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製鋼とは、鉄鉱石や鉄スクラップから鋼鉄を製造する工程です。鋼鉄は鉄と炭素からできています。鉄自体は強度がありませんが、鋼鉄の種類にもよりますが 1% 未満の低濃度の炭素が鋼鉄に強度とその他の重要な特性を与えます。窒素、ケイ素、リン、硫黄、余分な炭素(最も重要な不純物) などの不純物が除去され、マンガン、ニッケル、クロム、炭素、バナジウムなどの合金元素が追加され、異なる等級の鋼鉄が製造されます。鋼鉄は数千年にわたって製造されてきましたが、19 世紀半ばに 大規模に商業化されました。
古代の製鉄法はるつぼ法でした。1850 年代から 1860 年代にかけて、ベッセマー法とシーメンス・マーチン法が発明され、製鉄の工業化が可能になりました。
2つの主要な商業プロセスが使用されています。酸素製鋼では、高炉からの溶銑鉄とスクラップ鋼を主な原料として使用します。電気炉（EAF）製鋼では、スクラップ鋼または直接還元鉄（DRI）を主な原料として使用します。酸素製鋼は、時間の経過とともに普及してきました。[1]
鉄鋼業は最も炭素排出量の多い産業の一つです。2020年現在、鉄鋼業は温室効果ガス排出量[アップデート]の約10％を占めています。[2]業界は大幅な排出量削減を目指しています。[3]
歴史
製鉄は古代、中世、そして現代の社会の発展に重要な役割を果たしてきました。初期の製鉄法は中国、インド、ローマの古典時代に発展しました。最も初期の鉄鋼生産方法は鉄塊炉でした。
鋳鉄は硬くて脆く、加工が難しい素材ですが、鋼は展性があり、比較的容易に成形でき、用途が広いです。人類の歴史の大部分において、鋼は少量しか生産されていませんでした。ベッセマー法とその後の射出成形技術およびプロセス制御の発展により、鋼の大量生産は世界経済に不可欠なものとなり、技術開発の重要な指標となりました。[4]
近代初期の鉄鋼生産方法は、多くの場合、労働集約的で高度な技術を必要としました。参照:
産業革命の重要な側面は、鍛造可能な金属（棒鉄または鋼）を生産する大規模な方法が開発されたことです。パドル炉は当初は錬鉄を生産する手段でしたが、後に鋼鉄の生産にも応用されました。
近代的な製鉄法は、ベッセマー法が初めて成功した大量生産法となり、平炉法がそれに続いた1850 年代末に始まりました。
現代のプロセス
現代の製鉄プロセスは、一次、二次、三次の 3 つのステップに分けられます。
一次製鋼では鉄を精錬して鋼を作ります。二次製鋼では合金剤や溶解ガスなどの他の元素を加えたり除去したりします。三次製鋼ではシートやロールなどの形に鋳造します。各ステップには複数の技術があります。[5]
一次製鋼
塩基性酸素
酸素製鋼法では、炭素を多く含む銑鉄を溶かして鋼鉄に変えます。溶けた銑鉄に酸素を吹き込むと、炭素の一部がCOに変換されます。−
およびCO
2製錬所では、溶融金属とスラグの熱と腐食に耐えられるように、耐火物（高温でも分解しにくい物質）である酸化カルシウムと酸化マグネシウムが製錬容器の内側に敷かれています。化学反応を制御して、シリコンやリンなどの不純物が確実に除去されるようにしています。
このプロセスは、1948年にロバート・デュラーによって、空気を（より効率的な）酸素に置き換えるベッセマー転炉の改良版として開発されました。これにより、工場の資本コストと製錬時間が削減され、労働生産性が向上しました。1920年から2000年の間に、労働要件は1000分の1に減少し、1000トンあたり3人時間になりました。[要出典] 2013年には、世界の鉄鋼生産量の70％が塩基性酸素炉を使用して生産されました。[6]この炉では、最大350トンの鉄を40分未満で鋼に変換できますが、平炉では10〜12時間かかります。 [ 7]
電気アーク
電気アーク炉は、スクラップまたは直接還元鉄から鋼鉄を生産します。鉄のバッチ（「ヒート」）が炉に投入され、時には「ホットヒール」（前のヒートからの溶融鋼）が投入されます。ガスバーナーが溶解を補助する場合があります。酸素製鋼と同様に、フラックスが追加され、容器のライニングを保護し、不純物の除去を改善します。電気アーク炉製鋼では通常、40〜50分ごとに鋼鉄を生産する100トンの炉が使用されます。[7]このプロセスでは、酸素製鋼法よりも大量の合金を追加できます。[8]
ヒサルナプロセス
HIsarna製鉄法では、鉄鉱石はほぼ直接液体鉄または溶銑に加工されます。このプロセスはサイクロン転炉炉をベースとしており、これにより、酸素製鉄に必要な銑鉄ペレットの製造を省略できます。この準備ステップを省略することで、HIsarnaプロセスは従来の製鉄法よりもエネルギー効率が高く、炭素排出量が少なくなります。 [要出典]
水素還元
