製鉄技術の進歩：効率的銑鉄生産のための溶融還元技術

溶融還元（SR）プロセスは、銑鉄（溶銑）製造技術における最新の発展です。これらプロセスは非コークス炭ガス化と鉄鉱石溶融還元を組み合わせます。コークス製造不要、鉄鉱石前処理低減により、SRプロセスのエネルギー強度は高炉（BF）より低いです。

SR製鉄プロセス構想は1930年代後半に生まれました。SRプロセス開発歴史は1950年代に遡ります。鉄鉱石SRの実験室規模基礎研究は1951年ダンシーにより開始。しかし本格的取り組みは1980年以降です。

20世紀後半、一次製鉄技術には2つの別個の開発ラインが存在しました。

第1ラインは高炉（BF）中心で、銑鉄生産の主要プロセスユニットとして残存。一般に炉自体に根本的プロセス変更含まず、漸進的進化で進行：(i) 炉サイズ拡大、(ii) 原料調製改良、(iii) 炉頂圧力上昇、(iv) 熱風温度上昇、(v) ベルレスチャージングと原料分配改良、(vi) 耐火物・冷却システム改良、(vii) 補助燃料（燃料ガス、液体燃料、粉砕石炭）吹き込みと酸素富化熱風、(viii) 自動化・計装制御技術改良。大型BFでは規模経済効果も相まって、銑鉄生産における極めて高い熱的・化学的効率とコスト優位性反映。

しかしBF銑鉄製造技術は、技術的・経済的に効率的生産が通常年産200〜300万トン規模で行われる段階に達しました。またBF製鉄にはコークス製造・鉄鉱石微粉焼結等の関連インフラ・生産ユニット必要で、現代BFコンプレックスの高資本集約性、長期建設期間、経済的存続にはフル稼働近い操業必要。

第2ラインはBF開発と並行し、より小規模・柔軟・低投資コスト製造ルート開発への相当な努力が払われました。これにより1960年代後半〜1970年代初頭に代替一次製鉄技術が出現：直接還元（DR）技術。鉄酸化物原料を鉄融点以下温度で還元ガスにより金属鉄へ還元。DRプロセス製品の直接還元鉄（DRI）は原料形状（通常鉄鉱石塊・ペレット）と物理的類似、原鉱中ガング鉱物含有。DRIはスポンジ鉄とも呼ばれ、製鋼操業時スクラップ代替として適し、低残留元素・取扱い容易・供給容易でスクラップより品質優位。

DRプロセスはBFより遥かに低出力レベル（典型<0.6Mt/年）で経済運転可能。支援インフラ少なく、BFより低資本集約。一部DRプロセスは天然ガスを還元ガス製造原料使用。天然ガス入手可能性は世界的に限定的。石炭ベースDRプロセスは主に回転窯ベースで、技術的・経済的諸理由で一部諸国でのみ普及。

DRプロセスは中間製品生産で、スクラップと直接競合（誘導炉や電気炉で溶解精錬必要）。高電力コストで電気溶解魅力低下。不況時スクラップ価格下落でDRI価格も下落。これが世界多く国でDRプロセス普及低迷の原因。

