製鉄

製鋼とは、鉄鉱石や鉄スクラップから鋼鉄を生産するプロセスです。製鋼では、窒素、ケイ素、リン、硫黄、余分な炭素（最も重要な不純物）などの不純物が原料の鉄から除去され、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、さまざまなグレードの鋼が生産されます。

製鉄は数千年にわたって行われてきましたが、19 世紀半ばまで大規模に商業化されることはありませんでした。製鉄の古代のプロセスはるつぼ法でした。1850 年代と 1860 年代には、ベッセマー法とシーメンス・マーチン法によって製鉄は重工業へと変化しました。

現在、鉄鋼を製造するための商業的なプロセスには、高炉からの溶融銑鉄とスクラップ鋼を主な原料とする酸素製鋼と、スクラップ鋼または直接還元鉄（DRI）を主な原料とする電気炉（EAF）製鋼の2つがあります。酸素製鋼は、主に容器内の反応の発熱性によって燃料が供給されます。対照的に、EAF製鋼では、電気エネルギーを使用して固体スクラップおよび/またはDRI材料を溶かします。最近では、より多くの化学エネルギーがプロセスに導入されるにつれて、EAF製鋼技術は酸素製鋼に近づいています。^[1]

鉄鋼業は世界で最も炭素排出量の多い産業の一つです。2020年現在^{[アップデート]}、鉄鋼業は温室効果ガス排出量の約10％を占めています。^[2]地球温暖化を緩和するために、鉄鋼業界は排出量を大幅に削減する必要があります。^[3]

製鉄は、古代、中世、現代の技術社会の発展に重要な役割を果たしてきました。製鉄の初期のプロセスは、古代中国、インド、ローマの古典時代に行われました。

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、用途の広い素材です。人類の歴史の大部分において、鋼は少量しか製造されていませんでした。19世紀イギリスでベッセマー法が発明され、その後射出成形技術と工程管理の技術が進歩して以来、鋼の大量生産は世界経済の不可欠な部分となり、現代の技術発展の重要な指標となっています。^[4]最も初期の鋼生産方法は塊鉄炉でした。

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:

• 精錬炉では、ドイツの精錬工程を管理して鋼を生産することができました。
• ブリスター鋼とるつぼ鋼。

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。

近代製鉄における本当の革命は、ベッセマー法が初めて大量生産に成功した方法となり、平炉がそれに続いた1850 年代末に始まった。

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]

酸素製鋼法は、炭素を多く含む銑鉄を溶かして鋼鉄に変える一次製鋼法である。溶融銑鉄に酸素を吹き込むと、鉄に含まれる炭素の一部がCOに変換される。⁻
およびCO
₂製錬所では、溶融金属とスラグの高温と腐食性に耐えられるように、製錬容器の内側に耐火物（酸化カルシウムと酸化マグネシウム）を敷き詰めます。この工程の化学反応は、金属から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制御されます。

現代の製法は、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た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、業界の労働要件は1000分の1に減少し、1トンあたりわずか0.003人時間になりました。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]炉は、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]

電気アーク炉製鋼は、スクラップまたは直接還元鉄を電気アークで溶かして鋼を製造する方法です。電気アーク炉では、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。ガスバーナーを使用して溶解を補助することもあります。塩基性酸素製鋼と同様に、フラックスも追加され、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分ごとに鋼を生産する約100トンの容量の炉が使用されます。^[7]このプロセスでは、塩基性酸素法よりも大量の合金を追加できます。^[8]

HIsarna製鉄プロセスでは、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、サイクロン転炉と呼ばれるタイプの高炉に基づいており、これにより、塩基性酸素製鉄プロセスに必要な銑鉄ペレットの製造プロセスを省略できます。この準備ステップが不要なため、HIsarnaプロセスは従来の製鉄プロセス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。^{[引用が必要]}