鉄鋼は直接還元鉄から生産することができ、直接還元鉄は鉄鉱石から水素で化学還元されて生産される。再生可能な水素により、化石燃料を使わずに製鉄が可能になる。直接還元は1,500°F（820°C）で起こる。鉄は電気アーク炉で炭素（石炭由来）に注入される。電気分解で生産される水素は、鉄鋼1トンあたり約2600kWhを必要とする。コストは従来の方法よりも20～30％高いと推定されている。[9] [10] [11]
二次製鋼
二次製鋼では、一般的に取鍋が使用されます。取鍋操作には、脱酸（または「キリング」）、真空脱ガス、合金添加、介在物除去、介在物化学修飾、脱硫、均質化が含まれます。取鍋操作は、炉蓋で電気アーク加熱を行うガス撹拌取鍋で行うのが一般的です。取鍋冶金を厳密に管理することで、許容誤差の狭い高品質の鋼が生産されます。[5]
二酸化炭素排出量
2021年現在、鉄鋼業は世界のCO排出量[アップデート]の約11%を占めていると推定されている。
2排出量の約7％を占め、温室効果ガス排出量の約7％を占めています。[12] [13] 1トンの鉄鋼を製造すると、約1.8トンのCO
2[14]これらの排出物の大部分は、石炭が高炉で鉄鉱石からの酸素と結合する炭素を供給する産業プロセスから生じています。[15]
追加のCO
2排出物は、鉱石の採掘、精錬、輸送、酸素製鋼、焼成、熱風から生じます。COを削減するための提案された技術
2鉄鋼業界における排出量削減には、炭素ではなくグリーン水素を使用した鉄鉱石の削減や炭素回収・貯留などが含まれる。[16]
採掘と抽出
石炭や鉄鉱石の採掘はエネルギーを大量に消費し、周囲にダメージを与え、汚染、生物多様性の喪失、森林破壊、温室効果ガスの排出を引き起こします。
高炉
高炉は、鉄鉱石を周囲の酸素とコークス（石炭の一種）の存在下で1,700℃（3,090℉）で溶解することにより、鉄から酸素と微量元素を取り除き、微量の炭素を追加します。鉱石からの酸素は、 COの形でコークスの炭素によって運び去られます。
2反応：
鉄
2お
3(s) + 3 CO(g) → 2 Fe(s) + 3 CO
2（グ）
この反応はCOの低い（好ましい）エネルギー状態によって起こる。
2鉄酸化物と比較して、反応の活性化エネルギーを達成するには高温が必要である。少量の炭素が鉄と結合して銑鉄を形成するが、炭素含有量が約4％と高すぎるため、鋼鉄の前の中間体となる。[17]
脱炭
銑鉄の炭素含有量を減らし、鋼の望ましい炭素含有量を得るために、銑鉄を再溶解し、酸素を吹き込むことで、塩基性酸素製鋼が行われる。この段階で、酸素は不要な炭素と結合し、 COの形で運び去る。
2ガスは追加の排出源です。このステップの後、銑鉄中の炭素含有量は鋼鉄が得られる程度に低下します。
焼成
さらにCO
2排出物は、焼成と呼ばれる反応で高温で溶融される石灰石の使用によって発生します。
炭酸カルシウム
3(s) → CaO(s) + CO
2（グ）
結果として生じるCO
2は、排出源の追加です。酸化カルシウム（CaO、生石灰）は、排出量を削減するための代替品として使用できます。[18]これは化学フラックスとして機能し、スラグの形で不純物（硫黄やリン（アパタイトやフッ化アパタイトなど）[19]など）を除去し、CO
2次のような反応に応じた排出物:
SiO 2 + CaO → CaSiO 3
フラックスを提供するために石灰石を使用する方法は、高炉（銑鉄を得るため）と酸素製鋼（鋼を得るため）の両方で行われます。
熱風
CO
2排出物は熱風によって高炉の温度が上昇することで発生します。熱風は高炉に熱い空気を送り込みます。熱風の温度は、設計と状態に応じて900〜1,300℃（1,650〜2,370℉）の範囲です。石油、タール、天然ガス、粉末石炭、酸素を注入してコークスと混合すると、追加のエネルギーが放出され、存在する還元ガスの割合が増加し、生産性が向上します。熱風は通常、追加の排出源である化石燃料の燃焼によって加熱されます。[20]
炭素排出量削減戦略
鉄鋼業界は人為的CO2排出量の7～8%を排出している。
2排出量が最も多く、最もエネルギー集約的な産業の一つです。[21] [22]排出量削減と脱炭素化戦略は製造プロセスによって異なります。選択肢は、非化石エネルギー源の使用、処理効率の向上、製造プロセスの進化の3つの一般的なカテゴリに分類されます。これらは個別に、または組み合わせて使用できます。[要出典]
「グリーンスチール」とは、化石燃料を使わない製鉄を指します。[23]グリーンスチールを生産していると主張する企業の中には、排出量を削減はしているものの、ゼロにはしていないところもあります。[24]
オーストラリア
オーストラリアは世界の鉄鉱石の約40％を生産しています。オーストラリア再生可能エネルギー庁（ARENA）は、排出量を削減するための直接還元鉄（DRI）に関する研究プロジェクトに資金を提供しています。リオティント、BHP、ブルースコープなどの企業はグリーンスチールプロジェクトを開発しています。[25]
ヨーロッパ