DRプロセス低普及がSR製鉄プロセスルート開発のインセンティブに。BFプロセスと競合しつつBF抱える問題に脆弱でないプロセス開発へ努力集中。

SR製鉄プロセス開発目的

SR製鉄プロセス開発目的：

• コスト削減 — BFは熱的・化学的に効率的プロセスで、原料・エネルギーコスト削減余地小。しかしコークス製造等資本集約的関連プラント・設備・ユニット回避で高コスト削減機会あり。明確な目的：非コークス炭を直接プロセス燃料・還元剤として使用しコークス製造ユニット回避。鉄鉱石微粉直接使用も目的で、焼結/ペレタイズプラントコスト削減機会。広く入手可能なバルク酸素使用で、熱風ストーブ不要で高プロセス温度達成可能、酸素は通常高圧供給で大型送風機不要。
• 小規模操業 — SR製鉄プロセスの経済的規模確保。関連ユニット依存回避で全体投資コスト削減、遥かに小容量（約0.5Mt/年）で経済運転可能。小容量SRプロセスは低複雑プラント、建設期間大幅短縮、操業シンプル。大規模資金調達困難・冶金石炭入手困難な国で魅力的。
• 柔軟性向上 — 低資本コスト・非コークス炭使用SRプロセスは操業柔軟性高い。小規模・自己完結型SRプロセスユニットは、大型統合コンプレックス（コーキング・焼結・BFプロセス構成、一領域変更・遅延が全領域影響）より物流・管理面で柔軟。燃料源柔軟性有利、多様サプライヤーから幅広い石炭使用可能プロセスは更なる柔軟性提供。
• 他分野既存技術との統合性 — SR製鉄プロセス開発の另一目的。既存製鋼プロセスで使用可能な鉄生産必要。さらにSRプロセスがプラント内既存製鉄プロセスに干渉しないこと。製品は温度・化学組成でBF銑鉄と類似必要。
• 環境影響優位性 — 世界的環境影響意識高まり、低環境影響プロセスが産業界で高受容性。SRプロセス開発目的はBF製鉄比で低排出・低廃棄物排出。

プロセス概念

BFプロセスを補完・競合するため、新世代SRプロセス開発中。非コークス炭主燃料・還元剤、液体鉄製品目指す。いくつかプロセスはトン単位酸素を酸化剤提案、石炭燃料燃焼でプロセス熱要求充足。一部は大規模電気加熱をプロセス熱源と構想。

BF以外で鉄鉱石溶融還元し液体鉄製品得ることは技術的実現可能・魅力的プロセスルートと長年認識、多数プロセス概念提案。多くは商業適用見出せず、今後開発 unlikely。

SR製鉄プロセスが現在開発レベルへどう進化したか理解には、SR製鉄プロセス概念開発出発点理解必要。

• 転炉製鋼（BOS）ベースプロセス概念 — 1970年代後半〜1980年代初頭、BOS生産ルートコスト削減へスクラップ溶解能力向上へ関心集中。当時スクラップ低価格刺激。コンバーターへ燃料（通常石炭）添加、追加酸素吹き込みで熱放出し追加スクラップ溶解手法開発。しかし容器内エネルギー回収比較的非効率、燃料エネルギー大部分排ガスで損失。これらガスが直接還元用還元ガスに極めて適すること判明（直接還元はよく理解済み技術）。還元鉄生成品をコンバーター金属原料として供給し、自立的溶融還元プロセス維持可能明らか。初期は還元ユニットから熱DRIを製鋼リアクターへ供給が困難エンジニアリング課題と見られ、還元ユニット排出前DRI冷却プロセス提案。しかし熱移送DRIによるエネルギー効率改善がエンジニアリング問題上回ること受け入れられ、現在プロセス概念は熱移送ベース。各BOSベースプロセスに固有特徴あるが、基本概念と熱化学設計は実質的に同一。
• 直接還元ベースプロセス概念 — 天然ガスベースDR還元プロセスが天然ガス入手性・高価格で多く立地で魅力低下、非コークス炭をDRプラント還元ガス源として使用へ努力向け。DRプロセスと石炭ガス化連結は技術的実現可能だが石炭ガス化高資本コストで非採算。しかし概念前進、革新的設計メルター・ガス化炉提案、従来型還元シャフト連結。メルター・ガス化炉は流動床、還元シャフトからの石炭・DRI供給、流動床浸漬酸素ランス。床投入石炭は脱揮発、残留チャーが流動床主成分、DRI溶融燃料。
• 高炉炉床ベースプロセス概念 — 溶融・ガス化がコークス層で発生、BF最終溶融段階と同様設計提案。酸素・石炭をコークス充填リアクターに吹き込み、DRI供給。溶融鉄・スラグがコークス透過しリアクター底部集合、熱ガスがコークス層通過し溶融ゾーン離脱。コークスは溶融発生・ガス逃散用開放層形成目的、主燃料は非コークス炭酸素燃焼。コークス消費最小化目指す。DRIを石炭・酸素と共にリアクターベースへ吹き込み、またはコークス必要分補充しながら反応ゾーン頂部から導入代替案。概念更なる発展で、還元段階を溶融リアクター上部に設置、別プロセスユニットでなく、連続向流酸素/石炭溶融還元プロセスへ。BF達成可能な極めて高い熱的・化学的効率接近目指す。
• 電気エネルギー投入プロセス概念 — 複数プロセス基盤。電気を熱源、石炭・他炭化水素を還元剤のみ使用。基本想定：時間経過で原子力発電豊富な電気エネルギー極低コスト供給、化石燃料資源枯渇で漸進的高騰。通常これら概念、他酸素/石炭プロセス採用リアクター設計に電気加熱採用。熱源燃焼か電気かに関わらず、炭素/水素/酸素/鉄化学システム課す熱化学制約適用認識。
• 化石燃料主エネルギー電気溶解炉プロセス概念 — 電気炉で溶融・最終還元、化石燃料（通常非コークス炭）主エネルギー源使用複数プロセス。これら概念では通常燃料還元段階導入、還元排ガス・他廃熱で溶融操業用電気エネルギー発電。この設計で還元・溶融操業ある程度分離、密接マッチング不要、電力輸入・輸出でプロセス常にバランス調整可能。一般に部分還元物質+燃料（チャー）を還元ユニットからメルターへ移送、最終還元も実施。

