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製鋼とは、鉄鉱石やスクラップから鋼を製造するプロセスです。鋼は何千年もの間製造されてきましたが、1850年代と1860年代にベッセマー法とシーメンス・マルティン法を用いて大規模に商業化されました。現在、2つの主要な商業プロセスが使用されています。転炉製鋼（BOS）は、高炉からの溶銑とスクラップ鋼を主な原料として使用します。電気炉製鋼（EAF）は、スクラップ鋼または直接還元鉄（DRI）を使用します。酸素製鋼は、時間の経過とともに普及が進んでいます。[ 1 ]
製鉄業は、炭素排出量が最も多い産業の一つです。2020年には、製鉄業がエネルギー部門の温室効果ガス排出量の7%を占めていると報告されました。[ 2 ]業界は大幅な排出量削減を目指しています。[ 3 ]
鋼は鉄と炭素から作られます。鋳鉄は硬くて脆く加工が難しい材料ですが、鋼は展延性があり、比較的容易に成形でき、汎用性があります。鉄自体は強度がありませんが、鋼の種類にもよりますが、1パーセント未満の低濃度の炭素が鋼に強度やその他の重要な特性を与えます。窒素、ケイ素、リン、硫黄、過剰な炭素（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添加されて、さまざまなグレードの鋼が製造されます。
初期の製鋼法は、中国、インド、ローマ、そしてスウェーデン北部の狩猟採集民の間で古典時代に発展しました。最も初期の製鋼方法は、ブルームリーと呼ばれる炉で行われました。人類の歴史の大部分において、鋼は少量しか生産されませんでした。近世初期の製鋼法は、多くの場合、労働集約的で高度な技術を要しました。ベッセマー法とその後の発展により、鋼は世界経済に不可欠なものとなりました。[ 4 ]
ベッセマー法に似たシステムは、11 世紀に東アジアで生まれた。[ 5 ] [ 6 ]ハートウェルは、宋王朝(960～1279 年) が冷風下で鋳鉄を繰り返し鍛造する「部分脱炭」法を開発したと述べている。[ 7 ]ニーダムとワータイムは、この方法をベッセマー法の前身と説明している。[ 5 ] [ 8 ] [ 9 ]このプロセスは、1075 年に政府官僚の沈括が磁州を訪れた際に初めて記述された。 [ 7 ]ハートウェルは、この方法が最初に実践された中心地は、おそらく 11 世紀の河南省と河北省の境界沿いの鉄生産地帯であったと述べている。[ 7 ]
15世紀、ヨーロッパでは、ベッセマー法と同じく空気吹き込みの原理を用いる精錬法が開発されました。高品質の鋼は、通常スウェーデンから輸入された炭素を含まない錬鉄に炭素を添加するという逆のプロセスによっても製造されました。セメンテーション法と呼ばれるこの製造プロセスは、長い石の箱の中で錬鉄の棒を木炭とともに最長1週間加熱することから成ります。これによりブリスター鋼が生成されます。ブリスター鋼は錬鉄とともにるつぼに入れられ、溶解されてるつぼ鋼が生成されます。鋼1トンを生産するために、最大3トンの（当時高価だった）コークスが燃焼されました。このような鋼は棒状に圧延されると、1ロングトンあたり50～60ポンド（2008年換算で約3,390～4,070ポンド）[11]で販売されました。このプロセスの中で最も困難で労力を要する部分は、スウェーデンの精錬鍛造所での錬鉄の製造でした。
1740年、ベンジャミン・ハンツマンは、イギリスのハンズワースにある自身の工房で、製鋼法としてるつぼ法を開発した。この製法は、製鋼量と製鋼品質を大幅に向上させた。ただし、焼成時間が3時間長くなり、大量のコークスが必要となった。るつぼ製鋼では、ブリスター鋼の棒を細かく砕き、それぞれ 約20kgの容量を持つ小型のるつぼで溶解した。これにより、より高品質の金属が得られたが、コストも上昇した。
ベッセマー法は、低品位鋼の製造に必要な時間を約30分に短縮し、銑鉄を溶かすのに必要な量のコークスのみで済むようにした。初期のベッセマー転炉では、鋼鉄を1ロングトンあたり7ポンドで生産したが、当初は1トンあたり約40ポンドで販売されていた。