鋼鉄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的に還元されることによって生産される。再生可能水素により、化石燃料を使用せずに製鉄が可能になる。2021年にスウェーデンのパイロットプラントでこのプロセスがテストされた。直接還元は1,500 °F（820 °C）で起こる。鉄に電気アーク炉で炭素（石炭由来）を注入する。電気分解で生成される水素は、鋼鉄1トンあたり約2600 kWhを必要とする。コストは従来の方法よりも20～30％高くなると推定されている。 ^{[9] [10] [11]ただし、CO} ₂排出のコストが塩基性酸素製造の価格に加算され、2018年のサイエンス誌の調査では、価格がCO ₂ 1トンあたり68ユーロで損益が均衡すると推定されており、2030年代に到達すると予想されている。

二次製鋼は、一般的には取鍋で行われる。取鍋で行われる作業には、脱酸素（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、均質化などがある。現在では、炉の蓋に電気アーク加熱を備えたガス撹拌取鍋で取鍋冶金作業を行うのが一般的である。取鍋冶金の厳密な管理は、化学と一貫性の許容範囲が狭い高品質の鋼の製造に関係している。^[5]

2021年現在^{[アップデート]}、鉄鋼業は世界の二酸化炭素排出量の約11％、世界の温室効果ガス排出量の約7％を占めていると推定されています。^{[12] [13]}鉄鋼1トンの製造では約1.8トンの二酸化炭素が排出されます。^[14]これらの排出量の大半は、高炉で起こる次の化学反応で鉄鉱石から酸素を取り除く炭素源として石炭が使用される工業プロセスに起因しています。^[15]

Fe ₂ O ₃ (s) + 3 CO(g) → 2 Fe(s) + 3 CO ₂ (g)

追加の二酸化炭素排出は、鉱石の採掘、精錬、輸送、酸素製鋼、焼成、熱風によって発生します。炭素回収・利用または炭素回収・貯留は、鉄鋼業界での二酸化炭素排出量を削減し、炭素ではなくグリーン水素を使用して鉄鉱石を還元するための提案された技術です。 ^[16]さらなる脱炭素化戦略については以下を参照してください。

石炭や鉄鉱石の採掘は大量のエネルギーを消費し、汚染、生物多様性の喪失、森林破壊、温室効果ガスの排出など、多くの環境被害をもたらします。鉄鉱石は製鉄所まで遠くまで輸送されます。

純粋な鋼鉄を作るには、鉄と炭素が必要です。鉄自体はそれほど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​​度の炭素が鋼鉄に重要な特性を与えます。鋼鉄の炭素は石炭から、鉄は鉄鉱石から得られます。しかし、鉄鉱石は鉄と酸素、その他の微量元素の混合物です。鋼鉄を作るには、鉄を酸素から分離し、微量の炭素を加える必要があります。どちらも、鉄鉱石を非常に高い温度 (1,700 度または 3,000 度以上) で、酸素 (空気中から) とコークスと呼ばれる石炭の存在下で溶かすことによって行われます。その温度で鉄鉱石は酸素を放出し、この酸素は二酸化炭素の形でコークスの炭素によって運び去られます。

Fe ₂ O ₃ (s) + 3 CO(g) → 2 Fe(s) + 3 CO ₂ (g)

この反応は、二酸化炭素のエネルギー状態が酸化鉄に比べて低い（好ましい）ために起こり、この反応の活性化エネルギーを得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、これは炭素含有量が高すぎる（約4％）ため、鋼鉄の前の中間体である。^[17]

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、銑鉄は再溶解され、取鍋で行われる酸素製鋼と呼ばれるプロセスで酸素が吹き込まれます。このステップでは、酸素が不要な炭素と結合し、二酸化炭素ガスの形で運び去られます。これは追加の排出源です。このステップの後、銑鉄の炭素含有量は十分に低下し、鋼が得られます。

さらなる二酸化炭素排出は、石灰石の使用によって発生します。石灰石は、焼成と呼ばれる反応で高温で溶かされますが、その化学反応は次のようになります。

CaCO ₃ (s) → CaO(s) + CO ₂ (g)

この反応では二酸化炭素も排出源となる。現代の産業界では、代替品として酸化カルシウム（CaO、生石灰）が導入されている。 ^[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、 _CO2の排出量を低く抑えます。例えば、酸化カルシウムは反応して酸化ケイ素の不純物を取り除くことができます。

