クルップ・レン法

クルップ・レン法は、1930年代から1970年代にかけて使用されていた直接還元製鉄法である。回転炉を使用し、技術的にも商業的にも世界でも数少ない直接還元法の1つであり、コークス消費量の点で高炉の代替として機能していた。クルップ・レン法は主に無煙炭を消費し、装入物を部分的に溶融するという独特の特徴があった。この方法は、廃棄物が鉄から簡単に分離できる保護層を形成するため、低品質または非溶融鉱石の処理に有利である。この方法では、簡単に溶融できる、還元前の鉄鉱石の塊であるルッペンが生成されます。

最初の工業炉は1930年代にナチスドイツで最初に、その後大日本帝国で登場しました。1950年代には、特にチェコスロバキアと西ドイツで新しい施設が建設されました。このプロセスは、いくつかの微妙な違いを伴いながら、1970年代初頭に中止されました。

この方法は生産性が低く、習得が複雑で、特定の鉱石にしか適していませんでした。21 世紀初頭、日本はフェロニッケルを製造する方法を近代化し、これが唯一生き残った変種となりました。

鉄鉱石の直接還元原理は、19世紀後半に石炭と少量の石灰石を混ぜた鉱石粉末を高温で撹拌して鉱石の酸性度を調整するという方法でテストされました。 1880年代に米国と英国で散発的に採用されたカール・ヴィルヘルム・シーメンス^[1]の直接還元法は特に注目に値します。この方法は、直径3メートルで長さも同じくらいのドラムと水平軸を使用して、2つの再生器で予熱したガスを吹き込むというものです。^[2]

冶金業界では、セメント工場で使用されている同様の装置にヒントを得て、回転管状炉の導入に関する研究が盛んに行われた。1930年代に開発されたバセット法では、溶融鋳鉄の製造も可能である。^[3] 1920年代には、グルソン工場 [fr]の冶金部門長でクラウスタール工科大学^[4]の教授でもあったドイツの冶金学者フリードリヒ・ヨハンセン [fr]が、このタイプの炉の冶金学的応用を研究した。彼は、鉄鋼原料から揮発性金属を除去するための一連の特許を申請した。 ^[5]

1930年代、ヨハンセンは直接還元鉄生産の開発に着手した。最初の設備は1931年から1933年にかけてマクデブルクのグルソン工場で試験された。^[6]クルップ・レン法の研究は1939年までエッセン・ボルベックのクルップ工場で続けられた。この方法は、それを開発したクルップ社と「低い炉」を意味するレンフォイアにちなんで名付けられ、^[7]潜在能力を示した。その結果、クルップは1932年以降、この発明を保護するために海外で特許を取得した。^[8]

• 
  シーメンス社が発明した直接還元炉。
• 
  ヨハンセンが1927年に取得した揮発性元素回収炉に関する特許。
• 
  ヨハンセンがクルップ・レン法に関して1934年に申請した最初の米国特許。

1945年には世界中に38基の炉があり、それぞれの生産能力は年間100万トンだった。^{[注 1] [9]}この方法は、ナチス政権の自給自足政策により、低品質の国内鉄鉱石の使用を優先したため、ドイツで好まれた。^[10]ナチスドイツと大日本帝国の間の技術移転により、日本帝国はこの方法の恩恵を受けた。炉は共栄圏に設置され、日本人技術者によって操作された。太平洋戦争前夜までに、この方法は日本の4つの製鉄所で使用されていた。^[11]

第二次世界大戦後、ドイツ、中国、北朝鮮の全ての施設は解体され、^[12] 29基の炉が戦争賠償としてソ連に送られた。 ^[13]日本とチェコスロバキアの工場のみが稼働を続けた。^[12]

1950年代にクルップはスペイン、ギリシャ、ドイツでいくつかの大型炉を再建した。^{[9] [12]}チェコスロバキア人が主な推進力となり、16基の炉を建設してプロセス効率を高めた。^[14]大ソビエト百科事典によると、1930年から1950年の間に、長さ60〜110メートル、直径3.6〜4.6メートルの65を超える工業プラントが建設された。^[6] 1960年までに、いくつかの国で50基の炉が年間200万トンを生産していた。^[15]