上記目的・概念ベースで複数プロセス開発実施。BSC、CIG、フーフォフェンス、神戸、クルップ、コルフ、BSC酸素/石炭BF、川崎、ピロガス、プラズマ溶融、住友、DSS、コムビソルト、エルレッド、インレッド等。一部実験室規模初期作業後消滅、一部パイロットプラント段階到達後放棄。大規模M&A活動期に開発努力統合、新名称で開発継続ケースも。これら開発作業獲得知識がSRプロセス更なる発展助長。

近年、世界で約20SRプロセス開発中。SRプロセス基本原理：予備還元鉄鉱石/焼結/ペレットを非コークス炭と酸素/熱風でリアクター溶融。全SRプロセス目標：最少非コークス炭・酸素消費で燃料効率化。

SR製鉄プロセス大別：(i) 石炭・電気利用プロセス、(ii) 酸素・非コークス炭利用プロセス。

石炭・電気利用プロセス

電気をエネルギー源、非コークス炭を還元剤利用。関与段階数ベースで主に2タイプ：(i) 単段プロセス、(ii) 2段プロセス。

単段プロセス：予備還元なし冷鉄鉱石と非コークス炭をリアクター容器投入、還元・溶融とも電気溶解炉内実施。溶解炉排ガスで内部発電。他酸素-石炭プロセス比で高柔軟性提供。

