ITmk3：神戸製鋼の環境配慮型アイアンナゲット製造プロセス

アイアンナゲット製造のITmk3プロセス

ITmk3プロセスは「Iron making technologies（IT）mark 3」とも呼ばれ、石炭還元技術の一つです。IT mark 1は高炉（BF）による製鉄、IT mark 2は主にガスベース還元プロセスによる直接還元製鉄です（図1）。このプロセスは神戸製鋼が開発し、環境配慮型です。

開発歴史

プロセスの実験室テストは1996〜1998年に実施されました。1999〜2000年に神戸製鋼加古川製鉄所で能力3,000トン/日の小型パイロットプラントが建設・操業されました。2002〜2004年にアメリカ・ミネソタ州で年産25,000トンのパイロットデモプラントが建設・操業されました。年産500,000トンの初商用プラント建設が2007年ミネソタ州ホイトレイクスで開始され、2010年1月に操業開始しました。

ITmk3プロセス

ITmk3プロセスは、鉱石還元、浸炭・溶融、スラグ分離を比較的低温で行う高速製鉄プロセスです。4ステップで構成されます：（1）鉄鉱石と石炭の凝集、（2）凝集体の還元・溶融、（3）金属鉄とスラグの分離、（4）排ガス処理と熱回収。

このプロセスでは、鉄鉱石精鉱と非コークス炭（還元剤）、石灰石（フラックス）、ベントナイト（バインダー）を混合し、グリーン自己還元ペレットに凝集します。これらのペレットを回転床炉（RHF）に供給し、自己還元・フラックス・乾燥グリーンボールを還元・浸炭・溶融します。製品は粒状鉄であるアイアンナゲットです。プロセスの鉄-炭素（Fe-C）状態図上の位置を図2に示します。

ITmk3プロセスは、鉄鉱石微粉と非コークス炭を使用して高純度粒状鉄（アイアンナゲット）を製造します。このプロセスは還元、浸炭、溶融、スラグ分離が特徴的です（図3）。約1350℃という低温で進行するため、高炉（BF）による従来の製鉄とは異なります。ITmk3プロセスでは還元反応が10分で完了しますが、高炉では8時間、ガスベース直接還元では6時間かかります。

プロセス中、鉄鉱石の還元は複数ステップで進行します。これらのステップを図3に示します。

プロセスの主な特徴は以下の通りです。

• 低品位鉄鉱石微粉を微粒子に粉砕し、選鉱して高品位鉄鉱石精鉱を製造。この精鉱をグリーンペレットに変換。
• 非コークス炭を還元剤として使用。
• ペレットを回転床炉（RHF）に充填し、1350℃まで加熱して還元・溶融・金属とスラグに分離。
• 溶融鉄が炉内でナゲットとして凝固、冷却後に排出しスラグから分離。
• プロセスはシンプルで従来型設備を使用。短滞留時間によりプラントの立ち上げ・停止も容易。鉄鉱石微粉と粉砕石炭を複合ペレットに凝集。

ITmk3プロセスのフローシートを図4に示します。

鉄鉱石と石炭の反応は一般的な製鉄プロセスと同じで、以下の式で表されます。

FeₓOᵧ + yCO = xFe + yCO₂
CO₂ + C = 2CO
C(s) = C（浸炭）
Fe(s) = Fe(l)（溶融）

最後の2式はITmk3プロセス特有の追加反応で、金属鉄とスラグの分離のためのものです。

ITmk3プロセスの製品

ITmk3はスラグフリーのアイアンナゲット（図5）を製造し、化学的・物理的特性は銑鉄と類似しています。金属鉄含有量96〜97%、C含有量1.7〜3.5%。硫黄含有量は約0.5%。密度は6.5〜7.0g/cm³。高炉溶銑製銑鉄より溶解性に優れ（低融点・高熱伝導率）、輸送・取扱いに適したサイズです。再酸化せず、取扱い時の微粉発生もありません。もう一つの利点は、直接還元鉄（DRI）やホットブリケット鉄（HBI）の充填と同様に、電気炉（EAF）へ連続充填可能なことです。

ITmk3プロセスの単位消費量

ITmk3プロセスのナゲット1トン当たりの材料・ユーティリティ単位消費量：（1）鉄鉱石微粉：1.5トン、（2）非コークス炭：0.5トン、（3）燃料ガス：1.1ギガカロリー、（4）電力：200kWh、（5）水：2㎥、（6）圧縮空気：85㎥、（7）窒素：12㎥。

環境管理

ITmk3-EAF製鋼ルートは、BF-BOFプロセスルートより少ない汚染物質を排出します。ITmk3-EAFルートのBF-BOFルート比での削減率：（1）一酸化炭素（CO）：96%、（2）窒素酸化物（NOx）：65%、（3）二酸化硫黄（SO₂）：77.7%、（4）揮発性有機化合物（VOC）：86.5%、（5）二酸化炭素（CO₂）：41.1%、（6）水銀（Hg）：58.0%。

ITmk3プロセスの典型的レイアウト

ITmk3プロセスの典型的レイアウトと必要土地面積を図6に示します。

ITmk3プロセスの利点

ITmk3プロセスは他の製鉄プロセスに対していくつかの利点を持ちます。

1. プロセスがシンプル
2. 鉄鉱石微粉を非コークス炭で直接還元可能
3. 高炉製鉄より約30%エネルギー消費が少なくエネルギー効率的
4. CO₂排出量が低い
5. 焼結/ペレットプラントとコークス炉が不要で設備投資が低い
6. 鉄鉱石微粉と非コークス炭など安価な原料を使用
7. 製鋼段階で銑鉄より溶解性に優れた高品位アイアンナゲットを製造
8. 溶銑取扱いの必要性を排除
9. アイアンナゲットはスラグフリー、有害元素フリー、再酸化なし、微粉発生なしで輸送容易
10. 操業・調整がシンプルで、起動・停止による生産調整も容易
11. 使用設備がシンプルで実証済みの信頼性