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。

さらなる二酸化炭素排出は、高炉の熱を高めるために使用される熱風によって発生します。熱風は高炉に熱い空気を送り込み、そこで鉄鉱石が銑鉄に還元され、高い活性化エネルギーの達成に役立ちます。熱風の温度は、炉の設計と状態に応じて900〜1,300 °C（1,650〜2,370 °F）になります。石油、タール、天然ガス、粉末石炭、酸素も炉に注入され、コークスと結合して追加のエネルギーを放出し、存在する還元ガスの割合を増やして生産性を高めることができます。熱風内の空気が化石燃料の燃焼によって加熱される場合（多くの場合そうである）、これは二酸化炭素排出の追加発生源となります。^[20]

鉄鋼業界は、人間が排出するCO2排出量の7～8%（鉄鋼1トン生産あたり約2トン）を排出し_ており、地球上で最もエネルギーを消費する産業の1つです。^{[21] [22]}鉄鋼業界では、基本的な製造プロセスに基づいて、いくつかの炭素削減および脱炭素化戦略が存在します。オプションは、化石燃料から風力および太陽光へのエネルギー源の切り替え、処理効率の向上、革新的な新技術プロセスの3つの一般的なカテゴリに分類されます。これら3つはすべて組み合わせて使用​​できます。^[要出典]

「グリーンスチール」とは、化石燃料を使わずに鉄鋼を製造することを指す用語で、^[23] つまり、排出ゼロの製品を指す。しかし、グリーンスチールを生産していると主張するすべての企業がこの基準を満たしているわけではない。中には、単に排出量を削減しているだけの企業もある。^[24]オーストラリアは世界の鉄鉱石の約40％を生産しており、政府はオーストラリア再生可能エネルギー庁（ARENA）を通じて、グリーンスチールと鉄の生産を増やすために、直接還元鉄製造（DRI）を含む多くの研究プロジェクトに資金援助している。リオティント、BHP、ブルースコープなどの大企業がグリーンスチールプロジェクトを開発している。^[25]

CO2排出量はエネルギー源によって異なります。風力や太陽光などの持続可能なエネルギーを電気炉の動力源として、または燃料として水素を生成するために使用すると、排出量を大幅に削減できます。HYBRIT、LKAB、Voestalpine、ThyssenKruppによるヨーロッパのプロジェクトは、_排出量を削減するための戦略を追求しています。^[26] HYBRITは、真の「グリーンスチール」を生産していると主張しています。^[24]

高炉から出るトップガスは、通常、製鋼中に大気中に排出されるガスです。このガスには二酸化炭素が含まれており_、また、還元剤であるH ₂とCOも豊富に含まれています。トップガスを回収し、二酸化炭素_を除去して、還元剤を高炉に再注入することができます。^[要出典] 2012年の研究では、このプロセスによりBFの二酸化炭素_排出量を75％削減できることが示唆されており、^[27] 2017年の研究では、二酸化炭素回収・貯留により排出量が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ています。^[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ります。

上部ガスを利用する別の方法としては、上部回収タービンで発電する方法があり、電気アーク製錬を使用する場合、この発電を利用してプロセスのエネルギー強度を下げることができる。^[26] 炭素はコークス炉の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を分離することと、必要な機器やインフラの変更にかかるコストが高いため、この戦略は最小限に抑えられているが、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]}

あるいは、シャフト炉で水素を使用して鉄酸化物を還元することもできます。鉄酸化物と水素の反応の副産物として水のみが生成され、排出物のない製鉄が可能になります。^[30]これは水素直接還元（HDR）として知られ、グリーンスチール技術の中で最も顕著です。これは、コークス中の炭素を還元剤として使用して（鉄鉱石から酸素を剥ぎ取る）、鉄と二酸化炭素を生成する従来の製鉄プロセスとは異なります。代替還元剤と燃料の両方として再生可能エネルギー源から水素を生成すると、CO2排出量が最大に_なります。2021年現在、フランスのアルセロールミッタル、オーストリアのフェストアルピーネ、オランダのタタのみが、グリーン水素を使用してゼロから鉄鋼を製造することを約束しています。^[31]