17世紀のヨーロッパの旅行者が観察したように、日本人はベッセマー法のような製鉄法を利用していた可能性がある。[ 10 ]冒険家のヨハン・アルブレヒト・デ・マンデルスロは、1669年に英語で出版された著書の中でこの製鉄法について述べている。彼は、「彼らはとりわけ、火を使わずに鉄を溶かす特別な方法を持っており、内側に約15センチの土を敷いた樽に鉄を流し込み、絶えず息を吹きかけ、柄杓でいっぱいに取り出して好きな形にする」と書いている。ワグナーは、マンデルスロは日本を訪れていないため、この製鉄法の記述は他の記録に基づいている可能性が高いと述べている。ワグナーは、日本の製鉄法はベッセマー法に似ていた可能性があると述べているが、別の説明ももっともらしいと注意を促している。[ 10 ]
19世紀初頭までに、パドル法は広く普及した。当時、製鉄工程の加熱温度はスラグ中の不純物を完全に除去するには低すぎたが、反射炉の登場により、鉄を直接火にかけずに加熱することが可能になり、燃料中の不純物からある程度鉄を守ることができた。こうして、燃料として木炭に代わって石炭が使われるようになった。
1850年代までに、ベッセマー法によって鉄の不純物から必要な熱を発生させることで、燃料を使わずに鋼鉄を生産することが可能になった。これによりコストは大幅に削減されたが、必要な特性を持つ原材料は必ずしも容易に入手できるとは限らなかった。 [ 12 ]
現代の製鋼は、一次、二次、三次という3つの工程から成ります。一次製鋼では、鉄を溶かして鋼にします。二次製鋼では、合金剤や溶解ガスなどの他の元素を添加または除去します。三次製鋼では、溶融金属をシート、ロール、またはその他の形状に鋳造します。各工程には複数の技術が利用可能です。[ 13 ]
塩基性酸素製鋼（BOS）は、高炉で鉄鉱石を製錬し て鋼鉄に変換した炭素を多く含む銑鉄を溶融する工程である。溶融した銑鉄に酸素を吹き込むと、炭素の一部が酸化されてCO₂になる。およびCO2．鉄を鋼に変える工程。耐火物（高温下で分解しにくい材料）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張りに使用され、熱、腐食性の溶融金属、スラグに耐える。化学組成は、ケイ素やリンなどの不純物を除去するために制御される。
BOSは1948年にロバート・デュラーによって開発され、空気を（より効率的な）純酸素に置き換えたベッセマー転炉の改良版である。これにより、プラントの設備投資コストと製錬時間が削減され、労働生産性が向上した。2013年には、世界の鉄鋼生産量の70%が転炉によるものであった。[ 14 ]転炉は、平炉での10～12時間に対し、40分未満で最大350トンの鉄を鋼に変換できる。[ 15 ]
電気アーク炉（EAS）は、スクラップまたは直接還元鉄から鋼を製造します。鉄の「ヒート」（バッチ）が炉に投入され、場合によっては「ホットヒール」（前のヒートで溶けた鋼）も一緒に投入されます。ガスバーナーが溶解を補助することがあります。BOSと同様に、フラックスが添加され、炉の内壁を保護し、不純物の除去を助けます。炉は通常100トンの容量で、40～50分ごとに鋼を生産します。[ 15 ]このプロセスでは、BOSよりも多くの合金を添加できます。[ 16 ]
ヒサルナ製鉄所では、鉄鉱石はほぼ直接溶銑または銑鉄に加工されます。このプロセスはサイクロン転炉式高炉を基本としており、BOS（溶銑）に必要な銑鉄ペレットの中間生産工程を省略することが可能です。この準備工程を省略することで、ヒサルナ製鉄所のエネルギー効率が向上し、CO2排出量も削減されます。2排出量を約 20% 削減。 [ 17 ]
直接還元鉄は、鉄鉱石と原子状水素の反応によって製造できます。再生可能な水素により、化石燃料を使用せずに製鉄が可能になります。直接還元は1,500 °F (820 °C)で行われます。鉄は電気アーク炉で炭素 (石炭由来) を注入されます。水素電解には、鋼 トンあたり約 2,600 kWhが必要です。水素製造は、従来の方法に比べてコストが 20 ～ 30% 増加すると推定されています。[ 18 ] [ 19 ] [ 20 ]
次の工程では、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、介在物化学組成の改質、脱硫、均質化が含まれます。取鍋操作は、炉蓋に電気アーク加熱を備えたガス攪拌式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、狭い許容範囲の高品位鋼が得られます。[ 13 ]
三次製鋼とは、溶融鋼を凝固させ、半製品または完成品に成形する製造工程の最終段階を指します。この段階は、一次および二次製鋼における化学精錬とは異なり、物理的な形状と表面特性に重点を置いています。
鋼材を圧延する前に、まず固化させる必要がある。
