FASTMET/FASTMELT：効率的な金属生産のための先進製鉄技術

FASTMETプロセスは石炭ベースの製鉄プロセスです。鉄鉱石微粉または製鉄所冶金廃棄物から金属酸化物を金属化鉄に変換できます。FASTMELTプロセスは、FASTMETプロセスに「電気鉄溶解炉」（EIF）を追加して銑鉄（ホットメタル）を生産するものです。神戸製鋼所が米国子会社のミドレックス・テクノロジーズと共同で開発しました。FASTMETは、石炭を含むアグロメレートを回転炉床炉（RHF）で高還元率・高生産性で還元する独自プロセスです。図1にRHFの簡略断面図と平面図を示します。

プロセス概要と歴史的発展

FASTMETプロセスは、鉄鉱石ペレットフィード、鉄鉱石微粉、または製鉄所冶金廃棄物を、粉砕非コークス炭を還元剤として直接還元鉄（DRI）に変換します。最終製品DRIは、ホットブリケット化してホットブリケット鉄（HBI）にしたり、ホットDRIとして移送容器に排出、または冷却してコールドDRIとすることができます。ホットDRIはRHFから直接EIFに排出され、溶解されて銑鉄を生産します。銑鉄はピグキャスターで鋳鉄に鋳造可能です。還元鉄/銑鉄は一次製鋼炉に供給できます。

冶金廃棄物の転炉/電気炉原料へのリサイクルを促進する以外に、プロセスには2つの主要目標があります。一つは鉄酸化物の高金属化率達成で、溶解プロセスの負担を軽減します。もう一つは亜鉛の高除去率で、リサイクルループ内の亜鉛濃度を低減します。高炉原料には高圧縮強度が必要ですが、FASTMETプロセスではバインダー調整と原料配合比調整によりこれも達成可能です。

歴史的発展

回転炉床炉での鉄鉱石還元は、ミドレックス・テクノロジーズの前身ミッドランド・ロス社によって最初に試みられました。「ヒートファスト」と呼ばれるプロセスで、鉄鉱石と炭質材料からなる複合ペレットをグレートで予熱、RHFで予備還元、シャフトクーラーで冷却する独自のものでした。1965〜1966年、ミネソタ州クーリーの2トン/時パイロットプラントで成功裏に試験されました。

同時に、天然ガスベースのミドレックスDRIプロセスも開発されていました。これは「ヒートファスト」より高品質製品と低操業コスト（当時天然ガス価格が非常に低かった）を提供しました。天然ガスプロセスの低操業コストのため、「ヒートファスト」作業は中止され、商業開発は行われませんでした。

ミドレックスは1980年代初頭にRHFを用いた直接還元への関心を再燃させました。複数の研究で、RHFベースプロセスが魅力的な価格でDRIを生産できる可能性が示されました。1990年代に天然ガス価格が上昇し、ミドレックス技術センターに直径2.75m、生産能力160kg/時のFASTMETパイロットプラントが建設・稼働しました。1992〜1994年に100回以上のキャンペーンが実施されました。

神戸製鋼とミドレックス・テクノロジーズが協力し、RHF石炭ベースプロセスの開発を再開、技術の商業化を目指しました。1960年代の「ヒートファスト」パイロットプラント作業を基盤に、生産性向上、製品品質改善、プロセス柔軟性向上、効率向上などの改良が加えられ、FASTMETプロセスが完成しました。神戸製鋼とミドレックスはさらに一歩進め、RHFからホットDRIを排出し、重力でEIF（FASTMETホットDRI溶解専用に設計された溶解炉）に装入して銑鉄を生産するFASTMELTプロセスを開発しました。

1995年、神戸製鋼加古川製鉄所にデモンストレーションパイロットプラントが建設されました。直径8.5mのRHF、生産能力2.5トン/時。1995〜1998年に連続運転され、さまざまなデモンストレーション操業を通じてFASTMETプロセスの商業化が確立されました。2000年、日本製鉄広畑製鉄所へ製鉄所廃棄物年間19万トン処理用の初の商業FASTMETプラントが納入されました。FASTMETプロセスは製鉄ダストの効率的リサイクル能力で評価されています。最初に稼働した5プラントの詳細は表1に示します。

表1 FASTMET商業プラント
	単位	日鉄広畑1号	日鉄広畑2号	日鉄広畑3号	JFE福山	神鋼加古川
RHF装入量	トン/年	190,000	190,000	190,000	190,000	16,000
原料		転炉ダスト	転炉ダスト	転炉ダスト	高炉ダスト、転炉ダスト	高炉ダスト、転炉ダスト、電炉ダスト
製品用途		転炉原料、DRI	転炉原料、DRI	転炉原料、HBI	転炉原料、DRI	高炉・転炉原料、DRI
RHF外径	m	21.5	21.5	21.5	27	8.5
稼働開始		2000年4月	2005年1月	2008年12月	2009年4月	2001年4月

