酸化されます。−およびCO2鉄を鋼鉄に変えます。製錬容器の内側には、高温でも分解しない耐火物（酸化カルシウムと酸化マグネシウム）が敷かれ、熱、腐食性の溶融金属、そしてスラグに耐えます。化学組成は、シリコンやリンなどの不純物を除去するために管理されています。

塩基性酸素法は、1948年にロバート・デューラーによって、空気を（より効率的な）純酸素に置き換えるベッセマー転炉の改良版として開発されました。これにより、工場の資本コストと製錬時間が削減され、労働生産性が向上しました。1920年から2000年の間に、労働力の必要量は1000分の1に減少し、1000トンあたり3人時間になりました。2013年には、世界の鉄鋼生産量の70%が塩基性酸素炉で生産されました。[ 14 ]この炉では、最大350トンの鉄を40分未満で鋼に変換できます。これは、平炉では10～12時間かかる処理です。[ 15 ]

電気アーク

電気アーク炉は、スクラップまたは直接還元鉄から鋼を生産します。「ヒート」（バッチ）の鉄が炉に投入され、場合によっては「ホットヒール」（前のヒートで溶鋼が溶製された状態）が投入されます。ガスバーナーが溶解を補助することもあります。BOS法と同様に、フラックスが添加され、容器のライニングを保護し、不純物の除去を促進します。電気アーク炉は通常100トンの容量で、40～50分ごとに鋼を生産します。[ 15 ]このプロセスでは、塩基性酸素法よりも多くの合金を添加できます。[ 16 ]

ヒサルナ

ヒサルナ製鉄法では、鉄鉱石はほぼ直接的に溶銑（溶銑）に加工されます。このプロセスはサイクロン転炉をベースとしており、BOSに必要な銑鉄ペレットの中間製造を省略することが可能です。この準備工程を省略することで、ヒサルナプロセスはエネルギー効率が向上し、CO排出量を削減します。2排出量を約20％削減します。[ 17 ]

水素還元

直接還元鉄は、鉄鉱石を原子状水素と反応させることで生成されます。再生可能水素は、化石燃料を使わずに製鉄することを可能にします。直接還元は1,500°F（820°C）で行われます。鉄は電気アーク炉で炭素（石炭由来）と反応します。水素電気分解には、鉄鋼1トンあたり約2,600kWhの電力が必要です。水素製造は、従来の方法に比べてコストが20～30%増加すると推定されています。[ 18 ] [ 19 ] [ 20 ]

二次製鋼

次のステップでは、一般的に取鍋が使用されます。取鍋での処理には、脱酸（または「キリング」）、真空脱ガス、合金添加、介在物除去、介在物の化学組成変更、脱硫、均質化が含まれます。取鍋処理は、炉蓋に電気アーク加熱を施したガス撹拌式取鍋で行うのが一般的です。取鍋冶金を厳密に管理することで、許容差の狭い高品質鋼が生産されます。[ 13 ]

第三次製鋼

三次製鋼とは、製造工程の最終段階であり、溶融鋼を凝固させ、半製品または完成品に成形する工程を指します。この段階は、一次および二次段階の化学精錬とは異なり、物理的形状と表面特性に重点が置かれます。

鋳造

鋼鉄を圧延する前に、固めなければなりません。

  • 連続鋳造：これは世界生産量の95%以上を占める主要な方法です。 [ 21 ]溶鋼は取鍋からタンディッシュへ流れ込み、水冷された銅鋳型を通過します。鋼は連続した赤熱した鋼片として鋳造され、矯正・切断されます。これにより、スラブ（板材）、ブルーム（構造用形材）、ビレット（線材などの長尺物）といった規格化された形状の鋼が製造されます。
  • インゴット鋳造：この古いバッチ式鋳造法では、鋼材を固定された鋳型に流し込みます。この方法は、特定の高合金鋼や、連続鋳造機の物理的能力を超える非常に大型の部品（発電機シャフトなど）の製造に現在でも使用されています。 [ 22 ]

成形と仕上げ

凝固した鋼は、最終的な寸法と機械的特性を得るために機械加工されます。

  • 熱間圧延：鋼材は再結晶温度以上に加熱され、重いローラーを通過させられます。これにより鋼材の厚さが薄くなり、内部の結晶構造が微細化され、靭性が向上します。
  • 冷間圧延:室温で実行されるこのプロセスにより、厚さがさらに減少し、表面仕上げが改善され、歪み硬化によって引張強度が向上します。
  • コーティング：腐食を防ぐため、鋼板仕上げにはコーティングが施されることがよくあります。一般的な方法としては、建築材料では溶融亜鉛めっき（亜鉛によるコーティング）が、包装材では電解錫めっきが挙げられます。