ソ連は戦争被害として29基の炉を回収したが、そこから大きな利益を得ることはできなかった。情報筋によると、赤軍がドイツの工場を解体した際の破壊的な手法は不適切で、貴重な資源を無駄にしたという。また、ロシア人にとって、ソ連国内でこれらの工場を再建することは困難であった。ベルリンからモスクワへの旅行者は、厳しい気候条件に苦しむ線路や路肩のいたるところに、ドイツ製の機械が散乱し、大幅に劣化しているのを目撃したと報告している。 ^[17]ロシアの鉄鋼業界は、西側からの技術的インプットに大きく依存していなかった。^[18]結局、東側諸国はこの限界的な技術を、最近ソ連化したヨーロッパ諸国で限られた範囲で維持しただけであり、^[17]最終的には放棄された。^[15]

一方、西ドイツでは1950年代に再建された大型炉が、スクラップや輸入鉱石のコストが安かったため、約10年間稼働した後、閉鎖された。^[注2]その後、このプロセスは西ヨーロッパと同時に西ドイツから姿を消した。^[12]

日本でも炉は大型化が進んでいった。しかし、地元の鉄砂鉱床の減少とスクラップや輸入鉱石の低価格化により、このプロセスは徐々に廃止されていった。このプロセスは日本人によって着実に改良され、フェロアロイ^[12]や製鉄副産物のリサイクルなど、さまざまな特殊製品向けに開発されてきた。^[19] 21世紀初頭の現在、クルップ・レン法は日本におけるフェロニッケル生産にのみ使用されている。^[20]

1972年までにチェコスロバキア、日本、西ドイツのほとんどの工場は操業を停止した。このプロセスは時代遅れと広くみなされ、もはや産業界の注目を集めなかった。^[15]

クルップ・レン法は、セメント製造に見られるものと同様の長い管状炉を使用する直接還元法である。最新のユニットは、直径約4.5メートル、長さ110メートルである。^[9]製品の滞留時間は、約2.5パーセントの角度で傾斜している回転窯の傾斜と回転速度によって影響を受ける。^[21]

使用前に、鉄鉱石は粒子サイズが6 mm未満に粉砕されます。鉄鉱石は炉の上流に投入され、少量の燃料（通常は無煙炭）と混合されます。^[21] 6〜8時間後、^{[22] 1,000℃で}還元前の鉄鉱石として炉から出てきます。回収される鉄の量は、鉱石中の最初の鉄の94%〜97.5%の範囲です。^[21]

炉の下端にあるバーナーが熱を供給し、炉を向流反応器に変えます。燃料は細かく粉砕された石炭で、高温燃焼すると主にCOからなる還元ガスが発生します。炉が最適な温度に達すると、鉱石と石炭の混合物が主な燃料源として機能します。^[21]

炉の上部から排出される煙は850～900℃の温度に達し、その後冷却され、水注入によって粉塵が除去されてから煙突から排出される。^[21]

このプロセスは、構成元素が近いため、フェロニッケルを効率的に生産できる。800℃では、炭素は鉄^[注3]とニッケル酸化物を容易に還元するが、脈石の他の酸化物はそれほど還元されない。特に、 800℃で安定した鉄酸化物である鉄(II)酸化物（またはウスタイト）は、ニッケル(II)酸化物と同等の還元性を持ち、一方を還元せずに他方を還元することは不可能である。^[23]

ロータリーキルンの最高温度は1,230～1,260℃で、酸化鉄の還元の閾値である1,000～1,050℃を大幅に上回っています。主な目的は、鉱石の脈石をペースト状にすることです。^{[21]還元された鉄は、}ルッペンと呼ばれる3～8mmの金属団塊に凝集します。脈石の不融性が高い場合は、温度を上げて、基本装入量に対して1,400℃まで上げなければなりません。^{[22]脈石の高温}粘度を制御することが重要です。^[9]回転ドラム直接還元プロセスの中では、高温を使用するのが特徴的です。

