直接還元鉄

直接還元鉄（DRI）はスポンジ鉄とも呼ばれ、^[1]鉄鉱石（塊、ペレット、または微粉）を元素状炭素（天然ガスまたは石炭から生成される）および/または水素を含む還元ガスによって鉄に直接還元して生成されます。水素を還元ガスとして使用すると、二酸化炭素は生成されません。多くの鉱石は直接還元に適しています。

直接還元とは、鉄の融点以下の温度で鉄酸化物を金属鉄に還元する固体状態のプロセスのことです。還元鉄はこれらのプロセスにちなんで名付けられており、一例としては、還元ガス合成ガス（水素と一酸化炭素の混合物）または純粋な水素の存在下で、鉄鉱石を炉の中で800～1,200℃（1,470～2,190℉）の高温で加熱することが挙げられます。 [ 2 ^]

プロセス

直接還元プロセスは、ガスベースと石炭ベースの 2 つのカテゴリに大別できます。どちらの場合も、プロセスの目的は、さまざまな形態の鉄鉱石 (サイズ分けされた鉱石、濃縮物、ペレット、ミルスケール、炉ダストなど) に含まれる酸素を除去して、鉱石を溶融せずに (1,200 °C (2,190 °F) 未満で) 金属鉄に変換することです。

直接還元法は比較的エネルギー効率に優れています。DRIを使用して製造された鋼は、従来の高炉を必要としないため、燃料を大幅に節約できます。DRIは、 DRI製品によって生成される熱を利用するために、電気アーク炉を使用して鋼に製造されるのが最も一般的です。 ^[3]

利点

直接還元法は、従来の高炉の難点を克服するために開発された。高炉の特徴である統合製鉄所の一部である必要はなく、直接還元プラントの初期資本投資と運用コストは統合製鉄所よりも低く、高品質のコークス炭の供給が限られているが、鉄スクラップは一般的にリサイクル可能な発展途上国に適している。^[要出典]他の多くの国でも、このプロセスのバリエーションが使用されている。

DRI を経済的にする要因:

直接還元鉄は銑鉄とほぼ同じ鉄含有量（原料鉱石の品質に応じて通常90～94%）を持つため、ミニミルが使用する電気炉の優れた原料となり、残りの投入物に低品位のスクラップを使用したり、より高品質の鋼を生産したりすることができます。
熱間成形鉄（HBI）は、輸送、取り扱い、保管を容易にするために設計された DRI の圧縮形態です。
高温直接還元鉄（HDRI）は、還元炉から電気アーク炉へ高温のまま直接輸送される DRI であり、エネルギーを節約します。
直接還元法では、ペレット化された鉄鉱石または天然の「塊」鉱石を使用します。例外は、サイズ調整された鉄鉱石粒子を必要とする流動床法です。
直接還元プロセスでは、不活性ガスで汚染された天然ガスを使用できるため、他の用途のためにこれらのガスを除去する必要がありません。ただし、還元ガスが不活性ガスで汚染されると、そのガス流の効果 (品質) とプロセスの熱効率が低下します。天然ガスの使用により、温室効果ガスも発生します。
粉末鉱石と原料天然ガスは、オーストラリア北部などの地域では両方とも供給されており、ガスの輸送コストを回避できます。ほとんどの場合、DRI プラントは天然ガス源の近くにあります。これは、ガスよりも鉱石を輸送する方がコスト効率が良いためです。
鉄鋼製造における化石燃料の使用を排除するために、再生可能な水素ガスを合成ガスの代わりに使用してDRIを製造し、温室効果ガスの排出を排除することができます。^[4]

問題点

直接還元鉄は保護されていないと酸化や錆びに非常に弱いため、通常はすぐに鋼鉄に加工されます。 ^[5]バルク鉄^{[ページ必要]}も発火する可能性があります（自然発火性です）。^[6]ほぼ純粋な金属である高炉銑鉄とは異なり、DRIには（天然ガスによる直接還元鉄からの新しい鉄ではなく、スクラップから作られた場合）いくらかの珪質脈石が含まれており、製鋼プロセスで除去する必要があります。

歴史

海綿鉄を製造し、それを加工する方法は、中東、エジプト、ヨーロッパで鉄を得るために使用された最も古い方法であり、少なくとも16世紀までは使用されていました。

ブルーモリ法の利点は、約 1,100 °C 程度の低い炉温で鉄を生産できることです。高炉と比較すると、欠点は、一度に少量しか生産できないことです。

化学

以下の反応は、一酸化炭素または水素による還元によって、ヘマタイト（鉄鉱石由来）を磁鉄鉱に、磁鉄鉱を酸化鉄に、酸化鉄を鉄に順次変換する。^[7]

{\ce {3 Fe2O3 + CO/H2 -> 2 Fe3O4 + CO2/H2O}}

{\ce {Fe3O4 + CO/H2 -> 3 FeO + CO2/H2O}}

{\ce {FeO + CO/H2 -> Fe + CO2/H2O}}

浸炭によりセメンタイト（Fe ₃ C）が生成される。

{\ce {3 Fe + CH4 -> Fe3C + 2H2}}

{\ce {3 Fe + 2CO -> Fe3C + CO2}}

{\ce {3 Fe + CO +H2 -> Fe3C + H2O}}

経済

インドは世界最大の直接還元鉄生産国である。^[8]