凝固した鋼は、最終的な寸法と機械的特性を得るために機械加工を受ける。
2021年現在製鉄業は世界のCO排出量の約11％を占めると推定されている。2排出量と温室効果ガス排出量。 [ 23 ] [ 24 ]鉄鋼 1 トンを製造すると、約 1.8 トンのCO が2. [ 25 ]これらの排出物の大部分は、石炭が鉄鉱石中の酸素と結合する炭素を提供する工業プロセスから発生している。 [ 26 ]
追加のCO2排出は、鉱石の採掘、精製、輸送、BOS、焼成、および熱風。CO を鉄鋼業界における排出削減策には、炭素ではなくグリーン水素を使用した鉄鉱石の還元と炭素回収・貯留が。 [ 27 ]
石炭採掘と鉄鉱石採掘はエネルギー集約型であり、周辺環境にダメージを与え、汚染、生物多様性の喪失、森林破壊、温室効果ガスの排出といった問題を引き起こす。
高炉は、周囲の酸素とコークスの存在下で鉄鉱石を1,700 ℃（3,090 °F）で溶融することにより、鉄から酸素と微量元素を除去し、微量の炭素を添加します。鉱石中の酸素は、 COの形でコークス中の炭素によって運び去られます。 2．反応：
鉄2 O3 (s) + 3 CO(g) → 2 Fe(s) + 3CO2（g）
この反応はCOが原因で起こる2 は酸化鉄に比べて低い（好ましい）エネルギー状態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、これは炭素含有量が高すぎるため（約 4%）、鋼鉄の前の中間体である。 [ 28 ]
銑鉄の炭素含有量を減らし、鋼の所望の炭素含有量を得るために、銑鉄を再溶解し、BOS（真空酸素供給装置）で酸素を吹き込む。この工程で、酸素は不要な炭素と結合し、COの形で運び去る。2.ガス、追加の排出源。この工程の後、銑鉄中の炭素含有量が鋼を得るのに十分なレベルまで低下する。
さらなるCO2つの排出物は、石灰石の使用によって発生する焼成と呼ばれる反応で高温で溶融される。
CaCO3 (s) → CaO(s) +CO2（g）
結果として生じるCO2は排出源の一つです。酸化カルシウム（CaO、生石灰）を代替品として使用できます。 [ 29 ]これは化学フラックスとして働き、スラグの形で不純物（硫黄やリン（例えばアパタイトやフルオロアパタイト） [ 30 ]など）を除去し、 CO22. 次のような反応による排出物：
SiO₂ + CaO → CaSiO₃
石灰石を融剤として用いるこの方法は、高炉（銑鉄を得るため）と製鋼所（鋼を得るため）の両方で行われている。
CO2排出物は、高炉の温度を上昇させる熱風から発生します。熱風は、高炉内に熱風を送り込みます。熱風の温度は、設計と条件によって900 ～ 1,300°C (1,650 ～ 2,370°F)タール、天然ガス、粉炭、酸素を注入してコークスと混合し、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向上させることができます。熱風の空気は通常、化石燃料を燃焼させて加熱されますが、これも排出源の一つです。 [ 31 ]
鉄鋼業界は人為的なCO2排出量の7～8％を占める。2排出量であり、最もエネルギー集約的な産業の 1 つです。 [ 32 ] [ 33 ]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という 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。
「グリーンスチール」とは、化石燃料を使わない製鉄を指す。[ 34 ]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、排出量を削減しているものの、完全に排除しているわけではないところもある。[ 35 ]
オーストラリアは世界の鉄鉱石の約40％を生産している。オーストラリア再生可能エネルギー庁は、排出量削減のため、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る。リオ・ティント、BHP、ブルースコープなどの企業は、グリーン鉄鋼プロジェクトを開発している。[ 36 ]
南オーストラリア州首相マリナウスカスの州繁栄プロジェクトの一環であるワイアラ水素プロジェクトは、グリーン鋼の生産を目指している。しかし、 GFGアライアンスの財政的および運営上の課題により、プロジェクトは保留されている。連邦政府と州政府は、製鉄所のこれらの問題に対処するために介入している。[ 37 ]