現在、このプロセスは製鉄所冶金廃棄物の利用に使用されています。冶金廃棄物以外にも、ペレットフィードサイズ（45μm以下）の鉄鉱石微粉も使用可能です。プロセスにアグロメレート工程が内蔵されているためです。FASTMET/FASTMELTプロセスは、年産10万〜50万トン規模の製鉄代替ルートを提供します。FASTMELTプロセスはミニ高炉技術の代替となります。RHFとEIFに使用される耐火物は、製鉄で通常使用される標準仕様です。EIF設計は、実証済みの電気炉（EAF）と取鍋精錬炉（LF）技術に基づいています。

FASTMETプロセスの特徴

FASTMETプロセスは、天然ガスから製造される改質ガスを用いるガスベース還元プロセスとは明確に異なり、鉄鉱石または製鉄所冶金廃棄物と石炭からなる複合アグロメレートを加熱・還元します。このシンプルで独自のプロセスは急速加熱により急速還元反応を実現します。アグロメレートは炉床上に1〜2層の均一な層で配置され、輻射熱で加熱されます。これにより、燃焼排ガスが相当な酸化ポテンシャルを持つ炉内条件下でも、アグロメレートの酸化を防止できます。

プロセスは、RHF内で理想的な空気-ガス比において、アグロメレートの加熱と還元を同時に効果的に達成できます。さらに、アグロメレート内の炭素から生成される可燃ガスが、それらの上部で二次燃焼します。これにより、RHFが高温環境の炉であるにもかかわらず、NOx排出が大幅に抑制されます。これもFASTMETプロセスの特徴です。

炉床が回転すると、ペレットまたはブリケットは3つのゾーンを通過し、急速に加熱されます。各ゾーンには3基のガスバーナーがあり、空気/燃料比を調整して各ゾーンで所望の希薄または濃厚燃焼を実現します。ゾーン3末端で、材料は最終燃焼ゾーンと排出ゾーンを分ける分離壁の下を通過します。ヘリカルスクリューがホットDRI製品を炉床から分岐シュートへ搬送し、さらに重力で窒素パージされたDRI製品容器またはEIFへ導きます。

排ガス処理設備に設置された熱交換器は、高温排ガスに含まれるエネルギーを、原料燃焼用または乾燥用空気の加熱エネルギーに変換します。これにより全体エネルギー消費を削減します。

製鉄所ダストなどの原料は燃焼時にダイオキシンを生成することがあります。しかしFASTMETプロセスでは、RHF温度が1,300℃以上でダイオキシン生成を抑制する十分高温です。RHF排ガスはダイオキシン再生成温度域を急速冷却通過するため、再合成を防止します。図2にFASTMET/FASTMELTプロセスの典型フローシートを示します。

RHFから出る高温排ガスは、気化冷却器で冷却されてから熱交換器へ入ります。排ガス顕熱でRHF燃焼空気とグリーンボール乾燥空気を約350℃まで予熱します。予熱器を出た排ガスは、第2気化冷却器でさらに冷却され、バグフィルターへ入り、酸化亜鉛が回収されダストサイロに貯蔵されます。誘引ファンはバグフィルター出口に配置され、排ガスシステムに必要な圧力損失を確保し、RHFをわずかな負圧で制御します。

必要ユーティリティは、プラントエア、窒素、蒸気、計装エア、補給水、液化天然ガスです。プラントは開放循環プロセス水回路と閉鎖機械冷却水回路も必要とします。

RHFから排出されるホットDRIには3つの排出オプションがあります。(i) 冷却してコールドDRI生産、(ii) ブリケットマシンでブリケット化してHBI生産、(iii) EIFで溶解して液体鉄生産。この液体鉄はピグキャスターで鋳鉄生産可能です。

DRIは還元プロセス後に多数の気孔を残します。長時間空気曝露すると金属鉄が再酸化して酸化鉄になり、品質が劣化します。DRIを溶解炉や高炉原料として即座に使用しない場合、DRIを圧縮・高密度化してホットブリケット鉄（HBI）にすると再酸化を防止できます。これにより品質劣化なしで長期間還元鉄を貯蔵可能です。貯蔵HBIは一次製鋼炉または高炉に供給できます。FASTMETプロセスで生産される還元鉄を、ペレット/ブリケット形DRIとして使用するか、HBI装置でHBI化するかは、製品（鉄源）の用途と貯蔵期間によります。