HDRはスウェーデンのHYBRITプロジェクトで採用されています。^[32]しかし、このアプローチでは、必要な再生可能水素を生産するためにかなりの量の再生可能エネルギーが必要です。欧州連合では、水素ベースの鉄鋼製造のための水素需要には180GWの再生可能容量が必要になると推定されています。^[33]

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H ₂、CO、または炭素ではなく、単に電子である。^[26]この方法の1つは溶融酸化物電気分解である。ここでは、セルは不活性陽極、液体酸化物電解質（CaO、MgOなど）、および溶融鋼で構成される。加熱すると、鉄鉱石は鉄と酸素に還元される。ボストンメタルはこのプロセスの半工業化段階にあり、2026年までに商業化を達成する計画である。^[34]マサチューセッツ州ウォーバーンのパイロットプラントを拡張し、ブラジルに生産施設を建設している同社は、MITの教授であるドナルドサドウェイとアントワーヌアラノアによって設立されました。^[35]

鉄鋼会社アルセロール・ミッタルが関与した研究プロジェクトでは、サイドウィンと呼ばれるパイロットプロジェクトで異なるタイプの鉄鉱石電気分解プロセスをテストしました。^[36]ボストンメタルプロセスが高温（約1,600℃）で動作するのに対し、サイドウィンは比較的低温（約110℃）で動作します。2023年3月現在、^{[アップデート]}アルセロール・ミッタルは、同社がこの技術を拡大してより大きな工場を建設するかどうかを調査しており、2025年までに投資決定を行う予定です。^[37]

製鉄スクラップとは、使用寿命が尽きた鉄、または鉄鋼部品の製造中に発生した鉄を指します。鉄は磁性があるため分離・リサイクルが容易で、スクラップを使用するとスクラップ1トンあたり1.5トンのCO2排出を回避できます_。 [ ^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リサイクル率が高く、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、鉄鋼は永久にリサイクルできるわけではなく、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]

高炉では、鉄酸化物は CO、H ₂、炭素の組み合わせによって還元されます。鉄酸化物の約 10% のみが H ₂によって還元されます。H _{2濃縮処理では、H 2}によって還元される鉄酸化物の割合が増加するため、炭素の消費量が少なくなり、CO ₂の排出量も少なくなります。^[39]このプロセスにより、排出量を推定 20% 削減できます。^{[引用が必要]}

ヒサルナ製鉄法は、前処理段階であるチョーク/凝集を必要とせず、「サイクロン転炉」で鉄を生産する方法として上で説明されており、これによりCO2排出量が約20％削減されます_。 [ ^40]

一つの推測的なアイデアは、SuSteel社が現在進めている水素プラズマ技術の開発であり、COや炭素ではなく水素で酸化物を還元し、高温で鉄を溶かすというものである。^[26]

製鉄業では、石炭とコークスが燃料と鉄の還元に使用されます。木炭や木質ペレットなどのバイオマスは代替燃料として考えられますが、燃焼するバイオマスは依然として炭素を排出するため、実際には排出量を削減するものではなく、単に「カーボンオフセット」を提供するだけです。つまり、排出量を「交換」して、現在のCO2値の5％から28％の排出量を「相殺」するのです_。 [ ^26]ペレットや木炭を作るために木を伐採しても炭素を隔離するわけではなく、木が提供していた自然な隔離を妨げるため、相殺は世界的に非常に評判が悪いです。相殺は削減ではありません。^[要出典]

全体として、製鉄業界ではCO2排出量を削減するための革新的な方法が数多く存在します。これらのうち、トップガス回収やDRI/EAFでの水素還元の使用などは、現在のインフラと技術レベルでは非常に実現可能です。水素プラズマ[41]や鉄鉱石電気分解[42]などの他の方法は、_まだ研究^段階または^半工業段階にあります。

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• 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。
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• 「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