直接還元鉄（DRI）：製造技術と産業プロセス

直接還元鉄（DRI）は、鉄鉱石またはその他の鉄含有材料を固体状態で、非コークス炭または天然ガスを使用して直接還元することで生産される製品です。鉄の融点以下で鉄鉱石を還元してDRIを生産するプロセスは、一般に直接還元（DR）プロセスと呼ばれます。還元剤は、改質天然ガス、合成ガス、石炭から得られる一酸化炭素（CO）と水素（H2）です。鉄鉱石は主にペレットおよび/または塊鉱形式で使用されます。H2とCOに基づく化学反応で鉄鉱石から酸素（O2）を除去し、高度金属化DRIを生産します。

直接還元プロセスの本質

直接還元プロセスでは、固体金属鉄（Fe）が、鉱石や金属を溶融させることなく、固体鉄鉱石から直接得られます。直接還元は、鉄酸化物の還元は許容するが、他の酸化物（MnO、SiO2等）の対応元素への還元は許容しない酸素ポテンシャルでの固体状態還元と定義できます。還元が固体状態で行われるため、これら元素が還元鉄中に溶解する可能性は極めて低く（低熱力学活性度）、鉄より安定な酸化物は本質的に未還元のまま残ります。

DRIは多孔質構造を持ちます。これはDRIが鉄鉱石からO2を除去して生産されるためです。「スポンジ鉄」とも呼ばれ、その構造が連結気孔ネットワークを持つスポンジのようだからです。これら気孔により、固体鉄の約10,000倍の内部表面積が生じます。

DRIは多様な形態で生産されます：塊、ペレット、熱成型ブリケット鉄（HBI）、微粉、冷成型ブリケット鉄（CBI）。HBIとCBIは、取り扱いと輸送を容易にするためのDRI密度化形態です。HBIは、650℃以上の温度で極めて高圧下でDRIを圧縮して生産されます。これにより多くの気孔が閉鎖され、空気と反応するための接触面積が制限されます。また熱伝導率も向上します。

DRI中の鉄形態と金属化度

DRI中の鉄含有量は2形態で存在します。一つは金属鉄としての金属鉄Fe(M)、もう一つは残存酸化鉄としてのFe(O)です。DRI中の全鉄Fe(T)はこれら2鉄成分の合計です。金属鉄は、DRI中に遊離または炭素と結合（セメンタイトとして）している鉄の総量です。DRIの金属化度は、還元剤の作用によるO2除去で鉄酸化物が金属鉄（遊離またはセメンタイトとして炭素と結合）に転換された程度の尺度です。DRI金属化度は、還元中に鉄酸化物が金属鉄に転換された程度で、金属鉄質量を全鉄質量で割った百分率で定義されます。

DRプロセスの歴史

DRI生産の最初の特許は1792年、英国で出願されました。おそらく回転窯を利用していたと推測されます。現代的DRプロセスの開発は19世紀半ばに始まりました。1920年以降、100以上のDRプロセスが発明・操業されました。その大半は存続していません。現代的DRI生産時代は、1957年12月5日にHYLプロセスプラントがハイルサで生産開始したことで幕開けしました。Midrexプロセスの最初のプラントは1969年5月17日、オレゴン州ポートランドのオレゴン製鉄所で操業開始しました。石炭ベース回転窯プロセスは、1920年代に低品位鉱石選鉱のために開発されたリパブリック・スチール・ナショナル・リード（RN）プロセスと、1960年代初頭に高品位DRI生産のために考案されたステルコ・ルルギ（SL）プロセスを組み合わせたものです。

DRI生産プロセス

DRI生産プロセスは、調整済み（サイズ調整済み）鉄鉱石と還元剤を密接に混合し、還元剤は一般に鉱石層を加熱して適切な還元速度達成に必要な温度まで上げるためにも使用されます。還元剤はガスまたは固体です。主要DRI生産プロセスは天然ガスベースまたは石炭ベースです。DRプロセス原料は、10〜30mmサイズの調整済み鉄鉱石、または鉄鉱石ペレットプラントで生産される8〜20mmサイズの鉄鉱石ペレットです。

ガスベースプロセスでは、還元反応に竪型炉を使用します。石炭ベースプロセスでは、還元反応に以下4タイプの反応器のいずれかを使用します：（1）回転窯、（2）竪型炉、（3）流動床反応器、（4）回転床炉。回転窯が石炭ベースプロセスで最も一般的な反応器です。

鉄鉱石直接還元の原理を図1に示します。

図1 鉄鉱石直接還元の原理

直接還元プロセスの原理を図2に示します。

図2 直接還元プロセスの原理

ガスベースプロセス

ガスベース還元プロセスでは、竪型窯を使用し、鉄鉱石を窯頂部から投入し、再酸化防止のため冷却後に完成スポンジ鉄を窯底部から取り出します。還元ガスを鉱石層に通し、使用済みガスを加熱・改質してH2とCOの混合物にし、950℃（適切な還元反応速度達成に必要な温度）まで加熱して再循環させます。竪型炉は対流原理で働き、重力で鉄鉱石原料が炉内を下降移動し、上流する還元ガスによって還元されます。