製鉄所で発生する冶金廃棄物（ダスト）は、従来ペレット化または焼結され、高炉原料として社内リサイクルされてきました。しかし高炉原料には揮発性成分、特に亜鉛が含まれ、高炉高温帯で気化します。しかしすべての蒸気が高炉から逃げるわけではなく、一部は新規装入材料で冷却・捕捉され炉内に残留します。蓄積した揮発性成分は高炉透過性を低下させ、生産性を著しく損ないます。

FASTMETプロセスでは、スクラップ鉄リサイクルを阻害していた亜鉛や鉛などの重金属を気化させ、粗酸化亜鉛などに変換します。これによりこれら元素をプロセス内で循環させずに排ガスラインへ排出できます。排ガス処理設備は冷却・集塵システムを備え、空冷と水冷の組み合わせで揮発性成分の設備壁面付着を防止します。これにより長期安定連続操業が可能になり、バグフィルターで粗酸化亜鉛などを回収できます。回収された粗酸化亜鉛は貴重な資源であり、還元鉄とともにリサイクルされます。

プロセスと主要反応

FASTMETプロセスは、鉄鉱石微粉または製鉄所冶金廃棄物（高酸化鉄含有）と粉砕石炭を混合、ペレタイザーまたはブリケッターでペレット/ブリケットにアグロメレート化、乾燥機で乾燥、RHF炉床上に1〜2層の均一層で配置するところから始まります。

ペレット/ブリケットは炉に入る際に空気から隔離され、同時に供給量が精密に制御されます。FASTMETプロセスには、炉サイズに応じて供給管数を調整できる供給管システムがあり、空気隔離と量制御を同時に実現します。スクリュー型均一化システムでアグロメレートを1〜2層の均一層に配置します。

炉床が回転すると、ブリケットは1,300℃以上のRHFゾーン温度からの輻射熱で加熱され、酸化鉄が金属鉄に還元されます。酸化鉄還元は、固定元素炭素がマグネタイト（Fe₃O₄）またはヘマタイト（Fe₂O₃）と反応し、金属鉄（Fe）とウスタイトを固体として生成しながら一酸化炭素（CO）と二酸化炭素（CO₂）ガスを発生させることで主に達成されます。一部の炭素は金属鉄に固溶し、セメンタイト（Fe₃C）を形成します。

冶金廃棄物原料に含まれる酸化亜鉛、酸化鉛、その他の揮発性金属酸化物も金属形態に還元され気化します。これらの金属蒸気は炉を離れる前、排ガス中で再酸化されます。

神戸製鋼独自技術の急速加熱法が、炉床上に配置されたペレット/ブリケットの加熱に採用され、1,350℃の高温に急速到達させます。この加熱により酸化物と炭素の反応が生成されます。8〜16分滞在し、アグロメレートはDRIに変換され、1,000〜1,200℃で炉外へ排出されるか下流工程へ供給されます。酸化物と炭素の間で起こる主な反応は以下の通りです。(i) Fe₂O₃ + 3C = 2Fe + 3CO、(ii) Fe₃O₄ + 4C = 3Fe + 4CO、(iii) Fe₂O₃ + 3CO = 2Fe + 3CO₂、(iv) Fe₃O₄ + 4CO = 3Fe + 4CO₂、(v) FeO + CO = Fe + CO₂、(vi) ZnO + CO = Zn + CO₂。

還元反応の結果としてペレット/ブリケットから放出される燃焼ガス（COガス）はRHF燃料として使用でき、バーナーへの燃料供給量を大幅に削減できます。

FASTMELTプロセスのEIF内雰囲気は本質的にCOガスで、高還元性です。この還元雰囲気はシリコン還元と硫黄除去を促進します。

神戸製鋼独自技術である還元炉炉床昇降などにより、高温でのDRI安定連続排出が実現されています。高炉とは異なり、FASTMETは生産量に応じて比較的容易に操業開始・停止が可能で、需要に応じた生産を実現します。

還元メカニズム

直接還元炉での還元反応速度論は通常、外部からの還元ガス拡散によって制御されます。FASTMETプロセスでは、鉄鉱石微粉と粉砕石炭で構成される炭素複合ペレット/ブリケット内部で還元反応が起こります。複合ペレット/ブリケットが加熱されると、内部のCOガスが酸化鉄還元を促進します。したがって、従来の直接還元プロセスより炭素複合ペレット/ブリケット内で還元反応が高速に進行します。FASTMETプロセスで起こると考えられる基本還元反応は以下の通りです。(i) FeₓOᵧ + yC = xFe + yCO（吸熱反応）、(ii) CO₂ + C = 2CO（吸熱反応）、(iii) FeₓOᵧ + yCO = xFe + yCO₂（発熱反応）。