2段プロセス：還元ユニット生成DRIを電気溶解炉で溶融。還元ユニット排ガスで内部発電。他酸素-石炭プロセス比で高柔軟性提供。

石炭・電気利用単段・2段プロセス概念を図1に示します。

図1 石炭・電気利用単段・2段プロセス概念

酸素・石炭利用プロセス

酸素-石炭燃焼をエネルギー源兼還元目的利用。熱化学設計ベース関与段階数で3タイプ：(i) 単段プロセス、(ii) 2段プロセス、(iii) 3段プロセス。

単段プロセスは全鉄浴プロセス中最シンプル、理論上理想設計で銑鉄単一リアクター生産、還元・溶融同時実施。鉄鉱石・石炭・酸素供給、液体浴発生ガス高度後燃焼（約75%）、熱大部分液体浴還元。湿式石炭・湿式鉄鉱石予備還元なし投入、高エネルギー要求。総エネルギー石炭酸素燃焼供給。還元ガス利用可能性限定で酸素・石炭要求量大。一般に非効率・経済的非魅力的、除く大量高価値（高温・高還元ポテンシャル）排ガス適切クレジット与えられる場合。発泡スラグ制御（酸化ポテンシャル・高沸騰特性）と耐火物侵食が他2問題。利点：低資本コスト、未調製鉄鉱石・非コークス炭使用、低品位鉱石・石炭受入可能。ロメルトとアウスメルトが例。酸素・石炭利用単段SRプロセス概念（後燃焼なし/あり）を図2に示します。

図2 酸素・石炭利用単段SRプロセス概念（後燃焼なし/あり）

2段プロセス：予備還元・溶融還元用別個2リアクター使用。溶融段階排ガスを予備還元利用、最終還元・溶融エネルギー要求削減。予備還元度・後燃焼度により2グループ分類。第1グループ：高予備還元度・極低後燃焼度。溶融プロセス厳密制御必要、生成排ガス組成・量が高度金属化DRI生産にちょうど十分。コレクスプロセスこのカテゴリ。第2グループ：低予備還元度・高後燃焼度。熱予備還元酸化鉄を非コークス炭・酸素/予熱空気と共に溶融リアクター投入。液体浴発生ガスを溶融炉内酸素/予熱空気で後燃焼。後燃焼熱をガス相から液体浴へ効率的伝熱。ヒスメルト、DIOS、AISI-DOE等このグループ。ガス反応ゾーンと溶融ゾーン分離で2段プロセス効率改善可能。メルター排ガス1600℃から800℃冷却必要で熱損失発生。しかしガス反応ゾーンに炭素存在時、吸熱反応C+CO₂=2CO、C+H₂O=CO+H₂でオフガス温度低下可能。酸素・石炭利用2段SRプロセス概念（後燃焼なし/あり）を図3に示します。

図3 酸素・石炭利用2段SRプロセス概念（後燃焼なし/あり）

3段プロセス：独立ガス化炉を溶融ユニット・予備還元ユニットと連結、石炭ガス化でCO、H₂、CH₄等生成。溶融リアクターと予備還元リアクター間にガス化/ガス改質追加ステップ必要。ガス化ゾーン炭素存在で、エネルギー損失なしにメルターオフガス温度低下可能。酸素・石炭利用3段SRプロセス概念を図4に示します。

図4 酸素・石炭利用3段SRプロセス概念

SRプロセスの利点

SRプロセスは原料、エネルギーコスト、資本コスト、規模経済、環境適合性で多くの利点：

• BF比で低経済操業規模による低投資コスト
• 非コークス炭使用主因の低操業コスト
• 高速反応速度論・対流輸送速度増大による高溶融強度・高生産性。比溶融能力極高、BF比溶融能力の少なくとも2倍。鉄鉱石微粉・石炭微粉直接利用可能。
• 高価コーキングコール不要
• 焼結/ペレタイズ・コークス製造排除で人員削減・操業コスト低減
• 低排出で環境友好
• BF同等銑鉄品質維持
• プロセスパラメータ改良制御可能
• 熱化学設計選択柔軟性
• BFより高速還元
• 既存ストックパイル・工場内ダスト・スラッジ・他リサイクル材可能な限りリサイクル
• 排ガス発電利用でエネルギー経済改善。SRプロセスリッチオフガス生成、発電利用可能。

SRプロセスの限界

• 大量酸素消費、生成に高電力必要（酸素1Nm³当たり約0.6kWh）
• 高発熱量（約2000kcal/Nm³）輸出ガス大量生成、経済採算性は効率的利用依存
• SRプロセスユニット最大モジュールサイズ限定、プラント大規模製鉄能力必要時最良代替案とは限らない
• 鉄鉱石予備還元がプロセス必要条件
• 溶融プロセスエネルギー要求充足に高効率後燃焼必要