この方法のもう一つの特徴は、炉の出口に粉炭を投入することである。さらに、この方法は石炭の供給を停止し、鉱石とともに投入された石炭粉塵またはコークス粉塵^{[25]のみで稼働させることができるように進化している。 [21]}この場合、炉の出口には燃焼空気のみが注入される。高炉などのシャフト炉では、空気がルッペン熱の一部を吸収するため、回転炉に比べて熱効率が向上する。^[14]しかし、空気中の酸素が生成物を部分的に再酸化するため、炉内の鉄が完全に還元されたにもかかわらず、ルッペンは炉の最後または炉を出た後、空気と接触することで依然として変化する。^[7]

高温の塊は炉から排出され、急速に冷却され、粉砕される。鉄は磁気分離によってスラグから分離される。磁気的に中間微粉は装入物の5～15％を占める。^[22]装入物を部分的に溶融すると製品の密度が増加するが、かなりのエネルギー消費も必要となる。^[21]

炉は3つの異なるゾーンで構成されています: ^{[21] [22] [26]}

• まず、予熱ゾーンで炉内の高温の煙を利用して鉱石を 800 °C まで加熱します。鉱石の還元は、温度が 900 ～ 1,000 °C を超えた場合にのみ発生し、石炭から最も揮発性の高い成分が放出されます。
• 第二に、還元ゾーンは炉の中央に位置し、石炭と酸化鉄が結合して一酸化炭素を生成します。一酸化炭素は装入物から放出され、装入物を上を循環する酸化空気から保護するガス層を生成します。その結果、この過剰なガスが燃焼し、炉壁の温度が上昇します。その後、回転運動により熱が装入物に伝達されます。温度は最終的に 800 ～ 1,200 °C に上昇します。その後、酸化鉄は徐々にフェロニッケルまたは金属鉄に変化します。生成される金属は、粉末状の脈石に細かく分散した金属スポンジ粒子の形をしています。
• 還元は炉の終わりまでに完了し、生成される CO の量は最小限です。これは、炉の底部から吹き込まれた空気によって装入物が酸化から保護されなくなるためです。その結果、鉄の激しいが浅い再酸化が起こります。酸化された鉄の一部は回転によって装入物の中心に戻り、そこで残留石炭によってさらに還元されます。残りの物質は廃棄物と混ざり合って、生成された金属と混ざらない厚いスラグになります。この非常に高温の反応により、酸化されていない鉄とニッケルが溶けて、一緒に凝集してルッペンと呼ばれる団塊を形成します。

鉱石の物理化学的特性に関しては、温度管理が極めて重要である。温度が高すぎたり、粒度分布が適切でなかったりすると、炉壁に焼結物質のリングが形成されて蓄積する。通常、スラグと呼ばれる鉄分の少ないスラグのリングは、炉に沿って 3 分の 2 の距離に形成される。同様に、金属リングは通常、出口から約 10 メートルのところに形成される。これらのリングは材料とガスの流れを妨げ、炉の有効容量を減少させ、時には完全に遮断する。リングの形成により、特に中国では、このプロセスの復活が妨げられている。21 世紀初頭、産業界はこのパラメータの管理がいかに重要で困難であるかを認識し、このプロセスの採用を断念した。^[26]

スラグ溶解はエネルギーを消費しますが、炉内での装入物の挙動を制御することができます。さらに、ルッペンが大きくなりすぎないようにするには、鉄1トンあたり最低800～1,000 kgのスラグが必要です。^[27]石炭は鉱石よりも密度がはるかに低く、混合物の表面に浮かぶため、スラグは石炭の偏析を制限します。スラグは加熱されるとペースト状に変化し、金属を酸化から保護し、冷えるとガラス化することで、メンテナンス停止中のルッペン処理と炉の清掃の両方を簡素化します。^[25]