用途

スポンジ鉄は、それ自体では役に立ちませんが、加工して錬鉄や鋼鉄を作ることができます。スポンジ鉄は炉から取り出され、ブルームリーと呼ばれる炉で、重いハンマーで繰り返し叩かれ、折り畳まれてスラグが除去され、炭素や炭化物が酸化され、鉄が溶接されます。この処理により、通常、約 3 パーセントのスラグと、その他の不純物が 1 パーセント未満である錬鉄が作られます。さらに処理すると、制御された量の炭素が追加され、さまざまな種類の熱処理 (「鋼鉄化」など) が可能になります。

現在、海綿鉄は鉄鉱石を溶かすことなく還元することで製造されています。これにより、かつてはスクラップ金属に頼っていた特殊鋼メーカーにとって、エネルギー効率の高い原料となります。

食べ物

水素還元鉄は、食品用鉄粉の原料として、また食品の栄養強化や酸素除去に使用されます。この元素形態は鉄形態ほど吸収されませんが^[9]、酸素除去機能があるため魅力的です。この用途の純度基準は1977年に制定されました。^[10]

参照

参考文献

注記

^ 「直接還元鉄（DRI）とは何か？定義と意味」 Businessdictionary.com。2018年1月4日時点のオリジナルよりアーカイブ。2011年7月11日閲覧。
^ 「直接還元鉄（DRI）」。国際鉄金属協会。2019年11月14日。
^ RJ Fruehan 他 (2000)。鋼鉄を製造するための理論上の最小エネルギー (特定の条件下)
^ “Steel making today and tomorrow”. 2020年12月20日時点のオリジナルよりアーカイブ。
^ 「直接還元鉄（DRI） - 貨物ハンドブック - 世界最大の貨物輸送ガイドラインウェブサイト」www.cargohandbook.com 。 2022年6月18日閲覧。
^ ハットウィグ、マーティン、スティーン、ヘンリクス（2004）、爆発防止と防護ハンドブック、Wiley-VCH、pp. 269–270、ISBN 978-3-527-30718-0。(2019年10月24日リンク切れ)
^ 「MIDREX」（PDF）。
^ 「2023年世界直接削減統計」(PDF)。Midrex Technologies。2023年。 2024年9月4日閲覧。
^ Zimmermann, Michael B.; Winichagoon, Pattanee; Gowachirapant, Sueppong; Hess, Sonja Y.; Harrington, Mary; Chavasit, Visith; Lynch, Sean R.; Hurrell, Richard F. (2005). 「硫酸第一鉄、電解鉄、または水素還元鉄を添加した小麦ベースのスナックの効能の比較：タイ人女性を対象としたランダム化二重盲検対照試験」。アメリカ臨床栄養学誌。82 (6): 1276–1282。doi : 10.1093 /ajcn/ 82.6.1276。PMID 16332661 。
^ Shah, Bhagwan G.; Giroux, Alexandre; Belonje, Bartholomeus (1977). 「食品添加物としての還元鉄の仕様」. Journal of Agricultural and Food Chemistry . 25 (3): 592–594. doi :10.1021/jf60211a044. PMID 858856.

文献

Valipour MS、Saboohi、Y、「合成ガスを使用したヘマタイトの非等温還元の数値的調査：シャフト規模の研究」、Modelling Simul. Mater. Sci. Eng. 15(5)、p. 487、2007年。
Grobler, F. および Minnitt, RCA「世界的な製鉄業における直接還元鉄の役割の増大」、オーストラリア鉱業冶金学会。

外部リンク

[1] 「直接還元鉄（DRI）とは何か？定義と意味」 Businessdictionary.com。2018年1月4日時点のオリジナルよりアーカイブ。2011年7月11日閲覧。

[2] 「直接還元鉄（DRI）」。国際鉄金属協会。2019年11月14日。

[3] RJ Fruehan 他 (2000)。鋼鉄を製造するための理論上の最小エネルギー (特定の条件下)

[4] “Steel making today and tomorrow”. 2020年12月20日時点のオリジナルよりアーカイブ。

[5] 「直接還元鉄（DRI） - 貨物ハンドブック - 世界最大の貨物輸送ガイドラインウェブサイト」www.cargohandbook.com 。 2022年6月18日閲覧。

[6] ハットウィグ、マーティン、スティーン、ヘンリクス（2004）、爆発防止と防護ハンドブック、Wiley-VCH、pp. 269–270、ISBN 978-3-527-30718-0。(2019年10月24日リンク切れ)

[7] 「MIDREX」（PDF）。

[8] 「2023年世界直接削減統計」(PDF)。Midrex Technologies。2023年。 2024年9月4日閲覧。

[9] Zimmermann, Michael B.; Winichagoon, Pattanee; Gowachirapant, Sueppong; Hess, Sonja Y.; Harrington, Mary; Chavasit, Visith; Lynch, Sean R.; Hurrell, Richard F. (2005). 「硫酸第一鉄、電解鉄、または水素還元鉄を添加した小麦ベースのスナックの効能の比較：タイ人女性を対象としたランダム化二重盲検対照試験」。アメリカ臨床栄養学誌。82 (6): 1276–1282。doi : 10.1093 /ajcn/ 82.6.1276。PMID 16332661 。

[10] Shah, Bhagwan G.; Giroux, Alexandre; Belonje, Bartholomeus (1977). 「食品添加物としての還元鉄の仕様」. Journal of Agricultural and Food Chemistry . 25 (3): 592–594. doi :10.1021/jf60211a044. PMID 858856.