二酸化炭素排出量

2021年時点で、鉄鋼業は世界のCO2排出量の約11%を占めていると推定されている。2排出量の約7％を占め、温室効果ガス排出量の約7％を占めています。[ 23 ] [ 24 ] 1トンの鉄鋼を製造すると、約1.8トンのCO2[ 25 ]これらの排出物の大部分は、石炭が高炉で鉄鉱石からの酸素と結合する炭素を供給する産業プロセスから生じている。[ 26 ]

追加のCO2排出物は、鉱石の採掘、精錬、輸送、酸素製鋼、焼成、熱風炉から発生します。CO2削減のための提案された技術2鉄鋼業界における温室効果ガス排出量削減策には、炭素ではなくグリーン水素を使用した鉄鉱石の還元や炭素回収・貯留などが含まれる。[ 27 ]

採掘と抽出

石炭や鉄鉱石の採掘は大量のエネルギーを消費し、周囲にダメージを与え、汚染、生物多様性の喪失、森林破壊、温室効果ガスの排出を引き起こします。

高炉

高炉は、鉄鉱石を1,700℃（3,090℉）で溶解し、周囲の酸素とコークス（石炭の一種）の存在下で鉄から酸素と微量元素を除去し、微量の炭素を添加する。鉄鉱石からの酸素は、コークスの炭素によってCOとして運び去られる。2反応：

鉄2お3(s) + 3 CO(g) → 2 Fe(s) + 3 CO2（グ）

この反応はCOの低い（好ましい）エネルギー状態によって起こる。2鉄酸化物と比較して、反応の活性化エネルギーを得るには高温が必要である。少量の炭素が鉄と結合して銑鉄を形成するが、銑鉄の炭素含有量が約4%と高すぎるため、鋼鉄の原料となる中間体となる。[ 28 ]

脱炭

銑鉄中の炭素含有量を減らし、鋼の所望の炭素含有量を得るために、銑鉄を再溶解し、酸素を吹き込む酸素製鋼法が採用されている。この工程で、酸素は不要な炭素と結合し、 COの形で除去する。2ガスは追加の排出源となります。この工程の後、銑鉄中の炭素含有量は鋼鉄が得られる程度に低下します。

焼成

さらにCO2排出物は、焼成と呼ばれる反応で高温で溶解される石灰石の使用から生じます。

炭酸カルシウム3(s) → CaO(s) + CO2（グ）

結果として生じるCO2は、排出源となる可能性がある。酸化カルシウム（CaO、生石灰）は、排出量を削減するための代替として使用できる。[ 29 ]生石灰は化学フラックスとして機能し、スラグの形で不純物（硫黄やリン（アパタイトやフッ素アパタイトなど）[ 30 ]など）を除去し、CO2次のような反応に応じた排出物:

SiO 2 + CaO → CaSiO 3

フラックスを提供するために石灰石を使用する方法は、高炉（銑鉄を得るため）と酸素製鋼（鋼を得るため）の両方で行われます。

熱風

二酸化炭素2排出物は熱風によって高炉の温度が上昇することで発生します。熱風は高炉に熱い空気を送り込みます。熱風の温度は、設計と条件に応じて900～1,300℃（1,650～2,370℉）の範囲です。石油、タール、天然ガス、粉炭、酸素を吹き込んでコークスと混合することで、追加のエネルギーが放出され、還元ガスの割合が増加し、生産性が向上します。熱風は通常、化石燃料の燃焼によって加熱されますが、これも排出源となります。[ 31 ]

炭素排出量削減戦略

鉄鋼業界は人為的CO2排出量の7～8%を排出している。2二酸化炭素排出量が最も多く、最もエネルギー集約的な産業の一つです。[ 32 ] [ 33 ]排出量削減と脱炭素化戦略は製造プロセスによって異なります。選択肢は、非化石エネルギー源の利用、処理効率の向上、製造プロセスの進化という3つの一般的なカテゴリーに分類されます。これらは個別に、または組み合わせて採用することができます。

「グリーンスチール」とは、化石燃料を使用しない製鉄を指します。[ 34 ]グリーンスチールの生産を主張する企業の中には、排出量を削減はするものの、ゼロにはしていないところもあります。[ 35 ]

オーストラリア

オーストラリアは世界の鉄鉱石の約40%を生産しています。オーストラリア再生可能エネルギー庁（ARENA）は、排出量削減のため、直接還元鉄（DRI）に関する研究プロジェクトに資金を提供しています。リオ・ティント、BHP、ブルースコープなどの企業は、グリーンスチールプロジェクトを開発しています。[ 36 ]

ワイアラ水素プロジェクトは、南オーストラリア州マリナウスカス首相の州繁栄プロジェクトの一環であり、グリーンスチールの生産を目指しています。しかし、 GFGアライアンスの財務および運営上の課題により、プロジェクトは中断されています。連邦政府と州政府は、製鉄所におけるこれらの問題に対処するために介入しています。[ 37 ]