クルップ・レン法は、高度に珪素質で酸性の鉱石（CaO/SiO2塩基度指数0.1～0.4 ^{[28] ）から}予備還元鉄鉱石を生産するのに適しています。この鉱石は1,200℃でペースト状のスラグを生成し始めます。さらに、スラグの酸性度によりガラス質になり、簡単に粉砕されて鉄から分離しやすくなります。^{[14]さらに、このプロセスは、高濃度の}二酸化チタンを含む鉱石の処理にも最適です。この酸化物を含む鉱石は、スラグを特に不融性と粘性にする能力があるため、高炉では使用できません。高炉では、生産物をすべて液体の形で取り出す必要があるためです。^[21]このため、この技術に適した鉱石は、塩基性添加剤で改質すると不経済になる鉱石、通常は鉄含有量が低い（35～51％）鉱石であり、鉱石の脈石を中和する必要がある鉱石です。^[7]

クルップ・レン法は製鉄所に統合されており、焼結工場や選鉱プロセスの代替手段となり、 ^[22]廃石や亜鉛、鉛、スズなどの不要な元素を効果的に除去します。高炉では、これらの元素は蒸発・凝縮サイクルを経て徐々に炉を飽和させます。しかし、クルップ・レン法では、煙の高温により炉内での凝縮が防止され、その後、煙は除塵システムによって回収されます。^[28]このプロセスでは、副産物を回収するか、特定の金属を抽出します。ルッペンはその後、還元前の鉄分を多く含む装入物を溶解するため、高炉、キューポラ炉、またはマーティン・シーメンス炉で再溶解されます。 ^[22]

このプロセスは、酸化ニッケル(II)、バナジウム、およびその他の金属を豊富に含む鉱石の処理に効果的です。^[9]さらに、このプロセスはフェロニッケルの製造にも適用できます。^[28]この場合、マグネシウム含有量の高いサプロライト鉱石^[29]は、酸性度の高い鉱石と同様に不融性であり、このプロセスとの関連性が際立っています。^[11]

このような直接還元法は、あらゆる固形燃料を使用できる柔軟性があり、この場合、鉄分30～40%を含む鉄鉱石1トンを処理するには、240～300kgの石炭が必要です。30%の鉱石1トンあたり300kgの消費を想定すると、石炭の消費量は鉄1トンあたり800kgになります。さらに、ルッペンを高炉で精錬する際には、300kgのコークスが消費されます。この鉱石をすべて高炉で精錬すると、総燃料消費量は同じままです。ただし、使用されるのは石炭よりもはるかに高価な燃料であるコークスだけです。^[22]

しかし、シリカ含有量が60％を超えるスラグを使用すると酸性となり、高塩基性スラグを必要とする金属脱硫とは矛盾する。 ^[30]その結果、燃料の硫黄の30％が鉄に沈殿し、それを除去するには高価な後処理が必要になる。^{[21] [注4]}

鉱石と工場の規模にもよりますが、炉は1日あたり250～800トンの還元前鉄鉱石を生産することができます。^[6]直径5メートル、長さ110メートルにもなる最大の炉は、燃料を除いて1日あたり950～1,000トンの鉱石を処理できます。適切に運転されている工場は通常、年間約300日間稼働します。炉内の耐火物は、炉の最も露出している部分では通常7～8か月、その他の部分では2年間持続します。1960年には、低品位鉱石を使用したクルップ・レン炉で年間100キロトンの鉄が生産されましたが、^[28]同時代の近代的な高炉では、その10倍の量の鋳鉄が生産されました。^[31]

回転炉を用いた直接還元法では、鉄とスラグのリングが局所的に形成され、それらが焼結して徐々に炉を塞ぐため、しばしば大きな課題に直面する。ライニング形成のメカニズムを理解することは、鉱物学、化学反応、鉱石の準備を含む複雑なプロセスである。徐々に成長して炉を汚染するライニングリングの形成は、微量のいくつかの元素によって引き起こされる。これを改善するには、燃焼空気の供給を増やすか、炉の装入プロセスを中断することが効果的な解決策である。^[22]それ以外の場合は、装入鉱石の粒度^[32]または鉱物混合物の化学組成を調整する必要があるかもしれない。^[33]