鉄融点以下の温度では、粉砕石炭の固体炭素との直接反応はほとんどなく、式(i)の反応が速度論を支配します。1,000℃以上の高温では、式(ii)の炭素溶解損失によるCOガス生成反応と、式(iii)のCOガスによる酸化鉄還元反応が、炭素複合ペレット/ブリケット内部で直列的に起こります。これらの反応では、強い吸熱性を持つCOガス生成が速度論を制御します。したがって、反応を促進するには、1,000℃以上の高温で反応に必要な熱を炭素複合ペレット/ブリケット内部に供給する必要があります。これは、雰囲気からペレット/ブリケット表面への輻射伝熱、表面から内部への伝導伝熱を効率的に行うことを意味します。図3に炭素複合ペレット/ブリケットの還元メカニズムを示します。

RHFでは、ペレット/ブリケットは通常1,300℃以上のゾーン温度で加熱され、金属鉄に還元されます。炉床滞在時間は通常8〜16分で、処理材料、ペレット/ブリケットサイズ、その他の要因により変動します。FASTMETプロセスで達成される急速還元率は、高還元温度、高伝熱率、ブリケット内部に含まれる炭素と酸化鉄の密接な接触によるものです。RHFでの伝熱とさまざまな還元反応を図4に概略的に示します。

製品と環境性能

製品

FASTMET/FASTMELTプロセスの最終製品は、HBI、移送容器へ直接排出されるホットDRI、コールドDRI、または液体鉄（銑鉄）です。プロセス中に達成される金属化率は85%以上です。FASTMELTプロセスで生産される銑鉄温度は1,450〜1,550℃で、典型的組成は炭素3〜5%、シリコン0.3〜0.6%、マンガン0.6〜1.2%、硫黄0.05%未満、リン0.03%未満です。

排ガス処理と環境制御

RHFから排出される排ガスは完全燃焼しており、約2%酸素を含みます。熱交換器で排ガス熱エネルギーを利用し、RHFバーナー燃焼空気と原料調製乾燥機用空気を予熱します。排ガスはRHF屋根から出て、耐火物ライニングされたオフテークを通って排ガスダクトへ流れます。排ガスオフテークのRHF燃焼ゾーンに対する適切な位置は、原料分析、還元速度論、および「計算流体力学（CFD）」によって検証されて決定されます。希釈空気が排ガスダクトに注入され、排ガス流中の残留可燃物（水素とCO）を燃焼させ冷却します。

一次冷却器に散水し、ガスを1,400℃以上から1,000℃まで冷却してNOx生成を最小化し、レキュペレーター許容入口温度を確保します。一次冷却器から排ガスは燃焼空気・乾燥空気予熱器を通り、排ガス熱でRHFバーナー燃焼空気とロータリードライヤー用空気を加熱します。排ガスは燃焼予熱器出口から二次冷却器へ流れます。二次冷却器に散水し、ガスを約800℃から120℃まで冷却してバグフィルターシステム許容入口温度を確保します。排ガスはジェット式ファブリックフィルターバグハウスへ流れ、粗酸化亜鉛が回収され、IDファンを経てスタックから大気へ排出されます。

SO₂制御は通常FASTMETプロセスでは不要です。大部分のSO₂がガス煙道流中の金属酸化物と反応し吸収されるためです。石灰注入でさらにSO₂制御可能です。NOxは低NOxバーナー使用と空気燃料比・燃焼温度の厳密な操業制御で管理されます。ダイオキシンとフランは、RHF内の高温と長滞在時間で分解されます。煙道ガス冷却速度を制御してダイオキシンとフランの再生成を最小化します。粒子状物質はバグフィルターシステムで除去されます。粗酸化亜鉛はバグフィルターシステムで回収されサイロに貯蔵されます。

FASTMETプロセスは環境友好型プロセスです。FASTMELTプロセスのCO₂排出量は銑鉄トン当たり約1.6トン（t/tHM）で、ミニ高炉の約2.1 t/tHMに比べて低いです。NOx排出量は0.3〜1.5 kg/tHM、SOx排出量は約2.4 kg/tHMです。

FASTMETプロセスのメリット

FASTMETプロセスは、製鉄所冶金廃棄物処理の新たな選択肢を提供します。製鉄所内にFASTMETプラントを設置すれば、ダストを処理して2つの主要製品、一次製鋼炉原料となるDRIと、亜鉛精錬業者へ販売する粗酸化亜鉛を生産できます。負債を資産に変えることができます。高額な廃棄コストが不要になり、安価な鉄単位供給が可能になります。

プロセスメリットには、(i) プロセス内微粉生成が極めて少なく、二次ダストの亜鉛含有量が高く鉄含有量が極めて低い、(ii) 高金属化率と高亜鉛除去率で還元鉄製品が一次製鋼炉へリサイクル可能、(iii) 廃棄物が生成されない、(iv) 高温処理でダイオキシン分解、(v) 亜鉛ダストを経済的に処理でき製品となり廃棄物にならない、などが含まれます。