HYBRIT、LKAB、Voestalpine、ThyssenKruppによる欧州プロジェクトは、排出量を削減する戦略を追求している。[26] HYBRITはグリーンスチールを生産していると主張している。[24]
BF/BOFにおけるトップガス回収
高炉から出るガスは通常、大気中に放出されます。このガスにはCOが含まれています。
2、H 2、およびCO。上部のガスは捕捉でき、CO
2除去され、還元剤は高炉に再注入される。[要出典] 2012年の研究では、このプロセスにより高炉のCO
2排出量は75%削減されるが[27]、2017年の研究では、二酸化炭素回収・貯留により排出量は56.5%削減され、還元剤のリサイクルのみを使用した場合は26.2%削減されることが示された。[28]回収された炭素が大気中に放出されないようにするには、それを貯蔵または使用する方法を見つける必要がある。
炉頂ガスを利用するもう一つの方法は、発電用の炉頂回収タービンを使用することで、電気アーク製錬を使用する場合は外部エネルギーの必要性が低減される。[26]炭素はコークス炉ガスから回収することもできる。2022年現在[アップデート]、システム内の他のガスやコンポーネントからCO2を分離すること、および必要な機器やインフラの変更にかかるコストが高いことから採用は進んでいないが、排出量削減の可能性は最大65%から80%と推定されている。[29] [26]
水素直接還元
排出ガスのない電力（グリーン水素）から生成された水素を使用する水素直接還元（HDR）は、鉄酸化物と水素の反応の唯一の副産物が水であるため、排出ガスのない鉄製造を可能にします。[30]
2021年現在、アルセロール・ミッタル、フェストアルパイン、タタは鉄の製錬にグリーン水素を使用することを約束している。[31] 2024年にはスウェーデンのHYBRITプロジェクトがHDRを使用している。[32]
欧州連合では、HDRの水素需要には180GWの再生可能エネルギー容量が必要になると推定されています。[33]
鉄鉱石の電気分解
もう一つの開発可能な技術は鉄鉱石の電気分解であり、還元剤は電子である。[26]一つの方法は溶融酸化物電気分解である。セルは不活性陽極、液体酸化物電解質（CaO、MgOなど）、および溶融鉱石で構成される。約1,600℃に加熱すると、鉱石は鉄と酸素に還元される。2022年現在、ボストンメタルはこのプロセスを半工業化段階にあり、2026年までに商業化する計画である。[34] [35]
サイドウィン研究プロジェクトには、アルセロールミッタルが関与しており、異なるタイプの電気分解をテストしていました。[36]これは約110℃で動作します。[37]
高炉/転炉におけるスクラップ利用
スクラップ製鉄とは、使用期限が切れた鉄、または鉄部品の製造で余った金属を指します。鉄は磁性があるため、分離してリサイクルしやすいです。スクラップを使用すると、1.5トンのCOの排出が回避されます。
21トンあたり。[38] 2023年現在[アップデート]、鉄鋼はあらゆる素材の中で最も高いリサイクル率を誇っており、世界の鉄鋼の約30％がリサイクル部品から作られています。しかし、鉄鋼は無限にリサイクルできるわけではなく、[説明が必要]、アーク炉を使用したリサイクルプロセスでは電気を使用します。[21]
H2BF/BOFにおける濃縮
高炉では、CO、H 2、炭素の組み合わせによって鉄酸化物が還元されます。H 2によって還元される鉄酸化物は約10%のみです。H 2濃縮により、H 2によって還元される鉄酸化物の割合が増加し、消費される炭素が少なくなり、COの排出量が減ります。
2[ 39 ]このプロセスにより、排出量を推定20％削減できます。[要出典]
その他の戦略
ヒサルナ製鉄法は、チョーク/凝集の前処理工程を省いてサイクロン転炉で鉄を生産する方法であり、 CO
2排出量を約20％削減した。[40]
一つの推測的なアイデアは、高温で水素を使って鉱石を還元する水素プラズマ技術を開発するというSuSteelのプロジェクトである。[26]
木炭や木質ペレットなどのバイオマスは、化石燃料を使わない高炉燃料の代替として期待されていますが、それでも炭素を排出します。排出量は5%～28%削減されます。[26]
参照
参考文献
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外部リンク
- 短編映画『鋼鉄のドラマ』.mw-parser-output .noitalic{font-style:normal}(1946) は、インターネット アーカイブで無料で視聴およびダウンロードできます。
- US スチール ゲーリー ワークス写真コレクション、1906 年～ 1971 年
- 「勝利のための道具としての鋼鉄」ポピュラーサイエンス（1943年12月）現代の鋼鉄製造の基礎について多数のイラストや断面図を掲載した詳細な記事