1958年、クルップは年間42万トンの還元鉄鉱石を生産できる工場（6基の炉で構成）を建設したが、その価値は9000万ドイツマルク^{[27] [28]}または2140万ドルと見積もられていた。^[34]対照的に、 1956年から1957年にかけてザルツギッター・ヴァテンシュテットに建設された工場は、既存の製鉄所とうまく統合されており、3300万ドイツマルクしかかからなかった。^[10]当時、クルップ・レン工場は、投資額と運転コストを考慮すると、既存の高炉プロセスの実現可能な代替品として提示された。生産トンあたりの初期投資コストはほぼ半分で、運転コストは約2.5倍であった。^[34]

スラグはガラス質シリカで、道路やコンクリートの建設に添加剤として簡単に使用できます。^{[30]しかし、この方法では}高炉ガスのような回収可能なガスが生成されないため、ほとんどの場合、収益性が低下します。ただし、^[22]ガス回収の問題も解決します。

その性能から、この方法はより効率的な変種を開発するための適切な基盤となるようだった。1940年頃、日本人は低温で稼働する小型還元炉をいくつか建設した。築地に1基（1.8 m × 60 m）、八戸に2基（2.8 m × 50 mの炉が2基）、高砂に3基（1.83 m × 27 mの炉が2基、1.25 m × 17 mの炉が1基）。しかし、これらの炉はルッペンを生成しないため、クルップ・レン法と同一視することはできない。^[40]

回転炉での直接還元は数多くの開発の対象となってきたが、クルップ・レン法の論理的後継は「クルップ・CODIR法」である。^[62] 1970年代に開発されたこの方法は、クルップ・レン法の一般原理に基づいており、低温還元（通常950～1,050℃）であるため燃料を節約できるが、装入物の部分溶融には不十分である。鉱石に混合した基本的な補正添加剤（通常は石灰石またはドロマイト）を添加すると、石炭から硫黄を除去できるが、これらの添加剤の熱分解は高度に吸熱的である。^[21]このプロセスは、1973年に南アフリカの「ダンスワート製鉄所」 、 1989年に「サンフラッグ製鉄所」 、1993年にインドの「ゴールドスター製鉄所」の3つの工場で採用されました。工業的応用は現在では十分に確立されていますが、このプロセスは前身のような影響力を持っていません。^[63]

最後に、クルップ・レン法以降の管状回転炉に基づく直接還元法が数多くある。21世紀初頭、それらの総生産量は世界の鉄鋼生産量の1％から2％を占めていた^[64]。^[65] 1935年と1960年には、クルップ・レン法の生産量（それぞれ100万トンと200万トン）は世界の鉄鋼生産量の1％弱を占めていた。^{[9] [15]}

クルップ＝レン法は、質の悪い鉱石の選鉱に特化しており、鉄副産物のリサイクル法開発の論理的基礎となった。1957年、クルップはシュテュルツェルベルク [fr] ^{[nb 20]で、}焼いた黄鉄鉱から鉄（ルッペンの形で）と亜鉛（排気ガス中に蒸発）を抽出するための炉を試験した。このプロセスは、したがって、ウェルツ法とクルップ＝レン法のハイブリッドであり、それが「クルップ＝ウェルツ」（または「レン＝ウェルツ」^[4]）法と呼ばれる理由である。試験は、70～80トン/日を処理できる2.75m×40mの単一のデモンストレーターに限定され、その後は継続されなかった。^[66]