HYBRIT、 LKAB、Voestalpine、ThyssenKruppによる欧州プロジェクトは、排出量削減のための戦略を追求している。[ 38 ] HYBRITはグリーン鋼を生産していると主張している。[ 35 ]
高炉から出る頂ガスは通常、大気中に放出される。このガスにはCOが含まれている。2、H₂、およびCO。上部のガスは捕集でき、COは2が除去され、還元剤が高炉に再注入される。 [ 39 ] 2012年の研究では、このプロセスにより高炉のCOを2排出量は 75% 削減されるが[ 40 ] 、 2017 年の研究では、炭素回収と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も 26.2% 削減されることが示されている。 [ 41 ]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。
上部ガスを利用するもう一つの方法は、発電を行う上部回収タービンで利用することであり、これにより電気アーク製錬を使用する場合の外部エネルギー需要を削減できる。[ 38 ]コークス炉ガスから炭素を回収することもできる。2022年現在CO2をシステム内の他のガスや成分から分離すること、および必要な機器やインフラの変更の高コストが採用を妨げてきたが、排出削減の可能性は最大65%から80%と推定されている。[ 42 ] [ 38 ]
排出のない電力から生成された水素（グリーン水素）を使用した水素直接還元（HDR）は、酸化鉄と水素の反応の唯一の副産物が水であるため、排出のない製鉄を実現します。 [ 43 ] 2021年現在、ArcelorMittal、Voestalpine、およびTATAは、鉄の精錬にグリーン水素を使用することを約束しています。[ 44 ] 2024年には、スウェーデンのHYBRITプロジェクトがHDRを使用していました。[ 45 ]欧州連合では、HDRの水素需要には180 GW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。[ 46 ]
鉄鉱石の電気分解では、還元剤として電子が利用される。[ 38 ]溶融酸化物電気分解という方法もある。このセルは、不活性陽極、液体酸化物電解質（CaO、MgOなど）、溶融鉱石から構成される。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で半工業段階にあり、2026年までに商業化する予定である。 [ 47 ] [ 48 ]サイダーウィン研究プロジェクトには、アルセロールミタルが別のタイプの電気分解をテストしていた。[ 49 ]これは約110 ℃で動作する。[ 50 ]
鉄スクラップとは、耐用年数を終えた鋼材、または鋼製部品の製造過程で生じた余剰金属を指します。鋼材は磁性を持つため、分離やリサイクルが容易です。スクラップを利用することで、1.5トンのCO2排出量を削減できます。1トンあたり2。[ 51 ] 2023年現在鉄鋼はあらゆる材料の中で最も高いリサイクル率を誇り、世界の鉄鋼の約30%は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、アーク炉を使用するリサイクルプロセスでは電気を使用します。[ 32 ]
高炉では、酸化鉄はCO、H₂、炭素の組み合わせによって還元されます。酸化鉄のうちH₂によって還元されるのは約10%にすぎません。H₂濃度を高めると、 H₂によって還元される酸化鉄の割合が増加し、炭素の消費量が減り、COの排出量も減少します。2. [ 52 ]このプロセスにより、排出量を推定20%削減できる。
一つの推測的なアイデアは、SuSteel社が高運転温度で水素を用いて鉱石を還元する水素プラズマ技術を開発するプロジェクトである。[ 38 ]木炭や木質ペレットなどのバイオマスは、化石燃料を使用しないものの炭素を排出する、高炉の代替燃料として有望である。排出量は5%から28%削減される。[ 38 ]
ドイツのプラントメーカーであるSMSグループは、中国宝武鋼鉄集団の子会社である宝鋼徳勝ステンレス鋼有限公司が、年間41万7000トンの低炭素鋼生産能力を持つ福州工場に真空酸素脱炭（VOD）システムの設置を完了したと主張している。超微細鉄鉱石粉末は、特殊な高速ランスを使用して過熱炉に注入される。溶融鉄は炉の底部に集まり、高純度鉄の流れが生成される。[ 53 ]