ヨーロッパ

HYBRIT、 LKAB、Voestalpine、ThyssenKruppによる欧州プロジェクトは、排出量を削減するための戦略を追求しています。[ 38 ] HYBRITはグリーンスチールを生産していると主張しています。[ 35 ]

BF/BOFにおけるトップガス回収

高炉から排出される炉頂ガスは通常、大気中に放出されます。このガスにはCOが含まれています。2、H 2、およびCO。上部ガスは回収でき、CO2除去され、還元剤は高炉に再注入される。[ 39 ] 2012年の研究では、このプロセスにより高炉のCO2排出量は75％削減される[ 40 ]が、2017年の研究では、二酸化炭素回収・貯留によって排出量は56.5％削減され、還元剤のリサイクルのみを使用した場合は26.2％削減されることが示された[ 41 ] 。回収された炭素が大気中に放出されないようにするには、それを貯蔵または使用する方法を見つける必要がある。

炉頂ガスを利用するもう一つの方法は、発電用の炉頂回収タービンに用いることです。これにより、電気アーク製錬を用いる場合の外部エネルギー需要が削減されます。[ 38 ]コークス炉ガスから炭素を回収することも可能です。2022年現在、システム内の他のガスやコンポーネントからCO2を分離すること、および必要な設備やインフラの変更にかかるコストの高さが導入を阻んでいますが、排出量削減の可能性は最大65%から80%と推定されています。[ 42 ] [ 38 ]

水素直接還元

排出ガスのない電力（グリーン水素）から生成された水素を使用する水素直接還元（HDR）は、鉄酸化物と水素の反応で生じる副産物が水のみであるため、排出ガスのない製鉄を可能にする。[ 43 ]

2021年現在、アルセロール・ミッタル、フェストアルパイン、タタは鉄の製錬にグリーン水素を使用することを約束している。[ 44 ] 2024年にはスウェーデンのHYBRITプロジェクトがHDRを使用していた。[ 45 ]

欧州連合では、HDRの水素需要には180GWの再生可能エネルギー容量が必要になると推定されています。[ 46 ]

鉄鉱石の電気分解

もう一つの開発可能な技術は鉄鉱石の電気分解であり、還元剤は電子です。[ 38 ]一つの方法は溶融酸化物電気分解です。この電解槽は不活性陽極、液体酸化物電解質（CaO、MgOなど）、そして溶融鉱石で構成されています。約1,600℃に加熱すると、鉱石は鉄と酸素に還元されます。ボストンメタル社は2022年時点でこのプロセスを半工業化段階に進めており、2026年までに商業化を計画しています。[ 47 ] [ 48 ]

サイドウィン研究プロジェクトでは、アルセロールミッタル社が別のタイプの電気分解をテストしていました。[ 49 ]これは約110℃で作動します。[ 50 ]

高炉/転炉におけるスクラップ利用

スクラップ製鉄とは、使用期限を迎えた鉄鋼、または鉄鋼部品の製造で余剰となった鉄鋼を指します。鉄鋼はその磁性により、容易に分離・リサイクルできます。スクラップを使用することで、1.5トンのCO2排出量を削減できます。21トンあたり[ 51 ] 。 2023年時点で、鉄鋼はあらゆる素材の中で最も高いリサイクル率を誇り、世界の鉄鋼の約30%がリサイクル部品から作られています。しかし、鉄鋼は無限にリサイクルできるわけではなく、アーク炉を用いたリサイクルプロセスでは電力を使用します。[ 32 ]

高炉/転炉におけるH2濃縮

高炉では、CO、H 2、炭素の組み合わせによって酸化鉄が還元されます。H 2によって還元される酸化鉄は約10%にすぎません。H 2濃縮により、H 2によって還元される酸化鉄の割合が増加し、炭素の消費量が削減され、CO排出量も削減されます。2[ 52 ]このプロセスにより排出量を約20％削減できると推定されています 。

その他の戦略

一つの推測的なアイデアは、SuSteelによる、高温で水素を使って鉱石を還元する水素プラズマ技術を開発するプロジェクトである。[ 38 ]

木炭や木質ペレットなどのバイオマスは、化石燃料を使用しないものの、依然として炭素を排出する高炉燃料の代替として有望です。排出量は5%から28%削減されます。[ 38 ]

中国

ドイツの設備メーカーSMSグループは、中国宝鋼集団の子会社である宝鋼徳勝ステンレス鋼有限公司が、年間41万7000トンの低炭素鋼生産能力を持つ福州工場に、新しい真空酸素脱炭（VOD）システムの設置を完了したと発表した。超微粉鉄鉱石粉末を専用の高速ランスを用いて過熱炉に注入する。溶融鉄は炉底に集まり、高純度鉄の流れを作り出す。[ 53 ]

参照

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