ガスベースDRプロセスでは気体燃料を使用します。これら燃料は改質または分解してH2とCOの混合物を生成する能力を持つ必要があります。高メタン含有天然ガスが最も一般的に使用されるガスです。天然ガスを改質してH2とCO混合物でエンリッチし、このエンリッチ・改質済みガス混合物を予熱して竪型DR炉に送ります。

ガスベースプロセスは操作がシンプルで、以下3主要ステップで構成されます：（1）鉄鉱石還元、（2）ガス予熱、（3）天然ガス改質。現在では天然ガス改質を必要としないガスベースプロセスも利用可能です。

ガスベースプロセスの心臓部は竪型炉です。これは円筒形耐火物ライニング容器で、直接還元プロセスのキー・コンポーネントです。柔軟かつ多用途な反応器であり、天然ガス、石炭からの合成ガス、コークス炉ガス、Corexプロセス排ガスを還元ガスとして使用可能です。

ガスベースDRIプロセスでは、還元反応がH2とCOの両方で進行します。H2による反応は：（1）3Fe2O3 + H2 = 2Fe3O4 + H2O、（2）Fe3O4 + H2 = 3FeO + H2O、（3）FeO + H2 = Fe + H2O。COによる反応は：（1）3Fe2O3 + CO = 2Fe3O4 + CO2、（2）Fe3O4 + CO = 3FeO + CO2、（3）FeO + CO = Fe + CO2。

ガスベースDRIは磁選分離を受けません。非磁性材料による汚染が不可能だからです。ガスベースプロセスは柔軟で、各ユーザーの特定要件に応じて3種類の異なる製品形態、すなわち冷DRI、HBI、熱DRIを生産可能です。

代表的なガスベースプロセスは3つあります：（1）HYLプロセス、（2）Midrexプロセス、（3）PEREDプロセス。HYLプロセスの最新版はEnergironプロセスとして知られています。Energironプロセスのフローシートを図3に示します。

図3 Energironプロセスのフローシート

Midrexプロセスのフローシートを図4に示します。

図4 Midrexプロセスのフローシート

石炭ベースプロセス

石炭ベースプロセスでは、還元反応反応器は水平に対してわずかに傾斜した回転窯です。直接還元プロセスは、1000〜1100℃の範囲で操業温度を維持して実施されます。回転窯では、石炭と鉄鉱石原料の両方を窯の同一端から投入します。原料前進移動中に、石炭中炭素の酸化反応とCOガス還元反応が慎重にバランスされます。窯長に沿って異なるゾーンで800〜1050℃の温度プロファイルが維持され、重力で材料が下降するにつれて鉱石が還元されます。プロセスの基本還元反応は：（1）C + O2 = CO2、（2）CO2 + C = 2CO、（3）3Fe2O3 + CO = 2Fe3O4 + CO2、（4）Fe3O4 + CO = 3FeO + CO2、（5）FeO + CO = Fe + CO2。

窯製品（DRIとチャーの混合物）は、外部水冷却システム付き回転クーラーで100〜200℃まで冷却されます。窯から排出された製品は篩分けと磁選分離されます。DRIは磁性を持つため引き寄せられ、非磁性チャーから分離されます。分離されたDRIは+3mmと-3mmの2サイズ分画に篩分けされます。-3mm分画は、消石灰と糖蜜をバインダーとしてブリケット化されることがあります。石炭ベースDRプロセスのフローシートを図5に示します。

図5 石炭ベース回転窯プロセスによるDRI生産フローシート

DRIの特性

石炭ベースDRIとガスベースDRIの特性比較を表1に示します。

表1 石炭ベースとガスベースDRIの比較
No.	項目	単位	石炭ベース	ガスベース
1	炭素含有量	%	0.2-0.25	1.2-2.5
2	製品サイズ		ばらつきあり	均一
3	材料状態		安定	再酸化しやすい
4	見掛け密度	t/m²	1.6-2.0	1.5-1.9
5	非金属成分	%	0.3-0.5	なし
6	金属化度	%	86-92	85-93
7	HBI生産		非現実的	現実的

石炭ベースDRIとガスベースDRIの組成比較を表2に示します。

表2 石炭ベースとガスベースDRIの組成比較
No.	項目	単位	石炭ベース	ガスベース
1	金属鉄	%	80-84	83-86
2	酸化物	%	6-9	5-8
3	炭素	%	0.2-0.25	1.2-2.5
4	ゲージ	%	3-4	2-6
5	フラックス	%	1-3	0-3
6	硫黄	%	0.02-0.03	0.05-0.25
7	リン	%	0.04-0.07	0.03-0.08
8	残留元素	%	0.3-0.5	0.02-0.05

DRIの利点

DRIの様々な利点は：（1）製鋼時のスクラップ中金属残留元素を希釈可能、（2）製造製品であるため均一な組成、（3）均一なサイズ、（4）スクラップ比で低硫黄・低リン、（5）高炉に他バーデン材料とともに投入すると高炉生産性を向上、です。