クルップ・レンと日本の直接還元製法の技術的な関係はよく引用される。1960年代、日本の鉄鋼メーカーは、炉の目詰まりを制御するのが難しいという共通の観察から、クルップ・レン法の低温版を独自に開発した。^[11] 川崎製鉄は、東日本製鉄所 [fr]（1968年）と西日本製鉄所 [fr]（1975年）に直接還元炉を稼働させたが、その最も目立つ特徴は、敷地内の製鉄副産物（転炉と高炉ガスの洗浄から生じるスラッジとダスト）をペレット化するユニットであった。 「川崎法」には、粉砕した石炭の代わりに石油を燃焼させる^[注21]ことや、鉱石と混ぜた石炭の代わりにコークス粉末を使用するなど、他の開発も組み込まれている。川崎法とほぼ同じ（より精巧なペレット化ユニットを使用）「光鳳法」は、日本製鉄によって採用され、 1971年に室蘭製鉄所 [fr]にこのタイプのプラントが稼働した。 ^[19]

ラテライトからのフェロニッケルの生産は、鉄鋼業界よりもクルップ・レン法にはるかに有利な状況で行われている。サプロライトの形態のラテライト鉱石は質が悪く、非常に塩基性で、鉄を含んでいる。生産量は中程度で、ニッケルの化学的性質はロータリーキルン還元に非常に適している。したがって、このプロセスは魅力的だが、抽出される金属に関係なく、単一の反応器ですべての物理的および化学的変換を制御することは非常に困難である。^[67]ギリシャのラリムナにあるラルコ工場の失敗は、このプロセスを採用することに伴うリスクを物語っている。鉱石が工業処理の準備が整ったときに初めて、クルップ・レン法と互換性がないことが判明した。

その結果、低温還元の後に電気炉製錬を行うことで、各段階に専用のツールを用意して、簡素化と効率化を図ることができる。1950年にニューカレドニアのドニャンボ工場 [fr]で開発されたこの組み合わせは、費用対効果が高く、何よりも堅牢であることが証明されている。^[26]大型の回転ドラム（直径5メートル、長さ100メートルまたは185メートル）を使用して、ニッケル鉱石濃縮物から乾燥粉末を製造する。この粉末には1.5〜3％のニッケルが含まれる。粉末は800〜900℃でドラムから出て、すぐに電気炉で溶解される。ドラム内では部分的な還元のみが起こり、ニッケルの4分の1が金属の形で出て、残りは酸化されたままである。鉄は5％だけが金属に還元され、未燃焼の石炭が電気炉での次の溶解段階の燃料として残る。この実証済みのプロセス（RKEFプロセス（ロータリーキルン電気炉）としても知られる）は標準となり、21世紀初頭にはニッケルラテライト処理のほぼすべてを占めていました。^[67]

しかし、21世紀初頭、日本の大江山にある日本冶金工業の鋳物工場は、クルップ・レン法を使用して、ニッケル銑鉄と呼ばれることもある中級フェロニッケル（ニッケル含有量23％）を生産し続けました。月産1,000トンのルッペン^[68]と年間13ktの生産能力を誇るこの工場は、フル稼働しています。^[49]このプロセスを使用しているのは世界で唯一の工場です。また、ラテライトからニッケルを抽出するために直接還元法を使用している唯一の工場でもあります。^[68]大幅にアップグレードされたこのプロセスは、「大江山法」と呼ばれています。^[69]

大江山法は、石灰石の使用と、鉱石を装入前に練炭化する点でクルップ・レン法と異なる。この法は、すべての高温冶金反応を単一の反応器に集中させ、プロセスのエネルギー要件の 90% を標準 (非粘結) 石炭で賄うという利点を維持している。石炭消費量は、乾燥ラテライト1 トンあたりわずか 140 kg であり、^{[注 22]}得られるフェロニッケルの品質は、鉄鋼業界で直接使用できる。クルップ・レン法は、限界的ではあるが、ニッケル銑鉄生産のための近代的で高生産能力のプロセスであり続けている。この意味で、クルップ・レン法は、RKEF 法と「焼結プラントと高炉」の組み合わせに代わる、体系的に研究された代替法であり続けている。^[26]

• 直接還元
• 直接還元鉄
• fr:Histoire de laproduction de l'acier
• fr:フリードリヒ・ヨハンセン

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